《过程检测及仪表》-第6章 显示仪表

知识目标了解动圈式显示仪表的基本知识理解数字显示仪表的性能指标掌握自动电子电位差计、电子自动平衡电桥的工作原理以及与相应检测元件配套使用掌握ER180智能显示仪表使用的注意要点掌握XMZ系列数字显示仪表构成方法掌握无纸记录仪使用和系统维护方法返回能力目标能完成数字显示表的校验任务能完成无纸记录仪接线与操作任务返回6.1概述在工业生产中，不仅需要测量出生产过程中的各个参数量的大小，而且还要求把这些测量值进行指示、记录，或用字符、数字、图像等显示出来。这种作为显示被测参数测量值的仪表称为显示仪表。显示仪表直接接收检测元件、变送器或传感器的输出信号，然后经测量线路的显示装置，显示被测参数，以便提供生产所必需的数据，让操作者了解生产过程进行情况，更好地进行控制和生产管理。显示仪表按显示方式可分为模拟显示、数字显示、图像显示三大类。下一页返回6.1概述模拟显示仪表是利用指针(或记录笔)的线位移或角位移来模拟显示被测参数连续变化的仪表。这类仪表使用了磁电偏转机构或电机式伺服机构，因此，测量速度较慢，读数容易造成多值性。但它可靠，又能反映出被测参数的变化趋势，因此，目前工业生产中仍有一定的应用。数字显示仪表，是直接以数字形式显示被测参数量值大小的仪表。具有测量速度快、精度高、读数直观的特点。并且便于对所检测的参数进行数值控制和数字打印记录，也便于和计算机连接。为此这类仪表得到了迅速的发展，目前在工业生产中被广泛应用。上一页下一页返回6.1概述图像显示就是直接把工艺参数的变化量，以文字、数字、符号和图像的形式在屏幕上进行显示的仪器，是随着电子计算机的推广应用发展起来的一种新型显示设备。图像显示的是实质是属于数字式，具有模拟式与数字式显示仪表两种功能，并具有计算机大存储量的记忆能力与快速性功能，是现代计算机不可缺少的终端设备，常与计算机联用，作为计算机综合集中控制不可缺少的显示装置。上一页返回6.2动圈式显示仪表6.2.1动圈式显示仪表简介动圈式显示仪表是我国自行设计制造的系列仪表产品，命名为XC系列。XC系列按其功能有指示型(XCZ)和指示调节型(XCT)两个系列。动圈式显示仪表结构简单，使用方便，1.0级精度且价格便宜，因此在工业生产中，尤其是在中小型企业得到广泛应用。下一页返回6.2动圈式显示仪表6.2.2与热电偶配套的XCZ-101动圈式温度指示仪1.动圈式仪表测量机构的作用原理图6.1所示为与热电偶配套的XCZ-101动圈式温度指示仪。其测量机构的核心部件是一个磁电式毫伏计。动圈是具有绝缘层的细铜线制成的矩形框，用张丝支承(张丝还兼作导流丝)，置于永久磁钢的空间磁场中。当热电偶产生热电势，毫伏信号加在动圈上时便有电流流过动圈，根据载流线圈在磁场中受力的原理，动圈在电磁力矩的作用下产生转动。动圈的偏转使张丝扭转，从而产生反抗动圈转动的力矩。当两力矩平衡时，线圈就停在某一位置上。由于动圈的位置与输入毫伏信号相对应，当面板直接刻成温度标尺时，装在动圈上的指针就指示出被测介质的温度值。上一页下一页返回6.2动圈式显示仪表2.外接电阻及外接调整电阻为了使流过动圈的电流只与热电势或所测温度成正比，在动圈仪表进行刻度时，采用规定外线路电阻数值为定值的办法来解决这一问题。配热电偶的动圈表统一规定R外为15，此值标注在仪表表面上。所以，无论在刻度或使用时，外线电阻都应该保持这个数值。不是15的，应借助调整电阻(仪表附件，由猛铜丝绕成)来凑足15，利用调整电阻补足它的差值，然后按接线图将调整电阻接入测量回路中。上一页下一页返回6.2动圈式显示仪表6.2.3与热电阻配套的XCZ-102动圈式温度指示仪1.测量原理XCZ-102动圈式表头和XCZ-101动圈式表头是相似的。由于热电阻测温是将温度的变化转换成电阻的变化，故其测量电路采用不平衡电桥将电阻的变化转换成电压传给动圈测量机构。测量桥路的不平衡电桥(在5.3.1中已介绍)，实际仪表中采用两级硅稳压管的稳压电源代替电池供电。当热电阻Rt随温度变化时，电桥失去平衡，输出不等于零，此时电流流过动圈，在磁场的作用下动圈转动。与此同时，张丝产生反抗力矩，当两力矩平衡时，指针指示相应的温度。上一页下一页返回2.XCZ-102动圈式温度指示仪与热电阻的三线制连接法XCZ-102动圈式温度指示仪与热电阻采用三线制连接法。与XCZ-101动圈式指示仪相同，统一规定了外接电阻值。对三线制连接法规定外接导线电阻为5。使用时，若每根连接导线电阻不足5，用调整电阻补足。上一页返回6.2动圈式显示仪表6.3.1电子电位差计电子电位差计是利用测量电路所产生的输出电压来平衡未知的、待测的电势。1.电子自动电位差计的工作原理电子自动电位差计也是依据电压平衡原理而自动地进行测量的。它主要由测量桥路、放大器、可逆电机、指示记录机构以及滤波单元、稳压电源、调节机构等组成。其原理方框图如图6.2所示。下一页返回6.3自动平衡式显示仪表由热电偶输入的热电势经滤波后与测量桥路产生的已知直流电压相比较，所得差值电压(即不平衡电压)经过放大器放大，输出足以驱动可逆电机转动的功率(可逆电机转动或反转，决定于该差值的相位)，可逆电机通过传动系统带动指示记录机构。上一页下一页返回6.3自动平衡式显示仪表同时也带动测量桥路中滑线电阻上的滑动触点，改变滑动触点与滑线电阻的接触位置，直至测量桥路产生的上流电压与热电偶输入的热电势平衡为止。如果热电偶输入的热电势发生变化，则又产生新的不平衡电压，再经放大器而驱动可逆电机转动，再次改变滑动触点的位置，直至达到新的平衡点位置。而与滑动触点相连接的指示机构也沿着有分度的标尺移动，滑动触点的每一平衡位置在标尺上有相应的数值。因此，当桥路处于平衡状态时，指示机构的指针就在标尺上指出相应的温度读数，这就是电子自动电位差计的基本工作原理。上一页下一页返回6.3自动平衡式显示仪表2.电子电位差计的测量桥路电子电位差计在测量时，用以与被测电势进行比较的标准电压是利用测量桥路产生的。为什么要用桥路来提供这一标准电压呢?通过下述例子来回答这个问题。上一页下一页返回6.3自动平衡式显示仪表在图6.3所示的电路中，用1V的稳压电源作为工作电源，测量电路内的电流取I=4mA。如果被测电势是从零开始到某一数值，例如被测电势Er=0~40mV。根据电压平衡原理，当滑线电阻上的滑动触点A在左端位置时，UAB应等于被测电势Ex的最小值，即UAB=0。当滑线电阻上的滑动触点在右端位置时，UAB应等于Ex的最大值，即UAB=40mV。所以滑线电阻值应满足RP=Er/I=40mV/4mA=10。为了固定电路工作电流I=4mA，在电路中应保证回路电阻RP+R4=1V/4mA=250，因此滑线电阻应串接一个240的限流电阻R4。上一页下一页返回6.3自动平衡式显示仪表如果被测电势Ex的最小值不是从零开始，例如要求测量的Ex=10~50mV。当滑线电阻上的滑动触点A在左端位置时(UAB=0)，是不能与被测电势Ex的最小值(=l0mV)相平衡的。为了解决这一矛盾，可在电路中增加一个附加电阻RG，如图6.4所示，并应使IRG=l0mV，所以RG=10mV/4mA=2.5。因为被测电势的变化量Ex=50-10=40mV，因此要求滑线电阻的滑动触点从左端位置移到右端位置时的电压变化量UAB与其相等，即UAB=IRP=40mV，则RP仍然是10。所以改变RG的电阻值，就可以改变仪表的起始值。此外，为了仍然保持工作电流I=4mA，限流电阻R4应为R4=250-(RG+RP)=237.5。上一页下一页返回6.3自动平衡式显示仪表如果被测电势是从负值开始，例如要求测量的Ex=-10~+40mV，要想依靠上述的简单回路是没有办法进行测量的。为此又增加一条支路，如图6.5所示，即增加由电阻R2和R3所组成的支路。通常把RG、RP、R4所构成的回路称为上支路。一般流过上支路的工作电流I1规定为4mA。流过下支路的电流I2规定为2mA。整个桥路的工作电流为6mA。为什么增加了下支路回路以后，就可实现-10~+40mV的测量呢?根据图6.5所示的线路，运用基尔霍夫第二定律可得：UAB=UAC-UBC

上一页下一页返回6.3自动平衡式显示仪表当UBD>UCD时，UAB下限值为正值；当UBD<UCD时，UAB下限值为负值。所以，当加上由电阻R2与R3构成的下支路以后，测量桥路提供了既能正向也能负向的标准电压与被测电势相平衡，即可测量-10~+10mV的直流电势，就是说它解决了双向测量的问题。只要配制各个桥路电阻的不同数值，就可适应各种不同量程的要求，以便组织成批生产，这就是电子电位差计采用测量桥路的根本原因。上一页下一页返回6.3自动平衡式显示仪表电子电位差计与热电偶配合测量温度时，也同样存在热电偶自由端温度的变化，照例也会使热电势变化，从而产生测量误差。但是由于下支路中的R2是铜丝绕制的铜电阻(桥路其他电阻全部为锰铜电阻)，因而热电偶自由端的温度补偿可以十分方便地自动进行。例如用镍铬镍硅热电偶测量温度时，若其工作端温度不变，而自由端温度从0℃升高到25℃，这时，如果没有温度补偿电阻R2，热电势将降低1mV，因而仪表指针就要向左移动，示值就会偏低。现在由于铜电阻R2是随温度变化而变化的电阻，当它和热电偶自由端处于相同温度(也是25℃)时，R2的电阻值将增大R2(=0.5)。上一页下一页返回6.3自动平衡式显示仪表所以铜电阻R2上的电压降Ugc也要增UAB（=R2·I2=0.52mA=1mV)，故电压UAB(=UAC-U’BC，因为U’BC=UBC+UBC，所以UAB=UAC-UBC-UBC=UAC-UBC-1mV)则要减少1mV，正好与热电偶的热电势平衡。这时滑动触点A仍旧停留在原来的位置上，仪表指针就可保持不动，因而指示值就不会偏低。这样就起到了热电偶自由端温度自动补偿的作用。我国统一设计的XW系列电子电位差计的桥路原理线路如图6.6所示。测量桥路由定电压单元供给1V的工作电压。现在我们进一步分析桥路中各电阻的作用。上一页下一页返回6.3自动平衡式显示仪表桥臂电阻R2：如前所述，当与热电偶配合测量温度时，它是热电偶自由端温度：的补偿电阻。R2由铜线用双线无感绕法绕制而成，经老化处理后安装在仪表后板上，使其与热电偶自由端处于同一温度。设计时，当环境温度改变所引起R2上的电压降变化正好等于相应热电偶自由端温度发生同一变化而引起的热电势变化值，这样就可达到自由端温度自动补偿的目的。电阻R3：R3是一个线绕固定电阻，它起限流作用。它与R2配合，保证了下支路回路的工作电流为2mA。由于铜电阻R2的阻值随温度而变化，所以，下支路回路的工作电流实际上并不恒为2mA，只是R2R3，由R2所引起的下支路电流变化甚微，可以忽略不计。上一页下一页返回6.3自动平衡式显示仪表滑线电阻RP：RP是测量系统中一个很重要的元件，它对精度、灵敏度、刻度特性、运行的平滑性等方面都有很高的要求，尤其是滑线电阻的线性度，在0.5级的仪表中，希望能把非线性误差控制在0.2%以内。由于工艺上的原因，RP很难绕得十分精确，其数值也不便增减。为此，用电阻RB(称为工艺电阻)与它并联，使并联后的总阻值为一固定的电阻值(等于90)。这样把两个电阻作为一个整体来考虑，以便于计算，更便于统一规格和成批生产。上一页下一页返回6.3自动平衡式显示仪表R’P为附加滑线电阻，它与滑线电阻RP平行布置。由图6.6可知，这电阻实际上是短接的，它只是起着引出导线的作用。当用滚子作滑触点时，它与RP可以形成轨道，便于滚子滚动。此外，因R’P与RP由相同的材料制成，有利于滑触点与滑线电阻之间接触电势的相互抵消。上一页下一页返回6.3自动平衡式显示仪表量程电阻RM：它是决定仪表电量程大小的电阻，其大小由仪表测量范围与所采用热电偶的分度号来决定。电阻RM与滑线电阻相并联，当RM越大，它从上支路回路工作电流I1中所分流出的IM越小，仪表的量程就越大。反之，RM越小，其量程也越小。这样，在RP与RB的并联值固定不变的情况下，就可非常方便地制作不同量程的仪表。为了便于仪表量程的微调，RM是由R’M与rM串联而成，只要调整rM的阻值，即可方便地微调仪表量程。调校时，若增大rM，则仪表指针向起始方向偏移。上一页下一页返回6.3自动平衡式显示仪表起始电阻RG：是决定仪表起始刻度值的电阻。在不同规格的仪表中，可选取不同的阻值来确定仪表指针在起始端位置的示值。前已分析，RG越大，仪表的起始值也越大。一般在桥路中，起始值电阻RG是由R’G和rG两部分串联而成。rG可作微调，这样既便于调整，又能降低对电阻R’G的精度要求。若增大rG，则仪表指针向起始点方向偏移。上支路限流电阻R4：它与Rnp(即RP

，RB和RM三个电阻并联后的等效电阻)、RG相串联，以使上支路回路的电流为4mA。所以，当Rnp和RG的数值确定，R4的数值就被确定了。上一页下一页返回6.3自动平衡式显示仪表3.电子电位差计中的晶体管放大器在电子电位差计中，晶体管放大器的作用是把来自测量桥路的微弱偏差信号(即被测电势与桥路产生的标准电压UAB进行比较后的差值，一般为数十微伏)放大到足以推动可逆电机旋转的程度，以带动测量桥路中滑线电阻RP上的滑动触点移动，改变测量桥路的UAB；值，使它与被测电势相互补偿，从而达到自动测量的目的。上一页下一页返回6.3自动平衡式显示仪表4.电子电位差计中的机械传动机构自动平衡式显示仪表是一种机电式仪表，被测信号是通过滑线电阻止滑点的平衡位置来显示记录的。因此，除了测量电路、放大器等电气组件外，机械传动机构也是仪表的重要组成部分。自动平衡式显示仪表的机械传动机构主要包括平衡机构、走纸机构和间歇打印机构等部分。上一页下一页返回6.3自动平衡式显示仪表(1)平衡机构平衡机构如图6.7所示，由可逆电机、传动齿轮、拉线轮、指示记录机构和滑线电阻组成。测量电路输出的不平衡电压经放大器放大后驱动可逆电动机1转动，通过齿轮传动机构2及拉线轮3，带动指针与记录笔6移动，从而指示出被测温度值，记录笔在记录纸7上画出温度变化曲线。拉线轮3转动的同时，也带动滑线电阻13上的滑动触点12移动，使整个系统趋于新的平衡位置。上一页下一页返回6.3自动平衡式显示仪表平衡机构中的可逆电动机，能根据控制电压的极性以不同的转速正、反旋转。在自动平衡式显示仪表中，应用较多的是VD-D型低电压可逆电动机。在可逆电机的输出轴上装有摩擦离合器，当仪表指示记录机构在极限位置卡住时，可逆电机仍能打滑运转，以保护可逆电机的减速箱。上一页下一页返回6.3自动平衡式显示仪表(2)走纸机构走纸机构由卷纸部件、齿轮变速器及同步电机组成，如图6.7(b)所示，记录纸的移动是由储纸筒11到卷纸筒8、收纸筒10进行的。记录纸两边打有间隔均匀的小孔。在走纸同步电机带动下，卷纸筒匀速转动，其上齿尖拨动记录纸上的纸孔，使记录纸恒速移动，从而使记录笔画出温度随时间变化的曲线。上一页下一页返回6.3自动平衡式显示仪表在记录纸的传送过程中，为了防止记录纸的松脱，在设计时使收纸速度大于走纸速度。为了避免记录纸的撕裂，在收纸筒的轴上装有摩擦离合器，当超过一定的力时，摩擦片滑动，既保证了记录纸不会松脱，又不会把记录纸撕裂。走纸速度的调节是通过齿轮变速器来实现的。通常只要经过适当的齿轮排列变换，就能较方便地得到两种以上的走纸速度，以满足不同的要求。上一页下一页返回6.3自动平衡式显示仪表6.3.2电子自动平衡电桥电子自动平衡电桥可与热电阻配套来测量温度。它与电子电位差计一样，也是用来显示和记录温度的仪表。若与变送器相配，也可用来测量和记录其他参数。电子自动平衡电桥是由测量桥路、放大器、可逆电机、同步电机等主要部分所组成，其方框原理如图6.8所示。上一页下一页返回6.3自动平衡式显示仪表电子自动平衡电桥与电子电位差计相比较，除测温元件及测量桥路外，其他组成部分几乎是完全相同，甚至整个仪表外壳、内部结构以及大部分零部件都是通用的。因此在工业上通常把电子电位差计和电子平衡电桥统称为自动平衡显示仪表。下面仅就测量桥路的工作原理和仪表调整作些简单的介绍。上一页下一页返回6.3自动平衡式显示仪表6.3自动平衡式显示仪表1.平衡电桥现在来看看这样一个平衡电桥，如图6.9所示。图中Rt为热电阻，它与R2、R3、R4、RP组成一个电桥，电源电压为E0。G为接在对角线AB上的检流计。RP是带有刻度数值的滑线电阻。当温度在量程下限时，R1有最小值Rt0，滑动触点应在RP的左端，此时电桥的平衡条件是：R3(Rt0+RP)=R2R4(6-1)温度升高后的平衡条件是：R3(Rt0+Rt+RP-r1)=R2(R4+r1)(6-2)式中Rt——与温度升高相对应的电阻变化量。上一页下一页返回将式(6-2)减去式(6-1)便得：所以

(6-3)由式(6-3)可知，滑动触点A的位移与热电阻的变化量呈线性关系。这样，在测温范围内，当电桥达到平衡时，每一个热电阻的Rt值，都有一个与其相应的滑动触点A的位置，若对应触点A的位置标以温度，就可指示出对应Rt时的被测温度。上一页下一页返回6.3自动平衡式显示仪表如果将图6.9中检流计换成放大器，利用放大器所放大的不平衡电压去驱动可逆电机，再把可逆电机的转动经一套机械传动机构去带动滑动触点A，以达到输入放大器的不平衡电压为零，这样就构成了自动平衡电桥，如图6.10所示。上一页下一页返回6.3自动平衡式显示仪表2.电子自动平衡电桥电子自动平衡电桥和电子自动电位差计相似，其桥路的滑线电阻Rnp实际上也是由四个元件所组成(RP、RB、R5、r5)，如图6.11所示。RP与RB并联后的电阻也规定为90，R5和r5为调整仪表量程的电阻，R6为调整仪表起始点刻度的电阻，r6作刻度微调用，R1为外线路调整电阻，以保证连接热电阻的每根铜导线的电阻为规定值(20℃时为2.5)。上一页下一页返回6.3自动平衡式显示仪表由图6.10和图6.11可知，当被测温度升高时，Rt阻值增大，桥路失去平衡，这一不平衡电压由电桥的对角线引至电子放大器进行放大，推动可逆电机，使它带着滑线电阻上的滑动触点A移动，以改变上支路两个桥臂电阻的阻值比例，最后使桥路达到新的平衡状态。与此同时，固定在滑动触点A上的指针和记录笔分别在温度标尺和由同步电机带动的记录纸上指示和记录出相应的温度值。当被测温度为仪表起始刻度的数值时，热电阻有最小的电阻值，指针应指在仪表刻度的起始位置上；当温度升至仪表刻度的最大值时，热电阻的阻值也增大，滑动触点应移向Rnp的终点。上一页下一页返回6.3自动平衡式显示仪表桥路上下支路的电流一般分别为3mA，共6mA。桥路电源电压一般为1V稳压电源(XQ系列仪表)或6.3V交流电压(XD系列仪表)。当用交流电做桥路电源时，在电源回路中则串入R7用以限流，以保证流过热电阻的电流不超过允许值。上一页下一页返回6.3自动平衡式显示仪表3.电子自动平衡电桥的调整电子自动平衡电桥的调整和电子电位差计的调整有显著的不同。(1)当R6(r6)增大时，指针将向刻度的终点移动，它对各刻度的影响是相同的，即在各刻度点处都向左移，如图6.12所示。(2)当R5(r5)增大，指针向刻度的中间位置移动。距刻度中点越远，受这种变化的影响越大，如图6.12所示。上一页下一页返回6.3自动平衡式显示仪表4.电子自动平衡电桥与热电阻的连接电子自动平衡电桥与热电阻的连接采用三线制接法。导线电阻一般规定为2.5。由于它是利用平衡电桥的原理工作的，即电源电压波动对桥路平衡无影响，所以与电源相接的那根导线电阻变化可以不予考虑。上一页下一页返回6.3自动平衡式显示仪表6.3.3ER180显示仪ER180系列仪表是模拟显示仪表的一种，以集成电路为主要放大元件，采用伺服电机自动平衡式显示仪表，有效记录宽度为180mm。ER180系列仪表的输入信号为直流毫伏或毫安级电流、热电偶、热电阻或标准统一信号。可以直接配用热电偶、热电阻进行温度指示记录，也可以与多种变送器配合，完成各种生产过程变量的指示记录。仪表还可配有微动报警开关、发讯滑线电阻等附加装置，可内设报警单元和控制单元。上一页下一页返回6.3自动平衡式显示仪表ER180系列仪表中，ER181，ER182，ER183为笔试记录仪，采用便于使用的可更换的纤维笔，分别为单笔、双笔和三笔记录仪；ER184，ER185，ER186，ER187和ER188为打点记录仪，可以对被测得多个检测点进行间断打点记录，主要用于温度记录，分别为双点、三点、六点、十二点和二十四点记录仪。上一页下一页返回6.3自动平衡式显示仪表1.ER180显示仪表的组成原理ER180系列仪表组成原理方框图如图6.13。被测信号先进入直流放大器进行放大，检测桥路与滤波电路放在直流信号，再进行大信号斩波，完成相敏功率放大，推动可逆电机正、反转。与传统的自动平衡显示仪表一样，可逆电机转动时，一方面带动滑线电阻的滑动触点使仪表在新的位置平衡，同时也带动指针和记录笔(或打印架)进行指示和记录。上一页下一页返回6.3自动平衡式显示仪表2.输入检测单元(1)毫伏输入检测单元检测单元式仪表的核心部分，将输入信号经运算放大器放大，提供足够的放大倍数。毫伏输入检测单元由前置放大电路、平衡电桥与缓冲放大电路、有源滤波电路和正、反迁移电路组成。毫伏输入检测单元简化等效电路如图6.14所示。若输入Ui时电桥达到平衡，U1=0，电机不转；当输入发生变化Ui则检测电路输入一个不平衡电压。由于Ui负端输入，Ui>0时，U1>0，输入正电压信号，经伺服放大，驱动可逆电机正转，使仪表指针向终端方向移动，使E1增大，仪表重新平衡，指针指示检测值。反之亦然。上一页下一页返回6.3自动平衡式显示仪表(2)热电偶输入的检测单元由于热电偶冷端温度的变化，将使外电路热电势产生误差。在ER180系列仪表中，冷端温度补偿使冷端校正为0℃，即补偿电压为E(t0，0)。并且冷端温度补偿不是采用铜电阻，而且利用晶体三极管的Ube随温度变化的特性实现的。根据晶体三极管的温度特性和配用热电偶的热电特性，合理选配电阻参数，使得E(t0，0)=Ube，则可实现冷端温度的自动补偿。上一页下一页返回6.3自动平衡式显示仪表在ER180仪表中还设置了断偶保护电路。若热电偶断路，由于没有检测信号输入，仪表指针将停留在断偶前的位置。为了方便的判断是否断偶，加设了断偶保护电路，如图6.15所示。在输入端P1通过一个高阻值电阻R226。(R226在33M以上)，与正电源(BD)或负电源(BV)接通。在未断偶前，由于R226远远大于热电偶本身电阻，电源电压在P1上的分压接近于零，对仪表检测影响极小，一般在允许误差范围之内。当发生断偶，若与BD连接时，则仪表必指示始端极限；如切换至BV，仪表则将很快的指示终端极限，从而实现了判别断偶的简便方法，同时也起到保护设备的作用。上一页下一页返回6.3自动平衡式显示仪表(3)热电阻输入检测单元热电阻输入检测单元电路与电子平衡电桥原理不同，是由检测单元提供1mA的恒流源，流过热电阻，转换成电压信号作为放大器的输入。因此，测量单元电路除具有与毫伏输入相同的基本电路外，还附加了恒流源电路和导线电阻补偿电路。①恒流源及线性化电路。如图6.16所示，IC202是一只双运算放大器，其中一只与VD201，R245，R216，R241和R242组成恒流源。VD201电流即流过R216的电流，使根据1/2IC202的UF=Ur和它们与基准电压UZ的分压，得出合理选配电阻，使I=1mA。上一页下一页返回6.3自动平衡式显示仪表②导线电阻补偿电路。为消除导线电阻对测温的影响，采用三线制接法。连接原理和简化补偿电路如图6.17所示。Ui=IRf+2Ir进入放大器IC201反相端，补偿电路取Ir进入IC203同相端，则

(6-4)UW引入反馈电路，与UP叠加进入IC201同相端。只要使UW在G处分压UG=2Ir，即可实现补偿，消除环境温度变化对测温的影响。上一页下一页返回6.3自动平衡式显示仪表3.伺服放大单元伺服放大单元主要由相敏功率放大器和过载保护电路组成。原理线路如图6.18所示。(1)相敏功率放大器相敏功率放大电路由IC1电压放大器，VD1，VD2互补对称功率放大器和VT3变流电路组成，实现相敏功率放大和功率驱动。上一页下一页返回6.3自动平衡式显示仪表检测单元输出加到IC1同相端和反相端，在同相端连接一个起开关作用的场效管VT3，VT3的栅极通过R6、R2

、VD16连接到变压器Tr的次级，次级电压E经VD16削波，使栅极得到一矩形脉冲电压Ed。该电压使源、漏极之间交替呈饱和导通和截止状态，使IC1实现分相和电压放大作用。输出经推挽功率放大管VT1、VT2功率放大驱动可逆电机。上一页下一页返回6.3自动平衡式显示仪表(2)过载保护电路为了防止仪表过载，伺服放大单元设置了过载保护电路。过载保护电路由运算放大器IC2，晶体管VT5、VT6、VT7，二极管VD24、VD25、VD26、VD27等组成。+11V和-11V电压经R11，R7，R10分压在R7上产生电位差UR7；滑线电阻满度与中心触头E1之间的电压为UP1；+11V和-11V电压经R9、R4、R8分压在R4上产生电位差UR4；滑线电阻零位与中心触头E1之间的电压UP2。当输入信号Ui未过载式，则有|UR7|<|UP1|,|UR4|<|UP2|；比较器IC2的同相端均为负电位，则输出均为-10V，二极管VD22，VD23处于反向截止状态，晶体管VT5导通，VT6，VT7截止，不影响功率放大级VT1，VT2的输入信号。上一页下一页返回6.3自动平衡式显示仪表当输入信号Ui过载时，如超过满度时，则有|UR7|>|UP1|,|UR4|<|UP2|；若低于零位，则有|UR7|<|UP1|,|UR4|>|UP2|。这两种情况均使比较器IC2的同端为正电位，输出均为+10V，二极管VD22

，VD23处于正向导通状态，晶体管VT5截止，VT7导通；-11V电压经R5向VT6基极供负电压，使VT5导通。功率放大级输出正半周时，通过VD26，VD27

，VT7限幅在+3V；输出负半周时，通过VD24

，VD25，VT6限幅在-3V，从而防止了仪表过载。上一页返回6.3自动平衡式显示仪表模拟式显示仪表中的信号都是随时间连续变化的模拟量，如用热电偶测温度，热电势是连续变化的模拟量。其中的测量电桥、放大器等都是模拟电路，与其相应的显示方式是标尺、指针、记录笔曲线等。而数字式显示仪表也是先用变送器或传感器将待测变量如压力、物位、流量、温度等转换成相应的物理量，一般为电信号，再经模/数转换(简称A/D转换)成数字信号，由数字电路处理后直接以数字形式显示被测结果。下一页返回6.4数字式显示仪表6.4.1数字式显示仪表的主要技术指标1.显示位数数字仪表以十进制显示的位数称为显示位数。工业上常用三位、四位，高精度的数字仪表目前可达11/2位。上一页下一页返回6.4数字式显示仪表2.精确度数字显示仪表的精度表示法有三种：①满度的a%n字；②读数的a%n字；③读数的a%满度的b%。系数a是由仪表中的内附基准电压源和测量线路的传递系数不稳定所决定的；系数b是由放大器的零点漂移、热电势和量化误差等引起的；系数n显示读数最末一位数字变化，一般n=1。这是由于把模拟量分离成数字量的过程中至少要产生1个量化单位的误差，它和被测量的大小无关。显然，数字表的位数越多，这种量化所造成的相对误差就越小。上一页下一页返回6.4数字式显示仪表3.分辨力和分辨率分辨力是指数字仪表在最低量程上最末位数字改变一个字时所对应的物理量数值，它表示了仪表能够检测到的被测量中最小变化的能力。数字仪表能稳定显示的位数越多，则分辨力越高。但是，数字显示仪表的分辨力高低应与其精度相适应。仪表的精度较高，而分辨力不够，则其精度不真实；反之，若仪表的精度较低而分辨力过高，那么会将较高的分辨力白白浪费掉。分辨率是指数字仪表显示的最小数和最大数的比值。上一页下一页返回6.4数字式显示仪表例如一台四位数字仪表，其最小显示是0001，最大显示是9999，它的分辨率就是9999分之1，即约为万分之一或0.01%。显然把分辨率与最低量程相乘即可得分辨力。例如一台数字电压表的分辨率是0.01%，最低量程电压是100mV，则其分辨力就是10uV。又如一台0℃~999.9℃的数字温度仪表，分辨率约为0.01%，则分辨力约为0.01%*999.9℃=0.1℃。上一页下一页返回6.4数字式显示仪表4.输入阻抗它一般指仪表工作状态下，在仪表两个输入端之间所呈现的等效阻抗。但也要考虑非工作状态下的输入阻抗，因为对于采用电压串联负反馈提高输入阻抗的仪表，非工作状态下比工作状态下的输入阻抗小。数字仪表是一种高输入阻抗的仪表，输入阻抗高达1012。上一页下一页返回6.4数字式显示仪表5.干扰抑制比干扰抑制比是表示数字仪表的抗干扰能力。干扰分为串模干扰和共模干扰，对串模干扰的抑制能力用串模抑制比(SMR)表示：式中en——串模干扰电压的峰值；

r——en所造成的最大显示绝对误差。上一页下一页返回6.4数字式显示仪表对共模干扰的抑制能力用共模抑制比(CMR)表示：式中ec——共模干扰电压；

ec’——ec引起的串模干扰电压。SMR和CMR以分贝(dB)为单位，数值越大，表明数字仪表的抗干扰能力越好。一般直流电压型数字仪表的串模干扰抑制比为20~60dB；共模抑制比为120~160dB。上一页下一页返回6.4数字式显示仪表6.采样周期数据采集系统将所有信号采样一遍所需的时间称为采样周期。从测量失真度考虑，采样周期越短越好，但是仪表采样周期的缩短受到了抗干扰性、模/数转换器速度和器件成本的限制。由于工业测量参数的变化通常是缓慢的，所以一般几百毫秒的采样周期就能满足绝大多数工业场合的需要。上一页下一页返回6.4数字式显示仪表7.示值波动性示值波动性指标在模拟显示仪表中并不突出，但在数字显示仪表中则相当重要。仪表示值的波动会直接影响测量的精确度，严重时会无法读数。通常，数字仪表示值波动性指标为1字，即允许仪表在测量值不变时，其最末位数按计数顺序(增或减)作1字波动。但任何间隔跳动都是不允许的，如从1不经过2直接到3。上一页下一页返回6.4数字式显示仪表6.4.2数字显示仪表的组成1.数字显示仪表的分类数字式显示仪表的分类方法较多，按输入信号的形式来分，有电压型和频率型两类。电压型的输入信号是电压或电流；频率型的输入信号是频率、脉冲及开关信号。按测量信号的点数来分，分为单点和多点两种。在单点和多点中，根据仪表所具有的功能，又分为数字显示仪、数字显示报警仪、数字显示输出仪、数字显示记录仪以及具有复合功能的数字显示、报警、数字输出记录仪等。上一页下一页返回6.4数字式显示仪表2.数字显示仪表的组成数字式显示仪表直接用数字量显示被测量值，所以首先要把连续变化的模拟量变换成数字量，完成这一功能的装置称为模/数转换装置。如果输入信号是数字量，则直接进行计数显示。在工业生产过程中，大量的工艺参数(如压力、流量、物位及温度等)，经变送器变换后，多数是转换成相应的模拟信号。因此对数字显示仪表所要求的模/数转换装置，一般都以电压信号为其输入量，由此可见数字式显示仪表实际上是以数字式电压表为主体组成的仪表，下面以此类型仪表加以介绍。上一页下一页返回6.4数字式显示仪表在实际测量中，大多数被测参数与显示值之间呈非线性关系，例如常用的热电偶。这种非线性关系，对于模拟式仪表，可以将标尺刻度按对应的非线性划分。但是，在数字式显示仪表中，由于经模/数转换后直接显示被测变量的数值，为了消除非线性误差，必须在仪表中加人线性化器进行非线性补偿。数字式显示仪表还必须设置一个标度变换环节，才能将数字式显示仪表的显示值和被测变量统一起来。由此可见，一台数字式显示仪表一般由模/数转换、非线性补偿、标度变换及数字显示等组成。上一页下一页返回6.4数字式显示仪表6.4.3基本工作原理1.模/数转换模/数转换是数字显示仪表的重要组成部分。模/数转换的任务是使连续变化的模拟量转换成与其成比例的、持续变化的数字量，便于进行数字显示。要完成这一任务必须用一定的计量单位使连续量整量化，才能得到近似的数字量。计量单位越小，整量化的误差也就越小，数字量就越接近连续量本身的值。模/数转换技术就是讨论如何使连续量整量化的方法。模/数转换的过程可用图6.19来说明，图(a)是模拟式仪表的指针读数与输入电压的关系；图(b)表示将这种关系进行了整量化，即可用折线代替了图(a)中的直线。显然，分割的阶梯(即一个量化单位)越小，转换精度就越高。上一页下一页返回6.4数字式显示仪表使模拟量整量化的方法很多，目前常用的有以下三大类：①时间间隔数字转换(T-D转换)。②电压数字转换(U-D转换)。③机械量(直线位移和角度等)—数字转换。实际上，经常是先把非电量的待测变量用变送器或传感器转换成电压，然后再将此模拟电压信号转换成数字信号。U-D转换的方法也很多，这里仅介绍两种：双积分型和逐次比较电压反馈编码型。上一页下一页返回6.4数字式显示仪表(1)双积分型如图6.20，这是一种将被测电压信号转换成时间，再把时间转换成脉冲数字的电路。每次转换分三个阶段。第一阶段为采样阶段。被测输入信号Ui经前置放大器放大后，通过模拟电子开关SW1对积分电容C1充电。充电时间固定为100ms，信号越大，C1上的充电电压就越高。100ms是由A/D逻辑控制电路控制的。当该电路同时收到100kC时钟脉冲和采样时间控制脉冲时，便发出启动脉冲(清零脉冲)信号，一方面去闭合SW1，切断SW2和SW3，另一方面启动二—十进制计数器计数。当计满10000个脉冲，100m时计数器便回零并发出溢出脉冲，于是转换进入第二阶段，即比较阶段。上一页下一页返回6.4数字式显示仪表它通过A/D逻辑控制电路，切断开关SW2，接通SW2，同时二—十进制计数器继续从0开始计数。此时积分器与基准电压E相连，它的极性与前置放大器输出极性相反，因而积分电容向基准电源放电。放电时间决定于第一阶段时的充电电压，也即决定于输入电压。在放电过程中，过零鉴别器输出的是高电平，当放到电压为。的瞬间，鉴别器便发出过零信号，于是转换进入第三阶段即休止阶段。它通过A/D逻辑控制电路，一方面去切断SW2，闭合SW3，使积分器自身闭环，另一方面关闭钟脉冲控制门，使二一十进制计数器停止计数。与此同时，二一十进制计数器将所得的计数脉冲通过译码器、数字显示器显示与输入信号相对应的数字。上一页下一页返回6.4数字式显示仪表(2)逐次比较电压反馈编码型逐次比较型模/数转换器的基本原理在于“比较”，用一套标准电压与被测电压时行逐次比较，不断逼近，最后达到一致。标准电压的大小，就表示了模拟/数字的转换过程。下面用天平称物的例子来说明这一比较过程。有一台天平，它的砝码是前面一个砝码质量的二分之一，相互之间可以看成是二进制的关系。假设被测物体的质量是3.5627mg，可按下述步骤来称。上一页下一页返回6.4数字式显示仪表第一步：因为预先不知道所称物体质量的大小，所以把最大的砝码2mg放在右盘上，与放在左盘的物体质量相比较，发现砝码不够，于是把2mg砝码保留在右盘上，记为“1”。第二步：再加1mg砝码比较，仍未超过其质量，保留两个砝码，记为“11”。第三步：再加0.5mg砝码比较，也未超过其质量，保留这三个砝码，记为“111”。第四步：再加0.25mg砝码比较，已超过其质量，取下0.25mg砝码，记为“1110”。上一页下一页返回6.4数字式显示仪表第五步：再加0.125mg砝码比较，又超过其质量，取下0.125mg砝码，记为“11100”。第六步：再加0.0625砝码，记为“111001”。这样六个步骤之后，所有的砝码都试过了，物体的称量完毕。用二进制来表示的这个物体的质量，就是“111001”。若用十进制数来表这个物体的质量，只需将保留在天平右边盘上的所有砝码加起来，就是被称物体按十进制表示的物体质量，即：

2+1+0.5+0.0625=3.5625(mg)上一页下一页返回6.4数字式显示仪表这次称量所得结果与物体的实际质量相差为3.5267一3.5625=0.0002(mg)，这就是误差。如果我们还有更小的砝码(如0.0312mg，0.0156mg，…)，就可继续称下去。砝码越多，其误差越小。当然，当天平刀口的灵敏度判别不出来时，再称下去也就没有意义了。把上述想法用在测量一个电压时，就可以把电压值转换成二进制数。设有一套标准电压砝码，分别为800mV，400mV，200mV，100mV，80mV，40mV，20mV，10mV，8mV，4mV，2mV，lmV。每组砝码中，相邻两个电压砝码也是二进制数的关系。上一页下一页返回6.4数字式显示仪表现在利用这套电压砝码来测一个501mV的电压，并转换成二进制数码。第一步：先用最大电压砝码800mV与501mV比较，结果800mV>501mV，把800mV砝码去掉，记为“0”。第二步：再用400mV砝码与501mV比较，结果400mV>501mV，把它保留下来，记为“01”。第三步：又把200mV砝码加上与501mV比较，结果(400+200)mV>501mV，也把200mV电压砝码去掉，记为“010”。上一页下一页返回6.4数字式显示仪表第四步：又把100mV电压砝码加上与501mV比较，结果(400+100)mV<501mV，又把它保留下来，记为“0101”。……第十二步：把最后的一个电压砝码1mV加上，并把它保留，记为“010100000001”。至此，所有电压砝码都试过了，测量已经完成，得到一个用二进制数表示的结果为“01010000001”。上一页下一页返回6.4数字式显示仪表通过上述过程，可以看出，要用这种方法来实现电压测量，必须具备下述几个条件：(1)要有一套相邻关系为二进制的标准电压，产生这套电压的网络称为解码网络。(2)要有一个比较鉴别器，把由解码网络来的、每次进行试探的电压和被转换的电压进行比较，并判别谁大谁小，以决定是否保留这位电压。(3)要有一个数码寄存器，每次的比较结果是“1”或是“0”由它保存下来。上一页下一页返回6.4数字式显示仪表(4)要有一套控制线路，来完成下列两个任务：①比较是由高位开始，由高位低位逐次比较；②根据每一次的比较结果，使相应位的数码寄存器计“1”或记“0”，并由此决定是否保留这位“解码网络”来的电压。上一页下一页返回6.4数字式显示仪表所以，由数码寄存器的状态决定“解码网络”的输出电压，而这个电压反过来又要与输入的被转换电压进行比较，根据比较结果再来决定这位数码寄存器的状态。这是一个互相联系、互相依赖的过程，这个过程我们叫做电压反馈，而整个过程又是一位一位地进行的，所以这种电压数字转换的方法可用“逐次比较电压反馈编码”这个名称来概括它的意义。图6.21就是这种转换器的原理框图。上一页下一页返回6.4数字式显示仪表从上述原理可以看出，逐次比较型测量过程是逻辑电路的判别过程，只要使电路元件特性及布线时间常数很小，这种转换方式可达微秒数量级，所以具有高速转换的性能。由于它具有测量精度高、稳定性好、测量速度快等优点，虽然存在电路复杂、抗干扰性能差、要求精密元件多等缺点，但在目前发展的高速多点巡回检测系统及计算机参与生产控制系统中仍采用它作为模/数转换的主要手段。上一页下一页返回6.4数字式显示仪表2.非线性补偿数字式显示仪表非线性补偿的目的是使数字显示值与被测量之间呈线性关系。目前常用的方法有：模拟式非线性补偿法、非线性模/数转换补偿法、数字式非线性补偿法。(1)模拟式非线性补偿法模拟式非线性补偿法直接输出已线性化的模拟信号，精度较低。常用的是折线逼近法，即用连续有限的折线代替曲线的直线化方式。(2)非线性模/数转换补偿法非线性模/数转换补偿法是在将模拟量转换成数字量的过程中完成非线性补偿的方法。结构简单，精度高。例如双积分型模/数转换方法。上一页下一页返回6.4数字式显示仪表(3)数字式非线性补偿法数字式非线性补偿法是先把被测参数的模拟量经模/数转换成数字量后再进入非线性补偿环节的方法。在数字环节中实现近似线性补偿的依据，仍是采用以折线代替曲线的方法，将不同斜率的折线段乘上不同的系数变为同一斜率的线段而取得线性补偿。数字式仪表的非线性参量的线性化问题，其基本方法是首先用直线代替曲线，把非线性特性曲线用线性的折线来分段逼近，然后使各段折线的斜率变换成同一斜率，得到近似的线性补偿。上一页下一页返回6.4数字式显示仪表这几种非线性补偿方法各有优缺点。非线性模/数转换补偿法，由于把非线性补偿与模/数转换两者巧妙地合在一个线路中完成，线路较为简单，因而可以组成结构紧凑的面板型数字显示专用仪表。其缺点是通用性差，每台装置只能专测一种被测参数。数字式非线性补偿法可以通过逻辑线路使所乘系数的大小预先设定，以配用不同的检测对象，较多地使用在测量多对象的数字显示仪表中，如巡回检测仪。它的缺点是线路较复杂。至于模拟式非线性补偿法一般使用在要求精度不太高的场合，它可以把检测元件送来的非线性信号，直接变换成线性的模拟信号。如热电偶电势经它变换后，转换成每度为1mV的模拟信号，这信号可以直接送至数字式电压表，按每1mV显示一个字来定标，直接显示温度数字的绝对值。上一页下一页返回6.4数字式显示仪表3.标度变换标度变换的实质就是比例尺的变更。测量值与工程值之间往往存在一定的比例关系，测量值必须乘上某一常数，才能转换成数字式仪表所能直接显示的工程值。标度变换器与非线性补偿器可以先对模拟量进行标度变换后，再送至模/数转换器变成数字量；也可以先将模拟量转换成数字量后，再进行数字式标度变换。由此可知，标度变换有模拟量变换与数字量变换之分。上一页下一页返回6.4数字式显示仪表模拟量标度变换举例说明变换过程。①热电阻测温的标度变换。热电阻在测温时，其阻值变化是通过图6.22所示的不平衡电桥转化为不平衡电压U0输出的，从U0的大小可知所测温度的大小。此处可通过选择桥路电阻和电压，达到实际值和显示值统一的目的。例如，某仪表的仪表常数C=20，表示输入1mV直流信号，数字跳20个字，则可知当数字跳1000个字时，需要输入50mV。根据平衡电桥原理可知：

(6-5)式中R0=Rt0——表示测温电阻Rt在0℃时的等效阻值，。上一页下一页返回6.4数字式显示仪表当被测温度为0℃时，Rt=Rt0=R0

，Rt随被测温度增高而增大，从而使U0增大。当R>>Rt时(桥路设计所决定)，有：故

(6-6)例如，用分度号Ptl00的热电阻测温，其测温范围为0~100℃时，由分度表可知Rt=38.50，为使U0=1mA38.50=50mV，需提供I=50mV/38.50=1.3mA的电流，这样就可使仪表跳1000个字，仪表显示100.0，使显值和被测温度一致。从I=1.3mA选取相应的E和R值，即可达到标度变换的目的。上一页下一页返回6.4数字式显示仪表②热电偶测温的标度变换。当热电偶的热电势在仪表规定输入信号范围内时，可将信号直接送人仪表，如图6.23通过适当选取前置放大器的放大倍数实现标度变换。例如，某台配热电偶测温的数字仪表，K分度，当前置放大器输出5V时，经模/数转换抵达后仪表显示999℃，即5mV/℃。其热电偶的热电势率约为0.041mV/℃，则前置放大器的放大倍数R=5/0.041=122倍。即只要使该仪表的前置放大器的直流放大倍数为122倍，就可使仪表直接显示被测温度值。上一页下一页返回6.4数字式显示仪表(2)数字量标度变换数字量标度变换是模拟量经过A/D转换之后，进入计数器之前的数字量，或频率数字表在进入计数器之前的数字量的标度变换。通过系数运算，使被测物理常量和显示数字的单位得到统一。系数的运算，可以使用倍频或分频的方法来乘以或除以一个从0.1~0.9的任意值(根据需要也可以乘以或除以两位以上的多位数，如0.001~0.999中的任意值)。上一页下一页返回6.4数字式显示仪表也可以采用如图6.24所示扣除脉冲法来实现。从图可知，只有当与门的A、B输入端均为高电平，F输出端才为高电平。A、B端中如有一端为低电平，则F端为低电平。因此，只要控制A、B任意一端(如B端)的电位，就可实现扣除脉冲的运算。图中每4个计数脉冲就扣除了一个，其效果相当于乘了0.75的系数。例如，被测温度为750℃，经模/数转换后送出1000个计数脉冲，这时将这个计数脉冲送入此运算器进行乘0.75的运算，即运算器输入1000个脉冲，输出750个计数脉冲，再送至计数、显示电路，这样显示值和被测的实际值就可取得一致。上一页下一页返回6.4数字式显示仪表6.4.4XMZ型数字温度显示仪表介绍以上简略地介绍了数字显式仪表的一些组成单元，现在以XMZ型数字温度显示仪表为例作介绍，以求建立整体概念。上一页下一页返回6.4数字式显示仪表1.基本工作原理XMZ型仪表是一种单点、小型盘装仪表，配接热电偶其原理方框图如图6.25所示。被测温度经热电偶转换成热电势，又经测量电路进行冷端补偿后输到前置放大电路，考虑到热电偶的非线性，电平放大后的信号送入线性化电路进行线性化处理，处理后的电平与被测温度基本上成线性变化，一般是1℃对应1mV的关系，这是调整前置放大器的直流放大倍数达到的，即进行了标度变换。经放大并线性化处理的信号经A/D转换后直接驱动发光数码管LED，从而实现了温度的数字显示。上一页下一页返回6.4数字式显示仪表2.测量电路与前置放大电路(1)热电偶冷端补偿XMZ型仪表的热电偶冷端补偿是利用二极管PN结的结压降UPN与温度的关系(关系曲线如图6.26所示)来实现的。图中直线的斜率是2.2mV/℃，即温度每升高1℃，其结压下降2.2mV。上一页下一页返回6.4数字式显示仪表XMZ型仪表冷端补偿原理电路如图6.27所示。当二极管的PN结所处的环境温度t0(即热电偶冷端)升高时，结电UPN就要下降，流过二极管D9的电流I相应地增加，从而在电阻Rf上的压降也随之增加，恰当地选择R的数值，使Rf上电压降的增加，进而使桥路的输出Uab正好补偿了热电偶因冷端温度升高而使E(t，t0)下降的值。这样，输入到前置放大器IC1的总电势就是热电势E(t，t0)与补偿电压Uab的代数和，而且在随着环境温度的变化在不断地进行自动补偿。上一页下一页返回6.4数字式显示仪表(2)测量放大电路热电偶的热电势经冷端温度补偿后其信号电平为毫伏级，但要经前置放大后，才能达到1mV/℃。IC1为7650运算放大器，改变反馈电阻R10的阻值，即可改变放大器的放大倍数。Rw3作放大倍数的微调，Rw1是零点调整电位器。C20、C21为运算放大器内部主放大器及调零放大器的补偿电容，C19为滤波电容，D1，D2起限幅作用。R37是断偶保护电阻，在热电偶未断时，由于R37电阻值很大(2M)，R37>>R3+R4，5V电源通过R37向输入端引入的电势甚微；当热电偶断路时，5V电源通过R37在D1或D2上形成约0.7V的压降，这个电压降比正常的热电偶信号大几十倍，使仪表显示极限值，从而借以显示断偶状态或进行自动温控方面的断偶保护。上一页下一页返回6.4数字式显示仪表3.线性化电路XMZ型仪表的线性化也是采用折线逼近的方法来实现的，并利用二极管的单向导电性能，使特性曲线发生转折。4.7/2位单片A/D转换器CC7107被测温度参数经热电偶转换成热电势，又经测量电路进行冷端温度补偿、前置放大电路放大、线性化电路进行非线性补偿后，其输出信号是与温度相对应的1mV/℃，并且是线性关系。下面就是用CC7107构成的数字电压表以显示温度值。上一页下一页返回6.4数字式显示仪表CC7107是大规模CMOS集成电路，是3位单片型A/D转换器，它将双积分型A/D转换的模拟电路部分如缓冲器、积分器、电压比较器、正负电压参考源和模拟开关，以及数字电路部分如振荡器、计数器、锁存器、泽码器、驱动器和控制逻辑电路全部集成在一块总片上。使用时，只需外接少量的阻容元件和LED数码管就可构成数字电压表，其外部引线如图6.28所示。上一页下一页返回6.4数字式显示仪表在图6.28中，A1~G1、A2~G2、A3~G3为直接驱动个位、十位、百位七段LED显示器的引线，驱动千位显示器BC4段都由第19引脚引出。第21脚接地，第27，28，29引脚分别接积分电容器C1、积分电阻R1、自动稳零电容器CAZ。第30，31引脚接模拟输入信号，在输入电路设置了RC滤波器，第32引脚为模拟部分的公共地COM，数字部分的公共地在CC7107内部。第34，33引脚接基准电容CREF，第35，36引脚接确定数字电压表基本量程的基准电压。第37引脚接试灯电路，在CC7107内部由一个等效为500的电阻与数字电路连接，当它外接+5V电源时，吸收100mA电流，连接在泽码器上的全部数码头管笔段发光，读出1888，即试灯。第38，39，40引脚接时钟振荡器。为数字电路提供一个固定频率的脉冲源。上一页下一页返回6.4数字式显示仪表6.4.5XMD5000系列万能信号输入多通道巡检仪XMD500系列万能信号输入多通道巡检仪常见的外形如

图6.29所示。它为万能输入信号，通过简单的软、硬件设定即可适用于多种输入信号。例如Pt100，Pt10，Cu50，Cu100等热电阻信号，K，E，S，B，J，R，T，N等热电偶信号，并带自动冷端温度补偿；0~10mA、4~20mA、0~5V，1~5V的标准信号；线性或开方信号；一般线性非标信号：0~60mV以内或0~60mV以上0~5V以内任意信号可按键即设即用；其他特殊定做的非标输入信号等。全部参数可按键设定。上一页下一页返回6.4数字式显示仪表1.特点(1)单片机智能化零点和放大倍数可自动跟踪，长期运行无漂移。(2)报警继电器最多具有两个公用报警继电器，公用报警继电器有三种报警方式可按键选择：“或”报警，即只要有任何一个通道产生报警，继电器就动作；“指定通道”报警，即只有被指定的某一通道产生报警，继电器才动作；“跟随”报警，即当仪表巡检到某一通道时，继电器根据该通道的报警状态执行动作，继电器动作持续时间为巡检间隔时间。各通道报警值和报警回差可分别设定。上一页下一页返回6.4数字式显示仪表(3)可带RS485/RS232/Modem隔离通讯接口，FBBUS-ASCII码协议与MODBUS-RTU协议可选(MODBUS-RTU协议仅用于Modbus选项，接线方式与RS485相同)。(4)XMD5000系列万能信号输入多通道巡检仪(8通道横竖表/16通道横竖表/24通道横竖表)面板上还具有各路分别指示上、下限报警状态指示灯(双色发光二极指示)。该巡检仪适用于设备的轴温、管道风温、炉窑温度等各种工业过程缓变参数的巡回监测与报警控制。上一页下一页返回6.4数字式显示仪表2.性能XMD5000系列万能信号输入多通道巡检仪的性能见表6.1所示。3.使用若使用XMD52208VRS2320000智能万能信号输入多通道巡检仪，表带上下限公用报警输出，热电阻信号输入，八路巡检，80mm160mm150mm竖表，供电电源220VAC，带RS232隔离通讯接口，无特殊功能码。XMD5000系列(8通道/16通道/24通道)横竖表接线如图6.30所示。以上为竖表接线图例，将图例顺时针旋转9度即为横表接线图，即横表电源接线在左下角。上一页返回6.4数字式显示仪表图像显示是随着超大规模集成电路技术、计算机技术、通信技术和图像显示技术的发展而迅速发展起来的一种显示方式。它将过程变量信息按数值、曲线、图形、符号等方式显示出来。目前图像显示主要分两类，即计算机控制系统中的CRT彩色图像显示和无纸记录仪的液晶(LCD)显示。下一页返回6.5无纸记录仪无纸记录仪采用常规仪表的标准尺寸，是简易的图像显示仪表，属于智能仪表范畴。它以CPU为核心，内有大容量存储器RAM，可以存储多个过程变量的大量历史数据。它能够直接在屏幕上显示出过程变量的百分值、工程单位当前值、变量历史变化趋势曲线、过程变量报警状态、流量累积值等。在提供多个变量值显示的同时，还能够进行不同变量在同一时间段内变化趋势的比较，便于进行生产过程运行状况的观察和故障原因分析等。上一页下一页返回6.5无纸记录仪无纸记录仪无纸无笔，避免了纸和笔的消耗与维护；内部无任何机械传动部件，大大减轻了仪表工人的工作量。无纸记录仪内置有大容量RAM，存储大量瞬时值和历史数据，可以与计算机连接，将数据存入计算机，进行显示、记录和处理等。下面以目前应用较多的SmeR系列无纸记录仪为例，简要介绍它的技术特点及使用方法。上一页下一页返回6.5无纸记录仪6.5.1SmeR系列无纸记录仪的特点SmeR系列无纸记录仪如图6.31所示，是视迈电子技术有限公司推出的多功能智能仪表。SmeR系列无纸记录仪集显示、处理、记录、存储、报警、转存、配电等功能于一身，采用基于ARM内核的高档处理器，实现高速信息采集和处理，大容量闪存芯片可实现超长时间数据存储。可以输入标准电流、标准电压、热电偶、热电阻等信号，具有传感器隔离配电、继电器输出、流量积算、温压补偿、热能积算、PID调节、历史数据转存及通讯功能。同时采用U盘作为外部转存介质，可将数据转存到计算机上，实现数据永久保存、分析和打印功能。上一页下一页返回6.5无纸记录仪SmeR系列无纸记录仪广泛适用于各类工业过程控制现场，主要应用在热处理、食品、化工、电力、冶金、石油、建材、造纸、制药和水处理等工业场合，是替代传统有纸记录仪的新一代仪表。1.SmeR系列无纸记录仪的性能见表6.22.万能输入类型量程表见表6.3上一页下一页返回6.5无纸记录仪6.5.2SmeR系列无纸记录仪的使用1.使用环境为保证无纸记录仪正常工作，必须将仪表安装在控制柜上，仪表的使用环境不仅影响仪表正常使用，也关系到仪表的维修和测量精度。仪表使用环境应符合以下要求：工作环境温度为0~50℃；工作环境湿度：10%~85%(无结露)；振动较小、空气流通的环境；不易产生冷凝液，无腐蚀气体或易燃气体的环境；无强烈的感应干扰，不易产生静电、磁场或噪音干扰的环境。上一页下一页返回6.5无纸记录仪2.安装拧下记录仪卡条固定螺钉，取下固定卡条；将仪表推人仪表安装孔；上好仪表固定卡条；将卡条固定螺钉拧紧；仪表安装完毕，即可进行接线。上一页下一页返回6.5无纸记录仪3.接线(1)端子说明如图6.32所示：说明：①RS232：串口输出；②L，N，FG：220V交流电源输入；③na、nB，nC，nd：通道万能信号输入，前面的数字代表通道序号；④Kn：继电器输出，后面的数字代表继电器序号；③Pn：配电输出，后面的数字代表配电序号；⑥ConA、ConB：控制输出。上一页下一页返回6.5无纸记录仪(2)接线电源线的连接仪表供电电源为170~264VAC范围内正常工作。仪表面板电源接口上N，L接交流电源，GVD(FG)是保护地，把GND(FG)接到大地可有效地防止静电干扰。信号线的连接如图6.33所示。①热电偶接线方法：热电偶正端接仪表通道C端子，负端接仪表通道B端子。②热电阻接