化工仪表及自动化
一、填空题
1. 方框与方框之间的连接线，只是代表方框之间的 ，并不代表方框之间的物料联系。
2. 自动控制系统是具有被控变量 反馈的 环系统。
1. 机理建模的优点是具有明确的 ，所得的模型具有很大的适应性，便于对 进行调整。
2. 对象数学模型包括 一阶对象， 。
3. 描述对象特性的参数包括： 。
4. 时间常数T的物理意义：当对象受到阶跃输入作用后，被控变量如果保持 速度变化，达到新的 所需要的时间。
5. 从加入输入作用后，经过 时间，被控变量已经变化了全部变化范围的 ，这时可以近似地认为动态过程基本结束。
6. 滞后时间按照滞后性质分可以分为： 和 。
7. 某台测温仪表的测温范围为200—700℃，校验该表时得到的最大绝对误差为℃，则该表的相对百分误差是 ，该仪表的精确度等级是 。（精确度等级有： ,，，,,）
8. 某台测温仪表的测量范围为0—1000℃，根据工艺要求温度只是指的误差不允许超过±6℃，
则该仪表的允许误差为 ，应选择的仪表等级是 。（精确度等级有： ,，，,,）
9. 是表征线性刻度仪表的输出与输入量的实际校准曲线与理论直线的吻合程度。
10. 工业仪表按照仪表使用的能源分类可以分为： ， ， 。
11. 表压等于绝对压力 大气压力。
12. 真空度等于大气压力 绝对压力。
13. 普通压力计的弹簧管多采用价格相对便宜的 ，但氨气用压力计弹簧管的材料却都要采用 材料，这是因为氨气对 的腐蚀性极强。
14. 氧气压力计与普通压力计在结构和材质上完全相同，只是氧用压力计要 。
15. 测量稳压时，仪表上限约为工作压力最大值的 倍。
16. 测量脉动压力时，仪表上限约为工作压力最大值的 倍。
17. 测量高压压力时，仪表上限约为工作压力最大值的 倍。
18. 测量液体压力时，取压点应在管道的 ，测量气体压力时取压点应在管道的 。
19. 标准节流装置主要包括： ， 和 。
20. 标准孔板主要采用的取压方法有 和 。
21. 标准孔板的优点是结构简单，安装方便；缺点是 。
22. 标准喷嘴和标准文丘里管缺点是结构复杂不易加工，优点是 。
23. 对于差压液位变送器，迁移同时改变了测量范围的上下限，相当于测量范围的 ，它不改变 的大小。
24. 电容式物位计的工作原理是 与 成正比。该法是利用被测介质的介电常数与空气的介电常数不等的原理进行工作。介电常数查越 ，仪表越灵敏。
25. 称重式液罐计是根据 设计，它既能准确测量液位，又能反映出罐中的真实的 储量（填：质量 或者 体积），其测量的质量与罐内液体的密度 （填：有关 或者 无关）。
26. 常用的测量温度的仪表按照测温方式分可分为 和 。
27. 目前解释热电效应的理论是 古典电子理论 。
28. 如果组成热电偶回路的两种导体材料相同，则无论两接点温度如何，闭合回路的总热电势为 。
29. 如果热电偶两接点 相同，尽管两导体材料不同，闭合回路的总热电势为零。
30. 热电偶温度计中冷端补偿的方法有哪五种： ， ，
， ，和 。
31. 在中、低温区，一般是使用 来进行温度的测量较为适宜。(填：热电偶温度计 或者 热电阻温度计)
32. 工业上常用的铂电阻有两种，一种是R0＝10Ω，对应分度号为 。另一种是R0＝100Ω，对应分度号为 。
33. 控制器的基本控制规律包括： （其中以双位控制比较常用）、 （P）、 （I）、 （D）及它们的组合形式，如 （PI）、 （PD）和 （PID）。
34. 在 控制系统中，被控变量不可避免的产生持续的等幅振荡； 控制系统可以消除震荡，但存在余差。
35. 控制系统可以消除余差，但当负荷变化剧烈时，反应动作缓慢； 控制系统具有超前控制功能，但它的输出不能反映偏差的大小。
36. 气动执行器中的执行机构按照结构分可以分为： ， ， 。
37. 直通双座控制阀的优点是 ， 缺点是 。
38. 控制阀的等百分比流量特性是指： 。
39. 目前生产的模拟式控制器一般都同时具有比例，积分，微分三种作用。只要将其中的微分时间TD置于 ，就成了比例积分控制器，如果同时将积分时间TI置于 ，变成了比例控制器。
二． 计算题（满分10分）
1. 某换热器的温度控制系统在单位阶跃干扰作用下的过渡过程曲线如下图所示。试分别求出最大偏差、余差、衰减比、振荡周期和过渡时间（给定值为200℃）。
2. 为了测定某重油预热炉的对象特性，在某瞬间（假定为t0=0）突然将燃料燃气量从h增加到h，重油出口温度记录仪得到的阶跃反应曲线如图1所示。假定该对象为一阶对象，是写出描述改重油预热炉特性的微分方程是（分别以温度变化量与燃料量变化量为输出量与输入量），并写出燃料量变化量为h是温度变化量的函数表达式。已知：t=8min时，T=145℃.
3. 已知一个简单水槽，其截面积为，水槽中的液体有正位移泵抽出，即流出量是恒定的。如果在稳定的情况下，输入流量突然在原来的基础上增加了，试画出水槽液位△h的变化曲线。
4. 某化学反应器工艺规定操作温度为400±2ºC，考虑安全因素，调节过程中温度偏离给定值不得超过6ºC。现设计运行的温度定值调节系统，在最大阶跃干扰下的过渡过程曲线如图所示。问该过程的最大偏差、余差、衰减比、过渡时间（按被控变量进入新稳态值的±2%为准）和振荡周期。
5. 现用一只以水标定的转子流量计来测量苯的流量，已知转子材料为不锈钢，ρt＝cm3，苯的密度为ρf＝cm3。试问流量计读数为s时，苯的实际流量是多少
6. 某厂用转子流量计来测量温度为27℃，表压为的空气流量，问转子流量计读数为38Nm3/h时，空气的实际流量是多少
7. 用镍铬-铜镍热电偶测量某加热炉的温度。测得的热电势E（t，t1）＝66982μV，而自由端的温度t1＝30℃，求被测的实际温度。 （已知：E(30，0)=1801μV， E, 0)=66982Μv, E(900, 0)=68783μV ）
六、问答题（满分30分）
1.弹簧管压力计的测压原理是什么试述弹簧管压力计的主要组成及测压过程。
测压原理：将被测压力转换成弹簧管自由端的位移来进行测量的。
主要组成：弹簧管、放大机构、指针、面板及压力接头。
测压过程：当被测压力通入弹簧管后，由于弹簧管在压力作用下产生变形，使其自由端产生位移，经放大后就可以由指针在面板上指示出相应的压力值。
2. 霍尔片式压力传感器是如何利用霍尔效应实现压力测量的
将霍尔元件与弹簧管配合，可组成霍尔片式弹簧管压力传感器。当被测压力引入后，弹簧管自由端产生位移，因而改变了霍尔片在磁场中的位置，使所产生的霍尔电势与被测压力成比例，利用这一电势就可实现压力的测量。
3. 电容式压力传感器的工作原理是什么有何特点
工作原理：将弹性元件的位移转换为电容量的变化。将测压膜片作为电容器的可动极板，它与固定极板组成可变电容器。当被测压力变化时，由于测压膜片的弹性变形产生位移改变了两块极板之间的距离，造成电容量发生变化。
特点：结构紧凑、灵敏度高、过载能力大、测量精度可达级、可以测量压力和差压
4. 什么是节流现象，并简述简述节流装置测量流量的基本原理。
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。
基本原理：节流装置前后压差大小与流量有关，流量越大，节流装置前后压差越大，只要测出孔板前后两侧压差，即可表示流量大小。
5. 测量压力时由引压导管接至差压计或变送器前，必须安装切断阀1、2和平衡阀3，构成三阀组，如图所示。简述启动和关闭差压计时切断阀1,2,3打开或关闭的顺序，并简述原因。
6. 简述转子流量计和差压流量计测量原理的不同之处。
转子流量计以压降不变，利用节流面积的变化来测量流量的大小，即转子流量计采用的是恒压降、变节流面积的流量测量方法。而差压流量计是在节流面积不变的情况下，以差压变化来反映流量大小。
7. 试证明称重式液罐计量仪所测的罐内液体质量与液体的密度无关。
8. 试证明热电偶温度计中插入第三根导线时，只要保持接触点温度一致则对整个回路的电势没有影响。
9. 试写出几分控制规律的数学表达式。为什么积分控制能消除余差
10. 画出气关式类型执行器的两种简单结构示意简图；在控制系统中如何选择执行器类型举例说明。
在控制系统中，执行器是按安全原则选择类型的，也就是当控制信号中断时，要保证设备和操作人员的安全。如：加热炉温度控制，当燃料量为操纵变量时，其执行器应选择气开类型，当信号中断时，切断燃料，保证安全。
11. 热电偶为什么要进行冷端温度补偿有哪些冷端温度补偿方法原理是什么
答：①因为各种显示仪表和热电偶分度表都是在热电偶冷端温度为零的时候做出的。但实际中热电偶冷端温度不等于零，且经常波动，这必然造成输出减少，所以要进行热电偶的冷端温度补偿。
②热电偶常用的冷端温度补偿方法有：冰浴法、公式计算法、仪表机械零点调整法、电桥补偿法和补偿热电偶
③
冰浴法：用冰槽使t0保持零度。
计算法：EAB（t，0）＝ EAB（t，t0）＋ EAB（t0，0）
仪表零点调整法：将仪表的机械零点调到t0
补偿电桥法：用电桥产生EAB（t0， 0）与EAB（t，t0）叠加，即可消除t0变化对测量的影响。
补偿热电偶：用与测量热电偶同型号的热电偶进行补偿，用于多支热电偶。
12. （10分）控制器输入偏差是阶跃信号（见下图），请根据已知参数，画出P、PI的输出响应曲线。
（1）P输出，已知：比例度δ=50% （2）PI输出，已知：比例度δ=100%
积分时间Ti=1分
答：
13. (20分)下图为加热炉装置，工艺要求利用燃料量来控制炉出口介质温度t(简单控制系统)；
① 指出构成控制系统时的被控变量、控制变量、干扰量是什么 ② 在下图中画出控制流程图； ③ 选择执行器的气开、气关类型以及控制器的作用方向； ④ 画出简单控制系统方框图；
⑤ 简单说明该系统克服干扰的过程（可设温度t升高，分析调节动作过程）。
答：① 构成控制系统时的被控变量是出口介质温度；操纵变量是燃料量，干扰量是：进料流量和温度、燃料的压力、炉膛温度和压力以及环境温度。
② 控制流程图见下图。
③ 执行器应选择气开类型，控制器为反作用方向。 ④ 简单控制系统方框图见下图。
⑤ 该系统克服干扰的过程：当干扰作用使温度t升高，测量大于给定，控制器输入偏差增大，其输出控制信号减少，气开阀关小，燃料量减少，塔顶温度下降，维持给定。
14. 画出气开式类型执行器的两种简单结构示意简图；控制系统在什么情况下选择气开类型执行器举例说明。
如：加热炉温度控制，当燃料量为操纵变量时，其执行器应选择气开类型，当信号中断时，切断
燃料，保证安全。
15. 工艺要求利用回流量来控制塔顶温度t(简单控制系统)，为保证塔正常操作，回流量不允许中断。
① 指出构成控制系统时的被控变量、操纵变量、主要干扰是什么 （4分） ② 在图上画出控制流程图并确定执行器类型； （5分） ③ 选择控制器的作用方向； （3分） ④ 画出简单控制系统方框图； （4分）
⑤ 简单说明该系统克服干扰的过程（可设温度t升高，分析控制动作过程）。（4分） 答：① 构成控制系统时的被控变量是塔顶温度；操纵变量是塔顶回流量，主要干扰量是：进料的流量和温度，回流的温度和流量，加热蒸汽量等。
② 控制图见下图，执行器为气关式。 ③ 控制器为反作用方向。 ④ 简单控制系统方框图见下图
⑤ 该系统克服干扰的过程：当干扰作用使温度t升高，测量大于给定，控制器输入偏差增大，其输出控制信号增加，气开阀开大，回流量加大，塔顶温度下降，回复给定。
16.计算下图液位差压变送器的量程、测量范围及迁移量。 已知：H=0～10m h= ρ=35kg/m3 g ≈10m/s2 答：ΔP=P+-P-=Hρg+hρg=3500H+4200 Pa
差压变送器：量程=35000 (Pa)测量范围=4200～39200 (Pa)
迁移量=4200 (Pa)
17. 某列管式蒸汽加热器，工艺要求出口物料温度稳定在（90±1）℃。已知主要干扰为蒸汽压力的波动。
（1） 确定被控变量，并选择相应的测量元件。
（2） 制定合理的控制方案。
（3） 如物料温度不允许过高，否则易裂解，试确定控制阀的气开、气关式。
（4） 画出控制流程图与方框图。
答：①被控变量为列管式蒸汽加热器物料出口温度，因测量温度较低但精度较高选择铂热电阻为测量元件。
②干扰为蒸汽压力，控制方案选用副参数为蒸汽压力主参数为物料出口温度的串级控制。 ③控制阀选用的气开式 ④控制流程图与方框图如图
18. 如图为釜式反应器，釜内温度通过改变冷却剂流量的方式来控制。
① 指出构成控制系统时的被控变量、控制变量、干扰量是什么
② 如果冷却剂压力为主要干扰，选择控制方案，在下图中画出控制流程图； ③ 选择执行器的气开、气关类型； ④ 画出控制系统的方框图；
⑤ 简单说明该系统克服干扰的过程（可设温度t升高，分析调节动作过程）。
答：① 构成控制系统时的被控变量是釜内温度。操纵变量是冷却剂流量，干扰量是：冷却剂压力和温度、搅拌速度以及环境温度。
② 控制流程图见下图1。 ③ 执行器应选择气关类型。 ④ 控制系统方框图见下图2。
⑤ 该系统克服干扰的过程：当干扰作用使温度t升高，测量大于给定，控制器输入偏差增大，其输出控制信号减少，气关阀开大，冷却剂流量增加，釜内温度下降，维持给定。
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