提高在線電測儀表及現場檢測儀表準確度的探討

陸 霞

（華電四川寶珠寺水力發電廠，四川 廣元 628003）

在線電測儀表和現場檢測儀表是工業生產中測量各種物理參量的主要設備，常見的電流、電壓、有功、無功、電量、壓力、流量、頻率、波形、轉速、溫度等均要通過這些檢測儀表來測量。從使用角度看，儀表的準確度是最為重要的考量。影響其準確度的因素較多，如環境中存在的電磁干擾、振動干擾等。研究提高在線電測量儀表和現場檢測儀表準確度的方法具有深遠的意義，有利于提高生產工藝的穩定性。

1 在線電測儀表和現場檢測儀表內容

第一，在線電測儀表。工業生產中的大量設備以電力驅動，電壓作用在通路上之后會產生電流、電場、磁場等運行參數，而這些參數是表征設備運行狀態的依據，對維護工藝生產的穩定性具有非常重要的作用。在線電測儀表以電子化、數字化的方式直接測量這些電學參量和磁學參量，其特點是精度高、讀數方便、測量快捷。典型的在線電測儀表為數字式交流采樣儀、數字萬用表，這類設備可用于檢測頻率、相位、電流、電阻值、電壓、功率以及功率因數等一系列參數，以數字化的方式直接將測量結果顯示在LED 屏上。在線電測儀表的發展與當前電力驅動設備的廣泛使用存在直接的關系，有些電測儀表直接安裝在特定的位置上，對用電設備實施長期性的監測。有些電測儀表用于臨時性的檢測，在用電設備安裝、調試、檢修等工作中發揮著重要的作用。在線電測儀表是將電測儀表和互聯網整合在一起，實現數據采集、傳輸、存儲等一體化操作，這是工業物聯網發展的必然趨勢和結果。線電測儀表在使用時尤其要關注準確度、精度、靈敏度以及穩定性等性能參數，并且由于其具備遠程采集和傳輸數據的能力，獲取的數據將直接顯示在管理終端，例如，工程管理人員可通過電腦設備直接讀取工業生產線上的某些電磁參量，實現了自動化、遠程化的操控[1]。

第二，現場檢測儀表。在工業生產中除了各種電磁學參量、設備或者管道的壓力、設備或者介質的溫度、液體或者氣體介質的流量以及液位等都是非常重要的工藝指標。為了實現對這些參數的檢測，發展出了各種類型的現場檢測儀表，如壓力計、紅外測溫槍、直讀式液位計、壓力式溫度計、孔板流量計等。這些現場檢測儀標的實現原理各不相同，但通常都是基于物理學原理。現場檢測儀表通常固定安裝在工藝生產線中，有些是通過工作人員現場讀取數據，有些借助工業通信技術傳輸給遠程管理端。

2 儀表影響因素分析

在線電測儀表和現場檢測儀表的工作原理存在較大的差異，前者依賴于電力電子技術，后者更多地使用機械和物理學原理。在線電測儀表在實際工作中有可能受到周圍環境的干擾，因為現代社會下的電磁環境非常復雜，電力傳輸產生的工頻電場、通信基站產生的電磁場以及工業生產和制造中形成的電磁輻射等都可能干擾電測量的精度和靈敏度。對于現場檢測儀表，由于其長期部署在工藝生產線上，環境溫度、濕度、內部的阻塞等會對其正常運行產生較大的干擾，進而影響檢測結果，儀表類測量工具重點關注兩個因素[2]。

2.1 表計量程

無論是在線電測儀表，還是現場檢測儀表，其自身都存在最大量程，在評價儀表的質量時，最大引用誤差是一個非常關鍵的參數。最大引用誤差的計算方法是絕對誤差和表計量程的比值乘以百分之百。絕對誤差是為了衡量檢測精度而專門創造的一個物理參數，其含義是測量結果和實際值之間的差值，絕對誤差具有三種可能的結果，正值、負值或者零，所以任何情況下都會存在絕對誤差。在絕對誤差不可避免的情況下，那就必須借助一定的方法提高檢測儀表的精度，降低絕對誤差對測量結果的影響。顯然如果絕對誤差和表計量程之間的比值越小，說明其對整個測量結果的影響越小，反之則表明測量結果越大。而表計量程作為其中一個重要參數，自然會顯著地影響到在線電測儀表和現場檢測儀表的精度。所以在使用這些測量設備的過程中要注意表計量程，通常情況下機械式檢測儀表將待測量控制在表計量程的1/3～2/3 之間[3]。在線電測儀表要關注待測量的數量級是否和表的量程在同一個級別。如果待測量過大，有可能造成在線檢測儀表過載。

2.2 表計準確度等級

在工業生產或者電力計量管理中，對各種待測量的準確度度存在不同要求，有些待測量對測量精度提出了很高的要求，有些對誤差的要求相對較低。高精度的測量要使用高準確度的測量儀器。按照國家標準，目前將測量儀表的準確度等級劃分為0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0 共計七個等級，數值越小表明測量準確度越高[4]。因此，在實際應用過程中要根據測量精度上的需求，合理選用滿足需求的測量儀表。

3 儀表裝置應用環境

第一，環境溫度。環境對在線電測儀表和現場檢測儀表的使用效果具有較為明顯的影響。例如，在線電測儀表中含有較多的導線、電阻以及晶體管等材料或者元件，導線大多為銅線，電阻大多為錳銅合金制成，金屬材料的特點是容易受到環境溫度的影響，因為其本身的熱傳導性非常優異。因此，這些檢測儀器通常要在適宜的溫度下使用，超過安全閾值就會降低檢測結果的精度，較為適宜的測量溫度是不超過20 攝氏度，低溫也會產生干擾，建議控制在零攝氏度以上[5]。

第二，環境濕度。除了環境溫度方面的因素，還要考慮到濕度造成的影響，這方面最容易受到干擾的依然是在線電測儀表，原因在于電測儀表內部本身就是以電力方式驅動測量，當空氣中含有較多的水分時，連接電子元器件的線路上有可能產生短路之類的問題，并且潮濕會加速檢測儀表金屬部分的腐蝕速度，嚴重時可造成故障[6]。這方面的典型例子是變送器接電端子處出現漏電，PLC 等顯示儀表的讀數在這種情況下會偏高。

第三，振動因素。現場檢測儀表大多是以指針的方式來顯示具體的讀數，指針穩定之后才能讀取相關數據。但是在特定的工藝生產線中，周圍的設備有可能產生比較明顯的振動作用，進而干擾檢測儀表指針的穩定性，造成誤讀。還有些檢測儀表需要在非常穩定的環境下實施檢測，否則將會產生嚴重的偏差，其對振動作用的承受度非常低，典型的設備是渦街流量計，這種設備用于檢測管路中的流量參數，如果管路本身處于振動中，那么流量計的零點也無法穩定下來，測量的數據會在一定范圍內波動，無法形成準確的讀數[7]。

第四，電磁干擾。環境中的電磁干擾是造成在線電測儀表數據不準的重要原因之一，通常情況下可引發電磁干擾的因素包括儀表周邊的用電設備，有些用電設備內部存在較多的金屬線圈，通電后可產生一定強度的磁場，進而干擾電測儀表內部的運行。例如，電力變頻器用于將工頻電源轉化成頻率和電壓可控的交流電，其作用原理是先將交流電變成直流電，再將直流電轉化成符合特定要求的交流電。在這一過程中會頻繁地產生電磁變換，如果在線電測儀表處于這種電磁環境中，難免會受到其干擾。對于這一問題，有效的解決方式是對儀表實施接地操作，或者有些檢測儀表在設計時就考慮到了抗電磁干擾的問題，可優先使用。

4 提升準確度的相關對策

4.1 選用環境適應性強、抗干擾能力強的檢測儀表

儀表檢測技術經過長時間的發展，已經取得了很大的技術性突破，現階段的檢測儀表正朝著環境適應性強、抗干擾能力強的方向發展。這方面的成功案例是增加了霍爾傳感器的檢測儀表，霍爾傳感器應用了物理學中的霍爾效應，在檢測儀表中增加這種傳感器的優點是借助霍爾效應形成一種改進的磁場，其對電磁數據的測量精度產生了顯著的促進作用。另一方面，前文已經分析過環境溫度對在線電測量儀器的干擾性。霍爾傳感器對灰塵、振蕩、水分以及環境溫度等因素具備突出的抗干擾能力。因此，即使檢測儀表的工作環境溫度處于較為劇烈的變化狀態，加裝有霍爾傳感器的儀表也不會受到明顯的影響，檢測精度依然能夠保證。采用這種原理的檢測儀表在市場上已經成為主流，其優異的環境適應性受到了市場的廣泛認可。

4.2 合理控制檢測儀表的表計量程和準確度等級

第一，表計量程的選擇依據。這一參數反映了一個檢測儀表的最大使用量程，理論上講，只要待測量不超過表計量稱，那么檢測儀表就符合使用要求，但實際情況是如果待測量和表計量稱非常接近時，會產生較大的誤差，這種情況在機械式現場測量儀表中表現得更加突出。這就要求使用者在選用儀表時充分評估這一問題，可根據歷史經驗評估待測量的最大值，然后根據此類確定表計量程。一般待測量要落在表計量程的合理區間范圍之內，機械式檢測儀器的合理范圍是不超過表計量稱的2/3。第二，準確度等級的選擇。所謂準確度實際上就是檢測儀表的測量精確度，也就是其控制誤差的能力。精度等級的確定取決于生產工藝的實際需求。在線電測儀表使用數字化的方式來呈現測量結果，這類儀器測量的物理量集中在電流、電壓、電容等方面，其測量精度通常都較高。現場檢測儀表受到檢測原理的限制，在精度方面存在較大的差異，使用單位在選用檢測儀表時應該根據待測量合理控制精度級別，以滿足生產需求為核心，原則上應該優先考慮精度高的測量儀器。

4.3 采用抗電磁干擾性能優異的檢測儀表

電磁干擾是影響在線電測儀表使用效果的常見因素之一，除了減少測量儀表工作環境中的干擾性因素，還應該在設計層面增加預防電磁干擾的技術措施。設置金屬屏蔽裝置是實現這一目標的有效方法，這種設計方法的原理是通過屏蔽裝置將測量儀表中的信號與外界的電磁信號完全隔絕開，根據外界電磁干擾的強度，可采用單層屏蔽或者多層屏蔽的設計方案，顯然，多層屏蔽的設計方案具有更強的抗干擾性。另一方面，消除環境中電磁干擾因素也是非常重要的管理措施。在安裝和使用檢測儀表之前，要對周圍的電磁干擾因素做出全面的評估，提前做好預防和控制措施。

4.4 使用先進的檢測儀表

在線電測儀表和現場檢測儀表種類繁多，應用范圍各有差異，即使是相同領域的檢測儀表，在技術和原理上也并一定完全一致。在實際應用過程中應該盡可能選用技術更加先進和成熟的檢測儀表。現場檢測儀表長期部署在露天環境下，容易受到雨水、粉塵、高溫、腐蝕等因素的干擾，進而導致其靈敏度、精確度等受到嚴重的干擾。在選用現場檢測儀表時應該優先考慮其在抗環境干擾方面的性能，當然，前提條件是其測量精度、量程等滿足使用需求。在線電測儀表通常具備多功能用途，同一臺設備上可集成電壓、電流、電容等多種測量功能。較為典型的是FLUKE 數字式萬用表，同時具備多種測量功能。

4.5 加強儀表安裝和接地

第一，加強儀表安裝，避免振動效應產生的干擾。在線電測儀表或者現場檢測儀表大多是安裝在工藝生產線的特點位置，如果設備安裝固定效果不佳，在后續的使用過程中有可能產生顯著的振動作用，進而造成嚴重的誤差。在存在振動源的環境下，可將具備緩沖效果的材料支點在測量儀表下方，借此來提高其穩定性，減少振動作用造成的負面影響。第二，在線電測量儀表本身要通過電力驅動完成相應的測量任務，由于其使用了金屬殼體或者導線，在通電情況下會存在外殼帶電的風險，并且還會影響到測量信號的采集和傳輸，鑒于此，這種測量儀表上應該進行接地處理，將專用的接地導線和此類設備的外殼實現聯通，及時排除干擾因素。

5 結語

在線電測儀表和現場檢測儀表的測量準確度會受到電磁輻射、溫度、濕度等因素的干擾，并且這些測量儀器在具體使用過程中還應該根據待測量的特點合理選擇表計量程和測量準確度等級。儀表安裝是非常重要的一個環節，對預防振動干擾效果顯著，接地、屏蔽等措施可預防電磁干擾對測量準確度的影響。