2025年《化工仪表与自动化》课程测试试题一答案

2025年《化工仪表与自动化》课程测试试题一答案一、填空题（每空1分，共20分）1.工业热电阻常用的材料是铂和铜，其中铂电阻的测量范围通常为-200℃至850℃，而铜电阻因易氧化，一般仅适用于-50℃至150℃的环境。2.差压式流量计由节流装置、差压变送器和显示仪表三部分组成，其基本测量原理基于伯努利方程，流量与差压的平方根成正比。3.气动执行器的气开式结构指输入气压增大时，阀门开度增大；气关式则相反，其选择主要依据工艺安全原则，若工艺介质为易燃气体，应优先选择气开式（断气时关闭）。4.仪表的精度等级是根据最大引用误差来划分的，某温度仪表量程为0-500℃，精度等级1.0级，其最大绝对误差为±5℃。5.热电偶测温时，需进行冷端补偿，常用方法有冷端恒温法、补偿导线法和电桥补偿法；其中补偿导线仅能延伸热电极，不能补偿冷端温度变化。6.PID控制中，比例控制的作用是减小稳态误差，积分控制的作用是消除稳态误差，微分控制的作用是改善系统动态特性，抑制超调。7.串级控制系统的主回路通常是定值控制，副回路通常是随动控制，其核心优势是对副回路的干扰具有快速抑制能力，提高系统鲁棒性。8.物位测量中，雷达液位计基于电磁波反射原理，适用于高粘度、腐蚀性介质；超声波液位计基于声波反射原理，需注意介质密度和温度对声速的影响。二、选择题（每题2分，共20分）1.以下哪种温度检测元件适合测量1200℃的高温？（）A.铂热电阻B.铜热电阻C.K型热电偶D.热敏电阻答案：C（热电偶可测高温，K型（镍铬-镍硅）上限约1300℃）2.某压力仪表量程为0-1MPa，校验时发现500kPa处示值为505kPa，该点的绝对误差为（）A.+5kPaB.-5kPaC.+1%D.-1%答案：A（绝对误差=示值-实际值=505-500=+5kPa）3.调节阀的流量特性中，哪种特性在小开度时流量变化小，大开度时流量变化大？（）A.线性特性B.等百分比特性C.快开特性D.抛物线特性答案：B（等百分比特性的相对流量变化率恒定，小开度时绝对变化小，大开度时绝对变化大）4.前馈控制的主要特点是（）A.基于偏差消除偏差B.对所有干扰有效C.提前补偿可测干扰D.无静差答案：C（前馈控制针对可测、不可控干扰，提前补偿，不依赖偏差）5.某控制系统过渡过程曲线显示，最大偏差为15℃，设定值为100℃，余差为2℃，则该系统的稳态误差为（）A.15℃B.13℃C.2℃D.17℃答案：C（稳态误差即余差，是过渡过程结束后系统的残余偏差）6.下列哪种仪表不属于物位检测仪表？（）A.浮筒液位计B.电磁流量计C.雷达物位计D.差压式液位计答案：B（电磁流量计测流量，其余为物位仪表）7.气动薄膜调节阀的执行机构输出力由（）决定A.输入气压信号B.弹簧刚度C.膜片面积D.以上均是答案：D（输出力=（输入气压-弹簧预紧力）×膜片面积，与三者相关）8.串级控制系统中，副控制器的作用方向应满足（）A.副回路构成正反馈B.副回路构成负反馈C.主副回路同向D.主副回路反向答案：B（所有控制系统的基本要求是闭合回路负反馈）9.某流量控制系统采用4-20mA信号，当流量为量程的50%时，输出电流为（）A.12mAB.10mAC.14mAD.8mA答案：A（4+（20-4）×50%=12mA）10.下列哪种情况需选用气关式调节阀？（）A.介质为高温蒸汽，断气时需关闭B.介质为有毒气体，断气时需打开C.介质为易结晶液体，断气时需关闭D.介质为冷却水，断气时需打开答案：D（气关式断气时全开，冷却水断气时全开可避免设备超温，属于安全设计）三、简答题（每题6分，共30分）1.简述仪表变差的定义及产生原因。答：变差是指在同一被测参数的情况下，仪表正行程（输入由小到大）和反行程（输入由大到小）输出示值的最大差值与量程的百分比。产生原因主要包括：传动机构的间隙、运动部件的摩擦、弹性元件的滞后、电子元件的老化等。变差反映了仪表输出的不重复性，会影响测量精度，若超过允许值则需检修或更换仪表。2.比较气动执行器与电动执行器的优缺点。答：气动执行器优点：结构简单、防爆性能好（无电火花）、可靠性高、价格较低；缺点：需压缩空气源、响应速度较慢、输出力受气压限制。电动执行器优点：能源获取方便（电力）、响应速度快、控制精度高、可直接与电动仪表配套；缺点：防爆性能差（需特殊处理）、结构复杂、成本较高、长期运行易发热。3.说明如何用临界比例度法整定PID参数。答：临界比例度法步骤：①将系统置于纯比例控制（Ti=∞，Td=0），逐渐减小比例度δ，直至系统出现等幅振荡；②记录此时的临界比例度δk和临界周期Tk；③根据经验公式计算PID参数：比例度δ=0.8δk（P）、δ=1.2δk（PI）、δ=0.8δk（PID）；积分时间Ti=0.5Tk（PI）、Ti=0.3Tk（PID）；微分时间Td=0.1Tk（PID）。注意该方法适用于允许出现等幅振荡的过程，且对象特性较稳定的系统。4.什么是控制系统的过渡过程？其品质指标主要有哪些？答：过渡过程是指系统从一个稳态（初始状态）过渡到另一个稳态（新设定值或干扰后状态）的动态过程。品质指标包括：①最大偏差（或超调量）：过渡过程中被控变量偏离设定值的最大幅度；②衰减比：相邻两个波峰的幅值之比，通常要求4:1或10:1；③余差：过渡过程结束后，被控变量与设定值的残余偏差；④过渡时间：从干扰发生到被控变量进入并保持在允许误差范围内的时间；⑤振荡次数：过渡过程中被控变量波动的次数。5.简述超声波液位计的工作原理及安装注意事项。答：工作原理：超声波液位计通过探头发射高频超声波脉冲，经液面反射后被同一探头接收，测量声波发射与接收的时间差，结合声波在介质中的传播速度（需温度补偿），计算液位高度（h=v×t/2，v为声速，t为时间差）。安装注意事项：①探头需垂直对准液面，避免倾斜导致反射信号偏移；②避开搅拌器、进料口等干扰源，防止回波失真；③对于易挥发介质，需考虑蒸汽对声速的影响，或选用高频超声波减少衰减；④安装高度需大于最大液位，避免探头被液体浸没；⑤定期清理探头表面，防止附着物影响信号发射与接收。四、计算题（每题10分，共20分）1.某温度控制系统采用K型热电偶测温，已知冷端温度为30℃，测得热电势为36.0mV。查K型热电偶分度表（参考端0℃）：30℃对应热电势1.203mV，36.0mV对应温度870℃，37.203mV（36.0+1.203）对应温度900℃。试计算被测介质的实际温度。解：根据中间温度定律，热电偶的热电势仅与热端和冷端的温度差有关，当冷端温度不为0℃时，实际热电势E(t,t0)=E(t,0)-E(t0,0)。本题中，测得热电势为E(t,t0)=36.0mV，冷端温度t0=30℃，对应E(t0,0)=1.203mV。因此，热端与0℃的热电势E(t,0)=E(t,t0)+E(t0,0)=36.0+1.203=37.203mV。查分度表，37.203mV对应温度为900℃，故被测介质实际温度为900℃。2.某管道内介质密度为800kg/m³，采用标准孔板流量计测量流量，已知孔板直径d=50mm，管道直径D=100mm，流量系数α=0.65，被测差压Δp=40kPa。试计算体积流量Q（m³/h）。（注：体积流量公式Q=3600×α×ε×(πd²/4)×√(2Δp/ρ)，ε为可膨胀性系数，气体取ε<1，液体取ε=1）解：因介质为液体（密度800kg/m³），ε=1。代入数据：d=0.05m，d²=0.0025m²，πd²/4=3.14×0.0025/4≈0.0019625m²；Δp=40kPa=40000Pa，ρ=800kg/m³；√(2Δp/ρ)=√(2×40000/800)=√(100)=10m/s；Q=3600×0.65×1×0.0019625×10≈3600×0.65×0.019625≈3600×0.012756≈45.92m³/h。五、分析题（20分）某化工厂合成氨反应釜的温度控制至关重要，工艺要求反应温度稳定在480±5℃，主要干扰包括进料流量波动（±10%）、蒸汽加热量波动（±8%）。现需设计一套温度控制系统，要求：（1）画出控制系统方框图；（2）说明被控变量、操纵变量、干扰变量的选择依据；（3）分析是否需要采用串级控制，若需要，说明主副变量的选择及副回路的作用；（4）确定调节阀的气开/气关形式及原因。答：（1）控制系统方框图：反应釜温度（被控对象）→温度检测变送（测量元件）→控制器→调节阀（执行器）→蒸汽流量（操纵变量）→反应釜温度（被控变量）。方框图中各环节依次连接，形成闭合负反馈回路。（2）变量选择：-被控变量：反应釜内温度（直接反映反应状态，是工艺核心指标）；-操纵变量：蒸汽流量（通过调节加热量控制温度，响应较快，易于调节）；-干扰变量：进料流量（影响反应热输入）、蒸汽加热量（影响热量供给）、环境温度（次要干扰，可忽略）。（3）串级控制必要性分析：由于存在进料流量和蒸汽加热量两种主要干扰，其中蒸汽加热量波动（如蒸汽压力变化）直接影响加热量，若仅用单回路控制，控制器需等待温度变化后才调节，滞后较大。因此建议采用串级控制：-主变量：反应釜温度（480℃）；-副变量：蒸汽管道内的蒸汽流量（或蒸汽压力）；-副回路作用：快速抑制蒸汽流量的波动（副变量测量滞后小），将蒸汽流量稳定在设定值，为主回路提供稳定