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河 南 工 业 职 业 技 术 学 院 电 气 工 程 系. 第 8 章 检测仪表. 了解并掌握模拟仪表和数字仪表的原理及分类. 一、模拟仪表. 凡是能将生产过程中各种参数进行指示、记录或累积的仪表统称为显示仪表。常用的仪表可分为模拟仪表和数字仪表。. 模拟仪表 主要有动圈式指示仪表及调节仪表，自动平衡显示仪表和电动单元组合仪表。. 图 8-1-1 动圈式仪表的结构. 1 、动圈式仪表. 1 ） 结构： (1) 匀强永久磁场： 一对径向同心永磁极芯（场强处处相等） (2) 动圈： 置于永久磁场中的矩形可动线圈（漆包线绕制）
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河 南 工 业 职 业 技 术 学 院 电 气 工 程 系 第8章 检测仪表 • 了解并掌握模拟仪表和数字仪表的原理及分类
一、模拟仪表 凡是能将生产过程中各种参数进行指示、记录或累积的仪表统称为显示仪表。常用的仪表可分为模拟仪表和数字仪表。 模拟仪表主要有动圈式指示仪表及调节仪表，自动平衡显示仪表和电动单元组合仪表。
图8-1-1 动圈式仪表的结构 1、动圈式仪表 1）结构： (1) 匀强永久磁场：一对径向同心永磁极芯（场强处处相等） (2) 动圈：置于永久磁场中的矩形可动线圈（漆包线绕制） (3) 张丝支撑：（铍青铜） 弹性吊带，兼作电流导线
动圈偏转角度处处与引起线圈旋转的电流成正比。（动圈表相当于电流表）指针停留的位置即线性表征了流进动圈电流的大小。动圈偏转角度处处与引起线圈旋转的电流成正比。（动圈表相当于电流表）指针停留的位置即线性表征了流进动圈电流的大小。
图8-1-2 动圈式仪表的测量电路 2）动圈指示仪表的测量电路 量程电阻RM：只要调整RM的大小，便可得到所需要的量程,一般在200-1000Ω。 温度补偿电阻RT：可动线圈由铜丝绕制，其电阻RD有很大的正温度系数，随温度变化时会给测量带来附加误差。为了补偿，可串接具有负温度系数的热敏电阻RT，在20℃取RT=68Ω。
根据磁电系检流计的原理，指针的偏转角与回路电流成正比，当输入电压 一定时，它取决于回路的总电阻。仪表内部电阻可确定，而外部电阻为被测电路的电阻，是不可确定的。 为了给仪表定度，规定外电阻为15Ω。仪表出厂时配带一只15Ω的锰铜丝线绕电阻，使用时拆掉一部分，拆去部分等于被测电路工作状态下的电阻值，将剩余部分串接在回路中。
型号：X C Z －1 0 l 1配热电偶 0无意义（表示调节方式） 1单标尺（表示设计序列或种类） 指示仪 动圈式、磁电式 显示仪表 3）配热电偶的动圈温度指示仪表 XCZ—10l 型动圈式仪表是与热电偶配套使用的显示仪表。
图8-1-3 配热电阻动圈式仪表三线制接法和外线电阻接法 4）配热电偶的动圈温度指示仪表 XCZ—102型动圈仪表与热电阻相配套构成热电阻温度计。其原理线路如图8-1-3所示。 由图可知，它是由稳压电源、动圈仪表和不平衡测量桥路组成。 动圈式仪表实际上是一个磁电式毫伏计，所以要求输入信号是直流毫伏信号。 当配接热电阻测温时，就得设法将热电阻阻值随温度的变化转换成毫伏信号。
动圈式调节仪表（XCT或XFT）是在动圈指示仪表的基础上附加给定机构和控制电路或放大电路组成，具有显示及越限报警和对被测参数的控制调节功能。动圈式调节仪表（XCT或XFT）是在动圈指示仪表的基础上附加给定机构和控制电路或放大电路组成，具有显示及越限报警和对被测参数的控制调节功能。 XC系列测量机构采用张丝支承系统，XF系列测量机构采用大力矩游丝（或大力矩张丝）支承系统。
输入信号：毫伏信号或电阻变化信号 • 外接电阻：配mV信号仪表15欧一支。（F表不用外接电阻） 外线电阻：配电阻变化仪表5欧三支 • 具有时间比例调节作用的仪表 a.( 零)周期：40±10S b. 比例范围：3﹪—6﹪ 具有位式调节作用的仪表切换差不超过0.5﹪。 具有PID调节作用的仪表 比例范围：3﹪—6﹪ 静差：不超过电量程±1.0﹪ 积分时间：2.5至5.5min 微分时间：20—40s
输出电流：直流0至10mA，负载电阻800欧 超限：标度尺弧长的5﹪以上 设定范围：三位式调节仪表上限为全量程的10﹪至100﹪，下限为全量程的10限为全量程的限为全量程的限为全量程的0﹪至100﹪ 中间带：三位式（狭中间带）调节仪表为2﹪至10﹪可调，三位式（宽中间带）调节仪表为5﹪至100﹪可调 电源电压：220VAC，50HZ 电功耗：3—10w 继电器接点容量：3A 220VAC，无感负载
2、自动平衡显示仪表 自动平衡式显示仪器是采用自动补偿的原理制成的闭环式仪器，具有较高的精度和灵敏度，使用寿命长，在工业生产中广泛用于连续指示、记录各种参数。自动平衡式显示仪器的构成型式多种多样，常用的有自动平衡式电子电位差计和自动平衡电桥。下面仅介绍自动平衡式电子电位差计的基本原理。
工作原理 被测的直流信号电压Ux，经过滤波去除外界可能引入的干扰后，与测量桥路输出对角线上的电压Uab进行比较（相减），Uab也即反馈电压Uf。比较后产生的差值ΔU送至放大器，经放大后，得到足够的功率以驱动伺服电动机ND。伺服电动机通过一套传动机构，带动测量桥路中滑线电阻RH的滑动触点，使反馈电压与被测的输入信号相平衡，此时，滑动电阻动触点的移动反映了被测信号的变化，平衡时动触点的位置代表被测信号的大小，动触点又与仪器的指示记录笔架相连，同时由伺服电动机驱动，实现指示和记录。同步电机或步进电机带动记录纸以恒定的速度移动，移动的距离作为记录的时间坐标。另一坐标是以记录纸的分格来表示被测量的数值。
3、自动单元组合仪表 电动单元组合仪表，是根据检测和调节系统中各个环节的功能，将整套仪表分为若干个能独立完成某项功能的典型单元。各单元之间的联系都采用统一规格的电信号。
给定单元 调节单元 变送单元 显示单元 执行单元 调节对象 工艺介质 被测参数(如压力,流量,温度等) 电动单元组合仪表 阀门 图8-1-5 电动单元组合仪表简单调节系统的方框图
DDZ系列仪表 DDZ系列仪表的组成单元主要有变送单元、调节单元、执行单元、显示仪表、给定单元、计算单元、转换单元、辅助单元。 DDZ-Ⅱ系列仪表以晶体管为主要元件，采用交流220V电源，各单元之间的联络信号为直流0～10mA；精度一般为0.5级。各单元仪表串联，可保证各单元接受的信号完全一致；适合于远距离传送；与磁场作用可产生机械力，便于利用力平衡原理；信号的起始值为零，便于对模拟量进行运算，但无法识别断线，不易避开元件的死区和非线性段。
DDZ-Ⅲ系列的绝大多数核心电路是线性运算放大器或逻辑组件。采用4～20mA信号制，提高了可靠性和带负载能力，克服了DDZ-Ⅱ系列的弊端，逐步取代DDZ—Ⅱ系列仪表。
仪表1 生产现场 控制室 + 现场指示仪表 1~5V _ 变 送 器 执 行 器 + 仪表2 4~20mA 1~5V _ 24V + 仪表3 1~5V _ 调节器 或指示器 4~20mA + 图8-1-5 DDZ-Ш系列仪表的联络方式 阀位指示仪表
各单元仪表采用现场串联,室内并联(并联250Ω电阻可转换为1~5V的电压信号)的联络方式,直流24V集中供电,采用低压供电易于构成安全火花防爆系统。各单元仪表采用现场串联,室内并联(并联250Ω电阻可转换为1~5V的电压信号)的联络方式,直流24V集中供电,采用低压供电易于构成安全火花防爆系统。 DDZ- Ш型差压变送器采用两线制，只需将直流24V电源、差压变送器、250Ω电阻三者串联起来，根据差压的大小来决定通过电流的大小，从而在250Ω单元仪表采用现场串联,室内并联(并联250Ω电阻两端得到相应的电压，其电压输出范围为1~5V。
二、数字仪表 数字式显示仪表和模拟式显示仪表一样，与各种传感器、变送器相配，可以对压力、物位、流量、温度等进行测量，并直接以数字形式显示被测结果。
电压型 单点 频率型 多点 显示仪、显示报警仪 显示输出仪、显示记录仪 具有复合功能的数字显示报警输出记录仪 1、数字显示仪表分类 按输入信号的形式分 数字显示仪表 按被测信号的点数分 按仪表的功能分
记录打印 被测参数 数字显示 变送 器 前置放大器 非线性补偿 检测元件 标度变换 A/D 报警系统 数码输出 图8-1-6 数字显示仪表组成框图 2、数字显示仪表的组成 典型的工业用数字显示仪表由信号转换、前置放大、线性化、模数转换、标度变换、数字显示以及电源等部分组成。
被测参数经检测元件和变送器转换成相应的电信号，首先输入到数字式显示仪表的前置放大器进行放大，然后经A／D转换成为数字信号。被测参数经检测元件和变送器转换成相应的电信号，首先输入到数字式显示仪表的前置放大器进行放大，然后经A／D转换成为数字信号。 在数字式显示仪表中设有非线性补偿和标度变换环节，以便对测量信号进行线性化处理和对各种比例系数进行标度变换。经过上述处理的数字信号送往显示器中进行显示或通过打印机打印记录下来，也可送往报警系统或以数码形式输送给共它计数装置。
对于具体仪表而言，也可以先进行线性化处理和标度变换，然后再进行A／D转换；还可以将A／D转换与非线性补偿同时进行，然后再进行标度变换。对于具体仪表而言，也可以先进行线性化处理和标度变换，然后再进行A／D转换；还可以将A／D转换与非线性补偿同时进行，然后再进行标度变换。
常用的显示位数为两位半（ ）、三位半（ ）、四位半（ ）。 3、数字面板表 数字面板表简称DPM，是一个由双积分A/D转换器构成的不带外壳的直流数字电压表，将直流电压信号线性地转换为数字显示。它象一个表头那样可以装在仪表的面板上，与各种传感器及相应电路配合构成非电量检测仪表。
1）三位半数字面板表 如上图8-1-7所示为UP5135三位半面板数字电压表电路原理图，它是以IC7107为核心，再加上少许电子器件和显示器构成的，在线路板的扩展空间上装上适当的电阻，如Ra、Rb、Rc，就能够成不同范围的DC电压表和电流表。同类芯片有国产CH7106等，它是仿美国ICL7106。它内部有时基电路，极性显示电路，自动稳零电路，驱动电路（可直接驱动发光二极管显示），其稳定性高，功耗低，输入阻抗大于107Ω。三位半的显示范围为－1999～＋1999，测量范围为－199.9～＋199.9mV。
2）四位半单量程数字电压表 ICL7135 四位半单量程数字电压表电路如图8-1-8所示。ICL7135的B8、B4、B2、B1各端送出的BCD码，经过74LS47BCD码／七段译码器转换后，可同时能使5个共阳极数码管显示数字； D5～D1提供位选通信号，经V5～Vl对数码管由高位到低位分时扫描显示；利用D5信号经倒相后控制74LS47的RBI端，可实现“万”位显示的控制。RBI=0，74LS47只能输出“0”以外的数字所对应的七段码，RBI=“1”能输出包括“0”在内的任何数字。 “+”、“-”极性的显示，信号POL经 V6控制。“-”段常亮，只要控制“1”发光则显示“+”，不发光则显示“-”。
除了以上的引出脚外，ICL7135还设置了过量程信号输出端OR和欠量程信号输出端UR。利用这两个信号可更方便地组成量程自动切换电路，使数字电压表的自动化程度更高。当量程合适时，即显示20000与1800之间，OR和UR端均输出不变化的低电平。当输入量超过或者低于合适量程时，即大于等于20000或者小于1800时，OR端或UR端出现脉冲波形，过量程时，还同时发生显示数自动闪烁报警。ICL7135的其它端子：OR、UR、BUSY、R/H及ST信号，如果系统不需使用，可悬空不接。除了以上的引出脚外，ICL7135还设置了过量程信号输出端OR和欠量程信号输出端UR。利用这两个信号可更方便地组成量程自动切换电路，使数字电压表的自动化程度更高。当量程合适时，即显示20000与1800之间，OR和UR端均输出不变化的低电平。当输入量超过或者低于合适量程时，即大于等于20000或者小于1800时，OR端或UR端出现脉冲波形，过量程时，还同时发生显示数自动闪烁报警。ICL7135的其它端子：OR、UR、BUSY、R/H及ST信号，如果系统不需使用，可悬空不接。 通常我们使用的三位半字位的数字万用表，其核心部件是ICL7106或7126A配液晶显示器，四位半字位的数字万用表则用ICL7127配相应的液晶显示器，它们功耗小，用9V小型叠层电池即可工作，便于组成便携式测量仪表。
图8-1-9 XSZ-100系列原理方框图 4、XSZ-100系列数字显示仪表 XSZ—100系列数字显示仪表是由信号变换、前置放大器、标度变换、线性化器、数字面板表及电源几部分组成，其方框图如图8-1-9所示。
（1）信号转换 信号转换是热电偶和补偿电桥串联而成，电源E(6V)经R4降压后供给补偿电桥，电桥四臂电阻分别为R1、R2、R3、及Rcu(铜补偿电阻)。 （2）前置放大器 由集成运算放大器A1和外接电阻R5、R6、R7组成。
（3）线性化器 线性化器是由运算放大器A2、A3、A4、A5和二极管VD1～VD8组成四个精密折点电路。这四个折点电路和A1放大电路的输出在输出级A6的输入端相加，共同组成热电偶五段折线逼近的非线性补偿电路。这种电路的精度可达0.2％以上。另外A7、A8均为反相器，其输入分别为+Ur和+Uz，A7的输出为－Ur且送至A3、A4、A5的输入端，A8的输出为－Uz且送至A2的输入端，它们共同完成非线性补偿。 （4）标度变换 标度变换是由电阻及R35、R36组成。 （5）数字面板表DPM。
