化工仪表模拟考试题简答.doc

四、简答1.热电偶测温时，使用补偿导线的目的是什么？它能否进行冷端补偿？如不能应如何处理？答：由热电偶测温原理知道，只有当热电偶冷端温度保持不变时，热电势才是被测温度的单值函数。但实际应用中，由于热电偶的工作端与冷端离得很近，而且冷端又暴露在空间，易受到周围环境温度波动的影响，因而冷端温度难以保持恒定。当然也可以把热电偶做得很长，使冷端远离工作端，但是这样做会多消耗许多贵重金属材料。解决这一问题的方法是采用一种专用导线，将热电偶的冷端延伸出来，这种专用导线称为“偿导线”。补偿导线不能进行冷端补偿，因为把热电偶的冷端从温度较高和不稳定的地方，延伸到温度较低和比较稳定的操作室内，冷端温度还不是0摄氏度。进行冷端温度补偿的方法有以下几种：(1)冷端温度保持为0的方法；(2)冷端温度修正方法；(3)校正仪表零点法；(4)补偿电桥法；(5)补偿热电偶法。2.热电偶温度计为什么可以用来测量温度？它由哪几部分组成？各部分有何作用？答：热电偶温度计是通过热电现象实现温度的测量的，即两根不同材料的金属导线焊接在一起后，当闭合回路两端温度不一致时，由于电子效应从而使闭合回路中产生热电势，而热电偶冷端温度保持不变时，热电势是被测温度的单值函数，因此可以用来测量温度。热电偶温度计是由三部分组成的：1）热电偶：直接测量温度的感温元件；2）测量仪表：即毫伏计或电位差计，将测量的温度通过表观显示出来；3）连接热电偶和测量仪表的导线：将热电偶的冷端延伸出来，即补偿导线，同时传输测量信号。3.试述双金属温度计的原理，如何使用双金属温度计自动控制电冰箱的温度？答：双金属温度计中的感温元件使用两片线膨胀系数不同的金属片叠焊在一起而制成的。双金属片受热后，由于两金属片的膨胀长度不同而产生弯曲，温度越高产生的线膨胀长度差就越大，因而引起弯曲的角度就越大。在温度计中用双金属金属片制成螺旋形感温元件，外加金属保护套管，当温度变化时，螺旋的自由端便围着中心轴旋转，同时带动指针在刻度盘上指示出相应的温度数值，这就是双金属温度计的测温原理。如图将双金属信号器的信号灯换成降温装置，当温度升高时，双金属片1产生弯曲，与2接触使电路接通，冰箱降温装置开启，即可使冰箱温度相对稳定地控制在设定值。4. 测压仪表有哪几类？各基于什么原理？答：测压仪表按其转换原理不同，主要有四大类：液柱式压力计，它是将被测压力转换成液柱高度来进行测量的；弹性式压力计，它是将被测压力转换成弹性元件变形的位移来进行测量的；电气式压力计，它是通过机械和电气元件将被测压力转换成电量来进行测量的；活塞式压力计，它是根据液压原理，将被测压力转换成活塞上所加平衡祛码的质量来进行测量的。5. 作为感测压力的弹性元件有哪几种？各有何特点？答：主要的弹性元件有：弹簧管式弹性元件，可分单圈弹簧管与多圈弹簧管，它们的测压范围较宽，最高可测量高达1000MPa的压力；薄膜式弹性元件，可分平薄膜、波纹膜、膜盒等，它的测压范围较弹簧管式的为低，通常可与其他转换环节结合起来，组成相应的变送器；波纹管式弹性元件，这种弹性元件易变形，常用于微压与低压的测量。6.喷嘴挡板机构由哪几部分组成？它的作用是什么？答：喷嘴挡板机构即由一个恒气阻、气容和喷嘴挡板型变气阻串联而成的节流通室。它的作用是把输入的微小位移（即挡板相对于喷嘴的距离）转换成相应的气压信号作为它的输出。7.差压变送器由哪几个部分组成？它是根据什么原理工作的？比较气动差压变送器与电动差压变送器的异同。答：差压变送器主要有气阻、气容、节流盲室、节流通室 、喷嘴挡板机构、功率放大器几个部分。差压变送器的主要原理是将压差信号通过膜片或膜盒等感受元件转换成力的形式，再利用力矩平衡原理送往调节器或显示器或显示仪表进行调节、指示和记录，从而实现测量。气动和电动差压变送器的比较：1)两种变送器都是根据力矩平衡原理工作；2)都采用了 “负反馈”；3)只是使用部件不同，即前者采用喷嘴挡板机构和气动放大器，而后者采用位移检测片平面检测线圈和电子高频震荡放大器。8.简述椭圆齿轮流量计、涡轮流量计及电磁流量计的工作原理和使用特点。答：椭圆齿轮流量计工作原理：当流体流过椭圆齿轮流量计是，由于要克服阻力将会引起阻力损失，从而使进口侧压力大于出口侧压力，在此压力差的作用下，产生作用力矩使椭圆齿轮连续转动。由于椭圆齿轮每转动一周所排出的被测介质质量为半月形容积的4倍，因此可以用来检测流量。使用特点：椭圆齿轮流量计对被测流体的粘度变化不敏感，特别适合于测量高粘度的流体（聚乙烯醇、树脂、重油），甚至糊状物的流量。且测量精度较高，压力损失较小。但被测介质不能含有固体颗粒，更不能夹杂有机械物，否则会引起齿轮磨损以至损坏。涡轮流量计工作原理：流体通过叶轮时，流体的动能使叶轮旋转，再将流量信号转变为叶轮的转速或转数，最后转变为交变的电信号的频率，从而实现测量流量。使用特点：安装方便，磁电感应转换器与叶片间没有密封和齿轮传动机构，测量精度高，可耐高压，静压可达50MPa。同时由于基于磁电感应转换原理，其反应快，可测脉动流量。输出信号为电频率信号，便于远传，不受干扰。但被测介质不能带机械杂质，因此须安过滤器。电磁流量计工作原理：当被测介质的流量经变送器变换成感应电势后，再经转换器把电势信号转换成统一的010mA的直流信号输出，以便进行指示、记录或与电动单元组合仪表配套使用，从而实现流量测量。使用特点：用来测具有导电性的液体介质（导电率不小于水的），如酸、碱、盐溶液以及含有固体颗粒（如泥浆）或纤维液体的流量。但由于液体中所感应的电势很小，要引入放大倍数的放大器。且安装时要远离一切磁源，不能有振动。9.差压式液位计的工作原理是什么？当测量有压容器的液位时，差压计的负压室为什么一 定要与容器的气相相连接？答：差压式液位变送器是利用容器内的液位改变时， 由液柱产生的静压也相应变化的原理而工作的。即将差压变送器的一端接液相，另一端接气相。设容器上部空间为干燥气体，其压力为 p ，则p1 = p + gH ， p2 = p由此可得p = p1 p2 = gH式中，H为液位高度；为介质密度；g为重力加速度；p1 、 p2分别为差压变送器正、负压室的压力。 当被测介质的密度是已知的，则差压变送器测得的差压与液位高度成正比。这样就把测量液位高度转换为测量差压的问题了。当测量有压容器的液位时，即容器是受压的，则需将差压变送器的负压室与容器的气相相连接，以平衡气相压力p变化时对液位测量的影响。10. 生产中欲连续测量液体的密度，根据已学的测量压力及液位的原理，试考虑一种利用差压变送器来连续测量液体密度的方案。答：如图所示，设计一开口溢流容器，且负压室加一密度为0的标准液柱。（1）负压室不加标准液柱时，容器压差的变化范围为：pHgp0p0HgpmaxHmax g；pminHmin gpmaxminHmax g Hmin gH（maxmin）g被测液体密度最小时的压差为：pminHmin g0，为正迁移，迁移量为Hmin g。（2）负压室加标准液柱时，容器压差的变化范围为：pHgp0（h0 gp0）Hgh0 gpmaxHmax gh0g；pminHmin gh0 gpmaxminHmax gh0 g （Hmin gh0 g）H（maxmin）g被测液体密度最小时的压差为：pminHmin gh0 g，迁移量为Hmin gh0 g。11.试述电容式物位计和核辐射物位计工作原理与使用场合。答：电容式物位计：在平行电容器之间，充以不同介质时，电容量的大小也有不同，可通过测量电容量的变化来测量液位、料位和两种不同液体的分界面。电容式物位计的应用：主要应用于液位的测量，如导电介质的液位测量、密封罐内的酸、碱、盐等溶液的贮存量的测量，同时适用于非导电介质的液位测量和料位的测量。核辐射物位计：放射性同位素的辐射线射入一定厚度的介质时，部分粒子因克服阻力与碰撞,动能消耗,被吸收，另一部分粒子则透过介质。射线的透射强度I随通过介质层厚度的增加而减弱。入射强度为I的放射源，随介质厚度而呈指数规律衰减。当放射源已定，被测的介质不变时，I只与介质层厚度有关。核辐射物位计的应用：能透过钢板等各种固体，因而能够完全不接触被测物质，适于高温、高压容器、强腐蚀、剧毒、有爆炸性、粘滞性、易结晶或沸腾状态的介质的测量，还和测量高温熔融金属液位。由于核辐射线的特性不受温度、湿度、压力、电磁场的影响，可在高温、烟雾、尘埃、强光及强电磁场等环境下工作。但由于放射线对人体有害，剂量要严加控制。12.自动控制系统主要由哪些环节组成？各部分作用是什么？答：自动控制系统主要由：1）测量元件及变送器的测量与信号输送；2）自动控制器的运算及命令的传出；3）执行器的执行三个环节组成。各部分作用：1）作用是测量被控变量并将其转化为一种特定的、统一的输出信号；2）作用是接受变送器送来的信号，与工艺需要保持的被控变量的值进行比较得出偏差，并按某种运算规律算出结果，然后将此结果用特定信号发送出去；3）作用是自动地根据控制器送来的信号值来改变阀门（执行器通常是控制阀）的开启度。13.什么是自动控制系统的过渡过程？在阶跃扰动作用下，其过渡过程有哪些基本形式？哪些过渡过程能基本满足控制要求？答：系统由一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程称为系统的过渡过程。在阶跃作用下，过渡过程有下面四种：1.非周期衰减过程；2.衰减振荡过程；3.等幅振荡过程；4.发散振荡过程。衰减振荡过程能够满足大多数情况下的控制要求，非周期衰减过程在当生产上不允许有波动时满足控制要求，等幅振荡过程只有当被控变量在工艺许可范围内振荡时才满足控制要求。14.什么是控制系统的静态与动态？为什么说研究控制系统的动态比其静态更有意义？答：在自动化领域中，把被控变量不随时间变化的平衡状态称为系统的静态，而把被控变量随时间变化的不平衡状态称为系统的动态。在生产过程中，干扰是不可避免的，这些干扰是破坏系统平衡状态引起被控变量发生变化的外界因素。自动控制系统运行时，时时刻刻都有干扰作用破坏其正常的工艺生产状态。因此，就需要通过自动化装置不断地施加控制作用对抗或抵消干扰作用的影响，从而使被控变量保持在工艺生产所要求控制的技术指标上。所以自动控制系统在正常工作时总是处于波动不止往复不息的动态过程中，因而研究动态比静态更有意义。15.在控制系统应用中，有哪些基本控制规律和组合控制规律？写出各自的表达式？它们各应用在什么场所？答：在控制系统应用中，主要有位式控制、比例控制、积分控制、微分控制四个基本控制规律和比例积分控制、比例微分控制、比例积分微分控制（PID）三个组合控制规律：1）双位控制：应用场所：对象容量大，负荷变化小，控制质量要求不高，允许等幅振荡的场所。2）比例控制：应用场所：对象容量大，负荷变化不大、纯滞后小，允许有余差存在，例如一些塔釜液位、贮槽液位、冷凝器液位和次要的蒸汽压力控制系统等。3）积分控制：应用场所：自力式气压调节阀，但多数情况不单独使用。4）微分控制： 应用场所：微分控制器不能作为一个单独的控制器使用，其总是与比例作用或比例积分控制作用同时使用组成比例微分或三作用控制器。5）比例积分控制：应用场所：对象滞后较大，但变化缓慢，要求控制结果无余差。此种规律广泛应用于压力、流量、液位和那些没有大的时间滞后的具体对象。6）比例微分控制：应用场所：对象滞后大，负荷变化不大，被控变量变化不频繁，控制结果允许有余差存在的场所。7）比例积分微分控制（PID）：应用场所：对象滞后大，负荷变化较大，但不甚频繁，对控制质量要求高，例如精馏塔、反应器、加热炉等温度控制系统及某些成分控制系统。16.什么是控制器的控制规律？什么是余差？控制器有哪些基本控制规律？答：1）所谓控制规律是指控制器的输出信号与输入信号之间的关系。控制器的输入信号是经比较机构后的偏差信号e，它是给定值信号x与变送器送来的测量值信号z之差。在分析自动化系统时，偏差采用e=x-z，但在单独分析控制仪表时，习惯上采用测量值减去给定值作为偏差。控制器的输出信号就是控制器送往执行器的信号p。所谓控制器的控制规律就是指p与e之间的函数关系，即：p=f(e)=f(z-x)。2)余差：当过渡过程终了时，被控变量所达到的新的稳态值与给定值之间的偏差。也可说是过渡过程终了时的残余偏差，以C表示。3）基本控制规律有位式控制、比例控制、积分控制、微分控制，组合控制规律有比例积分控制、比例微分控制、比例积分微分控制。17.比例控制规律是怎样的？为什么单纯的比例控制系统不能消除余差？答：比例控制规律即控制器输出的变化量（即阀门开度的变化量）与被控变量的偏差信号成比例的控制规律，用P表示即p=KPe.以简单的液位控制系统为例，当t=t。时出水量增加后水位下降，此时需要开大进水阀门，而阀杆上移时浮球必然下降。因为杠杆是刚性结构，所以达到新的平衡时浮球位置必然下移，液位就稳定在一个比原液位低的位置上，其差值就是余差。所以单纯的比例控制不能消除余差。18.积分控制规律是怎样的？为什么积分控制能消除余差？为什么积分控制规律一般不单独使用？答：1）积分控制规律即P与输入偏差e 的积分成比例，用字母 I表示.。控制器的输出变化量： ； KI为积分比例系数，称为积分速度。2）=KIAt即输出是一条直线，当偏差存在时，输出信号将随时间增长。当偏差为零时，输出停止变化而稳定在某一值上，因而积分控制器组陈的控制系统可以达到无余差。3）输出信号的变化速度与偏差e及KI成正比，而其控制作用是随着时间积累才逐渐增强的，所以控制动作缓慢，会出现控制不及时，当对象惯性较大时，被控变量将出现大的超调量，过渡时间也将延长，因此常常把比例与积分组合起来，这样控制既及时，又能消除余差。19.微分控制规律是怎样的？特点是什么？为什么不单独使用微分控制规律？答：1）微分控制规律即按被控变量变化的速度来确定控制作用的大小，用D表示：2）微分控制规律的特点：1）在阶跃偏差信的号作用下，瞬时控制器的输出为无穷大，在tt0后，则输出变化量为零超前控制；2）当偏差固定