溫度變送器驗(yàn)證方法的研究與應(yīng)用分析

張銳峰

摘 要：通常情況下，在化工元件設(shè)備安全功能分析與驗(yàn)證過(guò)程中，技術(shù)人員會(huì)采用FMEDA法對(duì)設(shè)備運(yùn)行故障進(jìn)行全面檢測(cè)與驗(yàn)證。這一驗(yàn)證方法不但為功能性安全產(chǎn)品的失效風(fēng)險(xiǎn)診斷與驗(yàn)證提供了一種參考范式，同時(shí)也為其安全、完整性等級(jí)和平均失效概率的計(jì)算提供了數(shù)據(jù)模型。本文首先針對(duì)FMEDA驗(yàn)證分析法進(jìn)行了闡述，然后在此理論基礎(chǔ)上，對(duì)溫度變送器的驗(yàn)證方法相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行了重點(diǎn)論述。

關(guān)鍵詞：溫度變送器;驗(yàn)證方法;FMEDA分析;應(yīng)用

中圖分類(lèi)號(hào)： TM76 ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)： 1673-1069（2016）30-168-2

0 ?引言

FMEDA法作為溫度變送器安全工作中故障風(fēng)險(xiǎn)診斷及驗(yàn)證分析的重要技術(shù)之一，其通過(guò)失效模式分析以及影響分析和故障診斷分析，可以找到設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中的具體故障，同時(shí)也能對(duì)相關(guān)故障進(jìn)行驗(yàn)證，從而評(píng)估其可能造成的嚴(yán)重后果，以此制定積極的處理對(duì)策，可降低溫度變送器故障發(fā)生的概率，提高其運(yùn)行安全性與穩(wěn)定性。

1 ?溫度變送器驗(yàn)證中FMEDA方法概述

1.1 FMEDA驗(yàn)證方法的概念

FMEDA是一種設(shè)備故障分析以及故障驗(yàn)證的重要技術(shù)方式。其能夠?qū)囟茸兯推骰蛘咂渌嚓P(guān)化工工程中存在的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行診斷、分析以及驗(yàn)證。

1.2 FMEDA驗(yàn)證方法的理論依據(jù)

采用FMEDA對(duì)溫度變送器進(jìn)行驗(yàn)證時(shí)，主要將溫度變送器的失效概率以及失效百分比和失效模式排除標(biāo)準(zhǔn)作為驗(yàn)證分析指標(biāo)。一般而言，當(dāng)化工廠的溫度變送器大量生產(chǎn)后，在多次驗(yàn)證基礎(chǔ)上會(huì)產(chǎn)生設(shè)備失效率值。因此，在實(shí)際驗(yàn)證分析過(guò)程中，周期長(zhǎng)、驗(yàn)證基數(shù)大，在技術(shù)人員無(wú)法直接測(cè)得溫度變送器失效率參數(shù)值的前提下，可建立失效率模型，驗(yàn)證溫度變送器的失效率。本文就以西門(mén)子元件為例，采用以下兩種模型對(duì)化工廠溫度變送器生產(chǎn)失效率進(jìn)行驗(yàn)證分析。

λ=λref×πT×πU×πQ ? ? ? ? ? ⑴

λ=λref×πT ? ? ? ? ? ? ? ⑵

其中，在上述模型中，溫度變送器基礎(chǔ)失效率參數(shù)采用λref表示，這一參數(shù)值可經(jīng)過(guò)對(duì)大量芯片進(jìn)行驗(yàn)證分析得到;溫度變送器的溫度影響參數(shù)采用πT表示，電壓影響參數(shù)采用πU表示，溫度變送器的質(zhì)量參數(shù)值采用πQ表示。因溫度變送器實(shí)際運(yùn)行中的情況不同，因此上述相關(guān)參數(shù)值也存在較大差異，需結(jié)合設(shè)備在生產(chǎn)運(yùn)行中的溫度值以及電壓值和質(zhì)量參數(shù)等進(jìn)行驗(yàn)證分析。對(duì)此，本文需針對(duì)不同條件下的溫度變送器不同驗(yàn)證分析方法進(jìn)行論述。

1.3 FMEDA驗(yàn)證方法的實(shí)踐步驟

具體而言，在實(shí)際驗(yàn)證過(guò)程中可按照以下步驟進(jìn)行操作：①將溫度變送器劃分為不同的安全功能運(yùn)行模塊，從而對(duì)每個(gè)不同運(yùn)行模塊進(jìn)行驗(yàn)證分析;②全面了解與熟悉溫度變送器每個(gè)安全功能模塊的硬件構(gòu)成圖，并熟悉每個(gè)元器件相關(guān)的工作運(yùn)行環(huán)境等，同時(shí)制作表格，對(duì)溫度變送器的每一個(gè)相關(guān)元器件的具體名稱和型號(hào)、參數(shù)值等功能信息進(jìn)行分析;③結(jié)合FMEDA分析法的實(shí)際驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)，找到溫度變送器每一個(gè)相關(guān)元件的失效模式，從而科學(xué)確定溫度變送器生產(chǎn)運(yùn)行失效率;④結(jié)合溫度變送器的實(shí)際工作運(yùn)行環(huán)境，科學(xué)建立相關(guān)失效模型，以此計(jì)算其實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行失效率;⑤科學(xué)分析并驗(yàn)證溫度變送器每一個(gè)元件的失效情況以及失效率對(duì)溫度變送器的相關(guān)影響，評(píng)估每一種失效情況屬于危險(xiǎn)失效率還是安全失效率。

1.4 溫度變送器FMEDA驗(yàn)證條件

首先，本文在驗(yàn)證分析之前，需合理設(shè)定一個(gè)運(yùn)行溫度值?？紤]到本項(xiàng)目研究設(shè)計(jì)的溫度變送器能夠適應(yīng)的最大環(huán)境溫度為70℃，因此將溫度變送器FMEDA驗(yàn)證時(shí)的參考溫度設(shè)為70℃。所以，按照這一設(shè)計(jì)驗(yàn)證要求，當(dāng)溫度變送器的實(shí)際運(yùn)行溫度參數(shù)值大于70℃時(shí)，其生產(chǎn)運(yùn)行的危險(xiǎn)失效率也會(huì)不斷上升;如果其運(yùn)行溫度為70℃，則溫度變送器的實(shí)際平均失效率經(jīng)過(guò)驗(yàn)證滿足生產(chǎn)運(yùn)行要求，同樣可知其在70℃以下時(shí)的平均失效率也能滿足生產(chǎn)運(yùn)行要求。

2 ?FMEDA方法在溫度變送器驗(yàn)證中的應(yīng)用

因溫度變送器在實(shí)際運(yùn)行中，通過(guò)時(shí)鐘模塊和信號(hào)輸入模塊、MCU及A/D轉(zhuǎn)換模塊和D/A轉(zhuǎn)換輸出模塊等組成。因此，本文此次分析主要基于溫度變送器的 MCU和信號(hào)輸入兩大模塊，就復(fù)雜條件和簡(jiǎn)單條件下的FMEDA驗(yàn)證方法進(jìn)行分析。

如下電路圖為該溫度變送器信號(hào)輸入模塊中的一部分，其主要包括電感器以及電阻器和電容器、扼流線圈等，上述相關(guān)運(yùn)行元件具有良好的濾波功能。在化工廠中的溫度變送器運(yùn)行過(guò)程中，需要科學(xué)采集以下電路圖A端與B端的熱電偶或熱電阻兩側(cè)的電壓信號(hào);其中a和b均為接入點(diǎn)，基準(zhǔn)電壓由U1提供。因R4中的電阻值較大，因此溫度變送器運(yùn)行時(shí)該側(cè)電流值為0，從而使A側(cè)電勢(shì)保持不變;當(dāng)如下電路圖中a、b側(cè)連接共模扼流圈并科學(xué)將電感元件L1與L2接入后，此溫度變送器中的相關(guān)元件能夠充分發(fā)揮其良好的濾波功能，從而使C、D兩側(cè)的電壓信號(hào)進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換芯片中。

當(dāng)溫度變送器生產(chǎn)運(yùn)行時(shí)一旦出現(xiàn)故障，則上述電路圖兩側(cè)A/D轉(zhuǎn)換芯片中的采樣信號(hào)就會(huì)受到嚴(yán)重影響。比如，溫度變送器C1出現(xiàn)短路情況時(shí)，電路中C點(diǎn)的電勢(shì)就會(huì)降低到0，D點(diǎn)為U1提供的基準(zhǔn)運(yùn)行電壓。因電路AB兩側(cè)產(chǎn)生的電勢(shì)差遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于D點(diǎn)的電勢(shì)差，則C1出現(xiàn)短路情況時(shí)，溫度變送器CD兩側(cè)的電壓參數(shù)值就會(huì)不斷增大，此時(shí)溫度變速器的A/D轉(zhuǎn)換芯片通過(guò)對(duì)設(shè)備運(yùn)行時(shí)的相關(guān)信號(hào)進(jìn)行采集驗(yàn)證，經(jīng)過(guò)科學(xué)轉(zhuǎn)化之后的溫度，就會(huì)低于溫度變送器所對(duì)應(yīng)信號(hào)的實(shí)際上限參數(shù)值，由此使溫度變送器進(jìn)入安全運(yùn)行狀態(tài)。在此過(guò)程中，溫度變送器C1中的相關(guān)運(yùn)行故障就會(huì)科學(xué)得到檢測(cè)與驗(yàn)證。

3 ?溫度變送器驗(yàn)證結(jié)果分析

在該電路圖中，假設(shè)溫度變送器的實(shí)際運(yùn)行電壓為1.35V，設(shè)備所能承受的最大額定電壓為10V，因此按照上述故障診斷與驗(yàn)證分析流程，結(jié)合該溫度變送器的實(shí)際物理特性和驗(yàn)證前設(shè)定的溫度值70℃，并按照溫度變送器驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)SN29500中的相關(guān)技術(shù)要求、兩種驗(yàn)證模型λ=λref×πT×πU×πQ和λ=λref×πT可知，該溫度變送器的基礎(chǔ)失效率為1×10-9，電壓影響參數(shù)πU為0.053，而溫度變送器的溫度影響參數(shù)πT為3.7，溫度變送器的質(zhì)量參數(shù)值πQ為2。因此，本文采用FMEDA驗(yàn)證方法對(duì)溫度變送器進(jìn)行分析，最終得到的失效參數(shù)結(jié)果如下：

表1 ?溫度變送器驗(yàn)證失效參數(shù)表

[失效

模式＼&λ（×10-9）＼&DC＼&λS＼&λD＼&λDD＼&λDU＼&開(kāi)路

失效＼&0.39200＼&N/A＼&0.13067＼&0＼&0＼&0＼&短路

失效＼&100%＼&0＼&0.13067＼&0.13067＼&0＼&數(shù)值的隨意改變＼&N/A＼&0.13067＼&0＼&0＼&0＼&]

4 ?結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，設(shè)備功能安全問(wèn)題在我國(guó)當(dāng)前的化工生產(chǎn)中逐漸得到重視。通過(guò)對(duì)化工生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析，可提高化工設(shè)備生產(chǎn)的安全性。經(jīng)過(guò)實(shí)踐驗(yàn)證研究可知，采用FMEDA方法對(duì)溫度變送器進(jìn)行驗(yàn)證分析，不僅能夠針對(duì)溫度變送器的失效模式以及失效影響因素和驗(yàn)證過(guò)程進(jìn)行分析，而且能夠在安全驗(yàn)證與分析基礎(chǔ)上，大大提升溫度變送器的整體運(yùn)行性能，特別是采用FMEDA方法對(duì)溫度變送器相關(guān)功能安全模塊中的器件進(jìn)行驗(yàn)證分析，最終能夠得到準(zhǔn)確的驗(yàn)證結(jié)果。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 蔡福全，孫京誥.功能安全溫度變送器的單元測(cè)試分析[J].化工自動(dòng)化及儀表，2015.