溫度變送器驗證方法的研究與應用分析

摘要：通常情況下，在化工元件設備安全功能分析與驗證過程中，技術人員會采用FMEDA 法對設備運行故障進行全面檢測與驗證。這一驗證方法不但為功能性安全產品的失效風險診斷與驗證提供了一種參考范式，同時也為其安全、完整性等級和平均失效概率的計算提供了數據模型。本文首先針對FMEDA 驗證分析法進行了闡述，然后在此理論基礎上，對溫度變送器的驗證方法相關內容進行了重點論述。

引言
        FMEDA 法作為溫度變送器安全工作中故障風險診斷及驗證分析的重要技術之一，其通過失效模式分析以及影響分析和故障診斷分析，可以找到設備運行過程中的具體故障，同時也能對相關故障進行驗證，從而評估其可能造成的嚴重后果，以此制定積極的處理對策，可降低溫度變送器故障發生的概率，提高其運行安全性與穩定性。

1 溫度變送器驗證中FMEDA 方法概述
1.1 FMEDA 驗證方法的概念
        FMEDA 是一種設備故障分析以及故障驗證的重要技術方式。其能夠對溫度變送器或者其他相關化工工程中存在的運行風險進行診斷、分析以及驗證。
1.2 FMEDA 驗證方法的理論依據
        用FMEDA 對溫度變送器進行驗證時，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準作為驗證分析指標。一般而言，當化工廠的溫度變送器大量生產后，在多次驗證基礎上會產生設備失效率值。因此，在實際驗證分析過程中，周期長、驗證基數大，在技術人員無法直接測得溫度變送器失效率參數值的前提下，可建立失效率模型，驗證溫度變送器的失效率。本文就以西門子元件為例，采用以下兩種模型對化工廠溫度變送器生產失效率進行驗證分析。

λ=λref×πT×πU×πQ ⑴
λ=λref×πT ⑵

        其中，在上述模型中，溫度變送器基礎失效率參數采用λref 表示，這一參數值可經過對大量芯片進行驗證分析得到；溫度變送器的溫度影響參數采用πT 表示，電壓影響參數采用πU 表示，溫度變送器的質量參數值采用πQ 表示。因溫度變送器實際運行中的情況不同，因此上述相關參數值也存在較大差異，需結合設備在生產運行中的溫度值以及電壓值和質量參數等進行驗證分析。對此，本文需針對不同條件下的溫度變送器不同驗證分析方法進行論述。

1.3 FMEDA 驗證方法的實踐步驟
        具體而言，在實際驗證過程中可按照以下步驟進行操作：①將溫度變送器劃分為不同的安全功能運行模塊，從而對每個不同運行模塊進行驗證分析；②全面了解與熟悉溫度變送器每個安全功能模塊的硬件構成圖，并熟悉每個元器件相關的工作運行環境等，同時制作表格，對溫度變送器的每一個相關元器件的具體名稱和型號、參數值等功能信息進行分析；③結合FMEDA 分析法的實際驗證標準，找到溫度變送器每一個相關元件的失效模式，從而科學確定溫度變送器生產運行失效率；④結合溫度變送器的實際工作運行環境，科學建立相關失效模型，以此計算其實際生產運行失效率；⑤科學分析并驗證溫度變送器每一個元件的失效情況以及失效率對溫度變送器的相關影響，評估每一種失效情況屬于危險失效率還是安全失效率。

1.4 溫度變送器FMEDA 驗證條件
        首先，本文在驗證分析之前，需合理設定一個運行溫度值。考慮到本項目研究設計的溫度變送器能夠適應的最大環境溫度為70℃，因此將溫度變送器FMEDA 驗證時的參考溫度設為70℃。所以，按照這一設計驗證要求，當溫度變送器的實際運行溫度參數值大于70℃時，其生產運行的危險失效率也會不斷上升；如果其運行溫度為70℃，則溫度變送器的實際平均失效率經過驗證滿足生產運行要求，同樣可知其在70℃以下時的平均失效率也能滿足生產運行要求。

2 FMEDA 方法在溫度變送器驗證中的應用
        因溫度變送器在實際運行中，通過時鐘模塊和信號輸入模塊、MCU 及A/D 轉換模塊和D/A 轉換輸出模塊等組成。因此，本文此次分析主要基于溫度變送器的MCU 和信號輸入兩大模塊，就復雜條件和簡單條件下的FMEDA 驗證方法進行分析。

        如下電路圖為該溫度變送器信號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，上述相關運行元件具有良好的濾波功能。在化工廠中的溫度變送器運行過程中，需要科學采集以下電路圖A 端與B 端的熱電偶或熱電阻兩側的電壓信號；其中a 和b 均為接入點，基準電壓由U1 提供。因R4 中的電阻值較大，因此溫度變送器運行時該側電流值為0，從而使A 側電勢保持不變；當如下電路圖中a、b 側連接共模扼流圈并科學將電感元件L1 與L2 接入后，此溫度變送器中的相關元件能夠充分發揮其良好的濾波功能，從而使C、D 兩側的電壓信號進入A/D 轉換芯片中。

        當溫度變送器生產運行時一旦出現故障，則上述電路圖兩側A/D 轉換芯片中的采樣信號就會受到嚴重影響。比如，溫度變送器C1出現短路情況時，電路中C 點的電勢就會降低到0，D 點為U1提供的基準運行電壓。因電路AB 兩側產生的電勢差遠遠高于D 點的電勢差， 則C1出現短路情況時，溫度變送器CD 兩側的電壓參數值就會不斷增大，此時溫度變速器的A/D 轉換芯片通過對設備運行時的相關信號進行采集驗證，經過科學轉化之后的溫度，就會低于溫度變送器所對應信號的實際上限參數值，由此使溫度變送器進入安全運行狀態。在此過程中，溫度變送器C1中的相關運行故障就會科學得到檢測與驗證。

3 溫度變送器驗證結果分析
        在該電路圖中， 假設溫度變送器的實際運行電壓為1.35V，設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證分析流程，結合該溫度變送器的實際物理特性和驗證前設定的溫度值70℃，并按照溫度變送器驗證標準SN29500 中的相關技術要求、兩種驗證模型λ=λref×πT×πU×πQ 和λ=λref×πT 可知，該溫度變送器的基礎失效率為1×10－9，電壓影響參數πU 為0.053，而溫度變送器的溫度影響參數πT 為3.7，溫度變送器的質量參數值πQ 為2。因此，本文采用FMEDA 驗證方法對溫度變送器進行分析，最終得到的失效參數結果如下：

4 結束語
        綜上所述，設備功能安全問題在我國當前的化工生產中逐漸得到重視。通過對化工生產設備的運行風險進行分析，可提高化工設備生產的安全性。經過實踐驗證研究可知，采用FMEDA 方法對溫度變送器進行驗證分析，不僅能夠針對溫度變送器的失效模式以及失效影響因素和驗證過程進行分析，而且能夠在安全驗證與分析基礎上，大大提升溫度變送器的整體運行性能，特別是采用FMEDA 方法對溫度變送器相關功能安全模塊中的器件進行驗證分析，最終能夠得到準確的驗證結果。

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