第四章 顯示儀表

顯示儀表顯示單元將控制過程中的參數(shù)變化、被控對(duì)象的過渡過程顯示和記錄下來，供操作人員及時(shí)了解控制系統(tǒng)的變化情況，以進(jìn)行系統(tǒng)控制、工況監(jiān)視、性能分析以及事故評(píng)判等。

凡能將生產(chǎn)過程中各種參數(shù)進(jìn)行指示、記錄或累積的儀表。分類模擬式顯示儀表數(shù)字顯示儀表屏幕顯示儀表顯示儀表第一節(jié)模擬式顯示儀表一、自動(dòng)平衡電子電位差計(jì)

電位差計(jì)是用來測(cè)量電勢(shì)或電位的,當(dāng)它與熱電偶配合時(shí),可以用來測(cè)量和顯示溫度。3

電位差計(jì)的工作原理是根據(jù)平衡法(也稱補(bǔ)償法、零值法)將被測(cè)電勢(shì)與已知的標(biāo)準(zhǔn)電勢(shì)相比較，當(dāng)兩者的差值為零時(shí)，被測(cè)電勢(shì)就等于已知的標(biāo)準(zhǔn)電勢(shì)。R為線性度很高的錳銅線繞電阻，通過它的電流I是恒定的。G為檢流計(jì)，它是個(gè)靈敏度很高的電流計(jì)。

測(cè)量時(shí)，可調(diào)節(jié)滑動(dòng)觸點(diǎn)C的位置，以使RCB上的壓降UCB變化，則得UCB=IRCB;1.手動(dòng)電子電位差計(jì)的工作原理UCB＞Et時(shí)或UCB＜Et時(shí)，檢流計(jì)有電流流過，指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)；UCB＝Et時(shí)，檢流計(jì)中無電流流過，I檢＝0。巳知電壓UCB正好和未知熱電勢(shì)Et平衡，

Et=UCB（條件：I檢=0）

根據(jù)滑動(dòng)觸點(diǎn)的位置，可以讀出UCB，這樣就達(dá)到了對(duì)未知熱電勢(shì)測(cè)量的目的。

用可逆電機(jī)代替人工操作（傳動(dòng)機(jī)械），用放大器代替檢流計(jì)。

由于采用了穩(wěn)壓電源供電，原電路中的調(diào)整工作電流電阻RH以及標(biāo)準(zhǔn)電流回路均可以去掉

為了提高橋路的靈敏度，用放大器取代檢流計(jì)，并用放大后的不平衡電壓△U輸出驅(qū)動(dòng)“可逆電機(jī)”，通過傳動(dòng)系統(tǒng)帶動(dòng)滑動(dòng)觸點(diǎn)C，自動(dòng)調(diào)平衡（代替手動(dòng)），直至△U=0，才可以讀數(shù)。2.自動(dòng)電子電位差計(jì)的工作原理實(shí)際電子電位差計(jì)正常工作（即：與熱電偶配接使用時(shí)），應(yīng)考慮以下問題：冷端溫度補(bǔ)償具體電路實(shí)現(xiàn)：增加橋式測(cè)量電路，用銅電阻補(bǔ)償零點(diǎn)遷移和量程遷移下限問題上限問題量程匹配問題第一節(jié)模擬式顯示儀表53.自動(dòng)電子電位差計(jì)的測(cè)量橋路

電位差計(jì)測(cè)量橋路原理圖第一節(jié)模擬式顯示儀表（1）冷端溫度補(bǔ)償問題

舉例用鎳鉻-鎳硅熱電偶測(cè)量溫度，其熱端溫度不變，而冷端溫度從０℃升高到25℃，這時(shí)熱電勢(shì)將降低１mV，儀表指針會(huì)指示偏低。

如果把R２做成隨溫度變化的電阻，且在溫度從0℃升高到25℃時(shí)，其阻值變化量ΔR2＝0.5Ω，這時(shí)，電阻R2上的電壓降UDB也增大，ΔUDB＝ΔR2·I2＝1mV。為了統(tǒng)一規(guī)格，上支路的電流規(guī)定為4mA（或2mA），下支路電流規(guī)定2mA（或1mA）。因?yàn)闇y(cè)量橋路的補(bǔ)償電壓UCD＝UCB－UDB，現(xiàn)在UDB增加了1mV，那么UCD就會(huì)減少1mV，此時(shí)滑動(dòng)觸點(diǎn)C的平衡位置不需變化。由于UCD的變化與熱電勢(shì)的變化相等，故能起到溫度補(bǔ)償作用，使儀表的指示值基本不受冷端溫度變化的影響。7（2）量程匹配問題

電位差計(jì)測(cè)量橋路原理圖R2—冷端補(bǔ)償銅電阻；RM—量程電阻；RB—工藝電阻；RP—滑線電阻；R4—終端電阻（限流電阻）；R3—限流電阻；RG—始端電阻；E—穩(wěn)壓電源1V；I1—上支路電流4mA；I2—下支路電流2mA①R2銅電阻裝在儀表后接線板上以使其和熱電偶冷端處于同一溫度。②下支路限流電阻R3

它與R2配合，保證了下支路回路的工作電流為2mA。

③上支路限流電阻R4把上支路的工作電流限定在4mA。④滑線電阻RP

儀表的示值誤差、記錄誤差、變差、靈敏度以及儀表運(yùn)行的平滑性等都和滑線電阻的優(yōu)劣有關(guān)。

⑤量程電阻RM決定儀表量程大小的電阻。⑥始端（下限）電阻RG

大小取決于測(cè)量下限的高低。4自動(dòng)電子電位差計(jì)的結(jié)構(gòu)4

電子電位差計(jì)原理圖

電子電位差計(jì)既保持了手動(dòng)電位差計(jì)測(cè)量精度高的優(yōu)點(diǎn)，而且無須用手去調(diào)節(jié)就能自動(dòng)指示和記錄被測(cè)溫度值。結(jié)論熱電偶測(cè)量橋路放大器可逆電機(jī)指示機(jī)構(gòu)記錄機(jī)構(gòu)同步電機(jī)穩(wěn)壓電源

電子電位差計(jì)原理方框圖第一節(jié)模擬式顯示儀表二、自動(dòng)電子自動(dòng)平衡電橋12（1）平衡電橋測(cè)溫原理利用平衡電橋來測(cè)量熱電阻變化。平衡電橋

當(dāng)被測(cè)溫度為下限時(shí)，Rt有最小值Rt0，滑動(dòng)觸點(diǎn)應(yīng)在RP的左端，此時(shí)電橋的平衡條件是第一節(jié)模擬式顯示儀表

滑動(dòng)觸點(diǎn)B的位置就可以反映電阻的變化，亦即反映了溫度的變化。并且可以看到觸點(diǎn)的位移與熱電阻的增量呈線性關(guān)系。結(jié)論當(dāng)被測(cè)溫度升高后的平衡條件是用式（6-4）減式（6-3），則得13第一節(jié)模擬式顯示儀表14（2）自動(dòng)電子平衡電橋

電子平衡電橋原理方框圖

為了準(zhǔn)確地指示出被測(cè)溫度的數(shù)值，將熱電阻的連接采用三線制接法，并加外接調(diào)整電阻。

自動(dòng)平衡電橋工作原理第一節(jié)模擬式顯示儀表15自動(dòng)電子平衡電橋與自動(dòng)電子電位差計(jì)的比較相同處與這兩種儀表配套的測(cè)溫元件（熱電偶、熱電阻）在外形結(jié)構(gòu)上十分相似。儀表的外形及其組成：如放大器、可逆電機(jī)、同步電機(jī)及指示記錄部分都是完全相同的。第一節(jié)模擬式顯示儀表不同處它們測(cè)量的電量形式不相同。兩者的作用原理不同。測(cè)溫元件與測(cè)量橋路的連接方式不同。當(dāng)用熱電偶配電子電位差計(jì)測(cè)溫時(shí)，其測(cè)量橋路需要考慮熱電偶冷端溫度的自動(dòng)補(bǔ)償問題；而用熱電阻配電子平衡電橋測(cè)溫時(shí)，則不存在這個(gè)問題。16第二節(jié)數(shù)字式顯示儀表一、數(shù)字式顯示儀表的原理及其特點(diǎn)17

數(shù)字式顯示儀表是能將被測(cè)的連續(xù)電量(模擬量)自動(dòng)地變成斷續(xù)量,然后進(jìn)行數(shù)字編碼,并將測(cè)量結(jié)果以數(shù)字顯示的電測(cè)儀表。A/D變換器電子計(jì)數(shù)器顯示器模擬量數(shù)字量讀出

數(shù)字式顯示儀表方框圖

準(zhǔn)確度、靈敏度高;

讀數(shù)方便、清晰直觀、不會(huì)產(chǎn)生視差。測(cè)量速度快，從每秒幾十次到每秒上百萬次;

儀表的量程和被測(cè)量的極性可自動(dòng)轉(zhuǎn)換,可自動(dòng)檢查故障、報(bào)警以及完成指定的邏輯程序;可以方便地實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)量;可以與電子計(jì)算機(jī)配合,給出一定形式的編碼輸出。特點(diǎn)18第二節(jié)數(shù)字式顯示儀表二、模-數(shù)變換器將連續(xù)變化的模擬量變換成斷續(xù)的數(shù)字量。主要任務(wù)主要有間接法和直接法兩種。工作方法19第二節(jié)數(shù)字式顯示儀表三、電子計(jì)數(shù)器

當(dāng)用間接法進(jìn)行數(shù)碼轉(zhuǎn)換時(shí),是先將模擬量轉(zhuǎn)換為與之對(duì)應(yīng)的時(shí)間間隔或頻率,然后必須再將時(shí)間間隔或頻率轉(zhuǎn)換為數(shù)字量,才能進(jìn)行計(jì)數(shù)。時(shí)間間隔測(cè)量原理框圖20第二節(jié)數(shù)字式顯示儀表四、顯示器輝光數(shù)碼管示意圖數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)電路21第二節(jié)數(shù)字式顯示儀表五、數(shù)字式顯示儀表的基本組成數(shù)字式溫度顯示儀表的基本組成22第二節(jié)數(shù)字式顯示儀表六、數(shù)字模擬混合記錄儀

為了使數(shù)字式記錄儀與模擬式記錄儀的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來,兩者相互取長(zhǎng)補(bǔ)短,可以在數(shù)字式顯示儀表的基礎(chǔ)上加上模擬式顯示記錄儀表的記錄部分,構(gòu)成數(shù)字模擬混合記錄儀。23第三節(jié)新型顯示儀表一、無紙記錄儀24

以CPU為核心采用液晶顯示的記錄儀，直接把記錄信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)后，送到隨機(jī)存儲(chǔ)器加以保存，并在大屏液晶顯示屏上加以顯示。無筆、無紙記錄儀的原理方框圖第三節(jié)新型顯示儀表無筆、無紙記錄儀的特點(diǎn)：

①液晶全動(dòng)態(tài)顯示,并有背光功能。②輸入信號(hào)多樣化,并以工業(yè)專用微處理器CPU為核心,從而實(shí)現(xiàn)了高性能、多回路的監(jiān)測(cè),并隨意放大、縮小地顯示在顯示屏上。③無紙、無筆、無墨水,無一切機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu),無需日常維護(hù)。④精度高：實(shí)時(shí)顯示,±0.2%;曲線及棒圖顯示,±0.5%。⑤具有與上位機(jī)通訊的標(biāo)準(zhǔn),可靠性高,價(jià)格與一般記錄儀相仿。25二、虛擬顯示儀表利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的功能來完成顯示儀表所有的工作。

26采樣開關(guān)模數(shù)轉(zhuǎn)換個(gè)人計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)管理數(shù)據(jù)計(jì)算處理多媒體顯示顯示模式輸入通道輸入通道插卡虛擬顯示儀表原理框圖第三節(jié)新型顯示儀表虛擬顯示儀表的特點(diǎn)有:

使用簡(jiǎn)單方便。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。性能優(yōu)越。27例題分析圖6-5是自動(dòng)平衡電橋的工作原理圖。請(qǐng)問在下列情況時(shí),儀表的指針(即滑動(dòng)觸點(diǎn)的位置)、起點(diǎn)溫度、儀表量程會(huì)如何變化?簡(jiǎn)述其原因?(1)溫度升高；(2)儀表停電;(3)加大R6；(4)減小R5；(5)電阻體被燒斷。解：(1)當(dāng)溫度升高時(shí),滑動(dòng)觸點(diǎn)將向右移動(dòng),這是因?yàn)楫?dāng)溫度升高后,Rt增加,只有滑動(dòng)觸點(diǎn)向右移,使與Rt串聯(lián)的這個(gè)橋臂的電阻值減小,才能使電橋達(dá)到新的平衡。

(2)儀表停電時(shí),指針隨撥隨停,因?yàn)榇藭r(shí)放大器的輸入與輸出均沒有信號(hào),可逆電機(jī)不可能自行轉(zhuǎn)動(dòng)。28例題分析(3)加大R6,滑動(dòng)觸點(diǎn)將向右移動(dòng),這是因?yàn)镽6增加,會(huì)使與Rt串聯(lián)的這個(gè)橋臂的電阻值增加,只有滑動(dòng)觸點(diǎn)右移,才能使這個(gè)橋臂的電阻值恢復(fù)到原來的數(shù)值,電橋恢復(fù)平衡。若其他電阻值都不變,增加R6會(huì)使起點(diǎn)溫度降低,這是因?yàn)榛瑒?dòng)觸點(diǎn)移至最左端時(shí),代表的是起始溫度,這時(shí)要使電橋平衡,Rt必然要小一些,以抵消增加R6對(duì)整個(gè)橋臂電阻值的影響。R