化工自动化及仪表实验指导书

化工自动化及仪表实验指导书

浙江工业大学化学工程学院

化工自动化教研室 二零一二年四月

实验一 压力表与压力变送器校验

一、实验目的

1． 了解压力表与压力变送器的结构与功能 2． 掌握压力变送器的使用 3． 掌握压力校验仪的使用

4． 掌握压力表与压力变送器精度校验方法

二、实验仪器及设备

1．弹簧管压力表 8台 2．压力变送器 8台 3．XFY-2000型智能数字压力校验仪 8台

三、复习教材

压力测量及仪表相关章节

四、实验内容及步骤 1、熟悉仪表

了解压力表、压力变送器测压原理、结构及功能，熟悉并掌握压力校验仪的正确使用。 2、压力校验仪准备

1）上电：按下压力校验仪后面板的电源开关，显示器倒计时3、2、1、0后自动校零，进入测量状态；

2）选择压力单位：按右向键，选择压力单位为MPa；

3）预压：为减少迟滞，先进行预压测试（将压力加到0.6MPa左右，泄压至常压，如此循环几次）；

4）调零：循环上述操作后，若压力读数偏离零点，按ZERO键即可压力调零；

5）管线接线：将导压管两头分别与内螺纹转换接头及压力校验仪压力输出接口连接。 3、压力表基本误差校验

1）将压力表压力输入口与内螺纹转换接头相连接并检查密封性；

2）正行程测量：将校验仪的手操泵产生的压力加到压力表上，改变压力表输入压力大小，依次使压力表指针指示各满刻度，同时将压力表的各输入压力记录于表1；

3）反行程测量：将校验仪的输出压力加大至超过压力表满量程，并逐渐改变压力表输入压力的大小，依次使压力表指针指示各满刻度，同时将压力表的各输入压力记录于表1；

4）误差计算：

（PP）相对百分误差指示输入最大值100%

压力表量程变差

|P入正P入反|最大值压力表量程100%

1

4、压力变送器基本误差校验

1）将压力变送器（差压变送器）正压室接口（负压室通大气）与内螺纹转换接头相连接并检查密封性；

2）按▲键，将显示器测量选择到I：00.000mA，若清零按ZERO键。将压力变送器电流信号端子正确接入压力校验仪的电流信号测量端子（红线一端接变送器信号输出的正端，另一端接校验仪24V电源正极输出端；黑线一端接变送器信号输出的负端，另一端接校验仪直流电流测量正极输入端）；

3）正行程测量：将校验仪的手操泵产生的压力加到压力变送器上，从小到大改变压力变送器输入压力（0.0MPa、0.1MPa、0.2MPa、0.3MPa、0.4MPa、0.5MPa、0.6MPa），依次测量压力变送器在各标准压力点时输出电流的大小，并将其记录于表2；

4）反行程测量：将校验仪的输出压力加大至超过压力变送器满量程，从大到小改变压力变送器输入压力（0.6MPa、0.5MPa、0.4MPa、0.3MPa、0.2MPa、0.1MPa、0.0MPa），依次测量压力变送器在各标准压力点时输出电流的大小，并将其记录于表2；

5）误差计算：

（I实测I标准）最大值相对百分误差100%

16变差|I实测正I实测反|最大值16100%

5、实验完毕，切断电源，仪器设备复原

五、实验报告

1．实验原始记录表及数据处理（误差、精度、变差计算）结果。 2．画出压力变送器电流测量接线图。 3．实验心得体会及建议。

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表1 压力表实验数据记录表

压力表型号

出厂编号

压力测量范围 MPa 压力表精度

压力表指示压力 （MPa） 压力表输入压力 （MPa） 正行程 反行程 绝对误差 （MPa） 正反行程绝对差值 （MPa）

实验结论：该表精度为： 变差为：

3

表2 压力变送器实验数据记录表

压力变送器型号

出厂编号

压力测量范围 MPa 压力变送器精度

压力变送器输入压力 （MPa） 0.0000 0.1500 0.3000 0.4500 0.6000 折算为 I标准值 （mA） 4.000 8.000 12.000 16.000 20.000 I实测读数（mA） 正行程 反行程 绝对误差 （mA） 正反行程 绝对差值 （mA）

实验结论：该表精度为： 变差为：

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实验二

热电偶温度变送器校验

一、实验目的

1．了解电动温度变送器的结构； 2．掌握热电偶的使用；

3．掌握电动温度变送器与检测元件（热电偶）的配套使用。

二、实验仪器及设备

1．SBWR型温度变送器 8台 2．mV信号发生器 8台 3．直流毫安表（0.5级） 8台 4．24V直流电源 1台

三、概述

1． SBWR系列热电偶温度变送器是DDZ-S系列仪表中的现场安装式温度变送器单元。它采用二线制传送方式（两根导线作为电源输入，信号输出的公用传输线）。SBWR型温度变送器的输入信号分度号为K的热电偶信号。将热电偶信号变换成与输入信号或与温度信号成线性的4～20mA的输出信号。 2． 主要技术参数

输入信号：热电偶即毫伏输入 2～50mV 输出信号：4～20mA D.C.

3． 基本接线

（1）（2）端子接入24V D.C，同时需串联直流毫安表 （7）（8）端子接入热电偶（实验中用毫伏信号发生器代替） 4．量程调校与基本误差校验

（1）调满度：利用毫伏信号发生器代替热电偶作为标准信号，输给SBWR型温度变送器一个对应于测温上限所对应的电势值，即 U = U1+100%⊿U-E(0,O)，(式中U1为零点迁移量，无迁移时则U1=0，U为测量范围，即上、下限所对应的电势之差，E(0,O)为冷端温度对0℃的电势值)。毫安电流表指示输出电流应为20mA，否则应调整温度变送器“量程”电位器。

（2）调零点：输入U= U1-E(0,O)的电势计算值，毫安电流表应指示4mA，

否则，应调整DBW温度变送器“零点迁移”电位器

（3）由于调满度和调零点相互影响，满度和零点应反复调整几次，直至符合要求为止。

（4）依次输入其他各档信号，分别读取SBWR温度变送器正行程和反行程相应各点的输出电流值，记入表中。 （5）基本误差和来回差计算

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仪表误差均以输入端信号折算为输出端的电流值进行计算：

（I出测I出标）最大值基本误差100%

16（II）来回差出正出反最大值100%

165．实验完毕，切断电源，仪器设备复原 四、复习教材

测量仪表品质指标 热电偶

温度变送器的电路原理 五、实验报告要求

1．实验数据记录及处理

2．作出示值检查的结论，若误差较大，试分析产生的基本原因。

3．试定量分析热电偶输入时，Rcu（补偿电阻）在输入回路中为什么能起到冷端温度自动补偿作用？

4．实验心得体会及建议。

SBWR型温度变送器仪接线端子图

V- 分度号 K DC24V V+ 2 4 1 3 量程 0~800℃ 输出 4 - 20mA 5 电压 DC24V 7 6 8

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SBWR型温度变送器示值检查记录

被检仪表编号

量程

分度号

Rcu所处环境温度 ℃ 被检温度变送器示值 整百刻度（℃） 0 100 200 300 400 500 600 700 800 对应的热电势E(0,O) mV 毫安表读数（mA） 变差 A（mA） 相应热电势（mV） 相应电流输出（mA） 正行程 反行程 示值绝对误差 （mA） 实验结论：该表精度为： 变差为：

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实验三

XC系列自动平衡记录仪校验

一、实验目的

1．了解自动平衡记录仪的结构和各主要组件的作用；

2．了解自动平衡记录仪主要技术指标检查装置和学习操作使用方法； 3．测试自动平衡记录仪的精度。

二、实验仪器及设备

1．XWC型自动平衡记录仪 8台 2．mV信号发生器 8台

三、概述

自动平衡记录仪的基本误差：

温度标尺（带自由端温度自动补偿）

E指eE标E终E始100%

式中： E指——自动平衡记录仪整百刻度温度所对应的电势E(,O)

E标——mV信号发生器上的读数

e ——环境温度所对应的电势E(0,O),即冷端电势 E终——自动平衡记录仪终点温度所对应的电势E(,O)

E始——自动平衡记录仪起始温度所对应的电势。 不灵敏区

A=E标正行程—E标反行程

mV标尺（不带自由端温度自动补偿）

E指E标E终E始100%

四、复习教材

测量仪表品质指标 热电偶

自动平衡记录仪表

五、实验内容及步骤

1．拉出机芯观察自动平衡记录仪的主要组件，了解它的作用。 2．按图接线（注意极性），通电预热20分钟。

220V交流电源可直接接入1号端子板，标志牌上“220”为相线端子。“0”为中线端子，不可接错。

对于与热电偶配合使用的℃刻度仪表，热电偶极性不要接错，自由端温度自动补偿电阻接入标志“Rw ”处。若使用热电偶时输入导线必须采用与热电偶分度号相应的补偿导

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线。

3．XC系列仪表的满度和零检查

配合热电偶输入的自动平衡记录仪，其测量桥路下支路中有自由端温度自动补偿电阻Rcu（铜电阻制成），补偿电势的大小为［E(0,O)］，0为自由端的环境温度，故检查仪表满度时，应根据仪表温度标尺的上限和配用热电偶的分度号，经查分度表计算得到的电势值[E(,O)E(0,O)E(,0)]，然后用mV信号发生器输出该相应值，若仪表指针刚好与标尺上限温度刻度线重合，即为符合要求，否则可拉出机芯，调整右侧面连接板上的桥路工作电流电位器。同理，检查仪表零点时，mV信号发生器输出-E(0,O)，使XC系列仪表指针正指零点，经计算只要其误差不超过仪表所允许的基本误差，即符合要求，不然应进一步调整起始电阻RG（或微调电阻γo）和量程电阻RM（或微调γm）.

4．仪表示值各点的线性误差检查

在XW系列仪表的量程范围内（包括上限值和下限值）的各整百刻度线位置上，mV信号发生器分别从小到大（正行程），再由大到小（反行程）输出相应毫伏信号，进行各点检查，记下XW系列仪表指针对准各整百刻度时的mV信号发生器读数，若各检查点的相对百分误差中最大者不超过0.5%，即符合0.5级的精度要求。

六、实验报告要求

1．实验数据记录及处理

2．作出示值检查的结论，若误差较大，试分析产生的基本原因。

3．配热电偶输入的自动平衡记录仪内部既然有自由端温度自动补偿元件，为什么还要用补偿导线作引线？

4．自由端温度补偿电阻为什么要安装在仪表背面的输入端接线柱附近？

XC系列自动平衡记录仪接线端子图

220 0 + ― Rw 9

XW系列自动平衡记录仪示值检查记录

被检仪表编号

量程

分度号

Rcu所处环境温度 ℃

对应的热电势E(0,O) mV 被检自动平衡记录仪示值 整百刻度（℃） 0 100 200 300 400 500 600 700 800 毫伏发生器读数（mV） 正行程 相应热电势（mV） 反行程 变差 A（mV） 示值绝对误差 （mV） 实验结论：该表精度为： 变差为： 10

实验四 基本控制规律与电动温度自动控制系统

一、实验目的

1．熟悉单回路自动控制系统的组成

2．观察基本控制规律（比例，积分，微分）对过渡过程的影响。

3．学习控制器参数P、I、D的工程整定方法，通过观察比较被控变量（被调参数）过渡过程曲线，确定控制器参数，提高控制质量。

二、实验仪器及设备

1．热电偶 8支

2．DBW电动温度变送器 8台 3．智能数字显示PID控制器 8台 4．ZK可控硅电压调整器 8台 5．电加热器 8台 6．24V直流电源 1台 7．XW系列自动平衡记录仪 8台

三、实验仪器及控制系统图如下

220V~

智能数字ZK调压器

PID控制器 输出

电加热器 输出 输入

热电偶 输入

输出 输入 DBW温度变 送器

四、复习教材

基本控制规律、控制器参数的工程整定、简单控制系统设计

五、实验内容和步骤

1．控制系统的投运准备工作

1) 按控制系统图利用接插件正确组合接线 2) 放好仪表各开关位置：

DBW温度变送器、XMZ数显表、XMT智能数字控制器、ZK调压器、XWC记录仪电源开关闭合，仪表供电，ZK调压器“通－断”开关置“断”、“自动－手动”开关置“自动”；

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设置XMT智能数字控制器为“反作用”（为什么？如何设置，请参看说明书），按XMT智能数字控制器的手/自动（A/M）键置“手动”进入手动控制模式，按SET键，进入P菜单设置程序1（设定值设置）：

上排显示：SP1 下排显示：设定值

改变加键▲或减键▼使设定值SP1在400C左右；再按SET键，进入设置程序2（比例度设置）：

上排显示：P

下排显示：比例度值

改变加键▲或减键▼设定比例度为1%；再按SET键，进入设置程序3（积分时间设置）：

上排显示：I

下排显示：积分时间值

改变加键▲或减键▼设定积分时间值为9999S；再按SET键，进入设置程序4（微分时间设置）：

上排显示：D

下排显示：微分时间值

改变加键▲或减键▼设定微分时间值为0S；再按SET键，退出设置程序。此时，XMT智能数字控制器仅有纯比例控制规律，且处于“手动”控制状态。

3) 手动操作：

ZK调压器“通－断”开关置“通”；运用加键▲或减键▼手动改变XMT控制器的输出电流，使电加热器升温；当测量值PV等于给定值时，按A/M键置“自动”，实现无扰动切换。

2．观察PID参数对过渡过程的影响

所谓PID参数对过渡过程的影响，即是不同的控制规律、不同的控制器PID参数对控制系统克服干扰能力的影响，也就是对控制系统控制质量的影响。在实验过程中，人为施加一定的干扰，应用过渡过程的品质指标，判断控制质量的好坏，进而了解PID参数对过渡过程的影响。（施加干扰的方法：ZK调压器“通－断”开关置“断”，温度下降了设定值的10%左右，再把ZK调压器“通－断”开关置“通”。）

（1）比例度的影响：分别设置比例度值1%、 30%、5%，并分别施加干扰，观察比例控制作用过强、过弱、恰当时对过渡过程的影响。

（2）积分时间的影响：保持一个适当的比例度值，分别设置积分时间值12S、480S、100~120S，并分别施加干扰，观察积分控制作用过强、过弱、恰当时对过渡过程的影响。

（3）微分时间的影响：保持一个适当的比例度值与积分时间值，分别设置微分时间值120S、5S、15~20S，并分别施加干扰，观察微分控制作用过强、过弱、恰当时对过渡过程的影响。

3．控制器参数工程整定 （1） 比例控制系统

方法同上，在比例度P值中寻找最佳值，记录、观察比较其被控变量过渡过程曲线的质量，达到4:1或10:1衰减震荡。

（2）比例积分（PI）或比例积分（PD）控制系统：

比例度P最佳值不变，增加积分作用，方法同上，设定积分时间I，寻找和P作用最佳组合。或增加微分作用，设定微分时间D，寻找和P作用最佳组合。记录和观察比较PI作用或PD作用对被控变量过渡过程的曲线的质量，达到4:1或10:1衰减震荡。

（3）同理，在上述PI或PD作用下，再增加D或I作用，分别记录和观察比较PID三

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作用控制过程的质量及PID最佳组合, 达到4:1或10:1衰减震荡。

六、实验报告

1．画出该单回路温度自动控制系统的方框图，并注明各环节的输入，输出物理量。 2．从不同的控制器参数过渡过程记录曲线中，试用控制质量的品质指标筛选出若干条典型曲线，分别说明P、PI或PD、PID作用时不同参数对过渡过程曲线的影响及其特征。

3．PID三作用控制的最佳参数近似值及特征。 4．实验心得体会。

附：XMT-3000系列智能数字PID控制器面板示意图

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实验五 DCS控制系统

一、实验目的

1．了解DCS系统的组成与结构；

2．掌握DCS温度控制系统的实现方法； 3．学习掌握DCS系统的基本操作方法。

二、实验仪器及设备

1．热电偶 8支

2．DBW电动温度变送器 8台 3．DCS系统 1套 4．ZK可控硅电压调整器 8台 5．电加热器 8台 6．24V直流电源 1台 7．XW系列自动平衡记录仪 8台

三、实验仪器及控制系统图如下

220V~

DCS系统 ZK调压器

控制站 输出

电加热器 输出 输入

热电偶 输入

四、复习教材

基本控制规律、控制器参数的工程整定、简单控制系统设计、计算机控制系统

五、实验内容和步骤

1．控制系统的投运准备工作

（1）按控制系统图利用接插件正确组合接线 （2）放好仪表各开关位置：

XMZ数显表、ZK调压器、XWC记录仪电源开关闭合，仪表供电，ZK调压器“通－断”开关置“通”、“自动－手动”开关置“自动”；

（3）DCS系统上电：控制站电源箱中的2个电源开关闭合；8台操作站计算机开启，选择winNT4.0操作系统，进入实时监控操作状态，选择“流程图画面”。

2．DCS温度控制系统的操作

在“流程图画面”下，通过“翻页”功能，找到所需流程图，用鼠标点击‘控制器

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输出数据框’，屏幕显示“控制器面板”，在此“控制器面板”上，可实现“手/自动”切换、手动时的输出电流改变；用鼠标点击“控制器面板”的位号，进入“调整画面”，可进行设定值、PID参数、正－反作用、输出限位等等参数的设置，在此实现常规控制器具有的所有功能。

DCS系统还有“历史趋势”、“报警记录”、“操作记录”、“故障诊断”、“系统总貌”等等功能画面，用鼠标点击相应按钮进入；通过组态可实现报表产生与自动打印。

（1）比例度的影响：分别设置比例度值1%、 30%、5%，并分别施加干扰，观察比例控制作用过强、过弱、恰当时对过渡过程的影响。

（2）积分时间的影响：保持一个适当的比例度值，分别设置积分时间值12S、480S、100~120S，并分别施加干扰，观察积分控制作用过强、过弱、恰当时对过渡过程的影响。

（3）微分时间的影响：保持一个适当的比例度值与积分时间值，分别设置微分时间值120S、5S、15~20S，并分别施加干扰，观察微分控制作用过强、过弱、恰当时对过渡过程的影响。

3．控制质量比较与PID参数整定 （1）比例控制系统

在比例作用下，设置比例度P值为最小，施加干扰，观察比较其控制质量与常规控制器比例作用下的控制质量差异。

（2）比例积分（PI）或比例积分（PD）控制系统：

比例度P不变，增加积分作用，设置积分时间值为最小。或增加微分作用，设定微分时间D为一个较大值。观察比较PI作用或PD作用的控制质量与常规控制器PI作用或PD作用的控制质量差异。

（3）在PI或PD作用下，再增加D或I作用，分别观察比较PID三作用控制过程的质量，寻找PID最佳组合, 达到4:1或10:1衰减震荡。

六、实验报告

1． 简单叙述DCS系统的基本组成。 2． 简单叙述DCS控制系统的基本功能。

3．说明计算机控制系统中的PID算法与常规控制器PID 算法的差异。 4．实验心得体会。

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