世纪之交的自动化仪表
——检测仪表与执行器的技术进展
吴钦炜
摘 要：概要介绍了世纪之交人们关注的自动化仪表，重点是流量、物位检测仪表与执行器的技术进展。
关键词：发展概况 工业自动化仪表 流量仪表 物位仪表 执行器
The Automation Instrumentation in New Millennium
The Development of the Technologies of Detecting Instruments and Actuators
Abstract：The automation instrumentation concerned by people in new millennium is introduced in general． The main area is the development of the technologies of detecting instruments of flow， material level and actuators．
Key words：General development Process automation instrumentation Flow instrument Material level instrument Actuator▲
21世纪已经到来，人们将进入以知识经济为特征的信息时代。微电子技术、计算机技术、通信网络技术和自动化技术将继续高速发展，作为工业自动化技术工具的自动化仪表与装置也将跨入真正的数字化、智能化、网络化的时代。
传感技术、计算机技术与通信技术一起构成现代信息的三大基础。有的专家认为：在计算机与自动化领域内，80年代的热点是个人计算机，90年代是计算机网络，而21世纪**个10年的热点很可能是传感、执行与检测。这种预测是有一定根据的。近几年，微电子、微机械、新材料和新工艺的发展与计算机、通信技术的广泛应用，将可能创造出新一代的传感与检测系统。有人称之为智能传感技术或者现代传感技术，它与现场总线技术相结合，必将对自动化仪表与装置的技术发展产生重大影响。
关于21世纪工业自动化和工业控制计算机的发展，已有不少文章作了论述。本文仅就近期的一些文章介绍和作者的认识，对检测仪表与执行器的技术进展作些介绍，以期能展开更多的讨论和**。
检测仪表与执行器是生产过程自动化和经营管理现代化的基础，特别受到人们的重视。随着工业自动化技术进展，它们起着越来越为重要的作用，因为没有性能好、精度高、质量可靠的仪表检测到各种有关的信息，要实现高水平的自动化就是一句空话。
在工业过程检测方面，常规的温度、压力、流量与物位4大热工变量的检测已经有较成熟的技术基础和产品。新一代的检测仪表主要特点是数字化和智能化，它们是以微计算机为核心，可以自动调零、线性化、补偿环境因素变化，并配置图形显示仪表，直观地表达测量结果。在检测技术方面，超声、微波、激光等新技术正被大量采用，用以解决不同工业领域遇到的特殊测量问题和提高性能的要求。因此，检测仪表与执行器的当务之急，一方面要积极改进既有的测量方法，进一步完善**和实现微机化与智能化；另一方面是采用新的测量原理，开发新的检测仪表，扩大自动检测的新领域。下面将介绍人们关注的流量、压力、物位等几种检测仪表和执行器的技术进展。
1 分布式光纤温度传感网络
清华大学吴秋峰教授在《迎接21世纪工业控制的一些思考》一文中提到：智能传感技术与计算机网络技术相结合，就产生了智能传感网络的概念。它将致力于智能传感网络通信功能的研究和各种技术的融合，做到信息采集、传输、处理的集成与协同，这必将对工业控制、集成自动化等产生影响。
联系这个技术动向，首先介绍一种用于工业过程检测的分布式光纤温度传感网络。它是一种实时、在线、多点光纤温度测量系统，是近年来发展的、用于实时测量空间温度场的高新技术，成为工业过程控制中的新检测方法与技术。系统中的光纤既是传输媒体又是传感媒体，利用光纤背向喇曼散射的温度效应，光纤所处空间各点温度场调制了光纤中的背向喇曼散射的强度，经波分复用器和光电检测器采集了带有温度信息的背向喇曼散射光电信号，再经信号处理，解调后将温度信息实时从噪声中提取出来并进行显示，它是典型的激光光纤温度通信网络。在一根2km光纤上可采集1 000个温度信息并能进行空间定位，已经应用于煤矿、隧道的火灾自动温度报警系统，也可用于油库、危险品仓库的温度报警和大型设备温度分布测量等。分布式光纤温度传感网络的传感光纤不带电，抗射频和电磁干扰，防燃、防爆、抗腐蚀、耐高电压和强磁场、耐电离辐射，能在有害环境中**运行，系统具有自标定、自校准和自检测功能。
为了跟踪高新技术在工业过程实时检测方面的应用，我们期望这类智能传感网络将会更多被研究开发出来。
2 一体化节流式流量计
世纪之交，在流量检测技术方面亦没有出现全新的仪表。但是，具有真正智能化功能的各种流量仪表将蓬勃地发展起来，例如智能差压变送器的发展，已使人们看到节流装置仍会有很强的生命力。
一体化节流式流量计是将节流装置、差压变送器与流量显示装置融为一体构成的流量测量系统。它引入了节流定值的概念，使差压式流量计跨上了一个新台阶，是流量仪表的一次革新。专家们说：差压式流量计新的辉煌时期即将到来。
一体化节流式流量计优选喷嘴为节流件（也可选用孔板），毋需实流标定，耐腐蚀，压损小，检定周期长，方便用户更换，便于批量生产，降低节流件造价；它将节流装置与差压变送器做成一体，可消除现场安装偏心或不垂直等可能带来的附加误差，不仅保证了安装准确性和测量精度，而且缩短了引压管线，减少了故障率，改善了动态特性，这对于自控系统有重要意义。它配置宽量程差压变送器和显示装置可方便地对在线节流装置进行迁移和扩展量程，使流量计范围度达6∶1～10∶1，它对流量系数、可膨胀系数都采取实时计算，对密度进行查表，因而不确定度可忽略不计，保证测量精度能大幅度提高。根据近期资料介绍一体化节流式流量计在新建工厂中已较多应用，有着广阔的市场前景。
3 电磁流量计
在众多流量仪表中，电磁流量计是发展较快的流量检测仪表，这是由于它具有的一些特出优点。电磁流量计的发展方向是小型化和智能化。
近年来，电磁流量计在励磁技术、内衬技术、智能化技术方面都有新的进展。如励磁技术上发展的双频矩形波技术，实现了零点稳定性和响应速度、抗干扰能力的良好统一，使得流量信号幅度为通常电磁流量计的10倍。具有高信噪比，可适用于纸浆、矿浆等测量。在绝缘衬里材料方面，目前已有采用工业陶瓷衬里，它耐腐蚀、耐磨损、高温高压下不变形，电极与衬里间相烧结以解决管壁渗漏问题；还有无电极电磁流量计是由陶塑衬里感应在管壁上形成电极，经特种信号处理而获取流量信号，可以测电导率极低（0．05μS／cm）的污水流量；在智能化技术方面，借助微处理器和软件编程技术，可实现拓宽量程，补偿测量误差、零点校正、励磁自诊断、正反相流判断、空管与不满管的自诊断等，都极大地增强电磁流量计技术性能和测量功能，而可靠性和稳定性的改善尤为特出。
将电磁流量测量技术与过程层析成像技术相结合，正在开辟着过程检测的新领域。其原理是借助电容式多对电极多对线圈并适当安排两者的不同组合，就可获得比一个磁场一对电极更丰富的测量信息，经过数学处理后可得到非轴对称流型流体的准确流量，再通过进一步的图象重构和信息处理，可复现原流场，这将有助于流体其它特性和状态的研究。
4 超声流量计
超声流量计已有25年的历史，可作为对非导电性液体准确的、无机械阻碍的流量测量仪表，其技术发展方向是传感器与管道壁的一体化设计，全焊接结构，无压力损失。现已有多种测量技术和产品：多普勒超声流量计、时差式超声流量计、不满管超声流量计、插入式超声流量计等。
值得指出的是，自90年代以来气体超声流量计象一颗耀眼的新星骤然升起。它在天然气工业中的成功应用有突破性进展，一些天然气流量计量的疑难问题可望解决。据称由于准确度高和维修费用低，多声道气体超声流量计已被气体工业界接受，它是自气体涡轮流量计后被气体工业界接受的*重要的流量计量器具。至今已有12个国家的政府机构批准气体超声流量计为法定计量器具，在国外天然气工业的贸易输送、气体分配、调合、控制和检漏等方面都开始采用它。从近二三年的发展看，气体超声流量计也具有理论上无需进行流量标定、与介质无关等优点，现正逐步走向实用化。国外一些有名仪表公司都已批量生产，包括用于主管道的大口径流量计和家用煤气表已经积累了相当多的应用经验，其价格将逐步降低，可以预测它将占有较大的市场。
5 直接式质量流量计
我国目前正处于能源更新换代的历史时期，油品和燃气的流量测量必将成为流量测量技术发展和流量仪表新产品开发的重要课题。热式质量流量计和科里奥利质量流量计是两种重要的直接式质量流量仪表。
热式质量流量计的工作原理基于质量流量与热量损失成正比。其特点是传感器可由一体成形管做成，结构坚固寿命长，可相当**地测量高温低速流体，其抗腐蚀、防爆、抗污、耐磨等问题均已满意地得到解决，成本也相对较低，在节能、贸易、物料平衡等方面被选用。
科里奥利质量流量计是一种新型仪表，利用流体在振动管内流动时所产生与质量流量成正比的科氏力原理来制成。它可直接用于测量介质的质量、密度、温度，具有测量精度高、量程比宽、测量范围广等特点。而且，由于其测量原理的特殊性，还可用于测量高压气体、高粘度流体、非牛顿流体等较特殊的介质；用于较重要的各种进料的混合及批量计量，流量计量控制，快速多变的密度测量，产品的质量控制和监视的场合。它用于高压天然气计量的可行性已无可置疑，还能较好地处**液两相的液化石油气。随着应用领域的扩大，肯定它会不断有所改进**。
6 新一代固态传感器与智能压力／差压变送器
微电子技术的迅猛发展，促进了微机械加工技术日益更新。它引伸到仪表领域，奠定了现代传感器的技术基础，推动着全新的固态传感器和集成化智能变送器的发展和实用化，现已取得了引人注目的成果。固态传感器与传统结构型传感器相比较，在技术和性能上发生了质的变化，它使传感器技术向微型化、高精度、低功耗、智能化方面迈出了一大步，这标志着检测传感器与变送器将发生一场划时代的变革。
近年来，多种微结构的固态硅传感器已被开发出来并投入生产应用。如微型伺服加速度计、微结构加速度开关、微硅振环陀螺、微硅谐振式压力传感器、微硅质量流量计等，人们预测，许多传统的结构型传感器所能实现的各种原理，采用微机械加工技术同样可以做出各种微结构传感器，在此基础上再实现传感器与处理器集成化，就可设计出新一代数字式智能变送器。典型的事例是日本横河公司的EJA型智能压力／差压变送器，它采用先进的单晶硅谐振式传感器，这在变送器工作原理上是具有技术**性质的突破。人们评价说，它已成为当今变送器家族中比较具有活力的产品。代表着检测仪表发展的重要方向。
7 微波物位计（雷达物位计）
基于雷达测量技术的新发展，近年来高性能、低价格的微波物位计已真正大量进入过程检测仪表市场。化工、石化、医药、食品等工业普遍存在高温、高压、腐蚀、挥发、冷凝等复杂工况条件，必需采用非接触式测量方法才能达到长期可靠运行的效果。因此，微波物位计在各种连续式物位计中市场增长率为*高。
微波是一种电磁波，其传播速度不受介质特性影响。微波物位计是利用无线电回波测距原理实现物位测量的。微波从天线发出，在被测目标反射后回波再被无线接收，按微波来回传播时间来计算距离即是物位。目前微波物位计有脉冲雷达和调频连续波雷达两种。近年推出的普及型微波物位计大多采用脉冲方式，精度已达（0．2％～0．3％）FS，价格较低，能满足一般测量要求。调频连续波雷达是将距离转换为频率进行测量、能得到较高精度。这两种微波物位计被测物体通常限于液体为主。
对于粉料测量、干料测量、界面测量、浆料液位、带泡沫液位的连续测量历来是物位测量的难点，这时可采用相位跟踪法通过测量发送射频波与从物料表面反射回波之间相位角来测量物位。这种测量方法能取得良好效果。
8 储罐计量测量仪表——磁致伸缩式液位计
物位仪表当前发展的重要领域是罐区管理及其计量自动化。储罐计量是指对大型储罐内储液存量进行测量，从而获得储库库存量，它是一个企业掌握库存资料，以便指导生产和销售的重要管理项目。采用储罐计量会比采用流量计更经济、精度更高。因此，库存量测量要求高的测量精度和高的测量复现性。
现用测量方法有3种：一种是体积测量法，通过液位和温度测量而计算出储液体积，然后再换算成重量；另一种是重量测量法，通过液柱静压强测量而计算出储液重量；第三种是混合式测量系统，其优点是能实现高精度液位和界位测量，能获得高精度的体积，又能实现高精度平均密度测量，从而获得高精度质量计量。在这里，能否高精度测量储罐液位及油水界面是系统的关键，因此液位计的选择至关重要。
目前在大量程液位计中可达到1mm精度的有雷达物位计、伺服型浮子液位计和磁致伸缩式液位计，相比之下，用磁致伸缩式物位计装在储罐顶上，同时在罐底安装高精度压力变送器，然后配上一套包括数据采集器的现场监测计算机管理系统和一套供业务管理的远程计算机管理系统，就可以组成十分完善的混合式储罐计算系统。它经过油库实际运行获得满意的效果。
磁致伸缩式液位计是将磁致伸缩线性位移传感器引用来测量高精度大量程的新型液位计，能同时测量液位和液液界面及多点温度。*大量程可达18m，测量精度达±0．5mm或±0．05％FS，重复性达0．002％FS，传感元件是非接触式的，由一根测杆和套在杆上可滑动浮子组成，两个不同比重的浮子浮在液面和油水界面，测杆由保护外管、波导管及铜导线三层组成，它无磨损，可靠耐用，能耐高温、高压、不受介质比重影响，不受过程压力变化的影响，解决了原来液位测量中的许多难题。
9 智能阀门定位器
智能阀门定位器是新一代智能化、气动执行机构不可缺少的配套产品。它内装高集成度的微控制器，采用电平衡（数字平衡）原理代替传统的力平衡原理，将电控命令转换成气动定位增量来实现阀位控制；利用数字式开、停、关的信号来驱动气动执行机构的动作；阀位反馈直接通过高精度位置传感器，实现电／气转换功能，因而具有提高输出力、提高动作速度和调节精度（*小行程分辩率可达0．05％），克服阀杆摩擦力，实现正确定位等特点。
智能阀门定位器具备许多符合现代过程控制技术要求的功能：对所有控制参数都可组态的功能（如死区、正反作用、报警上下限、行程零点、行程范围、执行机构类型选择等），实现分程控制功能，实现上行、下行速度调节功能，实现线性、等百分比、快开等特性修正功能，自校正功能、自诊断功能，故障报警及故障处理功能，多种通信支持功能等。
由于智能阀门定位器的功能完善，对降低投资、节约能源、提高过程控制水平能带来极大益处，现已越来越受到用户的关注，并被选用。同时，它与智能变送器一起将彻底改变现场仪表的状况，促使过程控制早日进入现场总线控制系统的新时代。
10 中国电磁阀载誉国内外市场
电磁阀作为自动化仪表的一种重要的执行器，近年来需用量急剧上升，其销量已超过调节阀。它是开关信号控制，动作快速，使用特别**，市场潜力很大。
我国电磁阀的制造生产，在学习、借鉴国外先进技术的基础上，依靠自身不断发明创造，至今有了长足进步。值得一提的是，早在1981年浙江长久科技实业公司率先发明了多功能电磁阀系列，荣获日内瓦国际新技术金奖，接着立足于应用，对电磁阀进行精简化、智能化、通用化、专用化方面的**研究，先后设计了新颖的多路电磁阀、双联组合电磁阀、三位电磁阀、数字阀、自保持电磁阀、反冲过滤阀、精巧电磁阀（蒸汽）、燃气电磁阀以及水厂用、油用、消防用电磁阀等等，其中多项技术获得美国、日本、欧盟**而产品出口外国。1998年又成功地开发了液化石油气LPG双燃料汽车燃供系统用组合阀，符合我国环保法规要求，可靠、价廉，完全能取代进口产品。它证明国产电磁阀的质量与性能是先进的。我们提倡树立民族自信心。支持民族电磁阀工业，优先选用国产电磁阀。当然也应看到电磁阀行业不正当竞争十分严重，伪劣假冒现象使消费者深受其害。
11 新一代全功能超轻型调节阀
调节阀是过程控制中重要的终端控制仪表，它是一种内含控制流体流量的可变节流件的压力密体组件，在管路中具有调节、切断和分配流体的功能。在过去30多年里调节阀产品结构没有大的改变，更说不上更新换代。以往人们只是在改进和完善上下功夫，在80年代初曾出现精小型调节阀，将调节阀的高度和重量降低30％，但在功能和可靠性上没有突破，这显然与过程自动化技术的高速发展不相适应，因而特别受到人们关注。
近年来，重庆华林机械工程公司**设计成功新一代全功能超轻型调节阀，针对传统调节阀的笨重、品种繁多、功能不全、可靠性差等问题进行技术攻关与改型，取得**成果。迄今已试产并经生产使用，效果良好，倍受用户肯定、信赖、鼓励和关注，看来将逐步取代传统调节阀，特别是它与电动执行机构的配套，对促进我国电动执行器的推广应用能做出更大贡献。
新一代超轻型调节阀在重量上比传统调节阀减轻60％～80％，高度下降50％～70％；功能上具备调节、切断、大压差、防堵、耐蚀、耐高温高压全部功能，品种规格简化60％～70％；阀杆阀芯阀座部件加强密封，减小摩擦、防止堵卡，提高寿命，泄漏率达10－6～10－7。人们期待新一代产品问世。
12 智能电动执行器
智能电动执行器系列是一类新型终端控制仪表，它根据控制电信号，直接操作改阀的位移。由于人们对控制系统的精度和动态特性提出了越来越高的要求，选用电动执行器与控制系统连接，直接接受电控制信号，能够获得*快响应时间，实现控制也更为合理、方便、经济，因而受到用户的欢迎。这样还可免去采用气动执行器必需配置良好的气源设备投资和现场气路管线安装的麻烦。
新型电动执行器大都将伺服放大器与执行机构合为一体，并增设了行程保护、过力矩保护和电动机过热保护等以提高可靠性，还具有断电信号保护、输出现场阀位指示和故障报警功能。它可进行现场操作或远方操作，完成手动操作及手动／自动之间无扰动切换。
智能电动执行器则利用微机技术和现场通信技术扩大功能，实现双向通信、PID调节、在线自动标定、自校正与自诊断等多种控制技术要求的功能，有效提高控制水平，现已越来越受到用户的选用和关注。■
作者简介：吴钦炜，男，1948年毕业于交通大学，原中国仪器仪表学会理事会副理事长，中国 自动化学会仪表与装置专业委员会主任，本刊编委会主任。
作者单位：吴钦炜（上海工业自动化仪表研究所，上海 200233）
参考文献：
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［2］张在宣，等．用于工业过程检测的分布式光纤温度传感器．上海：′99工业仪表与自动化学术会议论文集．中国仪器仪表学会过程检测控制仪表分会，1999
［3］王京安．一体化节流式流量计．自动化仪表，1998，19（8）
［4］李传经．流量测量的技术发展动向．里斯本：国际标准化组织ISO TC30会议概况，1998
