SEVENTH EDITION S
Thomas A. Weedon Philip Kirk Franklyn W. Kirk
Instrumentation and Process Control Workbook contains procedures commonly practiced in industry and the trade. Specific procedures vary with each task and must be performed by a qualified person. For maximum safety, always refer to specific manufacturer recommendations, insurance regulations, specific job site and plant procedures, applicable federal, state, and local regulations, and any authority having jurisdiction. The material contained herein is intended to be an educational resource for the user. American Technical Publishers assumes no responsibility or liability in connection with this material or its use by any individual or organization.
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© 2019 by American Technical Publishers All rights reserved 7 8 9 – 19 – 9 8 7 6 5 4 3 2 1 Printed in the United States of America ISBN 978-0-8269-3447-5
This book is printed on recycled paper.
INTRODUCTION TO INSTRUMENTATION Chapter 1—Instrumentation Overview Review Questions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Activity 1-1 Fractions and Decimals. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Activity 1-2 Calculation Order and Rearranging Equations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Activity 1-3 Scientific Notation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Activity 1-4 Interpolation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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Chapter 2—Fundamentals of Process Control Review Questions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 Activity 2-1 Dynamic Characteristics. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 Chapter 3—Piping and Instrumentation Diagrams Review Questions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 Activity 3-1 Symbol Identification. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 TEMPERATURE MEASUREMENT Chapter 4—Temperature, Heat, and Energy Review Questions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 Activity 4-1 Temperature Conversions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 Activity 4-2 Heat Capacity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 Chapter 5—Thermal Expansion Thermometers Review Questions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 Activity 5-1 Heat Transfer. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 Activity 5-2 Steam Tables. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 Chapter 6—Electrical Thermometers Review Questions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Activity 6-1 Thermocouple Voltages. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Activity 6-2 Thermocouple Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Activity 6-3 RTD Tables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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Chapter 7—Infrared Radiation Thermometers Review Questions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 Activity 7-1 Background Temperature Effects. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 Chapter 8—Practical Temperature Measurement and Calibration Review Questions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Activity 8-1 Thermocouple Calibration. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Activity 8-2 RTD Bridge Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Activity 8-3 Instrument Connections. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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PRESSURE MEASUREMENT Chapter 9—Pressure Review Questions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Activity 9-1 Hydraulic Systems. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Activity 9-2 Hydrostatic Pressure. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Activity 9-3 Friction Losses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Activity 9-4 Absolute, Gauge, and Vacuum Pressures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Activity 9-5 Pressure Conversions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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Chapter 10—Mechanical Pressure Instruments Review Questions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 Activity 10-1 Reading Manometers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 Chapter 11—Electrical Pressure Instruments Review Questions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 Chapter 12—Practical Pressure Measurement and Calibration Review Questions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Activity 12-1 Purging Systems. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Activity 12-2 Elevation Changes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Activity 12-3 Manometer Fluids. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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LEVEL MEASUREMENT Chapter 13—Mechanical Level Instruments Review Questions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 Activity 13-1 Gauge Glasses. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 Activity 13-2 Bubblers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 Chapter 14—Electrical Level Instruments Review Questions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 Activity 14-1 Induction Relays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 Activity 14-2 Condensate Level Control. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 Chapter 15—Ultrasonic, Radar, and Laser Level Instruments Review Questions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 Activity 15-1 Radar Instruments. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 Chapter 16—Nuclear Level Instruments and Weigh Systems Review Questions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 Activity 16-1 Load Cells. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 Chapter 17—Practical Level Measurement and Calibration Review Questions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Activity 17-1 Load Cell Calibration. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Activity 17-2 Load Cell Corrections. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Activity 17-3 Differential Pressure Cell Calibration. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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FLOW MEASUREMENT Chapter 18—Fluid Flow Review Questions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Activity 18-1 Flow Rate Conversions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Activity 18-2 Volumetric Flow. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Activity 18-3 Reynolds Number. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Activity 18-4 Gas Laws . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Activity 18-5 Compressed Air . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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Chapter 19—Differential Pressure Flowmeters Review Questions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Activity 19-1 Pressure Drops. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Activity 19-2 Correction Factors. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Activity 19-3 Flow Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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Chapter 20—Mechanical Flowmeters Review Questions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 Activity 20-1 Rotameter Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 Activity 20-2 Paddle Wheel Meter Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 Chapter 21—Magnetic, Ultrasonic, and Mass Flowmeters Review Questions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 Activity 21-1 Magnetic Flowmeter Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 Activity 21-2 Vortex Shedding Meter Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
Chapter 22—Practical Flow Measurement Review Questions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 ANALYZERS Chapter 23—Gas Analyzers Review Questions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 Activity 23-1 Thermal Conductivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 Chapter 24—Humidity and Solids Moisture Analyzers Review Questions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Activity 24-1 Psychrometric Charts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Activity 24-2 Humidification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Activity 24-3 Dehumidification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Activity 24-4 Calibration. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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Chapter 25—Liquid Analyzers Review Questions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Activity 25-1 Specific Gravity Corrections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Activity 25-2 Specific Gravity Measurement. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Activity 25-3 Viscosity Conversions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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Chapter 26—Electrochemical and Composition Analyzers Review Questions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Activity 26-1 Conductivity. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Activity 26-2 Concentration Limits. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Activity 26-3 Conductivity Cell Constants. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Activity 26-4 Acid/Base Neutralization. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Activity 26-5 Wastewater Treatment. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Activity 26-6 Buffered pH Neutralization. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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POSITION MEASUREMENT Chapter 27—Mechanical and Proximity Switches Review Questions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141 Chapter 28—Practical Position Measurement Review Questions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143 Activity 28-1 Activating Frequency. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 Activity 28-2 Proximity Switch Mounting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 Integrated Activities Pyrometers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Differential Pressure Cells. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Level Scale for Weight. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Compressor Capacity. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Differential Pressure. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Troubleshooting Photoelectric Sensors. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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TRANSMISSION AND COMMUNICATION Chapter 29—Transmission Signals Review Questions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Activity 29-1 Analog Electric Signal Conversions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Activity 29-2 Transmission and Measurement Values . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Activity 29-3 Current to Voltage Conversions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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Chapter 30—Digital Numbering Systems and Codes Review Questions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163 Activity 30-1 Number Conversions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165 Chapter 31—Digital Communications Review Questions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Activity 31-1 Network Configurations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Activity 31-2 Digital Circuits. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Activity 31-3 Series Circuits. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Activity 31-4 Digital Wiring. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
167 169 170 171 172
Chapter 32—Industrial Networks Review Questions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173 Activity 32-1 Fieldbus. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175 Activity 32-2 Digital Wiring. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176 Chapter 33—Wireless Systems Review Questions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177 Chapter 34—Practical Transmission and Communication Review Questions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179 Activity 34-1 Allowable Loop Impedance. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181 AUTOMATIC CONTROL Chapter 35—Automatic Control and Process Dynamics Review Questions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Activity 35-1 Gravity Tank Outflow. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Activity 35-2 Pumped Tank Outflow. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Activity 35-3 First-Order Response . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Activity 35-4 Open Loop Transient Response . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Activity 35-5 Controller Actions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
183 186 187 188 190 192
Chapter 36—Control Strategies Review Questions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Activity 36-1 ON/OFF Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Activity 36-2 Proportional Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Activity 36-3 PI Open Loop Response. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Activity 36-4 PD Open Loop Response. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Activity 36-5 PID Open Loop Response. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
195 197 199 200 201 203
Chapter 37—Controller Tuning Review Questions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Activity 37-1 One-Quarter Decay Ratio. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Activity 37-2 Controller Tuning. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Activity 37-3 Ziegler-Nichols Closed Loop Tuning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Activity 37-4 Ziegler-Nichols Open Loop Tuning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
205 207 208 209 210
Chapter 38—Digital and Electric Controllers Review Questions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211 Activity 38-1 PLC Troubleshooting. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213 FINAL ELEMENTS Chapter 39—Hydraulic Analysis Review Questions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Activity 39-1 Affinity Laws . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Activity 39-2 Pump Performance Curves. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Activity 39-3 Hydraulic Analyses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
215 217 218 219
Chapter 40—Control Valves Review Questions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Activity 40-1 Flow Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Activity 40-2 Valve Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Activity 40-3 Valve Sizing. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Activity 40-4 Valve Noise. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Activity 40-5 Sliding Stem and Rotary Valves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
221 223 224 225 226 227
Chapter 41—Selection and Sizing of Control Valves Review Questions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Activity 41-1 Linear Control Valves. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Activity 41-2 Equal-Percentage Control Valves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Activity 41-3 Balanced-Plug, Equal-Percentage Control Valves. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
229 231 232 233
Chapter 42—Regulators and Dampers Review Questions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235 Activity 42-1 Regulator Sizing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237 Chapter 43—Actuators and Positioners Review Questions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Activity 43-1 Throttling Actuators. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Activity 43-2 Solenoid Sizing. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Activity 43-3 ON/OFF Actuators. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Activity 43-4 Solenoid Selection. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Activity 43-5 Pneumatic Systems. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Activity 43-6 Air Drying. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
239 241 244 245 247 248 249
Chapter 44—Variable-Speed Drives and Electric Power Controllers Review Questions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251 Activity 44-1 Drive Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253 SAFETY SYSTEMS Chapter 45—Safety Devices and Equipment Review Questions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Activity 45-1 Worst-Case Scenarios. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Activity 45-2 Relief Requirements—Air . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Activity 45-3 Relief Requirements—Steam . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Activity 45-4 Relief Requirements—LPG. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Activity 45-5 Relief Requirements— Atmospheric Storage Tank. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Activity 45-6 Safety Valve Selection—Air. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Activity 45-7 Safety Valve Selection—Steam. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Activity 45-8 Safety Valve Selection—LPG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Activity 45-9 Safety Valve Selection—Atmospheric Storage Tank. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Activity 45-10 Alarms. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Activity 45-11 Rupture Disc Selection—Steam . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
255 257 259 260 261 263 265 266 267 268 269 271
Chapter 46—Electrical Safety Standards Review Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273 Activity 46-1 Hazardous Atmospheres. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275 Activity 46-2 Purged Cabinets. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276
Chapter 47—Safety Instrumented Systems Review Questions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277 PROCESS CONTROL APPLICATIONS Chapter 48—General Control Techniques Review Questions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Activity 48-1 Split Range Valves—Fail-Safe Actions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Activity 48-2 Split Range Valves—Compressor Discharge Vent . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Activity 48-3 Split Range Valves—Flow Splitting. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Activity 48-4 High and Low Switches—Precision Throttling. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Activity 48-5 Cascade Control—Distillation Column . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
279 281 282 283 284 285
Chapter 49—Temperature Control Review Questions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287 Activity 49-1 Cascade Control—Reactor Temperature Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289 Chapter 50—Pressure and Level Control Review Questions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291 Activity 50-1 High and Low Switches—Transfer of Pressure Control. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293 Activity 50-2 Level Min/Max Control. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294 Chapter 51—Flow Control Review Questions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Activity 51-1 Chlorine Flow Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Activity 51-2 Lead-Lag Air-Fuel Ratio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Activity 51-3 Flow Ratio Control Scales. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Activity 51-4 Flow Ratio Control Diagrams. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
295 297 299 301 302
Chapter 52—Analysis and Multivariable Control Review Questions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303 Activity 52-1 High and Low Switches—Flow and Pressure Control. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305 Integrated Activities Loop Power Supplies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Programming Controllers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Piping Resistance. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Hazardous Area Wiring. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Chlorine Vaporizer Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
307 308 312 314 315
APPENDIX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317
Instrumentation and Process Control Workbook is designed to reinforce the concepts, provide applications, and test for the comprehension of the material presented in Instrumentation and Process Control__________. The workbook closely parallels the organization of the textbook. Each part is divided into chapters with questions and activities that review and supplement the concepts presented in that chapter of the textbook.
Review Questions The workbook contains 52 sets of Review Questions. Review Questions consist of multiple choice, true-false, and/or completion questions that are based on the text and art in the corresponding chapter and part of Instrumentation and Process Control. Activities The workbook contains 134 Activities developed from the 52 chapters in the textbook. Activities provide opportunities to apply the concepts and theory of each chapter in the textbook to practical problems. See the Instrumentation and Process Control Workbook Table of Contents for a complete listing of Activities. Integrated Activities The workbook contains 11 Integrated Activities. The Integrated Activities provide the opportunity for the learner to combine ideas and concepts from several chapters of the textbook into one activity. The Integrated Activities help develop the higher-level analysis and problem-solving skills required in today’s workplace. Appendix The Appendix contains charts and tables for use with the Activities. See the Appendix Table of Contents for a complete listing of the charts and tables in the Appendix. Related Information Information presented in Instrumentation and Process Control and Instrumentation and Process Control Workbook addresses common instrumentation topics. Additional information related to instrumentation is available in other ATP products. To obtain information about these products, visit the ATP website at atplearning.com.