4.3. Метрологическая надежность средств измерений

В процессе эксплуатации свойства средств измерений изменяются, что приводит к отказам, то есть к невозможности ими выполнять свои функции. Отказы могут быть неметрологическими, то есть не связанными с изменением метрологических характеристик. Такие отказы носят явный характер, появляются внезапно и легко обнаруживаются без проведения поверки.

Значительно чаще происходят метрологические отказы, вызванные выходом метрологических характеристик из допустимых границ. Они могут быть внезапными и постепенными.

Внезапные метрологические отказы характеризуются скачкообразным изменением одной или нескольких метрологических характеристик. Так как они случайны, то и непредсказуемы. Их последствия (сбои показаний, потеря чувствительности) легко обнаруживаются в ходе эксплуатации средства измерения. Для анализа этих отказов применяют классическую теорию надежности, предполагающую наличие лишь двух состояний: работоспособное и неработоспособное.

Постепенные метрологические отказы вызваны монотонным изменением одной или нескольких метрологических характеристик, они скрытые и выявляются только по результатам периодической поверки средств измерений. Такие отказы необходимо прогнозировать, учитывая изменения метрологических характеристик средств измерений со временем.

Постепенное изменение метрологических характеристик вызвано старением узлов из-за воздействия внешней среды. Скорость старения зависит от использованных материалов и технологии изготовления средства измерения. Необратимые процессы протекают очень медленно и в ходе измерений их обычно зафиксировать невозможно. Поэтому к настоящему времени разработаны математические методы и модели для определения изменения метрологических характеристик средств измерений со временем, позволяющие прогнозировать метрологические отказы. Задача, решаемая при определении метрологической надежности средства измерения, состоит в нахождении начальных изменений метрологических характеристик и построении модели, экстраполирующей полученные результаты на большой интервал времени.

Наиболее распространенными математическими моделями изменения во времени погрешности средств измерений являются линейная, экспоненциальная и логистическая модели.

При линейной модели изменения погрешности (рис 4.5.)

Рисунок 4.5 – Линейный закон изменения погрешности

,

где – погрешность наступления отказа с вероятностью 0,95;

– начальная погрешность средства измерения;

– значение запаса нормируемого передела погрешности, необходимого для обеспечения долговременной работоспособности средства измерения;

– число отказов (или ремонтов).

Запас погрешности для первого межремонтного интервала определяется решениями, принятыми производителями средств измерений, а для всех последующих – уровнем культуры ремонтной службы пользователя.

Если метрологическая служба предприятия обеспечивает при ремонте погрешность средства измерения, равную на момент изготовления, то частота метрологических отказов будет малой.

Если же при ремонте обеспечивается лишь , то погрешность может выйти за пределы допустимых значений уже в ближайшие месяцы и средство измерений будет эксплуатироваться с погрешностью, превышающей его класс точности. Поэтому основным практическим средством достижения долговременной метрологической исправности средств измерений является обеспечение достаточно большого запаса , нормируемого по отношению к предельному значению допустимой погрешности .

Ведущие приборостроительные заводы обеспечивают , что при средней скорости старения в год позволяет получить межремонтный интервал примерно 8-10 лет

Однако, как показали экспериментальные исследования, линейный закон на практике выполняется редко.

В реальности межремонтные интервалы приборов могут уменьшаться, либо увеличиваться.

При положительном ускорении (рис. 4.6.а) процесса старения средства измерения частота отказов со временем растет, и средство измерения приходится часто ремонтировать. Это может быть экономически невыгодно. Иногда дешевле купить новый прибор. Экономическая целесообразность ремонта оценивается отношением средней стоимости одного ремонта к стоимости приобретения нового средства измерения.

При отрицательном ускорении (рис. 4.6.б) процесса старения средства измерения межремонтный период увеличивается, и после некоторого числа ремонтов отказы не возникают. Средство измерения работает до тех пор пока не устаревает морально.

а

б

Рисунок 4.6 – Экспоненциальный (а, б) закон изменения

Экспоненциальная модель метрологической надежности средства измерения имеет свои недостатки. В первом случае она прогнозирует неограниченное возрастание погрешности со временем, что противоречит практике. Во втором она прогнозирует стремление погрешности к предельному значению лишь в бесконечно далеком будущем.

Логистическая модель изменения погрешности заключается в совмещении экспоненциальных моделей. В этом случае предполагается, что в области малых погрешностей (0,2–1,0%) зависимость экспоненциально ускоряется, в области больших значений – экспоненциально замедляется, доходя до некоторого предельного уровня.

Согласно этой модели длительность межремонтных интервалов, начиная со второго, монотонно и ускоренно возрастает. На первом интервале средство измерения работает с запасом нормируемого значения погрешности, который обеспечивает изготовитель средства измерения. На остальных межремонтных интервалах этот запас обеспечивается ремонтными службами предприятия.

Общим недостатком обсуждаемых математических моделей изменения во времени погрешностей средств измерений является идеализация случайных процессов изменения метрологических характеристик средств измерений, которые представляются монотонными, а необратимые изменения параметров приборов не учитываются.

С понятием «метрологический отказ» связаны понятия метрологической исправности средства измерения и его метрологическая надежность.

Метрологическая исправность – это состояние средства измерения, при котором все нормируемые метрологические характеристики соответствуют установленным требованиям.

Метрологическая надежность – это способность средства измерения сохранять установленные значения метрологических характеристик в течение заданного времени при определенных режимах и условиях эксплуатации.

Метрологические характеристики устанавливаются (нормируются) для средств измерений в определенных пределах. Поэтому определенное время метрологические отказы будут скрытыми, и у средства измерений будет сколь угодно много работоспособных состояний. В зависимости от конкретных условий эксплуатации будет изменяться и эффективность средства измерения и момент наступления первого отказа.

Надежность характеризует поведение средств во времени и является обобщенным понятием, включающим стабильность, безотказность, долговечность, ремонтопригодность (для восстанавливаемых средств измерений) и сохраняемость.

Стабильность – это неизменность во времени метрологических характеристик. Она описывается временными зависимостями параметров закона распределения погрешности.

Стабильность характеризуется плотностью распределения приращения погрешности

,

где – погрешность наступления отказа с вероятностью 0,95;

– начальная погрешность средства измерения.

Безотказность – это способность средства измерения непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени. В сложных измерительных системах не всякий отказ приводит к выходу их из строя.

Вероятность безотказной работы – это вероятность того, что в течение времени нормированные метрологические характеристики не выйдут за допустимые пределы, т.е. не наступит метрологический отказ. Вероятность является функцией времени и задается либо таблицей, либо графиком. Например, если вероятность безотказной работы средства измерения в течение 1000 ч составляет = 0,97, то в среднем из большого числа средств измерений данного типа около 97% проработает более 1000 ч.

Долговечность – это свойство средства измерения сохранять работоспособное состояние до наступления предельного состояния. Предельным называют состояние, при котором применение средства измерения недопустимо. Работоспособное состояние – это такое состояние средства измерения, при котором все его метрологические характеристики соответствуют нормированным значениям.

Основными показателями долговечности средств измерения являются средние гамма-процентные сроки службы и ресурсы. Срок службы – это календарная продолжительность работы средства измерения до перехода в предельное состояние. Срок службы измеряется годами или месяцами. Средний срок службы – это математическое ожидание срока службы

,

где – плотность распределения срока службы для совокупности средств измерений данного типа.

Ресурс – наработка средства измерения от начала эксплуатации до перехода в предельное состояние. Наработка – продолжительность работы средства измерения. Наработка до отказа – это продолжительность работы до первого отказа.

Средний ресурс – это математическое ожидание ресурса

,

где – плотность распределения ресурса для совокупности средств измерений данного типа.

Ресурс представляет собой запас возможной наработки средства измерений.

Гамма-процентный срок службы – это календарная продолжительность от начала эксплуатации средства измерения, в течение которого оно не достигает предельного состояния с заданной вероятностью, выраженной в процентах. Срок службы (средний или гамма-процентный) предполагает календарную продолжительность эксплуатации средства измерения, включая время его непосредственной работы, время хранения его на складе, нахождения в выключенном состоянии, транспортировку, ремонт и т.д. При нормировании он задается в годах. Ресурс (средний и гамма-процентный) – это чистая наработка изделия, находящегося во включенном состоянии, и нормируется в часах.

Ремонтопригодность – это свойство средства измерения, заключающееся в приспособленности к предупреждению и обнаружению причин возникновения отказов, к восстановлению и поддержанию его работоспособности путем технического обслуживания и ремонта. Оно характеризуется затратами времени и средств на восстановление средства измерений после метрологического отказа и на поддержание его в работоспособном состоянии.

В качестве показателей ремонтопригодности используют вероятность и среднее время восстановления работоспособности средства измерения. Вероятностью восстановления работоспособности называют вероятность того, что время восстановления работоспособного состояния средства измерения не превысит заданное значение. Это значение функции распределения времени восстановления при , где – заданное время восстановления.

Среднее время восстановления работоспособного состояния – это математическое ожидание времени восстановления, определяемое по его функции распределения.

Сохраняемость – это свойство средства изменения сохранять безотказность, долговечность и ремонтопригодность в течение и после хранения и транспортирования средства измерения.

Показатель сохраняемости – это средний срок сохраняемости – математическое ожидание, определяемое по функции распределения сроков сохраняемости совокупности средств измерений одного типа, он определяется в годах. Например, источник питания постоянного тока Б5–47 имеет срок сохраняемости в отапливаемых помещениях 13 лет, а в неотапливаемых – 5 лет.

Одной из основных форм поддержания средств измерений в метрологически исправном состоянии является их периодическая поверка.