過程控制系統(tǒng)試題庫

過程控制系:統(tǒng)試題庫

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宿遷學(xué)院機電系自動化學(xué)科

2011年6月3日星期五

第一章緒論

1.1.過程控制（英文：ProcessControl）通常是指連續(xù)生產(chǎn)過程的自

動控制，是自動化技術(shù)最重要的組成部分之一

1.1-1.過程控制是生產(chǎn)過程自動化的簡稱,泛指石油、化工、電力、

冶金、輕工、建材、核能等工業(yè)生產(chǎn)中的連續(xù)的或按一定周期程序進(jìn)行的生

產(chǎn)過程自動控制，是自動化技術(shù)的重要組成部分。

1.1-2.連續(xù)生產(chǎn)過程的特征是：生產(chǎn)過程中的各種流體，在連續(xù)（或

間歇）的流動過程中進(jìn)行著物理化學(xué)反應(yīng)、物質(zhì)能量的轉(zhuǎn)換或傳遞。

1.1-3.

1.1-4.過程控制的主要任務(wù)是對生產(chǎn)過程中的有關(guān)參數(shù)進(jìn)行控制一一

“工業(yè)四大參數(shù)”是：溫度、壓力、流量、物（液）位的自動控制,使其保

持恒定或按一定規(guī)律變化,在保證產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)安全的前提下，使連續(xù)生

產(chǎn)過程自動地進(jìn)行下去。

1.1-5.過程控制系統(tǒng)的定義：為實現(xiàn)對某個工藝參數(shù)的自動控制，由

相互聯(lián)系、制約的一些儀表、裝置及工藝對象、設(shè)備構(gòu)成的一個整體

1.1-6.在討論控制系統(tǒng)工作原理時，為清楚地表示自動控制系統(tǒng)各組

成部分的作用及相互關(guān)系，一般用原理框圖來表示控制系統(tǒng)。

1.1-7.過程控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是：對生產(chǎn)過程中的重要參數(shù)（溫度、

壓力、流量、物位、成分、濕度等）進(jìn)行控制，使其保持恒定或按一定規(guī)律

變化。

1.1-8.過程控制的特點：

⑴.控制對象一一被控過程復(fù)雜、控制要求多樣

（2）.控制方案豐富多彩

（3）.控制過程大多數(shù)屬于慢過程與參數(shù)控制

（4）.定值控制是過程控制的主要形式

（5）.過程控制系統(tǒng)由規(guī)范化的、系列化的檢測與控制儀表或自動化裝置

組成

1.2.過程控制的發(fā)展概況

1.2-0.過程控制的發(fā)展歷程，就是過程控制裝置（H動化儀表）與系

統(tǒng)的發(fā)展歷程

1.2-1.過程控制裝置與系統(tǒng)的發(fā)展過程

1.

2.模擬單元儀表控制階段（20世紀(jì)60?70年代）：控制儀表集中在控

制室，生產(chǎn)現(xiàn)場各處的參數(shù)通過統(tǒng)一的模擬信號，送往控制室。操作人員可

以在控制室監(jiān)控生產(chǎn)流程各處的狀況。

3.集散控制階段（20世紀(jì)70年代中期至今）

1.2-2.過程控制策略與算法發(fā)展

1.3.過程控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)

1.3-1.干擾階躍響應(yīng)和給定階躍響應(yīng)的區(qū)別：

1.3-2.系統(tǒng)階躍響應(yīng)的單項性能指標(biāo)

（1）.衰減比、衰減率

衰減比:“="=（且）；〃取整數(shù),習(xí)慣上常表示為〃:1,例如4:1、10:1

為斗

衰減率：（p———=1--=1--

(2).最大動態(tài)偏差、超調(diào)量

最大動態(tài)偏差：必

超調(diào)量：b=」一xlOO%

⑶.殘余偏差:系統(tǒng)設(shè)定值r與穩(wěn)態(tài)值y(8)的差值,即e(oo)=r-y(8)

(4).調(diào)節(jié)時間、峰值時間、振蕩頻率

調(diào)節(jié)時間：金

峰值時間：%

振蕩頻率：3

1.3-3.系統(tǒng)階躍響應(yīng)的綜合性能指標(biāo)

(1).偏差積分IE(IntegralofError)

(2).絕對偏差積分IAE(IntegralAbsolutevalueofError)

(3).平方偏差積分ISE(IntegralofSquaredError)

(4).時間與絕對偏差乘積積分ITAE(IntegralofTimemultipliedbythe

AbsolutevalueofError)

1.3-4-1.某換熱器的溫度控制系統(tǒng)，給定值為200co在階躍干擾作

用下的過渡過程曲線如圖所示。試求最大偏差、余差、衰減比、振蕩周期和

過渡時間。

解：最大偏差:

A=230-200=30°C；

余差：C=205-200=5℃,

衰減比：n-yl:y3-25:5=5:1

1.3-4-2.某被控過程工藝設(shè)定溫度為900℃,要求控制過程中溫度偏

離設(shè)定值不得超過80℃?，F(xiàn)設(shè)計的定值溫度控制系統(tǒng)，在最大階躍干擾作用

下的過渡過程曲線如下圖，試求最大動態(tài)偏差、衰減比、振蕩周期，該系統(tǒng)

能否滿足工藝要求？

x/min

解:

最大動態(tài)偏差：A=950-900=50

950-90050

衰減比:n=A==

為910-90010

振蕩周期：T=45-9=36min

50<80!能滿足工藝要求。

1.3-4-3.某化學(xué)反應(yīng)器工藝規(guī)定的操作溫度為(900±10)℃,考慮安

全因素，要求控制過程中溫度偏離設(shè)定值不得超過80℃?，F(xiàn)設(shè)計的定值溫度

控制系統(tǒng)，在最大階躍干擾作用下的過渡過程曲線如下圖，試求最大動態(tài)偏

差、衰減比、振蕩周期，該系統(tǒng)能否滿足工藝要求？

最大動態(tài)偏差：A=950-900=50

950-90842

衰減比:918-908-10

振蕩周期：T=45-5=40min

余差：C=908-900=8℃

50<80!能滿足工藝要求。

過渡過程時間：47min

1.3-4-4.

845

/-\

-I

十

二A-

-4

解:

最大動態(tài)偏差：A=845-800=45°。

余差：C=805-800=5℃

過渡過程時間：25min

振蕩周期：T=20-7=13min

5<10!能滿足工藝要求。

1.3-4-5.某發(fā)酵過程工藝規(guī)定的操作溫度為(40±2)℃,考慮發(fā)酵效

果，要求控制過程中溫度偏離給定值最大不得超過6℃。現(xiàn)設(shè)計的定值溫度

控制系統(tǒng)，在階躍擾動作用下的過渡過程曲線如下圖，試求最大偏差、衰減

比、余差、過渡時間(±2%!)和振蕩周期，該系統(tǒng)能否滿足工藝要求?

解：

最大動態(tài)偏差：A=45-40=5℃

余差：C=41-40=1℃

衰減比：〃=&=史二史=些=4：1

y342-411

過渡過程時間：23min

振蕩周期：T=18-5=13min

5<6!能滿足工藝要求。

補充思考題與實用題

1.（王：1-2）什么過程控制系統(tǒng)？典型過程控制系統(tǒng)有哪幾部分組成？

（厲：P1-1、2）什么是化工自動化？化工自動化主要包括哪些內(nèi)容？

（厲：P1-3）……自動控制系統(tǒng)怎樣組成？……

參考答案：

⑴過程控制（ProcessControl）是生產(chǎn)過程自動化的簡稱。泛指石油、

化工、電力、冶金、輕工、紡織、建材、核能等工業(yè)生產(chǎn)中連續(xù)的或按一定

周期程序進(jìn)行的生產(chǎn)過程自動控制，是自動化技術(shù)的重要組成部分。

⑵在化工（生產(chǎn)過程）設(shè)備（裝置）上，配備一些自動化裝置，代替操

作人員的部分直接勞動，是生產(chǎn)在不同程度上自動進(jìn)行，這種用自動化裝置

來管理（化工）生產(chǎn)過程的辦法，稱為（化工）生產(chǎn)過程自動化。

（化工）生產(chǎn)過程自動化，一般包括自動檢測、自動操縱、自動保護和

自動控制等方面的內(nèi)容。

自動控制系統(tǒng)主要由兩大部分組成：一部分是起控制作用的全套自動化

裝置，對于使用常規(guī)儀表的的過程控制系統(tǒng)來說，它包括檢測元件及變送器、

控制器、執(zhí)行器等；另一部分是受自動化裝置控制的被（受）控對象》

2.（王：1-4）

（厲：P1-7）根據(jù)設(shè)定值的形式，閉環(huán)控制系統(tǒng)可以分哪幾類？

參考答案：

第二章過程檢測與變送儀表

2.1檢測儀表的基本技術(shù)指標(biāo)

2.1-1.真值巧：被測量物理量客觀存在的真實數(shù)值。許多物理量的真

值是按國際公認(rèn)的方式認(rèn)定的,即使用“認(rèn)定設(shè)備”的檢測結(jié)果作為真值。

通常，個個國家或國際組織將其法定計量機構(gòu)的專用設(shè)備作為“認(rèn)定設(shè)備”、

它的檢測精度在這個國家或國際組織內(nèi)被認(rèn)為是最高的。用這種方法確定的

所謂“真值”不是真正意義上的真值，而是一種“約定真值”,一般記為

X。，

2.1-2.絕對誤差=在用儀表（或被校驗儀表）的測出值一“真值”（或

器件銘牌上的標(biāo)稱值）；

絕對誤差的表示：必須有“+”或“一”號、數(shù)值的大小、單位（量綱）!

絕對誤差的符號：一般人們使用A=△=*-居或4="-。（,或4=。一4

2.1-3.相對誤差：某測量點的

實際相對誤差:力=9x100%

*'A

標(biāo)稱相對誤差:兒=。00%

a

引用誤差一一滿度相對誤差：

量程----測量范圍:SFS=B=xmax-xmin

某一個測量點滿度相對誤差:/FS=ALX100%

B

模擬連續(xù)輸出儀表在測量范圍內(nèi)的最大滿度相對誤差：

±|A|

/麗=」^X100%

2.1-4.具有連續(xù)模擬顯示儀表的基本特性

基本誤差：基本誤差是指儀表在“國家”規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)條件下使用時出現(xiàn)

的誤差；通常與最大滿度相對誤差密切聯(lián)系;

精確度一一簡稱精度：國家統(tǒng)一規(guī)定了儀表的精度等級系列數(shù)值，用。表

示：還/X某儀表的精度等級。是將該儀表的最大滿度相對誤差去掉土號

和％號后取接近的標(biāo)準(zhǔn)系列值

例2-1.某臺測溫儀表的測量范圍為-100~700℃,校驗該儀表時測得全

量程內(nèi)的最大絕對誤差為+5C,要求確定該儀表的精度等級

+5

解:/FSmx100%=+0.625%

700-(-100)

0.5<0,625（1.0；

校驗儀表時取偏大值,即該儀表的精度等級為L0級。

例2-2.選擇一臺測量壓力的儀表，測壓范圍為0~8MPa,根據(jù)工藝要求，

測壓示值的誤差不允許超過±0.05MPa,要求確定滿足工藝要求的儀表的精

度等級

解：/FSn,=X100%=±0.625%;0.5<0,625<1.0；

8

選擇儀表時取偏小值,即該儀表的精度等級為0.5級。

靈敏度：表示指針（模擬量顯示）式測量儀表對被測參數(shù)變化的敏感程

度，常以儀表輸出變化量（如指示裝置的直線位移或角位移）與引起此輸出

變化量（位移）的被測參數(shù)變化量之比表示

s=^

AX

靈敏限：表示指針式儀表在量程起點處，能引起儀表指針動作的最小被

測參數(shù)變化值

對于數(shù)字式儀表，則用分辨率和分辨力表示靈敏度和靈敏限

分辨力：是指儀表能夠顯示的、最小被測值。

變差：在外界條件不變的情況下，同一儀表對被測量進(jìn)行往返測量時（正

行程和反行程），產(chǎn)生的最大差值與測量范圍之比稱為變差。

2.1-5.——測試題（習(xí)題、補充題）

1.（王2-1）某一標(biāo)尺為0?1000C的溫度計，出廠前校驗數(shù)據(jù)如下:

標(biāo)準(zhǔn)表讀數(shù)/℃02004006008001000

被校驗表讀數(shù)/℃02014026048061001

求：該表⑴最大絕對誤差；⑵；（3）如果工藝要求允許最大H

笫為±5℃,該表是否能用?

解：

標(biāo)準(zhǔn)表讀數(shù)/℃02004006008001000

被校驗表讀數(shù)/℃02014026048061001

絕對誤差0+1+2+4+6+1

滿度相對誤差+0o1%+0o2%+0o4%+0o6%+0o1%

⑴最大絕對誤差：+6℃

⑵儀表的精度：1級

⑶如果工藝要求允許最大誤差為±5℃,該表，“、二絲為二婦咽=10,

ma*100100

不能用

2.（厲：例3-1）某一標(biāo)尺為0~1000℃的溫度計，出廠前校驗數(shù)據(jù)如下:

被校驗表讀02004006007008009001000

/℃

標(biāo)準(zhǔn)表讀數(shù)八02014026047068059031001

求：該表⑴最大絕對誤差；⑵儀表的精度

解:

被校驗表讀02004006007008009001000

/℃

標(biāo)準(zhǔn)表讀數(shù)八02014026047068059031001

絕對誤差0-1-2-4-6-5-3-1

滿度相對誤差0-0.1%-0.2%-0.4%-0.6%-0.5%-0.3%-0.1%

⑴最大絕對誤差：+6℃

⑵儀表的精度：1級

A—6

y=yX100%=——X100%=-0.6%

FSmSz1000

3.（王2-2）一臺壓力表量程為0~10MPa,校驗數(shù)據(jù)

標(biāo)準(zhǔn)表讀數(shù)/MPa0246810

被校驗表讀正行程01.983.965.947.979.99

/MPa反行程02.024.036.068.0310.01

求：⑴變差；⑵基本（最大滿度相對）誤差；⑶該表是否符合1級精度。

解：

標(biāo)準(zhǔn)表讀數(shù)/MPa0246810

被校驗表讀正行程01.983.965.947.979.99

/MPa反行程02.024.036.068.0310.01

絕對誤差正行程0-0.0-0.0-0.0-0.0-0.0

反行程0+0.0+0.0+0.0+0.0+0.0

變差0.040.070.120.060.02

00.4%0.7%1.2%0.6%0.2%

滿度相對誤差正行程0-0.2—0.4—0.6-0.3-0.1

反行程0+0.2+0.3+0.6+0.3+0.1

⑴變差：0.12%

⑵基本（最大滿度相對）誤差：±0.6%；

⑶該表的變差為1.2%,不符合1級精度？

※儀表允許變差的數(shù)值應(yīng)等于或小于儀表的精度！照這個條件該表不符

合1級精度！

4.（王2-5）有兩塊直流電流表，它們的精度等級和儀表量程分別為：

表1：1.0級、0?250mA；表2：2.5級、0?75mA?，F(xiàn)在測量50mA的直流電

流，從準(zhǔn)確性、經(jīng)濟性考慮，選用哪快表更合適！

解：

axSFS1x250

表1：=2.5

max100100

表2：5“875

從準(zhǔn)確性、經(jīng)濟性考慮，選用表2更合適！

5.（王2-13）如果某反應(yīng)器最大壓力為1。OMPa,允許的最大絕對誤差

為0.OIMPa,現(xiàn)用一臺測量范圍為01.6MPa、精度為1級的壓力表進(jìn)行測

量，問：能否符合工藝要求？若用一臺測量范圍為0~l.OMPa、精度為1級

的壓力表進(jìn)行測量，問：能否符合要求？

解：

測量范圍為0~L6MPa、精度為1級的壓力表的允許的最大絕對誤差為:

△m,x=""=""=0Q16MPa,大于0.OIMPa,不能符合工藝要求

100100

測量范圍為0~LOMPa、精度為1級的壓力表的允許的最大絕對誤差為:

4海=竺&="=0。1MPa,等于0.OIMPa,從允許的最大絕對誤差

'3100100

角度，能符合工藝要求，但量程不符合！

6.（厲：例3-4）如果某反應(yīng)器最大壓力為0.8MPa,允許的最大絕對誤

差為0.OIMPa,現(xiàn)用一臺測量范圍為0~l.6MPa、精度為1級的壓力表進(jìn)行

測量，問：能否符合工藝要求？

解：

測量范圍為0~l.6MPa,精度為1級的壓力表的允許的最大絕對誤差為:

△.=絲%=3g=0.016MPa,大于0.OIMPa,不能符合工藝要求

測量范圍為0~LOMPa、精度為1級的壓力表的允許的最大絕對誤差為:

△max=2*="=0OMPa,等于0.OIMPa,從允許的最大絕對誤差

100100

角度，能符合工藝要求，量程也符合！

7.某一標(biāo)尺為0飛00℃的溫度計，出廠前校驗數(shù)據(jù):

標(biāo)準(zhǔn)表讀數(shù)/℃0100200300400500

被校驗表讀數(shù)/℃0103198303406495

求：該表⑴最大絕對誤差；⑵確定儀表的精度等級；⑶經(jīng)過一段時間使

用后重新校驗，儀表的最大絕對誤差為±8℃,問：儀表是否還符合原來的

精度等級？

解:

標(biāo)準(zhǔn)表讀數(shù)/℃0100200300400500

被校驗表讀數(shù)/℃0103198303406495

絕對誤差0+3-2+3+6-5

滿度相對誤差+0o6%-0o4%+0o6%+lo2%-lo0%

⑴最大絕對誤差：+6℃

⑵儀表的精度：1。5級

⑶經(jīng)過一段時間使用后重新校驗，儀表的最大絕對誤差為±8℃,最大滿

度相對誤差：+E6%,儀表已經(jīng)超過1。5級，不符合原來的精度等級。

8.（厲：習(xí)題3-1）一臺壓力表量程為0~25MPa,校驗數(shù)據(jù)

被校驗表讀數(shù)/MPa0510152025

標(biāo)準(zhǔn)表讀數(shù)/M]正行程04.989.9014.9519.8524.95

反行程0.055.019.9915.0120.0025.02

求：⑴最大誤差；⑵變差；⑶該表是否符合0。5級精度。

解：

被校驗表讀數(shù)/MPa0510152025

標(biāo)準(zhǔn)表讀數(shù)/M]正行程04.989.9014.9519.8524.95

反行程0.055.019.9915.0120.0025.02

絕對誤差正行程0+0.02+0.1C+0.05+0.15+0.Of

反行程0-0.01+0.01-0.010.00-0.02

變差0.030.090.060.150.07

01.2%0.36?0.24°/0.6%0.282

滿度相對誤差正行程0-0.2—0.4—0.6-0.3-0.1

反行程0+0.2+0.3+0.6+0.3+0.1

⑴最大誤差:Oo15MPa

⑵變差：0。15MPa、yFSm=^^xl00%=—xl00%=0.6%；

Spc25

⑶該表的變差為0.6,不符合0。5級精度？

※儀表允許變差的數(shù)值應(yīng)等于或小于儀表的精度!

9.（厲:習(xí)題3-2）

如果不合適，應(yīng)如何選擇？

解：

測量范圍為0~1200℃、精度等級為1。0級的儀表，其最大誤差:

axS1x1200

△maxFS12℃,12℃大于7℃,不合適

100100

應(yīng)選擇測量范圍為0~1200℃、精度等級為0。5級的儀表

△=絲也」5X1200=6C,6℃小于7℃,合適

m"100100

2.2溫度檢測及儀表

2.2-0.溫度是表征物體冷熱程度的物理量。是工業(yè)生產(chǎn)中最普遍而重

要的操作參數(shù)。

2.2-1.溫度檢測方法與儀表概述

2.2-2.熱電偶

1.熱電偶是以熱電效應(yīng)為原理的測溫元件，能將溫度信號轉(zhuǎn)換成電勢信

號（nV）o

特點：結(jié)構(gòu)簡單、測溫準(zhǔn)確可靠、信號便于遠(yuǎn)傳。一般用于測量500?

1600C之間的溫度。

2.將兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體連接成閉合回路，若兩個連接點溫度不同，

回路中會產(chǎn)生電勢。此電勢稱為熱電勢。

3.熱電偶回路總電勢由接觸電勢和溫差電勢疊加而成,稱熱電勢。由于

溫差電勢很小，熱電勢基本由接觸電勢構(gòu)成。

4.熱電偶的基本定律

均質(zhì)導(dǎo)體定律：熱電偶必須由兩種不同材料的均質(zhì)導(dǎo)體或半導(dǎo)體組成。

但其兒何形狀一一截面和長度等不限。

中間溫度定律：一支熱電偶在兩接點溫度為t、t0時的熱電勢，等于兩

支同溫度特性熱電偶在接點溫度為t、S和ta、打時的熱電勢之代數(shù)和。

即

EAB[t,to)=EAB{tfO')—EAB{to,0)

據(jù)此，只要給出冷端為0℃時的熱電勢關(guān)系t,0),便可求出冷端

任意溫度時的熱電勢

5.熱電偶冷端溫度補償：熱電偶的熱電勢大小不僅與熱端溫度有關(guān)，還

與冷端溫度有關(guān)。所以使用時一，需保持熱電偶冷端溫度恒定。但實際使用的

熱電偶的冷端和熱端離得很近，使用時冷端溫度較高且變化較大。為此應(yīng)將

熱電偶冷端延至溫度穩(wěn)定處。

為了節(jié)約，工業(yè)上選用在低溫區(qū)與所用熱電偶的熱電特性相近的廉價金

屬，作為熱偶絲在低溫區(qū)的替代品來延長熱電偶，稱為補償導(dǎo)線。

6.熱電偶冷端溫度的處理：查表法（計算法）、儀表零點調(diào)整法、冰浴

法、補償電橋法、半導(dǎo)體PN結(jié)補償法。

7.標(biāo)準(zhǔn)熱電偶：熱電勢與溫度的關(guān)系、允許誤差、型號（分度號）按國

際標(biāo)準(zhǔn)（IEC）統(tǒng)一規(guī)定。

8.熱電偶的冷端溫度校正：1）查表法、2）電橋補償法、....

2.2-3.熱電阻

1.對于500℃以下的中、低溫，熱電偶輸出的熱電勢很小，容易受到干

擾而測不準(zhǔn)。一般使用熱電阻溫度計來進(jìn)行中低溫度的測量。

2.金屬熱電阻測溫精度高。大多數(shù)金屬電阻阻值隨溫度升高而增大。具

有正溫度系數(shù)。

3.鉗材料容易提純，其化學(xué)、物理性能穩(wěn)定；測溫復(fù)現(xiàn)性好、精度高。

被國際電工委員會規(guī)定為-259~+630C間的基準(zhǔn)器,但線性度稍差,常用于

-200~+600℃溫度測量。

4.粕電阻的電阻溫度關(guān)系：

R,=&J1+Ar+及2+c（ioo-f）/]（-200^0℃）

R,=R（）[\+At+Br]（0~850℃）

伯電阻有兩種分度號：Ptio,PtlOO

5.銅電阻價格便宜，線性度好，但溫度稍高易氧化，常用于-50~+100℃

溫度測量。銅電阻有兩種分度號：Cu50,Cui00。電阻溫度關(guān)系：

&=R()[l+a?(-50"150℃)

6.

2.2-4.集成溫度傳感器：

1.集成溫度傳感器將溫敏晶體管和外國電路集成在一個芯片上構(gòu)成,相

當(dāng)于一個測溫器件。特點：體積小、反應(yīng)快、線性較好、價格便宜，測溫范

圍為-50~150℃。

2.集成溫度傳感器按輸出量形式不同，可分為電壓型、電流型和數(shù)字型

三類。

2.2-5.溫度顯示與記錄方法與儀表

1.動圈式指示儀表：可直接與熱電偶、熱電阻配套顯示溫度,是最簡單

的模擬指示儀表。

2.數(shù)字式指示儀表

3.自動記錄儀表

4.數(shù)字式指示記錄儀表

2.2-6.溫度變送器

1.檢測信號要進(jìn)入控制系統(tǒng)，必須傳遞符合控制系統(tǒng)的信號標(biāo)準(zhǔn)。變送

器的任務(wù)就是將不標(biāo)準(zhǔn)的檢測信號，如熱電偶、熱電阻的輸出信號轉(zhuǎn)換成標(biāo)

準(zhǔn)信號輸出。

2.現(xiàn)代電控系統(tǒng)：模擬控制系統(tǒng)的信號標(biāo)準(zhǔn)是：II型：010mA、。?10V；

III型：4?20mA、1?5V。數(shù)字控制系統(tǒng)的信號標(biāo)準(zhǔn)有：FF協(xié)議、HART

協(xié)議等。

補充習(xí)題、例題、典型題

1.(王2-7)用分度號K的熱電偶測量某設(shè)備的溫度，測得熱電動勢為

20.3mV,熱電偶冷端溫度為30C,求設(shè)備的溫度！如果改用分度號為S的熱

電偶測量該設(shè)備的溫度，在相同的條件下，測得熱電動勢為？

解:

查表計算

分度號為K的熱電偶:

EAB(t,3Q')=20.3

E相(30,0)=1203

EAB(t,0)=EAB?，30)+&(30。)=21.503

21.503-21.493

?=520+x10=520.23

21.919-21.493

改用分度號為S的熱電偶測量該設(shè)備的溫度

E"(520,0)=4.432

%(30,0)=0.173mV

外(520,30)=4.259

2.(厲-例？)用分度號K的熱電偶測量某設(shè)備的溫度，在沒有采用冷端

補償措施的情況下，顯示儀表的指示值為500C,而這時冷端溫度為60℃。

此時實際溫度為多少？

解:

=￡(500,0)=20.640

EQo,O)=E(6O,O)=2.436

E(Z,0)=EQ,玲)+E(ro,O)=20.640+2.436=23.076

23.076-22.772^

t—550+X1()557

23.198-22.772

使冷端溫度保持為20℃

熱端溫度保持不變：557℃,則

EQ,2)=E(557,0)-￡(20,0)=23.076-0.798=22.278

E(『,0)=22.278

,。八22.278-21.919.

t=530+---------------x1i0n=538.4

22.346-21.919

3.（厲一例3-19）用分度號K的熱電偶測量某設(shè)備的溫度，測得熱電動

勢為20mV,熱電偶冷端溫度為25C,求設(shè)備的溫度！如果改用分度號為E

的熱電偶測量該設(shè)備的溫度，在相同的條件下，測得熱電動勢為?

解：查表計算

分度號為K的熱電偶:

EAB(t,25)=20

(25,0)=1.0

EAB(t,0)=EAB(f,25)+EAB(25,0)=21

21-20.640

r=500+x10=509

21.066-20.640

改用分度號為S的熱電偶測量該設(shè)備的溫度

石相(509,0)=37.7

(25,0)=1.5

(509,25)=36.2

4.(12-9)(厲：習(xí)題3-16?)(厲：例題3-25?)用PtlOO鉆電阻測

溫,在查表時錯用了CulOO的分度表，查得溫度為140C,問：實際溫度為

多少？多厲”有錯誤?CulOO：150℃-*164o27Q；PtlOO：164O27。-*168。

7℃}

解:

查CulOO的分度表：

140℃-*;?,=159.96Q

查PtlOO的分度表

R,=159.96。一，=157.1℃。

159.96-157.31xl0=*xl0=7.1

161.04-157.313.73

5.（厲一例3-?）某溫度捽制系統(tǒng),最高溫度為700℃,要求測員的絕對

誤差不超過±10℃,現(xiàn)有兩臺量程分別為0~1600℃、（T1000C的1。0級溫

度檢測儀表，試問應(yīng)該選擇哪臺儀表更合適？如果兩臺量程均0~1000℃,精

度等級分別為1.0級和0.5級，那么又應(yīng)該選擇哪臺儀表更合適？

解：

axS

因為MaxFS

100

⑴同為1.0級儀表，量程為0~1600℃的儀表，△2=8空=幽=16;

max100100

量程為0~1000℃的儀表，△…=竺\照二10

----------------------------------------------------------max[00]00

⑵同為量程為0~1000℃的儀表，精度為1.0級的儀表

△，…=*：=嘴=10已經(jīng)能夠滿足要求；從經(jīng)濟角度考慮，不必選用0.5

級的儀表。

6.（厲：例3-20）現(xiàn)用一支鍥銘一銅銀熱電偶測量某換熱器的溫度，其

冷端溫度為30C,顯示儀表為動圈儀表、機械零點為0C,這時儀表顯示值

為400℃,若認(rèn)為換熱器的溫度為430℃,對不對？正確值是多少？

解：

不對！熱電偶的熱電勢是非線性的

查表：

顯示儀表測出的毫伏值Eg。)=EQ,30)oE(400,0)=28.%3mV

冷端溫度為30℃,￡(to,O)nE(30,0)=1.801mV

熱電偶的熱電勢E(r,0)=E(/,30)+E(30,0)=28.943+1.801=30.744mV

查表：”422°C。

7.(厲：習(xí)題3-8)用銀銘一銀硅熱電偶測量爐溫，其冷端溫度為30C,

測得熱電勢為33。29mV,求被測爐子的實際溫度？

解：

查鎮(zhèn)銘一銀硅熱電偶的分度號為K的分度表：

E(30,0)=1.285mV

EQ,30)=33.29mV

E(t,0)=EQ,30)+￡(30,0)=33.29+1.285=34.575Mv

r=831.55℃

8.(厲：習(xí)題3-9)某臺動圈式儀表是與銀銘一銀硅熱電偶配套使用的,

但錯接了伯籍I。一伯熱電偶，儀表指示為201C,(冷端溫度為0℃!)問實際

溫度為多少？

解：

查銀銘一銀硅熱電偶的分度號為K的分度表：

￡(201,0)=8.177mV

查銷銘I。一箱熱電偶的分度號為S的分度表：

EQ,0)=8.177；t=875o8℃

2.3.壓力檢測及儀表

2.3-1.壓力檢測的方法

1.工程上習(xí)慣把垂直作用于作用單位面積上的力稱為“壓力”

2.工程中壓力的表示方式有：表壓、負(fù)壓（真空度）、差壓、絕對壓力。

3.國際單位制（SI）定義的壓力的單位是“帕斯卡”一一IPa=lN/m\

IMPa=106Pa；過去常用的壓力單位是：1工程大氣壓=Ikgf/cm2=9.80665

X101Pa=0.980665X105Pa^0.IMPa

2.3-2.壓力表的選擇、安裝與校驗

1.為了合理、經(jīng)濟使用儀表，儀表的量程不能選得太大，但為了保證測

量精度，一般被測壓力的最小值不低于儀表滿量程的1/3為宜;同時為了延

長彈性元件的使用壽命，避免彈性元件因長期受力過大而永久變形，壓力計

的上限值應(yīng)該高于被測量的最大值（量程的3/4?2/3）,留有余量

2.儀表精度是根據(jù)工藝生產(chǎn)上所允許的最大測量誤差△max來確定的。

不能認(rèn)為選用的儀表精度越高越好，應(yīng)在滿足工藝要求的前提下，盡可能選

用精度較低、價廉耐用的儀表

3.例：——某臺壓縮機的出口壓力范圍為25?28MPa,測量絕對誤差不

得大于IMPao工藝上要求就地觀察，并能高低限報警，試正確選用一臺壓力

表，指出型號、精度與測量范圍；要求條件為：被測脈動壓力25?28MPa,

測量絕對誤差WIMPa,就地觀察、高低限報警。

解：

脈動壓力對儀表壽命影響很大，故選擇儀裹的忸艮強好8x2=56MPa

若選壓力表的測量范圍為0?60MPa

則：25MPa/60MPa>1/3

被測壓力的最小值不低于滿量程的1/3,下限值也符合要求。

另外，根據(jù)測量誤差的要求，可算得對儀表允許誤差的要求為：

冬以X100%=L100%=1.67%

SFS60

故選精度等級為1.5級的儀表可以滿足誤差要求。

答：根據(jù)就地觀察及能進(jìn)行高低限報警的要求，可選用YX—150型電接

點壓力表，測量范圍為。?60MPa,精度等級為1.5級。

4.習(xí)題（王-2-12）工藝要求壓力范圍為1.2MPa±0.05MPa,可選用的

彈簧管壓力表的精度有1.0、1.5、2.0、2.5和4.0五個等級，可選用的量

程規(guī)格有0~l.6MPa、0~2.5MPa、0~4MPa,選用合適的儀表。

解：

量程選擇：

被測壓力變化緩慢時：一一

13?

-Sre<1.2<^S?；{W.6〈S”.〈3.6；選擇儀表量程為）2.5MPa

被測壓力變化頻繁時：一一

貝山.8〈S/s〈3.6；選擇儀表量程為0~2.5MPa

儀表精度選擇：

a《J^Jxi00=%xl00=2

SFS2.5

Y-150,量程0?2.5MPa,精度2.0級

5.習(xí)題（王-2-13）反應(yīng)器最大壓力為l.OMPa,允許最大絕對誤差為

0.OIMPao現(xiàn)用一臺測量范圍為0~l.6MPa、精度為1級的壓力表進(jìn)行測量，

能否滿足要求？若采用一臺測量范圍為0~l.OMPa、精度為1級的壓力表進(jìn)行

測量，能否滿足要求？

解：

測量范圍為o~l.6MPa、精度為1級的壓力表：

△四=色@旦=01=0.016〉0.01；不能滿足要求

M100100

測量范圍為Ol.OMPa、精度為1級的壓力表：

滿度值等于被測量值，不能滿足要求

6.(王2-14)某臺空壓機的緩沖器，其工作壓力范圍為L0~1.6MPa,工

藝要求就地觀察罐內(nèi)壓力，并要求測量結(jié)果的誤差不得大于罐內(nèi)壓力的土

5%o試選擇合適的儀表。

解：

被測壓力變化緩慢時：

1.0)15ra；S?(3.0

3

1.6(-Sfs；SQ2.133

選擇儀表量程為。?2.5MPa

測量值在1.OMPa時的誤差不得大于±5%,則

?gxlOO%〈±5%

。XSrc

-------X100(5

100

a(—=—=2

SFS2.5

查附錄E：只能選擇型號為YTOOT,儀表量程為0~2.5MPa、精度為1。5

級的彈簧管壓力表。

7.(厲：例3-9)某臺空壓機的緩沖器，其工作壓力范圍為1.1?L6MPa,

工藝要求就地觀察罐內(nèi)壓力，并要求測量結(jié)果的誤差不得大于罐內(nèi)壓力的土

5%o試選擇合適的儀表。

解:

被測壓力比較平穩(wěn)、變化緩慢:

2

Sx—>1.6；SFS2204Mpa

S尸、x—<1.1；SFS<3。3MPa

選擇儀表量程為。?2.5MPa

測量值在L小時的誤差不得大于±5%,則笞/。。％=2.2%

△max,

xlOO%(±5%

1.1

4ZX5

FSxl00<5

1.1x100

/55x1.1CC

a{----=-----=2.2

SFS2.5

查附錄E：只能選擇型號為Y-60,儀表量程為。?2.5MPa、精度為105

級的彈簧管壓力表。

8.檢定一塊1.5級、刻度為OlOOMPa的壓力表，發(fā)現(xiàn)在50MPa處的誤

差最大，為1.4MPa,這塊壓力表是否合格？

解：該表的最大引用誤差為

=與8X100%=—1-4-X100%=1.4%〈1.5%

的"SrFd.100-0

這塊壓力表合格

9.※測量穩(wěn)定壓力時，儀表最大量程應(yīng)為測定值的1.5倍，測量波動壓

力時，儀表最大量程應(yīng)為測定值的2倍。

測空氣、水、蒸汽、油等介質(zhì)，用Y型壓力表，其外殼為黑色。測氨類

用YA型氨用壓力表，其外殼為黃色。測氧氣用YD型氧用壓力表，其外殼為

天藍(lán)色。

2.4.流量檢測及儀表

2.4-1.流量指單位時間內(nèi)流過某一截面的流體數(shù)量?！锟梢允撬矔r流

量或者是平均流量。

1.流量計的種類繁多，若按測量原理分，流量計可分為：“節(jié)流式流量

計"、速度式流量計、容積式流量計、質(zhì)量式流量計、電磁式流量

計、................

2.流量的基本概念：瞬時流量（單位時間內(nèi)流過工藝管道某截面的流體

數(shù)量）與累積流量（某段時間內(nèi)流過工藝管道某截面的流體總量）;體積流

量、重量流量與質(zhì)量流量。

3.流量的檢測方法

（1）體積流量檢測方法：容積法（單位時間內(nèi)排出流體的固定體積數(shù)）

和速度法（管道內(nèi)的平均流速乘以管道面積）；

（2）質(zhì)量流量檢測法：間接法（體積流量乘以密度）和直接法（儀表直

接測得）。

2.4-2.“差壓式流量計”

1.速度式流量計一一節(jié)流式一一（變差壓式）一一孔板、擋板、文丘里

管一孔板流量計：

2.節(jié)流現(xiàn)象：流體在流過節(jié)流裝置時,在節(jié)流裝置前后的管壁處,流體

的靜壓力產(chǎn)生差異的現(xiàn)象稱為節(jié)流現(xiàn)象。

節(jié)流裝置包括節(jié)流件和取壓裝置。

2.4-3.轉(zhuǎn)子流量計

1.差壓式流量計對管徑小于50mm＞低雷諾數(shù)的流體的測量精度是不高

的。而轉(zhuǎn)子流量計則特別適宜于測量管徑物嘰以下管道的流量，測量的流

量可小到每小時幾升。

2.轉(zhuǎn)子流量計，是以壓降不變、利用節(jié)流面積的變化來測量流量的大小,

即：轉(zhuǎn)子流量計采用的是恒壓降、變節(jié)流面積的流量測量方法

3.生產(chǎn)廠是在工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下（20℃,0.10133MPa）,用水或空氣進(jìn)行

標(biāo)度。對液體測量，儀表示值代表20℃時水的流量值。對氣體測量，則是代

表20C,0.10133MPa壓力下空氣的流量值。實際使用時一，須對指示值進(jìn)行

修正

例題與參考題

1.（厲：例3-12）用水刻度的轉(zhuǎn)子流量計，轉(zhuǎn)子由密度為7900kq/m3的

3

不銹鋼制成，用它來測量密度為790kq/m3的某液體介質(zhì)，當(dāng)儀表讀數(shù)為5m/h

時，被測介質(zhì)的實際流量為多少？

如果轉(zhuǎn)子由密度為2750kq/m3的鋁制成，其他條件不變，被測介質(zhì)的實

際流量為多少？

解:

⑴介質(zhì)密度修正系數(shù)：—=J（絲二&也、Q,=—Q0

PJ）PS跖

用水刻度的轉(zhuǎn)子流量計，當(dāng)儀表讀數(shù)為5m7h時，被測介質(zhì)的實際流量

為

/(Pz-Ps^Pj_1(7900-1000)x790

-

\(pz-pj)p5.(7900-790)x1000

Qj=/-Q°=焉x5=5.71m7h。

K,U.o/O

⑵更換轉(zhuǎn)子材料

k^PZ-PS^PJ((2750-1000)X790

K,=-------------------=I------------------=U.o4

V(Pz-pj)，sV(2750-790)X1000

11Q/

Q,=------Q=----x5=5.95m/h。

JKj(}°0.84

2.(厲：例3-13)用水刻度的轉(zhuǎn)子流量計，轉(zhuǎn)子由密度為7900kq/m3的

不銹鋼制成，測量范圍為0?10L/min,用它來測量密度為0。831kq/L的苯

的流量，測量范圍為多少？

解：

K=回Z-OS)0Jk7290-1000)x83TQ9

J-V(Pz-PJ^PS_V(7290—831)x1000―'

Qj-~-Q()-~x10=11.1L/mino

3.(厲：例3-14)用轉(zhuǎn)子流量計測量氣壓為0。65MPa、溫度為40℃的

CO2氣體流量，若流量計的讀數(shù)為50L/s,求CO?氣體的真實流量。CO2氣體在

3

標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)時的密度為1。977kq/mo

2.5.物位檢測及儀表

2.5-1.概述

1.物位的含義：包括一一

液位：容器中液體介質(zhì)的高低

料位：容器中固體物質(zhì)的堆積高度

界面：兩種密度不同液體介質(zhì)的分界面的高度

2.物位測量儀表可分為下列幾種類型。

靜壓式物位測量：利用液體或物料對某定點產(chǎn)生的壓力隨液位高度而變

化的原理而工作。

浮力式物位測量：利用浮子所受的浮力隨液位高度而變化的原理工作。

電氣式物位測量：利用敏感元件將物位的變化轉(zhuǎn)換為電量參數(shù)的變化，

而得知物位。

核輻射式物位測量：利用核輻射線穿透物料時，核輻射線的透射強度隨

物質(zhì)層的厚度而變化的原理進(jìn)行測量。

聲學(xué)式物位測量：測量超聲波在物質(zhì)中傳播時間的長短，據(jù)此可測出物

位。

光學(xué)式物位測量：利用光波在傳播中可被不同的物質(zhì)界面遮斷和反射的

原理測量物位。

2.5-2.差壓式液位變送器

1.（王：習(xí)題2-25）用差壓變送器測量某儲罐的液體，差壓變送器安裝

位置如圖；導(dǎo)出變送器所測出的差壓值與液位高度〃之間的關(guān)系。變送器

零點要不要遷移？為什么？

2.（厲：3-17）測量高溫液體（指它的蒸汽在常溫下要冷凝！）時，經(jīng)常

在負(fù)壓管上裝有冷凝罐，這時用差壓變送器測量儲罐液體的液位時，要不要

遷移？如果遷移，遷移量？

解：

（D〃+=Po+8g"+8g%；

P-=Po+P2gh2；

2=P+-p_=P\gH+g（p,//,-p2h2）

H=OB寸，3=g3%-0〃2）豐0!需要零點遷移

H=0B寸，kp=g（0禽-0色）〉0!需要零點正遷移

H=0B寸，bp=g（0也-0色）〈0!需要零點負(fù)遷移

⑵本題8=02；似〃2；需要負(fù)遷移，遷移量△〃=心血-〃1）

第三章過程控制儀表

3.0.概述

1.控制儀表又稱控制器或調(diào)節(jié)器。其作用是把被控變量的測量值和給定

值進(jìn)行比較，得出偏差后，按一定的調(diào)節(jié)規(guī)律進(jìn)行運算,輸出控制信號，以

推動執(zhí)行器動作,對生產(chǎn)過程進(jìn)行自動調(diào)節(jié)。

2.控制儀表按工作能源分類有：電動儀表、氣動儀表、自力式儀表

3.控制儀表的發(fā)展基本上分為三個階段：

基地式儀表：將檢測、控制、顯示功能設(shè)計在一個整體內(nèi)，安裝在現(xiàn)場

設(shè)備上或控制室內(nèi)。

單元式組合儀表：單元組合式儀表是將儀表按其功能的不同分成若干單

元（例變送單元、給定單元、控制單元、顯示單元等），每個單元只完成其

中的一種功能；其中的控制單元是接受測量與給定信號，然后根據(jù)它們的偏

差進(jìn)行控制運算，運算的結(jié)果作為控制信號輸出；各個單元之間以統(tǒng)一的標(biāo)

準(zhǔn)信號相互聯(lián)系。

以微處理器為中心的控制儀表（裝置）：內(nèi)設(shè)微處理器，控制功能豐富，

很容易構(gòu)成各種復(fù)雜控制系統(tǒng)。在自動控制系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的有：工業(yè)控制

計算機（DDS）；集散控制裝置（DCS）；單回路數(shù)字控制器（SLPC）；可編程

數(shù)字控制器（PLC）；現(xiàn)場總線控制裝置（FCS）

3.1.基本控制規(guī)律及特點

1.所謂控制規(guī)律是指控制器的輸出信號與輸入偏差信號之間的關(guān)系。

2.控制器的輸入信號是變送器送來的測量信號和內(nèi)部人工設(shè)定的或外部

輸△的設(shè)定信號。設(shè)定信號和測量信號經(jīng)比較環(huán)節(jié)比較后得到偏差信號e,

它是設(shè)定值信號r與測量信號x之差。

3.控制規(guī)律有斷續(xù)控制和連續(xù)控制兩類

3.1-1.雙位控制

1.雙位控制器只有兩個輸出值,相應(yīng)的執(zhí)行機構(gòu)只有開和關(guān)兩個極限位

置，因此又稱開關(guān)控制。如果控制溫度，被控溫度在門上下振蕩，無法穩(wěn)定。

2.三位控制：控制器有三個輸出位值，可以控制兩個繼電器。溫度三位

控制效果：溫度偏差大時，升溫速度快;溫度偏差小時，小幅調(diào)整。

3.1-2.比例控制(P)

1.控制器輸出y(t)和偏差信號e(t)成比例關(guān)系；比例控制(P)的

傳遞函數(shù)為：O

2.比例控制的特點：控制及時、適當(dāng)。只要有偏差，輸出立刻成比例地

變化，偏差越大，輸出的控制作用越強；控制結(jié)果存在靜差

3.在實際的比例控制器中，習(xí)慣上使用比例度P來表示比例控制作用的

強弱。

4.所謂比例度就是指控制器輸入偏差的相對變化指寫相應(yīng)的輸出相對變

化值之比，用口分?jǐn)?shù)表示。

3.1-3.比例積分控制(PI)

1.當(dāng)要求控制結(jié)果無余差時，就需要在比例控制的基礎(chǔ)上，加積分控制

作用。

2.積分（I）控制：輸出變化量y與輸入偏差e的積分成正比

3.積分控制的特點

當(dāng)有偏差存在時，積分輸出將隨時間增長（或減?。?；當(dāng)偏差消失時，輸

出能保持在某一值上。

積分作用具有保持功能，故積分控制可以消除余差。

輸出信號隨著時間逐漸增強，控制動作緩慢，故積分作用不單獨使用

4.若將比例與積分組合起來，既能控制及時，又能消除余差

5.比例積分（PI）控制：時域方程,傳遞函

3.1-4.比例微分控制（PD）

1.對于慣性較大的對象,常常希望能加快控制速度,此時可增加微分作

用。

2.理想微分

微分作用能超前控制。在偏差出現(xiàn)或變化的瞬間，微分立即產(chǎn)生強烈的

調(diào)節(jié)作用，使偏差盡快地消除于萌芽狀態(tài)之中。

微分對靜態(tài)偏差毫無控制能力。當(dāng)偏差存在，但不變化時，微分輸出為

零，因此不能單獨使用。必須和P或PI結(jié)合，組成PD控制或PID控制。

3.理想的比例微分控制

4.理想微分作用持續(xù)時間太短，執(zhí)行器來不及響應(yīng)。一般使用實際的比

例微分作用。

5.理想微分：Ayf超;實際微分：在單位階躍信號作用下

at

△y=l+（K0—l）eT?

6.(厲例題5-12)DDZ-IH控制器，比例度3=50%,積分時間T,=0.2min,

微分時間〃=2min,微分放大倍數(shù)K0=10。假定輸出初始值為4mA；在r=(T時

施加0.5mA的階躍信號，試寫出在該階躍信號作用下比例、積分、微分輸出

的表達(dá)式；計算”12s時控制器的輸出信號值。

解：

比例輸出：A/pn=」-O5=lmA

t>0.5

積分輸出：A/；=—?—[△/,"dt=>=—...-0.5--=1mA

'8T,}'0.50.260

微分輸出：

(KD，TD)

AZO=-[(KD-T)e-']-Mi=>=—x[(10-]x0.5=9e-'=3.3mA

60.5

r=12s時控制器的輸出信號值

=/0+A/p+A/r+A/。—9.3mA

7.(厲習(xí)題5-6)DD