1、化工仪表复习题解析第一章 自动控制系统基本慨念P16-2.化工自动化主要包括哪些内容？答：化工生产过程自动化，一般包括自动检测、自动操纵、自动保护和自动控制等方面的内容。P16-4. 自动控制系统主要由哪些环节组成？答：自动控制系统主要由两大部分组成。一部分是起控制作用的全套自动化装置，对于常规仪表来说，它包括检测元件及变送器（测量变送装置）、控制器、执行器等，另一部分是受自动化装置控制的被控对象。P16-6. 图1-17为某列管式蒸汽加热器控制流程图。试分别说明图中PI-307、TRC-303、FRC-305所代表的意义。（图略）答：PI-307表示就地安装的压力指示仪表，工段号为3，仪表序
2、号为07；TRC-303表示集中仪表盘安装的，具有指示记录功能的温度控制仪表；工段号为3，仪表序号为03；FRC-305表示集中仪表盘安装的，具有指示记录功能的流量控制仪表；工段号为3，仪表序号为05。表示该压力仪表安装在现场。表示该温度仪表安装在集中仪表盘正面，操作员监视用。P16-8. 在自动控制系统中，测量变送装置、控制器、执行器各起什么作用？答：在自动控制系统中：测量变送装置（检测元件及变送器）用来感受被控变量的变化并将它转换成一种特定的信号（如气压信号或电压、电流信号等）。控制器将检测元件及变送器送来的测量信号与工艺上需要保持的设定值信号进行比较得出偏差，根据偏差的大小及变化趋势，按
3、预先设计好的控制规律进行运算后，将运算结果用特定的信号（如气压信号或电流信号）发送给执行器。执行器能自动地根据控制器送来的信号值相应地改变流入（或流出）操作变量的物料量或能量，克服扰动的影响，最终实现控制要求。P16-11. 图1-18所示为一反应器温度控制系统示意图。A、B两种物料进入反应器进行反应，通过改变进入夹套的冷却水流量来控制反应器内的温度不变。试画出该温度控制系统的方框图，并指出该系统中的被控对象、被控变量、操作变量及可能影响被控变量的干扰是什么？（图略）答：该温度控制系统的方框图如下：被控对象：反应器被控变量：反应器内温度操作变量：冷却水流量干 扰：A、B两种物料的流量、温度、成
4、分等，冷却水的温度、压力等，搅拌器的速度（电压、电流），夹套的结垢情况等等P16-18. 什么是自动控制系统的过渡过程？它有哪几种基本形式？答：对于任何一个控制系统，扰动作用是不可避免的客观存在。系统受到扰动作用后，其平衡状态被破坏，被控变量就要发生波动，在自动控制作用下，经过一段时间，使被控变量回复到新的稳定状态。把系统从一个平衡状态进入另一个平衡状态之间的过程称为系统的过渡过程。过渡过程中被控变量的变化情况与干扰的形式有关。在阶跃扰动作用下，其过渡过程曲线有以下几种形式。发散振荡过程 如图1-4(a)所示。它表明当系统受到扰动作用后，被控变量上下波动，且波动幅度逐渐增大，即被控变量偏离设定
5、值越来越远，以致超越工艺允许范围。非振荡发散过程 如图1-4(b)所示。它表明当系统受到扰动作用后，被控变量在设定值的某一侧做非振荡变化，且偏离设定值越来越远，以致超越工艺允许范围。等幅振荡过程 如图1-4(c)所示。它表明当系统受到扰动作用后，被控变量作上下振幅恒定的振荡，即被控变量在设定值的某一范围内来回波动，而不能稳定下来。衰减振荡过程 如图1-4(d)所示。它表明当系统受到扰动作用后，被控变量上下波动，且波动幅度逐渐减小，经过一段时间最终能稳定下来。非振荡衰减过程 如图1-4(e)所示。它表明当系统受到扰动作用后，被控变量在设定值的某一侧做缓慢变化，没有上下波动，经过一段时间最终能稳定
6、下来。在上述五种过渡过程形式中，非振荡衰减过程和衰减振荡过程是稳定过程，能基本满足控制要求。但由于非振荡衰减过程中被控变量达到新的稳态值的进程过于缓慢，致使被控变量长时间偏离设定值，所以一般不采用。只有当生产工艺不允许被控变量振荡时才考虑采用这种形式的过渡过程。P16-20. 自动控制系统衰减振荡过渡过程的品质指标有哪些？各自的含义是什么？答：衰减振荡过程的品质指标主要有：最大偏差、衰减比、余差、过渡时间、振荡周期（或频率）等。其各自的含义是：最大偏差 是指过渡过程中被控变量偏离设定值的最大数值。图1-5中A表示最大偏差。最大偏差描述了被控变量偏离设定值的程度，最大偏差愈大，被控变量偏离设定值
7、就越远，这对于工艺条件要求较高的生产过程是十分不利的。衰减比 是指过渡过程曲线上同方向第一个波的峰值与第二个波的峰值之比。图1-5中衰减比n=B：B。对于衰减振荡而言，n总是大于1的。若n接近1，控制系统的过渡过程曲线接近于等幅振荡过程；若n小于1，则为发散振荡过程；n越大，系统越稳定，当n趋于无穷大时，系统接近非振荡衰减过程。根据实际操作经验，通常取n=410为宜。余差 是指过渡过程终了时，被控变量所达到的新的稳态值与设定值之间的差值。图1-5中C表示余差。余差是一个重要的静态指标，它反映了控制的精确程度，一般希望它为0或在一预定的允许范围内。过渡时间 是指控制系统受到扰动作用后，被控变量从
8、原稳定状态回复到新的平衡状态所经历的最短时间。从理论上讲，对于具有一定衰减比的衰减振荡过程，要完全达到新的平衡状态需要无限长的时间。所以在实际应用时，规定只要被控变量进入新的稳态值的5%（或2%）的范围内且不再越出时为止所经历的时间。过渡时间短，说明系统恢复稳定快。即使干扰频繁出现，系统也能适应；反之，过渡时间长说明系统稳定慢，在几个同向扰动作用下，被控变量就会大大偏离设定值而不能满足工艺生产的要求。一般希望过渡时间愈短愈好。振荡周期（或频率） 是指过渡过程同向两波峰（或波谷）之间的间隔时间，其倒数为振荡频率。在衰减比相同的条件下，周期与过渡时间成正比。一般希望振荡周期短些好。第三章 检测仪表
9、与传感器P100-1. 什么叫测量过程？答：测量过程实质上都是将被测参数与其相应的测量单位进行比较的过程。一般都是利用专门的技术工具，即测量仪表将被测参数经过一次或多次的信号能量形式的转换，最后获得一种便于测量的信号能量形式，并由指针位移或数字形式显示出来。按测量结果的获得过程不同，测量方法一般分为直接测量和间接测量。P101-4. 何谓仪表的精度等级？答：仪表的精确度简称精度，是用来表示仪表测量结果的可靠程度。任何测量过程都存在着测量误差。在使用仪表测量生产过程中的工艺变量时，不仅需要知道仪表的指示值，而且还应该了解仪表的精度。仪表的精度等级是按国家统一规定的允许误差大小来划分成若干等级的。
10、目前中国生产的仪表精度等级有0.005，0.02，0.05，0.1，0.2，0.4，0.5，1.0，1.5，2.5，4.0等。仪表的精度等级是将仪表允许相对百分误差的“”号及“%”号去掉后的数值，以一定的符号形式表示在仪表标尺板上，如1.0外加一个圆圈或三角形。精度等级1.0，说明该仪表允许相对百分误差为1.0%。精度等级数值越小，表征该仪表的精度等级越高，也说明该仪表的精准度越高。0.05级以上的仪表常用来作为标准表；工业用的测量仪表的精度等级是0.5级以下的。P101-9. 测压仪表有哪几类？各基于什么原理？答：测压仪表按其转换原理不同，主要有四大类：液柱式压力计，它是将被测压力转换成液柱
11、高度来进行测量的；弹性式压力计，它是将被测压力转换成弹性元件变形的位移来进行测量的；电气式压力计，它是通过机械和电气元件将被测压力转换成电量来进行测量的；活塞式压力计，它是根据液压原理，将被测压力转换成活塞上所加平衡砝码的质量来进行测量的。P101-10. 作为感受压力的弹性元件有哪几种？各有什么特点？答：主要的弹性元件有：弹簧管，可分单圈弹簧管与多圈弹簧管，它们的测压范围较宽，最高可测量高达1000MPa的压力；膜片，可分平薄膜、波纹膜、膜盒等，它的测压范围较弹簧管式的为低，通常可与其他转换环节结合起来，组成相应的变送器；波纹管，这种弹性元件易变形，常用于微压与低压的测量。P101-22.
12、如果某反应器最大压力为0.8 MPa，允许最大绝对误差为0.01 MPa。现用一台测量范围为01.6 MPa，精度为1.0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01.0 MPa，精度为1.0级的压力表来进行测量，问能符合误差要求吗？试说明其理由。答：根据压力计的选用原则： 该反应器选用压力计的测量范围要求，最大工作压力不高于上限值的2/3：上限值选1.6 Mpa，则1.62/31.067 Mpa0.8 Mpa；下限值按0 Mpa计。该反应器允许最大绝对误差为0.01 MPa，选用压力计的允许误差为：max/（x上x下）1000.01/（1.60）1000.625
13、若选用一台测量范围为01.6 MPa，精度为1级的压力表来进行测量，不符合工艺上的误差要求，但符合测量范围要求。若采用一台测量范围为01.0 MPa，精度为1级的压力表来进行测量，符合误差要求，但不符合测量范围要求。P102-26. 压力计的选用及安装要注意什么问题？答：压力计的选用：仪表类型的选用必须满足工艺条件的要求：是否需要远传、自动记录、报警；被测介质的物理化学性能是否对测量仪器有特殊要求；现场环境否对测量仪器有特殊要求。仪表测量范围要根据“化工自控设计技术规定”来确定：在测量稳定压力时，最大工作压力不应超过测量上限的2/3；在测量脉动压力时，最大工作压力不应超过测量上限的1/2；在测
14、量高压压力时，最大工作压力不应超过测量上限的3/5；为了保证测量精度，一般被测压力的最小值不低于仪表满量程的1/3。仪表精度等级的选取是根据工艺生产上所允许的最大测量误差来确定的。在满足工艺要求的前提下，应尽可能选用精度较低、价廉耐用的仪表。压力计的安装：压力计应安装在易观察和检修的地方。安装地点应力求避免振动和高温影响。针对被测介质的不同性质，要采取相应的防热、防腐、防冻、防堵等措施。压力计的连接处，应根据被测压力的高低和介质性质，选择适当的材料，作为密封垫片，以防泄漏。当被测压力较小，而压力计与取压口又不在同一高度时，对由此高度而引起的测量误差应按p=Hg进行修正。式中H为高度差，为导压管
15、中介质的密度，g为重力加速度。为安全起见，测量高压的压力计除选用有通气孔的外，安装时表壳应向墙壁或无人通过之处，以防发生意外。P102-32. 什么叫标准节流装置？常用的有哪些？答：标准节流装置是指节流装置的结构、工艺要求、取压方式和使用条件等都已经标准化的节流装置。常用的节流装置有：孔板、喷嘴、文丘里管等。P102-38. 用水刻度的流量计，测量范围为010 L/min，转子的密度为7920 kg/m3的不锈钢制成，若用来测量密度为0.831 kg/L的苯的流量，问测量范围为多少？若这时转子材料改为由密度为2750 kg/m3的铝制成，问这时用来测量水的流量及苯的流量，其测量范围各为多少？解
16、：（1）用不锈钢转子测量苯时。已知t7920 kg/m3；w1000 kg/m3；f0.831 kg/L831 kg/m3。由体积流量密度修正系数公式：则：Qf minQ0 min/KQ0/0.90；Qf maxQ0 max/KQ10/0.911.1 L/min所以量程范围为011.1 L/min苯。（2）若改用铝转子。a. 用不锈钢转子测水时流量为：；用铝转子测水时流量为：已知Q钢 max10 L/min；钢7920 kg/m3；铝2750 kg/m3；f1000 kg/m3。则： 所以用铝转子测水时量程范围为05.03 L/min。b. 用铝转子测水时流量为：；用铝转子测苯时流量为：已知Q
17、水 max5.03 L/min；铝2750 kg/m3；水1000 kg/m3；苯7920 kg/m3。则： 所以用铝转子测苯时量程范围为05.78 L/min。P102-46. 根据工作原理不同，物位测量仪表有哪些主要类型？它们的工作原理各是什么？答：按其工作原理主要有下列几种类型。(1)直读式物位仪表 这类仪表主要有玻璃管液位计、玻璃板液位计等。它们是利用连通器的原理工作的。(2)差压式物位仪表 这类仪表又可分为压力式物位仪表和差压式物位仪表。它们是利用液柱或物位堆积对某定点产生压力的原理而工作的。(3)浮力式物位仪表 这类仪表又可分为浮子带钢丝绳或钢带的、浮球带杠杆的和沉筒式的几种。它们
18、是利用浮子的高度随液位变化而改变或液体对浸沉于液体中的浮子（或沉筒）的浮力随液位高度而变化的原理来工作的。(4)电磁式物位仪表 这类仪表可分为电阻式（即电极式）、电容式和电感式等几种。它们是把物位的变化转换为一些电量的变化，通过测出这些电量的变化来测知物位的。另外，还有利用压磁效应工作的物位仪表。(5)核辐射式物位仪表 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而工作的，目前应用较多的是射线。(6)声波式物位仪表 这类仪表可以根据它的工作原理分为声波遮断式、反射式和阻尼式几种。它们的原理是：由于物位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，测出这些变化就可以
19、测知物位。(7)光学式物位仪表 这类仪表是利用物位对光波的遮断和反射原理而工作的。它利用的光源可以是普通白炽灯光，也可以是激光。P102-50. 什么是液位测量时的零点迁移问题？怎样进行迁移？其实质是什么？答：在使用差压变送器测量液位时，一般压差p与液位高度H之间的关系为：pHg。这就是一般的“无迁移”的情况。当H0时，作用在正、负压室的压力是相等的。实际应用中，由于安装有隔离罐、凝液罐，或由于差压变送器安装位置的影响等，使得在液位测量中，当被测液位H0时，差压变送器的正、负压室的压力并不相等，即p0，这就是液位测量时的零点迁移问题。为了进行零点迁移，可调节变送器上的迁移弹簧，以使当液位H0时
20、，尽管差压变送器的输入信号p不等于零，但变送器的输出为最小值（对于DDZ-型差压变送器来说即为4 mA）。所以零点迁移实际上是变送器零点的大范围调整，它改变了测量范围的上、下限，相当于测量范围的平移，而不改变量程的大小。P102-57. 试述温度测量仪表的种类有哪些？各使用在什么场合？答：温度检测方法按测温元件和被测介质接触与否可以分成接触式和非接触式两大类。接触式测温时，测温元件与被测对象接触，依靠传热和对流进行热交换。接触式温度计结构简单、可靠，测温精度较高，但是由于测温元件与被测对象必须经过充分的热交换且达到平衡后才能测量，这样容易破坏被测对象的温度场，同时带来测温过程的延迟现象，不适于
21、测量热容量小、极高温和处于运动中的对象温度，不适于直接对腐蚀性介质测量。非接触式测温时，测温元件不与被测对象接触，而是通过热辐射进行热交换，或测温元件接收被测对象的部分热辐射能，由热辐射能大小推出被测对象的温度。从原理上讲测量范围从超低温到极高温，不破坏被测对象温度场。非接触式测温响应快，对被测对象扰动小，可用于测量运动的被测对象和有强电磁干扰、强腐蚀的场合。但缺点是容易受到外界因素的扰动，测量误差较大，且结构复杂，价格比较昂贵。P102-58. 热电偶的热电特性与哪些因素有关？答：热电偶的热电特性除了与两接点处的温度有关外，还与热电极的材料有关。不同的金属材料，它们的自由电子密度是不同的。P
22、102-59. 常用的标准热电偶有哪些？它们各有什么特点？所配用的补偿导线是什么？为什么要使用补偿导线？并说明使用补偿导线时需要注意什哪几点？答：常用的标准热电偶、特点及配用的补偿导线见下表。热电偶名称分度号测温范围特 点补偿导线长期短期正极负极铂铑30-铂铑6B016001800热电势小，测量温度高，精度高适用于中性和氧化性介质价格高铜铜镍铂铑10-铂S013001600热电势小，精度高，线性差适用于中性和氧化性介质价格高铜铜镍镍铬-镍硅（镍铬-镍铝）K0l0001200热电势大，线性好适用于中性和氧化性介质价格便宜，是工业上最常用的一种铜铜镍镍铬-铜镍E0550750热电势大，线性差适用于
23、氧化及弱还原性介质价格低镍铬铜镍由热电偶测温原理知道，只有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得很近，而且冷端又暴露在空间，易受到周围环境温度波动的影响，因而冷端温度难以保持恒定。当然也可以把热电偶做得很长，使冷端远离工作端，但是这样做会多消耗许多贵重金属材料。解决这一问题的方法是采用一种专用导线，将热电偶的冷端延伸出来，这种专用导线称为“补偿导线”。在使用热电偶补偿导线时，要注意：型号相配，极性不能接错，热电偶与补偿导线连接端所处的温差不应超过100。P102-60. 用热电偶测温时，为什么要进行冷端温度补偿？其冷端温度补偿的方法
24、有哪几种？答：采用补偿导线后，把热电偶的冷端从温度较高和不稳定的地方，延伸到温度较低和比较稳定的操作室内，但冷端温度还不是0。而工业上常用的各种热电偶的温度一热电势关系曲线是在冷端温度保持为0的情况下得到的，与它配套使用的仪表也是根据这一关系曲线进行刻度的，由于操作室的温度往往高于0，而且是不恒定的，这时，热电偶所产生的热电势必然偏小，且测量值也随冷端温度变化而变化，这样测量结果就会产生误差。因此，在应用热电偶测温时，又有将冷端温度保持为0，或者进行一定的修正才能得到准确的测量结果。这样做，就称为热电偶的冷端温度补偿。冷端温度补偿的方法有以下几种：冷端温度保持为0的方法；冷端温度修正方法；校正
25、仪表零点法；补偿电桥法；补偿热电偶法。P102-61. 试述热电偶温度计、热电阻温度计各包括哪些元件和仪表？输入、输出信号各是什么？答：热电偶温度计包括感温元件热电偶、补偿导线及铜线和测量仪表。热电偶温度计是把温度的变化通过测温元件热电偶转换为热电势的变化来测量温度的。所以，其输入信号是温度，输出信号是热电势。热电阻温度计包括感温元件热电阻、连接导线和显示仪表。热电阻温度计是把温度的变化通过测温元件热电阻转换为电阻值的变化来测量温度的。所以，其输入信号是温度，输出信号是电阻值。P103-65. 试述热电阻测温原理？常用热电阻的种类？R0各为多少？各有什么特点？答：热电阻温度计是利用金属导体的电
26、阻值随温度变化而变化的特性来进行温度测量的。常用热电阻的种类、特点、分度号及R0见下表。名称材料分度号0时阻值（）测温范围()主 要 特 点铂电阻铂Ptl010-200850精度高，适用于中性和氧化性介质，稳定性好，具有一定的非线性，温度越高电阻变化率越小，价格较贵Ptl00100-200850铜电阻铜Cu5050-50150在测温范围内电阻值和温度呈线性关系，温度系数大，适用于无腐蚀介质，超过1 50易被氧化，价格便宜Cul00100-50150P103-66. 热电偶的结构与热电阻的结构有什么异同之处？答：热电偶的结构型式有普通型、铠装型、表面型和快速型四种。热电阻的结构型式有普通型、铠装
27、型和薄膜型三种。普通型热电偶由热电极、绝缘管、保护套管和接线盒等主要部分组成；普通型热电阻由电阻体、保护套管和接线盒等主要部分组成，其中，保护套管基本相同，中心元件电阻体与热电偶的热电极不同，接线盒不同，热电偶是两线制，热电阻是三线制。铠装型热电偶的结构与铠装型热电阻的结构完全不同。P103-73. 试述测温仪表的选用、测温元件的安装及布线的要求。答：1温度测量仪表的选用(1)就地温度仪表的选用精确度等级。一般工业用温度计：选用1.5级或1.0级。精密测量用温度计：选用0.5级或0.25级。测量范围。最高测量值不大于仪表测量范围上限值90%，正常测量值在仪表测量范围上限值的1/2左右。压力式温
28、度计测量值应在仪表测量范围上限值的1/23/4之间。双金属温度计。在满足测量范围、工作压力和精确度的要求时，应被优先选用于就地显示。压力式温度计。适用于-80以下低温、无法近距离观察、有振动及精确度要求不高的就地或就地盘显示。玻璃温度计。仅用于测量精确度较高、振动较小、无机械损伤、观察方便的特殊场合。不得使用玻璃水银温度计。(2)温度检测元件的选用根据温度测量范围，选用相应分度号的热电偶、热电阻或热敏热电阻。铠装式热电偶适用于一般场合；铠装式热电阻适用于无振动场合；热敏热电阻适用于测量反应速度快的场合。(3)特殊场合适用的热电偶、热电阻温度高于870、氢含量大于5%的还原性气体、惰性气体及真空
29、场合，选用钨铼热电偶或吹气热电偶。设备、管道外壁和转体表面温度，选用端（表面）式、压簧固定式或铠装热电偶、热电阻。含坚硬固体颗粒介质，选用耐磨热电偶。在同一检出（测）元件保护管中，要求多点测量时，选用多点（支）热电偶。为了节省特殊保护管材料（如钽），提高响应速度或要求检出（测）元件弯曲安装时可选用铠装热电偶、热电阻。高炉、热风炉温度测量，可选用高炉、热风炉专用热电偶。2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，那么，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。(1)测温元件的安装要求在测量
30、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度），切勿与被测介质形成顺流。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、铜电阻保护套管的末端应分别越过流束中心线510mm、5070 mm、2530mm。 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。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。热电偶、热电阻的接线盒面盖应向上，以避免雨水或其他液体、脏物进入接线盒中影响测量。为了防止热量散失，测温元件应插在有保温层的管道或设备处。
31、测温元件安装在负压管道中时，必须保证其密封性，以防外界冷空气进入，使读数降低。(2)布线要求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。热电阻的线路电阻一定要符合所配二次仪表的要求。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人钢管内或走槽板。导线应尽量避免有接头。应有良好的绝缘。禁止与交流输电线合用一根穿线管，以免引起感应。导线应尽量避开交流动力电线。补偿导线不应有中间接头，否则应加装接线盒。另外，最好与其他导线分开敷设。第四章 自动控制仪表P139-1. 什么是控制器的控制规律？控制器有哪些基本控制规律？答：所谓控制器的控制规律
