过程检测仪表与控制习题及参考答案

过程装备控制技术 习题及参考答案

第一章 控制系统的基本概念

1.什么叫生产过程自动化？生产过程自动化主要包含了哪些内容？ 答：利用自动化装置来管理生产过程的方法称为生产过程自动化。主要包含：①自动检测系统②信号联锁系统③自动操纵系统④自动控制系统。

2.自动控制系统主要由哪几个环节组成？自动控制系统常用的术语有哪些？

答：一个自动控制系统主要有两大部分组成：一部分是起控制作用的全套自动控制装置，包括测量仪表，变送器，控制仪表以及执行器等；另一部分是自动控制装置控制下的生产设备，即被控对象。 自动控制系统常用的术语有：

被控变量y——被控对象内要求保持设定数值的工艺参数，即需要控制的工艺参数，如锅炉汽包的水位，反应温度；

给定值（或设定值）ys——对应于生产过程中被控变量的期望值； 测量值ym——由检测原件得到的被控变量的实际值；

操纵变量（或控制变量）m——受控于调节阀，用以克服干扰影响，具体实现控制作用的变量称为操纵变量，是调节阀的输出信号；

干扰f——引起被控变量偏离给定值的，除操纵变量以外的各种因素；

偏差信号（e）——被控变量的实际值与给定值之差，即e=ym - ys 控制信号u——控制器将偏差按一定规律计算得到的量。 3.什么是自动控制系统的方框图？它与工艺流程图有什么不同？

答：自动控制系统的方框图上是由传递方块、信号线（带有箭头的线段）、综合点、分支点构成的表示控制系统组成和作用的图形。其中每一个分块代表系统中的一个组成部分，方块内填入表示其自身特性的数学表达式；方块间用带有箭头的线段表示相互间的关系及信号的流向。采用方块图可直观地显示出系统中各组成部分以及它们之间的相互影响和信号的联系，以便对系统特性进行分析和研究。而工艺流程图则是以形象的图形、符号、代号，表示出工艺过程选用的化工设备、管路、附件和仪表自控等的排列及连接，借以表达在一个化工生产中物料和能量的变化过程，即原料→成品全过程中物料和能量发生的变化及其流向。

4.在自动控制系统中，什么是干扰作用？什么是控制作用？两者有什么关系？

答：干扰作用是由干扰因素施加于被控对象并引起被控变量偏离给定值的作用；控制作用是由控制器或执行器作用于被控对象，通过改变操纵变量克服干扰作用，使被控变量保持在给定值，两者的相同之处在于都是施加于被控对象的作用，不同之处在于干扰作用是使被控变量偏离给定值，而控制作用是使被控变量接近给定值。 5.什么是闭环控制？什么是开环控制？定值控制系统为什么必须是一个闭环负反馈系统？

答：闭环控制是指控制器与被控对象之间既有顺向控制又有反向联系的自动控制，即操纵变量通过被控对象去影响被控变量，而被控变量又通过自动控制装置去影响操纵变量，从信号传递关系上看，构成了一个闭合回路。开环控制是指控制器与被控对象之间只有顺向控制而没有反向联系的自动控制系统。即操纵变量通过被控对象去影响被控变量，但被控变量并不通过自动控制装置去影响操纵变

量，从信号传递关系上看，未构成闭合回路。定值控制系统要求给定值恒定不变，控制系统的输出即被控变量应稳定在与给定值相对应的工艺指标上，或在工艺指标的上下一定范围内变化，因此需要闭环控制。另外负反馈其反馈信号的作用方向与设定信号相反，是系统稳定工作的基本条件，因此定值控制系统必须是一个闭环负反馈系统。

6.在图1-11的换热器出口温度控制系统中，工艺要求热物料出口温度保持为某一设定值。

①试画出该控制系统的方框图；

②方框图中各环节的输入信号和输出信号是什么？整个系统的输入信号和输出信号又是什么？

③系统在遇到干扰作用（如冷物料流量突然增大 ）时，该系统如何实现自动控制的？

蒸汽 TC TT 冷物料 热物料 答：如图所示为该控制系统的方框图。

干扰Ts 温度控制执行器 换热器 T 温度测量变送装置

该控制系统及各环节的输入、输出信号如图所示。整个系统的输入信号为：给定值ys，干扰作用f，输出为热物料出口温度T， 当冷物料流量增大 ，则出口温度y减小，TT检测后所得ym减小，偏差信号e=ym-ys<0，输入调节器后产生控制信号u，使执行器或调节阀加大阀门开度，使温度T升高，从而实现控制。

7.图1-12为贮糟液位控制系统，工艺要求液位保持为某一数值， （1）试画出该系统的方框图；

（2）指出系统中被控对象，被控变量，操纵变量，干扰作用各是什么？

qv1 LT LC qv2 （1）如图所示为该控制系统的方框图；

hs 液位控制器 执行器 f h 贮槽 液位测量变送装置 - （2）该系统中被控变量对象为贮槽；被控变量为贮槽液位；操纵变量为出水流量；干扰作用为：进水流量，大气温度等。

8.什么是自动控制系统的过度过程？在阶跃干扰作用下有哪几种基本形式？其中哪些能满足自动控制的要求，哪些不能，为什么？

???x A00.1 0.091 0.02 -0.01 -0.0101 0.004 0.0033 0.0033 0.002 0.02 0.0196 0.04 0.004 0.004 0.004 ?'?q??x x?x S仪表的精度等级 ?qmax?2% ，故该仪表的精度等级为2。 7.对某物理量经过20次测量，得到如下数据：

324.08 324.03 324.02 324.11 324.14 324.07 324.11 324.14 324.19 324.23 324.18 324.03 324.01 324.12 324.08 324.16 324.12 324.06 324.21 324.14 分别用3 ?准则和肖维耐准则判断有无粗差，并求该测量的计算平均值 x，标准差 ?和极限误差? ，写出测量结果表达式。

1n120解：n=20，平均值x =?xi??xi?324.11，

ni?120i?1

剩余误差：Vi?xi?x ，即： -0.03 -0.08 -0.09 0 0.03 -0.04 0 0.03 0.08 0.12 0.03 0.07 -0.08 -0.1 0.01 -0.03 0.05 0.01 -0.05 0.1 1n2标准差? =?Vi?0.064，标限误差?max?0.12 n?1i?1 （1）3?准则：3?=0.192，Vmax?0.12?3? 因此该组数中无坏值。 （2）肖维耐准则：依表3-1可知n=20时，k??0=2.24 ??k??0.14336，Vmax?0.12?k?，故该组数中无坏值。

极限误差?max?0.12，测量结果：x0?x?324.11

8.用一温度计测量某介质温度，40%的读数误差小于0.5 ，用线性插值法估计该温度升的标准差，并计算误差小于0.75 的概率。

2解：（1）??(z)?p{|?x|?z?}=2??z0e?z22dz?2?e??z?z22dz?1，

z?0.520.6985

z?0.530.7019 由此推得0.7时，z?0.5205

由已知条件知?(z)?0.4， 查概率积分表得：

????e?z22dz?0.7 时z=0.5205，

?z??0.5?0.5205??，得：??0.96?1

（2）z??0.75，得：z?0.781 查表得：z?0.78时，

??(z)=2?0.7823?1=0.5646

即误差小于0.75，概率为0.5646

9.现有精度等级为1.5A级，2.0B级和2.5C级的三块仪表，测量范围分别为0?100℃，?50?550℃和?100?500℃ ，现需测量500 ℃左右的温度，要求测量的相对误差不超过2.5%，选用哪块表合适？ 解：根据测量范围，选择B，C两块表，A表排除。 B表：q=2%=0.02=

?max S ??max?0.02?[550?(?50)]?12℃ ??max?12?0.024?2.4%?2.5% 500 故B表合适。 C表：q=2.5%=0.025=

?max S ??max?0.025?[500?(?100)]?15℃

??max?15?0.03?3%?2.5% 500 故C表不合适。

综上所述选用B表即2.0级，量程 的仪表。

10.检定一台测量范围为 的位移测量仪表，结果如下：

（1）试画出上下行程的输入输出特性曲线； （2）求该仪表的线性度（以上行曲线为例）； (3) 确定该表的回差（迟滞误差） 解：已知数据：

位移/mm 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0

上行程示值/mm： 0 0.34 0.69 1.06 1.41 1.77 2.04 2.45 2.81 3.20 3.67 4.07 4.37

下行程示值/mm： 0 0.40 0.77 1.14 1.52 1.90 2.27 2.65 3.02 3.38 3.72 4.06 4.37

54.543.532.521.510.500123456

（1）如图所示，上下行程曲线 （2）LH?（3）?h?

11．概述膨胀式温度计的工作原理与主要特点：

答：膨胀式温度计是利用物体热胀冷缩的性质来测温的。

?Lmax2.04?0.7199?3???0.01995?100%??2% Ymax6?Hmax2.27?2.04??3.8% Ymax6主要特点：玻璃液体：结构简单，使用方便，测量精度高，价格低廉；测量上限和精度受玻璃质量的限制，易碎，不能远传。双金属；结构紧凑，牢固，可靠；测量精度较低，量程和使用范围有限。

12热点偶有那些特点？用普通导线和补偿导线作热电偶的延长线，效果有何不同？试证明补偿导线的补偿作用。

答：热电偶的特点有：测量精度教高，性能稳定；结构简单，易于制造，产品互换性好；将温度信号转换成电信号，便于信号 远传和象现多点切换测；测量范围广，可达－200～2000℃，形式多样，适用于各种测量条件。选用补偿导线要求其在一定温度范围内与所连接的热电偶具有相同的热电

特性，型号相配，极性连接正确。补偿导线的作用证明： 如图所示：回路中电势为： E＝Eab（t，t1）＋Ecd（t1，t0）

由补偿导线的性质得：Ecd（t1,t0）=Eab(t1,t0) ∴E＝Eab（t，t1）＋Eab（t1，t0）＝Eab（t，t0）

补：用普通导线做热电偶得延长线要求引入两端得温度相同热电势不同，故一般接热电偶的冷端，因此冷端温度依然是现场温度。而用补偿导线却可以将冷端温度现场温度分开，利于测量。

13用两只分度号为K的热电偶测量A区与B区的温差，连接方法如图3－79所示。若

（1） tA?220C0 ， tB?20C0

（2）tA?200C0， tB?500C0

试分别求两种情况下的示值误差,并解释为何与实际温差不同. 解:查热电偶分度号表:

K型热电偶:20℃ 200℃ 220℃ 500 E: 0.798mv 8.137mv 8.937mv 20.640mv (1) ΔE=8.938-0.798=8.140mv

反查K热电偶分度号表: 201℃-----8.177mv 内析求得: Δt=200.075℃ (2) ΔE=20.640-8.137=12.503℃

反查K分度号表:307----12.498℃; 308----12.539℃ 内析求得: Δt=307.12℃

分析原因:低温度下热电势与温度线性关系较好,高温时误差较大。

14.用分度号为S的热电偶与动圈仪表构成的测温系统,冷端补偿器的平衡点温度在20℃ .图3-80中,t=1300℃,

t1=80℃ ,t2=25℃,t0=30℃；动圈仪表的机械零位为0℃,试求： (1)仪表的示值温度是多少;

(2)如何处理可使示值与实际温度相符; (3)把补偿导线改为铜线时,示值变为多少?

解:如图所示:

(1)查S型热电偶的分度号表: t/℃ 1300 30 25 E/mv 13.155 0.173 0.142 由E(t,t0)=E(t,0)-E(t0,0)

即 E(1300,30)＝E(1300,0)-E(30,0)

=13.155-0.173=12.982mv

查表,12.982mv时对应的温度为t=1286℃, 即仪表显示的温度为1286 ℃ 。

（2）由于补偿电桥是在20℃时平衡的，因此须将仪表的机械零位

t0?t1?80C0预先调到20 处，即可使示值与实际温度相符。

（3）若将补偿导线改为铜线，则 ,

则E(1300,80)=E(1300,0)-E(80,0)=13.155-0.502=12.653mv 查表12.653mv时对应的温度为t=1258.5℃, 即示值变为1258.5℃。

15.用分度号为Cu50的热电阻测得某介质的温度为84℃ ，但经检定，该电阻R0=50.4Ω,电阻温度系数α=4.28×10-3/℃.试求介质的实际温度。

解：∵在-50℃～150℃ 的范围内，铜电阻与温度是线性关系：

Rt?Rt0??1???t?to???

查得他t＝84℃时R＝67.97Ω 即：

16.用U型管压力计（封液为水银）测温度管道中水的压力。压力计在管道下面1.5M（至肘管端口）处，压力计同大气一侧肘管内水银

面距口80mm，两管水银面高度h=140mm，求水的表压力（Pa)

解：如图所示：1－1截面压力相等，即：

P水??水g(h1?h2?h3)= Pa??水银gh3

?367.97?50.4??1?4.28?10?t?0????

t?81.5C0∴表压

P表?P水?Pa??水银gh3??水g?h1?h2?h3??13.6?103?9.8?0.14?1?103?9.8??1.5?0.08?0.14? ?1803.2Pa

17．四个应变片R1，R2（在上面），R3,R4（在下面）如图3－81所示贴于梯形片簧，片簧以悬臂形式固定。

（1）画出应变片接成直流气桥形式的电路图； （2）当片簧受力P的作用时，贴片处产生350με的应变，供桥电

R压10V，R1?R2?R3?R4?，应变片灵敏系数为2，求电桥输出。

参考：化工测量及仪表 范玉文主编P31 图3－81

输出电压：

u0?R1R2?R1?R2?R4?R3(???)u

(R1?R2)2R1R2R4R3?R1?R2?R3?R4?R

R2?R1??R2??R4??R3u0?()u

4R2Ru?R??R2??R4??R3?(1) 4R

18.液体式压力计有哪些主要类型？试分析其误差

答：液柱式压力计主要有：U型管压力计，单管压力计和微压力计。

以U型管压力计：误差产生主要有以下几方面：a 读数误差，消除视察。b温度变化产生液体ρ变化，产生测量误差，故须修正。 c 安装误差：当U型管安装不直时会产生安装误差。 d 毛细现象，修正

19．试述弹簧管压力计弹簧管结构特点与测压原理。

答：弹簧管压力计由弹簧管压力感应元件和放大指示机构两部分组成，前者是弯成圆弧状的空心管子，一端固定（作为压力输入端）；另一端自由，作为位移输出端，接放大指示机构。其它是由拉杆，齿轮及指针组成。

测压原理：在弹性范围内，弹簧管自由端的位移与被测压力之间近似线性关系，即通过测量自由端的位移，可直接测得相应的被测压力大小。

20．已知被测压力在范围0.7~1MPa内波动，要求测量的绝对误差不得超过0.02MPa，试选定弹簧管压力的量程和精度等级。可供选用的压力计量程系列为：0～0.6MPa; 0~2.5MPa. 1

3s?Mmin2s31s?0.732s?13s?2.1MPas?1.5MPaMmax?故选用0～1.6MPa

?max?精度等级：

0.02?100%?1.251.6故选用精度等级为1级的量程为0~1.6MPa的仪表。

21．转子流量计显示流量的形式有几种，是如何分度的。

答：转子流量计显示流量的形式有3种，一种是玻璃转子流量计，其锥型管是电玻璃制成，并在管壁标有流量刻度，直接根据转子的高度进行读数；另一类为电运转转子流量计，即将转子的位移信号转变为电信号；另一种为气动运转式转子流量，将转子的位移信号变为压力信号，进行远距离传送。

22．标准节流装置有哪几部分组成，对各部分有哪些要求？ 答：标准节流装置有：节流元件，取压装置和前、后管道三部分组成。标准节流装置的设计、加工、安装和使用都有规定的技术要求，规定和数据，可参见GB/T 2624

23．试比较节流装置与转子流量计在工作原理与使用特点上的异同点。 答： 工作原理 使用特点 使用已标准化、系列化，使用范围：管径为50～1000mm，测量范围1.5~100000m3/h，但使用产生的压力损失大，精度±1～2% 转子基于力平衡原理，利用锥形管内的转流量子把流体的流速转换成转子的位移，计 进而获得被测流量的大小。 使用已系列化，测量时若介质变化，应修正，可测小流量，结节流利用节流元件前后的差压与流速之间装置 的关系，获得被测流量的大小 相同点：都是测流速然后得流量。 构简单，维修方便，压力损失小。缺点：机械传逆信号，仪表性能和准确度难以提高，转子易卡死，测量管径范围4~150mm,测量范围：0.001~3000m3/h, 精度±1~2.5% 24．从涡轮流量计得基本原理分析其结构特点，输出信号方法和使用要求。

答：涡轮流量计得基本原理：流体对置于管内涡轮得作用力，使涡轮转动，其转动速度在一定流速范围内与管内流体得流速成正比。其结构主要由：涡轮、导流器、磁电转换装置，外壳以及信号放大电路等部分组成。

输出信号方法：将叶轮转动时得转速转换成脉动电信号输出，经进一步放大整形后获得分拨信号，对其进行脉冲计数和单位换算可得到积累流量；通过频率——电流转换单元可得到瞬时流量。使用要求：①仅适用洁净得被测介质，通常在涡轮前要安装过滤装置；②流量计前后需由一定的直管段长度，③流量计的转换系数?一般在常温下用水标定的，当介质的密度和粘度发生变化时需重新标定或进行补偿。

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