Алгоритм оценки состояния термопреобразователя сопротивления с использованием тестовых воздействий Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 536.5+681.586.004.58

АЛГОРИТМ ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ ТЕРМОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕСТОВЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ

О.В. Стрелкова, А.Л. Шестаков

Рассматривается применение тестовых воздействий для оценки состояния термометра сопротивления. Предложенный алгоритм позволяет оценивать изменение характеристик термометра сопротивления (ТС) в режиме реального времени, существенно уменьшить погрешность измерений, обусловленную изменением метрологических характеристик СИ в процессе эксплуатации.

Ключевые слова: термопреобразователи сопротивления, тестовые воздействия, характеристики термометров.

Повышение стандартов безопасности технологических процессов, увеличение эффективности производства требует осуществление контроля изменения характеристик датчика в режиме реального времени. Непрерывная оценка состояния СИ дает возможность своевременно обнаружить неисправность, устранить ошибки в сигнале измерения, обеспечить ведение технологических процессов в оптимальных режимах.

Разработаны методы обнаружения неисправностей СИ: использование информационной избыточности [1], применение нейронной сети [2], анализ выходного сигнала датчика (его частотных и временных характеристик) [1]. Методы информационной избыточности и использования нейронной сети требуют совокупности выходных данных нескольких преобразователей (для нормального функционирования сети количество входных сигналов должно быть не менее 15 [2]). Использование метода информационной избыточности становиться затруднительным при отсутствии доступной и качественной модели технологического процесса. Недостатком анализа выходного сигнала является ограниченность количества полезных характеристик в сигнале измерения [1].

В данной работе предложен способ оценки состояния и уменьшения погрешности СИ. Алгоритм тестовых воздействий использует сигнал измерения от одного преобразователя в отличие от методов информационной избыточности и нейронной сети, анализирующих только совокупность сигналов.

1. Использование тестовых воздействий

Алгоритм определения изменения параметров термометра сопротивления (ТС) с использованием тестовых воздействий (алгоритм тестовых воздействий ТВ) получает информацию о состоянии чув-

Стрелкова Ольга Владимировна - аспирант кафедры информационно-измерительной техники; init@susu.ac.ru. Шестаков Александр Леонидович - д.т.н., профессор, ректор ЮУрГУ; admin@urc.ac.ru.

ствительного элемента посредством дополнительных воздействий. Контроль состояния ТС совмещен с процессом измерения: на ТС подают тестовое воздействие (тестовый ток). Алгоритм ТВ предусматривает два режима работы:

• рабочий - на терморезистор подается импульсный ток номинала /ь не вызывающий разогрева терморезистора измерительным током, снимается напряжение С/ь

• тестового воздействия - на терморезистор подается импульсный ток номинала /2, вызывающий увеличение температуры ТС А© за счет разогрева измерительным током на величину, превышающую допуск температуры более чем в 2 раза, снимается напряжение С/2.

Алгоритм тестовых воздействий должен использоваться на двух этапах:

• характеризации ТС;

• оценки отклонения метрологических характеристик ТС.

Зависимость электрического сопротивления меди от температуры в первом приближении считаем линейной для диапазона температур -50 < Г < 200 °С :

^=До(1 + а Г), (1)

где Я,, Яо - сопротивления при температуре / и 0 °С соответственно, Ом; а - температурный коэффициент сопротивления (для меди а = 4,26-10~31С1).

В соответствии с предложенным алгоритмом в режиме тестового воздействия измерительный ток вызывает перегрев ТС на величину А©.

Под собственным перегревом ТС А© [4] понимают увеличение температуры ТС по сравнению с измеряемой температурой за счет выделения тепла при прохождении через него измерительного тока. Перегрев зависит от величины измерительного тока, от условий теплоотвода в окружающую среду: от материала, размеров ТС, от состояния и термических свойств среды.

В работах В.И. Лаха [5] показано, что перегрев термометра сопротивления определяется в

основном диаметром проволоки чувствительного элемента и величиной измерительного тока:

А© = 12/са3, (2)

где Д© - увеличение температуры терморезистора за счет разогрева измерительным током, °С; с -коэффициент пропорциональности.

2. Этап характеризации ТС

Согласно [3] нормированными характеристиками для термометра сопротивления являются сопротивление Ло при 0° С, отношение ^100, определяемое согласно выражению:

^100 = -^100/^0 = 1 + а^100 > (3)

где /?юо - сопротивление ТС при температуре

100 °С; а - ТКС материала чувствительного эле-

мента, К'1; Гию - температура 100°С.

При характеризации определяют истинные значения параметров для конкретного ТС - значение сопротивления Яо и отношение Д100/Д0. После установки датчика в измерительную схему вычисляют коэффициент пропорциональности с между током, протекающим через ТС, и параметрами самого ТС (например, диаметром медной проволоки) и параметрами технологического процесса. Для определения константы используют алгоритм ТВ. При этом ТС работает в двух режимах: рабочем и тестового воздействия.

Сопротивление ТС в режиме тестового воздействия описывается выражением:

Л, =Ло(1 + а(Г + Л©)), (4)

где Л,, Л0 - сопротивления при температуре ї и 0 °С соответственно, Ом; а - температурный коэффициент сопротивления, К-1; Т - измеряемая температура, °С; Д© - увеличение температуры ТС за счет разогрева измерительным током, °С.

Система уравнений напряжений и токов в цепи для двух режимов:

4= Щй [и2=12Я,2,

где /ь /2 - тестовые токи, А; иии2 - напряжения на ТС, В; ЯцДл - сопротивления в рабочем и тестовом режимах соответственно, Ом.

Подставив (1) и (4) в (5), решим систему (4) относительно величины перегрева ©:

дв^ад-ВДУ^а- (6)

Подставив (2) в (5), получим выражение для константы с, значение которой используется при учете перегрева ТС на этапе оценки технологического параметра:

с =

Я^а

сі3 (£/2//2-ВД)'

(7)

3. Этап оценки отклонения параметров ТС в процессе эксплуатации

В процессе эксплуатации ТС происходит их старение - необратимые изменения параметров

(9)

(10)

датчика, вызываемые электрической нагрузкой, повышенной температурой и влажностью окружающей среды.

Выражение для медного ТС с учетом изменения сопротивления Яо на величину йг и ТКС а на величину Ла:

Я, =(Яо + с!г)(1 + (а - с1а)Т), (8)

где с!г - отклонен ие сопротивления Яо от номинального значения, Ом; с1а - отклонение ТКС от номинального значения, К-1.

Система (5) с учетом отклонения параметров сопротивления Яо и ТКС от номинальных значений: [С/1=/1(^+^)(1 + (сс-Лх)7');

[и2 =12(Я0 + с1г )(1 + (а - с1а)(Т + А®)).

С учетом обозначений

А = (Я0 + с/г);

В = (Яо + с1г\а - с1а), имеем:

\Щ =Ш + ВТ);

[и2 =12(А + В(Т + А©)),

Из (9) получим:

Л = ^,а(1 + £/г//^-^а/а). (11)

Суммарное отклонение параметров Яо и ТКС а из (11):

(12)

а Я^а

Выражение для В через напряжение на ТС и ток в цепи из (10):

В = (и2/12-и1/11)/Ав. (13)

Подставив (13) в (11), выразим суммарное относительное отклонение параметров ТС:

& ¿а _ (^/^-Ц/А) 1

Яо а Я^аА®

По суммарному отклонению параметров делают вывод о пригодности ТС к эксплуатации. Предельные значения с1гтгх и ¿0^^ задаются для каждого технологического процесса индивидуально на основании результатов поверок датчиков того же типа и класса точности.

4. Уменьшение погрешности термометра сопротивления

Для определения погрешности измерения температуры в результате старения ТС выразим истинную температуру ТИСТ из системы (10) через А и В:

Гист = (Л, - А)/В = (Я1-Я0)/В-¿г/В, (14)

где (¡г - отклонение сопротивления Яо от номинального значения, Ом; В - коэффициент, зависящий ОТ изменения с1г И (1о..

Измеренную температуру находят на основании зависимости (1). При эксплуатации ТС в период, попадающий в межповерочный интервал, при определении температуры среды текущее от-

О.В. Стрелкова, А.Л. Шестаков

клонение нормированных характеристик не учитывается, то есть:

сіг = 0, = 0. (15)

Подставив (15) в выражение (14), определим измеренную температуру:

Гизм^-^УМо)- (16)

Выражение погрешности измерения температуры в рабочем режиме:

СІГ

$Ткор. ¿)Тиэы.%

Л7юм =ТИ„-Тти =

cx.Ro

- +

d a dr

а Rq

(17)

Погрешность измерения температуры зависит от величины отклонения параметров ТС от номинальных значений и увеличивается с ростом температуры окружающей среды.

Предложенный алгоритм дает возможность определить суммарное изменение параметров Я0 и ТКС и рассчитать скорректированную оценку температуры среды - Гкор:

ткор =(Л-ДЬ)/я, О»)

Погрешность скорректированного значения Т^:

ATкop = dr/p0 = dr/(aR0). (19)

В скорректированном значении температуры компенсируется погрешность суммарного изменения параметров, но остается погрешность от изменении й(г.

5. Обработка экспериментальных данных

Используя экспериментальные данные об отклонении метрологических характеристик медного ТС в результате старения [5], определим эффективность предложенного алгоритма.

В НПО «Термоприбор» проведены комплексные исследования с целью получения числовых данных изменений метрологических параметров термопар и термометров сопротивлений в нормальных условиях. Нормальные условия эксплуатации - неагрессивная среда, отсутствие вибраций, ударов, радиоактивных излучений, теплопритоков и теплооттоков по защитной арматуре.

При определении отклонении Яо и »г1оо = Люо/ЛЬ исследовано около 1000 датчиков температуры на протяжении 10 000 ч согласно инструкциям Госкомитета стандартов СССР № 163-62 и № 157-62 (см. таблицу). Используя экспериментальные данные в таблице, оценим эффективность алгоритма тестовых воздействий. Анализ графиков на рис. 1, 2 показал, что эффективность алгоритма увеличивается с ростом температуры и длительности эксплуатации ТС.

Выводы

1. Алгоритм ТВ позволяет выполнить оценку параметров термометра сопротивления без демонтажа датчика с объекта измерения. Это является важным преимуществом для производства, где замена датчика затруднена и повторное использование не рекомендуется.

Рис. 1. Зависимость погрешностей измеренного, скорректированного значения температуры бГщм, 8ТК„р от измеряемой температуры

¿»Ткор. ¿Тиш.Го

Рис. 2. Зависимость погрешностей измеренного

и скорректированного значения температуры 5ГИЗМ, 8ТК0р от времени эксплуатации ТС

2. Результаты обработки экспериментальных данных подтверждают эффективность алгоритма. Предложенный способ позволяет уменьшить погрешность измерения температуры более чем в два раза.

3. Алгоритм ТВ не требует совокупности выходных данных нескольких преобразователей, анализирует единственный сигнал измерения. Данное исследование снижает затраты на стоимость и эксплуатацию оборудования, что значительно увеличивает экономическую привлекательность разработки.

Литература

1. Henry, М. P. The self-validating sensor: rationale, definitions and examples / M. P. Henry, D. W Clarke. - Oxford: Department of Engineering Science, 2001.

2. Xu, X. On-Line sensor calibration monitoring and fault detection for chemical processes / X. Xu, J. W. Hines, R. E. Uhrig // Maintenance and Reliability Center. - 2000.

Отклонения Я0 и А/?,00/Я^ для медных ТС от их начальных значений в зависимости от температуры за время эксплуатации

Т, °С Время, ч

1000 4000 6000 8000 10000

5Яо, % 5Д0, % До 5Яо, % *0 8i?o, % *0 5Л<>, % A^ioo *0

0 0,10 0,0007 0,40 0,0013 0,55 0,0015 0,65 0,0017 0,70 0,0020

50 0,15 0,001 0,45 0,0017 0,60 0,0020 0,70 0,0022 0,75 0,0025

100 0,20 0,0013 0,50 0,0021 0,65 0,0024 0,75 0,0027 0,80 0,0030

125 0,25 0,0017 0,60 0,0025 0,70 0,0029 0,80 0,0032 0,90 0,0035

150 0,35 0,0021 0,70 0,0030 0,80 0,0034 0,90 0,0037 1,00 0,0040

3. ГОСТ 6651-94. Термопреобразователи сопротивления. Общие технические требования и методы испытаний. -М.: Изд-во стандартов, 1994.

4.Геращенко, O.A. Температурные измерения: справочник / О. А. Геращенко. - Киев: Науко-ва думка, 1984. — 494 с.

5.Лах, В. И. Повышение точности и расширение пределов измерения термометров сопротивления / В. И. Лах // Приборы и системы управления. -1971. -№ 9. - С. 23-31.

Поступила в редакцию 15 мая 2008 г.