【仪表】数字显示仪作为电动单元组合仪表的应用
1 概述
作为早期XCZ、XCT、XFZ、XFT动圈式仪表和稍后的XBZ、XBT力矩电机式仪表的更细新换代产品，数字显示仪以其读数直观、显示清晰、分辨率高、无视差、抗震性好、输入阻抗大和安装角度不受限制等优点得到广泛的应用。但在八十年代初期数字显示仪刚问世时，人们对其稳定性、可靠性还存在疑问，事实也的确如此，早期的数字显示仪不稳定、精度低、故障率高，声誉不佳，人们回过头来再次使用动圈式仪表和力矩电机式仪表。进入九十年代以后，由于微电子技术的发展。新型多功能数字显示仪层出不穷，其稳定的质量、较高的精度、多种多样的辅助功能及低廉的价格已赢得用户的青睐，它不仅完全取代了动圈式仪表和力矩电机式仪表，成为一种应用最广泛的显示仪表，而且以其丰富的辅助功能替代了一部分电动单元组合仪表。由于这种应用现象的出现，在七十年代、八十年代里完全由电动单元组合仪表构成的系统已经很难看到，更多的则是由电动单元组合仪表和数字显示仪组成的混合系统。这是我们经历的又一个螺旋上升的事物发展过程：多功能基地式仪表--单元组合仪表--多功能数字显示仪。
由于这种应用现象的出现，在七十年代、八十年代里完全由电动单元组合仪表构成的系统已经很难看到，更多的则是由电动单元组合仪表和数字显示仪组成的混合系统。
电动单元组合仪表将仪表的功能分得很细，如运算功能就分成加减器、乘除器、开方器、积算器，辅助功能分得更多，如配电器、安全栅、操作器、信号限制器、信号阻尼器、信号倒相器、信号选择器、信号隔离器、阻抗转换器、电源箱等等。这种思路在当时是正确的，因为诞生电动单元组合仪表的六十年代还采用分立元件，实现一项功能要用到一堆元件，功能分细，一台仪表的结构就不太复杂，维护也方便。而到了九十年代，实现一项功能更多的是用软件，通常编写一段程序就可以完成一项功能，因此数字显示仪拥有多项辅助功能就不足为奇了。
以下结合我们在工程设计中的实践，介绍数字显示仪作为电动单元组合仪表的具体应用。
2 变送器、转换器
数字显示仪与提供热电偶、热电阻、霍尔变送器、电阻远传压力表之类非标准信号的检测元件相连时，除了可以显示相应的工艺参数值外，还可同时提供隔离的4~20mA（或1~5V）变送输出。这就相当于数字显示仪为热电偶、热电阻、霍尔变送器、电阻远传压力表之类非标准信号的检测元件提供了信号变送功能。
当0~10mA 信号需要转换成4~20 mA或1~5 V时，或4~20 mA、1~5 V信号需要转换成0~10mA时，或1~5V信号要求远传需要转换成4~20mA时，如选用电动单元组合仪表则必须使用电流转换器或阻抗变换器。如今这一功能也可以由输入信号0~10mA(或4~20mA、1~5V) 并带相应变送输出的数字显示仪完成。
当检测参数除在数字显示仪上显示之外，还需将信号转换成为标准信号供远程显示、记录或供DCS、PLC、数据采集系统使用时，则采用带变送输出的数字显示仪完成这一功能非常简单，而为此所投资的费用极少（约100元）。
3 指示器
4~20mA、1~5V信号的显示在电动单元组合仪表中是采用尺寸统一（如早期 DDZ-Ⅲ型为80*160*630）的指示器，体积大、精度低（约为1%）、价格贵（数千元一台）、刻度及量程无法改变。新型数字显示仪如用80*160面板尺寸,深度最短仅为80，还可改用160*80、96*48的横表或96*96、72*72、48*48的方表，配置方便；使用灵活，量程可以任意设定、迁移，互换性好；精度高（部分为0.5级，通常为0.2级，少数可达0.1级）；价格低（基型产品为数百余元）。正因为如此，电动单元组合仪表中的指示器现在已经很少见了。
电动单元组合仪表中的比例积算器、开方积算器也归在指示器中，它也可以用带流量积算功能的数字显示仪取代，此时数字显示仪完成相当于指示器加积算器两者（需要时还可代替开方器）的功能，既可以精确显示瞬时流量，又可以8~12位数字显示累积量代替电动单元组合仪表中积算器的6位机械计数器，其计数容量及运行可靠性也远远高于电动单元组合仪表中的比例积算器、开方积算器。
4 调节器
像动圈式仪表和力矩电机式仪表一样，数字显示仪也可以带PID调节功能，而且控制功能丰富，控制输出类型多，所以除了按传统习惯将一些重要回路、复杂回路仍采用电动单元组合仪表的调节器或随后问世的可编程序调节器外，有相当一部分一般回路的调节可以用带PID调节功能的数字显示仪来完成。
带PID调节功能的数字显示仪通常有以下控制输出类型：
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0~10mA、4~20mA、0~20mA输出
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0~5V、0~10V、1~5V输出
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继电器时间比例输出
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固态继电器脉冲时间比例输出
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单相可控硅过零触发输出
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三相可控硅过零触发输出
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单相可控硅移相触发输出
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三相可控硅移相触发输出
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位置比例输出（可使用两组继电器开关分别控制阀门电机正反转，并可省去伺服放大器）
由此可见，控制输出类型远比电动单元组合仪表调节器多种多样，或者说，原来需要在电动单元组合仪表调节器的输出信号后再增加的可控硅电压调节器、伺服放大器，现在都可能省去。而且控制输出类型可以设定，通常0~10mA输出、4~20mA输出、0~20mA输出、0~5V输出、0~10V输出、1~5V输出是可以自由设定；有的产品是通过输出模块选择输出类型，如福建东辉公司XMT、厦门宇光公司AI系列带控制功能的数字显示仪；有些产品，如厦门安东公司的LU-606、LU-660带控制功能的数字显示仪则一台表同时可带0~10mA输出、4~20mA输出、0~20mA输出、继电器时间比例输出、单相可控硅过零触发输出、单相可控硅移相触发输出，用户可根据使用要求自行组态设定即可，这类数字显示仪可以说是带万能输出的。
部分数字显示仪P、I、D参数的设定范围也大于老式电动单元组合仪表调节器P、I、D参数的设定范围，如DTL-121调节器的P=1~200%，I=0.1~25min，D=0.05~5min，而像福建东辉公司XMT系列带控制功能的数字显示仪的P=1~1000%，I=0.01~150min，D=0~60min。因为年代不同，数字显示仪现在的PID控制功能已经增加了模糊控制、PID参数自整定、自学习等功能及无超调、无欠调的优良控制特性，使带PID调节功能数字显示仪这类简易型调节器的档次提高、控制功能改善、操作使用方便。
5 电源箱、配电器
在以往工程设计中，不管电动单元组合仪表应用多或少，即使只有一个回路也要选用24V电源箱、配电器与显示仪、变送器配套，其接线见图1。
我们可选带配电功能的数字显示仪向变送器提供24V直流电源，从而省去电源箱、配电器，其接线见图2。图1中各仪表间的6根连接线已简化成2根线，因此使盘内接线减少三分之二，设备价格也相应大幅度下降。
如果需要的话，还可再选变送输出功能，可使数字显示仪像配电器一样提供隔离的1~5V或4~20mA输出信号。
6 运算类仪表
开方是很多数字显示仪具有的功能，它可以对标准信号（1~5V、0~5V、4~20mA、0~20mA、0~10mA） 进行开方运算，并将运算结果在数字显示仪上显示。有个别数字显示仪（如福建福光百特公司的XMZ-5000、6000数字显示仪还可对一些非标准信号进行开方运算）。电动单元组合仪表中一台开方器的功能就这样轻松地被带开方功能的数字显示仪所替代了，而且数字显示仪的开方运算精度远远高于模拟开方器的运算精度。
一部分带流量积算功能的数字显示仪有三个模拟输入，即除了有代表流量的输入信号外，还有代表温度、压力的输入信号。这些信号在数字显示仪中可以进行过热蒸汽、饱和蒸汽、天然气和一般气体的温度、压力补偿运算，而在电动单元组合仪表中这样的运算还需要增加一台乘除器才能完成。
7 报警给定器
当需要对检测参数越限状况做出判断时，在电动单元组合仪表中还需要选用报警给定器，这一功能也可由带报警功能的数字显示仪来完成，电动单元组合仪表中的报警给定器一般只有上下两个报警限，而一部分带报警功能的数字显示仪可有上上、上、下、下下四个报警限。还有一些产品增加了报警接点延时功能、偏差报警功能、绝对值报警功能、上电免除报警功能、传感器断线报警功能等。
8 阻抗转换器、信号隔离器
电动单元组合仪表中一部分配电器的4~20mA输出信号的负载电阻只有100Ω，如果在系统中接入250Ω的负载电阻以转换成1~5V，信号往往不能正常工作，这时需要增加阻抗转换器或信号隔离器，以增加信号带负载的能力。如选用带变送输出的数字显示仪，则一方面可以进行信号隔离，另一方面可以将信号的负载电阻增加到500Ω以上。从而起到阻抗转换及信号隔离的作用。由于数字显示仪4~20mA 输入时往往也采用250Ω 的转换电阻，此时可改用100Ω以下的电阻(如1Ω电阻)，以mV信号输入类型重新设定量程范围，从而解决配电器输出阻抗小的问题。
9 结束语
综上所述，我们在这里可以看到一个十分有趣的现象: 数字显示仪本来不属于电动单元组合仪表，它是另一类简易型仪表，但它不墨守成规，而是以电动单元组合仪表中各类仪表的功能为目标，选用最新的微处理器来实现这些功能，由此发展了丰富多样的数字显示仪辅助功能。也正是由于数字显示仪具备了这些功能，所以在相当一部分场合数字显示仪已经取代了部分电动单元组合仪表，构成由电动单元组合仪表和数字显示仪组成的混合系统，这样的系统同纯电动单元组合仪表组成的系统功能相比，系统更简单，接线更少，投资更省，或许功能更强。
作者简介
方原柏：湖北黄冈人，昆明仪器仪表学会理事长，昆明有色冶金设计研究院教授级高级工程师，冶金自动化、衡器、自动化信息、仪器仪表用户、自动化与仪器仪表等杂志编委、中国衡器协会技术专家委员会顾问。发表论文270余篇，由冶金工业出版社出版“电子皮带秤的原理及应用”（1994年）、“电子皮带秤”（2007年）、"流程行业无线通信技术及应用"（2015年）三本专著，参与主编国家标准“有色金属冶炼厂自控设计规范”。
