化工儀表及自動化實驗講義.doc

化工自動化及儀表實 驗 講 義程萬里 編過程裝備與控制工程教學組2002.9目 錄實驗須知實驗一 熱電偶溫度計的使用實驗二 電動溫度變送器的調(diào)整和使用實驗三 電子電位計的校驗實驗四 溫度控制系統(tǒng)實驗（一）實驗五 溫度控制系統(tǒng)實驗（二）實 驗 須 知1 必須自始自終以認真和科學態(tài)度進行實驗。2 實驗課不能遲到，實驗期間不得擅自離開崗位。3 切實注意安全，不得穿背心和拖鞋進入實驗室。在連接線路時應先切斷電源，不許帶電操作。4 為了順利地進行實驗和取得好的實驗效果，必須認真預習，寫出預習報告，若指導教師發(fā)現(xiàn)有同學尚未預習，則不準其參加實驗。5 實驗中如發(fā)生異?，F(xiàn)象或事故，必須立即切斷電源，并保持現(xiàn)場，即及時報告教師，共同處理。6 要愛護公物，不得擅自拆開儀器儀表，非本實驗儀器設備不得隨便動用。7 實驗完成后，應切斷電源，整理好一切儀器設備，并把原始記錄交教師簽字，經(jīng)允許后方可離開實驗。8 實驗后，每人應獨立完成實驗報告，報告與原始記錄均按教師規(guī)定的時間上交。實 驗 一熱電偶溫度計的使用一實驗目的：1掌握熱電偶與動圈儀的配套連接，測溫方法及外阻影響。2掌握熱電偶配手動電位計的測溫方法。3掌握熱電偶冷端溫度影響及補償方法。二實驗儀器：1 管狀電爐2 自耦變壓器（帶電流表）3 廣口保溫瓶4 動圈儀5 熱電偶6 接線板（帶調(diào)整電阻）7 手動電位差計8 30cm不銹鋼直尺三實驗內(nèi)容（一）熱電偶配手動電位差計測溫：1按圖1-1接線，注意極性是否接對，接點是否牢固等。為保持熱電偶冷端溫度為零度，將熱電偶冷端放置保溫瓶中內(nèi)冰水混合物中。 圖1-1 熱電偶溫度計接線圖2把雙向開關(guān)打向手動電位差計進行測溫。3手動電位差計使用方法：首先調(diào)整檢流計的機械零點，其次把手動電位差計的雙向開關(guān)打向并按住在“校正”位置，調(diào)整“工作電流”電位器，使檢流計電流為零，然后把雙向開關(guān)打向“測量（或未知）”位置，即可進行測量。注意：手動電位差計的雙向開關(guān)在每一次測量完后，應置于中間位置，以減少干電池的耗電量。4短接調(diào)整電阻，再測一次爐溫，以考察外阻對手動電位差計測溫的影響。（二）熱電偶配動圈儀測溫：1把雙向開關(guān)打向動圈儀進行測溫。2調(diào)整儀表零點為零度，由于本實驗中熱電偶的冷端溫度也為零度，這樣動圈儀指示的溫度就是電爐溫度。3短接調(diào)整電阻，再測一次爐溫，以考察外阻對動圈儀測溫的影響。（三）在測溫點相同的條件下，同時用手動電位差計和動圈儀對爐溫進行測量，將兩個測量結(jié)果進行比較。（四）改變測溫點，重復（三），將電爐內(nèi)的溫度分布得到。測溫點數(shù)不少于10個。四實驗報告1 實驗數(shù)據(jù)記錄及處理動圈儀分度號 量程 精度 室溫 測溫點距離（cm）測溫儀表外阻（）讀 數(shù)mV1手 動電位差計150動圈儀1502畫出熱電偶配動圈儀和手動電位差計的接線圖。3從實驗結(jié)果討論熱電偶測量線路電阻的大小對于用動圈儀測量時如何影響，對于電位差計又是如何影響。4利用電位差計測得的熱電勢列式計算電爐溫度，并與動圈儀指示值進行比較，如有差別，哪一個測量結(jié)果更為準確？5繪制電爐的溫度分布曲線。6問題討論：（1） 熱電偶和動圈儀、手動電位差計配套使用時應注意哪些問題？（2） 熱電偶的補償導線極性接錯時，測量時會發(fā)生何種現(xiàn)象？（3） 試分析動圈儀、手動電位差計與熱電偶配套使用時哪一個精度高。實 驗 二電動溫度變送器的調(diào)整和使用一 實驗目的：1 了解電動溫度變送器的結(jié)構(gòu)，2 學會電動溫度變送器與不同檢測元件的配套使用，3 掌握零點遷移和量程調(diào)整的方法。二 實驗儀器：1 DWB型電動溫度變送器（DDZ儀表）2 ZX32型電阻想箱3 0.5級直流毫安表4 手動電位差計5 冷端溫度補償電阻三 實驗內(nèi)容和步驟：（一）溫度變送器配熱電阻時的調(diào)整和使用要求：配用Cu50熱電阻，按測溫范圍050調(diào)整1 接線（見圖2-2）：用電阻箱代替熱電阻，注意三線制接法，即電阻箱圖2-1 測量橋路要接出三根線，端子的接法由遷移電阻Rx決定，在變送器的輸出端子間串入一個1.5K的電阻和一臺毫安表。（1） 遷移電阻Rx的計算： 因為當熱電阻的阻值為量程下限值Rtmin時，橋路輸出電壓e=0，從而可由下式計算遷移電阻Rx e=0.5(Rtmin-Rx)=0 Rx=Rtmin(2)由上式計算的Rx值決定端子的接法 Rx=050接且短路 Rx=50100接 Rx=100200接 圖2-2 配熱電阻時的接線圖2將“檢查工作”開關(guān)置于“檢查”位置，此時儀表輸出電流應在46mA范圍內(nèi)，說明儀表工作正常，然后把開關(guān)放置“工作”位置，否則請指導老師處理。3由相應的熱電阻分度表，查得相應于上、下限溫度的阻值Rtmin、Rtmax，則熱電阻上、下限阻值差Rmax=Rtmax-Rtmin4調(diào)整（1） 調(diào)整零點遷移：使電阻箱的電阻值為Rtmin+10Rmax，儀表應有1mA輸出，如不在1mA，調(diào)整“零點遷移”電位器W2（W3不能調(diào)）。（2） 調(diào)量程：使電阻箱的電阻值為Rtmin+90Rmax，儀表應有9mA輸出，如不在9mA，調(diào)整“量程”電位器W1。（3） 反復步驟（1）、（2），直到同時滿足兩項要求為止。5讀出當輸出電流為5mA時的電阻箱的數(shù)值，并查出相應的溫度值。（二）溫度變送器配熱電偶時的調(diào)整和使用要求：配用K分度號的熱電偶，按測溫范圍600800調(diào)整1接線（見圖2-3）（1） 端補償電阻（K熱電偶RCu 20=20.16），（2） 手動電位差計代替熱電偶輸出毫伏信號，（3） 子的接法由遷移電阻Rx決定，按下式計算，端子的連接方式同（一）， e=E(tmin，20)+0.5（RCu 20-Rx）=0 Rx= tmin量程的下限溫度圖2-3 配熱電偶時的接線圖2 檢查工作”開關(guān)置于“檢查”位置，此時儀表輸出電流應在46mA范圍內(nèi)，說明變送器工作正常，然后把開關(guān)置回“工作”位置，否則請指導老師處理。3調(diào)整（1）調(diào)整零點遷移：用手動電位差計加入E(tmin，t 0)+ 10E(tmax，tmin)，調(diào)整“零點遷移”電位器W2使毫安表指示1mA輸出（W3不能調(diào)）。tmax量程的上限溫度。t 0熱電偶的冷端溫度（可用實驗室的室溫）。（2） 調(diào)量程：用手動電位差計加入E(tmin，t 0)+ 90E(tmax，tmin)，調(diào)整“量程”電位器W1使毫安表指示9mA。（3） 反復步驟（1）、（2），直到同時滿足兩項要求為止。4讀出當輸出電流為5mA時的手動電位差計的讀數(shù)，并計算相應的溫度值。四 實驗報告1 零點遷移電阻Rx的計算和端子接法的判定。2 畫出實驗裝置的接線原理圖。3 熱電阻和熱電偶溫度變送器輸出為5mA時相應的溫度值，若測量值與實際值有誤差，試分析原因。實 驗 三電子電位差計的校驗一實驗目的：1 熟悉自動電子電位差計的結(jié)構(gòu)和校驗方法。2 掌握自動電子電位差計的使用方法和冷端自動補償?shù)淖饔谩? 了解熱電偶線路可能出現(xiàn)的故障和檢查方法。二實驗儀器：1 自動電子電位差計2 玻璃溫度計3 手動電位差計三實驗內(nèi)容與步驟：1 詳細觀察自動電子電位差計的結(jié)構(gòu)，包括測量橋路、放大器、可逆電機和指示記錄機構(gòu)。2 指示值的校驗：首先應對儀表零點和滿刻度點進行校驗，待調(diào)整并達到規(guī)定要求（誤差在刻度面板上所示精度范圍內(nèi)）后，再校驗其它刻度。 零點不合格，可調(diào)起始微調(diào)電阻RG。 量程不合格，可調(diào)量程微調(diào)電阻RM。（RG，RM本實驗不調(diào)整） 指示誤差的測定是用標準電位差計給被校表加入適當?shù)碾妱荩╩V），使指針與被校點刻度線重合，從標準電位差計讀出加入的電勢值（E示），與被校點相對應的電勢值（E刻，由被校儀表配用的熱電偶的分度表查得）相比較計算出校驗點上的指示誤差。 本實驗線路見下圖： 其指示誤差按下式計算： =指示誤差e 補償電阻處溫度（即室溫）相對應的電勢值E上限相對應的電勢值E下限相對應的電勢值3 不靈敏區(qū)（即變差）的校驗：儀表的不靈敏區(qū)指在輸入信號增大（正向）和減小（反向）時在同一被?？潭染€上輸入信號實際值之差值，其數(shù)值可按下式計算：= 儀表的變差不應超出儀表的允許誤差，但過小也應避免。因為此時會產(chǎn)生儀表指針抖動或擺動不休的現(xiàn)象，無法準確指示記錄，而不靈敏區(qū)太大時，對小信號沒有反應，誤差增大。為獲得所需的儀表不靈敏區(qū)的大小，可旋轉(zhuǎn)放大器的靈敏度調(diào)節(jié)旋鈕，以改變放大器的增益，即靈敏度高，不靈敏區(qū)就小，反之亦然。4熱電偶線路可能出現(xiàn)的故障分別將熱電偶信號短路、斷開、反接，注意觀察電子電位差計的指針變化情況，從而學會判斷和排除熱電偶溫度計常見故障。5考察量程電阻RM及起始電阻RG對量程和起點的影響：用一電阻與RM并聯(lián)使量程電阻減小，觀察儀表指針的變化，并判斷量程的變化趨勢；用同一方法也可考察RG變化對起點的影響。五 實驗報告1數(shù)據(jù)處理熱電偶分度號 儀表量程 精度 室溫t0 E(tmax，tmin)= 校驗點（）E刻（mV）E示（mV）誤 差 正行程反行程E刻-E示-e (mV)變差（mV）正行程反行程tmintmax注意：確定精度只需計算最大一點誤差即可。2結(jié)論1 計算被校電子電位差計的誤差和變差，從而確定其精度是否合格。2 故障現(xiàn)象分析與結(jié)論。3 討論RM與RG減小對量程與起點的影響。4 校驗裝置中標準電位差計與被校電位差計的連線為何用普通導線？是否可用補償導線？實 驗 四溫度控制系統(tǒng)（一）一實驗目的：1 了解溫度控制系統(tǒng)的組成環(huán)節(jié)和各環(huán)節(jié)的作用。2 觀察比例、積分、微分控制規(guī)律的作用，并比較其余差及穩(wěn)定性。3 觀察比例度、積分時間TI、微分時間TD對控制系統(tǒng)（閉環(huán)特性）控制品質(zhì)的影響。二溫度控制系統(tǒng)的組成：電動溫度控制系統(tǒng)是過程控制系統(tǒng)中常見的一種，其作用是通過一套自動控制裝置，見圖4-1，使爐溫自動維持在給定值。 圖4-1 溫度控制系統(tǒng)爐溫的變化由熱電偶測量，并通過電動溫度變送器轉(zhuǎn)化為DDZ-型表的標準信號010mA直流電流信號，傳送到電子電位差計XWC進行記錄，同時傳送給電動控制器DTL，控制器按偏差的大小、方向，通過預定控制規(guī)律的運算后，輸出010mA直流電流信號給可控硅電壓調(diào)整器ZK-50，通過控制可控硅的導通角，以調(diào)節(jié)加到電爐（電烙鐵）電熱元件上的交流電壓，消除由于干擾產(chǎn)生的爐溫變化，穩(wěn)定爐溫，實現(xiàn)自動控制。三實驗內(nèi)容與步驟：（一）觀察系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的結(jié)構(gòu)、型號、電路的連接，熟悉可控硅電壓調(diào)整器和電動控制器上各開關(guān)、旋鈕的作用。（二）控制系統(tǒng)閉環(huán)特性的測定： 在以下實驗中使用的1 ，2 ，TI 1，TI 2 ，TD1 的具體數(shù)值由各套實驗裝置具體提供。1 觀察比例與積分控制規(guī)律的作用（1） 考察比例作用將置于某值1 ，記住旋鈕在1的位置 ， 積分時間置最大（TI =max），微分開關(guān)切向0，將干擾開關(guān)從“短”切向“干擾”，產(chǎn)生一個階躍干擾（此時為反向干擾），同時在記錄儀的記錄線上作一記號，以記錄階躍干擾加入的時刻，觀察并記錄在純比例作用下達到穩(wěn)定的時間及余差大小。（2） 考察積分作用保持=1不變，置TI =TI 1，同時在記錄儀的記錄線上作一記號，以記錄積分作用加入的時刻，注意觀察積分作用如何消除余差，直到過程基本穩(wěn)定。2 觀測PI控制作用下的過渡過程保持1，TI 1不變，將干擾開關(guān)從“干擾”切向“短”，產(chǎn)生一個正向階躍干擾，觀察過渡過程到基本穩(wěn)定。3 考察對余差的影響置=2 ，TI =max ，將干擾開關(guān)從“短”切向“干擾”，產(chǎn)生一個反向階躍干擾，同時在記錄儀的記錄線上作一記號，以記錄階躍干擾加入的時刻，觀察并記錄在純比例作用下達到穩(wěn)定的時間及余差大小。 并與1（1）中=1 時的余差相比較。再加入積分作用TI =TI 1 以消除余差直到過程基本穩(wěn)定。4 考察TI 對過渡過程的影響置=1 ，TI =TI 2 ，將干擾開關(guān)從“干擾”切向“短”，產(chǎn)生一個正向階躍干擾，同時在記錄儀的記錄線上作一記號，以記錄階躍干擾加入的時刻，觀察過渡過程到基本穩(wěn)定，并與2中的實驗結(jié)果進行比較，以了解TI 對過渡過程的影響。注意：要在同樣條件下才能進行比較，即旋鈕的位置要與2中的位置完全一致，才能保證此時的1 與2中的1 是相等的5 觀測PID控制作用下的過渡過程保持=1 ，TI =TI 2 不變，置TD=TD1 ，微分開關(guān)切向D ，將干擾開關(guān)從“短”切向“干擾”，等待過程穩(wěn)定后，同時在記錄儀的記錄線上作一記號，以記錄階躍干擾加入的時刻，觀察過渡過程，并與PI控制作用下的過渡過程進行比較。6 考察對穩(wěn)定性的影響將減小到1， TI =max，微分開關(guān)切向0，觀察過渡過程波動曲線。四實驗報告1 由實驗結(jié)果討論比例、比例積分、比例積分微分控制規(guī)律的作用，比較余差及穩(wěn)定2 分析不同的、TI 、TD 對過渡過程的影響。實 驗 五溫度控制系統(tǒng)（二）一實驗目的：1 了解簡單控制系統(tǒng)的投運過程。2 熟悉控制器參數(shù)整定的方法及過程。二溫度控制系統(tǒng)的組成：電動溫度控制系統(tǒng)是過程控制系統(tǒng)中常見的一種，其作用是通過一套自動控制裝置，見圖5-1，使爐溫自動維持在給定值。 圖5-1 溫度控制系統(tǒng)爐溫的變化由熱電偶測量，并通過電動溫度變送器轉(zhuǎn)化為DDZ-型表的標準信號010mA直流電流信號，傳送到電子電位差計XWC進行記錄，同時傳送給電動控制器DTL，控制器按偏差的大小、方向，通過預定控制規(guī)律的運算后，輸出010mA直流電流信號給可控硅電壓調(diào)整器ZK-50，通過控制可控硅的導通角，以調(diào)節(jié)加到電爐（電烙鐵）電熱元件上的交流電壓，消除由于干擾產(chǎn)生的爐溫變化，穩(wěn)定爐溫，實現(xiàn)自動控制。三實驗內(nèi)容及步驟：(一)控制系統(tǒng)的投運1 控制器的手動自動開關(guān)置于“手動” ，偏差平衡開關(guān)置于“偏差”，內(nèi)外給定開關(guān)置于“內(nèi)” , 正反作用開關(guān)置于“反”，=50，TI =50秒，TD=30秒，微分開關(guān)切向02 可控硅電壓調(diào)整器的手動自動開關(guān)置于“自動”，干擾開關(guān)置“短”位置。3 手動遙控撥動控制器的手操撥盤進行手動遙控，改變控制器的輸出，調(diào)整可控硅電壓調(diào)整器的輸入信號，遙控加在電爐上的加熱電壓，使爐溫穩(wěn)定在給定值（例如300）4 手動自動無擾動切換調(diào)節(jié)給定值撥盤，使偏差為零，將手動自動開關(guān)切向“自動”，觀察輸出小表是否有變化，并將微分開關(guān)切向D。（