期末复习题答案——《化工仪表及自动化》

一．填空

1．表压，大气压力与绝对压力之差 2．无迁移，负迁移，正迁移 3．节流装置，差压计，显示仪表 4．热电偶，热电阻 5．衰减比，余差，过渡时间 6．放大系数，时间常数，滞后时间 7．积分作用，微分作用

8．单纯的前馈控制，前馈-反馈控制 9．最大偏差、衰减比、余差、过渡时间 10．弱，强

11．传递滞后，容量滞后

12．测量范围上限值，测量范围下限值 13．气动仪表，电动仪表 14．积分，微分

15．弹性式压力计、液柱式压力计、活塞式压力计、电气式压力计 16．泵，风机或压缩机 17．20~100KPa，4~20mA DC

18．自动检测系统，自动信号和联锁保护系统，自动控制系统 19．开关型选择性控制系统，连续型选择性控制系统，积分饱和 20．换热器、加热炉、锅炉、再沸器、冷凝器、加热器中任选三种 21．简单均匀控制、串级均匀控制

22．电磁感应，漩涡流量计（涡街流量计），平方根 23．大，小 24．表压、负压 25．30℃，5℃，5: 1 26．66982μV

27．塔顶冷回流流量，塔底再沸器加热蒸汽流量 28．临界比例度法，衰减曲线法 29．5.2mA，5.7mA 30．双闭环比值控制系统

31．控制泵的转速，控制泵的出口旁路阀门开度 32．小于，可变极限流量法

二．简答

1．答：

QDZ型气动单元组合仪表的信号范围为20~100KPa气压信号；（2分） DDZ-II电动单元组合仪表的信号范围为0~10mA DC电流信号；（2分） DDZ-III电动单元组合仪表的信号范围为4~20mA DC电流信号。（2分） 2．答：

容积式流量计：椭圆齿轮流量计；（2分）

速度式流量计：差压式流量计；转子流量计；涡轮流量计；电磁流量计；漩涡流量计；（任取三种，每种2分）

质量流量计：科氏力流量计（或微动流量计）；（2分） 3．答：

化工自动化的主要内容有 (1) 自动检测系统；（2分）

(2) 自动信号和联锁保护系统；（2分） (3) 自动操纵及自动开停车系统；（2分） (4) 自动控制系统。（2分） 4．答：

主控制器：按主变量的测量值和给定值而工作，其输出作为副变量给定值的那个控制器。（2分） 副控制器：其给定值来自主控制器的输出，并按副变量的测量值与给定值的偏差而工作的那个控制器。（2分）

串级控制系统的方框图（6分）

扰动2 给定值 + － + 主控制器 － 副测量变送环节 执行器 扰动1 副变量 副控制器 副对象 主对象 主变量 主测量变送环节 5．答：

离心泵的流量控制方案有

(1) 控制泵的出口阀门开度；（2分）

(2) 控制泵的转速；（2分） (3) 控制泵的出口旁路；（2分）

6. 反馈：控制系统方块中的任何一个信号，只要沿着箭头方向前进，通过若干个环节后，最终又会回到原来的起点

负反馈：反馈信号的作用方向与设定信号相反，即偏差为两者之差。

7．工业上常用热电偶的温度-热电势关系曲线是在冷端温度保持为0℃情况下得到，而当采用补偿导线将热电偶的冷端从工业现场延伸到操作室内时，热电偶的冷端温度高于0℃，而且不恒定，这样热电偶产生的热电势必然偏小，且随冷端温度变化而变化，测量结果就会产生误差。因此，在应用热电偶测温时，必须进行热电偶的冷端温度补偿。

常用的冷端温度补偿方法有以下几种：(1) 冷端温度保持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。

8．按照已定的控制方案，确定使控制质量最好的控制器参数值。 经验凑试法、临界比例度法、衰减曲线法

9．控制阀的流量特性是指被控介质流过阀门的相对流量与阀门的相对开度（或相对位移）之间的关系，即

Qlf() QmaxL在不考虑控制阀前后压差变化时得到的流量特性称为理想流量特性。

控制阀的理想流量特性主要有直线流量特性、等百分比流量特性、抛物线流量特性和快开特性。 10、前馈控制的特点

（1）基于不变性原理，比反馈控制及时、有效 （2）前馈是开环控制

（3）前馈控制规律随对象特性的不同而不同 （4）一种前馈只能克服一种干扰

为什么采用前馈＋反馈的复合控制系统可以大大提高控制系统的品质

（1）从前馈控制角度，由于反馈，减轻了对前馈控制模型的精度要求，并可对未做前馈补偿的干扰进行校正

（2）从反馈角度，前馈控制事先起了一个粗调的作用，大大减少了反馈的负担

11．温差控制：灵敏板温度与塔顶（或塔底）附近某块塔板的温度之差作为被控变量来间接控制塔的产品的成分。

双温差控制：分别在精馏段及提馏段上选取温差信号，然后将两个温差信号相减，作为控制器的测量信号（控制系统的被控变量） 12．答：

比例控制规律(P)是指控制器的输出信号变化量p与输入偏差信号e之间成比例关系，即

pKpe

比例控制的特点是反应快、控制及时 ，但控制结果存在余差 。

积分控制规律(I)是指控制器的输出信号变化量p与输入偏差信号e的积分成正比，即

p1edt TI积分控制的特点是控制缓慢（1分），但能消除余差 。

微分控制规律(D)是指控制器的输出信号变化量p与输入偏差信号e的变化速度成正比，即

pTDde dt微分控制的特点是有一定的超前控制作用 ，但不能单独使用 。 13． (1) 操纵变量应是可控的，即工艺上允许调节

(2) 操纵变量应比干扰对被控变量的影响更加灵敏，控制通道放大系数适当大，时间常数适当小

纯滞后时间尽量小，干扰通道放大系数尽量小，时间常数尽量大

(3) 考虑工艺合理性与经济性。

14．放大系数：对象处于稳定状态时输出变化量与输入变化量的比值。

时间常数：对象受到阶跃输入后，被控变量达到新的稳态值的63.2%所需时间。 15．常用的热电偶有如下几种：铂铑30－铂铑6，铂铑10—铂，镍铬—镍硅，镍铬—康铜 补偿导线：为了保持冷端温度的恒定，采用一种专用导线将热电偶的冷端延伸出来，称为补偿导线 16．答：

控制器一般都具有自动与手动两种功能。在进行自动与手动两种功能切换时，在切换的瞬间，应当保持控制器的输出不变，这样使执行器的位置在切换过程中不致于突变，不会对生产过程引起附加的扰动，这称为无扰动切换。（2分） 17．答：

单回路控制系统是由一个被控对象、一个检测元件及传感器（或变送器）、一个控制器和一个执行器所构成的单闭环控制系统。（4分，缺一点减1分）

简单控制系统的典型方块图为

（2分）

三．计算

1．解：

该仪表的相对百分误差为

4100%0.8%（3分）

700200该仪表的误差超过了0.5级仪表所允许的最大误差，这台测温仪表的精度等级为1.0级。（2分） 2．解：

当液面高度为H时，

正压室，p1p0ρ1gHρ2gh1（2分） 负压室，p2p02gh2（2分）

pp1p21gH2g(h1h2)（2分）

当H=0时，p2g(h2h1)0（2分）

所以，需要进行零点迁移，应进行负迁移，迁移量为2g(h2h1)（2分） 3．解：

P作用响应曲线（3分） PI作用响应曲线（5分）

2KpKp0t(s)Kp0TIt(s)

标注Kp（2分） 标注Kp（2分）标注2Kp（1分） 标注TI（2分）

4、由曲线可知：最终稳态值位41℃，设定值40℃； 最大偏差＝45－40＝5℃ 余差＝41－40＝1℃ 第一波峰值 B=45-41=4℃ 第二波峰值B’＝42－41＝1℃ 衰减比＝B/B’=4:1 过渡时间 23min

振荡周期 ＝18－5＝13min

5、当不考虑迁移量是，变送器的测量范围根据液位的最大变化范围来计算

Δpmax＝Hρg＝3*900*9.81＝287Pa＝26.487kPa

所以测量范围可选为０-３０ｋＰａ

如图所示，当液位高度为H时，差压变送器正、负压室所受压力p1, p2分别为 p1=p0+ Hρg-h1ρ0g p2=p0+(h2-h1)ρ0g

因此，差压变送器所受的压差为： Δp＝p1－p2＝Hρg－h2ρ0g

由上式可知，当H=0时，Δp＝－h2ρ0g<0，为负迁移，其迁移量为h2ρ0g

迁移量只和h2有关，所以当差压变送器的安装高度h1改变时，只要两个取压法兰之间的尺寸h2不变，其迁移量是不变的. 6．解：不对；

因为此时冷端温度为30℃，而仪表的指示值是在仪表的机械零位在0℃时的值，所以，此时仪表指示值不是换热器的实际温度。

,0)28.943 mV 正确值的计算：E(t,30)E(400E(t,0)E(t,30)E(30,0)28.9431.80130.744mV，所以实际温度是422℃

7、解：

(1) 该压力表正反行程的绝对误差为 正行程绝对误差/ MPa 反行程绝对误差/ MPa 所以，正行程最大绝对误差为-0.06MPa，反行程最大绝对误差为0.06MPa，

(2) 正行程相对百分误差为

0 0 -0.02 0.02 -0.04 0.03 -0.06 0.06 -0.03 0.03 -0.01 0.01 0.06100%0.6%

100反行程相对百分误差为

0.06100%0.6% 100所以，根据正反行程的最大绝对误差值，该压力表的精度等级为1.0级 。

(3) 该压力表的变差为

0.06(0.06)100%1.2%

100(4) 仪表的变差不能超过仪表的允许误差，根据(2)确定的压力表的精度等级为1.0级，允许误差为1%，1.2%1%，所以，该压力表不符合(2)中确定的精度等级。 8．（1）根据 K%max得，max量程K%(1200600)0.5%3℃ 量程 （2）由于某一点最大绝对误差>3℃，所以不合格。 9．解：

当液面高度为H时，

正压室，p1p0gHgh1（1分） 负压室，p2p0gh2（1分）

pp1p2g(Hh1h2)（2分）

当H=0时，pg(h2h1)10009.8(53)19600Pa0（2分） 所以，需要进行零点迁移，应进行负迁移（1分），迁移量为19.6KPa（1分） 10．解：

平稳压力，所以选择仪表的上限值为pmax所以选择仪表量程为0~25 MPa（1分）

331421MPa（2分） 22111，被测压力最小值不低于满量程的1/3，允许（1分） 253根据测量误差的要求，可算得允许误差为

0.4100%1.6%（2分） 25应选择精度等级为1.5级的仪表。（1分）

因此，选择的压力表为电接点弹簧管压力表（2分），量程0~25MPa，精度1.5级。 11．解：

平稳压力，所以选择仪表的上限值为pmax所以选择仪表量程为0~2.5 MPa（2分）

331.62.4MPa（2分） 221.01，被测压力最小值不低于满量程的1/3，允许（1分） 2.53根据测量误差的要求，可算得允许误差为

0.05100%2%（2分） 2.5应选择精度等级为1.5级的仪表。（2分）

因此，选择的压力表为弹簧管压力表（1分），量程0~2.5MPa，精度1.5级。 12．解：

(1) 各点绝对误差为 标准表读数/℃ 0 200 400 600 700 800 900 1000 绝对误差/℃ 0 1 2 4 6 5 3 1 所以，最大绝对误差为6℃。（2分） (2) 仪表相对百分误差为

6100%0.6%（2分） 1000所以，该测温仪表的精度等级为1.0级（2分）。

(3) 根据工艺要求，仪表的允许误差为

8100%0.8%（2分） 1000所以，应选择0.5级仪表才能满足工艺要求，所以该测温仪表不符合要求（2分）。 13．解：

当液面高度为H时，

正压室，p1p0gHgh1（2分） 负压室，p2p0gh2（2分）

pp1p2g(Hh1h2)（2分）

当H=0时，pg(h2h1)0（2分）

所以，需要进行零点迁移，应进行负迁移，迁移量为g(h2h1)（2分）

四．分析

1、答：

(1) 简单控制系统的方块图（6分）

进口流量 给定值 + － 偏差 控制信号 出口流量 液位 液位控制器 控制阀 贮槽对象 液位测量值 液位检测变送环节

(2) 被控对象：液体贮槽（1分）

被控变量：贮槽液位（1分） 操纵变量：贮槽出口流量（1分） 主要扰动变量：贮槽进口流量（1分）

2、乙炔发生器温度控制系统的方块图如下图所示。

扰动 给定值 + － 偏差 温度 温度控制器 控制阀 乙炔发生器 测量变送

被控对象：乙炔发生器； 被控变量：乙炔发生器内温度 操纵变量：冷水流量

扰动变量：冷水温度、压力；电石进料量、成分等。

3、（1）方框图如下：

扰动1 + － + － 流量测量变送环节 液位测量变送环节 扰动2 液位控制器 流量控制器 控制阀 流量对象 液位对象 受控变量 （2）该系统和一般串级控制系统的结构上相同。不同之处在于控制目的上，一般串级系统是为了保证主变量的控制效果，而对副变量的控制品质没有过高的要求，而串级均匀控制对主副变量的控制都有要求，其目的是保证这两个变量的统筹兼顾、相互协调。即应使这两个变量都是变化的，并且变化都是比较缓慢并且在允许的范围之内。这样的要求体现在参数整定上串级均匀控制的整定原则与一般串级控制的整定原则是不一样的。

4．答：

（1）这是串级控制系统 。

（2）主变量是反应釜内温度 ，副变量是夹套内温度 。（5分）

（3）为了保证在气源中断时保证冷却水继续供应，以防止釜温过高，所以控制阀应选择气关式。 （利用方框图法或逻辑推理法确定主副控制器的正反作用）副控制器T2C的作用方向：冷却水流量增加，夹套温度下降，即副对象为“-”方向；控制阀为气关式，属于“-”作用方向；为使控制系统具有负反馈作用，控制器应选择反作用控制器。当主副变量均升高时，要求控制阀动作方向相同，所以主控制器选反作用。 5、解：

（1）该系统是温差控制的方案。

塔顶根据温差控制回流量LR，采用温差控制是因为在甲苯－二甲苯的精馏塔中，塔顶和塔底产品的相对挥发度差值较小，压力变化对温度的影响要比成分变化对温度的影响大，即此时微小的压力变化也会影响成分与温度之间的关系，由于压力对各层塔板上温度的影响的方向和大小基本是一致，此时可以分别在塔顶和灵敏板测取温度，然后取这两个温度的差值作为受控变量，则压力对温度变化的影响就基本被消除了。

塔顶回流罐液位控制和塔釜液位控制是为了保证回流罐和塔釜有一定的蓄液量而设置的。这两个系统可保证整个塔的物料平衡。

再沸器加热蒸汽量的定值控制系统，是为了能有恒定的蒸汽量返回到精馏塔，以保证精馏过程中的能量需求。 （2）

（1）适用于塔顶产品纯度要求比塔底高的情况 （2）气相进料的情况

（3）塔底、提馏段塔板上的温度不能很好的反映产品成分变化时。 6．答：

(1) 选择流入量Qi为操纵变量，控制阀安装在流入管线上， 贮槽液位控制系统的控制流程图为

（2分）

为了防止液体溢出，在控制阀气源突然中断时，控制阀应处于关闭状态，所以应选用气开形式控制阀，为“+”作为方向。（2分）

操纵变量即流入量Qi增加时，被控变量液位是上升的，故对象为“+”作用方向。由于控制阀与被控对象都是“+”作用方向，为使控制系统具有负反馈作用，控制器应选择反作用。（2分）

(2) 选择流出量Qo为操纵变量，控制阀安装在流出管线上，

贮槽液位控制系统的控制流程图为

（2分）

为了防止液体溢出，在控制阀气源突然中断时，控制阀应处于全开状态，所以应选用气关形式控制阀，为“-”作为方向。（2分）

操纵变量即流出量Qo增加时，被控变量液位是下降的，故对象为“-”作用方向。由于控制阀与被控对象都是“-”作用方向，为使控制系统具有负反馈作用，控制器应选择反作用。（2分） 7．答：这是前馈-反馈控制系统（1分） 前馈-反馈控制系统的方块图为

（2分） 8．答：

(1) 串级控制系统的方框图（4分）

扰动2 + 给定值 － 温度控制器 T1C + － 温度控制器 T2C 控制阀 扰动1 温度对象2 T2 温度对象1 T1 温度T2测量变送环节 温度T1测量变送环节

(2) 因为工艺安全条件是：一旦发生重大事故，立即切断燃料油的供应，在气源中断时，控制阀应切断燃料油的供应，所以控制阀应选为气开阀（2分）

(3) 控制阀为气开阀，执行器为“+”方向；燃料量增加，炉膛温度增加，副对象为“+”方向；所以，为使副回路为负反馈系统，副控制器应选择反作用（4分）。 如结论错误，回答执行器和副对象方向正确，可各得1分。

被加热物料出口温度和炉膛温度增加时，对控制阀动作要求方向一致，都要求关小控制阀，减小燃料供应量，所以，主控制器取反作用（2分）。