化工仪表及其自动化复习资料

第一章1.什么是自动控制系统的方框图，它与控制流程图有什么区别？答：方块图是用来表示控制系统中各环节之间作用关系的一种图形，由于各个环节在图中都用一个方块表示，故称之为方块图。它是由方框、信号线、比较点、引出点组成的；工艺流程上的线条及箭头方向有时并不与流体流向相一致2.如图所示为一反应器温度控制系统示意图。A、B两种物料进入反应器进行反应，通过改变进入夹套的冷却水流量来控制反应器内的温度不变。试画出该温度控制系统的方块图，并指出该系统中的被控对象、被控变量、操纵变量及可能影响被控变量的干扰是什么？反应器温度控制系统该温度控制系统的方块图反应器温度控制系统方块图其中，被控对象：反应器；被控变量：反应器内的温度；操纵变量：冷却水流量。可能影响被控变量的干扰因素主要有A、B两种物料的温度、进料量，冷却水的压力、温度，环境温度的高低等。3.如图为某列管式蒸汽加热器控制流程图。试分别说明图中PI-307、TRC-303、FRC-305所代表的意义。PI-307表示就地安装的压力指示仪表，工段号为3，仪表序号为07；TRC-303表示集中仪表盘安装的，具有指示记录功能的温度控制仪表；工段号为3，仪表序号为03；FRC-305表示集中仪表盘安装的，具有指示记录功能的流量控制仪表；工段号为3，仪表序号为05。4.反映对象特性的参数有哪些？各有什么物理意义？它们对自动控制系统有什么影响？解：放大系数K、时间常数T和滞后时间放大系数K在数值上等于对象（重新）处于稳定状态时的输出变化量与（引起输出变化的）输入变化量之比，即对象的放大系数K越大，就表示对象的输入量有一定变化时，对输出量的影响越大，或被控变量对这个量的变化就越灵敏，所以，K实质上是对象的灵敏度。控制通道k适量大有利于控制，干扰通道k尽量小有利于控制。时间常数T是指当对象受到阶跃输入作用后，被控变量达到新的稳态值的63.2%所需时间；或当对象受到阶跃输入作用后，被控变量如果保持初始变化速度变化，达到新的稳态值的时间。时间常数越大，被控变量的变化也越慢，达到新的稳态值所需的时间也越大控制通道T尽量小控制作用快，控制及时；干扰通道T越大越好易于控制对象在受到输入作用后，被控变量却不能立即而迅速地变化的现象称为滞后现象；或输出变量的变化落后于输入变量的变化的现象称为滞后现象。滞后现象用滞后时间表示。对象的滞后时间，使对象的被控变量对输入的变化响应滞后，控制不及时。控制通道的越小越好吧，最好为0，干扰通道的对系统无影响。5.对象的纯滞后和容量滞后各是什么原因造成的？对控制过程有什么影响？.纯滞后一般是由于介质的输送或热的传递需要一段时间而引起的（输入变化后输出无变化）。控制通道若存在纯滞后，会使控制作用不及时，造成被控变量的最大偏差增加，控制质量下降，稳定性降低；干扰通道若存在纯滞后，相当于将干扰推迟一段时间才进入系统，并不影响控制系统的控制品质。容量滞后一般是由于物料或能量的传递需要通过一定阻力而引起的（输入变化后输出变化很小）。容量滞后增加，会使对象的时间常数T增加。在控制通道，T增大，会使控制作用对被控变量的影响来得慢，系统稳定性降低；T减小，会使控制作用对被控变量的影响来得快，系统控制质量提高。但T不能太大或太小，且各环节时间常数要适当匹配，否则都会影响控制质量。在干扰通道，如果容量滞后增加，干扰作用对被控变量的影响比较平稳，一般有利于控制。6.什么是自动控制系统的过渡过程？它有哪几种基本形式？答：系统由一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程，称为系统的过渡过程。非周期衰减过程、衰减振荡过程、等幅振荡过程、发散振荡过程。输入量的变化量输出量的变化量K7.为什么生产上经常要求控制系统的过渡过程具有衰减震荡形式？答：因为衰减震荡过程能够较快地使系统达到稳定状态，给操作员有效的提醒8.某化学反应器工艺规定操作温度为(90010)℃。考虑安全因素，控制过程中温度偏离给定值最大不得超过80℃。现设计的温度定值控制系统，在最大阶跃干扰作用下的过渡过程曲线如题1-19图所示。试求该系统的过渡过程品质指标：最大偏差、超调量、衰减比、余差、振荡周期和过渡时间（被控温度进入新稳态值的1%（即900（1%）=9℃）的时间），并回答该控制系统能否满足题中所给的工艺要求？题1-19图温度控制系统过渡过程曲线解最大偏差A=950900=50（℃）；超调量B=950908=42（℃）；由于B=918908=10（℃），所以，衰减比n=B:B=42:10=4.2；余差C=908900=8℃；振荡周期T=459=36(min)；过渡时间ts=47min。该系统最大偏差为50℃，小于允许偏差80℃；余差为908－900＝8℃，在工艺操作规定对温度的要求范围之内（±10℃）。因此，该系统能满足工艺要求。第二章4.某温度表的测量范围为0～1000℃，准确度等级为0.5级，试问此温度表的允许最大误差为多少？在校验点为500℃时，温度指示值为504℃，试问该温度表在这一点上的准确度是否符合一级，为什么？解：∆𝑚𝑎𝑥=(𝑥𝑚𝑎𝑥−𝑥𝑚𝑖𝑛)×(±0.5%)=1000×(±0.5%)=±5℃δ=∆𝑚𝑎𝑥𝑥𝑚𝑎𝑥−𝑥𝑚𝑖𝑛×100%=504−5001000−0×100%=0.4%0.5%该温度在这一点的准确度符合1级5现有一台测量范围为0～1.6MPa，精度为1.5级的普通弹簧管压力表，校验后，其结果为：上行程下行程被校表读数/MPa0.00.40.81.21.61.61.20.80.40.0标准表读数/MPa0.0000.3850.7901.2101.5951.5951.2150.8100.4050.000（1）求出该压力表的变差；（2）问该压力表是否符合1.5级准确度？答：先求出各校验测量点的绝对误差值：上行程下行程被校表读数/MPa0.00.40.81.21.61.61.20.80.40.0标准表读数/MPa0.0000.3860.7901.2101.5951.5951.2150.8100.4050.000绝对误差值/MPa0.0000.0140.010-0.0100.0050.005-0.015-0.010-0.0050.000（1）正反行程的绝对差值为0.020MPa该压力表的变差为：0.021.6−0×100%=1.25%1.5%该压力表的允许误差δ=∆𝑚𝑎𝑥𝑥𝑚𝑎𝑥−𝑥𝑚𝑖𝑛×100%=1.2−1.2151.0−0×100%=−0.93750.93751.5因此该压力表符合1.5级精度，合格。7.常用的热电偶有哪几种？所配用的补偿导线是什么？为什么要使用补偿导线？并说明使用补偿导线时要注意哪几点？解：（1）常用的热电偶有如下几种：（2）所配用的补偿导线如下：（3）用廉价的补偿导线代替热电偶使冷端远离热端不受其温度场变化的影响并与测量电路相连接。使用补偿导线时要注意：在一定的温度范围内，补偿导线与配对的热电偶具有相同或相近的热电特性；保持延伸电极与热电偶两个接点温度相等。8.热电偶为什么要进行冷端温度补偿？有哪些冷端温度补偿方法？原理是什么？答：①因为各种显示仪表和热电偶分度表都是在热电偶冷端温度为零的时候做出的。但实际中热电偶冷端温度不等于零，且经常波动，这必然造成输出减少，所以要进行热电偶的冷端温度补偿。热电偶温度计中常用的冷端温度补偿方法有冷端温度保持0度法、冷端温度修正法、校正仪表零点法、补偿电桥法、补偿热电偶法五种。9.用K热电偶测某设备的温度，测得的热电势为20mA，冷端（室温）为25℃，求设备的温度？如果改用E热电偶来测温，在相同的条件下，E热电偶测得的热电势为多少？解：（1）当热电势为20mV时，此时冷端温度为25℃，即E（t，t0）＝20mV查表可得：E（t0，0）＝E（25，0）＝1mV因为E（t，0）＝E（t，t0）＋E（t0，0）＝20＋1＝21mV由此电势，查表可得t＝509℃，即设备温度为509℃。（2）若改用E热电偶来测温时，此时冷端温度仍为25℃。查表可得：E（t0，0）＝E（25，0）＝1.50mV设备温度为509C，查表可得：E（t，0）＝E（509，0）＝37.7mV因为E（t，t0）＝E（t，0）－E（t0，0）＝37.7－1.5＝36.2mV即E热电偶测得的热电势为36.2mV。10.现用一支镍铬-铜镍热电偶测某换热器内的温度，其冷端温度为30℃，显示仪表的机械零位在0℃时，这时指示值为400℃，则认为换热器内的温度为430℃对不对？为什么？正确值为多少度？解认为换热器内的温度为430℃不对。设换热器内的温度为t，实测热电势为E(t，30)，根据显示仪表指示值为400℃，则有E(t，30)=E(400，0)，由中间温度定律并查镍铬-铜镍（E型）热电偶分度表，有E(t，0)=E(t，30)+E(30，0)=E(400，0)+E(30，0)=28943+1801=30744V反查镍铬-铜镍热电偶分度表，得换热器内的温度t=422.5℃19.原来测量水的差压式流量计，现在用来测量相同测量范围类的有的流量是，读书是否准确？为什么？答：读数不准确，需进行校正因为：流量系数与雷诺数Re有关，介质改变Re改变从而流量系数改变介质改变导致密度改变21.有一台用水刻度的转子流量计，转子由密度为7900kg/m3不锈钢制成，用它来测量密度为790kg/m3的液体介质，当以表读数为5m3/h时，被测介质的实际流量为多少？解：由题可知𝑄𝑓=√(𝜌𝑡−𝜌𝑓)×𝜌𝑤(𝜌𝑡−𝜌𝑤)×𝜌𝑓×𝑄𝑤=√(7900−790)×998.2(7900−998.2)×790×5≈5.7045𝑚3/h22.用转子流量计来测气压为0.65MPa、温度为40℃的CO2气体的流量时，若已知流量计读数为50L/s，求CO2的真实流量（已知CO2在标准状态时的密度为1.977kg／m3）。解由题知：p0=0.101325MPa，p1=0.65+0.101325=0.751325(MPa)；T0=293K，T1=273+40=313（K）；0=1.293kg/Nm3；1=1.977kg/Nm3，Q0=50L/s。则)/(10550313101325.0977.1293751325.0293.101010101sLQTpTpQ31.如果某反应器最大压力为0.5MPa，允许最大绝对误差为0.01MPa。现用一台测量范围为0～1.6MPa，精度为1级的压力表来进行测量，问能否符合工艺上的误差要求？若采用一台测量范围为0～1.0MPa，精度为1级的压力表来进行测量，问能符合误差要求吗？试说明其理由。答：根据压力计的选用原则：该反应器选用压力计的测量范围要求，最低工作压力不低于上限值的1/3：上限值选1.6Mpa，则1.6×1/3＝0.5333Mpa＞0.5Mpa；下限值按0Mpa计。该反应器允许最大绝对误差为0.01MPa，选用压力计的允许误差为：δ＝±Δmax/（x上－x下）×100％＝±0.01/（1.6－0）×100％＝±0.625％若选用一台测量范围为0～1.6MPa，精度为1级的压力表来进行测量，不符合工艺上要求。𝑝上=1.0×23=0.667𝑀𝑝𝑎0.5𝑀𝑃𝑎若采用一台测量范围为0～1.0MPa，精度为1级的压力表来进行测量，符合误差要求，但不符合测量范围要求。32.某输气管道内天然气工作压力为1.1～1.5MPa，工艺要求就地指示管道内压力，最大测量误差不得大于0.05MPa，试选择一合适的压力表，说明其类型、流量和准确度等级。解由题意得选择仪表的上限p=𝑝𝑚𝑎𝑥×32=1.5×32=2.25𝑀𝑃𝑎选择量程为0～2.5MPa准确度等级为1.5级由于1.12.513，故被测压力的最小值不低于满量程的1/3这是允许误差δ=0.052.5×100%=2%所以准确度等级为1.5级的仪表可以满足要求33.某合成氨厂合成