山东建筑大学热工检测课第5章

1、第五章显示仪表第五章显示仪表1 动圈式显示仪表动圈式显示仪表3 数字式显示仪表数字式显示仪表2 平衡式显示仪表及测量电桥平衡式显示仪表及测量电桥模拟式显示仪表模拟式显示仪表 原理：原理：用指针的线位移或角位移来模拟显用指针的线位移或角位移来模拟显示被测参数连续变化的。示被测参数连续变化的。 方式：方式：利用标尺、指针等方法利用标尺、指针等方法 组成：组成：由一些必需的机械运动机构：磁电由一些必需的机械运动机构：磁电偏转机构偏转机构 优点优点：工作可靠、价格低廉，能够反映和：工作可靠、价格低廉，能够反映和记录测量值的变化趋势记录测量值的变化趋势,能够大量应用。能够大量应用。 缺点缺点：结构较复杂

2、，：结构较复杂， 读数不够直观，测量读数不够直观，测量速度不够迅速，测量重现性不好速度不够迅速，测量重现性不好数字式显示仪表数字式显示仪表 功能功能：直接用数字形式显示被测变量值大：直接用数字形式显示被测变量值大小的仪表。小的仪表。方式：方式：数字式数字式 组成组成：由一些必要电路组成，没有模拟式：由一些必要电路组成，没有模拟式显示仪表中所必需的机械运动机构。显示仪表中所必需的机械运动机构。 特点：特点：显示清晰直观，无读数视差。测量显示清晰直观，无读数视差。测量和显示速度、测量准确性高，重现性好。和显示速度、测量准确性高，重现性好。屏幕显示仪表屏幕显示仪表 特点特点：将图形、曲线和字符数字等

3、直接在将图形、曲线和字符数字等直接在屏幕上进行显示。屏幕上进行显示。 计算机控制系统的必要组成计算机控制系统的必要组成DCS第第1节节 动圈式显示仪表动圈式显示仪表 该仪表是一种发展比较早的模拟式显示仪该仪表是一种发展比较早的模拟式显示仪表，但目前仍然被广泛使用，尤其是在一表，但目前仍然被广泛使用，尤其是在一些中小型企业，应用极为广泛。它不仅可些中小型企业，应用极为广泛。它不仅可以与热电偶、热电阻等传感器配合用来显以与热电偶、热电阻等传感器配合用来显示温度，还可以对压力等其他工艺变量检示温度，还可以对压力等其他工艺变量检测的直流毫伏信号进行显示。测的直流毫伏信号进行显示。 动圈式显示仪表测量机

4、构图动圈式显示仪表测量机构图 l l永久磁铁；永久磁铁；2 2、6 6张丝；张丝；3 3软铁芯；软铁芯；4 4热电热电偶；偶；5 5动圈；动圈；7 7刻度面板；刻度面板；8 8仪表指针仪表指针 动圈偏转角动圈偏转角第第2节平衡式显示仪表及测量电桥节平衡式显示仪表及测量电桥 一一 电位差计电位差计 二二 电子电位差计电子电位差计 三三 测量电桥测量电桥 由于动圈式显示仪表实际上是一种测量电由于动圈式显示仪表实际上是一种测量电流的仪表，所以，流的仪表，所以，凡是能引起电流变化的凡是能引起电流变化的各种干扰因素都会导致测量误差各种干扰因素都会导致测量误差，而且这，而且这种误差单凭提高仪表的加工精度是

5、不能弥种误差单凭提高仪表的加工精度是不能弥补的。另一方面，它的可动部分容易损坏，补的。另一方面，它的可动部分容易损坏，怕震动，且不便于自动记录。怕震动，且不便于自动记录。 目前常用的自动平衡式显示仪表有目前常用的自动平衡式显示仪表有自动自动电子电位差计电子电位差计和和自动平衡电桥自动平衡电桥两类，分两类，分别与热电偶和热电阻相配用，通过自动别与热电偶和热电阻相配用，通过自动调节电位差或电阻值使电位差计或电桥调节电位差或电阻值使电位差计或电桥达到平衡，并自动指示和记录测量结果，达到平衡，并自动指示和记录测量结果，从而实现对温度变量的自动、连续检测从而实现对温度变量的自动、连续检测和显示。同时克服

6、了动圈式显示仪表的和显示。同时克服了动圈式显示仪表的缺点，提高了测量精度。缺点，提高了测量精度。一一 电位差计电位差计 - + I UX B W G A C E 用已知电压来补偿未知电压，使测量线路的电流用已知电压来补偿未知电压，使测量线路的电流等于零。用这种方法测量电压比较精确，因为没有电等于零。用这种方法测量电压比较精确，因为没有电流通过测量线路，也就不存在线路电阻影响问题。流通过测量线路，也就不存在线路电阻影响问题。 E Ex x为被测电压，线性度很高的线绕电阻为被测电压，线性度很高的线绕电阻R R与与稳压电源稳压电源E E组成一闭合回路，因此流过组成一闭合回路，因此流过R R上上的电流

7、的电流I I是恒定的，这样也就可将是恒定的，这样也就可将R R的标尺的标尺刻成电压数值；刻成电压数值；G G是一灵敏度较高的检流计。是一灵敏度较高的检流计。 测量未知电压的方法测量未知电压的方法: :调节滑动触点调节滑动触点B B的位置，的位置，使滑线电阻使滑线电阻R R在在BABA段的电阻段的电阻R RBABA上的电压降上的电压降U UBABA变化，当变化，当U UBABA=IR=IRBABA=E=Ex x时，流过检流计时，流过检流计G G的电流为零，这时触点的电流为零，这时触点B B所指示的电压值所指示的电压值即为未知电压即为未知电压E Ex x。 用这种用这种“电压平衡法电压平衡法”法测

8、量电压，由于法测量电压，由于此时流过热电偶内部及连接导线的电流为此时流过热电偶内部及连接导线的电流为零，因此线路电阻变化对测量结果无影响。零，因此线路电阻变化对测量结果无影响。 二二 电子电位差计电子电位差计 自动电子电位差计与手动电位差计的区别自动电子电位差计与手动电位差计的区别是用电子放大器代替检流计，用可逆电机是用电子放大器代替检流计，用可逆电机及一整套传动机构代替手的操作。它主要及一整套传动机构代替手的操作。它主要由测量桥路、放大器、可逆电机、同步电由测量桥路、放大器、可逆电机、同步电机、指示记录机构、稳压电源、机械传动机、指示记录机构、稳压电源、机械传动机构等构成。机构等构成。4图图

9、 电子电位差计原理图电子电位差计原理图热电偶测量桥路放大器可逆电机指示机构记录机构同步电机稳压电源 电子电位差计原理框图电子电位差计原理框图测量桥路原理图测量桥路原理图测量桥路原理图测量桥路原理图 改变滑动触点改变滑动触点在在 RP上的位置上的位置, ,可以产生不同的桥路输出电压以可以产生不同的桥路输出电压以平衡热电偶的热电势。平衡热电偶的热电势。 测量桥路原理图测量桥路原理图 RG的大小取决于测量的大小取决于测量下限的高低。下限的高低。 测量桥路原理图测量桥路原理图RM是决定仪表量程大小的电阻。是决定仪表量程大小的电阻。它的大小由仪表测量范围与所采用的热电偶分度它的大小由仪表测量范围与所采用

10、的热电偶分度号来决定。号来决定。 测量桥路原理图测量桥路原理图nPGRRIER14 把上支路的工作电流限定把上支路的工作电流限定在在4mA。测量桥路原理图测量桥路原理图 降低了测量误差。降低了测量误差。测量桥路原理图测量桥路原理图(6)(6)下支路限流电阻下支路限流电阻R3 它与它与R2配合，保证了下支配合，保证了下支路回路的工作电流为路回路的工作电流为2mA。 223RIER 自动电子电位差计的测量桥路由上、下自动电子电位差计的测量桥路由上、下两条支路组成。用电桥电路产生直流电两条支路组成。用电桥电路产生直流电压压U UCDCD的优点是可以解决仪表量程问题，的优点是可以解决仪表量程问题，实现

11、对热电势（正、负）的双向测量，实现对热电势（正、负）的双向测量，同时还能对参比端温度进行自动补偿。同时还能对参比端温度进行自动补偿。桥路中各电阻的作用如下：桥路中各电阻的作用如下： 铜电阻铜电阻R R2 2, ,装在仪表后接线板上以使其与装在仪表后接线板上以使其与热电偶冷端处于同一温度。当环境温度改变热电偶冷端处于同一温度。当环境温度改变时，铜电阻上的电压降变化量等于相应的热时，铜电阻上的电压降变化量等于相应的热电偶冷端温度变化所引起的电势变化值，起电偶冷端温度变化所引起的电势变化值，起冷端温度补偿作用。当配用镍铬镍硅热电冷端温度补偿作用。当配用镍铬镍硅热电偶时偶时R R2 2=5.33=5.

12、33；配用镍铬；配用镍铬考铜热电偶时考铜热电偶时 R R2 2= 8.92= 8.92；配用铂铑铂热电偶时；配用铂铑铂热电偶时R R2 2= = 0.740.74。 下支路限流电阻下支路限流电阻R R3 3，是一个固定电阻，是一个固定电阻，它与它与R R2 2配合，保证了下支路回路的工作配合，保证了下支路回路的工作电流为电流为2mA2mA。由于铜电阻的阻值随温度。由于铜电阻的阻值随温度而变化，所以，下支路的回路工作电流而变化，所以，下支路的回路工作电流I I2 2只有在仪表的标准工作温度（只有在仪表的标准工作温度（2525）时）时才为才为2mA2mA。电阻。电阻R R3 3的准确度直接影响到的

13、准确度直接影响到下支路电流下支路电流I I2 2的大小。因此，它的精度要的大小。因此，它的精度要求较高，一般应在求较高，一般应在0.20.2以内。以内。 上支路限流电阻上支路限流电阻R R4 4的作用是把上支路的作用是把上支路的工作电流限定在的工作电流限定在4mA4mA，即它与，即它与R Rnpnp（R RP P、R RB B、R RMM三个电阻的并联值）、三个电阻的并联值）、R RG G串联，串联，使上支路工作电流为使上支路工作电流为4mA4mA。所以，当。所以，当R Rnpnp和和R RG G的数值确定后，的数值确定后，R R4 4的电阻值也就确的电阻值也就确定了。定了。 滑线电阻滑线电阻

14、R RP P，是测量系统中的一个非，是测量系统中的一个非常重要的部件，仪表的误差、灵敏度和常重要的部件，仪表的误差、灵敏度和运行的平滑性等都和滑线电阻的质量有运行的平滑性等都和滑线电阻的质量有关。因此，除了要求装配牢固外，对材关。因此，除了要求装配牢固外，对材料的性能要求很高，尤其对滑线电阻的料的性能要求很高，尤其对滑线电阻的线性度要求更高，在线性度要求更高，在0.50.5级的仪表中，希级的仪表中，希望能把非线性误差控制在望能把非线性误差控制在0.20.2范围内。范围内。由于工艺上的原因，由于工艺上的原因， R RP P很难绕制得十分很难绕制得十分精确，其数值也不便增减，为此，和精确，其数值也

15、不便增减，为此，和R RP P并联一个电阻并联一个电阻R RB B（称为工艺电阻），并（称为工艺电阻），并联后其数值为联后其数值为9090，这样，把两个电阻，这样，把两个电阻作为整体来考虑，便于统一规格和成批作为整体来考虑，便于统一规格和成批生产生产 量程电阻量程电阻R RMM是决定仪表量程大小的电是决定仪表量程大小的电阻。它的大小由仪表测量范围及所配用阻。它的大小由仪表测量范围及所配用的热电偶分度号来决定。电阻的热电偶分度号来决定。电阻R RMM与滑线与滑线电阻并联，电阻并联，R RMM越大，它从上支路回路工越大，它从上支路回路工作电流作电流I I1 1中所分流出的电流中所分流出的电流I I

16、MM越小，仪表越小，仪表的量程就越大；反之，的量程就越大；反之，R RMM越小，其量程越小，其量程也就超小。因此，如果要制作不同量程也就超小。因此，如果要制作不同量程的仪表，只需改变的仪表，只需改变R RMM、R RG G和和R R4 4的阻值，的阻值，滑线电阻滑线电阻R RP P和工艺电阻和工艺电阻R RB B则不需要改变。则不需要改变。 始端（下限）电阻始端（下限）电阻R RG G的大小取决于测量的大小取决于测量下限的高低。当滑动触点下限的高低。当滑动触点C C向左移至滑线电向左移至滑线电阻的起点阻的起点F F时，桥路的输出电压时，桥路的输出电压U UCDCD应该等应该等于温度为标尺下限时

17、的热电势值。于温度为标尺下限时的热电势值。R RG G越大，越大，在下限时的在下限时的U UCDCD也越大，即测量下限越高，也越大，即测量下限越高，反之亦然。反之亦然。三三 测量电桥测量电桥 电桥是测量电阻、电容和电感的电路，通电桥是测量电阻、电容和电感的电路，通常采用直流电桥来测量电阻的大小常采用直流电桥来测量电阻的大小1用手动平衡电桥测量热电阻用手动平衡电桥测量热电阻 电桥平衡时电桥平衡时 c、d两点间电位差两点间电位差为为0，检流计中无电，检流计中无电流通过，有流通过，有当当R2=R31用手动平衡电桥测量热电阻用手动平衡电桥测量热电阻R1为带刻度的滑线为带刻度的滑线电阻，电桥达到平电阻，

18、电桥达到平衡（即检流计衡（即检流计G中中的电流为零）时，的电流为零）时，滑动触点的位置可滑动触点的位置可确定热电阻阻值。确定热电阻阻值。1用手动平衡电桥测量热电阻用手动平衡电桥测量热电阻存在的问题：存在的问题：Rt与与R1和和RL都有关系，都有关系，而而RL与温度有关与温度有关。改进：采用三线制改进：采用三线制 电桥的平衡条件：电桥的平衡条件：2 用不平衡电桥测量热电阻用不平衡电桥测量热电阻通过动圈表的电通过动圈表的电流只是流只是Rt的函数，的函数，动圈表指针的偏动圈表指针的偏转角就代表转角就代表Rt的的大小大小 数显仪表普遍采用中、大规模集成电路，数显仪表普遍采用中、大规模集成电路，线路简单

19、，可靠性好，耐振性强。由于仪表线路简单，可靠性好，耐振性强。由于仪表采用模块化设计方法，即不同品种的数显仪采用模块化设计方法，即不同品种的数显仪表都是由为数不多的、功能分离的模块化电表都是由为数不多的、功能分离的模块化电路组合而成，因此有利于制造、调试和维修，路组合而成，因此有利于制造、调试和维修，降低生产成本。数显仪表品种繁多，配接灵降低生产成本。数显仪表品种繁多，配接灵活，可输入多种类型测量信号，输出统一标活，可输入多种类型测量信号，输出统一标准的电流信号（准的电流信号（0 010mA10mA直流电流或直流电流或4 420mA20mA直流电流）和报警信号。直流电流）和报警信号。第三节第三节

20、 数字式显示仪表数字式显示仪表 模拟式显示仪表中的信号都是随时间连续模拟式显示仪表中的信号都是随时间连续变化的模拟量，如用热电偶测温度，热电变化的模拟量，如用热电偶测温度，热电势是连续变化的模拟量。其中的测量电桥、势是连续变化的模拟量。其中的测量电桥、放大器等都是模拟电路，与其相应的显示放大器等都是模拟电路，与其相应的显示方式是标尺、指针、记录笔画曲线等。而方式是标尺、指针、记录笔画曲线等。而数字式显示仪表也是先用传感器将待测变数字式显示仪表也是先用传感器将待测变量如压力、物位、流量、温度等转换成相量如压力、物位、流量、温度等转换成相对应的物理量，一般为电信号，再经模对应的物理量，一般为电信号

21、，再经模数转换（数转换（ADCADC）成数字信号（脉冲信号），）成数字信号（脉冲信号），由数字电路处理后直接以数字形式显示被由数字电路处理后直接以数字形式显示被测结果。测结果。 一原理与基本组成一原理与基本组成 数字式显示仪表一般应具备模数转换数字式显示仪表一般应具备模数转换（ADC）、非线性补偿、标度变换三部分。）、非线性补偿、标度变换三部分。 一原理与基本组成一原理与基本组成17二模数转换二模数转换 双积分ADC的基本原理是对输入模拟电压和参考电压分别进行两次积分，将输入电压平均值变成与之成正比的时间间隔，然后利用时钟脉冲和计数器测出此时间间隔，进而得到相应的数字量输出。由于该转换电路是对

22、输入电压的平均值进行变换，所以它具有很强的抗工频干扰能力，在数字测量中得到广泛应用。 工作过程分两步：工作过程分两步： 采样积分时间：采样积分时间：K1闭合，闭合，Ui通过通过R向向C充电，充电，充电时间长度为充电时间长度为t1 工作过程分两步：工作过程分两步： 比较测量时间比较测量时间t2： K1 断开，断开，K2闭合，闭合，UB通过通过R向向C反充电，计数开始，反充电，计数开始，C上电压开始下降；上电压开始下降； C上电上电压过零时计数停止，压过零时计数停止， K2断开，断开， K3闭合使闭合使C电荷清电荷清零。零。 输入电压越大，输入电压越大，t2时间间隔越大，计数器所时间间隔越大，计数器所计的数也越大。从而完成了模数转换计的数也越大。从而完成了模数转换三电信号的标准化与标度变换三电信号的标准化与标度变换 信号的类别不同，电平高低相差悬殊。信号的类别不同，电平高低相差悬殊。 信号的标准化信号的标准化:将不同性质的信号或不同电将不同性质的信号或不同电平的信号统一起来，称为信号的标准化平的信号统一起来