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1、化工测量与仪表,第八章 显示仪表,显示仪表是用来指示、记录或累积 生产过程中各种参数的仪表。 一般都安装在控制室的仪表盘上，与其他各种测量元件或变送器配套使用，连续地进行显示或记录生产过程中各参数的变化情况。 还能与控制单元配套使用，对生产过程中的各种参数进行自动控制和显示。,目前使用的显示仪表种类很多。 按所用能源可分为电动显示仪表和气动显示仪表； 按照显示方式可分为模拟式、数字式和图像显示三类。,第一节 动圈式显示仪表,该仪表是一种发展比较早的模拟式显示仪表，但目前仍然被广泛使用，尤其是在一些中小型企业，应用极为广泛。 它不仅可以与热电偶、热电阻等传感器配合用来显示温度，还可以对压力等其他
2、工艺变量检测的直流毫伏信号进行显示。,动圈式显示仪表的组成如下图所示，它由测量电路和测量机构两部分组成。 不同型号的仪表其测量电路是不一样的，但其测量机构基本相同。,1、测量机构和基本工作原理,动圈式显示仪表的测量机构是一个磁电式毫伏计。 其中动圈是用高强度漆包细铜丝绕制成的一个无骨架矩形框，用张丝把它吊置在永久磁钢的空间磁场中。 当测量信号（直流毫伏信号）通过张丝加在动圈上时，便有电流流过动圈。 此时载流线圈受到磁场力作用而转动，因为动圈是由张丝支承的，所以动圈的转动使张丝扭转，此时，张丝就会产生反抗动圈转动的力矩，该反力矩随着张丝扭转角度的增大而增大。 当两力矩达到平衡时，动圈就停留在某一
3、位置上。 基于动圈的位置与输入的毫伏信号相对应，所以面板上可以直接刻成温度标尺，使装在动圈上的指针直接指示出被测对象的温度值。,测量机构和基本工作原理,动圈式显示仪表测量机构图 l永久磁铁；2、6张丝；3软铁芯；4热电偶；5动圈；7刻度面板；8仪表指针,由于动圈仪表采用了统一的测量机构，为了适应不同量程的被测变量，使其输入满量程时，指针都能指示满刻度值，所以在测量机构的电路中串入了一个量程电阻R串，改变R串的大小，就能适应不同量程的被测变量。,2、动圈的温度补偿,动圈仪表的刻度校验是在环境温度为205条件下进行的，但在仪表使用时，由于周围环境温度的改变，会引起动圈阻值Rd的变化，从而导致流过动
4、圈的电流发生变化，致使指针偏转角改变而造成误差。 为了补偿动圈阻值的变化，在电路中串入一个有负温度系数的热敏电阻RT，再用一电阻Rb与RT并联，使两者的并联电阻值随环境温度升高而下降，恰好补偿动圈阻值随温度变化而造成的误差。如图所示。,3、XCZ101型动圈式显示仪表,该仪表的输入变量为直流毫伏信号，可与热电偶配合构成热电偶温度计。 其线路如图3100所示，由热敏电阻RT、并联电阻Rb、量程电阻R串以及外接调整电阻R调等组成。,XCZ101型动圈式显示仪表接线图,外接调整电阻的作用：由于配热电偶的动圈式仪表是通过电流I来测量直流毫伏信号E（t，t0）的。因此，必须保证整个测量回路的总电阻值R总
5、不变。否则，既使对于相同的热电势值，流过动圈的电流值也会不一样，指针的指示值也就不同。已知测量回路总电阻R总是仪表的内电阻R内和表外接线电阻R外的总和，则流过动圈的电流为,式中R内是一个定值，而表外电阻R外却会因线路长短，线径粗细而异。 为了保证仪表的测量精度，规定动圈仪表的表外接线电阻为15；包括热电偶本身的电阻R热，补偿导线电阻R补，连接铜导线的电阻R铜，外接调整用电阻R调。即 R外= R热R补十 R铜 R调=15 通过调整R调的值，使R外等于15，从而避免了由于线路长短不一对指示值的影响。 在调整时，选择R热为热电偶经常使用的温度条件下的电阻值，其测量精确度最高。,4、XCZ102型动圈
6、式显示仪表,该仪表与热电阻配套构成热电阻温度计。其输入变量为热电阻的变化值。 为了利用统一的测量机构，需将热电阻的阻值转换成毫伏信号，仪表的线路如图所示。 从图中可以看出，电阻信号转换为毫伏信号是由不平衡电桥来完成的。 其中RO、R2、R3、R4均为锰铜电阻，R1为热电阻的引线电阻，它们组成了电桥的四个桥臂， a、b为电桥的输出端，c、d为电源端， a、b、c、d四点把电桥分成了四个桥臂。,设计时一般使电桥中的 R3=R4， R1+R2=Rt0+R1+R0， 式中Rt0为对应于仪表刻度起点的热电阻值，此时电桥处于平衡状态，电桥的输出为零。 当被测温度升高时，热电阻的阻值Rt增大，电桥失去平衡，
7、a点电位高于b点电位，此时有电流流过动圈，指针产生偏转； 被测温度愈高，电桥输出的不平衡电压Uab愈大，仪表指针的偏转角度就愈大。 不平衡电桥从而完成了由电阻到电压的信号转换。 其动圈测量机构与配热电偶的动圈仪表线路完全相同。,RO为调零电阻。 当热电阻的阻值等于Rt0时，如果仪表的指针不在零点，可以通过调节RO，使仪表的指针指在起始点上。 当Rt相应于仪表满刻度对应温度的阻值时，若仪表指针不指在满刻度位置上，则可调节R串达满刻度。,热电阻的三线制接法：由于热电阻需通过导线与电桥相连，而连接导线的电阻值又会随环境温度而改变，所以如果把热电阻的连接导线都接在一个桥臂内，当环境温度变化时，连接导线
8、电阻的改变值将会与热电阻的变化值相叠加，给仪表带来较大的误差。 因此通常采用三线制接法，即让两根连接导线分别接入相邻的两个桥臂，当导线电阻值变化时，其影响可以相互抵消一部分。 R1为外接调整电阻。一般规定每根连接导线的总电阻值为5，若不足5时，须用锰铜丝电阻补足5，调整阻值应精确到5001。 动圈仪表与热电阻配合时，其分度号必须相同。,第二节 自动平衡式显示仪表,由于动圈式显示仪表实际上是一种测量电流的仪表，所以，凡是能引起电流变化的各种干扰因素都会导致测量误差，而且这种误差单凭提高仪表的加工精度是不能弥补的。 另一方面，它的可动部分容易损坏，怕震动，且不便于自动记录。,目前常用的自动平衡式显
9、示仪表有自动电子电位差计和自动平衡电桥两类，分别与热电偶和热电阻相配用。 通过自动调节电位差或电阻值使电位差计或电桥达到平衡，并自动指示和记录测量结果，从而实现对温度变量的自动、连续检测和显示。 同时克服了动圈式显示仪表的缺点，提高了测量精度。,一、自动电子电位差计,1、工作原理及组成：利用电位差计测量热电势是基于电压平衡法（也叫补偿法或零值法）。 右图所示为最简单的电位差计原理线路图。,补偿法原理,Ex为被测电压，线性度很高的线绕电阻R与稳压电源E组成一闭合回路，因此流过R上的电流I是恒定的，这样也就可将R的标尺刻成电压数值； G是一灵敏度较高的检流计。,右图为手动电位差计的原理线路图。 测
10、量未知电压的方法是调节滑动触点B的位置，使滑线电阻R在BA段的电阻RBA上的电压降UBA变化，当UBA=IRBA=Ex时，流过检流计G的电流为零，这时触点B所指示的电压值即为未知电压Ex。 用这种“电压平衡法”法测量电压，由于此时流过热电偶内部及连接导线的电流为零，因此线路电阻变化对测量结果无影响。,手动电位差计,2、自动电子电位差计的构成及测量桥路,自动电子电位差计与手动电位差计的区别是用电子放大器代替检流计，用可逆电机及一整套传动机构代替手的操作。 它主要由测量桥路、放大器、可逆电机、同步电机、指示记录机构、稳压电源、机械传动机构等构成。,构成方框图,测量桥路原理图 越过电阻说明,R2-冷
11、端补偿铜电阻； RM-量程电阻； RB-工艺电阻； RP-滑线电阻； R4-终端电阻（限流电阻）；R3-限流电阻； RG-始端电阻； E-稳压电源(1V)；I1-上支路电流(4mA)； I2-下支路电流(2mA),自动电子电位差计的测量桥路由上、下两条支路组成。 用电桥电路产生直流电压UCD的优点是可以解决仪表量程问题，实现对热电势（正、负）的双向测量，同时还能对参比端温度进行自动补偿。 桥路中各电阻的作用如下：,铜电阻R2,装在仪表后接线板上以使其与热电偶冷端处于同一温度。 当环境温度改变时，铜电阻上的电压降变化量等于相应的热电偶冷端温度变化所引起的电势变化值，起冷端温度补偿作用。 当配用镍
12、铬镍硅热电偶时R2=5.33；配用镍铬考铜热电偶时 R2= 8.92；配用铂铑铂热电偶时R2= 0.74。,下支路限流电阻R3，是一个固定电阻，它与R2配合，保证了下支路回路的工作电流为2mA。 由于铜电阻的阻值随温度而变化，所以，下支路的回路工作电流I2只有在仪表的标准工作温度（25）时才为2mA。 电阻R3的准确度直接影响到下支路电流I2的大小。因此，它的精度要求较高，一般应在0.2以内。,上支路限流电阻R4的作用是把上支路的工作电流限定在4mA，即它与Rnp（RP、RB、RM三个电阻的并联值）、RG串联，使上支路工作电流为4mA。 所以，当Rnp和RG的数值确定后，R4的电阻值也就确定了
13、。,滑线电阻RP，是测量系统中的一个非常重要的部件，仪表的误差、灵敏度和运行的平滑性等都和滑线电阻的质量有关。 因此，除了要求装配牢固外，对材料的性能要求很高，尤其对滑线电阻的线性度要求更高，在0.5级的仪表中，希望能把非线性误差控制在0.2范围内。 由于工艺上的原因，RP很难绕制得十分精确，其数值也不便增减，为此，和RP并联一个电阻RB（称为工艺电阻），并联后其数值为90，这样，把两个电阻作为整体来考虑，便于统一规格和成批生产。,量程电阻RM是决定仪表量程大小的电阻。它的大小由仪表测量范围及所配用的热电偶分度号来决定。 电阻RM与滑线电阻并联，RM越大，它从上支路回路工作电流I1中所分流出的
14、电流IM越小，仪表的量程就越大；反之，RM越小，其量程也就超小。 因此，如果要制作不同量程的仪表，只需改变RM、RG和R4的阻值，滑线电阻RP和工艺电阻RB则不需要改变。,始端（下限）电阻RG的大小取决于测量下限的高低。 当滑动触点C向左移至滑线电阻的起点F时，桥路的输出电压UCD应该等于温度为标尺下限时的热电势值。 RG越大，在下限时的UCD也越大，即测量下限越高，反之亦然。,3、平衡和记录机构,l-可逆电机；2-传动齿轮；3-拉丝轮；4-拉线；5-导线轮；6-记录笔与指针； 7-记录纸； 8-卷纸辊； 9-导向辊； 10-收纸辊；11-储纸辊；12-滑动触点；13-滑线电阻盘,二、电子自动
15、平衡电桥,电子自动平衡电桥是与热电阻配合用以测量和显示温度的，也可与其他能转换成电阻值变化的变送器、传感器等配合使用，测量并显示生产过程中的各种变量，因而在化工生产中得到了广泛应用。,电子自动平衡电桥主要由测量桥路、放大器、可逆电机、同步电机等部分构成，其组成方框图如右图所示。,1、平衡电桥的工作原理：,线路如右图所示。 图中Rt为热电阻，与固定电阻R2、R3、R4组成电桥，E0为电源，G为高灵敏度检流计，A、B为电桥的输出端，RP为带刻度的滑线电阻。 如果刻度值为温度，则电桥达到平衡（即检流计G中的电流为零）时，滑动触点A所指示的温度就是被测温度。,当温度为量程下限值时，Rt有最小值Rt0，
16、滑动触点A应在滑线电阻的最左端。此时电桥的平衡条件是 R3（Rt0RP）=R2R4 （4-1） 温度升高后，热电阻由Rt0增至Rt=Rt0Rt， A点必须右移才能使电桥重新平衡，平衡条件为 R3（Rt0+Rt+RP-r1）=R2（R4+rl） （42） 用式 （42）减去式（41）得 R3（Rt -r1）=R2r1 整理得,由上式可以看出：滑动触点A的位置反映了电阻的变化，亦即反映了温度的变化，并且可以看出触点的位移与热电阻的增量呈线性关系。 自动平衡电桥是用电子放大器取代检流计，利用被放大的不平衡电压驱动可逆电机，用可逆电机再带动滑动触点A以使电桥达到平衡。,2、电子自动平衡电桥,国产的电子自动平衡电桥目前有XD系列（交流平衡电桥）和XQ系列（直流平衡电桥）两种。其中直流电源为1V，交流电源为6.3V。 当采用交流电桥时，输出的不平衡电压是交流值，可以省去直流信号变交流的过程直接送到交流放大器，结构比较简单。但抗干扰的能力较差。直流电桥的抗干扰能力强，精度较高。,自动电子平衡电桥的电原理图如下图所示。 电阻Rnp同自动电子电位差计中的一样
