Метрологическая надежность средств измерений и основные понятия теории метрологической надежности

В процессе эксплуатации метрологические характеристики и параметры СИ претерпевают изменения. Эти изменения носят случайный монотонный или флуктуирующий характер и приводят к отказам, т. е. к невозможности СИ выполнять свои функции. От­казы делятся на неметрологические и метрологические.

Неметрологические отказы обусловлены причинами, не связан­ными с изменением MX СИ. Они носят главным образом явный характер, проявляются внезапно и могут быть обнаружены без проведения поверки.

Метрологические отказы вызваны выходом MX из установлен­ных допустимых границ. Как показывают исследования, метроло­гические отказы происходят значительно чаще, чем неметроло­гические. Это обусловливает необходимость разработки специ­альных методов их прогнозирования и обнаружения. Метрологи­ческие отказы подразделяются на внезапные и постепенные.

Внезапный отказ характеризуется скачкообразным изменени­ем одной или нескольких MX. Эти отказы в силу их случайности невозможно прогнозировать. Их последствия (сбой показаний, по­теря чувствительности и т. п.) легко обнаруживаются в ходе экс­плуатации прибора, т. е. по характеру проявления они являются явными. Особенность внезапных отказов — постоянство во време­ни их интенсивности. Это дает возможность применять для анали­за этих отказов классическую теорию надежности. В связи с этим в дальнейшем отказы такого рода не рассматриваются.

Постепенный отказ характеризуется монотонным изменением одной или нескольких MX. По характеру проявления постепенные отказы являются скрытыми и могут быть выявлены только по ре­зультатам периодического контроля СИ. В дальнейшем рассматри­ваются именно такие отказы.

С понятием «метрологический отказ» тесно связано понятие метрологической исправности СИ. Под ней понимается состояние СИ, при котором все нормируемые MX соответствуют установленным требованиям. Способность СИ сохранять его ме­трологическую исправность в течение заданного времени при определенных режимах и условиях эксплуатации называется ме­трологической надежностью.

Специфика проблемы ме­трологической надежности состоит в том, что для нее основное положение классической теории надежности о постоянстве во вре­мени интенсивности отказов оказывается неправомерным. Совре­менная теория надежности ориентирована на изделия, обладающие двумя характерными состояниями: работоспособное и неработо­способное.

Постепенное изменение погрешности СИ позволяет ввести сколь угодно много работоспособных состояний с различным уровнем эффективности функционирования, определяемым степе­нью приближения погрешности к допустимым граничным значе­ниям.
Понятие метрологического отказа является в известной степени условным, поскольку определяется допуском на MX, который в общем случае может меняться в зависимости от конкретных усло­вий.

Важно и то, что зафиксировать точное время наступления метрологического отказа ввиду скрытого характера его проявления невозможно, в то время как явные отказы, с которыми оперирует классическая теория надежности, могут быть обнаружены в момент их возникновения. Все это потребовало разработки специальных методов анализа метрологической надежности СИ.

Надежность СИ характеризует его поведение с течением време­ни и является обобщенным понятием, включающим в себя стабиль­ность, безотказность, долговечность, ремонтопригодность (для восстанавливаемых СИ) и сохраняемость.

РМГ 29—99 вводит еще понятие нестабильности СИ, отража­ющей изменение его MX за установленный интервал времени. Например, нестабильность нормального элемента характеризуется изменением его ЭДС за год (2 мкВ/год).

Безотказностью называется свойство СИ непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени. Она характеризуется двумя состояниями: работоспособным и нерабо­тоспособным. Однако для сложных измерительных систем может иметь место и большее число состояний, поскольку не всякий отказ приводит к полному прекращению их функционирования.

Отказ является случайным событием, связанным с нарушением или пре­кращением работоспособности СИ. Это обусловливает случайную природу показателей безотказности, главным из которых является распределение времени безотказной работы СИ.

Долговечностью называется свойство СИ сохранять свое рабо­тоспособное состояние до наступления предельного состояния. Работоспособное состояние — это такое состояние СИ, при ко­тором все его MX соответствуют нормированным значениям. Предельным называется состояние СИ, при котором его примене­ние недопустимо.

После метрологического отказа характеристики СИ путем соот­ветствующих регулировок могут быть возвращены в допустимые диапазоны. Процесс проведения регулировок может быть более или менее длительным в зависимости от характера метрологического отказа, конструкции СИ и ряда других причин. Поэтому в характе­ристику надежности введено понятие «ремонтопригодность».

Ремонтопригодность — свойство СИ, заключающееся в при­способленности к предупреждению и обнаружению причин воз­ никновения отказов, восстановлению и поддержанию его работо­ способного состояния путем технического обслуживания и ремон­ та. Оно характеризуется затратами времени и средств на восста­ новление СИ после метрологического отказа и поддержание его в работоспособном состоянии.

Процесс изменения MX идет непрерывно и независимо от того, используется ли СИ или оно хранится на складе. Свойство СИ со­хранять значения показателей безотказности, долговечности и ремонтопригодности в течение и после хранения и транспортиро­вания называется его сохраняемостью.

Прежде чем перейти к рассмотрению показателей, характери­зующих метрологическую надежность СИ, необходимо выяснить характер изменения во времени его MX. Одной из основных форм поддержания СИ в метрологически исправном состоянии является его периодическая поверка. Она проводится метрологическими службами согласно правилам, изложенным в специальной норма­тивно-­технической документации.

Периодичность поверки должна быть согласована с требованиями к надежности СИ. Поверку не­обходимо проводить через оптимально выбранные интервалы времени, называемые межповерочными интервалами (МПИ).

Момент наступления метрологического отказа может выявить только поверка СИ, результаты которой позволят утверждать, что отказ произошел в период времени между двумя последними по­верками. Величина МПИ должна быть оптимальной, поскольку частые поверки приводят к материальным и трудовым затратам на их организацию и проведение, а редкие — могут привести к повышению погрешности измерений из-­за метрологических от­казов.

Межповерочные интервалы устанавливаются в календарном времени для СИ, изменение метрологических характеристик кото­рых обусловлено старением и не зависит от интенсивности экс­плуатации. Значения МПИ рекомендуется выбирать из следующе­го ряда: 0,25; 0,5; 1; 2; 3; 4; 5; 6; 9; 12; 6К месяцев, где К — целое положительное число. Для СИ, у которых изменение MX является следствием износа его элементов, зависящего от интенсивности эксплуатации, МПИ назначаются в значениях наработки.

При нахождении МПИ выбирается MX, определяющая состоя­ние метрологической исправности СИ. В качестве таких характе­ристик, как правило, используются основная погрешность, среднее квадратичное отклонение случайной составляющей погрешности и некоторые другие. Если состояние метрологической исправности определяют несколько MX, то из них выбирается та, по которой обеспечивается наибольший процент брака при поверках.

Вопросу обоснованного выбора продолжительности МПИ по­священо большое число работ. В настоящее время существуют три основных пути их определения:

• на основе статистики отказов;
• на основе экономического критерия;
• произвольное назначение первоначального МПИ с последу­ ющей корректировкой в течение всего срока службы СИ.

Выбор конкретного метода определения продолжительности МПИ зависит от наличия исходной информации о надежности и стабиль­ности СИ. Первый способ является эффективным при условии, что известны показатели метрологической надежности. Наиболее полная информация такого рода содержится в моделях, описывающих из­менение во времени MX средств измерений.

При известных пара­метрах моделей МПИ определяется моментом выхода погрешности за нормируемый для данного СИ допуск. Однако большой разброс параметров и характеристик процессов старения СИ приводит к большой погрешности расчета МПИ с помощью таких моделей.

Применение методов расчета МПИ, основанных на статистике скрытых и явных отказов, требует наличия большого количества экспериментальных данных по процессам изменения во времени MX СИ различных типов. Такого рода исследования весьма трудо­емки и занимают значительное время. Этим объясняется тот факт, что опубликованных статистических данных о процессах старения приборов различных типов крайне мало.

В технических описаниях СИ, как правило, приводится средняя наработка до отказа, средний или гамма­процентный ресурс и срок службы. Этого явно недоста­точно для расчета МПИ.
Определение межповерочного интервала по экономическому критерию состоит в решении задачи по выбору такого интервала, при котором можно минимизировать расходы на эксплуатацию СИ и устранять последствия от возможных ошибок, вызванных погреш­ностями измерения.

Исходной информацией для определения МПИ служат данные о стоимости поверки и ремонта СИ, а также об ущербе от изъятия его из эксплуатации и от использования метро­логически неисправного прибора. Основная сложность применения этого метода состоит в следующем. Затраты на ремонт и поверку СИ достаточно легко определяются по нормативным документам. В отличие от них потери из-­за использования приборов со скрытым метрологическим отказом на практике, как правило, неизвестны. Приходится прибегать к приближенным моделям, описывающим затраты на эксплуатацию СИ со скрытыми метрологическими от­казами в виде функции потерь того или иного вида.

Существуют также рекомендации для определения МПИ по экономическому критерию. Наиболее простым является метод, со­стоящий в произвольном назначении МПИ с последующей коррек­тировкой его величины. В этом случае при минимальной исходной информации назначается первоначальный интервал, а результаты последующих поверок являются исходными данными для его кор­ректировки.

Первый МПИ выбирается в соответствии с рекомендациями нормативных документов государственных и ведомственных метро­логических служб. Последующие значения МПИ определяются путем корректировки первого интервала с учетом результатов проведенных поверок большого числа однотипных СИ. Данный метод рассмотрен в международном стандарте ИСО 10012—1, содержащем требования, гарантирующие качество измерительного оборудования.