Обеспечение метрологической надежности многоканальных измерительных систем сложных технологических процессов

Актуальность работы. В настоящее время обеспечение качества промышленной продукции сопряжено с усложнением технологических процессов её производства. Для эффективного управления этими процессами необходимо иметь количественную информацию о совокупности их режимных параметров и значениях внешних воздействующих факторов (ВВФ). Получение такой информации, как правило, осуществляется при помощи информационно-измерительных систем (ИИС). При этом для сложных технологических процессов (например, процессы производства и получения многокомпонентных или особенно чистых материалов) число измеряемых параметров достигает нескольких сотен. Соответственно, и ИИС состоит из нескольких сотен измерительных каналов, предназначенных для контроля в реальном времени различных физических величин. Поэтому фактические метрологические характеристики (в первую очередь точность и её сохранение), реализуемых в процессе эксплуатации ИИС, являются важным инструментом управления качеством выпускаемой продукции.

Основными показателями технического совершенства ИИС является уровень их метрологических характеристик и метрологической надежности. Для обеспечения требуемых значений этих показателей в настоящее время прослеживается две тенденции: 1) качественное улучшение точностных свойств составляющих ИИС компонентов при одновременном уменьшении трудоёмкости обслуживания системы- 2) усложнение алгоритмов обработки измерительной информации с использованием ЭВМ при её сборе, обработке и хранении.

Развитие этих тенденций неизбежно приводит к необходимости совершенствовать подходы к эксплуатации этих систем и, в первую очередь, к обеспечению в производственных условиях их метрологической надежности, так как существующие нормативные методы в этой области не всегда отвечают практическим задачам. В частности, проведение поверочных и калибровочных работ, являющихся основой обеспечения метрологической надежности ИИС, приводит к организационным и техническим проблемам. Например, не всегда возможно демонтировать для поверки (калибровки) ИИС или её основные элементы, а также остановить технологический процесс, контролируемый с помощью ИИС (или оставить его бесконтрольным). Кроме того, использование эталонных средств измерений непосредственно в производственных условиях, как правило, затруднено.

Вместе с тем, большинство исследований, практических рекомендаций, нормативных документов, разработок и пр. направлены на повышение метрологической надежности ИИС в процессе их разработки и изготовления.

Учитывая, что количество разработчиков и производителей ИИС значительно меньше, чем количество их эксплуатационников, мероприятия, направленные на повышение именно эксплуатационной метрологической надежности могут дать наибольший практический результат. Таким образом, исследование и совершенствование методов и средств обеспечения эксплуатационной метрологической надёжности ИИС в производственных условиях представляется актуальной задачей.

Метрологическая надежность каждого измерительного канала ИИС и всей системы в целом в настоящее время строится на повышении требований к стабильности метрологических характеристик отдельных элементов этой системы. И метрологическое обслуживание осуществляется с позиций, общепринятых для отдельных средств измерений без учета системной специфики конкретной ИИС, обслуживаемого ею технологического процесса и условий эксплуатации. При этом не учитывается совокупность свойств ИИС, которая определяет сложное поведение системы при изменении метрологических характеристик её отдельных элементов.

Кроме того, учитывая, что ИИС является элементом управления качеством контролируемого технологического процесса, то её эффективность действия зависит не только от метрологических свойств, но и от коэффициента готовности ИИС.

Настоящее исследование направлено на рассмотрение с системных позиций ИИС как совокупности взаимодействующих измерительных каналов (ИК) и установлении обобщенных информационно-метрологических свойств ИИС, обеспечивающих её метрологическую надежность и эффективность технологического процесса. Одним из основных свойств ИИС, которое может быть использовано для повышения её метрологической надежности, является многоканальность и информационная взаимокорреляция внутри групп ИК, имеющих некоторые факторы, функционально (не стохастически) связывающие изменения параметров, измеряемых в этих ИК.

Для выявления этих свойств устанавливаются: 1) корреляционные связи между ИК, имеющими общий фактор для измерения как однородных, так и разнородных измеряемых физических величин- 2) значения поправок результатов измерений во взаимокоррелированных ИК и прогнозируемой скорости потери точности каждого из этих ИК- 3) мероприятия по обеспечению коэффициента готовности ИИС, необходимого для эффективного управления технологическим процессом, обслуживаемым этой системой.

Традиционное обеспечение метрологической надёжности ИИС наряду с тщательным соблюдением всех предписанных условий эксплуатации как ИИС, так и её отдельных элементов, в конечном счёте, сводится к проведению поверок [5, 70 — 73]. При этом конкретные значения межповерочных интервалов определяют на основе теоретико-вероятностных подходов [14], т. е. на оценке частоты потери точности или длительности её сохранения в период между поверками, что обычно предполагает значительное количество подобных ИИС, эксплуатируемых в сходных условиях и обслуживающих однотипные технологические процессы, а также статистическую независимость ИК. Однако ИИС часто предназначены для получения информации об уникальных технологических процессах, а сигналы ИК взаимокоррелированы, так как контролируемый технологический процесс создаёт во всех (или, во всяком случае, в определённых группах) ИК функционально связанную составляющую. Взаимокоррелированными будут не только сигналы, но и помехи, вызванные мешающими воздействиями, в том числе и связанные с деградацией точности ИК с течением времени.

Ввиду появления новых технических возможностей, связанных с широким использованием вычислительной техники и усложненных алгоритмов обработки измерительной информации, появились предпосылки для упрощения обеспечения метрологической надежности и увеличения коэффициента готовности ИИС.

Для реализации данного подхода необходимо провести исследования, направленные на создание соответствующей модели повышения метрологической надежности ИИС и разработки соответствующих алгоритмов обработки информации во взаимокоррелированных ИК.

При традиционном подходе метрологическая надежность обеспечивается путем оперативного установления в нормативные сроки обычно при профилактическом и капитальном ремонте и (или) периодической диагностике ИИС. Такой подход, как правило, требует существенных затрат временных и материальных ресурсов и часто к формальной имитации соответствующих работ. Вместе с тем более логично проведение профилактических регулировочных, ремонтных и т. п. работ исходя из фактического значения метрологических характеристик ИИС.

Цель работы состоит в исследовании возможности повышения эксплуатационной метрологической надежности многоканальных ИИС за счет коррекций внутри межповерочного интервала результатов измерений на основе фактических данных о деградации точности в совокупности информационно взаимосвязанных измерительных каналов (ИК).

Исходя из вышеизложенного сформулированы следующие задачи работы.

Основные задачи работы:

1. Теоретически обосновать модель использования результатов взаимокорреляционной обработки информации во взаимосвязанных ИК для повышения метрологической надежности многоканальных ИИС.

2. Адаптировать существующие алгоритмические методы оценки фактической точности ИК для прогноза её деградации.

3. Экспериментально установить в производственных условиях закономерности ухудшения с течением времени точности ИК ИИС, обслуживающей технологический процесс производства порошка диоксида урана для тепловыделяющих элементов ядерных реакторов.

4. Обосновать инженерный способ и подтвердить экспериментально возможность увеличения межповерочных (межкалибровочных) интервалов многоканальных ИИС при сохранении их метрологической надежности.

Объект исследования. Эксплуатационная метрологическая надежность ИИС, обслуживающий сложный технологический процесс получения порошка диоксида урана для тепловыделяющих элементов ядерных реакторов.

Методы исследований. Результаты выполненных и представленных в работе исследований получены на основе системного использования методов теоретической и прикладной метрологии, математической статистики и корреляционного анализа, теории планирования эксперимента и редукции измерений, современных методов и аппаратных средств проведения экспериментальных исследований электронной и измерительной техники.

Научная новизна.

1. Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность использования для повышения эксплуатационной метрологической надежности многоканальных ИИС, обслуживающих сложные непрерывные технологические процессы, специальной алгоритмической обработки данных о скорости изменения фактических погрешностей в информационно взаимосвязанных ИК.

2. Экспериментально изучен в производственных условиях на конкретной 196-ти канальной ИИС механизм деградации точности измерений во взаимокоррелированных ИК.

3. На основе анализа проведенных исследований предложен метод уточнения результатов измерений в многоканальных ИИС в течение межповерочного интервала.

Основная идея работы заключается в использовании системных свойств ИИС для повышения её метрологической надежности, применяя специальную алгоритмическую обработку взаимосвязанной информации в совокупности ИК.

Практическая значимость работы.

1. Подтверждение в производственных условиях возможности и целесообразности использования взаимокорреляционных связей между ИК ИИС для повышения её метрологической надежности.

2. На основе экспериментально установленного постоянства характера увеличения фактической погрешности для каждого из ИК ИИС предложена и успешно опробована на практике инженерная методика уточнения результатов измерений для информационно взаимосвязанных ИК.

3. Методические рекомендации по повышению метрологической надежности за счет взаимокорреляционной обработки измерительных сигналов в многоканальных ИИС и изменению на этой основе методики поверки и межповерочного интервала использованы при эксплуатации ИИС, обслуживающей технологический процесс производства порошка диоксида урана на ОАО «Машиностроительный завод», г. Электросталь.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Модель использования результатов взаимокорреляционной обработки измерительных сигналов в информационно взаимосвязанных ИК для повышения метрологической надежности многоканальных ИИС.

2. Экспериментальные зависимости деградации точностных характеристик ИК ИИС, обслуживающих технологический процесс производства порошка диоксида урана.

3. Практические рекомендации по повышению метрологической надежности предназначенной для контроля технологического процесса производства порошка диоксида урана 196-ти канальной ИИС, основанные на фактических данных деградации точности в информационно взаимосвязанных группах ИК.

Реализация результатов работы.

Результаты работы внедрены на ОАО «Машиностроительный завод», г. Электросталь, в эксплуатационные документы и методику поверки ИИС контроля технологического процесса производства порошка диоксида урана, что позволило увеличить межповерочный интервал в 1,5 раза (с 1 года до 1,5).

Достоверность научных положений подтверждена практикой эксплуатации 196-канальной ИИС, обслуживающей технологический процесс производства порошка диоксида урана для ТВЭЛов.

Область применения результатов. Сложные многоканальные ИИС, обслуживающие непрерывные технологические процессы производства различных материалов, обладающие высокими требованиями к эксплуатационной метрологической надежности и безопасности, распределенные в пространстве и имеющие корреляционные связи между ИК.

Публикации по теме диссертации. Автор имеет 9 опубликованных работ по теме диссертации.

Апробация. Основные положения диссертационной работы были доложены на научных семинарах кафедры «Метрология и стандартизация» МГТУ им. Н. Э. Баумана, на 7 и 9 всероссийских научно-технических конференциях «Состояние и проблемы технических измерений» в 2000 и 2004 гг., П всероссийской научно-практической конференции «Качество жизни: Россия XXI века» в 2000 г., П1 всероссийской научно-практической конференции «Качество жизни и российское предпринимательство» в 2001 г., IV Всероссийской научно-практической конференции «Качество жизни: государственное регулирование и социальное партнерство» в 2003 г., г. Москва.

Внедрение. Сделанные рекомендации оформлены в виде проекта НТД, которая применяется при эксплуатации и поверке ИИС, предназначенной для обслуживания технологического процесса производства уранового топлива на предприятии ОАО «Машиностроительный завод».

Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложений.

В результате проведения исследовательской работы усовершенствован.

один из методов повышения эксплуатационной метрологической наделшости.

многоканальных измерительных систем, основанный на алгоритмической.

обработке данных о фактической деградации точности совокупности инфор мационно взаимосвязанных измерительных каналов, а также подтверледена.

эффективность его использования в практике эксплуатации ИИС, обслужи вающей технологический процесс производства порошка диоксида урана для.

тепловыделяющих элементов ядерных реакторов. Разработанная в результате исследований инженерная методика прове дения взаимокорреляционного анализа и автокалибровки ИК ИИС опробова на нри эксплуатации ИИС, при этом набраны статистические данные за не сколько лет наблюдений, получен положительный эффект применения алго ритма специальной обработки измерительной информации, анализа и внесе ния поправок в результаты измерений. При этом использованы данные о.

фактическом состоянии ИИС, использованы системные свойства ИИС для.

повышепия её метрологической надежности, применена специальная алго ритмическая обработка взаимосвязанной информации в совокупности ИК и.

методы кратко и среднесрочного прогпозирования, что позволило получить.

увеличение межповерочного интервала в 1,5 раза и снижение затрат на реа лизацию метрологического обслуживания ИИС. Таким образом, можно сде лать вывод, что основная цель работы достигнута. Основные выводы и результаты работы.

1. Теоретическое рассмотрение информационных взаимосвязей изме рительных каналов ИИС позволило обосновать формализованную модель.

взаимокорреляционной обработки в указанных каналах, анализ которой по казал, что такая обработка не только возможна, но и целесообразна для по вышения метрологической надежности ИИС.

2. Иа основе методов теории планирования эксперимента в сочетании.

с калибровкой информационно связанных ИК и учетом их степени корреля ции усовершенствован алгоритм оценки увеличения погрешности измерений,.

что дает возможность корректировать значения результатов измерений в пе риод между поверками. 3. В результате наблюдений в производственных условиях и экспери ментальных исследований ИИС, предназначенной для контроля технологи ческого процесса производства порошка диоксида урана, найдены эмпириче ские зависимости изменения с течением времени погрешностей ИК, преиму пдественно соответствуюпще линейному закону, что позволяет прогнозиро вать скорость деградации точности ИК и определять количественные значе ния поправок, вносимых в результаты измерений. 4. Используя количественный прогноз скорости деградации точности в.

совокупности информационно взаимосвязанных каналов, предложен метод.

оценки момента достижения максимально допустимого значения погрешно сти измерений, что создает предпосылки обоснования корректировки межпо верочного интервала в зависимости от фактического метрологического со стояния ИИС.

5. Результаты проведенных исследований послужили основой реко мендаций, внесенных в эксплуатационные нормативные документы по об слулшванию ИИС, предназначенной для контроля технологического процес са производства порошка диоксида урана для тепловыделяющих элементов.

ядерных реакторов, что позволило в 1,5 раза увеличить межповерочный ин125.

тервал (с 12 до 18 месяцев) указанной ИИС. Собранные на данный момент.

экснлуатационные статистические данные, но фактическому изменению ско рости деградации точности показывают, что имеются все предпосылки уве личить межноверочный интервал до 24 месяцев.