XIV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2022

Введение

Одна из главных характерных особенностей технологического процесса — это внедрение новых, более сложных технологий, призванных массово заменить устаревшие модели. Но с внедрением новых устройств возникают осложнения с обеспечением их надёжности.

В метеорологии проблема надёжности устройств не оставлена без внимания. Метеооборудования ежедневно эксплуатируются в открытом пространстве, где зачастую подвергается давлению со стороны погодных условий, что со временем снижает точность прибора. От точной оценки уровня метеорологической величины зависит прогноз погоды, который напрямую влияет на многие сельскохозяйственные, строительные и транспортные предприятия. Поэтому для сохранения качественного уровня работы метеоустройств нужно соблюдать параметры надёжности их работы.

Целью настоящей работы явилось исследование и сравнение надёжности метеорологических анемометров.

На данный момент в государственном реестре средств измерений Российской Федерации (ГРСИ РФ) зарегистрировано 74 типа анемометра. Их характеристики и паспорта представлены на сайте “all-pribors.ru” [1]. Каждый тип анемометра отличается от другого своим способом измерений, диапазоном измерений, метеорологической устойчивостью и надёжностью. Встречаются одни и те же анемометры с одинаковыми названиями. Разницу между ними составляет дата регистрации и изменённые технологические условия, что означает, прибор оснащают новыми частями устройства, более качественными чем предыдущие.

Анемометры

Анемометр – это механическое или электронное устройство, которое используют для определения и измерения скорости движения воздуха или газа. Рассмотрим 4 типа современных анемометров.

- Механические анемометры. Чувствительным датчиком механических анемометров является четырёхчашечная или крыльчатая вертушка. Представителем этого вида является МС-13 со счётным механизмом (для средней скорости ветра) и АСО-3 (для измерения скорости воздушного потока в промышленных районах). Принцип действия двух анемометров состоит в зависимости между числом оборотов вертушки и усреднённой скоростью ветра за определённый промежуток времени.

- Сигнальные анемометры. Принцип действия такого типа анемометра состоит в преобразовании скорости потока ветра в напряжение. Под действием силы ветра, трёхлопастная вертушка начинает вращаться, что в свою очередь приводит в действие ротор датчика скорости ветра, которая преобразует скорость вращения вертушки в напряжение. Полученное напряжение полностью пропорционально угловой скорости вращения датчика. Это же напряжение подаётся на измерительное устройство. Представителем этого вида является анемометр сигнальный цифровой М-95-ЦМ, который используется для измерения мгновенной скорости ветра и автоматическому определению опасных по совместному воздействию скорости и продолжительности ветра.

- Термические анемометры. Термоанемометр имеет терморезистор, нагретый с помощью пропускающего тока до той температуры, превышающей температуру окружающей среды. Воздушный поток, при наличии, охлаждает терморезистор, а микропроцессор увеличивает пропускающий ток, чтобы поддерживать постоянное сопротивление. Пример такого типа можно назвать термоанемометр 641.

- Акустические анемометры. Такой тип оборудования определяет скорость воздушного потока с помощью ультразвукового сигнала. На определенном расстоянии приёмник посылает излучателю звуковой сигнал и обратно. В случае отсутствия ветра временные интервалы между двумя приборами будут одинаковы. В присутствии ветра воздушные потоки будут влиять на распространение сигналов, и эти значения будут отличаться друг от друга. Сравнение таких значений даст возможность определить скорость и направление ветра. Акустический анемометр WindSonic один из образцов такого типа.

2. Надёжность и её показатели

Вероятность безотказной работы P(t) – вероятность того, что в пределах заданной наработки отказ объекта не возникнет [2].

(1)

Интенсивность отказа системы λ(t) – условная плотность вероятности возникновения отказа объекта, определяемая при условии, что до рассматриваемого момента времени отказ не возник [2].

Частота отказов f(t) представляет собой плотность распределения времени безотказной работы или производную от вероятности безотказной работы [3].

Средняя наработка до отказа – это математическое ожидание наработки до первого отказа [2].

3. Сравнение надёжности анемометров

Из 74 типов анемометров, зарегистрированных в государственном реестре,  для исследования было выбрано 28 анемометров. Были рассмотрены механические, сигнальные, термические и акустические. Каждый отличается от другого годом регистрации, датчиком ветра и надёжностью. Все показатели надёжности этих анемометров были взяты из приложений к инструкциям по эксплуатации анемометров.

В некоторых паспортах к анемометрам сведения о надёжности даны в разном формате, поэтому был выполнен пересчет показателей надёжности в среднюю наработку на отказ.

По формуле (1) на основе полученной средней наработки на отказ был произведен расчет вероятности безотказной работы (ВБР) четырех типов анемометров: механических, сигнальных, термических и акустических, графики ВБР представлены на рис. 1-4.

Рис. 1 График вероятности безотказной работы механических анемометров

На графике 1 можно увидеть, что ВБР трёх механических анемометров совпадает, так как одинаковое значение наработки на отказ двух приборов, разработанные для разных условий, можно объяснить соответствием с ГОСТ 6376-74, где в пункте 2.10 говорится: “Средняя наработка на отказ анемометров должна быть не менее 500 ч.” Но из восьми цифровых анемометров, наиболее надёжный можно назвать ЭА-70 (анемометр электронный-70) с регистрацией 2008 года.

Рис. 2 График вероятности безотказной работы сигнальных анемометров

Согласно подсчётам, наиболее надёжный из сигнальных анемометров это анемометр сигнальный цифровой М-95-МЦ 2016 года.

Рис. 3 График вероятности безотказной работы термических анемометров

Из шести термических анемометров, самым надёжным является термоанемометр RGK 2020.

Рис. 4 График вероятности безотказной работы акустических анемометров

Из акустических анемометров, единственный у кого наибольший показатель безотказности работы является Ventus-UMB с регистрацией 2015 года.

Из каждой рассмотренной группы анемометров выделены самые надёжные, их сравнительный анализ представлен на рис. 5.

Рис. 5 График сравнения вероятности безотказной работы анемометров

Исходя из этих графиков можно сделать вывод, что надёжнее всех оказались сигнальный анемометр М-95-ЦМ и термоанемометр RGK, их изображения представлены на рис. 6 и 7. Самыми слабыми по надежными можно назвать механические анемометры.

Рис. 6 Термоанемометр RGK модели АМ-30

Рис. 7 Общий вид датчика и пульта М-95-ЦМ

Заключение

В ГРСИ РФ зарегистрировано 74 типа анемометра, из которых преобладает четыре типа: механические, сигнальные, термические и акустические. Из них для сравнительной оценки по метрологической надёжности было выбрано 28 датичков ветра. Из четырёх групп анемометров самыми надежными оказались термические и сигнальные анемометры, наименее надежными – механические.

Список литературы

1. Электронный ресурс https://all-pribors.ru/groups/anemometry-9/grsi-devices

2. ГОСТ 27.002–89. Надёжность в технике. Основные понятия. Термины и определения. С. 10, 13 – 14.

3. Глазунов Л.П., Грабовецкий В.П., Щербаков О.В. Основы теории надёжности автоматических систем управления: учебное пособие для вузов. – Л.: Энергоатомиздат, Л.О., 1984. – 208 с.

Код для цитирования: Скопировать