第六章显示仪表.ppt

检测仪表电子讲稿 王华忠编写,进行检测，过程工业中，为了监视、管理和控制生产，必须对生产过程中的工艺参数进行检测，并把检测数值及时准确地指示、记录或用字、符、数字等显示出来，以便提供生产所必须的信息，让操作者了解生产过程的全部情况，以便更好地操纵、管理生产,显示仪表是直接接受检测元件或变送器或传感器（或经过处理）送来的信号，然后经过测量线路和显示装置，最后对被测变量予以指示或记录或字、符、数、图象显示，这后两部分构成了显示仪表。,第六章 显示仪表,早期的显示仪表只作参数指示，而且连同检测元件做在一起，它只能就地指示，而不能作集中显示用，现在通常不被列为显示仪表。随着生产的发展，生产规模的不断扩大，生产过程逐步由手工操作过渡到局部自动化或全盘自动化，故所测参数增多，精度要求也相应提高，检测信号必须远传实行集中显示和控制，这时单一指示型的显示仪表已不能满足需要，因此逐渐地发展为检测和显示功能分开的只接收传送信号的显示型仪表。,在电子显示仪表中又分为模拟式、数字式和屏幕显示三大类。,所谓,模拟式显示仪表,是以指针或记录笔的偏转角或位移量来显示被测变量的连续变化的仪表。就其测量线路而言，又分为直接变换式和平衡式两种。,直接变换式：,线路简单，价格低廉，但精度较低，线性刻度较差，信息能量传递效率低，故灵敏度不高。,平衡式：,线路结构复杂，价格贵，稳定性较差，但构成仪表精度、灵敏度以及信息能量传输效率都较高，线路度好。,数字式显示仪表,是直接以数字形式显示被测变量，其测量速度快，抗干扰性能好，精度高，读数直观，工作可靠，且有自动报警，自动打印和自动检测等功能，更实用于计算机集中监视和控制，近年来发展较快。,图,6,1,数字显示仪表与无纸记录仪,屏幕显示仪表,则是直接把工艺参数用文字、符号、数字和图象配合的形式在屏幕荧光屏上直接显示出来，并配以打字记录装置，按操作者的需要，任意以其中一种或多种方式同时显示，它具有模拟式与数字式显示仪表两种功能，并且具有计算机大存储量的记忆能力与快速功能，也是计算机不可缺少的终端设备，常与计算机联用，作为现代计算机综合集中控制必不可少的显示装置，是最近刚刚发展起来的一种新的显示形式。,新一代智能记录调节仪突破了传统显示仪表的概念，集数显、记录、控制于一身，以大规模点阵液晶为显示界面，充分应用了最新微机技术和新型器件、开关电源和表面贴装技术及相关工艺，使仪表具有功能强、性能可靠、体积小等特点。仪表一般配有多路输入（模拟和数字）、输出（模拟和数字）、记录及,PID,控制等功能，输入输出全部隔离，可实现单参数控制、多参数复杂控制和程序控制，以及多路报警、无纸记录功能，具有实时和历史追忆、记录曲线显示、报警记录显示、数据断电保存、在线面板组态、无需编程语言、在线设置参数和状态、手动和自动无扰动切换等功能。它有高的性能价格比，可满足过程测量和控制的基本要求。,1,显示仪表的构成及基本原理,一、模拟式显示仪表,1,、直接变换式仪表的组成及特点,图,6,2,直接变换式仪表组成的检测系统框图,直接变换式仪表是开环串接系统（原理结构如图,6,1,所示），其灵敏度,S,和相对误差 分别由式（,6,1,）和,(6,2),表示，即,(6-1),(6-2),（,1,）、直接变换式仪表线性刻度较困难,（,2,）、要想获得较高精度较困难,（,3,）、信息的转换效率很低,动圈式仪表为直接变换式仪表,2,、平衡式显示仪表组成及特点,图,6,3,自动平衡电子电位差计结构图,所谓平衡式仪表即由闭环结构的平衡式测量线路构成的仪表，例如自动平衡式电子电位差计即为闭环结构，其结构如图,6,3,所示。图中,T,为检测元件或传感器；,C,为比较器，即电位差计的测量桥路的输出信号与检测元件输出信号在此比较；,A,为放大器；,M,为可逆电机；,R,为记录机构；,F,为传动装置及测量桥路；,x,为被测变量；,y,为仪表示值；为检测元件输出电压信号；为反馈电压。由图,6,2,可知，平衡式仪表通常是由闭环结构的平衡式测量线路为主要内容，包括显示装置等所组成。,由于平衡式测量线路是平衡式仪表中的主要部分，平衡式测量线路有三大类：有差随动式、无差随动式和程序平衡式,比较图,6-2,和图,6-3,可看出，平衡式仪表较直接变换式仪表结构复杂；由控制理论也可看出，闭环系统较开环系统具有一系列优点，例如线性好，反映速度快等,。,【,例,6,1】,图,(6,4),为直接变换式仪表的测量线路，为各环节的变换系数，显然,由上式知：每一环节的非线性或干扰都对输出产生影响，所以该类仪表精度难保证。,图,6,4,直接变换式显示仪表测量线路,(6-3),足够大时，趋近于,0,，故 ；即 。显然只要闭环系统的主通道放大倍数足够大，性能稳定，则输出与输入之间的线性关系就能保证。应选取高精度的反馈电阻。,【,例,6,2】,图,(6,5),是在图,(6,4),基础上构成的闭环负反馈系统。为主通道各环节放大倍数。,为负载电阻；为反馈电阻；为输入信号；为反馈信号；为偏差信号。是输出信号，当,图,6,5,平衡式显示仪表测量线路,图,6,6,有差随动式测量线路框图,3,、有差随动式测量线路,图,6,6,是有差随动平衡式测量线路的结构框图，其中,T,是传感器或检测元件，是比较单元，,UT,是不平衡信号检测变换器，,A,是放大器，,F,为反馈装置，,D,是显示装置；,x,为被测变量，,I,为输出电流，、是中间变量，是中间变量的偏差，,y,是仪表示值。所谓平衡式线路即作用于比较单元上的两个量 和 ，当达到近似平衡（相等）时，有 ，此时与之对应的输出,I,，,经由显示装置,D,显示出,y,值，此即为被测变量,x,的示值，这就相当于利用平衡原理的天平称重一样，故称为平衡式线路。,若 、为电流，叫电流平衡式，,若 、为作用力，叫力平衡式；,若 、为力矩则叫力矩平衡式,由不平衡信号检测变换器,UT,和放大器,A,所组成的主（正向）通道实际上是一个放大倍数很大的放大器，因此,I,与 一一对应，若没有 ，也就没有电流,I,，,也就无法把被测变量显示出来。,为何是有差的？,为何是随动的？,又由于该系统的输入量为被测变量,X,，,是经常变化的，,I,必须跟随着变化让显示装置,D,把被测变量显示出来，所以该系统是随动系统。,图,6,7,差压变送器结构及方框图,4,、有差平衡式测量线路的基本特性,(1),有差性,(2),反应快。在 很大的条件下，灵敏度：,只要反馈回路是个比例环节，则测量线路总的响应特性就近似一个比例环节（不管正向通道中有某些大惯性环节）。所以这种有差平衡测量系统，有很高的快速响应特性，线路的频带很宽，能达到 。,(3),有差平衡式测量线路的量程可以做得很宽，这是由该线路的误差性质所决定,（,4,）动态稳定性差。这种线路要想误差小，必须大，这就使闭环系统的稳定储备差，过大时，将会引起系统的自激振荡,（,5,）这种线路构成仪表,(,或检测系统,),时往往还要配上传感器或检测元件,T,和显示装置,D,，,这两个环节的相对误差 和 应该与 合成后才算整个仪表的相对误差。,5,、无差随动平衡式测量线路的基本特性,图,6,8,无差随动平衡式测量线路,图,6,8,与有差结构框图,6,6,相比，各部分基本相同，所不同的是多了,M,块，它是积分环节（或叫记忆环节），少了显示装置,D,。,增加了积分环节可以消除不平衡信号 ，少了显示装置,D,可以消除误差 。,为何无差？,关键在于采用了可逆电机,M,，,只有当 为零时，,M,才停止转动，而,M,转过角度的大小与输入信号,x,没有任何关系，它停止与否只与 和 是否完全达到平衡有关。只要存在 ，,M,将一直转动下去，,M,转动方向将随,F,符号为正或负而定。,为何无显示装置？,当桥路达到完全平衡时，可逆电机,M,停止转动。由,M,经反馈装置,F,带动的滑触点和仪表指针停止在对应的参数刻度上。电动机转动的同时也带动了记录笔，记下了被测变量。,可逆电机,M,有一个起动电压，若达不到这个起动电压，则,M,也不会转动。因此还是存在一定的误差，但该误差较小。,可逆电机起动电压影响,6,、无差平衡式测量线路的基本特性,（,1,）,精度高,无差系统可以直接利用电动机转角显示被测量，而无须另外的显示装置，使整个测量系统少了一个较大的误差分量 。另外由于电机转轴产生的力矩较大，可使摩擦力矩的影响相对减小。,（,2,）,量程窄,无差线路的误差分布在整个量程上是不均匀的，这就使得无差平衡式仪表的量程不能做得太宽。,（,3,）,动态稳定性差,对使用电动机的测量系统，相当于在正向通道中增加了一个二阶积分环节，这将给系统的稳定性带来不利影响，为了满足一定的稳定储备，系统的开环增益,K,不能太大，实际使用的,K,值不超过,200,2000,。,二、数字式显示仪表,图,6,9,数字式显示仪表的构成,主要组成：,模数转换器（,A/D,）,非线性补偿和,系数的标度变换。,其中核心是模数转换器,有些仪表在模拟电路部分实现非线性补偿和标度变换，后进行,A/D,转换。通常精度较低,有些仪表先进行,A/D,转换，而后再进行数字化的非线性补偿和标度变换，这类结构适用面广，精度高。,所谓数字式显示仪表，就是把与被测量（例如温度、流量、液位、压力等）成一定函数关系的连续变化的模拟量，变换为断续的数字量显示的仪表。,数字显示仪表按输入信号的不同,电压型：输入信号是连续的电压或电流信号,频率型：输入信号连续可变的频率或脉冲序列信号,按使用场合不同,实验室用,工业用,三、屏幕显示仪表,屏幕显示仪表又被称作无纸记录仪，就本质而言，它是属于数字仪表的范畴，只是在数字仪表中加入了微处理器、显示屏、存储器（,RAM,是读写存储器，,EPROM,、,EEPROM,是可擦式只读存储器）等，因而对信息的存储以及综合处理能力大大加强，例如可对热电偶冷端温度、下限值、报警、数据存储、通讯、传输、字、符、数以及趋势显示等。,图,6,10,屏幕显示仪表的构成,多路切换开关可把多路输入信号，按一定时间间隔进行切换，输入仪表内，以实现多点显示。,前置放大器和,A/D,转换是把输入的微小信号进行放大，而 后转变为断续的数字量。,CPU,的作用则是对输入的数字量信号，进行仪表各种功能所需的处理，诸如非线性补偿、标度变换、零点校正、满度设定、上下限报警、故障诊断、数据传输控制等。,只读存储器是存放一些预先设置的使仪表实现各种功能的固定程序。,读写存储器,RAM,是用于存储各种输入、输出数据以及中间计算结果等，它必须带自备电池，否则一旦断电，所有储存数据将全部丢失。,2,模拟式显示仪表,一、动圈式显示仪表,1,、动圈式显示仪表的组成及测量线路,组成：永久磁铁、张丝、软铁心、动圈、仪表指针、刻度面板等组成。,图,6,11,动圈仪表结构,测量原理,动圈仪表是根据作用在测量机构上的力矩平衡原理工作的。当被测信号（直流毫伏信号）通过连接导线并经过张丝进入动圈时，便产生回路电流流过动圈，此时动圈在磁场的作用下产生电磁力矩（动力矩）而偏转，并带动固定在动圈上的指针一起转动。动圈的转动使具有一定刚度的张丝扭转并产生反力矩（阻力矩），该阻力矩随着动圈转角的增大而增大，当动力矩和阻力矩相等时，动圈就停留在某一位置上，动圈带动指针，并在刻度面板上指示出相应的被测温度值,。,（,1,）检测毫伏信号的测量线路,用于测量毫伏信号（配热电偶的动圈仪表）的测量线路如图,6,12,所示。它由动圈环境温度补偿电阻 和 ，量程和阻尼调整电阻 ，及外线路调整电阻,R,等组成。,环境温度补偿电阻 和,动圈刻度检验是在环境温度为,20,时候进行的。,动圈是由铜线制作。,动圈电阻随环境温度变化而变化，影响流过动圈的电流。,图,6,12,用于测量毫伏信号（配热电偶的动圈仪表）的测量线路,用具有负温度系数的热敏电阻 和不随温度变化的锰铜电阻 并联后再与串联 连接，当环境温度升高时，随温度的升高呈线性增大，而热敏电阻 具有负的温度系数，且随温度变化呈指数规律下降。为了获得较理想的补偿效果，在全国统一设计的动圈仪表测量线路中，采用一只在,20,时是,68,的热敏电阻，与一只,50,的锰铜电阻并联，使其并联电阻 随温度变化近似为线性关系，如图,5,5,所示。而与 的总电阻随温度变化的曲线就比较平坦，因而取得良好的补偿效果。,补偿方法,图,6,13,电阻,R,T,和,R,B,的,并联补偿使用,量程和阻尼调整电阻 和,为了使动圈仪表适用于不同量程、不同被测参数的测量要求，国产,XC,系列动圈式仪表采用了统一的测量机构（即表头）。因此表头必须根据最小量程所需要的灵敏度进行设计。当测量大信号时，只要在测量线路中串入电阻 ，就可以使流过动圈的电流减小，从而保持流过动圈的满刻度电流不变，以达到扩大测量范围的目的。,是用锰铜丝绕制的，因而不随环境温度变化。,数值在,200,1000,之间。,串入还可提高仪表的输入阻抗，从而使信号源内阻的变化对测量精度的影响减小，有利提供仪表精度。,欠阻尼,：,在大量程仪表中，取得较大，既满足量程要求，有提供精度，但仪表阻尼特性变差。因为 较大，动圈切割磁力线产生的反电动势在回路内产生的电流较小，因而使阻尼作用不够，称为欠阻尼。,解决方法,：,在动圈两端并联一只电阻 ，这样从动圈两端往外看的电阻减小了。由反电动势产生的阻尼电流增大，提高了阻尼作用。,解决了仪表的灵敏度、精度和稳定性之间的矛盾。,配热电偶的动圈仪表的几个具体问题,、冷端温度补偿,图,6,14,配用冷端补偿电桥和补偿导线的测量线路,、外线路电阻,测量时，对于相同的毫伏信号，如果整个测量线路电阻值不同，则流过动圈的电流也不同，从而导致指针的指示也不同。为保证仪表测量的精确性，一律规定动圈仪表的外线电阻为,15,。,（,2,）检测电阻信号的测量线路,不平衡电桥,当动圈式显示仪表与热电阻配合测量显示被测参数时，其输入信号为电阻变化值。为了利用统一的测量机构，必须将电阻值转换为毫伏信号，这时配热电阻的动圈仪表的测量线路如图,6,15,所示。由图可知，将电阻转换成毫伏信号的任务是由不平衡电桥来完成的。,图,6,15,电阻输入型动圈仪表测量线路,三线制接法,热电阻要安装在被测温度现场。这样，连接热电阻的连接导线有长有短，且连接导线的电阻会随环境温度而变化。若把热电阻的连接导线都接在同一个桥臂内，则当环境温度发生变化时，连接导线的电阻变化值将与热电阻的变化值相叠加，这样会给仪表测量带来较大的误差。为了能正确地显示被测温度的大小，工业上常采用三线制接法，如图,6,15,所示。由热电阻引出三根导线，与热电阻两端相连的两根导线分别接入桥路的两个相邻桥臂上，而第三根导线与稳压电源的负极相连。这样由于环境温度变化而引起的连接导线电阻的变化可以互相抵消，减少对测量的影响。,为了克服因连接导线长短不同而引起测量误差，三线制接法中，每根连接导线电阻规定为,5,，若不足,5,时，则需用锰铜丝绕制的外接调整电阻补足,5,。,2,、动圈仪表该量程,根据测量的要求，有时要求改变仪表的测量范围。在测量机构不变得情况下，动圈仪表的改量程（刻度）工作，就是重新确定所需的串连电阻 值。,在改变仪表量程时，应该使改变前后仪表动圈所流过的满度电流不变。,3,、动圈仪表的误差,被测温度为,t,时，流过动圈的电流为：,若环境温度变化，而被测温度仍为,t,则外线电阻变为,流过动圈的电流为：,由于动圈仪表的指针转角与动圈电流成正比例关系，所以动圈仪表的相对误差可以用仪表指针转角的相对误差表示，即：,因为,由于动圈仪表的指针转角与动圈电流成正比例关系，所以动圈仪表的相对误差可以用仪表指针转角的相对误差表示，即：,(6-4),由上式可知增加 ，可使因环境温度变化而引起的相对误差减少。显然增加用锰铜丝绕制的 可以减小该误差。但对于量程小的仪表，只能取得较小的数值，因此其精度必然受到一定的影响；如要在小量程增大 的值，就必须提高测量机构（表头）灵敏度的基础上才能实现，这又给仪表的调平衡工作带来困难，因此动圈仪表的精度不可能做得很高，目前最高为一级。,4,、动圈仪表型号命名,第一节第一位,:X:,显示仪表,第一节的二位,C,：,动圈式,第一节第三位,Z,：,指示仪表；,T,：,指示调节仪表,第二节,第一位,第二位,第三位,代号,意义,代号,意义,代号,意义,对指示仪,1,单标尺,0,1,配热电偶,对指示调节仪,表示设计序列或种类,表示调节功能,1,高频振荡固定参数,0,二位调节,2,配接热电阻,1,三位调节,3,配接霍尔变送器,2,高频振荡可变参数,2,三位调节,4,配接压力表,3,时间比例调节,3,时间程序式高频振荡固定参数,4,时间比例二位调节,【,例,】XCT-131:,动圈指示调节仪表，高频振荡固定参数，时间比例调节（脉冲式），配热电偶。,3,自动平衡式显示仪表,常用的自动平衡式显示仪表有自动平衡式电子电位差计和自动平衡式电子电桥。它们能自动测量、显示、记录各种电信号（直流电压、电流或电阻），配用热电偶、热电阻或其它能将被测信号转换成直流电压、电流或电阻的传感器、变送器、可以指示和记录生产过程中的温度、压力、流量、物位以及成分等各种参数，并可附加控制器、报警器和积算器等，实现多种功能。,一、,自动平衡式电子电位差计,图,6,16,手动电位差计原理线路,1,、工作原理,是标准电池；,G,是灵敏度较高的检流计；是可调电阻；是标准电阻；,R,是可调电阻；是电源开关；是待测电势。,第一步,：调准工作电流,把 合上，,K,扳向“,1”,。调整 直到,G,指示零时停止。此时,第二步：测未知电势,K,扳向“,2”,，滑动,R,直到,G,指示零时停止。此时有,滑动触点,b,的位置即反映被,测电势：,由于滑线电阻 已知,，,因此对于 的每一点的电阻也是已知，而 、是固定值，所以被测电势的大小可以在滑点上读出。,电位差计的原理就是用已知的电位差去平衡未知的被测电势而进行工作的，就如天平称重时一样。,(6-5),2,、自动平衡式电子电位差计,手动电位差计,电子电位差计,标准,标准电池提供稳定电流,稳压电源提供稳定不变的工作电流,平衡检验,检流计,指针是否指“,0”,放大器检测已知电位与被测电势,调节手段,根据检流计平衡状态手动调节滑线电阻,可逆电机根据放大器信号和相位正转或反转，推动机械传动装置带动滑线电阻,手动电位差计与自动电位差计工作原理比较,图,6,17,自动平衡电子电位差计原理线路,电子电位差计原理及测量桥路分析,当,a,、,b,点的电势相同时，可逆电机停止运动，指针停留在某固定数值。但被测电势从最小变到最大时，滑动触点从最左边滑动到最右边。,平衡条件：,冷端温度变换时，也变化。增加，（）增加，,减小，实现冷端温度补偿。,(6-6),测量桥路中的电阻作用和要求,我国规定电子电位差计上支路电流为,4mA,，,下支路电流为,2mA,桥臂电阻,:,配用热电偶测温时，作为冷端温度补偿电阻，用铜丝绕制。配用不同分度号的热电偶时，阻值不同。若不配接热电偶，应该用锰铜丝绕制。,限流电阻,:,与 配合，使下支路在,25,时工作电流为,2mA,。,锰铜丝绕制。精度要求较高。,：决定仪表刻度起始值（下限）的锰铜电阻。在不同下限的仪表中，数值不同。下限越高，越大。,：限流电阻,:,锰铜丝绕制。它与上支路电阻一起，使上支路电流为,4mA,。,：滑线电阻,:,测量系统中的重要部件仪表的性能与它有很大的关系。要求耐磨、抗氧化、温度系数小、绝缘性好，线性度要求高，接触良好。,：凑合电阻,:,由于 很哪绕制得十分准确，因此 与 配合，使并联后的总电阻为固定值（,90,欧）。,康铜的电阻温度系数比锰铜的要小，但却不能用来绕制电阻。因为康铜与铜的接触电势较铜与锰铜的接触电势大。电阻的绕制采用无感双丝绕制，以减小附加电感的影响，并使电磁干扰产生的感应电势有相互抵消的作用。,：量程电阻：决定仪表量程大小的电阻。其大小由仪表的测量范围与所采用的分度号（当与热电偶配接时）决定，越大，则与 、并联后的电阻越大，因此对应的仪表量程越大，反之，,越小，仪表量程越小。,二、自动平衡式电子电桥,图,6,18,自动平衡电桥原理线路,1,、自动平衡式电桥工作原理,电阻 变化时，电桥不平衡，电桥,a,、,b,输出端产生电位差。该电位差经过放大后，驱动可逆电机运行，带动滑动触点移动，直到电桥平衡。,平衡条件,当被测温度升高，增加，滑动触点向左移动，使所在的桥臂电阻减小，直到,a,、,b,输出端电位差为,0,；,当被测温度降低，减小，滑动触点向右移动，使所在的桥臂电阻增加，直到,a,、,b,输出端电位差为,0,；,(6-7),2,、三线制接法,热电阻要安装在被测温度现场，这样，连接热电阻的连接导线有长有短，且连接导线的电阻会随环境温度而变化。若把热电阻的连接导线都接在同一个桥臂内，则当环境温度发生变化时，连接导线的电阻变化值将与热电阻的变化值相叠加，这样会给仪表测量带来较大的误差。如图,6,19,（,a,）所示,为了能正确地显示被测温度的大小，工业上常采用三线制接法，如图,6,19,（,b,）所示。由热电阻引出三根导线，与热电阻两端相连的两根导线分别接入桥路的两个相邻桥臂上，而第三根导线与稳压电源的负极相连。这样由于环境温度变化而引起的连接导线电阻的变化可以互相抵消，减少对测量的影响。,图,6,19,热电阻三线制接法与二线制接法,(a),(b),3,、自动电位差计与自动平衡电桥比较,共同点：,两者都是具有负反馈的闭环随动系统。,区别：,自动平衡电位差计的测量桥路全部在反馈环节中，测量桥路的输出用于平衡被测电压，在放大器的输入端达到平衡；,自动平衡电桥的测量桥路是作为比较环节而存在的，最后滑线电阻的反馈触点与被测电阻相对应，使桥路输出达到平衡，所以其平衡原理是相同的，但测量桥路的作用是不同的。,当仪表达到平衡时，电子电位差计的测量桥路本身处于不平衡状态，桥路有不平衡输出，此输出与被测电源相平衡，从而使仪表达到平衡。而自动平衡电桥的测量桥路本身处于平衡状态，即输出为,0,。,4,数字式仪表,传统模拟显示仪表的局限性：,测量速度不够快,精度低,读数存在误差,容易受环境干扰,难以对数据记录、分析和存储和转换等,因此，难以适应现代工业生产过程信息化的要求。,1,、模拟数字转换（,A/D),作用：把连续变化的模拟量转换为数字量,表征,A/D,转换器的性能指标主要有：,转换器的精度,转换器的速度,根据比较原理，,A/D,转换方法可分为：,直接比较型,间接比较型,复合型,2,、非线性补偿,原因：许多检测元件的输出信号与被测量之间往往为非线性关系，如：热电偶测温，节流式流量检测等。对模拟式仪表，可采取将仪表刻度非线性化分。在数字化仪表中，,A/D,转换为线性，转换后的结果直接用数字显示，因此必须补偿非线性特性，以减小非线性误差。,非线性补偿方法：,硬件实现,软件实现,（,1,）模拟式线性化,非线性补偿硬件放置在,A/D,之前。包括串连方式和,反馈方式,串连方式,传感器,放大器,线性化器,A/D,x,图,6,19,串连式线性化原理图,放大,器,线性,化器,t,图,6,20,热电偶测温线性补偿,【,例,】,热电偶测温系统，已知,a,b,为常系数，其数值可以按不同的热电偶的热电势和温度关系查表求出。以,E,分度为例，若测量上限为,，。则根据已知函数关系可得：,对上式,联立求解得系数：,设,放大器输出电压的解析式为,要使,U,0,和,t,之间的关系为线性，应有：,联立上述公式求解有：,上式即为,所求的线性化器的静特性解析公式，其中,a,b,已经求出，,K,为放大器的放大倍数，,S,为整机的灵敏度，皆由设计者根据具体情况指定。,反馈式线性化,利用反馈补偿原理，引入非线性的负反馈环节，用,负反馈环节本身的非线性特性来补偿检测元件或传感,器的非线性，使输入与输出之间具有线性特性。可以,用解析法和图解法设计反馈环节。,传感器,放大器,非线性反馈,x,图,6,21,反馈式线性化原理图,设检测元件或传感器的特性为：,由于放大器放大倍数很大，所以有：,若使得非线性环节完全补偿非线性特性，则,式中,a,为检测元件的常数。,该式就是非线性反馈环节的解析式,（,2,）数字线性化,查表线性化,如：以,A/D,转换后的数字量作为,EPROM,的地址，去,选取事先存在,EPROM,中的数据，然后进行数字显示。,由于,EPROM,容量可以做的较大，可以做到逐点校正,因此精度较高。,“以折代曲”线性化,将不同斜率的斜线段乘以不同的系数，使得非,线性的输入信号转换为有同一斜率的线性输出。,线性化是在,A/D,转换后进行的。,3,、信号的标准化及标度变换,为什么要标准化和标度变换,仪表输入信号的类别千差万别。,即使同一种参数或物理量，由于检测元件和装置的不同，输入信号的性质、电平高低也不同。,如温度检测：,采用热电偶测量，得到电势（毫伏级）,采用热电阻，得到电阻值,采用温度变送器后，得到的是电流,因此，这满足不了数字仪表或数字系统的要求。,将,不同性质的信号、或者不同电平的信号统一起来，称为输入信号的规格化，或称为参数信号的标准化。,规格化的统一输出信号可以是电流、电压或其它形式的信号，但由于各种信号变换为电压比较方便，且数字显示仪表都要求电压信号，因此都将不同类型的信号变换为电压信号。目前国内采用统一的直流电压有几种：,0,10mV,、,0,30mV,、,0,40.95mV,、,0,50mV,。,采用高的统一信号电平能适应更多的变送器，可以提高对大信号的测量精度；采用较低的统一电平，对小信号的测量精度高。统一信号电平的选择依赖于被显示参数信号大小。,对于过程参数测量用的显示仪表的输出，要求用被测量变量的形式显示，如温度、压力、物位、流量等，这就存在量纲还原，即标度变换。,（,1,）模拟标度变换,电阻信号标度变换,如可以通过选取合适的电桥参数，实现电阻到电压信号的变换。,例如：用,Cu50,测温时，若说测温度为,0,50,，则电阻变化为,10.7,欧，为了能显示“,50”,的数字值，可这样进行：设数显仪表的分辨率（即末位跳一个字需要的输入信号）为,100V,则满度显示“,50”,时，需要,电势信号的标度变换,例如：国产,CX-100,型数值测温仪表，培,K,型热电偶，满度显示威“,1023”,，此时放大器的输出为,4V,，而,K,型热电偶,1000,时的电势为,41.27mV,，,其标度变换就是通过选取前置放大器的放大倍数来解决。,要显示“,1000”,时，前置放大器要提供的电压为：,4000/10231000,3910mV,，,而此时热电偶的输出为,41.27mV,，,则前置放大器的放大倍数为：,3910/41.27=94.7,50100,5mV,的信号，或者说电阻变化,10.7,欧时，该产生,5mV,的信号则桥路工作电流为,0.47mA,。,电流信号的标度变换,图,6,22,电流信号标度变换,将,R,2,取出的电压作数字显示仪表的输入信号，因此电阻网络阻值的大小要满足已经确定的仪表分辨率的要求，并与所接的放大器的阻抗相匹配；同时，以电阻网络与仪表输入阻抗并联作为变送器的负载，也应满足变送器对负载阻抗匹配的要求，此外,R,2,的精度要求较高。,数字显示仪表与具有标准输出的变送器配套使用时。,（,2,）数字标度变换,数字标度变换是在,A/D,转换之后，进入计数器之前，通过系数运算实现的。进行系数运算时，即乘以某系数，扣除多余的脉冲数，可使被测物理量和显示数字值得单位得到统一。,习题,1,、简述动圈式显示仪表的组成、作用和工作原理。,2,、动圈式显示仪表为什么要对动圈进行温度补偿，又是如何实现的？,3,、电子电位差计是如何改变测量的？,4,、为什么闭环结构的平衡式仪表较开环结构的直接变换式仪表反应速度快，线性好，精度高，但稳定性较差，灵敏度较低，结构复杂。,5,、试比较电子电位差计和电子平衡电桥的异同点。,6,、数字式显示仪表由哪几部分组成？各部分的作用是什么？,7,、如图所示为一台配,K,型热电偶测温的电子电位差计，原来测温范围是,0,600,，计算测量桥路各电阻。（已知：,E=1V,，,=0.03,，,）,