模擬式檢測儀表設計及實例

1、式中Ig為指針滿偏max時動圈電流值。第1 2章模擬式檢測儀表設計及實例模擬式檢測儀表基本組成12.1“表頭”的原理與刻度12.1.1 “表頭”的原理一、“表頭”的結構一一動圈式磁電系測量機構（最常見） 組成結構如圖12-1-1所示：永久磁鐵 彈性支承 動圈及指針、動圈所受力矩:1、電磁力矩 Me bF bNLBioi， o是穿過動圈的磁鏈。0 NbLB、彈性力矩M kk , k是彈性支承的彈性系數；B是動圈的轉角。pl3 、阻尼力矩Md D , D是阻尼系數dt三、動圈的運動方程：1、動態(tài)方程:M e驅使動圈轉動，而MdMk則阻止動圈轉動，因此根據轉動定律有:dt式中J動圈和與其固定連接的動

2、圈框架及筆尖或指針構成的慣性體的轉動慣量。dt2該慣性體的轉動角加速度。將M e、Md、M k代入上式得動圈的動態(tài)方程:d2dJD k 0idt2dt2、靜態(tài)方程：若信號電流為直流I，在達到穩(wěn)定之后，上式左邊前兩項均為零，于是有:-ISlk這就是動圈的靜態(tài)方程。式中S）稱為動圈式磁電系測量機構的靜態(tài)靈敏度,S。max“表頭”的靈敏度 S。與動圈的滿偏電流Ig的倒數一一“Q /V”數成正比。四、直流電流表和直流電壓表圖12-1-21、直流電流表一一由動圈（內阻為 r）并聯分流電阻 R構成，電流表量程Im為1 m 1 g （1）R直流電流Ix與指針偏角成線性正比關系：maxIxS0 I gIxSo

3、R IR r2、直流電壓表一一由動圈串聯分壓電阻R構成，電壓表的量程 um為Um Ig(r R)UmmxUxS0IgUxUmRS0rUx池12.1.2 “表頭”的刻度刻度（標定）：給儀表輸入標準的被測量x,在表頭指針的偏轉處刻上被測量的數字一、線性刻度-一適用于線性檢測儀表直流電壓U X與指針偏角 成線性正比關系:X。SiXxSS Sx KS1SoSxKUi xSx Ux UiK3Ux1、刻度方程:2、量程上限值為xmaxUmKSxIg(R r)KSx3、儀表的標定:1)兩點標定(單極性 X) : (0, 0) , ( max,Xmax)xmax2)三點標定(雙極性X) : (0, 0),(

4、max , X max ),(、非線性刻度一一適用于非線性檢測儀表1、非線性的產生：由于傳感器存在非線性，而測量電路中又沒有加入非線性校正電路，使測量電路輸出電壓 Ux與被測量x呈非線性函數關系:Ux f(x)2、刻度方程非線性刻度:SoR rf (x)3、儀表標定:1)多點標定。(xi, i), i 1,2, n,標定點n越多，刻度越精密。2)直線擬合。若f(x)的非線性不太嚴重，可按最佳的擬合直線刻度。12.2調零、調滿度與量程切換12.2.1零點和靈敏度漂移產生的誤差： 檢測儀表標定時的輸入一一輸出關系S x式中，S儀表的標稱靈敏度溫度變化、電源波動等原因使檢測儀表實際的輸入一一輸出關系

5、變?yōu)閛 S x式中，0 儀表的零位(x=0)輸出或零點漂移;s儀表的實際靈敏度。S =S+A S式中， S儀表的靈敏度漂移。在這種情況下，被測量在儀表度盤上的讀數X與被測量的實際值 x就有差距o S xx x x S12.2.2常見的調零電路一、傳感器調零電路例1、差動自感傳感器零位電壓補償電路一一圖例2、霍爾傳感器零位電壓補償電路一一圖二、電橋調零電路如圖 8-2-2、圖 10-2-2、圖 10-3-11 等三、放大器輸入偏移調零電路0 (S S) x12-2-15-5-10SU x U a xSx式中，Ua為前級測量電路的零位輸出。圖12-2-2 (a)中，須調整圖12-2-2 (b)中，

6、須調整圖12-2-2 (c)中，須調整12.2.3常見的調滿度電路Ub,使 Ub=UaUb和庫，使 Ua/R1=-Ub/R2Ub 使 Ub=U。檢測儀表的總靈敏度SSxK一、調電源供電電壓（或供電電流）二、調放大器的增益三、調表頭量程電阻例題 12-2-1解：通常選 R仁R2=Ro, U0 5E（Rt一1）R3 RPi先調零：調 RP1使R3+RP1=RO,即卩t=0C時，Uo=O。 再調滿度：調 RP2,使t=100 C時，U0=100mV,即電源電壓為100mV20W 1(mV)12.2.4常見的量程切換電路1/2滿度接近滿度的區(qū)域，即為提高模擬儀表的讀數精度，通常應使表頭指針偏轉在max

7、max2當表頭指針超出滿度時，就要切換到大一檔的量程；當表頭指針較小時，就要切換到小一檔的量程。量程切換實質上就是以換擋方式改變儀表的靈敏度。例題 12-2-2圖 12-2-4解：電路輸出電壓為U0 Uref巴RN電子歐姆表量程為Rxmax （Um/Uref）RN5Rn12.3模擬非線性校正非線性產生的原因：大多是由于傳感器的非線性。非線性產生的危害：非線性刻度容易產生讀數誤差非線性校正的目的：就是使“表頭”能采用線性刻度。12.3.1非線性校正的數學原理圖12-3-1一、數學原理非線性校正就是在非線性環(huán)節(jié)后，串接一個線性化器，只要該線性化器的特性曲線與非線性環(huán)節(jié)的特性曲線成反函數關系，就能達

8、到線性校正的目的一一使整個儀表的輸入-輸出特性變成線性關系。設U1f1（X）U2KU 1若U。Sf 1(U2)則U0 xSK、反函數電路，圖123-2UiU ff 1(Ui)0U ff(U。) Uiu。RR結論：將一個輸出輸入特性與被校正的非線性環(huán)節(jié)相同的非線性環(huán)節(jié)接入運放的反饋 環(huán)路，再將此運放與被校正的非線性環(huán)節(jié)串接起來，即可實現非線性校正。12.3.2 非線性校正實現方法 一、采用與已知傳感器特性函數相反的運算電路 有些傳感器電路的輸出與輸入呈現明確的函數關系，可以采用與該函數關系相反的運 算電路作為測量電路，以實現非線性校正。例如：電量與非電量呈現指數關系的傳感器接對數電路 電量與非電

9、量呈現平方關系的傳感器接開方電路 電量與非電量呈現開方關系的傳感器接平方電路 電量與非電量成反比的傳感器接反比電路。三、采用多項式運算電路從標定實驗數據中選取3個插值點(Xk，UQ(k 1,2,3)，求解如下3個方程：a0 a1U k a2U k2 xk(k 1,2,3)求得三個系數ao,a!,a2,用乘法、加法電路組合成的多項式運算電路或AD538等集成運算電路來實現二次多項式。U 0 S(a0 a1U a2U 2) S X三、采用折線近似的函數放大器電路設被測非電量x與傳感器及其接口電路輸出電壓U之間的函數關系為 U f (x)，在傳感器接口電路后串接一個能實現U0 Sf 1(U)的函數放

10、大器電路，就可以實現非線性校正，使U0 S x。函數放大器電路一般采用由二極管開關和電阻組成非線性網絡取代反相 放大器的輸入電阻Rr 或反饋電阻 Rf ，使反相放大器的輸出輸入關系呈多段折線逼近U 0 Sf 1(U) 曲線。12.4 環(huán)境及溫度誤差校正12.4.1 環(huán)境及溫度因素對測量的影響 一、環(huán)境因素對測量的影響 理想情況： 只有被測量 x 才是決定測量結果 y 的唯一因素， 即系統的輸入輸出特性 為一元函數y f(x)實際情況：除了被測量x夕卜，還有許多其它影響參量。 如溫度T、氣壓P、電源電壓E, 等等，系統的輸入輸出特性為多元函數y f(x,T,P,E, )廠f因 dydxx故環(huán)境誤

11、差記為fdT JTf dP -PEdE ，令dy丄dxxdy dy丄dTf dPfdETPE系統輸出對環(huán)境（干擾）參量的靈敏度為：St-fff，Sp-,SeJETP設計測量系統時應使系統輸出對被測量x的靈敏度Sx最冋，x系統輸出對環(huán)境（干擾）參量的靈敏度應限制在相對最低的水平。二、溫度因素對測量的影響在影響測量結果的環(huán)境因素中，最常見的也是影響最大的環(huán)境因素是溫度。線性檢測系統表達式y f(x,T) a(T)ai(T)x1、線性檢測系統對溫度 T的有害靈敏度對溫度T的有害靈敏度可表示為2、S f (x,T) 竊Tdao(T)dTdT非線性檢測系統對溫度T的有害靈敏度非線性檢測系統表達式y f(

12、x,T) a(T)ai(T )xan(T)xn對溫度T的有害靈敏度為dao(T)$ dTdTdTdan (T) nxdT3、dao(T)/dT 0, dai(T)/dT 0。減小系統對溫度的有害靈敏度的原則1）減小檢測系統輸出零點對溫度的有害靈敏度，最好使2）減小檢測系統靈敏度對溫度的敏感性，最好使12.4.2環(huán)境及溫度誤差的硬件校正法一、平衡法兩個原理和特性完全相同的傳感器置于同一環(huán)境中:一個既接受輸入信號也接受環(huán)境影響dy1dxdTdPxTP一個不接受輸入信號只接受環(huán)境影響dy2dTf dPTP二者輸出相減dy- dy2 dx，保留輸入x的作用，消除環(huán)境因素的影響。實例：圖12-4-1補償

13、塊圖5-5-1 4補償電橋圖10-1-7補償片圖11-3-1（b） 參考室二、差動法兩個原理和特性完全相同的轉換元件，置于同一環(huán)境中，一個接受輸入量的正向變化dx,一個接受輸入量的反向變化 (-dx)二者輸出相減dy1 dy22 dx，輸入靈敏度增加一倍，而環(huán)境影響卻被消除。x實例：圖10-1-13 圖4 1 1 5(c)(d)三、抵消法將正溫度系數的傳感器或電路與負溫度系數的傳感器或電路串聯起來，使溫度變化產生的影響相互抵消。丄1丄0T T四、參比法通過比例運算消除影響輸出結果的環(huán)境(干擾)變量。實例：圖8-4-2 應用聲速校正具圖12-4-3三點取壓測液位圖12-4-4 ADC與電橋共用同

14、一電源12.5模擬式儀表實例12.5.1 DDZ-川型儀表簡介一、DDZ儀表概述1、儀表類型按信號傳輸方式劃分：電動儀表一一以電量為傳輸信號的儀表氣動儀表一一使用壓縮空氣來傳遞信號的儀表 按組成系統的方式劃分：基地式儀表、單元組合式儀表組件組裝式儀表2、電動單元組合(DDZ儀表DDZ I 型、DDZ H 型、DDZ 川型。二、DDZ-川型系列儀表特點1、采用線性集成電路2、 采用國際標準信號制圖12-5-2現場傳輸信號為420mA直流電流控制室聯絡信號為15V直流電壓3、 集中統一供電統一由電源箱供給各單元24V直流電源4、整套儀表可構成安全火花型防爆系統三、電壓一電流變換器圖12-5-31、

15、0Umax的單極性輸入電壓變換成 420 mA的直流輸出lout 4mA16mAU max2、一 Umax+ Umax的雙極性輸入電壓變換成420 mA的直流輸出1 out12mA16mA2U max12.5.2 MF107型萬用電表剖析 結構組成：表頭磁電系微安表，測量電路-轉換開關-一、直流電流測量電路圖 12- 5 - 4作指示用，電阻、電流和電壓的測量電路切換測量電路，實現量程和測量種類的切換任務圖 12-5-5R決定用階梯分流器組成多量程電流表。電流表量程由所切換的分流電阻lg(r R) 500mVR二、直流電壓的測量電路圖 12-5-6是在直流電流測量電路的基礎上串聯電阻Rx而成。直流電壓量程由所切換的串聯電阻rRRx 決定Um Igr ImRx Im( Rx) Im(R。氏)式中Ror三、交流電流測量電路圖直流電流表頭接上整流器而成。 為rRR12-5-7在半波整流的情況下，使表頭滿偏的交流電流的有效值Ig0.452.22Ig交流電流有效值的測量公式為1 MIgI M2.221 gLxI四、交流電壓