复习题化工仪表及其自动化复习题

第一章

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1-16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：仪表位号PI-307表示为第三工序第07个压力检测回路。其中： P 表示被测变量为压力；I 表示仪表具有指示功能；

表示该压力仪表安装在现场。

仪表位号TRC-303表示为第三工序第03个温度检测回路。其中： T 表示被测变量为温度；RC 表示仪表具有记录、控制功能；

表示该温度仪表安装在集中仪表盘正面，操作员监视用。

仪表位号FRC-305表示为第三工序第05个流量检测回路。其中： F 表示被测变量为流量；RC 表示仪表具有记录、控制功能；

表示该流量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）被控变量的物料量或能量，克服扰动的影响，最终实现控制要求。

P16-21. 某化学反应器工艺规定操作温度为（900±10）℃。考虑安全因素，控制过程中温度偏离给定值最大不能超过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1-18所示。试求该系统的过渡过程品质指标：最大偏差、超调量、衰减比和振荡周期，并回答该控制系统能否满足题中所给的工艺要求？（图略） 答：由反应曲线可知：

最大偏差 A＝950－900＝50 ℃ 超 调 量 B＝950－908＝42 ℃ 衰 减 比 B＝950－908＝42 ℃ B’＝918－908＝10 ℃ n＝B/B’＝42∶10＝4.2∶1 振荡周期 T ＝45－9＝36 min

该系统最大偏差为50 ℃，小于允许偏差80 ℃；余差为908－900＝8 ℃，在工艺操作规定对温度的要求范围之内（±10 ℃）。因此，该系统能满足工艺要求。 第三章

P90-5. 某一标尺为0～1,000 ℃的温度计出厂前经校验，其刻度标尺上的各点测量结果分别为： 被校表读数/ ℃ 0 200 400 600 700 800 900 1000 标准表读数/ ℃ 0 201 402 604 706 805 903 1001 （1）求出该温度计的最大绝对误差值； （2）确定该温度计的精度等级。 答：先求出各校验测量点的绝对误差值：

被校表读数/ ℃ x 0 200 400 600 700 800 900 1000 标准表读数/ ℃ x0 0 201 402 604 706 805 903 1001 绝对误差值/ ℃ Δ 0 －1 －2 －4 －6 －5 －3 －1 （1）由表中可知最大绝对误差值为：Δmax = x－x0 = 700－706 = －6（℃）； （2）该压力表的最大相对百分误差为：

δ =Δmax /（1000－0）×100% = －6/（1000－0）×100% = －0.6%

去掉δ的“－”号与“%”号，其数值为0.6，因此该压力表的精度等级为1.0级。

P90-7. 什么是压力？表压力、绝对压力、负压力（真空度）之间有何关系？ 答：压力是指由气体或液体均匀垂直地作用在单位面积上的力。

表压力：当绝对压力大于大气压力时，绝对压力高于大气压力的数值称为表压力，简称表压。 绝对压力：绝对真空下的压力称为绝对零压，以绝对零压为基准来表示的压力叫绝对压力。 负压力（真空度）：当绝对压力小于大气压力时，绝对压力低于大气压力的数值称为真空度或负压。 它们的相互关系为：

表压力 = 绝对压力－大气压力

P91-21. 某压力表的测量范围为0～1 MPa，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表，在校验点为0.5 MPa时，标准压力计读数为0.508 MPa，试问被校验压力表在这一点是否符合1级精度，为什么？ 答：根据精度等级确定公式δ＝±Δmax/（x上－x下）×100％得： Δmax＝±（x上－x下）δ/100％＝±（1－0）×1％/100％＝±0.01 MPa 此压力表允许的最大绝对误差为±0.01 Mpa。

校验点的绝对误差是0.5－0.508＝－0.008 Mpa℃，在±0.01 Mpa范围之内，所以被校验压力表在这一点符合1级精度。

P91-23. 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0～1.6 MPa，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0～1.0 MPa，精度为1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1.6×2/3＝1.067 Mpa＞0.8 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： δ＝±Δmax/（x上－x下）×100％＝±0.01/（1.6－0）×100％＝±0.625％

若选用一台测量范围为0～1.6 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0～1.0 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。

P91-26. 现有一台测量范围为0～1.6 MPa，精度为1.5级的普通弹簧管压力表，校验后，其结果为：

真空度 = 大气压力－绝对压力

被校表读数/ MPa 标准表读数/ MPa 上行程 0.0 0.000 0.4 0.385 0.8 0.790 1.2 1.210 1.6 1.595 下行程 1.6 1.595 1.2 1.215 0.8 0.810 0.4 0.405 0.0 0.000 试问这台标合格否？它能用于某空气贮罐的压力测量（该贮罐工作压力为0.8～1.0 MPa，测量的绝对误差不允许大于0.05 MPa）？ 答：先求出各校验测量点的绝对误差值： 上行程 下行程 被校表读数/MPa 0.0 0.4 0.8 1.2 1.6 1.6 1.2 0.8 0.4 0.0 标准表读数/MPa 0.000 0.385 0.790 1.210 1.595 1.595 1.215 0.810 0.405 0.000 绝对误差值/MPa 0.000 0.015 0.010 -0.010 0.005 0.005 -0.015 -0.010 -0.005 0.000 （1）由表中可知最大绝对误差值为±0.015 MPa；最大变差为0.020 MPa 该压力表的最大相对百分误差为：0.020/（1.6－0）×100% = 1.25% 因此该压力表符合1.5级精度，合格。

（2）该贮罐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；最小工作压力不小于上限值的1/3： 上限值选1.6 Mpa，则1.6×2/3＝1.067 Mpa＞1.0 Mpa；1.6×1/3＝0.533 Mpa＜0.8 Mpa。下限值按0 Mpa计。 该贮罐允许最大绝对误差为0.05 MPa，选用压力计的允许误差为：

δ＝±Δmax/（x上－x下）×100％＝±0.05/（1.6－0）×100％＝±3.125％

因此选用这台测量范围为0～1.6 MPa，精度为1.5级的压力表符合贮罐工艺上的误差要求，也符合测量范围要求。

P91-38. 用转子流量计来测量气压为0.65 MPa、温度为40 ℃的CO2气体的流量时，若已知流量计读数为50 L/s，求CO2的真实流量（已知CO2在标准状态下的密度为1.977 kg/m3）。

解：已知Q0＝50 L/s＝0.050 Nm3/s，T0＝20 ℃＝293 K，p0＝0.10133 MPa，ρ0＝1.293 kg/Nm3；T1＝40 ℃＝313 K，p1＝0.65＋0.10133＝0.75133 MPa，ρ1＝1.977 kg/Nm3

Q1??0Tp11.2930.75133293??0?Q0????0.050?0.1066?1p0T11.9770.10133313

所以CO2的真实流量为0.1066 Nm3/s（106.6 L/s）。

P91-39. 用水刻度的流量计，测量范围为0～10 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：（1）用不锈钢转子测量苯时。

已知ρt＝7920 kg/m3；ρw＝1000 kg/m3；ρf＝0.831 kg/L＝831 kg/m3。由体积流量密度修正系数公式：

(?t??w)?f(7920?1000)831KQ?????0.90(?t??f)?w(7920?831)1000则：Qf min＝Q0 min/KQ＝0/0.9＝0；Qf max＝Q0 max/KQ＝10/0.9＝11.1 L/min 所以量程范围为0～11.1 L/min苯。 （2）若改用铝转子。

Q钢??ha. 用不锈钢转子测水时流量为：

2gV(?钢??f)?fAQ铝??h；用铝转子测水时流量为：

2gV(?铝??f)?fA

已知Q钢 max＝10 L/min；ρ钢＝7920 kg/m3；ρ铝＝2750 kg/m3；ρf＝1000 kg/m3。

Q铝?则：

(?铝??f)(?钢??f)?Q钢?(2750?1000)?10?5.03(7920?1000)

所以用铝转子测水时量程范围为0～5.03 L/min。

Q水??hb. 用铝转子测水时流量为：

2gV(?铝??水)?水A；用铝转子测苯时流量为：

Q苯??h2gV(?铝??苯)?苯A(?铝??苯)

已知Q水 max＝5.03 L/min；ρ铝＝2750 kg/m3；ρ水＝1000 kg/m3；ρ苯＝7920 kg/m3。

Q苯max?则：

?水(2750?831)1000?Q水max???5.03?5.78(?铝??水)?苯(2750?1000)831?

所以用铝转子测苯时量程范围为0～5.78 L/min。

P91-40. 椭圆齿轮流量计的工作原理是什么？为什么齿轮旋转一周能排出4个半月形容积的液体体积？ 答：椭圆齿轮流量计是属于容积式流量计的一种。如图所示，它有两个相互啮合的椭圆齿轮，当流体流过时，带动齿轮旋转。齿轮每旋转一周，就排出四个由椭圆齿轮与外壳围成的半月形空腔这个体积的流体。只要测出椭圆齿轮的转速就可以计算出被测流体的流量，这就是椭圆齿轮流量计的基本工作原理。

图中（a），（b），（c）所示，仅仅表示椭圆齿轮转动了1/4周的情况，其所排出液体体积为一个半月形容积。所以，椭圆齿轮旋转一周能排出4个半月形容积的液体体积。

P92-50. 生产中欲连续测量液体的密度，根据已学的测量压力及液位的原理，试考虑一种利用差压变送器来连续测量液体密度的方案。 答：如图所示，设计一开口溢流容器，且负压室加一密度为ρ0的标准液柱。 （1）负压室不加标准液柱时，容器压差的变化范围为： Δp＝p＋－p－＝Hρg＋p0－p0＝Hρg

Δpmax＝Hρmax g；Δpmin＝Hρmin g

Δpmax－min＝Hρmax g －Hρmin g＝H（ρmax－ρmin）g

被测液体密度最小时的压差为：Δpmin＝Hρmin g＞0，为正迁移，迁移量为Hρmin g。 （2）负压室加标准液柱时，容器压差的变化范围为： Δp＝p＋－p－＝Hρg＋p0－（hρ0 g＋p0）＝Hρg－hρ0 g Δpmax＝Hρmax g－hρ0g；Δpmin＝Hρmin g－hρ0 g

Δpmax－min＝Hρmax g－hρ0 g －（Hρmin g－hρ0 g）＝H（ρmax－ρmin）g 被测液体密度最小时的压差为：

Δpmin＝Hρmin g－hρ0 g，迁移量为Hρmin g－hρ0 g。

P92-50附加. 用单法兰电动差压变送器来测量敞口罐中硫酸的密度，利用溢液来保持罐内液位恒为1 m。如图所示（见上一题）。已知差压变送器的输出信号为0～10 mA，硫酸的最小和最大密度分别为ρmin＝1.32 g/cm3，ρmax＝1.82 g/cm3。试问： （1）差压变送器的测量范围；

（2）若要提高仪表的灵敏度，怎么办？

（3）如不加迁移装置，可在负压侧加装水恒压器（如图虚线所示），以抵消正压室附加压力的影响，请计算水恒压器所需高度h。 解：（1）若不考虑零点迁移，则要以ρmax来计算变送器的测量范围。当ρ＝ρmax时 Δpmax＝Hρmax g＝1×1820×9.81＝1.785×104 Pa

如果选择差压变送器的测量范围为0～2×104 Pa，则当ρ＝ρmax时对应的变送器的输出为： Imax＝（1.785×104/2×104）×10＝8.925 mA 当ρ＝ρmin时

Δpmin＝Hρmin g＝1×1320×9.81＝1.295×104 Pa 此时变送器的输出为：

Imin＝1.295×104/2×104）×10＝6.475 mA

由以上分析可知，当硫酸密度由ρmin变化到ρmax时，差压变送器的输出由6.475 mA变化到8.925 mA，变化了2.45 mA。 （2）为了提高仪表的灵敏度，可考虑进行量程压缩，提高测量的起始点。

当ρ＝ρmax时，Δpmax＝1.785×104 Pa不变，即测量上限不变；当ρ＝ρmin时，

Δpmin＝1.295×104 Pa，此时若选择测量范围为1×104～2×104 Pa的差压变送器时，则ρ＝ρmax时，变送器的输出为： Imax＝[（1.785－1）×104/（2－1）×104]×10＝7.85 mA 当ρ＝ρmin时，变送器的输出为：

Imin＝[（1.295－1）×104/（2－1）×104]×10＝2.95 mA

这时ρ从ρmin变化ρmax到时，输出电流由2.95 mA变化到7.85 mA，变化了4.9 mA，是原来的2倍，大大提高了仪表的灵敏度。

（3）若不加迁移装置，而在负压侧加装水恒压器，而迁移量为上述量程压缩量，即1×104 Pa。根据：hρg＝1×104 Pa可得（水的密度ρ＝1000 g/m3）： h＝1×104/1×103×9.81＝1.02 m 水恒压器所需高度为1.02 m。

P92-52. 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＝Hρg。这就是一般的“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，差压变送器的正、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，可调节变送器上的迁移弹簧，以使当液位H＝0时，尽管差压变送器的输入信号Δp不等于零，但变送器的输出为最小值（对于DDZ-Ⅲ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。（略）。

P92-64. 用K热电偶测某设备的温度，测得的热电势为20 mA，冷端（室温）为25 ℃，求设备的温度？如果改用E热电偶来测温，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 E（t，t0）＝20 mV 查表可得： 因为

E（t0，0）＝E（25，0）＝1 mV E（t，0）＝E（t，t0）＋E（t0，0）

＝20＋1＝21 mV

由此电势，查表可得t＝509 ℃，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：

E（t0，0）＝E（25，0）＝1.50 mV

设备温度为509C，查表可得： E（t，0）＝E（509，0）＝37.7 mV 因为

E（t，t0）＝E（t，0）－E（t0，0）＝37.7－1.5＝36.2 mV

即E热电偶测得的热电势为36.2mV。

P92-66. 测温系统如图3-79所示。请说出这是工业上用的哪种温度计？已知热电偶为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 ℃）（图略）

解：（1）这是工业上用的热电偶温度计。

（2）已知E配套的显示仪表指示为160 ℃时，冷端温度为25 ℃，查表可得此时热电势为： E（t，t0）＝E（160，25）＝10.501 mV

若改用K配套的显示仪表，此时冷端温度仍为25 ℃，查表可得冷端热电势为： E（t0，0）＝E（25，0）＝1 mV K配套的显示仪表指示温度应该为： E（t，0）＝E（t，t0）＋E（t0，0） ＝10.501＋1＝11.501 mV

由此电势，查表可得tx≈283 ℃，即实际温度约为283 ℃。

P92-69. 用分度号Pt100铂电阻测温，在计算时错用了Cu100的分度表，查得的温度为140 ℃，问实际温度为多少？ 解：用Cu100的分度表对应温度为140 ℃时的电阻值为：159.96 Ω。 查Pt100的分度表对应温度为157 ℃。实际温度为157 ℃。 第四章

P111-10. 数字式显示仪主要有哪几部分组成？各部分有何作用？

答：数字式显示仪表通常包括信号变换、前置放大、非线性校正或开方运算、模／数（A／D）转换；标度变换、数字显示、电压／电流（V／I）转换及各种控制电路等部分。

信号变换电路是为了将生产过程中的工艺变量经过检测变送后的信号，转换成相应的电压或电流值，前置放大电路是为了将输入的微小信号放大至伏级电压信号；非线性校正电路一般是为了校正检测元件的非线性特性；开方运算电路通常是为了将差压信号转换成相应的流量值，A／D转换是为了将模拟量转换成断续变化的数字量；标度变换电路实质上就是进行比例尺的变更，使数显仪表的显示值和被测原始参数统一起来；数字显示部分就是被测数据以数字形式显示出来，V／I转换电路是为了将电压信号转换成直流电流标准信号；控制电路可以根据PID控制规律或其他控制规律进行运算，输出控制信号。 第五章

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是指控制器的输出信号p与输入偏差信号e之间的关系，即：p ＝ f （ e ） ＝ f （ z － x ） 式中，z为测量值信号；x为给定值信号；f为某种函数关系。

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PI、PD、PID等。

P139-5. 一台DDZ—Ⅲ型温度比例控制器，测量的全量程为0～1000 ℃，当指示值变化100℃，控制器比例度为80%，求相应的控制器输出将变化多少？ 解：根据比例度的定义

????x?x?maxmin??e??I0??100%Imax?Imin??

?10080%???1000?0代入有关数据，得

可解得输出变化量ΔI0＝2 （mA）。

?I0???100 ?4?

P139-9. 某台DDZ-Ⅲ型比例积分控制器，比例度为100%，积分时间为2 min。稳态时，输出为5 mA。某瞬间，输入突然增加了0.2 mA，试问经过5 min后，输出将由5 mA变化到多少？

KP?解：对于该台比例积分控制器来说，由于输入范围和输出范围相同，均为4～20 mA，比例放大系数输出变化量

1??1?1100%。现输入ΔIi＝0.2 mA，其

?I0?KP?Ii?代人所给数值，得

KP?IitTI

ΔI0＝0.2 + 1/2×0.2×5＝0.7 （mA）

I0＝5 mA±0.7 mA＝5.7（4.3） mA

P139-24. 使用OMRON PLC指令编写两组抢答梯形图。

Z00 I 01 Q02 Q01 Q01 I 02 Q01 Q02 Q02 解：如图。 第六章

P151-4. 试分别说明什么叫控制阀的流量特性，理想流量特性和工作流量特性？常用的控制阀理想流量特性有哪些？

Q?l??f??Qmax?L?

答：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（相对位移）间的关系，即：

阀前后压差保持不变时的流量特性称为理想流量特性；

在实际使用过程中，阀前后的压差会随阀的开度变化而变化，此时的流量特性称为工作流量特性。 常用的控制阀理想流量特性主要有直线、等百分比（对数）、抛物线及快开等几种。

P152-11. 什么叫气动执行器的气开式与气关式？其选择原则是什么？

答：随着送往执行器的气压信号的增加，阀逐渐打开的称为气开式，反之称为气关式。

气开、气关式的选择主要是由工艺生产上安全条件决定的。一般来讲，阀全开时，生产过程或设备比较危险的选气开式；阀全关时，生产过程或设备比较危险的应选择气关式。