提高在線電測(cè)儀表及現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)儀表準(zhǔn)確度的探討

陸 霞

（華電四川寶珠寺水力發(fā)電廠，四川 廣元 628003）

在線電測(cè)儀表和現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)儀表是工業(yè)生產(chǎn)中測(cè)量各種物理參量的主要設(shè)備，常見的電流、電壓、有功、無功、電量、壓力、流量、頻率、波形、轉(zhuǎn)速、溫度等均要通過這些檢測(cè)儀表來測(cè)量。從使用角度看，儀表的準(zhǔn)確度是最為重要的考量。影響其準(zhǔn)確度的因素較多，如環(huán)境中存在的電磁干擾、振動(dòng)干擾等。研究提高在線電測(cè)量?jī)x表和現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)儀表準(zhǔn)確度的方法具有深遠(yuǎn)的意義，有利于提高生產(chǎn)工藝的穩(wěn)定性。

1 在線電測(cè)儀表和現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)儀表內(nèi)容

第一，在線電測(cè)儀表。工業(yè)生產(chǎn)中的大量設(shè)備以電力驅(qū)動(dòng)，電壓作用在通路上之后會(huì)產(chǎn)生電流、電場(chǎng)、磁場(chǎng)等運(yùn)行參數(shù)，而這些參數(shù)是表征設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的依據(jù)，對(duì)維護(hù)工藝生產(chǎn)的穩(wěn)定性具有非常重要的作用。在線電測(cè)儀表以電子化、數(shù)字化的方式直接測(cè)量這些電學(xué)參量和磁學(xué)參量，其特點(diǎn)是精度高、讀數(shù)方便、測(cè)量快捷。典型的在線電測(cè)儀表為數(shù)字式交流采樣儀、數(shù)字萬用表，這類設(shè)備可用于檢測(cè)頻率、相位、電流、電阻值、電壓、功率以及功率因數(shù)等一系列參數(shù)，以數(shù)字化的方式直接將測(cè)量結(jié)果顯示在LED 屏上。在線電測(cè)儀表的發(fā)展與當(dāng)前電力驅(qū)動(dòng)設(shè)備的廣泛使用存在直接的關(guān)系，有些電測(cè)儀表直接安裝在特定的位置上，對(duì)用電設(shè)備實(shí)施長(zhǎng)期性的監(jiān)測(cè)。有些電測(cè)儀表用于臨時(shí)性的檢測(cè)，在用電設(shè)備安裝、調(diào)試、檢修等工作中發(fā)揮著重要的作用。在線電測(cè)儀表是將電測(cè)儀表和互聯(lián)網(wǎng)整合在一起，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲(chǔ)等一體化操作，這是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的必然趨勢(shì)和結(jié)果。線電測(cè)儀表在使用時(shí)尤其要關(guān)注準(zhǔn)確度、精度、靈敏度以及穩(wěn)定性等性能參數(shù)，并且由于其具備遠(yuǎn)程采集和傳輸數(shù)據(jù)的能力，獲取的數(shù)據(jù)將直接顯示在管理終端，例如，工程管理人員可通過電腦設(shè)備直接讀取工業(yè)生產(chǎn)線上的某些電磁參量，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化、遠(yuǎn)程化的操控[1]。

第二，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)儀表。在工業(yè)生產(chǎn)中除了各種電磁學(xué)參量、設(shè)備或者管道的壓力、設(shè)備或者介質(zhì)的溫度、液體或者氣體介質(zhì)的流量以及液位等都是非常重要的工藝指標(biāo)。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)這些參數(shù)的檢測(cè)，發(fā)展出了各種類型的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)儀表，如壓力計(jì)、紅外測(cè)溫槍、直讀式液位計(jì)、壓力式溫度計(jì)、孔板流量計(jì)等。這些現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)儀標(biāo)的實(shí)現(xiàn)原理各不相同，但通常都是基于物理學(xué)原理?，F(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)儀表通常固定安裝在工藝生產(chǎn)線中，有些是通過工作人員現(xiàn)場(chǎng)讀取數(shù)據(jù)，有些借助工業(yè)通信技術(shù)傳輸給遠(yuǎn)程管理端。

2 儀表影響因素分析

在線電測(cè)儀表和現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)儀表的工作原理存在較大的差異，前者依賴于電力電子技術(shù)，后者更多地使用機(jī)械和物理學(xué)原理。在線電測(cè)儀表在實(shí)際工作中有可能受到周圍環(huán)境的干擾，因?yàn)楝F(xiàn)代社會(huì)下的電磁環(huán)境非常復(fù)雜，電力傳輸產(chǎn)生的工頻電場(chǎng)、通信基站產(chǎn)生的電磁場(chǎng)以及工業(yè)生產(chǎn)和制造中形成的電磁輻射等都可能干擾電測(cè)量的精度和靈敏度。對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)儀表，由于其長(zhǎng)期部署在工藝生產(chǎn)線上，環(huán)境溫度、濕度、內(nèi)部的阻塞等會(huì)對(duì)其正常運(yùn)行產(chǎn)生較大的干擾，進(jìn)而影響檢測(cè)結(jié)果，儀表類測(cè)量工具重點(diǎn)關(guān)注兩個(gè)因素[2]。

2.1 表計(jì)量程

無論是在線電測(cè)儀表，還是現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)儀表，其自身都存在最大量程，在評(píng)價(jià)儀表的質(zhì)量時(shí)，最大引用誤差是一個(gè)非常關(guān)鍵的參數(shù)。最大引用誤差的計(jì)算方法是絕對(duì)誤差和表計(jì)量程的比值乘以百分之百。絕對(duì)誤差是為了衡量檢測(cè)精度而專門創(chuàng)造的一個(gè)物理參數(shù)，其含義是測(cè)量結(jié)果和實(shí)際值之間的差值，絕對(duì)誤差具有三種可能的結(jié)果，正值、負(fù)值或者零，所以任何情況下都會(huì)存在絕對(duì)誤差。在絕對(duì)誤差不可避免的情況下，那就必須借助一定的方法提高檢測(cè)儀表的精度，降低絕對(duì)誤差對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。顯然如果絕對(duì)誤差和表計(jì)量程之間的比值越小，說明其對(duì)整個(gè)測(cè)量結(jié)果的影響越小，反之則表明測(cè)量結(jié)果越大。而表計(jì)量程作為其中一個(gè)重要參數(shù)，自然會(huì)顯著地影響到在線電測(cè)儀表和現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)儀表的精度。所以在使用這些測(cè)量設(shè)備的過程中要注意表計(jì)量程，通常情況下機(jī)械式檢測(cè)儀表將待測(cè)量控制在表計(jì)量程的1/3～2/3 之間[3]。在線電測(cè)儀表要關(guān)注待測(cè)量的數(shù)量級(jí)是否和表的量程在同一個(gè)級(jí)別。如果待測(cè)量過大，有可能造成在線檢測(cè)儀表過載。

2.2 表計(jì)準(zhǔn)確度等級(jí)

在工業(yè)生產(chǎn)或者電力計(jì)量管理中，對(duì)各種待測(cè)量的準(zhǔn)確度度存在不同要求，有些待測(cè)量對(duì)測(cè)量精度提出了很高的要求，有些對(duì)誤差的要求相對(duì)較低。高精度的測(cè)量要使用高準(zhǔn)確度的測(cè)量?jī)x器。按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，目前將測(cè)量?jī)x表的準(zhǔn)確度等級(jí)劃分為0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0 共計(jì)七個(gè)等級(jí)，數(shù)值越小表明測(cè)量準(zhǔn)確度越高[4]。因此，在實(shí)際應(yīng)用過程中要根據(jù)測(cè)量精度上的需求，合理選用滿足需求的測(cè)量?jī)x表。

3 儀表裝置應(yīng)用環(huán)境

第一，環(huán)境溫度。環(huán)境對(duì)在線電測(cè)儀表和現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)儀表的使用效果具有較為明顯的影響。例如，在線電測(cè)儀表中含有較多的導(dǎo)線、電阻以及晶體管等材料或者元件，導(dǎo)線大多為銅線，電阻大多為錳銅合金制成，金屬材料的特點(diǎn)是容易受到環(huán)境溫度的影響，因?yàn)槠浔旧淼臒醾鲗?dǎo)性非常優(yōu)異。因此，這些檢測(cè)儀器通常要在適宜的溫度下使用，超過安全閾值就會(huì)降低檢測(cè)結(jié)果的精度，較為適宜的測(cè)量溫度是不超過20 攝氏度，低溫也會(huì)產(chǎn)生干擾，建議控制在零攝氏度以上[5]。

第二，環(huán)境濕度。除了環(huán)境溫度方面的因素，還要考慮到濕度造成的影響，這方面最容易受到干擾的依然是在線電測(cè)儀表，原因在于電測(cè)儀表內(nèi)部本身就是以電力方式驅(qū)動(dòng)測(cè)量，當(dāng)空氣中含有較多的水分時(shí)，連接電子元器件的線路上有可能產(chǎn)生短路之類的問題，并且潮濕會(huì)加速檢測(cè)儀表金屬部分的腐蝕速度，嚴(yán)重時(shí)可造成故障[6]。這方面的典型例子是變送器接電端子處出現(xiàn)漏電，PLC 等顯示儀表的讀數(shù)在這種情況下會(huì)偏高。

第三，振動(dòng)因素?，F(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)儀表大多是以指針的方式來顯示具體的讀數(shù)，指針穩(wěn)定之后才能讀取相關(guān)數(shù)據(jù)。但是在特定的工藝生產(chǎn)線中，周圍的設(shè)備有可能產(chǎn)生比較明顯的振動(dòng)作用，進(jìn)而干擾檢測(cè)儀表指針的穩(wěn)定性，造成誤讀。還有些檢測(cè)儀表需要在非常穩(wěn)定的環(huán)境下實(shí)施檢測(cè)，否則將會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的偏差，其對(duì)振動(dòng)作用的承受度非常低，典型的設(shè)備是渦街流量計(jì)，這種設(shè)備用于檢測(cè)管路中的流量參數(shù)，如果管路本身處于振動(dòng)中，那么流量計(jì)的零點(diǎn)也無法穩(wěn)定下來，測(cè)量的數(shù)據(jù)會(huì)在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，無法形成準(zhǔn)確的讀數(shù)[7]。

第四，電磁干擾。環(huán)境中的電磁干擾是造成在線電測(cè)儀表數(shù)據(jù)不準(zhǔn)的重要原因之一，通常情況下可引發(fā)電磁干擾的因素包括儀表周邊的用電設(shè)備，有些用電設(shè)備內(nèi)部存在較多的金屬線圈，通電后可產(chǎn)生一定強(qiáng)度的磁場(chǎng)，進(jìn)而干擾電測(cè)儀表內(nèi)部的運(yùn)行。例如，電力變頻器用于將工頻電源轉(zhuǎn)化成頻率和電壓可控的交流電，其作用原理是先將交流電變成直流電，再將直流電轉(zhuǎn)化成符合特定要求的交流電。在這一過程中會(huì)頻繁地產(chǎn)生電磁變換，如果在線電測(cè)儀表處于這種電磁環(huán)境中，難免會(huì)受到其干擾。對(duì)于這一問題，有效的解決方式是對(duì)儀表實(shí)施接地操作，或者有些檢測(cè)儀表在設(shè)計(jì)時(shí)就考慮到了抗電磁干擾的問題，可優(yōu)先使用。

4 提升準(zhǔn)確度的相關(guān)對(duì)策

4.1 選用環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)的檢測(cè)儀表

儀表檢測(cè)技術(shù)經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展，已經(jīng)取得了很大的技術(shù)性突破，現(xiàn)階段的檢測(cè)儀表正朝著環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)的方向發(fā)展。這方面的成功案例是增加了霍爾傳感器的檢測(cè)儀表，霍爾傳感器應(yīng)用了物理學(xué)中的霍爾效應(yīng)，在檢測(cè)儀表中增加這種傳感器的優(yōu)點(diǎn)是借助霍爾效應(yīng)形成一種改進(jìn)的磁場(chǎng)，其對(duì)電磁數(shù)據(jù)的測(cè)量精度產(chǎn)生了顯著的促進(jìn)作用。另一方面，前文已經(jīng)分析過環(huán)境溫度對(duì)在線電測(cè)量?jī)x器的干擾性?；魻杺鞲衅鲗?duì)灰塵、振蕩、水分以及環(huán)境溫度等因素具備突出的抗干擾能力。因此，即使檢測(cè)儀表的工作環(huán)境溫度處于較為劇烈的變化狀態(tài)，加裝有霍爾傳感器的儀表也不會(huì)受到明顯的影響，檢測(cè)精度依然能夠保證。采用這種原理的檢測(cè)儀表在市場(chǎng)上已經(jīng)成為主流，其優(yōu)異的環(huán)境適應(yīng)性受到了市場(chǎng)的廣泛認(rèn)可。

4.2 合理控制檢測(cè)儀表的表計(jì)量程和準(zhǔn)確度等級(jí)

第一，表計(jì)量程的選擇依據(jù)。這一參數(shù)反映了一個(gè)檢測(cè)儀表的最大使用量程，理論上講，只要待測(cè)量不超過表計(jì)量稱，那么檢測(cè)儀表就符合使用要求，但實(shí)際情況是如果待測(cè)量和表計(jì)量稱非常接近時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的誤差，這種情況在機(jī)械式現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量?jī)x表中表現(xiàn)得更加突出。這就要求使用者在選用儀表時(shí)充分評(píng)估這一問題，可根據(jù)歷史經(jīng)驗(yàn)評(píng)估待測(cè)量的最大值，然后根據(jù)此類確定表計(jì)量程。一般待測(cè)量要落在表計(jì)量程的合理區(qū)間范圍之內(nèi)，機(jī)械式檢測(cè)儀器的合理范圍是不超過表計(jì)量稱的2/3。第二，準(zhǔn)確度等級(jí)的選擇。所謂準(zhǔn)確度實(shí)際上就是檢測(cè)儀表的測(cè)量精確度，也就是其控制誤差的能力。精度等級(jí)的確定取決于生產(chǎn)工藝的實(shí)際需求。在線電測(cè)儀表使用數(shù)字化的方式來呈現(xiàn)測(cè)量結(jié)果，這類儀器測(cè)量的物理量集中在電流、電壓、電容等方面，其測(cè)量精度通常都較高?，F(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)儀表受到檢測(cè)原理的限制，在精度方面存在較大的差異，使用單位在選用檢測(cè)儀表時(shí)應(yīng)該根據(jù)待測(cè)量合理控制精度級(jí)別，以滿足生產(chǎn)需求為核心，原則上應(yīng)該優(yōu)先考慮精度高的測(cè)量?jī)x器。

4.3 采用抗電磁干擾性能優(yōu)異的檢測(cè)儀表

電磁干擾是影響在線電測(cè)儀表使用效果的常見因素之一，除了減少測(cè)量?jī)x表工作環(huán)境中的干擾性因素，還應(yīng)該在設(shè)計(jì)層面增加預(yù)防電磁干擾的技術(shù)措施。設(shè)置金屬屏蔽裝置是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的有效方法，這種設(shè)計(jì)方法的原理是通過屏蔽裝置將測(cè)量?jī)x表中的信號(hào)與外界的電磁信號(hào)完全隔絕開，根據(jù)外界電磁干擾的強(qiáng)度，可采用單層屏蔽或者多層屏蔽的設(shè)計(jì)方案，顯然，多層屏蔽的設(shè)計(jì)方案具有更強(qiáng)的抗干擾性。另一方面，消除環(huán)境中電磁干擾因素也是非常重要的管理措施。在安裝和使用檢測(cè)儀表之前，要對(duì)周圍的電磁干擾因素做出全面的評(píng)估，提前做好預(yù)防和控制措施。

4.4 使用先進(jìn)的檢測(cè)儀表

在線電測(cè)儀表和現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)儀表種類繁多，應(yīng)用范圍各有差異，即使是相同領(lǐng)域的檢測(cè)儀表，在技術(shù)和原理上也并一定完全一致。在實(shí)際應(yīng)用過程中應(yīng)該盡可能選用技術(shù)更加先進(jìn)和成熟的檢測(cè)儀表?，F(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)儀表長(zhǎng)期部署在露天環(huán)境下，容易受到雨水、粉塵、高溫、腐蝕等因素的干擾，進(jìn)而導(dǎo)致其靈敏度、精確度等受到嚴(yán)重的干擾。在選用現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)儀表時(shí)應(yīng)該優(yōu)先考慮其在抗環(huán)境干擾方面的性能，當(dāng)然，前提條件是其測(cè)量精度、量程等滿足使用需求。在線電測(cè)儀表通常具備多功能用途，同一臺(tái)設(shè)備上可集成電壓、電流、電容等多種測(cè)量功能。較為典型的是FLUKE 數(shù)字式萬用表，同時(shí)具備多種測(cè)量功能。

4.5 加強(qiáng)儀表安裝和接地

第一，加強(qiáng)儀表安裝，避免振動(dòng)效應(yīng)產(chǎn)生的干擾。在線電測(cè)儀表或者現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)儀表大多是安裝在工藝生產(chǎn)線的特點(diǎn)位置，如果設(shè)備安裝固定效果不佳，在后續(xù)的使用過程中有可能產(chǎn)生顯著的振動(dòng)作用，進(jìn)而造成嚴(yán)重的誤差。在存在振動(dòng)源的環(huán)境下，可將具備緩沖效果的材料支點(diǎn)在測(cè)量?jī)x表下方，借此來提高其穩(wěn)定性，減少振動(dòng)作用造成的負(fù)面影響。第二，在線電測(cè)量?jī)x表本身要通過電力驅(qū)動(dòng)完成相應(yīng)的測(cè)量任務(wù)，由于其使用了金屬殼體或者導(dǎo)線，在通電情況下會(huì)存在外殼帶電的風(fēng)險(xiǎn)，并且還會(huì)影響到測(cè)量信號(hào)的采集和傳輸，鑒于此，這種測(cè)量?jī)x表上應(yīng)該進(jìn)行接地處理，將專用的接地導(dǎo)線和此類設(shè)備的外殼實(shí)現(xiàn)聯(lián)通，及時(shí)排除干擾因素。

5 結(jié)語

在線電測(cè)儀表和現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)儀表的測(cè)量準(zhǔn)確度會(huì)受到電磁輻射、溫度、濕度等因素的干擾，并且這些測(cè)量?jī)x器在具體使用過程中還應(yīng)該根據(jù)待測(cè)量的特點(diǎn)合理選擇表計(jì)量程和測(cè)量準(zhǔn)確度等級(jí)。儀表安裝是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，對(duì)預(yù)防振動(dòng)干擾效果顯著，接地、屏蔽等措施可預(yù)防電磁干擾對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確度的影響。