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1、化工测量与仪表,第八章 显示仪表,显示仪表是用来指示、记录或累积 生产过程中各种参数的仪表。一般都安装在控制室的仪表盘上，与其他各种测量元件或变送器配套使用，连续地进行显示或记录生产过程中各参数的变化情况。还能与控制单元配套使用，对生产过程中的各种参数进行自动控制和显示。,目前使用的显示仪表种类很多。按所用能源可分为电动显示仪表和气动显示仪表；按照显示方式可分为模拟式、数字式和图像显示三类。,模拟式显示仪表是以指针或记录笔的偏转角度或位移量来模拟显示被测变量的连续变化。根据其测量线路的不同，又可分为直接变换式（如动圈式）和平衡式（如电子自动平衡式）两类。,第一节 动圈式显示仪表,该仪表是一种发
2、展比较早的模拟式显示仪表，但目前仍然被广泛使用，尤其是在一些中小型企业，应用极为广泛。它不仅可以与热电偶、热电阻等传感器配合用来显示温度，还可以对压力等其他工艺变量检测的直流毫伏信号进行显示。,动圈式显示仪表的组成如下图所示，它由测量电路和测量机构两部分组成。不同型号的仪表其测量电路是不一样的，但其测量机构基本相同。,1、测量机构和基本工作原理,动圈式显示仪表的测量机构是一个磁电式毫伏计。其中动圈是用高强度漆包细铜丝绕制成的一个无骨架矩形框，用张丝把它吊置在永久磁钢的空间磁场中。当测量信号（直流毫伏信号）通过张丝加在动圈上时，便有电流流过动圈。此时载流线圈受到磁场力作用而转动，因为动圈是由张丝
3、支承的，所以动圈的转动使张丝扭转，此时，张丝就会产生反抗动圈转动的力矩，该反力矩随着张丝扭转角度的增大而增大。当两力矩达到平衡时，动圈就停留在某一位置上。基于动圈的位置与输入的毫伏信号相对应，所以面板上可以直接刻成温度标尺，使装在动圈上的指针直接指示出被测对象的温度值。,测量机构和基本工作原理,动圈式显示仪表测量机构图l永久磁铁；2、6张丝；3软铁芯；4热电偶；5动圈；7刻度面板；8仪表指针,由于动圈仪表采用了统一的测量机构，为了适应不同量程的被测变量，使其输入满量程时，指针都能指示满刻度值，所以在测量机构的电路中串入了一个量程电阻R串，改变R串的大小，就能适应不同量程的被测变量。,2、动圈的
4、温度补偿,动圈仪表的刻度校验是在环境温度为205条件下进行的，但在仪表使用时，由于周围环境温度的改变，会引起动圈阻值Rd的变化，从而导致流过动圈的电流发生变化，致使指针偏转角改变而造成误差。为了补偿动圈阻值的变化，在电路中串入一个有负温度系数的热敏电阻RT，再用一电阻Rb与RT并联，使两者的并联电阻值随环境温度升高而下降，恰好补偿动圈阻值随温度变化而造成的误差。如图所示。,3、XCZ101型动圈式显示仪表,该仪表的输入变量为直流毫伏信号，可与热电偶配合构成热电偶温度计。其线路如图3100所示，由热敏电阻RT、并联电阻Rb、量程电阻R串以及外接调整电阻R调等组成。,XCZ101型动圈式显示仪表接
5、线图,外接调整电阻的作用：由于配热电偶的动圈式仪表是通过电流I来测量直流毫伏信号E（t，t0）的。因此，必须保证整个测量回路的总电阻值R总不变。否则，既使对于相同的热电势值，流过动圈的电流值也会不一样，指针的指示值也就不同。已知测量回路总电阻R总是仪表的内电阻R内和表外接线电阻R外的总和，则流过动圈的电流为,式中R内是一个定值，而表外电阻R外却会因线路长短，线径粗细而异。为了保证仪表的测量精度，规定动圈仪表的表外接线电阻为15；包括热电偶本身的电阻R热，补偿导线电阻R补，连接铜导线的电阻R铜，外接调整用电阻R调。即 R外=R热R补十 R铜 R调=15通过调整R调的值，使R外等于15，从而避免了
6、由于线路长短不一对指示值的影响。在调整时，选择R热为热电偶经常使用的温度条件下的电阻值，其测量精确度最高。,4、XCZ102型动圈式显示仪表,该仪表与热电阻配套构成热电阻温度计。其输入变量为热电阻的变化值。为了利用统一的测量机构，需将热电阻的阻值转换成毫伏信号，仪表的线路如图所示。从图中可以看出，电阻信号转换为毫伏信号是由不平衡电桥来完成的。其中RO、R2、R3、R4均为锰铜电阻，R1为热电阻的引线电阻，它们组成了电桥的四个桥臂，a、b为电桥的输出端，c、d为电源端，a、b、c、d四点把电桥分成了四个桥臂。,设计时一般使电桥中的R3=R4，R1+R2=Rt0+R1+R0，式中Rt0为对应于仪表
7、刻度起点的热电阻值，此时电桥处于平衡状态，电桥的输出为零。当被测温度升高时，热电阻的阻值Rt增大，电桥失去平衡，a点电位高于b点电位，此时有电流流过动圈，指针产生偏转；被测温度愈高，电桥输出的不平衡电压Uab愈大，仪表指针的偏转角度就愈大。不平衡电桥从而完成了由电阻到电压的信号转换。其动圈测量机构与配热电偶的动圈仪表线路完全相同。,RO为调零电阻。当热电阻的阻值等于Rt0时，如果仪表的指针不在零点，可以通过调节RO，使仪表的指针指在起始点上。当Rt相应于仪表满刻度对应温度的阻值时，若仪表指针不指在满刻度位置上，则可调节R串达满刻度。,热电阻的三线制接法：由于热电阻需通过导线与电桥相连，而连接导
8、线的电阻值又会随环境温度而改变，所以如果把热电阻的连接导线都接在一个桥臂内，当环境温度变化时，连接导线电阻的改变值将会与热电阻的变化值相叠加，给仪表带来较大的误差。因此通常采用三线制接法，即让两根连接导线分别接入相邻的两个桥臂，当导线电阻值变化时，其影响可以相互抵消一部分。R1为外接调整电阻。一般规定每根连接导线的总电阻值为5，若不足5时，须用锰铜丝电阻补足5，调整阻值应精确到5001。动圈仪表与热电阻配合时，其分度号必须相同。,第二节 自动平衡式显示仪表,由于动圈式显示仪表实际上是一种测量电流的仪表，所以，凡是能引起电流变化的各种干扰因素都会导致测量误差，而且这种误差单凭提高仪表的加工精度是
9、不能弥补的。另一方面，它的可动部分容易损坏，怕震动，且不便于自动记录。,目前常用的自动平衡式显示仪表有自动电子电位差计和自动平衡电桥两类，分别与热电偶和热电阻相配用。通过自动调节电位差或电阻值使电位差计或电桥达到平衡，并自动指示和记录测量结果，从而实现对温度变量的自动、连续检测和显示。同时克服了动圈式显示仪表的缺点，提高了测量精度。,一、自动电子电位差计,1、工作原理及组成：利用电位差计测量热电势是基于电压平衡法（也叫补偿法或零值法）。右图所示为最简单的电位差计原理线路图。,补偿法原理,Ex为被测电压，线性度很高的线绕电阻R与稳压电源E组成一闭合回路，因此流过R上的电流I是恒定的，这样也就可将
10、R的标尺刻成电压数值；G是一灵敏度较高的检流计。,右图为手动电位差计的原理线路图。测量未知电压的方法是调节滑动触点B的位置，使滑线电阻R在BA段的电阻RBA上的电压降UBA变化，当UBA=IRBA=Ex时，流过检流计G的电流为零，这时触点B所指示的电压值即为未知电压Ex。用这种“电压平衡法”法测量电压，由于此时流过热电偶内部及连接导线的电流为零，因此线路电阻变化对测量结果无影响。,手动电位差计,2、自动电子电位差计的构成及测量桥路,自动电子电位差计与手动电位差计的区别是用电子放大器代替检流计，用可逆电机及一整套传动机构代替手的操作。它主要由测量桥路、放大器、可逆电机、同步电机、指示记录机构、稳
11、压电源、机械传动机构等构成。,构成方框图,测量桥路原理图 越过电阻说明,R2-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),自动电子电位差计的测量桥路由上、下两条支路组成。用电桥电路产生直流电压UCD的优点是可以解决仪表量程问题，实现对热电势（正、负）的双向测量，同时还能对参比端温度进行自动补偿。桥路中各电阻的作用如下：,铜电阻R2,装在仪表后接线板上以使其与热电偶冷端处于同一温度。当环境温度改变时，铜电阻上的电压降变化量等于相应的热电偶冷
12、端温度变化所引起的电势变化值，起冷端温度补偿作用。当配用镍铬镍硅热电偶时R2=5.33；配用镍铬考铜热电偶时 R2=8.92；配用铂铑铂热电偶时R2=0.74。,下支路限流电阻R3，是一个固定电阻，它与R2配合，保证了下支路回路的工作电流为2mA。由于铜电阻的阻值随温度而变化，所以，下支路的回路工作电流I2只有在仪表的标准工作温度（25）时才为2mA。电阻R3的准确度直接影响到下支路电流I2的大小。因此，它的精度要求较高，一般应在0.2以内。,上支路限流电阻R4的作用是把上支路的工作电流限定在4mA，即它与Rnp（RP、RB、RM三个电阻的并联值）、RG串联，使上支路工作电流为4mA。所以，当
13、Rnp和RG的数值确定后，R4的电阻值也就确定了。,滑线电阻RP，是测量系统中的一个非常重要的部件，仪表的误差、灵敏度和运行的平滑性等都和滑线电阻的质量有关。因此，除了要求装配牢固外，对材料的性能要求很高，尤其对滑线电阻的线性度要求更高，在0.5级的仪表中，希望能把非线性误差控制在0.2范围内。由于工艺上的原因，RP很难绕制得十分精确，其数值也不便增减，为此，和RP并联一个电阻RB（称为工艺电阻），并联后其数值为90，这样，把两个电阻作为整体来考虑，便于统一规格和成批生产。,量程电阻RM是决定仪表量程大小的电阻。它的大小由仪表测量范围及所配用的热电偶分度号来决定。电阻RM与滑线电阻并联，RM越
14、大，它从上支路回路工作电流I1中所分流出的电流IM越小，仪表的量程就越大；反之，RM越小，其量程也就超小。因此，如果要制作不同量程的仪表，只需改变RM、RG和R4的阻值，滑线电阻RP和工艺电阻RB则不需要改变。,始端（下限）电阻RG的大小取决于测量下限的高低。当滑动触点C向左移至滑线电阻的起点F时，桥路的输出电压UCD应该等于温度为标尺下限时的热电势值。RG越大，在下限时的UCD也越大，即测量下限越高，反之亦然。,3、平衡和记录机构,l-可逆电机；2-传动齿轮；3-拉丝轮；4-拉线；5-导线轮；6-记录笔与指针；7-记录纸；8-卷纸辊；9-导向辊；10-收纸辊；11-储纸辊；12-滑动触点；1
15、3-滑线电阻盘,二、电子自动平衡电桥,电子自动平衡电桥是与热电阻配合用以测量和显示温度的，也可与其他能转换成电阻值变化的变送器、传感器等配合使用，测量并显示生产过程中的各种变量，因而在化工生产中得到了广泛应用。,电子自动平衡电桥主要由测量桥路、放大器、可逆电机、同步电机等部分构成，其组成方框图如右图所示。,1、平衡电桥的工作原理：,线路如右图所示。图中Rt为热电阻，与固定电阻R2、R3、R4组成电桥，E0为电源，G为高灵敏度检流计，A、B为电桥的输出端，RP为带刻度的滑线电阻。如果刻度值为温度，则电桥达到平衡（即检流计G中的电流为零）时，滑动触点A所指示的温度就是被测温度。,当温度为量程下限值
16、时，Rt有最小值Rt0，滑动触点A应在滑线电阻的最左端。此时电桥的平衡条件是R3（Rt0RP）=R2R4（4-1）温度升高后，热电阻由Rt0增至Rt=Rt0Rt，A点必须右移才能使电桥重新平衡，平衡条件为 R3（Rt0+Rt+RP-r1）=R2（R4+rl）（42）用式（42）减去式（41）得 R3（Rt-r1）=R2r1整理得,由上式可以看出：滑动触点A的位置反映了电阻的变化，亦即反映了温度的变化，并且可以看出触点的位移与热电阻的增量呈线性关系。自动平衡电桥是用电子放大器取代检流计，利用被放大的不平衡电压驱动可逆电机，用可逆电机再带动滑动触点A以使电桥达到平衡。,2、电子自动平衡电桥,国产的
17、电子自动平衡电桥目前有XD系列（交流平衡电桥）和XQ系列（直流平衡电桥）两种。其中直流电源为1V，交流电源为6.3V。当采用交流电桥时，输出的不平衡电压是交流值，可以省去直流信号变交流的过程直接送到交流放大器，结构比较简单。但抗干扰的能力较差。直流电桥的抗干扰能力强，精度较高。,自动电子平衡电桥的电原理图如下图所示。电阻Rnp同自动电子电位差计中的一样，也是由三个元件所组成（即RP、RB、R5r5），RP与 RB并联后的电阻值为90；R5r5用来调整仪表起始点的刻度，r5、r6作微调用。,由上图可知，当Rt的阻值随被测温度变化时，电桥失去平衡，这一不平衡电压从电桥的对角线引至电子放大器进行放大
18、，然后驱动可逆电机，由可逆电机带动滑线电阻的滑动触点移动，以改变上支路两个桥臂阻值的比例，直到使电桥恢复平衡状态。可逆电机同时带动指针，指示出被测温度值。当被测温度为仪表刻度的始端时，热电阻的阻值最小，滑动触点应移向RP的左端。当被测温度升至刻度的最大值时，热电阻的阻值最大，滑动触点应移向RP的右端。,上图中，热电阻采用三线制接法，每根导线电阻为25。如不足25，用外接调整电阻R1（锰铜电阻）补足。电桥上、下支路的电流一般均为3mA。当用交流电作电桥的电源时，在电源回路中串入R7用以限流，以保证流过热电阻的电流不超过允许值。,第三节 数字式显示仪表,模拟式显示仪表中的信号都是随时间连续变化的模
19、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、记录笔画曲线等。而数字式显示仪表也是先用传感器将待测变量如压力、物位、流量、温度等转换成相对应的物理量，一般为电信号，再经模数转换（ADC）成数字信号（脉冲信号），由数字电路处理后直接以数字形式显示被测结果。,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。如按被测信号的点数来分，它又可分成单点和多点两种。在单点和多点中，还可以根据仪表所具有的功能来分。,一、数字式显示仪表的原理及
20、特点,数字式显示仪表是直接用数字量显示被测值。所以如果是连续变化的模拟量首先要变换成断续变化的数字量，（简称AD转换器）。如果输入的信号是数字量，则直接进行计数显示，其方框图如下图所示。,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电参量的模拟量。因此，数字式显示仪表所要求的模数转换装置，通常都是以电压信号作为输入量，也就是说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。,相对于模拟式仪表，数字式显示仪表有以下特点：,（1）准确度和灵敏度高；（2）测量速度快，每秒钟从几十次到上百万次；（3）仪表的量程和被测量的极性可以自动转换，自动检查故
21、障、报警以及完成指定的逻辑程序；（4）可以方便地实现多点测量；（5）可以与计算机配合，给出一定形式的编码输出。,二、模数转换,模数转换是数字式显示仪表的重要组成部分。其主要任务是使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。要完成这一任务必须用一定的计量单位使连续量整量化，以便得到近似的数字量。计量单位越小，整量化数字的误差也就越小，也就越接近连续量的实际值。模数转换的过程如下图所示。,图（a）为模拟式仪表的指针读数与输入电压的关系，图（b）是将这种关系进行了整量化，用折线代替了图（a）中的直线。很显然，分割的阶梯（即一个量化单位）越小，转换精度就越高，但又同时要求
22、模数转换装置的频率响应、前置放大器的稳定性等也越高。,目前使模拟量整量化的方法很多，但常用的有以下三类。（1）时间间隔数字转换。（2）电压数字转换（VD转换）。（3）机械量（直线位移或角度等）数字转换。实际上，经常是把非电量先转换成电压，然后再由电压转换成数字，所以AD转换的重点是VD转换。VD转换的方法也很多，如双积分型（间接法）、逐次比较型（直接法）等。,三、电子计数器,计数器通常由多个双稳态触发器串联而成。可以对接受的脉冲数进行逢十进一的累计。另外，还能通过译码器将其译成十个状态（09），驱动数码管，将被测数据显示出来。,四、显示器,在数字式显示仪表中，测量结果都是以数字的形式直接显示的
23、。数字显示的方式很多，如半导体数码管显示器、辉光数码管显示器、液晶显示器等。下面介绍半导体数码管显示器。,半导体数码管的基本元件多采用磷砷化镓做成的PN结，当外加正向电压时，能发出清晰的光线。单个PN结可以封装成发光二极管，如右图所示；多个PN结可以分段封装成半导体数码管，其管脚排列如下图所示。,半导体数码管分为7个字段，每段为一发光二极管。其字型结构如右图所示，选择不同的字段发光，可以显示出不同的字型。如当 a、b、c、d、e、f、g 七个字段全亮时，显示数字8；a、b、c三个字段亮时，显示数字7。,五、数字式显示仪表的基本组成,数字式显示仪表的种类很多。现以热电偶数字显示温度计为例，如下图
24、所示，它可以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；并能给出所测温度lmV的模拟电压供温度调节仪用。,第四节 新型显示记录仪表,现代工业控制领域和电子信息技术领域的飞速发展，使得以CPU为核心的新型显示记录仪表被广泛地应用到化工、炼油等各行各业中。进入20世纪90年代以后，一种新型显示记录仪表无纸、无笔记录仪问世。,一、概述,无纸、无笔记录仪是一种以CPU为核心采用液晶显示的记录仪，无机械传动、纸和笔。直接将记录信号转化为数字信号，然后送到随机存储器进行保存，并在大屏幕液晶显示屏上显示出来。记录信号由工业专用微处理器（CPU）进行转化、保存和显示，所以可随意放大、
25、缩小地显示在显示屏上，观察、记录信号状态极为方便。必要时还可以将记录曲线或数据送往打印机打印或送往微型计算机保存和进一步处理。,该仪表的输入信号种类多，可以与热电偶、热电阻、辐射感温器或其他产生直流电压、直流电流的变送器相配合。对压力、流量、液位、温度等工艺参数进行数字记录和数字显示；可以对输入信号进行组态或编程，并有报警功能。,二、无纸、无笔记录仪的原理及组成,该仪表采用工业专用微处理器（CPU），可实现全数字采样、存贮和显示等。其原理方框图如下图所示。,（1）模-数（AD）转换器:将所记录的模拟信号转换为数字量以便于CPU进行运算处理。该记录仪可同时接18个模拟量。（2）CPU:用来对各种
26、数据进行采集和处理，并对其进行放大或缩小，还可以送到液晶显示屏显示，也可以送至随机存贮器（RAM）存贮，并可与设定的上、下限信号进行比较，如果越限便发出报警信号。CPU作为该记录仪的核心，一切关于数据计算和处理的功能均由它来承担。（3）随机存贮器（RAM）:用来存贮 CPU处理过的数据。根据采样时间的不同，可以保存3170天的历史数据。由于记录仪内有备用电池供电，所以停电时也能保证所有记录数据和组态信号不会因掉电而丢失。,（4）只读存贮器（ROM）:其中有固化程序，用来指挥CPU完成各种功能的操作，只要接上电源，ROM中的程序就能使CPU开始工作。（5）显示控制器:用来将CPU内的数据显示在液
27、晶显示屏上。（6）键盘控制器:操作人员通过键盘控制器输入操作信号至 CPU，使 CPU按照要求工作。（7）报警输出电路:当所记录的数据越限（越过上限或低于下限）时，CPU就能及时发出报警信号，由报警电路产生报警输出。（8）时钟电路:记录仪所需的记录时间间隔、时标或日期均由时钟电路产生，送给CPU。,该记录仪内还配有打印控制器和通讯控制器，CPU内的数据可通过它们与外接的微型打印机或微型计算机（PC）连接，实现数据的打印和通讯。,三、记录仪的使用,无纸、无笔记录仪的显示界面如右图所示。（实物图）,1、实时单通道显示,左上角显示日期（年-月-日）和时间（时分秒）。右上角显示该通道的工程单位（如等）
28、。第二行是棒图，并含有报警上、下限标志。各通道数据越限时有报警显示（H表示上限报警、L表示下限报警），并显示当前数据的通道号。通道号的右边有手动/自动翻页显示，A表示自动翻页显示，M表示手动翻页显示，中间标有工程量数据。,用百分量标尺显示实时趋势曲线，并标有时间标尺，右端为0，表示当前时间，左端为50m，表示50min前的时间，可显示50min的实时趋势曲线。屏幕底部六个“”模拟显示六个报警触点的当前状态，“”表示该触点处于报警闭合状态，“”表示该触点处于非报警状态。,最后一行为各种按键，上方符号表示组态用按键，下方为显示用按键。每按一次追忆键中的键，自动翻页手动翻页就切换一次，显示出相应的A
29、或M，但在实时单通道显示画面内，追忆键是没有意义的；按功能键，可显示单通道趋势显示、八通道棒图显示、八通道数据显示、双曲线比较显示、双通道追忆显示、双报警追忆显示以及单通道PID调节显示；翻页键供手动翻页用来显示实时曲线及棒图；时标键可选择四种时间标尺，分别为25、50、10和 20min。,2、组态界面,该记录仪设有组态界面，操作简单方便。只要将表头拉出，将侧面的组态显示切换插针插入左边两孔内，原数据显示屏即切换为组态显示屏。此时，图中符号“”、“”键用来移动光标，“”、“”键用来增减数值，时标上方的回车键用来确认某项操作。从而取代了编程。,该记录仪有六种组态方式。,时间及通道组态：用于组态
30、（或修改）日期、时钟、记录点数和采样周期。页面及记录间隔组态：用于页面、记录间隔的设置以及背光的打开关闭设置。各通道信息组态：各个通道量程的上下限、报警上下限、滤波时间常数以及开方与否的设置等。输入信号的工程单位繁多，可通过组态，选择合适的工程单位。如果想带有PID控制模块，可实现4个PID控制回路。,通讯信息组态：用于设备通讯地址和通讯方式的设置画面显示选择组态：记录仪一共可显示九个画面，可通过组态，选择最需要显示的画面。报警信息组态：每个通道的上上限、上限，下限和下下限报警触点的设置。,3、性能特点,液晶全动态显示，清晰明了。并具有背光功能，在黑暗中也清晰可见。输入信号多样化，以工业专用微处理器（CPU）为核心，从而实现了高性能、多回路监测，并可随意放大、缩小地进行显示。无纸、无笔、无墨水，无一切机械传动结构，不需要日常维护。精度高：实时显示时，02；曲线及棒图显示时，05。具有与上位机通讯的标准，可靠性较高。而且价格并不比普通记录仪高。,物位显示仪表,GDV5000十二通道彩色无纸记录仪,习题：第4、5题；,
