1、2018/5/12,1,第三篇 显示与记录仪表,凡能将生产过程中各种参数进行指示、记录或累积的仪表统称为显示仪表（或称为二次仪表)。,按照显示的方式来分：可分为模拟式、数字式和图像显示三种。,模拟式显示仪表，是以仪表的指针(或记录笔)的线性位移或角位移来模拟显示被测参数连续变化的仪表。 这类仪表免不了要使用磁电偏转机构或机电式伺服机构，因此，测量速度较慢，精度较低、读数容易造成多值性。 但它结构简单、工作可靠、价廉且又能反映出被测值的变化趋势，因而目前大量地应用于工业生产中。,2018/5/12,2,数字显示仪表，是直接以数字形式显示被测参数值大小的仪表。 这类仪表由于避免了使用磁电偏转机构或
2、机电式伺服机构，因而测量速度快、精度高、读数直观，对所测参数便于进行数值控制和数字打印记录，尤其是它能将模拟信号转换为数字量，便于和数字计算机或其他数字装置联用。 图像显示，就是将图形、曲线、字符和数字等直接在屏幕上进行显示。它是随着电子计算机的推广应用而相应发展起来的一种新型显示仪器，其中应用比较普遍的是液晶显示器。,2018/5/12,3,第一章 模拟式显示仪表,是以仪表的指针(或记录笔)的线性位移或角位移来模拟显示被测参数连续变化的仪表。,常见的模拟式显示仪表，可按工作原理分为以下几种：磁电式显示与记录仪表，如动圈式显示仪表；自动平衡式显示与记录仪表，如自动平衡电位差计、自动平衡电桥；光
3、柱式显示仪表，如LED光柱显示仪。,2018/5/12,4,第一节 动圈式显示仪表,动圈式显示仪表的特点是：体积小、重量轻、结构简单、造价低，既能单独用作显示仪表，又能兼有显示、调节、报警功能。可以和热电偶、热电阻相配合来显示温度，也可以与压力变送器配合显示压力等参数。,2018/5/12,5,一、动圈式显示仪表的工作原理,动圈仪表由测量线路和测量机构两部分组成。测量线路的任务是把被测量转换为测量机构可以直接接受的毫伏信号，转换方法因被测量而异；测量机构是动圈仪表中的核心部分。,2018/5/12,6,二、动圈式显示仪表的测量机构,（一）测量机构的力矩分析,1. 电磁力矩,动圈所受电磁力为：,
4、动圈所受电磁力矩为：,2018/5/12,7,二、动圈式显示仪表的测量机构,（一）测量机构的力矩分析,2. 反作用力矩, 动圈的偏转角度 K 产生反作用力矩的弹性元件刚度,反作用力矩,阻尼力矩,2018/5/12,8,3. 测量机构的特性方程,或者,J 动圈测量机构可动部分的转动惯量,2018/5/12,9,上式描述了动圈式显示仪表的动态特性，若信号电流I为直流，达到稳定后，式中两个微分项为零，于是得到：,上式描述了动圈式显示仪表的静态特性，静态时，动圈的转角与电流强度I成正比，S称为动圈测量机构的静态灵敏度，通常为一常数。,2018/5/12,10,（二）测量机构的串并联电阻和温度补偿,1.
5、 串联电阻Rch,测量机构的表头必须根据最小量程所需要的灵敏度进行设计；通过改变Rch的大小就可以达到 变量程的目的； Rch由锰铜丝绕制，以使其电阻 值不随环境温度而变化。,2018/5/12,11,（二）测量机构的串并联电阻和温度补偿,2. 并联电阻Rb,改善阻尼特性,3. 温度补偿电阻RT,除动圈电阻随温度变化外，空气隙中的磁感应强度也将随温度的升高而减小，导致指针偏转角减小，从而引起附加的测量误差。另一方面，张丝的弹性模量随温度升高而降低，导致反作用力矩减小，使指针指示偏高。这两项可以相互抵消一部分。所以附加误差主要仍由动圈电阻随温度变化引起。,2018/5/12,12,三、动圈式显示
6、仪表的测量线路,（一）配热电阻的动圈仪表测量线路,在被测温度为仪表刻度的初始温度t0时，电桥平衡，有,温度升高，电桥失去平衡，温度越高，不平衡电压越大，电流越大，仪表指针偏转角越大。,2018/5/12,13,三、动圈式显示仪表的测量线路,（二）配热电偶的动圈仪表测量线路,动圈仪表可以直接与热电偶相连，测量温度。,动圈式显示仪表是在热电偶冷端温度为0下按照其分度表刻度的，因此，测温时必须考虑冷端温度补偿问题。 动圈式显示仪表的刻度盘是按所配热电偶的分度号来标定的，使用时必须按表盘给出的热电偶分度号去选用对应的热电偶。,2018/5/12,14,第二节 自动平衡电位差计,由于动圈式仪表实际上是一
7、种测量电流的仪表，因此能引起电流变化的各种干扰因素都会导致测量误差，这种误差不是靠提高仪表的加工要求就能弥补的。 同时，它的可动部分容易损坏，怕震动，阻尼时间较长，且不便于实现自动记录。 利用自动电子电位差计来测量电势，就可以克服以上的缺点，提高测量精度。,2018/5/12,15,手动平衡电位差计原理,电位差计的工作原理是根据平衡法(也称补偿法、零值法)将被测电势与已知的标准电势相比较，当两者的差值为零时，被测电势就等于已知的标准电势。,其中R为线性度很高的锰铜线绕电阻，它由稳压电源供电，这样就可以认为通过它的电流I是恒定的。G为检流计，它是个灵敏度很高的电流计。Et为被测的未知热电势。 只
8、有当UCBEt时，检流计中无电流流过，,2018/5/12,16,一、手动电位差计,手动平衡电位差计原理,E：稳压电源 EN：标准电池 RN：标准电阻,（1）校准工作电流，使得,（2）测量未知电动势Et；,2018/5/12,17,以上两种测量热电势的方法测得的结果极为准确，其原因如下。,由于它们是在全补偿时(亦即检流计中无电流通过时)进行测量读数、因此，被测热电势本身引起的压降损失和导线上的压降损失就不存在了，对测量结果也无影响。,测量结果的准确性是依赖于标准电池的电动势及测量回路电阻的精度，而标准电池及电阻一般可以得到较高的准确性。,应用了高灵敏度检流计作为监测。,手动平衡电位差计原理,2
9、018/5/12,18,一、自动平衡电位差计的工作原理,用可逆电动机及一套机械传动机构代替了人手进行电压平衡操作。,用放大器代替了检流计来检测不平衡电压并控制可逆电机的工作。,下图是自动电子电位差计的简单原理图。,2018/5/12,19,一、自动平衡电位差计的工作原理,上图是自动电子电位差计的测量原理图。在实际应用中，还需要考虑冷端温度补偿问题，因为热电偶是以t00为基准来分度的，则在原来电路的基础上再增加一个支路。,2018/5/12,20,实际上自动电子电位差计是由测量桥路、放大器、可逆电机、指示机构、记录机构所组成。,图 (a)是其原理方框图，图(b)是其结构示意图。,自动平衡电位差计
10、的结构,2018/5/12,21,我国统一设计的XW系列自动电子电位差计测量桥路原理线路如下图所示。,测量桥路由定电压单元供给1V的工作电压。,2018/5/12,22,二、桥路电阻的作用,R2铜电阻 装在仪表后接线板上以使其和热电偶冷端处于同一温度。 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。对它的精度有较高的要求，一般应在0.2以内。 上支路限流电阻R4的作用在于把上支路的工作电流限定在4mA。 滑线电阻RP，和RP并联一个电阻RB(RB称为工艺电阻)，并联后其数值为90,2018/5/12,23,二、桥路电阻的作用, 量程电阻RM 它的大小由仪
11、表测量范围与所采用的热电偶分度号来决定。电阻RM与滑线电阻相并联，当RM越大，它从上支路回路工作电流I1中所分流出的电流IM越小，仪表的量程就越大；反之，RM越小，其量程越小。 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左移至滑线电阻的起点时，桥路输出电压UCD应该相应于温度为标尺下限时的热电势。RG 越大，在下限时的UCD也越大，即测量下限越高，反之亦然。,2018/5/12,24,设 ，则有,三、测量电路的设计计算,1. 下支路的设计计算,通常取电桥供电电压E=1V，下支路电流I2在20时为2mA。因已知E与I2，则,式中,温度补偿的比例系数,t0=20时热电偶冷端补偿电
12、阻值,2018/5/12,25,三、测量电路的设计计算,1. 下支路的设计计算,值决定补偿的强弱，与被补偿的热电偶型号有关，也与冷端温度的变化范围有关，可由下式计算,式中,温度补偿的比例系数,t0=20时热电偶冷端补偿电阻值,2018/5/12,26,三、测量电路的设计计算,2. 上支路的设计计算,上支路主要计算RM、R4与RG。滑动臂从最右端移到最左端所扫过的电压降（即电位差计的量程）为：,量程已知，则可得,2018/5/12,27,当被测温度为下限最低温度时，输入的热电势等于E(t01,t0),此时滑动臂在最左端，电桥的输出电压与输入的热电势相平衡：,由于I1、I2已知，可求得调零电阻RG
13、为：,按桥路电源电压E=1V，可求得限流电阻R4为：,2018/5/12,28,第三节 自动平衡电桥,自动平衡电桥可与热电阻Rt配合用于测量温度。自动平衡电桥的工作原理与自动平衡电位差计相比较，只是输入测量电路不同。,一、自动平衡电桥的工作原理,2018/5/12,29,二、测量电路的设计计算,1. 量程电阻,2018/5/12,30,二、测量电路的设计计算,2. 桥臂电阻,2018/5/12,31,二、测量电路的设计计算,3. 调零电阻,2018/5/12,32,4. 桥路电阻比,桥路电阻比 i 与电桥的电压灵敏度有关，选取的方式是：,对工业上常用的量程 ，取i=1； 对小量程仪表 ，取i1
14、; 对大量程仪表 ，取i =2。,2018/5/12,33,自动平衡电位差计和自动平衡电桥有很多相似之处。,首先，与这两种仪表配套的测温元件(热电偶、热电阻)在外形结构上十分相似。,另外，就仪表的外形及其组成：如放大器、可逆电机、同步电机及指示记录部分都是完全相同的。,但是，这两种仪表在本质上却各有其特点，现将它们不同之处归纳如下。,三、自动平衡电桥与自动平衡电位差计的比较,2018/5/12,34,(1)它们的输入信号不同。电位差计输入信号是电势；而平衡电桥输人信号是电阻。,(2)两者的作用原理不同。自动平衡电位差计的测量桥路在测量时，它本身是处于不平衡状态，即测量桥路有不平衡电压输出，它与
15、被测电势大小相同，而极性相反，这样才与被测电势相补偿，从而使仪表达到平衡状态。而自动平衡电桥，当仪表达到平衡时，测量桥路本身处于平衡状态，即测量桥路无输出。,三、自动平衡电桥与自动平衡电位差计的比较,2018/5/12,35,(3)当用热电偶配自动平衡电位差汁测温时，其测量桥路需要考虑热电偶冷端温度的自动补偿问题，而用热电阻配自动平衡电桥测温时，则不存在这个问题。,(4)测温元件与测量桥路的连接方式不同。自动平衡电位差计的测温元件热电偶是连接在桥路输出回路(即放大器的输入回路)中，用补偿导线采用两线制接法，而自动平衡电桥的测温元件热电阻是采用三线制接到桥路中。,三、自动平衡电桥与自动平衡电位差
16、计的比较,2018/5/12,36,(5)自动电子电位差计桥路供电的稳压电源是直流。而自动平衡电桥桥路供电的电源可直流，也可以是交流。,应当指出，随着科学技术的发展，使仪表制造业也不断发展。目前许多仪表厂对自动平衡电位差计和自动平衡电桥的结构作了若干改进。在记录笔的结构、记录纸的走纸机构等方面也进行了改进，并出现了无笔、无纸记录仪。,三、自动平衡电桥与自动平衡电位差计的比较,2018/5/12,37,第四节 光柱式显示仪表,光柱显示器为新颖电子式指示电表 , 用以代替动圈式指针表及色带仪 , 直观显示电压、电流、温度、压力、液位、转速等物理量 , 具有精度高、寿命长、防磁抗震、醒目等优点 ,
17、尤其在背景亮度不大的情况下 ( 例如晚上 ) 更具有无可比拟的优越性。它因具有显示直观，亮度均匀，可靠性高以及成本低、抗振、耐冲击等特点已用于各种显示调节仪表，作为过程量或控制量以及阀位的模拟指示，已成为当代国际面板表的最新潮流。,2018/5/12,38,一、工作原理,目前，可制成光柱显示器的有等离子体显示器（PDP）、液晶显示器（LCD）和发光二极管器件（LED）。其中LED光柱显示器具有工作电压低、省电、价廉、机械强度高等特点，而且可以制成结构紧凑、精度高的显示屏，因此得到广泛应用。常见的LED光柱分为41线、51线、101线多种。,2018/5/12,39,一、工作原理,驱动电路的基本
18、原理是把输入的模拟信号（如15V或420mA）转换成串行输出的数字量（一定频幅的脉冲信号），并以动态扫描方式输出。,2018/5/12,40,二、应用举例,光柱显示仪用于锅炉水位显示,2018/5/12,41,二、应用举例,变色LED光柱,一个显示单元中有共阴连接的红色和绿色LED各一只。当阴极a为低电平，红色阳极r为高电平时，发红光；绿色阳极g为高电平时发绿光，而当g、r同时为高或以一定的频率交替为高时，由于空间混色效果而发橙色光；其它状态不发光。,2018/5/12,42,二、应用举例,三光柱显示仪,左图所示的三光柱显示仪如用于电力系统的电网参数显示，将更能显出其独特之处。 三个黄绿红色光柱分别代表电网的三相，并分别设置上、下限报警或控制功能，则这种仪表用于显示电压或电流，不但能一目了然地呈现出三相电网的平衡状态，还可实现预先设置的超压、欠压、超载、欠载等极限情况报警或实现相应的控制功能。,2018/5/12,43,2018/5/12,44,
