Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ проблемы оценки и повышения метрологической надежности. постановка задачи исследования 12
1.1. Общая характеристика проблемы метрологической надежности и ее состояния 12
1.2 Краткий обзор и анализ известных путей решения задач оценки и повышения метрологической надежности средств измерений 16
1.2.1 Методы оценки и прогнозирования состояния метрологических характеристик средств измерений 16
1.2.2 Методы повышения метрологической надежности средств измерений 28
1.3 Постановка задачи оценки и повышения метрологической надежности СНК ТФС материалов и выявление наиболее перспективных путей ее решения 31
Выводы 36
2. Основные положения методов оценки и повышения метрологической надежности снк тфс с учётом температурных режимов эксплуатации 38
2.1. Оценка метрологической надёжности аналоговых блоков СНК ТФС с учётом температурного режима эксплуатации 39
2.1.1. Построение математической модели метрологической характеристики аналогового блока 40
2.1.2. Моделирование значений метрологической характеристики в различных временных сечениях области контроля 42
2.1.3. Построение математической модели изменения во времени метрологической характеристики 52
2.1.4. Оценка величины метрологического ресурса аналоговых блоков измерительного канала СНК ТФС 55
2.2 Повышение метрологического ресурса СНК ТФС с учётом температурно-временной стабильности элементной базы 56
2.2.1. Анализ способов повышения метрологического ресурса СНК ТФС 58
2.2.2. Метод повышения метрологической надёжности СНК ТФС с учётом температурного режима эксплуатации 60
Выводы 65
3. Обобщённая методика оценки, прогнозирования и повышения метрологической надёжности СНК ТФС с учётом температурных режимов их эксплуатации 67
3.1 Общие положения 67
3.2 Оценка и прогнозирование состояния метрологических характеристик аналоговых блоков СНК ТФС 68
3.3 Повышение метрологического ресурса проектируемых СНК ТФС 73
Выводы 75
4. Повышение метрологической надежности СНК ТФС материалов и изделий на этапе их проектирования с использованием разработанной методики 77
4.1 Оценка, прогнозирование и повышение метрологического ресурса аналоговых блоков измерительных каналов СНК ТФС материалов и изделий, реализующих контактные методы измерений 78
4.1.1. Оценка, прогнозирование и повышение метрологического ресурса усилителя сигнала термопары с компенсацией напряжения опорного спая 78
4.1.2. Оценка, прогнозирование и повышение метрологического ресурса нормирующего преобразователя 88
4.2 Оценка, прогнозирование и повышение метрологического ресурса аналоговых блоков измерительных каналов СНК ТФС материалов и изделий, реализующих бесконтактные методы измерений 98
4.3 Проверка гипотезы о нормальном законе распределения метрологической характеристики 109
Выводы 111
Заключение 112
Список используемых источников 114
Приложения 125
- Методы оценки и прогнозирования состояния метрологических характеристик средств измерений
- Моделирование значений метрологической характеристики в различных временных сечениях области контроля
- Оценка и прогнозирование состояния метрологических характеристик аналоговых блоков СНК ТФС
- Оценка, прогнозирование и повышение метрологического ресурса усилителя сигнала термопары с компенсацией напряжения опорного спая
Введение к работе
Одной из важнейших характеристик качества любого устройства является его надёжность. Для средств измерений (СИ), и в том числе для средств перазрушающего контроля (СНК) теплофизических свойств (ТФС) материалов и изделий, особое значение имеет обеспечение их метрологической надёжности, в том числе уже при их проектировании.
Актуальность темы исследования.
Метрологическая надежность, являющаяся характеристикой качества СИ, определяет их свойство сохранять во времени метрологические характеристики в пределах установленных норм при эксплуатации в заданных режимах и условиях использования, техническом обслуживании, хранении и транспортировании. Следовательно, метрологическая надёжность определяется характером и темпом изменения нормируемых метрологических характеристик СИ.
В настоящее время среди различных групп СИ, наиболее эффективно используемых в промышленности в качестве измерительно-вычислительных средств, широкое применение получили СНК ТФС материалов и изделий, характеризующиеся разнообразием выполняемых функций и позволяющие реализовывать достаточно сложные алгоритмы измерения. Алгоритмическая, структурная и конструктивная сложность средств, реализующих методы неразрушающего контроля ТФС материалов и изделий, ставит актуальным вопрос обеспечения необходимого уровня их метрологической надёжности.
Для СНК ТФС материалов и изделий наиболее значимым показателем метрологической надёжности является метрологический ресурс, оцениваемый временем пересечения реализаций нестационарного случайного процесса изменения во времени метрологической характеристики границ поля допуска.
Как показывают теоретические и практические исследования, наиболее ответственными для СНК ТФС материалов и изделий в метрологическом отношении являются аналоговые блоки, входящие в состав измерительных каналов и выполняющие различные функции преобразования измеряемой величины. Преобладание для таких блоков в общем потоке отказов постепенных метрологических отказов, определяемых только при проведении метрологических поверок и вызванных постепенным изменением, а в конечном итоге, выходом за допуск метрологических характеристик, выдвигают на первый план вопрос оценки метрологической надёжности аналоговых блоков и СНК в целом. Кроме того, усложнение СНК и выполняемых ими функций, а также необходимость всё более быстрой подготовки к производству новых С НІС, ставят актуальной задачу разработки методов повышения метрологической надёжности уже при проектировании СНК ТФС материалов и изделий.
Температура является основным внешним фактором, влияющим на скорость процесса старения СИ в целом, так как в зависимости от нее в той или иной степени меняется скорость большинства процессов, протекающих в материалах и деталях рассматриваемых средств. Известно, что при повышении температуры от 20 до 40°С скорость старения СИ возрастает в 1,4 - 1,6 раза. Поэтому именно температура окружающей среды является доминирующим внешним фактором, определяющим показатели метрологической надёжности.
Разработка методов оценки и повышения метрологической надёжности СНК ТФС материалов и изделий на этапе проектирования с учетом температурных режимов эксплуатации является актуальной задачей, решение которой позволит вносить требуемый уровень метрологической надёжности в технические требования при проектировании СНК ТФС и достигать его уже при их проектировании, оценивать показатели метрологической надёжности в произвольные моменты времени эксплуатации, рекомендовать длительность межповерочных интервалов и сроки профилактических работ, принять меры по предупреждению метрологических отказов, и в целом, повысить качество проектируемых СНК ТФС материалов и изделий.
Связь с государственнылш программами и НИР, Диссертационная работа выполнялась в рамках реализации следующих государственных программ: программа Минвуза РФ "Комплексные системы измерений, контроля и испытаний в народном хозяйстве" на 1998-2000гг.; программа Министерства образования РФ "Инновации высшей школы и введение интеллектуальной собственности в хозяйственный оборот" по разделу "Инновационные научно-технические проекты" 2000г.; программа Миннауки РФ на 2000-2001 гг. по финансированию научных исследований и экспериментальных разработок, проект "Создание микропроцессорных приборов оперативного неразрушающего контроля термосопротивления многослойных строительных конструкций с пенополиуретановыми теплозащитными покрытиями", шифр: "Теплогидрощит".
Цель работы.
Целью работы является исследование вопросов, связанных с оценкой и повышением уровня метрологической надёжности СНК ТФС материалов и изделий на стадии проектирования, разработка метода оценки метрологической надёжности проектируемых СНК ТФС с учётом температурного режима их эксплуатации, создание методики оценки, прогнозирования и повышения метрологической надёжности аналоговых блоков измерительных каналов СНК ТФС на стадии проектирования с учётом предполагаемых температурных режимов их эксплуатации. Для достижения этой цели требуется решить следущие задачи:
1. Разработать метод учёта влияния температуры на процессы старения комплектующих элементов исследуемых блоков при оценке метрологической надёжности этих блоков на этапе проектирования СНК ТФС материалов и изделий;
2. Разработать метод повышения метрологического ресурса исследуемых блоков с учётом влияния температуры на процессы старения их комплектующих элементов на этапе проектирования СНК ТФС материалов и изделий;
3. Разработать обобщённую методику оценки, прогнозирования и повышения метрологической надежности проектируемых аналоговых блоков измерительных каналов СНК ТФС с учётом предполагаемых температурных режимов их эксплуатации;
4. Провести экспериментальные исследования основных положений и рекомендаций методики оценки, прогнозирования и повышения метрологической надёжности проектируемых аналоговых блоков измерительных каналов СНК ТФС материалов и изделий с учётом предполагаемых температурных режимов их эксплуатации.
Методы и методики исследования базируются на использовании теории вероятностей и математической статистики, методов аппроксимации, статистического моделирования, а также результатов научно-исследовательских работ, выполненных на базе кафедры "Конструирование радиоэлектронных и микропроцессорных систем" Тамбовского государственного технического университета (ТГТУ).
Научная новизна работы.
Научная новизна работы заключается в разработке:
• метода оценки метрологической надежности СИ с учетом влияния температуры на процессы изменения во времени MX аналоговых блоков измерительных каналов проектируемых СНК ТФС материалов и изделий, основанного на построении математических моделей процессов изменения во времени MX проектируемых средств с использованием данных о температурно-временной нестабильности параметров комплектующих элементов,
• метода повышения метрологического ресурса аналоговых блоков проектируемых СНК ТФС объектов, заключающегося в выделении элементов, имеющих доминирующее влияние на изменение во времени MX исследуемого СИ, и замене выделенных элементов на другие, с учетом условия наибольшей компенсации суммарного воздействия на MX исследуемого СИ температурно-временпого старения параметров элементной базы. На основе предложенных методов оценки и повышения метрологической надежности разработана обобщенная методика оценки, прогнозирования и повышения метрологической надежности аналоговых блоков измерительных каналов СНК ТФС материалов и изделий, учитывающая суммарное влияние процессов старения комплектующих элементов исследуемых блоков, а также влияние температурного режима их эксплуатации на скорость изменения MX во времени. Применение разработанной методики позволяет повысить метрологическую надежность СНК ТФС материалов в целом не менее, чем на 15...20 %.
Практическая ценность.
Практическая ценность результатов, полученных в диссертационной работе, заключается в следующем:
• на основе предложенного метода оценки и повышения метрологической надежности аналоговых блоков измерительных каналов СНК ТФС разработана обобщенная методика оценки, прогнозирования и повышения метрологической надежности аналоговых блоков измерительных каналов СНК ТФС с учетом температурного режима их эксплуатации;
• разработанная обобщенная методика внедрена в практику проектирования СНК ТФС, применяемых для контроля теплофизических характеристик различных материалов и изделий.
Личный вклад автора.
Во всех работах, опубликованных в соавторстве, при непосредственном участии автора были разработаны основные идеи метода, получены аналитические выражения и теоретические результаты, проведены теоретические и практические исследования, доказывающие достоверность теоретических положений обобщенной методики оценки и повышения метрологической надёжности СНК ТФС материалов с учетом взаимного влияния элементной базы и эффективность разработанной методики.
Апробация работы.
Основные научные и практические результаты исследований по теме диссертации докладывались на Школе-семинаре молодых учёных "Метрология, стандартизация, сертификация и управление качеством продукции" (Тамбов, 2003 г.), IX Научной конференции ТГТУ (Тамбов, 2004 г.), Международной молодёжной научной конференции "XXX Гагаринскис чтения" (Москва, 2004 г.), V Международной теплофизической школе "Теплофизические измерения при контроле и управлении качеством" (Тамбов, 2004 г.), Всероссийской научно-технической конференции "Энергосбережение и энергосберегающие технологии - 2004" (Липецк, 2004 г.).
Структура работы.
Диссертация содержит введение, 4 главы, заключение и приложения, изложенные на 155 страницах машинописного текста, 25 рисунков и 17 таблиц. Список использованных источников включает 107 наименований.
На защиту выносятся.
1. Метод оценки и прогнозирования метрологической надёжности аналоговых блоков измерительных каналов С ПК ТФС материалов и изделий, а также СНК ТФС в целом, на этапе проектирования с учётом температуры их эксплуатации.
2. Метод повышения метрологической надёжности аналоговых блоков измерительных каналов С ПК ТФС материалов и изделий, а также СНК ТФС в целом, на этапе проектирования с учётом температуры их эксплуатации.
3. Обобщённая методика оценки, прогнозирования и повышения метрологической надёжности СНК ТФС материалов и изделий на этапе проектирования с учётом температуры их эксплуатации.
Методы оценки и прогнозирования состояния метрологических характеристик средств измерений
Процесе изменения с течением времени нормируемых метрологических характер исти к, приводящий к постепенному метрологическому отказу, наиболее опасен для аналоговых СИ или аналоговых блоков СИ [8]. Это обусловлено тем, что при обработке аналогового сигнала информативными являются все его параметры, включая и форму. Соответственно, чем точнее будет воспроизводиться форма сигнала обрабатывающим его устройством, тем меньше информации будет потеряно. Однако, эта точность конечна и далека от идеала, т.к. влияние на проходящий сигнал оказывают как основные (расчётные), так и дополнительные характеристики элементов, составляющих блок, а также погрешности, вызванные неоднородностью используемых в элементах материалов, неточностью воспроизведения их параметров в процессе изготовления, и т.д. Таким образом, метрологическая надёжность СИ зависит от точности и стабильности их аналоговых блоков, которые, в свою очередь, определяются точностью и стабильностью составляющих эти блоки элементов, параметры которых изменяются во время эксплуатации из-за протекающих в них необратимых процессов старения.
В [1, 5, 9] показано, что с физической точки зрения старение любого СИ представляет собой процесс его взаимодействия с окружающей средой, приводящий к изменению его свойств. В зависимости от вида взаимодействия со средой физические и физико-химические процессы, определяющие старение СИ, можно разделить на группы: 1) при изготовлении всех элементов СИ их материал подвергается физическим воздействиям (напылению, травлению, пайке, штамповке и т.д.), приводящим к появлению внутренних напряжений, нарушениям кристаллической структуры, т.е. к накоплению энергии в веществе. С течением времени происходит постепенное высвобождение этой энергии (рассасываются внутренние напряжения, происходит перекристаллизация, полимеризация материалов, релаксационные процессы в них и т.д.); 2) процессы взаимодействия вещества элементов СИ с окружающей средой (осаждение пыли, влаги, конденсация паров и газов на поверхности материала - адсорбция, проникновение внутрь твердого материала - абсорбция и т.д.); 3) процессы, вызываемые колебаниями температуры и другими потоками энергии (высыхание, возгонка атомов и молекул с поверхности материала, изменение фазового состояния, флуктуационные изменения молекулярных и межатомных связей и т.д.). Следовательно, основное влияние на старение СИ оказывают процессы, происходящие на молекулярном уровне. При этом доминирующим фактором, определяющим старение СИ, является календарное время, прошедшее с момента изготовления СИ, а не "наработка" во включенном состоянии [9]. При этом, как показано в [9-13], основным фактором, ускоряющим процессы старения, является температура. Наряду с температурой окружающей среды на элементы СИ может дополнительно воздействовать тепло, выделяемое другими, сильно нагревающимися при работе элементами (мощными транзисторами, резисторами с большой токовой нагрузкой, трансформаторами, и т.д.). Вопросам оценки и прогнозирования метрологической надёжности СИ посвящено множество публикаций, например [14-39]. Много работ посвящено такому аспекту обеспечения метрологической надёжности СИ при их эксплуатации, как установка и корректировка длительности межповерочных интервалов, например [40-55]. Более девяноста из них обобщены в работе [7]. Современное состояние проблемы метрологической надёжности CPI в нашей стране описано в [56, 57]. Информационный поиск иностранных источников по данной теме (Metrological Reliability) в Интернет дал лишь две ссылки на опубликованные материалы [58, 59]. Обе работы выполнены в Чешском техническом университете, Прага (CTU, Prague), и посвящены оценкам погрешностей измерений, выполненных с помощь измерительных плат для персональных ЭВМ. Однако работ, посвященных оценке метрологической надёжности электронных СИ с учётом внешних влияющих факторов очень мало. Можно отметить лишь работы [36, 60]. Поэтому вопросы оценки и прогнозирования метрологической надёжности СИ с учётом внешних влияющих факторов, в частности, одного из доминирующих - температуры, продолжают оставаться актуальными. Для оценки и прогнозирования метрологической надёжности СИ целесообразно использовать математический аппарат теории прогнозирования. Но для того, чтобы можно было применить этот аппарат, необходимы исходные данные о состоянии нормируемых метрологических характеристик СИ. Традиционные способы получения таких данных -проведение долговременных испытаний СИ на стабильность или сбор статистических данных о состоянии метрологических характеристик уже эксплуатируемых СИ. Если СИ ещё находится на стадии проеісгирования, то необходимость применения второго из названных способов автоматически отпадает. Первый же, как показано в [28], в этом случае тоже малоприемлем, так как длительные сроки эксперимента соизмеримы со сроками необратимого старения элементной базы. Таким образом, единственным возможным путём получения таких данных в настоящее время является математическое моделирование. При этом, естественно, точность полученных прогнозов является ограниченной, а полученные оценки показателей метрологической надёжности должны рассматриваться только как ориентировочные. Однако это нисколько не снижает их значимости для оценки качества проектируемых СИ, определения сроков профилактических поверок и числа измерений при их проведении, проектирования СИ с заданным уровнем метрологической надёжности.
Моделирование значений метрологической характеристики в различных временных сечениях области контроля
Если полученное в результате оценки значение метрологического ресурса проектируемого аналогового блока СНК ТФС неудовлетворительно, то его необходимо повысить. Как показано в [57], основными факторами, влияющими на метрологический ресурс аналогового блока являются: схемотехническое решение аналогового блока; качество элементной базы при заданной структуре аналогового блока; допустимый уровень точности аналогового блока, задаваемый допусками на его нормируемые метрологической характеристики [S,)0n, ; S ol,]; начальный уровень точности аналогового блока, задаваемый значениями его MX на момент начала его эксплуатации. Влияние фактора схемотехнического решения на метрологическую надёжность связано с тем, что различные варианты схемотехнического решения аналогового блока при одних и тех же параметрах элементной базы могут иметь различное значение метрологического ресурса. Это объясняется тем, что выражение (2.7) для каждого варианта схемотехнического решения будет содержать отличное от других вариантов соотношение параметров элементов. Соответственно, скорость изменения метрологической характеристики для каждого из возможных вариантов схемотехнического решения аналогового блока СНК ТФС будет различна, что приводит к различным значениям оцениваемых показателей метрологической надёжности.
Обратной является ситуация, когда для одного и того же, заранее определённого схемотехническоого решения аналогового блока СНК ТФС, при различной элементной базе получается разное значение метрологического ресурса. При этом, в общем случае, чем более стабильными во времени и по температуре являются элементы, тем большее значение метрологического ресурса получается в результате их использования.
Кроме того, на величину метрологического ресурса аналогового блока измерительного канала, а значит и на метрологическую надёжность СЫК ТФС оказывает влияние температура, при которой происходит функционирование элементов.
Основываясь на вышеизложенном, следует утверждать, что повысить метрологическую надёжность проектируемого аналогового блока измерительного канала и СНК ТФС в целом можно одним из следующих способов или их комбинацией: подобрать более стабильную элементную базу; произвести коррекцию запаса по точности исследуемого СИ; обеспечить меньшее значение температуры функционирования элементов; подобрать элементную базу так, чтобы при данном схемотехническом решении скорости и направления изменения параметров элементов схемы в результате старения и температурного дрейфа элементов полностью или частично компенсировали влияния друг друга на процесс изменения во времени метрологической характеристики проектируемого аналогового блока при условии сохранения работоспособности и функционального назначения его схемы; выбрать такое схемотехническое решение, чтобы при заданной элементной базе скорости и направления изменения параметров элементов схемы в результате старения и температурного дрейфа элементов полностью или частично компенсировали влияния друг друга на процесс изменения во времени метрологической характеристики проектируемого аналогового блока при условии сохранения функционального назначения его схемы. Рассмотрим более подробно каждый из этих способов.
Наиболее очевидным способом снижения скорости изменения во времени метрологической характеристики аналогового блока СМК ТФС, а следовательно, и повышения его метрологического ресурса, является использование наиболее стабильных из доступных элементов. Безусловно, чем меньше скорость изменения параметров элементов во времени и с ростом температуры, тем медленнее изменяется и зависимая от них, согласно выражению (2.4), метрологическая характеристика, а значит тем больше метрологический ресурс и выше метрологическая надёжность. Однако, как показывают результаты проведённых экспериментов, если в электрической схеме блока много элементов, непосредственно влияющих на метрологическую характеристику, и предполагается их длительная эксплуатация в жёстком температурном режиме, этого может оказаться недостаточно для обеспечения требуемого метрологического ресурса. Кроме того, использование высокостабильных прецизионных элементов повышает стоимость проектируемого СНК. Поэтому такой способ повышения метрологической надёжности нельзя считать оптимальным.
Второй, тоже достаточно очевидный, способ повысить метрологический ресурс проектируемого аналогового блока - произвести коррекцию его запаса по точности в сторону увеличения, таким образом, чтобы выполнилось одно из равенств (1.4)-(1.5) [57].
Для этого необходимо уже на стадии проектирования иметь сведения о характере (направлении) предполагаемого изменения нормируемой метрологической характеристики в процессе эксплуатации СНК ТФС, и влиянии на него параметров отдельных элементов. Такие сведения можно получить, например, используя приведённую в [60] методику оценки метрологической надёжности СНК ТФС. Однако, для достижения необходимых в таком случае изменений начального значения метрологической характеристики проектируемого СНК в пределах допустимых значений (в пределах нескольких процентов) могут потребоваться весьма небольшие вариации значений параметров комплектующих элементов. Ряд же их номинальных значений дискретен, поэтому такие вариации стаЕговятся возможными только в процессе индивидуальной регулировки каждого экземпляра выпускаемого СНК ТФС, что сильно удорожает его производство. Кроме того, схемотехнические решения на основе современных интегральных микросхем (ИМС) всё чаще не предполагают наличие регулировочных или подстроечных элементов, что, соответственно, делает применение данного способа невозможным в ряде случаев.
Оценка и прогнозирование состояния метрологических характеристик аналоговых блоков СНК ТФС
MX - метрологическая характеристика, MP метрологический ресурс характеристики исследуемых блоков, в частности коэффициент передачи. Исходная информация о СНК ТФС содержится в техническом описании, технических условиях, структурной, функциональной и электрической схемах, данных о применяемой элементной базе (характеристиках и параметрах элементов). 3.2.2. На основе анализа функциональной и электрической схем, а также анализа теплового режима работы каждого из аналоговых блоков строятся математические модели их функционирования, представляющие собой зависимости вида (2.5) выходных характеристик блоков, являющихся прогнозирующими параметрами, от параметров входных сигналов, параметров комплектующих элементов (в т.ч., параметров их температурно-временной стабильности) и температуры элементов. Модель функционирования блока необходима для получения математической модели метрологической характеристики, определяющей зависимость исследуемой метрологической характеристики от перечисленных факторов.
Используя выражения вида (2.5), строятся математические модели нормируемых метрологических характеристик вида (2.6). Если исследуемый блок имеет / нормируемых метрологических характеристик, то математические модели вида (2.6) строятся для каждой из них.
Производится статистическое моделирование состояния исследуемой метрологической характеристики аналогового блока аналогового блока в различные моменты времени области контроля. Область контроля выбирается с учётом соображений, изложенных в п. 2.1.2. Параметры элементов считаются случайными в пределах установленных допусков, а в моделировании процесса их старения учитывается влияние температуры согласно выражению (2.10).
Алгоритм процедуры статистического моделирования метрологическом характеристики аналогового блока и его блок-схема представлены в п. 2.1.2. Результатом моделирования являются значения математического ожидания nis(ti), / 1,..., к, и среднеквадратического отклонения crsft,), / 1,..., к, исследуемой метрологической характеристики в заданные моменты времени Л, /= 1,..., к, области контроля. 3.2.5. По результатам проведённого статистического моделирования строится математическая модель процесса изменения исследуемой метрологической характеристики во времени. Эта модель представляет собой совокупность аналитических зависимостей вида (2.15), описывающих изменение во времени математического ожидания исследуемой метрологической характеристики M$(t) и границ разброса реализаций случайного процесса изменения во времени исследуемой метрологической характеристики около ее среднего значения yio(t). Математическая модель процесса изменения во времени метрологической характеристики представляется полиномиальной зависимостью вида (2.16) со степенью полинома /J=2. 3.2.6. Экстраполяцией полученных в предыдущем пункте зависимостей на об 73 ласть предстоящей эксплуатации осуществляется прогнозирование состояния исследуемой метрологической характеристики аналогового блока измерительного канала СНК ТФС материалов. Исходя из условия метрологической исправности аналогового блока (1.6) согласно выражению (2.17)-(2.18) определяется его метрологический ресурс как время достижения исследуемой метрологической характеристикой границ поля допуска, определяемого её максимальным и минимальным допустимыми значениями. 3.2.7. П. 3.2.4 - 3.2.6 выполняются / раз для всех нормируемых метрологических характеристик исследуемого аналогового блока измерительного канала СНК ТФС материалов. 3.2.8. Последовательность действий, описанная в п. 3.2.1 - 3.2.7 выполняется для всех аналоговых блоков, входящих в состав измерительного канала СНК. 3.2.9. Метрологический ресурс измерительного канала СНК ТФС оценивают согласно неравенству (2.1) 3.2.10. При наличии в проектируемом СИК нескольких различных по структу ре и составу измерительных каналов п. 3.2.1 - 3.2.9 выполняются для каждого из них, а метрологический ресурс СНК ТФС в целом оценивается по неравенству (2.2). Для повышения метрологического ресурса исследуемого блока при сохранении неизменными его электрической схемы и конструкции, определяются элементы, подлежащие замене с целью уменьшения скорости изменения во времени нормируемых метрологических характеристик блока. 3.3.U Для всех комплектующих элементов блока вычисляются значения частной производной вида (2.20). По знаку полученного значения ("+" или "-"), определяющему направление воздействия изменения параметра элемента на процесс изменения исследуемой метрологической характеристики блока, элементы делятся на две группы. 3.3.1.2 Для каждого комплектующего элемента блока вычисляется нормированное значение частной производной вида (2.19). Элементы ранжируются внутри групп в порядке убывания величины полученного значения, определяющего степень влияния изменения параметра элемента на скорость процесса изменения исследуемой метрологической характеристики блока. 3.3.2 Осуществляют замену пары элементов, по одному из каждой группы, с наибольшим соответствующим нормированным значением частной производной вида (2.19) на доступные аналогичные, но с иными характеристиками температурно-временной стабильности, так, чтобы влияния изменения их параметров на процесс изменения во времени исследуемой метрологической характеристики блока частично или, если возможно, полностью, взаимно компенсировались. 3.3.3 Осуществляют оценку метрологического ресурса исследуемого аналогового блока согласно п. 3.2, 3.3.4 Если замена элехментов по п. 3.3.2 не обеспечила требуемое значение метрологического ресурса исследуемого блока, п. 3.3.2, 3.3.3 повторяют. Если после многократного повторения п. 3.3.2, 3.3.3 требуемое значение метрологического ресурса не достигается, переходят к паре следующих по рангу элементов, и выполняют п. 3.3.2, 3.3.3 для новой пары элементов. 3.3.5 П. 3.3.2 - 3.3.4 выполняют, пока не будет достигнуто требуемое значение метрологического ресурса или будут исчерпаны все возможности по замене элементов.
Оценка, прогнозирование и повышение метрологического ресурса усилителя сигнала термопары с компенсацией напряжения опорного спая
По результатам экстраполяции полученных зависимостей (4.27)-(4.30) с доверительной вероятностью /М),997 получено значение метрологического ресурса, соответствующее указанным температурам. /г 43400 ч, 31500 ч, 24500 ч и 20900 ч соответственно. Совмещённый график функций (4.27)-(4.30) приведён на рис. 4.5.
Осуществим повышение метрологического ресурса исследуемого НП, Определяем направление влияния изменения параметра каждого комплектующего элемента на изменение метрологической характеристики исследуемого НП. Для этого находим значения частных производных вида (2.20) от выражения (4.25). Знаки полученных значений приведены в таблице 4.5. Соответственно знаку частной производной вида (2.20) делим комплектующие элементы на две группы. К первой группе относим элементы R3, R4, R9, для которых частная производная вида (2.20) положительна. А ко второй -элементы Rl, R5, R8, R10, С1, для которых она отрицательна.
Далее определяем степень влияния изменения сопротивления каждого резистора на изменение метрологической характеристики исследуемого усилителя. Для этого находим нормированные частные производные вида (2.19) от выражения (4.25). Полученные значения также находятся в таблице 4.5.
Ранжируем элементы внутри групп по нормированным значениям частных производных вида (2.19). полученные результаты сведены в таблицу 4.6 Осуществляем замену пары резисторов R3 и RJ0 на резисторы марки С2-24 и С2-26 соответственно. Резисторы С2-24 имеют срок сохраняемости 87000ч и относительное изменение их сопротивления за это время составляет 8%. Коэффициент старения, вычисленный согласно выражению (2.8) в предположении, что сопротивление с течением времени растёт вследствие протекающих процессов старения материала резистора, составляет 9,195-Ю7 1/ч. Резисторы С2-26 имеют срок сохраняемости 105000ч и относительное изменение сопротивления за это время 3% [77]. Коэффициент старения, вычисленный аналогично по выражению (2.8), составляет 2,857-10"7 1/ч. Таблица 4.6 Результаты ранжирования элементов По результатам экстраполяции полученных зависимостей (4.31)-(4.34) с доверительной вероятностью /,=0,997 получено значение метрологического ресурса, соответствующее указанным температурам. /,+96000 ч, 81000 ч, 74000 ч и 67000 ч соответственно. Совмещённый график функций (4.31)-(4.34) приведён на рис. 4.6. Таким образом, применение разработанной методики оценки, прогнозирования и повышения метрологической надёжности аналоговых блоков измерительных каналов СНК ТФС материалов и изделий позволило увеличить метрологический ресурс проектируемого НП в среднем в 1,3 раза. 4.2 Оценка, прогнозирование и повышение метрологического ресурса аналоговых блоков измерительных каналов СНК ТФС материалов и изделий, реализующих бесконтактные методы измерений Первичными измерительными преобразователями СНК ТФС материалов и изделий, реализующих бесконтактные методы измерений, часто являются полупроводниковые приемники излучения - фотодиоды, фототранзисторы. Медленно меняющийся во времени сигнал таких измерительных преобразователей перед его оцифровкой необходимо преобразовать из тока в напряжение, если используется фотодиод, и усилить, для чего в состав соответствующего НП должен входить усилитель постоянного тока. Если СНК работает не в лаборатории, а в цехах промышленного предприятия, где возможен высокий уровень электромагнитных помех, измерительный зонд с размещённым в нём НП находится достаточно далеко от основного блока СНК и соединён с ним кабелем, то для передачи по кабелю сигнал из постоянного тока желательно преобразовать в переменный [102]. Для этого чаще всего используются преобразователи типа напряжение-частота.
Рассмотрим применение предложенной методики оценки, прогнозирования и повышения метрологической надёжности СНК ТФС материалов и изделий для оценки и повышения метрологического ресурса НП, осуществляющего усиление сигнала фотодиода и преобразование напряжение-частота [103, 104]. Электрическая схема НП приведена на рис. 4.7.
