安全检测与监控技术.ppt
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1、安全检测与监控技术,第1章 安全检测概述,安全检测在安全科学中的地位与任务安全检测与工业运行状态信息的关系安全检测系统的组成和分类安全检测技术的发展趋势,1.1安全检测在安全科学中的地位与任务,工业革命给人类带来了无穷的财富,但是,工业事故和工业灾难与科技发展和社会进步 伴随而来,从泰坦尼克号到切尔诺贝利核泄露,人类经历了无数次危险和灾难。现代化学工业、高能技术、高新技术、航空航天技术、核工业技术以及探海技术的发展以及规模装置、大型联合装置的出现,使技术密集性、物质高能性和过程高参数性更为突出,使得当代工业生产、科学探索、经济运行中的事故更具突发性、灾难性、社会性。由于事故现象越来越复 杂,损
2、失越来越惨重,迫使人们必须认真地去分析事故现象,研究事故规律,建立安全科学,发展安全工程学科。,1.1安全检测在安全科学中的地位与任务,美国大停电事故;博帕尔市农药厂爆炸事故;切尔诺贝利核电站核泄漏;日本福岛第一核电站事件,1.1安全检测在安全科学中的地位与任务,现代生产装置和系统对工程技术的严格性和严密性提出更高的要求,这就使不太重要的技术 缺陷对于现代装置和系统往往成为灾难性隐患。工业过程的微小温度或压力的变化、高速流 体系统的流量流速的变化、快速运转机械平衡条件的微小变化、物料配比系统的微小失误、高压装置的细小裂纹、爆炸危险体系的微小触发能量等,对于现代装置、高能过程和高技术 系统都会导
3、致毁灭性的灾难。这些安全管理决策的基础信息都需要通过安全检测来提供,使 生产过程或特定系统按预定的指标运行,避免和控制系统因受意外的干扰或波动而偏离正常 运行状态并导致故障或事故。,1.1安全检测在安全科学中的地位与任务,安全检测与控制是安全管理工作的“眼睛和耳朵”,是安全管理工程的重要组成部分。它是安全科学技术的三级学科,是确定安全生产及系统安全运行的重要技术手段。安全工程、测量检验技术、自动控制技术、信息工程、仪器仪表、环境科学、系统工程等的边缘学科。,1.1安全检测在安全科学中的地位与任务,借助于仪器、仪表、传感器、探测设备等工具迅速而准确地了解生产系统及作业环境中危险因素与有毒有害因素
4、的类型、危害程度、范围及动态变化,对职业安全与卫生状态进行评价,对安全技术及设施进行监督,对安全技术措施的效果进行检测,提供可靠而准确的信息,以改善劳动作业条件,改进生产工艺过程,控制系统或设备的事故(故障)发生,所有这些运作过程被称为安全检测与控制技术。通过这种检测和控制技术,使生产过程或特定系统按预定的指标运行,避免和控制系统因受意外的干扰或波动而偏离正常(安全)运行状态并导致故障或事故。它是现代化工业安全生产不可缺少的技术手段,化工、石油、石化、矿山、航空、航天、航海、铁路、电业、建筑、冶金、核工业等部门都存在安全检测与控制技术的问题。,1.2安全检测与工业运行状态信息的关系,工业事故寓
5、于工业危险源,通常指“人(劳动者)-机(生产过程和设备)-环境(工作场 所)有限空间的全部或一部分,属于人造系统,正常运行条件下,绝大多数具有可观测性和可控性。表征工业危险源状态的可观测参数称为危险源的状态信息。状态信息是一 个广义的概念,包括对安全生产和人员身心健康有直接或间接危害的各种因素,例如,表征 生产过程或设备的运行状况正常与否的参数,作业环境中化学和物理危害因素的浓度或强度 等。安全状态信息出现异常,说明危险正在从相对安全的状态向即将发生事故的临界状态转 化,提示人们必须及时采取措施,以避免事故发生或将事故的伤害和损失降至最小强度。,1.2安全检测与工业运行状态信息的关系,为了获取
6、工业运行或危险源的状态信息,需要将这些信息通过物理的或化学的方法转化为可观测的物理量(模拟的或数字的信号),这就是通常所说的安全检测,它是作业环境安 全与卫生条件、特种设备安全状态、生产过程危险参数、操作人员不规范动作等各种不安全 因素检测的总称。担负信息转化任务的器件称为传感器或检测器,由传感器或检测器及信号 处理、显示单元便组成了安全检测仪器。如果将传感器或检测器及信号处理、显示单元 集于一体固定安装于现场,对安全状态信息进行实时检测,则称这种装置为安全监测仪器。如果只是将传感器或检测器固定安装于现场,而信号处理、显示、报警等单元安装在远离现 场的控制室内,则称为安全监测系统。,1.2安全
7、检测与工业运行状态信息的关系,安全检测包含两方面的含义,一是指获取被检测对象某时刻数据的过程,另一是指对目 的物进行长时间连续测试的过程。根据检测性质不同,安全检测可分为研究性检测、监视性检测和特定目的检测。研究性检测是为研究危险、有害因素的发生、发展规律而进行的检测,通常是研究技术人员为特定研究目的而专门设计的检测;监视性检测是为了了解危险、有害因素变化状况,进行安全评价、产品安全卫生性能评定、劳动安全监督所进行的检测,它既是企业安全管理的重要内容,也是国家安全监察的依据。我国建有省、地、县三级国家检测站,负责安全卫生监察机构指派的检测检验任务;特定目的检测是指因意外事件、事故发生毒物泄漏、
8、放射性污染等而进行的检测。,1.3 安全检测系统的组成和分类,检测系统的组成检测系统的分类,1.3.1 检测系统的组成,检测系统由传感器、信号调理、信号传输、信号处理、显示记录等环节组成。所谓检测系统,是指为完成某项测量所使用的一系列仪器,即指由相关的器件、仪器和测量装置有机组合而成的具有获取某种信息之功能的整体,典型组成见图1-1。,1.3.1 检测系统的组成,传感器是可将被测量转换成某种电信号的器件。它包括敏感器和转换器两部分,敏感 器可以把温度、压力、位移、振动、噪声等被测量转换成某种物理量,然后通过转换器,把 这些物理量转换成某种容易检测的电量,例如电阻、电容、电感的变化。信号调理环节
9、把传感器的输出信号转换成适合于进一步传输和处理的形式。这种信号的 转换多数是电信号之间的转换,例如,把阻抗变化转换成电压变化,还有把滤波、幅值放大 或者把幅值的变化转换成频率的变化等。信号处理环节对来自信号调理环节的信号进行各种运算、滤波和分析。信号显示、记录环节将来自信号处理环节的信号,即测试的结果,以易于观察的形式显 示或存储。反馈、控制环节主要用于闭环控制系统中的测试系统。模数(A/D)转换和数模(D/A)转换环节是在采用计算机、PLC等测试、控制系 统时进行模拟信号与数字信号相互转换的环节。,1.3.2 检测系统的分类,按被测参量分类 电工量、热工量、机械量、物性和成分量、光学量、状态
10、量按被测参量的检测转换方法分类 电磁转换、光电转换、其它按使用性质分类 标准表、实验室表、工业用表,1.4 安全检测技术的发展趋势,高速数据采集系统 先进技术的发展 1、传感器向新型、微型、智能型方向发展和多传感器融合技术的应用。2、柔性测试系统。3、测量仪器向高精度、多功能、小型化、在线监测、性能标准化和低价格发展。4、参数测量和数据处理以计算机为核心,使测量、分析、处理、打印、绘图、状态显 示及故障预报向自动化、集成化、网络化发展。5、大型设备的测试。6、微观系统的测试。7、视觉测试技术。8、智能结构。虚拟仪器的应用,第2章温度检测,温度标准与测量方法 接触式温度检测非接触式温度检测,2.
11、1温度标准与测量方法,温度是国际单位制给出的基本物理量之一。温度就是表征物体冷热程度的一个物理量,从微观上说是物质分子运动平均动能大小的标志。自然界中的许多物理现象和化学反应都紧密的与温度相关,温度的变化会影响到物体的尺寸、体积、密度、硬度、弹性系数、电导率、磁导率、热容量等值。温度是安全检测的重要参数之一,在防火防爆、保证设备强度等方面起着重要的作用。,2.1.1 温标,温标是温度数值变化的标尺,它规定了温度的读数起点(零点)和温度测量的基本单位。热学发展史中出现过的温标有:华氏温标、列式温示、兰氏温标、摄氏温标、热力学温标和国际温标等。经验温标:依赖物体的物理性质建立起来的。,2.1.1
12、温标,华氏温标 1714年德国人法勒海特(Fahrenheit)以水银为测温介质,制成玻璃水银温度计。按照华氏温标,则水的冰点为32,沸点为212列氏温标,符号为oR(左上角有个小圈,像摄氏度符号那样),规定在水(标准大气压下)的冰点与沸点之间划分为80个单位(冰水混合物T=0R,沸点T=80R)摄氏温标 1740年瑞典人摄氏(Celsius)提出在标准大气压下,把水的冰点规定为0度,水的沸点规定为100度。摄氏温度和华氏温度的关系为 T=t+32 式中 T华氏温度值;t摄氏温度值,2.1.1 温标-热力学温标,热力学温标是国际单位制中七个基本物理单位之一。热力学温标是由开尔文(Ketvin)
13、在1848年提出的,以卡诺循环(Carnot cycle)为基础。热力学温标为了在分度上和摄氏温标相一致,把理想气体压力为零时对应的温度绝对零度与水的三相点温度分为27316份,每份为1 K。,长度:米(m)1.1790年5月由法国科学家组成的特别委员会,建议以通过巴黎的地球子午线全长的四千万分之一作为长度单位米 2.1960年第十一届国际计量大会:“米的长度等于氪86原子的2P10和5d1能级之间跃迁的辐射在真空中波长的165076373倍”。3.1983年10月在巴黎召开的第十七届国际计量大会:“米是1299792458秒的时间间隔内光在真空中行程的长度”质量:千克(kg)1000立方厘米
14、的纯水在4时的质量,时间:秒(s)1967年的第13届国际度量衡会议上通过了一项决议,采纳以下定义代替秒的天文定义:一秒为铯-133原子基态两个超精细能级间跃迁辐射9,192,631,770周所持续的时间。国际原子时是根据以上秒的定义的一种国际参照时标,属国际单位制(SI)。电流:安培(A)安培是一恒定电流,若保持在处于真空中相距1米的两无限长,而圆截面可忽略的平行直导线内,则两导线之间产生的力在每米长度上等于210-7牛顿。该定义在1948年第九届国际计量大会上得到批准,1960年第十一届国际计量大会上,安培被正式采用为国际单位制的基本单位之一。安培是为纪念法国物理学家A.-M.安培而命名的
15、。热力学温度:开尔文(K)开尔文 英文是 Kelvin 简称开,国际代号K,热力学温度的单位。开尔文是国际单位制(SI)中7个基本单位之一,以绝对零度(0K)为最低温度,规定水的三相点的温度为 273.16K,1K等于水三相点温度的1273.16。热力学温度T与人们惯用的摄氏温度t的关系是Tt273.15,因为水的冰点温度近似等于 273.15K,并规定热力学温度的单位开(K)与摄氏温度的单位摄氏度()完全相同。开尔文是为了纪念英国物理学家Lord Kelvin而命名的。发光强度:坎德拉(cd)坎德拉是一光源在给定方向上的发光强度,该光源发出频率为5401012赫兹的单色辐射,而且在此方向上的
16、辐射强度为1683瓦特每球面度 定义中的5401012赫兹辐射波长约为555nm,它是人眼感觉最灵敏的波长 物质的量表示组成物质微粒数目多少的物理量(物质的量是一个专用名词,不可分割和省略)摩尔是物理量物质的量的单位(mol)根据科学测定,12克12C所含的C原子数为6.02209431023 用符号NA表示,称阿伏加德罗常数 阿伏加德罗常数(NA)近似值 6.021023 定义:凡是含有阿伏加德罗常数个结构微粒(约6.021023)的物质,其物质的量为1摩。,2.1.1 温标,国际温标:1968年国际计量(权度)大会通过了“国际实用温标”,即IPTS-68;后经过修改,于1990年建立了新的
17、国际温标,简称ITS-90。ITS-90基本内容:重申国际实用温标单位仍为K;国际摄氏温度和国际实用温度关系为:取消了不确定度大的标准铂锗热电偶,代以准确性更高的铂电阻温度计,并定义了温度值的分段和内插方程。,温度计及其分类,检测温度的仪表称为温度计。温度不能直接测量,只能借助于冷热不同的物体之间的热交换以及物体的某种物理性质随着冷热程度不同而变化的特性来加以间接测量。根据传感器的测温方式,温度基本测量方法通常可分成接触式和非接触式两大类。如表2-1所示。,温度计及其分类,接触式:测温精度相对较高,直观可靠及测温仪表价格相对较低;由于感温元件与被测介质直接接触,从而要影响被测介质热平衡状态,而
18、接触不良则会增加测温误差;被测介质具有腐蚀性及温度太高亦将严重影响感温元件性能和寿命等缺点。非接触式:感温元件不与被测对象直接接触,而是通过接受被测物体的热辐射能实现热交换,据此测出被测对象的温度;非接触式测温具有不改变被测物体的温度分布,热惯性小,测温上限可设计得很高,便于测量运动物体的温度和快速变化的温度等优点。缺点是受到物体的发射率、测量距离、烟尘和水气等外界因素的影响,其测量误差较大。,2.2接触式温度检测 膨胀式和压力式温度计,膨胀式温度计是利用液体、固体的热胀冷缩的性质,即测温敏感元件在受热后尺寸或者体积发生变化,根据这个变化值得到温度的变化值。压力温度计是根据一定质量的液体、气体
19、、蒸汽在体积不变的条件下其压力与温度呈确定函数关系的原理实现其测温功能的。,双金属温度计,由于热膨胀系数不同,双金属片在温度改变时,两面的热胀冷缩程度不同,因此在不同的温度下,其弯曲程度发生改变。利用这一原理,可以制成温度计。特点:抗震性能好,结构简单,牢固可靠,读数方便,但是精度不高,测量范围不大。只能用做一般的工业用仪表。,2.2.1.2 压力式温度计,压力温度计是根据一定质量的液体、气体、蒸汽在体积不变的条件下其压力与温度呈确定函数关系的原理实现其测温功能的。目前压力式温度计有充蒸汽、充气体和液压式三种温度计。特点:结构简单,强度高,抗震性好。,2.2.2 热电偶,热电偶是目前世界上科研
20、和生产中应用最普遍、最广泛的温度测量元件。特点:结构简单、制作方便、测量范围宽、准确度高、热惯性小等各种优点。它既可以用于流体温度测量 也可以用于固体温度测量,既可以检测静态温度也可以检测动态温度,且直接输出电流电压信号,便于测量、信号传输、自动记录和控制等。,2.2.2 热电偶,热电偶,对热电极材料的要求:在使用温度范围内,物理、化学性能稳定;热电势要足够大,并且与温度关系最好呈线性或近线性;热电性能稳定,易于复现,同类热电偶互换性好;电导率高,比热与电阻温度系数要小;具有一定的机械强度;加工方便,价格便宜。,2.2.2 热电偶,热电偶的构造分普通型、铠装型和薄膜型等类。普通型由热电极、绝缘
21、管、保护套管和 接线盒等组成,如图2-1所示。,2.2.3 热电阻,电阻温度计广泛用于测量-200850范围内温度,在特殊情况下,深低温可测1K左右,高温可测到1000。优点:准确度最高,可达1mK;输出信号大,灵敏度高,电阻温度计的灵敏度较热电偶温度计高一个数量级;测温范围广,无需冷端。缺点:工业热电阻温度计的元件结构复杂,尺寸较大,因此热响应时间长,不适宜测量体积 狭小物体的温度。,2.2.3.1 热电阻的测量原理,热电阻是利用导体或半导体的电阻随温度变化的特性而制成的温度传感器。电阻与温度的函数关系一旦确定之后,就可通过测量置于测温对象之中并与测温对象达到热 平衡的热电阻的阻值求得被测温
22、度。当被测温度 变化时感温元件的电阻值随着变化,并将变化的电阻值转为电信号输送给显示仪表,在显示仪表中显示出温度的变化值,这就是电阻温度计的测温原理。,2.2.3.2 热电阻材料,按感温元件的材质分,热电阻可分为金属导 体和半导体两大类。金属热电阻有销、铜、镍和 铅钻合金等,目前大量使用的有铅、铜和镍三种。半导体热电阻有绪和热敏电阻等。按准确度等级可分为标准电阻温度计和工业电阻温度计。,UE 热电阻,2.2.3.3 热电阻的结构,工业铅、铜热电阻是由感温元件、内引线、绝缘管、保护管和结线盒等组成。热敏电阻的结构形式有珠形、圆片形和棒形三种,工业测量主要采用珠形。将珠形热敏电阻烧结在两根舍自丝上
23、,外面再涂敷玻璃层,并用杜美兰与铅丝相连接引出,外面再用玻 璃套管作保护套管,见图2-3,保护套管外径在3-5mm之间。若把热敏电阻配上不平衡电桥和指示仪表,则成为半导体点温度计。,2.2.3.3 热电阻的结构,接触测温方法的讨论,传感器的传热误差 当温度传感器插入到被测介质(例如蒸汽管道)中测温时,假 设蒸汽通过对流换热使传感器与被测介质具有相同的温度,但由于管道壁与管道外的温度都 低于流体温度,即低于传感器的温度,传感器与管道连接处就向管壁传热,其外露部分则向 空气散热,致使传感器温度降低,而不能真实反映被测流体的温度。接触式测温系统中的传 热常同时具有导热、对流和辐射三种形式,根据不同的
24、测温状态会对温度测量带来不同程度 的误差。传热误差不能用提高仪表精确度来解决,而只能针对传感器所处的传热状况采取某 些改善措施来减小。解决方式 应使传感器插得深一些,缩短外露部分;要使外露部分保温,以减小外露部分的放热系数;增大内插部分的放热系数,应把传感器安装在流速最大的地方,也能减少导热误差。,接触测温方法的讨论,传感器的动态误差 用接触式测温法测量快速变化的温度时,由于受传感器热惯性的影响,其温度变化跟不上被测温度的变化,此时将产生动态误差。例如,当被测温度发生 阶跃变化时,传感器温度的变化是经过一段时间逐渐达到新的平衡,对于经常波动的被测温 度,动态误差会出现得更为频繁。解决方式 为了
25、减小动态误差,可以减小传感器的体积,减少热容量;加快响应速度;选用比热 小、导热好的保护管的材料;增大传感器与被测介质的接触面积。,2.3非接触式温度检测,由于接触式温度检测的缺陷,基于热辐射原理的非接触式光学测温仪器得到了较快发展和应用。热力学第三定律:任何物体的温度高于绝对零度时就有能量释出,其中以热能方式向外发射的那一部分称为热辐射,不同的温度范围其热辐射波段不同。可见光光谱段很窄,约为0.3-0.72m,红外光谱一般定义为0.72m到大约1000m范围。热辐射温度探测器所能接受的热辐射波段约为0.3-40m。因此热辐射温度探测器大多工作在可见光和红外光的某波段或波长之下。,2.3非接触



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