【仪表】与动圈式仪表相比 数字显示仪的特点

数字显示仪近年来发展很快，它目前已经全面取代了十几年前由动圈式显示仪所占据的显示仪表市场，并在电动单元组合仪表、数据采集系统中也有部分应用。据了解，全国已有数百家生产数字显示仪的工厂，年产量估计达到数十万台。
　　与动圈式仪表相比，数字显示仪有以下特点：

• 精度高，动圈式仪表仅1.0%，而数字显示仪部分产品为0.5%,通常为0.2%，少数已达0.1%（如江苏江阴长江斯菲尔电力仪表公司、重庆盖德仪器仪表公司的数字显示仪）；

• 分辨率高，读数直观，显示清晰，无视差；

• 抗震性好，安装角度不受限制;

• 输入阻抗高，如配热电偶或mV型信号的输入阻抗可达MΩ级，而动圈式仪表外接电阻仅5Ω、15Ω,补偿导线的允许长度通常只有几十米；

• 采用国际通用电源，电源可选交流、直流两种供电方式，即220VAC、24VDC。由于开关电源的普遍采用，不少产品适应交流电源的变化范围可达85~264VAC, 50/60Hz；

• 辅助功能多，以往的动圈式仪表通常只带上下限报警和单参数PID调节功能，而目前的数字显示仪拥有种类繁多的辅助功能，如可向变送器提供24VDC 工作电源的配电功能、检测参数的标准信号变送输出功能、四限（上上、上、下、下下）报警功能、报警接点延时功能、万能输入功能、万能输出功能、多种外形尺寸选择功能、运算功能（如开方、乘除、累积运算）、复杂回路PID调节功能、数据通信功能等等。

正因为有以上特点，再加上数字显示仪价格不高（基型产品的最低价为200元），一些名牌产品的质量稳定，已赢得用户的信任。其应用范围不断扩大，从单纯的数字显示仪发展到替代部分单元组合仪表，构成数据采集系统等等。本文将从外形及结构、输入功能、控制功能及通信功能几方面介绍数字显示仪近年来的发展及进步。
1 外形及结构
　　以往动圈式仪表的外形尺寸只有按中国标准规定的横式（160*80）或竖式（80*160）两种，现在已经发展到到横式、竖式及方形三种，而且有符合IEC国际标准的几种外形尺寸，如横式96*48，竖式48*96，方形96*96、72*72，最近又有福建宇光电子技术研究所、福建东辉智能仪器仪表公司、深圳万讯自控公司、厦门安东电子公司等仪表厂提供48*48的小尺寸方形仪表。其深度尺寸也大大减少，如福建福光百特公司大尺寸（80*160、160*80）仪表的深度仅80，而福州天富仪器仪表公司同类产品的深度仅为60。
　　外壳已普遍采用硬塑料制成，国际通用的卡入式结构已取代老式的紧固螺栓、紧固条固定结构，在仪表盘上安装固定只需将机身往仪表盘安装孔内一推，仪表两侧的塑料弹性卡即可紧紧将仪表固定在盘上。接线端子排与仪表芯体的连接有的已采用类似插接件的插拔式（如福建福光百特公司），当校验及检查仪表时可直接拔出芯体而不必拆掉接线。为了防止灰尘、水分及有害气体的侵蚀，线路板上往往涂有保护膜，如福建宇光电子技术研究所在线路板上涂有美国LOCTITE 保护膜。
2 输入功能
　　作为数字显示仪的输入信号来说，按信号类别、分度号及量程选择输入信号的方式早已过时，目前有两种新的方式选择输入信号：
　　按信号类别选择输入方式。这是目前应用最多的一种方式，通常按热电偶、热电阻、标准信号（有的产品又细分为0~10mA 、0~20mA、4~20mA、0~5V、1~5V）、霍尔变送器、远传压力表等大类选择输入信号，而实际应用时再输入分度号、量程范围等具体要求。这种选择方式较老式仪表可减少仪表种类及备用表数量，每一块表也可以在一定的范围内修改分度号及量程。
　　万能输入方式。这是目前发展最快的一种输入信号选择方式，最早见于1994年福建宇光电子技术研究所推出的AI系列智能数字显示仪，这种仪表支持热电偶、热电阻、电压、标准电流等多种输入信号。具体包括以下输入信号：分度号为K、S、E、J、T、B、N 共7种热电偶；Pt100 、Cu50  2种热电阻；0~20mV、 0~60mV、 0~100mV、 0.2~1V、 0~1V、 0~5V、 1~5V、 -20~20mV、 -100~100mV、 -5~5V共10种电压；0~10mA、 0~20mA、 4~20mA共3种标准电流（需外接分流电阻）、0~80Ω、0~400Ω共2种电阻输入信号。与此同时，还允许用户提供一种如EA1、BA1、BA2、G 等特殊规格的分度号或需开方的输入信号要求。用户使用时只需将不同类别信号接入不同的输入端子并在组态时输入相应的分度号代号及量程即可。目前又有福建东辉智能仪器仪表公司、江阴长江斯菲尔电力仪表公司、深圳万讯自控公司、江苏宜兴全能机电仪表设备公司等生产厂提供这种产品。福建宇光电子技术研究所推出的V6.0最新版本支持可编程输入系统，可执行编辑扩展分度号修正非线性表格功能，使用户可自行将仪表编辑成能适应任何特殊规格的仪表，或者用来修正用户特殊传感器的非线性误差。
　　这种输入方式使数字显示仪就输入信号来说只有一种选型，设计、安装、维护都很方便，也不再担心因设计、安装、订货等环节中哪一个出错（如信号类型错误、分度号错误、量程错误）而导致到货仪表不能使用。所使用的仪表单一，备用表的数量也大大减少。
　　山东烟台招远自动化仪表厂、武汉泰隆测控仪表公司、珠海德莱仪表设备公司生产的带万能输入的数字显示仪除包括上述类别的信号外，还可输入0.01~10000（或0.1~1000）Hz的脉冲信号，万能输入的含义更深了一步。
　　目前还有一些仪表厂可同时提供以上两种选择，即选型时既可选择该厂生产的有具体类别输入信号的数字显示仪，又可选择带万能输入的数字显示仪。如山东烟台招远自动化仪表厂、福建福光百特公司、福建昌晖自动化公司、福州天富仪器仪表公司生产的数字显示仪。由于选择万能输入仪表要增加几十元的费用，而指定输入类型的数字显示仪的精度可能更高，所以当一个工厂如选用数量较多的数字显示仪时，可大部分按具体信号类别选择数字显示仪，而少部分仪表（如20%）和备用仪表选择带万能输入的数字显示仪。这一方面达到减少备用仪表、节省投资的目的，另一方面又具有带万能输入的数字显示仪灵活方便的特点。                             
3 控制功能
　　数字显示仪虽然是一种简易仪表，但是它采用了九十年代末期先进的微处理器技术，其控制功能远远超过动圈式仪表，具体反映在以下几个方面：
　　先进控制技术，如模糊控制等已为深圳万讯自控公司、厦门安东电子公司 、福建宇光电子技术研究所的数字显示仪所采用，如抗积分饱和、抑制超调的功能已为福建东辉智能仪器仪表公司所采用。
PID参数采用数字设定，设定精确，参数设定范围大，如福建东辉智能仪器仪表公司的产品P=1~1000%， I="0".01~150min, D="0"~60min。部分厂家，如福建昌晖自动化公司 、江苏宜兴全能机电仪表设备公司、福建宇光电子技术研究所还采用了PID 参数自整定技术，可根据回路特性自动寻找过程最佳PID 参数。
　　数字显示仪的输出信号除两位或多位调节采用接点输出功能外，常见的有以下输出信号：0~10mA、4~20mA、0~20mA输出；0~5V、0~10V、1~5V输出；继电器时间比例输出；固态继电器脉冲时间比例输出；单相可控硅过零触发输出；三相可控硅过零触发输出；单相可控硅移相触发输出；三相可控硅移相触发输出；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）。
　　数字显示仪通常是按输出类型选型，一部分生产厂，如福建宇光电子技术研究所通过选择输出模块可提供多种输出类型。而厦门安东电子公司的LU-606、LU-660调节器的输出有两种选择：一种是三相SCR 可控硅过零触发脉冲输出，另一种可称之为万能输出，它包括0~10mA、4~20mA、0~20mA输出；0~5V、0~10V、1~5V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等输出类型，用户使用时可按要求选择其中一种。
　　部分产品带程序设定功能，如深圳万讯自控公司的产品可提供16段时间程序设定曲线，福建昌晖自动化公司的产品可提供32段时间程序设定曲线，厦门安东电子公司的产品可提供20~200段时间程序设定曲线 。部分产品带外给定输入，如深圳万讯自控公司、福建昌晖自动化公司珠海德莱仪表设备公司的产品，可通过外给定与外部调节器构成串级或比值调节回路。部分产品带阀位反馈输入，如福建昌晖自动化公司的产品SWP-25，它接受阀位反馈输入，不用伺服放大器而由开关量直接控制电机正反转。福建福光百特公司的产品XWGA-8000可带第一回路PV值输入、外给定输入、前馈输入或第二回路PV值输入、阀位反馈输入等四个模拟输入信号，并可带2个模拟输出信号，因此可由用户自行构成单回路控制、双回路控制、远程给定控制、串级控制、比值控制、前馈控制、三冲量控制等多种复杂控制回路。
4 通信功能
　　比较多的数字显示仪可带RS-232、RS-422、RS485通信口，与上位计算机构成数据采集系统 。以福建福光百特公司的产品为例，选用RS-232时，仅能与上位计算机1对1通信，选用RS-422时，可与上位计算机10对1通信，选用RS485时，可与上位计算机32对1通信。福建宇光电子技术研究所的产品可通过RS485口与上位计算机64对1通信，该所早期的数据采集系统采用Fix、SNALL、组态王等工控软件，但这些软件只支持该所AI数字显示仪的部分功能。近期该所与北京中泰计算机技术研究所联合，推出国产MCGS全中文工控组态软件AI仪表专用版，可支持AI数字显示仪的全部功能。其通信效率和可靠性都大大提高，不仅组态画面美观、功能强，还可实现远程调试、远程诊断。福建昌晖自动化公司的产品可通过数据采集器接入64台数字显示仪，1台上位计算机的扩展口内可插入多块接口卡，以接入更多的数字显示仪。
　　这种类型的数据采集系统在下层由数字显示仪独立完成监视、控制、报警等功能，上层由计算机完成集中监视、操作、远程设定等功能，因此系统的可靠性还不错。而对每个采集点来说，最低数据采集成本约在500元左右，这对于监测点较少（数十点至百余点）的系统无疑是一种较好的选择。
　　综上所述，国产数字显示仪在以上几个方面已取得较大的进步，再加上外观改进，稳定性提高，几乎独占了国内显示仪表市场。当众多国外仪表长驱直入中国仪器仪表市场时，数字显示仪发展良好的态势不能不令人感到欣慰。我们也期待国产数字显示仪进一步开发新的功能，不断改进产品外观和提高内在质量，在继续占领国内市场的同时，力争大批量的打入国际仪器仪表市场。

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”。