第6章 显示仪表

第六章第六章 显示仪表显示仪表 凡能将生产过程中各种变量进行指示、记录或累凡能将生产过程中各种变量进行指示、记录或累积的仪表统称为积的仪表统称为显示仪表显示仪表(或称为或称为二次仪表二次仪表)。显显示示仪表一般安装在控制室的仪表盘或操作台上，仪表一般安装在控制室的仪表盘或操作台上，与各种变送器或传感器配套使用，连续地指示或记录。与各种变送器或传感器配套使用，连续地指示或记录。它又可与控制器配套使用，对生产过程中的各种变量它又可与控制器配套使用，对生产过程中的各种变量进行自动控制和显示。进行自动控制和显示。按照能源分，有按照能源分，有电动电动显示仪表与显示仪表与气动气动显显示仪表；示仪表；按照显示的方式分，有按照显示的方式分，有模拟式、数字式和图像显模拟式、数字式和图像显示示三种。三种。图像显示机械显示记录仪电子自动电位差计动圈式显示仪表电动显示气动显示仪表模拟量显示仪数字量显示：数字显示显示仪表DDZ 模拟式显示仪表：模拟式显示仪表：以仪表的指针（或记录笔）以仪表的指针（或记录笔）的线位移或角位移来模拟显示被测变量连续变化。的线位移或角位移来模拟显示被测变量连续变化。模拟式显示仪表使用的是磁电偏转机构或机模拟式显示仪表使用的是磁电偏转机构或机电式伺服机构，所以测量速度较慢、精度较低、电式伺服机构，所以测量速度较慢、精度较低、读数容易造成多值性。但它简单、可靠、价廉，读数容易造成多值性。但它简单、可靠、价廉，又能反映出被测值的变化趋势，因而目前仍大量又能反映出被测值的变化趋势，因而目前仍大量地应用于工业生产中。地应用于工业生产中。数字显示仪表：数字显示仪表：直接以数字形式显示被测变直接以数字形式显示被测变量值。量值。这类仪表由于不必使用磁电偏转机构或机电这类仪表由于不必使用磁电偏转机构或机电伺服机构，因而测量速度快、抗干扰性能好、精伺服机构，因而测量速度快、抗干扰性能好、精度高、读数直观，对所测变量便于进行数值控制度高、读数直观，对所测变量便于进行数值控制和数字打印记录，且具有自动报警功能，尤其是和数字打印记录，且具有自动报警功能，尤其是它能将模拟信号转换为数字量，便于和数字计算它能将模拟信号转换为数字量，便于和数字计算机或其他数字装置联用。因此，这类仪表发展非机或其他数字装置联用。因此，这类仪表发展非常迅速。常迅速。图像显示：图像显示：直接把被测变量用文字、符号、数字直接把被测变量用文字、符号、数字和图像相配合的形式在大屏幕荧光屏上显示出来，和图像相配合的形式在大屏幕荧光屏上显示出来，并配以打印记录装置，按操作者的需要，任意以其并配以打印记录装置，按操作者的需要，任意以其中一种或多种方式同时显示，它具有模拟式和数字中一种或多种方式同时显示，它具有模拟式和数字式显示仪表两种功能，也是现在计算机不可缺少的式显示仪表两种功能，也是现在计算机不可缺少的终端设备，它是随着计算机的推广应用而发展起来终端设备，它是随着计算机的推广应用而发展起来的一种新型显示设备，其中应用较普遍的是的一种新型显示设备，其中应用较普遍的是CRTCRT显显示器。示器。第一节第一节 模拟式显示仪表模拟式显示仪表一、一、自动平衡电子电位差计自动平衡电子电位差计 电子电位差计是一种自动平衡式的模拟显示电子电位差计是一种自动平衡式的模拟显示仪表，它可以与各种热电偶或变送器配用显示各仪表，它可以与各种热电偶或变送器配用显示各种变量，具合较高的灵敏度和精度。种变量，具合较高的灵敏度和精度。1 1、工作原理、工作原理 电位差计就是根据平衡法电位差计就是根据平衡法(也称补偿法、零也称补偿法、零值法值法)将被测电势与将被测电势与已已知的标准电势进行比较而知的标准电势进行比较而工作的。当两者的差值为零时，被测电势就等于工作的。当两者的差值为零时，被测电势就等于已知的标准电势。已知的标准电势。当电路中有两个电位相反的电源时，总电势当电路中有两个电位相反的电源时，总电势为两个电源电势之差。如果两个电源的电动势相等，为两个电源电势之差。如果两个电源的电动势相等，则回路电流为零。则回路电流为零。CBNNCBBxRREIRUEC手手动动电电位位差差计计原原理理图图 手动电位差计在使用时，必须用于调节滑线电手动电位差计在使用时，必须用于调节滑线电阻阻C C点的位置，因此，它不能连续地、自动地指示出点的位置，因此，它不能连续地、自动地指示出被测电势，常作为标准仪表用于实验室。若用于生被测电势，常作为标准仪表用于实验室。若用于生产过程中的连续测量，则必须采用自动电位差汁。产过程中的连续测量，则必须采用自动电位差汁。2、电子自动电位差计测量桥路、电子自动电位差计测量桥路热电偶测量电桥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原理方框图电子电位差计原理方框图XW系列电位差计测量桥路原理图系列电位差计测量桥路原理图二、电子自动平衡电桥二、电子自动平衡电桥热电阻测量电桥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自动平衡电桥原理方框图电子自动平衡电桥原理方框图三线制接法：三线制接法：电桥平衡时电桥平衡时 (R4+r1)R2=(Rt+r2+2RL)R3 其中其中R2=R3=R4=Rt0 R4+r1=Rt0+Rt+r2+2RLRt=r1-r2-2RL 1 1、手动平衡电、手动平衡电桥桥测量原理测量原理电桥平衡时电桥平衡时 R4(R2+RL)=(Rt0+Rp+RL)R3其中其中R2=R3=R4=Rt0 R2+RL=Rt0+Rp+RL Rt0=R2-Rp2 2、电子自动平衡电桥、电子自动平衡电桥RpRtR3r自动平衡电桥原理图自动平衡电桥原理图R0R2R1两个系统比较两个系统比较项目热电偶系统热电阻系统输入信号电动势电阻电桥输出E（不平衡）0（平衡）冷端温度补偿有无接线方式双补偿线，桥中三线，桥臂电源直流直流或交流第二节第二节 数字式显示仪表数字式显示仪表 模拟量信号：模拟量信号：以连续变化的物理量的大小模拟以连续变化的物理量的大小模拟实际参数的大小。实际参数的大小。数字量信号：数字量信号：以脉冲数表达实际参数的大小。以脉冲数表达实际参数的大小。数字显示仪的主要功能：将模拟量信号转换为数字显示仪的主要功能：将模拟量信号转换为数字量信号，并用数字符号显示出来。数字量信号，并用数字符号显示出来。数字显示仪有单独的标准化（数字显示仪有单独的标准化（DDZ DDZ 系列）仪系列）仪表。有些测试仪表的二次仪表也附带内置的数字显表。有些测试仪表的二次仪表也附带内置的数字显示仪。示仪。一、数字式显示仪表的原理及特点一、数字式显示仪表的原理及特点数字显示仪表数字显示仪表电压型电压型频率型频率型单点式单点式多点式多点式单点式单点式多点式多点式显示仪显示仪显示报警仪显示报警仪显示控制仪显示控制仪显示记录仪显示记录仪显示报警控制记录仪显示报警控制记录仪1 1、数字式显示仪表的分类数字式显示仪表的分类2 2、数字式显示仪表结构原理、数字式显示仪表结构原理检测变送模拟信号A/D转换数字信号电子计数器 寄存器电子译码器显示器3 3、数字式显示仪表特点、数字式显示仪表特点 相对于模拟式仪表，数字式显示仪表有如下特点：相对于模拟式仪表，数字式显示仪表有如下特点：(1)(1)准确度、灵敏度高；准确度、灵敏度高；(2)(2)测量速度快，从每秒几十次到每秒上百万次；测量速度快，从每秒几十次到每秒上百万次；(3)(3)仪表的量程和被测量的极性可自动转换，可自仪表的量程和被测量的极性可自动转换，可自动检查故障、报警以及完成指定的逻辑程序；动检查故障、报警以及完成指定的逻辑程序；(4)(4)可以方便地实现多点测量；可以方便地实现多点测量；(5)(5)可以与电子计算机配合，给出一定形式的编码可以与电子计算机配合，给出一定形式的编码输出。输出。二、二、A/DA/D转换转换l功能：功能：将电压信号转换为数字脉冲信号；将电压信号转换为数字脉冲信号；输入与输出电位隔离。输入与输出电位隔离。l构成：构成：低精度时直接用集成芯片转换；低精度时直接用集成芯片转换；l单芯片精度取决于输出位数。单芯片精度取决于输出位数。高精度时分段采用集成芯片转换。高精度时分段采用集成芯片转换。对以电流方式输入的信号，先转换成电压信号。对以电流方式输入的信号，先转换成电压信号。三、三、电子计数器电子计数器l功能：功能：将将A/D转换输出或测试仪表的数字输出按转换输出或测试仪表的数字输出按10进进制进行分段；制进行分段；l构造与工作原理：构造与工作原理：一般由多个双稳态触发器串联组成；一般由多个双稳态触发器串联组成；通过依次触发，实现进位。通过依次触发，实现进位。1 1、寄存器、寄存器l功能：暂时储存电子计数器输出结果；暂时储存电子计数器输出结果；隔断计数器非信号输出；隔断计数器非信号输出；根据后续请求定时输出数字信号。根据后续请求定时输出数字信号。l结构：结构：一般直接采用一般直接采用RAM芯片构成。芯片构成。2 2、译码器、译码器l功能：功能：将数字信号翻译为十个数字状态；将数字信号翻译为十个数字状态；将每个数字翻译为对应管脚信号。将每个数字翻译为对应管脚信号。l构造：构造：通常由与显示器配套的专用芯片实现。通常由与显示器配套的专用芯片实现。四、四、显示器显示器l功能：功能：显示数字显示数字l分类分类辉光数码管辉光数码管发光二极管发光二极管液晶显示器液晶显示器2 3 1 2 31 23 1二、数字式显示仪表举例二、数字式显示仪表举例 国产数字式温度显示仪表很多。国产数字式温度显示仪表很多。现以热电偶的数字显示仪表为例，如图所示。现以热电偶的数字显示仪表为例，如图所示。它能接受各种热电偶所给出的热电势，直接以四位或它能接受各种热电偶所给出的热电势，直接以四位或五位数字显示出相应的温度值来；还可以给出所示温度的五位数字显示出相应的温度值来；还可以给出所示温度的1mV1mV0 0C C的模拟电压供温度调节仪用。的模拟电压供温度调节仪用。下面简述各部分的作用。下面简述各部分的作用。(1)(1)补偿电桥补偿电桥 用以补偿热电偶冷端温度不在用以补偿热电偶冷端温度不在00时所造成的误差。它使用了铜电阻补偿方法。时所造成的误差。它使用了铜电阻补偿方法。(2)(2)双双T T网络网络 热电势经补偿桥路补偿后，在进热电势经补偿桥路补偿后，在进入毫伏放大器之前，先经双入毫伏放大器之前，先经双T T网络进行滤波，以抑网络进行滤波，以抑制信号电势上的干扰。制信号电势上的干扰。(3)(3)毫伏放大器毫伏放大器 毫伏放大器是一个高灵敏度毫伏放大器是一个高灵敏度的调制型直流放大器，其闭环增益为几十倍。的调制型直流放大器，其闭环增益为几十倍。(4)(4)非线性补偿器非线性补偿器 非线性补偿器由十几个线非线性补偿器由十几个线性集成运算放大器组成，它是在一定测温范围内，性集成运算放大器组成，它是在一定测温范围内，用用8 8段直线来逼近热电势的特性曲线，从而获得输段直线来逼近热电势的特性曲线，从而获得输出电压与温度之间的线性关系。出电压与温度之间的线性关系。(5)(5)数字表数字表 经线性补偿电路完成线性化后的信经线性补偿电路完成线性化后的信号可达号可达1mV1mV0 0C C的电平，因而数字式温度显示仪表其的电平，因而数字式温度显示仪表其数字显示部分实际上相当于一台数字式电压表。输数字显示部分实际上相当于一台数字式电压表。输入的毫伏信号通过模入的毫伏信号通过模数变换器，将模拟量变为数数变换器，将模拟量变为数字量以后，由电子计数器进行计数，最后在显示器字量以后，由电子计数器进行计数，最后在显示器上以数字直接显示出被测温度的高低。上以数字直接显示出被测温度的高低。六、数字模拟混合记录仪六、数字模拟混合记录仪 将数字式、模拟式显示记录仪表的优点相结合，将数字式、模拟式显示记录仪表的优点相结合，取长补短。框图见下图：取长补短。框图见下图：智能化仪表的原理框图智能化仪表的原理框图智能化显示仪表智能化显示仪表智能化显示仪表的功能：智能化显示仪表的功能：1、自动零位校准和自动精密校准；、自动零位校准和自动精密校准；2、自动量程切换；、自动量程切换；3、功能自动选择；、功能自动选择；4、自动数据处理和误差修正；、自动数据处理和误差修正；5、自动定时控制；、自动定时控制；6、故障自动诊断。、故障自动诊断。第三节第三节 新型显示仪表新型显示仪表l无无纸、无笔显示记录仪实际上是一台纸、无笔显示记录仪实际上是一台简化的计算机简化的计算机系统。系统。一、无笔无纸记录仪一、无笔无纸记录仪主要配置：主要配置：CPU：工业专用微处理器；工业专用微处理器；主板：专用。包括：主板：专用。包括：ROM，RAM，时钟时钟电路电路 接口电路：接口电路：键盘控制器：接面板键盘控制器：接面板膜式键盘膜式键盘；显示控制器：接显示控制器：接液晶显示器液晶显示器；打印控制器：接微型打印机；打印控制器：接微型打印机；通讯控制器：外接计算机（通讯控制器：外接计算机（PC）；）；A/D转换器：接测试仪表（模拟量）。转换器：接测试仪表（模拟量）。MC200R MC200R为三通道的无纸记录仪。仪表可输入标准为三通道的无纸记录仪。仪表可输入标准电流、标准电压、热电偶、热电阻、频率等信号，可电流、标准电压、热电偶、热电阻、频率等信号，可提供传感器配电输出和模拟量变送输出、继电器报警提供传感器配电输出和模拟量变送输出、继电器报警输出。直接连接微型打印机，打印用户指定时间的实输出。直接连接微型打印机，打印用户指定时间的实时、历史数据和曲线；通过时、历史数据和曲线；通过RS232RS232通讯接口与便携计通讯接口与便携计算机、掌上电脑（算机、掌上电脑（PDAPDA）连接，直接读取仪表历史数）连接，直接读取仪表历史数据，用户通过数据管理软件，对所取数据进行分析、据，用户通过数据管理软件，对所取数据进行分析、存档、打印处理。通过存档、打印处理。通过RS485RS485通讯组网，可与组态王、通讯组网，可与组态王、MCGSMCGS等专业组态软件组成实时监控系统。等专业组态软件组成实时监控系统。仪表具有强大的显示功能，高精度棒图显示、实仪表具有强大的显示功能，高精度棒图显示、实时趋势曲线显示、历史曲线追忆、超限报警、报警状时趋势曲线显示、历史曲线追忆、超限报警、报警状态显示、提供智能化历史趋势全自动回放功能，查找态显示、提供智能化历史趋势全自动回放功能，查找报警点极为方便，同时提供定位回放功能，直接查询报警点极为方便，同时提供定位回放功能，直接查询某年、月、日、时、分、秒的数据，方便快捷。某年、月、日、时、分、秒的数据，方便快捷。无笔无纸记录仪无笔无纸记录仪主要功能主要功能l显示显示柱状图显示、数字显示、实时变化趋势曲线柱状图显示、数字显示、实时变化趋势曲线设定极限、报警；设定极限、报警；时间、单位时间、单位l简易编程简易编程组态组态具有格式化的简易编程功能具有格式化的简易编程功能l历史记录历史记录l通讯通讯 虚拟仪器，实际上就是一种基于计算机的自动虚拟仪器，实际上就是一种基于计算机的自动化测试仪器系统。化测试仪器系统。所谓虚拟测量仪器，就是采用计算机开放体所谓虚拟测量仪器，就是采用计算机开放体系结构取代传统的单机测量仪器，对各种各样的系结构取代传统的单机测量仪器，对各种各样的数据进行计算机处理、显示和存储。数据进行计算机处理、显示和存储。虚拟仪器的突出优点在于能够和计算机技虚拟仪器的突出优点在于能够和计算机技术结合，从而开拓了更多的功能，具有很大的术结合，从而开拓了更多的功能，具有很大的灵活性，由于虚拟仪器的设备利用率高、维修灵活性，由于虚拟仪器的设备利用率高、维修费用低、能够获得较高的经济效益。用户购买费用低、能够获得较高的经济效益。用户购买了这种虚拟仪器，就不必再担心仪器会永远保了这种虚拟仪器，就不必再担心仪器会永远保持出厂时既定的功能模式，用户可以根据实际持出厂时既定的功能模式，用户可以根据实际生产环境变化的需要，通过对软件的不同应用，生产环境变化的需要，通过对软件的不同应用，拓展其功能，以便适应实际生产的需要。拓展其功能，以便适应实际生产的需要。虚拟仪器的另外一个突出的优点是能够和网络虚拟仪器的另外一个突出的优点是能够和网络技术结合，能够通过网络借助技术结合，能够通过网络借助OLEOLE、DDEDDE技术与企业技术与企业内部网内部网IntranetIntranet联接，与外界进行数据通信，将虚联接，与外界进行数据通信，将虚拟仪器实时测量的数据输送到拟仪器实时测量的数据输送到IntranetIntranet。软件即是仪器，从这一思想出发，基于电脑或软件即是仪器，从这一思想出发，基于电脑或工作站、软件和工作站、软件和I IO O部件来构建虚拟仪器。部件来构建虚拟仪器。I IO O部部件可以是独立仪器、模块化仪器、数据采集板件可以是独立仪器、模块化仪器、数据采集板（DAQDAQ）或传感器。虚拟仪器产品包括软件产品）或传感器。虚拟仪器产品包括软件产品（如（如LabVIEWLabVIEW）、）、GPIBGPIB产品、数据采集产品、信号产品、数据采集产品、信号处理产品、图像采集产品、处理产品、图像采集产品、DSPDSP产品和产品和VXIVXI控制产品控制产品等。等。本章本章作业作业lP936、912