6显示仪表

第六章 显示仪表 在工业生产中，不仅需要使用不同的检测元件、变送器或传感器测量出生产中各个参数的大小，而且，还要求把这些测量值进行显示，或用字符、数字、图象等显示出来。这种作为显示被测量值的仪表，称之显示仪表。它只接收传送信号，起显示作用。 显示仪表直接接收检测元件、变送器或传感器的输出信号，然后经测量线路和显示装置，把被测参数进行显示，以便提供生产必须的数据，让操作者了解生产过程的情况，更好地进行控制和生产管理。 显示仪表按显示方式分为模拟显示、数字显示和图象显示。 所谓模拟显示仪表是以仪表的指针（或记录笔）的线位移或角位移来模拟显示被测参数的连续变化的仪表。这类仪表使用了磁电偏转机构或电机式伺服机构，因此，测量速度较慢，读数容易造成多值性。但它可靠，又能反映出被测值的变化趋势，因此在目前工业生产中任大量地使用。 所谓数字显示仪表是直接以数字形式显示被测参数量值大小的仪表。它具有测量速度快，精度高，读数直观，并且对所测参数便于进行数值控制和数字打印记录，也便于和计算机联用等特点。因此，这种仪表在常规仪表中得到了迅速的发展和广泛使用。 所谓图象显示仪表就是直接把工艺参数的变化以文字、数字、符号和图象的形式在屏幕上进行显示的仪器。它是随着电子计算机的推广使用而相应发展起来的一种新型显示设备，其中应用比较普遍的是无纸记录仪、CRT显示器。图象显示的实质是属于数字式，它具有模拟式和数字式显示仪表两种功能，并具有计算机大存储量的记忆能力与快速性功能，它是计算机不可缺少的终端设备，不仅能把计算机处理过程中的中间数据及处理结果按操作者的需要显示出来，而且操作者还可以利用计算机通讯装置（如键盘、鼠标等）进行“人-机对话”。 第一节 模拟显示仪表 模拟显示仪表可分为动圈式显示仪表和电子平衡式显示仪表以及它们的变形品种。 一、动圈显示仪表 动圈显示仪表与热电偶、热电阻、霍尔变送器等配合用来指示温度、压力等工艺参数。它的特点是：结构简单，体积小，重量轻，价格便宜，使用维护方便，具有一定的抗干扰能力，因此在我国小型企业中仍然使用。目前我国生产的动圈显示仪表有XC型动圈式仪表、前置放大动圈式仪表、力矩电机式仪表和动磁式仪表等四种系列。按功能又可分为指示型（如XCZ型）和指示调节型（如XCT型，除了显示之外，还具有调节功能和越限报警功能）两类。 1． 测量机构的工作原理 动圈式指示仪表是一个磁电式毫伏计。其中动圈是由具有绝缘层的细铜丝绕制而成的一个矩形框，如图1-1-1-1所示：由铍青铜制成的张丝，把可动线圈吊在永久磁铁和软铁芯之间的均匀磁场中。张丝除悬挂动圈之外，还引导电流流入动圈，提供反作用力矩。由毫伏信号Ｕx引起的电流流过动圈时，在磁场中产生电磁例句，使动圈偏转，并带动固定在动圈上的指针一起偏转。因动圈的偏转使张丝扭转而产生反力矩，并且反力矩随着转角的增大而增大。当反力矩与电磁力矩相等时，指针停止转动，并在刻度板上指示出相应的读数。 动圈产生的电磁力矩Ｍ与流过的电流Ｉ成正比例关系，即：Ｍ＝Ｃ１Ｉ 式中Ｃ１是与磁感应强度、动圈圈数和动圈的几何尺寸有关的系数，对一个定型的仪表，这些参数都是固定的，所以Ｃ１是一个常数。 反力矩Ｍf与动圈的转角ψ成正比例，即：Ｍf＝Ｃ２ψ 式中Ｃ２是张丝的尺寸、弹性和工作张力有关的系数，对定型仪表Ｃ２也是一个常数。 达到平衡时，两力矩相等，即可得到：ψ＝Ｃ１Ｉ／Ｃ２＝ＣＩ 从上式可知，仪表指针的偏角与通过动圈的电流成正比。如输入信号Ｕx越大，流过动圈的电流也越大，则指针偏转的角也越大，刻度盘上指示的变量也越大。 ２．测量机构的组成 动圈式指示仪表的测量机构由动圈系统、支撑系统、磁路系统、仪表量程电阻及温度补偿电阻等组成。 ⑪动圈系统：ＸＣ系列仪表中的动圈是用直径０.０８mm ＱＺ型漆包铜线绕制成无框架的矩形线框，其匝数为２９２匝，分８层绕制。动去那电阻在２０℃时为８０±５Ω。动圈内框尺寸为１９×２０mm，厚度约为０.８mm。这些数据是综合考虑了动圈的质量、匝数、电阻值及绕制工艺等因素后选定的。 ⑫支撑系统：动圈仪表采用张丝支撑。张丝支撑具有无摩擦、灵敏度高、抗震性能好、寿命长等优点。一级精度的动圈仪表采用铍青铜张丝材料，一般在量程较小时采用规格为Ｍ２.０（少数厂采用Ｍ１.６）的张丝，其余都采用Ｍ２.９。 ⑬磁路系统：它由铁芯、极靴铁、永久磁铁、接铁和磁分路调节片等组成。永久磁铁的稳定性直接影响仪表读数的恒定性。磁分路调节片是用来调整空气隙中的磁感应强度，磁感应强度Ｂ的值降低，仪表的示值也降低。 ⑭动圈测量机构的串、并联电路：为了简化仪表的生产工艺，提高仪表的通用性，在设计中要求对不同量程的仪表能采用统一的表头组件。因此，在设计制造动圈测量机构时，应根据最小量程所需的灵敏度来考虑。当测量较大的信号时，必须串接一个电阻Ｒ串，以限制流过动圈的电流，使输入信号的最大值与仪表的满刻度指示值相适应。因此，不同量程的串接电阻值不同，串接电阻Ｒ串被称为仪表的量程电阻，要求阻值稳定。小量程，Ｒ串不能取得太大，因此其阻尼特性不会太坏；大量程，Ｒ串必然取得较大，因此其阻尼特性不好。在这种情况下，为了改善阻尼特性，可在动圈处并接一个电阻Ｒ并。Ｒ串，Ｒ并均用锰铜线绕制。（一般只对配热电阻的ＸＣＴ调节仪表才采用Ｒ并，以防止在阻尼太小的情况下，调节部分产生误动作。） ⑮动圈测量机构的温度补偿：因为动圈是由铜丝绕制的，随着仪表周围环境温度的变化，电阻值回该，从而使流过动圈的电流也会改变，这样就使仪表产生了附加误差（张丝和磁钢随温度变化读测量的影响能互相补偿）。通常采用热敏电阻作补偿元件。所用热敏电阻的阻值随温度升高而降低，与动圈电阻的变化趋势正好相反。实际中与一个锰铜电阻并联，再将它们与动圈相串接。 ３．误差分析 ⑪基本误差分析：a.回差。由于张丝存在着弹性后效，所以也存在回差，不过回差很小。b.不完全平衡误差。c.刻度误差与调整误差。对逐个表顶刻度的仪表，有刻度不准引入的误差称为刻度误差；对预先制好标尺的仪表，则有装配后调整不准所带来的误差称为调整误差。 ⑫附加误差分析：a.环境温度变化时产生的误差。b.外界磁场引起的误差。 ４．动圈式指示仪表配热电偶偶测量线路（ＸＣＺ－１０１型） 配热电偶的动圈仪表的测量线路如图1-1-1-2所示。在使用时必须注意冷端温度补偿和外线路电阻两个问题，否则就产生较大误差。 ⑪冷端温度补偿 配热电偶的动圈仪表是在热电偶冷端处于0℃条件下刻度的。如果冷端不是0℃，则动圈仪表的指示便不能真实地反映被测温度值，并产生一个随冷端温度变化的误差。因此，在实际测量温度中必须考虑冷端温度补偿问题。 a.只用补偿导线：当仪表只配补偿导线时，若冷端温度t0＞0℃为已知值，则E（t0，0）是一个可以确定的值。仪表输入的毫伏值加上E（t0，0）所对应的温度值，就是被测温度的实际值。在现场使用时，常常先把冷端温度t0测量出来，然后把仪表的机械零点调到t0上，即相当于把E（t0，0）预先加在仪表上。这样在测量过程中仪表的指示值就是被测量温度的实际值。但必须注意t0的变化，要经常调整仪表的机械零为。 b.使用冷端补偿电桥和补偿导线：当仪表所处室温经常较大变化时，最好采用补偿导线和冷端补偿器一起配合使用。其测量线路如图1-1-1-2所示。通常冷端补偿电桥设在20℃时达到平衡，因此配套的动圈仪表的机械零位也应调在20℃处。而且必须注意动圈仪表的分度号、热电偶的分度号和补偿导线的分度号要一致。 动圈仪表在运输时，接线柱（短）与（+）之间接好短接线，增大阻尼，以防止指针晃动而损坏仪表。使用时必须将它短开。 ⑫外线路电阻 由于动圈仪表是通过电流来测量毫伏信号而得知温度的，因此，对于相同的毫伏值E（t0，0），如果整个测量回路的电阻值不同，流过动圈的电流值也会不同，则指针的指示也不同，因此产生一定的测量误差。为了保证仪表测量的准确性，一律规定陪接热电偶动圈仪表的外线路电阻为15Ω。外线路电阻是热电偶电阻、补偿导线电阻、冷端补偿电桥的等效电阻、补偿电桥到仪表间的铜导线电阻以及外线路调整电阻RN总和，即： R外=R热+R补+R桥+R铜+RN=15Ω 必须注意，实际使用中各个测量点的测量温度不同，到仪表的距离不同，以及环境温度的不同，都会引起外线路电阻的不同，此时要借助来补足15Ω。RN是锰铜丝线绕制成的。 目前动圈仪表还设置了断偶保护线路。当热电偶一旦发生断丝，能使动圈仪表的指针偏向满度并报警，以便操作人员发现处理。断偶报警保护的具体内容参见《过程控制手册》。 5．动圈仪式指示仪表配接热电阻的测量线路（ＸＣＺ－１０２型） 动圈仪表要求输入直流毫伏信号，因此，配接热电阻测温时，必须设法将随被测温度变化的热电阻值转换成直流毫伏信号，然后与动圈测量机构相配，以指示被测对象的温度。 ＸＣＺ－１０２动圈指示仪的工作原理是：通过不平衡电桥把随温度变化的热电阻阻值转换成响应的直流毫伏信号，毫伏信号产生的电流流过动圈，引起动圈偏转，其转角的大小即指示出被测温度的高低。它的测量线路如图1-1-1-3所示。热电阻Rt采用三线制接法，这样两根连接导线就分别连接到相邻的两个桥臂上，当环境温度变化使连接导线电阻变化时，可以互相抵消一部分，从而减小附加误差。 必须注意，热电阻三线制接法，每根连接导线电阻规定为5。若不足5，则必须用锰铜丝电阻补足到5。调整阻值应精确到（5±0.01）。另外，动圈仪表与热电阻配套使用时，必须注意仪表的分度号与热电阻分度号相同。 6．动圈仪式指示仪表配毫伏、毫安信号的测量线路 ⑪输出为毫伏信号的测量线路 动圈式指示仪表除可与热电偶配套使用外，还可与WFT-202型辐射感温器，霍尔式压力变送器等以毫伏信号输出的仪表配套使用。这类仪表没有温度补偿，所以仪表的机械零位应调在起始位置。 ⑫输出为毫安信号的测量线路 动圈式指示仪表也可作电动单元组合仪表等以毫安电流信号输出的显示仪表。这类仪表没有温度补偿，所以仪表的机械零位应调在起始位置。 7．动圈显示仪表型号命名和技术指标 动圈显示仪表产品的相好命名有统一规定。产品型号一般由两节组成，第一节有三位，以大写汉语拼音字母表示；第二节用阿拉伯数字表示，也用三位；尾注以大写拼音字母表示，以一位为限，普通型不加尾注。第一节、第二节与尾注之间用短横线分开。其型号及意义如 表1-1-1-1所示；测量线路及其技术指标如表1-1-1-2所示。 8．动圈式显示仪表的常见故障和处理 ⑪XCZ-101型动圈式显示仪表的故障和处理 XCZ-101型动圈式显示仪表在运行中发生故障时，首先必须检查测温元件和测量线路，以及接线端子等是否存在故障。经过分段检查后，确定故障存在于动圈仪表本身，则可以按故障现象，根据表1-1-1-3分析原因，并进