化工仪表及自动化期末复习.docx

1、化工仪表及自动化期末复习绪论1. 化工自动化：化工设备上，配备上一些自动化装置，代替操作人员的部分直接劳动，使生产的不同程度上自动的进行，这种用自动化装置来管理化工生产过程的办法，称为化工自动化。2. 自动化目的：（1）加快生产速度，降低生产成本，提高产品产量和质量。（2）减轻劳动强度，改善劳动条件。（3）能够保证生产安全，防止事故发生或扩大，达到延长设备使用寿命，提高设备利用能力的目的。（4）能根本上改变劳动方式，提高工人文化技术水平，为逐步的消灭体力劳动和脑力劳动之间的差别创造条件。 第一章1.化工生产过程自动化包括：自动检测、自动保护、自动操作、自动控制四个方面。2.自动检测系统：利用各

2、种检测仪表对主要工艺参数进行测量、指示、记录。3.自动控制系统：对化工生产中的某些关键性参数进行自动控制，是他们在受到外界干扰的影响而偏离正常状态时，能自动的控制而回到规定的数值范围内。4.自动控制系统的基本组成：被控对象、测量变送系统、控制器、执行器。5.对象：在自动控制系统中，将需要控制其工艺参数的生产设备或机器叫做被控对象，简称对象。6.自动控制系统是一个具有被控变量负反馈的闭环系统。被控变量不是被控对象。7.反馈：把系统（或环节）的输出信息直接或经过一些环节重新返回到输入端的做法叫做反馈。反馈的信号取负值就叫做负反馈。8.自动控制系统按需要控制的被控变量的给定值是否变化和如何变化分:定

3、值控制、随动控制和程序控制系统。9.控制系统静态：当一个自动控制系统的输入和输出据恒定不变时，整个系统就处于一种相对稳定的平衡状态，系统的各个组成环节入变送器、控制器、控制阀都不改变其原先的状态，他们的输出信号也都处于相对静止状态，即静态（被控变量不随时间而变化的平衡状态）。10.控制系统动态：从干扰发生开始，经过控制，直到系统重新建立平衡，在这一段时间中，整个系统的各个环节和信号都处于变动状态之中，即动态（被控变量随时间而变化的不平衡状态）。11.系统的过渡过程：系统有一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程，称为系统的过渡过程。12.自动控制系统在阶跃干扰作用下的过渡过程形式：非周期衰减过程

4、、衰减震荡过程、等幅震荡过程、发散震荡过程。13.控制系统的品质指标：最大偏差、衰减比、余差、过渡时间。前后相邻两个峰值之比称为衰减比。当过渡过程终了时，被控变量所达到的新的稳定值遇给定值之间的偏差称为余差。从干扰作用发生的时刻起，直到系统重新建立新的平衡时止，过渡过程所经历的时间称为过渡时间。13.输入包括：给定和干扰第一节 例 题 分 析在石油化工生产过程中，常常利用液态丙烯汽化吸收裂解气体的热量，使裂解气体的温度下降到规定的数值上。图1-9是一个简化的丙烯冷却器温度控制系统。被冷却的物料是乙烯裂解气，其温度要求控制在(151.5)。如果温度太高，冷却后的气体会包含过多的水分，对生产造成有

5、害影响；如果温度太低，乙烯裂解气会产生结晶析出，堵塞管道。图1-9丙烯冷却器温度控制系统示意图(1)指出系统中被控对象、被控变量和操纵变量各是什么？(2)试画出该控制系统的组成方块图。(3)试比较图1-9及它的方块图，说明操纵变量的信号流向与物料的实际流动方向不同。解(1)在丙烯冷却器温度控制系统中，被控对象为丙烯冷却器；被控变量为乙烯裂解气的出口温度；操纵变量为气态丙烯的流量。(2)该系统方块图如图1-10所示。图1-10丙烯冷却器温度控制系统方块图注：为乙烯裂解气的出口温度；sp为乙烯裂解气的出口温度设定值(3)在图1-9中，气态丙烯的流向是由丙烯冷却器流出。而在方块图中，气态丙烯作为操纵

6、变量，其信号的流向是指向丙烯冷却器的。某化学反应器工艺规定的操作温度为(90010)。考虑安全因素，控制过程中温度偏离给定值最大不得超过80。现设计的温度定值控制系统，在最大阶跃干扰作用下的过渡过程曲线如图1-13所示。试求最大偏差、衰减比和振荡周期等过渡过程品质指标，并说明该控制系统是否满足题中的工艺要求。图1-13 过渡过程曲线解 由过渡过程曲线可知最大偏差 A=950-900=50衰减比 第一个波峰值B=950-908=42 第二个波峰值B=918-908=10衰减比n=42:10=4.2振荡周期 T=45-9=36min余差 C=908-9008过渡时间为 47min。由于最大偏差为5

7、0，不超过80，故满足题中关于最大偏差的工艺要求。第二节 习 题2.锅炉是化工、炼油等企业中常见的主要设备。汽包水位是影响蒸汽质量及锅炉安全的一个十分重要的参数。水位过高，会使蒸汽带液，降低了蒸汽的质量和产量，甚至会损坏后续设备。而水位过低，轻则影响汽液平衡，重则烧干锅炉甚至引起爆炸。因此，必须对汽包水位进行严格的控制。图1-27是一类简单锅炉汽包水位控制示意图，要求：(1)画出该控制系统方块图；(2)指出该系统中被控对象、被控变量、操纵变量、扰动变量各是什么？图1-27 锅炉汽包水位控制示意图答：(1)锅炉汽包水位控制系统方块图如图1-36所示。图1-36锅炉汽包水位控制系统方块图注：h为锅

8、炉汽包水位；h0为锅炉汽包水位设定值(2)被控对象：锅炉汽包。被控变量：锅炉汽包水位。操纵变量：锅炉给水量。扰动量：冷水温度、压力，蒸汽压力、流量，燃烧状况等。6.图1-31为一组在阶跃扰动作用下的过渡过程曲线。(1)指出每种过程曲线的名称；(2)试指出哪些过程曲线能基本满足控制要求？哪些不能？为什么？(a) (b) (c) (d)图1-31 过渡过程曲线答：(1) (a)等幅振荡；(b)衰减振荡；(c)非振荡衰减；(d)发散振荡。(2) (b)，(c)能基本满足控制要求，(a), (d)不能。因为(b), (c)对应的过渡过程是稳定的。8.某化学反应器工艺规定操作温度为(80010)。为确保

9、生产安全，控制中温度最高不得超过850。现运行的温度控制系统，在最大阶跃扰动下的过渡过程曲线如图1-33所示。(1)分别求出最大偏差、余差、衰减比、过渡时间(温度进入按2新稳态值即视为系统已稳定来确定)和振荡周期。(2)说明此温度控制系统是否满足工艺要求。图1-33 温度控制系统过渡过程曲线答：最大偏差：A=45。余差：C=5。衰减比：n=4:1。过渡时间：Ts=25min。振荡周期：T=13min。该系统满足正艺要求。第二章 过程特性及其数学模型1. 问题解答什么是被控对象特性？什么是被控对象的数学模型？ 答:被控对象特性是指被控对象输人与输出之间的关系。即当被控对象的输人量发生变化时，对象

10、的输出量是如何变化、变化的快慢程度以及最终变化的数值等。对象的输人量有控制作用和扰动作用，输出量是被控变量。因此，讨论对象特性就要分别讨论控制作用通过控制通道对被控变量的影响，和扰动作用通过扰动通道对被控变量的影响。定量地表达对象输人输出关系的数学表达式，称为该对象的数学模型。什么是控制通道？什么是干扰通道？在反馈控制系统中它们是怎样影响被控变量的？答:干扰变量与控制变量都是作用于被控对象的输人量，它们都会引起被控变量变化。由干扰变量影响被控变量变化的通道称干扰通道，由控制变量影响被控变量变化的通道称控制通道，如图2-1所示。图2-1 干扰输人变量、控制输人变量与对象输出变量之间的关系在反馈控

11、制系统中，干扰变量总是通过干扰通道破坏系统的平衡状态，使被控变量离开设定值。为了对抗和抵消干扰变量的影响，就必须由自动化装置不断地施加控制作用(即操纵变量)通过控制通道，力图使被控变量始终保持在工艺生产所要求控制的技术指标(即设定值)上。简述建立对象数学模型的主要方法。答:一是机理分析法。二是实验测取法。以上两种方法又称机理建模和实验建模，将以上两种方法结合起来，称为混合建模。稳态数学模型与动态数学模型有什么不同？答:稳态数学模型描述的是对象在稳态时的输入量与输出量之间的关系；动态数学模型描述的是对象在输人量改变以后输出量的变化情况。稳态数学模型是动态数学模型在对象达到平衡时的特例。6.为什么

12、说放大系数K是对象的静态特性？而时间常数T和滞后时间是对象的动态特性？答:放大系数K反映的是对象处于稳定状态下的输出和输人之间的关系，所以放大系数是描述对象静态特性的参数。时间常数T 是指当对象受到阶跃输入作用后，被控变量如果保持初始速度变化，达到新的稳态值所需的时间,是反映被控变量变化快慢的参数，因此它是对象的一个重要的动态参数。滞后时间是指对象在受到输入作用后，被控变量不能立即而迅速地变化这种现象的参数。因此它是反映对象动态特性的重要参数。7.何谓系统辨识和参数估计？答:应用对象的输人输出的实测数据来确定其数学模型的结构和参数，通常称为系统辨识。在已知对象数学模型结构的基础上，通过实测数据

13、来确定其中的某些参数，称为参数估计。8.对象的纯滞后和容量滞后各是什么原因造成的？对控制过程有什么影响？答：对象的纯滞后一般是由于介质的输送或热的传递需要一段时间引起的。在控制通道，如果存在纯滞后，会使控制作用不及时，造成被控变量的最大偏差增加，控制质量下降，稳定性降低。在扰动通道，如果存在纯滞后，相当于将扰动推迟一段时间才进入系统，并不影响控制系统的控制品质。对象的容量滞后一般是由于物料或能量的传递需要通过一定的阻力而引起的。容量滞后增加，会使对象的时间常数T增加。在控制通道，T大，会使控制作用对被控变量的影响来得慢，系统稳定性降低。T小，会使控制作用对被控变量的影响来得快，系统的控制质量有

14、所提高，但时间常数不能太大或太小，且各环节的时间常数要适当匹配，否则都会影响控制质量。在扰动通道，如果容量滞后增加，扰动作用对被控变量的影响比较平稳，一般是有利于控制的。2. 例题分析已知一个具有纯滞后的一阶过程的时间常数为4min，放大系数为10，纯滞后时间为lmin，试写出描述该过程特性的一阶微分方程式。解 该过程特性仍为一阶微分方程式，但由于存在纯滞后lmin，故输出y(t)比输人x(t)在时间坐标上平移了lmin，假定方程式中的时间量纲为min，则微分方程式为已知一个对象为具有纯滞后的一阶特性，其时间常数为5，放大系数为10，纯滞后时间为2。(1)试写出描述该对象的微分方程；(2)求出

15、描述该对象的传递函数。解(1)与题6类似，该对象的微分方程式数学模型为 1式中y表示输出变量，x表示输入变量。(2)将式1在零初始条件下，两端都取拉普拉斯变换，则有则对象的传递函数为第三章测量过程在实质上就是将被测参数与其相应的测量单位进行比较的过程，而测量仪表就是实现这种比较的工具。1.由仪表读得的被测值与被测值真值之间，总是存在一定的差距，这一差距称为测量误差。测量误差的表示方法：绝对误差和相对误差。2.绝对误差：理论上是指仪表指示值与被测量的真值之间的差值。（通常说的是绝对误差中的最大值max。）相对误差：某一点的绝对误差与标准仪表在该点的指示值的比值。3. 相对百分误差：= max /

16、（测量范围上限值-测量范围下限值）*100%。4.允许误差允（在规定的正常情况下允许的相对百分误差的最大值）：允=仪表允许的最大绝对误差值/（测量范围上限值-测量范围下限值）*100%5.精确度：将允许误差的“”和“%”去掉后的数值，便是用来确定仪表的精确度等级（35页）灵敏度：仪表指针的线位移或者角位移，与引起这个位移的被测参数变化量值比值称为仪表的灵敏度。（在数值上等于单位被测参数变化量所引起得仪表指针移动的距离或转角）仪表反应时间的长短，反映仪表动态特性的好坏。压力：均匀垂直的作用在单位面积上的力。表压=绝对压力-大气压力；真空度=大气压力-绝对压力压力计分类：液柱式压力计（原理：根据流

17、体静力学原理，将被测压力转换成液柱高度进行测量）、弹性式压力计（原理：将被测压力转换成弹性元件变形的位移进行测量）、电气式压力计（原理：通过机械和电气元件将被测压力转换成电量进行测量）、活塞式压力计（原理：根据水压机液体传送压力原理）。弹簧管压力计的测压原理：弹簧管是压力表的测量元件，他是一根弯成270度圆弧的椭圆形的空心金属管子，管子的自由端封闭，管子的另一端固定在封头上，当通入被测压力时，由于椭圆形截面在压力的作用下将趋于圆形，而弯成圆弧型的弹簧管也随之产生向外挺直得扩张变形，由于变形，是弹簧管的自由端产生位移，输入压力与自由端位移成正比，只要测得自由端位移，就能反映压力的大小，此即测量原

18、理。一次仪表：将压力转换成微弱电参数；二次仪表：将微弱电参数转换成标准电信号。电容式压力变送器，是先将压力的变化转换成电容量的变化，然后进行测量。特点：结构简单、过载能力强、可靠性好、测量精度高、体积小、重量轻、使用方便。测量流量的意义：在化工和石油炼制生产过程中，为了有效地进行生产操作和控制，需要测量生产过程中各介质的流量。以便为了生产操作和控制提供依据，同时，为了进行经济合算。3. 瞬时流量：单位时间内流过管道某一截面的流体数量的大小即瞬时流量。4. 节流现象：流体在有节流装置的管道总流动时，在节流装置前后的管壁处。流体的静压力差生差异的现象。5. 压差式流量计是基于流体流动的节流原理，利

19、用流体流经节流装置时产生的压力差而实现流量测量的。影响因素：被测流体工作状态的改变、节流装置安装的不正确、孔板入口边缘的磨损、导压管安装不正确，或有堵塞，渗漏现象、压差计安装或者使用不正确。6. 压差式流量计是在节流面积不变的条件下，以压差变化来反映流量的大小，而转子流量计，却是以压降不变，利用节流面积的变化来测量流量的变化。7. 节流装置差生压差的原因：由于节流装置造成流束的局部收缩，使流体的流速发生变化，即动能发生变化，表征流体静压能的静压力也要变化（流体能量守恒原理）8. 涡轮流量计原理：在流体流经的管道内，安装一个可以自由转动的叶轮，当流体经过叶轮时，流体的动能使叶轮旋转，流体的流速越

20、快，动能就越大，叶轮转速也就越快，在规定的流量范围和一定的流体黏度下，转速与流速成线性关系，因此，测出叶轮的转速或者转数，就可确定流过管道的流体流量或者总量。特点：安装方便、测量精度高、可耐高压、反应快、便于远传，不受干扰。9. 在容器中液体介质的高低成为液位，10. 容器中固体或者颗粒状物质的堆积高度成为料位11. 测量液位的仪表称为液位计，测量料位的仪表称为料位计，测量两种不同密度的液体介质的分界面的仪表称为界面计，上述三种仪表称为物位仪表。12. 物位测量的意义：可以正确获知容器设备中所储物质的体积或质量；监视或控制容器内的介质物位，使它保持在一定的工艺要求的高度，或对他的上、下限位置进

21、行报警，以及根据物位来连续监视或调节容器中流入与流出物料的平衡。13. 物位仪表分为：直读式物位仪表、压差式物位仪表（容器内液位改变，由液柱产生的静压也相应变化）、浮力式物位仪表、电磁式物位仪表、辐射式物位仪表、声波式物位仪表、光学式物位仪表。14. 液位：容器中液体介质的高低。15. 热电偶温度计（依靠热电现象）：热电偶、测量仪表、导线16. 热电阻温度计（依靠热电阻阻值随温度变化）：热电阻，测量仪表、导线。17. 现代传感器技术的发展显著特征：研究新材料、开发利用新功能、式传感器多功能化、微型化、集成化、数字化、智能化。3. 例题分析如果有一台压力表，其测量范围为010MPa，经校验得出下

22、列数据：被校表读数/MPa0246810标准表正行程读数/MPa01.983.965.947.979.99标准被校表反行程读数/MPa02.024.036.068.0310.01(1)求出该压力表的变差；(2)问该压力表是否符合1. 0级精度？解(1)首先计算出各点正、反行程标准表读数的差值，找出其中的最大差值(指绝对值)。本题的最大绝对差值发生在6MPa处，其值为6.06-5.94=0.12(MPa)。(2)由于该表的变差已超过1.0级表的允许误差，故不符合1.0级精度。某压力表的测量范围为01MPa，精度等级为1级，试问此压力表允许的最大绝对误差是多少？若用标准压力计来校验该压力表，在校验

23、点为0.5MPa时，标准压力计上读数为0.508MPa，试问被校压力表在这一点是否符合1级精度，为什么？解 最大绝对误差在0.5MPa处，校验得到的绝对误差为0.508-0.5=0.008(MPa)，此值小于该压力表的允许最大绝对误差，故在这一校验点符合1级精度。如果某反应器最大压力为0.8MPa，允许最大绝对误差为0.01MPa。现用一台测量范围为01.6MPa，精度为1级的压力表来进行测量，问能否符合工艺上的误差要求？若采用一台测量范围为01.0MPa，精度为1级的压力表，问能符合误差要求吗？试说明其理由。解 测量范围为01.6MPa，精度为1级的压力表的允许最大绝对误差为已经超出了工艺上

24、允许的最大绝对误差，故不能符合工艺上的误差要求。若采用一台测量范围为01.0MPa，精度为1级的压力表，这时允许的最大绝对误差为故能符合工艺上的误差要求。某控制系统根据工艺设计要求，需要选择一个量程为0100m3/h的流量计，流量检测误差小于0.6m3/h，试问选择何种精度等级的流量计才能满足要求？解 工艺上允许的相对百分误差为因此选择0.5级精度的流量计才能满足要求。某温度控制系统，最高温度为700，要求测量的绝对误差不超过10，现有两台量程分别为01600和01000的1.0级温度检测仪表，试问应该选择哪台仪表更合适？如果有量程均为01000，精度等级分别为1. 0级和0.5级的两台温度变

25、送器，那么又应该选择哪台仪表更合适？试说明理由。解 对于量程为01600和01000的l.0级仪表，其允许的最大绝对误差分别为：(1600-0)1%=16()和(1000-0) 1%=10()，因此。01600量程的仪表其绝对误差已经超出了工艺上允许的绝对误差(10)，故不能选用。另外，对于最高温度仅为700的温度控制系统，其量程也没有必要选01600这么大量程的仪表。因此，本温度控制系统应该选择01000量程的1.0级温度检测仪表，这时其绝对误差也能满足要求(10)。如果有量程均为01000，精度等级分别为1.0级和0.5级的两台温度变送器，应该选择1.0级的更为合适。这时两台仪表都能满足工

26、艺要求，应该选择其中精度较低的仪表，这样可以节省投资，日常维护也比较方便。某一标尺为0500的温度计出厂前经过校验，其刻度标尺各点的测量结果值为标准表读数/0100200300400500被校表读数/0103198303406495(1)求出仪表最大绝对误差值；(2)确定仪表的允许误差及精度等级；(3)经过一段时间使用后重新校验时，仪表最大绝对误差为8，问该仪表是否还符合出厂时的精度等级？解(1)首先计算出各点的绝对误差，找出其中的最大绝对误差是在400这一点，其值为()；(2)故该温度计的精度等级确定为1.5级；(3)当仪表最大绝对误差变为8后，相对百分误差，已经超过了1.5级仪表的最大允许

27、相对百分误差1.5%，故已不符合仪表出厂时的精度要求。如何根据待测工艺变量的要求来选择仪表的量程和精度？现欲测往复泵出口压力(约1.2MPa)，工艺要求0.05MPa，就地指示。可供选择的弹簧管压力表的精度为：1.0级，1.5级，2.5级，4.0级，测量范围为01.6MPa，02.5MPa，04.0MPa。试选择压力表的量程和精度。解 量程是根据所要测量的工艺变量来确定的。在仪表精度等级一定的前提下适当缩小量程，可以减小测量误差，提高测量准确性。一般而言，仪表的上限应为被测工艺变量的4/3倍或3/2倍，若工艺变量波动较大，例如测量泵的出口压力，则相应取为3/2倍或2倍。为了保证测量值的准确度，

28、通常被测工艺变量的值以不低于仪表全量程的1/3为宜。仪表精度是根据工艺生产上所允许的最大测量误差来确定的。一般来说，所选用的仪表越精密，则测量结果越精确、可靠。但不能认为选用的仪表准确度越高越好，因为越精密的仪表，一般价格越贵，操作和维护越费事。因此，在满足工艺要求的前提下，应尽可能选用准确度较低、价廉耐用的仪表。当往复泵的出口压力为1.2MPa时，由于往复泵的出口压力波动较大，可取仪表上限为正常压力的2倍，即2.4MPa，所以应选择测量范围为02.5MPa的弹簧管压力表。由于出口压力不低出2.5MPa的1/3，故能保证测量值的准确度。根据题意，允许的相对百分误差，故应选择的精度等级为1.5级

29、。10.某合成氨厂合成塔压力控制指标为14MPa，要求误差不超过0.4MPa，试选用一台就地指示的压力表(给出型号、测量范围、精度级)。解 由于合成塔内的压力比较平稳，故压力测量上限可选工作压力的3/2倍，即143/2=21(MPa)，测量范围可选025MPa。根据所选量程和误差要求，算得允许相对百分误差，压力表的精度等级应选1.5级。由于所测的介质是氨气，由产品目录可选氨用压力表YA-100。11.有一台DDZ-III型两线制差压变送器，已知其测量范围为20100kPa，当输人信号为40kPa和70kPa时，变送器的输出信号分别是多少？解 当输入为40 kPa时，其输出为当输入为70kPa时

30、，其输出为18.图3-15所示的液位测量系统中采用双法兰差压变送器来测量某介质的液位。已知介质液位的变化范围h=0950mm，介质密度=1200kg/m3，两取压口之间的高度差H=1200mm，变送器毛细管中填充的硅油密度为1= 950kg/m3，试确定变送器的量程和迁移量。图3-15 液位测量系统解 因此变送器量程可选016kPa。负迁移量为19.用K热电偶测某设备的温度，测得的热电势为20mV，冷端(室温)为25，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？解(1)当热电势为20mV时，此时冷端温度为25，即查表可得 因为 由此电势，查表可得t=50

31、9，即设备温度为509。(2)若改用E热电偶来测温时，此时冷端温度仍为25。查表可得设备温度为509，查表可得因为 即E热电偶测得的热电势为36.2mV。22.测温系统如图3-17所示。请说出这是工业上用的哪种温度计？已知热电偶的分度号为K，但错用与E配套的显示仪表，当仪表指示为160时，请计算实际温度tx为多少度？(室温为25)图3-17 测温系统图解 这是工业上用的热电偶温度计。查分度号E，可得160时的电势为10501V，这电势实际上是由K热电偶产生的，即查分度号K，可得，由此可见，由这个数值查分度号K，可得实际温度tx=283。第四章 显示仪表1.按照现实的方式：模拟式、数字式和屏幕显示三种。2.模拟式的特点：测量速度慢、精度较低、读数容