Показатели качества приборов и систем
В процессе проектирования возникает потребность оценивать совершенство и эффективность приборов обобщенными показателями, сравнивать их с подобными показателями ранее разработанных конструкций, четко отображать динамику совершенствования конструкций средств измерений во времени, сравнивать разработки различных фирм, сопоставлять с зарубежными и т.д.
Дело в том, что современные приборы и системы становятся все более и более сложными. При проектировании приборов и систем ставятся все новые требования в отношении их диапазона, точности, чувствительности, быстродействия и надежности не только в обычных, но и в жестких эксплуатационных условиях.
Раздел науки, занимающийся вопросами изучения и реализации методов количественной оценки качества продукции, называется квалиметрией.
Таком образом, квалиметрия – это научное направление о количественных закономерностях формирования различных показателей качества продукции в сферах проектирования, изготовления, эксплуатации и методах их численного определения.
Под качеством изделия в квалиметрии подразумевается не просто надежность изделия (наука о надежности изделий – это лишь один из разделов квалиметрии), а весь объем достигаемого эффекта. С этих позиций все показатели качества любого изделия, можно разделить на две группы: критерии полезного эффекта, полученного в результате его создания, и критерии затрат на достижение этого полезного эффекта.
Полезный эффект, полученный в результате создания изделия, может оцениваться одним показателем (например, погрешность прибора) или несколькими показателями (когда кроме погрешности, учитывается быстродействие, мощность, потребление прибором, предел измерения и т.д.).
В последнем случае отдельные показатели полезного эффекта можно назвать частными критериями (показателями).
Оценка полезного эффекта только частными критериями при большом и числе неудобна, поскольку затрудняет сравнительный анализ изделий. Действительно, сравнивать два изделия, например, по пяти частным показателям, по каждому из которых одно изделие может быть как лучше, так и хуже другого, практически невозможно. Поэтому в таких случаях на основе частных показателей конструируют обобщенный показатель (критерий) полезного эффекта, объединяющий в правильных соотношениях все учитываемые частные показатели.
Частные и обобщенные критерии используют для оценки затрат. Критериями затрат могут быть себестоимость, цена, масса изделия, занимаемый им объем, потребляемая мощность и т.д. Универсальным обобщенным критерием затрат является стоимость в денежном выражении, причем структура затрат в сферах проектирования, производства и эксплуатации различна.
Достигнутый полезный эффект и затраты на его достижение, рассматриваемые в отдельности, еще не характеризуют в полной мере успехи разработчиков и создателей изделий. Для оценки технико-экономического уровня изделий используют критерии эффективности (интегральные показатели по ГОСТ 15467-70), которые применяться в двух формах:
- критерий эффективности затрат, показывающий величину достигнутого эффекта, приходящегося на единицу затрат;
- стоимость единицы достигнутого эффекта, которая показывает величину затрат в той или иной форме, приходящуюся на единицу достигнутого эффекта.
Структура показателей качества (рис.) помимо рассмотренных содержат частные критерии эффективности, определяемые соотношением частных критериев эффекта и затрат.
Если состав стоимости разработки, производства и эксплуатации различных изделий определяется экономикой соответствующих отраслей промышленности (экономикой энергетики, экономикой приборостроения и т.д.), то численное определение объема полезного технического эффекта, т.е. потребительной стоимости технических изделий, - это задача конкретных технических наук.
Так, например, понятия одного киловатта установленной мощности электростанции или одного киловатт-часа выработанной электроэнергии устанавливаются электротехникой. Лишь после установления этих понятий экономика получает возможность оценивать эффективность тех или иных технических решений электроэнергетики, характеризуя их стоимостью, приходящуюся на 1кВт установленной мощности или стоимостью 1кВт∙ч выработанной электроэнергии и т.д.
Применительно к средствам измерения их потребительная стоимость определяется полным объемом возможностей, который обеспечивает данное средство измерения. Ясно, что более чувствительный прибор имеет больший объем возможностей, чем малочувствительный, т.к. он позволяет выполнить как грубые, так и точные измерения. Более быстродействующий прибор может измерять как медленно, так и быстро изменяющиеся величины, в то время как менее быстродействующий прибор не имеет таких возможностей. Так, для амперметра, микроамперметра или гальванометра объем возможностей тем больше, чем больше его рабочий диапазон D и чем меньше его погрешность γ, предел измерения I (тем выше его чувствительность), входное сопротивление R амперметра и время установления показаний t.
Средства измерения могут быть как очень простыми, так и весьма сложными. Для создания простого прибора с большой погрешностью, большим временем установления показаний и большим потреблением энергии от объекта измерения не требуется больших усилий со стороны разработчика. Такой прибор содержит мало деталей, имеет малую массу и габаритные размеры, а, следовательно, и малую стоимость производства. Он надежен в эксплуатации (мало деталей – мало поломок), поэтому малы и эксплуатационные расходы. Однако у такого прибора очень мал объем возможностей.
Для достижения большого объема возможностей разработчик вынужден идти на резкое усложнение прибор. Большой прибор содержит многие сотни деталей, имеет большую массу и высокую стоимость производства, а его сложность приводит к низкой надежности и большим расходам на ремонт при эксплуатации.
Однако каких-либо других путей для достижения больших объемов возможностей, т.е. высокой точности, быстродействия, большого диапазона и чувствительности, кроме повышения затрат не существует.
и действительно, статическое сопоставление затрат на создание различных средств измерения в виде числа радиотехнических деталей (диодов, транзисторов, резисторов, конденсаторов и т.п.), массы средств измерения (электромеханических приборов, датчиков, электронных узлов), их стоимости и надежности или эксплуатационных расходов показывает, что все эти виды затрат связаны со значениями объемов возможностей, достигаемых в этих приборах.
Поэтому в квалиметрии средств измерений в качестве численной оценки объема достигнутого в данном приборе эффекта принимают значение его объема возможностей V, пропорционального средним общественно-необходимым затратам и измеряемого в единицах, получившего наименование ранга.
Для различных практических задач одновременно необходимы как сложные, так и простые приборы. Поэтому прогресс приборостроения состоит не столько в достижении все большего значения общего объема возможностей приборов, т.е. создания сверхчувствительных, сверхточных и сверхбыстродействующих устройств, сколько в достижении необходимого для каждого конкретного случая объема возможностей при минимальных затратах, т.е. минимальной массе, стоимости, объеме и т.д. Таким образом, речь идет о достижении наивысшей технико-экономической эффективности средств измерения.