Применение тестовых методов повышения точности измерений промышленных автоматических газоанализаторов сигнализаторов Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 681.518.3(04)

М.С. Орехов, А.Г. Шумихин

Пермский государственный технический университет

ПРИМЕНЕНИЕ ТЕСТОВЫХ МЕТОДОВ ПОВЫШЕНИЯ ТОЧНОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ ПРОМЫШЛЕННЫХ АВТОМАТИЧЕСКИХ ГАЗОАНАЛИЗАТОРОВ СИГНАЛИЗАТОРОВ

Рассмотрены тестовые методы повышения точности измерения. Исследована реальная градуировочная характеристика газоанализатора РЕХ 3000. Разработан тестовый алгоритм повышения точности измерения газоанализатора РЕХ 3000. Выполнен анализ и определена оценка погрешностей, возникающих при использовании тестовых методов.

Интенсификация технологических процессов, повышение требований к точности поддержания основных параметров при нормальном функционировании технологических аппаратов привели к усложнению соответствующих систем измерения и контроля. Введение большего числа измерительных каналов и включение в структуру систем измерения и контроля процессоров существенно преобразили системы аналитического контроля, превратив их в автоматизированные автоматические информационные системы.

Одним из требований, предъявляемых к информационным системам контроля, является повышение точности измерений. К настоящему времени разработано множество различных методов повышения точности измерений: метод с использованием образцовых мер, итерационные методы, в частности методика на основе тестовых методов повышения точности измерения. Эти методы повышения точности широко используются в промышленности, так как не требуют внесения существенных изменений в конструкцию измерительных приборов.

На химических и нефтехимических производствах в состав систем сигнализации и противоаварийной защиты входят системы мониторинга производственной среды на наличие вредных для человека примесей, а также мониторинга выбросов взрывоопасных соединений. Такие системы, основанные на современных программируемых логических контролерах, работают полностью автономно и в автоматическом режиме [1].

В основе автоматического контроля производственной среды лежит инструментальный химический анализ, поэтому его часто называют автоматическим аналитическим контролем [2]. В качестве средств измерения в системах автоматического контроля применяются газоанализаторы, кондуктометры, хроматографы, рН-метры и другие виды автоматических анализаторов.

Как и любое измерительное устройство, газоанализатор состоит из некоторого числа преобразователей, каждому из которых соответствует определенная зависимость, связывающая его выходную и входную величины. Обобщенная градуировочная характеристика средства измерения может быть представлена в виде [3]

7 ^..^ ап), (1)

где х - измеряемая величина; у - выходная величина; а а2,...,ап - параметры градуировочной характеристики.

При многократном экспериментальном определении функции (1) в общем случае получается ряд несовпадающих зависимостей. В связи с этим для описания измерительного устройства (ИУ) вводится понятие номинальной градуировочной характеристики, которая приписывается ему и указывается в паспорте и используется при проведении измерений посредством данного устройства.

При этом параметры а а ...,ап градуировочной характеристики

предполагаются постоянными и равными своим номинальным значениям.

Однако в реальных измерительных устройствах параметры

а,а2,...,а являются случайными функциями времени. Они изменяются под воздействием изменяющихся условий окружающей среды, параметров источников питания и т. д., а также из-за систематического и случайного дрейфа характеристик отдельных структурных элементов устройства.

При рассмотрении погрешностей средств измерения принято выделять систематическую и случайную составляющую погрешности измерения. На основании этого можно предложить два пути повышения точности результата измерений (РИ).

Первый заключается в повышении тем или иным способом стабильности параметров действительной градуировочной характеристики измерительного устройства во времени. Эти методы повышения точности результата измерения называют конструктивными.

Их отличительной чертой является отсутствие в составе средства измерения структурной избыточности, т.е. измерительное устройство состоит только из тех измерительных преобразователей, без которых процесс измерения вообще невозможен. В настоящее время функциональные возможности конструктивных методов в значительной степени исчерпаны.

Второй путь заключается во введении структурной, временной или структурно-временной избыточности, позволяющей осуществлять дополнительные преобразования измерительной информации, результаты которых в дальнейшем обрабатываются по специальному алгоритму, позволяющему повысить точность результата измерения. В литературе это так называемые структурные методы повышения точности результата измерения.

Отличительной особенностью структурных методов является возможность получения высокоточных результатов без улучшения метрологических характеристик исходных, типовых средств измерения. Поэтому можно использовать простые и надежные нестабильные измерительные устройства, а требуемую точность измерений получить с помощью ряда вспомогательных преобразований с дальнейшей обработкой их результатов при помощи вычислительного устройства по специальному алгоритму.

При современном уровне развития микроэлектроники и вычислительной техники выполнение вспомогательных преобразований и вычислительных операций оказывается во многих случаях более эффективным и экономичным, чем совершенствование конструкции или технологии производства измерительного устройства с целью получения тех же метрологических характеристик.

Среди методов повышения точности результата измерений широкое распространение получили методы с использованием образцовых мер, итерационные методы и тестовые методы.

В общем случае при тестовых методах повышения точности РИ процесс измерения состоит из (п + 1) тактов (п - число параметров градуировочной характеристики). В первом такте в основном преобразуется измеряемая величина х, а в п других, дополнительных - тесты А^х), А2(х),..., Ап(х), каждый из которых является некоторой функцией измеряемой величины х. Результаты основного у0 и дополнительных преобразований у1, у2, ..., уп, учитывая (1), могут быть представлены в виде:

у0 = а1 + а2 х +... + апхп 1; (2)

У1 = а1 + а2А1(х) + ..+ап [А1(х)]п-1; |

(3)

У0 = а1 + а2Ап(х) +... + ап [Ап(х)] 1

Очевидно, что для получения тестового алгоритма повышения точности измерения необходимо сначала определить реальные параметры а1, а2, ., ап математической модели исходного ИУ из системы уравнений (3), а затем найти значения измеряемой величины из уравнения (2) при подстановке в него текущих значений а1, а2, ., ап. Окончательное соотношение, показывающее связь входной величины с результатами у0, у1, ..., уп преобразований и величинами А1(х), А2(х),..., Ап(х) тестов, будет представлять собой алгоритм повышения точности измерений.

Из всех приведенных способов повышения точности измерений наиболее приемлемым для использования на производстве является тестовый метод. Он лишен таких недостатков, как измерение только электрических величин, как метод с использованием образцовых мер, не требует структурной избыточности, как итерационные методы, а с учетом применения информационных систем контроля на базе промышленных программируемых логических контроллеров приводит к тому, что можно использовать датчики общепромышленного назначения без их изменений. Применение тестовых методов в системах приведет к тому, что величина порога срабатывания сигнализации и блокировок может быть повышена. В настоящее время при использовании промышленных анализаторов, пороги срабатывания (уставок) системы сигнализации и блокировок существенно занижены, что ведет к дополнительным остановам промышленных производственных установок, при фактическом составе анализируемых сред, отвечающих требованиям безопасного ведения технологических процессов.

В работе в качестве объекта исследования был взят газоанализатор РЕХ 3000 компании Бг^ег. РЕХ 3000 - взрывозащищенная газоизмерительная головка, предназначенная для стационарного автоматического непрерывного измерения довзрывных концентраций или нижнего концентрационного распространения пламени (НКПР) горючих газов и паров во взрывоопасных зонах. Измерение веществ в диапазоне от 0 до 100 % и/или до 10 % НПВ (НКПР). Его работа основана на принципе измерения теплоты сгорания анализируемого вещества.

Для получения градуировочной характеристики датчика в виде (2) был разработан лабораторный стенд (рис. 1). Полученные экспериментальные значения характеристики приведены в табл. 1 и показаны на рис. 2.

Рис. 1. Схема лабораторной установки: 1 - баллон с ПГС метан - воздух с содержанием метана 1,05 об. %; 2 - баллон с ПГС метан - воздух с содержанием метана 2,5 об. %; 3 - баллон с ПГС с азотом (содержание азота 99,99 об. %); 4, 5, 6 - вентили точной регулировки подачи газа; 7, 8, 9 - лабораторные ротаметры; 10 - газоанализатор;

11 - лабораторный мультиметр

100 90 80 70 60 50 40 30 20 10

' і к

* ■' ж 'Ж

0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5

Концентрация, об.%

Рис. 2. К определению градуировочной характеристики газоанализатора

Таблица 1

Экспериментальные данные

Концентрация метана на входе газоанализатора, об. % Показания газоанализатора, % НКПР Концентрация метана на входе газоанализатора, об. % Показания газоанализатора, % НКПР

1,05 23,8499 2,5 58,1194

1,05 25,4627 2,5 56,5281

1,05 25,1502 2,5 56,2669

1,05 24,4433 2,5 56,5242

1,05 25,1356 2,5 57,4886

При обработке данных методами регрессионного анализа были получены результаты, приведенные в табл. 2.

Таблица 2

Значения коэффициентов полиномов

Аппроксимирующий полином Коэффициенты аппроксимирующего полинома Значение критерия близости

у( х) = а1 + а2 х а2 = 22,757; а1 = 0,335 6,7086

у( х) = а1 + а2 х + а3 х2 а3 =-0,574; а2 = 24,23; а1 = -2 • 10-15 4,1813

у ( х) = а1 + а2 х + а3 х2 + а4 х3 а4 = 2,0355; а3 =-7,8; а2 = 29,573; а1 =-1,4-10"15 4,1813

у( х) = а2 х а2 = 22,919 3,4313

Из табл. 2 следует, что наилучшим образом экспериментальные данные описывает полином у(х) = а2х , значение критерия близости

для которого наименьшее из всех выбранных видов аппроксимирующих полиномов.

Графики, иллюстрирующие адекватность экспериментальных данных различных видов аппроксимирующих полиномов, представлены на рис. 3.

Газоанализаторы относятся к классу приборов, для которых невозможен синтез мультипликативных тестов [3]. Полученная статическая характеристика газоанализатора в виде у(х) = а2х имеет коэффициент ах = 0, поэтому для реализации тестового алгоритма можно использовать только лишь аддитивные тесты. Такая модель имеет один коэффициент, поэтому можно провести только одно тестовое испытание, которому будет соответствовать следующая система уравнений:

|>1 = а2(Х0 +el), ІУс = а2

где Є1 - тест.

1,5 2,0 2,5

Концентрация, об.%

Рис. 3. Различные виды аппроксимирующих полиномов

Решение системы уравнений (4), являющееся тестовым алгоритмом повышения точности измерения для данного газоанализатора, имеет вид

Ус еі

Уі - Ус

(5)

Для оценки эффективности алгоритма повышения точности измерения проведен ряд экспериментов на той же экспериментальной установке, описанной выше. Результаты обработки экспериментальных данных: у0 = 26,87 % НКПР; 01 = 2,5 об.%; у1 = 43,34 %НКПР.

Значение х вычисленное по формуле (5), равно 1,12 об.%. Абсолютная погрешность газоанализатора с учетом того, что измерению у0 должна соответствовать величина х0 = 1,18 [4, 5], составляет:

А = |1,05-1,18| = 0,13 об.%, абсолютная погрешность тестового метода Д = |1,05-1,12 = 0,07 об.%.

с

Результаты проведенных исследований позволили увеличить точность оценки измерения нижнего концентрационного предела распространения пламени газоанализатором на 1,42 % НКПР по сравнению с реальной статической характеристикой, в сравнении с номинальной, указанной в паспорте на газоанализатор.

Список литературы

1. Азизов А.М. Информационные системы контроля параметров технологических процессов. Л.: Химия, 1983. 328 с.

2. Шумихин А. Г. Автоматизированное управление химико-технологическими процессами в условиях нестационарности: автореф. дис. ... д-ра техн. наук: 05.13.07 / Перм. гос. техн. ун-т. Пермь, 1998. 38 с.

3. Бромберг Э.М., Куликовский К. Л. Тестовые методы повышения точности измерений. М.: Энергия, 1978. 176 с.

4. ГОСТ Р 52136-2003. Газоанализаторы и сигнализаторы горючих газов и паров электрические. Общие требования и методы испытаний. Введ. 2004-07-01. М.: Изд-во стандартов, 2003. 38 с.

5. ГОСТ Р 52138-2003. Газоанализаторы и сигнализаторы горючих газов и паров электрические. Требования к приборам группы I с верхним пределом измерений объемной доли метана в воздухе до 100 %. Введ. 2004-07-01. М.: Изд-во стандартов, 2004. 6 с.

6. Новицкий П. В., Зограф И. А. Оценка погрешностей результа-татов измерений. Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1991. 304 с.

Получено 17.06.2009