自动检测技术及仪表控制系统12显示单元

第12章显示单元自动检测技术及仪表控制系统第二版化学工业出版社Contents12.1显示仪表工作原理12.2.传统显示及记录仪表12.3数字式显示及记录仪表12显示单元在控制系统中显示仪表具有重要的地位，它可将控制过程中的参数变化、被控对象的过渡过程显示和记录下来，供操作人员及时了解控制系统的变化情况，掌握被控对象的状态，是进行系统控制、工况监视、性能分析以及事故评判等工作所必不可少的环节。显示仪表主要工作在开环和闭环两种模式下。在传统的显示仪表中，前者以动圈式指示仪表为代表，而后者主要应用在带自动平衡的显示仪表中。配有机械机构并依靠其机械部件的移动，使仪表达到被测量所对应的稳态位置以实现指示目的，是传统显示仪表的主要特征。在现代显示仪表中，由于采用了微计算机技术，其数据处理能力得到大大提高，同时还可提供更强的功能，因而完全取代了传统显示仪表中的机械机构，也使新一代的显示仪表更加精巧、更加可靠、功能更加丰富。12.1显示仪表工作原理（1）显示仪表结构分析开环模式：又测量电路和数据处理两部分组成12.1显示仪表工作原理（1）显示仪表结构分析闭环显示仪表结构原理图12.1显示仪表工作原理（1）显示仪表结构分析闭环模式：放大器、可逆电动机和测量电路构成的闭环回路，是实现自动平衡显示功能的根本所在，是显示仪表的主体。当系统是闭环负反馈时，如正向通道的放大倍数足够大，则整个系统的传递函数近似等于反馈环节传递函数的倒数。也就是说，此时仪表的特性主要取决于其反馈环节的特性。因此，作为反馈环节的测量电路在显示仪表中扮演了非常重要的角色，其设计、计算、制作和调整是实现仪表显示功能的首要任务。12.1显示仪表工作原理（2）电位差计式自动平衡原理自动电位差计适合对直流电压或由直流电流转换成的电压进行自动测量的处理；自动电位差计是利用电动势平衡的原理实现显示和记录功能的。

12.1显示仪表工作原理（2）电位差计式自动平衡原理自动电位差计原理图12.1显示仪表工作原理（3）电桥式自动平衡原理在实际工业应用中，常采用敏感电阻作为传感器对被测参数进行测量，将其引入电桥，作为一个或多个电桥桥臂的组成部分，即可利用电桥平衡的原理实现对被测参数的测量、显示和记录。

12.1显示仪表工作原理（3）电桥式自动平衡原理自动电桥平衡电桥原理图12.1显示仪表工作原理（4）差动变压器式自动平衡原理用两个完全相同的差动变压器即可构成差动变压器式自动平衡显示及记录仪表。其中一个差动变压器实现对位移量的测量，安装一次仪表处；另一个差动变压器则通过电信号的远传实现被测参数的传递，安装二次仪表处。

12.1显示仪表工作原理（4）差动变压器式自动平衡原理差动变压器式自动平衡原理图12.2传统显示及记录仪表（1）电位差计式自动平衡显示仪表基于电位差计的工作原理工作的。测量电路是电位差计式自动平衡显示仪表的主要组成部分。12.2传统显示及记录仪表（1）电位差计式自动平衡显示仪表电位差计式自动平衡显示仪表的典型测量电路图：12.2传统显示及记录仪表（2）电桥式自动平衡显示仪表该类仪表借助电桥平衡式原理进行工作，将敏感电阻直接连入电桥的一个桥臂，主要用于当传感器为敏感电阻时对被测参数的测量。测量电路是电桥式自动平衡显示仪表的重要组成部分，电桥又是测量电路的主要组成部分。12.2传统显示及记录仪表（2）电桥式自动平衡显示仪表电桥式自动平衡显示仪表测量电路：12.2传统显示及记录仪表（2）电桥式自动平衡显示仪表自动平衡电桥测量电路的等效电路：12.3数字式显示及记录仪表（1）数字模拟混合记录仪传统模拟显示仪表的显示直观性主要体现在其自动记录方式上，它可将一个或多个被测参数直接绘制在记录纸上。与模拟仪表的特点相反，全数字式自动记录仪则是通过打印被测参数的数据来完成对被测参数的记录的，因而它可以具有较高的记录精度。12.3数字式显示及记录仪表（1）数字模拟混合记录仪数模混合记录仪是及显示仪表结构图12.3数字式显示及记录仪表（1）数字模拟混合记录仪微机单元是整个仪表的核心部分，主要由微计算机主机芯片CPU、用于保存程序的ROM或EPROM、用于存储各种数据的内存RAM以及意外情况下的保护电路组成。通常计算机主机芯片CPU选用单片机为主流机型，其运行负责维持和完成仪表的数据采集、转换、计算和管理，并可进行系统的故障诊断和报警等工作。12.3数字式显示及记录仪表（1）数字模拟混合记录仪仪表输入部分的主要工作是完成对被测参数的周期采样、信号放大及模／数转换等，并实现仪表与外界的光电隔离。它有多个输入通道，可实现对多个被测参数的显示和记录。多输入通道间由切换开关连接，可轮流进行对被测参数的采样并与模／数转换单元相通。输出单元的功能较为单一，负责故障报警信号的显示和外传，同时实现仪表与外界的电气隔离。12.3数字式显示及记录仪表（1）数字模拟混合记录仪仪表的记录部分采用数字和机械两种方式实现被测参数的显示和记录功能，它由多种驱动器控制，实现参数打印、曲线记录和记录纸的走动等。通常数字模拟混合显示及记录仪表的记录纸包含三部分内容。左边是数据打印区，用于被测参数的数字记录；中间为曲线记录区，用于传统被测参数的曲线记录；右边是报警打印区，用于过程中各种报警状态的记录。12.3数字式显示及记录仪表（1）数字模拟混合记录仪相对于模拟仪表，数模混合仪表增加了部分功能：①数据和曲线打印②数字显示③多种设定功能④故障诊断及报警⑤断电保护12.3数字式显示及记录仪表（2）全数字式记录仪在混合记录仪表中，无论仪表的精度如何，从记录纸上的曲线获取精确的数据是十分困难的，何况记录纸的伸缩性、曲线线条的宽度等，常使仪表的记录误差比指示误差还要大，因而影响了整机的精度。全数字式记录仪是在数模混合记录仪基础上发展而来；用专用打印机取代原有的机械记录结构12.3数字式显示及记录仪表（2）全数字式记录仪全数字式记录仪是在数模混合记录仪的基础上发展而成的。在混合记录仪表中，无论仪表的精度如何，从记录纸上的曲线获取精确的数据是十分困难的，何况记录纸的伸缩性、曲线线条的宽度等，常使仪表的记录误差比指示误差还要大，因而影响了整机的精度。在全数字式记录仪中，用专用打印机取代了原有的机械记录机构，这样既实现了整机的数字化，又保留了记录曲线的直观性。典型应用如DR型数字记录仪12.3数字式显示及记录仪表（2）全数字式记录仪根据电路功能划分，全数字式记录仪一般由采样开关、模数转换、微机单元、显示及键盘单元以及打印机单元五部分组成，其关系结构如图12.3数字式显示及记录仪表（2）全数字式记录仪微机单元由微计算机芯片（多数为单片机）与程序存储器ROM和数据存储器RAM构成，主要完成仪表的运行支持和管理，常规数据处理、时钟维护、数据交换和故障诊断等。其中的常规数据处理包括测量特性的线性化、量程设定、温度测量的冷端补偿和放大器的零点漂移处理等。与各种单元和接口间的数据交换，则是靠微计算机芯片发出的控制信号管理进行的。12.3数字式显示及记录仪表（2）全数字式记录仪采样开关单元是记录仪的输入接口，负责完成对多个被测参数的输入，以实现各信号的周期采样，即轮流接通各个测量通道的采样开关，以实现多点巡回扫描。由此，选择合适的开关元件，保证通断速度快、使用寿命长、寄生电势小，是仪表设计中的重要任务。12.3数字式显示及记录仪表（2）全数字式记录仪被测参数经采样单元采样后，即送入模数转换单元进行量化处理。其量化处理的精度由模数转换芯片的位数所决定，芯片位数愈多，其分辨率愈好，量化误差也愈小，因而仪表精度愈高。同时，由于实际应用中输入信号的范围迥异，因而模数转换单元的另一功能就是实现不同量程的