过程控制系统习题和答案.docx

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过程控制系统习题和答案

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四、测温元件的安装

接触式测温仪表所测得的温度都是由测温（感温）元件来决定的。

在正确选择测温元件和二次仪表之后，如不注意测温元件的正确安装，测量精度仍得不到保证。

工业上一般是按下列要求进行安装的。

⒈测温元件的安装要求

⑴在测量管道温度时，应保证测温元件与流体充分接触，以减少测量误差。

因此要求安装时测温元件应迎着被测介质流向插入，至少须与被测介质正交（成90?

），切勿与被测介质形成顺流。

如图14.3-15所示。

⑵测温元件的感温点应处于管道中流速最大处。

一般来说，热电偶、铂电阻、铜电阻保护套管末端应分别越过流束中心线5~10mm、50~70mm、25~30mm。

⑶测温元件应有足够的插入深度，以减小测量误差。

为此，测温元件应斜插安装或在弯头处安装。

如图14.3-16所示.

⑷若工艺管道过小（直径小于80mm）,安装测温元件处应接装扩大管,如图14.3-17所示.

⑸热电偶、热电阻的接线盒面盖应向上，以避免雨水或其它液体、脏物进入接线盒中影响测量。

如图14.3-18所示。

⑹为了防止热量散失，测量元件应插在有保温层的管道或设备处。

⑺测温元件安装在负压管道中时，必须保证其密封性，以防止外界冷空气进入，使读数降低。

⒉布线要求

⑴按照规定的型号配用热电偶的补偿导线，注意热电偶的正、负极与补偿导线的正、负极相连接，不要接错。

⑵热电阻的线路电阻一定要符合所配二次仪表的要求。

⑶为了保护连接导线与补偿导线不受外来的机械损伤，应把连接导线或补偿导线穿入钢管或走槽板内。

⑷导线应尽量避免有接头。

应有良好的绝缘。

禁止与交流电线合用一根穿线管，以免引起感应。

⑸导线应尽量避开交流动力电线。

⑹补偿导线不应有中间接头，否则应加装接线盒。

另外，最好与其它导线分开敷设。

五显示仪表

凡是能将生产过程中各种参数进行指示、记录或累积的仪表统称为显示仪表（或称为二次仪表）。

⒈显示仪表的分类

   显示仪表按照显示的方式来分，可分为模拟式、数字式和屏幕显示式三种。

⑴模拟式显示仪表

模拟式显示仪表是以仪表的指针（或记录笔）的线性位移或角位移来模拟显示被测参数连续变化的仪表。

这类仪表由于要使用磁电偏转机构或机电式伺服机构，因此测量速度较慢、测量精度低、难以准确读数。

但由于其结构简单、工作可靠、价廉且又能反映出被测参数的变化趋势，因而目前大量地应用于工业生产中。

⑵数字式显示仪表

数字式显示仪表是直接以数字形式显示被测参数大小的仪表。

其特点是测量速度快、精度高、读数直观准确，便于和计算机等数字化装置联用，因而近年来得到迅速发展。

⑶屏幕显示仪表是一种与计算机联用的新型显示装置，可以把生产过程中的工艺参数以文字、符号和图形等形式在屏幕上显示出来。

它具有模拟式显示仪表和数字式显示仪表的两种特点。

⒉模拟式显示仪表

工业上常用的模拟式显示仪表有动圈式显示仪表和自动平衡式显示仪表。

⑴动圈式显示仪表

动圈式显示仪表具有结构简单、价格低廉、灵敏度高等优点。

其输入信号为直流毫伏信号，因此可以与热电偶或热电阻等测温元件配合，作为温度显示、控制之用；也可以与其它变送器配合，用来测量、控制其它参数。

如XCZ型动圈表可用作参数指示；而XCT型动圈表除可参数指示外，还有控制参数的功能。

测量机构及作用原理

动圈式仪表测量机构核心部件是一个磁电式毫伏计。

其中动圈是用具有绝缘层的细铜线绕成的矩形框，如图14.3-19所示。

用张丝把它吊置在永久磁钢的空间磁场中。

当测量信号（即直流毫伏信号）通过张丝加在动圈上时，便有电流通过动圈。

此时载流线圈将受到磁场力作用而转动，动圈的转动使作为其支承的张丝发生扭转，张丝就产生反抗动圈转动的反力矩，该反力矩随张丝扭转角的增大而增大。

当两力矩平衡时，动圈就停留在某一位置上。

由于动圈的位置与输入毫伏信号相对应，当面板直接刻成温度标尺时，装在动圈上的指针就指示出被测对象的温度数值。

⑵自动平衡式显示仪表

常用的自动平衡式显示仪表有自动电子电位差计和自动电子平衡电桥。

要求重点掌握自动电子电位差计的工作原理。

⑴手动式电子电位差计

电子电位差计根据“电压补偿原理”工作的，如图14.3-20所示。

图中Et为被测热电势，滑线电阻W与稳压电源E组成一闭合回路，因此流过W上的电流I是恒定的，这样一来就可以将W的标尺刻成电压数值。

G为检流计。

当移动滑动触点C使通过检流计的电流为零时，UBC应等于Et，因此滑动触点C所指的刻度即为被测电压Et。

⑵自动电子电位差计

自动电子电位差计就是根据上述电压平衡原理进行工作的。

与手动式电子电位差计不同，它用可逆电机及机械传动机构代替人工进行电压平衡操作，用放大器代替检流计来检测不平衡电压，并控制可逆电机的工作。

图14.3-21是自动电子电位差计的原理图。

当热电势Et与已知的直流压降UBC相比较时，若Et≠UCB，其比较之后的差值（即不平衡信号）经放大器放大后，输出足以驱动可逆电机的功率，使可逆电机通过机械传动机构去带动滑动触点C的移动，直到Et=UCB为止。

这时放大器输入端的输入信号为零，可逆电机不再转动，测量线路达到了平衡，这样UCB就可以代表被测量的Et值。

⒊数字式显示仪表

⑴数字式显示仪表的分类

①按输入信号形式划分，可分为电压型和频率型两类。

所谓电压型是指输入信号是电压或电流信号，而频率型是指输入信号是频率、脉冲或开关信号。

②按输入信号的点数划分，可分为单点和多点两种。

③按显示位数划分，可分为3位半和4位半等多种。

所谓半位的显示是指最高位是1或0。

如位显示范围为-1999~+1999。

⑵数字式显示仪表的基本组成

数字式显示仪表的组成一般包括前置放大、非线性校正或开方等运算电路、模-数（A/D）转换、标度变换及显示装置等部分，其组成框图如图14.3-22所示。

①前置放大电路

输入信号往往很小（一般是毫伏级），必须经前置放大电路放大至伏级电压幅度，才能供线性化电路或A/D转换电路工作。

有时输入信号夹带测量噪音（扰动信号），因此也可以在前置放大电路中加上一些滤波电路，抑制扰动影响。

②非线性校正或开方等运算电路

许多检测元件（如热电偶、热电阻）具有非线性特性，须将信号经过非线性校正或开方等运算电路的处理后成线性特性，以提高仪表的测量精度。

③模-数（A/D）转换电路

数字式显示仪表的输入信号多数为连续变化的模拟量，须经A/D转换电路将模拟量转换成断续变化的数字量。

A/D转换是数字式显示仪表的核心。

A/D转换电路种类较多，常见的有双积分型、脉冲宽度调制型、电压/频率转换型和逐次比较型等。

④标度变换电路

标度变换电路的作用是对被测信号进行量纲换算，使仪表能以工程量形式显示被测参数的大小。

⑤数字显示电路

数字显示电路的数字显示方法很多，常用的有发光二极管显示器（LED）和液晶显示器（LCD）。

【例14.3-4】现用一支镍铬-铜镍热电偶测量某换热器内的温度，其冷端温度为30℃，显示仪表的机械零位在0℃，这时指示值为400℃，则该换热器内的温度应是多少？

（A）430℃   （B）420℃   （C）400℃   （D）422.5℃

正确答案：

（D）

题解：

由于该热电偶的冷端温度为30℃，在测温时所产生的热电势为E（t,30），应等于测量仪表所接收到的热电势，即E（t,30）=E（400,0）=28943?

V,看表14.3-5。

而E（30,0）=1801?

V，可知

              E（t,0）=E（t,30）+E（30.0）=28943+1801=30744?

V

（A）为错误答案。

查分度表可得E（430,0）=31350?

V,因此换热器内的温度不是430℃。

（B）也为错误答案。

因E（420,0）=30546?

V，而E（400,0）=28943?

V。

（C）也是错误答案。

查表换算可得出换热器内的温度为

（D）是正确答案。

【例14.3-5】用Cu50的铜电阻测温,测得其热电阻Rt为80Ω,已知R0=50Ω,R100=71.4Ω,该测温点的实际温度为：

（A）150℃     （B）130℃    （C）140.2℃     （D）135.5℃

正确答案：

（C）

题解:

根据铜电阻的电阻值与温度的关系,

将R0=50Ω,R100=71.4Ω代入,可得

因此             

即该测温点的实际温度为140.2℃。

（A）、（B）、（D）均为错误答案。

14.3.4常用流量仪表

   一、流量测量仪表的分类

测量流量的方法很多,其测量原理和所用的仪表结构形式各不相同。

一般可分为三大类。

⑴速度式流量计

这类流量计是以测量流体在管道内的流速作为测量依据来计算流量的。

例如差压式流量计、转子流量计、电磁流量计、涡轮流量计、堰式流量计等。

⑵容积式流量计

这类流量计是以单位时间内所排出的流体的固定容积的数目作为测量依据来计算流量的。

例如椭圆齿轮流量计、腰轮流量计、活塞式流量计等。

⑶质量流量计

这类流量计是以测量流体流过的质量M为依据的。

质量流量计分为直接式和间接式两种。

直接式质量流量计直接测量质量流量，例如量热式、角动量式、陀螺式和科里奥利力式等质量流量计。

间接式质量流量计是用密度与容积流量经过运算求得质量流量的。

质量流量计的测量精度不受流体的温度、压力、粘度等变化影响，是一种发展中的流量测量仪表。

二、差压式流量计

⒈测量原理及组成

差压式（也称节流式）流量计是基于流体流动的节流原理，利用流体流经节流装置时产生的压力差而实现流量测量的。

它通常是由能将被测流量转换成压差信号的节流装置和能将此压差转换成对应的流量值显示出来的差压计组成。

⒉节流现象与流量基本方程式

⑴节流现象

流体在有节流装置的管道中流动时，在节流装置前后的管壁处，流体的静压力产生差异的现象称为节流现象。

图14.3-23显示孔板前后流体的速度与压力的分布情况。

当节流装置形状一定，取压点位置也一定时，根据测得的压差就可以求出流量。

节流装置包括节流件和取压装置。

节流件是能使管道中的流体产生局部收缩的元件，应用最广泛的是孔板，此外还有是喷嘴、文丘里管等。

取压装置应用最广泛的是角接取压（包括环室取压和单独钻孔取压两种），此外还有法兰取压、径距取压和理论取压等方法。

我国国家规定的标准节流件为标准孔板和标准喷嘴，取压方式为角接取压、法兰取压和径距取压。

⑵流量基本方程式

根据柏努利方程和流体的连续性方程，可推导出流量与压差之间的流量方程式为

式中：

α——流量系数，它与节流装置的结构形式、取压方式、孔口截面积与管道截面积之比、雷诺数Re、孔口边缘锐度、管壁粗糙度等因素有关；

ε——膨胀校正系数，它与孔板前后压力的相对变化量、介质的等熵指数、孔口截面积与管道截面积之比等因素有关。

应用时可查有关手册得到。

但对不可压缩的液体，常取ε=1，对于可压缩的气体，ε<1；

F0——节流装置的开孔截面积；

Δp——节流装置前后实际测得的压力差；

ρ1 ——节流装置前的流体密度。

⒊差压式流量计的使用要求

差压式流量计的应用非常广泛，但在现场实际应用时，往往具有较大的测量误差。

因此，必须引起注意的是：

不仅需要合理的选型、准确的设计计算和加工制造，更要注意正确的安装、维护和符合使用条件等，才能保证差压式流量计有足够的实际测量精度。

节流装置的使用要求有：

⑴必须注意被测流体工作状态的变动。

如果实际使用时被测流体的工作状态（温度、压力、湿度等）以及相应的流体密度、粘度、雷诺数等参数数值与设计计算时有所变动，则必须按新的工艺条件重新进行设计计算，或将所测的数值加以必要的修正。

⑵节流装置必须正确安装。

按照国标要求，节流装置前后应有一定长度的直管段，流体流向要正确，管道里要全部充满流体，流体必须是单相的等。

在使用中要保持节流装置的清洁。

⑶导压管应根据国标正确安装，防止堵塞与渗漏。

⑷节流装置因长期使用而被冲击、腐蚀可能造成几何形状和尺寸的变化，导致测量值变小。

因此应注意检查、维护，必要时应换用新的节流件。

⑸应正确安装和使用差压计，以免引起测量误差。

【例14.3-6】孔板流量计测得的流量与孔板两侧的哪个物理量成正比？

  （A）孔板前后的流体压差       （B）孔板前后流体压差的平方根

  （C）孔板前后的流速差         （D）孔板前后流速差的平方根

正确答案：

（B）

题解：

（B）为正确答案。

孔板流量计的流量公式为Q=ψ，表明测得的流量与孔板前后流体压差的平方根成正比，故此答案正确。

（A）、（C）、（D）均为错误答案。

孔板是局部阻力元件，其前后的压差与通过孔板的流量的平方成正比，故孔板流量计测得的流量与孔板前后的流体压差的平方根成正比，而不是与孔板前后流体压差、孔板前后的流速差或孔板前后流速差的平方根成正比。

三、转子流量计

⒈测量原理及组成

见图14.3-24，转子流量计基本是由两个部分组成，一个是由下往上逐渐扩大的锥形管（通常是由玻璃制成的，锥度为40′~3°）；另一个是放在锥形管内可自由运动的转子。

工作时，流体自下往上流动，作用于转子上一个向上的力，使转子浮起。

流量越大，向上的力越大，转子上升越高，转子与管壁间的环隙越大，通过环隙的流体的流速越小，作用在转子上的力反而变小。

当流体作用在转子上的力与转子在流体中的重力相等，即处于力平衡时，转子就稳定在一个高度上。

这样，转子在锥形管中的平衡位置的高低与被测介质的流量大小相对应。

如果在锥形管外沿延其高度刻上对应的流量值，则根据转子平衡位置的高低就可以直接读出流量的大小，这就是转子流量计测量流量的基本原理。

转子流量计中转子的平衡条件是

式中 V——转子的体积，常数；             ρt——转子材料的密度，常数；

ρf——被测流体的密度，常数；      p1、p2——分别为转子前后流体的压力；

   A——转子的最大横截面积，常数；      g——重力加速度，常数。

由此可以看出，转子流量计采用恒压降、变节流面积的测量方法，即以压降不变，利用节流面积的变化来测量流量的大小。

转子流量计按结构形式分为指示型和远传型两种。

指示型用于就地指示；远传型可以将反映流量大小的转子高度转换为电信号进行远传，以显示或记录。

⒉转子流量计的流量方程式

式中 φ——仪表常数；h——转子浮起的高度；其它参数如上式。

⒊转子流量计的指示值修正

转子流量计是一种非标准化仪表，在大多数情况下，可按照实际被测介质进行刻度。

但仪表厂为了便于成批生产，是在工业基准状态（20℃，0.10133MPa）下用水或空气进行刻度的。

所以在实际使用时，如果工作介质的密度和工作状态不同，必须对流量值按照实际被测介质的密度、温度、压力等参数的具体情况进行修正。

⑴测量液体时，如果被测介质不是水，必须按下式对流量刻度进行修正：

式中 Q0——用水标定时的刻度流量；ρw——水的密度；ρt——转子材料的密度；

Qf——密度为ρf的被测介质的实际流量；ρf——实际被测介质的密度。

⑵测量气体时，如果被测介质不是空气，必须按下式对流量刻度进行修正：

式中 Q1——被测介质的流量，Nm3/h；Q0——按标准状态刻度的显示流量值，Nm3/h；

ρ1——被测介质在标准状态下的密度，kg/Nm3；

ρ0——校验用介质空气在标准状态下的密度（1.293kg/Nm3）；

p1——被测介质的绝对压力，MPa；p0——工业基准状态时的绝对压力（0.10133MPa）;

T1——被测介质的绝对温度，K；  T0——工业基准状态时的绝对温度（293K）。

四、椭圆齿轮流量计

椭圆齿轮流量计属于容式流量计的一种。

它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（例如重油、聚乙烯醇、树脂等），甚至糊状物的流量。

⒈工作原理及组成

椭圆齿轮流量计的测量部分是由两个相互嚙合的椭圆形齿轮A和B、轴及壳体组成。

椭圆齿轮与壳体之间形成半月形测量室。

如图14.3-25所示。

当流体流过椭圆齿轮流量计时，由于要克服阻力将会引起压力损失，从而使进口侧压力p1大于出口侧压力p2。

在此压力差的作用下，产生作用力矩使椭圆齿轮连续转动，每转动一周排出四个半月形容积的被测介质。

故通过椭圆齿轮流量计的体积流量为

式中 n——椭圆齿轮的旋转速度；V0——半月形测量室容积。

由上式可知，在V0已定的条件下，只要测出椭圆齿轮的转速n，再配以一定的传动机构及积算机构，就可记录或指示被测介质的总量。

⒉使用特点

由于椭圆齿轮流量计是基于容积式测量原理的，与流体的粘度等性质无关，因此特别适用于高粘度介质的流量测量，且测量精度较高，压力损失较小，安装使用也较方便。

但在使用时要特别注意被测介质不能含有固体颗粒，更不能夹杂机械物，否则会引起齿轮磨损以至损坏。

为此，椭圆齿轮流量计的入口端必须加装过滤器。

另外，椭圆齿轮流量计的使用温度有一定的范围，温度过高就使齿轮有卡死的可能。

五、涡轮流量计

⒈测量原理及组成

在流体流动的管道内，安装一个可以自由转动的叶轮，当流体通过叶轮时，流体的动能使叶轮旋转。

流体的流速越高，动能就越大，叶轮转速也越高。

在规定的流量范围和一定的流体粘度下，转速与流速成线性关系。

因此，测出叶轮的转速或转数，就可确定流过管道的流量或总量。

涡轮流量计就是利用这一原理进行流量测量的。

涡轮流量计的基本结构如图14.3-26所示。

涡轮1是用高导磁系数的不锈钢材料制成，叶轮芯上装有螺旋形叶片，流体作用于叶片上使之转动。

导流器2是用于稳定流体的流向和支撑叶轮的。

磁电感应转换器3是由线圈和磁钢组成，用以将叶轮的转速转换成相应的电信号，以供给前置放大器5进行放大。

整个涡轮流量计安装在外壳4上，外壳是由非导磁的不锈钢制成，两端与流体管道相连接。

⒉使用特点

优点是安装方便，磁电感应转换器与叶片间不需密封，无齿轮传动机构，因而测量精度高，可耐高压，静压可达50MPa。

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。

缺点是涡轮容易磨损，被测介质不能带有机械杂质，否则会影响测量精度和损坏机件。

因此，一般应加装过滤器。

安装时必须保证前后有一定的直管段，以使流向比较稳定。

一般入口直管段的长度取管道内径的10倍以上，出口取5倍以上。

六、电磁流量计

⒈测量原理与组成

电磁流量计是利用电磁感应原理来测量具有导电性的液体介质（如酸、硷、盐溶液以及含有固体颗粒或纤维液体等）的流量。

电磁流量计通常由变送器和转换器两部分组成。

被测介质的流量经变送器转换成感应电势后，再经转换器把电势信号转换成统一标准信号输出，以便进行指示、记录或与电动单元组合仪表配套使用。

电磁流量计变送部分的原理如图14.3-27所示。

在一段用非导磁材料制成的管道外面安装有一对磁极N和S，用以产生磁场。

根据发电机原理，当导电液体流经管道时，因切割磁力线而产生感应电势。

此感应电势由与磁力线成垂直方向的两个电极引出。

当磁感应强度不变，管道直径一定时，则感应电势的大小仅与流体的流速有关，而与其它因素无关。

将这个感应电势经过放大、转换、传送给显示仪表，就能在显示仪表上读出流量来。

电磁流量计的体积流量Q与感应电势Ex的关系由下式决定：

式中  Ex——感应电势； Kˊ——比例系数； B——磁感应强度； D——管道直径；      

⒉使用特点

电磁流量计的测量导管内无可动部件或突出于管内的部件，因而压力损失很小。

在采取防腐衬里的条件下，可用来测量各种腐蚀性液体的流量，也可测量含有颗悬浮物等液体的流量。

此外，其输出信号与流量之间的关系不受液体的物理性质（例如温度、压力、粘度等）变化和流动状态的影响。

对流量变化反应速度快，故可用来测量脉动流量。

电磁流量计只能用来测量导电液体的流量，其导电率要求不小于10-6~10-5L/（cm?

Ω），即不小于水的导电率。

不能测量气体、蒸汽及石油制品等的流量。

由于液体中所感应出的电势很小，需要引入高倍放大器，因此易受外界电磁场干扰的影响，使用不当时会大大地影响仪表的精度。

在使用时要注意维护，防止电极与管道间绝缘的破坏。

安装时要远离一切磁源（例如大功率电机、变压器等）。

不能有振动。

七、漩涡流量计

漩涡流量计又称涡街流量计，它可以用来测量各种管道中的液体、气体和蒸汽的流量，目前在油田应用较广。

漩涡流量计的特点是测量精度高、测量范围宽、没有运动部件、无机械磨损、维护方便、压力损失小，节能效果明显。

测量原理：

漩涡流量计是利用有规则的漩涡剥离现象来测量流体流量的仪表。

在流体中垂直插入一个非流线形的柱状物（圆柱或三角柱）作为漩涡发生体，如图14.3-28所示。

当雷诺数达到一定的数值时，会在柱状物的下游产生如图所示的两列平行状，并且上下交替出现的漩涡，称为“涡街”（或“卡曼涡街”）。

当两列漩涡之间的距离h和同列的两漩涡之间的距离L之比能满足h/L=0.281时，则所产生的涡街是稳定的。

由圆柱体形成的卡曼漩涡，其单侧漩涡产生的频率为：

式中 f——单侧漩涡产生的频率，Hz； u——流体平均流速，m/s；d——圆柱体直径，m；

St——斯特劳哈尔系数（当雷诺数Re=5×102~15×104时，St=0.2）。

   由上式可知，当St近似为常数时，漩涡产生的频率f与流体的平均流速u成正比。

测得频率f即可求得体积流量Q。

14.3.5常用物位仪表

测量物位的仪表种类很多，按其工作原理主要有下列几种：

⑴直读式 这类仪表主要有玻璃管液位计、玻璃板液位计等。

它们是根据流体力学的连通性原理来测量液位的。

⑵差压式 这类仪表又可分为压力式和差压式两类。

它们是根据液柱或物料堆积对某定点产生压力的原理而工作的。

⑶浮力式 这类仪表可分为浮子式、浮球式和沉桶式等几种。

它们是利用浮子的高度随液位变化而变化，或液体对沉浸于液体中的浮子（或沉桶）的浮力随液位高度而变化的原理工作的。

⑷电磁式 这类仪表可分为电阻式（即电极式）、电容式和电感式等几种。

⑸核辐射式 这类仪表是利用核辐射透过物料时，其强度随物质层的厚度而变化的原理工作的，目前应用较多的是γ射线。

⑹声波式 这类仪表可根据其工作原理分为声波遮断式、反射式和阻尼式等几种。

它们的原理是：

由于物料厚度的变化引起声阻抗的变化、声波的遮断和声波反射距离的不同，测出这些变化就可测出物位的变化。

⑺光学式 这类仪表是利用物位对光波的遮断和反射原理而工作的。

所利用的光源可以有白炽灯光或激光等。

一、差压式液位变送器

⒈工作原理

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工作的。

如图14.3-29所示。

设密闭容器内的气相压力为p，则

正压室：

p1=Hρg+p

负压室：

p2=p

       Δp=p1-p2=Hρg

式中 H——液位高度；ρ——介质密度； g——重力加速度；p1、p2——分别为差压变送器正、负压室的压力。

   通常被测介质的密度是已知的，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。

当被测容器是敞口的，气相压力为大气压时，只需将差压变送器的负压室通大气即可。

若不需要远传信号，也可以在容器底部安装