tianda实验报告

1、实验一 仪表自动化控制一、实验目的及要求1、 通过实验对自控仪表和控制元器件有一具体认识。2、 了解自控原理，锻炼动手能力。学习并安装不同的温度自控电路。3、 通过对不同电路的调试和数据测量，初步掌握仪表自控技术。二、实验原理仪表自动控制在现代化工业生产中是极其重要的，它减少大量手工操作，尤其是在化工生产和实验中使操作人员避免恶劣、危险环境，还可以使大量的重复性、简单的手工操作由仪器仪表自动控制装置完成。并可在极大的程度上提高实验和工业生产上的操作精度及数据测量的准确性，可完成数据的远程传输。2.1过程原理图1所示是本实验整套装置图。按图由导线连接好装置，实验过程中利用两个人工智能控制仪表，人

2、工智能控制仪表1通过控制固态继电器来控制整个电路通段，并显示电加热釜式反应器的控制温度，人工智能控制仪表2用来显示电加热釜式反应器的轴向温度，不发挥控制作用，在实验过程中，首先按照设计电路图正确连接各个元器件，检查无误后，接通电源，闭合中间继电器线圈开关，电磁继电器常开触点闭合，整个电路接通，设置“人工智能控制仪1”的最终温度，输出端输出直流电压用于控制“SSR”（固态继电器），则当加热釜温度未达到最终温度时“SSR”是通的状态，电路导通，给加热釜持续加热；当加热釜温度达到最终温度后“SSR”是不通的状态，电路断开，加热釜加热停止。本实验研究的数据对象有两个：其一，测量仪表在加热釜开始加热后测

3、量的升温过程，即温度随时间变化；其二，当温度达到最终温度并且稳定后，测量温度沿加热釜轴向的分布，即稳定温度随空间分布。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。图1所示是本实验整套装置图。1、控温仪表2、测温仪表3和4、测温元件（热电偶、热电偶）5、电加热釜式反应器 6、保险7、电流表 8、固态调压器9、滑动电阻10、固态继电器 （SSR）11、中间继电器 12、开关图1：实验过程电路图2.2仪器、仪表、设备原理(1)人工智能控温仪表人控制能控制仪表接通电源后，热电偶将测量温度信号输入仪表，仪表将输入值与设定值比较，将比较结果转变为直流电压通过输出端传给SS

4、R，进而通过SSR的通断情况来控制电路的通断，当加热釜温度未达到预设温度时，SSR使电路导通，持续加热；当达到最终温度后，SSR使电路断开，加热停止。同时人工智能控温仪表具有显示功能，将热电偶输入的温度信号显示出来，实时反馈加热釜内温度的测量值。（2）热电偶分别测量加热腔和反应芯内的温度。工作原理：热电偶是工业上最常用的一种测温元件。它是由两种不同材料的导体焊接而成。焊接的一端插入被测介质中，感受被测温度，称为热电偶的工作端或热端。另一端与导线连接，称为自由端或冷端。若将其两端焊接在一起，且接点1处温度高于接点2，则在这个闭路回路中有热电势产生，如图 2左所示。如在回路中加一直流毫伏计，可见到

5、毫伏计中有电势指示，如图 2右所示电势的大小与 A、B 两种不同金属的材料和温度有关，而与导线的长短无关。图2：热电偶工作原理（3）中间继电器工作原理中间继电器有常开、常闭两组触点。电磁线圈不通电时，电磁铁 T 不吸合，此时触点B，B导通，称为常闭触点。触点 A，A不导通称为常开触点。反之，电磁线圈通电时，电磁铁 T 吸合，触点 B，B的状态由闭合变为打开不导通，而触点 A，A的状态由打开变为闭合而导通。图3：中间电磁继电器工作原理（4）SSR 固态继电器工作原理SSR （solid state relays）交流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

6、外两端为输出受控端。中间采用光电隔离，作为输入输出之间电器隔离（浮空）。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。整个器件无可动部件及触点。可实现相当于常用的机械式电磁继电器一样的功能。图4：SSR 固态继电器工作原理（5）固态调压器原理固态调压器其内部集移相触发电路，阻容吸收回路，双向可控硅于一体，通过位器手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。图5：固态调压器原理三、实验流程3.1实验装置控温仪表，测温仪表，测温元件热电偶，中间继电器，固态继电器（SSR），固态调压器，电流表，开关，保险丝，导线，工具，电加热釜

7、式反应器等。3.2实验步骤1根据图1 和指导教师提供的仪表、电器元件及电加热炉等，组装成仪表自动控制加热系统，联接过程中保证电路处于断电状态（严禁接通插排），接线过程中要注意电源的联接，实验过程中一共有四处需要联接电源分别为人工智能控温仪表1、人工智能控温仪表2、中间电磁继电器线圈开关和整个加热电路，接线时还应该注意热电偶正负接线点与人工智能控温仪表的联接，人控制能仪表与SSR固态继电器的联接。人工智能控温仪表1的18、19接控制温度测定热电偶，11、13接固态继电器，人工智能控温仪表2的18、19接轴向温度测定热电偶。2组装完毕后，自己检查无误后，需经指导教师检查后方可通电。3打开电源，接通

8、开关，设置控制仪表参数和温度。设置目标温度为300，加热电流为1A。4测定升温曲线(每间隔2 分钟进行一次记录，记录控制仪表温度)。5待加热釜内温度达到目标温度稳定在300后，再测量温度30分钟，则温度随时间变化测量完毕。6缓慢抽出热电偶，抽出长度1cm，利用尺子测量抽出长度，待显示仪表温度稳定后读取显示示数，然后再抽出1cm，测第二点温度，直到将热电偶完全抽出加热时釜式反应器，从而测量轴向温度分布（由下至上每间隔1厘米测一个点）。6实验完毕后，关闭电路开关，关闭电源开关，拆除控制电路。所用仪表、元器件、工具等放回原处。四、实验现象及数据记录4.1实验现象1接通电源后，设置控制仪表温度，人工智

9、能控温仪表显示加热腔和设定温度，人工智能控制仪表2显示反应芯内的温度，电炉丝开始为反应炉加热，控温仪表和显示仪表的显示温度都开始上升，控温仪表的温度上升很快；2随着加热时间增加，控制温度逐渐增加，升温速度开始时较大，某一时刻达到最大值然后减小，当加热到16min时，控制温度达到300，然后控制温度基本维持在300不变，当控制温度达到稳定后，可以看到SSR固态继电器指示灯间断亮起与熄灭，电流表示数时而为1A，时而为0，系统处于动态稳定状态。3在这一过程中显示仪表的温度上升的相对较慢，当控温仪表的温度达到300左右后，显示的仪表的温度也基本上保持在112附近，最终稳定在112.5。4测轴向温度过程

10、中，每向上抽出1cm，显示仪表的温度就发生变化，一定时间后就达到稳定，其温度呈现先上升后下降的趋势。4.2数据记录如表1、表2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/min控制温度/显示温度/021.0 20.8 270.5 30.2 4160.1 38.8 6202.0 47.2 8236.8 62.0 10268.5 75.0 12296.5 88.2 14298.9 100.1 16300.0 110.1 18300.1 111.9 20299.9 112.2 22300.1 112.5 24300.4 112.2 26300.5 112.3

11、28300.1 112.4 30300.2 112.5 32300.3 112.5 34300.2 112.1 36300.1 112.0 38300.2 112.3 40300.2 112.4 42300.1 112.4 44300.0 112.5 46300.0 112.5 48300.0 112.5 表2：加热釜轴向温度分布数据抽出长度/cm显示温度/抽出长度/cm显示温度/1112.5 20301.4 2141.6 21301.2 3161.5 22300.8 4182.9 23299.5 5202.5 24297.9 6219.4 25295.4 7234.3 26292.3 824

12、7.1 27287.7 9257.4 28281.5 10266.5 29274.2 11274.2 30266.0 12280.7 31255.5 13286.3 32243.7 14290.2 33233.4 15293.4 34222.5 16296.4 35211.4 17298.7 36194.8 18300.0 37185.3 19301.0 38160.1 五、实验数据处理及结论5.1实验数据处理本实验研究的数据对象有两个：其一，测量仪表在加热釜开始加热后测量的升温过程，即温度随时间变化；其二，当温度达到最终温度并且稳定后，测量温度沿加热釜轴向的分布，即稳定温度随空间分布。根据表

13、1可以绘制加热釜升温图。图6：加热釜升温图根据表2绘制加热釜稳态轴向温度分布图。图7：加热釜稳态轴向温度分布图5.2实验结论由图6可以看出，随着时间的推移，加热釜的加热腔温度上升很快，总的变化是：前16分钟较快速度上升，自16分钟左右开始以几乎恒定速率上升，到18分钟左右温度停止上升，达到300，这个过程中升温速度先增加达到最大值后开始下降，此后温度一直在300附近以极小的数值变化，基本稳定。而反应芯内由于是隔壁传热，温度上升的比较慢，但在上升的时间段内，温升速度基本保持了恒定速率上升，最终稳定在 112.5左右，随着时间推移有微小下降趋势，变化范围在0.5之内，最终又达到112.5。由图7可

14、以看出，随着距离变化，反应芯内的稳定温度有所不同，中心部分的温度最高，而底部和顶部的温度最低，整体呈现“凸”形分布，所有轴向温度相对于中心温度基本为对称分布。六结果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。从图6可看出，通电后，加热腔内温度迅速上升，16分钟后达到相对设定的控制温度。并且在半小时内，波动幅度很小，在误差允许范围内，说明仪器控温较为精确。我们可以根据图6得出如下结论，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

15、个原因：1、腔与芯之间的传热效率很低，端部主要靠热传导和空气对流传热获得温度，空气对流传热系数很小，造成整个反应器轴向温度分布跨度较大，该反应器设计失败，不能用于工业生产；2、控制温度显示的为加热炉腔中间温度，显示温度为反应芯内部低端温度，加热炉丝距底部较远，底部温度的获得主要靠热传导、热辐射和腔内空气的对流传热获得，不能通过加热炉丝直接获得。从图7可以看出，温度分布为“凸形”，但并非相对于中心位置对称分布，从整个反应器温度分布来看，反应器轴向温度分布跨度较大，中间温度300，在轴向距离为1823cm温度基本维持在300，底部温度为112.5，顶部温度为160.1，底部温度与中间温度相差187

16、.5，顶部温度与中间温度相差139.9，同时也可以看出，底部温度与顶端温度相差较大，顶端温度远远高于低端温度，我们发现此曲线与二次曲线也有极高的拟合度。从图7可以得出以下结论，反应器加热炉丝分布在反应器的中部，大概在轴向距离为1823cm处，分布范围较小，底部和顶部主要靠热传导、热辐射和空气的对流传热维持温度的稳定，从反应器轴向温度分部可以看出，该反应器设计是失败的，不能用于化学工业反应，另外，单从反应器顶端和低端的温度我们无法得出加热炉丝位于反应器具体位置，首先在往上拉热电偶导线过程中，人为提拉的长度不够精确，造成一定误差，同时热电偶的联接导线存在一定弯曲，其次反应器底部与顶部结构不同，与空

17、气的对流传热不同，所以不能单从温度的高低判断加热炉丝靠近底部或顶部。七实验中问题与思考1、热电偶冷端的温度补偿有几种方法，并叙述。热电偶热电势的大小与其两端的温度有关，其温度-热电势关系曲线是在冷端温度为0时分度的。在实际应用中，由于热电偶冷端暴露在空间受到周围环境温度的影响，所以测温中的冷端温度不可能保持在0不变，而热偶电势既决定于热端温度，也决定于冷端温度。所以，如果冷端温度自由变化，必然会引起测量误差。为了消除这种误差，必须进行冷端温度补偿。可以采用以下的方法：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。补偿导线是特种导线，用

18、于热电偶和二次仪表间的信号传输,能够消除热电偶冷端温度变化引起的测量误差，保证仪表对介质温度的精确测量。补偿导线在一定温度范围内与所连接的热电偶具有相同或十分相近的热电特性， 根据热电偶补偿导线标准，不同的热电偶所配用的补偿导线也不同，并且有正负极性之分，各种补偿导线的正极均为红色，负极的不同颜色分别代表不同的分度号和导线。使用时注意与型号匹配，并且电极不能接错，否则将产生较大的测量误差。冷端恒温法：（1）将热电偶的冷端置于装有冰水混合物的恒温容器中，使冷端的温度保持在0°C不变。此法也称冰浴法。（2）将热电偶的冷端置于电热恒温器中，恒温器的温度略高于环境温度的上限。（3）将热电偶的

19、冷端置于恒温空调房间中，使冷端温度恒定。除了冰浴法是使冷端温度保持0°C外，后两种方法只是使冷端维持在某一恒定温度上，因此后两种方法必须计算修正。冷端温度校正法：当热电偶的冷端温度t0 ¹0°C时，测得的热电势EAB（t，t0）与冷端为0°C时所测得的热电势EAB（t，0°C）不等。若冷端温度高于0°C，则EAB（t，t0）<EAB（t，0°C）。可以利用下式计算修正测量误差： EAB（t，0°C）= EAB（t，t0）+ EAB（t0，0°C）上式中，EAB（t，t0）是用毫伏表直接测得

20、的热电势毫伏数。矫正时，先测出冷端温度t0，然后从该电热偶分度表中查出EAB（t0，0°C），并把它加到所测得的EAB（t，t0）。仪表机械零点调整法：当热电偶与动圈式仪表配套使用时，若热电偶的冷锻温度比较恒定，对测量精度要求又不太高时，可将动圈仪表的机械零点调整至热电偶冷端处的t0，这相当于在输入热电偶的热电势前就给仪表输入一个热电势E（t0，0°C）。这样，仪表在使用时所指示的值约为E（t，t0）+ E（t0，0°C）。电桥补偿法：电桥补偿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。热电偶经补偿导线接至补偿电桥，热电偶

21、的冷端与电桥处于同一环境温度中，桥臂电阻R2、R3、R4由电阻温度系数很小的锰铜丝烧制而成，RCu是由温度系数较大的铜丝烧制的。2、试解释影响温度测量精度的因素和改善措施。答：以热电偶为例，误差来源有以下几方面。（1）温度计感温部分所在处被测物质的温度不等于待测温度时引起的误差。解决方法是合理选择不同的热电偶和足够的插入深度。（2）冷端引起的误差，改善方法见问题 1。（3）热电特性不同引起的误差。解决方法是补偿导线和热电偶的搭配连接要适当，采用匀质热电偶材料。（4）绝缘不良引起的误差。热电偶两级之间以及与大地之间应绝缘性好，否则严重影响仪表正常工作。（5）显示仪表精度和读数引起的误差，即分度误

22、差。除采用高精度仪表外，要将其合理计算入误差分析。（6）热交换引起的误差。即热电偶热断点处由于向环境散热从而低于所在处被测物体温度。改善方法主要有：加绝热侧、防辐射罩，减小偶丝直径、传热电阻等等。3、比较热电偶和热电阻的优缺点和适用范围。答：二者均可用于多点、集中测量和自动控制热电偶与热电阻均属于温度测量中的接触式测温，尽管其作用相同都是测量物体的温度，但是他们的原理与特点却不尽相同，热电偶是温度测量中应用最广泛的温度器件，他的主要特点就是测吻范围宽，性能比较稳定，同时结构简单，动态响应好，更能够远传4-20mA电信号，便于自动控制和集中控制。热电偶的测温原理是基于热电效应。将两种不同的导体或半导体连接成闭合回路，当两个接点处的温度不同时，回路中将产生热电势,这种现象称为热电效应，又称为塞贝克效应。目前国际上应用的热电偶具有一个标准规范，国际上规定热电偶分为八个不同的分度，分别为B、R、S、K、N、E、J和T，其中B、R、S属于铂系列的热电偶，由于铂属于贵重金属，所以他们又被称为贵金属热电偶而剩下的几个则称为廉价金属热电偶。热电偶的结构有两种，普通型和铠装型。热电阻虽