第五节　显 示 仪 表

在工业生产中,不仅需要各种传感器、变送器把被测量变为相应的信号,而且还要把这些信号加以显示或记录,以便运行人员能根据这些数值对生产过程进行监视。把测量值加以显示、记录的装置称显示仪表。显示仪表绝大多数是电动显示仪表。根据显示方式不同,可分为模拟显示、数字显示和计算机图形显示。此外,显示仪表还具有记录装置和声、光报警功能。

早期的工业生产中,采用模拟式显示仪表。最常用的是动圈式显示仪表和自动平衡式显示仪表,它们都是通过指针的连续位移指示被测参数变化的。这类仪表在结构上一般由信号放大及转换、电⁃磁偏转机构(或伺服电动机)和指示记录机构组成。因此其测量速度、测量准确度都受到一定限制,在读数上也容易造成多值性。优点是结构简单、性能可靠、价格低廉,容易反映出测量值的变化趋势,记录装置记录的曲线便于观察和保存。

在工业自动化中采用的另一类显示仪表是数字显示仪表。这类仪表避免了使用电⁃磁偏转机构或伺服电动机等机械结构,而是将被测信号转换成数字量进行显示,因此它的特点是:测量速度快、准确度高、读数直观、重现性好、便于和计算机连接作为计算机的输入通道;配上打印机,可打印记录;配上采样部件可组成巡回检测仪,对多点温度、压力、流量等巡回检测及报警。

数字显示仪表显示的是断续的数字量,而工业过程中的参数是随时间变化的模拟量,因此必须通过A/D(模/数)转换器将模拟量转换成对应的数字量,然后通过数字转换器件显示出来。有时,还需要用D/A (数/模)转换器将数字量转换成模拟量,便于进行模拟量控制或画出模拟曲线。

在工业控制系统中,随着设备的日趋大型化,检控的参数日益增多,集中显示成为一个迫切需要解决的问题。因此,引入了计算机图形显示。它可以直接显示数值及各种复杂的图形,而且除显示以外,显示器还可和鼠标、键盘等构成人⁃机对话实时系统,可以对显示内容和控制系统直接干预,进行画面切换、参数设置、报警处理、控制方式变更及网络通信等操作。

一、动圈式显示仪表

动圈式仪表按输入信号的不同分为XC和DX两大系列。XC系列输入信号是电压或电阻信号,可分为指示型(XCZ)和指示调节型(XCT)两类;DX系列输入的是电流信号,可分为指示型(DXZ)和指示报警型(DXB)两类。

XCZ型动圈表不仅可与热电偶、热电阻配合,用来指示温度,也可与直流毫伏信号或电阻信号的变送器配合,用来指示压力、差压、流量及烟气含氧量等。DXZ型仪表是DDZ⁃Ⅱ型电动单元组合仪表的显示单元,它与各类直流毫安变送器配合,可用来指示温度、压力、流量、水位等。目前在中小型电厂中,这两种型号的动圈式仪表应用都比较广泛。

近年来,根据生产上的要求,为弥补XC系列仪表的不足,又研制出XF系列仪表;它是XC系列仪表的改进型产品,XF系列仪表是带放大器、具有强力矩测量机构的动圈仪表,正逐渐取代XC系列仪表。

动圈式仪表的型号由两节组成,各代号的意义如表2⁃4所示。

1.动圈式显示仪表的工作原理

被测温度经热电偶(或热电阻)转换为直流毫伏(或电阻)信号,输入仪表的测量线路并转换成电流;该电流流经处于永久磁场中的动圈时,动圈受力产生偏转(其偏转角与电流成正比),固定在动圈上的指针便反映出温度的数值,如图2⁃96所示。

2.动圈式显示仪表的基本结构

(1)转动系统。动圈表中能够转动的部分统称为转动系统。转动系统主要包括动圈和指针两大部分。

动圈由0.08mm的高强度漆包铜线绕成,分8层,无骨架,共绕292匝,=(80±5)Ω,磁路气隙中的磁感应强度约为0.3T。

在动圈上装有一个很轻的铝制指针,它随动圈一起转动,以显示被测量的大小。指针尾部的燕尾为平衡杆,杆上装有平衡锤,移动平衡锤在平衡杆上的位置,可调节可动部分重心的位置,使之与转轴重心重合,以减小由于可动部分的不平衡而产生的误差。

(2)支承系统。动圈采用张丝支承结构,在动圈的上、下张丝座上各固定一根张丝,张丝的另一头固定在簧片支架上。张丝是一根拉紧的薄金属带,靠它的张力将动圈拉紧。支承系统的结构可参考图2⁃96。

张丝除用于支承动圈和产生反力矩外,还起导入电流至动圈的作用。张丝支承具有无摩擦、灵敏度高、抗振性能好及寿命长等优点。

张丝材料为锡锌青铜、磷青铜、铍青铜等,XC系列动圈表常采用铍青铜张丝。张丝的抗扭弹性力矩除了与张丝材料及结构尺寸有关外,还与其张紧力有关;张力越大,则弹性系数越大,一般仪表的张丝张力可取0.85~1.36N。

(3)磁路系统。动圈表磁路系统采用立式圆柱形外磁结构,两块弧形永久磁铁夹在极靴铁和接铁之间成为串联形式,磁路经极靴铁、空气隙和铁芯而闭合,在极靴铁和铁芯形成的空气隙中形成径向辐射恒磁场。由于成批生产时空气隙中的磁感应强度差异较大,一般都设有磁分路调节片,用来调整空气隙中的磁感应强度,因而可用来微调仪表的量程,如图2⁃97所示。

(4)基本测量电路。动圈表具有相同的测量电路,如图2⁃98所示。当环境温度在0~50℃范围变化时,为了保证仪表应有的准确度,在XC系列仪表中通常采用热敏电阻作为温度补偿元件。

图2⁃98中,RS为量程电阻(200~1000Ω);RT为热敏电阻(20℃时为68Ω);RB为锰铜电阻(50Ω)。RK=RT+RB,用于对动圈电阻进行温度补偿。

动圈测量机构的灵敏度较高,满量程电流一般为60~100μA。

3.热电偶配动圈表XCZ⁃101的测量线路

如图2⁃99所示,热电偶的热端置于被测对象处,其冷端经补偿导线与冷端温度补偿器相接,以实现热电偶冷端温度的自动补偿。冷端温度补偿器与仪表之间用普通铜线连接。

当被测温度为t、冷端温度为t0时,热电偶所产生的热电势为EAB(t,t0)。该热电势作为测量机构的输入信号,便有电流流过动圈。

I=(2⁃38)

式中　RN——仪表的内阻,RN=RD++RS;

RW——仪表的外接线路电阻。

外接线路电阻为热电偶和仪表端子之间的总阻值。由图2⁃99可看出,它包括热电偶电阻、补偿导线电阻、冷端温度补偿器等效电阻、铜导线电阻及调整电阻Rt。

电偶的测量线路

根据动圈表的工作原理可知,动圈式仪表指针偏转角与流过动圈的电流值成正比。在动圈表的测量线路中,可表示为:

α=CI=C(2⁃39)

由上式可看出,要使指针偏转角度只与被测电势成正比,必须使总电阻为固定值,这样,仪表才能用温度直接进行刻度。

每只仪表内阻由仪表量程等决定,而且又采取了温度补偿措施,可以认为是定值。因此,只有当RW为定值且等于仪表刻度时所规定的数值时,仪表的示值才准确。一般规定RW为15Ω。外部电阻不足15Ω,则要用外接调整电阻补足。

在使用仪表时应注意以下几点:

① 热电偶、补偿导线、冷端温度补偿器及仪表之间必须互相配套,正、负极性要接正确,否则会带来很大的误差;

② 冷端温度补偿器电桥平衡时温度为20℃,则相配仪表的机械零点应调至20℃;

③ 仪表搬运时要用短接线将短接端子短接,待使用时,再将短路线打开。

4.动圈表的校验

动圈式仪表在使用过程中必须定期进行校验。校验方法是将被校仪表的温度示值换算成相应的电势值后与标准直流电位差计的示值相比较。校验用的电势信号由毫伏信号发生器供给,用电阻箱代替仪表的外接调整电阻。

校验前先将仪表放置水平,并调好仪表的机械零点;再缓慢增加仪表的输入电势信号,使仪表指针缓慢移至刻度上限,然后再缓慢地将输入电势信号调至零;最后观察仪表指针动作是否灵活,有无卡滞跳动现象,并检查回零是否良好。

校验时,按照仪表的标尺刻度选取不少于五个校验点(其中应包括刻度的起点和终点),并查出各校验点所对应的热电势值。每个校验点都应作上、下行程校验,用毫伏信号发生器缓慢增加或减小仪表的输入电势,使指针慢慢地从上升或下降方向靠近校验点的刻度线,用标准直流电位差计测出各校验点的仪表输入电势值。根据校验记录,计算出被校仪表各校验点上、下行程示值的绝对误差、基本误差和变差,判别该被校仪表是否合格。

二、自动平衡式显示仪表

自动平衡式显示仪表是利用平衡法测量原理测量未知电信号的一类显示仪表。由于采用平衡法测量,当在平衡状态时,基本上不消耗被测元件功率,对被测信号影响小,测量准确度高,仪表准确度可达0.5级及以上。平衡式测量显示仪表种类很多,这里仅介绍常用的电位差计。电位差计可直接与热电偶配套测量温度。

若用天平称物体的质量,当增减砝码使天平指针指零时,砝码与被称物体达到平衡,被称物体的质量就等于砝码的质量。电位差计是采用与此类似的平衡方法测量的,但它是一种电的平衡法。

如图2⁃100所示,将被测电势Ex与已知的标准电势EA反向串联,用一只灵敏度很高的检流计检测电路中有无电流;当检流计指零时,回路中的电流强度等于零,标准电势与被测电势达到平衡,被测电势即等于标准电势,这就是电压平衡原理。

电子自动电位差计的组成框图如图2⁃101所示,原理示意如图2⁃102。它主要由测量桥路、放大器、可逆电动机、同步电动机、机械传动机构、指示机构、记录机构和调节机构等部分组成。被测量经热电偶转换成相应的电信号Ex后,送入仪表的测量电路。当UAB=Ex时,测量电路处于平衡状态,无电压输出,伺服电动机停转,仪表的指针和记录笔将停留在对应被测量的刻度点上。当被测量的变化使仪表的输入信号发生相应的变化时,就破坏了原来的平衡状态,测量电路将输出一个不平衡电压ΔU,经放大器放大后,驱动可逆电动机旋转。可逆电动机通过一套机械传动机构带动测量桥路中滑线电阻的滑动臂,从而改变滑动触点的位置,直至测量电路消除不平衡电压ΔU;达到新的平衡时,ΔU=0,可逆电动机停止转动。在可逆电动机带动滑动臂移动的同时,还带动指针和记录笔沿着刻度标尺滑动,并停留在新的平衡点所对应的位置,显示出被测量的瞬时值。同步电动机带动走纸、打印等机械传动机构,在记录纸上以画线或打点的形式,把被测量随时间的变化过程描绘成曲线。由此可见电位差计是一个随动装置,它总是跟随输入信号(被测量)的变化,从一个平衡状态过渡到另一个平衡状态。

由于这种测量方法在读数时要达到电压平衡,此时在被测回路中没有电流流过,测量回路中线路电阻的变化不会影响测量结果,因此测量准确度可以大大提高。

三、数字显示仪表

实现数字显示的基本过程是将连续变化的被测物理量(模拟量)通过A/D转换器先转换为与其成比例的断续变化的数字量,然后再进行数字编码、传输、存储、显示或打印。一般来说,电量特别是直流电压和频率易于实现数字化。因此,在实用中总是将各种被测热工参数先通过传感器(或变送器)转换为电量信号,然后再送入数字仪表。

1.数字显示仪表

数字显示仪表主要由前置放大器、A/D转换器、非线性补偿、标度转换等几部分组成。其中A/D转换器、非线性补偿、标度变换的次序可颠倒。基本组成方案如图2⁃103所示。

(1)前置放大器。被测参数经变送器变换后的信号一般只有毫伏数量级,而A/D转换器一般要求输入电压为伏级,所以必须采用放大器。

由于前置放大器的性能直接影响整机指标,因此设计制造性能良好的前置放大器是一个很重要的问题。一般,用于数字仪表中的放大器必须满足下列要求:①线性度好,一般要求非线性误差要小于全量程的0.1%;②具有高准确度和高稳定性的放大倍数;③具有高输入阻抗和低输出阻抗;④抗干扰能力要强;⑤具有较快的反应速度和过载恢复时间。

(2)非线性补偿。大多数感受件输出信号与输入被测量之间呈非线性关系,这对于指针式模拟显示仪表来说,只需将标尺刻度按对应的非线性关系划分就可以了。但是在数字显示仪表中,不可能用非线性刻度的方法;因为“二—十”进制数码是通过等量化取得的,是线性递增或递减的,所以要消除非线性误差,必须在仪表中加入非线性补偿。目前其常用方法有非线性A/D转换补偿法和数字式非线性补偿法。

(3)标度变换。所谓标度变换,是指将数字仪表的显示值和被测原始物理量统一起来的过程。因为放大器输出的测量值与工程值之间往往存在一定的比例关系,所以,测量值乘上某常数,才能转换成数字显示仪表能直接显示的工程值,这一过程就是标度转换。

例如,采用Cu100作测温元件,温度每变化1℃,其阻值变化0.428Ω,测量值与被测量的关系不是一目了然的;如有一恒定电流2.34mA通过这个电阻,则温度每变化1℃,这个热电阻两端电压变化1mV,这样测量值与被测物理量就统一起来了。

(4)A/D转换器。A/D转换器是数字显示仪表和计算机输入通道的重要组成部分。由于大规模集成电路技术的发展,A/D转换器现多数已集成化。在A/D转换中必须有一定的量化单位使模拟量整量化,量化单位越小,整量化的误差也越小,数字量也就越接近模拟量本身的值。所以A/D转换器实际上就是一个量化器。当其输入量为模拟信号A、输出为数字信号D时,则A/D转换器的输出与输入关系为

D=(2⁃40)

式中　R——量化单位。

连续模拟量的范围很广,工程上有各种各样的物理量,常用电压—数字转换。电压—数字转换的方法有多种,按转换方法不同可分为直接法和间接法。

直接法是直接由电压转换成数字量。这需要一套基准电压,使之与被转换的电压进行比较,把电压转换成数字量,故又称为比较型A/D转换器。如逐位比较逼近型A/D转换器。

间接法是电压不直接转换成数字量,而是首先转换成某一中间量,再由中间量转换成数字量。目前应用最多的是电压—时间间隔型A/D转换器和电压—频率型A/D转换器。

(5)显示器。因为数字显示仪表要将测量和处理的结果直接用十进制数的形式显示出来,所以许多集成显示器都包含二—十进制译码电路;将A/D转换器输出的二进制数先转换成十进制数,再通过驱动电路使显示部分显示出十进制的测量结果。

数字显示器从原理上可分为发光二极管(LED)、液晶(LCD)和等离子显示器等。

数字显示器从尺寸上可分为小型、中型、大型和超大型四类。小型显示器用于像电子手表一类的小型仪表中;中型显示器则用于常见的数字式仪表中;大型或超大型的数字显示器主要用于交通枢纽、文化场所等设施中。

2.巡测仪

随着火力发电机组容量及参数的提高,热工检测项目及数量相应增多;如果都采用单一的检测仪表,势必使控制盘面增大,运行人员监视面增加,劳动强度增大。同时也不利于对主要参数的监视,影响设备的安全经济运行。

数字巡回测量仪表(巡测仪)能对多个热工测点进行巡回测量显示,实现一表多用。数字巡测仪表品种较多,有十几点到几十

点单一参数或多参数的小型数字巡测仪,也有几百点的大型巡测仪。

各种巡测仪的基本组成是相同的,与单点数字显示仪表的不同之处就是在A/D转换器之前加了采样系统。采样系统包括采样脉冲源、采样控制电路、采样开关、采样保持器、点序显示等,如图2⁃104所示。自动采样时,采样控制电路在采样脉冲的作用下控制采样开关的动作,使相应的被测信号进入前置放大器;同时有点序显示电路显示点序。手动选点采样时,手动点序号,采样控制电路接收点序号,控制采样开关,将被选参数送至A/D转换器。