仪表自动控制.docx
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仪表自动控制
仪表自动控制
一、实验目的
1、学习AI型控制仪表的使用和接线，了解该类型仪表的控制原理。
2、学习温度传感器的分类和选型原则、学习补偿导线和热电偶的连接。
3、学习控温仪表各控制参数的意义和使用设置。
4、学习交流接触器、电子继电器的原理和连线使用。
5、学习用仪表来进行反应器的控温和测温电路连接和操作。
6、通过对不同电路的调试和数据测量，初步掌握仪表自控技术。
二、实验原理
仪表自动控制在现代化工业生产中是极其重要的，它可以减少大量的手工操作，尤其是在化工生产和实验中使操作人员远离工作条件恶劣、危险的环境，还可以使大量的重复性、简单的手工操作由仪器仪表自动控制装置完成。
并可在极大的程度上提高实验和工业生产上的操作精度及数据测量的准确性，可完成数据的远程传输。
热电偶（Thermocouple）是根据热电效应测量温度的传感器，是温度测量仪表中常用的测温元件。
各种热电偶的外形常因需要而极不相同，但是它们的基本结构却大致相同，通常由热电极、绝缘套保护管和接线盒等主要部分组成，通常和显示仪表、记录仪表及电子调节器配套使用。
热电偶测温的基本原理是两种不同成份的材质导体组成闭合回路，当两端存在温度梯度时，回路中就会有电流通过，此时两端之间就存在电动势——热电动势，这就是所谓的塞贝克效应（Seebeckeffect）。
两种不同成份的均质导体为热电极，温度较高的一端为工作端，温度较低的一端为自由端，自由端通常处于某个恒定的温度下。
根据热电动势与温度的函数关系，制成热电偶分度表；分度表是自由端温度在0℃时的条件下得到的，不同的热电偶具有不同的分度表。
当有两种不同的导体或半导体A和B组成一个回路，其两端相互连接时，只要两结点处的温度不同，一端温度为T，称为工作端或热端，另一端温度为T0，称为自由端（也称参考端）或冷端，回路中将产生一个电动势，该电动势的方向和大小与导体的材料及两接点的温度有关。
这种现象称为“热电效应”，两种导体组成的回路称为“热电偶”，这两种导体称为“热电极”，产生的电动势则称为“热电动势”。
图1热电偶接线原理图
图2不同热电偶结构图
1.热电阻工作原理
热电阻是利用金属的电阻值随温度变化而变化的特性来进行温度测量。
其电阻值与温度关系如下式：
Rt=Rto[1+α（t-to）]
ΔRt=αRto•Δt
式中：
Rt——温度为t℃时的电阻值。
Rto——温度为to（通常为0℃）时的电阻值。
α——电阻温度系数。
t——温度的变化值。
Rt——电阻值的变化量。
热电偶与热电阻相比有以下不同之处：
1、热电偶所测量的是电势，可进行远距离传输。
而热电阻在远距离传输时，导线电阻会随着传输距离的增加而增大，使测量误差加大。
2、热电偶所测量的是一个点的温度，而热电阻所测量的是一个面上的平均电阻，也可以说是一个面上的平均温度。
3、热电偶的测量精度低于热电阻的测量精度（热电阻的测量精度是由金属本身的纯度所决定的）。
4、一般说来，热电偶多用于测量高温，热电阻则多用于测量低温。
本实验就是仪表自动控制在化工生产和实验中非常重要的一个分支——温度的仪表自动控制。
图3仪表控制电路图
位式控制属于非线性控制系统，控制的物理量只有：
开关、通断、有无之差别，当温度回落到要求的启动值时、启动加热，温度上升到工艺要求温度值时、停止加热，区域可以自由设定。
位式控制具有接线简单、可靠性高成本低廉的优点，但调节速度较慢，过冲量较大。
图4最简单的位式控制电路
2.中间继电器工作原理
中间继电器有常开、常闭两组触点。
电磁线圈不通电时，电磁铁T不吸合，此时触点B，B’导通，称为常闭触点。
触点A，A’不导通称为常开触点（如图5）。
反之，电磁线圈通电时，电磁铁T吸合，触点B，B’的状态由闭合变为打开不导通，而触点A，A’的状态由打开变为闭合而导通（如图6）。
图5图6
3.SSR固态继电器工作原理
SSR（solidstaterelays）交流固态继电器是一种无触点通断电子开关，为四端有源器件。
其中两个端子为输入控制端，另外两端为输出受控端。
中间采用光电隔离，作为输入输出之间电器隔离（浮空）。
在输入端加上直流或脉冲信号，输出端就能从关断状态转变成导通状态（无信号时呈阻断状态），从而控制较大负载。
整个器件无可动部件及触点。
可实现相当于常用的机械式电磁继电器一样的功能。
（见图7）
图7图8
4.固态调压器原理
固态调压器其内部集移相触发电路，阻容吸收回路，双向可控硅于一体，通过电位器手动调节以改变阻性负载上的电压，来达到调节输出功率的目的（如图8）。
5.管式反应器催化剂装填原理
图9管式反应器催化剂装填原理
三、实验仪器
控温仪表、测温仪表、测温元件（热电偶、热电阻）、中间继电器、固态继电器（SSR）、固态调压器、可控硅一组、电流表、开关、保险丝、导线、工具、电加热管式反应器等。
四、实验步骤
13：
00，跟随实验老师学习了解每个主要仪表、电器元件、测量元件（热电偶和万用表）及单管反应器的工作原理和结构。
熟悉实验装置电路图，重点了解人工智能仪表、固态继电器、固态调压器、中间继电器的工作原理。
熟悉万用表工作原理，使用前首先要短接检查。
实验老师讲解仪表自动控制加热系统的组装，介绍电源线内三条线的含义，并对不同颜色导线进行说明，用于区分直流电输出端口正负极。
14：
20，开始根据老师指导，自行组装仪表自动控制加热系统。
15：
00，实验老师检查小组电路连接，并给出最终建议，根据老师的建议改正安装中的错误。
15：
10，启动电源，手动调节加热电流为2A，设置控温仪表参数为120.0℃，将分别测量加热腔和反应管内的温度的热电偶插入电加热单管反应器内，加热腔温度由控温仪表显示，开始记录控温仪表的显示数据，每隔1分钟进行一次记录。
15：
26，观察到控温仪表显示温度基本稳定，且加热电流持续开断，表明整个加热系统已经形成反馈调节机制，用于控制加热温度，待5组数据正负偏差小于1度时，停止计数。
15：
30，开始测量轴向温度分布，用钢尺测量确定每次抽出反应管内热电偶的长度为1厘米，每隔5秒记录下温度值，测出反应器内催化剂床层的轴向温度分布。
15：
40，测量完毕，关闭电源，拆除控制电路。
所用仪表、元器件、工具等放回原处。
清理实验台。
15：
50，将原始数据表交给老师检查签字。
五、实验数据记录
实验人：
张诗雨同组人：
魏岩
实验日期：
2018.04.18地点：
50-B302
实验设备编号：
2
大气压:
100.5KPa室温:
21.0℃
表1反应器升温数据记录表
时间/min
控制温度/℃
测量温度/℃
15:
17
60.6
22.1
15:
18
95.3
31.4
15:
19
120.7
51.3
15:
20
120.0
68.7
15:
21
120.2
79.0
15:
22
120.2
85.1
15:
23
120.0
88.4
15:
24
120.0
90.2
15:
25
120.0
91.2
15:
26
120.0
91.5
15:
27
120.2
91.5
15:
28
120.2
91.4
15:
29
120.0
91.1
15:
30
120.1
90.9
表2反应器轴向温度数据记录表
提起深度/cm
控制温度/℃
测量温度/℃
1
120.1
94.0
2
120.1
98.3
3
120.0
102.3
4
120.0
106.0
5
120.0
109.5
6
120.0
112.5
7
120.0
113.9
8
120.1
115.5
9
120.0
116.6
10
120.1
117.3
11
120.0
117.9
12
120.1
118.2
13
120.1
118.4
14
120.0
118.6
15
120.0
118.7
16
120.0
118.7
17
120.1
118.9
18
120.0
118.8
19
120.0
118.7
20
120.0
118.6
21
120.1
118.5
22
120.0
118.0
23
120.0
117.6
24
120.0
116.6
25
120.1
115.5
26
120.0
113.5
27
120.0
111.3
28
120.0
106.2
29
120.0
101.0
30
120.0
97.1
31
120.0
88.9
32
120.0
78.5
33
120.0
70.5
六、实验注意事项
1.万用表使用前要先短接检查；
2.组装电路时，220V交流电源接口不能接在开关的两端，否则开关闭合电源被短路；
3.通电之前检查电路组装是否正确，实验过程中不要轻易触碰组装电路；
4.插线板的每个端口最多只能连接两条导线；
5.直流电输出端口正负极的区分。
七、实验数据处理
1.画出继电器的工作原理，并简单的描述工作过程。
中间继电器有常开、常闭两组触点。
电磁线圈不通电时，电磁铁T不吸合，此时触点B，B’导通，称为常闭触点。
触点A，A’不导通称为常开触点（如图10）。
反之，电磁线圈通电时，电磁铁T吸合，触点B，B’的状态由闭合变为打开不导通，而触点A，A’的状态由打开变为闭合而导通（如图11）。
图10图11
2.画出电子继电器和控温仪表之间的连线图，列出改变或设定了那些控制仪表参数？
每个参数的意义。
由图13看出，距底部距离不同，显示温度也随着变化。
中心部分的温度最高，而底部和顶部的温度最低，整体呈现“凸”形分布，所有轴向温度相对于中心温度基本为对称分布。
4.对所测数据进行处理，做出表格，并画出升温、恒温曲线，轴向温度分布曲线，做误差分析。
表格见实验数据记录，三条曲线见上面图，误差分析见下。
八、实验结果误差分析与讨论
本实验旨在通过学习仪表自动化测量温度的方法了解自控原理，初步掌握仪表自控技术。
本实验测量了电加热单管反应器的加热腔温度和反应管内温度随时间的变化及稳态时腔内显示温度的轴向分布。
从图12可以看出通电后，加热腔内温度迅速上升，9min后达到相对设定的控制温度。
并且在整个过程中，波动幅度很小，在误差允许范围内，说明仪器控温较为精确。
加热腔和反应管之间的传热导致反应管内的温度上升变缓了，相比加热腔内要慢得多。
从图13可以看出，反应管内稳态温度分布为“凸”形，但并非相对于中心位置对称分布，说明：
加热炉丝没有在反应芯中心位置，另外温度分布不完全符合正态分布，可能原因如下：
1.插入深度的读数为人眼粗略估计，可能实际插入深度与记录插入深度有出入；
2.在提起炉丝的过程中，炉丝不可避免地发生了弯曲，导致每次提起高度不一定相同，存在误差；
3.随着实验的进行，热电偶的测温点离出口越近，温度测定受空气影响越来越大；
4.实验中只测了有限个点，由这有限的样本推算正态分布方程有多种方法，不同方法的结果不相同，意义也不同；
5.有可能未将加热丝全部插入反应器，没有得到完整的反应器轴向温度分布图。
九、思考题
1.热电偶为什么要进行冷端补？
冷端补偿有几种方式？
采用补偿导线后，把热电偶的冷端从温度高和不稳定的地方，延伸到温度较低和比较稳定的操作室内，但冷端温度还不是0℃。
而工业上常用的各种热电偶的温度-热电势关系曲线是在冷端温度保持0℃下得到的，与它配套使用的仪表也是根据这一关系曲线进行刻度的。
由于操作室的温度往往高于0℃，而且是不恒定的，这时，热电偶所产生的热电势必然偏小。
而且测量值也随着冷端温度变化而变化，这样测量结果就会产生误差。
因此，在应用热电偶测温时，只有将冷端温度保持在0℃，或者是进行一定的修正才能得出准确的测量结果。
这样做，就称为热电偶的冷端温度补偿。
一般采用下述几种方法。
（1）冷端温度保持为0℃的方法把热电偶的两个冷端分别插入盛有绝缘油的试管中，然后放入装有冰水混合物的容器中，这种方法多数用在实验室中。
（2）冷端温度修正方法把测得的热电势E（t,t1），加上热端为室温t1，冷端为0℃时的热电势E（t1,0），才能得到实际温度下的热电势E（t,0）。
该方法只适用于实验室或临时测温，在连续测量中显然是不实用的。
（3）校正仪表零点法可预先将仪表指针调整到相当于室温的数值上，这是因为将补偿导线一直引入到显示仪表的输入端，这时仪表的输入接线端子所处的室温就是该热电偶的冷端温度。
（4）补偿电桥法补偿电桥法是利用不平衡电桥产生的电势，来补偿热电偶因冷端温度变化而引起的热电偶变化值。
补偿热电偶法设置补偿热电偶是为了使多支热电偶的冷端温度保持恒定，将一支补偿热电偶的工作端插入2~3cm的地下或放在其他恒温器中，使其温度恒定为t0。
2.如果为冷端补偿温度为20℃，测量仪表显示的温度为30℃，则测量点的真实温度是多少？
若热电偶的材料为镍铬-铜镍，查镍铬-铜镍热电偶分度表可得E（30,0）=1801V，E（20,0）=1192V。
测量仪表显示温度为30℃，则：
E（t,20）=E（30,0），由中间温度定律：
E（t,0）=E（t,20）+E（20,0）=E（30,0）+E（20,0）=1801+1192=2993V，反查镍铬-铜镍热电偶分度表可得测量点的真实温度为49.1℃。
3.什么叫位式控制？
位式控制需要设定几个温度？
位式控制又称通断式控制，是将测量值与设定值相比较之差值经放大处理后，对调节对象作开或关控制的调节。
位式控制属于非线性控制系统，控制的物理量只有：
开关、通断、有无之差别，当温度回落到要求的启动值时、启动加热，温度上升到工艺要求温度值时、停止加热，区域可以自由设定。
位式控制具有接线简单、可靠性高成本低廉的优点，但调节速度较慢，过冲量较大。
位式控制又分二位式控制和三位式控制：
（1）二位式控制：
是指用一个开关量控制负载方式，具有接线简单、可靠性高成本低廉的优点，应用场合十分广泛。
5.热电偶和铂电阻在温度测量中，有什么主要区别？
热电偶与铂电阻相比有以下不同之处：
（1）热电偶所测量的是电势，可进行远距离传输。
而铂电阻在远距离传输时，导线电阻会随着传输距离的增加而增大，使测量误差加大。
（2）热电偶所测量的是一个点的温度，而铂电阻所测量的是一个面上的平均电阻，也可以说是一个面上的平均温度。
（3）热电偶的测量精度低于铂电阻的测量精度，尤其是在500℃以下的中低温，热电偶输出的热电势很小，这样造成的相对误差就会比较大。
（4）一般说来，热电偶多用于测量高温，铂电阻则多用于测量低温。
特别是在还原介质中，在在高温下铂很容易被玷污，使铂丝变脆，并改变了其电阻和温度之间的关系。
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