化学工业出版社
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化工仪表及自动化第六章 显示仪表化学工业出版社
www.cip.com.cn内容提要
模拟式显示仪表
自动平衡电子电位差计
电子自动平衡电桥
数字式显示仪表
数字式显示仪表的原理及其特点
模 -数变换器
电子计数器
显示器
数字式显示仪表的基本组成
数字模拟混合记录仪
新型显示仪表
无纸记录仪
虚拟显示仪表
1
化学工业出版社
www.cip.com.cn概述显示仪表：
凡能将生产过程中各种参数进行指示、记录或累积的仪表。
分类 模拟式显示仪表数字显示仪表屏幕显示仪表
2
化学工业出版社
www.cip.com.cn第一节 模拟式显示仪表
一、自动平衡电子电位差计电位差计是用来测量电势或电位的,当它与热电偶配合时,可以用来测量和显示温度 。
2.自动电子电位差计的工作原理根据这种电压平衡原理来进行工作 。
3
化学工业出版社
www.cip.com.cn第一节 模拟式显示仪表
4
图 6-1 电子电位差计原理图电子电位差计既保持了手动电位差计测量精度高的优点，
而且无须用手去调节就能自动指示和记录被测温度值。
结论热电偶测量桥路放大器可逆电机指示机构记录机构同步电机稳压电源图 6-2 电子电位差计原理方框图化学工业出版社
www.cip.com.cn第一节 模拟式显示仪表
5
2.自动电子电位差计的测量桥路图 6-3 XW系列电位差计测量桥路原理图化学工业出版社
www.cip.com.cn第一节 模拟式显示仪表桥路中各电阻的作用
(1)滑线电阻 RP与工艺电阻 RB 改变滑动触点在 RP上的位置,可以产生不同的桥路输出电压以平衡热电偶的热电势 。
(2)始端 (下限 )电阻 RG RG的大小取决于测量下限的高低 。
(3)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与所采用的热电偶分度号来决定 。
6
化学工业出版社
www.cip.com.cn第一节 模拟式显示仪表
(5)冷端温度补偿电阻 R2 降低了测量误差。
nPG RRI
ER
1
4
(4)上支路限流电阻 R4 把上支路的工作电流限定在 4mA。
（ 6-1）
(6)下支路限流电阻 R3 它与 R2配合,保证了下支路回路的工作电流为 2mA。
2
2
3 RI
ER
（ 6-2）
7
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www.cip.com.cn第一节 模拟式显示仪表举例 例 6-1 用镍铬 -镍硅热电偶配电子电位差计测量某炉温,温度的测量范围在 400~900℃ 。 图 6-4是电位差计测 量 桥路 。 已知 E=1V ； I1=4mA ； I2=2mA； R2=
5.33Ω； RP∥ RB=90Ω。 试根据测温要求确定桥路中的其他电阻值 。
图 6-4 电位差计测量桥路解,根据镍铬 -镍硅热电偶分度表 (第五章附录三 )查得
400～ 900℃ 对应的热电势为
16.395～ 37.325mV。
8
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www.cip.com.cn第一节 模拟式显示仪表
mVCCERIRIU GCD 3 9 5.160,4 0 0221
假定由于 R2的存在,实现了冷端温度的全补偿,故冷端温度的变化对热电势的影响可以不予考虑 。 当温度在测量下限 400℃ 时,滑动触点移至滑线电阻的最左端,此时根据
76.64 33.523 9 5.163 9 5.16
1
22I RIR G
得根据测量范围的要求,滑线触点由滑线电阻的最左端移至最右端,电压差应为
mV93.20395.16325.37
9
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www.cip.com.cn第一节 模拟式显示仪表
23.54 93.2093.20
4I
R nP
因此,RP,RB,RM并联后的等效电阻 RnP应为
01.23823.576.641 0 0 0
1
4 nPG RRI
ER
已知 RP∥ RB= 90Ω,可求得 R M≈5,55Ω。
67.49433.5210002
2
3 RI
ER
根据式 (6-2),可得
10
化学工业出版社
www.cip.com.cn第一节 模拟式显示仪表以上计算都是粗略的,在进行精确的计算时,
还要考虑许多实际的情况,例如滑线电阻 RP的两端一般是移不到头的。所以在计算 RG,R4时必须考虑这种情况。
注意
11
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www.cip.com.cn第一节 模拟式显示仪表
二、电子自动平衡电桥
12
（ 1） 平衡电桥测温原理利用平衡电桥来测量热电阻变化 。
图 6-5 平衡电桥当被测温度为下限时,Rt有最小值 Rt0,滑动触点应在 RP的左端,
此时电桥的平衡条件是
423 0 RRRRR Pt （ 6-3）
化学工业出版社
www.cip.com.cn第一节 模拟式显示仪表滑动触点 B的位置就可以反映电阻的变化，亦即反映了温度的变化。并且可以看到触点的位移与热电阻的增量呈线性关系。
结论
14213 0 rRRrRRRR Ptt
当被测温度升高后的平衡条件是
（ 6-4）
tt RRR
RrrRRrRR?
32 3112313
用式 （ 6-4） 减式 （ 6-3）,则得
（ 6-5）
13
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www.cip.com.cn第一节 模拟式显示仪表
14
（ 2） 自动电子平衡电桥图 6-7 电子平衡电桥原理方框图为了准确地指示出被测温度的数值,将热电阻的连接采用三线制接法,并加外接调整电阻 。
图 6-6 自动平衡电桥工作原理化学工业出版社
www.cip.com.cn第一节 模拟式显示仪表
15
自动电子平衡电桥与自动电子电位差计的比较相同处
与这两种仪表配套的测温元件 （ 热电偶,热电阻 ）
在外形结构上十分相似 。
仪表的外形及其组成：如放大器,可逆电机,同步电机及指示记录部分都是完全相同的 。
化学工业出版社
www.cip.com.cn第一节 模拟式显示仪表不同处
它们测量的电量形式不相同 。
两者的作用原理不同 。
测温元件与测量桥路的连接方式不同 。
当用热电偶配电子电位差计测温时,其测量桥路需要考虑热电偶冷端温度的自动补偿问题；而用热电阻配电子平衡电桥测温时,则不存在这个问题 。
16
化学工业出版社
www.cip.com.cn第二节 数字式显示仪表
一、数字式显示仪表的原理及其特点
17
数字式显示仪表 是能将被测的连续电量 (模拟量 )自动地变成断续量,然后进行数字编码,并将测量结果以数字显示的电测仪表 。
A/D变换器 电子计数器 显示器模拟量 数字量 读出图 6-8 数字式显示仪表方框图化学工业出版社
www.cip.com.cn第二节 数字式显示仪表准确度,灵敏度高 ;
读数方便,清晰直观,不会产生视差 。
测量速度快,从每秒几十次到每秒上百万次 ;
仪表的量程和被测量的极性可自动转换,可自动检查故障,报警以及完成指定的逻辑程序 ;
可以方便地实现多点测量 ;
可以与电子计算机配合,给出一定形式的编码输出 。
特点
18
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www.cip.com.cn第二节 数字式显示仪表
二、模 -数变换器将连续变化的模拟量变换成断续的数字量 。
主要任务主要有间接法和直接法两种 。
工作方法
19
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www.cip.com.cn第二节 数字式显示仪表
三、电子计数器当用间接法进行数码转换时,是先将模拟量转换为与之对应的时间间隔或频率,然后必须再将时间间隔或频率转换为数字量,才能进行计数 。
图 6-9 时间间隔测量原理框图
BA TfN?计数
20
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www.cip.com.cn第二节 数字式显示仪表
四、显示器图 6-10 辉光数码管示意图 图 6-11 数码管驱动电路
21
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www.cip.com.cn第二节 数字式显示仪表
五、数字式显示仪表的基本组成图 6-12 数字式温度显示仪表的基本组成
22
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www.cip.com.cn第二节 数字式显示仪表
六、数字模拟混合记录仪为了使数字式记录仪与模拟式记录仪的优点结合起来,两者相互取长补短,可以在数字式显示仪表的基础上加上模拟式显示记录仪表的记录部分,构成数字模拟混合记录仪 。
23
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www.cip.com.cn第三节 新型显示仪表
一、无纸记录仪
24
以 CPU为核心采用液晶显示的记录仪,直接把记录信号转化成数字信号后,送到随机存储器加以保存,
并在大屏液晶显示屏上加以显示 。
图 6-13 无笔,无纸记录仪的原理方框图化学工业出版社
www.cip.com.cn第三节 新型显示仪表无笔,无纸记录仪的特点,
① 液晶全动态显示,并有背光功能 。
② 输入信号多样化,并以工业专用微处理器 CPU为核心,
从而实现了高性能,多回路的监测,并随意放大,缩小地显示在显示屏上 。
③ 无纸,无笔,无墨水,无一切机械转动结构,无需日常维护 。
④ 精度高：实时显示,± 0.2%;曲线及棒图显示,± 0.5%。
⑤ 具有与上位机通讯的标准,可靠性高,价格与一般记录仪相仿 。
25
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www.cip.com.cn第三节 新型显示仪表
二、虚拟显示仪表利用计算机强大的功能来完成显示仪表所有的工作 。
26
采样开关模数转换个人计算机实时数据管理数据计算处理多媒体显示显示模式输入通道输入通道插卡图 6-14 虚拟显示仪表原理框图化学工业出版社
www.cip.com.cn第三节 新型显示仪表虚拟显示仪表的特点有,
使用简单方便 。
结构简单 。
性能优越 。
27
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www.cip.com.cn例题分析图 6-5是自动平衡电桥的工作原理图 。 请问在下列情况时,
仪表的指针 (即滑动触点的位置 ),起点温度,仪表量程会如何变化?简述其原因? (1)温度升高； (2)仪表停电 ;
(3)加大 R6； (4)减小 R5； (5)电阻体被烧断 。
解,(1)当温度升高时,滑动触点将向右移动,这是因为当温度升高后,Rt增加,只有滑动触点向右移,使与 Rt串联的这个桥臂的电阻值减小,才能使电桥达到新的平衡 。
(2)仪表停电时,指针随拨随停,因为此时放大器的输入与输出均没有信号,可逆电机不可能自行转动 。
28
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www.cip.com.cn例题分析
(3)加大 R6,滑动触点将向右移动,这是因为 R6增加,
会使与 Rt串联的这个桥臂的电阻值增加,只有滑动触点右移,才能使这个桥臂的电阻值恢复到原来的数值,电桥恢复平衡 。 若其他电阻值都不变,增加 R6会使起点温度降低,这是因为滑动触点移至最左端时,代表的是起始温度,这时要使电桥平衡,Rt必然要小一些,以抵消增加 R6
对整个桥臂电阻值的影响 。 Rt小,就表示这时的起点温度降低 。
29
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www.cip.com.cn例题分析
(4)减小 R5,量程会降低,这是因为 R5减小,滑线电阻组件的等效电阻值减小,使滑动触点由最左端移到最右端的电位差变小,故量程减小 。
(5)电阻体被烧断,滑动触点将移向最右端,这是因为电阻体烧断后,Rt趋于无穷大,放大器始终有一个正的电位输入,可逆电机转动,直至滑向最右端指针被挡住为止 。
30
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自动平衡电子电位差计
电子自动平衡电桥
数字式显示仪表
数字式显示仪表的原理及其特点
模 -数变换器
电子计数器
显示器
数字式显示仪表的基本组成
数字模拟混合记录仪
新型显示仪表
无纸记录仪
虚拟显示仪表
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凡能将生产过程中各种参数进行指示、记录或累积的仪表。
分类 模拟式显示仪表数字显示仪表屏幕显示仪表
2
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一、自动平衡电子电位差计电位差计是用来测量电势或电位的,当它与热电偶配合时,可以用来测量和显示温度 。
2.自动电子电位差计的工作原理根据这种电压平衡原理来进行工作 。
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图 6-1 电子电位差计原理图电子电位差计既保持了手动电位差计测量精度高的优点，
而且无须用手去调节就能自动指示和记录被测温度值。
结论热电偶测量桥路放大器可逆电机指示机构记录机构同步电机稳压电源图 6-2 电子电位差计原理方框图化学工业出版社
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5
2.自动电子电位差计的测量桥路图 6-3 XW系列电位差计测量桥路原理图化学工业出版社
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(1)滑线电阻 RP与工艺电阻 RB 改变滑动触点在 RP上的位置,可以产生不同的桥路输出电压以平衡热电偶的热电势 。
(2)始端 (下限 )电阻 RG RG的大小取决于测量下限的高低 。
(3)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与所采用的热电偶分度号来决定 。
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(5)冷端温度补偿电阻 R2 降低了测量误差。
nPG RRI
ER
1
4
(4)上支路限流电阻 R4 把上支路的工作电流限定在 4mA。
（ 6-1）
(6)下支路限流电阻 R3 它与 R2配合,保证了下支路回路的工作电流为 2mA。
2
2
3 RI
ER
（ 6-2）
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5.33Ω； RP∥ RB=90Ω。 试根据测温要求确定桥路中的其他电阻值 。
图 6-4 电位差计测量桥路解,根据镍铬 -镍硅热电偶分度表 (第五章附录三 )查得
400～ 900℃ 对应的热电势为
16.395～ 37.325mV。
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假定由于 R2的存在,实现了冷端温度的全补偿,故冷端温度的变化对热电势的影响可以不予考虑 。 当温度在测量下限 400℃ 时,滑动触点移至滑线电阻的最左端,此时根据
76.64 33.523 9 5.163 9 5.16
1
22I RIR G
得根据测量范围的要求,滑线触点由滑线电阻的最左端移至最右端,电压差应为
mV93.20395.16325.37
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23.54 93.2093.20
4I
R nP
因此,RP,RB,RM并联后的等效电阻 RnP应为
01.23823.576.641 0 0 0
1
4 nPG RRI
ER
已知 RP∥ RB= 90Ω,可求得 R M≈5,55Ω。
67.49433.5210002
2
3 RI
ER
根据式 (6-2),可得
10
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还要考虑许多实际的情况,例如滑线电阻 RP的两端一般是移不到头的。所以在计算 RG,R4时必须考虑这种情况。
注意
11
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二、电子自动平衡电桥
12
（ 1） 平衡电桥测温原理利用平衡电桥来测量热电阻变化 。
图 6-5 平衡电桥当被测温度为下限时,Rt有最小值 Rt0,滑动触点应在 RP的左端,
此时电桥的平衡条件是
423 0 RRRRR Pt （ 6-3）
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结论
14213 0 rRRrRRRR Ptt
当被测温度升高后的平衡条件是
（ 6-4）
tt RRR
RrrRRrRR?
32 3112313
用式 （ 6-4） 减式 （ 6-3）,则得
（ 6-5）
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14
（ 2） 自动电子平衡电桥图 6-7 电子平衡电桥原理方框图为了准确地指示出被测温度的数值,将热电阻的连接采用三线制接法,并加外接调整电阻 。
图 6-6 自动平衡电桥工作原理化学工业出版社
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15
自动电子平衡电桥与自动电子电位差计的比较相同处
与这两种仪表配套的测温元件 （ 热电偶,热电阻 ）
在外形结构上十分相似 。
仪表的外形及其组成：如放大器,可逆电机,同步电机及指示记录部分都是完全相同的 。
化学工业出版社
www.cip.com.cn第一节 模拟式显示仪表不同处
它们测量的电量形式不相同 。
两者的作用原理不同 。
测温元件与测量桥路的连接方式不同 。
当用热电偶配电子电位差计测温时,其测量桥路需要考虑热电偶冷端温度的自动补偿问题；而用热电阻配电子平衡电桥测温时,则不存在这个问题 。
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一、数字式显示仪表的原理及其特点
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数字式显示仪表 是能将被测的连续电量 (模拟量 )自动地变成断续量,然后进行数字编码,并将测量结果以数字显示的电测仪表 。
A/D变换器 电子计数器 显示器模拟量 数字量 读出图 6-8 数字式显示仪表方框图化学工业出版社
www.cip.com.cn第二节 数字式显示仪表准确度,灵敏度高 ;
读数方便,清晰直观,不会产生视差 。
测量速度快,从每秒几十次到每秒上百万次 ;
仪表的量程和被测量的极性可自动转换,可自动检查故障,报警以及完成指定的逻辑程序 ;
可以方便地实现多点测量 ;
可以与电子计算机配合,给出一定形式的编码输出 。
特点
18
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二、模 -数变换器将连续变化的模拟量变换成断续的数字量 。
主要任务主要有间接法和直接法两种 。
工作方法
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三、电子计数器当用间接法进行数码转换时,是先将模拟量转换为与之对应的时间间隔或频率,然后必须再将时间间隔或频率转换为数字量,才能进行计数 。
图 6-9 时间间隔测量原理框图
BA TfN?计数
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四、显示器图 6-10 辉光数码管示意图 图 6-11 数码管驱动电路
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五、数字式显示仪表的基本组成图 6-12 数字式温度显示仪表的基本组成
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六、数字模拟混合记录仪为了使数字式记录仪与模拟式记录仪的优点结合起来,两者相互取长补短,可以在数字式显示仪表的基础上加上模拟式显示记录仪表的记录部分,构成数字模拟混合记录仪 。
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一、无纸记录仪
24
以 CPU为核心采用液晶显示的记录仪,直接把记录信号转化成数字信号后,送到随机存储器加以保存,
并在大屏液晶显示屏上加以显示 。
图 6-13 无笔,无纸记录仪的原理方框图化学工业出版社
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① 液晶全动态显示,并有背光功能 。
② 输入信号多样化,并以工业专用微处理器 CPU为核心,
从而实现了高性能,多回路的监测,并随意放大,缩小地显示在显示屏上 。
③ 无纸,无笔,无墨水,无一切机械转动结构,无需日常维护 。
④ 精度高：实时显示,± 0.2%;曲线及棒图显示,± 0.5%。
⑤ 具有与上位机通讯的标准,可靠性高,价格与一般记录仪相仿 。
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二、虚拟显示仪表利用计算机强大的功能来完成显示仪表所有的工作 。
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使用简单方便 。
结构简单 。
性能优越 。
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仪表的指针 (即滑动触点的位置 ),起点温度,仪表量程会如何变化?简述其原因? (1)温度升高； (2)仪表停电 ;
(3)加大 R6； (4)减小 R5； (5)电阻体被烧断 。
解,(1)当温度升高时,滑动触点将向右移动,这是因为当温度升高后,Rt增加,只有滑动触点向右移,使与 Rt串联的这个桥臂的电阻值减小,才能使电桥达到新的平衡 。
(2)仪表停电时,指针随拨随停,因为此时放大器的输入与输出均没有信号,可逆电机不可能自行转动 。
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(3)加大 R6,滑动触点将向右移动,这是因为 R6增加,
会使与 Rt串联的这个桥臂的电阻值增加,只有滑动触点右移,才能使这个桥臂的电阻值恢复到原来的数值,电桥恢复平衡 。 若其他电阻值都不变,增加 R6会使起点温度降低,这是因为滑动触点移至最左端时,代表的是起始温度,这时要使电桥平衡,Rt必然要小一些,以抵消增加 R6
对整个桥臂电阻值的影响 。 Rt小,就表示这时的起点温度降低 。
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(4)减小 R5,量程会降低,这是因为 R5减小,滑线电阻组件的等效电阻值减小,使滑动触点由最左端移到最右端的电位差变小,故量程减小 。
(5)电阻体被烧断,滑动触点将移向最右端,这是因为电阻体烧断后,Rt趋于无穷大,放大器始终有一个正的电位输入,可逆电机转动,直至滑向最右端指针被挡住为止 。
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