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
槽内溢流孔经管道流出。 5 6 图2过程量测量和控制实验平台 液位管L1液位计 电动调节阀 下3电破 P1压力 流量计 变送器1 街流量计 水泵 孔板流量计玻璃观察窗 /P1压力 P压力 热棒 变送器2 变送器3 T1温度变送器 图3实验装置台 四、实验用主要仪器设备、数量 实验设备名称 型号规格 数量 备注 安装PCI9112数采卡和 计算机 1 及相关实验操作软件 含电源、继电器等电力 控制柜 1 器件 水泵 1 包括电机 储水箱 1 -4-
- 4 - 槽内溢流孔经管道流出。 图 2 过程量测量和控制实验平台 图 3 实验装置台 四、 实验用主要仪器设备、数量 实验设备名称 型号规格 数量 备注 计算机 --- 1 安装PCI9112数采卡和 及相关实验操作软件 控制柜 --- 1 含电源、继电器等电力 器件 水泵 --- 1 包括电机 储水箱 --- 1
恒压槽 800*800*800 1 包括溢流槽、液位管 手动阀门 - 10 -- 电动阀门 -- 2 导波雷达液位计 FMP40-APP2CRJB212A 1 电磁流量计 10W50-ULOA1AA0C4AA 1 涡街流量计 72F50-SK0BA1AAC4AW 1 -- 差压式流量计 PMD75-ABB7F21BAAA 1 压力变送器 PMC71-ABB1H2GEAAA 3 Pt100温度变送 TMT142-A22331AAA1 1 器 电阻式加热棒* 功率750瓦-- 3 变频器 VS-606V7 可控硅触发器 KY3-D 3 可控硅 MTC-55A-16 9 -- -5
- 5 - 恒压槽 800*800*800 1 包括溢流槽、液位管 手动阀门 --- 10 --- 电动阀门 --- 2 --- 导波雷达液位计 FMP40-APP2CRJB212A 1 --- 电磁流量计 10W50-UL0A1AA0C4AA 1 --- 涡街流量计 72F50-SK0BA1AAC4AW 1 --- 差压式流量计 PMD75-ABB7F21BAAA 1 --- 压力变送器 PMC71-ABB1H2GEAAA 3 --- Pt100温度变送 器 TMT142-A22331AAA1 1 --- 电阻式加热棒* 功率750瓦--- 3 --- 变频器 VS-606V7 1 --- 可控硅触发器 KY3-D 3 --- 可控硅 MTC-55A-16 9 ---
五实验原理、原始计算数据和应用的公式 5.1仪表原理 5.1.1电磁流量计（以下简称EMF) EMF是利用法拉第电磁感应定律制成的一种测量导电液体体积流量的仪表。 EMF的基本原理是法拉第电磁感应定律，即导体在磁场中切割磁力线运动时在其 两端产生感应电动势。导电性液体在垂直于磁场的非磁性测量管内流动，与流动 方向垂直的方向上产生与流量成比例的感应电势，电动势的方向按“弗来明右手规 则”。应用于测量电导率≥50uS/cm的液体流量，如饮用水、废水、污水和污泥。 本次实验选用的10W50-UL0A1AA0C4AA型号电磁流量计。 5.1.2涡街流量计（以下简称VSF) 在特定的流动条件下，一部分流体动能转化为流体振动，其振动频率与流速（流 量)有确定的比例关系，依据这种原理工作的流量计称为流体振动流量计。目前 流体振动流量计有三类：涡街流量计(VSF)、旋进（旋涡进动）流量计和射流流 量计。 VSF是在流体中安放一根（或多根）非流线型阻流体(bluff body),流体在阻 流体两侧交替地分离释放出两串规则的旋涡，在一定的流量范围内旋涡分离频率 正比于管道内的平均流速，通过采用各种形式的检测元件测出旋涡频率就可以推 算出流体的流量。 本实验选用的E+H公司72F50-SK0BA1AAC4AW型号涡街流量计适用于水 和污水的流量测量，化工、石化、电厂和供热系统及其它工业领域，测量气体、 蒸汽和液体的体积流量。 5.1.3差压式流量计（以下简称DPF) DP℉根据安装于管道中流量检测件产生的差压、已知的流体条件和检测件与管 道的几何尺寸来测量流量的仪表。DP℉由一次装置（检测件）和二次装置（差压转换 和流量显示仪表)组成。通常以检测件的型式对DP℉分类，如孔扳流量计、文丘里 管流量计及均速管流量计等。二次装置为各种机械、电子、机电一体式差压计， 差压变送器和流量显示及计算仪表，它已发展为三化（系列化、通用化及标准化） 程度很高的种类规格庞杂的一大类仪表。 差压计既可用于测量流量参数，也可测量其他参数（如压力、物位、密度等）。 本文选用E+H公司的PMD75-ABB7F21BAAA型号传感器应用范围主要有：气 体、蒸汽和液体流量（体积或质量流量），液体的物位、体积或质量流量测量， -6-
- 6 - 五 实验原理、原始计算数据和应用的公式 5.1 仪表原理 5.1.1 电磁流量计（以下简称 EMF） EMF 是利用法拉第电磁感应定律制成的一种测量导电液体体积流量的仪表。 EMF 的基本原理是法拉第电磁感应定律，即导体在磁场中切割磁力线运动时在其 两端产生感应电动势。导电性液体在垂直于磁场的非磁性测量管内流动，与流动 方向垂直的方向上产生与流量成比例的感应电势，电动势的方向按“弗来明右手规 则”。应用于测量电导率≥50μS/cm 的液体流量，如饮用水、废水、污水和污泥。 本次实验选用的 10W50-UL0A1AA0C4AA 型号电磁流量计。 5.1.2 涡街流量计（以下简称 VSF） 在特定的流动条件下，一部分流体动能转化为流体振动，其振动频率与流速（流 量）有确定的比例关系，依据这种原理工作的流量计称为流体振动流量计。目前 流体振动流量计有三类：涡街流量计（VSF）、旋进（旋涡进动）流量计和射流流 量计。 VSF 是在流体中安放一根（或多根）非流线型阻流体（bluff body），流体在阻 流体两侧交替地分离释放出两串规则的旋涡，在一定的流量范围内旋涡分离频率 正比于管道内的平均流速，通过采用各种形式的检测元件测出旋涡频率就可以推 算出流体的流量。 本实验选用的 E+H 公司 72F50-SK0BA1AAC4AW 型号涡街流量计适用于水 和污水的流量测量，化工、石化、电厂和供热系统及其它工业领域，测量气体、 蒸汽和液体的体积流量。 5.1.3 差压式流量计(以下简称 DPF) DPF 根据安装于管道中流量检测件产生的差压、已知的流体条件和检测件与管 道的几何尺寸来测量流量的仪表。DPF 由一次装置(检测件)和二次装置(差压转换 和流量显示仪表)组成。通常以检测件的型式对 DPF 分类，如孔扳流量计、文丘里 管流量计及均速管流量计等。二次装置为各种机械、电子、机电一体式差压计， 差压变送器和流量显示及计算仪表，它已发展为三化(系列化、通用化及标准化) 程度很高的种类规格庞杂的一大类仪表。 差压计既可用于测量流量参数，也可测量其他参数(如压力、物位、密度等)。 本文选用 E+H 公司的 PMD75-ABB7F21BAAA 型号传感器应用范围主要有：气 体、蒸汽和液体流量（体积或质量流量），液体的物位、体积或质量流量测量
过滤器和泵的差压监测。 5.1.4雷达液位计 雷达液位计采用发射一反射一接收的工作模式。雷达液位计的天线发射出电磁 波，这些波经被测对象表面反射后，再被天线接收，电磁波从发射到接收的时间 与到液面的距离成正比。 天线接收反射的微波脉冲并将其传输给电子线路，微处理器对此信号进行处 理，识别出微脉冲在物料表面所产生的回波。正确的回波信号识别由智能软件完 成，精度可达到毫米级。如图4所示，距离物料表面的距离D与脉冲的时间行程 T成正比： 20mA 100% E D 4mA 0% 图4雷达液位计截面图 D=C×T/2 其中C为光速 因空罐的距离E已知，则物位L为： L=E-D 雷达液位计记录脉冲波经历的时间，而电磁波的传输速度为常数，则可算出液 面到雷达天线的距离，从而知道液面的液位。 通过输入空罐高度E(=零点)，满罐高度F(=满量程)等参数来进行标定， 对应于4一20mA输出。 5.1.5压力变送器 压力变送器是一种能感受压力，并将压力信号转换成可传递的统一输出信号的 仪表，而且其输出信号与压力信号之间有一给定的连续线性函数关系。[17刀 -7
- 7 - 过滤器和泵的差压监测。 5.1.4 雷达液位计 雷达液位计采用发射—反射—接收的工作模式。雷达液位计的天线发射出电磁 波，这些波经被测对象表面反射后，再被天线接收，电磁波从发射到接收的时间 与到液面的距离成正比。 天线接收反射的微波脉冲并将其传输给电子线路，微处理器对此信号进行处 理，识别出微脉冲在物料表面所产生的回波。正确的回波信号识别由智能软件完 成，精度可达到毫米级。如图 4 所示，距离物料表面的距离 D 与脉冲的时间行程 T 成正比： 图 4 雷达液位计截面图 D=C×T/2 其中 C 为光速 因空罐的距离 E 已知，则物位 L 为： L=E-D 雷达液位计记录脉冲波经历的时间，而电磁波的传输速度为常数，则可算出液 面到雷达天线的距离，从而知道液面的液位。 通过输入空罐高度 E（=零点），满罐高度 F（=满量程）等参数来进行标定， 对应于 4－20mA 输出。 5.1.5 压力变送器 压力变送器是一种能感受压力，并将压力信号转换成可传递的统一输出信号的 仪表，而且其输出信号与压力信号之间有一给定的连续线性函数关系。[17]
压力变送器从一般意义上往往指压力变送器和差压变送器，主要由测压元件传 感器、测量电路和过程连接件等组成。它能将接收的气体、液体等压力信号转变 成标准的电流信号(4~20mADC),以供给指示报警仪、记录仪、调节器等二次仪表 进行测量、指示和过程调节。 压力变送器根据测压范围可分成一般压力变送器(0.001MPa~20MP3)和微 差压变送器(0~1.5kPa),负压变送器三种。 压力变送器的主要作用：把压力信号传到电子设备，进而在计算机显示压力。 本实验用到E+HPMC71-ABB1H2 GEAAA压力变送器主要应用于：测量各种 场合下气体、蒸汽或液体的的绝压和表压，对液体的物位、体积或质量测量。 5.2控制系统原理框图 5.2.1液位控制 + 三相供电频率 设定液位 实际液位 控制算法 变频电机 水泵 数采卡 5.2.2温度控制 设定温度+ 水温 PID控制算法 →可控硅控制器 加热棒 Pt100温度变送器 5.2.3流量控制 -8-
- 8 - 压力变送器从一般意义上往往指压力变送器和差压变送器，主要由测压元件传 感器、测量电路和过程连接件等组成。它能将接收的气体、液体等压力信号转变 成标准的电流信号(4~20mADC)，以供给指示报警仪、记录仪、调节器等二次仪表 进行测量、指示和过程调节。 压力变送器根据测压范围可分成一般压力变送器（0.001MPa～20MP3）和微 差压变送器（0～1.5kPa），负压变送器三种。 压力变送器的主要作用: 把压力信号传到电子设备，进而在计算机显示压力。 本实验用到 E+H PMC71-ABB1H2GEAAA 压力变送器主要应用于： 测量各种 场合下气体、蒸汽或液体的的绝压和表压，对液体的物位、体积或质量测量。 5.2 控制系统原理框图 5.2.1 液位控制 设定液位 变频电机 数采卡 控制算法 + _ 三相供电频率 实际液位 水泵 5.2.2 温度控制 5.2.3 流量控制