儀表自動控制實(shí)驗(yàn)報(bào)告..

1、化工專業(yè)實(shí)驗(yàn)報(bào)告實(shí)驗(yàn)名稱： 儀表自動控制 實(shí)驗(yàn)人員： 吳志尚 同組人： 吳思、吳迪 實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)：天大化工技術(shù)實(shí)驗(yàn)中心 302 室實(shí)驗(yàn)時間： 2016年4月18日 班級/學(xué)號：2014級 化工1班 2組 3014207025 指導(dǎo)教師： 郭紅宇 實(shí)驗(yàn)成績： 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、 學(xué)習(xí)AI型控制儀表的使用和接線，了解該類型儀表的控制原理。2、 學(xué)習(xí)溫度傳感器的分類和選型原則、學(xué)習(xí)補(bǔ)償導(dǎo)線和熱電偶的連接。3、 學(xué)習(xí)控溫儀表各控制參數(shù)的意義和使用設(shè)置。4、 學(xué)習(xí)交流接觸器、電子繼電器的原理和連線使用。5、 學(xué)習(xí)用儀表來進(jìn)行反應(yīng)器的控溫和測溫電路連接和操作。6、 通過對不同電路的調(diào)試和數(shù)據(jù)測量，初步掌握儀表自

2、控技術(shù)。二、實(shí)驗(yàn)原理空格儀表自動控制在現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中是極其重要的，它可以減少大量的手工操作，尤其是在化工生產(chǎn)和實(shí)驗(yàn)中使操作人員遠(yuǎn)離工作條件惡劣、危險(xiǎn)的環(huán)境，還可以使大量的重復(fù)性、簡單的手工操作由儀器儀表自動控制裝置完成。并可在極大的程度上提高實(shí)驗(yàn)和工業(yè)生產(chǎn)上的操作精度及數(shù)據(jù)測量的準(zhǔn)確性，可完成數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸?？崭駸犭娕迹═hermocouple）是根據(jù)熱電效應(yīng)測量溫度的傳感器，是溫度測量儀表中常用的測溫元件。各種熱電偶的外形常因需要而極不相同，但是它們的基本結(jié)構(gòu)卻大致相同，通常由熱電極、絕緣套保護(hù)管和接線盒等主要部分組成，通常和顯示儀表、記錄儀表及電子調(diào)節(jié)器配套使用?？崭駸犭娕紲y溫的基本原理

3、是兩種不同成份的材質(zhì)導(dǎo)體組成閉合回路，當(dāng)兩端存在溫度梯度時，回路中就會有電流通過，此時兩端之間就存在電動勢熱電動勢，這就是所謂的塞貝克效應(yīng)(Seebeck effect）。兩種不同成份的均質(zhì)導(dǎo)體為熱電極，溫度較高的一端為工作端，溫度較低的一端為自由端，自由端通常處于某個恒定的溫度下。根據(jù)熱電動勢與溫度的函數(shù)關(guān)系，制成熱電偶分度表；分度表是自由端溫度在0時的條件下得到的，不同的熱電偶具有不同的分度表。當(dāng)有兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體A 和B組成一個回路，其兩端相互連接時，只要兩結(jié)點(diǎn)處的溫度不同，一端溫度為T，稱為工作端或熱端，另一端溫度為T0 ，稱為自由端（也稱參考端）或冷端，回路中將產(chǎn)生一個電動勢，

4、該電動勢的方向和大小與導(dǎo)體的材料及兩接點(diǎn)的溫度有關(guān)。這種現(xiàn)象稱為“熱電效應(yīng)”，兩種導(dǎo)體組成的回路稱為“熱電偶”，這兩種導(dǎo)體稱為“熱電極”，產(chǎn)生的電動勢則稱為“熱電動勢”（一） 熱電阻工作原理熱電阻是利用金屬的電阻值隨溫度變化而變化的特性來進(jìn)行溫度測量阻值與溫度關(guān)系如下式：Rt =Rto1+(t-to)Rt =Rtot式中：Rt 溫度為t 時的電阻值。Rto 溫度為to ( 通常為0 ) 時的電阻值。 電阻溫度系數(shù)。t 溫度的變化值。Rt 電阻值的變化量。熱電偶與熱電阻相比有以下不同之處：1、 熱電偶所測量的是電勢，可進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸。而熱電阻在遠(yuǎn)距離傳輸時，導(dǎo)線電阻會隨著傳輸距離的增加而增大，使

5、測量誤差加大。2、 熱電偶所測量的是一個點(diǎn)的溫度，而熱電阻所測量的是一個面上的平均電阻，也可以說是一個面上的平均溫度。3、 熱電偶的測量精度低于熱電阻的測量精度（熱電阻的測量精度是由金屬本身的純度所決定的）。4、 一般說來，熱電偶多用于測量高溫，熱電阻則多用于測量低溫。本實(shí)驗(yàn)就是儀表自動控制在化工生產(chǎn)和實(shí)驗(yàn)中非常重要的一個分支溫度的儀表自動控制。位式控制屬于非線性控制系統(tǒng)，控制的物理量只有：開關(guān)、通斷、有無之差別，當(dāng)溫度回落到要求的啟動值時、啟動加熱，溫度上升到工藝要求溫度值時、停止加熱，區(qū)域可以自由設(shè)定。位式控制具有接線簡單、可靠性高成本低廉的優(yōu)點(diǎn)，但調(diào)節(jié)速度較慢，過沖量較大。位式控制屬于非

6、線性控制系統(tǒng)，控制的物理量只有：開關(guān)、通斷、有無之差別，當(dāng)溫度回落到要求的啟動值時、啟動加熱，溫度上升到工藝要求溫度值時、停止加熱，區(qū)域可以自由設(shè)定。位式控制具有接線簡單、可靠性高成本低廉的優(yōu)點(diǎn)，但調(diào)節(jié)速度較慢，過沖量較大。SSR 固態(tài)繼電器工作原理：固態(tài)繼電器是一種無觸點(diǎn)通斷電子開關(guān)，為四端有源器件。其中兩個端子為輸入控制端，另外兩端為輸出受控端。在輸入端加上直流或脈沖信號，輸出端就能從關(guān)斷狀態(tài)轉(zhuǎn)變成導(dǎo)通狀態(tài)（無信號時呈阻斷狀態(tài)），從而控制較大負(fù)載?？蓪?shí)現(xiàn)相當(dāng)于常用的機(jī)械式電磁繼電器一樣的功能（四）固態(tài)調(diào)壓器原理固態(tài)調(diào)壓器其內(nèi)部集移相觸發(fā)電路，阻容吸收回路，雙向可控硅于一體，通過電位器手動調(diào)

7、節(jié)以改變阻性負(fù)載上的電壓，來達(dá)到調(diào)節(jié)輸出功率的目的。（如圖13）。三、實(shí)驗(yàn)儀器控溫儀表（AI-T08），測溫儀表（AI-T08），熱電偶2個，中間繼電器（C52 0910），固態(tài)繼電器（SSR-10 DA），固態(tài)調(diào)壓器（XSSVR-2410），電流表(69L9)，開關(guān)，保險(xiǎn)絲（RT18-32），導(dǎo)線若干，工具(螺絲刀2個)，電加熱釜式反應(yīng)器。四、實(shí)驗(yàn)步驟1. 檢查工具箱內(nèi)的工具：一般有萬用電表、電烙鐵、焊錫、焊錫膏、剝線鉗、扁口鉗、十字螺絲刀、試電筆、絕緣膠布等工具和電工材料。2. 每組2 名成員，分組確定后，首先到指定的實(shí)驗(yàn)位置，再檢查應(yīng)配有一個工具箱、一個管式反應(yīng)器、電線及必須的電子元件等

8、。3. 控溫儀表為AI-708 型，熱電偶為E 型，用來控制反應(yīng)器中段加熱，使用加熱測溫的熱電偶，放在反應(yīng)管外壁和電加熱爐瓦之間的位置。該儀表輸入信號為反應(yīng)器的加熱控制熱電偶。4. 測溫儀表為AI-702 型，只能用來測量溫度。實(shí)驗(yàn)中用來測量管內(nèi)催化劑的床層溫度。一般反應(yīng)器都是用一個儀表控制反應(yīng)管外壁溫度，同時用另一臺儀表，測量催化劑床層內(nèi)的真實(shí)溫度。5. 根據(jù)指導(dǎo)教師提供的儀表、電器元件及電加熱爐等、通過學(xué)習(xí)教材的原理，把電源開關(guān)、繼電器、控溫儀表、測溫儀表、熱電偶、電子繼電器、電子調(diào)壓器和管式反應(yīng)器連接在一起，組裝成儀表自動控制加熱系統(tǒng)。6. 組裝完畢后，檢查無誤，需經(jīng)指導(dǎo)教師檢查后方可通

9、電。7. 設(shè)置控制儀表參數(shù)和溫度，為安全期間，一般實(shí)驗(yàn)中反應(yīng)溫度不超過150。8. 設(shè)定好控制溫度，然后開始加熱，記錄控制溫度和反應(yīng)器內(nèi)溫度的測升溫曲線(每間隔2 分鐘進(jìn)行一次記錄)，當(dāng)反應(yīng)器內(nèi)溫度，達(dá)到設(shè)定溫度后（溫度波動不超過1），再記錄10 分鐘，準(zhǔn)備下一步實(shí)驗(yàn)。9. 在反應(yīng)溫度恒定10 分鐘后，拉動反應(yīng)器內(nèi)的測溫?zé)犭娕迹看卫龈叨?.5cm，同時記錄下溫度值，測出反應(yīng)器內(nèi)催化劑床層的軸向溫度分布（共測20 個點(diǎn)）。10. 設(shè)定溫度為150，改變控制參數(shù)Ctrl、dF、Ctl 觀察位式控制和模糊控制的區(qū)別及效果，并每間隔2 分鐘記錄選取，至少記錄20 分鐘時間，觀察不同控制方式對溫度的

10、影響。11. 實(shí)驗(yàn)完畢后，拆除控制電路。所用儀表、元器件、工具等放回原處，實(shí)驗(yàn)報(bào)告經(jīng)老師過目后，方可離開。五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄如表-1、表-2所示分別是加熱釜升溫?cái)?shù)據(jù)記錄和加熱釜軸向溫度分布數(shù)據(jù)記錄。表-1 加熱釜升溫?cái)?shù)據(jù)記錄時間記錄時間間隔/min控制溫度/顯示溫度/時間記錄時間間隔/min控制溫度/顯示溫度/11:20029.719.711:3717119.845.411:22245.421.111:3919120.047.511:25559.724.111:4121120.048.411:27773.728.311:4323120.148.811:29984.631.811:4525120.

11、149.111:311195.335.111:4727120.149.211:3313113.941.111:4929120.149.211:3515119.142.911:5131120.049.0表-2 加熱釜軸向溫度分布數(shù)據(jù)記錄測溫點(diǎn)距底部距離/cm溫度/測溫點(diǎn)距底部距離/cm溫度/測溫點(diǎn)距底部距離/cm溫度/048.93.578.07.097.00.553.54.081.57.598.51.057.64.585.18.0100.31.561.85.087.78.5102.22.066.65.590.59.0103.52.569.96.091.89.5105.13.074.46.595.

12、010.0106.6六、數(shù)據(jù)處理根據(jù)表-1 、表-2可以繪制加熱釜升溫圖(圖5)和圖加熱釜穩(wěn)態(tài)軸向溫度分布圖（圖6）。加熱腔控制溫度反應(yīng)芯顯示溫度圖5 加熱釜溫升圖 圖6 加熱釜穩(wěn)態(tài)軸向溫度分布圖空格由加熱釜溫升圖（圖5）可知，隨著時間的推移，加熱釜的加熱腔溫度上升很快，前12分鐘變化很快，12分鐘以后基本保持穩(wěn)定于120左右，反應(yīng)芯顯示的溫度也在加熱釜溫度上升的同時不斷上升，但上升速度較慢，這是由于反應(yīng)芯溫度的上升還需要經(jīng)過一個壁面熱傳導(dǎo)的過程，壁面導(dǎo)熱能力影響傳熱速率，反應(yīng)芯溫度同樣在12分鐘以后基本維持于48左右?？崭裼杉訜岣€(wěn)態(tài)軸向溫度分布圖可知，隨著測溫點(diǎn)與底部距離加大，測溫儀測得的

13、溫度逐漸上升，理論上溫度值存在一個最高點(diǎn)，及反應(yīng)器的熱點(diǎn)溫度，且所有軸向溫度應(yīng)該相對于熱點(diǎn)溫度對稱分布，但本次實(shí)驗(yàn)測溫點(diǎn)僅要求與底部距離從010cm變化，在更大的范圍內(nèi)可使溫度分布圖更加接近“凸”字形。七、分析與討論本實(shí)驗(yàn)旨在學(xué)習(xí)儀表自動化測量溫度的方法，實(shí)驗(yàn)測量了加熱釜的加熱腔和反應(yīng)芯的溫度隨加熱時間的變化以及穩(wěn)態(tài)時反應(yīng)芯內(nèi)溫度的軸向分布。從數(shù)據(jù)圖可以得出結(jié)論，加熱腔和反應(yīng)芯之間的壁傳熱導(dǎo)致反應(yīng)芯內(nèi)的溫度上升變緩了，相比加熱腔內(nèi)要慢得多。溫度穩(wěn)定時，內(nèi)外溫度相差很大，可能有如下兩個原因：1，腔與芯之間的傳熱壁傳熱效率很低，所以在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)該避免使用低導(dǎo)熱系數(shù)的反應(yīng)器壁；2，加熱爐絲距底部較

14、遠(yuǎn)，故反應(yīng)芯溫度變化存在一個停留時間值，因而在自動控制中需要設(shè)置成比例積分制度。在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)該對爐絲加熱的變化快慢加以考慮。從數(shù)據(jù)圖中還可以推斷爐絲與反應(yīng)芯的位置。本實(shí)驗(yàn)反應(yīng)芯相距爐絲尚有一段距離，可使用matlab等工具對數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得出正態(tài)分布方程，擬合圖像的中點(diǎn)即為反應(yīng)芯處。如此測量存在一定的誤差，主要有：1，實(shí)驗(yàn)選取的樣本有限，有限的樣本可建立的數(shù)據(jù)模型非常多，無法確定真正適合的溫度分布模型；2，加熱爐絲的位置未知，無法從查閱參考資料來明確認(rèn)定此加熱體系內(nèi)溫度一定為正態(tài)分布，或許有一定程度的偏差；3熱電偶本身的系統(tǒng)誤差。八、思考題1，熱電偶冷端的溫度補(bǔ)償有幾種方法，并敘述。答：1）冷

15、端恒溫法：將熱電偶的冷端置于裝有冰水混合物的恒溫容器中，使其溫度保持0不變，它可消除t0不等于0而引入的誤差。2）計(jì)算修正法：當(dāng)熱電偶的冷端溫度不等于0時，測得的熱電勢E(t,t0)與冷端為0時測的E(t,0)不同，可利用下式：E(t,0)=E(t,t0)+E(t0,0)來修正，右式第一項(xiàng)為毫伏表直接測得的熱電勢，第二項(xiàng)是由t0在該熱電偶分度表查出的補(bǔ)償值，二者相加即可。3）儀表機(jī)械零點(diǎn)調(diào)整法：當(dāng)熱電偶的冷端溫度比較恒定，對測量精度要求不太高時，可將機(jī)械零點(diǎn)調(diào)整至熱電偶實(shí)際所處的t處，相當(dāng)于在輸入熱電偶的電勢前就給儀表預(yù)輸入一個電勢，此法雖有一定誤差，但很簡便常用。4）電橋補(bǔ)償法：此法是利用不

16、平衡電橋產(chǎn)生的不平衡電壓來自動補(bǔ)償熱電偶因冷端溫度變化而引起的熱電勢變化值。5）補(bǔ)償導(dǎo)線法：此法將熱電偶的冷端溫度從溫度較高、變化大的地方轉(zhuǎn)移到溫度較低、變化小的方向，等于延長了熱電偶。2，如果為冷端補(bǔ)償溫度為20，測量儀表顯示的溫度為30，則測量點(diǎn)的真實(shí)溫度是多少？E(t,20)=E(t,0)-E(20,0)=E(30,0) 故E(t,0)= E(30,0)+ E(20,0)=1801+1192=2993uV查E熱電偶分度表可知t=49.143、什么叫位式控制？位式控制需要設(shè)定幾個溫度？位式控制又稱通斷式控制，是將測量值與設(shè)定值相比較之差值經(jīng)放大處理后，對調(diào)節(jié)對象作開或關(guān)控制的調(diào)節(jié)。需要設(shè)定

17、上限和下限兩個溫度。4、什么叫PID 控制？需要設(shè)定幾個溫度？在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。PID控制器（比例-積分-微分控制器）是一個在工業(yè)控制應(yīng)用中常見的反饋回路部件，由比例單元P、積分單元I和微分單元D組成。僅需要設(shè)定一個溫度。5. 簡要描述PID 控制中，P、I、D 三個字母的含義。a.比例運(yùn)算（P）比例控制是建立與設(shè)定值（SV）相關(guān)的一種運(yùn)算，并根據(jù)偏差在求得運(yùn)算值（控制輸出量）。如果當(dāng)前值（PV）小，運(yùn)算值為100%。如果當(dāng)前值在比例帶內(nèi)，運(yùn)算值根據(jù)偏差比例求得并逐漸減小直到SV和PV匹配（即，直到偏差為0），此時運(yùn)算值回復(fù)到先前值（前饋運(yùn)算）。若出現(xiàn)靜差（殘余偏差），可用減小P方法減小殘余偏差。如果P太小