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[摘 要]随着社会的发展与进步，重视热工自动化仪表的应用原理具有重要的意义。本文主要介绍热工自动化仪表的应用原理及故障维护的有关内容。
[关键词]热工；自动化；仪表；故障维护；应用；原理；
中图分类号：U245.95 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）11-0004-02
引言
热工自动化仪表是热工自动化系统中至关重要的组成要素，通过测量热工自动化仪表各个参数，如压力、物位、温度、流量等，能够及时反映出仪表的运行状况，从而为设备的维护工作提供主要的依据。热工自动化仪表一般由三个部分组成：传感器、变送器以及显示器。其中传感器负责通过各种信号检测模拟量；变送器负责将将测到的模拟信号转变为4—20mA的电流信号；而显示器是将测量的结果直观的显示出来。经过这三部分的配合，热工自动化仪表就可以实现对于相应的热工参数的测量监督，保证仪表的正常运行。
1、主要热工自动化仪表介绍
1.1 物位仪表
物位仪表主要有超声波物位计以及电容热点式物位计两种。超声波物位计一次探头向被測介质表面发射超声波脉冲信号，超声波遇到被测介质后反射回来的信号通过电子模块检测和专用软件加以处理，分析发射超声波和回波的时间差，结合超声波的传播速度，可以精确计算出其传播路程，进而反映出物位的情况；电容式物位传感器由两个导体电极，通过极间为气体、固体或者流体的变化而测定物位。由于此传感器的敏感元件简单，被广泛的应用于水箱、清水池等液位的测量。
1.2 测温仪表
测温仪表大致的可以分为热电偶温度计以及热电阻温度计。热电偶温度计可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。它由感受件热电偶和用来测量热电偶所产生的热电势的二次仪表组成。由于在一定条件下，热电偶工作端的被测温度t与热电偶所产生的热势E之间有确定的函数关系，即E=f（t）（称为热电偶的热电性质），因此，二次仪表测得的电势数值就代表着被测温度。热电偶温度计一般用于测量锅炉烟气温度、锅炉汽包温度以及汽机主气温度等高温环境。热电偶在使用中应防止过分折伤，避免产生附加应力和寄生电动势，造成测温不准确。常见热电偶主要特性可见表1。
在用热电偶测量500℃以下温度时，测量精度较低，可采用热电阻温度计进行测量。热电阻测温值可达-200℃之低。热电阻温度计由热电阻、连接导线和测量电阻值的显示仪表组成。热电阻测量温度的原理是利用一些金属在温度变化时其电阻也随着发生变化的特性，主要有铂热电阻和铜热电阻两种。热电阻温度计一般用于测量循环水温度、凝结水温度以及电机轴承温度等较低温的环境，热电阻在使用中应注意以下事项：
1）为了减少环境温度对线路电阻的影响，常采用三线制或四线制连接；
2）热电阻引入显示仪表的线路电阻必须符合规定值，否则会产生系统误差；
3 ）热电阻工作电流要小于规定值（通常为6mA），否则因过大电流产生附加误差；
4）热电阻的分度号必须和显示仪表调校分度号相同。常见热电阻主要特性可见表2。
1.3 流量仪表
流量仪表主要由差压式流量计、容积式流量计以及微机型数字流量计，这里主要介绍微机型数字流量计。下图1为微机型流量计的组成框图，此流量计通过三个变送器DBW、DBY、DC对温度、压力以及差压进行测量，然后经过压力转换器将电信号转化为数字量，处理后的数据经运算并显示在屏幕。
1.4 测压仪表
测压仪表主要由扩散硅式压力变送器、波纹管压力计、膜盒微压计三种，这里介绍一下扩散硅式压力变送器。
扩散硅式压力变送器是采用了集成电路技术，在半导体硅基底上利用扩散工艺形成应变电阻，利用电阻的变化率与被测压力之间的正比关系得到压力值。特别是由于单晶硅材料具有蠕变量小、弹性滞后小、压阻效应大以及弹性性能高的优势，使得测压的转换效率很高。现今主要的应用于高压蒸汽的测压。
为了兼顾测量的精度以及保护测压仪表，不允许被测压力经常的处于刻度上限，选用的量程保证被测压力的正常值在压力计测量范围的三分之二即可（如图1）。
2、热工自动化仪表故障分析及其措施
正因为热工自动化仪表在自动化电厂中的重要作用，所以必须尽量避免仪表的故障或损坏，虽然目前在电厂中使用的自动化仪表都有较高的可靠性，但在实际应用过程中总会出现很多故障，去除产品本身质量问题，主要的故障原因有密封问题、振动问题、维护不当、非人为破坏及人为破坏等五大类，各种故障原因所占的比例如图2所示。
如图所示，由于密封问题所造成的仪表故障比例高达60.5%，主要原因有：
（一）、由于自动化仪表的电缆接线密封不良而使雨水或者其他液体进入仪表内部，从而导致仪表内部电路故障或机械部分润滑不良。针对这种情况，在设备订货时不要疏忽仪表进线电缆的密封接头，而且在选型上要注意接头尺寸与电缆外径相匹配，安装、维护时要按照规范安装并拧紧密封接头；因特殊情况不能可靠密封时可采用硅胶，玻璃胶等封死接口。
（二）、仪表盖密封不好也是导致故障率较高的另一主要原因，这一原因可导致水或者其他腐蚀性物质进入表内对仪表内部器件进行腐蚀。针对这种情况，维护人员必须选取外壳防护等级较高的仪表，准确安装好仪表盖，并拧紧固定螺丝，必要时可为仪表安装保护箱。维护不当和人为破坏所造成的故障，可统称为人为因素故障，这是由于维护人员个人技术原因或者责任心不强对仪表进行了不规范的维护，使仪表产生了故障或者由于仪表部件、电缆被盗而造成的仪表不能正常工作，人为因素故障的比例达到了28%，针对前一种情况，维护人员必须认真学习专业技术和操作规程，并严格按照技术要求和操作规程进行操作，并树立敬业爱岗的精神；对于后一种情况，必须加强电厂的设备监控及防盗管理。非人为破坏是指在电厂的自动化流水作业过程中，由于非正常情况（如异常物料或者异常工况等）对热工自动化仪表产生的破坏或者损伤而引起的仪表故障，这种情况出现的概率虽然较低，但由于其突发性和不可预测性，防治比较困难，这种情况要求现场人员集中注意力，对所负责工作一丝不苟，充分检查电厂作业流程，及时发现异常并采取措施以保证作业的正常进行。 振动问题虽然在所有原因中所占的比例不高，但也是不容忽视的问题，常见的有仪表的固定螺丝或者卡套松动、仪表接线不良、焊口裂缝等故障现象。可采取相应的对策如牢固拧紧固定螺丝或卡套，每个螺丝都保证配有防松弹簧垫片，增加橡胶垫、支撑架来缓解振动，加强日常巡检，将隐患消灭在萌芽状态。
3、热工自动化仪表现场维护经验
3.1 现场仪表系统故障的基本分析步骤
现场仪表测量参数一般分为温度、压力、流量、液位四大参数。
现根据测量参数的不同，来分析不同的现场仪表故障所在。
1.首先，在分析现场仪表故障前，要比较透彻地了解相关仪表系统的生产过程、生产工艺情况及条件，了解仪表系统的设计方案、设计意图，仪表系统的结构、特点、性能及参数要求等。
2.在分析检查现场仪表系统故障之前，要向现场操作工人了解生产的负荷及原料的参数变化情况，查看故障仪表的记录曲线，进行综合分析，以确定仪表故障原因所在。
3.如果仪表记录曲线为一条死線（一点变化也没有的线称死线），或记录曲线原来为波动，现在突然变成一条直线；故障很可能在仪表系统。因为目前记录仪表大多是DCS计算机系统，灵敏度非常高，参数的变化能非常灵敏的反应出来。此时可人为地改变一下工艺参数，看曲线变化情况。如不变化，基本断定是仪表系统出了问题；如有正常变化，基本断定仪表系统没有大的问题。
4.变化工艺参数时，发现记录曲线发生突变或跳到最大或最小，此时的故障也常在仪表系统。
5.故障出现以前仪表记录曲线一直表现正常，出现波动后记录曲线变得毫无规律或使系统难以控制，甚至连手动操作也不能控制，此时故障可能是工艺操作系统造成的。
6.当发现DCS显示仪表不正常时，可以到现场检查同一直观仪表的指示值，如果它们差别很大，则很可能是仪表系统出现故障。
总之，分析现场仪表故障原因时，要特别注意被测控制对象和控制阀的特性变化，这些都可能是造成现场仪表系统故障的原因。所以，我们要从现场仪表系统和工艺操作系统两个方面综合考虑、仔细分析，检查原因所在。
3.2 四大测量参数仪表控制系统故障分析步骤
1.温度控制仪表系统故障分析步骤
分析温度控制仪表系统故障时，首先要注意两点：该系统仪表多采用电动仪表测量、指示、控制；该系统仪表的测量往往滞后较大。
（1）温度仪表系统的指示值突然变到最大或最小，一般为仪表系统故障。因为温度仪表系统测量滞后较大，不会发生突然变化。此时的故障原因多是热电偶、热电阻、补偿导线断线或变送器放大器失灵造成。
（2）温度控制仪表系统指示出现快速振荡现象，多为控制参数PID调整不当造成。
（3）温度控制仪表系统指示出现大幅缓慢的波动，很可能是由于工艺操作变化引起的，如当时工艺操作没有变化，则很可能是仪表控制系统本身的故障。
（4）温度控制系统本身的故障分析步骤：检查调节阀输入信号是否变化，输入信号不变化，调节阀动作，调节阀膜头膜片漏了；检查调节阀定位器输入信号是否变化，输入信号不变化，输出信号变化，定位器有故障；检查定位器输入信号有变化，再查调节器输出有无变化，如果调节器输入不变化，输出变化，此时是调节器本身的故障。
2.压力控制仪表系统故障分析步骤
（1）压力控制系统仪表指示出现快速振荡波动时，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参数整定不好造成。
（2）压力控制系统仪表指示出现死线，工艺操作变化了压力指示还是不变化，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的现象，不堵，检查压力变送器输出系统有无变化，有变化，故障出在控制器测量指示系统。
3.流量控制仪表系统故障分析步骤
（1）流量控制仪表系统指示值达到最小时，首先检查现场检测仪表，如果正常，则故障在显示仪表。当现场检测仪表指示也最小，则检查调节阀开度，若调节阀开度为零，则常为调节阀到调节器之间故障。当现场检测仪表指示最小，调节阀开度正常，故障原因很可能是系统压力不够、系统管路堵塞、泵不上量、介质结晶、操作不当等原因造成。若是仪表方面的故障，原因有：孔板差压流量计可能是正压引压导管堵；差压变送器正压室漏；机械式流量计是齿轮卡死或过滤网堵等。
（2）流量控制仪表系统指示值达到最大时，则检测仪表也常常会指示最大。此时可手动遥控调节阀开大或关小，如果流量能降下来则一般为工艺操作原因造成。若流量值降不下来，则是仪表系统的原因造成，检查流量控制仪表系统的调节阀是否动作；检查仪表测量引压系统是否正常；检查仪表信号传送系统是否正常。
结束语
通过对几种自动仪表的原理及应用的论述，说明了自动化仪表的重要作用以及进行自动化仪表维护的方法。由于震动、维护不当以及密封、非人为破坏等原因致使仪表出现故障，影响了正常的使用，探讨其维护方法具有很大的现实意义，为自动化电厂的运行提供强有力的保障。
参考文献
[1] 王珊，萨师煊.数据库系统概论（第四版）[M].高等教育出版社.2006.
[2] 蒙赵山.基于热工自动化仪表的技术应用及故障维护[J].建材与装饰. 2010.
[3] 杨辉.数据挖掘及其在商业银行中的应用[J].中国金融电脑.1998.
[4] 胡侃，夏绍玮.基于大型数据仓库的数据挖掘：研究综述[J].软件学报.1998.
[5] 黄汝科，元蕾.浅谈自动化控制系统及热工仪表的维护与管理[J].信息技术与信息化2011.
[关键词]热工；自动化；仪表；故障维护；应用；原理；
中图分类号：U245.95 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）11-0004-02
引言
热工自动化仪表是热工自动化系统中至关重要的组成要素，通过测量热工自动化仪表各个参数，如压力、物位、温度、流量等，能够及时反映出仪表的运行状况，从而为设备的维护工作提供主要的依据。热工自动化仪表一般由三个部分组成：传感器、变送器以及显示器。其中传感器负责通过各种信号检测模拟量；变送器负责将将测到的模拟信号转变为4—20mA的电流信号；而显示器是将测量的结果直观的显示出来。经过这三部分的配合，热工自动化仪表就可以实现对于相应的热工参数的测量监督，保证仪表的正常运行。
1、主要热工自动化仪表介绍
1.1 物位仪表
物位仪表主要有超声波物位计以及电容热点式物位计两种。超声波物位计一次探头向被測介质表面发射超声波脉冲信号，超声波遇到被测介质后反射回来的信号通过电子模块检测和专用软件加以处理，分析发射超声波和回波的时间差，结合超声波的传播速度，可以精确计算出其传播路程，进而反映出物位的情况；电容式物位传感器由两个导体电极，通过极间为气体、固体或者流体的变化而测定物位。由于此传感器的敏感元件简单，被广泛的应用于水箱、清水池等液位的测量。
1.2 测温仪表
测温仪表大致的可以分为热电偶温度计以及热电阻温度计。热电偶温度计可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。它由感受件热电偶和用来测量热电偶所产生的热电势的二次仪表组成。由于在一定条件下，热电偶工作端的被测温度t与热电偶所产生的热势E之间有确定的函数关系，即E=f（t）（称为热电偶的热电性质），因此，二次仪表测得的电势数值就代表着被测温度。热电偶温度计一般用于测量锅炉烟气温度、锅炉汽包温度以及汽机主气温度等高温环境。热电偶在使用中应防止过分折伤，避免产生附加应力和寄生电动势，造成测温不准确。常见热电偶主要特性可见表1。
在用热电偶测量500℃以下温度时，测量精度较低，可采用热电阻温度计进行测量。热电阻测温值可达-200℃之低。热电阻温度计由热电阻、连接导线和测量电阻值的显示仪表组成。热电阻测量温度的原理是利用一些金属在温度变化时其电阻也随着发生变化的特性，主要有铂热电阻和铜热电阻两种。热电阻温度计一般用于测量循环水温度、凝结水温度以及电机轴承温度等较低温的环境，热电阻在使用中应注意以下事项：
1）为了减少环境温度对线路电阻的影响，常采用三线制或四线制连接；
2）热电阻引入显示仪表的线路电阻必须符合规定值，否则会产生系统误差；
3 ）热电阻工作电流要小于规定值（通常为6mA），否则因过大电流产生附加误差；
4）热电阻的分度号必须和显示仪表调校分度号相同。常见热电阻主要特性可见表2。
1.3 流量仪表
流量仪表主要由差压式流量计、容积式流量计以及微机型数字流量计，这里主要介绍微机型数字流量计。下图1为微机型流量计的组成框图，此流量计通过三个变送器DBW、DBY、DC对温度、压力以及差压进行测量，然后经过压力转换器将电信号转化为数字量，处理后的数据经运算并显示在屏幕。
1.4 测压仪表
测压仪表主要由扩散硅式压力变送器、波纹管压力计、膜盒微压计三种，这里介绍一下扩散硅式压力变送器。
扩散硅式压力变送器是采用了集成电路技术，在半导体硅基底上利用扩散工艺形成应变电阻，利用电阻的变化率与被测压力之间的正比关系得到压力值。特别是由于单晶硅材料具有蠕变量小、弹性滞后小、压阻效应大以及弹性性能高的优势，使得测压的转换效率很高。现今主要的应用于高压蒸汽的测压。
为了兼顾测量的精度以及保护测压仪表，不允许被测压力经常的处于刻度上限，选用的量程保证被测压力的正常值在压力计测量范围的三分之二即可（如图1）。
2、热工自动化仪表故障分析及其措施
正因为热工自动化仪表在自动化电厂中的重要作用，所以必须尽量避免仪表的故障或损坏，虽然目前在电厂中使用的自动化仪表都有较高的可靠性，但在实际应用过程中总会出现很多故障，去除产品本身质量问题，主要的故障原因有密封问题、振动问题、维护不当、非人为破坏及人为破坏等五大类，各种故障原因所占的比例如图2所示。
如图所示，由于密封问题所造成的仪表故障比例高达60.5%，主要原因有：
（一）、由于自动化仪表的电缆接线密封不良而使雨水或者其他液体进入仪表内部，从而导致仪表内部电路故障或机械部分润滑不良。针对这种情况，在设备订货时不要疏忽仪表进线电缆的密封接头，而且在选型上要注意接头尺寸与电缆外径相匹配，安装、维护时要按照规范安装并拧紧密封接头；因特殊情况不能可靠密封时可采用硅胶，玻璃胶等封死接口。
（二）、仪表盖密封不好也是导致故障率较高的另一主要原因，这一原因可导致水或者其他腐蚀性物质进入表内对仪表内部器件进行腐蚀。针对这种情况，维护人员必须选取外壳防护等级较高的仪表，准确安装好仪表盖，并拧紧固定螺丝，必要时可为仪表安装保护箱。维护不当和人为破坏所造成的故障，可统称为人为因素故障，这是由于维护人员个人技术原因或者责任心不强对仪表进行了不规范的维护，使仪表产生了故障或者由于仪表部件、电缆被盗而造成的仪表不能正常工作，人为因素故障的比例达到了28%，针对前一种情况，维护人员必须认真学习专业技术和操作规程，并严格按照技术要求和操作规程进行操作，并树立敬业爱岗的精神；对于后一种情况，必须加强电厂的设备监控及防盗管理。非人为破坏是指在电厂的自动化流水作业过程中，由于非正常情况（如异常物料或者异常工况等）对热工自动化仪表产生的破坏或者损伤而引起的仪表故障，这种情况出现的概率虽然较低，但由于其突发性和不可预测性，防治比较困难，这种情况要求现场人员集中注意力，对所负责工作一丝不苟，充分检查电厂作业流程，及时发现异常并采取措施以保证作业的正常进行。 振动问题虽然在所有原因中所占的比例不高，但也是不容忽视的问题，常见的有仪表的固定螺丝或者卡套松动、仪表接线不良、焊口裂缝等故障现象。可采取相应的对策如牢固拧紧固定螺丝或卡套，每个螺丝都保证配有防松弹簧垫片，增加橡胶垫、支撑架来缓解振动，加强日常巡检，将隐患消灭在萌芽状态。
3、热工自动化仪表现场维护经验
3.1 现场仪表系统故障的基本分析步骤
现场仪表测量参数一般分为温度、压力、流量、液位四大参数。
现根据测量参数的不同，来分析不同的现场仪表故障所在。
1.首先，在分析现场仪表故障前，要比较透彻地了解相关仪表系统的生产过程、生产工艺情况及条件，了解仪表系统的设计方案、设计意图，仪表系统的结构、特点、性能及参数要求等。
2.在分析检查现场仪表系统故障之前，要向现场操作工人了解生产的负荷及原料的参数变化情况，查看故障仪表的记录曲线，进行综合分析，以确定仪表故障原因所在。
3.如果仪表记录曲线为一条死線（一点变化也没有的线称死线），或记录曲线原来为波动，现在突然变成一条直线；故障很可能在仪表系统。因为目前记录仪表大多是DCS计算机系统，灵敏度非常高，参数的变化能非常灵敏的反应出来。此时可人为地改变一下工艺参数，看曲线变化情况。如不变化，基本断定是仪表系统出了问题；如有正常变化，基本断定仪表系统没有大的问题。
4.变化工艺参数时，发现记录曲线发生突变或跳到最大或最小，此时的故障也常在仪表系统。
5.故障出现以前仪表记录曲线一直表现正常，出现波动后记录曲线变得毫无规律或使系统难以控制，甚至连手动操作也不能控制，此时故障可能是工艺操作系统造成的。
6.当发现DCS显示仪表不正常时，可以到现场检查同一直观仪表的指示值，如果它们差别很大，则很可能是仪表系统出现故障。
总之，分析现场仪表故障原因时，要特别注意被测控制对象和控制阀的特性变化，这些都可能是造成现场仪表系统故障的原因。所以，我们要从现场仪表系统和工艺操作系统两个方面综合考虑、仔细分析，检查原因所在。
3.2 四大测量参数仪表控制系统故障分析步骤
1.温度控制仪表系统故障分析步骤
分析温度控制仪表系统故障时，首先要注意两点：该系统仪表多采用电动仪表测量、指示、控制；该系统仪表的测量往往滞后较大。
（1）温度仪表系统的指示值突然变到最大或最小，一般为仪表系统故障。因为温度仪表系统测量滞后较大，不会发生突然变化。此时的故障原因多是热电偶、热电阻、补偿导线断线或变送器放大器失灵造成。
（2）温度控制仪表系统指示出现快速振荡现象，多为控制参数PID调整不当造成。
（3）温度控制仪表系统指示出现大幅缓慢的波动，很可能是由于工艺操作变化引起的，如当时工艺操作没有变化，则很可能是仪表控制系统本身的故障。
（4）温度控制系统本身的故障分析步骤：检查调节阀输入信号是否变化，输入信号不变化，调节阀动作，调节阀膜头膜片漏了；检查调节阀定位器输入信号是否变化，输入信号不变化，输出信号变化，定位器有故障；检查定位器输入信号有变化，再查调节器输出有无变化，如果调节器输入不变化，输出变化，此时是调节器本身的故障。
2.压力控制仪表系统故障分析步骤
（1）压力控制系统仪表指示出现快速振荡波动时，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参数整定不好造成。
（2）压力控制系统仪表指示出现死线，工艺操作变化了压力指示还是不变化，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的现象，不堵，检查压力变送器输出系统有无变化，有变化，故障出在控制器测量指示系统。
3.流量控制仪表系统故障分析步骤
（1）流量控制仪表系统指示值达到最小时，首先检查现场检测仪表，如果正常，则故障在显示仪表。当现场检测仪表指示也最小，则检查调节阀开度，若调节阀开度为零，则常为调节阀到调节器之间故障。当现场检测仪表指示最小，调节阀开度正常，故障原因很可能是系统压力不够、系统管路堵塞、泵不上量、介质结晶、操作不当等原因造成。若是仪表方面的故障，原因有：孔板差压流量计可能是正压引压导管堵；差压变送器正压室漏；机械式流量计是齿轮卡死或过滤网堵等。
（2）流量控制仪表系统指示值达到最大时，则检测仪表也常常会指示最大。此时可手动遥控调节阀开大或关小，如果流量能降下来则一般为工艺操作原因造成。若流量值降不下来，则是仪表系统的原因造成，检查流量控制仪表系统的调节阀是否动作；检查仪表测量引压系统是否正常；检查仪表信号传送系统是否正常。
结束语
通过对几种自动仪表的原理及应用的论述，说明了自动化仪表的重要作用以及进行自动化仪表维护的方法。由于震动、维护不当以及密封、非人为破坏等原因致使仪表出现故障，影响了正常的使用，探讨其维护方法具有很大的现实意义，为自动化电厂的运行提供强有力的保障。
参考文献
[1] 王珊，萨师煊.数据库系统概论（第四版）[M].高等教育出版社.2006.
[2] 蒙赵山.基于热工自动化仪表的技术应用及故障维护[J].建材与装饰. 2010.
[3] 杨辉.数据挖掘及其在商业银行中的应用[J].中国金融电脑.1998.
[4] 胡侃，夏绍玮.基于大型数据仓库的数据挖掘：研究综述[J].软件学报.1998.
[5] 黄汝科，元蕾.浅谈自动化控制系统及热工仪表的维护与管理[J].信息技术与信息化2011.