给排水工程仪表与控制复习(全面)

课后思考题答案：
给水排水工程仪表复习
第一章
1.自动控制概念：在人不直接参与的情况下，利用外加的设备或装置使整个生产过程或工作机械（被控对象）自动地按预定规律运行，或使其某个参数（被控量）按预定要求变化。

自动控制系统工作原理：当被控量偏离给定要求值时，测量元件测得被测量或经物理量变换后由比较元件将其给定值比较得出偏差，根据偏差大小，经放大、调节、执行等元件后产生控制作用，控制作用使被控量回复到或趋近于要求值，从而使偏差消除或减小。

自动控制系统主要特点：从信号传送来看，输出量经测量后回送到输入端，回送的信号使信号回路闭合，构成闭环，即为负反馈。

从控制作用的产生看，由偏差产生的控制作用使系统沿减少或消除偏差的方向运动。

——偏差控制
采用自动控制系统的目的：（1）解放劳动力，变革生产力，提高生产效率；（2）提高精度和质量。

1．自动控制系统有哪些基本组成部分?
答：一个自动控制系统主要由以下基本部件构成：(1)控制对象；(2)传感器；变送(3) 控制器；
(4)执行装置。

一个自动控制系统只要由以下基本元件构成：①整定文件：也称给定文件，给出了被控量应取的值②测量元件：检测被控量的大小③比较文件：用来得到给定值与被控量之间的误差④放大元件：用来将误差信号放大，用以驱动执行机构⑤执行元件：用来执行控制命令，推动被控对象⑥校正元件：用来改善系统的动静性能⑦能源元件：用来提供控制系统所需的能量。

2．自动控制系统的分类？
答：按系统的结构特点：前馈控制系统(开环)、反馈控制系统(闭环)、复合控制系统。

按给定值的不同形式：定值控制系统、随动控制系统、程序控制系统。

闭环控制特点开环控制特点
3. 传递函数的概念？什么是阶跃函数
答：传递函数：一个环节或一个自动控制系统中，输出拉式变换和输入拉式变换之比。

4．方块图和传递函数有什么作用？
答：方块图和传递函数是自动化理论的重要基础。

通过方块图可以直接看出各环节的联系，及环节对信号的传递过程；而传递函数可以用来描述环节或自动控制系统的特性，将输入----输出关系一目了然表示出来。

典型的输入信号：阶跃函数 斜坡函数 加速度函数 脉冲函数 正弦函数
6．评价自动控制系统的过渡过程有哪些基本指标？
答：评价自动控制系统的过渡过程基本指标有：(1)最大偏差A ；(2)过渡时间ts;(3)余差C ；
(4)衰减比；(5))振荡周期Tp.
自动控制系统品质指标？
要求系统的动态过程“稳”、“快”、“准”
7有哪些常用控制方式，它们的表达式，特点？
答：常用控制方式有：(1)双位控制；(2)比例控制；(3)比例积分控制；(4)比例积分微分控制。

)()(t e K t P c ⋅=∆；⎰=∆edt T t P i 1)(；⎰+=∆edt T K e K t P i c c )(；)()(d c dt de T e K t P +=∆；))(d i c c dt
de T edt T K e K t P ++=∆⎰ 双位控制的特点：控制器只有最大和最小两个输出值，执行器只有“开”和“关”两个极限
位置。

被控对象中物料量或能量总是处于不平衡状态，被控变量总是剧烈振荡，得不到比较平衡的控制过程。

比例控制的输出与被控量的偏差值成比例的调节方式称为比例控制，时间上没有任何迟延。

调节余差不为零，是有差系统。

比例积分控制既有比例控制又有积分控制，是比例粗调和积分细调作用的组合，粗调及时克服干扰，细调逐渐克服余差。

比例积分微分控制（PID）：是比例、积分、微分三种控制规律组合。

以比例作为基本控制规律，以微分的超前作用克服容量滞后、测量滞后，以积分作用消除余差。

在容量滞后大而又要消除余差的场合广泛使用。

8.比例、积分、微分控制有哪些作用？如何应用？
比例控制的输出随输入成比例的变化，时间上没有任何迟延，适用于干扰幅度小，滞后较小，时间常数较长的对象。

积分控制的特性是当有输入信号存在时，其输出就会一直积累下去，直到极值，可以消除偏差，是无差控制。

微分控制规律是根据被调参数的变化趋势即变化速度而输出控制信号，具有明显的超前作用。

只要偏差的变化一露头，就立即动作，这样控制的效果将会更好
9．逻辑代数有哪些基本
运算？有哪些基本性
质？
答：逻辑代数基本运算
有：(1)单变量运算:‘‘非’’
函数，‘‘是’’函数；(2)
双变量(多变量)运算：
‘‘与’’函数，‘‘或’’函
数。

基本性质为：置换律、结
合律、分配律、吸收律、
反置关系。

11怎样由卡诺图建立或
简化逻辑表发式？
答：基本方法是：化步伐
逻辑关系式或真值表中的
各项对应地填入图中，标
为‘‘1’’，余下的空格填
为‘‘0’’；当相应的偶数
个格(对称的)皆为‘‘1’’时，就可将之合并简化为逻辑表达式的一项，其余变量之间为逻辑乘关系，其余‘‘0’’项不考虑。

bc
a
c b a
abc
c b a
c
ab
S+
+
+
+
=
1；c a
c b
abc
S+
+
=
2
；c b
a
c b
a
c b
a
c b
a
S+
+
+
=
3
【例1】双控开关
有一房间，设房灯L，希望在门1及门2处分别设开关，任意控制灯的开闭。

【例2】水泵的开停控制
水泵开停控制工作过程的分析，是一种有记忆的逻辑控制系统。

增加一个描述系统在t-1时刻状态的变量Mt-1。

于是有3个变量m、a、Mt-1共同决定水泵的工作状态，即输出M。

第二章
1、给水排水自动化常用仪表？
答：过程参数检测仪表、过程控制仪表、调节控制的执行设备。

检测过程的三要素：检测单位，检测方法，检测仪器与设备。

2、检测仪器有哪些基本部分组成？各有什么作用？
答：检测仪器的基本组成部分有传感器、变换器、显示器以及连接它们的传输通道。

传感器的作用：感受到被检测参数的变化，直接从对象中提取被检测参数的信息，并转换成一相应的输出信号。

变换器的作用：将传感器的输出信号进行远距离传送、放大、线性变化转变成统一的信号，供给显示器等。

显示器的作用：向观察者显示被检测数值的大小。

传输通道的作用：连接仪表的各个环节，给各环节的输入和输出提供通道。

性能
3、检测仪表的性能指标是什么？简述重要性能指标。

重要性能指标：仪表的量程绝对误差相对误差引用误差精度等级灵敏度分辨率有效度响应时间答：仪表的性能指标是评价仪表性能的好坏、质量优劣的重要依据，它也是正确选择和使用仪表，以达准确检测之目的所必须的具备和了解的知识。

重要性能指标仪表技术方面指标：基本误差、精度等级、分辨率、变差、灵敏度、量程、响应时间、漂移。

仪表经济方面指标：功能、价格、使用寿命等。

仪表使用方面的指标：操作维修是否方便，能否可靠运行以及抗干扰与防护能力的强弱、重量体积的大小、自动化的程度高低等
4、pH测量的基本方法和原理是什么？
答：pH测量的基本方法：电极电位法。

原理是：PH计其主体是一个精密电位计，将电极插在被测溶液中，组成一个电化学原电池，通过测量原电池的电动势并直接用pH值表示出来。

酸度计种类繁多，但其结构均由电极系统和高阻抗的电子管或晶体管直流毫伏计两部分组成。

电极与待测溶液组成原电池，以毫伏计测量电极间的电位差，电位差经放大电路放大后，由电流表或数码管显示。

1、水质自动监测站点如何选择？
答在主要污染部分的上游设对照子站，监测本区域污染前的水质状况；在主要污染部分设立污染监测子站，监测本地区货城市对河流的污染程度，并追踪污染情况的变化；在主要污染区的下游，设立水质自净情况监测子站，检查水的自净情况以及带给下游的污染物程度。

水质自动监测系统组成：中心站是指挥中心，由功能齐全的微型计算机系统和联络用的无线电台组成。

任务：向子站发布各种工作指令，管理子站的工作；按规定的时间收集各子站的
监测数据，并将其处理。

子站由水样采集装置、检测仪表、微型计算机和本站电台组成。

任务：接受总站的工作指令，对各种监测项目自动进行检测；将测得的监测数据作必要处理、短暂的存贮，并传输给中心站。

自动站水样的采集瞬时采样：在规定的时间、地点取瞬时样周期采样：定时周期采样定流量周期采样连续采样：定速连续采样变速连续采样水样量：一般10~20L/min。

5、溶解氧测量的基本方法和原理是什么？
答：碘量法：在水中加入硫酸锰和碱性碘化钾，水中的溶解氧将二价的锰氧化成四价锰，并生成氢氧化物沉淀。

加酸后，沉淀溶解，四价锰又可氧化碘离子而释放出与溶解氧量相当的游离碘。

以淀粉为指示剂，用硫代硫酸钠标准溶液滴定释放出的碘，可计算出溶解氧含量。

高锰酸钾法：用高锰酸钾氧化亚铁离子，消除干扰，过量的高锰酸钾用草酸钠溶液除去，生成的高价铁离子用氟化钾掩蔽。

叠氮化钠修正法：叠氮化钠在酸性条件下将亚硝酸根分解破坏。

氧化膜电极法：氧敏感膜电极浸没在电解质溶液中的两个金属电极和氧选择性半透膜组成。

氧半透膜只允许透过半透膜和其他气体，而几乎完全阻挡水和溶解性固体。

透过膜的氧在阴极上还原，产生的扩散电流与水样中氧的浓度成正比，将浓度信号变成电信号，由电流计读出。

溶解氧监测仪水质连续自动监测系统中，多采用隔膜电极法。

测定迅速、及时
隔膜电极分原电池式隔膜电极和极谱式隔膜电极
色度测量的基本方法和原理是什么？
电导测定法：由于电解质在水溶液中以带电离于的形式存在，因此溶液具有导电的性质，其导电能力的强弱称为电导度，简称为电导。

水的电导率：电流通过横截面积各为1cm2相距1cm的两电极之间水样的电导。

作用：测定水和溶液的电导，可以了解水被杂质污染的程度和溶液中所含盐分或其它离子的量。

仪器：平衡电桥式电导仪电阻分压式电导仪电流测量式电导率仪
6、色度测量的基本方法和原理是什么？
色度测量主要有两种。

第一种方法是利用光电色度计测色的方法，光电色度计在原理上非常类似于密度计，其外观、操作方法甚至是购买价格都相当接近。

光电色度计直接显示三刺激值x(—)（λ）、y(—)（λ）、z(—)（λ），大多数还把三刺激值转换为色空间标度。

第二种方法是利用分光光度计测量色彩的方法。

正像三滤色片光电色度计可看成是一个专门的反射率测量仪器一样，分光光度计也可以这样看，但它与光电色度计不同，分光光度计测量的是一个物体的整个可见反射光谱，分光光度计是在可见光谱域逐点测量
7、浊度测量的基本方法和原理是什么？
按照浊度测定方法来分类，可以分为：(1)透射光测定法，(2)散射光测定法；(3)透射光和散射光比较测定法；(4)表面散射光法。

意义：给水排水工程中，在评价水源、选择处理方法、生产过程控制和水质检验等各方面都需要对浊度做严格和精密的测量。

浊度的高低直接关系到供水水质，据有关医学数据统计表明，出厂水的浊度降低，水中的细菌也按比例下降，特别是需要高余氯才能灭活的病毒在相当程度上是随着浊度的降低而降低的。

8、生化需氧量测量的基本方法和原理是什么？
答：生化需氧量（BOD）测量的基本方法：五天培养法、检压法、库伦法、微生物电极法等。

五天培养法：水样经过稀释后，在（20±1℃）条件下培养5天，求出培养前后水样中溶解氧含量，二者的差值记为BOD5。

如果水样的五日生化需氧量未超过7mg/L，则不必进行稀释，可直接测定。

检压法：将水样置于装有一个以CO2吸收剂小池的密闭培养瓶中，当水样中的有机物被微生物氧化分解时，消耗的溶解氧则由气体管中的氧气补充，产生的CO2又被吸收池中的吸收剂吸收，结果导致密闭系统的压力降低，用压力计测出的压力降低值来求出水样中的BOD 值，在实际测量中，先用葡萄糖—谷氨酸标准溶液校正压力计，即可从压力计中直接读出水样的BOD值。

库仑法：原理与检压法相同。

库仑法中微生物氧化分解有机物所消耗的氧由电解产生的氧气来供给和补充，电解槽通过密闭气路的压差由导电溶液的继电回路自动控制，测定更准确9、化学需氧量（COD）测量的基本方法和原理是什么？
答：基本方法有：重铬酸钾法，碱性高锰酸钾法，酸性高锰酸钾法
重铬酸钾法：水在酸性溶液中加热回流2h，一定量的重铬酸钾氧化水中的还原物质，过量的重铬酸钾以试亚铁灵为指示剂，用硫酸亚铁铵标准溶液滴定。

酸性高锰酸钾法：水样在酸性条件下，加入高锰酸钾溶液，使水中有机物被氧化，剩余的高锰酸钾以草酸回滴，然后根据实际消耗的高猛酸钾计算出化学耗氧量。

碱性高锰酸钾法：在碱性溶液中，高锰酸钾氧化水中的还原性物质，酸化后，加入过量的草酸钠溶液，再用高锰酸钾溶液滴定至微红色。

其他测定方法密封管法比色法氧化还原电位滴定法恒电流库仑分析法
7
10、紫外（UV）吸收测量的基本方法和原理是什么？
答：测定方法及基本原理：分光光度法是选一定波长的光照射被测物质溶液，测量其吸光度，再依据吸光度计算出被测组分的含量。

依据理论：朗伯—比尔定律：指当一束平行单色光通过均匀、非散射的稀溶液时，溶液对光的吸收程度与溶液的浓度及液层厚度的乘积成正比，即：A=KCL
总有机碳（TOC）检测仪表
TOC是以碳的含量表示水中有机物质总量的一项综合性指标，mg C/L。

方法：燃烧氧化－非分散红外吸收法。

原理：将一定量水样注入高温炉内的石英管，在900~950℃温度下，以铂和三氧化二铬为催化剂，使有机物燃烧裂解转化为CO2，然后用红外线气体分析仪测定CO2含量，从而确定水样中碳的含量（TC）。

TC →TOC：①先酸化，再通入N2曝气，最后注入仪器测定；②使用高温炉和低温炉皆有的TOC测定仪。

总需氧量（TOD）是指水中有机物和还原性无机物在高温下燃烧生成稳定的氧化物时的需氧量，mg O2 /L。

余氯在线检测仪表
余氯在线分析是进行投氯控制的前提余氯一般也是采用电极法进行测量。

在两个电极之间施加电压．利用电极之间电解产生的氧化还原反应测量氯的浓度。

微量余氯分桥仪主要由下列部分构成：采水样系统、加试剂系统、测量传感器、微机处理控制器
电极法缺点：较昂贵，步骤繁琐。

化学比色法经济、可靠DPD比色测量方法：使用DPD 指示剂和缓冲溶液，通过改变指示剂和缓冲溶液能够测量水中残留的余氯和总氯。

14．可编程控制器的基本组成？
答：硬件组成：1.中央处理单元，2.存储器，3.输入输出单元，4.通信接口，5.智能接口模块，6.编程装置，7.电源，8.其他外部设备。

软件组成：系统程序和用户程序。

11．流量测量仪表有哪些类型?在给水排水工程中常用的有哪些？
答：1.节流流量计，2.容积流量计，3.面积流量计，4.叶轮流量计，5.电磁流量计，6.超声波流量计，7.量热式流量计，8.毕托管，9.层流流量计，10.动压流量计，11.质量流量计，12.流体震动流量计，13.激光多普勒流量计。

在给水排水常用的有压差流量计，超声流量计，浮子流量计，明渠流量计，电磁流量计。

15．PLC控制系统与电器控制系统比较有什么特点？
答：1.可靠性高抗干扰能力强，2.编程简单实用方便，3.功能完善通用性强，4.设计安装简单维护方便，5.体积小重量轻能耗低。

16．PLC的性能指标是什么?有哪些发展趋势？
答：PLC的性能指标：1.存储容量，2.I/O点数，3.扫描速度，4.指令的功能与数量，5.内部元件的种类与数量，6.特殊功能单元，7.课扩展能力。

发展趋势：1.向高速度、大容量方向发展，2.向超大型、超小型两个方向发展，3.PLC大力开发智能模块，加强联网通信能力，4.增强外部故障的检测与处理能力，5.编程语言多样化。

17．给水行水排水工程自动化常用的执行设备有哪些类？各有什么作用？
答：各种泵（离心泵、往复泵往复式计量泵）与各种阀门（调节阀：调节流量，电磁阀：控制管路通断）。

泵取水排水，阀门控制流量。

18．往复泵与离心泵的工作特性、调节特性有什么差别？各有什么特点?
答：（1）往复泵的瞬时流量取决于活塞面积与活塞瞬时运动速度之积，由于活塞运动瞬时速度的不断变化，使得它的流量不均匀，但是在一段时间内输送的液体量却是固定的，仅取决于活塞面积、冲程和往复频率。

往复泵可用旁路阀调节流量，泵的送液量不变，只是让部分被压出的液体返回贮池，使主管中的流量发生变化。

流量调节也可以采用改变电机转速，从而改变柱塞往复运行速度的方式或冲程长度，即调节行程百分比的方式进行。

这两种方式都易于实现自动化控制。

（2）离心泵：对应不同的转速，有不同的水泵特性曲线，各种转速下
的水泵特性曲线组成一个特性曲线族；在不同转速的水泵特性曲线之间，存在效率相等的相似工况点，将这些等效率点连成线，则构成等效率曲线及等效率曲线族
19．离心泵的阀门调节与变速调节有那些差别？
答：变速调节改变水泵的特性曲线，阀门调节则是改变管路特性曲线。

变速调节是一种节能的调节方式，阀门调节时一种耗能的调节方式。

20．调节阀与电磁阀的作用是各是什么？
答：在各类阀门中，电磁阀起对管路的通断控制作用，相当于管路开关；调节阀起流量的调节作用，改变调节阀的开启度就可以改变通过的流量。

21．调节阀有哪些常见类型？何为调节阀的理想特性与工作特性？
答：按阀体与流通介质的关系可将调节阀分为直通式和隔膜式，按阀门控制信号的种类可分为气动与电动调节阀。

在阀前后压差恒定时得到的流量特性称为理想流量特性，在实际应用中，阀前后的压差即在调节阀上的压力降都是随流量变化的，此时的流量特性就是工作流量特性。

1溶解氧膜电极法的基本原理是什么？
答：膜电极法：氧敏感膜电极浸没在电解质溶液中的两个金属电极和氧选择性半透膜组成。

氧半透膜只允许透过半透膜和其他气体，而几乎完全阻挡水和溶解性固体。

透过膜的氧在阴极上还原，产生的扩散电流与水样中氧的浓度成正比，将浓度信号变成电信号，由电流计读出。

1.流量测量仪表有哪些类型?在给水排水工程中常用的有哪些？
答：1.节流流量计，2.容积流量计，3.面积流量计，4.叶轮流量计，5.电磁流量计，6.超声波流量计，7.量热式流量计，8.毕托管，9.层流流量计，10.动压流量计，11.质量流量计，12.流体震动流量计，13.激光多普勒流量计。

在给水排水常用的有压差流量计，超声流量计，浮子流量计，明渠流量计，电磁流量计。

2.超声波流量计的检测原理？
答：超声波流量计工作原理：超声波在流动的流体中传播时就载上流体流速的信息。

因此通过接收到的超声波就可以检测出流体的流速，从而换算成流量。

超声流量计：通过检测流体流动时对超声束（或超声脉冲）的作用，以测量体积流量的仪表传播时间法原理：将流体流动时与静止时超声波在流体中传播的情形进行比较，由于流速不同会使超声波的传播速度发生变化。

利用传播速度之差与被测流体流速之关系求取流速，即为传播时间法
电磁流量计是根据法拉第电磁感应定律（导体在磁场中切割磁力线运动时在其两端产生感应电动势）制成的，是一种用来测量管道中导电性液体体积流量的仪表，可测各种腐蚀性的酸、碱、盐溶液，可测含各种悬浮固体微粒的液体。

压力检测仪表：应变片式压力计
原理：利用电阻应变片将被测压力转换为电阻值的变化，再通过桥式电路获得毫伏级的电量输出，然后由二次仪表显示或记录。

霍尔片式压力计
原理：运用霍尔元件的霍尔效应，把被测压力作用下所产生的弹性元件位移转换为电势输出液位检测仪表：液位检测仪表有浮力式、静压式、电容式、超声波式等多种。

浮力式液位计原理：根据阿基米德原理工作的，即液体对一个物体浮力的大小，等于物体所排开液体的重量。

静压式液位计原理：对于不可压缩的液体，液位高度与液体的静压力成正比。

所以，测出液体的静压力，即可知道液位高度
电容式液位计原理：在平行板电容器之间充以不同介质时，其电容量的大小不同。

因此，可用测量电容量的变化来检测液位或两种不同介质的分界面。

3.什么是电气式压力计？特点？
答：电气式压力计：把压力转换为电阻、电容、电感或电势等电量，从而实现压力的间接测量。

优点：反应快，测量范围宽，精度高，远距离传输，便于自动控制
4.液位检测仪表的种类？
答：浮力式、静压式、电容式、激光式、超声波式等
5.给水排水工程自动化常用的执行设备有哪些类？各有什么作用？
答：各种泵与各种阀门。

泵取水排水，阀门控制流量
6.离心泵的阀门调节与变速调节有那些差别？
答：变速调节改变水泵的特性曲线，阀门调节则是改变管路特性曲线。

变速调节是一种节能的调节方式，阀门调节时一种耗能的调节方式。

7.调节阀与电磁阀的作用是各是什么？
答：在各类阀门中，电磁阀起对管路的通断控制作用，相当于管路开关；调节阀起流量的调节作用，改变调节阀的开启度就可以改变通过的流量。

8.调节阀有哪些常见类型？何为调节阀的理想特性与工作特性？
答：按阀体与流通介质的关系可将调节阀分为直通式和隔膜式，按阀门控制信号的种类可分为气动与电动调节阀。

在阀前后压差恒定时得到的流量特性称为理想流量特性，在实际应用中，阀前后的压差即在调节阀上的压力降都是随流量变化的，此时的流量特性就是工作流量特性。

第三章
1.对水泵及管道系统调节的意义是什么？
答：管道系统是给水排水工程的重要组成部分，水泵更是极为常见的给水排水设备。

以给水工程为例，输配水管网担负着输送、分配水的任务，它的造价占给水系统总造价的主要部分;管道系统往往是由水泵加压供水的有压系统，与水泵及水泵站的关系密切，它的运行费用在给水系统运行费用构成中占第一位。

采取技术措施，合理地调节水泵、管道系统工况，保证用户的用水要求，并最大限度地节约能耗、降低费用，是十分重要而有意义的工作。

2.水泵工况调节有哪些类型？
答：（1）通过水泵出水口管路上的阀门来改变管路特性，实现水泵工况点的调节;
（2）改变水泵的转速,从而改变水泵的特性曲线，实现水泵工况点的调节。

另：将控制系统分为如下两大类：
A对水泵的开停双位控制：按照液位(或压力值)、流量等参数的要求，改变每台水泵的开、停状态或改变水泵的运行台数。

B．对水泵工作点的调节控制：按照液位(或压力)、流量等参数的要求，改变水泵的工作点
3.双位控制系统的优缺点有哪些？
答：优点：高效节能；延长设备使用寿命；功能齐全。

缺点：精度低，水压波动较大。

4.水泵的调速技术有那些？常用的有那些？
答：（1）串级调速；（2）液力耦合器调速；（3）变频调速。

常用的是变频调速。