自动化仪表部分习题答案.pdf

自动化仪表与过程控制部分习题答案自动化仪表与过程控制部分习题答案 小编：ZZR 【概述】： 自动化仪表指哪一类仪表？什么叫单元组合式仪表？ 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-100100.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/1001000.5x1. 【1-4 章】 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 0.51.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:0.251.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:0.51.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 Vb10V 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 RICI 组成输入电路 CM 为反馈元件.1 比例度 PCm/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 TiRICITi 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 KiCM/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.4kd 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 TdKdRdCd.2Ti 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 PIPD 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 F1Td/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 A” ”M” 手动操作.切换分析:” 持 M” ” A” 为保 无扰切换.” :S1.2 在 MS2 把 CI 接 VBVO2 以 10V 起对 CI 充电但 CI 右端电位被钳位 不变 10VA3 的 V-V10V 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 S4M 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 H” ”M” RPH 有条件无扰切换.” :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 Rf62.5 则当 V031-5V 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:不会引起引燃 【5-9 章】（待重新整理） 5-1.为什么说研究自动控制系统的动态比研究其静态更为重要？ 答: 再连续生产过程中，最基本的关系是物料平衡和能量平衡，在静 态条件下， 单位时间流图对象的物料或能量等于从系统中流出的物料 或能量，然而，对象的动特性是研究参数随时间而变化的规律，在动 态条件下，物料平衡