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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(chǎn)過程中四種常見的物理量，本文從工作實(shí)際出發(fā)，在總結(jié)工業(yè)設(shè)備維護(hù)及維修經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，介紹了工業(yè)設(shè)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(qiáng)調(diào)了儀器儀表維護(hù)維修過程中的相關(guān)注意事項(xiàng)，為同行業(yè)技術(shù)人員提供了一定的交流和參考。

人類社會文明從農(nóng)業(yè)社會步入工業(yè)社會，生產(chǎn)活動經(jīng)歷了從手工化到機(jī)械化、電力化、自控化的轉(zhuǎn)變。目前，工業(yè)設(shè)備已經(jīng)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(chǎn)設(shè)備的性能與產(chǎn)品的質(zhì)量。為此，時刻使測控儀器儀表處于一個信息精準(zhǔn)、可控的模式，是做好一切生產(chǎn)活動的基礎(chǔ)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(zhuǎn)換元件（調(diào)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(biāo)

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(jìn)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(zhǔn)曲線與所選定的擬合直線之間的吻合程度的指標(biāo)。

2.3精度

精度又稱為精確度或準(zhǔn)確度，是指測量結(jié)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(shù)點(diǎn)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(nèi)，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，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(nèi)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?jǐn)?shù)表示，則稱為分辨率。

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(diào)整。我們將零點(diǎn)的改變稱為零點(diǎn)遷移，量程的改變稱為量程遷移。零點(diǎn)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(chǎn)生的原因及導(dǎo)致的結(jié)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(fù)位，經(jīng)過手動調(diào)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(dǎo)致儀器儀表損壞，無法修復(fù)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(dǎo)致儀器儀表異常，待被測量正常后，無需手動調(diào)整，儀器儀表自行恢復(fù)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(yīng)，將溫度變化量轉(zhuǎn)換成電勢的變化量進(jìn)行測溫的。

熱電效應(yīng)：又稱賽貝克效應(yīng)，將兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體（A,B）連接在一起構(gòu)成一個閉合回路，當(dāng)兩接點(diǎn)處溫度不同時，回路中將產(chǎn)生電動勢，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為熱電阻效應(yīng)，利用熱電阻效應(yīng)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(dǎo)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(fù)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(fù)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(zhuǎn)換元件，它將測量元件的非電量或非標(biāo)準(zhǔn)電量轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)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(nèi)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(shè)定或默認(rèn)的最高或最低點(diǎn)，一般為轉(zhuǎn)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(shí)反映內(nèi)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(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(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(fù)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(zhuǎn)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(biāo)準(zhǔn)儀器，常用做校驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)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(yuǎn)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(jié)構(gòu)形式多種多樣，常見的形式有應(yīng)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(diào)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(dǎo)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(guān)，如無變化，一般為壓力變送器內(nèi)部彈性膜片卡住不能復(fù)位，可以通過略高于測量上限的氣流吹開。如無法修復(fù)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(jìn)行流量累計的儀表，它利用運(yùn)動元件的往復(fù)次數(shù)或轉(zhuǎn)速與流體的連續(xù)排出量成比例對被測物體進(jìn)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(shè)置流動阻力件，流體流過阻力件時將產(chǎn)生壓力差，此壓力差與流體流量之間有確定的數(shù)值關(guān)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(guān)的各種物理現(xiàn)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故障的分析與排除

（1）流量控制儀表系統(tǒng)指示值達(dá)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(dāng)流量計指示也最小，則檢查調(diào)節(jié)閥開度：若開度為零，則常為調(diào)節(jié)閥到調(diào)節(jié)器之間的故障；若調(diào)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(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(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(shè)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(qiáng)的公式P=ρHg推出H=p/ρg,當(dāng)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(zhì)的分界面時會產(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(nèi)，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(fù)壓導(dǎo)壓管封液是否有滲漏：若有滲漏，重新灌封也調(diào)零點(diǎn)；若無滲漏，可能是儀表的負(fù)遷移量不對了，重新調(diào)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(dāng)、安裝不當(dāng)、人為損壞、維護(hù)不當(dāng)?shù)龋蛔陨硪蛩鼐褪莾x表質(zhì)量問題。

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(hù)等級的儀表安裝于露天、潮濕的場所，有可能導(dǎo)致雨水或其它液體、粉塵、潮濕氣體進(jìn)入儀表內(nèi)部，導(dǎo)致儀表接觸不良或電路部分出現(xiàn)故障、機(jī)械部分生銹腐蝕；

（2）現(xiàn)場儀表電纜進(jìn)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(chǎn)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(shè)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(diǎn)開裂等。

8.1.3腐蝕損壞

腐蝕性較強(qiáng)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(yán)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(shè)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(zhì)溫度過高或過低會使儀器儀表內(nèi)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(chǎn)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(dǎo)致儀器儀表失控，工作在一個異常的環(huán)境中；搬運(yùn)東西時碰傷儀表、清洗設(shè)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(xùn)及防護(hù)為主，加強(qiáng)設(shè)備使用及維修人員責(zé)任意識，嚴(yán)格按照操作規(guī)程進(jìn)行作業(yè)，做好操作或維修前的防護(hù)準(zhǔn)備工作。

9儀器儀表維護(hù)維修注意事項(xiàng)

（1）儀器儀表維修，要由專業(yè)人員進(jìn)行，因?yàn)楹芏鄡x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(guān)技術(shù)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(jìn)行逐步仔細(xì)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(jìn)行排放，靜電順時電壓可達(dá)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?yàn)樵诩与姷那闆r下，插拔連接件會產(chǎn)生較強(qiáng)的電動勢，產(chǎn)生高壓，很容易燒毀電子元器件。

（6）維修儀表時，應(yīng)做好標(biāo)記，記錄原來的位置，以便復(fù)原，避免因接錯線路擴(kuò)大故障。

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

10小結(jié)

測控儀器儀表是工業(yè)控制系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)，它直接反映和控制設(shè)備的工作性能及狀態(tài)。日常生產(chǎn)活動中，我們應(yīng)按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)程精心、細(xì)心做好設(shè)備及儀器儀表的操作及維護(hù)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(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(biāo)準(zhǔn)的規(guī)程對測控儀器儀表進(jìn)行計量和校驗(yàn)，對出現(xiàn)測量偏差的儀器儀表進(jìn)行校準(zhǔn)或更換使用。