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(共47张PPT)
化 工 仪 表 及 自 动 化
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1 过程检测仪表
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1 过程检测仪表
教学内容：
1.1 过程检测仪表的分类
1.2 压力、物位检测仪表
1.3 流量检测仪表
1.4 温度检测仪表
1.5 变送器
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1.4 温度检测仪表
1.4.1概述
（1）温度与温标
温度是化工生产过程中一个重要的操作变量，许多生产过程都要求在一定温度范围内进行。温度的检测与控制，是实现生产过程优质高产和安全低耗的重要手段。
温度是反映物体冷热程度的物理量，必须通过温标才能定量描述。温标是温度的数值表示。国内日常使用的温标为摄氏温标，而科学计算中使用的是国际实用温标。
摄氏温标规定：在标准大气压下，冰的融点为零度，水的沸点为100度，中间划分100等分，每等分为摄氏1度，符号为℃。
国际实用温标是一个国际协议性温标，所表示的温度称为开尔文温度。
摄氏温度t（℃）与国际实用温度T（K）的关系如下：
T= T-273.25K
此外还有华氏温标和热力学温标。
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（2）测温仪表的分类
测温方式 温度计名称 作用原理 测温范围 特点
接触式 玻璃温度计 利用液体受热时体积膨胀的性质 －100～100℃ 有机液体
0～600℃ 水银 读数直观、测量准确、结构简单、价格低、易碎、现场指示
双金属温度计 利用金属受热时线性膨胀的性质 －50～600℃ 耐振动、耐冲击、易读数、成本低、维护方便、现场指示
压力式温度计 利用温包内的气体或液体因受热压力而改变的性质 －50～600℃ 液体型
－50～200℃ 蒸汽型 耐振动、防爆、价格低、现场指示
热电阻温度计 利用导体或半导体的阻值随温度而改变的性质 －200～850℃ 铂电阻
－50～150℃ 铜电阻 测量精度高、便于集中检测和自动控制、不能测高温
热电偶温度计 利用金属导体的热电效应的性质 0～1800℃ 铂铑10-铂
－200～1300℃ 镍铬-镍硅 测温范围广、便于集中检测和自动控制、需要冷端温度补偿
非接触式 辐射式高温计 利用物体辐射能的性质 50～2000℃ 只能测高温、低温段不准、测量值需修正、用于火焰、钢水等不能直接检测的高温场合
—第一篇 自动化仪表—
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接线盒
保护套管
绝缘管
热电偶
安装法兰
引线口
普通型热电偶
普通型热电偶主要由热电极、绝缘管、保护套管和接线盒等主要部分组成。
贵重金属热电极的直径一般为0.3～0.65mm，普通金属热电极的直径一般为0.5～3.2mm；热电极的长度由安装条件和插入深入而定，一般为350～2000mm。
绝缘管用于防止两根电极短路
保护套管用于保护热电极不受化学腐蚀和机械损伤
材料的选择因工作条件而定
普通型热电偶主要有法兰式和螺纹式两种安装方式
1.4.2 热电偶温度计
（1）热电偶的结构及测温原理
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铠装型热电偶
热电极 绝缘材料 金属套管
热电极
绝缘材料
铠装型热电偶断面结构
铠装型热电偶是由热电极、绝缘材料和金属套管三者经过拉伸加工成型的
金属套管一般为铜、不锈钢、镍基高温合金等
保护套管和热电极之间填充绝缘材料粉末，常用的绝缘材料有氧化镁、氧化铝等。
铠装型热电偶可以做得很细，一般为2～8mm，在使用中可以随测量需要任意弯曲。
铠装热电偶具有动态响应快、机械强度高、抗震性好、可弯曲等优点，可安装在结构较复杂的装置上，应用十分广泛。
—第一篇 自动化仪表—
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热电效应（热电偶测温的基本原理）：任何两种不同的导体或半导体组成的闭合回路，如果将它们的两个接点分别置于温度各为 t 及 t0 的热源中，则在该回路内就会产生热电势。
A
B
B
A
图3-37 热电偶示意图
A B
eAB(t0)
eAB(t)
eA(t,t0)
eB(t,t0)
图3-38 热电现象
t 端称为工作端(假定该端置于热源中)，又称测量端或热端; t0端称为自由瑞，又称参考端或冷端
这两种不同导体或半导体的组合称为热电偶;每根单独的导体或半导体称为热电极 .
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A B
eAB(t0)
eAB(t)
eA(t,t0)
eB(t,t0)
闭合回路中所产生的热电势由接触电势和温差电势两部分组成：
下标A表示正电极，B表示负电极，由于温差电势比接触电势小很多，常常把它忽略不计，这样热电偶的电势可表示为：
注意：如果下标次序改为eBA，则热电势e前面的符号也应相应改变，即
式(i)就是热电偶测温的基本公式。当冷端温度t0一定时，对于确定的热电偶来说，eAB(t0)为常数，因此，其总热电势EAB(t,t0)就与温度t成单值函数对应关系，和热电偶的长短、直径无关。只要测量出热电势大小，就能判断被测温度的高低，这就是热电偶的温度测量原理。
重要结论：
1.如果组成热电偶的两种电极材料相同，则无论热电偶冷、热两端的温度如何，闭合回路中的总热电势为零；
2.如果热电偶冷、热两端的温度相同，则无论两电极材料如何，闭合回路中的总热电势也为零
3.热电偶产生的热电势除了冷、热两端的温度有关之外，还与电极材料有关，也就是说由不同电极材料制成的热电偶在相同的温度下产生的热电势是不同的。
—第一篇 自动化仪表—
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标准化热电偶和分度号
从理论上分析，似乎任何两种不同的导体都可以组成热电偶，用来测量温度。
但实际情况并非如此，目前在国际上被公认的热电偶材料只有几种。
热电偶名称 代号 分度号 主 要 性 能 介质性质 测温范围（℃）
长期使用 短期
铂铑10－铂 WRS S 测量精度高、稳定性好、抗氧化性能好、热电势小、线性差、成本高 氧化、中性、
短期真空 －20～1300 1600
铂铑30－铂铑6 WRB B 具有铂铑－铂热电偶各种特点、在定型产品中测量温度最高、在100℃以下，冷端可以不用补偿 氧化、中性、
短期真空 300～1600 1800
镍铬－镍硅 WRK K 抗氧化性能好、长期使用稳定性好、线性好、价格低、在含硫介质中使用易脆断 氧化、中性 －50～1000 1200
镍铬－铜镍 WRE E 稳定性好、灵敏度高、定型产品中热电热最大、价格低 氧化、弱还原性 －50～800 900
铜－铜镍 WRT T 测量精度高、抗潮气侵蚀性能好、低温时灵敏度高、价格低、测温上限低 任何介质性质 －40～300 350
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例3.4 用K型热电偶来测量温度，在冷端温度为t0＝25℃时测得热电势为22.9mV，求被测介质的实际温度。
解1： 根据题意有
由K型热电偶的分度表查出
因此有:
反查分度表有
—第一篇 自动化仪表—
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某热电偶，热端温度为t，冷端温度为tc，显然冷端温度难以实现恒定，怎么办？
D
C
补偿导线
冷端的延伸
t
tc
A
B
热电偶
被测设备
生产现场
t0
毫伏计
恒温环境
A
B
可以把热电偶做得很长，一直到控制室。
把冷端温度延伸到控制室，变为t0，恒定t0比较容易
此时，测得的热电势为
但热电偶一般为（较）贵重的金属，采用如图所示的延伸方式将需要大量的贵金属材料，不妥。
如果选用一组较廉价的材料（C、D），且CD在一定温度范围内所产生的热电势与热电偶AB在同一温度范围内所产生的热电势相等，就可以用CD来替代AB的延伸段。
CD即为热电偶AB的补偿导线，通常CD采用比热电偶电极材料更廉价的两种金属材料做成，一般在0～100℃范围内要求补偿导线要与被补偿的热电偶具有几乎完全相同的热电性质。
在选择和使用补偿导线时，要和热电偶的型号相匹配，注意极性不能接错，热电偶与补偿导线连接处的温度一般不能高于100℃。
（2）热电偶温度计的使用
补偿导线
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常用热电偶的补偿导线
补偿导线型 号 配用热电偶 补偿导线材料 补偿导线绝缘层颜色
名 称 分度号 正 极 负 极 正 极 负 极
SC 铂铑10－铂 S 铜 铜镍 红 绿
KC 镍铬－镍硅 K 铜 铜镍 红 蓝
EX 镍铬－铜镍 E 镍铬 铜镍 红 棕
TX 铜－铜镍 T 铜 铜镍 红 白
—第一篇 自动化仪表—
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由于操作室内的温度往往高于0℃，而且也是不恒定的（即使有空调也是不恒定的），这时，热电偶产生的热电势必然会随冷端温度的变化而变。
因此，在应用热电偶时，只有把冷端温度保持为0℃，或者进行必要的修正和处理才能得出准确的测量结果，对热电偶冷端温度的处理称为冷端温度补偿。
目前，热电偶冷端温度主要有以下几种处理方法：
☆ 冰浴法 ★ 计算修正法
☆ 调整仪表零点法 ★ 电桥补偿法
☆ 串联热电偶补偿法
冷端温度补偿
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冰浴法——把热电偶的冷端放入恒温装置中，保持冷端温度为0℃，多用于实验室
t
tc
热电偶
补偿导线
毫伏计
0℃恒温装置
计算修正法——如例3.4。这种方法适用于实验室或者临时测温。
电桥补偿法——仪表中常用
t
+
－
Rcu
E
R1
R2
R3
+ a
b －
+
－
图3－44 电桥补偿法
—第一篇 自动化仪表—
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电桥补偿法
t
+
－
Rcu
E
R1
R2
R3
+ a
b －
+
－
是仪表中最常用的一种处理方法，它利用不平衡电桥产生的电压来补偿热电偶因冷端温度的变化而引起热电势的变化
如图，电桥由R1、R2、R3（均为锰铜电阻）和RCu（热敏铜电阻）组成。
在设计的冷端温度（例如t0＝0℃）时，满足R1＝R2，R3＝RCu，这时电桥平衡，无电压输出，即Uab=0，回路中的输出电势就是热电偶产生的热电势
当冷端温度由t0变化到t’0时，不妨设t’0 >t0，热电偶输出的热电势减小，但电桥中RCu随温度的上升而增大，于是电桥两端会产生一个不平衡电压Uab(t’0 )
此时回路中输出的热电势为:
经过设计，可使电桥的不平衡电压等于因冷端温度变化引起的热电势变化，即
于是实现了冷端温度的自动补偿。
实际的补偿电桥一般是按t0＝20℃设计的，即t0＝20℃时，补偿电桥平衡无电压输出。
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—第一篇 自动化仪表—
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1、热电阻的测温原理
在工业应用中，热电偶一般适用于测量500℃以上的较高温度。对于500℃以下的中、低温度，热电偶输出的热电势很小，这对二次仪表的放大器、抗干扰措施等的要求就很高，否则难以实现精确测量；而且，在较低的温度区域，冷端温度的变化所引起的相对误差也非常突出。所以测量中、低温度，一般使用热电阻温度测量仪表较为合适。
热电阻是基于电阻的热效应进行温度测量的，即电阻体的阻值随温度的变化而变化的特性。因此，只要测出感温热电阻的阻值变化，就可以测量出被测温度。
目前，主要有金属热电阻和半导体热敏电阻两类。
金属热电阻：金属热电阻的电阻值和温度一般可以用以下的近似关系式表示：
式中， 为温度t时对应的电阻值
为温度t0(通常t0＝0℃)时对应的电阻值
为温度系数。
1.4.3 热电阻温度计
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半导体热敏电阻：半导体热敏电阻的阻值和温度的关系为：
式中， 为温度t时对应的电阻值
A、B是取决于半导体材料和结构的常数
金属热电阻和半导体热敏电阻的比较：
热敏电阻的温度系数更大，常温下的电阻值更高（通常在数千欧以上），但互换性较差，非线性严重，测温范围只有－50～300℃左右，大量用于家电和汽车用温度检测和控制。
金属热电阻一般适用于测量－200～500℃范围内的温度测量，其特点测量准确、稳定性好、性能可靠，在过程控制领域中的应用极其广泛。
√
—第一篇 自动化仪表—
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2.工业上常用的金属热电阻
从电阻随温度的变化来看，大部分金属导体都有这种性质，但并不是都能用作测温热电阻，作为热电阻的金属材料一般要求：
尽可能大而且稳定的温度系数、电阻率要大、在使用的温度范围内具有稳定的化学和物理性能、材料的复制性好、电阻值随温度变化要有单值函数关系（最好呈线性关系）。
我国最常用的铂热电阻有R0＝10Ω、R0＝100Ω和R0＝1000Ω等几种，
它们的分度号分别为Pt10、 Pt100 和 Pt1000；
铜热电阻有R0＝50Ω和 R0＝100Ω两种，
分度号分别为Cu50和 Cu100
其中 Pt100 和 Cu50 的应用更为广泛
其结构形式与热点偶相似。
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3.热电阻的信号连接方式
热电阻是把温度变化转换为电阻值变化的一次元件，通常需要把电阻信号通过引线传递到计算机控制装置或者其它二次仪表上。常用的引线方式有三种：
E
R1
R2
R3
二线制：在热电阻的两端各连接一根导线来引出电阻信号。这种引线方式最简单
但由于连接导线必然存在引线电阻r，r的大小与导线的材质和长度等因素有关
很明显，图中的
因此，这种引线方式只适用于测量精度要求较低的场合。
—第一篇 自动化仪表—
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E
R1
R2
R3
三线制：在热电阻根部的一端连接一根引线，另一端连接两根引线的方式称为三线制
这种方式通常与电桥配套使用，可以较好地消除引线电阻的影响，是工业过程中最常用的引线方式。
I
I
A
B
C
事实上电桥上R1＝R2>>Rt、R3，经过设计可以使两个桥臂上的电流相等，均为I，且I几乎不受Rt的影响
三线制的连接，每根线上同样也存在导线电阻r
此时，Ui＝UAC＝？？
可以起到调零的作用
四线制：在热电阻根部两端各连接两根导线的方式称为四线制，其中两根引线为热电阻提供恒定电流Is，把Rt转换为电压信号Ui，再通过另两根引线把Ui引至二次仪表。可见这种引线方式可以完全消除引线电阻的影响，主要用于高精度的温度检测。
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概 述
用途：显示仪表直接接收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，最后对被测参数予以指示或记录或字、符、效、图象显示。
按所显示信息的类别可分为模拟式和数字式两大类；
按显示方式可分为指示仪表(包括指针指示和色带指示)、 记录仪表、 报警装置和图象显示仪等。
1.4.4温度显示仪表
—第一篇 自动化仪表—
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A. 模拟式显示仪表
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参数的连续变化的仪表。
就其测量线路而言，又分为直接交换式和平衡式两种。
直接交换式线路简单．价格低廉；但精度较低， 线性度较差，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； 但精度高，线性度好，信息能量传递效率高，故有较高灵敏度。
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B. 数字式显示仪表
数字式显示仪表直接以数字形式显示被测参数，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，更适用于生产集中监视和控制，近年来发展较快。
—第一篇 自动化仪表—
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C. 图像显示仪
图象显示仪的实质是属于数字式，它直接把工艺参数用文字、符号、数字和图象配合的形式在大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。
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贮量的记忆能力与快速功能，也是现代计算机不可缺少的终端设备，常与计算机联用。作为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尔器。
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(1) 动圈式显示仪表
动圈式显示仪表可以对直流毫伏信号进行显示，也可以对非电势信号但能转换成电势信号的参数进行显示。
例如检测元件或传感器或变送器送来的是直流毫伏信号，就可直接进行显示；否则需经过适当的转换电路方可进行显示。
它具有如下特点：
(1)该仪表可以作参数指示显示，如XCZ型；也可作参数指示显示和控制，如XCT型。它可与热电偶、热电阻等测温元件配合，作为温度显示、调节之用；也可与其他变送器配合，测量、控制其他参数。
(2)它采用灵敏区较高的磁电系测量机构，易将微弱的被测信号转换为指针的较大角位移。 指示清晰、连续，体以小，重量径，结构简单，维修方便，价格低应，具有一定的抗干扰能力，噪声对其影响不大。
—第一篇 自动化仪表—
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A. 组成
动圈仪表的组成结构原理如图1所示。其中永久磁铁(包括极靴)1和圆柱形软磁芯 3形成辐射源，使两者之间气隙中各处的磁场均匀(即磁力线密度相等)，且使动圈5在气隙中转动时，有效边始终与磁场垂直。上、下张丝2、6是用以支承动圈5，并作为传导电流的导线。当动圈转动时会产生扭转。从而对动圈5产生反力矩，起平衡力矩的作用。
动圈5是用漆包线绕制的无骨架线框，由上、下张丝2、6支承着，悬挂在永久磁铁和软磁芯所组成的辊射磁场内的气隙中。当信号电流通过时，可以在气隙中转动。 刻度7指针8用于指示被测量的数值。
—第一篇 自动化仪表—
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B. 动圈表的工作原理
动圈仪表的工作原理是基于被测信号电流通过连接导线，经过张丝进入动圈时，此电流和磁场相互作用，在动圈两有效边(即与磁场方向垂直的两边)上产生了大小相等、方向相反的作用力，并且对转轴产生转矩，使动圈产生偏转，这个力矩称之为偏转力矩。
当仪表动圈在偏转力矩作用下产生偏转时，为了对每一个被测量(电流强度)只产生一定的偏转，以便显示被测参数的大小，必须在动圈上施加一个大小与其偏转角成比例的反作用力矩。
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由上式可知：动圈仪表偏转角的大小与流过动圈的电流I成正比，且比例系数S(动圈测量机构的灵敏度)是常数。故动圈仪表的刻度是线性的。
若通过检测元件使工业过程参数线性地转换成电流，则动圈仪表现可按过程参数线性刻度，否则为非线性刻度。
一般来说，动团仪表若直接按过程参数进行刻度时，较难获得线性刻度，动圈仪表的精度不易做得很高、且信息转换效率低。
动圈仪表结构简单、可靠
—第一篇 自动化仪表—
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动圈式显示仪表是由测量线路和测量机构两部分组成。
对于不同型号的仪表其测量线路有所不同。
a. 测量毫伏信号的测量线路
b.配热电偶的测量线路XCZ-101
c. 测量电阻值的测量线路XCZ-102
C. 测量线路
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D.动圈表接线
图1-28 XCZ-101接线图
图1-29 XCZ-102接线图
—第一篇 自动化仪表—
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（2）自动平衡式显示仪表
自动平衡式显示仪表也是目前生产过程中常用的显示仪表，具有精度高，性能稳定、可以连续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变量，分为电子自动平衡电位差计和电子自动平衡电桥。图1-30为自动平衡式仪表的实物图。
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A. 电子自动电位差计
构成原理框图如图所示
—第一篇 自动化仪表—
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电子电位差计的原理线路图，可以看出：比较电势是由桥路提供的。这是因为电桥可解决以下两个实际问题
（１）冷端温度补偿问题　图中 Ｒ2为铜电阻
（２）量程匹配问题　被测电势的起始值可能为正、负、零几种情况，用单回路只能提供一个方向的比较电势，而用桥路既可以提供正、负也可以提供零比较电势，解决了实际测量中各种起始值不同的问题。
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B.? 电子自动平衡电桥
电子自动平衡电桥主要由测量桥路、放大器、可逆电机、同步电机等部分构成，其构成原理框图如图所示。
—第一篇 自动化仪表—
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下图是电子平衡电桥的原理线路图。可以看出热电阻与桥 路 的连接采用了 三 线制，这样可以减小连接导线电阻因环境温度变化而引起的测量误差。
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　(3) 数字式显示仪表
数字式显示仪表，是把经感测元件转换成的电信号 （模拟量）进一步转换成数字量 （断续量）进行显示的仪表。它与模拟式显示仪表相比，具有测量速度快、精度高、读数清晰直观、无读数误差、便于与计算机通讯等特点。
数字式显示仪表按输入信号的形式，可分为电压型和频率型两类。
数字式显示仪表的 构 成框图如图 所示，它由前置放大器、模 拟／数字 信 号 转 换 器（即 A/D 转换器）、非线性补偿、标度变换以及显示装置等部分组成。
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从感测元件送来的信号，首先经变送器转换成统一的电信号，由于该信号较小，需经前置放大器进行放大，然后由 A/D 转换器转换成数字信号输出。已知在被测变量与电信号之间通常存在着非线性关系，只能在模拟显示仪表中可以用非线性标尺显示，而在数字显示仪表中，能看到的是被测变量的绝对数字值，且数字仪表的显示装置部分都是线性电路，因此对 A/D输出的数字信号必须进行数字化的非线性补偿，以消除非线性误差。虽然模拟信号经 A/D转换成数字信号输出，但这个数字信号并不是与被测变量一致的值，必须有一个标度变换环节，将数字信号转换成与被控变量一致的数字值，再送往计数器计数并显示，同时还可送往报警系统和打印线路去打印出数字来。需要时，也可以把数字信号输出，供其他计算装置使用。
1.数字式仪表原理
—第一篇 自动化仪表—
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2.数字式仪表的技术指标
衡量数字式显示仪表性能的技术指标有精度、显示位数、分辨率和分辨力、输入阻抗、速度、超载能力、串模抑制比、共模抑制比等项。
（１） 精度
数字表的准确度有两种表示方法。
准确度＝±(a% rdg+n 个字)
rdg———仪表读数值；
a%———综合误差系数；
n———最后一位数单位值的ｎ 倍。
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(２) 显示位数
数字仪表以十进制显示的位数称为显示位数。工业测量过程中常用三位、四位，高精度数字仪表可达七位、八位之多。显然，位数越多，表达同一数的有效位越长，读数越准确。
(３) 分辨率和分辨力
分辨率相当于模拟仪表的灵敏度，是指数字仪表显示的最小数和最大数的比值。例如一台没有超量程能力的四位数字仪表，其最小显示是0001，最大显示是9999，它的分辨率是9999分之一，即为万分之一或0.01％。
—第一篇 自动化仪表—
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(4) 无纸记录仪表
无纸记录仪表是一种智能化的多功能二次仪表，适合于对各种过程参量进行监测、控制、记录与远传。下面以 SWP-LCD-无纸记录仪表为例介绍无纸记录仪表的结构、原理及其应用。
无纸记录仪表
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A. 无纸记录仪表的基本结构及原理
—第一篇 自动化仪表—
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B. 无纸记录仪表的特点
① 多功能的显示画面可集中显示中文菜单、测量数据、曲线图表、数据涵义、工程单位、百分比棒图、报警状况等。
② 便捷的操作界面及轻触式面板按键，方便用户进行各种的操作。③ 高容量的存储空间满足最长达365天的记录数据存储需求。
④ 快速的通讯速率能以高达28.8Kbps的速率与上位机或其他机关的设备进行信息交换。
⑤ 灵活的附加功能可提供模拟变送信号输出，打印机接口信号输出，直流馈电电源输出，标准双向串行通讯接口等。
⑥ 标准的外形尺寸可方便的替换功能简单的同类仪表，满足控制系统的升级需要。
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C.仪表面板配置
—第一篇 自动化仪表—
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D. 操作流程图

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