化工测量及仪表

第8章测量显示仪表

化学工业出版社第8章测量显示仪表

8.1概述8.2模拟显示仪表8.3数字式显示仪表8.4微机化检测仪表8.5虚拟仪器8.1概述

显示仪表一般又分为模拟式、数字式和图像显示三大类。简要介绍“模拟式仪表”。详细分析“微机化的数字显示仪表”以及“虚拟仪表”。8.2模拟显示仪表8.2.1动圈式模拟显示仪表概述动圈式显示仪表是中国发展较早的一种模拟式显示仪表，是当年我国自己统一设计、定型，在全国多个仪表厂共同生产，实际使用也是最多的一种仪表，其内部结构见图8-2-1。由于它具有体积小、质量轻、结构简单、价格低、指示清晰，既能对参数单独显示(如XCZ型)，又能对参数显示加以控制(如XCT型)等，因而它一直被不少企业所采用，尤其在中小型企业中。图8-2-1动圈式仪表内部结构

1-后板；2-接线端子；3-上弹片组；4-磁钢；5-指针；6-表框；7-机械零点；8-热敏电阻；9-并联补偿电阻；10-串联电阻

1永久磁铁；2，6张丝；3软铁心；4外接热电偶；5动圈；7刻度面板；8仪表指针；9平衡锤图8-2-3动圈式仪表测量机构示意图2.工作原理（1）转动力矩M的产生动圈置于磁场B中，如图8-2-4（a）所示，流过电流I时，动圈的两个有效边L，分别受到大小相等、方向相反的力F1和F2,其方向可用左手定则来决定，其大小如下式动圈绕旋转轴的转动力矩为：将式(8-2-1)代人式(8-2-2)得将永久磁铁的极靴设计成如图8-2-4(c)的形状，这样磁力线与动圈平面的夹角在动圈转动的范围内均趋向于0，则cosβ=1，式(8-2-3)便可写成动力矩Ml与输入电流I，成正比。（2）反作用力矩M2反作用力矩由支承动圈的张丝扭转而产生，反作用力矩M2：

(8-2-5)式中C2，和张丝的几何尺寸(长度、宽度与厚度)、张丝的材料以及张力的大小有关。同样，仪表设计定型了，C2也是一个常数，称C2为仪表常数。显然M2和α成正比关系。（3）转动力矩与反作用力矩的平衡Ml=M2当动圈产生偏转，并带动指针指在某一刻度处不动时，这时仪表测量机构的转动力矩与反作用力矩也达到平衡，适当整理后可得：式中k是动圈测量机构的灵敏系数，即单位电流引起动圈偏转角的变化。k越大，测量机构就越灵敏。显然k也是常数，因而仪表的刻度是线性的。

外形8.2.4自动平衡显示仪表1.综述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和自动平衡式电子电桥两种，它们分别用于电势和电阻信号的测量。2.电位差计的工作原理

电位差计是一种测量微电势的测量装置．其测量的原理如图8-2-16。测量电路是将被测电势与已知标准的可调电压进行比较，当两者的差值为零时，被测电势就等于标准电压。标准电压Es由滑线电阻上取得。当电阻是均匀分布的线性电阻时，滑触点K确定取出的标准信号为Es=IRLAK/LAB。当需要测量未知电势时，将未知电势接入电路与Es进行比较，移动滑触点K，使检流计G中无电流流过，Ex与Es两者达到平衡。若电流I和电阻R恒定且已知，滑触点由A移到K，检流计指零，就可知被测电势的大小，即Ex=IRAK。3.平衡电桥的工作原理

自动平衡电桥的基本原理如图8-2-18所示，R2、R4为固定桥臂．R3为可变的测量桥臂(如热电阻)，R1是由滑线电阻构成的可调桥臂。在初始状态下，桥路处于平衡状态。R1R4=R2R3，这时检流计中无电流流过。当测量桥路电阻R3发生变化时．可调节R1，使电桥重新处于平衡状态，由R1的变化来确定被测电阻的变化量。图8-2-19是配热电阻的平衡电桥，Rt即为热电阻。仔细分析一下便可获知，图8-2-19是由图8-2-18变化而来，基于电桥平衡这一原理没有任何变化。4.自动平衡仪表的组成

平衡仪表主要由测量电路、放大器、平衡电机与平衡机构、记录机构、附加机构等部分组成。图8-2-21电子电位差计的测量线路目前还在应用的几款自动平衡式仪表

条形自动平衡式显示仪

8.3数字式显示仪表

8.3.1数字显示仪表与模拟式仪表的比较数字显示仪表则有以下许多优点。(1)精度高。通用数字电压表，达到0.05级的精度等级毫无难度；而模拟仪表要达到0.2级的精度等级就很困难了。(2)误差很小数字显示，直观、清楚。随着LED、液晶等显示器件的应用，读数视角更加宽广．色彩更加丰富，这样大大减轻了观察者的视觉疲劳。读数无误差，其不确定度只与最后一位数的量值大小有关。(3)传输距离几乎不受限制。8.3.2数字显示仪表的组成

实现数字显示的关键是把连续变化的模拟量变换成数字量，完成这个功能的装置称为模数转换装置（analogtodigital），简称A／D转换器。同样也可以将数字量转换成模拟量，简称D／A转换。A／D及D／A转换是数字显示技术及计算机参与生产过程所必不可少的手段。图8-23(a)是数显仪表的三种组成方案。8.3.3模数转换1.模数转换的综述在数字式显示仪表中，为了实现数字显示，需要将连续变化的模拟量转换成数字量。A／D转换器按其工作原理又可分成很多类，在数显仪表中常用下列几种：（l）逐次比较电压反馈编码型，简称逐次比较型；（2）双积分型，又称u-t转换型；（3）电压频率转换型，又称叫u-f转换型；（4）脉冲宽度调制型，简称调制型。2．逐次比较型A／D转换器

逐次比较型A／D转换器是目前使用最多的类型之一。它的基本思想是将输入的模拟量Vi同反馈电压Vf做n次比较，使量化的数字量逐次逼近输入的模拟量。它和用天平称质量的准则是一样的：(法码)大者弃，小者留，从高位到低位(即大法码到小法码)不断逼近，逐渐积累，直到天平两端平衡，所给的法码克数即为被测物质量。图8-3-2给出的是3位逐次比较型A／D转换器的关系图。逐次比较型A／D转换器特点逐次比较型A／D转换器具有转换速度快（微秒级），精度高的特点，尤其是它的转换速度快这一点备受用户的青睐。精度可以达到0.005％，甚至更高。误差主要来源于D／A转换器和比较器电路。3．双积分型A／D转换器的特点双积分型A／D转换器具有较高的精度，且价格非常低廉，所以也是目前使用较多的品种之一。双积分型A／D转换”的缺点就是速度比较慢，抗工频干扰的能力很强。（另外两类A/D转换器“脉冲宽度调制型”以及“电压频率型”使用不太广泛，我们不展开讨论了。）8.3.4信号的标准化及标度变换由传感器检测元件送给仪表的信号类型千差万别，即使是同一种参数，由于传感器的不同类型，或同一种类型但不同型号，所输入给仪表的信号的性质、电平的高低也各不相同。为此数字显示仪表的设计必须要解决的另一个基本问题是将传感器送来的信号标准化并进行标度变换。将不同性质的信号，或不同电平的信号统一起来，叫输入信号的规格化，又称为信号的标准化。经A／D转换后变为数字量，但它本身往往是一个电压形式，它的大小代表被测量：温度、压力、流量、物位或质量等。就是说，如果要测量质量，选用质量传感器将被测量转换成电压信号，显示仪表显示该电压值，该电压值代表的是质量，克或千克。这就存在一个量纲还原问题。通常把这一还原过程叫“标度变换”。8.3.5非线性补偿

非线性补偿有时又称为“线性校正”。非线性补偿的目的就是要减少非线性误差，提高仪表的精度。模拟仪表其实也有非线性补偿，它是靠仪表表面的刻度的非线性来达到目的的。指针式万用表的显示器就是一个动圈表，本质就是电流表。指针偏转的角度α和电流I的关系是线性的，所以万用表测直流电流时，电流的刻度是线性的。万用表测电阻，要用欧姆公式把电阻转变为电流，电流和电阻之间的关系就是非线性关系，所以电阻的刻度必须要刻成非线性，以减小非线性误差。8.3.6数字式显示仪表的显示器件数字显示仪表的标志就是仪表的输出直接为数字显示，而不是靠指针的移动，对比刻度读出有关数值。从市场规模来看，小型平板式显示技术依次为液晶、发光二极管、等离子体和真空荧光。本节讨论其中应用最广泛的发光二极管和液晶显示器件这两种显示技术。1．液晶显示(LCD)

2．发光二极管显示(LED)LED数码管共阳8.4微机化检测仪表

8.4.1微机化仪表综述随着大规模和超大规模集成电路、计算机技术、通信网络技术的不断发展，微机化仪表，智能化仪表诞生了，仪器仪表的研制与生产进入了一个崭新的阶段。将计算机的软硬件技术和仪器仪表的设计相结合，大致形成了两个分支：一是计算机仪表(含虚拟仪表)；二是智能仪表。智能仪表又称为微机化仪表(InstrumentsBasedonMicroprocessor)，发展迅速，是目前世界各国仪器仪表工业的主打产品，开发生产已成规模。8.4.2微机化仪表硬件

1．微机化仪表硬件的核心—单片机普通的传统模拟式仪表和数字式仪表，内部都没有微处理器芯片或CPU，而微机化仪表必须采用微处理器芯片或CPU。微处理器芯片或CPU是微机化仪表的心脏或大脑，由此可见其重要性。微机化仪表大多采用一种叫“单片机”的微处理器芯片。单片机即为单片微机系统，顾名思义是指它在一块芯片上集成了计算机的基本部件，包括中央处理器(CPU)、存储器(RAM／ROM)、输入输出接口(I／O)、计数器／定时器、中断源以及其他有关部件。一块芯片就构成一台计算机。2．显示器接口在微机化仪表中，数字显示器通常与微机接口连接。在普通数字式仪表中，数字显示器通常选用与BCD码输出的A／D转换器连接，或者和十进制计数器、译码器连接。用硬件译码驱动实时性虽好，但电路硬件多，接线复杂，成本较高，所以在智能仪表或微机化仪表中通常都采用集成度更高的专用芯片或采用简便易行的软件法进行译码。（1）LED显示器---微机化仪表中的LED显示器通常由多位LED数码管排列而成。（2）LCD显示器---液晶显示器的显示界面有许多形式。如果仅仅显示0～9等简单的数字，也可选用最简单的7段(或8段)液晶显示器（外形和LED数码管相仿）。3．键盘原理与接口

键盘是一组按键的集合。按键是一种按压式或触摸式动合型按钮开关。平时(常态)按键的触点处于断开状态，当按压或触摸接键时触点才处于闭合连通状态。按键闭合时能向微机输人数字(0～9或0～F)的键称为数字键，能向微机输入命令以实现某项功能的键称为功能键或命令键。键盘上的按键是按一定顺序排列在一起的，每个按键在仪表表面都有各自的命名，但它们本质上都是同类的一组开关。为了能使CPU（单片机里的）区分各个按键，必须给每个按键赋予一个独有的编号，按键的编号或编码称为键号或键值。CPU知道了按键的键号或键值，就能区分这个键是数字键还是功能键。4．输入输出通道

如果说键盘接口电路和显示电路是微机化仪表与人相互沟通的桥梁（专业术语叫“人-机界面”）的话，那么“输入输出通道”便是微机化仪表与被测参数以及生产过程控制相互沟通的界面。（1）模拟量输入通道大多数传感器都是将模拟非电量转换为模拟电量，而且这些模拟电量通常还需经“前置运算放大”，再经A/D转换变成数字量，才能输入给单片机。(这一基本途径和前一节“数字显示仪表”有关的论述是一致的)

（2）模拟量输出通道

模拟量输出通道也叫控制通道。微机化仪表功能强不仅体现在“数显功能”上，即能用数字量高精度显示多点的被测量，而且更具体体现在“调节控制功能”上，即具有调节功能。所以微机化仪表往往是把“调节控制仪表”和“检测显示仪表”融为一体的仪表。微机化仪表包含输出通道，是用来控制被测量的大小。和输入通道相对应，输出通道含有D/A转换器，即把数字量转换成模拟量的器件。因为目前绝大多数执行机构的输入信号是模拟信号，比如一个蒸汽阀门，是用直流电压或直流电流的大小来控制阀门的开度，阀门的开度的大小引起通向锅炉加热蒸汽多少，从而控制锅炉的温度，使实际温度值向给定值靠拢。（3）开关量的输入输出通道

开关量其实就是数字量了，电平的高低代表了数字1或0。开关量输入输出通道就不需要A/D转换器和D/A转换器了，单片机直接能接受开关量的输入以及输出外界需要的开关量。不过为了抵抗工业生产现场的电器干扰，开关量输入输出通道必须加“光隔离器件”。其实在模拟量输入通道A/D转换器之后以及模拟量输出通道D/A转换器之前，也需要加“光隔离器件”。8.4.3微机化仪表软件

微机化仪表和模拟仪表、数字仪表的最大的差别在于模拟仪表、数字仪表只要硬件连接一完成，仪表就能工作，事后的调试、标定仅是为了达到规定的测量精度与测量范围；而微机化仪表如果只有硬件完成连接，仪表根本不会工作。人们必须为它编制相关的软件（计算机程序），微机化仪表才能工作。一样的硬件设计，如编制的软件有差异，微机化仪表工作起来也将千差万别。所以，微机化仪表或微机化检测系统是软硬件结合的产物，两者缺一不可。微机化仪表的硬件相当于人的四肢和躯干，软件相当于人的大脑和思想。所以微机化仪表具有一定的人工智能，有时也叫“智能仪表”。微机化仪表的软件由监控程序、中断程序、测量程序、数据处理程序以及各个功能子程序组成。8.4.4微机化仪表标度变换和线性化

微机化仪表和模拟仪表、数字仪表一样也需要“标度变换”和“线性化”。为了体现出微机化仪表的优越性，微机化仪表一般都会尽可能用软件来完成各自的“标度变换”和“线性化”。有时软件编程法还能将标度变换和线性化一体实现。软件编程一般又分成“查表法”和“公式计算法”两种。8.4.5微机化仪表实例分析

图8-4-4是一台智能温度测量控制仪（微机化仪表）的原理框图。分析第一、智能仪表硬件结构的核心是单片机芯片(简称单片机)，它是微电子高集成技术发展的产物。在一块小小的芯片上，同时集成了CPU，存储器、定时／计数器、串并行输入输出口、多路中断系统等等。第二、智能仪表的输入信号除开关量的输入信号与外部突发事件的中断申请源之外，主要还有多路模拟量输入信号，可以连接多种型号的热电偶与热电阻，监控程序会自动判别，量程也会自动调整。第三、智能仪表的输出信号有开关量输出信号、串并行通信信号以及多路模拟控制信号。第四、智能仪表的操作：用户可以通过仪表面板上的轻触键让仪表巡回显示多路被测信号的测量值、给定值。也可随意指定显示某一路的测量值、设定值。操作人员可以对于仪表的PID控制参数进行整定，可以设定各路被测参数的“设定值”。既可用仪表面板上的轻触键来设定，也可借助串行通信口由上位微机来远距离设定与遥控。总之，正确的硬件结构设计加上完善的监控软件的编程，微机化仪表一定远优于传统的显示控制仪表。各色各样的微机化仪表8.5虚拟仪器

8.5.1从传统仪器到虚拟仪器测量仪器发展大体可分为四个阶段：a-模拟仪器b-数字化仪器c-智能仪器d-虚拟仪器。8.5.2软件就是仪器20世纪80年代中期，美国国家仪器公司(NationalInstrument简称NI)首先提出了“软件就是仪器”这一虚拟仪器(VirtualInstrument简称VI)概念，并随之推出第一批实用成果。这一创新使得用户能够根据自己的需要定义仪器功能，而不像传统仪器那样受到厂商的限制。虚拟仪器的出现彻底改变了传统的仪器观念，开辟了测量控制技术的新纪元。所谓虚拟仪器，其基本思想是；用计算机软件和仪器软面板实现仪器的测量和控制功能。在使用虚拟仪器时，用户可通过软件在计算机上以友好的用户界面(模仿传统仪器控制面板，故称为仪器软面板)来控制硬件系统进行测量显示，犹如操作一台虚设的仪器，虚拟仪器因此而得名。虚拟仪器与传统仪器的比较传统仪器虚拟仪器功能由仪器厂商定义功能由用户自己定义与其他仪器设备的连接十分有限可方便地与网络、外设等多种仪器连接人工读取数据计算机直接读取数据并进行分析处理数据无法编辑数据可编辑、存储、打印硬件是关键部分软件是关健部分系统封闭、功能固定、可扩展性差基于计算机技术开放的功能块可构成多种仪器技术更新慢技术更新快开发和维护费用高基于软件体系的结构，大大节省开发维护费用8.5.3虚拟仪器的体系结构中的硬件组成虚拟仪器的硬件组成:通常是个人电脑（微机），也可以是任何通用电子计算机。各种传感器专门设计的各色各样的测控模块。(由开发厂家提供的测控模块包含的功能：信号调理器、模拟／数字转换器（ADC）、数字／模拟转换器（DAC）、数据采集卡（DAQ）等。)基于USB的数据采集卡

虚拟仪器技术—模块化I/O硬件8.5.4虚拟仪器的体系结构中的软件组成

1．开发环境(开发环境是一个集成软件)

图形化的多线程编程方式和用户界面高效、方便地实现采集、分析和显示数据

大量的内置函数用于I/O,视觉,运动,和控制支持多核技术NILabVIEW

－图形化的开发环境2．仪器驱动程序（仪器硬件高级接口）

仪器驱动程序是完成对某一特定仪器的控制与通信的软件程序集，它是应用程序实现仪器控制的桥梁。每个仪器模块都有自己的仪器驱动程序，仪器厂商以源代码的形式提供给用户。驱动程序库中包括各制造厂商的数百种仪器测控模块的驱动程序。数字信号发生器/分析器任意信号发生器数字万用表数字示波器射频(RF)信号发生器射频(RF)信号分析器开关阵列动态信号采集卡可编程电源（新）基于PXI的模块化仪器3．用户接口在LabVIEW中，用户可以用图形程序设计的方法来编写用户接口。对虚拟仪器而言，其软件不仅包括一般用户接口特性(如菜单、对话框、按钮和图形)，而且也包括仪