Методика оценки и повышения метрологической надежности при проектировании и эксплуатации средств неразрушающего контроля теплофизических свойств материалов

Среди наиболее важнейших характеристик, определяющих качество средств измерений (СИ), особое место занимает метрологическая надежность. Задачи, связанные с оценкой и повышением метрологической надежности СИ соответствуют наиболее актуальным задачам развития измерительной техники.

Актуальность темы

исследования. В настоящее время, в связи с тем, что в промышленности все больший удельный вес приобретают синтезированные материалы, которые по своим технологическим и эксплуатационным параметрам часто имеют значительные преимущества перед естественными материалами, большое внимание в измерительной технике уделяется физическим методам неразрушающего контроля (НК) материалов, применение которых позволяет увеличить оперативность и качество экспериментальных исследований. В тех случаях, когда применение изделий сопряжено с протеканием в них тепловых процессов, необходимо иметь информацию о теплофизических свойствах (ТФС) материалов, т.к. они здесь становятся параметрами, определяющими качество готового изделия. Методы НК ТФС материалов отличаются сложностью осуществления алгоритма измерения, т.к. требуют определения пространственно-временных информативных параметров теплового процесса. Алгоритмическая, структурная и конструктивная сложность средств, реализующих методы НК ТФС материалов, ставит актуальным вопрос об обеспечении их необходимой метрологической надежностью как на этапе проектирования, так и эксплуатации. Под метрологической надежностью средств измерений (СИ) понимают свойство СИ сохранять во времени метрологические характеристики в пределах установленных норм при заданных режимах эксплуатации, то есть метрологическая надежность определяется характером и темпом изменения нормируемых метрологических характеристик исследуемых СИ. Практика эксплуатации средств измерений показывает, что для них доминирующими среди общего количества отказов являются постепенные отказы, обусловленные монотонным изменением во времени и в конечном итоге выходом за допустимые пределы метрологических характеристик средств измерений. Эти метрологические отказы обычно выявляются только при проведении метрологических поверок. Постепенные отказы характерны, в основном, для аналоговых блоков СИ и, в частности, для аналоговых блоков измерительного канала (ИК) средств измерений.

Существуют два подхода к определению метрологической надежности СИ: экспериментальный, основанный на проведении ресурсных испытаний, и теоретический с применением математического моделирования. В силу сложности, трудоемкости и длительности экспериментального подхода наиболее эффективными и перспективными являются методы оценки и прогнозирования метрологической надежности на основе математического моделирования. Поэтому в диссертационной работе рассматриваются вопросы, связанные с прогнозированием метрологической надежности средств НК с применением анали-тико-вероятностных методов, базирующихся на построении математических моделей исследуемых объектов.

Среди показателей, определяющих метрологическую надежность средств НК, особо значимым является метрологический ресурс, оцениваемый временем выхода нормируемой метрологической характеристики за допустимые пределы.

Создание научно обоснованной инженерной методики оценки и прогнозирования состояния метрологических характеристик средств НК позволит потребителю определить метрологическую надежность на любой момент времени их эксплуатации, правильно выбрать сроки поверок и профилактических работ, принять меры по предупреждению отказов и, в конечном итоге, проектировать средства НК с увеличенным метрологическим ресурсом.

Поэтому разработка методики оценки и повышения метрологической надежности при проектировании и эксплуатации средств НК ТФС материалов является актуальной задачей, решение которой позволит существенно повысить метрологический уровень разрабатываемых средств НК ТФС материалов и готовых изделий.

Связь с государственными программами и НИР. Диссертационная работа выполнялась в рамках реализации следующих государственных программ: межвузовская научно-техническая программа Госкомобразования РСФСР «Не-разрушающий контроль и диагностика», раздел 4: «Оптические, радиоволновые и тепловые методы неразрушающего контроля» на 1994 — 1998 г.г.- программа Минвуза РФ «Комплексные системы измерений, контроля и испытаний в народном хозяйстве» на 1998 — 2000 гг.- программа министерства образования РФ «Инновации высшей школы и введение интеллектуальной собственности в хозяйственный оборот», раздел «Инновационные научно-технические проекты» 2000 г.- программа Миннауки РФ по финансированию научных исследований и экспериментальных разработок на возвратной основе, проект «Создание микропроцессорных приборов оперативного неразрушающего контроля термосопротивления многослойных строительных конструкций с пенополиуретановы-ми теплозащитными покрытиями», шифр: «Теплогидрощит» на 2000 — 2001 гг.

Целью работы является исследование вопросов оценки метрологической надежности средств НК ТФС материалов с учетом постепенных отказов, разработка метода прогнозирования метрологической надежности при проектировании и эксплуатации средств НК ТФС материалов на основе математического моделирования процессов изменения во времени их метрологических характеристик и, в конечном итоге, — методики оценки и повышения метрологической надежности при проектировании и эксплуатации средств НК ТФС материалов. Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:

1. Разработка общего алгоритма прогнозирования изменения во времени метрологических характеристик блоков средств НК.

2. Построение математических моделей метрологических характеристик аналоговых блоков средств НК на основе анализа структурных и принципиальных схем этих блоков.

3. Разработка алгоритма статистического моделирования метрологических характеристик блоков средств НК в различных временных сечениях.

4. Создание математического описания процессов изменения во времени метрологических характеристик блоков средств НК.

5. Разработка способа повышения метрологического ресурса блоков средств НК на этапе их проектирования.

6. Создание методов коррекции моделей процессов изменения во времени метрологических характеристик блоков средств НК в процессе их эксплуатации.

7. Определение величины межповерочных интервалов для эксплуатируемых блоков средств НК на основе построенных математических моделей процессов изменения во времени их метрологических характеристик.

8. Создание способов определения необходимого числа измерений метрологических характеристик исследуемых блоков средств НК в различных временных сечениях и необходимого первоначального объема выборки при экспериментальных исследованиях блоков.

9. Разработка показателей оценки эффективности прогнозирования состояния метрологических характеристик блоков средств НК.

10. Проведение экспериментальных исследований основных теоретических положений и рекомендаций методики прогнозирования при проектировании и эксплуатации аналоговых блоков ИК системы НК ТФС материалов.

Методы и методики исследования. Результаты исследований, включенные в диссертацию, основаны на использовании аппарата теории вероятности, математической статистики, методов аппроксимации и экстраполяции, статистического моделирования (метод Монте — Карло), а также на результатах выполнения научно-исследовательских работ на базе кафедры «Конструирование радиоэлектронных и микропроцессорных систем» Тамбовского государственного технического университета, межвузовской лаборатории «Теплофизические измерения и приборы», регионального отделения «Российское общество по нераз-рушающему контролю и технической диагностики» (РОНКТД), а также ряда промышленных и научно-исследовательских организаций.

Научная новизна работы заключается в разработке аналитико-вероятностного метода прогнозирования метрологической надежности при проектировании и эксплуатации средств НК ТФС материалов, основанного на моделировании нестационарных случайных процессов изменения во времени метрологических характеристик блоков средств НК с использованием статистических данных о процессах деградации параметров комплектующих элементов этих блоков. На основе предложенного подхода разработана инженерная методика оценки и повышения метрологической надежности при проектировании и эксплуатации средств НК ТФС материалов, позволяющая оценить метрологический ресурс исследуемых блоков как на этапе их проектирования, так и эксплуатации, а также дать рекомендации по повышению метрологического ресурса средств НК ТФС материалов в целом.

Практическая ценность работы заключается в разработке и внедрении инженерной методики оценки и повышения метрологической надежности при проектировании и эксплуатации средств НК ТФС материалов в практику проектирования и эксплуатации средств Ж. На основе разработанной методики спроектирована и внедрена в производство оригинальная конструкция термозонда, защищенная патентом РФ на изобретение. Разработаны практические рекомендации по определению метрологического ресурса, межповерочных интервалов и проведению метрологических поверок на этапе эксплуатации системы НК ТФС материалов и готовых изделий.

Личный вклад автора.

Во всех работах, опубликованных в соавторстве, при непосредственном участии автора были разработаны основные идеи методики прогнозирования, получены аналитические выражения и теоретические результаты, проведены экспериментальные исследования, доказывающие достоверность теоретических положений методики прогнозирования и эффективность использования разработанной методики.

Апробация работы. Основные научные и практические результаты исследований по теме диссертации докладывались на XV Российской научно-технической конференции «Неразрушающий контроль и диагностика» (1998 г., Москва), III Международной теплофизической школе «Новое в теплофизиче-ских свойствах» (Тамбов, 1998 г.), IV и V научных конференциях ТГТУ (Тамбов, 1999, 2000 гг.).

Структура работы. Диссертация содержит введение, 5 глав, заключение и приложения, изложенные на 224 страницах машинописного текста, 27 рисунков и 18 таблиц.

Список литературы

включает 98 наименований.

Основные результаты диссертационной работы заключаются в следующем.

1. На основе анализа существующих методов прогнозирования технического состояния различных объектов разработан аналитико-вероятностный метод прогнозирования метрологической надежности при проектировании и эксплуатации блоков средств НК. Данный метод включает в себя математическое моделирование метрологических характеристик блоков на этапе их проектирования с последующей коррекцией полученных моделей в процессе эксплуатации исследуемых устройств.

2. Используя предлагаемый метод прогнозирования, разработана методика оценки и повышения метрологической надежности при проектировании и эксплуатации средств НК. Использование данной методики позволяет оценить и прогнозировать метрологическую исправность блоков средств НК как на этапе их проектирования, так и на этапе эксплуатации без проведения длительного эксперимента по определению долговременной стабильности их метрологических характеристик. На основе построенной математической модели процесса изменения во времени метрологической характеристики исследуемого блока методика дает возможность решить задачу по повышению его метрологического ресурса уже на этапе его проектирования.

3. Проведено решение ряда теоретических вопросов, связанных с созданием методики, а именно:

— разработан алгоритм статистического моделирования состояния метрологических характеристик блоков средств НК;

— построены математические модели функционирования блоков средств НК и модели метрологических характеристик этих блоков;

— построены математические модели изменения во времени метрологических характеристик блоков средств НК, позволяющие оценить метрологический ресурс блоков на этапе их проектирования;

— разработаны способы коррекции математических моделей процесса изменения во времени метрологических характеристик блоков средств НК на этапе их эксплуатации;

— предложены способы определения необходимого числа измерений метрологической характеристики в каждом временном сечении, а также необходимого объема выборки блоков средств НК для проведения экспериментальных исследований;

— разработан способ определения величины межповерочных интервалов для эксплуатируемых блоков средств НК на основе построенных математических моделей процессов изменения во времени исследуемых метрологических характеристик этих блоков, который позволяет дать рекомендации по эксплуатации блоков, исходя из уровня метрологической надежности;

— разработан и исследован критерий эффективности прогнозирования, позволяющий оценить целесообразность осуществляемого прогнозирования.

4. Экспериментальная проверка на реальных блоках ИВС НК ТФС материалов, а именно — усилителях постоянного тока и аналогово-импульсных преобразователях, показала корректность основных теоретических выводов, положенных в основу разработанной методики оценки и повышения метрологической надежности. Проведена оценка влияния каждого электрорадиоэлемента блоков ИВС на их метрологический ресурс и выявлены наиболее ненадежные в метрологическом отношении элементы. Предложена замена их на электрорадиоэлементы с более стабильными метрологическими характеристиками, которая позволила повысить метрологический ресурс исследуемых блоков в среднем на 30−40%.

5. В результате использования предложенного метода прогнозирования разработан новый измерительный термозонд, являющийся основным блоком ИВС, определяющим ее метрологические свойства. Структура, состав и конструктивные особенности разработанного термозонда позволяют значительно повысить метрологический ресурс и расширить функциональные возможности ИВС.

6. Разработанная методика оценки и повышения метрологической надежности при проектировании и эксплуатации средств НК позволила создать измерительно-вычислительную систему «СКАТ-СМ», внедренную и успешно эксплуатируемую в строительстве для определения ТФС зданий и сооружений.