化工仪表自动化复习题概要

函授教育教学辅导资料

《化工仪表自动化》

【教学方法】

采用启示式教学，首先进行问题的提出，然后引导，启示学生思量，让学生带着问题听

课，使学生的学习变被动为主动。

【学习重点、难点】

1、化工自动化的主要内容：自动检测系统、自动信号和连锁保护系统、自动控制及自动

开停车系统、自动控制系统。

2、自动控制系统能在没人直接干预的情况下，自动地排除各种干扰因素对工艺参数的影

响，使它们始终保持在预先规定的数值上，保证生产维持在正常或者最假的工艺操作状态。

3、自动控制系统的基本组成：被控对象及自动化装置，其中自动化装置又包含测量原件

与变送器、控制器和执行器。

4、自动控制系统的方块图：每一个方块都代表一个具体装置，方块与方块之间的连接代

表方块之间的信号联系，方块之间连接线的箭头代表信号作用的方向。

5、自动控制系统是具有被控变了负反馈的闭环系统。而自动检测、自动控制等系统是开

环系统。

6、反馈控制方式是按偏差进行控制的，其特点是不论什么原因使被控变量偏离期望值而

浮现偏差时，必然会产生一个相应的控制作用去减小或者消除这个偏差，使被控变量与期望

值趋于一致。

7、按被控变量的给定值是否变化和如何变化分类，自动控制系统可分为定值控制系统、

随动控制系统和程序控制系统。

8、自动化领域中，把被控变量不随时间而变化的平衡状态称为系统的静态；把被控变量

随时间变化的不平衡状态称为系统的动态。

9、静态是指系统中各信号的变化率为零，即信号保持在某一常数不变化，而不是物料不

流动或者能量不交换。

10、自动控制系统在静态时，生产还在进行，物料和能量仍然有进出，只是平衡进行没

有改变就是了，这与习惯上所说的静止是不同的。

【复习题】

一、填空题

1.在阶跃干扰作用下，系统过渡过程有发散，等幅，

衰减震荡和单调等。

2.线性度是描述仪表的标定曲线和拟合曲线之间的吻合程度，量程越小，线性

化带来的误差（填越大或者越小）。

3.孔板流量计的特点是,转子流量计的优点为可测—（填大或者小）流量，

压力损失（填大或者小）。

4.调节器按信号作用方式分为正作用调节器和反作用调节器，其中当测

量信号增加，调节器的输出信号减小的是反作用调节器。

5.计算机控制系统与摹拟控制系统基本结构是^相同或者不同），前一控制系

统中增加了元件,信号的输出在时间上是的。

6.按给定值的特点划分，控制系统可分为定值控制系统，随动控制系统，和程_

序控制系统控制系统。

7.在计算机控制系统中，用数字控制潜代替了摹拟控制器，并增加了

模数转换元件和数模转换元件转换元件。

8.对调节器参数进行工程整定的方法有经验试凑法，临界比例度

法,和

衰减曲线法。

9.线性度是描述仪表的标定曲线和拟合曲线之间的吻合程度,量程

越小，线性化带来的误差（填越大或者越小）。

10.滞后时间按形成原因分为容量滞后和传递滞后.

11.放大系数是描述被控对象重新达到平衡时其输出变化量与输入变化量

之比，是被控变量的静态特性参数。

12.仪表所能测量的被测量上下限的范围称为仪表的量程，如测量范围为-200~800℃

的温度计，其量程为10（）0℃o

13.孔板流量计的特点是.，转子流量计的优点为可测（填大或者小）流量,

压力损失（填大或者小）。

14.PID调节器硬件结构的主要组成部份有：输入电路，PID运算电路，

和输出电路。

15.红外线气体分析仪是基于物质对光辐射的选择性吸收原理工作的；当氧化钻固

体电解质两侧的氧浓度不同时，会形成浓差电池；色谱分析仪是利用各组分的

分配系数不同进行物质成份分析的。

二、单项选择题

1.生产过程对过程装备控制的基本要求是什么？（A）

A安全性、经济性、稳定性B可靠性、自动化程度高

C被控参数的多样性D控制系统的滞后小，控制灵敏

2.微分调节器的输出只与偏差的什么有关？（C）A存在与否B

大小C变化速度D正负或者方向

3.色谱仪是利用各组分在两相间什么的不同而使各组分分离？（D）A挥

发性B流速C粘度D分配系数

4.DDZ-III型电动差压变送器由什么组成的？（C）A电磁反馈装

置和矢量机构B测量、放大、反馈三部份

C输入电路和输出电路D输入电路和反馈电路

5.调节阀的流量特性是指被调介质流过阀的什么之间的关系？（C）

A阀前压力与阀后压力B流速与压力

C相对流量和阀门的相对开度D压差与流量

6.被控对象的特性是指当被控对象的输入变量发生变化时，其什么的变化规律。

A输出变量随时间B输出变量随输入变量

C输入变量随时间D输出变量随空间（A）

7.在PI调节规律中，随着T的减小，在相同的扰动下，系统的稳定性（C）i

A增加B不变C降低D无法确定

8.红外线气体分析仪利用物质对光辐射的什么原理工作？

A反射B选择性吸收C透射D折射（B）

9.串联管道中，当s减小时，调节阀的实际可调比如何变化？（D）A不变

B增加C不能确定D减小

10.下列各测量操作过程，什么情况下会产生系统误差？（A）A测量时

测量祛码存在误差B测量过程中环境温度可能发生了变化

进水

4

图1贮槽水位控制系统

1-贮槽；2-浮球；£杠杆：4针形阀2.某化学反应器

工艺规定操作温度为900±l（）C,考虑安全因素，调节过程中温度偏离给定值最大不得超过8（）℃

o现设计一定值控制系统，在阶跃扰动作用下的过渡过程曲线如图所示。

其中y=900℃,y=908℃1y=918℃,^y=950℃,t=9min,t=45min,t=47min,试确定该系

统的最大偏差，衰减比，余差，振荡周期和过渡时间（按被控变量进入±1%新稳态来确定），

图2系统过渡过程曲线3.用分度号为K的银铭-

锲硅热电偶测量温度，在没有采取冷端温度补偿的情况下，显示仪表指示值为500C,而这

时冷端温度为60C。试问：实际温度应为多少？如果热端温度不变，设法使冷端温度保持在

20℃,此时显示仪表的指示值应为多少？己知热电偶分度表如下表所示：

（14分）

20℃60℃50()C557℃538℃539℃

0.798mV>.436mV2).64mV2307mV22.>60mV22.3)3mV

4.试分析比例度对余差、最大偏差和系统稳定性的影响。一电动比例调节器，它的量程是

100-200℃,输出信号是0-10mA,当输入从140c变化到160c时，相应的调节器输出从3mA

变化到8mA,求该调节器的比例度。（11分）

5.检定一只量程为5A的电流表，当输入量为1A时，指示值为1.10A。试求该仪表的绝对误差、

相对误差、引用误差，并确定该仪表的精度等级。（8分）

附：仪表精度等级系列——0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、（2）、2.5、5.0

6.试分析如图所示电气转换器的工作原理（10分）

图4-65电-气转换器的结构原理图

1一杠杆；2一线圈,3—挡板；4一喷嘴；5—弹簧；6-波纹管・

7_重锤,8—支撑；9-气动功率放大器；10—气源

7.如图所示，一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定值。试

画出该控制系统的方框图，并指出该系统的被控对象、被控变量、控制变量各是什么？（10

分）

冷物料

8.试分析衰减比对过渡过程的影响，并画出衰减比分别为nvl,n=l,n>l,n-8时的过渡过程曲

线。（12分）

9.用K热电偶测某设备的温度，测得的热电势为2（）mV,冷端（室温）为25C,求设备的温

度？如果改用E热电偶来测温时，在相同的条件下，E热电偶测得的热电势为多少？已知

K,E热电偶的分度号如下表所示：

K热电偶E热电偶

25℃509℃25℃509C

1,0mV2I.0mV1.5(mV37.7mV

（14分）

10.试分析如图所示电动差压变送器的作用、基本工作原理和工作过程（12分）。

11.现有精度等级为L5级、20级和2.5级的三块以表，测量范围分别为（MOOC,-5OT5OC

和-100〜500℃。现需测量500℃摆布的温度，要求测量的相对误差不超过2.5%,选用哪块

测量仪表比较合适？（10分）12.试画图解释调节器的微分作用是

通过负反馈积分电路形成的。（9分）13.如图所示，为一贮槽液位控制系统，工艺要

求液位保持为某一数值。试画出该系统的方框

图，并指出系统中被控对象、被控变量、控制变量各是什么？（10分）

图1贮槽液位控制系统14.试分析衰减比对过

渡过程的影响，并画出衰减比分别为n<l,n=l,n>l,n-8时的过渡过程曲线。（12分）

15.现用一支银铭-铜银热电偶测某换热器内的温度，其冷端温度为30℃,显示仪表的机械零

位在0℃,仪表指示值为400C,若认为换热器内的温度为430C,对不对？为什么？正确值

为多少？（14分）

已知热电偶的分度号如下表所示：

30℃400℃420℃430℃

1.801m28.943m30.546m31.350m

\7X7X7\7

16.试画图解释调节港的积分作用是通过负反馈微分电路形成的。（9分）

17.试分析如图所示电气转换器的工作原理（12分）

图4-65电气转换器的结构原理图

2线圉，3-小板,45-8黄16-波纹管，

7重Nh8支揖,9-气动功率放大器।I。""气鼻

18.已知被测压力在范围0.7〜IMPa内波动，要求测量的绝对误差不得超过0.02MPa,试

选定弹簧管压力计的量程和精度等级。可供选用的压力计量程系列为：0〜0.6MPa；0〜1

MPa；0〜1.6MPa；0~2.5MPa。（10分）

附：仪表精度等级系歹IJ0.1,0.2,0.5,1.0,1.5,（2）,2.5,5.0

参考答案化工仪表白动化

三、简答题

1.答：生产过程自动化包含四个方面的内容：

(1)自动检测系统；(2)信号连锁系统；

(3)自动控制系统；(4)自动控制系统。

2.答：滞后时间依产生的原因不同分为两类：

传递滞后工一由于信号的传输、介质的输送或者能量的传递要经过一段时间：

0

容量滞后T—由于物料或者能量的传递过程中受到一定的阻力引起的。

对于控制通道而言，滞后的存在不利于控制，会使控制作用的效果不及时，影响控制质量。

3.答：热电偶冷端温度的处理方法有三种：

(1)恒温法：——将热电偶冷端置于人造恒温装置中，使冷端温度保持为0℃；

(2)示值修正法——采用机械零位调整法或者计算修正法，对仪表示值进行修正；

(3)冷端温度补偿电桥法——利用不平衡电桥产生的电压作为补偿电压，以抵消因冷端温度变化

引起的热电势的变化。

4.答：比例度是描述比例作用的强弱，是指调节器的输入柱对变化量与相应输出的相对变化量之比的

百分数。

比例度对系统稳定性的影响：比例度越大，则调节器的输出变化越小，被控变量变化越缓慢，过渡过

程越平稳，随着比例度的减小，系统的稳定程度降低，其过渡过程逐渐从衰减振荡走向临界振荡直至

发散振荡。

5.答：由热电偶测温原理知，惟独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。

在实际应用中，由于热电偶的工作端与冷端离的很近，而且冷端又暴露在空间，易受到周围环境温度

波动的影响，冷端温度难以保持恒定，因此引入补偿导线，将热电偶的冷端延伸出来以维持冷端温度

恒定。

6.答：U型管压力计在使用口需要注意以下几个方面的问题：

(1)为了得到较高的准确性，U型管压力计要读2个读数；

(2)对液柱进行读数时，要注意毛细现象的影响：

(3)当工作液体的膨胀系数较大时，还要进行数值修正：

(4)在读数时要注意消除视差。

7.答：生产过程自动化包含四个方面的内容：

(1)自动检测系统；(2)信号连锁系统；

(3)自动控制系统；(4)自动控制系统。8.答：积分时间对过渡过程

的影响具有双重作用。在相同的扰动作用下，随着积分时间的减小，积分作用不断增强，调节器

的输出增大，最大偏差减小，余差消除加快，但同时系统的振荡加剧，稳定性下降，积分时间过

小，还可能导致系统的不稳定。

9.答：DDZ-III型温度变送器的性能优点主要有以下三方面：

(1)采用低漂移、高增益的线性集成电路，提高了仪表的可靠性，稳定性及各项技术性能：

(2)在热电偶与热电阻的温度变送器中采用了线性化电路，使变送器输出信号与被测温度信号保

持了线性关系；

(3)路线中采取了安全火花防爆措施，兼有安全栅的功能，可用于危(wei)险场所中的温度或者直

流盘伏

信号测量。

四、分析计算题

1.解：(1)该控制系统方框图如图所示

—7分

(2)该控制系统中：贮槽为被控对象，贮槽水位为被控变量，进水流量为控制变量。分一一3

2.解：由图可得：最大偏差A=y—y=950—900=50℃—2分3o

衰减比n=(y—y)/(y—>)=(950—908)/(918—908)

3I21

=4.2:1…2分

余差C=y—y=908—900=8aC一2分

I0

振荡周期T=t—t=45—9=36min一2分

2I

过渡时间：t=47min-2分

又由题意要求，最大偏差不得超过80C,由计算数据知A=50℃<8()℃,且过渡曲线的衰减比在(4—

10)范围内，因此该控制系统可以满足工艺要求。一2分

3.

解：(1)由显示仪表指示值为500℃,查表可得此时显示仪表的实际输入电势为20.64mV,即E(t,

()=20.64inV

(I

又查表可得：E(t,())=E(60,0)=2.436mV—2分

o

则根据热电偶基本定律得：

E(t,0)=E(t»t)+E(t,0)=20.64+2.436=23.076mV-3分

00

由23.076mV查表可得：t=557℃,即实际温度为557℃。-2分

(2)当热端温度不变，为557C,冷端温度为20℃时，查表得：

E(20,0)=0.798mV—2分

因此有E(t,t)=E(t,0)—E(t,0)=23.076—0.798=22.278mV・3分

oo

利用表中数据，采用线性插值法，求得仪表显示温度为538.4C--2分

4.

解：(1)比例度对余差的影响：比例度6越大，Kp越小，要获得同样大小的输出变化量所需的偏差就越

大，因此在相同的干扰作用下，系统再次平衡时的余差就越大。

—3分

比例度对最大偏差的影响：比例度越大，在相同的干扰作用下，系统平衡时的最大偏差越大：比例

度越小，最大偏差越小；一3分

比例度对系统稳定性的影响：比例度越大，则调节器的输出变化越小，被控变量变化越缓慢，过渡

过程越平稳，随着比例度的减小，系统的稳定程度降低，其过渡过程逐渐从衰减振荡走向临界振荡

直至发散振荡。…3分

(2)由题给数据，求得该调节器的比例度为：

(160—140)/(200—100)

1l(X)%=40%

(8—3)/()0—0)

---2分

5.

解；由题给数据得；绝对识差A-X-A=1.10-1=0.1A--2分

杆对误差6=(A/A)10()%=(0.1/1)1(>)%=10%—2分

引用误差q=(A/S)100%=(0.1/5)100%=2%—2分

根据仪表精度等级的规定，取引用误差去抻百分号的数值为仪表的精度等级，由计算数据知该

仪表的精度等级为2级。一2分

6.解：基本工作原理——力矩平衡原理；…2分

如图所示0-10mA电流信号-磁场7,产生电磁力(测量力)一杠杆偏转一喷嘴挡板机构间距减小，P

背增加--4分

放大器功率放大后输出气信号，同时信号至反馈波纹管，直到与测量力矩相平衡。

一~4分

7.解：(I)该控制系统方框图如图所示:

—7分(2)该控

制系统中：换热器为被控对象，热物料出口温度为被控变量，加热蒸汽流量为控制变

量。一3分

解：(1)衰减比n是过漉过程曲线上同方向的相邻两个波峰之比，衰减比越小，系统的衰减程度越

小，过渡过程越缓慢：衰减比越大,系统的衰减程度越大，过渡过程越接近非周期的单调过程。-4

分

屋小八

Vn->00,单调过程

n<l,发散振荡n=l,等幅振荡而1,衰减振荡

(2)

一8分

9.

解：(1)当热电势为20mV时，此时冷端温度为25℃,即

E(t.t)=20mV,

0

又查表可得：E((.0)=E(25.O)=l.OmV—2分

I)

根据热电偶基本定律得，E(t,0)=E(t,t)+E(t,0)=20+1=21mV—4分

00

由此热电势，查表得：t=509C,即设备温度为509co—1分

(2)若改用E热电偶来测温时，此时冷端温度仍为25℃,查表得：

E(t,0)=E(25,O)=1.5mV—1分

0

又求得设备温度为509℃,查表可得：

E(t.0)=E(509,0)=37.7mV—1分

故：E(t,t)=E(t,O)—E(t,0)=37.7—1.5=36.2mV—4分

00

即E热电偶测得的热电势为36.2mV-1分

1().

答：基本工作原理——力矩平衡原理；杠杆形式——矢量机构；一2分

作用——将压力信号P成比例地转换成4~20mA(DDZ-IIl)o-2分

工作过程：P-F-＞主杠杆以轴封膜片为支点顺时针偏转-F-＞分解为F和F,F使副杠杆

iI233

14以支点M逆时针偏转一衔铁挨近差动变压器一经低频位移检测放大器转换并放大为4-20mA

直流电流信号I输出。一5分

0

同时I经电磁反馈装置的反馈动圈使副杠杆顺时针偏转，当输入力和反馈力对杠杆系统产生

0

的M和M相等时，变送器达到新的稳定状态。

if

—3分

II.

解：根据测量范围，选择B,C两块仪表，排除A表。一1分

B表：根据仪表的引用误差与精度等级的关系可得该表的引用误差为q=2%

又由q=A/S,所以2%=A/[55D-(-5O)],即

nux

℃

Amix=0.0260()=12

所以6max=12/500=2.4%,所以该仪表产生的相对误差小于2.5%。—4分

C表：根据仪表的引用误差与精度等级的关系可得该表的引用误差为q=2.5%

又由q=A/S,所以2.5%=A/[500-(-100)],即

HUMmat

A=0.025600=15℃

max

所以6max=15/500=3%,所以该仪表产生的相对误差大于2.5%。—4分

由以上计算可知，选用B表可以满足测量要求。—1分

12.

解：如图所示，为一负反馈积分电路。一2分

如图所示：由R与C组成的电路。

'一"工当U1有一阶跃变化时，通过R对

VD

]U

cnfC充电，C上的电压即U随时间逐

Di)|)t

渐增加，因此认为该电路具有积分性

质。一~4分

当将这个电路引入控制器的反馈电路时，U是与输出电流【成比例的信号，U是反馈信号，那

I)f

么当偏差C有一阶跃变化时，开始时反馈信号很小，故输出I较大，随着时间的增加，负反馈

|)

信号U逐渐变大，故输出逐渐减小，这就形成I与e之间的微分作用。所以说调节器的微分

f0

作用是通过负反馈积分电路形成的。

—3分

13.解：(I)如图所示为该控制系统的方框图。|---------

1干扰

(2)该系统的被控对象是贮槽，被控变量是贮槽液位，操纵变量是出水流量qv『

—3分

14.解：(1)衰减比n是过渡过程曲线上同方向的相邻两个波峰之比，衰减比越小，系统的衰减程度越

小，过渡过程越缓慢；衰减比越大，系统的衰减程度越大，过渡过程越接近非周期的单调过程。

7分

单调过程

⑵

--8分

15.解：不对，因为此时冷端温度为30C,而仪表的指示值(400℃)是在仪表的机械零位在0C时

的值，所以换热器的实际温度不是仪表的指示值与冷端温

度之和，也不是仪表的指示值。—4分

查表可得：E(400,0)=28.943mV,即E(t,30)=28.943mV,

E(30,0)=1.801mV，即E(t,0)=1.801mV—4分

由：E(t,0)=E(t,l)+E(t,0)=28.943+1.801=30.744mV—4分