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測控儀器儀表的種類(lèi)及故障分析

溫度、壓力、流量和液位是工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中四種常見(jiàn)的物理量，本文從工作實(shí)際出發(fā)，在總結工業(yè)設備維護及維修經(jīng)驗的基礎上，介紹了工業(yè)設備中常見(jiàn)自動(dòng)測量控制系統的原理與組成，分析了測控儀器儀表系統常見(jiàn)的故障現象、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(shí)，更加強調了儀器儀表維護維修過(guò)程中的相關(guān)注意事項，為同行業(yè)技術(shù)人員提供了一定的交流和參考。

人類(lèi)社會(huì )文明從農業(yè)社會(huì )步入工業(yè)社會(huì )，生產(chǎn)活動(dòng)經(jīng)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(jīng)代替了人類(lèi)大多數的體力勞動(dòng)和部分腦力勞動(dòng)，測控儀器儀表就如同人之五官與四肢，其工作的穩定可靠性直接影響到生產(chǎn)設備的性能與產(chǎn)品的質(zhì)量。為此，時(shí)刻使測控儀器儀表處于一個(gè)信息精準、可控的模式，是做好一切生產(chǎn)活動(dòng)的基礎與前提。

1測量控制系統的原理組成

   各種自動(dòng)測量與控制系統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）、執行元件（繼電器、控制閥）。其系統組成方塊圖如圖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定的精度進(jìn)行的測量被測對象的范圍值。測量范圍的最大值稱(chēng)為測量上限，測量范圍的最小值稱(chēng)為測量下限，量程就是上下限值的代數差。

2.2線(xiàn)性度

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

2.3精度

精度又稱(chēng)為精確度或準確度，是指測量結果和實(shí)際值一致的程度。我們可以通俗理解為儀表顯示值小數點(diǎn)后位數越多，就說(shuō)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在整個(gè)測量范圍內，進(jìn)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(shí)，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(shí)用該值相對滿(mǎn)量程輸入值之百分數表示，則稱(chēng)為分辨率。

2.7零點(diǎn)遷移和量程遷移

在實(shí)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(diǎn)或量程，可以對儀表的零點(diǎn)和量程進(jìn)行調整。我們將零點(diǎn)的改變稱(chēng)為零點(diǎn)遷移，量程的改變稱(chēng)為量程遷移。零點(diǎn)遷移儀表靈敏度不變化，而量程遷移會(huì )引起靈敏度的改變。

3測控儀表常見(jiàn)故障類(lèi)型

從儀器儀表故障產(chǎn)生的原因及導致的結果來(lái)看，可以將儀器儀表故障分為三種：暫時(shí)性硬故障，永久性硬故障，軟故障。

（1）暫時(shí)性硬故障主要指因工藝條件變化波動(dòng)較大，造成儀器儀表出現偏差，無(wú)法復位，經(jīng)過(guò)手動(dòng)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?yè)p壞，無(wú)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(guò)程中，因被測量異常，導致儀器儀表異常，待被測量正常后，無(wú)需手動(dòng)調整，儀器儀表自行恢復正常。

4溫度控制系統儀器儀表常見(jiàn)故障診斷

4.1常見(jiàn)工業(yè)用溫度測量?jì)x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(jìn)行測溫的。

熱電效應：又稱(chēng)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(gè)閉合回路，當兩接點(diǎn)處溫度不同時(shí)，回路中將產(chǎn)生電動(dòng)勢，從而產(chǎn)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(chēng)為熱電阻效應，利用熱電阻效應制成的檢測原件稱(chēng)為熱電阻。一般把金屬熱電阻稱(chēng)為熱電阻，把半導體熱電阻稱(chēng)為熱敏電阻。電阻率隨溫度升高而升高的稱(chēng)為材料具有正溫度系數，隨溫度升高而降低的稱(chēng)為材料具有負溫度系數。熱電阻一般擁有正的溫度系數，熱敏電阻有正溫度系數有（PTC），負溫度系數（NTC），臨界溫度系數（CTR）三種，日常使用NTC型的較多。

常見(jiàn)的熱電阻有PT100，PT1000，Cu50等。100,1000,50是溫度為0℃時(shí)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溫控系統儀器儀表常見(jiàn)故障原因分析與排除

（1）故障出現以前顯示儀表和記錄曲線(xiàn)一直表現正常，出現波動(dòng)后曲線(xiàn)變得毫無(wú)規律或系統難以控制，此時(shí)故障可能是：1.PID參數整定不良造成的；2.記錄顯示儀本身內部故障。

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

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

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

（5）儀表顯示值與實(shí)際值有偏差：一般為測溫元件產(chǎn)生漂移，線(xiàn)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閃爍現象，一般為儀表供電電壓不穩或較低、電磁干擾等原因造成。

5壓力控制系統常見(jiàn)儀器儀表故障診斷

5.1常見(jiàn)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(zhì)兩端壓力差原理，用U型管或單管或斜管進(jìn)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稱(chēng)為壓力傳感器，它是壓力測量控制系統的重要組成部分。壓力傳感器結構形式多種多樣，常見(jiàn)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儀器儀表常見(jiàn)故障的分析與排除

（1）壓力控制系統儀表指示出現快速振動(dòng)時(shí)，首先檢查工藝操作有無(wú)變化，這種變化多半是工藝操作和調節器PID參數整定不好所造成。

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

（3）壓力指示儀表出現最高或最低值，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(guān)，如無(wú)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(guò)略高于測量上限的氣流吹開(kāi)。如無(wú)法修復則更換壓力變送器。

6流量控制儀表系統常見(jiàn)故障診斷

6.1常見(jiàn)流量檢測儀表

6.1.1容積式流量計

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

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(dòng)阻力件，流體流過(guò)阻力件時(shí)將產(chǎn)生壓力差，此壓力差與流體流量之間有確定的數值關(guān)系，通過(guò)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(guān)的各種物理現象，儀表的輸出與流速有確定的關(guān)系，即可知流體的體積流量。

6.2流量檢測儀器儀表常見(jiàn)故障的分析與排除

（1）流量控制儀表系統指示值達到最小時(shí)，首先檢查現場(chǎng)流量計，如果正常，則故障在顯示儀表。當流量計指示也最小，則檢查調節閥開(kāi)度：若開(kāi)度為零，則常為調節閥到調節器之間的故障；若調節閥開(kāi)度正常，故障原因很可能是系統壓力不夠、系統進(jìn)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指示值波動(dòng)頻繁，可將控制改到手動(dòng)，如果波動(dòng)仍然頻繁，則是儀表方面的原因或儀表控制參數PID設定不合適；如果波動(dòng)減小，則是工藝方面的原因所造成。

7液位控制儀表系統故障診斷

7.1常見(jiàn)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(shí)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(dòng)，自始至終其所受浮力大小不變，那么通過(guò)浮球所反映出來(lái)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(guò)兩種不同介質(zhì)的分界面時(shí)會(huì )產(chǎn)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(shí)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常見(jiàn)故障原因分析與排除

（1）液位控制儀表系統指示值變化到最大或最小時(shí)，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(dòng)控制液位，查看液位變化情況。如果液位可以穩定在一定范圍內，則故障在液位控制系統；如果穩不住液位，一般為工藝系統造成的故障，要從工藝方面查找原因。

（2）差壓式液位控制儀表指示和現場(chǎng)直讀儀表對不上時(shí)。首先檢查現場(chǎng)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(diǎn)；若無(wú)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）液位控制儀表系統指示值變化波動(dòng)頻繁時(shí)，首先要分析液位控制對象容量的大小，來(lái)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(méi)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(jiàn)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(lèi)。環(huán)境因素又分為密封、振動(dòng)、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、維護不當等；自身因素就是儀表質(zhì)量問(wèn)題。

8.1環(huán)境因素

8.1.1密封不良

密封不良產(chǎn)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(chǎng)所，有可能導致雨水或其它液體、粉塵、潮濕氣體進(jìn)入儀表內部，導致儀表接觸不良或電路部分出現故障、機械部分生銹腐蝕；

（2）現場(chǎng)儀表電纜進(jìn)線(xiàn)密封不良造成的。這大致分為兩種情況：一種情況為電纜沒(méi)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(chǎn)生的故障是現場(chǎng)儀表故障率較高的故障之一。

8.1.2振動(dòng)損壞

現場(chǎng)儀器儀表因設備或環(huán)境的振動(dòng)而出現故障也占有一定比例。常見(jiàn)有儀表固定固定螺絲或卡套松動(dòng)、接線(xiàn)頭接觸不良，焊點(diǎn)開(kāi)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(zhì)對儀器儀表及線(xiàn)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(kāi)干擾源，或采用屏蔽殼、屏蔽接地、安裝時(shí)設備或儀器儀表使用屏蔽電纜線(xiàn)。

8.1.5高溫高壓

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

8.2人為因素

在生產(chǎn)過(guò)程中，往往一些人為因素也有發(fā)生。如不按規程操作或維修，導致儀器儀表失控，工作在一個(gè)異常的環(huán)境中；搬運東西時(shí)碰傷儀表、清洗設備時(shí)不慎將水噴到儀表上，探傷檢測時(shí)時(shí)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，嚴格按照操作規程進(jìn)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(zhuān)業(yè)人員進(jìn)行，因為很多儀表都是帶電的，部分儀表系統帶有高壓。

（2）維修時(shí)，我們要查閱相關(guān)技術(shù)資料，弄清儀器儀表所在的控制系統，熟悉儀器儀表的工作原理，從而進(jìn)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(zhuān)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(shí)，最好先將人體自身上的靜電通過(guò)觸摸金屬等接地裝置進(jìn)行排放，靜電順時(shí)電壓可達幾千甚至上萬(wàn)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(huì )產(chǎn)生較強的電動(dòng)勢，產(chǎn)生高壓，很容易燒毀電子元器件。

（6）維修儀表時(shí)，應做好標記，記錄原來(lái)的位置，以便復原，避免因接錯線(xiàn)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(shí)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(chǎn)活動(dòng)中，我們應按照標準規程精心、細心做好設備及儀器儀表的操作及維護保養工作。同時(shí)，在排除它顯性故障的前提下，還需要對它所表現出來(lái)數據的真實(shí)性、可靠性進(jìn)行進(jìn)一步證明，這就要求我們需要按照標準的規程對測控儀器儀表進(jìn)行計量和校驗，對出現測量偏差的儀器儀表進(jìn)行校準或更換使用。