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1、建筑环境测量技术章你现在浏览的是第一页，共73页2概述电子显示仪表中又分为模拟式、数字式和智能式三大类 模拟式显示仪表是以指针或记录笔的偏转角或位移量来显示被测变量连续变化的仪表，分为直接变换式和平衡式两种 数字式显示仪表是直接以数字形式显示被测变量，其测量速度快，测量精度高，读数直观，工作可靠 你现在浏览的是第二页，共73页311.1 11.1 显示仪表的构成及基本原理显示仪表的构成及基本原理 11.1.1 11.1.1 模拟式显示仪表模拟式显示仪表 （一）直接变换式仪表的组成与特点1、直接变换式仪表的组成由检测元件或传感器与直接变换式仪表组成的检测系统如图所示你现在浏览的是第三页，共73页
2、42直接变换式仪表的特点（1）直接变换式仪表较难获得线性刻度（2）尽量设法减少每个环节的误差并减少环节的数目（3）信息的转换效率低，但该仪表结构简单可靠、重量轻、尺寸小、价格便宜，故目前仍有一定应用，动圈式仪表属于直接变换式你现在浏览的是第四页，共73页5（二）平衡式显示仪表的组成及特点 1、平衡式显示仪表的组成平衡式仪表由闭环结构的平衡式测量线路构成的仪表，例如自动平衡式电子电位差计即为闭环结构，其结构如图所示 你现在浏览的是第五页，共73页62平衡式显示仪表的特点（1）平衡式显示仪表线性度好、测量精度高（2）平衡式显示仪表反应速度快（3）平衡式显示仪表较直接变换式仪表结构复杂、造价高 你现
3、在浏览的是第六页，共73页7（三）显示仪表的基本技术性能 1仪表的基本误差仪表的基本误差是指在规定的技术条件下，仪表全量程指示值中的最大引用相对误差，即 你现在浏览的是第七页，共73页82仪表的精度等级 根据仪表设计和制造的质量，规定其基本误差不得超过某一允许值，这个规定的允许值称为仪表的允许误差仪表允许误差的大小表明了保证该仪表的示值所能达到的精确程度。因此，一般仪表的精度等级就是按国家统一规定的允许误差大小来划分的 你现在浏览的是第八页，共73页93仪表的变差 在规定的条件下，用同一仪表对被测量进行正、反行程的测量，对某一测量点所得到的正、反行程两次示值之差称为该测量点上的示值变差 你现在
4、浏览的是第九页，共73页104仪表的灵敏度 仪表输出信号的变化量l（仪表刻度）和引起这个输出变化量的被测量变化量x 的比值，称为仪表的灵敏度 仪表的灵敏度是表示仪表对被测量值反应能力的指标 你现在浏览的是第十页，共73页115仪表的分辨力 仪表响应输入量微小变化的能力称为仪表的分辨力，常用分辨率或灵敏限来表示。分辨力是指能引起仪表指示器发生可见变化的被测量的最小变化量 仪表的分辨力与仪表的灵敏度都与仪表的量程有关你现在浏览的是第十一页，共73页1211.1.2 11.1.2 数字式显示仪表数字式显示仪表（一）数字式显示仪表的构成数字式显示仪表的构成如图所示 你现在浏览的是第十二页，共73页13
5、（二）数字式显示仪表的技术指标 1分辨率 仪表在最小量程时，最末一位数字跳变一个字所代表的量值。它反映了仪表的灵敏度 你现在浏览的是第十三页，共73页142精确度 在模拟量经A/D转换器变成数字量的过程中，至少要产生土1个量化单位的误差，因此，数字仪表的误差由模拟误差和数字误差两部分构成。数字仪表精确度的表示方法有两种：将第二种方法写成相对误差的形式，则有第二种方法用得较多，见例题你现在浏览的是第十四页，共73页153输入阻抗 它是指仪表在工作状态下，仪表两个输入端子之间所呈现的等效阻抗 你现在浏览的是第十五页，共73页164干扰抑制比 工业现场存在很强的电磁场及各种高频干扰，因此，对数字抗干
6、扰性有一定的要求，通常用干扰抑制比来表示 串模干扰：叠加在测量信号上共模干扰：不同的地电位造成的电位差你现在浏览的是第十六页，共73页11.1.3 智能式显示仪表智能式显示仪表模拟数字信号转换部分与数字式仪表相同转换后的数字信号送入微处理器中，进行处理后再显示智能式显示仪表按使用性质不同可分为专用型仪表和通用型仪表通用型仪表可以接受所有的标准电信号和部分非标准电信号的输入可以将输入信号进行输出，输出信号可以是模拟信号输出，也可以是以通讯方式的数字信号输出17你现在浏览的是第十七页，共73页1.智能式显示仪表的构成18你现在浏览的是第十八页，共73页2.智能式显示仪表的技术指标与特点技术指标智能
7、式显示仪表的技术指标与数字仪表基本相同在测量误差功能上它增加了零点、满度误差软件修正和数据线性化处理的功能经过软件处理后智能式显示仪表的测量精度要比数字仪表更高19你现在浏览的是第十九页，共73页主要特点是：具有常规仪表相同的功能；具有丰富的数据处理功能；可以方便的与各种输入信号连接；具有可编程功能；可以存储历史数据，并能方便的输出；具有数据通讯功能；与上位机配合可以构成分布式采集系统。发展极为迅速，目前正在朝着高精度、多功能、高可靠性、小型化、模块化、智能化的方向发展20你现在浏览的是第二十页，共73页2111.2 11.2 模拟式显示仪表模拟式显示仪表 11.2.1 11.2.1 动圈式显
8、示仪表动圈式显示仪表动圈仪表是一种发展较早的模拟式显示仪表，目前还有应用，它可以对直流毫伏信号进行显示，也可以对非电势信号但能转换成电势信号的参量进行显示 1动圈式显示仪表的特点 该仪表可以作参数指示显示，如XCZ型；也可作参数指示显示和控制，如XCT型它可与热电偶、热电阻等测温元件配合，作为温度显示、调节使用；也可与其他变送器配合，测量、控制其他参数 你现在浏览的是第二十一页，共73页222动圈仪表的组成及测量线路 动圈式仪表的组成如图所示，它是由测量线路和测量机构两部分组成 你现在浏览的是第二十二页，共73页233动圈式仪表型号 工业仪表型号由三节组成：第一节以大写字母表示，一般不超过三位
9、第二节以阿拉伯数字表示，一般不超过三位，尾注以大写汉语拼音字母一位表示，普通型不加尾注第三节以一位阿拉伯数字表示统一设计的序号，第一次统一设计不加第三节详见表11-1所示 你现在浏览的是第二十三页，共73页24表11-1 动圈式仪表型号 第一节 第二节 第三节 A B C 1 2 3 D 1 型号示例：XCZ-101,动圈式显示仪表，配接热电偶 你现在浏览的是第二十四页，共73页25（1）热电偶冷端温度补偿冷端温度按0刻度冷端温度补偿按20设计按热电偶的分度号设计温度补偿电路仪表的机械零点必须调在20 接入测量系统时应注意正负极性 你现在浏览的是第二十五页，共73页26热电偶冷端温度补偿电路原
10、理图你现在浏览的是第二十六页，共73页27（2）热电阻温度测量线路输入信号是电阻变化值 将电阻信号转换为毫伏信号 利用不平衡电桥电路完成 克服导线误差的三线制接法你现在浏览的是第二十七页，共73页28不平衡电桥测温电路原理图你现在浏览的是第二十八页，共73页2911.2.2 11.2.2 自动平衡式显示仪表自动平衡式显示仪表 自动平衡式显示仪表是一种用途广泛的自动显示记录仪表，它能测量、显示记录各种电信号（直流电压、电流或电阻）配用热电偶、热电阻或其他能转换成直流电压、电流或电阻的传感器、变送器，就可以连续指示和记录过程工业中的温度、压力、流量、物位以及成分等各种参数，并可附加调节器、报警器和
11、积算器等，实现多种功能具有较高的精度、灵敏度和信息能量传递效率，性能稳定、可靠，线性好，响应速度快你现在浏览的是第二十九页，共73页30（1）手动电位差计原理图 1、调电流，IG=0Es=I*Rk;I=Es/Rad2、测电压，IG=0Ex=I*Rab你现在浏览的是第三十页，共73页31（2）自动电位差计原理图你现在浏览的是第三十一页，共73页3211.3 数字式显示仪表数字式显示仪表 数字显示仪表中模数转换（AD）、非线性补偿和标度变换是组成数字式仪表的三要素数字式仪表原理图你现在浏览的是第三十二页，共73页3311.3.1 11.3.1 模拟一数字转换（模拟一数字转换（AD）在数字式显示仪表
12、中，为了实现数字显示，需要把连续变化的模拟量转换成数字量，就必须用一就必须用一定的量化单位使连续量的采样值整量化定的量化单位使连续量的采样值整量化，量化单量化单位越小，整量化的误差也越小位越小，整量化的误差也越小，数字量也就越接近于连续量本身的值 将模拟量转换为一定码制的数字量统称为模数转换。实际应用中所指的模数转换多为直流（缓变）电压到数字量的转换。AD转换器实际转换器实际上是一个编码器上是一个编码器 你现在浏览的是第三十三页，共73页341直接比较型AD转换 直接比较型 AD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，
13、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 AD转换。其原理如上图所示下面对典型的逐次逼近反馈编码型模数转换器加以讨论 你现在浏览的是第三十四页，共73页35逐次比较型 AD转换逐次比较型 AD转换是最典型的直接比较型。它的工作过程是用标准电压与被测电压从高位到低位逐次进行比较，采用大者弃、小者留大者弃、小者留的原则，不断逼近、逐渐积累不断逼近、逐渐积累，即将被测电压转换成为数字量被测电压转换成为数字量。为了具体了解这种转换原理举例说明，将模拟电压624mV按8、4、2、l码转换为数字输出（分辨力lmV）标准电压共有三组，具有以下等
14、级：800mV、400mV、200mV、100mV80mV、40mV、20mV、10mV 8mV、4mV、2mV、lmV你现在浏览的是第三十五页，共73页36逐次比较型 AD转换标准电压按高到低的顺序与被测电压642mV进行比较，从最高位开始，直至最低位比较结束，逐步实现模一数转换。比较过程和结果同时用波形图示出，如图11-11所示。比较过程如下：第一步，用第一组的最大值 800mV与 642mV进行比较，800mV642mV，此值弃去，记作“0”（标在示意图横坐标下方）第二步，用400mV与 642mV比较，400mV642mV，此值留下，记作“1”你现在浏览的是第三十六页，共73页37逐次
15、比较型 AD转换第三步，用（200400）mV与642mV比较，（200400）mV642mV，将（400200）mV值留下，记作“1”第四步，用（100200400）mV与642mV比较，（100200400）mV642mV，此值弃去，记作“0”百位比较完后，得到的是600 mV你现在浏览的是第三十七页，共73页逐次比较型 AD转换如此下去，直至第十二步，将最小电压值lmV用完得到三位二进制数码（0110；0100；0010）即642这个数码就是经比较后的转换结果，为模拟电压642mV的8、4、2、1码形式的数字输出38你现在浏览的是第三十八页，共73页39逐次逼近A/D转换编码过程 800
16、mV、400mV、600mV、700mV80mV、40mV、60mV、50mV 8mV、4mV、2mV、3mV电压比较过程：你现在浏览的是第三十九页，共73页40要实现以上转换，必须具备以下条件：要有一套相邻关系为二进制的标准电压，产生这套电压的网络称为解码网络要有一个比较鉴别器，通过它将被测电压和标准电压进行比较，并鉴别出大小，以决定是“弃”还是“留”要有一个数码寄存器，每次的比较结果“1”或是“0”由它保存下来要有一套控制线路，来完成下列两个任务：比较是由高位开始，由高位到低位逐位比较；根据每次的比较结果，使相应位数码寄存器记“1”或记“0”，并并由由此此决决定定是是否否保保留留这这位位“
17、解解码码网网络络”来来的电压的电压，“1”留“0”弃你现在浏览的是第四十页，共73页4111.3.2 11.3.2 非线性补偿非线性补偿 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（常用在智能仪表中）。硬件非线性补偿，可放在 AD转换之前的称为模拟式线性化；放在 AD转换之后的称为数字线性化；在 AD转换中进行非线性补偿的称为非线性 AD转换。模拟式线性化精度较低，但调整方便，成本低；数字线性化精度高；非线性 AD转换则介于上面两者之间，补偿精度可达0.l0.3，价格适中 你现在浏览的是第四十一页，共73页421模拟式线性化（1）串联方式接入由于检测元件或传感器的非线
18、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，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UO与X之间具有线性关系 你现在浏览的是第四十二页，共73页43（2）反馈式接入 所谓反馈式线性化就是利用反馈补偿原理，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UO和X之间的关系具有线性特性 你现在浏览的是第四十三页，共73页442数字线性化数字线性化是在模数转换之后的计数过程中，进行系数运算而实现非线性补偿的一种方法。基本原则仍然
19、是“以折代曲”。将不同斜率的斜线段乘以不同的系数，就可以使非线性的输入信号转换为有着同一斜率的线性输出，达到线性化的目的 你现在浏览的是第四十四页，共73页3.AD转换线性化 通过 AD转换直接进行线性化处理例如，利用AD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AD转换网络中去改变AD转换的比例系数，使AD转换最后输出的数字量N与被测E量X成线性关系45你现在浏览的是第四十五页，共73页11.3.3 信号的标准化及标度变换信号的标准化及标度变换将检测元件或传感器送来信号的标准化或标度变换，是数字显示仪表设计中必须解决的基本问题46你现在浏览的是第四十六页，共73页1、信号标准
20、化标准化的输出信号可以是电流、电压或其他形式的信号标准化的电流信号有两种，一种是将测量信号转换成420mA、DC；另一种是将测量信号转换成010mA、DC标准化的电压信号目前国内采用的统一直流电压传输信号有以下几种：010mV、030mV、040.95mV、050mV、05V、15V等47你现在浏览的是第四十七页，共73页2、标度变换对于过程参数测量用的数字仪表的显示，要求用被测变量的形式显示，例如：温度、压力、流量、物位等是一个量纲还原问题48你现在浏览的是第四十八页，共73页11.3.4 数字式仪表的规格与型号数字式仪表的规格与型号数字式仪表的型号基本沿袭了动圈式仪表的编号方法，见教材49
21、你现在浏览的是第四十九页，共73页11.4 智能式显示仪表智能式显示仪表将检测元件、变送器或传感器送来的电流或电压信号，经前置放大器放大后，经AD转换器转换成数字量信号然后将数字量信号经过智能式仪表内部的数据总线，传送给仪表内部的微处理器进行数据处理最后再进行显示和远传50你现在浏览的是第五十页，共73页11.4.1 智能式仪表的结构特点智能式仪表的结构特点微处理器化仪表的核心部分使用微处理器总线结构仪表内部以微处理器为核心的芯片都是以总线方式相连接的标准化接口并行总线接口RS232、RS485接口51你现在浏览的是第五十一页，共73页灵活的面板结构仪表使用功能键完成人机接口的简单操作功能使用
22、LED、LCD显示功能操作指令、测量数据及数据曲线等所有的面板操作与显示均由微处理器控制与管理52你现在浏览的是第五十二页，共73页11.4.2 数字滤波技术数字滤波技术测量信号在传输过程中混入了各种随机干扰信号，在A/D转换之前可以采用硬件电路进行滤波但是硬件滤波电路只能滤掉部分干扰信号，为了提高数据测量的精度在仪表内部还要使用软件滤波技术53你现在浏览的是第五十三页，共73页1、算术平均值法对同一测量点的数据，连续采样N次，然后取其平均值对周期性波动信号具有良好的平滑作用，其平滑程度取决于N的数值。N值取得太小，滤波效果不明显。N值取得太大，测量的实时性差算术平均值法是常用的、最简单的方法
23、，但是如果在测量信号中混入了较大的脉冲干扰，则会给测量结果带来很大的误差54你现在浏览的是第五十四页，共73页2、中位值法对同一测量点的数据，连续采样3次。将测量数据排队，取其中间值作为测量值可以有效地消除脉冲干扰信号。但是如果3次测量中，其中有2次采样的数据含有脉冲干扰信号，而且又都是同一方向的干扰，则滤波失效因此中位值法滤波的应用需要进一步完善55你现在浏览的是第五十五页，共73页3、综合滤波法结合上述的算术平均值法和中位值法滤波的特点，构成综合滤波法滤波过程是对同一测量点的数据，连续采样N次，将测量数据按数值大小顺序排队排队后将两端的数据各去除m个数据，剩下的数据再取其平均值吸收了均值滤
24、波和中值滤波的优点，具有较强的实用性。采用此种方法N值不能取得太小，通常N值取715次。m取值13次56你现在浏览的是第五十六页，共73页11.4.3 标度变换标度变换经过传感器、变送器和A/D转换后的测量信号，已经完全丢失了测量数据的量纲要想显示它的实际测量数据的量纲，需要进行标度变换信号传递过程的变化和最后的量纲转换过程与数字仪表相同57你现在浏览的是第五十七页，共73页1、线性信号的标度变换智能仪表的标度变换，就是将A/D转换后的数字信息复原成传感器测量的实际数据针对线性信号可有如下的转换关系58你现在浏览的是第五十八页，共73页2、非线性信号的标度变换测量信号与传输信号之间的关系有时是
25、非线性关系，可以采用数学计算的方法解决以流量测量为例，采用差压流量计测量，不考虑其液体密度的修正，流量与测量压差的关系59你现在浏览的是第五十九页，共73页11.4.4 非线性补偿技术非线性补偿技术在信号变送、传输、转换过程中，即使是线性传感器也会发生非线性的变化尤其是在高精度测量时，非线性变化的误差会直接影响测量精度目前在线性化处理方法中，最常用的是线性插值法，而且此方法在智能仪表中也很容易实现60你现在浏览的是第六十页，共73页1、线性插值原理线性插值的思想就是以直代曲将一个非线性的关系曲线，用分成若干的直线段来表示分成的直线段越多，越接近于曲线，线性插值的误差也就越小61你现在浏览的是第
26、六十一页，共73页2、线性插值分段法目前主要有两种线性插值分段法一种是等距分段法另一种是变距分段法。等距分段法计算简单、各段的线性化误差不相等变距分段法根据非线性化误差的大小来进行分段计算较为复杂，但是各段的线性化误差相等62你现在浏览的是第六十二页，共73页11.4.5 数据处理功能数据处理功能求取测量值的平均值、方差值、标准差值和均方根值等按线性关系、对数关系即乘方关系求取测量值相对于基准值的各种比值进行各种随机量的统计规律的分析和处理进行曲线拟合和非线性的校正进行逻辑运算，实现极值判别和报警功能等进行加、减、乘、除、积分、微分等计算63你现在浏览的是第六十三页，共73页11.4.6 自校
27、准功能自校准功能自动校准功能是为了消除测量过程中，智能仪表的使用环境发生变化而带来的测量误差这种校准功能只能减小仪表本身的测量转换误差，而消除不了测量信号的传输误差64你现在浏览的是第六十四页，共73页11.4.7 其他功能其他功能自诊断功能为了提高仪表的可靠性，要经常对仪表的输入、输出接口进行检查和诊断定时功能智能仪表中一般都设有硬件时钟。仪表可以将某些功能设成定时方式，定时进行各项工作定时方式可以有软件定时和硬件定时软件定时精度较低；硬件定时精度高。通讯功能通讯接口主要有RS232、RS485通讯方式主要有有线和无线两种方式65你现在浏览的是第六十五页，共73页11.5 传感器及变送器与显
28、示仪表的连接传感器及变送器与显示仪表的连接测量元件与变送电路制成一体，通称为一体化变送器（或一体化传感器）一体化变送器输出标准的电流、脉冲或者数字信号，增强了测量信号的抗干扰性420mA输出的两线制一体化变送器应用最多数字信息传送的一体化变送器也在逐渐的增多，称为现场总线式变送器以测量元件直接传送测量信号的目前还有应用，但是已经在逐渐减少66你现在浏览的是第六十六页，共73页11.5.1 传感器与显示仪表直接相连接传感器与显示仪表直接相连接热电偶的连接热电偶与显示仪表不能使用普通导线直接相连，要用补偿导线相连接显示仪表内有热点偶冰点补偿电路的可以与热电偶直接相连接，显示仪表内无补偿电路的要连接
29、冷端补偿热电偶67你现在浏览的是第六十七页，共73页热电阻的连接热电阻与显示仪表连接一般都采用三线制，连接导线无特殊要求，选择标准的信号电缆线即可仪表接线时要按照显示仪表接线端的提示符号连接热电阻热电阻与显示仪表两线制连接，连接导线较长时会产生误差68你现在浏览的是第六十八页，共73页11.5.2 一体化变送器与显示仪表相连接一体化变送器与显示仪表相连接一体化变送器是将各种测量传感器的测量信号转换成标准信号传输目前所用的标准信号主要有两种，一种是模拟信号，另一种是脉冲信号长距离传输的模拟信号主要是电流信号目前常用的电流信号是420mA脉冲信号主要有两种一种是变送器将测量信号转换成脉冲数量传送，
30、显示仪表实际上是计数器另一种是变送器将测量信号转换成数字量，利用串行通讯技术传输测量信号69你现在浏览的是第六十九页，共73页1、电流信号传输一体化变送器在进行信号转换时，是需要外部电源提供电能的，一般是需要外部提供24V的直流电源提供电能的电源线同时又是一体化变送器向显示仪表传输信号的信号线70你现在浏览的是第七十页，共73页2、接收脉冲信号显示仪表在接收脉冲信号传送时，实际是处于计数状态显示仪表计数器接收端对于接收脉冲信号的要求，要与一体化变送器所传送脉冲信号的幅度、上升沿或下降沿的指标相一致一般情况下选择的显示仪表最好是与一体化变送器相配套的产品，以免指标不一致产生较大的计数误差71你现在浏览的是第七十一页，共73页3、接收数字信号显示仪表在接收数字信号传送时，实际是处于数字通讯状态。此时显示仪表与一体化变送器之间除了信号的幅度、上升沿或下降沿的指标要求之外，还要有相互一致的通讯协议。可以传输数字信号的一体化变送器实际上是一个智能型的变送器，它的内部是由CPU为核心的电路构成，都有一个固定的地址，因此它可以采取总线方式传输测量信号此类一体化变送器最好也选用与之配套的显示仪表，否则容易产生通讯失败等问题72你现在浏览的是第七十二页，共73页73习题与思考1、4、6、8、9、10、13、16你现在浏览的是第七十三页，共73页