天津大學(xué)儀表自動控制實驗

1、化工專業(yè)實驗報告實驗名稱： 儀表自動控制 實驗人員： 某某某 同組人： 某某某、某某 實驗地點(diǎn)：天大化工技術(shù)實驗中心 50樓B座315 室實驗時間： 2016年3月22日班級/學(xué)號：2013級 化工十 班 0 組 3013200000 指導(dǎo)教師： 李麗 實驗成績： 天津大學(xué)化工技術(shù)實驗中心一、實驗?zāi)康募耙?、通過實驗對自控儀表和控制元器件有一具體認(rèn)識。2、了解自控原理，鍛煉動手能力。學(xué)習(xí)并安裝不同的溫度自控電路。3、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)。4、要求按流程組裝實驗電路，并測量加熱反應(yīng)釜溫度隨加熱時間的變化。5、要求待反應(yīng)釜加熱腔溫度穩(wěn)定后測量加熱釜軸向溫度分布規(guī)律

2、。二、實驗原理儀表自動控制在現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中是極其重要的，它減少大量手工操作，使操作人員避免惡劣、危險環(huán)境，自動快速完成重復(fù)工作，提高測量精度，完成遠(yuǎn)程傳輸數(shù)據(jù)。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。圖一所示是本實驗整套裝置圖。按圖由導(dǎo)線連接好裝置，首先設(shè)置“人工智能控制儀”的最終溫度，輸出端輸出直流電壓用于控制“SSR”（固態(tài)繼電器），則當(dāng)加熱釜溫度未達(dá)到最終溫度時“SSR”是通的狀態(tài)，電路導(dǎo)通，給加熱釜持續(xù)加熱；當(dāng)加熱釜溫度達(dá)到最終溫度后“SSR”是不通的狀態(tài)，電路斷開，加熱釜加熱停止。本實驗研究的數(shù)據(jù)對象有兩個：其一，測量儀表在加熱釜開始加熱后測量

3、的升溫過程，即溫度隨時間變化；其二，當(dāng)溫度達(dá)到最終溫度并且穩(wěn)定后，測量溫度沿加熱釜軸向的分布，即穩(wěn)定溫度隨空間分布。圖一 實驗裝置圖實驗裝置中部分儀器的工作原理：1，控溫儀表：輸出端輸出直流電壓控制SSR，當(dāng)加熱釜溫度未達(dá)到預(yù)設(shè)溫度時SSR使電路導(dǎo)通，持續(xù)加熱；當(dāng)達(dá)到最終溫度后SSR使電路斷開，加熱停止。2，測溫儀表：與測溫的熱電偶相連，實時反饋加熱釜內(nèi)溫度的測量值。3，熱電偶（如圖二）：分別測量加熱腔和反應(yīng)芯內(nèi)的溫度。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(jìn)行溫度測量。它是由兩種不同材料的導(dǎo)體焊接而成。焊接的一端插入被測介質(zhì)中，感受被測溫度，稱為熱電偶的工作端或熱端。另一

4、端與導(dǎo)線連接，稱為自由端或冷端。若將其兩端焊接在一起，且兩段存在溫度差，則在這個閉路回路中有熱電勢產(chǎn)生。如在回路中加一直流毫伏計，可見到毫伏計中有電勢指示，電勢的大小與兩種不同金屬的材料和溫度有關(guān)，與導(dǎo)線的長短無關(guān)。圖二 熱電偶4，中間繼電器工作原理（如圖3）：中間繼電器有常開、常閉兩組觸點(diǎn)。電磁線圈不通電時，電磁鐵T 不吸合，此時觸點(diǎn) B，B導(dǎo)通，稱為常閉觸點(diǎn)。觸點(diǎn) A，A不導(dǎo)通稱為常開觸點(diǎn)。反之，電磁線圈通電時，電磁鐵T 吸合，觸點(diǎn) B，B的狀態(tài)由閉合變?yōu)榇蜷_不導(dǎo)通，而觸點(diǎn) A，A的狀態(tài)由打開變?yōu)殚]合而導(dǎo)通。圖三 中間繼電器5，固態(tài)調(diào)壓器原理：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(dá)

5、到調(diào)節(jié)輸出功率的目的。圖四 固態(tài)繼電器 圖五 固態(tài)調(diào)壓器6，固態(tài)繼電器工作原理：固態(tài)繼電器是一種無觸點(diǎn)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。中間采用光電隔離，作為輸入輸出之間電器隔離（浮空）。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(jī)械式電磁繼電器一樣的功能。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（C5×20910），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

6、絲（RT18-32），電加熱釜式反應(yīng)器，導(dǎo)線若干，工具(螺絲刀、剪線鉗、剝線鉗、鋼絲鉗等)，萬能表。四、實驗步驟1根據(jù)實驗流程圖-1組裝儀表自動控制加熱系統(tǒng)，注意在接線時用不同顏色的導(dǎo)線標(biāo)識正負(fù)極，以便后期檢查。2組裝完畢后，經(jīng)過指導(dǎo)教師檢查后方可通電。3通電后設(shè)置控制儀表參數(shù)和溫度。設(shè)置目標(biāo)溫度為305，加熱電流為1.0A。4打開加熱電源，測定升溫曲線。每間隔2分鐘進(jìn)行一次記錄，控制儀表和顯示儀表都要記錄。注意加熱釜溫度上升很迅速。5待加熱釜內(nèi)溫度達(dá)到目標(biāo)溫度穩(wěn)定在305后，再測量溫度30分鐘，則溫度隨時間變化測量完畢。接下來測量軸向溫度分布，由下至上每間隔2厘米測一個點(diǎn)。6實驗完畢后，拆除

7、控制電路。所用儀表、元器件、工具等放回原處。五、實驗數(shù)據(jù)記錄如表二、表三 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。表一: 實驗原始條件大氣壓101.2 kPa室溫25/實驗日期2016/3/26實驗時間8:30-12:00(am)實驗裝置號實驗地點(diǎn)50-B-315室實驗內(nèi)容加熱釜溫度的儀表控制實驗人數(shù)某某某、某某某、某某某表二：加熱釜升溫數(shù)據(jù)記錄表序號實驗時間控制溫度/顯示溫度/備注110:4316.416.4設(shè)定溫度為305210:4582.919.0310:47134.626.6410:49198.639.7510:51249.857.3610:53296.575.771

8、0:55304.692.1810:57304.8104.3910:59305.2109.8溫度達(dá)到設(shè)定溫度值1011:01305.1112.81111:03305.3114.11211:05305.1114.41311:07305.1114.01411:09305.4113.41511:11305.4112.51611:13305.3111.61711:15305.5110.81811:17305.3109.91911:19305.6109.22011:21305.2108.42111:23305.6109.22211:25305.2107.32311:27305.3106.8開始測量加熱釜軸

9、向溫度表三: 加熱釜軸向溫度分布數(shù)據(jù)記錄表序號測溫點(diǎn)距底部距離/cm顯示溫度/備注10106.9反應(yīng)釜最底部溫度22155.734191.946225.058248.9610266.1712278.5814288.9916295.51018298.71120299.9最大值1222298.51324294.31426286.01528271.61630253.41732220.61834183.51936142.7203893.7六、數(shù)據(jù)處理根據(jù)表二可以繪制加熱釜升溫圖圖六 加熱釜升溫圖根據(jù)表三繪制加熱釜穩(wěn)態(tài)軸向溫度分布圖圖七 加熱釜穩(wěn)態(tài)軸向溫度分布圖由圖六可以看出，隨著加熱的進(jìn)行，加熱釜的加

10、熱腔溫度在前10分鐘快速上升，并到達(dá)指定溫度305，此后溫度一直維持在305，伴隨小幅度的上下波動，可求得此段平均溫度為305.3067，稍高與設(shè)定值305。而反應(yīng)芯內(nèi)由于是隔壁傳熱，溫度上升的比較慢，升溫速率不斷加快，最終穩(wěn)定在 114左右，可以觀察到到達(dá)穩(wěn)定的時間為15分鐘，比加熱腔的穩(wěn)定時間要靠后5分鐘左右，穩(wěn)定之后隨著時間推移有微小下降趨勢。由圖七可以看出，隨著距離變化，反應(yīng)芯內(nèi)的穩(wěn)定溫度有所不同，中心部分的溫度最高，而底部和頂部的溫度最低，整體呈現(xiàn)“凸”形分布，所有軸向溫度相對于中心溫度基本為對稱分布。七、分析與討論誤差分析本實驗所測量的數(shù)據(jù)為加熱釜的溫度，誤差來源主要有：（1）測溫

11、傳感器熱電偶本身存在的誤差；（2） 在測量軸向溫度分布時，向外拔出的距離并不能很好地控制在2cm；（3）由于計錄數(shù)據(jù)是每隔2分鐘記一次，可能漏掉重要數(shù)據(jù)，引起實驗誤差。但是總體來說本次實驗的誤差對實驗結(jié)論的影響較小，可以忽略不計。結(jié)果分析從圖六可以得出結(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5分鐘左右。溫度穩(wěn)定時，內(nèi)外溫度相差很大，相差多達(dá)190。分析原因易知，測溫時我們測量的顯示溫度即反應(yīng)芯溫度為反應(yīng)釜最低端的溫度，一方面這個位置靠近外部環(huán)境空氣，易造成熱量散失，導(dǎo)致溫度較中心溫度偏低；另一方面很可能是加熱絲并未覆蓋整個反應(yīng)釜，而僅僅在中部有。從理論上對

12、此的解釋是熱電偶測量的溫度是點(diǎn)溫度，而不是平均溫度，固他能夠控制的也只能是點(diǎn)處的溫度。求出待溫度到達(dá)305后控制溫度的平均值為305.3067，與設(shè)定值相差了+0.3067，與設(shè)定值的最大偏差溫度為305.6，另外發(fā)現(xiàn)這些溫度都大于305，這與理論是相違背的，理論上應(yīng)該在305上下波動，即必有小于305的點(diǎn)。造成這一錯誤的原因是我們在記錄數(shù)據(jù)是每隔2分鐘一次，而溫度的變化是連續(xù)的，造成一些數(shù)據(jù)的丟失，使實驗數(shù)據(jù)偏離實驗現(xiàn)象本身的正確性。我在實驗中觀察到小于305.6的點(diǎn)，這說明實驗本身是正確的，但由于記錄方式不完全合理造成錯誤的結(jié)論。從圖七可以看出，溫度相對中心位置（距底部20cm左右）成對稱

13、分布，則可以得出結(jié)論：加熱爐絲在反應(yīng)芯中心的壁外處，由于其具體形狀未知，只能說爐絲也是以此為中心對稱纏繞的。八、思考題1，熱電偶冷端的溫度補(bǔ)償有幾種方法，并敘述。答：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0不變，它可消除t0不等于0而引入的誤差。計算修正法：當(dāng)熱電偶的冷端溫度不等于0時，測得的熱電勢E(t,t0)與冷端為0時測的E(t,0)不同，可利用下式：E(t,0)=E(t,t0)+E(t0,0)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t0在該熱電偶分度表查出的補(bǔ)償值，二者相加即可。電橋補(bǔ)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(bǔ)償熱電

14、偶因冷端溫度變化而引起的熱電勢變化值。儀表機(jī)械零點(diǎn)調(diào)整法：當(dāng)熱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(jī)械零點(diǎn)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。補(bǔ)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，試解釋影響溫度測量精度的因素和改善措施。答：在本實驗中使用的測溫儀器為熱電偶，其誤差來源有以下幾方面。溫度計感溫部分所在處被測物質(zhì)的溫度不等于待測溫度時引起的誤差。解決方法是合理選擇不同的熱電偶和足夠的插入深度。冷端引起的誤差，改善方法見問題1。熱電特性不同

15、引起的誤差。解決方法是補(bǔ)償導(dǎo)線和熱電偶的搭配連接要適當(dāng)，采用勻質(zhì)熱電偶材料。絕緣不良引起的誤差。熱電偶兩級之間以及與大地之間應(yīng)絕緣性好，否則嚴(yán)重影響儀表正常工作。顯示儀表精度和讀數(shù)引起的誤差，即分度誤差。除采用高精度儀表外，要將其合理計算加入誤差分析。熱交換引起的誤差的誤差。即熱電偶熱斷點(diǎn)處由于向環(huán)境散熱從而低于所在處被測物體溫度。改善方法主要有：加絕熱側(cè)、防輻射罩，減小偶絲直徑、傳熱電阻等等。3，比較熱電偶和熱電阻的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍。一:熱電偶測量溫度計：適用范圍：測量500度以上的點(diǎn)溫度。優(yōu)點(diǎn)： 測量精度高：因為熱電偶直接與被測對象接觸，不受中間介質(zhì)的影響。 測量范圍廣：常用的熱電偶從-5

16、0+1600均可邊續(xù)測量，某些特殊熱電偶最低可測到-269（如金鐵鎳鉻），最高可達(dá)+2800（如鎢-錸）。構(gòu)造簡單，使用方便：熱電偶通常是由兩種不同的金屬絲組成，而且不受大小和開頭的限制，外有保護(hù)套管，用起來非常方便。熱電偶所測量的是電勢，可進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸。而熱電阻在遠(yuǎn)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。缺點(diǎn)：實際應(yīng)用時熱電偶冷端必須進(jìn)行補(bǔ)償；測量低溫端時誤差較大。二:熱電阻測量溫度計：適用范圍：測量500度以下的空間平均溫度。優(yōu)點(diǎn)：測量精度高。性能穩(wěn)定。缺點(diǎn)：不能測高溫，體積大不能測點(diǎn)溫?？偨Y(jié)來說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