天津大學儀表自控實驗報告

一、實驗目的1、通過實驗對自控儀表和控制元器件有一具體認識。2、了解自控原理，鍛煉動手能力。學習并安裝不同的溫度自控電路。3、通過對不同電路的調試和數據測量，初步掌握儀表自控技術。二、實驗原理儀表自動控制在現代化工業(yè)生產中是極其重要的，它減少大量手工操作，尤其是在化工生產和實驗中使操作人員避免惡劣、危險環(huán)境，還可以使大量的重復性、簡單的手工操作由儀器儀表自動控制裝置完成。并可在極大的程度上提高實驗和工業(yè)生產上的操作精度及數據測量的準確性，可完成數據的遠程傳輸。圖-1所示是本實驗整套裝置圖。按圖由導線連接好裝置，首先設置“人工智能控制儀”的最終溫度，輸出端輸出直流電壓用于控制“SSR”（固態(tài)繼電器），則當加熱釜溫度未達到最終溫度時“SSR”是通的狀態(tài)，電路導通，給加熱釜持續(xù)加熱；當加熱釜溫度達到最終溫度后“SSR”是不通的狀態(tài)，電路斷開，加熱釜加熱停止。本實驗研究的數據對象有兩個：其一，測量儀表在加熱釜開始加熱后測量的升溫過程，即溫度隨時間變化；其二，當溫度達到最終溫度并且穩(wěn)定后，測量溫度沿加熱釜軸向的分布，即穩(wěn)定溫度隨空間分布。本實驗就是儀表自動控制在化工生產和實驗中非常重要的一個分支——溫度的儀表自動控制。圖-1所示是本實驗整套裝置圖。圖一實驗裝置圖1、控溫儀表2、測溫儀表3和4、測溫元件（熱電偶、熱電偶）5、電加熱釜式反應器6、保險7、電流表8、固態(tài)調壓器9、滑動電阻10、固態(tài)繼電器（SSR）11、中間繼電器12、開關實驗裝置中部分儀器的工作原理：1、控溫儀表：輸出端輸出直流電壓控制SSR，當加熱釜溫度未達到預設溫度時，SSR使電路導通，持續(xù)加熱；當達到最終溫度后，SSR使電路斷開，加熱停止。2、測溫儀表：與測溫的熱電偶相連，實時反饋加熱釜內溫度的測量值。3、4熱電偶：分別測量加熱腔和反應芯內的溫度。工作原理：熱電阻工業(yè)上常用的一種測溫元件。它是由兩種不同材料的導體焊接而成。焊接的一端插入被測介質中，感受被測溫度，稱為熱電偶的工作端或熱端。另一端與導線連接，稱為自由端或冷端。若將其兩端焊接在一起，且兩段存在溫度差，則在這個閉路回路中有熱電勢產生。如在回路中加一直流毫伏計，可見到毫伏計中有電勢指示，電勢的大小與兩種不同金屬的材料和溫度有關，與導線的長短無關。圖二熱電偶11、中間繼電器工作原理（如圖3）：中間繼電器有常開、常閉兩組觸點。電磁線圈不通電時，電磁鐵T不吸合，此時觸點B，B’導通，稱為常閉觸點。觸點A，A’不導通稱為常開觸點。反之，電磁線圈通電時，電磁鐵T吸合，觸點B，B’的狀態(tài)由閉合變?yōu)榇蜷_不導通，而觸點A，A’的狀態(tài)由打開變?yōu)殚]合而導通。圖三中間繼電器8，RSA固態(tài)調壓器原理：通過電位器手動調節(jié)以改變阻性負載上的電壓，來達到調節(jié)輸出功率的目的。10、SSR固態(tài)繼電器工作原理：固態(tài)繼電器是一種無觸點通斷電子開關，為四端有源器件。其中兩個端子為輸入控制端，另外兩端為輸出受控端。中間采用光電隔離，作為輸入輸出之間電器隔離（浮空）。在輸入端加上直流或脈沖信號，輸出端就能從關斷狀態(tài)轉變成導通狀態(tài)（無信號時呈阻斷狀態(tài)），從而控制較大負載?？蓪崿F相當于常用的機械式電磁繼電器一樣的功能。圖四固態(tài)繼電器三、實驗儀器控溫儀表，測溫儀表，熱電偶2個，中間繼電器，固態(tài)繼電器，固態(tài)調壓器，電流表，開關，保險絲，導線若干，工具(螺絲刀2個)，電加熱釜式反應器。四、實驗步驟1．根據圖-1和指導教師提供的儀表、電器元件及電加熱爐等，組裝成儀表自動控制加熱系統。2．組裝完畢后，需經指導教師檢查后方可通電。3．設置控制儀表參數和溫度。設置目標溫度為270℃，加熱電流為4．打開電源，測定升溫曲線(每間隔2分鐘進行一次記錄，控制儀表和顯示儀表都要記錄)。5．待加熱釜內溫度達到目標溫度穩(wěn)定在270℃后，再測量溫度30分鐘，則溫度隨時間變化測量完畢。接下來測量軸向溫度分布（由下至上每間隔6．實驗完畢后，拆除控制電路。所用儀表、元器件、工具等放回原處。五、實驗數據記錄如表-1、表-2所示分別是加熱釜升溫數據記錄和加熱釜軸向溫度分布數據記錄。表-1加熱釜升溫數據記錄時間/min控制溫度/℃顯示溫度/℃033.824.4296.927.24138.534.76170.3458199.155.510223.46612247.475.914268.584.916277.49418275.499.320272102.122270.510324270.1102.926270.2101.828270.2101.830270.2101.232270.1100.534270.199.636270.199.138270.198.44027097.942269.997.444270.29746270.196.6表-2加熱釜軸向溫度數據記錄抽出長度/cm顯示溫度/℃抽出長度/cm顯示溫度/℃1118.320265.12140.321264.23163.522262.54186.2232605200.224255.7621125250.47221.426245.58230.5272399236.428228.210242.629218.611248.830207.512254.131192.41325832176.21426033160.815263.134143.216264.33512117265.23610218265.7378119265.73866六、數據處理根據表-1可以繪制加熱釜升溫圖圖五加熱釜升溫圖根據表-3繪制加熱釜穩(wěn)態(tài)軸向溫度分布圖圖六加熱釜穩(wěn)態(tài)軸向溫度分布圖由圖5可以看出，隨著時間的推移，加熱釜的加熱腔溫度上升很快，總的變化是：前6分鐘較快速度上升，自6分鐘左右開始以幾乎恒定速率上升，到14分鐘左右溫度停止上升，達到270℃，此后溫度一直在27由圖7可以看出，隨著距離變化，反應芯內的穩(wěn)定溫度有所不同，中心部分的溫度最高，而底部和頂部的溫度最低，整體呈現“凸”形分布，所有軸向溫度相對于中心溫度基本為對稱分布。七、分析與討論本實驗旨在學習儀表自動化測量溫度的方法，實驗測量了加熱釜的加熱腔和反應芯的溫度隨加熱時間的變化以及穩(wěn)態(tài)時反應芯內溫度的軸向分布。從圖5可以得出結論，加熱腔和反應芯之間的壁傳熱導致反應芯內的溫度上升變緩了，相比加熱腔內要慢得多。溫度穩(wěn)定時，內外溫度相差很大，可能有如下兩個原因：1、腔與芯之間的傳熱壁傳熱效率很低，由于此反應器設計的很好，估計不會引起熱量的如此大的損失，因此這個原因的可能性較??；2、加熱爐絲距底部較遠，此原因可能性較大，因為實驗中先測的是反應芯底部溫度隨時間變化，因此它可能很低，加熱爐絲到底大概在什么位置，從圖7溫度軸向分布可知。從圖6可以看出，溫度相對中心位置成對稱分布，則可以得出結論：加熱爐絲在反應芯中心的壁外左右，由于其具體形狀未知，只能說爐絲也是以此為中心對稱纏繞的。溫度分布大概呈現出正態(tài)分布，但我們也能發(fā)現此曲線與二次曲線也有極高的擬合度，所以不能簡單認定此為正態(tài)分布，有如下原因：1、實驗中只測了21個點，由這有限的樣本推算正態(tài)分布方程有多種方法，不同方法的結果不相同，意義也不同；2、加熱爐絲的位置未知，無法從查閱參考資料來明確認定此加熱體系內溫度一定為正態(tài)分布，或許有一定程度的偏差。八、思考題1、熱電偶冷端的溫度補償有幾種方法，并敘述。答：1）冷端恒溫法：將熱電偶的冷端置于裝有冰水混合物的恒溫容器中，使其溫度保持0℃不變，它可消除t不等于02）計算修正法：當熱電偶的冷端溫度不等于0℃時，測得的熱電勢E(t,t0)與冷端0℃時測的E(t,0℃)不同，可利用下式：E(t,03）儀表機械零點調整法：當熱電偶的冷端溫度比較恒定，對測量精度要求不太高時，可將機械零點調整至熱電偶實際所處的t處，相當于在輸入熱電偶的電勢前就給儀表預輸入一個電勢，此法雖有一定誤差，但很簡便常用。4）電橋補償法：此法是利用不平衡電橋產生的不平衡電壓來自動補償熱電偶因冷端溫度變化而引起的熱電勢變化值。5）補償導線法：此法將熱電偶的冷端溫度從溫度較高、變化大的地方轉移到溫度較低、變化小的方向，等于延長了熱電偶。2、試解釋影響溫度測量精度的因素和改善措施。答：以熱電偶為例，誤差來源有以下幾方面。1）溫度計感溫部分所在處被測物質的溫度不等于待測溫度時引起的誤差。解決方法是合理選擇不同的熱電偶和足夠的插入深度。2）冷端引起的誤差，改善方法見問題1。3）熱電特性不同引起的誤差。解決方法是補償導線和熱電偶的搭配連接要適當，采用勻質熱電偶材料。4）絕緣不良引起的誤差。熱電偶兩級之間以及與大地之間應絕緣性好