第五節(jié)　顯?示?儀?表

在工業(yè)生產(chǎn)中,不僅需要各種傳感器、變送器把被測量變?yōu)橄鄳?yīng)的信號,而且還要把這些信號加以顯示或記錄,以便運行人員能根據(jù)這些數(shù)值對生產(chǎn)過程進(jìn)行監(jiān)視。把測量值加以顯示、記錄的裝置稱顯示儀表。顯示儀表絕大多數(shù)是電動顯示儀表。根據(jù)顯示方式不同,可分為模擬顯示、數(shù)字顯示和計算機(jī)圖形顯示。此外,顯示儀表還具有記錄裝置和聲、光報警功能。

早期的工業(yè)生產(chǎn)中,采用模擬式顯示儀表。最常用的是動圈式顯示儀表和自動平衡式顯示儀表,它們都是通過指針的連續(xù)位移指示被測參數(shù)變化的。這類儀表在結(jié)構(gòu)上一般由信號放大及轉(zhuǎn)換、電?磁偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)(或伺服電動機(jī))和指示記錄機(jī)構(gòu)組成。因此其測量速度、測量準(zhǔn)確度都受到一定限制,在讀數(shù)上也容易造成多值性。優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠、價格低廉,容易反映出測量值的變化趨勢,記錄裝置記錄的曲線便于觀察和保存。

在工業(yè)自動化中采用的另一類顯示儀表是數(shù)字顯示儀表。這類儀表避免了使用電?磁偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)或伺服電動機(jī)等機(jī)械結(jié)構(gòu),而是將被測信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量進(jìn)行顯示,因此它的特點是:測量速度快、準(zhǔn)確度高、讀數(shù)直觀、重現(xiàn)性好、便于和計算機(jī)連接作為計算機(jī)的輸入通道;配上打印機(jī),可打印記錄;配上采樣部件可組成巡回檢測儀,對多點溫度、壓力、流量等巡回檢測及報警。

數(shù)字顯示儀表顯示的是斷續(xù)的數(shù)字量,而工業(yè)過程中的參數(shù)是隨時間變化的模擬量,因此必須通過A/D(模/數(shù))轉(zhuǎn)換器將模擬量轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的數(shù)字量,然后通過數(shù)字轉(zhuǎn)換器件顯示出來。有時,還需要用D/A (數(shù)/模)轉(zhuǎn)換器將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量,便于進(jìn)行模擬量控制或畫出模擬曲線。

在工業(yè)控制系統(tǒng)中,隨著設(shè)備的日趨大型化,檢控的參數(shù)日益增多,集中顯示成為一個迫切需要解決的問題。因此,引入了計算機(jī)圖形顯示。它可以直接顯示數(shù)值及各種復(fù)雜的圖形,而且除顯示以外,顯示器還可和鼠標(biāo)、鍵盤等構(gòu)成人?機(jī)對話實時系統(tǒng),可以對顯示內(nèi)容和控制系統(tǒng)直接干預(yù),進(jìn)行畫面切換、參數(shù)設(shè)置、報警處理、控制方式變更及網(wǎng)絡(luò)通信等操作。

一、動圈式顯示儀表

動圈式儀表按輸入信號的不同分為XC和DX兩大系列。XC系列輸入信號是電壓或電阻信號,可分為指示型(XCZ)和指示調(diào)節(jié)型(XCT)兩類;DX系列輸入的是電流信號,可分為指示型(DXZ)和指示報警型(DXB)兩類。

XCZ型動圈表不僅可與熱電偶、熱電阻配合,用來指示溫度,也可與直流毫伏信號或電阻信號的變送器配合,用來指示壓力、差壓、流量及煙氣含氧量等。DXZ型儀表是DDZ?Ⅱ型電動單元組合儀表的顯示單元,它與各類直流毫安變送器配合,可用來指示溫度、壓力、流量、水位等。目前在中小型電廠中,這兩種型號的動圈式儀表應(yīng)用都比較廣泛。

近年來,根據(jù)生產(chǎn)上的要求,為彌補XC系列儀表的不足,又研制出XF系列儀表;它是XC系列儀表的改進(jìn)型產(chǎn)品,XF系列儀表是帶放大器、具有強(qiáng)力矩測量機(jī)構(gòu)的動圈儀表,正逐漸取代XC系列儀表。

動圈式儀表的型號由兩節(jié)組成,各代號的意義如表2?4所示。

1.動圈式顯示儀表的工作原理

被測溫度經(jīng)熱電偶(或熱電阻)轉(zhuǎn)換為直流毫伏(或電阻)信號,輸入儀表的測量線路并轉(zhuǎn)換成電流;該電流流經(jīng)處于永久磁場中的動圈時,動圈受力產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)(其偏轉(zhuǎn)角與電流成正比),固定在動圈上的指針便反映出溫度的數(shù)值,如圖2?96所示。

2.動圈式顯示儀表的基本結(jié)構(gòu)

(1)轉(zhuǎn)動系統(tǒng)。動圈表中能夠轉(zhuǎn)動的部分統(tǒng)稱為轉(zhuǎn)動系統(tǒng)。轉(zhuǎn)動系統(tǒng)主要包括動圈和指針兩大部分。

動圈由0.08mm的高強(qiáng)度漆包銅線繞成,分8層,無骨架,共繞292匝,=(80±5)Ω,磁路氣隙中的磁感應(yīng)強(qiáng)度約為0.3T。

在動圈上裝有一個很輕的鋁制指針,它隨動圈一起轉(zhuǎn)動,以顯示被測量的大小。指針尾部的燕尾為平衡桿,桿上裝有平衡錘,移動平衡錘在平衡桿上的位置,可調(diào)節(jié)可動部分重心的位置,使之與轉(zhuǎn)軸重心重合,以減小由于可動部分的不平衡而產(chǎn)生的誤差。

(2)支承系統(tǒng)。動圈采用張絲支承結(jié)構(gòu),在動圈的上、下張絲座上各固定一根張絲,張絲的另一頭固定在簧片支架上。張絲是一根拉緊的薄金屬帶,靠它的張力將動圈拉緊。支承系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)可參考圖2?96。

張絲除用于支承動圈和產(chǎn)生反力矩外,還起導(dǎo)入電流至動圈的作用。張絲支承具有無摩擦、靈敏度高、抗振性能好及壽命長等優(yōu)點。

張絲材料為錫鋅青銅、磷青銅、鈹青銅等,XC系列動圈表常采用鈹青銅張絲。張絲的抗扭彈性力矩除了與張絲材料及結(jié)構(gòu)尺寸有關(guān)外,還與其張緊力有關(guān);張力越大,則彈性系數(shù)越大,一般儀表的張絲張力可取0.85~1.36N。

(3)磁路系統(tǒng)。動圈表磁路系統(tǒng)采用立式圓柱形外磁結(jié)構(gòu),兩塊弧形永久磁鐵夾在極靴鐵和接鐵之間成為串聯(lián)形式,磁路經(jīng)極靴鐵、空氣隙和鐵芯而閉合,在極靴鐵和鐵芯形成的空氣隙中形成徑向輻射恒磁場。由于成批生產(chǎn)時空氣隙中的磁感應(yīng)強(qiáng)度差異較大,一般都設(shè)有磁分路調(diào)節(jié)片,用來調(diào)整空氣隙中的磁感應(yīng)強(qiáng)度,因而可用來微調(diào)儀表的量程,如圖2?97所示。

(4)基本測量電路。動圈表具有相同的測量電路,如圖2?98所示。當(dāng)環(huán)境溫度在0~50℃范圍變化時,為了保證儀表應(yīng)有的準(zhǔn)確度,在XC系列儀表中通常采用熱敏電阻作為溫度補償元件。

圖2?98中,RS為量程電阻(200~1000Ω);RT為熱敏電阻(20℃時為68Ω);RB為錳銅電阻(50Ω)。RK=RT+RB,用于對動圈電阻進(jìn)行溫度補償。

動圈測量機(jī)構(gòu)的靈敏度較高,滿量程電流一般為60~100μA。

3.熱電偶配動圈表XCZ?101的測量線路

如圖2?99所示,熱電偶的熱端置于被測對象處,其冷端經(jīng)補償導(dǎo)線與冷端溫度補償器相接,以實現(xiàn)熱電偶冷端溫度的自動補償。冷端溫度補償器與儀表之間用普通銅線連接。

當(dāng)被測溫度為t、冷端溫度為t0時,熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢為EAB(t,t0)。該熱電勢作為測量機(jī)構(gòu)的輸入信號,便有電流流過動圈。

I=(2?38)

式中　RN——儀表的內(nèi)阻,RN=RD++RS;

RW——儀表的外接線路電阻。

外接線路電阻為熱電偶和儀表端子之間的總阻值。由圖2?99可看出,它包括熱電偶電阻、補償導(dǎo)線電阻、冷端溫度補償器等效電阻、銅導(dǎo)線電阻及調(diào)整電阻Rt。

電偶的測量線路

根據(jù)動圈表的工作原理可知,動圈式儀表指針偏轉(zhuǎn)角與流過動圈的電流值成正比。在動圈表的測量線路中,可表示為:

α=CI=C(2?39)

由上式可看出,要使指針偏轉(zhuǎn)角度只與被測電勢成正比,必須使總電阻為固定值,這樣,儀表才能用溫度直接進(jìn)行刻度。

每只儀表內(nèi)阻由儀表量程等決定,而且又采取了溫度補償措施,可以認(rèn)為是定值。因此,只有當(dāng)RW為定值且等于儀表刻度時所規(guī)定的數(shù)值時,儀表的示值才準(zhǔn)確。一般規(guī)定RW為15Ω。外部電阻不足15Ω,則要用外接調(diào)整電阻補足。

在使用儀表時應(yīng)注意以下幾點:

① 熱電偶、補償導(dǎo)線、冷端溫度補償器及儀表之間必須互相配套,正、負(fù)極性要接正確,否則會帶來很大的誤差;

② 冷端溫度補償器電橋平衡時溫度為20℃,則相配儀表的機(jī)械零點應(yīng)調(diào)至20℃;

③ 儀表搬運時要用短接線將短接端子短接,待使用時,再將短路線打開。

4.動圈表的校驗

動圈式儀表在使用過程中必須定期進(jìn)行校驗。校驗方法是將被校儀表的溫度示值換算成相應(yīng)的電勢值后與標(biāo)準(zhǔn)直流電位差計的示值相比較。校驗用的電勢信號由毫伏信號發(fā)生器供給,用電阻箱代替儀表的外接調(diào)整電阻。

校驗前先將儀表放置水平,并調(diào)好儀表的機(jī)械零點;再緩慢增加儀表的輸入電勢信號,使儀表指針緩慢移至刻度上限,然后再緩慢地將輸入電勢信號調(diào)至零;最后觀察儀表指針動作是否靈活,有無卡滯跳動現(xiàn)象,并檢查回零是否良好。

校驗時,按照儀表的標(biāo)尺刻度選取不少于五個校驗點(其中應(yīng)包括刻度的起點和終點),并查出各校驗點所對應(yīng)的熱電勢值。每個校驗點都應(yīng)作上、下行程校驗,用毫伏信號發(fā)生器緩慢增加或減小儀表的輸入電勢,使指針慢慢地從上升或下降方向靠近校驗點的刻度線,用標(biāo)準(zhǔn)直流電位差計測出各校驗點的儀表輸入電勢值。根據(jù)校驗記錄,計算出被校儀表各校驗點上、下行程示值的絕對誤差、基本誤差和變差,判別該被校儀表是否合格。

二、自動平衡式顯示儀表

自動平衡式顯示儀表是利用平衡法測量原理測量未知電信號的一類顯示儀表。由于采用平衡法測量,當(dāng)在平衡狀態(tài)時,基本上不消耗被測元件功率,對被測信號影響小,測量準(zhǔn)確度高,儀表準(zhǔn)確度可達(dá)0.5級及以上。平衡式測量顯示儀表種類很多,這里僅介紹常用的電位差計。電位差計可直接與熱電偶配套測量溫度。

若用天平稱物體的質(zhì)量,當(dāng)增減砝碼使天平指針指零時,砝碼與被稱物體達(dá)到平衡,被稱物體的質(zhì)量就等于砝碼的質(zhì)量。電位差計是采用與此類似的平衡方法測量的,但它是一種電的平衡法。

如圖2?100所示,將被測電勢Ex與已知的標(biāo)準(zhǔn)電勢EA反向串聯(lián),用一只靈敏度很高的檢流計檢測電路中有無電流;當(dāng)檢流計指零時,回路中的電流強(qiáng)度等于零,標(biāo)準(zhǔn)電勢與被測電勢達(dá)到平衡,被測電勢即等于標(biāo)準(zhǔn)電勢,這就是電壓平衡原理。

電子自動電位差計的組成框圖如圖2?101所示,原理示意如圖2?102。它主要由測量橋路、放大器、可逆電動機(jī)、同步電動機(jī)、機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)、指示機(jī)構(gòu)、記錄機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)等部分組成。被測量經(jīng)熱電偶轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號Ex后,送入儀表的測量電路。當(dāng)UAB=Ex時,測量電路處于平衡狀態(tài),無電壓輸出,伺服電動機(jī)停轉(zhuǎn),儀表的指針和記錄筆將停留在對應(yīng)被測量的刻度點上。當(dāng)被測量的變化使儀表的輸入信號發(fā)生相應(yīng)的變化時,就破壞了原來的平衡狀態(tài),測量電路將輸出一個不平衡電壓ΔU,經(jīng)放大器放大后,驅(qū)動可逆電動機(jī)旋轉(zhuǎn)。可逆電動機(jī)通過一套機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)帶動測量橋路中滑線電阻的滑動臂,從而改變滑動觸點的位置,直至測量電路消除不平衡電壓ΔU;達(dá)到新的平衡時,ΔU=0,可逆電動機(jī)停止轉(zhuǎn)動。在可逆電動機(jī)帶動滑動臂移動的同時,還帶動指針和記錄筆沿著刻度標(biāo)尺滑動,并停留在新的平衡點所對應(yīng)的位置,顯示出被測量的瞬時值。同步電動機(jī)帶動走紙、打印等機(jī)械傳動機(jī)構(gòu),在記錄紙上以畫線或打點的形式,把被測量隨時間的變化過程描繪成曲線。由此可見電位差計是一個隨動裝置,它總是跟隨輸入信號(被測量)的變化,從一個平衡狀態(tài)過渡到另一個平衡狀態(tài)。

由于這種測量方法在讀數(shù)時要達(dá)到電壓平衡,此時在被測回路中沒有電流流過,測量回路中線路電阻的變化不會影響測量結(jié)果,因此測量準(zhǔn)確度可以大大提高。

三、數(shù)字顯示儀表

實現(xiàn)數(shù)字顯示的基本過程是將連續(xù)變化的被測物理量(模擬量)通過A/D轉(zhuǎn)換器先轉(zhuǎn)換為與其成比例的斷續(xù)變化的數(shù)字量,然后再進(jìn)行數(shù)字編碼、傳輸、存儲、顯示或打印。一般來說,電量特別是直流電壓和頻率易于實現(xiàn)數(shù)字化。因此,在實用中總是將各種被測熱工參數(shù)先通過傳感器(或變送器)轉(zhuǎn)換為電量信號,然后再送入數(shù)字儀表。

1.數(shù)字顯示儀表

數(shù)字顯示儀表主要由前置放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、非線性補償、標(biāo)度轉(zhuǎn)換等幾部分組成。其中A/D轉(zhuǎn)換器、非線性補償、標(biāo)度變換的次序可顛倒。基本組成方案如圖2?103所示。

(1)前置放大器。被測參數(shù)經(jīng)變送器變換后的信號一般只有毫伏數(shù)量級,而A/D轉(zhuǎn)換器一般要求輸入電壓為伏級,所以必須采用放大器。

由于前置放大器的性能直接影響整機(jī)指標(biāo),因此設(shè)計制造性能良好的前置放大器是一個很重要的問題。一般,用于數(shù)字儀表中的放大器必須滿足下列要求:①線性度好,一般要求非線性誤差要小于全量程的0.1%;②具有高準(zhǔn)確度和高穩(wěn)定性的放大倍數(shù);③具有高輸入阻抗和低輸出阻抗;④抗干擾能力要強(qiáng);⑤具有較快的反應(yīng)速度和過載恢復(fù)時間。

(2)非線性補償。大多數(shù)感受件輸出信號與輸入被測量之間呈非線性關(guān)系,這對于指針式模擬顯示儀表來說,只需將標(biāo)尺刻度按對應(yīng)的非線性關(guān)系劃分就可以了。但是在數(shù)字顯示儀表中,不可能用非線性刻度的方法;因為“二—十”進(jìn)制數(shù)碼是通過等量化取得的,是線性遞增或遞減的,所以要消除非線性誤差,必須在儀表中加入非線性補償。目前其常用方法有非線性A/D轉(zhuǎn)換補償法和數(shù)字式非線性補償法。

(3)標(biāo)度變換。所謂標(biāo)度變換,是指將數(shù)字儀表的顯示值和被測原始物理量統(tǒng)一起來的過程。因為放大器輸出的測量值與工程值之間往往存在一定的比例關(guān)系,所以,測量值乘上某常數(shù),才能轉(zhuǎn)換成數(shù)字顯示儀表能直接顯示的工程值,這一過程就是標(biāo)度轉(zhuǎn)換。

例如,采用Cu100作測溫元件,溫度每變化1℃,其阻值變化0.428Ω,測量值與被測量的關(guān)系不是一目了然的;如有一恒定電流2.34mA通過這個電阻,則溫度每變化1℃,這個熱電阻兩端電壓變化1mV,這樣測量值與被測物理量就統(tǒng)一起來了。

(4)A/D轉(zhuǎn)換器。A/D轉(zhuǎn)換器是數(shù)字顯示儀表和計算機(jī)輸入通道的重要組成部分。由于大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展,A/D轉(zhuǎn)換器現(xiàn)多數(shù)已集成化。在A/D轉(zhuǎn)換中必須有一定的量化單位使模擬量整量化,量化單位越小,整量化的誤差也越小,數(shù)字量也就越接近模擬量本身的值。所以A/D轉(zhuǎn)換器實際上就是一個量化器。當(dāng)其輸入量為模擬信號A、輸出為數(shù)字信號D時,則A/D轉(zhuǎn)換器的輸出與輸入關(guān)系為

D=(2?40)

式中　R——量化單位。

連續(xù)模擬量的范圍很廣,工程上有各種各樣的物理量,常用電壓—數(shù)字轉(zhuǎn)換。電壓—數(shù)字轉(zhuǎn)換的方法有多種,按轉(zhuǎn)換方法不同可分為直接法和間接法。

直接法是直接由電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。這需要一套基準(zhǔn)電壓,使之與被轉(zhuǎn)換的電壓進(jìn)行比較,把電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字量,故又稱為比較型A/D轉(zhuǎn)換器。如逐位比較逼近型A/D轉(zhuǎn)換器。

間接法是電壓不直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字量,而是首先轉(zhuǎn)換成某一中間量,再由中間量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。目前應(yīng)用最多的是電壓—時間間隔型A/D轉(zhuǎn)換器和電壓—頻率型A/D轉(zhuǎn)換器。

(5)顯示器。因為數(shù)字顯示儀表要將測量和處理的結(jié)果直接用十進(jìn)制數(shù)的形式顯示出來,所以許多集成顯示器都包含二—十進(jìn)制譯碼電路;將A/D轉(zhuǎn)換器輸出的二進(jìn)制數(shù)先轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù),再通過驅(qū)動電路使顯示部分顯示出十進(jìn)制的測量結(jié)果。

數(shù)字顯示器從原理上可分為發(fā)光二極管(LED)、液晶(LCD)和等離子顯示器等。

數(shù)字顯示器從尺寸上可分為小型、中型、大型和超大型四類。小型顯示器用于像電子手表一類的小型儀表中;中型顯示器則用于常見的數(shù)字式儀表中;大型或超大型的數(shù)字顯示器主要用于交通樞紐、文化場所等設(shè)施中。

2.巡測儀

隨著火力發(fā)電機(jī)組容量及參數(shù)的提高,熱工檢測項目及數(shù)量相應(yīng)增多;如果都采用單一的檢測儀表,勢必使控制盤面增大,運行人員監(jiān)視面增加,勞動強(qiáng)度增大。同時也不利于對主要參數(shù)的監(jiān)視,影響設(shè)備的安全經(jīng)濟(jì)運行。

數(shù)字巡回測量儀表(巡測儀)能對多個熱工測點進(jìn)行巡回測量顯示,實現(xiàn)一表多用。數(shù)字巡測儀表品種較多,有十幾點到幾十

點單一參數(shù)或多參數(shù)的小型數(shù)字巡測儀,也有幾百點的大型巡測儀。

各種巡測儀的基本組成是相同的,與單點數(shù)字顯示儀表的不同之處就是在A/D轉(zhuǎn)換器之前加了采樣系統(tǒng)。采樣系統(tǒng)包括采樣脈沖源、采樣控制電路、采樣開關(guān)、采樣保持器、點序顯示等,如圖2?104所示。自動采樣時,采樣控制電路在采樣脈沖的作用下控制采樣開關(guān)的動作,使相應(yīng)的被測信號進(jìn)入前置放大器;同時有點序顯示電路顯示點序。手動選點采樣時,手動點序號,采樣控制電路接收點序號,控制采樣開關(guān),將被選參數(shù)送至A/D轉(zhuǎn)換器。