《自动化仪表》习题答案解析

第1章（P15）（1）简述过程控制的特点。Q：1）系统由被控过程与系列化生产的自动化仪表组成；2）被控过程复杂多样，通用控制系统难以设计；3）控制方案丰富多彩，控制要求越来越高；4）控制过程大多属于慢变过程与参量控制；5）定值控制是过程控制的主要形式。（2）什么是过程控制系统？试用框图表示其一般组成。Q：1）过程控制是生产过程自动化的简称。它泛指石油、化工、电力、冶金、轻工、建材、核能等工业生产中连续的或按一定周期程序进行的生产过程自动控制，是自动化技术的重要组成部分。过程控制通常是对生产过程中的温度、压力、流量、液位、成分和物性等工艺参数进行控制，使其保持为定值或按一定规律变化，以确保产品质量和生产安全，并使生产过程按最优化目标自动进行。2）组成框图：控制器r(t)执行器对象测量变送装置y(t)_f(t)e(t)u(t)q(t)z(t)（3）)单元组合式仪表的统一信号是如何规定的？Q：各个单元模块之间用统一的标准信号进行联络。1）模拟仪表的信号：气动0.02~0.1MPa、电动Ⅲ型：4~20mADC或1~5VDC。2）数字式仪表的信号：无统一标准。（4）试将图1-2加热炉控制系统流程图用框图表示。Q：是串级控制系统。方块图：TCPC给定值阀管道加热炉热油出口温度PT燃油压力_TT_干扰2干扰1（5）过程控制系统的单项性能指标有哪些？各自是如何定义的？Q：1）最大偏差、超调量、衰减比、余差、调节时间、峰值时间、振荡周期和频率。2）略（8）通常过程控制系统可分为哪几种类型？试举例说明。Q：1）按结构不同，分为反馈控制系统、前馈控制系统、前馈-反馈复合控制系统；按设定值不同，分为定值控制系统、随动控制系统、顺序控制系统。2）略（10）只要是防爆仪表就可以用于有爆炸危险的场所吗？为什么？Q：1）不是这样。2）比如对安全火花型防爆仪表，还有安全等级方面的考虑等。（11）构成安全火花型防爆系统的仪表都是安全火花型的吗？为什么？Q：1）是。2）这是构成安全火花型防爆系统的一个条件。2、综合练习题（1）简述图1-11所示系统的工作原理，画出控制系统的框图并写明每一框图的输入/输出变量名称和所用仪表的名称。Q：1）图为液位控制系统，由储水箱（被控过程）、液位检测器（测量变送器）、液位控制器、调节阀组成的反馈控制系统，为了达到对水箱液位进行控制的目的，对液位进行检测，经过液位控制器来控制调节阀，从而调节q1（流量）来实现液位控制的作用。2）框图：3）控制器输入输出分别为：设定值与反馈值之差e(t)、控制量u(t)；执行器输入输出分别为：控制量u(t)、操作变量q1(t)；被控对象的输入输出为：操作变量q1(t)、扰动量q2(t)，被控量h；所用仪表为：控制器（例如PID控制器）、调节阀、液位测量变送器。（2）什么是仪表的信号制？通常，现场与控制室仪表之间采用直流电流信号、控制室内部仪表之间采用直流电压信号，这是为什么？Q：1）自动化仪表的信号制是指在成套系列仪表中，各个仪表的输入/输出信号均采用某种统一的标准形式，使各个仪表间的任意连接成为可能。2）略（3）某化学反应过程规定操作温度为800℃，最大超调量小于或等于5﹪，要求设计的定值控制系统，在设定值作阶跃干扰时的过渡过程曲线如下图所示。要求：1）计算该系统的稳态误差、衰减比、最大超调量和过渡过程时间。2）说明该系统是否满足工艺要求。Q：1）由上图可得y(∞)=810℃，设定值r=800℃,B1=850−810=40,B2=820−810=10稳态误差e(∞)=r−y(∞)=800℃-810℃=−10℃衰减比：12404:110BnB，最大超调量：()()850810100%100%4.938%()810pytyy过渡过程时间ts：大概在17min左右2）虽然该系统最大超调满足要求，然而在规定操作温度为800℃，而最后趋于稳定的值却为810℃，因此不满足工艺要求。（4）图1-13所示为一类简单锅炉汽包水位控制流程图，试画出该控制系统框图，并说明其被控过程、被控参数、控制参数和干扰参数各是什么？Q：1）控制系统框图：被控过程：加热器+汽包被控参数：汽包水位控制参数：上水流量干扰参数：蒸汽流量变化第2章（P70）1、基本练习题（3）某台测温仪表测量的上下限为500~1000℃，它的最大绝对误差为±2℃，试确定该仪表的精度等级。Q：仪表的引用误差2100%100%0.4%1000500最大绝对误差量程，其精度等级为0.4级。（4）某台测温仪表测量的上下限为100~1000℃，工艺要求该仪表指示值的误差不超过±2℃，应选精度等级为多少的仪表才能满足工艺要求？Q：工艺允许的仪表引用误差为100%允允许的最大绝对误差量程=2100%0.22%1000100应选0.2级的仪表才能满足。（5）有一台DDZ-Ⅲ型两线制差压变送器，已知其量程为20~100kPa，当输入信号为40kPa和80kPa时，变送器的输出分别是多少？Q：1）8mA；2）16mA.（6）设有某DDZ-Ⅲ型毫伏输入变送器，其零点迁移值umin=6mVDC，量程为12mVDC。现已知变送器的输出电流为12mADC。试问：被测信号为多少毫伏？Q：12mVDC（12）某被测温度信号在40~80℃范围内变化，工艺要求测量误差不超过±1%，现有两台测温仪表，精度等级均为0.5级，其中一台仪表的测量范围为0~100℃，另一台仪表的测量范围为0~200℃，试问这两台仪表能否满足上述测量要求？Q：工艺允许的最大绝对误差=1%0.440℃。1）使用0~100℃的仪表，则0.4100%0.4100允，0.5级精度不可以满足；2）使用0~200℃的仪表，则0.4100%0.2200允，0.5级精度不可以满足；（13）热电偶测温时为什么要进行冷端温度补偿？其补偿方法常采用哪几种？Q：1）采用补偿导线可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℃，而工业上常用热电偶的Et-t关系曲线是在冷端温度t0=0℃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。而操作室的温度往往不是0℃，这样测量结果就会有误差，因此需要进行冷端温度的校正。（解决冷端温度不为零的问题）2）常用的有查表法、电桥补偿法。（14）热电阻测温电桥中的三线制接法为什么能减小环境温度变化对测温精度的影响？Q：因为用热电阻测温时，热电阻要安装在被测温度的现场，而电桥中的其它电阻连同仪表一起则安装在控制室。现场与控制室之间有一定的距离，因此连接热电阻的导线的电阻往往不可忽略，若采用普通的二线制接法，则连接热电阻的两根导线都分布在电桥的一个桥臂上，因此，连接导线的电阻随着环境温度的变化而变化，将同热电阻阻值的变化一起加在平衡电桥的一个桥臂上，这会使测量产生较大的误差。采用三线制接法可以减少甚至抵消连接导线电阻对测量结果造成的误差。2、综合练习题（1）某一标定为100~600℃的温度计出厂前经校验，各点的测量结果值如下：被校表读数/℃100150200250300400500600标准表读数/℃1021492042562964034956061）试求该仪表的最大绝对误差。2）确定该仪表的精度等级。3）经过一段时间后，仪表的最大绝对误差为±7℃，问此时仪表的精度等级为多少？Q：1）取||axx中的最大值，计算可知最大绝对误差等于±6℃。2）仪表引用误差16100%100%1.2%600100最大绝对误差量程，符合1.5级精度。3）仪表引用误差27100%100%1.4%600100最大绝对误差量程，符合1.5级精度。（2）用分度号Pt100的热电阻测温，却错查了Cu50的分度表，得到的温度是150℃。问实际温度是多少？Q：1）查Cu50的分度表，找出与150℃对应的电阻值Rt=82.13Ω；查Pt100的分度表，找出与82.13Ω对应的温度值，约为－45℃。（3）若被测压力的变化范围为0.5~1.4MPa，要求测量误差不大于压力示值的±5%。可供选用的压力表规格：量程为0~1.6MPa，0~2.5MPa，0~4MPa，精度等级为1.0、1.5、2.5。试选择合适量程和精度的压力表。Q：最大工作压力不超过仪表量程的2/3，则可选择0~2.5MPa范围。允许的最大绝对误差：±0.5*5%=±0.025MPa，允许的最大引用误差：0.025100%1%2.5允，可选择1.0级精度等级。（5）用差压变送器与标准孔板配套测量管道介质流量。若差压变送器量程为104Pa，对应输出信号为4~20mADC，相应流量为0~320m3/h。求差压变送器输出信号为8mADC时，对应的差压值及流量值各是多少？Q：因为未加开方器。流量与差压的平方根成正比。8mADC对应的差压值为2500Pa，流量则为160m3/h。3、设计题（1）用分度号为K的镍铬-镍硅热电偶测量温度，在无冷端温度补偿的情况下，显示仪表指示值为600℃，此时冷端温度为50℃。试问：实际温度是多少？如果热端温度不变，使冷端温度为20℃时，此时显示仪表指示值应为多少？Q：1）查K分度表，知600℃对应的热电势为24.902mV,由题意可知这热电势是由热端温度为t℃，冷端温度为50℃的K热电偶产生的，即(,50)24.902mVEt，又查K表知(50,0)2.022mVE，∴(,0)(,50)(50,0)24.9022.02226.924mVEtEtE，再查K表得t约为648℃。2）(,20)(,0)(20,0)26.126mVEtEtE，再查K表，与26.126mV热电势对应的温度为628.8℃.（2）某容器的正常工作压力范围为1.0~1.5MPa，工艺要求就地指示压力，并要求测量误差小于被测压力的±5%，试选择一个合适的压力表（类型、量程、精度等级），并说明理由。Q：1）类型：可使用弹簧管压力计。2）最大工作压力不超过仪表量程的2/3，则可选择0~2.5MPa范围；又由于最小工作压力1.0大于仪表量程的1/3，所选范围是合适的。3）允许的最大绝对误差：±1.0*5%=±0.05MPa，允许的最大引用误差：0.05100%2%2.5允，可选择1.5级精度等级。（4）某控制系统中有一个量程为20~100kPa、精度等级为0.5级的差压变送器，在校验时发现，该仪表在整个量程范围内的绝对误差变化范围为－0.5~+0.4kPa，试问：该变送器能否直接被原控制系统继续使用？为什么？Q：不能。因为其最大绝对误差为－0.5，其引用误差0.5100%0.625%10020，超出了原先设计的精度要求0.5级的范围。第3章（P108）1、基本练习题（1）在过程控制中，哪些仪表是属于过程控制仪表？在过程控制系统中，大多数调节器是电动的，而执行器多数是气动的，这是为什么？气动单元组合仪表与电动单元组合仪表各单元之间的标准统一信号又是如何规定的？Q：1）在过程控制中，过程控制仪表：调节器、电/气转换器、执行器、安全栅等。2）调节器选电动的因为电源的问题容易解决，作用距离长，一般情况下不受限制；调节精度高，还可以实现微机化。执行器多数是气动的，因为执行器直接与控制介质接触，常常在高温、高压、深冷、高粘度、易结晶、闪蒸、汽蚀、易爆等恶劣条件下工作，选气动的执行器就没有电压电流信号，不会产生火花，这样可以保证安全生产和避免严重事故的发生。3）气动仪表的输入输出模拟信号统一使用0.02~0.1MPa的模拟气压信号。电动仪表的输入输出模拟信号有直流电流、直流电压、交流电流和交流电压四种。各国都以直流电流和直流电压作为统一标准信号。过程控制系统的模拟直流电流信号为4~20mADC，负载250Ω；模拟直流电压信号为1~5VDC。（2）某比例积分调节器的输入、输出范围均为4~20mADC，若设δ=100%、TI=2min，稳态时其输出为6m