化工行業(yè)儀表工程師面試試題及答案考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡述差壓式流量計(jì)測量原理，并說明影響其測量準(zhǔn)確度的主要因素有哪些？二、什么是調(diào)節(jié)閥的流量特性？分別說明線性流量特性和等百分比流量特性在過程控制中的適用場合。三、HART協(xié)議在過程儀表中有哪些主要優(yōu)勢？請列舉至少三個。四、簡述安全儀表系統(tǒng)（SIS）的基本架構(gòu)，并說明安全儀表功能（SIF）的生命周期管理主要包括哪些階段。五、在化工生產(chǎn)中，進(jìn)行儀表安裝和調(diào)試時需要遵循哪些重要的安全原則？六、某溫度控制系統(tǒng)，被控對象具有較大的時滯，如果單純采用PID調(diào)節(jié)，容易產(chǎn)生什么問題？可以采取哪些措施來改善控制品質(zhì)？七、解釋什么是可編程邏輯控制器（PLC），并說明其在過程控制系統(tǒng)中通常扮演什么角色。八、現(xiàn)場儀表進(jìn)行校準(zhǔn)時，為什么要進(jìn)行零點(diǎn)和量程的校準(zhǔn)？分別說明零點(diǎn)校準(zhǔn)和量程校準(zhǔn)的步驟。九、分析一下，如果壓力變送器輸出信號突然跳變到最大值或最小值，可能的原因有哪些？十、什么是開方運(yùn)算？在流量測量中為什么通常需要對差壓信號進(jìn)行開方處理？十一、簡述斷路故障和短路故障的區(qū)別，并說明如何使用萬用表初步判斷儀表線路是否存在這兩種故障。十二、什么是LOTO（Lockout/Tagout）程序？在儀表維護(hù)工作中執(zhí)行LOTO程序的重要性體現(xiàn)在哪里？十三、某精餾塔塔頂壓力需要精確控制，工藝要求壓力波動范圍小于±0.5kPa。請簡述采用何種控制方案比較合適，并說明設(shè)計(jì)該控制系統(tǒng)時需要考慮的關(guān)鍵因素。十四、解釋什么是儀表的量程比（TurndownRatio），并說明選擇合適量程比的重要性。十五、根據(jù)相關(guān)安全規(guī)范，說明在化工現(xiàn)場使用電氣設(shè)備時，為什么必須重視接地保護(hù)？試卷答案一、測量原理：差壓式流量計(jì)基于流體動力學(xué)原理，即伯努利方程和流體連續(xù)性方程。當(dāng)流體流經(jīng)管道中的節(jié)流裝置（如孔板、噴嘴、文丘里管）時，流體流速增加，靜壓能降低，從而在節(jié)流裝置前后產(chǎn)生壓差。通過測量這個壓差，并根據(jù)預(yù)先標(biāo)定的公式或?qū)嶒?yàn)數(shù)據(jù)，可以計(jì)算出流體的流量。主要影響因素：1.節(jié)流裝置本身：節(jié)流件的開孔（或喉部）尺寸、形式（孔板、噴嘴等）、加工精度、材質(zhì)等。2.管道條件：管道內(nèi)徑、管壁粗糙度、管道長度、管道內(nèi)流體的流態(tài)（層流、湍流）。3.流體性質(zhì)：流體的密度、粘度、可壓縮性（對于氣體）。4.流體的流動狀態(tài)：流速分布是否均勻，是否存在渦流、漩渦等。5.安裝條件：節(jié)流裝置上游和下游直管段的長度是否滿足要求，取壓口的位置和方式是否規(guī)范。6.儀表本身：壓力變送器的精度、穩(wěn)定性及量程范圍。二、調(diào)節(jié)閥流量特性：調(diào)節(jié)閥流量特性是指調(diào)節(jié)閥閥位（開度）變化時，流經(jīng)調(diào)節(jié)閥的流量變化規(guī)律，通常用閥芯和閥座之間的有效流通面積（或流量系數(shù)Cv）隨閥位開度變化的曲線來表示。線性流量特性：閥芯和閥座之間的流通面積隨閥桿行程呈線性變化，導(dǎo)致流量與閥位開度成近似線性關(guān)系。即閥位每變化相等的百分?jǐn)?shù)，流量也變化相等的百分?jǐn)?shù)。適用于要求輸入信號與輸出流量（或被控變量）成線性關(guān)系的場合，例如壓力控制。等百分比流量特性（對數(shù)流量特性）：閥芯和閥座之間的流通面積隨閥桿行程呈對數(shù)關(guān)系變化，導(dǎo)致流量與閥位開度成對數(shù)關(guān)系。即閥位每變化相等的百分?jǐn)?shù)，流量變化的百分?jǐn)?shù)也相等。由于流量變化更敏感于小開度，適用于流量變化范圍大、且希望在小開度時控制精度高、或希望調(diào)節(jié)作用強(qiáng)（阻尼?。┑膱龊希鐪囟瓤刂?、成分控制等。三、HART協(xié)議優(yōu)勢：1.數(shù)字通信與模擬信號兼容：HART協(xié)議能在現(xiàn)有的4-20mA模擬信號管道上疊加一個頻率調(diào)制制的數(shù)字信號，老設(shè)備和新設(shè)備可以共存，便于系統(tǒng)升級。2.支持雙向通信：不僅可以將過程變量（如溫度、壓力、流量）信息傳至現(xiàn)場控制器或DCS，還可以將設(shè)定值、診斷信息、設(shè)備狀態(tài)信息等傳回，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和參數(shù)設(shè)置。3.豐富的診斷功能：儀表可以提供詳細(xì)的運(yùn)行狀態(tài)、故障代碼、自診斷信息，便于維護(hù)人員快速定位和解決問題，提高設(shè)備可靠性。4.參數(shù)可組態(tài)：許多HART儀表支持遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)置和調(diào)整，減少了現(xiàn)場調(diào)試工作量。5.提高測量精度和可靠性：數(shù)字信號抗干擾能力強(qiáng)，傳輸精度高，可進(jìn)行線性化處理、補(bǔ)償?shù)?，提高測量準(zhǔn)確性。四、SIS基本架構(gòu)：安全儀表系統(tǒng)通常由三個主要部分組成：安全儀表功能（SIF）實(shí)現(xiàn)單元、安全儀表回路（SafetyInstrumentedLoop,SIL）和安全儀表區(qū)域（SafetyInstrumentedArea,SIA）。*SIF實(shí)現(xiàn)單元：包括輸入單元（檢測器接口）、邏輯單元（執(zhí)行安全邏輯，通常是PLC或?qū)Ｓ冒踩刂破鳎┖洼敵鰡卧?qū)動最終執(zhí)行器，如安全繼電器、緊急切斷閥）。*安全儀表回路：指從輸入到輸出的完整信號路徑。*安全儀表區(qū)域：指為執(zhí)行一個或多個SIF而劃分的物理區(qū)域。SIF生命周期管理階段：1.概念階段：進(jìn)行危險(xiǎn)與可操作性分析（HAZOP）等風(fēng)險(xiǎn)評價，確定需要SIF保護(hù)的功能和安全完整性等級（SIL）。2.設(shè)計(jì)階段：設(shè)計(jì)SIF架構(gòu)，選擇合適的儀表和安全功能塊（SIB），進(jìn)行安全儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)（SISDesign）。3.實(shí)施階段：采購、安裝、調(diào)試SIS，確保符合設(shè)計(jì)規(guī)范。4.運(yùn)行階段：對SIS進(jìn)行持續(xù)監(jiān)控、維護(hù)、測試和標(biāo)定，確保其持續(xù)滿足安全要求。5.維護(hù)階段：定期對SIS進(jìn)行預(yù)防性維護(hù)和故障修復(fù)。6.變更管理：對SIS及相關(guān)工藝進(jìn)行的任何變更進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估和管理。五、化工生產(chǎn)中儀表安裝和調(diào)試時需要遵循的安全原則：1.遵守工藝安全規(guī)程：嚴(yán)格遵守操作規(guī)程和HSE（健康、安全、環(huán)境）規(guī)定。2.能源隔離（LOTO）：在進(jìn)行任何維護(hù)、校準(zhǔn)時，必須先執(zhí)行能量隔離程序，上鎖掛牌，確保設(shè)備處于能量隔離狀態(tài)。3.危險(xiǎn)辨識與風(fēng)險(xiǎn)評估：識別作業(yè)現(xiàn)場存在的潛在危險(xiǎn)（如有毒、易燃、易爆、高溫、高壓、腐蝕性介質(zhì)等），并評估風(fēng)險(xiǎn)，采取相應(yīng)的控制措施。4.個人防護(hù)裝備（PPE）：根據(jù)作業(yè)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，正確佩戴和使用個人防護(hù)用品。5.設(shè)備聯(lián)鎖與防護(hù)：確保必要的聯(lián)鎖保護(hù)（如高/低液位報(bào)警、聯(lián)鎖切斷）處于正常狀態(tài)，使用防護(hù)裝置（如防護(hù)罩、安全閥）。6.靜電防護(hù)：在處理易燃易爆介質(zhì)時，注意消除靜電積累。7.用電安全：遵守電氣安全規(guī)定，正確使用電氣設(shè)備，防止觸電和短路。8.作業(yè)許可：對于高風(fēng)險(xiǎn)作業(yè)（如進(jìn)入受限空間、動火作業(yè)），必須辦理相應(yīng)的作業(yè)許可證。9.溝通協(xié)調(diào)：作業(yè)前進(jìn)行充分溝通，明確任務(wù)、風(fēng)險(xiǎn)和應(yīng)急措施，確保相關(guān)人員了解情況。六、問題：大時滯系統(tǒng)采用純PID調(diào)節(jié)易產(chǎn)生問題。問題表現(xiàn)：主要表現(xiàn)為調(diào)節(jié)過程緩慢，容易產(chǎn)生持續(xù)振蕩，甚至出現(xiàn)發(fā)散（不穩(wěn)定），難以達(dá)到快速、準(zhǔn)確的控制效果。系統(tǒng)響應(yīng)滯后導(dǎo)致控制器根據(jù)過時的信息進(jìn)行調(diào)節(jié)，加劇了系統(tǒng)的振蕩。改善措施：1.串級控制：在主回路的基礎(chǔ)上增加一個副回路，副回路可以快速響應(yīng)，減少主回路的時滯影響。2.前饋控制：根據(jù)干擾信號（如進(jìn)料流量變化）直接加入一個額外的控制作用，補(bǔ)償干擾對被控變量的影響，減少對反饋控制的依賴。3.比值控制：當(dāng)系統(tǒng)需要維持兩個或多個變量之間的精確比例關(guān)系時，采用比值控制系統(tǒng)。4.大林（大林）算法：一種考慮了純時滯的先進(jìn)控制算法，能夠有效抑制時滯帶來的負(fù)面影響。5.改進(jìn)PID參數(shù)整定：采用一些考慮時滯的整定方法，如Ziegler-Nichols方法的時滯補(bǔ)償形式，或經(jīng)驗(yàn)調(diào)整。6.增加微分作用（謹(jǐn)慎使用）：在某些情況下，適當(dāng)增加微分作用（D）可以幫助抑制振蕩，但需注意在存在純滯后時微分作用的局限性。七、可編程邏輯控制器（PLC）：PLC是一種基于微處理器技術(shù)的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，其程序可以在線修改，具有可靠性高、功能強(qiáng)大、靈活性好、易于編程和維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。它采用可編程的存儲器，用以在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時、計(jì)數(shù)和算術(shù)操作等指令，并通過數(shù)字式或模擬式的輸入輸出來控制各種類型的機(jī)械設(shè)備或生產(chǎn)過程。角色：在過程控制系統(tǒng)中，PLC通常扮演著核心控制器的角色。它可以接收來自各種傳感器（溫度、壓力、流量、液位、分析儀表等）的信號，執(zhí)行預(yù)先編寫的控制程序（如PID控制、順序控制、邏輯判斷等），然后將控制輸出信號發(fā)送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)（如調(diào)節(jié)閥、電機(jī)、電磁閥等），實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)過程的自動控制。同時，PLC還可以提供豐富的通信功能，與上位機(jī)（SCADA、DCS）、其他PLC或現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和協(xié)同控制。對于復(fù)雜的控制系統(tǒng)，PLC可以作為DCS的一個分布式控制站或獨(dú)立執(zhí)行控制任務(wù)。八、校準(zhǔn)目的：儀表校準(zhǔn)的目的是確定儀表的測量誤差，并將其調(diào)整到允許的范圍內(nèi)，確保儀表的測量結(jié)果準(zhǔn)確可靠，滿足工藝控制或安全聯(lián)鎖的要求。零點(diǎn)校準(zhǔn)：目的是使儀表在測量范圍為最小值（零點(diǎn)）時，其輸出信號精確等于預(yù)定的零點(diǎn)輸出值（例如，對于4-20mA信號，零點(diǎn)輸出應(yīng)為4mA）。零點(diǎn)校準(zhǔn)步驟：1.將被校準(zhǔn)儀表的輸入端接收到接近實(shí)際測量范圍的“零”信號（例如，對于壓力變送器，施加接近零壓的介質(zhì)；對于溫度變送器，放置在已知溫度為0℃的介質(zhì)中）。2.待儀表穩(wěn)定后，調(diào)整儀表上的零點(diǎn)調(diào)整旋鈕或通過軟件設(shè)置，使儀表的輸出信號精確等于零點(diǎn)輸出值（如4mA）。3.重復(fù)檢查，確保零點(diǎn)準(zhǔn)確無誤。量程校準(zhǔn)：目的是使儀表在測量范圍為最大值（量程上限）時，其輸出信號精確等于預(yù)定的量程上限輸出值（例如，對于4-20mA信號，量程上限輸出應(yīng)為20mA）。量程校準(zhǔn)步驟：1.將被校準(zhǔn)儀表的輸入端接收到接近實(shí)際測量范圍的“滿量程”信號（例如，對于壓力變送器，施加接近量程上限的壓力；對于溫度變送器，放置在已知溫度為量程上限的介質(zhì)中）。2.待儀表穩(wěn)定后，調(diào)整儀表上的量程調(diào)整旋鈕或通過軟件設(shè)置，使儀表的輸出信號精確等于量程上限輸出值（如20mA）。3.重復(fù)檢查，確保量程準(zhǔn)確無誤。4.（可選）再次進(jìn)行零點(diǎn)校準(zhǔn)，檢查調(diào)整量程是否影響零點(diǎn)。九、壓力變送器輸出信號突然跳變到最大值（或最小值）可能的原因：1.測量端壓力真實(shí)超量程：工藝介質(zhì)壓力瞬間超過了變送器的量程范圍。2.變送器內(nèi)部故障：*傳感器損壞：壓力敏感元件破裂或失效。*信號調(diào)理電路故障：放大器、A/D轉(zhuǎn)換器等模塊故障，導(dǎo)致信號無法正常處理。*輸出驅(qū)動電路故障：使輸出信號強(qiáng)制飽和在最大值或最小值。3.接線問題：*電源異常：電源電壓過高或過低，或瞬間斷電又恢復(fù)，可能將變送器置于失效狀態(tài)或強(qiáng)制輸出。*信號線短路或開路：輸出信號線對地短路或與其他信號線/電源線短路，可能導(dǎo)致信號異常；嚴(yán)重開路可能導(dǎo)致輸出不穩(wěn)定或飽和。*接地不良：接地線松動、斷裂或接地電阻過大，可能引入干擾或?qū)е鹿ぷ鞑徽！?.環(huán)境因素：環(huán)境溫度、濕度、振動等超出變送器允許范圍，影響其性能。5.安裝問題：安裝位置不當(dāng)，受到?jīng)_擊或振動；或過濾器堵塞導(dǎo)致測量不真實(shí)。6.安全泄放閥誤動作：如果變送器測量的是受安全閥保護(hù)的系統(tǒng)，安全閥突然打開可能導(dǎo)致壓力瞬間降至極低（跳到最小值）。十、什么是開方運(yùn)算：開方運(yùn)算是指求一個數(shù)的平方根的數(shù)學(xué)運(yùn)算。在儀表中，通常指對輸入信號的平方值進(jìn)行開方處理。為什么流量測量要對差壓信號進(jìn)行開方處理：差壓式流量計(jì)（如孔板、噴嘴、文丘里管）的流量與節(jié)流裝置前后的差壓平方根成正比關(guān)系，即Q∝√ΔP。根據(jù)伯努利原理推導(dǎo)出的流量計(jì)算公式（如ISO5167標(biāo)準(zhǔn)）也基于差壓的平方根。因此，為了使變送器的輸出信號能夠準(zhǔn)確反映流量的大小，需要對輸入的差壓信號進(jìn)行開方運(yùn)算。例如，如果差壓信號采用4-20mA標(biāo)準(zhǔn)信號，開方后的信號（理論上）也應(yīng)在對應(yīng)的4-20mA范圍內(nèi)變化，從而實(shí)現(xiàn)流量與信號的線性關(guān)系，便于后續(xù)顯示、記錄和控制系統(tǒng)讀取。十一、斷路故障與短路故障區(qū)別：*斷路故障（OpenCircuit）：指電路中某一部分的連接被中斷，導(dǎo)致電流無法正常流通。在儀表線路中表現(xiàn)為：電壓表能測到接近電源電壓，但電流表讀數(shù)接近于零，或電路所連接的設(shè)備（如燈泡、繼電器線圈）不工作。*短路故障（ShortCircuit）：指電路中兩個或多個本不應(yīng)直接連接的點(diǎn)和點(diǎn)之間，通過阻抗很小的路徑（導(dǎo)線、接地點(diǎn)等）連接在一起。在儀表線路中表現(xiàn)為：電流急劇增大（可能超過儀表或電源的承受能力），導(dǎo)致熔斷器燒斷或電源燒毀；電壓在短路點(diǎn)附近幾乎為零。使用萬用表初步判斷：1.測電阻（斷電操作）：*測量疑似斷路的兩點(diǎn)電阻，如果電阻無窮大（或接近無窮大），則可能存在斷路。*測量疑似短路的兩個點(diǎn)之間的電阻，如果電阻非常?。ń咏诹悖瑒t可能存在短路。*注意：必須先斷開電源再測電阻！2.測電壓（帶電操作，注意安全?。?在電源開關(guān)合上、電路帶電的情況下，測量關(guān)鍵點(diǎn)的電壓。如果某段電路的電壓與預(yù)期不符（例如，本應(yīng)有電壓但測得接近零，或電壓遠(yuǎn)高于正常值），可能存在斷路或短路。但這需要結(jié)合電路知識進(jìn)行判斷，誤判風(fēng)險(xiǎn)較高。3.測電流（需斷電接線，注意安全?。?如果條件允許且安全，可以將萬用表串入電路中測量電流。如果電流異常增大或?yàn)榱悖梢耘袛啻嬖诙搪坊驍嗦?。但這通常需要斷電并正確連接電流表。十二、什么是LOTO（Lockout/Tagout）：LOTO（鎖定/掛牌）是一種安全程序，旨在通過上鎖和/或掛牌的方式，確保在維護(hù)、修理、保養(yǎng)或檢查過程中，被操作的設(shè)備或系統(tǒng)不會意外地被意外地energized（通電）、激活、移動、投入運(yùn)行或釋放能量，從而保護(hù)作業(yè)人員的安全。重要性體現(xiàn)：1.防止意外啟動：確保在維修期間，設(shè)備（如泵、閥門、電機(jī)）或系統(tǒng)（如管道、容器）不會因?yàn)槿藶槭д`或他人誤操作而意外啟動或恢復(fù)能源供應(yīng)，避免造成人員傷害。2.防止能量釋放：防止存儲在設(shè)備或系統(tǒng)中的能量（如壓力、溫度、化學(xué)能、動能、勢能）意外釋放，可能導(dǎo)致爆炸、燙傷、中毒、高壓噴出等事故。3.保障作業(yè)安全：為維修人員提供一個明確、標(biāo)準(zhǔn)化的安全程序，減少因能量意外釋放導(dǎo)致的事故風(fēng)險(xiǎn)，保障維修人員的人身安全。4.明確責(zé)任：LOTO程序明確了能量隔離、上鎖、檢查等步驟和責(zé)任人，有助于明確安全責(zé)任。5.符合法規(guī)要求：在許多國家和地區(qū)，實(shí)施LOTO程序是法律法規(guī)的強(qiáng)制要求，是企業(yè)必須遵守的安全標(biāo)準(zhǔn)。十三、控制方案：對于精餾塔塔頂壓力需要精確控制，且要求波動范圍小的場合，最常用的控制方案是前饋+反饋（或稱為前饋補(bǔ)償+反饋控制）的控制方案。設(shè)計(jì)關(guān)鍵因素：1.測量點(diǎn)選擇：壓力測量點(diǎn)應(yīng)盡可能靠近塔頂，以準(zhǔn)確反映塔頂壓力的變化，并減少測量滯后。2.控制閥選擇：控制閥通常選擇安裝在回流罐的壓力調(diào)節(jié)閥上，通過調(diào)節(jié)回流量來控制塔頂壓力。有時也會考慮調(diào)節(jié)塔頂采出量（通過采出調(diào)節(jié)閥），但這通常需要更復(fù)雜的邏輯。回流閥是主要的控制手段。3.前饋補(bǔ)償（可選但推薦）：如果影響塔頂壓力的主要干擾是進(jìn)料流量或進(jìn)料成分/溫度的變化，可以通過安裝流量變送器或成分/溫度變送器，將測量值作為前饋信號，與壓力反饋信號一起送入控制器。這樣可以更快地響應(yīng)主要干擾，提高控制品質(zhì)，減少反饋控制器的超調(diào)和波動。4.反饋控制器（PID）：使用PID控制器作為反饋環(huán)節(jié)，根據(jù)塔頂實(shí)際壓力與設(shè)定值的偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)。PID參數(shù)（Kp,Ti,Td）需要根據(jù)系統(tǒng)特性和要求進(jìn)行整定，以達(dá)到快速、準(zhǔn)確、無超調(diào)的控制效果。5.系統(tǒng)滯后：需要考慮壓力測量滯后、控制閥響應(yīng)滯后、物料傳遞滯后等，在整定PID參數(shù)時需要予以補(bǔ)償。6.干擾分析：分析影響塔頂壓力的主要干擾因素有哪些（如進(jìn)料流量、進(jìn)料壓力、進(jìn)料溫度、回流流量、ambienttemperature等），并考慮如何通過控制策略或輔助手段來抑制干擾。7.安全聯(lián)鎖：可能需要設(shè)置相關(guān)的安全聯(lián)鎖，例如，當(dāng)壓力過高或過低時自動切斷進(jìn)料或啟動應(yīng)急預(yù)案。十四、什么是儀表的量程比（TurndownRatio）：量程比是指儀表能正常測量的大值范圍與小值范圍之比。對于測量范圍從Min到Max的儀表，量程比（TR）定義為：TR=(Max-Min)/(Max-Reading)（Reading為儀表讀數(shù)）或者更常用的定義是最大量程與最小量程之比：TR=(測量上限/測量下限)例如，一個量程為0-100°C的儀表，其量程比就是無窮大。一個量程為50-150°C的儀表，其量程比是150/50=3。對于0-5V的電壓表，其量程比也是無窮大。選擇合適量程比的重