Author: Кузнецов В.А. Богданов Г.П. Лотонов М.А.
Tags: электротехника общественные науки радиотехнические измерения измерительные приборы измерительная техника
ISBN: 5-256-00723-8
Year: 1990
Text
Ж
/жж
МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ
ОБЕСПЕЧЕНИЕ
I ЭКСПЛУАТАЦИЯ
13МЕРИТЕЛЬН0Й
ТЕХНИКИ
ю
£000
.
. йк*. t' >,
Е-
РАДИО И СВЯЗЬ
•.vW ; • *<•£& J?
МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ
ОБЕСПЕЧЕНИЕ
И ЭКСПЛУАТАЦИЯ
ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ
ТЕХНИКИ
Под редакцией
профессора
В.А.КУЗНЕЦОВА
Москва»Радио и связь«1990
ББК 32.842
М54
УДК 621.317.7:389.1
Авторы: Г. П. БОГДАНОВ, В. А. КУЗНЕЦОВ, М. А. ЛОТОНОВ,
А. Н. ПАШКОВ, О. А. ПОДОЛЬСКИЙ, Е. И. СЫЧЕВ
Рецензент д-р техн, наук, проф. В. Н. Сретенский
Редакция литературы по радиотехнике и электросвязи
Метрологическое обеспечение и эксплуатация изме-
М54 рительной техники/ Г. П. Богданов, В. А. Кузнецов,
М. А. Лотонов и др.; Под ред. В. А. Кузнецова.— М.:
Радио и связь, 1990. — 240 с.: ил.—
ISBN 5-256-00723-8.
Изложены вопросы применения, поверки и восстановления изме-
рительной техники. Рассмотрены ее особенности, эксплуатационно-
технические характеристики, общие принципы организации техниче-
ского обслуживания. Раскрыта сущность метрологческого надзора
за средствами измерений, описаны способы и средства их поверки.
Большое внимание уделено организации диагностики и ремонта
микропроцессорных измерительных приборов и автоматизированных
измерительных систем.
Для инженерно-технических работников, связанных с эксплуата-
цией современной измерительной техники.
2302020600-012
046(01)-90 52‘90
ББК 32.842
ISBN 5-256-00723-8
© Богданов Г. П., Кузнецов В. А.,
Лотонов М. А. и др., 1990
Светлой памяти Романа Петровича
Покровского, много сделавшего для
развития современной метрологии и
измерительной техники, посвящается
эта книга.
Предисловие
Научно-технический прогресс во всех областях науки, техники,
производства связан с созданием и эксплуатацией новых видов
радиоэлектронной аппаратуры, автоматизированных систем уп-
равления различного назначения, к точности и надежности функ-
ционирования которых предъявляются все более высокие требо-
вания. Обеспечить указанные показатели невозможно без измере-
ний десятков, сотен и даже тысяч параметров и характеристик тех-
нических устройств, особенно радиоэлектронных. Таким образом,
измерительные операции занимают до 50% всего времени, отво-
димого на техническое обслуживание.
Обычно уровень применяемой измерительной техники отражает
и уровень создаваемых технических систем. В связи с этим сред-
ства измерений непрерывно совершенствуются: они становятся
высокоточными, быстродействующими и надежными, что обеспе-
чивает получение оперативной достоверной информации о состоя-
нии контролируемых технических устройств. Требуемой эффектив^
ности применения измерительной техники можно достигнуть толь-
ко при грамотной ее эксплуатации, своевременном и высококаче-
ственном выполнении всех требований нормативно-технических
документов.
Поскольку по результатам измерений принимаются весьма от-
ветственные решения (например, годен или не годен контролируе-
мый объект к работе), то должна быть уверенность в точности,
достоверности измерений. Более того, однотипные виды продукции
контролируются с помощью соответствующих средств измерений
в различное время и разных местах. При этом на первый план
выдвигается задача обеспечения единства измерений и контроля,
т. е. сопоставимости и согласуемости их результатов. Для этого,
например, выполняется метрологическая поверка средств измере-
ний, находящихся в эксплуатации. Мероприятия по обеспечению
единства и требуемой точности измерений и контроля включают и
ряд других общих правил и норм, которые необходимо знать каж-
дому, кто соприкасается с измерениями при создании, испытани-
ях и эксплуатации технических устройств, и особенно тем, кто за-
нимается созданием и эксплуатацией самих средств измерений и
3
контроля. Так, результаты измерений, выполненных даже с помо-
щью одного и того же прибора, но в различных климатических
условиях, могут настолько различаться, что становятся несопоста-
вимыми. Но они станут адекватными, если учесть дополнительные
погрешности, возникающие за счет несоответствия условий изме-
рений нормальным, указанным в технической документации на
прибор.
Объективно происходящее от поколения к поколению услож-
нение средств измерений и контроля обусловливает необходимость
диагностирования их работоспособности. Это один из важнейших
факторов, определяющих качество и трудозатраты при восстанов-
лении средств измерений и контроля. При этом с развитием циф-
ровой измерительной техники появилась необходимость создавать
специальные средства для ее диагностирования и ремонта.
Еще недавно вопросам метрологического обеспечения и гра-
мотной эксплуатации измерительной техники не уделялось долж-
ного внимания. Это приводило к немалым убыткам: снижалась
работоспособность и эффективность применения контролируемых
технических устройств, более того, они иногда использовались с
настолько изменившимися параметрами и характеристиками, что
фактически не выполняли некоторых своих функций.
В изданиях по измерительной технике вопросы ее метрологии
ческого обеспечения и эксплуатации освещались весьма слабо. Но
эта техника, особенно радиоэлектронная, сама по себе столь
сложна, что эти вопросы необходимо рассматривать самостоя-
тельно. Некоторые из них, такие как диагностирование средств
измерений, создание автоматизированных поверочных систем и
комплексов, эксплуатация автоматизированных измерительных
систем и комплексов, ранее в систематизированном виде не об-
суждались в литературе. Другие вопросы, вынесенные в предла-
гаемое издание, освещаются с учетом опыта эксплуатации средств
измерений за последние годы.
Данная книга в соответствии с возможностями авторов и ее
объемом содержит практически все основные вопросы, связанные
с обеспечением точности и единства измерений современных ви-
дов измерительной техники, а также с ее эксплуатацией.
Глава 1 написана В. А. Кузнецовым; гл. 2 (кроме § 2.5, 2.6), 8,
приложение 1 — Е. И. Сычевым; гл. 7, § 3.4 — О. А. Подольским;
гл. 4 — Г. П. Богдановым; гл. 5 — совместно Г. П. Богдановым и
А. Н. Пашковым; гл. 6 — совместно Е. И. Сычевым и О. А. Подоль-
ским; § 2.5, 2.6, гл. 3 (кроме § 3.4), приложение 2 — М. А. Лотоно-
вым; приложение 3 — Г. П. Богдановым.
Глава 1.
СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ И КОНТРОЛЯ-
ТЕХНИЧЕСКАЯ БАЗА
МЕТРОЛОГИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ
1.1. Назначение измерений и контроля параметров
технических устройств
Вся история человечества сопровождалась и сопровождается
измерениями: без них невозможно ни одно научное открытие, изо-
бретение. Еще М. В. Ломоносов писал: «...через геометрию выме-
ривать, через механику развешивать, через оптику высматривать».
С каждым годом во всем мире объем измерений увеличивает-
ся, число их достигло астрономических цифр; только в нашей
стране ежедневно производятся десятки миллиардов измерений.
Поток измерительной информации, видимо, будет возрастать и
впредь. Очевидно, это обстоятельство в недалеком будущем ста-
нет приносить не только пользу, но и вред: справиться с растущи-
ми массивами информации, разумно обработать их, исключить не-
верные, неточные результаты не всегда будет возможным. Искать
пути сокращения потока измерительной информации, обеспечить
ее интеграцию необходимо уже сегодня, равно как важно позабо-
титься о повышении достоверности измерений.
Современные технические устройства представляют собой со-
вокупность большого числа так называемых «комплектующих из-
делий», объединенных электрическими, электронными, оптоэлек-
тронными, механическими связями в узлы, блоки, системы, ком-
плексы для решения тех или иных задач. Электронные автомати-
зированные системы управления, ЭВМ и другие устройства могут
включать в себя тысячи, десятки и даже сотни тысяч комплекту*
ющих изделий. Многие из них, например большие интегральные
микросхемы (БЦС), представляют собой композиционную сово-
купность десятков и даже сотен тысяч транзисторов. Подобные
изделия сами по себе являются достаточно сложными технически*
ми устройствами, поэтому сложной оказывается и система, в ко-
5
торой одновременно функционируют сотни БИС и связи между
ними. При этом изменения параметров (свойств) одного или не-
скольких изделий влияют на качество функционирования других
взаимодействующих, присоединенных изделий. Любое изделие
имеет, к сожалению, не безграничный ресурс и срок службы. Его
параметры (свойства) с течением времени, раньше или позже, на-
чинают изменяться постепенно, а иногда под влиянием внешних
воздействий и скоротечно. Наличие связей между элементами вы-
зывает соответствующее изменение какого-то общего параметра
(свойства) совокупности соединенных комплектующих изделий.
При некотором уровне изменения одного или нескольких парамет-
ров (свойств) узел (блок, система, комплекс) теряет свою рабо-
тоспособность. Чтобы предотвратить потерю работоспособности
или восстановить утраченное качество (работоспособность) техни-
ческого устройства, необходимо количественно оценить его основ-
ные параметры (свойства) или параметры его блоков, узлов, даже
отдельных комплектующих изделий.
Параметры любых технических устройств, режимы их работы
представляются внутренним и внешним «наборами» числовых
значений совокупности физических величин (электрических, ли-
нейно-угловых, тепловых, оптических, акустических и др.). Значе-
ния физических величин в данный момент работы технического
устройства объективно существуют, они неизвестны, если их не
измерить. Следовательно, определение неизвестных числовых зна-
чений физических величин и является целью измерений.
Правильность определения значения измеряемой физической
величины зависит от качества применяемых средств измерений,
являющихся также техническими устройствами, способными из-
мерить ту или иную физическую величину с заранее известной
точностью.
Число измерительных задач и измеряемых физических величин
оказывается наибольшим при конструировании и производстве
современных радиоэлектронных комплексов и систем. Если в ма-
шиностроении применяют в основном линейно-угловые, теплотех-
нические, оптические виды средств измерений и доля затрат на
измерения не превышает 15 ... 25%, то в производстве радиоэлек-
тронных комплексов и систем наряду с этими используют элек-
трические и радиотехнические виды средств измерений и доля за-
трат на измерения достигает 50% и более. Так, примерно 50%
операций, выполняемых при производстве БИС, составляют изме-
рительные (контрольные).
В процессе эксплуатации радиоэлектронных комплексов, авто-
матизированных систем управления и ЭВМ для поддержания ра*
ботоспособности приходится периодически последовательно или
одновременно измерять большое число физических величин, со
значительными пределами изменения и в широком диапазоне ча-
стот. Прежде всего, практически в каждом сеансе работы слож-
6
него технического устройства необходимо контролировать соответ-
ствие значений физических величин установленным значениям или
пределам (допускам). Подобный контроль параметров и характе-
ристик для определения возможности нормального функциониро-
вания технических устройств, связанный с нахождением значений
физических величин, называется измерительным. В ряде случаев
нет необходимости определять (с заданной точностью) числовые
значения физических величин: часто требуется фиксировать толь-
ко наличие какого-либо сигнала или нахождение параметра в ши-
роком поле допуска (не меньше, не больше и т. д.). В таких слу-
чаях производится качественная оценка параметров технического
устройства, а процесс оценки называется качественным контролем
или просто контролем. При контроле часто применяют цветовую
индикацию (цвет сигнала указывает оператору на соответствие
параметра определенной границе). В ряде случаев для контроля
применяют так называемые индикаторы—средства измерений с
низкими точностными характеристиками.
Принципиальные различия между измерительным контролем и
качественным заключается в следующем:
в первом случае измеряемая физическая величина оценивается
с заданной точностью и в широком диапазоне ее возможных зна-
чений (диапазоне измерений). Любое из полученных при измере-
нии значений физической величины всегда вполне определенно и
может быть сопоставлено с заданным значением;
во втором случае оцениваемая физическая величина может
принимать любое значение (в широком диапазоне ее возможных
значений), которое является неопределенным, за исключением
одного (или двух), когда значение физической величины стано-
вится равным верхней (нижней) границе поля допуска (этот мо-
мент сопровождается световым или другим сигналом). Если в ка-
честве индикатора при контроле применяют средство измерений,
то соответствующие значения физической величины получают
вполне определенными, но без «гарантии» точности результата
контроля, так как индикаторы не подлежат периодической по-
верке.
Во многих случаях, а в последние годы все чаще, измерения
и контроль применяют совместно (ряд физических величин под-
лежит измерению, другие — контролю). Более того, иногда изме-
рению предшествует контроль (например, когда необходимо перед
измерением определить полярность измеряемого параметра).
В процессе производства и эксплуатации современных техни-
ческих устройств основное значение имеет измерительный кон-
троль, при котором процедура измерений совмещается с инфор-
мационно-логическими и вычислительными операциями (все чаще
с помощью ЭВМ), состоящими в сопоставлении с заданной точно-
стью результата измерений с требуемым значением параметра.
Поскольку для определения качества функционирования техниче-
7
ского устройства необходимо оценить большое число параметров,
то измерения и информационно-логические операции за неболь-
шой промежуток времени можно вести при автоматизации про
цесса измерений и контроля. Из схемы на рис. 1.1 следует, что
средства измерений и контроля, включенные в замкнутую систе-
му управления, позволяют получать объективную информацию о
функционировании технического устройства и таким образом оп-
ределять алгоритмы действий системы управления. Данная схема
может быть автоматизированной, полуавтоматизированной, с руч-
ным управлением. В автоматизированной системе совокупность
средств измерений объединяется в единую систему, управляемую
контроллером, специализированной или универсальной ЭВМ.
Измерительный контроль при эксплуатации технических устройств исполь-
зуют не только для поддержания работоспособности, отыскания неисправностей.
Одной из важных функций измерений является использование их результатов
для настройки, регулировки, юстировки технических устройств с целью установ-
ления заданных режимов работы, определения допустимых по техническим усло-
виям возможностей применения. Например, при подготовке к вылету самолетов
требуется оценить метеорологические факторы в районе аэродрома базирования
(дальность видимости, высота нижней кромки облачности, атмосферное давле-
ние и др.). Очевидно, в подобных случаях средства измерений непосредственно
8
не входят в состав контрольно-измерительной системы, предназначенной для
управления техническим устройством, но система управления не может обходить-
ся без результатов, получаемых с помощью средств измерений параметров внеш-
ней среды. Вот почему в типовой схеме управления сложным техническим
устройством (см. рис. 1.1) эти средства присутствуют.
Самостоятельное значение имеют средства измерений и кон-
троля при разработке и производстве технических устройств. В со-
временных условиях, когда непрерывно растут требования к точ-
ности функционирования технических устройств, практически не-
возможно реализовать замысел конструкторов при создании ма-
кета устройства, если отсутствуют средства измерений тех или
иных физических величин с необходимой точностью, стабильно-
стью, диапазоном измерений. Более того, развитие средств изме-
рений и контроля, применяемых при разработке технических
устройств, должно идти опережающими темпами. Это отражает
определенную зависимость разработчиков технических систем,
стремящихся придать разработке как можно больше новых каче-
ственных и количественных признаков, от возможности измерить,
а значит получить эти новые признаки у создаваемого устройства.
В связи с этим ничто так быстро морально не устаревает, как
средства измерений, особенно тех видов, которые находятся на
передовых рубежах научно-технического прогресса. К таким ви-
дам измерений, в первую очередь, относятся радиотехнические из-
мерения, так как развитие радиоэлектроники происходит весьма
быстрыми темпами и области ее распространения на технические
устройства становятся все шире.
По условиям и целям применения, определяющим обычно со^
ответствующие конструктивно-технические особенности исполне-
ния, а иногда и достижимые значения метрологических характери-
стик, различают средства измерений и контроля:
лабораторные, используемые при научных исследованиях, про-
ектировании технических устройств, учебном процессе. Эти сред-
ства обладают наибольшими точностью, стабильностью, чувстви-
тельностью, диапазонностью, а в ряде случаев — уникальностью
метрологических характеристик (почти эталонной точностью) и
методов измерений. Все крупные открытия стали возможными
только при достижении соответствующих показателей точности и
чувствительности средств измерений;
производственные, используемые для обеспечения заданных
характеристик технологических процессов, контроля готовой про-
дукции при приемосдаточных испытаниях, ремонта технических
устройств и др. Эти средства измерений по сравнению с лабора-
торными обладают более высокой стойкостью к внешним воздей-
ствиям (тепло, влажность, удары, вибрации и т. д.). Поэтому по
метрологическим характеристикам они обычно уступают лабора-
торным средствам измерений;
9
полевые, используемые непосредственно при ^сплуатации са-
молетов, кораблей, автомобилей и др. (в том числе и встроенные
в них). Эти средства измерений и контроля должны обладать со-
ответствующими показателями стойкости к внешним воздействи-
ям или быть надежно от них защищенными. В большинстве слу-
чаев полевые средства измерений и контроля существенно усту-
пают лабораторным и производственным по метрологическим ха-
рактеристикам, но обладают более высокими показателями на-
дежности.
В технической документации на средства измерений (паспорт,
техническое описание, технические условия, инструкция по эксплу-
атации) указывается группа исполнения, определяющая уровень
стойкости к внешним воздействиям, и, следовательно, допустимые
условия применения данного типа средства измерений. Например,
группа исполнения средства измерений электрических величин вы-
бирается в соответствии с требованиями ГОСТ 22261—82.
1.2. Метрологическое обеспечение при разработке,
производстве и эксплуатации технических устройств
Метрологическое обеспечение технических устройств представ-
ляет собой комплекс научно-технических и организационно-техни-
ческих мероприятий, а также соответствующую деятельность уч-
реждений и специалистов, направленные на обеспечение единства
и точности измерений для достижения требуемых (паспортных)
характеристик функционирования технических устойств. В настоя-
щее время метрологическое обеспечение принято понимать в ши-
роком и в узком смысле [1J. В широком смысле оно включает:
теорию и методы измерений и контроля, теорию и методы обес-
печения точности и единства измерений;
методы и средства обеспечения достоверного контроля пара-
метров и характеристик технических устройств;
средства измерений и контроля (рабочие, образцовые, этало-
ны) ;
организационно-технические вопросы обеспечения единства и
точности измерений, включая нормативно-технические документы
(Государственные стандарты, методические указания, технические
требования и условия), регламентирующие порядок и правила вы-
полнения работ по обеспечению единства и точности измерений, а
также обеспечение работоспособности и ремонта средств измере-
ний и контроля.
В узком смысле под метрологическим обеспечением понимают:
надзор за применением законодательно установленной системы
единиц физических величин;
10
обеспечение единства и точности измерений путем передачи
размеров единиц физических величин от эталонов к образцовым
средствам измерений и от образцовых к рабочим;
разработку и надзор за функционированием государственных
и ведомственных поверочных схем;
разработку методов измерений наивысшей точности и создание
на этой основе эталонов (образцовых средств измерений);
надзор за состоянием средств измерений в министерствах и ве-
домствах.
На разных этапах жизненного цикла технического устройства
его метрологическое обеспечение имеет ряд общих и самостоя-
тельных задач. На этапе разработки основными из них являются:
исследование параметров и характеристик технических
устройств для определения требований к объему и качеству изме-
рений и контроля (пределы допустимого изменения параметров и
характеристик устройства при условии сохранения работоспособ-
ности; номенклатура измеряемых с заданной точностью парамет-
ров и характеристик; номенклатура контролируемых параметров с
необходимой достоверностью);
выбор средств измерений и контроля из числа серийно выпу-
скаемых. Если необходимых средств измерений не существует, за-
дают требования на создание новых типов. При этом учитывают
необходимость измерений не только при разработке и производст-
ве технического устройства, но и при его будущей эксплуатации.
Если это условие нарушается, то службы эксплуатации оказыва-
ются в трудных условиях и часто вынуждены использовать вместо
полевых (производственных) приборов лабораторные или приме-
нять для грубой оценки работоспособности индикаторы с очевид-
ной утратой некоторых паспортных характеристик технического
устройства, что приводит к снижению эффективности его приме-
нения;
определение метода измерения или контроля физической вели-
чины (когда невозможно обеспечить измерения параметра с за-
данной точностью и в соответствующем диапазоне средств или во-
обще не известны методы измерения);
обеспечение разработчиков необходимыми средствами измере-
ний и контроля и методиками измерений;
поверка применяемых средств измерений.
На этапе производства технического устройства основными за-
дачами метрологического обеспечения являются:
определение номенклатуры параметров и норм точности изме-
рений при входном контроле применяемых в производстве мате-
риалов, комплектующих элементов (изделий). Входной контроль
стал одним из важных факторов повышения качества и надежно-
сти продукции. Поэтому именно с входного контроля должно на-
чинаться метрологическое обеспечение будущих образцов техни-
ческих устройств;
11
анализ технологических процессов с точки зрения определения
номенклатуры и последовательности измерительно-контрольных
операций, установления метрологических характеристик соответ-
ствующих средств измерений, определения возможности их «встра-
ивания» в технологический процесс. Во многих случаях при этом
требуется разработать и аттестовать методики измерений контро-
лируемых параметров;
создание (только при крайней необходимости) так называемых
нестандартизованных (специальных) средств измерений и контро-
ля. Экономически и метрологически применение специальных
средств измерений уступает приборам общего применения, выпу-
скаемым серийно. Иногда на этапе подготовки производства тех-
нического устройства создают нестандартизованные автоматизи-
рованные системы измерений и контроля, позволяющие обеспечить
высокий уровень производительности измерений, документировать
их результаты, повысить их достоверность. При этом удается на
70 ... 90% сократить время, затрачиваемое на измерения;
обеспечение производства серийно выпускаемыми средствами
измерений и контроля, своевременное обновление парка этих
средств на предприятии;
совершенствование методик измерений и контроля;
разработка локальных поверочных схем и своевременное про-
ведение (для поддержания метрологических характеристик) по-
верки и ремонта средств измерений. Часто на предпряитиях, рабо-
тающих в две-три смены, когда средства измерений используются
напряженно (иногда непрерывно), а нормы точности измеритель-
ных операций высоки, интервалы времени между очередными по*
верками приборов приходится устанавливать очень небольшими
(раз в неделю, раз в месяц). Это требует большой оперативности
и четкости работы метрологического органа предприятия;
надзор за соблюдением на предприятии утвержденных методик
измерения и контроля;
проведение метрологической экспертизы конструкторской и
технологической документации.
На этапе эксплуатации технического устройства (основной и
наиболее длительный этап его жизненного цикла) задачами мет-
рологического обеспечения являются:
обеспечение служб эксплуатации технических устройств штат-
ными средствами измерений и контроля, вспомогательными
устройствами, методиками измерений и контроля;
надзор за правильным использованием средств измерений при
подготовке технического устройства к применению, профилакти-
ческих и регламентных работах, ремонте;
надзор за состоянием средств измерений, за соблюдением сро-
ков их поверки и интенсивности расходования технического ре-
сурса;
12
разработка методов поверки средств измерений, встроенных в
технические устройства, а также при невозможности реализовать
стандартизованные методики. Эта задача служб, занимающихся
эксплуатацией технических устройств, достаточно сложна. Неред-
ко средства измерений, встроенные в технические устройства, во-
обще не поверяют, за исключением случаев, когда технические
устройства поступают в средний или капитальный ремонты. В та-
кой ситуации поверка состоит в изъятии средств измерений из ре-
монтируемого устройства, но при этом не учитываются погрешно-
сти, вносимые каналами связи с контролируемыми узлами, изме-
рительными преобразователями в общую погрешность результата
измерений, в который вносят «вклад» все составляющие измери-
тельной цепи. Для поверки встроенного средства измерений (без
изъятия его из объекта измерений), как правило, нельзя приме-
нять стандартизованные методики, в большинстве своем относя-
щиеся к случаю, когда средство измерений является единственным
элементом измерительной цепи;
внедрение новых типов средств измерений и контроля, выпу-
скаемых промышленностью взамен морально устаревших анало-
гов;
создание обменного фонда средств измерений и контроля для
восполнения выбывающих из сферы эксплуатации средств (выра-
ботка технического ресурса, нахождение в ремонте, на поверке).
Ответственность за правильность, своевременность и полноту
метрологического обеспечения технических устройств возлагается
на их потребителей (заказчиков). Для этого в различных органа
зациях функционируют метрологические службы.
Возрастание точности и эффективности функционирования тех-
нических устройств связано с их конструктивным усложнением,
поэтому метрологическое обеспечение на всех этапах жизненного
цикла технического устройства становится одним из важнейших
условий достижения высоких показателей качества и надежности.
Недооценка значимости перечисленных задач метрологического
обеспечения и требований к нему приводит к принятию на экс-
плуатацию технических устройств, существенно уступающих по
качественным показателям соответствующим по назначению и
конструкции лучшим мировым образцам, неоправданно высоким
эксплуатационным расходам на внеплановые и плановые ремонты
технических устройств, большому объему профилактических меро-
приятий, а также к несоответствию реальных показателей функци-
онирования паспортным показателям. При этом во многих случа-
ях снижение качества функционирования технических устройств
происходит из-за ошибок в применении измерительной техники.
Например, неверные (ошибочные) показания неисправных средств
измерений приводят при заводских испытаниях технических
устройств к неправильной оценке результатов испытаний. При
этом на эксплуатацию могут поступать технические устройства с
13
недопустимыми отклонениями показателей функционирования от
паспортных. С другой стороны, могут быть забракованы полно-
стью исправные устройства.
Иногда специалисты, применяющие средства измерений и кон-
троля, не в состоянии выявить «уход» постепенно изменяющихся
метрологических характеристик средств измерений за пределы до-
пусков (формально прибор включается, дает результаты измере-
ний и, следовательно, по внешним наблюдаемым признакам от-
носится к исправным). В большинстве случаев «уходы» обнару-
живаются только при плановых поверках средств измерений.
Нередки также случаи, когда средства измерений и контроля
не соответствуют задачам или условиям измерений параметров и
характеристик эксплуатируемых технических устройств. Качество
функционирования технического устройства характеризуется груп-
пой различных физических величин. В соответствии с анализом,
проведенным разработчиком, показатели нормального функциони-
рования должны удовлетворять установленным требованиям. При
этом параметры должны находиться в пределах допусков или
иметь определенное («точечное») значение. Например, при дву-
стороннем допуске a^Xi^bi, где сц и bi — соответственно нижнее
и верхнее допустимые значения параметра хг- устройства. Но ука-
занному условию должна удовлетворять и погрешность измерения
этого параметра. Представим, что относительно номинального зна-
чения параметра хгн, лежащего внутри интервала [аг, &г], поле
допуска составляет п % и ошибиться можно не более, чем на
О,In %. В этом случае погрешность применяемого прибора долж-
на быть меньше 0,In %. В то же время при выборе средств изме-
рений для метрологического обеспечения технических устройств в
процессе их эксплуатации это не всегда учитывается и встречают-
ся случаи, когда параметры измеряют (контролируют) приборами
с недопустимо большой погрешностью. Это приводит к снижению
качества функционирования объекта измерений, а иногда и к ава-
риям.
1.3. Состояние средств измерений и контроля
Основой технической базы метрологического обеспечения яв-
ляются средства измерений и контроля. От их качества, конструк-
тивного исполнения и достаточности зависят другие составляю-
щие метрологического обеспечения: структура метрологической
службы предприятий и организаций, формы и методы работ для
сохранения единства измерений, в том числе развитие системы
государственных эталонов, хранящих и воспроизводящих размеры
единиц физических величин, порядок их передачи образцовым и
рабочим средствам измерений, периодичность поверки средств из-
мерений и т. д. Указанные задачи решаются государственной си-
14
стемой обеспечения единства измерений (ГСИ), являющейся нор-
мативно-правовой основой метрологического обеспечения. Норма-
тивно-правовая основа представляет собой комплекс государст-
венных стандартов и других документов, устанавливающих: еди-
ницы физических величин; порядок и методы их хранения, вос-
произведения и передачи размеров другим средствам измерений;
нормы на метрологические характеристики средств измерений;
правила аттестации и поверки средств измерений; порядок прове-
дения государственных испытаний средств измерений; правила ме-
трологического надзора за средствами измерений.
Состояние средств измерений и контроля характеризуется сле-
дующим.
1. Современные средства измерений в целом удовлетворяют
требованиям обеспечения научных исследований, качества созда-
ния и производства технических устройств, создания новых техно-
логических процессов, учета материальных ресурсов, охраны окру-
жающей среды и здоровья людей. Главный метрологический пока-
затель средств измерений — точность — в большинстве случаев
достаточна и возрастает от поколения к поколению приборов. По
многим видам и областям измерений точность современных при-
боров приближается к точности государственных эталонов.
Например, некоторые приборы для измерения напряжения постоянного тока
имеют погрешность 0,0005 %, что всего в несколько раз меньше точности этало-
нов. Особенно быстро растет точность измерений частоты и времени. Еще совсем
недавно погрешность измерения частоты 1 • Ю~5 (0,001 %) считалась вполне
удовлетворительной, в настоящее время погрешность 1 • 10“9 ... 1-Ю-10 для
многих практических задач слишком высока. Значительно меньшие погрешности
можно получить с помощью квантовых стандартов (в определенных реперных
точках). Для рубидиевых стандартов частоты долговременная (за сутки) неста-
бильность частоты составляет около 10“н, для цезиевых — около 10“12, для во-
дородных— около 5-10-13 ... 5-10“14. Во многих странах исследуется возмож-
ность дальнейшего повышения точности квантовых стандартов частоты, которые
используют для создания не только эталонов частоты, но и рабочих средств
измерений.
Данные примеры свидетельствуют о том, что новые измерительные задачи
выдвигают новые требования к точности всех видов средств измерений. Этот
процесс повышения точности средств измерений будет непрестанно продолжать-
ся, способствуя дальнейшему развитию как науки, так и техники.
Подобное положение справедливо и для другой важной метрологической ха-
рактеристики средств измерений — диапазонов измерений физических величин.
Их пределы непрерывно расширяются. Например, в радиоизмерениях частоту
сигналов приходится измерять в диапазоне от тысячных долей герца до несколь-
ких сотен гигагерц, мощности от 10~21 до 109 Вт [1—3], причем еще в начале
1940-х годов верхний предел измерений частоты для большинства измерительных
задач не превышал 1 ГГц, а верхний предел измерения мощности — нескольких
сот ватт. Рост норм точности и диапазонов измерений физических величин вы-
15
звал серьезное изменение принципов и методов измерений, конструкции прибо-
ров. Современный автоматизированный электронно-счетный частотомер отличает-
ся от своих предшественников 20-летней давности примерно так же, как совре-
менные электронные весы от безмена.
2. Все большее значение приобретают надежность и уровень
автоматизации средств измерений.
Опыт эксплуатации средств измерений показывает, что показа-
тель безотказности — средняя наработка на отказ — должен быть
не менее 104 ч. В настоящее время многие типы приборов уже об-
ладают такой надежностью, но для большей части их этот предел
пока не достижим. Повышение надежности средств измерений и
контроля является одним из важных путей повышения качества
метрологического обеспечения технических устройств по следую-
щим причинам.
Достоверность результатов измерений определяется не только
достигнутой точностью средств измерений, но и надежностью ее
сохранения за некоторый период эксплуатации приборов. Послед-
нее определяет метрологическую надежность. Она неразрывно
связана с показателями безотказности прибора, в частности, со
средней наработкой на отказ, поскольку последняя определяется
на основе учета всех видов отказов: внезапных (как правило, яв-
ных) и постепенных (как правило, неявных, к которым относятся
и метрологические отказы). В связи с этим, чем выше показатели
надежности, тем реже приходится поверять средства измерений:
уменьшается риск пользования неисправным прибором в течение
межповерочного интервала. В нашей стране эксплуатируются сот-
ни миллионов разнообразных средств измерений и значительная
их часть поверяется в зависимости от уровня надежности в сред-
нем один раз за 1 ... 2 года. Сам процесс поверки прибора сред'
ней сложности и средней точности занимает время от 30 мин до
нескольких часов. Нетрудно представить, какие трудозатраты идут
на поддержание точности средств измерений на требуемом уров-
не. Когда средняя наработка на отказ приборов превысит уровень
104 ч, объем ежегодных поверок средств измерений в несколько
раз уменьшится, поскольку межповерочные интервалы можно бу-
дет увеличить до 3 ... 5 лет и более.
Повышение показателя надежности позволит также значитель-
но сократить число плановых и неплановых ремонтов средств из-
мерений. Ремонт средств измерений связан с необходимостью на
сравнительно длительный срок изымать их из сферы эксплуата-
ции. При этом после каждого ремонта прибор должен быть по-
верен. Службы эксплуатации часто вынуждены иметь так назы-
ваемый подменный фонд средств измерений с тем, чтобы на время
ремонта и поверки изъятых приборов не прерывались необходи-
мые измерения и контроль параметров соответствующих техниче-
ских устройств.
16
Таким образом, повышение надежности парка средств измере-
ний позволит обходиться в целом меньшим их числом, повысить
достоверность измерений, избежать принятия неверных решений
по результатам ошибочных измерений.
3. Последние 10 лет все настоятельнее выдвигаются требова-
ния создания средств измерений с автоматизацией процесса изме-
рений и обработки их результатов. Производительность труда опе-
раторов, работающих с неавтоматизированными приборами, не-
высока. Вот почему в современных условиях все чаще создаются
приборы с автоматизацией практически всех этапов измерений:
самокалибровка, самопроверка работоспособности, автоматиче-
ский выбор пределов измерений, обработка результатов измере-
ний, многократное их повторение для каждого измеряемого зна-
чения физической величины, хранение результатов измерений
и т. д.
В связи с этим широко распространены автоматизированные
цифровые приборы со встроенными микропроцессорами. Эти
средства измерений позволяют обеспечить более высокую точность
измерений (в результате учета систематических и уменьшения
случайных составляющих погрешности измерений, а также авто-
калибровки прибора); значительное сокращение времени измере-
ний (за секунду в таких приборах могут выполняться тысячи и
даже сотни тысяч различных операций); программное управление
приборами (по командам встроенного микропроцессора или от
внешней ЭВМ, внешнего контроллера). Появление таких приборов
позволило также автоматизировать процесс поверки средств из-
мерений.
Автоматизированные приборы со встроенными микропроцессорами оказались
высокоэффективными. Надежность их возросла, а габариты и масса уменьши-
лись по сравнению с неавтоматизированными аналогами за счет исключения
большого числа механических элементов конструкции, переключателей, потенцио-
метров и др. Прибор с микропроцессором выполняет измерительные операции
каждый раз с высокой степенью повторяемости (воспроизводимости), чего не
наблюдалось при измерениях с помощью приборов с ручным управлением (при
наличии оператора). Более того, внедрение микропроцессоров позволило умень-
шить требования ко многим комплектующим «элементам», таким как СВЧ филь-
тры, объемные резонаторы и др. Степень их несовершенства, конечно, сказывает-
ся на точности измерений. Но это при разработке можно проанализировать и
в виде поправок внести в программу обработки результатов измерений, реали-
зуемую микропроцессором. Если же требования к комплектующим элементам
сохранить достаточно «жесткими», то можно значительно выиграть в точности
микропроцессорного прибора.
В современных приборах используется цифровая форма обме-
на информацией. Поступающая на прибор «непрерывная» (анало-
говая) информация преобразуется в дискретную (цифровую). Ре-
зультат измерения выдается обычно в цифровом коде: десятичном
17
для визуального наблюдения на экране прибора; двоичном для
поступления в ЭВМ и на цифропечатающее устройство.
Наиболее важные дополнительные функции, которые можно
реализовать в микропроцессорных приборах, — удобство и прос-
тота их сопряжения между собой и со средствами вычислительной
техники посредством унифицированных, стандартных магистралей
(каналов общего пользования). Действительно, для образования
агрегатного измерительного комплекса необходимо обеспечить,
главным образом, информационную, метрологическую, энергетиче-
скую, конструктивную совместимость приборов между собой. По-
скольку в микропроцессорных приборах обмен управляющими и
информационными сигналами производится по внутренним маги-
стралям адресов, данных и управления с помощью форматов слов
различной разрядности (в настоящее время в основном использу-
ются 8- и 16-разрядные форматы слов), то это позволило обеспе-
чить стандартизацию и внешних, сопрягающих каналов обмена
сигналами управления и информацией, минимизировать число ли-
ний связи между приборами и т. д. В результате в последнее вре-
мя стали создаваться приборно- и функционально-модульные ав-
томатизированные измерительные системы (АИС), основным пре-
имуществом которых перед ранее применявшимися является гиб-
кость (адаптивность) при необходимости видоизменения состава
измерительных задач, а следовательно, универсальность. Свойство
универсальности реализовано и в самом микропроцессоре, являю-
щемся «сердцем» современных цифровых приборов.
С помощью АИС можно одновременно определять многие ха-
рактеристики объекта измерений. Более того, если раньше с по-
мощью набора отдельных приборов измерялись, как правило, не-
изменяющиеся или малоизменяющиеся значения физических вели-
чин, то с помощью АИС возможно измерить как неизменяющиеся
и изменяющиеся значения физических величин, так и характери-
стики физических процессов, сопровождаемых одновременным или
неодновременным изменением во времени и пространстве многих
физических величин. При этом могут измеряться характеристики и
случайных процессов.
При построении АИС в большинстве случаев целесообразно
использовать приборно-модульный принцип, когда отдельные про-
граммно управляемые приборы-модули можно объединять через
общую магистраль (канал общего пользования) в функционально
необходимом сочетании. При этом прибор-модуль может приме-
няться и автономно. Таким образом, появляется возможность из
ограниченного числа обладающих совместимостью «кубиков»
строить различные по функциональным возможностям «здания»—
универсальные АИС. Специальными, да и то в редких случаях,
являются устройства сопряжения АИС с объектом управления,
коммутаторы и математическое обеспечение для организации ра-
боты АИС и вывода измерительной информации.
18
Современные радиоизмерительные приборы, как правило, име-
ют «встроенные» интерфейсные функции, которые позволяют осу-
ществлять прием извне определенных сигналов (в двоичном коде)
и передачу измерительной информации внешнему потребителю
(ЭВМ, на цифропечатающее устройство, на другой прибор и т. д.).
Обмен сигналами управления и информации между приборами,
ЭВМ (контроллером), объектом измерений производится с помо-
щью стандартизованного канала общего пользования (КОП).
При приборно-модульном принципе построения АИС в нашей
стране и за рубежом наиболее часто применяют стандартный ин-
терфейс МЭК 625.1 (Международная электротехническая комис-
сия), представленный отечественным ГОСТ 26.003—80 (Система
интерфейса для измерительных устройств с байт-последователь-
ным бит-параллельным обменом информации). Иногда считают,
что интерфейс — это стандартная магистраль (шина). На самом
деле интерфейс представляет собой совокупность встроенных в из-
мерительные приборы интерфейсных плат (или приданных к при-
борам адаптирующих устройств), собственно стандартной маги-
страли (канала общего пользования), стандартного регламента
(программы) управления измерительными приборами с помощью
ЭВМ (контроллера) и вспомогательных устройств (коммутаторов,
внешних регистрирующих устройств и др.). Интерфейс по стандар-
ту МЭК 625.1 не по всем параметрам удовлетворяет задачам соз-
дания универсальных АИС.
Имеются и другие стандартные интерфейсы, позволяющие соз-
давать АИС по приборно- или функционально-модульному прин-
ципу. Однако всегда следует считаться с тем, что произвольное
обращение с интерфейсами приводит к серьезным осложнениям
как при производстве измерительных приборов, так и при созда-
нии АИС. Так, уже в настоящее время в ряде случаев пытаются
применять несколько стандартных интерфейсов в одном измери-
тельном приборе, что вынуждает встраивать в прибор две-три ин-
терфейсных платы (каждая представляет сложную электронную
схему на основе ряда БИС) и соответствующее количество при-
соединительных разъемов. Это удорожает прибор, увеличивает его
массу и габариты, снижает надежность. Правда, в ряде случаев
для АИС применяют приборы без встроенных интерфейсных плат.
Вместо них создают внешние адаптерные переходные устройства,
играющие роль интерфейсных плат. Поскольку они обычно серий-
но не выпускаются, это приводит к дополнительному снижению
надежности АИС, лишает ее главного достоинства — гибкости, так
как при замене одного прибора другим приходится снова созда-
вать «сервис» — адаптерное устройство.
Рассмотрим принцип создания универсальной АИС с применением стандарт-
ного интерфейса по ГОСТ 26.003—80. Система состоит из необходимого набора
приборов-модулей (по числу измерительных задач, которые должна реализовать
19
АИС), канала общего пользования, ЭВМ (обычно мини-ЭВМ, например, персо-
нальной ЭВМ, или контроллера), а также внешних устройств (коммутатор, циф-
ропечатающее устройство, индикаторный блок иат. д.).
Организующей основой АИС (рис. 1.2,а) является КОП, через который осу-
ществляются стандартные соединения отдельных приборов-модулей для передачи
команд и данных. Канал представляет собой 16-линейную кабельную шину,
к которой можно параллельно подсоединить 15 приборов-модулей, включая и
ЭВМ. Функционально линии сгруппированы в три шины. Восемь линий обра-
зуют шину данных для передачи информации в форме параллельных битов и
последовательных байтов. Одновременно на шине могут «находиться» несколько
Шина данных (восемь линий)
Шина управления (пять линий)
к\
Рис. 1.2. Структурная схема универсальной автоматизированной измерительной
системы (а) и схема канала общего пользования (б)
20
приборов, воспринимающих информацию, и только один передающий. Вид рабо-
ты приборов (на прием или на передачу) определяет ЭВМ. ЭВМ или контроллер
распределяет данные между передающими и приемными устройствами. Команды
(интерфейсные сообщения) передаются по 8 линиям шины данных («переда-
вать— не передавать», «принимать — не принимать», «сброс — запуск» и т. д.).
С помощью трех линий шины синхронизации передаются команды, позво-
ляющие соединять вместе различные приборы и вспомогательные устройства
с разными уровнями скорости передачи данных (наличие низкого уровня напря-
жения на одной из линий свидетельствует, что самый медленно действующий из
приборов еще не принял информацию), определять наличие информации на шине
данных и т. д.
Шина управления предназначена для передачи управляющих сигналов, цир-
кулирующих между ЭВМ и подключенными к КОП другими приборами (напри-
мер, запрашивается разрешение на приоритетное обслуживание ЭВМ того или
иного прибора, посылается команда окончания передачи сообщений по шине дан-
ных и т. д.).
Магистраль интерфейса представляет собой гибкий кабель, на каждом конце
которого имеется один двусторонний разъем с винтовыми зажимами, что обес-
печивает установку одного разъема на другом. Максимальная длина линии 20 м.
Если требуется подсоединить больше 15 приборов, то используют так называе-
мый терминальный блок с удлинением магистрали до 40 м при последовательной
передаче сигналов [4, 5]. В настоящее время ограничения в длине магистрали
отпали в связи с возможностью передачи информации по волоконно-оптическим
кабелям.
В нашей стране серийно выпускают около 300 различных при-
боров-модулей со встроенными интерфейсными функциями и разъ-
емом для непосредственного подключения к КОП. Некоторые при-
боры имеют дополнительную возможность работать с приме-
няющимся за рубежом интерфейсом RS-232, позволяющим транс-
портировать команды и информацию по магистрали длиной
до 1 км.
Для создания ЛИС необходимо большое число типов програм-
мно-управляемых приборов-модулей: генераторов синусоидальных
и специальных сигналов для образования стимулирующих сигна-
лов, универсальных цифровых вольтметров, частотомеров, измери-
телей мощности, анализаторов спектра и др. Для создания АИС
практически любого назначения имеются серийные приборы-моду-
ли с внешним управлением по магистрали КОП от ЭВМ (кон-
троллера) .
В качестве ЭВМ, управляющей работой АИС и обрабатываю-
щей измерительную информацию, можно применять различные
универсальные и персональные ЭВМ или специализированные
устройства обработки и управления, в том числе контроллеры.
Удобной для создания универсальных АИС может являться спе-
циализированная для этих целей мини-ЭВМ «Нейрон» (рис. 1.3),
состоящая из процессора, дисплея и многофункциональной кла-
21
Рис. 1.3. Специализированная мини-ЭВМ, устройство управления и обработки
данных 908 «Нейрон»: / — дисплей, 2 — процессор, 3 — клавиатура
виатуры, имеющая выход на два интерфейсных разъема для не-
посредственного подсоединения к магистралям КОП и на один
разъем для подсоединения к магистрали интерфейса RS-232.
Таким образом, наличие приборов-модулей и специализирован-
ных мини-ЭВМ типа «Нейрон» позволяет без серьезных затруд-
нений создавать универсальные АИС, в которых специальными
устройствами являются только блоки сопряжения с объектом из-
мерений и коммутаторов (это необходимо и для любых видов ав-
томатизированных систем контроля индивидуального предназна-
чения). Индивидуальным (сервисным) в таких АИС будет и ма-
тематическое обеспечение.
Имеется и другой способ построения универсальных АИС [6].
В его основу также положен принцип модульности комплекта при-
меняемых средств измерений, позволяющий агрегатировать с по-
мощью КОП. Однако, если в предыдущем случае функционально
и конструктивно объединялись завершенные приборы общего при-
менения, то в данном случае приборы-модули для решения раз-
личных измерительных задач создаются конструктивно «полуза-
вершенными» — без блока питания, который размещается в стан-
дартном базовом блоке нескольких разновидностей. Базовые бло-
ки выпускают для объединения трех, шести, десяти и т. д. прибо-
ров-модулей. Приборы-модули могут быть с передними панелями
22
управления, как в обычных приборах или без устройств управле-
ния (с «закрытыми» передними панелями).
Действительно, приборы-модули нет необходимости приме-
нять самостоятельно, а отсутствие в них органов управления по-
зволяет в агрегатированной измерительной системе исключить
нежелательное, несанкционированное вмешательство в работу при-
боров-модулей.
Данный способ имеет некоторые преимущества перед объеди-
нением в стойки завершенных конструктивно средств измерений
общего применения (как правило, с многими функциями и широ-
ким диапазоном измерений), имеющих выход на КОП. Каждый
из «полузавершенных» измерительных модулей создается для ре-
шения достаточно узкого круга измерительных задач (например,
в определенном участке частотного диапазона, в полной мере пе-
рекрываемого несколькими измерительными модулями). Для рас-
ширения функций включают дополнительные измерительные мо-
дули, номенклатура которых достигает более 50. Комплектование
их в необходимом наборе с помощью стандартных базовых блоков
и КОП позволяет сравнительно просто конструировать АИС с за-
данными измерительными задачами без избыточности, свойствен-
ной применению средств измерений общего применения. Сущест-
венный выигрыш в массе и габаритах дает применение трех-, ше-
стиместных и т. д. кожухов, с встроенным стандартным блоком
питания (у средства измерений общего применения он занимает
до 30% объема и примерно на столько же увеличивает массу).
Несомненно, автономное применение средства измерений общего
применения имеет значительные преимущества перед автономным
применением приборов-модулей.
Для решения адекватного числа измерительных задач одному
прибору общего применения часто будет соответствовать несколь-
ко измерительных модулей.
Во всяком случае, потребитель может выбрать любой из двух
изложенных способов построения универсальной АИС в зависи-
мости от ее назначения. Если требуется получить более точную,
многофункциональную АИС, целесообразно остановиться на пер-
вом способе. Для обеспечения диагностики и ремонта, например
радиоэлектронных систем одного и того же класса, более простым,
дешевым окажется второй способ. Главное состоит в том, что и в
первом, и во втором случае потребитель в состоянии сам постро-
ить АИС, заказав необходимые средства измерений общего при-
менения или измерительные модули и универсальную или специа-
лизированную ЭВМ.
Создание универсальных АИС имеет существенное преимуще-
ство перед широко применяемыми в настоящее время автоматизи-
рованными системами контроля (АСК) индивидуального (сервис-
ного) предназначения. Основным преимуществом универсальных
АИС является гибкость их структуры, что позволяет менять со-
23
став, количество и да^ке качество (точность) решаемых измери-
тельных задач, заменяя одни средства измерений другими или до*
полняя АИС новыми приборами с требуемыми диапазонами изме-
рений и точностью. При модернизации объекта измерений, как
правило, необходимо провести «подстройку» программы управле-
ния (иногда блока сопряжения). В подобном же случае АСК ин-
дивидуальной конструкции требуется переработать конструктивно
(иногда принципиально) или «отключить» измерение тех или иных
параметров в объекте измерений.
Кроме того, важным метрологическим совершенством универ-
сальных АИС является то, что средства измерений общего при-
менения практически всегда обеспечены средствами поверки и, та
ким образом, АИС вместе со своими приборами в метрологичес
ком отношении находится в составе государственных или ведом
ственных поверочных схем. Традиционные АСК во многих случаях
лишены возможности поверки их измерительных средств, а часто в
связи с применением только для качественного контроля вообще
не поверяются. Наконец, создание индивидуальных АСК требует
большего времени и больших затрат, превышающих затраты на
создание универсальных АИС, имеющих серийные составляющие
компоненты (блоки сопряжения и коммутаторы, естественно, ин-
дивидуальны в обоих случаях).
Конечно, не следует думать, что универсальные АИС полностью
заменят АСК. Когда речь идет о встраиваемых в объект измере-
ний автоматизированных средств контроля, имеющих небольшие
массу, габариты и энергопотребление, когда требуется лишь опе-
ративное, качественное знание параметров объекта, АСК были и
долго еще будут эффективным средством.
Иногда к недостаткам универсальных АИС относят наличие
избыточности (в случае построения АИС на основе средств изме-
рений общего применения, имеющих более высокие точности и
широкие диапазоны измерений, чем требуется для контроля и ди-
агностики объектов контроля и измерений). При этом забывается
тот факт, что когда АСК индивидуальной конструкции, выполняю-
щий функции определения годности к применению объекта кон-
троля, дает сигнал «не годен», для определения причины неис-
правности и последующего ремонта объекта контроля применяют
измерительные приборы общего применения, более точные и диа-
пазонные.
Другими словами, наличие АСК не освобождает от необходи-
мости иметь дополнительный комплект приборов (для сложных
радиоэлектронных систем это сотни и иногда тысячи приборов
общего применения).
Универсальная АИС совмещает функции АСК и дополнитель-
ного комплекта средств измерений общего применения. Она име-
ет два режима работы: контроля и измерений. В режиме контро-
ля с точностью, обеспечиваемой включенными в АИС приборами
24
общего применения, измеряются параметры объекта контроля, но
в соответствии с программой на оконечном устройстве (индика-
торе, цифропечатающем устройстве, дисплее и т. д.) отражается
только упрощенная информация («годен — не годен», «в норме —
не в норме»).
Поскольку результаты измерений обработаны и занесены в па-
мять ЭВМ, то в режиме измерений они используются для опреде-
ления причины неисправности и индикации неисправного узла (бло-
ка). Следовательно, универсальные АИС практически не имеют
избыточности, просто в одной измерительной системе объединены
свойства индивидуальных АСК и комплекта дополнительных
средств измерений общего применения. Такое решение является
более экономным и эффективным.
Универсальные АИС имеют широкие области применения: при контроле и
измерениях параметров радиоэлектронных и механических систем, прежде всего
двигателей различных видов, АСУ, технологических процессов и др. Наиболее
совместимы между собой АИС для контроля функционирования радиоэлектрон-
ных систем, так как основные их составляющие — это цифровые вольтметры,
частотомеры, генераторы (для посылки стимулирующих сигналов), т. е. радио-
измерительные приборы. Эта совместимость в ближайшие годы будет расши-
ряться по мере создания радиоэлектронных систем с цифровыми методами полу-
чения и обработки информации. Предпринимаются меры к унификации узлов,
служащих для подключения АИС к объектам контроля и измерений, т. е. блоков
сопряжения, а также коммутаторов. Когда будут созданы унифицированные, на-
дежные в работе блоки (узлы сопряжения), которые, вероятно, целесообразно
будет встраивать непосредственно в объекты контроля и измерений, а также
коммутаторы, которые будут выпускаться серийно наряду со средствами изме-
рений общего применения, то степень универсальности АИС станет одним из
основных их достоинств. Следует отметить, что в нашей стране и за рубежом
ведутся работы по универсализации математического обеспечения АИС, которое
в настоящее время занимает достаточно большую часть времени и затрат при
создании АИС.
По мере создания новых поколений быстродействующих мало-
габаритных ЭВМ с большими объемами постоянной и оператив-
ной памяти следует ожидать новых приборных интерфейсов, кото-
рые не будут (по сравнению с интерфейсом МЭК 625.1) ограничи-
вать быстродействие АИС, число подключаемых средств измере-
ний, длину КОП и т. д. В этом случае не следует допускать не-
упорядоченности, отсутствия стандартизации, стремления плодить
частные, пусть значительно более совершенные интерфейсы и, как
следствие этого, нестандартные адаптеры.
В противном случае очень скоро универсальные АИС будут
трансформироваться в индивидуальные АСК со всеми присущими
им недостатками.
В настоящее время большие трудозатраты идут на поверку
средств измерений общего применения, особенно радиоизмери-
25
тельных приборов. Создание универсальных АИС дает большие
возможности для автоматизации поверочных работ. Для этого
универсальная АИС вместо рабочих средств измерений комплек-
туется образцовыми или даже эталонными. Кстати, в области ра-
диоизмерений имеется достаточная номенклатура образцовых при-
боров, имеющих встроенные интерфейсные функции по ГОСТ
26.003—80. Программа управления поверочной АИС отражает
методики поверки средств измерений. Поверочные АИС можно
создавать как в виде стационарных модулей, например для по-
верки вольтметров, осциллографов, частотомеров и т. д., так и в
подвижном варианте, например в автомобильном. Поверочные по-
движные АИС позволяют достигнуть высокой эффективности по-
верочных работ. Отпадает необходимость возить, как это дела-
лось, а часто делается и до сих пор, приборы на поверку (иногда
на сотни километров от места эксплуатации приборов) и не быть
уверенным, что после доставки поверенные приборы метрологиче-
ски исправны. Действительно, известно много случаев нарушения
работоспособности средств измерений при транспортировке в по-
верочные органы и, что более важно, при обратной транспорти-
ровке. Поверочные подвижные АИС имеют средства калибровки и
контроля нахождения основных метрологических параметров в
допустимых пределах. Кроме того, обеспечение поверки средств
измерений на местах их эксплуатации позволяет исключить дли-
тельное изъятие приборов.
1.4. Характеристики и свойства средств измерений
Средство измерений позволяет воспринять, преобразовать, при
необходимости сопоставить с мерой и представить значение изме-
ряемой физической величины. Физическая величина, в свою оче-
редь, представляет определенное свойство технического устрой-
ства (объекта измерений), общее в качественном отношении мно-
гим техническим устройствам, как однотипным, так и разнотип-
ным, но в количественном отношении индивидуальное для каждо-
го из них. Например, в любом радиоэлектронном устройстве элек-
трическое напряжение проявляется как общее свойство, т. е. как
физическая величина, единицей которой является один вольт. На
каждом же элементе конкретного устройства электрическое на-
пряжение имеет некоторое количество вольт, представляя числен-
ное значение физической величины на данном элементе.
Отличием средства измерений от других технических устройств является то,
что оно имеет нормированные метрологические характеристики. К средствам
измерений относятся меры, приборы и измерительные системы. Кроме того,
к средствам измерений относятся измерительные преобразователи, измеритель-
ные принадлежности, расширяющие диапазон измерений, повышающие точность
измерений, обеспечивающие дистанционную передачу результатов измерений, пи-
26
тание средств измерений нормированной, высокостабильной электрической энер-
гией и др. Имеются попытки необоснованно расширить применение понятия сред-
ства измерений на ряд видов технических устройств, непосредственно не предна-
значенных для измерения физических величин. Например, трудно возразить про-
тив того, что радиолокационная станция наряду с поиском и обнаружением цели
определяет дальность до н;ее, а также азимут и угол места, т. е. также выпол-
няет измерительные функции. Но радиолокационные станции не следует относить
к средствам измерений, поскольку последние не предназначены для выполнения
самостоятельных функций, отличных от измерительных, например для поиска
источников излучений и объектов. Радиолокационная же станция выполняет са-
мостоятельно функцию поиска и обнаружения целей. Но для определения значе-
ний длины и углов с требуемой точностью в радиолокационную станцию встрое-
ны устройства, которые можно рассматривать как средства измерений. Таким
образом, чтобы средство измерений могло выполнять самостоятельную функцию,
его необходимо совместить с объектом измерений.
Также не следует, как это иногда пытаются делать, относить к средствам
измерений многочисленные виды испытательных установок, несмотря на то, что
многие из них также имеют нормированные метрологические характеристики.
Например, барокамеры, термокамеры, вибростенды, центрифуги должны обеспе-
чивать определенный диапазон и поддержание условий испытаний с заданной
точностью. Но указанные средства только воспроизводят с необходимыми точ-
ностями и диапазонами условия испытаний, а для выполнения этих функций
в них встраиваются соответствующие средства измерений.
Мерой называется средство измерений в виде тела или устрой-
ства, предназначенное для хранения и (или) воспроизведения фи-
зической величины заданного размера. К мерам относятся кон-
цевые меры длины, гири, нормальные элементы, измерительные
магазины емкостей, кварцевые калибраторы и др. Градуирован-
ные шкалы средств измерений также можно рассматривать как
многозначную меру—носитель единицы физической величины, зна-
чение которой может быть произвольным и определяться поло-
жением стрелки относительно шкалы.
Измерительный прибор представляет средство измерений, пред-
назначенное для выработки под воздействием измеряемой величи-
ны измерительной информации, функционально связанной с чис-
ловым значением измеряемой величины, и отображения этой ин-
формации на отсчетном (индикаторном) устройстве. Наряду с по-
казывающими приборами применяют регистрирующие, имеющие
пишущее (барограф, термограф и др.) или печатающее устрой-
ство.
Измерительная система — комплекс средств измерений и вспо-
могательных устройств, обеспечивающих получение измеритель-
ной информации на исследуемом объекте в заданном объеме
измерений физических величин и с заданной точностью. В на-
стоящее время, как правило, измерительные системы создаются
автоматизированными.
27
Все большую роль в измерениях приобретают измерительные
преобразователи (датчики), предназначенные для преобразования
измерительной информации в форму, удобную для передачи даль-
нейшего преобразования, обработки и хранения. Измерительные
преобразователи имеют нормированные метрологические характе-
ристики, конструктивно они, как правило, оформлены в самостоя-
тельное средство измерений, встраиваемое в технические устрой-
ства. Иногда датчики являются составной частью измерительного
прибора. Одно из основных требований, предъявляемых к изме-
рительным преобразователям, является их унификация и стандар-
тизация для удобства сопряжения со средствами измерений, ис-
пользования в измерительных системах, встраивания в объект из-
мерений. Многие датчики передают не только преобразованную
измерительную информацию в отсчетное устройство, как это име-
ет место, например, при дистанционном измерении давления, но и
измерительный сигнал в соответствующие каналы управления.
Например, гироскопический прибор, рассматриваемый как чувст-
вительный элемент или датчик, вырабатывает с высокой точно-
стью измерительные сигналы, указывающие степень отклонения
движущегося объекта, на котором установлен данный прибор, от
заданного направления, и эти сигналы поступают в исполнитель-
ную управляющую систему для коррекции движения объекта.
Меры, измерительные приборы, измерительные преобразовате-
ли, измерительные системы, являющиеся также техническими
устройствами, относятся к видам измерительной техники. При этом
иногда в понятие измерительной техники включают средства кон-
троля, а также методы получения измерительной информации; в
этом случае измерительная техника выступает как область науки
и техники, связанной с измерениями.
Все средства измерений делятся на рабочие, образцовые и эта-
лоны. К рабочим относятся средства измерений, не предназначен-
ные для воспроизведения и хранения единиц физических величин
с целью передачи их размеров другим средствам измерений. К об-
разцовым средствам измерений относятся меры, измерительные
приборы (системы) или измерительные преобразователи, приме-
няемые для передачи размеров единиц другим средствам измере-
ний, т. е. для поверки других средств измерений (рабочих или
образцовых меньшей точности). Образцовые средства измерений
не всегда специально разрабатываются и аттестуются. В радиоиз-
мерительной технике, особенно в случае высокоточных измерений,
иногда не удается создать образцовые приборы и в их качестве
используют специально отобранные, испытанные и аттестованные
приборы из числа рабочих.
Эталоны представляют средства измерений (обычно комплекс
средств измерений), предназначенные для воспроизведения и
(или) хранения единицы физической величины с целью передачи
ее размера образцовым средствам измерений высшей точности.
28
Эталон должен быть официально утвержден Госстандартом СССР
в качестве такового. Эталон может быть государственным — ис-
ходным средством измерений для страны. При этом государствен-
ный эталон является первичным, воспроизводящим единицу физи-
ческой величины, или специальным, заменяющим первичный эталон
для воспроизведения единицы в особых условиях. Для обеспечения
нужд отраслевых метрологических служб применяются вторичные
эталоны, размер единицы которым передается от первичного (спе-
циального) эталона.
В некоторых случаях, когда не представляется возможным создать эталон-
ное средство измерений, допускается применять так называемый групповой эта-
лон, состоящий из группы однотипных средств измерений (например, образцовых
или даже рабочих). Размер единицы, хранимой групповым эталоном, определяет-
ся в соответствии с тем или иным алгоритмом обработки значений физической
величины, воспроизводимых отдельными средствами измерений, входящими в со-
став группового эталона.
Всем средствам измерений присущи основные свойства: метро-
логические, эксплуатационные, информационные и др. Наиболее
важными являются метрологические свойства (характеристики)
средства измерений: точность и диапазон измерений, чувствитель-
ность, стабильность, разрешающая способность, метрологическая
надежность и др.
Под точностью измерения понимается степень близости резуль-
татов измерений к истинному значению измеряемой величины. Од-
нако на практике для характеристики точности удобнее пользо-
ваться понятием погрешностей измерений (погрешность средства
измерений), отражающим отклонение результата измерений от
истинного значения измеряемой физической величины. Погреш-
ность измерений обусловливается многими факторами: погрешно-
стью метода измерений; конструктивным несовершенством средст-
ва измерений; влиянием условий проведения измерений; влиянием
каналов связи объекта измерений со средством измерений; субъ-
ективными погрешностями оператора, настраивающего (калибру-
ющего) средство измерений и фиксирующего его показания, и т. п.
Погрешность измерительного прибора представляет собой раз-
ность между показаниями прибора и истинным значением изме-
ряемой величины, а погрешность меры — разность между номи-
нальным значением меры и истинным значением воспроизводимой
ею величины.
По способу числового выражения различают абсолютные по-
грешности измерений, выражаемые в единицах измеряемой вели-
чины, и относительные, выражаемые отношением абсолютной по-
грешности к истинному значению измеряемой величины:
а) абсолютная Дх=хп—хи, где хп— показания прибора (номи-
нальное значение меры); хи— истинное значение измеряемой ве-
личины, воспроизводимой мерой);
29
б) относительная 6=Дх/хи, 6= (Лх/хи) 100%.
Часто вместо относительной погрешности применяется понятие
приведенной погрешности средства измерений, выражаемой в ви-
де отношения абсолютной погрешности к условно принятому зна-
чению физической величины, например постоянному во всем диа-
пазоне измерений, или к значению верхнего предела измерений.
Истинное значение физической величины практически неизве-
стно. Поэтому при расчете погрешностей вместо истинного значе-
ния измеряемой величины приходится применять действительное
значение, найденное экспериментально и столь близкое к истинно-
му, что для данных целей измерений может использоваться вме-
сто него.
По характеру и причинам появления погрешности измерения
разделяются на систематические, случайные и промахи.
Систематическая погрешность представляет составляющую об-
щей погрешности измерения, остающуюся при неоднократном по-
вторении измерений постоянной или изменяющуюся закономерно.
Эта погрешность поддается изучению и до определенной степени
учету, в силу чего результат измерений может быть уточнен путем
внесения поправок. Более того, стремятся создать средство изме-
рений таким образом, чтобы по возможности исключить влияние
систематических погрешностей самого прибора.
Систематические погрешности обусловлены несовершенством метода измере-
ний, несовершенством или технологическими неточностями средства измерений,
возникновением неисправностей, неправильной установкой прибора, неучтенными
или неизученными погрешностями из-за влияния внешних условий измерений.
Систематические погрешности не зависят от числа проведенных измерений.
Установкой нуля отсчета, калибровкой измерительных приборов перед соот-
ветствующим измерением добиваются исключения или уменьшения значений си-
стематических погрешностей. При этом в настоящее время все чаше применяют
автоматические методы коррекции систематических погрешностей, увеличиваю-
щие точность и производительность измерений.
Случайная погрешность измерений в отличие от систематичес-
кой изменяется непредвиденным, случайным образом при проведе-
нии повторных измерений одной и той же физической величины.
Случайные погрешности являются следствием воздействия на из-
мерения многих непредвиденных объективных и субъективных
факторов (источников), которые сами по себе в каждом из изме-
рений могут проявиться или нет (флуктуации питающего напря-
жения, различное положение оператора, случайно возникающая
вибрация прибора и т. д.). В отличие от систематических случай-
ные погрешности, вообще говоря, невозможно полностью исклю-
чить из результата измерений. Но поскольку многократные изме-
рения одной и той же величины позволяют «уточнить» случайную
составляющую погрешности путем нахождения среднего ее значе-
ния (результат каждого измерения является случайной величи-
30
ной) и дисперсии, то влияние случайных погрешностей можно зна-
чительно уменьшить.
Промахи представляют собой погрешности, существенно превы-
шающие присущие данному средству измерений систематические
и случайные погрешности. Они возникают или из-за серьезных,
пока что неявных неисправностей средства измерений, или из-за
грубых ошибок оператора. При обнаружении промаха соответст
вующий результат измерений должен быть исключен как невер
ный.
Погрешности, возникающие в нормальных условиях работы средств измере-
ний (температура окружающей среды 20±5°С, атмосферное давление 750±
±30 мм рт. ст., относительная влажность воздуха 60±15 %), называются
основными. В некоторых случаях для тех или иных видов измерительной техни-
ки могут быть установлены отличные от указанных значения показателей нор-
мальных условий. В технических условиях или техническом описании радиоизме-
рительных и ряда других приборов обычно указываются также дополнительные
погрешности, представляющие собой дополнительное изменение основной по-
грешности за счет изменения внешних условий относительно нормальных. Так,
довольно часто указывается дополнительная погрешность за счет изменения тем-
пературы (относительно нормальной).
Помимо точностных характеристик средства измерительной
техники характеризуются диапазоном измерений (для измери-
тельных приборов), допустимыми условиями применения, чувстви-
тельностью, быстродействием, стабильностью, помехозащищенно-
стью, надежностью, входным (выходным) сопротивлением, по-
требляемой мощностью и др.
Диапазон измерений представляет область значений измеряе-
мой величины, в пределах которой нормированы погрешности при-
бора.
Условия измерений, обычно рабочие условия, содержатся в
технических условиях, техническом описании (инструкции по экс-
плуатации) на прибор и указывают возможность отклонения усло-
вий проведения измерений от нормальных, когда метрологические
характеристики еще находятся в установленных пределах. Рабо-
чие условия измерений определяются назначением и степенью
устойчивости метрологических характеристик данного прибора.
Для унификации применяемых видов измерительной техники ра-
бочие условия измерений (параметры внешней среды) нормиру-
ются соответствующими государственными стандартами. К таким
параметрам относятся: температура, давление и влажность окру-
жающей среды; механические нагрузки при транспортировании;
пределы изменения напряжения и частоты источника питания;
напряженность магнитного (электрического) поля, под воздейст-
вием которого находится средство измерений и др.
Чувствительность средств измерений представляет собой спо-
собность реагировать на изменения входного сигнала и оценива-
31
ется отношением изменения выходного сигнала к вызвавшему его
изменению входного сигнала. Например, чувствительность кана-
лов отклонения луча осциллографов измеряется в миллиметрах на
вольт.
Быстродействие (производительность) характеризуется интер-
валом времени, необходимым для производства единичного изме-
рения. Современные цифровые электронные приборы имеют быст-
родействие в несколько сотен, тысяч и даже сотен тысяч измере-
ний (операций) в секунду, тогда как приборы со стрелочным ин-
дикатором (с учетом времени успокоения стрелки) позволяют про-
изводить одно измерение за одну и более секунды.
Стабильность отражает постоянство во времени метрологичес-
ких показателей прибора. Часто эта характеристика представля-
ется обратной величиной—нестабильностью показателей во време-
ни. Например, для квантовых стандартов частоты пользуются по-
нятиями кратковременной нестабильности частоты (за 1 с) и дол-
говременной нестабильности частоты (за 1 сутки).
Помехозащищенностью называется способность электронного
прибора сохранять в процессе измерений свои характеристики при
наличии внешних помех.
Надежность представляет свойство средства измерительной
техники функционировать при сохранении метрологических и дру-
гих показателей в заданных пределах и режимах работы. Обычно
надежность характеризуется свойствами безотказности, ремонто-
пригодности, долговечности, сохраняемости. В измерительной тех-
нике за показатели безотказности принимают среднюю наработку
на отказ (среднее значение наработки средства измерений между
отказами) и вероятность безотказной работы за заданный проме-
жуток времени.
В нормативно-технической документации на средства измере-
ний во многих случаях записывают также показатель метрологи-
ческой надежности (точнее, метрологической безотказности),
представленный вероятностью отсутствия скрытых, неявных отка-
зов за межповерочный интервал (промежуток времени между
предыдущей и последующей поверками) при заданном значении
коэффициента использования прибора. Вообще говоря, значение
показателя безотказности, например средней наработки на отказ,
однозначно коррелируется со значениями показателей метрологи-
ческой безотказности. Однако статистические зависимости между
показателями общей и метрологической надежности изучены пока
что недостаточно. Это приводит к необходимости пользоваться
раздельно показателями как общей, так и метрологической на-
дежности средств измерений.
За показатели ремонтопригодности для средств измерений
принимают среднее время восстановления. Долговечность средств
измерений оценивается гамма-процентным ресурсом (наработка,
в течение которой средство измерений не достигнет предельного
32
состояния с вероятностью у процентов) и сроком службы (кален-
дарной продолжительностью эксплуатации прибора до предельно-
го состояния). Предельное состояние наступает тогда, когда обыч-
ные виды восстановления (ремонта) не позволяют поддерживать
работоспособность прибора на требуемом уровне. В нормативно-
технической документации на средство измерений обычно указы-
вают оба показателя долговечности, поскольку гамма-процентный
ресурс определяется наработкой прибора независимо от календар-
ного времени эксплуатации, а срок службы определяется кален-
дарным временем эксплуатации независимо от наработки. При
этом под сроком службы понимается среднее его значение (иног-
да указывается гамма-процентный срок службы).
Средства измерений до поступления на эксплуатацию могут
длительное время находиться на хранении. В связи с этим в каче-
стве показателя сохраняемости применяют средний или гамма-про-
центный срок сохраняемости.
Как уже указывалось, из всех видов измерительной техники
наиболее сложной, играющей все большую роль в измерениях и
контроле сложных технических устройств, является радиоизмери-
тельная техника. Эксплуатация и метрологическое обеспечение
этой техники, при многомиллионном ее количестве в народном хо-
зяйстве нашей страны, представляют большой круг проблем и во-
просов. Эта техника быстро развивается. Рассмотрим кратко ос-
новные направления ее развития.
В последнее время радиоизмерительные приборы при характеристике их тех-
нических и конструктивных особенностей все чаще относят к тому или иному
«поколению». При этом к первому поколению относят приборы с ручным управ-
лением, где применены электронно-вакуумные приборы и объемный монтаж эле-
ментов (резисторов, конденсаторов и др.). Второе поколение представляет при-
боры с ручным управлением, где применены полупроводниковые приборы и как
объемный, так и печатный «монтаж» элементов. Третье поколение характерно
применением микросхем и микросборок (частично применяются транзисторы, дио-
ды), одно- и двухслойных- печатных плат, полуавтоматическим управлением
(автоматическая установка нуля, самокалибровка). К четвертому поколению
относят приборы с автоматическим управлением, как правило, от встроенного
микропроцессора, использующие микросхемы и микросборки большой степени
интеграции, а также многослойные (часто еще двухслойные) печатные платы.
Обычно основанием для отнесения средства измерений к соответствующему по-
колению служат наиболее характерные черты: например, приборы с встроенным
микропроцессором независимо от других технологических особенностей относят
к четвертому поколению.
Быстро растут технические возможности измерения характери-
стик формы и спектра сигналов с помощью современных осцилло-
графов, которые позволяют анализировать характеристики непре-
рывных, импульсных и одиночных сигналов в реальном масштабе
времени как при визуальном наблюдении, так и при фотографи-
33
ровании на экране прибора. При этом ширина полосы пропуска-
ния (по усилителю вертикального канала отклонения луча) до-
стигает несколько сотен мегагерц, а при применении стробоско-
пических приборов—до нескольких гигагерц. Цифровые методы
обработки измерительной информации с помощью встроенных в
осциллографы микропроцессоров позволили уменьшить погреш-
ность измерений до 1 ... 2% и не только отображать на экране
форму (спектр) измеряемого сигнала, но и сопровождать отобра-
жение некоторыми цифровыми значениями измеряемой величины.
В результате современный осциллограф может выполнять допол-
нительно ряд функций цифрового вольтметра, мультиметра, час-
тотомера, анализатора спектра.
Очень быстрыми темпами развиваются анализаторы сигналов
в реальном масштабе времени. Эти приборы все чаще использу-
ют не только как анализаторы спектра сигналов, но и как изме-
рители амплитудных, фазочастотных характеристик радиоэлек-
тронных устройств, функций корреляции, функций когерентности,
плотностей распределения случайных последовательностей и др.
Анализаторы сигналов по схемно-конструктивным решениям раз-
личны: используется быстрое преобразование Фурье, сжатие вре-
менного масштаба с помощью рециркуляционных и дисперсион-
ных линий задержки и др. Для анализаторов сигналов характерна
универсальность методов анализа, реализуемых в приборах в ре-
альном масштабе времени (спектральный, корреляционный и др.).
Широкие возможности анализаторов сигналов позволяют ис-
пользовать их в радиолокации, радионавигации, гидроакустике,
радиосвязи, медицинской технике, телевидении и многих других
направлениях науки и техники. Большие перспективы сулит при-
менение анализаторов сигналов для диагностирования работоспо-
собности сложных технических систем.
Переход к цифровым средствам измерений, как, впрочем, и к цифровой ра-
диоэлектронной аппаратуре, привел к необходимости создания особого класса
средств измерений — логических анализаторов.
Появление этого класса средств измерений вызвано, прежде всего, быстрым
развитием интегральной микроэлектроники — появлением больших (БИС) и
сверхбольших (СБИС) интегральных схем, а также микропроцессоров, которые
стали основой новых поколений средств вычислительной техники, аппаратуры
связи и др. Вероятно, в радиоизмерительную технику микропроцессоры «при-
шли» раньше, чем в другие радиоэлектронные устройства. Применение БИС,
в том числе микропроцессоров, расширяет функциональные возможности радио-
электронных устройств, обеспечивает их автоматизацию. Вместе с тем контроль
при эксплуатации радиоэлектронных устройств с широким применением БИС,
СБИС и микропроцессоров становится достаточно сложным, так как в одной
БИС сконцентрированы десятки тысяч (а в ближайшие годы—сотни тысяч)
отдельных «элементов», объединенных в схемы, играющие роль сложных блоков.
Доступ к «контрольным» точкам в БИС практически невозможен. Более того,
даже при наличии такой возможности контролировать состояние работоспособ-
34
ности узлов и блоков, входящих в БИС с помощью обычных измерительных при-
боров можно только частично и не всегда с достаточной достоверностью. Дей-
ствительно, в «контрольной» точке какого-либо узла, например, микропроцессора,
токи, напряжения, частота сигналов могут быть «в норме», а узел находится
в неработоспособном состоянии: поток цифровых данных не соответствует алго-
ритму работы узла. Таким образом, для аппаратуры с широким применением
БИС требуются принципиально новые средства измерений, какими и являются
различные виды логических анализаторов, которые «расшифровывают» работу
логических схем, «наблюдают» за потоком данных, выявляя сбои и отклонения
от заданного алгоритма. Так, анализаторы микропроцессоров позволяют контро-
лировать прохождение потоков данных на адресных, информационных и управ-
ляющих шинах в реальном масштабе времени.
Обычно такой анализатор имеет режим сравнения с правиль-
ным потоком цифровых данных. Кстати, в последнее время для
проверки работоспособности (диагностики) объекта измерений и
контроля с помощью логических анализаторов, а также с помо-
щью анализаторов сигналов, все чаще стремятся получить мате-
матические модели заведомо исправных (правильных) объектов
измерений и контроля. Обычно модель представляет собой срав-
нительно упрощенное математическое отображение реального
технического устройства, позволяющее при аппаратном сравне-
нии измеренных показателей устройства с «показателями» мате-
матической модели определить их адекватность и таким образом
сделать вывод об исправности устройства или обнаружить неко-
торую неадекватность и получить информацию об элементе
(узле) с отклонениями от «идеала», т. е. обнаружить отказ соответ-
ствующего элемента (узла). Это обеспечивается идентифицируе-
мостью— возможностью определения соответствия математиче-
ской модели реальному объекту по измеряемым входным и выход-
ным его сигналам (процессам), управляемостью — возможностью
объекта измерений и контроля «откликаться» на изменения вход-
ных сигналов соответствующими изменениями параметров, на-
блюдаемостью— возможностью по входному сигналу получить
необходимую информацию о процессах и параметрах «внутри»
объекта.
Теория идентификации и оценивания, вместе с логическими
анализаторами, быстро развивается, что позволяет создавать для
диагностирования состояния технических устройств и их элемен-
тов достаточно удобные для практического применения средства
измерений и контроля в сочетании с устройствами вычислитель-
ной техники. На этом пути будут решаться самые сложные, в
настоящее время пока во многом нереализованные задачи диаг-
ностирования и прогнозирования работоспособности сложных ра-
диоэлектронных устройств, в том числе и радиоизмерительных
приборов, с практически любой детализацией оценки их состоя-
ния.
35
Все шире применяют сигнатурные анализаторы [5], преобра-
зующие последовательности двоичных сигналов от контролируе-
мой аппаратуры в четырехзначные шестнадцатеричные ключевые
коды — сигнатуры. Измеренные значения сигнатур сравниваются
с эталонными, представленными так называемой сигнатурной
картой. Ошибка в двоичной последовательности прослеживается
путем просмотра элементов схемы «обратным ходом» до обнару-
жения элемента с правильными входными, но ошибочными вы-
ходными сигналами. Некоторые типы сигнатурных анализаторов
позволяют диагностировать цифровые электронные устройства на
уровне отдельного элемента.
Измерительные приборы хранят «меру» физической величины,
с которой и сравнивается измеряемое ее значение. При этом при-
ходится часто поверять эту «меру» с эталонной (образцовой),
чтобы убедиться в правильности и единстве выполняемых изме-
рений. Отметим, что большинство первичных эталонов не только
хранят, но и воспроизводят единицу физической величины. С рос-
том требований к точности измерений все чаще возникает вопрос:
а нельзя ли «меру» не только хранить, а при любом измерении
воспроизводить. При этом отпадает необходимость поверять со-
ответствующее средство измерений (остается, конечно, операция
проверки работоспособности). Для реализации свойства воспроиз-
водимости в приборы должны быть встроены «вечные меры», не
меняющие своих качеств в зависимости от условий и времени
проведения измерений. Подобные «вечные меры» могут быть
созданы на основе ряда физических природных констант, явлений
и эффектов. Так, все чаще разработчики радиоизмерительных
приборов обращаются к эффекту Джозефсона, применение кото-
рого в следующие 5—10 лет, очевидно, найдет достаточно широ-
кую практическую реализацию во многих видах техники. Вычис-
лительная техника, магнитометрия, СВЧ микроэлектроника, из-
мерения электрических и теплотехнических физических величин
и другие — это немногие из возможных сфер применений на прак-
тике эффекта Джозефсона [8]. Как и во многих других случаях,
измерительная техника несколько раньше «соприкоснулась» с
данным эффектом и это заслуживает того, чтобы кратко изло-
жить его сущность и возможности.
При температурах ниже определенной, свойственной данному
металлу или сплаву, так называемой критической температуре
Ткр, он переходит в сверхпроводящее состояние, в котором элек-
трические и магнитные свойства резко изменяются по сравнению
с теми, которые металл (сплав) имеет при обычных температу-
рах. Основными свойствами сверхпроводников является полное
отсутствие электрического сопротивления постоянному току, не-
изменность со временем магнитного потока в сверхпроводящем
кольце, эффект квантования магнитного потока, невозможность
проникновения внешнего магнитного поля вглубь сверхпровод-
36
ника, если напряженность Н магнитного поля меньше определен-
ного критического значения Нкр (свойство идеального диамагне-
тизма) и др.
Возникновение сверхпроводящего состояния объясняется появлением особого
вида носителей электрического заряда — связанных электронных (куперовских)
пар, образуемых при температуре ниже Ткр и достигающих максимальной кон-
центрации при 7'кр = 0 К. Пары образуются вследствие действия сил фононного
притяжения между электронами (фонон — квант колебаний кристаллической ре-
шетки, которая находится в колебательном движении и при Т=0 К). При Г=
=0 К все электроны в сверхпроводнике оказываются попарно связанными. Для
разных металлов и сплавов значения Ткр различны, например для алюминия
7^= 1,2 К, для ниобия 7\р=9,22 К.
Вследствие большого размера электронных пар, на несколько порядков пре-
вышающих период кристаллической решетки металла, возникает процесс синхро-
низации пар, т. е. возникает фазовая когерентность, распространяющаяся на весь
объем сверхпроводника. Следствием фазовой когерентности являются свойства
сверхпроводника.
Эффект квантования магнитного потока состоит в том, что заключенный
внутри сверхпроводника (многосвязного) магнитный поток Ф может иметь толь-
ко дискретные значения, кратные кванту магнитного потока Фо, т. е. Ф=пФо,
где п— нуль или целое число; Фо=Л/2е^2,О7• 10-15 Вб; h—постоянная Планка;
е — заряд электрона.
Сам по себе эффект квантования магнитного потока из-за малости Фо прак-
тически может быть обнаружен на сверхпроводниках с очень малыми отверстия-
ми (диаметр кольца около 0,01 мм). Но следствием этого являются эффекты
в так называемых слабосвязанных сверхпроводниках. Если два проводника
(в нормальном состоянии) разделены слоем изолятора (окисной пленкой одного
из проводников толщиной 10-7 см), то из-за туннельного эффекта электроны пе-
реходят из одного металла в другой и между ними устанавливается равновесие,
а при приложении к ним разности потенциалов потечет электрический ток. Если
туннельный контакт образуется между двумя сверхпроводниками, то возникают
два явления, называемые эффектом Джозефсона.
Первое из них (стационарный эффект Джозефсона) состоит в том, что при
нулевой разности потенциалов через туннельный контакт может протекать малый
сверхпроводящий постоянный ток. Второе (нестационарный эффект Джозефсона)
возникает, если к образцу из двух сверхпроводников с туннельным контактом
приложить постоянное напряжение и (например, путем изменения внешнего
магнитного поля). В этом случае через контакт будет протекать переменный
сверхпроводящий ток частотой со = 2е//ш. Эффект протекания переменного тока
обратим: если через туннельный контакт пропустить переменный ток частотой со,
например путем облучения образца электромагнитным полем с частотой со, то на
контакте возникнет постоянное напряжение ц=2е//ко. Погрешность линейности
связи между частотой и напряжением равна 10~16; в экспериментах пока эта
линейность оценена значением порядка 10-9.
Возникающий сверхпроводящий ток через туннельный контакт говорит о на-
личии у контакта реактивности индуктивного характера, изменяющейся с часто-
37
Вид сбоку
Рис. 1.4. Схематическое представление джозефсоновских контактов
той <о и принимающей отрицательные значения. Таким образом, джозефсонов-
ский переход обладает свойствами генератора переменного тока. Так как эффект
Джозефсона воспроизводится в любом из опытов с весьма высокой точностью
(в принципе до 1016), то его можно использовать, например, как эталон единицы
напряжения постоянного тока — вольта (нестационарный эффект Джозефсона).
Такая джозефсоновская мера («вечная мера»), встроенная в вольтметр, придает
ему два незаменимых качества: высокую точность и неизменную воспроизводи-
мость единицы вольта при любом включении прибора (со столь же высокой точ-
ностью). Такой вольтметр, в связи с неизменностью во времени метрологических
характеристик, не будет требовать периодической поверки, т. е. отпадает необхо-
димость в его метрологическом обеспечении, более того, он сам независимо от
назначения будет «вечным эталоном» (до полного израсходования технического
ресурса). В настоящее время широкому внедрению эффекта Джозефсона препят-
ствует отсутствие миниатюрных хранителей жидкого гелия (для обеспечения
джозефсоновскому контакту температур ниже критической), которые не требует-
ся заполнять («доливать») в течение длительного срока (например, одного
года). В недалеком будущем подобные миниатюрные криогенные хранители
(криостаты) будут созданы.
Практическое исполнение джозефсоновских контактов в зависимости от их
назначения, электрофизических параметров и технических требований, может быть
различным (рис. 1.4). К электрофизическим параметрам, в известной мере опре-
деляющим и конструктивное исполнение, относятся так называемые характерные
параметры: напряжение контакта цк, частота fK, критический ток через контакт
/Кр, сопротивление контакта в нормальном состоянии RK. Характерное напряже-
ние uK=IKPRH определяет напряжение на контакте, однозначно связанное с ха-
рактерной частотой через соотношение /к = ^к/Фо, т. е. частотные свойства джо-
зефсоновского перехода. Для большинства сверхпроводников значения и* огра-
ничены несколькими милливольтами и это определяет верхнюю границу частоты
приборов, использующих эффект Джозефсона, значением порядка 1012 Гц. Во
всех случаях, иллюстрируемых рис. 1.4, слабая связь между двумя металличе-
скими «конструкциями» контакта образуется различными способами: в случае
туннельного контакта—слоем изолятора; в случае мостиков постоянной
(рис. 1.4,6) или переменной (рис. 1.4,в) толщины — за счет малой площади пе-
рехода (перемычка шириной около 1 мкм); в случае точечного контакта — за
счет крайне малой площади соприкосновения иглы (рис. 1.4,а).
В последние годы все чаще используют многослойные пленочные контакты,
образуемые на основе интегральной пленочной технологии, т. е., по существу,
38
джозефсоновские микросхемы. Они особенно перспективны, так как обладают
хорошей воспроизводимостью свойств джозефсоновских переходов.
На основе эффекта Джозефсона можно создавать многие ви-
ды измерительной техники: эталоны (калибраторы) постоянного
и переменного тока, высокочастотные генераторы, частотомеры
с воспроизводимостью и долговременной стабильностью не хуже
цезиевых и водородных стандартов частоты и др. На первых по-
рах такие приборы будут чисто метрологическими, образцовыми
или в ряде случаев даже эталонными. Позже их станут все чаще
применять и как рабочие средства измерений.
Все более широкое практическое применение в измерительной
технике находит эффект Холла. Этот эффект связывается с кван-
тованием холловского сопротивления двумерных электронных
структур, которые иногда называются холловскими контактами.
Например, холловским контактом может быть структура ме-
талл — окисел — полупроводник (кремний). Для возникновения
эффекта Холла холловский контакт необходимо охладить до
сверхнизкой температуры (1...4 К) и приложить к нему магнит-
ное поле с индукцией около 6... 16 Тл. При этом под действием
магнитного поля холловское сопротивление изменяется ступень-
ками (квантами), причем на каждой ступеньке электрическое
сопротивление определяется соотношением Rx=h/e2n, где п —
целое число, номер ступени. Важным при этом является то, что
Rx не зависит от магнитного поля, температуры, материала под-
ложки и др.
Поскольку величина h/e2 в настоящее время известна с по-
грешностью около 10~7, то и размер единицы электрического со-
противления на холловском контакте воспроизводится с такой
же погрешностью. Используя совместно эффекты Джозефсона и
Холла, возможно получить «вечные меры» других производных
единиц физических величин, связанных между собой различными
уравнениями связи.
Можно предположить, что широкое внедрение в практику
джозефсоновских и холловских приборов будет иметь революцио-
низирующее действие. Принципиально может измениться харак-
тер метрологического обеспечения измерительной техники и ме-
тоды ее эксплуатации, которые все больше будут подобны мето-
дам эксплуатации криогенной техники. Можно также ожидать, что
уже в начале XXI века «демон поверки», вынуждающий тратить
огромные средства на обеспечение единства измерений, потеряет
свою непреложную значимость. Это раскрепостит всех, кто поль-
зуется измерительной техникой, от строгой власти поверочных
схем. Они, вероятно, не исчезнут, но из законодательных перей-
дут в разряд справочных.
В настоящее время советскими и зарубежными учеными по-
лучены специальные материалы (на основе керамики), в кото-
39
рых сверхпроводящее состояние наступает при Ткр в несколько
десятков кельвинов, т. е. когда ослабляются требования к охлаж-
дающим агентам. Например, созданы материалы, переходящие в
сверхпроводящее состояние при азотных температурах (иногда
называемые высокотемпературными сверхпроводниками). Есть
основания надеяться, что с их помощью можно будет получить
эффекты Джозефсона и Холла. Нетрудно понять, что в этом слу-
чае будут созданы сравнительно недорогие образцовые и рабочие
средства измерений.
Глава 2.
ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ
СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ
2.1. Планирование измерений
Процесс решения любой измерительной задачи естественно
разбивается на три этапа:
подготовка измерений — планирование измерительного экспе-
римента и создание всех необходимых предпосылок для экспери-
мента, направленного на получение измерительной информации;
проведение измерений — экспериментальное определение ре-
зультатов наблюдений;
обработка измерительной информации с целью получения ре-
зультата измерения.
Необходимым условием эффективного применения средств измерений являет-
ся своевременное и качественное планирование измерений. Рассмотрим пример,
иллюстрирующий эффективность составления рациональных планов при решении
одной и той же измерительной задачи об определении массы трех объектов
(а, Ь, с) с помощью весов [9]. Обычно это взвешивание выполняется по плану,
приведенному в табл. 2.1, где плюс означает наличие соответствующего объекта
на весах, а минус — его отсутствие.
Таблица 2.1
Номер опыта а ь с Результат взвешивания
1 Ро
1 + — — У1
3 — 4- — У2
4 — — + Уз
40
Таблица 2.2
Номер опыта а ь с Результат взвешивания
1 + — — У1
2 — 4- — У*
3 — — + Уз
4 + + 4- У*.
Сначала выполняют холостое взвешивание для определения смещения нуля
измерительного устройства, а затем поочередно взвешивают каждый объект, при-
чем его массу оценивают следующим образом:
А = У\— уо\ В = у2—уо‘, С=у3—уо. (2.1)
В предположении, что случайные погрешности измерений независимы, опреде-
ляют дисперсию результатов взвешивания
о*2 [А] = а2[В}=а2[С]=2а2[ у\ (2.2)
где <J2[#] — дисперсия каждого единичного измерения.
Тот же эксперимент можно выполнить по плану, приведенному в табл. 2.2.
Массу объектов находят по формулам:
А= (У1—У2—*/з-НЛ1)/2; В= (—У1+У2—г/з-Н/4)/2;
(2.3)
С== (—yi—У 2~\~У з~\~У 4) /2.
В этом случае дисперсия погрешности взвешивания
о2[А]=о2[(г/1~г/2-г/з+!/4)/2]=4о2[г/]/4 = о2Ы. (2.4)
Аналогично о2[В]=о2[С]=о2[г/].
Из сравнения полученных результатов следует, что при новом плане выпол-
нения экспериментов дисперсия результатов оказывается вдвое меньше, чем при
традиционном методе, хотя в обоих случаях на взвешивание трех объектов за-
трачивалось по четыре опыта. Таким образом, рациональное планирование изме-
рений позволяет обеспечить необходимую точность результатов при минимальных
(или допустимых) затратах. В связи с этим очевидна необходимость применения
некоторых объективных методов, которые позволяют оптимальным образом орга-
низовать измерительный эксперимент.
Цель измерений — получить информацию о количественных
характеристиках или параметрах устройства (или другого объек-
та измерений) для оценки его состояния или поведения при про-
ектировании, производстве, испытаниях и эксплуатации. Несмот-
ря на большое разнообразие измерительных задач, их решение
обычно складывается из определенной последовательности опе-
раций, начиная с постановки задачи и кончая получением ре-
зультатов измерения. Задача формируется на основе анализа
41
конечной цели измерений, определяющей назначение, условия
получения и способы использования измерительной информации,
и только после этого планируется процедура измерений, включа-
ющая:
построение или выбор модели объекта измерений;
определение наилучшего плана проведения эксперимента;
выбор вида измерений (прямые, косвенные, совокупные или
совместные измерения);
выбор средств измерений;
учет условий, в которых выполняются измерения;
учет взаимодействия объекта измерений со средствами изме-
рений.
Измерения всегда базируются на априорной (известной до
опыта) информации. На основе априорных данных строят или
выбирают физическую или математическую модель объекта из-
мерений. Этот этап следует считать важнейшим при планирова-
нии измерений, так как ошибки, допущенные на этом этапе, в
дальнейшем невозможно исправить. В ходе измерений модель
объекта можно лишь уточнить, например путем предварительных
измерений. Несоответствие реального объекта приписываемой
ему модели служит источником погрешности, которую обычно
называют погрешностью классификации и относят к методиче-
ским составляющим общей погрешности измерений. Эта погреш-
ность присутствует в результатах измерений всегда, так как не-
возможно построить или выбрать модель, полностью адекватную
объекту измерений. Иначе говоря, модель лишь приближенно отра-
жает состояние и поведение объекта измерений. Чем лучше мо-
дель отражает объект, тем меньше погрешность классификации.
При построении модели исследуемого обекта вначале выдви-
гаются некоторые логически обоснованные предположения. Ис-
ходя из этих предположений и описывают поведение объекта,
обычно в виде дифференциальных уравнений, решение которых
сопоставляется затем с результатами измерений. Однако при
описании сложных систем такие предположения сформулировать
трудно, тогда объект измерений можно представить в виде так
называемого «черного ящика», т. е. системы, структура которой
скрыта от наблюдателя, а суждение о ее функционировании
создается только на основании анализа внешних воздействий
..., Xk и соответствующих им реакций системы j/i, ..., yv
(рис. 2.1). Возмущающие воздействия coi,..., в общем случае
не поддаются контролю и проявляют себя как случайные величи-
ны или функции врмени. Следовательно, одной из основных за-
дач планирования измерений является выявление взаимосвязей
между входными и выходными параметрами объекта и пред-
ставление их в количественной форме в виде математической
модели [9]. Такая модель представляет собой совокупность
уравнений, условий и алгоритмических правил и позволяет ана-
42
Рис. 2.1. Структурная схема
объекта измерений
лизировать и проектировать объекты, а также управлять ими.
Входные параметры, которые влияют на объект и могут быть
измерены, называют факторами.
При пассивном эксперименте исследователь не имеет возмож-
ности воздействовать на объект, поэтому задача определения наи-
лучшего плана проведения эксперимента сводится к оптимальной
организации пассивного сбора информации и включает в себя
такие вопросы, как выбор интервалов времени между моментами
измерений, задание числа выполняемых измерений, определение
метода обработки результатов и т. д. Для решения указанных
вопросов используют известные методы обработки результатов
измерений [10].
В отличие от пассивного эксперимента активный связан с воз-
действием на ход процессов в изучаемом объекте и с возможно-
стью выбора в каждом опыте тех уровней факторов, которые пред-
ставляют интерес. Если какой-либо существенный фактор окажется
неучтенным, то это может привести к заметному повышению по-
грешности эксперимента. С другой стороны, увеличение числа
рассматриваемых факторов приводит к значительному возраста-
нию числа опытов, поэтому следует воспользоваться методами
отсеивания несущественных факторов [11].
При планировании активного эксперимента чаще всего исполь-
зуют полиномиальные модели объектов. В частности, полином
второго порядка
y=ao+'aiXi+a2X2+^iiX2i+a22X22+^i2Xix2 (2.5)
содержит свободный член а0, линейные члены а\Х\ и а2х2, квад-
ратичные члены ацх2ь а22х22 и член 012*1*2, определяющий эф-
фект взаимодействия, который имеет место в том случае, когда
влияние на выходной параметр у одного фактора зависит от
уровня другого фактора.
Методы планирования многофакторного эксперимента, в ко-
тором необходимо учитывать влияние многих независимых пере-
менных, предполагают изменение всех факторов сразу, а не изу-
чение влияния каждого из них в отдельности, как при традици-
онных способах составления планов. Такое многофакторное пла-
нирование более эффективно и позволяет значительно уменьшить
погрешности определения интересующих экспериментатора ве-
личин.
43
Построение плана эксперимента сводится к выбору экспери-
ментальных точек, симметричных относительно основного (нуле-
вого) уровня, которым является исходная точка в многомерном
факторном пространстве. Для этого для каждого фактора выби-
рают два крайних уровня, между которыми они будут варьиро-
ваться в ходе эксперимента.
Рассмотрим планирование факторного эксперимента на примере простой и
часто используемой линейной полиномиальной модели, для которой достаточно
использовать только два уровня факторов. Число опытов, необходимых для реа-
лизации всех возможных сочетаний уровней факторов, равно 2* (где k — число
факторов), и имеет место так называемый полный факторный эксперимент. Усло-
вия эксперимента можно записать в виде таблицы (называемой матрицей пла-
нирования эксперимента), в которой строки соответствуют различным опытам,
а столбцы — значениям факторов. Одна из таких матриц планирования для двух
факторов приведена в табл. 2.3, где верхний крайний уровень обозначен -|-1,
а нижний —1.
Эксперимент, содержащий конечное число опытов, позволяет оценить только
коэффициенты модели
# = а0Ц-а1Х1-|-а2*2. (2.6)
Подставив в уравнение модели известные значения факторов и результаты
опытов уц получим систему линейных условных уравнений, решение которой ме-
тодом наименьших квадратов дает искомые оценки параметров модели
/ N \ I
a/ = l2x/^‘l N>
V=’ ' „ (2-7)
i=l
Число опытов в полном факторном эксперименте превышает число коэффи-
циентов линейной модели, причем тем значительнее, чем больше факторов. По-
этому при использовании линейной модели число необходимых опытов можно
сократить.
В частности, при определении коэффициентов полинома
£=a0^a1x1^a2X2+ai2X1X2 (2.8)
в предположении линейности модели исследуемого объекта ai2 = 0 вектор-стол-
бец *1*2 можно использовать для нового фактора х3. Тогда значения нового
фактора в условиях опытов определяются знаками этого столбца. Полученная
матрица сохраняет свои свойства полного факторного эксперимента и позволяет
оценивать свободный член а0 и коэффициенты ai, а2 при линейных членах. Для
этого достаточно половины полного факторного эксперимента, которая называет-
ся полурепликой. В частности, в данном случае можно сформировать лишь две
полуреплики, приравнивая х3 к х^2 или к —XiX2. В ранее рассматриваемом
примере с взвешиванием грузов выигрыш в точности обусловлен тем, что
44
Таблица 2.3
Номер опыта Фактор Результат измерения
xi I *2
1 —1 —1 У1
2 +1 —1 У2
3 —1 +1 Уз
4 +1 +1 Уа
табл. 2.2 представляет собой план дробного факторного эксперимента, составлен-
ного с учетом всех особенностей оптимального планирования. А традиционная
схема взвешивания (см. табл. 2.1) представляет собой однофакторный экспери-
мент.
После выделения параметров и характеристик объекта вы-
бирают виды их измерений в зависимости от возможности реали-
зации, а также от требуемой точности. При проведении измере-
ний средства измерений взаимодействуют с объектом измерений.
При этом объект и средства измерений влияют друг на друга, что
может привести к некоторому изменению свойств объекта и по-
казаний измерительного прибора. Так, входное сопротивление
подключаемого средства измерений может существенно повлиять
на режим работы объекта и привести к погрешности в результа-
тах измерений. При измерениях в цепях переменного тока следу-
ет учитывать влияние на объект не только активной составляю-
щей входного сопротивления средства измерений, подключаемого
к объекту, но и реактивной. На режим работы объекта и, следо-
вательно, на результат измерений особенно сильно воздействуют
емкостные составляющие входных сопротивлений электронных
вольтметров и осциллографов. Подключение вольтметра (осцил*
лографа) к колебательному контуру приводит к снижению резо-
нансной частоты контура за счет входной емкости вольтметра
или осциллографа и к снижению добротности контура за счет
шунтирующего действия активной составляющей входного сопро-
тивления этих приборов.
Например, пусть требуется измерить напряжение на колебательном контуре,
включенном в цепь высокочастотного генератора и настроенном в резонанс с ко-
лебаниями генератора. Для этого к контуру подключают электронный вольтметр.
Активное сопротивление /?вх и емкость Свх входной цепи оказываются включен-
ными параллельно колебательному контуру и изменяют его параметры, умень-
шая эквивалентное сопротивление контура и напряжение на нем. Нарушение
режима работы схемы (и вызванная этим погрешность измерений) будет тем
больше, чем больше входная емкость вольтметра. При планировании измерений
надо стремиться к тому, чтобы эти изменения лежали в допустимых пределах.
Так, если активная составляющая входного сопротивления много больше резо-
нансного сопротивления контура, то влияние входной емкости вольтметра
45
(осциллографа) можно уменьшить, включив последовательно между вольтметром
(осциллографом) и объектом измерений конденсатор малой емкости (1 ... 2 пФ)
с малыми потерями (типа КД, КТ, КСО и т. п.). При этом действительное зна-
чение напряжения на контуре
Г/ = хп 14
1 27tfCB4/?BX \ / Свх. \
2*fCKRB, п к + Ск Г
(2.9)
где хп — показания прибора; f — частота измеряемого напряжения в мегагерцах;
Свх — входная емкость измерительного прибора в пикофарадах; Ск — емкость
дополнительного конденсатора в пикофарадах, /?вх — входное активное сопротив-
ление измерительного прибора в мегомах.
Стандартные методики измерений учитывают всевозможные
источники погрешностей измерения, регламентируют последова-
тельность действий, обеспечивающих наименьшую погрешность
измерений. При отсутствии стандартной методики производят
аттестацию методики измерений, в ходе которой определяют
сначала составляющие погрешности измерений, а затем и сум-
марную погрешность, значение которой и приписывают данной
методике.
2.2. Влияние средств измерений на точность и надежность
технических устройств
Измерения влияют на уровень разработки, производства, ис-
пытаний и эксплуатации технических устройств через длинную и
сложную цепь взаимодействий. Кроме того, этот уровень обуслов-
лен многочисленными взаимосвязанными и взаимозависящими
факторами, среди которых трудно выделить метрологические.
Поэтому до сих пор не созданы общие способы определения эф-
фективности применения средств измерений при разработке, про-
изводстве, испытаниях и эксплуатации технических устройств.
Эффективность средств измерений при производстве устройств
оценивают с помощью функции суммарных потерь [12]:
1. При контроле продукции
С= CiPa0+C2 (1—Р) Ро, (2.10)
где Ci, С2— стоимость ущерба, наносимого ошибочными реше-
ниями в условиях ложного и необнаруженного отказов соответст-
венно; Р — вероятность поступления на контроль годного устрой-
ства; а0, р0 — условные вероятности ложного и необнаруженного
отказов, характеризующие достоверность измерительного конт-
роля.
Долю ошибочно принятых или неверно забракованных уст-
ройств при приемочном контроле можно определить с помощью
графиков на рис. 2.2 [13].
46
Рис. 2.2. Зависимость достоверности приемочного контроля от погрешности
измерения:
п — отношение числа ошибочно забракованных изделий к общему числу изделий (статисти-
ческая оценка вероятности ложных отказов Рл0); т — отношение числа ошибочно принятых
негодных изделий к общему числу проверенных изделий (статистическая оценка вероятно-
сти необнаруженных отказов Рно); Л — среднее квадратическое отклонение погрешности
измерения, отнесенное к допуску на контролируемый параметр Г; —среднее квадрати-
ческое отклонение контролируемого параметра;----------------гауссовское распределение;
равномерное распределение
2. В системах регулирования
С=Ф1 [Ф(Д) 1 (Д)]+Ф2[Ф(Д)] [1-1 (Д)], (2.11)
где Д — погрешность измерений; Ф(Д)—нормируемая характе-
ристика погрешности средств измерений; фЬ ф2 — зависимости
стоимости ущерба от Ф(Д) соответственно при положительных и
отрицательных значениях погрешности измерений;
( 1 при Д > 0;
1 (А) — |0 ПрИ д
47
Рассмотрим подробно вопрос о влиянии средств измерений на
надежность находящегося в эксплуатации технического устрой-
ства. Использование средств измерений при эксплуатации уст-
ройств направлено на достижение требуемой готовности этих уст-
ройств. Чаще всего средства измерений применяются для конт-
роля работоспособности устройства и отыскания отказавших
ментов. Их характеристики (точность и быстродействие) опреде-
ляют достоверность и продолжительность контрольных и диагно-
стических операций, поэтому количественно оценить эффектив-
ность применения средств измерений можно по коэффициенту
готовности устройств Кг> рассматриваемому как функция показа-
телей достоверности и продолжительности измерительного конт-
роля и диагностики. В частности, когда средства измерений ис-
пользуют для периодического контроля находящегося в эксплуа-
тации устройства и локализации отказавшего элемента (если по
результатам контроля установлена неработоспособность устрой-
ства), зависимость коэффициента готовности от показателей до-
стоверности и продолжительности этих операций имеет вид [14]:
% =________________1 — ехр( —ХТК)______________
Г Р^к/(1 - Ро) + ехр( - ХТК)] [ 1 _ ехр( — ХТК)1 +
-----ГЬ^еХв(-ХТ )-----1' (2Л2)
“Ь ; 7 Ро + 1 I + [ 1—ехР( —к) (1 —а0) ]
L 1 — р0 J
где % — интенсивность отказов устройства; Тк, — период и про-
должительность контроля соответственно; а0, 0О — условные ве-
роятности ложного и необнаруженного отказов; tB— среднее вре-
мя восстановления устройства, зависящее от быстродействия и
точности используемых при диагностике средств измерений.
Анализ зависимостей Кг от Тк, а0, Ро, tK, tB (рис. 2.3) свиде-
тельствует о том, что на коэффициент готовности технических
устройств в наибольшей степени влияют продолжительность кон-
троля и диагностики, а также периодичность проверки устройств.
Следовательно, для достижения высокой готовности надо в пер-
вую очередь сокращать затраты времени на контроль и диагно-
стику, а также оптимизировать периодичность контроля. Этим
обусловлено появление автоматизированных систем контроля,
АИС, средств измерений со встроенными микропроцессорами.
Условная вероятность ложного отказа характеризует долю неправильно за-
бракованных устройств (при условии, что контролю подвергаются лишь работо-
способные устройства); условная вероятность необнаруженного отказа характе-
ризует долю неверно признанных работоспособными, но на самом деле отказав-
ших устройств (при условии, что проверяются лишь отказавшие устройства).
Эти вероятности зависят от точности и полноты измерений параметров
48
Рис. 2.3. Зависимости коэффициента готовности от достоверности контроля при
/к=1 ч, /в=Ю ч, Тк=50 ч, Л=10-2 ч”1 (а), а также от его продолжительности и
периодичности (б)
устройств [15]:
аО=аОн+(1 аОн) П (1 аО1)П]» (% J3)
п_ П [Pjl - %1) + (1 - Л)Ро1Г [Р1( 1 - %1)Р
w 1-рг “Г
/ п \ ]
где аон, рон—условные вероятности ложного и необнаруженного отказов, ха-
рактеризующие достоверность неизмерительного контроля работоспособности
(органолептического, тестового и т. п.); ao ь ро i—условные вероятности лож-
ного и необнаруженного отказов, характеризующие достоверность измерительно-
го контроля одного параметра устройства (определяют по номограммам, приве-
денным в Приложении 1); п — число измеряемых параметров устройства; N —
число параметров устройств, обеспечивающих полный охват всех элементов
устройства при измерительном контроле (100%-ную полноту контроля); Pi —
вероятность того, что в момент контроля измеряемый параметр находится в пре-
делах поля допуска. Если в момент проверки работоспособности устройства
часть его параметров не измеряется вследствие отказа или отсутствия на месте
эксплуатации необходимых средств измерений, то достоверность измерительного
контроля уменьшается. В этом случае
% = ao н + (1 % н)[ 1 — (1 — aoi)n (Рс и + ~7~
\ U — aoi)
Ро = Ро Н £ уу Р\( 1 - Pol) 4” Рс и( 1 - а01)а ^1 - "л?”) X
1-Рси У"1
Рси(1-%1)ПН
где Реи — вероятность нахождения средства измерений на месте эксплуатации
в работоспособном состоянии и его безотказной работы на протяжении всего
времени контроля устройства.
4—6768 49
(2.14)
(2.15)
<0-
Эти формулы выведены в предположении, что с помощью одного средства
измерений контролируется п/т параметров устройства (т—число средств изме-
рений, искользуемых при проверке устройства). Чтобы достоверность контроля
технических устройств не снижалась из-за отказов средств измерений, необходи-
мы подменные фонды этих средств, т. е. запасные средства измерений, которые
можно использовать вместо отказавших основных.
Оптимальный период Тк измерения параметров определяется
из условия максимизации коэффициента готовности устройства.
Для этого необходимо решить систему
дКг(Тк) _ Q.
дТк
дгКг(Тк)
Подставляя (2.12) в систему (2.15) и решая последнюю,
можно определить значения Тк.опт, при которых коэффициент го-
товности максимален. Как показывает численный анализ, значе-
ние Тк.опт зависит от достоверности а0 и р0, продолжительности
контроля tK и среднего времени восстановления устройства tB
(рис. 2.4). Анализ графиков на рис. 2.4 свидетельствует о том,
что оптимальный период проверки технических устройств в зна-
чительной мере зависит от достоверности контроля. Поэтому пе-
риодичность проверки следует определять с учетом достигнутых
значений условных вероятностей ложного и необнаруженного от-
казов.
Продолжительность контроля tK обусловлена затратами вре-
мени на подготовительные работы (£п), неизмерительный конт-
роль /н, числом измеряемых параметров п и продолжительностью
измерения одного параметра Ц:
/к^^п4“^н'4“^и(^Ь Л)> (2.16)
где ta—продолжительность измерительного контроля.
Подготовительные работы включают в себя подготовку уст-
ройства к измерениям, развертывание средств измерений и под-
готовку их к применению (прогрев, подсоединение и т. п.). Про-
должительность измерения одного параметра складывается из
затрат времени /Ком — на коммутацию измерительной цепи, /Пв—
на подачу входного сигнала, /усп — на завершение переходных
процессов в объекте измерений после подачи стимулирующих сиг-
налов, /иэм — на собственно измерения выходного сигнала, tp — на
регистрацию и индикацию результата измерений:
t\ = ^ком+^пв+^усп+^иэм +/р- (2.17)
Усредненные оценки продолжительности операций, связанных
с измерением параметров и контролем работоспособности радио-
электронных устройств, приведены в табл. 2.4.
50
Элементарная операция
Таблица 2.4
Продолжи*
тельность, ч
До 0,5
0,16...0,25
0,0001
0,051
0,017
0,05...0,15
0,2...0,25
Внешний осмотр цепей
в схемах
Вскрытие снимаемых
выдвигаемых блоков
Включение источника
питания
Подготовительные вклю-
чения в устройстве
Измерения с помощью
встроенного прибора
Оценка выходных сиг-
налов на оконечных
устройствах объекта
троля
Подготовка осциллогра-
фа или электронного
вольтметра к измере-
ниям
Измерение электронным
вольтметром
Измерение сопротивле-
ния или тока со вспо-
могательными опера-
циями
Подготовка радиоэлек-
тронного устройства
для измерений в высо-
кочастотных цепях
Измерения в высокочас-
тотных цепях
Подключение эквивален-
та нагрузки
Измерение чувствитель-
ности радиоприемного
устройства
Измерение коэффициента
шума
Рис. 2.4. Зависимости оптимальных
интервалов между проверками от
достоверности контроля при fK=5 ч,
/в=10 ч (-------) и /к=1 ч, /в=
=5 ч (-------)
Формулы для расчета про-
должительности контроля и дан-
ные табл. 2.4 свидетельствуют,
что большой вклад во времен-
ные затраты на контроль вно-
сят операции подсоединения и
отсоединения измерительных
приборов от контролируемых
устройств. Для их уменьшения
важно упростить и стандартизи-
ровать элементы стыковки
средств измерений с объектами
измерений, т. е. наряду с при-
борным интерфейсом иметь стан-
дартный «внешний» интерфейс
для облегчения связи средств
измерений с техническими уст-
ройствами.
0,02
0,087
0,4...0,5
0,33...0,5
0,1
0,5...0,7
0,5...0,7
Параметры устройств измеряются внешними и встроенными средствами изме-
рений. Как правило, с помощью встроенных приборов определяют параметры
активных (энергосодержащих, энергонесущих) цепей, и поэтому эти приборы
сразу же после включения устройства в работу дают показания. При этом за-
траты времени связаны только с установкой необходимого диапазона измерений,
выбором режима измерений, отсчетом показаний и сравнением результатов изме-
рений с допустимыми значениями контролируемого параметра. При контроле па-
раметров с помощью внешних средств измерений затраты времени существенно
больше: они связаны с развертыванием и подсоединением средств измерений
к устройству, их прогревом, выбором режима измерений, проведением собственно
измерений и свертыванием средств измерений (отключением их, помещением
51
в укладочные ящики и т. п.). Учитывая это, можно уточнять формулу для опре-
деления продолжительности контроля устройства следующим образом:
%н
<к = /и+У ( —3 +G<) + ™х (2.18)
V "BH1 7 ^’’«всгр
где Ивн, Ивстр — число параметров устройства, измеряемых соответственно с по-
мощью внешних и встроенных средств измерений; лвн i— среднее число парамет-
ров устройства, измеряемых одним прибором.
Полагая, что продолжительности измерения одного параметра с помощью
внешнего и встроенного прибора одинаковы и равны 6, упростим формулу
(2.18):
^К = ^Н-|-Явн/Пвн1 (*п1~1\ (Явн-J-1)* (2*19)
Практика показывает, что контроль внешними средствами измерений зани-
мает приблизительно 70 % общего времени, отводимого на подготовку устройств
к применению, а встроенными — только 30 %. Отсюда путем расчетов можно
установить, что неизмерительный контроль составляет приблизительно 25 %
общего времени подготовки к применению.
Если учесть возможность отказа (с последующим восстановлением) средств
измерений в процессе проверки устройства, то продолжительность контроля ста-
нет больше:
*К = *Я + (*ni + *31) + *Л и(пвн + 1) + (пвн + 1) (*! + *св и) (1 - Рс и),
Лвн1
(2.20)
где /вс и — среднее время восстановления средства измерений.
Следует заметить, что отказ можно устранить, либо отремонтировав отказав-
ший прибор, либо заменив его заведомо работоспособным. Естественно, что ме-
тод восстановления средства измерений существенно сказывается на tK.
В сложных устройствах одновременно могут измеряться несколько парамет-
ров, поэтому для них общее время контроля работоспособности
^ = ^-Ь-^[-^(/п1 + ^1)+^си(Пвн+1) + («вн+ 1)(<1+/'И)(1-Реи)] ,
Л L Пвн1
(2.21)
где /С— коэффициент одновременности измерений параметров, характеризующий
среднее число одновременно измеряемых параметров устройства.
Продолжительность восстановления устройства определяется
затратами времени на поиск отказавшего элемента (узла) ре-
монт этого элемента или его замену /рем и послеремонтный конт-
роль устройства ?п.к:
*в = ^п“Ь*рем4“*п.к- (2.22)
При агрегатном методе восстановления устройства, который
сводится к замене неисправного элемента (узла) исправным, 2/3
времени затрачивается на поиск отказавшего элемента. Если
применяется последовательный поиск отказавшего элемента, при
52
котором каждый последующий шаг поиска определяется резуль-
татами предыдущего, то при отсутствии ошибок контроля на каж-
дом шаге поиска продолжительность локализации отказа
/н=/(^н+П16), (2.23)
где i — число шагов поиска до обнаружения отказавшего элемен-
та; п\ — число параметров, измеряемых на каждом шаге поиска.
Для произвольных методов диагностирования трудно получить
общее выражение вероятности успешного отыскания отказавшего
элемента Рп. Гораздо проще это сделать для разновидности по-
следовательного метода — метода половинного разбиения:
Рп = ^г(2-ап-?п)1, (2.24)
где ап, ₽п — условные вероятности ложного и необнаруженного
отказов на каждом шаге поиска; определяются по формулам
(2.14), в которые вместо п подставляется п\.
С учетом возможных ошибок принятия решений в процессе
диагностики продолжительность восстановления устройства
^в= (^п“Ь^п.к) /Рп“Ь^рем. (2.25)
Таким образом, приведенные выше выражения позволяют
определить значения показателей достоверности и продолжитель-
ности контроля и диагностики устройства в зависимости от точ-
ности, надежности и быстродействия средств измерений и на
этой основе установить зависимость показателей надежности уст-
ройств от качества применяемых при их эксплуатации средств
измерений. Иными словами, появляется возможность количест-
венно оценивать влияние средств измерений на готовность и без-
отказность технических устройств, параметры которых контроли-
руются с помощью этих средств в процессе эксплуатации.
2.3. Точность измерений
Результат измерения не является истинным значением изме-
ряемой величины, поскольку зависит от точности средств изме-
рений, наличия влияющих величин, недостатков метода измере-
ний, неточности передачи средствами измерений размеров физи-
ческих величин и от других причин. Таким образом, погрешность
измерений зависит не только от точности применяемых средств
измерений; она разделяется на инструментальную, методическую
и личную погрешности.
Инструментальная (аппаратурная) погрешность вызвана схемными, кон-
структивными и технологическими недостатками средств измерений, их состоя-
нием в процессе эксплуатации. Методические погрешности обусловлены прибли-
женными соотношениями, описывающими протекающие при измерениях процессы,
неточностью алгоритмов обработки результатов измерений, воздействием измери-
53
тельных приборов на объект измерений и т. д. Личные (субъективные) погреш-
ности связаны с несовершенством органов чувств человека-оператора, недоста-
точной его тренированностью и т. п. При измерениях параметров устройств
обычно выполняют так называемые технические измерения, которые выполняют
один раз, как правило, в тех условиях, в которых гарантируются точностные
характеристики средств измерений. Поэтому часто считают, что методические
погрешности учтены при нормировании точности средств измерений и погреш-
ность измерений полностью определяется инструментальной составляющей.
В этом случае погрешность измерений зависит только от точности средств изме-
рений и качества их эксплуатации. Если же значительны Другие составляющие
погрешности измерений, то для установления общей погрешности измерений вы-
полняют метрологическую аттестацию методики измерений.
Средствам измерений присущи систематические и случайные составляющие
погрешности. Систематические погрешности связаны с несовершенством мер,
используемых в измерительных приборах, погрешностью градуировки шкалы, не-
стабильностью источника питания и т. п. Случайные погрешности выявляются
при повторении измерений в неизменных условиях. При этом разброс измерен-
ного значения обусловлен изменяющимися во времени и пространстве причина-
ми, вызывающими появление погрешностей (см. гл. 1).
Выполняемые однократно технические измерения не позволя-
ют по данным эксперимента разделить случайные и системати-
ческие погрешности, поэтому точность измерений оценивают, как
правило, только границей суммарной погрешности средства из-
мерений, для чего используют нормативные данные этих средств,
к которым относят пределы допускаемых основной и всех допол-
нительных погрешностей, а также характеристики нормальных
условий и допускаемые отклонения всех влияющих величин от
нормальных значений. В частности, для щитовых электроизмери-
тельных приборов, манометров и других средств измерений, у
которых случайная составляющая погрешности существенно
меньше систематической, используют следующие способы оценки
точности результата измерений. При прямых измерениях в нор-
мальных условиях она определяется пределом абсолютной основ-
ной погрешности прибора Дп.о.пр и вычисляется через его класс
точности.
Если класс точности прибора Кп обозначен на его шкале чис-
лом без кружка или уголка, то
| Дп.о.пр |<ЯпХлг/100, (2.26)
где xN — нормирующее значение, которое устанавливается госу-
дарственными стандартами на отдельные виды средств измере-
ний.
Для средств измерений с равномерной или степенной шкалой
нормирующее значение должно быть равно большему из преде-
лов измерений или большему из модулей пределов измерений,
если нулевое значение находится внутри диапазона измерений.
Для электроизмерительных приборов с равномерной, практиче-
54
ски равномерной или степенной шкалой и нулевой отметкой внут-
ри диапазона измерений (например, для приборов с двухсторон-
ней шкалой) нормирующее значение может быть равным сумме
модулей пределов измерений. Для средства измерений физических
величин, для которых принята шкала с условным нулем, оно ус-
танавливается равным модулю разности пределов измерений.
Для средств измерений с установленным номинальным значени-
ем измеряемой физической величины нормирующее значение
равно этому номинальному.
Если класс точности прибора Кп обозначен числом над угол-
ком, то
|Дп.о.пР|<адЮ0 (2.27)
и выражается в единицах длины шкалы L (или длины диапазо-
на измерений). При этом предел абсолютной основной погреш-
ности прибора в единицах измеряемой величины находят с уче-
том цены деления шкалы вблизи показаний стрелки прибора.
Если класс точности прибора обозначен числом в кружке, то
| Лп.о.пр | ^/’СпХп/ЮО, (2.28)
где хп — показания прибора.
Если класс точности прибора обозначен двумя числами {с и
d) через косую черту, то
| Лп.о.пр | ^Кт[Хп.в1100, (2.29)
где Хп.в — верхний предел диапазона измерений прибора.
Если класс точности прибора обозначен числом процентов в
кружке, то
| Лп.о.пр | ^КпХп 1100. (2.30)
Для других приборов необходимо принимать во внимание как
систематическую, так и случайную составляющую погрешности
измерений. Как правило, случайная погрешность мало меняется
при изменении условий выполнения измерений, поэтому ее при-
нимают такой, какой она указана в технической документации на
средство измерений. В условиях, отличных от нормальных, до-
минирующее значение приобретают дополнительные погрешности,
которые являются по своей физической сущности систематиче-
скими.
Дополнительные погрешности вызываются отклонениями зна-
чений одной или нескольких влияющих величин от нормальных
или выходом их за пределы нормальных областей. Влияющей
называют физическую величину, характеризующую условия вы-
полнения измерений (температуру, влажность окружающего воз-
духа, частоту электрического сигнала, у которого измеряется
напряжение и т. п.). Нормальное значение влияющей величины
или ее нормальную область указывают в технической документа-
ции в качестве условия, при котором средство измерений обла-
55
дает номинальной точностью. При технических измерениях вли-
яющие величины обычно лишь оценивают, а не измеряют точно;
при этом часто исходят из заранее известных пределов изменения
отдельных влияющих величин.
Чтобы оценить дополнительные погрешности, используют функцию влияния,
которая выражает зависимость погрешности средства измерений от изменения
влияющих величин. Часто зависимость дополнительной погрешности от влияю-
щего фактора аппроксимируют линейной функцией и приводят в технической до-
кументации в форме указания величины дополнительной погрешности при опре-
деленном отклонении влияющей величины от нормального значения. Например,
дополнительная погрешность вольтметра Э421, обусловленная отклонением тем-
пературы от +20° С, составляет 1,2 % от верхнего предела диапазона измерения
прибора на каждые 10 °C. Предел измерения вольтметра равен 50 В, следова-
тельно, искомая функция влияния запишется в виде
9Д°П = аГ + b = (<’ - 20) = 0,06/° —1,2,
где Г — температура, при которой выполняются измерения, в градусах Цельсия.
При косвенных измерениях значение неизвестной величины у
находят путем согласованных измерений других величин хь ...
хт (аргументов), связанных с у известной зависимостью:
y = f(Xi,...,Xm). (2.31)
На практике для оценки косвенных измерений эту зависи-
мость линеаризуют и погрешность определения у представля-
ют в виде взвешенной суммы погрешностей измерения аргумен-
тов:
т
г“=Е«)Л (2-32>
где индекс 0 означает, что в частные производные следует подстав-
лять средние значения аргументов.
После того как определены частные составляющие системати-
ческой и случайной погрешностей измерений, необходимо оценить
границы общей систематической В и случайной погрешности чр.
Для прямых измерений на практике
/"й
6= 1,1...1,41/ (2.33)
Г /=о
где 0/ — граница составляющей /*-й систематической погрешности.
Когда речь идет об измерениях одного и того же параметра на
различных устройствах либо на одном и том же устройстве, но в
разные моменты времени и разными экземплярами измерительно-
го прибора одного и того же типа, то и саму систематическую по-
56
Таблица 2.5
Доверительная вероятность Значение коэффициента для формулы
(2.33) (2.34)
0,95 Ы 2,0
0,98 1,3 2,4
0,99 1,4 2,6
грешность можно рассматривать как случайную величину, по-
этому к ней применимы методы математической статистики, при
этом случайная погрешность
Ф = (2,0...2,6)
(2.34)
где eg — среднее квадратическое отклонение g-й составляющей
случайной погрешности средства измерений.
Здесь составляющими систематической и случайной погреш-
ности измерений являются соответствующие части основной и
дополнительной погрешности, обусловленные воздействием на
средства измерений различных влияющих величин.
Числовые сомножители выбирают из указанных в этих форму-
лах диапазонов в зависимости от значений доверительной веро-
ятности (табл. 2.5).
При очень малом числе слагаемых (т=2...3) вычисленное
по формуле (2.33) значение может превышать арифметическую
сумму 0j, что невозможно с физической точки зрения. Поскольку
т
всегда должно выполняться условие S = то при очень
/=1
малом числе слагаемых следует сравнить значение, определенное
по (2.33), с арифметической суммой 0; и в качестве оценки гра-
ницы результирующей систематической погрешности принять то
из них, которое меньше. Таким образом, можно записать
(1,1...1,4) |/ £0/, если (1,1...1,4)1/ £0>;
/=1 F /=1 /=1
если (1,1...1,4) 1/ 2 0/> £0,.
. /=1 у /=1 /=1
(2.35)
57
Для косвенных измерений при наличии одной составляющей
систематической погрешности измерения /-го аргумента
0 = (1,1... 1,4)
'V
о
(2.36)
(в этом случае предполагается, что эта составляющая имеет рав-
номерное распределение внутри своих границ 0j).
При большом числе источников систематических погрешно-
стей измерения, когда результирующая систематическая погреш-
ность имеет нормальное распределение,
(2.37)
где 0,- — предел систематической погрешности измерения.
Среднее квадратическое отклонение случайной погрешности
косвенных измерений
(2.38)
где сХ/— среднее квадратическое отклонение случайной погрешности
измерения аргумента.
При технических измерениях границу полной (или суммар-
ной) погрешности А оценивают по границе результирующей сис-
тематической погрешности 0 и доверительной границы случайной
погрешности -ф. Для этого проще всего суммировать эти гранич-
ные значения, т. е. положить, что
A=0-H|,. (2.39)
Однако такая оценка будет завышенной, и ее можно уточнить по
формуле [16]
Д = (0Д-ф))Л 52+$2/(5е + $ф), (2.40)
где Se — оценка среднего квадратического отклонения система-
тической составляющей погрешности, рассматриваемой как рав-
номерно распределенная случайная величина; — оценка сред-
него квадратического отклонения случайной составляющей по-
грешности.
Тем не менее точные значения Se и Зц, получить на практике
сложно, поэтому для упрощения расчетов предел суммарной по-
грешности измерений определяют по формуле
д=(0+4)/%, (2.41)
где к — функция отношений Se/S^.
58
Если принять Л=0,85, то относительная погрешность оценки
предела Д не будет превосходить 20%. Если положить
(0,9(0 + ф) при 5е/5ф<0,25 и Se/S<|>>4,0,
Д = (0,75 (6 + ф) при 0,25 < Se/Зф < 4,0, (2Л2)
то погрешность оценки предела Д составит 7... 11%.
Границу суммарной погрешности измерений принимают равной гра-
нице случайной погрешности, если 0 Л/ °g2 либо грани-
' £=1
це систематической погрешности, если
Погрешность средств измерений не остается постоянной, а
существенно меняется во времени, поэтому реальную точность
прибора следует оценивать с учетом стабильности его метрологи-
ческих характеристик. Как правило, с течением времени изменя-
ется основная погрешность (чаще всего ее систематическая со-
ставляющая), поэтому реальную точность прибора можно оце-
нить по формуле
[ =1
ф + (1,1...1,4) Г/ {0о[1-Рм(О1 + (1,5...2) 0оРм(О}* + 3 V >
/=2 J
(2.43)
где 0о — предел систематической составляющей основной погреш-
ности измерительного прибора; Рм(0—вероятность нахождения
основной погрешности средства измерений в пределах нормиро-
ванного поля допусков в момент времени t.
При выводе этой формулы предполагалось, что метрологиче-
ский отказ (уход метрологических характеристик средств измере-
ний за пределы поля допусков) приводит к возрастанию основ-
ной прогрешности прибора в 1,5...2 раза. Вероятность Рм(0 за-
висит не только от стабильности метрологических характеристик
средств измерений, но и от принятой системы метрологического
обеспечения и эксплуатации этих средств. Так, в [18] установле-
но, что в течение межповерочного интервала точность средств из-
мерений соответствует установленным нормам с вероятностью
ЗД-1-0.196^,/ У+7 +
59
/р — продолжительность межповерочного интервала; Др — предел
допускаемой суммарной погрешности рабочего средства измере-
ний; оо — среднее квадратическое отклонение погрешности образ-
цового средства измерений, используемого при поверке рабочего
средства измерений.
Приведенные формулы можно использовать для оценки точ-
ности измерений параметров и характеристик устройств и обос-
нованного выбора средств измерений по точности.
2.4. Выбор средств измерений
Правильный выбор средств измерений является необходимым
условием получения достоверной измерительной информации.
Поэтому основное внимание при выборе средств измерений для
решения заданной измерительной задачи уделяют обеспечению
необходимой точности измерений в динамическом и частотном
диапазонах изменения измеряемых параметров технических уст-
ройств. Одновременно учитывают и условия, в которых планиру-
ется использовать средства измерений, а также допустимую про-
должительность измерений.
При анализе условий, в которых будут проводиться измерения, определяются:
уровни механических воздействий на средства измерений (вибрации, удары,
линейные ускорения и т. п.);
значения климатических факторов (температура, влажность, атмосферное
давление);
наличие активно разрушающей среды, к воздействию которой не приспособ-
лен измерительный прибор (агрессивные газы и жидкости, грибки);
наличие сильных магнитных и электрических полей и защиты от них у вы-
бираемых средств измерений.
В простых измерительных задачах, заключающихся в опреде-
лении значений параметров несложных устройств, вопросы выбо-
ра и применения средств измерений решают, как правило, эври-
стически, на основе практического опыта. В этом случае реко-
мендации носят общий характер и сводятся к необходимости
проверки следующих условий:
средства измерений должны обеспечивать измерение парамет-
ров устройств с необходимой точностью, быстродействием, в за-
данном диапазоне значений измеряемой физической величины, в
определенных условиях окружающей среды (при фиксированном
уровне внешних воздействующих факторов);
средства измерений должны быть приемлемыми по стоимости,
эргономическим, массогабаритным и другим характеристикам.
Однако усложнение технических устройств, необходимость
точного определения значений тысяч и десятков тысяч парамет-
ров привело к тому, что для метрологического обеспечения экс-
плуатации сложных технических комплексов и систем потребова-
60
лись многие сотни средств измерений. В связи с усложнением
технических устройств, повышением уровня автоматизации и рос-
том их значения в народом хозяйстве возросла ответственность
решений, принимаемых на основе измерительной информации и,
как следствие, увеличилась цена допускаемых ошибок. Вследст-
вие этого большую значимость приобрел правильный выбор
средств измерений для метрологического обеспечения эксплуата-
ции сложных технических комплексов и систем.
Рационально выбрать средства измерений эвристическими
методами практически невозможно, поскольку во внимание при-
нимается не только требуемые точность, быстродействие, диапа-
зон измерений, но и надежность, стоимость, периодичность повер-
ки средств измерений, стойкость их к внешним воздействующим
факторам и др. Эти параметры определяют качество измерений,
поэтому средства измерений выбирают с учетом их влияния на
надежность находящегося в эксплуатации устройства.
Первоначально определяют типы средств измерений, пригод-
ные по своему функциональному назначению, диапазонам изме-
ряемых физических величин, стойкости к внешним воздействую-
щим факторам, массогабаритным характеристикам для решения
измерительных задач, возникающих при метрологическом обеспе-
чении эксплуатации технического устройства. После того как вы-
браны измерительные приборы, пригодные для указанных в
измерительной задаче условий, необходимо правильно оценить,
какой из них обладает наименьшей избыточностью по точностным
характеристикам. Стремление произвести измерение с большей,
чем это необходимо, точностью приводит к удорожанию измере-
ний. В то же время снижение требований к точности ухудшает
достоверность результатов измерений и обесценивает их. Выбор
прибора, не имеющего точностной избыточности, позволяет, как
правило, обеспечить меньшие затраты на измерения. Известные под-
ходы к выбору средств измерений по точности основаны на рас-
смотрении двух различных случаев их использования:
для измерения параметров устройств;
для контроля параметров [19].
В первом случае задача сводится к выбору такого средства
измерений, с помощью которого достигается значение предела
суммарной погрешности измерения параметров Дф, не превышаю-
щее требуемое Дтр:
Дф^^Дтр* (2.45)
Во втором случае средства измерений выбираются из условия,
что вероятности ложного aoi и (или) необнаруженного отказа poi
контролируемого параметра не должны превышать допустимых
значений:
Рох<₽51, (2.46}
61
где —допустимые значения условных вероятностей ложного
и необнаруженного отказов.
Условные вероятности aoi и poi, погрешность измерений и допуск на контро-
лируемый параметр связаны следующим образом [27]:
aoi
—оо
оо
f(y) dy+ [
Лв-е-х
(2.47)
ли AB-t-x Ав-*-х I At
Pol = J f(x)dx J f(y)dy + § f(x)dx — J f(y)dy / J f(x)dx +
—00 Лд+8— x Ав Лн+е— x I —00
oo
+ J f(x)dx,
где x — действительное значение контролируемого параметра (случайная вели-
чина при измерениях параметра на различных устройствах в разные моменты
времени); f(x) —плотность вероятности распределения значений контролируемо-
го параметра; у — значение погрешности измерений; f(y)—плотность вероятно-
сти распределения значений погрешности измерений; Лн, Ав — соответственно
нижняя и верхняя границы поля допуска контролируемого параметра; е — су-
жение (расширение) поля допуска на результат измерения по сравнению с допу-
ском на значение контролируемого параметра (образование контрольного до-
пуска); это расширение (сужение) используют для перераспределения ошибок
контроля (например, уменьшения poi и одновременно увеличения aoi, и на-
оборот).
Следовательно, задаваясь значениями условных вероятностей
ложного и необнаруженного отказов, можно устанавливать тре-
бования к погрешностям измерений параметров и на этой основе
выбирать приемлемые по точности средства измерений. Задача
выбора измерительного прибора сводится при этом к определе-
нию соотношения между требуемым пределом допускаемой по-
грешности измерений и допуском на контролируемый параметр.
Исходными данными, необходимыми при выборе средств из-
мерений по точности, являются:
состав измеряемых и контролируемых параметров устройства;
значения допусков на отклонения контролируемых парамет-
ров и допустимые значения суммарной погрешности определения
значений измеряемых параметров;
допускаемые значения условных вероятностей ложного и не-
обнаруженного отказов для каждого из контролируемых пара-
метров;
62
законы распределения отклонений контролируемых парамет-
ров от своих номинальных значений.
При выборе средств измерений для контроля параметров на-
до рассчитать допускаемое значение суммарной погрешности из-
мерений
Дтр=|би|К, (2.48)
где |би| —абсолютное значение ширины поля допуска на резуль-
тат измерения контролируемого параметра; /? — допускаемое со-
отношение между погрешностью измерений и отклонением зна-
чений контролируемого параметра от номинала.
Значение 7? определяется раздельно по заданным допускае-
мым значениям условных вероятностей ложного и необнаружен-
ного отказов с учетом законов распределения погрешностей из-
мерений и значений контролируемого параметра.
На практике не всегда известны исходные данные, необходи-
мые для решения задачи выбора средств измерений по точности:
часто отсутствует информация о законах распределения контро-
лируемых параметров и погрешности измерений, а имеются лишь
сведения о ширине поля допуска на контролируемый параметр.
В таких случаях средства измерений выбирают по коэффициенту
точности Кт, характеризующему отношение ширины поля допус-
ка на контролируемый параметр к пределу суммарной погреш-
ности измерений:
Кт=биЛД, (2.49)
так, чтобы обеспечить значение коэффициента точности больше
допустимого. В зависимости от важности контролируемого пара-
метра требуемое значение Кт выбирается в пределах 10...2.
При этом необходимо ориентироваться на определенную, луч-
ше всего стандартизованную или аттестованную методику изме-
рения соответствующей физической величины или параметра уст-
ройства. При отсутствии таких методик следует рассмотреть воз-
можность выбора средств измерений из числа допущенных к
применению соответствующими рекомендательными и ограничи-
тельными перечнями. Методика выбора средств измерений по точ-
ности приведена в Приложении 1.
2.5. Методы анализа процессов технического обслуживания
и поверки средств измерений
Современная измерительная техника является высокоточной
и высокоавтоматизированной; она позволяет в короткие сроки
получить объективную и достоверную информацию необходимого
объема. Требуемого эффекта от использования измерительной
техники можно достигнуть лишь при правильном ее применение
своевременном и качественном техническом обслуживании и ре-
63
монте. В свою очередь, правильная эксплуатация измерительной
техники планируется на основе результатов анализа процессов ее
технического обслуживания и поверки. Эти результаты необхо-
димы для определения режимов хранения, транспортирования,
поверки, технического обслуживания и восстановления измери-
тельной техники, для оптимизации структуры и оснащения мет-
рологических и ремонтных органов, для установления научно обо-
снованных методов ее технического обслуживания, поверки и
восстановления.
Особенность эксплуатации измерительной техники обусловле-
на исключительно большим вниманием, которое уделяется обес-
печению ее безотказности, главным образом по скрытым (метро-
логическим) отказам. Дело в том, что последствия использова-
ния измерительной техники, имеющей метрологический отказ,
могут быть чрезвычайно большими и трудно предсказуемыми.
Поэтому при планировании технического обслуживания и повер-
ки основную цель видят в достижении необходимого уровня мет-
рологической надежности измерительной техники.
В качестве показателя метрологической надежности, как пра-
вило, используют вероятность Рм(т) сохранения значений метро-
логических характеристик в заданных пределах в течение меж-
поверочного интервала т [20, 21].
Требуемый уровень метрологической надежности зависит от сферы примене-
ния средств измерений и выбирается из условия обеспечения необходимой эффек-
тивности обслуживаемых технических устройств. Как правило, этот уровень для
рабочих средств измерений составляет 0,85 ... 0,9, для образцовых 0,9 ... 0,99.
Метрологическую надежность средств измерений можно определить по ре-
зультатам опытной эксплуатации, учитывая начальную плотность распределения
и характер изменения метрологических характеристик за межповерочный интер-
вал. Начальная плотность распределения определяется по результатам приемо-
сдаточных испытаний, а характер изменения метрологических характеристик —
по результатам измерений их значений во время испытаний и опытной эксплуа-
тации.
В этом случае в соответствии с [22]
*м(т) — , #
р>)п-л>)]°;2р
Р>) [1 - -PmWI + Sp
где Р* (т), °рр — значение показателя метрологической надежности и его среднее
квадратическое отклонение, полученное расчетным путем по результатам приемо-
сдаточных испытаний; N— число средств измерений, находящихся на опытной
эксплуатации в течение т; М — число средств измерений, имевших метрологиче-
ские отказы за время опытной эксплуатации.
€4
Метрологическую надежность средств измерений на стадии разработки опыт-
ных образцов можно определить по результатам оценки нестабильности узлов,
блоков и приборов в целом при их плановых испытаниях [23]. Для этого по зна-
чениям нестабильности узлов, блоков, характеризующей скорость изменения мет-
рологических параметров, находят математическое ожидание нестабильности
прибора и его среднее квадратическое отклонение. Испытания прибора на на-
дежность позволяют уточнить характеристики нестабильности. Полученные све-
дения о характеристиках нестабильности позволяют оценить значение показателя
метрологической надежности и его среднее квадратическое отклонение.
Если нестабильность не была оценена во время разработки средств измере-
ний, то
Рм* (т) = 1-720t^KmKc*/P*; (2.50)
< = 720тКи Км Ка‘2 + </т/Т*, (2.51)
где Ли — средний коэффициент использования средств измерений; Лм — доля
метрологических характеристик, не охваченных встроенным контролем; Кс* —
статистическая оценка коэффициента скрытых отказов, характеризующего долю
метрологических отказов; т— эквивалентное число отказов при испытаниях, ха-
рактеризующее точность оценки наработки на отказ (Т*).
Длительность межповерочного интервала в формулах (2.50) и (2.51) выра-
жается в месяцах, а наработка на отказ — в часах.
Коэффициент скрытых отказов и его среднее квадратическое
отклонение оценивают по результатам эксплуатации приборов-
аналогов
К*с= (mM/m2)Км.а; а*2к= [К*с(1-К*сКм.а)/т2]Км.а, (2.52)
где т2, тм — соответственно общее число отказов и число метро-
логических отказов, зафиксированное во время эксплуатации
приборов-аналогов; Км.а — доля метрологических характеристик
прибора-аналога, не охваченных встроенным контролем.
В том случае, когда сведения о результатах эксплуатации прибо-
ров-аналогов отсутствуют, можно использовать следующие усредненные
значения Лс для приборов измеряющих:
напряжение..................................................0,15
параметры компонентов и цепей с сосредоточенными посто-
янными .................................................0,21
мощность...............................................0,23
параметры элементов и трактов с распределенными постоян-
ными ....................................................0,22
частоту и время........................................0,16
разность фаз и групповое время запаздывания .... 0,2
форму сигнала и спектр.................................0,2
характеристики радиоустройств..........................0,16
импульсные сигналы........................................0,16
напряжение поля и радиопомехи..........................0,18
усилители измерительные................................0,15
генераторы измерительные...............................0,2
ослабление.............................................0,21
электрические и магнитные свойства материалов . . . . 0,16
параметры коаксиальных и волноводных трактов . . . 0,21
параметры электронных ламп и полупроводниковых приборов 0,24
65
Значения ак можно оценить следующим образом:
Ок«0,15/<с. (2.53)
Доверительные границы показателя метрологической надеж-
ности
Р*м (Т) н = Р*м (Т) -т3о*р; Р*м (т) в = Р*м (т) +/эо*р. (2.54)
Средства измерения как объект эксплуатации характеризу-
ются прежде всего способностью сохранять заданные точностные
характеристики во времени. По степени изменения точностных
характеристик можно выделить три периода в течение срока
службы. В течение первого периода (приработки) постепенно
уменьшается скорость изменения погрешности. Во втором перио-
де (нормальной эксплуатации) скорость изменения погрешности
становится наименьшей за срок службы прибора или практиче-
ски постоянной. Во время третьего периода (износа) скорость
изменения погрешности быстро увеличивается.
Для описания процесса изменения f-й метрологической харак-
теристики средств измерений используют следующие виды линей-
ных случайных функций изменения погрешности [24, 34]:
линейно-равномерные
(2.55)
где Аг — случайная величина; Bi — неслучайная величина;
линейно-веерные
Д/(О=Аог+ВД/-/о), (2.56)
Дог — неслучайная величина, называемая полюсом веерной функ-
ции; /о — момент времени, соответствующий полюсу веерной
функции; Bi — случайная величина.
Наиболее общей моделью изменения погрешности прибора
(из рассматриваемого класса) является функция вида
&(t)=Ai+Bit, (2.57)
где начальная погрешность Аг и скорость изменения погрешности
Bi являются случайными величинами.
Случайная величина Л/ отражает распределение погрешности
средства измерений по i-и характеристике в начальный момент
времени после выпуска с завода-изготовителя, после очередной
поверки и ремонта. Величина Bi отражает характер изменения
метрологических характеристик во времени. Обработка статисти-
ческих данных о результатах эксплуатации показывает, что ве-
личины Ai после выпуска с завода-изготовителя и Bi распределе-
ны по нормальному закону. В то же время случайная величина
после нескольких лет эксплуатации подчиняется усеченному нор-
мальному закону, близкому к равномерному.
Обработка результатов опытной эксплуатации средств изме-
рений показывает, что с приемлемой для практики точностью
66
можно считать математическое ожидание случайной величины В,
равным нулю. Поэтому нормально распределенная случайная ве-
личина Bi полностью характеризуется средним квадратическим
отклонение ав,(т). Тогда <Гв( (т) в момент т можно определить по
результатам оценки метрологической надежности прибора Рм/(т)
по i-й метрологической характеристике численными методами из
уравнения, составленного в соответствии с [25] для композиции
двух случайных величин, распределенных по равномерному (Д)
и нормальному (В,) законам распределения
-----!----- Ф* (А‘-в Л _Ф* (] dx, (2.58)
Д/в — Д/н J L \°вАх) / \ «мСО /1
Д1Н
где Ф* — нормальная функция распределения; Д,в, Дгн — верхняя
и нижняя границы допустимых значений i-и метрологической ха-
рактеристики.
Примем процесс эксплуатации прибора состоящим из четырех
фаз: применения (Пр), ремонта (Р), технического обслуживания
(поверки) (ТО) и хранения (X). Такое представление является,
по-видимому, приемлемым во многих практических случаях. Пе-
реход от фазы к фазе удобно представить в виде четырех диа-
грамм (рис. 2.5), которые можно объединить в одну (рис. 2.6).
Последняя представляет собой ориентированный граф, вершина-
ми которого являются фазы эксплуатации, а ребрами — переходы
между ними. Диаграммы, приведенные на рис. 2.5 и 2.6, облада-
ют следующими недостатками:
не несут информации о работоспособности средства;
не отображают существенных событий, связанных с надежно-
стью— возникновение, обнаружение и устранение отказов.
Во избежание этих недостатков, вводят дополнительное свой-
ство состояний — работоспособное (Р) и неработоспособное (Н).
В этом случае под состоянием средства понимается состояние,
связанное с фазой эксплуатации и характеристикой работоспо-
собности. С учетом этого диаграмма состояний средства прини-
мает вид, показанный на рис. 2.7, где возможные переходы из
одного состояния в другое пронумерованы от 1 до 19.
Рис. 2.5. Диаграмма перехода состоя-
ния прибора от фазы к фазе процес-
са эксплуатации
Рис. 2.6. Диаграмма перехода состоя-
ния прибора в процессе эксплуатации
67
Рис. 2.7. Диаграмма перехода состояния прибора в процессе эксплуатации с уче-
том его работоспособности
Указанные переходы характеризуются следующим:
/ —ПрР->ПрН 2 — ПрР->ХР 3 _ ПрР->ХН 4 — ПрР->ТОР 5 — ПрР->РН 6 — ПрН->ХН 7 —ПрН->ТОН — скрытый отказ; — начало хранения работоспособного прибора; — начало хранения после явного отказа; — начало текущей поверки; — начало ремонта после наступления явного отказа; — начало хранения неработоспособного прибора; — начало текущей или внеочередной поверки неработоспособ- ного прибора;
8 — ХР->ХН 9 - ХР->ПрР — отказ прибора при хранении; — начало применения работоспособного прибора после хра- нения;
10 — ХР->ТОР 11 — ХН->ПрН — начало текущей или внеочередной поверки; — начало применения неработоспособного прибора после его хранения;
12 — ХН->ТОН — начало текущей или внеочередной поверки неработоспособ- ного прибора после хранения;
13 — ХН->РН — начало ремонта неработоспособного прибора после хране- ния;
14 — ТОР->ПР — начало применения работоспособного прибора после его поверки;
15 - ТОР->ХР — начало хранения работоспособного прибора после его по- верки;
16 — ТОН->ХН — начало хранения неработоспособного прибора после его поверки;
17 — ТОН->РН — начало ремонта неработоспособного прибора после его по-
18 — PH-VTOP верки; — начало поверки работоспособного прибора после его ре- монта;
19 — РН->ТОН — начало поверки неработоспособного прибора после его ре- монта.
68
Из изложенного видно, какую информацию необходимо иметь,
чтобы создать модель эксплуатации средства. Не все переходы
или события можно четко зафиксировать. Например, метрологи-
ческий отказ, вызывающий переход ПрР->ПрН, трудно поддается
обнаружению. Следует отметить, что некоторые переходы от со-
стояния к состоянию являются случайными, а некоторые — де-
терминированными. Так, все переходы, связанные с отказами,
являются случайными. Переходы, связанные с началом примене-
ния, поверки, хранения, могут быть либо случайными, либо де-
терминированными.
Указанный подход возможно дополнить еще и моделями мас-
сового обслуживания: рабочие приборы, поступающие на повер-
ку и ремонт, можно рассматривать как заявки. Рабочие прибо-
ры, образцовые приборы, с помощью которых поверяются рабо-
чие, и ремонтная база образуют систему массового обслуживания
[26].
2.6. Пути обеспечения точности и готовности к применению
средств измерений и контроля при эксплуатации
Эффективность технического обслуживания и, в частности,
достигаемый в эксплуатации уровень метрологической надежно-
сти средств измерений зависит от периодичности проведения от-
дельных операций, объема поверки, глубины регулировки, точно-
сти оборудования, используемого для проверки технического со-
стояния, и квалификации обслуживающего персонала. Поэтому
возникает задача определения такого технического обслужива-
ния, которое обеспечивает требуемый уровень надежности при
минимальных затратах. Чтобы сохранить неизменными трудоза-
траты и оборудование для технического обслуживания, следует
определить такой комплекс мероприятий, при котором готовность
средств к применению будет максимальной.
Важным моментом повышения эффективности технического
обслуживания является определение целесообразности поверки
средств измерений. Исходя из здравого смысла, целесообразно
исключить из числа поверяемых средства измерений и контроля,
которые дублируют друг друга или используются для измерения
характеристик, жестко связанных функциональной зависимостью.
Так же следует поступать и тогда, когда затраты на поверку пре-
вышают затраты на приобретение нового прибора.
Следует особо отметить в техническом обслуживании полез-
ность профилактической регулировки при проведении поверки
приборов. Например, для осциллографа С1-65А обеспечение при
очередной поверке 20% запаса по нормируемым метрологическим
характеристикам позволяет вдвое увеличить межповерочный
интервал и тем самым повысить готовность прибора к примене-
нию, уменьшить почти в два раза трудозатраты на поверку.
69
Техническое обслуживание при поверке приборов позволяет
снизить в 1,25... 1,5 раза число отказов. При этом техническое
обслуживание заключалось в проведении осмотров и устранении
дефектов, удалении пыли, зачистке и покраске участков деталей,
подвергшихся коррозии, устранении загрязнения контактов.
Уменьшение числа отказов при этих мероприятиях обусловлено следующими
причинами. В средствах измерений, подвергшихся коррозии, снижаются проч-
ностные характеристики деталей из металла и сплавов, нарушаются контактные
соединения и т. д. Коррозии подвержены даже те средства измерений и контро-
ля, эксплуатация которых проходит только в нормальных климатических усло-
виях. При повышенной влажности (более 70 %) ускоряется атмосферная корро-
зия металлов, отказывают селеновые выпрямители, увеличиваются потери в ка-
тушках дросселей и трансформаторов, увеличивается сопротивление резисторов и
емкость монтажа, усиливается рост плесени и процесс разложения органических
материалов. Пониженная влажность (ниже 30 %) приводит к изменению диэлек-
трических и механических свойств пластмасс, что проявляется внешне в короб-
лении и растрескивании, разрушаются лакокрасочные покрытия, ускоряется про-
цесс старения полимеров.
Пыль, попадающая на металлические части средств измерений и контроля,
также ускоряет коррозию. Содержащиеся в пыли примеси поглощают влагу из
окружающей среды и образуют едкую пленку электролита. Чередование увлаж-
нения и высыхания приводит к наращиванию слоя пыли. В результате диэлек-
трик становится проводником электричества. Необходимо учитывать, что высоко-
вольтные цепи средств измерений и контроля увеличивают запыленность за счет
притягивания частиц пыли — это может привести к электрическому разряду и
отказу этих цепей.
Одним из путей обеспечения готовности средств к применению
является проверка их технического состояния по результатам
либо поверки их образцовыми средствами измерений, либо тех-
нической проверки в промежутках времени между очередными
поверками. При определении технического состояния средств из-
мерений, наряду с существующим способом, заключающимся в
проверке точности показаний средств измерений контрольными
приборами, можно использовать способы, основанные на мажори-
тарном сопоставлении показаний группы однотипных приборов
[27]. Суть мажоритарного сопоставления заключается в следую-
щем. Метрологические характеристики проверяемого средства
измерений определяются с помощью N рабочих приборов. При К
положительных результатах (за положительный принимается ре-
зультат, при котором значения метрологических характеристик
проверяемого средства измерений находятся в допустимых пре-
делах) делается вывод о пригодности проверяемого средства
измерений к дальнейшей эксплуатации. Для практики целесооб-
разно рекомендовать М=5, /С^З, при этом достоверность оценки
технического состояния равна 0,99.
70
Значительную роль в расширении области применения средств
измерений играют способы повышения точности измерений.
Очень важно определить и исключить аддитивную составляющую
систематической погрешности, так как случайную составляющую
можно существенно снизить путем многократных измерений.
В настоящее время известен ряд способов определения система-
тических погрешностей для некоторых видов измерений [28]. Од-
нако развитие идеи использования для этого уравнения связи
между физическими величинами [29], вытекающих из соответст-
вующих физических законов, может расширить перечень приме-
няемых способов, что позволит увеличить возможности повыше-
ния точности измерений.
Рассмотрим способ исключения аддитивной составляющей систематической
погрешности средств измерений из результата измерений на примере вольтметра.
Будем считать, что случайная составляющая исключена путем многократных
измерений. Используем физический закон о равенстве напряжений на двух па-
раллельных плечах, состоящих соответственно из п и т последовательно вклю-
ченных резисторов одинакового номинала, т. е.
^ст=Сг, (2.59)
где ^ист’ ^ист “ значение истинных напряжений на параллельных плечах.
Исходя из этого, сумма напряжений на последовательно включенных рези-
сторах 1-го плеча будет равна сумме напряжений на резисторах 2-го плеча:
п т
2^== SCcT- (2-60)
4 = 1 4=1
где U /ист, £//ист — значения истинных напряжений на Z-м резисторе 1-го и 2-го
плеч соответственно.
Учитывая, что
^ист=^-д;. СсТ=^'-дл
где Ut, Ui" — измеренное вольтметром напряжение на Z-м резисторе 1-го и 2-го
плеч соответственно; Д/, Д/' — систематические погрешности вольтметра при
измерении напряжения на резисторах 1-го и 2-го плеч соответственно, получаем
п т
2(у/ -Д/)= (2.61)
4 = 1 4=1
Известно, что систематическая погрешность средств измерений состоит из
аддитивной и мультипликативной составляющих [19], следовательно,
+ (2.62)
Д/'=Д,'а+<'^'ист’ (2-63)
71
где &ia, AZa—аддитивные составляющие систематической погрешности вольт-
метра при измерении напряжения на резисторах 1-го и 2-го плеч соответственно;
К/Лист; —мультипликативные составляющие систематической по-
грешности вольтметра при измерении напряжения на резисторах 1-го и 2-го плеч
соответственно; Ki', Ki" — коэффициенты пропорциональности.
Подставим выражения (2.62) и (2.63) в (2.61):
п tn
2(у;-д;а-<= 2 (и”-^а-кУи'’ист). (2.64)
Z = 1 Z = 1
Обозначим
п т
ср ‘ ~ Д1' а> Да ср = ~ Д< о, (2.65)
<р = Кр+Т- (2.67)
После несложных преобразований с учетом (2.65) —(2.67) формула (2.64)
приобретает вид:
п пт т т
2у--<сР- 2<р^нсТ= 2<рСр- 2^'ист-
z = l Z = 1 z=l / = 1
(2.68)
Пусть
Да'ср = < ср + 3 • (2-69)
Тогда подставляя (2.68) в (2.69) и учитывая, что в соответствии с (2.64)
п т
2Кср^ист= 2<р^ист>
/=1 /=1
получаем
т п т
Рассмотрим величину
т т
“ = + 2т'-/: ист = "г(Да'ср-Даср)+ 2 <Кср ~ <р)^ист-
*=1 Z=1
72
Если
ср ^аср’^ср ^ср» (2.71)
то со=0.
Условия (2.71) будут выполняться, если в окрестности (Лист существует
интервал е изменения напряжения на входе вольтметра (включающий
Uz для которого зависимость его систематической погрешности
Д/ от t/шст линейна, т. е.
Дх=Д/а = ^^ист. (2.72)
При соблюдении (2.72)
Д'-а = Д' а = const = Д; — К" = const — К. (2.73)
Отсюда с учетом (2.69)
т п
Д=—!—fVl/'Z-Vl/;). (2.74)
т — п \LJ ЬЛ J
z = l 1=1
Таким образом, для определения аддитивной составляющей систематической
погрешности вольтметра необходимо измерить напряжение на резисторах двух
параллельно подключенных плеч, а затем по формуле (2.74) произвести вычисле-
ния. Пусть интервал е задан значениями СЛист и (Лист- Тогда этим значениям со-
ответствуют напряжения, измеренные вольтметром на резисторах в первом и
втором плечах соответственно. Если номиналы резисторов в плечах выбраны оди-
наковыми, то с учетом (2.60)
, . . . ^ИСТ ИСТ Г.П ------ W
е — ^2ИСТ ^1ИСТ — ~ = U . (2.75)
т п т — п
Из (2.75) следует, что подобрав число резисторов т и п в плечах, можно
обеспечить выполнение условия (2.71), если задан интервал 8.
В реальных условиях резисторы имеют разброс Д/? от номинального значе-
ния 7?ном- Если указанный разброс не приводит к выходу истинных напряжений
на резисторах за интервал 8, то условия (2.71) будут выполняться. При этом
разброс Д7?/7?ьом значений сопротивлений резисторов от номинального должен
удовлетворять условию
_______________*______ I ^1ИСТ --- ^2ИСТ I /О
р [1 и ~~ и I jj ’ (2.76)
Аном и 1ИСТ и 2ИСТ и 1ИСТ “Т и 2ИСТ
Таким образом, чем больше е, тем менее жесткие требования предъявляют-
ся к отклонению сопротивлений от номинального значения.
Для идеального средства измерений
U
U = — [е] = Л [е], (2.77)
е
где е — единица физической величины; [е] — ее размерность; A=U/e— показа-
ния идеального средства измерений.
73
Т а б л и ц а 2.6
Измеряемая величина Погрешность Используемые уравнения для оценки погрешности
Напряжение Ток Сопротивле- ние Масса Индуктив- ность Емкость п п—1 2^''-2^'- Z=1 Z=1 где п, п—1 — число резисторов в первом и втором плечах соответст- венно П /2—1 2 'i" - 2 z‘'- Z=1 Z=1 где //, //' — измеренные значения втекающих и вытекающих из узла токов; п, п—1 — число входов и выходов из узла соответственно п п—1 2 Ri'~ 2^"’ Z = 1 z=l где 7?/, Bi" — результаты измерения сопротивления при разделении сово- купности последовательно включен- ных сопротивлений на п и п—1 групп соответственно п п—1 2 mi - 2 mi"' i=i s где Шг\ пи"— результаты измерений масс отдельных частей при разделе- нии совокупности грузов на две груп- пы, состоящие из п—1 и п частей П П—1 Z=1 Z—1 где Li\ L" — результаты измерения индуктивности при разделении сово- купности последовательно включен- ных индуктивностей на и и п—1 групп соответственно П П — 1 S с/ - s Q", Z=1 Z=1 где С/, С"— результаты измерений емкостей при разделении совокупно- сти параллельно включенных емко- стей на л и п—1 групп соответствен- но Равенство сумм напря- жений на резисторах па- раллельно подключенных плеч Равенство втекающих и вытекающих из узла то- ков Равенство общего сопро- тивления совокупности последовательно вклю- ченных сопротивлений и суммы сопротивлений со- ставных частей этой со- вокупности Равенство общей массы совокупности грузов и суммы масс составных частей этой совокупности Равенство общей индук* тивности совокупности последовательно вклю- ченных индуктивностей и суммы индуктивностей составных частей этой совокупности Равенство совокупности параллельно включенных емкостей и суммы емко- стей составных частей этой совокупности
74
Окончание табл. 2.6
Измеряемая величина Погрешность Используемые уравнения для оценки погрешности
Длина п п—1 2 ~ 21‘"’ 1=1 где li — результат измерения длины отдельных отрезков при разделении общей длины отрезка на две группы, состоящие из л и п—1 частей Равенство общей длины отрезка и суммы длин его составных частей
Для реального средства измерений
U
U =------[е] - Др = Лр [е] - Др, (2.78)
ер
где ЛР — показания реального средства измерений; ДР — его погрешность, т. е.
Др(е)^=А[е], поэтому для повышения точности прибора при регулировании в про-
цессе поверки стараются добиться равенства ЛР=Л, при котором обеспечивается
выполнение равенства еР=е.
С учетом изложенного, найдем ошибку в оценке Д по формуле (2.72), так
как ее определение производится по результатам измерений реального прибора.
При этом будем считать, что случайную составляющую этой ошибки можно
исключить путем многократных измерений величин С7/ и U". При определении Д
ее ошибка
ш п
S (~viel-Ap) -Е(дг[е]~Др) _
m п
<2'7”
4=1 4=1 7
После преобразования
ДОШ=С7(1—е/еР). (2.80)
Для обеспечения близости Ui и U" необходимо выполнить условие
т—п=Л. (2.81)
С учетом этого
т п п + 1 п т т—1
Дош = 2^"- = 2 - 2^' = Su‘" - 2 ui'- <2-82>
4 = 1 4 = 1 4=1 4 = 1 4 = 1 4 = 1
Рассуждая аналогично, можно получить соответствующие выражения для
оценки аддитивной составляющей систематической погрешности средств измере-
75
ний других видов (табл. 2.6), которую можно использовать как показатель
технического состояния прибора, если известны пределы ее допустимого изме-
нения, соответствующие условию работоспособного состояния средства измере-
ния. Указанное обстоятельство особенно важно, если приборы эксплуатируются
в отдаленных или трудно доступных районах или отсутствует возможность по-
верить прибор либо применить мажоритарный способ.
Глава 3.
СИСТЕМА ЭКСПЛУАТАЦИИ
d РЕМОНТА ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ
3.1. Назначение и содержание работ по эксплуатации
Современные виды измерительной техники обладают больши-
ми возможностями, имеют высокий уровень автоматизации и
способны решать комплексные задачи в единой измерительной си-
стеме при управлении с помощью средств вычислительной техни-
ки. Переход на новую измерительную технику позволяет значи-
тельно повысить точность, полноту и скорость измерений. Однако
положительный эффект от внедрения новых средств измерений
можно получить лишь при технически грамотной эксплуатации.
В свою очередь, поддержание измерительной техники в ис-
правном и готовом к применению состоянии связано с расходова-
нием значительных трудовых и материальных ресурсов. Объясня-
ется это тем, что неисправные измерительные приборы, особен-
но с неявными (метрологическими) отказами, могут приводить к
ошибочным решениям.
Высокая эффективность использования средств измерений и
контроля, как и любой современной техники, обеспечивается пра-
вильным планированием и организацией работ по их применению,
техническому обслуживанию и восстановлению.
Состав мероприятий, выполняемых в процессе эксплуатации,
можно разделить на две группы:
основную — использование по назначению;
обеспечивающую подготовку к применению и поддержанию в
исправном и готовом к использованию состоянии.
Использование по назначению предусматривает выбор средств
измерений для решения измерительных задач, формирование схе-
мы измерений, проведение измерений и оценку полученных ре-
зультатов. Как правило, указанные задачи в большинстве случаев
решаются заблаговременно и находят отражение в эксплуатаци-
онно-технической, методической и другой документациях. Однако
при возникновении особых (не типовых) измерительных задач
или отсутствии по каким-либо причинам средства измерений,
76
предусмотренного эксплуатационной документацией, приходится
решать задачу выбора средства измерений и планирования его
использования по назначению.
Использование по назначению средств измерений и контроля
начинается после их ввода в эксплуатацию. Ввод в эксплуатацию
заключается в проведении подготовительных работ, контроле и
приемке средств, поступивших после изготовления или ремонта,
проверки на соответствие установленным требованиям и закреп-
лении за ответственными лицами. Подготовительные работы мо-
гут включать оборудование рабочих мест и помещений, подготов-
ку лиц к эксплуатации средств измерений, заказ и получение
средств метрологического и диагностического обеспечения, запас-
ного инструмента и принадлежностей и т. п.
Важное значение для обеспечения единства и сопоставимости
результатов измерений имеет учет условий эксплуатации. Пас-
портные значения погрешностей средств измерений указаны для
так называемых нормальных условий. Результаты, полученные с
помощью одного и того же средства измерений в различных
условиях, могут в ряде случаев существенно отличаться, становить-
ся несопоставимыми. Поэтому при эксплуатации средств изме-
рений в условиях, отличающихся от нормальных, необходимо
учитывать дополнительные погрешности, вызванные этими откло-
нениями, или принимать меры для защиты от воздействия внеш-
них факторов.
Составной частью эксплуатации средств измерений и контро-
ля является техническое обслуживание и ремонт средств измере-
ний, их хранение, сбор и обобщение данных о результатах экс-
плуатации, планирование, ведение эксплуатационно-технической
документации, материально-техническое обеспечение.
Планирование и реализация мероприятий по технической экс-
плуатации средств измерений и контроля основывается на досто-
верных данных об их техническом состоянии. Оценка техническо-
го состояния средств измерений и контроля не является самосто-
ятельным этапом эксплуатации, однако она постоянно проводится
соответствующими лицами и органами для принятия решения о
дальнейшем применении средств измерений и возможности ис-
пользования полученной измерительной информации.
Под оценкой технического состояния средств измерений и кон-
троля понимается определение установленных в эксплуатацион-
ной и ремонтной документации значений показателей и (или)
проверке качественных признаков, характеризующих в заданный
момент времени совокупность свойств средств измерений и конт-
роля. Показателями и качественными признаками, определяющи-
ми техническое состояние средств измерений и контроля, явля-
ются внешний вид, комплектность, ресурс (срок службы), запас
времени до периодической поверки, правильность функциониро-
вания, наличие неисправностей, целостность поверительных клейм
77
или документов, удостоверяющих поверку, состояние эксплуата-
ционных документов.
Важнейшей эксплуатационной характеристикой измерительной
техники, влияющей на эффективность ее применения по назначе-
нию, является уровень надежности и прежде всего метрологиче-
ской, отражающей способность средств измерений сохранять во
времени сьою точность. Уровень надежности образцов измери-
тельной техники в значительной мере зависит от правильности
планирования и качества выполнения работ по их эксплуатации.
Поэтому для обеспечения исправности и нормального функцио-
нирования средства измерений и контроля подвергают техниче-
скому обслуживанию. Объем и периодичность технического об-
служивания зависят от интенсивности использования, уровня
надежности и значимости средств измерений и контроля в систе-
ме метрологического обеспечения проводимых работ или иссле-
дований.
Для выявления скрытых отказов и установления пригодности
средств измерений к применению в состав технического обслужи-
вания включают поверку (аттестацию), проводимую метрологи-
ческими органами. При эксплуатационных повреждениях, возник-
новении явных отказов или при выявлении в процессе поверки
метрологических отказов исправность средств измерений и конр
роля восстанавливается их ремонтом.
Таким образом, эксплуатация представляет собой процесс
управления техническим состоянием, основными составляющими
которого являются оценка технического состояния, выработка и
выполнение управляющих воздействий (ремонт, профилактика,
регулировка) и оценка эффекта от этих воздействий.
Важной составляющей частью эксплуатации является хране-
ние и содержание средств измерений и контроля в специально от-
веденных местах в заданном состоянии, обеспечивающем их со-
хранность, исправность и приведение в готовность к использова-
нию по назначению в установленные сроки. Задача поддержания
средств измерений и контроля в исправном состоянии решается
выбором требуемых условий хранения, тщательной подготовкой
средств измерений к хранению с применением средств защиты от
воздействия окружающей среды, правильным размещением хра-
нимых приборов, периодическим контролем технического состоя-
ния и проведением технического обслуживания.
Измерительная техника транспортируется после отправки ее
в метрологические и ремонтные органы для поверки и восстанов-
ления. Работы по транспортированию включают подготовку к
перевозке, перевозку различными видами транспорта в заданных
условиях при обеспечении их исправности и комплектности. При
транспортировании средства измерений и контроля подвергают-
ся интенсивному, как правило, комплексному воздействию меха-
нических и климатических факторов. Для предотвращения или
78
снижения этого воздействия средства подготавливают к транс-
портированию (арретируют, фиксируют транспортное положение,
упаковывают в транспортную тару, дополнительно крепят и т. д.),
применяют средства защиты от внешних факторов (амортизацию,
герметизацию, влагопоглощающие вещества и т. п.). Объем под-
готовки средств к транспортированию зависит от вида транспорт-
ного средства, продолжительности и условий транспортирования.
3.2. Применение средств измерений и контроля
Использовать следует только те средства измерений и контро-
ля, которые находятся в исправном состоянии и имеют оттиски
поверительных клейм, свидетельства или аттестаты, удостоверя-
ющие факт их поверки.
Физические величины технических устройств необходимо из-
мерять только теми средствами, которые указаны в эксплуатаци-
онной документации на эти объекты либо в стандартных (атте-
стованных) методиках.
Если в эксплуатационной документации или в методиках из-
мерений не определены средства измерений параметров техниче-
ских устройств, то их целесообразно выбирать с учетом требуе-
мой точности и условий проведения измерений (см. гл. 2). При
этом для достижения требуемого качества и точности измерения
необходимо тщательно планировать, т. е. выбирать метод изме-
рений (прямой, косвенный, метод совместных или совокупных
измерений) и определять условия, в которых должны быть произ-
ведены измерения.
При анализе условий, в которых будут производиться измерения, учитывают-
ся: уровни механических нагрузок (вибраций, ударов, линейных ускорений
и т. п.); климатические условия (температура, влажность, атмосферное давление
и т. п.); наличие или отсутствие активно разрушающей среды (агрессивные газы
и жидкости, высокое напряжение, грибки и т. п.), в которой будет эксплуатиро-
ваться измерительная техника или их элементы; наличие электрических и маг-
нитных полей и других помех. Уровни воздействующих факторов не должны
превышать значений, указанных в техническом описании для выбранных средств
измерений и контроля.
При подготовке средств измерений к работе необходимо:
провести внешний осмотр;
заземлить в соответствии с инструкцией по эксплуатации при-
бор и установить его в рабочее положение;
установить органы управления в исходное положение;
проверить функционирование (опробовать).
При внешнем осмотре должно быть установлено: отсутствие следов обугли-
вания на изоляции внешних токоведущих цепей, механических повреждений кор-
пуса, переключателей; наличие штатных принадлежностей, необходимых для про-
79
ведения измерений, оттиска поверительного клейма или соответствующей отметки
в формуляре (паспорте); надежное крепление кабеля питания и гнезд для под-
ключения внешних цепей к средству измерения; четкость фиксации положений
переключателей и других органов управления.
Проверка функционирования и установка органов управления
в исходное положение должны выполняться в соответствии с ин-
струкцией по эксплуатации средств измерений и контроля.
Обработка результатов измерений производится для отыска-
ния значений измеряемой величины и оценки погрешности ее оп-
ределения. При необходимости результат измерения можно уточ-
нить путем введения поправки. Для этого результаты измерений
складывают с поправкой, которая по абсолютному значению рав-
на систематической погрешности средства измерений и противо-
положна ей по знаку. Значение систематической погрешности
определяют при аттестации (поверке) средств измерений и конт-
роля.
Результаты измерений, выраженные в виде значения измеряе-
мой величины или в условных единицах измерения и используе-
мые для дальнейших расчетов, представляют в виде, регламенти-
рованном ГОСТ 8.011—72.
).3. Техническое обслуживание и поверка
Основой поддержания средств измерений и контроля в ис-
правном состоянии и постоянной готовности к применению по
назначению является техническое обслуживание. Периодичность,
объем и порядок проведения технического обслуживания прибо-
ров, применяемых автономно, определяются эксплуатационной
документацией на эти приборы, а приборов, встроенных в техни-
ческие устройства, — эксплуатационной документацией на эти
устройства. При этом не допускается нарушение пломб, оттисков
клейм, если это не предусмотрено эксплуатационными докумен-
тами. К техническому обслуживанию допускаются лица, имеющие
право на самостоятельную работу на электроустановках.
Различают техническое обслуживание по установленному рег-
ламенту или по текущему состоянию. В зависимости от объема
работ техническое обслуживание по регламенту может быть еже-
дневным, еженедельным, ежемесячным, полугодовым, годовым.
Ежедневно обслуживаются только применяемые в данный день
приборы.
Все неисправностей средств измерений и контроля, выявленные
в процессе технического обслуживания, должны быть устранены.
Запрещается выполнять последующие операции до устранения
обнаруженных неисправностей. Приборы с неустраненными неис-
правностями бракуют и направляют в ремонт.
При техническом обслуживании должна быть обеспечена без-
опасность персонала. Условия работы, срочность ее выполнения
80
и другие причины не могут служить основанием для нарушения
мер безопасности.
Результаты технического обслуживания заносят в соответст-
вующую учетную документацию.
Важное место в системе технического обслуживания занима-
ет поверка средств измерений. Общий порядок ее организации
регламентирован ГОСТ 8.513—84. Для средств измерений, подле-
жащих обязательной государственной поверке, межповерочные
интервалы устанавливают главные метрологи или руководители
предприятий, отраслей и ведомств. Для средств измерений, под-
лежащих ведомственной поверке и не обеспеченных поверкой в
органах метрологических служб, межповерочные интервалы ус-
танавливают руководители предприятий по согласованию с орга-
нами государственной метрологической службы.
Длительность межповерочных интервалов выбирают в зависи-
мости от фактической надежности средств измерений, условий
эксплуатации, интенсивности их использования, а также от зна-
чимости результатов измерений конкретным средством измерений.
При этом для средств измерений, поступивших на хранение после
выпуска из производства, межповерочные интервалы устанавли-
вают не более гарантийных сроков на эти средства, указанных в
ТУ или инструкциях по эксплуатации.
3.4. Ремонт
Опыт эксплуатации показывает, что при периодической по-
верке бракуется от 10 до 30% средств измерений, а за срок служ-
бы прибора наблюдается в среднем один — три отказа. В связи
с этим актуальна организация ремонта средств измерений в про-
цессе эксплуатации.
Под ремонтом понимают комплекс операций по восстановле-
нию исправности (или работоспособности) средств измерений, а
также по восстановлению ресурса средств измерений или их со-
ставных частей. Ремонт средств измерений выполняют в метро-
логических ремонтных органах. Совокупность этих органов, их
оснащение, принятый порядок ремонта, его виды и методы со-
ставляют систему ремонта.
В том случае, когда система ремонта не обеспечивает требуе-
мой оперативности восстановления, используют обменные и под-
менные фонды средств измерений. Обменные фонды, как прави-
ло, размещают в метрологических и ремонтных органах. Посту-
пившее неисправное средство измерений направляют на участок
или в цех ремонта, а на место применения отправляют исправное
из состава обменного фонда. Подменные фонды используют на
местах применения средств измерений для подмены отказавших
на время ремонта. Следовательно, каждая система ремонта тре-
бует определенного состава обменных и подменных фондов.
81
Более эффективной можно считать ту систему ремонта, кото-
рая обеспечивает на месте применения требуемое количество ра-
ботоспособных средств измерений при меньших затратах. Сред-
негодовые затраты на восстановление средств измерений вычис-
ляют по формуле
Св=Ср+Сф, (3.1)
где Ср — среднегодовые затраты на ремонт, определяемые рас-
ходами на создание ремонтных участков, их оснащение, аморти-
зацию ремонтно-технологического оборудования и зданий, обес-
печение запасными частями и материалами, оплату труда ремонт-
ников и обслуживающего персонала; С$ — среднегодовые затраты
на содержание обменных и подменных фондов.
Система ремонта наряду с безотказностью средств измерений
определяет их коэффициент готовности
Л’г=Т0/(710+тв), (3.2)
где То — средняя наработка на отказ; тв — среднее время восста-
новления средств измерений.
Для обеспечения на месте применения N? работоспособных
средств измерений во время ремонта отказавших приборов в со-
став подменных фондов следует ввести следующее количество
средство измерений:
^п.ф = ^Т(1-Кг)//<г. (3.3)
При отсутствии ограничений систему ремонта можно выбрать
из условия обеспечения минимума затрат на восстановление
средств измерений. При этом анализируют различные варианты
построения системы ремонта и выбирают тот, который обеспечи-
вает минимум затрат на восстановление средств измерений в со-
ответствии с выражением (3.1).
На практике в качестве ограничений выступают требуемое вре-
мя ремонта, которое определяет производительность ремонтных
органов, возможности промышленности по производству средств
измерений, квалификация и допустимое число ремонтников. В этом
случае структура системы ремонта также определяется из усло-
вия минимизации значения выражения (3.1) при выполнении огра-
ничений.
Для выбора различных вариантов построения системы ремонта, прежде все-
го определяют направления развития и возможный состав ремонтно-технологиче-
ского оборудования с учетом перспектив развития средств измерений и указан-
ных ограничений на систему ремонта. Так, появление средств измерений с микро-
процессорами заставляет полностью пересмотреть необходимый состав ремонтно-
технологического оборудования. При этом должны быть оценены ожидаемые
временные и экономические затраты на разработку и производство ремонтно-
технологического оборудования, которые необходимо учесть при планировании
82
развития системы ремонта и оценке затрат на восстановление средств измерений
в соответствии с выражением (3.1).
В настоящее время используют, как правило, трехуровневую систему ремон-
та средств измерений: на местах эксплуатации с помощью ремонтно-поверочных
лабораторий измерительной техники, на ремонтных участках лаборато-
рий измерительной техники и на ремонтных участках лабораторий измери-
тельной техники и на ремонтных заводах. Кроме того, средства измерений
можно отремонтировать на заводах-изготовителях и на специализированных за-
водах приборостроительных министерств. Размещение ремонтно-технологическо-
го оборудования фактически определяет порядок ремонта средств измерений, т. е.
виды и методы ремонта на различных уровнях системы ремонта и потребную
квалификацию ремонтника. Виды и методы ремонта в свою очередь определяют
состав потребных ЗИП и расходных материалов. Оценка затрат на восстановле-
ние средств измерений в соответствии с (3.1) — (3.3) при каждом варианте по-
строения системы ремонта позволяет выбрать наилучший.
При выборе системы ремонта необходимо учитывать, что вре-
мя восстановления средств измерений сокращается при исполь-
зовании совершенного автоматизированного диагностического
оборудования, прогрессивных методов ремонта и обменных фон-
дов. Методика расчета обменных фондов приведена в Приложе-
нии 2. Требования к квалификации ремонтника можно снизить за
счет автоматизации процесса поиска неисправностей и разработ-
ки качественной ремонтно-технической и эксплуатационной доку-
ментации, включающей подробные схемы алгоритмов диагности-
рования.
В зависимости от характера отказов, степени выработки ре-
сурса и трудоемкости восстановления различают текущий, сред-
ний и капитальный виды ремонта средств измерений. Такое раз*
деление видов ремонта необходимо для планирования ремонтного
производства. Сразу же следует отметить, что после ремонта
средство измерений допускается к эксплуатации только после
послеремонтной поверки, позволяющей удостовериться в соответ-
ствии его метрологических характеристик.
К текущему ремонту относят работы, связанные с устранени-
ем отдельных неисправностей средств измерений посредством за-
мены комплектующих изделий и не требующие сложного диагно-
стического и технологического оборудования. К этому виду ре-
монта относят также несложные в технологическом отношении
операции по регулировке средств измерений для доведения мет-
рологических характеристик до нормируемых значений в случае
забракования прибора при поверке.
При среднем ремонте помимо операций, выполняемых при
текущем ремонте, проводятся трудоемкие операции по замене или
восстановлению (реставрации) элементов и составных частей,
работы по частичному восстановлению ресурса средств измере-
ний, контроль технического состояния всех составных частей при-
83
бора (помимо выработавших ресурс и отказавших) с устранени-
ем выявленных неисправностей, настройка (регулировка) прибо-
ра и его составных частей после ремонта.
При капитальном ремонте ресурс полностью или почти пол-
ностью восстанавливается: прибор фактически полностью разби-
рают и определяют техническое состояние каждой детали, эле-
мента, несущих и базовых конструкций; устраняют тяжелые по-
вреждения и отказы, требующие сложного диагностического обо-
рудования, трудоемких и сложных технологических процессов по
обнаружению, замене и восстановлению отказавших (поврежден-
ных) элементов и составных частей (восстановление или нанесе-
ние гальванических покрытий, изготовление новых деталей взамен
вышедших из строя, восстановление электрической схемы прибо-
ра согласно принципиальной схеме и т. п.); прибор в целом ком-
плексно настраивают и регулируют; после ремонта его испыты-
вают.
Анализ обязательных работ при капитальном ремонте позво-
ляет сделать заключение о том, что средства измерений при этом
виде ремонта должны быть подвергнуты технологическим опера-
циям и испытаниям в объеме основного производства. Однако
производственные возможности ведомственных ремонтных пред-
приятий, как правило, не позволяют производить его в требуемом
объеме и с должным качеством. В связи с этим в процессе экс-
плуатации наблюдается значительное увеличение интенсивности
отказов средств измерений после капитального ремонта. Поэтому
во многих случаях экономически капитальный ремонт средств
измерений не оправдывает себя, так как затраты на него соизме-
римы с затратами на приобретение новых средств измерений, а
качество отремонтированных приборов существенно уступает но-
вым. О нецелесообразности капитального ремонта свидетельству-
ет и тот факт, что при достигнутых уровнях надежности «мораль-
ный износ» средств измерений наступает раньше физического.
Для перспективного парка средств измерений с большим ресур-
сом и сроком службы целесообразно планировать только текущий
и средний ремонт. И только в отдельных случаях при остром де-
фиците каких-либо типов средств измерений допустима органи-
зация их капитального ремонта.
Таким образом, при среднем и капитальном ремонте фактиче-
ски восстанавливают основные потребительские свойства средств
измерений, а при текущем ремонте поддерживают работоспособ-
ное состояние посредством устранения «текущих» отказов, т. е.
отказов, неизбежно встречающихся при эксплуатации любых тех-
нических изделий ввиду их ограниченной надежности.
Рассмотренные виды ремонта различаются сложностью и трудоемкостью.
Поэтому для их реализации используют системы ремонта различного уровня.
Текущий ремонт обычно выполняет выездная группа специалистов ведом-
84
ственной лаборатории измерительной техники, осуществляющая одновременно
поверку средств измерений непосредственно на местах их эксплуатации. Текущий
ремонт не требует сложного специального технологического оборудования и при
наличии группового ЗИП и подготовленных специалистов может быть освоен
в короткие сроки. При такой организации ремонта имеет место минимальное вре-
мя изъятия средств измерений из сферы эксплуатации.
Текущий и частично средний ремонт проводят в лабораториях измерительной
техники предприятий и ведомств, средний и капитальный — в специализированных
цехах (участках) ведомственных ремонтных заводов.
На время и стоимость ремонта существенно влияют методы ре-
монта, среди которых различают детальный и агрегатный.
При детальном методе ремонта отказавшие средства измере-
ний восстанавливают на уровне комплектующих элементов (ЭВП,
ППП, регистры, микросхемы, дроссели и т. п.). Основными недо-
статками этого метода являются: большее время ремонта, особен-
но сложных радиоизмерительных приборов; сложность диагности-
ческого оборудования; высокие требования к квалификации ре-
монтника; необходимость в тщательно отработанной ремонтной
документации с описанием методов поиска и устранения отказов
до комплектующего электро-радиоэлемента. С учетом все возра-
стающей сложности парка средств измерений детальный ме-
тод ремонта приводит к значительным трудозатратам и увели-
чению времени отсутствия средств измерений на местах исполь-
зования.
Суть агрегатного метода ремонта заключается в замене отка-
завших агрегатов (узлов, блоков, плат) новыми или отремонтиро-
ванными. Основными преимуществами данного метода ремонта
являются минимальное время ремонта, простота технологического
оборудования, невысокие требования к квалификации ремонтного
персонала, относительная простота ремонтной документации. Од-
нако агрегатный метод ремонта требует блочно-модульного по-
строения средств измерений. Особенно эффективен он при теку-
щем ремонте. Анализ характера отказов средств измерений пока-
зал, что до 80% из них для восстановления работоспособности
требует ремонта в объеме текущего. Поэтому агрегатный метод
представляется перспективным в плане сокращения времени вос-
становления.
К недостаткам этого метода относится высокая стоимость ЗИП.
Агрегатный групповой ЗИП почти в 10 раз дороже детального.
Однако анализ путей развития отечественных и зарубежных изме-
рительных приборов показывает, что широкое использование
средств вычислительной техники (микропроцессоров, микро- и ми-
ни-ЭВМ), блочно-модульного принципа построения, единых кон-
структивных и установочных элементов приводит к упрощению
конструкции приборов, повышает их контролепригодность, техно-
логичность, надежность и, как следствие, создает объективную
85
предпосылку к применению агрегатного метода ремонта для вос-
становления современного парка средств измерений.
Агрегатный метод восстановления является, по крайней мере,
двухэтапным процессом. На первом этапе для восстановления ра-
ботоспособности средств измерений неисправный агрегат (узел,
блок, субблок, панель, плата и т. п.) заменяют исправным из
комплекта ЗИП в лабораториях измерительной техники или на
местах эксплуатации средств измерений выездными ремонтными
группами. При этом отказавшие агрегаты можно искать как
встроенными средствами диагностики, так и внешними. На втором
этапе централизованным порядком ремонтируют неисправные уз-
лы, блоки, платы в ведомственных ремонтных заводах или на за-
водах-изготовителях средств измерений.
При организации системы ремонта перспективного парка
средств измерений целесообразно рассмотреть следующие вари-
анты ремонта:
1. Ремонт отказавших средств измерений на заводах-изготови-
телях.
2. Агрегатный метод ремонта (заменой сменных плат) отказав-
ших средств измерений в ведомственных метрологических и ре-
монтных органах с последующим восстановлением забракованных
плат на заводах-изготовителях или специализированных ремонт-
ных заводах приборостроительных министерств.
3. Агрегатный метод ремонта средств измерений в ведомствен-
ных метрологических и ремонтных органах с последующим вос-
становлением забракованных плат на специализированных ведом-
ственных ремонтных заводах.
4. Детальный метод ремонта средств измерений в ведомствен-
ных метрологических и ремонтных органах.
5. Агрегатно-детальный метод ремонта в ведомственных метро-
логических и ремонтных органах.
Анализ перечисленных вариантов по отдельным ведомствам
показал, что вариант 1, как правило, нельзя реализовать из-за огра-
ниченных возможностей ремонта в приборостроительных министер-
ствах. Наибольшие экономические затраты на ремонт имеют
место при варианте 3. В этом случае затраты определяются расхо-
дами на создание агрегатных ЗИП и оснащение специализирован-
ных ведомственных ремонтных заводов соответствующим ремонт-
но-технологическим оборудованием. Наименьшие экономические
затраты имеют место при варианте 4. Однако при жестких требо-
ваниях ко времени ремонта его невозможно использовать из-за
значительных временных затрат на ремонт по сравнению с агре-
гатным методом. Перспективным является вариант 5, предусмат-
ривающий восстановление отказавших средств измерений агрегат-
ным методом при сложных ремонтах и детальным при более про-
стых.
86
После определения общей системы ремонта можно еще раз про-
анализировать по экономическому критерию целесообразность ор-
ганизации ремонта отдельных типов средств измерений с учетом
возможностей промышленности по выпуску средств измерений.
Таким образом, для организации системы ремонта вначале оп-
ределяют возможные составы ремонтно-технологического оборудо-
вания, обеспечивающие восстановление средств измерений. Далее
анализируют различные варианты построения системы ремонта с
учетом особенностей рассматриваемого оборудования. С помощью
выражений (3.1) — (3.3) сравнивают варианты построения систе-
мы ремонта. Лучшей можно считать систему, минимизирующую
общие затраты на восстановление средств измерений при выполне-
нии принятых ограничений.
Планирование работы ремонтных подразделений предусматри-
вает прежде всего определение целесообразного числа рабочих
мест, необходимой номенклатуры и количества ремонтно-техноло-
гического оборудования. Это оборудование в зависимости от ос-
новного назначения делится на диагностическое для поиска неис-
правных элементов или локализации места неисправности и тех-
нологическое для обеспечения доступа к контрольным точкам и
устранения неисправностей.
В настоящее время в ведомственных метрологических и ре-
монтных органах часто используют необоснованно широкую но-
менклатуру ремонтно-технологического оборудования. Это приво-
дит к тому, что поиск и устранение неисправностей одних и тех
же средств измерений в ремонтных подразделениях производят
различным оборудованием, которое в ряде случаев не совпадает с
оборудованием, рекомендуемым в ремонтно-технической докумен-
тации. При этом увеличивается стоимость и время восстановления,
повышаются требования к квалификации ремонтника, снижается
качество ремонта, отсутствует возможность ориентировать вновь
разрабатываемые приборы на конкретные типы ремонтно-техноло-
гического оборудования.
Для повышения эффективности использования оборудования и
улучшения снабжения им ремонтных подразделений целесообраз-
но определить состав типового ремонтно-технологического обору-
дования.
Номенклатуру этого оборудования выбирают из условия обеспечения воз-
можности выполнения всех диагностических и технологических операций, реали-
зуемых в процессе восстановления средств измерений (выдача стимулирующих и
тестовых воздействий, измерение сигналов в контрольных точках и параметров
элементов, обеспечение доступа к элементам, узлам ремонтируемого прибора и
устранение неисправностей). При выборе типового ремонтно-технологического
оборудования учитывают ограничения среднего времени восстановления, квали-
фикацию ремонтника, массогабаритные характеристики, и другие требования,
отражающие специфику ведомственного ремонта.
87
Ремонтно-технологическое оборудование для конкретного ремонтного под-
разделения выбирают из состава типового. При этом вначале определяют состав
требуемого диагностического оборудования. Для каждого типа планируемого
к ремонту средства измерений из типового ремонтно-технологического оборудо-
вания выбирают номенклатуру диагностического оборудования с характеристи-
ками, соответствующими регламентируемым документацией по ремонту к сред-
ствам поиска неисправностей и таким образом составляют комплект диагности-
ческого оборудования.
Необходимое число комплектов диагностического оборудования
для ремонта средств измерений f-ro типа зависит от интенсивности
Л/ поступлений в ремонт неисправных приборов и среднего време-
ни твх их восстановления:
(3.4)
где а — планируемое отношение годового фонда времени на ремонт
к общему годовому рабочему времени ремонтника.
Интенсивность Л/ поступления приборов в ремонт определяется
по среднестатистическим данным за предыдущие годы. Так, если
в течение года в ремонт поступает в среднем приборов i-го ти-
па, то
Xz = Mz//?tS, (3.5)
где 7?— число рабочих смен; т — длительность рабочей смены в
часах; S — число рабочих дней в году.
При отсутствии статистических данных значение определя-
ют по результатам эксплуатации приборов-аналогов либо по сле-
дующей формуле:
= 876 OOOK^Ni/[ (100—Кэ) То/Тф], (3.6)
где Kni — коэффициент использования i-го ремонтируемого прибо-
ра; Ni — число эксплуатируемых приборов f-го типа, восстановле-
ние которых планируется в рассматриваемом ремонтном подразде-
лении за год; Кэ— процент эксплуатационных отказов, определяе-
мый по результатам эксплуатации приборов-аналогов; Ты— сред-
няя наработка на отказ, приводимая в техническом описании на
прибор; Тф — годовой фонд времени одного ремонтника.
Среднее время тв/ восстановления r-го типа средств измерений
берется из нормативно-технической документации, содержащей
нормы времени на ремонт или из технического описания.
В том случае, когда /С<1, различные комплекты оборудования
можно объединить на одном рабочем месте. При этом на одном
рабочем месте размещают, как правило, комплекты, имеющие
максимальное количество однотипных образцов оборудования и
предназначенные для ремонта приборов сходного функционально-
го назначения.
Указанным образом вся номенклатура планируемых к восста-
новлению средств измерений распределяется между рабочими ме-
88
стами. При этом за /-м рабочим местом закрепляется такая но-
менклатура восстанавливаемых средств измерений, для которой
выполняется условие
ni
1X^1, (3.7)
Z=1
где nj — число типов средств измерений, планируемых к ремонту
на /-м рабочем месте.
Объединение комплектов диагностического оборудования на
рабочих местах с учетом выполнения равенства (3.7) позволяет
установить требуемое число рабочих мест в ремонтном подразде-
лении. При этом на каждом рабочем месте размещается не более
одного образца диагностического оборудования, входящего в со-
став комплектов для поиска неисправностей средств измерений,
планируемых к ремонту на рассматриваемом рабочем месте.
При незначительной загрузке образцов диагностического обо-
рудования на рабочих местах можно использовать один образец
на нескольких рабочих местах. В частности, £-й образец диагно-
стического оборудования можно использовать на mk рабочих ме-
стах в том случае, когда
mk rkj
Е (3-8)
/=i <=,
где rkj — число средств измерений, ремонтируемых на /-м рабочем
месте с использованием k-ro образца диагностического оборудова-
ния; X// — интенсивность использования i-го образца диагностиче-
ского оборудования на /*-м рабочем месте.
Для удобства работы с диагностическим оборудованием от-
дельные недорогие образцы можно разместить на каждом рабочем
месте и при выполнении неравенства (3.8).
Технологическое оборудование, применяемое для ремонта различных типов
средств измерений, можно в значительной степени унифицировать, создав уни-
версальный набор оборудования и инструмента для выполнения типовых техно-
логических операций ремонта. Это обусловлено широким использованием унифи-
цированных элементов (корпусов, ИМС, крепежа, разъемов и др.) и типовых кон-
структивных решений (монтажа элементов на платах, размещения плат в при-
боре и др.). Относительно невысокая стоимость указанных наборов делает целе-
сообразным оснащение ими каждого рабочего места.
Важный момент подготовки ремонтных подразделений к качественному ре-
монту средств измерений — освоение ремонта вновь выпущенных приборов в пе-
риод их гарантийной эксплуатации. Для этого в ведомстве определяют ремонт-
ные органы, ответственные за освоение ремонта групп средств измерений. Они
планируют ремонт в соответствии с приведенными соображениями. По догово-
ренности в них можно организовать гарантийный ремонт части отказавших
89
средств измерений с участием представителей заводов-изготовителей. При этом
используют выбранное ремонтно-технологическое оборудование, разработанную
эксплуатационную и ремонтно-техническую документацию, запасные части и рас-
ходные материалы, заказанные в соответствии с утвержденными нормами рас-
хода.
К концу гарантийного срока эксплуатации первых партий вновь выпущенных
средств измерений в выделенных ремонтных органах обобщают опыт ремонта и
подготавливают предложения по корректировке требуемого состава ремонтно-
технологического оборудования, эксплуатационной и ремонтно-технической доку-
ментации, ведомостей ЗИП. Уточняют целесообразные виды и методы ремонта
на различных уровнях системы ремонта, трудозатраты на восстановление средств
измерений и требуемую квалификацию ремонтников. Подготавливают рекомен-
дации по организации и проведению ремонта средств измерений в других ре-
монтных подразделениях ведомства. Одновременно проводят консультации и
учебные занятия, оказывают практическую помощь на местах восстановления
средств измерений.
3.5. Транспортирование и хранение
В процессе эксплуатации измерительная техника неоднократ-
но подвергается транспортированию, что объясняется необходи-
мостью их периодической поверки, ремонта, а также сменой места
применения. Встроенные приборы транспортируют вместе с тех-
ническими устройствами. Транспортирование приборов сопряжено
с воздействием на них многих внешних факторов, характеристики
которых иногда выходят за пределы рабочих условий эксплуата-
ции (удары, вибрации, повышенная влажность, пыль, пониженное
атмосферное давление и др.). Их воздействие может в значитель-
ной степени снизить надежность и даже привести к потере рабо-
тоспособности средств измерений. Чтобы предотвратить нежела-
тельные последствия транспортирования, применяются ряд мер
по обеспечению сохранности средств измерений и контроля.
При подготовке к транспортированию следует, прежде всего, обращать вни-
мание на то, чтобы шкалы приборов устанавливались на отметки и деления,
указанные в инструкциях по эксплуатации, а транспортирование проводилось
в штатной упаковочной таре. В приборах магнитоэлектрической системы замы-
кают выходные клеммы, при этом многопредельные приборы замыкают на ниж-
нем пределе. Эта предосторожность особенно важна для чувствительных микро-
амперметров и образцовых приборов. Применяемая штатная упаковка надежно
защищает приборы от проникновения пыли, влаги, ударов, вибраций. При ее
отсутствии используют тару, обеспечивающую сохранность приборов. При транс-
портировании образцовых приборов применяют специальную тару, имеющую
внутри амортизаторы. Зазоры между тарой плотно заполняют стружкой, бума-
гой или другими амортизирующими материалами. Особое внимание уделяют
укладке и креплению нормальных элементов. При транспортировании самолетом
средства измерений, как правило, размещают в герметизированных отсеках.
90
Хранение является одной из задач эксплуатации приборов,
заключающейся в обеспечении при этом их исправного состояния.
Это достигается следующими мерами: подготовкой к хранению (с
применением установленных средств и методов консервации); на-
личием помещений, где обеспечиваются нормальные условия хра-
нения; правильным размещением приборов по местам хранения;
проведением технического обслуживания.
На хранение ставятся исправные, поверенные и полностью
укомплектованные эксплуатационной документацией, одиночными
комплектами ЗИП средства измерений и контроля. Консервации
подлежат средства измерений, для которых она предусматривает-
ся эксплуатационными документами.
Средства измерений и контроля лучше хранить в отапливаемых помещениях
при температуре окружающего воздуха от 10 до 35°С и относительной влажно-
сти не более 80 %, которые соответствуют нормальным условиям хранения. Для
обеспечения этого режима температуру и влажность в помещениях постоянно
контролируют. В течение гарантийного срока прибор можно хранить в упаковке
предприятия-изготовителя при других значениях температуры и относительной
влажности, если они указаны в ТУ.
Приборы хранят отдельно от заполненных электролитом аккумуляторов,
кислот, щелочей и материалов, выделяющих химически активные пары и газы;
продуктов питания и веществ, подверженных гниению или выделяющих влагу;
легковоспламеняющихся жидкостей, горючих материалов.
Для хранения все средства следует группировать по типам и классам точ-
ности. Приборы с постоянными магнитами или с намагниченными элементами
нельзя располагать на стальных стеллажах и вблизи массивных железных и
стальных предметов, а также хранить вместе с другими типами электроизмери-
тельных приборов. Электроизмерительные приборы сохраняют заарретированны-
ми. В приборах магнитоэлектрической системы замыкают входные клеммы.
Источники питания (сухие элементы, батареи) извлекают из приборов, заво-
рачивают в пергаментную бумагу или водонепроницаемую пленку и хранят сов-
местно с приборами. Аккумуляторы, входящие в комплект приборов, за исклю-
чением неформированных серебряноцинковых (не залитых электролитом), содер-
жат в специальных помещениях.
Средства измерений размещают на стеллажах или в шкафах, которые сле-
дует располагать так, чтобы проходы между ними обеспечивали свободный до-
ступ и перемещение приборов (расстояние между стеллажами и наружными
стенками должно быть не менее 0,6 м; расстояние между полками стеллажей,
между верхней полкой и потолком — не менее 0,8 м; между стеллажами, стелла-
жами и радиаторами центрального отопления — не менее 0,6 м). При размеще-
нии на стеллажах более тяжелые и громоздкие приборы укладывают на нижние
полки (высота над уровнем пола 0,2 м) в один ряд по высоте. Все радиоизмери-
тельные приборы располагают в один ряд. Переносные электроизмерительные
приборы в упаковке целесообразно укладывать в два ряда по высоте, а без упа-
ковки—только в один ряд. Остальные упакованные малогабаритные приборы
91
можно размещать в несколько рядов, если при этом обеспечивается их сохран-
ность.
Особенности хранения отдельных типов приборов содержатся в инструкциях
по их эксплуатации. Средства измерений во время хранения подвергают осмот-
рам и техническому обслуживанию, которое планируют с учетом установленных
сроков поверки и данных, полученных при осмотрах. Обслуживание проводят па
истечению сроков поверки; при нарушении поверительного клейма или утере до-
кументов, подтверждающих проведение поверки; при нарушении условий хране-
ния и в других случаях, когда возникает сомнение в исправности хранимых при-
боров.
3.6. Категорирование и списание
Каждое находящееся в эксплуатации средство измерений в за-
висимости от степени соответствия его свойств (значений харак-
теристик и параметров) предъявляемым требованиям можно оце-
нить как годное или не годное, готовое или не готовое к использо-
ванию по назначению. Такое заключение принимают на основании
информации о свойствах, которые подвержены изменениям в про-
цессе эксплуатации средств измерений и совокупность которых оп-
ределяет их техническое состояние.
Важным элементом оценки технического состояния прибора
является его категорирование, основанное на общей оценке сте-
пени пригодности к использованию по назначению. Категория
средства измерений — это условная характеристика, определяемая
в зависимости от технического состояния и израсходования ре’
сурса.
Различают четыре категории средств измерений: новые, не
бывшие в использовании и с не истекающими сроками гарантии;
технически исправные и годные к применению, бывшие в исполь-
зовании или с истекшими сроками гарантии; неисправные, требую-
щие ремонта; неисправные, ремонт которых невозможен или неце-
лесообразен.
По назначению можно использовать средства измерений толь-
ко первой и второй категорий. Приборы третьей категории ремон-
тируют в соответствующих ремонтных органах в зависимости от
их технического состояния. Приборы четвертой категории списы-
вают.
Основаниями для перевода средств измерений из одной категории в другую
являются: истечение срока гарантии; заключение соответствующего метрологиче-
ского или ремонтного органа о возможности дальнейшего использования; нали-
чие отказов, для устранения которых необходим ремонт. Изменение категории
оформляется соответствующими документами.
Истечение установленных сроков эксплуатации не является основанием для
перевода прибора в четвертую категорию, если он по своему техническому со-
стоянию пригоден для дальнейшего использования. В зависимости от состояния
92
специальная комиссия может назначить дополнительный срок службы. При вы-
ходе из строя сменных элементов, предохранителей и др., а также при поверке,
регулировке или текущем ремонте в метрологических органах категория прибора
не изменяется.
Пригодность прибора к эксплуатации определяется техническим состоянием,
экономическими соображениями и моральным износом. Средства измерений спи-
сывают при достижении ими предельного состояния, когда невозможно или по
экономическим соображениям нецелесообразно восстанавливать их работоспособ-
ность, а также при моральном устаревании. Списывать средства измерений мо-
жет эксплуатирующая или ремонтная организация.
3.7. Ведение учета и эксплуатационной документации
Средства измерений и контроля подлежат обязательному уче-
ту для своевременной информации соответствующих должностных
лиц и органов управления достоверными данными о наличии, дви-
жении и техническом состоянии приборов, контроля за сохранно-
стью, законностью, целесообразностью и эффективностью исполь-
зования.
Учет состоит в правильных и своевременных записях в книгах и журналах
учета (накопителях информации ЭВМ) всех операций, связанных с движением
и изменением технического состояния приборов. Широкое применение средств
механизации и автоматизации повышает оперативность учета и обеспечивает вы-
сокое качество учетных операций. Учету подлежат все средства измерений и кон-
троля независимо от их назначения и источников поступления. Учет должен вес-
тись по специальным формам. Практика его организации в процессе эксплуата’
ции показала целесообразность ведения следующих книг: учета наличия и
движения средств; учета средств, выданных во временное пользование; учета
технического состояния, поверки и ремонта средств.
Эксплуатационная документация предназначена для отражения
технического состояния и других сведений, необходимых для со-
вершенствования эксплуатации и ремонта приборов. К эксплуа-
тационным документам относятся: техническое описание, инструк-
ция по эксплуатации, формуляр или паспорт, ведомость ЗИП. Ос-
новным документом, отражающим техническое состояние средств
измерений в процессе эксплуатации, является формуляр.
В разделах формуляра «Сведения о рекламациях» и «Учет неисправностей»
учитываются все неисправности и рекламации, указываются причины их возник-
новения и меры, принятые по их устранению. Работы по техническому обслужи-
ванию, консервации и расконсервации, установке на хранение, замене составных
частей и комплектующих изделий заносят в соответствующие разделы формуля-
ра с указанием даты, вида и объема работ за подписью соответствующего долж-
ностного лица, в ведении которого находятся приборы. Сведения о передаче и
закреплении прибора за ответственным лицом заносят в раздел «Сведения о дви-
жении и закреплении изделия при эксплуатации».
93
Данные о наработке при каждом применении помещают в подраздел «Учет
часов работы» лицом, непосредственно занятым эксплуатацией прибора. Итоги
о наработке за месяц, год и с начала эксплуатации (после капитального ремонта
или среднего ремонта) подводит лицо, за которым закреплен прибор, в подраз-
деле «Итоговый учет работы» при периодическом техническом обслуживании
в конце месяца, года. Если прибор имеет счетчик наработки, то в формуляр
заносят только итоговые сведения о наработке за квартал. Допускается учет
работы в специальных журналах учета наработки, которые прилагаются к фор-
муляру с последующей записью в формуляр итоговых данных.
Результаты поверки средств измерений оформляют в разделе «Поверка при-
бора метрологическими органами». В формулярах приборов, забракованных при
поверке, отмечают непригодность к эксплуатации и необходимость ремонта. Све-
дения о характере ремонта прибора заносит в формуляр лицо, непосредственно
осуществляющее ремонт. При отправке прибора в ремонт, передаче в другую
организацию, консервации или упаковке на длительное хранение в формуляр
записывают итоговые данные о наработке.
Глава 4.
МЕТРОЛОГИЧЕСКИЙ НАДЗОР
ЗА СРЕДСТВАМИ ИЗМЕРЕНИЙ
4.1. Государственные и отраслевые поверочные схемы
В основе обеспечения единообразия средств измерений лежит
система передачи размера единицы измеряемой величины. Техни-
ческой формой надзора за единообразием средств измерений яв-
ляется государственная (ведомственная) поверка средств измере-
ний, устанавливающая их метрологическую исправность.
Достоверная передача размера единиц во всех звеньях метро-
логической цепи от эталонов или от исходного образцового сред-
ства измерений к рабочим средствам измерений производится в
определенном порядке, приведенном в поверочных схемах. Пове-
рочная схема — это утвержденный в установленном порядке до-
кумент, регламентирующий средства, методы и точность передачи
размера единицы физической величины от государственного этало-
на или исходного образцового средства измерений рабочим сред-
ством.
Различают государственные, ведомственные и локальные пове-
рочные схемы органов государственной или ведомственных метро-
логических служб. Государственная поверочная схема распрост-
раняется на все средства измерений данной физической величины,
применяемые в стране; ведомственная — на средства измерений,
подлежащие поверке внутри ведомства; локальная — на средства
измерений, подлежащие поверке в данном органе государственной
или ведомственной метрологической службы.
94
Государственные поверочные схемы для средств измерений фи-
зической величины разрабатывают и вводят в виде государствен-
ного стандарта. В ходе их создания обосновывают структуру схе-
мы (виды вторичных эталонов, число разрядов образцовых средств
измерений, рациональных методов поверки) и других условий.
Ведомственные и локальные поверочные схемы не должны проти-
воречить государственным, но могут быть составлены и при их
отсутствии. В ведомственных и локальных поверочных схемах
можно указывать конкретные типы средств измерений.
Ведомственная поверочная схема представляет собой ведомст-
венный нормативный документ или отраслевой стандарт. Перед
утверждением она согласовывается с Госстандартом, который яв-
ляется разработчиком государственной поверочной схемы средств
измерений данной физической величины. Локальная поверочная
схема — нормативно-технический документ или стандарт предприя-
тия, согласованный с территориальным органом государственной
метрологической службы.
Поверочные схемы оформляют в виде чертежа, дополняя ее текстовой
частью. На чертеже указывают наименование средств измерений и методы повер-
ки, номинальные значения или диапазоны значений физических величин средств
измерений и методы поверки. Чертеж должен состоять из расположенных друг
под другом и разделенных штриховыми линиями полей, число которых зависит
от структуры поверочной схемы. Поля должны иметь наименования, указывае-
мые в левой части чертежа, отделенной вертикальной сплошной линией. В верх-
нем поле чертежа государственной поверочной схемы, в основе которой лежит
государственный эталон, указывают наименование эталонов в порядке их сопод-
чиненности. В верхнем поле чертежа ведомственной или локальной поверочной
схемы указывают наименования эталона или локальной поверочной схемы.
Поверочная схема помимо наглядного схематического изображения передачи
размера физической величины содержит и требования к средствам и методам
поверки, т. е. представляет собой структуру плана метрологического обеспечения
вида измерений.
Рассмотрим, например, компоновку государственной поверочной схемы для
средств измерений мощности электромагнитных колебаний в волноводном трак-
те в диапазоне частот 78,3 ... 178,6 ГГц (ГОСТ 8.535—85). Основным в этой
схеме (рис. 4.1) является государственный эталон единицы мощности, который
состоит из комплекса следующих средств измерений: три калориметрических
измерителя мощности с отсчетными устройствами; волноводная сличительная
установка; измерительная установка постоянного тока. Эталон обеспечивает вос-
произведение единицы по средним и квадратическим отклонениям результата, не
превышающим So = 2,5-lO“3 для электромагнитных колебаний мощностью
НО-3 ... НО-2 Вт.
Функции рабочих эталонов в поверочной схеме выполняют калориметриче-
ские измерители мощности, которые поверяют образцовые средства измерений
непосредственным сличением или при помощи компараторов.
Для средств измерений производных величин, единицы которых воспроизво-
95
о
О'
Рис. 4.1. Структура государственной поверочной схемы для средств измерений электромагнитных колебаний в волновод
ном тракте в диапазоне частот 78,3... 178,6 ГГц
дят методом косвенных измерений, в верхнем поле чертежа указывают наимено-
вания образцовых средств измерений, применяемых для воспроизведения данной
единицы и заимствования из других государственных поверочных схем (со ссыл-
кой на эти поверочные схемы). Под этими наименованиями (ниже) приводят но-
минальные значения или диапазоны значений физических величин и значения их
погрешностей.
Под полем эталонов располагают поле образцовых средств измерений. В тех
поверочных схемах, где должна быть показана передача размера единицы от
образцовых средств измерений, заимствованных из других поверочных схем, их
наименования помещают в специально отведенном поле. В ведомственных и ло-
кальных поверочных схемах указывают разряды образцовых средств измерений,
соответствующие присвоенным этим средствам измерений в государственных
поверочных схемах. Под наименованиями образцовых средств измерений пока-
зывают диапазоны измерений и значения погрешностей средств измерений. Поле
рабочих средств измерений помещают над полем подчиненного образцового сред-
ства измерений. Слева направо в порядке возрастания в нем располагают по-
грешности группы рабочих средств измерений, поверяемых по образцовым сред-
ствам одного наименования. Для каждой группы указывают вид, диапазон изме-
рений и значения погрешностей средств измерений.
Необходимым условием построения поверочных схем является
установление методов определения ее параметров. Существуют
методики, которые позволяют рассчитывать параметры повероч-
ных схем: число ее ступеней, соотношение погрешностей образцо-
вого и поверяемого средств измерений на основе анализа их со-
ставляющих, максимально допустимые соотношение погрешностей
поверяющего и поверяемого средств измерений и т. д.
Построение поверочных схем предполагает формирование (эта-
лонов средств измерений высшей точности, образцовых и рабочих
средств измерений). Потребности практической метрологии не
всегда позволяют придерживаться указанного условия. Прежде
всего это происходит тогда, когда неполностью сформирован парк
образцовых средств измерений тех или иных величин. Применение
в этих условиях методов экспертных оценок приводит, как прави-
ло, к созданию ведомственных поверочных схем с неоправданно
завышенными запасами точности, необоснованным коэффициентом
использования образцовых средств.
Таким образом, параметры поверочных схем необходимо опре-
делять с учетом имеющегося и формируемого парка образцовых
средств измерений, требуемой достоверности поверки рабочих
средств измерений. Для решения этой задачи следует найти чис-
ло ступеней поверочной схемы и оценить степень рациональности
ее построения, т. е. рассчитать рациональное число ступеней по-
верочной схемы. Для этого находят минимально необходимое и
максимально возможное число ступеней и по коэффициенту избы-
точности поверочной схемы выбирают рациональное число ее
звеньев. Под коэффициентом избыточности понимают отношение
97
количества средств измерений, обеспечиваемых поверкой при мак-
симально возможном числе ступеней поверочных схем, к количе-
ству реально эксплуатируемых средств измерений.
Число ступеней поверочной схемы между минимальным и мак-
симальным значением выбирают так, чтобы наиболее рационально
обеспечить поверкой весь парк средств измерений данной физиче-
ской величины. При этом следует учитывать:
необходимость резерва образцовых (высшей точности) средств
измерений на случай отказа основного;
особенности системы передачи размеров отдельных физиче-
ских величин, требующих дополнительных разрядов точности об-
разцовых средств;
географическую отдаленность части рабочих средств измере-
ний, для поверки которых в районе их размещения содержатся
специальные средства измерений высшей точности или эталонов-
переносчиков;
исторически сложившуюся систему передачи размеров единиц.
Следует признать целесообразным установление обязательных
поверочных схем, определяющих наиболее эффективное использо-
вание ресурсов поверки на данном предприятии или в данном ор-
гане метрологической службы.
4.2. Назначение метрологической аттестации и поверки
средств измерений, виды поверок и способы их выполнения
Отличительной особенностью средств измерений от других тех-
нических средств является то, что они обладают метрологически-
ми свойствами и содержат в себе информацию о единице измеряе-
мой величины. Средства измерений преобретают метрологические
свойства в процессе их изготовления и градуировки. В процессе
эксплуатации эти свойства изменяются и в некоторых случаях мо-
жет наступить метрологический отказ. Для обеспечения единооб-
разия средств измерений с целью предотвращения и выявления
метрологических отказов проводят их поверку после изготовления
и ремонта, а также при необходимости в процессе эксплуатации.
Регламентируются следующие виды поверки: первичная, периоди-
ческая, внеочередная, инспекционная и экспертная. Первичная
поверка сопровождает выпуск средств измерений в обращение из
производства или ремонта. В отдельных обоснованных случаях
допускается выборочная первичная поверка средств измерений.
Периодическая поверка проводится при эксплуатации и хране-
нии средств измерений через определенные межповерочные интер-
валы (МПИ) времени, которые устанавливают, исходя из обеспе-
чения исправности средств измерений на период между повер-
ками.
Внеочередную поверку производят независимо от сроков перио-
дической поверки в следующих случаях: при необходимости удо-
98
стовериться в пригодности к применению средств измерений; при
повреждении поверительного клейма, пломбы или утрате докумен-
та о поверке; при вводе в эксплуатацию средств измерений, по-
ступающих после расконсервации; при необходимости контроля
результатов периодической поверки; при корректировке межпове-
рочных интервалов; при вводе в эксплуатацию после хранения в
установленные сроки или при передаче на длительное хранение.
При инспекционной поверке выявляют пригодность к примене-
нию средств измерений, находящихся в эксплуатации, а также
осуществляют государственный надзор и ведомственный контроль
за состоянием и применением средств измерений.
Экспертная поверка необходима при возникновении спорных
вопросов о метрологических характеристиках, исправности средств
измерений и пригодности их к применению.
Поверка средств измерений метрологическим органом осущест-
вляется, как правило, посредством образцовых средств измерений.
Образцовые средства измерений хранят и применяют при госу-
дарственной поверке органы государственной метрологической
службы, а при ведомственной поверке — подразделения ведомст-
венной (отраслевой) метрологической службы. В обоснованных
случаях допускается проведение ведомственной поверки другими
подразделениями предприятий ведомства (отрасли). Средства из-
мерений, выпускаемые специально в качестве образцовых, т. е. из-
готавливаемые по стандартам или техническим условиям на об-
разцовые средства измерений, подвергают первичной поверке.
В остальных случаях средства измерений, предназначенные для
применения в качестве образцовых, подлежат метрологической
аттестации в государственных или ведомственных метрологических
органах.
Метрологическая аттестация — это комплекс мероприятий по
исследованию метрологических характеристик и свойств средства
измерения с целью принятия решения о пригодности его примене-
ния в качестве образцового. Обычно для метрологической аттеста-
ции составляют специальную программу работ, основными этапа-
ми которых являются: экспериментальное определение метрологи-
ческих характеристик; анализ причин отказов; установление меж-
поверочного интервала и др. Метрологическую аттестацию средств
измерений, применяемых в качестве образцовых, производят перед
вводом в эксплуатацию, после ремонта и при необходимости из-
менения разряда образцового средства измерений. Результаты
метрологической аттестации оформляют соответствующими доку-
ментами (протоколами, свидетельствами, извещениями о непри-
годности средства измерений).
Особенности применяемых видов средств измерений определя-
ют методы их поверки. В практике поверочных лабораторий из-
вестны разнообразные методы поверки средств измерений, кото-
рые для унификации сводятся к следующим: непосредственное
99
сличение при помощи компаратора (т. е. при помощи средств срав-
нения); метод прямых измерений; метод косвенных измерений;
метод независимой поверки (т. е. поверки средств измерений от-
носительных величин, не требующий передачи размеров единиц).
Средства измерений, состоящие из нескольких частей (элемен-
тов), можно поверять поэлементно или комплектно. При поэле-
ментной поверке погрешности средства измерений определяют по
погрешности составных частей. Этот вид поверки является расчет-
но-экспериментальным и, как правило, применяется для сложных
приборов, для которых отсутствуют образцовые средства измере-
ний, позволяющие определять погрешность во всем диапазоне из-
мерений. Например, поэлементная поверка практикуется для раз-
личных измерительных магазинов, измерительных линий, инфор-
мационных измерительных систем и т. д.
При комплектной поверке определяют погрешности средства
измерений в целом для всего измерительного прибора или изме-
рительной системы. Этот вид поверки является более информатив-
ным и достоверным. Его целесообразно применять для средств
измерений, в которых влияние взаимодействия составных компо-
нентов на метрологические характеристики трудно оценить зара-
нее. Известны два основных способа реализации комплектной по-
верки. Первый связан с использованием для поверки калибрато-
ров, формирующих образцовые сигналы, подаваемые на вход по-
веряемого средства измерений. Второй предусматривает примене-
ние образцовых средств измерений для формирования сигналов,
подаваемых на вход поверяемого прибора или измерительной си-
стемы, и сравнения результатов измерения, полученных образцо-
выми и поверяемыми средствами измерения. При этом в том и
другом способе необходимо подавать на вход поверяемого средст-
ва измерений специальные испытательные сигналы. Комплектная
поверка позволяет оценить динамические характеристики поверяе-
мых средств измерений и определить динамическую погрешность.
Несмотря на различие источников испытательных сигналов в
разных областях измерений, методология комплектной поверки
является общей, основанной на идентификации динамических си-
стем по входным и выходным сигналам. Решать современные за-
дачи, стоящие перед поверкой средств измерений, можно на осно-
ве выбора такого испытательного сигнала, который сочетает про-
стоту его реализации и высокую точность задания значений ин-
формативных параметров.
Рассмотрим один из способов комплектной поверки аналоговых средств
измерений (измерительных каналов) с помощью специальных испытательных сиг-
налов. Так, при определении основной погрешности средств измерений, содержа-
щих линейные усилительные тракты (электронные вольтметры, измерительные
усилители, осциллографы и т. д.), в нормативно-технических документах (НТД)
на поверку рекомендовано использовать в качестве испытательного воздействия
100
сигнал синусоидальной формы. Однако для большинства современных измери-
тельных устройств синусоидальный входной сигнал не определяет наихудший из
допустимых режимов измерения. Поэтому достоверность оценки технического со-
стояния по этим испытательным сигналам не является удовлетворительной для
предельно допустимых режимов работы поверяемого прибора. Кроме того, такой
способ поверки сопряжен с большой продолжительностью и необходимостью
использовать значительное число измерительных генераторов синусоидальных
сигналов широкого частотного диапазона.
Дальнейшим развитием данного способа комплектной поверки является спо-
соб, основанный на применении импульсных испытательных сигналов со специ-
альными параметрами.
Выбор формы сигнала для комплектной поверки определяется главным обра-
зом методическими погрешностями, возникающими из-за присутствия в сигнале
высших гармонических составляющих. Зависимость показаний, например элек-
тронных средств измерений, от формы испытательного сигнала объясняется тем,
что различные по типу приборы отличаются между собой электрическими пара-
метрами измерительной цепи. Широкий класс средств измерений и измерительных
каналов ИИС может быть представлен эквивалентной схемой в виде линейной
электрической цепи.с сосредоточенными параметрами. Эквивалентная схема этого
класса приборов в динамическом режиме чаще всего описывается апериодическим
звеном первого порядка. Тогда предельно допустимые параметры испытательных
сигналов можно оценить так же, как максимально допустимую скважность Q
серии импульсов с амплитудой U при требуемом уровне выходного сигнала при
заряде конденсатора интегрирующей цепи [30].
Из анализа электрических цепей известно, что для полного заряда конден-
сатора до номинального значения необходима такая скважность серии импуль-
сов, при которой напряжение на выходе апериодического звена за время паузы
не успевает снизиться до нуля. Скважность импульсных сигналов одной поляр-
ности
<? = Г/Ти, (4.1)
где ти, Т — длительность импульсов, период их следования.
Если обозначить и3 напряжение на выходе интегрирующей цепи в момент
окончания заряда одиночным импульсом, ир— напряжение на конденсаторе
в момент окончания паузы Т—ти и потребовать, t
жений было равно определенному значению б, то
мальной скважности можно определить из соотв
§ = цр _ ^(1 — ехр ти/т,)ехр( — (Г—ти) 'та)
«з <7(1 — ехр ти/та)
где Та — постоянная времени эквивалентной цепи измерительного устройства.
Отсюда после логарифмирования и преобразования
Сд=1 —(Та/Ти) In б. (4.3)
Для средств измерений, содержащих линейные усилительные тракты, значе-
ние б можно считать относительной погрешностью измерения из-за неравномер-
ности амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) измерительного тракта.
гооы отношение этих
допустимое значение
напря-
макси-
= ехр( — (Г —
(4.2)
101
Рис. 4.2. Эпюры истытательного сигнала прямоугольной (а) и трапецеидальной
(б) формы
Современные импульсные генераторы можно использовать в качестве источ-
ников сигналов и, учитывая связь временных параметров с частотными (прямое
и обратное преобразование Фурье), совмещая поверку частотных характеристик
поверяемых приборов с определением основной погрешности.
Комплектную поверку указанных средств измерений и измерительных кана-
лов ИИС можно проводить с помощью импульсных генераторов, допускающих
регулировку ти, частоты повторения Q и амплитуды сигнала (рис. 4.2,а).
Частотные характеристики средств измерений, содержащих усилительные
тракты, характеризуются минимальной fmin и максимальной /max частотами изме-
ряемого сигнала, в области которых нормируется относительная погрешность
измерения из-за неравномерности АЧХ. Ограничения, накладываемые на частот-
ную область применения прибора или измерительного канала, в технических дан-
ных отражаются допустимым коэффициентом амплитуды ka измеряемого сигна-
ла. Для импульсных сигналов одной полярности коэффициент амплитуды ka=
= /q.
Принимая во внимание, что согласно действующей НТД на поверку аналого-
вых линейных измерительных систем (электронные вольтметры, измерительные
усилители, осциллографы и т. д.) погрешность необходимо определять на пре-
дельных частотах номинальной области частот, то для поверки на верхнем пре-
деле частотного диапазона устанавливается следующая последовательность
импульсов с параметрами Ти1=1//тах, Qi=/max/£a2. Для поверки на нижнем пре-
деле соответственно Ти2=1Аа2^2, Q2 = fmin.
Дальнейшим совершенствованием рассмотренного способа поверки является
применение испытательных сигналов трапецеидальной формы. Преимущество тра-
пецеидальных периодических сигналов заключается в том, что, изменяя угол а
наклона боковых сторон (рис. 4.2,6), исключают из спектра различные гармоники
испытательного сигнала.
Синтезирование требуемого испытательного сигнала для комплектной повер-
ки путем суммирования кусочно-ступенчатых сигналов производится наиболее
простыми техническими средствами. Параметры таких устройств, в частности,
можно перестраивать с высокой точностью с использованием микропрограммных
устройств, а в перспективе и микропроцессоров для автоматической перестройки
параметров выходного сигнала, коррекции погрешностей и самоповерки.
102
4.3. Достоверность поверки
Совершенство системы метрологического надзора за единством
средств измерений определяется качеством поверки. Одной из
важнейших характеристик качества поверки является достовер-
ность. Эта характеристика процесса измерительного контроля от-
ражает степень доверия к полученным после поверки результа-
там. На ее формирование влияет большое количество факторов.
Наиболее существенными из них являются точность измерительно-
го контроля, полнота контроля поверяемых параметров, временные
показатели поверки, надежность поверяемых и образцовых средств
измерений, установление поля допуска на поверяемый параметр,
методика операций поверки, способы регистрации и обработки из-
мерительной информации, наличие системы самоконтроля.
Достоверность поверки по результатам измерительного конт-
роля численно определяют как вероятность принятия правильного
решения о техническом состоянии прибора. В частности, при од-
нопараметрическом измерительном контроле достоверность повер-
ки [31]
D = l—Pi (х) m—Pi (х) pz, (4.4)
где Р/(х), Л (х)—вероятности нахождения значения f-ro поверяе-
мого параметра в момент измерения в поле допуска и вне поля
допуска; az, Pz — условные вероятности ложного и необнаруженно-
го отказов при поверке прибора.
При независимости поверяемых параметров [32]
АВ1 АВ1 ^ъ1~х
[ 1г(х)4х — J f((x) у fi(z)dzdx
az = --------, (4.5)
ДВ1
f fi(x)dx
oo ДвГ7х ДВ1 ABi~x
J fi(x) j fi(x)dzdx — J fi(x) j fi(z)dzdx
ft = —-----—------------——-------, (4.6)
1- J fi(x)dx
где fi(x)—плотности распределения f-го поверяемого параметра;
fi(z)—плотности распределения погрешности измерения i-ro па-
раметра; ABz, Ан/ — верхнее и нижнее значения поля допусков по-
веряемого параметра.
В принятой в настоящее время поверочной практике результат
поверки средства измерений имеет два альтернативных состояния
103
«годен», «не годен». Первое характеризует техническое состояние
прибора, у которого все поверяемые параметры в норме (соответ-
ствуют НТД), второе — состояние, при котором хотя бы один из
параметров не в норме.
Чаще всего при поверке средств измерений определяют относи-
тельную погрешность в поверяемой отметке диапазона измерений.
Поэтому в качестве контролируемой характеристики, как прави-
ло, используют отношение значения поверяемой метрологической
характеристики х к модулю ее предельного допустимого значения
|хд|, т. е. х=х/|хд|. В связи с этим многие поверочные установки
и приборы для удобства работы поверителя имеют отсчетные уст-
ройства, проградуированные в относительных единицах.
Для упрощения оценки достоверности поверки целесообразно воспользовать-
ся понятием оперативной характеристики контроля, применяемой для проверки
статистических гипотез. В этом случае условная вероятность признания поверяе-
мого средства измерений годным при условии, что х имеет некоторое конкретное
значение, т. е. оперативная характеристика контроля (рис. 4.3) [33]
*д
L(x) = j f (х | x0)dx,
где f(x|x0)—условная (при условии, что контролируемая характеристика при-
няла конкретное значение х0) плотность распределения вероятностей относитель-
ной оценки х=х/|хд|; хд=х/|Хд| — нормализованная граница хл поля допуска,
с которой сравнивается оценка х для принятия решения о годности или забрако-
вании поверяемого прибора (хд^1).
За критерии достоверности поверки целесообразно принять наибольшую
условную вероятность рд ошибочного признания годным в действительности
негодного средства измерений либо наибольшую условную вероятность ад оши-
бочного признания негодным фактически годного средства измерений. Критерию
рд соответствует ордината функции L(x) в точке х=1, являющейся наибольшей
из тех, которые могут иметь место при х>1, т. е. ;рд=£(х) при х=1.
Следует отметить, что в общем случае оперативная характеристика зависит
от качества методики поверки, определяемого некоторым вектором параметров а,
т. е. L(x, а). Поэтому для более полной оценки достоверности различными ме-
тодиками поверки следует конкретизировать вид функции £(х, а) [33, 34].
При разработке методик поверки средств измерений, а также
при метрологической экспертизе и испытаниях приборов необхо-
димо задавать и контролировать показатели достоверности повер-
ки, обеспечиваемые данной методикой. При этом возникают труд-
ности нормирования и контроля ошибок поверки (ад и 0Д), кото-
рые обусловлены тем, что на этапе разработки средств измерений,
как правило, отсутствуют априорные данные о распределениях па-
раметров, а также результаты периодических поверок.
Из-за отсутствия данных об эксплуатации вновь выпускаемых
средств измерений показатели достоверности первичной поверки,
104
Рис. 4.3. Оперативная харак-
теристика контроля
Рис. 4.4. Граф состояний средств измерений
и ошибок поверки
как правило, отличаются от показателей периодической поверки.
Это обусловлено совершенством технологии изготовления, ее ста-
бильностью.
Рассмотрим один из способов определения показателей досто-
верности ад и рд для первичной поверки, основанный на связи с по-
казателями качества выпускаемой продукции. За показатель ка-
чества выпускаемой продукции принято максимально допустимое
относительное число С дефектных средств измерений, которые
ошибочно проходят контрольные испытания, включая первичную
поверку, с положительным результатом. Возможность таких
ошибочных решений связана с наличием ошибок измерительного
контроля, воздействия неконтролируемых внешних факторов. Ха-
рактеристикой качества изготовленных средств измерений, посту-
пающих на выходной контроль из сборочных цехов, принимают
относительное число Q дефектных средств измерений из всех изго-
товленных. При этом на предприятиях, выпускающих измеритель-
ную технику, под Q понимают дефектность лишь в отношении
метрологических характеристик.
Вполне очевидно, что относительное число С дефектных средств
измерений среди выпускаемых как исправные определяют не
только вероятностью ошибки |3, но и показателями качества про-
изводства Q, т. е. априорной вероятностью наличия дефектной
продукции.
Применяя к рассматриваемой ситуации формулу Байеса, по
аналогии с формулами, приведенными в [32], получаем в наших
обозначениях:
a = (l-Q)a+Q(l-p), ’
с_ 0₽ ’
<?0+ (1 — Q)(l —«) ’ .
(4-7)
где а — относительное число средств измерений, забракованных
при первичной поверке.
105
В (4.7) (1—Q)a — относительное число ошибочно забракован-
ных средств измерений, a Q(1—0) —относительное число правиль-
но забракованных приборов.
Как известно, в соответствии с производственной ситуацией
технология изготовления изделий не остается постоянной. Следо-
вательно, значение Q, связанное с качеством производства, также
не остается постоянным и даже для одних и тех же типов средств
измерений, изготовливаемых на разных предприятиях, может быть
различным. Для поддержания показателей качества Со, Qo, а0
выпускаемых средств измерений требуется обеспечить следующие
значения достоверности первичной поверки (4.7):
п ао — Qo ~Н Со( 1 а0) q Со( 1 — aQ)
д 1—Qo ’ Рд Qo
где Со — заданный уровень выходного качества.
В техническом задании (ТЗ) или технических условиях (ТУ)
на разработку средства измерений задают лишь показатели без-
отказной работы прибора или комплексные показатели надежно-
сти. В связи с этим целесообразно предварительно определить
ориентировочные значения ад* и 0Д* в зависимости от обеспечения
требуемых показателей надежности средства измерений и далее по
результатам статистических данных уточнить их значения. Если в
ТЗ на разработку прибора задается вероятность безотказной ра-
боты Р(т) за межповерочный интервал т при определенном коэф-
фициенте использования ku, то показатели ад, 0Д можно опреде-
лить, рассмотрев процедуру поверки с двумя альтернативными ис-
ходами. При отрицательных результатах поверки метрологические
органы принимают решение об исключении из эксплуатации забра-
кованных приборов. Вместо них используют резервные, т. е. про-
цедура поверки влияет на надежность парка средств измерений.
Таким образом, вероятность безотказной работы средств измере-
ний характеризуется фактически исправным его состоянием и ре-
зультатами поверки, определяющими отказы. Анализируя граф
состояний на рис. 4.4, можно записать выражения для вероятности
безотказной работы на момент окончания поверки:
Р (0 = Р (т) (1 —a) +Р (т) а-ь [ 1 -Р (т) ] (1-р) =
= 1-[1-Р(т)]0. (4.8)
Как правило, у современных средств измерений поверяют несколь-
ко метрологических характеристик. При этом наиболее часто при-
меняют методику, когда в определенном порядке для каждой мет-
рологической характеристики (поверяемой точки) проверяют ги-
потезы о годности прибора и, если они не опровергаются для всех
метрологических характеристик, то средство измерений признают
106
годным. В этом случае
п,
р^)= Плм.
/=1
где п — число поверяемых метрологических характеристик (точек)
средства измерений; Л(т)—вероятность отсутствия брака по i-й
метрологической характеристике.
При этом обычно для анализа используют модель системы об-
служивания и восстановления технических объектов, в которой
при отрицательных результатах поверки забракованные приборы
заменяют на исправные, т. е. для парка средств измерений счита-
ют, что на момент окончания поверки апостериорная вероятность
признания прибора исправным становится равной единице [32].
Надо отметить, что такая модель значительно идеализирована,
так как не учитывает ошибки поверки средств измерений. Из-за
этого вероятность признания исправного состояния средства изме-
рений в момент окончания поверки не может принимать значение,
равное единице, а оказывается несколько ниже.
Если в ТЗ на разработку средств измерений или в соответст-
вующей НТД задается требуемое Ртр(/), то необходимое значение
рд* определяется из выражения (4.8).
Значения Ртр(0 можно задавать с учетом оснащенности пове-
рочного органа образцовыми приборами и коэффициента метро-
логической годности &д, который определяется в зависимости от
условий применения поверяемого прибора. В методических указа-
ниях [61], утвержденных Госстандартом, приводятся значения
для приборов, условно разделенных на три группы важности. Для
приборов, обеспечивающих расчеты с потребителями, &д=0,80...
... 0,85. Для приборов, применяемых при техническом обслужива-
нии в технологических процессах, &д=0,90... 0,98. Для приборов,
выполняющих особо ответственные измерения, например связан-
ные с безопасностью людей, предлагается &д=0,99... 0,995. В этом
случае значение 0Д определяется из (4.8), где Р(1) принимается
равным соответствующему Ртр(/). В этом случае рд*= (1—
-Ртр(0)/(1-Р(т)).
Известно, что поверка средств измерений повышает, с одной
стороны, достоверность оценки их технического состояния, а с дру-
гой стороны, время, затрачиваемое на подготовку прибора к при-
менению. Причем на показатели надежности, связанные с готов-
ностью средства измерений к применению, существенно влияют
ошибки поверки 1-го рода. Поэтому требуемое значение ад следу-
ет определять из комплексных показателей надежности, учитыва-
ющих время восстановления забракованного прибора, например
коэффициента готовности
/<г=То/(Го+Тв),
107
где Тв^ среднее время восстановления средства измерений; То—
наработка на отказ.
При постоянной интенсивности отказов X по аналогии с (3.4)
к = ____________________________1 - ен__________________________(
(1 - eXt) (е“Хт+^ + Мк[1 + р^(1-еХт)1 + ХГв[1 - еХт( 1 - а)]
(4-
где tK — длительность поверки.
Значение Кг, как правило, задают в ТЗ на разработку средства
измерений или рассчитывают по заданным То и Тв. Приняв 0 =
= рд*, из (4.9) определяют а, значение которого принимают за
ад*. Далее по результатам испытаний (предварительным, опреде-
лительным, приемным) или опытной эксплуатации прибора значе-
ния ад*, 0д* уточняют, исходя из апостериорного распределения
поверяемых параметров.
Разброс результатов измерений при поверке прибора обуслов-
лен следующими факторами:
случайной составляющей погрешности поверяемого средства
измерений;
случайной составляющей погрешности образцовых средств из-
мерений;
случайными изменениями характеристик среды и других факто-
ров, влияющих на результаты поверки.
Наиболее распространенные факторы, влияющие на достоверность поверки
средств измерений, достаточно полно исследованы [35—37]. Поэтому определен-
ный интерес представляют те из них, которые с развитием измерительной тех-
ники перешли из разряда второстепенных в разряд определяющих. К ним, преж-
де всего, следует отнести факторы, связанные с особенностями алгоритма про-
цесса измерений и измерительного контроля.
При эксплуатации средств измерений часто считают, что достоверность по-
верки определяется инструментальной погрешностью, т. е. классом точности
образцового прибора. Такой подход к оценке достоверности поверки и к выбору
образцовых средств измерений, как отмечено в [1], хоть и положен в основу
большинства НТД [33], справедлив лишь для узкого круга практических задач,
когда измеряемая величина весьма близка к принятой модели измеряемого сиг-
нала. Неадекватность модели и реального сигнала может привести к неопреде-
ленности результата поверки, которую нельзя устранить, повышая точность
образцового прибора.
Например, при поверке и настройке генераторов сигналов измерение и кон-
троль частоты выходного сигнала представляет собой одну из наиболее распро-
страненных операций. При измерении периода электронно-счетным частотомером
с относительной стабильностью частоты внутреннего кварцевого генератора бо,
может возникнуть дополнительная погрешность, зависящая от формы измеряе-
мого сигнала и от стабильности уровня сигнала. Она обусловлена нестабильно-
стью выходного сигнала генератора. Так, если в течение периода измеряемого
108
синусоидального сигнала мгновенное значение сигнала изменяется на ±Ди, то
вместо истинного значения периода длительностью 7\ будет измерен интервал
7'1±ДГ. Таким образом, в течение периода измеряемого сигнала относительная
наибольшая погрешность из-за нестабильности выходного напряжения 6Т=
=Д7'/Т1 = 2Д(р/2л. При Ди <и можно принять Aq^sin Дф=Ди/и, в этом случае
дт^Ди/ил.
На низких частотах, когда основная погрешность метода измерения незна-
чительна, точность измерений в основном будет определяться составляющей 6Т.
Так, если измеряется период 7^0,1 с выходного сигнала низкочастотного гене-
ратора синусоидальных колебаний класса точности Гзиб с относительной неста-
бильностью выходного напряжения Ди/и=10~2 электронно-счетным частотоме-
ром, например 43-54, то дополнительная погрешность измерения из-за
нестабильности напряжения исследуемого сигнала на два порядка превышает
основную погрешность частотомера. Поэтому повышение точности электронно-
счетного частотомера без учета изменения формы сигнала не приводит к повы-
шению достоверности измерительного контроля.
Одной из операций поверки измерительных генераторов является измерение
опорного уровня выходного сигнала. Для этого рекомендуется использовать
образцовый компенсационный вольтметр, например ВЗ-49, имеющий основную
погрешность § = + при частотах f=l ... 10 МГц. Предпо-
“ \ u J
лагается, что выходной сигнал имеет синусоидальную форму. Поскольку реаль-
ный сигнал генератора не адекватен принятой монохроматической модели, в вы-
ходном сигнале содержатся гармонические составляющие. Для компенсационных
вольтметров погрешность измерения напряжения основной частоты из-за выс-
ших гармонических составляющих
Ди
(4.10)
и
вольт-
определяется выражением [38]
«=оо
= JL V и*
2 Zj u2 ’
п=2
где и — напряжение основной частоты; ип — напряжение составляющих гармо-
нических составляющих.
Выражение (4.10) определяет составляющую погрешности, приближающую-
ся к половине квадрата коэффициента нелинейных искажений. Поэтому, когда
коэффициент гармоник выходного сигнала генератора превышает 2 %, состав-
ляющая погрешности из-за неадекватности реального сигнала принятой модели
более чем на порядок превышает основную погрешность компенсационного
метра.
В общем виде процесс анализа неадекватности модели
ального выходного сигнала можно описать математическим
ратом теории множеств. Пусть x(t, a,b)—входной сигнал
время, а — вектор информативных параметров, b — вектор
формативных параметров) принадлежащий множеству X. Каждый
элемент Лр множества А операторов средств измерений отобража-
ет преобразование входного сигнала x(t) в результат измерения
и ре-
аппа-
а-
неин-
109
При анализе неадекватности модели и реального измеряемого
сигнала важно оценить влияние неинформативных параметров сиг-
нала на результат измерения, их предельные значения при дости-
жении верхней или нижней границы поля допуска. Результаты
измерений при идеальном входном сигнале хи (идеальной модели)
и реальном хр входном воздействии сравнивают по одному из кри-
териев г, характеризуемому определенной функцией потерь.
В общем виде предельное значение неинформативного парамет-
ра
р[Дрл„. Лр>р(/, bit а)],
Ьл = arg max sup r< (4.11)
1 (inf r,
где В — множество значений неинформативных параметров.
В (4.11) значение sup г соответствует верхнему пределу Дв по-
ля допуска, значение inf г — нижнему Ан.
В частном случае критерий г может совпадать с относительной
или абсолютной погрешностью измерения. Из (4.11) следует, что
даже при наличии структурной модели входного сигнала для ана-
лиза погрешностей необходимо располагать оператором применяе-
мого средства измерения.
Проведенный анализ показал, что несоответствие измеряемого
процесса приписываемой ему модели существенно влияет на досто-
верность результата измерений. В эксплуатационно-технической
документации на электронные радиоизмерительные приборы, как
правило, не приводятся оценочные формулы или графики для уче-
та несоответствия измеряемого процесса принятому алгоритму,
что вызывает неопределенность результата измерений. Поэтому
необходимо нормировать не только погрешность прибора, но и со-
ставляющую погрешности из-за несоответствия реального процес-
са и принятой модели.
При выборе образцового прибора для поверки конкретного ти-
па средства измерений необходимо не только учитывать его точ-
ностные характеристики, но и анализировать согласованность при-
нятой модели измеряемой величины с действительным законом ее
изменения. При определении достоверности поверки необходимо
принимать во внимание влияние составляющей погрешности по-
верки из-за неадекватности принятой и реальной модели поверяе-
мого параметра.
Другим способом повышения достоверности измерительного
контроля без конструктивных изменений прибора является учет
влияния измеряемой величины и других дестабилизирующих
факторов на распределение погрешности.
ПО
4.4. Определение объема поверочных работ
Под объемом поверочных работ понимают совокупное число
основных поверочных операций (без подготовительных), в резуль-
тате выполнения которых можно сделать вывод о пригодности при-
бора к применению.
Объем поверки зависит от числа поверяемых метрологических
характеристик; числа поверяемых отметок (точек) в диапазоне
измерений; числа измерений в каждой поверяемой отметке. Пер-
вое число определяется числом измерительных функций прибора;
второе — характером измерения поверяемой метрологической ха-
рактеристики; третье — возможным разбросом случайной состав-
ляющей погрешности прибора.
При выборе состава поверяемых параметров основное требова-
ние заключается в достоверной оценке технического состояния
средства измерений для принятия решения о возможности ее при-
менения.
Нормативные документы на разработку методик по поверке
средств измерений требуют определять минимум поверяемых мет-
рологических характеристик, достаточный для решения вопроса о
пригодности поверяемых средств измерений к применению.
В настоящее время выбору контролируемых параметров технических систем
посвящено значительное число работ [32, 33, 39], многие из которых отличают
оригинальные подходы, успешно применяемые на практике. Вместе с тем, как
показывают метрологические экспертизы средств измерений и методик поверки,
еще имеют место случаи необоснованного выбора поверяемых параметров. Это
можно объяснить, прежде всего, тем, что до недавнего времени не было общих
регламентирующих документов на задание требований к достоверности поверки,
а также большим разнообразием типов эксплуатируемых приборов, для которых
сложно применять достаточно общие методы анализа.
Анализ существующих подходов к определению состава поверяемых пара-
метров показал, что наиболее распространены способы, основанные на обеспече-
нии апостериорной надежности контролируемых технических систем. К ним мож-
но отнести многочисленные методы ранжирования параметров по уровню их
надежности [33]. Однако при этом трудно определять характеристики надежно-
сти анализируемых параметров на этапе разработки средства измерений. Поэто-
му объем операций при первичной поверке, как правило, больше, чем при перио-
дической поверке прибора.
Разработка методических основ для определения состава по-
веряемых параметров является важной задачей, имеющей практи-
ческое значение для метрологического обслуживания средств из-
мерений. Решим такую задачу для средства измерений. Так как
достоверность поверки средства измерений в значительной мере
определяется поверяемыми параметрами, то рациональный их со-
став следует сформировать с учетом обеспечения требуемых пока-
зателей достоверности поверки ад и рд. Если в исходной совокуп-
111
ности параметров средства измерений хь х2, ...,хп лишь часть па-
раметров i=l, I подлежит измерительному контролю, то
при условии независимости погрешностей измерений отдельных
параметров значения условных вероятностей ошибок поверки ао и
р0 для многопараметрического контроля определяется по следую-
щим формулам [31]:
i
а0 = 1— П(1 — «i).
1=1
I I
Ц[Р(Х/)(1-М + Пх.)М- I
Ро = (1 _ тс) П (1-aJ,
l-n^x.) ,=1
i=l
/ 1 J I
где тс = I 1 — П P(*i) / 1-Л.К — полнота контроля, под
\ i=l / / i=l
которой понимают методическую составляющую достоверности по-
верки, характеризующую возможность выявления отказов при
выбранной методике поверки; Рнк — вероятность безотказной ра-
боты неконтролируемой части средства измерений.
Значения а/ и р/ определяются по выражениям (4.5) и (4.6).
Допущение о стохастической независимости поверяемых пара-
метров вполне оправдано на этапе предварительного анализа ха-
рактеристик средств измерений, так как оно ужесточает требова-
ния к достоверности измерительного контроля.
На первом этапе анализа параметров поверяемого средства из-
мерений следует определить а„ обеспечиваемое образцовыми при-
борами и поверочным оборудованием, которые можно использовать
при поверке. Затем для всей совокупности параметров прове-
ряется выполнение условия а0^ад. Если это условие обеспечива-
ется, то, как следует из (4.31), дальнейшее сокращение числа по-
веряемых параметров будет лишь уменьшать ошибку ложного
забракования по результатам поверки прибора.
Если в ТЗ на разработку средств измерений или в соответст-
вующей НТД на его поверку задаются допустимые значения услов-
ных вероятностей ад, рд, то при выборе поверяемых параметров
целесообразно учитывать методическую достоверность измеритель-
ного контроля [32].
Требуемые ад и рд можно обеспечить изменением числа пове-
ряемых параметров или значений а, и р, при измерительном конт-
роле отдельных параметров. Вполне очевидно, что увеличение чис-
112
ла поверяемых параметров и уменьшение значений а, и 0, связано
с дополнительными затратами на повышение точности поверочно-
го оборудования, учет влияния дополнительных факторов и т. д.
В основу рассматриваемого способа выбора поверяемых парамет-
ров положен тот факт, что снижению ошибок измерительного кон-
троля сопутствуют некоторые затраты (материальные, временные),
которые рассматриваются как неотрицательная монотонная функ-
ция. За такую функцию можно принять следующее математиче-
ское выражение
С = М(1-Р0/(аг+₽0, (4.12)
где Ni — весовой коэффициент затрат контроля f-го параметра.
Функция (4.12) обладает следующими свойствами. При отсут-
ствии контроля, т. е. при р/=1, она минимальна, а при повышении
достоверности контроля ее значение возрастает. Функцию затрат
многопараметрического контроля естественно представить в виде
суммы затрат контроля отдельных параметров
Вполне очевидно, что лучше та совокупность измеряемых па-
раметров, для которой при требуемых показателях ад и 0Д метро-
логического обеспечения средние затраты меньше. Как уже отме-
чалось, допустимые значения ад, рд можно обеспечить как варь-
ируя число поверяемых параметров, так и повышая достоверность
контроля отдельных параметров. Поэтому целесообразно найти
оптимальное соотношение между уровнем достоверности и числом
поверяемых параметров. Эту оптимизационную задачу можно ре-
шить методом неопределенных множителей Лагранжа. Составим
функцию Лагранжа в виде
S^(1-PJ
«i + Pi
z=i
Ш-h).
(4.13)
где X — неопределенный множитель Лагранжа.
Первое слагаемое в (4.13) возрастает с увеличением числа по-
веряемых параметров, при этом второе слагаемое уменьшается.
В этом случае необходимо найти условные экстремумы функции
(4.13) при ограничениях 0о^₽д, ао^ад.
Так как методическая достоверность измерительного контроля
в основном определяется ошибками 0/, то, чтобы найти условные
минимумы функции F, вычислим частные производные dF/dfii,
113
приравняем их нулю и получим систему из п уравнений:
п
V Л\-(1 + ^-) , /=1
—— —---------- -q- /ТС --— ------------- -х
ар.- («.- + Р,-)2
1- 1р(х.)
1=1
------P^i)---=---0; i = 1~. (4.14)
Р&Ю-чНРМк
Для решения системы (4.14) введем дополнительное уравнение
связи
ро-Рд=0. (4.15)
Решения системы уравнений (4.14), (4.15) представляют собой
искомые значения оптимальных значений 0/ для исследуемой груп-
пы параметров. Очевидно, что при р,«1 имеет место ситуация,
когда i-й параметр не нуждается в контроле и из выбираемой со-
вокупности исключается. Таким образом, определяемая совокуп-
ность поверяемых параметров будет состоять из членов.
При исследовании достаточно большой группы параметров ре-
шить систему уравнений (4.14), (4.15) достаточно трудно. В этом
случае целесообразно применить метод последовательных прибли-
жений для определения требуемых значений Pi при соответствую-
щих ограничениях на измерительный контроль.
Для ускорения процедуры выбора необходимо предварительно
ранжировать параметры одним из способов, например на основе
использования коэффициентов значимости Ni. Соответствующий
весовой коэффициент Ni для функции затрат в методе последова-
тельных приближений равен 1//G [34], где
к=_!_/V-l-
' Zj/w
I 1=1
При необходимости обеспечить другие показатели, например
требуемую глубину контроля параметров для диагностирования
отказов поверя'емых приборов, или прогнозировать их техническое
состояние, можно использовать другие критерии оптимизации и
соответственно определить другой состав поверяемых параметров.
При этом часть поверяемых параметров можно охватить встроен-
ной системой контроля.
Объем поверки также зависит от применяемого способа по-
верки.
Единственным, безусловным способом достижения цели повер-
ки является проверка соответствия всех нормированных характе-
114
ристик каждого экземпляра средств измерений установленным
требованиям. Все остальные способы основаны на принятии тех
или иных допущений о свойствах поверяемых средств измерений
конкретного типа или вида.
Обоснованное применение допущений может существенно со-
кратить объем поверки. Так, ГОСТ 8.513—84 разрешает периоди-
ческую поверку средств измерений, предназначенных для измере-
ния нескольких физических величин или имеющих несколько ди-
апазонов измерений, выполнять только по тем требованиям НТД
на поверку, которые определяют пригодность прибора для приме-
няемого числа физических величин и применяемых диапазонов
измерений.
Аналогично ГОСТ 8.438—81 допускает проводить периодиче-
скую поверку ИИС путем выборочного контроля метрологических
характеристик измерительных каналов из числа однотипных.
4.5. Поверка по сокращенной программе. Методы поверки
многопредельных и многоцелевых средств измерений
Установленные НТД объемы поверочных работ являются, как
правило, значительными, требуют больших трудозатрат и длитель-
ного изъятия средств измерений из обращения, что влияет на сни-
жение готовности устройств к применению, а следовательно, и их
эффективность.
Поверка средств измерений в полном объеме, установленном
НТД, в ряде случаев становится неоправданной. Так, из опыта
эксплуатации конкретных средств измерений известно, что значив
тельное число их не используется на всех диапазонах и пределах
измерений и не все нормируемые метрологические характеристики
необходимы при оценке точности выполняемых измерений. Это обу-
словлено некоторыми объективными причинами. Например, боль-
шинство радиоизмерительных приборов являются многофункцио-
нальными, а электроизмерительные приборы класса точности 0,5
и выше — многопредельными.
Положительный эффект от введения поверки средств измере-
ний по сокращенной программе выражается в следующем:
снижаются трудозатраты на поверочные работы и время изъ-
ятия средств измерений из сферы применения их по назначению;
исключаются случаи забракования средств измерений на тех
диапазонах и пределах измерений, а также по тем метрологиче-
ским характеристикам, которые практически не используются;
повышаются характеристики надежности за счет снижения слу-
чаев забракования средств измерений из-за неисправности комп-
лектующих элементов и отдельных блоков, не участвующих в ра-
боте средств измерений на ограниченных диапазонах, отдельных
пределах измерений и не влияющих на метрологические характе-
ристики;
115
появляются возможности увеличения межповерочных интер-
валов;
уменьшаются время восстановления и номенклатура требуемо-
го для восстановления ЗИП (запасные части, инструменты, принад-
лежности и материалы);
обеспечиваются возможность поверки средств измерений без
демонтажа с технических устройств и автоматизация выполнения
поверочных работ.
Недостатком поверки средств измерений по сокращенной прог-
рамме является невозможность использования данных средств из-
мерений на диапазонах, пределах измерений и с теми метрологи-
ческими характеристиками, поверка которых была исключена.
Поверка средств измерений по сокращенной программе не должна
нарушать единства и требуемой точности измерений. Соблюдение
^тих условий обусловливает требование к методу определения
сокращенной программы поверки средств измерений.
Программу сокращенной поверки следует составлять так, что-
бы исходя из конкретных условий применения средств измерений
объем поверки был минимальным и за межповерочный интервал
обеспечивалась погрешность измерений, определяемая нормируе-
мыми значениями соответствующих метрологических характери-
стик.
Введение программы сокращенной поверки не должно приво-
дить к созданию новой или дополнительной НТД на поверку
средств измерений.
Исходя из специфики методов разработки программ сокращен-
ной поверки целесообразно разделить средства измерений на ши-
рокодиапазонные, многопредельные и многоцелевые (комбиниро-
ванные). К широкодиапазонным следует относить средства изме-
рений, у которых область значений измеряемой (воспроизводи-
мой) величины расширена, вид измеряемой или воспроизводимой
физической величины (напряжение, ток, мощность и др.) фикси-
рован, а параметры данной физической величины (частотный ди-
апазон и др.) имеют расширенную область значений. К многопре-
дельным относят средства, позволяющие измерять одноименные
физические величины на двух и более пределах; к многоцелевым
(комбинированным)—средства, предназначенные для измерения
ряда физических величин.
Как показал опыт поверки средств измерений по сокращенной
программе, технико-экономический эффект от ее введения стано-
вится значительным и такая поверка целесообразна тогда, когда
при эксплуатации широкодиапазонных средств измерений исполь-
зуется менее 3/4 рабочего диапазона измерений; при эксплуатации
многопредельных средств измерений не используется хотя бы один
предел; при эксплуатации многоцелевых средств измерений не ис-
пользуется измерение хотя бы одной из физических величин.
Установив номенклатуру широкодиапазонных средств измере-
116
ний, подлежащих поверке по сокращенной программе, необходи-
мо определить принадлежность каждого из них к одной из следу-
ющих групп, характеризующей специфику метода определения по-
веряемых отметок и используемой для контроля: а) измеренное
значение параметра х соответствует номинальному значению N с
заданным верхним (бив) и нижним (бин) значениями допусков, т. е.
значение параметра х должно находиться в пределах (N—бин)
^х^(М+6ив); б) значение параметра х не должно превышать
установленного значения А с заданным допуском +би, т. е. х^
г^Л+би; в) значение параметра х должно быть не менее установ-
ленного значения параметра А с заданным допуском —би, т. е.
х^А—би; г) значение параметра ограничено диапазоном (Л1...
... Л2) в рабочей части шкалы (регистрирующего устройства)
Ai—би^х^Л2+би. Для этой группы за би принимаются допусти-
мые отклонения в граничных точках измерений параметра Аг и Л2;
д) измеряемая или воспроизводимая ими физическая величина
фиксирована в расширенной области ее параметров (по частотно-
му диапазону, выходной мощности и др.); е) комбинация одной из
групп а—г и группы д.
В основе метода определения поверяемых отметок по сокра-
щенной программе лежит следующее положение. Поверяемые от-
метки должны перекрывать используемый диапазон измерения,
или границы используемого диапазона должны быть приближены
к соответствующим крайним поверяемым отметкам, погрешности
которых будут отличаться от погрешностей в граничных точках
диапазона измерений на ничтожно малое значение. Для обеспече-
ния максимального эффекта от сокращенной программы необходи-
мо минимальное перекрытие используемого диапазона.
Определение поверяемых отметок средства измерений по про-
грамме сокращенной поверки необходимо начинать с установления
используемого диапазона измерений, а точнее, его нижней (Лн) и
верхней (Лв) границ. Рассмотрим порядок расчета Лн и Лв при-
менительно к группе а средств измерений, когда при контроле па-
раметра технического устройства оценивается выполнение усло-
вия N—бин^х^Л^+бив (рис. 4.5,а). Значение Лн рассчитывают,
вычитая из номинального значения контролируемого параметра N
сумму допуска бин и предельного значения отклонений контроли-
руемого параметра
Лн=^-(|6ин|+/0тех), (4.16)
/ ~ ~
где отех = |/ — х)2Кп — 1) — среднее квадратическое значе-
(=1
ние отклонений контролируемого параметра; / — коэффициент пе-
рехода от сГтех к предельному значению отклонений контролируемо-
го параметра (табл. 4.1); xt — измеренное в процессе эксплуатации
117
01 23 4567 89 10
1111111 n 111111 li 11111111111111 111111111 li 11 1111111 I I I I I I 1 1 J I i 1 L I
Л Ап Лв A
0123456789 10 4 5 6 7
111 111 I I 11111 1111 I I 1111 I 11 111 1 l-LLlil 1 111 ti U ±l 1 L.1.11 । I I I I । i I 1 l—l-l.l I, I. j
▲ A ▲▲ ▲
A e) Лп ^H-^П
Рис. 4.5. Схема положения расчетных точек для групп различных средств изме-
рений
изделия значение контролируемого параметра; х — среднее значе-
ние измеренных значений контролируемого параметра; п — число
измеренных значений параметра.
Значение Лв рассчитывают, прибавляя к W сумму допуска би
предельного отклонения контролируемого параметра /оТех
Лв = Л^+(|бив|+^Отех). (4.17)
Для группы б определяют только значение Дв по формуле
(4.17) (рис. 4.3,6), а для группы в — только значение по формуле
(4.16) (рис. 4.3,в).
Состав поверяемых отметок (с учетом исключения необходи-
мости внесения изменений в НТД на поверку рассматриваемых
средств измерений) определяется так, чтобы отметки устанавлива-
Таблица 4.1
Закон распределения контролируемого параметра Коэффициент t Закон распределения контролируемого параметра Коэффициент t
Гауссовский 3,0 Анти модальный I 1,4
Равной вероятности Симпсона 1,73 Антимодальный II 1,3
(треугольный) Тр а пецеидал ьны й 2,45 2,3 Рэлея 5,2
118
лись из числа подлежащих поверке и минимально перекрывали со-
ответствующие диапазоны:
ДН...ДВ для группы а,
А ... Ав для группы б,
Дн ... А для группы в.
Наряду с поверяемыми отметками, вошедшими в соответствую-
щие диапазоны, необходимо рассмотреть целесообразность вклю-
чения в состав поверяемых:
точки нижней (верхней) границы диапазона измерений (Дн,
Дв);
ближайшей к ДН(ДВ) поверяемой отметке внутри диапазона из-
мерений Ап' (Дп");
ближайшей к ДН(ДВ) поверяемой отметке вне диапазона изме-
рений Днп(Лвп).
Так как изменения погрешностей между рядом стоящими по-
веряемыми отметками средств измерений малы, возможна их ли-
нейная аппроксимация. Это условие и использование критерия
ничтожных погрешностей позволяют сформулировать следующее
положение: если разность между отметкой Ап" (например, примы-
кающей к нижней границе диапазона измерений) и Дн менее 1/3
разности между отметками Дп и Днп, то изменение погрешности в
точке Дн по сравнению с погрешностью в точке Дп будет ничтожно
мало и о погрешности в точке Дн можно судить по погрешности,
определенной в точке Дп. Когда это условие не выполняется, от-
метку следует включить в состав поверяемых. Невыполнение ус*
ловия оценивается неравенством (Дп'—Дн) > (Д/—Днп)/3.
На основе рассмотренных положений и подходов к составле-
нию расчетных соотношений установлен следующий порядок оп-
ределения поверяемых отметок широкодиапазонных средств изме-
рений, используемых в ограниченном диапазоне. Для средств из-
мерений группы а) поверяемыми отметками назначаются:
установленные действующими НТД на методы и средства по-
верки и вошедшие в используемый диапазон измерений Дв... Дн.
Если таковых нет, то берется ближайшая к номинальному значе-
нию отметка шкалы (регистрирующего устройства) средства из-
мерений;
дополнительно к ним Днп и Двп, если они удовлетворяют усло-
виям
(Дп'-Дн) > (Дп'-Днп)/3; (4.18)
(Дв-Дп") > (Двп-Дп")/3. (4.19)
Когда в диапазоне измерений ДН...ДВ всего одна поверяемая
отметка Дп, формулы (4.18) и (4.19) примут вид:
(Дп Дн) > (Дп—Днп)/3; (Дв—Дп) (ДВп—Дп) /3.
119
Для средств измерений группы б поверяемыми отметками на-
значаются (см. рис. 4.4):
вошедшая в диапазон А...АВ. Если таковой нет, то ближайшая
в точке А отметка Лп;
дополнительно к ней Лвп, если она удовлетворяет условию
(Лв лп) (Лвп лп) /з.
Для средств измерений группы в поверяемыми отметками на-
значаются (см. рис. 4.5):
вошедшая в диапазон Лн... А. Если таковой нет, то ближайшая
к точке Л отметка Лп;
дополнительно к ней Лнп, если она удовлетворяет условию
(Лп Лн) (Лп ЛНп)/3.
Для средств измерений группы г поверяемыми отметками на-
значаются:
вошедшие в используемый диапазон измерений Лп;
дополнительно к ним Лнп и Лвп, если они удовлетворяют усло-
виям
(Лп Лн ) (Лп Лнп)/3;
(Лв'-Лп'Э>(Лвп-Лп")/3,
где Л/, Лп"— ближайшие к точкам Лн' и Лв' поверяемые отметки
диапазона Л/... Лв'.
Средства измерений группы д допускается поверять только
при тех значениях параметров измеряемых или воспроизводимых
ими физических величин (их частотных диапазонов и др.), на ко-
торых они практически используются при эксплуатации.
Объем поверки средств измерений группы е по сокращенной
программе определяется исходя из того, к какому сочетанию групп
а—д относится рассматриваемое средство измерений.
Пусть, например, контролируется номинальное значение напряжения ПО В
вольтметром типа М2044 класса точности 0,2 на пределе измерения 0 ... 150 В.
Допускаемые отклонения от номинального значения: 6ин=--|-1,5 В; 6Ив=—2,0 В.
Среднее квадратическое отклонение контролируемого параметра атех=0,66 В.
Закон распределения отклонения контролируемого параметра гауссовский. Тре-
буется определить поверяемые отметки шкалы данного вольтметра по сокращен-
ной программе.
Поверка вольтметра М2044 проводится в соответствии с ГОСТ 8.497—83
«ГСП. Амперметры, вольтметры; ваттметры, варметры. Методы и средства по-
верки».
1. Определяем Ан и Ав по формулам (4.16) и (4.17) соответственно:
Дн=П0 В—(2,0 В-1-3-0,66 В) = 106 В;
Лв=110 ВЦ-(1,5 В-1-3-0,66 В) = 113,5 В.
120
2. Согласно указанному ближайшими к Ан и Лв поверяемыми отметками
будут Лнп=100 В и Лвп=120 В, между которыми находится поверяемая отмет-
ка ПО В.
3. Поверяемой следует считать числовую отметку шкалы, соответствующую
напряжению ПО В, так как она входит в используемый диапазон измерений.
Проверим по формуле (4.18), следует ли включать в число поверяемых отметку
шкалы ЛНп= 100 В:
(ПО В—106 В)>(110 В—100 В)/3.
Поскольку 4 В>3,3 В, неравенство выполняется, следовательно, отметка
Лнп=100 В включается в число поверяемых.
Проверяем по формуле (4.19), следует ли включать в число поверяемых
числовую отметку шкалы Лвп=120 В:
(113,5 В—100 В)>(120 В—ПО В)/3.
Поскольку 3,5 В>3,3 В, неравенство выполняется, следовательно, Лвп =
= 120 В включается в число поверяемых.
Таким образом, данный вольтметр типа М2044, применяемый для контроля
номинального значения напряжения ПО В, следует поверять по сокращенной
программе в числовых отметках шкалы 100, ПО и 120 В вместо 15 числовых
отметок по обычной методике.
Нормативно-технической документацией на методы и средства
поверки многопредельных средств измерений предусматривается
поверка основного предела измерений всех поверяемых отметок, а
остальных пределов — выборочно в двух отметках. Для средств
измерений, используемых при эксплуатации не на всех пределах,
это правило неприменимо тогда, когда основной предел не ис-
пользуется или используется в более узком диапазоне, чем неко-
торые другие пределы. Правило также не предусматривает исклю-
чения из состава поверяемых тех пределов, которые не использу-
ются при эксплуатации средства измерений. Однако это правило
правомерно положить в основу метода определения поверяемых
пределов многопредельных средств измерений, используемых при
эксплуатации не на всех пределах, но при этом поверять только
используемые пределы и диапазоны измерений на этих пределах.
Таким образом, метод предусматривает исключение из состава
поверяемых тех пределов, которые при эксплуатации средств из-
мерений не используются. Когда установленный НТД основной
предел не используется в более узком диапазоне, чем другие пре-
делы, встает вопрос, какой из используемых пределов измерений
следует принять за основной. Достоверность поверки будет более
высокой, а трудозатраты максимально снижены, если за основной
предел будет принят тот, у которого используемый диапазон за-
нимает наибольшую область. Этот диапазон для каждого из ис-
пользуемых пределов измерений ДД=(ЛВ—AH)/AN, где Ав и Ан —
соответственно верхнее и нижнее граничные значения используе-
121
мого при измерениях диапазона рассматриваемого предела изме-
рений; An — нормируемое значение предела измерений.
Для определения диапазона, в котором должны быть установ-
лены поверяемые отметки на основном пределе измерений, необхо-
димо привести точки Дн и Ав используемых пределов измерений к
соответствующим точкам основного предела измерений:
Ан i — An осн А^}!Ani\ i = An осн A3if Ani^ где Ав i и Ан i приведен-
ные к основному пределу соответственно верхнее и нижнее гранич-
ные значения используемого диапазона измерений i-ro предела из-
мерений; ABi и Ahi — соответственно верхнее и нижнее граничные
значения используемого диапазона измерений i-ro предела изме-
рений; Ддгосн и ANi — нормирующие значения соответственно основ-
ного и i-ro пределов измерений.
За Ан принимается минимальное ЛНтт из всех значений А/,
включая Ан основного предела, а за Ав — максимальное ДВтах
значение Ав', включая и Дв основного предела. Величины 4Hmin и
Дв max необходимы для установления возможности поверки основ-
ного предела по сокращенной программе и для выявления наибо-
лее критичных к погрешностям отметок, по которым можно судить
о работоспособности средства измерений на используемых участ-
ках диапазонов применяемых пределов измерений.
Определение поверяемых отметок на используемых (кроме ос-
новного) пределах измерений должно основываться на НТД, где
установлена поверка на пределах измерений (кроме основного) в
двух отметках шкалы (регистрирующего устройства). Одной из
них является верхняя предельная отметка, другой — та, в которой
погрешность основного предела максимальна. Поверку по сокра-
щенной программе на этих пределах измерений также целесооб-
разно осуществлять в двух аналогичных отметках, но при этом
учитывать, что верхней поверяемой отметкой должна быть бли-
жайшая к верхней граничной точке используемого диапазона; дру-
гая отметка на участке используемого диапазона должна соответ-
ствовать отметке основного предела измерений, в которой значе-
ние погрешности максимально.
Поверяемые метрологические характеристики многоцелевых
средств измерений можно определить с помощью матрицы, по-
строенной в виде таблицы, столбцами которой являются нормируе-
мые метрологические характеристики, влияющие на точность ре-
зультатов измерений ДЬ...,ДП, а строками — нормируемые метро-
логические характеристики Дь... Дш, подлежащие поверке.
Для определения состава нормируемых метрологических харак-
теристик, включаемых в столбцы матрицы, достаточно установить
качественные зависимости между суммарными погрешностями из-
мерений (воспроизведения) и нормированными метрологическими
характеристиками только тех физических величин (для каждой в
отдельности), для которых используется рассматриваемое средст-
122
во измерений. Формулы для суммарных погрешностей приведены
в эксплуатационной документации рассматриваемых средств из-
мерений или документации по их поверке, в противном случае
можно воспользоваться формулой
где — суммарная погрешность измерений (воспроизведений)
физической величины соответствующим средством измерений; Д,—
составляющая погрешности средства измерений; I — число состав-
ляющих погрешностей.
Матрицу заполняют следующим образом: в ячейки, где пере-
секаются погрешности ДЬ...,ДП и одноименные метрологические
характеристики из состава характеристик Д1,...,Дт, по которым по-
веряется рассматриваемое средство измерений, проставляют еди-
ницы; в ячейки, где таких пересечений нет,— нули.
На основе составленных и заполненных матриц формируют
программу сокращенной поверки многоцелевых (комбинирован-
ных) средств измерений; из полного состава метрологических ха-
рактеристик, по которым следует периодически поверять рассмат-
риваемое средство измерений, исключают все характеристики, в
строках которых стоят нули; оставшиеся метрологические харак-
теристики поверяют по сокращенной программе.
4.6. Способы определения числа поверяемых отметок
в диапазоне измерений в аналоговых и цифровых
измерительных приборах
Число поверяемых отметок в диапазоне измерений прибора в
значительной мере определяет объем поверочных работ. Малое
число поверяемых отметок может оказаться недостаточным для
достоверной оценки метрологических характеристик прибора, а
большое может снизить оперативность поверки и не дать новых
сведений по сравнению с информацией, полученной при оптималь-
ном количестве отметок. В то же время для повышения оператив-
ности и снижения трудоемкости поверочных работ требуется мак-
симально сократить число поверяемых отметок.
Для аналоговых измерительных приборов в диапазоне измере-
ний в основном используют три следующих подхода:
на основе статистического анализа распределения частоты мет-
рологических отказов по шкале средства измерений [39];
на основе определения (аппроксимации) функции распределе-
ния погрешности по шкале средства измерений [36, 39];
на основе обеспечения требуемого уровня достоверности по-
верки (уровня вероятности ложного и необнаруженного отказа)
37, 40].
123
В соответствии с первым подходом рациональное число пове-
ряемых отметок определяется на основании статистической обра-
ботки результатов поверки однотипных средств измерений и оцен-
ки по этим данным распределения метрологических отказов на
шкале прибора. При этом обычно полагают, что те отметки шка-
лы, на которых вероятность непоявления метрологических отказов
Рм = 0,8... 0,9, можно исключить из числа поверяемых. Такой под-
ход не нашел широкого применения, так как для его реализации
требуется много исходных данных.
В соответствии со вторым подходом выбор поверяемых отметок
базируется на аппроксимации функции влияния в виде полинома,
описывающего связь погрешности с изменяемой в диапазоне из-
мерения входной величиной. При этом предполагается, что диспер-
сия случайной составляющей погрешности практически постоянна
по шкале, а систематическая составляющая А(х) описывается по-
линомом
А (х) = а-\-Ьх-\-с (х). (4.20)
где а, b — постоянные коэффициенты; с(х)—составляющая по-
грешности из-за нелинейности функции Д(х) в диапазоне изме-
рений.
Задача выбора поверяемых отметок при данном подходе обыч-
но формулируется следующим образом: поверяемые отметки вну-
три диапазона измерений должны быть выбраны так, чтобы по-
грешность в любой поверяемой точке не могла превышать по-
грешность на некоторое заданное значение Ад, т. е. Д(х)^Дд.
Для относительно простых средств измерений, когда справедлива
аппроксимация полиномом (4.20), этот способ дает хорошую схо-
димость с реальным распределением погрешности.
В соответствии с третьим подходом оптимальное число пове-
ряемых отметок находят на основании обеспечения допустимого
уровня вероятностей ложного и необнаруженного отказов а^ад,
р<рд. В [37] для этого оценивают вероятность того, что между
поверяемыми отметками имеется «необнаруженный выход погреш-
ности за поле допуска», и сравнивают с допустимым значением
рд. В [36] используют метод имитационного моделирования на ос-
нове представления погрешности по шкале прибора случайной ста-
ционарной функцией. Для этого экспериментально по результатам
поверки находят числовые характеристики такой функции. Одним
из основных недостатков указанного подхода является необходи-
мость привлечения большого количества экспериментальных дан-
ных для нахождения вида случайного процесса распределения по-
грешностей.
Дальнейшим развитием рассмотренного подхода является спо-
соб выбора оптимального числа поверяемых отметок в зависимо-
сти от вида корреляционной функции или спектрального состава
процесса изменения погрешности в диапазоне измерений Ах.
124
Рассмотрим более подробно один из подходов. Одной из обобщенных харак-
теристик, на основании которой определяется класс точности для совокупности
однотипных приборов, является интегральная оценка
ттах
е=“— С ф)Л, (4.21)
max •/
О
где т=хг/хк — относительное значение измеряемой величины; хг—i-я отметка
шкалы прибора; хк — конечная отметка шкалы прибора; е(т) —случайная функ-
ция изменения погрешности по шкале прибора.
Интегральная оценка характеризует среднее значение погрешности прибора
по его шкале и может быть выражена в абсолютных, относительных единицах
или в виде модуля этих величин. Так как приборы поверяют, как правило,
в дискретных отметках шкалы, то интегральную оценку (4.21) целесообразно
представить в дискретном виде с шагом дискретности Дт, разбив интервал
О ... Ттах на т элементарных интервалов:
т
(4-22)
/п 4-1
z=o
Сравнив оценки (4.21) и (4.22), определим наибольший шаг дискретности
Дт, при котором формула (4.27) будет давать практически такую же точность,
что (4.21). В теории измерений несмещенная оценка, обладающая наименьшей
дисперсией, считается эффективной. Поэтому при определении Дт следует исхо-
дить из минимума дисперсии оценки. Так как функция е(т) случайная, то вос-
пользуемся дисперсией оценки, которая в соответствии с [41] выражается зави-
симостью
гтах
2 С / т \
= ----- 1-------------]k(z)dz, (4.23)
max J \ max/
О
где k(x) —корреляционная функция процесса е(т).
Для дискретных значений дисперсию можно рассчитать численным методом
с последующей заменой тШах на ттах-]-Дт
т
Дт. (4.24)
непрерывной
можно опре-
делить из формулы остаточного члена при численном интегрировании. Использо-
вание метода трапеций при интегрировании е(т) с шагом Дт и учете (т-|~0’й
ординаты сопровождается ошибкой [41]
т
Дт3
* = 2]е"(^ + ^Дг).
1=0
2LFvrr>“',-‘(l”
L f=o J
Изменение дисперсии оценки 6D[e], вызванное тем, что вместо
реализации функции е(т) используют дискретное число ее ординат,
125
В результате для данного случая можно записать
Разлагая полученное выражение по степеням Дт и сохраняя только линей-
ные и квадратичные члены, получаем
а2
SD [е] (ЛДт2 — 2ВДт)------;
шах
zmax
1 9 Г / Зт \
Л = -[1+5р(гтах-гп1ахр(0)] + — J П- — (4-25)
° max q \ max /
xmax
f / 2т \
B= I 1 — —--------- p(t)dt,
J \ Tmax /
0
где р(т) = &(t)/o2— нормированная корреляционная функция случайного про-
цесса е(т).
Определим, при каком значении Дт изменение дисперсии 6D[e] будет мини-
мальным. Для этого продифференцируем правую часть (4.25) и приравняем
к нулю. В результате преобразования находим оптимальный шаг дискретности
ДтОпт=В/Л, при котором 6D[e] минимально:
8°Нт!п = -в2’2Мг2ах.
Так как в большинстве практических случаев в качестве стрелочных инди-
каторов применяют электроизмерительные приборы класса не выше 0,2, то изме-
нение дисперсии целесообразно ограничить значением 0,1 %, т. е. 6D[e] =
= 0,001 ОД.
На основе этих соотношений можно вычислить максимально допустимый шаг
дискретности Дттах, при котором изменение дисперсии бР[е] не превысит тре-
буемого значения, например 0,1 %. В этом случае максимально возможный шаг
дискретности ДттаХ определится из уравнения
‘'max
ЛДйах-25А*тах--ТГ^ J
max J \ max /
0
Минимальное число поверяемых отметок
^min — Ттах/ДТтах»
126
Таблица 4.2
Номер прибора (реализации) Погрешность на числовых отметках шкалы, мкА
20 40 | 60 | 80 100
1 —0,27 —0,17 +0,08 +0,44 —1,35
2 —0,01 —0,14 +0,43 +0,8 +0,09
3 —0,6 —0,9 —0,66 0,00 — 1,42
4 —0,3 —0,28 +0,23 +0,09 —1,49
5 —0,61 —0,54 —0,21 —0,07 —0,81
6 —0,66 —0,68 —0,04 +0,38 —0,89
7 +0,18 —0,02 +0,05 +0,1 —0,68
8 —0,05 —1,11 —0,39 +0,02 —1,88
9 —0,38 —0,53 —0,46 —0,1 —0,33
10 —0,77 -0,82 —0,38 +0,29 +0,19
Таблица 4.3-
Наименование операции Числовые отметки шкалы, мкА
20 40 60 | 80 | 100
Суммирование погрешно- стей, мкА Оценка математического ожидания, мкА -3,47 —0,347 —5,19 —0,519 -1,35 -0,135 + 1,95 —0,195 -7,57 —0,757
Таблица 4.4
Наименование операции Числовые отметки шкалы, мкА
20 | 40 60 80 100
Оценка статистической дис- персии, мкА2 0,1 0,132 0,161 0,079 0,454
Оценка среднеквадратиче- ского отклонения, мкА 0,316 0,364 0,410 0,281 0,213
Таблица 4.5
Порядок корреляционных моментов Числовые отметки шкалы, мкА
20 40 60 1 80 I 100
1 1 0,515 0,414 0,105 0,076
2 0,515 1 0,567 0,352 0,154
3. 0,414 0,567 1 0,571 0,218
4 0,105 0,352 0,571 1 0.593
5 0,076 0,154 0,218 0,593 1
127
Для примера определим число поверяемых отметок микроамперметра
М4205, 0 ... 100 мкА, класса точности 1,5, имеющего числовые отметки 20, 40,
60, 80, 100 мкА.
1. Поверив 10 приборов, получим десять реализаций случайной функции
распределения погрешности вдоль шкалы (табл. 4.2).
2. Просуммировав погрешности и разделив число реализаций, получим оцен-
ки математического ожидания для каждой числовой отметки шкалы (табл. 4.3).
3. Вычислим оценки статистической дисперсии и среднеквадратического от-
клонения (табл. 4.4).
4. Вычислим характеристики корреляционной функции (оценки корреляцион-
ных моментов и оценки нормированных корреляционных моментов) и составим
корреляционную матрицу (табл. 4.5).
Рассматривая значения нормированных корреляционных массивов по диаго-
нали, обнаруживаем их близость друг другу, что свидетельствует о стационар-
ности процесса изменения погрешности по шкале прибора. Полученная нормиро-
ванная корреляционная функция данного стационарного процесса аппроксими-
руется аналитическим выражением p(T)=e’“*xL
5. Определим коэффициенты А и В:
А
1
= -^-Ц +5е-’+1] + 2 j
о
(1 — Зт) е-тЛ = 0,34,
1
В= J (1 — 2т)е-тЛ = 0,11.
о
6. Оптимальный шаг дискретности
В 0,11
Д%п = -^- = —=0,323.
7. Оптимальное число поверяемых отметок
_ тк____________________________________1 о
т°ПТ~ AW " 0,323^5’
8. Дисперсия оценки и максимально возможный шаг дискретности:
2 рк / х \ С
D [е[ — — I ( 1 — — ) k(x)dz = 2а2 | (1 — т)е—т dx = 0,74о2;
тк J \ тк / J
0 0
0,01 *0,74о2= (0,34Атmax—2*0,1 lATmax)
ATmax = 0,65.
9. Минимально возможное число поверяемых отметок шкалы
т . == -т---=------2.
m,n Чпах 0,65
Таким образом, рассмотренный подход к определению числа
поверяемых отметок в диапазоне измерений аналоговых приборов
позволяет в 2,5 раза снизить объем поверочных операций.
128
Особенностью цифровых измерительных приборов является ко-
нечное число возможных значений результатов измерений. Поэто-
му теоретически принципиально можно проверить исправность
прибора и его погрешность при каждом из возможных значений
показаний. Однако на практике к такой процедуре, как правило,
не прибегают из-за большой трудоемкости операций поверки.
В применяемых методиках поверки цифровых измерительных при-
боров используют ограниченное число отметок в диапазоне изме-
рений и по полученным результатам судят о значениях поверяемых
параметров во всем остальном диапазоне. При поверке цифровых
измерительных приборов необходимо учитывать особенности их
функционального построения. Так как в основе построения циф-
ровых приборов лежат методы аналого-цифрового преобразования
измеряемой величины, то при анализе особенностей поверки сле-
дует учитывать вид преобразования: время-, частотно- и кодо-им-
пульсное.
Напомним, что при времяимпульсном методе в АЦП мгновен-
ное значение измеряемой величины — напряжения, тока, фазы и
т. д.— преобразуется в пропорциональный временной интервал, ко-
торый заполняется импульсами образцовой частоты. Число им-
пульсов, укладывающихся в временном интервале, образует код
мгновенного значения измеряемой величины.
При частотно-импульсном методе в АЦП мгновенное значение
сигнала преобразуется в пропорциональную частоту следования
импульсов и определяется число импульсов за фиксированный вре-
менной интервал.
При кодо-импульсном методе в АЦП мгновенное значение сиг-
нала в точках квантования сравнивается с образцовым ступенча-
тым. Значение той или иной ступеньки, численно равной измеряе-
мому сигналу, кодируется и в результате образуется код измеряе-
мого мгновенного значения входного сигнала.
Оценка погрешности квантования для различных методов пре-
образования аналоговых сигналов приведена в [42].
Например, при поверке цифровых измерительных приборов с
времяимпульсными АЦП наиболее распространен способ, в осно-
ве которого лежит предварительное определение работоспособно-
сти при всех возможных показаниях прибора и оценка погрешно-
сти в тех точках диапазона, в которых теоретическое значение
функции погрешности превышает половину допустимого значения
между соседними поверяемыми отметками. Способ основан на изу-
чении спектрального состава функции погрешности прибора в ди-
апазоне измерений. Анализ принципиальных схем показывает, что
функцию погрешности любого экземпляра цифрового измеритель-
ного прибора этого типа можно описать формулой [43]
А (х) = т(1—Ьх—есх),
129
где x=Xi/xK — отношение измеряемой величины Xi к пределу из-
мерения хк; т, Ь, с — постоянные величины, различные для раз-
личных экземпляров приборов.
Теоретическое выражение функции погрешности поверяемого
прибора представляют в виде дискретного ряда Фурье. Коэффи-
циенты ряда записывают в виде функции параметров Д(х) пове-
ряемого прибора
A (х) =a0/2+aiCos jrx+a2cos 2л%+ ... +aftcos knx+...,
где а0, аь a2,...,Ok — коэффициенты ряда Фурье, определяемые по
формуле
1
ak = | Д (a)cos(^a)67a.
6
Далее исследуют влияние параметров функции погрешности по-
веряемого прибора на значения коэффициентов ряда Фурье и вы-
бирают из числа возможных такие значения параметров, которые
соответствуют наиболее широкому спектру. Для этих параметров
вычисляют коэффициенты ряда щ и находят номер / коэффициен-
та, который превышает или равен половине допускаемого превы-
шения (по абсолютному значению) погрешности поверяемого при-
бора в интервале между двумя соседними поверяемыми точками
над значением погрешности в любой из них. Выполненные для
различных схем время-импульсных АЦП расчеты [43] показыва-
ют, что для всех разновидностей таких приборов достаточно опре-
делить погрешность не менее чем в пяти точках, равномерно рас-
пределенных по диапазону измерения, в число которых должны
входить отметки, лежащие вблизи верхнего и нижнего пределов
диапазона.
Для кодо-импульсных цифровых измерительных приборов за-
висимость А(х) имеет весьма сложный немонотонный характер.
Поэтому для них поверяемые отметки не распределяются равно-
мерно в диапазоне измерений. В [37] описан метод, который в от-
личие от [43] предусматривает определение погрешности в отмет-
ках, позволяющих наиболее точно аппроксимировать функ-
цию А(х).
Следует отметить, что аналого-цифровое преобразование неиз-
бежно сопровождается динамическими погрешностями. Необходи-
мость оценки этих погрешностей и выбор поверяемых отметок в
диапазоне измерений в последнее время стали весьма актуальны-
ми, особенно в связи с внедрением в практику прецизионных при-
боров. В связи с этим требуется совершенствовать НТД на по-
верку цифровых измерительных приборов.
130
АЛ. Назначение и корректировка межповерочных интервалов
Периодическая поверка проводится через определенные меж-
поверочные интервалы, в течение которых обеспечена исправность
средств измерений. Общий порядок организации поверки средств
измерений и установления длительности межповерочных интерва-
лов регламентирован ГОСТ 8.513—84.
Для средств измерений, подлежащих обязательной государст-
венной поверке, межповерочные интервалы устанавливает непо-
средственно Госстандарт или органы государственной метрологи-
ческой службы. Для средств измерений, подлежащих ведомствен-
ной поверке в соответствии с регистрационным удостоверением,
при периодичности поверки устанавливают главные метрологи или
руководители ведомственных метрологических служб предприятий,
на которых возложены обязанности главных метрологов. Для
средств измерений, подлежащих ведомственной поверке и не обес-
печенных поверкой в органах метрологических служб, межповероч-
ные интервалы устанавливают руководители предприятий по со-
гласованию с органами государственной метрологической службы.
Длительность межповерочных интервалов зависит от фактиче-
ской надежности средств измерений, условий эксплуатации, интен-
сивности их использования, а также от значимости для потреби-
теля результатов измерений конкретным средством измерений.
В настоящее время при установлении длительности межповерочно-
го интервала используют в основном три подхода: экономический,
технико-эксплуатационный и смешанный.
При экономическом подходе длительность межповерочного ин-
тервала определяют из условий минимизации экономических за-
трат, связанных с обслуживанием и применением неисправных
средств измерений [44, 45]. Этот подход оправдан тогда, когда
без особых затруднений можно получить сведения о затратах,
обусловленных применением неисправных средств измерений при
производстве определенных видов продукции.
Наиболее распространен технико-экономический подход, осно-
ванный на задании и обеспечении допустимого значения показате-
ля состояния средств измерений. В этом случае длительность меж-
поверочного интервала определяют из условия достижения тре-
буемого значения показателя состояния на конец межповерочного
интервала /7(т) * = /7(т) д, где /7(т)* — значение показателя со-
стояния средств измерений, оцененное по результатам эксплуата-
ции за время т; /7(т)д— допустимое значение показателя состоя-
ния средств измерений.
Одним из преимуществ данного подхода является возможность
установления требований к состоянию средств измерений на лю-
бом уровне системы передачи размера единицы, недостатком —
трудность определения допустимого значения показателя состоя-
ния средств измерений.
131
В качестве такого показателя на практике используют вероят-
ность Рм (т) сохранения значений метрологических характеристик
в заданных пределах в течение межповерочного интервала [46,
47], т. е. показатель, характеризующий метрологическую надеж-
ность средства измерений. Выбор этого показателя обусловлен
тем, что его значение существенно зависит от т, он имеет ясный
физический смысл и легко оценивается по результатам эксплуата-
ции средств измерений.
Требуемый уровень метрологической надежности зависит от
сферы применения средств измерений и выбирается из условия
обеспечения необходимой эффективности обслуживаемых техни-
ческих устройств. Анализ показывает, что требуемый уровень мет-
рологической надежности, как правило, более 0,9.
Смешанный подход к назначению длительности межповероч-
ного интервала заключается в использовании результатов оценки
межповерочных интервалов, полученных на основании экономиче-
ского и технико-эксплуатационного подходов (рис. 4.6). При этом
значении 8 определяется точностью исходных данных, используе-
мых при оценке показателей состояния средств измерений на ос-
нове экономического П (тэ) и технико-эксплуатационного П (тт)
подходов. Смешанный подход целесообразен, если исходные дан-
ные позволяют оценить длительность межповерочного интервала
с использованием как экономического, так и технико-эксплуата-
ционного подходов.
132
В основе большинства подходов назначения межповерочных
интервалов и их корректировки предполагается экспоненциальный
закон распределения времени безотказной работы с нормальным
распределением погрешностей во временных «сечениях» процесса
эксплуатации.
Разработанный в [48] подход также основывается на экспонен-
циальном законе изменения Рм(т) и позволяет назначать первич-
ный межповерочный интервал и корректировать его по результа-
там эксплуатации. Первичный межповерочный интервал при до-
стигнутых в настоящее время условиях метрологической надежно-
сти можно вычислить по формуле
т= То.м 1п Р м (т) тр, (4.26)
где То.м — средняя наработка средства измерений на метрологиче-
ский отказ; Рм(т)тр— требуемое значение вероятности отсутствия
метрологических отказов за межповерочный интервал.
При назначении первичного межповерочного интервала значе-
ние То.м в зависимости от показателя надежности, нормированно-
го в техническом описании, определяется следующим образом:
при нормировании вероятности отсутствия метрологических от-
казов Рм(т)
Т =_________-___
°'м 1пРЛ1(т) ’
при нормировании средней наработки на отказ То
о,м 8760(&и + 0,01)х '
где 1ги — коэффициент использования средства измерений; х— ко-
эффициент метрологических отказов;
при нормировании вероятности Рм(т) безотказной работы
средства измерений за межповерочный интервал
0,м 8760 In Рм(т)(^и +0,01 )х ’
На этапе разработки прибора значения коэффициентов k„ и и
определяются по результатам эксплуатации приборов-аналогов.
Значение межповерочного интервала при корректировке его
по результатам эксплуатации в соответствии с [45] может быть
определено по формуле
Т=тэ1п Рм (т) тр/1пРм (тэ), (4.27)
где тэ — первичный межповерочный интервал эксплуатируемых
средств измерений; Рм(тэ) = — веро-
ятность безотказной работы в течение времени тэ; N— число
средств измерений, поверенных в процессе эксплуатации; m —
число средств измерений, имевших метрологические отказы; ур —
133
квантиль нормального распределения при доверительной вероят-
ности р.
Формула (4.27) получена для экспоненциального распределе-
ния времени безотказной работы.
Рассмотренный метод корректировки межповерочных интерва-
лов можно использовать для рабочих средств измерений, по ре-
зультатам поверки которых получен требуемый объем статистиче-
ских данных (см. Приложение 3).
При эксплуатации средств измерений из-за воздействия раз-
личных факторов их погрешности изменяются по времени. Как по-
казали многочисленные исследования электронных средств изме-
рений, дрейф метрологических характеристик из-за влияющих
факторов описывается марковским диффузионным процессом.
В этом случае межповерочный интервал можно назначить, исходя
из среднего времени, нахождения поверяемого параметра внутри
поля допуска Ад, которое определяется выражением [49]
7= (4.28)
Al \ а2 /
где К\ — коэффициент дрейфа метрологических характеристик;
о2 — дисперсия погрешности.
Изучая дрейф метрологических характеристик по результатам
периодических поверок прибора, известными методами теории слу-
чайных функций определяют значения коэффициента Ki и из вы-
ражения (4.28) вычисляют межповерочный интервал. Такой способ
назначения межповерочных интервалов можно использовать, когда
результаты измерений поверяемых параметров документируются
(заносятся в протокол поверки прибора). Следует отметить, что
дополнительные трудности и расходы, связанные с применением
относительно сложного математического аппарата, как правило,
оказываются оправданными.
Развитие микропроцессорной техники открыло широкие воз-
можности создания средств измерений с существенно лучшими,
чем ранее, метрологическими, техническими и эксплуатационными
характеристиками. Кроме того, встраивание микропроцессоров в
измерительные приборы позволяет использовать тестовые методы
поверки работоспособности и методы эталонных сигналов для про-
ведения самоконтроля (самоповерки), автокалибровки и самодиаг-
ностики. Встроенные системы контроля позволяют обнаружить от-
казы непосредственно перед применением приборов и тем самым
обеспечить высокую достоверность проводимых измерений. Встро-
енная система самоповерки повышает метрологическую автоном-
ность средства измерений и дает возможность увеличить межпо-
верочный интервал.
В общем случае самоконтроль осуществляется путем подачи
на вход средства измерений от встроенного источника (калибрато-
134
ра) образцовых сигналов со строго определенным значением из-
меряемой величины. Если различие между измерением и эталон-
ным значением сигнала превосходит допуск, то схема встроенного
самоконтроля сигнализирует о неработоспособности по данному
параметру.
Качество самоконтроля характеризуется достоверностью, кото-
.рая оценивается условной вероятностью необнаруженного отказа,
а также надежностью работы системы (устройства) самоконтро-
ля. Введение в средство измерений встроенной системы самоконт-
роля не должно являться самоцелью. Прежде всего применение
самоконтроля должно приносить положительный эффект, напри-
мер увеличивать межповерочный интервал, снижать трудоемкость
поверки и т. д.
Наличие встроенной системы самоконтроля позволяет разря-
дить поток отказов путем их выявления при самоконтроле. Как
показано в [49], поток отказов для электронных средств измере-
ний, как правило, является пуассоновским, поэтому разреженный
поток является также пуассоновским. Влияние встроенной систе-
мы самоконтроля на межповерочный интервал средства измере-
ний можно учесть введением соответствующего коэффициента в
выражение (4.26). При этом оно принимает вид
т=-(1/Хма)1пРм(т)тр, (4.29)
где — интенсивность метрологических отказов без системы са-
моконтроля; а>0 — коэффициент, учитывающий влияние встроен-
ной системы самоконтроля на изменение потока отказов.
В каждом конкретном случае на стадии разработки в зависи-
мости от схемно-конструктивного решения прибора определяется
глубина самоконтроля и соответствующий коэффициент
а= 1—Лк/Ло,
где Ло, Лк — соответственно параметры потока отказов, обнаружи-
ваемых при отсутствии и при наличии самоконтроля.
Учитывая трудность определения величины а, целесообразно
рассматривать дискретное число разновидностей самоконтроля и
для каждого из них определить значение (ц (/=1, 2,..., и).
В зависимости от степени участия оператора в процессе контроля и регули-
ровки измерительного прибора средства встроенного контроля могут быть:
автоматическими, без участия оператора;
полуавтоматическими, за оператором сохраняются определенные функции;
неавтоматическими, все операции при контроле и регулировке выполняются
оператором.
По степени воздействия на техническое состояние измерительных приборов
различают активные средства встроенного контроля, позволяющие контролиро-
вать техническое состояние прибора и устранять определенные отказы и пассив-
ные, позволяющие лишь контролировать техническое состояние прибора.
Оптимальное сочетание этих средств встроенного контроля значительно сни-
жает трудоемкость поверки.
135
Другим важным направлением повышения эффективности по-
верочных работ является использование средств измерений с авто-
номной поверкой. При этом под автономной поверкой понимают
такую, при которой число операций передачи размера единицы от
образцового прибора к поверяемому сведены к минимуму, опре-
деляемому физикой явлений, т. е. осуществляются по одной ха-
рактеристике в одной точке диапазона измерений [50]. Примером
таких средств могут служить потенциометры постоянного тока с
автономной поверкой (Р332, Р345 и др.). При поверке этих при-
боров образцовые средства измерений применяют только для по-
верки нормального элемента, а для поверки других узлов измери-
тельной схемы потенциометра никаких образцовых средств изме-
рений не требуется.
Автономная поверка предусмотрена у современного осциллографа С1-121,
который ориентирован на работу в составе многофункциональной автоматизиро-
ванной измерительной системы или совместно с персональной ЭВМ. Этот осцил-
лограф для проведения самоконтроля снабжен устройством встроенного контро-
ля, которое содержит: калибратор коэффициентов отклонения; калибратор ко-
эффициентов разверток; генератор испытательных импульсов для контроля па-
раметров переходной характеристики.
Устройство встроенного контроля выполнено в виде конструктивно закончен-
ного блока. Периодическая поверка осциллографа заключается в поверке устрой-
ства встроенного контроля, которое может транспортироваться и поверяться
отдельно от всего прибора. Применение автономной поверки и встроенной си-
стемы контроля позволило увеличить межповерочный интервал у современных
осциллографов (С 1-121 и др.) до 5 лет.
Применение средств измерений с автономной поверкой не
только снижает трудоемкость поверки, но и существенно повыша-
ет эффективность системы метрологического обслуживания, свя-
занную с увеличением межповерочного интервала, с транспортиро-
кой только поверяемых отдельных элементов (блоков) средств из-
мерений на место поверки и обратно.
Глава 5.
ЛАБОРАТОРИИ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ
И ИХ ОБОРУДОВАНИЕ
5.1. Стационарные и подвижные лаборатории
Поверку и регулировку (ремонт) средств измерений, находя-
щихся в эксплуатации, проводят лаборатории измерительной тех-
ники, имеющие соответствующие разрешения (регистрационные
удостоверения).
136
Так как поверочные и ремонтные работы по метрологическому обслужива-
нию средств измерений имеют свою технологическую специфику, то это предъ-
являет особые требования к помещениям стационарных лабораторий измеритель-
ной техники: они должны размещаться в отдельном здании или в изолирован-
ных помещениях общих зданий, удаленных от источников, вибраций, шума, элек-
тромагнитных помех и других значительных внешних влияющих факторов. Поме-
щения должны быть светлыми, чистыми и сухими, изолированными от других
производственных участков, являющихся источниками производственной пыли,
агрессивных паров и газов. В них следует обеспечить постоянную нормальную
температуру (20°С), допустимые отклонения которой должны соответствовать
требованиям НТД на поверку средств измерений. В тех случаях, когда отклоне-
ние от нормальной температуры (20°С) не должно превышать +2°С, в поме-
щениях рекомендуется устанавливать терморегулирующие устройства. В поме-
щениях, в которых аттестуются и поверяются средства измерений, необходимо
установить измерительные приборы для контроля температуры, влажности, дав-
ления воздуха.
Для поверочных и регулировочных работ лаборатории измери-
тельной техники комплектуют необходимыми образцовыми сред-
ствами измерений, поверочным и вспомогательным оборудовани-
ем. Рабочие места поверки и регулировки средств измерений, ста-
ционарные лаборатории измерительной техники снабжаются лабо-
раторными столами, стеллажами, транспортными тележками и др.
Приборы и оборудование лаборатории измерительной техники должны быть
всегда исправными и готовыми к применению, что обеспечивается правильной
эксплуатацией; своевременным и качественным проведением технического обслу-
живания; своевременным ремонтом помещений и техники; поверкой средств
измерений в установленные сроки. Относительная влажность воздуха в помеще-
ниях при проведении поверочных работ должна быть в пределах 65+15 %.
Освещенность на уровне рабочих мест поверителей (//=0,8 м) при лампах на-
каливания должна быть не менее 150 лк. При этом коэффициент естественной
освещенности на уровне рабочего места рекомендуется принимать равным 1,5.
Стационарные лаборатории измерительной техники следует обеспечить ка-
чественным электроснабжением, позволяющим соблюдать технологию повероч-
ных и ремонтных работ. Помещения лаборатории измерительной техники долж-
ны иметь контур общего заземления с сопротивлением не более 4 Ом.
Для поверки, регулировки и ремонта средств измерений непо-
средственно на местах эксплуатации приборов применяют подвиж-
ные лаборатории измерительной техники, оснащенные поверочным
и отчасти ремонтным оборудованием, размещенным в салонах раз-
личных транспортных средств. В качестве транспортной базы ис-
пользуют автомобили, железнодорожные вагоны, самолеты и
вертолеты.
Существенным недостатком автомобильного размещения явля-
ется ограниченность объема кузовов-фургонов, чего не позволяет
в одном транспортном средстве реализовывать поверку, регулиров-
ку и ремонт широкой номенклатуры средств измерений. Этот не-
137
достаток, наряду с другими (невозможность передислокации в
труднодоступные районы страны, низкая скорость перемещения
и др.), привел к необходимости создания железнодорожных, са-
молетных и вертолетных подвижных лабораторий измерительной
техники.
Большое внимание разработке подвижных лабораторий изме-
рительной техники уделяют в последнее время различные мини-
стерства и Госстандарт СССР. При их непосредственном участии
созданы следующие лаборатории [51]:
передвижная поверочная общетехнических измерений (ППЛ-
ОТИ);
передвижная для поверки топливо- и маслораздаточных коло-
нок (ППЛ-ТМ, ППЛ-ТМ2);
передвижная поверочная средств измерений электрических ве-
личин (ППЛ-Э);
передвижная поверочная высоковольтных средств измерений
(ППЛ-В35);
передвижная поверочная радиометрическая (ППЛ-Р1);
передвижная дозиметрическая (ППЛ-Д1);
передвижная для поверки мер вместимости (ППЛ-МВ) и др.
Например, наиболее широко применяемая передвижная лабо-
ратория измерительной техники ППЛ-Э характеризуется следую-
щими данными и возможностями. Лаборатория предназначена
для поверки электроизмерительных приборов на месте их эксплуа-
тации, смонтирована на базе автобуса ПАЗ-672, в салоне которо-
го оборудовано три рабочих места для поверителей приборов. На
одном из них поверяют амперметры и вольтметры постоянного и
переменного тока, на другом — омметры, мосты постоянного тока,
магазины сопротивлений, на третьем находится установка У1134М
для поверки счетчиков электрической энергии, ваттметров, варио-
метров и фазометров переменного тока частотой 50 Гц. Лаборато-
рия снабжена кондиционером 1К21-3 и отопительной установкой.
Их совместная работа обеспечивает температуру в салоне 20±
±2 °C при температуре вне салона —3... +40 °C.
Поверочное оборудование ППЛ-Э позволяет поверить следующие средства
измерений электрических величин:
амперметры постоянного тока (5-10~5 ... 30 А) классов точности 1,0 ... 4,0;
амперметры переменного тока (10~3 ... 100 А) классов точности 1,0 ... 4,0;
вольтметры постоянного тока (2-10“2 ... 1000 В) классов точности
1,0 ... 4,0;
вольтметры переменного тока (1 ... 600 В) классов точности 1,0 ... 4,0;
одинарные мосты постоянного тока (2-10~2 ... 103 Ом) класса точности 0,2;
омметры (2-10~2 ... 108 Ом) класса точности 0,2;
мегаомметры (5-Ю4 ... 109 Ом) класса точности 0,2;
магазины сопротивлений (Ю4 .. 107 Ом) класса точности 0,2;
138
однофазные и трехфазные счетчики активной и реактивной энергии перемен-
ного тока 50 Гц класса точности 2,0;
однофазные и трехфазные ваттметры и вариометры переменного тока 50 Гц
(0,25 ... 10 А, 75 . . . 600 В) классов точности 1,0 ... 4,0;
однофазные фазометры (5 А, 100 ... 380 В) классов точности 2 ... 5.
Перед выездом для обеспечения метрологического обслужива-
ния средств измерений на месте их эксплуатации подвижные ла-
боратории измерительной техники должны быть укомплектованы
(доукомплектованы) необходимыми поверенными измерительны-
ми приборами и оборудованием, документацией на методы и сред-
ства поверки, эксплуатационной и ремонтно-технической докумен-
тацией, диагностическим оборудованием, ЗИП и инструментом с
учетом объема характера поверочно-аттестационных работ и
номенклатуры подлежащих обслуживанию средств измерений.
Для поверочных и ремонтных работ в районах, удаленных
(в пределах области) от стационарных лабораторий, широко при-
меняют лабораторию типа ППЛ-ОТИ, смонтированную в кузове
модели 3903, установленном на шасси автомобиля ГАЗ-66. В ка-
честве образцовых средств измерений в ППЛ-ОТИ используются
серийные приборы.
С помощью передвижной лаборатории поверяют следующие средства изме-
рений:
приборы для измерения массы — весы рычажные, медицинские, почтовые
и т. п. от 5 до 600 кг; гири условные и гири 5-го класса до 5 кг; дозаторы весо-
вые автоматические и полуавтоматические до 600 кг;
приборы для измерения электрических величин — амперметры постоянного и
переменного тока класса 1,0 и ниже (0,5 ... 100 А); вольтметры постоянного и
переменного тока классов 1,0 и ниже (15 мВ ... 600 В), омметры и мегаомметры
(.0,001 ... 108 Ом);
приборы для измерения тепловых величин — мосты и логометры классов
0,25 ... 0,5; милливольтметры-пирометры классов 1,0 ... 2,5, автоматические
потенциометры классов 0,25 ... 0,5;
приборы для измерения давления — манометры (0 ... 600 кгс/см2), вакуум-
метры (0 ... 1 кгс/см2), сфигмоманометры, манометры автомобильные клас-
сов 1,5 и ниже;
средства для линейно-угловых измерений — штангенциркули (0 ... 500 мм),
индикаторы часового типа, металлические метры; автомобильные спидометры.
Лабораторию обслуживают три человека, включая водителя.
Лаборатория передвижная поверочная радиометрическая
ППЛ-Р1 предназначена для поверки рабочих средств измерений
ионизирующих излучений (на месте их эксплуатации) и размеще-
на в салоне автобуса ПАЗ-672Г. В состав основного оборудования
входят: установки для поверки альфа- и бета-радиометров; источ-
ников альфа- и бета-излучений па твердых подложках; дозиметри-
ческих и радиометрических приборов.
139
Лабораторию ППЛ-Р1 применяют органы государственной и
ведомственных метрологических служб.
Технические данные
Диапазоны поверяемых величин:
альфа-радиометров, Бк/м2.........................
бета-радиометров, Бк/м2........................
счетчиков импульсов, имп./с....................
альфа-источников, частиц/(с-м2)................
бета-источников, частиц/(с-м2).................
Погрешность, %, не более, измерений при поверках
альфа- и бета-радиометров и счетчиков импульсов
альфа- и бета-источников.........................
8-Ю3 ... 1,7-107
8.103 ... 8.108
90.107
2-104 ... 5-Ю9
2-Ю4 ... 1,5-Ю10
±10
±7
Лаборатория передвижная поверочная дозиметрическая
ППЛ-Д1 предназначена для поверки рабочих средств измерений
ионизирующих излучений (на месте их эксплуатации), размещена
в салоне автобуса ПАЗ-672Г и укомплектована основным и вспо-
могательным оборудованием. В состав основного оборудования
входят: установка для поверки гамма-дозиметров (по дозе и мощ-
ности экспозиционной дозы); образцовое средство измерений экс-
позиционной дозы и мощности экспозиционной дозы рентгеновско-
го и гамма-излучений; комплект измерительных средств для по-
верки дозиметрических и радиометрических приборов.
Лабораторию ППЛ-Д1 применяют органы государственной и
ведомственных (в том числе системы здравоохранения) метроло-
гических служб.
Технические данные
Диапазон величин, повряемых:
гамма-дозиметром
мощность экспозиционной дозы. А/кг (Р/ч) 1,75-10-1’ ... 2,45-10-5
медицинским дозиметром: экспозиционная доза, кЛ/кг(Р) . (0,25-10-3 ... 350) 10-4 ... 3,33
мощность экспозиционной дозы, А/кг (Р/мин) (0,387... 12 900) 3-10-7 ... 10“2
дозиметром рентгеновского и гамма-излуче- ний: экспозиционная доза, кЛ/кг (мР) . (0,07 ... 2320) 3-10-7 ... 3-10-4
мощность экспозиционной дозы, А/кг (1,16 ... 1160) 3-10-” ... 3-10-6
Погрешность измерений, %, не более: гамма-дозиметром в диапазонах: 0,72-10-9 ... 2,5-10-5 А/кг (Ы0“2 ... ... 350 Р/ч) (0,419 мР/ч ... 41,9 Р/ч) +7
0,18-10“10 ... 0,72-10-9 А/кг (0,25-10-3 ... 1.10-2 Р/ч) .... ±15
мединским дозиметром ±4
дозиметром рентгеновского и гамма-из- лучений ±8
140
Эксплуатируемые подвижные лаборатории измерительной тех-
ники в основном неавтоматизированы, за исключением ППЛ-МВ
и ППЛ-ТМ2, в которых имеются элементы автоматизации пове-
рочной деятельности.
Требования к лабораториям определяются в первую очередь
состоянием и перспективой развития парка средств измерений в
стране, научными представлениями о тенденциях и способах со-
вершенствования метрологического обеспечения, возможностями
промышленности.
5.2. Особенности оборудования лабораторий
Размещение оборудования лабораторий измерительной техники
рекомендуется проводить по отделам (отделениям, группам, уча-
сткам) следующих видов измерений: радиотехнических; сервисных
(специальных); электрических и магнитных; ионизирующих из-
лучений; акустических; давления; температуры; метеорологических;
линейных и угловых; оптических и светотехнических; оборотов,
времени, скорости и ускорений; расхода и объема жидкостей и га-
зов; состава и свойств жидкостей и газов; силы и твердости; мас-
сы; медицинских; лазерных излучений.
Помещения для радиотехнических измерений должны отвечать
требованиям «Санитарных норм и правил при работе с источни-
ками электромагнитных полей» № 848—76. Электронные средства
измерений с высокой чувствительностью необходимо поверять в
камерах или комнатах, надежно экранированных от воздействия
внешних магнитных и электрических полей. Электрический кон-
такт дверей камеры с экраном обеспечивается по всему периметру
с помощью контактной гребенки или резинового валика, обтяну-
того металлической сеткой. Для уменьшения просачивающейся
мощности по цепям питания обычно применяют специальные по-
глощающие и заграждающие фильтры.
При поверке приборов с большими выходными мощностями
внутренние поверхности помещений частично или полностью по-
крывают радиопоглощающим покрытием, незадействованные вы-
ходы поверяемых генераторов закрывают специальными металли-
ческими заглушками. Работающие генераторы сантиметрового ди-
апазона волн запрещается располагать в общих помещениях, где
проводят работы, не связанные с поверкой или ремонтом высоко-
частотных генераторов, за исключением маломощных измеритель-
ных генераторов мощностью до 1 Вт, если он работает на погло-
титель мощности.
Помещения участков для поверки и регулировки (ремонта)
электроизмерительных приборов целесообразно удалять от источ-
ников электрических и магнитных полей. Источники питания, регу-
лировочные устройства, переключатели поверочных установок
должны быть экранированы и надежно изолированы от земли, а
141
все экраны—заземлены в строгом соответствии с инструкцией по
эксплуатации данной установки. Гальванометры и другие средст-
ва измерений высокой чувствительности стационарного типа сле-
дует устанавливать на кронштейнах, прикрепленных к капиталь-
ным стенам здания. В помещении необходимо предусмотреть
устройство для снятия статических зарядов (антистатический
браслет на руке поверителя или ремонтника, заземленный метал-
лический лист на столе и т. п.).
Помещения лаборатории, в которых проводятся работы с ис-
точниками ионизирующих излучений, должны соответствовать тре-
бованиям ГОСТ 19419—74. «Лаборатории для работ с источника-
ми ионизирующих излучений. Общие технические требования.»
Толщина стен, поля и потолка помещений рабочей части устано-
вок должны обеспечивать при любых направлениях пучка ослаб-
ление основного и рассеянного излучений в смежных помещениях
и санитарно-защитной зоне лаборатории до предельно допустимых
уровней. Пульты управления установок с источниками ионизиру-
ющих излучений следует размещать в смежных помещениях. В по-
мещении, предназначенном для установки (аппарата), необходимо
предусмотреть возможность аварийного выключения механизма
перемещения источника или аварийного выключения высокого на-
пряжения аппарата и открывания входной двери изнутри, а так-
же устройство дистанционного перемещения источника ионизи-
рующего излучения в положение хранения при аварии. На рабо-
чем месте должен быть дистанционный инструмент или специаль-
ное устройство для извлечения источников из контейнера и уста-
новки их в поверочную дозиметрическую установку.
Параметры лазерных излучений измеряют в специально обору-
дованных помещениях в соответствии с «Санитарными нормами и
правилами устройства и эксплуатации лазеров». При работе с лазе-
рами II и III классов для исключения облучения персонала необ-
ходимо либо ограждать лазерную зону, либо экранировать пучок
излучения. Ограждения и экраны должны изготавливаться из ма-
териалов с наименьшим коэффициентом отражения на длине вол-
ны генерации лазера, быть огнестойкими и не выделять токсичных
веществ при воздействии на них лазерного излучения. Помещение
следует окрасить матовой краской с высоким коэффициентом по-
глощения света. Рабочие места должны быть оборудованы мест-
ной вытяжной вентиляцией для удаления загрязненного воздуха,
если эксплуатация лазера сопровождается образованием вредных
газов и аэрозолей выше предельно допустимых концентраций.
Двери помещений необходимо оборудовать внутренними замками,
табло «Посторонним вход воспрещен» и знаком лазерной опас-
ности.
Помещения лаборатории, где поверяют и ремонтируют приборы
с ртутным заполнением, должны отвечать требованиям «Санитар-
ных правил проектирования, оборудования, эксплуатации и со-
142
Держания производственных и лабораторных помещений, предна-
значенных для проведения работ с ртутью, ее соединениями и
приборами с ртутным заполнением» № 780. Рабочие столы, где
расположены средства измерений с ртутным заполнением, должны
иметь по краям возвышающиеся борта, а при открытом ртутном
заполнении—приспособления для стока и сбора ртути. Покрытие
пола в помещении должно быть без малейших неплотностей, через
которые может проникать ртуть. Аппаратуру, емкости с ртутью,
приборы с ртутным заполнением следует по возможности скон-
центрировать в одном помещении, для предупреждения пролива-
ния ртути на пол, под аппаратуру и средства измерений необхо-
димо подставить противни, изготовленные из темной жести с глад-
козаваренными швами и окрашенные ртутоупорной краской. Ап-
паратуру с открытым заполнением рекомендуется размещать вну-
три вытяжных шкафов, вдали от дверей, окон, выходящих на юг и
юго-запад, и отопительных стен.
Для поверки кислородных манометров в лаборатории необхо-
димо выделить отдельное помещение или оборудовать отдельное
рабочее место. Инструмент, применяемый на этом рабочем месте,
должен быть обезжирен и окрашен в голубой цвет. Для обеспече-
ния безопасности использовать этот инструмент для других работ
не допускается. Для поверки и ремонта манометров, работающих
с агрессивными средами, также необходимо отдельное помещение
и местная вытяжная вентиляция, а также освещение во взрыво-
безопасном исполнении.
5.3. Автоматизированные поверочные системы и комплексы
В последние годы наметилась тенденция внедрения в повероч-
ную практику средств автоматизации и вычислительной техники.
Этому во многом способствовали, с одной стороны, необходимость
сокращения времени на поверочные процедуры и повышения до-
стоверности результатов поверки измерительной техники, а с дру-
гой—накопленный опыт использования автоматизированных си-
стем контроля параметров объектов техники и достижения в об-
ласти разработки и внедрения микропроцессорных устройств.
Автоматизация поверки средств измерений сводится к автома-
тизации процедуры генерации и подачи на поверяемое средство
необходимых измерительных сигналов, автоматизации наблюде-
ний откликов поверяемого прибора на измерительные сигналы, ав-
томатизации статистической обработки результатов поверки и вы-
дачи документов о произведенной поверке. На практике не всегда
можно автоматизировать все перечисленные операции.
Поверяемые средства измерений условно можно разделить на
две группы: с электрическим выходом и без него. От наличия у по-
веряемого средства измерений электрического выхода зависит эф-
143
фективность автоматизации поверки. Кроме того, этот признак
влияет на методический подход к процессу поверки.
Средства измерений, имеющие электрический выход, при авто-
матизированной поверке позволяют: существенно уменьшить сте-
пень ручного труда в процессе поверки, что приводит к значитель-
ному повышению производительности поверочных работ приме-
нять программно-управляемые образцовые средства измерений,
что не только способствует повышению уровня автоматизации по-
верки, но и является одним из условий реализации статистичес-
кой обработки результатов поверки; значительно повысить досто-
верность поверки.
Автоматизированная поверка средств измерений, не имеющих
электрического выхода (стрелочные приборы, электронные и циф-
ровые приборы с выходом только на визуальное индикаторное
устройство), в меньшей степени обладает указанными достоинст-
вами, так как поверяемые приборы без применения специальных
устройств не позволяют автоматически снимать показания и вво-
дить их в ЭВМ. Таким образом, для средств измерений, не имею-
щих электрического выхода, уровень автоматизации поверки, а
значит и эффективность, ниже, хотя и превосходит эффективность
ручной поверки.
С учетом последних достижений в области измерительной и
вычислительной техники, с появлением приборов, способных ра-
ботать в системе в автоматическом режиме, управляться по кана-
лу общего пользования (КОП) с помощью средств вычислитель-
ной техники, наметились два направления автоматизации поверки
в лабораториях измерительной техники. Один из путей базируется
на создании автоматизированных рабочих мест (АРМ) по поверке
конкретных типов средств измерений. При этом весь (основной)
объем поверочных операций должен выполняться на данном АРМ,
который, как правило, снабжается поверочным оборудованием и
приборами, управляемыми с помощью персональной ЭВМ. Дру-
гое направление—создание автоматизированных комплексов си-
стемы поверки средств измерений, в состав которых входят не-
сколько АРМ для измерительного контроля отдельных техничес-
ких параметров поверяемых приборов. Работой автоматизирован-
ного комплекса управляет общая для всех АРМ ЭВМ. Автомати-
ризованные комплексы системы поверки наиболее эффективны в
поверочных лабораториях, обслуживающих широкую номенкла-
туру типов средств измерений при сравнительно ограниченном их
числе. Поэтому автоматизированными комплексами систем повер-
ки оснащают перспективные подвижные лаборатории измеритель-
ной техники.
В настоящее время при автоматизированной поверке средств
измерений используют методы образцовых сигналов и образцовых
приборов. Метод образцовых сигналов характеризуется тем, что
на объект поверки подается образцовый типовой сигнал, получен-
144
ный с программно-управляемого источника (калибратора) сигна-
лов (рис. 5.1). Наблюдаемый на выходе поверяемого устройства
отклик в виде цифрового кода поступает в ЭВМ для сравнения с
кодом измерительного сигнала, определения погрешности прибо-
ра и сравнении ее с заданным допуском. Эта процедура повторя-
ется в установленных поверяемых отметках в диапазоне измере-
ний поверяемого прибора.
Метод образцовых приборов (рис. 5.2) отличается тем, что на
объект автоматизированной поверки подается некалиброванный
сигнал, соответствующий либо цифровым отметкам шкалы (без
стрелочных приборов), либо значениям информационного сигнала
в поверяемых точках, указанных в НТД на поверяемое цифровое
средство измерений. Этот некалиброванный сигнал устанавливав
ется через КОП автоматически либо оператором вручную, воздей-
ствует на поверяемое и образцовое средства измерений одновре-
менно. Образцовое средство измерений, наличие которого в схеме
поверки по данному методу обязательно, выдает на ЭВМ инфор-
мационные сигналы.
145
Эффективность автоматизированной поверки в значительной
степени возрастает за счет обеспечения автоматического докумен-
тирования результатов поверки. Для этого такие системы снабжа-
ются алфавитно-цифровыми печатающими устройствами (АЦПУ).
Документы, выдаваемые автоматизированными системами по-
верки, обладают достаточной полнотой и достоверностью, чтобы
сделать вывод о пригодности или забракования поверяемых
средств измерений. Высокая достоверность результатов поверки
обеспечивается как за счет исключения субъективных ошибок опе-
ратора (поверителя), так и за счет возможности многократной
оценки погрешности.
Например, при поверке радиоизмерительных приборов применяют метод
прямых измерений и используют структурную схему поверки на рис. 5.1. При
этом в ее состав входит универсальный калибратор, мини-ЭВМ с дисплеем и на-
копителем на гибких магнитных дисках или на кассетной ленте, АЦПУ и пульт
оператора (поверителя).
Универсальный калибратор представляет собой многофункциональный точ.
ный прибор, предназначенный для поверки и калибровки широкой номенклатуры
средств измерений. С его помощью обеспечиваются воспроизведение и выдача на
поверяемые вольтметры всех стимулирующих сигналов, необходимых для их по.
верки: напряжения, постоянного и переменного токов, дискретных значений со-
противлений. Управление калибратором и программирование режимов его работы
осуществляется с помощью КОП. В качестве таких калибраторов в настоящее
время применяют приборы Bl-18, В1-19, В1-24, В9-12, В1-28.
Мини-ЭВМ представляет собой персональный компьютер с встроенным
дисплеем и с двумя портами КОП. Наличие двух портов позволяет подключать
к контроллеру большое число приборов или, отведя один порт для калибратора,
оставить второй для подключения внешних поверяемых средств измерений. ЭВМ
обеспечивает взаимодействие всей системы в целом, управление поверяемыми
приборами и образцовыми калибраторами, обмен информацией с оператором по-
средством дисплея и пульта оператора, обработку результатов поверки и выдачу
их на АЦПУ.
Автоматизированная система поверки представляет собой упо-
рядоченую совокупность, призванную быстро, понятно и доступно
информировать поверителя о состоянии объекта поверки и пове-
рочного оборудования; легко адаптироваться к различным типам
поверяемых приборов; допускать изменения в составе (архитекту-
ре) аппаратуры для модернизации и (или) адаптации.
Возможность выполнения этих требований в основном реали-
зуется соответствующей организацией канала обмена метрологи-
ческой информацией. Этот канал—связующее звено между моду-
лями измерительной подсистемы, поверяемыми приборами и вы-
числительной подсистемой, т. е. играет роль интерфейса. Но по-
скольку интерфейс, в свою очередь, обладает довольно сложной
структурой образующих его шин, задача выбора интерфейса яв-
146
Рис. 5.3. Структурная схема автоматизированного комплекта системы поверки
средств измерений как системы массового обслуживания
ляется предметом структурного синтеза. Спецификация любого
интерфейса должна включать в себя структуру шин, функции и
операции их, управляющие сигналы и протоколы обмена, электри-
ческие и конструктивные параметры. Библиотеку модулей общей
спецификации, применяемых в измерительной технике, образуют
стандартные интерфейсы:
интерфейс крейта КАМАК (ГОСТ 26.001—80);
общая шина ЭВМ «Электроника-60» (ОСТ 25.795—78);
межмодульный интерфейс (ОСТ 11,305.903—80);
приборный интерфейс (ГОСТ 26.003—80).
Современные системные электронные средства измерений ори-
ентированы на приборный интерфейс, наиболее приспособленный
для автоматизированной поверки.
Применение ЭВМ в составе автоматизированных систем повер-
ки позволяет оперативно изменять программы как при переходе
от одной операции к другой, так и в процессе поверки. При соз-
дании специальной ЭВМ или выборе необходимого типа из выпу-
скаемых промышленность для оснащения таких систем возникает
задача определения требуемой ее производительности. Эта задача
является важной и для эксплуатации автоматизированной пове-
рочной техники, особенно при перестройке ее агрегатных моделей
для освоения поверки новых типов средств измерений.
Для количественного описания процессов, происходящих в вычислительной
подсистеме (рис. 5.3) автоматизированного комплекса системы поверки, обычно
используют математический аппарат теории массового обслуживания.
При круговом опросе автоматизированных рабочих мест со стороны управ-
ляющей ЭВМ входные требования к обслуживанию располагаются поочередно
в зоне ожидания и после получения очередного кванта времени продвигаются
к ее началу. Требования к производительности ЭВМ в системе с такой дисцип-
линой обслуживания, наиболее характерной для автоматизированных систем по-
147
верки, определяются из выражения [52]
л k i
«=1 i=i f=i
k Ai
S S ^mn
m=l n=l
(5,1)
где k — число АРМ в составе автоматизированного комплекса; А[ — число типов
приборов, проверяемых на Z-м АРМ; Xt-y— интенсивность поступления на Z-e АРМ
Ai
приборов /-го типа; Xt- = ^-/—интенсивность поступления приборов на Z-e АРМ;
Ач IAi \
cot- = I / Zj \n I — средний объем вычислительных операций, выполни-
/ = 1 \ / «=1 /
вч
емых процессором при поверке прибора на Z-м АРМ; со// = S Х«‘РУЧР: ВЧ —
Р=!
— общее число программ, выполняемых процессором при поверке прибора в каж-
дой цифровой отметке; VZ/.p— число команд, необходимых для реализации собст-
венно алгоритма 0-й программы; х-^— коэффициент, учитывающий рост объема
команд при практическом воплощении собственно алгоритма программы. Обычно
k Ai ( ik Ai \
х = 2.. .8; Т = S3 X i / 3 3 Xmin 7\/—время реакции системы массового
i=l /=1 \ / m=l /1=1 /
обслуживания на входную заявку.
Значения Тц целесообразно выбирать из условия:
То=(О,1— 0,3) т А
(5.2)
где т — длительность переходного процесса выходного сигнала с программируе-
мого калибратора (обычно 3 с).
Для поверки современных электронных средств измерений на
четырех АРМ автоматизированного комплекса со средним пото-
ком заявок на поверку, характерным для областной поверочной
лаборатории метрологической службы Госстандарта, требуемая
производительность ЭВМ, рассчитанная по соотношению (5.1), не
должна быть менее 0,8-104 операций в секунду. Этому требованию
к производительности отвечают следующие мини-ЭВМ, наиболее
часто применяемые в автоматизированных измерительных систе-
мах и комплексах: «Электроника МС-1212», «Электроника НЦ-03»,
«Электроника-бОМ», «Искра-1256», специализированное устройст-
во управления и обработки данных 908 («Нейрон»).
Одной из современных автоматизированных систем поверки,
имеющей в своем составе ЭВМ, является АРМ-М1 — автоматизи-
148
рованное рабочее место метролога, предназначенное для поверки
цифровых вольтметров и для измерений напряжений, тока, сопро-
тивлений. Принцип действия АРМ-Ml заключается в том, что в
соответствии с программой, записанной на мини-кассете, форми-
руется образцовый измерительный сигнал, который подается на
вход поверяемого прибора. Затем результаты изменений поступа-
ют в микроЭВМ «Электроника-бОМ», где по требуемому алгорит-
му анализируются на соответствие требованиям НТД на поверку.
В состав АРМ-Ml входят: микроЭВМ «Электроника-бОМ»; дис-
плей ВТА 2000-32; алфавитно-цифровое печатающее устройство
типа Robotron 1156; устройство внешней памяти РК-1СМ 5208 на
базе кассетного накопителя на кассетной ленте; устройство сопря-
жения с объектом контроля в стандарте КАМАК; вольтметр циф-
ровой универсальный Щ 68003; программируемый источник кали-
брованных напряжений Ф 7046.
Рабочее место АРМ-Ml обладает следующими техническими дан-
ными:
Диапазон установки калиброванного напряжения 0 ... 1000 В
Погрешность установки калиброванного напряже-
ния .......................................... 0,003 ... 0,005 %
Диапазон измерения напряжения . . . . 10-6 ... 1000 В
Диапазон измерения тока........................10~10 ... 1 А
Диапазон измерения сопротивления .... 1,0 Ом ... 10 МОм
Погрешность измерения напряжения, тока, сопро-
тивления ....................................0,05 ... 0,1 %
Другой пример автоматизированной системы, получившей наи-
менование «АКСАМИТ», предназначен для измерения электриче-
ских сигналов [53], поступающих с первичных преобразователей
физических величин, для математической обработки результатов
этих измерений и управления процессом измерений. Система при-
годна для автоматизированных поверочных комплексов, для кон-
троля работоспособности сложных объектов, технологического
контроля электронной аппаратуры, управления физическим экспе-
риментом, т. е. везде, где можно использовать принцип преобра-
зования измеряемой величины в электрический сигнал.
Отличительной особенностью системы «АКСАМИТ» являются
высокие метрологические характеристики, гибкость, возможность
переналадки с помощью программных средств, повышенная на-
дежность функционирования и хранения измерительной информа-
ции, относительно низкая стоимость. Эти характеристики обеспе-
чиваются конструктивным и программным объединением много-
функционального измерительно-управляющего устройства с пер-
сональной ЭВМ «Электроника МС-1501» (ДВК-2М). Математиче-
ское обеспечение системы «АКСАМИТ» ориентировано на неква-
лифицированного пользователя.
149
Система «АКСАМИТ» обладает следующими техническими харак-
теристиками
Диапазон измеряемых напряжений постоянного тока, В ±1,5
Число входных каналов измерения напряжения ... 48 (256)
Тип коммутации: последовательный с произвольной вы-
боркой
Время одного измерения, с..............................0,1 — 1
Класс точности при измерениях напряжения, %:
относительных........................................0,001
абсолютных...........................................0,01
Число выходных аналоговых каналов......................6
Максимальная скорость обмена по каналу общего пользо-
зования, байт/с ..................................... 1000
Агрегатный принцип построения автоматизированной повероч-
ной техники, при котором поверочный комплекс образуется путем
сочетания унифицированных функциональных модулей, позволяет
получить ряд модификаций, соответствующих заданным масшта-
бам поверки, степени его автоматизации, а также создает условия
для конструктивного и технологического усовершенствования при-
борных и функциональных модулей как в процессе эксплуатации
средств, так и при их изготовлении. Это позволяет начать внедре-
ние автоматизированных систем поверки в лабораториях измери-
тельной техники наиболее простой модификации, по мере накоп-
ления опыта наращивать объем поверок средств измерений и сте-
пень их автоматизации, добавляя новые модули.
Принцип агрегатирования и использования ЭВМ для автома-
тизации поверки применен при создании автоматизированного
комплекса системы поверки средств измерений электрических ве-
личин «Кедр-1» [54].
Комплекс «Кедр-1» состоит из измерительных, программных и
вычислительных модулей, позволяющих компоновать системы для
поверки средств измерений электрических величин низкочастотно-
го диапазона (20 ... 2-Ю5 Гц) в автоматизированном режиме. Он
позволяет проводить аттестацию, поверку и исследование метро-
логических характеристик: измерительных преобразователей пос-
тоянного и переменного напряжений; измерительных усилителей;
делителей напряжений.
В состав поверочной системы входят: генератор программиру-
емый ГП-ЗМ; аттенюатор программируемый ДНП-1; делитель ин-
дуктивный программируемый ДИП-2М; сравнивающий указатель
дифференциальный программируемый ДУ-13; ЭВМ «Электрони-
ка-бОМ» с набором периферийных устройств и библиотекой при-
борных команд для конкретных типов поверяемых средств изме-
рений.
Система «Кедр-1» обладает следующими техническими данными:
Диапазон установки калиброванного напряжения . . 0 ... 10 В
Погрешность установки калиброванного напряжения 0,01 %
Частота генерации ....................... 0,2. ... 200 кГц
Коэффициент нелинейных искажений . . . . 0,1 ... 0,3 %
150
У автоматизированного комплекса предусмотрена возможность подключения
к стандартному интерфейсу КОП и к другим стандартным интерфейсам,
а также наличие двух режимов работы: «ручного» и «программного» — для каж-
дого модуля.
Имеются и другие автоматизированные (гибкие) поверочные
комплексы [66].
Создание и внедрение в поверочную практику подобных систем
(особенно для подвижных лабораторий измерительной техники)
позволит значительно сократить затраты времени на поверку мно-
гочисленного парка средств измерений, повысить достоверность
результатов поверки и в конечном итоге в значительной мере
упростить систему обеспечения единства и точности измерений.
В то же время создание агрегатных комплексов для автоматизи-
рованной поверки средств измерений совпадает с общим направ-
лением развития современного приборостроения, которое характе-
ризуется переходом от разработки отдельных приборов к созда-
нию агрегатных автоматизированных измерительных систем, со-
вместимых в информационном, конструктивном, эксплуатационном
и метрологическом отношении.
Глава 6.
ДИАГНОСТИКА ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ
6.1. Характеристика средств измерений различных
поколений как объектов диагностирования
В настоящее время в эксплуатации находятся средства изме-
рений четырех поколений. Приборы первого и второго поколений
построены соответственно на электровакуумных и полупроводни-
ковых (транзисторы, диоды) элементах; в них применена аналого-
вая обработка сигналов. В приборах третьего поколения наряду
с полупроводниковыми элементами используются интегральные
микросхемы малой и средней степени интеграции. При этом име-
ет место как аналоговая, так и цифровая обработка сигналов на
основе жесткой логики. Средства измерений четвертого поколения
характеризуются использованием микропроцессорных систем
(МПС) и больших интегральных схем с программно-управляемой
цифровой обработкой измерительной информации. Применение
больших интегральных схем приводит к резкому соращению числа
используемых в приборе элементов. Однако эта тенденция суще-
ственно нивелируется и даже перекрывается ростом функциональ-
ной сложности измерительной техники. Объективными причинами
ее усложнения являются увеличение объема измерительных задач,
решаемых одним средством измерений, повышение уровня авто-
матизации, введение интерфейсных функций и др. Усложнение из-
мерительной техники, повышение ее точности, высокий уровень
151
Рис. 6.1. Структурная схема аналогового вольтметра
автоматизации — все это делает ее диагностику трудоемкой и не-
простой операцией.
Кратко остановимся на принципах построения приборов с аналоговой и циф-
ровой обработкой сигналов, что позволит уяснить особенности диагностики
средств измерений различных поколений. Для наглядности принципы построения
приборов различных поколений рассмотрим на примере вольтметров. В самом
общем виде входной блок аналогового вольтметра (рис. 6.1) обычно содержит
набор делителей напряжения — аттенюаторов, с помощью которых изменяют
пределы измерения, и эмиттерный (катодный) повторитель, создающий высокое
входное сопротивление. Измерительным преобразователем служит усилитель по-
стоянного тока, увеличивающий мощность исследуемого сигнала до уровня, до-
статочного для отклонения указателя отсчетного устройства. У вольтметров пе-
ременного тока в качестве измерительного преобразователя используется допол-
нительное устройство, преобразующее напряжение переменного тока в напряже-
ние постоянного тока. Индикатор представляет собой, как правило, стрелочный
электроизмерительный прибор магнитоэлектрической системы или другое пока-
зывающее устройство аналогового типа. В аналоговом вольтметре происходит
последовательное преобразование измеряемого напряжения, правильность выпол-
нения которого можно проконтролировать традиционным измерительным обору-
дованием (осциллографами, вольтметрами, частотомерами и т. п.). Переключение
режимов работы и изменение структуры аналоговых приборов выполняется элек-
тромеханическим способом.
Для цифровых измерительных приборов третьего поколения характерно со-
четание аналого-цифровой обработки информации и цифрового управления ре-
жимами измерения и индикации. Этим приборам свойственны перекрестные свя-
зи между узлами, блоками, и жесткая логика работы. В основе работы вольт-
метра третьего поколения (рис. 6.2) лежит преобразование измеряемого напря-
жения постоянного тока во временной интервал, заполняемый счетными импуль-
сами, количество которых соответствует значению напряжения. Постоянное на-
пряжение после входного блока поступает на компаратор, на второй вход ко-
торого подается линейно нарастающее напряжение с генератора пилообразного
напряжения. На выходе компаратора образуется импульс, длительность которого
соответствует времени нарастания линейного напряжения до уровня измеряемого
постоянного напряжения. Выходной импульс компаратора стробирует прохож-
дение синхроимпульсов с генератора синхросигналов на счетчик, подсчитываю-
щий число импульсов в пачке. Это значение, соответствующее измеряемому на-
152
Рис. 6.2. Структурная схема цифрового вольтметра с жесткой логикой работы
пряжению, затем индицируется на цифровом индикаторе. Анализ схемы показы-
вает, что правильность обработки измерительной информации в вольтметре зави-
сит не только от качества работы измерительного тракта, но и блока управления,
определяющего режим функционирования и временные интервалы, а также ком-
мутирующего узлы прибора в соответствии с логикой работы. Блок управления
реализуют на цифровых микросхемах малой и средней степени интеграции (счет-
чики, триггеры, дешифраторы и т. д.). Кроме того, микросхемы используют и
в других блоках средств измерений третьего поколения (в данном случае это
временной селектор, генератор синхроимпульсов, счетчик).
В отличие от аналоговых приборов заключение о правильности работы
средств измерений третьего поколения в целом нельзя сделать по результатам
проверки работоспособности отдельных узлов, блоков, поскольку на работоспо-
собность прибора существенно влияет согласованность работы этих узлов и бло-
ков во времени (синхронизация) с помощью блока управления. Для проверки
синхронизации необходимо использовать многоканальные осциллографы либо ло-
гические анализаторы. Логику работы отдельных цифровых микросхем можно
проверить и традиционным оборудованием. Однако для сокращения трудозатрат
на поиск неисправности в цифровых схемах целесообразно использовать специ-
альные одно- и многоконтактные логические пробники.
Как уже упоминалось ранее, характерной особенностью средств измерений
четвертого поколения (рис. 6.3) является использование в них МПС, позволяю-
щих расширить их функциональные возможности. Входной блок содержит ана-
логовые устройства: усилитель, фильтры, аттенюатор и т. д., которые в отличие
от приборов третьего поколения управляются МПС. Измерительная информация
в аналоговой форме с выхода входного блока поступает на аналого-цифровой
программно-управляемый преобразователь (АЦП), который преобразует ее
в цифровую форму. Измерительная информация в виде двоичных данных подает-
ся в МПС, где происходит ее программная обработка и результат измерения
выдается на устройство индикации.
Микропроцессор (МП), являющийся основным узлом МПС (рис. 6.4), орга-
низует процедуру измерений, управляет работой всех узлов, производит арифме-
тические и логические операции с двоичными данными, поступающими из АЦП
на шину данных через интерфейс ввода. Программа работы МПС, составляемая
153
при разработке прибора, хранится в микросхемах памяти. С остальными узлами
системы микропроцессор связан через три шины: данных, адреса и управления.
Клавиатура и АЦП подключены к шинам через интерфейс ввода, а индикатор,,
блок автокалибровки — через интерфейс вывода. Плата межприборного интер-
фейса позволяет подключить вольтметр к информационно-измерительной системе.
Микропроцессорная система характеризуется следующими особенностями: шин-
Рис. 6.4. Структурная схема микропроцессорного вольтметра
154
ной организацией; многоразрядностью шин; двунаправленностью шины данных;
сложной синхронизацией работы узлов системы; сложной логикой работы МПС
ввиду использования программного управления; большим числом возможных
внутренних состояний БИС, что не позволяет проверить правильность их работы
вручную; неразделимостью аппаратного и программного обеспечения; малым
числом точек, физически доступных для контроля, по сравнению со схемами на
цифровых микросхемах средней степени интеграции. Двунаправленность шины
данных, к которой подключены все программно-управляемые узлы прибора, при-
водит к тому, что неисправность, возникшая в одном из узлов, дезорганизует
работу всей системы. Поэтому для диагностики микропроцессорных приборов не-
обходимо разрывать связи между функциональными узлами МПС, использовать
специальное оборудование, проводить проверку в динамическом режиме.
Таким образом, цифровая обработка информации существенно
усложняет схемно-конструктивное построение средств измерений.
Это обусловлено спецификой структуры и работы цифровых схем
и особенно микропроцессорных систем. Если в приборах третьего
поколения при достаточном опыте работы еще можно искать не-
исправности с помощью традиционного оборудования, то неис-
правности, связанные с МПС и узлами прибора, которые подклю-
чены к ней, очень сложно обнаружить и практически невозможно
локализовать только средствами, используемыми для поиска не-
исправностей в аналоговых приборах.
6.2. Общий порядок поиска неисправностей
При диагностике средств измерений первоначально произво-
дится их визуальный осмотр. В ряде случаев внешнее проявление
неисправности позволяет в дальнейшем локализовать место ее на-
хождения. Даже не вскрывая прибор, можно получить достаточно
информации о его состоянии. На передней панели прибора рас-
положены различные органы управления, индикации и т. д. Рабо-
та с ними позволяет определить возможное место неисправности
в приборе.
В практике ремонта измерительной техники известны следую-
щие способы обнаружения причин неисправностей, основанные на
внешних признаках ее состояния: способ характерных неисправ-
ностей; способ контрольных переключений; способ сравнения;
способ замены деталей (узлов).
Способ характерных неисправностей позволяет определить не-
исправность на основе известных признаков, однозначно характе-
ризующих ее. Часто перечень характерных неисправностей и при-
знаки их проявления указываются в эксплуатационно-технической
документации на средства измерений, что облегчает локализацию
отказов.
Способ контрольных переключений состоит в том, что путем
оценки внешних признаков проявления неисправности и анализа
взаимодействия элементов в различных режимах последовательно
155
исключаются из рассмотрения исправные узлы прибора. При этом
используется информация от средств текущего контроля: сигналь-
ных ламп, встроенных приборов и т. п. Анализируя работу при-
бора в различных режимах, можно сузить область поиска неис-
правности в соответствии с алгоритмом, приведенным на рис. 6.5.
В том случае, когда прибор не функционирует во всех режимах, то
причиной неисправности является выход из строя узлов, блоков,,
задействованных во всех режимах. Такими элементами являются
блоки питания, схемы синхронизации, микропроцессорные БИС
и др. Например, если не светится один сегмент дисплея во всех
режимах, то вероятнее всего неисправен сам индикатор или схе-
ма, запускающая его. Если дефект цифрового вольтметра проявля-
ется только в диапазоне входного сигнала 1 ... 10 В, то область
поиска дефекта можно сузить до схемы, используемой в этом ре-
жиме, и т. д.
При визуальной проверке разобранного прибора можно обна-
ружить: разорванные проводники, отслоившийся печатный мон-
таж, окислившиеся места паяных соединений, поврежденные кор-
пуса интегральных микросхем, резисторов, согнутые штырьки и
другие дефекты. Часто причиной неисправной работы прибора мо-
жет служить плохой контакт разъема печатной платы. В этом
случае требуется проверить соединения блоков и плат и при необ-
ходимости зачистить контакты разъемов.
При способе сравнения сопоставляют признаки работы неис-
правного узла диагностируемого прибора и однотипного узла за-
ведомо работоспособного прибора. При этом можно получить до-
статочно много информации, позволяющей быстрее локализовать
место нахождения неисправности.
При наличии запасных печатных плат (узлов, блоков) прибо-
ра можно локализовать неисправность способом замены деталей,
однако при этом существует опасность повредить годную плату
вследствие электрических перегрузок, которые повредили преды-
дущую плату. Поэтому перед заменой платы целесообразно убе-
диться в том, что на нее подаются верные значения питающих на-
пряжений, отсутствуют короткие замыкания в выходных цепях и
перегрузки на входе. В любом случае при замене плат источник
питания должен отключаться от прибора. Такой метод иногда по-
зволяет быстро обнаружить неисправный элемент и одновременно
устранить отказ. Однако при этом требуются заведомо исправные
элементы (блоки, печатные платы, узлы и др.). Кроме того, из-за
сложности демонтажа отдельных элементов этот метод не всегда
можно использовать. Частая замена элементов в некоторых слу-
чаях может понизить надежность средств измерений. Поэтому та-
кой метод применяют чаще всего при отыскании отказов в смен-
ных узлах приборов.
Начинать локализацию отказов всегда следует с применения
способов характерных неисправностей и контрольных переключе-
156
Включение
и проверка прибора на
функционирование
ний, как наименее трудоемких. Если ни один из них не приведет
к выявлению отказавшего элемента, необходимо перейти к спосо-
бам сравнения и замены.
Безусловно, перечисленные рекомендации позволяют упорядо-
чить диагностику средств измерений. Однако они не дают четких
правил, позволяющих отыскать отказавший элемент в сложном
приборе. Для этого целесообразно использовать научно обосно-
ванные методы поиска неисправностей, предусматривающие вы-
полнение ряда контрольных операций по определенному плану.
Место нахождения неисправности локализуют с помощью раз-
личных поисковых процедур, направленных на последовательное
сужение области нахождения дефекта. При этом план поиска
строят на основе статистических (априорных) данных о надежно-
сти средства измерений и элементов, сведений о структуре (схеме)
и результатов контроля его параметров. Таким образом, для вы-
явления отказавших элементов средств измерений в определенной
157
последовательности проверяют исправность отдельных элемен-
тов или групп элементов. Проверка представляет собой совокуп-
ность операций, производимых на объекте диагностирования
(средстве измерений), для получения некоторых результатов, по
которым можно судить о состоянии, по крайней мере, одного эле-
мента. Иначе говоря, проверка — это контроль измерительной тех-
ники, в ходе которого измеряются некоторые параметры, наблю-
даются реакции на определенные стимулирующие воздействия.
Последние представляют собой либо естественные сигналы, посту-
пающие на вход исследуемых элементов средств измерений, либо
специально подаваемые воздействия от генераторов стимулирую-
щих сигналов. Различают поэлементную проверку средств изме-
рений, проверку по блокам (или модулям) и проверку по группам
элементов (которые не образуют функциональной единицы в со-
ставе прибора).
Чтобы поиск отказавших элементов был эффективным, необхо-
димо рационально, с учетом конкретных условий, в которых про-
водится поиск, выбрать способы проверки элементов и установить
правильный «маршрут» поиска, т. е. правильную последователь-
ность проверок. При удачном выборе маршрута поиска отказав-
ший элемент обнаруживается в числе первых, при неудачном — в
числе последних. При выборе маршрута поиска необходимо учи-
тывать вероятности отказов элементов: чем надежнее элемент, тем
меньше вероятность его отказа, следовательно, он может быть
проверен позднее.
Аналоговые схемы по сравнению с цифровыми чаще отказывают из-за высо-
ких требований, предъявляемых к быстродействию, питанию, температуре, чув-
ствительности, точности, допустимому разбросу характеристик. Сбой прибора
часто возникает из-за аналоговых схем, работающих на пределе. Они могут вы-
вести из строя и цифровые схемы. Это обусловлено наличием электрических свя-
зей между цифровыми и аналоговыми схемами по шинам питания, цепям синхро
импульсов и т. д., по которым могут распространяться сбои. После определения,
в какой части платы (аналоговой или цифровой) находится неисправность, даль-
нейший поиск проводится с учетом специфики функционирования диагностируе-
мой схемы.
Поиск неисправностей в аналоговой части прибора, выполняемый, как отме-
чено, традиционным диагностическим оборудованием, в настоящее время освоен
ремонтными подразделениями. Некоторые затруднения наблюдаются в освоении
диагностирования цифровой части прибора и особенно приборов с микропро-
цессорами. Это обусловлено тем, что для диагностики цифровой части приборов
ремонтникам необходимы навыки работы со специально созданными для этих
целей сигнатурными (СА) и логическими (ЛА) анализаторами. В связи с этим
рассмотрим некоторые особенности диагностирования цифровых схем.
Использование алгоритма на рис. 6.6 помогает избежать замены исправных
интегральных микросхем (ИМС). При определении характера неисправности
отдельные операции можно выполнять наиболее удобным для ремонтника спосо-
158
Начало
Рис. 6.6. Алгоритм дефектации интегральных микросхем
бом. Наличие короткого замыкания и (или) обрывов в цепи определяется визу*
альным осмотром монтажа или одним из имеющихся приборов: логическим проб-
ником (ЛП), тестером, осциллографом или СА (описание ЛП и СА приведено
в гл. 7). При использовании СА о наличии обрывов свидетельствуют отличаю-
щиеся друг от друга си!натуры в точках, которые согласно схеме должны быть
соединены, а о наличии коротких замыканий в токопроводящих дорожках пе-
чатного монтажа — совпадение сигнатур. Для определения наличия напряжения
159
питания на контактах диагностируемой микросхемы можно использовать ЛП,
тестер, СА. При использовании СА необходимо иметь в виду, что сигнатура на
общей (заземленной) шине равна ООО, а сигнатура постоянного уровня напряже-
ния зависит от длины окна измерения. Неисправность входных цепей компонен-
тов может быть двух видов: постоянное «залипание» логического сигнала на вы-
воде микросхемы в «О» или «1»; повышенное потребление тока по входу. Для
определения этих неисправностей наиболее удобны ЛП, индикатор импульсных
токов, тестер.
В общем случае диагностика МПС производится в следующем порядке: про-
веряется питание и синхронизация, выделяется ядро (генератор тактовых импуль-
сов и микропроцессор) путем разрыва обратных связей, ведущих к ядру (такими
цепями является шина данных и канал прерывания); производится анализ
исправности ядра системы; осуществляется проверка других функциональных
узлов МПС. Типовая методика диагностирования микропроцессорной системы
описана в гл. 7.
6.3. Методы поиска отказавших элементов
Различают два основных метода поиска неисправностей: ком-
бинационный и последовательный.
Под комбинационным понимают такой метод поиска, при ко-
тором состояние элементов прибора определяют путем выполне-
ния заданного числа проверок, порядок проведения которых мо-
жет быть произвольным. Отказавшие элементы выявляют после
выполнения всех заданных проверок, сопоставляя и анализируя
их результаты. При этом не все результаты выполненных прове-
рок необходимы для определения работоспособности прибора.
Этот метод называют комбинационным потому, что неисправ-
ный элемент обнаруживают на основании совокупности (комби-
нации) проверок. Он довольно эффективно используется в слож-
ной радиоэлектронной аппаратуре при наличии встроенных средств
контроля. Основные преимущества комбинационных методов
связаны с простотой автоматизации, с возможностью одновремен-
но проводить начальные проверки, с «одношаговой» логикой ана-
лиза результатов проверок.
Разновидностью комбинационного метода можно считать метод поэлемент-
ной проверки, когда проверяют все без исключения элементы. После этого эле-
менты разделяют на годные и негодные. Такая проверка проводится при капи-
тальном ремонте измерительной техники либо при наличии в приборах более
одного неисправного элемента. Комбинационный метод приводит к большим тру-
дозатратам и поэтому при поиске единичных неисправностей в средствах изме-
рений используется редко (как правило, для обнаружения отказавших блоков,
узлов).
При последовательном поиске неисправностей проверки выпол-
няют в определенном порядке, который обеспечивает наиболее ра-
циональную их очередность. Результаты каждой проверки анали-
зируют непосредственно после ее проведения и, если отказавший
160
элемент еще не определен, то выполняют следующую по порядку
проверку. Порядок выполнения проверок может быть строго фи-
ксированным (заранее заданным) или же зависеть от результатов
предыдущих проверок. В соответствии с этим различают две мо-
дификации последовательного поиска:
последовательных поэлементных проверок, когда проверки вы-
полняют в некотором заранее заданном жестком порядке, кото-
рый определяется до начала поиска неисправности и в процессе
поиска остается неизменным;
последовательных групповых проверок, когда каждая последу-
ющая проверка назначается в зависимости от исхода предыдущих
проверок.
Среднее число проверок, необходимых для локализации неис-
правности, при последовательном групповом поиске обычно мень-
ше, чем при упорядоченном, однако «логика» процесса поиска в
последнем случае проще.
Эффективность различных методов последовательного поиска
оценивают средним временем поиска неисправностей или числа
проверок, проведенных для выявления отказавших элементов. По-
скольку при поиске неисправностей приходится иметь дело со слу-
чайными явлениями отказов, то нельзя утверждать, что в каждом
конкретном случае именно выбранный порядок проверки элемен-
тов будет наилучшим. Может случайно оказаться, что отказал как
раз наиболее надежный и трудно проверяемый элемент, а по уста*
новленному правилу поиска он проверяется последним. Однако
если в процессе поиска этот порядок применяется неоднократно,
то среднее время, затрачиваемое на обнаружение неисправностей,
будет наименьшим. Указанные показатели применяют при выборе
наиболее рационального метода поиска неисправностей, который
позволяет снизить время и средства, расходуемые на обнаруже-
ние отказавших элементов. Кроме того, при этом снижаются тре-
бования к квалификации ремонтника.
Метод последовательных поэлементных проверок используют
тогда, когда не удается проследить за преобразованием измеряе-
мой величины или другого электрического сигнала, поступающего
на вход функционального узла, блока, например из-за наличия
обратных связей. Этот метод используют также при недостаточ-
ном знании функциональной схемы прибора и его составных час-
тей. Чаще всего метод эффективен при поиске неисправности в
функциональных узлах, содержащих относительно небольшое чис-
ло элементов. К таким функциональным узлам можно отнести мо-
стиковую схему выпрямителя, дифференциальный усилитель с об-
ратной связью, схему стабилизации напряжения и др. При исполь-
зовании этого метода элементы средств измерений проверяют по
одному в определенной, заранее заданной последовательности.
Если проверенный элемент оказался неисправным, то поиск пре-
кращают и производят восстановление прибора. Различают сле-
161
дующие разновидности метода последовательных поэлементных
проверок: выборочный, неупорядоченный, поиск по принципу от
начала к концу или от конца к началу.
При выборочном методе поиска неисправностей учитывают ве-
роятности отказов и время (или стоимость) проведения каждой
проверки. Для пояснения этого метода предположим, что функци-
ональный узел состоит из п элементов, соединенных между собой
произвольным образом. Пусть известны заранее вероятности от-
казов Qi, ..., Qif ..., Qn и среднее время (стоимости) проверки
каждого элемента ti, ...» tz, ..., тп. Предположим, что отказал
только один элемент. Начнем проверять элементы по одному. Тог-
да при какой-либо очередной проверке будет обнаружен отказав-
ший элемент. Конечно, желательно проверить его в самом начале
поиска и тем самым сократить время диагностики прибора.
Если время проверок всех элементов одинаково или неизвест-
но, тогда руководящим соображением при выборе порядка про-
верки должна быть вероятность отказа: первым должен прове-
ряться элемент с наибольшей вероятностью отказа, вторым (если
первый оказался исправным)—элемент с несколько меньшей ве-
роятностью отказа, чем первый и т. д., т. е. элементы следует про-
верять по порядку убывания вероятностей их отказа.
В другом крайнем случае, когда все вероятности отказа равны
(или неизвестны), но различны затраты времени на проверку эле-
ментов, определяющим соображением в выборе порядка проверки
должна быть продолжительность каждой проверки. При этом эле-
менты надо проверять по порядку возрастания затрат времени:
первым — элемент с наименьшим временем проверки, вторым —
элемент с несколько большим временем проверки, чем у первого
и т. д.
В общем случае, когда вероятности отказов и время на про-
верку элементов различны, поиск неисправности следует прово-
дить в порядке убывания отношения Qi/v, Z=l, 2, ..., и, вычис-
ленного для каждого элемента. Например, если <2з/тз><2б/тб>
>Qi/ti> ..., то эти элементы должны проверяться в следующем
порядке: 3-й, 6-й, 1-й, .... При таком порядке поиска среднее вре-
мя обнаружения неисправности будет минимальным.
В том случае, когда сведения о надежности элементов и вре-
менных затратах на их проверку отсутствуют, отказавший элемент
ищут в произвольном порядке либо частично упорядочивают про-
цесс поиска, организуя его от начала к концу или от конца к на-
чалу функционального узла при последовательном соединении
элементов.
Недостатком выборочного метода является сравнительное
большое число проверок. Объясняется это тем, что в этом методе
при поиске неисправностей не используются функциональные свя-
зи отдельных элементов, хотя это делает метод универсальным,
так как он не зависит от функциональной схемы прибора. Поэтому
162
тогда, когда можно установить функциональные связи между эле-
ментами прибора и проследить последовательное преобразование
сигнала в схеме, используют метод последовательных групповых
проверок.
Сущность этого метода заключается в том, что все элементы
прибора или его составной части с учетом их функциональных
связей разбивают на отдельные группы и контролируют исправ-
ность каждой группы в отдельности. Очередная проверка опреде-
ляется результатами предыдущих проверок. По мере проведения
проверок число элементов в группе уменьшается. На последнем
этапе контроля в группе должен быть один элемент.
В общем случае построить таким образом маршрут поиска не-
исправности сложно, так как требуется учитывать надежность
групп элементов, функциональные связи между элементами, пред-
положения о числе и характере отказов (например, предположе-
ние о том, что отказ единственный и независимый) и, наконец,
признаки отказов. Учесть все эти факторы одновременно бывает
затруднительно. Поэтому прибегают к составлению маршрута по-
иска, в котором учитывается только та или иная группа факторов.
В связи с этим различают несколько модификаций метода после-
довательных групповых проверок. Основными из них являются:
метод половинного разбиения (метод средней точки) и комбини-
рованный.
Метод половинного разбиения базируется на знании взаимо-
связи элементов диагностируемого прибора. При этом предпола-
гается, что вероятности отказов всех элементов равны (или о них
ничего не известно) и равны времени проверки всех элементов.
Как и прежде, предполагается, что имеет место лишь один отказ
(опыт показывает, что при достигнутом уровне надежности изме-
рительной техники это хорошо согласуется с действительностью).
Очевидно, что применение рассмотренного выборочного метода
в этом случае не позволит уменьшить среднее время поиска, по-
скольку нет оснований для того, чтобы заключить, какой из эле-
ментов следует проверять раньше других. Для оптимизации поиска
в данном случае можно использовать связь между элементами.
Это позволит проверить элементы не по одному, а группой, и в
процессе проверки планомерно исключать из рассмотрения целые
группы элементов. Как правило, метод средней точки используют
для поиска неисправностей в тех узлах, блоках, в которых эле-
менты соединены последовательно. Тогда, проверяя одну группу
элементов, можно быть уверенным, что другие группы элементов
не влияют на результаты этой проверки.
Для иллюстрации метода половинного разбиения рассмотрим прибор, со-
стоящий из восьми элементов (рис. 6.7). Если при проверке работоспособности
обнаружено, что в приборе имеется отказ, то для поиска неисправности все эле-
менты разбивают на две группы: в первую включают элементы 1 ... 4, во вто-
163
Рис. 6.7. Пример структурной схемы прибора
рую —5 ... 8. Для проверки первой группы контролируют сигнал на выходе
элемента 4. Если проверка показала, что в первой группе элементов есть отказ,
следовательно, элементы второй группы из рассмотрения исключаются, поскольку
ранее было сделано предположение о том, что в приборе имеется только одна
неисправность. Затем первую группу элементов разделяют на две новые под-
группы: одну из них составляют элементы 1—2, а другую — 3—4. Если при про-
верке параметра на выходе элемента 2 установлено, что первая подгруппа
исправна, значит, отказавший элемент находится во второй подгруппе. Далее
проверяется один из элементов второй подгруппы. Например, элемент 3. Если
установлено, что он исправен, то это значит, что отказал элемент 4.
Метод половинного разбиения особенно эффективен при слож-
ных отказах, когда признаков неисправностей (в начале провер-
ки) очень много и проанализировать их трудно. Существенным
преимуществом является возможность его применения в тех слу-
чаях, когда вероятности отказов элементов и время, потребное для
выполнения проверок, неизвестны. Метод применим и тогда, когда
вероятности отказов всех элементов равны между собой.
На практике об элементах прибора известны хотя бы прибли-
зительные значения вероятности отказов и времени на поверку.
При наличии этих сведений о взаимосвязанных элементах прибо-
ра можно использовать более эффективный комбинированный ме-
тод, в основу которого положен метод половинного разбиения, но
скорректированный информацией о трудоемкости проверок и ве-
роятности отказов элементов.
Сущность комбинированного метода поиска неисправностей
можно пояснить следующим образом. Пусть дана та же система
взаимосвязанных последовательно соединенных элементов прибо-
ра (рис. 6.7), для которых известны вероятности отказов и время
на проверку элементов. Предполагается, что прибор имеет лишь
один отказ. Для определения оптимального маршрута поиска не-
исправности элементы разбивают на две группы так, чтобы сум-
мы отношений Qi/xi были приблизительно равны для обеих групп.
Пусть такое разбиение обеспечивается в том случае, если первая
группа включает элементы 1 ... 3, а вторая — 4 ... 8. Вначале про-
веряют первую группу элементов: если она исправна, то делается
заключение о том, что отказал элемент второй группы. Для по-
иска отказавшего элемента в этой группе поступают аналогичным
образом, т. е. разбивают вторую часть прибора на две новые груп-
пы по описанному выше принципу. Пусть такое разбиение имеет
вид 4 ... 6 и 7 ... 8. Тогда, если при очередной проверке обнару-
164
жена не норма сигнала на выходе 6-го элемента, можно считать,
что отказавший элемент находится в группе 4—6. В дальнейшем
неисправности ищут в том же порядке до тех пор, пока не будет
найден отказавший элемент.
Комбинацию методов последовательных поэлементных и груп-
повых проверок широко используют при составлении схем алго-
ритмов диагностирования средств измерений. При этом с помо-
щью метода последовательных поэлементных проверок можно
разработать маршруты поиска неисправностей в функциональных
узлах, а метода последовательных групповых проверок — опреде-
лять вышедшие из строя функциональные узлы, блоки.
Глава 7.
СРЕДСТВА ДИАГНОСТИКИ
ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ
7.1. Простейшие контрольно-измерительные устройства
При неисправности цифровой части прибора прежде всего не-
обходимо убедиться в наличии или отсутствии логических сигна-
лов в схеме. Оперативный контроль логического состояния эле-
ментов цифровых устройств, поиск элементарных неисправностей
в аппаратуре, более точная локализация неисправностей, обнару-
женных с помощью других приборов, и другие подобные операции
очень удобно проводить с помощью логических пробников, стиму-
лирующих генераторов и бесконтактных индикаторов импульсных
токов [55, 56]. Логическим пробником (ЛП) можно проверить
наличие сигнала в цепи синхроимпульса, на линиях шины, в це-
пях выбора микросхем памяти, управляющих линиях и т. д. От-
сутствие периодического изменения сигналов в цифровых узлах
указывает на наличие неисправности.
В простейших случаях с помощью пробника можно определить,
к зоне какого состояния принадлежит уровень контролируемого
сигнала: нулевой, единичной или средней (неопределенной). Более
сложные пробники позволяют индицировать изменение уровня
сигнала, выявлять одиночные импульсы и определять состояние
непрерывно меняющегося сигнала.
Различают одно- и многоконтактные (логическая клипса) ло-
гические пробники. Логическая клипса предназначена для провер-
ки логики работы интегральных микросхем (ИМС) и представля-
ет собой контактный зажим, который закрепляется на корпусе
микросхемы с двухрядными штырьевыми выводами. На верхней
панели прибора расположены светодиодные индикаторы, отража-
165
Рис. 7.1. Примеры подключения сти-
мулирующего генератора (СГ) и ло-
гического пробника (ЛП) при про-
верке цифровых схем:
а) индикатор ЛП мигает—ИМС А исправ-
на; б) индикатор ЛП не мигает — ИМС В
неисправна; в) индикатор ЛП не светит-
ся _ короткое замыкание на корпус; ЛП
светится и не мигает — короткое замыка-
ние на источник питания
Рис. 7.2. Примеры подключения
бесконтактного импульсного инди-
катора токов:
а) ИИТ не срабатывает ввиду корот-
кого замыкания на корпус микросхе-
мы Е; б) подключение ИИТ для на-
стройки на требуемый уровень чувстви-
тельности; в) отсутствие тока свиде-
тельствует о неисправности ИМС
166
ющие логическое состояние соответствующих выводов микросхемы*
Стимулирующие генераторы (СГ) формируют в цепях цифро-
вых устройств импульсные сигналы, амплитуда и длительность ко-
торых обеспечивают срабатывание используемых в контролируе-
мом устройстве микросхем. Применяются СГ в комплекте с логи-
ческими пробниками и бесконтактными индикаторами импульс-
ных токов (ИИТ). Конструктивно они выполняются как однокон-
тактные логические пробники и могут вырабатывать одиночные
импульсы, последовательности импульсов и пачки импульсов раз-
личной частоты. Примеры схем подключения генератора и проб-
ника показаны на рис. 7.1.
Бесконтактные ИИТ контролируют токи в защищенных изоля-
ционными покрытиями проводниковых печатных платах без раз-
рыва токопроводящего проводника и разрушения защитных по-
крытий. Прибор в комплекте с СГ эффективен для поиска коротких
замыканий, разрывов цепи, неисправностей в ИМС средней степе-
ни интеграции и в шинах с тремя состояниями. Примеры схем
подключения индикатора представлены на рис. 7.2.
Регулятор чувствительности индикатора позволяет настраивать
прибор перед каждым конкретным измерением на импульсы с за-
данными (требуемыми) характеристиками.
Простейшие контрольно-измерительные приборы благодаря
простоте применения и оперативности подключения очень эффек-
тивны для поиска неисправностей в цифровых схемах.
7.2. Сигнатурные анализаторы
Одним из наиболее эффективных методов поиска неисправно-
стей в цифровых устройствах, позволяющим быстро и высококаче-
ственно их проверять, является метод сигнатурного анализа [57],
Приборы, используемые для поиска неисправностей данным мето-
дом, называются сигнатурными анализаторами (СА).
Сигнатура — это код, состоящий из четырех знаков (букв и
цифр) шестнадцатиричного кода и условно, но однозначно, харак-
теризующий состояние определенного узла диагностируемой схе-
мы. Сигнатурный анализ сводится к сопоставлению реальной сиг-
натуры конкретного узла диагностируемой схемы, отображаемой
на индикаторе СА, с образцовой (эталонной) сигнатурой этого уз-
ла, указанной на принципиальной схеме или в специальных таб-
лицах, помещаемых в эксплуатационную (ремонтную) документа-
цию.
При обнаружении отличий ремонтник, руководствуясь приве-
денной в документации схемой поиска неисправности, простым про-
слеживанием сигнатур находит неисправный узел (элемент). На
его выходе реальная и эталонная сигнатуры различны, в то время
как на выходе предшествующего узла (элемента), соединенного
167
Рис. 7.3. Структурная схема сигнатурного анализатора
со входом проверяемого, фактическая и эталонная сигнатуры оди-
наковы.
Сигнатурные анализаторы наиболее эффективны при диагно-
стике средств измерений с микропроцессорами. Чтобы проанали-
зировать цифровые системы с микропроцессорами, необходим спе-
циальный испытательный сигнал, представляющий собой двоич-
ную последовательность. Данный сигнал может вырабатываться
как микропроцессором диагностируемого прибора, так и специ-
альным генератором, входящим в состав отдельных типов СА. Из
указанной двоичной последовательности формируется тест-после-
довательность.
Принцип получения тест-последовательности и сигнатуры из нее рассмотрим
на примере С А типа 817. Данный СА относится к «пассивным» средствам диаг-
ностики, так как формирует тест-последовательность и сигнатуру из нее специ-
альной обработкой испытательного сигнала, генерируемого диагностируемым
прибором.
В схеме на рис. 7.3 СА выполняет три основные операции: формирует тест-
последовательность и сигнатуру, а также отображает последнюю.
Первая операция протекает следующим образом. С диагностируемого
устройства через трехканальный пробник в СА поступают сигналы трех видов:
тактовые (синхронизирующие) импульсы (рис. 7.4,а), запуска «Пуск» (рис. 7.4,6)
и остановки «Стоп» (рис. 7.4,в). Сигнал «Пуск» подготавливает сдвигающий
регистр к приему тест-последовательности и задает начало окна измерения,
а сигнал «Стоп» — его конец (рис. 7.4,г). Таким образом, интервал времени, раз-
168
деляющий сигнал «Пуск» и
«Стоп», определяет продолжи-
тельность «окна» измерения.
Стробирующие импульсы, об-
разующие «временные ворота»,
и тактовые импульсы, подаются
на формирователь тест-последо-
вательности, в которой через
одноканальный пробник данных
также поступают данные с диаг-
ностируемого устройства. В мо-
менты совпадения фронтов так-
товых импульсов (рис. 7.4,а) с
битами данных (рис. 7.4,д) обра-
зуются биты тест-последователь-
ности (рис. 7.4,е), длину которой
(число бит в ней) можно регули-
ровать, изменяя интервал вре-
мени между сигналами «Пуск» и
«Стоп».
Рис. 7.4. Временные диаграммы, поясняю-
щие формирование тест-последовательности
Тактовые импульсы, поступающие в СА из испытуемого устройства, синхро-
низируют работу всех устройств анализатора.
Образованная тест-последовательность подводится ко входу D формирова-
теля двоичного кода сигнатуры, на вход С которого поступают тактовые импуль-
сы через формирователь «окна» измерений. Принцип получения сигнатуры по-
казан на рис. 7.5.
Работа СА в данном случае основана на преобразовании («сжатии») вход-
ных последовательностей двоичных данных с помощью 16-разрядного сдвигового
регистра (16 триггеров), четырех последовательно включенных сумматоров по
модулю 2 и цепи обратной связи, соединяющей входы сумматоров с выходами
триггеров. Начало и конец обработки двоичной последовательности («окно» изме-
рений) сигнатурным анализатором определяется внешними управляющими сигна-
лами «Пуск» и «Стоп», снимаемыми с диагностируемого прибора. Входная двоич-
ная последовательность поступает через вход «Данные» СА на регистр сдвига
с обратными связями синхронно с управляющим сигналом «Такт», также сни-
маемым с проверяемой схемы. Результирующий двоичный код, получаемы?!
в регистре после прихода сигнала «Стоп», образует сигнатуру обработанной дво-
ичной последовательности, которая индицируется на индикаторе СА в шестнад-
цатиричном коде.
Сформированное двоичное число, определяющее код сигнатуры, поступает
в два блока памяти (см. рис. 7.3). Блок П1 хранит число в течение цикла изме-
рений и передает его на индикатор СА через дешифратор, преобразующий
16-разрядное двоичное число в четырехзначный шестнадцатиричный код-сигнату-
ру. В блоке П2 хранятся результаты, полученные в течение двух соседних циклов
измерений. Данные сравниваются в компараторе. При их несовпадении на инди-
каторе высвечивается «Нестабильная сигнатура». Это позволяет обнаруживать
случайные сбои в работе проверяемых схем.
169
Дисплей
2
5
2
0000000000000000
0000000000000001
000000000000001 1
00000 0 00000 001 1 1
0000000000001 1 1 1
000000000001 1 1 1 1
0000 ‘0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1
0000000001 1 1 1 1 10
000000001 1 1 1 1 100
00000001 1 1 1 1 1001
0000001111110010
0000011111100100
0000111111001000
0001111110010000
0011111100100001
0111111001000011
1111110010000110
1111100100001101
1111001000011011
Сигнатура
Рис. 7.5. Схема, поясняющая принципы получения сигнатур
Внутренний генератор СА вырабатывает сигналы, необходимые для самопро-
верки анализатора: «Такт», «Пуск», «Стоп», «Данные». Эти сигналы могут
использоваться для диагностики простых (по логике работы) цифровых схем.
Следует помнить, что возможность применения сигнатурного
анализа для контроля и диагностики средств измерений обеспе-
чивается на стадии проектирования приборов. Приспособленность
средств измерений (схемы, конструкции и документация) к диаг-
ностике сигнатурным анализатором отражается в эксплуатацион-
ной и ремонтной документации на эти приборы. При этом ремонт-
170
Рис. 7.6. Структурная схема микропроцессорной системы
ник подключает СА в места съема сигналов «Пуск», «Стоп» и
«Такт», диагностируемых схем и производит измерение сигнатур
в соответствии с указаниями, приведенными в документации на
диагностируемый прибор. При несовпадении измеренных сигнатур
с эталонными, записанными в документации, следует руководст-
воваться алгоритмом поиска неисправностей, также приводимом в
документации на проверяемое средство измерений.
Наиболее сложна диагностика микропроцессорных систем.
Конструктивно схемы микропроцессорных систем различных при*
боров мало отличаются друг от друга и почти идеально (схемно и
конструктивно) разделены на функциональные части, что позво-
ляет проверять последовательно все входящие в них устройства,
начиная от «ядра» системы и кончая периферийными устройства-
ми, подключенными к шинам микропроцессорной системы
(рис. 7.6).
При проверке микропроцессорных устройств необходимо:
выделить «ядро» системы;
разорвать цепи обратной связи;
обеспечить определенные начальные состояния проверяемых
схем;
обеспечить наличие повторяющихся сигналов в течение «окна»
измерений.
Ядром микропроцессорной системы является генератор такто-
вых импульсов (синхрогенератор) и микропроцессор (МП). Для
проверки ядра, управляющего всей системой, необходимо его обо-
собить, выделить. Для этого надо прежде всего разорвать цепи
обратной связи, идущие к ядру, проверить ядро на наличие или
отсутствие в нем неисправностей. При наличии в ядрде неисправ-
171
Рис. 7.7. Алгоритм диагностирования
172
микропроцессорной системы
173
ностей следует установить их причину, пользуясь соответствующей
схемой алгоритма диагностирования (рис. 7.7).
Цепи обратных связей в ядре, которые, как видно по рис. 7.6,
образуют шина данных и канал прерывания, разрываются в соот-
ветствии с указаниями, приводимыми в документации на диагно-
стируемый прибор. Для этого используют специальные перемычки
и переключатели или переводят диагностируемый узел в специаль-
ный режим.
После разрыва обратных связей необходимо обязательно вер-
нуть диагностируемое устройство (схему) в начальное состояние,
что обеспечивает повторяемость измеряемых сигнатур, а микро-
процессорное устройство — в специальный режим выполнения те-
стовой программы.
Следующим шагом будет измерение сигнатур на адресных ши-
нах, на входах шины данных процессора, на управляющих входах
и выходах процессора. При этом сигналы «Пуск», «Стоп» и «Такт»
снимают с точек, указанных в документации.
После ядра проверяют шинные формирователи адреса, форми-
рователи управляющих сигналов, выходные буферы, а затем ПЗУ,
ОЗУ и т. д.
7.3. Логические анализаторы
Логические анализаторы (ЛА) (рис. 7.8) представляют собой
многоканальные устройства, специально разработанные для ана-
лиза цифровых схем [58]. Эквивалентом ЛА является осцилло-
граф. Но в отличие от осциллографа, который показывает напря-
жение в зависимости от времени, ЛА фиксирует логическое со-
стояние контролируемой схемы в зависимости от числа прошед-
ших тактовых импульсов. Таким образом, ЛА позволяют прове-
рять работу цифровых схем в реальном масштабе времени. Все
типы логических анализаторов (806, 820, 821, 825 и т. д.) имеют
общие принципы построения и работы, отличаясь друг от друга
числом каналов, объемом памяти, тактовой частотой и видом
представляемой информации.
Тактовые импульсы могут быть как внешними, так и внутрен-
ними. В зависимости от типа анализатора некоторые части струк-
турной схемы могут отсутствовать. Данные о логическом состоя-
нии испытуемого узла на рабочей частоте заносятся во внутрен-
нюю память, преобразуются к виду, удобному для индикации, и
индицируются либо в виде квазивременной диаграммы, либо в
виде таблицы истинности на экране ЭЛТ (рис. 7.9).
Простейшим для ЛА является запуск по параллельному циф-
ровому коду (комбинационный запуск, рис. 7.10). Если аналого-
вый осциллограф приводится в действие первым пришедшим пере-
падом, что позволяет просматривать только периодические сигна-
лы, то ЛА запускается по коду, пришедшему одновременно по
174
Уровень компарирования
Рис. 7.8. Структурная схема логического анализатора
а) б)
Рис. 7.9. Квазивременная диаграмма
(а) и таблица истинности (б)
175
Момент
Рис. 7.10. Вре-
менная диаграмма,
поясняющая прин-
цип комбинацион-
ного запуска
всем каналам. Непериодический сигнал отображается на экране
осциллографа неустойчиво из-за отсутствия синхронизации. Ана-
лизатор же при правильном выборе запускающего параллельного
цифрового кода даст стабильную картину, так как запуск будет
осуществляться всегда в одном и том же месте проходящей инфор-
мации. Запускающий цифровой код, длина которого определяется
числом каналов, следует выбрать так, чтобы он был единствен-
ным в длинной последовательности данных.
Рис. 7.11. Вре-
менная диаграмма,
поясняющая прин-
цип цифровой за-
держки
Момент прихода запускающего
цифрового кода
Рис. 7.12. Временные диаграммы, поясняющие режимы работы анализатора при
индикации информации, поступившей:
после прихода запускающего цифрового кода (а), до и после прихода запускающего цифро-
вого кода (б), до прихода запускающего цифрового кода (в), через п тактовых импульсов
после прихода запускающего цифрового кода (г) после двух запускающих кодов (б), после
двух запускающих кодов и k тактовых импульсов (е)
В цифровых устройствах часто возникает необходимость про-
смотреть «окно» измерений, далеко отстоящее от запускающего
цифрового кода. Для этого служит цифровая задержка, при помо-
щи которой можно передвинуть «окно» измерений на любое число
тактовых импульсов (рис. 7.11) и таким образом при одном и том
же запускающем цифровом коде можно исследовать работу
устройств (прохождение программы) по частям.
Кроме цифровой задержки в анализаторах имеется режим так
называемой «отрицательной» задержки при котором в памяти ЛА
остается информация, предшествующая моменту запуска, что не-
возможно при работе с осциллографом. Такой режим можно ис-
пользовать при постоянном сбое в работе средств измерений. Если
в качестве запускающего цифрового кода использовать код сбоя,
то можно проанализировать условия, предшествующие этому
сбою. При необходимости просмотра информации после n-го цик-
ла используется задержка запуска.
«Окно» измерений будет указывать на информацию после про-
хождения п циклов. При этом остается возможность использова-
ния и цифровой задержки. Диаграммы, поясняющие все указанные
режимы работы анализатора, приведены на рис. 7.12.
Для расширения функциональных возможностей в анализато-
рах (типов 830, 821) используют квалификационные входы (входы
177
11 0101 0111
* со X со / 01 10 00 10 0111 0010 0101 1010 1000 1010 0110 1111
X С "" 11 0101 0111
\ 01 1101 1010
00 1010 1011
ч 11 0101 0111
01 0001 0101
Рис. 7.13. Информация,
заносимая в память ло-
гического анализатора из
потока данных, посту-
пающих на вход, при ис-
пользовании в качестве
квалификационного при-
знака кода 11
признаков), позволяющие выбрать из потока данных только ту
информацию, которая сопровождается определенной комбинацией
кода признаков. Такой режим эквивалентен расширению объема
памяти, так как в память не будет заноситься информация, не
требующая анализа. На рис. 7.13 приведен пример, когда в каче-
стве признака выбран код 11.
Квалификационные входы необходимы при работе с микропро-
цессорными системами. Например, они позволяют в микропроцес-
сорной системе отличить сигналы, входящие в МП, от сигналов,
выходящих из него. В качестве входов признаков можно исполь-
зовать и незадействованные информационные входы.
Рассмотрим порядок использования ЛА для проверки отдель-
ных интегральных микросхем, функциональных узлов (блоков)
средств измерений. При проверке счетного триггера, срабатываю-
щего от каждого входного сигнала, в качестве тактового импуль-
са для анализатора должен быть взят этот же сигнал (рис. 7.14).
Для контроля может быть использован всего один информацион-
ный канал, который подключается к выходу триггера. При этом
нет необходимости в выборе условий запуска. Так, при запуске с
нуля анализатор покажет 0101 ..., а с единицы—1010 ...
При проверке триггера задержки, задерживающего входной
сигнал на период следования тактовых импульсов, различают слу-
чаи, когда на вход поступает периодический или непериодический
Рис. 7.14. Схема подклю-
чения логического анали-
затора для проверки
счетного триггера
178
Рис. 7.15. Схема подклю-
чения логического ана-
лизатора для проверки
триггера задержки (а) и
диаграмма входных и вы-
ходных сигналов, отра-
жающая его правильную
работу (б)
а)
Тактовые ПППППППППП
сигнал. Первый случай эквивалентен проверке счетного триггера.
Во втором (рис. 7.15) возникают трудности с запуском. Однако
проверить работу триггера можно. Для этого информация просма-
тривается в режиме ручного запуска. При многократном запуске
данные на экране будут изменяться, но в любом случае отставание
информации во 2-м канале на один такт говорит о правильной
работе триггера (рис. 7.15,6).
При проверке кольцевого регистра можно подключить анализатор ко всем
триггерам регистра, установить запуск с единицы любого канала и посмотреть,
как перемещается единица. Но принципиально для проверки кольцевого регистра
достаточно иметь два канала. Запуск осуществляется единицей в первом кана-
ле, во втором канале наблюдается момент появления единицы на выходе по
следнего триггера регистра (рис. 7.16).
Рис. 7.16. Схема подключения логического анализатора для проверки кольцевого
регистра
12
179
Вход
Логический анализатор
Регистр сдвига
Тактовые
импульсы
Каналы
2-й
о
1-й
О
Канал
тактовых
импульсов
{ Выход ( Выход
1 -го разряда и-го разряда
Рис. 7.17. Схема подключения логического анализатора для проверки сдвигового
регистра
Аналогично можно проверить регистр, заполняемый единицами (рис. 7.17).
Если длина регистра превышает глубину памяти отдельного канала, то можно
использовать цифровую задержку.
Сдвиговые регистры проверяют так же, как отдельные триггеры задержки.
Если работа начинается с исходного состояния регистра, то его можно прове-
рить так же, как кольцевой регистр, т. е. запустить с единицы по первому кана-
лу и посмотреть, когда информация переместится в последнюю ячейку регистра.
При проверке аналого-цифровых преобразователей (рис. 7.18) в качестве
тактового импульса необходимо использовать срез стробирующего сигнала. В ка-
честве запускающего цифрового кода устанавливают ожидаемый код для подан-
ного на вход напряжения и запускают анализатор в любом режиме («Начало»,
«Сдвиг» или «Конец»). Наиболее удобен режим «Сдвиг», так как он позволяет
просмотреть информацию до и после ожидаемого кода.
Использование ЛА для проверки МПС требует от оператора
глубокого знания диагностируемой системы, так как очень трудно
точно и правильно выбрать уникальный цифровой код для запу-
ска и место подключения компаратора тактовых импульсов, уста-
новить задержку. Оператор должен знать, какой результат дол-
жен быть, уметь интерпретировать полученные результаты.
Приведенные примеры показывают, что ЛА практически всегда
можно применять при диагностике цифровых узлов средств изме-
рений. Умело варьируя выбором запускающего цифрового кода,
цифровой задержкой и выбором тактового импульса, можно
всегда найти прием, при помощи которого проверяется правиль-
ность работы как части, так и всей схемы в целом.
Анализ применения рассмотренного диагностического оборудования (ЛП, СА
и ЛА) показывает, что с его помощью трудно выявить неисправности средств
измерений, обусловленные отказом ядра микропроцессорной системы. Для обна-
ружения таких отказов на этапах разработки и производства средств измерений
применяют системы отладки с внутрисхемными эмуляторами, имитирующими ра-
боту микропроцессоров. Однако на этапе эксплуатации эти системы практически
180
Рис. 7.18. Схема подключения логического анализатора для проверки аналого-
цифровых преобразователей
непригодны из-за необходимости знать ремонтником особенности схемно-кон-
структивного построения восстанавливаемых средств измерений и их програм-
много обеспечения на уровне разработчиков.
Для диагностики средств измерений в условиях эксплуатации разрабатыва-
ются специальные автоматизированные диагностические устройства — микропро-
цессорные анализаторы, реализующие функции сигнатурного и логического ана-
лизаторов, внутрисхемного эмулятора под управлением микро-ЭВМ. Использование
микропроцессорных анализаторов позволяет существенно уменьшить время диаг-
ностирования. Реализация функций микропроцессорных анализаторов возможна
с помощью отдельных сигнатурных, логических анализаторов и внутрисхемных
эмуляторов, имеющих выход на канал общего пользования и работающих под
управлением ЭВМ в составе автоматизированных поверочных подвижных лабо-
раторий измерительной техники. Это позволяет осуществлять поиск неисправно-
стей на основе оборудования автоматизированных поверочных лабораторий изме-
рительной техники при соответствующей доработке их программного обеспе-
чения.
Глава 8.
ОСОБЕННОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ
АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ
СИСТЕМ И КОМПЛЕКСОВ
8.1. Автоматизированные измерительные системы
и комплексы как объекты эксплуатации
Автоматизированная измерительная система (АИС) представ-
ляет собой совокупность технических средств, как правило, блоч-
но-модульного исполнения, объединенных общим алгоритмом
функционирования, характеризуемых общим комплексом нормиро-
ванных метрологических характеристик и предназначенных для
181
автоматического (автоматизированного) получения информации
об объекте измерений, ее обработки, хранения и представления в
форме, доступной для восприятия оператором и (или) ввода в
управляющую систему.
Таким образом, АИС является сложным техническим образо-
ванием и состоит из ряда взаимосвязанных и взаимодействующих
функционально самостоятельных подсистем (измерительных ка-
налов, блоков), воспринимающих и выдающих измерительную
информацию в соответствующей форме.
При организации метрологического обеспечения автоматизиро-
ванных измерительных систем удобно выделять измерительные
каналы, каждый из которых представляет собой последователь-
ную цепь измерительных преобразователей — устройств, в кото-
рых с известной точностью реализуется однозначная функцио-
нальная связь между двумя физическими величинами (измери-
тельными сигналами). Это объясняется тем, что в АИС нормиро-
ванию подлежат метрологические характеристики измерительных
каналов. Измерительные преобразования составляют основу про-
цессов, протекающих в АИС, и разделяются на следующие виды:
первичное восприятие и выделение (селекция) измеряемой фи-
зической величины, а также формирование измерительного сиг-
нала;
функциональное или оперативное преобразование измеритель-
ного сигнала в нормированный измерительный сигнал;
квантование измерительного сигнала по уровню и дискретиза-
ция во времени;
цифровое кодирование;
представление измерительной информации в той или иной фор-
ме сообщений.
Измерительные преобразователи можно разделить на две прин-
ципиально различные группы:
аналоговые, осуществляющие непрерывное преобразование сиг-
нала при передаче его от входа к выходу преобразователя;
аналого-цифровые, выполняющие операцию квантования ана-
логового сигнала по уровню и цифровое кодирование. Кроме того,
в автоматизированных измерительных системах применяют и циф-
ро-аналоговые преобразователи.
Наиболее специфичную группу составляют первичные измерительные преоб-
разователи (ПИП). В них собственно преобразователями являются чувствитель-
ные элементы (пружина Бурдона, мембрана датчика давления, термопара, тен-
зометр, болометр, феррозонд, счетчик Гейгера, фотоэлемент, ячейка кондукто-
метра, трансформатор тока, пьезоэлемент и др.). В результате взаимодействия
с чувствительным элементом измеряемая физическая величина преобразуется
в промежуточный измерительный сигнал (разность потенциалов, перемещение,
ток, изменение сопротивления, емкости, индуктивности и т. п.), который зача-
стую еще невозможно использовать для передачи и цифрового кодирования.
182
Поэтому чувствительны элемент обычно органически связан с дополнительны-
ми преобразователями, формирующими выходной сигнал.
Эти узлы рассматривают, аттестуют и нормируют как единый функциональ-
ный блок АИС [59].
Методы регламентации и определения метрологических харак-
теристик измерительных каналов зависят от особенностей АИС,
в частности, от способов их создания. Автоматизированные изме-
рительные системы могут создаваться тремя основными спосо-
бами:
применением любых, в том числе и нуждающихся в согласо-
вании технических средств, приемлемых для решения конкретной
измерительной задачи;
агрегатированием измерительных и вычислительных средств, об-
ладающих необходимыми уровнями совместимости для использо-
вания в качестве модулей автоматизированной измерительной си-
стемы конкретного назначения;
на базе измерительно-вычислительных комплексов, являющих-
ся аналого-цифровым универсальным ядром автоматизированных
измерительных систем, а фактически системами сбора и обработ-
ки измерительной информации; измерительно-вычислительные
комплексы обеспечивают выполнение аналого-цифровых преобра-
зований, вычислительных процедур, выдачу полученной информа-
ции, формирование командной и иной служебной информации, не-
обходимой для функционирования автоматизированной измери-
тельной системы.
Такое универсальное ядро АИС формируется с помощью стан-
дартного интерфейса из аналого-цифровых измерительных
устройств и программируемых средств вычислительной техники со
стандартными устройствами отображения и хранения информа-
ции. Объединение перечисленных технических средств с соответ-
ствующим программным обеспечением, необходимым для их со-
вместного функционирования, и получило название измерительно-
вычислительного комплекса (ИВК) [60]. Для построения какой-
либо конкретной АИС необходимо дополнить ИВК соответствую-
щими измерительными цепями, исполнительными органами и дру-
гими устройствами, а главное, прикладными программами, позво-
ляющими решать задачи оценки состояния и поведения объекта
измерений.
По своей организаци и условиям эксплуатации АИС отлича-
ются от традиционных средств измерений — мер и измерительных
приборов. Специфическими особенностями этих систем, влияющи-
ми на характер их метрологического обеспечения, технического
обслуживания и ремонта, являются:
агрегатный принцип построения;
пространственная распределенность компонентов и наличие ли-
ний связи между ними, что обусловливает значительное и суще-
183
ственно различное воздействие климатических, механических и
других факторов, изменяющих и метрологические характеристики;
многофункциональность по видам исполняемых функций и ви-
дам измеряемых физических величин;
многоканальность, которая приводит к необходимости учета
взаимного влияния каналов друг на друга;
наличие большого числа видов входных и выходных сигналов,
вызванного необходимостью одновременно измерять разнородные
физические величины, диапазоны и точность измерений этих ве-
личин могут существенно различаться; большое число пределов
измерений (практически каждого ряда входных сигналов) вызы-
вает необходимость различной градуировки ряда каналов, пред-
назначенных для работы с входными сигналами одного и того же
вида, но с разными пределами измерений;
одновременное использование двух форм представления изме-
рительной информации (аналоговой и дискретной), что усложня-
ет вопросы нормирования и расчета метрологических характери-
стик систем;
широкое использование средств вычислительной техники, не
только обеспечивающих обработку измерительной информации и
автоматизацию измерений, но и автоматически перестраивающих
структуру измерительной системы, что делает необходимым опре-
деление метрологических характеристик системы не только по
отдельным каналам, но и по всем режимам работы;
наличие большого числа первичных измерительных преобразо-
вателей, которые могут быть выполнены в виде отдельных изде-
лий или входить в состав объекта измерений; эти преобразователи
при эксплуатации могут по необходимости демонтироваться с объ-
екта измерений либо быть постоянно встроенными в него и изы-
маться лишь при капитальном ремонте объекта измерений.
Таким образом, автоматизированные измерительные системы и
комплексы представляют собой специфичный вид измерительной
техники, особенности которого необходимо учитывать при плани-
ровании их метрологического обеспечения, технического обслужи-
вания и ремонта.
8.2. Метрологическое обеспечение автоматизированных
систем и комплексов
Под метрологическим обеспечением АИС понимается комплекс
мер, направленных на достижение и поддержание в этих системах
требуемой точности измерений. В соответствии с ГОСТ 8.437—81
в период эксплуатации этих систем проводят следующие меры
обеспечения точности измерений:
метрологическую аттестацию системы, если условия ее работы
отличаются от тех, при которых нормировались метрологические
характеристики;
184
метрологическую аттестацию после капитального ремонта;
анализ состояния метрологического обеспечения АИС, периоди-
ческую поверку, надзор и контроль за применением.
Наиболее важной и ответственной частью метрологического
обеспечения является определение комплекса метрологических ха-
рактеристик, который позволяет оценить точность системы и вы-
полнить ее поверку. Метрологические характеристики АИС в зна-
чительной степени определяются параметрами измерительных ка-
налов (составом измеряемых физических величин, динамическим
диапазонОхМ измерений, погрешностью измерений и т. п.) и источ-
ников стимулирующих воздействий (составом стимулирующих
воздействий, динамическим диапазоном, погрешностью установки
и т. п.).
Метод установления (регламентации) и определения метроло-
гических характеристик измерительных каналов систем выбирают
с учетом особенностей построения системы. Метрологические ха-
рактеристики устанавливают посредством их нормирования либо
оценки расчетным или экспериментальным методами.
Метрологические характеристики измерительных каналов пред-
почтительнее нормировать для тех АИС, которые представляют
собой законченные изделия и характеризуются постоянным соста-
вом несущественно разнесенных в пространстве компонентов, лег-
ким доступом для контроля, последовательной, параллельной или
последовательно-параллельной (с небольшим числом параллель-
ных каналов) структурой. В этом случае метрологический кон-
троль реализуется проверкой соответствия метрологических ха-
рактеристик измерительных каналов нормированным значениям.
Определение метрологических характеристик измерительных
каналов системы расчетным или экспериментальным путем пред-
почтительнее проводить для измерительных систем, комплектуемых
на месте эксплуатации из отдельных компонентов, выпускае-
мых промышленностью как готовые изделия, а также для изме-
рительных систем с существенной пространственной разнесенно-
стью компонентов, с затрудненным доступом к измерительной си-
стеме для ее контроля.
Метрологические характеристики измерительных каналов си-
стемы оценивать целесообразно расчетным путем для измеритель-
ных систем с переменной структурой, а также с большим числом
параллельных измерительных каналов. При этом контролируют
метрологические характеристики измерительных компонентов (из-
мерительных преобразователей, средств отображения результатов
измерений и т. п.), а метрологические характеристики измери-
тельных каналов определяют расчетным путем. Рассчитать по-
грешность измерительного канала весьма сложно, и поэтому на
практике пользуются грубыми методами, сущность которых сво-
дится к следующему. Если отдельные измерительные компоненты
АИС охарактеризованы пределом допускаемого значения суммар-
185
ной погрешности измерений, то предел полной погрешности АИС
находят суммированием пределов суммарных погрешностей ком-
понентов. Естественно, в этом случае оценка погрешности АИС
завышена. Полную систематическую погрешность АИС находят
суммированием систематических погрешностей ее компонентов, а
дисперсию случайной погрешности — суммированием дисперсий
погрешностей компонентов. При этом вводят весовые коэффици-
енты, зависящие от схемы соединения компонентов и определяе-
мые как частные производные от выходной величины системы по
значению величины на входе данного компонента.
Рассмотрим пример расчета погрешности измерительного канала, состоя-
щего из трех узлов: реостатного ПИП Д, усилителя У и регистратора Р [61]
(рис. 8.1). Исходными данными для расчета погрешности являются:
напряжение питания 220 В частотой 50 Гц подается от сети с нестабильно-
стью напряжения ±15 %;
максимально допускаемое значение приведенной погрешности первичного
преобразования составляет уМд=0,15 %;
коэффициент влияния нестабильности напряжения питания U усилителя на
его коэффициент усиления <± =±0,03 %/(10 % Д±/±, а влияние темпера-
туры приводит к смещению его нуля на Фб = ±0,2 %/10 °C;
в качестве регистратора используется самопишущий автоматический потен-
циометр класса точности 0,5; время прохода регистратором всей шкалы состав-
ляет 0,5 с; изменение температуры вызывает смещение его нуля на Фо =
= — 0,1 о/о/10 °C; реГ
температура окружающей среды, в которой находится датчик, колеблется
в пределах (20±15)°С, а усилитель и регистратор работают в диапазоне темпе-
ратуры 18 ... 24°С.
Вычислим составляющие погрешностей измерительных компонентов измери-
тельного канала.
Основную погрешность ПИП можно считать распределенной по равномерно-
му закону, поскольку основным источником погрешности является погрешность
дискретности, обусловленная конечным числом витков его обмотки. Тогда у =
= 0,15 % можно считать половиной ширины этого распределения и среднее квад-
ратическое отклонение основной погрешности вычислить по формуле:
°Д = Тмд/Кз= 0,15 /р/’з"= 0,087.
186
Температурная погрешность ПИП определяется температурным коэффициен-
том меди, из которой изготовлена линия его подсоединения к усилителю. Этот
коэффициент равен а0=—f-4%/10 °C, тогда изменение сопротивления ПИП со-
ставит
15*4
Д/? = ДОосл/?-----2 = 120-10“3 = 0,12 Ом,
0 10-100
где ДО — разброс температур; R = 2 Ом — сопротивление подводящих проводов.
По отношению к общему сопротивлению обмотки ПИП, равному 200 Ом, это
составит 0,06 %. Принимая закон распределения температуры нормальным, для
вероятности Р=0,98 (что соответствует доверительному интервалу ±2,За) на-
ходим
<^д = 0,06, 2,3 =0,026 %.
Погрешность ПИП, обусловленная нестабильностью питающего напряжения,
снижается за счет стабилизатора в 25 раз, т. е. имеет максимальное значение
15/25=0,6 %. Полагая распределение отклонений питающего напряжения тре-
угольным, вычисляем среднее квадратическое отклонение этой погрешности
аУд = 0,б/|Лб =0,245 ’/».
Погрешность коэффициента усиления распределена по треугольному закону
и вызывается нестабильностью напряжения питания, поэтому предел этой по-
грешности умиу = 0,03 % • 15 = 0,45 %, а среднее квадратическое отклонение Ои? =
=0,45/У6 = 0,184 %.
Погрешность смещения нуля усилителя при колебаниях температуры будем
считать равномерно распределенной; для нее ум0у = 0,2 %-3/10 = 0,06 %, а сред-
нее квадратическое отклонение а0у = 0,06/УЗ=0,034 %.
Основная погрешность регистратора определяется его классом, однако толь-
ко что выпущенный с завода регистратор имеет запас по точности 0,8, поэтому
максимальная погрешность ум per = 0,8-0,5=0,4 %. Считая закон распределения
основной погрешности равномерным, определяем ее среднее квадратическое откло-
нение а0рег=О,4/уз = О,23 %.
Температурная погрешность регистратора проявляется в виде смещения нуля
на ?ерег=“"0,1 %/10 °C, имеет равномерное распределение и среднее квадра-
тичное отклонение о0рег=О,ОЗ/УЗ=О,О17 %.
При суммировании погрешностей следует учитывать их коррелированность.
Для алгебраического суммирования коррелированных погрешностей необходимо
установить их знаки. Так, коэффициент влияния нестабильности напряжения пи-
тания на коэффициент усиления усилителя и на погрешность ПИП является
положительным, поэтому результирующее значение этих погрешностей равно их
сумме:
а17(Д+у)= |(5ud~|~ai7y| =0,245—0,184 = 0,43 %,
а закон распределения этой суммы остается треугольным.
Температурная погрешность коэффициента усиления усилителя растет с по-
вышением температуры, а у регистратора падает, поэтому
<^0 (у+рег)= |а0у—а0рег| =0,034—0,017=0,017 %.
187
Таким образом, при нулевом входном сигнале составляющие погрешности
измерительного канала аРег=0,23%; од = 0,087%; аед=0,026 % и O0(y_L_per) =
= 0,017 %. Среднее квадратическое отклонение погрешности нуля измерительного
канала
ак = /о,23*+ 0,087*+0,025*+ 0,017* = 0,25 »/о.
Для расчета погрешности канала в конце диапазона измерений к получен-
ному значению нужно добавить составляющую а(/(Д+У) = 0,43 %:
®K+t/ = |/0,252 + 0,432 = 0,5 %.
Экспериментальные методы определения метрологических ха-
рактеристик измерительных каналов применяют для АИС, в кото-
рых влияние взаимодействия компонентов на метрологические
характеристики трудно оценить заранее. При этом определяют сле-
дующие индивидуальные динимические характеристики измери-
тельного канала: передаточную функцию, переходную характери-
стику, время реакции измерительного канала, чувствительность к
влияющим воздействиям, взаимодействие между объектом изме-
рений и измерительным каналом, а также между измерительными
каналами.
В технической документации на АИС указывают условия кон-
троля метрологических характеристик: объем выборки, допусти-
мую погрешность измерений, минимально допустимое число точек
и их расположение в диапазоне измерения, условия проведения
эксперимента. Конкретный состав метрологических характеристик
уточняют для каждой АИС на основе ГОСТ 8.009—72. К норми-
руемым метрологическим характеристикам АИС относятся:
моменты систематической составляющей М. [Дс], D [Дс] или
а [Ас], отражающие свойства всей совокупности систем данного
типа, и предельное значение этой погрешности Дс.п;
дисперсия случайной погрешности D [ДСл];
предельное значение случайной погрешности от трения и ги-
стерезиса Дсл.п*,
функция влияния ф(£) как зависимость нормируемой метроло-
гической характеристики от изменения влияющих величин в пре-
делах условий применения системы;
передаточная функция, переходная, импульсная, амплитудно-
фазовая и другие характеристики для оценки динамических
свойств АИС, продолжительность переходных процессов в ней, а
также суммарное время выполнения измерительных, вычислитель-
ных и логических процедур.
Метрологические характеристики измерительных каналов, оп-
ределяемые экспериментально для каждой АИС, включают в
себя:
индивидуальные функции преобразования, поправки к показы-
вающим и регистрирующим устройствам измерительного канала;
границы интервала неисключенной систематической погрешно-
188
сти Дс.н, Дев и вероятность РДс или нижняя граница Рдс,н ее до-
пустимых значений;
среднее квадратическое отклонение о [Дел], нормированная кор-
реляционная функция /?дс.л(т) или спектральная плотность мощ-
ности 5дс.л (со) случайной составляющей погрешности;
вариация гистерезиса.
Состояние метрологического обеспечения АИС анализируют
для установления соответствия разрабатываемых, изготавливае-
мых и находящихся в эксплуатации систем требованиям НТД. На
этой основе разрабатывают мероприятия по совершенствованию
метрологического обеспечения АИС. В процессе анализа выявля-
ют правильность нормирования метрологических характеристик
систем, методов и средств их контроля в условиях производства и
эксплуатации; наличие НТД, регламентирующих требования к
средствам и методам испытаний и поверки систем, наличие техни-
ческих средств и подготовленного персонала, а также условий для
поверки и ремонта АИС. По результатам анализа разрабатывают
планы организационно-технических мероприятий по улучшению
метрологического обеспечения этих систем.
Государственный метрологический надзор и ведомственный
метрологический контроль за метрологическим обеспечением пред-
назначены для определения наличия необходимой НТД, регламен-
тирующей требования к организации и порядку проведения раз-
работки, производства и эксплуатации систем, к точности выпол-
няемых измерений, порядку и правилам проверки соответствия
систем этим требованиям. Проверяется также эффективность мет-
рологической экспертизы конструкторской документации на раз-
рабатываемые системы, правильность эксплуатации систем и ор-
ганизация контроля за их состоянием, наличие необходимых об-
разцовых мер для поверки, проведение поверки систем в процессе
эксплуатации и соблюдение межповерочных интервалов.
8.3. Способы поверки автоматизированных
измерительных систем
Требуемая точность измерений с помощью АИС в эксплуата-
ции обеспечивается правильной методикой их применения и свое-
временным проведением поверки.
Поверка АИС может быть первичной, периодической, внеочередной и инспек-
ционной; иначе говоря, на эти системы распространяются все виды поверок, пре-
дусмотренных ГОСТ 8.513—84 для средств измерений. Первичная поверка АИС
проводится при выпуске АИС из производства и после ремонта. Периодическая
поверка осуществляется через определенные межповерочные интервалы, установ-
ленные в нормативно-технической или эксплуатационной документации. Внеоче-
редная поверка выполняется в процессе эксплуатации независимо от сроков пе-
риодической поверки в следующих случаях:
189
при сомнениях в работоспособности АИС и в правильности ее работы;
при замене одного или нескольких функциональных узлов или средств изме-
рений, входящих в АИС;
при отсутствии документов, удостоверяющих факт поверки системы.
Инспекционная поверка проводится, как правило, в процессе государствен-
ного надзора или ведомственного метрологического контроля за применением
АИС.
При определении объема поверяемых метрологических харак-
теристик АИС руководствуются обычно важностью измерительной
информации и ее точностью. В соответствии с этим измерительные
каналы, определяющие важнейшие технические и технико-эконо-
мические показатели объектов измерений, регулирующие или оп-
ределяющие оптимальные режимы работы этих объектов, подвер-
гают поверке. Измерительные сигналы, устанавливающие только
факт изменения физических величин без качественной оценки это-
го изменения, относят к индикаторным. Такие измерительные ка-
налы не поверяют, а их работоспособность контролируют опера-
торы, эксплуатирующие эти АИС. Отнесение измерительных ка-
налов к поверяемььм и неповеряемым проводится по результатам
их испытаний или метрологической аттестации и отражается в экс-
плуатационной документации на конкретные системы.
Государственная или ведомственная поверка АИС в соответ-
ствии с ГОСТ 8.438—81 включает в себя следующие основные
операции: проверку состояния и комплектности технической доку-
ментации; внешний осмотр; опробование; контроль (определение)
•метрологических характеристик; анализ результатов поверки и
принятие решения о годности (негодности) АИС для дальнейшего
применения.
В зависимости от особенностей конструкции, технических возможностей и
экономической целесообразности АИС можно поверять комплектно (комплектная
поверка) или поэлементно (поэлементная поверка). При любой поверке допус-
кается использовать встроенные образцовые средства и образцовые источники
сигналов, входящих в состав АИС. Если методы и средства поверки системы не
регламентированы отдельными НТД, то в эксплуатационно-технической докумен-
тации на систему излагается методика поверки встроенных образцовых средств
измерений и образцовых источников сигналов.
При комплектной поверке АИС контролируют метрологические характери-
стики каждого измерительного канала как единого целого. Сущность такой по-
верки заключается в том, что на входы системы подают образцовые значения
измеряемых величин и по реакции системы определяют выходные значения с по-
следующей обработкой результатов измерений и оценкой метрологических ха-
рактеристик (рис. 8.2). Для этого сравнивают результаты измерений на выходе
системы с поданными на вход значениями образцовых сигналов или показаниями
образцового прибора и таким образом определяют значения погрешности изме-
рительных каналов системы. На практике используют два метода комплектной
поверки АИС:
190
Рис. 8.2. Структурные схемы оборудования для поверки автоматизированной
измерительной системы методом образцовых сигналов (а) и методом образцово-
го прибора (б)
с помощью калибраторов, формирующих образцовые сигналы, которые за-
тем подаются на вход АИС;
с помощью образцовых приборов или преобразователей для измерения сиг-
налов, подаваемых на вход поверяемой АИС и последующего сравнения резуль-
татов измерения, полученных образцовыми средствами измерений и системой.
Первый из методов реализуется, например в системе К-732, предназначен-
ной для измерения с помощью тензорезисторов местных деформаций, возникаю-
щих в исследуемой конструкции при приложении внешних нагрузок [60]. Для
поверки этой АИС используется образцовый магазин сопротивлений. Результаты
измерений обрабатывает внешняя ЭВМ (рис. 8.3). Погрешность системы К-732
оценивается в 25 точках, равномерно распределенных по шкале аналого-цифрово-
го преобразователя, а число циклов измерения в каждом измерительном канале
равно 30, следовательно, при 127 каналах этой АИС при поверке надо осуществ-
лять 9,5-104 измерений. Для оценок систематических погрешностей, средних
квадратических отклонений в каждой точке шкалы и каждого канала необходи-
мо выполнить более 3-105 вычислительных процедур, что практически невоз-
можно сделать без ЭВМ.
Поверочные установки обычно стационарны и их сложно пере-
мещать к месту эксплуатации АИС. В большинстве практических
случаев и сами системы невозможно транспортировать в повероч-
ные органы, в которых расположены соответствующие поверочные
установки. Поэтому часто в состав систем включают образцовые
измерительные приборы и образцовые генераторы измерительных
сигналов. Так, в выпускаемых промышленностью измерительно-
вычислительных комплексах ИВК-8 для определения метрологи-
ческих характеристик измерительных каналов используют про-
граммно-управляемый источник калиброванных напряжений Ф7046,.
191
ЭВМ
Рис. 8.3. Схема поверки измерительной системы К-732 методом образцового
сигнала
а метрологические характеристики канала вывода напряжений
определяют цифровыми вольтметрами ФЗО, Щ1516 или Щ31 (рис.
8.4). Такая организация контроля метрологических характеристик
АИС с помощью встроенных в них мер (калибраторов) называет-
ся самоповеркой.
Другим примером использования самоповерки является изме-
рительная система для определения давления с помощью тензо-
метрических преобразователей (рис. 8.5). В этой системе аналого-
цифровые и цифро-аналоговые преобразователи периодически кон-
тролирует автоматический калибратор электрического напряже-
ния, генерирующий сигналы, соответствующие сигналам от тензо-
Рис. 8.4. Структурная
схема ИВК-8 с образцо-
вым генератором калиб-
рованных напряжений и
цифровыми вольтметра-
ми
192
Рис. 8.5. Схема системы для измерения давления с самоповеркой
метрических мостов. Кроме того, на вход коммутатора вводятся по-
стоянные контрольные сигналы UKii UK2, UK3i соответствующие
различным точкам шкалы аналого-цифрового преобразователя.
Метрологическую аттестацию и периодическую поверку датчиков
давления выполняет образцовый автоматический задатчик давле-
ния, который с помощью пневмокоммутатора подает на датчики
сигналы определенного давления.
Поэлементная поверка АИС заключается в контроле метроло-
гических характеристик ее элементов, производимом в соответст-
вии с НТД на методы и средства поверки этих элементов. Она
предполагает определение метрологических характеристик АИС
расчетным путем по полученным в результате поверки метрологи-
ческим характеристикам отдельных блоков, входящих в их состав.
К поэлементной можно отнести и так называемую поверку АИС по
частям, когда метрологические характеристики систем рассчитыва-
ют по метрологическим характеристикам агрегатных средств из-
мерений или даже совокупности таких средств, составляющих из-
мерительную систему. Результаты поэлементной поверки системы
считают положительными, если все ее элементы по результатам
поверки признаны годными к дальнейшему применению. Элемен-
ты, признанные негодными, подлежат замене. Условия контроля
(определения) метрологических характеристик измерительных ка-
налов сосредоточенных и пространственно распределенных АИС,
отдельные элементы которых находятся в различных рабочих усло-
193
внях с различными внешними влияюшими факторами, излагаются
в НТД на методы и средства поверки конкретных систем.
Не всегда можно реализовать комплектную поверку измери-
тельной системы: например, условия эксплуатации не позволяют
подать на вход образцовый сигнал неэлектрической величины, нет
доступа к ПИП и т. п. Иногда нежелательно отключать АИС от
объекта для проведения периодических поверок. В этом случае си-
стемы, построенные по агрегатному или модульному принципу,
можно поверять поблочно, по определенному технологическому
графику, не отключая систему от объекта. Вместо взятого на по-
верку блока можно поставить в систему аналогичный, заранее по-
веренный [62].
На практике чаще всего выполняется поверка по частям, осо-
бенно в АИС, построенных на основе приборно-модульного прин-
ципа. При этом отдельно поверяются ИВК, являющиеся ядром та-
ких систем, и ПИП, расположенные вблизи объектов контроля или
встроенные в него. Поэтому целесообразно рассмотреть особенно-
сти такой поверки.
При построении схем поверки ИВК необходимо принимать во
внимание следующие характерные свойства этих комплексов.
В составе ИВК всегда имеется свободно программируемое
средство вычислений, которое можно использовать для обработки
результатов поверки и генерирования тестовых цифровых сиг-
налов.
Поскольку ИВК представляют собой системы с гибкой, пере-
страиваемой от одной измерительной задачи к другой структурой,
их необходимо поверять не в одной конфигурации, а в различных.
В ИВК имеется не только канал (или каналы) ввода инфор-
мации в ЭВМ, но и канал вывода сигналов из ЭВМ в аналоговой
(дискретной) форме. Последние обладают сравнительно высокой
точностью и могут быть использованы для поверки.
Гибкость структуры ИВК позволяет при поверке включать как
органическую часть системы высокоточные блоки, которые не вхо-
дят постоянно в состав комплекса, но с помощью сравнительно
несложных интерфейсных устройств сопрягаются с основным обо-
рудованием комплекса.
Поэтому в ИВК процедуру поверки можно организовать сле-
дующим образом. Пусть в состав комплекса входят коммутатор
аналоговых сигналов, усилитель, аналого-цифровой преобразова-
тель, ЭВМ, цифроаналоговый преобразователь и пульт управле-
ния. Поверка осуществляется методом расширяющегося ядра или
по кольцевой схеме. Вначале поверяют внутреннюю часть ком-
плекса, состоящую из ЭВМ, пульта управления и аналого-цифро-
вого преобразователя. Затем к поверяемым блокам последова-
тельно подсоединяют усилитель, коммутатор аналоговых сигналов.
В конце поверки контролируют характеристики выходной части
комплекса, состоящей из ЭВМ, пульта управления и ЦАП (рис.
194
Рис. 8.6. Схема поверки измерительного вычислительного комплекса методом рас-
ширяющегося ядра (последовательность поверок: 1, 2, 3, 4)
8.6). Для поверки используют калибратор с программным управ-
лением и цифровой вольтметр, точности которых заведомо выше
точности входящих в комплекс преобразователей. Получив сигнал
из «кольца», ЭВМ вычитает его из образцового сигнала и тем са-
мым определяет текущее значение погрешности измерений. Даль-
нейшую обработку полученных результатов измерений выполняет
эта же ЭВМ [63]. Для такой поверки в составе программного
обеспечения ИВК необходим специальный програмный блок по-
верки.
8.4. Особенности поверки первичных измерительных
преобразователей
Первичные измерительные преобразователи относятся к сред-
ствам измерений и являются первичным звеном АИС. Они играют
роль связующего звена между объектом измерений и измеритель-
ной системой и по своему функциональному назначению являют-
ся частью измерительных систем, а конструктивно зачастую вхо-
дят в состав объекта измерений. Такая двойная принадлежность
первичных измерительных преобразователей является причиной
трудностей в организации и проведении их поверки. Как правило,
они вызваны сложностью либо просто невозможностью демонтажа
ПИП из объекта измерений. В то же время необходимо иметь в
виду, что ПИП в основном определяют точность измерительных
систем, в состав которых они входят. Поэтому вопросам их повер-
195
ки при эксплуатации АИС следует уделять особое внимание. Пре-
образователи желательно поверять в составе измерительных си-
стем, по возможности без демонтажа их с объектов измерений
либо с частичным демонтажом. Как исключение, периодическую
поверку ПИП проводят после демонтажа их из объектов измере-
ний; в этом случае они направляются в поверочные органы, где в
лабораторных условиях определяются их метрологические харак-
теристики.
Большинство ПИП предназначено для измерения в сравни-
тельно узком диапазоне изменений измеряемых параметров, по-
этому на практике их поверку достаточно производить в двух-трех
точках диапазона. Число точек диапазона, в которых следует по-
верять ПИП, устанавливается в документации на методы и сред-
ства их поверки. Если в этих документах число точек поверки не
оговорено, то его можно определить следующим образом:
1. Число точек в диапазоне измерений, в которых ПИП дол-
жен поверяться, ограничено сверху числом /г, которое определя-
ется его точностью
п < 4~-^in 1 1°°. (8.1)
шах
где Атах, Amin — границы диапазона измерений; б — предел допу-
скаемой суммарной относительной погрешности ПИП, %.
2. Числовые значения Ak в поверяемых точках определяются
из условия обеспечения их равномерного распределения по диа-
пазону измерений
где k — порядковый номер точки диапазона измерений, в которой
поверяется ПИП.
Поверка ПИП осуществляется двумя традиционными для всех
средств измерений методами: образцового сигнала и образцового
измерительного прибора. В основе первого лежит использование
устройства, генерирующего образцовый сигнал (рис. 8.7), — меры
или калибратора. Если разность между значением выходного сиг-
нала у, пересчитанным на вход датчика, и значением образцового
сигнала х, поданного на его вход,
Д=1/—X (8.3)
больше предела допускаемой погрешности датчика, то он призна-
ется негодным к дальнейшему использованию, т. е. бракуется при
поверке.
Метод образцового сигнала при поверке ПИП без демонтажа
используют тогда, когда с помощью технологических разъемов,
специальных приспособлений или другим способом можно подать
на его вход этот сигнал. Если ПИП невозможно поверить без де-
196
Рис. 8.7. Схема поверки датчика в поверочном органе
методом образцового сигнала
Рис. 8.8. Схема поверки датчика в поверочном органе методом образцового
прибора
монтажа, его частично отсоединяют от объекта измерений и по-
дают на вход образцовый сигнал (рис. 8.8).
В основе метода образцового прибора лежит сравнение пока-
заний значений сигнала у на выходе ПИП с показаниями у0 об-
разцового прибора, измеряющего одну и ту же величину (рис. 8.9).
Разность показаний определяет погрешность первичного измери-
тельного преобразователя. При поверке ПИП методом образцо-
вого прибора используют рабочий сигнал объекта, в который
встроен ПИП. При этом режим объекта измерений изменяют с
тем, чтобы добиться двух-трех существенно различных значений
рабочего сигнала. Измерения при каждом значении рабочего сиг-
нала проводят после окончания переходных процессов в объекте,
т. е. при работе его в установившемся режиме.
Поверять ПИП следует, как правило, в нормальных условиях,
исключающих возможность появления дополнительных погрешно-
стей измерений. Если нормальные условия обеспечить невозможно
и поверка производится в рабочих условиях, то необходимо учиты-
вать дополнительные погрешности поверяемого ПИП и образцо-
вого средства измерений. Так, практика поверки ПИП свидетельст-
вует, что при температуре окружающей среды в пределах -{-10 ...
... +30°C соотношение пределов допускаемой основной абсолют-
ной погрешности образцового прибора и ПИП должно быть не
менее 1 :5 (а при поверке в нормальных условиях это соотноше-
ние равно 1:3). Увеличение соотношения между погрешностями
рабочего и образцового средств измерений при переходе от повер-
197
Рис. 8.9. Схемы поверки датчика без демонтажа (с частичным демонтажом) мето-
дом образцового сигнала (а) и методом образцового прибора (б)
ки в нормальных условиях к поверке в рабочих условиях объяс-
няется стремлением не допустить ухудшения достоверности повер-
ки. Дело в том, что при этом увеличивается суммарная погреш-
ность образцовых средств измерений (из-за возрастания дополни-
тельных, в частности температурных, составляющих). Чтобы ре-
альное соотношение погрешностей не стало ниже 1 :3, выбирают
более точное образцовое средство измерений с меньшей относи-
тельно поверяемого прибора основной погрешностью. Если же
температура окружающей среды находится в пределах 4"5 ...
... 4-35°C, то необходимо первоначально удостовериться, что этот
диапазон температур является рабочим для образцового измери-
тельного прибора. Затем следует либо определить точность образ-
цового прибора в этом диапазоне температур путем учета допол-
нительной (температурной) погрешности, либо ужесточить прави-
ла признания ПИП годными. Для этого за предел допускаемой
основной погрешности ПИП принимают значение
Az=±0,01 (Kn*/Vn—KoxNo), (8.4)
где /Сп, Ко — классы точности ПИП и образцового измерительного
прибора соответственно; xNn, xNo — нормирующие значения ПИП
и образцового измерительного прибора соответственно.
198
Рис. 8.10. Схема включения (а) и статические характеристики (б) датчиков
при их поверке методом трех приборов
Например, если датчик напряжения, имеющий класс точности 2,5 и диапазон
измерения 0 ... 30 В, поверяется образцовым измерительным прибором Э515
класса точности 0,5, то
Д'= ±0,01 (2,5-30—0,5-30) =±0,6 В.
В то же время при поверке ПИП в нормальных условиях предел допускаемой
абсолютной погрешности этого же ПИП составляет Л = ±0,75 В.
Ранее указывалось, что эксплуатация АИС без периодической
поверки ПИП невозможна, поскольку при этом отсутствует гаран-
тия правильности измерения зачастую весьма ответственных пара-
метров объектов. В то же время размещение ПИП в объекте в
ряде случаев исключает возможность подачи на их вход образцо-
вых измерительных сигналов, а формирование изменяющихся в
диапазоне измерений рабочих сигналов возможно только в процес-
се функционирования системы, когда о поверке не приходится и
говорить, поскольку последняя связана с перерывами в функцио-
нировании системы. Поэтому в АИС, предназначенных для обес-
печения управления, регулирования и контроля ответственных
объектов (атомных энергетических установок, систем предупреж-
199
дения пожаров и др.), предусматривается избыточное число ПИП
для измерения одной и той же физической величины. В таких слу-
чаях возможны специфические методы проверки годности ПИП
для дальнейшей эксплуатации: метод трех приборов, метод Валь-
да и метод групповой оценки.
Метод трех приборов заключается в определении погрешностей
приборов, одновременно измеряющих одну и ту же величину (рис.
8.10). Предполагается, что приборы обладают линейной градуиро-
вочной зависимостью, систематические погрешности датчиков от-
сутствуют или полностью исключены, а получаемые при измере-
ниях значения случайны [64]. Для конкретного £-го цикла изме-
рений уравнения, связывающие между собой показания трех ПИП,
записывают следующим образом:
f/2i—>412«/1г+В12-|-Д21г,
(8.5)
УЗ {= А1 зУ 1 i+В13+Лз 1 г,
где Аги*, Дзн — соответственно разница между показаниями ПИП;
Д12, Л 1з, В12, В1з — коэффициенты уравнения регрессии, определя-
емые методом наименьших квадратов; уц, Ум, Ум — показания
первого, второго и третьего ПИП соответственно.
Дисперсии результатов измерений и, следовательно, точность
ПИП
п
^12^13П А»
S2(s2) = ( 2A?J In-X2S‘(81); (8.6)
\/=l JI
S2 (e3) = ( S Аз2! / j I n - 4?3S2 (Bi),
где n — число измерений; ei, 62, 83— погрешности ПИП.
Таким образом, при поверке ПИП методом трех приборов от-
падает необходимость в образцовых средствах измерений, не тре-
буется точной настройки объекта измерений на какое-либо опре-
деленное значение входной величины х. Исследования показывают,
что этот метод дает хорошие результаты при относительно неболь-
шом объеме измерений (тг=20 ... 50). Однако перед применением
его следует убедиться в том, что сформулированные допущения
удовлетворяются на практике. В частности, важно, чтобы стати-
ческие характеристики ПИП
yn=CiXi-[-di; y2i=C2Xi+d2; y3t=c3Xi+d3 (8.7)
200
действительно были линейными. Заметим, что между коэффициен-
тами градуировочных характеристик ПИП и коэффициентами
уравнений (8.7) существует очевидная связь:
Я12=С2/С1; ^13=сз/^Г,
В12=(с2^1+с1б/2)/С1; В1з=(М1+Мз)/сь (8.8)
Метод Вальда разработан для раздельного вычисления оценок
дисперсий двух случайных величин уи, y2i, математические ожи-
дания которых связаны линейной зависимостью
У\г=а\2У2\-}~Ь\2. (8.9)
Кроме того, предполагается, что выполняются допущения, указан-
ные при описании метода трех приборов. По методу Вальда раз-
деляются дисперсии выходных сигналов двух ПИП, одновременно
измеряющих одну и ту же физическую величину х. В этом случае
оценки дисперсий
S1 (^iz) = av£yiyi)'
". е х (8.10)
= (sb-
П — 1 \ ^21 /
причем статистики S^i, S^2, Sy,y2 вычисляют с помощью
выражений:
п п
Sb -~У^ sb = 1/Л S (ytl - угГ,
1=1 Г=1
п
SMt = l/n S (Уи — У1) (Ун — У2><
i=i
где iji, у2 — средние значения экспериментально определенных ве-
личин Уи И У2г.
Групповой метод поверки ПИП применим тогда, когда на ос-
нове специальной обработки результатов измерений одной и той
же величины несколькими ПИП можно сформировать так назы-
ваемое групповое средство измерений, которое в последующем
используется для поверки каждого из входящих в данную группу
ПИП. Автономность поверки при этом обеспечивает возможность
самоповерки, заключающейся в оценке погрешности ПИП путем
сравнения его показаний с групповой (средней) оценкой значения
измеряемой величины. За математическую модель групповой оцен-
ки измеряемой физической величины можно принять среднее
арифметическое значение, которое является наиболее вероятным
истинным значением измеряемой величины:
п
y=l/n^yh (8.12)
/=1
(8.И)
201
где у<— результат измерения величины f-м ПИП; п — общее чис-
ло ПИП в группе.
Если существуют систематические погрешности ПИП, то
п
У=\!п S^-ДД (8.13)
Z=1
где Дг — поправка к выходным значениям ьго ПИП на значение
его систематической погрешности.
Для неравноточных ПИП, из которых образуется групповое
образцовое средство измерений, вводятся весовые поправки
= 3SA (8.14)
где S? — оценка дисперсии погрешности Лго ПИП датчика. При
этом средневзвешенная оценка истинного значения входной вели-
чины, измеряемая групповым средством,
п ✓ / п \
У= S «г / SSi’ U- (8.15)
Z=1 \ / Z=1 J
Выбор образцового прибора в группе осуществляется из усло-
вия
I У — У( I — -* min — уобр. (8.16)
Решение о годности поверяемого средства измерений или ПИП
принимается по критерию
| f/обр Ui | | Лдоп | • (8-17)
Тем не менее задача поверки ПИП в эксплуатации остается до
настоящего времени полностью не решенной. Исследования, кото-
рые проводятся в этом направлении, нацелены на создание ПИП,
не нуждающихся в периодической поверке в течение всего срока
службы, на разработку встраиваемых в ПИП мер, по которым
можно их периодически поверять.
8.5. Определение межповерочных интервалов
для автоматизированных измерительных систем
Межповерочные интервалы АИС следует выбирать с учетом их
метрологической надежности и допустимой вероятности возникно-
вения метрологических отказов за этот период. Как указывалось,
АИС часто создают агрегатированием средств измерений и вы-
числительной техники. Межповерочные интервалы входящих в си-
стему средств измерений обычно существенно различны, посколь-
ку различна и их метрологическая надежность. Такими же раз-
202
личными являются и интервалы между эксплуатационными про-
верками вспомогательных устройств, входящих в измерительную
систему (блоков питания, устройств передачи информации, ЭВМ
и т. п.). Поверка средств измерений через установленные для каж-
дого из них межповерочные интервалы, контроль вспомогательных
устройств через назначенные для каждого из них периоды может
привести к очень низкому коэффициенту готовности системы в це-
лом, поскольку она будет неготова к применению либо по причи-
не поверки какого-либо средства измерений, либо вследствие кон-
троля вспомогательного устройства. Поэтому естественной являет-
ся задача определения оптимальных межповерочных интервалов
для всей системы в целом. Речь идет об отыскании такого значе-
ния межповерочного интервала при поэлементной поверке систе-
мы, при котором обеспечивается максимальный коэффициент ее
готовности. Предполагается, что при поверке системы поверяются
все входящие в нее средства измерений и контролируются все
вспомогательные устройства.
Задача отыскания оптимального межповерочного интервала формулируется
как задача оптимизации группового обслуживания [65], в которой за целевую
функцию принимается коэффициент готовности АИС, а за варьируемую величи-
ну — межповерочный интервал. Рассматривается ситуация, когда в системе отсут-
ствуют резервные блоки, следовательно, с точки зрения надежности систему мож-
но заменить цепью последовательно соединенных блоков. Поэтому коэффициент
готовности системы можно представить в виде произведения коэффициентов го-
товности отдельных блоков, составляющих систему. Поскольку предполагается
групповое обслуживание, т. е. одновременная поверка средств измерений, то при
вычислении коэффициентов готовности системы следует учитывать простои на
поверку лишь один раз. По этой причине в выражении для коэффициента готов-
ности системы перемножаются коэффициенты готовности средства измерений
с наибольшей продолжительностью поверки на коэффициенты готовности средств,
у которых это время меньше, при этом учитываются простои не из-за поверки,
а только из-за ремонта:
Кт(Тк) = (Krf (Гк) П Гк). (8-18)
Л=1
i^l
где Кг/(Гк) — коэффициент готовности средства измерений (вспомогательного
устройства), имеющего (относительно других, входящих в систему средств) ма-
ксимальную продолжительность поверки (или контроля): fK/=max {/К1};
Кг/ — коэффициент готовности средств измерений, продолжительность по-
верки которых меньше максимальной.
В соответствии с [14] коэффициент готовности
1 /( 7*к
Т\ [1 - F/(Tk)J J / [1 - Fl (Fk)1 [ +
J/ I 6
203
+ Тк {l -F/(TK) + lFz(rK)]3 + +
L ₽ /Т , /F/TX-L r. F/rml /Я ,<П
+ ^к/ 1 — F, (Гк) + _q- + I {F/(Лс) + а/ [1 — Fj(TK)]}>, (8.19)
L * Р/ I /
где Fj(TK)—вероятность отказа /-го средства измерений (вспомогательного
устройства) за время между поверками; а/, 0/— условные вероятности соответ-
ственно ложного и необнаруженного отказов при поверке /-го блока системы;
/к/, /в/ — продолжительности соответственно поверки и восстановления /-го блока
системы.
Коэффициент готовности i-ro средства измерений (вспомогательного устрой-
ства), для которого /к/<тах {iKJ, определяется по приведенной формуле, в ко-
торую вместо /к/ подставляется ноль.
Процесс изменения во времени основной погрешности средств измерений
(или определяющего параметра вспомогательного устройства) можно описать
линейной веерной случайной функцией. Это описание обладает достаточной про-
стотой, хорошо аппроксимирует реальные процессы изменения метрологических
характеристик во времени и не требует большого объема экспериментальных
данных для вычисления характеристик этих процессов. Такая модель изменения
метрологических характеристик (определяющих параметров) приводит к альфа-
распределению времени безотказной работы, плотность которого имеет следую-
щий вид:
у Г 1 / V \а]
т-й,,рН(| "И <8-м)
где у=|Дд—тш|/б7— относительный запас долговечности; со==|/пт|/6т — относи-
тельная средняя скорость изменения во времени метрологической характеристи-
ки (определяющего параметра); тч — математические ожидания начального
значения и скорости изменения основной погрешности средства измерений (опре-
деляющего параметра вспомогательного устройства) соответственно; Дд— предел
допускаемой основной погрешности средства измерений (предельно допускаемое
значение определяющего параметра вспомогательного устройства).
Параметры альфа-распределения характеризуют процесс приближения сред-
ства измерений (вспомогательного устройства) к предельному состоянию: метро-
логическому (или параметрическому) отказу. Для этого распределения времени
безотказной работы коэффициент готовности АИС можно записать в следующем
виде [7]:
Кг(Тк) =_____________________ф/ (Гк) +________________________„
[1 - ^(Гк)1 Ф/(Тк) + Гк р - F,(TK) + Г/(ГК) + +
__________________+7’k[1-F/(7’k))__________________
+ <к/ [ 1 - F/ (Тк) + I + tBl {Fi(TK) + a, [ 1 - Fy(TK)]}
L * Р/ J
204
уТТ____________________фг(гк)+_________________
Х J-Х I 0zFz(7'K)l
f=l [1 - Fi(TM(TK) + Гк 1 - Л-(ГК) + WK) + 7^// +
/=1 L 1 —Рг]
+ Гк И — Г/(ГК)]
+ Ibi{F.(^к) + ai [1 — ГК)В
т
1 Г ? 1 f V \21
где Ф:и"7й Т“тт(7"‘Л*
При выводе этой формулы предполагалось, что при поверке полностью вос-
станавливаются те средства измерений и вспомогательные устройства, характе-
ристики которых определяются.
Оптимальный период поверки АИС определяется в результате решения урав-
нения
^г(Гк)/атк=о.
В явном виде решить это уравнение трудно, поэтому оптимальное значение
Тк определяют методами численного дифференцирования с использованием
интерполяционной формулы Лагранжа.
Анализ зависимостей на рис. 8.11 показывает, что эффектив-
ность группового обслуживания, оцениваемая приращением коэф-
фициента готовности АИС, остается высокой в широком диапазо-
не значений продолжительности поверки и восстановления вхо-
дящих в систему средств измерений и вспомогательных устройств,
а также в широком диапазоне значений достоверности поверки
(контроля) составных частей. Из этого следует, что групповое об-
служивание целесообразно практически для всех приборно-мо-
дульных АИС. Выигрыш в готовности сильно возрастает с увели-
чением сложности систем, т. е. с ростом числа входящих в систему
модулей (средств измерений и вспомогательных устройств). В ка-
честве примера рассмотрим АИС из пяти модулей, значения ха-
рактеристик которых приведены в табл. 8.1.
Таблица 8.1
Номер модуля Значения параметров
Ь ч 3 1 'к- 4 'в' 4
1 5000 8,0 0,05 0,02 20 40
2 1000 0,5 0,02 0,01 10 20
3 3000 2,0 0,01 0,03 15 30
4 2000 3,0 0,03 0,04 10 20
5 1000 1,0 0,03 0,05 10 20
205
Рис. 8.11. Зависимость приращения
коэффициента готовности автомати-
зированных измерительных систем с
оптимальной периодичностью поверки
от продолжительности и достоверно-
сти поверки, длительности восстанов-
ления и числа входящих в систему
блоков
Для нее выигрыш в коэф-
фициенте готовности при пере-
ходе от традиционного спосо-
ба организации поверки через
индивидуальные межповероч-
ные интервалы входящих в си-
стему средств измерений к
групповой поверке через опти-
мальный для всей системы
межповерочный интервал составляет 0,3.
При обнаружении явного или метрологического отказа АИС
восстанавливают, как правило, заменой отказавшей составной ча-
сти, т. е. современным агрегатным способом. ЭВМ, входящие в
АИС, позволяют организовать самодиагностику с точностью, по
крайней мере, до сменного блока. Отыскание неисправного эле-
мента и восстановление отказавшего блока выполняют с помощью
внешних средств измерений и контроля обычными методами, опи-
санными ранее. Иначе говоря, АИС восстанавливают в два этапа:
обнаружение и замена отказавшего блока, а затем восстановление
этого блока путем локализации отказавшего элемента, его замены
или ремонта.
Часто замена входящего в систему средства измерений или
вспомогательного устройства не изменяет метрологических харак-
теристик системы в целом. В этом случае послеремонтная аттес-
тация или поверка приборно-модульной системы может оказаться
излишней и достаточно ограничиться либо самоконтролем, либо
самопроверкой на основе встроенных мер. Обычно такие возмож-
ности послеремонтной проверки работоспособности отражаются в
эксплуатационно-технической или ремонтной документации на
АИС конкретного типа.
Ясно, что при ремонте измерительного канала, выполненного
как единое целое, подобный подход к организации послеремонт-
ной метрологической аттестации и поверки неприменим и требу-
ется убедиться в качестве ремонта путем определения или контро-
ля метрологических характеристик отремонтированного измери-
тельного канала.
ПРИЛОЖЕНИЕ 1.
Методика выбора средств измерений
Выбор средств измерений складывается из следующих этапов: сбор исход-
ных данных; определение первоначальной совокупности средств измерений; рас-
чет требуемой точности измерений; выбор конкретного средства измерений из
первоначальной совокупности.
Сбор исходных данных необходим для четкой постановки измерительной
задачи, т. е. для выявления состава характеристик и условий проведения изме-
рений. Исходные данные включают:
состав измеряемых и контролируемых параметров, диапазоны изменения их
значений и частот;
значения допусков на отклонения контролируемых параметров и допусти-
мые значения суммарной погрешности измерений параметров (бн, Дтр);
допустимые значения условных вероятностей ложного и необнаруженного
отказов ctoi и poi для каждого контролируемого параметра и значения довери-
тельных вероятностей Р3 для измеряемых параметров;
допустимая продолжительность измерения параметров.
Наряду с этим определяются особенности подключения средств измерений
к объекту, допустимая продолжительность измерений, возможные ограничения
массо-габаритных, стоимостных и надежностных характеристик средств измере-
ний. При анализе условий, в которых будут проводиться измерения или изме-
рительный контроль, определяются:
уровни механических нагрузок (вибраций, ударов, линейных ускорений);
климатические условия (температура, влажность, атмосферное давление);
наличие или отсутствие активно разрушающей среды, в которой будут экс-
плуатироваться средства измерений или их элементы (агрессивные газы и жид-
кости, высокая температура, высокое напряжение и т. д.);
наличие электрических и магнитных помех (полей).
Перечисленные исходные данные позволяют выявить совокупность средств
измерений, из которой и будет произведен выбор прибора, необходимого для
измерения или измерительного контроля конкретного параметра. При этом вы-
бранные средства измерений должны удовлетворять следующим требованиям:
обладать требуемым уровнем безотказности, необходимым техническим ре-
сурсом и гарантийным сроком службы;
обеспечивать простоту, удобство и безопасность применения, технического
обслуживания и ремонта;
иметь минимальные габариты, массу и стоимость;
обладать необходимым быстродействием;
устойчивость средств измерений к внешним воздействующим факторам долж-
на быть такой, чтобы обеспечивалась их нормальная работа в условиях измере-
ния (измерительного контроля) параметров.
После выбора первоначальной совокупности средств измерений необходимо
рассчитать требуемые значения точности измерений. Методики расчета для изме-
ряемых и контролируемых параметров различны.
Выбор средств для измерения параметра. Выбор прибора для измерений па-
раметров устройств базируется на следующих исходных данных: состав, диапа-
зоны значений (хн ... хв) и частот измеряемых параметров, допустимые значе-
ния суммарной погрешности измерений (Дтр).
При измерениях параметра требование к точности обычно формулируется
следующим образом: предел суммарной погрешности измерений параметра вы-
бранным средством не должен превышать допустимого значения погрешности
измерений, т. е.
Дф^Дтр, (П1.1)
где Дф — предел суммарной погрешности измерений параметра с помощью вы-
бранного средства измерений; ДТр — допустимое значение погрешности результа-
та измерений параметра.
207
Суммарная погрешность измерений является функцией трех составляющих:
б = /(бм, бл, би), (П1.2)
где бм — методическая погрешность измерений; бл — субъективная погрешность,
обусловленная ограниченными психофизиологическими возможностями операто-
ра; би — погрешность прибора (средства измерений).
Задача выбора средств измерений решается в предположении, что бм+бл^
<Сби-
Методика выбора сводится к следующему:
1. По известному верхнему пределу динамического диапазона измеряемого
параметра хв с учетом допустимого значения суммарной погрешности измерений
Атр определяется конечное значение диапазона измерений
Хк>|хв|+|Атр|. (П1.3)
2. Оценивается ориентировочное значение требуемого класса точности Ка тр:
Кптр<(Атр/хк).100%. (П1.4)
Если вычисленное значение Кп тр не совпадает со значением, указанным
в ГОСТ 8.401—80, его доводят до ближайшего соответствующего значения /СПтр
в сторону более высокого класса точности.
3. По значениям Ка ТР и хк на основании анализа существующих методов
измерения, характера измеряемого параметра, а также условий эксплуатации
средства измерений предварительно выбирается конкретный измерительный
прибор.
4. Для выбранного прибора и соответствующей стандартной или аттестован-
ной методики измерений определяется фактическое значение предела суммарной
погрешности Аф.
В общем случае погрешность средства измерений обусловлена следующими
составными частями: основной погрешностью бо; дополнительной погрешностью
бдоп за счет влияния внешних факторов; динамической погрешностью бди:!; энер-
гетической погрешностью бэн.
В соответствии с ГОСТ 8.009—72 систематическую т(б/) и случайную
о (б/) составляющие погрешностей этих частей оценивают на основании норми-
руемых метрологических характеристик средств измерений следующим образом.
Математическое ожидание систематической составляющей основной погреш-
ности измерений
т(бо)=М[бс]. (П1.5)
Среднее квадратическое отклонение основной погрешности измерений
7(«0) = И ?2(8С) +';»(8СЛ) + V/12, (П1.6)
где бс — систематическая составляющая основной погрешности; бел — случайная
составляющая основной погрешности; Ьо —предел вариации показаний средства
измерений.
Если в технической документации некоторые составляющие погрешности
средства измерений не нормируются, то в последней формуле они полагаются
равными нулю, так как это означает, что для средств измерений данного типа
указанная характеристика несущественна.
Составляющие (систематическая и случайная) дополнительной погрешности
средств измерений вычисляют по следующим формулам:
п
т(^доп) = »(*доп/) > (П1.7)
Z=1
208
°(^доп) --
2 °8(^ДОП1) ,
(П1.8)
где k — число влияющих величин.
Для определения /п(6д0П/) и а(6Доп/) по каждой из влияющих величин
используют функции влияния ф(&), нормируемые для средств измерений соглас-
но ГОСТ 8.009—72. Систематическую т(6дин) и случайную а(бдин) состав-
ляющие динамической погрешности рассчитывают на основании информа-
ции о динамических характеристиках средства измерений и характеристик вход-
ного воздействия. Например, если входное воздействие на средство измерений
представляет стационарный случайный процесс X(t) с математическим ожида-
нием тх и спектральной плотностью мощности Sx(co), а средство измерений ха-
рактеризуется комплексным коэффициентом передачи /C(tco), то
(П.19)
т (^дин) — тх>
I2
1 Sx (со) с/со.
(П1.10)
Оценки характеристик систематической т(6эн) и случайной о(6эн) состав-
ляющих энергетической погрешности рассчитывают на основании информации
о соотношении входных (выходных) и выходных (входных) полных сопротивле-
ний средства измерений и устройства, а также характеристик входного воздей-
ствия на средство измерений. Например, если входное воздействие на средство
измерений представаляет стационарный случайный процесс Х(/) с нулевым ма-
тематическим ожиданием, устройство характеризуется полным выходным сопро-
тивлением /выхО’со), а средство измерений — полным входным сопротивлением
ZBx(jco), то
ZBb,X (j*0)
QO
= f I 7 ч I эд
J I ZBX(j w) + ZB-,:x(j ю) I
—oo
(П1.11)
При косвенных измерениях, когда неизвестное значение параметра у опре-
деляют по результатам измерения других физических величин хь ..., хт, свя-
занных с у известной зависимостью:
W(*b .... хот), (П1.12)
среднее квадратическое значение случайной погрешности определения у вычис-
ляют по формуле
т
/=1 1
( dt \
ГДе —частная производная функции f(xh ..., х,п) по х, в точке, со-
ответствующей средним значениям аргументов; — среднее квадратическое
значение случайной погрешности измерения /-й физической величины.
Если погрешности измерений хь ..., хт обусловлены одной элементарной
систематической погрешностью и, следовательно, равномерно распределены
209
в пределах своих границ 0/, то общую систематическую погрешность косвенных
измерений величины у находят следующим образом:
•-<ы j/s
(П1.14)
Если все составляющие распределены по закону Гаусса (т. е. обусловлены
большим числом равнозначимых источников погрешности) и все границы 0/ вы-
числены для одной и той же доверительной вероятности, то
<Мо
/=i 1
(П1.15)
При т 3 следует оценить алгебраическую сумму
SI df \
\ )
/=1
9 у, и если эта сум-
о
ма окажется меньше 0, вычисленного по одной из предыдущих формул, то за
границы систематической погрешности нужно принять эту алгебраическую сумму.
Оценки границ систематической и случайной суммарной погрешности изме-
рений определяют из соотношений:
9=- (1,1...1,4)
(П1.16)
(П1.17)
Фактическое значение предела суммарной погрешности измерений
ДФ=О,85(0+Ф). (П1.18)
Если же 9
0,5, то границу суммарной погрешности изме-
/ / 4
рений принимают равной границе случайной погрешности; если 9 / 1/ S °2(М^
/ Г z=i
^8, то за границу суммарной погрешности измерений принимают границу
систематической погрешности.
5. Полученное значение Дф сравнивают с допустимым пределом Дтр:
если Дтр^Дф, то прибор выбран правильно;
если Дтр<Дф, то следует взять прибор ближайшего к ранее выбранному
более высокого класса точности и выполнить операции п. 4. Если нет средства
измерений выбранного типа и предела измерений, но более высокой точности,
следует выбрать другой, более точный метод измерения.
Рассмотрим пример выбора средств для измерений силы постоянного тока
электроустановки [19]. Исходными данными для решения этой задачи являются:
номинальное значение тока /н=15 А;
допускаемое отклонение Sft=±l,5 А;
210
условия эксплуатации: температура 10 ... 40°С, влажность 65+15 %, на-
пряженность внешнего магнитного поля менее 80 А/м;
допустимое значение погрешности измерений Дтр=0,45 А.
Для выбора измерительного прибора:
а) определяем нормирующее значение xN=xK. Ближайшим к значению 15 А
для амперметров является верхний предел 20 А, поэтому полагаем Хл/=20 А;
б) вычисляем ориентировочное значение требуемого класса точности по фор-
муле (П1.14):
£П.ТР= (0,45)/20-100=2,25.
Принимаем Кп.тР=1,5;
в) исходя из необходимости измерения постоянного тока и заданных усло-
вий проведения измерений, выбираем амперметр типа М340 класса точности 1,5
с верхним пределом 20 А и группой эксплуатации Б;
г) находим предел суммарной погрешности прибора
Дф = ±|/Д02 + Д1а + Д2а.
где До — предел абсолютной основной погрешности прибора; Д1 — предел абсо-
лютной дополнительной температурной погрешности; Д2 — предел абсолютной до-
полнительной погрешности за счет внешнего магнитного поля.
При определении Д1 примем во внимание, что согласно ГОСТ 1845—59 изме-
нение показателей амперметра М340, вызванное отклонением температуры на
10°С от нормальной (20+5°С), не превышает 1,8 % верхнего предела, поэтому
Д1 = ±1,8-20/100=±0,36 А.
Для приборов типа М340 согласно ГОСТ 1845—59 изменение показаний
из-за влияния внешнего магнитного поля напряженностью 40 А/м не превышает
+2,5 % верхнего предела измерений, поэтому для напряженности 80 А/м
Д2=±2,5-20-80/100-400=±0,1 А.
Таким образом,
ДФ=±Т(20-1,5/100)2+0,362=±0,48 А.
Сравнение значения предела суммарной погрешности прибора (0,48 А) с тре-
буемой (0,45 А) указывает на необходимость перейти к прибору более высокого
класса точности (1,0). Для амперметра этого класса
Дф=+у (20 -1,0/100) 2+0,362-|-0,12=±0,42 А,
т. е. этот прибор является оптимальным с точки зрения точности и стоимости.
Выбор измерительного прибора для допускового контроля параметров.
Исходными данными в этом случае являются:
со став, номинальные значения и диапазоны значений хн, ..хв, а также ча-
стотные диапазоны контролируемых параметров;
допустимые* значения вероятностей ложного и необнаруженного отказов
для каждого контролируемого параметра;
границы поля допуска на значения контролируемых параметров.
При выборе средства измерений для контроля параметра устройства предел
допускаемых погрешностей измерений Дтр определяют, исходя из заданных зна-
чений условных вероятностей ложного и необнаруженного отказов. При гауссов-
ских законах распределения значений контролируемого параметра и погрешности
измерений, равенстве контрольных и технических (отказовых) допусков aoi и
Poi вычисляют следующие отношения:
Г=(5у/(3Х, (П1.19)
^1(2) = 6н1(2)/(Тх, (П1.20)
где вх — среднее квадратическое отклонение контролируемого параметра; оу —
среднее квадратическое отклонение погрешности измерений указанного парамет-
ра; 6н1(2) — половина ширины поля допуска на контролируемый параметр от но-
минального значения параметра до левой (правой) границы поля допуска.
211
П1.1. Значения условных вероятностей ложного
казов для различных г и К при симметричных
параметр
(а) и необнаруженного (б) от-
допусках на контролируемый
Значения aOi и |3ci для разных значений г и k приведены на номограммах
рис. П1.1— П1.2.
Порядок выбора средства измерений заключается в следующем:
1. На основе известных значений 6ш(2) и вх для контролируемого параметра
по формуле (П1.20) вычисляют значения k\ и /е2-
2. При симметричных допусках (^1 = ^2) на рис. П1.1 выбирают номограмму,
соответствующую вычисленному значению &i(2>, и по ней определяют минималь-
ное значение г, при котором
aoi<aoi- (П1.21)
Затем эту же операцию выполняют для неравенства
₽о1<₽51-
(П1.22)
Из полученных двух значений г выбирают наименьшее и используют его для
определения допустимого среднего квадратического значения погрешности
измерений: оИ^с^Днаим. Аналогичным образом поступают при одностороннем
допуске, при этом пользуются номограммами, в которых &2=Н-°О (рис. П1.2).
При несимметричных допусках на контролируемый параметр (k\^=k2) сле-
дует описанную выше процедуру провести несколько раз итерационным методом
(методом последовательных приближений). В этом случае следует:
а) для по*соответствующим номограммам (при #2= + оо) определить зна-
чения г, при которых и 0С1 < Pol ’ выбрать наименьшее значение г за
исходное и обозначить его г' ; определить а,/ = vx/r''
212
П1.2. Значения условных вероятностей ложного (а) и необнаруженного (б)
отказов для различных г и К при одностороннем допуске на контролируемый
параметр
б) вычислить коэффициент асимметрии поля допусков x=6Hi/6H2;
в) с учетом асимметрии определить о'у=ву^
г) по соответствующим номограммам и значениям а,//ах и ов1'<зх определить
°О1 и РоГ а 110 значениям а^'/о* и 5н2/ах— и Pob
д) проверить выполнение условий:
%1 = “о1/2 + “о1 2^“о1,
Ро1= Ро1/2+Ро1''2-Р§1-
Если а01 < и Р01 < pjj, то значение с/ увеличивают. Если а01 > или
(и) РО1>Чà то а у уменьшают.
Операции гид повторяют до тех пор, пока не будут соблюдены условия
(П1.21), (П1.22). Значение о'у, при котором эти условия соблюдаются, и при-
нимают за допустимое (<5y*).
3. Определяют предел допускаемого значения погрешности измерений пара-
метра
ДТР= (2 ... 3)0/,
причем числовой коэффициент принимают равным 2 при доверительной вероятно-
сти р3=0,95 и 3 — при доверительной вероятности р3 = 0,997.
4. Значение Дтр сравнивают с фактическим значением предела погрешности
измерений, достигаемой с помощью первоначально выбранного прибора; при Дтр>
>Дф считают, что прибор выбран правильно;
при Дтр^Дф следует выбрать прибор более высокого класса точности.
213
Для иллюстрации рассмотрим выбор средства измерений для контроля на-
пряжения постоянного тока электроустановки. Известны следующие исходные
данные:
номинальное напряжение [/=12 В;
допускаемое отклонение напряжения от номинального значения 6нц2) =
=±1 В;
закон распределения значений контролируемого параметра гауссовский со
средним квадратическим отклонением сгх=0,7 В;
допускаемые значения условных вероятностей ложного отказа = 0,02 и не-
обнаруженного отказа = 0,01;
измерения следует производить в диапазоне температур —1-10 ... 4-25°С, при
влажности 65+15 % и напряженности внешнего магнитного поля 75 ... 100 А/м.
Средство измерений выбирают следующим образом:
а) по формуле (П1.20) определяют значение
^=—^=±1/0,7=1,4;
б) на номограмме на рис. П1.1,а выбирают минимальное значение г=0,2,
при котором aoi^aoi>
в) на номограмме на рис. П1.1,б выбирают минимальное значение г=0,17,
при котором Pol^CPob
г) наименьшее из полученных значений г=0,17 используют для определения
допустимого среднего квадратического значения погрешности измерений
ОИ = 0,7.0,17=0,12 В;
д) находят предел допускаемого значения погрешности измерений параметра
для доверительной вероятности р3 = 0,997:
Атр=3-0,12=0,36 В;
е) вольтметры имеют ближайший к значению 12 В верхний предел измере-
ния 15 В. Поэтому ориентировочная приведенная погрешность в процентах от
предела измерения
ЯП.ТР= 100-0,36/15=2,4.
Принимают Кп.тр=1,5. Отсюда следует, что наиболее приемлемым является
вольтметр постоянного тока магнитоэлектрической системы типа М4200/1 класса
точности 1,5 с верхним пределом измерения 15 В;
ж) предел допускаемой абсолютной основной погрешности выбранного при-
бора
До=1,5-15/100=0,225 В.
Нормальные температурные условия для этого прибора (20+5)°C, отклоне-
ние рабочей температуры от нормальной (15—10)°С=5°С. В соответствии
с ГОСТ 1845—59 для этого типа прибора дополнительная температурная погреш-
ность не должна превышать 0,8 % на каждые 10°С, поэтому
Д1=0,4-15/100 = 0,06 В;
дополнительная погрешность за счет магнитного поля в соответствии с указан-
ным ГОСТ
Д2= (1 • 15)/(100-4) =0,0375 В;
з) предел фактической суммарной погрешности измерений
Дф = ±|/‘0,225а + 0,062 + 0,03752 = 0,236 В;
и) поскольку Дф<Дтр, то выбранный прибор обеспечивает в заданных усло-
виях требуемую точность измерения напряжения.
214
ПРИЛОЖЕНИЕ 2
Методика расчета обменного фонда средств измерений
Общие положения. Из состава обменного фонда обменять на исправные
можно те средства измерений, которые невозможно восстановить (поверить,
отремонтировать) в сроки, допускающие их изъятие с мест применения.
Число средств измерений обменного фонда рассчитывают для каждого типа
средств измерений, поверяемого (ремонтируемого) в метрологическом (ремонт-
ном) органе.
Используемые при расчетах исходные данные определяют на основе обра-
ботки статистической информации, содержащейся в отчетной документации о ре-
зультатах производственной деятельности метрологических (ремонтных) органов
(«Журнал учета поверочных (ремонтных) работ») и в организационно-распоря-
дительных документах (директивы, указания, руководства, направления, поло-
жения и т. п.). Состав исходных данных, необходимых для расчета обменного
фонда средств измерений, а также пояснения отдельных обозначений и терминов,
используемых в настоящей методике, приведены в табл. П2.1.
Определение числа средств измерений в обменном фонде на основе статисти-
ческих данных. Средняя интенсивность потока средств измерений i-го типа, по-
ступающих на r-е рабочее место для поверки и ремонта соответственно;
= <?/365, ХИ = Л/П/365,
где — число средств измерений 1-го типа, поступающих ежегодно на
участок поверки и ремонта.
Рассчитывают среднее время нахождения средства измерений Z-го типа на
участке поверки r-го вида
"У
~ S п // ^пп //)/^п/\
/=1
где txinij — дата поступления /-го средства измерений /-го типа на поверку; tynij—
дата выдачи /-го средства измерений /-го типа с участка поверки.
Таблица П2.1
№ п.п Обозна- чение Наименование Раз- мер- ность Источники Примечание
1 Г Характеристика рабочего места ла- боратории изме- рительной техники (ЛИТ), определяе- мая номенклату- рой поверяемого (ремонтируемого) на нем потока средств измерений (СИ) в зависимо- сти от вида и зна- чений физических НТД, регламен- тирующие про- изводственную деятельность ЛИТ Выражается целым по- ложительным числом от 1 до /?, где R — общее число видов рабочих мест в ЛИТ. Для радио- измерительных приборов (РИП), например, может быть принята следующая классификация рабочих мест г = 1 — поверка (ре- монт) приборов груп- пы В;
215
Продолжение табл. П2.1
№ п.п Обоз- наче- ние Наименование Раз- мер- ность Источники Примечание
2 ^г) величин Число типов СИ, ШТ. Журнал учета г=2 — приборы групп 42, 43, 44; г=3 — приборы групп С1, Г5, И2, XI и т. д.
3 Л(Г) поверяемых (ре- монтируемых) на рабочем месте г-го вида Число СИ i-ro ти- Шт. поверочных и регулировочных работ ЛИТ Журнал учета Определяется как сред-
4 "Я па, поверяемых ежегодно на рабо- чем месте г-го ви- да, включая по- верку ремонтируе- мых в ЛИТ СИ и повторную повер- ку забракованных СИ Число СИ i-ro ти- шт. поверочных и ремонтных ра- бот Журнал учета нее за 1 предшествую- щих лет по формуле 1 А П(- =2 Nnip'l< /=1 где N$.—число пове- ренных СИ i-ro типа в /-м году Определяется аналогич-
5 па, ремонтируе- мых в ЛИТ еже- годно на рабо- чем месте г-го ви- да, включая ре- монт забракован- ных при поверке СИ и ремонт СИ, направляемых по нарядам в ЛИТ Число рабочих шт. поверочных и ремонтных ра- бот НТД, регламен- но . Если на ЛИТ не возложен ремонт СИ (по нарядам), то можно рассчитать по формуле *<? = 0.<?, где Pi — определяется по п. 6 данной таблицы Сбычно = 1
6 ЧР 01 мест i-ro вида по поверке и ремонту СИ Средняя доля за- тирующие про- изводственную деятельность ЛИТ Определяется В случае отсутствия не-
бракованных при поверке СИ i-ro типа по результатам производствен- ной деятельно- сти ЛИТ как отношение чис- ла забракован- ных СИ к чис- лу поверяемых ежегодно по журналу учета поверочных и регулировоч- ных работ обходимой информации можно принять: 0,25 для РИП; 0,3 для переносных электроизмерительных приборов (ЭИП), 0,15 для СИ дав- ления, разрежения, СИ ионизирующих излуче- ний; 0,07 для щитовых ЭИП; 0,1 для СИ расхо- да жидкости, линейно-
216
Окончание табл. П2.1
№ п. п Обоз- наче- ние Наименование Раз- мер- ность Источники Примечание
7 т(0 доп S Допустимое вре- сут. Определяется угловых величин, скоро- сти и времени Комплект СИ s-ro ви-
8 мя, отводимое на поверку и ремонт комплекта СИ s-ro вида, в состав ко- торого входят СИ i-ro типа Время поверки ч из НТД, регла- ментирующих организацию и порядок прове- дения техни- ческого обслу- живания и ре- монта техники, обслуживаемой комплексом СИ s-ro вида Нормы време- да— совокупность СИ различных видов, групп, подгрупп и типов, ис- пользуемых для обслу- живания (ремонта) об- разцов техники s-ro ви- да
9 Хр1 ТрЧ (ремонта) i-ro ти- па СИ Ежедневный фонд ч/сут. ни на поверку, ремонт (регу- лировку) СИ Руководящие Г(Г) = ф(г)/Г^ где Ф(г) — среднегодовой фонд рабочего времени; TR — число рабочих дней в году
10 ^нвг рабочего времени для рабочего ме- ста г-го вида Среднее количе- шт. документы, ре- гламентирую- щие производ- ственную дея- тельность ЛИТ Отчеты о ре-
И Nevi ство невосстанав- ливаемых ежегод- но в метрологиче- ском органе СИ i- го типа из числа ремонтируемых Среднее число спи- шт. зультатах по- верки (ремон- та) ЛИТ за ряд предыду- щих лет Отчеты о ре- Nсш = Ycn^ НВ1,
12 V сываемых ежегод- но СИ i-ro типа из числа невосста- навливаемых в мет- рологическом органе Среднее число СИ i-ro типа в пар- тии, поступающей в ЛИТ Средний проме- шт. зультатах по- верки (ремон- та) ЛИТ за ряд предыду- щих лет Журнал учета где yen — средняя доля ежегодно списываемых СИ от числа невосста- навливаемых в ЛИТ v=Nni/F^\ где F^ — общее число партий СИ, поступающих за год в ЛИТ При расчетах можно
13 (О сут. поверочных и ремонтных ра- бот Журнал учета
жуток времени между очередными изъятиями СИ с участков поверки (ремонта), т. е. продолжительность ожидания СИ пос- ле поверки (ре- монта) поверочных и ремонтных ра- бот принять (0 = 0,5 ... 1
217
Находят среднюю от числа поверяемых долю средств измерений (СИ) i-ro
типа, ремонтируемых ежегодно в метрологическом органе:
“< = ^2/^?, (П2.1)
где Nqi =
если в метрологическом органе ремонтируют только СИ, забра-
кованные при проверке;
Wpl-, если на метрологический орган возложен ремонт (по нарядам)
определенной номенклатуры СИ;
0/ — средняя доля забракованных при поверке СИ i-ro типа, определяется в со-
ответствии с табл. П2.1.
Вычисляют среднее время ремонта i-ro типа средств измерений в метроло-
гическом органе:
где tnPij — дата поступления /-го средства измерений i-ro типа на участок ре-
монта; typij—дата выдачи /-го средства измерений i-ro типа с участка ремонта.
Примечание. Для вновь создаваемых метрологических органов, а также
в случае, когда сведения о датах поступления (убытия) СИ на поверку (из по-
верки) отсутствуют или собрать таковые затруднительно, среднее время поверки
Tni и ремонта ТР/ каждого типа СИ определяют в соответствии с разд. 3.
Находят среднюю долю средств измерений i-ro типа, восстанавливаемых
в метрологическом органе из числа ремонтируемых
(П2.2)
где — число невосстанавливаемых в метрологическом органе средств измерений
i-ro типа.
Рассчитывают среднее время восстановления ремонтируемых в метрологиче-
ском органе средств измерений i-ro типа
W = + С1 - (П2.3)
гДе гн₽/ = Ncnl - сРеД«ее число ежегодно списы-
ваемых средств измерений из числа ежегодно невосстановленных в метрологиче-
ском органе; tpi — среднее время ремонта в реморганах тех средств измерений,
которые не восстановлены в метрологическом органе по месту создания обмен-
ного фонда, сутки; icni — среднее время на получение нового средства измерений
взамен списанного, сутки.
Определяют допустимое время нахождения средств измерений i-ro типа
в метрологическом органе:
Гд0П< = пйп{Г<2пв}, (П2.4)
где ^допз — допустимое время восстановления (поверки, ремонта) комплекта средств
измерений s-ro вида, в состав которого входит средство измерений i-ro типа,
сутки.
Проверяют условие:
^? + “^?<гдопР (П2.5)
218
Если оно выполняется, то нет необходимости в создании обменного фонда
для средств измерений i-ro типа. В противном случае определяют допустимое
значение вероятности отсутствия средств измерений i-ro типа в обменном фонде:
Рдопг = Taoni/(TV + а<Т<?). (П2.6)
Методом последовательного перебора, начиная с и=1, проверяют выполне-
ние условия:
(П2.7)
/ ' k=Q /
Необходимое число средств измерений i-ro типа в обменном фонде долж-
но соответствовать минимальному значению п, при котором выполняется нера-
венство (П2.7). При этом
pi =
Примечание. Требуемое число средств измерений i-ro типа в обменном
фонде можно найти с помощью табл. П2.2. В этом случае значение гц опреде*
ляют по графе таблицы «/г» из первой (начиная сверху) строки таблицы, для
которой в столбце р=р/ выполняется условие Р(р, пХ^доп/.
Определение среднего времени поверки (ремонта) средств измерений в мет-
рологическом органе с использованием методов теории массового обслуживания.
Рассчитывают среднюю интенсивность потока средств измерений i-ro типа, по-
Таблица П2.2
п р ~ ^обсл
0,1 | 0,25 | 0,5 0,75 | 1.0 | 2,0 | 3,0 | 4,0 | 5,0
1 0,0909 0,2000 0,3333 0,4286 0,5000 0,6667 0,7500 0,8000 0,8333
2 0,0045 0,0244 0,0769 0,1385 0,2000 0,4000 0,5294 0,6154 0,6757
3 0,0002 0,0020 0,0126 0,0335 0,0625 0,2105 0,3462 0,4507 0,5267
4 0 0,0002 0,0016 0,0062 0,0154 0,0952 0,2061 0,3107 0,3983
5 0 0 0,0002 0,0009 0,0031 0,0367 0,1100 0,1991 0,2849
6 0 0 0 0,0001 0,0005 0,0121 0,0522 0,1172 0,1918
7 0 0 0 0 0,0001 0,0034 0,0219 0,0627 0,1205
8 0 0 0 0 0 0,0009 0,0081 0,0304 0,0700
Окончание табл. П2.2
п Р Х Лэбс л
6,0 | 7,0 | 8,0 | 9,0 | 10,0 | 15,0 | 20,0 | 25,0 30,0
1 0,8571 0,8750 0,8889 0,9000 0,9091 0,9375 0,9524 0,9615 0,9677
2 0,7200 0,7538 0,7805 0,8020 0,8197 0,8755 0,9050 0,9232 0,9356
3 0,5209 0,6375 0,6755 0,7064 0,7321 0,8140 0,8578 0,8850 0,9034
4 0,4696 0,5273 0,5746 0,6138 0,6467 0,7532 0,8109 0,8469 0,8714
5 0,3604 0,4297 0,4790 0,5249 0,5640 0,6932 0,7644 0,8090 0,8394
6 0,2649 0,3313 0,3897 0,4405 0,4845 0,6341 0,7181 0,7712 0,8076
7 0,1851 0,2489 0,3082 0,3616 0,4090 0,5761 0,6723 0,7336 0,7758
8 0,1219 0,1788 0,2356 0,2892 0,3383 0,5193 0,6270 0,6963 0,7442
219
ступающих на r-е рабочее место для поверки и ремонта соответственно:
Ч? = ^п,/365; X‘?=Vpf/365.
Определяют допустимое время нахождения средств измерений i-ro типа
в метрологическом органе
дсп = {^допЛ •
Находят суммарные интенсивности поступления средств измерений на участ-
ки поверки и ремонта r-го вида соответственно
к(г)
Ап
i=l
Ар
Чп= 2
i=l
Вычисляют приведенные плотности поступления потоков средств измерений
Z-го типа на участки поверки и ремонта r-го вида, а также суммарные значения
указанных величин
РпI ~ Мп тпi/» Ppi = ^р?xpi' ^(р) <7 ’
~(Г) ЛИ
Ап Ар
рГ=£р^ Ррг>=£р£?,
/=1 i=l
где ^п(г), <7р(г), Tv.q определяют в соответствии с табл. П2.1.
Рассчитывают среднее время нахождения средств измерений на рабочем ме-
сте по поверке r-го вида:
Tn(r)=[Afn(r)+pn(r)(v+2)/2(l~pn(H)4-(o%n(r)/2]Z.onAn^),
где определяют рис. П2.1 соответственно при р = q = v нахо-
дят в соответствии с табл. П2.1.
Вычисляют среднее время нахождения средств измерений на рабочем месте
по ремонту (регулировке) r-го вида:
Т<г> = [<> + p<r,(v + 2)/2( 1 - pf) + coX<f>; 2] L^/^\
где определяют по рис. П2.1 данного приложения соответственно при
р -- p£r), q = q^ , находят по табл. П2.1.
Дальнейшие расчеты обменного фонда средств измерений производят по
формулам (П2.2) —(П2.7) при Т<? = Г<г; Т<7 = Т<г>.
Пример расчета числа средств измерений в обменном фонде. В метрологи-
ческом органе для поверки и ремонта забракованных при поверке СИ создано по
8 рабочих мест. При этом на одном из рабочих мест (г=3) организована повер-
ка осциллографов универсальных группы С1, приборов для исследования АЧХ
220
Рис. П2.1. Номограмма для определения значений Lo (а) и М (б)
Таблица П2.3
№ Тип СИ "пГ шт. ч Т г, ч pi партий Vr шт Ncnf ШТ- т ДОП1 сутки
1 С1-19Б 16 5 8 20 1,0 0,2 25
2 С1-49 38 5 8 36 3,0 0,5 14
3 С1-54 12 8 8 10 1,0 0,1 14
4 С1-55 15 8 10 15 1,0 0,2 25
5 С1-65 20 8 8 18 2,0 0,3 21
6 С1-68 50 5 8 45 4,0 0,5 7
7 С1-75 8 12 14 10 1,0 0,1 14
8 С1-96 10 10 14 10 1,0 0,1 21
9 Х1-40 40 7 8 40 3,0 0,5 21
10 Х1-46 14 7 8 15 1,0 0,2 7
11 Х1-47 24 7 8 20 2,0 0,3 14
12 И2-8 12 7 8 12 1,0 0,2 14
13 И2-17 10 12 И 10 1,0 0,1 14
Примечание. При определении значения W . в соответствии с п. 11 табл. П2.1
принято 7сп*=0»1. ..0,2.
группы XI и измерителей временных интервалов группы И2. Аналогичное рабо-
чее место создано на участке ремонта — для ремонта (регулировки) забракован-
ных при поверке СИ указанных групп. Всего на указанных рабочих местах по-
веряется (ремонтируется) ежегодно 13 типов СИ. В соответствии с рекоменда-
циями, изложенными в табл. П2.1, для каждого из указанных типов СИ полу-
чены исходные данные, приведенные в табл. П2.3. При этом значения NH3i, Мсш
определены с учетом пп. 10, 11 табл. П2.1, a 7\onz — в соответствии с выраже-
нием (П.2.4) методики с учетом назначения комплектов СИ, в состав которых
входят СИ f-го типа. Для примера в табл. П2.4 приведены отдельные значения
времен ^доп5> из которых выбирались значения Гдоп/ (всего в метрологиче-
221
Таблица П2.4
№ Тип СИ т(0 ДОП S
?=1 s=2 | s=3 | 5=4 1 s=5 | s=6 I s=7
1 С1-19Б 30 25 30 28
2 С1-49 — 25 30 14 28 — 21
io XI-46 — *25 30 14 28 *7* —
13 Й2-17 *30 — *30 *1*4 28 — 21
Примечание. Прочерк означает» что СИ i-ro типа в данный комплект СИ не
входят.
Таблица П2.5
3 ZP9’ 4 zcn’ C*T /р. сут CO, сут «р^п г V
0,25 7 90 45 0,5 1 3 1
ский орган поступает семь видов комплектов СИ, в состав которых входят ука-
занные 13 типов СИ).
Кроме того, в табл. П2.5 приведены общие для всех типов СИ значения
исходных данных, используемых при расчетах.
Число СИ в обменном фонде будем рассчитывать для вновь создаваемого
метрологического органа, значения исходных данных для которого из числа при-
веденных в табл. П2.3—П2.5 получены из соответствующих нормативных и орга-
низационно-плановых документов с учетом опыта ремонта и поверки СИ в ана-
логичных подразделениях.
В соответствии со сказанным среднее время поверки Тп/ и ремонта Гр/ каж-
дого типа СИ следует рассчитывать по разд. 3 методики. На основании приве-
денных в табл. П2.3—П2.5 исходных данных, имеем
1. Для С1-19Б
Хп3? = = о,043 шт. /сут;
ООО
_ о 010 шт./сут;
р‘ 365
Тдоп = 25 сут;
13
*<3> = Zj = 0,678 шт./сут;
i=l
13
^р3) = S ^Pi = 0,180 шт. /сут:
*=1
222
(3) 0,043-5 Л ЛГ (3) 0,011-8 Л
Pn3/=-f7—°>05: р|>3/=-77-= 0,011;
1Э 13
Р<3,= S рп£ = 0,665; Р<,3)= Sppz = 0,22;
„ „т 3,5 0,665(1 + 2) ,0,5-0,678 „ ,п„
ГП1 = Т^' =---0 +-----------------+----------=16,2 сут. (П2.8)
п 0,678 2-(1—0,665) 2 '
т ____т (3) ___2^5_
р1Р 0,18
0,22(1+2) ,0,5-0,18 /Г1Л
-----------+--------= 6,6 сут. (П2. 9)
2(1-0,22) 2 У к 7
При расчетах по формулам
= 0,5. При этом:
(П2.8) — (П2.9) принято, что vn = vp = 1, со —
<Pi = 1
^HBt 1 _____ 1 __ Q yg.
p/Vn£ ~ 0,25-16 ’ ’
_ (1 — 0,2)-45 + 0,2-90
Л1В1 =------------j----------= 54,
Тм = 0,75-6,5 + 0,25-54= 18,4.
Таблица П2.6
№ Тип СИ Хп; X г рп£ рр£ Лгв: ГВ1 р ДОП1 Р/ ni
1 С1-19Б 0,043 0,01 0,05 0,011 0,75 54 18,4
2 С1-49 0,100 0,025 0,07 0,028 0,68 53 22 0,645 2,15 2
3 С1-54 0,032 0,008 0,037 0,009 0,67 50 21 0,651 0,68 1
4 С1-55 0,041 0,01 0,046 0,014 0,73 52 19 — —
5 С1-65 0,054 0,014 0,062 0,016 0,60 52 25 0,935 1,21 1
6 С1-68 0,14 0,035 0,097 0,04 0,68 51 21 0,326 3,0 4
7 С1-75 0,022 0,005 0,038 0,005 0,50 53 30 0,590 0,52 1
8 С1-96 0,027 0,007 0,039 0,014 0,60 50 24 0,946 0,6 1
9 31-40 0,1 0,025 0,1 0,028 0,70 53 21 0,976 2,15 1
10 Х1-46 0,038 0,009 0,038 0,01 0,71 54 21 0,326 0,81 2
11 Х1-47 0,065 0,016 0,065 0,018 0,67 54 22 0,645 1,4 1
12 И2-8 0,032 0,008 0,032 0,009 0,67 52 21 0,651 0,68 1
13 И2-17 0,027 0,007 0,046 0,011 0,6 50 24 0,630 0,6 1
Таблица П2.7
;.(3) п Х(3) р р(3) гп р (3) р т(3) п т(3) р
0,678 0,18 0,665 0,22 16,2 6,6
223
Учитывая, что щ согласно выражению (П2.1) определяем среднее врем
нахождения С1-19Б в метрологическом органе:
= 16,2+0,25 • 18,4=20,75 суток.
Проверяем условие (П2.5) и получаем 20,75<25, следовательно, для СЬЮ
создавать обменный фонд нецелесообразно.
Аналогичные расчеты, результаты которых сведены в табл. П2.6, проводите
для СИ других типов. В последней графе табл. П2.6 указано необходимое числ
СИ каждого типа, которое нужно иметь в обменном фонде, чтобы обеспечит
своевременное обслуживание в зависимости от значения Тдопл Общие для все
типов СИ рассчитанные значения необходимых величин приведены в табл. П2./
Величины Рдоп* и р/ в табл. П2.6 определяем по (П2.6) и (П2.7) соответ
ственно.
Таким образом, расчеты показали, что при заданных интенсивностях поступ
ления СИ i-ro типа и планируемых производственных возможностях метрологи
ческого органа требуемое время обслуживания i-ro типа СИ можно обеспечить
если при метрологическом органе создать обменный фонд: для С1-68 — 4 шт.
для С1-49 и Х1-46 — по 2 шт.; для остальных СИ — по 1 шт., исключая СЫ9Е
и С1-55, для которых обменный фонд создавать нецелесообразно.
ПРИЛОЖЕНИЕ 8
Методика назначения (корректировки) длительности
межповерочных интервалов
Общие положения. Межповерочные интервалы определяют для совокупности
однотипных СИ.
Первичный межповерочный интервал (МПИ) устанавливают для СИ с уче-
том сферы применения и предполагаемой интенсивности их использования. По
результатам эксплуатации корректируют МПИ.
Межповерочные интервалы устанавливают в календарном времени в годах.
Значение МПИ рекомендуется выбирать из ряда: 1, 2, 3, 4, 5, ... года.
Межповерочные интервалы корректируют по результатам поверки, проводи-
мой в полном объеме в соответствии с НТД на методы и средства поверки не
менее чем 85 однотипных СИ.
Исходными данными для определения МПИ рабочих СИ являются:
значения показателей безотказности, приведенные в техническом описании
(ТО) на СИ *;
число поверяемых СИ (Ai);
число СИ, имеющих метрологические (т) и явные (и) отказы;
суммарная погрешность СИ (6СИ);
допуск на контролируемый параметр (6П);
периодичность контроля параметра объекта контроля (тк);
среднее время восстановления объекта контроля при отказе по контролируе-
мому параметру (тв) в часах.
Исходными данными для определения МПИ образцовых СИ являются:
число поверяемых образцовых СИ (А/о);
число образцовых СИ, имеющих метрологические (пг0) и явные (по) отказы;
требуемый уровень метрологической надежности рабочих СИ (Рм тр).
При большом массиве исходных данных длительность межповерочного интер-
вала можно определить на ЭВМ.
* Значения показателей безотказности, приведенные в ТО, используют толь-
ко для установления первичного МПИ.
224
Таблица П3.1
Средства измерений Подгруппа Значение коэффициента X Значение коэффициента *и
г 0,4 0,023
с 0,28 0,062
ф 0,2 0,017
X 0,25 0,059
Д 0,21 0,043
В 0,36 0,94
радиотехнических вели- Е 0,21 0,044
чин М 0,3 0,051
Р 0,2 0,064
Ч 0,4 0,051
И 0,17 0,033
п 0,18 0,023
У 0,14 0,017
л 0,3 0,017
Б 0,17 0,23
Ш 0,17 0,011
Я 0,17 0,023
электрических величин Щитовые 0,22 0,21
переносные 0,39 0,083
ионизирующих излуче- ний, состава и свойств СИ ионизирующих излу- чений 0,24 0,091
жидкостей и газов СИ состава и свойств жидкостей и газов 0,24 0,075
теплотехнических и ме- СИ давления 0,27 0,49
ханических величин СИ расхода жидкости 0,25 0,34
СИ температуры 0,23 0,28
Порядок определения МП И рабочих средств измерений. Для вновь разра-
ботанных СИ первичный МПИ
Тп= |Том In Рм тр|, (П3.1)
где Том — средняя наработка на метрологический отказ (в годах); Рм тр — тре-
буемый уровень метрологической надежности.
При задании в ТО вероятности отсутствия метрологических отказов за МПИ
Рм(т) то значение
Го м=Т/1п Рм(т) то» (П3.2)
где т —значение МПИ (в годах), для которого нормируется показатель Рм(т)То.
При задании в ТО средней наработки на отказ То значение
Т°м = 8760(Ки + 0.01)х ’ (ПЗ‘3)
где х — коэффициент метрологических отказов; — коэффициент использова-
ния СИ.
Значение коэффициентов х и Ки определяют по табл. П3.1.
При задании в ТО вероятности безотказной работы СИ за МПИ Р(т)то зна-
чение
ом 8760(^ + 0,01 )х InР(т)то 1 ' '
где т — МПИ в часах, для которого нормируется показатель Р(т)т0.
225
Таблица П3.2
г /ъ СП7 п тв/тк
0,001 0,004 0,008 1 0,012 | 0,016 | 0,020 | 0,024 | 0,028
4,00 0,997 0,997 0,997 0,997 0,997 0,997 0,997 0,997
3,00 0,997 0,997 0,997 0,997 0,997 0,997 0,997 0,997
2,00 0,997 0,997 0,997 0,997 0,997 0,997 0,997 0,997
1,80 0,997 0,997 0,997 0,997 0,997 0,997 0,997 0,997
1,60 0,996 0,997 0,997 0,997 0,997 0,997 0,997 0,997
1,40 0,995 0,997 0,997 0,997 0,997 0,997 0,997 0,997
1,20 0,990 0,996 0,996 0,997 0,997 0,997 0,997 0,997
1,10 0,986 0,994 0,996 0,997 0,997 0,997 0,997 0,997
0,90 0,962 0,987 0,992 0,994 0,995 0,995 0,996 0,996
0,80 0,938 0,977 0,986 0,990 0,992 0,993 0,994 0,994
0,70 0,900 0,957 0,974 0,981 9,985 0,987 0,989 0,990
0,60 0,845 0,921 0,949 0,962 0,969 0,974 0,978 0,980
0,50 0,767 0,862 0,902 0,923 0,937 0,947 0,954 0,959
0,40 0,665 0,771 0,824 0,855 0,877 0,893 0,907 0,918
0,38 0,641 0,748 0,803 0,836 0,860 0,878 0,893 0,906
0,36 0,617 0,724 0,781 0,816 0,841 0,861 0,878 0,892
0,34 0,591 0,698 0,757 0,793 0,821 0,843 0,861 0,877
0,32 0,564 0,671 0,730 0,769 0,798 0,822 0,842 0,860
0,30 0,536 0,642 0,702 0,742 0,773 0,798 0,821 0,840
0,20 0,381 0,469 0,526 0,568 0,605 0,693 0,670 0,699
0,10 0,331 0,341 0,350 0,560 0,371 0,382 0,411 0,439
Таблица ПЗ.З
хв/тк 0,001 0,004 0,008 0,012 0,016 0,020 0,024 0,028
Р м.тр 0,525 0,642 0,702 0,738 0,763 0,782 0,798 0,811
С учетом результатов эксплуатации значение МПИ
(П3.5)
где Тэ — МПИ, установленный для эксплуатируемых СИ.
Требуемый уровень метрологической надежности для СИ определяется по
табл. П3.2, а для СИ, контролирующих параметры с односторонним допуском,—
по табл. ПЗ.З.
При использовании СИ для регулировки параметров объекта без указания
в эксплуатационной документации допуска на контролируемый параметр значе-
ние Рм.тр принимается равным 0,85.
Если СИ является многофункциональным или используется для контроля
нескольких параметров с различными значениями тк, тв, бп, то величина Рм то
определяется по максимальным значениям отношений тв/тк и бси/бп для рас-
сматриваемого СИ.
226
Таблица П3.4
р м.тр£ и. Рм.тр£ р. PM.Tpf Р< р M.ipi р-
0,9 1 0,93 1,5 0,997 2,5 0,9996 4,0
0,91 1 0,99 1,6 0,998 2,75 0,9997 4,25
0,92 1 0,991 1,7 0,999 2,85 0 9998 4,6
0,93 1,1 0,992 1,8 0,9991 3,00 0,9999 4,85
0,94 1,15 0,993 1,9 0,9992 3,2 0,99991 5,25
0,95 1,25 0,994 2,1 0,9993 3,4 0,99992 5,5
0,96 1,32 0,995 2,25 0,9994 3,6 0,99993 5,75
0,97 1,4 0,996 2,4 0,9995 3,8 0,99994 6,25
Если по формулам (П3.1) и (П3.2) получено дробное значение величины т,
то величина МПИ выбирается по следующему правилу:
Дт], если т^0,75+[х],
([т] + 1, если т >0,75+ [т],
где [т] — целая часть числа т, определенного по формулам (П.3.1) и (П3.2).
Порядок определения МКИ образцовых средств измерений. Значение МПИ
т=0,47'о/х|Ц, (П3.6)
где То — наработка образцового СИ на отказ; у, — коэффициент, определяемый
по табл. П3.4 в зависимости от уровня метрологической надежности по i-й мет-
рологической характеристике (Рм.тР/), для определения которой используется
образцовое СИ.
Значение
Рмтрг=1-(1-Рмтр)//, (П3.7)
где I — число поверяемых метрологических характеристик рабочего СИ; Рм тр —
требуемый уровень метрологической надежности рабочего СИ определяется по
табл. П3.2.
При использовании образцового СИ для поверки СИ с различными уровня-
ми метрологической надежности (РМтр) значение МПИ вычисляется по наиболь-
шему значению Рм тр.
При назначении первичного МПИ значение То берется из ТО.
При корректировке МПИ по результатам эксплуатации определяется
то=—--------. (П3.8)
Хо.1 (2(«о + «о)1
Значение Xqj определяют по табл. П3.5.
Программа вычисления межповерочных интервалов микрокалькуляторов
«Электроника БЗ-34». Последовательность операций при вычислении МПИ сле-
дующая:
включить питание микрокалькулятора (если питание было уже включено, то
его необходимо выключить, а затем через 5 с включить, чтобы привести микро-
калькулятор в исходное состояние);
нажать клавиши F и ПРГ для перевода микрокалькулятора в режим «Про-
граммирование»;
ввести программу вычислений в память микрокалькулятора последователь-
ным нажатием клавиш, указанных в табл. П3.6. Правильность нажатия клавиши
контролировать по показаниям цифрового индикатора, при этом левые две циф-
ры показывают код набранной операции, а правые две цифры — адрес команды,
227
Таблица П3.5
'""о + £° СМ / см смо '"о + о £ см + о £ ^сч смо е + Г см с см CJO е + £° см е + g° смо
2 4,60 34 44,84 66 81,03 98 116,13
4 7,78 36 47,14 68 83,21 100 118,43
6 10,64 38 49,40 70 85,41 ПО 129,29
8 13,38 40 51,72 72 87,65 120 140,12
10 15,99 42 53,98 74 89,78 130 150,86
12 18,55 44 56,29 76 92,07 140 162,64
14 21,10 46 58,54 78 94,26 150 172,42
16 23,50 48 60,90 80 96,60 160 183,17
18 26,00 50 63,06 82 98,70 170 193,85
20 28,40 52 65,32 84 100,82 180 204,83
22 30,80 54 67,51 86 103,11 180 215,28
24 33,20 56 69,86 88 105,27 200 225,78
26 35,60 58 72,00 90 107,46 210 236,53
28 37,90 60 74,30 92 109,17 220 247,09
30 40,30 62 76,51 94 111,75 230 257,65
32 42,51 61 78,75 96 114,01 240 268,43
средние две пары цифр показывают коды двух предыдущих операций, что долж-
но соответствовать графе «Индикация». При неправильном нажатии какой-либо
клавиши, с помощью клавиши ШГ, вернуть вводимую программу на 1 шаг на-
зад, после чего следует нажать требуемую клавишу;
после набора всей программы нажать клавиши F и АВ1 для перевода мик-
рокалькулятора из режима «Программирование» в режим «Автоматическая ра-
бота».
Определения МПИ рабочих СИ. Если известна наработка Том на
метрологический отказ (в годах), то первичный МПИ тл определяется по форму-
ле (П3.1).
Пример расчета. Исходные данные: Том=14 лет, Рм.тр==0,85.
Примечание. Программа вычисления МПИ должна быть предварительно
введена в память микрокалькулятора.
Для вычисления МПИ выполнить следующую последовательность операций:
с помощью соответствующих клавиш набрать исходные данные и ввести их
в соответствующие регистры памяти, контролируя набранные значения по пока-
заниям цифрового индикатора, для чего: набрать значение Т ом и, нажав клави-
ши П и 2, занести его во второй регистр памяти (чтобы получить размерностью
значения МПИ в годах, ТОм необходимо вводить также в годах); набрать зна-
чение Рмтр и, нажав клавиши П и 1, занести его в первый регистр памяти;
запустить программу, нажав клавиши БП, 7, 6, С/П;
на цифровом индикаторе прочитать результат: 2 года.
При задании в ТУ вероятности отсутствия метрологических отказов за МПИ
^м(Тмпи)ту значение Том вычисляется по формуле (П3.2).
Пример расчета. Исходные данные: Рм(тмПИ)ту=0,9; тМпи=2 года; Рм .тр=
= 0,85.
Примечание. Программа вычисления МПИ должна быть предваритель-
но введена в память микрокалькулятора.
Для вычисления МПИ выполнить следующую последовательность операций:
228
Таблица П3.6
Клавиши Индикация Клавиши Индикация
Код опе- рации Коды преды- дущих опе- раций Адрес ко- манды Код опе- рации Коды преды- дущих опе- раций Адрес команды
1 2 3 4 5 6 7 8 1 9 10
00 ИП в 6L 11 6L 36
кноп 54 01 X 12 6 11 37
2 02 54 02 ипс 6L 12 6L 38
0Е 02 54 03 + 13 6С 12 39
ипс 6 0Е 02 04 F/ 21 13 6С 40
X 12 6 0Е 05 X 12 21 13 41
ИП4 64 12 6 06 11 12 21 42
X 12 64 12 07 пз 43 11 12 43
ипо 60 12 64 08 БП 51 43 11 44
+ 13 60 12 09 70 70 51 43 45
П5 45 13 60 10 ПП 53 70 51 46
КНОП6 54 45 13 11 54 54 53 70 47
ИП5 65 54 45 12 П4 44 54 53 48
0 00 65 54 13 БП 51 44 54 49
0— 00 65 14 70 70 51 44 50
4 04 0— 00 15 ПП 53 70 51 51
„ X 12 04 0— 16 54 54 53 70 52
ИП8 68 12 04 17 БП 51 54 53 53
4* 13 68 12 18 75 75 51 54 54
ипд 6Г 13 68 19 ИП7 67 75 51 55
+ 13 6Г 13 20 2 02 67 75 56
БП 51 13 6Г 21 /-/ 0 02 67 57
81 81 51 13 22 Г 10х 15 0 02 58
1 01 81 51 23 -h 10 15 0 59
ипв 6 01 81 24 ИП8 68 10 16 60
ипс 6 6 01 25 X 12 68 10 61
4- 13 6 6 26 8 08 12 68 62
— 11 13 6 27 7 07 08 12 63
1 01 11 13 28 6 06 07 08 64
0— 01 11 29 0 00 06 07 65
3 03 0— 01 30 X 12 00 06 66
ипс 6 03 0— 31 F 1/х 23 12 00 67
+ 13 6 03 32 ИП5 65 23 12 68
ипс 6 13 6 33 X 12 65 23 69
ип в 6 6 13 34 В/О 52 12 65 70
— 11 6 6 35 ИП4 64 52 12 71
ИП 3 63 64 52 72 П6 46 69 Г9 86
г 18 63 64 73 ИП А 6— 46 69 87
4- 13 18 63 74 — 11 6— 46 88
/-/ 0 13 18 75 0 00 11 6— 89
П2 42 0 13 76 0— 00 11 90
ИП 2 62 42 0 77 7 07 0— 00 91
ИП 1 61 62 42 78 5 05 07 0— 92
F In 18 61 62 79 + 10 05 07 93
X 12 18 61 80 FX<0 5 10 05 94
/-/ 0L 12 18 81 96 96 5 1 10 1 95
229
Окончание табл. П3.6
Клавиши Индикация Клавиши Индикация
Код опе- рации Коды преды- дущих опера- ций Адрес команды Код опе- рации Коды преды- дущих опе- раций Адрес ко- манды
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
ПА 4— 0 12 82 КИП6 Е6 96 5 96
П9 49 4— 0 83 ИП 6 66 Гб 96 97
КИП9 ИП9 Г9 69 49 4— Г9 49 84 85 С/П 50 66 Гб 98
а) набрать исходные данные, нажав соответствующие клавиши, и ввести их
в соответствующие регистры памяти, контролируя набранные значения по пока-
заниям цифрового индикатора, для чего набрать значение Рм(тМпи)ту и, нажав
клавиши П и 3, занести его в третий регистр памяти; набрать значение тМпи и,
нажав клавиши П и 4, занести его в четвертый регистр памяти; набрать значение
Рм тр и, нажав клавиши П и 1, занести его в первый регистр памяти;
б) запустить программу, нажав клавиши БП, 7, О, С/П;
в) на цифровом индикаторе прочитать результат — 3 г;
г) нажав клавиши ИП и 2, вывести на цифровой индикатор значение Том и
прочитать результат: 18, 982427 г.
При задании в ТУ наработка на отказ То (в часах) значение Том (в годах)
определяется по формуле (ПЗ.З).
Пример расчета. Исходные данные: Ли=0,083; х=0,39; Рм Тр=0,85; То—
= 5000 ч.
Примечание. Программа вычисления МПИ должна быть предварительно
введена в память микрокалькулятора.
Для вычисления МПИ выполнить следующую последовательность операций:
а) нажав соответствующие клавиши, набрать исходные данные и ввести их
в соответствующие регистры памяти, контролируя набранные значения по пока-
заниям цифрового индикатора, для чего:
набрать значение Кя и, нажав клавиши П и 7, занести в седьмой регистр
памяти;
набрать значение х и, нажав клавиши П и 8, занести его в восьмой регистр
памяти;
набрать значение То и, нажав клавиши П и 5, занести его в пятый регистр
памяти;
набрать значение Рм ТР и, нажав клавиши П и 1, занести его в первый ре-
гистр памяти;
б) запустить программу, нажав клавиши БП, 5, 0, С/П;
в) на цифровом индикаторе прочитать результат — 2 г;
г) нажатием клавиш ИП и 2 вывести на цифровой индикатор значение и
прочитать результат: — 15, 736869 лет.
При задании в ТУ вероятности безотказной работы ВСИ за МПИ Р(тМПи)ту,
значение Том вычисляют по формуле (П3.4).
Пример расчета. Исходные данные: тМпи=500 ч; Р(тмпи) =0,87; х=0,39;
Ли=0,083: Рмтр=0,85.
Примечание. Программа вычисления МПИ должна быть предварительно
введена в память микрокалькулятора.
Для вычисления МПИ выполнить следующую последовательность операций:
а) нажав соответствующие клавиши, набрать исходные данные и ввести их
в соответствующие регистры памяти, контролируя набранные значения по пока-
заниям цифрового индикатора, для чего:
230
на брать значение тМПи и, нажав клавиши П и 5, занести его в пятый регистр
памяти;
на брать значение Р(тМПи) и, нажав клавиши П и 3, занести его в третий
регистр памяти;
на брать значение % и, нажав клавиши П и 8, занести его в восьмой регистр
памяти;
на брать значение /<и и, нажав клавиши П и 7, занести его в седьмой регистр
памяти;
на брать значение Рм тр и, нажав клавиши П и 1, занести его в первый ре-
гистр памяти;
б) запустить программу, нажав клавиши БП, 4, 5;
в) на цифровом индикаторе прочитать результат: 2 года;
г) нажав клавиши ИП и 2, вывести на цифровой индикатор значение Том и
прочитать результат: 11, 30018 лет.
Корректировка МПИ с учетом результатов эксплуатации рассчитывается по
формуле (П3.5).
Пример расчета. Исходные данные: тэ=2 года; Л7=13ОО шт.; т=120 шт.;
Рм тр=0,85.
Примечание. Программа вычисления МПИ должна быть предварительно
введена в память микрокалькулятора.
Для вычисления МПИ выполнить следующую последовательность операций:
а) нажав соответствующие клавиши, набрать исходные данные и ввести их
в соответствующие регистры памяти, контролируя набранные значения по показа-
ниям цифрового индикатора, для чего:
на брать значение тэ и, нажав клавиши П и 4, занести его в четвертый ре-
гистр памяти;
на брать значение N и, нажав клавиши П и С (клавиша С находится в ниж-
нем ряду), занести его в регистр С;
на брать значение m и, нажав клавиши П и В (клавиша В находится в ниж-
нем ряду), занести его в регистр В;
на брать значение Рм.тр и, нажав клавиши П и 1, занести его в первый ре-
гистр памяти;
б) запустить программу, нажав клавиши БП, 2, СП;
в) на цифровом индикаторе прочитать результат: 3 г.
Определение МПИ образцовых ВС И. Значение МПИ образцо-
вых ВСИ вычисляется по формуле (П3.6).
Пример расчета. Исходные данные: го=3 года; х=0,39; рь=1,5.
Примечание. Программа вычисления МПИ должна быть предварительно
введена в память микрокалькулятора.
Для вычисления МПИ выполнить следующую последовательность операций:
а) нажав соответствующие клавиши, набрать исходные данные и ввести их
в соответствующие регистры памяти, контролируя набранные значения по пока-
заниям цифрового индикатора, для чего:
набрать значение То и, нажав клавиши П и 5, занести его в пятый регистр
памяти;
набрать значение х, нажав клавиши П и 8, занести его в восьмой регистр
памяти;
набрать значение ц и, нажав клавиши П и Д, занести его в регистр памяти;
б) запустить программу, нажав клавиши БП, 1, 1, С/П;
в) на цифровом индикаторе прочитать результат: 2 года.
При корректировке МПИ по результатам эксплуатации То определяются по
формуле (П3.8).
Пример расчета. Исходные данные: М>=600 шт.; тэ=1 год; %Qtl [2(/и04-
+по)]=204,83; х=0,39; ц=1,5.
Примечание. Программа вычисления МПИ должна быть предваритель-
но введена в память микрокалькулятора.
Для вычисления МПИ выполнить следующую последовательность операций:
231
а) нажав соответствующие клавиши, набрать исходные данные и ввести их
в соответствующие регистры памяти, контролируя набранные значения цифрового
индикатора, для чего:
набрать значение No и, нажав клавиши П и С, занести его в регистр С;
набрать значение тэ и, нажав клавиши П и 4, занести его в четвертый ре-
гистр памяти;
набрать значение [2 (то-}-по) ] и, нажав клавиши П и 0, занести его
в нулевой регистр памяти;
набрать значение х и, нажав клавиши П и 8, занести его в восьмой регистр
памяти;
набрать значение р и, нажав клавиши П и Д, занести его в регистр Д;
б) запустить программу, нажав клавиши В/О и С/П;
в) на цифровом индикаторе прочитать результат: 4 года;
г) нажав клавиши ИП и 5, вывести на цифровой индикатор значение То и
прочитать результат: 5,85 лет.
Список литературы
1. Основы эксплуатации средств измерений/ В. А. Кузнецов, А. Н. Пашков,
О. А. Подольский и др.; Под ред. Р. П. Покровского. — М.: Радио и связь,
1984.— 184 с.
2. Актуальные проблемы метрологии в радиоэлектронике/ П. Н. Агалецкий,
В. А. Бойко, Р. С. Дадашев и др.; Под ред. В. К. Коробова. — М.: Изд-во
стандартов, 1985. — 296 с.
3. Валитов Р. А., Сретенский В. Н. Радиотехнические измерения. — М.: Сов.
радио, 1970. — 712 с.
4. Интерфейс для программируемых приборов в системах автоматизации экспе-
римента/ Н. И. Гореликов, А. Н. Домарацкий, Л. С. Ситников и др.; Под
ред. Л. С. Ситникова. — М.: Наука, 1981. — 262 с.
5. Мирский Г. Я. Микропроцессоры в измерительных приборах. — М.: Радио и
связь, 1984. — 160 с.
6. Метцлер Р. Комплект программируемых модулей для специализированных
испытательных систем// Электроника.— 1981. — № 16. — С. 57—67.
7. Сычев Е. И., Ухалкин В. В. Оптимизация периодичности поверки (метроло-
гической аттестации) приборно-модульных автоматизированных измеритель-
ных систем// Всесоюзная конференция «Системные исследования и автома-
тизация в метрологическом обеспечении ИНС и управления качеством», 16—
18 октября 1986: Тезисы докладов. — Львов. Ч. 1. — С. 145, 146.
8. Бароне А., Патерно Дж. Эффект Джозефсона (физика и применение): Пер.
с англ. — М.: Мир, 1984. — 640 с.
9. Куликовский К. Л., Купер В. Я. Методы и средства измерений. — М.: Энер-
гоатомиздат, 1986. — 448 с.
10. Мудров В. И., Кушко В. Л. Методы обработки измерений. — М.: Сов. радио,
1976.- 192 с.
11. Адлер Ю. П., Маркова Е. В., Грановский Ю. В. Планирование эксперимента
при поиске оптимальных условий. —М.: Наука, 1976.— 279 с.
12. Мандельштам С. М. Вопросы экономического обоснования требований к мет-
рологическим характеристикам средств измерений// Технико-экономические
исследования и вопросы управления.—Л.: ВНИИЭП, 1975.— С. 11—13.
13. Хофман Д. Техника измерений и обеспечение качества. Справочная книга:
Пер. с нем./ Под ред. Л. М. Закса, С. С. Кивилиса. — М.: Энергоатомиздат,
1983. —472 с.
14. Сычев Е. И. Оценка влияния измерительного контроля на надежность техни-
ческих систем// Надежность и контроль качества.— 1979. — № 10.—
232
15. Сычев Е. И. Влияние точности и объема измерений на качество диагностиро-
вания технических систем// Измерительная техника.— 1982. — № 7.—
С. 14—17.
16. Забежинский А. Д., Довбета Л. И. К расчету границ погрешностей при тех-
нических измерениях// Метрология.— 1982. — № 8. — С. 3, 4.
17. Селивеев Н. Н., Строка А. А., Форсилова И. Д. Основы теории измерений.—
М.: Воениздат, 1967. — 104 с.
18. Криксунов В. М., Кримштейн Я. А. Методика оценки метрологического со-
стояния средств измерений// Измерительная техника.—1975. — № 5.—
С. 17—19.
19. Основы метрологии и электрорадиоизмерения/ Б. Н. Лозицкий, В. Г. Воево-
дин, В. И. Коткин, И. И. Мельниченко; Под ред. Б. Н. Лозицкого. — М.: МО
СССР, 1983.
20. Цибина А. А., Шилов А. М. Опыт внедрения на ЭВМ методики установления
межповерочных интервалов// Измерительная техника.— 1978. — № 1.—
С. 16, 17.
21. Новицкий П. В., Гореликов Н. И., Мельницкая Ж. С. Методы расчета и кор-
ректировки межповерочных интервалов средств измерений// Метрология. —
1977. —№ 10. —С. 38—44.
22. Червонный А. А., Лукьяшенко В. И., Котин Л. В. Надежность сложных си-
стем. — М.: Машиностроение, 1976. — 288 с.
23. Винокуров А. В. Методика оценки стабильности проектируемых радиоизмери-
тельных приборов// Метрология. — 1980. — № 3. — С. 29—32.
24. Левин Б. Р. Теория надежности радиотехнических систем. — М.: Сов. радио,
1978.— 264 с.
25. Боровков А. А. Математическая статистика. — М.: Наука, 1984. — 471 с.
26. Зеленцов Б. П. Система эксплуатации средств измерений// Тр. СГНИИМ.—
1970.— Вып. 4. —С. 10—12.
27. Барзилович Е. Ю. Модели технического обслуживания сложных систем. — М.:
Высшая школа, 1982. — 231 с.
28. Бурдун Г. Д., Марков Б. Н. Основы метрологии. — М.: Изд-во стандартов,
1985. —255 с.
29. Долинский Е. Ф. Обработка результатов измерений. — М.: Изд-во стандар-
тов, 1973. — 190 с.
30. Гоноровский И. С. Радиотехнические цепи и сигналы. — М.: Сов. радио,
1986.— 606 с.
31. Автоматическая аппаратура контроля радиоэлектронного оборудования (во-
просы проектирования)// Под ред. Пономарева Н. Н. — М.: Сов. радио,
1975. —328 с.
32. Кудрицкий В. Д., Синица М. А., Чинаев П. И. Автоматизация контроля ра-
диоэлектронной аппаратуры/ Под ред. Чинаева П. И. — М.: Сов. радио,
1977.— 256 с.
33. Метрологическое обеспечение измерений. Обзорная информация. — М.:
ВНИИТИ, 1985. —Вып. 3. —42 с.
34. Доценко Б. И. Диагностирование динамических систем. — Киев. Техника,
1983. — 159 с.
35. Ануфриенко Е. А. Ритмичность поверки как средство повышения надежности
массива средств измерений// Измерительная техника.—1984. — № 2.—
С. 25—27.
36. Данилевич С. Б. Построение рациональных методик поверки средств измере-
ний с помощью метода имитационного моделирования// Метрология.—
1980.—№ 5. —С. 12—14.
37. Большакова Л. П. Оптимизация методик поверки средств измерений пара-
метров ИС// Электронная промышленность.— 1985. — Вып. 3. (141).—
233
38. Федоров А. М. Диодные компенсационные вольтметры. — М.: Изд-во стан-
дартов, 1976.— 147 с.
39. Лабунец В. С. Исследование распределения метрологических отказов в раз-
ных участках диапазона измерения погрешности приборов// Метрология.—
1980. —№ 2.— С. 4—7.
40. Лисенков А. И. Метод выбора поверяемых отметок// Метрология. — 1981.—
№ 4. — С. 8—11.
41. Свешников А. А. Прикладные методы теории случайных функций. — М.: Нау-
ка, 1968.— 464 с.
42. Горлач А. А., Минц М. Я., Чинков В. И. Цифровая обработка сигналов в из-
мерительной технике. — Киев: Техника, 1985.— 152 с.
43. Вострокнутов Н. Н. Испытания и поверка цифровых измерительных
устройств. — М.: Изд-во стандартов, 1977.— 140 с.
44. Полетаев В. П. Планирование оптимальных межповерочных интервалов рабо-
чих средств измерений в условиях массового производства// Метрология. —
1977. —№ 10. —С. 27—33.
45. Минько Э. В., Поз В. А., Лысов О. Е. Экстремальная экономико-математиче-
ская модель определения межповерочных интервалов средств измерений//
Метрология. — 1977. — № 10. — С. 56—60.
46. Ленюк Г. К., Савченко А. Г., Филиппов В. Е. Об установлении межповероч-
ных интервалов средств измерений с любым распределением безотказной ра-
боты// Измерительная техника.— 1984. — № 8. — С. 8—10.
47. Гродницкий С. Р. Критерии оптимизации межповерочных интервалов средств
измерений// Измерительная техника.— 1986. — № 10. — С. 8—9.
48. Горовой А. А., Доценко Б. И., Кузьмин В. П. Модель технико-экономического
обоснования создания метрологического обеспечения автоматических средств
контроля// Измерительная техника.— 1986. — № 10.— С. 54, 55.
49. Екимов А. В., Ревяков М. И. Надежность средств электроизмерительной тех-
ники.— Л.: Энергоатомиздат, 1986. — 208 с.
50. Илюкович А. М., Дюжин А. Т. Использование методов автономной поверки
в метрологической практике// Измерительная техника.— 1984. — № 9.—
С. 43—45.
51. Образцовые средства измерений и поверочные установки. Каталог. — М.:
Изд-во стандартов, 1985.— 406 с.
52. Клейнрок В. Вычислительные системы с очередями. — М.: Сов. радио,
1973.- 198 с.
53. Малышев В. М., Механников А. И. Гибкие измерительные системы// Измери-
тельная техника. — 1986. — № 12.— С. 3,4.
54. Ройтман М. С. Калибраторы переменного напряжения. — М.: Изд-во стан-
дартов, 1982. — 78 с.
55. Мирский Г. Я. Электронные измерения. — М.: Радио и связь, 1986.— 440 с.
56. Микропроцессоры. Системы программирования и отладки/ В. А. Мясников,
М. Б. Игнатьев, А. А. Кочкин и др.; Под ред. В. А. Мясникова. — М.: Энер-
гоатомиздат, 1985. — 271 с.
57. Кирьянов К. Г., Соловейчик Э. Б. К проектированию РЭА, ориентированной
на диагностику сигнатурным анализом// Техника средств связи. Сер. Ра-
диоизмерительная техника. — 1980. — Вып. 1. — С. 1—88.
58. Элиян Л. Е. Логические анализаторы// Техника средств связи. Сер. Радио-
измерительная техника. — 1981. —Вып. 6. — С. 1—22.
59. Ковалеров Г. И., Мандельштам С. М. Введение в информационную теорию
измерений. —М.: Энергия, 1974.— 376 с.
60. Цапенко М. П. Измерительные информационные системы. Структуры и алго-
ритмы, системотехническое проектирование. — М.: Энергоатомиздат, 1985.—
234
61. Новицкий П. В., Зограф И. А. Оценка погрешностей результатов измере-
ний. — Л.: Энергоатомиздат, 1985. — 248 с.
62. Коновалов Д. А., Шварев В. И. Некоторые вопросы метрологического обеспе-
чения измерительных информационных систем// Труды ВНИИЭП. — Л.:
1978. —С. 50—57.
63. Мандельштам С. М. Основные особенности поверки измерительно-вычислитель-
ных комплексов/ Труды ВНИИЭП. — Л.: 1978. — С. 43—49.
64. Бошняк Л. Л. Измерения при теплотехнических исследованиях. — Л.: Маши-
ностроение, 1974. — 448 с.
65. Игнатьев В. А., Маньшин Г. Г., Костановский В. В. Элементы теории опти-
мального обслуживания технических изделий. — Минск: Наука и техника,
1974. — 192 с.
66. Малышев В. М., Механников А. И. Гибкие измерительные системы в метро-
логии.— М.: Изд-во стандартов, 1988. — 176 с.
Предметный указатель
Анализатор:
логический 176
сигнатурный 36, 167
Аттестация метрологическая:
ведомственная 99
государственная 99
Безотказности показатель 16, 224
Быстродействие измерений 32
Вероятность:
безотказной работы 106
отказа ложного 48, 103
— необнаруженного 49, 103
Воздействие входное 209
Датчики (измерительные преобразо-
ватели) 28, 195
Диагностика средств измерений 155
Диапазон измерений 15, 31
Единообразие средств измерений 94
Единство измерений 3, 15
Задача измерительная 15
Интервал межповерочный (МПИ) 65
определение 202, 224
оптимальный 203
Интерфейс 19, 21
КАМАК 147
приборный (КОП) 19, 147
Информация:
аналоговая 17
дискретная 17
Канал измерительный 182, 185
общего пользования (КОП) 19,
20, 114
Категорирование 83
Класс точности 208, 211
Комплекс измерительно-вычислитель-
ный 183
Контакт джозефсоновский 38
Контроллер 19
Контроль измерительный 103
встроенный 135
допусковый 211
Коэффициент:
готовности 107
использования 133, 225
метрологических отказов 133, 225
скрытых отказов 65, 133
точности 63
Лаборатория измерительной техники
136
подвижная (передвижная) 137,
стационарная 137
Мера 27
Метод:
Вальда 201
поиска отказов (неисправностей)
155, 160
комбинационный 160
образцового сигнала 196
образцового прибора 197
последовательный 160
Методики:
диагностирования 160, 171
измерений 104, 117
поверки средств измерений 12,
189
Микропроцессор встроенный 153
Надежность 16
метрологическая 29, 65, 225
Надзор метрологический 12, 189
Обеспечение:
математическое 18
метрологическое 184
-----в узком смысле 10
-----в широком смысле 10
Оборудование:
диагностическое 87, 88
ремонтно-технологическое 83
технологическое 87
Объект измерений 8
Объем поверки 111
Отказ:
внезапный 133
метрологический 65
неявный 65
постепенный 133
Оценка:
погрешности 74
технического состояния 70
Планирование измерений 40
Плата интерфейсная 19
Поверка:
автоматизированная 143
автоматизированных измеритель-
ных систем 189
автономная 136
ведомственная 98
внеочередная 98, 189
государственная 98
групповая 69
датчиков (ПИП) 195
достоверность 103
инспекционная 98, 189
комплектная 100
236
первичная 98, 189
периодическая 98, 189
поэлементная 100, 193
сокращенная 115
экспертная 99
Погрешность измерений:
абсолютная 29
методическая 53
личная 54
промах 31
систематическая 30
случайная 30
относительная 30
Погрешность средства измерений:
дополнительная 31, 55
инструментальная 53
основная 31
приведенная 30
суммарная 208, 224
Поле допуска 211, 213
Полнота измерительного контроля 112
Преобразователь:
аналого-цифровой 129, 192, 194
измерительный 26
— первичный 195
цифро-аналоговый 192, 194
Приборно-модульный принцип 19
Приборы:
аналоговые 152
измерительные 27
лабораторные 9
модули 18, 21
полевые 10
производственные 9
регистрирующие 27
цифровые 153
Ремонт:
агрегатный 85
детальный 85
капитальный 84
средний 83
текущий 83, 85
Ресурс:
гамма-процентный 32
технический 13
Система:
автоматизированная измеритель-
ная 18, 22, 27, 181, 184
контрольно-измерительная 9
ремонта 81
Списание 80, 83
Способ:
поверки 189
исключения систематических по-
грешностей 71
мажоритарный 70
Среднее время восстановления 88,
218
поверки 219
ремонта 218
Средняя наработка на отказ 16, 108
Средство диагностики 151
Средства измерений и контроля:
жидкостей и газов 225
ионизирующих излучений 225
образцовые 97, 99
рабочие 10
радиотехнических величин 285
теплотехнических и механических
величин 225
электрических величин 225
Средства измерений, выбор 60, 207
Схема поверочная 94
Техника измерительная 28
Точность измерений 29, 53
времени и частоты 15
средств измерений 53
Транспортирование 78
Управление программное 16
Установка поверочная 191
Физическая величина 26
единица 26
значение 27
размер 27
Фонд обменный 13, 217
Функция интерфейсная 19, 26, 151
Характеристики:
метрологические 26, 185, 188
метрологического дрейфа 134
стабильности (нестабильности) 32
точности 29
Холловское сопротивление 39
Хранение 78
Экспертиза метрологическая 12
Эксплуатация 67, 69
автоматизированных комплексов
и систем 181
Эффект Джозефсона 36
---- Холла 39
Эффективность 40
Эталон 29, 94
вторичный 29
государственный 29, 95
групповой 29, 70
первичный 29
специальный 29
Оглавление
Предисловие ............................................................ 3
Глава 1. Средства измерений и контроля — техническая база метроло-
гического обеспечения............................................... б
1.1. Назначение измерений и контроля параметров технических
устройств ..................................................... б
1.2. Метрологическое обеспечение при разработке, производстве и экс-
плуатации технических устройств ........................... 10
1.3. Состояние средств измерений и контроля.........................14
1.4. Характеристики и свойства средств измерений....................26
Глава 2. Эффективность применения средств измерений.....................40
2.1. Планирование измерений.........................................40
2.2. Влияние средств измерений на точность и надежность технических
устройств...........................................................46
2.3. Точность измерений.............................................53
2.4. Выбор средств измерений........................................60
2.5. Методы анализа процессов технического обслуживания и поверки
средств измерений...................................................63
2.6. Пути обеспечения точности и готовности к применению средств
измерений и контроля при эксплуатации ............................. 69
Глава 3. Система эксплуатации и ремонта измерительной техники 76
3.1. Назначение и содержание работ по эксплуатации..................76
3.2. Применение средств измерений и контроля........................79
3.3. Техническое обслуживание и поверка.............................80
3.4. Ремонт.................................................... . 81
3.5. Транспортирование и хранение...................................90
3.6. Категорирование и списание.....................................92
3.7. Ведение учета и эксплуатационной документации..................93
Глава 4. Метрологический надзор за средствами измерений .... 94
4.1. Государственные и отраслевые поверочные схемы..................94
4.2. Назначение метрологической аттестации и поверки средств изме-
рений, виды поверок и способы их выполнения.........................98
4.3. Достоверность поверки.........................................103
4.4. Определение объема поверочных работ...........................111
4.5. Поверка по сокращенной программе. Методы поверки многопре-
дельных и многоцелевых средств измерений...........................115
4.6. Способы определения числа поверяемых отметок в диапазоне
измерений в аналоговых и цифровых измерительных приборах 123
4.7. Назначение и корректировка межповерочных интервалов ... 131
238
Глава 5. Лаборатории измерительной техники и их оборудование 136
5.1. Стационарные и подвижные лаборатории.......................136
5.2. Особенности оборудования лабораторий.......................141
5.3. Автоматизированные поверочные системы и комплексы . 143
Глава 6. Диагностика измерительной техники..........................151
6.1. Характеристика средств измерений различных поколений как объ-
ектов диагностирования..........................................151
6.2. Общий порядок поиска неисправностей........................155
6.3. Методы поиска отказавших элементов.........................160
Глава 7. Средства диагностики измерительной техники.................165
7.1. Простейшие контрольно-измерительные устройства.............165
7.2. Сигнатурные анализаторы....................................167
7.3. Логические анализаторы.....................................174
Глава 8. Особенности эксплуатации автоматизированных измерительных
систем и комплексов............................................181
8.1. Автоматизированные измерительные системы и комплексы как
объекты эксплуатации............................................181
8.2. Метрологическое обеспечение автоматизированных систем и ком-
плексов ........................................................184
8.3. Способы поверки автоматизированных измерительных систем . 189
8.4. Особенности поверки первичных измерительных преобразователей 195
8.5. Определение межповерочных интервалов для автоматизированных
измерительных систем............................................202
Приложение 1. Методика выбора средств измерений.....................207
Приложение 2. Методика расчета обменного фонда средств изме-
рений .........................................................215
Приложение 3. Методика назначения (корректировки) длительности
межповерочных интервалов............................................224
Список литературы...................................................232
Предметный указатель................................................236
Производственное издание
ГЕННАДИЙ ПЕТРОВИЧ БОГДАНОВ,
ВЕНИАМИН АЛЕКСЕЕВИЧ КУЗНЕЦОВ,
МИХАИЛ АЛЕКСАНДРОВИЧ ЛОТОНОВ и др.
Метрологическое обеспечение и эксплуатация измерительной техники
Заведующий редакцией В. А. Солдатенков
Редактор Э. М. Горелик
Переплет художника К. М. Просолова
Художественный редактор А. С. Широков
Технический редактор Т. Г. Родина
Корректор Л. А. Буданцева
ИБ № 2005
Сдано в набор 29.05.89. Подписано в печать 30.10.89.
Т-17638 Формат 60X88l/iв Бумага типогр. №2- Гарнитура литературная
Печать высокая Усл. пет. л. 14,70. Усл. кр.-отт. 14,70-
Уч- изд. л. 16,77. Тираж 15 000. экз Изд. № 22154
Зак. № 6768 Цена 1 р. 20 к.
Издательство «Радио и связь». 101000 Москва, Почтамт, а/я 693
Ордена Октябрьской Революции и ордена Трудового Красного Знамени МПО «Первая
Образцовая типография» Государственного комитета СССР по печати 113054, Москва,
Валовая, 28