第四章 显示仪表

1、化学工业出版社 显示仪表用途、作用显示仪表用途、作用 显示记录分类：模拟显示记录仪表、数字显示记录显示记录分类：模拟显示记录仪表、数字显示记录 仪表、计算机屏幕显示记录装置仪表、计算机屏幕显示记录装置 一、一、 模拟显示仪表模拟显示仪表 用物理模拟方法对被测信息实现显示的仪表用物理模拟方法对被测信息实现显示的仪表 第一节第一节 显示仪表的构成及基本原理显示仪表的构成及基本原理 1. 模拟显示仪表的基本构成形式模拟显示仪表的基本构成形式 一般模拟显示仪表对信号的变换是多级的，一般模拟显示仪表对信号的变换是多级的， 被被 测量测量x在转换为输出信号在转换为输出信号y(指针或记录笔的位移指针或记录笔

2、的位移)之之 前要经过一系列的中间变换。前要经过一系列的中间变换。 模拟显示仪表模拟显示仪表 模拟显示仪表模拟显示仪表 图（a） 串联式开环仪表； (b) 并联式开环仪表； (c) 闭环仪表 按模拟显示仪表的测量线路分：直接变换式仪表按模拟显示仪表的测量线路分：直接变换式仪表 和平衡式显示仪表两类。和平衡式显示仪表两类。 按显示特征分：指针式显示仪表和色带式指示仪按显示特征分：指针式显示仪表和色带式指示仪 表两类。表两类。 图图2 直接变换式仪表组成的检测系统直接变换式仪表组成的检测系统 动圈式显示仪表动圈式显示仪表 图图 动圈式仪表的测量机构动圈式仪表的测量机构 1永久磁铁；永久磁铁； 2、

3、 6张丝；张丝； 3软磁芯；软磁芯； 4热电偶；热电偶； 5动圈；动圈； 7刻度面板；刻度面板； 8指针指针 图图3 自动平衡式电子电位差计的闭环结构图自动平衡式电子电位差计的闭环结构图 优点：优点： 缺点：缺点： 图图4 模拟显示仪表的指示机构类型模拟显示仪表的指示机构类型 (a) 条型指示机构；条型指示机构； (b) 圆弧形刻度指示机构；圆弧形刻度指示机构； (c) 反光镜式刻度指示机构；反光镜式刻度指示机构； (d) 圆形指示机构；圆形指示机构； (e) 转鼓式指示机构；转鼓式指示机构； (f) 色带指示机构色带指示机构 二、数字显示仪表二、数字显示仪表 把被测参数连续变化的模拟量变换为

4、断续的数字量并把被测参数连续变化的模拟量变换为断续的数字量并 以以 数码形式显示的仪表数码形式显示的仪表 。 被测参数 前置放大A/D检测元件CPU 数字显示仪表 显示接口 电路 显示器 数字显示仪表的分类数字显示仪表的分类 数字显示仪表的分类方法很多，数字显示仪表的分类方法很多， 常见的有以下几种：常见的有以下几种： (1) 按照显示位数，按照显示位数， 可以分为位、位、可以分为位、位、 位、位、 位数字显示仪表等。位数字显示仪表等。 2 1 3 4 3 3 2 1 4 2 1 5 (2) 按照采样速率，按照采样速率， 可以分为低速型、可以分为低速型、 中速型和高速型数中速型和高速型数 字显

5、示仪表。字显示仪表。 低速型数字显示仪表的采样速率为零点几次每低速型数字显示仪表的采样速率为零点几次每 秒到几次每秒；秒到几次每秒； 中速型的为十几次每秒到几百次每秒；中速型的为十几次每秒到几百次每秒； 高高 速型的为几千次每秒以上。速型的为几千次每秒以上。 (3) 按照输入信号的形式，按照输入信号的形式， 可以分为电压型和频率型数可以分为电压型和频率型数 字显示仪表。字显示仪表。 前者的输入信号为电压或电流等形式的信号；前者的输入信号为电压或电流等形式的信号； 后者的输入信号为频率、后者的输入信号为频率、 脉冲或开关等形式的信号。脉冲或开关等形式的信号。 (4) 按照输入信号的点数，按照输入

6、信号的点数， 可以分为单点式和多点式数字可以分为单点式和多点式数字 显示仪表。显示仪表。 (5) 按照电路中的主要元器件，按照电路中的主要元器件， 可以分为电子管式、可以分为电子管式、 晶晶 体管式、体管式、 集成电路式和带微处理器式数字显示仪表等。集成电路式和带微处理器式数字显示仪表等。 (6) 按照显示器件，按照显示器件， 可以分为利用辉光管、可以分为利用辉光管、 荧光管、荧光管、 液液 晶、晶、 发光二极管、发光二极管、 等离子体等显示器进行显示的数字显示仪等离子体等显示器进行显示的数字显示仪 表等。表等。 (7) 按照仪表的功能，按照仪表的功能， 可以分为显示型、可以分为显示型、 显示

7、报警型、显示报警型、 显示调节型和巡回检测型数字显示仪表等。显示调节型和巡回检测型数字显示仪表等。 (8) 按照是否具有智能，按照是否具有智能， 可以分为常规和智能数字显示可以分为常规和智能数字显示 仪表。仪表。 数字显示仪表中由于没有磁电偏转机构、 伺服电机 等机械部分， 并且以数字形式直接显示测量结果， 因 此使得它具有了模拟显示仪表无法比拟的许多优点。 主要特点： (1) 准确度高。 一般通用的数字显示仪表要达到 0.05%的准确度是比较容易的。 而模拟显示仪表 要达到0.1%的准确度也是困难的。 2. 2 数字显示仪表的特点 (3) 无主观读数误差。 数字显示仪表以数字形式显 示测量结

8、果， 读数清晰、 客观。 (2) 分辨力高。 例如数字电压表的分辨力一般为10 V或1 V， 有的可达0.1 V。 (4) 测量速度快。 数字显示仪表的测量速度一般由 A/D转换器决定。 数字显示仪表可以对变化极快的 被测参数进行测量。 (5) 能够以数字形式输出结果。 (6)数字显示仪表线路简单，普遍采用中、 大规模 集成电路，可靠性好， 耐震性强。 (7)采用为数不多的、 功能分离的模块化电路 组合而成， 制造、 调试和维修方便。 三、屏幕显示仪表三、屏幕显示仪表 包括无纸记录仪、虚拟仪表和集散控制系统的显 示部分 多媒体 显示 数据计算 处理 输 入 通 道 输入通道插卡 实时数据 管理

9、 PC机 A/D 采样 开关 显示 模式 第二节第二节 模拟自动平衡式显示仪表模拟自动平衡式显示仪表 一、自动平衡式电子电位差计一、自动平衡式电子电位差计 1. 工作原理及构成工作原理及构成 自动平衡式电子电位差计和手动电位差计一样以天自动平衡式电子电位差计和手动电位差计一样以天 平称重的平衡法（也称为补偿法或零值法）来测量电平称重的平衡法（也称为补偿法或零值法）来测量电 势，它将被测电势与已知的标准电势进行比较，当二势，它将被测电势与已知的标准电势进行比较，当二 者的差值为零时，被测电势就等于已知的标准电势。者的差值为零时，被测电势就等于已知的标准电势。 .手动电位差计的原理线路手动电位差计

10、的原理线路 K1E RB I d a RP b Ex 21 G Es f 是标准电池；是标准电池； 是灵敏度较高的检流计；是灵敏度较高的检流计； 是标准电阻是标准电阻 ； 是带有滑触点的电阻；是带有滑触点的电阻； 是可调电阻；是可调电阻； 是直流电是直流电 源；源； 是单刀双掷开关；是单刀双掷开关； 是电源开关是电源开关 , 是被测电势是被测电势 S EG K R P RB R E K 1 K x E 工作过程工作过程 第一步调准工作电流第一步调准工作电流 :合上开关合上开关 ，把开关，把开关 扳向扳向 位置位置“1”，调节，调节 的大小，直到检流计的大小，直到检流计 指向零指向零 K S R

11、 E I B R 1 KK G 第二步对未知电势的测量第二步对未知电势的测量 : 把把 扳到位置扳到位置“2”，用手滑动，用手滑动 的触点，直到的触点，直到 检流计检流计 指向零指向零 K P R G Pab K S Pabx R R E IRE . 自动平衡式电子电位差计自动平衡式电子电位差计 自动平衡式电子电位差计可配接信号：自动平衡式电子电位差计可配接信号： 1、热电偶；、热电偶； 2、产生电势信号的变送器、产生电势信号的变送器 自动的电位差计的测量过程和手动电位差计类似自动的电位差计的测量过程和手动电位差计类似 。 自动平衡式电子电位差计组成框图自动平衡式电子电位差计组成框图 热电偶热

12、电偶 同步电机同步电机 可逆电机可逆电机 测量桥路测量桥路 放大器放大器 记录机构记录机构 指示机构指示机构 调节机构调节机构 2 .测量桥路的分析测量桥路的分析 自动电子电位差计的测量桥路有两条支路（分别称为自动电子电位差计的测量桥路有两条支路（分别称为 上支路和下支路），而手动电位差计的测量桥路只有上支路和下支路），而手动电位差计的测量桥路只有 一条支路一条支路 我国统一设计的我国统一设计的XW系列电子电位差计的上支路系列电子电位差计的上支路 电流为电流为4mA，下支路电流为，下支路电流为2mA P R 桥臂电阻桥臂电阻R2（冷端补偿电阻）（冷端补偿电阻） 限流电阻限流电阻R3 R4 起始

13、值电阻起始值电阻RG滑线电阻滑线电阻RP量程电阻量程电阻RM 2. 1测量桥路中各电阻的作用及要求测量桥路中各电阻的作用及要求 1) 桥臂电阻桥臂电阻R2 在配用热电偶测温时，在配用热电偶测温时， 桥臂电阻作为热电偶冷端桥臂电阻作为热电偶冷端 温度补偿电阻。温度补偿电阻。 现在常用的补偿电阻是用铜丝绕制，现在常用的补偿电阻是用铜丝绕制， 用符号用符号RCu表示。表示。 当配用当配用K分度热电偶时，分度热电偶时，RCu=5.33; 当配用当配用J分度热分度热 电偶时，电偶时， RCu=0.74 , 这些电阻皆为这些电阻皆为25时的阻值。时的阻值。 注意：注意： 若电子电位差计不是配热电偶使用，若

14、电子电位差计不是配热电偶使用， 则则R2 应为锰铜丝绕制。应为锰铜丝绕制。 2) 限流电阻限流电阻R3 R3是固定电阻，是固定电阻， 用锰铜丝绕制。用锰铜丝绕制。 它与它与R2配合，配合， 使下支路在使下支路在25时工作电流为时工作电流为2 mA。 3) 起始值电阻起始值电阻RG RG是决定仪表起始刻度值（下限）的锰铜电阻。是决定仪表起始刻度值（下限）的锰铜电阻。 它在不同下限的仪表中有不同值，它在不同下限的仪表中有不同值， 下限越高，下限越高， RG 越大。越大。 4) 限流电阻限流电阻R4 R4用锰铜丝绕制。用锰铜丝绕制。 它与它与RHB(RM、 RB和和RP三个电三个电 阻并联后的等效电

15、阻阻并联后的等效电阻)、 RG串联，串联， 使上支路回路电流使上支路回路电流 为为4 mA。 5) 滑线电阻滑线电阻RP RP是滑线电阻，除了要求装配牢靠外，是滑线电阻，除了要求装配牢靠外， 对耐磨对耐磨 性、性、 抗氧化性、抗氧化性、 接触的可靠性以及绝缘性能等方面接触的可靠性以及绝缘性能等方面 应有很高的要求，应有很高的要求， 尤其是对线性度的要求。尤其是对线性度的要求。 7) 量程电阻量程电阻RM RM是决定仪表量程大小的电阻，是决定仪表量程大小的电阻， 它的大小由仪它的大小由仪 表测量范围及所采用的分度号（当仪表与热电偶配套表测量范围及所采用的分度号（当仪表与热电偶配套 使用时）决定。

16、使用时）决定。 RM越大，越大， 与与RH、RP并联后的电阻就并联后的电阻就 越大，因而对应的仪表量程也越大；越大，因而对应的仪表量程也越大； 反之，反之， RM越小越小 ， 仪表量程就越小。仪表量程就越小。 电桥式自动平衡显示仪表电桥式自动平衡显示仪表(简称自动平衡电桥简称自动平衡电桥)将电将电 阻类敏感元件直接接入电桥的一个桥臂，以电桥平阻类敏感元件直接接入电桥的一个桥臂，以电桥平 衡的原理进行工作衡的原理进行工作 和自动平衡电子电位差计一样，变化的电势经放大和自动平衡电子电位差计一样，变化的电势经放大 器放大后驱动可逆电机，再带动可调电位器上的滑器放大后驱动可逆电机，再带动可调电位器上的

17、滑 动触点，直至输出电势为零，仪表到达平衡状态动触点，直至输出电势为零，仪表到达平衡状态 二、自动平衡电桥二、自动平衡电桥 1.自动平衡电桥的自动平衡电桥的工作原理工作原理 图图 自动平衡式直流电子平衡电桥原理图自动平衡式直流电子平衡电桥原理图 当被测温度为测温下限时， 热电阻Rt=Rt0， 滑动触点在a 点， 电桥平衡，输出u=0。 桥臂电阻应满足 (Rt0+R1+R6+RH)R3=(R2+R1)R4 （1-75） 当被测温度升高时， Rt的电阻值增加， 电桥失去平衡 ， 输出u0， 经放大器放大， 驱动伺服电机SM， 通过机械 传动机构带动滑动触点， 使之移到b处， 电桥重新平衡，这时 桥

18、臂电阻应满足 (Rt0+Rt+R1+R6+(1n)RH)R3=(R2+R1)(R4+nRH) (1-76) (RtnRH)R3=(R2+R1)nRH n-电桥滑动触点的位置 t R RRR R n 321 3 （1-77） 式(1-77)表明， 电桥滑动触点的位置n与热电阻阻值的变 化Rt成正比。 1. 普通数字式显示仪表普通数字式显示仪表 检测元件检测元件前置放大前置放大A/D标度变换标度变换数字显示数字显示 其它输出其它输出 形式形式 被测参数被测参数 第三节第三节 数字式显示仪表数字式显示仪表 数字显示仪表的模拟部分一般设有滤波器、数字显示仪表的模拟部分一般设有滤波器、 前置放大器前置放

19、大器 和模拟切换开关等环节。和模拟切换开关等环节。 数字显示仪表的数字部分一般由计数器、数字显示仪表的数字部分一般由计数器、 译码器、译码器、 时钟时钟 脉冲发生器、脉冲发生器、 显示驱动以及逻辑控制电路等组成。显示驱动以及逻辑控制电路等组成。 3 数字显示仪表的构成数字显示仪表的构成 数字显示仪表分为模拟和数字两大组成部分。数字显示仪表分为模拟和数字两大组成部分。 第三节第三节 数字式显示仪表数字式显示仪表 2. 智能式数字显示仪表智能式数字显示仪表 由于由于CPU的存在，使显示仪表的功能大大增加，性能也的存在，使显示仪表的功能大大增加，性能也 有较大的提高，主要有以下几点：有较大的提高，主

20、要有以下几点： 可用软件方式实现仪表的标度变换和非线性处理；可用软件方式实现仪表的标度变换和非线性处理； 可以和内部或外部存储设备相连，保存历史数据；可以和内部或外部存储设备相连，保存历史数据； 可方便地对仪表进行设定，如放大倍数的设定，不同检测可方便地对仪表进行设定，如放大倍数的设定，不同检测 元件的选择，显示形式和单位的切换等；元件的选择，显示形式和单位的切换等； 一般都具有通讯功能，可方便地与其它设备一起使用；与一般都具有通讯功能，可方便地与其它设备一起使用；与 计算机一起构成网络式或总线式测量系统；计算机一起构成网络式或总线式测量系统； 有些性能较好的仪表还具有故障的诊断；自校正等功能

21、。有些性能较好的仪表还具有故障的诊断；自校正等功能。 3. 双积分型双积分型A/D转换器转换器 间接比较型间接比较型A/D转换类型定义：即被测电压不是直转换类型定义：即被测电压不是直 接转换成数字量输出，而是先转变成一个中间量，然后接转换成数字量输出，而是先转变成一个中间量，然后 再将中间量转换成数字量，如时间间隔、频率等。再将中间量转换成数字量，如时间间隔、频率等。 双积分型双积分型A/D转换器转换器 间接比较型间接比较型A/D转换的优点：灵敏度较高、转换的优点：灵敏度较高、 干干 扰抑制能力强、扰抑制能力强、 造价低等造价低等. 缺点：转换速度较低，缺点：转换速度较低， 通常低于通常低于3

22、0次次/s。 应用应用:各类数字显示仪表和低速数据采集系统各类数字显示仪表和低速数据采集系统 中。中。 3.1 双积分型双积分型A/D转换器的工作原理转换器的工作原理 双积分型双积分型A/D转换电路首先要能够将模拟输入电压转换电路首先要能够将模拟输入电压 转换为时间间隔，后转变成数字量输出。转换为时间间隔，后转变成数字量输出。 输出数据常以输出数据常以BCD码或数码管七段码格式给出，码或数码管七段码格式给出， 以便与数字显示器件接口。以便与数字显示器件接口。 A/D转换原理转换原理 典型的双积分型典型的双积分型A/D转换电路的基本组成如图转换电路的基本组成如图5所所 示。示。 它的每一次转换通

23、常可以分为正向积分、它的每一次转换通常可以分为正向积分、 反向反向 积分和清零准备三个工作阶段。积分和清零准备三个工作阶段。 第一步：采样积分，对电容第一步：采样积分，对电容C充电，完成被测电压充电，完成被测电压Ui 到平均值的转换，获得电容的输出电压到平均值的转换，获得电容的输出电压UA； 第二步：完成被测电压平均值到时间间隔第二步：完成被测电压平均值到时间间隔T的转换的转换 ； 第三步：将时间间隔第三步：将时间间隔T整量化而成数字量整量化而成数字量N 。 图图5 双积分型双积分型A/D转换电路的基本组成转换电路的基本组成 图图6 积分器的输出电压波形积分器的输出电压波形 (a) Ui0时的

24、输出电压波形；时的输出电压波形； (b) Ui0时的输出电压波形时的输出电压波形 4、电压反馈逐次比较型、电压反馈逐次比较型A/D 属于直接比较型A/D转换类型，又叫逐次逼近反馈 编码型A/D转换，结构如下图： 4、反馈比较型、反馈比较型A/D 8421码：码：800、400、200、100；80、40、20 、10；8、4、2、1 方法：先放大的电压砝码，逐渐加砝码。方法：先放大的电压砝码，逐渐加砝码。 举例：举例：753 0111 0101 0011 大者弃、小者留、（相等也留）大者弃、小者留、（相等也留） 5 非线性补偿非线性补偿 1、非线性补偿种类：、非线性补偿种类： 硬件实现法（数字

25、显示表）硬件实现法（数字显示表） 软件实现法（屏幕式仪表）软件实现法（屏幕式仪表） 2、硬件非线性补偿：、硬件非线性补偿： 在在A/D之前：模拟式线性化之前：模拟式线性化 在在A/D之后：数字线性化之后：数字线性化 在在A/D之中：非线性化之中：非线性化A/D转换转换 6. 无纸记录仪无纸记录仪 微机 单元 CPU ROM RAM 显示及键盘 打印机等 A/D 或 F/D 采样 开关 输 入 信 号 第四节第四节 集散控制系统集散控制系统 一、概述一、概述 一个最基本的一个最基本的DCS应包括四个大的组成部分：现场控制站，应包括四个大的组成部分：现场控制站， 操作员站，工程师站和系统网络。操作员站，工程师站和系统网络。 - 现场控制站是现场控制站是DCS的核心，它实现对的核心，它实现对DCS现场信号的