小元件热点燃实验灵敏度分析方法的研究_薛琴.pdf

第 46 卷 增刊 1煤田地质与勘探Vol. 46 Supp.1 2018 年 7 月COALGEOLOGY thermal ignition; reliability sensibility; regression analysis 本安型电气设备必须进行热点燃和火花点燃评 定和实验验证。根据 IEC 标准的补充和修订，对小 元件点燃实验作出了规定，要进行安全性评价[1]。 通过小元件点燃实验装置考核本安型电气设备内部 发热元件由于发热而产生的过高温度点燃可燃性气 体混合物的能力。在进行热点燃实验时，必须在每 一系列实验前后对该装置自身的灵敏度进行校验， 只有灵敏度合格，才能对被试元件进行检验，且检 验结果有效。热点燃能力是影响实验装置可靠性灵 敏度的主要因素。笔者通过提取热点燃能力的影响 因素作为基本变量分布参数，其变化引起可靠性的 变化率信息，对小元件点燃实验装置进行可靠性灵 敏度分析研究，以达到优化热评定步骤、提高检验 效率的目的。 1小元件热点燃实验装置及灵敏度校验 小元件点燃实验装置是一套精密的小型机电一 体化的实验设备，其主要部分是热点燃装置，外壳 是一个透明且能承受爆炸压力的钢化容器，内部设 有接小元件两极和自校作用的镍铬合金丝。对于 I 类设备，实验气体为甲烷和空气的均匀混合物，甲 烷体积分数为 6.26.8， 将混合气体充入容器后， 小元件接入电路完成热点燃[2]。 小元件热点燃实验装置中，两个发热电极放在 充有爆炸危险混合气体的爆炸槽内，工作在最高温 度的小元件被接在电路两个电极上。小元件点燃实 验装置结构如图 1 所示。 ChaoXing 增刊 1薛琴 小元件热点燃试验灵敏度分析方法的研究73 图 1小元件热点燃实验装置结构 Fig.1Structure of thermal ignition test device for small component 热点燃实验前后，都必须检查装置的灵敏度， 即引燃温度。合金导体作为自校电路发热元件而产 生高温，灵敏度校验时，通过调整合金导体两端的 电压值使导体表面温度达到 650750℃后，若自校 时间 5 min 内爆炸性混合物出现点燃，认为该装置 的灵敏度合格。如果实验期间没有出现点燃，应使 用其他方法点燃混合物进行验证。装置灵敏度的影 响因素主要包括可燃性混合物、金属导体电阻率、 热源表面积及引燃时间等。 2热点燃实验装置灵敏度影响因素 2.1可燃性混合物 可燃性混合物的性质包括成分、浓度、温度、 压力及湿度等，在一定温度和压力范围内，标准大 气压下不同甲烷浓度混合气体的最低点燃温度与爆 炸极限浓度有关，由于电极的磨损、发热，气体的 压力、浓度等各因素的不可控， 导致气体的引爆具 有明显的概率统计规律[3]。 一般，实验室温度、大气压力和爆炸性气体混合 物中空气的湿度对实验的影响很小， 但是常规校验时， 这些变化量的共同作用的影响将变得较为明显[4]。 2.2金属导体电阻率 不同的金属导体其电阻率不同，高温下的强度 大小就不同[5]。镍铬合金电阻高温下强度高、不易 变形，其结构也不易改变，且塑性较好、易修复、 辐射率高、无磁性、耐腐蚀性强、使用寿命长。由 于爆炸容器的容积仅为 250 cm3， 自校电路发热源面 积不能太大。通过对常用的金属导体电阻率分析， 得出镍铬合金、康铜丝的电阻率比较大，容易产生 高温，是标准热源的最好选择。 2.3热源表面积 由引燃温度和热源表面积的相关性可知，热源 面积越大，越容易引起甲烷混合物引燃，面积很小 时需要更高的温度来引燃[6]。因此当镍铬合金的端 部发生变化时，其引燃温度就会不同，校验单元的 灵敏度也会不同，这影响到本质安全电气设备的检 验。因此，当镍铬合金端部形状角度发生变化时， 需要调整镍铬合金以保证灵敏度的要求。 2.4引燃时间 在正常情况下，自校电路需要等待一段时间才 会引燃可燃气体，主要原因是镍铬合金从室温到高 温需要一定时间， 且甲烷混合物与高温热源接触时， 也需要经过一定的时间间隔发生燃烧或爆炸[7]。火 源的温度越高，瓦斯爆炸的时间间隔越短。考虑到 镍铬合金升温时间和引火延迟性，实验气体大约经 30 s 才能燃烧，考虑到火源温度与燃烧产生的临界 性，自校时间需要相应延长[8]。在标准大气压下， 最低点燃温度的大小与混合气体和引燃时间相关， 如表 2 所示。 表 1点燃温度相关性结果表 Table 2Results related to ignition temperature 甲烷体积分数/引燃时间/s点燃温度/℃ 5.08.9691 6.59.8690 7.012.0697 8.014.0699 10.06.3725 根据表 2 中的实验数据，将可燃性气体浓度 x 和引燃时间 y 作为自变量对因变量引燃温度 z 进行 最小二乘多元线性拟合，运用 MATLAB 进行仿真， 如图 2 所示。随着甲烷浓度的增大，引燃时间的增 长，其点燃温度随之增大。当甲烷浓度达到一定量， 引燃时间减小，表明其瞬间产生的能量越大，点燃 温度越高。 图 2拟合的曲线图 Fig.2Fitting graph 3可靠性灵敏度算法模型 影响实验灵敏度的多个因素中，每个变量不确 定度都取决于热点燃实验装置灵敏度，即引燃温度 的相关量值。若进行全面实验不仅造成实验人员工 作任务的繁重，而且有些因素在实验中只要稍加控 制不会对实验结果产生很大的影响，因此，对各影 响因素的测量不确定度来源进行分析，通过计算各 被测量的不确定度的相关性，建立灵敏度补偿数学 模型，并对获得的扩展不确定度加以修正补偿[9]。 灵敏度算法模型建立过程如图 3 所示。 ChaoXing 74煤田地质与勘探第 46 卷 图 3灵敏度算法模型建立过程 Fig.3Process to build up the model of sensibility algorithm 3.1基本随机变量 将灵敏度的 4 个影响因素作为基本变量建立数 学模型，找出被测量引燃温度 Y 与各影响量 Xii 1,2,3,4之间的函数关系。 1234 ,,,Yf XXXX1 式中 X1，X2，X3，X4分别表示可燃性气体混合物体 积比、金属导体电阻率、热源表面积和引燃时间。 由 X1，X2，X3和 X4的最佳值 x1，x2，x3，x4可得 出 Y 的最佳值。随机变量 x1，x4具有某种函数关系， 即测量结果 1423 ,yf x xxx2 式中 δ是检定仪器上显示的示值误差。Y 的标准不 确定度 uy取决于输入量 x1，x2，x3，x4的标准不确定 度 ux1，ux2，ux3，ux4。 3.2测量值标准不确定度 为了正确评定实验装置的不确定度，要对不确 定度的来源进行仔细分析。根据大量实验数据可得 出，灵敏度的不确定度主要来源于测量仪器计量性 能分辨力存在的局限性及重复观测值的随机变化两 个方面[10-11]。 根据实验分析发现，在测量环境条件控制完善 的情况下，标准热源镍铬合金的电阻率和热源尖端 面积形状不受重复次数的影响，因此采用统计分析 对甲烷混合物浓度和引燃时间进行相关性的不确定 度评定， 其不确定度值 uA等于两个变量系列观测值 的标准差σ的代数和。 用 n 次测量的平均值作为测量 结果的估计值时，其对应的不确定度为 22 12 12 A u nn      3 δ有 4 个不确定度来源，包括甲烷纯度分析仪、 数字多用表、 测温仪和计时器引入的标准不确定度， 其测量值区间半宽分别为 a1、a2、a3、a4，其不确定 度分别为 uδ1、uδ2、uδ3、uδ4。根据核查检测 用仪器仪表的检定信息，其测量估计值服从三角分 布、均匀分布和反正弦分布[12]，在此基础上评定标 准差并得到其不确定度  2222 22223124 1234 6332 B aaaa uuuuu    4 3.3合成标准不确定度算法 对于有多个来源的测量不确定度来说，将所得 的所有标准不确定度进行合成作为测量结果的标准 不确定度[13]。经多次实验分析发现，甲烷混合气体 浓度与引燃时间的不确定度来源相关，根据实验结 果的函数形式，可将测量结果按泰勒级数展开并取 一阶近似求得其合适形式的灵敏系数[14]。合成的不 确定度为   2 1 2 2 111 2cov , nnn ciij iij iiij fff uyu xx x xxx           5 即  2 1 2 111 , nnn ciijij iij iiij fff uyu xu x u xr x x xxx           6 由于x1与x4相关且与x2，x3彼此相互独立，通过对方差和灵敏系数计算，可得合成标准不确定度为 1 222 141423 1114 2 , nn c ij i ff uyu x u xr x xuxuxux xx          7 因为甲烷混合气体浓度x1与引燃时间x4相关， 则x，y之间的相关系数为 1 144 14 22 4411 , ii ii xxxx r x x E xxE xx     8 ChaoXing 增刊1薛琴小元件热点燃试验灵敏度分析方法的研究75 3.4灵敏度补偿算法 为了得到可靠性灵敏度，本文提出基于数字模 拟的近似可靠性灵敏度分析方法。该方法的基本思 路是用测量真值加权扩展不确定度的方式，等价替 代测量结果。合成不确定度所表示的测量结果，其 被测量真值的概率仅为68，但在高精度的测量应 用领域中，需要提供一个置信概率较大的测量结果 区间，使大部分测量值都位于其间[15]。为此用测量 结果的扩展不确定度作为修正值。 包含因子k的大小等于t分布的临界值tpv， 可由给定的置信概率P与合成不确定度uc的自由度 v通过查t分布表得到[15]。 一般情况下包含因子可取 k23。 从后续灵敏度分析方法上考虑，可以将等价的 甲烷与空气均匀混合物的浓度与引燃温度的相关性 系数、引燃时间与引燃温度的相关系数作为线性变 量函数代入灵敏度分析算法来进行修正，可得到引 燃温度的可靠性灵敏度分析结果。 14 6.362 61.685 4665.1437 Yyy Yxx    9 4算法验证 实验时， 将小元件安装在使用的电气设备中， 并保证元件与可燃性气体接触。这种情况下，应 考虑被测元件附近设备其他部分的影响，这种影 响是由通风和热效应导致的混合物温度和元件周 围混合物流量而产生的。 4.1实验要求 实验应在正常工作条件下或在其特定防爆型和 保护级别的故障条件下进行，在元件表面温度达到 最高值时进行实验。对于I类设备，实验气体混合 物应为6.5 0.3体积质量分数的甲烷与空气均匀 混合物。 4.2自校灵敏度合格判据 出现冷焰看作是点燃，可以采用热电偶进行判 定。判定时首先把热电偶工作端置于小元件实验环 境中，另一端连接到温度记录仪上，当自校时间内 温度在瞬间升高时认为发生了点燃。 4.3灵敏度补偿后的引燃温度 为了更好地优化实验过程，在满足实验要求的 基础上，将选定的两个相关随机变量X1，X4的灵敏 度补偿拟合方程运用在数值分析中，其他随机变量 相互独立且均服从正态分布N0，1。 采用有限元标 准程序回归分析，可得到引燃温度的可靠性灵敏度。 从表3可以看出，规定的可燃性气体混合物在6.2 6.8的体积比数范围内， 其与引燃时间成正比关系， 经算法补偿后的引燃温度变低，装置的灵敏度提高， 优化了热评定步骤， 缩短了热点燃实验时间。 这种一 致性说明所提方法对提高检验效率是合理可行的。 表 2可靠性灵敏度结果分析表 Table 2Analysis of the reliability sensibility 基本变量引燃温度 T/℃ 可燃性混合物 体积分数/ 引燃 时间/s 预测补偿 6.29.4695688.749 1 6.49.5691689.853 0 6.59.8690689.983 7 6.610.4692689.608 7 6.811.2696689.532 9 5结 语 针对本质安全电气产品在进行热点燃实验过 程中容易受实验装置灵敏度影响的实验情况，将 实验装置的灵敏度看作是由多个不同的测试链所 构成的并联测量链，而每个测量链的参数测试过 程又是各个不同的测试环节进行量值传递的过 程。通过对影响实验装置灵敏度的各个输入分量 测量不确定度的计算，建立了可靠性灵敏度算法 来进行修正，避免了计算工作量大和可能带来错 误结果的问题。引入的可靠性灵敏度分析算法不 仅没有影响实验质量，而且还能节省实验时间、 简化实验人员的工作， 证明了设计方案是合理的。 参考文献 [1] 中国电器工业协会. 爆炸性环境第 4 部分由本质安全型“i” 保护的设备GB 3836.42010[S]. 北京中国标准出版社， 20118. [2] InternationalElectrotechnicalCommission.IEC600790 Explosive atmospheres-Part 0 Equipment-General requirements. International Standard， Edition 6.02011. [3] 许允之，牟龙华，刘建华，等．影响火花实验装置放电因素 的探讨[J]. 煤矿机电，2007151–53. XU Yunzhi ， MU Longhua ， LIU Jianhua ， et al. Discharge influencing factors of spark test device[J]. Colliery Mechanical Electrical Technology，2007151–53. [4] 赵永红. 提高本安火花实验装置灵敏度的方法研究[J].煤炭科 学技术，2012，40781–84. ZHAO Yonghong．Study on to improve sensitivity of intrinsic safe spark test device[J]. Coal Science and Technology， 2012，40781–84. [5] 李宇波， 贺洪文， 王西同. 小元件表面温度对本质安全型电路 的影响[J]. 电气防爆，2005310–13. LI Yubo，HE Hongwen，WANG Xitong．Influence of surface temperature of small component on intrinsically safe circuit[J]. Electric Explosion Protection，2005310–13. [6] 赵宏. 本安型防爆仪表热点燃评价方法研究[J]. 化工自动化 及仪表，2013，408955–958. ZHAO Hong. Research of thermal ignition assessment for intrinsically-safe instruments[J]. Control and Instruments in Chemical Industry，2013，408955–958. [7] 刘雅君，李真西，张婷婷．符合 IEC 标准的本质安全型小元 件点燃实验装置[J]. 煤矿安全，2015，46886–88. ChaoXing 76煤田地质与勘探第46卷 LIU Yajun， LI Zhenxi， ZHANG Tingting. Intrinsically safe small component ignition test device coning to IEC standard[J]. Safety in Coal Mines，2015，46886–88. [8] 解悦，付淑玲. 甲烷催化元件的技术性能分析[J]. 煤矿安全， 2014，45276–78. XIE Yue ， FU Shuling. Technical properties analysis of ch4 catalytic components[J]. Safety in Coal Mines，2014，452 76–78. [9] 李春瑛， 张宝成. 标准气体研制过程中的不确定度估算及其表 示方法[J]. 低温与特气，2000322–25. LI Chunying，ZHANG Baocheng. Estimation and expression of uncertainty in developing process of standard gases[J]. Low Temperature and Specialty Gases，2000322–25. [10] 程银宝，陈晓怀，王汉斌，等. 基于精度理论的测量不确定度 评定与分析[J]. 电子测量与仪器学报， 2016， 308 1175–1182. CHENG Yinbao ， CHEN Xiaohuai ， WANG Hanbin ， et al. Measurement uncertainty estimation and analysis based on accuracy theory[J]. Journal of Electronic Measurement and Instrumentation，2016，3081175–1182. [11] 崔洋，彭吉，于淼，等. 负温度系数的工业热敏电阻温度传感 器测量误差的不确定度评定[J]. 电子测量技术，2014，378 104–106. CUI Yang，PENG Ji， YU Miao ， et al. Assessment of the uncertainty in temperature measurements by industrial negative temperaturecoefficientthermistorsensors[J].Electronic Measurement Technology，2014，378104–106. [12] 刘涛， 田文， 樊强， 等. 气体分析仪测量不确定度的分析[J]. 中 国环境监测，2009，25562–65. LIU Tao，TIAN Wen，FAN Qiang，et al. The uation of uncertainty of comparison for determining of gas sample[J]. Environmental Monitoring in China，2009，255 62–65. [13] 崔伟群. 合成标准不确定度评定过程中相关系数的数学和测 量学意义[J]. 计量与测试技术，2011，38953–55. CUI Weiqun. The significance about correlation coefficient in calculationofuncertainty[J].MetrologyMeasurement Technique，2011，38953–55. [14] LIU Yongsuo， MENG Qinghua， CHEN Rong， et al. Improvement of similarity measure Pearson product-moment correlation coefficient[J]. Journal of Chinese Pharmaceutical Sciences ， 2004，133180–186. [15] 唐琼婕， 肖斌， 郭春营. 对系统可靠度的不确定度的随机模拟 计算[J]. 质量与可靠性，2011310–12. TANG Qiongjie ， XIAO Bin ， GUO Chunying. Stochastic simulation of uncertainty in system reliability[J]. Quality and Reliability，2011310–12. [16] 郑红. 测量不确定度的自由度的计算[J]. 计量与测试技术， 2014，411244–48. ZHENG Hong. Calculation of degrees of freedom of uncertainty in measurement[J]. Metrology Measurement Technique， 2014， 411244–48. ChaoXing