第四章顯示儀表

凡是能將生產過程中各種參數進行指示、記錄或累積的儀表

統稱為顯示儀表（二次儀表)。

按照能源來分：可分為電動顯示儀表、氣動顯示儀表；按照顯示方式來分：可分為模擬式、數字式和圖像顯示三種。

模擬式顯示儀表，是以儀表的指針(或記錄筆)的線性位移或角位移來模擬顯示被測參數連續變化的儀表。

這類儀表大多數要使用磁電偏轉機構或機電式伺服機構，因此，測量速度較慢，精度較低、讀數容易造成多值性。但它結構簡單、工作可靠、價格低廉且又能反映出被測值的變化趨勢，因而大量應用于工業生產中。

這類儀表測量速度快、精度高、讀數直觀，對所測參數便于進行數值控制和數字打印記錄，尤其是它能將模擬信號轉換為數字量，便于和數字計算機或其他數字裝置聯用，得到迅速的發展。

圖像顯示，就是將圖形、曲線、字符和數字等直接在屏幕上進行顯示。它是隨著電子計算機的推廣應用而相應發展起來的一種新型顯示儀器，其中應用比較普遍的是液晶顯示器。

數字顯示儀表，是直接以數字形式顯示被測參數值大小的儀表。

第四章顯示儀表第一節動圈式顯示儀表

動圈式顯示儀表是我國中小型企業廣泛使用的模擬式儀表。

它具有結構簡單、價格低廉、靈敏可靠等優點。

如XCZ型動圈儀表可指示被測參數；

而XCT型動圈儀表除對參數指示外，還有控制功能。

動圈式儀表的輸入信號：可以是直流毫伏信號，如檢測元件或傳感器或變送器送來的直流毫伏信號；也可以是非電勢信號但必須經過適當轉換電路后能轉換成電勢信號的參數。一、XCZ－101型動圈式顯示儀表XCZ—10l型動圈式儀表是與熱電偶配套使用的顯示儀表。型號：XCZ－10l顯示儀表動圈式、磁電式指示儀1配熱電偶0無意義（表示調節方式）1單標尺（表示設計序列或種類）1.測量機構及作用原理

結構：

(1)、勻強永久磁場：一對徑向同心永磁極芯（場強處處相等）

(2)、動圈：置于永久磁場中的矩形可動線圈（漆包線繞制）

(3)、張絲支撐：（鈹青銅）彈性吊帶，兼作電流導線

注：“勻強”僅相對而言，僅在動圈活動的范圍內近似，磁場難于做到真正的“均勻”。（相對動圈弧形運動而言，有效范圍內）

用張絲把動圈吊置在永久磁鋼的空間磁場中。當測量信號通過張絲加在動圈上時，便有電流流過動圈。此時載流線圈將受磁場力作用而轉動，動圈的轉動使張絲扭轉，此時，張絲就產生反抗動圈轉動的力矩，這個反力矩隨著張絲扭轉角的增大而增大。當兩力矩平衡時，動圈就停留在某一位置；由于動圈的位置與輸入毫伏信號相對應，當面板刻成溫度標尺時，指針就指示出被測對象的溫度數值。1.測量機構及作用原理

當給“動圈”通以定向電流時，該電流沿電線縱向“切割”磁力線，從而引起動圈水平方向的旋轉（方向依右手定則判斷）1.測量機構及作用原理

其實動圈的旋轉直接解釋為：勻強磁場的方向及強弱是恒定的；由于被測電流在動圈內感生的被激磁場的強弱與被測電流成正比；兩個磁場的因方向夾角及強弱大小產生的旋轉力矩恰好與張絲的反旋轉力矩平衡。

電旋轉力矩：M磁＝N·I·B·S；F＝BI·L；S＝L·2r；

N－動圈匝數；I－被測電流值；B－場強；S－線圈面積；

L－線圈高度（磁場中載流導線的有效長度）。

由張絲吊帶扭轉產生的對動圈的反旋轉力矩：

M反＝k·Φ；Φ－動圈旋轉角度（約30o左右）

k＝C·2r；C－彈性系數（在較小的扭轉范圍內近似常數）；在電流I的作用下，此兩個力矩達平衡時：有M磁＝M反即：Φ＝kˊ·I；kˊ－儀表常數。上式表明：動圈偏轉角度處處與引起線圈旋轉的電流成正比。

（動圈表相當于電流表）；指針停留的位置即線性表征了流進動圈電流的大小。1.測量機構及作用原理此時若將熱電偶溫度計的熱電勢作為動圈的輸入量，如果回路中總電阻恒定，則依據歐姆定律，儀表指針的偏轉角度線性的表示了被測熱電勢的大小。E＝I×R；對熱電勢測量的前提條件是回路中總電阻R為定值2.整機線路分析

流過動圈的電流不僅和熱電偶的熱電勢E(t，t0)有關，也和回路內總的電阻有關，回路中總的電阻R總是表內電阻R內和表外電阻R外之和。R＝R內＋R外；按歐姆定律，流過動圈的電流應為：1、現實中由于熱電偶距顯示儀表的距離長短不一，規定外線路電阻R外=15Ω；當時，表內設有外線路調整電阻，R調（電位器）2.整機線路分析2、R串：這個恒定電阻較大，使動圈電阻隨溫度變化而引起測量的相對誤差減少。用錳銅絲繞制，數值可按量程大小選擇。R動R串R調RTRB

動圈表實質是電流表，儀表指針的偏轉角度所限定的電流值，電流一定時，對應于不同熱電偶的不同測溫范圍所產生的熱電勢，只要成比例改變回路電阻R，就能適應不同量程范圍，R串----量程調整電阻。3、動圈本身是用銅導線繞制而成的，當環境溫度升高時，電阻就增大，在相同的毫伏信號輸入的情況下，回路內電流將會減少，儀表的指示值就偏低。因此，也需要進行溫度補償RT//RB。2.整機線路分析

一般是在線路中串接熱敏電阻RT。

熱敏電阻的電阻值隨溫度的升高而下降，且呈指數規律變化。但是，如果只用熱敏電阻補償就過頭了，因此再用一個錳銅絲繞制的電阻R并(50Ω)和熱敏電阻RT(20℃時為68Ω)并聯，以削弱RT的影響，此并聯后的特性接近于線性變化。

當溫度升高時，并聯總電阻下降，而動圈的電阻增加，一個增加，一個下降，如果配合得好，就能得到較好的補償效果。

動圈表誤差分析:1基本誤差：變差小，摩擦小

2不完全平衡誤差：重心不平衡

3刻度誤差及調整誤差

附加誤差分析:1外線路電阻不符合規定所帶來的誤差

2儀表所出環境溫度變化時帶來的誤差（銅絲繞制動圈，連接

熱電偶＋動圈表內連接導線無補償）

3儀表在受到外界電磁場作用時，產生一定誤差2.整機線路分析二、XCZ—102型動圈式顯示儀表XCZ—102型動圈儀表與熱電阻相配套構成熱電阻溫度計。

其原理線路如圖所示。

由圖可知，它是由穩壓電源、動圈儀表和不平衡測量橋路組成。

動圈式儀表實際上是一個磁電式毫伏計，所以要求輸入信號是直流毫伏信號。當配接熱電阻測溫時，就得設法將熱電阻阻值隨溫度的變化轉換成毫伏信號。

為了準確地指示出被測溫度的數值，將不平衡電橋采用三線制接法，并加外接調整電阻。

為了克服因連接導線長短不同而引起的測量誤差，一般規定連接導線的電阻值為3×5Ω，即每根連接導線的電阻值為5Ω。這樣，儀表出廠時，就帶有3個用錳銅絲繞制而成的電阻，其阻值每個為5Ω，稱之為外接調整電阻。在校驗儀表時，必須把這3個外接調整電阻分別接在儀表的接線端子上。在實際使用時，若每根連接導線電阻不足5Ω時，則須用外接調整電阻來補足，使外接電阻湊足為5Ω。二、XCZ—102型動圈式顯示儀表3.幾點要說明的問題(1)動圈式儀表的型號為XCZ，

有附加裝置進行自動控制的型號為XCT。(2)在使用時，必須注意與測溫元件配套的問題。在儀表面板上注有與測溫元件配套的分度號。否則將產生極大的人為誤差。(3)要會使用外接調整電阻。在動圈儀表安裝位置不變的情況下，安裝一次測溫元件時，都要重新調整一次外接調整電阻的數值，配用熱電偶時，R外＝15Ω。配用熱電阻時，R外＝5Ω。(4)儀表出廠時將短路端子用導線短路，實際上就是將動圈本身短接成一回路，構成一個磁感應阻尼器。第二節自動電子電位差計

由于動圈式儀表實際上是一種測量電流的儀表，因此能引起電流變化的各種干擾因素都會導致測量誤差，動圈表測溫總回路電阻不夠恒定（開環系統），這種誤差不是靠提高儀表的加工要求就能彌補的。

同時，它的可動部分容易損壞，怕震動，阻尼時間較長，且不便于實現自動記錄。

利用自動電子電位差計來測量電勢，就可以克服以上的缺點，提高測量精度（“電壓平衡原理”）。

為了更好地掌握它的結構和工作原理等問題，下面先從手動電位差計講起。

電位差計的工作原理是根據平衡法(也稱補償法、零值法)將被測電勢與已知的標準電勢相比較，當兩者的差值為零時，被測電勢就等于已知的標準電勢。

圖中R為線性度很高的錳銅線繞電阻，通過它的電流I是恒定的。G為檢流計，它是個靈敏度很高的電流計。

測量時，可調節滑動觸點C的位置，以使RCB上的壓降UCB變化，則得UCB=IRCB;一、手動電位差計

這樣，當UCB＞Et時或UCB＜Et時，檢流計中就有電流流過，指針就發生偏轉；

只有當UCB＝Et時，檢流計中無電流流過，即此時I檢＝0。

也就是說，這時的巳知電壓UCB正好和未知熱電勢Et平衡，即Et=UCB（條件：I檢=0）

根據滑動觸點的位置．可以讀出UCB，這樣就達到了對未知熱電勢測量的目的。一、手動電位差計一、手動電位差計

由上述可知，要想使工作電流I等于定值，用穩壓電源供電是一個好辦法。

如果用電池代替穩壓電源時，就應在工作回路中加調整工作電流的電位器RH和標準電阻RN。

它利用標準電池EN及標準電阻RN來校準工作電流I，以確保工作電流恒定。(1)校準工作電流：

將開關K合在“1”的位置上，然后調節工作回路的電位器RH，使檢流計G的指示為零。即Ex＝IRN

因為EN為標準電動勢，RN為標準電阻，兩個都是已知標準值，所以此時的電流I為儀表刻度時的規定值。(2)測量未知熱電勢Et：

將開關K合到“2”位置上，這時校準回路斷開，測量回路接通，移動滑動觸點C的位置，直至檢流計指示為零，此時便得：

一、手動電位差計

兩種測量熱電勢的方法測得的結果極為準確，其原因如下。①由于它們是在全補償時(亦即檢流計中無電流通過時)進行測量讀數、因此，被測熱電勢本身引起的壓降損失和導線上的壓降損失就不存在了，對測量結果也無影響。②測量結果的準確性是依賴于標準電池的電動勢及測量回路電阻的精度，而標準電池及電阻一般可以得到較高的準確性。③應用了高靈敏度檢流計作為監測。一、手動電位差計

用可逆電機代替人工操作（傳動機械），用放大器代替檢流計。1、測量橋路分析：gcEExR++--

由于采用了穩壓電源供電，原電路中的調整工作電流電阻RH以及標準電流回路均可以去掉，再將電源的支路翻下來，如圖所示。

為了提高橋路的靈敏度，用放大器取代檢流計，并用放大后的不平衡電壓△U輸出驅動“可逆電機”，通過傳動系統帶動滑動觸點C，自動調平衡（代替手動），直至△U=0，才可以讀數。二、自動電子電位差計二、自動電子電位差計二、自動電子電位差計

為了彌補儀表工作環境溫度（T1>0）,而使熱電偶少反映出的熱電勢（E(T1,0)）。在下支路設置電阻R2（銅電阻）。

R2-溫度補償電阻；R3-限流電阻二、自動電子電位差計

暫時把R//RP//RM看作一個電阻。為了能使滑線電阻R的滑動全范圍時，對應熱電勢的變化全范圍，需要在上支路設置兩個電阻

RG-下限電阻；R4–上限電阻（上支路限流4mA）。RP—工藝電阻：由于R是手工繞制的滑線電阻，阻值難以精確控制，故需要并聯一個碳膜電阻，并使RP//R=90Ω，整體考慮，統一生產。RM—量程電阻：通過改變RM

阻值，達到改變三個電阻并聯等效后的結果阻值。二、自動電子電位差計

附滑線電阻R’同R（材料、阻值、規格）同種材料，接觸電勢相抵消（引出導線的用途）閉合回路內處處等電位，甩掉小辮子；平行布置，用滾子作觸點時，可以形成軌道。<RR’二、自動電子電位差計2、整機結構：

（1）電子放大器（JF-12型）交流放大（機械斬波，飄移?。┹斎搿獦蚵凡黄胶怆妱荨鱑

輸出—驅動可逆電機的控制電流

（2）可逆電機（伺服電機）根據放大器放大后的△U正負，有

正反方向來帶動滑輪（滑動觸點）及指針自動調平衡直至

△U=0（停轉）

（3）同步記錄機構同步電機拖動記錄紙均速轉動（記錄筆夾

墨水、指針等）二、自動電子電位差計第三節自動電子平衡電橋

電子自動平衡電橋也是與熱電阻配套測溫使用，但它精度較高，能自動記錄，是工業上應用很廣泛的儀表之一。

關于熱電阻測溫,主要是有一個三線制問題,是用電橋法測溫的特有問題。從原理上講，只有當熱電阻阻值變化量相對熱電阻而言可以忽略時，△U與△Rt近似線性關系。在準確性上，受到一定限制。一、平衡電橋的測溫原理而電子平衡電橋是利用平衡電橋來測量熱電阻變化的。

圖中Rt為熱電阻、它與R2、R3、R4、RP組成電橋，電源電壓為E0；

對角線A、B接入一檢流計G；

RP為一帶刻度的滑線電阻。一、平衡電橋的測溫原理