化工仪表及自动化实验讲义

1、化工自动化及仪表实验讲义曾飞虎林继辉编2012.01实验须知实验一热电偶温度计的使用实验二电子电位计的校验实验三THKGK-1实验装置的基本操作与仪表调试实验四温度位式控制系统实验五单容水箱对象特性的测试验须知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

2、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。保温瓶、一 d 0 工冰水混合物手动电位计接线板调电阻动图式仪表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

3、 .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。电炉图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

4、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测温点距离(cm)测温仪表外阻（Q）读数mVC1手动电位差计1570动圈仪15702 .画出热电偶配动圈仪和手动电位差计的接线

5、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。电子电位差计的校验1 .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

6、出现的故障和检查方法。2 .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3 .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。,、,一一）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

7、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：验动电计 校自子差 被督位玻璃温度计为+手动电位差计r-0 一+ 6 一-L - U其指示误差按下式计算：6=E刻七示eI。%E上限E下限6一指小误差e一补偿电阻处温度（即室温）相对应的电势值E上限一相对应的电势值E下限一相对应的电势值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%E上行程E下行程A=E上限E下限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

8、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04 .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。一.实验报告1 .数据处理热电偶分度号仪表量程精度室温toE(tmax,tmin)=校验点(C)E刻(mV)E

9、示(mV)误差正行程反行程E刻-E示-e(mV)8%变差(mV)%正行程反行程tmintmax注意：确定精度只需计算最大一点误差即可2 .结论3 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。.故障现象分析与结论。.讨论Rm与Rg减小对量程与起点的影响。.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？实验三THKGK-1实验装置的基本操作与仪表调试一、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1、THKGK-1型过程控制实验装置GK-02GK-03GK-04

10、GK-072、万用表一只三、实验装置的结构框图脚3图4声-1Si-脚10上水箱二 ,峨 己 V lJ二下水七 交流电机交流电机储水箱图1-1、液位、压力、流量控制系统结构框图四、实验内容1） 、设备组装与检查：2） ）、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。3） 、先打开空气开关再打开钥匙开关，此时停止按钮红灯亮。4） 、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。5） 、关闭各个挂件的电源进行连线。2、 系统接线：1 ）、交流支路1：将GK-04PID调节器的自动/手动切换开关拨到“手动”位置

11、，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-04PID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）。

12、3 、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DC05V），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：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

13、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、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、实验报告自行绘制表格测出压力变送器的特性。实验四温度位式控制系统一、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。

14、二、实验设备1、 THKGK-1型过程控制实验装置：GK-02GK-03GK-05GK-072、万用表一只3、计算机系统三、实验原理2、 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=Rt01+a（t-t0）式中Rt温度为t（如室温20C）时的电阻值；Rt0温度为t0（通常为0C）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

15、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0650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（

16、如室温20C）时的电阻值；Rt0温度为t0（通常为0C）时的电阻值；A、B、C是常数，一般A=3.90802*1031/C,B=-5.802*10-71/C,C=-4.2735*10-121/CoRt-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Vo（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

17、控制系统的方块图。图 4-1、丫0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，Vo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 1V）。被控对象为复合水箱中的电热丝，被控制量为内套的水温，它由钳电阻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

18、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

19、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骊。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23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(C)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1、Vmax必须要大于Vmin（一般要求Vmax-

20、VminR1V）。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。实验五单容水箱对象特性的测试一、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、实验设备1、THKGK

21、-1型过程控制实验装置：GK-02GK-03GK-04GK-072、万用表一只3、计算机及上位机软件三、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

22、的液面高度为h,出水阀V2固定于某开度值。根据物料动态平衡的关系，求得：dtR2CdhhR2Q在零初始条件下，对上式求拉氏变换，得:G(s)H(s)Qi(s)R2R2CS 1KTS 12-1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：，-c、KR0KR0KR0.H(S)2-2S(TS1)SS1/T2-3-1th(t) KRo(1-eT)时,h()h()RoKRo.因而有输出稳态值阶跃输入当tT时，则有：-12-4h(T)KR0(1

23、-e)0.632KR00.632h()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0.63h2(0)间，就是水箱的时间常数To该时间常数T也可以通过坐标原点对响应曲线作切线，此切线与稳其理论依据是:dh(t)dtKR0 LTeTKRoTh(图2-2阶跃响应曲线(2-5)态值的交点所对应的时间就是时间常数To二上式表示h(t)若以在原点时的速度h(8)/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(oo)/R0=输入稳态值/阶跃输入四、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