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第8节显示记录仪表与系统

显示记录仪表和装置是自动检测和控制系统中必不可少的环节，主要可分为模拟显示记录仪表、数字显示记录仪表和计算机屏幕显示记录装置等三大类。

模拟显示仪表出现最早，将一些不能直接或不能精确直接感知的物理量（如温度、压力、流量和磁场等）用易于精确观察的物理量（如线位移、角位移等）来表示，这种方法在工程中称为物理模拟法，而凡是用物理模拟方法对被测信息实现显示的仪表，就称之为模拟显示仪表。模拟仪表通常使用指针或记录笔的偏转角或位移量、光柱（条）的长短变化等方法来显示被测参数连续的变化。

就测量线路而言，模拟显示仪表一般可分为直接变换式和平衡式两大类。直接变换式仪表测量线路简单，价格较低，但准确度较低，线性刻度较差，信息能量传递效率低，灵敏度不高；平衡式仪表测量线路结构较复杂，价格较高，但准确度高，灵敏度和信息能量传递效率都较高，线性度好。常见的模拟显示仪表有动圈式仪表、自动平衡式的电位差计和自动平衡电桥等。

数字式显示仪表就是把被测参数连续变化的模拟量变换为断续的数字量并以数码形式显示的仪表。数字式显示仪表测量速度快，抗干扰性能好，准确度高，读数直观，具有自动报警、自动量程切换、自动检测、参数自整定、滤波、非线性处理以及进行各种运算等功能，其性能优于模拟式显示仪表，已在一些领域取代了模拟显示仪表。

屏幕显示仪表其本质上就是配有专门数据采集处理接口、专门的显示屏幕和其他附加装置的计算机系统。

1．模拟显示仪表

（1）动圈式显示仪表

动圈式显示仪表是发展较早的一种模拟式显示仪表，它是一种直接变换式基于磁电式原理的模拟显示仪表，可以直接显示直流毫伏信号，也可以显示其他可转换为毫伏信号的参数。

动圈式仪表由测量线路和测量机构两部分组成。其中测量机构是核心，对于不同型号的动圈式显示仪表，其测量线路各有不同，但其测量机构是完全一样的标准组件。如图8.1所示，动圈式仪表的测量机构由永久磁钢、张丝、软铁心、动圈、刻度面板和仪表指针等部件构成。支承动圈的张丝也是传导电流的导线，当有电压信号作用时，动圈通过电流，在磁场作用下产生转动。扁带型张丝产生反力矩，起平衡转动力矩的作用。平衡时指针的偏转角度与所加的电压成正比。

动圈仪表常与热电偶配套使用用于温度测量。为了满足不同的测量要求和准确性，动圈仪表内有由若干个电阻组成的测量线路。图8.2为配热电偶的动圈仪表的测量电路。这些电阻包括量程电阻R_串，环境温度补偿电阻R_T和R_B，阻尼调整电阻R_并。

根据动圈仪表的工作原理可知，动圈的偏转角α应与流过动圈的电流I成正比，即：

式中，c为测量机构的电流灵敏度，应是一常数；是热电偶输出的电势信号；是测量回路的总电阻。

若动圈仪表需要更换热电偶的型号或改变原有的测量范围时，需要更换R_串，并改变仪表的刻度（量程）。新量程下R_串的阻值如下：

式中，E₁，E₂分别为改变前后仪表所对应的量程值（用电势大小表示）；R_串1、R_串2分别为改变前后仪表的量程电阻的阻值。

新的调节刻度标尺计算如下：

式中，E_t为仪表刻度对应的任一电势值；L_max为仪表标尺长度；L_t为对应于E_t时的仪表刻度的直线长度。

当动圈仪表与热电阻配合显示被测参数时，一般通过桥路变换将电阻转换为毫伏信号。工业上常常使用三线制接法，并规定每根连接导线的电阻为5Ω，若不足5Ω时，一定要用锰铜丝电阻补足5Ω，调整阻值要精确到5Ω±0.01Ω。其他测量线路与配热电偶的基本相同。

（2）自动平衡式电子电位差计

自动平衡式电子电位差计是一种典型的平衡式显示仪表，能与输出信号为电势（电压）的各种检测元件配合，用于测量（显示）及记录被测参数。

自动平衡式电子电位差计的基本原理及其结构如图8.3所示，它主要由测量电桥（由R₂、R₃、R₄、R_G等组成）、放大器和可逆电机等部分组成，另外还有记录用的记录机构、机械传动装置以及同步电机等。

由热电偶或传感器或变送器输入的直流电势（或由直流电流通过输入端的连接电阻而得的电压）与测量桥路的a、b端的直流电压进行比较，比较后的电压差值（即不平衡电压）经过放大器放大后，输出足以驱动可逆电机的功率，推动可逆电机带动指示、记录机构，同时还带动测量桥路中的滑线电阻R_P的滑触点，改变滑触点a在滑线电阻中的位置，直到测量桥路新的a、b端的电压与输入电势平衡为止。如果输入电势信号再发生变化，则又会产生新的不平衡电压，再经放大器放大而驱动可逆电机，又改变R_P滑触点的位置，重复上述过程，直到产生新的平衡位置为止。而与滑触点相连的指示、记录机构沿着有分度的标尺滑行，滑触点的每一平衡位置相应于标尺上的一定数值，因此，每当电路处于平衡状态时，指示机构的指针在标尺上指出对应的被测参数变量值。

自动平衡式电子电位差计的测量桥路有两条支路（上支路和下支路）。目前中国统一设计的XW系列电子电位差计的上支路电流为4mA，下支路电流为2mA。桥路中各电阻的定义及作用如下。

R₃称为下支路限流电阻，为一固定值，与R₂配合，保证下支路在25℃时工作电流为2mA。

R₄称为上支路限流电阻，它与R_np（R_P、R_B和R_M三个电阻并联后的等效电阻）、R_G串联，使上支路电流为4mA。

R_G称为起始电阻。被测电势的下限值越高，R_G越大。R_G由R_G^’和r_g两部分串联而成，其中r_g作微调用。

R₂为桥臂电阻，一般情况下，它和R_G配合使用实现被测电势下限值的要求。当电子电位差计与热电偶配套使用测温时，R₂可作为热电偶冷端温度补偿电阻。

R_P称为滑线电阻。它是测量系统中的一个很重要的部件，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性等都和滑线电阻的优劣有关。对其材料的选用、结构、加工工艺等都有较高的要求。

R_B为工艺电阻，使R_P和R_B并联的电阻值等于90Ω。这样把R_P和R_B作为一个整体处理，便于设计计算，有利于成批生产。

R_M为量程电阻，它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分度号决定。R_M越大，对应的仪表量程越大；反之，R_M越小，仪表量程越小。一般情况为了便于仪表量程的微调，R_M是由R_M^’和r_M串联而成，只要调整r_M的阻值，就可微调仪表量程。

1）配热电偶用于显示和记录温度的电子电位差计的测量桥路的设计计算

热电偶需要考虑冷端的自动补偿，因此采用铜补偿电阻R_Cu代替一般电子电位差计中的桥臂电阻R₂。其等效电路如图8.4所示。

假设①滑线电阻两端各有一小段滑触点滑不过去的部分，其电阻值为，一般为0.03～0.05。

②热电偶冷端温度变化所引起的附加电势与室温近似成线性关系。

③标准环境温度t₀等于标准室温（20℃）加上仪表本身的温升，如对于晶体管仪表，t₀＝20℃＋5℃＝25℃。

④仪表实际工作环境温度等于实际室温（一般为0～50℃）加上温升，t_G＝55℃（为环境可能出现的温度上限），t_D＝5℃（为环境可能出现的温度下限）。

⑤桥路计算应使热电偶冷端附加电势分别在上、下限两点温度t_G、t_D得到全补偿。

当热电偶冷端温度由环境温度下限t_D变到环境温度上限t_G时，热电势将减小E（t_G，t_D），而冷端温度补偿电阻将由变到，下支路电流将由变到。根据铜电阻阻值随温度变化的公式，可以推得：

2）电子电位差计测量毫伏（毫安）信号时的测量桥路的设计计算

测量桥路的计算与配热电偶的基本相同，只是不需要考虑温度补偿，即R₂采用锰铜丝电阻。

一般情况下，在电压量程时，取，即当时，，。

当时，取，即当时，，。

（3）电桥式自动平衡显示仪表

电桥式自动平衡显示仪表（自动平衡电桥）可与热电阻配套测量温度，也常常用于显示记录其他电阻类敏感元件对被测参数的测量。它将电阻类敏感元件直接接入电桥的一个桥臂，以电桥平衡的原理进行工作。自动平衡电桥测量桥路如图8.5所示。

图8.5中R₂、R₃、R₄为桥路的固定电阻，R₆为起始电阻，R₅为量程电阻，R_P为滑线电阻，R_B为工艺电阻，使其与R_P的并联电阻为90Ω。一般也为0.03～0.05。R_t为被测热电阻，，表示整个仪表刻度范围内热电阻的电阻变化值。R_t1、R_t0分别是相应于仪表标尺终点和起点时热电阻的电阻值。。I_t0为n＝0时流过热电阻的电流，I_t1是n＝1时流过热电阻的电流，I_tm是流过热电阻电流的最大值，且规定。R₁是连接热电阻的三线制的导线电阻，并规定R₁=2.5Ω。

自动平衡电桥的工作原理是测量桥路自身的平衡。若电路处于平衡状态，则有：，其中，r₁、r₂分别是R₅、R_P和R_B并联后的等效电阻R_np在滑触点左边和右边部分的电阻值。当温度升高时，R_t增大，电桥平衡被破坏，U_ab>0，经过放大器A放大以后，驱动可逆电机M，使滑线电阻的滑动触头向左移动，使r₂减小，r₁增大，直到平衡等式再次成立，U_ab＝0，可逆电机停止转动，桥路实现了新的平衡；反之，亦然。

可以看出，与自动平衡电位差计相比，两者的平衡原理是相同的，但测量桥路的作用是不同的。自动平衡电位差计的测量桥路在反馈环节中，而自动平衡电桥的测量桥路则是作为比较环节而存在；自动平衡电位差计中被测电压与由桥路所产生的不平衡电压相互平衡，而自动平衡电桥中是滑线电阻的反馈触点与被测电阻对应，而使桥路的输出达到平衡；达到平衡时，自动平衡电桥的测量桥路处于平衡状态；而自动平衡电位差计的测量桥路处于不平衡状态。

平衡电桥桥臂中的各电阻的计算较为复杂，一般按不同的量程对桥路进行计算。如图8.6为测量桥路的等效电路。