Метрологическая надежность средств измерений

 

 

Министерство  образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство  по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего  профессионального

образования

«Санкт-Петербургский  государственный университет технологии и дизайна»

 

 

 

 

Кафедра инженерной химии и

промышленной  экологии

 

 

 

 

 

 

Реферат по теме

Метрологическая надежность средств измерений

 

 

 

 

Работу выполнила

 

 

 

 

 

 

Студентка группы 4-ХД-8                                   Мамушкина Д.В___________

 

 

 

 

 

 

Санкт-Петербург

2011

 

 

 

Метрологическая надежность средств измерений

В процессе эксплуатации средства измерений может возникнуть поломка или неисправность, называемая отказом. Отказы делятся на неметрологические  и метрологические. Неметрологическим называется отказ, обусловленный причинами, не связанными с изменением MX средства измерений. Они носят главным образом явный характер, проявляются внезапно и могут быть обнаружены без проведения поверки. Метрологическим называется отказ, вызванный выходом MX из установленных допустимых границ. Как показывают проведенные исследования [5], метрологические отказы происходят значительно чаще, чем неметрологические. Это обуславливает необходимость разработки специальных методов их прогнозирования и обнаружения. Метрологические отказы подразделяются на внезапные и постепенные. Внезапным называется отказ, характеризующийся скачкообразным изменением одной или нескольких MX. Эти отказы в силу их случайности невозможно прогнозировать. Их последствия (сбой показаний, потеря чувствительности и т.п.) легко обнаруживаются в ходе эксплуатации прибора, т.е. по характеру проявления они являются явными. Особенностью внезапных отказов является постоянство во времени их интенсивности. Это дает возможность применять для анализа этих отказов классическую теорию надежности. В связи с этим в дальнейшем отказы такого рода не рассматриваются. Постепенным называется отказ, характеризующийся монотонным изменением одной или нескольких MX. По характеру проявления постепенные отказы являются скрытыми и могут быть выявлены только по результатам периодического контроля СИ. В дальнейшем рассматриваются именно такие отказы. С понятием "метрологический  отказ" тесно связано понятие метрологической исправности средства измерений. Под ней понимается состояние СИ, при котором все нормируемые MX соответствуют установленным требованиям. Способность СИ сохранять установленные значения метрологических характеристик в течение заданного времени при определенных режимах и условиях эксплуатации называется метрологической надежностью.(далее про нее будет идти речь)   Вернемся к  внезапным отказам Внезапные отказы вследствие их случайности прогнозировать нельзя. Для большого числа промышленно  выпускаемых электрических и  радиотехнических элементов средств  измерений (транзисторов, резисторов, конденсаторов и т.д.) имеются специальные таблицы, в которых указывается интенсивность их отказов – количество отказов в единицу времени. Если таких данных нет, то их можно получить экспериментальным путем в результате испытания элементов на надежность. Для этого N однотипным элементам задаются одинаковые режимы работы и фиксируется число отказов M за время T. Тогда интенсивность отказа элемента вычисляется по формуле . Зная  интенсивность отказов каждого  элемента, можно определить интенсивность  отказов средства измерений, состоящего из этих элементов: , где   n – количество типов элементов, входящих в состав средства измерений; mi – количество элементов i-го типа. Когда речь идет о внезапных отказах, вероятность  безотказной работы определяется как и наработка на отказ (среднее время безотказной работы) . По характеру  своего проявления внезапные отказы являются явными. Они сравнительно легко обнаруживаются и после  выяснения их причин – устраняются. Сложнее дело обстоит с диагностикой так называемых постепенных отказов, которые заключаются в том, что с течением времени метрологические характеристики перестают соответствовать установленным для них нормам, и средство измерений вследствие этого становится непригодным. Такие отказы являются скрытыми и могут быть обнаружены только при очередной поверке средства измерений, поэтому межповерочные интервалы устанавливают исходя из метрологической надежности средств измерений. Метрологическая надежность – это свойство средств измерений сохранять установленные значения метрологических характеристик в течение определенного времени при нормальных режимах и рабочих условиях эксплуатации. Метрологическим отказом называют выход метрологической характеристики средства измерений за пределы нормы. Метрологические отказы являются следствием старения и износа элементов и узлов средств измерений, так что их интенсивность со временем возрастает. На практике межповерочные интервалы устанавливают  исходя из следующей формулы: , где   Рм(t) – вероятность безотказной в метрологическом смысле работы, а Рм.отк – вероятность метрологического отказа за время между поверками, выбираемая из следующих установок: Для средств  измерений,   используемых при Значение вероятности   метрологического отказа технических измерениях 0,2…0,1 передаче информации о размере единиц 0,15…0,05 особо важных, ответственных  измерениях 0,05…0,01

 

 

 

 

СПОСОБ  ОЦЕНКИ И ПОВЫШЕНИЯ МЕТРОЛОГИЧЕСКОЙ  НАДЕЖНОСТИ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ

 

 

Использование: для оценки, прогнозирования и  повышения метрологической надежности электронных средств измерений.

 

Технический результат  заключается в повышении точности оценки и повышении метрологической  надежности средств измерений. Способ заключается в создании для аналогового  блока электронного средства измерения  математических моделей его метрологических характеристик, статистическом моделировании состояния метрологических характеристик в различных временных сечениях с использованием сведений о временном изменении параметров комплектующих элементов, построении математических моделей процесса изменения во времени метрологических характеристик, определяют метрологический ресурс каждого из N аналоговых блоков, входящих в измерительный канал средства измерения, затем по величине нормируемой частной производной от функции метрологической характеристики, учитывающей возможный разброс параметров радиоэлементов, выделяют радиоэлементы аналогового блока, оказывающие доминирующее воздействие на значение метрологических характеристик, далее выделенную группу радиоэлементов разбивают на две подгруппы, в одной из которых объединяют элементы, временное изменение номиналов которых приводит к росту значения метрологической характеристики аналогового блока, в другой - элементы с обратным воздействием, приводящим к убыванию значений исследуемой метрологической характеристики и, сохраняя функциональную целостность схемы и работоспособность исследуемого аналогового блока, методом перебора, исходя из условия наибольшей компенсации суммарного воздействия функций старения параметров радиоэлементов обеих подгрупп на изменение значений метрологической характеристики аналогового блока осуществляют замену одного или нескольких элементов из одной подгруппы на другие, далее с учетом внесенных в схему изменений вновь производят моделирование состояния метрологической характеристики для исследуемого аналогового блока и получают новое значение его метрологического ресурса, аналогичную процедуру проводят для других аналоговых блоков, входящих в измерительный канал средства измерения, определяют значения метрологического ресурса каждого блока, а метрологический ресурс средства измерения в целом находят как минимальное из найденных значений метрологических ресурсов всех рассматриваемых аналоговых блоков. 5 ил.

Изобретение относится  к измерительной технике и  может быть использовано для оценки, прогнозирования и повышения метрологической надежности электронных средств измерений.

Известен способ обеспечения  долговременной метрологической работоспособности  средства ,заключающийся в обеспечении при выпуске средства измерения достаточного запаса на старение, то есть выпуске приборов с фактической погрешностью, существенно меньшей, чем ее нормируемый предел.

Недостатками этого способа  являются повышенные требования к метрологической  стабильности элементной базы и, как  следствие, высокая стоимость средства измерения в целом, а также отсутствие возможности повышать метрологическую надежность и метрологическую исправность средства измерения.

Известен способ ,определения метрологической надежности средства измерения, состоящий в спектральном описании динамики погрешности средства измерения, позволяющий вычислить суммарную случайную составляющую его погрешности в любом диапазоне частот. Данный способ позволяет определить значение погрешности средства измерения в произвольный момент времени.

Недостатком этого способа является отсутствие возможности анализа метрологической надежности исследуемого средства измерения с учетом процессов старения комплектующих элементов с целью повышения его метрологической надежности.

За прототип принят способ оценки метрологической надежности электронных средств измерений, основанный на статистическом моделировании состояния метрологических характеристик аналоговых блоков исследуемого средства измерения в различных временных сечениях с использованием сведений о временном изменении параметров комплектующих элементов .

Недостатком способа-прототипа  является невысокая точность определения  метрологической надежности, обусловленная  использованием в математических моделях  описания метрологических характеристик  линейного закона изменения во времени случайных процессов старения исследуемого средства измерения, а также невозможность принятия мер по повышению метрологической надежности средства измерения.

Техническая задача изобретения - оценка и повышение метрологической  надежности средств измерений.

Поставленная техническая  задача достигается тем, что в  способе оценки метрологической  надежности средств измерений, состоящем  в создании для аналогового блока  электронного средства измерения математических моделей его метрологических  характеристик, статистическом моделировании состояния метрологических характеристик в различных временных сечениях с использованием сведений о временном изменении параметров комплектующих элементов, построении математических моделей процесса изменения во времени метрологических характеристик, определяют метрологический ресурс каждого из N аналоговых блоков, входящих в измерительный канал средства измерения, затем по величине нормируемой частной производной от функции метрологической характеристики, учитывающей возможный разброс параметров радиоэлементов, выделяют радиоэлементы блока, оказывающие доминирующее воздействие на значение метрологических характеристик, далее выделенную группу радиоэлементов разбивают на две подгруппы, в одной из которых объединяют элементы, временное изменение номиналов которых приводит к росту значения метрологической характеристики блока, в другой элементы с обратным воздействием, приводящим к убыванию значений исследуемой метрологической характеристики и, сохраняя функциональную целостность схемы и работоспособность исследуемого аналогового блока, методом перебора, исходя из условия наибольшей компенсации суммарного воздействий функций старения параметров радиоэлементов обеих подгрупп на изменение значений метрологической характеристики блока, осуществляют замену одного или нескольких элементов из одной подгруппы на другие, далее с учетом внесенных в схему изменений вновь производят моделирование состояния метрологической характеристики для исследуемого блока и получают новое значение его метрологического ресурса, аналогичную процедуру проводят для других аналоговых блоков, входящих в измерительный канал средства измерения, определяют значения метрологического ресурса каждого блока, а метрологический ресурс средства измерения в целом находят как минимальное из найденных значений метрологических ресурсов всех рассматриваемых N аналоговых блоков.

Сущность способа  заключается в следующем. В исследуемом  средстве измерения выделяют аналоговые блоки, входящие в измерительный  канал. Из практики эксплуатации средств измерений известно ,что доминирующими среди общего количества отказов (более 80%) для них являются постепенные отказы, которые наиболее характерны для аналоговых блоков и характеризуются монотонным изменением во времени их метрологических характеристик.

В качестве наиболее распространенной для средств измерений  метрологической характеристики используется основная относительная погрешность средства измерения.

На основе структурной  и принципиальной схем для каждого  аналогового блока строится математическая модель функционирования, характеризующая  зависимость выходного параметра  у от значения входного параметра  х, параметров элементной базы и внешних возмущающих воздействий

где   - вектор параметров комплектующих элементов блока средства измерения;

 - вектор внешних возмущающих  воздействий.

Для изучения метрологических  свойств блоков необходимо иметь  аналитические выражения для исследуемых метрологических характеристик S, поэтому математическую модель функционирования преобразовываем к виду

При условии  постоянства внешних возмущающих  факторов окончательно получаем математическую модель метрологической характеристики в виде аналитической зависимости от параметров элементов и входного сигнала

Условие сохранения метрологической исправности блока  во времени эксплуатации определяется неравенством

где S_дон - допустимое значение нормируемой метрологической характеристики.

Далее производится статистическое моделирование состояния метрологических характеристик исследуемых блоков, которое заключается в последовательном моделировании с учетом процессов старения параметров элементов схем с нормальным законом их распределения в каждом временном сечении области контроля Т₁, t_i   T₁, i=0,1,…,k подтверждаемым общим свойством процессов старения и далее моделировании реализации метрологических характеристик блоков в различных временных сечениях S(t_i), i=0, 1…, k.

Затем с помощью  методов интерполяции по полученным в области контроля Т₁(t₀,…,t_К) значениям параметров закона распределения метрологической характеристики S(t_i) создают математические модели процессов изменений во времени метрологических характеристик каждого аналогового блока S(t_i), представляющих совокупность аналитических зависимостей, полученных для функции изменения во времени математического ожидания исследуемой метрологической характеристики m_S(t) и функций, характеризующих изменение во времени границ отклонения возможных значений метрологической характеристики от ее математического ожидания (см. фиг.1), определяемых выражением

где с - постоянный коэффициент, выбираемый в зависимости  от заданного уровня доверительной  вероятности Р и закона распределения  метрологической характеристики (на практике выбирается с=3 при уровне доверительной вероятности Р=0,997 и нормальном законе распределения метрологических характеристик);

_S(t) - значение среднеквадратического отклонения метрологической характеристики.

Экстраполяция зависимостей m_S(t) и  (t), определяющих математическую модель изменения во времени исследуемой метрологической характеристики на область предстоящей эксплуатации Т₂ (область прогноза) из условия сохранения метрологической исправности (4), позволяет дать оценку времени наступления метрологического отказа или величины метрологического ресурса, определяемого временем безотказной в метрологическом отношении работы аналогового блока (0, t_отк) (см. фиг.1).

В математической модели аналогового блока выделяются элементы, увеличение или уменьшение во времени параметров которых вызывает максимальное изменение значений метрологической характеристики. Выделение этих элементов осуществляют по величине нормируемой частной производной вида

где   - значение частных производных, вычисленных по соответствующим параметрам комплектующих элементов блока;

j - параметры комплектующих  элементов блока;

_j - среднеквадратическое отклонение j-го параметра комплектующего элемента блока;

j=1,…,n.

Далее выделенную группу радиоэлементов делят на две подгруппы по направлению воздействия в одной объединяют элементы  _1.n₁, временное изменение номинала которых приводит к росту значения метрологической характеристики блока, в другой - элементы  _2.n₁ обратным воздействием, приводящим к убыванию значений метрологической характеристики (см. фиг.2).

Методом перебора осуществляют замену одного или нескольких элементов из одной подгруппы  _{2.1  2.2} на другие  ’_2.1  ’_2.2, с такими свойствами функции старения их параметров, чтобы суммарные воздействия функций старения обеих подгрупп частично или, если возможно, полностью взаимно компенсировались (функция S_идеал, на фиг.2), то есть, чтобы изменения номиналов радиоэлементов во времени оказывали минимальное воздействие на изменении во времени значений метрологической характеристики S исследуемого аналогового блока (функция S_кор, на фиг 2).

Замену элементов  производят при условии сохранения функционального назначения схемы  и работоспособности блока. Не следует  применять в нем комплектующие  элементы, основные параметры которых  отличающихся от параметров элементов подлежащих замене.

С учетом новых, введенных в схему элементов, вновь производят моделирование  состояния метрологической характеристики для исследуемого блока и, исходя из условия сохранения метрологической  исправности блока во времени (4), получают новое значение его метрологического ресурса t_omкКОР (см. фиг.1) экстраполяцией зависимостей m_SKOP(t) и  _KOP(t) полученный метрологический ресурс значительно больше ранее найденного из-за снижения темпа изменения во времени значений основной метрологической характеристики.