项目六显示仪表

显示仪表(项目六)仪表及过程控制仪表及过程控制项目6-2数字式显示仪表项目6-1模拟式显示仪表主要内容项目6-4显示仪表的选型项目6-3无纸记录仪仪表及过程控制导入显示仪表是接收检测元件(包括敏感元件、传感器、变送器等)输出信号，通过适当的处理和转换，以易于识别的形式将被测参数表现出来的装置。显示仪表分为模拟式、数字式和屏幕式三大类。还有一类称为记录仪的特殊显示装置。近年来，随着计算机多媒体技术的快速发展，利用计算机来取代实际的显示仪表，形成了所谓的虚拟显示仪表的概念。仪表及过程控制项目6-1模拟式显示仪表定义：模拟式显示仪表是以指针与标尺间的相对位移量或偏转角来指示被测参数连续变化的显示仪表。优缺点：结构简单、工作可靠、价格低廉、易于反映被测参数的变化趋势，然而，也具有准确度较低、线性刻度较差、信息能量传递效率低、灵敏度不高等缺点。仪表及过程控制一、自动平衡式电子电位差计电位差计是一种典型的平衡式测量仪表，能与输出信号为电势(电压)的各种检测元件配合，用于测量和显示被测参数。仪表及过程控制(1)工作原理调整滑动触点A的位置，改变UAB的数值达到UAB=Et时，I0=0，检流计指针停在零位上，这时滑动触点A在标尺上所指示的UAB的数值就是被测电势Et的值。电位差计的测量原理仪表及过程控制热电偶放大器可逆电机指示机构调节机构记录机构测量桥路同步电机电子电位差计原理方框图热电偶输入的直流电势与测量电路端口的直流电压进行比较，电压差值（即不平衡电压）经过放大器放大后，输出足以驱动可逆电机的功率，推动可逆电机带动指示、记录机构，同时还带动测量电路的滑线电阻的滑触点，改变滑触点在滑线电阻中的位置,直到测量电路新的端口电压与输入电势平衡为止。仪表及过程控制(2)测量桥路分析具有两个支路的测量原理线路在此电路中ab两点的电位差：Uab=Uac–Ubc。当UacUbc时，Uab为正值；当UacUbc时，Uab为负值。故测量桥路能够提供正的或负的已知电位差与被测电势相平衡，解决了双向测量问题。仪表及过程控制为限流电阻，锰铜丝绕制。它与Rnp(RP、RB和RM3个电阻并联后的等效电阻)、Rc串联，使上支路回路电流为4mA。为限流电阻，是一固定值，用锰铜丝绕制。它与配合，使下支路在25℃时工作电流为2mA。为桥臂电阻。在配用热电偶测温时，作为热电偶冷端温度补偿电阻。2R3R是决定仪表刻度起始值（下限）的锰铜电阻。GRGR4R仪表及过程控制为量程电阻。它是决定仪表量程大小的电阻，它的大小由仪表测量范围与所采用的分度号（当仪表与热电偶配套使用时）决定。为凑合电阻（工艺电阻），使与的并联电阻为90为滑线电阻，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。PRBRBRPRMR仪表及过程控制(3)技术指标a.基本误差。电子电位差计的基本误差包括两种，一是指示基本误差，二是记录基本误差。b.全行程时间。在使用过程中当被测参数发生变化时，衡量仪表指示器反映被测参数变化的速度性质的指标，用全行程时间表示。c.仪表不灵敏区。它是指仪表指针不发生变化的输入信号最大变化范围，通常不超过量程的0.25%或0.5%。仪表及过程控制注意：电子电位差计本质上是一种测量直流电势或电位差的显示仪表，可与热电偶、变送器或其他能将被测参数转换为直流电势的仪器配用。热电偶和电子电位差计的分度号必须一致，仪表的外形尺寸、记录方式、走纸速度、测量范围等，应按实际测量要求选择。仪表及过程控制二、自动平衡电桥自动平衡电桥式显示仪表是与热电阻配套使用，对被测温度进行指示及记录的装置。自动平衡电桥与电子电位差计比较，除测温元件及测量桥路不同外，其他部分基本相同。仪表及过程控制自动平衡电桥的测量桥路如图所示。其中R2、R3、R4为桥路固定电阻，R6为起始电阻，R5为量程电阻，Rp为滑线电阻，RB为凑合电阻（工艺电阻），使之与Rp的并联电阻为90。除Rp为导电塑料的滑线电阻外，其余皆为锰铜电阻。Rt为热电阻，R1为热电阻的连接导线电阻（此为三线制接法）。自动平衡电桥的测量桥路仪表及过程控制桥路处于平衡状态，Uab=0，且(Rt+R1+R6+r2）R3=(r1+R4)(R1+R2)当被测温度升高时，Rt增大，此时上面等式关系破坏,电桥失去平衡，Uab0，经放大器A放大后，驱动可逆电机M，使滑线电阻上的滑触头a向左面移动，使Rt所在桥臂电阻减小，直到上面等式成立，Uab=0，则可逆电机停止转动，桥路达到了新的平衡。反之Uab0，滑线触头a向右移动，又达到了新的平衡。工作原理：仪表及过程控制自动平衡电桥与电子电位差计在外形结构上十分相似，许多基本部件完全相同。但它们终究是不同用途的两种模拟式显示仪表，主要区别如下：(1)配用的感温元件不同；(2)作用原理不同；(3)感温元件与测量桥路的连接方式不同；(4)电子电位差计的测量桥路具有对热电偶自由端温度进行自动补偿的功能，自动平衡电桥不存在这一问题。仪表及过程控制yIRt测量桥路放大器可逆电机平衡机构自动平衡电桥原理框图自动平衡电位差计原理框图yI测量桥路Uo放大器可逆电机平衡机构Uf仪表及过程控制项目6-2数字式显示仪表一、概述数字式显示仪表是把与被测参数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显示的仪表。数字式显示仪表与模拟式显示仪表相比，具有测量准确度高、显示速度快以及没有读数误差等优点，在需要时，还可输出数字量与数字计算机等装置联用，因而在现代测量技术中得到广泛应用。仪表及过程控制(1)准确度高，可避免视差。(2)灵敏度高，响应速度快，而且不受输送距离限制。(3)量程和极性可以自动转换，因而量程范围宽，能直接读出测量值和累积值。(4)体积小，重量轻，易安装，可以在恶劣环境中工作。(5)其中的智能型数字式显示仪表，还有量程设定、报警参数设定、自动整定PID参数、仪表数据掉电保护、可编程逻辑控制等功能。数字式显示仪表的特点：仪表及过程控制二、数字式显示仪表的构成数字式显示仪表是由前置放大器、模拟-数字信号(A/D)转换器、非线性补偿器、标度变换以及显示装置等部分组成。由检测元件送来的电流或电压信号，经前置放大器放大，然后经A/D转换器转换成数字量信号，最后由数字显示器显示其读数。模-数转换、非线性补偿和标度变换是数字式显示仪表的三要素，其核心环节是模-数转换器。数字式显示仪表组成框图仪表及过程控制三、模/数转换所谓模-数转换(A/D)就是要把连续变化的模拟信号转换为离散的数字信号。实现A/D的方法及器件很多，分类方法也不一致，若从其比较原理来看，可划分为三大类：（1）直接比较型。（2）间接比较型。（3）复合型。仪表及过程控制(1)直接比较型该类型A/D转换的原理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UR与被测电压UX进行比较，当两者达到平衡时，参考电压的大小就等于被测电压。通过不断比较，不断鉴别，并在比较鉴别的同时就将参考电压转换为数字输出，实现了A/D转换。直接比较原理示意图仪表及过程控制(2)间接比较型该类型A/D转换是被测电压不直接转换成数字量，而是转换成某一中间量，然后再将中间量整量化转换成数字量。该中间量目前多数为时间间隔或频率两种，即U-T型或U-F型A/D转换。把被测电压转换成时间间隔的方法有：积分比较(双积分)法、积分脉冲调宽法和线性电压比较法。仪表及过程控制对使用最多的双积分型A/D转换，其原理是把被测(输入)电压在一定时间间隔内的平均值转换成另一时间间隔，然后由脉冲发生器配合，测出此时间间隔内的脉冲数而得到数字量。双积分型A/D转换原理框图仪表及过程控制(3)复合型该类型A/D转换就是将直接比较型和间接比较型A/D转换两种技术结合起来。直接比较型一般精度较高，速度快，但抗干扰能力差；间接比较型一般抗干扰能力强，但速度慢，而且精度提高也有限。由于复合型A/D转换利用了它们的各自优点，因而精度高、抗干扰能力强，故也称为高精度A/D转换。仪表及过程控制四、非线性补偿数字式显示仪表的非线性补偿就是将数字仪表的非线性输入信号转换成线性化的数字显示过程中所采取的各种补偿措施。补偿的方法很多，一类是用硬件的方式实现，一类是以软件的方式实现。目前常用的有模拟式非线性补偿法、数字式非线性补偿法和非线性模-数转换补偿法。仪表及过程控制(1)模拟式线性化1、开环式线性化由于检测元件或传感器的非线性，当被测变量x被转换成电压量U1时，它们之间为非线性关系，而放大器一般具有线性特性，故经放大后的U2与x之间仍为非线性关系，因此，利用线性化器的非线性静特性来补偿检测元件或传感器的非线性，使A/D转换之前的U0与x之间具有线性关系。开环式线性化原理图仪表及过程控制2、闭环式线性化利用反馈补偿原理，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之间关系具有线性特性。闭环式线性化原理图仪表及过程控制(2)数字式线性化数字式线性化是在模-数转化之后，进行系数运算而实现线性补偿。基本原则仍然是“以折代曲”。将不同斜率的斜线乘上不同的系数变为同一斜率的线段而达到线性化的目的。仪表及过程控制设数字仪表输入信号的非线性如图第I象限的OD曲线，在第Ⅱ象限绘出了计数器的静特性如OG所示。现把输入信号的非线性特性OD曲线用折线OABCD逼近，这样每段折线的斜率都不相同，若以OA折线为基础，则其他各折线的斜率分别乘以不同的系数，就能与OA段的斜率相同，然后以OA段为基础进行转换，就达到了线性化的目的。数字式线性化原理示意图仪表及过程控制变系数运算的逻辑原理如下图所示。图中的系数控制器及系数运算器等组成数字线性化器，按照图示逻辑原理可以实现变系数的自动运算。数字线性化器逻辑原理图仪表及过程控制由图可知，当输入信号为第一折线OA时，系数控制器使系数运算器进行乘Ki运算，计数器的输出脉冲可以计为：N1=CK1U1式中，C为计数器常数，U1为输入信号，一直到N1结束N2开始之前，均进行乘K1运算。当计满K1需切换至AB段时，计数器发出信号至数控制器，使系数运算器进行乘K2运算，计数脉冲又可计为：N2=C[K1U1+K2(U2-U1)]依次下去，若有n段折线，则计数器所计脉冲数Nn=C[K1U1+K2(U2-U1)+…+Kn(Un-Un-1)]精确的程度取决于“以折代曲”的程度，折线逼近曲线的程度越好，所得的线性度也越高。仪表及过程控制(3)A/D转换线性化该方法是通过A/D转换直接进行线性化处理的法。如利用A/D转换后的不同输出，经过逻辑处理后发出不同的控制信号，反馈到A/D转换网络中去改变A/D转换的比例系数，使A/D转换最后输出的数字量N与被测量x成线性关系。常用的有电桥平衡式非线性A/D转换。仪表及过程控制五、信号标准化及标度变换将不同性质的信号与不同电平的信号统一起来，这就叫输入信号的规格化，或者称为参数信号的标准化。规格化的统一输出信号可以是电压、电流或其他形式的信号，但由于各种信号变换为电压信号比较方便，且数字显示仪表都要求输入电压信号，所以大多数情况下都将各种不同的信号变换为电压信号。统一信号电平高低的选择应根据被显示参数信号的大小来确定。仪表及过程控制标度变换可以在模拟部分进行，也可以在数字部分进行，前者称为模拟量的标度变换，后者称为数字量的标度变换。数字仪表的标度变换其刻度方程可以表示为：y=S1·S2·S3·x=S·x因此标度变换可以通过改变S来实现，且使显示的数字值的单位和被测变量或物理量的单位相一致。仪表及过程控制(1)模拟量标度变换1、电阻信号的标度变换为了将热电阻变化转变为电压信号的输出，通常采用不平衡电桥作为电阻-电压转换。电阻信号的标度变换仪表及过程控制由图可得不平衡电桥的输出电压为：00ttRRRERRREU当被测温度处于下限时，Rt=Rt0=R0，且桥路设计时使得RRt0，故被测温度处于任一值时，都有：IIRRERREIt201所以ttRIRRIU)(0仪表及过程控制例:用Cu5