儀表與檢測(cè)課件-顯示儀表

4.顯示儀表顯示儀表的主要功能：顯示工業(yè)生產(chǎn)的工作狀態(tài)：實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，趨勢(shì)曲線，報(bào)警指示等;記錄生產(chǎn)過(guò)程參數(shù)，歷史數(shù)據(jù).電子顯示儀表分類(lèi)：模擬式直接變換式（物理原理）平衡式（電位差計(jì)、自動(dòng)平衡電橋）電子顯示儀表數(shù)字式屏幕顯示虛擬顯示計(jì)算機(jī)顯示基本特點(diǎn)：模擬式以指針，光柱條或記錄筆的偏轉(zhuǎn)角或位移量等易于精確觀察的物理量來(lái)顯示被測(cè)變量連續(xù)變化的儀表。數(shù)字式

將連續(xù)變化的被測(cè)參數(shù)模擬量變換為離散的數(shù)字量并以數(shù)碼形式顯示的儀表。屏幕顯示與虛擬顯示屏幕顯示顯示設(shè)備：配有專(zhuān)門(mén)數(shù)據(jù)采集處理接口和其他附加裝置的計(jì)算機(jī)。功能：直接把工藝參數(shù)用文字、符號(hào)、數(shù)字和圖像配合的形式在屏幕上進(jìn)行顯示,是綜合集中控制必不可少的顯示裝置。特點(diǎn)：由功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)取代實(shí)際的顯示儀表，與高性能通訊和多媒體處理技術(shù)集成組成功能強(qiáng)大的監(jiān)控系統(tǒng)。

4.1模擬式顯示儀表4.1.1組成及特點(diǎn)1）直接變換式儀表原理結(jié)構(gòu)圖特點(diǎn)：靈敏度和相對(duì)誤差靈敏度：相對(duì)誤差：線性度不好需要全部構(gòu)成單元為線性單元，或非線性相互抵消。精度較低需盡量降低各部件單元的誤差或減少過(guò)程單元（環(huán)節(jié)）數(shù)量。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量輕，尺寸小，廉價(jià)。2）平衡式儀表①有差隨動(dòng)式儀表原理結(jié)構(gòu)圖特點(diǎn)有差性前向通道是一個(gè)針對(duì)差值信號(hào)的放大器，為驅(qū)動(dòng)顯示儀輸入必不能為0值,即

Fx–Fy=△F≠0誤差主要取決于反饋回路(見(jiàn)3.1檢測(cè)儀表)

設(shè)定：δK：前向通道相對(duì)誤差；δβ：反饋通道相對(duì)誤差有：δS≈-δβχ相對(duì)不平衡度：相對(duì)平衡度：靈敏度：取對(duì)數(shù)求導(dǎo)：反應(yīng)快反饋回路是一比例環(huán)節(jié)時(shí)，測(cè)量線路呈比例特性動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性較差

Kβ很大，易于引起系統(tǒng)的自激振蕩。儀表精度不高主要原因是專(zhuān)門(mén)的顯示環(huán)節(jié)的相對(duì)誤差的引入。②無(wú)差隨動(dòng)式儀表結(jié)構(gòu)原理圖特點(diǎn)：前項(xiàng)通道具有積分特性可逆電機(jī)相當(dāng)于一個(gè)積分環(huán)節(jié)，保證平衡時(shí)比較環(huán)節(jié)輸出為0值，即無(wú)差精度高無(wú)需單獨(dú)的顯示環(huán)節(jié)，減少誤差引入項(xiàng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性不好可逆電機(jī)的引入相當(dāng)于在前向通道中加入一個(gè)積分環(huán)節(jié)的二階對(duì)象，積分的引入不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定性。量程窄4.1.2

動(dòng)圈式顯示儀表動(dòng)圈式顯示儀表實(shí)際上是一塊毫伏電壓表，可以直接顯示直流毫伏電壓。1）儀表構(gòu)成

根據(jù)動(dòng)圈儀表的工作原理可知，動(dòng)圈的偏轉(zhuǎn)角與流過(guò)動(dòng)圈的電流成正比，即

其中，c測(cè)量機(jī)構(gòu)的電流靈敏度；E(t,t0)熱電偶（溫度測(cè)量）輸出的電勢(shì)；是測(cè)量回路的總電阻。因此，為使偏轉(zhuǎn)角與熱電勢(shì)成正比，必須為常數(shù)。2）測(cè)量線路各電阻作用：RT//RB：溫度補(bǔ)償電阻組其中RT：熱敏電阻（具有負(fù)溫度系數(shù)），RB：錳銅電阻.

R串：量程電阻（錳銅），用于調(diào)節(jié)量程（保證動(dòng)圈的滿程電流）。R并：阻尼調(diào)整電阻（錳銅），增大動(dòng)圈電阻與外界電阻的比例關(guān)系，保證動(dòng)圈的阻尼電流。一般只有在配熱電阻的調(diào)節(jié)儀表中應(yīng)用。

為使測(cè)量準(zhǔn)確，維持測(cè)量回路總電阻不變，規(guī)定外線路電阻：其中，增加R調(diào)（附加外線路電阻)，保證15Ω.誤差：基本誤差變差：由可動(dòng)部分的摩擦及間隙引起。不完全平衡誤差：由可動(dòng)部分重心不合或變形引起的誤差。（重力矩誤差）刻度與調(diào)整誤差：刻度不準(zhǔn)，以及標(biāo)尺安裝不準(zhǔn)確。附加誤差：使用條件不符合規(guī)定條件引起的誤差。動(dòng)圈儀表配具有溫度補(bǔ)償?shù)臒犭娕紲y(cè)量電路（1）動(dòng)圈儀表配熱電阻測(cè)量電路（2）4.1.3

自動(dòng)平衡式電子電位差計(jì)典型的平衡式測(cè)量?jī)x表；能與輸出為電勢(shì)的各種檢測(cè)元件配合，用于測(cè)量（顯示）及記錄。1）工作原理調(diào)整測(cè)量電橋的輸出與被測(cè)信號(hào)平衡，獲得被測(cè)量信號(hào)值。①手動(dòng)電位差計(jì)標(biāo)準(zhǔn)電池高精度檢流表標(biāo)準(zhǔn)電阻單刀雙擲開(kāi)關(guān)

被測(cè)信號(hào)

電源開(kāi)關(guān)

直流電源

操作步驟

a.調(diào)準(zhǔn)工作電流：合上開(kāi)關(guān)S1，將開(kāi)關(guān)S扳向位置“1”；調(diào)節(jié)RB的大小，直到檢流計(jì)G指向零。此時(shí)電流I

經(jīng)過(guò)RK所產(chǎn)生的電壓降與標(biāo)準(zhǔn)電池的電壓ES正好相等，有工作電流：EsSExS1E12GRkabRBRPIb.

測(cè)量未知電勢(shì)將S扳到位置“2”，滑動(dòng)Rp的觸點(diǎn)，直到檢流計(jì)G指向零，此時(shí)有被測(cè)電勢(shì)Ex的大小可在滑觸點(diǎn)b上直接讀出。電位差計(jì)工作：用已知的電位差(Uab)平衡(補(bǔ)償)未知被測(cè)電勢(shì)(Ex)而實(shí)現(xiàn)對(duì)未知電勢(shì)的測(cè)量。自動(dòng)平衡式電子電位差計(jì)的必備條件：穩(wěn)定的工作電流；必須有檢測(cè)已知電位差與被測(cè)電勢(shì)是否達(dá)到平衡的檢流計(jì)G；必須根據(jù)檢流計(jì)偏轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)滑線電阻使電橋輸出與被測(cè)電勢(shì)平衡。穩(wěn)壓電源

調(diào)制解調(diào)放大器可逆電機(jī)②自動(dòng)平衡電子電位差計(jì)原理熱電偶橋臂電阻（補(bǔ)償電阻）起始電阻量程電阻工藝電阻滑線電阻上支路電阻下支路電阻放大器可逆電機(jī)熱電偶放大器可逆電機(jī)同步電機(jī)測(cè)量橋路指示機(jī)構(gòu)記錄機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)+—2）測(cè)量橋路①支路電流上支路：4mA

下之路：2mA②電阻的作用R3：下支路限流電阻，是一固定值，用錳銅絲繞制。與R2配合，保證下支路在25℃時(shí)工作電流為2mA。

R3的準(zhǔn)確與否直接影響到下支路電流I2的大小，因此對(duì)它的準(zhǔn)確度有較高的要求，一般在±0.2％以?xún)?nèi)。R4：上支路限流電阻，用錳銅絲繞制。與Rnp(Rp、RB和RM三個(gè)電阻并聯(lián)后的等效電阻)、RG串聯(lián)，使上支路電流為4mA。電阻R4的偏差允許達(dá)到±0.5％.

RG：起始電阻，與R2確定儀表測(cè)量的下限值。R2：橋臂電阻，與RG共同保證儀表適應(yīng)于不同的測(cè)量下限值要求，同時(shí)與熱電偶配合時(shí)亦作為冷端溫度補(bǔ)償電阻。儀表輸出描述式：測(cè)量值為儀表下限值場(chǎng)合有，即Rp：滑線電阻，平衡調(diào)整電阻。

Rp的精度和制造質(zhì)量直接影響儀表的質(zhì)量（示值及記錄誤差、變差、靈敏度，儀表運(yùn)行的平滑性等）。因此，對(duì)其在耐磨性、抗氧化性、接觸可靠性，絕緣性能以及滑線電阻的非線性度均有較高要求。（0.5級(jí)表中應(yīng)用的滑線電阻的非線性度要求控制在0.2%以?xún)?nèi)).RB：工藝電阻，保證Rp//RB=90Ω.RM：量程電阻，某一確定的RM電阻值限定了儀表的量程范圍。為了便于儀表量程的調(diào)整，RM電阻一般由兩個(gè)電阻R’M與rM

串聯(lián)構(gòu)成。③儀表量程：

其中：Rnp：RP、RB、RM電阻并聯(lián)等效電阻。設(shè)被測(cè)電勢(shì)為上限值，則有：3）測(cè)量橋路設(shè)計(jì)任務(wù)：根據(jù)擬定的橋路形式和測(cè)量范圍等已知條件，計(jì)算出測(cè)量橋路中各橋臂電阻的阻值。Ⅰ、配熱電偶的電子電位差計(jì)的測(cè)量橋路設(shè)計(jì)主要考慮熱電偶冷端溫度的自動(dòng)補(bǔ)償問(wèn)題，因而采用銅補(bǔ)償電阻Rcu代替一般電子電位差計(jì)中的橋臂電阻R2.如圖：

假定與要求：測(cè)量橋路中的穩(wěn)壓電源為1V，在負(fù)載有微小變化時(shí)，認(rèn)為電源電壓不變。當(dāng)冷端溫度補(bǔ)償電阻阻值隨溫度變化時(shí)，將使下支路中的電流I2也隨之改變。在計(jì)算中應(yīng)考慮這一因素。熱電偶冷端溫度變化，會(huì)引起附加電勢(shì)，該電勢(shì)存在著非線性，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，采用線性近似。標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境溫度t0等于標(biāo)準(zhǔn)室溫(20℃)加上儀表本身的溫升。如對(duì)晶體管儀表，t0=20℃+5℃=25℃。儀表實(shí)際工作環(huán)境溫度等于實(shí)際室溫(一般為0～50℃)加上溫升，即tG=55℃(為環(huán)境可能出現(xiàn)的溫度上限)，tD=5℃(為環(huán)境可能出現(xiàn)的溫度下限)。橋路計(jì)算應(yīng)使熱電偶冷端附加電勢(shì)分別在上、下限兩點(diǎn)溫度tG、tD得到全補(bǔ)償。①下支路電阻（R3）的計(jì)算當(dāng)熱電偶冷端溫度由環(huán)境溫度下限tD變到環(huán)境溫度上限tG時(shí)，則熱電勢(shì)將減小E(tG

,tD)；而冷端溫度補(bǔ)償電阻將由變到，下支路電流將由變到，即代入上式，并考慮到，略去分母中項(xiàng)，經(jīng)整理后可得由于其中，αt0:標(biāo)準(zhǔn)溫度下銅電阻溫度系數(shù)。令:△t=tG-tD；(η稱(chēng)為下支路電阻比值)。設(shè):熱電偶電勢(shì)在tD～tG之間隨溫度線性變化，則

E(tG,,tD)=C·△t.代入上式，整理后可得C：熱電偶冷端溫度在tD～tG范圍內(nèi)的電勢(shì)與溫差的比值E：穩(wěn)壓電源的電壓標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境溫度時(shí)，流過(guò)下支路的電流(即I2)滿足因?yàn)?，則有②上支路電阻的計(jì)算量程電阻RM

設(shè)儀表的量程為△Em=E(tmax

,tmin)，當(dāng)被測(cè)溫度從下限值變到上限值時(shí)，則滑線電阻的滑觸點(diǎn)將從a’滑到a”，設(shè)RP∥RB=90Ω，則代入前式，得量程電阻RM為有RG、R4的計(jì)算：在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境溫度t0、熱電偶的熱端溫度為tmin時(shí)，滑線電阻的滑觸點(diǎn)應(yīng)位于起始端位置，且滿足則進(jìn)一步可得Ⅱ、毫伏信號(hào)測(cè)量：電子電位差計(jì)測(cè)量毫伏或毫安信號(hào)的工作原理和配熱電偶時(shí)基本相同，但不需考慮溫度補(bǔ)償，所以R2采用錳銅絲電阻。一般有：當(dāng)△Em≤100mV時(shí)，取η=1／124，即當(dāng)I2=2mA時(shí)，取R2=4Ω，R3=496Ω；當(dāng)△Em＞100mV時(shí)，取η=1／49，即當(dāng)I2=2mA時(shí)，取R2=10Ω，R3=490Ω.選定η后，其余計(jì)算步驟同上。例

已知儀表的量程為0～800℃，配用K型熱電偶，E=1V，I1=4mA，I2=2mA，環(huán)境溫度t0=25℃，tG=55℃，tD=5℃，銅電阻在0℃時(shí)的溫度系數(shù)

α0=4.25×10-3(1／℃)，λ=3％，計(jì)算各橋路電阻值。解：根據(jù)已知條件查K型熱電偶的分度表可得

E(800,25)=32.275mV，E(25,0)=1.0mV

E(55,5)=2.032mV，△Em(800,0)=33.275mV可以算得4.1.4

電橋式自動(dòng)平衡顯示儀表電橋式自動(dòng)平衡顯示儀表（簡(jiǎn)稱(chēng)自動(dòng)平衡電橋）可與熱電阻配套測(cè)量溫度，也常常用于顯示記錄其它電阻類(lèi)敏感元件對(duì)被測(cè)參數(shù)的測(cè)量值。

1）工作原理此類(lèi)儀表將電阻類(lèi)敏感元件直接接入電橋的一個(gè)橋臂，以電橋平衡的原理進(jìn)行工作。①平衡電橋原理圖

②測(cè)量橋路R2、R3、R4：橋路固定電阻;R6：起始電阻;R5：量程電阻;Rp：滑線電阻;RB：工藝電阻，其與Rp的并聯(lián)電阻為90Ω。注意：這里除滑線電阻外均為錳銅電阻。Rt：被測(cè)熱電阻，Rt=Rt0+n△Rtm。R1：導(dǎo)線電阻△Rtm：整個(gè)儀表刻度范圍內(nèi)熱電阻的阻值變化范圍。

n：指針位置線對(duì)于儀表量程的百分?jǐn)?shù)[=(Rt-Rt0)/△Rtm100%].平衡條件：

式中r2,r1分別是R5,RP,RB并聯(lián)后的等效電阻Rnp在滑動(dòng)觸點(diǎn)左邊和右邊部分的電阻值。當(dāng)溫度升高時(shí)，Rt

增大，電橋平衡被破壞，Uab>0,經(jīng)A放大后驅(qū)動(dòng)可逆電機(jī)M使滑線的觸頭向左移動(dòng)，使r2減小r1增大，直到平衡，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。反之，觸頭向右移動(dòng)直到電橋平衡。③與自動(dòng)平衡電子電位差計(jì)的異同自動(dòng)平衡電橋的構(gòu)成和自動(dòng)平衡電位差計(jì)基本相同，差別：測(cè)量橋路作用位置自動(dòng)平衡電子電位差計(jì)：在反饋環(huán)節(jié)中自動(dòng)平衡電橋：作為比較環(huán)節(jié)存在所接收的信號(hào)不同；自動(dòng)平衡電子電位差計(jì)：毫伏信號(hào)自動(dòng)平衡電橋：電阻信號(hào)橋路性質(zhì)自動(dòng)平衡電子電位差計(jì)：不平衡電橋，輸出不平衡電壓自動(dòng)平衡電橋：平衡電橋，平衡時(shí)輸出電壓信號(hào)為0平衡方式自動(dòng)平衡電子電位差計(jì)：電橋輸出與被測(cè)電壓平衡自動(dòng)平衡電橋：滑線電阻的反饋觸點(diǎn)與被測(cè)電阻平衡2）測(cè)量橋路的分析計(jì)算

a.

等效電路b.

計(jì)算設(shè)定：為了提高橋路的電壓靈敏度，一般按不同的量程對(duì)橋路進(jìn)行計(jì)算。設(shè)橋路下支路臂電阻比：對(duì)于小量程（△Rtm＜10Ω）取η＜1對(duì)于中量程（10Ω≤△Rtm≤100Ω）取η=1對(duì)于大量程（△Rtm

＞100Ω）取η2c.橋路計(jì)算中量程直流電橋橋路的計(jì)算令：E=1V，取R2=R3=R4，規(guī)定R1=2.5Ω，橋路的上支路總電阻

由圖可知，在Rt=Rt0和Rt=Rt0+△Rtm時(shí)，儀表指針?lè)謩e在a’、a”處電橋平衡，即有平衡關(guān)系式：二式相減并整理得：經(jīng)整理后可得注意：中量程的平衡電橋測(cè)量溫度的范圍很寬

(10Ω≤