Разработка методов оценки и повышения метрологической надежности средств неразрушающего контроля теплофизических свойств объектов с учетом условий эксплуатации

Размещено на http://www.Allbest.ru/

Размещено на http://www.Allbest.ru/

Специальность 05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тема:

Разработка методов оценки и повышения метрологической надежности средств неразрушающего контроля теплофизических свойств объектов с учетом условий эксплуатации

Нистратов Михаил Игоревич

Тамбов - 2011

Работа выполнена на кафедре «Конструирование радиоэлектронных и микропроцессорных систем» Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Тамбовский государственный технический университет» (ГОУ ВПО ТГТУ).

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Чернышова Татьяна Ивановна

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Глинкин Евгений Иванович

кандидат технических наук Бабаков Дмитрий Александрович

Ведущая организация:

АО «Тамбовский научно-исследовательский институт радиотехники «Эфир», г. Тамбов

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенных гербовой печатью, просим направлять по адресу: 392000, г. Тамбов, ул. Советская, 106, ТГТУ, учёному секретарю совета Д 212.260.01 А.А. Чурикову

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО ТГТУ.

Автореферат диссертации размещен на официальном сайте ГОУ ВПО ТГТУ

Учёный секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор А.А. Чуриков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время среди различных групп измерительных средств (ИС) широкое применение получили средства неразрушающего контроля (СНК) теплофизических свойств (ТФС) материалов и изделий, характеризующиеся разнообразием выполняемых функций и позволяющие реализовывать достаточно сложные алгоритмы измерения. алгоритмическая, структурная и конструктивная сложность средств, реализующих методы неразрушающего контроля ТФС объектов, ставит актуальным вопрос обеспечения необходимого уровня их метрологической надежности (МН). Для СНК ТФС объектов наиболее значимым показателем МН является метрологический ресурс, определяемый временем пересечения реализаций нестационарного случайного процесса изменения во времени метрологической характеристики (МХ) границ поля допуска.

Как показывают исследования, наиболее ответственными для СНК ТФС объектов в метрологическом отношении являются аналоговые блоки, входящие в состав измерительных каналов и выполняющие различные функции преобразования измеряемой величины. Преобладание для таких блоков постепенных метрологических отказов выдвигают на первый план задачу оценки метрологического ресурса каждого из аналоговых блоков, входящих в измерительный канал СНК ТФС объектов, что позволяет оценить величину рассматриваемого показателя МН как всего измерительного канала, так и СНК ТФС объектов в целом.

На этапе эксплуатации СНК ТФС объектов подвергаются воздействию внешних факторов. В большинстве случаев такими внешними воздействиями являются температура окружающей среды и содержащаяся в ней влага. Как известно, при повышении температуры и влажности окружающей среды ускоряются необратимые процессы, протекающие в элементной базе ИС и вызывающие изменение их параметров, что, в свою очередь, вызывает ускоренное изменение МХ СНК ТФС материалов и изделий во времени и сокращает время метрологически исправной работы исследуемых ИС. Поэтому исследование причин изменения во времени МХ ИС и разработка методов оценки и повышения МН СНК ТФС объектов с учетом влияния параметров окружающей среды является актуальной задачей, решение которой позволит потребителю более точно определить МН в любой момент времени их эксплуатации в реальных условиях, принять меры по предупреждению отказов, и в целом, повысить уровень МН проектируемых СНК ТФС материалов и изделий.

Целью диссертационной работы является повышение МН СНК ТФС объектов на этапе проектирования и снижение затрат при их эксплуатации на основе разработки методов оценки и повышения МН СНК ТФС объектов с учетом температуры и влажности окружающей среды.

Для достижения поставленной цели необходимо поставить и решить следующие задачи:

· Провести теоретическое исследование совместного влияния температуры и влажности окружающей среды на процессы изменения во времени параметров элементной базы и построить математическую модель, определяющую зависимости параметров элементной базы, от времени, а также от названных дестабилизирующих воздействий.

· разработать метод оценки МН СНК ТФС объектов с учетом совместного влияния температуры и влажности окружающей среды.

· разработать метод повышения МН СНК ТФС объектов с учетом совместного влияния выделенных дестабилизирующих факторов.

Объект исследования: МН СНК ТФС материалов и изделий.

Предмет исследования: процессы изменения МХ СНК ТФС объектов, обусловленные воздействием температуры и влажности окружающей среды.

Методы исследования базируются на использовании математического моделирования, метрологии, математической статистики и компьютерном моделировании.

Научная новизна. В диссертации получены следующие основные результаты, характеризующиеся научной новизной:

1. Предложена математическая модель изменения во времени параметров элементной базы СНК ТФС объектов, построенная на основе закономерностей протекания в комплектующих элементах физико-химических процессов, и учитывающая совместное воздействие температуры и влажности окружающей среды на процессы старения элементной базы СНК ТФС объектов.

2. Разработан метод оценки метрологического ресурса при проектировании СНК ТФС объектов, учитывающий совместное воздействие температуры и влажности окружающей среды на метрологические свойства исследуемых ИС на основе трехфакторной регрессионной модели изменения во времени МХ и позволяющий прогнозировать показатели МН СНК ТФС объектов в различных условиях предстоящей эксплуатации.

3. Предложен метод повышения метрологического ресурса СНК ТФС объектов, учитывающий увеличение скорости изменения МХ исследуемых ИС при совместном влиянии на параметры элементной базы температуры и влажности окружающей среды и реализуемый как посредством замены отдельных компонентов, наиболее влияющих на метрологические свойства исследуемых ИС, так и введением поправки в результат измерения для компенсации изменения во времени параметров элементов измерительного канала СНК ТФС объектов, и позволяющий увеличить метрологический ресурс как при проектировании, так и при эксплуатации исследуемых ИС.

4. Разработана обобщенная методика оценки и повышения МН СНК ТФС материалов и изделий, в которой впервые предложен единый алгоритм прогнозирования метрологического ресурса исследуемых ИС при их проектировании и повышения выбранного показателя МН при эксплуатации СНК ТФС объектов в условиях изменяющихся температуры и влажности окружающей среды.

Основные положения выносимые на защиту:

1. Математическая модель изменения во времени параметров комплектующих элементов, входящих в состав СНК ТФС объектов;

2. Метод оценки метрологического ресурса СНК ТФС объектов при совместном влиянии температуры и влажности окружающей среды;

3. Метод повышения метрологического ресурса СНК ТФС материалов и изделий с учетом совместного влияния выделенных климатических факторов;

4. Обобщенная методика оценки и повышения метрологического ресурса СНК ТФС объектов различных условиях эксплуатации.

Практическая значимость и результаты внедрения.

1. Разработанные методы оценки и повышения метрологического ресурса при проектировании СНК ТФС объектов позволяют учитывать влияние на МН исследуемых ИС при предстоящей эксплуатации температуры и относительной влажности окружающей среды в диапазоне соответственно 20-120 и 50-93%.

2. Создано программное обеспечение, реализующее методы оценки и повышения МН СНК ТФС объектов с учетом условий эксплуатации.

3. Использование разработанных алгоритмов и программ, реализующих методы оценки и повышения МН исследуемых ИС, позволяет повысить метрологический ресурс не менее, чем на 10% как в лабораторных, так и в жестких условиях эксплуатации.

4. Результаты диссертационной работы приняты к использованию в ОАО «Завод подшипников скольжения», г. Тамбов, ФГУП «Опытный завод «Тамбоваппарат», г. Тамбов и в учебном процессе ТГТУ.

5. Результаты работы могут быть использованы в качестве инженерных методик оценки и повышения МН широкого класса электронных ИС.

Апробация работы. Основные научные и практические результаты исследований по теме диссертаций докладывались на XIX Международной научной конференции «ММТТ-19» (Воронеж, 2006 г.), III Международной научно-практической конференции «Эффективные инструменты современных наук» (Днепропетровск, 2007 г.), XII и XIV Научных конференциях ТГТУ (Тамбов, 2007, 2009 гг.), 4-й Международной научно-практической конференции «Наука на рубеже тысячелетий» (Тамбов, 2007 г.), IV Международной научно-практической конференции «Бъдещето проблемите на световната наука» (София, 2008 г.), II-й международной научно-практической конференции «Торсионные поля и информационные взаимодействия» (Тамбов, 2010 г.), Седьмой Международной теплофизической школе «Теплофизические исследования и измерения в энергосбережении, при контроле, управлении и улучшении качества продукции, процессов и услуг» (Тамбов, 2010 г.), II Международной кластерной научно-практической конференции «Аспекты ноосферной безопасности в приоритетных направлениях деятельности человека» (Тамбов, 2011 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 15 печатных работ, в том числе 4 статьи в ведущих рецензируемых научных журналах.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы, трёх приложений, изложена на 147 страницах и содержит 23 рисунка, 8 таблиц, список литературы включает 104 наименования.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи работы, раскрыты научная новизна и практическая значимость проводимых в диссертации исследований.

В первой главе проведен анализ существующих методов оценки и повышения МН ИС, а также информационный обзор и анализ вопросов, связанных с общей характеристикой проблемы МН в измерительной технике. Приведенный обзор существующих методов оценки и прогнозирования показал, что наиболее перспективными являются методы аналитико-вероятностного прогнозирования, позволяющие оценить метрологический ресурс исследуемых ИС без проведения длительных натурных испытаний. Проведено изучение причин старения элементной базы СНК ТФС объектов и показано, что остается актуальным решение задачи оценки и повышения МН исследуемых ИС, так как существующие методы не учитывают совместного влияния параметров окружающей среды, прежде всего таких, как температура и влажность, на показатели МН.

Вторая глава посвящена разработке метода оценки метрологического ресурса проектируемых СНК ТФС материалов и изделий, основанного на построении математических моделей изменения во времени МХ исследуемых ИС, а также метода повышения их метрологического ресурса с учетом условий эксплуатации. Разработанный метод оценки МН СНК ТФС материалов и изделий с учетом совместного влияния температуры и влажности окружающей среды состоит из следующих этапов.

На основе анализа структурной и электрической схем для каждого аналогового блока, входящего в измерительный канал СНК ТФС объектов, строится математическая модель его функционирования:

, (1)

характеризующая зависимость значений выходного сигнала блока от значения входного сигнала и параметров элементной базы , являющихся функциями времени , температуры и относительной влажности .

Далее с учетом (1) строится математическая модель исследуемой МХ , являющаяся функцией входного сигнала и параметров комплектующих элементов:

. (2)

В работе проведен анализ причин изменения во времени параметров элементной базы исследуемых ИС. Как показало исследование, медленные физико-химические процессы, протекающие в элементной базе исследуемых ИС с течением времени, связывают темпы старения элементной базы СНК ТФС материалов и изделий с внешними возмущающими воздействиями, причем среди множества внешних воздействий выделены температура и влажность окружающей среды. Для получения информации о дрейфе МХ необходимо знание зависимостей, определяющих изменение параметров элементной базы во времени с учетом условий эксплуатации:

, , (3)

где - вектор внешних влияющих факторов.

С учетом анализа медленных физико-химических процессов, протекающих в элементной базе с течением времени, разработана математическая модель изменения во времени параметров элементов, учитывающая влияние температуры и влажности на процесс старения, которая имеет вид:

, (4)

где - значение параметра -го элемента исследуемого аналогового блока, учитывающее влияние температуры и влажности окружающей среды, ;

- энергия активации деградационного процесса (эВ);

- константа Больцмана ();

- степенной показатель;

- температура условий эксплуатации;

- температура в нормальных условиях;

- относительная влажность условий эксплуатации;

- относительная влажность в нормальных условиях.

Изменение параметров характеризуются температурным и влажностным коэффициентами, описывающими относительное изменение параметра элемента при изменении температуры и влажности, а также структурными изменениями, обусловленными медленными физико-химическими процессами, протекающими в материалах с течением времени. При этом скорость старения в нормальных условиях характеризуется максимальным изменением параметра элемента за срок сохраняемости ; - коэффициент ускорения.

Построенная модель вида (4) используется далее в процедуре статистического моделирования МХ в различных временных сечениях , области контроля при варьировании внешних влияющих факторов , , - число рассматриваемых варьируемых условий эксплуатации . При этом используется допущение о нормальности закона распределения параметров элементов. Алгоритм моделирования состоит из последовательного расчета характеристик закона распределения значений параметров комплектующих элементов исследуемых блоков и моделирования реализаций МХ СНК ТФС объектов. Конечным результатом моделирования исследуемой МХ является совокупность данных, характеризующих значения математического ожидания МХ в точках контроля () и среднеквадратического отклонения при вариации внешних влияющих факторов , .

Далее по полученным в области контроля значениям параметров закона распределения МХ - математического ожидания и среднеквадратического отклонения - для каждого блока строится математическая модель процесса изменения во времени его МХ. Эта математическая модель представляет собой совокупность аналитических зависимостей, полученных для функции изменения во времени математического ожидания МХ , и функций, характеризующих изменение во времени границ отклонения возможных значений МХ от ее математического ожидания для варьируемых значений параметров внешних влияющих факторов :

,(5)

где с - постоянный коэффициент, выбираемый в зависимости от заданного уровня доверительной вероятности Р и закона распределения МХ.

Показано, что для построения математической модели процесса изменения во времени МХ с учетом температуры и влажности окружающей среды целесообразно использовать многофакторные полиномиальные зависимости второй степени вида:

, (6)

где - коэффициенты множественной регрессии;

- остаточное значение.

Экстраполяция математической модели изменения во времени исследуемой МХ вида (5) на область предстоящей эксплуатации позволяет оценить величину метрологического ресурса исследуемого аналогового блока в различных условиях эксплуатации. Блок-схема алгоритма метода оценки МН СНК ТФС объектов приведена на рисунке 1.

В тех случаях, когда определяемое значение метрологического ресурса не соответствует требованиям к уровню МН проектируемого СНК ТФС объектов, принимаются меры по его повышению.

Размещено на http://www.Allbest.ru/

Размещено на http://www.Allbest.ru/

Рисунок 1. Блок-схема реализации метода оценки МН СНК ТФС материалов и изделий. ММ - математическая модель, АБ - аналоговый блок

Разработан метод повышения метрологического ресурса, который заключается в коррекции измеренного значения выходного сигнала аналогового блока посредством встроенной в измерительный канал СНК ТФС материалов и изделий математической модели, реализуемой оператором , для компенсации изменения во времени параметров элементной базы.

Принцип коррекции измерительной информации иллюстрируется схемой на рисунке 2. На схеме показаны измерительный канал ИК, МХ которого определяется моделью и оператор корректировки МХ , производящий обработку измерительной информации с целью компенсации временного дрейфа параметров элементной базы и внешних влияющих факторов.

Размещено на http://www.Allbest.ru/

Размещено на http://www.Allbest.ru/

Рисунок 2. Обобщенная схема компенсации дрейфа параметров МХ

В зависимости от способа обработки измерительной информации решение задачи повышения МН предлагается проводить двумя различными способами. В тех случаях, когда разрабатываемое СНК ТФС объектов не содержит микропроцессорных средств обработки измерительной информации, оператор может быть реализован физически, то есть подбором соответствующих пассивных компонентов (индуктивностей, емкостей, резисторов) в структуре проектируемого СНК ТФС материалов и изделий. метрологический контроль теплофизический элементный

В этом случае для решения задачи повышения МН в математической модели блока выделяются элементы, увеличение или уменьшение во времени параметров которых вызывает наибольшее изменение значений МХ. При этом для каждого элемента производится расчет нормируемой частной производной вида:

, , (7)

где - значения частных производных, вычисленных по номинальным значениям параметров -го комплектующего элемента блока;

- параметры комплектующих элементов блока;

- среднеквадратичное отклонение параметра -го комплектующего элемента блока.

Затем осуществляется ранжирование элементов по абсолютному значению . Выделяются элементы, имеющие максимальное значение нормируемой частной производной . При приближении исследуемой МХ к предельно допустимому значению производится замена выделенных элементов. Необходимость изменения параметров элементов выбирают из условия приближения МХ к своему допустимому значению согласно выражению:

, (8)

где - допустимое значение нормируемой МХ.

При вычислении новых значений параметров регулируемых элементов накладываются ограничения, определяющие границы регулирования для обеспечения работоспособности функциональных узлов аналогового блока. После определения начальных условий вычисляются новые значения параметров элементов, входящих в математическую модель функционирования блока для зарегистрированных в момент времени области контроля , , условий эксплуатации и . Полученные значения параметров элементной базы вновь используются для проведения статистического моделирования МХ и определения новых значений метрологического ресурса.

Известно, что в состав большинства современных ИС входят микропроцессорные средства обработки измерительной информации. В таких случаях оператор предлагается реализовать алгоритмически, то есть путем программирования и последующего решения некоторого уравнения или системы уравнений .

Размещено на http://www.Allbest.ru/

Размещено на http://www.Allbest.ru/

Рисунок 3 Структура СНК ТФС материалов и изделий, реализующая метод повышения МН

На рис. 3 представлена структура СНК ТФС материалов и изделий, позволяющая реализовать метод повышения МН алгоритмически. Здесь входное воздействие является измеряемой величиной, поступающей на вход измерительного канала. На выходе измерительного канала регистрируется величина , значение которой определяется входной величиной и коэффициентом преобразования . На основе зависимости строится математическая модель МХ измерительного канала. Так как изменение во времени МХ представляет собой нестационарный случайный процесс, алгоритм коррекции измеренного значения предлагается реализовать исключением трендовой составляющей процесса из регистрируемой величины при измерении величины .

Моделирование оператора производится с помощью аддитивной составляющей, как проиллюстрировано на рис. 2, то есть . Таким образом, зависимость, определяющую поправочное значение для измеренного значения, снятого с аналогового блока измерительного канала, можно записать в виде:

,(9)

где - значение измеряемой величины на выходе аналогового блока; - скорректированное значение измеряемой величины. Для решения поставленной задачи требуется, чтобы скорректированное значение определялось с настолько низкой погрешностью, что могло бы заменить действительное значение измеряемой величины. Исходя из этого выражение (9) может быть представлено в виде: