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儀表規(guī)范 為 新的流程或是改進(jìn)過的流程選擇相應(yīng)的設(shè)備是一件很困難的事情，特別是當(dāng)這個(gè)流程包括不熟悉的領(lǐng)域時(shí)。例如一個(gè)人有流量或壓力測量的經(jīng)驗(yàn)，也許會(huì)認(rèn)為溫度傳感器比較棘手。當(dāng)面臨一個(gè)新的應(yīng)用領(lǐng)域時(shí)，該如何著手完成這個(gè)流程呢？
選擇設(shè)備的開始就是對流程和受控對象的仔細(xì)分析。每一個(gè)測量點(diǎn)都必須有一個(gè)用途。在較大的控制計(jì)劃中，如果這個(gè)用途是模糊的，就很容易導(dǎo)致錯(cuò)誤的設(shè)備選型。太精確的設(shè)備浪費(fèi)資金，而太簡單的設(shè)備又不能提供足夠準(zhǔn)確的信息，有時(shí)甚至是錯(cuò)誤的信息。仔細(xì)研究流程圖的每一個(gè)點(diǎn)，然后分別問如下問題：
■ 測量變量和相應(yīng)的單位是什么？（壓力、溫度等等）。
■ 當(dāng)此流程正常工作時(shí)，它的工作區(qū)間是什么？如果這個(gè)流程是全新的或者是尚處設(shè)計(jì)階段，這個(gè)問題就比它聽起來要難回答得多。
■ 當(dāng)系統(tǒng)處于故障狀態(tài)時(shí)，它的非正常工作區(qū)間是什么？為了保護(hù)系統(tǒng)中的設(shè)備不被損壞，這些設(shè)備的工作區(qū)間需要被擴(kuò)展到什么范圍？為了防止工作流程出現(xiàn)的異常峰值損壞設(shè)備，就需要提供高等級的保護(hù)措施，而這樣卻降低了精度等級。
■ 測量值的精度要求有多高？因?yàn)檫@一點(diǎn)對于設(shè)備的成本有 很大影響。
■ 單位除了是一種表示方法，是否還有其他功能？
AmeriChem System公司的系統(tǒng)集成工程師Greg Ferro說：“你的流程很少會(huì)運(yùn)行于極端條件下。它們通常只有很窄的工作區(qū)間，你只要選擇可以滿足這個(gè)區(qū)間的設(shè)備就可以了。當(dāng)然，有時(shí)候工程師們不能預(yù)測實(shí)際的工作情況，而且這種不可預(yù)測性比大家認(rèn)為的要高。如果客戶要求設(shè)計(jì)一個(gè)可以每分鐘可以處理80加侖的系統(tǒng)，而你卻發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)實(shí)際上只需要每分鐘處理8加侖，這時(shí)你就有麻煩了。”選擇合適的工作區(qū)間和精度一樣重要，實(shí)際上，這兩者是直接相關(guān)的。精度通常表示成滿量程的百分比或者測量比。工作于極端狀態(tài)下的代價(jià)是犧牲了精度，所以明確制造商對最優(yōu)工作區(qū)間的定義是很重要的。容量工具條就顯示了最優(yōu)工作區(qū)間。
PID工具條圖示了一個(gè)簡單的流程圖和它所支持的設(shè)備。我們可以把標(biāo)題進(jìn)一步細(xì)化，考慮每個(gè)設(shè)備的安裝和用途。一旦每個(gè)設(shè)備的用途和功能參數(shù)被確定了，下一步要做的就是選擇一個(gè)具體的制造商和產(chǎn)品型號(hào)。
如何表述精度
當(dāng)一臺(tái)設(shè)備參與測量時(shí)，它提供的是一個(gè)近似值，因?yàn)樵O(shè)備不可能絕對精確。在測得值和理想值之間總存在著某種因素引起的差異。在實(shí)際應(yīng)用中，工程師的目的是減小這種差異，使之在過程上下文中可以被忽略。測得值和理想值之間的差異程度就是精度等級。在容差上下限之間的區(qū)域就是誤差區(qū)間。
根據(jù)儀器、系統(tǒng)與自動(dòng)化學(xué)會(huì)（ISA），有5種方法來表述精度等級：
1. 用被測變量本身來表示。如100psi±2psi。
2. 測量區(qū)間或量程的百分比。0-500psi壓力即±1%的量程，在整個(gè)測量范圍內(nèi)的任何一個(gè)點(diǎn)都具有±5psi的誤差區(qū)間。
3. 測量區(qū)間上限值的百分比。（當(dāng)測量區(qū)間下限為0，這個(gè)值和第二條的值時(shí)相同的。）
4. 測量跨度的百分比，使用于測量下限不為0的情況，例如：一種溫度傳感器：100-200℃的精度等級。
5. 實(shí)際測得值的百分比：0-100psi壓力定額為實(shí)際測得值的1%。（意思就是在測得值為10時(shí)精度為±0.1，但是當(dāng)測得值為100時(shí)精度就是±1。這說明越低的測得值具有越高的精度，但是這種情況較少發(fā)生。）
大多數(shù)設(shè)備使用方法1、2、3、4或幾種方法的結(jié)合，并把精度與測量區(qū)間或測量上限聯(lián)系起來。實(shí)際上對于所有種類的設(shè)備，測量區(qū)間都以某種形式與精度聯(lián)系著。
![]() [url=]點(diǎn)擊看原圖[/url]
過程儀表舉例
這個(gè)簡單的化學(xué)品混合流程圖解釋了設(shè)備選型的基本原則。在此，水被加入到化學(xué)試劑中，得到稀釋的最終產(chǎn)品。過程條件的改變要求混合比在很窄的區(qū)域內(nèi)變化。所有的流量和壓力變送器把測得值轉(zhuǎn)換后傳送給PLC，大多數(shù)的儀器都會(huì)即時(shí)顯示測得值。
試劑流經(jīng)一個(gè)泵、一個(gè)止回閥，到一個(gè)電動(dòng)-氣動(dòng)控制閥。液體經(jīng)過電磁流量計(jì)，為了保證流體暢通和測量的高精度，液體還需再流經(jīng)混合點(diǎn)前的壓力變送器。
水先流過一個(gè)過濾器，一個(gè)差分壓力傳感器跨接在過濾器兩端，用于監(jiān)控過濾器的狀態(tài)。如果差分讀數(shù)超過設(shè)定值，報(bào)警限就會(huì)被觸發(fā)，說明此時(shí)過濾器處的殘留物過多。在流過了止回閥和泵之后，一個(gè)控制閥會(huì)調(diào)節(jié)流量，以保持試劑的比例。在控制閥后面有一個(gè)壓力變送器和渦旋流量計(jì)，用來測量吞吐量。對于這個(gè)不是很關(guān)鍵的測量點(diǎn)，簡單且便宜的斡旋傳感器足夠了。
在兩種成分混合之后，一個(gè)壓力變送器會(huì)監(jiān)控靜態(tài)攪拌器之前的混合溶液。在混合液流到存儲(chǔ)罐之前，使用一個(gè)孔盤和差分壓力變送器來測量最終體積。兩條供料管道被檢驗(yàn)，來確保最終體積的正確性。所有這些因素都由PLC聯(lián)系起來，然后再調(diào)節(jié)控制閥，保證體積和稀釋比。
一種尺度不能滿足所有需要
既然測量范圍和精度聯(lián)系如此地緊密，選擇一個(gè)具有適當(dāng)?shù)臏y量范圍的設(shè)備就如同選擇正確的精度等級一樣重要。工廠的工程師們有一個(gè)默許的規(guī)則，壓力或者其他設(shè)備的測量區(qū)間應(yīng)該按照如下原則選擇，即使正常工作的測得值是滿量程的2/3。雖然這種說法緣自機(jī)械設(shè)備、模擬設(shè)備時(shí)代，它仍是一種不錯(cuò)的建議。
設(shè)備的表現(xiàn)很少是完美的線性。線性度用來表示實(shí)際測量曲線與直線的近似程度。在傳感器或儀表的測量區(qū)間內(nèi)有些部分的線性度要比其他部分好，特別是在曲線的下部嚴(yán)重失準(zhǔn)。因此，一些生產(chǎn)廠家使用測量上限處的測量比來描述精度（測量比=最大測量值/最小測量值）。例如，精度可以表示成測量上限的百分比，如4：1的測量比。這表示精度等級只在測量區(qū)間的上3/4部分適用，下部的1/4部分有不同的誤差率，一般是更高的誤差率。其他類型的設(shè)備有自己的特點(diǎn)，不適用于上述的方法來表述精度等級，通常這些設(shè)備對一系列與傳感技術(shù)、傳感設(shè)備和變送器相關(guān)的變量進(jìn)行計(jì)算，來表示精度等級。過程和環(huán)境因素也可以被計(jì)算在內(nèi)。一般來說，這種設(shè)備具有很高的精度，這種設(shè)備的選型要經(jīng)過很仔細(xì)的分析，并且這些設(shè)備都是應(yīng)用于特殊場合 的。
由于設(shè)備供應(yīng)商都努力地把產(chǎn)品包裝地更好，他們都會(huì)隨機(jī)贈(zèng)送系列產(chǎn)品的說明書。當(dāng)每個(gè)供應(yīng)商采用不同的技術(shù)時(shí)，在描述性能時(shí)就會(huì)給相同的說法賦予不同的意思，或者把相關(guān)的因素分離開來，很多這種不一致性出現(xiàn)在說明書中。《工業(yè)流體測量》第三版的作者David W. Spitzer說：“回顧60個(gè)供應(yīng)商提供的非接觸式液位計(jì)的技術(shù)資料，我發(fā)現(xiàn)對于表述精度有大約30種變量”。
Spitzer說：“我們經(jīng)常要處理一些錯(cuò)誤的省略，因?yàn)楣?yīng)商可能不會(huì)告訴你所有的事情，或者說他們不能同時(shí)告訴你所有的事情。例如，一個(gè)流量計(jì)的精度是±0.5%，也許它還具有1000：1的測量比。而供應(yīng)商不能告訴你的是這兩個(gè)參數(shù)不能同時(shí)成立。進(jìn)一步的研究現(xiàn)實(shí)±0.5%的精確度只出現(xiàn)于測量比大約是25：1的時(shí)候，而1000：1的測量比的時(shí)候的精度是4%。”
其他的因素會(huì)如何作用？
精度會(huì)受環(huán)境或過程條件影響。例如，在一特定溫度下，流量計(jì)非常精確。如果流體溫度或者環(huán)境溫度變化了，雖然流體還是原來的流體，但輸出值可能會(huì)偏離。更嚴(yán)重的情況，這種偏離可能會(huì)超出設(shè)備允許的誤差區(qū)間。精密的儀器通常設(shè)計(jì)成可以監(jiān)控這些外部的影響并可以自動(dòng)矯正關(guān)鍵變量。
仔細(xì)研究供應(yīng)商的技術(shù)說明書，可能得到這些外部影響的矯正因數(shù)，或者至少知道所謂的精度是基于某些特定理想條件下的。如果這些信息不明確，最好詢問供應(yīng)商。
設(shè)備選型
一旦流程的需求如功能、精度和測量范圍等信息明確規(guī)定之后，就可以開始選擇供應(yīng)商和并列表。不采取選擇賣主的方法，而采取排除法。
ABB Instrumentation公司的市場交流部經(jīng)理Robert Mapleston經(jīng)常看到這種情況。他說：“銷售人員仍舊很重要。客戶喜歡做初級調(diào)研，你需要仔放上發(fā)布信息，以便客戶能在打電話之前做好準(zhǔn)備工作。然后他們會(huì)打電話說‘我想要在項(xiàng)目中使用這種壓力表。’”
所有領(lǐng)域和所有價(jià)格區(qū)間的設(shè)備質(zhì)量都有了提高。這使選擇工作免除對精度、功能性和可靠性等的繁瑣的分析。ABB公司的Mapleston說：“市場和15年前大不一樣。那時(shí)只考慮特點(diǎn)和性能。現(xiàn)在的技術(shù)起點(diǎn)差異不大，客戶開始尋求不同的東西。他們中大多數(shù)只有少量的維護(hù)人員，所以維護(hù)決定了他們的選擇。他們想怎樣完成選型？他們希望設(shè)備具有更強(qiáng)的魯棒性、維護(hù)更簡便、便于設(shè)置，當(dāng)然，低價(jià)格也要考慮。”
Moore Industries的銷售和市場副總裁Scott Saunders提出了一種謹(jǐn)慎的意見：“確實(shí)制造工藝和元件來源都很穩(wěn)定，但是你需要做長遠(yuǎn)考慮。一些低價(jià)格的傳感器和變送器已經(jīng)開始失準(zhǔn)和不穩(wěn)定，他們不會(huì)一直有效。”
除了長期性能，對于一些不怎么精密的儀器，Saunders也看到了防護(hù)上的差別。“如果工人在一支濾波性能不好的熱電偶變送器旁邊使用步話機(jī)，就會(huì)產(chǎn)生無線電頻率干擾，導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生溫度尖峰，進(jìn)而跳閘警報(bào)，停止運(yùn)行。”
考慮到設(shè)備之間的相互依賴和設(shè)備網(wǎng)絡(luò)，謹(jǐn)記整個(gè)系統(tǒng)是很重要的。艾默生過程管理公司的Rosemount分部產(chǎn)品經(jīng)理Natalie Strehlke問道：“你不得不明確這個(gè)應(yīng)用到底有多關(guān)鍵，什么是你將要測量的？”
“作為公司，我們的焦點(diǎn)從產(chǎn)品轉(zhuǎn)移到了應(yīng)用上。客戶要的不只是一個(gè)過程變量，他們要的是控制整個(gè)工廠。他們問我們:‘這些設(shè)備還可以做其他什么事么？’ 客戶要求性能，確實(shí)如此，但同樣要求可靠性和穩(wěn)定性。可靠性表示我需要花多少時(shí)間進(jìn)行維護(hù)。穩(wěn)定性表示我不用經(jīng)常進(jìn)行校準(zhǔn)。”
測量范圍和精度：
哪個(gè)更重要？
你的工作是測量管子里的液體壓力，例如40psi。你有兩個(gè)不同區(qū)間的壓力表：
表1：0-300psi，3A等級（±0.25%的量程）
表2：0-100psi，2A等級（±0.5%的量程）
第一塊表比較好，因?yàn)樗鹊诙K精確2倍，對么？是的，確實(shí)是這樣，但是在如下的情況下就不是這樣的了。表1在任何一個(gè)點(diǎn)可以達(dá)到±0.75psi（300的0.25%）而表2可以在任何一個(gè)點(diǎn)達(dá)到±0.50psi（100的0.5%）。當(dāng)利用整個(gè)區(qū)間中精度較高的部分時(shí)，一塊低精度等級的表會(huì)比一塊高精度等級的表還要精確。 ![]() 選型的關(guān)鍵是所選設(shè)備的工作區(qū)間與實(shí)際工作壓力越接近越好，同時(shí)也要考慮到對瞬時(shí)尖峰值得保護(hù)。只要你能保證瞬時(shí)尖峰值不會(huì)超過儀表的上限，一塊0-50psi 2A等級的表就可以提供更精確的測量值。
測量的精確度本身只是選型的一個(gè)因素，在這個(gè)例子中，測量區(qū)間也同樣重要。
哪些特征比較重 要？
如果對于大多數(shù)客戶來說，精度已經(jīng)達(dá)到要求了，那么在諸多備選者中應(yīng)該考慮哪些要點(diǎn)呢？
■ 功能性——除了提供過程變量，設(shè)備還能做什么？
■ 編程的簡便性——你的操作人員是否可以適應(yīng)這個(gè)系統(tǒng)，抑或他們需要額外的培訓(xùn)。
■ 聯(lián)網(wǎng)的可擴(kuò)展性——這臺(tái)設(shè)備或許滿足了今天的需要，但是否計(jì)劃將來升級為現(xiàn)場總線系統(tǒng)或DCS系統(tǒng)？
■ 自診斷功能——除了提供過程變量，這臺(tái)設(shè)備可以的兩什么環(huán)境參數(shù)？你需要什么樣的報(bào)錯(cuò)信息或自身狀態(tài)監(jiān)控？
■ 穩(wěn)定性——多久這臺(tái)設(shè)備需要被校準(zhǔn)？你現(xiàn)在的設(shè)備是否是機(jī)械式的或是模擬式的？如果是的話，你可能會(huì)經(jīng)常校準(zhǔn)。工廠進(jìn)行過校準(zhǔn)的設(shè)備可以直接啟用，在下次校準(zhǔn)之前可以工作很多年。這降低了維護(hù)成本。
■ 可靠性——一臺(tái)設(shè)備的維護(hù)是否頻繁？設(shè)備安裝的位置是否容易到達(dá)，并進(jìn)行維護(hù)，或者不容易到達(dá)，或者安裝的位置很危險(xiǎn)？低初期投資是否值得對不可靠設(shè)備進(jìn)行改造？不依靠自身的經(jīng)驗(yàn)而得到可觀信息是很難的。
■ 可擴(kuò)展性——為了升級了你的現(xiàn)場總線和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，你需要更換設(shè)備么？許多供應(yīng)商提供了組件化設(shè)計(jì)，可以隨著需求的改變進(jìn)行升級。
■ 工廠使用經(jīng)驗(yàn)——你正在使用什么產(chǎn)品？使用的效果是否良好？如果你和某個(gè)生產(chǎn)商有過接觸，和銷售人員打過交道或者有他們的產(chǎn)品。至少，你已經(jīng)有了值得維護(hù)的投資。
Saunders說：“對于設(shè)備賣主的最好的褒獎(jiǎng)就是對他們說‘我們安裝了你們的傳感器而且我們不用為它擔(dān)心。”
翻譯：辛磊夫
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