化工仪表及自动化实验讲义.doc

化工自动化及仪表
实 验 讲 义
程万里 编
过程装备与控制工程教学组
2002.9
目 录
实验须知
实验一 热电偶温度计的使用
实验二 电动温度变送器的调整和使用
实验三 电子电位计的校验
实验四 温度控制系统实验(一）
实验五 温度控制系统实验（二)
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。
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 量程
精度 室温
测温点
距离
（cm）
测温仪表
外阻(Ω）
读 数
mV
℃
1

手 动
电位差计
15

0

动圈仪
15

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。
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―Ⅱ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0~50℃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⑤⑥⑦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1.5KΩ的电阻和一台毫安表.
（1） 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
（2)由上式计算的Rx值决定端子⑤⑥⑦的接法
Rx=0～50Ω 接⑤且⑥⑦短路
Rx=50～100Ω 接⑤
Rx=100～200Ω 接⑥
图2—2 配热电阻时的接线图
2．将“检查—工作”开关置于“检查”位置,此时仪表输出电流应在4～6mA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、Rtmax,则热电阻上、下限阻值差ΔRmax=Rtmax-Rtmin
4．调整
（1） 调整零点迁移：
使电阻箱的电阻值为Rtmin+10％ΔRmax,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+90％ΔRmax，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.
(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600～800℃调整
1．接线(见图2-3)
（1） 端补偿电阻(K热电偶RCu 20=20。16Ω），
（2） 手动电位差计代替热电偶输出毫伏信号，
（3） 子⑤⑥⑦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），
e=E（tmin,20）+0。5（RCu 20-Rx）=0
Rx=
tmin—量程的下限温度
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4～6mA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：
用手动电位差计加入E（tmin，t 0)+ 10％E（tmax，tmin),调整“零点迁移"电位器W2使毫安表指示1mA输出（W3不能调）。
tmax—量程的上限温度。
t 0—热电偶的冷端温度（可用实验室的室温）。
（2） 调量程：
用手动电位差计加入E(tmin，t 0）+ 90％E(tmax，tmin),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。
四． 实验报告
1． 零点迁移电阻Rx的计算和端子⑤⑥⑦接法的判定。
2． 画出实验装置的接线原理图.
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。
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：
δ=%
δ-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：
Δ=％
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①短路、②断开、③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 仪表量程 精度
室温t0 E（tmax，tmin)=
校验点(℃）
E刻
（mV)
E示（mV）
误 差
正行程
反行程
E刻—E示-e (mV）
δ％
变差
(mV）
Δ％
正行程
反行程
tmin

﹒
﹒
﹒

tmax

注意:确定精度只需计算最大一点误差即可.
2．结论
⑴． 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。
⑵． 故障现象分析与结论.
⑶． 讨论RM与RG减小对量程与起点的影响.
⑷． 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 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δ、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—Ⅱ型表的标准信号0～10mA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0~10mA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δ1 ，δ2 ，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δ置于某值δ1 ，记住δ旋钮在δ1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δ=δ1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δ1，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δ对余差的影响
置δ=δ2 ，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δ=δ1 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δ=δ1 ，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δ旋钮的位置要与2中的位置完全一致,才能保证此时的δ1 与2中的δ1 是相等的
5． 观测PID控制作用下的过渡过程
保持δ=δ1 ，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δ对稳定性的影响
将δ减小到1％， TI =max，微分开关切向0，观察过渡过程波动曲线。
四．实验报告
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δ、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-Ⅱ型表的标准信号0~10mA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0～10mA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．实验内容及步骤：
（一）控制系统的投运
1． 控制器的手动－自动开关置于“手动” ，偏差－平衡开关置于“偏差",内外给定开关置于“内" , 正反作用开关置于“反”，δ=50％，TI =50秒，TD=30秒，微分开关切向0
2． 可控硅电压调整器的手动－自动开关置于“自动”，干扰开关置“短"位置。
3． 手动遥控
拨动控制器的手操拨盘进行手动遥控，改变控制器的输出，调整可控硅电压调整器的输入信号，遥控加在电炉上的加热电压,使炉温稳定在给定值（例如300℃）
4． 手动－自动无扰动切换
调节给定值拨盘,使偏差为零，将手动－自动开关切向“自动”，观察输出小表是否有变化,并将微分开关切向D。
（二）简单控制系统的参数整定
采用衰减曲线法（4﹕1)进行参数整定，在纯比例（TI =max ，微分开关切向0)作用下，δ置于一个较大的数值（30~60％），用改变给定值额定值的5％左右,本实验可改变给定值刻度盘上的五个小格的方法加入阶跃输入，观察记录曲线(过渡过程），并计算衰减比，此时衰减比若大于 4﹕1 ,应减小δ值,再用改变给定值的方法加入阶跃输入,观察记录曲线，并计算衰减比，直到得到衰减比为 4﹕1 的过渡过程,记下此时的比例度δS，并通过尺子量出衰减振荡曲线中一个周期的长度,根据记录仪的走纸速度计算出振荡周期TS ，然后根据经验公式：
δ=1。6δS ，
TI=0.4TS
TD=0。2TS
求出相应的δ、TI 、TD值，把它们加到控制器中，此时给定值不要变，将干扰开关从“短”切向“干扰”，观察记录的（反向阶跃）过渡过程曲线，再将干扰开关从“干扰”切向“短”，观察记录的（正向阶跃）过渡过程曲线,跟各组提供的标准过渡过程曲线（历届同学做得最好的过渡过程曲线）相比较，注意正向的与正向的比较，反向的与反向的比较，若有差距,可以适当改变δ、TI 、TD值(每次改变δ、TI 、TD值，均要记录)，重复以上过程，直到控制系统的控制质量接近或超过标准。
四．实验报告
1． 讨论在手动－自动无扰动切换过程中要注意那些问题。
2． 绘制一组你在改进控制系统的控制质量的过程中所得到的过渡过程曲线，并注明各参数值。
3． 针对你的实验经验与结果，讨论为了得到更好的控制质量,如何根据实际的过渡过程的具体缺陷，调整δ、TI 、TD值.
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