《化工仪表及自动化》云南民族大学期末复习试题及答案解析.docx
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《化工仪表及自动化》云南民族大学期末复习试题及答案解析
《化工仪表及自动化》期末复习题
班级：
姓名：
学号：
题号
一
二
三
四
总分
得分
试题：
一．填空（每空1分）
1．工程上所用的压力指示值多为，即绝对压力和大气压力之差；当被测压力低于大气压力时，一般用负压或真空度表示，即之差。
2．差压式液位计在使用中会出现、和三种零点迁移问题。
3．差压式流量计通常由、以及组成。
4．温度计是把温度的变化通过测温元件转化为热电势的变化来测量温度的，而温度计是利用金属导体的电阻值随温度变化而变化的特性来进行温度测量的。
5．用来评价控制系统性能优劣的衰减振荡过程的品质指标分别是最大偏差（或超调量）、、、和振荡周期（或频率）等。
6．描述简单对象特性的参数分别有、和。
7．对于比例积分微分（PID）控制来说，单纯的比例作用存在余差，加入可以消除余差，而加入可以起到“超前控制”的效果。
8．前馈控制的主要形式有和两种。
9．衰减振荡过程的品质指标主要有、、、、振荡周期等。
10．对于一个比例积分微分（PID）控制器来说，积分时间越大则积分作用越；微分时间越大，则微分作用越。
11．根据滞后性质的不同，滞后可以分为和两类。
12．测量仪表的量程是指与之差。
13．按照使用能源的不同，工业仪表可以分为、两类。
14．对于比例积分微分（PID）控制来说，单纯的比例作用存在余差，加入可以消除余差，而加入可以起到“超前控制”的效果。
15．按照测量原理的不同，压力检测仪表可以分为、、、
等。
16．用于输送流体和提高流体压头的机械设备统称为流体输送设备，其中输送液体并提高其压头的机械称为，而输送气体并提高其压头的机械称为。
17、气动仪表的信号传输，国际上统一使用的模拟气压信号；DDZIII型电动仪表国际上规定的统一标准信号制是。
18．化工自动化的主要内容有、、自动操纵和开停车系统、。
19．选择性控制系统可分为、和混合型选择性控制系统，对于选择性控制系统要注意防止现象的发生。
20、常见的传热设备有、、等。
21．两种常用的均匀控制方案包括、。
22．速度式流量计中，应用原理测量流体流量的仪表为电磁流量计，根据“卡曼涡街”现象测量流体流量的仪表为，而差压式流量计体积流量大小与其所测得差压的（平方/平方根）成比例关系。
23．比例度对过渡过程的影响规律是比例度越，过渡过程曲线越平稳，但余差也越大，比例度越，余差减小，但过渡过程曲线越振荡
24、工程上所用的压力指示值多为，即绝对压力和大气压力之差；当被测压力低于大气压力时，一般用或真空度表示。
25．某换热器温度控制系统在单位阶跃干扰作用下的过渡过程曲线如图1所示，温度给定值为200℃，该控制系统的最大偏差为，余差为，衰减比为。
图1
26．用镍铬-铜镍热电偶测温，设备的温度为900℃（对应的分度表热电势为68783μV），自由端的温度为30℃（对应的分度表热电势为1801μV），测得的热电势应为。
27．在精馏塔控制系统中，可以改变的变量有进料流量、塔顶冷回流流量、塔底再沸器加热蒸汽流量，要控制塔顶馏出物的组分应选择作为操纵变量，要控制塔底馏出物的组分应选择作为操纵变量。
28．控制器参数工程整定的常用方法有、和经验凑试法。
29．某台DDZ-III型比例积分控制器，控制器为正作用，比例度为100%，积分时间为2min。
稳态时，输出为5mA。
某瞬时，输入突然增加了0.2mA，此时刻输出瞬间变化到；经过5min后，输出又将变化到。
30．比值控制系统中，要求不仅可以实现比较精确的流量比值，而且确保两物料总量基本不变，应采用。
31．离心泵的流量控制方案有以下三种：
控制泵的出口阀门开度、以及；
32．离心式压缩机产生喘振现象的主要原因是压缩机的吸气量（大于、小于或等于）极限排气量引起的，防喘振控制方案有固定极限流量法和。
二．简答
1．试分别写出QDZ型气动单元组合仪表和DDZ-II型、DDZ-III型电动单元组合仪表的信号范围。
（6分）
2．列举一种容积式流量计，三种速度式流量计，一种直接式质量流量计。
（10分）
3．简述化工自动化的主要内容。
（8分）
4．什么是串级控制系统的主控制器和副控制器？
请画出串级控制系统的方块图。
（10分）
5．简述离心泵的流量控制方案有哪几种？
（6分）
6．什么是反馈？
什么是负反馈？
（6分）
7．用热电偶测温时，为什么要进行冷端温度补偿？
常用的冷端温度补偿方法有那些？
（6分）
8．什么是控制器的参数整定？
工程上常用的控制器参数整定有几种方法？
（6分）
9．控制阀的流量特性是什么？
何为控制阀的理想流量特性？
控制阀的理想流量特性有哪几种？
（6分）
10．前馈控制具有什么特点？
为什么采用前馈-反馈复合系统将能较大地改善系统的控制品质？
（6分）
11、什么是精馏塔的温差控制和双温差控制？
（6分）
12、试述比例（P）、积分（I）、微分（D）控制规律的定义及其各自特点？
（6分）
13．简述操纵变量的选择原则是什么？
（6分）
14．简述放大系数、时间常数的定义。
（6分）
15．常用的热电偶有哪几种？
什么是补偿导线？
（6分）
16．什么叫控制器的无扰动切换？
（2分）
17．简述单回路控制系统由哪些环节组成？
试画出单回路控制系统的典型方块图。
（6分）
三．计算
1．某台测温仪表的测量范围是200～700℃，校验该表时得到的最大绝对误差为+4℃，试确定该仪表的精度等级。
（5分）
2．用差压变送器来测量液位时，在变送器正、负压室与取压点之间装有隔离罐，测量方式如图2所示，若被测介质密度为ρ1，隔离液密度为ρ2，问有无迁移？
何种迁移？
迁移量多少？
（10分）
h2
h1
H
ρ1
p0
ρ2
ρ2
图2
3．试定性画出在阶跃输入信号时的比例（P）控制器和比例积分（PI）控制器的响应曲线，要求在响应曲线上标明比例放大系数Kp和积分时间Ti。
（15分）
4．某发酵过程工艺规定操作温度为（40±2）℃。
考虑到发酵效果，控制过程中温度偏离给定值最大不能超过6℃。
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3所示。
试确定该系统的最大偏差、衰减比、余差、过渡时间和振荡周期等过渡过程指标，并回答该系统是否能够满足工艺要求？
（10分）
图3
5．用一台双法兰式差压变送器测量某容器的液位，如图4所示。
已知被测液位的变化范围是0~3m，被测介质密度ρ=900
，毛细管内工作介质密度ρ0=950
。
变送器的安装尺寸为h1=1m，h2=4m。
求变送器的测量范围，并判断零点迁移方向，计算迁移量。
当法兰式差压变送器的安装位置升高或者降低时，问对迁移量有什么影响？
（10分）
图4法兰式差压变送器测量液位
6．现用一支镍铬—镍硅热电偶来测量某换热器内的温度，其冷端温度为30℃，显示仪表为动圈仪表，此仪表的机械零位为0℃，这时指示值为400℃，若认为换热器内的温度为430℃，对不对？
为什么？
正确值为多少？
（10分）
已知条件：
（1）
28.943mV
（2）
1.801mV
（3）
30.744mV
7．（15分）如果有一台压力表，其测量范围为0~10MPa，经校验得到下列数据
标准表读数/MPa
0
2
4
6
8
10
被校表正行程读数/MPa
0
1.98
3.96
5.94
7.97
9.99
被校表反行程读数/MPa
0
2.02
4.03
6.06
8.03
10.01
（1）分别求出该压力表正反行程的最大绝对误差值；（5分）
（2）根据正反行程的最大绝对误差值，该压力表的精度等级应为多少；（5分）
（3）求出该压力表的变差；（3分）
（4）根据变差的大小，问该压力表是否还能符合
（2）中确定的精度等级。
（2分）
（我国规定的仪表等级有0.1,0.2,0.4,0.5,1.0,1.5,2.5等）
8．（10分）一台精度等级为0.5级，测量范围为600～1200℃的电子电位差计，问：
（1）它的最大允许绝对误差是多少？
（5分）
（2）校验时，如其中的某一点最大绝对误差是4℃，问此表是否合格？
（5分）
9．测量高温液体（指它的蒸汽在常温下要冷凝的情况）时，在负压管上装有冷凝罐（图5），已知被测液位H变化范围为
，被测介质密度
，变送器安装尺寸为
，
，大气压
，问这时用差压变送器来测量液位时，要不要迁移？
如要迁移，迁移量应为多少？
（8分）
h2
h1
H
ρ
p0
图5
10．某合成氨厂合成塔的压力变化范围为11~14MPa，较为平稳，要求测量误差不得大于0.4MPa。
工艺上要求就地指示，并能高低限报警。
试选用一台压力表，指出其类型、量程和精度。
可供选用的压力表量程规格为0～10、0～16、0～25M、0~40、0~60MPa，精度等级为1.0,1.5,2.5。
（9分）
11．某被测压力变化范围为1.0~1.6Mpa，较为平稳，要求测量误差不得大于0.05MPa，就地指示压力表示值，试选用一台压力表，指出其类型、量程和精度。
可供选用的压力表量程规格为0～1.6、0～2.5、0～4.0MPa，精度等级为1.0,1.5,2.5。
（10分）
12．某台测温仪表的测量范围是0～1000℃，出厂时经校验，其刻度标尺上的各点测量结果为
标准表读数/℃
0
200
400
600
700
800
900
1000
被校表读数/℃
0
201
402
604
706
805
903
1001
（1）求出该测温仪表的最大绝对误差值；
（2）确定该测温仪表的精度等级；（3）如果工艺上允许的最大绝对误差为±8℃，问该测温仪表是否符合要求？
（我国规定的仪表等级有0.1,0.2,0.4,0.5,1.0,1.5,2.5等）（10分）
13．测量高温液体（指它的蒸汽在常温下要冷凝的情况）时，在负压管上装有冷凝罐（见图6），问这时用差压变送器来测量液位时，有无迁移？
何种迁移？
迁移量多少？
（10分）
h2
h1
H
ρ
p0
图6
四．分析
1．某贮槽，其进口流量来自上一工序，不可控，控制目标是保证贮槽的液位恒定，为此设计一简单液位控制系统，如图7所示，试问：
（1）画出简单控制系统的方块图。
（6分）
（2）指出该系统中的被控对象、被控变量、操纵变量和主要扰动变量。
（4分）
出口流量
进口流量
LT
LC
图7
2、乙炔发生器是利用电石和水来产生乙炔气的装置。
为了降低电石消耗量，提高乙炔气的收率，确保安全生产，设计了图8所示的温度控制系统。
工艺要求乙炔发生器的反应温度控制在（80±1）℃。
试画出该温度控制系统的方块图，并指出图中的被控对象、被控变量、操纵变量以及可能存在的扰动。
（10分）
TT
TC
乙炔气
电石
出料
冷水
图8
3、（10分）图9为一精馏塔的塔釜液位于塔底产品流量的串级均匀控制系统。
（1）画出该控制系统的方框图（5分）
（2）简述该系统与一般串级控制系统的异同点（5分）
LC
FC
图9
4、（15分）某聚合反应釜内进行放热反应，釜内温度过高会发生事故，为此采用夹套水冷却。
由于釜温控制要求较高，故设置控制系统如图10所示
（1）这是什么类型的控制系统？
（5分）
（2）其主变量和副变量是什么？
（5分）
（3）选择控制阀的气开、气关型式和主、副控制器的正反作用。
（5分）
图10
5、（10分）图11所示为甲苯-二甲苯精馏塔控制流程图。
（1）试简述图中各控制系统的作用（5分）
（2）图11中是按精馏段指标进行控制的方案，试简述按精馏段指标进行控制的方案适用于哪些情况？
（5分）
精馏塔
进料F
LC
LC
FC
ΔTC
D
B
LR
图11
6．（12分）图12为贮槽液位控制系统，为安全起见，贮槽内液体严格禁止溢出，试在下述两种情况下，分别设计简单控制系统，画出系统的控制流程图；确定执行器的气开、气关形式及控制器的正、反作用。
（1）选择流入量
为操纵变量；（6分）
（2）选择流出量
为操纵变量。
（6分）
图12
7．（3分）对于某换热器，当进口物料流量的变化为主要干扰时，采用如图13所示的控制方案，请指出此为何种类型的控制系统？
画出该控制系统的方块图。
图13
8．（12分）如图14所示，加热炉被加热物料出口温度T1与炉膛温度T2的串级控制系统，工艺安全条件是：
一旦发生重大事故，立即切断燃料油的供应。
（1）画出该串级控制系统的方块图；（4分）
（2）选择控制阀的气开、气关形式；（2分）
（3）选择主、副控制器的正反作用。
（6分）
加热炉
被加热物料进口
T2C
T2T
被加热物料出口
T1T
T1C
燃料油
图14
《化工仪表及自动化》期末复习题标准答案
一．填空
1．表压，大气压力与绝对压力之差
2．无迁移，负迁移，正迁移
3．节流装置，差压计，显示仪表
4．热电偶，热电阻
5．衰减比，余差，过渡时间
6．放大系数，时间常数，滞后时间
7．积分作用，微分作用
8．单纯的前馈控制，前馈-反馈控制
9．最大偏差、衰减比、余差、过渡时间
10．弱，强
11．传递滞后，容量滞后
12．测量范围上限值，测量范围下限值
13．气动仪表，电动仪表
14．积分，微分
15．弹性式压力计、液柱式压力计、活塞式压力计、电气式压力计
16．泵，风机或压缩机
17．20~100KPa，4~20mADC
18．自动检测系统，自动信号和联锁保护系统，自动控制系统
19．开关型选择性控制系统，连续型选择性控制系统，积分饱和
20．换热器、加热炉、锅炉、再沸器、冷凝器、加热器中任选三种
21．简单均匀控制、串级均匀控制
22．电磁感应，漩涡流量计（涡街流量计），平方根
23．大，小
24．表压、负压
25．30℃，5℃，5:
1
26．66982μV
27．塔顶冷回流流量，塔底再沸器加热蒸汽流量
28．临界比例度法，衰减曲线法
29．5.2mA，5.7mA
30．双闭环比值控制系统
31．控制泵的转速，控制泵的出口旁路阀门开度
32．小于，可变极限流量法
二．简答
1．答：
QDZ型气动单元组合仪表的信号范围为20~100KPa气压信号；（2分）
DDZ-II电动单元组合仪表的信号范围为0~10mADC电流信号；（2分）
DDZ-III电动单元组合仪表的信号范围为4~20mADC电流信号。
（2分）
2．答：
容积式流量计：
椭圆齿轮流量计；（2分）
速度式流量计：
差压式流量计；转子流量计；涡轮流量计；电磁流量计；漩涡流量计；（任取三种，每种2分）
质量流量计：
科氏力流量计（或微动流量计）；（2分）
3．答：
化工自动化的主要内容有
（1）自动检测系统；（2分）
（2）自动信号和联锁保护系统；（2分）
（3）自动操纵及自动开停车系统；（2分）
（4）自动控制系统。
（2分）
4．答：
主控制器：
按主变量的测量值和给定值而工作，其输出作为副变量给定值的那个控制器。
（2分）
副控制器：
其给定值来自主控制器的输出，并按副变量的测量值与给定值的偏差而工作的那个控制器。
（2分）
串级控制系统的方框图（6分）
主控制器
执行器
副对象
主测量变送环节
+
－
扰动2
主对象
副测量变送环节
扰动1
+
－
副控制器
副变量
主变量
给定值
5．答：
离心泵的流量控制方案有
（1）控制泵的出口阀门开度；（2分）
（2）控制泵的转速；（2分）
（3）控制泵的出口旁路；（2分）
6.反馈：
控制系统方块中的任何一个信号，只要沿着箭头方向前进，通过若干个环节后，最终又会回到原来的起点
负反馈：
反馈信号的作用方向与设定信号相反，即偏差为两者之差。
7．工业上常用热电偶的温度-热电势关系曲线是在冷端温度保持为0℃情况下得到，而当采用补偿导线将热电偶的冷端从工业现场延伸到操作室内时，热电偶的冷端温度高于0℃，而且不恒定，这样热电偶产生的热电势必然偏小，且随冷端温度变化而变化，测量结果就会产生误差。
因此，在应用热电偶测温时，必须进行热电偶的冷端温度补偿。
常用的冷端温度补偿方法有以下几种：
（1）冷端温度保持0℃的方法；
（2）冷端温度修正法；（3）校正仪表零点法；（4）补偿电桥法；（5）补偿热电偶法。
8．按照已定的控制方案，确定使控制质量最好的控制器参数值。
经验凑试法、临界比例度法、衰减曲线法
9．控制阀的流量特性是指被控介质流过阀门的相对流量与阀门的相对开度（或相对位移）之间的关系，即
在不考虑控制阀前后压差变化时得到的流量特性称为理想流量特性。
控制阀的理想流量特性主要有直线流量特性、等百分比流量特性、抛物线流量特性和快开特性。
10、前馈控制的特点
（1）基于不变性原理，比反馈控制及时、有效
（2）前馈是开环控制
（3）前馈控制规律随对象特性的不同而不同
（4）一种前馈只能克服一种干扰
为什么采用前馈＋反馈的复合控制系统可以大大提高控制系统的品质
（1）从前馈控制角度，由于反馈，减轻了对前馈控制模型的精度要求，并可对未做前馈补偿的干扰进行校正
（2）从反馈角度，前馈控制事先起了一个粗调的作用，大大减少了反馈的负担
11．温差控制：
灵敏板温度与塔顶（或塔底）附近某块塔板的温度之差作为被控变量来间接控制塔的产品的成分。
双温差控制：
分别在精馏段及提馏段上选取温差信号，然后将两个温差信号相减，作为控制器的测量信号（控制系统的被控变量）
12．答：
比例控制规律（P）是指控制器的输出信号变化量p与输入偏差信号e之间成比例关系，即
比例控制的特点是反应快、控制及时，但控制结果存在余差。
积分控制规律（I）是指控制器的输出信号变化量p与输入偏差信号e的积分成正比，即
积分控制的特点是控制缓慢（1分），但能消除余差。
微分控制规律（D）是指控制器的输出信号变化量p与输入偏差信号e的变化速度成正比，即
微分控制的特点是有一定的超前控制作用，但不能单独使用。
13．
（1）操纵变量应是可控的，即工艺上允许调节
（2）操纵变量应比干扰对被控变量的影响更加灵敏，控制通道放大系数适当大，时间常数适当小
纯滞后时间尽量小，干扰通道放大系数尽量小，时间常数尽量大
（3）考虑工艺合理性与经济性。
14．放大系数：
对象处于稳定状态时输出变化量与输入变化量的比值。
时间常数：
对象受到阶跃输入后，被控变量达到新的稳态值的63.2%所需时间。
15．常用的热电偶有如下几种：
铂铑30－铂铑6，铂铑10—铂，镍铬—镍硅，镍铬—康铜
补偿导线：
为了保持冷端温度的恒定，采用一种专用导线将热电偶的冷端延伸出来，称为补偿导线
16．答：
控制器一般都具有自动与手动两种功能。
在进行自动与手动两种功能切换时，在切换的瞬间，应当保持控制器的输出不变，这样使执行器的位置在切换过程中不致于突变，不会对生产过程引起附加的扰动，这称为无扰动切换。
（2分）
17．答：
单回路控制系统是由一个被控对象、一个检测元件及传感器（或变送器）、一个控制器和一个执行器所构成的单闭环控制系统。
（4分，缺一点减1分）
简单控制系统的典型方块图为
（2分）
三．计算
1．解：
该仪表的相对百分误差为
（3分）
该仪表的误差超过了0.5级仪表所允许的最大误差，这台测温仪表的精度等级为1.0级。
（2分）
2．解：
当液面高度为H时，
正压室，
（2分）
负压室，
（2分）
（2分）
当H=0时，
（2分）
所以，需要进行零点迁移，应进行负迁移，迁移量为
（2分）
3．解：
P作用响应曲线（3分）PI作用响应曲线（5分）
标注Kp（2分）标注Kp（2分）标注2Kp（1分）
标注TI（2分）
4、由曲线可知：
最终稳态值位41℃，设定值40℃；
最大偏差＝45－40＝5℃
余差＝41－40＝1℃
第一波峰值B=45-41=4℃
第二波峰值B’＝42－41＝1℃
衰减比＝B/B’=4:
1
过渡时间23min
振荡周期＝18－5＝13min
5、当不考虑迁移量是，变送器的测量范围根据液位的最大变化范围来计算
Δpmax＝Hρg＝3*900*9.81＝26487Pa＝26.487kPa
所以测量范围可选为０-３０ｋＰａ
如图所示，当液位高度为H时，差压变送器正、负压室所受压力p1,p2分别为
p1=p0+Hρg-h1ρ0g
p2=p0+（h2-h1）ρ0g
因此，差压变送器所受的压差为：
Δp＝p1－p2＝Hρg－h2ρ0g
由上式可知，当H=0时，Δp＝－h2ρ0g<0，为负迁移，其迁移量为h2ρ0g
迁移量只和h2有关，所以当差压变送器的安装高度h1改变时，只要两个取压法兰之间的尺寸h2不变，其迁移量是不变的.
6．解：
不对；
因为此时冷端温度为30℃，而仪表的指示值是在仪表的机械零位在0℃时的值，所以，此时仪表指示值不是换热器的实际温度。
正确值的计算：
mV
mV，所以实际温度是422℃
7、解：
（1）该压力表正反行程的绝对误差为
正行程绝对误差/MPa
0
-0.02
-0.04
-0.06
-0.03
-0.01
反行程绝对误差/MPa
0
0.02
0.03
0.06
0.03
0.01
所以，正行程最大绝对误差为-0.06MPa，反行程最大绝对误差为0.06MPa，
（2）正行程相对百分误差为
反行程相对百分误差为
所以，根据正反行程的最大绝对误差值，该压力表的精度等级为1.0级。
（3）该压力表的变差为
（4）仪表的变差不能超过仪表的允许误差，根据
（2）确定的压力表的精度等级为1.0级，允许误差为1%，
，所以，该压力表不符合
（2）中确定的精度等级。
8．
（1）根据
得，
℃
（2）由于某一点最大绝对误差>3℃，所以不合格。
9．解：
当液面高度为H时，
正压室，
（1分）
负压室，
（1分）
（2分）
当H=0时，
（2分）
所以，需要进行零点迁移，应进行负迁移（1分），迁移量为19.6KPa（1分）
10．解：
平稳压力，所以选择仪表的上限值为
（2分）
所以选择仪表量程为0~25MPa（1分）
，被测压力最小值不低于满量程的1/3，允许（1分）
根据测量误差的要求，可算得允许误差为
（2分）
应选择精度等级为1.5级的仪表。
（1分）
因此，选择的压力表为电接点弹簧管压力表（2分），量程0~25MPa，精度1.5级。
11．解：
平稳压力，所以选择仪表的上限值为
（2分）
所以选择仪表量程为0~2.5MPa（2分）
，被测压力最小值不低于满量程的1/3，允许（1分）
根据测量误差的要求，可算得允许误差为
（2分）
应选择精度等级为1.5级的仪表。
（2分）
因此，选择的
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