电气工程自动化毕业.doc

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1、_哈尔滨理工大学成人(继续)教学院毕业设计题目： 10万吨烧碱整流装置设计班级： 201级函授电气工程及自动化专升本姓名： 张龙龙指导教师： 系主任： 2015年11月哈尔滨理工大学成人高等教育学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或结果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人已知晓教育部第34号令，了解学位论文作假行为处理办法的相关规定，本人已完全意识到本声明的法律结果由本人承担。论文作者署名：张龙龙 日期： 201

2、5年 11月 3日本人已知晓教育部第34号令，了解学位论文作假行为处理办法的相关规定。指导教师签字： 日期： 年 月 日本部已对该生论文进行了严格审查，对论文的指导、答辩、成绩评定等所有教学环节按相关规范进行了监控。系所函签字（章）： 日期： 年 月 日哈尔滨理工大学毕业设计（论文）评语学生姓名：张龙龙 学号：学 院：成人教育学院 班级：系所函 函授任务起止时间： 年 月 日 至 年 月 日毕业设计（论文）题目： 指导教师对毕业设计（论文）的评语：指导教师签名： 指导教师职称： 评阅教师对毕业设计（论文）的评语：评阅教师签名： 评阅教师职称： 答辩委员会对毕业设计（论文）的评语：答辩委员会评定

3、，该生毕业设计（论文）成绩为： 答辩委员会主席签名： 职称： 年 月 日哈尔滨理工大学毕业设计（论文）任务书学生姓名： 张龙龙 学号：学 院：成人教育学院 班级：校本部 业余 任务起止时间： 毕业设计（论文）题目：10万吨烧碱整流装置设计毕业设计工作内容：资料：指导教师意见：签名：年 月 日系主任意见：签名：年 月 日成教院制表20_10万吨烧碱整流装置设计摘 要随着大功率晶管蒸馏技术的不断进步与完善，晶闸管整流装置目前已经在化工行业中得到普遍的应用。晶闸管整流装置具有操作简便，反应快捷，稳流精度好，整流效率高等显著优点。其输出的直流电流调节依靠变压器有载开关粗调，晶闸管移相细调，使系统能获得

4、高稳定度的直流电流，完全满足化工电解工艺要求。关键词 整流；可控硅；极化；技术；设计目 录摘 要 第一章 基本条件 1 1.1环境条件 1 1.2技术 1第2章 整流系统整体方案概述 52.1 系统结构 5第3章 整流主柜的设计 63.1整流机组的计算条件 63.2整流装置主要参数计算 63.3整流柜主要的元器件选择及主要技术措施 13第4章整流控制柜的设计 154.1就地控制柜的基本功能 15结 论 19参考文献 20第一章 基本条件1.1环境条件环境条件如下所列。设备应能够在最高40摄氏度温度下正常工作。1.1.1海拔高度 1000m1.1.2环境温度年平均气温 8极端最高温度 41极端最

5、低温度 -281.1.3年平均相对湿度 51%1.2技术条件1.2.1整流设备的配置蒸馏装置一套用于供三万吨离子膜试验电解。每套包括： 可控硅整流柜 2台 整流控制柜 2台 远控台 1台 直流互感器 2台 直流刀开关 4台 纯水冷却装置 1套 极化整流单元 2套1.2.2技术规格网侧电压：35kVAC+5%/-5%,3PH,50Hz+1%-1% 直流输出俩个系列，每个系列： 直流输出电压400V 直流输出电流15kA俩个系列单独控制，不汇流。机组负荷类型：二级，化工食盐电解机组直流输出的调压范围为0到100%连续可调，手动自动均能正常操作：调压方式为有载调压变压器+晶闸管细调，有载开关调压范围

6、为70%到105%。机组在额定运行工况下的运行效率不低于97.5%（确定效率时应该包括整流变压器，整流柜及触发信号系统的损耗，不包括装置的损耗）。机组在额定运行工况下工作时，其功率因数要求达到0.9以上。自动稳流精度+1%-1%有自动稳流和手动调节俩种方式，俩中控制方式均能在整流设备运行时升降电流，并在 小于或者等于10%额定输出电流情况下互相切换。注入电网的的谐波电流不超过国家标准GB/T14549-93。1.2.3总体结构整流变压器和整流柜采用紧凑型布置，整流柜布置在变压器两侧，设置在12*12m2的房间内。装置形式:户内安装、单面维护，具有良好的防尘措施，柜表面喷塑，抗腐蚀能力强。整流变

7、压器阀侧出线应与整流柜相对应，不应有交叉。整流设备内所有的电气连接件均采用铜材。1.2.4可控硅整流柜的技术要求整流柜为户内安装型式，防护等级为IP40.单柜直流额定输出：400V，15kA.整流机组数：2组。单机组脉冲数：12脉冲。等效脉冲数：24脉冲。接线方式：三相全控桥同相逆并联。调压方式：有载调压变压器+晶闸管细调。交直流母线进出线方式：阀侧后进线，直流侧上出线。整流器电流储备系数3.整流器电压储备系数3.整流器均流系数0.95.冷却方式：主回路冷却方式为水冷却。各种保护齐全，具有可靠的内部和外部过电压吸收装置及可指示顺坏快熔位置的快熔顺坏检测电路。1.2.5整流控制柜的技术方案触发控

8、制系统采用两路数字在线双通道控制回路，一路运行，另一路热备用，一路故障时自动切换至另一路运行。两个控制信道各自有给定反馈系统，开环闭环运行均能稳定可靠、手动、自动选择，就地、远控选择。控制柜采用PLC作为中央处理器，继电回路采用高可靠、节能型器材。触发器部分采用新型数字触发器，稳定可靠、无温漂、对称度好，并具备缺相及缺脉冲保护功能。 电流调节仪采用高精度集成运算放大器，稳流精度高于+1%-1%。自动升降调节变档位，自动将控制角控制在5到25摄氏度之间。给定系统采用数字式给定，光电隔离。控制板及接插件应可靠，方便，易于维护。所有控制装换均可由PLC进行控制，并可通过通讯接口有上位计算机进行监控。

9、PLC可与中控室DCS接口。各种保护齐全，如过载，过流，电流反馈丢失保护，水稳过高，水压过低，原件坏1,原件坏2，控制角越上限，控制角越下限，母温线温度过高，互感器反馈电流丢失苷流等。1.2.6 远方控制台远控台用于整流单元操作，测量以及保护，应具有电流设定仪等操作元件，所有的检测信号，报警信号以及电能测量表计算。型式：户内安装台式结构，设置在装置主控室。配置：俩套整流单元共用一台远控台。远控台安装下列原件1）控制开关机提示a）变压器一次侧断路器（至高压开关柜）控制机体是一组，每组包括：允许合闸提示 XD5 DC 220V 红色 1个控制装换开关 LW5-15B0011/1 DC 220V 1

10、个合闸提示 XD5 DC 220V 红色 1个跳闸提示 XD5 DC 220V 绿色 1个紧急停车按钮 LA18-22J DC 220V 1个b）有载开关（至有载调压开关）控制及指示一组，每组包括：手动自动转化把开关 1个档位显示器（含档位控制按钮以及提示） 1个c）电流设定仪 2个d）直流刀开关（至动力电箱）控制及指示俩组，每组包括：开关闭合按钮 AC220V 绿色 1个开断开合按钮 AC220V 绿色 1个开关闭合提示 AC220V 红色 1个开关闭合指示 AC220V 红色 1个2） 测量装置俩组，每组包括：数字式DC电流表（DDA）显示：4位十进制数码测量范围：00.00到20.00k

11、A输入电压：供货商标准精度：+-.01%数字式DC电压表（DDV）显示：3位十进制数码测量范围：000到500V输入电压：供货商标准精度：+-.01%3)报警单元音箱单元1（包括电铃，蜂鸣器，复位按钮，辅助继电器等）系统故障报警提示系统脉冲封锁提示变压器一次侧断路器跳闸提示其中音箱单元共用1.2.7极化整流器型式： 户内安装数量： 2套供电电压 AC380V+5%3相 50HZ+-1.5HZ额定直流输出电流： 30A额定直流输出电压： 280V额定输出 100%连续波纹 小于额定电压5%整流原件： 可控硅冷却方式 自然冷却防护等级： IP40控制系统：设备应具有恒定电流和电压控制系统，在5到1

12、00%额定输出电流，10到100%额定输出电压工况下，自动电流电压控制系统应保证直流电流恒定在+1.0%-1.0%。自动开停系统：设备应具有手动，自动操作功能，在自动操作状态下，当主整流器的输出减少或增加到3.0KA时，计划整流柜应能通过来自整流器的触点信号开关自动开，停。输出：极化电流（4到20mA），极化电压，状态信号，故障信号。输入：自动开关接点一个。保护：整流柜应具有保护功能，以防止来自电解槽或整流柜的逆向电流。系统应包括所有必需的接触器，变压器，开关，测量仪等。每一个极化单元均来自DSC的电压，电流信号自动控制。第二章 整流系统整体方案概述2.1 系统结构1、整流系统2套（2台）整流

13、机组构成，每套整流机组采用整流变压器一台ZES-20KA/340V整流器的结构形式，整流柜的主电路采用三相桥式同相逆并联式，单柜12脉冲，配合变压器网侧移相俩套整流及构成24脉冲。每台整流器个独立向一个系列电解槽供电，要求能独立工作。2、每台整流机器配置一台就地控制柜，与镇流器一起就地并排安装。每台控制柜安装机组就地控制PLC。其功能为整流柜和辅机系统的数据采集，本控制柜的所有就地手控功能均可由机组PLC传送至上位机，实现远方机控。控制柜的稳流调节控制触发系统采用单片机数字双通数字控制触发，俩个通道互为热备用，俩个通道能够分别独立运行并具备自动诊断功能，可更据运行情况方便的进行在线无扰动切换。

14、触发系统采用单片机控制，确保触发脉冲的稳定可靠。正常运行是线控角控制在5到25度之间。当电流反馈因故障掉线后，控制系统能自动识别确保电流不会发生突然大幅度的上升或下降。 3、在中央控制室配置一台总控制台，对应俩套机组的远方操作，安装远方手控功能键，包括远方系列电流手动调节，有载开关操作，系列电流，电压显示等。第3章整流主柜的设计3.1整流机组的计算条件3.1.1额定直流输出单机额定直流电压：单机额定直流电压:Idn=15KA3.1.2连接形式整流电路采用三相桥同相逆并联，晶闸管整流，单柜12脉波，2柜输出24脉波。3.2整流装置主要参数计算本计算以每台整流变压器的短路电压百分值ex=10，控制

15、角=200为计算依据。3.2.1每臂并联原件数的确定按负载电流确定并立案与案件数为整流臂平均电流为串联换相组数 为电流过载系数 为并联原件均流系数 分别为：环境温度系数海拔高度系数风速系数温度分布不均匀系数整流线路系数整流臂个数12硅元件正向平均电流硅元件安全电流裕度3.0倍使用KP-3000(A)元件时（A）=1.4只取俩只3.2.2元件耐压确定变压器空载电压原件俩端峰值为取3.5倍的耐压余量，则最大反峰压取因此，每臂选用俩只KP-3000A/1800V晶管闸并联3.2.3快速熔断器选取参数计算A快熔额定电流考虑均流系数为0.9及一只快熔熔断试运行方式：式中：-臂平均电流 -波形系数 -快熔

16、选择系数（1.251.5） -并联元件数 X-每臂元件损坏数 -均流系数整流元件的均方根值为：快速熔断器的选用原则：快速熔断器的额定电流应满足：即B,快熔耐压取快熔为RSG-3600A/500V3.2.4整流装置的损耗和整流效率计算1） 整流柜效率任何整流装置的整流效率可用其功率转换效率来表示，即：式中， .整流柜直流额定输出功率，等于额定直流电压和直流电流的乘积，即： 整流柜本身的各项损耗之和（不包括外部附属设备），包括整流元件损耗，快熔损耗，快熔和元件母排损耗，汇流母排损耗，连接排损耗,吸收和保护器件损耗等。下面的计算以每台整流柜的额定运行状态为计算依据。2） 直流输出功率3） 整流元件损

17、耗式中：=120整流元件在各周期内的导通角，三相桥式整流电路中 N 每台整流柜内安装元件总数4） 快速熔断器损耗式中： 流过快速熔断器的均方根电流 快速熔断器等效电阻在直流输出15000A/400V时，每只快熔通过电流的均方根值为：5） 元件臂母排损耗元件臂母排采用一次冷拉或成形的无氧紫铜双孔母排，规格为130X30X3000，孔径为双孔母线的电阻式中： 电阻系数，铜在20时为0.0175（mm2/m ） 电阻温度系数，铜为0.0043 双孔母线温升，取tbD=15 集肤效应系数，1.051.1，取 邻近系数，近似取 双排母排长度， 双孔母排截面，=3900mm2 则RbD=0.0175X(1

18、+0.0043X15)X(3.0/3900)X1.05=1.5X10按对称分布而安装元件的双孔母线，其等效电阻为：6） 快熔臂母排损耗快熔臂选用120X12X600无氧紫铜双孔母排，孔径为 ，按上式同样方法计算，其等效电阻为：=0.0175X(1+0.0043X15)X(0.6/1440)X1.05X1=1.1X10=(0.577X15000/4)X1.14X10X12=0.9(KW) 7)保护和吸收电路损耗 该部分损耗可忽略不计。8） 整流柜的总损耗 9） 整流效率3.2.5热和冷却计算镇流器在额定负荷下运行时有损耗号产生的热量该热量有冷却水和空气带走，假定空气带走的热量忽略不计，则热量全部

19、由冷却水带走，其流量为：式中: 冷却水质浸出温度差取 C 冷却介质比热水为 冷却介质密度，水为1000kg/一台整流硅需要的冷却水流量为5.5/H 则选用一台流量LSS-100B纯水冷却器。3.3整流柜主要的元器件选择及主要技术措施1） 采用铁道部株洲电力机车研究所半导体厂生产的3英寸打工了低损耗晶闸管，有先进的生产工艺和设备保证其性能指标的优越性。全部采用丹麦TOPSIL高阻硅单晶片，高温闭管充氩气扩散工艺保证了芯片的扩散均匀性，1000级的洁净厂房及严格的清洗工艺保证了芯片的高少子寿命之，不同于普通触发级的边缘触发芯片，确保了元件的高di/dt 。极大地提高了可靠性和使用寿命。高温闭关冲氩

20、气扩散工艺，新型的芯片结构，进口保护材料台面钝化工艺，高均匀性，高精度的电子辐射减少寿命控制到合理的范围，确保与案件的最低真相压降，降低元件的损耗。2） 硅元件的并联数的选取选用KP-3000A/1800V3英寸晶闸管每臂俩只并联，通过元件参数的低分散性和臂元件的合理配置，使装置具有较高的电流裕度和电压裕度，完全满足设备长期安全运行要求。4）整流装置的技术，工艺保证措施A整流装置除硅元件芯片按1800V耐压选取措施外，其此刻表面也是特殊设计，这是制造高电压装置的关键措施之一.B同样逆并联支路同排异环氧玻璃布板整体隔开，中间无任和连接件，既避免了怕电机电器击穿故障，又缩小了装置的体积，减少了机壳

21、由交变磁场产生的涡流损耗。根据有关国家标准及电气均与按规范要求，对于整流硅绝缘支撑件等非防污染型绝缘体，交直流之间及支流正负之间及就直流对地之间的绝缘爬电距离确保大于80毫米，这是制造高电压整流装置的关键措施之一。C蒸馏装置的二次回路所采用的是导线为耐压500V绝缘软导线，相关外引接线采用德国WAGO公司的优质端子，直接测回路采用电压隔离器引出，以确保控制测量回路的可靠性。5）元件臂均流的保证措施A. 所有桂圆渐渐通过本场热老化和电老化筛选，基本工艺是：将数十只原件之于老化箱内加热子元件结温120摄氏度，后施加额定的直流反向电压，24小时不失效则为合格。老化试验后作元件正向峰值电压测试，测试后

22、的元件按峰值电压误差不大于0.05V进行每臂元件的分组配对，这是确保高均流系数的关键技术之一。B. 整流原件装夹由优质汽车板簧制成在高温高压力情况下，压力稳定不变，对三英寸元件而言，硅元件中压力约为五吨，保证可靠和均衡的压力，这是确保高均流系数的关键技术之二。C. 本整流装置为了获得较好的均流，减少涡流损耗，主电路采用同相逆并联结构，并联支路的整流元件按照圆周作轴对称分布，始每条支路都完全对称，所有导电接触面均采用铣床进行精细加工，光洁度未6以上，全部采用压接结构，压力变化范围小接触电阻低，均匀度好这是保证均流系数的关机技术之三。D. 并联器件的温度特性一致性好，根据IEC标准，整流器件的出厂

23、测试值输出给室温和结温的参数。由于本整流装置在运行过程中，实际流过器件的电流将出现较大的变化，这样，在压力一定的情况下，整流器件的工作电流和结温将随整流柜输出电流的不同而变化，为了使并联器件的电流分配均衡，必须分析和研究上述的影响并予以解决。我厂外购的天津整流器厂的元件，通过其进口美国IR公司的生产测试设备，根据整流装置运行的工艺参数的不同，分别在不同电流（1000A,2000A,3000A)和不同的温度（75,125）加测三点通仿（正向）峰值压降，和常规出厂测试参数进行对比，将温度一致的器件，按通态（正向）峰值压降进行优化分布后直接并联，这是确保元件高均流系数的关键技术之四。E. 采用低损耗

24、的强迫均流电抗器，使得元件之间均流系数确保 ，且一致要求不高，这是一种一劳永逸的一揽子均流解决方案，这是确保元件高均流系数的关键技术之五。6） 元件排的选用方法、元件排使用130X30无氧紫铜双孔水冷母排，既可保证电流截面要求，又可以达到压紧所需要的强度要求。该铜排所有导电接触面均采用铣床进行精加工，表面光洁度为 以上，铜排进行全长锡 亮锡处理。该铜排通水孔为齿轮形，通水孔径为 16，较圆孔增加百分之三十散热面积，散热效果良好，可有效提高元件硅片的使用寿命。7） 循环冷却水路的技术,工艺措施 A.冷却水的进出水管为不锈钢管。 B.选用日本进口的优质抗老化,耐腐蚀的透明胶管连接冷却水路，质量保证

25、20年。 C,采用一次性浇注的元件水套，确保水路不漏水。8） 柜体结构整流柜为户内式结构。控制柜与整流柜并排安装，控制柜为型材结构，美观大方。第4章 整流控制柜的设计4.1就地控制柜的基本功能4.1.1控制每套整流机组配置一台就地控制柜，每台控制柜安装单柜机组就地控制PLC。其功能为整流柜和辅机系统的数据采集,泵控制柜的所有就地手控功能均可由机组PLC传送至上位机，实现远方机控。4.1.2就地控制柜的主要功能1） 整流柜输出电压及电流指示2） 远控与近控,手动与自动切换装置3） 按总控台给定电流进行闭环控制4） 移相控制角a超过设计允许值时，自动联调有载调压开关5） 移相控制角a实时显示6）

26、输出电流的设定与控制7） 电流超差预告信号8） 元件臂过热信号9） 快速熔断器熔断信号10） 过压保护故障信号11） 绝缘降低故障信号12） 冷却水压过低,水温过高故障信号13） 去离子冷却水水位过低4.1.3整流柜的稳流调节控制触发系统1、整流柜的稳流调节控制触发系统采用单片机数字控制和数字触发。两个通道互为热备用，一旦运行中的一路出现故障，处于热备状态状态的另一路在100ms内实现在线无扰动切换，并在控制线是俩路的工作状态，已提示工作人员安排换板检修俩个通道能够独立分别运行并且具有自动诊断功能，可根据运行情况方便的在线无扰动切换。2、触发控制系统采用单片机控制，确保触发脉冲的稳定，可靠，正

27、常运行时相控角限制在五到二十五度之间当电流反馈因故障掉线后，控制系统能自动识别确。3、当控制角超出设计值时：A电流正常情况，控制系统自动调节有载开关”降”（该功能可选择）直至电流进入稳定范围B电流负超情况，控制系统给出声光报警信号。C控制室及机旁控制柜上要有 角盘式仪表。4、具有零启动功能，开车时触发电路调节电位器不在零上，系统拒绝运行。5、闭环控制中电流的反馈信号断线，系统将自动锁定原值，同时给定信号成为开关控制，并以声光信号提醒工作人员，手动转换自交流信号时，超调量不超过当前值得5%，恢复时间小于3秒。6、触发单元的同步信号取自于35KW侧的PT100V，考虑瞬时掉线保护。7、稳流控制系统

28、的具备以下功能，a. 手动自动无扰动切换b. 近控远控无扰动切换c. 交直流反馈可选d. 直流电流过载报警保护e. 元件电流过高过低报警f. 封锁脉冲：并输出与接点信号g. 电流线性软启动h. 最大电流限制i. 控制角显示j. 自动控制降档k. 失同步报警保护l. 脉冲缺相报警保8、强触发时按原可独立关断我厂机组温流控制系统采用晶闸管数字触发器，该控制系统采用CPU并行处理方式，具有功能强大，应用灵活，可靠性高，控制性能强，系统调试时间短，维护方便等特点，具有以下特点1）多重备用保障措施：A同步信号双备份同时处理俩路同步信号，任何一路丢失都能维持长期可靠触发。B反对信号双备份，能够同时采集处理

29、俩路反馈信号，可以同时处理交直流反馈信号，做到可靠，准确。C实现双板在线热备用控制柜中能够同时安装多块调整版。本调控板在备用过程中，实时检测当前触发脉冲电角度，启动后能力及跟踪，实现微扰动或无扰动过度，系列电流无冲击。2）智能灾难适应措施：A反馈掉线处理工作过程中如果反馈信号突然全部消失，调控板维持导通角不变，同时给定信号成为开环控制，供给事故处理。B同步掉线处理工作过程中如果同步信号全无，本条孔板将依靠科学数字锁相环维持正常触发，俩秒内有人以正常同步到来，工作既能够继续。3）良好的触发性能: A数字调节参数记忆泵控制版应用新型的铁电存储器，记录重要的运行参数。调试完成后，直接调用，不存在时间

30、误差，有很好的可重复性。B精确自适应出发时序新数字版的六脉冲波时由处理器运算完成，并且加入智能平衡处理，保证输出波形的对称性，最大限度的减少非特性谐波。同时360度的超范围初相调节，线性限幅控制极大地简化了调试工作。C良好的触发输出 触发脉冲调制输出，调制频率约为5KHz，占空比0.38：波形参数误差不超过0.1%：稳定输出阶段，脉冲间隔误差绝对值小于4uS。处理程序精确控制每一个触发脉冲，保证桥臂触发充分，不会因电流上升率而受损。4）快速稳定的调节设计：新数字板采用平均数字调节对输出进行闭环控制。因而能最大限度的提高响应性能。反馈处理程序实时跟踪交直流反馈的波形，取得准确及时地反馈参数，并且

31、从中分离大量的有用信息，进行智能控制。新数字伴有高响应速度和抗干扰性能，对输出变化响应时间为3.33mS（约60度），反馈采样频率1.5.KhZ,均值运算周期10mS（108度）系统等效比例为1/20，等效时间常数10mS，为准线性调节。A该装置使用AC220V电源，无需外加稳压电源，同步信号使用高压PT100V电压信号，接线简单，维护方便。B脉冲输出采用六路0到120度高频调制宽脉冲，对同步信号的要求较严格。结 论本文通过对对10万吨烧碱生产的需求设计，能够满足我厂实际生产的需求。参考文献1 ，-20092 -19873 ，-20004 -19975 赵殿甲，可控硅电路（修订版），北京：冶金

32、工业出版社，1980 6 潘永雄，新编单片机原理与应用，西安：西安电子科技大学出版社，20077 胡虔生，胡敏强，电机学，北京：中国电力出版社，2005 8 康华光，电子技术基础（模拟部分），北京：高等教育出版社，1999 9 戴梅萼，史嘉权，微型计算机技术及应用，北京：清华大学出版社，2003 10 谭立新，刘觉民，基于TC787的三相全控桥式整流电路设计-期刊论文-湖南文理学院学报(自然科学版) 11、孙俊喜，LCD驱动电路、驱动程序设计及典型应用，北京：人民邮电出版社，2009 12 谭建成，电机控制专用集成电路，机械工业出版社，1997年8月13 赵保金，中国集成电路大全，北京：国防工业出版社，1993 14 （美）J.马库斯，电子电路大全(合订本)，北京：中国计量出版社，1991