数字式压力表的制作与应用

东北石油大学

课程设计

课程过程控制仪器仪表设计与生产实训题目数字式压力表的制作与应用

学院电气信息工程学院

专业班级自动化15-4班

学生姓名孙宇

学生学号150601140421

指导教师王婷婷吴攀超

2017年7 月28 日

东北石油大学课程设计任务书

课程过程控制仪器仪表设计与生产实训

题目数字式压力表的制作与应用

专业自动化姓名孙宇学号 150601140421

主要内容、基本要求、主要参考资料等

主要内容：

在面包板上安装一台用单片A/D转换器7107或7106组成的通用表头。配接压力传感器（应变片式、扩散硅式或其它类型压力传感器），制成数字压力显示仪表；并根据装置的特点，掌握该仪表在工业生产中的应用。

基本要求：

1.学习数字显示仪表原理；

2.设计、绘制电路连接图；

3.能够独立完成数字显示仪表表头的焊接、制作、调试；

4.掌握该仪表在工业生产中的应用并撰写报告。

参考资料：

[1]张天春,杨慧敏.数字显示仪表课程设计指导书[M].大庆：大庆石油学院自编教材，

2008.

[2]沙占友.新型数字电压表原理与应用[M].北京：机械工业出版社,2006.

[3]任致程.数字电工仪表应用电路400例[M].北京：机械工业出版社,2007.

完成期限 2017.07.10 - 2017.07.28

指导教师

专业负责人

目录

第1章数显压力仪表工作原理 (1)

1.1 数字显示仪表的发明 (1)

1.2 数字式压力表的原理 (1)

1.3数显仪表的结构 (2)

1.4数字式压力表的主要技术指标 (2)

第2章数显压力仪表设计方案 (4)

2.1 ICL7107双积分A/D转换器 (4)

2.2 LED显示器 (5)

2.3 其他集成原件 (5)

第3章数显压力仪表的制作 (7)

3.1 数显部分的制作 (7)

3.2 将数显部分、电源部分与其他部分组合 (7)

第4章数显压力仪表的应用 (9)

4.1 仪表用途 (9)

4.2 应用行业 (9)

4.3 注意事项 (9)

第5章结论与体会 (10)

参考文献 (11)

第1章 数显压力仪表工作原理

数字式显示仪表是一种具有模/数转换器并以十进制数码形式显示被测变量值的仪表，它与各种传感器、配送器配套，可以显示出各种不同的参数。数字式仪表具有精度高、功能全、速度快、抗干扰能力强等优点，体积小、耗电低、读数直观，且能将测量结果以数字形式输入计算机，从而实现生产过程自动化。

1.1 数字显示仪表的发明

20世纪50年代初，世界上出现了第一台数字显示仪表。近五十年来，随着现代科学技术的迅猛发展，尤其是数字化测量技术、半导体技术、大规模集成电路技术及计算机技术在仪表中的应用，使数字仪表很快地从电子管式、晶体管式发展到目前集成电路式和带有微处理器的数字仪表。数字仪表的出现适应了科学技术及自动化生产过程中高速、高准确度测量的需要，它具有模拟仪表无法比拟的优点。

数字式显示仪表是一种具有模/数转换器并以十进制数码形式显示被测变量值的仪表，它与各种传感器、变送器配套，可以显示出各种不同的参数。与模拟显示仪表相比，数字式仪表具有精度高、功能全、速度快、抗干扰能力强等优点，它体积小、耗电低、读数直观，且能将测量结果以数字形式输入计算机，以而实现生产过程自动化。

1.2 数字式压力表的原理

数字式压力计主要由传感器、采集器、放大电路、数据运算电路、A/D 转换器、显示器等构成。图1-1为仪表构成框图。

图1-1 仪表构成框图 其中，传感器的精度、采集器的精度、A/D 转换器的精度对压力的测量精度起主要作用。故在传感器的选择与电路设计上要充分考虑这一点，以免压力计产生过大的离散而达不到所需的测试精度。

放大 传感器

数据运算 A/D 转换 显示

采集器

1.3数显仪表的结构

不带微处理器的仪表，通常用运算放大器和中、大规模集成电路来实现；带微处理器的仪表，是借助软件的方式来实现原理框图中的有关功能。

不带微处理器的数显仪表一般应具备模数转换，非线性补偿及标度变换三大部分，这三部分又各有很多种类，三者间相互巧妙的组合，可以组成适应于各种不同要求场合的数字式显示仪表。尽管数字仪表的品种繁多，原理各不相同，但其基本构成形式可由图1-2所示的主要环节组成。模一数转换器是数字仪表的核心，以它为中心，将仪表分为模拟和数字两大部分。

图1-2 数显仪表的基本构成

仪表的数字部分一般设有滤波、前置放大器和模拟开关等环节。来自传感器或变送器的统一电量信号一般都比较微弱，并且包含着在传输过程中产生的各种干扰成分，因此在其转换成数字量前，首先要进行滤波与放大。前置放大器就是用来提高仪表的灵敏度、输入阻抗及信号的信噪比。

仪表的数字部分一般由计数器、译码器、时钟脉冲发生器、驱动显示电路以及逻辑控制电路组成。在数字仪表中，逻辑控制电路起着指挥整个仪表各部分协调工作的作用。它是数字仪表中不可缺少的环节之一。另外，高稳定的基准电源和工作电源也是数字仪表的重要组成部分。

被放大的模拟信号有模-数转换成相应的数字量后，经译码、驱动，送到显示器件中进行数字显示。也可以送到报警系统和打印系统中去，进行报警和记录打印。

1.4数字式压力表的主要技术指标

（一）显示位数 被测对象 传感器 模数转换 计数译码 模拟开关 时 钟

逻 辑 控 制 电 路

标度变换 基准源 线性化器

数字显示

打印记录

数码输出

报警系统

前置放大

以十进制显示被测变量值的位数称为显示位数。能够显示“0～9”的数字位称为“满

位”；仅显示1或不显示的数字位，称为“半位”或“21

位”。工业用数字温度显示仪表的

显示数常为321位，可显示-1999～1999。高精度的数字表显示位数目前达到821

位。

（二）仪表的量程

仪表标称范围的上、下限之差的模，称为仪表的量程。量程有效范围上限值为满度值。

（三）精度

目前数字式显示仪表的精度表示法有三种：满度的±a%±n 字、读数的±a%±n 字、读数的±a%±满度的b%。

（四）分辨力和分辨率

数字仪表的分辨力是指末位数字改变一个字所对应的被测变量的最小变化值，它表示了仪表能够检测到的被测量最小变化的能力。数字式显示仪表在不同量程下的分辨力是不同的，通常在最低量程上具有最高的分辩力，并以此作为该仪表的分辨力指示。分辨率指仪表显示的最小值与最大数值之比。

（五）输入阻抗

数字式显示仪表是一种高输入阻抗的仪表，输入阻抗可达1012Ω。

（六）抗干扰能力

数字式显示仪表一般用串模干扰抑制比和共模干扰抑制比来表征抗干扰能力大小。

串模干扰抑制比（SMR ）为：SMR=20lg r e n

共模干扰抑制比（CMR ）为：CMR=20lg c c

e e

SMR 和CMR 的单位是分贝，数值越大，表示数字仪表的抗干扰能力越强，一般直流电压型数显仪表的串模干扰抑制比为20～60dB ，共模干扰抑制比为120～160dB 。

第2章数显压力仪表设计方案

2.1 ICL7107双积分A/D转换器

ICL7107CPL是三位半双积分A/D转换器大规模集成电路，其输出极为异或门结构。它的作用是把输入电压信号变为数字输出，并驱动显示器。

其内部结构包含模拟和数字两大部分。模拟部分包括积分器、模拟开关、过零比较器等电路。数字部分包括时钟脉冲发生器、计数器、分频器、译码器、控制器、相位驱动器等电路。ICL7107还有以下特点：

①内部有自动稳零电路，保证零电压输入时，读数为零；

②内部有极性判别电路，即使输入电压很小也能正确区别极性，并显出来；

③内部有时钟电路，可以外接RC器件，产生自激振荡；

④内含供A/D转换必需的基准稳压源，可不用外接基准电源；

⑤输出为3位七段译码信号，可直接驱动LED；

⑥与其他CMOS集成电路相同，这些电路具有输入电阻高等特点。

ICL7107采用标准的双列直插40引线封装，引线排列如图2-1所示。可在7~15V单电源条件下工作。

图2-1 ICL7107管脚排列

ICL7107模拟部分每个转换周期分为自校零位、信号积分（采样）、反相积分（比较）

三个阶段：自校零（A/Z）阶段、信号积分(INT)阶段、反相积分（DE）阶段。

根据双积分转换原理求得结果为：N=T1V1/T CP V REF

双积分式A/D转换器地优点是：对积元件的质量要求不高，时钟振荡器可以使用普通的阻容元件代替石英晶体，抗干扰能力强。它作为一种低速、高精度A/D转换器，在数字仪表中广泛应用。

2.2 LED显示器

数码显示是用来显示数字、文字或符号的器件，现在已有多种不同类型的产品，广泛应用与多种数字设备中。目前，数码显示器正朝着小型、多位、多彩、平面化的方向发展。

将条状发光二极管按照共阳极（正极）或共阴极（负极）的方式连接，并组成“8”字型发光二极管，另一极做笔画电极，就构成了LED数码显示器。只要按规定使某些笔画的发光二极管发光，就能组成0~9的一系列数字。其原理如图2-2所示。

图2-2 管脚排列及内部结构

LED显示器一般采用七段，既把七只LED共阳极（或共阴极）连接，每段具有单只LED 的特性及驱动显示方法。在各种显示器中，LCD的功耗最低，LED的发光响应时间最短，寿命最长。因此，目前的数字仪表大多采用LED或LCD显示器，它们都能由集成电路直接驱动。

发光二极管是采用半导体材料制成的，能将电信号转化成光信号的结型电压发光器件。

2.3 其他集成原件

除了上述主要集成芯片之外还需要LM324、MC1403。

（1）LM324运算放大器

图2-3 LM324原理图（2） MC1403基准电源

图2-4 MC1403实物图与原理图输出电压:2.5V、输入电压范围:4.5V~40V、输出电流:10mA

第3章数显压力仪表的制作

3.1 数显部分的制作

根据绘制的接线图，首先在面包板上把ICL7107和四个数码管的位置确定好，为了便于显示，一般要把四个数码管放在上方。然后以接线方便为原则，确定ICL7107的位置。同时要考虑“+电源”、“地”线的接法。其它芯片、电阻、电容电位器等围绕ICL7107就近安排位置。

3.2 将数显部分、电源部分与其他部分组合

将LED显示器、集成部分、数显部分、电源部分按照图3-1组合起来，采用直接耦合的方式连接，就构成了数字显示仪表。

数字显示电路部分的安装在面包板上进行，压力传感器、电源部分不在面包板上。在设计时要考虑线路布置合理，强电与弱电之间要留有相当的距离。同时注意220V电源线的引入方向、安全，防止短路，输出±5V电源要有“接线端子”。

图3-1 总电路图

将+5V导线（红）、-5V导线（黄）和接地线（黑）分别插入面包板相应位置，接通电源，数码管显示情况如图3-2所示。

把ICL7107的37脚（灯测试脚）与+5V电源连接之后显示“-1888”如图3-3所示。

图3-3 调试成功后的面包板

第4章数显压力仪表的应用

4.1 仪表用途

数字压力表是采用单片机控制的在线测量仪表。它采用电池长期供电方式、无需外接电源，安装使用方便。该系列数字压力表可用压力表、绝压、差压的检测，其形式品种多样，分为普通型和防爆型，能满足各种测量需要。它从根本上克服了指针式压力表精度低、可靠性差、损坏率高等诸多缺点。尤其在腐蚀、振动等场所使用，更显其超凡性能。该产品经国家级计量部门、防爆部门检定合格，已在石油、化工、电力等领域得到广泛应用。

4.2 应用行业

1、油田采油：注水，井口容器设备压力测量；

2、原油外输：动力设备管道泵进出口压力测量；

3、石油化工：生产工艺中的真空，微压及腐蚀性的气体，液体压力测量；

4、液压系统、制冷、过程监控OEM应用；

5、高温介质，粘稠介质，液体高度测量；

6、空调、气体处理设备、呼吸机、医疗设备、实验室、压缩机等压力的测量。

产品应用:适用于测量腐蚀性、高粘度、易结晶、含有固体状颗粒、湿度较高的液体介质的压力所场合使用，有法兰连接、螺纹连接等多种型式。

4.3 注意事项

测量特殊介质时，要针对被测压力的不同性质，采取相应的放热、防腐、防冻、防堵和防尘等措施。例如测量高温流体介质的压力时，为防止热介质与弹性元件直接接触，压力仪表之前应加装U形管或盘旋管等形式的冷凝器，避免因温度变化对测量精度和弹性元件产生影响；测量高压流体介质的压力时，安装时压力仪表表壳应朝向墙壁或者无人通过之处，以免发生意外；测量腐蚀性介质的压力时，除选择具有防腐能力的压力仪表之外，还可加装隔离装置，利用隔离罐中的隔离液将被测介质和弹性元件隔离开来。

第5章结论与体会

我们所设计的题目是“数字式压力表的原理与应用”。通过三周的设计实践，我们对面包板有了充分的认识。在设计过程中碰到了很多难点，例如在安装数字式压力数显表头时，如果稍有马虎就会出现接线错误，所以要细心谨慎，电桥不平衡会使显示不正确。

通过本次课程设计，初步了解了从电原理图到实际接线所注意的要点，掌握了数显仪表原理图、接线图的绘制方法，还有原器件的识别，插接导线的布置。培养了实际动手能力和解决实际问题的能力。

认识来源于实践，实践是认识的动力和最终目的，实践是检验真理的唯一标准。所以这个期末测试之后的课程设计对我们的作用是非常大的。实验过程中遇到的重重困难，需要我们用心去尝试，摸索，对我们养成积极思考的习惯不无裨益。此外对我们也是一种性情的锤炼和陶冶。实践是对知识的运用，在运用中同时也加深了我们对知识的理解。

参考文献

[1]张天春,杨慧敏.数字显示仪表课程设计指导书[M].大庆：大庆石油学院自编教材，2008.

[2]沙占友.新型数字电压表原理与应用[M].北京：机械工业出版社,2006.

[3]任致程.数字电工仪表应用电路400例[M].北京：机械工业出版社,2007.

[4]黄贤武,郑筱霞.传感器原理与应用[M].北京：电子科技大学出版社,2004

[5]阎石.数字电子技术基础[M].北京：高等教育出版社,2006.

[6]沙占友.数字化测量技术与应用[M].北京：机械工业出版社,2004.

[7]杨邦文.应用电子小制作150例[M].北京：人民邮电出版社,2005.

[8]路勇.电子电路实验及仿真[M].北京：清华大学出版社,2004.

[9]王松武.电子创新设计[J].国防工业出版社,2005.

[10]张连庆,邱新平,麻英,朱文涛.数字压力测量仪表的研制及应用[J].实验技术与管理,2001,18.

[11]闫希茹.谈压力仪表的实际应用[J].黑龙江科技信息,2011,6.

[12]戴福泉.压力仪表在生产自动控制中的应用[J].科技致富向导,2012,24.

东北石油大学课程设计成绩评价表

课程名称过程控制仪器仪表设计与生产实训题目名称数字式压力表的制作与应用

学生姓名孙宇学号150601140421 指导教

师姓名

王婷婷

吴攀超

职称

副教授

讲师

序号评价项目指标满分评分

1 工作量、工作态

度和出勤率

按期圆满的完成了规定的任务，难易程度和工作

量符合教学要求，工作努力，遵守纪律，出勤率

高，工作作风严谨，善于与他人合作。

20

2 课程设计质量课程设计选题合理，计算过程简练准确，分析问

题思路清晰，结构严谨，文理通顺，撰写规范，

图表完备正确。

45

3 创新工作中有创新意识，对前人工作有一些改进或有

一定应用价值。

5

4 答辩能正确回答指导教师所提出的问题。30 总分

评语：

指导教师：年月日