Курсовая работа по дисциплине "Расчет погрешности и надежности измерительного прибора" (стр. 2 )

    (2)

Из (2) видно, что на результат измерения влияют параметры ГЛИН, G, ВУ, т. е. maxотносительная погрешность может быть определена:

δпр=±(δн+δо+δк+δд)

где δн – относительная погрешность, обусловленная отклонением Uк от линейного закона и нестабильности крутизны во времени,

δо – относительная погрешность, обусловленная нестабильностью генератора,

δк=ΔК/К – относительная погрешность входного устройства,

δд – погрешность дискретности.

δн, δо, δк – инструментальные погрешности, вызванные технологическим несовершенством, временной и температурной нестабильностью.

δд – погрешность дискретности.

Погрешность δн м. б. представлена как сумма погрешностей от нелинейности и нестабильности крутизны δs, т. е.:

δн=δн´+δs

δн´=γ* δs, (γ – зависит от ГЛИН и составляет 0,125...0,5).

;

;

.

Для ГЛИН построенных на операционных усилителях .

Относительная погрешность за счет нестабильности fо составляет . Погрешность дискретности δд возникает при преобразовании Tx→код и является следствием несовпадения частоты fо с началом и концом интервала Tx. Абсолютное значение δд составляет ±1 квант.

.

Относительная погрешность входного устройства вносит основной вклад в общую погрешность. В некоторых случаях для упрощения расчета принимают δк=δмульт. Применяя высокостабильные элементы и методы калибровки можно получить , но:

.

Для правильно спроектированного АЦП δд, определяющаяся шагом квантования, больше всех составляющих поэтому,

где

Следовательно:

,

где

 - мультипликативная погрешность

 - аддитивная погрешность

Время измерения это интервал между запуском прибора, в результате чего схема приводится в исходное состояние и выдачей результата на ЦОУ:

Ти=Тц+ Тд

где Тц= Tпр +Tобр – время цикла (Tпр=0,8-0,9 Ти).

Тд дополнительное время, включая время срабатывания триггера, вентиля, УС, ГЛИН + длительность управляющих импульсов.

Частота задающего генератора:

Maксимальное число импульсов, поступающих на Ст (емкость Ст):

Обычно fo и Тх выбирают, чтобы их произведение равнялось целому числу разрядов.

Диапазон измерения: отношение предельных значений в двух соседних поддиапазонах делают равными 1:10. Разбив весь диапазон на поддиапазоны устанавливают основной поддиапазон, при котором К=1.

ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕОРИИ НАДЕЖНОСТИ

1. Понятия надежности

Рост сложности радиоэлектронной аппаратуры после второй мировой войны привел к снижению ее надежности, что стимули­ровало, в свою очередь, развитие соответствующего научного направления — теории надежности.

Терминология в теории надежности сложилась не сразу, ее формирование определялось развитием представлений о надеж­ности. Первым нормативным документом, заложившим основы тер­минологии и установившим важнейшие характеристики надеж­ности изделий, стал ГОСТ 13377-67. Вторую редакцию этого до­кумента (ГОСТ 13377-75) сменил новый ГОСТ 27.002-83, в по­следней редакции которого (ГОСТ 27.002-89) закреплены и уточ­нены все важнейшие термины и определения. Термины и характеристики, используемые в области надежно­сти, являются общими для различных отраслей промышленно­сти, что говорит о фундаментальности этой науки. Все изделия радиоэлектронной промышленности характеризу­ются качеством, т. е. определенной совокупностью свойств, кото­рые существенно отличают данное изделие от других и определя­ют степень его пригодности для использования по своему назна­чению. В процессе эксплуатации вследствие износа и происходя­щих необратимых процессов старения характеристики РЭС (а следовательно, и их качество) изменяются. Изменение качества изделия во времени характеризует один из главных его показате­лей-надежность.

Под надежностью понимают свойство изделия выполнять заданные функции, сохраняя свои эксплуатационные показате­ли в определенных пределах в течение требуемого промежутка времени или требуемой наработки при соблюдении режимов экс­плуатации, правил технического обслуживания, хранения и транспортировки. Надежность оценивается по следующим харак­теристикам изделия: работоспособность, долговечность, безот­казность, ремонтопригодность, сохраняемость (ГОСТ 27.002-89).

Работоспособность -состояние изделия, при котором оно способно выполнять заданные функции с параметрами, установ­ленными требованиями технической документации.

Долговечность - свойство изделия длительно сохранять рабо­тоспособность до предельного состояния с необходимыми пере­рывами для профилактического обслуживания. Предельное со­стояние определяется невозможностью дальнейшей эксплуатации изделия, обусловленной либо снижением его эффективности, либо требованиями безопасности, оговоренными в технической документации.

Безотказность - свойство изделия сохранять работоспособ­ность в течение некоторой наработки без вынужденных переры­вов.

Ремонтопригодность - приспособленность изделия к пред­упреждению, обнаружению и устранению отказов и неисправно­стей посредством проведения профилактического обслуживания и ремонтов.

Сохраняемость - свойство изделия поддерживать свои экс­плуатационные показатели в течение и после срока хранения и транспортировки, установленного технической документацией.

2. Отказы и неисправности

Отказ — случайное событие, заключающееся в нарушении работоспособности изделия.

Отказы классифицируются по различным признакам. По характеру возникновения различают внезапные отказы, происходящие в результате изменения одного или нескольких па­раметров изделия, и постепенные отказы, при которых наблюда­ется постепенное изменение главных параметров изделия в ре­зультате либо его износа, либо старения.

По взаимосвязи отказы подразделяются на зависимые - появляющиеся вследствие предшествующих случаев, и независи­мые - возникновение которых не связано с предшествующими отказами.

По характеру проявления различают отказы явные - кото­рые обнаруживаются визуально, и неявные - для обнаружения которых требуется специальная измерительная аппаратура.

По характеру устранения отказы подразделяются на устой­чивые - сравнительно просто обнаруживаемые и обычно легко устраняемые, и самоустраняющиеся - которые исчезают сами, а обнаружить и устранить их бывает очень сложно. Самоустраняющиеся отказы проявляются в виде сбоя или в форме перемежающегося отказа. Сбоем называется однократно возникающий и самоустраняющийся отказ. Отказ представляет собой один из видов неисправности изделия. Неисправность - это несоответствие изделия одному или нескольким требовани­ям, предъявляемым к нему техническими условиями. Причем не все неисправности являются отказами. Неисправности, которые не приводят к отказу в процессе эксплуатации, называются де­фектами.

3. Системы и элементы

В теории надежности различают надежность системы в целом и надежность элементов, входящих в эту систему. Системой называется совокупность совместно действующих объектов, полностью обеспечивающая выполнение определенных практических задач, при этом под объектом понимают различ­ные взаимодействующие технические устройства.

Одновременно с термином «система» употребляют аналогич­ные по смыслу термины «аппаратура» и «устройство», однако обобщающим в электронике является термин «электронное сред­ство». Различают системы восстанавливаемые и невосстанавливаемые. Восстанавливаемая система после отказа подвергается ре­монту и продолжает выполнять свои функции. Большинство ис­пользуемых на практике систем относятся к восстанавливаемым. Невосстанавливаемая система в случае возникновения отказа не подлежит или не поддается восстановлению либо по экономиче­ским соображениям, либо по техническим причинам.

Системы различают также по характеру обслуживания. Систе­мы, выполняющие свои задачи с помощью обслуживающего пер­сонала и обычно приспособленные к устранению отказов во вре­мя эксплуатации, относятся к обслуживаемым. Системы, выпол­няющие возложенные на них функции без участия обслуживаю­щего персонала, называются необслуживаемыми. Такие системы могут быть самовосстанавливаемыми, т. е. приспособленными к самостоятельному устранению отказов без участия обслуживаю­щего персонала, например за счет автоматического резервирова­ния.

По характеру влияния отказов элементов на выходной пара­метр системы подразделяются на простые и сложные. Простые системы при отказе элементов либо полностью теряют работо­способность, либо продолжают выполнять свои функции в пол­ном объеме, если отказавший элемент зарезервирован. Такие си­стемы могут находиться только в двух состояниях: рабочем и не­рабочем. Сложные системы обладают способностью при отказе элементов выполнять свои функции, но с меньшей эффективно­стью, т. е. они могут находиться в нескольких рабочих состояни­ях. К сложным системам обычно относятся многоканальные комплексы с разветвленной структурой, состоящие из нескольких самостоятельных, но взаимосвязанных устройств, например ком­пьютерные сети. Также системы могут быть с резервированием и без резерви­рования.

Элементом называется часть системы, не имеющая самосто­ятельного эксплуатационного назначения и выполняющая в ней некоторые функции. Для практического использования любого элемента необходимо соединение его с другими элементами в определенную систему. Элементами в ЭС являются различные электрорадиоизделия (ЭРИ), например резисторы, конденсаторы, интегральные схемы, кабели, реле, а также более сложные конст­рукции, входящие в состав устройств. При анализе надежности блочных и функциональных систем в качестве элементов могут рассматриваться отдельные каскады, узлы, блоки. Элементами сложных систем являются отдельные устройства и агрегаты.

МЕТОДЫ РАСЧЕТА НАДЕЖНОСТИ ЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ

1. Основные положения

Расчет надежности - это процедура определения значений показателей надежности объекта с помощью методов, основан­ных на использовании справочных данных о надежности элемен­тов этого объекта, а также данных о надежности объектов - аналогов, свойствах материалов и другой информации, имеющейся к моменту расчета. Надежность объекта рассчитывается на всех этапах жизненно­го цикла изделия и соответствующих этим этапам фазах работ.

Основными этапами жизненного цикла изделия являются проек­тирование, производство и эксплуатация (рис. 1).

Проектирование	Производство	Эксплуатация	Этапы
НИР, ОКР	Опытные образцы	Промыш­ленное освоение	Серийное производ­ство	Монито­ринг	Моральный износ	Фазы

Рис. 1. Этапы и фазы жизненного цикла ЭС

Проектирование (разработка) включает в себя следующие фазы: проведение научно-исследовательских и опытно-конструк­торских работ (НИР и ОКР), завершающихся разработкой кон­структорской документации, макетированием и изготовлением опытных образцов с проверкой ожидаемых характеристик объек­та, в том числе и надежности. На последней фазе вносятся необ­ходимые изменения в конструкцию для более полного удовлетво­рения требований потребителя.

Производство включает в себя фазы предсерийного производ­ства (промышленного освоения) и собственно серийного произ­водства. Первая фаза начинается сразу же после выпуска первых опытных образцов и состоит в технологической подготовке про­изводства, подборе оборудования и оснастки для серийного про­изводства. Фаза серийного производства, предполагающая использование всех средств производства, характеризуется выпус­ком больших объемов продукции.

На этапе эксплуатации предполагается наличие фазы обрат­ной связи с потребителем, т. е. проведение мониторинга характе­ристик продукции. При вступлении продукции в фазу морально­го износа производителю следует подумать о подготовке для рын­ка новой продукции.

Расчет надежности объекта на определенных этапах его жиз­ненного цикла включает в себя следующие задачи:

обоснование количественных требований по надежности к объекту или его составным частям;

- проверка реальности установленных требований и (или) оценка вероятности достижения требуемого уровня надежности объекта в установленные сроки при выделенных ресурсах, обо­снование необходимых корректировок установленных требова­ний;

- сравнительный анализ надежности различных схемно - конструктивных решений объекта и обоснование выбора рациональ­ного варианта;

- определение достигнутого (ожидаемого) уровня надежности объекта и (или) его составных частей, в том числе расчетное оп­ределение показателей надежности или параметров распределе­ния характеристик надежности составных частей объекта в ка­честве исходных данных для расчета надежности объекта в це­лом;

- обоснование и проверка эффективности предлагаемых (ре­ализованных) мер по доработкам конструкции, технологии изго­товления и системе технического обслуживания и ремонта объек­та, направленных на повышение его надежности;

- решение различных оптимизационных задач, в которых по­казатели надежности выступают в роли целевых функций, управ­ляемых параметров или граничных условий, в том числе таких как оптимизация структуры объекта, распределение требований между показателями отдельных составляющих надежности (на­пример, безотказности и ремонтопригодности), расчет комплек­тов запасных частей, оптимизация систем технического обслужи­вания и ремонта, обоснование гарантийных сроков работы объекта и назначенных сроков его службы (ресурса) и др.;

- проверка соответствия ожидаемого (достигнутого) уровня на­дежности объекта установленным требованиям (контроль надеж­ности), если его прямое экспериментальное подтверждение не­возможно технически или нецелесообразно экономически (ГОСТ 27.301-95).

Расчет надежности в общем случае представляет собой проце­дуру последовательного поэтапного уточнения оценок показате­лей надежности объекта по мере отработки его конструкции, тех­нологии изготовления, алгоритмов функционирования, правил эксплуатации, системы технического обслуживания и ремонта, критериев отказов и предельных состояний. Наличие более пол­ной и достоверной информации обо всех факторах, определя­ющих надежность, обусловливает применение более адекватных и точных методов расчета и расчетных моделей.

2. Классификация методов расчета

Методы расчета надежности подразделяются по составу рас­считываемых показателей надежности и основным принципам расчета.

По составу рассчитываемых показателей надежности различа­ют методы расчета безотказности, ремонтопригодности, долго­вечности, сохраняемости и комплексных показателей надежно­сти (коэффициентов готовности, технического использования, сохранения эффективности и др.).

По основным принципам расчета свойств, составляющих на­дежность, и комплексных показателей надежности объектов раз­личают методы прогнозирования, структурные и физические методы расчета.

Методы прогнозирования основаны на использовании для оценки ожидаемого уровня надежности данных о достигнутых значениях и выявленных тенденциях изменения показателей на­дежности объектов, аналогичных или близких к рассматриваемо­му объекту по назначению, принципам действия, схемно-конструктивному построению, технологии изготовления, элементной базе, применяемым материалам, условиям и режимам эксплуата­ции, принципам и методам управления надежностью (далее на­зываемых объектами-аналогами).

Структурные методы расчета надежности основаны на пред­ставлении рассматриваемого объекта в виде логической (струк­турно-функциональной) схемы, описывающей зависимость со­стояний и переходов этого объекта от состояний и переходов его элементов с учетом их взаимодействия и выполняемых функций, с последующим описанием построенной структурной схемы аде­кватной математической моделью и вычислением показателей на­дежности объекта по известным характеристикам надежности его элементов.

Физические методы расчета основаны на применении мате­матических моделей, описывающих физические, химические и иные процессы, приводящие к отказам объекта (достижению предельного состояния), и вычислении показателей его надежно­сти по известным параметрам нагруженности, характеристикам примененных веществ и материалов с учетом особенностей кон­струкции и технологии изготовления.

Физические методы расчета используются при оценке надеж­ности интегральных микросхем, особенно больших интегральных схем и микросборок. Специфика данного подхода к расчету за­ключается в разработке физико-математических моделей отказов в целях определения показателей надежности микросхем. При этом широко используются вероятностно-статистические методы оценки надежности и сбор информации об эксплуатации микро­схем, браке в процессе их производства и т. д. [1, 3].

3. Методы расчета надежности по внезапным отказам при последовательном соединении элементов

Структурные методы являются основными при расчете по­казателей безотказности, ремонтопригодности и комплексных показателей надежности в процессе проектирования объектов, которые можно разделить на элементы с характеристиками на­дежности, известными на момент проведения расчета или под­лежащими определению другими методами (прогнозирования, физическими, по статистическим данным, собранным в про­цессе их применения в аналогичных условиях). Эти методы применяются также для расчета долговечности и сохраняемо­сти объектов, критерии предельного состояния которых выра­жаются через параметры долговечности (сохраняемости) их элементов. Расчет показателей надежности структурными методами в об­щем случае включает в себя:

- представление объекта в виде структурной схемы, описыва­ющей логические соотношения между состоянием элементов и объекта в целом с учетом структурно функциональных связей и взаимодействия элементов, принятой стратегии их обслужива­ния, видов и способов резервирования и других факторов;

- описание построенной структурной схемы надежности объекта адекватной математической моделью, позволяющей при принятых предположениях и допущениях вычислить показатели надежности объекта по данным о надежности его элементов в рассматриваемых условиях применения.

В качестве структурных схем надежности могут применяться:

- блок-схемы надежности, представляющие объект в виде со­вокупности определенным образом соединенных (по надежно­сти) элементов (стандарт МЭК 1078);

- иерархические деревья, представляющие собой графическое отображение причинно-следственных связей, обусловливающих определенные виды отказов объекта (стандарт МЭК 1025);

- графы (диаграммы) состояний и переходов, описывающих возможные состояния объекта и переходы из одного состояния в другое в виде совокупности состояний и переходов его элементов.

Математические модели, применяемые для описания соответ­ствующих структурных схем надежности, определяются видами и сложностью этих схем, принятыми допущениями относительно законов распределения характеристик надежности элементов, точностью и достоверностью исходных данных для расчета и дру­гими факторами.

Прежде чем приступить к рассмотрению разных методов рас­чета следует сказать, что в качестве инженерных приложений интересны достаточно простые методы вычисления показателей надежности.

Задача расчета показателей надежности сводится к анализу работы ЭРИ в стационарном режиме при следующих допущени­ях (подтвержденных на практике) относительно их работы:

- отказы элементов изделия являются событиями случайными и независимыми;

- интенсивности отказов элементов (li) не зависят от време­ни, т. е. здесь имеет место экспоненциальный закон распределе­ния времени наработки;

- все элементы работают в номинальном (нормальном) режи­ме, предусмотренном техническими условиями, т. е. здесь имеет место стационарный режим работы;

- элементы соединены по основной схеме надежности и рабо­тают одновременно.

В зависимости от полноты учета факторов, влияющих на ра­боту изделия, различают прикидочный, ориентировочный и окончательный методы расчета надежности [2].

4. Прикидочный расчет надежности

- Прикидочный расчет надежности применяется в следующих случаях:

- при проверке требований по надежности, выдвинутых заказ­чиком в техническом задании (ТЗ) на проектирование изделия;