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測控儀器儀表的種類及故障分析

溫度、壓力、流量和液位是工業(yè)生產過程中四種常見的物理量，本文從工作實際出發(fā)，在總結工業(yè)設備維護及維修經驗的基礎上，介紹了工業(yè)設備中常見自動測量控制系統(tǒng)的原理與組成，分析了測控儀器儀表系統(tǒng)常見的故障現(xiàn)象、排除方法及引起故障的主要因素。在論述故障原因及解決辦法的同時，更加強調了儀器儀表維護維修過程中的相關注意事項，為同行業(yè)技術人員提供了一定的交流和參考。

人類社會文明從農業(yè)社會步入工業(yè)社會，生產活動經歷了從手工化到機械化、電力化、自控化的轉變。目前，工業(yè)設備已經代替了人類大多數(shù)的體力勞動和部分腦力勞動，測控儀器儀表就如同人之五官與四肢，其工作的穩(wěn)定可靠性直接影響到生產設備的性能與產品的質量。為此，時刻使測控儀器儀表處于一個信息精準、可控的模式，是做好一切生產活動的基礎與前提。

1測量控制系統(tǒng)的原理組成

   各種自動測量與控制系統(tǒng)一般由以下四部分組成：測量元件（敏感元件）、轉換元件（調理電路、變送器）、處理元件（控制器、控制儀表）、執(zhí)行元件（繼電器、控制閥）。其系統(tǒng)組成方塊圖如圖1所示。

2測控儀器儀表的基本性能與指標

2.1測量范圍、上下限及量程

測量范圍就是指儀表按規(guī)定的精度進行的測量被測對象的范圍值。測量范圍的最大值稱為測量上限，測量范圍的最小值稱為測量下限，量程就是上下限值的代數(shù)差。

2.2線性度

又稱非線性誤差，是表征儀表輸出-輸入校準曲線與所選定的擬合直線之間的吻合程度的指標。

2.3精度

精度又稱為精確度或準確度，是指測量結果和實際值一致的程度。我們可以通俗理解為儀表顯示值小數(shù)點后位數(shù)越多，就說明該儀表的測量精度等級越高。

2.4回差

回差是反映儀器儀表對某一參數(shù)在整個測量范圍內，進行正反行程的測量，所得到在同一被測值下正反行程的最大絕對值差。

2.5靈敏度

儀器儀表的靈敏度就是被測量變化時，儀表輸出的變化量與引起此變化的輸入變化量的比值。

2.6分辨力

是儀器儀表在規(guī)定測量范圍內所能檢測出的被測輸入量的最小變化值。有時用該值相對滿量程輸入值之百分數(shù)表示，則稱為分辨率。

2.7零點遷移和量程遷移

在實際使用中，由于測量要求或測量條件的變化，需要改變儀表的零點或量程，可以對儀表的零點和量程進行調整。我們將零點的改變稱為零點遷移，量程的改變稱為量程遷移。零點遷移儀表靈敏度不變化，而量程遷移會引起靈敏度的改變。

3測控儀表常見故障類型

從儀器儀表故障產生的原因及導致的結果來看，可以將儀器儀表故障分為三種：暫時性硬故障，永久性硬故障，軟故障。

（1）暫時性硬故障主要指因工藝條件變化波動較大，造成儀器儀表出現(xiàn)偏差，無法復位，經過手動調整可以排除故障的情況。

（2）永久性硬故障是指因各種條件導致儀器儀表損壞，無法修復性的故障，只有更換使用。

（3）軟故障是指儀器儀表在正常檢測過程中，因被測量異常，導致儀器儀表異常，待被測量正常后，無需手動調整，儀器儀表自行恢復正常。

4溫度控制系統(tǒng)儀器儀表常見故障診斷

4.1常見工業(yè)用溫度測量儀器儀表

4.1.1熱電偶測溫元件

熱電偶測溫的基本工作原理是基于熱電效應，將溫度變化量轉換成電勢的變化量進行測溫的。

熱電效應：又稱賽貝克效應，將兩種不同的導體或半導體（A,B）連接在一起構成一個閉合回路，當兩接點處溫度不同時，回路中將產生電動勢，從而產生回路電流。

4.1.2熱電阻測溫元件

物體的電阻率隨溫度變化而變化的特性稱為熱電阻效應，利用熱電阻效應制成的檢測原件稱為熱電阻。一般把金屬熱電阻稱為熱電阻，把半導體熱電阻稱為熱敏電阻。電阻率隨溫度升高而升高的稱為材料具有正溫度系數(shù)，隨溫度升高而降低的稱為材料具有負溫度系數(shù)。熱電阻一般擁有正的溫度系數(shù)，熱敏電阻有正溫度系數(shù)有（PTC），負溫度系數(shù)（NTC），臨界溫度系數(shù)（CTR）三種，日常使用NTC型的較多。

常見的熱電阻有PT100，PT1000，Cu50等。100,1000,50是溫度為0℃時該材料的電阻值。

4.1.3溫度變送器

溫度變送器是溫度測控系統(tǒng)中的轉換元件，它將測量元件的非電量或非標準電量轉換成標準的電信號送入控制器，以便控制器識別、處理。

4.2溫控系統(tǒng)儀器儀表常見故障原因分析與排除

（1）故障出現(xiàn)以前顯示儀表和記錄曲線一直表現(xiàn)正常，出現(xiàn)波動后曲線變得毫無規(guī)律或系統(tǒng)難以控制，此時故障可能是：1.PID參數(shù)整定不良造成的；2.記錄顯示儀本身內部故障。

（2）如果系統(tǒng)顯示儀表正常，打印曲線為一條直線，故障很可能出現(xiàn)在打印系統(tǒng)，這時可人為改變一下工藝參數(shù)，如無變化，則肯定出現(xiàn)在打印系統(tǒng)。

（3）顯示儀表顯示為系統(tǒng)設定或默認的最高或最低點，一般為轉換元件損壞，或連接線路斷開。

（4）溫度顯示值緩慢變化：1.工藝操作造成，這種情況如實反映內部情況，需要檢查操作環(huán)境與工藝；2.測溫元件不穩(wěn)定，產生溫度漂移，更換敏感元件。

（5）儀表顯示值與實際值有偏差：一般為測溫元件產生漂移，線路接頭腐蝕、干擾等情況，需要逐一再檢查。

（6）儀表顯示屏顯示字符出現(xiàn)閃爍現(xiàn)象，一般為儀表供電電壓不穩(wěn)或較低、電磁干擾等原因造成。

5壓力控制系統(tǒng)常見儀器儀表故障診斷

5.1常見壓力檢測儀表

5.1.1液柱式壓力計

液柱式壓力計一般采用水銀或水為工作液，利用被測介質兩端壓力差原理，用U型管或單管或斜管進行壓力測量，常用于低壓、負壓或壓力差的檢測。

5.1.2彈性式壓力計

彈性式壓力檢測是用彈性元件作為壓力敏感元件把壓力轉換成彈性元件位移的一種檢測方法。使用較多的彈性元件有彈性膜片、波紋管和彈簧管等。

5.1.3活塞式壓力計

活塞式壓力計是一種精度很高的標準儀器，常用做校驗標準壓力表及普通壓力表使用。

5.1.4壓力傳感器

能夠檢測壓力并能提供遠傳信號的裝置統(tǒng)稱為壓力傳感器，它是壓力測量控制系統(tǒng)的重要組成部分。壓力傳感器結構形式多種多樣，常見的形式有應變式、壓阻式、壓電式和電容式。

5.2壓力檢測與控制系統(tǒng)儀器儀表常見故障的分析與排除

（1）壓力控制系統(tǒng)儀表指示出現(xiàn)快速振動時，首先檢查工藝操作有無變化，這種變化多半是工藝操作和調節(jié)器PID參數(shù)整定不好所造成。

（2）壓力控制儀表出現(xiàn)死線，工藝操作變化，但壓力指示不變化，一般故障出現(xiàn)在壓力測量系統(tǒng)中，首先檢查測量引壓導管系統(tǒng)是否有堵塞現(xiàn)象，若不堵，檢查壓力變送器輸出系統(tǒng)有無變化，如有變化，故障出在控制器測量指示系統(tǒng)，如不變化，壓力變送器故障。

（3）壓力指示儀表出現(xiàn)最高或最低值，先可人為改變被測量，如有變化，一般跟工藝操作或環(huán)境有關，如無變化，一般為壓力變送器內部彈性膜片卡住不能復位，可以通過略高于測量上限的氣流吹開。如無法修復則更換壓力變送器。

6流量控制儀表系統(tǒng)常見故障診斷

6.1常見流量檢測儀表

6.1.1容積式流量計

   容積式流量計又稱正排量流量計，是直接根據(jù)排出的體積進行流量累計的儀表，它利用運動元件的往復次數(shù)或轉速與流體的連續(xù)排出量成比例對被測物體進行連續(xù)的檢測。

6.1.2差壓式流量計

差壓式流量計基于在流通管道上設置流動阻力件，流體流過阻力件時將產生壓力差，此壓力差與流體流量之間有確定的數(shù)值關系，通過測量差壓值可以求得流體流量。

6.1.3速度式流量計

速度式流量計的測量原理都是基于與流體流速有關的各種物理現(xiàn)象，儀表的輸出與流速有確定的關系，即可知流體的體積流量。

6.2流量檢測儀器儀表常見故障的分析與排除

（1）流量控制儀表系統(tǒng)指示值達到最小時，首先檢查現(xiàn)場流量計，如果正常，則故障在顯示儀表。當流量計指示也最小，則檢查調節(jié)閥開度：若開度為零，則常為調節(jié)閥到調節(jié)器之間的故障；若調節(jié)閥開度正常，故障原因很可能是系統(tǒng)壓力不夠、系統(tǒng)進出口管路堵塞、泵不上量等原因造成。

（2）如果流量控制儀表系統(tǒng)指示值波動頻繁，可將控制改到手動，如果波動仍然頻繁，則是儀表方面的原因或儀表控制參數(shù)PID設定不合適；如果波動減小，則是工藝方面的原因所造成。

7液位控制儀表系統(tǒng)故障診斷

7.1常見液位檢測儀表

7.1.1靜壓式液位計

靜壓式液位計是利用計算液體壓強的公式P=ρHg推出H=p/ρg,當我們測得壓力p時即可計算出液體的位置高度H.

7.1.2浮子式液位計

浮子式液位計是用浮球作為檢測元件，浮球隨液位變化而上下移動，自始至終其所受浮力大小不變，那么通過浮球所反映出來位置的變化我們可以測得液位的高低。

7.1.3超聲波液位計

超聲波在穿過兩種不同介質的分界面時會產生折射和反射，對于聲阻抗①差別較大的相界面，幾乎為全反射，從發(fā)射超聲波至收到反射波回的時間可以計算出分界面的距離，利用這一原理可以制成超聲波液位計。

7.2液位檢測及控制系統(tǒng)常見故障原因分析與排除

（1）液位控制儀表系統(tǒng)指示值變化到最大或最小時，可以先檢查檢測儀表是否正常，如指示正常，將液位控制改為手動控制液位，查看液位變化情況。如果液位可以穩(wěn)定在一定范圍內，則故障在液位控制系統(tǒng)；如果穩(wěn)不住液位，一般為工藝系統(tǒng)造成的故障，要從工藝方面查找原因。

（2）差壓式液位控制儀表指示和現(xiàn)場直讀儀表對不上時。首先檢查現(xiàn)場直讀式儀表是否正常，如指示正常，檢查差壓式液位儀表的負壓導壓管封液是否有滲漏：若有滲漏，重新灌封也調零點；若無滲漏，可能是儀表的負遷移量不對了，重新調整遷移量使儀表顯示正常。

（3）液位控制儀表系統(tǒng)指示值變化波動頻繁時，首先要分析液位控制對象容量的大小，來分析故障的原因，容量大一般是儀表故障造成；容量小則首先要分析工藝操作情況是否有變化，如有變化很可能是工藝操作造成的原因，如果沒有變化，可能是儀表故障造成。

8造成儀器儀表故障的若干因素

儀器儀表的常見故障，按其成因一般分為環(huán)境因素、人為因素、儀表自身因素三大類。環(huán)境因素又分為密封、振動、腐蝕、電磁干擾、高溫潮濕等；人為因素可分為使用不當、安裝不當、人為損壞、維護不當?shù)龋蛔陨硪蛩鼐褪莾x表質量問題。

8.1環(huán)境因素

8.1.1密封不良

密封不良產生的故障情況有：

（1）使用較低防護等級的儀表安裝于露天、潮濕的場所，有可能導致雨水或其它液體、粉塵、潮濕氣體進入儀表內部，導致儀表接觸不良或電路部分出現(xiàn)故障、機械部分生銹腐蝕；

（2）現(xiàn)場儀表電纜進線密封不良造成的。這大致分為兩種情況：一種情況為電纜沒有安裝密封接頭，另一種則是儀表電纜接口與密封接頭不匹配造成的。

（3）儀表蓋密封不良如密封墊未安裝到位、未安裝或密封墊老化引起的密封不良。密封不良產生的故障是現(xiàn)場儀表故障率較高的故障之一。

8.1.2振動損壞

現(xiàn)場儀器儀表因設備或環(huán)境的振動而出現(xiàn)故障也占有一定比例。常見有儀表固定固定螺絲或卡套松動、接線頭接觸不良，焊點開裂等。

8.1.3腐蝕損壞

腐蝕性較強的酸堿對儀表腐蝕，環(huán)境中的潮濕氣體或雜質對儀器儀表及線路的銹蝕作用。

8.1.4電波干擾

一般毫伏級或頻率信號受電磁干擾，諧波干擾較為嚴重。采取的辦法是盡量避開干擾源，或采用屏蔽殼、屏蔽接地、安裝時設備或儀器儀表使用屏蔽電纜線。

8.1.5高溫高壓

環(huán)境溫度或介質溫度過高或過低會使儀器儀表內部一些電子元件性能不穩(wěn)定而造成儀表工作不正常。

8.2人為因素

在生產過程中，往往一些人為因素也有發(fā)生。如不按規(guī)程操作或維修，導致儀器儀表失控，工作在一個異常的環(huán)境中；搬運東西時碰傷儀表、清洗設備時不慎將水噴到儀表上，探傷檢測時時儀表受擾等。該種情況就要以人員培訓及防護為主，加強設備使用及維修人員責任意識，嚴格按照操作規(guī)程進行作業(yè)，做好操作或維修前的防護準備工作。

9儀器儀表維護維修注意事項

（1）儀器儀表維修，要由專業(yè)人員進行，因為很多儀表都是帶電的，部分儀表系統(tǒng)帶有高壓。

（2）維修時，我們要查閱相關技術資料，弄清儀器儀表所在的控制系統(tǒng)，熟悉儀器儀表的工作原理，從而進行逐步仔細排查和維修。

（3）儀器儀表檢測或維修一般都要用到專業(yè)的維修工具，維修人員要熟悉、合理使用維修工具，避免因亂用、錯用造成儀器儀表或工具的損壞。

（4）維修儀器儀表電路時，最好先將人體自身上的靜電通過觸摸金屬等接地裝置進行排放，靜電順時電壓可達幾千甚至上萬伏。

（5）不要帶電插拔儀器儀表中的各種控制板及插接件。因為在加電的情況下，插拔連接件會產生較強的電動勢，產生高壓，很容易燒毀電子元器件。

（6）維修儀表時，應做好標記，記錄原來的位置，以便復原，避免因接錯線路擴大故障。

（7）儀表中有很多微小的和有彈性的零件，拆卸時應盡可能選擇好空間及位置，一旦掉落我們首先應判斷其可能掉落的位置，以免造成零件丟失。

10小結

測控儀器儀表是工業(yè)控制系統(tǒng)的重要基礎，它直接反映和控制設備的工作性能及狀態(tài)。日常生產活動中，我們應按照標準規(guī)程精心、細心做好設備及儀器儀表的操作及維護保養(yǎng)工作。同時，在排除它顯性故障的前提下，還需要對它所表現(xiàn)出來數(shù)據(jù)的真實性、可靠性進行進一步證明，這就要求我們需要按照標準的規(guī)程對測控儀器儀表進行計量和校驗，對出現(xiàn)測量偏差的儀器儀表進行校準或更換使用。