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第 四 章 显 示 仪 表 内 容 提 要 概 述 模 拟 式 显 示 仪 表 动 圈 式 仪 表 自 动 电 子 电 位 差 计 自 动 电 子 平 衡 电 桥 数 字 式 显 示 仪 表 数 字 式 显 示 仪 表 的 特 点 及 分 类 数 字 式 显 示 仪 表 的 基 本 组 成 新 型 显 示 仪 表 无 笔 、 无 纸 记 录 仪 虚 拟 显 示 仪 表 概 述 凡 能 将 生 产 过 程 中 各 种 参 数 进 行 指 示 、 记 录 或 累 积 的 仪 表 。 显 示 仪 表 一 般 都 装 在 控 制 室 的 仪 表 盘 上 。 它 和 各 种 测 量元 件 或 变 送 单 元 配 套 使 用 ； 又 能 与 控 制 单 元 配 套 使 用 ， 对生 产 过 程 中 的 各 参 数 进 行 自 动 控 制 和 显 示 。 模 拟 式 显 示 仪 表数 字 显 示 仪 表屏 幕 显 示 仪 表 第 一 节 模 拟 式 显 示 仪 表一 、 动 圈 式 显 示 仪 表动 圈 式 显 示 仪 表 是 一 种 发 展 较 早 的 模 拟 式 显 示 仪 表 ， 常 与 热电 偶 、 热 电 阻 、 霍 尔 式 压 力 变 送 器 等 配 合 使 用 ， 用 来 指 示 、调 节 温 度 和 压 力 等 工 艺 参 数 。l动 圈 式 显 示 仪 表 由 测 量 线 路 和 测 量 机 构 两 大 部 分 组 成 。l动 圈 式 仪 表 按 其 功 能 可 分 为 指 示 型 （ XCZ型 ） 和 调 节 型（ XZT型 ） 。 按 其 输 入 信 号 的 一 次 检 测 元 件 不 同 可 分 为 热 电偶 （ mV输 入 ） 和 热 电 阻 （ 电 阻 输 入 ） 式 动 圈 仪 表 。 （ 1） 电 磁 力 矩 Mi与 通 过 动 圈 的 电 流 I成 正 比 关系 : Mi=C1I（ 2） 由 于 Mi作 用 ,使 动 圈 张 丝 产 生 的 反 力 矩 Mf与 动 圈 的 转 动 角 度 成 正 比 ,即 Mf=C2（ 3） Mi=Mf =（ C1/C2） *I=CI I=E(t ,t0)/R总 =CE(t,to)/R总 二 、 自 动 电 子 电 位 差 计是 用 来 测 量 直 流 电 压 信 号 的 ， 凡 是 能 转换 成 毫 伏 级 直 流 电 压 信 号 的 工 艺 变 量 都 能 用 它 来 测 量 。 根 据 平 衡 法 将 被 测 电 势 与 已 知 的 标 准 电 势相 比 较 ， 当 两 者 的 差 值 为 零 时 ， 被 测 电 势 就 等于 已 知 的 标 准 电 势 。 图 4-1 电 压 平 衡 原 理 图 CBCB IRU 0 检条 件 ： IUE CBt测 量 时 ， 可 调 节 滑 动 触 点 C的 位 置 ， 使同 时 有 根 据 这 种 电 压 平 衡 原 理 来 进 行 工 作 。 用 可 逆 电 动 机 及 一 套 机 械 传 动 机 构 代 替 了 人 手 进行 电 压 平 衡 操 作 ； 用 放 大 器 代 替 了 检 流 计 来 检 测 不 平 衡 电 压 并 控 制可 逆 电 机 的 工 作 。 图 4-2 电 子 电 位 差 计 原 理 图 电 子 电 位 差 计 既 保 持 了 手 动 电位 差 计 测 量 精 度 高 的 优 点 ， 而 且 无须 用 手 去 调 节 就 能 自 动 指 示 和 记 录被 测 温 度 值 。 结 论 5图 4-3 电 位 差 计 测 量 桥 路 原 理 图 图 4-2 电 子 电 位 差 计 原 理 图（ 1） 冷 端 温 度 补 偿 问 题 举 例 如 果 把 R 做 成 随 温 度 变 化 的 电 阻 ， 且 在 温 度 从 0 升 高 到25 时 ， 其 阻 值 变 化 量 R2 0.5， 这 时 ， 电 阻 R2上 的 电 压降 UDB也 增 大 ， UDB R2I2 1mV。 为 了 统 一 规 格 ， 上 支路 的 电 流 规 定 为 4mA（ 或 2mA） ， 下 支 路 电 流 规 定 2mA（ 或1mA） 。 因 为 测 量 桥 路 的 补 偿 电 压 UCD UCB UDB， 现 在UDB增 加 了 1mV， 那 么 UCD就 会 减 少 1mV， 此 时 滑 动 触 点 C的平 衡 位 置 不 需 变 化 。 由 于 UCD的 变 化 与 热 电 势 的 变 化 相 等 ，故 能 起 到 温 度 补 偿 作 用 ， 使 仪 表 的 指 示 值 基 本 不 受 冷 端 温 度变 化 的 影 响 。 6 7 （ 2） 量 程 匹 配 问 题 图 4-4 XW系 列 电 位 差 计 测 量 桥 路 原 理 图R 2 冷 端 补 偿 铜 电 阻 ； RM 量 程电 阻 ； RB 工 艺 电 阻 ； RP 滑 线电 阻 ； R4 终 端 电 阻 （ 限 流 电阻 ） ； R3 限 流 电 阻 ； RG 始 端电 阻 ； E 稳 压 电 源 1V； I1 上支 路 电 流 4mA； I2 下 支 路 电 流2mA R2铜 电 阻 装 在 仪 表 后 接 线 板 上 以使 其 和 热 电 偶 冷 端 处 于 同 一 温 度 。 下 支 路 限 流 电 阻 R3 它 与 R2配 合 ，保 证 了 下 支 路 回 路 的 工 作 电 流 为2mA。 上 支 路 限 流 电 阻 R4 把 上 支 路 的工 作 电 流 限 定 在 4mA。 滑 线 电 阻 RP 仪 表 的 示 值 误 差 、记 录 误 差 、 变 差 、 灵 敏 度 以 及 仪表 运 行 的 平 滑 性 等 都 和 滑 线 电 阻的 优 劣 有 关 。 量 程 电 阻 RM 决 定 仪 表 量 程 大 小的 电 阻 。 始 端 （ 下 限 ） 电 阻 RG 大 小 取 决 于测 量 下 限 的 高 低 。 测 量 桥 路放 大 器可 逆 电 机指 示 机 构记 录 机 构 图 4-5 电 子 电 位 差 计 方 框 原 理 图 二 、 自 动 电 子 平 衡 电 桥 9 利 用 平 衡 电 桥 来 测 量 热 电 阻 变 化 。图 4-6 平 衡 电 桥 当 被 测 温 度 为 下 限 时 ， Rt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 423 0 RRRRR Pt （ 4-3） 滑 动 触 点 B的 位 置 就 可 以 反 映 电 阻 的 变 化 ， 亦 即 反映 了 温 度 的 变 化 。 并 且 可 以 看 到 触 点 的 位 移 与 热 电 阻的 增 量 呈 线 性 关 系 。 结 论 14213 0 rRRrRRRR Ptt tt RRR RrrRRrRR 32 3112313当 被 测 温 度 升 高 后 的 平 衡 条 件 是 （ 4-4）用 式 （ 4-4） 减 式 （ 4-3） ， 则 得 （ 4-5）10 11 图 4-7 自 动 平 衡 电 桥 结 构 原 理 图 图 4-8 自 动 电 子 平 衡 电 桥 方 框 图 为 了 准 确 地 指 示 出 被 测 温 度 的 数 值 ， 将 热 电 阻 的 连接 采 用 三 线 制 接 法 ， 并 加 外 接 调 整 电 阻 。 12与 这 两 种 仪 表 配 套 的 测 温 元 件 （ 热 电 偶 、 热 电 阻 ）在 外 形 结 构 上 十 分 相 似 。仪 表 的 外 形 及 其 组 成 ： 如 放 大 器 、 可 逆 电 机 、 同 步电 机 及 指 示 记 录 部 分 都 是 完 全 相 同 的 。 它 们 的 输 入 信 号 不 同 。两 者 的 作 用 原 理 不 同 。当 用 热 电 偶 配 电 子 电 位 差 计 测 温 时 ， 其 测 量 桥 路 需要 考 虑 热 电 偶 冷 端 温 度 的 自 动 补 偿 问 题 ； 而 用 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 。 13 将 输 入 信 号 通 过 由 许 多 发 光 二 极 管 组 成 的 光 柱 显 示出 来 ， 具 有 显 示 醒 目 、 形 象 直 观 、 精 度 稳 定 的 特 点 。 14 第 二 节 数 字 式 显 示 仪 表一 、 数 字 式 显 示 仪 表 的 特 点 及 分 类 清 晰 直 观 、 读 数方 便 、 不 会 产 生 视差 。 线 路 简 单 、 可 靠性 好 、 耐 振 性 好 。 有 利 于 制 造 、 调试 和 维 修 ， 降 低 生产 成 本 。 按 输 入 信 号 的 形 式 来 分 ， 有 电 压型 和 频 率 型 两 类 。 按 被 测 信 号 的 点 数 来 分 ， 它 又 可分 成 单 点 和 多 点 两 种 。 根 据 仪 表 所 具 有 的 功 能 ， 又 可 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 输 出 记 录 仪 等15 图 4-9 数 字 式 显 示 仪 表 分 类 图16 二 、 数 字 式 显 示 仪 表 的 基 本 组 成图 4-10 数 显 仪 表 组 成 结 构 l数 字 式 仪 表 的 原 理 ： 被 测 参 数 经 检 测 元 件 和 变 送 器 转 换 成 相 应 的 电 信号 ， 首 先 输 入 到 数 字 式 显 示 仪 表 的 前 置 放 大 器 进 行 放大 ， 然 后 经 A/D转 换 成 为 数 字 信 号 。 由 于 输 入 到 前 置 放大 器 输 入 端 的 电 模 拟 量 与 被 测 变 量 之 间 可 能 具 有 非 线性 关 系 ， 而 仪 表 显 示 的 数 字 量 与 被 测 变 量 之 间 应 是 一一 对 应 的 比 例 关 系 ， 所 以 ， 在 数 字 式 显 示 仪 表 中 设 有非 线 性 补 偿 和 标 度 变 换 环 节 ， 以 便 对 测 量 信 号 进 行 线性 化 处 理 和 对 种 比 例 系 数 进 行 标 度 变 换 。 （ 1） 信 号 变 换 电 路l将 生 产 过 程 中 的 工 艺 变 量 经 过 检 测 变 送 后 的 信 号 ， 转换 成 相 应 的 电 压 或 电 流 值 。（ 2） 前 置 放 大 电 路l输 入 信 号 往 往 很 小 ， 必 须 经 前 置 放 大 电 路 放 大 至 伏 级电 压 幅 度 ， 同 时 可 在 前 置 放 大 电 路 中 加 上 一 些 滤 波 电 路 。 （ 3） 非 线 性 校 正 或 开 方 运 算 电 路l信 号 经 过 非 线 性 校 正 电 路 的 处 理 后 成 线 性 特 性 ， 以 提 高 仪 表 测 量精 度 。l开 方 运 算 电 路 的 作 用 是 将 来 自 差 压 变 送 器 的 差 压 信 号 转 换 成 流 量值（ 4） 模 数 转 换 电 路 （ A/D转 换 ）l数 显 仪 表 的 输 入 信 号 多 数 为 连 续 变 化 的 模 拟 量 ， 需 经 A/D转 换 电 路将 模 拟 量 转 换 成 断 续 变 化 的 数 字 量 ， 再 加 以 驱 动 ， 点 燃 数 码 管 进 行数 字 显 示 。 因 此 A/D转 换 是 数 量 仪 表 的 核 心 。（ 5） 标 度 变 换 电 路l将 显 示 仪 表 的 显 示 值 和 被 测 原 始 参 数 值 统 一 起 来 ， 使 仪 表 能 以 工 程 量 形 式 显 示 被 测 参 数 的 大 小 。 （ 3） 非 线 性 校 正 或 开 方 运 算 电 路l信 号 经 过 非 线 性 校 正 电 路 的 处 理 后 成 线 性 特 性 ， 以 提 高 仪 表 测 量精 度 。l开 方 运 算 电 路 的 作 用 是 将 来 自 差 压 变 送 器 的 差 压 信 号 转 换 成 流 量值（ 4） 模 数 转 换 电 路 （ A/D转 换 ）l数 显 仪 表 的 输 入 信 号 多 数 为 连 续 变 化 的 模 拟 量 ， 需 经 A/D转 换 电 路将 模 拟 量 转 换 成 断 续 变 化 的 数 字 量 ， 再 加 以 驱 动 ， 点 燃 数 码 管 进 行数 字 显 示 。 因 此 A/D转 换 是 数 量 仪 表 的 核 心 。（ 5） 标 度 变 换 电 路l将 显 示 仪 表 的 显 示 值 和 被 测 原 始 参 数 值 统 一 起 来 ， 使 仪 表 能 以 工 程 量 形 式 显 示 被 测 参 数 的 大 小 。 （ 6） 数 字 显 示 电 路 及 光 柱 电 平 驱 动 电 路l数 字 显 示 方 法 很 多 ， 常 用 的 有 发 光 二 极 管 显 示 器 （ LED） 和 液 晶 显示 器 （ LCD） 等 。 光 柱 电 平 驱 动 电 路 是 将 测 量 信 号 与 一 组 基 准 值 比 较 ，驱 动 一 列 半 导 体 发 光 管 ， 使 被 测 值 以 光 柱 的 高 度 或 长 度 形 式 进 行 显示 。（ 7） V/I转 换 电 路 和 控 制 电 路l数 显 仪 表 除 了 可 以 进 行 数 字 显 示 外 ， 还 可 以 直 接 将 被 电 压 信 号 通过 V/I转 换 电 路 转 换 成 0-10mA或 4-20mA直 流 电 流 标 准 信 号 ， 以 便 使 数显 仪 表 可 与 电 动 单 元 组 合 仪 表 、 可 编 程 序 控 制 器 或 计 算 机 使 用 。 第 三 节 新 型 显 示 仪 表一 、 无 笔 、 无 纸 记 录 仪 以 CPU为 核 心 采 用 液 晶 显 示 的 记 录 仪 ， 直 接 把 记 录 信号 转 化 成 数 字 信 号 后 ， 送 到 随 机 存 储 器 加 以 保 存 ， 并在 大 屏 液 晶 显 示 屏 上 加 以 显 示 。 图 4-11 无 笔 、 无 纸 记 录 仪 的 原 理 方 框 图 二 、 虚 拟 显 示 仪 表 比 较 简 单 ， 仅 由 原 有 意 义 上 的 采 样 、 模 数 转 换 电 路 通 过输 入 通 道 插 卡 插 入 计 算 机 即 可 。 在 计 算 机 屏 幕 上 完 全 模 仿 实 际 使 用 中 的 各 种 仪 表 。 19