第3章显示仪表

第3章显示仪表用于检测现场的压力、温度等各种参量的仪表，大都是直接和现场的物理参量打交道，所以习惯上人们又常将这些仪表称为一次仪表，如热电偶、热电阻。一次仪表的主要作用一般是设法将现场的被测量转变为电量，但是，要直观地将这些电量客观反映被测量的大小往往还需要配接显示仪表，一般我们又常把显示仪表称为二次仪表。目前常用的显示器有四类：模拟显示、数字显示、图象显示及记录仪等第3章显示仪表模拟显示光柱显示显示仪表分类1、能源：电动显示仪表、气动显示仪表；2：显示方式：模拟式、数字式、图形显示；3、结构特点：带微处理器、不带微处理器；4、数字-模拟混合记录仪、无纸记录仪。本章重点：模拟式显示仪表第3章显示仪表数字式仪表第3章显示仪表LED亮度高、耐振动；第3章显示仪表带背光板的LCD，耗电省、集成度高，不利于夜间观察图像显示第3章显示仪表记录仪无纸记录仪第3章显示仪表第1节模拟显示仪表工作原理1、磁电式显示与记录仪表：动圈式显示仪表；2、自动平衡式显示与记录仪表：自动平衡电位计、自动平衡电桥；3、光柱式显示仪表：LED光柱显示仪。特点结构简单、价格低廉、可以直观反映测量值的变化趋势。第3章显示仪表1、动圈式显示仪表突出优点是用途广泛、结构简单、易于维护、价格低廉，有一定的精度。其功能不仅仅限于指示，附加必要的电子线路还可以使动圈表兼有自动报警、自动调节，甚至还可以有自动记录的功能。与热电偶、热电阻、霍尔变送器或压力变送器等相配合，可用来指示（或显示）、工业对象中的温度、压力、流量、成份、物位等多种非电量参数。这些非电量参数大都是要首先由检测元件将这些非电量参数转换成电量信号，然后再经过测量电路转换成流过动圈的微安电流，而动圈偏转的角度又反映了流过动圈中的电流大小，所以说尽管动圈表可以用于指示多种工业参数，但它实质上是一种用于测量电流的仪表。第1节模拟显示仪表第3章显示仪表1、工作原理动圈式仪表的实质就是一种磁电式直流电流表，其测量机构的核心部件是由处于永久磁铁气隙中的可以转动的矩形线圈，用于支承线圈的游标或叫张丝，以及用于指示的指针和标尺等组成，而其中可以转动的线圈是这类仪表的突出特征，因此这类动圈式指示仪表又常有动圈仪表之称。第1节模拟显示仪表动圈仪表的基本原理是建立在安培定律的基础上，利用了在磁场中通电导体总要受到力的作用这一基本规律而设计的。第3章显示仪表第1节模拟显示仪表第3章显示仪表动圈仪表的测量机构是一个磁电式毫伏计,其中动圈是用具有绝缘层的细铜线绕成的矩形无骨框架。可动线圈处于永久磁钢的空间磁场中，当有直流毫伏信号在动圈上时，便有电流流过动圈。此时，该载流线圈将受到电磁力矩作用而转动。动圈的支撑是张丝，张丝同时还兼作导流丝。动圈的转动使张丝扭转，于是张丝就产生反抗动圈转动的力矩.这个反力矩随着张丝扭转角的增大而增大。当电磁力矩和张丝反作用力矩平衡时，线圈就停留在某一位置上，这时动圈偏转角度的大小与输入毫伏信号相对应。当面板直接刻成温度标尺时，装在动圈上的指针就指示出被侧对象的温度值。第1节模拟显示仪表第3章显示仪表动圈测量机构（1）电磁力矩在均匀磁场中载流直导线所受的力F计算：载流直导线在均匀磁场中所受的力：F=NLBI式中：B：磁感应强度，I：电流L：导线长度F：力N：动圈的匝数第1节模拟显示仪表第3章显示仪表上图所示为由一匝导线所构成的矩形线圈处在均匀平行的磁场之中，当线圈中有按图所示的方向流过电流时，在矩形线圈垂直于磁力线的两个边上将产生作用力F1和F2，受力方向如上图所示（依左手定则），但如果线圈平面与磁力线之间的夹角为Φ，则垂直于线圈平面的分力为F1’和F2’。第1节模拟显示仪表22zMrFrNLBINABIkI第3章显示仪表（2）反作用力矩如果仅使仪表受一种力矩即转动力矩的作用，其动圈只能作旋转运动而不会在某一位置固定，且必须设法在动圈上产生一与转动力矩相反的反作用力矩，使之与电磁转动力矩相平衡，只有这样才能使动圈偏转到一定的位置固定。在统一设计的动圈仪表中，一般反作用力矩都是张丝产生的。指出：张丝大多是由弹性金属材料（磷青铜或玻青铜、锡青铜等，也有用石英的）制成，它一端固定，而另一端与动圈相连第1节模拟显示仪表第3章显示仪表1）测量机构的串并联电阻和温度补偿（1）串联电阻Rch测量机构的表头必须根据最小量程所需要的灵敏度进行设计；通过改变Rch的大小就可以达到变量程的目的；Rch由锰铜丝绕制，以使其电阻值不随环境温度而变化。第1节模拟显示仪表第3章显示仪表2）并联电阻Rb改善阻尼特性3）温度补偿电阻RT除动圈电阻随温度变化外，空气隙中的磁感应强度也将随温度的升高而减小，导致指针偏转角减小，从而引起附加的测量误差。另一方面，张丝的弹性模量随温度升高而降低，导致反作用力矩减小，使指针指示偏高。这两项可以相互抵消一部分。所以附加误差主要仍由动圈电阻随温度变化引起。第1节模拟显示仪表第3章显示仪表3）动圈式显示仪表的测量线路配热电阻的动圈仪表测量线路在被测温度为仪表刻度的初始温度t0时，电桥平衡，有3412010tRRRRRRR温度升高，电桥失去平衡，温度越高，不平衡电压越大，电流越大，仪表指针偏转角越大。第1节模拟显示仪表第3章显示仪表配热电偶的动圈仪表测量线路动圈仪表可以直接与热电偶相连，测量温度。动圈式显示仪表是在热电偶冷端温度为0℃下按照其分度表刻度的，因此，测温时必须考虑冷端温度补偿问题。动圈式显示仪表的刻度盘是按所配热电偶的分度号来标定的，使用时必须按表盘给出的热电偶分度号去选用对应的热电偶。第1节模拟显示仪表第3章显示仪表2、自动平衡电位差计由于动圈式仪表实际上是一种测量电流的仪表，因此能引起电流变化的各种干扰因素都会导致测量误差，这种误差不是靠提高仪表的加工要求就能弥补的。同时，它的可动部分容易损坏，怕震动，阻尼时间较长，且不便于实现自动记录。利用自动电子电位差计来测量电势，就可以克服以上的缺点，提高测量精度。第1节模拟显示仪表第3章显示仪表手动平衡电位差计原理电位差计的工作原理是根据平衡法(也称补偿法、零值法)将被测电势与已知的标准电势相比较，当两者的差值为零时，被测电势就等于已知的标准电势。其中R为线性度很高的锰铜线绕电阻，它由稳压电源供电，这样就可以认为通过它的电流I是恒定的。G为检流计，它是个灵敏度很高的电流计。Et为被测的未知热电势。只有当UCB＝Et时，检流计中无电流流过，(0)tCBEUI检第1节模拟显示仪表第3章显示仪表一、手动电位差计E：稳压电源EN：标准电池RN：标准电阻（1）校准工作电流，使得（2）测量未知电动势Et；NNNNEEIRIRNBCBCtNBCEUIRERR手动平衡电位差计原理第1节模拟显示仪表第3章显示仪表以上两种测量热电势的方法测得的结果极为准确，其原因如下。①由于它们是在全补偿时(亦即检流计中无电流通过时)进行测量读数，因此，被测热电势本身引起的压降损失和导线上的压降损失就不存在了，对测量结果也无影响。②测量结果的准确性是依赖于标准电池的电动势及测量回路电阻的精度，而标准电池及电阻一般可以得到较高的准确性。③应用了高灵敏度检流计作为监测。手动平衡电位差计原理第1节模拟显示仪表第3章显示仪表自动平衡电位差计的工作原理用可逆电动机及一套机械传动机构代替了人手进行电压平衡操作。用放大器代替了检流计来检测不平衡电压并控制可逆电机的工作。自动电子电位差计简单原理图。RE放大器DKUHRXEKU1I可逆电动机mA第1节模拟显示仪表第3章显示仪表第1节模拟显示仪表4、光柱式显示仪表光柱显示器为新颖电子式指示电表,用以代替动圈式指针表及色带仪,直观显示电压、电流、温度、压力、液位、转速等物理量,具有精度高、寿命长、防磁抗震、醒目等优点,尤其在背景亮度不大的情况下(例如晚上)更具有无可比拟的优越性。它因具有显示直观，亮度均匀，可靠性高以及成本低、抗振、耐冲击等特点已用于各种显示调节仪表，作为过程量或控制量以及阀位的模拟指示，已成为当代国际面板表的最新潮流。第3章显示仪表1）工作原理目前，可制成光柱显示器的有等离子体显示器（PDP）、液晶显示器（LCD）和发光二极管器件（LED）。其中LED光柱显示器具有工作电压低、省电、价廉、机械强度高等特点，而且可以制成结构紧凑、精度高的显示屏，因此得到广泛应用。常见的LED光柱分为41线、51线、101线多种。驱动电路的基本原理是把输入的模拟信号（如1~5V或4~20mA）转换成串行输出的数字量（一定频幅的脉冲信号），并以动态扫描方式输出。第1节模拟显示仪表第3章显示仪表第1节模拟显示仪表光柱显示仪用于锅炉水位显示第3章显示仪表第1节模拟显示仪表2）应用举例变色LED光柱一个显示单元中有共阴连接的红色和绿色LED各一只。当阴极a为低电平，红色阳极r为高电平时，发红光；绿色阳极g为高电平时发绿光，而当g、r同时为高或以一定的频率交替为高时，由于空间混色效果而发橙色光；其它状态不发光。第3章显示仪表第1节模拟显示仪表三光柱显示仪左图所示的三光柱显示仪如用于电力系统的电网参数显示，将更能显出其独特之处。三个黄绿红色光柱分别代表电网的三相，并分别设置上、下限报警或控制功能，则这种仪表用于显示电压或电流，不但能一目了然地呈现出三相电网的平衡状态，还可实现预先设置的超压、欠压、超载、欠载等极限情况报警或实现相应的控制功能。第3章显示仪表1、数字式显示仪表的特点及分类特点清晰直观、读数方便、不会产生视差。线路简单、可靠性好、耐振性好。有利于制造、调试和维修，降低生产成本。分类按输入信号的形式来分，有电压型和频率型两类。按被测信号的点数来分，它又可分成单点和多点两种。根据仪表所具有的功能，又可分为数字显示仪、数字显示报警仪、数字显示输出仪、数字显示记录仪以及具有复合功能的数字显示报警输出记录仪等第2节数字式显示仪表第3章显示仪表数字式显示仪表分类图第2节数字式显示仪表第3章显示仪表2、数字式显示仪表的基本组成数显仪表组成结构1.信号变换电路2.前置放大电路3.非线性校正或开方运算电路4.模数转换电路（A/D转换）5.标度变换电路6.数字显示电路及光柱电平驱动电路7.V/I转换电路和控制电路第2节数字式显示仪表第3章显示仪表新型显示仪表1、无笔、无纸记录仪1）概论以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。2）无笔、无纸记录仪的原理和组成无笔、无纸记录仪的原理方框图第3章显示仪表第三节新型显示仪表2、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。结构比较简单，仅由原有意义上的采样、模数转换电路通过输入通道插卡插入计算机即可。特点在计算机屏幕上完全模仿实际使用中的各种仪表。19新型显示仪表第3章显示仪表