淺談工業儀表及關鍵測試技術的發展應用

岳春生 許寶慶

（1.中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300；2.哈爾濱藍山環境技術開發公司，黑龍江 哈爾濱 150090）

1 概述

工業儀表是為實現工業過程自動化而進行檢測、顯示、控制、執行、報警等操作的儀表，是一種實現信息輸入、轉換、輸出的“信息機器”。儀表本身既是具有較完善功能的測試技術工具系統，又是整個自動化系統中的一個子系統。

工業儀表技術的發展過程實質就是測試技術的發展過程。最初的熱工儀表，只能實現就地檢測、記錄和簡單的控制。后來使用了統一的壓力信號氣動儀表，能在二次儀表上重現讀數，在中心控制室可進行檢測、記錄和控制。相繼出現了電動式的動圈式毫伏計、電子電位差計、電氣機械式調節器和整套的電子管調節儀表。組裝式電子綜合控制裝置的應用，才將儀表和生產自動控制系統有機地結合在了一起。以上發展是跨世紀的，而測試系統從各自獨立的“三大環節”到“卡式儀表”再到今天的“虛擬儀器”，只經歷了短短十多年時間。工業革命和現代化大規模生產促進了新學科、新技術的發展，后來又出現了電子計算機和空間技術等，儀器儀表因而也得到迅速的發展。現代儀器儀表已成為測量、控制和實現自動化必不可少的技術工具。

2 測試系統構成

測試系統的組成見圖1，主要把測試系統分為三大環節來看待，目前常用的測試系統仍按這一原則來處理。但是，現代測試技術已經突破了各個環節之間的界線。如各種智能傳感器/儀表把傳感、信號轉換、信號采集與處理融入到其內部，功能已包含了上述測試系統的三大環節。儀表調節技術的研發，除一般的比例、積分、微分調節規律外，正在研究前饋、大滯后、非線性、相關和計算值調節等技術，以適應多回路自動化系統的需要。現代數據采集與處理系統向著能對百/千計的參數測試、速度更快、準確性和可靠性更高方向發展。

圖1 測試系統框圖

3 儀表關鍵測試技術構成

3.1 傳感技術

傳感技術不僅是儀器儀表實現檢測的基礎，它也是儀器儀表實現控制的基礎。它包括有用被測量敏感技術，涉及各學科工作原理、遙感遙測、新材料等技術；信息融合技術，涉及傳感器分布，微弱信號提取（增強），傳感信息融合，成像等技術。

近年來，開發的新厡理、新材料、新工藝的新型傳感器成果顯著，如光導纖維傳感器、非接觸式微波傳感器、核輻射傳感器等都投入使用。特殊測量需求的雙參數、雙量程、多分力已成為傳感器研究的新課題。

3.2 系統集成技術

該技術直接影響儀器儀表和測量控制科學技術的應用廣度和水平，特別是對大工程、大系統、大型裝置的自動化程度和效益有決定性影響。系統集成技術是系統級層次上的信息融合控制技術，包括系統的需求分析和建模技術，物理層配置技術，系統各部份信息通信轉換技術和應用層控制策略實施技術等。在操作人員為多種不同崗位的操作群體情況下，還包括各級操作人員需求分析技術。

3.3 智能控制技術

該技術是人類以接近最佳方式，通過測控系統以接近最佳方式監控智能化工具、裝備、系統達到既定目標的技術，是直接涉及測控，系統的效益發揮的技術，是從信息技術向知識經濟技術發展的關鍵。智能控制技術是測控系統中最重要和最關鍵的軟件資源，當前，軟件價格超過系統硬件價格就是例證。智能控制目標由實現過程工藝參數的穩定運行發展為以最優質量為指標的最優控制。智能控制技術包括仿人的特征提取技、目標自動辨識、知識的自學習、環境的自適應及最佳決策技術等。

3.4 人機界面技術

該技術主要為方便儀器儀表操作人員操作儀器儀表或主設備、主系統服務。儀器儀表、甚至配有儀器儀表的主設備、主系統的可操作性、可維護性主要由人機界面技術完成。人機友好界面技術包括顯示技術、硬拷貝技術、人機對話技術、故障人工干預技術等。隨著儀器儀表的系統化、網絡化發展，人機友好界面技術正向人機大系統技術發展；識別特定操作人員、防止非操作人員的介入技術也日益受到重視。

3.5 可靠性技術

儀器儀表和測控系統技術特別是在諸如核工業設施、電力、大型工程和工業生產中一旦出現故障，將導致災難性的后果。其可靠性、安全性、可維性顯得特別重要。像2003年8月15日美國、加拿大大面積停電的事故，就是由部分設備故障而擴展造成！如用于航天器的儀器儀表，可靠性已達到0.995～0.9998，連續工作無故障時間（10～50）×103h。

4 卡式儀表與虛擬儀器技術

“卡式儀表”是把信號調節電路和顯示記錄儀制成卡式模塊，并與計算機總線相連，使各儀器得到大大簡化，并能通過計算機來操作各模塊的功能，進行監測。“虛擬儀器”是在卡式儀表的基礎上，利用計算機的強大資源，使卡式儀表與軟件充分融合，達到測量與控制的功能。“虛擬儀器”的特點是根據不同的被測對象和需求，用戶自由選擇各種功能組合，靈活性充分，使用便捷。這也是近30年來始終引領工業自動化儀表發展趨勢的原因所在。但是，只有同時擁有高效的軟件、模塊化I/O硬件和用于集成的軟硬件平臺這三大組成部分，才能充分發揮虛擬儀器技術的性能高、擴展性強、開發時間短，以及出色的集成這四大優勢。

結語

相對歐美、韓日等發達國家，我國工業自動化程度在各行業、領域間發展極不平衡。如在電力、冶金等壟斷的基建領域已經走在世界前沿；汽車、制藥等產業的應用目前正在進一步深化中；而眾多傳統制造行業，則仍處于剛起步階段。當前，中國經濟增長方式正在從粗放向集約、產品制造向產品服務、技術創新型轉變。該轉變也勢必給工業儀表行業帶來一系列的深刻影響。我國工業儀表及其測試技術的發展，在面向世界前沿技術的同時，還應著重國內的需求特點，有針對性的研發、選用新技術新產品。

[1]韓建海.機械工程測試技術[M].北京：清華大學出版社，2010.

[2]張智賢.自動化儀表與過程控制[M].北京:中國電力出版社，2009.