2.5. Расчет показателей надежности устройства

Использование для измерений сложных электрических приборов определяют необходимость количественной оценки надежности и функционирования.

Реальные условия работы любого элемента, входящего в состав устройства, характеризуются воздействием на него большого количества внешних факторов, существенно изменяющих его надежностные характеристики. Наиболее часто встречающимися факторами являются климатические (температура, влажность, атмосферное давление) и механические (вибрации, удар, ускорение).

Кроме внешних факторов существенное влияние на надежностные характеристики элемента оказывает режим его работы, обусловленный схемотехническими и конструктивными особенностями его включения в состав устройства.

Элементы проектируются так, чтобы они могли выдержать определённые условия работ, то есть определённый уровень воздействия внешних факторов. Когда элемент в процессе работы подвергается воздействию нормальных (номинальных) условий внешних факторов, наблюдается определённая интенсивность отказов. Её называют номинальной интенсивностью отказов. При увеличении уровня внешних воздействий (сверх номинальных) интенсивность отказов элемента резко возрастает по сравнению со своим номинальным значением, и наоборот, интенсивность отказов убывает, когда уровень внешних воздействий становится ниже номинального значения.

Количественными оценками надежности обычно служит вероятность безотказной работы средств измерения, и интенсивность потока отказов для времени, в течение которого обеспечивается заданная вероятность безотказной работы.

Под наработкой на отказ понимают время, которое проработает прибор до отказа.

Вероятностью безотказной работы называется вероятность того, что в определенных условиях в пределах заданной продолжительности работы отказов не возникает.

Произведем расчеты интенсивности отказов, наработки на отказ и вероятности безотказной работы для разрабатываемого устройства.

Данные о надежностных характеристиках элементов сведем в табл. 2.11.

Интенсивность отказов с учетом условий эксплуатации:

, (2.79)

где - номинальная интенсивность отказов, - поправочный коэффи­циент.

При этом поправочный коэффициент является составным и равен:

, (2.80)

где - коэффициент, учитывающий воздействие механических факторов, - коэффициент, учитывающий воздействие климатических факторов, - коэффициент, учитывающий воздействие пониженного атмосферного давления; - коэффициент, учитывающий воздействие n-го фактора.

Численные значения поправочных коэффициентов приводятся в специальных таблицах.

=1,07; =1,0; =1,25.

_.

Более точный учёт влияния внешних факторов осуществляется на базе применения понятия коэффициентов нагрузки, учитывающих пределы изменения внешних факторов.

При этом, под коэффициентом нагрузки по некоторому внешнему фактору понимается отношение рабочего значения внешнего фактора к некоторому номинальному значению.

Теоретически коэффициент нагрузки может изменяться от 0 до 1. Равенство коэффициента нагрузки нулю в некоторых случаях означает отсутствие данного вида воздействия (например, вибрации), а в других случаях – соответствует некоторому номинальному её значению (например, тепловая нагрузка).

Под коэффициентом тепловой нагрузки понимается отношение абсолютной разности между рабочей и номинальной температурой к её номинальному значению. За номинальное значение принимается 25 ˚С.

Интенсивность отказов, соответствующая рабочим нагрузкам подсчитывается по следующей формуле:

, (2.81)

где - поправочный коэффициент нагрузки по i-му внешнему фактору; - коэффициент нагрузки по i-му внешнему фактору.

Кроме внешних факторов существенное влияние на надёжностные характеристики элемента оказывает режим его работы, обусловленный схемотехническими и конструктивными особенностями включения его в состав устройства. При этом элемент должен быть “задействован” по-разному (на пределе своих возможностей или с большим запасом по ним).

Таким образом, используя элементы в щадящих режимах, можно снизить интенсивность отказов. Щадящий режим не может быть оптимальным одновременно в отношении всех видов отказов. Поэтому при выборе режимов необходимо, чтобы они были оптимальными по крайней мере по отношению к наиболее вероятным причинам отказа.

Анализ возможностей создания щадящих режимов работы показал, что, как правило, они проще всего реализуются облегчением электрического режима работы. Разработчик элементов регламентирует допустимый коэффициент электрической нагрузки в любом варианте его схемного использования. При этом под коэффициентом электрической нагрузки понимается отношение вида:

, (2.82)

где - максимальное рабочее значение параметра, определяющего электрический режим нагрузки i-го элемента в рассматриваемом схемотехническом включении; - номинальное значение параметра, определяющего режим электрической нагрузки i-го элемента, указанное в технической документации.

Под параметром режима понимается такая электрическая величина, которая оказывает определяющее воздействие на интенсивность отказа элемента. В зависимости от типа элемента меняется и вид электрического коэффициента нагрузки.

При расчётах учёт влияния коэффициента нагрузки на интенсивность отказа элемента осуществляется с помощью поправочного коэффициента α_j. Значение коэффициента α_j зависит от величины внешних факторов и величины коэффициента электрической нагрузки и берётся из справочной таблицы.

Таким образом, общая формула для вычисления интенсивности отказов i-го элемента при реальной нагрузке имеет следующий вид:

, (2.83)

Вероятность безотказной работы за время t, равное 3000 часам равна:

. (2.84)

.

Интенсивность отказов технического устройства:

;

.

Наработка на отказ определяется:

; (2.85)

.

Таблица 2.11

Наименование элемента	Число элементов в блоке	Номинальная интенсивность х10-6ч-1	Интенсивность с учетом условий эксплуатации х10-6ч-1	Режим электрической нагрузки		Интенсивность с учетом условий эксплуатации и эл. режима	Суммарная интенсивность отказа элементов	Интенсивность отказа устройства
				к
Конденсатор	3	2,4	3,21	0,5	1,17	3,755	11,265	34,13·10-6 ч-1
Резистор непроволочный (пост)	31	0,4	0,535	0,7	1,17	0,625	19,375
Резистор непроволочный (перем.)	3	1,4	0,535	0,5	1,17	0,625	1,875
Микросхема	9	0,02	0,0267	0,5	0,45	0,012	0,108
Коммутаторы	2	0,5	0,668	1	1	0,668	1,336
Штепсельные соединения	2	0,062	0,0829	20	1	0,0829	0,1658