测控仪器仪表的种类及故障分析
温度、压力、流量和液位是工业生产过程中四种常见的物理量，本文从工作实际出发，在总结工业设备维护及维修经验的基础上，介绍了工业设备中常见自动测量控制系统的原理与组成，分析了测控仪器仪表系统常见的故障现象、排除方法及引起故障的主要因素。在论述故障原因及解决办法的同时，更加强调了仪器仪表维护维修过程中的相关注意事项，为同行业技术人员提供了一定的交流和参考。
人类社会文明从农业社会步入工业社会，生产活动经历了从手工化到机械化、电力化、自控化的转变。目前，工业设备已经代替了人类大多数的体力劳动和部分脑力劳动，测控仪器仪表就如同人之五官与四肢，其工作的稳定可靠性直接影响到生产设备的性能与产品的质量。为此，时刻使测控仪器仪表处于一个信息精准、可控的模式，是做好一切生产活动的基础与前提。
1测量控制系统的原理组成
各种自动测量与控制系统一般由以下四部分组成：测量元件（敏感元件）、转换元件（调理电路、变送器）、处理元件（控制器、控制仪表）、执行元件（继电器、控制阀）。其系统组成方块图如图1所示。
2测控仪器仪表的基本性能与指标
2.1测量范围、上下限及量程
测量范围就是指仪表按规定的精度进行的测量被测对象的范围值。测量范围的最大值称为测量上限，测量范围的最小值称为测量下限，量程就是上下限值的代数差。
2.2线性度
又称非线性误差，是表征仪表输出-输入校准曲线与所选定的拟合直线之间的吻合程度的指标。
2.3精度
精度又称为精确度或准确度，是指测量结果和实际值一致的程度。我们可以通俗理解为仪表显示值小数点后位数越多，就说明该仪表的测量精度等级越高。
2.4回差
回差是反映仪器仪表对某一参数在整个测量范围内，进行正反行程的测量，所得到在同一被测值下正反行程的最大绝对值差。
2.5灵敏度
仪器仪表的灵敏度就是被测量变化时，仪表输出的变化量与引起此变化的输入变化量的比值。
2.6分辨力
是仪器仪表在规定测量范围内所能检测出的被测输入量的最小变化值。有时用该值相对满量程输入值之百分数表示，则称为分辨率。
2.7零点迁移和量程迁移
在实际使用中，由于测量要求或测量条件的变化，需要改变仪表的零点或量程，可以对仪表的零点和量程进行调整。我们将零点的改变称为零点迁移，量程的改变称为量程迁移。零点迁移仪表灵敏度不变化，而量程迁移会引起灵敏度的改变。
3测控仪表常见故障类型
从仪器仪表故障产生的原因及导致的结果来看，可以将仪器仪表故障分为三种：暂时性硬故障，永久性硬故障，软故障。
（1）暂时性硬故障主要指因工艺条件变化波动较大，造成仪器仪表出现偏差，无法复位，经过手动调整可以排除故障的情况。
（2）永久性硬故障是指因各种条件导致仪器仪表损坏，无法修复性的故障，只有更换使用。
（3）软故障是指仪器仪表在正常检测过程中，因被测量异常，导致仪器仪表异常，待被测量正常后，无需手动调整，仪器仪表自行恢复正常。
4温度控制系统仪器仪表常见故障诊断
4.1常见工业用温度测量仪器仪表
4.1.1热电偶测温元件
热电偶测温的基本工作原理是基于热电效应，将温度变化量转换成电势的变化量进行测温的。
热电效应：又称赛贝克效应，将两种不同的导体或半导体（A,B）连接在一起构成一个闭合回路，当两接点处温度不同时，回路中将产生电动势，从而产生回路电流。
4.1.2热电阻测温元件
物体的电阻率随温度变化而变化的特性称为热电阻效应，利用热电阻效应制成的检测原件称为热电阻。一般把金属热电阻称为热电阻，把半导体热电阻称为热敏电阻。电阻率随温度升高而升高的称为材料具有正温度系数，随温度升高而降低的称为材料具有负温度系数。热电阻一般拥有正的温度系数，热敏电阻有正温度系数有（PTC），负温度系数（NTC），临界温度系数（CTR）三种，日常使用NTC型的较多。
常见的热电阻有PT100，PT1000，Cu50等。100,1000,50是温度为0℃时该材料的电阻值。
4.1.3温度变送器
温度变送器是温度测控系统中的转换元件，它将测量元件的非电量或非标准电量转换成标准的电信号送入控制器，以便控制器识别、处理。
4.2温控系统仪器仪表常见故障原因分析与排除
（1）故障出现以前显示仪表和记录曲线一直表现正常，出现波动后曲线变得毫无规律或系统难以控制，此时故障可能是：1.PID参数整定不良造成的；2.记录显示仪本身内部故障。
（2）如果系统显示仪表正常，打印曲线为一条直线，故障很可能出现在打印系统，这时可人为改变一下工艺参数，如无变化，则肯定出现在打印系统。
（3）显示仪表显示为系统设定或默认的最高或最低点，一般为转换元件损坏，或连接线路断开。
（4）温度显示值缓慢变化：1.工艺操作造成，这种情况如实反映内部情况，需要检查操作环境与工艺；2.测温元件不稳定，产生温度漂移，更换敏感元件。
（5）仪表显示值与实际值有偏差：一般为测温元件产生漂移，线路接头腐蚀、干扰等情况，需要逐一再检查。
（6）仪表显示屏显示字符出现闪烁现象，一般为仪表供电电压不稳或较低、电磁干扰等原因造成。
5压力控制系统常见仪器仪表故障诊断
5.1常见压力检测仪表
5.1.1液柱式压力计
液柱式压力计一般采用水银或水为工作液，利用被测介质两端压力差原理，用U型管或单管或斜管进行压力测量，常用于低压、负压或压力差的检测。
5.1.2弹性式压力计
弹性式压力检测是用弹性元件作为压力敏感元件把压力转换成弹性元件位移的一种检测方法。使用较多的弹性元件有弹性膜片、波纹管和弹簧管等。
5.1.3活塞式压力计
活塞式压力计是一种精度很高的标准仪器，常用做校验标准压力表及普通压力表使用。
5.1.4压力传感器
能够检测压力并能提供远传信号的装置统称为压力传感器，它是压力测量控制系统的重要组成部分。压力传感器结构形式多种多样，常见的形式有应变式、压阻式、压电式和电容式。
5.2压力检测与控制系统仪器仪表常见故障的分析与排除
（1）压力控制系统仪表指示出现快速振动时，首先检查工艺操作有无变化，这种变化多半是工艺操作和调节器PID参数整定不好所造成。
（2）压力控制仪表出现死线，工艺操作变化，但压力指示不变化，一般故障出现在压力测量系统中，首先检查测量引压导管系统是否有堵塞现象，若不堵，检查压力变送器输出系统有无变化，如有变化，故障出在控制器测量指示系统，如不变化，压力变送器故障。
（3）压力指示仪表出现最高或最低值，先可人为改变被测量，如有变化，一般跟工艺操作或环境有关，如无变化，一般为压力变送器内部弹性膜片卡住不能复位，可以通过略高于测量上限的气流吹开。如无法修复则更换压力变送器。
6流量控制仪表系统常见故障诊断
6.1常见流量检测仪表
6.1.1容积式流量计
容积式流量计又称正排量流量计，是直接根据排出的体积进行流量累计的仪表，它利用运动元件的往复次数或转速与流体的连续排出量成比例对被测物体进行连续的检测。
6.1.2差压式流量计
差压式流量计基于在流通管道上设置流动阻力件，流体流过阻力件时将产生压力差，此压力差与流体流量之间有确定的数值关系，通过测量差压值可以求得流体流量。
6.1.3速度式流量计
速度式流量计的测量原理都是基于与流体流速有关的各种物理现象，仪表的输出与流速有确定的关系，即可知流体的体积流量。
6.2流量检测仪器仪表常见故障的分析与排除
（1）流量控制仪表系统指示值达到最小时，首先检查现场流量计，如果正常，则故障在显示仪表。当流量计指示也最小，则检查调节阀开度：若开度为零，则常为调节阀到调节器之间的故障；若调节阀开度正常，故障原因很可能是系统压力不够、系统进出口管路堵塞、泵不上量等原因造成。
（2）如果流量控制仪表系统指示值波动频繁，可将控制改到手动，如果波动仍然频繁，则是仪表方面的原因或仪表控制参数PID设定不合适；如果波动减小，则是工艺方面的原因所造成。
7液位控制仪表系统故障诊断
7.1常见液位检测仪表
7.1.1静压式液位计
静压式液位计是利用计算液体压强的公式P=ρHg推出H=p/ρg,当我们测得压力p时即可计算出液体的位置高度H.
7.1.2浮子式液位计
浮子式液位计是用浮球作为检测元件，浮球随液位变化而上下移动，自始至终其所受浮力大小不变，那么通过浮球所反映出来位置的变化我们可以测得液位的高低。
7.1.3超声波液位计
超声波在穿过两种不同介质的分界面时会产生折射和反射，对于声阻抗①差别较大的相界面，几乎为全反射，从发射超声波至收到反射波回的时间可以计算出分界面的距离，利用这一原理可以制成超声波液位计。
7.2液位检测及控制系统常见故障原因分析与排除
（1）液位控制仪表系统指示值变化到最大或最小时，可以先检查检测仪表是否正常，如指示正常，将液位控制改为手动控制液位，查看液位变化情况。如果液位可以稳定在一定范围内，则故障在液位控制系统；如果稳不住液位，一般为工艺系统造成的故障，要从工艺方面查找原因。
（2）差压式液位控制仪表指示和现场直读仪表对不上时。首先检查现场直读式仪表是否正常，如指示正常，检查差压式液位仪表的负压导压管封液是否有渗漏：若有渗漏，重新灌封也调零点；若无渗漏，可能是仪表的负迁移量不对了，重新调整迁移量使仪表显示正常。
（3）液位控制仪表系统指示值变化波动频繁时，首先要分析液位控制对象容量的大小，来分析故障的原因，容量大一般是仪表故障造成；容量小则首先要分析工艺操作情况是否有变化，如有变化很可能是工艺操作造成的原因，如果没有变化，可能是仪表故障造成。
8造成仪器仪表故障的若干因素
仪器仪表的常见故障，按其成因一般分为环境因素、人为因素、仪表自身因素三大类。环境因素又分为密封、振动、腐蚀、电磁干扰、高温潮湿等；人为因素可分为使用不当、安装不当、人为损坏、维护不当等；自身因素就是仪表质量问题。
8.1环境因素
8.1.1密封不良
密封不良产生的故障情况有：
（1）使用较低防护等级的仪表安装于露天、潮湿的场所，有可能导致雨水或其它液体、粉尘、潮湿气体进入仪表内部，导致仪表接触不良或电路部分出现故障、机械部分生锈腐蚀；
（2）现场仪表电缆进线密封不良造成的。这大致分为两种情况：一种情况为电缆没有安装密封接头，另一种则是仪表电缆接口与密封接头不匹配造成的。
（3）仪表盖密封不良如密封垫未安装到位、未安装或密封垫老化引起的密封不良。密封不良产生的故障是现场仪表故障率较高的故障之一。
8.1.2振动损坏
现场仪器仪表因设备或环境的振动而出现故障也占有一定比例。常见有仪表固定固定螺丝或卡套松动、接线头接触不良，焊点开裂等。
8.1.3腐蚀损坏
腐蚀性较强的酸碱对仪表腐蚀，环境中的潮湿气体或杂质对仪器仪表及线路的锈蚀作用。
8.1.4电波干扰
一般毫伏级或频率信号受电磁干扰，谐波干扰较为严重。采取的办法是尽量避开干扰源，或采用屏蔽壳、屏蔽接地、安装时设备或仪器仪表使用屏蔽电缆线。
8.1.5高温高压
环境温度或介质温度过高或过低会使仪器仪表内部一些电子元件性能不稳定而造成仪表工作不正常。
8.2人为因素
在生产过程中，往往一些人为因素也有发生。如不按规程操作或维修，导致仪器仪表失控，工作在一个异常的环境中；搬运东西时碰伤仪表、清洗设备时不慎将水喷到仪表上，探伤检测时时仪表受扰等。该种情况就要以人员培训及防护为主，加强设备使用及维修人员责任意识，严格按照操作规程进行作业，做好操作或维修前的防护准备工作。
9仪器仪表维护维修注意事项
（1）仪器仪表维修，要由专业人员进行，因为很多仪表都是带电的，部分仪表系统带有高压。
（2）维修时，我们要查阅相关技术资料，弄清仪器仪表所在的控制系统，熟悉仪器仪表的工作原理，从而进行逐步仔细排查和维修。
（3）仪器仪表检测或维修一般都要用到专业的维修工具，维修人员要熟悉、合理使用维修工具，避免因乱用、错用造成仪器仪表或工具的损坏。
（4）维修仪器仪表电路时，最好先将人体自身上的静电通过触摸金属等接地装置进行排放，静电顺时电压可达几千甚至上万伏。
（5）不要带电插拔仪器仪表中的各种控制板及插接件。因为在加电的情况下，插拔连接件会产生较强的电动势，产生高压，很容易烧毁电子元器件。
（6）维修仪表时，应做好标记，记录原来的位置，以便复原，避免因接错线路扩大故障。
（7）仪表中有很多微小的和有弹性的零件，拆卸时应尽可能选择好空间及位置，一旦掉落我们首先应判断其可能掉落的位置，以免造成零件丢失。
10小结
测控仪器仪表是工业控制系统的重要基础，它直接反映和控制设备的工作性能及状态。日常生产活动中，我们应按照标准规程精心、细心做好设备及仪器仪表的操作及维护保养工作。同时，在排除它显性故障的前提下，还需要对它所表现出来数据的真实性、可靠性进行进一步证明，这就要求我们需要按照标准的规程对测控仪器仪表进行计量和校验，对出现测量偏差的仪器仪表进行校准或更换使用。
