第8章 顯示儀表.ppt

第八章顯示儀表 第一節(jié)概述第二節(jié)模擬式顯示儀表第三節(jié)數(shù)字式顯示儀表第四節(jié)常用顯示儀表簡介 第一節(jié)概述 一 定義顯示儀表是接收檢測元件 包括敏感元件 傳感器 變送器等 輸出信號 通過適當?shù)奶幚砗娃D(zhuǎn)換 以易于識別的形式將被測參數(shù)表現(xiàn)出來的裝置 二 分類顯示儀表分為模擬式 數(shù)字式和屏幕式三大類 還有一類稱為記錄儀的特殊顯示裝置 近年來 隨著計算機多媒體技術(shù)的快速發(fā)展 利用計算機來取代實際的顯示儀表 形成了所謂的虛擬顯示儀表的概念 第二節(jié)模擬式顯示儀表 定義 模擬式顯示儀表是以指針與標尺間的相對位移量或偏轉(zhuǎn)角來指示被測參數(shù)連續(xù)變化的顯示儀表 優(yōu)缺點 結(jié)構(gòu)簡單 工作可靠 價格低廉 易于反映被測參數(shù)的變化趨勢 然而 也具有準確度較低 線性刻度較差 信息能量傳遞效率低 靈敏度不高等缺點 一 電位差計式顯示儀表 電位差計是一種典型的平衡式測量儀表 能與輸出信號為電勢 電壓 的各種檢測元件配合 用于測量和顯示被測參數(shù) 一 工作原理 電位差計的測量原理 調(diào)整滑動觸點A的位置 改變UAB的數(shù)值達到UAB Et時 I0 0 檢流計指針停在零位上 這時滑動觸點A在標尺上所指示的UAB的數(shù)值就是被測電勢Et的值 電位差計的原理線路 圖示線路實際上是一臺手動電位差計的原理路線 它由三個基本回路組成 工作電流回路 校準工作電流回路及未知電勢測量回路 采用電位差計測量未知電勢有如下優(yōu)點 1 可以得到較真實的測量結(jié)果 熱電偶及連接線的電阻變化對測量結(jié)果不產(chǎn)生影響 2 電位差計具有較高的準確度 同時 它還可以作為直流電壓 電流 電阻等的精密測量儀器 手動電位差計的測量過程自始至終需要人參與 不適合于生產(chǎn)過程中的連續(xù)測量 于是便出現(xiàn)了自動測量的電子電位差計 它用電子放大器代替檢流計 用可逆電機及傳動機構(gòu)代替人手的操作 測量橋路代替測量回路 實現(xiàn)測量過程的自動平衡 指示及記錄 電子電位差計原理方框圖 二 測量橋路中各電阻的作用及要求 如圖所示 已知電位差從A B二點取得 熱電勢Et以圖示的極性接入電路 并設(shè)其值在0 40mV之間 如果RP的值是10 穩(wěn)壓電源電壓E 1V 當滑動觸點A從滑線電阻左端滑至右端時 要求已知電位差UAB 0 40mV方能同被測電勢平衡 這只有回路電流I 4mA才行 顯然要有RP R4 250 因而R4 240 R4起著限制電流的作用 稱為限流電阻 輸出為0 40mV的原理線路 要是被測電勢的最小值不從零開始 比如Et在10 50mV之間變化 在保持I 4mA RP 10 的條件下 UAB的最大值仍能滿足量程 40mV 要求 但是 當滑動觸點A移動至RP的左端時 UAB 0 不能與被測電勢的最小值 10mV 相平衡 解決的辦法是在RP的左端與B點之間串聯(lián)一個電阻值為2 5 的電阻RG 如圖所示 RG上的電壓降RGI 2 5 4 10mV 故它稱為起始電阻 由它確定儀表指針在起始端位置的示值 輸出為10 50mV的原理線路 如果被測熱電勢在 10 40mV沿用前述的簡單電路 無論觸點A在RP上處于什么位置 總是UAB 0 不能平衡負的熱電勢 解決方案是在單一回路的基礎(chǔ)上增加另一個由R2 R3組成的支路 見圖 在此電路中AB兩點的電位差 UAB UAC UBC 當UAC UBC時 UAB為正值 當UAC UBC時 UAB為負值 故測量橋路能夠提供正的或負的已知電位差與被測電勢相平衡 即可測量 10 40mV的直流電勢 解決了雙向測量問題 具有兩個支路的測量原理線路 電子電位差計與熱電偶配合測量溫度時 同樣存在熱電偶自由端溫度變化 影響測量準確度問題 為解決這一問題 在橋路的下支路中可設(shè)置自由端溫度補償電阻R2 R2用銅絲繞制 橋路其他電阻全部為錳銅電阻 阻值隨環(huán)境溫度變化 能自動補償熱電偶自由端溫度變化的影響 銅電阻R2裝在儀表外殼的接線板上 靠近熱電偶自由端處 使兩者感受相同的環(huán)境溫度 溫度補償范圍通常為0 50 不同分度號的電子電位差計 R2的數(shù)值是不相同的 R3是下支路的限流電阻 銅電阻R2的值一般在10 以下 在供橋電壓為1V時 要保證下支路電流為2mA 故R3必須有足夠大的數(shù)值起限制電流的作用 R3一般約500 測量橋路與電子放大器 可逆電機平衡機構(gòu)及指示記錄裝置等互相配合 即組成一個完整的電子電位差計 三 技術(shù)指標 1 基本誤差 電子電位差計的基本誤差包括兩種 一是指示基本誤差 二是記錄基本誤差 2 全行程時間 在使用過程中當被測參數(shù)發(fā)生變化時 衡量儀表指示器反映被測參數(shù)變化的速度性質(zhì)的指標 用全行程時間表示 3 儀表不靈敏區(qū) 它是指儀表指針不發(fā)生變化的輸入信號最大變化范圍 通常不超過量程的0 25 或0 5 注意 電子電位差計本質(zhì)上是一種測量直流電勢或電位差的顯示儀表 可與熱電偶 變送器或其他能將被測參數(shù)轉(zhuǎn)換為直流電勢的儀器配用 熱電偶和電子電位差計的分度號必須一致 儀表的外形尺寸 記錄方式 走紙速度 測量范圍等 應(yīng)按實際測量要求選擇 二 自動平衡電橋式顯示儀表 自動平衡電橋式顯示儀表是與熱電阻配套使用 對被測溫度進行指示及記錄的裝置 自動平衡電橋與電子電位差計比較 除測溫元件及測量橋路不同外 其他部分基本相同 如圖所示 自動平衡電橋的測量橋路與電子電位差計的相似 其等效電阻RN也是由三個電阻 RP RB R5 組成的 RP RB為90 R5是量程電阻 R6為確定儀表起點的電阻 R1為連接導線的等效電阻 為減小環(huán)境溫度變化時連接導線電阻的變化所引起的測量誤差 采用三線制連接法 并統(tǒng)一規(guī)定每根銅導線電阻R1 2 5 20 時 自動平衡電橋的測量橋路 自動平衡電橋與電子電位差計在外形結(jié)構(gòu)上十分相似 許多基本部件完全相同 但它們終究是不同用途的兩種模擬式顯示儀表 主要區(qū)別如下 1 配用的感溫元件不同 2 作用原理不同 3 感溫元件與測量橋路的連接方式不同 4 電子電位差計的測量橋路具有對熱電偶自由端溫度進行自動補償?shù)墓δ?自動平衡電橋不存在這一問題 第三節(jié)數(shù)字式顯示儀表 一 概述數(shù)字式顯示儀表是把與被測參數(shù)成一定函數(shù)關(guān)系的連續(xù)變化的模擬量 變換為斷續(xù)的數(shù)字量顯示的儀表 數(shù)字式顯示儀表與模擬式顯示儀表相比 具有測量準確度高 顯示速度快以及沒有讀數(shù)誤差等優(yōu)點 在需要時 還可輸出數(shù)字量與數(shù)字計算機等裝置聯(lián)用 因而在現(xiàn)代測量技術(shù)中得到廣泛應(yīng)用 一 數(shù)字式顯示儀表的分類 按輸入信號的不同 數(shù)字式顯示儀表可分為電壓型 輸入連續(xù)的電壓或電流信號 頻率型 輸入連續(xù)可變的頻率或脈沖序列信號 按使用場合不同 數(shù)字式顯示儀表可分為實驗用和工業(yè)用兩類 二 數(shù)字式顯示儀表的性能指標 數(shù)字式顯示儀表的主要性能指標有 量程 分辨率 準確度 此外還有響應(yīng)時間 數(shù)據(jù)輸出 絕緣電壓 環(huán)境要求等指標 由于數(shù)字式顯示儀表的相對誤差隨著被測值增加而減少 如用2V量程的儀表去測量0 2V的電壓 則相對誤差為滿度2V時誤差的4倍 若測量0 2V以下的電壓 其誤差將會更大 所以在使用中必須正確選擇量程 數(shù)字式顯示儀表的分辨率是儀表在最低量程上最末一位改變一個字時所代表的量 對于常用的數(shù)字式顯示儀表 當顯示為3位半時 其分辨率 溫度儀表為0 1 和1 對直流信號一般為10 6 10 5 三 數(shù)字式顯示儀表的特點 1 準確度高 可避免視差 2 靈敏度高 響應(yīng)速度快 而且不受輸送距離限制 3 量程和極性可以自動轉(zhuǎn)換 因而量程范圍寬 能直接讀出測量值和累積值 4 體積小 重量輕 易安裝 可以在惡劣環(huán)境中工作 5 其中的智能型數(shù)字式顯示儀表 還有量程設(shè)定 報警參數(shù)設(shè)定 自動整定PID參數(shù) 儀表數(shù)據(jù)掉電保護 可編程邏輯控制等功能 二 數(shù)字顯示儀表的構(gòu)成 數(shù)字式顯示儀表是由前置放大器 模擬 數(shù)字信號 A D 轉(zhuǎn)換器 非線性補償器 標度變換以及顯示裝置等部分組成 由檢測元件送來的電流或電壓信號 經(jīng)前置放大器放大 然后經(jīng)A D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號 最后由數(shù)字顯示器顯示其讀數(shù) 模 數(shù)轉(zhuǎn)換 非線性補償和標度變換是數(shù)字式顯示儀表的三要素 其核心環(huán)節(jié)是模 數(shù)轉(zhuǎn)換器 數(shù)字式顯示儀表組成框圖 三 模 數(shù)轉(zhuǎn)換 所謂模 數(shù)轉(zhuǎn)換 A D 就是要把連續(xù)變化的模擬信號轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字信號 實現(xiàn)A D的方法及器件很多 分類方法也不一致 若從其比較原理來看 可劃分為三大類 1 直接比較型 2 間接比較型 3 復(fù)合型 一 直接比較型該類型A D轉(zhuǎn)換的原理是基于電位差計的電壓比較原理 即用一個作為標準的可調(diào)參考電壓UR與被測電壓UX進行比較 當兩者達到平衡時 參考電壓的大小就等于被測電壓 通過不斷比較 不斷鑒別 并在比較鑒別的同時就將參考電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字輸出 實現(xiàn)了A D轉(zhuǎn)換 直接比較原理示意圖 二 間接比較型該類型A D轉(zhuǎn)換是被測電壓不直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字量 而是轉(zhuǎn)換成某一中間量 然后再將中間量整量化轉(zhuǎn)換成數(shù)字量 該中間量目前多數(shù)為時間間隔或頻率兩種 即U T型或U F型A D轉(zhuǎn)換 把被測電壓轉(zhuǎn)換成時間間隔的方法有 積分比較 雙積分 法 積分脈沖調(diào)寬法和線性電壓比較法 對使用最多的雙積分型A D轉(zhuǎn)換 其原理是把被測 輸入 電壓在一定時間間隔內(nèi)的平均值轉(zhuǎn)換成另一時間間隔 然后由脈沖發(fā)生器配合 測出此時間間隔內(nèi)的脈沖數(shù)而得到數(shù)字量 雙積分型A D轉(zhuǎn)換原理框圖 三 復(fù)合型該類型A D轉(zhuǎn)換就是將直接比較型和間接比較型A D轉(zhuǎn)換兩種技術(shù)結(jié)合起來 直接比較型一般精度較高 速度快 但抗干擾能力差 間接比較型一般抗干擾能力強 但速度慢 而且精度提高也有限 由于復(fù)合型A D轉(zhuǎn)換利用了它們的各自優(yōu)點 因而精度高 抗干擾能力強 故也稱為高精度A D轉(zhuǎn)換 四 非線性補償 數(shù)字式顯示儀表的非線性補償就是將數(shù)字儀表的非線性輸入信號轉(zhuǎn)換成線性化的數(shù)字顯示過程中所采取的各種補償措施 補償?shù)姆椒ê芏?一類是用硬件的方式實現(xiàn) 一類是以軟件的方式實現(xiàn) 目前常用的有模擬式非線性補償法 數(shù)字式非線性補償法和非線性模 數(shù)轉(zhuǎn)換補償法 一 模擬式線性化 1 開環(huán)式線性化由于檢測元件或傳感器的非線性 當被測變量x被轉(zhuǎn)換成電壓量U1時 它們之間為非線性關(guān)系 而放大器一般具有線性特性 故經(jīng)放大后的U2與x之間仍為非線性關(guān)系 因此 利用線性化器的非線性靜特性來補償檢測元件或傳感器的非線性 使A D轉(zhuǎn)換之前的U0與x之間具有線性關(guān)系 開環(huán)式線性化原理圖 2 閉環(huán)式線性化利用反饋補償原理 引入非線性的負反饋環(huán)節(jié) 用負反饋環(huán)節(jié)本身的非線性特性來補償檢測元件或傳感器的非線性 使U0和x之間關(guān)系具有線性特性 閉環(huán)式線性化原理圖 二 數(shù)字式線性化 數(shù)字式線性化是在模 數(shù)轉(zhuǎn)化之后 進行系數(shù)運算而實現(xiàn)線性補償 基本原則仍然是 以折代曲 將不同斜率的斜線乘上不同的系數(shù)變?yōu)橥恍甭实木€段而達到線性化的目的 設(shè)數(shù)字儀表輸入信號的非線性如圖第I象限的OD曲線 在第 象限繪出了計數(shù)器的靜特性如OG所示 現(xiàn)把輸入信號的非線性特性O(shè)D曲線用折線OABCD逼近 這樣每段折線的斜率都不相同 若以O(shè)A折線為基礎(chǔ) 則其他各折線的斜率分別乘以不同的系數(shù) 就能與OA段的斜率相同 然后以O(shè)A段為基礎(chǔ)進行轉(zhuǎn)換 就達到了線性化的目的 數(shù)字式線性化原理示意圖 變系數(shù)運算的邏輯原理如下圖所示 圖中的系數(shù)控制器及系數(shù)運算器等組成數(shù)字線性化器 按照圖示邏輯原理可以實現(xiàn)變系數(shù)的自動運算 數(shù)字線性化器邏輯原理圖 由圖可知 當輸入信號為第一折線OA時 系數(shù)控制器使系數(shù)運算器進行乘Ki運算 計數(shù)器的輸出脈沖可以計為 N1 CK1U1式中 C為計數(shù)器常數(shù) U1為輸入信號 一直到N1結(jié)束N2開始之前 均進行乘K1運算 當計滿K1需切換至AB段時 計數(shù)器發(fā)出信號至數(shù)控制器 使系數(shù)運算器進行乘K2運算 計數(shù)脈沖又可計為 N2 C K1U1 K2 U2 U1 依次下去 若有n段折線 則計數(shù)器所計脈沖數(shù)Nn C K1U1 K2 U2 U1 Kn Un Un 1 精確的程度取決于 以折代曲 的程度 折線逼近曲線的程度越好 所得的線性度也越高 三 A D轉(zhuǎn)換線性化 該方法是通過A D轉(zhuǎn)換直接進行線性化處理的法 如利用A D轉(zhuǎn)換后的不同輸出 經(jīng)過邏輯處理后發(fā)出不同的控制信號 反饋到A D轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)中去改變A D轉(zhuǎn)換的比例系數(shù) 使A D轉(zhuǎn)換最后輸出的數(shù)字量N與被測量x成線性關(guān)系 常用的有電橋平衡式非線性A D轉(zhuǎn)換 五 信號標準化及標度變換 將不同性質(zhì)的信號與不同電平的信號統(tǒng)一起來 這就叫輸入信號的規(guī)格化 或者稱為參數(shù)信號的標準化 規(guī)格化的統(tǒng)一輸出信號可以是電壓 電流或其他形式的信號 但由于各種信號變換為電壓信號比較方便 且數(shù)字顯示儀表都要求輸入電壓信號 所以大多數(shù)情況下都將各種不同的信號變換為電壓信號 統(tǒng)一信號電平高低的選擇應(yīng)根據(jù)被顯示參數(shù)信號的大小來確定 對于工藝過程參數(shù)測量用的數(shù)字式顯示儀表 輸出往往要求用被測參數(shù)的形式顯示 例如 溫度 流量 壓力和物位等 這就存在一個量綱還原問題 通常稱之為 標度變換 標度變換可以在模擬部分進行 也可以在數(shù)字部分進行 前者稱為模擬量的標度變換 后者稱為數(shù)字量的標度變換 數(shù)字儀表的標度變換 其刻度方程可以表示為 y S1 S2 S3 x S x因此標度變換可以通過改變S來實現(xiàn) 且使顯示的數(shù)字值的單位和被測變量或物理量的單位相一致 一 模擬量標度變換 1 電阻信號的標度變換為了將熱電阻變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘柕妮敵?通常采用不平衡電橋作為電阻 電壓轉(zhuǎn)換 電阻信號的標度變換 由圖可得不平衡電橋的輸出電壓為 當被測溫度處于下限時 Rt Rt0 R0 且橋路設(shè)計時使得R Rt0 故被測溫度處于任一值時 都有 所以 例 用Cu50銅電阻測溫時 若所測溫度為0 50 則電阻變化值 Rt 10 70 為了顯示 50 的數(shù)字值 可這按以下方法進行 設(shè)數(shù)字儀表的分辨力為100 V 即末位跳一個字需要100 V的輸入信號 那么滿度顯示 50 時 就需要50 100 5mV的信號 即電阻值變化10 70 時 應(yīng)該產(chǎn)生5mV的信號 于是根據(jù)式 8 1 可得 該I值可通過適當選取E或R來得到 當儀表的分辨率或顯示位數(shù)改變時 橋路參數(shù)也要適當予以調(diào)整 2 電勢信號的標度變換當數(shù)字式顯示儀表配熱電偶時 以熱電勢作為輸入信號 若熱電勢在儀表規(guī)定的輸入信號范圍以內(nèi) 則可將信號送入儀表中 通過適當選取前置放大器的放大倍數(shù)來實現(xiàn)標度變換 例如 有一配K分度號熱電偶的數(shù)字測溫儀表 滿度顯示為 1023 此時放大器的輸出為4V 而該熱電偶1000 時的電勢值為41 27mV 通過選取前置放大器的放大倍數(shù)來實現(xiàn)其標度變換 數(shù)字儀表顯示 1023 時 前置放大器須提供4V電壓 若顯示 1000 時 則前置放大器提供4000 1023 1000 3910mV的電壓 而此時熱電偶的熱電勢是41 27mV 故前置放大器的放大倍數(shù)K應(yīng)該是3910 41 27 94 7 才能保證放大器的輸出為3910mV 這樣就能保證數(shù)字儀表的顯示正好表示溫度值 但這里沒有考慮熱電勢和溫度之間的非線性關(guān)系 因而精確度不高 3 電流信號的標度變換當數(shù)字顯示儀表與具有標準輸出的變送器配套使用時 可用簡單的電阻網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)標度轉(zhuǎn)換 即將變送器輸出的標準直流毫安信號轉(zhuǎn)換為規(guī)格化電壓信號 電流信號的標度變換 將在R2上取出的電壓作為數(shù)字儀表的輸入信號 因此電阻網(wǎng)絡(luò)阻值的大小應(yīng)滿足已確定的儀表分辨率的要求 并與所接的放大器的阻抗相匹配 同