天津大学仪表自动控制实验Word格式.docx
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仪表自动控制在现代化工业生产中是极其重要的，它减少大量手工操作，使操作人员避免恶劣、危险环境，自动快速完成重复工作，提高测量精度，完成远程传输数据。
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。
图一所示是本实验整套装置图。
按图由导线连接好装置，首先设置“人工智能控制仪”的最终温度，输出端输出直流电压用于控制“SSR”（固态继电器），则当加热釜温度未达到最终温度时“SSR”是通的状态，电路导通，给加热釜持续加热；
当加热釜温度达到最终温度后“SSR”是不通的状态，电路断开，加热釜加热停止。
本实验研究的数据对象有两个：
其一，测量仪表在加热釜开始加热后测量的升温过程，即温度随时间变化；
其二，当温度达到最终温度并且稳定后，测量温度沿加热釜轴向的分布，即稳定温度随空间分布。
图一实验装置图
实验装置中部分仪器的工作原理：
1，控温仪表：
输出端输出直流电压控制SSR，当加热釜温度未达到预设温度时SSR使电路导通，持续加热；
当达到最终温度后SSR使电路断开，加热停止。
2，测温仪表：
与测温的热电偶相连，实时反馈加热釜内温度的测量值。
3，热电偶（如图二）：
分别测量加热腔和反应芯内的温度。
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。
它是由两种不同材料的导体焊接而成。
焊接的一端插入被测介质中，感受被测温度，称为热电偶的工作端或热端。
另一端与导线连接，称为自由端或冷端。
若将其两端焊接在一起，且两段存在温度差，则在这个闭路回路中有热电势产生。
如在回路中加一直流毫伏计，可见到毫伏计中有电势指示，电势的大小与两种不同金属的材料和温度有关，与导线的长短无关。
图二热电偶
4，中间继电器工作原理（如图3）：
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。
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。
图三中间继电器
5，固态调压器原理：
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。
图四固态继电器图五固态调压器
6，固态继电器工作原理：
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。
可实现相当于常用的机械式电磁继电器一样的功能。
三、实验仪器
控温仪表（AI-T08），测温仪表（AI-T08），热电偶2个，中间继电器（C5×
20910），固态继电器（SSR-10DA），固态调压器（XSSVR-2410），电流表（69L9），开关，保险丝（RT18-32），电加热釜式反应器，导线若干，工具（螺丝刀、剪线钳、剥线钳、钢丝钳等），万能表。
四、实验步骤
1．根据实验流程图-1组装仪表自动控制加热系统，注意在接线时用不同颜色的导线标识正负极，以便后期检查。
2．组装完毕后，经过指导教师检查后方可通电。
3．通电后设置控制仪表参数和温度。
设置目标温度为305℃，加热电流为1.0A。
4．打开加热电源，测定升温曲线。
每间隔2分钟进行一次记录，控制仪表和显示仪表都要记录。
注意加热釜温度上升很迅速。
5．待加热釜内温度达到目标温度稳定在305℃后，再测量温度30分钟，则温度随时间变化测量完毕。
接下来测量轴向温度分布，由下至上每间隔2厘米测一个点。
6．实验完毕后，拆除控制电路。
所用仪表、元器件、工具等放回原处。
五、实验数据记录
如表二、表三所示分别是加热釜升温数据记录和加热釜轴向温度分布数据记录。
表一:
实验原始条件
大气压
101.2kPa
室温
25/℃
实验日期
2016/3/26
实验时间
8:
30-12:
00（am）
实验装置
号
实验地点
50-B-315室
实验内容
加热釜温度的仪表控制
实验人数
某某某、某某某、某某某
表二：
加热釜升温数据记录表
序号
控制温度/℃
显示温度/℃
备注
1
10:
43
16.4
设定温度为305℃
2
45
82.9
19.0
3
47
134.6
26.6
4
49
198.6
39.7
5
51
249.8
57.3
6
53
296.5
75.7
7
55
304.6
92.1
8
57
304.8
104.3
9
59
305.2
109.8
温度达到设定温度值
10
11:
01
305.1
112.8
11
03
305.3
114.1
12
05
114.4
13
07
114.0
14
09
305.4
113.4
15
112.5
16
111.6
17
305.5
110.8
18
109.9
19
305.6
109.2
20
21
108.4
23
22
25
107.3
27
106.8
开始测量加热釜轴向温度
表三:
加热釜轴向温度分布数据记录表
测温点距底部距离/cm
106.9
反应釜最底部温度
155.7
191.9
225.0
248.9
266.1
278.5
288.9
295.5
298.7
299.9
最大值
298.5
24
294.3
26
286.0
28
271.6
30
253.4
32
220.6
34
183.5
36
142.7
38
93.7
六、数据处理
根据表二可以绘制加热釜升温图
图六加热釜升温图
根据表三绘制加热釜稳态轴向温度分布图
图七加热釜稳态轴向温度分布图
由图六可以看出，随着加热的进行，加热釜的加热腔温度在前10分钟快速上升，并到达指定温度305℃，此后温度一直维持在305℃，伴随小幅度的上下波动，可求得此段平均温度为305.3067℃，稍高与设定值305℃。
而反应芯内由于是隔壁传热，温度上升的比较慢，升温速率不断加快，最终稳定在114℃左右，可以观察到到达稳定的时间为15分钟，比加热腔的稳定时间要靠后5分钟左右，稳定之后随着时间推移有微小下降趋势。
由图七可以看出，随着距离变化，反应芯内的稳定温度有所不同，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。
七、分析与讨论
误差分析
本实验所测量的数据为加热釜的温度，误差来源主要有：
（1）测温传感器热电偶本身存在的误差；
（2）在测量轴向温度分布时，向外拔出的距离并不能很好地控制在2cm；
（3）由于计录数据是每隔2分钟记一次，可能漏掉重要数据，引起实验误差。
但是总体来说本次实验的误差对实验结论的影响较小，可以忽略不计。
结果分析
从图六可以得出结论，加热腔和反应芯之间的壁传热导致反应芯内的温度上升变缓了，相比加热腔内要慢5分钟左右。
温度稳定时，内外温度相差很大，相差多达190℃。
分析原因易知，测温时我们测量的显示温度即反应芯温度为反应釜最低端的温度，一方面这个位置靠近外部环境空气，易造成热量散失，导致温度较中心温度偏低；
另一方面很可能是加热丝并未覆盖整个反应釜，而仅仅在中部有。
从理论上对此的解释是热电偶测量的温度是点温度，而不是平均温度，固他能够控制的也只能是点处的温度。
求出待温度到达305℃后控制温度的平均值为305.3067℃，与设定值相差了+0.3067℃，与设定值的最大偏差温度为305.6℃，另外发现这些温度都大于305℃，这与理论是相违背的，理论上应该在305℃上下波动，即必有小于305℃的点。
造成这一错误的原因是我们在记录数据是每隔2分钟一次，而温度的变化是连续的，造成一些数据的丢失，使实验数据偏离实验现象本身的正确性。
我在实验中观察到小于305.6℃的点，这说明实验本身是正确的，但由于记录方式不完全合理造成错误的结论。
从图七可以看出，温度相对中心位置（距底部20cm左右）成对称分布，则可以得出结论：
加热炉丝在反应芯中心的壁外处，由于其具体形状未知，只能说炉丝也是以此为中心对称缠绕的。
八、思考题
1，热电偶冷端的温度补偿有几种方法，并叙述。
答：
冷端恒温法：
将热电偶的冷端置于装有冰水混合物的恒温容器中，使其温度保持0℃不变，它可消除t0不等于0℃而引入的误差。
计算修正法：
当热电偶的冷端温度不等于0℃时，测得的热电势E（t,t0）与冷端为0℃时测的E（t,0℃）不同，可利用下式：
E（t,0℃）=E（t,t0）+E（t0,0℃）来修正，右式第一项为毫伏表直接测得的热电势，第二项是由t0在该热电偶分度表查出的补偿值，二者相加即可。
电桥补偿法：
此法是利用不平衡电桥产生的不平衡电压来自动补偿热电偶因冷端温度变化而引起的热电势变化值。
仪表机械零点调整法：
当热电偶的冷端温度比较恒定，对测量精度要求不太高时，可将机械零点调整至热电偶实际所处的t处，相当于在输入热电偶的电势前就给仪表预输入一个电势，此法虽有一定误差，但很简便常用。
补偿导线法：
此法将热电偶的冷端温度从温度较高、变化大的地方转移到温度较低、变化小的方向，等于延长了热电偶。
2，试解释影响温度测量精度的因素和改善措施。
在本实验中使用的测温仪器为热电偶，其误差来源有以下几方面。
温度计感温部分所在处被测物质的温度不等于待测温度时引起的误差。
解决方法是合理选择不同的热电偶和足够的插入深度。
冷端引起的误差，改善方法见问题1。
热电特性不同引起的误差。
解决方法是补偿导线和热电偶的搭配连接要适当，采用匀质热电偶材料。
绝缘不良引起的误差。
热电偶两级之间以及与大地之间应绝缘性好，否则严重影响仪表正常工作。
显示仪表精度和读数引起的误差，即分度误差。
除采用高精
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