过程控制仪表实训指导书讲解.docx

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过程控制仪表实训指导书讲解

《化工过程控制仪表》

实验指导书

广东石油化工学院自动化与仪表教研室

伍林

2013年6月

前言

过程控制仪表是实现生产过程自动化必不可少的工具。

而过程控制仪表这门课程是自动化专业的必修专业课之一，为了配合课堂教学，根据专业教学大纲要求，开设了过程控制仪表实训课。

为使实训课能顺利进行，编写了过程控制仪表实训指导书。

通过实训，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。

通过实训，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。

实训指导书中包含多个实验项目，每个实验项目都包括：

实验目的、实验内容、实验设备与仪器、实验原理、注意事项、实验步骤、思考题等内容。

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，有接线时要注意电源极性，最好预热半小时。

3、在实验时，要看清楚和注意相关仪表的输入范围，，不允许超过其范围，否则可能会损坏仪表设备。

4、使用螺丝刀进行仪表的零位、终点调整时，用力要均匀，不可强扭，防止损害元件。

实验一仪表基本认识

一、实验目的

1．认识相关过程控制仪表。

2．掌握常用过程控制仪表的性能。

二、实验内容

参观各相关实验室，将实际过程控制仪表与理论学习联系起来。

三、思考题

1．你都见到了那些仪表？

简单说明相应原理、结构及性能特点。

2．数字控制器、Ⅲ型控制器和Ⅱ控制器有什么相同与不同？

实验二压力表的校验

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、实验内容

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

四、实验原理

实验装置连接如图2-1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）检查活塞式压力计开关阀为正确位置。

（３）拧开进油阀，逆时针转动摇把，将传递油抽到压力泵内，关闭进油阀。

（４）根据被校压力表量程，确定校验点（全量程内均匀取5～7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到标识位置（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：

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

绝对变差=对应点上行程示值－对应点下行程示值

　　　　　　　　　　最大绝对误差

相对百分误差＝　———————————　×１００％

　　　　　　　　　　　　量程

　　最大绝对变差

变差＝　————————————　×１００％

　　　　　　　　量程

3.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、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？

实验三流量检测仪表的校验

一、实验目的

1.熟悉流量仪表的种类、型号、结构、原理及特点。

2.熟悉流量检测装置的结构及使用要求。

3.掌握流量仪表的校验方法。

二、实验内容

1.通过实物了解各类流量仪表的组成、特点、安装、使用要求等相关内容。

2.利用流量检测装置对流量仪表进行校验。

三、实验设备与仪器

1．流量管道　　　　　　　1套

2．电磁流量计　　　　1台

3．转子流量计　　　　1台

四、实验原理

实验装置连接如图3-1所示。

图3-1流量校验装置连接图

流量检测装置产生对应流量，采用比较的方法，用标准流量计对被校流量仪表进行校验，将对应点数据进行记录，对记录数据计算分析，完成流量仪表的校验。

五、注意事项

1．转子流量计使用中，阀门开关操作应缓慢进行，以免流速变化过快损坏转子与锥形管。

2．开通及切断潜水泵电源前，先通过流量控制阀切断转子流量计流量通道。

切断潜水泵电源后，打开流量控制阀，让水倒流。

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）熟悉装置流程及相应流量仪表，了解各环节组成及安装。

（2）检查水箱水位，保持大约２／３高度。

（3）检查电磁流量计单位，应与被校仪表一致。

（4）在流量控制阀切断，其他阀全开情况下接通潜水泵电源，开启流量装置。

（5）根据转子流量计量程确定校验点。

（6）先缓慢开启流量控制阀，关小旁路阀，使转子稳定在校验点流量位置

（7）正行程校验：

调整流量控制阀，从小到大对各校验点进行测试。

（8）反行程校验：

调整流量控制阀，从大到小对各校验点进行测试。

3．数据记录及处理

　标准流量（）

上行程被校流量

上行绝对误差

下行程被校流量

下行绝对误差

绝对变差

基本误差（﹪）

变差（﹪）

结论

七、思考题

1.流量控制阀作用是什么？

为何潜水泵电源接通与切断前要先关闭流量控制阀？

2.转子流量计安装有什么基本要求？

实验四液位检测、压力变送器调校

一、实验目的

1.熟悉静压式液位计结构。

明确压力变送器的作用，巩固和加深对压力变送器特性的理解。

2.通过实验，掌握压力变送器的零点、量程的调整方法，零点迁移方法。

二、实验内容

1.调整压力变送器零点及量程。

2.校验液位计精度。

三、实验设备与仪器

1.压力变送器

2.电流表

3.直流稳压电源（24V）

4.水泵

5.变频器

6.水箱

四、实验原理

1、压力变送器的主要技术指标：

测量范围

0～6Kpa

输出电流

4～20mA

负载能力

250～300Ω

工作电源

24（1±5%）VDC

2、压力变送器测试框图如下所示。

图4-1压力变送器接线原理图

五、注意事项

1.本实验采用的压力变送器是两线制仪表，应串入24伏直流电源。

接线时，注意电源极性。

接线完毕后，应检查接线是否正确，并请指导教师确认无误后，方能通电。

2.没通电、不加压；先卸压、再断电。

3.进行量程调整时，应注意调整电位器的调整方向。

4.小心操作，切勿生扳硬拧，严防损坏仪表。

5.一般仪表应通电预热15分钟后再进行校验，以保证校验的准确性。

六、实验说明及操作步骤

1.压力变送器的零点及量程调校。

（1）零点调整在水箱没水时，观察输出电流表的读数是否为4mA，如果不对，则调整调零电位器，直至读数为4mA。

（2）满量程调整零点调好后，给水箱加水，液位增加到水箱满刻度处。

将液位变送器的输出接到控制器（控制器中测量范围上限参数值设置为450）。

根据实际刻度与控制器显示的读数之间的差值调整，直到两者一致。

（3）满量程调整后会影响零点，因此零点、满量程需反复多次调整。

直至满足要求为止。

2.校验液位计精度。

（1）根据液位量程，确定校验点（全量程内均匀取5～7点）。

（2）正行程校验：

根据确定校验点从小到大稳定液位，对输出电流读取并记录。

（3）反行程校验：

由大到小按

（2）过程校验各确定点并数据记录。

3．数据记录及处理

输入

液位刻度分值（mm）

输出

输出信号标准值IO（mA）

输出信号实测值

IO（mA）

正行程

反行程

误差

绝对误差

正行程

反行程

绝对变差

基本误差（%）

变差（%）

精度等级

记录及处理实验数据时应注意的问题：

（1）实验前拟好实验记录表格，见上表。

（2）实验时一定等现象稳定后再读数、记录。

否则因滞后现象会给实验结果带来较大的误差。

（3）误差计算公式

绝对误差Δ=IO实－IO标

引用误差=±Δ/（IO上－IO下）×100%

基本误差=±ΔMAX/（IO上－IO下）×100%

变差=|IO正-IO反|MAX/（IO上－IO下）×100%

IO标——某点输出信号的标准值，单位mA。

IO实——某点输出信号的实际值，单位mA。

ΔMAX——各校验点绝对误差的最大值，单位mA。

IO上-IO下——仪表的输出量程，单位mA。

|IO正-IO反|MAX——各检验点正反行程实测值的最大绝对变差，单位mA。

（4）分析液位计的静态特性，画出液位计的输入-输出静态特性曲线。

实验五控制阀特性测试及拆装实验

一、实验目的：

1．通过拆装掌握控制阀基本结构。

2．通过测试实验掌握控制阀特性曲线的测量方法，测量时应注意的问题：

控制阀流量特性的求取方法。

二、实验内容

1．测试求取控制阀特性曲线。

2．分析控制阀的流量特性。

3．对控制阀进行拆装。

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

通过给控制阀输入电流（4～20mA）控制，测试阀位反馈电流（4～20mA）与通过流量的关系。

五、实验说明及操作步骤

1、实验装置的认识，了解控制阀的工作原理，作用、及所在的位置，

2．运行实验系统软件，选择控制阀特性测试。

3．点击指导书按扭,阅读控制阀特性测试实验指导。

4.．点击接线图按扭，按控制阀特性测试实验接线图接好实验线路。

５．接通总电源及各仪表电源。

６．进入实验界面。

7．在输入下限时（可通过置０实现）状态下，逐渐增加输入信号，开始测试控制阀的正向流量特性，直至最大，完成控制阀正向特性测试。

分别将各对应输入输出数据记录下表。

８．在输入上限限时（可通过置１实现）状态下，逐渐减少输入信号，开始测试控制阀的反向流量特性直至最小，完成控制阀反向特性测试。

分别将各对应输入输出数据记录下表。

９．可在不同水压情况下的控制阀特性曲线分别进行测试。

六、数据记录及处理：

正向特性测试

输入电流（mA）

流量（%）

反向特性测试

输入电流（mA）

流量（%）

要求：

1.根据记录数据绘制控制阀特性曲线图，对曲线进行分析和处理，说明控制阀的特性。

2.详细记录控制阀结构部件。

实验六模拟控制器认识及调校

一、实验目的

1．熟悉模拟控制器的整体结构，了解各部分的作用。

2．掌握模拟控制器测量针的校验方法。

3．知道模拟控制器的工作方式，学会进行各工作方式之间的无扰动切换。

4．掌握模拟控制器控制参数比例度、积分时间的测定方法。

二、实验内容

1．熟悉模拟控制器（电Ⅲ型或EK）正、侧面板布置，了解各种开关的用途及主要部件在电路板的位置。

2．检查模拟控制器是否正常。

3．进行测量指针的起点、终点、中间刻度校验。

4．按照实验步骤进行各控制参数的测定和校验。

三、实验设备与仪器

1．模拟控制器（电Ⅲ型或EK）1台

2．标准电阻箱1个

3．恒流给定器1台

4．标准电流表1台

5．螺丝刀和秒表各1

6．连接导线若干

四、实验原理

实验接线如图6-1所示。

图6-1模拟控制器开环校验接线图

由恒流给定器的输出作为控制器的测量信号，当控制器的给定为某一数值时，改变测量信号，产生一个偏差阶跃输入，此时，分别测出比例度、积分时间的实际值，与控制器上的刻度值比较，计算出误差，最后判断各参数是否满足技术指标要求。

控制参数的测试原理：

（1）比例度

（2）微分时间TD

时间常数：

TD的测定（参看图5-3）：

图5-3比例微分作用响应曲线

比例度100%，在阶跃信号输入下，（如△U01变化10%（1.6mA）），输出为α△U01，当

输出从α△U01开始下降了微分作用的63.2%（）所需要的时间再乘以

KD即为TD。

（3）积分时间TI

图5-4比例积分作用响应曲线

五、注意事项

1．接线完成后需经过检查才能通电。

2．使用螺丝刀时，用力要均匀，防止损害元件。

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．实验开始

（1）按图接线，经检查无误后接通电源，预热30分钟。

（2）测量指示刻度校验

①将控制器正面、侧面板上各开关置于如下位置：

工作方式切换开关：

软手动

测量／标定切换开关：

测量

给定开关：

内给

正／反作用开关：

正

比例度δ：

最大

积分时间TI最大

微分时间TD关

②起点、终点刻度校验：

由恒流给定器从端子①、②分别输入4mA、20mA电流信号，测量针应分别指示0%、100%。

当误差超过±1%时，应调整机械零点和指示单元的测量指示量程电位器。

③中间刻度校验：

把测量／标定切换开关置于“标定”位置，这时，测量针和给定针都应指示50%，当误差超过±1%时，应调整指示单元中的“标定电压调整”电位器，此时，标定电压为3V。

④将整个范围分为四等分，按0%、25%、50%、75%、100﹪逐点输入相应的电流值，此时，记录下相应的指针位置,为方便读数，可以对准指针0%、25%、50%、75%、100﹪的位置，记录相应的输入电流值，然后计算出误差。

⑤数据处理及实验结果

序号

项目

刻度值

实际值

误差

结论

（3）控制参数测试

①比例度的测试：

将控制器侧面板上，测量／标定切换开关置于“测量”位置，其余开关位置不变。

a．控制控制器正面板上的给定，使给定指示50%，再调节恒流给定器使测量指示50%（12mA），调节软手动手杆使控制器输出电流Io为10mA。

b．将比例刻度盘对准要测试的点的位置，如100%的位置，迅速将工作方式切换开关切向“自动”，控制器输出应保持10mA不变，用恒流给定迅速加入一个大小适当的输入偏差信号，此时，记录下控制器的输出电流值。

c．再选择其它刻度点如：

2%、500%进行上述操作，记录下相应的输出电流值，将刻度值和实际比例度值比较，计算出误差。

计算公式如下：

实际比例度：

误差=

数据处理及实验结果：

序号

项目

刻度值（%）

实际值（%）

误差

结论

d．100%比例刻度校验：

重复a、b操作后，用螺丝刀调节比例刻度盘，使刻度盘对准真正的100%的位置，不是原来的校验位置。

如：

偏差变化2mA（假设测量值增加2mA），调节比例刻度盘使控制器的输出电流也变化2mA（Io变到12mA），此时的刻度盘位置就是标准的100%刻度。

②积分时间的测试

将比例刻度盘置于标准的100%处，其余开关位置不变。

a．调节控制器正面板上的给定，使给定指示50%，再调节恒流给定器使测量指示50%（12mA），调节软手动手杆使控制器输出电流Io为10mA。

b．将积分刻度盘对准要测试的点的位置（可将全刻度盘分为3点），迅速将工作方式切换开关切向“自动”，此时没有加入偏差控制器输出应保持10mA不变。

用恒流给定迅速加入一个大小适当的输入偏差信号±e（信号不要太大以免超出范围），同时启动秒表，当输出Io从10mA变化到（10±2e）时，停止记时。

此时，记录下秒表的读数。

c．再选择其它刻度点进行上述操作，将记录下来的秒表读数与刻度值比较，计算出误差。

计算公式如下：

数据处理及实验结果：

序号

项目

刻度值

（秒）

秒表读数（秒）

误差

结论

七、思考题

1．控制器实现无平衡无扰动切换有何实际意义？

2．如果将控制器工作方式切换开关置于“硬手动”位置，当输入偏差变化时，控制器的输出将会怎样变化？

3．如何进行给定指针的校验？

实验七数字控制器认识及调校

一、实验目的

1．熟悉数字控制器的整体结构。

2．掌握数字控制器的操作方法。

3．了解数字控制器的功能及选择。

二、实验内容

1．测试数字控制器的功能及操作

2．数字控制器精度测试。

3．按照实验步骤进行各控制参数的测定和校验。

三、实验设备与仪器

PTC型过程控制教学实验装置

四、实验说明及操作步骤

1.上电，注意观察记录控制器型号。

2.按说明书（见附录）按键测试功能操作。

3.参考实验六测试控制参数。

实验八热电偶的校验

一、实验目的

1．学习使用并掌握精密型电子电位差计。

2．掌握热电偶的校验方法。

3．掌握确定仪表精度的方法。

二、实验内容

1．识别热电偶的种类及电极方向。

2．热电偶进行校验

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１-1所示。

图１-1热电偶校验装置连接图

利用温度控制系统产生响应温度，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。

3．数据记录及处理

　　　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（﹪）

（按温度量程1000℃计算）

七、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？

附一：

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控制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．电动控制阀

电动控制阀对控制回路流量进行控制。

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（