化工仪表及自动化期末复习

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、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 1.

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(15±1.5)℃.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

制药过程控制原理与仪表

(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：θ为乙烯裂解气的出口温度；θsp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，气态丙烯作为操纵变量，其信号的流向是指向丙烯冷却器的。

2. 某化学反应器工艺规定的操作温度为（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=908-900＝8℃

过渡时间为 47min。

由于最大偏差为50℃，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；

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（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（800±10）℃.为确保生产安全，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.

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第二章

一.

问题解答

过程特性及其数学模型

1. 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。 2. 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。 3.

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。 4.

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τ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τ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。

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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。 二.

1.

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

2. 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。

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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ξ:ξ= △max /（测量范围上限值—测量范围下限值）＊100%。

4。允许误差ξ允（在规定的正常情况下允许的相对百分误差的最大值)：ξ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

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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.

三. 例题分析

1. 如果有一台压力表，其测量范围为0~10MPa，经校验得出下列数据： 被校表读数/MPa 标准表正行程读数/MPa 标准被校表反行程读数/MPa (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.

2. 某压力表的测量范围为0～1MPa，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.

3. 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0～1。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0~1。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0～1.6MPa，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0～1。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。

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0 0 0 2 1。98 2.02 4 3。96 4。03 6 5。94 6。06 8 7。97 8。03 10 9.99 10.01 制药过程控制原理与仪表

4. 某控制系统根据工艺设计要求，需要选择一个量程为0~100m3/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.

5. 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0～1600℃和0~1000℃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0～1000℃，精度等级分别为1。 0级和0。5级的两台温度变送器,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0~1600℃和0~1000℃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.0~1600℃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0~1600℃这么大量程的仪表。因此,本温度控制系统应该选择0～1000℃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0～1000℃，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。

6. 某一标尺为0~500℃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/℃ 被校表读数/℃ 0 0 100 103 200 198 300 303 400 406 500 495 （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级仪表的最大允许相对百分误差1。5%，故已不符合仪表出厂时的精度要求。

7. 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0～1.6MPa，0～2.5MPa，0～4。0MPa。试选择压力表的量程和

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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，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0~2.5MPa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。

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14×3/2=21（MPa)，测量范围可选0~25MPa。

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20~100kPa，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，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=0～950mm,介质密度ρ=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ρ1= 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0~16kPa. 负迁移量为

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制药过程控制原理与仪表

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=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 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10501μV，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、读数容易造成多值性，结构简单、工作可靠、价廉又能反映被测值的变化趋势。

3.数字式的特点:测量速度快、精度高，读数直观、对所测参数便于进行数值控制和数字打印记录，能将模拟信号转换为数字量。便于和数字计算机或其他数字装置联用。直接用数字来显示测量值或偏差值，清晰直观、读数方便、不会产生视差、线路简单、可靠性好、耐震性强。

4。屏幕显示的特点：能将图形、曲线、字符和数字等直接显示在屏幕上。

5.数字式仪表的组成：信号变换电路、前置放大、非线性校正或开方运算、A/D转换、标度变换、数字显示、V/I转换及各种控制电路。

6.信号变换电路: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.

7.前置放大电路：输入信号往往很小,必须经前置放大电路放大到伏级电压幅度，才能供线性化电路或A/D转换电路工作。

8. 非线性校正或开方运算电路:许多检测元件具有非线性关系，需将信号经过非线性校正或开方运算电路处理成线性特性，以提高仪表测量精度。

9。数模转换电路：将模拟量转换成断续变化的数字量，再加以驱动，点燃数码管进行数字显示。是数显仪表的核心。

10。标度变换电路:将数显仪表的显示值和被测原始参数值统一起来，使仪表能以工程量形式

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显示被测参数的大小. 四. 11.电压电流转换：将被测电压信号转换成直流电流标准信号例题分析

1. 对于配有镍铬一镍硅热电偶，且标尺始端为0℃的电子电位差计,当热电偶的热端为0℃，冷端为25℃时,问这时应指示多少度?输人信号为多少？若热端为0℃，冷端也为0℃时，这时应指示多少度？输人信号为多少？

解 因为自动电子电位差计的冷端温度补偿是按冷端为25℃设计的，所以当热电偶的热端温度为0℃，冷端温度为25℃时，指示的应是热端温度0℃,这时放大器的输入信号为0。若热端和冷端均为0℃时，送到放大器的输人信号约为＋1000μV，这时应指在25℃。 2. 图4-7所示为一自动平衡电桥的测量桥路示意图,请问在下列情况仪表的指针、起点温度、量程会如何变化？为什么?(1)温度升高；(2)仪表停电;（3)加大R6； (4)减小R5；(5) A线断；（6） B线断;（7） C线断。 图4-7 自动平衡电桥

解 （1）当温度升高时，指针向M方向移动。因为温度升高，Rt增加,只有减小与Rt串联的电阻才能使电桥达到新的平衡。

(2）仪表停电时，指针随拨随停，因为此时UOD=0,放大器没有输出信号。

（3)加大R6，指针向M方向移动，因为R6与Rt串联，当R6增加时,UOD增加,指针只有左移电桥才能达到新的平衡。这样使得M点的起点温度降低.

（4）减小R5，流过RP的电流减小，量程也就减小。

(5）A线断开，相当于Rt→∞，温度升高，这时指针指到N点。 (6） B线断开,UOD不能为零，而是正数，这样指针左移直到M点。 （7) C线断开,UOD永远为零，指针可停留在任何位置。 3. 热电阻短路或断路时,电子自动平衡电桥指针分别指在何处?

解 热电阻短路，相当于Rt =0，指针会直指向始端,直到受到限位为止，相当于温度非常低。

热电阻断路，相当于Rt→∞，指针会直指向终端,直到受限位为止，相当于温度非常高.

五.

习题

1。一台与热电偶配套的自动平衡电子电位差计,其冷端温度补偿是按冷端为25℃设计的.问在下列两种情况下,其温度指示值会偏低或偏高？

（1)实际冷端温度低于25℃； (2)实际冷端温度高于25℃。 答：1. （1）偏高；(2）偏低.

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制药过程控制原理与仪表

3.在自动电子平衡电桥中，连接电源的线路电阻若发生变化，对测量的结果有否影响？ 答：没有影响. 第三章

一.

1. 型？

答 主要有三种类型：基地式控制仪表、单元组合式仪表和以微处理器为基础的控制装置。 2. 控制器的控制规律是指什么？常用的控制规律有哪些？

答 所谓控制器的控制规律是指控制器的输出信号p与输人偏差信号e之间的关系，即 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。 3.

什么是比例控制规律？

答 比例控制规律（P）是指控制器的输出信号变化量p与输人偏差信号变化量e之间成比例关系，即

式中,Kp为比例放大系数。

4. 什么是积分控制规律？什么是比例积分控制规律？

答 积分控制规律是指控制器的输出变量p与输人偏差e的积分成正比，即 式中，KI为积分比例系数。

在比例控制的基础上，再加上积分控制作用,便构成比例积分控制规律，其输出p与输入e的关系为： 5.

什么是微分控制与比例微分控制？

答 微分控制规律是指控制器的输出变化量p与输人偏差e的变化速度成正比，即 式中，TD为微分时间。

在比例控制的基础上，再加上微分控制作用，便构成比例微分控制规律，其输出p与输入e的关系为

14.试写出比例积分微分(PID）三作用控制规律的数学表达式。

答 问题解答

从控制仪表的发展及结构原理来看，主要有哪几种类自动控制仪表

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制药过程控制原理与仪表

二. 例题分析

1. 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 代人有关数据,得

可解得输出变化量△I0=2（mA)

2. 某比例控制器输入信号为4~20mA,输出信号为1~5V，当比例度为60％时,输入变化6mA，所引起的输出变化量是多少?

解 代人比例度的公式，有 可解得△U=2.5V。

3. 一台DDZ—III型温度比例控制器，测温范围为200～1200℃。当温度给定值由800℃变动到850℃时，其输出由12mA变化到16mA。试求该控制器的比例度及放大系数。该控制器是高于正作用还是反作用控制器，为什么？

解 根据比例度的定义，并代人有关数据，可得比例度为

由于是单元组合式仪表，输人到温度控制器的信号是由温度变送器来的4～20mA DC信号,与输出信号一样，都是统一的标准信号，所以温度控制器的放大系数与其比例度成倒数关系，故有

该控制器当给定信号增加时，其输出信号也是增加的.由于给定信号与测量信号在进行比较时,是相减的运算,控制器的输人信号(偏差)等于测量信号减去给定信号，所以当给定信号增加时，控制器的偏差信号是减小的，而这时输出信号反而增加，故该控制器属于反作用式控制器.

第四章

执行器

一.

1.

问题解答

气动执行器主要由哪两部分组成？各起什么作用？

答 气动执行器由执行机构和控制机构（阀）两部分组成.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.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。 2.

气动执行机构主要有哪几种结构形式？各有什么特点？

答 气动执行机构主要有薄膜式和活塞式两种结构形式。

薄膜式执行机构的结构简单、价格便宜、维修方便、应用最为广泛。它可以用作一般控

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制药过程控制原理与仪表

制阀的推动装置，组成气动薄膜式执行器，习惯上称为气动薄膜控制阀。

气动活塞式执行机构的特点是推力大，主要适用于大口径、高压降的控制阀或蝶阀的推动装置。

除薄膜式和活塞式执行机构外,还有长行程执行机构，它的行程长、转矩大，适用于输出转角（00～900）和力矩的场合，如用于蝶阀或风门的推动装置. 3.

何谓正作用执行器?何谓反作用执行器?

答 当输人信号增大时,执行器的流通截面积增大,即流过执行器的流量增大,称为正作用；当输入信号增大时，流过执行器的流量减小，称为反作用。

4. 控制阀的结构形式主要有哪些？各有什么特点?主要使用在什么场合？

答 简单列表说明如下： 类 型 三通控制阀 特 点 有三个出入口与工艺管道联接，可组成分流与合流两种型式 隔膜控制阀 结构简单、流阻小、流通能力大、耐腐蚀性强 蝶阀 结构简单、重量轻、价格便宜、流阻极小、泄漏量大 笼式阀 可调范围大、振动小、不平衡力小、结构简单、套筒互换性好、汽蚀小、噪声小 5. 控制阀的流量特性是指什么？ 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（或相对位移)之间的关系，即

式中相对流量是控制阀某一开度时的流量Q与全开时的流量Qmax之比。相对开度是控制阀某一开度时的阀杆行程l与阀杆全行程L之比.

10．为什么说等百分特性又叫对数特性？与线性特性比较起来有什么优点？

答 等百分比流量特性是指单位相对开度变化所引起的相对流量变化与此点的相对流量成正比关系,即控制阀的放大系数随相对流量的增加而增加，即

将上式积分得

由上式可以看出，等百分流量特性的相对流量的对数值与相位行程成正比，故又称对数特性.

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主 要 使 用 场 合 配比控制或旁路控制 强酸、强碱、强腐蚀性、高黏度、含悬浮颗粒状的介质 大口径、大流量、低压差，含少量纤维或悬浮颗粒状介质 压差大，要求噪声小的场合.对高温、高黏度及含固体颗粒的介质不适用 制药过程控制原理与仪表

由于等百分比流量特性的控制阀,其放大系数随相对流量的增加而增加，在同样的行程变化值下，流量小时，流量变化小，控制平稳缓和;流量大时,流量变化大,控制灵敏有效，这是它比起线性特性的控制阀来说所具有的优点。

12．什么是串联管道中的阻力比s?s值的减少为什么会使理想流量特性发生畸变？

答 s值表示控制阀全开时阀上压差与系统总压差之比。当s=1时，说明系统总压差全部降在控制阀上，所以控制阀在工作过程中，随着阀开度的变化,阀两端的压差是不变的,故工作流量特性与理想流量特性是一致的。当s值小于1时，系统的总压差一部分降在控制阀，另一部分降在与控制阀串联的管道上.随着阀的开度增大，流量增加，降在串联管道上的压差增加，从而使降在控制阀上的压差减少,因而流过控制阀的流量也减少.所以随着s值减小，会使理想流量特性发生畸变，阀的开度越大，使实际流量值离开理想值越大。具体来说，会使理想的直线流量特性畸变为快开特性，使理想的等百分比流量特性畸变为直线特性。 13．什么是并联管道中的分流比x?试说明x值的变化对控制阀流量特性的影响.

答 x值表示并联管道时,控制阀全开时流过控制阀的流量与总管的总流量之比，当x=1时，说明流过控制阀的流量等于总管的流量，即旁路流量为零，如果这时阀的流量为理想流量特性，那么，随着x值的减少，说明流过旁路的流量增加。这时,控制阀即使关死，也有一部分流体从旁路通过，所以控制阀所能控制的最小流量比原先的大大增加，使控制阀的可调范围减小，阀的流量特性发生畸变.

15．什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。 18．试述电—气转换器的用途与工作原理。

答 电—气转换器是将电信号转换为相应的气信号的一种装置.在控制系统中，如果所使用的控制器是电动控制器,其输出信号为0～10mA DC或4～20mA DC，但所选择的执行器为气动执行器，其输人信号一般为20～l00kPa.这时就需要采用电-气转换器，先将控制器的输出电信号转换为相应的气信号，才能为气动执行器所接受。

电—气转换器是接力矩平衡原理工作的.当由输入电流所产生的电磁力与由输出气压所产生的反馈力相平衡时，就建立了输出气压信号与输人电流信号的一一对应关系. 19．试述电-气阀门定位器的用途.

答 电一气阀门定位器除了能将电信号转换为气信号外，还能够使阀杆位移与送来的信号大小保持线性关系，即实现控制器来的输人信号与阀门位置之间关系的准确定位,故取名为定

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制药过程控制原理与仪表

位器。定位器可以使用在阀的不平衡力较大或阀杆移动摩擦力较大等场合,同时还可以利用定位器来改变阀的流量特性，改变执行器的正、反作用。在分程控制中,利用定位器可以使阀在不同的信号段范围内作全行程移动。

20．试述电一气阀门定位器的基本原理与工作过程。

答 电-气阀门定位器的基本原理是力矩平衡原理。当由输人电流所产生的电磁力与由阀门位置所产生的反馈力在杠杆系统中建立力矩平衡时，就使一定的输人电流信号对应于一定的阀门位置。

23．什么是数字阀？它有哪些特点？

答 数字阀是一种位式的数字执行器，由一系列并联安装而且按二进制排列的阀门所组成.

数字阀的特点是分辨率高、精度高、反应速度快、关闭特性好、没有滞后、线性好、噪声小、可以与计算机相连.

但是数字阀结构复杂、部件多、价格贵。此外由于对控制信号过于敏感,容易造成误操作。 24．

阀前后压差保持不变时的流量特性称为理想流量特性，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。图2中的（ )表示的是（ )特性。

A. 曲线1;B。 曲线2; C。 曲线2；D. 曲线4 图2 理想流量特性

第五章 自动控制系统

1。控制规律：控制系统输入与输出之间的关系。

2。控制器的基本规律包括：位式控制、比例控制、积分控制、微分控制及他们的组合形式。 3。控制系统按被测参数的变化分类：定制系统、随动系统、程序调节控制系统. 4。比例度：指控制器输入的变化相对值与相应的输出变化相对值的笔直的百分数。

5。数字式控制器特点：实现了模拟仪表与计算机一体化、具有丰富的计算控制功能、使用灵活方便，通用性强、具有通讯功能,便于系统扩展、可靠性高，维护方便。

6。数字式控制器基本结构：硬件电路：主机电路（数字式控制器的核心，用于实现仪表数据运算处理及各组成部分之间的管理）、过程输入通道(模拟量输入通道用于连接模拟量输入信号，开关输入信号用于连接开关量输入信号）、过程输出通道（模拟输出通道用于输出模拟信号,开关量输出通道用于输出开关量信号）、人机接口电路以及通信接口等部分，软件：系统程序、用户程序。 第六章 执行器

1。执行器按能源形势分为：气动、电动、液动.

2。气动执行器由执行机构（按控制信号压力的大小产生相应的推动力，推动控制机构运作)和控制机构（直接与被控介质接触，控制流体流量)两部分组成。要正立垂直安装于水平管道上。经常对控制阀维护和定期维修。

3.控制发的流量特性：被控介质流过阀门的相对流量与阀门的相对开度间的关系。

4.电气转换器的用途：把电动变送器来的电信号变为气信号，送到气动控制器或者气动显示仪表。，也可以把电动控制器的输出信号变为气信号去驱动气动控制阀.

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制药过程控制原理与仪表

5.电动执行器有角行程、直行程、和多转式。角行程适用于操纵蝶阀、挡板之类的的旋转式控制阀。直行程适用于单座、双座、三通等各种控制阀和其他直线型控制机构。多转式适用于开启和关闭闸阀，截止阀等多转式阀门。 第七章 简单控制系统

1。简单控制系统由被控对象、测量变送装置、控制器和执行器组成。 2。直接控制指标：被控变量本身就是要求控制的工艺指标.

3。间接控制指标：与直接质量指标有单只对应关系而且反应又快的的变量。

4。被控变量选择原则:1.必须是工艺过程的重要参数;2.在工艺系统中易受干扰变化,需要经常调节的参数；3.尽可能选用直接指标作为被测参数，必要时可用与直接指标有单只对应关系的间接指标作为被控参数；4.被控变量方便检测，并有足够灵敏度；5.适当考虑系统的测控代价;6.被控变量应是可控的.

5。操控变量(自动控制系统中，用于调节被控变量的参数）的选择原则：1.必须是工艺上允许调节的变；2.应具有较高的调节灵敏度（较大的放大倍数；较短的滞后时间)；3。符合工艺的合理性和生产的经济性。

6。系统滞后原因：被测对象滞后、检测元件滞后、信号传递滞后。

7。比例控制器的特点：控制器的输出与偏差成比例，即控制阀门位置与偏差之间有一一对应关系.适用于控制通道滞后较小，负荷变化不大，工艺上没有提出无差要求的系统.

8。比例积分控制器特点：由于在比例作用的基础加上积分作用,而积分作用的输出是与偏差的积分成比例，只要偏差存在,控制器的输出就会不断变化，直至消除偏差为止.适用于控制通道滞后较小，负荷变化不大，工艺参数不允许有余差的系统.

9.比例积分微分控制器特点：输出与输入偏差的变化速度成比例，对克服对象的滞后有显著的效果。适用于容量滞后较大，负荷变化大。控制质量要求较高的系统。

10。工艺参数的整定就是确定最合适的控制其比例δ、积分时间T1和微分时间TD. 11。整定方法：理论计算、工程整定。

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