常晓明 崔恩忠
(大庆化肥厂,黑龙江大庆,163714)
工业的发展、科技的进步,要求仪表反应灵敏、准确,在客观上促进了仪表制造工业的发展,线性好、精度高的仪表在工农业生产、国防等领域里的应用日益增多,用常规的方法来校高精度的变送器、转换器等仪表已显得落后。但是从教科书、仪表说明书上所说的校表方法大多仍然是老三句:①输入仪表量程的0信号,调整零点调整机构,使仪表的输出信号为输出量程的0。②输入仪表量程的100%信号,调整量程调整机构,使仪表输出信号为输出量程的100%。③重复①和②步,直到仪表达到合格的精度。
使用这种方法校验仪表,对精度较低的仪表来进行校验还可以,用这种方法来校验那些调整量程影响零点的那些高精度的表,重复①和②步的次数通常要四至六次,费工费时,特别是对那些高量程的压力变送器、负压变送器等较难改变输入信号从0%到100%的那些仪表,矛盾将更加突出。本文就仪表调校方法的一些问题谈一下自己的看法,且把工作中的实践加以总结,又经初步理论推导出的超调法介绍给大家
1 对传统调校仪表方法的分析
对一台特定条件下应用的仪表来说,在一个直角坐标系上可表示为:Y = Kx + b(见图1
该直线通过(x0,y0),(xm,ym)点,其中x0表示输入量程的0%信号,其对应的正确输出信号为y0;xm表示输入量程的100%信号,其对应的正确输出信号为ym
校表的过程,实质上就是找出合适的K值和b值。如对一台测量范围为0至1MPa的压力,输出信号为4到20mA的压力变送器来说,其K值为
现在,让我们借助于直角坐标系来分析传统的仪表调校方法。
对一台待校仪表在直角坐标系上可表示为A 0 B 0直线,即当输入x = x 0时,输出y= S0;当x = x m时,输出y = S m。调校过程:
a.调整零点。在调整调零机构时,不影响K值,在输入信号为x0时,调整调零机构,使仪表输出为y0,直线A0B0平移到AB1,该线交x轴于Z1。
b.调整量程。调整量程调整机构不仅改变K值,也会对零点造成影响。当欠量程时(输入信号变化全量程100%时,输出变化达不到变化全量程的100%),K值小,需调大仪表的放大倍数,即调大K值,它影响零位的结果是使零点提高。反之,当超量程时(输入信号变化全量程的100%时,输出变化超过变化全量程的100%),说明K值过大,需要调小K值,它影响零位的结果是使零位下降。
在我们对欠量程情况进行调整时,在输入信号为xm时,调量程调整机构是使输出提高,相当于Z1为轴,使Z1B1线向上移,待输出值达到ym值停下,相当于把Z1B1移到Z1B时止,交y轴于K 1,交y = y 0于E(见图2)。
c.输入x 0,调整调零机构使输出为y 0,相当于把K1B平移成AB 2,它交x轴于Z 2。
d.输入x m,调量程调整机构使输出为y m相当于连接Z 2B,交y轴于K 2。
e.输入x 0,调整调零机构使输出为y 0,相当于把K 2B平移成AB3,交x轴于Z 3。
f.输入x m,调整量程……。
如此反复进行零点、量程调整,使仪表在直角坐标系上的直线不断向直线AB靠近直到达到合格的精度。从图2可以看出,在调量程时向AB线靠近了一大步,而当调零时,又离开AB线一小步。仪表的精度越高,调零点调量程的次数就越多,也就越费时。这正是传统仪表调校方法的弊病。
2 超调量公式的推导
待校表,在信号为x 0时,输出为S 0,当输入信号为x m时,输出为S m,在进行第一步时,调零,相当于把A 0B 0平移成AB 1,反向延长AB 1交x轴于F(见图3)。连接BA并延长交x轴于G点。直线AB的斜率就是调整量程时所要求的仪表放大倍数,AD就是该直线的截距,也就是被校表的零点。
通过F点作直线GB的平等线,交直线x = x 0于K点,交x= x m线于E点。由于FE//GB,所以KA = EB。FE的斜率也就是校表时所要求的斜率。在x = xm时,调量程调整机构,使输出达到ym+Δy,则量程调整完。这相当于把直线FB 1以F为轴向上旋转至FE。
在x = x m时,调整调零机构使输出由y m+Δy变为y m,则零点调整完成。这相当于把直线FE平移成AB。
现在让我们求EB,即Δy与S、y m、y0、x m、x 0之比的关系,如果Δy与这几个已知量有固定的关系,则调整就有一个明确的量的关系,使之调整仪表量程、零点有据可循。
式(4)即为超调法超调量计算的通用公式。
3 超调法通用公式浅析
S)为绝对误差,它表示,当输入信号为量程的100%时,输出的标准值y m与当前输出值S之差。它决定Δy的符号,如S < y m,则Δy为正;S > y m,则Δy为负;如S = y m,则Δy =0。
的大小给出了在进行量程调整时,超调部分占量程变化的有效部分(ym-S)的百分数,可称它为相对超调量,对4~20mA的输出来说,在S= ym时,相对超调量为25%(见图4)。
图4画出Δy 0=4、y m=20 mA时,S由12变化到32mA时,它与相对超调量之间的关系。超调量的大小,反应了在进行量程调节时对零位输出造成影响越大,反之亦然。
这两部分之积,称之为超调量。
4 超调法的调校步骤
a.记录仪表的原始状态后调零一台待校仪表,当输入量程的0信号x0时输出为S0;当输入量程的100%信号xm时,输出为Sm;在输入信号x0时,调整调零机构使输出为y0;而对应xm时,输出为S,相当于把直线A0B0平移至AB(见图3)。
b.给输入信号x m,记下输出S,根据超调量计算公式,超调量
计算出超调量Δy后,如Δy为负,则表现为对应输入信号为xm时,调量程调整机构使输出下降达到ym后,再继续调量程机构使输出到小于ym为Δy值为止;如Δy为正,则调量程时,表现为对应输入xm时,输出达到ym后,再往大调Δy值。
超调量中:y0为对应仪表输入量程0信号x0时的标准输出;ym为对应仪表输入量程的100%信号xm时的标准输出;S为所校仪表经调零后,输入为xm时仪表的输出值。
c.计算Δy值后,保持输入信号为xm,调量程机构使输出为ym+Δy。
d.输入仍为xm,调整调零机构使输出为ym,到此,超调法的调量程、调零点过程就基本完成。
e.经过上述调整,大多数仪表都会合乎精度,即在输入为x 0时,输出为y 0,如输出在输入由xm变到x 0后,输出不为y 0,则输出只能是在y 0附近或者略大于y 0,或者略小于y 0的某个值y 0′,则根据欠量程或超量程的判断,如输出大于y 0,则说明欠量程;如输出小于y 0,则是超量程,在此情况下,作再一次调整,已无需计算,只要记住,顺调零方向继续过调y 0′与y 0之差的绝对值的倍,然后再用调量程机构使输出为y 0即可。
步e.是超调法在零点的应用,它不需注意,在输入为x 0时,调整顺序刚好同x= x m时相反,它是先调整调零机构超调然后用调量程,使输出调回到y 0。两者有一点是相同的,即超调方向都是在原调节量基础上超调Δy量。在x = xm时,调整需计算,是因为的值,随S变化而变化;而在零位进行调整时,相当于S已特别接近y m,超调量计算时即按S = y m计算已很精确。对于的所有仪表来说,超调量按四分之一考虑是较准确的。
为方便调校4~20mA及20~100kPa输出仪表给出了表1和表2。
表1列出了输出为4~20mA电流的仪表在仪表调零后,输入量程的100%信号时,输出为S时,所对应的超调量Δy和相对超调量的值,它可用于电动仪表的调校。
表2列出了输出为20~100kPa压力的仪表,在仪表经调零后,输入量程100%的信号时,输出为S时,所对应的超调量Δy和相对超调量的值。它可用于气动仪表的调校。
