1、第六讲第六讲 显示仪表显示仪表编辑制作：乐建波编辑制作：乐建波本节知识要点：第一节 概 述第二节 动圈式显示仪表第三节 平衡式显示仪表第四节 数字式显示仪表第五节 无纸记录仪表本节主要问题：1. 试述电子自动平衡电桥的工作原理，比较与电子自动电位差计的异同点？2. 数字式显示仪表主要由哪几部分组成？各部分作用是什么？3. 无纸记录仪表的基本结构及原理是什么?第一节第一节 概概 述述用途：显示仪表直接接收检测元件或变送器或传感器(或经过处理)送来的信号， 然后经过测量线路和显示装置，最后对被测参数予以指示或记录或字、符、效、图象显示。 按所显示信息的类别可分为模拟式和数字式两大类；按显示方式可分
2、为指示仪表(包括指针指示和色带指示)、 记录仪表、 报警装置和图象显示仪等。 1. 模拟式显示模拟式显示仪表所谓模拟式显示仪表是以指针或记录笔的偏转角或位移量来显示被测参数的连续变化的仪表。 就其测量线路而言，又分为直接交换式和平衡式两种。直接交换式线路简单价格低廉；但精度较低， 线性度较差，信息能量传递效率低，故灵敏度不高。平衡式线路结构复杂，价格贵，稳定性较差； 但精度高，线性度好，信息能量传递效率高，故有较高灵敏度。2. 数字式显示仪表数字式显示仪表 数字式显示仪表直接以数字形式显示被测参数，其测量速度快，抗干扰性能好，精度高、读数直观，工作可靠，且有自动报警、 自动打印和自动检测等功能
3、，更适用于生产集中监视和控制，近年来发展较快。3. 图像显示仪图像显示仪图象显示仪的实质是属于数字式，它直接把工艺参数用文字、符号、数字和图象配合的形式在大屏幕荧光屏上直接显示出来。并配以打字记录装置，按操作者的需要，任意以其中一种或多种方式同时显示。具有模拟式与数字式显示仪表两种功能，并且具有计算机大存贮量的记忆能力与快速功能，也是现代计算机不可缺少的终端设备，常与计算机联用。作为计算机综合集中控制必不可少的显示装置。 是最近刚刚发展起来的一种新的显尔器。第二节第二节 动圈式显示仪表动圈式显示仪表动圈式显示仪表可以对直流毫伏信号进行显示，也可以对非电势信号但能转换成电势信号的参数进行显示。例
4、如检测元件或传感器或变送器送来的是直流毫伏信号，就可直接进行显示；否则需经过适当的转换电路方可进行显示。它具有如下特点： (1)该仪表可以作参数指示显示，如XCZ型；也可作参数指示显示和控制，如XCT型。它可与热电偶、热电阻等测温元件配合，作为温度显示、调节之用；也可与其他变送器配合，测量、控制其他参数。 (2)它采用灵敏区较高的磁电系测量机构，易将微弱的被测信号转换为指针的较大角位移。 指示清晰、连续，体以小，重量径，结构简单，维修方便，价格低应，具有一定的抗干扰能力，噪声对其影响不大。1. 组成组成动圈仪表的组成结构原理如图1所示。其中永久磁铁(包括极靴)1和圆柱形软磁芯 3形成辐射源，使
5、两者之间气隙中各处的磁场均匀(即磁力线密度相等)，且使动圈5在气隙中转动时，有效边始终与磁场垂直。上、下张丝2、6是用以支承动圈5，并作为传导电流的导线。当动圈转动时会产生扭转。从而对动圈5产生反力矩，起平衡力矩的作用。动圈5是用漆包线绕制的无骨架线框，由上、下张丝2、6支承着，悬挂在永久磁铁和软磁芯所组成的辊射磁场内的气隙中。当信号电流通过时，可以在气隙中转动。 刻度7指针8用于指示被测量的数值。2. 动圈表的工作原理动圈表的工作原理动圈仪表的工作原理是基于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)上产生了大小相等、方向相反的
6、作用力，并且对转轴产生转矩，使动圈产生偏转，这个力矩称之为偏转力矩。当仪表动圈在偏转力矩作用下产生偏转时，为了对每一个被测量(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转角成比例的反作用力矩。由上式可知：动圈仪表偏转角的大小与流过动圈的电流I成正比，且比例系数S(动圈测量机构的灵敏度)是常数。故动圈仪表的刻度是线性的。w若通过检测元件使工业过程参数线性地转换成电流，则动圈仪表现可按过程参数线性刻度，否则为非线性刻度。w一般来说，动团仪表若直接按过程参数进行刻度时，较难获得线性刻度，动圈仪表的精度不易做得很高、且信息转换效率低。w 动圈仪表结构简单、可靠S
7、IICC21动圈式显示仪表是由测量线路和测量机构两部分组成。对于不同型号的仪表其测量线路有所不同。 测量毫伏信号的测量线路 用于测量变伏信号的动圈仪表的测量线路如图2所示。该线路为直接变换式线路。3. 测量线路测量线路图2 测量毫伏信号的测量线路为环境温度补偿电阻，用以对动圈电阻(铜丝)随环境温度变化进行补偿。0tR1bR0tR20时为68的热敏电阻1bR50的锰铜电阻串R锰铜丝绕制的量程电阻，可以提高仪表的输入阻抗， 从而使得信号源内阻变化对测量精度的影响减小。其阻值在2001000 之间。bR锰铜电阻，用于改善仪表的阻尼特性。4.配热电偶的测量线路配热电偶的测量线路XCZ-101图图3 动
8、圈表配热电偶的测温线路动圈表配热电偶的测温线路配热电偶的动圈仪表测量线路如下图3所示。 在使用中必须注意冷端温度补偿和外线路电阻两个问题(1)冷端温度补偿 与热电偶配套的动圈仪表，是直接按照热电偶的分度号进行刻度的，即热电偶的冷端温度处于0条件下刻度的。如果热电偶冷端不为0， 则动圈仪表的读数便不能真实地反映被测温度值，并产生一个随冷端湿度变化而变化的误差，因此在实际测温中，必须考虑冷端湿度补偿问题。 使用补偿导线和冷端补偿电桥只用补偿导线 使用补偿导线，就是用和热电偶的热电特性相同或相近的补偿导线，把热电偶的冷端从应用现场延伸到控制室的仪表端子板上，再用水银温度计把端子板处(即控制室)温度测
9、出来， 然后再把动圈仪表的机械零点调到该温度上，这样在测量过程中仪表的读数就是实际的被测温度值。必须注意，应用该方法仪表的机械零点一定要经常校正或对端子板接点恒温。 在实际应用中一般都用补偿导线加冷端补偿电桥方法。(2)外线路电阻由于动圈仪表是通过电流来测量毫伏信号而测量温度的，因此对于相同的毫伏值，如果整个测量回路电阻值不同，流过动圈的电流值就会不同，则指针的指示也不同，这是不能允许的。为了保证仪表测量的准确性，一律规定动圈仪表的外线路电阻为15 。外线路电阻是热电偶电阻、冷端补偿电桥等效电阻、补偿导线电阻、铜导线(补偿电桥到仪表间接线)电阻以及外线路调整电阻R串的总和，即： R外R热+R桥
10、+R补+ R铜+ R 串l 5 应当注急： R热是热电偶正常使用温度条件下的阻值的的 (3)断偶保护线路 断偶保护线路的用途是，当热电偶一旦发生断丝时，能使动圈仪表的指针偏向满度，以便操作人员发现处理。断偶保护线路的原理图及简化图分别如图4、5所示。 R2的作用是限制断偶时流向动圈的电流不致过大，C3起交流旁路作用，防止断偶时仪表指什过分抖动。若能选择顺向电阻愈小，反向电阻愈大的二极管VD，则断偶保护作用愈显著。图图4断偶保护线路原理图断偶保护线路原理图图图5断偶保护线路简化图断偶保护线路简化图5. 测量电阻值的测量线路测量电阻值的测量线路XCZ-102当动圈仪表与热电阻、电阻远传变送器或电阻
11、传感器等配合显示被测参数时，其输入信号皆为电阻变化值。为了利用统一的测量机构，必须将电阻转换为毫伏信号，这时动圈仪表的测量线路如图6所示。图图6电阻输入型动圈仪表测量线路电阻输入型动圈仪表测量线路由图可知，完成电阻到毫伏信号的转换是由不平街电桥实现的。其中Rt为热电阻，R0、R2、R3、R4均为锰铜电阻，R1为热电阻Rt的引线电阻。它们组成了电桥的四个桥臂，c、d为电桥电源端，a、 b为电桥输出端。R0是调零电阻，当Rt相应于仪表刻判度起点的阻值时，如仪表指针不在零点，则可以调节R0使仪表指针指在起始点上。当Rt相应于仪表刻度终点温度的阻值时，若仪表指针不指在满刻度位置上，则可调节R串达到。不
12、平衡电桥输出电压信号受电源电压的影响，因此要求电源电压具有较好的温度稳定性和较小的纹波系数纹波系数。 热电阻Rt 是采用三线制接法，这样两极连接导线就分别连接到相邻的两个桥臂上，当环境温度变化使连接导线电阻变化时，可以互相抵消一部分。因而较二线制接法误差小。注意，热电阻的三线接法，每根连接导线电阻规定为5。若不足5 时，则须用锰铜丝电阻补足5 ，调整阻值应精确到50.01 。 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。6.动圈仪表型号命名动圈仪表型号命名工业仪表产品型号由三节组成：第一节以大写汉语拼音字母表示，一般不超过三位；第二节以阿拉伯数字表示，一放不超过三位；
13、尾注以大写汉语拼音字母表示，以一位为限；普通型不加尾注；第三节以一位阿拉伯数字表示统一设计序号，第一次统一设计不加第三节。第三节 平衡式显示仪表n一、电子自动电位差计 n. 手动电位差计n手动电位差计是利用电压平衡原理工作的，右图所示。n这是一个手电筒的电路图。当两节电池同向串联时，合上开关 ，则灯泡亮；当两节电池反向串联时，合上开关 灯泡不亮。这说明电路中无电流流过，此时回路中电压平衡。n利用这一原理可测量未知电势，假如 为已知电势，为待测电势，灯泡不亮，则 。这就是根据电势平衡原理，通过已知比较电势测量未知电势的原理。n最简单的电位差计原理线路如图所示。比较电势由电源 ，可调电阻 和高精度
14、滑线电阻 形成的串联回路提供比较电势。电流可从电流表中读出，也可从滑线电阻直接读出。当被测电势 变化时，调整动触点 ，使检流计指示为零，则 ，用这种方法测电势，当电势平衡时，流过热电偶内部及连接导线的电流为零，因此，连接线路中电阻的变化，对测量结果无影响，测量精度较高。. 电子自动电位差计构成原理框图如图所示电子电位差计的原理线路图，可以看出：比较电势是由桥路提供的。这是因为电桥可解决以下两个实际问题（）冷端温度补偿问题图中 2为铜电阻（）量程匹配问题被测电势的起始值可能为正、负、零几种情况，用单回路只能提供一个方向的比较电势，而用桥路既可以提供正、负也可以提供零比较电势，解决了实际测量中各种
15、起始值不同的问题。铜电阻：起冷端温度补偿作用。限流电阻：是一个固定电阻，它与 配合，保证下支路电流为。滑线电阻：它是测量系统中一个很重要的电阻，仪表的指示误差、记录误差、变差、灵敏度以及仪表运行的平滑性等都和它有关。工艺电阻：由于工艺上的原因，很难绕得十分精确，需并联一个电阻 ，其并联后总数值为量程电阻：电阻 是决定仪表量程大小的电阻。二、电子自动平衡电桥. 手动平衡电桥平衡电桥的原理线路如图所示。图中为热电阻，、为固定桥臂电阻，为电源， 为灵敏度很高的检流计，、为电桥输出端，为滑线电阻，触点 可以左右移动。 . 电子自动平衡电桥电子自动平衡电桥主要由测量桥路、放大器、可逆电机、同步电机等部分
16、构成，其构成原理框图如图所示。下图是电子平衡电桥的原理线路图。可以看出热电阻与桥 路 的连接采用了 三 线制，这样可以减小连接导线电阻因环境温度变化而引起的测量误差。3.电子自动平衡电桥的调整当起始电阻 R6 增大时，指 针 跑 向 最 右 端。当 R5增大时，指针向刻度的中间位置移动，距离刻度中点越远，受这种影响就越大，4. 电子自动平衡电桥与电子电位差计的比较测量的电量形式不同; 所配用的测温元件不同; 两者的作用原理不同; 电桥的原理不同; 测温元件与桥路的连接方式不同; 当用热电偶配电子自动电位差计测温时，测量桥路要考虑热电偶冷端温度的补偿问题；而用热电阻配电子平衡电桥测温时，测量桥路
17、不存在补偿问题。第四节 数字式显示仪表 数字式显示仪表，是把经感测元件转换成的电信号 （模拟量）进一步转换成数字量 （断续量）进行显示的仪表。它与模拟式显示仪表相比，具有测量速度快、精度高、读数清晰直观、无读数误差、便于与计算机通讯等特点。 数字式显示仪表按输入信号的形式，可分为电压型电压型和频率频率型型两类。 数字式显示仪表的 构 成框图如图 所示，它由前置放大器前置放大器、模模 拟数字拟数字 信信 号号 转转 换换 器器（即 A/D 转换器）、非线性补偿非线性补偿、标度变换标度变换以及显示装置显示装置等部分组成。 从感测元件送来的信号，首先经变送器转换成统一的电信号，由于该信号较小，需经前
18、置放大器进行放大，然后由 A/D 转换器转换成数字信号输出。已知在被测变量与电信号之间通常存在着非线性关系，只能在模拟显示仪表中可以用非线性标尺显示，而在数字显示仪表中，能看到的是被测变量的绝对数字值，且数字仪表的显示装置部分都是线性电路，因此对 A/D输出的数字信号必须进行数字化的非线性补偿，以消除非线性误差。虽然模拟信号经 A/D转换成数字信号输出，但这个数字信号并不是与被测变量一致的值，必须有一个标度变换环节，将数字信号转换成与被控变量一致的数字值，再送往计数器计数并显示，同时还可送往报警系统和打印线路去打印出数字来。需要时，也可以把数字信号输出，供其他计算装置使用。1.数字式仪表原理2
19、.数字式仪表的技术指标衡量数字式显示仪表性能的技术指标有精度、显示位数、分辨率和分辨力、输入阻抗、速度、超载能力、串模抑制比、共模抑制比等项。（） 精度数字表的准确度有两种表示方法。准确度(a% rdg+n 个字)rdg仪表读数值；a%综合误差系数；n最后一位数单位值的 倍。() 显示位数 数字仪表以十进制显示的位数称为显示位数。工业测量过程中常用三位、四位，高精度数字仪表可达七位、八位之多。显然，位数越多，表达同一数的有效位越长，读数越准确。() 分辨率和分辨力 分辨率相当于模拟仪表的灵敏度，是指数字仪表显示的最小数和最大数的比值。例如一台没有超量程能力的四位数字仪表，其最小显示是0001，
20、最大显示是9999，它的分辨率是9999分之一，即为万分之一或0.01。第五节 无纸记录仪表 无纸记录仪表是一种智能化的多功能二次仪表，适合于对各种过程参量进行监测、控制、记录与远传。下面以 SWP-LCD-无纸记录仪表为例介绍无纸记录仪表的结构、原理及其应用。. 无纸记录仪表的基本结构及原理. 无纸记录仪表的特点 多功能的显示画面可集中显示中文菜单、测量数据、曲线图表、数据涵义、工程单位、百分比棒图、报警状况等。 便捷的操作界面及轻触式面板按键，方便用户进行各种的操作。 高容量的存储空间满足最长达365天的记录数据存储需求。 快速的通讯速率能以高达28.8Kbps的速率与上位机或其他机关的设备进行信息交换。 灵活的附加功能可提供模拟变送信号输出，打印机接口信号输出，直流馈电电源输出，标准双向串行通讯接口等。 标准的外形尺寸可方便的替换功能简单的同类仪表，满足控制系统的升级需要。.仪表面板配置 . 操作流程图5.画面说明
