仪表与自动化(何道清)(二版) 第4章 显示仪表

第4章显示仪表,工程上用于各种参数的显示、记录或累积的仪表统称为显示仪表（二次仪表）。分类：按能源分类：气动显示仪表；电动显示仪表。按显示方式分类：模拟显示仪表；数字显示仪表；图象显示仪表。,4.1动圈式显示仪表,动圈式显示仪表实质上是一种测量电流的模拟式仪表。工程中各种参数经检测、变换、处理成电流信号后输入进行显示。一般用于就地显示。测量机构如图4=2所示.,图4-2动圈式显示仪表的测量机构,4.1动圈式显示仪表,1.XCZ101型动圈式显示仪表与热电偶配套使用的指示型仪表，构成热电偶温度计(1)测量机构及作用原理测量机构如图4-1所示。动圈式显示仪表的工作原理mV信号U线圈电流I线圈转动力矩M转动角度指针偏转显示,图4-1动圈式显示仪表的工作原理,(2)外接电阻和外接调整电阻,图4-2热电偶现场接线图1-热电偶;2-补偿导线；3-冷端补偿器；4-连接导线；5-调整电阻；6-仪表接线板；710-接线端子,热电偶与动圈式显示仪表配合使用时，接线如图4-2所示，流过动圈的电流为,式中，,4.1动圈式显示仪表,R外=R热+R补+R铜+R调,仪表在刻度时是以一定的“R总”设计的，则在使用中也应保持R总不变，否则相同的热电势E(t,t0)，不同的R总，则I也不同，从而仪表指示的值也不同，带来测量误差。规定，配热电偶的动圈仪表R外=15刻度时，R外=15使用时，R调=15（R热R补R铜）动圈的温度补偿温度变化时，各电阻将产生变化，须采用温度补偿措施，如图4-3所示。其中，RT为NTC热敏电阻(20时68)R并为锰铜丝电阻(50)R串为锰铜丝大电阻,图4-3动圈的温度补偿原理图,4.1动圈式显示仪表,图4-4配热电偶的XCZ-101型动圈式仪表测量线路,4.1动圈式显示仪表,4.1动圈式显示仪表,2.XCZ102型动圈式显示仪表与热电阻配套使用的指示型仪表，构成热电阻温度计。(1)结构：由稳压电源、动圈式仪表和不平衡电桥测量线路阻成。如图4-5所示。,图4-5配热电阻动圈仪表三线制接法和外接电阻接法,4.1动圈式显示仪表,(2)原理：不平衡电桥测量原理：温度变化Rt变化电桥输出相应不平衡mV信号动圈式仪表测此mV信号并指示。见图4-4。电桥平衡时，R2R4=R3(R0+Rt），Ucd=0，I=0。设计时，取R3=R4，R2=R0+Rt；测温时，Rt变化Rt，电桥不平衡，Ucd0，I0，动圈偏转并指示其大小。,图4-5不平衡电桥原理图,4.1动圈式显示仪表,三线制与外接调整电阻热电阻三线制接法是为了克服两线制接法导线电阻和接触电阻的影响。调整电阻（图4-5中的R1），为了克服连接导线长短不同的电阻影响。规定连接导线电阻值（三个R1）为35，而实际连接导线电阻往往不足15，外接调整电阻满足。稳压电源供桥电源电压应稳定。,图4-6两线制接法不平衡电桥,4.1动圈式显示仪表,XCZ102型动圈式显示仪表完整结构,4-5配热电阻的XCZ-102型动圈仪表测量线路,4.2自动电子电位差计,1.手动电位差计利用电位差计的电位补偿原理，直接测量热电偶的热电势Et。如图4-8所示。当电位差计平衡时，,图4-8电位差计测热电势Et原理图,4.2自动电子电位差计,2.自动电子电位差计的工作原理与热电偶温度计配套，电位补偿原理，具有冷端补偿作用，直接显示被测温度，与冷端温度无关。电子电位差计原理如图4-9所示.,图4-9电子电位差计原理图,工作原理：电压补偿原理。操作：可逆电机及一套机械传动机构代替手工电压补偿操作。指零仪：放大器代替检流计检测失调电压，并控制可逆电机工作。,4.2自动电子电位差计,3.自动电子电位差计的测量桥路(1)热电偶冷端补偿自动电子电位差计的测量桥路如图4-10所示。R2为铜热电阻，处于热偶冷端环境中，作为热电偶冷端补偿；限流电阻R3、R4阻值较大，以保持电路中电流I1、I2基本不变。,图4-10电子电位差计测量桥路原理图,4.2自动电子电位差计,热电偶冷端补偿定量推导(暂不考虑量程电阻RM),图4-8电子电位差计测量桥路原理图,4.2自动电子电位差计,实际测温时，如能使电位得到补偿，即UCE=0，则UCF+UFB=E(t,t0)+UDB当被测温度t=0，热偶冷端环境温度t0=0时，调滑动头C滑到F点（始端），使电路得到补偿（UCE=0），此时E(t,t0)=E(0,0)=0，UCF=0=E(0,0)UFB=UDB0，即UDB0=I2R20=I1RG当被测温度t0，热偶冷端环境温度t0=0时，调滑动头C使电路得到补偿（UCE=0），则UCF+UFB=E(t,0)+UDB0此时UCF=E(t,0)可见UCF反映热电偶热电势E(t,0)的大小，可以从UCF滑动头C位置刻度指示被测温度t。,当被测温度t0，热偶冷端环境温度t00时，电路得到补（UCE=0），则UCF+UFB=E(t,t0)+UDB0+UDB=E(t,t0)+UDB0+E(t0,0)（UDB=I2R2=E(t0,0)）=E(t,0)+UDB0此时UCF=E(t,0)。可见UCF仍能反映热电偶热电势E(t,0)的大小，反映被测温度t的高低。热电偶冷端补偿R2为铜热电阻，其电阻值随温度升高而增加R2=Rt=R0(1+t)=R0+R0t=R0+RtUDB=I2R2=I2(R0+Rt)=I2R0+I2Rt=UDB0+UDB若能使UDB=I2Rt=E(t0,0)，则可使热电偶冷端温度不为0时的热电势得到补偿。,4.2自动电子电位差计,(2)量程匹配温度测量范围在补偿电压支路串接RG，改变测量下限；在取样电阻两端并联量程电阻RM，改变测量上限。被测温度：0t，对应热电势：E(0,0)E(t,0)，补偿电压：0UCF=0IPRP。若测量温度范围大，则UCF也大，此时需增大IP（减小IM，即增大RM即可），这样就扩大量程；反之亦然。始端（下限）电阻RG，决定测量温度下限。当UCF=0时，UFB=UDB+E(t,0)式中E(t,0)为下限温度t时的热电势。,4.2自动电子电位差计,4.2自动电子电位差计,(3)实际电子电位差计测量电路如图4-11所示。限流电阻R3、R4与其它电阻配合，使I1=4mA，I2=2mA，并基本不变。温度补偿电阻R2的取值与配用热电偶的分度号有关：配用S型热电偶时，R2=0.74；配用K型热电偶时,R2=8.92；配用E型热电偶时,R2=5.33。,图4-11XW系列电位差计测量桥路原理图,4.2自动电子电位差计,4.自动电子电位差计的结构,图4-12自动电子电位差计测量电路原理图,4.3自动电子平衡电桥,与热电阻温度计配套，电桥平衡原理。1平衡电桥测温原理平衡电桥测温原理如图4-13所示。当被测温度下限温度t0时，热电阻Rt的阻值为Rt0，将滑动触点B调到RP的左端“始”点，此时电桥平衡条件是R3（Rt0+RP）=R2R4,图4-13平衡电桥测温原理图,温度变化（升高）后，阻值变化（升高）Rt，电桥失去平衡，向右调滑动触点B使电桥重新平衡，此时电桥平衡条件是R3（Rt0+Rt+RPr1）=R2(R4+r1)两式相减，RtR3r1R3=R2r1可见，滑动触点B的位置（r1的大小）反映热电阻的变化Rt，亦即反映温度的变化。且触点B的位移与Rt呈线性关系。若将检流计换成放大器，利用被放大的不平衡电压去驱动可逆电机带动滑动触点B移动达到电桥新的平衡，即为自动平衡电桥。,4.3自动电子平衡电桥,4.3自动电子平衡电桥,2电子自动平衡电桥电子自动平衡电桥原理如图4-14所示。RnP=RPRBRM=90RM；RM为量程电阻；R6为起点刻度电阻；Rt仍采用三端接法，规定r=2.5；工作电流为3mA，电源回路中则串入R7电阻用以限流。,图4-14电子自动平衡电桥,4.3自动电子平衡电桥,3.自动电子平衡电桥与自动电子电位差计的比较输入信号不同：电位差计输入电势；电桥输入电阻。两者的作用原理不同。热电偶配电子电位差计测温，存在冷端温度的自动补偿；热电阻配电子平衡电桥测温时，则不存在这个问题。测温元件与测量桥路的连接方式不同。自动电子电位差计桥路供电的稳压电源是直流。而自动平衡电桥桥路供电的电源可以是直流，也可以是交流。,4.4数字式显示仪表,数字式显示仪表以数字形式显示被测量结果。数字式显示仪表的分类：,图4-15数字式显示仪表分类图,4.4数字式显示仪表,1.数字式显示仪表的原理和组成数字式显示仪表的原理方框图如图4-16所示。数字式显示仪表一般应具备模-数转换、非线性补偿及标度变换三大部分。,图4-16数字式显示仪表原理方框图,4.4数字式显示仪表,2.模-数转换（A/D）模-数转换将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。,图4-17模拟量-数字量的整量化示意图,4.4数字式显示仪表,A/D转换的分类：时间间隔-数字转换；电压-数字转换（V-D转换）；机械量（直线位移和角度等）-数字转换。A/D转换的重点是V/D转换。如双积分型、逐次比较型等A/D转换器的主要技术指标：A/D转换精度，一般以A/D转换器将一个模拟量转换成二进制数的位数来表示。例如用一个12位的A/D转换器去测一个05V的模拟电压信号，其分辨率（最末一位数字跳变一个字所代表的量值，即量化单位）为LSB5V/2125000mV/4096=1.22mVA/D转换速度。,4.4数字式显示仪表,3.电子计数器计数器一般由多个双稳态触发器串联而成。可以对接受的脉冲进行逢十进一的计数。此外，还能通过译码器译成十个状态（09），驱动数码管，将被测数据显示出来。时间间隔测量原理框图如图4-18所示。,图4-18时间间隔测量原理方框图,4.4数字式显示仪表,4.寄存器寄存器的作用是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。5.显示器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，对比刻度读出有关的数值。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管。这里仅讨论其中应用最广泛的发光二极管和液晶显示器件。,4.4数字式显示仪表,（1）液晶显示(LCD)原理与驱动电路,图4-19液晶显示器静态驱动电路,4.4数字式显示仪表,（2）发光二极管显示(LED)原理与驱动电路,(a)基本驱动电路(b)低压驱动电路(c)高压驱动电路图4-21LED驱动电路,4.4数字式显示仪表,LED数码管的结构和集成显示驱动电路,图4-22LCD数码管图4-23LED数码管静态驱动电路,4.4数字式显示仪表,6.非线性补偿将热电势Et=f(t)曲线分段补偿，如图4-24所示。,图4-24热电偶特性曲线,4.4数字式显示仪表,7.信号的标准化及标度变换输入信号的规格化，又称为参数信号的标准化。国内采用的统一的直流信号电平的种类：0l0mV，030mV，040.95mV等等。标度变换图4-31为一般数字仪表组成的原理框图。其刻度方程为：y=S1S2S3x=Sx（4-20）,图4-25数字仪表的标度变换,4.4数字式显示仪表,（1）模拟量标度变换电阻信号的标度变换,图4-26电阻信号的标度变换（R-V变换）,4.4数字式显示仪表,当被测温度（或其它参数）处于下限时，有Rt=Rt0=R0，则（4-22）桥路设计时取RR0，那么在被测参数处于非下限时有（4-23）于是Uo=I(RtR0)=I(Rt)（4-24）,4.4数字式显示仪表,Cul00铜热电阻测温温度的显示范围为050，对应铜热电阻的变化为100121.40，即电阻变化值Rt=21.40；又设数字仪表的分辨力为l00V，即数字仪表末位跳一个字需有100V的输入信号，这样当数字仪表显示满度“50”这两位数字时，就需要50100=5000(V)=5mV的输入信号，也就是当铜热电阻变化21.40时，应该产生5mV的信号，于是根据上式可得（4-25）显然通过适当选取E或R便可得到I=0.23mA。当仪表的分辨力或显示位数有变化时，桥路参数也要随之予以调整。,4.4数字式显示仪表,电势信号的标度变换以热电偶的热电势作为输入信号时的标度变换CX-100型国产数字测温仪表，配用K型热电偶，满度显示“1023四位数字，表示1023。在显示“1023”时，相应的放大器输出为4V。查阅热电偶分度表可知K型热电偶在1000时的电势值为41.27mV，其标度变换就是通过调节前置放大器的放大倍数来解决的。数字仪表显示“1023”时，前置放大器提供4V电压，那么根据比例关系，如仪表显示“1000”则前置放大器需提供4000mV1000/1023=3910mV的电压。而此时热电偶产生的电势为41.27mV，则前置放大器的放大倍数K应该是3910/41.27=94.7，才能保证放大器的输出为3910mV，从而保证数字仪表显示正好要显示的温度值。,4.4数字式显示仪表,电流信号的标度变换I/V变换如图4-27所示。U=IR2,图4-27电流信号的标度变换,4.4数字式显示仪表,频率信号的标度变换数字仪表的输入信号为频率信号时(如涡轮流量计的输出)，可采用频率-电压转换器，将频率转换为电压；也可采用计数累积的方法来实现。由于频率计数的方法较容易实现，所以对频率信号的标度变换通常是在数字部分用乘系数的方法解决。,4.4数字式显示仪表,（2）数字量标度变换数字量的标度变换是在A/D转换之后，进入计数显示之前，通过乘以或除以，即补足或扣除脉冲数等方法来实现的，从而使被测物理量和显示数字值的单位统一。这种方法叫系数运算。系数运算的原理可以通过图4-28所示的“与”门电路来说明。从“与”门的真值表可知，只有当A、B两端均为高电平时输出F端才为高电平，因此控制A、B任一端的电平，就可以扣除进入计数器的脉冲数。图4-34所示的是每10个脉冲扣除了2个脉冲的情况，相当于乘以系数0.8。如某装置被测温度为1000，而经A/D转换器后输出1250个脉冲，如直接送给计数器显示，必然显示1250四位数字。如通过系数为0.8的乘法器，就可显示1000四位数，实现标度变换。,4.4数字式显示仪表,系数为0.8的乘法器原理图,图4-28系数运算的原理图,(3)集成数字运算器；CPU参与运算与判断，标度变换和非线性补偿可一体