儀器儀表中自動化控制的探究

張廣嶺

工業儀器儀表涵蓋溫度儀表、壓力儀表、流量儀表、電工儀表、測量儀器以及各種分析儀器等多個種類，在工業生產當中，這些儀器儀表主要擔負著監測設備是否正常運行的責任，因此，儀器儀表的自動化控制技術水平與工業生產的可持續性以及企業的經濟效益直接掛鉤，這就需要技術人員應當熟悉掌握各種儀器儀表的技術原理以及自動化控制技術，并最大限度的降低儀器儀表的故障率，以確保工業生產流程能夠正常進行。

1 工業儀器儀表的類別與性能分析

工業儀器儀表種類繁多，按照功能用途劃分主要包括溫度儀表、壓力儀表、流量儀表、電工儀器儀表、電子測量儀表、分析儀器以及實驗儀器等。其中，在工業生產領域最為常見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、壓力變送器、壓力傳感器等，流量儀表包括流量計、流量傳感器、流量變送器、液位計以及液位控制器等，電工儀器儀表包括電流表、電壓表、萬用表、整流器等，電子測量儀器包括物位儀、示波器、LCR 測量儀等，分析儀器包括色譜儀、光度計、波譜儀等，而實驗儀器則包括天平、熱量計、硬度計、真空測量儀器等。

圖1 熱電阻

衡量和評價工業儀器儀表性能的優劣需要參考精確度、靈敏度以及響應時間這三項技術指標。首先就精確度而言，是保障監測結果準確性的一項關鍵指標，這項指標直接關系到設備的運行狀態是否正常，而衡量該項指標的主要原則是儀器儀表的測量結果與被測量真值之間的一致程度，通常用等級予以劃分，比如0.1 級、0.2 級、0.5 級等，其中，0.1 級是指儀器儀表的監測誤差應當保證在±1.0%范圍之內，級別越小，則代表監測誤差越小。靈敏度是指被測的量值產生很小的增量時，其增量值與引起儀器儀表示值增量的比值，比值越小，說明儀器儀表的靈敏度越高。而響應時間則當儀表輸入一個階躍量時，其輸出由初始值第一次到達最終穩定值的時間間隔，如果穩定值始終保持在95%以上，則說明儀器儀表的響應時間短。

2 儀器儀表的工作原理

2.1 溫度儀表的工作原理

以電阻式溫度計為例，該溫度儀表的測溫原理是基于導體或者半導體的電阻值，隨著被測量對象的溫度變化而變化的這一特性來辨識和測取與溫度相關的參數。一般情況下，被測量對象的溫度越高，其電阻值就越大。但是，對于一些具有負的電阻溫度系數的半導體材料來說，被測量對象的溫度越高，電阻值則越小。目前，在工業生產領域，較為常見的電阻式溫度計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，利用這種材質制成的電阻，具有測量精度高、抗氧化能力強、使用性能安全穩定等特征。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，需要采取套管保護的方法，來避免鉑絲變脆情況的發生。相比對鉑熱電阻，銅熱電阻價格低廉，經濟性好，但是，測量精度相對較低，而且一旦所處的環境溫度超過100℃，銅絲極易與氧氣發生氧化反應，因此，這種類型的熱電阻多用于-50℃～150℃的工作環境。而半導體熱敏電阻具有較高的靈敏度，在測量動態溫度時，測量精度較高。但是，由于內部元器件穩定性差，不僅使用壽命短，而且在常規工作環境中測得的數值精度較差。

2.2 壓力儀表的工作原理

壓力儀表主要用來測量氣體、液體和蒸汽壓力的儀表，主要包括液柱式壓力計、活塞式壓力計等多種類型。以液柱式壓力計為例，按照壓力計的外形特點劃分，主要包括U 型壓力計與、單管壓力計（如圖2 所示）以及斜管壓力計。這種類型的壓力計，其工作原理主要是應用液體靜力學原理，多用于測量壓力小于200Kpa 的壓力容器。這種壓力計內部的液體類型多以水銀、水、酒精、四氯化碳、甘油為主，在工業生產過程中，液柱式壓力計一般被看作是標準壓力計，即其它壓力計測量結果需要與液柱式壓力計進行比對。

圖2 U 型壓力計結構形式 單管壓力計結構形式

在測量設備與容器壓力時，可以通過液柱高度與壓力之間的換算關系得到最后的標準壓力值，即P=ρgh N/m2，公式當中的ρ 代表液體密度，h 代表液體高度，g 代表重力加速度。在工業生產中，常用液柱式壓力計的計量刻度每一小格為1mm，測量精度較高的分格為0.5mm。U 型壓力計液柱高度誤差值為±1mm，而單管壓力計液柱高度誤差值為±0.5mm。

2.3 流量儀表的工作原理

以容積式流量計為例，其基本工作原理是流量計的進出口位置存在一定的壓力差，在這一差值的作用下，流量計內部的轉子將隨之旋轉，這時，流量計內部流體從入口處向出口處排出，進而充滿計量空間，因此，只需要測出轉子的轉動次數，便可以得到流體的體積，其計算公式如下：V=Nv，其中，流體的體積為v，轉子的轉動次數為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為a，儀表指示值不I，那么I 與轉子轉動次數的關系式為I=aN，根據上述兩個計算式，能夠準確判定出流體體積與儀表指示值之間的關系。

2.4 色譜儀工作原理

色譜儀主要是用來測量高分子材料的某種物質的含量，在化學化工行業得到廣泛應用。以氣相色譜儀為例，該儀器的內部結構主要包括載氣系統、進樣系統、分離系統、檢測系統與記錄系統。其中載氣系統較為常用的載氣類型為氨氣和氮氣，進樣系統包括進樣器與汽化室，汽化室溫度一般保持在20℃～400℃之間，主要作用是將被測量的物質轉化成為蒸氣形態，然后被載氣直接帶入到色譜柱當中。分離系統的核心裝置是色譜柱，另外還包括恒溫控制裝置與柱箱。檢測系統主要由檢測器與控溫裝置組成，檢測箱體中的溫度應當略高于柱溫或者與柱溫相同，在這種情況下，才能保證檢測精度。而記錄系統主要是由放大器、記錄器以及數據處理裝置組成，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 工業儀器儀表的自動化控制技術

近年來，計算機與微電子技術迅猛發展，在這一背景之下，工業儀器儀表的自動化水平也越來越高，而且在工業生產當中的應用效果與價值也逐步突顯出來。因此，有必要對工業儀器儀表的自動化控制技術進行深入剖析和解讀。

3.1 系統集成技術

系統集成技術是微電子時代的標志性技術，這項技術將過去一些分散的元器件集合到一起，而功能性則表現的越加強大，尤其在儀器儀表的中樞系統當中，通過設置通信模塊、系統解析模塊以及物理層等集成單元，使儀器儀表的監測精度與靈敏度大幅提升。運用該技術，儀器儀表能夠對每道生產工序進行實時監測與動態監測，一旦系統出現溫度異常、壓力異常或者運行故障，儀器儀表將快速做出反應，以規避因設備故障而造成的經濟損失。因此，儀器儀表的系統集成技術實際上在促進生產效率提升，降低生產成本方面表現的更加明顯。

3.2 智能化技術

儀器儀表自動化控制集合了計算機技術、微電子技術、數字技術、人工智能技術等一些高端技術類型，因此，儀器儀表在正常工作狀態下，借助于這些智能化技術，能夠精準高效的完成監測與檢測任務。尤其在機械制造領域，利用先進的智能化技術，儀器儀表可以對各種零部件的加工精度進行精準識別，一旦加工精度與標準要求出現較大的誤差，系統將第一時間把各項數據參數反饋給終端操作平臺，技術人員通過對反饋數據的分析，能夠及時對錯誤的運行程序進行糾正，進而使整個生產過程能夠始終保持正常狀態。

3.3 人機界面交互技術

人機界面交互技術實際上是將運行程序轉化為通俗易懂的信息，以便于技術人員能夠快速讀懂信息內容，進而對儀器儀表進行有效控制。這種技術主要借助于系統當中的各個功能模塊，每一個模塊所發揮的作用各不相同，因此，傳輸的信號與程序指令也存在較大差異。這時，利用人機界面交互技術，系統可以對傳輸信號進行智能化處理，進而將其轉化成為可視化信號，然后在終端操作平臺顯示出來，平臺操作人員可以根據這些簡單易懂的文字、圖形與數據準確判斷出設備的運轉狀態是否正常，并可以同步了解和掌握各種設備的實際運轉狀況。如果從終端顯示界面上發現設備運轉存在異常情況，操作人員將及時把信息反饋給技術人員，并對故障類型與部位進行分析查找，進而在短時間排除故障隱患。

3.4 傳感檢測技術

傳感器作為一種智能化、數字化、微型化、多功能化的檢測裝置，在工業儀器儀表的監測過程中發揮著關鍵性作用。一方面，傳感器可以將系統采集的信號與數據轉換成為電信號，然后直接傳輸到功能執行單元，進而完成信息的存儲、處理、顯示與控制功能。另一方面，利用傳感檢測技術可以快速查找出設備運行過程中存在的故障與問題，并準確識別出故障區域，這就給設備檢修爭取了大量時間。目前，工業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，另一種是發電型傳感器，參量型傳感器主要輸出電阻、電感、電容等無源電參量，而發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，傳感器檢測系統結構示意圖如圖2 所示。

圖4 傳感器檢測系統結構示意圖

4 儀器儀表自動化控制技術的應用策略

近年來，工業儀器儀表逐步向微型化與智能化方向過渡，而儀器儀表在實際應用過程中，如果僅僅掌握一些理論技術知識則難以將其付諸于實踐，進而使儀器儀表的實際應用價值被忽略，因此，為了進一步提高儀器儀表的監測精度與靈敏度，技術人員應當重點關注以下幾方面問題。

4.1 制訂周期性維護計劃

工業儀器儀表屬于精密型的監測設施，而且系統內部由大量的靈敏性元器件組成，受到工業生產惡劣作業環境與條件的影響，儀器儀表的持續運轉時間長，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重影響。因此，為了提高儀器儀表的監測精度，延長儀表的使用壽命，技術人員針對不同類型的儀表，應當制訂一個周期性維護保養計劃，對儀表在一個生命周期內的運行狀況予以監測和記錄。首先，需要深入了解各種儀表的結構組成與工作原理，然后對儀表所處的外部環境進行統計記錄。比如高溫環境、高濕環境、高壓環境或者粉塵濃度大的環境等，接下來，結合儀表的故障類型，及時查找出故障誘因，以針對性的采取維修或者維護措施。另外，儀表每一個生命周期的運行參數都存在較大差異，技術人員應當對每一個運行周期的運行狀態參數進行詳細記錄，比如溫度參數、壓力參數、液位高度等，這樣可以為日常維護保養提供更加有力的參考依據，而且也是延長儀表使用壽命的一條有效路徑。

4.2 注重安裝調試環節

如果儀器儀表的安裝調試環節出現差錯或者問題，將嚴重影響儀表的正常運行。比如以壓力計為例，在安裝調試過程中，由于工作人員疏忽而遺漏了校準工序，在這種情況下，當設備運行壓力值超過臨界壓力值時，壓力計所監測到的數據仍為正常值，這時，一些壓力容器極易發生爆炸等安全事故，因此可以說，忽略了安裝調試環節的重要性等同于埋下了重大的安全隱患。出于對這方面的考慮，工業生產企業應當定期舉辦內部專業技術培訓班，將儀器儀表的安裝程序以及調試方法等內容納入到培訓計劃當中，并通過集中培訓的方式，來持續提升技術人員的專業水平。另外，為了避免安全事故的發生，企業針對儀表故障應當制訂一套應急響應預案，一旦在安裝調試過程中，發現儀表存在故障隱患，應當及時啟動應急響應預案，進而將故障風險的發生概率降到最低點。

4.3 優化儀器儀表性能與結構

自動化儀器儀表與控制系統的兼容性一直是技術人員普遍關注的焦點問題，如果兼容性差，儀器儀表的部分功能也將被屏蔽，進而影響監測數據的精準性，基于對這一點的考慮，技術人員應當充分發揮計算機技術的優勢，利用一些較為先進的算法對儀器儀表的內部結構進行改造，對儀器儀表的工作性能進行優化。比如遺傳算法、蟻群算法、神經網絡算法、二次型最優算法等。以蟻群算法為例，從字面意思理解可以得知該算法產生的靈感來自于螞蟻覓食過程中發現路徑的行為，這種算法屬于一種模擬進化算法，利用該算法可以對PID 控制器的參數進行優化，優化后的各項參數不僅能夠提升儀器儀表的監測精度，而且也可以運算過程也極為簡化。另外，對儀器儀表的處理器來說，可以向微型處理器過渡，比如說較為常見的單片機，這是一種較為典型的嵌入式微控制器，主要由運算器、控制器、存儲器以及輸入輸出設備組成，雖然單片機體積微小，但是卻相當于一臺微型計算機，尤其在高速單片機出現以后，使得系統的運算速度大幅提升，在這種情況下，儀器儀表的監測效率也提升到一個新的高度。

5 結語

儀器儀表自動化控制技術給工業生產活動的高效展開提供了強大的技術支持，因此，工業生產企業可以充分利用儀器儀表自動化控制技術的功能優勢，在獲取真實確鑿的監測結果的同時，使各類生產設備能夠始終保持在正常運轉狀態，進而為經濟效益的持續增長與企業的長遠發展奠定堅實基礎。