自動化儀表(技術工具):名稱,工業套用,結構,分類,組成,發展歷史,早期發展與自動

自動化儀表，是由若干自動化元件構成的，具有較完善功能的自動化技術工具。它一般同時具有數種功能，如測量、顯示、記錄或測量、控制、報警等。自動化儀表本身是一個系統，又是整個自動化系統中的一個子系統。自動化儀表是一種“信息機器”，其主要功能是信息形式的轉換，將輸入信號轉換成輸出信號。信號可以按時間域或頻率域表達，信號的傳輸則可調製成連續的模擬量或斷續的數字量形式。

基本介紹

中文名：自動化儀表
外文名：automatic instruments
功能：測量、觀察、計算各種物理量
說明：是由若干自動化元件構成的

名稱,工業套用,結構,分類,組成,發展歷史,早期發展與自動化工業儀表的出現,電子式自動化工業儀表的出現,智慧型型自動化工業儀表的出現,性能,發展趨勢,智慧型化,匯流排化,網路化,開放性,

名稱

自動化儀表（英文：automatic instruments）是用以檢出、測量、觀察、計算各種物理量、物質成分、物性參數等的器具或設備。真空檢漏儀、壓力表、測長儀、顯微鏡、乘法器等均屬於儀器儀表。廣義來說，儀器儀表也可具有自動控制、報警、信號傳遞和數據處理等功能，例如用於工業生產過程自動控制中的氣動調節儀表，和電動調節儀表，以及集散型儀表控制系統也皆屬於儀器儀表。儀器儀表能改善、擴展或補充人的官能。人們用感覺器官去視、聽、嘗、摸外部事物，而顯微鏡、望遠鏡、聲級計、酸度計、高溫計等儀器儀表，可以改善和擴展人的這些官能；另外，有些儀器儀表如磁強計、射線計數計等可感受和測量到人的感覺器官所不能感受到的物理量；還有些儀器儀表可以超過人的能力去記錄、計算和計數，如高速照相機、計算機等。

自動化檢測儀表是自控系統中關鍵的子系統之一。一般的自動化檢測儀表主要由三個部分組成：①感測器，利用各種信號檢測被測模擬量；②變送器，將感測器所測量的模擬信號轉變為4 ～ 20mA 的電流信號，並送到可程式序控制器中；③顯示器，將測量結果直觀地顯示出來，提供結果。

自動化檢測儀表以其測量精確、顯示清晰、操作簡單等特點，在工業生產中得到廣泛套用，而且自動化檢測儀表內部具有與微機的接口，更是自動化控制系統重要的部分，被稱為自動化控制系統的眼睛。自動化儀表主要有溫度儀表、壓力儀表、物位儀表、流量儀表及一些過程分析儀表等。

1、溫度儀表

石化現場設備或管道內介質溫度一般都需要指示控制，最常用的是熱電阻、熱電偶。特殊熱電阻有油罐平均溫度計等；特殊熱電偶有耐磨熱電偶、表面熱電偶、多點式熱電偶、防爆熱電偶等。

2、壓力儀表

壓力表分液柱式、彈性式、活塞式。作為壓力調節系統除採用壓力變送器將信號送至DCS或其它調節器外，位移平衡式基地式調節器仍常用於現場。

3、物料儀表

物料儀表沒有通用產品，按測量方式分為直讀式、浮力式、靜壓式、電接觸式、電容式、超音波式等等，其中雷達式、磁致伸縮式以及矩陣渦流式液位計精度高，石化行業套用普及。
4、流量儀表

流量，不是一般的流速，是單位時間內流經有效截面的流體的體積和質量，另外還需要求知管道中一段時間內流過的累積流體的體積和質量。

5、線上過程分析儀

從工藝上看，生產過程中對溫度、壓力、流量、液位等工藝參數的保證，只是間接保證最終產品或中間產品的質量合格，所以對過程中物料成分的直接分析和對最終產品的成分分析是非常重要的。

工業套用

“十二五”期間，我國儀器儀表市場容量很大，套用領域廣闊，但套用領域需求相對集中，套用要求迫切的領域主要有：鋼鐵電力、煤炭化工、石油、醫藥、輕工等產業部門。
這些產業部門除了有上千項新建工程需要配置大量自動化儀表與控制系統外，還有上萬個企業需要進行技術改造，為此必須替換舊型儀表或零部件需求量極其龐大。
1、環保儀器儀表

環保儀器儀表主要用在環境質量監測和污染源監測等方面。針對我國具體國情，環保主要解決我國水環境、大氣環境兩個戰略性和全局性的大環境生態污染問題。隨著節能降耗、減少排放和低碳經濟成為國家長期國策。
2、電工儀器儀表

在國家電網公司提出，要大力推進以特高壓電網為龍頭、各級電網協調發展、健全智慧型電網的原則，同時還明確了電力用戶用電信息採集系統建設是我國智慧型電網建設的重要組成部分後，智慧型電網建設漸進式發展起來。而電網建設是全球性行為，是長期、漸進式的剛性市場，為電工儀器儀表行業的重大發展機遇。

3、工業自動化儀表

工業自動化儀表重點發展基於現場匯流排技術的主控系統裝置及智慧型化儀表、特種和專用自動化儀表。從市場需求看，我國工業自動化市場需求日旺。據中國儀器儀表協會預測，到十一五末，工業自動化市場需求將超過1000億元。另隨著國家對民生關注的大大提高，一些與民生相關的需求也提到日程上來，也對儀器儀表提出新的要求和市場需求。

結構

分類

檢測與過程控制儀表(通常稱自動化儀表)分類方法很多，根據不同原則可以進行相應的分類。
例如按儀表所使用的能源分類，可以分為氣動儀表、電動儀表和液動儀表(很少見)；按儀表組合形式，可以分為基地式儀表、單元組合儀表和綜合控制裝里；按儀表安裝形式，可以分為現場儀表、盤裝儀表和架裝儀表。隨著微處理機的蓬勃發展，根據儀表有否引入微處理器又可分為智慧型儀表與非智慧型儀表。根據儀表信號的形式可分為模似儀表和數字儀表。

調節閥根據其結構特哄和流量特性不同進行分類

例如變送器具有多種功能，溫度變送器可以劃歸溫度檢測儀表，差壓變送器可以劃歸流檢測儀表

組成

顯示儀表根據記錄和指示、模擬與數字等功能，又可分為記錄儀表和指示儀表、模擬儀表和數顯儀表，其中記錄儀表又可分為單點記錄和多點記錄（指示亦可以有單點和多點），其中又有在紙記錄或無紙記錄，若是有紙記錄又分筆錄和列印記錄。

調節儀表可是以分為基地式調節儀表和單元組合式調節儀表。由於微處理機引入，又有可程式調節器與固定程式調節器之分。

執行器由執行機構和調節閥兩部分組成。執行機構按能源劃分有氣動執行器、電動執行器和液動執行器，按結構形式可以分為薄膜式、活塞式（氣缸式）和長行程執行機構。調節閥根據其結構特噗和流量特性不同進行分類，按結構特點分通常有直通單座、直通雙座、三通、角形、隔膜、蝶形、球閥、偏心旋轉、套筒（籠式）、閥體分離等，按流量特性分為直線、對數（等面分比）、拋物線、快開等。

這類分類方法相對比較合理，儀表覆蓋面也比較廣，但任何一種分類方法均不能將所有儀表分門別類地劃分得井井有序，它們中間互有滲透，彼此溝通。例如變送器具有多種功能，溫度變送器可以劃歸溫度檢測儀表，差壓變送器可以劃歸流量檢測儀表，壓力變送器可以劃歸壓檢測儀表，若用兀壓法測液位可以劃歸物位檢測儀表，很難確切劃歸哪一類，中外單元組合儀表中的計算和輔助單元也很難歸併。

發展歷史

早期發展與自動化工業儀表的出現

工業儀表在我國出現較早，剛開始出現時主要運載在冶金、熱能動力、石油煉製以及化工等熱力生產行業中，所以在當時工業儀表被稱作是熱工表。最早生產出的工業儀表主要有液動式以及機械式兩種，而且體積也較大，主要作用是進行檢測記錄與簡單的控制，運用起來極不靈活而且功能較少，不能夠在工業生產中發揮很大的作用。後來人們對這種工業儀表進行了發展與最佳化，針對其不能進行遠程控制的問題研製除了氣動儀表，這種儀表具備了壓力信號與遠程傳送器，可以進行遠距離的檢測記錄與控制，在這個基礎上有出現了可調節的電子儀表。在二十世紀五十年代左右，首次出現了電動式儀表，它主要是利用各種電子儀器對工業儀表進行控制。再後來，積體電路與半導體技術得到了一定的發展出現了計算機信息技術，這才逐漸出現了自動化技術，計算機技術的發展帶動了自動化技術的發展，並開始在化工行業中得到運用。

自動化工業儀表的真正出現是在二十世紀的八十年代，人們通過一種控制裝置把自動化技術與工業儀表進行了有效結合，然後通過組裝的電子設備進行綜合控制，後來隨著控制技術的不斷發展，自動化技術逐漸成為了工業儀表發展的主要工具，也就出現了真正的自動化工業儀表。隨著自動化儀表技術的不但發展，其體積越來越小，功能越來越全，在工業生產中發揮的作用也越來越明顯，成為現代工業發展必不可少的一個重要工具。

電子式自動化工業儀表的出現

在計算機技術出現之前出現了微電子技術，這種技術在自動化工業儀表中得到運用後，使自動化工業儀表逐漸呈現除了科技化與產業化。這種工業儀表主要是通過電子控制器來實現對故障的診斷，在電子式自動化工業儀表工作往往會由於各種電信號信息的不穩定而不能及時發現工作中的各種問題，存在著極大的弊端。人們對這種工業儀表進行更新與發展後，逐步出現了智慧型化、數位化的智慧型型自動化工業儀表，這種智慧型化的工業儀表通過虛擬網路技術來代替人工進行工作，初步實現了工業儀表的真正意義上的自動化。

智慧型型自動化工業儀表的出現

隨著社會信息技術的不斷發展，自動化工業儀表在發展的過程中也表現出了開放性、匯流排性、網路化以及智慧型化等特點。自動化工業儀表主要是通過採用接口通信、微處理器以及積體電路等現代化網路技術來實現其智慧型化的，這些技術可以利用一些嵌入式軟體對自動化工業儀表的內部操作進行協調，從而使其具備智慧型化處理能力。在這個基礎上對各種輸入信號進行非線性處理，並通過壓力與溫度進行補償，再通過故障診斷以及零點的修正與漂移等過程來逐步實現自動化工業儀表的匯流排控制，這種匯流排控制式自動化工業儀表是未來重點發展的重點。總之，未來自動化工業儀表的發展離不開計算機信息技術的支持，只有把計算機數位化技術充分運用到自動化工業儀表中，才能使自動化工業儀表取得進一步發展。

性能

衡量儀器儀表性能的主要技術指標有精確度、靈敏度、回響時間等。精確度表示儀表測量結果與被測量真值的一致程度。儀器儀表的精確度常用精確度等級來表示，例如0.1級、0.2級、0.5級、1.0級、1.5級等。0.1級表儀表總的誤差不超過±1.0%範圍。精確度等級數小，說明儀表的系統誤差和隨機誤差都小，也就是這種儀表精密。靈敏度表示當被測的量有一個很小的增量時與此增量引起儀表示值增量之比，它反映儀表能夠測量的最小被測量。回響時間是指儀表輸入一個階躍量時，其輸出由初始值第一次到達最終穩定值的時間間隔，一般規定以到達穩定值的95%時的時間為準。此外，還有重複性、線性度、滯環、死區、漂移等性能技術指標。

發展趨勢

微電子技術、計算機技術、網路通信技術和信息處理技術等日新月異發展的新技術對自動化儀表的革新產生了深遠的影響，已成為工業自動化儀器儀表發展的新的推動力，使工業自動化儀表不僅能夠更高速、更靈敏、更可靠、更簡捷地獲取對象的全方位信息，而且完全突破了傳統的光、機、電的框架，朝著智慧型化、網路化、匯流排化、開放性的方向發展。

智慧型化

現代自動化儀表的智慧型化是指採用大規模積體電路技術、微處理器技術、接口通信技術，利用嵌入式軟體協調內部操作，使儀表具有智慧型化處理的功能，在完成輸入信號的非線性處理，溫度與壓力的補償，量程刻度標尺的變換，零點的漂移與修正，故障診斷等基礎上，還可完成對工業過程的控制，使控制系統的危險進一步分散，並使其功能進一步增強。這類產品以數字輸出形式出現，不但大大提升了儀表性能，而且便於信息溝通，還可通過網路組成新型的、開放式的過程控制系統。

匯流排化

過程控制系統自動化中的現場設備通常稱為現場儀表。現場儀表主要有變送器，執行器，線上分析儀表及其它檢測儀表。現場匯流排技術的廣泛套用，使組建集中和分散式測試系統變得更為容易。然而集中測控越來越不能滿足複雜、遠程及範圍較大的測控任務的需求，必須組建一個可供各現場儀表數據共享的網路，現場匯流排控制系統（FCS）正是在這種情況下出現的。它是一種用於各種現場智慧型化儀表與中央控制之間的一種開放、全數位化、雙向、多站的通信系統。現場匯流排已成為全球自動化技術發展的重要表現形式，它為過程測控儀表的發展提供了千載難逢的發展機遇，並為實現進一步的高精度、高穩定、高可靠、高適應、低消耗等方面提供了巨大動力和發展空間。同時，各現場匯流排控制系統製造廠家為了使自己的現場匯流排控制系統（FCS）能得到套用，紛紛推出與其控制系統配套的具有現場匯流排功能的測量儀表和調節閥，形成了較為完整的現場匯流排控制系統體系。總而言之，匯流排化現場儀表功能豐富，在FC S中，幾乎不存在單一功能的現場儀表。如橫河川儀生產的EJA系列FF現場匯流排壓力變送器，具有2個相互獨立的AI（模入）功能模組，分別計算差壓和靜壓。它的自診斷不但可以檢測出壓力超界，環境溫度過高，量程設定錯誤，而且還能檢測出壓力感測器、溫度感測器以及放大器、模組等硬體故障。

網路化

現場匯流排技術採用計算機數位化通信技術，使自動控制系統與現場設備加入工廠信息網路，成為企業信息網路底層，可使智慧型儀表的作用得以充分發揮。隨著工業信息網路技術的發展，以網路結構體系為主要特徵的新型自動化儀表，即IP智慧型現場儀表代表了新一代控制網路發展的必然趨勢。圖1顯示了基於嵌入式Internet的控制網路體系結構。其特點是：首先Ethernet貫穿於網路的各個層次，它使網路成為透明的，覆蓋整個企業範圍的套用實體。它實現了真正意義上的辦公自動化與工業自動化的無縫結合，因而我們稱它為扁平化的工業控制網路。其良好的互連性和可擴展性使之成為一種真正意義上的全開放的網路體系結構，一種真正意義上的大統一。因此，基於嵌入式Internet的控制網路代表了新一代控制網路發展的必然趨勢，新一代智慧型儀表—IP智慧型現場儀表的套用將越來越廣泛。

開放性

測控儀器越來越多採用以Windows/CE、Linux、VxWorks等嵌入式作業系統為系統軟體核心和高性能微處理器為硬體系統核心的嵌入式系統技術，未來的儀器儀表和計算機的聯繫也將會日趨緊密，Agilent公司表示儀器儀表設備上應當具備計算機的所有接口，如USB接口、印表機接口、區域網路網路接口等，測量的數據也應通過USB接口存儲在可移動存儲設備中，使用這樣的儀器儀表設備和操作一台簡易電腦簡直是如出一轍。齊備的接口可連線多種現場測控儀表或執行器設備，在過程控制系統主機的支持下，通過網路形成具有特定功能的測控系統，實現了多種智慧型化現場測控設備的開放式互連繫統。
現代工業企業中的控制系統將向著智慧型化、匯流排化、網路化、一體化的方向發展。自動智慧型化儀表越來越廣泛的套用在各個領域。高度發展的現代自動控制技術在各行各業中的運用，必然帶來更高、更好得到發展。

自動化儀表(技術工具)