仪器仪表计量及自动化控制技术的应用研究_王凤云.pdf

造纸装备及材料 第 52 卷 总第 214 期 2023 年 1 月 装备及自动化59仪器仪表计量及自动化控制技术的应用研究王凤云陕西交通职业技术学院，陕西 西安 710018摘要：随着经济的迅猛发展，人们对于仪器仪表的功能化需求越来越高，科技进步促使仪器仪表中的自动化控制技术不断地优化升级，为提升仪器仪表的性能，需要不断扩展其适应性，扩大使用范围。基于此，文章梳理了温度仪表、压力仪表、流量仪表、色谱仪的工作原理，分析了应用仪器仪表自动化控制技术的要点，接着阐述了仪器仪表的自动化控制应用范围。关键词：仪器仪表；自动化控制；人机界面；网络化控制；智能化技术分类号：TH86仪器仪表的出现改变了人们的日常生活和生产方式。特别是随着仪器仪表自动化控制水平的不断提高和技术水平的不断完善，各项机能不断多样化，这让仪器仪表的应用范围不断扩展，并长期处于良性发展状态。值得一提的是，仪器仪表本身的功能也在不断完善加强。它不仅具有高性能，而且具备强大的适应能力。智能化和网络信息化相互协作，共同创造新型技术手段。1 仪器仪表计量的工作原理1.1 温度仪表的工作原理以电阻型温度计为例，其测温原理是根据被测物体的温度，随受测物的温度而改变的，从而识别并测出与温度有关的参数。铂热电阻器采用高纯铂丝缠绕，该材料制成的电阻器测量精度高，抗氧化能力强，使用性能安全、稳定。然而，由于温度较高，在还原性气体中，铂丝的表面容易被氧化而脆化，因此使用此类仪器时，必须采用套管防护措施，以防止铂丝的脆化1。与铂热电阻器相比，铜电阻器具有成本低的优点，但其测量精度较低，并且当环境温度高于 100 时，铜线容易发生氧化，故常在-50 100 之间使用。而半导体热敏电阻器的灵敏度高，对动态温度的测量也有很高的准确度。然而，由于其内部元件的稳定性差，造成使用寿命短，而且在正常工作条件下测量的结果也会有很大的误差。1.2 压力仪表的工作原理压力计是用来测量气体、液体、蒸汽压力的一种仪器，主要分为液柱式压力计和活塞式压力计。液柱式压力计又可按其外形特征分为 U 型压力表、单管压力表和斜管压力表。液柱式压力计的工作原理是基于流体力学实现的，主要用于测量容器内高于 200 kPa 以下的压力。该压力计主要由水银、水、酒精、四氯化碳和甘油等物质组成，并被广泛应用于工业领域。液柱式压力计被视为标准压力计，其他压力计的测量值必须与液柱式压力计进行比较2。在对装置和容器的压力进行测量时，根据液柱的高度和压力的转换关系，得出最终的标准压力，也就是：P=egh （1）式中：e 为液体的密度；h 为液体的高度；g 为重力加速度。1.3 流量仪表的工作原理以体积式流量计为例，它的工作原理是：流量计入口和出口之间有一个压差，使仪表内的转子发生转动，流量计内的液体从入口排到出口，从而使计量腔内的液体充满。这样，只要测量转子的旋转次数，就能得出液体的容积3。1.4 色谱仪工作原理色谱仪是一种用于测定聚合物中某些成分的仪器，它被广泛地用于化工领域。在载气系统中，最常见的载气形式有氨、氮两种，进样装置由进样器和蒸发腔组成，蒸发腔的温度通常维持在 20 400，其主要功能是将被测物质转变成蒸气，再由载气将其送入色谱柱。该分离体系的核心设备为色谱柱，并配有温度调节设备和柱盒。该检测系统主要包括检测仪和温度控制设备，检测盒内的温度应该比柱温稍高或与柱温作者简介：王凤云，女，本科，助理工程师，研究方向为仪器仪表。文章编号：2096-3092（2023）01-0059-03 装备及自动化 2023 年 第 1 期 总第 214 期 造纸装备及材料60相当，这样可以确保测量的准确性。而记录系统则由放大器、记录器和数据处理设备构成4。2 应用仪器仪表自动化控制技术的要点近几年，随着工业仪器设备逐渐向小型化和智能化转变，要进一步提高仪器的检测精度和灵敏度，必须重视以下几个问题。2.1 制订周期性维护计划工业仪器是一种精密的监控设备，它由许多敏感元件构成，因此其工作环境和工作状态都会对设备产生很大的影响。为此，技术人员应该制定一套定期维修方案，对各种仪表进行定期维修，以保证其在整个生命周期中持续运行。首先，技术人员需要对各类仪器的结构和工作原理有深刻的认识，并对其所处的外部环境进行统计和记录。例如,高温、高湿、高压、高粉尘等环境都会对仪器产生影响。然后，根据仪器故障的种类，找到原因，进行相应的维修和保养5。此外，由于仪器在不同寿命周期内的工作参数差别很大，因此，技术人员应该对各工况参数进行详细的记录，例如温度、压力、液位高度等，以便为今后的维修工作提供有力的依据。这也是延长仪器寿命的有效途径6。2.2 注重安装调试环节设备的安装和调试过程中，如果发生失误，会对设备的正常使用产生很大影响。例如，在安装和调试压力表时工作人员如果出现失误操作，可能会导致对应设备的压力检测不准确。这时，虽然压力计检测结果正常，但是设备的实际工作压力可能超过了临界值，很容易出现爆炸等严重事故。因此，忽视安装和调试的重要性就等于埋下了巨大的隐患。工业企业应定期组织相关的专业技术培训班，将仪器设备的安装步骤、调试方法等列入培训方案，通过集中培训提高技术人员的技能水平。此外，为防止安全事故的发生，企业应制定一系列设备故障应对方案。在设备安装和调试期间，如果发现仪表有问题，应立即采取相应的应急措施，以降低设备失效的概率7。3 仪器仪表的自动化控制技术应用二十一世纪，随着我国工业的迅速发展，对仪器、控制系统的需求量越来越大，在国内的大型工程中，所采用的自动化仪器仪表控制技术已达到国际先进水平。目前，在发达国家，传统制造业已经走过了繁荣昌盛的时期，而与之相匹配的自动化仪表发展速度自然也就慢了下来。在新兴市场，仪表行业的发展出现了两个问题：第一，新兴市场的消费者对产品的价格敏感；第二，很容易发现廉价的替代产品。因此很难鼓励跨国公司花费大量的资金去开发新的仪器。目前，自动化仪器仪表的应用主要集中在下列几个方面。3.1 虚拟仪器改进在改进仪器设备方面，大多数厂商采用了向用户提供虚拟设备的方式。利用虚拟驱动程序，实现便捷使用。在设计时，也要考虑用户下一步的操作和开发，提高运算速度，优化整个软件的敏感性。为此，厂商们根据 VXI 总线驱动器的标准设立了软件管理规范，并对其结构进行了改进和调整。这种改进可以在传动装置方面提高便捷性、直观性和操作速度。最新的Labwindows/CV15.0 内置开发工具建立了一个人机互动的平台，实现了仪器驱动的自动化。这不仅节省了工作量，而且集成了统一的代码，变得更加方便。通过智能技术，可以自动检测、识别和保护设备状态。用户只需要进行基本的配置，就可以实现对设备的智能监测和管理。根据具体要求，还可以在开发和正常工作状态之间进行切换8。3.1.1 人机界面交互人机交互技术实质上是将软件操作转化成简洁明了的信息，以便技术人员可以快速理解并对仪器设备有效控制。该技术依赖于系统的各种功能模块实现，每个模块的功能差异明显，因此发送的信号和程序指令亦大有不同。通过人机交互技术，可以智能处理发送的信号并将其转换为易于观察的信号，在终端操作平台上进行实时监测设备运行情况。一旦发现异常，操作员将向技术人员报告问题，并进行问题类型及位置分析，以最短的时间解决问题9。3.1.2 传感检测传感器是一种智能化、数字化、微型化、多功能的检测设备，它在整个工业设备的监控中起到了至关重要的作用。一方面，传感器将系统的信息转化为电子信号，并将其直接传送给执行机构，从而实现对信息的存储、处理、显示和控制；另一方面，传感器可以迅速发现设备在使用中出现的问题，并对其进行正确的识别，从而为设备的维修节省了大量的时间。目前，在工业仪器中，传感器主要分为参数传感器和发电传感器两大类，参数传感器主要输出电阻、电感、电容造纸装备及材料 第 52 卷 总第 214 期 2023 年 1 月 装备及自动化61等被动电参量，而发电型传感器输出电压和电流，其中热电偶传感器、光电传感器和磁电传感器是典型的发电型传感器10。3.2 优化网络控制系统随着网络技术的迅速发展，无论是工业、教育还是商业活动，网络和智能之间的联系越来越密切，在工业、教育、商业等领域都得到了广泛的应用。在这种情况下，借助分散的仪器设备节点，以信息化技术进行深度整合，可以促进资源的合理使用，并为决策提供科学的基础。3.2.1 系统集成系统集成技术是微电子时代的标志性技术，它将仪表零散的元件进行整合，让仪表自动控制的功能更加强大，尤其是在中央控制系统中，它可以将通信、分析、物理等模块整合在一起，大大提高了仪表自动控制的准确度和灵敏度。通过这种技术，可以实现对各生产工艺过程的实时监控和动态监控，在温度、压力等参数异常，操作失效的情况下，及时采取措施，避免因设备故障而带来的经济损失。因此，系统集成技术在提高生产效率、降低生产成本等方面的作用更为显著11。3.2.2 智能化技术仪表自动控制是一种集计算机、微电子、数字、人工智能等高端技术为一体的先进技术，通过这种智能化技术，可以实现对仪器设备的实时监控和检测。特别是在机械制造方面，由于采用了先进的智能技术，可以准确地识别出各个零件的加工精度，当加工精度产生误差后，系统会立即向终端操作台报告，由技术人员根据数据进行分析，及时纠正故障，从而保证整个生产流程一直处于正常状态12。3.3 优化仪器仪表性能与结构自动化仪表和控制系统之间的兼容问题一直是技术人员所关心的问题，如果兼容性不佳，仪器的某些功能就会受到干扰，从而影响到监控数据的准确性。利用程序算法可以提高自动化仪表和控制系统的兼容性，比如遗传算法、蚁群算法、神经网络算法、二次型优化算法等13。通过对蚁群算法的分析可以看出，这是一种基于蚁群搜索的方法，它是一种类似演化的方法，通过对 PID 控制器的参数进行优化，既可以提高仪器的监控精度，又可以简化计算过程。此外，仪器的处理器也可以向微处理器转变，例如，常用的微处理器是一种比较经典的嵌入式微控制器，它包括运算器、控制器、存储器和输入器等结构，虽然单片机的体积很小，但是它的功能就像一部微型电脑，特别是在高速 MCU 的出现之后，微处理器的运算能力得到了极大的提高，监控的效率也得到了极大的提高14。需要大规模地使用自动化控制技术，对仪器技术提供支持，从而推动仪器设备的迅速发展。仪器和智能软件设备的集成将极大地提高测试的效率和性能，扩大了测试的功能。利用蚁群算法、遗传算法、神经网络算法等优化算法，可以大幅提高仪器的效率和性能。此类算法的最大优点是，它不需要参考现有的数据，也不需要相应的模型，只需要将自己的经验、规则、芯片的调试、离线计算等结合起来，就能做出正确的判断。4 结束语仪器仪表经过多年的研究发展，已逐渐应用到生产生活的各个方面,给人类带来方便的同时,仪器仪表的功能趋于完善，性能更加优异，适应性愈加强大。未来仪器仪表在自动化控制与应用中将呈现出智能化、网络化的发展趋势，继续为人类社会作出贡献。参考文献1 郝瑞卿,任谦.解析化工机械设备与电气自动化控制的有机结合J.粘接,2021,46(5):119-123.2 冉翔.油田压裂液混配仪器仪表的自动化系统设计J.工程技术研究,2020,5(19):104-105,216.3 陈文光.泵站自动化监控系统研究与设计D.兰州:兰州理工大学,2022.4 刘旭.流量检定自动化控制与管理系统的设计与实现D.济南:山东大学,2022.5 丁彦星.热工仪器仪表计量检定与自动化分析J.仪器仪表标准化与计量,2021(6):36-38.6 王天宇.天然气管道工程中电气仪表的自动化控制技术研究J.造纸装备及材料,2022,51(7):123-125.7 项迪,苏荣.基于仪器仪表计量检测重要性的管理措施J.化纤与纺织技术,2021,50(3):92-93,138.8 胡润勇,黄钰,廖芳芳,等.热工水力试验测控系统的原位可计量性设计J.自动化与仪器仪表,2022(11):258-262.9 王雪,张莉.中国仪器仪表工程科技2035发展趋势研究J.中国工程科学,2017,19(1):103-107.10 刘杰强,易韦韦,申蔚,等.基于PXIe总线的仪器仪表自动检定系统设计与应用J.国外电子测量技术,2021,40(9):131-136.11 冯淑红,卢嘉.国产仪器仪表质量提升现状与思考J.工业计量,2022,32(1):68-70.12 胡方铮,林振强,王新军,等.计量助推仪器仪表产业高质量发展的策略研究J.中国计量,2022(8):32-33,93.13 刘美萍.智能化方位角测控系统的研制及其应用D.湘潭:湘潭大学,2017.14 马宁,付国梁,于平.仪表计量检定管理系统的研究与设计J.仪表技术,2022(2):41-43.