仪表与检测课件-显示仪表

4.显示仪表显示仪表的主要功能：显示工业生产的工作状态：实时数据，趋势曲线，报警指示等;记录生产过程参数，历史数据.电子显示仪表分类：模拟式直接变换式（物理原理）平衡式（电位差计、自动平衡电桥）电子显示仪表数字式屏幕显示虚拟显示计算机显示基本特点：模拟式以指针，光柱条或记录笔的偏转角或位移量等易于精确观察的物理量来显示被测变量连续变化的仪表。数字式

将连续变化的被测参数模拟量变换为离散的数字量并以数码形式显示的仪表。屏幕显示与虚拟显示屏幕显示显示设备：配有专门数据采集处理接口和其他附加装置的计算机。功能：直接把工艺参数用文字、符号、数字和图像配合的形式在屏幕上进行显示,是综合集中控制必不可少的显示装置。特点：由功能强大的计算机取代实际的显示仪表，与高性能通讯和多媒体处理技术集成组成功能强大的监控系统。

4.1模拟式显示仪表4.1.1组成及特点1）直接变换式仪表原理结构图特点：灵敏度和相对误差灵敏度：相对误差：线性度不好需要全部构成单元为线性单元，或非线性相互抵消。精度较低需尽量降低各部件单元的误差或减少过程单元（环节）数量。结构简单，重量轻，尺寸小，廉价。2）平衡式仪表①有差随动式仪表原理结构图特点有差性前向通道是一个针对差值信号的放大器，为驱动显示仪输入必不能为0值,即

Fx–Fy=△F≠0误差主要取决于反馈回路(见3.1检测仪表)

设定：δK：前向通道相对误差；δβ：反馈通道相对误差有：δS≈-δβχ相对不平衡度：相对平衡度：灵敏度：取对数求导：反应快反馈回路是一比例环节时，测量线路呈比例特性动态稳定性较差

Kβ很大，易于引起系统的自激振荡。仪表精度不高主要原因是专门的显示环节的相对误差的引入。②无差随动式仪表结构原理图特点：前项通道具有积分特性可逆电机相当于一个积分环节，保证平衡时比较环节输出为0值，即无差精度高无需单独的显示环节，减少误差引入项动态稳定性不好可逆电机的引入相当于在前向通道中加入一个积分环节的二阶对象，积分的引入不利于系统的稳定性。量程窄4.1.2

动圈式显示仪表动圈式显示仪表实际上是一块毫伏电压表，可以直接显示直流毫伏电压。1）仪表构成

根据动圈仪表的工作原理可知，动圈的偏转角与流过动圈的电流成正比，即

其中，c测量机构的电流灵敏度；E(t,t0)热电偶（温度测量）输出的电势；是测量回路的总电阻。因此，为使偏转角与热电势成正比，必须为常数。2）测量线路各电阻作用：RT//RB：温度补偿电阻组其中RT：热敏电阻（具有负温度系数），RB：锰铜电阻.

R串：量程电阻（锰铜），用于调节量程（保证动圈的满程电流）。R并：阻尼调整电阻（锰铜），增大动圈电阻与外界电阻的比例关系，保证动圈的阻尼电流。一般只有在配热电阻的调节仪表中应用。

为使测量准确，维持测量回路总电阻不变，规定外线路电阻：其中，增加R调（附加外线路电阻)，保证15Ω.误差：基本误差变差：由可动部分的摩擦及间隙引起。不完全平衡误差：由可动部分重心不合或变形引起的误差。（重力矩误差）刻度与调整误差：刻度不准，以及标尺安装不准确。附加误差：使用条件不符合规定条件引起的误差。动圈仪表配具有温度补偿的热电偶测量电路（1）动圈仪表配热电阻测量电路（2）4.1.3

自动平衡式电子电位差计典型的平衡式测量仪表；能与输出为电势的各种检测元件配合，用于测量（显示）及记录。1）工作原理调整测量电桥的输出与被测信号平衡，获得被测量信号值。①手动电位差计标准电池高精度检流表标准电阻单刀双掷开关

被测信号

电源开关

直流电源

操作步骤

a.调准工作电流：合上开关S1，将开关S扳向位置“1”；调节RB的大小，直到检流计G指向零。此时电流I

经过RK所产生的电压降与标准电池的电压ES正好相等，有工作电流：EsSExS1E12GRkabRBRPIb.

测量未知电势将S扳到位置“2”，滑动Rp的触点，直到检流计G指向零，此时有被测电势Ex的大小可在滑触点b上直接读出。电位差计工作：用已知的电位差(Uab)平衡(补偿)未知被测电势(Ex)而实现对未知电势的测量。自动平衡式电子电位差计的必备条件：稳定的工作电流；必须有检测已知电位差与被测电势是否达到平衡的检流计G；必须根据检流计偏转调节滑线电阻使电桥输出与被测电势平衡。稳压电源

调制解调放大器可逆电机②自动平衡电子电位差计原理热电偶桥臂电阻（补偿电阻）起始电阻量程电阻工艺电阻滑线电阻上支路电阻下支路电阻放大器可逆电机热电偶放大器可逆电机同步电机测量桥路指示机构记录机构调节机构+—2）测量桥路①支路电流上支路：4mA

下之路：2mA②电阻的作用R3：下支路限流电阻，是一固定值，用锰铜丝绕制。与R2配合，保证下支路在25℃时工作电流为2mA。

R3的准确与否直接影响到下支路电流I2的大小，因此对它的准确度有较高的要求，一般在±0.2％以内。R4：上支路限流电阻，用锰铜丝绕制。与Rnp(Rp、RB和RM三个电阻并联后的等效电阻)、RG串联，使上支路电流为4mA。电阻R4的偏差允许达到±0.5％.

RG：起始电阻，与R2确定仪表测量的下限值。R2：桥臂电阻，与RG共同保证仪表适应于不同的测量下限值要求，同时与热电偶配合时亦作为冷端温度补偿电阻。仪表输出描述式：测量值为仪表下限值场合有，即Rp：滑线电阻，平衡调整电阻。

Rp的精度和制造质量直接影响仪表的质量（示值及记录误差、变差、灵敏度，仪表运行的平滑性等）。因此，对其在耐磨性、抗氧化性、接触可靠性，绝缘性能以及滑线电阻的非线性度均有较高要求。（0.5级表中应用的滑线电阻的非线性度要求控制在0.2%以内).RB：工艺电阻，保证Rp//RB=90Ω.RM：量程电阻，某一确定的RM电阻值限定了仪表的量程范围。为了便于仪表量程的调整，RM电阻一般由两个电阻R’M与rM

串联构成。③仪表量程：

其中：Rnp：RP、RB、RM电阻并联等效电阻。设被测电势为上限值，则有：3）测量桥路设计任务：根据拟定的桥路形式和测量范围等已知条件，计算出测量桥路中各桥臂电阻的阻值。Ⅰ、配热电偶的电子电位差计的测量桥路设计主要考虑热电偶冷端温度的自动补偿问题，因而采用铜补偿电阻Rcu代替一般电子电位差计中的桥臂电阻R2.如图：

假定与要求：测量桥路中的稳压电源为1V，在负载有微小变化时，认为电源电压不变。当冷端温度补偿电阻阻值随温度变化时，将使下支路中的电流I2也随之改变。在计算中应考虑这一因素。热电偶冷端温度变化，会引起附加电势，该电势存在着非线性，为了简化计算，采用线性近似。标准环境温度t0等于标准室温(20℃)加上仪表本身的温升。如对晶体管仪表，t0=20℃+5℃=25℃。仪表实际工作环境温度等于实际室温(一般为0～50℃)加上温升，即tG=55℃(为环境可能出现的温度上限)，tD=5℃(为环境可能出现的温度下限)。桥路计算应使热电偶冷端附加电势分别在上、下限两点温度tG、tD得到全补偿。①下支路电阻（R3）的计算当热电偶冷端温度由环境温度下限tD变到环境温度上限tG时，则热电势将减小E(tG

,tD)；而冷端温度补偿电阻将由变到，下支路电流将由变到，即代入上式，并考虑到，略去分母中项，经整理后可得由于其中，αt0:标准温度下铜电阻温度系数。令:△t=tG-tD；(η称为下支路电阻比值)。设:热电偶电势在tD～tG之间随温度线性变化，则

E(tG,,tD)=C·△t.代入上式，整理后可得C：热电偶冷端温度在tD～tG范围内的电势与温差的比值E：稳压电源的电压标准环境温度时，流过下支路的电流(即I2)满足因为，则有②上支路电阻的计算量程电阻RM

设仪表的量程为△Em=E(tmax

,tmin)，当被测温度从下限值变到上限值时，则滑线电阻的滑触点将从a’滑到a”，设RP∥RB=90Ω，则代入前式，得量程电阻RM为有RG、R4的计算：在标准环境温度t0、热电偶的热端温度为tmin时，滑线电阻的滑触点应位于起始端位置，且满足则进一步可得Ⅱ、毫伏信号测量：电子电位差计测量毫伏或毫安信号的工作原理和配热电偶时基本相同，但不需考虑温度补偿，所以R2采用锰铜丝电阻。一般有：当△Em≤100mV时，取η=1／124，即当I2=2mA时，取R2=4Ω，R3=496Ω；当△Em＞100mV时，取η=1／49，即当I2=2mA时，取R2=10Ω，R3=490Ω.选定η后，其余计算步骤同上。例

已知仪表的量程为0～800℃，配用K型热电偶，E=1V，I1=4mA，I2=2mA，环境温度t0=25℃，tG=55℃，tD=5℃，铜电阻在0℃时的温度系数

α0=4.25×10-3(1／℃)，λ=3％，计算各桥路电阻值。解：根据已知条件查K型热电偶的分度表可得

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

电桥式自动平衡显示仪表电桥式自动平衡显示仪表（简称自动平衡电桥）可与热电阻配套测量温度，也常常用于显示记录其它电阻类敏感元件对被测参数的测量值。

1）工作原理此类仪表将电阻类敏感元件直接接入电桥的一个桥臂，以电桥平衡的原理进行工作。①平衡电桥原理图

②测量桥路R2、R3、R4：桥路固定电阻;R6：起始电阻;R5：量程电阻;Rp：滑线电阻;RB：工艺电阻，其与Rp的并联电阻为90Ω。注意：这里除滑线电阻外均为錳铜电阻。Rt：被测热电阻，Rt=Rt0+n△Rtm。R1：导线电阻△Rtm：整个仪表刻度范围内热电阻的阻值变化范围。

n：指针位置线对于仪表量程的百分数[=(Rt-Rt0)/△Rtm100%].平衡条件：

式中r2,r1分别是R5,RP,RB并联后的等效电阻Rnp在滑动触点左边和右边部分的电阻值。当温度升高时，Rt

增大，电桥平衡被破坏，Uab>0,经A放大后驱动可逆电机M使滑线的触头向左移动，使r2减小r1增大，直到平衡，电机停止转动。反之，触头向右移动直到电桥平衡。③与自动平衡电子电位差计的异同自动平衡电桥的构成和自动平衡电位差计基本相同，差别：测量桥路作用位置自动平衡电子电位差计：在反馈环节中自动平衡电桥：作为比较环节存在所接收的信号不同；自动平衡电子电位差计：毫伏信号自动平衡电桥：电阻信号桥路性质自动平衡电子电位差计：不平衡电桥，输出不平衡电压自动平衡电桥：平衡电桥，平衡时输出电压信号为0平衡方式自动平衡电子电位差计：电桥输出与被测电压平衡自动平衡电桥：滑线电阻的反馈触点与被测电阻平衡2）测量桥路的分析计算

a.

等效电路b.

计算设定：为了提高桥路的电压灵敏度，一般按不同的量程对桥路进行计算。设桥路下支路臂电阻比：对于小量程（△Rtm＜10Ω）取η＜1对于中量程（10Ω≤△Rtm≤100Ω）取η=1对于大量程（△Rtm

＞100Ω）取η2c.桥路计算中量程直流电桥桥路的计算令：E=1V，取R2=R3=R4，规定R1=2.5Ω，桥路的上支路总电阻

由图可知，在Rt=Rt0和Rt=Rt0+△Rtm时，仪表指针分别在a’、a”处电桥平衡，即有平衡关系式：二式相减并整理得：经整理后可得注意：中量程的平衡电桥测量温度的范围很宽

(10Ω≤