化工过程控制及仪表实验指导书.docx
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化工过程控制及仪表实验指导书
《化工过程控制及仪表》
实验指导书
广东石油化工学院自动化系
2011年5月
前言
化工过程控制仪表是实现生产过程自动化必不可少的工具。
而化工过程控制及仪表这门课程是化学工程及工艺专业的必修课之一，为了配合课堂教学，根据课程教学大纲要求，开设了化工过程控制及仪表实验课。
为使实验课能顺利进行，编写了化工过程控制及仪表实验指导书。
通过实验，可以让学生理论联系实际，加深对理论知识的理解和掌握，从而进一步认识过程控制仪表的基本结构和工作原理。
通过实验，学生还能掌握实验仪器的正确使用和操作方法，学会主要仪表的调校及测试方法，培养实际动手能力和创新意识。
实验指导书中包含三个实验项目，每个实验项目都包括：
实验目的、实验内容、实验设备与仪器、试验原理、注意事项、实验步骤、思考题及实验报告八项内容。
实验三是浙江大学求是公司出的PTC—I型过程控制教学实验装置，指导书中对这种实验设备作了详细介绍。
学生实验守则
1、上实验课前，学生应做好实验预习。
着重领会实验目的、要求。
掌握实验原理、步骤和方法。
2、遵守实验室各项规章制度，服从实验室工作人员的指挥。
文明实验，不能穿拖鞋进入实验室，不准乱扔杂物，不准在实验室内嬉戏、喧哗。
3、严格遵守仪器设备的操作规程。
独立思考细心观察、如实记录，对实验现象和数据进行分析和处理。
4、鼓励学生自行设计实验，使用前必须经过实验指导人员的同意方可进行。
5、对实验室的公共财物要爱护，厉行节约，不准损坏和带出实验室，违者要追究责任。
6、实验操作结束后，学生必须整理好所用的实验器材并填写仪器使用记录，经过实验指导人员签字后，方可离开实验室，并独立完成实验报告。
操作规程
1、熟悉各种控制仪表和设备，懂得各种仪器的用途及各自的操作方法。
2、外观检查，接线时注意电源极性，最好预热半小时。
3、在检验差压变送器时，操作顺序是：
启动时，先通电，再加压，停止时先卸压，再断电，要看清楚差压变送器的测量范围，用定值器加压时，不允许超过此范围，否则打坏压力表以及损坏变送器。
4、使用螺丝刀进行仪表的零位、终点调整时，用力要均匀，防止损害元件。
标准电位差计应水平放置，注意电位差计的检流计旋扭，调整时，动作要缓慢，实验完成后，开关置“断”。
目录
实验一压力表的校验1
实验二热电偶的校验4
实验三液位特性测试实验7
附：
PCT—I型过程控制实验装置简介12
实验一压力表的校验
一、实验目的
1．熟悉弹簧管压力表的结构及工作原理。
2．了解活塞式压力计的结构，掌握利用活塞式压力计校验弹簧压力表的方法。
3．掌握确定仪表精度的方法。
二、实验项目
1．通过实物掌握弹簧管压力表的具体结构及其组成。
2．实际操作，掌握活塞式压力计的使用方法。
3．利用活塞式压力计对弹簧管压力表进行，起点、终点的校验
三、实验设备与仪器
1．活塞式压力计 1台
2．弹簧管压力表1台
3．起针器 1个
4．小螺丝刀 1把
四、实验原理
实验装置连接如图1-1所示。
活塞式压力计作为压力发生器，同时利用其砝码标示作为标准压力（也可安装标准压力表进行显示）。
通过活塞式压力计逐点给被校压力表提供压力，将对应点进行记录，对记录数据计算分析，完成压力表的校验。
五、注意事项
1．下行校验时应先降压，后减砝码，以避免油喷出来。
2．加砝码时必须先用手托住砝码底盘，后将砝码轻轻放好，不可撞击砝码和底盘。
以免损坏活塞。
3．活塞式压力计上的各阀均为针形阀，关闭时不宜用力过度，以免损坏阀门。
4．活塞式压力计应处于水平位置，不可随意移动。
六、实验说明及操作步骤
1．由实验指导人员讲解本实验的基本要求、操作和注意事项。
2．实验步骤
（１）熟悉装置，了解装置及压力表结构及各部分作用。
（２）零点调整：
当被校压力表未输入压力（压力为零）时，其指针应处于零点刻度线。
否则用取针器将指针轻轻取下，重新固定零点位置。
（３）拧开进油阀，关闭安装压力表切断阀，逆时针转动摇把，将传递油抽到压力泵内，关闭进油阀，并打开装有压力表的切断阀。
（４）根据被校压力表量程，确定校验点（全量程内均匀取４～６点）。
（５）正行程校验：
根据确定校验点压力值，确定砝码重量并放入砝码。
顺时针转动摇把，至使砝码底盘升离活塞大约一厘米，然后轻轻旋转砝码。
便可进行数据记录。
依法从小到大完成各校验点实验及数据记录。
（６）反行程校验：
正行程校验至刻度上限，并保持１分钟进行耐压检定后，由大到小按（５）过程校验各确定点并数据记录。
（７）误差计算公式
绝对误差＝被校表示值－标准表示值
基本误差＝
变差＝
4．数据记录及计算
标准压力（MPa）
上行程输出压力（MPa）
上行绝对误差（MPa）
下行程输出压力（MPa）
下行绝对误差（MPa）
绝对变差（MPa）
基本误差（﹪）
变差（﹪）
结论
七、实验报告
1．用专门的实验报告纸进行。
2．要求有实验题目、目录、实验目的、实验设备及连接图、自己做实验的步骤，实验数据记录。
3．计算各误差、确定仪器的精度等级，并判断所校验的仪器是否合格，要有结论，完成思考题。
八、思考题
1．压力表所测压力是什么压力？
环境大气压对压力表检测是否有影响？
为什么？
2．试分析弹簧管压力表存在变差的原因？
实验二热电偶的校验
一、实验目的
1．掌握精密型电子电位差计正确使用方法。
2．掌握热电偶的校验方法。
3．掌握确定仪表精度的方法。
二、实验项目
1．识别热电偶的种类及电极方向。
2．进行热电偶校验
三、实验设备与仪器
1．温度控制系统 1套
2．精密电位差计 1套
3．铂铑－铂热电偶及补偿导线 1套
4．镍铬－镍硅热电偶及补偿导线 1套
四、实验原理
实验装置连接如图2-1所示。
图2-1热电偶校验装置连接图
利用温度控制系统产生校验温度，通过精密电位差计检测标准热电偶和被校热电偶所产生的电势信号，将对应数据进行记录，对记录数据计算分析，完成热电偶的校验。
五、注意事项
1．温度控制系统产生各点温度需一定时间，温度恒定后才可进行实验。
2．标准电池有一定安装位置，不可随意倒置，否则电池会毁坏。
3．完成实验后要断开电源。
避免电池耗尽。
六、实验说明及操作步骤
1．由实验指导人员讲解本实验的基本要求、操作和注意事项。
2．实验步骤
（１）熟悉装置，了解装置及压力表结构及各部分作用。
（２）用经验方法识别热电偶：
根据热电偶材料的颜色、粗细、硬度等物理特征，识别热电偶的种类及热电偶的正负电极。
（３）按连线图正确接线。
（４）根据需要，通过温度控制系统的控制器设定温度。
（５）精密电位差计调整。
（６）温度控制系统温度稳定后检测热电偶电势。
根据被校热电偶的检测范围分３～４点。
（７）数据记录及处理
记录各校验点对应数据，按报告要求进行计算。
3．数据记录及计算
环境温度t0=
第一点
第二点
第三点
标准热电偶（型）
E（t,t0）（mv）
E（t,t0）（mv）
E（t,t0）（mv）
E（t0,0）（mv）
E（t0,0）（mv）
E（t0,0）（mv）
E（t,0）（mv）
E（t,0）（mv）
E（t,0）（mv）
温度t（℃）
温度t（℃）
温度t（℃）
被校热电偶（型）
E（t,t0）（mv）
E（t,t0）（mv）
E（t,t0）（mv）
E（t0,0）（mv）
E（t0,0）（mv）
E（t0,0）（mv）
E（t,0）（mv）
E（t,0）（mv）
E（t,0）（mv）
温度t（℃）
温度t（℃）
温度t（℃）
绝对误差
基本误差（按量程1200℃计算）（﹪）
（按量程1200℃计算）
七、实验报告
1．用专门的实验报告纸进行。
2．要求有实验题目、目录、实验目的、实验设备及连接图、自己做实验的步骤，实验数据记录。
3．计算各误差、确定仪器的精度等级，并判断所校验的仪器是否合格，要有结论，完成思考题。
八、思考题
1．热电偶接线为何使用补偿导线？
2．精密直流电位差计中“粗”、“细”和“短”三个按键的作用是什么？
3．检流计有什么作用？
实验三液位特性测试实验
一、实验目的
1．掌握液位特性的曲线测量方法，测量时应注意的问题；
2．掌握对象模型参数的求取方法。
二、实验项目
1．测量液位特性曲线
2．求取对象特性参数：
放大倍数、时间常数、滞后时间。
三、实验设备与仪器
PTC—I型过程控制教学实验装置
四、实验原理
对象参数的求取：
1．放大倍数K的求取
式中：
——调节器输出电流的变化量
——调节器输出电流的上限值
——调节器输出电流的下限值
——被测量的变化量
——被测量的上限值
——被测量的下限值
4．一阶对象
K——广义对象放大倍数（求法见图3-1）
——广义对象时间常数（直接从图3-1测量出）
τ——广义对象时滞时间（直接从图3-1测量出）
预习要求
1.认真研读教材中关于对象特性对控制质量的影响和系统整定的反应曲线法部分以及相关的部分。
2.了解变频器和调节器的基本使用方法。
五、注意事项
1．测量前要使系统处于平衡状态下，反应曲线的初始点应是输入信号的开始作阶跃信号的瞬间，这一段时间必须在记录纸上标出，以便推算出纯滞后时间τ。
2．测量与记录工作必须注意压力变送器信号输出的接线方法（计算机的所有输入端都并接250Ω的电阻）。
六、实验说明及操作步骤
1．按实验接线图接好实验线路，打开手动阀门V3,根据调节器外给定电流的大小来适当调节手动阀们V8的开度。
设调节器的参数dil＝0，dih＝450。
2．经检查接线正确后，接通总电源开关和各仪表电源，接通变频器电源使恒压供水。
3．设置调节器于手动位置（进入参数设置状态，把run的值设定为0），手动改变调节器的输出，使系统液位处于某一平衡位置，记下此时的手动输出值。
4．按调节器的增/减键增加调节器的手动输出，使系统输入幅值适宜的阶跃信号。
这时系统输出也有一个变化的信号，使系统在较高液位也能达到平衡状态。
5．改变调节器的手动输出，回到原来的手动给定状态（步骤3结束时的状态）。
6．观察计算机屏幕上的液位阶跃响应实时和历史曲线，直至达到新的平稳为止。
7．再将手动给定增加到高液位平衡时的给定值（步骤4结束时的状态），观察计算机上的液位阶跃响应实时和历史曲线，直至达到新的平稳为止。
数据记录
参数
测量情况
低液位
高液位
K1
T1
τ1
K2
T2
τ2
正向输入
反向输入
平均值
根据K、T、τ平均值写出广义的传递函数。
七、实验报告
1．用专门的实验报告纸进行。
2．要求有实验题目、目录、实验目的、实验设备及连接图、自己做实验的步骤，实验数据记录，预习报告。
3．完成思考题。
八、思考题
1．本实装置液位测量利用的是什么原理？
2．K、T、τ的改变对控制过程各有什么影响？
3．为什么压力变送器输出到调节器时要并接250Ω的电阻？
附：
PCT—I型过程控制实验装置简介
一PCT—I型过程控制实验装置简介
PCT—I型过程控制实验装置是基于工业过程物理模拟对象，是集成自动化仪表技术，计算机技术，通讯技术，自动控制技术为一体的多功能实验装置。
系统包括流量、温度、液位、压力等热工参数，可实现对象特性测试、单回路控制、串级控制、前馈控制、比值控制等多种控制形式。
二硬件设备组成
1．水箱
水箱是实验中的被控对象，包括：
上位水箱，下位水箱和储水箱。
上位水箱和下位水箱采用有机玻璃制造，可以直接观察液位的变化和记录实验结果。
2．温控圆筒
温控圆筒主要用于温度控制实验，圆筒用不锈钢制成，桶壁上有六个加水用的小孔和三个排水蒸气用的大孔。
检查水温的传感器是CU50，它的精度高，热补偿性好。
3．加温模块
采用可控硅移相触发单元，输入控制信号为4～20mA标准电流信号，其移相触发角与输入控制电流成正比。
4．液位传感器
液位传感器用来对上下位水箱的液位进行检测，采用工业用的DBYG扩散硅压力变送器。
校验方法为预热15分钟后，在零压力下调整零电位器使输出电流为4mA，在满量程压力下，调节整量程电位器，使输出电流为20mA。
传感器精度为0.5级，工作时需串24V直流电源。
5．流量传感器
流量传感器用来对电动调节阀的主流量和干扰信回路的干扰流量进行检测。
实验台采用电磁流量传感器和电磁流量转换器。
4～20mA标准电流信号输出。
实验台中用了两套传感器，转换器。
6．电动调节阀
电动调节阀对控制回路流量进行调节。
执行机构直接接受4～20mA直流信号或1~5V控制信号，输出4～20mA直流阀位信号。
技术指标：
电源：
220VAC50Hz功耗：
5W
输入信号：
4～20mADC输入阻抗：
100Ω（4～20mADC）
输出信号：
4～20mADC
环境温度：
－20℃～＋70℃重复精度：
±1％
7．水泵
实验装置采用进口水泵，扬程达10米。
8．变频器
本过程控制采用日本三菱FR-S520变频器，4～20mA控制信号输入，可对流量或压力进行控制（见图3－4）。
变频器用法上电时，EXT灯先亮，此时将控制内外控的双掷开关掷到内控端，RUN灯亮，开始内控变频控制水泵，此时PU灯亮，按SET键数字闪动几下，旋转飞梭到所期望的值，再按RUN键即可运行。
按STOP/RESET键停止运行。
当实行外控时按PU/EXT键将内外控的双掷开关掷到外控端，当双掷开关掷到外控时，变频器将由外部电流来控制频率的大小。
9．调节器
实验台的三台调节器是采用上海万迅精密仪器有限公司生产的智能调节器。
其中两台是带模糊算法的PID调节仪表，一台是普通PID调节仪表，全部都是带温度变送的调节仪表。
调节器面板如图3－5
调节器的用法上电时，仪表上方的PV（PreviousValue）后紧跟着显示的是测量变送器测得的测量值，下方的SV（SetValue）后显示设定值。
按住
2－3秒后进入参数设定状态，此时PV后显示的是参数名，SV后显示的是该参数的设定值，按
可以更换参数，按住
2秒可以回到前一个参数。
同时按下
＋
可以马上返回到测量状态（即上电时的状态）。
不论在什么状态下，右边的两个按钮可以调节设定值。
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