安全监测监控技术(2017119

安全监测监控技术重庆大学任松教授[e-mail]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定义及结构信号获取信号分析输出控制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：0Axx相对误差：0Axx引用误差：myXx测量结果的准确性。测量仪器的精度等级。最大引用误差：myXxmax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。)(lg20lg10dBVVNNSNRNSNS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)()()()()()()()(0111101111txbdttdxbdttxdbdttxdbtyadttdyadttydadttydammmmmmnnnnnnh(t)输入/激励x(t)输出/响应y(t)测试系统的传递特性/转换特性线性系统/定常系统1）叠加性)()(11tytx)()(22tytx)()()()(2121tytytxtx若：，则：2）比例性)()(tytx)()(taytax若：则：3）微分特性)()(tytxdttdydttdx)()(若：则：4）积分特性)()(tytxdttydttxtt00)()(若：则：5）频率保持特性)sin()(tAtx)sin()(tBty若：则：2.3静态传递特性及其主要参数)()(tytx，静态测量：均为常量，不随时间变化而变化。Sxxbay00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xyS2）线性度标定曲线和理想曲线的接近程度。%100ABf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。%100maxAhh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)()()(jQPjH)()()()(22QPjHA)()(arctan)()(PQjH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)()()(001txbtyadttdya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)()()()(001222txbtyadttdyadttyda20aan2012aaa令：系统固有频率系统阻尼系数2222)(4])(1[1)()(nnHA幅频特性：相频特性：2)(12arctan)(nn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①变阻器式传感器xkRlxkRa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:②电阻应变片式传感器输入：ε，应变（相对变形量）△L/L输出：dR/R，电阻变化率μ—泊松比E—弹性模量λ—压阻系数)21(ERdR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AC0相对介电常数真空介电常数极板面积极板间距+++A1.0/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）。①极距变化1.0/2）电容式KC②面积变化2）电容式xKClα定板动板xKCaDdxKCl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）电感式被测量电感自感互感可变磁阻涡流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。线圈铁心衔铁L2002AWL空气导磁率空气隙导磁横截面积①可变磁阻电感式传感器3）电感式KL线圈铁心衔铁L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。②电涡流式传感器eeeLLRMLL22220)(Mk线圈电感互感系数金属板等效电感电流频率金属板等效电阻3）电感式案例1：连续油管的椭圆度测量CoiledTubeEddySensorReferenceCircle原理：应用示例案例2：测厚案例3：零件计数应用示例AFFLf210214）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。dtdWe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。sinSB),,(mdtdRB1）磁电式面积磁电式动圈式磁阻式线速度型角速度型N分类：1）磁电式①动圈式传感器线速度型sinWBLve1）磁电式测速电机WBAe①动圈式传感器1）磁电式②磁阻式传感器1）磁电式),,(mRBdtd磁电式车速传感器应用优点：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+并联+串联某些物质，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+q=DF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。霍尔效应原理霍尔电势可用下式表示:霍尔灵敏度霍尔系数霍尔式位移传感器从a端通人电流I，根据霍尔效应，左半部产生霍尔电势VH1，，右半部产生露尔电势VH2，其方向相反。因此，c、d两端电势为VH1—VH2。如果霍尔元件在初始位置时VH1=VH2，则输出为零；当改变磁极系统与霍尔元件的相对位置时，即可得到输出电压，其大小正比于位移量。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。光电传感器在工业上的应用可归纳为吸收式、遮光式、反射式、辐射式四种基本形式。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)热敏电阻传感器温控器热敏电阻应用示例2)气敏电阻传感器气敏传感器是利用气敏半导体材料，如氧化锡、氧化锰等金属氧化物制成敏感元件，当它们吸收了气体烟雾，如一氧化碳、醇等时，会发生还原反应，放出热量，使元件温度相应增高，电阻发生变化。气敏传感器应用较广泛的是用于防灾报警，如煤气、或有毒气体报警，也可用于对大气污染监测、CO气体测量、酒精浓度探测等方面。烟雾报警器酒精传感器二氧化碳传感器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。①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。②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。③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