安徽建筑工程學(xué)院建筑環(huán)境測試技術(shù)

第11章：電動顯示儀表授課課時：2學(xué)時主要內(nèi)容：電動顯示儀表意義及概述。電動顯示儀表的分類：模擬式顯示儀表，數(shù)字式顯示儀表。各顯示儀表的構(gòu)造組成及其任務(wù)原理，各顯示儀表與之匹配的傳感器的選擇和確定。各類顯示儀表的構(gòu)造組成，各類顯示儀表的任務(wù)原理，任務(wù)方法及其配套的傳感器選型。重點和難點:各類顯示儀表的構(gòu)造組成，各類顯示儀表的任務(wù)原理，任務(wù)方法及其配套的傳感器選型。各類顯示器與傳感器的匹配，如何滿足工藝精度要求主要章節(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銜接

11.1概述電動顯示儀表通常是由丈量線路和顯示安裝兩部分組成。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變量延續(xù)變化的儀表。1〕直接變換式儀表的組成與特點組成圖11.1.1直接變換式儀表特點〔1〕其線性刻度較困難。〔2〕很難獲得較高的精度?！?〕信息轉(zhuǎn)換效率低，但儀表簡單可靠、分量輕、尺寸小、價錢廉價。2〕平衡式顯示儀表的組成及特點組成特點〔1〕平衡式顯示儀表線性度好、丈量精度高；〔2〕反響速度快；圖11.1.2平衡式顯示儀表的組成(3)比直接變換式儀表構(gòu)造復(fù)雜、造價高。3〕顯示儀表的根本技術(shù)性能儀表的變差在規(guī)定的條件下，用同一儀表對被丈量進展正、反行程的丈量，對某一丈量點所得到的正、反行程兩次示值之差稱為該丈量點上的示值變差。圖11.1.3儀表的變差特性儀表的靈敏度儀表輸出信號的變化量和引起這個輸出變化量的被丈量變化量的比值，稱為儀表的靈敏度。儀表的分辨率儀表呼應(yīng)輸入量微小變化的才干稱為儀表的分辨力，常用分辨率或靈敏限來表示。2.數(shù)字式顯示儀表把與被丈量〔例如溫度、流量、液位、壓力等〕成一定函數(shù)關(guān)系的延續(xù)變化的模擬量，變換為斷續(xù)的數(shù)字量進展顯示的儀表。1〕構(gòu)成：它是由前置放大器、A／D轉(zhuǎn)換器〔模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量〕、非線性補償、標度變換以及顯示安裝等部分組成。2〕技術(shù)目的分辨率儀表在最小量程時，最末一位數(shù)字跳變一個字所代表的量值，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)成框圖準確度數(shù)字儀表準確度的表示方法：〔1〕〔2〕數(shù)字儀表準確度的相對誤差輸入阻抗數(shù)字儀表輸入阻抗：指儀表在任務(wù)形狀下，儀表兩個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)場存在很強的電磁場及各種高頻干擾，因此對數(shù)字抗干擾性有一定得要求，通常用干擾抑制比來表示。3.智能式顯示儀表帶有微處置器的數(shù)字式儀表，可以實現(xiàn)復(fù)雜計算等功能。1〕構(gòu)成

圖11.1.5智能式顯示儀表的構(gòu)成2〕技術(shù)目的與特點技術(shù)目的技術(shù)目的與數(shù)字儀表根本一樣，在丈量誤差功能上添加了零點、滿度誤差軟件修正和數(shù)據(jù)線性化處置的功能。特點〔1〕具有常規(guī)儀表一樣的功能；〔2〕具有豐富的數(shù)據(jù)處置功能；〔3〕可以方便地與各種輸入信號銜接；〔4〕具有可編程功能；〔5〕可以存儲歷史數(shù)據(jù)，并能方便地輸出；〔6〕具有數(shù)據(jù)通訊功能；〔7〕與上位機配合可以構(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：利用丈量的模擬信號直接顯示或者經(jīng)過轉(zhuǎn)換電路處置后再顯示；也可以將模擬信號與規(guī)范信號比較調(diào)平衡后，經(jīng)過計算得到丈量值再顯示。模擬式顯示儀表具有延續(xù)顯示功能，丈量值在儀表的刻度盤上讀出。1.動圈式顯示儀表采用靈敏度較高的磁電系丈量機構(gòu)，易將微弱的被測信號轉(zhuǎn)換為指針的角位移?？梢詫χ绷骱练盘栠M展顯示，也可以對非電勢信號但能轉(zhuǎn)換成電勢信號的參量進展顯示。1〕特點可以作參數(shù)顯示；也可作參數(shù)指示顯示和控制；可與熱電偶等測溫元件配協(xié)作為溫度顯示、調(diào)理運用；可和其他變送器配合，丈量、控制其他參數(shù)。2〕組成和丈量線路動圈式儀表由丈量線路和丈量機構(gòu)兩部分組成。圖11.2.1動圈儀表檢測毫伏信號的丈量線路用于檢測毫伏信號或配熱電偶的動圈儀表丈量線路為直接變換式線路。它由環(huán)境溫度補償電阻、量程和阻尼調(diào)整電阻、量程和阻尼調(diào)整電阻組成。圖11.2.3毫伏信號的丈量線路〔1〕環(huán)境溫度補償電阻器具有負的溫度系數(shù)的熱敏電阻Rr和錳銅電阻RB并聯(lián)后再與RD串聯(lián)的方法進展補償?！?〕量程和阻尼調(diào)整電阻國產(chǎn)XC系列動圈儀表采用了一致的丈量機構(gòu)，即用于不同的量程、不同的被丈量情況下的表頭是統(tǒng)一的，這就大大的簡化了消費工藝，提高了消費效率。

〔3〕熱電偶冷端溫度補償與熱電偶配套的動圈儀表，是直接按照熱電偶的分度表進展刻度的，即熱電偶的冷端溫度是在零度條件下刻度的，假設(shè)熱電偶冷端溫度不是零度，那么動圈儀表的讀數(shù)便不能真實的反映被測溫度值，并產(chǎn)生一個隨冷端溫度變化而變化的誤差。因此在實踐測溫中，必需思索冷端溫度補償問題。圖11.2.4熱電偶冷端溫度補償檢測電阻值的丈量線路3〕儀表型號工業(yè)儀表型號由三節(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)字表示一致設(shè)計的序號，第一次一致設(shè)計不加第三節(jié)。動圈式儀表型號見課本P242.2.自動平衡式顯示儀表1〕平衡式電子電位差計任務(wù)原理：將被測電勢與知的電位差進展比較，當(dāng)兩者之差為零〔即到達平衡〕時，被測電勢就等于知的電位差，此時儀表到達平衡而停頓任務(wù)，故稱為平衡式電子電位差計。平衡式電位差計圖11.2.5手動平衡式電位差計手動平衡式電位差計普通用于實驗室丈量，假設(shè)用于消費過程中的延續(xù)自動丈量，而不要求精度較高，那么必需采用自動平衡電子電位差計。圖11.2.6自動平衡式電位差計原理2〕自動平衡式電橋電子自動平衡電橋可與熱電阻配套運用丈量溫度，也可與其他能轉(zhuǎn)換電阻變化的檢測元件配套運用，丈量消費過程中的各種參數(shù)。3〕E系列平衡記錄儀〔1〕外表光滑，耐腐蝕，耐氧化、接觸良好等優(yōu)點?！?〕儀表放大器運用的是低零漂、高輸入阻抗的運算放大器。〔3〕儀表丈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，對提高儀表的穩(wěn)定性和可靠性意義艱苦。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〔A／D〕、非線性補償和標度變換是組成數(shù)字式儀表的三要素。1.模擬—數(shù)字轉(zhuǎn)換〔A／D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。?！獢?shù)轉(zhuǎn)換

1〕直接比較型A／D轉(zhuǎn)換是基于電位差計的電壓比較原理.即用一個作為規(guī)范的可調(diào)參考電壓與被測電壓進展比較，當(dāng)兩者到達平衡偏向檢出為零時，參考電壓的大小就等于被測電壓。圖11.3.1直接比較型A／D轉(zhuǎn)換逐次比較型A／D轉(zhuǎn)換：是最典型的直接比較型。用規(guī)范電壓與被測電壓從高位到低位逐次進展比較，采用大者棄、小者留的原那么，不斷逼近、逐漸積累，即將被測電壓轉(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A／D轉(zhuǎn)換就是被測電壓不是直接轉(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轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。雙積分型A/D轉(zhuǎn)換：圖11.3.3被測電平平均值求取圖11.3.4間接比較型A／D轉(zhuǎn)換詳細步驟：〔1〕完成被測電壓US到平均值的轉(zhuǎn)換；〔2〕須完成被測電壓平均值到另一時間間隔的轉(zhuǎn)化；〔3〕將時間間隔整量化而成數(shù)字量N.2.非線性補償非線性補償?shù)姆椒ǎ阂活愂怯糜布姆绞綄崿F(xiàn)；一類是以軟件的方式實現(xiàn)。數(shù)字式儀表普通采用硬件電路進展非線性補償。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償：

設(shè)在A／D轉(zhuǎn)換之前進展非線性補償?shù)姆Q為模擬式線性化；設(shè)在A／D轉(zhuǎn)換之后進展非線性補償?shù)姆Q為數(shù)字線性化；設(shè)在A／D轉(zhuǎn)換器中進展非線性補償?shù)姆Q為A／D轉(zhuǎn)換線性化。反響式接入反響式線性化就是利用反響補償原理，引入非線性的負反響環(huán)節(jié)，用負反響環(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之間的關(guān)系具有線性特性。2〕數(shù)字線性化3〕A／D轉(zhuǎn)換線性化3.信號的規(guī)范化及標度變換1〕信號規(guī)范化將各種不同規(guī)格的丈量信號一致同來進展信號規(guī)范化，然后再顯示和傳輸。規(guī)范化的輸出信號可以是電流、電壓或其他方式的信號。規(guī)范化電流信號：一種是將丈量信號轉(zhuǎn)換成4～20mA、DC〔規(guī)范的Ⅲ型儀表輸出信號〕；另一種是將丈量信號轉(zhuǎn)換成0～10mA、DC〔規(guī)范的Ⅱ型儀表輸出信號〕。規(guī)范化電壓信號：國內(nèi)采用的統(tǒng)不斷流電壓傳輸信號有以下幾種：0～10mV、0～30mV、0～40.95mV、0～50mV、0～5V、1～5V等。規(guī)范化的測溫元件：主要有規(guī)范化熱電偶、熱電阻，規(guī)范化的熱電偶主要有S、B、K、T、E、J、R等；規(guī)范化的熱電阻主要有Pt10、Pt100、Pt1000、Cu50、Cu100等。2〕標度變換對于過程丈量參數(shù)，在數(shù)字儀表上要用被測變量的方式顯示，這就存在一個量綱復(fù)原問題，通常稱之為“標度變換〞。圖11.3.7丈量環(huán)節(jié)的標度變換原理數(shù)字式儀表顯示值與丈量值之間的關(guān)系可以用下式表示4.數(shù)字式儀表的規(guī)格與型號數(shù)字式儀表型號見課本表11.3.111.4智能式顯示儀表1.構(gòu)造特點儀表的中心部分運用微處置器；儀表內(nèi)部的芯片都是以總線方式相銜接的；儀表有著多種規(guī)范接口方式；儀表有著靈敏的面板構(gòu)造。1〕微處置化2〕總線構(gòu)造3〕規(guī)范化接口4〕靈敏的面板構(gòu)造2.數(shù)字濾波技術(shù)1〕算術(shù)平均值法算術(shù)平均值法就是對同一丈量點的數(shù)據(jù)，延續(xù)采樣N次，然后取其平均值。2〕中位值法對同一丈量點的數(shù)據(jù)延續(xù)采樣3次，將丈量數(shù)據(jù)排隊，取其中間值作為丈量值。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，構(gòu)成綜合濾波法。3.標度變換1〕線性信號的標度變換線性信號的標度變換2〕非線性信號的標度變換丈量信號與傳輸信號之間的關(guān)系有時是非線性關(guān)系，假設(shè)這種非線性關(guān)系是知的，那么可采用數(shù)學(xué)計算的方法處理。4.非線性補償技術(shù)1〕線性插值原理線性插值的思想就是以直代曲，將一個非線性的關(guān)系曲線，用分成假設(shè)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)處置功能1〕求取丈量值的平均值、方差值、規(guī)范值和均方根值等。2〕按線性關(guān)系、對數(shù)關(guān)系即乘方關(guān)系求取丈量值相對于基準值的各種比值。3〕進展各種隨機量的統(tǒng)計規(guī)律的分析和處置。4〕進展曲線擬合和非線性的校正。5〕進展邏輯運算，實現(xiàn)極值判別和報警功能等。6〕進展加、減、乘、除、積分、微分等計算。6.自校準功能為了消除丈量過程中，智能儀表的運用環(huán)境發(fā)生變化而帶來的丈量誤差，這種校準功能只能減少儀表本身的丈量轉(zhuǎn)化誤差，而消除不了丈量信號的傳輸誤差。圖11.4.2變增益自校準功能7.其他功能1〕自診斷功能2〕定時功能3〕通訊功能11.5傳感器及變送器與顯示

儀表的銜接1.傳感器與顯示儀表直接相銜接1〕熱電偶的連熱電偶與顯示儀表的銜接不能運用普通導(dǎo)線直接相連，要用一樣材質(zhì)的導(dǎo)線或者是相近材質(zhì)的補償導(dǎo)線相銜接。〔a〕〔b〕圖11.5.1熱電偶與顯示儀表直接銜接2〕熱電阻的銜接熱電阻與顯示儀表的銜接普通都采用三線制，銜接導(dǎo)線無特殊要求，選擇規(guī)范的信號電纜線即可。圖11.5.2熱電阻與顯示儀表直接銜接2.一體化變送器與顯示儀表相銜接一體化變送器〔或一體