Большая Энциклопедия Нефти и Газа
Надежностью измерительного прибора называется его свой — ство выполнять заданные функции, сохраняя во времени значения установленных эксплуатационных показателей в заданных преде — лах, соответствующих заданным условиям использования, хране ния и транспортирования. [2]
Теории надежности измерительных приборов , систем и комплексов уделено в научной метрологии должное внимание, поскольку средства измерений должны не только обладать необходимой точностью, но и действовать достаточно безотказно. [3]
Под надежностью измерительных приборов понимают их способность сохранять заданные характеристики при определенных условиях работы в течение заданного времени. Количественной мерой надежности является минимальная вероятность безотказной работы прибора в заданных промежутке времени и условиях работы. [4]
Для обеспечения надежности измерительных приборов , а также достижения точности их показаний при изготовлении того или иного устройства необходимо тщательно выполнять монтажные работы. [5]
Рассматриваемые при анализе надежности измерительного прибора отказы заключаются прежде всего в превышении погрешностью показаний установленных норм точности. Исполнитель в процессе эксплуатации, как правило, их не замечает, а выявляются они лишь при поверке измерительного прибора. [6]
Во многих случаях необходимо учитывать также надежность измерительного прибора ( например, число часов наработки на отказ) и, естественно, стоимость его производства и эксплуатации. [7]
Основными направлениями качественной стороны этого развития являются: повышение точности измерений; автоматизация процессов измерений; повышение быстродействия и надежности измерительных приборов ; уменьшение потребляемой мощности питания и габаритов всех средств измерительной техники. [8]
Особенность любой измерительной аппаратуры заключается в том, что ее надежность характеризуется не только безотказной работой в течение определенного промежутка времени, но и сохранением в течение этого промежутка заданной точности. Это означает, что надежность измерительного прибора зависит как от внезапных ( катастрофических) отказов в работе элементов и узлов, приводящих к отказу в работе всего прибора, так и от постепенных отказов — изменений параметров этих же элементов и узлов, приводящих к увеличению погрешности прибора до значения, превышающего заданное. При этом прибор может сохранить работоспособность в смысле функционирования всех его частей согласно заданному алгоритму. В связи с этим надежность ЦИП обычно нормируется временем наработки на отказ при определенном значении доверительной вероятности ря. [9]
Для измерительных устройств вероятность того, что в течение определенного времени погрешность не выйдет за допустимые по техническим условиям пределы при постепенном изменении параметров ее элементов, называют доверительной вероятностью рл. Увеличение значения доверительной вероятности повышает надежность измерительного прибора и уменьшает стоимость его эксплуатации. Однако при этом увеличивается и стоимость измерительного прибора. Это значение обычно и нормируется в характеристиках надежности ЦИП. [10]
Как отмечается в работах [56, 58], экономический аспект деятельности по метрологическому обеспечению наименее изучен. В ней проведен тщательный и многогранный анализ источников эффекта от повышения качества и надежности измерительных приборов , осуществлена их классификация, даны модели экономической оптимизации качества и надежности приборов. Но, освещая экономику рабочих средств измерений, эта книга не рассматривает всего комплекса вопросов метрологического обеспечения. [11]
13.4. Показатели метрологической надежности средств измерений
В технике используется большое число показателей надежности, которые приведены в стандарте ГОСТ 27.002-89 «Надежность в технике. Термины и определения». Рассмотрим основные из них, нашедшие применение в теории метрологической надежности. Знание показателей метрологической надежности позволяет потребителю оптимально использовать СИ, планировать мощности ремонтных участков, размер резервного фонда приборов, обоснованно назначать межповерочные интервалы и грамотно проводить мероприятия по техническому обслуживанию СИ.
Стабильность СИ характеризуется плотностью распределения приращения погрешности D [D (t)] = D0,95(t) — D0.
Среди показателей безотказности наибольшее распространение получили вероятность безотказной работы, средняя и гамма-процентная наработки до отказа и интенсивность отказов. Вероятность безотказной работы СИ P(t) — это вероятность того, что в течение времени t нормированные MX не выйдут за допускаемые пределы, т.е. не наступит метрологический отказ. Наработкой называется продолжительность работы СИ, а наработкой до отказа — продолжительность работы от начала эксплуатации до возникновения первого отказа.
Вероятность P(t) является функцией времени и задается аналитически либо таблицей или графиком (см. рис. 13.1,в). Например, если вероятность безотказной работы в течение 1000 ч составляет P(t) = 0,97, то это означает, что в среднем из большого числа СИ данного типа около 97% проработают более 1000 ч. Вероятность P(t) изменяется от нуля до единицы. Чем она ближе к единице, тем выше безотказность работы СИ. На практике допустимым считается значение P(t) > 0,9. Вероятность безотказной работы СИ в интервале от 0 до t определяется по формуле
где F(t), pH(t) — интегральная и дифференциальная функции распределения наработки на отказ; Q(t) — вероятность отказа.
Средней наработкой до отказа называется математическое ожидание наработки СИ до первого отказа:
Гамма-процентная наработка до отказа t — это наработка, в течение которой отказ объекта не возникает с вероятностью у, выраженной в процентах. Она определяется из уравнения
При = 100% гамма-процентная наработка называется установленной безотказной наработкой, а при = 50% — медианной наработкой.
Частота (интенсивность) отказов (t) определяется как условная плотность вероятности возникновения отказа невосстанавливаемого СИ, которая находится для рассматриваемого момента времени при условии, что до этого момента отказ не возник:
(13.11)
Вероятность того, что СИ, проработавшее безотказно в течение времени t, откажет в последующий малый промежуток времени dt, равна o)(t)dt. Вероятность безотказной работы выражается через интенсивность отказов следующим образом:
Из теории надежности известно [96, 99], что при постепенных отказах, к которым относятся и метрологические отказы, плотность распределения наработки на отказ распределяется в основном по одному из четырех законов: экспоненциальному, нормальному, лог-нормальному и закону Вейбулла [96]. Выбор того или иного закона должен производиться только на основе экспериментальных исследований. При нормальном законе
где Тср, р — параметры распределения. В этом случае
где Ф(z) — функция Лапласа.
Интенсивность отказов описывается выражением, полученным с использованием формулы (13.11)
Для использования этих формул необходимо знать средний срок службы Тср и его СКО , которые находятся экспериментально при испытаниях СИ на надежность.
Основными показателями долговечности являются средние и гамма-процентные сроки службы и ресурсы. Срок службы — это календарная продолжительность работы СИ от начала его эксплуатации до перехода в предельное состояние. Он изменяется в годах или месяцах. Средним сроком службы называется математическое ожидание срока службы
где fcл(t) — плотность распределения срока службы для совокупности СИ данного типа.
Гамма-процентный срок службы — это календарная продолжительность от начала эксплуатации СИ, в течение которой оно не достигнет предельного состояния с заданной вероятностью у, выраженной в процентах. Он определяется из уравнения
Ресурсом называется наработка СИ от начала его эксплуатации до перехода в предельное состояние. Ресурс представляет собой запас возможной наработки СИ. Средним ресурсом называется математическое ожидание ресурса
где fp(t) — плотность распределения ресурса для совокупности СИ данного типа.
Гамма-процентный ресурс — это наработка, в течение которой средство измерений не достигнет своего предельного состояния с заданной вероятностью , выраженной в процентах. Он определяется из уравнения
Срок службы (средний или гамма-процентный) акцентирует внимание на календарной продолжительности эксплуатации, включая в себя, помимо времени непосредственной работы СИ, время хранения его на складе, нахождения в выключенном состоянии, транспортировку, ремонт и т.д. При нормировании он задается в годах. Ресурс (средний или гамма-процентный) представляет собой чистую наработку изделия, находящегося во включенном состоянии, и нормируется в часах.
В табл. 13.1 приведены показатели безотказности и долговечности некоторых электронных СИ по данным заводов-изготовителей. При анализе этих данных следует помнить, что они характеризуют суммарную надежность (метрологическую и неметрологическую). Однако метрологические отказы при эксплуатации СИ составляют [5] более 60% на третьем году эксплуатации и достигают 96% при работе более четырех лет. Поэтому приведенные данные в значительной степени относятся к, метрологической надежности.
В качестве показателей ремонтопригодности используются вероятность и среднее время восстановления работоспособности СИ. Be роятностью восстановления работоспособного состояния называется вероятность того, что время восстановления работоспособного состояния СИ не превысит заданное значение ГОна представляет собой значение функции распределения времени восстановления при t = Тзад , где Тзад — заданное время восстановления. Средним временем восстановления работоспособного состояния называется математическое ожидание времени восстановления, определяемое по его функции распределения.
Расчет надежности приборов
Основные понятия состояния прибора: безотказность, ремонтопригодность, сохраняемость. Показатели надежности для восстанавливаемых и невосстанавливаемых приборов. Оценка показателей надежности прибора как сложного объекта. Надежность типовых конструкций.
| Рубрика | Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника |
| Вид | курс лекций |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 02.08.2015 |
| Размер файла | 172,8 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Лекции №32-34
Расчет надежности приборов
1. Основные понятия
1.1 Показатели надежности для невосстанавливаемых приборов
1.2 Показатели надежности для восстанавливаемых приборов
2. Оценка показателей надежности прибора как сложного объекта
3. Оценка надежности типовых конструкций
1. Основные понятия
Надёжность — свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, ремонтов, хранения и транспортирования (ГОСТ 27.002 — 83). Прибор может быть исправным и не исправным. Если прибор соответствует всем требованиям нормативно — технической и (или) конструкторской документации, то он исправен, при несоответствии хотя бы одному требованию — неисправным.
Состояние прибора, при котором значения всех параметров, характеризующих способность выполнять заданные функции, соответствуют требованиям нормативно- технической и (или) конструкторской документации, называют работоспособным. Прибор находится в неработоспособном состоянии, если хотя бы один параметр, характеризующий способность прибора выполнять заданные функции, не соответствует требованиям нормативно — технической документации.
Событие, состоящее в частичной или полной утрате работоспособности прибора и приводящее к невыполнению или неправильному выполнению тестов или задач, называют отказом (ГОСТ 16325 — 76).
С точки зрения надёжности прибора обладают следующими свойствами: безотказностью, долговечностью, ремонтопригодностью и сохраняем остью.
Безотказность — это свойство прибора непрерывно сохранять работоспособность в течении некоторого времени.
Долговечность — свойство прибора сохранять при выполнении технического обслуживания и ремонтов работоспособность до наступления предельного состояния.
Ремонтопригодность — это приспособляемость прибора к предупреждению и обнаружению причин возникновения отказов и их устранения путём проведения технического обслуживания и ремонтов.
Сохраняемость — это свойство прибора непрерывно сохранять исправное и работоспособное состояние в течении и после хранения и (или) транспортирования.
Количественно свойства, составляющие надёжность прибора, характеризует единичными или комплексными показателями надёжности. Единичный показатель надёжности относится к одному из свойств надёжности, комплексный — к нескольким. Единичные показатели рассчитывают для типовых конструкций и прибора в целом, комплексные — для прибора и систем в целом.
1.1 Показатели надежности для невосстанавливаемых приборов
Характеризуются следующими показателями надёжности: интенсивностью отказов, средней наработкой до первого отказа и вероятностью безотказной работы. Интенсивность отказов (t) — это условная плотность вероятности возникновения отказа к моменту времени t при условии, что до этого момента отказ не возник (1/ч):
f(t) — плотность распределения наработки до отказа.
По результатам статистических испытаний интенсивность отказов (1/ч)
где N(t) и N(t+t) число объектов, работоспособных к моменту времени t и (t+t) соответственно; t — длительность интервала испытаний.
Характер зависимости интенсивностей для внезапных 1 и постепенных 2 отказов от времени представлен на рис.4.1. Для внезапных отказов интервал времени (0 — t1) является временем приработки, здесь (t) = var. Интервал времени (t1 — t2) является временем приработки, здесь (t) = cons и имеет минимальное значение, соответствует нормальному периоду работы аппаратуры. Начиная с момента f2 интенсивность отказов растёт, что обусловлено старением и износом деталей. Расчёт надёжности аппаратуры делают для периода нормальной эксплуатации (t1 — t2), которому соответствует экспоненциальный закон плотности распределения наработки до отказа:
Среднюю наработку до отказа определяют, как математическое ожидание наработки до отказа:
с учётом tср = 1/.
Вероятность безотказной работы. т.е. вероятность того, что не будет отказа в пределах заданной наработки
1.2 Показатели надежности для восстанавливаемых приборов
Характеризуются следующими показателями надежности: параметром потока отказов, наработкой на отказ, наработкой на сбой, вероятностью безотказной работы, средним временем восстановления, коэффициентом технического использования и коэффициентом готовности.
Параметр потока отказов — плотность вероятности возникновения отказов в данный момент времени, статистически определяемый как
где и — число отказов каждого из образцов прибора в момент времени и соответственно.
После периода приработки прибора характеристика потока отказов становится линейной, а — постоянным.
Наработка на отказ это отношение наработки восстанавливаемого прибора к математическому ожиданию числа его отказов в течение этой наработки. После окончания периода приработки
Статистически наработка на отказ (средняя)
где — наработка на -й отказ -го прибора; — число отказов прибора.
Наработка на сбой — среднее значение наработки прибора между сбоями. Статистически определяют по (3), в которой — число сбоев приборов, — наработка на -й сбой -го прибора.
Вероятность безотказной работы восстанавливаемых приборов определяют как вероятность того, что не будет отказа в интервале времени . Этот показатель используют редко.
Среднее время восстановления — это математическое ожидание времени восстановления работоспособности прибора, статистически определяемое как
где — время, необходимое для обнаружения и устранения 1-го отказа; — число отказов.
Коэффициент технического использования прибора определяют как отношение математического ожидания времени работоспособного состояния прибора к сумме математических ожиданий времени работоспособного состояния, технического обслуживания и ремонтов за некоторый период эксплуатации. На основании статистических данных
где — время пребывания 1-го прибора в работоспособном состоянии число наблюдаемых приборов; — продолжительность эксплуатации (сумма интервалов времени работы, технического обслуживания и ремонтов).
Коэффициент готовности
— это вероятность того, что прибор окажется в работоспособном состоянии в любой момент времени кроме периодов, в которые его использовать не планируют. Статистически
где — продолжительность работы, состоящая из чередующихся интервалов времени работы и восстановления.
2. Оценка показателей надежности прибора как сложного объекта
Под сложным понимают объект, состоящий из нескольких одновременно функционирующих отдельных объектов, причем отказы каждого приводят к отказу сложного объекта. Отказы отдельных объектов считаются независнмыми, т. е. отказ одного не приводит к отказу других. Прибор состоит из ряда устройств (элементов), для которых обычно выполняются указанные допущения.
Наработка на отказ прибора (устройств)
где — число типов элементов в приборе (устройстве); — наработка на отказ элемента 1-го типа; — число элементов 1-го типа, отказ которых приводит к отказу прибора (устройства).
При экспоненциальном законе распределения наработки на отказ
Для прибора рассчитывают среднюю суммарную интенсивность отказов с учетом использования входящих в нее устройств:
и — соответственно число устройств прибора и интенсивность их отказов; — коэффициент, учитывающий использование устройства 1-го типа в составе прибора.
В соответствии с теоремой умножения вероятностей вероятность безотказной работы
где — вероятность безотказной работы в -м интервале времени элементов 1-го типа. При экспоненциальном законе распределения
Время восстановления прибора как сложного объекта оценивают по показателям надежности входящих в него устройств:
где — среднее время восстановления -го устройства.
При условии среднесуточной непрерывной работы прибора в течение года коэффициент технического использования
— время работы прибора в течение суток (24 ч); — среднесуточное время технического обслуживания и подготовки прибора к работе; — среднее время восстановления; и — наработка на отказ и сбой прибора соответственно; — среднее время потерь при сбое; — среднесуточное время потерь, связанных с ошибками оператора, и т. п.
При экспоненциальном распределении наработки на отказ и времени восстановления коэффициент готовности
(14) где
При условии, что период приработки закончился, и при немедленном восстановлении прибора после отказа коэффициент готовности
3. Оценка надежности типовых конструкций
Исходные данные для расчета показателей надежности типовых конструкций прибора: принципиальная схема с указанием типов деталей, входящих в него; режимы работы всех деталей (электрические, климатические и механические); значения интенсивности отказов всех типов деталей при номинальных и фактических режимах, значения среднего времени безотказной работы и дисперсия для элементов, подверженных постепенным отказам.
Для типовых конструкций различного уровня рассчитывают следующие показатели: интенсивность отказов для типового элемента замены; интенсивность отказов и наработка на отказ для панели (блока); интенсивность отказов, наработка на отказ и среднее время восстановления для рамы и стойки. При оценке показателей надежности типовых модулей необходимо выявить те элементы конструкций, которые могут привести к отказу («компоненты ненадежности«). К основным «компонентам ненадежности» типовых конструкций прибора можно отнести: комплектующие элементы (интегральные схемы и электрорадиоэлементы); элементы монтажа (различного вида линии связи, сварные, паяные или термокомпрессионные соединения, разъемы, печатные платы; металлизированные отверстия). Для всех этих элементов преобладающими являются внезапные отказы.
По результатам анализа влияния на работоспособность типовой конструкции входящих в нее элементов составляют структурную схему надежности. Элемент включается в эту схему, если его отказ приводит к отказу типовой конструкции.
Суммарная интенсивность отказов типовой конструкции
где — число типов элементов в структурной схеме надежности; и — интенсивность отказов и количество элементов 1-го типа.
Наработка на отказ
Интенсивность отказов комплектующих элементов, являющаяся их исходной характеристикой надежности, зависит от режима работы и степени тяжести таких внешних воздействий, как температура, тепловой удар, влажность, вибрации, линейные ускорения, умары, радиация и т. п., можно записать
где — интенсивность отказов элемента при нормальных условиях работы (температура окружающей среды , относительная влажность, коэффициент электрической нагрузки ); — поправочные коэффициенты, учитывающие режимы работы и условия эксплуатации.
Для учета влияния режима работы на интенсивность отказов электрорадиоэлементов вводят коэффициент нагрузки
равный отношению нагрузки в рабочем режиме к нагрузке в номинальном режиме.
Коэффициент нагрузки для транзисторов
где — плотность тока в i-й обмотке.
Для учета импульсных режимов работы элементов при подсчете эсновных электрических параметров в соответствующие формулы вводят скважность сигналов Q. Например, средняя мощность
где — длительность импульса; — длительность такта.
Относительная интенсивность отказов будет меняться в зависимости от коэффициента нагрузки и температуры.
Рис. 1 Зависимость относительной интенсивности отказов ИС от температуры ремонтопригодность восстанавливаемый прибор конструкция
Тепловой режим интегральных схем значительно влияет на их интенсивность отказов.
Зависимость относительной интенсивности отказов ИС при их эксплуатации от температуры, т. е. поправочного коэффициента по температуре, показана на рис. 1.
Для учета режима работы ИС вводят коэффициент, оценивающий в соответствии с временной диаграммой воз действие на нее сигналов верхнего и нижнего уровней по тношению к номинальному режиму .
На начальных этапах проектирования влияние внешних воздействий на интенсивность отказов для приборов различного назначения можно учитывать с помощью интегрального поправочного коэффициента
Значения поправочного коэффициента для аппаратуры различного назначения приведены ниже:
Что относится к показателям надежности измерительного прибора
СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ И УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ.
НАДЕЖНОСТЬ
Общие требования и методы испытаний
Industrial process measurement and control equipment.
Reliability. General requirements and test methods
Дата введения 1990-01-01
1. РАЗРАБОТАН И ВНЕСЕН Министерством приборостроения, средств автоматизации и систем управления СССР
В.П.Минаев, канд. техн. наук; А.И.Владов, канд. техн. наук; В.В.Баринова; Л.Е.Соленова; С.Н.Спирина; А.В.Шарова; Н.М.Вожлякова
2. УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Постановлением Государственного комитета СССР по стандартам от 31.10.88 N 3614
3. ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ
4. СРОК ПРОВЕРКИ — 1993 г.;
периодичность проверки — 5 лет
5. Стандарт полностью соответствует СТ СЭВ 6127-87, за исключением установления исходных данных для планирования испытаний
6. ССЫЛОЧНЫЕ НОРМАТИВНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ДОКУМЕНТЫ
Обозначение НТД, на который дана ссылка
3.10, 3.14, 3.16, 4.4, 5.4, 5.5, приложение 1
7. ПЕРЕИЗДАНИЕ. Январь 1999 г.
Настоящий стандарт распространяется на средства измерения и управления технологическими процессами (далее — изделия) и устанавливает номенклатуру показателей надежности, требования к показателям и основные положения по испытаниям изделий на надежность.
Степень соответствия настоящего стандарта стандарту СТ СЭВ 6127-87 приведена в приложении 1.
1. НОМЕНКЛАТУРА ПОКАЗАТЕЛЕЙ НАДЕЖНОСТИ
1.1. Надежность изделий обуславливается безотказностью, ремонтопригодностью, сохраняемостью, долговечностью.
1.2. Основные показатели безотказности изделий:
средняя наработка на отказ ;
средняя наработка до отказа ;
вероятность безотказной работы (за заданную наработку) ;
параметр потока отказов ;
1.3. Основные показатели ремонтопригодности изделий:
среднее время восстановления работоспособного состояния ;
вероятность восстановления работоспособного состояния (за заданное время) .
1.4. Основные показатели сохраняемости изделий:
средний срок сохраняемости ;
гамма-процентный срок сохраняемости %.
1.5. Основные показатели долговечности изделий:
средний срок службы ;
1.6. Кроме перечисленных в пп.1.2-1.5 показателей надежности могут устанавливаться комплексные показатели надежности (коэффициент готовности, коэффициент технического использования, коэффициент оперативной готовности и др.) и качественные требования к обеспечению надежности.
1.7. Значения показателей надежности устанавливают для изделия в целом.
1.7.1. Для многофункциональных и многоканальных изделий значения показателей безотказности и ремонтопригодности рекомендуется устанавливать по функциям и каналам.
1.7.2. Для изделий, у которых имеют место отказы, существенно различающиеся по причинам возникновения и вызываемым последствиям, значения показателей безотказности и ремонтопригодности по согласованию с потребителем допускается устанавливать дополнительно по каждому виду отказов с учетом требований по надежности к изделию в целом.
1.7.3. Для проектно-компонуемых изделий значения показателей безотказности и ремонтопригодности устанавливают по отдельным конструктивно независимым блокам (техническим компонентам) с учетом требований по надежности к изделию в целом.
1.8. Значения показателей надежности устанавливают для режимов и условий эксплуатации и хранения, указанных в стандартах и (или) технических условиях (ТУ) на изделия конкретных видов, в случае отсутствия стандартов и ТУ условия эксплуатации — по ГОСТ 12997.
1.9. При нормировании показателей надежности в стандартах и ТУ на изделия конкретных видов указывают критерии отказов и предельных состояний.
Параметры изделий, по которым определяют его состояние (работоспособность, отказ и т.д.), их номинальные значения и допускаемые пределы изменения должны устанавливаться в НТД на изделия конкретных видов.