第四章--显示仪表要点

第四章显示仪表 第一节模拟式显示仪表第二节数字式显示仪表第三节新型显示仪表 凡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 2 显示仪表的分类按能量分 电动显示仪表 气动显示仪表 按显示的方式分 显示仪表 模拟式显示仪表 指针位移或记录笔 数字式显示仪表 数字显示 屏幕显示仪表 数字 字符 曲线和图像显示 1 显示仪表 数字式显示仪表 以数字的形式直接显示被测参数大小的仪表 因具有速度快 精度高 读数直观 便于与计算机等数字装置联用等特点 正在迅速发展 屏幕显示仪表 将图形 字符 曲线及数字等直接在屏幕上进行显示 是一种新型显示仪器 用途非常广泛 模拟式显示仪表 以仪表指针 记录笔 的角位移 线位移 来模拟显示被测参数连续变化的仪表 测量速度较慢 精度较低 读数易造成多值性 1 工作原理 平衡法 补偿法 零值法 将被测电势与已知的标准电势比较 当两者的差值为零时 被测电势就等于已知的标准电势 1 手动电位差计 I恒定 R为锰铜电阻 线性度高 调节触点C 当IG 0时 Et UCB IRCB 由C的位置 读UCB 即测Et 一 自动电子电位差计 自动平衡式显示仪表 电子电位差计和电子自动平衡电桥 特点 测量精度高 工作可靠 可测量显示温度 压力 流量 物位等参数 第一节模拟式显示仪表 直接测量直流电压信号 1 采用全补偿法 IG 0 热电偶 连接导线的接入对测量不产生任何影响 2 采用高灵敏度检流计 可保证测量的准确度 3 只能进行间断测量 不能进行自动记录 需人工参与 2 测量准确的原因 2 自动电子电位差计的工作原理 用可逆电动机及一套机械传动机构代替人手进行电压平衡操作 用放大器代替了检流计来测不平衡电压并控制可逆电动机的工作 t0 0 室温t1时 热电势减少 t减小 造成测量误差 3 自动电子电位差计的测量桥路 在实际中需解决下列两个问题 t0 0 时 触点C与t一一对应 E t 0 t 反映真实温度 1 冷端温度补偿问题 解决这个问题 需加一个支路R2 铜丝 R3 R2与热电偶冷端处于同一温度 当t1 R2 UR2 而热电偶的热电势 达到温度补偿的目的 UR2 E t0 0 E t t0 E t 0 E t0 0 E t 0 t 3 自动电子电位差计的测量桥路 2 量程匹配问题 RGRM 触点C为起点时 UCD E t1 0 仪表标尺下限为多种时 需串接电阻RG RG UCD 下限值 触点C处于右端时 UCD为上限t2的热电势 RM越小 则RP电流越小 量程越窄 R总 RP RM减少 I1不变 RP两端电压减少 可改变量程 XW系列自动电子电位差计测量桥路原理图 X 显示仪表 W 直流电位差计 1 电阻R2 实现冷端温度自动补偿 热电偶的E t t0 时 仪表显示的温度为t 仪表刻度不变化 2 下支路限流电阻R3限制I2 2mA 25 精密电阻 精度为0 2 以内 镍铬 镍硅时R2 5 33 镍铬 考铜时R2 8 92 铂铑 铂时R2 0 74 热电偶不同 R2值就不同 3 上支路限流电阻R4 保证I1 4mA XW系列自动电子电位差计测量桥路原理图 4 滑线电阻RP 重要部件 仪表的误差 灵敏度等与RP优劣有关 RP 90 线性度高的锰铜 不足时 使RP RB 90 5 量程电阻RM RM由仪表测量范围和热电偶分度号决定的 RM越大 IM越小 量程越大 反之 量程越小 通过改变RM RG R4来改变量程 6 始端 下限 电阻RG 决定测量下限的高低 当C点处于起点时 UCD为标尺下限的热电势 RG UCD 大 测量下限越高 4 自动电子电位差计的结构 原理方框图 结构示意图 4 自动电子电位差计的结构 二 自动电子平衡电桥 热电阻 当t 后 滑动触点在RP的某一位置B时 电桥平衡 R3 Rt0 Rt RP r1 R2 R4 r1 2 2 1 则得 RtR3 r1R3 R2r1 1 平衡电桥测温原理 当温度在下限时 Rt为Rt0 滑动触点在RP的左端 此时电桥平衡 R3 Rt0 RP R2R4 1 触点位移与热电阻的增量呈线性关系 二线制接法 1 基本原理 将检流计换成放大器 利用被放大的不平衡电压推动可逆电机 带动触点B移动达到电桥平衡 XD系列交流电桥 XQ系列直流电桥 2 自动电子平衡电桥 2 测量桥路各电阻的作用 直流电源为1V 交流电源为6 3V 起始电阻 量程电阻 滑线电阻 三线制接法 外接调整电阻R1 2 5 I1 I2 3mA 交流限流电阻R7 保证电流在规定的范围内 以防烧毁 4 自动电子平衡电桥的结构原理方框图 接法 由热电阻一端引出两根线 其中一线接电桥的一桥臂 另一线接电源的负极 热电阻另一端的一根线接热电阻所在的桥臂 为了尽量减小误差 电阻值为2 5 3 热电阻采用三线制接法 1 相同之处 1 组成相同 放大器 可逆电机 同步电机 指示记录部分 2 与仪表配套的测温元件 热电偶 热电阻 外形结构相似 3 自动电子平衡电桥与自动电子电位差计比较 2 不相同之处 1 输入信号 电位差计为电势 电子平衡电桥为电阻 2 作用原理 电位差计测量电桥在测量时处于不平衡 输出不平衡电压 与被测电势大小相同极性相反 与被测电势补偿 使仪表达到平衡 电子平衡电桥 当仪表达到平衡时 测量电桥处于平衡 即无输出 3 电位差计测温时 考虑热电偶冷端温度补偿问题 4 测温元件与测量电桥的连接方式不同 热电偶补偿导线采用两线制接法 热电阻采用三线制接法 5 稳压源的供电方式 电位差计用直流 电子平衡电桥可直流也可交流 例1 K分度号的热电偶采用如图所示的方式与配套的电子电位差计接入控制室测炉温 已知电子电位差计显示温度为1000 C时 求实际温度t 解题思路 根据电位差计 显示1000 C则对应的热电势 EK 1000 0 电位差计中有温度补偿的铜电阻 补偿热电势 UR EK 20 0 补偿导线可实现冷端温度迁移 热电偶所测的热电势为 EK t 20 其与补偿热电势一起使仪表显示1000 C 则依题意有 EK t 20 EK 20 0 EK 1000 0 由中间温度定律可知t 1000 C 例2 K分度号的热电偶采用下图的方式与配套的电位差计接入控制室测炉温 已知电位差计显示温度为700 C时 求实际温度t EK t 0 EK 700 0 EK 20 0 EK 30 0 29128 798 1203 29533 V 解 查表得 EK 20 0 798 V EK 700 0 29128 VEK 30 0 1203 V 依题意有 EK t 30 EK 20 0 EK 700 0 EK t 0 EK 30 0 EK 20 0 EK 700 0 t 709 29533 29505 29547 29505 709 7 C 查表 EK 709 0 29505 V EK 710 0 29547 V 例3 K分度号的热电偶采用下图的方式与E分度号的电位差计接入控制室测炉温 已知电位差计显示温度为400 C时 求实际温度t EK t 0 EE 400 0 EE 20 0 EK 20 0 28943 1192 798 28549 V 解 查表得 EK 20 0 798 V EE 20 0 1192 V EE 400 0 28943 V 依题意有 EK t 20 EE 20 0 EE 400 0 查表 EK 686 0 28540 V EK 687 0 28583 V t 686 28549 28540 28583 28540 686 2 C 第二节数字式显示仪表 数字式显示仪表 用数字显示测量结果的仪表 是一种具有模 数转换器并以十进制数码形式显示被测量值的仪表 一 数字式显示仪表的特点及分类 数字式显示仪表 按输入信号形式分 电压型 按显示方式分 单点 多点 频率型 单点 按功能分 显示仪 多点 显示报警仪 显示报警输出记录仪 显示输出仪 显示记录仪 按显示方式分 按功能分 按功能分 按功能分 特点 直接显示数字 清晰直观 读数方便 不产生视差 线路简单 可靠性好 耐振性好 调试和维修方便 降低成本 组成 信号变换 前置放大 非线性校正或开方运算 模 数 A D 转换 标度变换 数字显示 电压 电流 V I 转换及各种控制电路等 二 数字显示仪表的基本组成 2 将小信号 毫伏级 放大 伏级 其中加滤波电路可抑止干扰信号 1 将输入信号转换成电压 电流 值 3 将信号处理成线性特性 提高仪表测量精度 开方运算将差压信号转换成流量值 与热电偶配套的数显仪表还有冷端温度自动补偿功能 4 A D转换电路 数显仪表的核心 二 数字显示仪表的基本组成 分类 把连续变化的模拟量变换成断续变化的脉冲数字量 5 标度变换电路 间接型 双积分型 脉冲宽带调制型 电压 频率转换型 直接型 逐次比较型 间接型 将模拟量转换一个中间量 T f 再转换数字量 抗干扰能力强 直接型 直接将模拟量转换成数字量 将显示值和被测原始参数值统一起来 使仪表以工程量值形式显示被测参数 如被测温度为65 时 A D转换计数器输出为1000个脉冲 经过标度变换使仪表直接显示65 6 数字显示电路及光柱电平驱动电路 二 数字显示仪表的基本组成 光柱电平驱动电路 将测量信号与一组基准值比较 驱动一列发光二极管 使被测值以光柱高度或长度形式显示 数字显示方法 发光二极管 LED 和液晶显示器 LCD 等 7 V I转换电路和控制电路 V I转换电路 将电压转换4 20mA 0 10mA 直流电流信号 与电动单元组合仪表 可编程序控制器或计算机连用 7 V I转换电路和控制电路 控制电路 根据偏差信号按PID或其他控制规律进行运算 输出控制信号 直接对生产过程加以控制 第三节新型显示仪表 定义 涉及微处理技术 新型显示和记录技术 数据存储和控制技术 把信号检测处理 显示 记录 数据存储 通讯 控制 复杂数学运算等全部或部分功能集合于一体的新型仪表 特点 使用方便 观察直观 功能丰富 可靠性高 维护简单 一 无笔 无纸记录仪 1 概述 该仪表输入信号多样化 可对温度 压力 流量 物位等参数进行组态与编程并直接显示 记录 带有报警功能 以CPU为核心的液晶显示记录仪 直接把信号转化成数字 保存在随机存储器内 可在液晶显示屏上显示 需要时可把记录曲线或数据送到打印机打印或计算机保存和进一步处理 2 无笔 无纸记录仪的原理与组成 记录仪的核心 数据计算与逻辑处理 存贮CPU处理后的历史数据 可保存3 170天的数据 固化程序 CPU操作的软件 将CPU内数据显示在液晶屏上 显示160 128点阵 输入指令 产生标准时钟 发出报警信号 实现数据打印 实现数据通讯 组态界面时间组态 用于组态 或修改 日期 时间 记录点数和采样周期 页面及记录间隔的组态 用于页面 记录间隔的设置 背光的打开 关闭设置 各个通道信息组态 各个通道输入量 测量上下限 报警上下限 开方运算等设置 通讯信息组态 用于通讯地址和方式的设置 显示画面选择组态 选择最需要的显示画面 报警信息组态 每个通道的上下限报警触点的设置 2 无笔 无纸记录仪的原理与组成 利用计算机强大的功能来完成显示仪表所有的工作 特点 在计算机屏幕上完全模仿实际使用中的各种仪表 如仪表面盘 操作盘 接线端子等 用户通过计算机键盘 鼠标或触摸屏进行各种操作 一台计算机可同时实现多台虚拟仪表 可集中运行和显示 二 虚拟显示仪表 传统仪器 是一个实物器具 实物的基本特点 形状 大小 体积和重量 在传统仪器的操纵面板上可通过开关 按键来操纵它 同时通过它的显示区域可获得最终的测量结果 9 1虚拟仪器技术 VirtualInstrument 简记为VI 虚拟仪器 不是一个实物器具 是基于计算机的测量仪器 没有固定尺寸和外观形状 它通过软件在计算机的屏幕上以各种图形的方式模拟出传统仪器的外观及操纵仪器所需的开关 按键 显示器等部件 虚拟仪器的操作是通过计算机的鼠标或键盘来实现的 与传统仪器比较 二 模 数转换 A D 一 基本概念1 主要任务 是使连续变化的模拟量转换成与其成比例的 断续变化的数字量 便于进行数字显示 2 模拟量 可在其测量范围内任意变化 即模拟量是连续变化的 将0 9这十个数字 通过指针或记录笔位移模拟表示其信号大小的 3 数字量 数字量的电信号 只能取二进制数中即 0 和 1 的任一个状态 一定位数的二进制数可表达一个确定的被测量 数字量是非连续的量 它们也可以转变为人们熟知的十进制数 直接以数字的形式表示被测量 4 计量单位 用一定的计量单位使连续变化的模拟量整量化 才能得到近似的数字量 计量单位越小 整量化的误差就越小 数字量越接近连续量本身的值 分割的阶梯 一个量化单位 越小 转换精度越高 但要求模 数转换装置的频率响应 前置放大的稳定性等越高 这是一对矛盾 二 模 数转换 A D 的方法 1 时间间隔 数字转换 2 电压 数字转换 V D转换 重点是V D转换 3 机械量 直线位移和角度 数字转换 下面介绍V D转换中两种类型 双积分型 逐次比较型 1 双积分型 间接法 1 定义 在一次测量过程中 用同一个积分器进行两次积分 一次是对被测电压Vx的定时积分 另一次是对标准电压Vr的定值积分 2 基本原理 将一段时间内的模拟电压通过两次积分 变换成与其平均值成正比的时间间隔 然后由脉冲发生器和计数器来测量此时间间隔而得到数字量 定时 定值 3 积分过程定时积分 t1时 S接通 Vx 积分时间为T1 积分区间为t1 t2 则输出电压为 在T1时间内 Vx的平均值为 则 定值积分 t2时 S接通Vr 输入反向 积分器反向积分 在T2时间内 输出电压为 则 即 当T1 Vr一定时 Vx与时间间隔T2成比例 2 逐次比较型 直接法 1 基本原理 将要转换的模拟电压信号与一套相邻电压数值相差2倍 为二进制关系 的标准电压进行逐次比较 不断逼近 直到两者相等为止 标准电压以二进制形式输出 2 逐次比较的条件 一个电压转换为二进制数码 1 要有一套相邻关系为二进制的标准电压 产生这套电压的网络称为解码网络 2 要有一个比较鉴别器 把由解码网络来的 每次进行试探的电压和被转换的电压进行比较 并判别其大小 以决定是否保留这位电压 3 要有一个数码寄存器 保存每次比较的结果是 1 或 0 4 要有一套控制线路来完成以下两个任务 a 比较由高位开始 由高位到低位逐次比较 b 根据每次比较结果 使相应位的数码寄存器记 1 或 0 并由此决定是否保留这位 解码网络 来的电压 例如 将3V的模拟电压信号转化成数字信号 可采用一套电压值分别如下的共11种电压 2 5V 1 25V 0 625V 0 3125V 2 5 210V 比较过程如下 用2 5V电压与3V比较 2 53 0 不保留 记 10 再用0 625V与3V比较 2 5 0 625 3 0 不保留 记 100 再用0 3125V与3V比较 2 5 0 3125 3 0 保留 记 1001 如此比较 直到2 5 210电压用完为止 最终所用的标准电压的总和接近3V 比较过程结束 此时寄存器中所记录的数字信号即3V所对应的数字信号 模拟电压信号 3V 数字信号为 10011001100 模数转化 逐次比较型 测量过程不像双积分需要一段时间 所以具有高速转换性能 具有测量精度高 稳定性好 测量速度高特点 但有电路复杂 抗干扰性差 要求精密元件多等缺点 三 电子计数器1 组成 由多个双稳态触发器串联而成 可对接受的脉冲进行逢十进一的计数 还能通过译码器译成十个状态 0 9 驱动数码管 将被测数据显示出来 2 当用逐次比较型模 数转换器时 用以驱动增减基准电压砝码的脉冲可直接送往计数器计数 当用双积分型模 数转换器时 先将模拟量转换为与之对应的时间间隔 再将时间间隔转换为数字量 才能计数 3 时间间隔测量方法宽度TB为所要测量的时间间隔 石英晶体振荡器可获得精确的时基信号 周期为1s 闸门为门电路 以B的输入宽度TB为控制闸门电路的启闭时间 B的脉冲前沿去开门 B的脉冲后沿去关门 A的输入信号在闸门开放的时间内 直接送入计数器 进行计数 所计之数N为 N fA TBfA为A通道信号的频率 当fA 1时 N TB 四 寄存器作用 把计数器的某一状态保存下来 供译码显示用 而把计数器的其他状态与译码器隔开不予显示 五 显示器在数显仪表中 测量的结果都是用数字形式直接显示的 数字显示的方法有辉光数码管显示器 发光二极管 液晶显示器等 辉光数码管 利用辉光放电原理制成的 充稀有气体 氖 氙 辉光数码管显示器 一个阳极和十个阴极 译码器中的译码状态 计数器接受的脉冲数 输入信号因此显示器所显示的数字就反映被测参数的大小 1 六 非线性补偿1 将被测参数从模拟量转换到数字显示这一过程中 如何使显示值和仪表的输入之间具有一定规律的非线性关系 以补偿输入信号和被测参数之间的非线性关系 从而使显示值和被测参数之间呈线性关系 2 方法 模拟式非线性补偿法 非线性模 数转换补偿法 数字式非线性补偿法 以双积分型模 数转换为例说明非线性补偿 以热电偶测温数字仪表为例 热电势E与t的非线性曲线如图 而要求仪表的显示数值N与温度t成 即N Kt 以双积分型模 数转换为例说明非线性补偿 为了得到线性关系 把模 数转换器设计成非线性以补偿E与t的非线性 步骤如下 1 根据生产实际的允许 用几段直线代替E f t 曲线 2 确定直线斜率 并逐段进行模 数转换器 实现被测参数的线性显示 T2与Vx成正比 在T2内进行数字测试 则数字值N与被测电压Vx成正比 N Vx t 七 标度变换1 标度变换实质的含义就是比例尺的变更 模拟量经模 数转换器转换成数字量后 以计数脉冲的形式输出时 不能直接送给译码显示电路 而先经过数字运算器 再进行译码显示 便可实现被测物理量的直接数字显示 2 方法 标度变换可在模拟部分进行 也可在数字部分进行 实例 如被测温度为650 时 模 数转换后计数器的输出为1000个脉冲 如直接显示为1000 这就使显示值和被测量 温度 不一致 为了在仪表上直接显示650 的温度值 就必须设置标度变换环节 将此脉冲送至运算器进行乘0 65的运算 则输出650个脉冲 再到译码显示电路则仪表显示为650 与被测温度值取得了一致 实现了标度变换 八 接热电偶的数字显示仪表实例 冷端温度补偿电桥 用以补偿热电偶冷端温度偏离0 时所引起的误差 双T网络 热电势经补偿电桥后 在进入毫伏放大器前 需先经双T网络进行滤波 以抑制干扰信号 毫伏放大器 是一个高灵敏度的调制型直流放大器 闭环增益为几十倍 其分辨能力可达l V 可具有温度0 1 的分辨能力 非线性补偿器 由十几个线性集成运放组成 在一定范围内 用8段直线逼近热电势的特性曲线 使输出电压与温度成线性关系 数字表 线性化后的信号可达到1mV 它实际为数字电压表 显示被测温度的高低 第六节新型显示记录仪表 一 概述1 定义 以CPU为核心的液晶显示的记录仪2 特点可实现高性能 多回路的检测 记录信号变成数字信号 并加以保存 传输 处理及打印 无机械的传动机构 纸 笔 采用液晶显示器进行数字显示和记录 对温度 压力 流量 物位等参数进行组态与编程并直接数字显示 记录 带有报警功能 精度高 可靠性强 价格与一般记录仪相同 二 无笔 无纸记录仪的原理与组成 CPU 是记录仪的核心 有数据计算与逻辑处理的功能 A D转换器 将模拟量转换数字量以便CPU进行运算处理 只读存贮器 ROM 用来固化程序 它指挥CPU完成各种功能操作的软件 随机器 RAM 用来存贮CPU处理后的历史数据 可保存3 170天时间的数据 显示控制器 将CPU内数据显示在点阵液晶显示屏上 液晶显示屏 可显示160 128点阵 键盘控制器 通过键盘输入信号至CPU 使CPU按照键入要求工作 报警输出电路 当被记录的数据超限时 CPU发出信号给报警电路 产生报警输出 时钟电路 产生标准时钟给CPU 三 记录仪的使用 1 实时单通道显示上图为实时单通道显示界面 1 左上角显示日期与时间 2 右上角显示该通道的工程单位 3 第二行为棒图 并含有上下限报警标志显示 4 H 上限报警 L 下限报警 并显示当前数据的通道号 5 手动 自动翻页显示 A 自动翻页显示 M 手动翻页显示 6 用百分量标尺显示实时趋势曲线 并标有时间标尺 右端为0 表示当前时刻 左端为2 5min 表示2 5min前的时间 可显示2 5min的实时趋势曲线 7 屏幕底端六个 模拟显示六个报警触点的当前状态 表示该触点处于报警闭合状态 表示该触点处于非报警状态 8 最后一行为各种按键 上方符号表示组态用按键 下方为显示用按键 2 组态界面接入组态 显示切换插针 由实时单通道显示变成组态显示 时间及通道组态 用于组态 或修改 日期 时间 记录点数和采样周期 页面及记录间隔的组态 用于页面 记录间隔的设置 背光的打开 关闭设置 各个通道信息组态 各个通道测量上下限 报警上下限 滤波时间常数及开方与否的设置 通讯信息组态 用于通讯地址和方式的设置 显示画面选择组态 选择最需要的显示画面 报警信息组态 每个通道的上下限报警触点的设置 四 无笔 无纸记录仪的特点1 液晶全动态显示 即清晰 又明了 2 输入信号多样化 并以CPU为核心 可实现高性能 多回路的监视 3 无笔 无纸 无墨水 无一切机械转动结构 无需日常维护 4 精度高 5 可靠性高 价格与一般记录仪相仿 电子电位差计使用时注意的问题 对于标尺始端为0 C的电位差计 当热电偶短路时 E t0 t0 0 滑动变阻器触点指示在对应温度为电子电位差计所在的环境温度的位置 当滑动变阻器触点在最左端 对应为所测温度的起始点当滑动变阻器触点在最右端 对应为所测温度的最高点热电偶有自动温度补偿的功能 电源电压为直流 1V 上支路电流为4mA 下支路电流为2mA 4 自动电子平衡电桥使用时注意的问题当热电阻短路时 滑动变阻器触点在最左端 对应为温度的起始点 当热电阻断路时 滑动变阻器触点移向最右端 有可能损坏电子自动平衡电桥 当滑动变阻器触点在最左端 对应为所测温度的起始点当滑动变阻器触点在最右端 对应为所测温度的最高点必须采用三线制接法 各线电阻为2 5 电源电压可为直流 1V 或为交流 6 3V