Содержание к диссертации
Введение
1.Принципы обеспечения метрологической надежности микропроцессорных мультиметров 8
1.1. Проблема метрологической надежности прецизионных средств измерений. 8
1.2.Метрологическая надежность микропроцессорных мультиметров. 10
1.3.Оамодиагностирование микропроцессорных систем 13
1.4.Особенности самодиагностирования микропроцессорных мультиметров 18
Выводы. Задачи исследования. 21
2.Разработка системы самодиагностирования микропроцессорного мультиметра 24
2.1. Дели и критерии оптимизации системы самодиагностирования микропроцессорного мультиметра. . 24
2.2.Методика диагностирования.
Структура системы самодиагностирования 37
2.3.Характеристика встроенных средств функционального
диагностирования микропроцессорных мультиметров 39
2.4.Характеристика встроенных средств тестового диагностирования микропроцессорных мультиметров.
Алгоритм тестового ^диагностирования 46
Выводы и основные результаты 52
3.Разработка метода и средств увеличения метрологической надежности микропроцессорных мультиметров 63
3.1. Система обеспечения метрологической надежности микропроцессорных мультиметров и критерий ее оптимизации. 63
3.2.Анализ модели микропроцессорного мультиметра с позиций метрологической надежности 65
3.3.Разработка метода увеличения метрологической надежности микропроцессорных мультиметров, основанного на использовании "интеллектуального эталона напряжения".. 77
3.3.1.Групповой эталон напряжения 77
3.3.2.Преимущества использования ИЭН в качестве ИОН ММ 79
3.3,3.Процедура контроля ИЭН ММ. S2
З,3.4.Выбор допуска, обеспечивающего наибольшую достоверность для первого этапа контроля ИЭН ММ 89
3.3.5.Выбор допусков, обеспечивающих наибольшую достоверность для второго этапа контроля ИЭН УМ S3
3.3,5.Схема ИЭН и методика сличения опорных стабилитронов 103
Выводы и основные результаты. 115
4.Реализация методов и средств обеспечения метрологической надежности прецизионных микропроцессорных мультиметров, 117
4.1. Встроенные средства функционального и тестового диагностирования 117
4.1.1.Критерий оптимизации системы самодиагностирования 117
4.I.E.Встроенные средства функционального диагностирования 117
4.1.3.Встроенные средства
тестового диагностирования. ISO
4.Й.Алгоритм работы источника опорного напряжения 121
4.2.1. Калибровка 122
4.2.2. Воспроизведение. 122
4.2.3. Контроль 124
4.3.Погрешности источника опорного напряжения 132
4.3.1.Принципиальная электрическая схема ИОН 132
4.3.2.Погрешность для режима ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ 133
4.3.3.Погрешность для режима КОНТРОЛЬ 134
4.3.4. Погрешности поправок 138
4.4.Экспериментам ные исследования источника опорного напряжения 143
4.4.1. Машинное моделирование. .143
4.4.2. Физический эксперимент .149
Выводы и основные результаты. 156
Заключение 157
Основные результаты работы и выводы , 158
Список литературы , , 160
Приложение 1. Приложение 2.
Приложение 3.
Приложение 4.
Приложение 5. Приложение 6,
Принципиальная электрическая схема источника опорного напряжения., 165
Перечень элементов принципиальной электрической схемы
источника опорного напряжения, 167
Программа поиска оптимальных значений контрольных допусков для машинной
модели ИЭН: метод Хука-Дживоа 169
Программа поиска оптимальных значений контрольных допусков для машинной
модели ИЭН: метод Нелдера-Мида 175
Программа выявления условий отказа для машинной модели ИЭН 183
Схема измерительной установки для испытания ИЭН. 190
- Проблема метрологической надежности прецизионных средств измерений.
- Дели и критерии оптимизации системы самодиагностирования микропроцессорного мультиметра.
- Система обеспечения метрологической надежности микропроцессорных мультиметров и критерий ее оптимизации.
- Встроенные средства функционального и тестового диагностирования
Введение к работе
Актуальность темы.Термин "цифровые мультиметры", или просто "мультиметры "используется для обозначения многофункциональных электроизмерительных приборов с цифровым представлением измерительной информации. Среди мультиметров, выпускаемых в нашей стране и за рубежом, выделяют три группы приборов: 1)системные мультиметры; 2)мультиметры для лабораторных исследований; 3)мультиметры для промышленных измерений. Мультиметры, отнесенные к первым двум группам, в большинстве случаев являются прецизионными приборами, характеризующимися повышенным уровн*. м точности/ стабильности и разрешающей способности.
Практически все модели современных прецизионных мультиметров построены с применением микропроцессоров (МП). Функциональные возможности и принципы организации встраиваемых в мультиметры микроэвм влияют на структуру, алгоритм работа и конструкцию приборов, создают предпосылки для реализации новых функций.
Для микропроцессорных мультиметров (ММ) характерно: 1)улучшение метрологических характеристик, достигаемое, главным обраэом, в результате использования алгоритмических способов повышения точности и разрешающей способности; 2)сникение аппаратурных затрат за счет программной реализации ряда функций; 3)повышение надежности за счет использования самодиагностирования.
Среди метрологических характеристик прецизионных средств измерений (СИ) для потребителя і^дной из важнейших является метрологическая надежность (МН), которая определяется, в основном, долговременной стабильностью погрешности данного СИ. При этом МП можно рассматривать в двух аспектах. Во-первых; МН любого СИ может быть оценена в виде метрологического ресурса Тм, т.е. среднего времени работы до метрологического отказа. Во-вторых, рассматривая выход погрешности СИ за допускаемые границы (метрологический отказ) как частный случай скрытого отказа СИ, мохно охарактеризовать МН с помощью среднего времени скрытой неработоспособности (Тсн). С этими двумя показателями связана длительность межповерочного интервала Тмпи, которая, обычно, и указывается в нормативно-технической документации СИ. При этом для СИ, не имеющих систем встроенного контроля, Тмпи находится в строгом соответствии с Тм, что обеспечивает приемлемый уроьень Тсн. Использование системы встроенного диагностирования позволяет осуществлять контроль ММ и его функциональных узлен с достаточно
- 4 -высокой частотой, что дает возможность установить существенно большее значение Тмпи при тех же значениях Тм и Тсн.
Увеличение метрологической безотказности (т.е. значения Тм) ограничивается характеристиками нестабильности современной элементной базы, в первую очередь, - операционных усилителей, резисторов и стабилитронов. Поэтому дачьнейшее улучшение этого показателя ММ может быть достигнуто в результате совершенствования технологии изготовления указанных элементов. Однако, для достижения данной цели могут быть использованы и "интеллектуаль- ные" возможности ММ.
Скрытое для пользователя отклонение реальных характеристик ММ от заданных может быть- вызвано не только метрологическими, но и информационными отказами, т.е. отказами, связанными с нарушением таких внутренних функций прибора, как управление работой функциональных узлов, обработка результатов преобразований-измеряемых величин, информационный обмен. В ряде случаев информационные отказы по своим последствиям подобны метрологическим. Для их своевременного обнаружения, также, как в случае метрологических отказов, целесообразно испольвовать встроенные средства диагностирования.
Таким образом, система самодиагностирования Щ должна с требуемой полнотой и глубиной своевременно обнаруживать и лока-лизовывать возникающие дефекты, приводящие к метрологическим и информационным отказам ММ. Однако, введение в структуру ММ средств самодиагяостирования, очевидно, приводит к избыточности. В этой связи немаловажной является задача выбора критерия оптимизации системы самодиагяостирования ММ.
Щель работа - исследование и разработка методов и средств обеспечения метрологической надежности прецизионных микропроцессорных мулътиметров.
Основные задачи исследования - анализ известных методов и средств самодиагностирования микропроцессорных систем, приемлемых для использования в ММ; разработка с учетом специфики ММ новых средств самодиагностирования; разработка методики оптимального тіроектирования системы самодиагностирования ММ; исследова--иие причин, ограничивающих метрологическую надежность прецизионных УМ; разработка метода и средств .увеличения метрологической надежности ММ бее повышения требований к стабильности компонентов.
- 5 -
Иэтоды исследования базируются на использовании положений
теории измерений, теории электрических цепей, теории вероятнос
тей и математической статистики, теории надежности и технической
диагностики. Экспериментальные исследования выполнены с помощью
физического моделирования и математического моделирования на ЭВМ,
Научная новизна работы заключается в:
\ - разработке критерия оптимизации системы самодиагности-
рования микропроцессорных мультиметров;
разработке обобщенного алгоритма самодиагностирования микропроцессорных мультиметров;
исследовании путей повышения метрологической надежности микропроцессорных мультиметров;
разработке метода и средств повышения метрологической надежности микропроцессорных мультиметров.
Практическая ценность. Разработана методика оптимального проектирования системы самодиагностирования ММ, основанная на использовании предложенных автором обобщенных критериев эффективности и стоимости системы самодиагностирования.
Разработаны средства функционального и тестового самодиагностирования, ориентированные на использование в Ш.
' В результате анализа причин, ограничивающих метрологическую надежность прецизионных ММ, доказано, что основным фактором ненадежности является нестабильность напряжения стабилизации стабилитронов, используемых в источниках опорного напряжения ММ.
Предложен метод повышения метрологической надежности ММ, основанный на использовании разработанного автором группового автоматически контролируемого источника опорного напряжения.
Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы использованы в серийно выпускаемых приборах - микропроцессорном мультиметре Щ1518 (Ленинградское ПО "Вибратор") и микропроцессорном измерителе удельного электрического сопротивления полупроводниковых материалов Ф4802 (Львовское ПО "Микроприбор"), 'а также в базовой модели микропроцессорного мультиметра с расширенными функциями, разработанной для ЛПО "Вибратор"."
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на:
- Всесоюзной научно-технической конференции "Методы и
средства аналого_цифрового преобразования параметров электричес
ких сигналов и цепей", г.Пенза, 1985 г.;
- Республиканской научно-технической конференции "ПЭВ-90", г.Таллинн, 1990 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 работ.
Объем и структура работы. Диссертация общим объемом 191 с. состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы (66 наименований), приложения, содержит 164 с. основного текста, 28 рисунков (23 страницу), 22 таблицы (18 страниц).
Проблема метрологической надежности прецизионных средств измерений
ММ, как правило, являются приборами с высоким уровнем метрологических характеристик. Применение МП в сочетании с использованием новых методов преобразования измеряемых величин и совершенствованием элементной базы привело к созданию новых приборов, которые по точности измерения ряда электрических величин вплотную приблизились к соответствующим эталонам.
В качестве примера в табл.1 Л представлены основные метрологические характеристики трех моделей ММ, иллюстрирующие достигнутый уровень точности /1,2,3/.
Для поверки и калибровки столь точных приборов необходима использовать образцовые СИ, относящиеся к высшей ступени поверочной схемы /4/, что зачастую сопряжено со значительными временными затратами. Поэтому в таких прецизионных СИ высокая точность должна сочетаться с высокой МН, т.к. это позволяет уменьшить частоту их периодических поверок и , тем самым, повысить эффективность использования этих дорогостоящих приборов.
В соответствии с /5/ МН - это свойство СИ сохранять во времени метрологические характеристики в пределах установленных норм при эксплуатации в заданных режимах и условиях использования, технического обслуживания хранения, транспортировки. Выход какой-либо из метрологических характеристик за установленные пределы является метрологическим отказом. В работах /6,7/ отмечается, что среди возможных метрологических отказов СИ наиболее вероятными являются отказы, связанные с изменениями его основной погрешности. Поэтому понятие метрологического ресурса СИ /6,8/ определяется как среднее время до выхода погрешности за одну из границ нормируемого допуска.
Для нормирования метрологического ресурса необходимо располагать моделью временных изменений погрешности СИ. В большинстве публикаций посвященных моделированию процесса изменения погрешности СИ во времени, например, в /8,8,9,13/ используется подход, основанный па рассмотрении этой зависимости как нестационарного случайного процесса с изменяющимися математическим ожиданием и дисперсией. Конкретная модель для определенного типа СИ может быть получена в результате статистической обработки результатов испытаний /6/, или - путем математического моделирования влияния процессов старения элементов СИ на его погрешность /6,9/.
Дели и критерии оптимизации системы само диагностирования микропроцессорного мультиметра
Б настоящее время ММ имеют две основные области применения; прецизионные лабораторные измерения и использование в составе измерительных систем. В обоих случаях важнейшим потребительским качеством ММ, помимо высокого уровня метрологических характеристик, является достоверность функционирования. С другой стороны, ММ как сложное и дорогостоящее техническое устройство должен отвечать требованию его наиболее эффективного использования, что означает минимизацию временных затрат на профилактику, контроль и восстановление работоспособности в случае отказа любого вида.
Достоверность функционирования ММ характеризуется вероятностью того, что прибор не находится в состоянии скрытой неработоспособности. Улучшение этой характеристики можно обеспечить путем повышения безотказности прибора; однако при этом существуют ограничения, связанные с уровнем надежности элементной базы ММ. Наиболее перспективным направлением в дальнейшем улучшении рассматриваемой характеристики является применение самодиагностирования; его использование позволяет при том же уровне безотказности повысить достоверность функционироваия ММ за счет оперативного обнаружения возникающих скрытых отказов.
Эффективность использования ММ определяется целым рядом факторов, но общепризнанным является то, что наибольшие потери, обусловленные изъятием прибора из эксплуатации, связаны с локализацией дефекта в отказавшем приборе. Применение в ММ самодиагностирования помогает решить и эту проблему.
Таким образом, целями самодиагностирования ММ являются:
1.Повышение достоверности функционирования ММ.
S. Увеличение доли времени использования (времени выполнения заданных функций) в течение периода эксплуатации ММ.
Для достижения этих целей должны быть решены следующие задачи:
1.Проверка работоспособности ММ с требуемой полнотой.
2.Ограничение времени скрытой неработоспособности ММ на
- 25 -уровне, не превосходящем заданного.
3.Локализация дефектных компонентов ММ с требуемой глубиной.
4.Ограничение на заданном уровне временных затрат, расхода электроэнергии, аппаратурных и программных средств, необходимых для самодиагностирования.
Очевидно, что эффективное решение всех поставленных задач может быть получено только в результате оптимизации системы самодиагностирования (ССД). Предварительно выберем показатели эффективности и стоимости ССД ММ, которые позволят охарактеризовать качество решения каждой из задач.
Проанализируем предлагаемые в технической литературе и приемлемые для ММ показатели эффективности.
Б /20/ для оценки полноты проверки работоспособности предлагается коэффициент
КПп = к/ 0, (2 Л)
где \к - суммарная интенсивность отказов проверяемых частей изделия на принятом уровне деления;
\Q - суммарная интенсивность отказов всех частей изделия на принятом уровне деления.
Если значения \Kf \Q неизвестны, то коэффициент полноты проверки работоспособности рекомендуется вычислять по следующей формуле:
Кпп = пк/по (2.2)
где Пк - число диагностических параметров;
по - число параметров технического состояния, использование которых обеспечивает методическую достоверность проверки.
Воспользоваться этой рекомендацией затруднительно ввиду неопределенности понятия no . Кроме того, показатель полноты проверки, по нашему мнению, должен отображать значимость контроля отдельных функциональных узлов с точки зрения работоспособности и достоверности функционирования ММ в целом.
Система обеспечения метрологической надежности микропроцессорных мультиметров и критерий ее оптимизации
Ранее, в параграфе 1.2, было отмечено, что в соответствии с действующими нормативными документами, метрологическая надежность (МН) имеет смысл долговременной стабильности метрологических характеристик СИ (в первую очередь, основной погрешности) и характеризуется такими, например, показателями, как наработка на метрологический отказ (иначе, метрологический ресурс) Тм и коэффициент метрологической годности кд=1-, где г - вероятность метрологического отказа в течение межповерочного интервала (МПИ) /6/.
На наш взгляд, применительно к "интеллектуальным" СИ, к которым относятся ММ, смысл, вкладываемый в понятие МН, следует расширить. Последняя проявляется не только в безотказности СИ, но и, как уже отмечалось в параграфе 2.1, в достоверности функционирования, для количественной оценки которой был предложен коэффициент пребывания ММ в состоянии скрытой неработоспособности - Кен (,10). В традиционных (непроцессорных) СИ эти два качества находятся в однозначном соответствии. В микропроцессорных СИ появляется возможность автоматического обнаружения возникающих метрологических отказов посредством самодиагностирования. Таким образом, при той же метрологической безотказности, предел которой ограничен свойствами реальной элементной базы, может быть достигнуто повышение достоверности функционирования микроп-роцессорнных СИ, а следовательно, и их МН.
Для создания ММ, обладающего требуемой метрологической безотказностью и достоверностью функционирования необходимо разработать систему обеспечения МН, включающую соответствующие методы и средства их реализации. В общем случае такая система требует создания математической модели и включает в себя:
1) периодические поверки и калибровки;
2) периодическую автокоррекцию результатов измерений;
3) резервирование узлов и элементов, обладающих недоста - 54 -точной метрологической безотказностью;
4} метрологический самоконтроль.
Первая позиция является традиционной и необходимой. Автокоррекция получила широкое распространение в цифровых измерительных приборах и сохраняет свое значение в ММ. Вопрос о резервировании возникает в том случае, если другие принятые меры увеличения МН исчерпаны. Метрологический самоконтроль, повышая достоверность фунуционирования ММ, требует определенных временных затрат, а также дополнительных встраиваемых аппаратурных и программных средств. Окончательное решение о том, в какой степени необходимо использовать эти последние два приема, может быть получено в результате оптимизации системы обеспечения МН ММ.
Б качестве критериев оптимизации целесообразно использовать рассотренные в параграфе S.1 критерии "эффективность-стоимость" (.21)» (Й.ЕЕ). При этом выбор одного из них определяется требованиями технического задания на разработку конкретного ММ.
Обобщенный показатель стоимости ситемы обеспечения МН ММ определяется так же, как соответствующий показатель системы самодиагностирования ММ (2.SO).
Обобщенный показатель эффективности системы обеспечения МН ММ должен содержать количественные оценки метрологической безотказности и достоверности функционирования ММ. В качестве нормализованного показателя метрологической безотказности удобно воспользоваться коэффициентом, характеризующим частоту ремонтов ММ, вызванных метрологическими отказами в течение его срока службы;
Кчр = (Тел - Тм)/Тсл, (3.1)
где Тел - длительность срока службы ММ;
Тм - средняя наработка на метрологический отказ (метрологический ресурс).
Реально всегда выполняется условие - Тол Тм, поэтому -О Кчр 1; для идеального прибора Кчр = 0.
Используемый для оценки достоверности функционирования ММ коэффициент Кон, определяемый формулой (.10), в данном случае соответствует скрытой неработоспособности, обусловленной необна-руживаемыми в процессе эксплуатации ММ отказами,
Встроенные средства функционального и тестового диагностирования
При разработке системы самодиагностирования (ССД) ММ использовался критерий оптимизации (2-20), В соответствии с этим критерием необходимо обеспечить максимальную эффективность диагностирования, характеризуемую обобщенным коэффициентом эффекивности (й-17), при заданном ограничении стоимости, которая характеризуется обобщенным коэффициентом стоимости (-18), При проектировании были установлены следующие значения входящих в выражения (Е.17), (й.18) параметров: gi=0,3; gg=0,5; з=0,; KCTlB=0,05; hi=h2=h3=h4=0,l; hs=h6=h7=0,2.
Разработанная оптимизированная ССД ММ соответствует структурной схеме, показанной на рис..2. Она работает по обобщенному алгоритму, представленному на рис.2.3, и включает аппаратурные и программные средства функционального и тестового диагностирования ,
