世紀之交的自動化儀表--檢測儀表與執(zhí)行器的技術(shù)發(fā)展(1)
| 21世紀已經(jīng)到來，人們將進入以知識經(jīng)濟為特征的信息時代。微電子技術(shù)、計算機技術(shù)、通信網(wǎng)絡技術(shù)和自動化技術(shù)將繼續(xù)高速發(fā)展，作為工業(yè)自動化技術(shù)工具的自動化儀表與裝置也將跨入真正的數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡化的時代。 傳感技術(shù)、計算機技術(shù)與通信技術(shù)一起構(gòu)成現(xiàn)代信息的三大基礎(chǔ)。有的專家認為：在計算機與自動化領(lǐng)域內(nèi)，80年代的熱點是個人計算機，90年代是計算機網(wǎng)絡，而21世紀第一個10年的熱點很可能是傳感、執(zhí)行與檢測。這種預測是有一定根據(jù)的。近幾年，微電子、微機械、新材料和新工藝的發(fā)展與計算機、通信技術(shù)的廣泛應用，將可能創(chuàng)造出新一代的傳感與檢測系統(tǒng)。有人稱之為智能傳感技術(shù)或者現(xiàn)代傳感技術(shù)，它與現(xiàn)場總線技術(shù)相結(jié)合，必將對自動化儀表與裝置的技術(shù)發(fā)展產(chǎn)生重大影響。 關(guān)于21世紀工業(yè)自動化和工業(yè)控制計算機的發(fā)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(zhí)行器的技術(shù)進展作些介紹，以期能展開更多的討論和創(chuàng)新。 檢測儀表與執(zhí)行器是生產(chǎn)過程自動化和經(jīng)營管理現(xiàn)代化的基礎(chǔ)，特別受到人們的重視。隨著工業(yè)自動化技術(shù)進展，它們起著越來越為重要的作用，因為沒有性能好、精度高、質(zhì)量可靠的儀表檢測到各種有關(guān)的信息，要實現(xiàn)高水平的自動化就是一句空話。 在工業(yè)過程檢測方面，常規(guī)的溫度、壓力、流量與物位4大熱工變量的檢測已經(jīng)有較成熟的技術(shù)基礎(chǔ)和產(chǎn)品。新一代的檢測儀表主要特點是數(shù)字化和智能化，它們是以微計算機為核心，可以自動調(diào)零、線性化、補償環(huán)境因素變化，并配置圖形顯示儀表，直觀地表達測量結(jié)果。在檢測技術(shù)方面，超聲、微波、激光等新技術(shù)正被大量采用，用以解決不同工業(yè)領(lǐng)域遇到的特殊測量問題和提高性能的要求。因此，檢測儀表與執(zhí)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(chuàng)新和實現(xiàn)微機化與智能化；另一方面是采用新的測量原理，開發(fā)新的檢測儀表，擴大自動檢測的新領(lǐng)域。下面將介紹人們關(guān)注的流量、壓力、物位等幾種檢測儀表和執(zhí)行器的技術(shù)進展。 1 分布式光纖溫度傳感網(wǎng)絡 清華大學吳秋峰教授在《迎接21世紀工業(yè)控制的一些思考》一文中提到：智能傳感技術(shù)與計算機網(wǎng)絡技術(shù)相結(jié)合，就產(chǎn)生了智能傳感網(wǎng)絡的概念。它將致力于智能傳感網(wǎng)絡通信功能的研究和各種技術(shù)的融合，做到信息采集、傳輸、處理的集成與協(xié)同，這必將對工業(yè)控制、集成自動化等產(chǎn)生影響。 聯(lián)系這個技術(shù)動向，首先介紹一種用于工業(yè)過程檢測的分布式光纖溫度傳感網(wǎng)絡。它是一種實時、在線、多點光纖溫度測量系統(tǒng)，是近年來發(fā)展的、用于實時測量空間溫度場的高新技術(shù)，成為工業(yè)過程控制中的新檢測方法與技術(shù)。系統(tǒng)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(diào)制了光纖中的背向喇曼散射的強度，經(jīng)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(jīng)信號處理，解調(diào)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(wǎng)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(jīng)應用于煤礦、隧道的火災自動溫度報警系統(tǒng)，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(wǎng)絡的傳感光纖不帶電，抗射頻和電磁干擾，防燃、防爆、抗腐蝕、耐高電壓和強磁場、耐電離輻射，能在有害環(huán)境中安全運行，系統(tǒng)具有自標定、自校準和自檢測功能。 為了跟蹤高新技術(shù)在工業(yè)過程實時檢測方面的應用，我們期望這類智能傳感網(wǎng)絡將會更多被研究開發(fā)出來。 2 一體化節(jié)流式流量計 世紀之交，在流量檢測技術(shù)方面亦沒有出現(xiàn)全新的儀表。但是，具有真正智能化功能的各種流量儀表將蓬勃地發(fā)展起來，例如智能差壓變送器的發(fā)展，已使人們看到節(jié)流裝置仍會有很強的生命力。 一體化節(jié)流式流量計是將節(jié)流裝置、差壓變送器與流量顯示裝置融為一體構(gòu)成的流量測量系統(tǒng)。它引入了節(jié)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(jié)流式流量計優(yōu)選噴嘴為節(jié)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，便于批量生產(chǎn)，降低節(jié)流件造價；它將節(jié)流裝置與差壓變送器做成一體，可消除現(xiàn)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精度，而且縮短了引壓管線，減少了故障率，改善了動態(tài)特性，這對于自控系統(tǒng)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(jié)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(shù)、可膨脹系數(shù)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，保證測量精度能大幅度提高。根據(jù)近期資料介紹一體化節(jié)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(fā)展較快的流量檢測儀表，這是由于它具有的一些特出優(yōu)點。電磁流量計的發(fā)展方向是小型化和智能化。 近年來，電磁流量計在勵磁技術(shù)、內(nèi)襯技術(shù)、智能化技術(shù)方面都有新的進展。如勵磁技術(shù)上發(fā)展的雙頻矩形波技術(shù)，實現(xiàn)了零點穩(wěn)定性和響應速度、抗干擾能力的良好統(tǒng)一，使得流量信號幅度為通常電磁流量計的10倍。具有高信噪比，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(yè)陶瓷襯里，它耐腐蝕、耐磨損、高溫高壓下不變形，電極與襯里間相燒結(jié)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(jīng)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(shù)方面，借助微處理器和軟件編程技術(shù)，可實現(xiàn)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(shù)性能和測量功能，而可靠性和穩(wěn)定性的改善尤為特出。 將電磁流量測量技術(shù)與過程層析成像技術(shù)相結(jié)合，正在開辟著過程檢測的新領(lǐng)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(jīng)過數(shù)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(gòu)和信息處理，可復現(xiàn)原流場，這將有助于流體其它特性和狀態(tài)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(shù)發(fā)展方向是傳感器與管道壁的一體化設計，全焊接結(jié)構(gòu)，無壓力損失?，F(xiàn)已有多種測量技術(shù)和產(chǎn)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(yè)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(jù)稱由于準確度高和維修費用低，多聲道氣體超聲流量計已被氣體工業(yè)界接受，它是自氣體渦輪流量計后被氣體工業(yè)界接受的最重要的流量計量器具。至今已有12個國家的政府機構(gòu)批準氣體超聲流量計為法定計量器具，在國外天然氣工業(yè)的貿(mào)易輸送、氣體分配、調(diào)合、控制和檢漏等方面都開始采用它。從近二三年的發(fā)展看，氣體超聲流量計也具有理論上無需進行流量標定、與介質(zhì)無關(guān)等優(yōu)點，現(xiàn)正逐步走向?qū)嵱没?。國外一些著名儀表公司都已批量生產(chǎn)，包括用于主管道的大口徑流量計和家用煤氣表已經(jīng)積累了相當多的應用經(jīng)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(zhì)量流量計 我國目前正處于能源更新?lián)Q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(shù)發(fā)展和流量儀表新產(chǎn)品開發(fā)的重要課題。熱式質(zhì)量流量計和科里奧利質(zhì)量流量計是兩種重要的直接式質(zhì)量流量儀表。 熱式質(zhì)量流量計的工作原理基于質(zhì)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(jié)構(gòu)堅固壽命長，可相當精確地測量高溫低速流體，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(jié)能、貿(mào)易、物料平衡等方面被選用。 科里奧利質(zhì)量流量計是一種新型儀表，利用流體在振動管內(nèi)流動時所產(chǎn)生與質(zhì)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(zhì)的質(zhì)量、密度、溫度，具有測量精度高、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，還可用于測量高壓氣體、高粘度流體、非牛頓流體等較特殊的介質(zhì)；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(chǎn)品的質(zhì)量控制和監(jiān)視的場合。它用于高壓天然氣計量的可行性已無可置疑，還能較好地處理氣液兩相的液化石油氣。隨著應用領(lǐng)域的擴大，肯定它會不斷有所改進創(chuàng)新。 |
