哈理工2012过程控制及仪表认识实习指导书

实验一 过程控制系统及仪表认识实验

一、实验目的与要求

1. 通过实验使学生形象地认识过程控制系统，并在此基础上了解自动化仪表的使用。

2. 了解热电偶传感器和热电阻传感器的原理。

3. 了解PID控制原理并通过开关控制和PID控制实现烤箱温度控制系统的设计。

二、实验要求

1．根据实习内容将学生进行分组实习, 班级要分成实习小级，每组2～3人，由组长负责。

2．在实习中注重针对性和操作性, 每位同学要遵守纪律，听从指挥。 3．要将安全教育贯穿整个实习过程。 4．实习结束后要求学生上交实习报告。

三、实验仪器与设备

1. CH6系列数字显示仪表 ； 2. 热电偶； 3. 热电阻； 4. 温度计；

5. 固态继电器； 6. 烤箱；

7. 报警器和电源线若干；

四、实验原理

1、过程控制系统

以表征生产过程的参量为被控制量使之接近给定值或保持在给定范围内的自动控制系统。

这里“过程”是指在生产装置或设备中进行的物质和能量的相互作用和转换过程。表征过程的主要参量有温度、压力、流量、液位、成分、浓度等。通过对过程参量的控制，可使生产过程中产品的产量增加、质量提高和能耗减少。一般的过程控制系统通常采用反馈控制的形式，这是过程控制的主要方式。过程控制系统框图如下：

图1 过程控制系统框图

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这里控制对象是烤箱，被控变量是烤箱的温度，固态继电器是执行元件，热电偶和热电阻是传感器。CH6数显表是控制器。控制的目的是保持烤箱中的温度在一定范围内变化。

2、热电传感器工作原理

（1）热电偶传感器

从图1中可以看到热电偶是整个系统实现自动控制和自动控制的首要环节。它是一种将温度的变化转换为电量变化的元件。即当所测温度发生变化时，热电偶的电势发生变化，可以通过对这些电量变化的测量来了解温度的变化情况。可想而知，如果没有热电偶对原始参数进行精确可靠的测量，那么最佳数据的显示与控制将成为一句空话。

可见热电偶在整个系统中的作用不容忽视。热电偶的工作原理如图2所示：

图2 热电偶工作原理

当A、B相接的两个点温度不同时，则在回路中产生一个热电动势，这两种不同导体或半导体的组合就称为热电偶（产生温差电势和接触电势：塞贝克效应）。两个接点中，一端称为工作端（测量端或热端）如T端。另一端称为自由端（参比端或冷端）如To端。

在本温度控制系统中，工作端插入烤箱中；自由端通过导线接到控制器上。我们采用的热电偶为镍铬—镍硅，分度号为K，测温-40~1000℃，误差范围在+2.5~-2.5℃。

（2）热电阻传感器

将温度变化转换为电阻变化的传感器称为热电阻传感器。热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。它的主要特点是测量精度高，性能稳定。

热电阻的工作原理是温度升高，金属内部原子晶格的振动加剧，从而使金属内部的自由电子通过金属导体时的阻碍增大，宏观上表现出电阻率变大，电阻值增加，我们称其为正温度系数，即电阻值与温度的变化趋势相同。其中铂热电阻的测量精确度是最高的，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪。 铂易于提纯，在高温和氧化性介质中物理化学性质稳定，电阻率较大，能耐较高的温度；制成的铂电阻输出－输入特性接近线性。铂电阻的电阻值与温度之间的关系： ?2?0~650C Rt?R0(1?At?Bt)? ??23-200~0C Rt?R0[1?At?Bt?C(t-100)t]? ?

Rt为温度t时的阻值；R0为温度t0（通常t0=0℃）时对应电阻值； A、B、C——常数

2

铂电阻制成的温度计，除作温度标准外，还广泛应用于高精度的工业测量。由于铂为贵金属，一般在测量精度要求不高和测温范围较小时，均采用铜电阻。

热电阻的结构比较简单，一般将电阻丝统在云母、石英、陶瓷、塑料等绝缘骨架上，经过固定，外面再加上保护套管。但骨架性能的好坏，影响其测量精度、体积大小和使用寿命。铂热电阻的结构如图3所示。

图3 铂热电阻结构

热电阻温度计接法

通常工业上用于测温是采用铂电阻和铜电阻作为敏感元件，测量电路用得较多的是电桥电路。为了克服环境温度的影响常采用图所示的三导线四分之一电桥电路。由于采用这种电路，热电阻的两根引线的电阻值被分配在两个相邻的桥臂中，这样由于环境温度变化引起的引线电阻值变化造成的误差被相互抵消。如图4所示。

ˊ R2R1R1Rt R2ˊ R3R4

图4 热电阻温度计接法

3 、CH6系列数显仪

CH6系列数显仪与各类模拟量输出的传感器、变送器配合，完成温度、压力、液位、成分等物理量的测量、变换、显示和控制。

主要技术指标如下：

（1）误差小于0.5%F-S，并具备调校、数字滤波功能。

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（2）使用与标准电压、电流、热电阻、热电偶等信号类型。 （3）变松输出（选项），能将测量、变换后的显示值以标准的电流、电压形式输出供出其他设备使用。

（4）2点报警输出，上限报警或下限报警方式可选择。报警灵敏度独立设定。

CH6系列数显仪的技术规格为

（1）电 源：85V AC~265V AC，100V DC~380V DC，功耗小于4W。 （2）工作环境：0℃~50℃，湿度低于85%R.H，无结露。 （3）显示范围：-1999~9999，小数点位置可设定。 （4）输入信号类型：万能输入，可通过设定选择。 （5）测量控制周期：0.2秒。

（6）报警输出：2点继电器输出，触点容量220V AC，3A。 （7）变送输出

光电隔离4mA~20mA，0mA~10mA，0mA~20mA直流电流输出，通过设定选择。负载能力大于600Ω。

（8）输出分辨力：1/1000，误差小于±0.5% F.S。 安装与接线

CH6数显表的根据输入信号的不同，连接方式也不同，连接热电偶和热电阻的接线方式如图5所示。

图5 CH6数显表的接线

4、烤箱温度控制系统实验接线图

电烤箱的正面布局和背面布局如图6和图7所示。

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（1）热电偶输出接线端 （2）螺丝 （3）温度计

（4）上电加热管 （5）温度旋扭 （6）电源指示灯

（7）加热管选择旋扭 （8）定时旋扭 （9）下电加热管

图6 烤箱正面布局图

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