化工仪表及自动化实验讲义

化工自动化及仪表化工自动化及仪表 实 验 讲 义 曾飞虎 林继辉 编 2012 01 1 目目 录录 实验须知实验须知 实验一实验一 热电偶温度计的使用热电偶温度计的使用 实验二实验二 电子电位计的校验电子电位计的校验 实验三实验三 THKGK 1实验装置的基本操作与仪表调试实验装置的基本操作与仪表调试 实验四实验四 温度位式控制系统温度位式控制系统 实验五实验五 单容水箱对象特性的测试单容水箱对象特性的测试 2 实 验 须 知 1 必须自始自终以认真和科学态度进行实验 2 实验课不能迟到 实验期间不得擅自离开岗位 3 切实注意安全 不得穿背心和拖鞋进入实验室 在连接线 路时应先切断电源 不许带电操作 4 为了顺利地进行实验和取得好的实验效果 必须认真预习 写出预习报告 若指导教师发现有同学尚未预习 则不准 其参加实验 5 实验中如发生异常现象或事故 必须立即切断电源 并保 持现场 即及时报告教师 共同处理 6 要爱护公物 不得擅自拆开仪器仪表 非本实验仪器设备 不得随便动用 7 实验完成后 应切断电源 整理好一切仪器设备 并把原 始记录交教师签字 经允许后方可离开实验 8 实验后 每人应独立完成实验报告 报告与原始记录均按 教师规定的时间上交 3 实实 验验 一一 热电偶温度计的使用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 4 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 量程 精度 室温 读 数 测温点 距离 cm 测温仪表外阻 mV 15 手 动 电位差计 0 15 1 动圈仪 0 2 画出热电偶配动圈仪和手动电位差计的接线图 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 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 5 比较 如有差别 哪一个测量结果更为准确 5 绘制电炉的温度分布曲线 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 2 热电偶的补偿导线极性接错时 测量时会发生何种现象 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 6 实实 验验 二二 电子电位差计的校验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 7 其指示误差按下式计算 100 e 下限上限 示刻 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 100 EE EE 下限上限 下行程上行程 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 8 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 一 实验报告 1 数据处理 热电偶分度号 仪表量程 精度 室温 t0 E tmax tmin E示 mV 误 差 E刻 E示 e mV 校验点 E刻 mV 正行程反行程 正行程反行程 变差 mV tmin tmax 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 2 故障现象分析与结论 3 讨论 RM与 RG减小对量程与起点的影响 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 9 实实 验验 三三 THKGK 1实验装置的基本操作与仪表调试实验装置的基本操作与仪表调试 一 一 实验目的实验目的 1 了解本实验装置的结构与组成 2 掌握压力变送器的使用方法 3 掌握实验装置的基本操作与变送器仪表的调整方法 二 实验设备二 实验设备 1 THKGK 1 型过程控制实验装置 GK 02 GK 03 GK 04 GK 07 2 万用表一只 10 三 实验装置的结构框图三 实验装置的结构框图 图 1 1 液位 压力 流量控制系统结构框图 四 实验内容四 实验内容 1 设备组装与检查 设备组装与检查 1 将 GK 02 GK 03 GK 04 GK 07 挂箱由右至左依次挂于实验屏上 并将挂 件的三芯蓝插头插于相应的插座中 2 先打开空气开关再打开钥匙开关 此时停止按钮红灯亮 3 按下起动按钮 此时交流电压表指示为 220V 所有的三芯蓝插座得电 4 关闭各个挂件的电源进行连线 2 系统接线 系统接线 1 交流支路 1 将 GK 04 PID 调节器的自动 手动切换开关拨到 手动 位置 并将其 输出 接 GK 07 变频器的 2 与 5 两端 注意 2 正 5 负 GK 07 的输出 A B C 接到 GK 01 面板上三相异步电机的 U1 V1 W1 输入端 GK 07 的 SD 与 STR 短接 使电机驱动磁力泵打水 若此时电机为反转 则 SD 与 STF 短接 2 交流支路 2 将 GK 04 PID 调节器的给定 输出 端接到 GK 07 变频器的 2 与 5 两端 注意 2 正 5 负 将 GK 07 变频器的输出 A B C 接 11 到 GK 01 面板上三相异步电机的 U2 V2 W2 输入端 GK 07 的 SD 与 STR 短接 使电机正转打水 若此时电机为反转 则 SD 与 STF 短接 3 仪表调整 仪表的零位与增益调节 仪表调整 仪表的零位与增益调节 在 GK 02 挂件上面有四组传感器检测信号输出 LT1 PT LT2 FT 输出 标准 DC0 5V 它们旁边分别设有数字显示器 以显示相应水位高度 压力 流 量的值 对象系统左边支架上有两只外表为蓝色的压力变送器 当拧开其右边的 盖子时 它里面有两个 3296 型电位器 这两个电位器用于调节传感器的零点和增 益的大小 标有 ZERO 的是调零电位器 标有 SPAN 的是调增益电位器 4 调试步骤如下 调试步骤如下 1 首先我们在水箱没水时调节零位电位器 使其输出显示数值为零 2 用交流支路 1 打水 也可以用交流支路 2 打水 打开阀 1 阀 3 阀 4 关 闭阀 5 阀 6 阀 7 然后开启 GK 07 变频器及 GK 04 给定启动三相磁力泵给上 下水箱打水 使其液面均上升至 10cm 高度后停止打水 3 看各自表头显示数值是否与实际水箱液位高度相同 如果不相同则要调节增 益电位器使其输出大小与实际水箱液位的高度相同 同法调节上 下水箱压力变 送器的零位和增益 4 按上述方法对压力变送器进行零点和增益的调节 如果一次不够可以多调节 几次 使得实验效果更佳 五 五 预习预习 熟读本书第一部分 THKGK 1 型过程控制实验装置产品使用说明书的相关内容 六 实验报告六 实验报告 自行绘制表格测出压力变送器的特性 12 实实 验验 四四 温度位式控制系统温度位式控制系统 一 实验目的一 实验目的 1 了解二位式温度控制系统的结构与组成 2 掌握位式控制系统的工作原理及其调试方法 二 实验设备二 实验设备 1 THKGK 1 型过程控制实验装置 GK 02 GK 03 GK 05 GK 07 2 万用表一只 13 3 计算机系统 三 实验原理三 实验原理 1 温度传感器 温度测量通常采用热电阻元件 感温元件 它是利用金属导体的电阻值随温度变 化而变化的特性来进行温度测量的 其电阻值与温度间的关系式为 Rt Rt0 1 t t0 式中 Rt 温度为 t 如室温 20 时的电阻值 Rt0 温度为 t0 通常为 0 时的电阻值 电阻的温度系数 可见 由于温度的变化 导致了金属导体电阻的变化 这样只要设法测出电阻值的 变化 就可达到温度测量的目的 虽然大多数金属导体的电阻值随温度的变化而变化 但是它们并不都能作为测温用 的热电阻 作为热电阻的材料一般要求是 电阻温度系数小 电阻率要大 热容量要小 在整个测温范围内 应具有稳定的物理 化学性质和良好的重复性 并要求电阻值随温 度的变化呈线性关系 但是 要完全符合上述要求的热电阻材料实际上是有困难的 根 据具体情况 目前应用最广泛的热电阻材料是铂和铜 本装置使用的是铂电阻元件 PT100 并通过温度变送器 测量电桥或分压采样电路或者 AI 人工智能工业调节器 将电阻值的变化转换为电压信号 铂电阻元件是采用特殊的工艺和材料制造 它具有很高的稳定性和耐震动等特点 还具有较强的抗污染能力 在 0 650 的温度范围内 铂电阻与温度的关系为 Rt Rt0 1 At Bt2 Ct3 式中 Rt 温度为 t 如室温 20 时的电阻值 Rt0 温度为 t0 通常为 0 时的电阻值 A B C 是常数 一般 A 3 90802 10 31 B 5 802 10 71 C 4 2735 10 121 Rt t 的关系称为分度表 用分度号来表示 2 二位式温度控制系统 二位控制是位式控制规律中最简单的一种 本实验的被控对象是电加热丝 被控制 量是复合水箱内套中的水温 T 温度变送器把被控制量 T 转变为反馈电压 Vi 它与二 位调节器设定的上限输入 Vmax 和下限输入 Vmin 比较 从而决定二位调节器的输出信 号 调节器的输出电压 V0 5V 作为执行元件的控制信号 V0与 Vmin 和 Vmax 的关 系如图 4 1 所示 图 4 2 为位式控制系统的方块图 14 图 4 1 V0与 Vmin Vmax Vi 关系图 图 4 2 位式控制系统的方块图 由图 4 1 可见 V0与 Vi 的关系不仅有死区存在 而且还有回环 因而图 4 2 所示 的系统实质上是一个典型的非线性 控制系统 执行器只有 开 或 关 两种极限工作状态 故称这 种控制器为两位调节器 该系统的 工作原理是 当被控制的水温 T 减小到小于设定下限值时 即 Vi Vmin 时 调节器的输出为 V0 5V 执行元件 固态继电器 接通 使电热丝接通 220V 电源加 热 如图 4 3 所示 随着水温 T 的升高 Vi 也不断增大 当增大到 大于设定上限值时 即 Vi Vmax 时 则两位调节器的输出 V0由 5V 降到 0V 此时固 态继电器释放 切断电热丝的供电 由于这种控制方式具有冲击性 易损坏元器件 故 只是在对控制质量要求不高的系统才使用 温度给定值是由 GK 05 挂件上的给定信号 源给定 其中 RP1 电位器用于设定 Vmin RP2 电位器用于设定 Vmax 要求 Vmax Vmin 1V 被控对象为复合水箱中的电热丝 0 15 被控制量为内套的水温 它由铂电阻 PT100 测定 并经温度变送器 AI708 送到位式控 制挂件 GK 05 的 Vi 端 位式控制是根据测得温度与设定温度上 下限进行比较 发出 使固态继电器通断的控制信号 从而达到控制水箱中水温的目的 由过程控制原理可知 双位控制系统的输出是一个断续控制作用下的等幅振荡过程 如图 4 4 所示 因此不能用连续控制作用下的衰减振荡过程的温度品质指标来衡量 而 是用振幅和周期作为品质的指标 一般要求振幅小 周期长 然而对同一个双位控制系 统来说 若要振幅小 则周期必然短 若要周期长 则振幅就变大 因此需合理选择其 中间区 以使振幅在限定的范围内 又尽可能获 得较长的周期 图 4 4 双位控制系统的响应 曲线 四 实验内容与步骤四 实验内容与步骤 1 参照本书第一部分产品使用说明书 按图 4 2 所示的方块图 利用 THKGK 1 型实验装置组成控制系统 位式控制器输出端 Vo 接加热器控制信号的输入端 TR GK 05 给定信号分别接 Vmax 和 Vmin 将 AI 708 的变送输出信号 TT 接到 GK 05 的 Vi 端 2 启动电源 分别调节好 Vmin 和 Vmax 的设定值 3 打开 GK 01 上的加热开关 使系统投入运行 4 系统运行后 通过计算机监控软件记录水温变化过程的实时曲线 待稳定振荡 2 3 个周期后 观察位式控制过程曲线的振荡周期和振幅大小 实验数据记录如下 S 秒 T 5 适量改变 Vmax 和 Vmin 的大小 重复实验步骤 4 6 打开阀 1 阀 4 阀 7 和阀 8 关闭阀 5 启动实验装置的供水系统 给复合水 箱的外套水箱加流动冷却水 重复上述的实验步骤 五 注意事项五 注意事项 1 Vmax 必须要大于 Vmin 一般要求 Vmax Vmin 1V 2 实验线路接好后 必须经指导老师检查认可后 方可接通电源开始实验 3 在老师指导下将计算机接入系统 利用计算机显示屏作记录仪使用 并保存每次实 验记录的数据和曲线 六 实验报告六 实验报告 1 画出不同 Vmax Vmin 时的系统被控制量的过渡过程曲线 记录相应的振荡周期和 16 振荡幅度的大小 2 画出加冷却水时被控量的动态响应曲线 并比较振荡周期和振荡幅度大小 3 综合分析位式控制系统的特点 实实 验验 五五 单容水箱对象特性的测试单容水箱对象特性的测试 一 一 实验目的实验目的 1 了解单容水箱的自衡特性 2 掌握单容水箱的数学模型及其阶跃响应曲线 3 实测单容水箱液位的阶跃响应曲线 用相关的方法分别确定它们的参数 二 二 实验设备实验设备 17 1 THKGK 1 型过程控制实验装置 GK 02 GK 03 GK 04 GK 07 2 万用表一只 3 计算机及上位机软件 三 实验原理三 实验原理 阶跃响应测试法是被控对象在开环运行状况下 待工况稳定后 通过调节器手动 改变对象的输入信号 阶跃信号 同时 记录对象的输出数据和阶跃响应曲线 然后 根据给定对象模型的结构形式 对实验数据进行合理的处理 确定模型中的相关参数 图解法是确定模型参数的一种实用方法 不同的模型结构 有不同的图解方法 单容水箱的数学模型可用一阶惯性环节来近似描述 且用下述方法求取对象的特征 参数 单容水箱液位开环控制结构图如图 2 1 所示 图 2 1 单容水箱液位开环控制结构图 设水箱的进水量为 Q1 出水量为 Q2 水箱的液面高度为 h 出水阀 V2 固定于 某一开度值 根据物料动态平衡的关系 求得 在零初始条件下 对上式求拉氏变换 得 式中 T R2 C 为水箱的时间常数 注意 阀 V2 的开度大小会影响到水箱的时间常数 K R2 为过程的放大倍数 也是阀 V2 的液阻 C 为水箱的底面积 令输入流量 Q1 S RO S RO 为常量 则输出液位的高度为 QRh dt hd CR 22 1 2 11 2 2 1 TS K CSR R sQ sH sG 18 2 2 2 3 2 4 式 2 3 表示一阶惯性环节的响应曲 线是一单调上升的指数函数 如图 2 2 所示 由式 2 4 可知该曲线上升到稳态值的 63 2 所 对应的时 间 就是水箱的时间常数 T 该时间常数 T 也可以通过坐标原点对响应曲线作切线 此 切线与稳 态值的交点所对应的时间就是时间常数 T 图 2 2 阶跃响应曲线 其理论依据是 上式表示 h t 若以在原点时的速度 h T 恒速变化 即只要花 T 秒时间 就可达到稳态值 h 式 2 2 中的 K 值由下式求取 K h R0 输入稳态值 阶跃输入 四 实验内容与步骤四 实验内容与步骤 1 按实验一的要求和步骤 对上 下水箱液位传感器进行零点与增益的调整 2 按照图 2 1 的结构框图 完成系统的接线 接线参照实验 1 并把 PID 调 TS KR S KR TSS KR SH 1 1 000 0 632h 0 632KR 1KRh T 0 1 0 e 则有时当Tt 阶跃输入 输出稳态值 因而有时 当 即 O O T 1 O R K R e 1KRh t h Kht t t 0 h 0 0 0 0 2 2 T h 5 2 0 0 1 0 0 T h