浅谈工业仪表及关键测试技术的发展应用

岳春生 许宝庆

（1.中核核电运行管理有限公司，浙江 海盐 314300；2.哈尔滨蓝山环境技术开发公司，黑龙江 哈尔滨 150090）

1 概述

工业仪表是为实现工业过程自动化而进行检测、显示、控制、执行、报警等操作的仪表，是一种实现信息输入、转换、输出的“信息机器”。仪表本身既是具有较完善功能的测试技术工具系统，又是整个自动化系统中的一个子系统。

工业仪表技术的发展过程实质就是测试技术的发展过程。最初的热工仪表，只能实现就地检测、记录和简单的控制。后来使用了统一的压力信号气动仪表，能在二次仪表上重现读数，在中心控制室可进行检测、记录和控制。相继出现了电动式的动圈式毫伏计、电子电位差计、电气机械式调节器和整套的电子管调节仪表。组装式电子综合控制装置的应用，才将仪表和生产自动控制系统有机地结合在了一起。以上发展是跨世纪的，而测试系统从各自独立的“三大环节”到“卡式仪表”再到今天的“虚拟仪器”，只经历了短短十多年时间。工业革命和现代化大规模生产促进了新学科、新技术的发展，后来又出现了电子计算机和空间技术等，仪器仪表因而也得到迅速的发展。现代仪器仪表已成为测量、控制和实现自动化必不可少的技术工具。

2 测试系统构成

测试系统的组成见图1，主要把测试系统分为三大环节来看待，目前常用的测试系统仍按这一原则来处理。但是，现代测试技术已经突破了各个环节之间的界线。如各种智能传感器/仪表把传感、信号转换、信号采集与处理融入到其内部，功能已包含了上述测试系统的三大环节。仪表调节技术的研发，除一般的比例、积分、微分调节规律外，正在研究前馈、大滞后、非线性、相关和计算值调节等技术，以适应多回路自动化系统的需要。现代数据采集与处理系统向着能对百/千计的参数测试、速度更快、准确性和可靠性更高方向发展。

图1 测试系统框图

3 仪表关键测试技术构成

3.1 传感技术

传感技术不仅是仪器仪表实现检测的基础，它也是仪器仪表实现控制的基础。它包括有用被测量敏感技术，涉及各学科工作原理、遥感遥测、新材料等技术；信息融合技术，涉及传感器分布，微弱信号提取（增强），传感信息融合，成像等技术。

近年来，开发的新厡理、新材料、新工艺的新型传感器成果显著，如光导纤维传感器、非接触式微波传感器、核辐射传感器等都投入使用。特殊测量需求的双参数、双量程、多分力已成为传感器研究的新课题。

3.2 系统集成技术

该技术直接影响仪器仪表和测量控制科学技术的应用广度和水平，特别是对大工程、大系统、大型装置的自动化程度和效益有决定性影响。系统集成技术是系统级层次上的信息融合控制技术，包括系统的需求分析和建模技术，物理层配置技术，系统各部份信息通信转换技术和应用层控制策略实施技术等。在操作人员为多种不同岗位的操作群体情况下，还包括各级操作人员需求分析技术。

3.3 智能控制技术

该技术是人类以接近最佳方式，通过测控系统以接近最佳方式监控智能化工具、装备、系统达到既定目标的技术，是直接涉及测控，系统的效益发挥的技术，是从信息技术向知识经济技术发展的关键。智能控制技术是测控系统中最重要和最关键的软件资源，当前，软件价格超过系统硬件价格就是例证。智能控制目标由实现过程工艺参数的稳定运行发展为以最优质量为指标的最优控制。智能控制技术包括仿人的特征提取技、目标自动辨识、知识的自学习、环境的自适应及最佳决策技术等。

3.4 人机界面技术

该技术主要为方便仪器仪表操作人员操作仪器仪表或主设备、主系统服务。仪器仪表、甚至配有仪器仪表的主设备、主系统的可操作性、可维护性主要由人机界面技术完成。人机友好界面技术包括显示技术、硬拷贝技术、人机对话技术、故障人工干预技术等。随着仪器仪表的系统化、网络化发展，人机友好界面技术正向人机大系统技术发展；识别特定操作人员、防止非操作人员的介入技术也日益受到重视。

3.5 可靠性技术

仪器仪表和测控系统技术特别是在诸如核工业设施、电力、大型工程和工业生产中一旦出现故障，将导致灾难性的后果。其可靠性、安全性、可维性显得特别重要。像2003年8月15日美国、加拿大大面积停电的事故，就是由部分设备故障而扩展造成！如用于航天器的仪器仪表，可靠性已达到0.995～0.9998，连续工作无故障时间（10～50）×103h。

4 卡式仪表与虚拟仪器技术

“卡式仪表”是把信号调节电路和显示记录仪制成卡式模块，并与计算机总线相连，使各仪器得到大大简化，并能通过计算机来操作各模块的功能，进行监测。“虚拟仪器”是在卡式仪表的基础上，利用计算机的强大资源，使卡式仪表与软件充分融合，达到测量与控制的功能。“虚拟仪器”的特点是根据不同的被测对象和需求，用户自由选择各种功能组合，灵活性充分，使用便捷。这也是近30年来始终引领工业自动化仪表发展趋势的原因所在。但是，只有同时拥有高效的软件、模块化I/O硬件和用于集成的软硬件平台这三大组成部分，才能充分发挥虚拟仪器技术的性能高、扩展性强、开发时间短，以及出色的集成这四大优势。

结语

相对欧美、韩日等发达国家，我国工业自动化程度在各行业、领域间发展极不平衡。如在电力、冶金等垄断的基建领域已经走在世界前沿；汽车、制药等产业的应用目前正在进一步深化中；而众多传统制造行业，则仍处于刚起步阶段。当前，中国经济增长方式正在从粗放向集约、产品制造向产品服务、技术创新型转变。该转变也势必给工业仪表行业带来一系列的深刻影响。我国工业仪表及其测试技术的发展，在面向世界前沿技术的同时，还应着重国内的需求特点，有针对性的研发、选用新技术新产品。

[1]韩建海.机械工程测试技术[M].北京：清华大学出版社，2010.

[2]张智贤.自动化仪表与过程控制[M].北京:中国电力出版社，2009.