模拟显示仪表的基本构成
时间：2012-03-23 阅读：3356
模拟显示仪表的基本构成
在工业生产过程自动化中，大部分传感器的输出和大部分执行元件的输入都是子模拟信号，“模拟”所包含的意思是“连续”电子模拟信号可以定义成一种电压或电流的信号，其电平是连续地以无限小的阶跃量改变，理论上讲，模拟信号的分辨率是无限高的，换言之，能用无限多个数值表示。
一般来说，电子模拟信号有两种基本形式，即连续调幅信号和脉冲调幅信号，在这两种形式中，都是在一条线路中用调幅电压或电流来载送信息，双极性信息简单地用电压或电流的符号和幅值来代表。
连续调幅和脉冲调幅这两种信号各有其优缺点，连续调幅信号对交直流电压和电流都可以采用，面处理这些连续信号的电路不需要很高的通带，脉冲调幅信号，可以在一条线路中载送多路信息，所以可节省信号线路的硬设备，但这只有牺牲带宽和精度才行，信号zui高频率要减小到1/n其中n是信息通道的数目，在精度方面，因为产生或处理脉冲信号的任何电路总会比利用连续信号的同一种电路所带来的差更大，所以在实际上其精度往往要抵于连续调幅信号的精度。
显示（记录）仪表可以看成是一个将输入信号转换为另一物理量（输出信号）以便操作人员读数，或为了无人参与进一步处理的信号变换装置。模拟式显示仪表的信号及内、外参数关系。这里除了输入和输出信号以外，仪表的内部参数和外部参数，属内部参数的有仪表零件的几何尺磨擦力及不平衡电动势等。属外部参数的有环境参数及运行条件，如大气压力、空气压力、空气温度、供电电源、外部电、磁和重力场以及设备运动的加速度等。 模拟式显示（记录仪表的指示、记录机构模拟式显示仪表的指示、记录机构，从特征上分为指示式和记录式两大类
模拟式显示仪表的指示机构的主要类型有条形指示机构、圆形指示机构、色带式指示机构等几种。其特点是仪表指针的位移与被测量的变化成模拟关系（包括线性和非线性关系），因而读数清晰，示读误差来源于两个方面，一方面是操作者读数时视线不与刻度标尺垂直，尤其在采用圆弧形刻度标尺时，如果不怀刻度标尺垂直，视差秒更大，消除办法是采用镜式刻度标尺，刻度标尺的分度值和标度数对于读数的方便和准确也很有影响。分度值就是刻度标尺上每一zui小分格所代表的被测量的数值，为了提高仪表示值的精度，在一定外形尺寸下，往往要求尽量增长刻度尺的长度，因而出现了圆形和转鼓式指示机构，但是并不是标尺的分格数越多，测量的精度越高，刻度标尺的分格数应恰当，应以分度不少于仪表允许的基本误差为好。在液体显示仪表中，为了得到形象化的指示，还出现了色带式批示机构。
用墨水和笔记录，这种记录方法在工业自动化仪表中zui为多见，记录的曲线是描绘在带形记录纸上，带形记录一般卷成筒状或为折叠式、宽度为250mm和12mm，记录纸的走纸速度30~1200mm/h（特殊情况下还有更快的），纸带两边有孔，由一只销钉辊进行伟传送和定位，由于纸宽度和传动的变化而引起的记录误差可能有1%。圆盘形记录纸，一般印有弧形坐标，走纸速度为每周24h，记录笔是精心制造的，以便在长期不维修的情况不，能绘出笔画宽度为0.2~0.4mm的清晰线条，记录笔是用不受墨水腐蚀的材料，如镍、黄金属或玻璃制成，根据使用要求的不同，有各种类型结构的记录用的墨水有两个互相矛盾的要求，一方面墨水在敞露的容器中应不干涸，另一方面绘出的线条应能迅速干燥，以免在记录纸通过卷绕时擦掉和污染。墨水的主要成分是甘油、水的混合物，其配比与环境的干燥和潮湿程度有关，如果稍加一点洒精，可改善其干燥性质。
法电记录，在无线电气象图传真技术中用一种浸炭使之导电的黑色纸作为垫料，上面敷以感电灵敏的白色表层，底部镀以薄金属层，电流从贴在纸面上的金属记录笔流向金属底层，在有电流经过的地方纸就会变黑，变黑的原因是纸面的白层系由一种电敏或热敏化学物质构成，它的电能作用下会改变颜色，笔尖产生的电火花将潮面的白色层击穿，这种方法既适用于直流电，也适用于交流电，特别筌高频电流，所施加的直流电压也只有18~24V，耗用电流与记录速度有关，例如，当纸的传送速度为20 mm/h时约为2uA，耗用电流与记录速度有关，金属记录纸既适于低速，也适于高速记录，在特殊情况一甚至可达50m/s的记录速度。
磁带记录。在科学研究仪器中，已将磁带用于记录，就像在磁带录音机上录制和重放音乐一样，磁带是由一条小塑料带制成，里面贮有一种磁性材料，接收头是非曲直一个小电磁铁，将被记录的电振荡转换成相应的电磁场，磁带穿过磁场，磁粒被被磁化，因而将信号记录于磁带中，重放时使磁带在放送头旁通过，放送头将磁带上记录本的磁信号转换成电信号，即是被记录信号的再现，显而易见，磁带记录尤适用于记录动态过程（交流电流、脉冲和振荡等），如果是直流信号，则需应用调制和解调的方法对信号进行变换。
此外，还有利用压敏变色纸、光线和电射线等方法进行记录。
以上是连续记录方法，另一种断续记录是指当在坐标上用图解法表示一个函数时，通常是用许多点来描述，如果这些点足够密，就能得出曲线和形状，当然如果过程是跳跃式变化，位于彼此相邻两点之间的部分，就可能被遗漏，因此断续记录法主要应用在变化较慢的过程中，下面是断续记录方法。
多点打印记录，多点打印记录法在工业自动化仪表中zui为典型 的是自动平衡多点记录仪，它由打印机构和间歇机构两部分组成，可用（.）和（×）标志符号，并用六种不同颜色加以区分，zui多可记录12条曲线。
照相记录，为了对仪表所显示的值提供客观凭证，有时应用照相的方法进行摄影。例如在被拍摄的显示仪表旁放一只钟表，这样就能毫无差错地奖显示值及所对应的时间拍摄成连续的照片，这种方法特别适用于仪表屏上各显示仪表示值的相对比较，或在仪表成批校验时供各仪表的分析比较之用。
模拟式记录机构
记录机构对仪表的设计制造和性能起着重要的。对记录机构而言，其一般结构特征为记录纸的形式、记录机构的自由度、；连续记录或断续记录、记录要素和坐标间的关系。它们对记录仪表的结构都有很大影响。
单笔记录机构。单笔记录机构一般用于记录各种被测参数对时间的函数关系，但有时用于记录两个变量间的函数关系，皆为连续记录，可以是长图记录，也可以用同步电动机拖动，
（2多点记录机构。多点记录机构可同时记录几个被测参数相对于时间的函数关系，有两种典型的X、N、T记录机构zui为常见，其中N为输入信号数；T为时间坐标，X为被测参数，如果被测参数皆为电量，且量程相近，则记录仪中可用同一口只测量机构加入输入信号切换开关组成，如果量程相差很远，就需要采用几个相应的测量机构，还有一些特殊的记录机构，T、N为同方向，它可以明显志看出曲线族随时间变化的关系，这种记录机构要求走纸、测量、切换同步，而记录笔的抬笔动作由继电器控制。
总之，记录机构的不同特点都有是根据对显示的不同要求而设计的，一个理想的记录机构不但要求能明显、清晰地记录被测量，并且要结构简单、可靠、便于制造和维修。
1。2。3直接变换式仪表
动圈式显示仪表
动圈式显示仪表是利用*磁铁形成的磁场，对通过信号电流的可动线圈所产生的作用力矩和弹性支承机构的反作用矩的相互作用而工作的一种磁电式仪表，其工作原理是：当被测信号电流通过连接导线，经过张丝进入动圈时，此电流和磁场相互作用，在动圈两有效边（即与磁场方向垂直的两边）上，就产生了大小相等、方向相反的作用力F，并且对转动轴产生转矩，合使动圈产生偏转，这个力矩称为偏转力矩。
当仪表动圈在偏转力矩作用下产生偏转时，为了使对应于每一个被测量（电流强度）只产生一定的偏转，以便显示被测参数的大小，必须在动圈上施加一个大小与其偏听偏信转角成比例的反作用力矩，反作用力矩通常利用弹性元件变形后的弹力产生，如利用张丝的扭力，利用游丝的弹力等。
（2）测量显示仪表的测量线路
（1）测量毫伏信号的测量线路。用于测量毫伏仪器开配热电偶的动圈仪表的测量线路，、它由环境测温度补偿电阻，量程和阻尼调整电阻以及线路调整电阻等组成。现分别讨论如下：
（1）环境温度补偿电阻，动圈仪表的刻度较验是在环境温度为20±5℃条件下进行的，仪表在现场使用时，由于周围环境温度总有变动，因而会出现温度附加误差，温度变化对仪表的影响主要表现在以下几方面，当周围环境温度升高或降低时，张丝的弹性将随之减弱或增强，从而使仪表产生误差或负误差，而气隙中的磁感应强度将随之减少或增多，从而使仪表产生负误差或正误差，它正好与张丝所引起的误差方向相反且数量级相当，因此能互相补偿，一般末*补偿的部分不过每10℃是0.5℅左不予考虑。动圈仪表因温度变化所产生的附加误差试想来源于动圈电阻。因为动圈地由铜线绕制而成，铜的温度每变化10℃，阻值变化约为4℅，这数值相当可观，因此当温度升高时，流过动圈的电流就减小，使指针偏转角减小，指针偏转角减少会造成负误差，反之产生正误差，为尽可能减小该电阻变化所带琰的误差，使仪表在环境温度0~50℃范围内进行准确的显示，必须对动圈测量机构进行温度补偿。
（2）测量电阻值的测量线路，当动圈仪表与热电阻、电阻远传变送器或电阻传感器等配合显示被测参数时，其输入信号为电阻变化值，这时动圈仪表的测量机构，必须将电阻转换为毫伏信号。完成电阻到毫伏信号的转换是由不平衡电桥来实现的。
由于把热电阻引入桥路的连接导线电阻会随环境温度而变化，如果把热电阻的连接导线都接在一个桥臂内，则当环境温度发生变化时，连接导线电阻的变化值将与热电阻挠变化值相叠加，从而会给仪表带来较大的附加误差。工业常采用三线制接法，这样二根连接导线就分别连接到相邻的两个桥臂上，当连接导线电阻变化时，可以互相抵消一部分，从而减小对仪表读数的影响，连接导线电阻的变化才能全部互相抵消，当仪表指针位于满刻度时，此时附加误差zui大值，不过三线制接法要小得多。
注意，热电阻的三线制接法中每根相连导线电阻规定为5Ω，若不足5Ω时，则须用锰铜丝电阻补足5Ω，调整阻值应到（5±0.01）Ω。
动圈仪表与热电阻配套使用时，必须注意仪表的分度号，应与热电阻分度号相同。
1。2。4平衡式仪表
上面所介绍的动圈式显示仪表是由若干个环节串联而成的开环结构仪表，对于开环结构仪表，为了提高灵敏度，可采用增加环节的办法，但是这将使仪表的总误差随之增加，这就是说，对于开环节结构仪表，在提高仪表的灵敏度和精度之间是存在矛盾的，因此，动圈仪表目前zui高要求是1级，这对于科学研究和工业生产中的较高要求往往是无法满足的，为此必须采用环结构的平衡式测量线路所构成。
平衡式仪表较直接变换式仪表结构复杂， 由控制理论也可看出，闭环系统较开环系统具有一系列优点，例如，线性好，反应速度快，精度高等，但由于是闭环系统，就有可能产生自激振荡，故稳定性差，灵敏度降低（可用放大器补救），而且结构较复杂。
常用的自动平衡式显示（记录）仪表有自动平衡式电子电位差计和自动平衡式电子电位两类，它们能自动测量，显示、记录各种电信号，（直流电压、电流电压、电流或电压）若配用热电热电阻或其他能转换成直流电压、电流或电阻的传感器、变送器，就可以连续指示和记录工业生产过程中的温度、压力、流量、物位以及成分等各种参数，并可队附加调节器，报警器和计算器等，实现多种功能。
1自动平衡式电子电位差计
在工作中，常遇到用天平来称物体的重量，当增减砝码使指针指零时，砝码与被称物体达到平衡，这时被称物体的重量就等于砝码的重量，电位差计就是根据变种平衡法（也称为补偿法、零值法案将被测电动势与已知的标准电动势进行比较而工作时，当两者的差值为零时被测电动势就等于已知的标准电动势。
自动平衡式电子电位差计的构成：它是由测量电路、放大器、可逆电机，指示记录机构、机械传动装置以及稳压电源、同步电机等构成
其工作原理为：由热电偶、传感器或变送器输入的直流电势（或由直流电流通过输入端的连接电阻而得的电压）与测量电路端的直流电压进行比较，比较后的电压差值（即不平衡电压）经过放大器放大后，输出足以驱动可逆电机的功率，推动可逆电机带动指示、记录机构、同时还带动测量电路中的滑线电阻的触滑点，改变滑触点在滑线电阻中的位置，直支测量电路新端的电压与输入电势平衡为止，如果输入电势信号再度改变。则又产生新的不平衡电压，再经放大器放大而驱动可逆电机，又改变滑触点的位置，同样直到新的平衡位置为止，而与滑触点的每一平衡位置相应于标尺上的一定数值，因此当电路处于平衡状态时，指示机构的指针在标尺上指出一定的被测参数。
自动平衡电子电位差计的测量电路，采用有上、下二条支路的桥路形式，它既可适用于被测电势的下限是零或正，也可运用于被测电势的下限值是负情况，若配用热电偶测温时，热电偶的冷端温度变化，也能从引入的下支路中获得较好的补偿。
2 自动平衡电桥
自动平衡电桥可与热电阻配套使用测量温度，也可与其他能转换成电阻的变送器、传感器或检测元件等配套使用测量生产过程中的各种参数，因而在工业生产和科学实验中获得了广泛应用。
自动平衡电桥的构成与自动平衡电位差计相同，差别仅在于接收信号不同，测量电桥路有所区别，其它*一样，整个仪表的外壳、内部结构以及大部分零件都是通用的。
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