液位檢測(cè)與控制實(shí)驗(yàn) 浙江大學(xué) 過程控制基礎(chǔ)及實(shí)驗(yàn)

液位檢測(cè)與控制實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康耐ㄟ^實(shí)驗(yàn)了解液位測(cè)量的基本方法、工作原理及使用與校驗(yàn)方法儀表誤差分析方法了解差壓變送器ST3000的工作原理及使用方法了解零點(diǎn)遷移、滿度調(diào)校等基本概念了解工業(yè)觸摸屏的工作原理熟悉一階對(duì)象的數(shù)學(xué)模型及其階躍響應(yīng)曲線根據(jù)由實(shí)際測(cè)得的單容水箱液位的階躍響應(yīng)曲線，用相關(guān)的方法分別確定模型參數(shù)二、實(shí)驗(yàn)器材CS1000液位檢測(cè)實(shí)驗(yàn)裝置、差壓變送器ST3000、AI808智能調(diào)節(jié)儀、工業(yè)觸摸屏三、實(shí)驗(yàn)原理CS1000型液位檢測(cè)實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)象系統(tǒng)包含有：有機(jī)玻璃上水箱、不銹鋼儲(chǔ)水箱。系統(tǒng)動(dòng)力支路：由循環(huán)水泵、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥組成；裝置檢測(cè)變送和執(zhí)行元件有：差壓變送器ST3000、Y-100壓力表、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥等。本次實(shí)驗(yàn)使用ST3000差壓變送器來檢測(cè)液位高度，并與實(shí)際液位標(biāo)尺值進(jìn)行比較，求出ST3000差壓變送器的測(cè)量精度等性能指標(biāo)。差壓變送器的工作原理：當(dāng)被測(cè)介質(zhì)（液體）的壓力作用于傳感器時(shí)，壓力傳感器將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)歸一化差分放大和輸V/A電壓、電流轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換成與被測(cè)介質(zhì)（液體）的液位壓力成線性對(duì)應(yīng)關(guān)系的4~20mA標(biāo)準(zhǔn)電流輸出信號(hào)。接線如圖1所示。圖1差壓變送器接線圖CS1000裝置的控制系統(tǒng)采用的是具有人工智能算法及通訊接口的AI808智能調(diào)節(jié)儀，上位機(jī)選擇的是MCGS觸摸屏。上位機(jī)MCGS觸摸屏通過RS232/485轉(zhuǎn)換裝置同AI808儀表側(cè)部的RS485串行接口進(jìn)行通訊。學(xué)生可以直接通過AI808控制器面板上的操作按鈕直接設(shè)定SV、PID等調(diào)節(jié)參數(shù)，也可以通過上位機(jī)MCGS觸摸屏遠(yuǎn)程控制AI808控制器，修改AI808控制器的控制參數(shù)。通過運(yùn)行觸摸屏組態(tài)文件還可以觀察被控參數(shù)的實(shí)時(shí)曲線、歷史曲線，SV設(shè)定值、PV測(cè)量值、OP輸出值、各實(shí)驗(yàn)都設(shè)有動(dòng)態(tài)流程圖、及被測(cè)參數(shù)動(dòng)態(tài)顯示及變化棒圖顯示系統(tǒng)流程圖。觸摸屏的組態(tài)文件可以根據(jù)實(shí)際需要自行編輯、下載，非常方便。單容水箱系統(tǒng)如圖2所示

圖2單容水箱系統(tǒng)示意圖階躍響應(yīng)測(cè)試法是系統(tǒng)在開環(huán)運(yùn)行條件下，待系統(tǒng)穩(wěn)定后，通過調(diào)節(jié)器或其他操作器，手動(dòng)改變對(duì)象的輸入信號(hào)（階躍信號(hào)），同時(shí)記錄對(duì)象的輸出數(shù)據(jù)或階躍響應(yīng)曲線。然后根據(jù)已給定對(duì)象模型的結(jié)構(gòu)形式，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，確定模型中各參數(shù)。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和步驟將儲(chǔ)水箱加滿水，打開儲(chǔ)水箱與水泵之間的手柄閥，關(guān)閉通往水箱的回水手閥和調(diào)節(jié)閥旁路閥門，保持儲(chǔ)水箱至液位水箱管路暢通。觀察裝置，記錄ST3000的豎直位置。打開控制箱“總電源”、“儀表”、“觸摸屏”電源開關(guān)。4?點(diǎn)擊MCGS觸摸屏上“液位特性實(shí)驗(yàn)”進(jìn)入實(shí)驗(yàn)畫面，如下圖:MCGS觸摸屏和AI808儀表通訊狀態(tài)為“0”表示通訊成功，將“手自動(dòng)切換”狀態(tài)改為手動(dòng)狀態(tài)。調(diào)節(jié)液位進(jìn)出水閥門開度，升高液柱，在全量程范圍內(nèi)均勻選取10個(gè)校驗(yàn)點(diǎn)，記錄標(biāo)尺值和液位顯示值。調(diào)節(jié)電子閥門開度，使得液位從一個(gè)穩(wěn)態(tài)到達(dá)另一個(gè)穩(wěn)態(tài)值，記錄液位隨時(shí)間的變化五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄

表1液位檢測(cè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表液位變送器讀數(shù)/cm液位標(biāo)尺讀數(shù)/cm誤差/cm相對(duì)誤差/%-0.60-0.6—2.95.5-2.647.2%7.610.1-2.524.8%12.415.0-2.617.3%17.620.1-2.512.4%22.625.1-2.510.0%27.730.2-2.58.3%32.535.0-2.57.1%37.540.1-2.66.5%42.845.2-2.45.3%47.750-2.34.6%55_5—123456789 10 11圖4標(biāo)尺讀數(shù)與變送器讀數(shù)當(dāng)液位大于零時(shí)，標(biāo)尺讀數(shù)與顯示儀器讀數(shù)誤差基本穩(wěn)定在2.5cm左右，相對(duì)誤差逐步增大。實(shí)驗(yàn)誤差可能來自于偶然誤差，例如讀數(shù)誤差，可通過多次重復(fù)測(cè)量取平均值的方式減小誤差。液位動(dòng)態(tài)特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)：根據(jù)時(shí)間常數(shù)T為曲線上升至穩(wěn)態(tài)值的63%所需時(shí)間，讀圖可得T約為60s左右六、思考題1.ST3000的引壓點(diǎn)對(duì)測(cè)量的結(jié)果有無影響？什么是正遷移和負(fù)遷移？如何確定引壓點(diǎn)的位置？有影響。在實(shí)際中安裝壓力檢測(cè)儀表時(shí)，取壓口與壓力檢測(cè)儀表的水平高度并不一致，會(huì)導(dǎo)致測(cè)量時(shí)產(chǎn)生附加靜壓。需要對(duì)壓力變送器的零點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整，使得當(dāng)液位為零的同時(shí)檢測(cè)儀表輸出也為零，稱為量程遷移。不同的引壓點(diǎn)會(huì)對(duì)應(yīng)不同的量程遷移。當(dāng)零液位時(shí)，差壓傳感器若感受到負(fù)壓則稱此時(shí)的量程遷移為負(fù)遷移，反之則稱之為正遷移。應(yīng)取使得液位為零時(shí)恰好測(cè)量值也為零的位置作為引壓點(diǎn)。與敞開容器相比密閉容器在測(cè)液位時(shí)需注意什么問題？使用敞開容器進(jìn)行靜壓式液位測(cè)量時(shí)，需要考慮水面上方氣壓的變化。在做本實(shí)驗(yàn)時(shí)，為什么不能任意變化上水箱進(jìn)出水閥的開度大??？實(shí)驗(yàn)中需要兩次達(dá)到穩(wěn)態(tài)值來觀察躍遷曲線，為了避免液位達(dá)到上限或?yàn)?，應(yīng)小心控制水閥開度。用兩點(diǎn)法和用切線對(duì)同一對(duì)象