第三章-控制工程中常用检测及显示技术PPT课件

第三章控制工程中常用检测及显示技术,3.1磁电动圈式仪表,一、磁电动圈式仪表的结构及工作原理,二、动圈测量机构,三、测量电路,磁电动圈式仪表在工业生产应用非常广泛，因为它能实现许多非电量参数远距离测量及控制的指示和调节。例如：配以热电偶，热电阻（测量指示温度）辐射感温器配以霍尔效应压力传感器测量指示压力配以电感式膜片压力计测量指示压力差本节就以和热电偶相配合使用的磁电动圈式仪表做例子来讨论这种仪表的结构、工作原理及特点。,2、结构简单；3、不受外界电磁场影响；4、适应性强，可配接不同的测量元件实现不同参数的测量。,一磁电动圈式指示调节仪表的特点：,一、磁电动圈式仪表的结构及工作原理：1、类型：按动能分三类：指示型仅指示参数指示调节型指示、控制记录型记录、指示我国的XL系列有两种：XCZ指示型（测量及显示）XCT指示调节型（显示，控制）,1图为指示型结构，2图为指示调节型结构，比较两者：多了（4）铝旗（5）检测线圈（8）振荡及直流放大器（9）继电器。,2、结构：,XCT101的元件组成：,电子调节电路,动圈测量机构,测量电路,测量原理和调节原理,（1）测量原理,3、工作原理,（2）调节原理：对加热炉进行保温控制,3.2电子电位差计,电位差计是一种高精度的显示测量仪器，它的精度可达0.0050.0001，而普通的指示仪表精度最好只能达0.1。,一、分类：根据被测量：（直流量）直流电位差计（交流量）交流电位差计根据平衡执行：手动平衡电位差计自动平衡电位差计,二、电子电位差计的工作原理：,三、电子电位差计的主要组成,1、测量电路,（1）自动平衡补偿原理,右图中：四个电阻和一个滑动变阻器组成了一个平衡桥，滑变的滑动臂与热电偶相连，同时又通过机械传动系统与可逆电机相连。,开始，Et=0时电桥处于平衡，当加入一个被测电动势Et时，桥路的平衡受到破坏，UAF有输出，并且UAF是作为放大器的输入信号的。有了这个输入信号，放大器就驱动可逆电机带动滑动臂，使D点滑动到适当的位置，使得UAD=Et,测量桥又达到平衡，UAF=0，若又有E变化时，UADEt测量桥又不平衡了（即UAF0），这时放大器又有了输入信号，可逆电机开始转动，再带动滑点D滑动，直到UAD=Et，UAF=0，这时可逆电机不再转动，滑动点D也停止不动了，这就是通过各装置相互协调控制实现自补偿的平衡原理。,（2）测量电桥,以上图为例，进一步分析各元件的作用：,图是实际仪表的测量桥路。,Usr=UDC+UCB-UAB-Et,假设：放大器输出端电压为Usr,则根据桥路结构：,Usr=UDC+UCB-UAB-Et,若测量电桥处于平衡状态，即Usr=0时，则,UDC+UCB-UAB-Et=0,(1),如果温度升高，热电势Et有增加，即Et+Et，测量电桥就不再平衡，方程（1）就不再为0，放大器有了输入电压Usr存在，可逆电机ND开始转动，它带动滑点D向右移动到适当的位置，即：（UDC+UDC）+UCB-UAB-（Et+Et）=0,在滑点移动的同时，指针也被带动，指示出升高后的温度值。反之，温度降低就会出现Et-Et，滑点D向左移动，测量桥有重新达到平衡，指针又指示出降低的温度值。,以上是桥路中各元件相互作用平衡过程，下面分析具体桥路中各元件的作用。,但有的仪表量程不是从0开始，就需要调节RG+rg获得一个E与E1平衡，使得对应刻度盘上的刻度依然为0，分析下式：,RG+rg称为起始电阻（或下限电阻）,当仪表指示下限值时，此时D应滑到最左端，即UDC=0此时令Et=E1，则方程（1）应为：UCB-UAB-E1=0,UCB=UAB+E1,I1(RG+rg)=I2Rw+E1,而E1是仪表测量的下限值。下限值为0的仪表Et=0也就与刻度下限为0直接对应。,式中I1I2（即上，下工作支路电路）Rw（温度补偿电阻）一般都是定值。这样RG+rg的大小只与E1有关，故RG+rg叫做起始电阻。,称为测量范围电阻RM+rm,仪表指示下限时滑点D在左端，指示上限时D在右端。可见滑动电阻RH两端电压大小就是测量热电势的范围，若E2为上限，则UFC=E2-E1可这个量程与滑线电阻RH有关，RB的作用是与RH配合使用使电阻准确度增加，同时有利于RH的批量生产，有利于通用化。但这里有个问题，即RH与RB并联配合的电阻一般在90+0.1。这个数值有时候也不符合我们实际生产要求的量程范围，如果去掉RH与RB，就比较麻烦，所以在实际生产中，RH与RB并联成通用件，然后根据需要又接上一个RM+rm，这就解决问题了，我们需要多大的测量范围，调节RM即可，所以RM+rm称为测量范围电阻。,R4上支路限流电阻,R3下支路限流电阻,一般上下支路电流I1I2都保证为定值，但上支路中RH，RB，RM并联后有时要调节变化，I1不保证为定值，所以通过R4的限流调节，保证I1=C。,在自由端温度为0，工作端温度等于t的条件下，平衡方程式可以写成：UDC+UCB-UAB-E（t，0）=0如果保持t不变，自由端温度由0变到1,根据前面讲的中间温度定律，这时E(t,0)这项减少了E=E(t,0)，这样电桥不平衡，输出信号经放大器驱动电机带动滑头左移，指针也向左移，实现自由平衡，平衡后的方程式为：（UDC-UDC）+UCB-UAB-E(t,0)-E(t1,0)=0上式看出，被测温度虽然没用变化，但指示值已经降低了，这是由于热电偶自由端温度变化造成的。为了解决这个问题，我们就把RW作成随温度变化的电阻（一般用铜导线绕成，安装在自由端接线柱附近）使UAB=I2RW也随温度变化以此来补偿自由端温度变化引起的热电势变化，即：,Rw:自由端温度补偿电阻,UDC+UCB-（UAB+UAB）-【E(t,0)-E(t1,0)】=0这时，电桥仍然平衡，滑点并不移动，指示值没用变化。但设计时一定保证UAB=E(t,0)，就要正确选择RW来满足上式：E(t,0)=I2RW=I2tRW式子中：t自由端温度变化值铜的电阻温度系数RW铜导线电阻。从以上分析，可以清楚的看出温度补偿电阻RW的作用。,2、晶体管放大器,放大器的作用是将热电偶与测量电桥输出端的差值放大到足以控制可逆电机转动所需的功率，这样，可逆电机才能在放大器输出信号的控制下带动滑动触点朝着能使差值电压减小的方向移动，从而使测量系统达到平衡。,3、微电机,电子电位差计中所采用的微电机有：可逆电机，测速电机，同步电机，他们的作用及特征如下所述：,可逆电机（伺服电机）,可逆电机主要用来帮助电子电位差计实现自动平衡和记录的功能的，所以它必须具备以下技术性能：,a)起停响应快即一出现控制电压，电机能立即启动，电压一消失立即停转，决不允许在未加电压时候电机有自转的现象，防止记录有误，出现较大误差。b)灵敏度高稳定性好即很小的输入便能获得很大的输出，就是启动电压要低，但启动力矩要大，很小的电压就能推动可逆电机转动，同时大的力矩可以带动指针和滑臂运动。c)小型轻量化。,测速电机,在显示记录仪表中，作为一种反馈元件，改善仪表的阻尼特征,同步电机同步电机是一种交流电机，它的转速与供电频率二者之间有着严格不变的关系，一般在电位差计中的走纸机构，转换开关的切换，打印机构等都是有同步电机带动的，因为同步电机能满足转速恒定的要求，而且还具有足够大的运动力矩，运行非常可靠。,四、电子电位差计的应用它的用途非常广泛，是自动平衡或记录仪，具有较高的测量速度和测量精度；配以不同的检测装置，能实现不同的参数测量：,电工方向测电流，电压，功率，频率；,热工方向测温度，流量，压力真空度；,化学方向测化学成分，浓度，酸碱度。,3.3温度的测量,接触式测温：基于热平衡原理，接触温度场，二者进行热交换（如：热电偶、热电阻温度传感器），因此存在滞后现象。接触式测温简单、可靠、精度较高；受材料耐高温性能的限制，测温范围在-2501800。非接触式测温：无需接触被测体，利用物体的热辐射能量随温度变化而变化的原理实现测量。类型有：光电高温传感器、红外辐射温度传感器、光纤高温传感器等。测温速度快，可对运动体进行测温，测温范围在6006000，但误差较大。,3.3.1测温方法的分类,温度是表征物体冷热程度的物理量。是工业生产中最普遍而重要的操作参数。,3.3.2热电偶测温,热电偶的种类,理论上任何两种导体或半导体都可以组成热电偶，但考虑有良好的应用性能，必须对热电偶材料加以选择。选取原则：在测温范围内具有稳定的化学及物理性质，热电势要大，且与温度接近线性关系。国际电工委员会（简称IEC）规定了热电偶材料的取材标准。用分度号命名不同取材的热电偶，并给出了标准的热电势分度表。,几种常用的标准型热电偶简介,铂及其合金（B、S）属于贵重金属，价格很贵，但其热电势非常稳定，主要用做标准热电偶及测量1100以上的高温。,镍铬镍硅（K）线性度最好镍铬康铜（E）灵敏度最高铜康铜（T）价格最便宜,不同材质的热电偶，其热电势与热端温度的特性关系不同。,几种非标热电偶（1）钨铼热电偶是60年代发展起来的，是目前一种较好的高温热电偶，可使用在真空惰性气体介质或氢气介质中，但高温抗氧能力差。国产钨铼-钨铼20热电偶使用温度范围3002000分度精度为1。（2）金铁镍铬热电偶主要用在低温测量，可在2273K范围内使用，灵敏度约为10V。（3）钯铂铱15热电偶是一种高输出性能的热电偶，在1398时的热电势为47.255mV，比铂铂铑10热电偶在同样温度下的热电势高出3倍，因而可配用灵敏度较低的指示仪表，常应用于航空工业。,2热电偶的结构类型（1）工业用热电偶下图为典型工业用热电偶结构示意图。它由热电偶丝、绝缘套管、保护套管以及接线盒等部分组成。实验室用时，也可不装保护套管，以减小热惯性。,（2）铠装式热电偶（又称套管式热电偶）,优点是小型化（直径从12mm到0.25mm）、寿命、热惯性小，使用方便。测温范围在1100以下的有：镍铬镍硅、镍铬康铜铠装式热电偶。,断面如图所示。它是由热电偶丝、绝缘材料，金属套管三者拉细组合而成一体。又由于它的热端形状不同，可分为四种型式如图。,铠装式热电偶断面结构示意图1金属套管;2绝缘材料;3热电极(a)碰底型;(b)不碰底型;(c)露头型;(d)帽型,（3）薄膜热电偶用真空蒸镀等方法使两种热电极材料蒸镀到绝缘板上而形成薄膜装热电偶。如图，其热接点极薄(0.010.lm),4,1,2,3,薄膜热电偶1热电极;2热接点;3绝缘基板;4引出线,因此，特别适用于对壁面温度的快速测量。安装时,用粘结剂将它粘结在被测物体壁面上。目前我国试制的有铁镍、铁康铜和铜康铜三种,尺寸为6060.2mm;绝缘基板用云母、陶瓷片、玻璃及酚醛塑料纸等；测温范围在300以下；反应时间仅为几ms。,（4）浸入式热电偶下图为一种测量钢水温度的热电偶。它是用直径为0.050.lmm的铂铑10一铂铑30热电偶装在U型石英管中，再铸以高温绝缘水泥，外面再用保护钢帽所组成。这种热电偶使用一次就焚化，但它的优点是热惯性小，只要注意它的动态标定，测量精度可达土57。,1,4,2,3,5,6,7,8,9,11,10,1刚帽；2石英；3纸环；4绝热泥；5冷端；6棉花；7绝缘纸管；8补偿导线；9套管；10塑料插座；11簧片与引出线,方法冰点槽法冷端温度法计算修正法补正系数法仪表调零法补偿导线法补偿电桥法,3、热电偶的冷端处理及补偿,原因热电偶热电势的大小是热端温度和冷端的函数差，为保证输出热电势是被测温度的单值函数，必须使冷端温度保持恒定；热电偶分度表给出的热电势是以冷端温度0为依据，否则会产生误差。,（1）.冰点槽法冷端温度法把热电偶的冷端置于冰水混合物容器里，使T0=0。这种办法仅限于科学实验中使用。为了避免冰水导电引起两个连接点短路，必须把连接点分别置于两个玻璃试管里，浸入同一冰点槽，使相互绝缘。,mV,A,B,A,B,T,C,C,仪表,铜导线,试管,补偿导线,热电偶,冰点槽,冰水溶液,T0,（2）.计算修正法用普通室温计算出冷端实际温度TH，利用公式计算例用铜-康铜热电偶测某一温度T，冷端在室温环境TH中，测得热电动势EAB(T，TH)=1.999mV，又用室温计测出TH=21,查此种热电偶的分度表可知，EAB(21,0)=0.832mV，故得EAB(T，0)=EAB(T，21)+EAB(21，0)=1.999+0.832=2.831(mV)再次查分度表，与2.831mV对应的热端温度T=68。,注意:既不能只按1.999mV查表，认为T=49，也不能把49加上21，认为T=70。,EAB(T,T0)=EAB(T,TH)+EAB(TH,T0),3.补正系数法把冷端实际温度TH乘上系数k，加到由EAB(T，TH)查分度表所得的温度上，成为被测温度T。用公式表达即式中：T为未知的被测温度；T为参比端在室温下热电偶电势与分度表上对应的某个温度；TH室温；k为补正系数，其它参数见下表。例用铂铑10铂热电偶测温，已知冷端温度TH=35，这时热电动势为11.348mV查S型热电偶的分度表，得出与此相应的温度T=1150。再从下表中查出，对应于1150的补正系数k=0.53。于是，被测温度T=1150+0.5335=1168.3（）用这种办法稍稍简单一些，比计算修正法误差可能大一点，但误差不大于0.14。,TTkTH,（4）.仪表调零法,应用领域：如果冷端不是0，但十分稳定（如恒温车间或有空调的场所）。,实质：在测量结果中人为地加一个恒定值，因为冷端温度稳定不变，电动势EAB(to,0)是常数，利用指示仪表上调整零点的办法，加大某个适当的值而实现补偿。,(5).补偿导线法,为保持热电偶冷端温度恒定（0C）尽可能的远离热端加长热电偶？成本不允许！安装使用不方便！,用补偿导线将热电偶的冷端延伸至恒温环境,与热电偶具有相同的热电性能,(6).补偿电桥法利用不平衡电桥产生热电势补偿热电偶因冷端温度变化而引起热电势的变化值。不平衡电桥由R1、R2、R3(锰铜丝绕制)、RCu(铜丝绕制)四个桥臂和桥路电源组成。设计时，在0下使电桥平衡(R1=R2=R3=RCu)，此时Uab=0，电桥对仪表读数无影响。,冷端补偿器的作用,注意：桥臂RCu必须和热电偶的冷端靠近，使处于同一温度之下。,mV,EAB(T,T0),T0,T0,T,A,B,+,+,-,a,b,U,Uab,RCu,R1,R2,R3,Rs,供电4V直流，在040或-2020的范围起补偿作用。注意，不同材质的热电偶所配的冷端补偿器，其中的限流电阻Rs不一样，互换时必须重新调整。,3.3.3热电阻测温,对于500以下的中、低温,热电偶输出的热电势很小，容易受到干扰而测不准。一般使用热电阻温度计来进行中低温度的测量。,1、标准化热电阻,常用的标准化热电阻：铂热电阻（Pt100）,铜热电阻（Cu50）,2、工业用热电阻的结构,热电阻的结构型式常见有普通型热电阻、铠装热电阻。其结构是，以云母片或石英玻璃柱作骨架，将金属丝用双线法绕在骨架上，以消除电感。此外，还有薄膜型热电阻。,普通热电阻结构,3.热电阻的三线制接法电阻测温信号通过电桥转换成电压时，热电阻的接线如用两线接法，接线电阻随温度变化会给电桥输出带来较大误差，必须用三线接法。,由于电阻应变片的相对变化很小，因此必须设计专门的仪器对上述应变转化成的电阻（电阻率）相对变化进行测量，最后用应变的标度指示出来。该类仪器就是应变仪，它由测量电路和放大器构成。,3.4电阻应变仪,电阻应变仪的分类,电阻应变仪的工作原理,3.5应变和应力的测量,应力、应变测量方法,应用应变片和应变仪测量构件的表面应变，根据应变和应力、力之间的关系，确定构件的受力状态。,应变片布片和组桥方法,应变片布片和组桥方法,在应变仪中，电桥将被测应变转化为电压输出，再经过放大、相敏检波、A/D转换等处理，最后显示被测应变数值。,桥