數(shù)字式顯示儀表課件

1、數(shù)字式顯示儀表數(shù)字式顯示儀表數(shù)字式顯示儀表主要章節(jié)11.1概述11.2模擬式顯示儀表11.3數(shù)字式顯示儀表11.4智能式顯示儀表11.5傳感器及變送器與顯示儀表的連接主要章節(jié)11.1概述11.2模擬式顯示儀表11.3數(shù)字式顯示儀表11.4智能式顯示儀表11.5傳感器及變送器與顯示儀表的連接11.1概述 電動(dòng)顯示儀表通常是由測(cè)量線路和顯示裝置兩部分組成。1.模擬式顯示儀表 是以指針或記錄筆的偏轉(zhuǎn)角或位移量來顯示被測(cè)變量連續(xù)變化的儀表。1）直接變換式儀表的組成與特點(diǎn)組成圖11.1.1直接變換式儀表 特點(diǎn)（1）其線性刻度較困難。（2）很難獲得較高的精度。（3）信息轉(zhuǎn)換效率低，但儀表簡(jiǎn)單可靠、重量輕、

2、尺寸小、價(jià)格便宜。2）平衡式顯示儀表的組成及特點(diǎn)組成特點(diǎn)（1）平衡式顯示儀表線性度好、測(cè)量精度高；（2）反應(yīng)速度快；圖11.1.2平衡式顯示儀表的組成(3)比直接變換式儀表結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)高。3）顯示儀表的基本技術(shù)性能儀表的變差 在規(guī)定的條件下，用同一儀表對(duì)被測(cè)量進(jìn)行正、反行程的測(cè)量，對(duì)某一測(cè)量點(diǎn)所得到的正、反行程兩次示值之差稱為該測(cè)量點(diǎn)上的示值變差。 圖11.1.3儀表的變差特性儀表的靈敏度 儀表輸出信號(hào)的變化量和引起這個(gè)輸出變化量的被測(cè)量變化量的比值，稱為儀表的靈敏度。儀表的分辨率 儀表響應(yīng)輸入量微小變化的能力稱為儀表的分辨力，常用分辨率或靈敏限來表示。2.數(shù)字式顯示儀表把與被測(cè)量（例如溫度

3、、流量、液位、壓力等）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)字量進(jìn)行顯示的儀表。1）構(gòu)成： 它是由前置放大器、AD轉(zhuǎn)換器（模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量）、非線性補(bǔ)償、標(biāo)度變換以及顯示裝置等部分組成。2）技術(shù)指標(biāo)分辨率 儀表在最小量程時(shí)，最末一位數(shù)字跳變一個(gè)字所代表的量值，它反映了儀表的靈敏度。圖11.1.4數(shù)字式顯示儀表的構(gòu)成框圖精確度數(shù)字儀表精確度的表示方法：（1）（2）數(shù)字儀表精確度的相對(duì)誤差輸入阻抗 數(shù)字儀表輸入阻抗： 指儀表在工作狀態(tài)下，儀表兩個(gè)輸入端子之間所呈現(xiàn)的等效阻抗。干擾抑制比 工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)存在很強(qiáng)的電磁場(chǎng)及各種高頻干擾，因此對(duì)數(shù)字抗干擾性有一定得要求，通常用干擾抑制比來表示。3.

4、智能式顯示儀表帶有微處理器的數(shù)字式儀表，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜計(jì)算等功能。1）構(gòu)成 圖11.1.5智能式顯示儀表的構(gòu)成2）技術(shù)指標(biāo)與特點(diǎn)技術(shù)指標(biāo) 技術(shù)指標(biāo)與數(shù)字儀表基本相同，在測(cè)量誤差功能上增加了零點(diǎn)、滿度誤差軟件修正和數(shù)據(jù)線性化處理的功能。特點(diǎn)（1）具有常規(guī)儀表相同的功能；（2）具有豐富的數(shù)據(jù)處理功能；（3）可以方便地與各種輸入信號(hào)連接；（4）具有可編程功能；（5）可以存儲(chǔ)歷史數(shù)據(jù)，并能方便地輸出；（6）具有數(shù)據(jù)通信功能；（7）與上位機(jī)配合可以構(gòu)成分布式采集系統(tǒng)。11.2 模擬式顯示儀表模擬式顯示儀表： 利用測(cè)量的模擬信號(hào)直接顯示或者經(jīng)過轉(zhuǎn)換電路處理后再顯示；也可以將模擬信號(hào)與標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)比較調(diào)平衡后，經(jīng)

5、過計(jì)算得到測(cè)量值再顯示。模擬式顯示儀表具有連續(xù)顯示功能，測(cè)量值在儀表的刻度盤上讀出。 1.動(dòng)圈式顯示儀表采用靈敏度較高的磁電系測(cè)量機(jī)構(gòu)，易將微弱的被測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換為指針的角位移?？梢詫?duì)直流毫伏信號(hào)進(jìn)行顯示，也可以對(duì)非電勢(shì)信號(hào)但能轉(zhuǎn)換成電勢(shì)信號(hào)的參量進(jìn)行顯示。1）特點(diǎn)可以作參數(shù)顯示；也可作參數(shù)指示顯示和控制；可與熱電偶等測(cè)溫元件配合作為溫度顯示、調(diào)節(jié)使用；可和其他變送器配合，測(cè)量、控制其他參數(shù)。2）組成和測(cè)量線路動(dòng)圈式儀表由測(cè)量線路和測(cè)量機(jī)構(gòu)兩部分組成。圖11.2.1動(dòng)圈儀表檢測(cè)毫伏信號(hào)的測(cè)量線路用于檢測(cè)毫伏信號(hào)或配熱電偶的動(dòng)圈儀表測(cè)量線路為直接變換式線路。它由環(huán)境溫度補(bǔ)償電阻、量程和阻尼調(diào)整電阻、

6、量程和阻尼調(diào)整電阻組成。圖11.2.3毫伏信號(hào)的測(cè)量線路 （1）環(huán)境溫度補(bǔ)償電阻 用具有負(fù)的溫度系數(shù)的熱敏電阻Rr和錳銅電阻RB并聯(lián)后再與RD串聯(lián)的方法進(jìn)行補(bǔ)償。 （2）量程和阻尼調(diào)整電阻 國(guó)產(chǎn)XC系列動(dòng)圈儀表采用了統(tǒng)一的測(cè)量機(jī)構(gòu)，即用于不同的量程、不同的被測(cè)量情況下的表頭是統(tǒng)一的，這就大大的簡(jiǎn)化了生產(chǎn)工藝，提高了生產(chǎn)效率。 （3）熱電偶冷端溫度補(bǔ)償與熱電偶配套的動(dòng)圈儀表，是直接按照熱電偶的分度表進(jìn)行刻度的，即熱電偶的冷端溫度是在零度條件下刻度的，如果熱電偶冷端溫度不是零度，則動(dòng)圈儀表的讀數(shù)便不能真實(shí)的反映被測(cè)溫度值，并產(chǎn)生一個(gè)隨冷端溫度變化而變化的誤差。因此在實(shí)際測(cè)溫中，必須考慮冷端溫度補(bǔ)償

7、問題。圖11.2.4熱電偶冷端溫度補(bǔ)償檢測(cè)電阻值的測(cè)量線路3）儀表型號(hào) 工業(yè)儀表型號(hào)由三節(jié)組成：第一節(jié)以大寫字母表示，第二節(jié)以阿拉伯?dāng)?shù)字表示，尾注以大寫漢語(yǔ)拼音字母一位表示，普通型不加尾注；第三節(jié)以一位阿拉伯?dāng)?shù)字表示統(tǒng)一設(shè)計(jì)的序號(hào)，第一次統(tǒng)一設(shè)計(jì)不加第三節(jié)。動(dòng)圈式儀表型號(hào) 見課本P242. 2.自動(dòng)平衡式顯示儀表1）平衡式電子電位差計(jì)工作原理： 將被測(cè)電勢(shì)與已知的電位差進(jìn)行比較，當(dāng)兩者之差為零（即達(dá)到平衡）時(shí)，被測(cè)電勢(shì)就等于已知的電位差，此時(shí)儀表達(dá)到平衡而停止工作，故稱為平衡式電子電位差計(jì)。平衡式電位差計(jì)圖11.2.5手動(dòng)平衡式電位差計(jì)手動(dòng)平衡式電位差計(jì)一般用于實(shí)驗(yàn)室測(cè)量，若用于生產(chǎn)過程中的連

8、續(xù)自動(dòng)測(cè)量，而不要求精度較高，則必須采用自動(dòng)平衡電子電位差計(jì)。圖11.2.6自動(dòng)平衡式電位差計(jì)原理2）自動(dòng)平衡式電橋 電子自動(dòng)平衡電橋可與熱電阻配套使用測(cè)量溫度，也可與其他能轉(zhuǎn)換電阻變化的檢測(cè)元件配套使用，測(cè)量生產(chǎn)過程中的各種參數(shù)。3）E系列平衡記錄儀 （1）表面光滑，耐腐蝕，耐氧化、接觸良好等優(yōu)點(diǎn)。 （2）儀表放大器使用的是低零漂、高輸入阻抗的運(yùn)算放大器。 （3）儀表測(cè)量電路中的量程電阻采用特殊的氮化狚薄膜電阻，用激光來修正其阻值，誤差不大，且穩(wěn)定性極高，對(duì)提高儀表的穩(wěn)定性和可靠性意義重大。11.3數(shù)字式顯示儀表數(shù)字顯示儀表三要素：模數(shù)轉(zhuǎn)換（AD）、非線性補(bǔ)償和標(biāo)度變換是組成數(shù)字式儀表的三要

9、素。1.模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換（AD轉(zhuǎn)換） 將模擬量轉(zhuǎn)換為一定碼制的數(shù)字量統(tǒng)稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換。 模數(shù)轉(zhuǎn)換 1）直接比較型AD轉(zhuǎn)換是基于電位差計(jì)的電壓比較原理.即用一個(gè)作為標(biāo)準(zhǔn)的可調(diào)參考電壓與被測(cè)電壓進(jìn)行比較，當(dāng)兩者達(dá)到平衡偏差檢出為零時(shí)，參考電壓的大小就等于被測(cè)電壓。圖11.3.1直接比較型AD轉(zhuǎn)換逐次比較型 AD轉(zhuǎn)換：是最典型的直接比較型。用標(biāo)準(zhǔn)電壓與被測(cè)電壓從高位到低位逐次進(jìn)行比較，采用大者棄、小者留的原則，不斷逼近、逐漸積累，即將被測(cè)電壓轉(zhuǎn)換成了數(shù)字量。 圖11.3.2 逐次逼近A/D轉(zhuǎn)換編碼過程2）間接比較型 AD轉(zhuǎn)換 就是被測(cè)電壓不是直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，而是首先轉(zhuǎn)換成某一中間量，然后再將中間量整量化

10、轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。 雙積分型A/D轉(zhuǎn)換：圖11.3.3被測(cè)電平平均值求取圖11.3.4間接比較型 AD轉(zhuǎn)換具體步驟：（1）完成被測(cè)電壓US到平均值的轉(zhuǎn)換；（2）須完成被測(cè)電壓平均值到另一時(shí)間間隔的轉(zhuǎn)化；（3）將時(shí)間間隔整量化而成數(shù)字量N.2.非線性補(bǔ)償 非線性補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ?一類是用硬件的方式實(shí)現(xiàn)；一類是以軟件的方式實(shí)現(xiàn)。數(shù)字式儀表一般采用硬件電路進(jìn)行非線性補(bǔ)償。1）模擬式線性化串聯(lián)方法接入圖11.3.5串聯(lián)式線性化原理硬件非線性補(bǔ)償： 設(shè)在 AD轉(zhuǎn)換之前進(jìn)行非線性補(bǔ)償?shù)姆Q為模擬式線性化；設(shè)在 AD轉(zhuǎn)換之后進(jìn)行非線性補(bǔ)償?shù)姆Q為數(shù)字線性化；設(shè)在 AD轉(zhuǎn)換器中進(jìn)行非線性補(bǔ)償?shù)姆Q為AD轉(zhuǎn)換線性化。反饋式接

11、入反饋式線性化就是利用反饋補(bǔ)償原理，引入非線性的負(fù)反饋環(huán)節(jié)，用負(fù)反饋環(huán)節(jié)本身的非線性特性來補(bǔ)償檢測(cè)元件或傳感器的非線性，使U0和X之間的關(guān)系具有線性特性。2）數(shù)字線性化3）AD轉(zhuǎn)換 線性化3.信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)化及標(biāo)度變換1）信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)化將各種不同規(guī)格的測(cè)量信號(hào)統(tǒng)一起來進(jìn)行信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)化，然后再顯示和傳輸。標(biāo)準(zhǔn)化的輸出信號(hào)可以是電流、電壓或其他形式的信號(hào)。 標(biāo)準(zhǔn)化電流信號(hào)：一種是將測(cè)量信號(hào)轉(zhuǎn)換成420mA、DC（標(biāo)準(zhǔn)的型儀表輸出信號(hào)）；另一種是將測(cè)量信號(hào)轉(zhuǎn)換成010mA、DC（標(biāo)準(zhǔn)的型儀表輸出信號(hào)）。標(biāo)準(zhǔn)化電壓信號(hào)：國(guó)內(nèi)采用的統(tǒng)一直流電壓傳輸信號(hào)有以下幾種：010mV、030mV、040.95mV、050m

12、V、05V、15V等。標(biāo)準(zhǔn)化的測(cè)溫元件：主要有標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶、熱電阻，標(biāo)準(zhǔn)化的熱電偶主要有S、B、K、T、E、J、R等；標(biāo)準(zhǔn)化的熱電阻主要有Pt10、Pt100、Pt1000、Cu50、Cu100等。2）標(biāo)度變換對(duì)于過程測(cè)量參數(shù)，在數(shù)字儀表上要用被測(cè)變量的形式顯示，這就存在一個(gè)量綱還原問題，通常稱之為“標(biāo)度變換”。 圖11.3.7測(cè)量環(huán)節(jié)的標(biāo)度變換原理數(shù)字式儀表顯示值與測(cè)量值之間的關(guān)系可以用下式表示4.數(shù)字式儀表的規(guī)格與型號(hào)數(shù)字式儀表型號(hào) 見課本表11.3.111.4 智能式顯示儀表1.結(jié)構(gòu)特點(diǎn)儀表的核心部分使用微處理器；儀表內(nèi)部的芯片都是以總線方式相連接的；儀表有著多種標(biāo)準(zhǔn)接口方式；儀表有著靈

13、活的面板結(jié)構(gòu)。1）微處理化2）總線結(jié)構(gòu)3）標(biāo)準(zhǔn)化接口4）靈活的面板結(jié)構(gòu)2.數(shù)字濾波技術(shù)1）算術(shù)平均值法 算術(shù)平均值法就是對(duì)同一測(cè)量點(diǎn)的數(shù)據(jù)，連續(xù)采樣N次，然后取其平均值。2）中位值法 對(duì)同一測(cè)量點(diǎn)的數(shù)據(jù)連續(xù)采樣3次，將測(cè)量數(shù)據(jù)排隊(duì)，取其中間值作為測(cè)量值。3）綜合濾波法結(jié)合上述的算術(shù)平均值法和中位值法濾波的特點(diǎn)，構(gòu)成綜合濾波法。 3.標(biāo)度變換1）線性信號(hào)的標(biāo)度變換 線性信號(hào)的標(biāo)度變換2）非線性信號(hào)的標(biāo)度變換測(cè)量信號(hào)與傳輸信號(hào)之間的關(guān)系有時(shí)是非線性關(guān)系，如果這種非線性關(guān)系是已知的，則可采用數(shù)學(xué)計(jì)算的方法解決。4.非線性補(bǔ)償技術(shù)1）線性插值原理線性插值的思想就是以直代曲，將一個(gè)非線性的關(guān)系曲線，用分

14、成若干的直線段來表示。分成的直線段越多，越接近于曲線，線性插值的誤差也就越小。 圖11.4.1分段線性插值法2）線性插值分段法等距分段法變距分段法5.數(shù)據(jù)處理功能1）求取測(cè)量值的平均值、方差值、標(biāo)準(zhǔn)值和均方根值等。2）按線性關(guān)系、對(duì)數(shù)關(guān)系即乘方關(guān)系求取測(cè)量值相對(duì)于基準(zhǔn)值的各種比值。3）進(jìn)行各種隨機(jī)量的統(tǒng)計(jì)規(guī)律的分析和處理。4）進(jìn)行曲線擬合和非線性的校正。5）進(jìn)行邏輯運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)極值判別和報(bào)警功能等。6）進(jìn)行加、減、乘、除、積分、微分等計(jì)算。6.自校準(zhǔn)功能為了消除測(cè)量過程中，智能儀表的使用環(huán)境發(fā)生變化而帶來的測(cè)量誤差，這種校準(zhǔn)功能只能減少儀表本身的測(cè)量轉(zhuǎn)化誤差，而消除不了測(cè)量信號(hào)的傳輸誤差。圖11.4.2 變?cè)鲆孀孕?zhǔn)功能7.其他功能1）自診斷功能2）定時(shí)功能3）通訊功能11.5傳感器及變送器與顯示儀表的連接1.傳感器與顯示儀表直接相連接1）熱電偶的連熱電偶與顯示儀表的連接不能使用普通導(dǎo)線直接相連，要用相同材質(zhì)的導(dǎo)線或者是相近材質(zhì)的補(bǔ)償導(dǎo)線相連接。（a） （b）圖11.5.1熱電偶與顯示儀表直接連接 2）熱電阻的連接熱電阻與顯示儀表的連接一般都采用三線制，連接導(dǎo)線無特殊要求，選擇標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)電纜線即可。圖11.5.2 熱電阻與顯示儀表直接連接2.一體化變送器與顯示儀表相連接一體化變送器（或一體化傳感器）：將測(cè)量元件與變送電路制成一體，并將