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1、华中科技大学 硕士学位论文 石油产品蒸馏仪的自动化测控研究 姓名：马丹 申请学位级别：硕士 专业：动力工程及其自动化 指导教师：陈良才;茹更生 20070608 I 摘 要 馏程是汽油、柴油、煤油等石油产品重要的理化性质之一。石油产品蒸馏仪是对 石油产品进行馏程测定的仪器，广泛地运用于各个石油利用部门。 国内现有的石油产品蒸馏实验仪普遍存在依赖手工操作、测量精度不高、测量可 靠性受人为因素影响等缺点。计算机和传感器、控制技术的不断发展，为石油产品蒸 馏实验仪的自动化和智能化提供了有力的技术支撑，使石油产品蒸馏仪的自动化能够 实施。 依据石油产品蒸馏实验时，流量微小、无压差、不充满管道、断续流动
2、的特点， 使用 CIS 器件测量蒸馏回收液流量，使用 GAL 器件制作驱动电路，AT89C51 单片机处 理输出信号并且和 PC 通信，实现了回收液测量的自动化。 用热电阻温度传感器测量油液温度和支管处气体温度，按照温度巡检仪的接线标 准和通信协议，实现连接热电阻和读取数字化温度信息的功能。 使用 D/A 转换配合可控硅调功模块的方法对油液加热功率进行自动控制， 制作驱 动电路并编写 PC 和单片机上的程序，实现了功率控制的数字化。 使用 USB 摄像头捕获馏出液量筒入口画面，基于视频分析的运动检测方法检测 初馏点。这种方法具有测量灵活、直观，容易调整的特点。 在以上各部分完成的基础上，编写
3、PC 上整体的测试和控制程序，提供良好的人 机界面，采用多线程方法处理各个物理量的读写，保证了比较好的程序反应速度和控 制的实时性，整体可靠性较高。 在 PC 上完成测控功能的同时，对嵌入式设备上的仪表通信和视频捕获进行了实 验，为控制算法成熟后移植到嵌入式设备，形成真正的自动化仪器提供了技术支持。 关键词：接触式图像传感器；GAL；热电阻；RS232；可控硅；运动检测 II ABSTRACT Petroleum is one of the most important energy source and chemical material, distillation range is one
4、 important physical property of petroleum, in refining and petrochemistry industry, its a parameter of product quality control and producing technic. Laboratory distillation of petroleum analyzer is used to get the distillation range of petroleum products, and widely used in many industries such as
5、oil refining, chemical industry, internal-combustion engine etc. Most laboratory distillation of petroleum analyzer in China now rely on manual operation, precision of distillation range is dependent on operator. With the developing of computer and sensor, automatic control technology, its possible
6、to improve laboratory distillation of petroleum analyzer with these technologies, make them automatic and intelligent. The characteristics of distillation are micro flux, zero-pressure gradient flow, discontinuous flow and pipe not being full of liquid. CIS device is used to measure the flux of dist
7、illation liquid. GAL device is used to build its driver circuit, AT89C51 single chip computer is used to process CIS devices output signal and communicate with PC, distillation flux measurement is automated. Thermal resistors are used to measure the temperature of two specified spots, follow the man
8、ual and protocol of temperature monitor system, we developed a program running on PC which can get temperature digitally. Using DAC with silicon controlled rectifier power modulater, we can control the heating power of the equipment, circuit board and programs are made to implement power control aut
9、omation. USB camera is used to capture the video of distillation experiment, video analyzing and motion detection could detect the Initial Condensing Point, this method is intuitionistic and smart, easy to adapt to different situation. After these separate parts above finished, a control program wit
10、h full functionanity is developed on PC to integrate measuring and controlling. This program has friend User III Interface, read and write different variables in multi-thread, response rapidly and realized realtime control, and its stable. With these functions implemented on PC, we also implemented
11、serial communication and video capturing on embedded devices, after control algorithm created and verified, we can easily port it onto embedded device and form a real automated laboratory distillation of petroleum analyzer. Keywords: CIS; GAL; thermal resistor; RS232; Silicon Controlled Rectifier; m
12、otion detection 独 创 性 声 明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已标明引用的内容外，本论文不 包含任何其他人或集体已经发表或撰写过的研究成果。 对本文的研究做出 贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明 的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许 论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部 分内容
13、编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。 保 密，在_年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 年 月 日 年 月 日 1 1 绪 论 本章将介绍石油产品蒸馏实验仪的结构、工作原理、用途等，石油产品蒸馏仪是 本课题自动化和智能化的改造对象。从现状入手，分析对现有的传统仪器自动化改造 的必要性，并提出本课题需要实现的目标和具体性能参数。 1.1 石油产品蒸馏实验仪结构与工作原理 石油是重要的能源和化工原料，石油产品蒸馏仪是对从石油中提取的产品，例如 汽油、柴油等进行馏程测定的仪器，馏
14、程是石油产品的重要性能指标之一。因此石油 产品蒸馏仪广泛的运用于各个石油利用部门，如：铁道、航空、炼油厂、化工厂等， 具体用途就是对车用汽油、航空汽油、机车用柴油、石脑油、煤油、馏分燃料和相似 的石油产品进行蒸馏测定。 石油产品蒸馏仪的整体结构如图 1.1 所示。 温度计 蒸馏烧瓶 石棉板 烧瓶支架 电加热元件 烧瓶支架平台 烧瓶调节旋 温度计 蒸馏烧瓶 石棉板 烧瓶支架 电加热元件 烧瓶支架平台 烧瓶调节旋钮钮 开关 热量调节盘 开关 热量调节盘 吸水纸 量筒 吸水纸 量筒 图 1.1 石油产品蒸馏实验仪器工作原理图 2 图 1.1 所示为目前已有的石油产品蒸馏仪的结构，也是本课题需要进行自
15、动化改 造的对象， 具体型号是上海神开石油仪器有限公司 （原上海石油仪器厂） 的SYP2001-III 型。可见石油产品蒸馏仪主要由可调节加热装置和冷凝回收装置组成。加热装置由温 度调节控制系统和加热炉升降调节机构组成。温升速率采用固态调压器调节，用来改 变输入到电炉丝上的电压，加热电炉采用电加热丝外加热式，加热功率在 01000W 范围内连续可调。采用室温水箱冷却来冷凝回收油气，满足国家标准标第四组中对冷 浴温度 060范围要求。 在我国，石油产品蒸馏实验遵循国家标准 GB 653686石油产品蒸馏测定法 来进行（下文中如不做特别说明， “国家标准” 指的就是 GB 653686） 。 石油
16、产品蒸馏仪的蒸馏过程如下：将 100mL 油品放入烧瓶中加热，同时开始计 时，直到样本沸腾，从冷凝管下端滴落第 1 滴冷凝液的时刻称为初馏点时刻，这个时 候所观察到的烧瓶支管处温度计读数称为初馏点温度。全部液体从蒸馏烧瓶底部蒸发 后所观察到的温度计最高读数称为终馏点温度。蒸馏出 40mL 液体时的温度称为 40% 馏出温度，按照同样的方法测得其他设定体积点的馏出温度。绘制蒸馏液体积与对应 馏出温度的曲线，即得到该样本的馏程曲线。 蒸馏过程的技术指标要遵循国标 GB6536-86 规定， 从开始加热到初馏点这段时间 必须控制在 515min 之间， 从初馏点到终馏点的时间段内， 要求控制回收流量为 4 5mL/min 1。 1.2 石油产品蒸馏实验仪器的用途 对机车柴油来说，用石油产品蒸馏仪蒸馏柴油可获得柴油的馏程和十六烷值。 纯化合物都有一定的沸点，但石油及其产品则是一个主要由多种烃类及少量烃类 衍生物组成的复杂混合物，其沸点表现为一很宽的范围，是沸点连续的多组分的混合 物，因而石油产品没有一个
