自動化控制系統中的流量儀表應用

閆文

（河南心連心化學工業集團股份有限公司，河南 新鄉 453731）

0 引言

在我國工業產業體系逐步完善的背景下，自動化控制模式也伴隨著工業生產、自動加工等模式實現技術體系的逐步優化。自動化儀表及控制系統在工業產業化工產業中的實現，可以通過相關組件與內部集成系統的支撐，實現基于系統變量的終端指令操控，以保證各個部件在運行過程中可以通過外部傳感器內部系統的指定對接形式，真正實現對組件、空間位置、各類運行狀態的有效調控。本文通過結合不同類型的自動化控制系統，對流量儀表的應用展開研究。

1 儀表自動化控制系統概述

儀表自動化控制系統是自動化系統中的一個非常重要的組成部分，并且具有輸入信號轉為輸出信號的功能，在一套設備中的作用就如人的大腦神經中樞對人產生的作用，通過提供一些數據信息真實反映設備運行的實際狀況，并在此基礎上實現設備運行有效監控。而自動化儀表在自動控制系統中占據著十分重要的地位，從用途角度入手，自動化儀表可以分為監測、顯示、轉換、調節控制、執行等儀表；從組成形式角度入手，可以分為單元組合式儀表、集中分散型控制系統、組裝式電子綜合控制裝置等；從使用系統角度入手，可以分為生產系統檢測和安全系統檢測儀表兩種類型，并且在生產生活的各個領域中都得到廣泛運用，所兼具的顯示、記錄、監測、控制等多重功能，也為現代化生產、管理和控制提供有力支持。另外，隨著自動化和科學技術不斷發展，對儀表自動控制系統也提出了更高要求，越來越多的生產要求儀表自動控制系統要實現智能化控制，進而達到生產操作便捷化、系統運行安全可靠等目的[1]。

2 儀表自動化控制系統的功能

儀表自動化功能的實現，在一定程度上加快了我國智能化生產水平，有效規避了因為人工因素所造成的工業生產問題，對于我國工業產業而言具有重要的促進意義。從實際功能來看，儀表自動化所呈現出的屬性如下。

（1）編程功能。儀表所具備的編程功能是保證其在相關系統中實現自動化智能化的基礎，通過編程程序來決定儀表在工作中的各類行為及路徑，才可有效提高整體監測效率。

（2）計算分析功能。此類數據采集與計算可以進一步將操控終端所產生的數據信息集成到主系統中，然后將此類數據信息進行綜合運算得出當前程序運行過程中的參數異常行為，并通過微型處理器將此類樹枝進行同步反饋，以提高系統在運行過程中的處理精度。

（3）記憶功能。儀表在運行過程中所產生的參數變量屬于動態的，且基準參數在核對過程中，將隨著時間節點的推移而造成單一數量的冗余問題，進而令數據信息監測過程無法真正反映出當前系統運行中存在的各類問題。而通過記憶屬性，則可以對設備運行過程中產生的各類參數問題進行同步采集與整合，通過全過程的參數調控來實現信息基準的核定，這樣對于后續生產過程而言，則可以將此類數據參數的執行狀態與基準參數進行同一時間節點下的反饋對比，進而為后續操控指令的下達與執行提供數據支撐。

（4）故障監督功能。儀表自動化所具備的故障檢測功能主要是針對當前運行過程中所產生的數據信息來分析出此類數據是否存在一定的故障特點，并同步反饋到主系統中，令工作人員明晰故障問題的產生原因與時間點，進而做出預防措施，避免設備故障問題所造成的停工現象。

從工作原理來看，故障檢測功能的實現主要是通過傳感器采集到系統運行過程中的各類數據行為，然后與基準參數值進行實時比對，如果運行過程中的數據值超出基準值的范疇之外，則代表當前時間點下，系統運行存在一定的故障問題，進一步對其進行定位處理，以提高系統運行的安全性與穩定性[2]。

3 流量儀表選型原則

流量儀表俗稱為流量計，現階段流量儀表類型多樣，如電磁流量計、渦街流量計、超聲波流量計、科氏力質量流量計等，每種類型的流量儀表都有其優缺點，所以在應用的過程中應結合具體的應用目的進行合理的選擇，現階段其被廣泛地應用于工業生產自動化控制系統中[3]。

隨著我國的迅猛發展，本土市場中企業之間的競爭壓力也在不斷加大。選擇最具有經濟效益的流量儀表，可以有效地減少企業的資金投入、減少成本預算。與此同時，還要考慮其在使用過程中整體的經濟意義，以減少成本為前提，最大限度的達到企業生產的技術質量標準。目前，在我國流量儀表的選擇中，基本上采用最合理化的儀器進行使用，并針對其合理化和應用性進行分析與對比。比如在流量儀表的使用和維護方面，流量儀表的使用壽命依據國產流量儀表與進口流量儀表對比可以看出，國產的流量儀表在使用上投資成本較大。在流量儀表的選擇類型上，需要考慮到企業本身的經濟能力，有效的選擇最適合、經濟實用性最高的型號，通過這種方法來實現減少工業企業經濟的資金投入[4]。

另外，在選擇流量儀表的過程中，需要保證該型號的流量儀表是否具備一定意義上的經濟性和使用安全性。在實際工作環境下，流量儀表的使用受到了多種條件的限制，如被測流體的工藝條件、流量本身的具體流量大小以及操作環境中蒸氣壓強和密度等。其中，由于溫度以及化工本身帶有的腐蝕性的影響下，流量儀表在測量時，難免會出現數據偏差。在此前提下就需要針對不同的工作環境來選擇有一定防護功效性和適用性的流量儀表配合工人人員的日常記錄數據等操作。也可以通過日常的工作經驗去選擇對應合適的儀表型號，讓流量儀表充分的達到工業生產的標準，進而可以有效提高工業生產過程中的安全性和實用性[5]。

4 自動化控制系統流量儀表分析

4.1 超聲波流量計

超聲波流量計的組成較為簡單，主要包括3 個部分，分別為流量顯示大屏、用于能量轉換的換能器以及電子線路。超聲波流量計之間主要是通過電信號和超聲波能量信號的兩次轉換過程，以被測流體為介質，將所測的結果顯示在屏幕中，供人們觀看和記錄。超聲波流量計使用雙平衡信號，差分發射方式對順序流動的聲波和逆序流動的聲波加以處理并測量結果，傳輸時間根據相應的傳輸時差來計算，得出流體的流速。超聲波流量計穩定性較好，抗干擾性較強，已被廣泛應用于各個行業當中，尤其是化工行業。超聲流量計的原理如圖1 所示。

圖1 超聲流量計原理

4.2 抗震渦街流量計

抗震渦街流量計主要是依據卡門的渦街理論而制成的一種速度式流量儀表。在同類的流量計中具有抗震性強，噪音小的優點。他采用了該機型獨有的防護措施，保障了測量數據的穩定性，減少了測量的誤差。渦街流量計主要有三種形式，基本型，溫差補償型和差壓型。其中溫差補償型可以同時對流量信號，壓力以及溫度進行測量，而差壓型主要是直接測量流體的質量流量。渦街流量計的原理是采用了卡門的渦街現象，當介質按照一定的速度經過流量計的旋轉發生體時，它的兩側會形成交替變化的流量渦旋，這種渦旋也被稱為卡門渦街。其中卡門渦街的流轉頻率與流體的流速是成正比關系的。通過檢測出的頻率，進而可以得到流體的流速。

4.3 彎管流量計

彎管流量計的工作原理是流體經過管道流向彎管，流體類似于流過了一個整流器，對彎管的管壁產生導流作用，流體內側會被加速，外側則會被減速，整個流體會近似整流成一種自然渦旋的梯形速度流動模式。其中也遵循質量守恒和動量守恒定律，流過相同截面的流體，它的能量是不變的。因此，會形成彎管內外側的測壓差，按照相應數學公式的計算，就能得到流體流速和流量之間的計量公式。彎管流量計的主要組成部件包括主機和彎管傳感器，同時還配備著壓力變送器，溫度變送器以及差壓變送器。差壓變送器主要是用于測量彎管傳感器之間產生的差壓值。壓力和溫度變送器對于不同的系統來說具有不同的定義，在化工領域必不可少，原則上必須配備溫度和壓力變送器。在測量彎管傳感器的差壓，同時也可以對介質進行溫度和壓力值的測定，達到必要條件對其進行溫差補償。彎管流量計在實際的工作之中不會產生磨損，即使流體高速沖擊劃過，也不會對其產生任何的扭曲、振動以及變形。

4.4 科里奧利質量流量計

科里奧利質量流量計的主要工作原理是旋轉中的某個質點會在特定的時間內朝旋轉中心旋轉，會產生一定的慣力，當流體進行移動時，會使質點會產生法向加速度和切向加速度，通過已知的公式和參數計算出科里奧力，通過科里奧力與常量的換算求出流體流于管道內的流量。隨著不斷發展，以科里奧利力為原理而設計的流量計主要分為四種，直管型、彎管型、單管型和雙管型。同孔板式差壓流量計相比，他的數據精確度較高，可用于較大的量程范圍，對較大的流體流量進行高準確的測量。對于特定的流體介質，該流量計可以準確并一次性測量出其內在的壓力和表面溫度，具有較大的工作穩定可靠性。此外，科里奧利質量流量計管道內部任何的部件都不可以移動，因此使用壽命較長，維修性較小。該流量計不僅僅可以測量一般流體，還可以測量高黏度甚至是非牛頓型的流體。

5 流量儀表在自動化控制系統中的應用方向

5.1 鍋爐送風應用

流量儀表在此方面應用主要是對蒸汽、空氣、送風等進行測量，例如現階段在此方面廣泛應用的漩渦型流量儀，利用漩渦剝離機制，使測量對象在經過其傳感感知系統后先后生成高壓區和低氣壓區，進而產生存在漩渦的真空帶，這種壓力差會直接致使區域出現壓力波動，而壓力波動的頻率與流量之間具有顯著的正相關性，可以反映流動速度、單位時間流動量等數據[6]。

5.2 石油開采應用

在此方面應用流量儀表的作用是計量產油量，并對單個產油井的開采量進行計算。首先應用質量流量儀表和相關的傳感器對原油溫度、密度、流量等信息進行采集，然后上傳至處理器，并結合相關模型算法對其進行計算處理，將處理結果通過設定的傳輸協議輸送至監控計算機，進而完成顯示、存儲等操作，使小組的石油開采量得到準確的體現[7]。

5.3 污水處理應用

現階段流量測量儀的應用類型會結合具體的污水處理檢測位置進行選擇，現階段超聲波流量儀在污水處理企業自動化控制系統中的應用較為普遍。其中，超聲波流量儀具有巴氏儀表槽，可以實現對污水流量的準確檢測，而且可結合測量的實際需要對閥門的開度，進水流量規模等進行合理的控制，使污水流量在污水處理過程中得到靈活的管控。

6 結語

隨著現代社會經濟和科學技術的不斷發展，儀表自動控制系統在工業領域中也得到了十分廣泛的應用。其中，流量儀表的選擇是否合理高效，與生產進度有直接的關系，高效且實用性強的流量表可以進一步促進生產工程的進度。