显示仪表论文
课程名称：化工仪表及自动化
专业：工程
组别：第小组
指导老师：
设计时间：20年月日--月日
目录
第一节模拟式显示仪表 4
一、自动电子电位差计 4
二、自动电子平衡电桥 6
三、自动电子平衡电桥与自动电子电位差计的比较 7
第二节数字化显示仪表 8
一、数字化测量技术的发展概况： 8
二、数字式显示仪表的特点： 8
三、数字式显示仪表的类型： 9
四、数字式显示仪表的主要技术指标： 10
五、数字式显示仪表的结构组成： 10
第三节新型显示仪表 17
一、新型显示仪表概述： 17
二、无纸记录仪特点： 17
三、虚拟显示仪表 18
四、无纸记录仪和虚拟显示仪的比较： 18
第四节组长总结 19
五、参考文献 20
附录：小组成员与分工 21
摘要
本文主要根据显示仪表的三种显示类型——模拟式、数字式和屏幕显示来进行阐述。通过对三种显示仪表的组成、特点、原理、种类以及优缺点等的介绍，来让同学们更好的了解、掌握显示仪表的相关知识。
关键词：显示仪表；模拟式；数字式；屏幕显示
Abstract
Thisarticlemainlyaccordingtothethreekindsofdisplayinstrumentdisplaytypes:analog,digitalandscreendisplay,throughthethreekindsofdisplayinstrument,thecomposition,characteristics,principles,typesandadvantagesanddisadvantagesoftheintroduction,toletthestudentsbetterunderstand,tomastertherelevantknowledge.
Keywords:displayinstrument;analog;digital;screendisplay
第一节模拟式显示仪表
模拟式显示仪表是自动平衡式指示记录仪表，有电子电位差计和电子自动平衡电桥两类。这两类仪表都是根据自动平衡的原理工作，具有测量精度较高、工作比较可靠的优点。
一、自动电子电位差计
电子电位差计是用来测量直流电压信号，凡是能转化成毫伏级直流电压信号的工艺变量都能用它测量。在电动单元组合仪表中，如温度、压力、流量、液位等变送器可以和电子电位计相配套，用来指示相应的变量。电子电位差计属于自动平衡显示仪表，它是利用补偿原理进行测量的。它又是一种能够连续显示和记录被测量参数变化情况的自动化仪表，如将它配用不同的变送器，就可以测量不同的参量，因而在工业上得到了广泛应用。
1.手动电位差计
手动电位差计是根据平衡法（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0时，被测电势即等于已知的标准电势。但是，手动电位差计的测量过程十分缓慢，自始自终需要人工参与，经常要调滑线电阻的滑动触点以找出新的平衡位置。操作较为麻烦，添加相应组件，采取相应措施，结合电子应用技术和不断发展，产生自动电子电位差计。
2.自动电子电位差计的工作原理
电子电位差计的原理框图如图1所示。热电偶输人的直流电势与测量桥路中的电势相比较，比较后的差值电压经电子放大器放大后输出，该值的大小足以驱动可逆电机，使可逆电机带动和滑线电阻相接触的滑臂进行移动，从而改变滑线电阻的阻值，使测量桥路的电势与热电偶产生的热电势平衡。当被测温度变化使热电偶产生新的热电势时，桥路又有新的不平衡电压输出，再经放大器放大后，又驱动可逆电机转动，再次改变滑臂的位置，直到达到新的平衡为止。在滑臂移动的同时，与它相连的指针和记录笔沿着有温度分度的标尺和记录纸运动。滑臂的每一平衡位置相对应于有温度分度的标尺和记录纸上的一定坐标数值，因此能自动指示和记录出相应的温度。当温度到达给定值后，还可以通过附加的调节机构来实现对温度的自动控制。
图1电子电位差计原理框图
3.自动电子电位差计的测量桥路
在自动电子电位差计测量的实际应用中，存在两个问题。
冷端温度补偿问题在实际应用中，热电偶冷端温度常常不是0℃，而是室温，此时，热电偶输出的热电势就会减少，相应的温度指示也要减小，会造成测量误差，因此需要在电子电位差计原理图增加一条支路以达到温度补偿的目的。
量程匹配问题当滑动触点处于滑线电阻的起点时，电压应相应于温度为标尺下限的热电势，而仪表的标尺下限有很多规格，为了满足这一要求，在上支路上接入一个电阻，该电阻越大，在下限时的电压越大，即测量下限越高。反之亦然。
XW系列电位差计测量桥路（如图2）包括R2铜电阻（装在仪表后接板上以使其和热电偶冷端处于同一温度）；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2mv）；上支路限流电阻R4（把上支路的工作电流限定在4mA）；滑线电阻RP（仪表的示值误差、记录误差、变差、灵敏度以及仪表运行的平滑性等都和滑线电阻的优劣有关）；量程电阻RM（决定仪表量程大小的电阻）；始端（下限）电阻RG（大小取决于测量下限的高低）。自动电子电位差计由测量桥路、放大器、可逆电机、指示机构、记录机构组成。
图2XW系列电位差计测量桥路原理图
4.自动电子电位差计的结构
电子电位差计尽管型号品种不同，但其测量原理和基本结构基本相似，如图1所示。它由热电偶、测量桥路、放大器、可逆电机、指示记录机构和调节机构、电源等部分组成。
（1）测量桥路电子电位差计中的测量桥路是用来产生直流电压，使之与热电偶产生的热电势相平衡，所以它在仪表中起主要作用。它由桥臂各电阻和稳压电源组成。
（2）放大器电子电位差计中的放大器实际上相当于一个指零仪器，它的作用是将热电偶产生的热电势与测量桥路输出的电势比较后的差值信号进行放大，按一定的比例驱动执行机构（可逆电机）动作。
二、自动电子平衡电桥
自动平衡式显示仪表，此类仪表包括自动电位差计和自动平衡电桥。该仪表是用于指示和记录温度、压力、真空、流量、物位等参数的。当检出元件、传感器以及变送器把上述参数转换成仪表可以接受的电量（如电压和电阻量）后，仪表即可通过对电量的测量来间接反应各种参数的变化。同样，仪表也可直接测量直流电流和电压等参数。仪表是一个由测量电路、检零放大器、伺服电机、指示记录机构和滑线电阻组成的闭环控制系统。
其原理如图3所示。被测参数经过转换后得到的被测量（电压、电阻或电流信号）输入仪表后，通过测量电路将被测信号与反映平衡量的反馈信号叠加后产生一个偏差电压，该偏差电压经检零放大器放大后驱动伺服电机转动。伺服电机的转动一方面带动指示记录机构移动，另一方面带动滑线电阻改变反馈信号的大小，反馈信号的改变使偏差电压趋向于零，伺服电机便停止转动，仪表就指示（记录）出被测参数的大小。
图3平衡电桥测量原理
三、自动电子平衡电桥与自动电子电位差计的比较
相同点：
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。
不同点：
（1）它们的输入信号不同。电位差计输入信号是电势；而电子平衡桥输人信号是电阻。
（2）两者的作用原理不同。电子电位差计的测量桥路在测量时，它本身是处于不平衡状态，即测量桥路有不平衡电压输出，它与被测电势大小相同，而极性相反，这样才与被测电势相补偿，从而使仪表达到平衡状态。而电子平衡电桥，当仪表达到平衡时，测量桥路本身处于平衡状态，即测量桥路无输出。
（3）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。
（4）测温元件与测量桥路的连接方式不同。
（5）自动电子电位差计桥路供电的稳压电源是直流。而自动平衡电桥桥路供电的电源可直流，也可以是交流。
第二节数字化显示仪表
一、数字化测量技术的发展概况：
测量是获得信息的重要手段。在自动化信息化的社会中，要求测量的精度高、速度快，要求实现测量自动化。同时被测对象范围也在不断扩大，由单一物理量扩展为多个物理量，由静态量扩展为动态量。对于这样的测量任务，传统的模拟指针式仪表是无法完成的。数字化测量技术正是适应这一需要而发展起来的。
数字化测量：数字化测量是将被测的连续物理量经过取样和量化，转化为相应的离散的物理量，以数字的形式进行编码、传输、存储、数据处理和显示的测量方法。
数字化测量原理、方法及仪器结构等方面完全不同于传统的指针式仪表。
二、数字式显示仪表的特点：
数字式显示仪表简称为数显仪表。数显仪表直接用数字量来显示测量值或偏差值，清晰直观、读数方便、不会产生视差。数显仪表普遍采用中、大规模集成电路，线路简单、可靠性好、耐振性好，其主要特点如下：?
准确度高。如现代数字电压表测量直流的准确度可以达到满刻度的0.001%，甚至更好。数字式频率的准确度可以达到1×10^-9。
输入阻抗高，吸收被测量功率很少。如现代的数字电表中，基本量限的输入阻抗高达25000MΩ。
?由于测量结果直接以数字形式给出，所以示数读出方便，没有读数误差
测量速度快，数字电压表的最高测量速度可达每秒钟几万到几十万次。
灵敏度高。现代积分式数字电压表的分辨率可达0.01μV。
数字仪表操作简单，测量过程自动化，可以自动地判断极性、切换量限。目前，带有微机处理器的数字仪表具有自动校零、自动校准、补偿非线性和提供自动打印及数码输出等功能。
可以方便地与计算机配合。数字仪表可以通过输出接口把测量结果直接送给计算机，以便进一步计算和控制。
由于仪表采用模块化设计方法，即不同品种的数显仪表都是由为数不多的、功能分离的模块化电路组合而成，因此有利于制造、调试和维修，降低生产成本。
三、数字式显示仪表的类型：
数字式显示仪表的分类方法较多，按输入信号的形式来分，有电压型和频率型两类；电压型的输入信号是电压或电流，频率型的输入信号是频率、脉冲及开关信号。如按被测信号的点数来分，它又可分成单点和多点两种。在单点和多点中，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，其分类如下图所示。
图4数字式显示仪表分类图
按仪表结构分类：可分为带微处理器和不带微处理器两大类。
按仪表功能分类：显示型、显示调节型、显示报警型和巡回检测型。
四、数字式显示仪表的主要技术指标：
1.显示位数
（1）完整显示位：能够显示0~9的数字。
（2）非完整显示位（俗称半位）：只能显示0、1和2（在最高位上）。
例如4位DVM，具有四位完整显示位，其最大显示数字为9999。而位（3位半）具有3位完整显示位，1位非完整显示位。其最大显示数字为1999。
2.量程
基本量程：无衰减或放大时的输入电压范围，有A/D转换器动态范围确定。通过对输入电压（按10倍）放大或衰减，可扩展其它量程。如基本量程为10V的DVM，可扩展出0.1V、1V、10V、100V、1000V等五档量程。
3.分辨率
将DVM能够分辨最小电压变化量的能力。反应了DVM的灵敏度，通常用能显示的最小数字（0除外）与最大数字之比的百分数来表示。如2?位的分辨率为1/199=0.5%。
准确度
一般为±0.5%。
五、数字式显示仪表的结构组成：
数显仪表品种繁多，结构各不相同，通常包括信号变换、前置放大、非线性校正或开方运算、模/数（A/D）转换、标度变换、数字显示、电压/电流（V/I）转换及各种控制电路等部分，其构成原理如下图所示。
图5数字式显示仪表组成结构
1.信号变换电路
将生产过程中的工艺变量经过检测变送后的信号，转换成相应的电压或电流值。由于输入信号不同，可能是热电偶的热电势信号，也可能是热电阻信号，等等，因此数显仪表有多种信号变换电路模块可供选择，以便于不同类型的输入信号配接。在配接热电偶时还有参比端温度自动补偿功能。
前置放大电路
由于热电偶信号微弱且变化缓慢，因而要选用漂移及失调极为微小的高精确度放大器作为前置放大器。如选用ICL7650（国内5G7650）CMOS斩波稳零单片集成运放，它具有极低的输入失调电压（典型值为±1V）；失调电压的温漂和长时间漂移也极低，分别为0.01V／℃和3.33nV／d。也可选用OP-07超低失调运算放大器作为前置放大器，虽然失调电压和漂移比ICL7650大，在一般情况下仍能满足热电偶数字温度表的测量精确度要求。
前置放大器的输出应满足A／D转换器的电平要求。该仪表中，在满量程时A／D转换器的输入电压为1V，要求前置放大器的放大倍数为
例如：选用镍铬—镍硅（分度号为K）的热电偶，要求测量范围为0～999℃，满度999℃时的热电势值为41.230mV，前置放大器的放大倍数A1应为
非线性校正或开方运算电路
在实际工作中，很多检测元件或传感器的输出信号与被测变量之间往往为非线性关系，例如热电偶的热电势与被测温度之间，流体流经节流元件的差压与流量之间，皆为非线性关系。非线性补偿的方法很多，一类是用硬件的方式实现；一类是以软件的方式实现（常用在屏幕显示仪表中）。
线性化器在仪表构成中，可用串联方式接入，也可用反馈方式接入，现在以串联方式接入为例。
如下图所示串联式线性化的原理框图。由于检测元件或传感器的非线性，当被测变量x被转换成电压量U1时，它们之间为非线性关系，而放大器一般具有线性特性，故经放大后的U2与x之间仍为非线性关系，因此应加入线性化器。利用线性化器的非线性静特性来补偿检测元件或传感器的非线性，使A／D转换之前的U0与x之间具有线性关系。
图6串联式线性化原理图
图7热电偶测温系统框图
按式（1）可分别写出：
对上式联立求解可得系数
设放大器输出电压的解析式为
U2=KEt （2）
要使U0和t之间的关系为线性，应有：
U0=St （3）
对式（1）、式（2）和式（3）联立求解，消去变量Et和t得：
上式就是所求的线性化器的静特性解析式，式中a、b已经求出，K为放大器的放大倍数，S为整机灵敏度，皆由设计者根据具体情况选定，故为已知数，所以上式就被唯一地确定。
4.模数转换电路（A/D转换）
数显仪表的输入信号多数为连续变化的模拟量，须经A/D转换电路将模拟量转换成断续变换的数字量，在加以驱动，点燃数码管进行数字显示。因此A/D转换是数显仪表的核心。A/D转换电路品种较多，常见的有双积分型、脉冲宽度调制型、电压/频率转换型和逐次比较型。现在以双积分型A/D转换器为例。
（1）基本原理
双积分型A／D转换器的原理如图8所示，其工作过程分为采样和测量。
图8双积分型A／D转换器原理图
积分器的输出电压V0从开始时的0V，经t1时间积分到VA1
则被测电压Vx在t1时间间隔的平均值?Vx为
结合以上两式得在t1时间的V01值为
（4）
②测量阶段：当开关K接向基准电压后，积分器开始反方向积分（放电过程），其输出电压从原来的V01值开始下降。与此同时，计数器又从零开始计数。当积分器输出电压下降至零时，检零比较器动作，使控制电路发出控制信号，计数器停止计数。此时，计数器的计数值N2即为A／D转换的结果。在这一段时间t2内，是用基准电压VR与积分电容C上已有电压V01进行比较，此时的V0为
由于基准电压VR是固定值，则由上式得
把式（4）代入上式得：
由于采样积分时间tl和基准电压VR是固定值，所以反向积分时间t2与被测电压Vx在tl时间内的平均值?Vx成正比，因而完成了?Vx到t2的转换；又由于在反向积分时间内，门电路是打开的，因而计数器计下了t2时间内由时钟脉冲所发出的脉冲数N2，这脉冲数N2与反向积分时间t2的大小成正比关系，这就完成了t2到脉冲数(数字量)N2的转换，因而最后完成了被测电压的平均值到数字显示值N2的转换，即
当然还要进行系数的标度变换，以确定一个单位被测电压对应多少个脉冲数，或一个脉冲对应的被测电压是多少。
标度变换电路
模拟信号经过模-数转换器，转换成与之对应的数字量输出，但是数字显示怎样和被测原始参数统一起来呢？这里就必须要设置一个标度变换环节。例如电流信号的标度变换如下：
数字显示仪表与具有标准输出的变送器配套（如与电动单元组合仪表的变送器配套）使用时，可用简单的电阻网络实现标度变换。即将变送器输出的标准直流毫安信号转换为规格化的电压信号，如图9所示。
图9电流信号的标度转换
这里是将在R2上取出的电压作为数字仪表的输入信号，因此电阻网络阻值的大小应满足已确定的仪表分辨力的要求，并与所接的放大器的阻抗相匹配。同时，以电阻网络与仪表输入阻抗并联作为变送器的负载，也应满足变送器对负载阻抗匹配的要求。再者，对R2的精度要求较高，应注意元件允许的误差等有关问题。
6.数字显示电路及光柱电平驱动电路
数字显示方法常用的有发光二极管显示器（LED）和液晶显示器（LCD）等。光柱电平驱动电路是将测量信号与一组基准值比较，驱动一列半导体发光管，使被测值以光柱高度或长度形式进行显示。
7.V/I转换电路和控制电路
数显仪表除了可以进行数字显示外，还可以直接将被测电压信号通过V/I转换电路转换成0~10mA或4~20mA直流电流标准信号，以便使数显仪表可与电动单元组合仪表、可编程序控制器或计算机连用。数显仪表还可以具有控制功能，它的控制电路可以根据偏差信号按PID控制规律进行运算，输出控制信号，直接对生产过程加以控制。
图10无笔、无纸记录仪的原理方框图
三、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。
图11虚拟显示仪表原理框图
四、无纸记录仪和虚拟显示仪的比较：
无纸记录仪以CPU为核心，控制数据的采集、显示、打印、存储、报警等，采用液晶显示装置，完全摈弃了传统记录仪的机械传动、纸张和笔。精度高，性价比比较高。
虚拟显示仪表利用计算机来完成显示仪表所有的工作。在计算机屏幕上完全模仿实际使用中的各种仪表，如仪表面盘、操作盘、接线端子等。用户通过计算机键盘、鼠标或触摸屏进行操作。
五、参考文献
【1】孟华,刘娜,厉玉鸣《化工仪表及自动化》，北京，化学工业出版社，2009.2
【2】厉玉鸣,刘慧敏《化工仪表及自动化》，第五版，北京，化学工业出版社，
2014.8
【3】道客巴巴http://www.doc88.com/p-1866016867997.html
规格化的电压信号
变送器输出的标准直流毫安信号
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