Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор и анализ методов и средств контроля качества и диагностики герметичных электромагнитных реле. Постановка задач исследования 12
1.1. Основные сведения о слаботочных герметичных электромагнитных реле, как объекте контроля, его испытаниях и измерении параметров 12
1.2. Обзор, анализ и классификация существующих средств контроля качества и ди-гностики герметичных электромагнитных реле. Структурная схема технологии контроля качества реле 1.2.1. Обзор средств измерений электрических и временных параметров реле 21
1.2.2. Методы и средства ресурсных испытаний слаботочных электромагнитных герметичных реле
1.3. Анализ эффективности контроля качества серийно выпускаемых реле 26
1.4. Обзор и анализ основных методов и средств измерений параметров цепи упра-ления слаботочных герметичных электромагнитных реле
1.4.1. Методы и средства измерения сопротивления обмотки реле постоянному току... 28
1.4.2. Методы и средства измерений ЭДС самоиндукции обмоток реле
1.5. Обзор и анализ методов неразрушающего контроля герметичных электромагни-ных реле 32
1.6. Обзор известных методов выявления наиболее информативных параметров и прогнозирования ресурса реле 37
1.7. Выводы и постановка задач исследования 38
ГЛАВА 2. Разработка и исследование автоматизированных методов контроля цепи управления слаботочных электромагнитных 40
2.1. Поиск и исследование метода измерения сопротивления обмотки слаботочных электромагнитных реле 40
2.2. Анализ погрешностей измерения сопротивления обмотки 44
2.3. Автоматическая коррекция аддитивных погрешностей измерения сопротивления обмотки постоянному току 46
2.4. Переходные процессы в цепях управления реле при различных способах шунт-рования обмотки 49
2.5. Разработка автоматизированных каналов измерения амплитуды ЭДС самоинду-ции в герметичных электромагнитных реле 51 Выводы 54
ГЛАВА 3. Разработка и исследование методики неразрушающего автоматизиро ванного контроля динамических характеристик слаботочных герметичных эле тромагнитных реле 56
3.1. Исследование возможности автоматизированного измерения комплекса динам-ческих характеристик путем анализа переходных процессов срабатывания и во-врата реле 56
3.2. Методика автоматизированного определения времени движения подвижной с-стемы и времени совместного движения контактной и подвижной систем реле 62
3.3. Методика автоматизированного определения времени трогания подвижной с-стемы реле 64
3.4. Экспериментальные исследования методик автоматизированного определения динамических характеристик реле
3.4.1. Экспериментальное устройство для анализа переходных процессов в реле 66
3.4.2. Программное обеспечение устройства комплексного автоматизированного ко-троля динамических характеристик реле 69
3.4.3. Экспериментальные исследования методики совместного движения подвижной и контактной систем реле 71
3.4.4. Экспериментальные исследования методики автоматизированного определения времени трогания подвижной системы реле 73
3.5. Метрологическая оценка результатов измерения временных характеристик по
движных узлов магнитопровода реле, полученных с помощью разработанной ме
тодики 76
Выводы 81
ГЛАВА 4. Разработка методики и программного обеспечения для прогнозирования ресурса и выявления наиболее информативных параметров реле 83
4.1. Поиск путей повышения эффективности методик классификации реле по наде-ности 83
4.2. Теоретические основы вероятностно-статистического подхода к прогнозированию ресурса и выявлению информативных параметров реле 89
4.2.1. Статистическая обработка и определение диагностических весов значений пар метров герметичных электромагнитных реле 89
4.2.2. Выбор наиболее информативных параметров и классификация реле по надежности 91
4.3. Экспериментальные исследования методики поиска наиболее информативных п-раметров и прогнозирования ресурса реле 93
4.4. Программное обеспечение для классификации реле по надежности и выявлению наиболее информативных параметров 99
Выводы 101
ГЛАВА 5. Аппаратно-программные средства для неразрушающего контроля кач ства и ресурсных испытаний слаботочных электромагнитных реле 103
5.1. Принципы построения и структура и информационно-управляющей системы ко-троля качества реле 103
5.2. Измерительная система контроля сопротивления обмоток реле постоянному току в широком динамическом диапазоне 106
5.3. Измерительная система автоматизированного контроля амплитуды ЭДС самои-дукции электромагнитных реле 110
5.4. Измерительная система комплексного контроля динамических характеристик реле 113
5.5. Измерительная система для ресурсных испытаний (на износостойкость) слаботочных герметичных электромагнитных реле 116
5.6. Измерительная система автоматизированного комплексного контроля электрических и временных параметров герметичных электромагнитных реле 121
5.7. Измерительная система автоматизированного контроля параметров электрической изоляции слаботочных герметичных электромагнитных реле 123
Выводы 128
Основные выводы и результаты диссертационной работы 129
Литература
- Обзор средств измерений электрических и временных параметров реле
- Автоматическая коррекция аддитивных погрешностей измерения сопротивления обмотки постоянному току
- Методика автоматизированного определения времени трогания подвижной с-стемы реле
- Выбор наиболее информативных параметров и классификация реле по надежности
Введение к работе
Актуальность работы. Современная номенклатура отечественных слаботочных электромагнитных реле составляет более двухсот типов. Объем выпуска исчисляется миллионами штук. Только в Российской Федерации и странах СНГ потребителями реле являются более 2000 предприятий, представляющих практически все отрасли промышленности. Выпуск слаботочных электромагнитных реле постоянно растет, улучшаются их технические характеристики и разрабатываются новые типы.
Значительный сегмент рынка занимают реле специального назначения, используемые в ракетно-космической, авиационной и различной военной технике, где жесткие условия эксплуатации требуют особого внимания к качеству и надежности комплектующих изделий. Скрытые дефекты реле, не обнаруженные при производстве, приводят к отказам и сбоям в работе специальной аппаратуры при ее эксплуатации и, как следствие, к возможным ситуациям с катастрофическими последствиями. Ремонт и восстановление работоспособности различных электронных узлов и блоков при этом требует значительных технических и финансовых затрат.
В связи с необходимостью повышения надежности, наращиванием выпуска, улучшением технических параметров и разработкой новых типов слаботочных электромагнитных реле, в частности, содержащих элементы ограничения ЭДС самоиндукции, должны решаться задачи по совершенствованию технологий контроля качества и диагностики в процессе их производства.
Развитие технологии контроля качества требует разработки и внедрения новых методов и измерительных систем высокопроизводительного, автоматизированного неразрушающего контроля технических характеристик реле, позволяющих выявлять дефектные и потенциально ненадежные экземпляры на ранних стадиях производства.
Возросшие требования к точности и расширению диапазонов измерения технических характеристик, необходимость автоматизации контроля и диагностики с оценкой стабильности значений параметров и их статистического анализа для выявления потенциально ненадежных изделий пришли в противоречие с устаревшими, не отвечающими современным требованиям средствами и методами измерений. Поэтому диссертационная работа, посвященная разработке и исследованию методик и аппаратно-программных средств автоматизированного неразрушающего контроля реле, имеет актуальное значение.
Цель работы состоит в разработке и совершенствовании методов и аппаратно-программных средств с расширенными функциональными возможностями для автоматизированного неразрушающего контроля основных характеристик реле в процессе промышленного производства.
Для достижения поставленной цели в работе решены следующие основные задачи:
-
Анализ известных методов измерения параметров реле и структурного построения контрольно-измерительной аппаратуры по литературным и патентным источникам информации.
-
Разработка метода и реализующих данный метод аппаратно-программных средств измерения сопротивления цепи обмотки реле постоянному току с гарантированным пределом относительной погрешности измерения в широком динамическом диапазоне.
-
Разработка методики и создание устройства косвенного измерения временных параметров движения подвижных узлов магнитопровода и контактной системы реле в процессах его срабатывания и возврата.
-
Разработка методики и создание программного обеспечения для оценки ресурса и поиска наиболее информативных параметров, характеризующих надежность работы реле.
-
Проведение экспериментальных исследований и промышленных испытаний для подтверждения достоверности и эффективности предложенных методов и аппаратно-программных средств.
Объект исследования. Процессы, обеспечивающие повышение качества и получение информации о состоянии реле путем его испытаний и измерений параметров.
Предмет исследования. Методы и средства неразрушающего контроля качества и диагностики реле, их аппаратное, программное и метрологическое обеспечение. Автоматизация процессов измерения характеристик реле.
Методы исследования основываются на положениях теории измерений электрических и временных величин, методах вычислительной математики, математической статистики, теории информации и цифровой обработки сигналов, компьютерных технологиях, теории диагностики.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
Разработан метод измерения сопротивления постоянному току с гарантированным пределом относительной погрешности измерения в расширенном динамическом диапазоне изменения измеряемой величины. Реализация метода позволила создать однопредельные широкодиапазонные универсальные цифровые омметры для оснащения более ста рабочих мест в серийном производстве реле.
-
Разработана методика неразрушающего автоматизированного измерения времени трогания, движения подвижной системы электромагнитных герметичных реле и времени совместного движения их подвижной и контактной систем в комплексе с динамическими характеристиками, определяемыми по показателям переходных процессов в цепи контактов. Предложены способы метрологической калибровки средств измерения динамических характеристик, определяемых по показателям переходных процессов в реле.
-
Разработана методика выявления наиболее информативных параметров, влияющих на надежность работы реле, и прогнозирования ресурса с использованием расширенной номенклатуры диагностических признаков.
-
Предложены структуры и новые принципы построения измерительных систем для контроля качества и прогнозирования ресурса реле, позволяющие в широких динамических диапазонах измерять их электрические и динамические характеристики и получившие промышленное внедрение.
Достоверность полученных результатов подтверждена результатами экспериментальных исследований и испытаний созданных измерительных систем, а также успешным внедрением разработанных программно-аппаратных средств в технологические процессы производства и проектирования слаботочных электромагнитных герметичных реле.
Практическая ценность диссертационной работы. Практическая ценность проведенных исследований заключается в создании и внедрении в технологические процессы контроля слаботочных электромагнитных герметичных реле измерительных систем, реализующих предложенные в диссертационной работе методы. Внедрение измерительных систем позволило повысить оперативность, точность и производительность контроля, выявлять дефектные экземпляры реле на основе измерений электрических и динамических характеристик. Разработанные компьютерные программы позволяют осуществить автоматизированные измерения динамических ха-
рактеристик реле и обеспечивают обработку результатов контроля для прогнозирования их ресурса и надежности работы.
Обеспечение автоматизированных измерений времени трогания, движения подвижной системы и времени совместного движения контактной и подвижной систем реле позволяет выявлять внутренние дефекты, связанные с работой магнитной системы в целом, ранее не всегда обнаруживаемые в серийном производстве.
Внедрение в производство измерительных систем контроля сопротивления обмотки, реализующих метод, разработанный в диссертационной работе, позволило повысить точность измерений и значительно сократить расходы на переоснащение производства реле по сравнению с применением стандартных средств измерения.
Результаты диссертации полностью использованы при создании шести различных типов измерительных систем, внедренных в производство герметичных электромагнитных реле. Они позволяют повысить качество и значительно уменьшить время проведения измерений параметров реле с занесением результатов контроля в компьютерную базу данных для последующей статистической обработки.
Реализация и внедрение результатов работы.
Основные теоретические и практические результаты работы были реализованы в следующих измерительных системах контроля качества и диагностики реле: УИПР-У1 - контроля электрических и временных параметров, КДР-2 - контроля ЭДС самоиндукции, СО-11 - измерения сопротивления обмоток постоянному току, УТР - контроля динамических характеристик реле, НР-31 - ресурсных испытаний.
Указанные средства контроля качества и диагностики реле внедрены в технологические процессы производства слаботочных электромагнитных герметичных реле на ОАО НПК «Северная заря» (г. Санкт-Петербург).
Измерительная система УИПР-У1, произведенная в количестве 96-ти экземпляров, используется на операциях входного контроля, производства и анализа отказов реле на следующих предприятиях: ОАО «НПП «Старт» (г. В. Новгород); ОАО «Иркутский релейный завод» (г. Иркутск); ОАО «Научно - исследовательский институт точной механики» (г. Санкт-Петербург); ФГУП «НПО им. С.А. Лавочкина» (г. Химки, Московская обл.); ОАО «НПЦ «Полюс» (г. Томск); ООО «ИРЗ ТЕСТ» (г. Ижевск); ОАО «ВПК «НПО Машиностроения» (г. Реутов, Московская обл.); ОАО «НПК «КБМ» (г. Коломна, Московская обл.); ОАО «Юность» (г. Краснодон, Луганская обл., Украина); ФГУП МОКБ «Марс» (г. Москва); ОАО «Концерн ВКО «Алмаз-Антей» (г. Москва).
Внедрение результатов подтверждено соответствующими актами.
Апробация работы. Основные результаты работы были представлены на следующих научных конференциях:
Международная научная конференция «Актуальные вопросы современной техники и технологии», Россия, г. Липецк, 24 апреля 2010 г.;
Пятая международная научно-техническая конференция «Электрическая изоляция - 2010», Россия, г. Санкт-Петербург, 1-4 июня 2010 г.;
Третья международная научно-практическая конференция «Измерения в современном мире - 2011», Россия, г. Санкт-Петербург, 17-20 мая 2011 г;
Четвертая международная научно-практическая конференция «Измерения в современном мире - 2013», Россия, г. Санкт-Петербург, 4-6 июня 2013 г;
Пятая международная научно-практическая конференция «Измерения в современном мире - 2015», Россия, г. Санкт-Петербург, 2-4 июня 2015 г.
Личный вклад автора. Диссертантом лично выполнены анализ методов и
средств контроля качества реле, предложены структура и принципы построения интегрированной системы контроля качества реле на основе применения разработанных унифицированных измерительных систем. Также предложены методы измерения параметров цепей управления слаботочных электромагнитных герметичных реле.
Непосредственно соискателем разработаны методики автоматизированного определения времени трогания и движения подвижной системы, а также времени совместного движения подвижной и контактной систем реле. Данная работа получила логическое завершение в разработанном при участии автора программном обеспечении измерительной системы для определения комплекса динамических характеристик реле.
Личное участие автора диссертации по анализу информативных параметров и прогнозировании ресурса реле заключалось в разработке методики и проведении экспериментальных работ.
Под непосредственным руководством и при активном личном участии соискателя были созданы и внедрены в производство 6 различных измерительных систем контроля характеристик реле: ЭДС самоиндукции КДР-2, сопротивления обмоток СО-11, динамических характеристик УТР, электрических и временных параметров УИПР-У1, контроля износостойкости НР-31, общим количеством более 190 экземпляров. Лично участвовал в разработке, организации серийного производства и внедрении в технологические процессы, что нашло отражение в соответствующих актах внедрения и конструкторской документации.
Из 15 научных публикаций 9 работ опубликовано автором лично.
Положительная оценка результатов творческой деятельности диссертанта отмечена распоряжением Президента Российской Федерации №425-рп от 30.12.2014. Этим распоряжением ему присуждена стипендия Президента Российской Федерации «За значительный вклад в создание прорывных технологий и разработку современных образцов вооружения, военной и специальной техники в интересах обеспечения обороны страны и безопасности государства».
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 15 научных работ, в том числе 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК для публикации результатов научных исследований.
Основные положения, выносимые на защиту.
-
Метод измерения сопротивления обмоток реле постоянному току в широком динамическом диапазоне с гарантированным пределом относительной погрешности измерения.
-
Методика косвенного измерения времени трогания, движения подвижной системы и времени совместного движения подвижной и контактной систем слаботочных электромагнитных герметичных реле. Метрологическое обеспечение неразру-шающего контроля динамических характеристик реле.
-
Методика выявления наиболее информативных параметров, влияющих на надежность работы электромагнитных герметичных реле, и прогнозирования ресурса.
-
Принципы построения и структурные решения системы контроля качества слаботочных электромагнитных герметичных реле.
Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы и приложений. Диссертация изложена на 170 страницах, включая 70 рисунков, 15 таблиц, библиографический список, содержащий 136 наименований работ отечественных и зарубежных авторов, и 27 страниц приложений.
Обзор средств измерений электрических и временных параметров реле
Постоянно расширявшийся в последние десятилетия выпуск электромагнитных реле требовал создания широкой номенклатуры специализированной контрольно-измерительной аппаратуры (КИА). Было разработано большое число методов измерений параметров реле и их испытаний, представленных, например, в [70], а также накоплен большой практический опыт проектирования и производства КИА.
Для оценки технического уровня используемых в настоящее время на предпри-тиях-производителях реле, в частности, в ОАО НІЖ «Северная заря» (Санкт-Петербург), средств измерения, контроля и испытаний автором проведен анализ и пре-ложена классификация основного оборудования, представленная на рисунке 1.3. Серым цветом на рисунке 1.3 выделена область, подлежащая исследованию в настоящей работе.
Самую большую группу составляют средства измерений (СИ) для контроля эле-трических и временных параметров, которые используются на всех стадиях произво-ства и разработки реле при проведении периодических, отбраковочных и предъявител-ских испытаний.
При проведении регулировок и отбраковочных испытаний реле применяются приборы и установки, обеспечивающие выполнение следующих операций: - термотренировка и контроль работоспособности при климатических воздейств-ях, измерение напряжений срабатывания и возврата, кратковременная наработка с проверкой надежности замыкания и размыкания контактов в каждом цикле; - выявление короткозамкнутых витков в процессе проверки катушек реле с диаме-ром провода от 25 мкм; - намагничивание и размагничивание постоянных магнитов, находящихся как в составе собранного реле, так и отдельно от него.
В первой группе операций контроль является массовым с одновременным исп-танием до нескольких десятков и сотен реле. При периодических и квалификационных испытаниях помимо систем контроля износостойкости и проверки электрических и временных параметров используются приборы, фиксирующие замыкания и размыкания контактов реле при воздействии на последние вибрации, ударов и линейных ускорений.
Классификация КИА для производства и исследований реле. В скобках приведено количество типов КИА указанного назначения Такой контроль производится в обоих состояниях реле.
В настоящее время только на двух крупнейших отечественных предприятиях по производству реле парк контрольно-измерительной аппаратуры составляет около 100 различных типов оборудования общей численностью до двух тысяч экземпляров.
Следует отметить, что общее количество типов используемой КИА далеко выходит за рамки классификации (рисунок 1.3), в которой представлены только наиболее ч-сто применяемые в серийном производстве средства измерений. Одной из основных причин столь широкой номенклатуры средств измерений является то обстоятельство, что ранее каждый из приборов чаще всего разрабатывался в расчете на узкий круг изделий при измерении не более одного-двух параметров.
Как показал анализ, существующая технология контроля качества реле характер-зуется большим количеством ручных операций и в большинстве своем базируется на применении морально устаревшей аппаратуры. Существенным недостатком является также крайне низкий уровень автоматизации. В большинстве случаев отсутствуют ко-пьютерные интерфейсы, что затрудняет получение, накопление и анализ статистических Д лННЫХ. Нельзя не сказать еще об одной группе, не представленной на рисунке 1.3, но без w f \J www которой немыслимо проведение любых испытании и измерении релейной продукции [70, 111]. В данном случае речь идет о контрольно-испытательной оснастке, обеспеч-вающей создание активных, индуктивных, емкостных нагрузок и надежное оперативное подключение реле в сборе, а также их деталей и узлов к КИА и другому испытательному оборудованию. В данную группу входят следующие технические устройства: - блоки индуктивных, активных, емкостных и двигательных нагрузок; - устройства подключения реле с выводами различной конфигурации; - высоковольтные устройства подключения для проверки электрической прочности и сопротивления изоляции; - приспособления для регулировки реле; - приспособления для испытаний на механические и климатические воздействия. Определенные трудности в эксплуатации действующего в настоящее время парка средств измерений вызывает то обстоятельство, что по метрологическому обеспечению данная аппаратура в основном аттестована в соответствии с ГОСТ 8.326 на нестандарти-зованные средства измерений, который в настоящее время аннулирован. По итогам проведенного обобщения можно сделать вывод о том, что технология контроля качества реле требует совершенствования. В большинстве случаев действующая аппаратура уже не удовлетворяет ужесточившимся требованиям или в принципе не имеет возможности проверять дополнительные параметры. Развитие и создание новых образцов КИА, удовлетворяющих современным требованиям, необходимо проводить на основе комплексного подхода к измерению параметров реле в виде информационно-измерительных систем с расширенными функциональными возможностями, обеспеч-вающими максимально возможный уровень автоматизации контрольных операций и обработки полученной информации.
Технология производства реле диктует различное количественное использование КИА. Из всей номенклатуры средств измерения и контроля наибольшее распространение получили приборы и установки для измерения электрических и временных параме-ров реле, используемые в количестве порядка трехсот экземпляров на операциях рег-лировки, отбраковочных и приемо-сдаточных испытаниях. Приборы измерения сопротивления обмотки постоянному току составляют группу из двухсот экземпляров и пр-меняются главным образом в процессе намотки катушек реле. Третье место по количеству используемых экземпляров занимают установки для ресурсных испытаний, кол-чество которых достигает ста.
Автоматическая коррекция аддитивных погрешностей измерения сопротивления обмотки постоянному току
В настоящее время номинальное сопротивление обмоток реле различных типов, выпускаемых отечественной промышленностью, находится в пределах от 3 Ом до 50 кОм. Нормативные документы требуют измерения данного сопротивления с относ-тельной погрешностью не более 2.5% [15]. С учетом наличия на предприятиях многоступенчатой системы контроля и необходимости обеспечения определенного «запаса точности» на первых ее ступенях, а также принимая во внимание естественное желание эксплуатационников «отдалить» моральное устаревание заказываемой контрольно-испытательной аппаратуры, целесообразно снижение величины допускаемой относ-тельной погрешности по крайней мере до уровня 1% и менее.
Стандартным способом удовлетворения таких достаточно жестких требований является включение в состав технологических измерительных систем универсальных многопредельных цифровых омметров или мультиметров с разрешением не менее 4,5 десятичных или 16 двоичных разрядов [120]. Однако такой способ решения поставле-ной задачи далеко не оптимален с точки зрения массогабаритных и экономических х-рактеристик. Также при производстве реле необходимо знать не только абсолютное зн-чение сопротивления обмотки, но и величину предельного отклонения, а величина и-мерительного тока должна выбираться таким образом, чтобы не вызывать нагрева о-мотки, что обеспечивается не во всех стандартных приборах. Значительно более экономичным техническим решением является построение специализированных измерителей сопротивления на базе современных сигма-дельта аналогоцифровых преобразователей (АЦП) с высокой разрешающей способностью и встраиваемых микропроцессоров. При этом с учетом применения системной калибровки «нуля» и «чувствительности» оказывается возможным получение высокой точности при минимальном количестве используемых прецизионных компонентов [32].
На рисунке 2.1 показана рекомендуемая многими производителями схема включения сигма-дельта АЦП (например, AD7715, AD7719 фирмы «Analog Devices») [116, 117] для преобразования в код сопротивления резистивных датчиков, в частности, термометров сопротивления. ADC - аналогоцифровой преобразователь MPU - микроконтроллер
Многие современные АЦП уже содержат на кристалле один или два встроенных источника тока, предназначенных специально для работы с резистивными датчиками. В свою очередь ряд АЦП, в том числе LTC2411 фирмы Linear Technology [127], для которых допускается десятикратное изменение опорного напряжения UREF, позволяют упростить устройство при подключении цепи из образцового R0 и измеряемого Rx резисторов к источнику напряжения питания микросхемы. Если пренебречь влиянием входных цепей аналого-цифрового преобразователя, то при условии равенства диапазона изменения входного напряжения UAin величине URef значение выходного w-разрядного кода а на выходе АЦП будет равным им а — (2.1) иkin -jn о х on Rx nn InR о «о uRef Поскольку а не зависит от величины тока или напряжения питания измерительной цепи, подобный преобразователь является логометрическим.
Увеличение динамического диапазона в рамках рассмотренной структуры возможно путем определенного усложнения - реализации многопредельности. Самой простой мерой для расширения динамического диапазона в сторону низких значений измеряемого сопротивления будет использование масштабирующего усилителя, который встраивается во многие современные сигма-дельта АЦП. Его применению способствует гарантируемая производителями достаточно высокая точность масштабирования (лучше 0,01%). Однако с увеличением усиления наблюдается снижение эффективной разреш-ющей способности АЦП, обусловленное шумами. По реалистичным оценкам можно расширить динамический диапазон всего в 10-20 раз, то есть на 20-26 дБ. Более рад-кальное решение потребует дополнительных источников тока, образцовых резисторов и качественных коммутирующих элементов.
Между тем значительное расширение динамического диапазона возможно в структуре измерителя сопротивления, изображенной на рисунке 2.2, описанной в авторской статье [32].
Предложенный измеритель можно использовать при серийном производстве ш-рокого спектра электротехнических компонентов (резисторы, электромагнитные реле и пр.), где актуальной является задача измерения электрического сопротивления постоя-ному току в широком динамическом диапазоне с нормированной относительной погрешностью. По существу данная структура реализует для измерения сопротивления классический метод «амперметра и вольтметра» [114]. Она же лежит в основе аналого-вых омметров с нелинейной шкалой и бесконечным пределом измерения. С другой стороны, учитывая наличие в устройстве управляющего микропроцессора, ее можно и-терпретировать как структуру измерителя сопротивления с изменяющимся в широких пределах током и системной калибровкой чувствительности по образцовому резистору R0.
В соответствии со схемой (рисунок 2.2) цепочка R0RX питается напряжением URef, в качестве которого во многих случаях можно использовать и напряжение питания АЦП. Посредством переключателя S1 под управлением микропроцессора АЦП производит последовательно преобразование напряжений на резисторах Rx и R0, получая коды N1 и N2 N,= 2П + Ь, х-і-«0 RY+R Rn iV2 = 2n±b. RX+R0 Здесь b представляет собой модуль аддитивной погрешности преобразования в единицах младшего разряда АЦП. Любое из приведенных выражений можно использовать для вычисления Rx, если пренебречь сопротивлением соединительных проводов в «токовой» цепи Rx + R0.
Итоговый результат, в котором этот фактор исключается, получается в виде отношения а = N±/N2. После подстановки получаем с использованием правил приближенных вычислений и суммированием случайных погрешностей по модулю выражение Второе слагаемое в квадратных скобках представляет собой составляющую относительной погрешности измерения, обусловленную аддитивными ошибками АЦП.
В данном случае, как и в структуре на рисунке 2.1, для дополнительного расширения динамического диапазона можно использовать встроенный в АЦП усилитель. Однако достигаемый эффект в логарифмическом масштабе будет вдвое выше. Ведь дополнительное усиление напряжения на резисторе Rx расширяет диапазон в сторону низких сопротивлений, а усиление напряжения на резисторе R0 - в сторону высоких. В итоге реально расширение динамического диапазона до значений 140-150 дБ при S 1%. Дополнительным преимуществом структуры, приведенной на рисунке 2.2, является отсутствие жестких требований к величине импеданса входов URef АЦП, дающее разработчику большую свободу выбора элементной базы, поскольку большинство представленных на рынке сигма-дельта АЦП не содержат буферных элементов на входах опорного напряжения.
Методика автоматизированного определения времени трогания подвижной с-стемы реле
График i(t) описывает динамику работы подвижной системы реле. Зависимость uK(t) характеризует состояние контактов: замкнутое, когда ик « 0, и разомкнутое при ик, равном напряжению питания контактной цепи Е.
В процессе срабатывания с момента подачи напряжения (/раб на обмотку до момента своего трогания (точка А на графике i(t) рисунка 3.1, б) подвижная система реле (якорь) неподвижна и находится в статическом состоянии. При этом упрощенная модель цепи управления реле может рассматриваться как система с сосредоточенными параметрами. Магнитопровод в таком состоянии реле ненасыщен, индуктивность обмотки постоянна, происходит нарастание тока в обмотке и тягового момента. Напряжение на обмотке описывается классическим уравнением ii0gM(t) = iR + L —, (3.1) где / - ток в обмотке; R - сопротивление обмотки; L - индуктивность обмотки; t Затем в процессе движения подвижной системы (участок от точки А до точки В на рисунке 3.1, б), индуктивность обмотки становится функцией перемещения подвижной системы. Зазор между якорем и сердечником катушки уменьшается, индуктивность обмотки увеличивается, ток в обмотке начинает уменьшаться. На данном этапе модель цепи управления реле можно рассматривать как систему с переменными параметрами. Выражение для напряжения на обмотке принимает вид 0DMV J dt dt (3.2) На этом этапе движению препятствует изменяющийся во времени момент сопротивления контактного узла и возвратной пружины. При этом размыкающий контакт переходит от замкнутого состояния в разомкнутое, а замыкающий контакт переходит от разомкнутого состояния в замкнутое, что можно наблюдать по изменению напряжения на контактах uK(t) (рисунок 3.1, б). Размыкание и замыкание контактов сопровождается их дребезгом. Уменьшение тока в обмотке прекращается в момент остановки якоря (точка В на графике i(t) рисунка 3.1). Якорь оказывается притянутым к сердечнику. Далее характер зависимости i(t) снова становится экспоненциальным. Ток в обмотке будет стремиться к своему максимальному значению 1тах, что соответствует состоянию замкнутого магнитопровода.
В процессе возврата реле с момента снятия напряжения с обмотки до момента трогания якоря (точка С на графике i(t) рисунка 3.1, б) подвижная система находится в притянутом к сердечнику состоянии. Последующее уменьшение тока в обмотке и, как следствие, уменьшение тяговой силы приводят к возвращению подвижной системы в исходное состояние (участок от точки С до точки D на рисунке 3.1, б). При этом замыкающий контакт переходит от замкнутого состояния в разомкнутое, а размыкающий контакт переходит от разомкнутого состояния в замкнутое, что можно наблюдать по изменению напряжения на контактахuK(t). Возврат контактной системы в исходное состояние также сопровождается дребезгом. На конечном участке от точки D ток в обмотке стремится к нулевой отметке.
С помощью графиков изменения тока в обмотке i(t), напряжения на тах ик (t) и напряжения на обмотке мобм (t) можно выделить весь основной комплекс динамических характеристик реле, представленный в таблице 3.1.
Для определения динамических характеристик t2,t5 ... t n ы іб? связанных с совместной обработкой графиков напряжения на контактах uK(t) и напряжения на обмотке uo6M(t) (рисунок 3.1, б) достаточно фиксировать моменты замыкания, размыкания контактов и моменты начала и окончания подачи напряжения в обмотку. Определение характерных точек при этом производится путем сравнения напр-жений на контактах и обмотке реле с опорными уровнями. время совместного движения подвижной и контактной с стем (после замыкания раз мыкающих контактов) время дребезга размыкающего контакта при возврате первое замыкание размыкающего контакта первое замыкание размыкающего контакта останов движения п-движной системы последнее замыкание размыкающего контакта На основании определенных подобным образом значений моментов времени вычисляются динамические характеристики реле t2,t5 ... tg.t ... t14, t16, задаваемые явным образом. Эффективность и достаточно высокая точность данной методики подтверждена в разработанной с участием автора установке УИПР-У1 (Приложение 5), где измеряются следующие динамические характеристики реле: время срабатывания и возврата, время дребезга контактов, время перелета контактов, разновременность срабатывания и возврата. Она широко используется в серийном производстве реле.
В то же время определенную трудность вызывает измерение временных параметров движения подвижной системы, а также ее совместного движения с контактной системой t9t3t4,t15,t10, t1. В настоящее время в герметичных реле данные характеристики не могут быть определены явным образом, для этого приходится использовать косвенные измерения, что вызывает проблемы. Поэтому даже нормативными документами, причем, как отечественными, так и зарубежными, несмотря на очень высокую информативность указанных динамических характеристик, их измерение не предусматривается. Фактически для определения указанных характеристик косвенным образом необходимо зафиксировать моменты времени, соответствующие началу движения (точки «А» и «С» рисунка 3.1, б) и остановки (точки «В» и «D» рисунка 3.1, б) подвижной системы при срабатывании и возврате на графике i(t). Наиболее целесообразно эти измерения производить с помощью компьютерной обработки зависимости i(t) [3, 4, 20, 25, 74, 75].
До настоящего времени не было автоматизированных устройств, применяемых в серийном производстве реле для измерения указанных характеристик. Поэтому усилия автора направлены прежде всего на решение именно этой задачи: разработать методики измерения времени трогания подвижной системы, времени ее движения в том числе и ее совместного движения с контактной системой.
Предложенная методика основывается на определении координат характерных точек по полученным зависимостям тока в обмотке и напряжения на контактной и управляющей цепях контролируемого реле. При таком способе определения динамических характеристик информативным является время t;, появления у-той характерной точки. Ввиду того, что производится совместный анализ динамических характеристик, то все характерные точки можно представить в виде членов одного множества (t-L, і2, із-...ii.... ik) EI, SL время их появления также в виде множества (t±l t2, t3.... tj .... tk) Є Т.
Выбор наиболее информативных параметров и классификация реле по надежности
Как было отмечено выше, в качестве реализаций диагностических признаков используется база данных, содержащая значения параметров реле. Диагностические пр-знаки отображают техническое состояние реле. Разработанная методика предполагает отнесение исследуемого объекта к тому или иному прогнозу. Диагностическая ценность конкретного признака необходима для описания объекта в системе признаков. Признаки с низким диагностическим весом можно исключать в процессе вероятностно-статистического анализа.
Для составления диагностической матрицы и обучения алгоритма классификации необходимо иметь выборку реле, прошедших ресурсные испытания, перед проведением которых у каждого экземпляра реле определялись значения электрических и динамических параметров. В соответствии с общими рекомендациями [6] предложено при измерении параметров в партии реле полученные значения каждого диагностического пр-знака разбивать на т диагностических интервалов. Количество диагностических интервалов и их диапазон в конечном счете влияют на эффективность обследования. Если при анализе используется недостаточное количество интервалов, то это может привести к снижению диагностической ценности обследования. В то же время избыточное количество диагностических интервалов усложняет и увеличивает во времени процесс обр-ботки информации. Поэтому предложено «разбивку» интервалов производить, основ-ваясь на многолетних статистических данных и критериях, сложившихся на предпри-тии. Например, значения сопротивления цепи контактов были разбиты на поддиапазоны: (10… 40) мОм, (40… 100) мОм, (100… 200) мОм, (200… 2000) мОм. Значение призн-ка обозначим KJV, где, v - порядковый номер интервала; j - номер самого признака.
По результатам разрушающих испытаний для оценки ресурса принимается некоторое количество прогнозов St. Роль прогнозов выполняют полученные значения кол-чества безотказно выполненных коммутаций, разбитые на интервалы. Например, если какая-то часть реле выполнила от 7 до 10 тысяч безотказных коммутаций, то такой ди-гноз обозначим S±, другая часть исследуемых реле выполнила от 10 до 15 тысяч комм-таций - S2, и т. д. Количество прогнозов устанавливается исследователем в зависимости от поставленных задач. Вероятность наступления каждого прогноза определяется по формуле Р(5;) = —, (4.1) где Nt - количество изделий с данным прогнозом; N - общее количество изделий. Находим вероятность появления признака у объектов с прогнозом St. Если среди Nt объектов, имеющих прогноз St у Njv, появится признак KJV, то вероятность появления этого признака c определенным значением интервала определяется по формуле _ Njv P(KjV/S{) = 1. (4.2) В соответствии с [6] формула для оценки диагностического веса признака с определенным интервалом имеет вид Zs.(KjV) = tog , (4.3) где P(KjV/Si) — вероятность появления интервала v признака Kj у реле с диагнозом St; P(KJV) - вероятность одновременного появления каждого интервала каждого призн-ка при конкретном прогнозе. Величина P(KJV) рассчитывается по формуле P(Kjv) — Td=iP( t) P(Kjv/Si) , (4.4) где P(5j) — априорная вероятность диагноза. Подставив выражение (4.4) в формулу (4.3), получим zSi(Kjv) = log (4.5) В теории информации величина Z5.(/C;P) несет информацию о диагнозе St после определения признака KJV. После установления реализации признака Kj в интервале v вероятность диагноза St может увеличиться P(Si/KjVSi) P{Si), если Z5.(/C;P) 0 (ди-гностический вес данного интервала признака для данного состояния положителен). При Zs.yKjy) = 0 значения параметра не изменяют вероятность диагноза P(Si/KjVSi) = = P(.St. Значение диагностического веса интервала v признака Kj может быть отриц-тельным, что означает отрицание данного диагноза. Значение диагностического веса подтверждает или отрицает данный диагноз. Чем больше его значение, тем больше степень подтверждения или отрицания рассматриваемого диагноза.
Диагностический вес значения того или иного признака используется только по отношению к конкретному диагнозу, подтверждая или отрицая его в той или иной степени. Однако это не дает представления о диагностической ценности обследования по конкретному признаку для каждого диагноза. Усреднением значений диагностического веса по всем значениям диагностического признака и по всем диагнозам находится диагностическая ценность обследования.
Диагностическая ценность обследования по признаку Kj для диагноза St есть величина информации, которую вносят все реализации признака Kj для установления указанного диагноза [6] Zs.\Kj) = Yl l=1Zs.\KjV)P [—) (4-6) Воспользовавшись формулой (4.5), получаем P{Kjv/Sj) (4.7) ZSi(Kj)=j:%1P(Kjv/Sd logtr Z?=1p(Si)P( /Si) где m - количество интервалов признака. Zs\Kj) является частной диагностической ценностью обследования по признаку Kj, потому как относится к одному конкретному диагнозу (может быть рассчитан для каждого прогноза). Общая диагностическая ценность обследования [71] или количество информации, вносимое обследованием в систему диагнозов, рассчитывается по формуле Zs\Kj) — YJt=iZs.\KjV)P{S{). (4.8)
Другими словами, Zs\Kj) - это усредненное значение информации, вносимое обследованием для постановки неизвестного заранее диагноза.
По значениям общей диагностической ценности обследования выявляем наиболее информативные признаки.
Для оценки влияния наиболее информативных диагностических признаков в процедуре принятия решений постановки диагноза исследуемого реле используем обобщенную формулу Байеса [71] P(Si) P(KK0UUJI/Si) \pi/ компл) vn (4.9) где Р{КК0МПЛ/Бі) — вероятность появления комплекса наиболее информативных признаков, вычисляемая по формуле Р{Ккомпл/5і)= P(Kl/Si) PQ l/ i)-- Р(Кп/$і)- (4.10) Тогда реле со значениями комплекса признаков Ккоипл поставим диагноз St, веро ятность появления которого Р{5і/Ккомпл) максимальна. Ккомпл Є St, если /3(5 і//СК0МПЛ) Р(5;//СК0МПЛ), где у =1,2 n; j i. В итоге решаются обе поставленные задачи: поиск наиболее информативных п-раметров, характеризующих надежность работы реле и задача прогнозирования ресурса и надежности работы реле. Еще раз акцентируем внимание на том, что прогноз должен производиться для каждого типа реле и режима эксплуатации отдельно. Составление диагностической матрицы, определение наиболее информативных параметров и классификация реле на основе значений диагностических признаков должны осуществляться в соответствии с номинальным электрическим режимом коммутационной нагрузки ко-тактов и внешних воздействующих факторов.