第04章常用显示和记录仪表

热加工测控技术电子教案—第4章材料科学与工程学院9/17/2023本章知识框架本章主要内容4.1磁电动圈式仪表4.5无纸记录仪4.3自动平衡记录仪4.4数字式显示仪表4.2直流电位差计9/17/20234.1磁电动圈式仪表

磁电动圈式仪表按其功能可分为指示型、指示调节型和记录型三种。我国的XC系列磁电动圈式仪表仅发展前两种，XCZ为指示型仪表，XCT型为指示调节型仪表，两种仪表如图4.1所示。图4.1磁电动圈式仪表9/17/20234.1.1磁电动圈式仪表的结构和工作原理图4.2是XCT-101型仪表的基本结构图，它由测量指示指机构和电子调节结构两大部分组成。测量指示机构包括测量电路及动圈测量结构；电子调节机构包括偏差检测机构和电子调节电路。图4.2XCT-101型仪表的基本结构1-永久磁铁；2-张丝；3-动圈；4-铝旗；5-检测线圈；6-指针；7-标尺；8-振荡器；9-继电器；10-热电偶；11-电阻炉；12-设定指针9/17/2023磁电动圈式仪表的结构和工作原理1.测量指示机构测量机构的工作原理XCT-101型仪表的测量机构及其工作原理与一般磁电式直流毫伏计相同，均由一个磁电系表头（动圈式测量机构）和测量电路组成。表头中的动圈处于永久磁钢形成的磁场中，当动圈中有电流I通过时，将产生一电磁力矩M，同时使张丝扭转一定角度，当张丝的扭矩M0与电磁力矩M相等时，动圈将会停留在某一偏转角α，α正比于流过动圈的电流I，即正比于热电偶的热电势Et(T,T0)：式中，C为仪表灵敏度系数；RZ为测量电路总电阻。9/17/2023磁电动圈式仪表的结构和工作原理动圈式仪表的标尺一般是把热电势换算成温度值进行刻度，因此，可以从标尺上直接读出所测温度值。由于不同分度号的热电偶的温度—热电势关系不同，所以一种规格的仪表只能配接一种分度号的热电偶。每种仪表的标尺上都注有配接热电偶的分度号（如K、S等），使用时应特别注意。测量电路工作原理动圈式仪表的总电阻RZ是电路内阻RI和外阻Ro的总和。内阻RI包括动圈电阻Rd、温度补偿电阻Rt1、和量程电阻Rm；外阻Ro包括热电偶电阻Rw和连接导线电阻R2。各电阻之间的关系见图4.3。9/17/2023磁电动圈式仪表的结构和工作原理图4.3测量电路电阻示意图仪表指针的偏转角α为：为了保证示值与热电偶输出的热电势Et(T,T0)成正比，必须保证内阻RI和外阻Rd均为常数。而实际应用中，Ro中的动圈电阻会随环境温度的升高而增大，也可能因所选热电偶尺寸不同及热电偶与仪表间距离不同（连接导线长短不一样）而改变。9/17/2023磁电动圈式仪表的结构和工作原理2.电子调节电路和断偶保护电路电子调节电路电子调节电路的作用是使仪表在测量温度的同时，根据测的的温度与要求的温度的偏差，控制电阻炉加热与否，从而使温度稳定在要求的数值上。图4.4XCT-101型仪表电子调节电路原理图9/17/2023磁电动圈式仪表的结构和工作原理断偶保护电路在生产中，磁电动圈式仪表的外电阻可能因连接不可靠或无意触碰而断路，当发生断偶现象后，仪表内的动圈就不可能有电流输入，动圈和指示指针就不会发生偏转，这样，振荡器就一直处于振荡状态，继电器断电，其触点闭合，控制的电阻炉始终处于加热状态。当炉温超过规定的温度时，由于不能自行断电而继续加热，这样可能将炉子烧坏甚至发生安全问题，这是十分危险的，为此需要设置断偶自动保护电路。9/17/2023磁电动圈式仪表的结构和工作原理图4.5XCT-101型仪表的断偶自动保护电路原理图在热电偶未断时，由于断偶保护线路中的Dp对测量电路来说处于反接状态，并且1与2端电阻值基本上等于热电偶回路的电阻值Ro，对二极管短路，同时由于Rp和Cp的阻抗都很大，因此，在1与2端之间仅有极微小的交流电压，对正常测量没有影响。9/17/2023磁电动圈式仪表的结构和工作原理当热电偶断线后，Ro→∞，由于Ri阻值较大（一般大于200Ω），起不到对二极管Dp短路的作用，并且Dp的正反向电阻相差很大，因此，1与2端的电阻值对交流的正负半周是不同的。正半周时，2端为正而1端为负，此时电阻值很小（基本上是Dp的正向电阻值），12V的交流电源对Cp充电；负半周时，1端为正而2端为负，此时电阻值很大，被充了电的Cp以较慢的速度放电。这就使1、2两端间出现直流电压，1端为正，2端为负，在测量回路中与热电偶电势方向相同，数值大很多，必然会驱动动圈偏转直到铝旗进入检测线圈L3中，使继电器断电，切断电阻炉电源，避免发生事故。9/17/2023动圈式仪表使用时应注意的问题

外线电阻必须符合仪表要求。配接热电偶的动圈式仪表的外线电阻是指热电偶电阻、补偿导线电阻、冷端补偿器电阻以及外线调整电阻的总和。值得注意的是，热电偶电阻是指它在正常工作温度时的热态电阻，这一点对铂铑-铂热电偶尤为重要。如1m长的铂铑-铂热电偶，插入炉内深度0.5m，在0℃时的电阻为1Ω，而在1300℃时的电阻为5Ω左右。机械零点的正确调整。当同时使用补偿导线和冷端补偿器时，机械零点调在指定的刻度（一般为20℃）上，如果只用补偿导线，则机械零点应调在仪器所处的环境温度上。正确接线。测量线、控制线、电源线均应正确地接在仪表背部相应的接线端子上，应特别注意补偿导线的极性不可接反。电源线的中线接在“0”端子上。标有“接地”符号的端子应可靠接地，不允许与电源中线混接。9/17/20234.2直流电位差计

采用指示仪表测量电流、电压时，其精确度只能达到0.1%，无法满足工程上某些高精度测量的要求。目前，直流电位差计的准确度可达到0.0050%~0.0001%，因此，广泛用于准确度要求较高的电测量与非电测量中。手动直流电位差计如图4.6所示，因其所测电量为直流量，靠手动实现电路平衡而得名，它除用作测量直流电势的精密仪表外，还可用作直流电势源。图4.6直流电位差计实物图9/17/20234.2.1直流电位差计的组成和工作原理

图4.7直流电位差计原理图整个电路由三部分组成，①由工作电源E、调节电阻R、固定电阻Rn和可调电阻Ra组成工作电路；②由标准电池En、固定电阻Rn和检流计G组成的工作电流校准电路；③由被测电势Ex、补偿电压Uox、检流计G组成的测量电路。工作时，首先用标准电池En来校正工作电流，将开关K倒向位置1，检流计G接到标准电池En一边，调节电阻R使通过检流计G的电流为零，此时表明标准电池En的电势和固定电阻Rn上的电压降相互补偿，因此可得：9/17/2023直流电位差计的组成和工作原理然后将开关K拨向位置2，这时检流计接到被测电势一边，调节Ra上滑动触头x，使检流计G再次指零，因为滑动触头并不影响工作电路中电阻的大小，所以工作电流保持不变。这样就可以使被测电势Ex与已知标准电阻Ra上ox段压降Uox相补偿，即有如下关系式成立：式中，Rox为Ra上ox段的电阻值由于标准电池En的电动势是稳定的，因此选用一定大小的Rn将使工作电流具有一定的额定值，电阻Ra上的分度可用电压来表明，也就可以直接读出被测电动势Ex的大小。9/17/20234.2.2直流电位差计的线路从直流电位差计的工作原理可知，被测电动势与Rox大小成正比，为了准确测量被测电动势值，要求Rox不但制造准确，而且能获得与电位差计准确度相应的读数精度。如果Ra选用滑线电阻，其读数最多能达到三位数字，这显然不够精确，为此常常采用一些专门线路，其中用得较多的有代换式十进盘线路和分路式十进盘线路，十进盘线路是电位差计的基本线路。1.代换式十进盘线路代换式十进盘线路见图4.8，图中补偿电压就是图4.7中的Uox

。电流I调好后，补偿电压取决于R1、R2、R3和R4的读数。而R1、R2、R3和R4由9个相同的电阻组成，各组电阻间彼此相差10倍，当然各组元件上的电压降也相差10倍，因此可从四个十进盘上读出四位补偿电压值。9/17/2023直流电位差计的线路图4.8代换式十进盘线路R1和R4的调节对工作电流没有影响，为了使R2和R3调节时对工作电流也无影响，可在线路中相应的接入R2´和R3´，R2´与R2、R3´与R3联动。R2和R3电阻的接入个数与R2´和R3´电阻的切除个数相等，从而保证在调节R2和R3的过程中，工作电路的总电阻没有变化。若需要进一步提高精度，将联动的代换式十进盘的盘数增加即可。9/17/2023直流电位差计的线路2.分路式十进盘线路分路十进盘线路见图4.9。图中R1由11个相同的电阻r组成，通过的电流为I，每个元件上的电压为I·r。R2由9个相同的电阻r组成，R2的两端可借助固定的一对触头P1和P2接到的任一电阻r上，通过R2的电流为0.1I，每个元件上的电压为0.1I·r

。R3由11个相同的电阻0.01r组成，通过R3的电流为I，每个元件上的电压降为0.01I·r。R4由9个相同的电阻0.01r组成，的两端可借助固定的一对触头P3和P4接到的任一电阻0.01r上，通过R4的电流为I，每个元件上的电压为0.001I·r。9/17/2023直流电位差计的线路图4.9分路十进盘线路只要改变触头位置，就可以在X和X`端得到连续变化的四位数补偿电压值，而且不论所有触头的位置如何，工作回路总电阻保持不变，从而保证了工作电流在整个调节过程中恒定不变。如果在R2和R4上进一步采取十进盘线路，读数精度还可提高。9/17/20234.2.3直流电位差计的分类及精度等级

1.分类手动直流电位差计根据测量回路阻值大小可分为高阻电位差计和低阻电位差计。测量回路电阻为1000Ω/V以上（工作电流为以下）的电位差计是高阻电位差计，如UJ-25、UJ-9/1型等。这种电位差计适用于测量内阻比较大的电源电动势（如标准电池电势）以及较大电阻上的电压降等。由于工作电流小，线路灵敏度低，因此需配用高灵敏度的检流计。测量回路电阻为1000Ω/V以下（工作电流回路的电流大于）的电位差计是低阻电位差计，如UJ-1、UJ-2、UJ-5、UJ-31型等。这种电位差计适用于测量较小电阻上的电压降以及内阻较小的电源电动势（如热电偶输出的热电势）。这种电位差计的工作电流大，线路灵敏度较高，但需要容量较大的电源来维持稳定工作。9/17/2023直流电位差计的分类及精度等级根据国家有关规定，直流电位差计的精度等级可分为0.005、0.01、0.02、0.05、0.1和0.2等六级。2.精度等级9/17/20234.3自动平衡记录仪

4.3.1自动平衡记录仪的结构和工作原理自动平衡记录仪如图4.10所示，它是一种能够连续显示和记录被测参数变化情况的仪表，有时也称为电子电位差计。图4.10常见自动平衡记录仪9/17/20234.3.1自动平衡记录仪结构和工作原理各种自动平衡记录仪的基本结构和工作原理大致相似。主要由测量电桥、放大电路、可逆电机、指示记录机构等部分组成。图4.11自动平衡记录仪工作原理方框图9/17/2023自动平衡记录仪结构和工作原理将热电偶输入的直流电动势（即热电势）与电桥两端的直流电压相比较，比较后的差值电压（即不平衡电压）经放大器放大后，输出足以驱动可逆电机的功率。可逆电机通过一组传动系统带动指示机构和测量电桥中滑线电阻相接触的滑动臂，从而改变滑动臂与滑线电阻的接触位置，直到电桥与热电偶输入信号两者平衡为止。此时放大器便无功率输出，可逆电机停止转动，与此同时电桥处于平衡状态。若热电偶的热电势再度改变，则又产生新的不平衡电压，再经放大器放大，驱动可逆电机，改变滑动臂与滑线电阻的位置，直至达到新的平衡点为止。和滑动臂相连的指示机构沿着有分度的标尺滑行，滑动臂的每一个平衡位置对应于指针在标尺上的某一确定读数。9/17/20234.3.2自动平衡记录仪的测量电路

自动平衡记录仪的测量电路见图4.12。图中电阻、、和电容、、构成的滤波电路可以消除热电偶电路上的干扰信号。图4.12自动平衡记录仪的测量电路原理图9/17/20234.3.3自动平衡记录仪的校验

对于自动平衡记录仪，一般用UJ-1型或UJ-31型电位差计进行校验。在校验之前应初步检查被校仪表的各部分是否完好。校验过程如下：首先将被校仪表的输入端子用补偿导线引出送入冰水槽的小试管里（试管中盛变压器油），通过铜导线与手动电位差计的信号输出端子相接。此时被校仪表输入端的电势值已经自动减掉了补偿导线产生的热电势，因此被校仪表应能指示出相应于手动电位差计输出电势的刻度值。应该注意的是，用手动电位差计做电势信号源时，其检流计应短路，以防损坏。9/17/20234.4数字式显示仪表

前面介绍的动圈式仪表及电位差计都是通过指针的直线位移或角位移来显示被测温度，称为模拟式仪表。而数字式显示仪表则是以数字量的方式显示出被测值，具有测量精度高、灵敏度高、显示速度快等优点。这类仪表主要包括数字式温度显示仪表、数字式压力显示仪表及流量显示仪表等，如图4.13所示。后二者一般配接压力变送器或差压变送器（或其他压力、流量传感器），这类传感器的输出信号多为0~10mA或4~20mA的直流标准信号，其输出与输入之间的线性较好，因此数字显示仪表的输出（即显示值）与输入（即传感器输出）之间的关系也可为线性的，仪表的组成较简单。9/17/20234.4数字式显示仪表图4.13数字式显示仪表数字式温度显示仪表一般直接配接热电偶或热电阻等其他温度传感器，因温度传感器本身为非线性的，因此，仪表内部需增加进行非线性补偿的电路，以使显示值能准确地反映被测原始物理量温度，故结构稍复杂些。9/17/20234.4.1数字式显示仪表的组成和原理

数字式显示仪表的组成一般包括前置放大、模拟/数字（A/D）转换、非线性补偿、标度变换及显示装置等部分，其组成框图见图4.14。图4.14数字式显示仪表组成方框图9/17/2023数字式显示仪表的组成和原理被测参数经检测元件和变送器转换成相应的电信号后，首先输入到数字式显示仪表的前置放大器进行放大，然后经A/D转换成为数字信号。由于输入到前置放大器输入端的电模拟量与被测变量之间可能具有非线性关系，而仪表显示的数字量与被测变量之间应是一一对应的比例关系，所以，在数字式显示仪表中设有非线性补偿和标度变换环节，以便对测量信号进行线性化处理和对各种比例系数进行标度变换。经过上述处理的数字信号送往显示器中进行显示，或通过打印机打印记录下来，也可送往报警系统或以数码形式输送给其他计数装置。对于具体仪表而言，也可以先进行线性化处理和标度变换，然后再进行A/D转换；还可以将A/D转换与非线性补偿同时进行，然后冉进行标度变换，最后再送往显示器。9/17/2023数字式显示仪表的组成和原理由于前置放大器直接影响整机指标，因此其性能是否良好很重要。一般用于数字显示仪表的放大器需满足以下几点：①线性度要好；②具有高精度和高稳定性的放大倍数；③有高输入阻抗和低输出阻抗；④零漂移和噪声要小；⑤抗于扰能力要强；⑥具有较快的反应速度和过载恢复时间。9/17/20234.4.2数字式显示仪表举例

国产的数字式显示仪表种类很多，其中配热电偶的数字式温度表是最为常用的一种。它能接受各种热电偶所给出的热电势，直接以四位或五位数字显示出相应的温度数值，同时能给出所示温度的机器编码信号，供给打印机打印记录或屏幕显示；还可以提供所示温度为1mV/℃的模拟电压信号供温度调节器用。图4.15配热电偶的数字式温度表原理示意图被测参数首先由各种热电偶检测出来，并转换成电信号（热电势），经放大、线性化处理和标度变换后、送至A/D转换器，转换成数字信号存放到寄存器，最后经数字字符七段码译码后由数码管显示出相应的被测温度数值来，这里，线性化处理也可放在A/D转换后再进行。9/17/20234.4.3微机化数字显示仪表

图4.16微机化数字显示仪表原理框图首先由微处理器CPU发出切换控制信号，该信号经输入、输出接口IO控制有多路选通输入的A/D，选通某一被测参数信号。输入信号经变换电路后送至A/D转换电路，再经I/O输入到CPU进行数据处理。经过数据处理后的信号送到显示缓冲单元。轮流地被取到数码显示器进行动态数字显示；也可启动打印机进行打印记录；还可将输入信号存放在RAM存储器，或者经过D/A转换器转换后输出模拟量。9/17/20234.5无纸记录仪

无纸记录仪是以CPU为核心、采用液晶显示的记录仪，如图4.17所示。它采用常规仪表的标准尺寸，是简易的图像显示仪表，属于智能显示仪表的范畴。图4.17几种常见无纸记录仪9/17/2023无纸记录仪无纸记录仪的特点：无纸记录仪无纸、无笔，内部无任何传统记录仪的机械传动部件，避免了纸和笔的消耗与维护；它内置了大容量的存储器RAM，可以存储多个变量的历史数据，将记录信号转化成数字信号后，送入存储器保存并在大屏液晶显示器上加以显示；它能够显示过程变量的百分值和工程单位的当前值、历史趋势曲线、报警状态、流量累计值等，提供多个变量的同时显示；可对记录信号在显示屏上随意放大或缩小，必要时可与计算机连接将数据进行打印或进一步处理。9/17/20234.5.1无纸记录仪的基本结构

无纸记录仪的结构原理框图见图4.18，主要由主机板、LCD图形显示屏、键盘、供电单元、输入处理单元等部分组成。图4.18无纸记录仪的结构原理框图9/17/2023无纸记录仪的基本结构主机板是无纸记录仪的核心部件，包括中央处理单元CPU和只读存储器ROM及随机存储器RARM等。CPU包括运算器和控制器、实现对输入变量的运算处理，并负责指挥协调无纸记录仪的各种工作；ROM和RAM是无纸记录仪必备的数据信息存储装置，ROM中存放支持仪表工作的系统程序和基本运算处理程序，如滤波处理、开方运算、线性化、标度变换等程序，这些程序已由生产厂家固化在存储器中，用户不能更改；RAM中存放过程变量的数值，包括输入处理单元送来的原始数据、CPU中间运算值和变量工程单位数值，其中主要是过程变量的历史数据。9/17/20234.5.2记录仪的界面显示

某种无纸记录仪的显示界面见图4.19，它的操作画面可以充分发挥其图像显示的优势，实现多种信息的综合显示。图4.19某种无纸记录仪的显示界面9/17/2023记录仪的界面显示通常无纸记录仪可以显示的内容有：过程变量的数字形式双重显示，即同一变量既能以工程单位数值显示，又能以百分数形式显示；能够显示变量的实时趋势和历史趋势，通过时间选择，可查看某段时间内变量的变化情况；以棒图形式显示变量的当前值和报警设定值，便于远距离观察；对各通道变量的报警情况进行突出显示。9/17/2023记录仪的界面显示记录仪的界而显示可以根据需要设定单通道显示或多通道显示。1.单通道显示单通道显示是无纸记录仪使用中常用的显示方式，图4.19为实时单通道显示界面，其周围已标明各显示区的功能。最下部为各种操作按键，它们的作用分别为：“追忆”键为左右双键。每按一次