《自动检测技术与装置》电子课件

《自动检测技术与装置》电子课件,自动检测技术与装置,自动检测,技术,装置,电子,课件 刘玉长刘玉长第八章 显示仪表 第一节 概述第二节 模拟式显示仪表第三节 数字式显示仪表第四节 常用显示仪表简介刘玉长刘玉长第一节 概述一、定义 显示仪表是接收检测元件(包括敏感元件、传感器、变送器等)输出信号，通过适当的处理和转换，以易于识别的形式将被测参数表现出来的装置。刘玉长刘玉长二、分类 显示仪表分为模拟式、数字式和屏幕式三大类。还有一类称为记录仪的特殊显示装置。近年来，随着计算机多媒体技术的快速发展，利用计算机来取代实际的显示仪表，形成了所谓的虚拟显示仪表的概念。刘玉长刘玉长第二节 模拟式显示仪表定义：模拟式显示仪表是以指针与标尺间的相对位移量或偏转角来指示被测参数连续变化的显示仪表。优缺点：结构简单、工作可靠、价格低廉、易于反映被测参数的变化趋势，然而，也具有准确度较低、线性刻度较差、信息能量传递效率低、灵敏度不高等缺点。刘玉长刘玉长一、电位差计式显示仪表 电位差计是一种典型的平衡式测量仪表，能与输出信号为电势(电压)的各种检测元件配合，用于测量和显示被测参数。刘玉长刘玉长(一)工作原理电位差计的测量原理电位差计的测量原理 调整滑动触点A的位置，改变UAB的数值达到UAB=Et时，I0=0，检流计指针停在零位上，这时滑动触点A在标尺上所指示的UAB的数值就是被测电势Et的值。刘玉长刘玉长采用电位差计测量未知电势有如下优点：(1)可以得到较真实的测量结果。热电偶及连接线的电阻变化对测量结果不产生影响。(2)电位差计具有较高的准确度，同时，它还可以作为直流电压、电流、电阻等的精密测量仪器。刘玉长刘玉长 手动电位差计的测量过程自始至终需要人参与，不适合于生产过程中的连续测量，于是便出现了自动测量的电子电位差计。它用电子放大器代替检流计，用可逆电机及传动机构代替人手的操作，测量桥路代替测量回路，实现测量过程的自动平衡、指示及记录。电子电位差计原理方框图电子电位差计原理方框图刘玉长刘玉长输出为输出为040mV的原理线路的原理线路输出为输出为1050mV的原理线路的原理线路 刘玉长刘玉长(二)技术指标(1)基本误差。电子电位差计的基本误差包括两种，一是指示基本误差，二是记录基本误差。(2)全行程时间。在使用过程中当被测参数发生变化时，衡量仪表指示器反映被测参数变化的速度性质的指标，用全行程时间表示。(3)仪表不灵敏区。它是指仪表指针不发生变化的输入信号最大变化范围，通常不超过量程的0.25%或0.5%。刘玉长刘玉长注意：电子电位差计本质上是一种测量直流电势或电位差的显示仪表，可与热电偶、变送器或其他能将被测参数转换为直流电势的仪器配用。热电偶和电子电位差计的分度号必须一致，仪表的外形尺寸、记录方式、走纸速度、测量范围等，应按实际测量要求选择。刘玉长刘玉长二、自动平衡电桥式显示仪表 自动平衡电桥式显示仪表是与热电阻配套使用，对被测温度进行指示及记录的装置。自动平衡电桥与电子电位差计比较，除测温元件及测量桥路不同外，其他部分基本相同。刘玉长刘玉长如图所示，自动平衡电桥的测量桥路与电子电位差计的相似，其等效电阻RN也是由三个电阻(RP、RB、R5)组成的。RPRB为90，R5是量程电阻，R6为确定仪表起点的电阻，R1为连接导线的等效电阻。为减小环境温度变化时连接导线电阻的变化所引起的测量误差，采用三线制连接法，并统一规定每根铜导线电阻R1=2.5(20时)。自动平衡电桥的测量桥路自动平衡电桥的测量桥路刘玉长刘玉长自动平衡电桥与电子电位差计在外形结构上十分相似，许多基本部件完全相同。但它们终究是不同用途的两种模拟式显示仪表，主要区别如下：(1)配用的感温元件不同；(2)作用原理不同；(3)感温元件与测量桥路的连接方式不同；(4)电子电位差计的测量桥路具有对热电偶自由端温度进行自动补偿的功能，自动平衡电桥不存在这一问题。刘玉长刘玉长第三节 数字式显示仪表一、概述数字式显示仪表是把与被测参数成一定函数关系的连续变化的模拟量，变换为断续的数字量显示的仪表。数字式显示仪表与模拟式显示仪表相比，具有测量准确度高、显示速度快以及没有读数误差等优点，在需要时，还可输出数字量与数字计算机等装置联用，因而在现代测量技术中得到广泛应用。刘玉长刘玉长(一)数字式显示仪表的分类按输入信号的不同，数字式显示仪表可分为电压型(输入连续的电压或电流信号)频率型(输入连续可变的频率或脉冲序列信号)；按使用场合不同，数字式显示仪表可分为实验用和工业用两类。刘玉长刘玉长(二)数字式显示仪表的性能指标v数字式显示仪表的主要性能指标有：量程；分辨率；准确度。v此外还有响应时间、数据输出、绝缘电压、环境要求等指标。刘玉长刘玉长由于数字式显示仪表的相对误差随着被测值增加而减少。如用2 V量程的仪表去测量0.2 V的电压，则相对误差为满度2 V时误差的4倍。若测量0.2 V以下的电压，其误差将会更大。所以在使用中必须正确选择量程。数字式显示仪表的分辨率是仪表在最低量程上最末一位改变一个字时所代表的量。对于常用的数字式显示仪表，当显示为3位半时，其分辨率:温度仪表为0.1和1，对直流信号一般为10-6 10-5。刘玉长刘玉长(三)数字式显示仪表的特点(1)准确度高，可避免视差。(2)灵敏度高，响应速度快，而且不受输送距离限制。(3)量程和极性可以自动转换，因而量程范围宽，能直接读出测量值和累积值。(4)体积小，重量轻，易安装，可以在恶劣环境中工作。(5)其中的智能型数字式显示仪表，还有量程设定、报警参数设定、自动整定PID参数、仪表数据掉电保护、可编程逻辑控制等功能。刘玉长刘玉长二、数字显示仪表的构成数字式显示仪表是由前置放大器、模拟-数字信号(A/D)转换器、非线性补偿器、标度变换以及显示装置等部分组成。由检测元件送来的电流或电压信号，经前置放大器放大，然后经A/D转换器转换成数字量信号，最后由数字显示器显示其读数。模-数转换、非线性补偿和标度变换是数字式显示仪表的三要素，其核心环节是模-数转换器。数字式显示仪表组成框图数字式显示仪表组成框图刘玉长刘玉长三、模-数转换所谓模-数转换(A/D)就是要把连续变化的模拟信号转换为离散的数字信号。实现A/D的方法及器件很多，分类方法也不一致，若从其比较原理来看，可划分为三大类：（1）直接比较型。（2）间接比较型。（3）复合型。刘玉长刘玉长(一)直接比较型 该类型A/D转换的原理是基于电位差计的电压比较原理，即用一个作为标准的可调参考电压UR与被测电压UX进行比较，当两者达到平衡时，参考电压的大小就等于被测电压。通过不断比较，不断鉴别，并在比较鉴别的同时就将参考电压转换为数字输出，实现了A/D转换。直接比较原理示意图直接比较原理示意图 刘玉长刘玉长(二)间接比较型 该类型A/D转换是被测电压不直接转换成数字量，而是转换成某一中间量，然后再将中间量整量化转换成数字量。该中间量目前多数为时间间隔或频率两种，即U-T型或U-F型A/D转换。把被测电压转换成时间间隔的方法有：积分比较(双积分)法、积分脉冲调宽法和线性电压比较法。刘玉长刘玉长对使用最多的双积分型A/D转换，其原理是把被测(输入)电压在一定时间间隔内的平均值转换成另一时间间隔，然后由脉冲发生器配合，测出此时间间隔内的脉冲数而得到数字量。双积分型双积分型A/D转换原理框图转换原理框图刘玉长刘玉长(三)复合型 该类型A/D转换就是将直接比较型和间接比较型A/D转换两种技术结合起来。直接比较型一般精度较高，速度快，但抗干扰能力差；间接比较型一般抗干扰能力强，但速度慢，而且精度提高也有限。由于复合型A/D转换利用了它们的各自优点，因而精度高、抗干扰能力强，故也称为高精度A/D转换。刘玉长刘玉长四、非线性补偿数字式显示仪表的非线性补偿就是将数字仪表的非线性输入信号转换成线性化的数字显示过程中所采取的各种补偿措施。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。目前常用的有模拟式非线性补偿法、数字式非线性补偿法和非线性模-数转换补偿法。刘玉长刘玉长(一)模拟式线性化1、开环式线性化 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，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。开环式线性化原理图开环式线性化原理图刘玉长刘玉长2、闭环式线性化 利用反馈补偿原理，引入非线性的负反馈环节，用负反馈环节本身的非线性特性来补偿检测元件或传感器的非线性，使U0和x之间关系具有线性特性。闭环式线性化原理图闭环式线性化原理图刘玉长刘玉长(二)数字式线性化数字式线性化是在模-数转化之后，进行系数运算而实现线性补偿。基本原则仍然是“以折代曲”。将不同斜率的斜线乘上不同的系数变为同一斜率的线段而达到线性化的目的。刘玉长刘玉长设数字仪表输入信号的非线性如图第I象限的OD曲线，在第象限绘出了计数器的静特性如OG所示。现把输入信号的非线性特性OD曲线用折线OABCD逼近，这样每段折线的斜率都不相同，若以OA折线为基础，则其他各折线的斜率分别乘以不同的系数，就能与OA段的斜率相同，然后以OA段为基础进行转换，就达到了线性化的目的。数字式线性化原理示意图数字式线性化原理示意图刘玉长刘玉长变系数运算的逻辑原理如下图所示。图中的系数控制器及系数运算器等组成数字线性化器，按照图示逻辑原理可以实现变系数的自动运算。数字线性化器逻辑原理图数字线性化器逻辑原理图刘玉长刘玉长 由图可知，当输入信号为第一折线OA时，系数控制器使系数运算器进行乘Ki运算，计数器的输出脉冲可以计为：N1=CK1U1式中，C为计数器常数，U1为输入信号，一直到N1结束N2开始之前，均进行乘K1运算。当计满K1需切换至AB段时，计数器发出信号至数控制器，使系数运算器进行乘K2运算，计数脉冲又可计为：N2=CK1U1+K2(U2-U1)依次下去，若有n段折线，则计数器所计脉冲数Nn=CK1U1+K2(U2-U1)+Kn(Un-Un-1)精确的程度取决于“以折代曲”的程度，折线逼近曲线的程度越好，所得的线性度也越高。刘玉长刘玉长(三)A/D转换线性化该方法是通过A/D转换直接进行线性化处理的法。如利用A/D转换后的不同输出，经过逻辑处理后发出不同的控制信号，反馈到A/D转换网络中去改变A/D转换的比例系数，使A/D转换最后输出的数字量N与被测量x成线性关系。常用的有电桥平衡式非线性A/D转换。刘玉长刘玉长五、信号标准化及标度变换将不同性质的信号与不同电平的信号统一起来，这就叫输入信号的规格化，或者称为参数信号的标准化。规格化的统一输出信号可以是电压、电流或其他形式的信号，但由于各种信号变换为电压信号比较方便，且数字显示仪表都要求输入电压信号，所以大多数情况下都将各种不同的信号变换为电压信号。统一信号电平高低的选择应根据被显示参数信号的大小来确定。刘玉长刘玉长 对于工艺过程参数测量用的数字式显示仪表，输出往往要求用被测参数的形式显示，例如：温度、流量、压力和物位等，这就存在一个量纲还原问题，通常称之为“标度变换”。标度变换可以在模拟部分进行，也可以在数字部分进行，前者称为模拟量的标度变换，后者称为数字量的标度变换。数字仪表的标度变换数字仪表的标度变换 其刻度方程可以表示为：y=S1 S2 S3 x=S x 因此标度变换可以通过改变S来实现，且使显示的数字值的单位和被测变量或物理量的单位相一致。刘玉长刘玉长(一)模拟量标度变换1、电阻信号的标度变换 为了将热电阻变化转变为电压信号的输出，通常采用不平衡电桥作为电阻-电压转换。电阻信号的标度变换电阻信号的标度变换刘玉长刘玉长由图可得不平衡电桥的输出电压为：当被测温度处于下限时，Rt=Rt0=R0，且桥路设计时使得R Rt0，故被测温度处于任一值时，都有：所以刘玉长刘玉长例:用Cu50铜电阻测温时，若所测温度为050，则电阻变化值R t=10.70，为了显示“50”的数字值，可这按以下方法进行：设数字仪表的分辨力为100V，即末位跳一个字需要100V的输入信号，那么满度显示“50”时，就需要50 100=5 mV的信号，即电阻值变化10.70 时，应该产生5 mV的信号，于是根据式(8-1)可得：该I值可通过适当选取E或R来得到，当仪表的分辨率或显示位数改变时，桥路参数也要适当予以调整。刘玉长刘玉长2、电势信号的标度变换 当数字式显示仪表配热电偶时，以热电势作为输入信号，若热电势在仪表规定的输入信号范围以内，则可将信号送入仪表中，通过适当选取前置放大器的放大倍数来实现标度变换。刘玉长刘玉长例如，有一配K分度号热电偶的数字测温仪表，满度显示为“1023”。此时放大器的输出为4V，而该热电偶1000时的电势值为41.27mV，通过选取前置放大器的放大倍数来实现其标度变换：数字仪表显示“1023”时，前置放大器须提供4V电压，若显示“1000”时，则前置放大器提供4000/1023 1000=3910 mV的电压。而此时热电偶的热电势是41.27 mV，故前置放大器的放大倍数K应该是3910/41.27=94.7，才能保证放大器的输出为3910 mV，这样就能保证数字仪表的显示正好表示温度值。但这里没有考虑热电势和温度之间的非线性关系，因而精确度不高。刘玉长刘玉长3、电流信号的标度变换 当数字显示仪表与具有标准输出的变送器配套使用时，可用简单的电阻网络实现标度转换。即将变送器输出的标准直流毫安信号转换为规格化电压信号。电流信号的标度变换电流信号的标度变换刘玉长刘玉长 将在R 2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率的要求，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，另外，对R 2的精度要求较高，应注意元件容许的误差等有关问题。刘玉长刘玉长(二)数字量标度变换 数字量标度转换是在A/D转换之后，进入计数器前，通过系数运算实现的。进行系数运算，即乘以(或除以)某系数，扣除多余的脉冲数，可使被测物理量和显示数字值的单位得到统一。随着集成电路技术的发展，目前已研制出了集成数字运算器，其转换精度与速度均大为提高。刘玉长刘玉长第四节 常用显示仪表简介以常用数字式显示仪表XMZ系列数字显示仪为例，介绍数字式显示仪表的性能、选型和使用中需注意的问题。由于该系列仪表的输入采用了数字校正、自校准技术以及多重保护和隔离设计，因此，有效消除了温漂和时漂引起的测量误差，抗干扰能力强，可靠性高，测量准确稳定。XMZ系列数字显示仪的面板上包括测量值显示窗PV、参数设置键、数据移位键、数据减少键、数据增加键、下限报警AL2指示灯、上限报警AL1指示灯等。仪表上电后，仪表显示窗口PV显示测量值，若输入的测量信号超出量程时，则显示窗显示“orAL”。XMZ系列数字显示仪系列数字显示仪刘玉长刘玉长XMZ系列数字显示仪的输入信号规格有热电偶、热电阻、电压、电流、远传压力表，测量范围为 1999 +1999，测量精度为0.5级，使用时要求环境温度为0 50，相对湿度不超过85%，避免腐蚀气体。在使用XMZ系列数字显示仪进行显示时：(1)首先参照下图所示的接线图正确接线：XMZ系列数字显示仪输入接线图系列数字显示仪输入接线图刘玉长刘玉长(2)然后根据如下表格设置输入信号类型参数Sn，以及dIP、dIL、dIH等参数。刘玉长刘玉长(3)接通电源后，显示窗PV显示测量值，仪表进入自动测量。刘玉长刘玉长本章结束谢 谢!