第八章显示仪表

1、化学测量与仪器，第8章显示仪器，显示仪器用于指示、记录或积累生产过程中的各种参数。通常，它们安装在控制室的仪表板上，并与其他测量元件或变送器一起使用，以连续显示或记录生产过程中各种参数的变化。它还可以与控制单元一起使用，自动控制和显示生产过程中的各种参数。目前使用的显示仪器有很多种。根据使用的能量，可分为电动显示仪和气动显示仪；根据显示方式，它可以分为三类：模拟、数字和图像显示。模拟显示仪器通过指针或触笔的偏转角或位移来模拟和显示被测变量的连续变化。根据测量线路的不同，可分为直接转换式(如动圈式)和平衡式(如电子自动平衡式)。第一节动圈显示仪是一种发展较早的模拟显示仪器，目前仍被广泛使用，特别

2、是在一些中小企业。它不仅可以用热电偶、热电阻等传感器显示温度，还可以显示压力等其他过程变量检测到的DC毫伏信号。动圈显示仪的组成如下图所示，由测量电路和测量机构组成。不同类型的仪器有不同的测量电路，但它们的测量机制基本相同。1.测量机构和基本工作原理动圈显示仪的测量机构是磁电式毫伏表。动圈是一个绕有高强度漆包线的无框矩形框，用张力线悬浮在永磁钢的空间磁场中。当测量信号(DC毫伏信号)通过导线施加到运动线圈时，电流流过运动线圈。此时，载流线圈在磁场力的作用下旋转，因为动圈由张力线支撑，所以动圈的旋转使张力线扭曲。此时，张力线将产生抵抗动圈旋转的扭矩，反扭矩将随着张力线扭转角的增加而增加。当两个力

3、矩达到平衡时，动圈停留在某一位置。由于动圈的位置与输入的毫伏信号相对应，因此可以在面板上直接刻上温度刻度，这样安装在动圈上的指针就可以直接指示被测物体的温度值。测量机构和基本工作原理，动圈显示仪测量机组成l型永磁体；2、6块丝绸；3软铁芯；4热电偶；5个移动圆圈；7比例面板；8仪表指针，由于动圈式仪表采用统一的测量机构，为了适应不同量程的被测变量，当指针输入到全量程时可以指示满量程值，所以在测量机构的电路中串联一个量程电阻R串，改变R串的大小可以适应不同量程的被测变量。2.动圈温度补偿。动圈式仪表的校准在205的环境温度下进行。但是，仪器在使用过程中，环境温度的变化会引起动圈电阻Rd的变化，这

4、将导致流经动圈的电流变化和指针偏转角的变化，从而产生误差。为了补偿动圈电阻的变化，在电路中串联一个负温度系数的热敏电阻RT，然后并联一个电阻Rb和RT，使并联电阻随环境温度的升高而降低，正好补偿了动圈电阻随温度变化引起的误差。如图所示。3。XCZ101动圈显示仪，输入变量为DC毫伏信号，可与热电偶配合组成热电偶温度计。电路如图3100所示，由热敏电阻RT、分流电阻Rb、量程电阻R串和外部调节电阻R调节组成。XCZ101动圈显示仪接线图，外部调节电阻功能：由于带热电偶的动圈显示仪通过热电偶测量DC毫伏信号E(t，t0)假设测量电路的总电阻r始终是仪器的内部电阻r和资产负债表外的外部布线电阻r之和

5、，流经动圈的电流为，其中r为固定值，而外部电阻r随线路的长度和直径而变化。为了保证仪器的测量精度，动圈式仪器的表外连接电阻为15；包括热电偶本身的电阻，补偿导线的电阻R被补偿，与铜线连接的电阻R为铜，外部调节由电阻R进行.也就是说，R外=R热R组成十个R铜调节=15。通过调整r调整值，r out等于15，从而避免了不同线路长度对指示值的影响。调整时，在热电偶经常使用的温度条件下，电阻取R热，其测量精度最高。4.XCZ102动圈显示仪，与热电阻配合组成热电阻温度计。它的输入变量是热阻的变化值。为了使用统一的测量机制，需要将热电阻的电阻值转换成毫伏信号，仪器的电路如图所示。从图中可以看出，电阻信号

6、到毫伏信号的转换是由不平衡电桥完成的。RO、R2、R3和R4是锰铜电阻，R1是热敏电阻的引线电阻，构成电桥的四个支路。A和B是电桥的输出端，C和D是电源端，A、B、C和D将电桥分成四个支路。在设计中，电桥中的R3=R4，R1R2=Rt0 R1 R0通常制成，其中Rt0是对应于仪表刻度起点的热阻值。此时，电桥处于平衡状态，电桥的输出为零。当测量温度上升时，热电阻的电阻Rt增加，电桥失去平衡，点A的电位高于点B的电位。此时，电流流过动圈，指针偏转；测量温度越高，电桥输出的不平衡电压Uab越大，仪器指针的偏转角也越大。不平衡电桥完成了从电阻到电压的信号转换。动圈测量机构与带热电偶的动圈仪表电路完全相

7、同。RO为零电阻。当热电阻的电阻值等于Rt0时，如果仪器的指针不在零点，可以通过调节ro将仪器的指针指向起点。当Rt与仪器满刻度对应的温度电阻值相对应时，如果仪器指针没有指向满刻度位置，可以将R弦调整到满刻度。热电阻三线连接法：由于热电阻需要通过导线与电桥连接，连接线的电阻值会随着环境温度的变化而变化，如果热电阻的连接线连接在一个桥臂上，当环境温度变化时，连接线电阻的变化值会与热电阻的变化值叠加，给仪器带来很大的误差。因此，通常采用三线连接方式，即两根连接线分别连接到相邻的两个桥臂上，当导线的电阻值发生变化时，这两种影响可以部分抵消。R1是一个外部调节电阻。一般规定每根连接线的总电阻值为5。如

8、果小于5，用锰铜线电阻补足5，并将电阻值调整到5001。当动圈仪表与热电阻匹配时，它们的刻度数必须相同。第二节自动平衡显示仪由于动圈显示仪实际上是一种测量电流的仪器，各种可能引起电流变化的干扰因素都会导致测量误差，仅靠提高仪器的加工精度是无法补偿的。另一方面，它的活动部分容易损坏，害怕振动，不方便自动记录。目前常用的自动平衡显示仪表包括自动电子电位器和自动平衡电桥，分别与热电偶和热电阻配合使用。由汽车补偿法的原理，Ex是被测电压，高线性度的绕线电阻R与稳定电源E形成一个闭环，所以流经电阻R的电流I是恒定的，所以电阻R的刻度可以刻在电压值上；g是一个高灵敏度的检流计。右图显示了手动电位计的原理电

9、路图。测量未知电压的方法是调整滑动触点b的位置，使滑线电阻r的电压降uBA在BA段的电阻RBA上发生变化。当UBA=irba=Ex时，流过检流计g的电流为零，那么触点b指示的电压值就是未知电压Ex。当用这种“电压平衡法”测量电压时，流过热电偶和连接线的电流为零，因此线路电阻的变化对测量结果没有影响。手动电位计。2.自动电子电位器的组成及测量电桥。自动电子电位器与手动电位器的区别在于用电子放大器代替检流计，用可逆电机和整套传动机构代替手动操作。它主要由测量电桥、放大器、可逆电机、同步电机、指示和记录机构、稳压电源和机械传动机构组成。构成框图，测量电桥的原理图，电阻描述，R2-冷端补偿铜电阻；远程

10、电阻；工艺阻力；反相滑线电阻；R4终端电阻(限流电阻)；R3-限流电阻；RG-初始电阻；电子稳压电源(1v)；I1-上支路电流(4ma)；I2-下支路电流(2mA)，自动电子电位器的测量桥由上、下支路组成。利用桥式电路产生DC电压UCD的优点是可以解决仪表量程问题，实现热电势(正负)的双向测量，并自动补偿参考端的温度。电桥中每个电阻的功能如下：铜电阻R2安装在仪器后面的接线板上，使其与热电偶冷端温度相同。当环境温度变化时，铜电阻上的电压降等于相应热电偶冷端温度变化引起的电位变化，起到冷端温度补偿的作用。R2=5.33；当与镍铬镍硅热电偶配合时。R2=8.92；带镍铬铜热电偶；R2=0.74，带

11、铂铑铂热电偶。下支路限流电阻R3为固定电阻，与R2配合，保证下支路工作电流为2mA。由于铜电阻的阻值随温度变化，在仪器的标准工作温度(25)下，下支路的回路工作电流I2仅为2mA。电阻R3的精度直接影响下支路的电流I2。因此，要求其精度更高，一般在0.2以内。上支路限流电阻R4的作用是将上支路的工作电流限制在4mA，即与RNP(三个电阻RP、RB、RM的并联值)和RG串联，使上支路的工作电流为4mA。因此，当Rnp和RG的值被确定时，R4的电阻值也被确定。滑线电阻RP是测量系统中非常重要的组成部分。仪器的误差、灵敏度和平滑度都与滑线电阻的质量有关。因此，除了需要牢固的装配外，对材料性能的要求也

12、很高，尤其是滑线电阻的线性度。在0.5级仪器中，希望非线性误差能控制在0.2以内。由于工艺原因，快速成型很难精确缠绕，其数值不便于增减。因此，电阻器RB(称为过程电阻器)与RP并联，并联后其数值为90。这样，将两个电阻作为一个整体考虑，便于统一规格和批量生产。量程电阻RM是决定仪器量程的电阻。其尺寸由仪器的测量范围和热电偶刻度数决定。电阻RM与滑线电阻并联，电阻RM越大，电流IM越小3、平衡和记录机构，l-可逆电机；2-变速器档位；3-牵引轮；4-拉线；五线轮；6-触笔和指针；7-记录纸；8卷纸；9-导辊；10-输送辊；11-储纸辊；12-滑动接触；13-滑线电阻板、2。电子自动平衡电桥与热电

13、阻一起用于测量和显示温度，也可以与其他变送器和传感器结合使用，这些变送器和传感器可以将电阻变化转化为测量和显示生产过程中的各种变量，因此在化工生产中得到了广泛的应用。电子自动平衡电桥主要由测量电桥、放大器、可逆电机和同步电机组成，其框图见右图。平衡电桥的工作原理：电路如图所示。图中，Rt为热敏电阻，与固定电阻R2、R3和R4组成电桥，E0为电源，G为高灵敏度检流计，A和B为电桥的输出端，RP为带刻度的滑线电阻。如果标度值是温度，当电桥达到平衡(即检流计G中的电流为零)时，滑动触点A指示的温度是测量温度。当温度低于测量范围的下限时，Rt的最小值为Rt0，滑动触点A应位于滑线电阻的最左端。此时，电

14、桥的平衡条件为R3(Rt0RP)=R2R4 (4-1)。温度上升后，热阻从Rt0增加到Rt=Rt0Rt，点a必须向右移动，以重新平衡电桥。平衡条件为R3(Rt0 Rt RP-r1)=R2(R4 rl) (42)，R3通过从公式(42)中减去公式(41)得到。从上述公式可以看出，滑动触点A的位置反映了电阻的变化，即温度的变化，并且可以看出，触点的位移与热阻的增量成线性关系。自动平衡电桥用电子放大器代替检流计，用放大的不平衡电压驱动可逆电机，用可逆电机驱动滑动触点A来平衡电桥。2.电子自动平衡桥。目前，有XD系列(交流平衡桥)和XQ系列(DC平衡桥)。DC电源为1V，交流电源为6.3V。使用交流电

15、桥时，输出不平衡电压为交流值，省去了将DC信号转换为交流信号并直接送到交流放大器的过程，结构相对简单。但抗干扰能力差。DC大桥抗干扰能力强，精度高。自动电子天平电桥的电气原理图如下图所示。电阻Rnp由三个元件组成(即RP、RB、R5r5)，就像自动电子电位计一样。RP和RB并联后的电阻值为90。r5r5用于调整仪器起点的校准，R5和r6用于微调。从上图可以看出，当Rt的电阻值随测量温度变化时，电桥失去平衡，这种不平衡电压从电桥的对角线引至电子放大器放大，然后驱动可逆电机，电机带动滑线电阻的滑动触点移动，改变上支路两桥臂电阻值的比值，直至电桥恢复平衡。可逆电机同时驱动指针，以指示测量的温度值。当

16、测得的温度是仪表刻度的起点时，热电阻的电阻最小，滑动触点应移动到快速原型的左端。当测得的温度上升到刻度的最大值时，热敏电阻的电阻最大，滑动触点应移动到快速原型的右端。在上图中，热阻由三根导线连接，每根导线的电阻为25。如果小于25，使用外部调节电阻R1(锰铜电阻)进行补偿。该桥上、下支路的电流一般为3mA。当交流电流用作电桥的电源时，R7串联在电源电路中以限制电流，从而确保流过热敏电阻的电流不超过允许值。第三节数字显示仪表和模拟显示仪表中的信号都是随时间连续变化的模拟量。如果热电偶用于测量温度，热电势在数字显示仪表中，压力、料位、流量和温度等被测变量由传感器转换成相应的物理量，通常为电信号，然后通过模数转换(ADC)转换成数字信号(脉冲信号)，测量结果经数字电路处理后直接以数字形式显示出来。数字显示仪表的分类方法很多，根据输入信号的形式分为电压型和频