Чернышова Т.И., Каменская М.А.

Тамбовский государственный технический университет (ТГТУ), Россия

Информационно-аналитическая система оценки и прогнозирования метрологической надежности электронных средств измерений

При проектировании электронных средств измерений (ЭСИ) важным является вопрос обеспечения их высокой метрологической надежности (МН) в течении всего времени эксплуатации. Анализ надежности средств измерительной техники, в том числе и ЭСИ, показывает, что для них характерно преобладание скрытых или метрологических отказов. Последние составляют до 70%-80% от всех отказов и определяются, как правило, постепенными изменениями параметров аналоговых и аналогово-цифровых блоков. Поэтому для ЭСИ параметром, определяющим их качество, является метрологическая надежность, оцениваемая характером и темпом изменения нормируемых метрологических характеристик (МХ) проектируемого ЭСИ. Сведения о метрологической надежности проектируемого ЭСИ необходимы для правильной организации его метрологического обслуживания, назначения сроков очередной поверки при эксплуатации ЭСИ.

Создана информационно-аналитическая система (ИАС), в которой реализованы методы оценки и прогнозирования МН различных ЭСИ, а также даны практические рекомендации по эксплуатации ЭСИ. ИАС дает возможность прогнозировать состояния МХ ЭСИ с применением процедур математического моделирования и, таким образом, позволяет решить задачу оценки МН ЭСИ на этапе предстоящей эксплуатации.

В ИАС реализован метод оценки метрологической надежности, базирующийся на построении математических моделей изменения во времени метрологических характеристик проектируемых ЭСИ с использованием аппарата аналитико-вероятностного прогнозирования [1]. В основу метода положено математическое моделирование нестационарных случайных процессов изменения во времени метрологических характеристик ЭСИ. При этом общий вид математической модели может быть представлен зависимостью:

(1)

где значение входного сигнала, параметры комплектующих элементов, внешние влияющие факторы.

Если ЭСИ имеет несколько нормируемых МХ, то необходимо построение соответствующего числа зависимостей вида (1).

С течением времени происходят постепенные изменения параметров элементов ЭСИ. Эти изменения, возникающие вследствие старения и износа, носят необратимый характер и обуславливают постепенное изменение метрологической характеристики ЭСИ, приводящее к метрологическому отказу, тогда модель (1) может быть преобразована к виду:

(2)

Разработанная ИАС позволяет реализовать процедуру статистического моделирования значений МХ в различные моменты времени контроля в соответствии с зависимостью вида (2).

В основе ИАС лежит база данных номиналов элементов проектируемых ЭСИ и математических моделей изменения во времени составляющих ЭСИ параметров. Интерфейс ИАС позволяет добавить в библиотеку новые данные, незаложенные ранее в нее разработчиком. Библиотека данных строится на основе реляционной модели данных.

ИАС реализует статистическое моделирование временных изменений МХ ЭСИ и формирует математическую модель изменения во времени МХ, которая представляет совокупность аналитических зависимостей, полученных для функций изменения во времени математического ожидания и функций, характеризующих изменение во времени границ отклонения возможных значений МХ от ее математического ожидания , где – изменение во времени среднеквадратического отклонения исследуемой метрологической характеристики, постоянный коэффициент, выбираемый в зависимости от заданного уровня доверительной вероятности и закона распределения метрологической характеристики.

ИАС позволяет производить выбор оптимального математического описания изменения во времени МХ ЭСИ с выводом результатов в таблицы и построением соответствующих графических зависимостей, исходя из возможного вида аппроксимирующих зависимостей для функций и .

Точность и достоверность результатов прогноза определяется адекватностью принятой математической модели. Как правило, наиболее приемлемыми являются нелинейные математические модели процессов изменения во времени МХ: экспоненциальные; логарифмические; полиномиальные; рациональные; авторегрессионные.

Результаты проведенного моделирования сохраняются в файлы с названием, соответствующим рассмотренным математическим моделям изменения во времени МХ исследуемого ЭСИ.

Полученные сведения о МН могут быть использованы при организации метрологического обеспечения ЭСИ. Рассматриваемая ИАС позволяет обоснованно выбирать величину МПИ.

ИАС позволяет рассчитать необходимое число измерений при проведении поверок ЭСИ. Вывод о числе измерений МХ на момент следующей поверки выполняется с использованием графо-аналитического метода.

Таким образом, разработанная информационная система анализа позволяет оценить и прогнозировать МН ЭСИ как на этапе проектирования, так и эксплуатации без проведения длительных экспериментов по определению долговременной стабильности МХ ЭСИ с достаточной для практики точностью и достоверностью.