最新安全检测与监控技术PPT课件.ppt
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1、安全检测与监控技术安全检测与监控技术第1章 安全检测概述l安全检测在安全科学中的地位与任务l安全检测与工业运行状态信息的关系l安全检测系统的组成和分类l安全检测技术的发展趋势1.2安全检测与工业运行状态信息的关系l为了获取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
2、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安全检测与工业运行状态信息的关系l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
3、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、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l检测系统的组成l检测系统的分类1.3.1检测系统的组成l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。l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11。1.3.1检测系统的组成l传感器是可将被测量转换成某种电信号的
4、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。l信号调理环节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。l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。l反馈、控制环节主要用于闭环控制系统中的测试系统。l模数(A/D)转换和数
5、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l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、状态量l按被测参量的检测转换方法分类电磁转换、光电转换、其它l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l高速数据采集系统l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、
6、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。l虚拟仪器的应用第2章温度检测l温度标准与测量方法l接触式温度检测l非接触式温度检测2.1温度标准与测量方法l温度是国际单位制给出的基本物理量之一。l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
7、(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温标l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212l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)l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。l摄氏温度和华氏
8、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l热力学温标是国际单位制中七个基本物理单位之一。l热力学温标是由开尔文(Ketvin)在1848年提出的,以卡诺循环(Carnotcycle)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1K。l长度长度:米米(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16507
9、6373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”l 质量:千克(质量:千克(kg)1000立方厘米的纯水在4时的质量,l时间:秒(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)。l电流:安培(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
10、力在每米长度上等于2107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。l热力学温度:开尔文(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
11、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LordKelvin而命名的。l 发光强度:坎德拉(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l物质的量物质的量表示组成物质微粒数目多少的物理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
12、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l国际温标:1968年国际计量(权度)大会通过了“国际实用温标”,即IPTS68;后经过修改,于1990年建立了新的国际温标,简称ITS90。ITS90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。2.1.2温度计及其分类l检测温度的仪表称为温度计。l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
13、度不同而变化的特性来加以间接测量。l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21所示。2.1.2温度计及其分类l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。l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
14、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2.2.1膨胀式和压力式温度计l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。l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。2.2.1.1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
15、一般的工业用仪表。2.2.1.2压力式温度计l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。l目前压力式温度计有充蒸汽、充气体和液压式三种温度计。l特点:结构简单,强度高,抗震性好。2.2.2热电偶l热电偶是目前世界上科研和生产中应用最普遍、最广泛的温度测量元件。l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。l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
16、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、绝缘管、保护套管和接线盒等组成,如图21所示。2.2.3热电阻l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。l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。l缺点:工业热电阻温度计的元件结构复杂,尺
17、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l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。l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l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
18、等级可分为标准电阻温度计和工业电阻温度计。UE 热电阻热电阻2.2.3.3热电阻的结构l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。l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,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23,保护套管外径在35mm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2.2.4接触测温方法的讨论接触测温方法的讨论l传感器的传热误差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
19、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。l解决方式解决方式 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。2.2.4接触测温
20、方法的讨论接触测温方法的讨论l传感器的动态误差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。l解决方式解决方式为了减小动态误差,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
21、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0.30.72m,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0.340m。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非接触式温度检测接触式温度检测的缺陷:l传感器可能处在恶劣的被测温度环境中;l小的被测对象插入测温元件后又会较大地歪曲了温度的原始分布;l无法有效的对运动着的物体进行连续测量和监视控制;l在高温测量中的缺陷。2.3非接触式温度检测l正是由于接触式温度测量的种种缺陷,基于热辐射原理的非接触式
22、光学测温仪器得到了较快发展和应用。l测量原理: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。热辐射温度探测器所能接受的热辐射波段约为0.340m。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。2.3.1单色辐射式光学高温计l物体在高温状态下会发光,当温度高于700就会明显地发出可见光,具有一定的亮度。l如果用一种测量亮度的单色辐射高温计来测量单色黑度系数不同的物体的温度,即使它们的亮度相同,其实际温度也会因单色黑度系数不同而不同。l为了具有通用性,对这类高温计作了如下规定:单色辐射光学高温计的刻
23、度按绝对黑体进行。用这种刻度的高温计去测量实际物体的温度,所得到的温度示值叫作被测物体的亮度温度。2.3.1.1灯丝隐灭式光学温度计灯丝隐灭式光学高温计是一种典型的单色辐射光学高温计,在所有的辐射式温度计中它的精度最高,因此很多国家用来作为基准仪器,复现黄金凝固点温度以上的国际实用温标。隐丝光学高温计的原理图如图26所示。2.3.1.1灯丝隐灭式光学温度计2.3.1.1灯丝隐灭式光学温度计使用单色辐射高温计应注意的事项:l非黑色辐射的影响:由于被测物体均为非黑体,其单色辐射强度E02随波长、温度、物体表面情况而变化,使被测物体温度示值具有较大误差。为此人们往往把一根具有封底的细长管插入到被测对
24、象中去,管底的辐射就近似于黑体辐射。光学高温计测得的管子底部温度就可以视为被测对象的真实温度。l中间介质:理论上光学高温计与被测目标间没有距离上的要求,只要求物像能均匀布满目镜视野即可。但实际上其间的灰尘、烟雾、水蒸气和二氧化碳等对热辐射均有散射效应和吸收作用而造成测量误差。所以实际使用时高温计与被测物体距离不宜太远,一般在12m比较合适。l被测对象:光学高温计不宜测量反射光很强的物体,不能测量不发光的透明火焰,也不能用光学高温计测量冷光的温度。2.3.1.2灯丝隐灭式光学温度计l灯丝隐灭式光学高温计主要用人眼来判断亮度平衡状态,所以测量温度是不连续的,也带有测量人员的主观性,更难以做到被测温
25、度的自动记录。因此,能自动平衡亮度和自动连续记录被测温度示值的光电式高温计得以发展和应用。光电高温计用光电器件作为敏感元件感受辐射源的亮度变化,并转换成与亮度成比例的电信号,经电子放大器放大,输出被测温度值并自动记录下来。图28是WDL型光电高温计的工作原理示意图。l使用光电高温计时所应注意的事项和灯丝隐灭式光学高温计相同2.3.1.2灯丝隐灭式光学温度计2.3.2全辐射式光学高温计全辐射高温计是根据绝对黑体全辐射定律而设计的高温计,只要测出黑体的全辐射强度E0后就可知其温度T了。图29为全辐射高温计原理示意图。2.3.2全辐射式光学高温计l被测物体波长=0的全辐射能量由物镜1聚焦经光栏2投射
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