山东建筑大学热工检测课第5章

第五章显示仪表1动圈式显示仪表3数字式显示仪表2平衡式显示仪表及测量电桥模拟式显示仪表•原理：用指针的线位移或角位移来模拟显示被测参数连续变化的。•方式：利用标尺、指针等方法•组成：由一些必需的机械运动机构：磁电偏转机构•优点：工作可靠、价格低廉，能够反映和记录测量值的变化趋势,能够大量应用。•缺点：结构较复杂，读数不够直观，测量速度不够迅速，测量重现性不好数字式显示仪表•功能：直接用数字形式显示被测变量值大小的仪表。方式：数字式•组成：由一些必要电路组成，没有模拟式显示仪表中所必需的机械运动机构。•特点：显示清晰直观，无读数视差。测量和显示速度、测量准确性高，重现性好。屏幕显示仪表•特点：将图形、曲线和字符数字等直接在屏幕上进行显示。•计算机控制系统的必要组成DCS第1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工艺变量检测的直流毫伏信号进行显示。•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•动圈偏转角第2节平衡式显示仪表及测量电桥•一电位差计•二电子电位差计•三测量电桥•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。一电位差计-+IUXBWGACE用已知电压来补偿未知电压，使测量线路的电流等于零。用这种方法测量电压比较精确，因为没有电流通过测量线路，也就不存在线路电阻影响问题。•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。•测量未知电压的方法: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。二电子电位差计•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。4图电子电位差计原理图热电偶测量桥路放大器可逆电机指示机构记录机构同步电机稳压电源电子电位差计原理框图测量桥路原理图测量桥路原理图(1)滑线电阻RP与工艺电阻RB改变滑动触点在RP上的位置,可以产生不同的桥路输出电压以平衡热电偶的热电势。测量桥路原理图(2)始端(下限)电阻RGRG的大小取决于测量下限的高低。测量桥路原理图(3)量程电阻RMRM是决定仪表量程大小的电阻。它的大小由仪表测量范围与所采用的热电偶分度号来决定。测量桥路原理图nPGRRIER14(4)上支路限流电阻R4把上支路的工作电流限定在4mA。测量桥路原理图(5)冷端温度补偿电阻R2降低了测量误差。测量桥路原理图(6)下支路限流电阻R3它与R2配合，保证了下支路回路的工作电流为2mA。223RIER•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：•①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。当配用镍铬－镍硅热电偶时R2=5.33Ω；配用镍铬—考铜热电偶时R2=8.92Ω；配用铂铑－铂热电偶时R2=0.74Ω。•②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。•③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。•④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90Ω，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•⑤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。•⑥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。三测量电桥•电桥是测量电阻、电容和电感的电路，通常采用直流电桥来测量电阻的大小1用手动平衡电桥测量热电阻•电桥平衡时•c、d两点间电位差为0，检流计中无电流通过，有当R2=R31用手动平衡电桥测量热电阻R1为带刻度的滑线电阻，电桥达到平衡（即检流计G中的电流为零）时，滑动触点的位置可确定热电阻阻值。1用手动平衡电桥测量热电阻存在的问题：Rt与R1和RL都有关系，而RL与温度有关。改进：采用三线制•电桥的平衡条件：2用不平衡电桥测量热电阻通过动圈表的电流只是Rt的函数，动圈表指针的偏转角就代表Rt的大小数显仪表普遍采用中、大规模集成电路，线路简单，可靠性好，耐振性强。由于仪表采用模块化设计方法，即不同品种的数显仪表都是由为数不多的、功能分离的模块化电路组合而成，因此有利于制造、调试和维修，降低生产成本。数显仪表品种繁多，配接灵活，可输入多种类型测量信号，输出统一标准的电流信号（0～10mA直流电流或4～20mA直流电流）和报警信号。第三节数字式显示仪表•模拟式显示仪表中的信号都是随时间连续变化的模拟量，如用热电偶测温度，热电势是连续变化的模拟量。其中的测量电桥、放大器等都是模拟电路，与其相应的显示方式是标尺、指针、记录笔画曲线等。而数字式显示仪表也是先用传感器将待测变量如压力、物位、流量、温度等转换成相对应的物理量，一般为电信号，再经模／数转换（ADC）成数字信号（脉冲信号），由数字电路处理后直接以数字形式显示被测结果。一原理与基本组成•数字式显示仪表一般应具备模／数转换（ADC）、非线性补偿、标度变换三部分。一原理与基本组成17二模数转换•双积分ADC的基本原理是对输入模拟电压和参考电压分别进行两次积分，将输入电压平均值变成与之成正比的时间间隔，然后利用时钟脉冲和计数器测出此时间间隔，进而得到相应的数字量输出。由于该转换电路是对输入电压的平均值进行变换，所以它具有很强的抗工频干扰能力，在数字测量中得到广泛应用。•工作过程分两步：•采样积分时间：K1闭合，Ui通过R向C充电，充电时间长度为t1•工作过程分两步：•比较测量时间t2：K1断开，K2闭合，UB通过R向C反充电，计数开始，C上电压开始下降；C上电压过零时计数停止，K2断开，K3闭合使C电荷清零。•输入电压越大，t2时间间隔越大，计数器所计的数也越大。从而完成了模数转换三电信号的标准化与标度变换•信号的类别不同，电平高低相差悬殊。•信号的标准化:将不同性质的信号或不同电平的信号统一起来，称为信号的标准化•国内采用的统一直流信号电平有：0～10mV,0～30mV,0～50mV标度变换•实质就是比例尺的变更四非线性输入信号的线性化•多数传感器都具有非线性特性，既不利于读数和测量结果的分析处理，而且是产生测量误差的主要原因之一。为了减小或消除非线性误差，必须进行非线性补偿。•方法可分为开环式、闭环式•这些补偿方法都是要求在测量回路中加入某个线性化器，利用线性化器的非线性函数去补偿传感器的非线性特性。•用若干段直线连接成一条折线来近似表示所需的非线性输出输入特性曲线(复杂的解析表达式也可描绘成曲线)——折线逼近法，在实际中获得了广泛应用。•常用的折线逼近法有两种图折线逼近法截线近似法：折线的转折点都位于被逼近的曲线上，如图a图折线逼近法D近似法：在预定的误差D内，在被逼近的函数f(x)附近作两个新的函数f(x) + D和f(x) - D，在这两个新函数之间来回作穿越f(x)的最长折线，如图b