安全检测技术课程设计样例.docx
《安全检测技术课程设计样例.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《安全检测技术课程设计样例.docx（28页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
安全检测技术课程设计样例
课程设计
课程《安全检测技术》课程设计
题目联合站安全监测系统传感器设计一
（热电阻温度传感器设计）
电子工程学院安全工程专业安全0601班
学号200605060101学生李阳
指导老师徐竟天
二○一三年六月
《安全检测技术》课程设计任务书
题目
联合站安全监测系统传感器设计一（热电阻温度传感器设计）
学生姓名
李阳
学号
200605060101
专业班级
安全0601
设
计
内
容
与
要
求
课程设计主要完成某联合站安全监测系统硬件设计中传感器的选型、应用及接线等。
要求运用已学过各类传感器的知识，完成安全监测系统中传感器的原理、选型、厂家产品参数、接线等内容，将书本传感器的理论知识与厂家具体产品对应起来，使得可以真正理论联系实际。
要求熟悉相关传感器的原理与硬件结构，学会计算机监测系统硬件设计的步骤和方法，具有初步设计小型计算机安全监测系统硬件方案中传感器部分的能力。
课程设计内容及基本要求如下：
1.熟悉联合站工艺流程、监控目标及监控要求。
2.学会常用的各种传感器（温度、流量、压力、液位等）参数及使用，了解其工作原理。
3.课程设计中以热电阻温度传感器为主，详细介绍所选温度传感器的工作原理、硬件组成、测量电路、使用时的注意事项。
详细介绍所选温度传感器的厂家产品参数、接线、特点等参数。
4.完成监测系统硬件方案设计，画出原理图。
5.课程设计时间一周，完成课程设计报告。
起止时间
2012年6月25日至2012年7月1日
指导教师签名
年月日
系（教研室）主任签名
年月日
学生签名
年月日
目录
1绪论1
1.1联合站监测分析1
1.2东仁沟联合站的工艺流程1
1.3东仁沟联合站的工艺流程分析2
1.4东仁沟站内的主要工艺设备3
1.5东仁沟联合站监控系统的控制要求3
1.6监控系统控制I/O点数统计3
2温度传感器原理与选型6
2.1热电阻温度传感器6
2.1.1工作原理6
2.1.2热电阻类型6
2.1.3热电阻传感器的结构8
2.2一体化热电偶/热电阻8
2.2.1产品概况8
2.2.2一体化热电偶/热电阻产品特点9
2.2.3一体化热电偶/热电阻产品特性9
2.2.4校验方法10
2.3温度传感器选型10
2.3.1SBW系列热电偶/热电阻温度变送器产品特点11
2.3.2技术参数：
12
2.3.3厂家型号代码说明12
2.2.4一体化热电阻接线方式13
2.2.5一体化热电阻测量范围及温差14
3其他传感器选型15
3.1压力变送器15
3.2液位计15
3.3流量计17
4结论18
参考文献19
附录20
1绪论
联合站工艺是油田原油集输生产中最重要的生产工艺过程，它是集油水分离、污水处理、原油及天然气集输等多个工艺系统为一体的综合性生产过程，主要包括输油脱水、污水浅处理、污水深处理、注水、锅炉和配电等生产岗位或工艺环节。
目前，各大油田联合站生产工艺过程的控制主要有人工监测控制、常规仪表自动监测控制、计算机监测控制等三种方法。
计算机监测控制是从上世纪七十年代迅速发展起来的一种功能强大的现代工业过程控制方法。
它采用计算机技术与自动化仪表相结合，对工业生产过程中的各种工艺参数进行处理、运算、显示和控制。
相对于常规仪表控制，它可以提供更为复杂的控制算法，通过对各种相关参数进行综合分析，实现协调管理和优化控制。
在油田联合站生产过程中，如何合理选择、设计安全可靠和便于维护的计算机监控系统，保证联合站生产的平稳运行和优化控制，实现节能降耗和安全生产，提高生产管理水平，是目前自动化技术在油田生产应用中面临的重要课题。
1.1联合站监测分析
联合站是转油站的一种，但由于其功能较多，在油田上普遍存在。
站内包括有原油处理系统，转油系统，原油稳定系统，污水处理系统，注水系统，天然气处理系统等。
它是油气集中处理联合作业站的简称。
主要包括油气集中处理（原油脱水、天然气净化、原油稳定、轻烃回收）等、油田注水、污水处理、供变电和辅助生产设施等部分。
本设计以靖边采油厂东仁沟联合站为例。
联合站（库）设有输油，脱水，污水处理，注水，化验，变电，锅炉等生产装置，主要作用是通过对原油的处理，达到三脱（原油脱水，脱盐，脱硫；天然气脱水，脱油；污水脱油）三回收（回收污油，污水，轻烃），出四种合格产品（天然气，净化油，净化污水，轻烃）以及进行商品原油的外输。
联合站是高温，高压，易燃，易爆的场所，是油田一级要害场所。
安全生产就要对联合站进行计算机监控。
1.2东仁沟联合站的工艺流程
联合站的主要工艺流程包括有来车卸油、管输进站、油气分离、原油沉降脱水、存储和汽车拉油外销等。
原油先经过换热器进行加热，在经过四相分离器，进行油、水、气分离。
分离出来的水经过掺水泵注井；油水混合物经过外输泵、热交换器进行下一次分离；稠油经过脱水器、稠油泵汇集、运输。
图1-1东仁沟联合站的工艺流程图
1.3东仁沟联合站的工艺流程分析
（1）分离器流程
从各个采油队输送过来的原油首先通过计量器计量后又进入联合站的油气水三相分离器，在这里实现气体和液体的分离。
原油从分离器一端进入，然后天然气从另一端上部流出进行天然气外输，而油水混合的液体从下部流出进入一次沉降罐。
（2）油罐区流程
油罐区的储罐主要的任务是进行油水分离，由一次沉降罐、二次沉降罐、净化油罐组成，分离器将油水混合液体输入一次沉降罐，一次沉降罐分离出大部分的原油，并把部分天然气再行收集，而将水输到污水区，进行污水处理。
经过一次沉降罐的原油流入二次沉降罐继续进行油水分离，这之后的原油已经含水很少了，然后原油进入加热炉加热和脱水器脱水。
经过加热和脱水后的原油进入净化油罐，等待外输。
（3）加热炉流程
从油罐区二次沉降罐输送过来的原油在这里经过加热，以利于原油的输送，然后送到脱水器脱水。
（4）原油外输流程
经过加热和脱水处理的原油含水已经很少，通过原油外输泵将原油输送出联合站。
污水处理工艺流程。
在这一流程里，从一次沉降罐过来的污水首先进入缓冲罐，将含有的残留天然气进行收集，然后经过加药泵进行加药处理，再进入过滤罐过滤，最后将经过处理的污水输出。
1.4东仁沟站内的主要工艺设备
表1-1设备装备表
编号
名称
单位
数量
1
四相分离器
具
1
2
原油沉降罐
座
4
3
脱水泵
台
1
4
热交换器
台
1
5
脱水器
具
1
6
净化油罐
座
1
7
外输泵
台
2
8
污水缓冲罐
座
1
9
加药泵
台
1
10
过滤罐
座
1
以上罗列的设备基本可以满足联合站正常工作需要。
1.5东仁沟联合站监控系统的控制要求
根据本联合站的工艺要求，整个监控系统要包括以下几个内容：
1）三相分离器油、水室的液位、温度、压力显示及报警；
2）三相分离器油室、水室液位的恒定控制；
3）脱水泵、加药泵、外输泵的启、停控制；
4）2台换热器前后液体的温度；
5）加药泵、脱水泵进、出口压力显示以及低压报警；
6）两台外输泵进、出口压力显示以及低压报警；
7）监测脱水器、过滤罐、缓冲罐的液位显示及报警；
1.6监控系统控制I/O点数统计
联合站监控系统I/O变量表如下图1-2。
表1-2油田联合站监控系统I/O变量表
序号
设备名称
总点数
控制要求
AI
AO
DI
DO
1
1个四相分离器
8
水室的液位、温度、压力
3
油室的液位、温度、压力
3
油、水室液位恒定控制
2
2
1个脱水泵
5
泵的前后的压力、流量
2
控制各个泵的启、停
1
泵运行状况显示
1
3
2个外输泵
10
泵的前后的压力、流量
6
控制各个泵的启、停
2
泵运行状况显示
2
4
1个加药泵
4
泵的前后的压力
2
控制各个泵的启、停
1
泵运行状况显示
1
5
1个换热器
2
换热器前后混合液的温度
2
6
1个脱水器
2
脱水器的液位、温度
2
7
4个沉降罐
8
沉降罐的液位、温度
8
8
净化油罐
2
净化油罐的液位、温度
2
9
过滤罐
2
过滤罐的液位、温度
2
10
污水缓冲罐
2
污水缓冲罐的液位、温度
2
合计
32
2
4
4
在此设备基与控制要求基础上统计各个模拟点数。
由于点数较多在此只列举5个模拟量参数。
表1-3模拟量I/O点参数表
I/O
位号
变量
名称
变量说明
I/O
类型
工程单位
信号类型
量程上限
量程下限
报警上限
报警下限
偏差报警
正常值
1-1
SSYW
四相分离器水室的液位
AI
m
mA
9
0
8
1
1
4
1-2
SSWD
四相分离器水室的温度
AI
℃
mA
100
0
80
30
10
50
1-3
SSYL
四相分离器水室的压力
AI
MPa
mA
1
0.1
0.9
0.2
0.1
0.4
1-4
YSYW
四相分离器油室的液位
AI
m
mA
9
0
8
1
1
4
1-5
YSWD
四相分离器油室的温度
AI
℃
mA
100
0
80
0
25
60
表1-4为联合站现场物理量总统计表。
表1-4油田联合站监控系统现场物理量总表
序号
物理量
总点数
参数
个数
备注
1
温度
8
0-200℃
2
-50-100℃
2
2
液位
7
0-5m
3
0-8m
2
0-12m
2
3
流量
2
0-10m3/h
2
4
压力
8
0-100KPa
2
0-1MPa
6
合计
25
2温度传感器原理与选型
2.1热电阻温度传感器
利用热电阻和热敏电阻的温度系数制成的温度传感器，均称为热电阻温度传感器。
工业上广泛利用热电阻来测量-200～500℃范围内的温度。
热电偶由电阻体、保护套管和接线盒等部分组成。
作为测量用的热电阻应具有下述要求：
电阻温度系数要尽可能大和稳定，电阻率大，电阻与温度变化关系最好成线性，在整个测温范围内应具有稳定的物理和化学性质。
2.1.1工作原理
大多数金属导体的电阻具有随温度变化的特性，其特性方程如下：
（2-1）
式中Ｒt表示任意绝对温度ｔ时金属的电阻值；Ｒ0表示基准状态t0时的电阻值；ａ是热电阻的温度系数（1/℃）。
对于绝大多数金属导体，ａ并不是一个常数，而是有关温度的函数，但在一定的温度范围内，可近似地看成一个常数。
不同的金属导体，ａ保持常数所对应的温度范围也不同。
一般选作感温电阻的材料必须满足如下要求：
①电阻温度系数ａ要高，这样在同样条件下可加快热响应速度，提高灵敏度。
通常纯金属的温度系数比合金大，一般均采用纯金属材料。
②在测温范围内，化学、物理性能稳定，以保证热电阻的测温准确性。
③具有良好的输出特性，即在测温范围内电阻与温度之间必须有线性或接近线性的关系。
④具有比较高的电阻率，以减小热电阻的体积和重量。
⑤具有良好的可加工性，且价格便宜。
比较适合的材料有铂、铜、铁和镍等。
它们的阻值随温度的升高而增大，具有正温度系数。
2.1.2热电阻类型
1.铂热电阻（WZP型号）
铂的物理、化学性能稳定，是目前制造热电阻的最好材料。
铂电阻主要作为标准电阻温度计，广泛应用于温度的基准、标准的传递。
它是目前测温复现性最好的一种温度计。
铂丝的电阻值与温度之间的关系：
在0～850℃范围内为
（2-2）
在-190～0℃范围内为
（2-3）
式中Rt为温度为t℃时的电阻值；R0为温度为0℃时的电阻值；t为任意温度值；
Ａ为分度系数，A=3.90802×10-3℃-1；B为分度系数，B=5.802×10-7℃-2；C为分度系数，C=4.27350×10-12℃-4。
由式（2-2）和式（2-3）可见，0℃时的阻值R0十分重要，它与材质纯度和制造工艺水平有关，另一个对测温有直接作用的因素是电阻温度系数，即温度每变化1℃时阻值的相对变化量，它本身也随温度变化。
为便于比较，常选共同的温度范围0～100℃内阻值变化的倍数，即R100/R0的比值来比较，这个比值相当于0～100℃范围内，平均电阻系数的100倍，此值越大越灵敏。
铂热电阻中的铂丝纯度用电阻比W（100）表示，即
（2-4）
式（2-4）中R100为铂热电阻在100℃时的电阻值；R0为铂热电阻在0℃时的电阻值。
电阻比W（100）越大，其纯度越高。
按IEC标准，工业使用的铂热电阻的W（100）≧1.3850。
目前技术水平可达到W（100）=1.3930其对应铂的纯度为99.9995%。
我国规定工业用铂热电阻有R0=10Ω和R0=100Ω两种，它们的分度号分别为Pt10和Pt100，其中以Pt100为常用。
铂热电阻不同分度号亦有相应分度表，即Rt～t的关系表，这样在实际测量中，只要测得热电阻的阻值Rt，便可从分度表上查出对应的温度值。
由于铂为贵金属，因此一般用于高精度工业测量。
铂电阻主要作为标准电阻温度计，广泛应用于温度的基准，长时间稳定的重现性使它成为目前测温重现性最好的温度计。
在一般测量精度和测量范围较小时采用铜电阻。
2.铜热电阻（WZC型号）
铂电阻虽然优点多，但价格昂贵。
铜易于提纯，价格低廉，电阻—温度特性线性较好。
在测量精度要求不高且温度较低的场合，铜电阻得到广泛应用。
铜的电阻温度系数大，易加工提纯，其电阻值与温度呈线性关系，价格便宜，在−50℃～150℃内有很好的稳定性。
但温度超过150℃后易被氧化而失去线性特性，因此，它的工作温度一般不超过150℃。
铜的电阻率小，要具有一定的电阻值，铜电阻丝必须较细且长，则热电阻体积较大，机械强度低。
在-50～150℃的温度范围内，铜电阻与温度近似呈现性关系，可用下式表示，即
（2-5）
由于B、C比A小得多，所以可以简化为
（2-6）
上式中，Rt是温度为t℃时铜电阻值；R0是温度为0℃时铜电阻值；A是常数，A=4.28×10-3℃-1。
铜电阻的R0分度表号Cu50为50Ω；Cu100为100Ω。
铜的电阻率仅为铂的几分之一。
因此，铜电阻所用阻丝细而且长，机械强度较差，热惯性较大，在温度高于100℃以上或侵蚀性介质中使用时，易氧化，稳定性较差。
因此，只能用于低温及无侵蚀性的介质中。
表4-6热电阻新、旧分度号
名称
新型
旧型
铂电阻
-
BA1（R0=46Ω）
（ａ=0.00391℃-1）
Pt100（R0=100Ω）
（ａ=0.00385℃-1）
BA2（R0=100Ω）
（ａ=0.00391℃-1）
Pt10（R0=10Ω）
-
铜电阻
Cu50（R0=50Ω）
Cu100（R0=100Ω）
G（R0=53Ω）
注：
1.R0一温度为0℃时热电阻电阻值。
2.α一电阻温度系数。
3.其他热电阻
近年来，对低温和超低温测量方面，采用了新型热电阻。
铟电阻：
用99.999％高纯度的铟绕成电阻，可在室温到42Ｋ温度范围内使用，42～15Ｋ温度范围内，灵敏度比铂高10倍；缺点是材料软，复制性差。
2.1.3热电阻传感器的结构
热电阻传感器是由电阻体、绝缘管、保护套管、引线和接线盒等组成，如图2-1所示。
（a）热电阻传感器结构（b）电阻体结构
1—电阻体2—不锈钢套管3—安装固定件4—接线盒5—引线口
6—瓷绝缘套管7—引线端8—保护膜9—电阻丝10—心柱
图2-1热电阻传感器结构
热电阻传感器外接引线如果较长时，引线电阻的变化会使测量结果有较大误差，为减小误差，可采用三线式电桥连接法测量电路或四线电阻测量电路，
2.2一体化热电偶/热电阻
2.2.1产品概况
带温度变送器热电阻又称一体化热电阻，一体化热电偶热电阻是指在热电偶或热电阻的防水或隔爆接线盒内装入放大变送模块（即温度变送器），与传感器连接形成一体化，输出标准4-20mA电流信号或也可以输出0-5V或1-5V的电压信号。
通常和显示仪表、记录仪表、电子计算机等配套用，直接测量各种生产过程中的0度-1300度范围内的液体、蒸汽和气体介质以及固体表面温度。
一体化热电偶/热电阻主要包括：
1）无固定装置一体化热电偶/热电阻；
2）固定螺纹式一体化热电偶/热电阻；
3）活动法兰式一体化热电偶/热电阻；
4）固定法兰式一体化热电偶/热电阻；
5）固定螺纹锥式一体化热电偶/热电阻；
6）活络管接头式一体化热电偶/热电阻；
7）直形管接头式一体化热电偶/热电阻；
8）固定螺纹管接头式一体化热电偶/热电阻；
9）活动螺纹管接头式一体化热电偶/热电阻。
2.2.2一体化热电偶/热电阻产品特点
二线制输出4~20mA，抗干扰能力强；节省补偿导线及安装温度变送器费用；测量范围大；冷端温度自动补偿，非线性校正电路。
热电阻在工作状态下所测得的电阻的变化，经过温度变送器的电桥产生不平衡信号，经放大后转换成为4~20mA的直流电信号给工作仪表，工作仪表便显示出所对应的温度值。
产品执行标准：
IEC584IEC751JB/T7391-1994。
2.2.3一体化热电偶/热电阻产品特性
1）输出信号：
4~20mA，负载电阻250Ω、传输导线电阻100Ω
2）输出方法：
二线制
3）允差等级：
0.10.20.5
4）供电电源：
24V.DC±10%
5）防护等级：
IP65
6）绝缘电阻：
仪表输出接线端子与外壳之间的绝缘电阻应不小于50Ω
7）热响应时间：
当温度出现阶跃变化时，仪表的电流输出信号变化至相当于该阶跃变化的50%所需的时间，通常以τ0.5表示，当温度变送器的阶跃响应稳定时间不超过热电偶（阻）热响应稳定时间τ0.5的五分之一时，则用热电偶（阻）热响应时间作为仪表的热响应时间。
当温度变送器的阶跃响应稳定时间不超过热电偶（阻）热响应稳定时间τ0.5二分之一时，则用温度变送器热响应时间作为仪表的热响应时间。
8）基本误差：
仪表的基本误差应不超过热电偶（阻）和温度变送器基本误差的合成误差。
2.2.4校验方法
机电一体化温度变送器安装的环境必须是在-20-+70℃内，当周围环境温度太高时，SBWZ/R信号转换器和显示模块可以与热电阻或热电偶分离安装。
配有分离安装变送器的专用防爆盒。
用于爆炸危险场所时，请注意防爆标志与防护等级。
加电前，请仔细检查电源的正负极性，不能接错，否则可能造成不可知的后果。
SBW信号转换器模块用环氧树脂灌封固化，以加强其防震性能，并防湿、防腐、防潮。
温度变送器使用六个月后需进行校验。
1.热电阻温度变送器校验方法
1）设备要求：
数字电压表一台；
2）按系统连接方法接线；
3）根据变送器铭牌上标明的传感器和量程范围，输入相应的阻值，使输出为1V和5V（可分别调整零点电位器和满度电位器）；
4）按量程十等分点输入各电阻值，检查各温度输出是否符合精度范围；
5）按说明书技术指标进行测试，应符合技术要求。
2.热电偶温度变送器校验方法
1）设备要求：
数字电压表一台；
2）按系统连接方法接线；
3）根据变送器铭牌上标明的传感器和量程范围，输入相应的阻值，使输出分别为1V和5V（可分别调整零点电位器和满度电位器）；
4）按量程十等分点输入各电势值，检查各温度输出是否符合精度范围；
5）按说明书技术指标进行测试，应符合技术要求。
2.3温度传感器选型
本次设计温度变送器采用的是重庆川仪SBWR一体化温度变送器。
重庆川仪SBWR系列带装配热电偶温度变送器是DDZ-S系列仪表中的现场安装式温度变送单元。
它采用二线制传送方式（电源与信号输出为二根公用导线），输出与被测温度成线性的4-20mA电流信号。
变送器可以安装于热电偶、热电阻的接线盒内与之形成一体化结构，也可单独安装于仪表盘内作转换单元。
作为新一代测温仪表，可广泛应用于石油、化工、纺织、冶金、机电、电力、航空、食品加工、医学工程等工业和科研领域，进行自动化温度检测、变送和控制。
1．SBWR系列热电偶温度变送器优点
1）工作环境温度宽：
-25℃-85℃，-30℃-120℃。
2）具有高精度冷端补偿电路、全温度范围绝对误差±0.5℃（S热电偶±0.8℃）。
3）先进的非线性校正电路，输出信号与被测温度成线性关系。
4）内带漂移自校正系统，在整个工作温度范围内保证测量精度。
5）附有特殊的控热机构，有效的控制热传导作用。
6）采用环氧树脂封装，耐腐蚀，抗震性好，可靠性高。
7）应用面广，既可与热电偶、热电阻形成一体化现场安装机构，也可作为功能模安装在检测设备中。
8）独有的抗干扰电路设计、保证变送器在受到各种干扰下能够安全可靠的工作，特别具有抗电磁干扰单元，适宜于现代电磁污染严重的环境。
2．SBWR系列热电偶温度变送器工作原理
变送器电路模块由放大单元、线性化单元、电压/电流转换、自校正电路、电压调整单元和反向保护电路等组成，对以热电偶为测温元件的变送器还包括有冷端补偿器，以热电阻为测温元件的还包括有R/V变换单元。
2.SBWR系列热电偶温度变送器主要技术指标：
1）基本误差：
±0.1%FS、±0.2%FS、±0.5%FS。
2）环境温度变化影响：
0.2级：
0.02%FS/℃;0.5级：
0.05%FS/℃
3）输出信号：
4-20mA;电源、输出二线制传输;
4）负载电阻：
0-600Ω
5）供电电源：
12-36VDC，本安型温度变送器通过安全棚的供电电源为22-34VDC。
6）工作环境：
环境温度：
-25℃-85℃（普通型温度变送器）；
环境温度：
-30℃-120℃（高温环境温度变送器）；
环境温度：
-20℃-60℃ （防爆型温度变送器）；
相对湿度：
5-95%RH，无冷凝
2.3.1SBW系列热电偶/热电阻温度变送器产品特点
1）采用硅橡胶或环氧树脂密封结构，因此耐震、耐湿、适合在恶劣的现场环境安装使用。
2）现场安装在热电阻的接线盒内使用，直接输出4-20mA、0-10mA的输出信号。
这样既节约了昂貴的补偿导线费用，又提高了信号远距离传输过程中的抗干扰能力；
3）热电阻变送器具有冷端温度自动补偿功能；
4）精度高、功耗低，使用环境温度范围宽，工作稳定可靠；
5）适用范围广、既可以与热电偶、热电阻形成一体化现场安装结构，也可以作为功能模块安装在检测设备中和仪表盘上使用；
6）智能型温度变送器可通过HART调制解调器与上位机通讯或与手持器和PC机对变送器的型号、分度号、量程进行远程信息管理、组态、变量监测、校准和维护功能；
7）智能型温度变送器可按用户实际需要调整变送器的显示方向，并显示变送器所测的介质温度、传
升级会员 