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1、教学的主要内容6.1 动圈式显示仪表1、动圈仪表的原理与结构2、动圈仪表的误差分析3、动圈仪表的测量线路6.2自动平衡式显示仪表1、自动平衡式显示仪表的工作原理2、自动平衡式显示仪表的结构组成与特性分析3、自动平衡式显示仪表的测量电路第1页/共105页教学重点及难点1.教学重点：1）显示仪表的工作机理及特性分析2）测量电路的设计思路及计算方法2.教学难点：1）配热电偶的动圈表与配热电阻的动圈表测量电路的原 理区别2）自动电位差计与自动平衡电桥测量电路的设计思路及方法 第2页/共105页实验教学内容：1、动圈表的校验及改量程的调校2、自动电位差计测量电路设计及调校第3页/共105页 引言：前面我
2、们先后给大家介绍了用于检测现场的压力、温度等各种热工参量的仪表，这些仪表由于大都是直接和现场的物理参量打交道，所以习惯上人们又常将这些仪表称为一次仪表，如热电偶、热电阻都属于一次仪表。一次仪表的主要作用一般是设法将现场的被测量转变为电量，但是，要直观地将这些电量客观反映被测量的大小往往还需要配接显示仪表，一般我们又常把显示仪表称为二次仪表，从今天起我们开始学习第四篇：显示仪表。第4页/共105页 (1)(1)模拟式显示仪表，是以仪表的指针(或记录笔)的偏转角度或位移量来模拟显示被测参数的连续变化。(2)(2)数字式显示仪表，则是以数字形式直接显示被测参数，它大都是由电子器件直接构成，而避免使用
3、电磁偏转机构或其它机电机构，因而测量速度快、精度高、并且读数直观。(3)(3)图像显示仪表则是以屏幕的方式将被测参数的变化用图形和数字直接显示出来，所以说它是一种集模拟显示和数字显示之优点的新型显示仪表。显示仪表的分类第5页/共105页目前常用的显示器有四类：模拟显示、数目前常用的显示器有四类：模拟显示、数字显示、图象显示及记录仪等字显示、图象显示及记录仪等 模拟显示的特点：直观第6页/共105页光柱也属于模拟显示光柱也属于模拟显示光柱显示的特点：一目了然第7页/共105页数字式仪表数字式仪表数字式仪表的特点：准确，但最后一位经常跳动不止。热敏电阻第8页/共105页 LED亮度高、耐振动；LC
4、D耗电省、集成度高，但不利于夜间观察。LED、LCD的特点：第9页/共105页带背光板的带背光板的LCD可以在夜间观看可以在夜间观看第10页/共105页 图像显示图像显示 特点能显示复杂的图形和曲线，但价格昂贵。第11页/共105页 图像显示（续）图像显示（续）第12页/共105页带带RS-232接口的万用表及图像显示接口的万用表及图像显示特点 能在计算机中存储测量到的波形及数据，可随时重放，价格适中。第13页/共105页记录仪记录仪 主要用来记录被检测对象的动态变化过程。第14页/共105页无纸记录仪无纸记录仪 主要用来记录和存储被检测对象的动态变化过程。第15页/共105页6.1 动圈式显
5、示仪表 它与热电偶、热电阻、霍尔变送器或压力变送器等相配合，可用来指示（或显示）、工业对象中的温度、压力、流量、成份、物位等多种非电量参数。这些非电量参数大都是要首先由检测元件将这些非电量参数转换成电量信号，然后再经过测量电路转换成流过动圈的微安电流，而动圈偏转的角度又反映了流过动圈中的电流大小，所以说尽管动圈表可以用于指示多种工业参数，但它实质上是一种用于测量电流的仪表。动圈表就其功能而言不仅仅限于指示，附加必要的电子线路还可以使动圈表兼有自动报警、自动调节，甚至还可以有自动记录的功能。动圈表的突出优点是用途广泛、结构简单、易于维护、价格低廉，且具有一定的精度。第16页/共105页1 动圈仪
6、表的原理与结构 1.基本原理 动圈式仪表的实质就是一种磁电式直流电流表，其测量机构的核心部件是由处于永久磁铁气隙中的可以转动的矩形线圈，用于支承线圈的游标或叫张丝，以及用于指示的指针和标尺等组成，而其中可以转动的线圈是这类仪表的突出特征，因此这类动圈式指示仪表又常有动圈仪表之称。动圈仪表的基本原理是建立在安培定律的基础上，利用了在磁场中通电导体总要受到力的作用这一基本规律而设计的。第17页/共105页力的方向由左手定则判断图1 动圈测量机构原理第18页/共105页 在均匀磁场中载流直导线所受的力符合以下关系：已知：载流直导线在均匀磁场中所受的力：F=BIL (1)式中：B：磁感应强度，I：电流
7、 L：导线长度 F：力第19页/共105页 图1表示由一匝导线所构成的矩形线圈处在均匀平行的磁场之中，当线圈中有按图所示的方向流过电流时，在矩形线圈垂直于磁力线的两个边上将产生作用力F1和F2，受力方向如图1所示（依左手定则），但如果线圈平面与磁力线之间的夹角为，则垂直于线圈平面的分力为F1和F2，其值为：第20页/共105页 F1同F2，只是方向相反，但大小相等。注意，真正使线圈产生旋转力矩的力是F1和F2，而不是F1和F2。如果线圈的宽度为b，则由F1和F2所形成的力矩为：转动力矩：（3）（2）第21页/共105页式（3）表明，转动力矩M不仅与电流I有关，而且与线圈所处的角度有关，即M不仅
8、是电流I的函数，也是线圈所处的角度的函数。如果动圈仪表的指针转角是与力矩M成正比的话，那么在这种均匀的平行磁场下，其刻度将是不均匀的，为了避免刻度不均匀这种缺点，一般在永久磁铁的两极上都是安装凹面极靴，并且在矩形线圈的中央安装固定的圆柱形铁芯，如图2所示：图2 极靴设计第22页/共105页 由于永久磁铁极靴的凹面与圆柱形铁芯的凹面同心，所以在由它们构成的环形气隙中其磁力线则呈辐射状均匀分布，于是无论线圈的旋转角度如何，其沿切线方向的力在整个指针转角范围里都将保持不变，于是公式（3）中的 ，这样不但可以保证刻度的均匀性，而且由于这种辐射状磁场分布还可以使气隙长度显著缩短。这样用同样的永久磁铁，可
9、以使气隙里的磁感应强度B增大很多，从而使在相同电流下可使动圈得到更大的转动力矩，使仪表的灵敏度得到提高。式（3）所给出的仅是一匝线圈在均匀磁场中所受到的转动力矩，实际中为了使仪表尽量灵敏，仪表的动圈大都是由很细的漆包线绕数百匝之多，所以实际线圈的转动力矩应乘以匝数n，即：匝数为n的转动力矩：（4）第23页/共105页 如果用A表示动圈的有效面积（见图3），则有 。于是，（4）式又记为：图3第24页/共105页 如果仅使仪表受一种力矩即转动力矩的作用，其动圈只能作旋转运动而不会在某一位置固定，且必须设法在动圈上产生一与转动力矩相反的反作用力矩MF，使之与电磁转动力矩M相平衡，只有这样才能使动圈偏
10、转到一定的位置固定。在统一设计的动圈仪表中，一般反作用力矩都是张丝产生的。指出：张丝大多是由弹性金属材料（磷青铜或玻青铜、锡青铜等，也有用石英的）制成，它一端固定，而另一端与动圈相连。（如图4）图4第25页/共105页2.仪表的测量机构(1)(1)磁路结构 动圈仪表的环路系统采用的是立柱式外磁钢结构，具体形式以及各磁路部件的组合关系如图5 5所示：图5 动圈表的磁路结构第26页/共105页 两块永久性磁钢经由法兰盘形的接铁联接构成串联形式，其上半部分的磁路是经过极靴铁，空气隙和圆柱形铁芯构成闭合环路，其动圈则置于空气隙中上下用张丝拉紧而得到支承。图中小标注7所指的是磁分路调节片，它是由导磁的软
11、磁性材料制成的，其作用是用于调整空气隙中的磁感应强度，当磁分路调节片顺时针方向移动时，则经过磁分路片上的磁通量增加，于是空气隙中的磁感应强度值必然降低，即B降低，则动圈的旋转力矩M亦减小，其示值也将随之减小。反之，则空气隙中的B增大，M增大，致使示值增大。有关磁分路片的调整，一般在仪表出厂前都已校准，只是在长期使用后若感到指针总是偏转角度不足，则可将磁分路片稍稍拉开，以减少外部分路的磁通，以加强气隙中的磁通密度，提高仪表的灵敏度。标注6所指的压铸铝或铜是磁性材料，主要用于固定两个极靴。第27页/共105页 (2)动圈 一般仪表的动圈大都采用漆包铜导线绕制，而锰铜线则由于其电阻率太大而不易应用。
12、一般说来仪表的可动部分应该轻些为好，因为减轻可动部分的重量，可以提高测量机构的品质系数。所谓的“品质系数”是表征仪表测量机构的机械性能的一个参数，品质系数大，则反映仪表的变差，倾斜误差等小，以及其抗震性、抗冲击性能好；从生产的角度上讲，品质系数大则表明工艺性强，质量好。另外从直观上我们亦可想象，仪表的动圈轻，机械阻力小，必然其灵敏度高，误差小。以前都是用漆包线在铝制框架上绕制，而目前统一设计的动圈仪表，其动圈都采用无框架动圈工艺，即绕制动圈不用框架，而是采用胶合硬化的方法，直接将漆包导线绕制成矩形框架，并胶合坚固成型，这样不仅可以减轻动圈重量，而且也减少了由于铝闭合框架的存在而产生的阻尼力矩。
13、第28页/共105页 另外我们由动圈的驱动力矩，可以看到，在B、I、A一定的情况下，匝数n越大，转矩M越大，但是匝数过多要受到许多因素的限制。i）匝数增多会导致动圈的重量增加，致使仪表的品质系数降低，阻尼时间增长（因为动圈的惯性增大）；ii）匝数增多，会使动圈的体积增大，但永久磁场的空气隙空间是有限的，所以要增加匝数势必要减少导线的截面积，采用直径较细的导线，然而过细的导线又会增加动圈本身的内阻。而阻值较小温度补偿比较方便，统一设计的动圈仪表大都采用44#漆包导线，绕制匝数为292匝，动圈内阻在20C时为80。第29页/共105页 一般动圈仪表的指针是粘贴在动圈上的，且随动圈的转动而转动，在动
14、圈平衡时，则其指针所指的即为被测量的数值。如图6所示：图6第30页/共105页 (3)支承结构 动圈仪表的支承结构所要完成的任务有三个，即：a）支承动圈；b）传导电流；c）产生反 作用力矩MF。动圈仪表的支承结构常见的有三种形式，分别是：轴尖轴承方式、张丝支承方式和吊丝方式。第31页/共105页 A、轴尖轴承方式 轴尖采用高碳钢，轴承采用宝石（如刚玉）用游丝产生反作用力矩并传导电流，游丝多用磷青铜、锡锌青铜制成，且绕成平面螺旋形，通常动圈的上、下游丝按相反的螺旋方向安装。如图7。图7第32页/共105页 B、张丝支承方式 所谓张丝就是有弹性的细金属丝，它一端固定在动圈上，另一端固定在仪表框架的
15、弹簧片上，张丝是上、下两根，与动圈的接点一定要保证是动圈的轴心线，张丝上、下两根对称拉紧，使动圈悬在中央，同时另一端的弹簧片亦能提供一定的能力，从而使动圈可以牢牢地悬在中央，从而完成其支承作用。而当动圈转动时，张丝受到扭曲而变形从而由这种弹性形变而产生反作用力矩，动圈受电磁力矩的作用偏转的越大，张丝所产生的反作用力矩也会随其形变的加剧而增大，所以在任何一处都可以平衡转动力矩而使动圈平衡。第33页/共105页C、吊丝方式：结构如图8：图8 吊丝方式第34页/共105页（3）串、并联电阻 （a）对仪表量程的影响 对于电压表，调节串联电阻可以调整量程。对于电流表，调节并联电阻可以调整量程。但对于电流
16、表而言，增加串联电阻并不影响原来的量程，对于电压表而言，在仪表的输入端子之间增加并联电阻也不会影响原来的量程，当然增加这些电阻对仪表的输入电阻是要有所改变的，由于仪表内阻的改变就必然会影响仪表的阻尼特性，也就是说，串并联电阻的使用是要影响仪表阻尼系数的。所以我们说，的采用不仅与仪表量程有关，而且与仪表的阻尼程度亦相关，二者必须彼此兼顾。第35页/共105页（b）对仪表阻尼特性的影响 根据目前统一设计的动圈仪表的测量机构来看，对于配热电偶的动圈仪表，由于即使在最大量程情况下 值也不会太大，所以阻尼系数较大，故一般不用 。第36页/共105页而对于配热电阻的动圈仪表，由于热电阻的测量系统总要与一个
17、不平衡电桥共存，其测量信号较大，所以在大量程情况下 值会取得较大，致使仪表的阻尼作用减弱，形成欠阻尼情况，在这种情况下，如果动圈仪表仅是指示型的，一般指针摆动几下，表现的更灵敏一些往往也是允许的，但对于调节型仪表（即动圈表本身带调节）这种欠阻尼情况是不能允许的，故常常要并上 ，以增加阻尼，防止调节部分误动作，所以说一般仅是在与热电阻配接的大量程带调节的动圈指示型仪表才采用。第37页/共105页（4）温度补偿 易受环境温度变化的影响，温度升高，增大。磁感应强度B亦受温度影响，温度升高，B减弱。测量机构的弹性刚度系数K受温度变化影响，温度升高，K值减小。温度补偿主要是针对动圈自身的内阻而言。通常采
18、取的手段是利用热敏电阻作为补偿元件，补偿的温度范围是050，即任凭环境温度在050范围内变化。第38页/共105页 因为随 t 而 ，所以可用热敏电阻作温度补偿。常取20，恒为50 温度特性接近线性；基本不随温度变化。图9 动圈温度补偿电路第39页/共105页2 动圈仪表得误差分析一.基本误差 动圈仪表在加工、制造过程中，由于加工工艺、元器件质量等各方面的影响，很难得证实际的仪表产品与理论设计的要求完全一致，习惯上我们把由于仪表本身的内部特性和器件质量等因素造成的测量误差称为动圈仪表的基本误差，它主要由以下几种误差组成。第40页/共105页 1.变差 所谓变差是指在外界条件不变的情况下，使用同
19、一仪表对同一参数进行正反行程的测量时，所得到的测量结果并不相同，其二者之差即为变差。动圈仪表所出现的变差主要是由仪表可动部分的摩擦和机械配合中的间隙等因素带来的，一般说来，这种变差在轴承、轴支承方式的动圈表中表现较突出，而对采用支承的仪表，由于不存在机械摩擦而变差很小。支承的仪表变差很小。第41页/共105页 2.不完全平衡误差 由于仪表可动部分的重心与转轴不能完全重合而带来的测量误差我们称为不完全平衡误差，这主要是由于可动部分的重心与支撑点不重合必然会产生一定的重力矩，这种重力矩的存在必然会导致仪表所受到的实际驱动力矩与原理论上设计的驱动力矩不符，从而产生误差，造成这种误差的原因多是由于仪表
20、可动部分的平衡事先调整不准，如平衡锤没有调整到位，以及动圈杆等发生机械变形所致。可动部分的中心调整不准及机械变形所致。第42页/共105页 3.刻度误差与调整误差 所谓刻度误差是指在印制刻度盘时，本身就没有将分度刻准而引入的误差，而调整误差是指即使刻度标尺本身印制是准确的，但由于在装配时调整不准而带来的误差，对于后一种误差，一般通过细心调整是可以纠正的。动圈仪表除了由于自身内部特性和质量等因素所造成的基本误差之外，在具体的应用中还常常会因各种外界因素的影响而带来测量误差，我们常把这类误差称为动圈仪表的附加误差。第43页/共105页二.附加误差 仪表在正常工作条件下，由于外界原因而引起的误差我们
21、称为仪表的附加误差。附加误差主要由以下几方面的因素造成。第44页/共105页1.外线路电阻值不符合规定所带来的误差 首先明确几个电阻的定义，我们知道动圈仪表测量机构的基本电路如下图。从节点向虚线框内看的等效电阻为 ；从节点向虚线框外看的等效电阻为 ，整个回路的电阻称为 。图10 动圈测量机构第45页/共105页（配热电偶的仪表，规定 ）动圈电流：第46页/共105页 2.环境温度变化产生的误差 环境温度的变化总会对回路电阻 产生影响，必然要带来误差。对于动圈内阻 随温度的变化可以通过热敏电阻的负温度特性进行补偿，尽管不能完全补偿，但至少可以在一定的温度变化范围内进行补偿，因此在一定的温度范围内
22、，如2050范围内可以近似认为是一个恒定的常数，但对于 随环境温度的变化一般是很难补偿的，因为这种变化往往是依外接导线的长短而异，同时也与外部导线所处的环境状况有关，一般很难事先估计。另外信号源本身的内阻往往也会随被测参数的变化而变化，这些情况都会给测量结果带来误差。第47页/共105页对于大量程仪表，因为 ，所以该项附加误差较小，但对于小量程仪表由于 一般较小，不能 ，此项误差较大。第48页/共105页3.外界电磁场干扰会引入的测量误差 如果动圈仪表的工作环境处于较强的电磁场干扰之中，仪表工作是不易稳定的，并且会给测量结果带来附加误差，虽然仪表内部大都配有金属屏蔽罩，但在安装时，仍应使仪表及
23、连接导线尽量远离大电机、大变压器、大电炉等较强的电磁干扰源，以减小外电磁场对仪表的影响。第49页/共105页3 动圈仪表的测量线路 由于与热电偶、热电阻相配用以检测温度的动圈仪表，和一般用于检测直流电压的动圈仪表不同，因为与热偶、热阻相配的动圈仪表对其测量电路有一些特殊的要求，理解并熟悉这些特殊性是十分必要的。下面我们就专门讨论一下这个问题。第50页/共105页 由于我国生产的热电偶均符合ITS-90国际温标所规定的标准，其一致性非常好，所以国家又规定了与每一种标准热电偶配套的仪表，它们的显示值为温度，而且均已线性化。国家标准的动圈式显示仪表命名为XC系列。有指示型（XCZ）和指示调节型（XC
24、T）等系列品种。与K型热电偶配套的动圈仪表型号为XCZ-101或XCT-101等。数字式仪表也有指示型（XMZ）和指示调节型（XMT）等几种系列品种。第51页/共105页XCZ系列指针式显示仪表系列指针式显示仪表 XC系列动圈式仪表测量机构的核心部件是一个磁电式毫伏计。动圈式仪表与热电偶配套测温时，热电偶、连接导线（补偿导线）、调整电阻和显示仪表组成了一个闭合回路。1热电偶 2补偿导线 3冷端补偿器 4外接调整电阻 5铜导线 6动圈 7张丝 8磁钢（极靴）9指针 10刻度面板 第52页/共105页XMZ系列智能数字显示仪表系列智能数字显示仪表 特点：1、带冷端温度自动补偿；2、单片机智能化设计
25、，仪表零点、量程等全部参数可按键设定；3、具有软件校验功能，可通过按键对仪表进行校准；4、具有超量程指示、断线指示等故障自诊断功能；5、采用开关电源，电压适应范围宽，仪表体积小、重量轻。6、220VAC或24VDC供电电源。第53页/共105页XMZ系列智能数字显系列智能数字显示仪表外形示仪表外形 第54页/共105页XMT系列热电偶智能数字显示控制仪表的特点系列热电偶智能数字显示控制仪表的特点带冷端温度自动补偿；具有超量程指示、断线指示等故障自诊断功能；双屏显示、副屏显示内容可设定；最多可带4路报警控制继电器输出；每个报警控制点的回差可设定；每个报警控制点的报警方式（上限报警或下限报警）可分
26、别设定。第55页/共105页其他与热电偶的配套的仪表其他与热电偶的配套的仪表 数字式温度显示调节仪第56页/共105页 DDZDDZ型电动单元组合型电动单元组合 仪仪表中的变送单元之一：表中的变送单元之一：轨装式温度变轨装式温度变送器送器 它能将热电偶（或热电阻）的输入信号线性地转换成与温度成比例的电流（电压）信号，供给显示、控制仪表及计算机集散系统，广泛用于冶金、石油化工、热电站、纺织、造纸等行业的测温控制系统中。第57页/共105页一.配热电偶动圈仪表的测量线路 热电偶在测量温度时输出的是毫伏信号，因此当它与动圈仪表配用时，是可以直接相连的，而不需要附加什么变换装置，这是一个非常重要的方便
27、之处。但是与热电偶配用的动圈仪表其指示精度与它与热电偶的正确配接有着密切关系，如果彼此配接不当会产生明显的测量误差，下面我们根据热偶的测温原理和动圈仪表的结构特点，给出以下几个在使用中应注意的问题：第58页/共105页1.热电偶冷端温度补偿问题：根据热偶的测温原理我们知道，要使热电偶能正确的被测温度的变化，其冷端温度必须固定，也就是说，必须采取适当的冷端处理措施之后，热电偶所提供的热电势才能和热端温度之间有严格的依从关系，所以在动圈仪表与热电偶配接的问题上，我们首先应注意的就是热电偶冷端温度补偿问题。第59页/共105页 动圈仪表内部是没有热电偶冷端温度补偿装置的，虽然它内部也有一个温度补偿电
28、路，但那是补偿仪表动圈电阻的温度变化特性的，也就是说动圈仪表内部的温度补偿电路只解决了仪表本身在一定的环境温度范围内指示程度不受温度影响，但并没有考虑所配用的热电偶的冷端补偿问题。一般说来，与热电偶配套的动圈仪表都是直接按照热电偶的热电势分度表进行刻度的，而热电偶的分度表都是在冷端为0时测定的，这就是说动圈仪表都是按热电偶的冷端温度为标准0的情况下刻度的，因此如果热电偶冷端温度不是0，则动圈仪表的读数便不能真实地反映被测温度值，而是产生一个随冷端温度变化地误差，所以动圈仪表在与热偶配接时，必须考虑热偶冷端温度补偿问题。第60页/共105页使用冷端补偿电桥和补偿导线 将冷端补偿电桥和补偿导线一起
29、配合使用的方法适用于仪表工作环境温度变化范围较大的情况，其具体的测量线路如图11。1-桥路稳压电源；2-热电偶及冷端补偿电桥；3-动圈测量机构 第61页/共105页 冷端补偿电桥的补偿范围一般为050，且取20为基准点。这是因为动圈仪表所处的室温一般总是比较接近20的。（有时人们把室温就定义为20，不是20就不是室温），热电偶的冷端温度通过补偿导线延伸到动圈仪表接线端处，所以它的冷端温度就是20，因此我们把补偿电桥的平衡点就设计在20。第62页/共105页 取补偿桥路中的 ,时 ，。电桥平衡 当热电偶的冷端温度高于或低于时，由补偿电桥所产生的附加电压就可以补偿由于冷端温度波动而使热电偶的热电势
30、所产生的变化，由于我们电桥的平衡点设在，恰在050的中间附近，所以这种电桥设置可以使热电偶的冷端在050范围变化得到很好的补偿，但是有一点我们必须注意，这就是如果补偿电桥的平衡点设在，则动圈仪表的机械零点必须调在处。第63页/共105页 动圈仪表的机械零点必须与补偿桥路的平衡点一致。若热偶热端温度 ，而热偶冷端温度亦等于 ，同时桥路恰在 时平衡，。这样输入到动圈仪表的电势信号等于0，动圈中无电流通过，所以此时指针是没有驱动力矩作用的，故应静止在机械零位，而这个机械零位应能正确反映热偶的热端温度，所以此况下的机械零位应调在 ，只有当补偿电桥的平衡点取为 时，动圈仪表的机械零点才能与实际的温度零点
31、一致，这点我们必须十分注意。第64页/共105页 注意：）不同分度号的热电偶应配不同型号的补偿电桥（又叫冷端补偿器）（各种补偿电桥仪表厂家有定型产品）补偿电桥接入测量系统时应注意正、负极性，不可接反。）补偿电桥必须与补偿导线（或热偶冷端）直接相接，一般应置于控制室内。冷端补偿器若不置于现场，原则上并无不可，只是由此之后的铜导线过长，其阻值会随温度变化而带来新的误差。第65页/共105页补偿导线法 这种方法要能成立的重要前提是 必须是恒定不变的，否则就会产生误差。注意采用这种方法时，如果热偶断丝，仪表指针总是指哪？第66页/共105页要保证 恒定常用的方法是：a)将冷端引伸至恒温箱中。b)将冷端
32、深埋地下。关于热电偶的冷端补偿问题是一个必须重视的问题，但是也有几种情况可以对 无需补偿，如：），无需补偿；）无需补偿。如：左右，在 附近，且对粘度要求一般，可不必补偿。对于 接近 的情况一般必须补偿。第67页/共105页2.外线路电阻问题：动圈仪表与热偶配接过程中，外接线路的电阻处理如果不当，也会引入严重的测量误差，这一点我们可以从前面的图10看到：所谓外线路电阻主要包括：热偶内阻，补偿导线电阻，铜导线电阻，如有补偿桥路还应加上补偿电桥的等效内阻，另外在外接线路中还有一个外线路调整电阻，而外线路调整电阻就是所有这些电阻的总和。第68页/共105页3.配热电偶动圈仪表的改刻度问题：在动圈仪表的
33、实际应用中，我们常常会碰到这样的问题，即现有的动圈仪表的量程范围与实际需要的量程不符，为了充分利用原有仪表，必须改动原仪表的量程范围，更换标尺，这就叫做动圈仪表的改刻度，应该说“改刻读”是应用动圈仪表的一项基本技能，很有实际意义。动圈仪表的改刻度实际并不难，关键要牢记一个原则，即要保证动圈的满偏电流总要保持同一数值。第69页/共105页改变 即可改变量程 设：在改前为 ，在改后为 ；又设满偏热电势改前为 ，改后为 。则：改前的动圈电流改后的动圈电流因为改前，改后的动圈满偏电流应保持一致，。所以有：第70页/共105页二、配热电阻动圈仪表的测量线路 热电阻是参数式敏感元件，温度变化只能引起它阻值
34、的变化，但它本身却不能产生电压或电流，因此当用热电阻来测量温度时，必须首先设法将电阻随温度的变化值转化成相应的毫伏信号，然后将这种毫伏电压信号输入动圈表的测量机构，以指示出被测对象的温度。通常将热电阻的阻值变化转换成毫伏电压信号的手段大都有两种，一种是采用平衡电桥测量线路，另一种是采用不平衡电桥测量线路，本课我们仅介绍不平衡电桥测量线路。第71页/共105页 首先给出不平衡电桥测温的原理示意图：图12 不平衡电桥测温第72页/共105页 热电阻的接线方法：两线制，它是用两根导线直接将热电阻的两端接到桥路上去，这种接法一般仅是用于一些较为粗糙的测温中，而且热电阻与电桥的距离一般也不是太远，因为当
35、热电阻的测温现场与动圈仪表的距离太远时，这种接法是明显存在问题的。因为距离太长，两根导线的电阻就不能忽略。图13 热电阻的接线方法（两线制）第73页/共105页图14 热电阻的接线方法（三线制）采用三线制接法 保证三根导线的电阻均为5，调整应精确 到50.001。第74页/共105页6.2自动平衡式显示仪表 在工业生产过程中，常用的自动平衡式显示仪表基本上可分为三种类型。它们分别是：自动电位差计，自动平衡电桥，差动线圈式自动平衡显示仪表。这些自动平衡式显示仪表一般都具有较高灵敏度和显示精度，而且它们不仅仅可以显示和指示，还可以自动的断续或连续记录被测参数的变化规律，另外他们还可以和任何能够产生
36、电信号的传感器配接，方便的显示和记录各种工业过程参数，如温度，压力，流量以及化学成分，浓度，酸度等。所以自动平衡式显示仪表具有十分广泛的应有领域，并且在生产上也早形成了一套完整的系列，下面我们首先介绍一下这类仪表的工作原理。第75页/共105页1 自动平衡式显示仪表的工作原理 一、手动电位差计的工作原理 动圈仪表保证其指针偏转必然要要求电路中具有电流，所以只有动圈表中流有电流，动圈才能受到电磁力的作用而发生偏转，但正是由于动圈表要求有电流存在所以才不容易提高其测量显示精度，这是因为动圈仪表的指示精度主要依靠电路中电流的精度。第76页/共105页 但由于外接线路的电阻总是或多或少受环境温度的波动
37、或其它因素致使其阻值发生变化，也就是说由于外接电路在现实工况中很难保证其线路阻值的稳定性，所以线路中的电流就不可能唯一反映被测参数的变化，因此我们这种依靠电流的动圈测量就很难提高精度。那么我们能不能改变这种依靠电流的测量方法呢？也就是说在测量达到稳定时，电路中恰恰没有电流呢？自动平衡是这类显示仪表恰恰就是依据这一思想设计的，并且手动电位差计就是这一原理的一种最典型的体现。第77页/共105页 设右边电源是标准可调的，左边的被测电源的电压不知，欲求 的大小，只需调整 使检流计G中无电流即可。即此时与二者达到相应平衡。所以有 ，此时整个测量电路无电流，故线路阻值对测量结果无任何影响。这种测量方法显
38、然精度较高。我们常又把这种平衡法称为补偿法或零值法。图15 手动电位差计的原理第78页/共105页 那么用于平衡被测电压的标准电压 怎么才能方便可调呢？一种最简单的方法是在电流恒定的条件下直接从滑线电阻上取得。图16 手动电位差计第79页/共105页 为了保证其工作电流I稳定，在真正的手动电位差计中，一般都是引入一个校正工作电流的电路。图17 手动电位差计第80页/共105页欲测未知电压 ，一般是将按钮开关合掷1处，调整可变化电阻使检流计G中无电流。即使 ，这时标准电阻的两端的电压必然与标准电池的电压相等。即有：由于 是精确度很高的电阻，又是标准电池，其电动势恒为1.018551.01856伏
39、。电压波动范围为0.00001伏。所以是十分精确的。第81页/共105页 手动直流电位差计是实验室，计量室中十分常见的一种精密测量仪器。它是精密测量直流电动势，电压，电流，电阻的参数的基本仪器。掌握它的原理和使用是自动化仪表技术人员所必须具备的技能之一。显然在实验室中使用的实际直流电位差计在电路结构上不可能像我们画的那么简单，因为它要考虑到仪器要适应于各种量程，以及要考虑到仪器的温度特性，各种电阻的合理配接，以尽量减少连接中的附加电阻，避免寄生电势等等，还要考虑到用户的使用方便。所以实际中的手动直流电位差计的内部电路一般也是比较复杂的，当然它们的基本原理都是用的平衡测量法，这一点基本都是一致的
40、。第82页/共105页二自动电位差计的工作原理 关于手动电位差的原理我们已作了介绍，而自动电位差计在基本原理方面与手动电位差计几乎完全一样。仅是在自动平衡方面有其独特之处。第83页/共105页 下面给出自动电位差计的工作原理示意图：图18 自动电位差计第84页/共105页简述原理：图中直流电源E在由可变电阻R和滑线电阻 所构成的回路中形成工作电流 ，这样 在标准滑线电阻 上就产生一个固定压降，其中滑线电阻的触点K可以在 上自由滑动，以K点为界，其K点左侧的压降我们用 表示，这个压降与被测电势 相减。这里 若接的是一支电热偶，表示用电位差计所测的是热电偶所产生的热电势。第85页/共105页 与
41、比较的差额用 表示，这个差额被送入放大器，经放大器进行功率放大后，即可直接驱动可逆电机 。如果差值 则放大器的输出即可驱使可逆电机转动，其可逆电机的转动可直接驱使滑线电阻的触点移动。其究竟是向左还是向右移动，这要看 是正还是负。如是正，说明 ，则放大器的输出驱使可逆电机带动滑动触点K向左移动，反之向右移动。直至至 ，为止。此时电路实现了平衡。滑点K所对应的标尺刻度就显示了被测值 的测量结果。这里滑点K与指针和记录在机械结构上都是连在一起的（结为一体）它们都是由可逆电机D带动。第86页/共105页三、平衡电桥的工作原理 首先给出手动平衡电桥的原理示意图：为固定测量桥臂，是由滑线电阻构成的可调桥臂
42、，为可变的测量桥臂（如热电阻）。在初始状态下，这时检流计中无电流通过。当测量桥路的电阻 发生变化时，可调节 ，使电桥重新处于平衡状态，由 的变化量即可确定测量电阻的变化量。图19 手动平衡电桥原理图第87页/共105页 由于滑动触点式可调电阻，必须会存在接触电阻。接触电阻也包括在同一桥臂上，这样就容易引起很大的测量误差。配接热电阻时采用三线制接法。图20 配热电阻的平衡电桥第88页/共105页当被测温度为始点温度，即：时，桥路平衡时应满足:当被测温度为终点温度，即：时，桥路平衡应时满足：当被测温度为t时，桥路平衡时应满足：解（3）和（1）式得：第89页/共105页 在所测的热电阻变化范围内，滑
43、动触点的变化与热电阻的变化量 是线性对应关系。注意这是 接在 对应的上桥臂的推导结果。如果将 接在 对应的下桥臂上，就会推出 和 成非线性关系。所以通常在设计测量电路时，都是把热电阻 放在与滑线电阻相邻的桥臂上。第90页/共105页一、自动电位差计测量电路的分析与计算 自动电位差计测量系统的工作是自动将可知的标准电压与被测电压相比较，最终达到平衡并取得被测结果，其实用的原理电路如图21所示：1、统一设计的自动电位差计测量桥路原理图（1）自动电位差计测量桥路原理图：2自动平衡式显示仪表的测量电路第91页/共105页图21自动电位差计测量桥路原理图 图21中是自动电位差计一般常采用的原理性测量电路
44、，该测量电路的特点是自动调整改变的是桥路两对角线间的端点电压，这种电路形式的优点是测量范围灵活，被测电压可以是零，也可以是大于零的某一值或小于零的某一值，当整个测量系统平衡时，则被 测 电 压 与测量电路输出的标准电压相等。第92页/共105页测量系统平衡式有：经整理得：第93页/共105页 一般说来自动电位差计在测量电路的设计上可分为两类。一类是用于测量直流电压或直流电流的。这类电位差计的测量电路在原理上就是图21所示的这种。由于这类测量不必考虑温度补偿的问题。所以一般桥路上的各电阻大都是采用不随温度变化的铝铜电阻。但是自动电位差计有相当多是直接与热电偶配合以测量温度的。虽然这类电位差计在原
45、理上也是测量热电偶的热电势，但是由于热电偶存在一个冷端温度补偿问题，因此与热电偶配接的测量电路与直接测量电压、电流的测量电路在有关电阻的选择上就要有所区别，以便能够直接利用自动电位差计的测量电路完成对热电偶的冷端温度补偿问题。下面给出我国统一设计的自动电位差计测量桥路原理图。第94页/共105页（2）统一设计的自动电位差计测量桥路原理图：图22 统一设计的自动电位差计测量桥路原理图 第95页/共105页2、测量电路中各电阻的作用及要求 上支路：由 、等构成的回路，还有：、下支路：由 、构成的回路 电阻 ：测量直流电压、电流时，用锰铜电阻；与热电偶配用时，改用铜电阻 限流电阻 ：为一固定电阻，应
46、具有较高的精度，在 以内。在 时，保证第96页/共105页起始电阻 :决定仪表的起始刻度，越大，仪表测量的起始值越大。限流电阻 :用于确定上支回路工作电流，精度要求 0.5%。因为，可以微调。以得证工作电流：滑线电阻 ：是测量系统中一个十分重要的部件，它直接与仪表的示值误差，记录误差，变差，灵敏度，以及仪表运行的平滑程度等特性有关。因此对的要求不仅要有较高的精度，而且对的机械特性，材料的耐磨性，抗氧化，接触的可靠程度，以及其绝缘特性等都有较高要求。另外对滑线电阻的线性度也是要求很严格的。一般它的非线性误差应控制在0.2%以内。第97页/共105页工艺电阻 ：与锰铜滑线电阻配用时，采用卞玛带作线
47、电阻，取 量程电阻 ：越大，仪表量程越大；越小，仪表量程越小。第98页/共105页3、测量电路中电源、总电阻、及工作电流的选取（1）测量电路的电源：保证提供1V直流稳定电源。（2）测量电路的总电阻与工作电流的选取。电路总阻：一般为几百欧（即电源负载）电路工作电流：210mA 关于电路总阻和电路工作电流的选取，当从以下几个方面考虑：（1）降低供电电源的输出功率；（2）保证仪表最大量程；（3）减小温度变化引起的误差，提高电压灵敏度。便于生产加工。第99页/共105页4、自动电位差计测量电路的计算：下支路电阻的计算；计算的前提：a）测量电路稳压电源电压E=1V，恒不变。b）在 时，设仪表工作的室温为 ，又考虑到仪表本身的温升为 ，所以仪表工作的实际温度范围为：标准工作温度 。第100页/共105页公式推导过程省略，课堂上板书推导。推得：上支路电阻公式为：第101页/共105页上支路电阻的计算：(上支路原理电路如图23)前提：a）上支路总电阻恒定，工作电流恒定。b）滑线电阻两端均有剩余电阻，一般图23 上支路电路第102页/共105页 公式推导过程省略，课堂上板书推导。推得：下支路电阻公式为：第103页/共105页休休 息息 一一 下下音乐音乐第104页/共105页感谢您的观看！第105页/共105页