СПОСОБ ОЦЕНКИ И ПОВЫШЕНИЯ МЕТРОЛОГИЧЕСКОЙ НАДЕЖНОСТИ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ Российский патент 2004 года по МПК G01R31/00 G01R35/00 

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 измерения (см., например, Новицкий П.В., Зограф И.А., Лабунец B.C. Динамика погрешностей средств измерений. Л.: Энергоатомиздат, 1990, с.192), 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 (см., например, Новицкий П.В., Зограф И.А., Лабунец B.C. Динамика погрешностей средств измерений.-Л.: Энергоатомиздат, 1990, с.192) 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 (см. Чернышева Т.И., Мищенко С.В., Цветков Э.И. Метрологическая надежность измерительных средств. М.: Машиностроение, 2001, с.96).

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 (см., например, Новицкий П.В., Зограф И.А., Лабунец B.C. Динамика погрешностей средств измерений. Л.: Энергоатомиздат, 1990, с.192), 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);

σ_S(t) - значение среднеквадратического отклонения метрологической характеристики.

Экстраполяция зависимостей m_S(t) и ψ±σ(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;

ξj - параметры комплектующих элементов блока;

σξ_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 ξ_1.n₁, временное изменение номинала которых приводит к росту значения метрологической характеристики блока, в другой - элементы ξ_2.n₁ обратным воздействием, приводящим к убыванию значений метрологической характеристики (см. фиг.2).

Методом перебора осуществляют замену одного или нескольких элементов из одной подгруппы ξ_2.1 ξ_2.2 на другие ξ’_2.1 ξ’_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 ψ±σ_KOP(t) полученный метрологический ресурс значительно больше ранее найденного из-за снижения темпа изменения во времени значений основной метрологической характеристики.

Аналогичную процедуру проводят для других аналоговых блоков, входящих в измерительный канал средства измерения, определяют значения метрологического ресурса каждого блока, и за метрологический ресурс средства измерения в целом принимают минимальный из найденных значений метрологических ресурсов всех рассматриваемых аналоговых блоков.

Далее рассмотрим пример оценки и повышения метрологической надежности блока нормирующего преобразователя, выполненного на основе усилителя постоянного тока, входящего в измерительный канал большинства средств измерений.

Электрическая принципиальная схема исследуемого аналогового блока приведена на фиг.3. Типы комплектующих элементов и их основные параметры указаны в таблице 1.

Для усилителя нормируемой метрологической характеристикой является основная относительная вида

где К - коэффициент передачи блока;

К_Н - номинальный коэффициент передачи блока (в нашем случае К_Н= 3,959·10³).

Допустимое значение основной относительной погрешности δ_доп, как правило, устанавливается равным ±3%.

Коэффициент передачи схемы усилителя определяется по соотношению:

где ω - частота сигнала, подаваемого на вход усилителя.

Для проведения статистического моделирования необходимо знать функции изменения номиналов элементов во времени (см. табл. 2). В примере для наглядности и простоты вычислений характер изменения параметра элементов МЛТ-0,25 и СП-0,4 выбран одинаковым.

В табл.2 R(0) и С(0) номиналы резистора и конденсатора в нулевой момент времени, [кОм] и [мкФ], соответственно, R(t) и C(t) - в момент времени t.

Статистическое моделирование проводилось с помощью программного обеспечения, созданного с использованием изложенной выше методики. В результате моделирования и аппроксимации множеств значений m_S(t) и ψ±σ(t) получили математическую модель изменения во времени основной метрологической характеристики (см. фиг.4), описываемой следующими зависимостями:

m_S(t)=(6,5974791·10^-17)·t³-(8,8674146·10^-12)·t²+(5,0264699·10^-7)·t+0,0043266;

ψ±σ(t)=(1,3465521·10^-16)·t³-(1,3720631·10^-11)·t²+(6,2963107·10^-7)·t+0,0125513;

ψ_-σ(t)=-(1,5758129·10^-17)·t³-(3,309921·10^-13)·t²+(1,88539·10^-7)·t-0,0043556.

Для математического описания функций выбрана полиномиальная зависимость третей степени, обеспечивающая в данном случае наименьшую погрешность аппроксимации.

По результатам статистического моделирования определили, что метрологическая характеристика усилителя выйдет за допустимое значение погрешности δ_дон через 59953 ч (см. фиг.4).

Далее осуществляем повышение метрологического ресурса исследуемого блока.

Определяем элементы с доминирующим воздействием на метрологическую характеристику. Значения нормируемых частных производных и элементы, оказывающие доминирующее воздействие, указаны в табл. 3.

В результате проведенного расчета определили (см. табл.3), что элементы R1, R3, R5 и R6 оказывают доминирующее воздействие на метрологическую характеристику исследуемого блока. Однако элементы R6 и R3, R5 имеют большую разницу в значении номинала, таким образом, скомпенсировать временное изменение параметра элемента R6 изменением параметра элемента R3 или R5 не представляется возможным, так как за один и тот же промежуток времени значения номиналов элементов R6 и R3, R5 изменятся на величину разного порядка. Поэтому будем производить замену элементов R6 и R1, номиналы которых имеют более близкие друг другу значения.

Методом перебора осуществляем замену элементов R6 и R1 на другие типы, чтобы временные изменения параметров выбранных компонентов оказывали минимальное воздействие на изменение метрологической характеристики во времени. В результате чего получили, что замена элементов R1 и R6 (МЛТ-0,25) на другие типы С4-2-0,25-10% и ВС-0,25-10% соответственно приведет к снижению темпа изменения метрологической характеристики во времени и повышению метрологического ресурса на 13066 ч (в среднем на 20%).

Вид изменения метрологической характеристики во времени после осуществления замены элементов показаны на фиг.5.

Таким образом, экспериментальная проверка показала, что предложенное техническое решение позволяет оценить и повысить метрологический ресурс электронного средства измерения не менее чем на (15-25)%.

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.

Способ оценки и повышения метрологической надежности средств измерений, заключающийся в том, что для аналогового блока электронного средства измерения создают математическую модель его метрологической характеристики, производят статистическое моделирование состояния метрологической характеристики в различных временных сечениях с использованием сведений о временном изменении параметров радиоэлементов, строят математическую модель процесса изменения во времени метрологической характеристики, задают уровень допустимых значений метрологической характеристики и полученные данные используют для оценки метрологического ресурса средства измерения, отличающийся тем, что для оценки метрологической надежности средства измерения определяют метрологический ресурс каждого из N аналоговых блоков, входящих в измерительный канал средства измерения, далее для повышения величины метрологической надежности одного из N аналоговых блоков по величине нормируемой частной производной от функции изменения во времени метрологической характеристики выделяют радиоэлементы аналогового блока, оказывающие доминирующее воздействие на значение этой метрологической характеристики, затем выделенную группу радиоэлементов разбивают на две подгруппы, в одной из которых объединяют радиоэлементы, временное изменение номиналов которых приводит к росту значения метрологической характеристики аналогового блока, в другой - радиоэлементы 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 во времени значений метрологической характеристики аналогового блока, осуществляют замену одного или нескольких радиоэлементов 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, а метрологический ресурс средства измерения в целом находят как минимальное из найденных значений метрологических ресурсов всех рассматриваемых N аналоговых блоков.