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热工测量及仪表热工测量及仪表(四四)第五章 显示仪表 测量仪表的显示部分是仪表与观察者相联系的环测量仪表的显示部分是仪表与观察者相联系的环节节,是仪表的输出部分是仪表的输出部分,被测量参数的数值最终由它反被测量参数的数值最终由它反映出来映出来.显示仪表分类显示仪表分类 按显示方式按显示方式:模拟式、数字式、图形显示式三种模拟式、数字式、图形显示式三种.按仪表结构特点按仪表结构特点:带微处理器、不带微处理器两类带微处理器、不带微处理器两类.按使用性质按使用性质:标准式、实验室用、工业用三种标准式、实验室用、工业用三种.按系统构成方式按系统构成方式:串联串联(开环式开环式)、反馈、反馈(闭环式闭环式)两种两种.模拟式显示仪表模拟式显示仪表 模拟式显示仪表是以模拟量模拟式显示仪表是以模拟量(如指针的转角、如指针的转角、记录笔的位移记录笔的位移)来显示或记录被测量值的一种自动来显示或记录被测量值的一种自动化仪表化仪表.按工作原理分类按工作原理分类:a a、磁电式显示与记录仪表、磁电式显示与记录仪表(动圈式显示仪表动圈式显示仪表)b b、自动平衡式显示与记录仪表、自动平衡式显示与记录仪表(平衡电位差平衡电位差计、平衡电桥计、平衡电桥)c c、光柱式显示仪表、光柱式显示仪表、LEDLED光住显示仪光住显示仪(发光发光二极管二极管)特点特点:结构简单可靠结构简单可靠,价格低廉价格低廉,可直观反映测量值可直观反映测量值的变化趋势的变化趋势,因此因此,在数字化和微处理器快速发展在数字化和微处理器快速发展的今天的今天,它仍有难以取代的位置它仍有难以取代的位置.数字数字式显示仪表式显示仪表 数字式显示仪表是一种以十进制数码形式显数字式显示仪表是一种以十进制数码形式显示被测量值示被测量值.按功能分类按功能分类:a a、显示型、显示型:对工艺参数进行数字显示对工艺参数进行数字显示.b b、显示报警型、显示报警型:显示各种被测量参数显示各种被测量参数,并对有并对有关参数越限报警关参数越限报警.c c、显示调节型、显示调节型:具有测量、显示功能外具有测量、显示功能外,并可按并可按一定规律将工艺参数控制在一定范围一定规律将工艺参数控制在一定范围;两位调节、两位调节、三位调节、时间比例调节、连续三位调节、时间比例调节、连续PIDPID调节等调节等.d d、巡回检测型、巡回检测型:定时对各信号进行巡回检测和定时对各信号进行巡回检测和显示显示.特点特点:读数直观方便读数直观方便,无读数误差无读数误差,准确度高准确度高,响应响应速度快速度快,易和计算机联机进行数据处理易和计算机联机进行数据处理.第一节 动圈式显示仪表 动圈仪表实际上是一种测量电流的仪表,被指示的参数首先要由相应的原件转换成电势或电阻信号,然后再经过测量电路转换成流过动圈的微安级电流,电流的大小可由动圈偏转角度指示出来.特点:体积小,重量轻,结构及线路简单,价格低廉,易于维护,并有相当的精度(1.0级);既能单独用做显示仪表,又能兼有显示、调节和报警功能.应用范围:测量电压、电流、电阻、交流电参数(配上适当器件和线路)测量温度、压力、流量、多种非电量参数(配上传感器、变换器)一、动圈式仪表的工作原理一、动圈式仪表的工作原理 1 1、电磁力矩、电磁力矩 将漆包细铜线绕成的无将漆包细铜线绕成的无框架可动线圈置于永久磁铁框架可动线圈置于永久磁铁的磁场的磁场B B中中,当线圈中流过电当线圈中流过电流流I I时时,可动线圈两垂直边的可动线圈两垂直边的角边都将受到大小相等角边都将受到大小相等,方方向相反的电磁作用力向相反的电磁作用力F.F.F=nLBI F=nLBI n-n-线圈匝数线圈匝数 L-L-有效边长度有效边长度 B-B-磁场强度磁场强度 I-I-线圈中的电流量线圈中的电流量 这两个力F的合成使可动线圈受到一个电磁力矩M的作用.M=nBAIcos Nm A-可动线圈的面积 A=2rL -永久磁铁磁力线与动圈平面夹角.当动圈处同心圆形磁场中,动圈所受到的力矩M为M=nBAI2 2、反作用力矩、反作用力矩 产生反作用力矩的方法取决于动圈支撑机构产生反作用力矩的方法取决于动圈支撑机构张丝张丝.张丝扭转后产生反作用力矩张丝扭转后产生反作用力矩 M Mn n=K=K k-k-张丝性能与张力系数张丝性能与张力系数 -动圈偏转角度动圈偏转角度 当两力矩平衡时当两力矩平衡时:M=M:M=Mn n 即即:nBAI=K:nBAI=K 令令 C=C=常数常数 灵敏度灵敏度 则有则有:=CI=CI 动圈的偏转角度动圈的偏转角度流过动圈的电流流过动圈的电流I I成正比成正比.3、动圈表的结构:动圈系统、磁路系统、电气线路组成.动圈表中的无框架线圈及张丝支承结构如图:平衡锤用来调节可动部分重心位置,使可动部分重心与转轴中心重合,可以减少误差.仪表的磁路系统:由两块圆弧立式永久磁铁、两块极靴铁、柱式铁芯、环形接铁组合形成立式磁场.将动圈置于空隙中,磁分路调节片用来调节空隙中磁感应强度,用来微调指针.动圈式显示仪表工作动圈式显示仪表工作原理简图原理简图 测量线路把被测量测量线路把被测量（热电势或热电阻值）转（热电势或热电阻值）转换为测量机构可以直接接换为测量机构可以直接接受的信号。受的信号。测量机构是电磁式毫测量机构是电磁式毫伏计，仪表的核心部分。伏计，仪表的核心部分。二、测量线路电阻的温度补偿 在测量时，为了使热在测量时，为了使热电偶的热电势电偶的热电势E(tE(t，t t0 0)与动与动圈的电流有严格的对应关圈的电流有严格的对应关系系,应该使测量线路总电阻应该使测量线路总电阻R R总总为定值为定值.R.R总总=Rw+Rn,=Rw+Rn,才才能有能有I=Ui/(Rw+Rn)I=Ui/(Rw+Rn)为恒定。为恒定。R RWW动圈表的外部电阻动圈表的外部电阻,由热电偶、补偿线等组成由热电偶、补偿线等组成.R Rn n动圈表的内部电阻动圈表的内部电阻,由由R Rc c、R RT T、R RB B、R RDD组成组成.其中其中R Rc c量程调整电阻量程调整电阻.R.RC C=2001000,=2001000,R RT T热敏电阻,负温度系数电阻.RB B锰铜电阻,不随温度变化.RDD动圈电阻,正温度系数电阻.动圈仪表内电阻的温度补偿分析动圈仪表内电阻的温度补偿分析.T T0 0R RDD R RT T R RK K=R Rn n=R=RC C+R+RK K+R+RDD恒定恒定 对对R RDD进行温度电阻补偿进行温度电阻补偿I=I=恒定恒定 RWW动圈表的外电阻,RWW=15定值,RWW由热电偶电阻、补偿导线电阻、连接导线电阻、冷端补偿器(补偿电桥)电阻、外接线路的调整电阻RL L.三、测量线路三、测量线路1、配热电偶线路、配热电偶线路 仪表原来的量程0E1 1mv,则通过动圈的满刻度(量程)电流为 I=改变量程后0E2mv,相应的串联电阻RC2C2I=由于=,有 =则RC2C2=(R总总+RC1C1)-R总总例:用动圈表测量直流电压,设动圈电阻RDD=80,满量程电流为050mv,现要把量程改为0150mv,问应串联多大的电阻.解:设串联电阻为RC C,根据改量程后流过动圈的满量程电流相等的原则,可列出下式:可得RC C=1602、配热电阻测量线路 动圈仪表与热电阻配套用于测量温度时,必须首先将电阻随温度的变化值转换成毫伏信号,热电阻Rt t与R0 0、R2 2、R3 3、R4 4组成平衡电桥.当被测量温度为仪表刻度起始点温度t0 0时,Rt t=Rtoto Ucdcd=0,动圈电流为零,当tto o时,Rt tRt0t0,Ucdcd0,动圈表流过电流.四、动圈式显示仪表的型号 动圈表的型号由三节组成第一节 三位汉语拼音字母 代表仪表工作原 理,指示方式第二节 数字表示 代表设计序列和种类,仪表 的功能,配接传感器类型,尾注-特点.第三节 数字表示,表示设计序号第二节 自动平衡式显示仪表 热工测量中采用的自动平衡式显示仪表均应用了电气平衡原理,电压平衡法.特点:精确度高,反应快,灵敏度高,功能全,被广泛采用的一类显示仪表,多数平衡式仪表具有记录功能,常称为记录仪.自动平衡式显示仪表分类:电子电位差计,电子平衡电桥,电子差动仪.一、电位差计 电位差计的工作原理就是根据平衡法原理,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,被测电势就等于标准电势.测量标准电压的方法:分压线路、桥式线路.通过滑线电阻通过滑线电阻R RABCABC的的电流电流I I1 1，用电流表，用电流表A A显示显示其数值，当改变滑线电阻其数值，当改变滑线电阻上滑动触点上滑动触点B B的位置，直的位置，直到检流计到检流计GG中通过的电流中通过的电流I I2 2=0=0时，时，I I1 1R RABAB=E(t=E(t，t t0 0)，即用，即用R RABAB代表代表E(tE(t，t t0 0)，即触点，即触点B B的相应位置，的相应位置，可以直接刻度毫伏值。可以直接刻度毫伏值。1 1、分压线路工作原理、分压线路工作原理、分压线路工作原理、分压线路工作原理 UabUab为恒定值，为恒定值，R R1 1R R2 2R R3 3R R4 4不变，此时不变，此时U Uefef的的值决定于滑线变阻器滑动触值决定于滑线变阻器滑动触点点B B的位置，调节的位置，调节B B点位置，点位置，使检流计使检流计GG的电流为零，则的电流为零，则有有U Uefef=E=E（t t，t t0 0），即），即E E（t t，t t0 0）的数值是由滑动触点）的数值是由滑动触点B B的位置来反映，所以滑动触的位置来反映，所以滑动触点点B B的相应位置可以直接刻的相应位置可以直接刻度到毫伏数。度到毫伏数。2 2、桥式线路工作原理、桥式线路工作原理、桥式线路工作原理、桥式线路工作原理 利用标准电池利用标准电池E ENN，标准电阻，标准电阻R RNN及检流及检流计计GG组成的回路用来组成的回路用来校准工作电流校准工作电流I I1 1，使用方法如下使用方法如下:3 3、手动电位差计、手动电位差计、手动电位差计、手动电位差计校准工作电流校准工作电流 首先将开关首先将开关K K合在合在“标准标准”位置位置调节调节R RS S,使检使检流计流计G G指示为零指示为零,此时此时R RN N=E=EN N I=I=因为因为E EN N和和R RN N都是已知的标准值都是已知的标准值.所以所以,此时电流此时电流I I为该仪表设计时的规定值为该仪表设计时的规定值,I=C,I=C常数常数.测量未知热电势测量未知热电势E E 工作电流校准后工作电流校准后,将开关将开关K K合在合在“测量测量”位置上位置上,断开校准回路断开校准回路,接通测量回路接通测量回路,移动滑动触点移动滑动触点B B的的位置位置,使检流计指示为零使检流计指示为零,此时此时,E=U,E=UABAB=IR=IRABAB=RRBCBC=CR=CRBCBC,所被测热电势所被测热电势E E可由滑动触点可由滑动触点B B的位置的位置来确定来确定.动圈式仪表与平衡式仪表的区别动圈式仪表与平衡式仪表的区别 动圈式仪表动圈式仪表电流型仪表，被测信号是电流，电流型仪表，被测信号是电流，仪表是根据电流大小值来显示仪表是根据电流大小值来显示 平衡式仪表平衡式仪表电压型仪表，被测信号是电压，电压型仪表，被测信号是电压，仪表是根据电压高低值来显示仪表是根据电压高低值来显示二、电子电位差计二、电子电位差计 它与手动电位差计原理相同它与手动电位差计原理相同,不同之处是用电子不同之处是用电子放大器代替检流计放大器代替检流计G,G,用可逆电机及一套机械传动机用可逆电机及一套机械传动机构代替人的手工操作构代替人的手工操作.由测量桥、放大器、伺服电机、传动机构、指示由测量桥、放大器、伺服电机、传动机构、指示或记录机构组成或记录机构组成.工作原理工作原理 电子电位差计是采用桥式线路来测量电势的电子电位差计是采用桥式线路来测量电势的,将热电势将热电势E E与与U UABAB相比较相比较,其比较后的差值其比较后的差值(即不平衡信号即不平衡信号)经放大器放大经放大器放大后后,其输出功率可以达到驱动可逆电机转动其输出功率可以达到驱动可逆电机转动,使可逆电机的转使可逆电机的转动量通过一套传动机构去带动滑动触点动量通过一套传动机构去带动滑动触点B B的移动的移动,直到直到E=UE=UABAB为止为止.这时放大器的输入信号为零这时放大器的输入信号为零,输出信号也为零输出信号也为零,可逆电可逆电机不再转动机不再转动,测量线路达到平衡测量线路达到平衡.2 2、电子电位差计的组成及作用、电子电位差计的组成及作用1)1)测量桥路测量桥路冷端温度补偿电阻冷端温度补偿电阻R R2 2下支路限流电阻下支路限流电阻R R3 3起始值电阻起始值电阻R RG G上支路限流电阻上支路限流电阻R R4 4滑线电阻滑线电阻R RP P工艺电阻工艺电阻R RB B量程电阻量程电阻R RM M2)2)稳压电源稳压电源,供给稳定电压供给稳定电压,国产稳压电源提供国产稳压电源提供1V1V直流电压直流电压,工作电流工作电流2 210mA.10mA.3)3)晶体管放大器晶体管放大器 把测量桥路输出的微弱偏差信号把测量桥路输出的微弱偏差信号(一般几十微伏一般几十微伏)放大放大为能推动伺服可逆电机旋转的输出功率为能推动伺服可逆电机旋转的输出功率.三、电子电位差计的抗干扰问题干扰源:电磁场、电场、漏电流、其他因素影响造成影响:示值误差增大和不稳定 灵敏度下降,不灵敏区增大.指针运行缓慢,全行程时间增加.带调节器的仪表会在给定点处摆动,引起继电器跳动.干扰的方式:串模干扰、共模干扰 串模干扰:(端间干扰、横向干扰)在仪表输入端之间出现的交流信号,与被测信号串在一起.来源:大功率变压器、交流电机、强电流导线；抗串模干扰的措施:a、热电偶连接导线外面加屏蔽.b、热电偶连接导线远离强磁场.c、在仪表的输入加滤波电路.共模干扰共模干扰:(:(对地干扰、纵向干扰对地干扰、纵向干扰)在仪表任一输入端与地之间产生交流的干扰信在仪表任一输入端与地之间产生交流的干扰信号号.来源来源:电炉漏电至热电偶丝上电炉漏电至热电偶丝上;在地电势在地电势(用电设备旁用电设备旁)引入仪表高压电场影响引入仪表高压电场影响.抗共模干扰的措施抗共模干扰的措施:a a、热电偶悬空安装、热电偶悬空安装.b b、放大器、放大器“浮空浮空”,”,将放大器与仪表外壳将放大器与仪表外壳(大大地地)绝缘绝缘.c c、采用三线热电偶、采用三线热电偶.d d、热电偶的保护套管接地、热电偶的保护套管接地.e e、旁路电容法、旁路电容法.f f、等电位屏蔽、等电位屏蔽.四、自动平衡显示仪表的型号由两节组成第一节 三位英文字母,仪表仪表工作原理,外 形及指示方式.第二节 三位数字,代表指针和笔的数量,功能 特性.动圈式测温仪表动圈式测温仪表手动电位差计手动电位差计