数字式智能仪表

方原柏(1942-)，男，湖北黄冈人，昆明有色冶金设计研究院教授级高级工程师，昆明仪器仪表学会副理事长，冶金自动化、衡器、自动化信息等杂志编委。发表论文230余篇，由冶金工业出版社出版“电子皮带秤的原理及应用”(1994年)、“电子皮带秤”(2007年)两本专著，主要研究方向为压力试验机等自动化仪表及控制系统的设计及工程应用。国内智能仪表行业正处在由中级向高级发展的阶段记者：可否为我们介绍一下目前国内智能仪表市场及技术的发展现状?方原柏：中国仪器仪表行业整体与发达国家相比有10～15年的差距，特别是高端产品的差距可能更大一些，国内智能仪表的现状也大体符合这一现实。但在发展中国家里，我国是仪器仪表行业规模最大、品种最齐全、综合实力最强的一个国家，而且近年来相对于全球仪器仪表3%～4%的增长率，我国在“十一五”期间，除受全球金融危机的影响2009年增长率仅有8.9%之外，其余年份增长率均在20%～30%之间。可见我国仪器仪表行业的发展速度非常快。所以我们可以这样说，国内智能仪表市场需求旺盛，是促进国内智能仪表技术发展强劲的动力，因而我国的智能仪表技术虽然与国外先进技术有较大的差距，但这种差距正在逐渐缩小。记者：您认为我国智能仪表发展正处在什么阶段?方原柏：回顾一下我国智能仪表应用和生产技术的发展历程，大体上是从上世纪七十年代末期开始应用国外智能仪表，而从上世纪八十年代早中期开始研制国产智能仪表(如可编程序调节器、压力试验机、微机化称重仪表等)，已经经历了近三十年的发展过程，所以至少应该说国内处在智能仪表发展的中级并正在向高级前进的阶段，或者换一句话说，国内大部分智能仪表尚处于发展的中级阶段，但也有一部分智能仪表技术达到了高级阶段，即国际先进水平。进步与差距并存记者：近年来，我国智能仪表技术在应用方面取得了哪些创新或突破?方原柏：一些中低档智能仪表产品已具有规模优势和国际市场竞争力。比如数字万用表、家用电度表的生产能力占全球半数以上，目前，电度表出口额超过3亿美元，水表超过1亿美元，像集装箱检测设备这样的高档产品出口也开始取得突破，以质谱仪为代表的高端科学仪器取得了重大进展，出现了可以与国外产品竞争的国产色-质联用仪器。我国“嫦娥一号”卫星所携带的8种多光谱遥测等探测仪器都是由国内自主研制，有自己的特点和创新，达到了国际先进水平。与智能仪表有关的国际标准，近年来已有用于工厂自动化的以太网EPA现场总线、用于过程自动化的WIA-PA无线网络两项标准由国内科技人员提出并纳入国际标准，增强了中国仪器仪表行业在国际上的话语权。随着节能降耗、低碳经济、民生产业、战略新兴产业的发展，调整结构和转型已成为国家的长期国策，并带动了风电、核电、物联网、智能电网、高铁和轨道交通等一批新兴产业的高速发展，这些行业的发展为压力试验机等仪器仪表行业带来了新的机遇和市场。在高新技术的推动下，仪器仪表正跨入真正的数字化、智能化、网络化的时代。智能仪表发展的春天已经到来。针对于此，本刊记者特别采访了昆明仪器仪表学会副理事长方原柏先生，就智能仪表的现状以及未来面临的机遇和挑战等问题做进行了详尽的解读。记者：您认为国内的智能仪表技术和产品与国外存在哪些差距?国内企业应该在哪些方面努力弥补这些差距?方原柏：差距可以从2个方面来谈，一个是产品的技术水平，另一个是产品的工程应用技术。与国外仪器仪表行业相比，我国仪器仪表产业规模小，产值低，企业则规模更小，产值更低，底子薄，科技创新开发投入资金少，核心技术缺失。仪器仪表所采用的核心部件多采用国外产品或技术，自有技术支撑能力薄弱，集成能力落后，所以尽管我们可以生产大多数与国外仪器仪表行业同类的产品，但在产品技术水平的高可靠性、高性能、高适用性方面的差距较大。在产品的工程应用技术方面，由于我们实际工程应用的时间相对较短、应用范围不广和对应用技术重视不够，针对各行各业产品的具体应用技术与国外有更大的差距。我们在国外一些压力试验机等仪器仪表厂家的网站上可以找到类似应用实例、技术论坛、技术交流、在线学习、找答案这样一些热点板块(如西门子公司网站)，而在国内仪器仪表厂家的网站上就很难找到这些内容。不注重收集整理工程应用技术资料，不大力宣传工程应用技术，可能是国内仪器仪表厂家的通病。要弥补这些差距，我想强调的是需要从以下方面努力：加大企业的科技创新开发投入;发挥举国体制，相关单位协同攻关，共同提高国产仪器仪表的技术水平;重视产品的工程应用技术经验的收集整理和宣传工作。

随着生产和科学技术的发展，对电测技术提出了更高的要求，一般的电工指示仪表、已不能满足某些测量的需要。数字式仪表、晶体管电压表等电子测量仪器具有高精确度、高灵敏度、高速度以及易于实现自动化等优点，因此得到了迅速的发展和广泛的应用。数字式仪表是利用半导体脉冲数字电路自动地将被测量数值用数字形式直接显示出来的一种电子仪表。 和电工指示仪表相比，数字仪表有以下的优点： (1)准确度高，如六位数字电压表测直流电压的误差可低于10—s数量级。 (2)灵敏高度，如积分式数字电压表的分辨率可达1微伏。 (3)测量速度快，一秒内可测多次，有些数字电压表可达每秒几万次。 (4)输入阻抗高、仪表功耗小。如数字电压表的基本量程的输入阻抗提高达2500兆欧。而消耗功率只有4×10　瓦，这是一般指示仪表根本达不到的。 (5)读数方便，没有读数误差这是由于测量结果直接用数字给出，所以不会由于使用者读数时站立角度不同而产生视差。数字仪表的缺点是：由于采用了大量的电子元件和其它部件，所以结构比较复杂，成本也较高。但是由于大规模集成电路的发展，现已有可能制造出价格低廉的数字式仪表。不同数字仪表的工作原理和测试功能是各不相同的，但都是由模拟一数字变换系统(简称模／数变换或A／D变换)和计数系统两部分组成。模拟一数字变换系统的作用是将被测的模拟量，如电压、电阻等变换为数字量，即将被测信号变换成与之成比例的脉冲参量，而计数系统的作用是对转换成的数字量进行计数和显示。由于数字仪表具有以上特点，它主要应用于：精密测量；对大批生产的精密指示仪表进行刻度与校验；对大量生产的元件进行分选；远距离测量；生产过程自动检测系统和控制等方面。常用的数字仪表有计数器、数字频率表、数字电压表、数字相位表和数字功率表等。

NPXM系列数字式显示仪表NPXM系列数字式显示仪表接受来自传感器或变送器的模拟信号，在表内部经模/数(A/D)转换变成数字信号，再由数字电路处理后直接以十进制数码显示测量结果。 NPXM系列数字式显示仪表具有测量速度快、精度高、抗干扰能力强、体积小、读数清晰、便于与工业控制计算机联用等特点，已经越来越普遍地应用于工业生产过程中。NPXM系列数字式显示仪表典型型号：NPXM-2011P3N、NPXM-2011P5N、NPXM-2012P5N、NPXM-2012P5N、NPXM-2012P3N、NPXM-2011P0N、NPXM-2011P1、NPXM-2011P2N、NPXM-2012P2NNPXM系列数字式显示仪表一般具有模/数转换、非线性补偿和标度变换三个基本部分。由于许多被测变量与工程单位显示值之间存在非线性函数关系，所以必须配以线性化器进行非线性补偿。NPXM系列数字式显示仪表通常以十进制的工程单位方式或百分值方式显示被测变量。NPXM系列数字式显示仪表的精度有三种表示方法：满度的±α %±n字、读数的±α %±n字、读数的±α %±满度的b %。n为显示仪表读数最末一位数字的变化，一般n=1。NPXM系列数字式显示仪表的性能指标还有分辨力和分辨率两概念。所谓分辨力是指仪表显示值末位数字改变一个字所对应的被测变量的最小变化值；分辨率是指仪表显示的最小数值与最大数值之比。NPXM系列数字式显示仪表外形尺寸：尺寸选择：160mm×80mm×94mm横式80mm×160mm×94mm竖式96mm×96mm×130mm方式96mm×48mm×110mm横式48mm×96mm×110mm竖式72mm×72mm×102mm方式48mm×48mm×110mm方式