化工仪表及自动化实验手册

化工仪表及自动化化工仪表及自动化 实验指导书实验指导书 化工教研室化工教研室 绪绪 论论 生产与生活的自动化是人类长久以来所梦寐以求得目标，在 18 世纪自动控 制系统在蒸汽机运行中得到成功的应用以后，自动化技术时代开始了。 随着工业技术的更新，特别是半导体技术、微电子技术、计算机技术和网 络技术的发展，自动化已经进入了计算机控制装置时代。自动化技术的进步推 动了工业生产的飞速发展，在促进产业革命中起着十分重要的作用。特别是在 石油、化工、冶金、轻工等部门，由于采用了自动化仪表和集中控制装置，促 进了连续生产过程自动化的发展，大大地提高了劳动生产率，获得了巨大的社 会效益和经济效益。 为了适应社会发展的需要，同时满足应用型本科院校的教学要求，本实验 教材全面系统地介绍了化工过程检测仪表的基本知识，重点介绍工业生产过程 中的压力、流量、物位、温度的检测原理及相应的仪表结构选用、实验装置和 实验方法、注意事项以及数据处理等。同时除介绍工业生产过程中的自动控制 系统方面的应用知识，还分别介绍了构成自动控制系统的被控对象、控制仪表 及装置，在简单、复杂控制系统的基础上，介绍了高级控制系统与计算机控制 系统。 目目 录录 实验 1 实验安全教育、配备实验仪器.- 1 - 实验 2 常见化工仪表的认知.- 3 - 实验 3 压力表校验.- 6 - 实验 4 流量计的校核.- 8 - 实验 5 热电偶的校验.- 12 - 0 实验实验 1 实验安全教育、配备实验仪器实验安全教育、配备实验仪器 一、一、化工仪表及自动化实验室学生守则化工仪表及自动化实验室学生守则 化工仪表及自动化实验室守则是学生正常进行实验的保证，学生进入实验室必须遵 守以下规则： （1） 进入实验室，须遵守实验室纪律和制度，听从老师指导。 （2） 未穿实验服，未写实验预习报告者不得进入实验室进行实验。 （3） 进入实验室后要熟悉周围环境，熟悉防火及急救设备器材的使用方法和存放位置， 遵守安全规则。 （4） 实验前，清点、检查仪器，明确仪器规范操作方法及注意事项（老师会给予演示） ， 否则不得动手操作。 （5） 实验中，保持安静，认真操作，仔细观察，积极思维，如实记录，不得擅自离开 岗位。 （6） 实验室公用物品（包括器材、药品等）用完后，应归放回原指定位置。 （7） 爱护公物，注意卫生，保持整洁，节约用水、电、气及器材。 （8） 实验完毕后，要求整理，清洁实验台面，检查水、电、气源，打扫实验室卫生。 （9） 实验记录经教师签字认可后，方可离开实验室。 二、二、实验课学习方法实验课学习方法 （1） 预习并写预习报告 认真阅读实验教材及相关参考资料，明确实验目的、理解实验原理、掌握实验方 法、熟悉实验内容并简明扼要的写出预习报告。认真听讲。 （2） 操作 认真、独立操作，仔细观察现象，做好记录。应按拟定的实验操作计划与方案进 行。做到轻（动作轻、讲话轻） ，细（细心观察、细致操作） ，准（参数调节准、 结果及其记录准确） ，洁（使用的仪器清洁，实验桌面清洁，实验结束把实验室打 扫清洁） 。 （3） 交正式实验报告 做完实验后，应解释实验现象，并作出结论，或根据实验数据进行计算和处理， 主要包括：a、目的，b、原理，c、操作步骤及实验性质、现象，d、数据处理， e、经验与教训，f、思考题回答。 1 三、配备实验仪器三、配备实验仪器 （1） 熟悉化工仪表及自动化实验规则和要求 （2） 领取实验常用仪器。 四、值日生守则四、值日生守则 （1）清扫实验室卫生，包括地面、水槽、实验台面、公共实验仪器等。 （2）将所有仪器放回原处，方便下一班级同学使用。 （3）关闭所有水龙头、电源、窗户等。 2 实验实验 2 常见化工仪表的认知常见化工仪表的认知 一、领取实验常用仪表器材，熟悉其名称、规则，理解使用注意事项领取实验常用仪表器材，熟悉其名称、规则，理解使用注意事项。 二、压力表的认知压力表的认知 压力是指由气体或液体均匀垂直地作用于单位面积上的力。在工业生产中，压力是 重要的操作参数之一。压力常用 P 表示，根据国际单位制压力用帕（Pa）来表示，工程 上经常用兆帕（MPa）表示。测量压力或真空度的仪表种类很多，按照转换原理不同大 致可分为四类： 1. 液柱式压力计 它根据流体静力学原理，将被测压力转换成液柱高度进行测量的。按结构形式不同 有 U 型压差计、单管压力计和斜管压力计等。 2. 弹性式压力计 它是将被测压力转换成弹性元件变形的位移进行测量的。比如弹簧管压力计、波纹 管压力计和膜式压力计等。 3. 电气式压力计 它通过机械和电气元件将被测压力转换成电量（电压、电流、频率等）来进行测量 的仪表。如各种压力传感器和压力变送器。 4. 活塞式压力计 它根据水压机液体传送压力的原理将被测压力转换成活塞上所加平衡砝码的质量来 进行测量的。 三、标准流量计的认知标准流量计的认知 一般所讲的流量大小是指单位时间内流过管道某一截面的流体数量的大小，及瞬时 流量。而某一段时间内流过管道的流体流量的总和称为总量。流量和总量可以用质量表 示也可以用体积表示，质量流量用 M 表示，体积流量用 Q 表示。常用的流量单位有吨每 小时（t/h） 、千克每小时（kg/h） 、千克每秒（kg/s） 、立方米每小时（m3/h） 、升每小时 （L/h） 、升每分（L/min）等。测量流体流量的仪表叫做流量计，流量计的测量原理和仪 表结构形式各不相同，主要有下列分类方法： 1. 速度式流量计 它以测量流体在管道内的流速作为测量依据来计算流量。比如差压式流量计、转子 流量计、电磁流量计、涡轮流量计、堰式流量计等。 3 2. 容积式流量计 它以单位时间内所排出流体的固定容积的数目作为测量依据来计算流量。比如椭圆 齿轮流量计、活塞式流量计等。 3. 质量流量计 它以测量流体流过的质量 M 为依据来计算流量。质量流量计分直接式和间接式两种。 四、热电偶、热电阻的认知热电偶、热电阻的认知 温度是表征物体冷热程度的物理量，是各种工业生产和科学实验中最普遍重要的操 作参数。温度用 T 来表示，常用的温度单位有摄氏度（） ，而温度的国际单位为开尔文 （K） 。温度不能直接测量，只能借助于冷热不同物体之间的热交换，以及物体的某些物 理性质随冷热程度不同而变化的特性来加以间接测量。按照测量的原理不同来分，可分 为膨胀式温度计、压力式温度计、热电偶温度计、热电阻温度计和辐射高温计五类。下 面主要来学习一下热电偶温度计和热电阻温度计： 1. 热电偶温度计 热电偶温度计是以热点效应为基础的测温仪表。它由三部分组成：热电偶（感温元 件） 、测量仪表（毫伏计或电位差计） 、连接热电偶和测量仪表的导线（补偿导线及铜导 线） 。热电偶温度计是把温度的变化通过测温元件-热电偶转化为热电势的变化来测量温 度的。工业上常用的热电偶为以下几类：a)铂铑30-铂铑6热电偶（分度号为 B） ，测温范 围为 3001600；b) 铂铑10-铂热电偶（分度号为 S） ，测温范围为-201300；c) 镍铬- 铬硅（铬铝）热电偶（分度号为 K） ，测温范围为-501000。 2. 热电阻温度计 热电阻温度计是由热电阻（感温元件） 、显示仪表（不平衡电桥或平衡电桥）以及连 接连接导线组成。热电阻温度计是利用金属导体的电阻值随温度变化而变化的特性来进 行温度的测量。由于温度的变化导致金属导体电阻的变化，因此，只需设法测出电阻值 的变化就可以达到温度测量的目的。热电阻适用于测量-200500的液体、气体、蒸汽 及固体表面的温度。常用的热电阻有铂热电阻和铜热电阻。 五、动圈仪的认知动圈仪的认知 动圈仪是一种全量程指示的控制仪表，与一次测量元件配合使用，能将温度、压力、 流量、液位、电压、电流等各种工业参数进行指示。它由细导线绕成的可动线圈靠金属 张丝或轴尖支承在永久磁铁极靴的间隙中，当电流通过可动线圈时感生磁场与永久磁场 相互作用产生力矩，驱动线圈偏转，使张丝或游丝变形而产生反力矩，当二力矩平衡时 4 指针稳定在某一位置。指针转角的大小与流过线圈的电流成正比，指针在标尺上指示出 被测值。 六、DCS 实训装置的认知实训装置的认知 5 实验实验 3 压力表校验压力表校验 一、实验目的一、实验目的 1、熟悉活塞式压力计的基本结构、工作原理及使用方法。 2、熟悉弹簧管压力表的基本结构、工作原理、以及用标准压力表对工业压力表进行 校 验、调整的方法。 二、实验内容二、实验内容 用标准弹簧管压力表校验并调整工业用弹簧压力表。 2.1 实验设备实验设备 1、标准压力表一块。 2、工业用压力表一块。 2.2 实验步骤和方法实验步骤和方法 1、实验设备图： 1、手柄； 2、油缸； 3、储油杯； 4、标准杯； 5、被校表； 6、7、8、阀门； 9、活塞筒；10、活塞杆； 11、砝码 2、准备工作： （1） 、把标准压力表及被校压力表在活塞压力计上安装好，检查活塞压力计在水平 位置。 6 （2） 、排净管道中的气体。 a、关闭阀门 6、7、8，打开储油杯阀。 b、转动手柄 1 后退油缸中小活塞吸油、再推进活塞将气体赶走，如此反复几次， 直至储油杯口无气泡为止。 c、最后将活塞退回、将油吸入油缸内，然后关闭储油杯阀。 3、工业用压力表的调整与校验 （1） 、初检压力表 a、打开阀门 6、7。 b、挪动手柄给以零点压力与最大量程压力，对应标准压力表的读数，看被校表的 零点是否正确、量程是否合适。 （2） 、观察压力表的内部结构（弹簧管） （3） 、校验压力表 按量程分五等分进行校验，接上行、下行读出标准表与被校表的示值，根据效验结 果判断仪表精确等级。 三、校验记录、计算三、校验记录、计算 1、列表 将记录数据、计算结果列表（参照下表） 被校值 P相对误差 上行下行 标准值 X0 被测值 X 上 误差 X上- X0 被测值 X 下 误差 X下- X0 变差 X-X0 标尺上限值 标尺下限值 2、结论：按被校表的给定精度等级：合格或不合格。 7 实验实验 4 流量计的校核流量计的校核 、实验目的实验目的 1、 熟悉孔板流量计的构造、性能及安装方法。 2、 掌握流量计的标定方法之一容量法。 3、 测定孔板流量计的孔流系数与雷诺准数的关系。 、基本原理基本原理 对非标准化的各种流量仪表在出厂前都必须进行流量标定，建立流量刻度标尺（如转子流量计） 、 给出孔流系数（如涡轮流量计） 、给出校正曲线（如孔板流量计） 。使用者在使用时，如工作介质、温 度、压强等操作条件与原来标定时的条件不同，就需要根据现场情况，对流量计进行标定。 孔板、文丘里流量计的收缩口面积都是固定的，而流体通过收缩口的压力降则随流量大小而变， 据此来测量流量，因此，称其为变压头流量计。而另一类流量计中，当流体通过时，压力降不变，但 收缩口面积却随流量而改变，故称这类流量计为变截面流量计，此类的典型代表是转子流量计。 1、孔板流量计的校核、孔板流量计的校核 孔板流量计是应用最广泛的节流式流量计之一，本 实验采用自制的孔板流量计测定液体流量，用容量法进 行标定，同时测定孔流系数与雷诺准数的关系。 孔板流量计是根据流体的动能和势能相互转化原理而 设计的，流体通过锐孔时流速增加，造成孔板前后产生 压强差，可以通过引压管在压差计或差压变送器上显示。 其 基本构造如图 4-1 所示。 若管路直径为 d1，孔板锐孔直径为 d0，流体流经孔 板前后所形成的缩脉直径为 d2，流体的密度为 ，则根据 柏努利方程，在界面 1、2 处有： 图 4-1 孔板流量计 8 （4-1） 22 2112 2 uuppp 或 （4-2） 22 21 2/uup 由于缩脉处位置随流速而变化，截面积又难以指导，而孔板孔径的面积是已知的，因此， 2 A 0 A 用孔板孔径处流速来替代上式中的，又考虑这种替代带来的误差以及实际流体局部阻力造成的 0 u 2 u 能量损失，故需用系数 C 加以校正。式（4-2）改写为 22 21 2/uuCp （4-3） 对于不可压缩流体，根据连续性方程可知，代入式（4-3）并整理可得 0 10 1 A uu A （4-4） 0 0 1 2/ 1()2 Cp u A A 令 （4-5） 0 2 0 1 1 () C C A A 则式（4-4）简化为 （4-6） 00 2/uCp 根据和即可计算出流体的体积流量： 0 u 0 A （4-7）/2 0000 pACAuV 或 （4-8）/ )(2 0000 i gRACAuV 式中：流体的体积流量， m3/s；V U 形压差计的读数，m；R 压差计中指示液密度，kg/m3； i 孔流系数，无因次； 0 C 由孔板锐口的形状、测压口位置、孔径与管径之比和雷诺数 Re 所决定，具体数值由实验测定。 0 C 当孔径与管径之比为一定值时，Re 超过某个数值后，接近于常数。一般工业上定型的流量计，就 0 C 是规定在为定值的流动条件下使用。值范围一般为 0.6-0.7。 0 C 0 C 孔板流量计安装时应在其上、下游各有一段直管段作为稳定段，上游长度至少应为 10d1，下游为 9 5d2。孔板流量计构造简单，制造和安装都很方便，其主要缺点是机械能损失大。由于机械能损失， 使下游速度复原后，压力不能恢复到孔板前的值，称之为永久损失。d0/d1的值越小，永久损失越大。 三、实验装置与流程三、实验装置与流程 实验装置 如图 4-2 所示。主要部分由循环水泵、流量计、U 型压差计、温度计和水槽等组成， 实验主管路为 1 寸不锈钢管（内径 25mm） 。 图 4-2 流量计校合实验示意图 四、实验步骤与注意事项四、实验步骤与注意事项 1. 熟悉实验装置，了解各阀门的位置及作用。 2. 对装置中有关管道、导压管、压差计进行排气，使倒 U 形压差计处于工作状态。 3. 对应每一个阀门开度，用容积法测量流量，同时记下压差计的读数，按由小到大的顺序在小流 量时测量 89 个点，大流量时测量 56 个点。为保证标定精度，最好再从大流量到小流量重复一次， 然后取其平均值。 4. 测量流量时应保证每次测量中，计量桶液位差不小于 100mm 或测量时间不少于 40s。 5. 主要计算过程如下： （1）根据体积法（秒表配合计量筒）算得流量 V（m3/h） ； （2）根据； 2 4 d V u （3）读取流量 V（由闸阀开度调节）对应下的压差计高度差 R，根据和 00 2/uCp 10 ，求得 C0值。gRp （4）根据，求得雷诺数，其中 d 取对应的 d0值。 du Re （5）在坐标纸上分别绘出孔板流量计和文丘里流量计的Re 图。 0 C 五、实验报告五、实验报告 1. 将所有原始数据及计算结果列成表格，并附上计算示例。 2. 在单对数坐标纸上分别绘出孔板流量计和文丘里流量计的Re 图。 0 C 3. 讨论实验结果。 六、思考题六、思考题 1. 孔流系数与哪些因素有关？ 2. 孔板、文丘里流量计安装时各应注意什么问题？ 3. 如何检查系统排气是否完全？ 4. 从实验中，可以直接得到 RV 的校正曲线，经整理后也可以得到Re 的曲线，这两种 0 C 表示方法各有什么优点？ 11 实验实验 5 热电偶的校验热电偶的校验 一、实验目的一、实验目的 1、掌握精密型电子电位差计正确使用方法。 2、掌握热电偶的检验方法。 3、掌握确定仪表精密度的方法。 二、实验内容二、实验内容 1、识别热电偶的种类及电极方向。 2、进行热电偶校验。 三、实验设备与仪器三、实验设备与仪器