好的化工仪表理论.ppt

第四章显示仪表 凡是能将生产过程中各种参数进行指示 记录或累积的仪表统称为显示仪表 二次仪表 按照能源来分 可分为电动显示仪表 气动显示仪表 按照显示方式来分 可分为模拟式 数字式和图像显示三种 模拟式显示仪表 是以仪表的指针 或记录笔 的线性位移或角位移来模拟显示被测参数连续变化的仪表 这类仪表大多数要使用磁电偏转机构或机电式伺服机构 因此 测量速度较慢 精度较低 读数容易造成多值性 但它结构简单 工作可靠 价格低廉且又能反映出被测值的变化趋势 因而大量应用于工业生产中 这类仪表测量速度快 精度高 读数直观 对所测参数便于进行数值控制和数字打印记录 尤其是它能将模拟信号转换为数字量 便于和数字计算机或其他数字装置联用 得到迅速的发展 图像显示 就是将图形 曲线 字符和数字等直接在屏幕上进行显示 它是随着电子计算机的推广应用而相应发展起来的一种新型显示仪器 其中应用比较普遍的是液晶显示器 数字显示仪表 是直接以数字形式显示被测参数值大小的仪表 第四章显示仪表 第一节动圈式显示仪表 动圈式显示仪表是我国中小型企业广泛使用的模拟式仪表 它具有结构简单 价格低廉 灵敏可靠等优点 如XCZ型动圈仪表可指示被测参数 而XCT型动圈仪表除对参数指示外 还有控制功能 动圈式仪表的输入信号 可以是直流毫伏信号 如检测元件或传感器或变送器送来的直流毫伏信号 也可以是非电势信号但必须经过适当转换电路后能转换成电势信号的参数 一 XCZ 101型动圈式显示仪表 XCZ 10l型动圈式仪表是与热电偶配套使用的显示仪表 1 测量机构及作用原理 结构 1 匀强永久磁场 一对径向同心永磁极芯 场强处处相等 2 动圈 置于永久磁场中的矩形可动线圈 漆包线绕制 3 张丝支撑 铍青铜 弹性吊带 兼作电流导线 注 匀强 仅相对而言 仅在动圈活动的范围内近似 磁场难于做到真正的 均匀 相对动圈弧形运动而言 有效范围内 用张丝把动圈吊置在永久磁钢的空间磁场中 当测量信号通过张丝加在动圈上时 便有电流流过动圈 此时载流线圈将受磁场力作用而转动 动圈的转动使张丝扭转 此时 张丝就产生反抗动圈转动的力矩 这个反力矩随着张丝扭转角的增大而增大 当两力矩平衡时 动圈就停留在某一位置 由于动圈的位置与输入毫伏信号相对应 当面板刻成温度标尺时 指针就指示出被测对象的温度数值 1 测量机构及作用原理 当给 动圈 通以定向电流时 该电流沿电线纵向 切割 磁力线 从而引起动圈水平方向的旋转 方向依右手定则判断 1 测量机构及作用原理 其实动圈的旋转直接解释为 匀强磁场的方向及强弱是恒定的 由于被测电流在动圈内感生的被激磁场的强弱与被测电流成正比 两个磁场的因方向夹角及强弱大小产生的旋转力矩恰好与张丝的反旋转力矩平衡 电旋转力矩 M磁 N I B S F BI L S L 2r N 动圈匝数 I 被测电流值 B 场强 S 线圈面积 L 线圈高度 磁场中载流导线的有效长度 由张丝吊带扭转产生的对动圈的反旋转力矩 M反 k 动圈旋转角度 约30o左右 k C 2r C 弹性系数 在较小的扭转范围内近似常数 在电流I的作用下 此两个力矩达平衡时 有M磁 M反即 k I k 仪表常数 上式表明 动圈偏转角度处处与引起线圈旋转的电流成正比 动圈表相当于电流表 指针停留的位置即线性表征了流进动圈电流的大小 1 测量机构及作用原理 此时若将热电偶温度计的热电势作为动圈的输入量 如果回路中总电阻恒定 则依据欧姆定律 仪表指针的偏转角度线性的表示了被测热电势的大小 E I R 对热电势测量的前提条件是回路中总电阻R为定值 2 整机线路分析 流过动圈的电流不仅和热电偶的热电势E t t0 有关 也和回路内总的电阻有关 回路中总的电阻R总是表内电阻R内和表外电阻R外之和 R R内 R外 按欧姆定律 流过动圈的电流应为 1 现实中由于热电偶距显示仪表的距离长短不一 规定外线路电阻R外 15 当时 表内设有外线路调整电阻 R调 电位器 2 整机线路分析 2 R串 这个恒定电阻较大 使动圈电阻随温度变化而引起测量的相对误差减少 用锰铜丝绕制 数值可按量程大小选择 动圈表实质是电流表 仪表指针的偏转角度所限定的电流值 电流一定时 对应于不同热电偶的不同测温范围所产生的热电势 只要成比例改变回路电阻R 就能适应不同量程范围 R串 量程调整电阻 3 动圈本身是用铜导线绕制而成的 当环境温度升高时 电阻就增大 在相同的毫伏信号输入的情况下 回路内电流将会减少 仪表的指示值就偏低 因此 也需要进行温度补偿RT RB 2 整机线路分析 一般是在线路中串接热敏电阻RT 热敏电阻的电阻值随温度的升高而下降 且呈指数规律变化 但是 如果只用热敏电阻补偿就过头了 因此再用一个锰铜丝绕制的电阻R并 50 和热敏电阻RT 20 时为68 并联 以削弱RT的影响 此并联后的特性接近于线性变化 当温度升高时 并联总电阻下降 而动圈的电阻增加 一个增加 一个下降 如果配合得好 就能得到较好的补偿效果 动圈表误差分析 1基本误差 变差小 摩擦小2不完全平衡误差 重心不平衡3刻度误差及调整误差 附加误差分析 1外线路电阻不符合规定所带来的误差2仪表所出环境温度变化时带来的误差 铜丝绕制动圈 连接热电偶 动圈表内连接导线无补偿 3仪表在受到外界电磁场作用时 产生一定误差 2 整机线路分析 二 XCZ 102型动圈式显示仪表 XCZ 102型动圈仪表与热电阻相配套构成热电阻温度计 其原理线路如图所示 由图可知 它是由稳压电源 动圈仪表和不平衡测量桥路组成 动圈式仪表实际上是一个磁电式毫伏计 所以要求输入信号是直流毫伏信号 当配接热电阻测温时 就得设法将热电阻阻值随温度的变化转换成毫伏信号 为了准确地指示出被测温度的数值 将不平衡电桥采用三线制接法 并加外接调整电阻 为了克服因连接导线长短不同而引起的测量误差 一般规定连接导线的电阻值为3 5 即每根连接导线的电阻值为5 这样 仪表出厂时 就带有3个用锰铜丝绕制而成的电阻 其阻值每个为5 称之为外接调整电阻 在校验仪表时 必须把这3个外接调整电阻分别接在仪表的接线端子上 在实际使用时 若每根连接导线电阻不足5 时 则须用外接调整电阻来补足 使外接电阻凑足为5 二 XCZ 102型动圈式显示仪表 3 几点要说明的问题 1 动圈式仪表的型号为XCZ 有附加装置进行自动控制的型号为XCT 2 在使用时 必须注意与测温元件配套的问题 在仪表面板上注有与测温元件配套的分度号 否则将产生极大的人为误差 3 要会使用外接调整电阻 在动圈仪表安装位置不变的情况下 安装一次测温元件时 都要重新调整一次外接调整电阻的数值 配用热电偶时 R外 15 配用热电阻时 R外 5 4 仪表出厂时将短路端子用导线短路 实际上就是将动圈本身短接成一回路 构成一个磁感应阻尼器 第二节自动电子电位差计 由于动圈式仪表实际上是一种测量电流的仪表 因此能引起电流变化的各种干扰因素都会导致测量误差 动圈表测温总回路电阻不够恒定 开环系统 这种误差不是靠提高仪表的加工要求就能弥补的 同时 它的可动部分容易损坏 怕震动 阻尼时间较长 且不便于实现自动记录 利用自动电子电位差计来测量电势 就可以克服以上的缺点 提高测量精度 电压平衡原理 为了更好地掌握它的结构和工作原理等问题 下面先从手动电位差计讲起 电位差计的工作原理是根据平衡法 也称补偿法 零值法 将被测电势与已知的标准电势相比较 当两者的差值为零时 被测电势就等于已知的标准电势 图中R为线性度很高的锰铜线绕电阻 通过它的电流I是恒定的 G为检流计 它是个灵敏度很高的电流计 测量时 可调节滑动触点C的位置 以使RCB上的压降UCB变化 则得UCB IRCB 一 手动电位差计 这样 当UCB Et时或UCB Et时 检流计中就有电流流过 指针就发生偏转 只有当UCB Et时 检流计中无电流流过 即此时I检 0 也就是说 这时的巳知电压UCB正好和未知热电势Et平衡 即Et UCB 条件 I检 0 根据滑动触点的位置 可以读出UCB 这样就达到了对未知热电势测量的目的 一 手动电位差计 一 手动电位差计 由上述可知 要想使工作电流I等于定值 用稳压电源供电是一个好办法 如果用电池代替稳压电源时 就应在工作回路中加调整工作电流的电位器RH和标准电阻RN 它利用标准电池EN及标准电阻RN来校准工作电流I 以确保工作电流恒定 1 校准工作电流 将开关K合在 1 的位置上 然后调节工作回路的电位器RH 使检流计G的指示为零 即Ex IRN 因为EN为标准电动势 RN为标准电阻 两个都是已知标准值 所以此时的电流I为仪表刻度时的规定值 2 测量未知热电势Et 将开关K合到 2 位置上 这时校准回路断开 测量回路接通 移动滑动触点C的位置 直至检流计指示为零 此时便得 一 手动电位差计 两种测量热电势的方法测得的结果极为准确 其原因如下 由于它们是在全补偿时 亦即检流计中无电流通过时 进行测量读数 因此 被测热电势本身引起的压降损失和导线上的压降损失就不存在了 对测量结果也无影响 测量结果的准确性是依赖于标准电池的电动势及测量回路电阻的精度 而标准电池及电阻一般可以得到较高的准确性 应用了高灵敏度检流计作为监测 一 手动电位差计 用可逆电机代替人工操作 传动机械 用放大器代替检流计 1 测量桥路分析 由于采用了稳压电源供电 原电路中的调整工作电流电阻RH以及标准电流回路均可以去掉 再将电源的支路翻下来 如图所示 为了提高桥路的灵敏度 用放大器取代检流计 并用放大后的不平衡电压 U输出驱动 可逆电机 通过传动系统带动滑动触点C 自动调平衡 代替手动 直至 U 0 才可以读数 二 自动电子电位差计 二 自动电子电位差计 二 自动电子电位差计 为了弥补仪表工作环境温度 T1 0 而使热电偶少反映出的热电势 E T1 0 在下支路设置电阻R2 铜电阻 R2 温度补偿电阻 R3 限流电阻 二 自动电子电位差计 暂时把R RP RM看作一个电阻 为了能使滑线电阻R的滑动全范围时 对应热电势的变化全范围 需要在上支路设置两个电阻RG 下限电阻 R4 上限电阻 上支路限流4mA RP 工艺电阻 由于R是手工绕制的滑线电阻 阻值难以精确控制 故需要并联一个碳膜电阻 并使RP R 90 整体考虑 统一生产 RM 量程电阻 通过改变RM阻值 达到改变三个电阻并联等效后的结果阻值 二 自动电子电位差计 附滑线电阻R 同R 材料 阻值 规格 同种材料 接触电势相抵消 引出导线的用途 闭合回路内处处等电位 甩掉小辫子 平行布置 用滚子作触点时 可以形成轨道 二 自动电子电位差计 2 整机结构 1 电子放大器 JF 12型 交流放大 机械斩波 飘移小 输入 桥路不平衡电势 U输出 驱动可逆电机的控制电流 2 可逆电机 伺服电机 根据放大器放大后的 U正负 有正反方向来带动滑轮 滑动触点 及指针自动调平衡直至 U 0 停转 3 同步记录机构同步电机拖动记录纸均速转动 记录笔夹墨水 指针等 二 自动电子电位差计 第三节自动电子平衡电桥 电子自动平衡电桥也是与热电阻配套测温使用 但它精度较高 能自动记录 是工业上应用很广泛的仪表之一 关于热电阻测温 主要是有一个三线制问题 是用电桥法测温的特有问题 从原理上讲 只有当热电阻阻值变化量相对热电阻而言可以忽略时 U与 Rt近似线性关系 在准确性上 受到一定限制 一 平衡电桥的测温原理 而电子平衡电桥是利用平衡电桥来测量热电阻变化的 图中Rt为热电阻 它与R2 R3 R4 RP组成电桥 电源电压为E0 对角线A B接入一检流计G RP为一带刻度的滑线电阻 一 平衡电桥的测温原理 当被测温度为下限时 Rt有最小值Rto 滑动触点应在RP的左端 此时电桥的平衡条件是 当被测温度升高后的平衡条件是 r1 单位刻度对应的电阻值 从上式可以看出 滑动触点B的位置就可以反映热电阻的变化 亦即反映了温度的变化 并且可以看到触点的位移与热电阻的增量呈线性关系 如果将检流计换成电子放大器 利用被放大的不平衡电压去推动可逆电机 使可逆电机再带动滑动触点B以达到电桥平衡 这就是自动平衡电桥的基本原理 一 平衡电桥的测温原理 二 自动电子平衡电桥 目前我国生产的电子自动平衡电桥有XD系列 交流平衡电桥 XQ系列 直流平衡电桥 两种 其中直流电源为1V 交流电源为6 3V 采用交流电桥时 输出的不平衡电压是交流值 可以省去变流级而直接送到交流放大器 结构比较简单 但因无法在输入端装滤波网络 故抗干扰能力差 采用直流供电可以克服这个缺点 获得较高的精度 二 自动电子平衡电桥 如图所示 同自动电子电位差计一样 RnP也是由三个元件所组成 RP RB R5十r5 RP与RB并联后的电阻规定为90 R5十r5是调整仪表量程的电阻 R6十r6为调整仪表起始点刻度的电阻 r5 r6作为刻度的微调用 二 自动电子平衡电桥 以上所述是自动电子平衡电桥的原理图 而一台完整的自动电子平衡电桥的方框图如下图所示 三 自动电子平衡电桥与自动电子电位差计的比较 首先 与这两种仪表配套的测温元件 热电偶 热电阻 在外形结构上十分相似 另外 就仪表的外形及其组成 如放大器 可逆电机 同步电机及指示记录部分都是完全相同的 这两种仪表在本质上却各有其特点 不同点 1 它们的输入信号不同 电位差计输入信号是电势 而电子平衡桥输人信号是电阻 三 自动电子平衡电桥与自动电子电位差计的比较 2 两者的作用原理不同电子电位差计的测量桥路在测量时 它本身是处于不平衡状态 即测量桥路有不平衡电压输出 它与被测电势大小相同 而极性相反 这样才与被测