1、化工專業實驗報告實驗名稱：儀表自動控制實驗人員：吳志尚同組人：吳思、吳迪實驗地點：天大化工技術實驗中心302室實驗時間：2016年4月18日班級/學號:2014級 化工 1 班 2 組 3014207025指導教師：郭紅宇實驗成績：、實驗目的1、 學習 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、學習溫度傳感器的分類和選型原則、學習補償導線和熱電偶的連接3、學習控溫儀表各控制參數的意義和使用設置。4、學習交流接觸器、電子繼電器的原理和連線使用。5、學習用儀表來進行反應器的控溫和測溫電路連接和操作。6 、 通過對不同電路的調試和數據測量，初步掌握儀表自控技術。二、實驗原理空 格儀

2、表自動控制在現代化工業生產中是極其重要的， 它可以減少大量的手工操 作，尤其是在化工生產和實驗中使操作人員遠離工作條件惡劣、 危險的環境， 還 可以使大量的重復性、 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生產上的操作精度及數據測量的準確性， 可完成數據 的遠程傳輸。空格 熱電偶( Thermocouple )是根據熱電效應測量溫度的傳感器，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 本結構卻大致相同， 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、記錄儀表及電子調節器配套使用。空格 熱

3、電偶測溫的基本原理是兩種不同成份的材質導體組成閉合回路， 當兩端存 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 (Seebeck effect )。兩種不同成份的均質導體為 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。根據熱電動勢與溫度的函數關系，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 有兩種不同的導體或半導體 A和B組成一個回路，其兩端相互連接時，只要兩 結點處的溫度不同，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，回路中將產生一個電動勢，該電動勢的方向和 大小與導體的材料及兩接點的溫度有關。這種現象稱為“熱電效應”，兩種導體組成的回路稱為“熱電偶”，這兩種導體稱為“熱電極”，產生的電動勢則稱為“熱 電動勢”B熱端樸愷導越 飲夫訓應廉燉左圖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：不同熱迫偶結構閤一） 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。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 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，控制的物理量只有：

6、開關、通斷、有無之差 別，當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， 區域可以自由設定。 位式控制具有接線簡單、 可靠性高成本低廉的優 點，但調節速度較慢，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，控制的物理量只有：開關、通斷、有無之差 別，當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，區域可以自由設定。位式控制具有接線簡單、可靠性高成本低廉的優 點，但調節速度較慢，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 到規宦要求時*金電氣輸出電路屮便被擰境疑生預富的階伏變化的一種電髀.它具有 控制系統（又稱輸入回路）和被控制系統 ' 必稱輸出回路）之間的互動關素。地常應 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j 故征電路中起看門動調安全保護、轉換電路等作用.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、達到轉換 的U的.這樣的觸點組稱為轉換觸慮。用-轉"字的拼音字火 討 表示匚按継電器的T作顒厘或結溝特fil-仆n:1）電磁紳電器：別用輸入電路內電略任電磴快松芯“固體繼電器：指電子元件履行其功能而無機械運動構件的.輸人和輸岀隔離 的 種繼電器"3）趙哼紀電器：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.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導通.稱為常用觸點“觸點AX不導通稱為常開觸廣，（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11閉合變為打開不導iffi.而融 點入A*的狀態由打開變為閉合而導通.（如圖如】B'BAp9巳7kZ s 2MU豐.盛線圈誦申貝寸SSR固態繼電器工作原理：固態繼電器是一種無觸點通斷電子開關， 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，輸出端就能從關斷狀態轉變成導通狀態（無信號時呈阻斷狀 態），從而控制較大負載。可實現相當于常用的機械式電磁繼電器一樣的功能圖 12|¥| B（四）固態調壓器原理固態調壓器其內部集移相觸發電路，阻容吸收回路，雙向可控硅于一體，通過電位器手動調節以改變阻性負載上的電壓，來達到調節

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）, 固態繼電器（SSR-10 DA,固態調壓器（XSSVR-2410,電流表（69L9）,開關，保險絲（RT18-32），導線若干，工具（螺絲刀2個），電加熱釜式反應器。四、實驗步驟1. 檢查工具箱內的工具：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，再檢查應配有一個工具箱、 一個管式反應器、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，用來控制反應器中段加熱，使用加熱測溫的 熱電偶，放在反應管外壁和電加熱爐瓦之間的位置。該儀表輸入信號為反應器的加熱控 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催化劑的床層溫度。一般反應器都是用一個儀表控制反應管外壁溫度，同時用另一臺儀表，測量催化劑床層內的真實溫度。5. 根據指導教師提供的儀表、電器元件及電加熱爐等、通過學習教材的原理，把電源開關、繼電器、控溫儀表、測溫儀表、熱電偶、電子繼電器、電子調壓器和管式反應器 連接在一起，組裝成儀表自動控制加熱系統。6. 組裝完畢后，檢查無誤，需經指導教師檢查后方可通電。7. 設置控制儀表

13、參數和溫度，為安全期間，一般實驗中反應溫度不超過150C。8. 設定好控制溫度，然后開始加熱，記錄控制溫度和反應器內溫度的測升溫曲線 （每間隔2分鐘進行一次記錄），當反應器內溫度，達到設定溫度后（溫度波動不超過土1）,再記錄10分鐘，準備下一步實驗。9. 在反應溫度恒定10分鐘后，拉動反應器內的測溫熱電偶，每次拉出高度0.5cm,同時記錄下溫度值，測出反應器內催化劑床層的軸向溫度分布（共測 20個點）。10. 設定溫度為150C，改變控制參數 Ctrl、dF、Ctl觀察位式控制和模糊控制的區別 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，實驗報告經老 師過目后，方可離開。五、實驗數據記錄如表-1、表-2所示分別是加熱釜升溫數據記錄和加熱釜軸向溫度分布數據記 錄。表-1加熱釜升溫數據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據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、數據處理根據表-1、表-2可以繪制加熱釜升溫圖（圖5）和圖加熱釜穩態軸向溫度分布圖（圖6）。加熱釜溫升圖顯示覗度/乜圖5加熱釜溫升圖4020DoO640o O2加熱釜穩態軸向分布圖溫度/匸2010o O8 6246S1012測溫點距離底部跖離/cm圖6加熱釜穩態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定于120C左右，反應芯顯 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，這是由于反應芯溫度的上升還需要經過一個壁面熱傳導的過程，壁面導熱能力影響傳熱速率， 反應芯溫度

17、同樣在12分鐘以后基本維持于48C左右。空格由加熱釜穩態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， 及反應器的熱點溫度， 且所有軸向溫度應該相對 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習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芯的溫度隨加熱時間的變化以及穩態時反應芯內溫度的軸向分布。從數據圖可以得出結論，加熱腔和反應芯之間的壁傳熱導致反應芯內的溫度 上升變緩了，相比加熱腔內要慢得多。溫度穩定時，內外溫度相差很大，

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，所以在實際生產中應該 避免使用低導熱系數的反應器壁； 2，加熱爐絲距底部較遠，故反應芯溫度變化 存在一個停留時間值， 因而在自動控制中需要設置成比例積分制度。 在實際生產 中應該對爐絲加熱的變化快慢加以考慮。從數據圖中還可以推斷爐絲與反應芯的位置。 本實驗反應芯相距爐絲尚有一 段距離，可使用 matlab 等工具對數據進行擬合得出正態分布方程，擬合圖像的 中點即為反應芯處。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據模型非常多，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、考資料來明確認定此加熱體系內溫度一 定為正態分布，或許有一定程度的偏差； 3 熱電偶本身的系統誤差。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) 儀表機械零點調整法：當熱

20、電偶的冷端溫度比較恒定，對測量精度要求不太高時，可將機械零點調整至熱電偶實際所處的t處，相當于在輸入熱電偶的電勢前就給儀表預輸入一個電勢，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？位式控制需要設定幾個溫度？位式控制又稱通斷式控制，是將測量值與設定值