第九章显示仪表

动圈置于磁场B中，如图所示，流过电流I时，动圈的两个有效边L，分别受到大小
相等、方向相反的力F1和F2，其方向可用左手定则来决定，其大小如下式：
F=F1=F2=nBLI
（9-1）
n——动圈匝数
B——永久磁铁的磁感应强度，T（特斯拉）
L——有效边长度，m
I——流过的电流，A
易知动圈绕旋转角的转动力矩为：
R外=R热+R桥+R补+R铜+R调=15 Ω
应当注意，R热是热电偶实际测温时的电阻值，而不是室温时的电阻值。特别 是铂铑-铂热电偶，长1m左右，在室温时R热约为1Ω。当它插入深度为0.5m，温 度为1300℃左右的实际测温处，其R热便上升到5Ω。因此必须以R热=5Ω为基准调 节R热，使R外准确等于15Ω，这样才能大大减小测量误差。（这一点在使用时往 往被忽略）。
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。
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。
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。
模拟式显示仪表是以指针或记录笔的 偏转角度或位移量来模拟显示被测变量 的连续变化。根据其测量线路的不同， 又可分为直接变换式（如动圈式）和平 衡式（如电子自动平衡式）两类。
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 他工艺变量检测的直流毫伏信号进行显 示。
热电偶的冷端补偿
动圈仪表内部无冷端补偿装置，它直接按照热电偶的分度表进行刻度的，也就是说， 它是在热电偶冷端处于0℃条件下刻度的。如果热电偶的冷端不是0 ℃那么动圈仪表的读数 是不真实的，并产生一个随冷端温度变化而变化的误差。
（1）使用冷端补偿电桥和补偿导电
当仪表所处的室温在较大范围内变化时，最好将冷端补偿电桥和补偿导线一起配合使用。
右图为手动电位差计的原
理线路图，测量未知电压的
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
第九章 显仪表
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。
M1=2rnBLI=C1I 可见转动力矩M1与输入电流I成正比。
（9-4）
2.反作用力矩M2
动圈受M1的作用产生偏转，偏转角设为α。要使一定的电流I产生一定的偏转角α，必须在圈上加一个与 偏转角成正比的反作用力矩M2，不然的话，电流产生的力矩将使动圈一直转到指针卡死为止。这时即使电流撤 消了，由于没有反作用力矩，动圈处于静止状态，动圈也回不到仪表的原点处。反作用力矩由支承动圈的张丝
扭转而产生，反作用力矩M2：
M2=C2α
（9-5）
式中C2和张丝的几何尺寸（长度、宽度与厚度）、张丝的材料以及张力的大小有关。同样，仪表设计定型 了，C2也是一个常数，称C2为仪表常数。显然M1和α成正比关系。
3.转动力矩 与反作用力矩的平衡
当动圈产成偏转，并带动指针指在某一刻度处不动时，这时仪表测量机构的转动力矩与反作用力矩也达到平 衡，即
构成方框图
测量桥路原理图
越过电阻说明
R2-冷端补偿铜电阻； 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：
应该注意：热电偶的热电势和桥路补偿电压两者随温度变化的特性是不完全一样的。在 温度变化较小时，补偿电压Uab与温度的关系可认为是线性的，而热电偶的热电特性则是非线 性的，因此温度补偿将是不完全的，误差仍会存在。但如果选取一小段较小的温度范围（比 如0-50 ℃ ），并通过合理的设计，可以使桥路输出的补偿电压Uab与热电偶冷端的附加电热 EAB（t0,0）近似相等，这就减小了因补偿不完全而带来的误差。为了减小这种误差，通常在 0-50 ℃的温度范围内，选取20 ℃为基准点，因为仪表所处的室温总是接近20 ℃的。因此 补偿电桥就设计在20 ℃是平衡（Uab=0）， 这样当热电偶的冷端温度t0高于或低于20 ℃ 时， 补偿电桥所产生的附加电压Uab只要能够补偿t0与20 ℃之差对被测热电势的影响，就可以使 误差减到最小。此时仪表的机械零件必须调在20 ℃。
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。
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
工作原理 1.转动力矩M的产生
1、不平衡电桥的转换原理
该不平衡电桥是这样设计的，即R3=R4，Rw+R2=Rt0+Rw+R0,其中R0是对应于仪表刻度起点的热电阻值，此时电桥处于 平衡状态，电桥输出为0。当被测温度增加时，热电阻Rt也随着增加，电桥失去平衡，电桥输出随之增大，因此流经动圈的 电流增大，指针产生偏转，指针所示的位置即为被测温度。若被测温度越高，桥路输出的不平衡电压越大，指针偏转的角 度也越大。不平衡电桥就这样将电阻信号转换成电压信号。不平衡电桥后面的测量线路与测毫伏信号的测量线路完全相同。
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。
XCZ型配热电阻的动圈仪表的测量线路
当动圈仪表与热电偶或其他电阻型传感器配合显示被测参数时，其输入信号为电阻变化值。为了利用统一的标准的测量 机构，必须将电阻转换成毫伏信号，这时动圈仪表的测量线路如图5-8所示。由图可知，完成电阻到毫伏信号的转换是由不 平衡电桥来实现的。其中Rt为热电阻，R0、R2、R3、R4均为锰铜电阻，Rw为热电阻与仪表之间的每根接线的电阻值，它 们共同组成电桥的4个桥臂。
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。
2、只用补偿导线 由于把热电阻引入桥路的连接导线电阻值会随环境温度而变化，如果把热电阻的连接导线都接在一
个桥臂上，只需要两根连接导线，但这种连接方法会给仪表带来较大的附加误差，因为环境温度发生变化，两根导线电阻的 变化值全部叠加在热电阻的变化值上。为此工业上常采用三线制接法。三线制接法将两根导线分别连接在相邻的两个桥臂上， 当导线电阻变化时，可以互相抵消一部分，大大减小了对仪表读数的影响。从不平衡电桥的原理可知，只有在仪表的刻度起 点，连接导线电阻的变化才能全部相互抵消。但在仪表刻度的其他点，连接导线的温度附加误差依然存在。当仪表指针位于 满度时，此附加误差达到最大值，即便如此，最大附加误差仍不超过0.5%。（一般R1=5Ω，不足5Ω，用锰铜电阻补足，环境 温度0-50℃。）
M1=M2
分别把式（9-4）、式（9-5）代入并作适当整理后可得： α=（ C1/C2）I=kl
（9-6）
式中k是动圈测量机构的灵敏系数，即单位电流引起动圈偏转角的变化，k越大，测量机构就越灵敏。显 然k也是常数，因而仪表的刻度是线性的。
测量线路
XCZ型配热电偶的动圈仪表的测量线路
动圈仪表要求输入的信号是毫伏信号，因此，当用热电偶测温时，它与动圈仪表可直接相 连，其线路如图所示。为了让配热电偶的动圈仪表正常工作，必须注意下列几个问题。
2.外线路电阻
kI k E k E R总 R总