第十一章智能测量技术及其应用

第十一章智能测量技术及其应用第11章11.1　概述11.1.1　微型化11.1.2　智能化11.1.3　多功能化11.2　智能传感器11.2.1　概述11.2.2　智能化传感器的结构11.2.3　模糊传感器11.2.4　集成式智能传感器11.3　网络化仪表11.3.1　现场总线差压变送器11.3.2　现场总线协议第11章11.3.3　现场总线仪表应用的特点11.4　虚拟仪表和软测量技术简介11.1　概述11.1.1　微型化11.1.2　智能化11.1.3　多功能化11.1.1　微型化　　传感器微型化归功于计算机辅助设计技术、微机电系统技术以及敏感光纤技术的发展。传感器的设计手段从传统的结构化生产设计转变为基于计算机辅助设计的模拟式工程化设计，使得设计人员能够在较短的时间内设计出低成本、高性能的新型传感器系统，从而推动了传感器系统以更快的速度向着能够满足科技发展需求的微型化方向发展。11.1.2　智能化　智能化传感器是微型机与传感器结合的产物，它不仅能进行外界信号的测量、转换，而且能进行信息存储、信息分析和结论判断等功能。它的出现是传感技术的一次革命，对传感器的发展产生了深远的影响。11.1.3　多功能化　　传感器多功能化是当前传感器技术发展中的一个全新方向，它是指将若干种敏感元件总装在同一种或单独一块芯片上，用来同时测量多种参数，全面反映被测量的综合信息，或对系统误差进行补偿和校正。美国MERRITI公司研制开发的无触点皮肤敏感系统，包括无触点超声波、红外辐射引导、薄膜式电容以及温度、气体传感器等。DTP型智能压力传感器中集成压力、环境压力和温度三种传感元件。其中，主传感器为差压传感器，用来探测差压信号，辅助传感器为温度和环境压力传感器，它们用于调节和校正由于温度和工作环境的压力变化而导致的测量误差。11.2　智能传感器11.2.1　概述11.2.2　智能化传感器的结构11.2.3　模糊传感器11.2.4　集成式智能传感器11.2.1　概述　传统的传感器是模拟仪器仪表或模拟计算机时代的产物。它的设计指导思想是把外部信息变换成模拟电压或电流信号。它的输出幅值小，灵敏度低，而且功能单一，因而被人们称为“聋哑传感器”。11.2.2　智能化传感器的结构1.硬件部分2.软件部分3.智能传感器中的信息处理技术4.结构特点11.2.2　智能化传感器的结构图11-1　智能传感器的结构框图1.硬件部分(1)主机部分　主机部分通常由微处理器CPU、存储器、输入输出I/O接口电路组成，或者其本身就是一个具有多种功能的单片机。(2)模拟量输入输出部分　模拟量输入输出部分用来输入输出模拟量信号，主要由传感器、相应信号处理电路、转换器、输入输出I/O接口等几部分组成。(3)人机联系部件　人机联系部件的作用是沟通操作人员和传感器之间的联系，主要由传感器面板中的键盘、显示器等组成。(4)通信接口　标准通信接口用于实现智能传感器与通用型计算机的联系，使传感器可以接受计算机的程控指令，较易构成多级分布式自动测控系统(集散控制系统)。(1)主机部分　主机部分通常由微处理器CPU、存储器、输入输出I/O接口电路组成，或者其本身就是一个具有多种功能的单片机。(2)模拟量输入输出部分　模拟量输入输出部分用来输入输出模拟量信号，主要由传感器、相应信号处理电路、转换器、输入输出I/O接口等几部分组成。(3)人机联系部件　人机联系部件的作用是沟通操作人员和传感器之间的联系，主要由传感器面板中的键盘、显示器等组成。(4)标准通信接口　标准通信接口用于实现智能传感器与通用型计算机的联系，使传感器可以接受计算机的程控指令，较易构成多级分布式自动测控系统(集散控制系统)。2.软件部分　　智能传感器的软件主要包括监控程序、接口管理程序和数据处理程序三大部分。监控程序面向传感器面板的键盘和显示器，帮助实现由键盘完成的数据输入或功能预置、控制以及由显示器对CPU处理后的数据以数字、字符、图形等形式显示等任务。接口管理程序主要通过控制接口电路的工作以完成数据采集、I/O通道控制、数据存储、通信等任务。数据处理程序主要完成数据滤波、运算、分析等任务。3.智能传感器中的信息处理技术(1)量程自动转换　如果传感器和显示器的分辨率一定，而仪表的测量范围很宽，为了提高测量精确度，智能化仪表应能自动转换量程。(2)标度变换　生产过程中的各个参数都有着不同的量纲和数值，根据不同的检测参数，采用不同的传感器，就有不同的量纲和数值。(3)自动校准　在智能传感器的测量输入通道中，一般均存在零点偏移和漂移，产生放大电路的增益误差及器件参数的不稳定等现象，他们会影响测量数据的准确性，这些误差属于系统误差，必须对这些误差进行校准。(4)数字滤波　由于被测对象所处的环境比较恶劣，常存在干扰源，如环境温度、电场、磁场等，在测量信号中往往混有噪声、干扰等，使测量值偏离真实值。(5)非线性补偿　在许多智能化传感器中，一些参数往往是非线性参数，常常不便于计算和处理，有时甚至很难找出明确的数学表达式。(1)量程自动转换　如果传感器和显示器的分辨率一定，而仪表的测量范围很宽，为了提高测量精确度，智能化仪表应能自动转换量程。(2)标度变换　生产过程中的各个参数都有着不同的量纲和数值，根据不同的检测参数，采用不同的传感器，就有不同的量纲和数值。(3)自动校准　在智能传感器的测量输入通道中，一般均存在零点偏移和漂移，产生放大电路的增益误差及器件参数的不稳定等现象，他们会影响测量数据的准确性，这些误差属于系统误差，必须对这些误差进行校准。(4)数字滤波　由于被测对象所处的环境比较恶劣，常存在干扰源，如环境温度、电场、磁场等，在测量信号中往往混有噪声、干扰等，使测量值偏离真实值。(5)非线性补偿　在许多智能化传感器中，一些参数往往是非线性参数，常常不便于计算和处理，有时甚至很难找出明确的数学表达式。4.结构特点1)开发性强，可靠性高　计算机软件在智能传感器中起着举足轻重的作用。2)改善了仪表性能，提高了测量精确度　利用微处理器的运算、逻辑判断、统计处理功能，可对测量数据进行分析、统计和修正，还可对线性、非线性、温度、噪声以及漂移等进行处理和误差补偿。3)智能化　传感器的智能化表现在：①具有自诊断、自校准功能，可在接通电源时进行开机自检，可在工作中进行自检，并可实时自行诊断测试以确定哪一组件有故障，提高了工作可靠性；②具有自适应、自调整功能，可根据待测物理量的数值大小及变化情况自动选择测量量程和测量方式，提高了测量的适用性；③具有记忆、存储功能，可进行测量数据的随时存取，加快了信息的处理速度；④具有组态功能，可实现多传感器、多参数的复合测量，扩大了测量与使用范围；⑤可通过改变程序或采用可编程的方法增减传感器功能和规模来适应不同环境和对象，甚至达到改变传感器性质的目的。4.结构特点4)具有友好的人机对话界面　操作人员通过键盘输入命令，智能传感器通过显示器显示仪表的运行情况、工作状态以及对测量数据的处理结果，使得人机联系非常密切。5)具有数据通信功能　智能化传感器具有数据通信功能，采用标准化总线接口，可方便地与网络、外部设备及其他设备进行数据交换，提高了信息处理的质量。11.2.3　模糊传感器图11-2　模糊传感器的结构功能示意图11.2.4　集成式智能传感器1.智能传感器的实现途径2.集成智能传感器的几种模式3.集成智能传感器实例1.智能传感器的实现途径　　从结构上划分，智能传感器可以分为模块式和集成式。初级的智能传感器是由许多互相独立的模块组成，如将微计算机、信号调理电路模块、数字电路模块、显示电路模块和传感器装配在同一壳体结构内，则组成模块式智能传感器。混合式智能传感器是将敏感元件、信号处理电路、微处理器单元、数字总线接口等环节以不同的组合方式集成在两块或三块芯片上，并装在一个外壳里，目前这类结构较多。集成化智能传感器系统是采用微机械加工技术和大规模集成电路工艺技术，利用硅作为基本材料制作敏感元件、信号调理电路、微处理单元，并把它们集成在一块芯片上而构成的。这种传感器集成度高，体积小，但目前的技术水平还很难实现。2.集成智能传感器的几种模式按具有的智能化程度来讲，集成化智能传感器有初、中、高三种存在形式。初级形式是智能传感器系统最早出现的商品化形式，因此被称为“初级智能传感器”。它是将敏感元件与智能信号调理电路(不包括微处理器)封装在一个外壳里。其中智能信号调理电路用来实现比较简单的自动校零、非线性的自动校正、温度自动补偿功能。中级形式是将敏感元件、信号调理电路和微处理器单元封装在一个外壳里，强大的软件使它具有完善的智能化功能。高级形式是将敏感元件实现多维阵列化，同时配备更强大的信息处理软件，使之具有更高级的智能化功能。它不仅具有完善的智能化功能，而且具有更高级的传感器阵列信息融合功能，或具有成像与图像处理等功能。3.集成智能传感器实例图11-3　DSTJ—3000型智能压力传感器方框图11.3　网络化仪表11.3.1　现场总线差压变送器11.3.2　现场总线协议11.3.3　现场总线仪表应用的特点11.3.1　现场总线差压变送器1.工作原理2.应用介绍1.工作原理(1)振荡器　产生一个频率与传感器电容有关的振荡信号。(2)信号隔离器　将来自CPU的控制信号和来自振荡器的信号相互隔离，以免共地干扰。(3)CPU、RAM和PROM　CPU是变送器的智能部件，它负责完成测量工作、功能块的执行、自诊断以及通信任务。(4)EEROM　在传感器部件中另有一个EEROM，它保存着不同压力和温度下传感器的特性数据。(5)MODEM　监测链路活动，调制和解调通信信号，插入和删除起始标志和结束标志。(6)电源　由现场总线上获得电源，为变送器的电路供电。(7)电源隔离器　与输入部分的信号隔离类似，送至输入部分的电源也必须隔离。(8)显示控制器　接收来自CPU的数据，控制液晶显示器各段的显示。1.工作原理(9)就地调整部件　就地调整部件有两个可用磁性工具调整的磁性开关，因而没有机械和电气接触。(1)振荡器　产生一个频率与传感器电容有关的振荡信号。(2)信号隔离器　将来自CPU的控制信号和来自振荡器的信号相互隔离，以免共地干扰。(3)CPU、RAM和PROM　CPU是变送器的智能部件，它负责完成测量工作、功能块的执行、自诊断以及通信任务。图11-4　现场总线差压变送器的电路原理方框图(4)EEROM　在传感器部件中另有一个EEROM，它保存着不同压力和温度下传感器的特性数据。(5)MODEM　监测链路活动，调制和解调通信信号，插入和删除起始标志和结束标志。(6)电源　由现场总线上获得电源，为变送器的电路供电。(7)电源隔离器　与输入部分的信号隔离类似，送至输入部分的电源也必须隔离。(8)显示控制器　接收来自CPU的数据，控制液晶显示器各段的显示。(9)就地调整部件　就地调整部件有两个可用磁性工具调整的磁性开关，因而没有机械和电气接触。2.应用介绍现场总线仪表是以网络节点的形式挂接在现场总线网络上，它采用功能块的结构，通过组态设计，完成数据采集、A/D转换、数字滤波、压力温度补偿等各种功能。功能块是用户对设备的功能进行组态的模型。某些功能块通过转换块直接由硬件读写数据，块输出可由总线上的其他设备读取，其他设备也可以把数据写到块的输入端。以模拟量输入块为例，它接受一个来自转换块的变量，即实际测量值，并进行标度变换、滤波，然后输出为其他块所用。输出可以是输入的线性函数或者平方根函数。块可以报警并切换到手动，以便迫使输出成为一个可调整的值。11.3.2　现场总线协议1.物理层2.数据链路层3.应用层1.物理层　　在物理层采用基于Bell202通信标准的频移键控FSK技术。在现有的4~20mA模拟信号上叠加FSK数字信号，以1200Hz的信号表示逻辑1，以2200Hz的信号表示逻辑0，通信速率为1200bps，单台设备的最大通信距离为3000m，多台设备互连的最大通信距离为1500m，通信介质为双绞线，最大节点数为15个。2.数据链路层　　数据链路层采用可变长帧结构，每帧最长为25个字节，寻址范围为0~15。当地址为0时，处于4~20mA与数字通信兼容状态。而当地址为1~15时，则处于全数字通信状态。通信模式为“问答式”或“广播式”。3.应用层　　应用层规定了三类命令：第一类是通用命令，适用于遵循HART协议的所有产品；第二类称为普通命令，适用于遵循HART协议的大多数产品；第三类成为特殊命令，适用于遵循HART协议的特殊设备。另外HART还为用户提供了设备描述语言(DDL，DeviceDescriptionLanguage)。11.3.3　现场总线仪表应用的特点1.采用现场总线技术，节省导线、电缆及其安装费用2.现场总线采用数字通信方式，可提高传输精确度3.现场仪表具有综合管理功能4.现场总线仪表存在的问1.采用现场总线技术，节省导线、电缆及其安装费用(1)多仪表互连　在模拟通信方式中，一对导线只能连接一台现场仪表。(2)多变量测量　在模拟通信方式中，测量一个变量就需要一对导线，每台现场仪表只能测量一个过程变量；采用现场总线通信方式，一台现场仪表可以同时测量多个过程变量。(3)多变量变送　现场总线可以实现多变量传送，一台测量多变量的现场仪表只要用一对导线，就可以把该现场仪表测量的变量全部传送出去。(1)多仪表互连　在模拟通信方式中，一对导线只能连接一台现场仪表。(2)多变量测量　在模拟通信方式中，测量一个变量就需要一对导线，每台现场仪表只能测量一个过程变量；采用现场总线通信方式，一台现场仪表可以同时测量多个过程变量。(3)多变量变送　现场总线可以实现多变量传送，一台测量多变量的现场仪表只要用一对导线，就可以把该现场仪表测量的变量全部传送出去。2.现场总线采用数字通信方式，可提高传输精确度　　在模拟通信方式中，传输装有微处理器的现场仪表数据时，数据在进行A／D、D／A转换时会产生误差，传输模拟信号过程中也会产生误差。现场总线是用数字信号传输数据，可以消除转换误差和传输误差，系统精确度可以保证。3.现场仪表具有综合管理功能　使用现场总线不但可以传输过程变量值和控制输出值，而且还可以传输很多用于设备管理的信息。所以，现场仪表能够实现更多的功能。例如，具有温度压力校正的现场总线流量变送器，具有阀门流量特性补偿的现场总线阀门定位器等。4.现场总线仪表存在的问题　　现场总线仪表是未来工业过程控制系统的主流仪表，它与现场总线是组成FCS的两个重要部分。但是目前各种现场总线标准都有自己规定的协议格式，相互之间互不兼容，这就要求在某个现场总线中使用的智能仪表必须符合该现场总线的有关规定，但给系统的扩展、维护等带来了不利的影响。现场总线国际标准的制定却进展缓慢，现场总线标准不统一影响了现场总线仪表的应用。11.4　虚拟仪表和软测量技术简介在智能测量技术中还发展形成了虚拟仪表和软测量技术。虚拟仪表(VI，VirtualInstrument)是20世纪80年代末出现的一种测量仪表。它是指以通用计算机作为测量控制器，由软件来实现人机交互和大部分仪表功能的一种计算机仪表系统。仪表的操控和测量结果的显示是借助计算机显示器以虚拟面板的形式来实现的，数据的传送、分析、处理、存储是由计算机软件来完成的。在过程控制和系统优化领域，有很多非常重要的工艺过程变量由于技术或是经济上的原因，很难通过传感器进行在线连续测量。为了解决此类变量的测量问题，目前已经形成了软测量方法及其应用技术。11.4　虚拟仪表和软测量技术简介表A-8　铜-锰白铜热电偶分度表政策倾向和趋势新型智慧城市产生的原因新型智慧城市与传统相比”新“在何处？新型智慧城市建设的”六个一“工程新型智慧城市的建设行动目标新型智慧城市的评价指标*自2008年IBM提出“智慧地球”的概念以来，建设智慧城市，以应对城镇化发展过程中带来的人口增长、环境污染、交通拥堵等各类“城市病”，促进城市健康、安全和可持续发展，已经成为全球城市发展的共同诉求和大势所趋。据统计，截至2016年6月，全国95%的副省级以上城市、超过76%的地级城市，超过500座城市，明确提出或正在建设智慧城市，我国已经成为世界智慧城市建设的“试验场”。*从“智慧城市”到“新型智慧城市”我国首次提到智慧城市是2012年1月颁布的《国务院关于印发工业转型升级规划(2011-2015年)的通知》，该通知从推进物联网应用的角度，明确了智慧城市的应用领域。2014年3月，中共中央、国务院印发《国家新型城镇化规划(2014-2020年)》，提出利用大数据、云计算、物联网等新一代信息技术，推动智慧城市发展，首次把智慧城市建设引入国家战略规划，并提出到2020年，建成一批特色鲜明的智慧城市。2014年8月，经国务院同意，国家发展改革委等八部委联合印发了《关于促进智慧城市健康发展的指导意见》。*从“智慧城市”到“新型智慧城市”2015年，新型智慧城市被首次写入政府工作；2016年，国家“十三五”规划纲要明确提出“建设一批新型示范性智慧城市”。同时相关部门提出在“十三五”时期，将有针对性地组织100个城市开展新型智慧城市“试点”，同时开展智慧城市建设效果评价工作。2016年10月，习近平在政治局集体学习中强调“以推行电子政务、建设新型智慧城市等为抓手，以数据集中和共享为途径，建设全国一体化的国家大数据中心，推进技术融合、业务融合、数据融合，实现跨层级、跨地域、跨系统、跨部门、跨业务的协同管理和服务。”进一步对我国新型智慧城市的建设和发展提出了要求。*为什么要提出“新型智慧城市”传统的智慧城市建设侧重于技术和管理，忽视了“技术”与“人”的互动、“信息化”与“城市有机整体”的协调，导致了“信息烟囱”“数据孤岛”，重技术轻应用、重投入轻实效，公共数据难以互联互通，市民感知度较差等问题。*智慧城市从1.02.0的演进*关键在于打通传统智慧城市的各类信息和数据孤岛，实现城市各类数据的采集、共享和利用，建立统一的城市大数据运营平台。*新型智慧城市是一个复杂的系统，需要遵循体系建设规律，运用系统工程方法，构建开放的体系架构；通过“强化共用、整合通用、开放应用”的思想，指导各类新型智慧城市的建设和发展。为了实现城市的精确感知、信息系统的互联互通和惠民服务的无处不在，要构建一张天地一体化的城市信息服务栅格网，夯实新型智慧城市建设的基础。为有效管理城市基础信息资源，提高系统的使用效率，要构建一个通用功能平台，实现各类信息资源的调度管理和服务化封装，进而支撑城市管理与公共服务的智慧化。海量数据是新型智慧城市的特有产物，要建立一个开放共享的数据体系，通过对数据的规范整编和融合共用，实现并形成数据的“总和”，进而有效提高决策支持数据的生产与运用，进一步提升城市治理的科学性和智能化水平。为更好对城市的市政设施、公共安全、生态环境、宏观经济、民生民意等状况有效掌握和管理，需要构建新型智慧城市统一的运行中心，实现城市资源的汇聚共享和跨部门的协调联动。标准化是新型智慧城市规范、有序、健康发展的重要保证，需要通过政府主导，结合各城市特色，分类规划建设内容及核心要素，建立健全涵盖“建设、改革、评价”三方面内容的标准体系。**客观指标自选指标主观指标主观指标自选指标*中国电科华为 提出“六个一”的思路：“一个开放的体系架构、一个共性基础网、一个通用功能平台、一个数据体系、一个高效的运行中心、一套统一的标准体系”； 与国内外19家企业和3所高校共同发起成立“新型智慧城市”建设企业联盟。*THANKS谢谢聆听*************