化工仪表及自动化习题（2014）
一.填空题。
1.自动控制系统是由被控对象、测量变送装置、控制器（中心环节）和执行器组成。
2.自动控制在阶越干扰作用下的过渡过程有：①非周期衰减过程；②衰减振荡过程；③等幅振动过程；④发散振荡过程 几种基本形式。
3.描述对象特性的参数有：放大系数K、时间常数T、滞后时间τ。
4.自动控制系统与自动检测、自动操纵等系统相比较最本质的区别为自动控制系统有负反馈。
5.控制阀的理想流量特性主要有 直线流量特性、抛物线流量特性、 对数流量特性、快开特性等几种。
6.研究对象的特性就是 用数学的方法来描述出对象输入量与输出量之间的关系，这种对象特性的数学模型主要有 参量模型和 非参量模型两大类。
7.标准信号是指 物理量的形式和数值范围都符合国际标准的信号。例如，直流电流4~20mA、空气压力 0.02~0.1MPa都是当前通用的标准信号。
8.弹性式压力计是 将被测压力转换成弹性元件变形的位移 进行测量的。例如 弹簧管压力计、 波纹管压力计和 膜式压力计。
9.热电阻温度计主要是测量 500℃以下的中、低温，目前应用最广泛的热电阻是 铂电阻和 铜电阻。
10.节流件应用最广泛的是 孔板，其次是 喷嘴、文丘里管等。
11.化工自动化是一门综合性的技术学科，它应用 自动控制学科、 仪器仪表学科及 计算机学科 的理论和技术服务于化学工程学科。
12.为了实现化工生产过程自动化，一般要包括自动检测、自动保护、 自动控制和 自动操纵 等方面的内容。
13.差压式流量计是基于流体流动的 节流 原理，采用流体流经 节流装置 时产生的压力差而实现流量测量的，差压式流量计也称为 节流式 流量计。
14.气动差压变送器中，当液位高度H为0时，变送器输出信号为 0.02MPa 的气压信号，当液位高度H为最高时，变送器输出信号为 0.1MPa 。 15.电气式压力计的种类有 霍尔片式压力传感器、应变片式压力传感器、压阻式压力传感器、力矩平衡式压力变送器、电容式压力变送器，霍尔片式弹簧管压力表的核心是：霍尔元件，它是利用 霍尔元件将由压力所引起的弹性元件的位移转换成霍尔电势，从而实现压力的间接测量。其实质是 将压力转换成电信号进行传输及显示的仪表，利用霍尔效应实现位移-电势的线性转换。
16.转子流量计是以 压降 不变，利用 节流面积 的变化来反映流量大小，从而实现流量测量的仪表。它又称浮子流量计、面积式流量计，适用于测量管径20mm以下管道的流量。据指示形式与传送信号不同分指示式 、 电远传式、 气远传式转子流量计 三种。通过转子流量计介质的流量与 转子在锥形管中平衡时的高度 成正比。转子流量计的标定： 在工业基准状态（20℃，0.10133MPa）下用水或空气标定。
二、名词解释
1.霍尔效应：电子在霍尔片中运动（电子逆Y轴方向运动）时，由于受电磁力的作用，而使电子的运动轨道发生偏移，造成霍尔片的一个端面上有电子积累，另
1
一个端面上正电荷过剩，于是在霍尔片的X轴方向上出现电位差，这一点位差称为霍尔电势，这一种物理现象就称为“霍尔效应”。
2.显示仪表：将生产过程中各种参数进行指示，累积，记录的仪表。
3.卡曼涡街：把一个漩涡发生体（非流线型对称物 体）垂直插在管道 中，当流体绕过漩涡发生体时会在其左右两侧后方交替产生旋转方向相反的漩涡，称为卡曼涡街。
4.工艺管道及控制流程图：在控制方案确定后，根据工艺设计给出的流程图，按其流程顺序标注出相应的测量点、控制点、控制系统及自动信号与联锁保护系统等，便成了工艺管道及控制流程图（PID图）。 5.过渡过程：在扰动或给定值变化的情况下，被控量偏离给定值和在控制调节作用下，接近给定值或跟随给定值变化的过程。
6.节流效应：流体在管道中流动时,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。
7.测量过程：将被测参数与其相应的测量单位进行比较的过程。一般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。 8.热电势：热电偶是由两种不同材料的导体 A 和 B 焊接而成，当组合成闭合回路，若导体A和B的连接处温度不同，则在此闭合回路中就有电流产生，也就是说回路中有电动势存在，这个电动势叫热电势。
9.控制对象：自动控制系统中，工艺参数需要控制的生产过程、设备或机器等。 10.被控变量：生产过程中希望借助自动控制保持恒定值（或按一定规律变化）的变量称为被控变量。
11.操纵变量：在自动控制系统中，把用来克服干扰对被控变量的影响，实现控制作用的变量称为操纵变量。
12.过渡时间：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叫过渡时间。
13.滞后时间：在容量滞后与纯滞后同时存在时，常常把两者合起来统称滞后时间。
14.系统的动态特性：被控变量向给定值变化过程的特性。 15.仪表的准确度：测量值与被测量真值的接近程度。 16.精密度：仪表检测微小参数变化的能力。
17.精确度：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。反映误差大小的术语,精度越高,误差越小。
18.灵敏度：仪表在稳定状态下输出的变化量与最小输入的变化量之比值，S=△α/Δx，△α指针的线位移或角位移，Δx为引起△α所需的被测参数变化量。 19.灵敏限：指能引起仪表指针发生动作的被测参数的最小变化量。
20.指示变差：在外界条件不变的情况下，用同一仪器对被测量在仪表全部测量范围内进行正反行程测量时，被测量值正行和反行得到的两条特性曲线之间的最大偏差。
21.允许相对误差：某一台仪器在规定正常情况下，允许的相对百分误差的最大值。δ允=±仪表允许的最大绝对误差/（上限-下限）×100%。 22.控制规律：控制器的输出信号与输入信号之间的关系。 三、简答题
1.图1-1所示为某化工厂超细碳酸钙生产中碳化部分简化的工艺管道及控制流
2
程图，试指出图中所示符号的含义。
答：①仪表位号FICQ-101表示第一工序第01个流量控制回路（带累积指示），累积指示仪及控制器安装在仪表室仪表盘正面上。
②仪表位号TI-101表示第一工序第01个温度显示仪表。仪表安装在现场。 ③仪表位号PI-101表示第一工序第01个压力显示仪表。仪表安装在现场。 ④仪表位号TI-102表示第一工序第02个温度显示仪表。仪表安装在现场。 ⑤仪表位号PI-102表示第一工序第02个压力显示仪表。仪表安装在现场。 ⑥仪表位号LIC-101表示第一工序第01个具有指示功能的物位控制器。安装在集中仪表盘上。 ⑦仪表位号HIC -101表示第一工序第01个
2.何谓控制系统的过渡过程？根据过渡过程自动控制系统的工作品质用什么指标来衡量？影响控制系统过渡过程品质的因素有哪些？
答：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。五种重要品质指标：①最大偏差或超调量。②衰减比。③余差。④过渡时间。⑤震荡周期或频率。影响因素：对象的特性、测量仪表特性、执行器特性。 3.什么是漩涡流量计？简述其工作原理。 答：?漩涡流量计的原理：是利用流体自然振荡的原理制成的一种漩涡分离型流量计。?当流体以足够大的流速流过垂直于流体流向的漩涡发生体时，若该物体几何尺寸适当，则在阻挡体后面，沿两条平行直线上会产生整齐排列、转向相反的漩涡列。漩涡产生的频率和流体的流速成正比。通过测出漩涡产生的频率可知流体的流量。
4.请简述控制器在自动控制系统中的作用。 答：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。 5.热电阻温度计为什么可以用来测量温度？它由哪几部分组成？各部分有何作用？ 答：?热电阻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。?由热电阻，显示仪表及连接导线组成。?作用：①热电阻：感温元件，由于温度变化导致电阻变化。②显示仪表：
6.热电偶温度计为什么可以用来测量温度？它由哪几部分组成？各部分有何作用？ 答：?热电偶温度计是根据热电效应这一原理来测量温度的。它由两种不同材料的导体A、B焊接形成闭合回路。由于A、B两种金属的自由电子密度不相同，于是在两接触点处形成了两个方向相反的热电势，温度不同，产生的热电势不同。根据冷热两端不同的热电势可得出闭合回路总热电势，然后查表即可得知对应温度。?组成：热电偶、导线，测量仪表。?作用：①热电偶：测量热端热电势②导线：形成闭合回路③测量仪表：将总热电势转换成温度显示出来。
7.霍尔效应及霍尔片式压力计工作原理。答：霍尔片式压力传感器是根据霍尔效应制成的，即利用霍尔元件将由压力所引起的弹性元件的位移转换成霍尔电势，从而实现压力的测量。 8.热电效应。
答：热电偶是由两种不同材料的导体 A 和 B 焊接而成，当组合成闭合回路，若导体A和B的连接处温度不同，则在此闭合回路中就有电流产生，也就是说回路
3
中有电动势存在，这种现象叫做热电效应。 9.简述压力计的选用和安装时需要注意的要点。 答：选用：①仪表类型的选用②仪表测量范围的确定③仪表精度级的选取。安装：①测压点的选择②导压管铺设③压力计的安装。
10.什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Δp与液位高度H 之间的关系为：Δp =ρgH 。是一般的“无迁移”的情况。当H =0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H = 0时，差压变送器正、负压室的压力并不相等，即Δp ≠ 0，这就是液位测量时的零点迁移问题。?为了进行零点迁移，可调节仪表上的迁移弹簧，以使当液位H = 0时，尽管差压变送器的输入信号Δp不等于 0，但变送器的输出为最小值，抵消固定压差的作用，此为“零点迁移”方法。?实质就是变送器零点的大范围调整，改变测量范围的上、下限，相当于测量范围的平移，而不改变量程的大小。 11.什么是积分时间？它对系统过渡过程有什么影响？
答：?积分时间T1是用来表示积分控制作用强弱的一个参数。积分时间越小，表示积分控制作用越强，数值上T1=1/K1，式中K1是积分速度（积分比例系数）。?积分时间对控制过程的影响：积分时间T1的减小，会使系统的稳定性下降，动态性能变差，但能加快消除余差的速度，提高系统的静态准确性。 12.简述物位检测的意义和按其工作原理列举常见的物位检测类型。
答：?物位测量意义：安全生产，连续控制生产工艺，监视和控制。?仪表类型：直读式物位仪表，差压式，浮力式，电磁式，核辐射式，声波式，光学式。 13.执行器在自动控制系统中起什么作用？执行器通常由哪些部分构成?各起什么作用。
答：?执行器的作用：接收控制器送来的控制信号，改变被控介质的流量，从而将被控变量维持在所要求的数值上或一定的范围内。?气动执行器由执行机构和控制机构（阀）两部分组成。?作用：①执行机构是执行器的推动装置，它根据控制信号（由控制器来）压力的大小产生相应的推力，推动控制机构动作，所以它是将信号压力的大小转换为阀杆位移的装置。②控制机构是指控制阀，它是执行器的控制部分，它直接与被控介质接触，控制流体的流量，所以它是将阀杆的位移转换为流过阀的流量的装置。
14.试述电动执行机构的结构原理、分类及适用场合。
答：?原理：接受来自控制器的0~10mA或4~20mA的直流电流信号，并将其转换成相应的角位移或直行程位移，去操纵阀门、挡板等控制机构，以实现自动控制。?分类：角行程、直行程、多转式等类型。?适用场合：角行程适用于操纵蝶阀、挡板之类的旋转式控制阀。直行程适用于操作单座、双座、三通等各种控制阀和其他直线式控制机构。多转式主要用来开启和关闭闸阀、截止阀等多转式阀门。 15.被控对象、执行器、控制器的正、反作用方向各是怎样规定的？
答：?被控对象的作用方向随具体对象的不同而各不相同。当操纵变量增加时，被控变量也增加的对象属于“正作用”，反之为“反作用”。?执行器的作用方向由它的气开、气关型式来确定。气开阀为“正”方向；气关阀为“反”方向。?如果将控制器的输入偏差信号定义为测量值减去给定值，那么当偏差增加时，其输出也增加的控制器称为“正作用”控制器；反之，控制器的输出信号随偏差的增加而减小的称为“反作用”控制器。
4
16.为什么要考虑控制器的正、反作用？如何选择？
答：?在控制系统中，要正确选择控制器的作用方向，即“正”、“反”作用。选择控制器的正、反作用的目的是使系统中控制器、执行器、对象三个环节组合起来，能在系统中起负反馈的作用。?选择控制器正、反作用的一般步骤是首先由操纵变量对被控变量的影响方向来确定对象的作用方向，然后由工艺安全条件来确定执行器的气开、气关型式，最后由对象、执行器、控制器；个环节作用方向组合后为“负”来选择执行器的正、反作用。 17.简述流量计的分类及其工作原理？ 答：?速度式流量计：以测量流体在管道内的流速作为测量依据来计算流量的仪表。?容积式流量计：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仪表。?质量流量计：以测量流体流过的质量M为依据的流量计。
18.差压式流量计、转子流量计工作原理的区别？
答：①相同点：两者都是利用节流原理来测量流量。②不同点：差压式流量计：节流件固定安装、节流件前后差压变化、输入输出非线性。转子式流量计：节流件安装不固定、节流件前后差压固定、输入输出线性。 19.控制器的控制规律是指什么?常用的控制规律有哪些? 答：?控制规律指控制器的输出信号与输入信号之间的关系。?常用的控制规律有位式控制、比例控制(P)、积分控制(I)、微分控制(D)以及它们的组合控制规律，例P1、PD、PID等。
20.什么是差压式流量计？简述其工作原理。 答：?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流量计称为差压式流量计（又称节流式）。?根据流体力学中的伯努利方程和流体连续性方程，可以导出流体流经节流装置时的压差与流量之间有一定的对应关系，其定量关系符合流量基本方程式。根据这个方程式，就可以由测量得到的压差来计算出流国的流量值，这就是差压式流量计测量流量的原理。 21.控制器参数整定的任务是什么?工程上常用的控制器参数整定有哪几种方法？
答：任务：按照已定的控制方案，确定最合适的控制器比例度δ，积分时间TI和微分时间TD。工程上常用方法：临界比例度法、衰减曲线法、经验凑试法。 22.简述弹性压力计的分类及其工作原理。
答：?原理：采用弹性元件将压强大小转换为位移量，再通过机械传动和放大，推动指针偏移。?根据敏感元件形式的不同可以分为以下3类：弹簧管式压力计、薄膜式压力计、波纹管式压力计。
23.试述PID控制的意义及相关参数大小对控制效果的影响。
答：?意义：?影响：①比例参数KP的作用是加快系统的响应速度，提高系统的调节精度。随着KP的增大系统的响应速度越快，系统的调节精度越高，但是系统易产生超调，系统的稳定性变差，甚至会导致系统不稳定。KP取值过小，调节精度降低，响应速度变慢，调节时间加长，使系统的动静态性能变坏。②积分作用参数Ti的一个最主要作用是消除系统的稳态误差。Ti越大系统的稳态误差消除的越快，但Ti也不能过大，否则在响应过程的初期会产生积分饱和现象。若Ti过小，系统的稳态误差将难以消除，影响系统的调节精度。另外在控制系统的前向通道中只要有积分环节总能做到稳态无静差。从相位的角度来看一个积分环节就有90° 的相位延迟，也许会破坏系统的稳定性。③微分作用参数Td
5