Фарзане Н.Г., Илясов Л.В. Технологические измерения и приборы

Подождите немного. Документ загружается.

§ 2.8. Надежность средств измерений

Использование для технологических измерений все более сложны!

измерительных приборов, преобразователей и систем определяет

необходимость количественной оценки надежности их функционирования.

В общем случае надежность — свойство изделия (в том числе средства

измерений) выполнять заданные функции, сохраняя эксплуатационные

показатели в заданных пределах в течение требуемого промежутка времени или

требуемой наработки. Применительно к средствам измерения такими

показателями являются нормируемые метрологические характеристики.

Под наработкой (наработкой на отказ) для средств измерений

понимают продолжительность безотказной работы.

Количественными оценками надежности обычно служит вероятность

безотказной работы средства измерений и интенсивность потока отказов для

времени, в течение которого обеспечивается заданная вероятность безотказной

работы.

Вероятностью безотказной работы называют вероятность того, что в

определенных условиях в пределах заданной продолжительности работы

отказов не возникает.

Вероятность безотказной работы Р(τ) средств измерений является

экспоненциальной функцией времени т работы:

[

]

∫

−= ττλτ dP )(exp)(

(2.46)

Здесь λ(τ) — интенсивность (параметр) потока отказов, определяемая

отношением частоты отказов к вероятности безотказной работы.

В начальный период работы обычно происходит приработка средств

измерений, при этом выявляются скрытые дефекты, определяющие большую

интенсивность отказов λ(τ). В интервале времени, определяющем период

нормальной работы средства измерений, интенсивность отказов практически

постоянна. Начиная с некоторого момента времени, интенсивность отказов

постепенно возрастает, что определяется выработкой средством измерений

установленного ресурса. Для периода нормальной работы средства измерений

из (2.46) при постоянном значении λ(τ) для вероятности безотказной работы

можно получить

ττλ

)(

−

= eP

(2.47)

здесь Р(т), как и К (т),— величина постоянная.

Учитывая, что период приработки мал, можно определить время

безотказной работой Т

измерительного устройства:

)(

τλ

τ =P

(2.48)

Эту величину называют также временем наработки на отказ.

Приведенные сведения справедливы как для элементов, входящих в

состав измерительных приборов или преобразователей, так и для

измерительных систем, представляющих собой совокупность последних.

Если принять, что измерительная система содержит п измерительных

устройств, вероятности отказов которых равны P

(τ), …, P

(τ), и

считать, что отказ любого из измерительных устройств приводит к отказу

измерительной системы, то для вероятности отказа P

(τ) этой системы запишем

∏

iс

)()( ττ

(2.49)

[ ]

)(exp)(exp)(

ττλτλττ

iс

P −=













−=

∑

(2.50)

где P

(τ)—вероятность отказа i-го измерительного устройства; λ

(τ), —

интенсивность потока отказов i-го измерительного устройства;

∑

iс

)()( τλτλ

—

интенсивность потока отказов измерительной системы.

Среднее время безотказной работы измерительной системы будет

)(

τλ

рс

T =

(2.51)

Для увеличения надежности средств измерений применяются блочно-

модульный принцип построения, используют облегченный режим работы

отдельных элементов и узлов, применяют резервирование элементов и целых

измерительных устройств.

§ 2.9. Сведения о средствах измерений государственной системы

промышленных приборов и средств автоматизации

В конце 50-х годов в нашей стране с целью технически и экономически

целесообразного решения проблемы обеспечения технологических процессов

различных отраслей промышленности средствами контроля и автоматического

регулирования были начаты разработки методов упорядочения и унификации

средств автоматизации, которые положили начало созданию Государственной

системы промышленных приборов и средств автоматизации (ГСП).

В настоящее время ГСП достаточно полно разработана и продолжает

развиваться и совершенствоваться [12]. Успехи в создании в масштабах целого

государства системы промышленных средств

измерений определили тот факт, что сейчас ГСП ориентируется на обеспечение

потребностей не только промышленности, но и науки, медицины, сельского

хозяйства и др. По существу ГСП охватывает всю номенклатуру

отечественного приборостроения. Создание ГСП явилось крупным событием в

практике мирового приборостроения. В основу построения ГСП положены

следующие принципы: выделение устройства по функциональным признакам,

минимизация номенклатуры изделий, блочно-модульное построение

технических средств, агрегатное построение систем управления, совместимость

приборов и устройств.

По функциональному признаку все изделия ГСП делятся на четыре

группы: устройства получения информации о состоянии процесса; устройства

приема, преобразования и передачи информации по каналам связи; устройства

преобразования, хранения, обработки информации и формирования команд

управления; устройства использования командной информации для

воздействия на объект управления.

Средства измерений входят в число устройств первой и второй из

перечисленных групп и представляют собой первичные, промежуточные,

масштабирующие (нормирующие) измерительные преобразователи,

измерительные приборы и системы.

В зависимости от рода используемой энергии средства измерений и

вспомогательные устройства ГСП подразделяют на четыре самостоятельные

ветви: электрическую, пневматическую, гидравлическую

Таблица 2.3

Основные виды унифицированных аналоговых сигналов ГСП

Вид сигнала

Физическая величина

Параметры сигнала

Электрический

Постоянный ток

0÷5; 0÷20; -5÷0÷5; 4÷20 мА

Постоянное напряжение

0÷10; 0÷20; -10÷0÷10 мВ

10; 0

1 В

Переменное напряжение

0÷2; -1÷0÷1 В

Частота

8; 2

4 кГц

Пневматический Давление

0.2÷1 кгс/см

; (0.02÷0.1 МПа)

Гидравлический »

0.1÷6.4 МПа

и не использующую вспомогательной энергии. Все средства измерений и

устройства электрической, пневматической и гидравлической ветвей имеют

унифицированные входные и выходные сигналы, перечень которых приведен в

табл. 2.3. Связь электрических, пневматических и гидравлических устройств

осуществляется с помощью соответствующих преобразователей сигналов.

Этим обеспечивается создание комбинированных средств ГСП. Средства ГСП

строятся из блоков и модулей (см. приложение 1).

Блочно-модульный принцип построения средств ГСП обеспечивает

возможность создания различных функционально сложных устройств из

ограниченного числа более простых унифицированных блоков и модулей путем

их наращивания и стыковки. Это позволяет создавать новые средства

измерений и автоматизации из уже существующего набора узлов и блоков, что

дает существенный экономический эффект.

Измерительные устройства и системы составляют самую много-

численную группу изделий ГСП, составляющую более половины

номенклатуры промышленных изделий ГСП. Они обеспечивают получение

измерительной информации о физических величинах (параметрах),

характеризующих технологические процессы, свойства и качество продукции.

Классификация измерительных устройств ГСП, учитывающая вид

входных и выходных сигналов, приведена на рис. 2. 11. Под «естественным»

выходным сигналом в приведенной классификации понимают выходную

физическую величину первичного измерительного преобразователя,

полученную однократным простым («естественным») преобразованием

измеряемой физической величины и не соответствующую по параметрам

унифицированным сигналам. При этом под простым преобразованием

понимают только преобразование, обеспечиваемое используемым для

измерения физическим явлением. Несмотря на большое разнообразие величин,

виды естественных выходных сигналов ГСП удается ограничить десятью, при-

веденными на рис. 2. 11.

Для преобразования естественного выходного сигнала в унифи-

цированный в ГСП используются нормирующие преобразователи (см. рис.

2.11). В ГСП, несмотря на значительное разнообразие измеряемых величин и

используемых для этого принципов измерений, применяются четыре

структурные схемы измерительных устройств, а именно: схема однократного

прямого преобразования, схема уравновешивающего преобразования (часто

называется компенсационной), схема последовательного прямого

преобразования, схема дифференциального прямого преобразования.

Подробно применение упомянутых схем будет освещено далее при

рассмотрении работы конкретных измерительных устройств

Нормирование метрологических характеристик средств измерений ГСП

оуществляется по группам, выделенным в зависимости от Функционального

назначения [12].

Средства измерений ГСП, служащие для технологических измерений, в

основном являются аналоговыми и имеют малую случайную составляющую

погрешности. Поэтому их метрологические характеристики нормируются

комплексами [12], включающими обычно: номинальную функцию

преобразования, предел допускаемой основной погрешности, предел

допускаемой вариации, динамическую характеристику, номинальное значение

входного импеданса, номинальное значение выходного импеданса (для

измерительных преобразователей), предел допускаемой дополнительной

погрешности (для некоторых измерительных приборов).

В ГСП предусмотрено несколько видов конструктивного исполнения [12]

средств измерений: нормальное (обычное), пыле-, брызго- и

взрывозащищенное.

ГЛАВА 3

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ, ИХ РЕЗУЛЬТАТЫ И

ПОГРЕШНОСТИ

§ 3.1. Технологические измерения с однократными и многократными

наблюдениями

Основной задачей технологических измерений является формирование

потока измерительной информации, необходимой для непосредственного и

непрерывного контроля и управления технологическими процессами. В то же

время необходимо отметить, что круг применения технологических измерений

существенно расширяется. Так, с внедрением в технологические процессы

вычислительных машин и других средств вычислительной техники стало

возможным с использованием средств технологических измерений выполнение

косвенных и совокупных измерений, позволяющих получить измерительную

информацию о комплексных показателях и составе потоков, определить

технико-экономические показатели процессов и т. д.

Наиболее важным и нетрадиционным является применение тех-

нологических измерений для создания моделей технологических процессов,

необходимых для их последующей оптимизации.

Невозможно успешное решение задач, связанных с перечисленными

применениями технологических измерений, без предварительного изучения

метрологических аспектов постановки, проведения и обработки результатов

измерительного эксперимента (см. приложение 1).

Применительно к химико-технологическим процессам измерительный

эксперимент выполняется с использованием всего арсенала средств измерений,

рассмотренных в гл. 4—14, и достижений современной теории эксперимента.

При этом используются измерения с однократными и многократными

наблюдениями.

Общий подход к применению этих измерений состоит в следующем:

если систематические погрешности являются определяющими, т. е. их

значения существенно больше значений случайных погрешностей, то

целесообразно для определения значения измеряемой величины использовать

измерение с однократным наблюдением;

если случайная погрешность является определяющей, то необходимо

использовать измерение с многократными наблюдениями.

При этом для обоснованного применения измерений с однократным

наблюдением необходимо располагать дополнительной информацией о том,

что значение случайной погрешности меньше, чек систематической (см. ниже),

а для получения корректных результатов при использовании измерений с

многократными наблюдениями необходимо иметь дополнительную

информацию, обеспечивающую возможность исключения систематической

погрешности.

Технологические измерения с однократными наблюдениями при-

меняются для автоматического контроля всех важных параметров химико-

технологических процессов, а именно: температуры, давления, уровня, расхода

и качества. На основе измерений с однократными наблюдениями строятся

автоматические системы регулирования названных технологических

параметров и автоматизированные системы управления технологическими

процессами. Необходимость применения измерений с однократными

наблюдениями для решения указанных задач связана с тем, что современные

технологические процессы характеризуются большими скоростями протекания,

сложными взаимосвязями и многообразием возмущающих воздействий,

поэтому технологические параметры этих процессов, как правило, без принятия

соответствующих мер достаточно быстро изменяются. Это затрудняет и

обычно делает невозможным применение измерений с многократными

наблюдениями.

С использованием технологических измерений с однократными

наблюдениями решаются в настоящее время задачи косвенных измерений,

используемых для управления и учета комплексных показателей

технологических процессов, таких, как коэффициенты полезного действия

нагревательных аппаратов, насосов и компрессоров, кратность циркуляции

потоков, степень конверсии, расход газовых потоков с изменяющимися

параметрами (см. гл 7, 14) и др. При этом осуществляются измерения с

однократными наблюдениями ряда параметров (аргументов) и вычисления,

выполняемые с помощью средств современной вычислительной техники.

Технологические измерения с однократными наблюдениями в сочетании

со средствами вычислительной техники являются основой всех

многопараметрических методов контроля состава вещества (см. гл. 12).

Область применения технологических измерений с многократными

наблюдениями ограничена на технологических процессах контролем сырья,

реагентов и готовой продукции, а также созданием математических моделей

технологических процессов.

Возможность использования измерений с многократными наблюдениями

для контроля сырья, реагентов и готовой продукции основывается на

постоянстве измеряемых параметров этих сред на некотором отрезке времени,

достаточном для выполнения нескольких наблюдений. Постоянство параметров

указанных сред определяется тем, что они обычно хранятся в резервуарах или

мерниках, что делает возможным проведение прямых, косвенных или сово-

купных (в зависимости от контролируемых параметров сред) измерений с

многократными наблюдениями.

Создание математических моделей химико-технологических процессов

является важнейшим этапом разработки автоматизированных систем

управления последними. Для создания указанных iмоделей используются

аналитические и экспериментальные методы. Последние применяются в

подавляющем большинстве случаев.

Обычно математические модели экспериментальными методами

определяются уравнением

∑∑∑∑

−=

++=

iii

kiik

XaXXaXaaY

1 11

(3.1)

где Y — выходной параметр технологического процесса (функция); X

, X

—

параметры, характеризующие технологический процесс, сырье и получаемые

продукты (аргументы); а

, a

, а

— постоянные коэффициенты, подлежащие

определению.

Коэффициенты уравнения (3.1) определяются из решения системы

уравнений, аналогичных по структуре уравнению (3.1) и составленных на

основе прямых технологических измерений с многократными наблюдениями

функции и аргументов.

Так как определяемые коэффициенты являются не одноименными

величинами, а целью определения являются указанные функциональные

зависимости, то создание экспериментальными методами математических

моделей технологических процессов — типичный случай совместных

измерений (см. § 1.2).

Проведение измерительного эксперимента должно быть основано на

применении известной (типовой) или специально разработан-; ной для него

метрологами-профессионалами (частной) методики проведения измерений.

Методика выполнения измерений (методика измерений)—это

совокупность метода, средств, процедур, и условий подготовки и проведения

измерений (компоненты измерений), а также правил обработки результатов

измерений. По существу методика выполнения измерений представляет собой

технологию этого измерений

Методики выполнения измерений регламентируются: государств

венными, отраслевыми стандартами и стандартами предприятий; аттестатами

методик выполнения измерений; соответствующими разделами стандартов

технологических процессов, методов испытания и контроля продукции,

методов и средств поверки средств измерений.

Аттестацию методик выполнения измерений осуществляют организации

государственной и ведомственной метрологических служб.

Использование стандартизованных или аттестованных методик

выполнения измерений позволяет официально признавать правильность

полученных результатов измерений.

Применительно к технологическим измерениям, выполняемым на

химико-технологических процессах, разработка и применение

методики выполнения измерений должны осуществляться во всех случаях,

когда указанные измерения используются для контроля количества и качества

выпускаемой продукции, а также при проведении исследований, направленных

на создание математических моделей технологических процессов. При

получении измерительной информации о технологических параметрах

объектов с помощью систем автоматического контроля в разработке методики

выполнения измерений нет необходимости, так как использование автома-

тического контроля параметров уже по существу предусматривает применение

соответствующей методики выполнения измерения.

§ 3.2. Представление результатов измерений

Практикой обработки результатов измерительных экспериментов

выработаны правила округления результатов, которые по соглашению

признаются и применяются при выполнении любых измерений. Погрешность

результата измерения физической величины должна давать представление о

том, какие цифры в его числовом значении являются сомнительными. Поэтому

числовое значение результата измерения должно быть представлено так, чтобы

оно оканчивалось десятичным знаком того же разряда, что и значение его

погрешности. Большее число разрядов не имеет смысла, так как не уменьшает

неопределенность результата, а меньшее, которое может быть получено путем

округления, увеличивает неопределенность. Поэтому погрешность результата

измерения нецелесообразно выражать большим числом цифр. Достаточно

ограничиться одной значащей цифрой или двумя, если вторая — цифра 5. Две

значащие цифры используются только при определении погрешности

ответственных точных измерений.

Для округления и записи результатов измерений используются

следующие правила.

1. Результат измерения определяется так, чтобы он оканчивался цифрой

того же разряда, что и значение его погрешности, при этом нули в десятичной

дроби числового значения результата отбрасываются только до того разряда,

который соответствует разряду числового значения погрешности.

2. Если цифра старшего из отбрасываемых разрядов меньше 5, то

остающиеся цифры числа не изменяются. При этом лишние цифры в целых

числах заменяются нулями, а в десятичных дробях отбрасываются.

3. Если цифра старшего из отбрасываемых разрядов больше или равна 5,

а за ней следуют отличные от нуля цифры, то последняя оставляемая цифра

увеличивается на единицу.

4. Если отбрасываемая цифра равна 5, а следующие за ней цифры

неизвестны или нули, то последнюю сохраняемую цифру числа не изменяют,

если она четная, и увеличивают на единицу, если она нечетная.