安全检测与监控技术.ppt

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 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 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 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273 16份 每份为1K 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1650763 73倍 3 1983年10月在巴黎召开的第十七届国际计量大会 米是1 299792458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2 10 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 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1 273 16 热力学温度T与人们惯用的摄氏温度t的关系是T t 273 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LordKelvin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540 1012赫兹的单色辐射 而且在此方向上的辐射强度为1 683瓦特每球面度 定义中的540 1012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 0220943 1023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 02 1023定义 凡是含有阿伏加德罗常数个结构微粒 约6 02 1023 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 2 1 2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 2 1 2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 2 2 1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 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 200 850 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 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 2 2 4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 2 2 4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 72 m 红外光谱一般定义为0 72 m到大约1000 m范围 热辐射温度探测器所能接受的热辐射波段约为0 3 40 m 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 传感器可能处在恶劣的被测温度环境中 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 无法有效的对运动着的物体进行连续测量和监视控制 在高温测量中的缺陷 2 3非接触式温度检测 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光学测温仪器得到了较快发展和应用 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 3 40 m 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 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 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 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2 6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 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 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1 2m比较合适 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 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2 8是WDL型光电高温计的工作原理示意图 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2 9为全辐射高温计原理示意图 2 3 2全辐射式光学高温计 被测物体波长 0 的全辐射能量由物镜1聚焦经光栏2投射到热接受器4上 这种热接受器多为热电堆结构 热电堆是由4 8支微型热电偶串联而成 为的是得到较大的热电势 热电偶的测量端贴在类十字形的铅街上 锡箔涂成黑色以增加热吸收系数 热电堆的输出热电势接到显示仪表或记录仪表上 热电偶的参比端贴夹在热接受器周围的云母片中 在瞄准物体的过程中可以通过目镜6进行观察 目镜前有灰色玻璃5用来削弱光强 保护观察者的眼睛 整个高温计机壳内壁面涂成黑色以便减少杂光干扰 并能造成黑体条件 全辐射高温计是按绝对黑体对象进行分度的 用它测量辐射率为 的实际物体温度时 其示值并非真实温度 而是被测物体的 辐射温度 所以测到的辐射温度总是低于实际物体的真实温度 2 3 2全辐射式光学高温计 使用全辐射高温计应注意的事项 全辐射的辐射率 随物体成分 表面状态 温度和辐射条件有宽广的变化 因此应尽可能准确地得知被测物体的 或者创造人工黑体条件 例如将细长封底氧化铝管插入被测对象 温度计和被测物体之间的介质 如水蒸气 二氧化碳 尘埃等对热辐射有较强的吸收 而且不同介质对各波长的吸收率也不相同 为此高温计与被测物体之间距离不可太远 用时环境温度不宜太高 以免引起热电堆参比端温度增高而增加测量误差 虽然设计高温计时对参比端温度有一定补偿措施 但还做不到完全补偿 被测物体到高温计之间距离L和被测物体的直径D之比L D有一定限制 当比值太大时 被测物体在热电堆平面上成像太小 不能全部覆盖住热电堆十字形平面 使热电堆接收到的辐射能减少 温度示值偏低 当比值太小时 物像过大 使热电堆附近的其他零件受热 参比端温度上升 也造成示值下降 2 3 2全辐射式光学高温计 全辐射高温计特点 全辐射高温计不圣进行精确测量 多用于中小型炉窑的温度监视 该高温计的优点是结构简单 使用方便 价格低廉 其时间常数约为4 20S 2 3 3比色高温计 根据维恩偏移定律 当温度增高时绝对黑体的最大单色辐射强度向波长减小的方向移动 使两个固定波长 1和 2的亮度比随温度而变化 图2 10单通道光电比色高温计工作原理图 2 3 3比色高温计 特点 这种双通道式比色高温计结构简单 使用方便 但两个光电池要保持特性一致且不发生时变是比较困难的 2 3 4红外测温仪表 辐射式温度计的测温范围 向高温延伸理论上是不受上限限制的 因为温度高于700 就可以发光 同样也可向中温范围 0 700 伸展 只是在这个温度段已不是可见光而全是红外辐射了 需要用红外敏感元件来检测 图2 12示出红外测温仪的工作原理图 2 3 4红外测温仪表 测温仪和光电高温计的工作原理有类同之处 为光学反馈式结构 被测物体1和参考源7的红外辐射 经圆盘调制器10调制后输出至红外探测器3 因盘调制器由同步电动机8所带动 红外探测器3的输出电信号经放大器4和相敏整流器5至控制放大器6 控制参考源的辐射强度 当参考源和被测物体的辐射强度一致时 参考源的加热电流代表被测温度 由指示器9显示出被测物体的温度值 2 3 4 1红外探测器 红外探测器的主要作用是把红外辐射转变成电信号 根据对红外辐射响应方式的不同 分为热探测器和热探测器光子探测器是一种对波长有选择性的探测器 仅对具有足够能量的光子有响应 即存在一个长波限 光子探测器的响应光谱不及热探测器宽 光子探测器却具有较高的灵敏度和较快的响应速度 有些光子探测器通常需要在低温下工作 不如热探测器方便 热探测器是利用辐射能热效应的原理制成的 热探测器又称为无选择性探测器 即对全部波长都有相同的响应率 热探测器具有不需要致冷和在全部波长下具有平坦响应两大特点 在某些应用方面它是光子探测器所不能取代的 热探测器的固有缺点是探测率较低和时间常数大 但新型热释电探测器兼有灵敏度较高 响应速度快和室温工作的优点 2 3 4 2红外测温与热像仪 任何物体只要其温度高于绝对零度都会因分子的热运动而发射红外线 已发出的红外辐射能量与物体的温度有关 红外测温就是依据这一特性来测量物体温度的 红外测温技术是一种非接触式的测温技术 不会破坏被测温度场 可以获得较高的测量精度 不仅可以测量高温 如3000K 而且可以测量中温和摄氏零度以下的低温 为中 低温的非接触测量提供了新的方法 尤其是以红外技术为基础发展起来的红外成像技术 对测量物体表面温度分布 具有比其他测温技术更为显著的优越性 2 3 4 2红外测温与热像仪 热像仪是利用红外扫描原理测量物体表面温度分布的 它摄取来自被测物体各部分射向仪器的红外辐射通量的分布 利用红外探测器 顺序地直接测量物体各部分发射出的红外辐射 综合起来就得到物体发射红外辐射通量的分布图像 这种图像称为热像图 由于热像本身包含了被测物体的温度信息 也有人称之为温度图 图2 13为扫描热像仪原理示意图 它由光学会聚系统 扫描系统 探测器 视频信号处理器 显示器等几个主要部分组成 2 3 4 2红外测温与热像仪 2 3 5新型温度传感技术 石英晶体温度传感器及温度计光纤测温技术一线制数字温度传感器DS18B20 光纤温度传感器 光导纤维自20世纪70年代问世以来 随着激光技术的发展 从理论和实践上都已经证明它具有一系列的优越性 光纤在传感器技术领域中的应用也日益受到广泛重视 光纤传感器是一种将被测量的状态转变为可测量的光信号的装置 它是由光耦合器 传输光纤及光电转换器等三部分组成 目前已有用来测量压力 位移 液面 角速度 线速度 温度 磁场 电流 电压等物理量的光纤传感器问世 解决了传统方式难以解决的测量技术问题 据统计 目前约有百余种不同形式的光纤传感器 用于不同领域进行检测 可以预料 在新技术革命的浪潮中 光纤传感器必将得到广泛的应用 并发挥出更多的作用 特种测量温热敏电缆 热电偶是传统的温度传感器 用途非常广泛 近年来 又发展出了一种新的测温技术 能在火灾事故预警中有独特的应用 这种新型温度传感器称为特种测温热敏电缆 又被称为连续热电偶或寻热式热电偶 热敏电缆利用电偶热电效应 但测量的不是偶头部的温度 而是沿热电极长度上最高温度点的温度 由于这种独特功能 最初被发达国家作为高精技术设备铺设在航空母舰 驱逐舰的舰舱以及军用飞机等军事设备中 目前 已被广泛应用到各个领域来预防和减少因 过热 引起的事故和损失 石英温度计 随着生产及科学技术的发展 各部门对温度测量与控制的要求越来越高 尤其对高精度 高分辨率温度传感器的需求越来越强烈 普通的传感器难以满足要求 高分辨率达0 001 0 0001 高精度在 50 120 范围内 精度为 0 05 普通温度计的精度为 0 1 误差小 热滞后误差小 响应时间为1s 可以忽略 性能稳定 它是频率输出型传感器 故不受放大器漂移和电源波动的影响 即使将传感器 如1500m 设置也不受影响 但是抗强冲击性能较差 石英温度计既可以高精度 高分辨率的温度测量 又可作为标准温度计进行量值传递 也可以在现场稳态温度场合下进行精密测温或用于恒温槽的精密控温 还可用作远距离多点温度测量等 声学温度计 声学测温技术具有测温原理简单 非接触 测温范围宽 0 1900 可以在线测量等优点 现已应用于发电厂 垃圾焚烧炉 水泥回转窑等工业过程的温度测量和控制 利用测量超声波在气体中传播速度因温度不同而变化的温度计称为超声波温度计 用超声波测量气体温度具有响应速度快 不受外壁热辐射影响等优点 测量对象十分广泛 从滚梯上方气体的平均温度 到内燃机混合气体爆炸燃烧时的温度测量等 固体超声波温度计 利用声波在固体中传播速度 随着温度而变化的温度计称为固体超声波温度计 由于声波在固体传播时 声波的灵敏度随温度的升高而增大 因而 这种温度计更适用于高温测量 核四级共振温度计 NQR温度计 利用共振吸收频率随温度升高而减少的特性制成的温度计 称为核四级共振温度计 该温度计可以作为标准温度计或高精度实用温度计 高准确度 高分辨率 准确度可达 0 005K 共振吸收频率与温度的相关性好 在室温附近为5KHz K 分辨率达1Mk 不需要分度 温度与吸收频率的关系 只取决于KCIO3的结构 从根本上保证良好的重现性 在6Kz以下 互换性好 在水三相点其互换性为 10Hz 性能及其优越 输出为频率信号 容易保护高精度可利用标准电波 电视信号等作为高精度的基准信号 便于数字化处理 温度范围广 对于高精度测量适用于室温低至低温范围 从检测微弱的吸收信号直到转换成温度 可全部实现自动化 热噪声温度计 由于电子的热运动 可在电阻的两端产生由热噪声引起的电位起伏 这种热噪声又称约翰逊噪声 热噪声电压与温度之间存在确定关系 可制成热噪声温度计 热噪声温度计具有如下特性 不需要分度 与传感器材料无关 不受压力影响 传感器的阻值几乎不影响测量精度 测量范围广 4 1400K 因此 热噪声温度计可望成为一种理想的测温方式 然而 热噪声温度计产生的电压信号小 信号处理困难 操作也复杂 至今仍未使用化 智能温度传感器 智能温度传感器是在半导体集成温度传感器的基础上发展起来的 主要优点是采用数字化技术 能以数字形式直接输出被测温度 能够远程传输数据 用户可设定温度上 下限 具有越限自动报警功能 自带总线接口 适配各种微处理器和单片机 便于开发具有一定智能功能的温度测控系统 全部传感器元件及转换电路集成在形成如一只三极管的集成电路内 因体积小 转换快 分辨率高 数字量传输等 使其在多点测温 智能温度检测系统中有着广泛的应用 第3章压力检测 液柱式压力计弹性式压力计电气式压力计及变送器单光纤传输光推动便携式压力测量仪超声压力检测仪压力表的选择 安装与校验 第3章压力检测 压力是安全检测的重要参数之一 垂直作用在单位面积上的力称压力 即物理学中的压强 P F S式中F 作用力 N或kg m s2 S 作用面积 m2在国际单位制 SI 和我国法定计量单位中 压力的单位是 帕斯卡 简称 帕 符号 Pa 即1N 牛顿 的力垂直均匀作用在1m2的面积上所形成的压力值为1Pa 第3章压力检测 过去采用的压力单位 如 工程大气压力 kgf cm2 毫米汞柱 mmHg 毫米水柱 mmH2O 物理大气压 atm 等均应改为法定计量单位帕 或兆帕 1kgf cm2 0 9807 105pa 1mmH2O 0 9807 105pa 1mmHg 1 332 102pa 1atm 1 01325 105pa 在压力测量中 常有表压力 绝对压力 负压 习惯上称真空度 和压力差之分 工业上所用的压力指示值多数为表压力 习惯上称表压 第3章压力检测 测量压力的仪表 按信号原理不同 大致可分为四类 液柱式压力计弹性式压力计电气式压力计活塞式压力计 3 1液柱式压力计 原理 静力学原理 工作液一般用水银或水使用场合 用于测量低压 负压和压力差 实验室压力测试 现场锅炉烟 风道各段压力的测量 特点 液柱式压力计结构简单 使用维修方便 但信号不能传远 3 1 1U形管压力计 U形管压力计如图3 1a所示 在管子的一端接通被测压力 绝对压力 P 另一端通大气压力B 当P B时 在压力P的作用下 P侧液体柱下降 B侧液体柱升高 当达到压力平衡时 根据静力学原理可知 管内在水平面2 2处的压力相同 即作用在右侧液面上的压力与左侧高度为h的液柱和大气压力B作用在液面上的压力之和平衡 如U形管内工作液体密度一定并已知时 则液体高度差h反应了被测压力的大小 这就是液柱式压力计测量压力的基本原理 从上诉原理不难看出 这种压力计也可用于测量负压力和两种压力之差 但由于U形液柱压力计的测量准确度受读数精度和工作液体毛细管作用的影响 会产生误差 为克服U形管测压时两次读数的缺点 产生了把U形管的一根管改成大直径的杯形容器的单管液柱式压力计 3 1 1U形管压力计 3 1 2单管液柱式压力计 单管液柱式压力计如图3 2 a 所示 右边环形容器的内径D远大于左边管子的内径h 由于右边杯形容器内工作液体体积的减小量始终是与左边管内工作液体体积的增加量相等 所以右边液面的下降量将远小于左边液面的上升量 即h2 h1 3 2弹性式压力计 用弹性式传感器 又称弹性元件 组成的压力测量仪表称为弹性式压力计 弹性元件受压后产生的形变输出 力或位移 可以通过传动机构直接带动指针指示压力 或压差 也可以通过某种电气元件组成受送器 实现压力 或压差 信号的远传 3 2 1弹性元件及其特性 弹性元件常用的如图3 3所示 由弹簧管 单圈和多圈 波纹膜片 波纹膜盒和波纹管等 其中弹簧管可用于高中低压直到真空度的测量 其他几种多用于微压和低压的测量 弹性元件的测压原理是当弹性元件在轴向受到外力作用时就会产生拉伸或压缩位移 另外 要保证测量精度 弹性元件的弹性后效 弹性滞后和弹性模数的温度系数要小 所谓弹性后效 即在弹性极限内 当作用在弹性元件上的压力去掉时 他也不能立即恢复原状 还有一个数值不大的X 需要经过一段时间后 才能恢复原状 弹性滞后时引起测量仪表产生变差的原因 材料的弹性模数受温度的影响 引起弹性元件的弹性力随温度变化而产生漂移 温漂也会影响仪表的测量精度 3 2 1弹性元件及其特性 3 2 2弹簧管压力表 弹簧管压力表分多圈及单圈弹簧管式两种压力表 多圈弹簧管压力表灵敏度较高 常用于压力式温度计 单圈弹簧管压力表可用于真空测量 也可用于高达103 Mpa的高压测量 品种型号繁多 使用最为广泛 根据测压范围一般又分为压力表 真空表及压力真空表 一般精度登记为1 0 6 0级 表针表可达2 5级 弹簧管的材料又铜 磷青铜 不锈钢等 单圈弹簧管压力表的传感器一弯成圆弧形的空心管子 如图3 4所示 普通单圈弹簧管压力表的结构如图3 5所示 弹簧管材料随被测介质的性质 被测压力的高低而不同 在使用压力表时 还需要根据被测介质的化学性质 例如 测量氨气压力必须采用不锈钢弹簧管 而不能采用铜质弹簧管 3 2 3膜盒式压力计 常用于锅炉炉膛负压及尾部的烟道压力测量等 测量范围150 4000Pa 其结构与工作原理见图3 6所示 3 3电气式压力计及变送器 位移式压力 压差变送器力平衡式压力 压差变送器固体式阻式压力 压差变送器 3 3 1位移式压力 压差变送器 此类变送器首先将弹性元件输出的位移输出量变换成电容 电感 电势以及电阻等电量的变换 然后在经特质的电路转换成标准电量 3 3 2力平衡式压力 压差变送器 如图3 7所示 利用力平衡原理 将弹性元件受压后产生的集中力转变为电信号 此时弹性元件自由端的位移几乎为零 应说明 力平衡压力变送器虽然因弹性形变很小 对弹性元件弹性反作用力的变化不甚敏感 但对杠杆系统任何一处存在的摩擦力却是敏感的 他会直接引起误差 造成仪表的灵敏限 死区 和变差 为此 杠杆的支撑点都使用弹簧钢片做成的弹性支撑 以避免摩擦力的引入 3 3 3固体式阻式压力 压差变送器 半导体材料在受压时电阻率发生变化这一特性称为压阻效应 图3 8是利用压阻效应工作的半导体压力测量元件的结构示意图 3 4单光纤传输光推动便携式压力测量仪 随着半导体光电期间的光纤技术的进步及其产业的发展 用光纤做光功率和信号的传输媒介的光功率推动传感器技术也在不断的升级更新 在保持了点测传感器的高精度的同时 又利用上光纤传输的优势 具有很大的发展前景 它是以电容式压力传感器的 元件作为检测元件 采用PWM PPM调制技术 时分复用多路传输等实现液体压力的微功耗便携式测量 其压力检测系统主要包括测量传感器 低功耗前置器 功率和信号传输光纤 I V转换电路 光功率推动单元 PPM信号脉冲宽度甄别 PPM PWM转换电路 脉冲宽度测量电路 数字信号处理电路及现实报警电路等 该种压力及解决了在液体压力测量特殊条件下的精确测量 同时系统采用单根光纤作为两种光信号通道的模式 解决了一班光纤传感器存在的信号耦合效率低 信号之间 串音 的问题 由于实现了微功耗测量 也解决了一些液体参数测量种易燃易爆的难题 实现了测量的安全性 3 5超声压力检测仪 超声波压力检测是一种非接触式压力检测技术 具有测量简单方便 不破坏压力环境直接测量的优点 能够瞒住在线检测和快速故障诊断的需要 但超声波非接触式压力检测尚属研究探索阶段 超声波压力检测的工作原理 如图3 9所示 3 6压力表的选择 安装与校验 压力表的选择压力表的安装压力表的检测 3 6 1压力表的选择 选择压力表应根据被测压力的种类 压力 负压或压差 被测介质的物理 化学性质和用途 标准 指示 记录和远传等 以及生产过程所提的技术要求 同时应本着既瞒住测量准精度 又经济的原则 合理地选择地选择压力表的型号 量程和精度等级 目前我国规定的精度等级 标准仪表又0 05 0 1 0 16 0 2 0 25 0 35 工业仪表又0 5 1 0 1 5 2 5 6 0等 选用时应按被测参数的测量误差要求和量程范围来确定 对某些特殊的介质 如氧气 氢气等则又专用的压力表 在测量一般介质时 压力在 40 0 40KPa时 宜选用膜盒式压力表 压力在40KPa以上时 宜选用弹簧管压力表或波纹管压力表 压力在 101 33Pa 0 2 4MPa时 宜选用压力 真空表 压力在 101 330 0kpa时 选用弹簧管真空表 3 6 2压力表的安装 压力表的安装如图3 10所示 在安装时必须满足一下要求 1 取压管口应与工质流速方向垂直 与设备内壁平齐 不应有凸出物和毛刺 测点要选择在其前后又足够长的直管端的地方 以保证仪表所测的是介质的静压力 2 防止仪表传感器与高温或有害的被测介质直接接触 3 取压口的位置的确定 4 取压口与压力表之间应加装隔离阀 以备检修压力表用 5 取水平敷设的压力信号导管应有3 的坡度 以便排除导管内积水 当被测介质为气体时 或积气 当被测介质为水时 信号导管的长度一般不超过50m 一般内径为6 10mm 可以减少测量滞后 3 6 3压力表的检测 1 活塞式压力计常用校验压力表的标准仪器为活塞式压力表 工作原理 利用平衡静力 它由压力发生系统 压力表 和测量活塞两部分组成 如图3 11所示 途中3 8组成压力发生系统 1 2 9 11组成测量系统 2 校验方法 检验点应在测量范围内均匀选取3 4各点 一般应选在带有刻度数字的大刻度点上 均匀增压至刻度上限 保持上限压力3min 然后均匀降至零压 主要观察指示有无跳动 停止 卡塞现象 单方向增压至校验点后 轻敲表壳再读数 3 6 3压力表的检测