《化工仪表及自动化》实验指导书.docx

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《化工仪表及自动化》实验指导书

实验一

实验项目名称：

温度传感器—热电偶测温实验及热电偶标定

实验项目性质：

综合实验

所属课程名称：

化工仪表及自动化

实验计划学时：

2学时

一、实验目的

1.了解热电偶的结构及测温工作原理；

2.掌握热电偶校验的基本方法；

3.学习如何定期检验热电偶误差，判断是否及格。

二、实验内容和要求

观察热电偶，了解温控电加热器工作原理；通过对K型热电偶的测温和校验，了解热电偶的结构及测温工作原理；掌握热电偶的校验的基本方法；学习如何定期检验热电偶误差，判断是否合格。

三、实验原理：

（1）由两根不同质的导体熔接而成的闭合回路叫做热电回路，当其两端处于不同温度时则回路中产生一定的电流，这表明电路中有电势产生，此电势即为热电势。

图1-1热电偶测温原理试验台

图（1-1）中T为热端，To为冷端，热电势

（2）以K分度热电偶作为标准热电偶来校准E分度热电偶。

四、实验所需部件：

K（也可选用其他分度号的热电偶）、E分度热电偶、温控电加热炉、温度传感器实验模块、数字电压表。

五、实验步骤：

（1）观察热电偶结构（可旋开热电偶保护外套），了解温控电加热器工作原理。

温控器：

作为热源的温度指示、控制、定温之用。

温度调节方式为时间比例式，绿灯亮时表示继电器吸合电炉加热，红灯亮时加热炉断电。

温度设定：

拨动开关拨向“设定”位，调节设定电位器，仪表显示的温度值℃随之变化，调节至实验所需的温度时停止。

然后将拨动开关扳向“测量”侧，接入热电偶控制炉温。

（注：

首次设定温度不应过高，以免热惯性造成加热炉温度过冲）。

（2）首先将温度设定在50℃左右，打开加热开关，（加热电炉电源插头插入主机加热电源出插座），热电偶插入电加热炉内，K分度热电偶为标准热电偶，冷端接“测试”端，E分度热电偶接“温控”端，注意热电偶极性不能接反，而且不能断偶，万用表置毫伏档，当钮子开关倒向“温控”时测E分度热电偶的热电势，待设定炉温达到稳定时用电压表毫伏档分别测试温控（E）和测试（K）两支热电偶的热电势（直接用电压表在热电偶接线端测量，钮子开关还是保持倒向“E”分度热电偶方向）。

每支热电偶至少测两次求平均值，并将结果填入表1-1。

（3）继续将炉温提高到70℃、90℃、110℃、130℃和150℃，重复上述实验，观察热电偶的测温性能，并将对应结果填入下表。

。

（4）因为热电偶冷端温度不为0℃，则需对所测的热电势值进行修正

E（T，To）=E（T,t1）+E（T1,T0）

实际电动势＝测量所得电势＋温度修正电势

查阅热电偶分度表，上述测量与计算结果对照。

（5）校热电偶热电势与标准热电偶温度的绝对误差为

，相对误差为

。

六、注意事项：

1、加热炉温度请勿超过200℃，当加热开始，热电偶一定要插入炉内，否则炉温会失控，同样做其它温度实验时也需用热电偶来控制加热炉温度。

2、因为温控仪表为E分度，加热炉的温度就必须由E分度热电偶来控制，E分度热电偶必须接在面板的“温控”端。

所以当钮子开关倒向“测试”方接入K分度热电偶时，数字温度表显示的温度并非为加热炉内的温度。

七、思考题

将平台上的热电偶转换开关打向左边，显示的温度值是否正确？

为什么？

答：

将转换开关打向左边，指示温度是标准热电偶K测试点温度，显示的温度与E分度热电偶有差别。

当转换开关转向K分度热电偶时，温度数字温度并非为加热炉内温度，会引起误差。

表1-1实验数据表

热电偶

被测量温度

50℃

70℃

90℃

110℃

130℃

150℃

标准热电偶（K）

第1次测量

1.5mv

2.7mv

3.9mv

5.5mv

6.8mv

8.3mv

第2次测量

1.5mv

2.7mv

4.1mv

5.4mv

6.8mv

8.2mv

第3次测量

1.5mv

2.7mv

4.0mv

5.4mv

6.8mv

8.2mv

平均电势

1.50mv

2.70mv

4.00mv

5.43mv

6.80mv

8.23mv

修正电势

2.581mv

3.781mv

5.081mv

6.511mv

7.881mv

9.311mv

分度表温度

63℃

92℃

124℃

159℃

194℃

229℃

被校热电偶（E）

第1次测量

2.4mv

4.2mv

6.3mv

8.6mv

11.1mv

13.6mv

第2次测量

2.3mv

4.2mv

6.3mv

8.5mv

11.1mv

13.5mv

第3次测量

2.3mv

4.2mv

6.2mv

8.5mv

11.0mv

13.5mv

平均电势

2.33mv

4.20mv

6.27mv

8.53mv

11.07mv

13.53mv

修正电势

4.131mv

6.001mv

8.071mv

10.331mv

12.871mv

15.331mv

分度表温度

70℃

95℃

130℃

160℃

190℃

230℃

两偶温度误差

绝对误差

7℃

3℃

6℃

1℃

-4℃

1℃

相对误差

11.11％

3.26％

4.84％

0.63％

-2.06％

0.44％

实验时环境温度：

27℃

实验二

实验项目名称：

光纤传感器——位移测量

实验项目性质：

普通实验

所属课程名称：

化工仪表及自动化

实验计划学时：

1学时

一、实验目的

1．了解光纤位移传感器的结构和工作原理，

2．掌握光纤位移传感器的输入--输出特性。

二、实验内容和要求

光纤传感技术是适随着光纤通信和集成光学技术而发展起来的新型传感技术。

通过光纤位移传感器来测量位移，掌握这种传感器的特性。

本光纤传感器为反射式，光纤采用Y型结构，两束多模光纤合并于一端组成光纤探头，一束作为接收，另一端作为光源发射，近红外二极管发出的近红外光经光源光纤照射至被测物，由被测物反射的光信号经接收光纤传输至光电转换器转换为电信号，反射光的强弱与反射物与光纤探头的距离成一定的比例关系，通过对光强的检测就可得知位置量的变化。

三、实验原理：

反射式光纤传感器工作原理如图2-1所示，光纤采用Y型结构，两束多模光纤合并于一端组成光纤探头，一束作为接收，另一束为光源发射，近红外二级管发出的近红外光经光源光纤照射至被测物，由被测物反射的光信号经接收光纤传输至光电转换器件转换为电信号，反射光的强弱与反射物与光纤探头的距离成一定的比例关系，通过对光强的检测就可得知位置量的变化。

图2-1反射式光纤位移传感器原理图及输出特性曲线

四、实验所需部件：

光纤（光电转换器）、光纤光电传感器实验模块、电压表、示波器、螺旋测微仪、反射镜片

五、实验步骤：

（1）观察光纤结构：

本实验仪所配的光纤探头为半圆型结构，由数百根导光纤维组成，一半为光源光纤，一半为接收光纤。

（2）连接主机与实验模块电源线及光纤变换器探头接口，光纤探头装上探头支架，探头垂直对准反射片中央（镀铬圆铁片），螺旋测微仪装上支架，以带动反射镜片位移。

（3）开启主机电源，光电变换器V0端接电压表，首先旋动测微仪使探头紧贴反射镜片（如两表面不平行可稍许扳动光纤探头角度使两平面吻合），此时V0输出≈0，然后旋动测微仪，使反射镜片离开探头，每隔0.2mm记录一数值并记入表2-1。

表2-1位移与输出电压表

X（mm）

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

2

V（V）

0.008

0.012

0.281

0.581

0.799

1.050

1.247

1.424

1.624

1.763

1.900

2.2

2.4

2.6

2.8

3.0

3.2

3.4

3.6

3.8

4.0

1.999

2.06

2.13

2.16

2.18

2.19

2.18

2.15

2.11

2.07

位移距离如再加大，就可观察到光纤传感器输出特性曲线的前坡与后坡波形，作出V-X曲线，通常测量用的是线性较好的前坡范围。

六、注意事项：

（1）光纤请勿成锐角曲折，以免造成内部断裂，端面尤要注意保护，否则会使光通量衰耗加大造成灵敏度下降。

（2）每台仪器的光电转换器（包括光纤）与转换电路都是单独调配的，请注意与仪器编号配对使用。

（3）实验时注意增益调节，输出最大信号以3V左右为宜，避免过强的背景光照射。

七、思考题

（1）为什么要分析线性较好的范围？

答：

这与光纤传感器的特性有关，当位移达到某一值以后，输出信号与位移不再呈线性关系此时达不到测量目的。

（2）光纤通信与测量的原理一样吗？

答：

一样，都是把光信号转换成电信号

实验三

实验项目名称：

电容式传感器输出特性测量

实验项目性质：

普通实验

所属课程名称：

化工仪表及自动化

实验计划学时：

1学时

一、实验目的

1．了解电容式传感器的结构和工作原理，

2．掌握电容式移传感器的输入--输出特性。

二、实验原理：

差动式同轴变面积电容的两组电容片Cx1与Cx2作为双T电桥的两臂，当电容量发生变化时，桥路输出电压发生变化。

图3-1电容式传感器结构示意图

三、实验所需部件：

电容传感器、电容传感器实验模块

四、实验步骤：

（1）观察电容传感器结构：

传感器由一个动极与两个定级组成，连接主机与实验模块的电源线及传感器接口，按图（3-1）接好实验线路，增益适当。

（2）打开主机电源，用测微仪带动传感器动极位移至两组定极中间，调整调零电位器，此时模块电路输出为零。

（3）前后位移动极，每次0.5mm，直至动静极完全重合为止，记录数据，并填入表3-1，作出V-X曲线，求出灵敏度。

表3-1位移与输出电压表

X（mm）

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

V0（v）

0.015

0.032

0.052

0.063

0.081

0.103

0.125

0.150

0.175

0.200

5.5

6.0

6.5

7.0

7.5

8.0

8.5

9.0

9.5

10.0

10.5

0.224

0.245

0.270

0.295

0.317

0.341

0.367

0.393

0.409

0.444

0.472

五、注意事项：

电容动极须位于环型定极中间，安装时须仔细作调整，实验时电容不能发生擦片，否则电压信号会发生突变。

六、思考题

结合课本探讨电容式传感器可能应用的范围。

答：

可检测各种机械的液压，适用于各种导电、非导电液体的液位或粉末状物体的测量。

实验四

实验项目名称：

过程监控系统演示实验

实验项目性质：

普通实验

所属课程名称：

化工仪表及自动化

实验计划学时：

1学时

一、实验目的

1.理解典型检测系统的工作原理，初步建立和完善控制系统的概念；

2.了解过程检测的工艺流程及液位、流量等参量的检测方法；

3.了解过程液位监控的实现步骤及实现方法；

4.通过系统演示，学会监控系统设计的基本方法。

二、系统组成：

图4-1过程检测演示系统参考结构图

1.对象系统（不锈钢框架及网孔板）：

由动力系统、有机玻璃实验水箱、储水箱、孔板流量计、差压变送器、浮球液位计、转子流量计及管道、阀门等组成，如图4-1所示。

2.控制系统：

包括全开全闭式电磁阀、电磁阀驱动电路板（如图4-2）、PCI-6221采集卡、LabVIEW控制仿真系统（如图4-3）。

2.附件系统：

由电气控制箱、漏电保护器、电源指示灯、DC24V开关电源等组成。

图4-2全开全闭式电磁阀及驱动电路图4-3LabVIEW控制仿真系统

三、实验原理：

1.演示系统通过转子流量计、差压式流量计实现流体流量的测量；通过浮子液位计实现水位的测量；

2.装置采用开放化设计，所有的检测装置均安装在网孔板上，可加装其他检测系统和设备；

3.现场信号采用标准信号输出，实现与各种控制系统的连接。

4.控制系统采用全开全关式的电磁阀作为执行器。

由美国NI公司的PCI-6221数据采集卡将液位数据传送到计算机，再经用LabVIEW所编写的程序作出处理后，再由采集卡输出控制信号，经放大驱动电路控制电磁阀的开关，达到控制液位的目的。

四、设备参数：

1.液位水箱

有机玻璃水箱为液位的测量对象，为配合液位检测传感器的量程，它的尺寸为：

直径*高=ø35*55cm，溢流管在水箱中的高度为50cm，为使液位测量更加稳定可靠，水箱中设有缓冲隔板，管道水流从隔板一侧进水，传感器的采压点设在隔板另一侧。

2.抽水泵

单相AC220V水泵，额定流量18L/min,最大流量为36L/min；

采用强力的电机装置及合理的机体设计；

电机结构采用防杂志卡死设计；

采用了大流量低噪音，更适合家庭使用；

水泵运转的全过程为横压运转；

水利部件采用特殊镀层，耐腐蚀性好；

装有自动开关，使用方便。

3.差压式流量计

采用标准孔板环室取压方式，孔板两侧所产生的压力差由差压变送器进行测量，配套差压变送器完成流量的检测。

4.差压变送器

采用PT320系列差压变送器，输入DC24V，输出4-20mA，精度0.5%，与差压式流量计配套使用。

5.转子流量计

转子流量计，带透明锥管能测量管道中各种液体的瞬间流量，便于直接观察介质流动状态。

6.浮球液位计

采用UMQD系列浮球液位变送器，将磁性浮球随液位变化的位移量转化成模拟线性4-20mA标准信号输出，变送器电源24VDC，二线制工作形式。

具有工作稳定可靠，无须调整等特点。

广泛适用于矿企业及各种排水工程的在线测量及控制。

7.管道及阀门

整个系统管道由敷塑不锈钢管连接而成，所有的手动阀门均采用优质球阀，彻底避免了管道系统生锈的可能性。

有效提高了实验装置的使用年限。

其中储水箱底部装有出水阀，当水箱需要更换水时，把出水阀打开将水直接排出。

8.接线盒

对象信号通过电缆线引至接线盒内，方便与控制系统连接。

9.电磁阀

采用直动式电磁阀，即通电时，电磁线圈产生电磁力把关闭件从阀座上提起，阀门打开；断电时，电磁力消失，弹簧把关闭件压在阀座上，阀门关闭。

特点：

在真空、负压、零压时能正常工作，但通径一般不超过25mm。

10.电磁阀放大驱动电路

图4-4电磁阀放大驱动电路原理图

在三极管的发射极和集电极提供一个+6V的直流信号，当控制板接收到端口控制+5V的信号时，三极管的导通，由图可知，继电器的输入端连通，输出端处于通态状态。

因此，当三极管导通时，继电器导通从而控制电磁阀开；当控制板接收到数据采集卡端口控制信号-5V时，三极管处于关闭状态，继电器的输出端断开，电磁阀断开。

当工作电压过高时，继电器自动断开，起到一定的保护作用。

如图4-4所示。

五、实验步骤：

1.接上设备电源，打开空气开关，电源指示灯亮，将威乐泵的本身的开关打到“=”手动状态（向左拨动即可），打开管道各阀门，打开控制箱上威乐泵电源开关，威乐泵电源指示灯亮，对象管路系统往实验水箱打水；

2.调节转子流量计黄铜闸阀，可以改变管道水流流量大小，并通过转子流量计观察流量数据；

3.打开差压变送器旁的开关，可以检测孔板流量计两侧所产生的压力差由差压变送器进行测量，用万用表DC20V电压档测量控制箱端子排FT+与FT-两端电压，即为差压变送器检测信号，同时差压变送器数显表上有压力显示；

4.设备运行后，水流进入上水箱流入下水箱，浮球液位计将检测下水箱液位，用万用表DC20V电压档测量控制箱端子排LT+与LT-端电压（在电流输出端并接250欧姆电阻后为电压信号），即为下水箱液位信号，随着水箱水位的升高，控制箱端子排LT+与LT-端电压也会成线性增加。

5.打开水泵开关时，插上电磁阀电源插头，安装好数据采集卡，接好数据采集线，（本次使用的控制输出信号口为AO.0，数据采集口为AI.1）。

6.打开LabVIEW控制仿真系统，在设定值处输入要设定的液位值，如果希望降低程序运行的频率，延长电磁阀的使用寿命，可在“循环执行间隔”处输入间隔时间，单位为毫秒（ms）。

7.观看软硬件仿真结果。

六、思考题

讨论该水箱液位控制系统采用开关量控制的优缺点在哪里。

附录

实验报告（范本）

要求采用学校的实验报告书（16开）。

若打印也应采用实验报告书的版头（A4纸）。

一、实验目的与要求

二、实验方案

三、实验结果和数据处理

四、结论

五、问题与讨论