安徽建筑工程学院建筑环境测试技术11

第11章：电动显示仪表授课课时：2学时主要内容：电动显示仪表意义及概述。电动显示仪表的分类：模拟式显示仪表，数字式显示仪表。各显示仪表的结构组成及其工作原理，各显示仪表与之匹配的传感器的选择和确定。各类显示仪表的结构组成，各类显示仪表的工作原理，工作方法及其配套的传感器选型。重点和难点:各类显示仪表的结构组成，各类显示仪表的工作原理，工作方法及其配套的传感器选型。各类显示器与传感器的匹配，如何满足工艺精度要求主要章节•11.1概述•11.2模拟式显示仪表•11.3数字式显示仪表•11.4智能式显示仪表•11.5传感器及变送器与显示仪表的连接11.1概述电动显示仪表通常是由测量线路和显示装置两部分组成。1.模拟式显示仪表是以指针或记录笔的偏转角或位移量来显示被测变量连续变化的仪表。1）直接变换式仪表的组成与特点•组成图11.1.1直接变换式仪表•特点（1）其线性刻度较困难。（2）很难获得较高的精度。（3）信息转换效率低，但仪表简单可靠、重量轻、尺寸小、价格便宜。2）平衡式显示仪表的组成及特点•组成•特点•（1）平衡式显示仪表线性度好、测量精度高；•（2）反应速度快；图11.1.2平衡式显示仪表的组成(3)比直接变换式仪表结构复杂、造价高。3）显示仪表的基本技术性能•仪表的变差在规定的条件下，用同一仪表对被测量进行正、反行程的测量，对某一测量点所得到的正、反行程两次示值之差称为该测量点上的示值变差。ibiiyyymaxmaxmin100%bbyyy图11.1.3仪表的变差特性•仪表的灵敏度仪表输出信号的变化量和引起这个输出变化量的被测量变化量的比值，称为仪表的灵敏度。•仪表的分辨率仪表响应输入量微小变化的能力称为仪表的分辨力，常用分辨率或灵敏限来表示。ySx2.数字式显示仪表•把与被测量（例如温度、流量、液位、压力等）成一定函数关系的连续变化的模拟量，变换为断续的数字量进行显示的仪表。1）构成：它是由前置放大器、A／D转换器（模拟量转换成数字量）、非线性补偿、标度变换以及显示装置等部分组成。2）技术指标•分辨率仪表在最小量程时，最末一位数字跳变一个字所代表的量值，它反映了仪表的灵敏度。图11.1.4数字式显示仪表的构成框图•精确度数字仪表精确度的表示方法：（1）（2）数字仪表精确度的相对误差min%aXnXmax%%aXbX%%mXabXX•输入阻抗数字仪表输入阻抗：指仪表在工作状态下，仪表两个输入端子之间所呈现的等效阻抗。•干扰抑制比工业现场存在很强的电磁场及各种高频干扰，因此对数字抗干扰性有一定得要求，通常用干扰抑制比来表示。3.智能式显示仪表•带有微处理器的数字式仪表，可以实现复杂计算等功能。•1）构成图11.1.5智能式显示仪表的构成2）技术指标与特点•技术指标技术指标与数字仪表基本相同，在测量误差功能上增加了零点、满度误差软件修正和数据线性化处理的功能。•特点（1）具有常规仪表相同的功能；（2）具有丰富的数据处理功能；（3）可以方便地与各种输入信号连接；（4）具有可编程功能；（5）可以存储历史数据，并能方便地输出；（6）具有数据通信功能；（7）与上位机配合可以构成分布式采集系统。11.2模拟式显示仪表•模拟式显示仪表：利用测量的模拟信号直接显示或者经过转换电路处理后再显示；也可以将模拟信号与标准信号比较调平衡后，经过计算得到测量值再显示。模拟式显示仪表具有连续显示功能，测量值在仪表的刻度盘上读出。•1.动圈式显示仪表•采用灵敏度较高的磁电系测量机构，易将微弱的被测信号转换为指针的角位移。可以对直流毫伏信号进行显示，也可以对非电势信号但能转换成电势信号的参量进行显示。1）特点•可以作参数显示；也可作参数指示显示和控制；可与热电偶等测温元件配合作为温度显示、调节使用；可和其他变送器配合，测量、控制其他参数。2）组成和测量线路•动圈式仪表由测量线路和测量机构两部分组成。图11.2.1动圈仪表•检测毫伏信号的测量线路•用于检测毫伏信号或配热电偶的动圈仪表测量线路为直接变换式线路。它由环境温度补偿电阻、量程和阻尼调整电阻、量程和阻尼调整电阻组成。•图11.2.3毫伏信号的测量线路（1）环境温度补偿电阻用具有负的温度系数的热敏电阻Rr和锰铜电阻RB并联后再与RD串联的方法进行补偿。（2）量程和阻尼调整电阻国产XC系列动圈仪表采用了统一的测量机构，即用于不同的量程、不同的被测量情况下的表头是统一的，这就大大的简化了生产工艺，提高了生产效率。（3）热电偶冷端温度补偿•与热电偶配套的动圈仪表，是直接按照热电偶的分度表进行刻度的，即热电偶的冷端温度是在零度条件下刻度的，如果热电偶冷端温度不是零度，则动圈仪表的读数便不能真实的反映被测温度值，并产生一个随冷端温度变化而变化的误差。因此在实际测温中，必须考虑冷端温度补偿问题。图11.2.4热电偶冷端温度补偿•检测电阻值的测量线路3）仪表型号工业仪表型号由三节组成：第一节以大写字母表示，第二节以阿拉伯数字表示，尾注以大写汉语拼音字母一位表示，普通型不加尾注；第三节以一位阿拉伯数字表示统一设计的序号，第一次统一设计不加第三节。•动圈式仪表型号•见课本P242.2.自动平衡式显示仪表1）平衡式电子电位差计•工作原理：•将被测电势与已知的电位差进行比较，当两者之差为零（即达到平衡）时，被测电势就等于已知的电位差，此时仪表达到平衡而停止工作，故称为平衡式电子电位差计。•平衡式电位差计SXPabPabKEEIRRR图11.2.5手动平衡式电位差计•手动平衡式电位差计•一般用于实验室测量，若用于生产过程中的连续自动测量，而不要求精度较高，则必须采用自动平衡电子电位差计。•图11.2.6自动平衡式电位差计原理2）自动平衡式电桥•电子自动平衡电桥可与热电阻配套使用测量温度，也可与其他能转换电阻变化的检测元件配套使用，测量生产过程中的各种参数。3）E系列平衡记录仪（1）表面光滑，耐腐蚀，耐氧化、接触良好等优点。（2）仪表放大器使用的是低零漂、高输入阻抗的运算放大器。（3）仪表测量电路中的量程电阻采用特殊的氮化狚薄膜电阻，用激光来修正其阻值，误差不大，且稳定性极高，对提高仪表的稳定性和可靠性意义重大。11.3数字式显示仪表•数字显示仪表三要素：•模数转换（A／D）、非线性补偿和标度变换是组成数字式仪表的三要素。1.模拟—数字转换（A／D转换）将模拟量转换为一定码制的数字量统称为模数转换。•模—数转换•[/]xqDUU1）直接比较型A／D转换•是基于电位差计的电压比较原理.即用一个作为标准的可调参考电压与被测电压进行比较，当两者达到平衡偏差检出为零时，参考电压的大小就等于被测电压。图11.3.1直接比较型A／D转换•逐次比较型A／D转换：•是最典型的直接比较型。用标准电压与被测电压从高位到低位逐次进行比较，采用大者弃、小者留的原则，不断逼近、逐渐积累，即将被测电压转换成了数字量。图11.3.2逐次逼近A/D转换编码过程2）间接比较型A／D转换就是被测电压不是直接转换成数字量，而是首先转换成某一中间量，然后再将中间量整量化转换成数字量。双积分型A/D转换：图11.3.3被测电平平均值求取图11.3.4间接比较型A／D转换•具体步骤：（1）完成被测电压US到平均值的转换；（2）须完成被测电压平均值到另一时间间隔的转化；（3）将时间间隔整量化而成数字量N.2.非线性补偿•非线性补偿的方法：一类是用硬件的方式实现；一类是以软件的方式实现。数字式仪表一般采用硬件电路进行非线性补偿。1）模拟式线性化•串联方法接入图11.3.5串联式线性化原理•硬件非线性补偿：设在A／D转换之前进行非线性补偿的称为模拟式线性化；设在A／D转换之后进行非线性补偿的称为数字线性化；设在A／D转换器中进行非线性补偿的称为A／D转换线性化。•反馈式接入•反馈式线性化就是利用反馈补偿原理，引入非线性的负反馈环节，用负反馈环节本身的非线性特性来补偿检测元件或传感器的非线性，使U0和X之间的关系具有线性特性。2）数字线性化3）A／D转换线性化3.信号的标准化及标度变换1）信号标准化•将各种不同规格的测量信号统一起来进行信号标准化，然后再显示和传输。标准化的输出信号可以是电流、电压或其他形式的信号。•标准化电流信号：•一种是将测量信号转换成4～20mA、DC（标准的Ⅲ型仪表输出信号）；另一种是将测量信号转换成0～10mA、DC（标准的Ⅱ型仪表输出信号）。•标准化电压信号：•国内采用的统一直流电压传输信号有以下几种：0～10mV、0～30mV、0～40.95mV、0～50mV、0～5V、1～5V等。•标准化的测温元件：•主要有标准化热电偶、热电阻，标准化的热电偶主要有S、B、K、T、E、J、R等；标准化的热电阻主要有Pt10、Pt100、Pt1000、Cu50、Cu100等。2）标度变换•对于过程测量参数，在数字仪表上要用被测变量的形式显示，这就存在一个量纲还原问题，通常称之为“标度变换”。图11.3.7测量环节的标度变换原理•数字式仪表显示值与测量值之间的关系可以用下式表示4.数字式仪表的规格与型号•数字式仪表型号见课本表11.3.112345ySSSSSxSx11.4智能式显示仪表1.结构特点•仪表的核心部分使用微处理器；仪表内部的芯片都是以总线方式相连接的；仪表有着多种标准接口方式；仪表有着灵活的面板结构。1）微处理化2）总线结构3）标准化接口4）灵活的面板结构2.数字滤波技术1）算术平均值法•算术平均值法就是对同一测量点的数据，连续采样N次，然后取其平均值。2）中位值法•对同一测量点的数据连续采样3次，将测量数据排队，取其中间值作为测量值。3）综合滤波法•结合上述的算术平均值法和中位值法滤波的特点，构成综合滤波法。3.标度变换1）线性信号的标度变换•线性信号的标度变换2）非线性信号的标度变换m0x0x0m0Y-YYYNNN-N•测量信号与传输信号之间的关系有时是非线性关系，如果这种非线性关系是已知的，则可采用数学计算的方法解决。4.非线性补偿技术1）线性插值原理•线性插值的思想就是以直代曲，将一个非线性的关系曲线，用分成若干的直线段来表示。分成的直线段越多，越接近于曲线，线性插值的误差也就越小。jj-1ij1ij1jj-1y-yyyxxx-x图11.4.1分段线性插值法2）线性插值分段法•等距分段法•变距分段法5.数据处理功能1）求取测量值的平均值、方差值、标准值和均方根值等。2）按线性关系、对数关系即乘方关系求取测量值相对于基准值的各种比值。3）进行各种随机量的统计规律的分析和处理。4）进行曲线拟合和非线性的校正。5）进行逻辑运算，实现极值判别和报警功能等。6）进行加、减、乘、除、积分、微分等计算。6.自校准功能•为了消除测量过程中，智能仪表的使用环境发生变化而带来的测量误差，这种校准功能只能减少仪表本身的测量转化误差，而消除不了测量信号的传输误差。图11.4.2变增益自校准功能7.其他功能1）自诊断功能2）定时功能3）通讯功能11.5传感器及变送器与显示仪表的连接1.传感器与显示仪表直接相连接1）热电偶的连•热电偶与显示仪表的连接不能使用普通导线直接相连，要用相同材质的导线或者是相近材质的补偿导线相连接。（a）（b）图11.5.1热电偶与显示仪表直接连接2）热电阻的连接•热电阻与显示仪表的连接一般都采用三线制，连接导线无特殊要求，选择标准的信号电缆线即可。图11.5.2热电阻与显示仪表直接连接2.一体化变送器与显示仪表相连接•一体化变送器（或一体化传感器）：将测量元件与变送电路制成一体，并将测量信号转换成标准的电流、脉冲或者数字信号进行传输。1）接收电流信号•一体化变送器一般是需要外部提供24V的直流电源，提供电能的电源线同时又是一体化变送器向显示仪表传输信号的信号线。图11.5.3一体化变送器与显示仪表相连接2）接收脉冲信号3）接收数字信号思考题•简述自动平衡式电子电位差计显示仪表的工作原理。课后小结•通过本章学习同学们掌握电动显示仪表的