化工仪表及自动化复习题(期中)

1化工仪表及自动化复习题（1）第一章自动控制系统的基本概念1．基本要求：（1）掌握自动控制系统的组成，了解各组成部分的作用以及相互影响和联系。（2）理解自动控制系统中常用的几个术语，掌握方块图的意义及画法。（3）掌握闭环控制系统在阶跃干扰作用下，过渡过程的几种基本形式及过渡过程品质指标的含义。2．复习题：1．何谓化工自动化？所谓自动化是在工艺设备上，配备一些自动化装置，用它们来代替操作人员的（部分）直接劳动，使生产在不同程度上按照规定的要求自动地进行，也即：用用自自动动化化装装置置来来管管理理设设备备（（生生产产过过程程）），，使使之之的的正正常常运运行行。。2．自动控制系统主要由哪些环节组成？各部分的作用是什么？自动控制系统主要由被控对象、测量元件及变送器、执行器、控制器组成。其作用：测量元件及变送器用来感受被控变量的变化并将它转换成一种特定信号；控制器将测量元件及变送器送来的测量信号与给定值相比较得出偏差，根据其大小按某种规律进行运算后，将运算结果用特定信号发送给执行器；执行器能自动地根据控制器送来的信号相应地改变流入（或流出）被控对象的物料或能量，克服干扰的影响。3．简述过渡过程的几种基本形式及过渡过程品质指标的含义过渡过程的基本形式有：衰减振荡过程、非振荡衰减过程、等幅振荡过程、发散振荡过程。最大偏差A：指过渡过程中被控变量偏离给定值的最大数值；衰减比：是指过渡过程曲线上同方向第一个波的峰值与第二个波的峰值之比；余差：过渡过程终了时，被控变量所达到的新的稳态值与给定值的差值；过渡时间：控制系统受干扰作用后，被控变量从原稳定状态回复到新的平衡状态所经历的最短时间。4．什么叫负反馈？将系统的输入信号直接或经过一些环节后又返回输入端并且使原信号减弱的作法叫负反馈。5．如图为一反应器温度控制系统示意图，试画出该温度控制系统的方块图，并指出该系统中的被控变量、操纵变量、及可能引起的干扰各是什么？TTTC载热体附图：反应釜温度控制系统2解：被控变量：釜温；操纵变量：载热体的流量；可能引起的干扰各是加料的流量、温度及载热体的温度等。方块图为：干扰给定值6．某发酵过程工艺规定操作温度为40±2ºC。考虑到发酵效果，控制过程中温度偏离给定值最大不能超过6ºC。现设计一定值控制系统，在阶跃干扰作用下的过渡过程曲线如下图所示。试确定最大偏差、衰减比、余差及过渡时间，并回答该系统能否满足工艺要求？解：由反应曲线可知；最大偏差A=45-40=5ºC；余差C=41-40=1ºC；衰减比1:441424145BBn；过渡时间由题要求，被控变量进入新稳态值的±2%就可认为过渡过程已结束，那么限制范围应是82.0%241ºC；由图可看出，过渡时间min23sT。TC控制阀反应釜TTT3第二章被控对象的特性1．基本要求：（1）了解用机理建模的方法建立简单对象的数学模型。（2）掌握表征对象特性的三个参数K、T、τ的物理意义及其对控制过程的影响。2．复习题：1．什么是对象的特性？什么是对象的数学模型？被控对象的特性是指当被控对象的输入量发生变化时，对象的输出量是如何变化、变化快慢程度及最终变化的数值等。定量地表达对象输入输出关系的数学表达式，称为对象的数学模型。2．简述对象特性参数的物理意义及其对控制过程的影响。放大倍数K：放大倍数K在数值上等于对象处于稳定状态时输出的变化量与出入的变化量之比，由于放大倍数K反映的是对象处于稳定状态下的输出和输入之间的关系，所以放大倍数是描述对象静态特性的参数。放大倍数K大，控制作用强，但K过大会使系统的稳定性下降。时间常数T：时间常数T是指当对象受阶跃输入作用后，被控变量如果保持初始速度变化，达到新的稳态值所需的时间。时间常数T等于对象的容量系数与阻力系数的乘积，即：RCT。时间常数T是反映被控变量变化快慢的参数，因此它是对象的一个重要的动态参数。时间常数T大被控变量的变化比较缓慢，但过渡时间变长；若时间常数T小则被控变量的变化速度快，不易控制，所以T应适中考虑。滞后时间τ：对象的输出落后于输入变化的时间为滞后时间τ，它是纯滞后时间0与容量滞后时间h的总和。纯滞后一般由于介质的输送或能量的传递需一定时间引起；容量滞4后则由于介质的输送或能量的传递需克服一定的阻力所致。滞后时间τ的存在，使得控制作用总落后于被控变量的变化，造成被控变量的最大偏差增大，使控制质量下降。因此应尽量减小滞后时间τ。3．为了测定某物料干燥筒的对象特性，在某一瞬间突然将蒸汽量从25m3/h增加到28m3/h，物料出口温度记录仪得到的响应曲线如图所示。试写出描述物料干燥筒特性的微分方程（温度变化作为输出变量，加热蒸汽的量作为输入变量；温度测量仪表的测量范围0~200ºC；流量测量仪表的测量范围0~40m3/h）。解：由阶跃反应曲线可知：放大倍数240/)2528(200/)120150(K时间常数T=4min滞后时间τ=2min所以，物料干燥筒特性的微分方程为：)(2)2()2(ttTdttdT式中：T—物料干燥筒温度变化量；θ—加热蒸汽流量变化量。第三章化工变量的测量及仪表1．基本要求：（1）熟悉检测仪表的主要性能指标。（2）初步掌握各种压力检测仪表的基本原理及压力表的选用方法。（3）了解各种流量计的测量原理，重点掌握差压式流量计及转子流量计。（4）了解各种液位的测量方法，初步掌握液位测量中零点迁移的意义及计算方法。（5）掌握热电偶温度计及热电阻温度计的测温原理，熟悉热电偶温度计中冷端温度补偿方法。（6）了解动圈式显示仪表的基本结构及原理，掌握平衡式显示仪表的工作原理，电位差计5各电阻的作用。2．复习题：1．检测仪表的主要性能指标有哪些？测量误差（绝对误差、相对误差、允许误差）、精确度、灵敏度、指示变差等。2．试述弹簧管压力表的基本工作原理。弹簧管压力表是利用弹簧管在正压或负压的作用下，自由端产生位移，带动传动机构指针偏转，从而指示出压力值的。3．什么是节流现象？标准节流装置有哪几种？应用最广泛的是哪种？流体在有节流装置的管道中流动时，在节流装置前后的管壁处，流体的静压力产生差异的现象称为节流现象。标准节流装置有三种：标准孔板、标准喷嘴、标准文丘里管。应用最广泛的是标准孔板。4．什么是液位测量时的零点迁移问题？怎样进行迁移？其实质是什么？当被测液位为零时，将差压变送器输出零点所对应的输入差压由零迁移到某一不为零的数值，称为液位测量时的零点迁移。测量始点由零变为某一正值叫正迁移，若变为某一负值则叫负迁移；可调节仪表上的迁移弹簧，以抵消固定压差的作用，此为零点迁移方法。零点迁移的实质是将测量范围平移，不改变量程的大小。5．何谓热电现象？两种不同材料的金属导线两端互相连接起来，当它们的两端温度不同时会产生热电势。6．用热电偶测温时，为什么要进行冷端温度补偿？其冷端温度补偿方法有几种？采用补偿导线后，把热电偶的冷端从较高和较不稳定的地方，延伸到温度较低和较稳定的操作室内，但冷端温度还不是0℃。而工业上常用的各种热电偶的温度-热电势关系曲线是在冷端温度保持为0℃的情况下得到的，与它配套使用的仪表也是根据这一关系曲线进行刻度的，由于操作室的温度往往高于0℃，而且是不恒定的，这时，热电偶所产生的热电势必然偏小，且测量值也随冷端温度变化而变化，这样测量结果就会产生误差。因此，在应用热电偶测温时，又有将冷端温度保持0℃，或者进行一定的修正才能得到准确的测量结果。这样做，就称为热电偶的冷端温度补偿。冷端温度补偿的方法有：（1）冷端温度保持为0℃的方法；（2）冷端温度修正法；（3）校正仪表零点法；（4）补偿电桥法；（5）补偿热电偶法。7．为什么说单杠杆气动压力变送器的量程范围比双杠杆气动压力变送器的量程范围小？气动压力变送器与电动压力变送器有又何不同？由单杠杆气动压力变送器的放大倍数22111lAlAK及双杠杆气动压力变送器的放大倍数4223112llAllAK可知，单杠杆气动压力变送器只能整2l，而双杠杆气动压力变送器可调整3l、4l，故单杠杆气动压力变送器的量程范围比双杠杆气动压力变送器的量程范围小。气动压力变送器与电动压力变送器主要区别在于信号转换装置的不同：气动压力变送器为喷嘴-挡板机构+气动功率放大器，电动压力变送器为位移检测片-平面检测线圈+电子高频振荡放大器。8．动圈仪表的作用原理是什么？动圈仪表测量机构就是一个磁电式毫伏计。用张丝把动圈吊置于永久磁铁的空间磁场中，测量电路所产生的豪伏信号使动圈中流过一个相应的电流，载流先圈将受磁场力的作用6而旋转，支承动圈的张丝由于扭转而产生一个反力矩。当两个力矩平衡时，动圈就停留在某一位置上。由于动圈的位置与输入豪伏信号相对应，装在动圈上的指针即可在刻度标尺上指出豪伏或温度的数值。9．电子平衡电桥与电子电位差计测量桥路有什么区别？（1）所配用的测温元件不同：电子平衡电桥—热电阻，电子电位差计—热电偶；（2）两者的作用原理不同：电子平衡电桥—平衡电桥（输出=0），电子电位差计—不平衡电桥（输出≠0）；（3）测温元件的联结方式不同：电子平衡电桥—三线制接法，电子电位差计—两线制接法；（4）测量的电量形式不同：电子平衡电桥—电阻，电子电位差计—热电势；（5）电子电位差计要考虑温度补偿问题，而电子平衡电桥可不考虑。10．某气氨贮罐，其正常工作压力范围为本14MPa，并要求测量误差小于±0.4MPa，试选择一个合适的就地指示压力表（类型、量程、精度等级等），并说明理由。解：（1）选量程因被测压力为高压、稳定压力，故所选压力表的上限值应为：aMPPP24)4.014(3535max上限，查得Y-100型弹簧管压力表的量程0~25MPa较合适，又由于544.0254.014minNP1/3这是允许的；（2）选精度%6.1%100254.0允，精度等级选1.5级可满足要求。所以：选择的压力表为Y-100型弹簧管压力表，量程0~25MPa，精度1.5级。11．某T型管路中，两支管分别装有孔板流量计和转子流量计（转子密度为7500kg/m³），当密度为900kg/m³流体以最大流量50L/min从主管中流入时，测得孔板流量计的流量值为18L/min。问：（1）此时转子流量计的读数是多少？（2）若改用密度为2625kg/m³的同尺寸转子则其量程变为多少？（20℃水的密度为1000kg/m³）解：（1）已知：min/321850LQ实，333/1000,/900,/7500mkgmkgmkgwft94.01000)9007500(900)10007500()()(wftfwtQK转子流量计的读数min/303294.0LQKQQ实刻（2）30/2625min,/2.28mkgLQtmin/1530100075001000262500LQQwtwt。其量程变为0~15L/min。12．用单法兰电动差压变速送器来测量敞口罐中硫酸的密度，利用已溢液来保持罐内液位H恒为1m。已知差压变送器的输出信号为0~10mA，硫酸的最小和最大密度分别为1.32g/cm3和1.82g/cm3。试问：（1）差压变送器的测量范围；（2）若要提高仪表的灵敏度，怎么办？（3）如不加迁移装置，可在负压侧加装水恒压器，以抵消正压室附加压力的影响，请计算7水恒压器所需的高度h。解：当不考虑迁移量时，变送器的测量范围应根据液位的最大变化量来计算，当ρ=ρmax时：maxmax118209.8117.85aPHgKP如果选择变送器的测量范围为0~20KPa。则当ρ=ρmax时对应的变送器输出为：max17.85108.92520ImA当ρ=ρmin时：minmin113209.8112.95aPHgKP此时变送器的输出为：min12.95106.47520ImA由以上分析可知，当硫酸密度由最小值变到最大值时，差压变送器的输出由6.475mA变到8.925m