Прогнозування похибок промислових ЗВТ температури

УДК 621.317

Прогнозування похибок промислових засобів вимірювання температури.

Ó МИКИЙЧУК Микола Миколайович, ОГІРКО Роман Миколайович,2003

Національний університет “Львівська політехніка”, вул.. С.Бандери 12, м. Львів, Україна

Державний науково-дослідний інститут „СИСТЕМА”, вул.. Кривоноса 6, м. Львів, Україна.

Вступ

Температура є основним інформативним параметром більшості технологічних процесів в промисловості. Найбільш широко для вимірювання температури застосовуються контактні методи, з використанням термоелектричних перетворювачів та термоперетворювачів опору, питома вага яких в основних галузях промисловості становить майже 80 % [1]. Тому якість температурних вимірювань з використанням методів контактної термометрії має значний вплив на результати промислового виробництва.

Особливу вагу мають температурні вимірювання, що застосовуються при автоматизації технологічних процесів. Переваги автоматизації очевидні, але поруч з тим її застосування зумовило: по-перше, збільшення кількості ЗВТ внаслідок збільшення об'ємів вимірювань температури, по-друге, необхідність розширення функціональних можливостей промислових ЗВТ для вимірювань інших технологічних параметрів, наприклад уніфікованих сигналів, а також регулювання значень цих параметрів, по-третє, підвищення вимог до надійності функціонування ЗВТ внаслідок зростання їх впливу на результати контрольованого процесу. В цілому характерною особливістю застосування сучасних ЗВТ є те, що поряд з кількісним ростом, відбувається розширення їх функціональних можливостей в тому числі зростання можливості впливу на процеси, які вони контролюють. В цих умовах значно зростає відповідальність за результати роботи ЗВТ і гостро постає проблема їх ефективної експлуатації [2, 3].

Одним з основних факторів, що визначає ефективність промислових ЗВТ, є наявність сучасного метрологічного забезпечення [4]. Ефективність контактних методів вимірювання температури в промисловості визначаються метрологічною надійністю вторинних засобів вимірювання температури (ЗВТ), які вимірюють вихідні сигнали первинних перетворювачів температури. Базовим елементом їх метрологічного забезпечення є калібратори електричних сигналів. Однак поряд з їх вдосконаленням, в останні роки, все більше стала помітною неефективність існуючих методів оцінювання і контролю похибок промислових засобів вимірювань. Такий стан пояснюється специфікою застосування ЗВТ, яка полягає в тому, що ЗВТ експлуатуються в умовах відмінних від умов їх повірки, коли виникають ряд додаткових похибок. Причому оцінювання додаткових похибок здійснюється за визначеною, під час атестації, залежністю похибки від значення впливного фактору і нормується, як правило, шляхом встановлення її гранично допустимого значення. Оцінка сумарної похибки в конкретних умовах застосування визначається як сума основної та додаткових похибок, пронормованих для типу ЗВТ, без врахування метрологічного запасу, який має конкретний засіб. Тому часто метрологічно надійний ЗВТ вилучають із технологічного процесу для здійснення його повірки, що спричиняє неоправдані затрати. Такої ситуації можна уникнути, якщо здійснювати прогнозування динаміки похибок промислових ЗВТ температури, що поряд з підвищенням їх метрологічної надійності сприятиме зменшенню експлуатаційних затрат.

2. Сучасний стан проблеми. Зміна похибки ЗВТ зумовлена процесами старіння його вузлів та елементів, що пов’язано з інтенсивністю використання, умовами експлуатації, взаємодією з довкіллям, фактичною надійністю матеріалів тощо. Причому зміна похибки визначається процесами, які відбуваються на молекулярному рівні [6] і залежить, в основному, від використаних матеріалів та технології виготовлення. Для того, щоб забезпечити довготривалу метрологічну надійність ЗВТ, на заводі-виробнику вимушено встановлюють похибку меншу за нормоване значення на величину D_з.

(1)

де D₀ - значення похибки ЗВТ на початку дослідження, наприклад, в момент первинної повірки;

D_доп - гранично допустиме значення похибки ЗВТ;

D_з - величина метрологічного запасу.

Однак, в процесі експлуатації ЗВТ при оцінюванні їх похибок користуються лише гранично допустимим значенням D_доп.

Більш доцільно, на нашу думку, було б оцінювати похибку виходячи зі значення D₀. Відомо [ ], що основний вплив на похибку промислових ЗВТ мають час роботи та температура при якій він експлуатується. Ці два впливні фактори ведуть до виникнення відповідних додаткових складових похибки, що зумовлюють зміну D₀. Тоді, похибку ЗВТ, під час його експлуатації, можна подати у вигляді:

(2)

де D_Q - температурна складова похибки ЗВТ;

D_t - часова складова похибки.

Сьогодні, при аналізі похибок під час експлуатації ЗВТ, зміну похибки представляють у вигляді стаціонарного випадкового процесу D(Q, t) з сталим законом розподілу. При цьому задача аналізу зводиться до пошуку виду цього закону розподілу. За таких умов метрологічно справний стан ЗВТ зберігається до тих пір, доки миттєве значення випадкового процесу зміни похибки знаходиться в межах інтервалу [-D_доп, +D_доп], а вихід випадкового процесу D(Q, t) за ці межі класифікується як метрологічна відмова.

Неоптимальність такої моделі пояснюється тим, що ймовірність виходу випадкового процесу за межі ±D_доп однакова, як на початку його експлуатації так і через певний відрізок часу від початку. Тобто, для даної моделі зміни похибки, час між метрологічними відмовами є сталий, що і покладено в основу рівномірних міжповірювальних інтервалів.

Насправді ж може спостерігатися значне зростання ймовірності виходу похибки за встановлені межі зі зростанням часу від початку експлуатації ЗВТ [6]. Тому, для промислових ЗВТ більш доцільно процес зміни похибки подавати у вигляді нестаціонарного випадкового процесу з сталою в часі дисперсією D та лінійно зростаючим математичним сподіванням [6]. Цю залежність можна представити виразом:

(3)

де V_D – швидкість зміни значення похибки.

Однак така спрощена модель не враховує можливої зміни швидкості наростання похибки, а тому її застосування при прогнозуванні похибок промислових ЗВТ є обмеженим. При прискоренні чи сповільненні процесу метрологічного старіння ЗВТ характер зміни похибки набуває нелінійного характеру. Тоді кожен наступний міжповірювальни інтервал буде відрізнятися від попереднього.

Перехід від лінійної моделі зміни похибки ЗВТ (3) до нелінійної кардинально змінює характер описуваного процесу і його використання оправдане якщо подібні властивості дійсно притаманні реальним засобам. В цьому випадку нелінійну модель похибки ЗВТ можна представити виразом:

(4)

де a – коефіцієнт, що враховує динаміку зміни похибки.

Отже, використання математичної моделі (4) для прогнозування значення похибки можливе коли відомі чотири незалежні параметри: D₀, D(0), V_D, a.

Прогнозування похибок промислових ЗВТ температури

Однак отримати експериментальні дані про характеристики, що входять до формули (4) на сьогоднішній день є досить складно, оскільки при повірці промислових ЗВТ, в основному, відбувається констатація факту знаходження похибки в заданих межах, а не фіксація конкретних їх значень.

Хоча при сучасному рівні автоматизації метрологічного забезпечення не важко визначити та запам`ятати значення похибок конкретних ЗВ При експлуатації ЗВ прогнозування характеристик його похибок можна здійснювати на підставі результатів метрологічних досліджень одержаних на протязі часу його експлуатації [5]. Процедура прогнозування похибок ЗВ пов'язана з їх ідентифікацією в різні моменти часу та при різних значеннях зовнішньої температури. Важливим моментом забезпечення високої метрологічної надійності сучасних промислових ЗВ є можливість використання для прогнозування його метрологічного стану результатів автоматичної самодіагностики. При цьому важливим є оптимально пов'язати результати самодіагностики з процесом прогнозування характеристик ЗВ.

Розглянемо один з варіантів прогнозування похибок промислових ЗВ. Співвідношення між початковим значенням похибки D(0) в момент повірки ЗВ та допустимим значенням доп можна виразити:

. (5)

де доп, (0) - допустиме та початкове значення похибки ЗВа в момент повірки, визначене при нормальних температурних умовах.

Визначивши для конкретного ЗВ початкове значення його похибки - (0) можна знайти допустимий температурний діапазон експлуатації та період між черговими повірками. Вирази для визначення допустимого значення часового та температурного дрейфів можна представити наступним чином:

. (6)

. (7)

де /t, /T - часовий та температурний дрейф похибки ЗВ;

t, T - вагові коефіцієнти, відповідно часової та температурної складових похибок.

Значення вагових коефіцієнтів вибираються враховуючи вимогу:

. (8)

Як було показано в [5], прогнозування температурних та часових дрейфів похибки ЗВ найкраще здійснювати, відповідно лінійною та експоненційною моделями:

. (9)

. (10)

де v, vt - швидкість зміни температурного дрейфу та часового дрейфу за час експлуатації вимірювального пристрою.

Відомо [3,6], що на початку експлуатації ЗВ ймовірність метрологічної відмови дорівнює нулю, тому період безвідмовної роботи визначатиметься ймовірністю грубих відмов. Тому на початку експлуатації вимірювального пристрою, знаючи значення часового та температурного дрейфів конкретного типу ЗВ, умову зростання можливості його відмови можна сформулювати як зміна типового значення паразитного параметру на 50%:

, ()

В процесі експлуатації знаючи значення температурного та часового дрейфів - при попередній повірці та їх значення при здійсненій повірці можна прогнозувати момент наступного контролю параметру. Це можна здійснити наступним чином. Якщо виконується умова:

, ()

тобто не відбулося відчутної зміни часового дрейфу контрольованого параметру, то період до наступної операції контролю можна не змінювати порівняно з попередньою. Якщо виконується умова:

, ()

тобто відбулася відчутна зміна часового дрейфу контрольованого параметру, то час наступної операції контролю для часового дрейфу необхідно зменшити в в Ktраз, де . Якщо при наступному контролі швидкість часового дрейфу знову зросла необхідно приймати рішення про ремонт ЗВ.

Аналогічно для температурного дрейфу, якщо виконується умова:

, ()

то допустимий діапазон зміни температури ЗВ необхідно зменшити на значення коефіцієнту:

()

Подальший ріст в процесі експлуатації температурного дрейфу є підставою для ремонту ЗВ.

Здійснення прогнозування значень похибок промислових ЗВ дозволить різко зменшити ймовірність роботи несправного ЗВ в технологічному процесі, що в свою чергу дозволить зменшити брак продукції, що виготовляється в даному технологічному процесі.

Однак при практичному використанні запропонованої методики прогнозування похибок промислових ЗВ виникає ряд труднощів пов`язаних з затратами при визначенні необхідних параметрів моделей похибок. Ще одним недоліком такого підходу

Висновки.

1. Важливою умовою забезпечення прогнозування похибок ЗВ є по-перше, визначення статистичних моделей похибок конкретного типу ЗВ, по-друге, визначення числових значень показників моделей похибок для конкретного екземпляра ЗВ.

2.

1. Кюзенди О.А. Комплексные исследования и разработка приборов и схем для измерения температуры контактным методом с повышенной точностью и надежностью: Дис. канд. техн. наук: 05.11.04. - Львов, 1971. - 205 с.

2. Микийчук М.М. Шляхи вдосконалення метрологічного забезпечення вимірювання температури. Матеріали четвертої міжнародної науково-технічної конференції “Контроль і управління в технічних системах -КУТС - 97”, Вінниця, 21-23 жовтня 1997р. -Вінниця, 1997 - Том 2, с.104...107.

3. Конюхов А.Г. Автоматизация поверки: старые подходы и перспективные принципы // Измерительная техника.- 1987. - № 11. - С.14-15.

4. Микийчук М.М. Засоби повірки вторинних пристроїв контактної термометрії на основі активних імітаторів опору. Автореф. дисерт. канд. техн. наук – Львів, 1998р.

5. Екимов А.В., Ревяков М.И. Надёжность средств электроизмерительной техники. Л.: Энергоатомиздат, 1986.

6. Новицкий П.В., Зограф И.А., Лабунец В.С. Динамика погрешностей средств измерений. Л.: Энергоатомиздат, 1990.

Поиск по сайту: