自动化仪表与过程控制课后习题答案.doc

自动化仪表指哪一类仪表?什么叫单元组合式仪表?1 答:a:是由若干自动化元件构成的,具有较完善功能的自动化技术工具.b:由具有不同功能的若干单元仪表按调节系统具体要求组合而成的自动调节仪表.DDZ-II型与DDZ-III型仪表的电压.电流信号传输标准是什么?在现场与控制室之间采用直流电流传输信号有什么好处?答:在DDZ-I型和DDZ-II型以表中采用010mA直流电流作为标准信号,而在DDZ-III型和DDZ-S型仪表中,采用国际上统一的420mA直流电流作为标准信号.这两种标准信号都以直流电流作为联络信号.采用直流信号的优点是传输过程中易于和交流感应干扰相区别,且不存在相移问题,可不受传输线中电感.电容和负载性质的限制.采用电流制的优点首先可以不受传输线及负载电阻变化的影响,适于信号的远距离传送;其次由于电动单元组合仪表很多是采用力平衡原理构成的,使用电流信号可直接与磁场作用产生正比于信号的机械力.此外,对于要求电压输入的仪表和元件,只要在电流回路中串联电阻便可得到电压信号,故使用比较灵活.什么叫两线制变送器?它与传统的四线制变送器相比有什么优点?试举例画出两线制变送器的基本结构,说明其必要的组成部分.答:a.就是将供电的电源线与信号的传输线合并起来,一共只用两根导线.b. 1有利于识别仪表的断电断线等故障2不仅节省电缆布线方便,而且大大有利与安全防爆易抗干扰.3上限值较大,有利于抑制干扰4上下限的比值为5:1与气动仪表信号制对应,便于相互折算,产生较大的磁力c.图.什么是仪表的精确度?试问一台量程为-100+100.精确度为0.5级的测量仪表,在量程范围内的最大误差为多少?答:模拟式仪表的合理精确度,应该以测量范围中最大的绝对误差和该仪表的测量范围之比来衡量,这种比值称为相对百分误差,仪表工业规定,去掉百分误差的%,称为仪表精确度.一般选用相对误差评定,看相对百分比,相对误差越小精度越高.x/(100+100)=0.5%x=1.1-1试述热电偶的测温原理,工业上常用的测温热电偶有哪几种?什么热电偶的分度号?在什么情况下要使用补偿导线?答:a.当两种不同的导体或半导体连接成闭合回路时,若两个接点温度不同,回路中就会出现热电动势,并产生电流.b.铂极其合金,镍铬-镍硅,镍铬-康铜,铜-康铜.c.分度号是用来反应温度传感器在测量温度范围内温度变化为传感器电压或电阻值变化的标准数列.d.在电路中引入一个随冷端温度变化的附加电动势时,自动补偿冷端温度变化,以保证测量精度,为了节约,作为热偶丝在低温区的替代品.1-2热电阻测温有什么特点?为什么热电阻要用三线接法?答:a.在-200到+500摄氏度范围内精度高,性能稳定可靠,不需要冷端温度补偿,测温范围比热电偶低,存在非线性.b. 在使用平衡电桥对热电阻进行测量时,由电阻引出三根导线,一根的电阻与电源E相连接,不影响电桥的平衡,另外两根接到电桥的两臂内,他们随环境温度的变化可以相互抵消.1-3说明热电偶温度变送器的基本结构.工作原理以及实现冷端温度补偿的方法.在什么情况下要做零点迁移?答:a.结构:其核心是一个直流低电平电压-电流变换器,大体上都可分为输入电路.放大电路及反馈电路三部分.b.工作原理:应用温度传感器进行温度检测其温度传感器通常为热电阻,热敏电阻集成温度传感器.半导体温度传感器等,然后通过转换电路将温度传感器的信号转换为变准电流信号或标准电压信号.c.由铜丝绕制的电阻Rcu安装在热电偶的冷端接线处,当冷端温度变化时,利用铜丝电阻随温度变化的特性,向热电偶补充一个有冷端温度决定的电动势作为补偿.桥路左臂由稳压电压电源Vz(约5v)和高电阻R1(约10K欧)建立的恒值电流I2流过铜电阻Rcu,在Rcu上产生一个电压,此电压与热电动势Et串联相接.当温度补偿升高时,热电动势Et下降,但由于Rcu增值,在Rcu两端的电压增加,只要铜电阻的大小选择适当,便可得到满意的补偿.d.当变送器输出信号Ymin下限值(即标准统一信号下限值)与测量范围的下限值不相对应时要进行零点迁移.1-4什么叫共模干扰和差模干扰?为什么工业现场常会出现很强的共模干扰?共模干扰为什么会影响自动化仪表的正常工作?怎样才能抑制其影响?答:共模干扰:电热丝上的工频交流电便会向热电偶泄漏,使热电偶上出现几伏或几十伏的对地干扰电压,这种在两根信号线上共同存在的对地干扰电压称为.差模干扰:在两根信号线之间更经常地存在电磁感应、静电耦合以及电阻泄漏引起的差模干扰.工业上会出现共模干扰是因为现场有动力电缆,形成强大的磁场.造成信号的不稳.共模干扰是同时叠加在两条被测信号线上的外界干扰信号,是被测信号的地和数字电压表的地之间不等电位,由两个地之间的电势即共模干扰源产生的.在现场中,被测信号与测量仪器间相距很远.这两个地之间的电位差会达到几十伏甚至上百伏,对测量干扰很大使仪表不能正常工作有时会损坏仪表.共模干扰在导线与地(机壳)之间传输,属于非对称性干扰,共模干扰幅度大.频率高.还可以通过导线产生辐射,所造成的干扰较大.消除共模干扰的方法包括:(1)采用屏蔽双绞线并有效接地(2)强电场的地方还要考虑采用镀锌管屏蔽(3)布线时远离高压线,更不能将高压电源线和信号线捆在一起走线(4)不要和电控锁共用同一个电源(5)采用线性稳压电源或高品质的开关电源(纹波干扰小于50mV).1-5力平衡式压力变换器是怎样工作的?为什么它能不受弹性元件刚度变化的影响?为什么它能不受弹性元件刚度变化的影响?在测量差压时,为什么它的静压误差比较大?答:a.被测压力P经波纹管转化为力Fi作用于杠杆左端A点,使杠杆绕支点O做逆时针旋转,稍一偏转,位于杠杆右端的位移检测元件便有感觉,使电子放大器产生一定的输出电流I.此电流通过反馈线圈和变送器的负载,并与永久磁铁作用产生一定的电磁力,使杠杆B点受到反馈力Ff,形成一个使杠杆做顺时针转动的反力矩.由于位移检测放大器极其灵敏,杠杆实际上只要产生极微小的位移,放大器便有足够的输出电流,形成反力矩与作用力矩平衡.b.因为这里的平衡状态不是靠弹性元件的弹性反力来建立的,当位移检测放大器非常灵敏时,杠杆的位移量非常小,若整个弹性系统的刚度设计的很小,那么弹性反力在平衡状态的建立中无足轻重,可以忽略不计.1-6试述差动电容式和硅膜片压阻式压力变送器的工作原理,它们与力平衡式压力变送器相比有何优点?硅:被测介质的压力直接作用与传感器的膜片上,使膜片产生与介质压力成正比的微位移,使传感器的电阻值发生变化,用电子线路检测这一变化,并转换输出一个对应与这一压力的标准测量信号.差:电容式压力变送器主要由完成压力/电容转换的容室敏感元件及将电容转换成二线制4-20mA电子线路板构成,当进程压力从从测量容室的两侧(或一侧)施加到隔离膜片后,经硅油灌充液传至容室的重心膜片上,重心膜片是个边缘张紧的膜片,在压力的作用下,发生对应的位移,该位移构成差动电容变化,并经历电子线路板的调理.震荡和缩小,转换成4-20mA信号输入,输入电流与进程压力成反比.优点:他们不存在力平衡式变送器必须把杠杆穿出测压室的问题.1-7试述节流式.容积式.涡流式.电磁式.漩涡式流量测量仪表的工作原理,精度范围及使用特点.答:a.节流式.工作原理:根据流体对节流元件的推力或在节流元件前后形成的压差等可以测定流量的大小.差压流量计:根据节流元件前后的压差测流量.精度:正负0.5%到1%.使用特点:保证节流元件前后有足够长直管段.靶式流量计:使用悬在管道中央的靶作为节流元件.精度:2%到3%.使用特点:可用于测量悬浮物,沉淀物的流体流量.转子流量计:以一个可以转动的转子作为节流元件.使用特点:可从转子的平衡位置高低,直接读出流量数值.b.容积式.工作原理:直接安装固定的容积来计量流体.精度:可达2%较差时亦可保证0.5%1%.使用特点:适用于高黏度流体的测量.c.涡轮式:工作原理:利用导流器保证流体沿轴向推动涡轮,并且根据磁阻变化产生脉冲的输出.精度:0.25%1%.使用特点:只能在一定的雷诺数范围内保证测量精度.由于有转子,易被流体中的颗粒及污物堵住,只能用于清洁流体的流量测量.d.电磁式:工作原理:以电磁感应定律为基础,在管道两侧安放磁铁,以流动的液体当作切割磁力线的导体,由产生的感应电动势测管内液体的流量.精度:0.5%1%.使用特点:只能测导电液体的流量.e.漩涡式:工作原理:根据漩涡产生的频率与流量的关系测定流量.精度:正负0.2%正负1%.使用特点:量程比达到30:1,可测液体和气体.1-9试述热导分析仪.红外线分析仪.色谱分析仪及氧化锆氧分析仪的工作原理及用途.答:1热导分析仪的工作原理.热导式气体分析仪多采用半导体敏感元件与金属电阻丝作为热敏元件,将其与铂线圈烧结成一体,而后与对气体无反应的补偿元件,共同形成电桥电路,也就是热导式气体分析仪的测量回路,对热导系数进行测量.在测量气体组分时,热敏元件吸附被测量气体,其电导率和热导率就会发生变化,元件的散热状态也就随之改变,当铂线圈感知元件状态后电阻会相应变化,电桥平衡被破坏而输出电压,通过对电压的测定即可得到气体测量结果.用途:热导式气体分析仪在工业生产中多应用气体.氨气.二氧化碳和二氧化硫等气体的测定,并可作为低浓度可燃性气体的测定工作,另外热导式气体分析仪还能够在色谱分析仪中用于其他成分分析.2.红外线气体分析仪的基本原理.其工作原理是基于某些气体对红外线的选择性吸收.红外线分析仪常用的红外线波长为212m.简单说就是将待测气体连续不断的通过一定长度和容积的容器,从容器可以透光的两个端面的中的一个端面一侧入射一束红外光,然后在另一个端面测定红外线的辐射强度,然后依据红外线的吸收与吸光物质的浓度成正比就可知道被测气体的浓度.用途:使用范围宽,可分析气体,也可分析溶液.色谱分析仪是应用色谱法对物质进行定性.定量分析,及研究物质的物理.化学特性的仪器.工作原理是基于色谱法对样品进行检测,利用检测器对分离出来的色谱柱进行分析,对各成分进行测定.氧化锆氧分析仪工作原理:这是一种利用氧化锆固体电解质特性制成的氧浓差电池传感器,在一片氧化锆固体电解质的两个表面分别烧结一层多孔的铂电极,并将其置于800以上的高温中,当上、下两侧的气体中氧浓度不同时,在两极间就会出现电动势E,称为氧农差电动势.利用此电动势与两侧气体中的氧浓度差的单值关系,便可之城氧浓度分析仪.用途:在燃烧控制中得到广泛应用平衡式压力变送器工作原理:被测压力经过纹波管的作用转化为力Fi作用杠杆的A端,杠杆绕O点做逆时针旋转.稍一旋转,位于右端的位移检测元件便有感觉,位移监测放大器变输出一定的输出电流Io,此电流流经反馈线圈和变送器的负载,并与永久磁铁作用产生一定的磁力,是杠杆在B点受力顺时针转动,使杠杆处于平衡状态时,输出电流和被测压力成正比,由此便可以测出压力.电容式差压变送器的工作原理:被测压力分别加到左右两个隔离膜片上,通过硅油将压力传到测量膜片.在测量膜片左右有两个玻璃凹球面制成的金属固定电极,当测量膜片向一边鼓起使,它与两个固定的金属电极之间的电容一个增大一个减小,通过引线测出这两个电容的变化,便可知道差压的数值.电容式差压变送器与力平衡式差压变送器的区别:它不存在力平衡式必须把杠杆插出测压室的问题.在力平衡式差压变送器中为使输出杠杆既能密封又能转动,使用了弹性密封膜片,带来了静压误差.容积式流量计:在金属壳内有一对啮合齿轮,当液体自左向右流过通过时,再输入压力的作用下,产生力矩,驱动齿轮转动.主齿轮在力矩的作用下作顺时针得转动,带动B齿轮转动,将半月形内的液体排出至出口,这样连续转动,椭圆齿轮每转动一周,就像出口排出四个半月形溶剂的液体.测量椭圆齿轮的转速便可知道液体的体积流量,累计齿轮的转动圈数,便可知道一段时间内流过液体的体积.P加快系统的动作速度,减小超调,克服震荡减小系统的稳态误差,提高稳态精度但是系统存在静差,虽然增大比例系数可以减小静差,但是不能消除静差.I积分作用是消除静差,但是积分时间常数太大积分作用不明显,太小可能引起震荡,时系统不稳定,增大系统的调节时间动态品质变坏.D微分作用,加快系统的响应速度,较小调节时间,减小超调量,但系统抗干扰的能力变弱单独的微分有严重的不足,就是对静差毫无抑制的能力,因此不能单独使用.调节器的调节规律:输出量与输入量(偏差信号)之间的函数关系.为了适应工艺过程的启动和提车和发生事故等情况,调节器除需要有自动调节的工作状态外,还需要在特殊情况下有操作人员切除PID运算控制电路,直接根据易仪表的指示作出判断,调节调节器的手动工作状态.PID输入电路的作用:输入电路能实现测量信号与给定值的相减,获得放大两倍的偏差信号输出电压与公共地线上的压降Vcm1Vcm2无关.输入电路接受两个零线为起点的测量信号和给定信号,而输出以Vb=10V为起点的电压,实现了电平的平移.PID输出电路:是一个电压电流转换电路.将PID1-5V 的输出电压变成4-20mA的电流为了保持切换过程中软启动有较好的保持特性,必须选用偏置电流极小的运算放大器,和漏电极极小的电容器.2-3PID调节器中,比例度p,积分时间常数Ti,微分时间常数Td,积分增益Ki,微分增益Kd分别有什么含义?在调节器动作过程中分别产生什么影响?若令Ti取,Td取0,分别代表调节器处于什么状态?答:1在比例积分运算电路中,RI,CI组成输入电路,CM为反馈元件.1)比例度P=Cm/CiX100%表示在只有比例作用的情况下,能使输出量做满量程变化的输入量变化的百分数.2)积分时间Ti=RICITi愈小,由积分作用产生一个比例调节效果的时间愈短,积分作用愈强.Ti越大,积分作用越弱.3)积分增益Ki=CM/CIXAA为放大器增益,Ki越大,调节静差越小.比例微分运算电路中,由RdCd及分压器构成无源比例微分电路.4)kd为比例微分调节器输出地最大跳变值与单纯由比例作用产生的输出变化值之比.5)微分时间Td=KdRdCd.2,Ti取无穷时,调节器处于PD状态.Td取零时调节器处于PI状态.2-4什么是PID调节器的干扰系数?答:用PI,PD串联运算获得PID调节规律时,在整定参数上存在相互干扰的现象,常用干扰系数F=1+Td/Ti表示.2-5调节器为什么必须有自动/手动切换电路?怎样才能做到自动/手动双向无扰切换?答:为了适应工艺过程启动.停车或发生事故等情况,调节器除需要”自动调节”的工作状态外,还需要在特殊情况时能由操作人员切除PID运算电路,直接根据仪表指示做出判断,操纵调节器输出的”手动”工作状态.在DDZ-III型调节器中,自动和手动之间的平滑无扰切换是由比例积分运算器上的开关S1实现的,如(图1)所示,其中开关接点”A”为自动调节;”M”为软手动操作;”H”为硬手动操作.切换分析:”A”M”为保持,无扰切换.”M”A”:S1.2在M,S2把CI接VB,VO2以10V起对CI充电,但CI右端电位被钳位不变(10V),A3的V-V+=10V,当”M”A”,两点电位几乎相等,所以为无扰切换.”M”H”:断开前,必然先断开S4,M为保持.切换后,接入”H”,V-与RH的电位相同时,则为无扰切换,所以切换前应平衡RPH,有条件无扰切换.”H”M”:切换后,S41S44瞬间是断开的,CM和V-为保持状态,所以为无扰切换.2-7什么是调节器的正反作用?调节器的输入电路为什么要采取差动输入方式?输出电路是怎样将输出电压转换成4-20mA电流的?答:(1)测量值增加(偏差信号e减少),调节器输出增加,则调节器静态放大放大系数为负,KC为负值,称正作用调节器;反之,测量值增加(偏差减小),调节器输出减小,则调节器静态放大系数为正,KC为正值,称反作用调节器.(2)由于所有的仪表都用同一个电源供电,在公共电源地线上难免出现电压降,为了避免这些压降带来误差,输入电路需要采用差动输入方式.(3)调节器的输出电路是一个电压-电流转换器,它将PID电路在1-5V间变化的输出电压转换为4-20mA的电流,输出电路实际就是一个比例运算器,通过强烈的电流负反馈使输出电流保持在4-20mA,输出电路的电路图如图2:其中经过运算得出(公式1)取Rf=62.5,则当V03=1-5V时,输出电流为4-20mA. 集散控制系统(DCS)也叫分布式控制系统,即控制功能分散,操作监视与管理集中,主要由操作站,现场控制,通信网络三大部分组成.其中操作站作为人机接口,进行系统的集中监视操作维护与工程组态.现场控制站则是分散执行控制功能他们几只通过内部的高速通道总线相连,组成计算机的局域网.控制功能分散,操作监视管理集中可以使系统在某个站发生故障时,其他回路不受影响,不至于系统全部瘫痪.其次,集中控制保证了系统实时性的要求,让操作人员以最短的时间迅速掌握整个生产过程的状态,及时进行整定调节.集中控制的缺点 :随着控制功能的集中,事故的危险性也集中了,当一台控制几百个回路的计算机发生故障时,整个生产装置全面瘫痪.现场总线:现场总线是连接智能测量和控制设备的全数字式,双向传输具有多节点分支结构的通信链路.现场总线的优点:首先双向传输通信是我们可以从现场获取大量的信息,而且可以根据需要,实施远程组态与维护.其次现场总线可以大大节省电缆,降低安装费用.最后,现场总线的一致性和相互操作性,保证了现场总线的开放性,互换性4-1执行器在控制系统中处于什么地位?其性能对控制系统的运行有什么影响?答:执行器是安全测控中不可缺少的重要部分,它在系统中的作用是根据调节器的命令,直接控制被测物体的状态和参数.4-2调节阀有哪些结构形式?分别适用于什么场合?执行机构是指执行器中的哪一部分?执行器选用气开,气关的原则是什么?答:调节阀根据结构分为九个大类:(1)单座调节阀;适用于泄漏要求严.工作压差小的干净介质场合(2)双座调节阀;适用于泄漏要求不严.工作压差大的干净介质场合(3)套筒调节阀;适用于单座阀场合(4)角形调节阀;适用于泄漏要求些压差不大的干净介质场合及要求直角配管的场合(5)三通调节阀;用于分流和合流及两相流.温度差不大于150的场合(6)隔膜阀;适用于不干净介质.弱腐蚀介质的两位切断场合(7)蝶阀;适用于不干净介质和大口径.大流量.大压差的场合(8)球阀;适用于不干净.含纤维介质.可调比较大的控制场合(9)偏心旋转阀.故适用于不干净介质.泄漏要求小的调节场合执行机构是执行器的推动部分.规则:气开气闭的选择主要从生产安全角度考虑,当工厂发生断电或其他事故引起信号压力中断时,调节阀的开闭状态应避免损坏设备和伤害操作人员,如阀门在此时打开危险性小,则宜选气闭式执行器;反之,则选用气开式执行器.4-3什么是调节阀的固有流量特性和工作流量特性?为什么流量特性的选择对控制系统的工作至关重要?答:在调节阀前后压差固定的情况下得出的流量特性称为固有流量特性,也叫理想流量特性.在各种具体的使用条件下,阀芯位移对流量的控制特性,称为工作流量特性.从自动控制的角度看,调节阀一个最重要的特性是他的流量特性,即调节阀阀芯位移与流量之间的关系,值得指出调节阀的特性对整个自动调节系统的调节品质有很大的影响.4-4为什么合理选择调节阀的口径,也就是合理确定调节阀的流通能力C非常重要?答:在控制系统中,为保证工艺操作的正常进行,必须根据工艺要求,准确计算阀门的流通能力,合理选择调节阀的尺寸.如果调节阀的口径选的太大,将是阀门经常工作在小开度位置,造成调节质量不好.如果口径选的太小,阀门完全打开也不能满足最大流量的需要,就难以保证生产的正常进行.4-5电-气阀门定位器(含电-气转换器和阀门定位器)是怎样工作的?它们起什么作用?答:由电动调节器送来的电流I通入线圈,该线圈能在永久磁铁的气隙中自由地上下运动,当输入电流i增大时,线圈与磁铁产生的吸引增大,使杠杆作逆时针方向旋转,并带动安装在杠杆上的挡板靠近喷嘴,改变喷嘴和挡板之间的间隙使气动执行器能够接收电动调节器的命令,必须把调节器输出的标准电流信号转换为20100kPa的标准气压信号.4-6电动仪表怎样才能用于易燃易爆场所?答:具有一定的防燃防爆措施.安全火花:不会引