儀表自動控制實驗報告

1、化工專業(yè)實驗報告實驗名稱：儀表自動控制實驗人員：吳志尚同組人：吳思、吳迪實驗地點：天大化工技術(shù)實驗中心302室實驗時間：2016年4月18日班級/學(xué)號:2014級 化工 1 班 2 組 3014207025指導(dǎo)教師：郭紅宇實驗成績：、實驗?zāi)康?、 學(xué)習(xí) AI 型控制儀表的使用和接線，了解該類型儀表的控制原理。2、學(xué)習(xí)溫度傳感器的分類和選型原則、學(xué)習(xí)補償導(dǎo)線和熱電偶的連接3、學(xué)習(xí)控溫儀表各控制參數(shù)的意義和使用設(shè)置。4、學(xué)習(xí)交流接觸器、電子繼電器的原理和連線使用。5、學(xué)習(xí)用儀表來進行反應(yīng)器的控溫和測溫電路連接和操作。6 、 通過對不同電路的調(diào)試和數(shù)據(jù)測量，初步掌握儀表自控技術(shù)。二、實驗原理空 格儀

2、表自動控制在現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中是極其重要的， 它可以減少大量的手工操 作，尤其是在化工生產(chǎn)和實驗中使操作人員遠離工作條件惡劣、 危險的環(huán)境， 還 可以使大量的重復(fù)性、 簡單的手工操作由儀器儀表自動控制裝置完成。 并可在極 大的程度上提高實驗和工業(yè)生產(chǎn)上的操作精度及數(shù)據(jù)測量的準(zhǔn)確性， 可完成數(shù)據(jù) 的遠程傳輸?？崭?熱電偶( Thermocouple )是根據(jù)熱電效應(yīng)測量溫度的傳感器，是溫度測量 儀表中常用的測溫元件。 各種熱電偶的外形常因需要而極不相同， 但是它們的基 本結(jié)構(gòu)卻大致相同， 通常由熱電極、 絕緣套保護管和接線盒等主要部分組成， 通 常和顯示儀表、記錄儀表及電子調(diào)節(jié)器配套使用?？崭?熱

3、電偶測溫的基本原理是兩種不同成份的材質(zhì)導(dǎo)體組成閉合回路， 當(dāng)兩端存 在溫度梯度時，回路中就會有電流通過，此時兩端之間就存在電動勢熱電 動勢，這就是所謂的塞貝克效應(yīng) (Seebeck effect )。兩種不同成份的均質(zhì)導(dǎo)體為 熱電極， 溫度較高的一端為工作端， 溫度較低的一端為自由端， 自由端通常處于某個恒定的溫度下。根據(jù)熱電動勢與溫度的函數(shù)關(guān)系，制成熱電偶分度表；分度 表是自由端溫度在0c時的條件下得到的，不同的熱電偶具有不同的分度表。當(dāng) 有兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體 A和B組成一個回路，其兩端相互連接時，只要兩 結(jié)點處的溫度不同，一端溫度為 T，稱為工作端或熱端，另一端溫度為 T0，稱 為自由

4、端（也稱參考端）或冷端，回路中將產(chǎn)生一個電動勢，該電動勢的方向和 大小與導(dǎo)體的材料及兩接點的溫度有關(guān)。這種現(xiàn)象稱為“熱電效應(yīng)”，兩種導(dǎo)體組成的回路稱為“熱電偶”，這兩種導(dǎo)體稱為“熱電極”，產(chǎn)生的電動勢則稱為“熱 電動勢”B熱端樸愷導(dǎo)越 飲夫訓(xùn)應(yīng)廉燉左圖1：熱電偶接線惶理團1. 羔電極2.絕緣套 3-探護套符 4.接線能圈2：不同熱迫偶結(jié)構(gòu)閤一） 熱電阻工作原理 熱電阻是利用金屬的電阻值隨溫度變化而變化的特性來進行溫度測量 阻值與溫度關(guān)系如下式：Rt =Rto1+ u（t-to）Rt = ocRto? At式中：Rt 溫度為t C時的電阻值。Rto 溫度為to （通常為0 C ）時的電阻值。a

5、電阻溫度系數(shù)。At 溫度的變化值。ARt 電阻值的變化量。熱電偶與熱電阻相比有以下不同之處：1、熱電偶所測量的是電勢，可進行遠距離傳輸。而熱電阻在遠距離傳輸時，導(dǎo) 線電阻會隨著傳輸距離的增加而增大，使測量誤差加大。2、熱電偶所測量的是一個點的溫度， 而熱電阻所測量的是一個面上的平均電阻， 也可以說是一個面上的平均溫度。3、熱電偶的測量精度低于熱電阻的測量精度 （熱電阻的測量精度是由金屬本身 的純度所決定的）。4、一般說來，熱電偶多用于測量高溫，熱電阻則多用于測量低溫。本實驗就是 儀表自動控制在化工生產(chǎn)和實驗中非常重要的一個分支溫度的儀表自動控 制。位式控制屬于非線性控制系統(tǒng)，控制的物理量只有：

6、開關(guān)、通斷、有無之差 別，當(dāng)溫度回落到要求的啟動值時、啟動加熱，溫度上升到工藝要求溫度值時、 停止加熱， 區(qū)域可以自由設(shè)定。 位式控制具有接線簡單、 可靠性高成本低廉的優(yōu) 點，但調(diào)節(jié)速度較慢，過沖量較大。-220¥JZT-44C2圖頭儀表控制電路圖位式控制屬于非線性控制系統(tǒng)，控制的物理量只有：開關(guān)、通斷、有無之差 別，當(dāng)溫度回落到要求的啟動值時、啟動加熱，溫度上升到工藝要求溫度值時、 停止加熱，區(qū)域可以自由設(shè)定。位式控制具有接線簡單、可靠性高成本低廉的優(yōu) 點，但調(diào)節(jié)速度較慢，過沖量較大。圖4：最簡單的位式控制電路圖5：位代控制鮎栗閤繼電器 kjn:倒6：儀衣PID擰胡電路圖圖7： P

7、ID控制結(jié)果圖（一）繼電器H作原理：堆電器（英文名稱：呵割）是一種電拒制器件.足出輸入呈（巖勵呈丨的變化達 到規(guī)宦要求時*金電氣輸出電路屮便被擰境疑生預(yù)富的階伏變化的一種電髀.它具有 控制系統(tǒng)（又稱輸入回路）和被控制系統(tǒng) ' 必稱輸出回路）之間的互動關(guān)素。地常應(yīng) 用口動化的控制電路中它丈際上是用小電潼左控制大電iE運作的一種沖動開關(guān)j 故征電路中起看門動調(diào)安全保護、轉(zhuǎn)換電路等作用.繼電器的融點宵種縣本形式，1動合矍（常卄）（h¥）線圈不涌電時腳觸點足斷卄的.通電后兩牛觸點就 閉合.U合字的拼音字頭*H “表示n2. 動斷空（常閉）（D型）線圈不辿電時叫觸點足閉合的.通電feW

8、tttAit斷 開用斷字的拼音字頭表禾U3. 轉(zhuǎn)換型煜型）這是獨點組型.這種堆點組共有二個獨點.即中何是動從點 丨卜齊一令靜觸點E線圈不通電時.動觸點和獲中一亍蘇觸點斷卄和另一亍閉合，線（通電后，動融點就移動、便原來斷卄的成閉合，原來閉合的成斷開狀態(tài)、達到轉(zhuǎn)換 的U的.這樣的觸點組稱為轉(zhuǎn)換觸慮。用-轉(zhuǎn)"字的拼音字火 討 表示匚按継電器的T作顒厘或結(jié)溝特fil-仆n:1）電磁紳電器：別用輸入電路內(nèi)電略任電磴快松芯“固體繼電器：指電子元件履行其功能而無機械運動構(gòu)件的.輸人和輸岀隔離 的 種繼電器"3）趙哼紀(jì)電器：為外界溫互達到給疋值時而動作的繼電器"4）占簧筆電器:利

9、用密封在管內(nèi).具有觸電簧片和銜鐵磁路取重作用的5簧動作來開.閉或轉(zhuǎn)換線賂的註電器5時間繼電器；鮎上或除去輸入牯號時，輪出部分SS延時或限時到規(guī)定時何 才閉合或斷開其就拎線路繼電器"6）高傾繼電器：用切換高頻，射頻線路而具有用小損耗的繼電器7）極化址電器：有極化磁場與控制電流通過控制線圈所產(chǎn)生的繊場綜合作用和 動作的繼電器“継電罟的動佯方向職訣呼:制線罔叩漬過的的電流方向"（三）中讎電器工作原理：中何繼電器有常幵、常閉仙紹融點匚電磁線圈不通魁旳.電磴詼T不吸；r此旳 觸點乩J導(dǎo)通.稱為常用觸點“觸點AX不導(dǎo)通稱為常開觸廣，（如國即反乙 電磁線陶通電時.電嵐鐵T吸合，融點BB&

10、#39;的狀態(tài)11閉合變?yōu)榇蜷_不導(dǎo)iffi.而融 點入A*的狀態(tài)由打開變?yōu)殚]合而導(dǎo)通.（如圖如】B'BAp9巳7kZ s 2MU豐.盛線圈誦申貝寸SSR固態(tài)繼電器工作原理：固態(tài)繼電器是一種無觸點通斷電子開關(guān)， 為四端 有源器件。其中兩個端子為輸入控制端，另外兩端為輸出受控端。在輸入端加上 直流或脈沖信號，輸出端就能從關(guān)斷狀態(tài)轉(zhuǎn)變成導(dǎo)通狀態(tài)（無信號時呈阻斷狀 態(tài)），從而控制較大負(fù)載?？蓪崿F(xiàn)相當(dāng)于常用的機械式電磁繼電器一樣的功能圖 12|¥| B（四）固態(tài)調(diào)壓器原理固態(tài)調(diào)壓器其內(nèi)部集移相觸發(fā)電路，阻容吸收回路，雙向可控硅于一體，通過電位器手動調(diào)節(jié)以改變阻性負(fù)載上的電壓，來達到調(diào)節(jié)

11、輸出功率的目的。（如圖13）。d 14：三、實驗儀器控溫儀表（AI-T08）,測溫儀表（AI-T08）,熱電偶2個，中間繼電器（C5X 2 0910）, 固態(tài)繼電器（SSR-10 DA,固態(tài)調(diào)壓器（XSSVR-2410,電流表（69L9）,開關(guān)，保險絲（RT18-32），導(dǎo)線若干，工具（螺絲刀2個），電加熱釜式反應(yīng)器。四、實驗步驟1. 檢查工具箱內(nèi)的工具：一般有萬用電表、電烙鐵、焊錫、焊錫膏、剝線鉗、扁口鉗、 十字螺絲刀、試電筆、絕緣膠布等工具和電工材料。2. 每組2名成員，分組確定后，首先到指定的實驗位置，再檢查應(yīng)配有一個工具箱、 一個管式反應(yīng)器、電線及必須的電子元件等。3. 控溫儀表為AI

12、-708型，熱電偶為E型，用來控制反應(yīng)器中段加熱，使用加熱測溫的 熱電偶，放在反應(yīng)管外壁和電加熱爐瓦之間的位置。該儀表輸入信號為反應(yīng)器的加熱控 制熱電偶。4. 測溫儀表為AI-702型，只能用來測量溫度。實驗中用來測量管內(nèi)催化劑的床層溫度。一般反應(yīng)器都是用一個儀表控制反應(yīng)管外壁溫度，同時用另一臺儀表，測量催化劑床層內(nèi)的真實溫度。5. 根據(jù)指導(dǎo)教師提供的儀表、電器元件及電加熱爐等、通過學(xué)習(xí)教材的原理，把電源開關(guān)、繼電器、控溫儀表、測溫儀表、熱電偶、電子繼電器、電子調(diào)壓器和管式反應(yīng)器 連接在一起，組裝成儀表自動控制加熱系統(tǒng)。6. 組裝完畢后，檢查無誤，需經(jīng)指導(dǎo)教師檢查后方可通電。7. 設(shè)置控制儀表

13、參數(shù)和溫度，為安全期間，一般實驗中反應(yīng)溫度不超過150C。8. 設(shè)定好控制溫度，然后開始加熱，記錄控制溫度和反應(yīng)器內(nèi)溫度的測升溫曲線 （每間隔2分鐘進行一次記錄），當(dāng)反應(yīng)器內(nèi)溫度，達到設(shè)定溫度后（溫度波動不超過土1）,再記錄10分鐘，準(zhǔn)備下一步實驗。9. 在反應(yīng)溫度恒定10分鐘后，拉動反應(yīng)器內(nèi)的測溫?zé)犭娕?，每次拉出高?.5cm,同時記錄下溫度值，測出反應(yīng)器內(nèi)催化劑床層的軸向溫度分布（共測 20個點）。10. 設(shè)定溫度為150C，改變控制參數(shù) Ctrl、dF、Ctl觀察位式控制和模糊控制的區(qū)別 及效果，并每間隔2分鐘記錄選取，至少記錄 20分鐘時間，觀察不同控制方式對溫度 的影響。11. 實驗

14、完畢后，拆除控制電路。所用儀表、元器件、工具等放回原處，實驗報告經(jīng)老 師過目后，方可離開。五、實驗數(shù)據(jù)記錄如表-1、表-2所示分別是加熱釜升溫數(shù)據(jù)記錄和加熱釜軸向溫度分布數(shù)據(jù)記 錄。表-1加熱釜升溫數(shù)據(jù)記錄時間記錄時間間控制溫度顯示溫度時間記錄時間間控制溫度顯示溫度隔 /min/C/C隔 /min/C/C11:20029.719.711:3717119.845.411:22245.421.111:3919120.047.511:25559.724.111:4121120.048.411:27773.728.311:4323120.148.811:29984.631.811:4525120.14

15、9.111:311195.335.111:4727120.149.211:3313113.941.111:4929120.149.211:3515119.142.911:5131120.049.0表-2加熱釜軸向溫度分布數(shù)據(jù)記錄測溫點距底溫度/C測溫點距底溫度/C測溫點距底溫度/C部距離/cm部距離/cm部距離/cm048.93.578.07.097.00.553.54.081.57.598.51.057.64.585.18.0100.31.561.85.087.78.5102.22.066.65.590.59.0103.52.569.96.091.89.5105.13.074.46.595.

16、010.0106.6六、數(shù)據(jù)處理根據(jù)表-1、表-2可以繪制加熱釜升溫圖（圖5）和圖加熱釜穩(wěn)態(tài)軸向溫度分布圖（圖6）。加熱釜溫升圖顯示覗度/乜圖5加熱釜溫升圖4020DoO640o O2加熱釜穩(wěn)態(tài)軸向分布圖溫度/匸2010o O8 6246S1012測溫點距離底部跖離/cm圖6加熱釜穩(wěn)態(tài)軸向溫度分布圖空格由加熱釜溫升圖（圖5）可知，隨著時間的推移，加熱釜的加熱腔溫度上升 很快，前12分鐘變化很快，12分鐘以后基本保持穩(wěn)定于120C左右，反應(yīng)芯顯 示的溫度也在加熱釜溫度上升的同時不斷上升，但上升速度較慢，這是由于反應(yīng)芯溫度的上升還需要經(jīng)過一個壁面熱傳導(dǎo)的過程，壁面導(dǎo)熱能力影響傳熱速率， 反應(yīng)芯溫度

17、同樣在12分鐘以后基本維持于48C左右?？崭裼杉訜岣€(wěn)態(tài)軸向溫度分布圖可知，隨著測溫點與底部距離加大，測溫儀測得的溫度逐漸上升，理論上溫度值存在一個最高點， 及反應(yīng)器的熱點溫度， 且所有軸向溫度應(yīng)該相對 于熱點溫度對稱分布， 但本次實驗測溫點僅要求與底部距離從0 10cm變化，在更大的范圍內(nèi)可使溫度分布圖更加接近“凸”字形。七、分析與討論本實驗旨在學(xué)習(xí)儀表自動化測量溫度的方法，實驗測量了加熱釜的加熱腔和反應(yīng)芯的溫度隨加熱時間的變化以及穩(wěn)態(tài)時反應(yīng)芯內(nèi)溫度的軸向分布。從數(shù)據(jù)圖可以得出結(jié)論，加熱腔和反應(yīng)芯之間的壁傳熱導(dǎo)致反應(yīng)芯內(nèi)的溫度 上升變緩了，相比加熱腔內(nèi)要慢得多。溫度穩(wěn)定時，內(nèi)外溫度相差很大，

18、可能有 如下兩個原因： 1，腔與芯之間的傳熱壁傳熱效率很低，所以在實際生產(chǎn)中應(yīng)該 避免使用低導(dǎo)熱系數(shù)的反應(yīng)器壁； 2，加熱爐絲距底部較遠，故反應(yīng)芯溫度變化 存在一個停留時間值， 因而在自動控制中需要設(shè)置成比例積分制度。 在實際生產(chǎn) 中應(yīng)該對爐絲加熱的變化快慢加以考慮。從數(shù)據(jù)圖中還可以推斷爐絲與反應(yīng)芯的位置。 本實驗反應(yīng)芯相距爐絲尚有一 段距離，可使用 matlab 等工具對數(shù)據(jù)進行擬合得出正態(tài)分布方程，擬合圖像的 中點即為反應(yīng)芯處。如此測量存在一定的誤差，主要有： 1，實驗選取的樣本有 限，有限的樣本可建立的數(shù)據(jù)模型非常多，無法確定真正適合的溫度分布模型； 2，加熱爐絲的位置未知，無法從查閱參

19、考資料來明確認(rèn)定此加熱體系內(nèi)溫度一 定為正態(tài)分布，或許有一定程度的偏差； 3 熱電偶本身的系統(tǒng)誤差。八、思考題1，熱電偶冷端的溫度補償有幾種方法，并敘述。答： 1)冷端恒溫法：將熱電偶的冷端置于裝有冰水混合物的恒溫容器中，使其溫度保持0C不變，它可消除to不等于0C而引入的誤差。2) 計算修正法：當(dāng)熱電偶的冷端溫度不等于 0C時，測得的熱電勢E(t,to)與冷端 為0C時測的E(t,0C)不同，可利用下式：E(tOC)=E(t,t°)+E(toOC)來修正，右式 第一項為毫伏表直接測得的熱電勢，第二項是由10在該熱電偶分度表查出的補償 值，二者相加即可。3) 儀表機械零點調(diào)整法：當(dāng)熱

20、電偶的冷端溫度比較恒定，對測量精度要求不太高時，可將機械零點調(diào)整至熱電偶實際所處的t處，相當(dāng)于在輸入熱電偶的電勢前就給儀表預(yù)輸入一個電勢，此法雖有一定誤差，但很簡便常用。4) 電橋補償法：此法是利用不平衡電橋產(chǎn)生的不平衡電壓來自動補償熱電偶因 冷端溫度變化而引起的熱電勢變化值。5) 補償導(dǎo)線法：此法將熱電偶的冷端溫度從溫度較高、變化大的地方轉(zhuǎn)移到溫 度較低、變化小的方向，等于延長了熱電偶。2、 如果為冷端補償溫度為20C，測量儀表顯示的溫度為30C，貝U測量點的真實溫度是多少？E(t,20)=E(t,0)-E(20,0)=E(30,0)故 E(t,O)= E(30,0)+ E(20,0)=1801+1192=2993uV 查E熱電偶分度表可知t=49.14C3、什么叫位式控制？位式控制需要設(shè)定幾個溫度？位式控制又稱通斷式控制，是將測量值與設(shè)定值