仪表自动控制实验报告Word文档格式.docx
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当有两种不同的导体或半导体A和B组成一个回路，其两端相互连接时，只要两
结点处的温度不同，一端温度为T,称为工作端或热端，另一端温度为T0，称
为自由端（也称参考端）或冷端，回路中将产生一个电动势，该电动势的方向和
大小与导体的材料及两接点的温度有关。
这种现象称为“热电效应”，两种导体组成的回路称为“热电偶”，这两种导体称为“热电极”，产生的电动势则称为“热
电动势”
Vi\1：
煞业偶接地原理图
1.她电眦2.绝缘扫Mf炖F泮4.搖线
閤2；
不同热电训结构阿
一）热电阻工作原理热电阻是利用金属的电阻值随温度变化而变化的特性来进行温度测量阻值与温度关系如下式：
Rt=Rto[1+a（t-to）]
△Rt=aRto?
At
式中：
Rt—温度为tC时的电阻值。
Rto—温度为to（通常为0C）时的电阻值。
a—电阻温度系数。
At—温度的变化值。
ARt—电阻值的变化量。
热电偶与热电阻相比有以下不同之处：
1、热电偶所测量的是电势，可进行远距离传输。
而热电阻在远距离传输时，导线电阻会随着传输距离的增加而增大，使测量误差加大。
2、热电偶所测量的是一个点的温度，而热电阻所测量的是一个面上的平均电阻，
3、
也可以说是一个面上的平均温度。
热电偶的测量精度低于热电阻的测量精度（热电阻的测量精度是由金属本身的纯度所决定的）。
4、一般说来，热电偶多用于测量高温，热电阻则多用于测量低温。
本实验就是仪表自动控制在化工生产和实验中非常重要的一个分支——温度的仪表自动控制。
位式控制属于非线性控制系统，控制的物理量只有：
开关、通断、有无之差别，当温度回落到要求的启动值时、启动加热，温度上升到工艺要求温度值时、停止加热，区域可以自由设定。
位式控制具有接线简单、可靠性高成本低廉的优点，但调节速度较慢，过冲量较大。
俣I一
险
丝
图氏仪衣控制电路图
开关、通断、有无之差
别，当温度回落到要求的启动值时、启动加热，温度上升到工艺要求温度值时、停止加热，区域可以自由设定。
位式控制具有接线简单、可靠性高成本低廉的优点，但调节速度较慢，过冲量较大。
-220V
图4：
最简单的位式控制电路
阁5：
位X控制结果閤
常定温度
加»
电压
图5仪表PID控制电路图
图7：
PID控制结果图
图8:
馳电器工作原理
（-＞继电器T作原理:
继电器（英文名relay）是一种电按制S件.是肖输入g（激励fi）的「变化达到规定要求时.僅电气输出电路叩便W拧虽履生预宦的阶扶变化的一种电髀，它具有控制系统（乂称输入回路）和敲挖制系统（乂称输出回路）之何的互动关系.®
常应用丁口动化的ft制电路川，它丈际上足用小电流占拎制大电流运作的一种-门动开关”.
故征电路屮起着n动调1仁安全保护，转换电路等作用.
樂电器的触点有二种基木形式,
K动合型t常开）（H5?
）线圈不a电旳阿触点足断开的.通电后*两个融点就
闭合-以合字的拼音字头“H“表示.
2、动断型（常闭）（D矍）线圈不砂电时W触点足闭合的、迪电后W亍触点酬断
卄-用斷字的拼咅•字头“D”表示•
3.转换型（231）S&
W点組型-这种触点组共有二个触点.即中间是动W点.
上下齐一个萌融点.线［§
不通电尉.动触点和tt中一亍9＞融点斷卄WS—个用合，线圈通电后.动点酬移动.便原来断卄的成闭合、原来闭合的成斷卄状态、达到转换的U的.这样的«
点组称为转换融点.ra-转**字的拼音字头-f*表示.
按继电器的T作原理或貉构特從分类;
13电ftS继电器：
利1用输入电路内电路圧电磴钱扶芯
2＞固体樂电器：
指电子兀件瞳片具功能血无机械运动构件的.输入和输出隔离
的一种堆电器.3）a度継电器；
十外界温度达到给宦值时而动作的继电器村
4）占®
继电器：
利用密封在管内，具脊触电簧片和衛挟磁路双a作用的占簧动
作柴开.闭或W换线路的继电器
5）时间继电器：
卅加卜.或除去输入们号时.输出部分需延时或限时捌规宦时M
才闭合或斷开其被控线路继电器.
6）高频继电器：
用丁切换高频、射频线路而具有用小ffi耗的继电器。
7）极化继电器：
有极化磁场与拧制电流通过控制线阍所产生的磁场综合作用血
动作的继电器"
继电揺的动作方向取决于控制线阖叩流过的的电流方向
中㈣供，电器工作原理:
iM叫继电器有常幵、常闭l«
j组触点.电磁线圈不迪庖时.电磁铁T不吸合.此别輕点氐y导通.称为常闭輕点.独点A,Z不导通称为常开触点-（如图9）反Z.
电磁级圈通电时.电T吸合，融点日，y的状态［11闭合变为打卄不导通，m】融点A.Z的状态由打卄变为闭合而导通-（如閤10）
SSR固态继电器工作原理：
固态继电器是一种无触点通断电子开关，为四端有源器件。
其中两个端子为输入控制端，另外两端为输出受控端。
在输入端加上直流或脉冲信号，输出端就能从关断状态转变成导通状态（无信号时呈阻断状
态），从而控制较大负载。
可实现相当于常用的机械式电磁继电器一样的功能
■d12
（四）固态调压器原理
（如图13）。
动调节以改变阻性负载上的电压，来达到调节输出功率的目的。
岩棉
（114；
三、实验仪器
控温仪表（AI-T08）,测温仪表（AI-T08）,热电偶2个，中间继电器（C5X20910）,固态继电器（SSR-10DA,固态调压器（XSSVR-2410,电流表（69L9）,开关，保险丝
（RT18-32）,导线若干，工具（螺丝刀2个），电加热釜式反应器。
四、实验步骤
1.检查工具箱内的工具：
一般有万用电表、电烙铁、焊锡、焊锡膏、剥线钳、扁口钳、十字螺丝刀、试电笔、绝缘胶布等工具和电工材料。
2.每组2名成员，分组确定后，首先到指定的实验位置，再检查应配有一个工具箱、一个管式反应器、电线及必须的电子元件等。
3.控温仪表为AI-708型，热电偶为E型，用来控制反应器中段加热，使用加热测温的热电偶，放在反应管外壁和电加热炉瓦之间的位置。
该仪表输入信号为反应器的加热控制热电偶。
4.测温仪表为AI-702型，只能用来测量温度。
实验中用来测量管内催化剂的床层温度。
一般反应器都是用一个仪表控制反应管外壁温度，同时用另一台仪表，测量催化剂床层内的真实温度。
5.根据指导教师提供的仪表、电器元件及电加热炉等、通过学习教材的原理，把电源
6.
开关、继电器、控温仪表、测温仪表、热电偶、电子继电器、电子调压器和管式反应器
连接在一起，组装成仪表自动控制加热系统。
6.组装完毕后，检查无误，需经指导教师检查后方可通电。
8.设定好控制温度，然后开始加热，记录控制温度和反应器内温度的测升温曲线（每间
隔2分钟进行一次记录），当反应器内温度，达到设定温度后（温度波动不超过±
1）,
再记录10分钟，准备下一步实验。
9.在反应温度恒定10分钟后，拉动反应器内的测温热电偶，每次拉出高度0.5Cm,同
的影响。
工具等放回原处，实验报告经老
11.实验完毕后，拆除控制电路。
所用仪表、元器件、师过目后，方可离开。
五、实验数据记录
如表-1、表-2所示分别是加热釜升温数据记录和加热釜轴向温度分布数据记
录。
表-1加热釜升温数据记录
时间记录
时间间
控制温度
显示温度
隔/min
/C
11:
20
29.7
19.7
37
17
119.8
45.4
22
2
21.1
39
19
120.0
47.5
25
5
59.7
24.1
41
21
48.4
27
7
73.7
28.3
43
23
120.1
48.8
29
9
84.6
31.8
45
49.1
31
11
95.3
35.1
47
49.2
33
13
113.9
41.1
49
35
15
119.1
42.9
51
49.0
表-2加热釜轴向温度分布数据记录
测温点距底
部距离/cm
温度/C
48.9
3.5
78.0
7.0
97.0
0.5
53.5
4.0
81.5
7.5
98.5
1.0
57.6
4.5
85.1
8.0
100.3
1.5
61.8
5.0
87.7
8.5
102.2
2.0
66.6
5.5
90.5
9.0
103.5
2.5
69.9
6.0
91.8
9.5
105.1
3.0
74.4
6.5
95.0
10.0
106.6
六、数据处理
根据表-1、表-2可以绘制加热釜升温图（图5）和图加热釜稳态轴向温度分
布图（图6）。
图5加热釜温升图
图6加热釜稳态轴向温度分布图
空格由加热釜温升图（图5）可知，随着时间的推移，加热釜的加热腔温度上升很快，前12分钟变化很快，12分钟以后基本保持稳定于120C左右，反应芯显示的温度也在加热釜温度上升的同时不断上升，但上升速度较慢，这是由于反应芯温度的上升还需要经过一个壁面热传导的过程，壁面导热能力影响传热速率,反应芯温度同样在12分钟以后基本维持于48C左右。
空格由加热釜稳态轴向温度分布图可知，随着测温点与底部距离加大，测温仪测得的温度
逐渐上升，理论上温度值存在一个最高点，及反应器的热点温度，且所有轴向温度应该相对
于热点温度对称分布，但本次实验测温点仅要求与底部距离从0—10cm变化，在更大的范围
内可使温度分布图更加接近“凸”字形。
七、分析与讨论
本实验旨在学习仪表自动化测量温度的方法，实验测量了加热釜的加热腔和反应芯的温度随加热时间的变化以及稳态时反应芯内温度的轴向分布。
从数据图可以得出结论，加热腔和反应芯之间的壁传热导致反应芯内的温度上升变缓了，相比加热腔内要慢得多。
温度稳定时，内外温度相差很大，可能有如下两个原因：
1，腔与芯之间的传热壁传热效率很低，所以在实际生产中应该避免使用低导热系数的反应器壁；
2，加热炉丝距底部较远，故反应芯温度变化
存在一个停留时间值，因而在自动控制中需要设置成比例积分制度。
在实际生产中应该对炉丝加热的变化快慢加以考虑。
从数据图中还可以推断炉丝与反应芯的位置。
本实验反应芯相距炉丝尚有一段距离，可使用matlab等工具对数据进行拟合得出正态分布方程，拟合图像的中点即为反应芯处。
如此测量存在一定的误差，主要有：
1，实验选取的样本有
限，有限的样本可建立的数据模型非常多，无法确定真正适合的温度分布模型；
2，加热炉丝的位置未知，无法从查阅参考资料来明确认定此加热体系内温度一
定为正态分布，或许有一定程度的偏差；
3热电偶本身的系统误差。
八、思考题
1，热电偶冷端的温度补偿有几种方法，并叙述。
答：
1）冷端恒温法：
将热电偶的冷端置于装有冰水混合物的恒温容器中，使其温度保持0C不变，它可消除to不等于0C而引入的误差。
2）计算修正法：
当热电偶的冷端温度不等于0C时，测得的热电势E（t,to）与冷端
为0C时测的E（tOC）不同，可利用下式：
E（tOC）=E（t,to）+E（1oOC）来修正，右式第一项为毫伏表直接测得的热电势，第二项是由t0在该热电偶分度表查出的补偿值，二者相加即可。
3）仪表机械零点调整法：
当热电偶的冷端温度比较恒定，对测量精度要求不太高时，可将机械零点调整至热电偶实际所处的t处，相当于在输入热电偶的电势前就给仪表预输入一个电势，此法虽有一定误差，但很简便常用。
4）电桥补偿法：
此法是利用不平衡电桥产生的不平衡电压来自动补偿热电偶因冷端温度变化而引起的热电势变化值。
5）补偿导线法：
此法将热电偶的冷端温度从温度较高、变化大的地方转移到温
度较低、变化小的方向，等于延长了热电偶。
2,如果为冷端补偿温度为20C，测量仪表显示的温度为30C，贝U测量点的真
实温度是多少？
E（t,20）=E（t,0）-E（20,0）=E（30,0）故E（t,0）=E（30,0）+E（20,0）=1801+1192=2993uV
查E热电偶分度表可知t=49.l4C
3、什么叫位式控制？
位式控制需要设定几个温度?
位式控制又称通断式控制，是将测量值与设定值相比较之差值经放大处理后，对调节对象作开或关控制的调节。
需要设定上限和下限两个温度。
4、什么叫PID控制？
需要设定几个温度?
在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制,
简称PID控制，又称PID调节。
PID控制器（比例-积分-微分控制器）是一个在工
业控制应用中常见的反馈回路部件，由比例单元P、积分单元I和微分单元D组
成。
仅需要设定一个温度。
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八*
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5.简要描述PID控制中，P、I、D三个字母的含义。
a.比例运算（P）
比例控制是建立与设定值（SV）相关的一种运算，并根据偏差在求得运算值
（控制输出量）。
如果当前值（PV小,运算值为100%。
如果当前值在比例带内,
运算值根据偏差比例求得并逐渐减小直到SV和PV匹配（即，直到偏差为0），
-14-
此时运算值回复到先前值（前馈运算）。
若出现静差（残余偏差），可用减小P方法减小残余偏差。
如果P太小，反而会出现振荡。
b.积分运算（I）
将积分与比例运算相结合，随着调节时间延续可减小静差。
积分强度用积分
时间表示，积分时间相当于积分运算值到比例运算值在阶跃偏差响应下达到的作用所需要的时间。
积分时间越小，积分运算的校正时间越强。
但如果积分时间值太小，校正作用太强会出现振荡。
c.微分运算（D）
比例和积分运算都校正控制结果，所以不可避免地会产生响应延时现象。
微分运算可弥补这些缺陷。
在一个突发的干扰响应中，微分运算提供了一个很大的
运算值，以恢复原始状态。
微分运算采用一个正比于偏差变化率（微分系数）的运算值校正控制。
升级会员 