張廣嶺

工業(yè)儀器儀表涵蓋溫度儀表、壓力儀表、流量?jī)x表、電工儀表、測(cè)量?jī)x器以及各種分析儀器等多個(gè)種類，在工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中，這些儀器儀表主要擔(dān)負(fù)著監(jiān)測(cè)設(shè)備是否正常運(yùn)行的責(zé)任，因此，儀器儀表的自動(dòng)化控制技術(shù)水平與工業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)性以及企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益直接掛鉤，這就需要技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)熟悉掌握各種儀器儀表的技術(shù)原理以及自動(dòng)化控制技術(shù)，并最大限度的降低儀器儀表的故障率，以確保工業(yè)生產(chǎn)流程能夠正常進(jìn)行。

1 工業(yè)儀器儀表的類別與性能分析

工業(yè)儀器儀表種類繁多，按照功能用途劃分主要包括溫度儀表、壓力儀表、流量?jī)x表、電工儀器儀表、電子測(cè)量?jī)x表、分析儀器以及實(shí)驗(yàn)儀器等。其中，在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域最為常見(jiàn)的溫度儀表為熱電偶、熱電阻（如圖1 所示）、溫度傳感器等，壓力儀表包括壓力計(jì)、壓力變送器、壓力傳感器等，流量?jī)x表包括流量計(jì)、流量傳感器、流量變送器、液位計(jì)以及液位控制器等，電工儀器儀表包括電流表、電壓表、萬(wàn)用表、整流器等，電子測(cè)量?jī)x器包括物位儀、示波器、LCR 測(cè)量?jī)x等，分析儀器包括色譜儀、光度計(jì)、波譜儀等，而實(shí)驗(yàn)儀器則包括天平、熱量計(jì)、硬度計(jì)、真空測(cè)量?jī)x器等。

圖1 熱電阻

衡量和評(píng)價(jià)工業(yè)儀器儀表性能的優(yōu)劣需要參考精確度、靈敏度以及響應(yīng)時(shí)間這三項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)。首先就精確度而言，是保障監(jiān)測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確性的一項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)，這項(xiàng)指標(biāo)直接關(guān)系到設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)是否正常，而衡量該項(xiàng)指標(biāo)的主要原則是儀器儀表的測(cè)量結(jié)果與被測(cè)量真值之間的一致程度，通常用等級(jí)予以劃分，比如0.1 級(jí)、0.2 級(jí)、0.5 級(jí)等，其中，0.1 級(jí)是指儀器儀表的監(jiān)測(cè)誤差應(yīng)當(dāng)保證在±1.0%范圍之內(nèi)，級(jí)別越小，則代表監(jiān)測(cè)誤差越小。靈敏度是指被測(cè)的量值產(chǎn)生很小的增量時(shí)，其增量值與引起儀器儀表示值增量的比值，比值越小，說(shuō)明儀器儀表的靈敏度越高。而響應(yīng)時(shí)間則當(dāng)儀表輸入一個(gè)階躍量時(shí)，其輸出由初始值第一次到達(dá)最終穩(wěn)定值的時(shí)間間隔，如果穩(wěn)定值始終保持在95%以上，則說(shuō)明儀器儀表的響應(yīng)時(shí)間短。

2 儀器儀表的工作原理

2.1 溫度儀表的工作原理

以電阻式溫度計(jì)為例，該溫度儀表的測(cè)溫原理是基于導(dǎo)體或者半導(dǎo)體的電阻值，隨著被測(cè)量對(duì)象的溫度變化而變化的這一特性來(lái)辨識(shí)和測(cè)取與溫度相關(guān)的參數(shù)。一般情況下，被測(cè)量對(duì)象的溫度越高，其電阻值就越大。但是，對(duì)于一些具有負(fù)的電阻溫度系數(shù)的半導(dǎo)體材料來(lái)說(shuō)，被測(cè)量對(duì)象的溫度越高，電阻值則越小。目前，在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，較為常見(jiàn)的電阻式溫度計(jì)所選用的熱電阻元件主要包括鉑熱電阻、銅熱電阻以及半導(dǎo)體熱敏電阻。鉑熱電阻由高純度的鉑絲繞制而成，利用這種材質(zhì)制成的電阻，具有測(cè)量精度高、抗氧化能力強(qiáng)、使用性能安全穩(wěn)定等特征。但是，受到高溫條件的影響，鉑絲在還原性的工作環(huán)境下，表面極易被氧化而變脆，因此，在使用這種類型的儀表時(shí)，需要采取套管保護(hù)的方法，來(lái)避免鉑絲變脆情況的發(fā)生。相比對(duì)鉑熱電阻，銅熱電阻價(jià)格低廉，經(jīng)濟(jì)性好，但是，測(cè)量精度相對(duì)較低，而且一旦所處的環(huán)境溫度超過(guò)100℃，銅絲極易與氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)，因此，這種類型的熱電阻多用于-50℃～150℃的工作環(huán)境。而半導(dǎo)體熱敏電阻具有較高的靈敏度，在測(cè)量動(dòng)態(tài)溫度時(shí)，測(cè)量精度較高。但是，由于內(nèi)部元器件穩(wěn)定性差，不僅使用壽命短，而且在常規(guī)工作環(huán)境中測(cè)得的數(shù)值精度較差。

2.2 壓力儀表的工作原理

壓力儀表主要用來(lái)測(cè)量氣體、液體和蒸汽壓力的儀表，主要包括液柱式壓力計(jì)、活塞式壓力計(jì)等多種類型。以液柱式壓力計(jì)為例，按照壓力計(jì)的外形特點(diǎn)劃分，主要包括U 型壓力計(jì)與、單管壓力計(jì)（如圖2 所示）以及斜管壓力計(jì)。這種類型的壓力計(jì)，其工作原理主要是應(yīng)用液體靜力學(xué)原理，多用于測(cè)量壓力小于200Kpa 的壓力容器。這種壓力計(jì)內(nèi)部的液體類型多以水銀、水、酒精、四氯化碳、甘油為主，在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，液柱式壓力計(jì)一般被看作是標(biāo)準(zhǔn)壓力計(jì)，即其它壓力計(jì)測(cè)量結(jié)果需要與液柱式壓力計(jì)進(jìn)行比對(duì)。

圖2 U 型壓力計(jì)結(jié)構(gòu)形式 單管壓力計(jì)結(jié)構(gòu)形式

在測(cè)量設(shè)備與容器壓力時(shí)，可以通過(guò)液柱高度與壓力之間的換算關(guān)系得到最后的標(biāo)準(zhǔn)壓力值，即P=ρgh N/m2，公式當(dāng)中的ρ 代表液體密度，h 代表液體高度，g 代表重力加速度。在工業(yè)生產(chǎn)中，常用液柱式壓力計(jì)的計(jì)量刻度每一小格為1mm，測(cè)量精度較高的分格為0.5mm。U 型壓力計(jì)液柱高度誤差值為±1mm，而單管壓力計(jì)液柱高度誤差值為±0.5mm。

2.3 流量?jī)x表的工作原理

以容積式流量計(jì)為例，其基本工作原理是流量計(jì)的進(jìn)出口位置存在一定的壓力差，在這一差值的作用下，流量計(jì)內(nèi)部的轉(zhuǎn)子將隨之旋轉(zhuǎn)，這時(shí)，流量計(jì)內(nèi)部流體從入口處向出口處排出，進(jìn)而充滿計(jì)量空間，因此，只需要測(cè)出轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)，便可以得到流體的體積，其計(jì)算公式如下：V=Nv，其中，流體的體積為v，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)為N，二者的乘積即是流體體積的累積量。如果儀表的齒輪比常數(shù)為a，儀表指示值不I，那么I 與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)的關(guān)系式為I=aN，根據(jù)上述兩個(gè)計(jì)算式，能夠準(zhǔn)確判定出流體體積與儀表指示值之間的關(guān)系。

2.4 色譜儀工作原理

色譜儀主要是用來(lái)測(cè)量高分子材料的某種物質(zhì)的含量，在化學(xué)化工行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。以氣相色譜儀為例，該儀器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要包括載氣系統(tǒng)、進(jìn)樣系統(tǒng)、分離系統(tǒng)、檢測(cè)系統(tǒng)與記錄系統(tǒng)。其中載氣系統(tǒng)較為常用的載氣類型為氨氣和氮?dú)?，進(jìn)樣系統(tǒng)包括進(jìn)樣器與汽化室，汽化室溫度一般保持在20℃～400℃之間，主要作用是將被測(cè)量的物質(zhì)轉(zhuǎn)化成為蒸氣形態(tài)，然后被載氣直接帶入到色譜柱當(dāng)中。分離系統(tǒng)的核心裝置是色譜柱，另外還包括恒溫控制裝置與柱箱。檢測(cè)系統(tǒng)主要由檢測(cè)器與控溫裝置組成，檢測(cè)箱體中的溫度應(yīng)當(dāng)略高于柱溫或者與柱溫相同，在這種情況下，才能保證檢測(cè)精度。而記錄系統(tǒng)主要是由放大器、記錄器以及數(shù)據(jù)處理裝置組成，氣相色譜儀的工作原理如圖3 所示。

圖3 氣相色譜儀的工作原理

3 工業(yè)儀器儀表的自動(dòng)化控制技術(shù)

近年來(lái)，計(jì)算機(jī)與微電子技術(shù)迅猛發(fā)展，在這一背景之下，工業(yè)儀器儀表的自動(dòng)化水平也越來(lái)越高，而且在工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中的應(yīng)用效果與價(jià)值也逐步突顯出來(lái)。因此，有必要對(duì)工業(yè)儀器儀表的自動(dòng)化控制技術(shù)進(jìn)行深入剖析和解讀。

3.1 系統(tǒng)集成技術(shù)

系統(tǒng)集成技術(shù)是微電子時(shí)代的標(biāo)志性技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)將過(guò)去一些分散的元器件集合到一起，而功能性則表現(xiàn)的越加強(qiáng)大，尤其在儀器儀表的中樞系統(tǒng)當(dāng)中，通過(guò)設(shè)置通信模塊、系統(tǒng)解析模塊以及物理層等集成單元，使儀器儀表的監(jiān)測(cè)精度與靈敏度大幅提升。運(yùn)用該技術(shù)，儀器儀表能夠?qū)γ康郎a(chǎn)工序進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，一旦系統(tǒng)出現(xiàn)溫度異常、壓力異?；蛘哌\(yùn)行故障，儀器儀表將快速做出反應(yīng)，以規(guī)避因設(shè)備故障而造成的經(jīng)濟(jì)損失。因此，儀器儀表的系統(tǒng)集成技術(shù)實(shí)際上在促進(jìn)生產(chǎn)效率提升，降低生產(chǎn)成本方面表現(xiàn)的更加明顯。

3.2 智能化技術(shù)

儀器儀表自動(dòng)化控制集合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、數(shù)字技術(shù)、人工智能技術(shù)等一些高端技術(shù)類型，因此，儀器儀表在正常工作狀態(tài)下，借助于這些智能化技術(shù)，能夠精準(zhǔn)高效的完成監(jiān)測(cè)與檢測(cè)任務(wù)。尤其在機(jī)械制造領(lǐng)域，利用先進(jìn)的智能化技術(shù)，儀器儀表可以對(duì)各種零部件的加工精度進(jìn)行精準(zhǔn)識(shí)別，一旦加工精度與標(biāo)準(zhǔn)要求出現(xiàn)較大的誤差，系統(tǒng)將第一時(shí)間把各項(xiàng)數(shù)據(jù)參數(shù)反饋給終端操作平臺(tái)，技術(shù)人員通過(guò)對(duì)反饋數(shù)據(jù)的分析，能夠及時(shí)對(duì)錯(cuò)誤的運(yùn)行程序進(jìn)行糾正，進(jìn)而使整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程能夠始終保持正常狀態(tài)。

3.3 人機(jī)界面交互技術(shù)

人機(jī)界面交互技術(shù)實(shí)際上是將運(yùn)行程序轉(zhuǎn)化為通俗易懂的信息，以便于技術(shù)人員能夠快速讀懂信息內(nèi)容，進(jìn)而對(duì)儀器儀表進(jìn)行有效控制。這種技術(shù)主要借助于系統(tǒng)當(dāng)中的各個(gè)功能模塊，每一個(gè)模塊所發(fā)揮的作用各不相同，因此，傳輸?shù)男盘?hào)與程序指令也存在較大差異。這時(shí)，利用人機(jī)界面交互技術(shù)，系統(tǒng)可以對(duì)傳輸信號(hào)進(jìn)行智能化處理，進(jìn)而將其轉(zhuǎn)化成為可視化信號(hào)，然后在終端操作平臺(tái)顯示出來(lái)，平臺(tái)操作人員可以根據(jù)這些簡(jiǎn)單易懂的文字、圖形與數(shù)據(jù)準(zhǔn)確判斷出設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)是否正常，并可以同步了解和掌握各種設(shè)備的實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)狀況。如果從終端顯示界面上發(fā)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)存在異常情況，操作人員將及時(shí)把信息反饋給技術(shù)人員，并對(duì)故障類型與部位進(jìn)行分析查找，進(jìn)而在短時(shí)間排除故障隱患。

3.4 傳感檢測(cè)技術(shù)

傳感器作為一種智能化、數(shù)字化、微型化、多功能化的檢測(cè)裝置，在工業(yè)儀器儀表的監(jiān)測(cè)過(guò)程中發(fā)揮著關(guān)鍵性作用。一方面，傳感器可以將系統(tǒng)采集的信號(hào)與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成為電信號(hào)，然后直接傳輸?shù)焦δ軋?zhí)行單元，進(jìn)而完成信息的存儲(chǔ)、處理、顯示與控制功能。另一方面，利用傳感檢測(cè)技術(shù)可以快速查找出設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中存在的故障與問(wèn)題，并準(zhǔn)確識(shí)別出故障區(qū)域，這就給設(shè)備檢修爭(zhēng)取了大量時(shí)間。目前，工業(yè)儀器儀表中的傳感器主要包括兩種類型，一種是參量型傳感器，另一種是發(fā)電型傳感器，參量型傳感器主要輸出電阻、電感、電容等無(wú)源電參量，而發(fā)電型傳感器則輸出電壓或者電流，最具代表性的是熱電偶傳感器、光電傳感器以及磁電傳感器，傳感器檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2 所示。

圖4 傳感器檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

4 儀器儀表自動(dòng)化控制技術(shù)的應(yīng)用策略

近年來(lái)，工業(yè)儀器儀表逐步向微型化與智能化方向過(guò)渡，而儀器儀表在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，如果僅僅掌握一些理論技術(shù)知識(shí)則難以將其付諸于實(shí)踐，進(jìn)而使儀器儀表的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值被忽略，因此，為了進(jìn)一步提高儀器儀表的監(jiān)測(cè)精度與靈敏度，技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)關(guān)注以下幾方面問(wèn)題。

4.1 制訂周期性維護(hù)計(jì)劃

工業(yè)儀器儀表屬于精密型的監(jiān)測(cè)設(shè)施，而且系統(tǒng)內(nèi)部由大量的靈敏性元器件組成，受到工業(yè)生產(chǎn)惡劣作業(yè)環(huán)境與條件的影響，儀器儀表的持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間長(zhǎng)，外界施加的不利因素多，以至于給儀器儀表的使用壽命造成嚴(yán)重影響。因此，為了提高儀器儀表的監(jiān)測(cè)精度，延長(zhǎng)儀表的使用壽命，技術(shù)人員針對(duì)不同類型的儀表，應(yīng)當(dāng)制訂一個(gè)周期性維護(hù)保養(yǎng)計(jì)劃，對(duì)儀表在一個(gè)生命周期內(nèi)的運(yùn)行狀況予以監(jiān)測(cè)和記錄。首先，需要深入了解各種儀表的結(jié)構(gòu)組成與工作原理，然后對(duì)儀表所處的外部環(huán)境進(jìn)行統(tǒng)計(jì)記錄。比如高溫環(huán)境、高濕環(huán)境、高壓環(huán)境或者粉塵濃度大的環(huán)境等，接下來(lái)，結(jié)合儀表的故障類型，及時(shí)查找出故障誘因，以針對(duì)性的采取維修或者維護(hù)措施。另外，儀表每一個(gè)生命周期的運(yùn)行參數(shù)都存在較大差異，技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)對(duì)每一個(gè)運(yùn)行周期的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)記錄，比如溫度參數(shù)、壓力參數(shù)、液位高度等，這樣可以為日常維護(hù)保養(yǎng)提供更加有力的參考依據(jù)，而且也是延長(zhǎng)儀表使用壽命的一條有效路徑。

4.2 注重安裝調(diào)試環(huán)節(jié)

如果儀器儀表的安裝調(diào)試環(huán)節(jié)出現(xiàn)差錯(cuò)或者問(wèn)題，將嚴(yán)重影響儀表的正常運(yùn)行。比如以壓力計(jì)為例，在安裝調(diào)試過(guò)程中，由于工作人員疏忽而遺漏了校準(zhǔn)工序，在這種情況下，當(dāng)設(shè)備運(yùn)行壓力值超過(guò)臨界壓力值時(shí)，壓力計(jì)所監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)仍為正常值，這時(shí)，一些壓力容器極易發(fā)生爆炸等安全事故，因此可以說(shuō)，忽略了安裝調(diào)試環(huán)節(jié)的重要性等同于埋下了重大的安全隱患。出于對(duì)這方面的考慮，工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)當(dāng)定期舉辦內(nèi)部專業(yè)技術(shù)培訓(xùn)班，將儀器儀表的安裝程序以及調(diào)試方法等內(nèi)容納入到培訓(xùn)計(jì)劃當(dāng)中，并通過(guò)集中培訓(xùn)的方式，來(lái)持續(xù)提升技術(shù)人員的專業(yè)水平。另外，為了避免安全事故的發(fā)生，企業(yè)針對(duì)儀表故障應(yīng)當(dāng)制訂一套應(yīng)急響應(yīng)預(yù)案，一旦在安裝調(diào)試過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)儀表存在故障隱患，應(yīng)當(dāng)及時(shí)啟動(dòng)應(yīng)急響應(yīng)預(yù)案，進(jìn)而將故障風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生概率降到最低點(diǎn)。

4.3 優(yōu)化儀器儀表性能與結(jié)構(gòu)

自動(dòng)化儀器儀表與控制系統(tǒng)的兼容性一直是技術(shù)人員普遍關(guān)注的焦點(diǎn)問(wèn)題，如果兼容性差，儀器儀表的部分功能也將被屏蔽，進(jìn)而影響監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性，基于對(duì)這一點(diǎn)的考慮，技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，利用一些較為先進(jìn)的算法對(duì)儀器儀表的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，對(duì)儀器儀表的工作性能進(jìn)行優(yōu)化。比如遺傳算法、蟻群算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、二次型最優(yōu)算法等。以蟻群算法為例，從字面意思理解可以得知該算法產(chǎn)生的靈感來(lái)自于螞蟻覓食過(guò)程中發(fā)現(xiàn)路徑的行為，這種算法屬于一種模擬進(jìn)化算法，利用該算法可以對(duì)PID 控制器的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后的各項(xiàng)參數(shù)不僅能夠提升儀器儀表的監(jiān)測(cè)精度，而且也可以運(yùn)算過(guò)程也極為簡(jiǎn)化。另外，對(duì)儀器儀表的處理器來(lái)說(shuō)，可以向微型處理器過(guò)渡，比如說(shuō)較為常見(jiàn)的單片機(jī)，這是一種較為典型的嵌入式微控制器，主要由運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器以及輸入輸出設(shè)備組成，雖然單片機(jī)體積微小，但是卻相當(dāng)于一臺(tái)微型計(jì)算機(jī)，尤其在高速單片機(jī)出現(xiàn)以后，使得系統(tǒng)的運(yùn)算速度大幅提升，在這種情況下，儀器儀表的監(jiān)測(cè)效率也提升到一個(gè)新的高度。

5 結(jié)語(yǔ)

儀器儀表自動(dòng)化控制技術(shù)給工業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)的高效展開(kāi)提供了強(qiáng)大的技術(shù)支持，因此，工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)可以充分利用儀器儀表自動(dòng)化控制技術(shù)的功能優(yōu)勢(shì)，在獲取真實(shí)確鑿的監(jiān)測(cè)結(jié)果的同時(shí)，使各類生產(chǎn)設(shè)備能夠始終保持在正常運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，進(jìn)而為經(jīng)濟(jì)效益的持續(xù)增長(zhǎng)與企業(yè)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。