ýeské vysoké uþení technické v Praze Fakulta elektrotechnická
BakaláĜská práce
Vedoucí práce: Ing. Petr Ježdík Student: MatČj Kult Praha, záĜí 2009 1
2
Akademický rok 2008-2009
ZADÁNÍ BAKALÁěSKÉ PRÁCE Student:
MatČj Kult
Obor:
Kybernetika a mČĜení
Název tématu þesky:
Statistické ovČĜení diagnostických metod pro osvČtlení automobilu wolframovými žárovkami
Název tématu anglicky:
Statistical testing of diagnostic methods for wolfram bulbs light system
Zásady pro vypracování: OvČĜte navržené metody pro diagnostiku wolframových žárovek osvČtlení automobilu na statisticky významném souboru žárovek. Diskutujte spolehlivost navržených metod.
Seznam odborné literatury: [1]
Kreidl, M. - Petr, J. - Novák, J. - Houfek, P. - Doubek, J.: Diagnostic Systems Prague : CTU, 2001. 352 p. ISBN 80-01-02349-4. (in Czech)
[2]
Jezdik,P. Rozbor metod analýzy dynamického chování napájecí soustavy vozidla, odborná studie
Vedoucí bakaláĜské práce:
Ing. Petr Ježdík
Datum zadání bakaláĜské práce:
10.leden 2009
1
Platnost zadání do :
20. Února 2010
L.S.
Prof. Ing. Pavel Ripka, CSc. Šimák, CSc.
Doc. Ing. Boris
vedoucí katedry
dČkan V Praze dne XX
_______________________________ Platnost zadání je omezena na dobu dvou následujících semestrĤ.
3
Prohlášení Prohlašuji, že jsem svou bakaláĜskou práci vypracoval samostatnČ a použil jsem v ní pouze podklady uvedené v pĜiloženém seznamu literatury. Nemám žádný závažný dĤvod proti užití tohoto školního díla ve smyslu § 60 Zákona þ.121/200 Sb., o právu autorském a o právech souvisejících s právem autorským a o zmČnČ nČkterých zákonĤ (autorský zákon).
V Praze dne ………….
…………………… Podpis
4
1 PodČkování Na tomto místČ bych rád podČkoval vedoucímu této práce Ing. Petru Ježdíkovi za jeho trpČlivost a cenné rady a pĜipomínky k této práci, které pĜispČli ke zkvalitnČní této práce. Dále bych chtČl podČkovat své rodinČ a svým nejbližším za psychickou podporu a trpČlivost pĜi zpracování tohoto tématu.
V Praze dne 20.8.2009
MatČj Kult
5
Anotace BakaláĜská práce je zamČĜena na ovČĜení diagnostických metod pro osvČtlení automobilu wolframovými žárovkami. Na významném množství mČĜících prvkĤ se ovČĜí navržená metoda, která by mohla být použita jako doplĖující systém k již instalovaným systémĤm. Práce je zamČĜená na popis diagnostických systémĤ, vlastní popis autožárovek a statistické zpracování namČĜených souborĤ dat.
Abstract This thesis is focused on veryfying of diagnostical methods of lighting automobiles by wolfram lightbulbs . The proposed method will be verified by an excessive amount of gauged elements. Beforementioned methods could be apllyed to aid and supplement systems that are already being used. The paper constitues of delineation and characterization of diagnostical means, the descreption of lightbulbs and statistical processinng of measured data files.
6
2 Obsah
2
Obsah .....................................................................................................................................7
3
Motivace, úvod .....................................................................................................................8
4
Použité teorie a produkty, rozbor Ĝešení.......................................................................9
4.1
Popis autožárovek.............................................................................................................10
4.2
Typy a druhy žárovek .......................................................................................................15
4.3
Predikce prasknutí žárovek ............................................................................................15
4.4
Hypotéza ..............................................................................................................................16
5
Realizace..............................................................................................................................18
5.1
Diagnostické prostĜedky – architektura Ĝešení .........................................................18
5.2
Popis zapojeni ....................................................................................................................22
5.3
Statistické zpracování ......................................................................................................23
6
Praktické výsledky ............................................................................................................26
6.1
Kompenzování zmČn a normalizace.............................................................................26
6.2
Praktické zpracování hodnot .........................................................................................29
7
Zhodnocení .........................................................................................................................33
8
Literatura .............................................................................................................................35
9
Seznam pĜíloh.....................................................................................................................36
9.1
Seznam obrázkĤ ................................................................................................................37
9.2
Seznam tabulek..................................................................................................................38
7
3 Motivace, úvod V každém spoleþenském oboru je velice dĤležité získat a správnČ a rychle vyhodnocovat informace o zkoumaných objektech a navrhovaných Ĝešeních. V oboru elektrických mČĜení a diagnostikování tomu není jinak. DĤležité je získávat konkrétní a pĜesné výsledky testovaných celkĤ k využití dat pro navazující aplikace a zpracování v budoucnosti, která mĤže znamenat napĜíklad nové a moderní návrhy systémĤ, pĜístrojĤ, Ĝešení atd. Podstatou této práce je zhodnotit a ovČĜit možnosti a spolehlivost již navržených diagnostických metod pro osvČtlení automobilu, vedoucí k efektivnímu servisování osvČtlení. Jde o plánování servisu vozového parku, tedy návštČvy autoservisu þi vþasné zakoupení žárovek a jejich výmČny, þímž se mohou eliminovat rĤzné nebezpeþné situace a nepĜíjemné starosti, které mohou komplikovat život na silnicích tím, že nČkteré þásti osvČtlení jsou nefunkþní. Tato práce vznikla proto, aby se navázalo na diplomovou práci pana Ing. P. Wojnara, který navrhnul diagnostické metody pro osvČtlení automobilu a je nutné tyto metody dále zhodnotit, aby se ovČĜily a mohly být uplatĖovány v praxi jako doplĖující systém k souþasnČ používaným testovacím systémĤm osvČtlení montovaných do automobilĤ nebo používaných v automobilových servisech. Cílem této práce je tedy statisticky ovČĜit diagnostické metody pro osvČtlení wolframovými žárovkami a urþit, nakolik je navržená metoda pro urþení stáĜí žárovek spolehlivá. Na nČkolika typech a druzích žárovek se bude ovČĜovat metoda pro prasknutí vláken žárovek, která se staticky vyhodnotí a urþí se, pĜi jakých hodnotách výkonĤ wolframového vlákna žárovky praskají a kdy je tedy nutné zajistit jejich výmČnu. Téma této práce je vybráno z dĤvodu mého zájmu o obor diagnostických metod a jejich praktického využití v automobilovém prĤmyslu. ZávČry práce mohou být využité ve výzkumu, testování a návrhu nových automobilĤ, specielnČ svČtelných okruhĤ jak z interního i externího pohledu. Podstatným výsledkem Ĝešení této oblasti bude možnost ukázat cestu jak snížit výrobní i uživatelské náklady na provoz vozidel.
8
4 Použité teorie a produkty, rozbor Ĝešení PĜi výbČru metod v tomto konkrétním pĜípadČ se vychází ze dvou základních diagnostických systémĤ, které jsou vhodné pro praktické ovČĜování diagnostických metod. V této kapitole se vysvČtlují rozdíly mezi centralizovaným diagnostickým systémem a strukturovaným diagnostickým systémem, který z nich je vhodnČjší, kde má své uplatnČní, a který jsme použili pĜi zpracování statistických souborĤ dat. Strukturovaný diagnostický systém znamená, jak z názvu vyplývá, že se jedná o systém, kde každý podsystém je sledován vlastním souborem mČĜících prvkĤ a jejich následný stav je vyhodnocován jejich vlastním postupem.
Obr. 4.1 Strukturovaný diagnostický systém Centralizovaný Ĝídící systém znamená, že se jedná o koncept, ve kterém dochází k eliminaci diagnostických subsystémĤ na v ideálním pĜípadČ jeden. Který by mČl vykazovat co nejlepší diagnostické pokrytí. Systém je pĜipojen na co nejmenší poþet mČĜících bodĤ. Hlavním dĤvodem tohoto systému je zjednodušení fyzické vrstvy diagnostiky a ušetĜení nákladĤ pĜi výrobČ vozidla.
9
Obr. 4.2 Centralizovaný diagnostický systém
4.1 Popis autožárovek Wolframové autožárovky jsou jednoduchá zaĜízení sloužící k pĜemČnČ elektrické energie na svČtlo. Funguje na principu zahĜívání tenkého vodiþe elektrickým proudem, který jím protéká. PĜi vysoké teplotČ vlákno žárovky záĜí v infraþervené oblasti a zþásti i ve viditelném svČtle. U pĜežhavených žárovek (projekþní typy, halogeny apod.) najdeme ve spektru i ultrafialové záĜení, avšak baĖka žárovky z obyþejného skla je pro ultrafialové záĜení prakticky nepropustná. Z optického hlediska se totiž vlákno žárovky nechová jako absolutnČ þerný záĜiþ (wolfram je selektivní záĜiþ). Wolframové žárovky jsou v automobilech zastoupeny v parkovacích, obrysových, smČrových a brzdových svČtlech. ýasto se v automobilech používají halogenové žárovky, když je potĜeba soustĜedit svČtlo do jednoho bodu, ty jsou ale nákladnČjší a proces halogenové autožárovky je složitČjší. Tato práce je tedy zamČĜena na klasické wolframové žárovky.
10
Vlastním zdrojem záĜení je vlákno, které je u moderních žárovek vyrobeno výhradnČ z tenkého wolframového drátu (o prĤmČru od 10 µm u žárovek 15 W do 120 µm u žárovek 20 W) svinutého do jednoduché nebo dvojité šroubovice. Vlákno je v požadované poloze fixováno pĜívody a podpČrnými molybdenovými háþky zapíchnutými do þoþky tyþinky, která s dalšími sklenČnými polotovary (talíĜkem a þerpací trubiþkou) tvoĜí tzv. nožku. Nožka s vláknem je zatavena do vnČjší baĖky vyrobené z mČkkého sodno-vápenatého skla. PĜívody jsou souþástí elektrického obvodu a obvykle se skládají ze tĜí þástí. VnitĜní þást pĜívodu je z niklu nebo poniklovaného železa, jeho prostĜední þást je vyrobena z tzv. plášĢového drátu s þinitelem teplotní roztažnosti odpovídajícím roztažnosti sklenČného talíĜku. To zajišĢuje vakuovČ tČsné spojení kovových a sklenČných souþástí žárovky, umožĖující udržet potĜebné vakuum nebo inertní prostĜedí v žárovce v prĤbČhu celého jejího života. VnČjší þlánek pĜívodu zároveĖ plní i funkci pojistky (v pĜípadČ vzniku výboje pĜi pĜerušení vlákna v žárovkách plnČných plynem). BČžnČ bývá zhotoven z monelu (slitina niklu s mČdí) o malém prĤmČru (160 až 180 µm). ZajišĢuje zároveĖ elektrický kontakt s objímkou svítidla prostĜednictvím patice. PĜívody jsou s paticí spojeny buć pájením bČžnými pájkami SnPb anebo ekologicky þistším sváĜením. VnitĜní prostor baĖky je vyþerpán, zbytky nežádoucích plynĤ (zejména kyslíku a vodíku) jsou pohlceny getrem (þervený fosfor nebo nitrid fosforu), naneseným na vlákno nebo konce pĜívodĤ po montáži vlákna na nožku. Náplní žárovek bývá argon nebo krypton, v obou pĜípadech s pĜímČsí dusíku, zabraĖujícího vzniku výboje mezi závity vlákna. PĜítomnost inertního plynu snižuje rychlost vypaĜování vlákna, umožĖuje zvýšit jeho teplotu, a tedy i mČrný výkon žárovky pĜi zachování života, omezuje þernání baĖky, a zlepšuje tím stabilitu svČtelného toku bČhem svícení. Z hlediska života žárovky je žádoucí používat co nejvyšší tlak plnicího plynu, podle možnosti blížící se tlaku okolní atmosféry. Autožárovky jsou opatĜeny bajonetovou paticí, která je k baĖce pĜipevnČna speciálním tmelem.
11
Obr. 4.3 Konstrukce obyþejné žárovky 1 – baĖka, 2 – wolframové vlákno, 3 – pĜívody, 4 – tyþinka, 5 – þoþka, 6 – þerpací trubiþka, 7 – talíĜek, 8 – patice, 9 – háþky (podpČrky), 10 – plynná náplĖ, 11 – tmel, 12 – pájka, 13 – getr, 14 – izolace patice
Charakteristiky popisující prĤbČhy závislosti elektrických parametrĤ obecné wolframové žárovky na velikosti napájecího napČtí jsou podle publikace [4] a dále literatury [3] uvedeny na Obr.2.4
Obr. 4.4 Závislost elektrických parametrĤ žárovky na napájecím napČtí
12
Elektrické parametry obecné wolframové žárovky v závislosti na zmČnČ napájecího napČtí lze popsat následujícími rovnicemi, kde X0
je tabulková hodnota parametru žárovky uvádČná výrobcem pro jmenovité napČtí U0
X
je hodnota parametru pro zmČnu napájecího napČtí na hodnotu U
SvČtelný tok F [lm] F §U · ¸ =¨ F0 ¨© U 0 ¸¹
= 3. 4
(4.1)
=1.9
(4.2)
1. 6
(4.3)
−13
(4.4)
−1 MČrný výkon PP [lm ⋅W ]
PP § U · ¸ =¨ PP 0 ¨© U 0 ¸¹
PĜíkon P [W ]
P §U =¨ P0 ¨© U 0
· ¸¸ ¹
Životnost T [h] T §U · ¸ =¨ T0 ¨© U 0 ¸¹
Výpoþty uvedené výše jsou obecné závislosti a pro zpĜesnČní vypoþtených charakteristik je tĜeba upravit exponenty rovnic pro jednotlivý typ žárovek, které uvádí výrobce. Tyto závislosti platí pouze v rozsahu kolísání napájecího napČtí mezi 90-110%. Mimo tento rozsah nelze vzorce s dostateþnou pĜesností aplikovat. V prĤbČhu svícení žárovky dochází k odpaĜovaní wolframu z povrchu vlákna žárovky a k jeho usazování na baĖce. Tento proces zpĤsobuje postupné tmavnutí žárovky a má za následek snížení svČtelného toku až o 25% na konci jejího funkþního cyklu. S odpaĜováním vrstev wolframu z povrchu souvisí zvyšování rezistivity vlákna v prĤbČhu stárnutí. Se zvyšující se rezistivitou vlákna se analogicky snižuje i protékající proud, pĜíkon i generovaný svČtelný tok.
13
MénČ pĜíznivá situace nastává pĜi napájení žárovky z proudového zdroje. PĜi snižování rezistivity dochází k postupnému zvyšování pĜíkonu žárovky a analogicky zvýšení pracovní teploty vlákna. Tím se zrychluje proces odpaĜování vrstev wolframu resp. stárnutí žárovky. Životnost žárovky udávaná výrobcem je prĤmČrná hodnota životnosti velkého souboru testovaných žárovek. Životnost jednotlivých žárovek je pak ovlivnČna souborem nČkolika faktorĤ. V první ĜadČ je ovlivnČna technologií a kvalitou výrobního procesu ovlivĖující výslednou kvalitu resp. homogenitu vyrobeného vlákna. Životnost vlákna koresponduje s jevem oznaþeným v literatuĜe [4] jako „filament notching“ což v pĜekladu znamená vroubkování vlákna. Jde o lokální povrchové iregularity, objevující se v prĤbČhu stárnutí žárovky na celém povrchu vlákna. Tyto lokální poruchy povrchu mají zpravidla schodovitou þi pilovitou strukturu (Obr. 4.55). V tČchto oslabených místech je vlákno více výkonovČ namáháno a dochází k rychlejšímu odpaĜování materiálu. Tyto vroubky se postupnČ prohlubují, zmenšují prĤmČr vlákna, až do chvíle kdy v místČ nejhlubší vady dojde k pĜerušení resp. pĜepálení vlákna. Tento þinitel je nejdĤležitČjší faktor zkracující životnost žárovky.
Obr. 4.5 povrchové vady podle [4] Dalším faktorem ovlivĖujícím životnost žárovky jsou tepelné podmínky, ve kterých je žárovka provozována. VČtší teplotní rozdíly pĜi spínání žárovky znamenají vČtší dilataþní šok materiálu, a tím i vČtší mechanické namáhání samotného vlákna v oslabených místech materiálu vedoucí k dĜívČjšímu pĜepálení vlákna. Dále se uplatĖuje míra vibrací pĤsobící na žárovku v dobČ, kdy je vlákno oslabeno. Vibrace vedou k snadnČjšímu rozlomení vlákna v místČ oslabení.
14
4.2 Typy a druhy žárovek
Navržené metody z [3] pro ovČĜení statistických metod a pro testovaní spolehlivosti se testují na daném poþtu autožárovek od výrobcĤ : Osram, Starline a Tesla jevíce používaných typĤ H3, H4, H7 v celkovém množství ( viz. Tabulka 4.1).
Typ žárovek
Osram
H3 H4 H7
Starline Tesla 4 8 5
Tab. 4.1
3 6 6
0 13 0
Množství a druhy žárovek
Jmenovité napČtí tČchto žárovek þiní 12 V. Z teoretických pĜedpokladĤ vychází, že pĜi zvýšení vstupního napČtí o 10% se sníží životnost o 50%.. Testují se vždy stejné žárovky tak, aby se zaruþilo, že se jedná o stejné žárovky a statistické zpracování je dále významné. NapĜíklad pĜi laickém výbČru zaþíná mít výhodu znaþka Osram, jejichž žárovky, jak udávají technické dokumenty výrobce, obsahují i UV filtr. Pro testování se používají všechny žárovky rĤzných typĤ a výrobcĤ.
4.3 Predikce prasknutí žárovek
Predikce prasknutí žárovek jinými slovy znamená, že se jedná o kvalifikovaný odhad technického stavu žárovky na základČ strukturních parametrĤ, získaných z namČĜených dat v napájecí síti. V našem pĜípadČ v napájecí síti pro testované žárovky.
15
K dispozici je tedy 60 kusĤ žárovek výše zmínČných typĤ. Tento poþet ve finálním zpracování není koneþný, protože nČkterá vlákna žárovek praskají pĜi prvotním zvýšení vstupního napČtí a u jiných nastávají chyby pĜi mČĜení, takže se s namČĜenými hodnotami dále nedá pracovat. Proto ke statistickému zpracování zbývá 45 žárovek.
Z definice statistického zpracování je tento poþet dostaþují, protože definice z literatury [5] Ĝíká, že smysl statisticky zpracovávat hodnoty nemá do poþtu 15. Tato podmínka je splnČna. Statické zpracování se provádí jak pro všechny žárovky celkem, tak pro žárovky stejného typu, aby byl výsledek co nejpĜehlednČjší.
Pro všechny testované žárovky jsou vytvoĜeny identické podmínky, což je jeden ze základních aspektĤ použitelnosti dat z podhledu jejich kvality a to navíc tak, že se spouštČcí napČtí nastaví na úroveĖ po testování pokus omyl. Nejlepší hodnota spínacího napČtí vychází na 145% normálního napČtí pro spouštČní svČtelného okruhu, aby se simulovalo stárnutí žárovek. Tím se stanoví koeficient þasového posunu pro prasknutí žárovek. Pro statistická data je vybráno mČĜení spínacího napČtí a elektrický proud na žárovky v prĤmČru 160 rozsvícení za hodinu. To vychází 3840 rozsvícení za 24 hodin.
Tímto se simuluje umČlé stárnutí žárovek. MČĜí se spínací napČtí a
elektrický proud na žárovce.
4.4 Hypotéza
Musí se vyslovit hypotéza o pĜedpokládaném prĤbČhu zpracovávání mČĜení. Z literatury [5] je na výbČr ze dvou možných statistických hypotéz. První (nulová) hypotéza H0 zjednodušuje situaci a zpravidla se snaží být vyvrácena, aby ve výsledku byla hypotéza prokázána. Druhá (alternativní hypotéza) H1 je opak nulové hypotézy a prokazuje to, co chceme vČcnČ prokázat.
16
Hypotéza vyplývá z diplomové práce pana Ing. Pavla Wojnara a její znČní je: spolehlivost navržených diagnostických metod je vyšší než 95%. Praktickým ovČĜením významného množství wolframových žárovek zapínaných v navrženém zapojení se zjistí spolehlivost
navržených
diagnostických
wolframovými žárovkami.
17
metod pro osvČtlení automobilu
5 Realizace Pro samotné mČĜení elektrického proudu a napČtí je vytvoĜen program v prostĜedí programu MATLAB, který zajistí rozsvČcování a zhasínání autožárovek. Žárovky jsou pĜipevnČny do sestaveného obvodu v poþtu 60. Všechna dĤležitá data jsou ukládána do databáze a nadále zpracovávána a vyhodnocována. Dále je napsán program (skript), který vyhodnocuje namČĜené prĤbČhy viz obr. 4.2. PrĤbČhy jsou zobrazeny též v programu MATLAB, ve kterém jsou veškerá namČĜená data zpracovávána.
5.1 Diagnostické prostĜedky – architektura Ĝešení
MČĜení hodnot napČtí je realizováno na samotné rozvodnici tak, aby se eliminovalo co nejménČ chyb v podobČ ztrát. MČĜení napČtí slouží jako zdroj informující o aktuálním stavu napájecí soustavy. MČĜení proudu je realizováno pomocí proudových sond s Hallovým snímaþem, který funguje jako proudový transformátor na základČ Hallova efektu. Její základní schéma je na Obr. 5.1.
Obr. 5.1
Základní schéma Hallova proudového snímaþe
18
Pro dostateþnou kvalitu dat je nutné zajistit, aby veškeré žárovky (všech 60 vzorkĤ) prošly celým svým životním cyklem a došlo k jejich destrukci. K ovČĜení statistických metod je nutné, aby všechny žárovky zakoupené za tímto úþelem popraskaly, aby vlákna žárovek popraskala .
V místnosti s mČĜícím modelem je pĜipevnČna kontrolní webová kamera, která je zamČĜena na celé mČĜící stanovištČ pro pĜípad nČjakého nebezpeþí þi chyby. Chyby, které nastávají v mČĜení jsou kontrolovány pĜes PC pomocí vzdáleného pĜipojení do laboratoĜe. Pokud nastává chyba mČĜení nebo chyba, která potĜebuje zásah uživatele, mĤžeme upravit program mČĜení a napĜíklad spustit skript znovu nebo restartovat celý diagnostický systém. Již zniþené vzorky - prasklé žárovky - se musí vymČĖovat manuálnČ.
19
Blokové schéma mČĜící þásti modelu pro umČlé stárnutí je sestaveno na obrázku 5.2 (v pĜíloze je celkové schéma modelu).
Obr. 5.2
Blokové schéma mČĜící þásti diagnostického modelu
Schéma je vytvoĜeno tak, že pro všechny žárovky jsou vytvoĜeny stejné podmínky. Žárovky jsou úmyslnČ pĜetČžovány vyšším vstupním napČtím pro nasimulování jejich stárnutí. Celý cyklus stárnutí se skládá ze 3 subcyklĤ pro 3 mČĜené žárovky, které se rozsvítí a následnČ chladí tak, aby teplota vlákna žárovky dosáhla teploty místnosti. Subcyklem se myslí rozsvícení, zmČĜení hodnot pĜechodového dČje a spínacího napČtí, zhasnutí a þekání na ochlazení vlákna žárovky, doba jednoho subcyklu je nastavena na 12 vteĜin. To je doba dostaþující, která k ochlazení vlákna žárovky na teplotu v místnosti. V místnosti není klimatizace, tak se používá alespoĖ vČtrák, pro rozvíĜení vzduchu a tím k þásteþnému chlazení vzorkĤ. 20
Chlazení vlákna žárovky je v podstatČ nejdĤležitČjší þást pĜi celém procesu stárnutí, protože pĜi zažehnutí vlákna žárovky pĜi nízké teplotČ vede k dilataci materiálu.
Ta vzniká tepelnou roztažností wolframu a tím pádem vede k tíženému stárnutí. To znamená, že vznikají povrchové fraktury ve tvaru vroubkĤ, které lokálnČ oslabují prĤmČr vlákna a tím zvyšují jeho rezistivitu. Opakováním tČchto subycklĤ dochází k postupnému stárnutí až do úplného prasknutí vlákna. PĜechodový jev rozsvícení žárovky je na Obr. 5.3.
Obr. 5.3
PĜechodový jev rozsvícení žárovky
21
Obr. 5.4
ýasovvá závislost napájecího napČtí v dobČ pĜecchodového dČje
PĜi výše popsaném snížení životnosti žárovky se musí zvvýšit vstupní napČtí, protože nedochází k odpaĜování wolframu tak jaký je teoretický pĜĜedpoklad. Z kapitoly 4.2. vyplývá, že je nutné zvvýšit napČtí, aby se zajistilo urychlení živo otního cyklu vzorkĤ zniþení vláken žárovek.
5.2 Popis zapojjeni Samotný tester, simulátor stárnutí je sestaven ze stabilizova aného zdroje napČtí typu MN 40 V – 40 A, kte erý je používán k napájení žárovek a je zde použit místo klasické autobaterie. Na výstup v jsou sériovČ pĜipojeny kapacitorry 5mF pro každou žárovku zvlášĢ tak, aby byla zajištČna ochrana zdroje pĜi velkých odbČrech. o NapČĢové snímaþe zde jsou zastoupeny v podobČ automobilových relé, kterrá žárovky spínají a jsou Ĝízeny Ĝídícím obvode em zapojeným do stabilizovaným zdrojem nap pČtí BK 125. 22
Darlingtonova pole, které je napájeno
ěídící obvod je ovládán procesorem MAX232E se sériovým rozhraním pro RS232, který sekvenþnČ Ĝídí rozsvČcení jednotlivých žárovek na základČ dat vyslaných z PC z prostĜedí MATLAB. PĜechodové jevy jsou v okamžiku sepnutí snímány výše popsanými Hallovými snímaþi, které jsou napájeny laboratorním zdrojem Stomron 2229. PrĤbČhy pĜechodových dČjĤ jsou zobrazeny na þtyĜ kanálovém digitálním osciloskopu Tektornix TDS 7104 a z nČj jsou namČĜené hodnoty pomocí fyzické vrstvy LAN Ethernet pĜenášena do PC. Komunikace PC s osciloskopem je realizována VISA knihovnou a pĜíkazy jsou definovány GPIB standardem. BČhem stárnutí žárovek dochází ke stahování všech dĤležitých dat, které jsou dále zpracovávány.
Obr. 5.5
Blokové schéma testeru žárovek
5.3 Statistické zpracování Cílem této þásti kapitoly a výslednČ i celé této práce, je statisticky ovČĜit metodu predikce prasknutí žárovky. ýili Ĝíci, nakolik jsou navržené metody spolehlivé pro její vlastní aplikaci. Musí se urþit závislost poklesu elektrické spotĜeby žárovky na jejím stáĜí pĜi respektování okolních podmínek jako je dodržení hodnoty vstupního napČtí a okolní teploty soustavy. 23
Je potĜeba zjistit, pĜi jakém poþtu rozsvícení a jakém úbytku napČtí žárovky prasknou. Vše vychází z toho, že pĜi procesu stárnutí (rozsvČcení a zhasínání) se prĤmČr vlákna žárovky zmenšuje, tím pádem se zvyšuje jeho odpor a snižuje elektrický proud. Ve výsledku to znamená, že pro další rozsvícení žárovky je potĜeba nižší výkon.
PrávČ výkon je zásadní hodnota celého mČĜení, protože díky nČmu se získávají výsledné charakteristiky, z kterých se ovČĜí diagnostická metoda a mĤže se z ní urþit životnost vlákna žárovky. Hledá se hodnota v procentech, kdy dochází k prasknutí vláken žárovek.
Na reálném modelu (automobilu) nemĤžeme mČĜit teplotu vlákna žárovky ihned, tato doba je vzhledem k okolnostem bČžného používání vozidla nedefinovatelná a proto mČĜíme teplotu metodou nepĜímou.
V závČru je k mČĜení použito 60 kusĤ žárovek, z toho pro statické zpracování, jak je zmínČno v 4.2 45 kusĤ žárovek. 27 žárovek typu H4, 11 kusĤ H7 a 7 kusĤ žárovek typu H3. Teoretický pĜedpoklad popsán v 5.3., jež Ĝíká, že s postupnými mČĜení je potĜeba k rozsvícení nižší výkon napovídá, že
se jedná o klesající prĤbČh funkce
v závislosti výkonu na poþtu rozsvícení (dobČ chladnutí vlákna žárovek). To se potvrzuje na obrázku 6.3. V namČĜených prĤbČzích se musí pĜekontrolovat míra nestejnosti (variabilita) hodnot spojité veliþiny. ObecnČ pro míru variability s(x) platí : ݏሺܽ ݔሻ ൌ ݏሺݔሻ ݏሺܾ ȉ ݔሻ ൌ ܾ ȉ ݏሺݔሻܾ Ͳ
(5.1.) (5.2.)
kde a je libovolná konstanta a jejím pĜiþtením se charakteristika variability nezmČní. Rovnice 5.2. Ĝíká : vynásobení kladnou konstantou znamená, že stejnou konstantou je nutno vynásobit charakteristiku variability. To je pĜípad výše zmínČný pĜi nastavení offsetu. Hodnoty se musí pĜenásobit normalizaþním koeficientem, který srovná nerovnosti v mČĜení tak, že se mĤže odeþíst úbytek výkonu. 24
Z vypoþítaných
hodnot
se
spoþítá
absolutní
þetnost
výsledné
hodnoty
v procentech, z které se spoþítá medián. Ten urþí, pĜi kolika procentním úbytku výkonu vlákna žárovky praskají. Spoþítá se rozptyl, který udává hodnotu, nakolik se liší hodnoty jednotlivých souborĤ od prĤmČru. Medián se poþítá dle vzorce 5.3. Rozptyl (variance) se poþítá dle vzorce 5.4., který mČĜí þtverec vzdálenosti od prĤmČru. SmČrodatná odchylka je odmocnina z rozptylu (5.5), která zcela vyhovuje požadavkĤm míry variability.
Výhoda smČrodatné odchylky tkví v tom, že má stejný fyzikální význam jako pĤvodní data. ଵ
ଵ
ݔൌ ሺݔଵ ݔଶ ڮ ݔ ሻ ൌ σ୬ୀଵ ୧
(5.3)
ݏ௫ଶ ൌ ሺሺݔଵ െ ݔሻଶ ሺݔଶ െ ݔሻଶ ǥ ሺݔ െ ݔሻଶ ሻ ୬ିଵ
(5.4)
ଵ
ݏ௫ ൌ ξ ݏଶ
(5.5)
25
6 Praktické výsledky V této kapitole se budeme zabývat samotným zpracováním namČĜených hodnot. MČĜili jsme elektrický proud a spínací (napájecí) napČtí pĜi spínaní žárovek. Na obrázku 6.3 se potvrzuje teoretický pĜedpoklad, že prĤbČh je již zmínČná klesající funkce, kde je v závislosti výkon [P] ve watech na poþtu rozsvícení. Dalším úkolem v této kapitole staticky vyhodnotit dosud namČĜené prĤbČhy a provést jejich zhodnocení.
6.1 Kompenzování zmČn a normalizace V prĤbČhu cyklĤ mČĜení dochází k poklesu kapacity autobaterie, která vede ke snížení výstupního napČtí. Rezistivita vlákna žárovky (dále jen vlákna) a je tedy spjata s velikostí napájecího napČtí. PĜi zvýšení napájecího napČtí dle 5.3 dochází k tomu, že pro spouštČní mČĜení je potĜeba dodat žárovkám vyšší výkonu, to vede ke zvýšení teploty vlákna a tím pádem i ke zvýšení jeho rezistivity. Musí se tedy normováním urþit konstanta, která po vynásobení namČĜených souborĤ zajistí srovnání prĤbČhĤ na doporuþenou spínací hodnotu napájecího napČtí. Nejlepší je zvolit hodnotu jmenovitého napČtí žárovek þili hodnotu UN= 12 V. Z literatury [4] bylo zjištČno, že pro statické testy pĜi rĤzných provozních napČtí, je závislost odporu vlákna na provozním napČtí témČĜ lineární. Viz obr 6.1.
26
15
14
U [V]
13
12
11
10 8.5
Obr. 6.1
9
9.5 R [Ω ]
10
10.5
Modelovaná statická závislost odporu vlákna na provozním napČtí
Pro statické charakteristiky platí vztah RN = R +
Kde
U − 12 [Ω] 0,753
(6.1)
R je namČĜený odpor soustavy
U je napájecí napČtí soustavy R N je normovaný odpor pro napájecí napČtí U N = 12[V ] Pak pro normovanou práci potĜebnou pro zažehnutí 21W žárovky platí n + n1
WN = T ⋅ n ⋅ ¦ n1
Kde
(6.2)
u n2 § u n u n − 12 · [W ⋅ s] ¨¨ + ¸ 0,753 ¸¹ © in
T je perioda vzorkování osciloskopu n je poþet vzorkĤ, pĜes které se vypoþítává práce
n1 þíslo prvního vzorku odebraného po sepnutí žárovky u n okamžité napČtí baterie in okamžitý proud tekoucí z baterie
27
Pro dynamické charakteristiky svítilny se však dopouští metodické chyby, protože okamžitý odpor vlákna žárovky v prĤbČhu zážehu žárovky není pĜímo úmČrný okamžitému napČtí zdroje a uplatĖují se zde vlivy odevzdané energie sáláním a vedením. Odhad
metodické
chyby,
které
se
dopouští
normování
dynamických
charakteristik je proveden na simulovaných datech dynamického modelu žárovky. 0
-0.1
R [Ω ]
-0.2
-0.3
-0.4
-0.5
-0.6 6.1
Obr. 6.2
6.2
6.3
6.4
6.5 t [s]
6.6
6.7
6.8
Absolutní chyba metody normování dynamických charakteristik
Na Obr. 6.2 je uvedena þasová závislost absolutní chyby normování okamžitého odporu vlákna z modelu žárovky pro dvČ rĤzná napájecí napČtí U1 = 10[V ],U 2 = 12[V ] . Na obrázku je zachycen prĤbČh tČsnČ po sepnutí žárovky pĜi témČĜ stejných poþáteþních teplotách vlákna žárovky. Výpoþtem numerické integrace prĤbČhu této chyby a výpoþtem numerické integrace simulovaného prĤbČhu pro normované napČtí
U 2 = 12[V ] se pak následným výpoþtem dotkává k relativní chybČ metody normování dynamických charakteristik. Chyba, které se dopustíme normováním vypoþtené práce o οܷ ൌ ሾܸሿ je spoþítána na hodnotu ߜௐ ൌ െͲǡͲΨ. PĜi nastavování mČĜících pĜístrojĤ je hodnota offsetu nastavena na hodnotu 10 V, na to se musí vzít zĜetel a proto se prĤbČhy musejí pĜenásobit. PĜi použití vztahu 6.1 vychází výsledný normalizovaný odpor 9,93 OhmĤ. Touto hodnotou se musí vynásobit soubory, aby se získaly skuteþné prĤbČhy.
28
6.2 Praktické zp pracování hodnot
Obr. 6.3. Zidealizova aný prĤbČh výkonu na poþtu rozsvícení
29
Obr. 6.4 VýĜez pĜiblížžení zobrazení klesání PrĤbČhy okamžitého o výkonu P jsou vyhodnocovány v progra amu MATLAB, které jsou dále zpracovány v tab bulce aplikací Excel pro jejich pĜehledné zobrazení. Hodnoty jsou dále rozdČleny podle stejného typu žárovek. Vzhledem k mČĜení v ideálním prostĜedí dochází také k vyyššímu poþtu rozsvícení. Model je staticcký a není zde brán zĜetel na otĜesy, zmČny teplot a další rušivé faktory, které ovlivĖují životnost v normálním bČhu vozidla a. V tabulce 9.5 jsou zaznamenány poþty rozsvícení a spoþítána procentuální hod dnota, pĜi které žárovky praskají. Dále jssou z nich vynesené grafy. Pro všechny mČĜené prvky je zobrazen v pĜíloze jako gra af 9.1 a pro stĜední hodnoty žárovek je to graf 6.3. 6
V potaz by se mČly brát horní a dolní hranice namČĜených hodnot v rozmezí +5%, aby došlo k odstranČníí maximálních a minimálních hodnot, kte eré ovlivĖují výsledky mČĜení. 30
Aby se dosáhlo pĜesných hodnot prasknutí, kdy žárovky praskají, musí se stanovit pĜevodní hodnota výkonu na dobČ chladnutí pro všechny použité typy žárovek. Doba chladnutí je nastavena na 11s pĜi dobČ rozsvícení žárovky 1,5 s, po normalizaci, pĜenásobení poþtu rozsvícení na dobu chladnutí a následné vynesení grafĤ. Soubory hodnot se pĜenásobí hodnotou normovaného odporu tak, aby hodnoty sedČli pro reálný model automobilu. To znamená na 12 V, které jsou urþené jako katalogové hodnoty napájení žárovek.
Normovat se mĤže buć podle spoþtených hodnot vynásobení konstantou nebo dle prĤbČhĤ namČĜených hodnot. Nejlepší možnost je kombinace obou dvou možností kvĤli korekci chyb, které mohou nastat pĜi výpoþtu nebo pĜi odeþtení hodnot z grafu. PĜevodní tabulka je závislost meziþasu doby chladnutí na výkonu. Díky této hodnotČ dojde k odstranČní schodových zmČn výkonĤ, které v mČĜení nastaly.
Hodnoty pro statistické zpracování jsou dostaþující, ale nČkteré žárovky jsou dvouvláknové a praská jen jedno vlákno, takže dalším pokraþováním, þi navázáním na tuto práci, kde se potvrzují navržené metody, by bylo obohatit tuto práci o další výsledky mČĜení, protože se nestihlo promČĜit a nechat popraskat i druhá vlákna žárovek. Proto výsledek této práce je zatížen touto chybou v mČĜení.
Žárovky
Výkon [%]
Starline H7 Starline H4 Starline H3 Osram H7 Osram H4 Osram H3 Tesla H4
98,3461 97,7931 98,1142 97,9857 97,7295 96,8720 97,5475
PrĤmČr
97,7697
Tab. 6.1 Hodnoty stĜedních hodnot prasknutí vláken
31
'ƌĂĨnjĄǀŝƐůŽƐƚŝǀljŬŽŶƵǎĄƌŽǀĞŬ ϵϴ͕ϲϬ ϵϴ͕ϭϬ
sljŬŽŶй
ϵϳ͕ϲϬ ϵϳ͕ϭϬ ĄƌŽǀŬLJ
ϵϲ͕ϲϬ ϵϲ͕ϭϬ ^ƚĂƌůŝŶĞ,ϳ
KƐƌĂŵ,ϳ
^ƚĂƌůŝŶĞ,ϰ
KƐƌĂŵ,ϰ
dĞƐůĂ,ϰ
^ƚĂƌůŝŶĞ,ϯ
KƐƌĂŵ,ϯ
DĞĚŝĄŶĐĞůŬĞŵ
Graf 6.2 Zobrazení % výkonĤ hodnot vláken žárovek
'ƌĂĨnjĄǀŝƐůŽƐƚŝǀljŬŽŶƽǎĄƌŽǀĞŬƉŽ ŶŽƌŵĂůŝnjĂĐŝ ϵϴ͕ϱϬϬϬ
sljŬŽŶй
ϵϴ͕ϬϬϬϬ ϵϳ͕ϱϬϬϬ ϵϳ͕ϬϬϬϬ ϵϲ͕ϱϬϬϬ ϵϲ͕ϬϬϬϬ ^ƚĂƌůŝŶĞ ^ƚĂƌůŝŶĞ ^ƚĂƌůŝŶĞ KƐƌĂŵ KƐƌĂŵ KƐƌĂŵ dĞƐůĂ,ϰ WƌƽŵĢƌ ,ϳ ,ϰ ,ϯ ,ϳ ,ϰ ,ϯ
Graf 6.3 Závislost výkonĤ žárovek po normalizaci
32
7 Zhodnocení Kapitola (4) byla zamČĜena na vysvČtlení základních modelĤ centralizovaných systémĤ, v této kapitole byla teoreticky popsána wolframová žárovka a také byly popsány typy žárovek, které byly použity v této práci. Hlavní myšlenka této kapitoly, bylo vyslovení hypotézy o spolehlivosti navržených metod. Bylo popsáno, jak bude probíhat mČĜení a jaké vlivy ho ovlivĖují.
Kapitola (5) ukázala základní kostru mČĜícího zapojení a bylo v ní konkrétnČ popsáno mČĜící zapojení. Dále v této kapitole bylo navržené statistické Ĝešení jak, se budou zpracovávat namČĜené soubory hodnot. DĤležité v této kapitole bylo popsání umČlého stárnutí žárovek a urychlení tohoto jevu.
V kapitole (6) se byla popsána normalizace, která se musela aplikovat na namČĜený soubor dat. NáslednČ zde byly zpracovány výsledky mČĜení. Na Obr.6.3. je vidČt prĤbČh byl zobrazen prĤbČh závislosti výkonu na poþtu rozsvícení. Hypotéza v kapitole (4) Ĝíkala, že spolehlivost navržených diagnostických metod je vyšší než 95%. Praktickým ovČĜením významného množství wolframových žárovek byla tato alternativní hypotéza potvrzena, protože z namČĜených souborĤ vyšlo, že spolehlivost je vyšší než 95%. Konkrétní hodnota pro všechny typy žárovek vyšla 97,7697%. Pro žárovky typu Starline H3 vyšla hodnota prasknutí vlákna žárovky 98,1142 %, pro Osram H3 96,8720 %, Starline H4 97,7931 %, Osram H4 97,7295 % a Tesla H4 97,5475 %, pro žárovky typu H7 vyšla hodnota 98,3461% pro znaþku Starline a 97,9857 % pro Osram. PĜi celkovém shrnutí byly nejlépe oznaþeny žárovky od firmy Osram, protože vlákna žárovky praskají pĜi nejvČtším úbytku výkonu a navíc obsahují UV filtr. K mČĜení bylo použito 45 kusĤ žárovek, které jsme pĜetČžovali vyšším vstupním napČtím na hodnotu 19 voltĤ. S vČtším poþtem souborĤ by mČĜení bylo kvalitnČjší, ale mČĜení by probíhalo podstatnČ déle. 33
Podmínka statistického zpracování ale byla splnČna. NamČĜené hodnot byly znormalizovány tak, aby sedČly na reálný model vozidla, þili na hodnotu 12 voltĤ, kterými jsou bČžnČ autožárovky napájeny.Na druhou stranu muselo být bráno v zĜetel, že mČĜení probíhalo na statickém modelu, takže nedocházelo k vnČjším vlivĤm mČĜení jako jsou zmČny teplot, otĜesy vozidla a další rušení. Po necelém roce práce na této práci se dá s jistotou Ĝíci, že ovČĜení diagnostických metod pro osvČtlení automobilu wolframovými žárovkami bylo splnČno a mohl by být v budoucnu využit v praxi. V budoucnu by se dala tato práce vylepšit rozhodnČ vČtším poþtem mČĜících, upravení mČĜícího modelu, protože toto zapojení nesimulovalo otĜesy ani venkovní zmČny teplot a další rušivé prvky. V neposlední ĜadČ musí být bráno v úvahu pokrok technologií, takže kvalitnČjší návrh diagnostických metod.
34
8 Literatura [1]
Kreidl, M. - Petr, J. - Novák, J. - Houfek, P. - Doubek, J.: Diagnostic Systems Prague : CTU, 2001. 352 p. ISBN 80-01-02349-4. (in Czech)
[2]
Ježdík, P.: Rozbor metod analýzy dynamického chování napájecí soustavy vozidla, odborná studie
[3]
Wojnar, P.: Návrh a testování metod pro diagnostiku vybraných prvkĤ elektrické a elektronické výbavy vozidla. diplomová práce
[4]
Lighting Handbook : Reference & Application ( Illuminanting Engineering Society of North America// Lighting Handbook), ISBN 0879951028, 1994 New York
[5]
T. H. Wonnacot. R. J. Wonnacot: Statistika pro obchod a hospodáĜství, Victoria Publishing
35
9 Seznam pĜíloh 9.1
Seznam obrázkĤ
9.2
Seznam tabulek
9.3
Graf výkonĤ pro všechny mČĜené autožárovky
9.4
Schéma mČĜící þasti modelu
9.5
Tabulka namČĜených a zpracovaných hodnot
36
9.1 Seznam obrázkĤ Obr. 4.1 Strukturovaný diagnostický systém Obr. 4.2 Centralizovaný diagnostický systém Obr. 4.3 Konstrukce obyþejné žárovky Obr. 4.4 Závislost elektrických parametrĤ žárovky na napájecím napČtí Obr. 4.5 Povrchové vady podle [4] Obr. 5.1 Základní schéma Hallova proudového snímaþe Obr. 5.2 PĜechodový rozsvícení žárovky Obr. 5.3 ýasová závislost napájecího napČtí v dobČ pĜechodového dČje Obr. 5.4 Blokové schéma testeru žárovek Obr. 6.1 Modelovaná statická závislost odporu vlákna na provozním napČtí Obr. 6.2 Absolutní chyba metody normování dynamických charakteristik Obr. 6.3. Zidealizovaný prĤbČh výkonu na poþtu rozsvícení Obr. 6.4 VýĜez pĜiblížení zobrazení klesání Obr. 9.1 Schéma mČĜící þásti modelu
37
9.2 Seznam tabulek Tab 4.1 Množství a druhy žárovek Tab 6.1 Hodnoty stĜedních hodnot prasknutí vláken
38
PĜílohy
ĄǀŝƐůŽƐƚǎĄƌŽǀĞŬŶĂŚŽĚŶŽƚĄĐŚǀljŬŽŶƽ ϭϬϬ͕ϬϬϬϬϬ ϵϵ͕ϬϬϬϬϬ ϵϴ͕ϬϬϬϬϬ sljŬŽŶй
ϵϳ͕ϬϬϬϬϬ ϵϲ͕ϬϬϬϬϬ ϵϱ͕ϬϬϬϬϬ ϵϰ͕ϬϬϬϬϬ ϵϯ͕ϬϬϬϬϬ ϵϮ͕ϬϬϬϬϬ ϵϭ͕ϬϬϬϬϬ ϭ ϯ ϱ ϳ ϵ ϭϭ ϭϯ ϭϱ ϭϳ ϭϵ Ϯϭ Ϯϯ Ϯϱ Ϯϳ Ϯϵ ϯϭ ϯϯ ϯϱ ϯϳ ϯϵ ϰϭ ϰϯ ϰϱ ϰϳ ϰϵ ϱϭ ĄƌŽǀŬLJƉƎŝƎĂnjĞŶĠnjƚĂďƵůŬLJ
Graf 9.1 Závislost výkonĤ pro všechny mČĜené autožárovky
39
Obr. 9.2 Schéma mČĜící þásti modelu 40
