Оценка надежности измерительных устройств на стадии проектирования

Надежность является обобщенной (интегральной) эксплуатационной характеристикой измерительного устройства, т. е. такой характеристикой, которая учитывает и отражает множество эксплуатационных требований. Базовыми понятиями в этой области являются понятия «надежность» и «отказ». С самых общих позиций надежность — свойство ИУ сохранять работоспособное состояние; отказ — событие, заключающееся в нарушении работоспособного состояния.

В зависимости от того, как понимаются эти термины, различают метрологическую (информационную) и техническую (аппаратную) надежность (и отказы) И У. В первом случае отказом считается выход любой метрологической характеристики ИУ за установленные границы, например выход погрешности измерений за пределы поля допуска, во втором — утрата прибором способности реагировать на измеряемую физическую величину вследствие физического выхода из строя его элементов. Метрологический отказ может быть обнаружен только в результате поверки ИУ, т. е. сравнения фактических погрешностей ИУ с их допустимыми значениями, причем момент такого отказа, как правило, неизвестен. Технический отказ и момент его появления можно обнаружить визуально. В обоих случаях восстановление работоспособного состояния означает полное восстановление всех характеристик ИУ.

Различают разные виды отказов: зависимые и независимые, внезапные и постепенные, одновременные и разновременные, перемежающиеся, конструкционные, производственные и эксплуатационные.

Независимый отказ не связан с отказом какого-либо элемента ИУ. Причиной зависимого отказа, напротив, является отказ одного или нескольких элементов ИУ, приводящий к недопустимым изменениям режимов работы (и отказам) других элементов ИУ. Внезапный отказ характеризуется неожиданным скачкообразным изменением характеристик ИУ, постепенный отказ — их плавным изменением во времени. Одновременный отказ означает выход из строя в данный момент времени не более одного элемента ИУ, разновременный отказ — наличие последовательности отказов, следующих один за другим. Перемежающийся отказ — многократно возникающий и самоустраняющийся отказ одного и того же характера. Конструкционный отказ возникает из-за ошибок, допущенных при конструировании ИУ, производственный отказ обусловлен несовершенством изготовления и (или) ремонта ИУ, а эксплуатационный отказ — нарушениями установленных правил эксплуатации ИУ.

В зависимости от сложности устранения различают отказы, устраняемые в порядке технического обслуживания и устраняемые при среднем или капитальном ремонте. В зависимости от места устранения различают отказы, не устраняемые в эксплуатационных условиях и устраняемые в стационарных условиях.

Во всех случаях отказ следует рассматривать как случайное событие и описывать его в рамках теории вероятностей. Соответствующий раздел этой теории получил название математической теории надежности.

Основные понятия, термины, характеризующие надежность техники, даны в ГОСТ 27.002—89. Приведем основные определения.

Надежность — свойство изделия сохранять в установленных пределах времени значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, ремонтов, хранения, транспортировки и других действий.

Безотказность — свойство изделия непрерывно сохранять работоспособность в течение заданного времени или наработки в определенных условиях эксплуатации.

Работоспособное состояние — состояние изделия, при котором оно способно выполнять заданные функции, сохраняя при этом значения всех основных параметров, установленных нормативно-технической и (или) проектно-конструкторской документацией.

Отказ — событие, в результате которого происходит полная или частичная утрата работоспособности изделия.

Исправное состояние — состояние, при котором изделие соответствует всем требованиям нормативно-технической и (или) проектно-конструкторской документации. Нарушение неисправности изделия называется повреждением.

Неисправное состояние — состояние, при котором изделие не удовлетворяет хотя бы одному из требований нормативно-технической и (или) проектно-конструкторской документации.

Неисправное состояние может быть работоспособным. Например, повреждение стекла отсчетного устройства (скол, трещина) является признаком неисправности прибора. Однако такой прибор является работоспособным. Неработоспособный прибор является одновременно неисправным.

Долговечность — свойство изделия сохранять во времени работоспособность, с необходимыми перерывами для технического обслуживания и ремонта, до его предельного состояния, оговоренного технической документацией. Количественными характеристиками долговечности прибора являются наработка до отказа, ресурс и срок службы. Наработка до отказа характеризует продолжительность работы прибора от начала эксплуатации до первого отказа. Эта величина является случайной. Ее математическое ожидание называется средней наработкой до отказа. Ресурс — суммарная наработка прибора от начала его эксплуатации или ее возобновления после ремонта до перехода в предельное состояние, т. е. такое состояние прибора, при котором его дальнейшая эксплуатация недопустима по требованиям безопасности или по экономическим причинам либо когда восстановление его работоспособности невозможно или нецелесообразно из-за неустранимого снижения эффективности. Срок службы — календарная продолжительность эксплуатации прибора.

Ремонтопригодность — свойство ИУ, заключающееся в приспособлении к предупреждению и обнаружению причин возникновения отказов и восстановлению работоспособного состояния путем проведения технического обслуживания и ремонтов.

При наличии прогрессирующих погрешностей такие операции могут выполняться многократно. Их периодичность влияет на время восстановления — основной показатель ремонтопригодности ИУ, определяющий календарную продолжительность операций по восстановлению работоспособного состояния или продолжительность профилактических операций по техническому обслуживанию.

Сохраняемость — свойство И У непрерывно сохранять исправное и работоспособное состояние в течение и после хранения и транспортирования.

В зависимости от назначения и условий применения И У предъявляются требования к различным его свойствам. Например, необходимыми свойствами метереологических ракет являются безотказность и сохраняемость, в то время как долговечность и ремонтопригодность для них лишены смысла. Действительно, такая ракета с размещенным на ней оборудованием (в том числе измерительным) должна храниться и быть постоянно готовой к старту, т. е. отвечать требованиям сохраняемости и исправности, а затем в течение сравнительно короткого промежутка времени полета без искажений передать необходимую информацию, т. е. отвечать требованию безотказности. По завершении полета ракета разрушается. Последнее обстоятельство делает бессмысленными для нее (и соответствующего измерительного оборудования) требования долговечности и ремонтопригодности.

Обеспечение надежности связано со всеми этапами жизненного цикла ИУ. На стадии проектирования ИУ для обеспечения надежности необходимо учитывать следующие факторы: качество применяемых элементов, блочно-модульное построение ИУ, стандартизацию сигналов, параметров источников питания, габаритных и присоединительных размеров, правильный выбор режимов работы, доступность всех частей И У для осмотра, контроля и замены, применение защитных устройств, резервирование элементов и ир. При производстве ИУ необходимо обеспечивать строгое соответствие технологической дисциплине, контроль качества технологических операций, недопущение замены материалов, соблюдение санитарных норм на рабочих местах и т. д. При эксплуатации ИУ необходимо соблюдать эксплуатационные условия, соответствовать системе обслуживания и ремонтов, иметь должную квалификацию обслуживающего персонала и пр.

Повышение показателей надежности неизбежно сопровождается дополнительными затратами на всех этапах жизненного цикла ИУ. Если речь идет о приборах или системах, отказы которых могут привести к нарушению условий безопасности людей, то мероприятия, направленные на повышение надежности, и соответствующие затраты обязательны для исполнения.

К выбору основного показателя надежности следует подходить с особой тщательностью, так как этот выбор во многом определяет последующие конструкторские решения. В большинстве случаев для неремонтируемых ИУ (т.е. ИУ, заменяемых после первого отказа) устанавливают требования безотказности и долговечности, а для восстанавливаемых ИУ — также и ремонтопригодности.

Наиболее распространенными показателями надежности ИУ являются вероятность безотказной работы Р_т, наработка на отказ Г_ср и интенсивность отказов X. Кроме этих показателей применяют множество других показателей надежности [221.

Вероятность безотказной работы определяет вероятность того, что в течение заданного промежутка времени прибор сохраняет работоспособное состояние. Этот показатель используют для оценки надежности неремонтируемых ИУ или приборов, отказы которых недопустимы. К этой же категории средств измерений относят ИУ, затраты на восстановление которых превышают стоимость ИУ.

Если отказы таких И У являются относительно редкими и независимыми, то справедлив экспоненциальный закон надежности, при котором вероятность безотказной работы ИУ Р_г в течение заданного промежутка времени Т вычисляется по формуле.

где X = X (t) — интенсивность отказов (среднее число отказов в единицу времени), которая определяется с помощью специальных испытаний ИУ или устанавливается расчетным путем.

На рис. 10.1 показана типичная зависимость интенсивности отказов ИУ от времени. График этой зависимости называется «кривой жизни» ИУ.

В диапазоне 0<^<^ происходит приработка элементов ИУ и выявляются скрытые дефекты, приводящие к росту интенсивности отказов. В период нормальной работы t_x < t < t₂ (как правило, t₂ «t_{) интенсивность отказов практически постоянна, т. е. X (?) = ^ = const. По истечении этого промежутка времени интенсивность отказов резко возрастает вследствие физического износа элементов ИУ.

Рис. 10.1. Кривая «жизни» ИУ.

В период нормальной работы И У имеем.

что соответствует так называемому экспоненциальному закону надежности. В этом случае увеличение срока непрерывной работы ИУ Г приводит к экспоненциальному увеличению вероятности отказа Q_r = 1 -Р_г.

Основным показателем надежности ремонтируемых И У (т.е. ИУ, допускающих ремонт с последующим возвратом в эксплуатацию) является средняя продолжительность безотказной работы, называемая также средней наработкой до отказа

Надежность сложной системы, состоящей из нескольких элементов, зависит от надежности этих элементов и способа их соединения.

При последовательном соединении элементов, внезапный отказ каждого из которых приводит к отказу всей системы, вероятность безотказной работы соединения равна.

где Pj — вероятность отказа /-го элемента; N — число элементов. Если элементы равнонадежные и Р, =Р₂ = … = Р_п = р> то Р = p^N. В случае р = 0,99 и iV = 15 имеем Р = 0,99¹⁵ =0,86 006. Поэтому, несмотря на относительно высокую надежность элементов прибора, его общая надежность может оказаться недопустимо низкой.

При параллельном соединении N элементов, внезапный отказ каждого из которых приводит к отказу всей системы, вероятность безотказной работы соединения равна Если элементы равнонадежные, то Р = 1 — (1 — p)^N. В случае р = 0,86 и N = 2 получаем Р = 0,9804.

Этот результат указывает на возможность существенного повышения надежности системы за счет резервирования (дублирования) всех или части ее элементов. В частности, при раздельном резервировании каждого элемента вместо (10.4) имеем.

где т —число резервных элементов; Р_} — вероятность безотказной работы резервных элементов. Если Р- = 0,86, т = 3, N = 15, то Р = 0,96.

При общем резервировании N последовательно соединенных элементов.

Если Р_х = 0,99, т = 3, N = 15, то Р = 0,997.

Резерв может быть горячим (постоянно действующим) или холодным, т. е. подключаемым по мере необходимости. Автоматическая замена отказавших деталей требует усложнения конструкции прибора и на практике применяется редко. Однако, используя приведенные соотношения, можно определить минимально необходимое количество резервных деталей. Снабжение прибора такими деталями позволяет существенно повысить его срок службы.

Примерами горячего резервирования являются: дублирование источников освещения шкалы прибора, дублирование приемников излучения, дублирование цепей электрического питания и пр.

Существуют другие (более сложные) модели отказов и показатели надежности различных изделий. Часто они появляются благодаря специфике этих изделий (АСУ, электроника, телекоммуникационные системы, устройства, работающие в особых условиях, и пр.). В частности, известно применение теории массового обслуживания к оценке надежности систем, описываемых марковскими процессами. В этом случае расчет надежности сводится к решению системы дифференциально-разностных уравнений, описывающих изменение вероятности безотказной работы. Часто применяется структурный подход к оценке надежности. В этом случае составляется структурно-функциональная схема объекта (СФС), учитывающая взаимное влияние его элементов с точки зрения надежности, в том числе наличие параллельных связей, резервных элементов и пр. Затем проводят поэлементное распределение вероятностей отказов с учетом принципа равнонадежности. Таким образом, определяют требования к надежности всех элементов СФС.

Известен также расчет надежности систем с учетом затрат на их восстановление. В этом случае возможна оптимизация этих затрат. Наиболее сложными являются физические методы расчета надежности. Их применяют для оценки безотказности, долговечности и сохраняемости объектов, для которых известны механизмы их деградации под влиянием различных внешних и внутренних факторов, приводящие к отказам (метрологическим и (или) аппаратным) в процессе эксплуатации или хранения. В этом случае процесс отказа изделия представляется моделью выбросов некоторого случайного процесса за пределы границ допустимой области его существования.

Общие правила расчета надежности технических объектов, требования к методикам и порядок представления результатов расчета регламентирует ГОСТ 27.301−95.

Наиболее распространенной является методика приближенного расчета надежности, основанная на использовании справочных данных об интенсивностях отказов объектов — аналогов, составных частей и (или) комплектующих изделиях рассматриваемого объекта. В этом случае расчет показателей надежности (10.2) и (10.3) сводится к определению интенсивности отказов X в период стационарного режима эксплуатации И У на основе справочных данных об интенсивностях отказов А, его элементов. Решение этой задачи и расчеты проводятся в следующем порядке:

• 1) на основе анализа схемы и конструкции ИУ выделяют элементы (блоки, узлы, соединения, детали и пр.), внезапный отказ любого из которых приводит к внезапному отказу ИУ в целом. Их сортируют на группы элементов, отличающихся назначением: механические, коммутационные, электрические, функциональные и пр. В пределах каждой такой группы выделяют подгруппы однотипных элементов, работающих в одинаковых или близких режимах. Номер группы и ее название, а также наименования элементов в подгруппах и их число заносятся в первые две графы табл. 10.3;
• 2) для элементов каждой (/-й) подгруппы с помощью справочных данных определяют номинальные значения интенсивностей отказов X_0i, которое заносят в третью графу табл. 10.3;
• 3) определяют значения интенсивностей отказов этих элементов с учетом условий их эксплуатации

где k_A — поправочный коэффициент. Значение этого коэффициента принимают равным: в лабораторных условиях — 1; при работе в стационарных надежных устройствах — 10; на автомобильном транспорте — 25; на летательных аппаратах — 120—1000 [19];

4) определяют суммарную среднюю интенсивность отказов элементов k-и группы где n_k — число подгрупп элементов в k-v группе элементов; m_ki — число элементов г-го типа в k-й подгруппе элементов;

5) вычисляют суммарную среднюю интенсивность отказов.

где N — число групп элементов;

6) вычисляют вероятность безотказной работы прибора в течение заданного промежутка времени Т по формуле (10.2) или среднюю наработку на отказ Т по формуле (10.3).

Таблица 10.3

Исходные данные для расчета надежности ИУ.

Если Р_т > Р_зад (или Т_ср > Г_зад), то делают вывод о выполнении требований к надежности ИУ, которые должны быть сформулированы в ТЗ на проектирование в виде заданных значений показателей надежности Р_зад или Р_}ад. В противном случае рассматривают возможность выполнения этих требований за счет мероприятий, направленных на повышение надежности (резервирования или восстановления).

При заполнении табл. 10.3 рекомендуется пользоваться следующими правилами:

• 1) одноименные элементы разного типа (резисторы, конденсаторы, диоды, микросхемы и пр.), например постоянные и переменные резисторы, керамические и бумажные конденсаторы, и т. д., следует учитывать раздельно, так как они могут иметь существенно различные интенсивности отказов (см. табл. 13, приложение 4);
• 2) неиспользуемые контакты разъемов учитывать не следует;
• 3) при определении количества паек следует учитывать то, что конденсаторы, резисторы и диоды имеют по две точки пайки, транзисторы — три точки пайки, микросхемы в зависимости от типа — 14, 16 и более, реле — четыре, пять и более в зависимости от количества контактных групп;
• 4) интенсивность отказов функциональных элементов может определяться расчетным путем как интенсивность отказа сложного изделия;
• 5) номинальные значения интенсивностей отказов элементов и поправочные коэффициенты даны в приложении 4 (но работе 1101).

При использовании структурного подхода расчет надежности удобно вести поэтапно для каждого звена функциональной схемы ИУ. В качестве примера на рис. 10.2 показана функциональная схема индуктивного манометра. Отказ любого из элементов, отмеченных на этом рисунке, приводит к отказу всего прибора.

Рис. 10.2. Функциональная схема дистанционного манометра:

Т — подводящий трубопровод; ДПИ — датчик первичной информации;

ПП — первичный преобразователь; ДИП — дифференциальный индуктивный преобразователь; СВ — схема включения (мост переменного тока); ВП — вторичный прибор; У1 — усилитель переменного тока; У2 — усилитель постоянного тока; ДМ — демодулятор; О У — отсчетное устройство; БП — блок питания Пусть требование к надежности такого прибора формулируется следующим образом: вероятность безотказной непрерывной работы прибора в течение 500 ч — не менее Р_зад =0,96, т. е. Р₅₀₀ > 0,96. Тогда суммарную интенсивность отказов А, при фактических условиях работы прибора можно определить из неравенства е~^Х500 > 0,96, что дает X = 8,1644 • 10~⁵ 1/ч. Следовательно, интенсивности отказов выделенных элементов прибора должны удовлетворять условию.

где, в свою очередь,.

Далее можно сформулировать требования к интенсивности отказов отдельных звеньев прибора и подчинить этим требованиям выбор их элементной базы (деталей, элементов, узлов). В частности, исходя из требования равнонадежности, получим.

Приведенные примеры расчетов позволяют получить только ориентировочную (приближенную) оценку надежности создаваемого ИУ, так как основываются на ряде допущений, которые на практике могут не выполняться. Перечислим их: отказы являются редкими, случайными и независимыми событиями, подчиняющимися экспоненциальному закону; интенсивность отказов ИУ является постоянной; все элементы работают одновременно и отказ любого из них приводит к отказу ИУ; интенсивности отказов всех элементов и формы их проявления точно соответствуют фактическим отказам. По завершении проектирования проводятся специальные испытания опытного образца ИУ, подтверждающие (или, напротив, опровергающие) достижение установленных требований.

Существуют разные виды и способы испытаний на надежность: определительные, контрольные, специальные. В результате определительных испытаний определяются числовые значения необходимых показателей надежности. В результате контрольных испытаний устанавливается принадлежность объекта испытаний к определенному классу объектов (в смысле надежности). Специальные испытания проводят для определения степени влияния различных эксплуатационных факторов (вибрации, ударов, радиации, влажности и т. д.) на показатели надежности изделия.

Перечисленные виды испытаний могут быть ускоренными и нормальными, экспериментальными и расчетно-экспериментальными. Они могут проводиться по разным программам — от частичного до полного отказа всех испытуемых изделий. Поэтому при планировании испытаний на надежность выбирают такие способы и программы испытаний, которые наилучшим образом соответствуют назначению и особенностям эксплуатации разрабатываемого прибора.

При отсутствии необходимой элементной базы следует рассмотреть вопрос о выборе метода повышения надежности ИУ. Их можно разбить на три группы методов: конструкторско-технологические методы, методы технической диагностики и структурные методы. Они взаимно дополняются, а иногда используются совместно, что позволяет создавать И У с весьма высокими показателями надежности.

Конструкторско-технологические методы включают:

• • ослабление механических напряжений в наиболее нагруженных элементах (упругие элементы, опоры, шарниры и пр.);
• • уменьшение влияния вибраций и других внешних механических воздействий, исключение резонансных явлений, выбор оптимальных параметров механических узлов;
• • ослабление режимов работы электрических и электронных элементов;
• • ослабление тепловых режимов как механических, так и электрических элементов;
• • исключение из конструкций приборов трущихся элементов, применение бесконтактных преобразователей;
• • исключение из схемы токопроводов, связывающих подвижную часть прибора с неподвижной;
• • разгрузка мест пайки и сварки;
• • защита от внешних климатических факторов и пр.

Методы технической диагностики основаны на применении систем встроенного контроля с целью обнаружения неисправностей и отказов в приборе.

Структурные методы разделяются на две группы методов. Первую группу составляют методы, основанные на оптимизации структурной схемы прибора без применения структурной избыточности, вторую — методы, основанные на резервировании и комплексировапии, т. е. применении дополнительных средств и (или) возможностей с целью сохранения работоспособного состояния ИУ при отказе одного или нескольких его элементов.

Контрольные вопросы и задания

• 1. Назовите эксплуатационные характеристики приборов и систем.
• 2. Поясните структуру индекса степени защиты IP. Что означают индексы IP 52, IP 25? Напишите маркировку индекса IP для прибора, имеющего максимальную степень защиты.
• 3. Дайте определения терминам «надежность», «отказ», «безопасность», «работоспособность», «повреждение», «исправное состояние», «работоспособное состояние», «неисправность».
• 4. Поясните связь между назначением прибора и составом требований, предъявляемых к его эксплуатационным характеристикам.
• 5. Назовите основные количественные показатели надежности. Напишите формулы для их расчета и поясните порядок расчета.
• 6. Каков типичный характер измерения надежности прибора во времени?
• 7. Назовите методы расчета надежности. Приведите пример такого расчета.
• 8. Назовите виды испытаний на надежность.
• 9. Назовите методы повышения надежности приборов. Поясните сущность этих методов.