CN1127706C - 使用爆炸检测和抑制设备的压力上升率探测器 - Google Patents
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Abstract
一种供爆炸抑制设备(14,18)用的探测上升率的探测器(16)。该探测器组件包括一压力传感器或转换器(20)和一控制器(22)。压力转换器(20)连续地测量在保护区的压力,并把代表压力的信号发送给控制器(20)。控制器(20)把计算值与一预定的阈值速率作比较,如果任一计算值超过阈值速率,就触发爆炸抑制设备。
Description
发明领域
本发明涉及在保护区域内探测和防止爆炸的爆炸探测和抑制系统。尤其是,本发明涉及上升率探测器,它可准确和可靠地探测保护区内的压力增加,然后触发爆炸抑制设备以在该保护区内防止和/或抑制爆炸。
背景技术
爆炸保护系统普遍设置在工业和商业区以防止在保护区内的爆炸。这些系统包括一探测组件,它测量在保护区内的压力增加,当压力的上升数量超过阈值速率或压力水平绝对值超过阈值压力水平时,就会触发爆炸抑制设备。
遗憾的是,现有技术的探测器组件由于它们计算压力增加的上种方式,未能迅速地和可靠地触发它们对应的抑制设备。特别是,现有技术的探测器组件是采用预定时间间隔内保护区内的压力然后确定在最近压力测量和紧接着前面的压力测量之间的差值来确定压力升高的速率的(dP/dt)。于是把这个差值除以在两次压力测量之间的时间间隔并且与阈值速率比较。如果,计算到的速率超过阈值速率,则该探测器就触发抑制设备。
这种确定压力升高速率的方法,由于一些原因,所以是慢的和不正确的。首先,发生在保护区内的瞬时压力变化和电磁干扰往往在测量到的压力读数上导致尖峰信号,因此造成不正确的压力上升的计算。为要调节这些不正确的读数和防止对抑制设备的偶然触发,先期的探测器组件直至几个计算好的速率在延长的时间间隔中具有超过的阈值速率时才会触发它们对应的抑制设备。虽然这些延迟降低了抑制设备的偶然触发的频率,但是它也延迟了压力确实是上升到危险的速率时抑制设备的触发,所以降低了抑制设备的有效性。
现有技术的探测器组件具有的另一有关问题是这些瞬时压力变化和电磁干扰也往往导致受监控的绝对压力读数超过绝对阈值水准。再一次造成抑制设备的偶然触发。正如计算压力上升速率的情况一样,现有技术的探测器组件用延迟抑制设备的触发来调节这些不正确的读数,直到受监控的绝对压力读数在一预定时间间隔内超过绝对阈值速率。又,当确实在爆炸环境时,这种情况就延迟了抑制设备的触发。
现有技术的探测器组件也受到了限制,这是因为一般它们是被定形在一特定的保护区内,且不易被重新定形在具有不相似操作特性的不同区域。现有技术的探测器组件不牵涉到探测器精度时也难以调节。
发明内容
本发明解决了上述问题并在爆炸检测和抑制设备的技艺上提供明显的进步。尤其是,本发明提供的探测器组件,更为准确和可靠地区分瞬时压力变化和实际突爆,并对实际突爆有更快地响应并触发对应的抑制设备。本发明也提供一种探测器,该探测器的阈值速率能被迅速和容易地改变以调节探测器的灵敏度,以及一种探测器,该探测器容易地用于各种操作特性的多种区域。
本发明的探测器组件广义包括至少一压力传感器或转换器和一控制器,该压力转换器是常规的,它在保护区内连续地测量压力并把测量到的代表压力的信号传送到控制器。如果在保护区内的压力以高于预设阈值速率的速率升高时或如果绝对压力超过绝对阈值水平时则该控制器就会对压力信号有响应并能触发爆炸抑制设备。如果压力升高到小于预选阈值水平的预选绝对值警告水平,则该控制器也会提供警告。
根据本发明的一个方面,该控制器每200μSec(微秒)对转换器采样一次以获得一系列连续的压力测量。该控制器于是把被采集的压力测量值储存在具有约5个位置的存储器表内。在每次该表被填满时,该控制器就把这五个压力测量值作平均以获得综合平均压力值,其采样时间为1mSec(毫秒),然后为后面的测量值删除该表。由此计算出每个采样时间为1mSec的一系列连续平均压力值。
根据本发明的另一个方面,该控制器把平均压力值储存到-ROR(上升速率)表内,该表具有约5-25个位置,每一个位置对应于1mSec的时间间隔。表的长度由用户根据保护区域的体积和预计的要害位置(Kst)配置,确定了下述dP/dt计算中的dt值。例如,如果ROR表有10个位置,则dt=10。
控制器在表中从顶开始向下储存平均压力值直至表溢出,此时控制器用新的压力值覆盖表顶部开始的平均压力值。所以当表被填满时,表中写入的最后的值总是最近毫秒期间的平均压力值,并且表中在它下面的值总是“dt”时间以前测量的平均压力值(5-25毫秒以前,与表的长度有关)。
控制器访问ROR表以通过取出表内最近的平均压力值并减去表内下一行内的平均压力值和用差值除以dt值(5-26毫秒,取决于表的长度)来计算dp/dt有效速率。随后控制器把每个计算的每毫秒的dP/dt有效速率与预定的阈值dP/dt速率作比较,如果任一计算得到的dP/dt有效的速率超过阈值速率,则就触发爆炸抑制设备。
本发明提供许多在现有技术的探测器组件中没有的优点。例如,大约每200μSec对转换器采样,然后对5个被采样的压力测量值作平均以获得一平均压力值,该控制器“滤除”了由电磁干涉或瞬时压力变化引起的任何压力的尖峰信号来防止抑制设备的偶然触发。
另外,在使用者可以形成的ROR中储存约5-25个平均压力数值,然后如上所述计算dP/dt的有效速率,探测器可以迅速和准确地检测急剧的压力增加并在一个毫秒之内,无需用几个额外的读数来确证检测到的压力上升就触发抑制设备。这可使得爆炸保护系统在突爆的早期阶段检测到并消除掉突爆。
而且,采用了用户可配置的ROR表来计算dP/dt速率,通过简单地调节表的长度就能迅速地和容易地调整检测器的灵敏度。
附图简述
以下借助附图对本发明较佳实施例作了详细描述,其中:
图1是按照本发明较佳实施例并安装在保护区内的爆炸检测和抑制系统的等比例图;
图2为曲线图和存储器表,示出了换能器采样和平均压力值的计算;
图3为曲线图和存储器表,示出了dP/dt有效速率的计算;
图4为保护区内压力变化或电磁干扰引起的瞬时压力干扰的示意图;以及
图5为曲线图,示出了几个示意性的压力曲线和曲线上的点,这里抑制设备由本发明的探测器组件触发。
实施发明的较佳方式
现在参见附图,尤其是图1,它示出了安装在保护区12的按照本发明的一优选实施例的爆炸检测和抑制系统10。该系统一般包括一个或几个容器14,这些容器被分开地放在整个保护区中,且每个都有密封了的抑制剂储藏在其中,以及一探测器组件16,它专为监探在保护区内的压力和当在爆炸环境时触发这些容器释放抑制剂材料。保护区可以是任何形成爆炸环境的封闭区域,诸如储油器房屋,谷物仓库,油罐或其它工业的和商业的封装物。
具体而言,这些容器14是常规的并且每个包括一内部的安全膜(未示出)和一电响应的引发器18。当保护区在正常运行的环境下时,安全膜把密封的抑制剂材料保护在容器内。当在爆炸环境下时,引发器在接收了从探测器组件16来的触发信号后,为了抑制保护区内的爆炸,就破坏或打碎安全膜,从容器中释放抑制剂材料。
该探测器组件16一般包括一个或几个压力传感器或转换器20,它们被分开安装在整个保护区12,控制器22与传感器和引发器18电耦合,以及—报警元件24与控制器耦合,该探测器组件也可以和诸如遥控监控站(未示出)等的其它装置耦合。
转换器20是常规的,且每个可在保护区12内连续地运行来测量压力并产生代表的输出信号。输出信号最佳为4-20mA模拟电流信号。转换器也可以配置为测量保护区内的其它与构成爆炸压力有关的参数,诸如烟,热,灰尘,或气体。
控制器22监控从转换器20来的压力信号,并在爆炸环境时触发引发器18来释放容器14中的抑制剂材料。更为特别的是,如果保护区内的压力以一高于预选的阈值速率上升或如果压力超过一绝对阈值水准,则控制器配置为触发引发器。如果压力上升到高于一预选的绝对报警水准(它小于阈值水准),则控制器也可以给予警报元件24能量来提供报警。
为了计算保护区的压力上升速率,控制器22首先将来自转换器20的模拟输出信号变换到数字信号。为此目的,控制器包括一内部电流—电压变换器,它首先把4-20mA的转换器输出信号变换到0-5V的模拟信号,以及一内部的模拟—数字变换器,它把0-5V的信号变换到8-位数字的数字。图2和图3图示了由控制器产生的示范性的数字压力信号26。
根据本发明的一个方面,控制器22每200μSec采样各个转换器,以获得一系列5个相继的压力测量值,跨过一个1mSec的间隔。在图2中5个示范性的样品标以字母a-e。于是,控制器把每组5个相继的压力测量值储存到具有5个位置的存储表格28中。该存储表格可以储存到任何一种固体存储元件中,例如芯片。
当存储表格28被填满5个时,控制器22把测量值取平均以获得采样时间为1mSec的综合平均压力值。该平均压力值暂时储存到另一存储器位置30。该控制器便删除该表格并接着用一组5个采样压力测量值,然后对这些测量值作平均以获得另一个采样时间为1毫秒的综合平均压力值。控制器连续地重复这些步骤,从而计算各个采样时间为1毫秒的一系列相继平均压力值。
根据本发明的另一方面,控制器22在—ROR(上升速率)表格34中储存了该系列的相继平均压力值,示于图3。该表格最佳是具有5-25之间的位置,每个对应于1mSec的时间间隔。在表中位置的数目确定在下面描述的dP/dt计算中的dt。
控制器22在ROR表格34中储存平均压力值是从顶部开始并向底部操作直至表被填满,此时新的平均压力值覆盖从表顶部开始的平均压力值。所以,一旦表被填满,写在表最后的值总是最近的毫秒时间间隔的平均压力值,而在表中它下面一个值总是“dt”时间以前被测量的平均压力值(5-25mSec之前,与表长度有关)。
然后,控制器22通过从表34中取出最近的平均压力值并减去在下一较低行上的平均压力值并将这个差值除以dt值(5-25mSec,与表格的长度有关)计算出每个毫秒的dp/dt有效值。对于示于图3的例子,它具有10个位置的ROR表,所以dt值为10,其dP/dt在10mSec时有效的值应为(P2-P1)/10。
该控制器每次计算一个新的dP/dt有效的值,它把计算的dP/dt有效的值与预定的阈值dP/dt速率作比较。如果任何一个计算的dP/dt有效地值超过该阈值速率,控制器就触发引发器18从容器14中释放抑制剂材料。
为了保证准确的测量值,必须在保护区12内测量以触发引发器18的压力变化(dP)被选择为转换器20范围内的约5%。例如,如果转换器具有的范围为660mbars(毫巴),dP/dt阈值预选的dp部分应为约33mbars。
因为dP/dt阈值速率的部分dP如上所述总应该保持固定,假如希望把阈值速率调节到抑制设备被触发的那个值,则dt值必须要改变。在本发明中,ROR表的长度确定dP/dt阈值的dt。例如,如果表有5个位置,该dt值等于5。于是,为了调节dp/dt阈值速率竟和探测器组件16的灵敏度,控制器22包括软件,该软件允许表34的长度由用户选择以说明保护区的容量大小和所希望的要害位置。例如,使用者可以选择具有5个存储位置的表以获得一约为100psi/second(磅/英寸·秒)的,或具有25个存储位置的表以获得—约为20psi/second的dP/dt阈值速率。
控制器22计算保护区内压力上升速率的方法提供了几个优点。例如,控制器22的取样和做平均的功能“滤除”了保护区12内发生由电磁干涉或瞬时压力变化造成的任何一个压力尖峰信号。例如,如果发生像在图4的图中说明的一个压力尖峰信号32,它好像只是出现在样品时间间隔为200μSec中的一个。控制器的做平均的功能把尖峰信号与其正常测量值作平均,所以尖峰信号不会造成抑制设备的一次偶然触发。
申请人已经发现采用具有5个位置的存储器表28作为做平均的功能可以胜任地防止由瞬时压力起伏和电磁干扰造成的引发器18的偶然触发。但是,本领域内的普通技术人员将会理解,在不背离本发明范围的情况下也可使用具有不同数目的存储器表。
ROR表34的使用也对本发明的准确性和响应性作了贡献。特别是,正如上面所述的,在ROR表中存储5-25个平均压力值,然后计算dP/dt有效的值,探测器16能够准确地检测到快速的压力增加,然后在一毫秒(mSec)中,无需几个附加的读数来鉴评检测到的压力上升的情况下就可迅速地触发抑制设备,这就为抑制设备提供更为快速和可靠的触发,所以在突爆的起始阶段就可检测到并消灭掉。
图5曲线36示出了在保护区12内用本发明的探测器组件16对一快速压力增加的检测。该曲线在开始时逐渐地增加,但是随后由于在保护区内的一个快速的内建压力就开始快速地上升。在画于图上的点38处,探测器组件检测到一个压力上升速率,它超过了dP/dt阈值速率并触发了抑制设备。这次抑制的爆炸,正如在曲线36上点38之后的下转所指出的。
图5的曲线40示出了不超过dP/dt阈值速率的压力渐增加的探测,但是它确实偶然地超过了绝对压力阈值水平,该曲线随着时间逐渐增加并在上升到点42处已在警报压力水平之上。在这一点上,探测器组件16给予警报元件24能量或者发送一警报信号给操纵器。为了要防止控制器22给予警报元件能量并且随后如果压力继续迅速上升就立即据此触发抑制设备,控制器可装备一个延迟,所以在警报元件24接收能量前,被测到的压力值必须超过警报水平有50mSec的时间间隔,或250样品时间间隔。
如果压力正如曲线40上画出的在保护区12内继续上升,它突然升到阈值压力的水平之上,在点44处。在该点上,探测器组件16触发抑制设备以抑制爆炸。
当控制器22触发抑制设备时,它也优先地把测得的触发瞬间的前后的压力值存储起来供以后分析的。
虽然本发明已经在参考附图中所示的优先的实施例作了描述,但是,正如在权利要求书中讲述的那样,注意到可以使用相当的物件和在不背离本发明观点的情况下制作替代品,具有如此描述的本发明的优选实施例,被专利证所保护的作为新的和所要的权利要求包括于下。
Claims (16)
1.一种计算封闭区域内压力参数上升速率的方法,其特征在于,该方法包括以下步骤:
a.用一压力传感器测量该压力,以产生代表该压力传感信号。
b.周期性对传感器号取样以获得一些相继的被取样的测量值;
c.相继地把被取样的测量值存储到一存储器内;
d.把存储的测量值在一预定的时间隔内取平均以获得一平均值;
e.把平均值储存到该存储器内;
f.重复步骤(b)-(e)以获得并把一些相断的平均值存储到该存储器内;以及
g.通过比较至少两个平均值计算封闭区域内压力上升的速率。
2.如权利要求1所述的方法,其特征在于,步骤(g)包括决定差值的步骤,这个差值是已在存储器中最长时间的平均值与已在存储器中最短时间的平均值之差。
3.如权利要求2所述的方法,其特征在于,还包括把计算的速率与一预定的阈值速率作比较,和如果计算的速率超过该阈值速度,则触发抑制设备的步骤。
4.如权利要求1所述的方法,其特征在于,步骤(b)约每200μSec采集传感器信号。
5.如权利要求1所述的方法,其特征在于,步骤(c)包括把采样测量值存储到第一存储器表中直至5个测量值已被存储。
6.如权利要求5所述的方法,其特征在于,步骤(d)包括对5个已存储的测量值作平均以获得平均测量值。
7.如权利要求1所述的方法,其特征在于,约5-25个平均值被存储于第二存储器表中。
8.如权利要求7所述的方法,其特征在于,还包括在5-25个平均值已被存储之后,通过用最近的平均值代替第二存储器表内最长平均值来连续地更新该第二存储器表。
9.一种用于检测封闭区域中被测压力参数何时上升至不安全速率的上升速率检测器,该检测器包括:
一压力传感器,该传感器用于测量该压力参数和产生一个代表该压力参数的传感器信号;以及
一控制器,该控制器可操作地与传感器耦合并配置为:周期地采集传感器信号以获得多个连续的采集测量值;把采集的测量值存储于一存储器中;对预定的时间间隔内的存储的测量值取平均以获得一系列相继的平均值;把这些平均值储在该存储器中;以及通过比较至少两个平均值计算压力参数上升的速率。
10.如权利要求9所述的探测器,其特征在于,该控制器还是可操作地把计算的速率与一预定的阈值速率作比较,并当计算的速率超过该阀值速率时触发抑制设备。
11.如权利要求9所述的探测器,其特征在于,该控制器还可操作地通过决定已在存储器中最长时间的平均值与在存储器中最短时间的平均值之差值和把该差值除以在存储器中平均值的数目来计算速率。
12.如权利要求9所述的探测器,其特征在于,该控制器还是可操作的约每隔200μSec采集传感器信号。
13.如权利要求9所述的探测器,其特征在于,该控制器还是可操作的把采集的测量存储在第一存储器格中直至已存储了5个测量值。
14.如权利要求13所述的探测器,其特征在于,该控制器还是可操作的把5个存储的测量值作平均以获得平均值。
15.如权利要求9所述的探测器,其特征在于,还是可操作的约把5-25个平均值存储在第二存储器表中。
16.如权利要求15所述的探测器,其特征在于,该控制还是可操作的在5-25个平均值已被存储之后,通过相继地以最新近的平均值代替在第二存储表格中存得最长的平均值连续地更新该第二存储表格。
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