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化工原理实验在电磁流量计及自动化教学中的应用探讨

来源:    发布日期:2019-08-26 18:22:31    作者:

    摘 要: 电磁流量计及自动化是化工类学生的专业基础课,旨在培养学生掌握最基本的自动控制方面的知识,在实际生产中 为自控系统的设计提供合理、准确的工艺条件及数据参数。针对传统的教学内容与模式存在的问题,结合我院流量计实验装置 特点,以探讨如何将流量计实验课程中各单元操作控制手段作为案例,应用在电磁流量计与自动化的教学中。使学生在感性认识 的基础上进行理论学习,即理论与工程实践相结合,从而提高教学效果。

    大多化工生产都会涉及到物料的温度、压力、流量、液位等工艺参数,这些参数的控制都离不开仪表,仪表在工艺车间就相当于人的“眼睛”、“大脑”和“手”,是人感觉器官的扩展或补充,是现代化工实现自动化控制必不可少的技术工具,同时也对工艺技术人员提出了新的要求,要求其掌握必要的检测及自动化方面的支持。为满足化工类行业对专业人才的需求,许多高等院校开设了《电磁流量计及自动化》课程,旨在适应现代化工企业的需要,加强学生化工自动化的理论和实践教学,为走上工作工位打下坚实的基础。 
    在我校电磁流量计及自动化是化工类学生的一门专业基础课程,内容涵盖自动控制、仪器及计算机等学科。包括自动控制系统基本概念、过程特性及其数学模型、常用检测仪表及传感器、显示仪表、自动控制仪表及执行器、简单控制系统和典型化工单元的控制方案等,属于在理论指导下的工程实践性课程[1]。具有涉及知识面广、理论比较抽象、内容跨度较大等特点。由于化工类专业学生对电子电力、自动控制理论等方面的基础知识了解不多,加之教学课时较少,学生在学习过程中会有一定难度。传统的教学模式是以理论授课为主,实验教学为辅,如何利用有限的课时,在没有电磁流量计与自动化实验条件的情况下,达到教学大纲中要求的效果,这就要求对此课程的教学模式和方法进行调整。通过近年来在《电磁流量计及自动化》中的课程教学总结与摸索,发现该课程存在不少问题。
 
    1存在的问题
    1.1内容枯燥
    《电磁流量计与自动化》该课程本身的理论内容枯燥、计算过程繁琐、自动化控制过程复杂。就课程性质来说,很难激起化学类学生的学习兴趣。再者我院开设的该课程,一直采用黑板教学的方式,且缺少相应的实物教具,讲解各类仪表过程中,学生对于仪表的结构及其作用机理很难有直观的认识,难以理解,这使得教学教过大打折扣。

    1.2涵盖内容多,实际教学课时少
    由于现代化工技术的发展,要求学习的学科内容越来越多,安排的课程也相应增加。《电磁流量计及自动化》为48学时,但内容是集电磁流量计、控制系统、自控原理等多门课程融合为一体,多且复杂,再将其和工艺知识相柔和,如何在有限的时间内,让学生既能熟练的掌握理论知识又能将其应用于实践,对老师和学生来说都是一个很大的挑战。

    1.3实验和实践环节缺乏
    由于缺乏实验条件,所以学生动手能力基本没有得到培养。现场实习,因为侧重点在专业上,以化学专业为例,以工艺路线为主,实习工厂讲解员及带队老师对仪表的相关内容往往流于形式,走马观花,很难将课堂掌握的知识融入到实际生产环境中,理论和实践脱节。

    2可行性分析
    电磁流量计,是工艺过程中必不可缺的操作工具,而化工工艺过程是众多个单元操作的排列组合,这里面涉及到流量计基本内容。我们学院开设的流量计实验课基本囊括了常规的化工过程单元操作[4],要求:通过本课程的学习,使学生了解各化工单元操作的原理、流程,掌握实验设备的特点、性能和基本操作等。一个化工产品的生产是通过若干个物理操作与若干个化学反应实现的。尽管由于化工产品的千差万别,生产工艺的多种多样,但这些产品生产的物理过程并不是太多,且是基本相似。如流体输送的目的,不论输送哪种物料,目的都是将流体从一个设备传输至另一个设备;分离提纯的目的都是得到指定浓度的混合物;加热与冷却的目的都是得到生产工艺需要的操作温度等。因此把这些包含在不同化工产品生产过程中,发生同样物理变化,遵循共同的物理学规律,使用相似设备,具有相同功能的基本物理操作,称为单元操作。能否将流量计这些常规的单元操作实验与电磁流量计及自动化的教学有机的结合起来呢!
 
 
    2.1在流体力学单元操作中可行性探讨
    流量计遵循流体动力学基本规律的单元操作实验有:包括流体输送、沉降、过滤、固体流态化等;我们实验项目中具有流体流型(雷诺)实验、流体流动阻力的测定、流量计性能测定实验、离心泵特性曲线测定。既然是关于流体输送的实验,必定会涉及到电磁流量计及自动化课程中的重要章节———检测仪表与传感器中的流量检测及仪表,比如流体流型实验就是通过调节流量控制阀同时监测转子流量计,达到观察流体层流和湍流流动形态的目的;流体流动阻力的测定实验是通过改变变频器输出值调节涡轮流量通过的量,压差表是测量管路压差;离心泵特性曲线测定实验,需要获取离心泵入口真空度、出口压力、流体温度、流体的流量、泵转速等数据进行离心泵特性曲线的绘制;特别是流量计性能测定实验,通过对流量计孔流系数及永久压强降的测定,孔流系数的变化规律观察,除了可以了解节流式流量计流量系数随雷诺数的变化规律,还可以了解常用流量计(涡轮、孔板、文丘里、转子)的构造、工作原理和主要特点,同时也学会了流量计的校正方法,实际上也相当是一个电磁流量计及自动化的实验内容。
 
    2.2在热量传递基本单元操作中可行性的探讨
    流量计中遵循热量传递基本规律的单元操作:包括加热、冷却、冷凝、蒸发等。以流量计实验装置的检测仪表与传感器相关知识的介绍为例[5],从实验装置上出现的过的某一种或某一个仪表展开来由点及面介绍,介绍检测仪表与传感器主要有压力、流量、物位和温度检测及仪表等,除了可分别介绍各类检测仪表与传感器的特点及工作原理和适用场合外,还可以跟学生讨论以下实际生产中主要监控这几类参数的客观原因。我们流量计实验中代表性的实验项目是空气-水蒸汽对流给热系数测定,该实验会涉及到水蒸气的温度、压力测量,冷凝液的温度、流量测量等,对水蒸气这样的介质,选择什么类型的温度测量表,压力表的安装形式如何考虑,都可以作为学习温度测量和压力测量的案例。

    2.3在质量传递单元操作的可行性探讨
    遵循质量传递基本规律的单元操作:包括蒸馏、吸收、萃取、结晶、干燥、膜分离等;我们的流量计实验项目涉及上述单元操作的主要有:筛板塔精馏实验、填料塔吸收传质系数测得、萃取塔实验、纳滤膜、反渗透膜分离实验、干燥速率曲线测定,每个项目都或多或少的需要采用温度、压力、流量、物位的检测指标来保障实验设备的正常运行,如筛板塔精馏实验就涵盖了化工生产过程中常规需要的四大检测指标,单元操作过程有12个温度检测点,另有塔釜液位和压力检测以及原料罐、产品罐、残液罐的液位测量,原料、残液、回流、产品的流量测量。在教学过程中,在确保介绍清楚流量计实验装置的作用和工作原理、完成实际教学任务的同时,以典型的仪表为例,抛砖引玉、以点带面,帮助学生将仪表的理论知识和实际装置结合起来,将对仪表显示和自动化控制的理解上升到“知其所以然”的层次。

    3结语
    综上所述,我们目前所开设的流量计实验项目内容完全可以作为电磁流量计及自动化课程的案例和实践性课程的扩展和补充。在流量计实验过程中,增加对该单元操作自动控制系统了解的分量,这样既扩展了流量计实验的内涵,又不需要额外配置电磁流量计及自动化实验装置,在电磁流量计及自动化课程的教学中,要求学生对已经做过的实验项目中的检测手段、控制方案进行分析评价,找出不足,提出改进意见,并用方框图和PID简图形式提交。可以预见,将流量计实验课程中各单元操作控制手段作为案例,应用在电磁流量计与自动化的教学中,这样的教学模式一定能够收到事倍功半的效果,但是如何在有限的课时并且从有限的工艺设备中将仪表与自控技术的功能及应用介绍全面和控制讲授深度,需要以后我们流量计实验教学中需要不断的探索。

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