过程装备控制技术课后习题及参考答案

过程装备控制技术课后习题及参考答案

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：自动控制系统主要有被控对象，测量元件和变送器，调节器，执行器等环节组成。

自动控制系统常用的术语有：

被控变量y；给定值以测量值ym：操纵变量m；干扰f；偏差信号（c）；控制信号u

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7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，即原料一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：干扰作用是指除操纵变量以外的各种因素引起被控变量偏离给定值的作用；控制作用

是通过对被控变量的测量得到测量值，使其与给定值比较，得出偏差信号。这个信号按一

定规律计算出控制信号来改变操纵变变量克服干扰作用。两者关系是控制作用的一部分职

能就是减小或消除干扰对被控变量的影响。

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：闭环控制是控制系统为输出信号的改变回返回影响操纵变量的控制方式。

开环控制是控制系统的输出信号不会影响操纵变量的控制方式。

定值控制系统是指设定值恒定不变的控制系统。定值控制系统的作用是克服扰动对被控变

量的影响，当输出信号变大时，反馈影响操纵变量使输出信号减小，反之则影响操纵变量

是输出信号增大。可见定值控制系统满足闭环鱼反馈系统的要求。

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？

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：给定值内，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-ysO,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？

qvl

（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：进水流最，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？

答：对于任何一个控制系统，从被控对象受到干扰作用使被控变最偏离给定值时起，调节

器开始发挥作用，使被控变量恢复到给定值附近范围内的过程叫做系统的过渡过程。

①发散振荡过程②等幅振荡过程③衰减振荡过程④非振荡的单调过程⑤等幅振荡过

程。上述五种振荡过程，其中非振荡衰减和振荡衰减过程是稳定过程，能基本满足要求，

但衰减过程被控变量达到新稳态值进程过于缓慢，致使被控变量长期偏离给定值，所以一

般不采用。只有生产工艺不允许被控变量振荡时才会考虑采用这种形式的过渡过程。

等幅振荡发散振荡和非振荡发散受到阶跃干扰后不能稳定下来，不符合自动控自要求

9.试画出衰减比分别为n<l,n=l,n>l,n-*o0时的过度过程曲线？

答：如图所示：

10.表示衰减振荡过程的控制指标有哪些?

言，时间常数大明显存在好处，此时阶跃干扰系统影响比较平缓，被控变量变化平缓，系

统容易控制。

滞后时间对控制影响：对控制通道而言，滞后存在是不利的，使控制不够及时，在干扰

出现后不能及时调节，严重影响控制质最。对干扰通道而言，纯滞后只是延迟干扰时间，

并不影响控制质量，对于容量滞后则可以缓和干扰对控制变量的影响，因而对控制系统是

有利

5.试从图2・58某对象的反应曲线中，表示出该对象的放大系数，时间常数和滞后时间。

解：如图所示：

iL

X（8）-X（0）的匕i）

T如图所示，以起始速率变化至新稳态值所对应打时间，

----------------------------------►

Tf—o，ro=°Hzo

rc如图所示，不存在容量滞后，|

.y=°

6.什么是调节器的控制规律？调节器有哪几种基*W好----------------------►

答：调节器的控制规律是指调节器的输出信号随输入信ez,戈是指控制器的输出

信号P与输入偏差信号e之间的关系。

常用的基本调节规律有：位式，比例，积分，微分等，以及它们的组合控制规律如PL

PD,PIDo

7.什么是双位控制，比例控制，积分控制，微分控制，它们各有什么特点？

答：双位控制是指调节器的输出仅有最大和最小两个极限位置，双位控制结构简单成本较

低使用方便，对配用的调节阀没有任何要求，缺点是被控对象总是在波动，控制质量不

高，且当被控对象纯滞后较大时，被控变量波动幅度较大，不适合控制要求较高场合。

比例控制是指调节器输出变化量与输入变化量成比例，比例控制系统能迅速的克服干扰

影响，使系统未定下来。有点是反应快控制及时，缺点是被控对象负荷发生改变时，系统

输出存在余差。

积分控制是指调节器输出变化量与输入余差枳分成正比，积分控制可以消除余差，但输

出变化总是滞后于余差变化，不能及时克服扰动影响，使被控变量的波动加剧，使系统难

以稳定。

微分控制是指调节器输出变化量与输入偏差变化速度成正比，且具有一定的超前控制作

用，抑制振动，增强系统稳定（但微分作用不宜过强）

8.什么是余差？为什么单纯的比例控制不能消除余差积分控制消除余差。

答：余差是指过渡过程终了时，被控变量新的稳态值与测定值之差。

比例调节器的输出变化量与输入偏差具有一一对应的比例差系，要使调节器有输出，就必

须要有偏差存在，因此，比例调节控制不能消除余差。艰分控制其输出信号的大小不仅与

输入偏差信号的大小有关，还取决于偏差存在时间长短。只要有偏差，调节器的输出就不

断变化，偏差存在的时间越长，输出信号的变化量就越大，只有存在偏差身先等于的情况

下，积分调节器的输出信号才能相对稳定，因此积分控制作用是力图消涂余差。

9.为什么积分控制规律一般不单独使用？

答：积分控制其输出变化总是滞后于偏差，不能及时有效地克服扰动的影响，加剧了被控

变量的波动，使系统难以稳定下来，因此工业过程控制中，通常不单独使用积分控制规

律。

10.比例、积分、微分、控制分别用什么量表示其控制作用的强弱？并分别说明它们对控

制质量的影响。

答：①比例一一比例度是反映比例控制器的比例控制作用强弱的参数。比例度越大，表示

比例控制作用越弱。减少比例度，系统的余差越小，最大偏差也越短，系统的稳定程度降

低；其过渡过程逐渐以衰减振荡走向临界振荡直至发散振荡。

②积分控制一一积分时间Ti表示积分控制作用强弱的参数，积分时间越小，表示积分控制

作用越强。积分时间Ti的减少，会使系统的稳定性下降，动态性能变差，但能加快消除余

差的速度，提高系统的静态准确度，最大偏差减小。

③微分控制一一微分时间TD是表示微分控制作用强弱的•个参数。如微分时间TD越天，

表示微分控制作用越强。增加微分时间TD，能克服对象的滞后，改善系统的控制质量，提

高系统的稳定性，但微分作用不能太大，否则有可能引起系统的高频振荡。

11.试画出在阶跃作用下，比例、比例积分、比例积分微分调节器的输出特征曲线。

12.比例积分微分调节器有什么特点？

答：比例积分微分调节器的特点是：①在比例调节的基础上进行微分调节可提高系统的稳

定性，进行积分调节可消除余差，所以这种调节器既能快速进行调节，又能消除余差，具

有良好的调节性能。②调节作用可通过调节适当的参数，比例度，积分时间Ti和微分时间

TD面改变。

答：比例控制反应快，控制及时，但有余差。积分控制作用缓慢但可消除余差。微分控制

具有一定的超前控制作用，抑制振荡，增强稳定性。若洛三者结合起来，并选择适合的比

例度、积分时间、微分时诃，就可以得到无余差、控制及时又稳定的高质量控制。

13.在比例积分微分调节器中可以调整的参数有哪几个?试说明调下整其中一个参数时，对

调节器的控制作用有什么影响？

答:在PID调节器中，比例度、积分时间、微分时间三个参数可以调整，从而可获得较盛的

控制质量。如比例度增大，则比例控制作用减少弱，当时，PID调节器成为积分微分调节

器，当T］枳分时间时，PID调节器成为比例微分控制器，当TD时，PID调节器成为PI即

比例积分控制。

答：调整积分时间对控制作用的影响：随着积分时间的减小积分作用不断增强，在相同的

干扰作用下，调节器的输出增大，最小偏差减小，余差消除很快，但同时系统的震荡加

剧。积分时间过小还可能导致系统的不稳定。

14.调节器参数整定的目的是什么？工程上常用的整定方法有哪些？

答：调节参数整定目的是按照给定的控制系统，求取控制系统最好的调节器参数。工程上

常用的整定方法有经验试凑法、临界比例法、曲线衰减法

15.调节器控制规律选择的依据是什么？

答：关于控制规律选取可归纳为以下几点：

①简单控制系统适用于控制负荷变化较小的被控变量，如果负荷变化较大，无论选择哪种

调节规律，简单控制系统都很难得到满意的控制质量，此时，应设计选取用复杂的控

制系统。

②在一般的控制系统中，比例控制是必不可少的，当广义对控制通道时间常数较少，负

荷变化较小，而工艺要求不高时，可选择单纯的比例规律，

③当广义对象控制通道时间常数较，负荷变化较小，而工艺要求无余差时，可选用二匕例

积分调节规律，如管道压力，流量等参数的控制。

④当广义对象控制通道时间常数较大或容量滞后较大时，应引入微分作用，如工艺充许消

除余差，可选用比例微分调节规律；如工艺要求无余差时，则选用PID调节规律

16.设计控制系统时，必须确定和考虑哪些方面的问题？

答：设计一个控制系统，苜先应对被控对象做全面的了解。除被控对象的动静态特征外，

对于工艺过程，设备等也需要比较深入的/解：

在此基础上，确定正确的控制方案，包括合理地选择被控变量与操纵变量，选择合适的检

测变送元件及检测位置，选用恰当的执行行器，调节器以及调节器控制规律待，最后将调

节器的参数整定到最佳值，

17.什么是串级控制系统？它有什么特点？什么情况下采用串级控制？

答：串级控制系统是由其结构上的特征面得出的。它是由主、副两个控制器串接工作的，

主控制器的输出作为副控制器的给定值，副控制器的输出操纵控制阀，以实现对主变量的

定值控制。

它的特点有：①能迅速克服进入副回路的干扰。②能改善被控对象的特征，提高了系统克

服干扰的能力。③主回路对副对象具有“鲁棒性”，提高了系统的控制精度。串级控制系

统主要就用于：对象的滞后和时间常数很大，干扰作用强面频繁，负荷变化大，对控制质

量要求较高的场合。

18.串级控制系统中心副回路和主回路各起什么作用？为什么？

答：串级控制系统中主回路在控制过程中起着细调作用，是定值控制系统，副回路在控制

系统中起着粗调作用，是随动控制系统。这是因为串级控制系统的目的是更好的稳定主回

路，使其等于给定值，主变量就是主调节器的输出，所以说主回路是定制给定系统；副回

路的输出是副变量，副I口I路的给定值是主调节器的输出，所以在串级控制系统中，复变量

不是要求不变的，而是随着主调节器的输出变化而变化，因此是随动控制系统。

19.图2・59是聚合釜温度与流量的串级控制系统。

①说明该系统的主、副对象，主、副变量，主、副调节器各是什么？

②试述该系统是如何客观实现其控制作用？

解：①该系统的主对象：聚合釜副对象：冷却水进口管路

主变量：聚合釜温度副变量：冷却水流量

上调节器：温度调节器副调节器：流量调节器

②该控制系统的方框图:

调

节

冷源

器

进口管

温度调节器流量调节器路

检测变送2（流量）

如图所示：冷却水流量若检测变送］（温度）更送，经流量倜节阀倜整冷却水阀

门开度，开度增加；同时由于流量减少使聚合釜由温度T升高。从而使温度稳定在工橄要

求范围内。

20.什么是前馈控制系统？应用在什么场合？

答：前馈控制乂称扰动补偿，它是测量进入过程的F扰（包括外界干扰和设定值变化），

并按其信号产生合适的控制作用去改变操纵变量，使被控变量维持在设定值上。前馈控制

主要用于下列场合：

①干扰幅值大面频繁，对被控变量影响剧烈，单纯反馈达不到要求时；②主要干扰是可测

不可控的变量：③对象的控制通道滞后大，反馈控制不即时，控制质量差时，可采用前馈

一反馈控制系统，以提高控制质量。

21.什么是比值控制系统？它有哪几种类型？

答：实现两个或两个以上的参数符号一定比例关系的控制系统，称为比值控制系统，它主

要有定比值控制系统和变比值控制系统。其中定比值系统有三类：开环比值控制系统，单

闭环比值拴制系统和双闭环比值控制系统。

22.选择性控制系统的特点是什么？应用在什么场合？

答：选择性控制系统的特点是使用选择器，可以在两个或多个调节器的输出端，或在几个

变送器输出端对信号进行选择，以适应不同的T.况，主要应用在对不稳定T.况的控制，可

以保证生产工艺过程的安全操作，尽量减少开，停车中的不稳定工况。主要应用于非正常

生产过程的保护性措施中，

23.均匀控制的目的和特点是什么？

答：均匀控制系统的目的是为了解决前后工序的供求矛盾，使两个变量之间能够互相兼顾

和协调操作。均匀控制系统的特点是其控制结果不像其他控制系统那样，不是为了使被控

变最保持不变可，而是使两个互相联系的变最都在允许的范围内缓慢地变化。

第三章过程检测技术

1.写出测量方程式，以及测量三要素，并举例说明。

答：测量方程式：为被测量，x为测量值，u为测量单位。测量过程三要素为：测量隼

位，测量方法，测量仪器与设备。举例：如液柱式温度计测量温度。

2.简述直接测量法与间接测量法的定义，指出它们的异同及使用场合？

答：直接测量法一指被测量与单位能直接比较得出比值，或者仪表能直接显示出被测参数

值的测量方法；间接测量法一通过测量与被测量有一定函数关系的其他物理量，然后根据

函数关系计算出被测量的数值，称为间接测量法。相同之处在于都是对工业生产中一些物

理量的测量，都包含测量三要素。不同之处在于直接测量测量过程简单方便，应用广泛；

间接测量过程较复杂，只有在误差较大或缺乏直接测量仪表时才采用。

3.测量仪表的主要性能指标有哪些？传感器的主要特性有哪些？

答：测量仪表的主要性能指标有技术，经济及使用三方面的指标，其中技术方面的有：误

差，精度等级，灵敏度，变差，量程，响应时间，漂移等；经济方面的有：使用寿命，功

耗，价格等；使用方面的有：操作维修是否方便，运行是否可靠安全，以及抗干扰与防护

能的强弱，重量体积的大小，自动化程度的高低等。

传感器的主要特性有：准确性，稳定性，灵敏性。

4.举例说明系统误差，随机误差和粗大误差的含义及减小误差的方法。

答：系统误差是由于测量工具本身的不准确或安装调整得不正确，测试人员的分辨能力或

固有的读数习惯，测量方法的理论根据有缺陷或采用了近似公式等原因产生的测量值与真

值的偏差。系统误差的绝对值和符号或者保持不变，或者在条件变化时按某一规律变化。

如仪表零位未调整好会引起恒值系统误差。随即误差是由于测量过程中大量彼此独立的微

小因素对被测值的综合影响而产生的测量值与真值的偏差，其绝对值和符号以不可预料的

方式变化。如气温的变化，粗大误差一是由于测量操作者的粗心，不正确地操作，实验条

件的突变或实验状况未达到预想的要求而匆忙实验等原因造成的明显地歪曲测量结果的误

差。减小误差的方法：①系统误差：应尽量减少或消除系统误差的来源。首先检查仪表本

身的性能是否符号要求；其次仔细检查仪器是否处于正常工作条件，如环境条件及安装位

置等是否符合技术要求，零位是否正确；此外还应检查测量系统和测量方法本身是否正

确。②随即误差：由于摩擦，间隙，噪声等都会产生随机误差，因此首先从结构，原理上

尽量避免采用存在摩擦的可动部分；采用减小噪声的装置，并采用抗干扰能力强的测量仪

器。③对于粗大误差应端正科学研究态度，并认真分析数据，剔除坏值。

5.试述绝对误差，相对误差及引用误差的定义，举例说明各自的用途。

答：绝对误差一仪表指示值与被测变量的真值之间的代数差，即以=x-A,可表示仪表

基本误差限：八二土。。

相对误差一测量的绝对误差与被测变量的约定真值(实际值)之比，即用

^-±-x100%-±6%:可表示仪表的基本误差限与绝对误差相比较，相对误差更能说

x

明测量结果的精确程度，如温度升测量显示值为57℃,时间温度为60C,则：

△=57-60=36=---X100%=—5.0%,

'60

若实际为30℃,测量显示值为27C,则：

A=-3℃,e>=--xl(X)%=-10.0%,显然此时的相对误差比前者大。

30

引用误差一绝对误差与仪表的量程之比，用引用误差表示的仪表基本误差限为:

^=±-xlOO%=±t/%,

s

3

如温度计的晟程为KX)℃,则其引用误差"=一志xl00%=—3%,

根据允许引用误差值的大小可划分仪表的精度等级。

6.检定一只量程为5A的电流表，结果如下：

输入量/A12345

示量/A1.101.983.014.085.02

(1)试求仪兄导各示值的绝对误差，实际相对误差，示值相洋f误差和引用误MEo

(2)确定仪用导的精度等级。

解：1-1.102-1.983-3.014.-4.085-5.02

绝对误差：=；相对误差：^=—,

4

示值相对误差：6'=——，引用误差：q=—

xS

所以数值计算列表如下:

A.12345

X1.101.983.014.085.02

At=x-40.1-0.020.010.080.02

cAx

o=——0.1-0.010.00330.020.004

A)

0.091-0.01010.00330.01960.004

X

Ax

q=­0.020.0040.0020.040.004

S

仪表的精度等级,.,4max=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：

324.08324.03324.02324.11324.14324.07324.11324.14324.19324.23

324.18324.03324.01324.12324.08324.16324.12324.06324.21324.14

分别用3。准则和肖维耐准J则判断有无粗差，并目后该测量的计算平均值X,标准另息G和

极限误差4,写出测量结果表达式。

|nI20

解：n=20,平均值元=一»=—=324.11,

〃I=I

20|=|

剩余误差：V；=x,.-x,即:

-0.03-0.08-0.0900.03-0.0400.030.080.12

0.07-0.08-0.10.01-0.030.050.01-0.050.10.03

［冬》.。64,标限误差―。」2

标准差。二、

(1)3。准则：3。=0.192,V；冰=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,左=包二2.24

(J

.•.GT=0.14336,匕,=0.12v3b,故该组数中无坏值。

极限误差Amax=012,测量结果：%=£=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。

e

解：(1),.0^(z)=p{|Ar|<zcr}=1dz—22dz—1

—JQt

z=0.52-'由此推得0.7时，z=0.5205

0.69850.7019

由已知条件知。(z)=0.4,查概率积分表得:

rco——

2

L.dz=0.7时z=o.52O5,

zb=0.5=0.5205xb,得：ba0.96士1

(2)za=0.75,得：z=0.781

查表得：z=0.78时，

/.z)=2x0.7823-1=0.5646

即误差小于0.75,概率为0.5646

9.现有精度等级为L5A级，2.0B级和2.5C级的三块仪表，测量范围分别为0〜100C,

—50〜550C和—100〜500C,现需测量500c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=4些•

Am,tx=0.02x[550-(-50)]=12℃

/.=—=0.024=2.4%<2.5%

max50()

故B表合适。

C表:q=2.5%=0.025=-^

...-max=0.025X[500-(-100)]=15-C

/.九*---0.03-3%>2.5%

nwx500

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/mm00.51.01.52.02.53.03.54.04.55.05.56.0

上行程示值/mm：00.340.691.061.411.772.042.452.813.203.674.074.37

下行程示值/mm：00.400.771.141.521.902.272.653.023.383.724.064.37

（1）如图所示，上下行程曲线

△L2.04-0.7199x3995x100%=-2%

(2)产—―=

L11

Ymax6

2,272()4

(3)dh==-,=3.8%

L6

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。

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,tl)4-Ecd(tl,tO)

由补偿导线的性质得：Ecd(tl,tO)=Eab(tl,tO)

AE=Eab(t,tl)+Eab(tl,tO)=Eab(t,tO)

补：用普通导线做热电偶得延长线要求引入两端得温度用同热电势不同，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

0

(1)tA=22OC,iH=20C°

(2)(=200C°,rfl=500C°

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:0.798mv8.137mv8.937mv20.640niv

(1)AE=8.938-0.798=8.140mv

反查K热也偶分度号表：201C-------8.177mv

内析求得：At=200.075℃

(2)AE=20.640-8.137=12.503℃

反查K分度号表:307——12.498℃;308——12.539℃

内析求得:At=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=1300C,tl=80℃,t2=25*C,t0=30*C；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)杳S型热电偶的分度号表:

t/℃3003025

E/mv3.1550.730.142

由E(t,tO)=E(t,0)-E(tO,0)

即E(1300,30)=E(1300,0)-E(30,())

=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20C时平衡的，因此须将仪表的机械零位预先调到20处，即可

使示值与实际温度相符。以।八八八°

rO=rl=80C

(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℃0

15.用分度号为Cu50的热电阻测得某介质的温度为84七,但经检定，该电阻RO50.4Q,

电阻温度系数a=4.28X10-3/C.试求介质的实际温度。

解：•・•在-50C〜150c的范围内，铜电阻与温度是线性关系：

6=凡)口+。(，一幻］

查得他t=84℃时R=67.97Q

67.97=50.4x[1+4.28xl0-3(r-0)]

即:

r=81.5C°

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；1一1截面压力相等，即：

P水+「水g（Z+饱+为）=P+2水白河3

表压

p&=p水-pq=夕水银g%-p水g（4+4+4）

=13.6X103X9.8X0.14-1X103X9.8X（1.5X0.08+0.14）

=1803.2&

17.四个应变片RLR2（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350口。的应

变，供桥电压10V,坊=%=&=&=/?,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:

A/?,△凡△&

=---R.R-,(—L---+-------

(凡+6)2/?,&(R；

,/R=R?=Ry=R4=R

£第二竭土祸至

°4R?R

uA7?i—AT?,+A/?4—A&

=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P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，可直接则得相应的被测压力大小。

20.已知被测压力在范围0.7~lMPa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.

-s<-5<0.7

3m,n3s<2.\MPa

22s>\.5MPa

max<—,s,—s>1

故选用（）4.6MPa'

精度等级:

§=—xl00%=1.25

故选用精度等级为Y级的最鹿为/I.6而『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/T2624

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

节流利用节流元件前后的差压与流速之间的关系，获使用已标准化、系列化，使

装置得被测流量的大小用范围：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，利用锥形管内的转子把流体的使用已系列化，测量时若介

流量流速转换成转子的位移，进而获得被测流量的大质变化，应修正，可测小流

计小。量，结构简单，维修方便，

压力损失小。缺点：机械传

相同点：都是测流速然后得流量。逆信号，仪表性能和准确度

难以提高，转子易K死，测

量管径范围4150m叫测量范

围：0.00广3000m3/h,精度

士「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；通过频率一一电流转换单元可得

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。

25.已知：流体为过热蒸汽，工作压力P=14MPa,工作温度t=550℃；管道D20=221mm,

材料X20CrMoV21无缝管，节流装置为角接标准喷嘴，材料为lCrl8Ni9Ti,d20=

148.74mm；差压0p=100.42KPa,求：

（1）在假定Op下的蒸汽流量；

（2）计算测量时的压力损失。

解：计算参考《过程控制检测技术与仪表》杜维主编••卬81。

查附数据表可得管道材质和孔板材质的热膨胀系数为:

4=18.20x10毋/C°4=12.30x1O-6/C°

则工作状态下管道内径为

。=3。口+4)(「2(川

=221[1+12.30x10^x(550-20)]

=222.4〃〃"

Kn7

电表2-5查得管道内壁粗糙度k=0.7则：一=—=0.03125

D22.4

〃=40口+/1d&-20)]

=148.74[1+18.2x1O'(550-20)]

=150.17mm

4=空卫=06750.44</?<0.82xl04</?<107

D222.4

K1.15

(1、

C=0.9900-0.226240.00175/72-O.OO33/745)x—=0.9447

在工作压力下P=14MRz=1.4xl()7尸。，八=550C0

过热蒸汽p、=1.5kg/从=0.5Pa.s

廿।、bP、100.42xlO3CM。

其中r=l----=1----------=0.993

《1.4xl07

因为£=().99

A-ld2=-x\50A72=\770.56〃〃〃2

44

“令所=

9一片

26.已知：流体为水，工作压力p=14.71MPa,工作温度t=215C；管道D20=233mm,材

料20号无缝钢管；截流装置为法兰标准孔板，材料为lCrl8Ni9Ti。d20=117.34mm,差压

Ap=156.91KPa.

求：(1)在给定的Ap下的流量qm

(2)测量时的压力损失。

解：^=12.78x10^/^乙=17.20x10-6/。°

6

D=D2()[I+A,D(r,-20)]=233[14-12.78x10x(2i5-20)]

=233.6mm

6

J=J20[1+ZJ(/1-20)]=117.34[1+17.20X10-X(215-20)]

=117.7"〃〃

〃d117.7_.

B=—=-----=0.504

D233.6

\0.7

(IO6

C=0.5959+0.03120”—0.1840加+0.0029夕'+资夕（一夕厂_等夕

液体e=l,&=?/=1()874.83〃〃〃

""J1-夕J29AP

p,=846.8依/〃/

27.当工作压力偏离额定压力时，如何由差压显示的水位值求出真实的水位。

答：当工作压力偏离额定压力时，可通过差压计的正、负迁移，求出迁移量，即利用正负

迁移改变变送器的零点，同时改变量程的上下限，即可求出真实的水位。

28.差压式液位计如何测量液位？当差压变送器高于或低于最低液位时，应如何处理？

答：差压式液位计是采用压差计测量气、液两相的压差，压差大小通过气动或电动差压变

送器传送，并转化位电信号，最终显示处液位的大小及其变化。当差压变送器高于或低于

最低液位时，可对差压变送器进行零点迁移，由正迁移和负迁移（低于最低液位时，采用

正迁移，高于最低液位时，采用负迁移。）

第四章过程控制装置

1.单杠杆式气动差压变送器式由哪些部分组成的？各部分由何作用？试说明其工作原

理。

答：单杠杆式气动差压变送器电气动转换部分和测量部分组成，测量部分的作用是将被测

量的压力信号转换成力的形式：气动转换部分的作用，是将被测差压△pi转换成为作用于

主杠杆下端的输入力臼。其工作原事管港押利舞☆压力经敏感元件转换成输入力

O向用于斗:发汗的卡醯，对支点产生一个顺时计方

Fio即

向的输入力矩Mi,使主杠杆发生顺时针方向的偏转。③变送器输出信号P0,引入反馈波纹

管中，并产生反馈力矩Ff作用于主杠杆上，使主杠杆对支点产生一^媪旨方向的力矩

Mfo④当时，主杠杆就处于平衡状态，喷嘴挡板间的距离不再改变，若MfrMi

时，则杠杆系统产生偏角a,位移检测片产生微小位移s,其变化量再通过放大器10转换

并方大为20-100

KPa的输出压力，即变送器的输出信号与被测差压Api成正比。

2.什么时气阻？什么是气容？它们在气路中各起什么作用？

答：在气路中安装的节流元件称为气阻，作用是阻碍气体的流动，起着降压（产生压力

降）和限流（调节气体流量）的作用。气容是在气路中能储存或释放处气体的气容，在气

路中起着缓冲，防止振荡的作用。

3.喷嘴挡板机构由哪些气动元件组成？它们的作用是什么？

答：喷嘴-挡板机构是由喷嘴和挡板构成的变气阻，一个恒气阻和一个气容串联而成的节流

通室，作用是将输入的微小位移信号（即挡板相对于喷嘴的距离）转换成相应的气压信号

输出。

4.DD8—IH型电动差压变送器是按什么原理工作的？它是由哪几部分组成的？试简述其

工作过程。

答：DD8-IU型电动差压变送器是按力矩平衡原理工作的，由测量部分（杠杆系统）；电

磁反馈装置；矢量机构；低额位移检测放大器。其工作过程如下：

被测差压信号pl,p2分别送入敏感元件两侧的正负压室，敏感元件将其转换成作用于主杠

杆下端的输入力Fi,使主杠杆以轴封膜片为支点偏转，并以力F1沿水平方向推动矢量机

构，矢量机构将推力分解成F2和F3。F2使矢量机构的推板向上偏转，并通过连接簧片带

动副杠杆L4以支点M逆时针偏转，使固定在副杠杆上的差动变压器B的衔铁靠近差动变压

器，两点之间的距离变化量再通过低频位移检测放大器能换并方大为4〜20mA直流电流，

作为便送器的输出信号；同时该电流又流过电磁反馈装置的反馈动圈，产生电磁反馈力

Ff,使副杠杆顺时偏转。，当输入力与反馈力对杠杆系统说产生的力矩Mi,Mf达到平衡

时，变送器便达到一个新的稳定状态。此时低频位移检测放大器的输出电流I。便反映了说

测电压Api的大小。

5.DD8-IH型温度变送器为什么要采用线性化措施？热电偶温度变送器时怎样实现线性

化的。

答：热电偶温度变送器要求的输出电压信号与相应的变送器输入的温度信号成线性关系，

而热电偶是非线性关系的，温度变送器放大回路是线性的，若将热电偶的热电势直接接到

变送器的放大I可路，则温度tC与变送器的输出电压Use之间的关系是非线性的。因此需

要采用线性化措施，措施是:采用反馈电路非线性，使放大回路具有线性，依据输入输出关

系，当放大系数k很大时，要使热电偶输入的温度变送器保持线性，就要使反馈电路的特

性曲线与热甩偶的特性曲线相同，从而实现线性化。

6.试分析电动差压变送器如何实现量程迁移（零点迁移）的。

答：电动差压变送器的零点迁移是通过调整零点迁移弹簧进行的。当调整零点迁移弹簧

时，由主杠杆力矩平衡，可知在被测差压信号不变的情况下，作用于矢量结构的力F1变

化，从而改变压差变送器的输出电流，即改变仪表的使用范围，实现量程迁移

7.试分析四线制变送器与两线制变送器与电源的连接方式并画出示意图。

答：电动变送器输出信号与电源的连接方式有两种：四线制和两线制，四线制中，供电电

源通过两根导线接入，另两根导线与负载电阻R2相连，输出0〜10mADC信号。这种连线

方式中，同变送器连接的导线共有4根，成为四线制，如图（a）所示。如图b中所示，同

变送器连接的导线只有两根，同时传送变送器所需的电源电压和4〜20mADC输出电流，称

为两线制。

(a)(b)

8.本质安全防爆型系统是由哪些要素构成的？需要采取哪些措施才能保证整个系统达到

防爆要求？

答：本质安全防爆型系统是由安装载危险场所中的本质安全电路及安装载非危险场所中的

非本质安全电路和防爆安全栅组成。

采取措施以达到防爆要求的方法有：

①本质安全防爆仪表采用低的工作电压和小的工作电流。

②用防爆安全栅将危险场所和非危险场所的电路隔开。

③在现场仪表导控制室仪表之间的连接导线不得形成过大的分布电感和电容。

9.试分析气动调节仪表与电动调节仪表各自具有什么特点。

答；气动调节仪表线路简单，直观，容易被使用者掌握，使用压缩空气作为气源，是天然

防爆仪表，信号范围为2。〜lOOKPa,电动调节仪表采用统一标准的电信号，4〜20mADC传

输信号，并采用线路集成电路，使可靠性提高，维修工作量减少，结构合理，功能多样，

整套仪表可构成安全火花型防爆系统，而且可与计算机连用。

10.简述膜片式PI调节器的工作原理。

答：膜片式PI调节器是根据力矩平衡原理工作的，由比较部分，比例部分，积分部分，放

大部分，开关部分等组成，其中比较部分由测量气室，给定气容，和比较部分芯杆所联系

起来的膜片组，比例部分使输出△舄二（,以。积分部分用积分气容和跟踪气室串联在积

分正反馈I可路里，△〃,,二寸］〔以力，开关部分用以控制调节器输出的通断。输入回路

作用是将输入信号与给定信号进行比较，取出偏差信号，并进行电平移动。

11.PID调节甥是由哪些基本部分组成的？试分析各部分所完成的功能。

答：PID调节器的基本组成有输入电路，运算电路和输出电路组成。输入电路是检测偏差

信号，信号经滤波电路后输出导P【D运算电路。（输入电路包括偏差检测电路，内给定稳

压电源电路，内外给定切换开关，正反作用开关及滤波电路等）。

PID运算电路：根据整定好的参数用以对偏差信号进行比例，微分和积分的运算，是调节

器实现PID控制规律的关犍环节。

输出电路：将运算电路的输出信号做最后一次放大，或者作为运算电路之回路中放大器的

组后一-级，提供调节器的输出信号。

12.何为基型调节器？它具有哪些主要特点？

答：基型调节器是一种具有PID运算功能，并能对被调参数，给定值及阀门位置进行显示

的调节器。

特点：①采用了高增益、高阻抗线性集成电路组件，提高万仪表的精度，稳定性和可靠

性，降低了能耗。

②有软、硬两种手动操作方式，软手动与自动之间由于有保持状态而使调节器输出能够长

期保持，因而在互相切换时具有双向无平衡无抗扰特性，提高了操作性能。

③采用集成电路便于各种功能的扩展。

④采用标准信号制，接受1-5VDC测量信号，输出4〜20mADC信号，由于空气受点不

是从零点开始的，故容易识别断电、断线等故障

⑤能与计算机联用。

13.试说明基型调节需产生积分饱和现象的原因。

答：•・•在基型调节器的PI电路中，接有运算放大器，对于理想的比例积分电路，只要输入

信号Usc2存在，积分作用就不会终止，直到输出电压被限制在运算放大器的最大或最小允

许输出为止，即产生积分饱和现象，一般称输出电压未被限制为正常工作状态，输出电压

被限制后称为饱和工作状态。

14.试分析DTZ—2100型气刻度指示调节器的工作原理，它试由哪些部分组成的？各部分

的主要功能试什么？

答：DT8-2100型气刻度指示调节器的工作原理是：输入信号经测量指示回路进行连续指

示，并输入输入I可路与经给定指示电路指示的给定值进吁比较得出偏差信号，偏差信号经

比例微分，比例积分回路运算后，送入输出回路将1-5VDC电压信号转换成4〜20mADC

信号，作为调节器的输出信号。

组成：由指示单元和控制单元两部分组成，其中指示单元由测量指示电路和给定指示，分

别实现对测量信号和给定信号进行连锁指示。控制单元由输入电路一一作用是将输入信号

与给定信号进行比较，取出偏差信号，并进行电平移位；比例微分回路一一功能为：•・•回

路的输出值大小不仅与输入信号的大小、极性有关，而且与输入信号变化的速度有关，因

此对输入信号进行PD运算，对于容量大、惯性大，具有滞后的调节对象有益。比例积分回

路一一作用是为调节器引入积分功能，从而使调节器的输出值与偏差对时间的积分成正比

例。输出回路一一作用使将PI回路输出的1-5YDC电压信号转换成以电流负端为基建的

4〜20mADC信号，作为调节器的输出信号。手动操作回路一一在控制回路中实现手动操

作。

15.DDZ-IH型调节器的输入电路为什么要进行电平移动？

答：DDZ—I