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安全监测监控技术 重庆大学任松教授Rs rwx 目录 概述基本原理传感器技术安全控制及控制装置 1概述 1 1几起特大安全事故 监测监控系统缺失或失效 1 系统本身的问题 技术问题 2 操作人员出现了问题 管理问题 通过传感装置获取生产环境状态参数 自动 准确和及时的分析和预测生产环境的安全性 并给予必要的预警和控制 1 2定义及结构 确保设备的安全运行预防和消除事故隐患避免事故发生 1 3发展趋势 2 1主要性能指标 2基本原理 1 精度2 稳定性3 量程4 分辨率5 信噪比6 传递特性 1 精度和误差 精度 系统测量值与真实值的接近程度 用误差来表示精度的高低 绝对误差 相对误差 引用误差 测量结果的准确性 测量仪器的精度等级 最大引用误差 2 稳定性 时间稳定性 环境稳定性 稳定度 影响系数 温度影响系数 压力影响系数 电压影响系数 湿度影响系数 单位 时间 3 量程 量程 系统正常工作时所能测量的最大值范围 4 分辨率 分辨率 系统可能检测到的被测量的最小变化值 5 信躁比 信号功率与噪声功率之比 信号电压与噪声电压之比 6 传递特性 系统输入与输出对应关系的性能 动态测试 静态测试 传递特性 动态传递特性 2 2线性系统及其主要性质 线性系统 定常系统 1 叠加性 若 则 2 比例性 若 则 3 微分特性 若 则 4 积分特性 若 则 5 频率保持特性 若 则 2 3静态传递特性及其主要参数 静态测量 均为常量 不随时间变化而变化 那么 静态传递特性方程 静态方程 标定因子 标定曲线 标定方法 用系列高出标定系统精度一个数量级的标准信号输入 测出相应的输出 用数学方法拟合出输入 输出曲线 标定曲线 1 灵敏度 2 线性度 标定曲线和理想曲线的接近程度 3 回程误差 相同测试条件下和全量程范围内 输入由小增大再由大减小的行程中 对于同一输入值所得到的2个输出值之间的最大差值与量程的比值 2 4动态传递特性 动态测量 输入输出随时间变化而变化 时间响应 频率响应 时间域 频率域 幅频特性方程 相频特性方程 1 频率特性 采用数学工具可以得到系统的幅频特性方程和相频特性方程 频率响应函数 2 一阶系统的频率特性 低通特性 2 一阶系统的频率特性 3 典型二阶系统频率特性 令 系统固有频率 系统阻尼系数 幅频特性 相频特性 3传感器技术 能感受被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置 通常由敏感元件和转换元件组成 3 1定义 例 100mm大量程应变式位移传感器 3 2传感器命名 1 按被测量 3 3传感器分类 a 结构型 速度 位移 加速度 应力 应变 温度 2 按原理 b 物性型 电阻电感电容频率 压电磁电霍尔式光电 输入量改变传感装置结构参数 通过物理原理将输入量转变为电信号 3 4常用结构型传感器 电阻式电感式电容式频率式 1 电阻式 变阻器式传感器 类型 结构简单 性能较稳定 使用方便 分辨率低 噪声大 检测较大的线位移或角位移 应用示例 电阻应变片式传感器 输入 应变 相对变形量 L L输出 dR R 电阻变化率 泊松比E 弹性模量 压阻系数 1 电阻式 类型 应变片 金属丝式 半导体式 丝式箔式 体积小 重量轻 动态响应快 精度高 使用简便 灵敏度高 频响范围宽 测量范围大 热稳定性差 大应变时非线性误差大 用于应变 应力 位移 加速度 速度 扭矩等的高精度测量 a 桥梁固有频率测量 原理在桥中设置一三角形障碍物 利用汽车碍时的冲击对桥梁进行激励 再通过应变片测量桥梁动态变形 得到桥梁固有频率 应用示例 b 电子称 原理将物品重量通过悬臂梁转化结构变形再通过应变片转化为电量输出 应用示例 2 电容式 间歇变化很小 优点 灵敏度高 对被测系统影响小 缺点 测量范围受限 测量精度受杂散电容影响 电路要求高 应用 非接触测量 小位移测量 0 01微米 数百微米 极距变化 2 电容式 面积变化 2 电容式 案例 电容传声器 案例 液面高度测量 广泛应用于位移 振动 角度 加速度等机械量的精密测量 而且逐步地扩大应用于压力 差压 液面 成分含量等 应用示例 3 电感式 电感式传感器是基于电磁感应原理 它是把被测量转化为电感量的一种装置 可变磁阻电感式传感器 3 电感式 优点 灵敏度高 缺点 测量范围受限 应用 小位移测量 1微米 1毫米 优点 结构简单 使用方便可靠 缺点 测量范围受限 应用 小位移测量 1微米 1500微米 非接触测量 电涡流式传感器 3 电感式 应用示例 应用示例 4 钢弦式传感器 应用示例 3 5常用物性型传感器 磁电压电霍尔传感器光电 原理 磁电式传感器是把被测量的物理量转换为感应电动势的一种转换器 感应线圈的感应电动势e为 磁通变化率与磁场强度 磁阻 线圈运动速度有关 改变其中一个因素 都会改变感应电动势 1 磁电式 面积 磁电式 动圈式 磁阻式 线速度型 角速度型 分类 1 磁电式 动圈式传感器 线速度型 1 磁电式 测速电机 动圈式传感器 1 磁电式 磁阻式传感器 1 磁电式 应用 优点 电路简单 性能稳定 输出阻抗小灵敏度高 频率响应范围较宽 一般为15 2000Hz 缺点 尺寸和重量较大 只能用于动态测量 应用 适用于振动 转速 扭矩等测量 2 压电传感器 原理 压电效应 某些物质 如石英 受到外力作用时 不仅几何尺寸会发生变化 而且内部会被极化 表面产生电荷 当外力去掉时 又重新回到原来的状态 这种现象称为压电效应 F 压电系数 应用示例 飞机模态分析 3 霍尔式传感器 原理 霍尔效应 金属或半导体薄片置于磁场中 当有电流流过时 在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势 这种现象称为霍尔效应 霍尔灵敏度 霍尔系数 3 霍尔式传感器 结构简单 体积小 噪声小 频率范围宽 从直流到微波 动态范围大 输出电势变化范围可达1000 1 寿命长等特点 4 光电式 光电传感器通常是指能敏感到由紫外线到红外线光的光能量 并能将光能转化成电信号的器件 其工作原理是基于一些物质的光电效应 应用示例 半导体热敏电阻的材料是一种由锰 镍 铜 钻 铁等金属氧化物按一定比例混合烧结而成的半导体 它具有负的电阻温度系数 随温度上升而阻值下降 典型的热敏电阻元件有圆形 杆形和珠形等 其结构及温度特性如图所示 3 6其它 1 热敏电阻传感器 应用示例 4安全控制及控制装置 4 1安全控制系统的发展 4 1安全控制系统的发展 4 1安全控制系统的发展 4 2安全控制方法 4 2安全控制方法 4 3防爆泄出装置 防爆泄出装置的作用是及时排除由于物理 化学变化所引起的超压现象 主要包括安全阀 爆破片 防爆门和放空管等 安全阀主要用于防止爆裂爆破片主要用于防止爆炸防爆门主要用在燃油 燃气或燃烧煤粉的加热炉上放空管用于紧急排泄有超温 超压 爆聚和分解爆炸危险的物料 1 安全阀 用环形重块作为加压载荷 通过加减重块的数量来调节作用在阀芯上力的大小 从而调节安全阀的开放压力 优点 结构简单 比较灵敏准确 缺点 检验比较麻烦 不便于作提升排放试验 静重式安全阀 1 安全阀 用重量较轻的重锤代替笨重的环状重块 通过移动重锤与杠杆支点的距离来调整安全阀的开启压力 优点 结构简单 调整容易 准确 缺点 结构较笨重 加载机构容易振动 而产生泄漏 回座压力较低 开启后不易关闭及保持严密 杠杆式安全阀 1 安全阀 利用弹簧的压力作为加压载荷 通过调整螺丝或调节螺杆改变弹簧压力的大小来调节安全阀的开启压力 弹簧式安全阀 2 爆破片 排出设备内的气体 蒸汽或粉尘等发生爆炸时产生的压力 防止设备或容器爆裂 扩大爆炸事故 其特点是放出物料多 泄压快 构造简单 可在设备试验压力下破裂 适用设备 在爆炸或异常反应使压力瞬间急剧上升 不允许介质有任何泄漏的设备 平板型 正拱型 反拱型 3 防爆门 是一种用于燃油 燃气和煤粉的燃烧室 加热炉上的安全装置 当燃料受热膨胀时 造成系统压力过高 气流冲破膜板或顶开重力盖而泄压 达到保护设备和管道的目的 分为膜板式和重力式两种类型 4 排气筒 放空管 是当反应物料发生剧烈反应 采取加强冷却 减少投料等措施难以凑效 不能防止反应设备超压 超温 爆聚 分解爆炸事故而设置的一种自动或手控的紧急放空的防爆安全装置 一般设置在反应器 反应塔 高压容器的顶部 5 火炬 是石油化工企业的一种安全装置 主要用于排除生产装置开车时产生的不合格的可燃气体和设备事故时排放的可燃气体物料 4 4防火控制装置 火焰隔断装置包括安全液封 水封井 阻火器 防火阀门等 其作用是防止外部火焰窜入有着爆炸危险的设备 管道 容器内或防止火焰在设备和管道间的扩展 1 安全液封 有液体封在进出气管之间 在液封两侧的任一侧着火后 火焰将在液封处被熄灭 从而阻止火焰蔓延 常用的安全液封有敞开式和封闭式两种 通常安装在操作压力低于0 02MPa的气体管在线 2 水封井 设置在可燃气体 易燃液体蒸气或有油污的污水管网上 用以防止着火或爆炸沿管网蔓延扩展的安全设施 3 阻火器 用来阻止可燃气体和液体蒸汽火焰蔓延的安全装置 主要是由能够通过气体的许多细小 均匀或不均匀的通道或孔隙的固体不燃材料所组成 4 防火闸门 为了防止火焰通过通风管道或生产管道蔓延而设计的阻火装置 正常条件下 阻火闸门受易熔金属组件的控制处 处于开启状态 一旦着火时 温度升高使易熔金属熔化 闸门自动关闭 5 火星熄灭器 通常安装在产生火星设备的排空系统 以防止飞出的火星引燃周围的易燃物质 熄灭火星的主要方法 将带有火星的烟气从小容器引入大容积 使其流速减慢 压力降低 火星颗粒沉降下来 设紧障碍 改变烟气流动方向 增大火星流动路程 使火星熄灭或沉降 设置网格或叶轮 将较大的火星挡住或分散 以加速火星的熄灭 用水喷淋或水蒸气熄灭火星 4 5紧急制动装置 紧急制动装置是当设备和管道断裂 填料脱落 操作错误时防止介质大量外泄或因物料爆聚 分解造成超温 超压 可能引起着火 爆炸应设