中国石油大学化工检测仪表第七章显示仪表2

1、 按显示方式分为：按显示方式分为：1 1、模拟式模拟式2 2、数字式数字式3 3、图像显示式图像显示式概概 述述 以仪表指针（或记录笔）的线位移或角位移来模拟显示以仪表指针（或记录笔）的线位移或角位移来模拟显示被测参数连续变化的仪表。被测参数连续变化的仪表。直接以数字形式显示被测参数的仪表。直接以数字形式显示被测参数的仪表。 将被测参数用文字、符号、数字和图象配合在大屏幕荧光将被测参数用文字、符号、数字和图象配合在大屏幕荧光屏上显示屏上显示，具有模拟和数字显示两种功能。具有模拟和数字显示两种功能。 凡能将生产过程中各种参数进行指示、记录或累积的仪表。凡能将生产过程中各种参数进行指示、记录或累积

2、的仪表。返返 回回动圈式仪表的测量机构是一个磁电系检流计， 如图所示。它由永久磁永久磁铁、可动线圈、铁、可动线圈、 张丝、张丝、 指针、指针、 刻度标尺、刻度标尺、 铁芯等铁芯等构成。 测量机构与测量线路组成动圈式指示仪表， 若再配以给定机构可组成调节仪表。 动圈式仪表结构简单， 价格低廉， 易于维护， 精度可达1.0级, 与各种敏感元件和传感器、 变送器配合，广泛应用于温度、 压力、成分、物位等非电量的测量。 图1 动圈式指示仪表的组成 (a) 测量机构； (b) 测量线路 动圈式温度指示仪表配热电偶的动圈温度指示仪表： 配热电偶的动圈温度指示仪表型号为XCZ-101， 其电路如图2所示。在

3、使用热电偶测量温度时，一般配接有冷端温度补偿器，在电桥平衡时冷端温度补偿器的等效内阻为1 ，并考虑将RCu随温度变化引起的等效电阻变动忽略； 同时， 热电偶在不同温度下的电阻也不相同，应当事先计算或测量热电偶在使用状态下的电阻值，以此来确定外接电阻R外的大小。 图2 XCZ-101动圈仪表电路 若检流计若检流计G指零，则指零，则: Ex=IRKA （一）、电位差计（一）、电位差计电压平衡法：电压平衡法：将被测电势与巳知标准电势比较。将被测电势与巳知标准电势比较。 当巳知电势与未知电势达到平当巳知电势与未知电势达到平衡时，测量回路中无电流通过，衡时，测量回路中无电流通过，回路中电阻对测量没有影响

4、。回路中电阻对测量没有影响。可引入可引入标定工作电流回路或稳压电源标定工作电流回路或稳压电源供电，提高供电，提高I精度。精度。测量结果仅取决于测量结果仅取决于I和和R的准确度。的准确度。 当两者差值为零时，当两者差值为零时，被测电势被测电势等于已知标准电势。等于已知标准电势。手动电位差计手动电位差计采用采用标准电池标准电池标定工作电流。标定工作电流。 先将开关先将开关 S置置“1 ”，进行，进行标标定定，调，调RI使检流计指零使检流计指零Ig=0，则则标定方法：标定方法：Es = IRGGsREI 再将开关再将开关S置置“2” ，进行，进行测量测量。移。移动触点动触点K的位置，直至的位置，直至

5、检流计指零检流计指零，此时此时既可测量毫伏信号，也可做既可测量毫伏信号，也可做标准毫伏信号源？标准毫伏信号源？K 点位置与点位置与Ex对应。对应。xAKGsAKAKERREIRU 4203)(RRrRRt 42max3)(RrRRRt 412103)()(RrRrrRRRtt tRRRRr 4331 起始起始状态，状态，Rt=Rt0，电桥平衡，电桥平衡条件为：条件为：在滑动变阻器的最右端在滑动变阻器的最右端当当Rt=Rtmax时，电桥平衡，有时，电桥平衡，有触点触点K位于滑线电阻位于滑线电阻r任意点任意点时：时： （二）（二）、平衡电桥、平衡电桥 Rt值与值与K点有对应的平衡位置，若点有对应的

6、平衡位置，若Rt为热电阻为热电阻, , 三线制连接三线制连接。滑线电阻滑线电阻r上上标以温度值标以温度值，可直接显示相应温度。，可直接显示相应温度。自动平衡显示仪表是模拟仪表的另一个大类。相对于动圈仪表来说，它的结构较为复杂，组成环节较多，但它的精度高，性能稳定，因而目前不少单位还在应用着。自动平衡式显示仪表主要有自动平衡式电子电位差计电子电位差计和自动平衡式电电子电桥子电桥两种，它们分别用于电势和电阻信号的测量。 放大器放大器 检流计检流计可逆电机可逆电机 手调滑动触点手调滑动触点在手动电位差计或手动平衡电桥的基础上在手动电位差计或手动平衡电桥的基础上返返 回回（二）自动电位差计（二）自动电

7、位差计1 1与热电偶配用的测量桥路与热电偶配用的测量桥路 最简单的自动电位差计最简单的自动电位差计上、下支路电流分别规定上、下支路电流分别规定4mA、2mA，即，即 I I1 1:I:I2 2=2: :1引入引入下支路下支路回路，进行热电偶回路，进行热电偶冷端温度补偿冷端温度补偿。 上支路上支路回路，进行回路，进行测量范围的调整测量范围的调整。)1 (0020tRRRt若以若以t t0 0=2O=2O为基准补偿为基准补偿0020220tRIRIRIt适当选择适当选择I2 、R0，使，使 I2t0 R0 =E(t0,0)电阻电阻R2：冷端温度补偿电阻冷端温度补偿电阻。注意注意：不同分度号不同分度

8、号R2不同，不同，R2处的温度应与处的温度应与热电偶冷端一致热电偶冷端一致。如果为Cu：热电偶E：R0 ? ERRRRRRRREnpGnpGx 3224 下支路限流电阻下支路限流电阻R3： 与与R2配合使配合使I2=2mA。起始值电阻起始值电阻RG： 决定测量起始值。决定测量起始值。 UAC始始 =Exmin ， RGUAC始始Exmin txmin上支路限流电阻上支路限流电阻R4：与与Rnp、RG 串联使串联使I1=4mA。滑线电阻滑线电阻RP ：测量系统中关键元件，可变电阻。测量系统中关键元件，可变电阻。附加滑线电阻附加滑线电阻RP：与与RP材料相同，抵消接触电势。材料相同，抵消接触电势。

9、工艺电阻工艺电阻RB ：与与RP并联阻值并联阻值90。量程电阻量程电阻RM ：与与90电阻并联，电阻并联，RM量程量程 2 2输入直流毫伏、毫安信号的测量桥路输入直流毫伏、毫安信号的测量桥路ERRRRRRRREnpGnpGx 3224 （1 1）毫伏测量桥路）毫伏测量桥路 R2 ( (一般一般10)10)与其它电阻均与其它电阻均为为固定电阻固定电阻。（2 2）毫安测量桥路（与变送器或传感器配用）毫安测量桥路（与变送器或传感器配用）R1必须有足够的精度，最好满足：必须有足够的精度，最好满足：100mVE=IR1 5mV可根据需要调整相应阻值，满足不同测量范围的要求。可根据需要调整相应阻值，满足不

10、同测量范围的要求。R7交流交流电桥限流电阻电桥限流电阻: R1=2.5为为连接导线等效电阻，连接导线等效电阻，实用时若不足实用时若不足2.5，由，由线线绕电阻凑足绕电阻凑足。（三）自动平衡电桥（三）自动平衡电桥交流电桥：交流电桥：E=6.3V；直流电桥：直流电桥：E=1V。 测量桥路与自动电位差测量桥路与自动电位差计相似，各对应电阻作用计相似，各对应电阻作用相同。相同。保证流过热电阻电流保证流过热电阻电流6mA上、下支路电流相同，上、下支路电流相同， I1=I2=3mA。 返返 回回上一页上一页下一页下一页主要用于热电阻测量主要用于热电阻测量1.1.接收的测量信号不同接收的测量信号不同平衡电桥

11、：平衡电桥：电阻电阻信号；信号；电位差计：电位差计：mV或或mA信号。信号。2.2.平衡状态不同平衡状态不同自动平衡电桥平衡时：自动平衡电桥平衡时： 桥路无输出桥路无输出。自动电位差计平衡时：自动电位差计平衡时： 桥路有输出桥路有输出。3.3.用于测温时的两点差异用于测温时的两点差异(2)(2)感温元件与测量桥路连接方式不同感温元件与测量桥路连接方式不同。(1)(1)R2不同。不同。返返 回回上一页上一页返返 回回一、自动电位差计校验一、自动电位差计校验直流电位差计作信号源。直流电位差计作信号源。Y标允标允（1/3）Y 被允被允a准确度等级；准确度等级；实验室型实验室型: 0.001, 0.0

12、02, 0.005, 0.01, 0.02, 0.05； 携带型携带型: 0.02, 0.05, 0.1, 0.2。Ux测量盘示值；测量盘示值；U测量盘最小分度值；测量盘最小分度值；b附加误差项系数；附加误差项系数；b=0.5: 实验室型实验室型U/UI0.5a%;b=1: 携带型（或实验室型有滑线盘者，携带型（或实验室型有滑线盘者，U/UI0.5a%）;UI 对有十进盘的电位差计为第对有十进盘的电位差计为第I I个测量盘的步值；个测量盘的步值； 对无十进盘的滑线式电位差计为滑线上限。对无十进盘的滑线式电位差计为滑线上限。UbUaYx %下一页下一页返返 回回1. 1. 冰点法冰点法 补偿导线

13、产生的电势抵消补补偿导线产生的电势抵消补偿电阻产生的补偿电压。偿电阻产生的补偿电压。 选择好校验点，按分度表送选择好校验点，按分度表送入标准电势。入标准电势。100%EEqEE示实终始E终终、E始始测量上、下限所对应的热电势；测量上、下限所对应的热电势；E示示校验点实测的电势值校验点实测的电势值(由手动电位差计上读得由手动电位差计上读得)；E实实校验点对应的标准电势值校验点对应的标准电势值(分读表查得分读表查得)。上一页上一页下一页下一页返返 回回 标准水银温度计测得补偿电阻处的环境温度标准水银温度计测得补偿电阻处的环境温度t0 ，由分度表，由分度表查得查得E(t0 ,0)，各校验点均应减去该

14、电势，各校验点均应减去该电势，即送入的电势应为即送入的电势应为E(t,t0)。要求环境温度必须稳定要求环境温度必须稳定。%1002 始始终终实实示示EEeEEqe2环境温度所对应的热电势。环境温度所对应的热电势。 2. 2. 温度计法温度计法上一页上一页返返 回回二、自动平衡电桥的校验二、自动平衡电桥的校验 采用分度为采用分度为1/1001/100的标准的标准电阻箱作为标准仪器。电阻箱作为标准仪器。 三线制接法且每根导线电阻三线制接法且每根导线电阻均为均为2.52.5。%100 始始终终实实示示RRRRqR终终、R始始测量上、下限所对应的热电阻值；测量上、下限所对应的热电阻值；R示示校验点实测

15、的电阻值（标准电阻箱读得）；校验点实测的电阻值（标准电阻箱读得）；R实实校验点对应的标准电阻值。校验点对应的标准电阻值。返返 回回返返 回回返返 回回 具有具有量程自动转换、自校正、自诊断量程自动转换、自校正、自诊断等人工智能分析能等人工智能分析能力；如通信、复杂公式计算等轻而易举。硬件结构更简单，力；如通信、复杂公式计算等轻而易举。硬件结构更简单，稳定性、可靠性、性价比大大提高。稳定性、可靠性、性价比大大提高。 在数显仪表基础上，加入在数显仪表基础上，加入CPU等芯片等芯片, , 仍具数显仪表的仍具数显仪表的外形，使仪表功能智能化。外形，使仪表功能智能化。硬件核心硬件核心: :单片机单片机。

16、集成了。集成了CPUCPU、存储器、定时、存储器、定时/ /计数器、计数器、 串并行输入输出口、多路中断系统等。串并行输入输出口、多路中断系统等。存储器：存储器：存有固化的仪表监控程序。存有固化的仪表监控程序。 多路并行输入输出口：多路并行输入输出口：可作仪表面板轻触键和开关量输可作仪表面板轻触键和开关量输入接口；也可作入接口；也可作A/DA/D、D/AD/A芯片接口或并行通信接口（接微芯片接口或并行通信接口（接微型打印机等）。型打印机等）。返返 回回下一页下一页智能仪表原理框图智能仪表原理框图 串行输入输出口：串行输入输出口：用于远距离串行通信；用于远距离串行通信；多路中断处理系统：多路中断

17、处理系统：应付各种突发事件的紧急处理。应付各种突发事件的紧急处理。返返 回回上一页上一页液晶显示液晶显示(LCD)数码管显示数码管显示(LED)0-500kPaA/DCPU12位标度变换显示显示N0-5VmV仪表放大器D/A4-20mAV/I4-20mAA/DCPU12位显示显示N1-5V0-500kPa0-500kPa0-500kPa标度变换应变式应变式压力变送器压力变送器应变式应变式压力变送器压力变送器mV250100-500A/DCPUEk(t,0)12位100-500标度变换显示显示NA/DCPU12位0-100显示显示NPt1000-100 工业过程的各种被测量不仅量纲不同，其数值范

18、围往工业过程的各种被测量不仅量纲不同，其数值范围往往也相差很大。为了进行数据采集，不管用哪一种传感器往也相差很大。为了进行数据采集，不管用哪一种传感器测量何种被测参数所得的信号，都要处理成与测量何种被测参数所得的信号，都要处理成与 AD转换器转换器输入特性相匹配的电压信号输入特性相匹配的电压信号(如如0一一5V)，然后经过，然后经过AD转换转换成数字量进入微型计算机。为使智能传感器的显示、记录成数字量进入微型计算机。为使智能传感器的显示、记录、打印等结果能反映被测量的实际数值，还必须把微机输、打印等结果能反映被测量的实际数值，还必须把微机输出的数字信号还原成与实际被测量相对应的数值后才能输出的

19、数字信号还原成与实际被测量相对应的数值后才能输出，这种对测量结果进行的数字变换称为出，这种对测量结果进行的数字变换称为标度变换标度变换。 标度变换 ( )uf x( )Nk uk f x传感A/DxuN标度变换()xN x 反变换（反函数） 假设包括传感器在内的整个数据采集系统是线性的，则标度变换公式为：minmaxminmaxmaxmin()() /()xxxxxNNNN1 线性标度变换 x：实际测量值；：实际测量值； xmax：测量上限；：测量上限； xmin：测量下限；：测量下限；Nx、 Nmax、Nmin：实际测量值、上限值和下限值所分别对应：实际测量值、上限值和下限值所分别对应的数字

20、量的数字量例1：测量机械压力时，当压力变化为0-100N时，压力传感器输出的电压经放大（0-5V）后进行A/D转换，得到000H-FFFH的数字量（12位AD）。 求采样值2AAH对应的压力大小maxmaxminmin(/)()xxNNxxx若N0为零，则：( )uf x( )Nk uk f x传感A/DxuNmaxminmin(/)()(2/)(1000)016.65xmFNNFFFAAHFFFHN标度变换()xN x2 非线性参数的标度变换 许多传感器是非线性的，智能仪表一般先进行非线性校正，然后再进行标度变换。0max0max00()/()()vxxvvvqNNNNqqq/vqkP如：利

21、用节流装置测量流量时，流量与节流装置两边的差压之间有以下关系:(1)解析计算法如果能够获知传感器的非线性特性解析式就有可能利用解析计算法进行非线性校正。 ( )uf x例：某半导体热敏电阻的阻值与温度之间的关系为/25( )TTCRRef T25/ln(/()()TCTTRRF R121 225,/ ln/ ()TCuk RNk uyTNNk kR ( )uf x例：Pt100热电阻的阻值与温度之间的关系为12,tukRNk uTN -2000范围：范围： Rt=R01+At+Bt2+C(t-100)t30850范围：范围： Rt=R0(1AtBt2）先用实验法测出传感器的输入输出特性曲线，再

22、将曲线按一定的要求分先用实验法测出传感器的输入输出特性曲线，再将曲线按一定的要求分成若干段，将两相邻分段点之间用直线相连，以代替相应的曲线段。成若干段，将两相邻分段点之间用直线相连，以代替相应的曲线段。 )()(11iiiiiiiiixxkyyxxyyxxyy结论：结论：只要只要n值取得足够大，就可以值取得足够大，就可以获得良好的精度。获得良好的精度。（2）分段线性插值法事先将传感器的特性曲线关系按一定的步长（输入参数变化量）制成表格，存入仪表的内存中；对实际传感器的输出进行线性放大，根据放大信号的采样值查表，获得对应的输入参数；将查表结果线性地转换成仪表的输出信号；中间值一般采用线性插值得到

23、。(3) 查表法查表法如：热电阻温度传感器热电阻分度表采用恒流源供电，采集热电阻两端的电压信号，查对应的表格。温度0123456789电阻值/电压值-5041.74-4043.99 43.76 43.54 43.31 42.09 42.86 42.64 42.41 42.19 41.96-3046.24 46.02 45.79 45.57 45.34 45.12 44.89 44.67 44.44 44.22注：中间值采用线性插值得到通常在一个仪表实现通常在一个仪表实现绪绪 论论返回返回根据图示各类参数变化根据图示各类参数变化趋势，对生产运行状况趋势，对生产运行状况进行分析诊断，从而有进行分析

24、诊断，从而有效的指导生产。效的指导生产。 它是以它是以CPU为核心、为核心、液晶显示液晶显示记录仪记录仪。采用采用常规仪表标常规仪表标准尺寸准尺寸，是一种，是一种简易图象显示仪表简易图象显示仪表。 无纸、无笔无纸、无笔、无机无机械传动部件械传动部件。 能显示能显示被测变量的被测变量的百分值和当前值、历百分值和当前值、历史趋势曲线、报警状史趋势曲线、报警状态、流量累计值等态、流量累计值等，提供多个变量同时显提供多个变量同时显示。示。一、基本结构一、基本结构主机板主机板包括包括CPUCPU、ROMROM及及RAMRAM等。等。 CPUCPU包括运算器和控制器，包括运算器和控制器，实现对输入变量的运算处理，实现对输入变量的运算处理，指挥协调记录仪的各种工作；指挥协调记录仪的各种工作； ROMROM和和RAMRAM是记录仪必备的是记录仪必备的数据信息存储装置。数据信息存储装置。 ROMROM：存放仪表工作系统程序和基本运算处理程序。存放仪表