化工仪表及自动化实验讲义.doc

实 验 一热电偶温度计的使用一实验目的：1掌握热电偶与动圈仪的配套连接，测温方法及外阻影响。2掌握热电偶配手动电位计的测温方法。3掌握热电偶冷端温度影响及补偿方法。二实验仪器：1 管状电炉2 自耦变压器（带电流表）3 广口保温瓶4 动圈仪5 热电偶6 接线板（带调整电阻）7 手动电位差计8 30cm不锈钢直尺三实验内容（一）热电偶配手动电位差计测温：1按图1-1接线，注意极性是否接对，接点是否牢固等。为保持热电偶冷端温度为零度，将热电偶冷端放置保温瓶中内冰水混合物中。 图1-1 热电偶温度计接线图2把双向开关打向手动电位差计进行测温。3手动电位差计使用方法：首先调整检流计的机械零点，其次把手动电位差计的双向开关打向并按住在“校正”位置，调整“工作电流”电位器，使检流计电流为零，然后把双向开关打向“测量（或未知）”位置，即可进行测量。注意：手动电位差计的双向开关在每一次测量完后，应置于中间位置，以减少干电池的耗电量。4短接调整电阻，再测一次炉温，以考察外阻对手动电位差计测温的影响。（二）热电偶配动圈仪测温：1把双向开关打向动圈仪进行测温。2调整仪表零点为零度，由于本实验中热电偶的冷端温度也为零度，这样动圈仪指示的温度就是电炉温度。3短接调整电阻，再测一次炉温，以考察外阻对动圈仪测温的影响。（三）在测温点相同的条件下，同时用手动电位差计和动圈仪对炉温进行测量，将两个测量结果进行比较。（四）改变测温点，重复（三），将电炉内的温度分布得到。测温点数不少于10个。四实验报告1 实验数据记录及处理动圈仪分度号 Eu2 量程 0800 精度 1.0 室温 26.0 测温点距离（cm）测温仪表外阻（）读 数mV138手 动电位差计1525.14025.16动圈仪1560606272画出热电偶配动圈仪和手动电位差计的接线图。 图1-1 热电偶温度计接线图3从实验结果讨论热电偶测量线路电阻的大小对于用动圈仪测量时如何影响，对于电位差计又是如何影响。答：从实验结果可以看出，热电偶测量线路电阻的大小对于用动圈仪测量时使其测量结果偏大，对于电位差计使其测量结果几乎无影响。4利用电位差计测得的热电势列式计算电炉温度，并与动圈仪指示值进行比较，如有差别，哪一个测量结果更为准确？答：利用电位差计测得的热电势列式计算电炉温度，并与动圈仪指示值进行比较，电位差计测得的热电势计算的电炉温度更为准确。由于动圈仪的精度为1.0，其最大引用误差为1.0%*（8000）8；利用电位差计测得的热电势后查表得的电炉温度的误差为1，所以经比较电位差计测得的热电势计算的电炉温度更为准确。5绘制电炉的温度分布曲线。测温点距离手动电位差计动圈仪测温点距离手动电位差计动圈仪13825.3261062825.6561723625.4361272625.7261933425.4561482425.6761843225.4561492225.4661453025.55616102025.21607注：由上题可知手动电位差计所测得的热电势列式计算电炉温度准确度更高，故用手动电位差计所测得的热电势列式计算电炉温度后描制温度分布曲线。测温点距离手动电位差计计算得温度测温点距离手动电位差计计算得温度13825.32609.862825.65617.623625.43612.472625.72619.333425.45612.982425.67618.143225.45612.992225.46613.153025.55615.2102025.21607.2图1-2 电炉温度分布曲线6问题讨论：（1） 热电偶和动圈仪、手动电位差计配套使用时应注意哪些问题？答：热电偶和动圈仪、手动电位差计配套使用时应注意以下问题：1、注意极性是否接对，接点是否牢固；2、热电偶冷端应放置在冰水混合物中；3、手动电位差使用前先调整检流计的机械零点；4、手动电位差计的双向开关在每一次测量完后，应置于中间位置，以减少干电池的耗电量；5、使用前应观察动圈仪和电位差计的量程和最小分度值。（2） 热电偶的补偿导线极性接错时，测量时会发生何种现象？ 答：补偿导线在与热电偶连接时，两对连接点要处于相同的温度，且正负极不能接错。补偿导线相当于一支在一定温度范围内的热电偶，故它的电流也是由正极经参考端流向负极，所以与热电偶连接时，补偿导线的正极应接热电偶的正极，负极应接热电偶的负极。如将极性接反了，不但失去补偿导线的功用，反而会抵消热电偶的一部分热起电力，使仪錶的指示温度偏低。（3） 试分析动圈仪、手动电位差计与热电偶配套使用时哪一个精度高。答：利用电位差计测得的热电势列式计算电炉温度，并与动圈仪指示值进行比较，电位差计测得的热电势计算的电炉温度更为准确。由于动圈仪的精度为1.0，其最大引用误差为1.0%*（8000）8；利用电位差计测得的热电势后查表得的电炉温度的误差为1，所以经比较电位差计测得的热电势计算的电炉温度更为准确。5、 实验心得1、 通过此次实验掌握热电偶与动圈仪的配套连接，测温方法及外阻影响。掌握热电偶配手动电位计的测温方法。掌握热电偶冷端温度影响及补偿方法。2、 实验中电炉的温度应保持恒定，否则会影响电炉温度分布曲线的稳定性。3、 通过该实验对精度的计算有了进一步了解，同时认识到电位差计相对于动圈仪在测电炉温度时更为精确。实 验 二电动温度变送器的调整和使用一 实验目的：1 了解电动温度变送器的结构，2 学会电动温度变送器与不同检测元件的配套使用，3 掌握零点迁移和量程调整的方法。二 实验仪器：1 DWB型电动温度变送器（DDZ仪表）2 ZX32型电阻想箱3 0.5级直流毫安表4 手动电位差计5 冷端温度补偿电阻三 实验内容和步骤：（一）温度变送器配热电阻时的调整和使用要求：配用Cu50热电阻，按测温范围050调整1 接线（见图2-2）：用电阻箱代替热电阻，注意三线制接法，即电阻箱图2-1 测量桥路要接出三根线，端子的接法由迁移电阻Rx决定，在变送器的输出端子间串入一个1.5K的电阻和一台毫安表。（1） 迁移电阻Rx的计算：由相应的热电阻分度表，查得相应于下限温度的阻值Rtmin =50 因为当热电阻的阻值为量程下限值Rtmin时，桥路输出电压e=0，从而可由下式计算迁移电阻Rx e=0.5(Rtmin-Rx)=0 Rx=Rtmin =50(2)由上式计算的Rx值决定端子的接法 Rx=050接且短路 Rx=50100接 Rx=100200接 图2-2 配热电阻时的接线图故决定端子接2将“检查工作”开关置于“检查”位置，此时仪表输出电流应在46mA范围内，说明仪表工作正常，然后把开关放置“工作”位置，否则请指导老师处理。3由相应的热电阻分度表，查得相应于上、下限温度的阻值Rtmin =50、Rtmax =60.7，则热电阻上、下限阻值差Rmax=Rtmax-Rtmin =60.7-50=10.74调整（1） 调整零点迁移：使电阻箱的电阻值为Rtmin+10Rmax 50+10%*10.751.07，仪表应有1mA输出，如不在1mA，调整“零点迁移”电位器W2（W3不能调）。（2） 调量程：使电阻箱的电阻值为Rtmin+90Rmax 50+90%*10.759.63，仪表应有9mA输出，如不在9mA，调整“量程”电位器W1。（3） 反复步骤（1）、（2），直到同时满足两项要求为止。5读出当输出电流为5mA时的电阻箱的数值，并查出相应的温度值。 此时电阻箱的数值为55.36，查出相应的温度值为25 。（二）温度变送器配热电偶时的调整和使用要求：配用K分度号的热电偶，按测温范围600800调整1接线（见图2-3）（1） 端补偿电阻（K热电偶RCu 20=20.16），（2） 手动电位差计代替热电偶输出毫伏信号，（3） 子的接法由迁移电阻Rx决定，按下式计算，端子的连接方式同（一）查表得E(tmin，0)24.902mV，E(20，0)0.798mV，则 E(tmin，20)E(tmin，0)E(20，0)24.9020.79824.104mVe=E(tmin，20)+0.5（RCu 20-Rx）=0 Rx=(24.104+0.5*20.16)/0.5=68.36 故决定端子接图2-3 配热电偶时的接线图2 检查工作”开关置于“检查”位置，此时仪表输出电流应在46mA范围内，说明变送器工作正常，然后把开关置回“工作”位置，否则请指导老师处理。3调整（1）调整零点迁移： 此时室温t 0 24，查得E(t 0 ，0)0.960mV，E(tmax，0)33.277mV，则E(tmin，t 0)24.9020.96023.942mVE(tmax，tmin)=33.277-24.902=8.375mV 用手动电位差计加入E(tmin，t 0)+ 10E(tmax，tmin)=23.942+10%*8.375=24.780mV调整“零点迁移”电位器W2使毫安表指示1mA输出（W3不能调）。（2） 调量程：用手动电位差计加入E(tmin，t 0)+ 90E(tmax，tmin)= 23.942+90%*8.375=31.480mV调整“量程”电位器W1使毫安表指示9mA。（3） 反复步骤（1）、（2），直到同时满足两项要求为止。4读出当输出电流为5mA时的手动电位差计的读数，并计算相应的温度值。此时手动电位差计的读数是28.10mV，即E(t, t 0)=28.10mV，所以E(t,0)E(t, t 0)+ E(t 0 ，0)28.10+0.96029.06mV，查出相应的温度是698.4四 问题讨论1 零点迁移电阻Rx的计算和端子接法的判定。答：迁移电阻Rx的计算： 因为当热电阻的阻值为量程下限值Rtmin时，桥路输出电压e=0，从而可由下式计算迁移电阻Rx e=0.5(Rtmin-Rx)=0 Rx=Rtmin =50 Rx=050接且短路 Rx=50100接 Rx=100200接又后来读出当输出电流为5mA时的电阻箱的数值为55.36，决定端子的接法。2 画出实验装置的接线原理图。答：实验装置的接线原理图如下：3 热电阻和热电偶温度变送器输出为5mA时相应的温度值，若测量值与实际值有误差，试分析原因。答：热电阻和热电偶温度变送器输出为5mA时相应的温度值，热电阻和热电偶的测量值与实际值均存在误差；其原因是：1、调整零点迁移时，没有使指针完全和1mA重合人为引入误差；2、调量程时没有使指针完全和1mA重合人为引入误差。5、 实验心得1、 通过此次实验了解电动温度变送器的结构，学会电动温度变送器与不同检测元件的配套使用，掌握零点迁移和量程调整的方法。2、 通过此次实验掌握了零点迁移电阻的计算和端子的接法，对实验中测量值和实际值之间的误差来源也有了进一步认识。实 验 三电子电位差计的校验一实验目的：1 熟悉自动电子电位差计的结构和校验方法。2 掌握自动电子电位差计的使用方法和冷端自动补偿的作用。3 了解热电偶线路可能出现的故障和检查方法。二实验仪器：1 自动电子电位差计2 玻璃温度计3 手动电位差计三实验内容与步骤：1 详细观察自动电子电位差计的结构，包括测量桥路、放大器、可逆电机和指示记录机构。2 指示值的校验：首先应对仪表零点和满刻度点进行校验，待调整并达到规定要求（误差在刻度面板上所示精度范围内）后，再校验其它刻度。 零点不合格，可调起始微调电阻RG。 量程不合格，可调量程微调电阻RM。（RG，RM本实验不调整） 指示误差的测定是用标准电位差计给被校表加入适当的电势（mV），使指针与被校点刻度线重合，从标准电位差计读出加入的电势值（E示），与被校点相对应的电势值（E刻，由被校仪表配用的热电偶的分度表查得）相比较计算出校验点上的指示误差。 本实验线路见下图： 其指示误差按下式计算： =指示误差e 补偿电阻处温度（即室温）相对应的电势值E上限相对应的电势值E下限相对应的电势值3 不灵敏区（即变差）的校验：仪表的不灵敏区指在输入信号增大（正向）和减小（反向）时在同一被校刻度线上输入信号实际值之差值，其数值可按下式计算：= 仪表的变差不应超出仪表的允许误差，但过小也应避免。因为此时会产生仪表指针抖动或摆动不休的现象，无法准确指示记录，而不灵敏区太大时，对小信号没有反应，误差增大。为获得所需的仪表不灵敏区的大小，可旋转放大器的灵敏度调节旋钮，以改变放大器的增益，即灵敏度高，不灵敏区就小，反之亦然。4热电偶线路可能出现的故障分别将热电偶信号短路、断开、反接，注意观察电子电位差计的指针变化情况，从而学会判断和排除热电偶温度计常见故障。5考察量程电阻RM及起始电阻RG对量程和起点的影响：用一电阻与RM并联使量程电阻减小，观察仪表指针的变化，并判断量程的变化趋势；用同一方法也可考察RG变化对起点的影响。五 实验报告1数据处理热电偶分度号 Eu-2 仪表量程 011 精度 0.5 室温t0 27.5 E(tmax，tmin)= 43.938mV 校验点（*100）E刻（mV）E示（mV）误 差 正行程反行程E刻-E示-e (mV)变差（mV）正行程反行程正行程反行程14.0953.012.99-0.0170.003-0.0380.0070.000450.04528.1377.057.02-0.0150.015-0.0340.0330.000680.068312.20711.2611.22-0.155-0.115-0.349-0.2590.000900.090416.39515.4915.42-0.197-0.127-0.443-0.2860.001580.158520.64019.7419.72-0.202-0.182-0.454-0.4100.000450.045624.90224.0724.00-0.27-0.2-0.608-0.4500.001580.158729.12828.2828.25-0.254-0.224-0.572-0.5040.000680.068833.27732.5532.51-0.375-0.335-0.844-0.7540.000900.090937.3336.5836.55-0.352-0.322-0.792-0.7240.000680.0681041.2740.6240.62-0.452-0.452-1.017-1.017001145.144.4844.46-0.482-0.462-1.085-1.0400.000450.045005注意：确定精度只需计算最大一点误差即可。2结论1 计算被校电子电位差计的误差和变差，从而确定其精度是否合格。 答：计算被校电子电位差计的误差为1.017%，大于其最大精度0.5，故该电子电位差计不合格。2 故障现象分析与结论。答：短路时：电子电位差计指针指向29断开时有以下情况：1、断开极导线针不动，用手把指针拔离原来位置，指针仍不动；2、断开条导线或断开正极导线时，指针向右漂移。反接时：指针回到0点，齿轮仍在转动。3 讨论RM与RG减小对量程与起点的影响。答：量程电阻RM仪表指示下限时，滑动点在RP左端；仪表指示上限时，滑动点在RP右端。可见滑动电阻RP两端电压的大小，代表了测量范围的大小。固定电阻RB通过选配与滑动电阻RP并联后得到一个比较准确且有固定的电阻值，这个数值的电阻与不同大小的RM并联后，就可以得到不同的仪表量程。RM值越大，它从上支路工作电流Il中所分流出的电流越小，这时流过滑线电阻RP 的电流越大，则仪表的量程越大。反之，RM 越小，仪表的量程越小。所以称RM为量程电阻。起始电阻RG当仪表指示下限值时，显然滑动点应滑到RP最左端，由于仪表的下限值不一定为零，因此RG大小对应测量电压下限值。下限值越大，则需使RG 增大，反之，下限值勤减小，则需使RG减小。4 校验装置中标准电位差计与被校电位差计的连线为何用普通导线？是否可用补偿导线？ 答：本实验中利用手动电位差计调出温度，以校正自动电位差计。校验装置中标准电位差计与被校电位差计的连线在本实验中只起导电的作用，不用考虑两条导线间的电势差，所以用普通导线即可。也可以用补偿导线，此时补偿导线也只起导电作用。6、 实验心得1、 通过该实验熟悉自动电子电位差计的结构和校验方法。掌握自动电子电位差计的使用方法和冷端自动补偿的作用。了解热电偶线路可能出现的故障和检查方法。2、 通过该实验对电子电位差计出现故障时的现象有所了解。3、 掌握了RM和RG的定义及其对量程与起点的影响。实 验 四温度控制系统（一）一实验目的：1 了解温度控制系统的组成环节和各环节的作用。2 观察比例、积分、微分控制规律的作用，并比较其余差及稳定性。3 观察比例度、积分时间TI、微分时间TD对控制系统（闭环特性）控制品质的影响。二温度控制系统的组成：电动温度控制系统是过程控制系统中常见的一种，其作用是通过一套自动控制装置，见图4-1，使炉温自动维持在给定值。 图4-1 温度控制系统炉温的变化由热电偶测量，并通过电动温度变送器转化为DDZ-型表的标准信号010mA直流电流信号，传送到电子电位差计XWC进行记录，同时传送给电动控制器DTL，控制器按偏差的大小、方向，通过预定控制规律的运算后，输出010mA直流电流信号给可控硅电压调整器ZK-50，通过控制可控硅的导通角，以调节加到电炉（电烙铁）电热元件上的交流电压，消除由于干扰产生的炉温变化，稳定炉温，实现自动控制。三实验内容与步骤：（一）观察系统各环节的结构、型号、电路的连接，熟悉可控硅电压调整器和电动控制器上各开关、旋钮的作用。（二）控制系统闭环特性的测定： 在以下实验中使用的1 ，2 ，TI 1，TI 2 ，TD1 的具体数值由各套实验装置具体提供。1 观察比例与积分控制规律的作用（1） 考察比例作用将置于某值1 ，记住旋钮在1的位置 ， 积分时间置最大（TI =max），微分开关切向0，将干扰开关从“短”切向“干扰”，产生一个阶跃干扰（此时为反向干扰），同时在记录仪的记录线上作一记号，以记录阶跃干扰加入的时刻，观察并记录在纯比例作用下达到稳定的时间及余差大小。（2） 考察积分作用保持=1不变，置TI =TI 1，同时在记录仪的记录线上作一记号，以记录积分作用加入的时刻，注意观察积分作用如何消除余差，直到过程基本稳定。2 观测PI控制作用下的过渡过程保持1，TI 1不变，将干扰开关从“干扰”切向“短”，产生一个正向阶跃干扰，观察过渡过程到基本稳定。3 考察对余差的影响置=2 ，TI =max ，将干扰开关从“短”切向“干扰”，产生一个反向阶跃干扰，同时在记录仪的记录线上作一记号，以记录阶跃干扰加入的时刻，观察并记录在纯比例作用下达到稳定的时间及余差大小。 并与1（1）中=1 时的余差相比较。再加入积分作用TI =TI 1 以消除余差直到过程基本稳定。4 考察TI 对过渡过程的影响置=1 ，TI =TI 2 ，将干扰开关从“干扰”切向“短”，产生一个正向阶跃干扰，同时在记录仪的记录线上作一记号，以记录阶跃干扰加入的时刻，观察过渡过程到基本稳定，并与2中的实验结果进行比较，以了解TI 对过渡过程的影响。注意：要在同样条件下才能进行比较，即旋钮的位置要与2中的位置完全一致，才能保证此时的1 与2中的1 是相等的5 观测PID控制作用下的过渡过程保持=1 ，TI =TI 2 不变，置TD=TD1 ，微分开关切向D ，将干扰开关从“短”切向“干扰”，等待过程稳定后，同时在记录仪的记录线上作一记号，以记录阶跃干扰加入的时刻，观察过渡过程，并与PI控制作用下的过渡过程进行比较。6 考察对稳定性的影响将减小到1， TI =max，微分开关切向0，观察过渡过程波动曲线。四问题讨论1 由实验结果讨论比例、比例积分、比例积分微分控制规律的作用，比较余差及稳定2 分析不同的、TI 、TD 对过渡过程的影响。实 验 五温度控制系统（二）一实验目的：1 了解简单控制系统的投运过程。2 熟悉控制器参数整定的方法及过程。二温度控制系统的组成：电动温度控制系统是过程控制系统中常见的一种，其作用是通过一套自动控制装置，见图5-1，使炉温自动维持在给定值。 图5-1 温度控制系统炉温的变化由热电偶测量，并通过电动温度变送器转化为DDZ-型表的标准信号010mA直流电流信号，传送到电子电位差计XWC进行记录，同时传送给电动控制器DTL，控制器按偏差的大小、方向，通过预定控制规律的运算后，输出010mA直流电流信号给可控硅电压调整器ZK-50，通过控制可控硅的导通角，以调节加到电炉（电烙铁）电热元件上的交流电压，消除由于干扰产生的炉温变化，