Нистратов Михаил Игоревич, Чернышова Татьяна Ивановна

Тамбовский Государственный Технический Университет

Оценка и повышение метрологической надежности измерительных средств с учетом условий их эксплуатации

Метрологическая надежность является характеристикой качества измерительных средств (ИС), определяющей их свойство сохранять во времени метрологические характеристики в пределах установленных норм при эксплуатации в заданных режимах и условиях использования.

Актуальность вопроса обеспечения необходимого уровня метрологической надежности ИС объясняется особенностью метрологических отказов измерительных средств и состоит прежде всего в скрытом постепенном характере их проявления. Такие отказы не удается описать методами классической теории надежности.

Разработка методов оценки и повышения метрологической надежности ИС с учетом воздействия внешних влияющих факторов является задачей, решение которой позволит потребителю более точно определить метрологическую надежность на любой момент времени их эксплуатации в реальных условиях, правильно выбрать сроки поверок и профилактических работ и увеличить время метрологической исправности ИС.

Основным источником метрологических отказов является измерительный канал ИС, а именно, блоки в его составе, осуществляющие обработку сигнала в аналоговой форме – аналоговые блоки. Таким образом, зная показатели метрологической надежности аналоговых блоков, можно оценить метрологическую надежность измерительного канала и всего ИС в целом на этапе его схемотехнического проектирования.

Основным показателем метрологической надежности средства измерения является метрологический ресурс. Метрологический ресурс в целом находят как минимальное из найденных значений метрологических ресурсов всех входящих в измерительный канал аналоговых блоков:

,

где - метрологический ресурс -го блока измерительного канала, .

В качестве нормируемой метрологической характеристики, как правило, выбирается основная относительная погрешность средства измерения.

На основе структурной и принципиальной схем для каждого аналогового блока строится математическая модель функционирования, характеризующая зависимость выходного сигнала от значения входного сигнала, параметров элементной базы и внешних влияющих факторов. В качестве определяющих внешних факторов рассматриваются температура и влажность окружающей среды.

Процесс старения элементов обусловлен как параметрическими, так и структурными изменениями. Параметрические изменения обусловлены влиянием свойств внешней среды на параметры материалов компонентов (проводимость, диэлектрическая постоянная и т.д.). Параметрические изменения характеризуются коэффициентом влажности, описывающим относительное изменение параметра элемента при изменении относительной влажности окружающей среды и температурным коэффициентом, описывающим относительное изменение параметра элемента при изменении температуры.

Структурные изменения описывают старение элементов и обусловлены физико-химическими процессами, протекающими в материалах с течением времени (диффузия, коррозия, гидролиз и т.д.).

Получен общий вид математической модели, определяющей зависимость параметра комплектующего элемента блока от условий эксплуатации с учетом вышеназванных изменений.

Далее производится статистическое моделирование состояния метрологических характеристик (МХ) исследуемых блоков с учетом параметрических и структурных изменений элементной базы в процессе эксплуатации.

С помощью методов интерполяции по полученным в результате моделирования в области контроля значениям МХ аналогового блока создается математическая модель процессов изменения во времени МХ, представляющая собой совокупность аналитических зависимостей, полученных для функций изменения во времени математического ожидания исследуемой МХ и функций, характеризующих изменение во времени границ отклонения возможных значений МХ от ее математического ожидания .

Экстраполяция зависимостей и на область предстоящей эксплуатации позволяет дать оценку времени наступления метрологического отказа или величины метрологического ресурса . Для определения величины межповерочного интервала , и метрологического ресурса производится моделирование для нормальных условий эксплуатации. Моделирование при варьируемых параметрах влажности и температуры окружающей среды позволяет получить базу знаний о темпах изменения МХ при различных внешних условиях и выработать рекомендации по эксплуатации исследуемого средства измерения в жестких условиях работы.

Проводя измерения МХ в моменты времени , регистрируются как значения МХ, так и условия эксплуатации исследуемого ИС. При приближении исследуемой МХ к своему допустимому значению производится замена элементов. Критерием замены является величина нормируемой частной производной, характеризующей степень влияния изменения параметра элемента на значение исследуемой метрологической характеристики. Новые значения параметров элементов определяются по математической модели функционирования блока для зарегистрированных в момент поверки условий эксплуатации. Необходимость замены элементов выбирают из условия приближения МХ к своему допустимому значению:

,

где - допустимое значение МХ, - значение МХ в произвольный момент времени эксплуатации при фиксированных влажности и температуре окружающей среды.

Полученные новые значения регулируемых элементов используются в статистическом моделировании для расчета изменения во времени исследуемой МХ и определения более высоких значений метрологического ресурса.

Таким образом, использование априорных знаний о старении элементной базы, а также о влиянии параметров окружающей среды на характеристики элементов, замена наиболее влияющих на МХ компонентов на регулируемые и своевременное изменение значений их параметров позволяет увеличить величину метрологического ресурса в жестких условиях эксплуатации.