专利名称：通过压力监测对设备、管道及类似装置防爆的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及设备、管道及类似装置的防爆方法，它通过监测潜在爆炸区中的按时序连续的系统压力值并将这些数值与一个预定的压力阈值比较(该阈值设定在比系统正常运行条件下的压力高出一定的安全裕量)，如果超过了该压力阈值就起动某些防爆设施，具体是将爆炸场所隔离在隔板后面以及放出灭火剂。本发明也涉及关于执行这一方法的装置。
众所周知，在设备防爆中要监测设备的潜在爆炸区中的压力变化状况，如果超出了预定的阈值，就放出灭火剂、火焰消除器、隔板隔离等，遏制爆炸。
从原则上讲，一方面这些防爆系统的目标是要设定一个用于触发过程的压力阈值，它仅仅略高于正常运行的系统压力，这样就可以尽早察觉潜在的爆炸。但在另一方面，由于起动或停机过程、由于打开密封或阀门以及由于大气压力的变化等原因，系统的压力具有不可避免的波动。这种无害的压力波动不应该导致触发，因为每次触发都会引起运行的中断，并必须按所用灭火剂的类型将设备进行彻底清洗，然后才能重新启动。
因此，使防爆装置触发的压力阈值必须设置一个高于典型的系统压力的一定的安全裕量。根据运行参数的不同，这一安全裕量至少为100到200毫巴。这点即使在不仅监测静态压力水平同时还监测压力变化速度的情况下也是如此。
这样，设备就可以可靠地区别危险的和非危险的压力增长。但事实上，由于这一安全裕量延迟了设备的响应，这样，在危险情况下该设备的相当大部分就要受到可致爆的压力增长的影响，设备的这些部分就必须能承受较高的压力负荷，并且必须相应地建造得更为坚固，从而也更为昂贵。
基于上述考虑，本发明的基本目的是改善已有防爆监测系统的响应精度。即该系统应能够比以前的装置更早地判明一个已知的压力增长是无害的偏离正常值，还是标志着危险性情况的逼近。
按照本发明，这一目的是通过下列方式达到的将有时序的系统压力值中至少一部分值存入记忆装置中，利用至少在30毫秒时间间隔内所存贮的一系列压力值求出一个平均压力值，在这一平均值上加上一个预先设置的安全裕量以确定一个新的压力阈值，连续地重复这种校正，并用新的压力值取代老的压力值，这样不断地更新压力阈值。
籍助于本发明的监测系统，用于触发过程的压力阈值是不断适应于系统压力中出现的变化的。这样，安全裕量就可减小到以前数值的几分之一，以前的安全裕量则必须按所预料的运行过程中最大可能的压力增长而确定其大小。这样，由临近爆炸而引起的压力增长就可以被更早地发现(仅仅是以前的一半时间左右)，压力前锋的传播被限制在设备的一个较小的区域内，而最大压力增长值及设备的绝大部分所必须承受的压力负荷就可设置得相当低。所以，按照本发明所保护的设备就可以更容易、更廉价地建造。
由本发明提供的监测在更好地防止误触发方面也具有特点。例如如，如果运行路径中的破裂引起预料不到的压力的急剧增高，那么在以往的系统中就会没有必要地触发而放出灭火剂。这点在本发明中由于使压力阈值作为实际系统压力的函数不断被跟踪而得到防止。
为保证在因爆炸引起压力升高的事件中，压力阈值不会上升到使触发不再发生的程度，平均值是利用一定时间间隔的压力值得出的，这段时间间隔显著地长于与可致爆的压力增长有关的时间间隔。这样，被更新的压力阈值总是以一定的滞后跟随着实际的系统压力，从而决定爆炸的压力增长完全不会引起压力阈值的进一步升高，或者只是在很迟以后才会如此，以致于在任何情况下，在致爆压力增长的事件下该阈值才会被超过，换句话说，触发(即阈值被超过)判据得到满足。
与此对应的时间间隔(按此间隔得到用于构成平均压力的各压力值)与设备特性有很大关系，即它不仅取决于爆炸介质和它们的混合比例，以及爆炸容积，它还取决于在该设备中的起始压力和起始温度。
所以建议用于构成平均值的压力值的时间间隔应当是可变的。
如果由于设备的特殊参数，预料在爆炸事件中压力是急剧升高的，则可采用较短时间间隔如20到100毫秒，而对于一般的压力增长速度，则应选择较长的时间间隔，大约为100到500毫秒。从安全的观点看，对时间间隔没有正式的上限，但是随着时间间隔的加长，更新过程中产生的数据的质量将随之下降，并且节省的触发的时间也相应减少。所以，作为一般规定，该上限取至2到5秒之间。
通常系统压力是以毫秒量级的时间间隔进行测量的，从而为计算平均值只要每5个到200个数值取样已足够，特殊情况下则每10个到100个数值取样。这样，只要较小的记忆装置容量即可适用。
下面揭示一个特别有用的方法，用于按当时占主导的系统压力来更新压力阈值。在实施例中并没有采用存于记忆装置中的大量的压力值来确定平均值或中间值，而是仅仅保存那个最新测得的压力值，再结合后来测得的一个压力值来构成中间值;然后再在这个中间值上加上前面提到过的安全裕量，以得出校正的压力阈值。这一校正工作不断重复以更新压力阈值，可以随意选择按每个新测值或按每二个、每五个或更往后的测值来确定一个新的中间值。这儿再说明一下，中间数值计算得越频繁(即它们更新得越快)，那么所选择的安全裕量就可以越小。以这种方式进行更新的重大优点就是几乎不需要记忆装置容量，而且计算也进行得更快。
在前述第一种方法情况下，平均值是根据一系列测值构成的，再将老的中间值与新测量的压力值结合起来确定一个新的值，可以用不同的方法来更新中间值。例如，可以采用算术平均值或积分平均值方式，另外也可以给新测值加数，使之重放被校正的老值，在平均值是由大量存于记忆装置中的测值来确定时更需如此。与此相反，如果更新是按上面提到的实施例中的方法执行的，那么建议给老的中间值加以比新测值更高的数。这样，一个致爆的压力增长仍会照样察觉到。此时可采用权利要求11中所列的公式。
按照本发明可得到响应灵敏度的进一步改进除了监测阈值以外，还监测按时间顺序的压力变化曲线的二阶导数(或正比于它的变量)，并将其与一个预定的值比较，只有在这个值和预定的压力阈值同时被超过时才出现触发。
利用二阶导数还有一个优点，就是可以发现压力随时间变化的趋势(从数学意义上说即是压力曲线的曲率随时间的变化)。例如，如果其最终值是零或负值，那么，即使系统压力有重大增加，超出了预定的压力阈值仍是可以允许的。由本发明申请人所作的测试事实上表明在预定的压力阈值水平上，一个致爆的压力增长总是发生在压力随时间渐增的情况下。如果这种渐增性不存在或不再存在，那么在预定的压力阈值被超过时，压力的增长就是由于其它的非危险的原因所致，因而触发防爆设施是很有必要的。
与此同时，响应灵敏度再一次得到改善，因为触发判据(按此判据压力时间曲线的二阶导数必须超过某个确定的值)早在压力曲线的起始段已经满足，在这一段压力曲线仍具有相对平稳的上升。如果利用压力曲线的上升来作为触发判据的话，那么就不可能发觉危险状况，除非在很迟的时间以后。
作为执行压力(数据)更新的装置，只需一个具有记忆装置(用来存放系统压力信号)的适配单元，一个用于选择被存贮信号的控制单元及一个产生平均值的装置即已足够。适配单元是一台程序控制的微处理器，其输出送到一个加法或乘法单元中(根据要加在计算得到的平均值上的安全裕量是采用相加还是相乘的方法而定)。
如果另外采用了压力时间曲线二阶导数的监测或对与其正比的变量的监测，那么建议所述计算单元应当增加一个微分器，其输出接到一个加有预定值的比较器上，比较器的输出接到一个“与”逻辑元件上，“与”逻辑元件的另一端接至另一个比较器的输出端上，该比较器上加有代表系统压力的信号以及预定的压力阈值，“与”逻辑元件的输出则接到触发机构上。
这一计算单元适当地包括一个模/数转换器和一台程序控制微处理器。
如果利用一个“差”发生器和一个记忆装置来构成微分器，那么微分器可以用相当合理的费用构成。“差”发生器先根据顺序的压力信号P1、P2确定一个信号差ΔPn＝P2-P1然后再确定二个顺序的信号差之间的差ΔPn-ΔPn1。这样，仅执行了二次差分便取代了数字上的二阶导数。由于两个独立的压力值之间的时间间隔为常数，所以上述二重差分信号即直接正比于二阶导数。
对二阶导数或其正比变量的预定比较值可设置为零或某个正值。这也取决于前面提到的爆炸参数。
从下面结合附图对较佳实施例的详细说明可以更好地了解本发明，它的进一步目的及优点也会更为明显。
图1为监测装置原理图;
图2示出采用图1监测装置时的压力变化曲线及与以前方法的比较;
图3为增强的监测装置原理图;
图4为采用图3装置时压力阈值的变化曲线。
图1中厂内潜在的爆炸区以一个压力容器1表示。按常规方法接在它上面的是一个灭火剂贮罐，灭火剂的喷出受触发装置3控制。触发装置3还能通过安装在压力容器入口及返回管道中的闸门将压力容器隔离，需要时还能触发其它保护设备。
按装在压力容器1上的是一个压力传感器4，其信号经模/数转换器5加到比较单元6上，在这里它与加至比较单元另一输入端上的压力阈值进行比较。如果容器压力超过了该压力阈值，则保护设备就会由触发单元3的动作而起动。
一个基本特点是加至比较单元6上的压力阈值并非常数，而是一个不断跟踪容器1中压力的函数。为此，模/数转换器5的第二个输出端接到控制单元7。控制单元7从到达的压力信号中(这些信号互相以最短的可能时间间隔相继到达，实际间隔大约为1毫秒)选取某些信号。根据具体运行条件，对压力值来说仅需每10到100毫秒选择并送到记忆装置8中即可。记忆装置容量的大小应至少可存贮5个压力数值，不过多些更好;执行这一存贮时，每当一个新压力数值进入时，记忆装置中那个最老的压力数值便被擦除。
控制单元7以向记忆装置8提供新压力值同样的速率将瞬时存贮的数值送到产生平均值的装置9中，由它根据存贮的压力值计算出一个平均值;这个平均值再通过加法或乘法单元10增加一个可调的安全裕量，然后作为参考变量加到比较单元6上。
这种监测装置对压力值变化曲线的影响示于图2中其中实线表示在起动和关闭时压力容器1中的系统压力变化曲线。如果按以前的方法采用不变的阈值，那么这个阈值必须设置在运行过程中所预料的最大压力峰值以上，为安全起见还应至少附加一个100毫巴以上的安全裕量S1。在以往的方法中，压力阈值的变化曲线以水平的虚线表示。如图所示，其安全裕量与运行中降低的系统压力相比，是所必须的4倍左右。这样，一个致爆的压力增长在超过这一个没有必要的高压力差之前便无法察觉。
作为比较，按照本发明压力阈值不断相对于当前系统中占主导的压力进行修正，这会导致设备起动时压力阈值的降低和设备关闭时压力阈值的升高，正如由点划线清楚地指明的。虽然压力阈值跟踪当前的压力变化具有一定的延迟，但这一延迟是相当小的，只有在起动和关闭过程中才显得出来。这样在起动过程中安全裕量S2增加了10%到20%，而在关闭过程中则如曲线53所示相应减少。在系统压力处于运行水平时，安全裕量S1维持不变，因而按照本发明，系统的高响应灵敏度不受系统压力波动的影响。
除此之外，更新后的压力阈值使运行有可能在比以前小的安全裕量下进行，其重要结果就是触发时间比现有技术缩短了。
这点在下述情况下更为真实，即不仅监测容器1中的绝对压力，而且还监测其随时间的变化过程，特别是监测其二阶导数并将它用作绝对压力以外的第二个判据，这也是本发明具有的又一个特点。这种情况的监测装置原理上如图3所示。在压力传感器4和模/数转换器5后有一台微处理器11，微处理器11本身再接到触发单元3上。通常，微处理器11包括一个石英控制时钟发生器，它根据按时间顺序到达的压力信号P1，P2等(它们通常间隔1毫秒)计算出信号差ΔPn＝P2-P1，然后再计算顺序的信号差的差值ΔPn-ΔPn1。由于相邻的压力信号之间的时间间隔是常数，所以这后面的那在数值就直接正比于压力容器1中压力变化时间曲线的二阶导数。
但是，不论何时触发仅发生在不仅是二阶导数或正比于它的变量超过预定的值，而且压力阈值也同时被超过的情况下。二个触发判据可以在同一个监测单元中处理，图1中的电子部件6～10自然可以由一台微处理器取代，该处理器也执行二阶导数的计算。
这种组合监测对阈值变化过程的影响示于图4。显然，在这种情况下由点划线所表示的压力阈值可以用一个相对于当前系统压力来说甚至更小的安全裕量导出，它甚至可以在宽的时间间隔上被系统压力超过而不产生触发。这是由于监测了二阶导数所产生的，(在设备关闭时超过压力阈值被认为是无危险的)因为该二阶导数与一个致爆的(压力)增长相反，低于预定的正变量;在本示范实施例中该预定变量甚至为零。
由于安全裕量小，组合监测装置具有进一步缩短响应时间的优点。这样，受潜在的压力波所涉及的设备区域就更小，它们所必须承受的压力负荷也减小了。
将会了解，本发明的范围也包含了通过监测压力时间变化曲线的一阶导数对压力阈值进行组合更新，但是，通常利用二阶导数能得到更高的响应速度。
用监测潜在爆炸区中的亮度而不是监测系统压力的方法来实现防爆也属于本发明的范围。即，测量光辐射强度;也可采用红外线、紫外线或其它波长的光谱。
监测潜在爆炸区中的温度而不是监测压力也属于本发明的范围。
在这些派生方法中，温度或亮度的数值按上面所述方法处理，并用于触发防爆装置。也可以将压力与亮度监测，或压力与温度监测，或亮度与温度监测综合在一起监测。
在图1和图3的示范实施例中，为简单起见只表示出一个压力传感器。实际上常常是几个传感器互相并连，并接到一个公共触发单元3上。在这种情况下，建议每个传感器有它自己的微处理器11，并且这些微处理器接到一个公共的中央触发单元3上。如果触发单元3和控制单元结合在一起那是特别适合的，在该控制单元中可以同时对所有的传感器和微处理器设置压力阈值、亮度阈值和/或温度阈值，安全裕量及其它可选择的参数等。
上述内容涉及本发明的一个示范实施例，应当理解，它的其它变型及实施例都是在权利要求所确定的本发明的精神与范围之内的。
权利要求
1.工厂设备、管道和类似设备的一种防爆方法，它包括下列步骤设定一个预定的系统参数阈值，该值比正常运行条件下系统的参数值高出一定的安全裕量；监测潜在爆炸区中按序排列的系统压力值；将至少一些所说的按序排列的参数值存贮在存贮装置中；利用在至少30毫秒时间间隔上得到的一系列已存贮的参数值确定一个平均参数值；在这一平均参数值上加一个所述的安全裕量，确定出一个参考变量；将连续的平均参数值与所述参考变量比较；继续上述步骤，用新的参数值取代老的参数值，以不断更新所述的参考变量；参考变量-被超过就触发一个信号，引起保护动作。
2.由权利要求1所定义的方法，其中用于构成平均参数值的所述时间间隔选取范围为最小50毫秒到最大10秒，最好选用最小100毫秒到最大5秒。
3.由权利要求1所定义的方法，其中所述监测系统参考值的步骤，以毫秒数量级的时间间隔取值，并且至少每隔100到200个值，最多每隔5个到10个值存入所述记忆装置中。
4.由权利要求2所定义的方法，其中所述监测系统参数值的步骤以毫秒数量级的时间间隔取值，并且至少每隔100个到200个值，最多每隔5个到10个值存入所述记忆装置中。
5.由权利要求1所定义的方法，进一步包括更新参考变量的步骤，只要所述连续测量的参考值构成的曲线的一阶导数低于预定的参考阈值。
6.由权利要求1定义的方法，进一步包括更新参考变量的步骤，只要所述连续测量的参考值构成的曲线的二阶导数低于预定的参考阈值。
7.由权利要求6定义的方法，进一步包括下列步骤监测所述曲线的二阶导数或与其成正比的变量(该曲线代表所述的连续测量的参数值)，以得到测试值，再将所述测试值与另一个预定值比较，并仅在该测试值及所述预定参数阈值超过了所述另一个预定值时才触发所述的信号。
8.按权利要求5定义的方法，进一步包括附加的步骤监测代表连续测量的参考值曲线的一阶导数或与其成正比的变量，并将所述的一阶导数和一个预定值比较，并且其中所述的触发信号的步骤仅当预定值和预定系数阈值二者都被超过时方进行。
9.由权利要求1定义的方法，其中所述被监参数为压力。
10.工厂设备、管道及类似设备的一种防爆方法，包含下列步骤设定一个预定的系统参数阈值，它比正常运行条件下的系统参数值高出一定的安全裕量;监测潜在危险区中连续的系统参数值;存贮至少是按时间顺序的参数值中的最后一个于记忆装置中;利用所述的最后的参数值和顺序测得的参数值构成一个中间值;在所述中间值上加上一个安全裕量，确定出一个校正的参数阈值;将最新确定的中间值立即链接到重复上述步骤而测得的参数值上，不断地更新该参数阈值;校正参数阈值一被超过，就触发一个信号以引起保护动作。
11.按权利要求9定义的方法，其中构成中间值的步骤按下式执行(n-1)/(n) ·ZW+ 1/(n) NW其中ZW为老中间值，NW为后来测得的新参数值，n≥2通常为2到100。
12.按权利要求10定义的方法，其中所述被监测参数为压力。
13.按权利要求1定义的方法，其中所述被监测参数为光强度。
14.按权利要求10定义的方法，其中所述被监测参数为光强度。
15.按权利要求1定义的方法，其中所述被监测参数为温度。
16.按权利要求10定义的方法，其中所述被监测参数为温度。
17.保护工厂设备、管道及类似设备的一种防爆装置，由下列装置组成设定预定的系统参数阈值的装置，该阈值高于正常运行的系统参数值一个一定的安全裕量;监测选定区域中连续的所述系统参数值的装置，所述监测装置接到模/数转换器上，并将所述系统参数值加到控制装置和比较装置上;所述控制装置用于将所述系统参数中的至少一部分提供给记忆装置保存，再进一步将送入所述记忆装置的系统参数提供给平均值计算装置;平均值计算装置根据在30毫秒时间间隔内送入的所述系统参数值计算平均值;所述平均值计算装置接到一个平均值增量装置上，用于将每个送来的平均值增加一个可选择的安全裕量，从而产生一个参考变量;所述平均值增量装置用于提供所述参考变量给比较装置，用于和所述系统参数的连续平均值比较，所述比较装置接到一个触发装置上，触发装置接到一个引起保护反应的装置上;所述比较装置在所述系统参数的平均值一超过所述参考变量就将触发信号送到所述触发装置上。
18.由权利要求17定义的装置，其中所述比较装置，控制装置、记忆装置、平均值计算装置及平均值增量装置均包括在一台安排用于提供所述可选择安全裕量的微处理机中。
19.由权利要求17定义的装置，其中所述监测装置包含至少一个装在潜在爆炸场所附近的传感器，用于产生一个与参数有关的信号，所述信号再加到一个计算单元上，所述计算单元包含微分装置，用于确定代表连续参数值曲线的二阶导数;所述微分装置接到第一个比较器上，向它提供所述的二阶导数值;所述比较器上还加有所述的预定值;第一比较器的输出接到一个“与”逻辑元件上;“与”逻辑元件上还接有第二比较器的输出，该比较器上加有代表所述连续数值的二阶导数的信号以及预定的参数阈值;“与”逻辑元件的输出接到所述的触发装置上。
20.由权利要求19定义的装置，其中计算单元是一台程序控制微处理器，它经过所述模/数转换器接到参数传感器上。
21.由权利要求17定义的装置，其中微分装置包括一个““差”计算器及一个记忆装置，差计算器起初根据连续的参数信号(P1，P2)确定信号差(ΔPn＝P2-P1)，然后再确定两个连续的信号差之间的差(ΔPn＝P2-P1)。
22.由权利要求19定义的装置，其中对所述连续参数值曲线的二阶导数或与其成正比的变量的预定比较值最小被置为零。
23.由权利要求17定义的装置，其中所述被监测的参数包括光强度，所述参数传感器包括光敏元件。
24.由权利要求17定义的装置，其中所述被监测的参数为温度，所述参数传感器包括温度传感器。
25.由权利要求17定义的装置，其中所述被监测的参数为压力。
26.由权利要求17定义的装置，其中每个传感器配备有自己的微处理器。
27.由权利要求26定义的装置，其中微处理器接到一个中央触发单元，在该单元上运行的参数系统受到监测，对所有微处理器可以集中预设定安全裕量及其它功能。
全文摘要
本发明公开一种用于设备、管道及类似设备的防爆方法和装置，它通过监测潜在爆炸区中按时间顺序连续的系统压力值，将这些值与预定压力阈值比较，利用超过该压力阈值作为触发判据以起动防爆设施。按本发明，压力阈值按当时的系统压力不断更新，而不是预先确定一个常数值。结果，可以在系统压力上设置比以前小的安全裕量来设定压力阈值。光强度与温度阈值也可以单独或与压力一起以任何方式组合使用在连续值监测中。
文档编号G05B17/00GK1031612SQ8710587
公开日1989年3月8日 申请日期1987年8月28日 优先权日1987年8月28日
发明者布伦尼克·赫曼, 利里·赫尔斯特, 科克·雷恩霍德 申请人:工业合理化系统有限公司