第四章 显示仪表

实时数据 管理
PC机
A/D
采样 开关
输 入 通 道
输入通道插卡
第二节
模拟自动平衡式显示仪表
一、自动平衡式电子电位差计 1. 工作原理及构成
自动平衡式电子电位差计和手动电位差计一样以天 平称重的平衡法（也称为补偿法或零值法）来测量电 势，它将被测电势与已知的标准电势进行比较，当二
者的差值为零时，被测电势就等于已知的标准电势。
I ES RK
• 第二步对未知电势的测量 : 把 K 扳到位置“2”，用手滑动 R P 的触点，直到 检流计 G 指向零
E x IRPab ES RPab RK
. 自动平衡式电子电位差计 自动平衡式电子电位差计可配接信号： 1、热电偶；
2、产生电势信号的变送器
自动的电位差计的测量过程和手动电位差计类似 。
传动机构带动滑动触点， 使之移到b处， 电桥重新平衡，这时
桥臂电阻应满足 (Rt0+ΔRt+R1+R6+(1－n)RH)R3=(R2+R1)(R4+nRH) (ΔRt－nRH)R3=(R2+R1)nRH n-电桥滑动触点的位置 (1-76)
R3 n Δ Rt R1 R2 R3
（1-77）
• 图 自动平衡式直流电子平衡电桥原理图
当被测温度为测温下限时， 热电阻Rt=Rt0， 滑动触点在a
点， 电桥平衡，输出Δu=0。 桥臂电阻应满足
(Rt0+R1+R6+RH)R3=(R2+R1)R4 （1-75）
当被测温度升高时， Rt的电阻值增加， 电桥失去平衡
， 输出Δu≠0， 经放大器放大， 驱动伺服电机SM， 通过机械
(2) 分辨力高。 例如数字电压表的分辨力一般为10 μV或1 μV， 有的可达0.1 μV。
(3) 无主观读数误差。 数字显示仪表以数字形式显
示测量结果， 读数清晰、 客观。 (4) 测量速度快。 数字显示仪表的测量速度一般由 A/D转换器决定。 数字显示仪表可以对变化极快的 被测参数进行测量。
(3) 按照输入信号的形式， 可以分为电压型和频率型数
字显示仪表。 前者的输入信号为电压或电流等形式的信号； 后者的输入信号为频率、 脉冲或开关等形式的信号。 (4) 按照输入信号的点数， 可以分为单点式和多点式数字 显示仪表。
(5) 按照电路中的主要元器件， 可以分为电子管式、 晶
体管式、 集成电路式和带微处理器式数字显示仪表等。 (6) 按照显示器件， 可以分为利用辉光管、 荧光管、 液 晶、 发光二极管、 等离子体等显示器进行显示的数字显示仪 表等。 (7) 按照仪表的功能， 可以分为显示型、 显示报警型、
式(1-77)表明， 电桥滑动触点的位置n与热电阻阻值的变 化ΔRt成正比。
第三节 数字式显示仪表 1. 普通数字式显示仪表
被测参数 检测元件 前置放大 A/D 标度变换 数字显示
其它输出 形式
3 数字显示仪表的构成
数字显示仪表分为模拟和数字两大组成部分。
数字显示仪表的模拟部分一般设有滤波器、 前置放大器 和模拟切换开关等环节。 数字显示仪表的数字部分一般由计数器、 译码器、 时钟 脉冲发生器、 显示驱动以及逻辑控制电路等组成。
第三节 数字式显示仪表
2. 智能式数字显示仪表
由于CPU的存在，使显示仪表的功能大大增加，性能 也有较大的提高，主要有以下几点：
– 可用软件方式实现仪表的标度变换和非线性处理；
– 可以和内部或外部存储设备相连，保存历史数据；
– 可方便地对仪表进行设定，如放大倍数的设定，不同检测 元件的选择，显示形式和单位的切换等； – 一般都具有通讯功能，可方便地与其它设备一起使用；与
同步电机 热电偶 ＋
－
记录机构 指示机构
放大器
可逆电机
测量桥路
调节机构
自动平衡式电子电位差计组成框图
2 .测量桥路的分析
自动电子电位差计的测量桥路有两条支路（分别称为
上支路和下支路），而手动电位差计的测量桥路只有 一条支路 我国统一设计的XW系列电子电位差计的上支路 电流为4mA，下支路电流为2mA
计算机一起构成网络式或总线式测量系统；
– 有些性能较好的仪表还具有故障的诊断；自校正等功能。
3. 双积分型A/D转换器 间接比较型A/D转换类型定义：即被测电压不是直 接转换成数字量输出，而是先转变成一个中间量，然后
再将中间量转换成数字量，如时间间隔、频率等。
双积分型A/D转换器
• 间接比较型A/D转换的优点：灵敏度较高、 干 扰抑制能力强、 造价低等. • 缺点：转换速度较低， 通常低于30次/s。 • 应用:各类数字显示仪表和低速数据采集系统 中。
.手动电位差计的原理线路
K1
RP b Ex E RB I d
1
a G
2
Es
f
ES是标准电池； G是灵敏度较高的检流计； R K是标准电阻 E是直流电 ； R P 是带有滑触点的电阻；R B是可调电阻；
源； K是单刀双掷开关； E x 是电源开关 , K1 是被测电势
–工作过程
• 第一步调准工作电流 :合上开关 K ，把开关 K扳向 1 位置“1”，调节 指向零 R B 的大小，直到检流计 G
RP

桥臂电阻R2（冷端补偿电阻） 限流电阻R3 R4 起始值电阻RG 滑线电阻RP 量程电阻RM
2. 1测量桥路中各电阻的作用及要求 1) 桥臂电阻R2 在配用热电偶测温时， 桥臂电阻作为热电偶冷端 温度补偿电阻。 现在常用的补偿电阻是用铜丝绕制， 用符号RCu表示。 当配用K分度热电偶时，RCu=5.33Ω; 当配用J分度热 电偶时， RCu=0.74 Ω, 这些电阻皆为25℃时的阻值。 注意： 若电子电位差计不是配热电偶使用， 则R2 应为锰铜丝绕制。
2. 模拟显示仪表的类型
多种分类方式
按模拟显示仪表的测量线路分：直接变换式仪表
和平衡式显示仪表两类。 按显示特征分：指针式显示仪表和色带式指示仪 表两类。
1） 直接变换式仪表 直接变换式仪表是由传感器或变送器与直接变换 式仪表组成的检测系统， 如图2所示。
T为传感器或变送器， M为测量线路，D为显示装置; x为被测变量， y为仪表示值。
二、自动平衡电桥
– 电桥式自动平衡显示仪表(简称自动平衡电桥)将电 阻类敏感元件直接接入电桥的一个桥臂，以电桥平 衡的原理进行工作 – 和自动平衡电子电位差计一样，变化的电势经放大 器放大后驱动可逆电机，再带动可调电位器上的滑 动触点，直至输出电势为零，仪表到达平衡状态
1.自动平衡电桥的工作原理
显示调节型和巡回检测型数字显示仪表等。
(8) 按照是否具有智能， 可以分为常规和智能数字显示 仪表。
2. 2 数字显示仪表的特点
数字显示仪表中由于没有磁电偏转机构、 伺服电机 等机械部分， 并且以数字形式直接显示测量结果， 因 此使得它具有了模拟显示仪表无法比拟的许多优点。 主要特点： (1) 准确度高。 一般通用的数字显示仪表要达到 0.05%的准确度是比较容易的。 而模拟显示仪表 要达到0.1%的准确度也是困难的。
断续记录采用打点记录方法。 断续记录 法主要应用在信号变化较慢的系统中。
二、数字显示仪表
把被测参数连续变化的模拟量变换为断续的数字量并以
数码形式显示的仪表 。
数字显示仪表 被测参数 显示接口 电路 显示器
检测元件
前置放大
A/D
CPU
数字显示仪表的分类
数字显示仪表的分类方法很多， 常见的有以下几种：
前要经过一系列的中间变换。
模拟显示仪表
按照信号变换方式的不同， 模拟显示仪表的 基本构成形式分为开环和闭环两种。
图a为各环节串联所构成的开环式仪表， 图b为各环节并联组成的开环式仪表。 图c 采用负反馈。
• 图（a） 串联式开环仪表； (b) 并联式开环仪表； • (c) 闭环仪表
2. 模拟显示仪表的类型 模拟显示仪表通常由测量线路和显示装 置两部分组成. 测量线路用以接收传感器或变送器送来的 电势、 电流、 电阻、 电容等信号； 显示装置是将测量线路的处理结果显示出 来， 以便用户直接读取。
• 图4 模拟显示仪表的指示机构类型 • (a) 条型指示机构； (b) 圆弧形刻度指示机构； (c) 反光镜式刻度指示机构； • (d) 圆形指示机构； (e) 转鼓式指示机构； (f) 色带指示机构
3. 模拟显示仪表的记录方法 模拟显示仪表的记录方法一般可分 为连续记录和断续记录两种。 连续记录一般采用墨水和笔划线的方 法。
3.1 双积分型A/D转换器的工作原理
双积分型A/D转换电路首先要能够将模拟输入电压 转换为时间间隔，后转变成数字量输出。 输出数据常以BCD码或数码管七段码格式给出， 以便与数字显示器件接口。
A/D转换原理
典型的双积分型A/D转换电路的基本组成如图5所
示。 它的每一次转换通常可以分为正向积分、 反向
图2 直接变换式仪表组成的检测系统
直接变换式仪表产品：动圈式显示仪表
是一种发展较早的直接变换式仪表;
它可以对直流毫伏信号进行显示， 也可以对那些 能转换成电势信号的非电参量进行显示。
•
图
动圈式仪表的测量机构
• 1—永久磁铁； 2、 6—张丝； 3—软磁芯； 4—热电偶；
• 5—动圈； 7—刻度面板； 8—指针
(5) 能够以数字形式输出结果。
(6)数字显示仪表线路简单，普遍采用中、 大规模 集成电路，可靠性好， 耐震性强。 (7)采用为数不多的、 功能分离的模块化电路 组合而成， 制造、 调试和维修方便。
三、屏幕显示仪表 包括无纸记录仪、虚拟仪表和集散控制系统的显示部分
显示 模式
多媒体 显示
数据计算 处理
化学工业出版社
显示仪表用途、作用
显示记录分类：模拟显示记录仪表、数字显示记录 仪表、计算机屏幕显示记录装置
第一节
显示仪表的构成及基本原理
一、 模拟显示仪表
用物理模拟方法对被测信息实现显示的仪表
模拟显示仪表
1. 模拟显示仪表的基本构成形式
一般模拟显示仪表对信号的变换是多级的， 被
测量x在转换为输出信号y(指针或记录笔的位移)之
2) 限流电阻R3
R3是固定电阻， 用锰铜丝绕制。 它与R2配合，
使下支路在25℃时工作电流为2 mA。 3) 起始值电阻RG RG是决定仪表起始刻度值（下限）的锰铜电阻。 它在不同下限的仪表中有不同值， 下限越高， RG 越大。
4) 限流电阻R4
R4用锰铜丝绕制。 它与RHB(RM、 RB和RP三个电
阻并联后的等效电阻)、 RG串联， 使上支路回路电流
为4 mA。
5) 滑线电阻RP RP是滑线电阻，除了要求装配牢靠外， 对耐磨
性、 抗氧化性、 接触的可靠性以及绝缘性能等方面
应有很高的要求， 尤其是对线性度的要求。
7) 量程电阻RM RM是决定仪表量程大小的电阻， 它的大小由仪 表测量范围及所采用的分度号（当仪表与热电偶配套 使用时）决定。 RM越大， 与RH、RP并联后的电阻就 越大，因而对应的仪表量程也越大； 反之， RM越小 ， 仪表量程就越小。
• 图3 自动平衡式电子电位差计的闭环结构图
2） 平衡式显示仪表
平衡式显示仪表可分为有差随动平衡式、
无差随动wk.baidu.com衡式和程序平衡式三种。
无差随动平衡式具有可逆电机M,是一个积分
环节 ，可消除余差。
平衡式显示仪表特点：
优点：线性度好、 反应速度快、 精度高等。 缺点：结构较复杂，稳定性差， 灵敏度降低。
(1) 按照显示位数， 可以分为
1 位、 3 3 3 4 2
位、 5 1 位数字显示仪表等。 2
位、 4 1 2
(2) 按照采样速率， 可以分为低速型、 中速型和高速型 数字显示仪表。 低速型数字显示仪表的采样速率为零点几次
每秒到几次每秒； 中速型的为十几次每秒到几百次每秒； 高
速型的为几千次每秒以上。
直接变换式仪表特点：
优点：结构简单可靠、 重量轻、 尺寸小、 价格
便宜。
缺点：误差较大，线性度较差。
2） 平衡式显示仪表 平衡式显示仪表是由闭环结构的平衡式测量线路构 成的仪表。 图3所示为自动平衡式电子电位差计的闭环结构图。
T为传感器件或变送器， C为比较器， A为放大器， M为可逆电机， R为记录机构， F为反馈部件。
积分和清零准备三个工作阶段。
第一步：采样积分，对电容C充电，完成被测电压Ui 到平均值的转换，获得电容的输出电压UA； 第二步：完成被测电压平均值到时间间隔T的转换 ； 第三步：将时间间隔T整量化而成数字量N 。
• 图5 双积分型A/D转换电路的基本组成
• 图6 积分器的输出电压波形 • (a) Ui>0时的输出电压波形； (b) Ui<0时的输出电压波形