建筑环境测量技术章

建筑环境测量技术章第一页，共七十三页，2022年，8月28日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

第二页，共七十三页，2022年，8月28日311.1显示仪表的构成及基本原理

11.1.1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第三页，共七十三页，2022年，8月28日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第四页，共七十三页，2022年，8月28日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

第五页，共七十三页，2022年，8月28日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

第六页，共七十三页，2022年，8月28日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

第七页，共七十三页，2022年，8月28日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

第八页，共七十三页，2022年，8月28日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

第九页，共七十三页，2022年，8月28日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

第十页，共七十三页，2022年，8月28日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第十一页，共七十三页，2022年，8月28日1211.1.2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

第十二页，共七十三页，2022年，8月28日13（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

第十三页，共七十三页，2022年，8月28日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，见例题第十四页，共七十三页，2022年，8月28日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

第十五页，共七十三页，2022年，8月28日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第十六页，共七十三页，2022年，8月28日11.1.3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第十七页，共七十三页，2022年，8月28日1.智能式显示仪表的构成18第十八页，共七十三页，2022年，8月28日2.智能式显示仪表的技术指标与特点技术指标智能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第十九页，共七十三页，2022年，8月28日主要特点是：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第二十页，共七十三页，2022年，8月28日2111.2模拟式显示仪表

11.2.1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

第二十一页，共七十三页，2022年，8月28日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

第二十二页，共七十三页，2022年，8月28日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 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

第二十三页，共七十三页，2022年，8月28日24表11-1动圈式仪表型号

第一节第二节第三节

ABC—123D—1

型号示例：XCZ-101,动圈式显示仪表，配接热电偶

第二十四页，共七十三页，2022年，8月28日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

第二十五页，共七十三页，2022年，8月28日26热电偶冷端温度补偿电路原理图第二十六页，共七十三页，2022年，8月28日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第二十七页，共七十三页，2022年，8月28日28不平衡电桥测温电路原理图第二十八页，共七十三页，2022年，8月28日2911.2.2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，响应速度快第二十九页，共七十三页，2022年，8月28日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第三十页，共七十三页，2022年，8月28日31（2）自动电位差计原理图第三十一页，共七十三页，2022年，8月28日3211.3数字式显示仪表

数字显示仪表中模数转换（A／D）、非线性补偿和标度变换是组成数字式仪表的三要素

数字式仪表原理图第三十二页，共七十三页，2022年，8月28日3311.3.1模拟一数字转换（A／D）

在数字式显示仪表中，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，就必须用一定的量化单位使连续量的采样值整量化，量化单位越小，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。

A／D转换器实际上是一个编码器

第三十三页，共七十三页，2022年，8月28日341．直接比较型A／D转换

直接比较型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。其原理如上图所示下面对典型的逐次逼近反馈编码型模——数转换器加以讨论第三十四页，共七十三页，2022年，8月28日35逐次比较型

A／D转换逐次比较型

A／D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、小者留的原则，不断逼近、逐渐积累，即将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，具有以下等级： ①800mV、400mV、200mV、100mV ②80mV、40mV、20mV、10mV ③8mV、4mV、2mV、lmV第三十五页，共七十三页，2022年，8月28日36逐次比较型

A／D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，800mV＞642mV，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，400mV＜642mV，此值留下，记作“1”第三十六页，共七十三页，2022年，8月28日37逐次比较型

A／D转换第三步，用（200＋400）mV与642mV比较，（200＋400）mV＜642mV，将（400＋200）mV值留下，记作“1”第四步，用（100＋200＋400）mV与642mV比较，（100＋200＋400）mV＞642mV，此值弃去，记作“0”百位比较完后，得到的是600mV第三十七页，共七十三页，2022年，8月28日逐次比较型A／D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第三十八页，共七十三页，2022年，8月28日39逐次逼近A/D转换编码过程

①800mV、400mV、600mV、700mV②80mV、40mV、60mV、50mV③8mV、4mV、2mV、3mV电压比较过程：第三十九页，共七十三页，2022年，8月28日40要实现以上转换，必须具备以下条件：

①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②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”

③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④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”，并由此决定是否保留这位“解码网络”来的电压，“1”留“0”弃第四十页，共七十三页，2022年，8月28日4111.3.2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

A／D转换之前的称为模拟式线性化；放在

A／D转换之后的称为数字线性化；在

A／D转换中进行非线性补偿的称为非线性

A／D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

A／D转换则介于上面两者之间，补偿精度可达0.l％～0.3％，价格适中

第四十一页，共七十三页，2022年，8月28日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

第四十二页，共七十三页，2022年，8月28日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

第四十三页，共七十三页，2022年，8月28日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

第四十四页，共七十三页，2022年，8月28日3.A／D转换线性化

通过

A／D转换直接进行线性化处理例如，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E量X成线性关系45第四十五页，共七十三页，2022年，8月28日11.3.3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第四十六页，共七十三页，2022年，8月28日1、信号标准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4～20mA、DC；另一种是将测量信号转换成0～10mA、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：0～10mV、0～30mV、0～40.95mV、0～50mV、0～5V、1～5V等47第四十七页，共七十三页，2022年，8月28日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第四十八页，共七十三页，2022年，8月28日11.3.4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第四十九页，共七十三页，2022年，8月28日11.4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A／D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第五十页，共七十三页，2022年，8月28日11.4.1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第五十一页，共七十三页，2022年，8月28日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第五十二页，共七十三页，2022年，8月28日11.4.2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第五十三页，共七十三页，2022年，8月28日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，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第五十四页，共七十三页，2022年，8月28日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第五十五页，共七十三页，2022年，8月28日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7～15次。m取值1～3次56第五十六页，共七十三页，2022年，8月28日11.4.3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第五十七页，共七十三页，2022年，8月28日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第五十八页，共七十三页，2022年，8月28日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第五十九页，共七十三页，2022年，8月28日11.4.4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第六十页，共七十三页，2022年，8月28日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第六十一页，共七十三页，2022年，8月28日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第六十二页，共七十三页，2022年，8月28日11.4.5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第六十三页，共七十三页，2022年，8月28日11.4.6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第六十四页，共七十三页，2022年，8月28日11.4.7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第六十五页，共七十三页，2022年，8月28日11.5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4～20mA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第六十六页，共七十三页，2022年，