《传感器与智能仪表》-显示仪表的应用 课件

任务二显示仪表的使用单元一显示仪表的认知单元二显示仪表的使用

单元一：显示仪表的认知任务描述：1、了解石灰窑炉自动控制系统工艺过程，清楚需要检测控制的温度范围。2、了解各类温度传感器；掌握热电偶的特性和温度补偿。3、了解模拟显示仪表、数字显示仪表的结构、工作原理和功能特点。

石灰石既可用于生产水泥，也可作为炼铁用的熔剂，还可再锻烧成石灰，供炼钢、化工、铁合金、电石等行业使用。

我国虽然是能源大国，但由于工艺落后，尤其是旧窑型和土烧石灰窑污染大、质量差、能耗高、产量低，达不到炼钢对白灰的质量要求，与世界上机械化全自动化煅烧相比，差距相当大，目前我国白灰窑70%是无任何环保措施的土窑，受地方保护得以生存，但各地区严重的各类工业污染问题已引起国家的高度重视，因此淘汰土烧白灰窑，建造我们自己的具有节能、环保、高效的现代化白灰窑既是国家环保的要求也是目前我国现在数十万家石灰生产企业势在必行的举措。知识点1：石灰窑炉自动控制系统引入传统石灰窑没有有效的布料、混料、通风等设备，使炉内温度无法有效控制、时常出现严重的生烧、过烧现象，停风出灰间隔时间太长，每次排料从开始到结束成品的质量差别很大，排料时出现大量红料、结瘤和生烧、过烧产品，因此产品活性度及品质无法保证。而且传统的石灰生产工艺主要由人工来操作，工作环境条件恶劣，劳动强度大，严重影响工人身心健康；由于人工操作水平不一，生产的产品产量、质量极不稳定。因此在改进窑炉生产工艺及设备的同时，采用先进的自动控制系统，对提高石灰的产量及质量，都具有十分重要的意义。石灰窑生产的原料主要是石子（石灰石），成品是生石灰。把合格的原料和燃料按设定的比例，用电子称准确称量后，通过中间皮带机进行均匀混合，经由电子主令控制器定位控制的卷扬机把混合料运至炉顶受料斗，通过电磁振动给料机均匀定量给料，由炉顶旋转布料器完成炉内布料。物料靠自重克服煤气气流的浮力而缓慢向下运动，相继通过预热带、煅烧带、冷却带。成品经圆盘出灰机和两段阀出灰机输送到成品皮带机上，由提升料斗送至成品仓。整个系统分为：混料部分、上料系统、布料部分、窑体部分、排矿部分、成品仓及除尘等。石灰窑炉自动生产监视系统1.硬件系统

2.软件系统组态王Kingview。

北京亚控科技发展有限公司的组态王软件是一种通用的工业监控软件，它融过程控制设计、现场操作以及工厂资源管理于一体，将一个企业内部的各种生产系统和应用以及信息交流汇集在一起，实现最优化管理。它基于MicrosoftWindowsXP/NT/2000操作系统，用户可以在企业网络的所有层次的各个位置上及时获得系统的实时信息。3、主要功能：1．数据采集与显示2．在线性能计算

3．制表打印4．报警

任务分析：

在石灰窑炉自动生产控制系统中，炉温的显示与控制是关键问题之一，本任务通过了解温度检测仪表及数字显示仪表等相关知识点，实现对石灰窑炉炉温的显示。目前煅烧温度工艺参数为950-1150℃，在实际生产中，煅烧温度在1050℃左右。

共有6个测温点（1#、2#、3#窑窑尾各一个点、沉降室3个点）在使用该测量系统，如图所示：

温度传感器温度传感器按照用途可分为基准温度计和工业温度计；按照测量方法又可分为接触式和非接触式；按工作原理又可分为膨胀式、电阻式、热电式、辐射式等等；按输出方式分，有自发电型、非电测型等。知识点2温度检测仪表认知

（1）体积热膨胀式

不需要电源，耐用；但感温部件体积较大。

气体的体积与热力学温度成正比（2）红外温度计激光瞄准（3）模拟型集成温度传感器

电流输出型温度传感器能产生一个与绝对温度成正比的电流作为输出，AD590是电流输出型温度传感器的典型产品。

AD590的基本转换电路电流-电压转换电路（10mV/K）

增加负载电阻的阻值可提高输出电压。电压输出型集成温度传感器LM35/45的外形及引脚图在电脑中，集成温度传感器用于CPU散热保护电路散热风扇集成温度ICCPU插座CPU散热片（4）数字输出型集成温度传感器

单片集成温度传感器能将测温PN结传感器、高精度放大器、多位A/D转换器、逻辑控制电路、总线接口等做在一块芯片中，可通过总线接口，将温度数据传送给诸如单片机、PC、PLC等上位机。数字输出型温度传感器18B20采用I2C总线，12位数字量输出。

（5）热电偶

1、它属于自发电型传感器：测量时可以不需外加电源，可直接驱动动圈式仪表；

2、测温范围广：下限可达-180

C，上限可达2800

C以上；3、各温区中的热电势均符合国际计量委员会的标准。热电偶工作原理:结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势，该电动势称为热电势。

热电极A右端称为：自由端（参考端、冷端）

左端称为：测量端（工作端、热端）

热电极B热电势AB热电势的大小：热电偶两结点所产生的总的热电势等于热端热电势与冷端热电势之差，是两个结点的温差Δt

的函数：EAB(T，T0)=eAB(

T)-eAB(

T0

)结论：热电势大致与两个结点的温差ΔT或Δt

成正比热电偶的种类及结构：

八种国际通用热电偶：

B:铂铑30—铂铑6

R:铂铑13—铂

S:铂铑10—铂

K:镍铬—镍硅

N:镍铬硅—镍硅E:镍铬—铜镍、

J:铁—铜镍T:铜—铜镍

用于制造铂热电偶的各种铂热电偶丝几种常用热电偶的测温范围及热电势

分度号

名称

测量温度范围

1000

C热电势/mVB铂铑30－铂铑650～1820

C4.834R铂铑13—铂-50～1768

C10.506S铂铑10—铂-50～1768

C9.587K镍铬－镍铬(铝)-270～1370

C41.276E镍铬－铜镍(康铜)－270～800

C——5种热电偶的测温范围与热电势各有什么特点？①哪几种热电偶的测温上限较高？

④哪几种热电偶的线性较差？②哪一种热电偶的灵敏度较高？

③哪一种热电偶的灵敏度较低？为什么所有的曲线均过原点（零度点）？几种常用热电偶的热电势与温度的关系曲线分析:

热电偶的分度表:

——热电偶的线性较差，多数情况下采用查表法我国从1991年开始采用国际计量委员会规定的“1990年国际温标”（简称ITS-90）的新标准。按此标准，制定了相应的分度表，并且有相应的线性化集成电路与之对应。

直接从热电偶的分度表查温度与热电势的关系时的约束条件是：自由端（冷端）温度必须为0

。如何利用热电偶的分度表

假设热电偶的冷端温度为0

C，请工业中常用的镍铬-镍硅（K）热电偶的分度表，查出-100℃、0℃、

100℃

时的热电势。数字式温度表温度上限设定值温度上限值设定键K热电偶的分度表

比较查出的3个热电势，可以看出热电势是否线性？如何由热电偶的热电势查热端温度值

设冷端为0

C，根据以下电路中的毫伏表的示值及K热电偶的分度表，查出热端的温度tx。装配型热电偶的外形:安装螺纹安装法兰接线盒引出线套管

固定螺纹

（出厂时用塑料包裹）热电偶工作端（热端）

不锈钢保护管

普通装配型热电偶的结构放大图

铠装型热电偶

铠装热电偶的制造工艺：把热电极材料与高温绝缘材料预置在金属保护管中、运用同比例压缩延伸工艺、将这三者合为一体，制成各种直径、规格的铠装偶体，再截取适当长度、将工作端焊接密封、配置接线盒即成为柔软、细长的铠装热电偶。

铠装热电偶特点：内部的热电偶丝与外界空气隔绝，有着良好的抗高温氧化、抗低温水蒸气冷凝、抗机械外力冲击的特性。铠装热电偶可以制作得很细，能解决微小、狭窄场合的测温问题，且具有抗震、可弯曲、超长等优点。

铠装型热电偶外形法兰铠装型热电偶可长达上百米薄壁金属保护套管（铠体）

BA绝缘材料铠装型热电偶横截面隔爆型热电偶

结构特点：隔爆热电偶的接线盒在设计时采用防爆的特殊结构，它的接线盒是经过压铸而成的，有一定的厚度、隔爆空间，机构强度较高；采用螺纹隔爆接合面，并采用密封圈进行密封，因此，当接线盒内一旦放弧时，不会与外界环境的危险气体传爆，能达到预期的防爆、隔爆效果。

使用场合：工业用的隔爆型热电偶多用于化学工业自控系统中（由于在化工生产厂、生产现场常伴有各种易燃、易爆等化学气体或蒸汽，如果用普通热电偶则非常不安全、很容易引起环境气体爆炸）。隔爆型热电偶外形厚壁保护管压铸的接线盒电缆线其他热电偶外形小形K型热电偶热电偶冷端的延长:

采用相对廉价的补偿导线，可延长热电偶的冷端，使之远离高温区；可节约大量贵金属；易弯曲，便于敷设。

型号配用热电偶正-负导线外皮颜色正-负SC铂铑10-铂红-绿KC镍铬-镍硅红-蓝WC5/26钨铼5-钨铼26

红-橙补偿导线在0～100

C范围内的热电势与配套的热电偶的热电势相等，所以不影响测量精度。补偿导线型号（续）型号配用热电偶正-负型号导线外皮颜色正-负100℃时的热电势/mVRCR（铂铑13—铂）RC红-绿0.647NCN（镍铬硅—镍硅）NC红-黄2.744EXE（镍铬—铜镍）EX红-棕6.319JXJ（铁—铜镍）JX红-紫5.264TXT（铜—铜镍）

TX红-白4.279补偿导线外形

A’B’屏蔽层保护层热电偶的冷端温度补偿:

必要性：1、用热电偶的分度表查毫伏数-温度时，必须满足t0=0℃的条件。在实际测温中，冷端温度常随环境温度而变化，这样t0不但不是0℃，而且也不恒定，因此将产生误差。2、一般情况下，冷端温度均高于0℃

，热电势总是偏小。应想办法消除或补偿热电偶的冷端损失。冷端温度补偿的方法冷端恒温法：将热电偶的冷端置于装有冰水混合物的恒温容器中，使冷端的温度保持在0℃不变。此法也称冰浴法，它消除了t0不等于0℃而引入的误差，由于冰融化较快，所以一般只适用于实验室中。

计算修正法

当热电偶的冷端温度t0

0

C时，由于热端与冷端的温差随冷端的变化而变化，所以测得的热电势EAB（t，t0）与冷端为0℃时所测得的热电势EAB（t，0℃）不等。若冷端温度高于0℃，则EAB（t，t0）<EAB（t，0℃）。可以利用下式计算并修正测量误差：

EAB（t，0℃）=EAB（t，t0）+EAB（t0，0℃）仪表机械零点调整法

用螺丝刀调节仪表面板上的“机械零点”，使指针指到气温t0（图中为40

C）的刻度上。机械零点指针被预调到室温（40

C）可补偿冷端损失电桥补偿法

XT-WBC热电偶冷端补偿器电桥补偿法是利用不平衡电桥产生的不平衡电压来自动补偿热电偶因冷端温度变化而引起的热电势变化值，可购买与被补偿热电偶对应型号的补偿电桥。

显示仪表直接接收检测元件及变送器或传感器的输出信号，连续地显示、记录生产过程中各个被测参数的变化情况。按显示方式不同，现实仪表分为模拟式、数字式和图像式三种。3知识点3：显示仪表思考问题数字显示仪表主要由哪几部分组成？各部分的作用是什么？智能数字显示仪表主要功能及特点？模拟式显示仪表资讯动圈式显示仪表的精度为1.0级，其结构简单、价格便宜、灵敏可靠、维修方便，体积小、重量轻，是我国中小企业广泛使用的常规仪表。一、动圈式显示仪表动圈式显示仪表动圈表可以与热电偶、热电阻、压力变送器、差压变送器及流量变送器等相配合，用来指示工业对象的温度、压力和流量等参数。各种被测参数只要通过传感器或变送器转换成相应的电信号，就可由动圈表直接进行显示。动圈表按功能分有指示型和调节型两大类，其型号分别为XCZ和XCT。其中X表示显示仪表；C表示动圈式、磁电系；Z表示指示型；T表示调节型。与热电偶配合使用的动圈表，其型号为XCZ-101或XCT-101；与热电阻配合使用的动圈表，其型号为XCZ-102和XCT-102；与霍尔变送器配合使用的动圈表，其型号为XCZ-103或XCT-103；与滑线式压力计配合使用的动圈表，其型号为XCZ-104或XCT-104。

一、动圈式显示仪表测量线路接受来自检测仪表的信号，驱动可逆电机转动，它一方面带动测量线路中的平衡机构重新平衡，另一方面带动指示和记录机构进行显示记录。自动平衡式显示仪表按测量线路的不同，分为电子电位差计和电子平衡电桥两种。

自动平衡式显示仪表二、自动平衡式显示仪表

1.电子电位差计

电子电位差计原理图热电偶测量桥路放大器可逆电机指示机构记录机构同步电机稳压电源电子电位差计方框图

电子电位差计是用来测量毫伏级电压信号的显示记录仪表。可以和热电偶配套使用测量温度，也可以测量其他能转换成电压信号的各种工艺参数。与热电偶配用时，可根据标尺上指针或记录笔的位置读得测量结果，从而实现对温度的自动连续的检测、显示和记录。二、自动平衡式显示仪表

2.电子平衡电桥二、自动平衡式显示仪表

电子自动平衡电桥通常与热电阻配用来测量、指示和记录温度，也可以与其他电阻型变送器配用，测量、显示、记录与之相对应的工艺参数。其灵敏度和精度较高，应用十分广泛。二、声光式显示仪表XXS-10型闪光报警仪声光式显示仪表是以声音或光柱的变化反映被测参数超越极限或模拟显示被测参数的连续变化的仪表。其中，应用最广泛的是反映被测参数超越极限时，进行声光报警的闪光信号报警器。数字显示仪表

数字式显示仪表是能将被测的连续电量(模拟量)自动地变成断续量,然后进行数字编码,并将测量结果以数字显示的电测仪表。

A/D变换器电子计数器显示器模拟量数字量读出数字式显示仪表方框图辉光数码管示意图27数码管显示器（LＥＤ）液晶显示器（LCD）能够同时显示多种形式的信息，文字、图形等适合显示动态的信息显示形象化，格式灵活一、数显表的特点及基本功能1.数字式显示仪表的特点

与模拟式显示仪表相比，普通数字式显示仪表具有以下特点：（1）结构紧凑，测量精度高、灵敏度高；（2）测量速度快，从每秒几十次到每秒上百万次；（3）数字显示，读数清晰、直观、准确、方便，可以方便地实现多点测量；（4）便于与计算机联用。一、数显表的特点及基本功能2.数字式显示仪表的基本功能

（1）输入信号一般为电压、电流或频率脉冲信号及开关信号等。（2）以0～9数字形式及其单位符号显示被测参数的测量值。（3）可对被测参数自动测量和显示，可对被测参数设定报警，当被测参数达到设定值时可输出控制信号。并可进行多点测量、显示、报警、输出控制信号。一、数显表的特点及基本功能3.数字式显示仪表的分类

按输入信号分：有电压型和频率型两大类；按测量显示的点数分：有单点显示和多点显示两大类；按功能分：有数字显示仪、数字显示报警仪、数字显示输出仪、数字显示记录仪、数字显示报警输出记录仪等。

二、数显表的构成及原理

普通数字式显示仪表由前置放大器、模数转换器（A/D）、非线性补偿、标度变换和显示装置等部分组成。其中A/D转换、非线性补偿和标度变换的顺序是可以改变的，可组成适用于各种不同场合的数字式显示仪表。数字式显示仪表原理框图

三、巡测仪

数字巡回测量仪表(巡测仪)能对多个热工测点进行巡回测量显示，实现一表多用。数字巡测仪表品种较多，有十几点到几十点的单一参数或多参数的小型数字巡测仪，也有几百点的大型巡测仪。数字巡测仪的采样系统

四、智能显示仪表

以CPU为核心的新型显示仪表——智能化的显示仪表已经越来越广泛地应用于各行各业。智能式显示仪表包括智能数显表和图像显示仪表，后者常称为无纸记录仪或电子记录仪。无纸记录仪就是直接把工艺参数的变化量，以文字、图形、曲线、字符等多种方式在屏幕上进行显示的仪表。四、智能显示仪表

无纸记录仪有纸记录仪无纸记录仪显示界面31679/6/2023

模拟量：温度、湿度、压力、流量、速度等。从模拟信号到数字信号的转换称为模/数转换（简称A/D转换），实现模/数转换的电路叫做A/D转换器（简称ADC）；从数字信号到模拟信号的转换称为数/模转换（简称D/A转换），实现数/模转换的电路称为D/A转换器（简称DAC）。

知识点4：数模和模数转换689/6/2023

典型数字控制系统框图699/6/2023

A/D转换目标：将时间连续、幅值也连续的模拟信号转换为时间离散、幅值也离散的数字信号。四个步骤：采样、保持、量化、编码。采样与保持：

（1）将一个时间上连续变化的模拟量转换成时间上离散的模拟量称为采样。一、A/D转换基本原理A/D转换709/6/2023

取样定理：设取样脉冲s(t)的频率为fS，输入模拟信号x(t)的最高频率分量的频率为fmax，必须满足fs≥2fmaxy(t)才可以正确的反映输入信号(从而能不失真地恢复原模拟信号)。通常取fs＝（2.5～3）fmax。

719/6/2023

（2）由于A/D转换需要一定的时间，在每次采样以后，需要把采样电压保持一段时间。

s(t)有效期间，开关管VT导通，uI向C充电，uO

(=uc)跟随uI的变化而变化；s(t)无效期间，开关管VT截止，uO

(=uc)保持不变，直到下次采样。（由于集成运放A具有很高的输入阻抗，在保持阶段，电容C上所存电荷不易泄放。）

采样―保持电路及输出波形图729/6/2023量化和编码

数字量最小单位所对应的最小量值叫做量化单位△。

将采样－保持电路的输出电压归化为量化单位△的整数倍的过程叫做量化。

用二进制代码来表示各个量化电平的过程，叫做编码。一个n位二进制数只能表示2n个量化电平，量化过程中不可避免会产生误差，这种误差称为量化误差。量化级分得越多（n越大），量化误差越小。

739/6/2023划分量化电平的两种方法（a）量化误差大；（b）量化误差小

749/6/2023二、A/D转换器并行/串行比较型A/D转换器逐次比较型A/D转换器双积分型A/D转换器电压转换型A/D转换器Σ-Δ调制型

返回759/6/2023（1）并联比较型A/D转换器

769/6/2023

寄存器：由七个D触发器构成。在时钟脉冲CP的作用下，将比较结果暂时寄存，以供编码用。

编码器：由六个与非门构成。将比较器送来的七位二进制码转换成三位二进制代码D2、D1、D0。编码网络的逻辑关系为

779/6/2023并联型A/D转换器的转换关系789/6/2023例如，假设模拟输入UIN=3.8V，UR=8V。当模拟输入UIN=3.8V加到各级比较器时，由于因此，比较器的输出C6~C0为0001111。在时钟脉冲作用下，比较器的输出存入寄存器，经编码网络输出A/D转换结果：D2D1D0=100。优点：转换速度很快

缺点：电路复杂，转换精度较低。799/6/2023（2）逐次比较型A/D转换器

天平称重过程：砝码（从最重到最轻），依次比较，保留/移去，相加。逐次比较思路：不同的基准电压－－砝码。

逐次逼近型ADC电路框图

CPDn-1Dn-2Dn-3…D1D0u0(V)uI>uO？0100…000.5UREF1（Dn-1为1）/0（Dn-1为0）1Dn-110…000.75/0.25UREF1（Dn-2为1）/0（Dn-2为0）2Dn-1Dn-21…00…1（Dn-3为1）/0（Dn-3为0）…………n-1Dn-1Dn-2Dn-3…D11…1（D0为1）/0（D0为0）基准电压UREFn位A/D转换器

电路由启动脉冲启动后:809/6/2023

8位A/D转换器，输入模拟量uI=6.84V，D/A转换器基准电压UREF=10V。相对误差仅为0.06%。转换精度取决于位数。CPD7D6D5D4D3D2D1D0u0(V)uI>uO010000000511110000007.502101000006.2513101100006.87504101010006.562515101011006.7187516101011106.79687517101011116.83593751uI>uO为1否则为0

819/6/2023

8位逐次比较型A/D转换器波形图

829/6/2023（3）双积分型A/D转换器

基本原理：对输入模拟电压uI和基准电压-UREF分别进行积分，将输入电压平均值变换成与之成正比的时间间隔T2，然后在这个时间间隔里对固定频率的时钟脉冲计数，计数结果N就是正比于输入模拟信号的数字量信号。（1）电路组成839/6/2023

双积分型ADC电路

①积分器：Qn=0，对被测电压uI进行积分；Qn=1，对基准电压-UREF进行积分。②检零比较器C：当uO≥0时，uC＝0；当uO＜0时，uC＝1。③计数器：为n＋1位异步二进制计数器。第一次计数，是从0开始直到2n对CP脉冲计数，形成固定时间T1＝2nTc（Tc为CP脉冲的周期），T1时间到时Qn＝1，使S1从A点转接到B点。第二次计数，是将时间间隔T2变成脉冲个数N保存下来。④时钟脉冲控制门G1：当uC=1时，门G1打开，CP脉冲通过门G1加到计数器输入端。849/6/2023工作过程：

①准备阶段：转换控制信号CR＝0，将计数器清0，并通过G2接通开关S2，使电容C放电；同时，Qn＝0使S1接通A点。859/6/2023②采样阶段：当t＝0时，CR变为高电平，开关S2断开，积分器从0开始对uI积分，积分器的输出电压从0V开始下降，即869/6/2023

与此同时，由于uO＜0，故uC＝1，G1被打开，CP脉冲通过G1加到FF0上，计数器从0开始计数。直到当t＝t1时，FF0～FFn-1都翻转为0态，而Qn翻转为1态，将S1由A点转接到B点，采样阶段到此结束。若CP脉冲的周期为Tc，则T1＝2nTc。

879/6/2023

设UI为输入电压在T1时间间隔内的平均值，则第一次积分结束时积分器的输出电压为

889/6/2023

③比较阶段：在t=t1时刻，S1接通B点，-UREF加到积分器的输入端，积分器开始反向积分，uO开始从Up点以固定的斜率回升，若以t1算作0时刻，此时有899/6/2023

当t＝t2时，uO正好过零，uC翻转为0，G1关闭，计数器停止计数。在T2期间计数器所累计的CP脉冲的个数为N，且有T2＝NTC。

909/6/2023

若以t1算作0时刻，当t＝T2时，积分器的输出uO＝0，此时则有919/6/2023可见，T2∝UI。由于T1＝2nTc，所以有929/6/2023结论：可见，N∝UI∝uI，实现了A/D转换，N为转换结果。

第一，如果减小uI（即uI′），则当t＝T1时，uO＝Up′，显然Up′＜Up，从而有T2′＜T2；第二，T1的时间长度与uI的大小无关，均为2nTc；第三，第二次积分的斜率是固定的，与Up的大小无关。由于T2＝NTc，所以939/6/2023优点1：抗干扰能力强。积分采样对交流噪声有很强的抑制能力；如果选择采样时间T1为20ms的整数倍时，则可有效地抑制工频干扰。

缺点：转换速度较慢。完成一次A/D转换至少需要（T1＋T2）时间，每秒钟一般只能转换几次到十几次。因此它多用于精度要求高、抗干扰能力强而转换速度要求不高的场合。

优点2：具有良好的稳定性，可实现高精度。由于在转换过程中通过两次积分把UI和UREF之比变成了两次计数值之比，故转换结果和精度与R、C无关。94三、ADC的主要技术参数（1）分辨率

分辨率是指A/D转换器输出数字量的最低位变化一个数码时，对应输入模拟量的变化量。通常以ADC输出数字量的位数表示分辨率的高低，因为位数越多，量化单位就越小，对输入信号的分辨能力也就越高。例如，输入模拟电压满量程为10V，若用8位ADC转换时，其分辨率为10V/28＝39mV，10位的ADC是9.76mV，而12位的ADC为2.44mV。

（2）转换误差

转换误差表示A/D转换器实际输出的数字量与理论上的输出数字量之间的差别。通常以输出误差的最大值形式给出。转换误差也叫相对精度或相对误差。转换误差常用最低有效位的倍数表示。例如某ADC的相对精度为±(1/2)LSB，这说明理论上应输出的数字量与实际输出的数字量之间的误差不大于最低位为１的一半。969/6/2023（3）转换速度

完成一次A/D转换所需要的时间叫做转换时间，转换时间越短，则转换速度越快。双积分ADC的转换时间在几十毫秒至几百毫秒之间；逐次比较型ADC的转换时间大都在10～50μs之间；并行比较型ADC的转换时间可达10ns。

集成A/D转换器及其应用举例

集成A/D转换器规格品种繁多，常见的有ADC0804、ADC0809、MC14433等。

ADC0809数/模转换就是将数字量转换成与它成正比的模拟量。

数字量：(D3D2D1D0)2＝(D3×23＋D2×22＋D1×21＋D0×20)10(1101)2＝(1×23＋1×22＋0×21＋1×20)10

模拟量：uo＝K(D3×23＋D2×22＋D1×21＋D0×20)10uo＝K(1×23＋1×22＋0×21＋1×20)10(K为比例系数)D/A转换一、D/A转换基本原理

999/6/2023组成D/A转换器的基本指导思想：将数字量按权展开相加，即得到与数字量成正比的模拟量。D/A转换器的种类很多,主要有：权电阻网络DAC、T形电阻网络DAC倒T形电阻网络DAC、权电流DAC二、D/A转换器

（1）权电阻型D/A转换器

模拟开关，受Di控制权电阻网络求和放大器输入代码，为1时，模拟开关上拨；为0时，模拟开关下拨。1019/6/2023（2）倒T形电阻网络DAC

1.电路组成电路由解码网络、模拟开关、求和放大器和基准电源组成。

倒T型电阻网络DAC原理图

基准参考电压双向模拟开关D＝1时接运放D＝0时接地R－2R倒T形电阻解码网络求和集成运算放大器1029/6/2023

由于从UREF向网络看进去的等效电阻是R，因此从UREF流出的电流为：

因此流过四个2R电阻的电流分别为I/2、I/4、I/8、I/16。电流是流入地，还是流入运算放大器，由输入的数字量Di通过控制电子开关Si来决定。输出电压可表示为：流入运算放大器的总电流为：1049/6/2023

由此可见，输出模拟电压uO与输入数字量D成正比，实现了数模转换。

对于n位的倒T形电阻网络DAC，则：

电路特点：（1）解码网络仅有R和2R两种规格的电阻，这对于集成工艺是相当有利的；

（2）这种倒T形电阻网络各支路的电流是直接加到运算放大器的输入端，它们之间不存在传输上的时间差，故该电路具有较高的工作速度。

因此，这种形式的DAC目前被广泛的采用。三、DAC的主要技术参数（1）分辨率

分辨率是指输出电压的最小变化量与满量程输出电压之比。输出电压的最小变化量就是对应于输入数字量最低位为1，其余各位均为0时的输出电压。满量程输出电压就是对应于输入数字量全部为1时的输出电压。对于n位D/A转换器，分辨率可表示为：

分辨率＝

位数越多，能够分辨的最小输出电压变化量就越小，分辨率就越高。也可用位数n来表示分辨率。（2）转换速度

D/A转换器从输入数字量到转换成稳定的模拟输出电压所需要的时间称为转换速度。不同的DAC其转换速度也是不相同的，一般约在几微秒到几十微秒的范围内。

（3）转换精度

转换精度是指电路实际输出的模拟电压值和理论输出的模拟电压值之差。通常用最大误差与满量程输出电压之比的百分数表示。通常要求D/A转换器的误差小于ULSB/2。

例如，某D/A转换器满量程输出电压为10V，如果误差为1%，就意味着输出电压的最大误差为±0.1V。百分数越小，精度越高。转换精度是一个综合指标，包括零点误差、增益误差等，它不仅与D/A转换器中元件参数的精度有关，而且还与环境温度、集成运放的温度漂移以及D/A转换器的位数有关。

（4）非线性误差通常把D/A转换器输出电压值与理想输出电压值之间偏差的最大值定义为非线性误差。

D/A转换器的非线性误差主要由模拟开关以及运算放大器的非线性引起。

5.温度系数

在输入不变的情况下，输出模拟电压随温度变化而变化的量，称为DAC的温度系数。一般用满刻度的百分数表示温度每升高一度输出电压变化的值。

学习情境三显示仪表的使用任务一显示仪表的认知

任务二显示仪表的使用上篇检测仪表任务描述：学习WP数字显示仪表、无纸记录仪的使用方法；通过查阅使用说明书，能对仪表进行故障判断与异常处理。单元二显示仪表的使用

问题思考某测温系统变送器输出0～10mA的直流电流信号，现要求显示仪表具有指示和记录功能。如果只有配K分度号热电偶的电子电位差计，试问是否可用？若可用，应采取什么措施？什么是无纸记录仪，有哪几种组态方式？数字显示仪表、无纸记录仪如何校验，需提供哪些校验设备？1、石灰窑炉温度工艺参数及仪表选择

目前煅烧温度工艺参数为950-1150℃，在实际生产中，通过调整煅烧带温度控制，煅烧温度在1050℃左右。

共有6个测温点（1#、2#、3#窑窑尾各一个点、沉降室3个点）在使用该测量系统，如图所示：

热电偶B型热电偶（使用周期为4个月），为铂铑材质，价格较为昂贵，目前使用的该型号热电偶价格在5000元每支左右，一个测温点一年需产生该项备件费用15000元。下图为B型热电偶：

K型热电偶使用周期短（为15天左右），其测量范围（K型热电偶测量范围为0-1300℃；B型热电偶测量范围为400-1600℃）但价格较为低廉。下图为K型热电偶实物：

材料名称物理性能B型热电偶温度测量范围：400-1600℃材质：铂铑灵敏度低稳定性好价格昂贵准确度高适用于氧化性和惰性气氛中K型热电偶温度测量范围：0-1300℃材质：镍铬灵敏度高稳定性好价格便宜测量精度高适用于氧化性和惰性气氛中

从上表中可以看出，除测量范围、材质、价格三个方面不同外，其它性能基本一致。虽然K型热电偶测量范围较B型低，但其测量范围也能满足工艺控制要求，而在价格和灵敏度方面则优于B型热电偶。因此选择K型热电偶。

石灰窑炉温度测量仪表系统使用的一次元件为K型热电偶，连接导线同样为K型补偿导线。二次仪表选择了(WP-80数字显示仪表)虹润NHR-5100系列数字显示仪表。该系统主要用于监测回转窑沉降室温度和窑尾温度，要求仪表准确稳定的持续指示，该仪表系统如图所示：二次仪表热电偶(K型)补偿导线1．面板示意图：任务引导1：WP-80数字显示仪表的使用

一、WP-80数字显示仪表概述资讯2．仪表接线图

一、WP-80数字显示仪表概述3．仪表的自检

一、WP-80数字显示仪表概述

仪表在投入电源后先进行自检（右图所示），可确认仪表设备号及版本。自检完毕后，仪表自动转入工作状态，数字显示当前测量值。如要求再次自检，可按下面板右下方的复位键，仪表将重新进入自检状态。4．仪表参数的设定一、WP-80数字显示仪表概述

（1）一级参数的设定：一级参数主要有报警上限值AL1、下限值AL2、上限回差值AH1、下限回差值AH2等。方法：按住SET键，显示SLK，再按1次显示0000，再按1次…根据提示进行。

（2）二级参数的设定：二级参数主要有检测元件型号（K、Pt…），零点迁移值（PB1、PB2）、量程值（SLL、SLH）、比例系数（KK1、KK2）等。方法：同上操作，当仪表窗口显示CLK的设定值0000时调整

键使之为0132的状态下，同时按下SET键和

键5秒，仪表进入二级参数设定状态，每按SET键一次，即进行一项参数的设定。参数说明表、设定表及分度号设定参数表参见附录。

一、WP-80数字显示仪表概述4．仪表参数的设定一、WP-80数字显示仪表概述5．仪表主要技术参数

测量精度：0.5％FS+1字

显示方式：-1999-9999数字显示

控制报警：可选择1-2限控制，LED指示。

控制方式：为继电器ON／OFF带回差(用户可自由设定)

温度补偿：0-50数字式温度自动补偿

保护方式：输入回路断线报警(热电偶或电阻输入时)输入超限报警二、WP-80数字显示仪表校验1．配接K型热电偶校验

（1）设定流程按住SET，显示CLK→调到132，SET+▲按住5秒，再按SET键：SL0→2（选用K型热电偶，默认值12），小数点SL1（0-3默认值0），量程下限SLL（默认值0），量程上限SLH（默认值1000）→待调，零点迁移PB1（默认值0），→待调，量程比例KK1（默认值1）→待调，冷端零点迁移PB2（默认值0）→待调，冷端比例系数KK2（默认值1）→待调。其中：KKl=预定量程/显示量程×原KKl；PBl=预定量程下限-显示量程下限×KK1十原PBl。二、WP-80数字显示仪表校验

（2）接线

1．配接K型热电偶校验

二、WP-80数字显示仪表校验

（3）校验步骤

①按上图接线。②仪器仪表状态检查应符合要求：电位差计挡位及旋钮应在调整好的位置。③经指导教师允许后上电。仪表进行自检，观察仪表指示。自检结束后仪表即指示被测温度值。④仪表零点的检查。⑤量程的检查。1．配接K型热电偶校验

二、WP-80数字显示仪表校验

（3）校验步骤

⑥表量程及零点的调整。⑦端补偿功能的调整。⑧表的开路试验。⑨表的开路试验。⑩仪表的报警试验。1．配接K型热电偶校验

二、WP-80数字显示仪表校验2．配接Pt100热电阻校验

（1）参数设定流程按住SET，显示CLK→调到132，SET+▲按住5秒，再按SET键：SL0→8（选用Pt100型热电阻，默认值12），量程下限SLL（默认值0），量程上限SLH（默认值1000）→500，零点迁移PB1（默认值0）→待调，量程比例KK1（默认值1）→待调，其中：KKl=预定量程/显示量程×原KKl；PBl=预定量程下限-显示量程下限×KK1十原PBl。二、WP-80数字显示仪表校验

（2）校验接线

2．配接Pt100热电阻校验

二、WP-80数字显示仪表校验

（3）校验步骤

①按上图接线，电源引入线应注意端子位置并接牢固。②仪器仪表状态检查应符合要求：标准电阻箱应在100Ω挡位。③经指导教师允许后上电仪表进行自检，观察仪表指示。④仪表零点检查。⑤仪表量程检查：查Pt100分度表500℃电阻值Rt，调电阻箱旋钮至Rt值，此时数字表显示值应为500，否则记取该上限显示值。⑥仪表量程及零点的调整。⑦确定Pt100型热电阻校验点：0→500℃之间均布3点。2．配接Pt100热电阻校验

二、WP-80数字显示仪表校验3．配接4-20mA变送器校验

（1）参数设定流程按住SET，显示CLK→调到132，SET+▲按住5秒，再