实验编号 我持 实验指导书 实验项目：过程量测量与控制综合实验 所属课程： 检测技术类 课程代码： 面向专业： 测控技术与仪器、自动化 学院（系）： 实验室： 检测技术 代号： 2012年3月1日
实验编号 实 验 指 导 书 实验项目：过程量测量与控制综合实验 所属课程: 检测技术类 课程代码: 面向专业: 测控技术与仪器、自动化 学院(系): 实 验 室: 检测技术 代号: 2012 年 3 月 1 日
一、实验目的 二、实验内容 .-1- 三、实验示意图 -2- 四、实验用主要仪器设备、数量 -4- 五实验原理、原始计算数据和应用的公式 -6。 5.1仪表原理. 6- 5.1.1电磁流量计（以下简称EMF) 5.1.2涡街流量计（以下简称VSF) .-6- 5.1.3差压式流量计（以下简称DP). .-6- 5.1.4雷达液位计. 7- 5.1.5压力变送器 .-7- 5.2控制系统原理框图 -8 5.2.1液位控制. -8- 5.2.2温度控制 -8- 5.2.3流量控制.… -8- 六、实验操作流程… -9- 6.1水泵电机转速控制 -12- 6.2液位测量和控制.… -14- 6.3流量传感器标定 -16- 6.4不同流量传感器性能比较 -18- 6.5压力测量，压差损失观察 -20- 6.6三线制长线补偿实验 .-22- 6.7温度测量和控制 -23- 七、尚待解决的问题 -26- 八、对学生的要求… …-27- 九、参考文献… -27-
一、实验目的................................................................................................................................- 1 - 二、实验内容................................................................................................................................- 1 - 三、实验示意图............................................................................................................................- 2 - 四、 实验用主要仪器设备、数量..............................................................................................- 4 - 五 实验原理、原始计算数据和应用的公式..............................................................................- 6 - 5.1 仪表原理.........................................................................................................................- 6 - 5.1.1 电磁流量计（以下简称 EMF）........................................................................ - 6 - 5.1.2 涡街流量计（以下简称 VSF）......................................................................... - 6 - 5.1.3 差压式流量计(以下简称 DPF)...........................................................................- 6 - 5.1.4 雷达液位计........................................................................................................- 7 - 5.1.5 压力变送器........................................................................................................- 7 - 5.2 控制系统原理框图.........................................................................................................- 8 - 5.2.1 液位控制............................................................................................................- 8 - 5.2.2 温度控制............................................................................................................- 8 - 5.2.3 流量控制............................................................................................................- 8 - 六、 实验操作流程......................................................................................................................- 9 - 6.1 水泵电机转速控制.......................................................................................................- 12 - 6.2 液位测量和控制...........................................................................................................- 14 - 6.3 流量传感器标定...........................................................................................................- 16 - 6.4 不同流量传感器性能比较...........................................................................................- 18 - 6.5 压力测量，压差损失观察...........................................................................................- 20 - 6.6 三线制长线补偿实验...................................................................................................- 22 - 6.7 温度测量和控制...........................................................................................................- 23 - 七、 尚待解决的问题................................................................................................................- 26 - 八、 对学生的要求....................................................................................................................- 27 - 九、 参考文献............................................................................................................................- 27 -
一、实验目的 过程量主要指过程工业中涉及的需要进行测量和控制的四个物理量：压力、温 度、流量和液位。过程工业包括国民经济的一些支柱产业，如：石油、化工、治 金、能源、材料、食品等，是所有涉及物质转化过程的工业部门的总称。过程工 业的发展水平体现了一个国家的综合国力，在某种程度上是一个国家工业发展水 平的标志。熟悉了解过程量测量及控制方法是仪器及自动化等相关专业学生的必 备知识。本实验设计了以水为介质的多支路水流循环管路系统，选用了Pt100温度 变送器、扩散硅压力变送器、导波式雷达液位计、差压式流量计、涡街流量计和 电磁流量计进行各过程量的测量，通过计算机测控系统实现对温度、流量和液位 的控制。 本实验将温度、压力、液位、流量等过程量的检测与控制实验内容集成在一套 实验装置，能进行综合性、设计性实验。通过实验，学生将了解各种变送器的测 量原理；了解不同流量计的使用特点：了解电机变频控制方法：熟悉PD控制在 实际中的应用。 二、实验内容 1. 水泵电机转速控制 -1-
- 1 - 一、实验目的 过程量主要指过程工业中涉及的需要进行测量和控制的四个物理量：压力、温 度、流量和液位。过程工业包括国民经济的一些支柱产业，如：石油、化工、冶 金、能源、材料、食品等，是所有涉及物质转化过程的工业部门的总称。过程工 业的发展水平体现了一个国家的综合国力，在某种程度上是一个国家工业发展水 平的标志。 熟悉了解过程量测量及控制方法是仪器及自动化等相关专业学生的必 备知识。本实验设计了以水为介质的多支路水流循环管路系统，选用了 Pt100 温度 变送器、扩散硅压力变送器、导波式雷达液位计、差压式流量计、涡街流量计和 电磁流量计进行各过程量的测量，通过计算机测控系统实现对温度、流量和液位 的控制。 本实验将温度、压力、液位、流量等过程量的检测与控制实验内容集成在一套 实验装置，能进行综合性、设计性实验。通过实验，学生将了解各种变送器的测 量原理；了解不同流量计的使用特点；了解电机变频控制方法；熟悉 PID 控制在 实际中的应用。 二、实验内容 1． 水泵电机转速控制
了解变频电机的转速控制方法，完成转速设定及电机驱动： 通过实验给出流量转速对应关系； 2.液位测量和控制 利用导波雷达液位计测量水槽液位： 通过调节变频电机转速对液位进行闭环控制： 通过调节比例阀对液位进行闭环控制。 3.流量传感器标定 推导恒压水槽的水位-流量对应关系： 通过恒压水槽对流量计进行标定； 4.不同流量传感器性能比较 利用手动调节阀分别打开不同的流量测量支路 分别将两条支路中的涡街流量计和差压式流量计与干路上的电磁流量（标准量） 计进行对照，以比较其性能区别： 5.压力测量，压差损失观察 分别测量并记录装置中不同位置各压力变送器的压力读数： 通过液体玻璃观察管观察流体在流动过程中的压力差损失情况： 验证水泵附近和差压式流量计附近的压力差与流量的对应关系： 6.三线制长线补偿实验 分别用短线二线制接法和长线的二线制接法进行水温测量并对结果进行比较，分 析长线二线制接法产生测量误差的原因； 用长线三线制接法进行水温测量，并与长线二线制接法进行比较，分析三线制长 线接法能够补偿长线传输误差的原理。 7.温度测量和控制 测量水槽中流体在流动过程中的温度： 分别使用开关控制、P、PI、PID控制算法进行温度控制，整定PID三参数，得到 满意的温度变化曲线，并分析P、I、D三参数的作用： 三、实验示意图 过程量测量和控制综合实验平台系统组成框图如图1所示，。 -2-
- 2 - 了解变频电机的转速控制方法，完成转速设定及电机驱动； 通过实验给出流量-转速对应关系； 2． 液位测量和控制 利用导波雷达液位计测量水槽液位； 通过调节变频电机转速对液位进行闭环控制； 通过调节比例阀对液位进行闭环控制。 3． 流量传感器标定 推导恒压水槽的水位-流量对应关系； 通过恒压水槽对流量计进行标定； 4． 不同流量传感器性能比较 利用手动调节阀分别打开不同的流量测量支路 分别将两条支路中的涡街流量计和差压式流量计与干路上的电磁流量（标准量） 计进行对照，以比较其性能区别； 5． 压力测量，压差损失观察 分别测量并记录装置中不同位置各压力变送器的压力读数； 通过液体玻璃观察管观察流体在流动过程中的压力差损失情况； 验证水泵附近和差压式流量计附近的压力差与流量的对应关系； 6．三线制长线补偿实验 分别用短线二线制接法和长线的二线制接法进行水温测量并对结果进行比较，分 析长线二线制接法产生测量误差的原因； 用长线三线制接法进行水温测量，并与长线二线制接法进行比较，分析三线制长 线接法能够补偿长线传输误差的原理。 7． 温度测量和控制 测量水槽中流体在流动过程中的温度； 分别使用开关控制、P、PI、PID 控制算法进行温度控制，整定 PID 三参数，得到 满意的温度变化曲线，并分析 P、I、D 三参数的作用； 三、实验示意图 过程量测量和控制综合实验平台系统组成框图如图 1 所示
上位机软件 串口通信 可控硅触 发板 可控硅 ·加热棒 变 度 P1100温度变送器 机 =变频电机比例阀 液 PCI 9112 导波雷达液位计 数据 采集 变频电机 卡 流 流量计 变颍电机 力 压力表 图1过程量测量和控制综合实验平台系统组成框图 图2是过程量测量和控制实验平台。1、计算机控制系统，2、温度加热棒控制 开关，3、系统启动按钮，4、水泵启动按钮，5、加热棒手动按钮，6、端子板接 线柜，7、安装支架，8、电气控制柜，9、实验装置台，10、水槽。 图3是实验装置台。1、水泵，2、压力计，3、电磁流量计，4、涡街流量计， 5、孔板差压计，6、导波雷达液位计，7、Pt100温度变送器，8、压力计，9、电 动调节阀，10、玻璃观察窗，11、液位管，12、电加热棒。 图4是实验装置台俯视图。1、水泵，2、水槽，3、支架台，4、电加热棒。 实验平台包括实验操作台、实验装置台以及由电缆连接的各主要电路。具体实 施方式如下： 图2实验平台中的计算机(1)中安装有数据采集卡及相关实验操作软件，这 里使用LabVIEW编程语言实现计算机实验操作。依次启动系统启动按钮(3)、水 泵启动按钮(4)、启动电脑软件主界面如图2，进行各项实验。如果按下图1中加 热棒手动按钮(5)，可进行手动控制。电气控制柜(8)含电源系统、变频器继电 器等电力器件。也可以在变频器操作面板设置手动或计算机串口发送数据模式进 行频率的控制，通过变频器来控制水泵电机转速。在端子板接线柜(6)内各传感 器测得信号接入端子板，并将采集信号通过37芯通信电缆接入计算机数据采集卡。 实验装置台如图3所示，当水泵运行后，可以通过手动阀1-11来组合完成液位、 流量、压力的测量与控制实验。电磁流量计F3的测量值比孔板流量计F1和涡街 流量计F2准确，所以作为流量测量的基准，三个压力变送器P1测量不同点的压 力情况，并进行分析。导波雷达液位计L1实时测量恒压槽的液位情况，三根电加 热棒通过调节软件中的温度控制参数、经过可控硅控制器进行加热，通过控制电 动调节阀实现液位和流量的控制，玻璃观察窗，液位管，方便实验者观察液位和 流量的情况。温度变送器T1实时测量水温，当水位过高时可以通过水槽内的溢流 -3-
- 3 - 图 1 过程量测量和控制综合实验平台系统组成框图 图 2 是过程量测量和控制实验平台。1、计算机控制系统，2、温度加热棒控制 开关，3、系统启动按钮，4、水泵启动按钮，5、加热棒手动按钮，6、端子板接 线柜，7、安装支架，8、电气控制柜，9、实验装置台，10、水槽。 图 3 是实验装置台。1、水泵，2、压力计，3、电磁流量计，4、涡街流量计， 5、孔板差压计，6、导波雷达液位计，7、Pt100 温度变送器，8、压力计，9、电 动调节阀，10、玻璃观察窗，11、液位管，12、电加热棒。 图 4 是实验装置台俯视图。1、水泵，2、水槽，3、支架台，4、电加热棒。 实验平台包括实验操作台、实验装置台以及由电缆连接的各主要电路。具体实 施方式如下： 图 2 实验平台中的计算机（1）中安装有数据采集卡及相关实验操作软件，这 里使用 LabVIEW 编程语言实现计算机实验操作。依次启动系统启动按钮（3）、水 泵启动按钮（4）、启动电脑软件主界面如图 2，进行各项实验。如果按下图 1 中加 热棒手动按钮（5），可进行手动控制。电气控制柜（8）含电源系统、变频器继电 器等电力器件。也可以在变频器操作面板设置手动或计算机串口发送数据模式进 行频率的控制，通过变频器来控制水泵电机转速。在端子板接线柜（6）内各传感 器测得信号接入端子板，并将采集信号通过 37 芯通信电缆接入计算机数据采集卡。 实验装置台如图 3 所示，当水泵运行后，可以通过手动阀 1-11 来组合完成液位、 流量、压力的测量与控制实验。电磁流量计 F3 的测量值比孔板流量计 F1 和涡街 流量计 F2 准确，所以作为流量测量的基准，三个压力变送器 P1 测量不同点的压 力情况，并进行分析。导波雷达液位计 L1 实时测量恒压槽的液位情况，三根电加 热棒通过调节软件中的温度控制参数、经过可控硅控制器进行加热，通过控制电 动调节阀实现液位和流量的控制，玻璃观察窗，液位管，方便实验者观察液位和 流量的情况。温度变送器 T1 实时测量水温，当水位过高时可以通过水槽内的溢流