СПОСОБ ОЦЕНКИ И ПОВЫШЕНИЯ МЕТРОЛОГИЧЕСКОЙ НАДЕЖНОСТИ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ С УЧЕТОМ ТЕМПЕРАТУРНОГО РЕЖИМА ИХ ЭКСПЛУАТАЦИИ Российский патент 2006 года по МПК G01R31/30 

Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для оценки и повышения метрологической надежности электронных средств измерений.

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

Известен 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. Мищенко С.В., Цветков Э.И., Чернышева Т.И. Метрологическая надежность измерительных средств. - М.: Машиностроение-1, 2001 - 96 с.).

Недостатком способа является отсутствие учета внешних влияющих факторов, а также невозможность принятия мер по повышению метрологической надежности средства измерения с учетом условий эксплуатации.

За прототип принят способ (см. патент РФ № 2225989. Способ оценки и повышения метрологической надежности средств измерений. Чернышева Т.И., Шиндяпин Д.А.) оценки и повышения метрологической надежности средства измерения, заключающийся в статистическом моделировании состояния метрологических характеристик аналоговых блоков электронного измерительного устройства в различных временных сечениях области контроля с использованием сведений о временном изменении параметров комплектующих элементов и определении по полученным математическим моделям исследуемых метрологических характеристик значений метрологического ресурса как основного показателя метрологической надежности аналоговых блоков и средства измерения в целом, а также в выделении в каждом из блоков элементов, оказывающих доминирующее влияние на значения метрологических характеристик и замене выделенных элементов на другие, исходя из условия наибольшей компенсации суммарного воздействия функций старения параметров элементов на изменение значений метрологических характеристик, что приводит к повышению метрологической надежности исследуемого средства измерения.

Недостатком способа-прототипа является оценка и повышение метрологической надежности при неизменных нормальных условиях эксплуатации, в том числе температурного режима эксплуатации, что значительно снижает достоверность и точность определяемых показателей метрологической надежности в реальных условиях применения средств измерений.

Техническая задача изобретения - оценка и повышение метрологической надежности средств измерений с учетом температуры их эксплуатации.

Поставленная техническая задача достигается тем, что в способе оценки и повышения метрологической надежности средств измерений с учетом температурного режима их эксплуатации, заключающемся в том, что для каждого аналогового блока электронного средства измерения первоначально определяют метрологический ресурс, для чего проводят математическое моделирование состояния метрологической характеристики аналогового блока с использованием сведений о временном изменении параметров комплектующих элементов, задают уровень допустимого значения метрологической характеристики и полученные данные используют для оценки метрологического ресурса средства измерения, а для повышения метрологического ресурса по величине нормируемой частной производной от функции метрологической характеристики, учитывающей возможный разброс параметров радиоэлементов, выделяют элементы, оказывающие доминирующее воздействие на значения метрологической характеристики, и определяют температурно-временное изменение параметров выделенных элементов с учетом температуры их эксплуатации, выделенную группу элементов разбивают на две подгруппы, в одну из которых объединяют элементы, температурно-временное изменение номиналов которых приводит к росту значения метрологической характеристики блока, а в другую - элементы с обратным воздействием, приводящим к убыванию значений метрологической характеристики, и, сохраняя функциональную целостность схемы и работоспособность исследуемого аналогового блока, исходя из условия наибольшей компенсации суммарного воздействия функций температурно-временного старения параметров радиоэлементов на изменение значений метрологической характеристики блока, осуществляют перебор вариантов замены одного или нескольких элементов из одной или обеих подгрупп, на аналогичные имеющиеся, с иными характеристиками температурно-временной стабильности, производя моделирование состояния метрологической характеристики исследуемого блока с учетом внесенных в него изменений и получая новое значение его метрологического ресурса, после чего производят замену указанных элементов в блоке, 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.

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 - 192 с.), 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.

Для каждого аналогового блока строится математическая модель функционирования, характеризующая зависимость выходного сигнала у от значения входного сигнала х, параметров элементной базы и внешних влияющих факторов:

где - вектор параметров комплектующих элементов блока средства измерения;

- вектор внешних влияющих факторов.

Для изучения метрологических свойств блоков необходимо иметь аналитические выражения для исследуемой метрологической характеристики S, поэтому математическую модель функционирования преобразовывают к виду:

Учитывая в качестве основного внешнего влияющего фактора среднюю температуру элементов θ, превышающую нормальную температуру эксплуатации, а также зависимость параметров элементов от времени эксплуатации t, при условии постоянства других внешних влияющих факторов, получают математическую модель метрологической характеристики в виде следующей аналитической зависимости:

Условие сохранения метрологической исправности блока во времени при произвольной температуре эксплуатации определяется неравенством:

где S_доп - допустимое значение нормируемой метрологической характеристики.

Далее производится статистическое моделирование состояния метрологических характеристик исследуемых блоков, которое заключается в последовательном моделировании с учетом зависящих от температуры процессов старения параметров элементов схемы с нормальным законом их распределения в каждом временном сечении области контроля T₁, t_i∈T₁, i=0,1,...,k, подтверждаемым общим свойством процессов старения и далее - моделировании реализаций метрологических характеристик блоков в различных временных сечениях S(t_i), i=0,1,...,k. При этом изменение параметров элементов с учетом температуры их эксплуатации вычисляется по следующей формуле:

где - номинальное значение параметра j-го элемента;

β_j - коэффициент старения элемента;

γ_θ - темп старения элементов с учетом температуры;

α_j - температурный коэффициент параметра элемента;

n - число элементов в блоке.

Далее с помощью методов интерполяции по полученным в области контроля Т₁ значениям метрологических характеристик S(t_i) каждого аналогового блока создаются математические модели процессов изменения во времени метрологических характеристик, представляющие собой совокупности аналитических зависимостей, полученных для функций 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 среднеквадратичного отклонения метрологической характеристики.

Экстраполяция зависимостей m_S(t) и , определяющих математическую модель изменения во времени исследуемой метрологической характеристики на область предстоящей эксплуатации T₂ (область прогноза), учитывая условие 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_p) (см. фиг.1).

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

где - значения частных производных, вычисленных по номинальным значениям параметров соответствующих комплектующих элементов блока;

ξ_j - параметры комплектующих элементов блока;

σ_ξj - среднеквадратическое отклонение параметра j-го комплектующего элемента блока.

Далее выделенную группу элементов делят на две подгруппы по направлению воздействия - в одной объединяют элементы температурно-временное изменение номинала которых приводит к росту значения метрологической характеристики блока, в другой - элементы с обратным воздействием, приводящим к убыванию значений метрологической характеристики.

Сохраняя функциональную целостность схемы и работоспособность исследуемого аналогового блока, исходя из условия наибольшей компенсации суммарного воздействия функций температурно-временного старения параметров радиоэлементов на изменение значений метрологической характеристики блока, осуществляют перебор вариантов замены одного или нескольких элементов в одной или обеих подгруппах на другие, вновь производя моделирование состояния метрологической характеристики для исследуемого блока с учетом новых характеристик температурно-временного изменения параметров, введенных в схему элементов, и, исходя из условия сохранения метрологической исправности блока во времени (4), получают новое значение его метрологического ресурса (см. фиг.1) экстраполяцией зависимостей и Полученный метрологический ресурс значительно больше ранее найденного из-за снижения темпа изменения во времени значений метрологической характеристики при произвольной температуре эксплуатации средства измерения. После нахождения варианта замены, обеспечивающего наибольшую компенсацию суммарного воздействия функций температурно-временного старения параметров радиоэлементов на изменение значений метрологической характеристики блока, производится замена элементов исследуемого блока.

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 метрологических ресурсов всех рассматриваемых аналоговых блоков.

Далее рассмотрим пример оценки и повышения метрологической надежности блока нормирующего преобразователя, представляющего собой усилитель постоянного тока с преобразователем напряжение-частота, входящего в измерительный канал многих средств измерений.

Электрическая схема исследуемого блока приведена на фиг.2. Типы комплектующих элементов и их основные параметры указаны в таблице 1. Входное напряжение U_вх принято равным 5 мВ, темп старения элементов с учетом температуры составляет 0,025 1/°С.

Таблица 1 - Параметры комплектующих элементовОбозначение элемента на схемеОбозначение параметра элементаНоминал, Ом, ФТип элементаДопускаемое отклонение от номиналаКоэффициент временного старенияТемператур-ный коэф-фициент, 1/°С1234567R1ξ₁24900С2-235%9,513·10^-71·10^-4R2 24900С2-235%9,513·10^-71·10^-4R3ξ₂249000С2-235%9,513·10^-71·10^-4R4ξ₃10000С2-235%9,513·10^-71·10^-4R5ξ₄1000С2-235%9,513·10^-71·10^-4R6 249000С2-235%9,513·10^-71·10^-4R7 10000С2-235%9,513·10^-71·10^-4R8ξ₅40200С2-235%9,513·10^-71·10^-4R9ξ₆182000С2-235%9,513·10^-71·10^-4R10ξ₇40200С2-235%9,513·10^-71·10^-4С1ξ₈3·10^-10К10-175%-4,756·10^-7-4,7·10^-5

Нормируемой метрологической характеристикой блока является основная относительная погрешность вида:

где f^p - частота на выходе блока;

f^н - номинальная частота на выходе блока (в данном случае f^н=3,373·10⁴ Гц).

Допустимое значение основной относительной погрешности δ_доп, как правило, устанавливается равным ±5%.

Частота на выходе блока определяется соотношением:

Статистическое моделирование проводилось с помощью программного обеспечения, созданного согласно вышеизложенной методике, при различных заданных температурах функционирования элементов блока (θ=20, 30, 40, 50°С). В результате моделирования и апроксимации полиномиальными зависимостями множеств значений m_δ(t_i) и получены математические модели процесса изменения во времени основной метрологической характеристики при указанных выше температурах (фиг.3. 1 - зависимости m_δ(t_i) и при θ=20°С; 2 - то же, при θ=30°С; 3 - то же, при θ=40°С; 4 - то же, при θ=50°С;). При θ=50°С, например, математическая модель имеет вид:

По результатам статистического моделирования определен метрологический ресурс блока при различных температурах: t_p=59553, 47493, 39229 и 33194 часа соответственно.

Далее осуществляем повышение метрологического ресурса.

По величине нормируемой частной производной вида (6) выделяем элементы, оказывающие наибольшее влияние на значение метрологической характеристики блока (табл.2).

Таблица 2 - Значения нормируемых частных производныхОбозначение параметра элементаЗначение нормируемой частной производной вида (6)Элементы, оказывающие наибольшее воздействие123ξ₁0,379R1ξ₂0,377R3ξ₃0,344 ξ₄0,343 ξ₅7,707·10^-3 ξ₆0,310 ξ₇0,378R10ξ₈0,378C1

Из таблицы 2 видно, что наибольшее влияние на значения метрологической характеристики оказывают параметры элементов R1, R3, R10 и C1. При этом изменение параметров элементов R1, R3 и R10 уменьшает значения метрологической характеристики, а изменение параметра C1 - увеличивает. Однако элементы R1 и R3 входят в формулу (8) в виде отношения друг к другу, следовательно отношение изменения их параметров будет стремиться к единице. Поэтому повышать метрологический ресурс будем с помощью замены элементов R10 и C1.

Осуществляем замену элементов R10 и C1 на элементы других типов таким образом, чтобы температурно-временные изменения их параметров оказывали меньшее воздействие на изменение значений метрологической характеристики во времени. В результате получаем, что использование в качестве элемента R10 резистора типа С2-8, а в качестве С1 - конденсатора К10-38 приведет к снижению темпа изменения метрологической характеристики во времени и повышению метрологического ресурса, который при тех же температурах эксплуатации элементов составит 91012, 72162, 61883 и 50104 часов соответственно, что в среднем выше на 53,5%.

Вид изменения метрологической характеристики во времени при указанных температурах после осуществления замены элементов показан на фиг.4 (1 - зависимости m_δ(t_i) и при θ=20°С; 2 - то же, при θ=30°С; 3 - то же, при θ=40°С; 4 - то же, при θ=50°С).

Таким образом, экспериментальная проверка показала, что предложенное техническое решение позволяет оценить и повысить метрологический ресурс электронного средства измерения не менее чем на 50%, что позволит использовать разработанный способ при проектировании и эксплуатации электронных средств измерений в широком диапазоне рабочих температур.

Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для оценки и повышения метрологической надежности электронных средств измерений с учетом температуры их эксплуатации. Согласно способу, для каждого аналогового блока электронного средства измерения первоначально определяют метрологический ресурс с помощью моделирования состояния метрологической характеристики аналогового блока с использованием сведений о временном изменении параметров комплектующих элементов. Для повышения метрологического ресурса по величине нормируемой частной производной от функции метрологической характеристики, учитывающей возможный разброс параметров радиоэлементов, выделяют элементы, оказывающие доминирующее воздействие на значения метрологической характеристики. Исходя из условия наибольшей компенсации суммарного воздействия функций температурно-временного старения параметров радиоэлементов на изменение значений метрологической характеристики блока, осуществляют перебор вариантов замены одного или нескольких элементов на аналогичные имеющиеся, с иными характеристиками температурно-временной стабильности. Получив новое, повышенное (желаемое) значение метрологического ресурса, производят замену указанных элементов в блоке. 4 ил., 2 табл.

Способ оценки и повышения метрологической надежности средств измерений с учетом температурного режима их эксплуатации, заключающийся в том, что для каждого аналогового блока электронного средства измерения первоначально определяют метрологический ресурс, для чего проводят математическое моделирование состояния метрологической характеристики аналогового блока с использованием сведений о временном изменении параметров комплектующих элементов, задают уровень допустимого значения метрологической характеристики и полученные данные используют для оценки метрологического ресурса средства измерения, а для повышения метрологического ресурса по величине нормируемой частной производной от функции метрологической характеристики, учитывающей возможный разброс параметров радиоэлементов, выделяют элементы, оказывающие доминирующее воздействие на значения метрологической характеристики, отличающийся тем, что определяют температурно-временное изменение параметров выделенных элементов с учетом температуры их эксплуатации, выделенную группу элементов разбивают на две подгруппы, в одну из которых объединяют элементы, температурно-временное изменение номиналов которых приводит к росту значения метрологической характеристики блока, а в другую - элементы с обратным воздействием, приводящим к убыванию значений метрологической характеристики, и, сохраняя функциональную целостность схемы и работоспособность исследуемого аналогового блока, исходя из условия наибольшей компенсации суммарного воздействия функций температурно-временного старения параметров радиоэлементов на изменение значений метрологической характеристики блока, осуществляют перебор вариантов замены одного или нескольких элементов из одной или обеих подгрупп на аналогичные имеющиеся с иными характеристиками температурно-временной стабильности, производя моделирование состояния метрологической характеристики исследуемого блока с учетом внесенных в него изменений и получая новое значение его метрологического ресурса, после чего производят замену указанных элементов в блоке, 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.