世紀之交的自動化儀表——檢測儀表與執行器的技術進展

世紀之交的自動化儀表
——檢測儀表與執行器的技術進展

吳欽煒

摘　要：概要介紹了世紀之交人們關注的自動化儀表，重點是流量、物位檢測儀表與執行器的技術進展。
關鍵詞：發展概況　工業自動化儀表　流量儀表　物位儀表　執行器

The Automation Instrumentation in New Millennium
The Development of the Technologies of Detecting InstrumentsActuators

Abstract：The automation instrumentation concerned by people in new millennium is introduced in general． The main area is the development of the technologies of detecting instruments of flow， material levelactuators．
Key words：General development Process automation instrumentation Flow instrument Material level instrument Actuator▲

　　21世紀已經到來，人們將進入以知識經濟為特征的信息時代。微電子技術、計算機技術、通信網絡技術和自動化技術將繼續速發展，作為工業自動化技術工的自動化儀表與裝置也將跨入真正的數字化、智能化、網絡化的時代。
　　傳感技術、計算機技術與通信技術一起構成現代信息的三大基礎。有的專家認為：在計算機與自動化領域內，80年代的熱點是個人計算機，90年代是計算機網絡，而21世紀*個10年的熱點很可能是傳感、執行與檢測。這種預測是有一定根據的。近幾年，微電子、微機械、新材料和新的發展與計算機、通信技術的廣泛應用，將可能創造出新一代的傳感與檢測系統。有人稱之為智能傳感技術或者現代傳感技術，它與現場總線技術相結合，必將對自動化儀表與裝置的技術發展產生重大影響。
　　關于21世紀工業自動化和工業控制計算機的發展，已有不少文章作了論述。本文僅就近期的一些文章介紹和作者的認識，對檢測儀表與執行器的技術進展作些介紹，以期能展開更多的討論和創新。
　　檢測儀表與執行器是供應過程自動化和經營管理現代化的基礎，特別受到人們的重視。隨著工業自動化技術進展，它們起著越來越為重要的作用，因為沒有性能、度、質量的儀表檢測到各種有關的信息，要實現水平的自動化就是一句空話。
　　在工業過程檢測方面，常規的溫度、壓力、流量與物位4大熱工變量的檢測已經有較成熟的技術基礎和產品。新一代的檢測儀表主要特點是數字化和智能化，它們是以微計算機為核心，可以自動調零、線性化、補償環境因素變化，并配置圖形顯示儀表，直觀地表達測量結果。在檢測技術方面，超聲、微波、激光等新技術正被大量采用，用以解決不同工業領域遇到的特殊測量問題和提性能的要求。因此，檢測儀表與執行器的當務之急，一方面要積極改進既有的測量方法，進一步完善創新和實現微機化與智能化；另一方面是采用新的測量原理，開發新的檢測儀表，擴大自動檢測的新領域。下面將介紹人們關注的流量、壓力、物位等幾種檢測儀表和執行器的技術進展。

1　分布式光纖溫度傳感網絡

　　清華大學吳秋峰教授在《迎接21世紀工業控制的一些思考》一文中提到：智能傳感技術與計算機網絡技術相結合，就產生了智能傳感網絡的概念。它將致力于智能傳感網絡通信功能的研究和各種技術的融合，做到信息采集、傳輸、處理的集成與協同，這必將對工業控制、集成自動化等產生影響。
　　這個技術動向，先介紹一種用于工業過程檢測的分布式光纖溫度傳感網絡。它是一種實時、在線、多點光纖溫度測量系統，是近年來發展的、用于實時測量空間溫度場的新技術，成為工業過程控制中的新檢測方法與技術。系統中的光纖既是傳輸媒體又是傳感媒體，利用光纖背向喇曼散射的溫度效應，光纖所處空間各點溫度場調制了光纖中的背向喇曼散射的強度，經波分復用器和光電檢測器采集了帶有溫度信息的背向喇曼散射光電信號，再經信號處理，解調后將溫度信息實時從噪聲中提取出來并進行顯示，它是典型的激光光纖溫度通信網絡。在一根2km 光纖上可采集1 000個溫度信息并能進行空間定位，已經應用于煤礦、隧道的火災自動溫度報警系統，也可用于油庫、危險品倉庫的溫度報警和大型設備溫度分布測量等。分布式光纖溫度傳感網絡的傳感光纖不帶電，抗射頻和電磁干擾，防燃、防爆、抗腐蝕、耐電壓和強磁場、耐電離輻射，能在有害環境中安全運行，系統有自標定、自校準和自檢測功能。
　　為了跟蹤新技術在工業過程實時檢測方面的應用，我們期望這類智能傳感網絡將會更多被研究開發出來。

2　一體化節流式流量計

　　世紀之交，在流量檢測技術方面亦沒有出現全新的儀表。但是，有真正智能化功能的各種流量儀表將蓬勃地發展起來，例如智能差壓變送器的發展，已使人們看到節流裝置仍會有很強的生命力。
　　一體化節流式流量計是將節流裝置、差壓變送器與流量顯示裝置融為一體構成的流量測量系統。它引入了節流定值的概念，使差壓式流量計跨上了一個新臺階，是流量儀表的一次革新。專家們說：差壓式流量計新的輝煌時期即將到來。
　　一體化節流式流量計選噴嘴為節流件（也可選用孔板），毋需實流標定，耐腐蝕，壓損小，檢定周期長，方便用戶更換，便于批量供應，降低節流件造價；它將節流裝置與差壓變送器做成一體，可消除現場安裝偏心或不垂直等可能帶來的附加誤差，不僅保證了安裝準確性和測量度，而且縮短了引壓管線，減少了故障率，改善了動態特性，這對于自控系統有重要意義。它配置寬量程差壓變送器和顯示裝置可方便地對在線節流裝置進行遷移和擴展量程，使流量計范圍度達 6∶1～10∶1，它對流量系數、可膨脹系數都采取實時計算，對密度進行查表，因而不確定度可忽略不計，保證測量度能大幅度提。根據近期資料介紹一體化節流式流量計在新建工廠中已較多應用，有著廣闊的市場前景。

3　電磁流量計

　　在眾多流量儀表中，電磁流量計是發展較快的流量檢測儀表，這是由于它有的一些特出點。電磁流量計的發展方向是小型化和智能化。
　　近年來，電磁流量計在勵磁技術、內襯技術、智能化技術方面都有新的進展。如勵磁技術上發展的雙頻矩形波技術，實現了零點穩定性和響應速度、抗干擾能力的良統一，使得流量信號幅度為通常電磁流量計的10倍。有信噪比，可適用于紙漿、礦漿等測量。在絕緣襯里材料方面，目前已有采用工業陶瓷襯里，它耐腐蝕、耐磨損、溫壓下不變形，電極與襯里間相燒結以解決管壁滲漏問題；還有無電極電磁流量計是由陶塑襯里感應在管壁上形成電極，經特種信號處理而獲取流量信號，可以測電導率極低（0．05μS／cm）的污水流量；在智能化技術方面，借助微處理器和軟件編程技術，可實現拓寬量程，補償測量誤差、零點校正、勵磁自診斷、正反相流判斷、空管與不滿管的自診斷等，都極大地增強電磁流量計技術性能和測量功能，而性和穩定性的改善尤為特出。
　　將電磁流量測量技術與過程層析成像技術相結合，正在開辟著過程檢測的新領域。其原理是借助電容式多對電極多對線圈并適當安排兩者的不同組合，就可獲得比一個磁場一對電極更豐富的測量信息，經過數學處理后可得到非軸對稱流型流體的準確流量，再通過進一步的圖象重構和信息處理，可復現原流場，這將有助于流體其它特性和狀態的研究。

4　超聲流量計

　　超聲流量計已有25年的歷史，可作為對非導電性液體準確的、無機械阻礙的流量測量儀表，其技術發展方向是傳感器與管道壁的一體化設計，全焊接結構，無壓力損失。現已有多種測量技術和產品：多普勒超聲流量計、時差式超聲流量計、不滿管超聲流量計、插入式超聲流量計等。
　　值得指出的是，自90年代以來氣體超聲流量計象一顆耀眼的新星驟然升起。它在天然氣工業中的成功應用有突破性進展，一些天然氣流量計量的疑難問題可望解決。據稱由于準確度和維修費用低，多聲道氣體超聲流量計已被氣體工業界接受，它是自氣體渦輪流量計后被氣體工業界接受的Z重要的流量計量器。至今已有 12個家的政府機構批準氣體超聲流量計為法定計量器，在外天然氣工業的貿易輸送、氣體分配、調合、控制和檢漏等方面都開始采用它。從近二三年的發展看，氣體超聲流量計也有理論上無需進行流量標定、與介質無關等點，現正逐步走向實用化。外一些儀表公司都已批量供應，包括用于主管道的大口徑流量計和家用煤氣表已經積累了相當多的應用經驗，其價格將逐步降低，可以預測它將占有較大的市場。

5　直接式質量流量計

　　我目前正處于能源更新換代的歷史時期，油品和燃氣的流量測量必將成為流量測量技術發展和流量儀表新產品開發的重要課題。熱式質量流量計和科里奧利質量流量計是兩種重要的直接式質量流量儀表。
　　熱式質量流量計的工作原理基于質量流量與熱量損失成正比。其特點是傳感器可由一體成形管做成，結構堅固壽命長，可相當地測量溫低速流體，其抗腐蝕、防爆、抗污、耐磨等問題均已滿意地得到解決，成本也相對較低，在節能、貿易、物料平衡等方面被選用。
　　科里奧利質量流量計是一種儀表，利用流體在振動管內流動時所產生與質量流量成正比的科氏力原理來制成。它可直接用于測量介質的質量、密度、溫度，有測量度、量程比寬、測量范圍廣等特點。而且，由于其測量原理的特殊性，還可用于測量壓氣體、粘度流體、非牛頓流體等較特殊的介質；用于較重要的各種進料的混合及批量計量，流量計量控制，快速多變的密度測量，產品的質量控制和監視的場合。它用于壓天然氣計量的可行性已無可置疑，還能較地處理氣液兩相的液化石油氣。隨著應用領域的擴大，肯定它會不斷有所改進創新。

6　新一代固態傳感器與智能壓力／差壓變送器

　　微電子技術的迅猛發展，促進了微機械加工技術日益更新。它引伸到儀表領域，奠定了現代傳感器的技術基礎，推動著全新的固態傳感器和集成化智能變送器的發展和實用化，現已取得了引人注目的成果。固態傳感器與傳統結構型傳感器相比較，在技術和性能上發生了質的變化，它使傳感器技術向微型化、度、低功耗、智能化方面邁出了一大步，這標志著檢測傳感器與變送器將發生一場劃時代的變革。
　　近年來，多種微結構的固態硅傳感器已被開發出來并投入供應應用。如微型伺服加速度計、微結構加速度開關、微硅振環陀螺、微硅諧振式壓力傳感器、微硅質量流量計等，人們預測，許多傳統的結構型傳感器所能實現的各種原理，采用微機械加工技術同樣可以做出各種微結構傳感器，在此基礎上再實現傳感器與處理器集成化，就可設計出新一代數字式智能變送器。典型的事例是日本橫河公司的EJA型智能壓力／差壓變送器，它采用的單晶硅諧振式傳感器，這在變送器工作原理上是有技術創新性質的突破。人們評價說，它已成為當今變送器家族中比較有活力的產品。代表著檢測儀表發展的重要方向。

7　微波物位計（雷達物位計）

　　基于雷達測量技術的新發展，近年來性能、低價格的微波物位計已真正大量進入過程檢測儀表市場。化工、石化、醫藥、食品等工業普遍存在溫、壓、腐蝕、揮發、冷凝等復雜工況條件，必需采用非接觸式測量方法才能達到長期運行的效果。因此，微波物位計在各種連續式物位計中市場增長率為Z。
　　微波是一種電磁波，其傳播速度不受介質特性影響。微波物位計是利用無線電回波測距原理實現物位測量的。微波從天線發出，在被測目標反射后回波再被無線接收，按微波來回傳播時間來計算距離即是物位。目前微波物位計有脈沖雷達和調頻連續波雷達兩種。近年推出的普及型微波物位計大多采用脈沖方式，度已達（0．2％～0．3％）FS，價格較低，能滿足一般測量要求。調頻連續波雷達是將距離轉換為頻率進行測量、能得到較度。這兩種微波物位計被測物體通常限于液體為主。
　　對于粉料測量、干料測量、界面測量、漿料液位、帶泡沫液位的連續測量歷來是物位測量的難點，這時可采用相位跟蹤法通過測量發送射頻波與從物料表面反射回波之間相位角來測量物位。這種測量方法能取得良效果。

8　儲罐計量測量儀表——磁致伸縮式液位計

　　物位儀表當前發展的重要領域是罐區管理及其計量自動化。儲罐計量是指對大型儲罐內儲液存量進行測量，從而獲得儲庫庫存量，它是一個企業掌握庫存資料，以便指導供應和銷售的重要管理項目。采用儲罐計量會比采用流量計更經濟、度更。因此，庫存量測量要求的測量度和的測量復現性。
　　現用測量方法有3種：一種是體積測量法，通過液位和溫度測量而計算出儲液體積，然后再換算成重量；另一種是重量測量法，通過液柱靜壓強測量而計算出儲液重量；第三種是混合式測量系統，其點是能實現度液位和界位測量，能獲得度的體積，又能實現度平均密度測量，從而獲得度質量計量。在這里，能否度測量儲罐液位及油水界面是系統的關鍵，因此液位計的選擇至關重要。
　　目前在大量程液位計中可達到1mm度的有雷達物位計、伺服型浮子液位計和磁致伸縮式液位計，相比之下，用磁致伸縮式物位計裝在儲罐頂上，同時在罐底安裝度壓力變送器，然后配上一套包括數據采集器的現場監測計算機管理系統和一套供業務管理的遠程計算機管理系統，就可以組成十分完善的混合式儲罐計算系統。它經過油庫實際運行獲得滿意的效果。
　　磁致伸縮式液位計是將磁致伸縮線性位移傳感器引用來測量度大量程的液位計，能同時測量液位和液液界面及多點溫度。Z大量程可達18m，測量度達±0．5mm或±0．05％FS，重復性達0．002％FS，傳感元件是非接觸式的，由一根測桿和套在桿上可滑動浮子組成，兩個不同比重的浮子浮在液面和油水界面，測桿由保護外管、波導管及銅導線三層組成，它無磨損，耐用，能耐溫、壓、不受介質比重影響，不受過程壓力變化的影響，解決了原來液位測量中的許多難題。

9　智能閥門定位器

　　智能閥門定位器是新一代智能化、氣動執行機構*的配套產品。它內裝集成度的微控制器，采用電平衡（數字平衡）原理代替傳統的力平衡原理，將電控命令轉換成氣動定位增量來實現閥位控制；利用數字式開、停、關的信號來驅動氣動執行機構的動作；閥位反饋直接通過度位置傳感器，實現電／氣轉換功能，因而有提輸出力、提動作速度和調節度（Z小行程分辯率可達0．05％），克服閥桿摩擦力，實現正確定位等特點。
　　智能閥門定位器備許多符合現代過程控制技術要求的功能：對所有控制參數都可組態的功能（如死區、正反作用、報警上下限、行程零點、行程范圍、執行機構類型選擇等），實現分程控制功能，實現上行、下行速度調節功能，實現線性、等百分比、快開等特性修正功能，自校正功能、自診斷功能，故障報警及故障處理功能，多種通信支持功能等。
　　由于智能閥門定位器的功能完善，對降低投資、節約能源、提過程控制水平能帶來極大益處，現已越來越受到用戶的關注，并被選用。同時，它與智能變送器一起將*改變現場儀表的狀況，促使過程控制早日進入現場總線控制系統的新時代。

10　中電磁閥載譽內外市場

　　電磁閥作為自動化儀表的一種重要的執行器，近年來需用量急劇上升，其銷量已超過調節閥。它是開關信號控制，動作快速，使用特別安全，市場潛力很大。
　　我電磁閥的制造供應，在學習、借鑒外技術的基礎上，依靠自身不斷發明創造，至今有了長足進步。值得一提的是，早在1981年浙江*科技實業公司發明了多功能電磁閥系列，榮獲日內瓦際新技術金獎，接著立足于應用，對電磁閥進行簡化、智能化、通用化、化方面的創新研究，先后設計了新穎的多路電磁閥、雙聯組合電磁閥、三位電磁閥、數字閥、自保持電磁閥、反沖過濾閥、巧電磁閥（蒸汽）、燃氣電磁閥以及水廠用、油用、消防用電磁閥等等，其中多項技術獲得美、日本、歐盟而產品出口外。1998年又成功地開發了液化石油氣LPG雙燃料汽車燃供系統用組合閥，符合我環保法規要求，、價廉，完取代進口產品。它證明產電磁閥的質量與性能是的。我們提倡樹立民族自信心。支持民族電磁閥工業，先選用產電磁閥。當然也應看到電磁閥行業不正當競爭十分嚴重，偽劣假冒現象使消費者深受其害。

11　新一代全功能超輕型調節閥

　　調節閥是過程控制中重要的終端控制儀表，它是一種內含控制流體流量的可變節流件的壓力密體組件，在管路中有調節、切斷和分配流體的功能。在過去30多年里調節閥產品結構沒有大的改變，更說不上更新換代。以往人們只是在改進和完善上下功夫，在80年代初曾出現小型調節閥，將調節閥的度和重量降低30％，但在功能和性上沒有突破，這顯然與過程自動化技術的速發展不相適應，因而特別受到人們關注。
　　近年來，重慶華林機械工程公司創新設計成功新一代全功能超輕型調節閥，針對傳統調節閥的笨重、品種繁多、功能不全、性差等問題進行技術攻關與改型，取得創新成果。迄今已試產并經供應使用，效果良，倍受用戶肯定、信賴、鼓勵和關注，看來將逐步取代傳統調節閥，特別是它與電動執行機構的配套，對促進我電動執行器的推廣應用能做出更大貢獻。
　　新一代超輕型調節閥在重量上比傳統調節閥減輕60％～80％，度下降50％～70％；功能上備調節、切斷、大壓差、防堵、耐蝕、耐溫壓全部功能，品種規格簡化60％～70％；閥桿閥芯閥座部件加強密封，減小摩擦、防止堵卡，提壽命，泄漏率達10^－6～10^－7。人們期待新一代產品問世。

12　智能電動執行器

　　智能電動執行器系列是一類終端控制儀表，它根據控制電信號，直接操作改閥的位移。由于人們對控制系統的度和動態特性提出了越來越的要求，選用電動執行器與控制系統連接，直接接受電控制信號，能夠獲得Z快響應時間，實現控制也更為合理、方便、經濟，因而受到用戶的歡迎。這樣還可免去采用氣動執行器必需配置良的氣源設備投資和現場氣路管線安裝的麻煩。
　　電動執行器大都將伺服放大器與執行機構合為一體，并增設了行程保護、過力矩保護和電動機過熱保護等以提性，還有斷電信號保護、輸出現場閥位指示和故障報警功能。它可進行現場操作或遠方操作，完成手動操作及手動／自動之間無擾動切換。
　　智能電動執行器則利用微機技術和現場通信技術擴大功能，實現雙向通信、PID調節、在線自動標定、自校正與自診斷等多種控制技術要求的功能，有效提控制水平，現已越來越受到用戶的選用和關注。■

作者簡介：吳欽煒，男，1948年畢業于交通大學，原中儀器儀表學會理事會副理事長，中　　　　　　自動化學會儀表與裝置專業委員會主任，本刊編委會主任。
作者單位：吳欽煒（上海工業自動化儀表研究所，上海　200233）

參考文獻：

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