Главная » Мануалы

1 ... 41 42 43 44 45 46 47 48

кривой нормального закона относительно истинного значения выходного сигнала у отсутствует. Вероятность непревышения случайными погрешностями допустимых значений (Аудоп) определяется заштрихованной частью площади под кривой нормального распределения. С изменением чувствительностей к влияющим факторам во времени появляется смещение кривой нормального закона относительно истинного значения выходного сигнала, что приводит к появлению систематической погрешности, изменяющейся во времени в соответствии с функцией т {Ау) = f (t). Кроме того, происходит изменение дисперсии случайных погрешностей (в данном случае увеличение), которое приводит к увеличению размаха распределения. Метрологическая надежность и в том и в другом случае уменьшается (заштрихованные площади).

Если функции изменения чувствительностей во времени известны, то для заданных параметров распределений влияющих факторов не составляет труда по формулам (14.6) и (14.21) подсчитать величину систематической погрешности и среднеквадратическое значение случайной погрешности для любого момента времени t. В этом случае m{Ay)f = (у^){у, где {y)f - относительное значение систематической погрешности для момента времени t; у - истинное значение выходного сигнала;

о(Ау)< = (Тсл)/У.

где (Vcji)/ - относительное значение среднеквадратического отклонения случайной погрешности для момента времени t.

Тогда метрологическая надежность для любого момента времени t определится как

V2G{Ay)t .

-ф

Via{Ky)t J;

Если метрологическая надежность задана на интервале времени выполнения задания 4, то в течение этого времени вероятность Р не должна опускаться ниже заданного значения Р^. Выполнение неравенства Р Р^ъ течение времени 4 определяется как начальным значением метрологической надежности Ро. так и темпами его изменения во времени. Начальное значение метрологической надежности Ро определяется чувствительностями датчика к влияющим факторам в начальный момент времени /о. а темпы его изменения - темпами изменения этих чувствительностей во времени.

Если чувствительности датчика к влияющим факторам меняются по линейному закону, т. е.

5 (0 = 5.,(0) + -.

5 (0 = 5бИ0)+4

то важнейшими параметрами, характеризующими метрологическую надежность датчика, являются коэффициенты С^.,- = AS/A и = ASfcj/A, определяющие скорости изменения чувствительностей Ski и Shi во времени;

Отсюда следует, что заданную метрологическую надежность датчика на заданном интервале времени можно обеспечить при следующих условиях:

при фиксированных значениях начальных чувствительностей Ski Ф) и Stii (0) - достижением достаточно малых значений коэффициентов и Cj,-;

при фиксированных значениях коэффициентов Cki и С^,- - достижением достаточно малых значений начальных чувствительностей Ski (0) и Бы (0).

И тот и другой путь весьма трудоемки.

В первом случае обеспечивается стабильность чувствительностей к влияющим факторам во времени, а во втором задаются запасы начальной метрологической надежности уменьшением самих чувствительностей. Выбор путей обеспечения метрологической надежности определяется в каждом конкретном случае исходя из опыта разработчика, наличия резервов совершенствования, содержащихся в конкретной конструкции датчика, и условий его применения.

Если датчик одноразового применения и время вьшолнения задания невелико, то задача обеспечения стабильности чувствительностей во времени ставится не столь остро. В случае длительного применения при отсутствии возможности перепроверки датчика стабильность чувствительностей имеет определяющее значение. Очевидно, что оценка стабильности чувствительностей (определение коэффициентов С^; и С^,) - это трудоемкий и длительный процесс, заключающийся в определении метрологических характеристик датчика через достаточно большие интервалы времени. А поскольку организовать этот процесс для датчиков, находящихся в эксплуатации (как это делается для вольтметров, частотомеров и других приборов метрологическими поверочными службами), часто невозможно, то для оценки параметров, определяющих метрологическую надежность датчика, нужно проводить испытания на специальной выборке образцов.

В тех случаях, когда в процессе эксплуатации допустима подача на вход датчика эталонных значений измеряемого параметра (так называемая сквозная тарировка тракта измерения), появляется возможность исключения всех систематических сдвигов выходного сигнала. Случайные погрешности можно уменьшить, если организовать непрерывное измерение всех влияющих факторов, действующих в точке установки датчика, и вводить поправки в каждый результат измерения. На практике организация такого обслуживания каждого датчика, как правило, затруднительна.

Однако для получения высокой метрологической надежности в ряде случаев приходится идти на преодоление этих трудностей, 436

увеличивая затраты на организацию эксперимента и вводя системы измерения влияющих факторов.

Одним из перспективных путей в Этом отношении является использование совмещенных датчиков, измеряющих несколько параметров в одной точке и позволяющих осуществлять взаимную коррекцию результатов измерения. Кроме того, целесообразно более полно использовать возможности, заключенные в самом датчике. Так, например, многие датчики содержат цепи температурной коррекции. Сигналы с термозависимых элементов этих цепей-можно использовать для введения текущих поправок в результаты измерения, исключающих влияние температуры.

Поскольку метрологическая надежность тесно связана с погрешностью измерения, то, очевидно, все пути уменьшения погрешностей являются одновременно путями увеличения метрологической надежности. Уменьшение погрешностей измерений не всегда связано с затратами. Так очевидный и широко распространенный прием, заключающийся в перенесении основной массы измерений в верхнюю часть шкалы измерительного прибора (здесь меньше относительные аддитивные составляющие погрешности), реализуется лишь более рациональной организацией (планированием) эксперимента. Суть приема заключается в искусственном сужении диапазона измерения без изменения фактических характеристик датчика (искусственно повышается нижний предел измерения датчика). При этом в соответствии с формулой

у = -(- Dyl

удельный вес аддитивных погрешностей снижается, а метрологическая надежность

повышается.

Однако при перенесении основной массы измерений в верхнюю часть шкалы повышается опасность возможных перегрузок. Исключить (уменьшить) эту опасность можно несколькими путями. Один из них состоит в проведении предварительного эксперимента обзорного характера, определяющего область фактических значений измеряемого параметра.

Другой путь - применение многопредельных датчиков, имеющих несколько упругих элементов с разной чувствительностью. При этом переход на следующий предел измерения означает снятие или ограничение на заданном уровне нагрузки на предыдущий (более чувствительный) упругий элемент. Частный случай этого пути - использование различного рода упоров и ограничителей, скачком изменяющих жесткость конструкции при достижении нагрузкой определенного значения. На рис. 16.4 схематично изображена конструкция двухпредельного тензорезисторного дат-

777/77X777777?

Рис. 16.4. Двухпре-дельный датчик

чика. Упругим элементом более чувствительного предела измерения является кольцо / с тензорезисторами 2. При увеличении нагрузки, например силы, кольцо садится на стержневой упругий элемент 3 с тензорезисторами 4, имеющий значительно большую жесткость.

Третий путь - использование датчиков с нелинейной, например логарифмической, функцией преобразования. В этом случае в области больших значений нагрузок чувствительность датчика падает (увеличивается жесткость конструкции), в то же время диапазон возможных нагрузок (значений измеряемого параметра) существенно возрастает.

В тех случаях, когда все методические приемы достижения требуемой метрологической надежности оказываются исчерпанными, приходится мириться с необходимостью существенных затрат на ее повышение.

В тех случаях, когда датчик эксплуатируют в нормальных лабораторных условиях, изменения влияющих факторов в широких диапазонах не происходит, и метрологическая надежность определяется лабораторной погрешностью

Тл = То (W) + Т/г. где Yo - приведенная аддитивная погрешность; - относительная мультипликативная погрешность.

С течением времени возможны как систематические сдвиги начального уровня выходного сигнала Ъ и коэффициента преобразования К, так и увеличение среднеквадратических отклонений этих величин, проявляющееся в увеличении уо и у и.

Если систематические сдвиги учтены поправками, то

Рл = Ф

1доп

L У2 (v..),

где (Тл)< - лабораторная погрешность для момента времени t.

Поскольку ул значительно меньше относительной среднеквадратической погрешности у, рассмотренной выше для комплекса влияющих факторов, то метрологическая надежность датчика, эксплуатирующегося в нормальных условиях, весьма высока.

Величина у^ как составляющая входит в формулу (14.21). Однако вследствие несущественности ее вклада в общую погрешность датчика для сложных условий эксплуатации стабильность Тл ранее не учитывалась.

Мы рассмотрели две составляющие надежности датчиков: механическую надежность Р„ех как вероятность неразрушения и метрологическую надежность Р„ как вероятность непревышения погрешностями заданных значений. Если ввести в рассмотрение

третью составляющую, определяющую вероятность отсутствия внезапных отказов различных элементов датчика, таких, как пайки, кабели, соединительные проводники и других, то общую надежность датчика (в случае независимости этих составляющих)

можно выразить формулой Р = Рмехм-и-

Величина Р определяет вероятность того, что за время выполнения задания (время непрерывной работы) датчик не разрушится (Риех), его погрешности будут Б пределах допустимых (Р„) и он не откажет по другим причинам {PJ-

В такой трактовке, на наш взгляд, понятие надежности датчика исчерпывает понятие достоверности результатов измерения (на выходе датчика), которое часто используется в технической литературе и которому различные авторы придают различный смысл.

Поэтому целесообразно отказаться от применения термина достоверность , поскольку все метрологические аспекты его применения исчерпываются у.же введенными терминами по ГОСТ 16263-70 и ГОСТ 8.011-72, а целесообразность использования его для обозначения понятий надежности представляется весьма спорной.

Глава 17. ИНФОРМАЦИОННО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ КАК ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ОСНОВА КВАЛИМЕТРИИ ДАТЧИКОВ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ НЕЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

17.1. НЕКОТОРЫЕ СВЕДЕНИЯ О КВАЛИМЕТРИИ

Определение и повседневное проведение в жизнь наиболее перспективной технической политики в области приборостроения было бы наиболее плодотворным, если бы такая политика могла опираться на соответствующую общую теорию развития средств измерений. Подобная теория должна позволять оценивать совершенство и эффективность конкретных средств измерений обобщенными показателями, сравнивать их с подобными показателями ранее разработанных конструкций, четко отображать динамику совершенствования конструкций средств измерения во времени, сравнивать разработки различных фирм, сопоставлять с зарубе.ж-ными и т. п.

Дело в том, что современная измерительная аппаратура для измерения электрических и, особенно, неэлектрических величин становится все более и более сложной. При проектировании новых измерительных систем и приборов ставятся все возрастающие требования в отношении их диапазона, точности, чувствительности, быстродействия, потребления и надежности не только в обычных, но и в особо жестких эксплуатационных условиях. В результате этого измерительная техника как отрасль научных знаний все более дифференцируется как по областям применения, так и по используемым методам и средствам. Эта дифференциация позволяет создать более глубокую и стройную теорию в каждой из областей. Но, с другой стороны, она приводит к резкой разобщенности этих отдельных областей из-за отсутствия общих теоретических основ, охватывающих развитие всей измерительной техники.

Нечто подобное наблюдалось в физике, когда механическое движение и теплота, свет и электричество рассматривались как отдельные, не связанные между собой явления. Введение в науку понятия энергии и открытие законов ее сохранения и преобразования позволило рассматривать различные и сложные явления с единой - энергетической точки зрения. Благодаря использованию энергетических методов анализа перед теоретической наукой открылись широчайшие возможности. Те задачи, которые могли быть решены и без энергетического подхода, но требовали громозд-

ких и сложных вычислений, теперь решаются исключительно просто. Но это не главное. Гораздо более важно, что законы сохранения и преобразования энергии привели к общему подходу к самым различным физическим явлениям, объединили науки, которые до этого, казалось, не имели между собой ничего общего и дали невиданный толчок развитию общего физического миропонимания и господству человека над силами природы.

Энергетика оперирует сейчас, при анализе стоящих перед нею задач, весьма обобщенными показателями. Так, показатель выработки энергии или энергетический КПД является настолько универсальным, что позволяет сравнивать между собой самые разнообразные энергетические устройства.

Аналогичных широких обобщений в теории средств измерений пока еще нет. Все показатели, используемые для характеристики измерительных устройств, являются разобщенными и не связанными между собой. Оценивая средства измерений, указывают отдельно погрешность прибора в конце его шкалы и в ее начале, рабочий диапазон прибора, его потребление, быстродействие и т. д. Какие-либо совокупные оценки качества, подобные выработке энергии или КПД энергетических устройств, в приборостроении пока отсутствуют.

Правда, попытки энергетического подхода к анализу измерительных устройств уже не раз предпринимались многими авторами [5, 7, 69, 111 ], однако прямой количественной связи между энергетическими и точностными показателями приборов и их стоимостью, сложностью и надежностью установлено не было.

Дело в том, что чисто энергетические соотношения не являются полностью определяющими с точки зрения основных задач техники получения и передачи информации. В настоящее время в этой области наукой, дополняющей энергетическую физику, становится кибернетика и ее теоретические основы в виде теории информации. Введение в науку понятия информации и изучение общих законов ее передачи и преобразования открывает возможность количественного рассмотрения различных процессов с единой, информационной, точки зрения.

В этих условиях становится очевидным, что более общие теоретические основы могут быть созданы путем использования и развития общих законов преобразования информации применительно к специфике средств измерений, т. е. путем разработки общей информационной теории средств измерений.

Попытки практического применения энергетического анализа измерительных устройств,как уже было отмечено,предпринимались различными авторами уже не один раз. Дело, однако, заключается в том, что во всех этих работах анализ энергетической эффективности и анализ точности измерительных устройств велись независимо друг от друга. Предполагалось, что улучшение энергетического КПД цепей измерительного устройства приводит к улучшению его точностных показателей. Для определения энергетических

оптимумов этого чисто качественного соотношения между точностью и КПД вполне достаточно. Однако количественные соотношения между затрачиваемой энергией и достигаемой точностью при таком анализе определить невозможно.

Из всего практического опыта приборостроения совершенно бесспорно следует, что энергия, затрачиваемая в измерительном устройстве, и его точность тесно взаимосвязаны, однако получить аналитическое соотношение между этими параметрами чисто энергетическим методом, по-видимому, невозможно.

Наиболее близко к решению этого вопроса находился Л. Брил-люэн [18]. Однако, исследуя связь между информацией и энергией, Бриллюэн сосредоточил все внимание на вопросе извлечения энергии из информации, т. е. на вопросе построения энергетического устройства, для которого источником энергии служила бы информация, и убедился, что энергетический эквивалент информации очень мал.

На этом основании Бриллюэн сделал вывод, что в технике негэнтропийно-информационные построения никакого практического значения иметь не могут. Однако впоследствии оказалось, что соотношения между энергией и информацией приводят к весьма важным соотношениям в теории измерительных устройств и могут составить основу для анализа их совершенства и эффективности, т. е. основу квалиметрии измерительных устройств.

Квалиметрия - это научное направление о количественных закономерностях формирования различных показателей качества продукции в сферах проектирования, изготовления, эксплуатации и методах их численного определения. Это научное направление, развивающееся в последние годы, ставит своей целью раскрытие объективных связей между затрами на создание тех или иных продуктов или изделий и достигаемым в результате этих затрат полезным эффектом, т. е. качеством продуктов труда.

Под качеством изделия в квалиметрии подразумевается не просто надежность изделия (наука о надежности изделий - это лишь один из разделов квалиметрии), а весь объем достигаемого полезного эффекта. В марксистской философии полный объем полезного эффекта того или иного продукта труда понимается как его потребительная стоимость, а общественно-необходимые затраты на достижение данной потребительной стоимости - как стоимость данного продукта труда.

С этих позиций все показатели качества любого изделия можно разделить на две группы: критерии полезного эффекта, полученного в результате его создания, и критерии затрат на достижение этого полезного эффекта.

Полезный эффект, полученный в результате создания изделия, может оцениваться одним показателем (например, погрешность датчика) или несколькими показателями (когда кроме погрешности, учитывается быстродействие, мощность, потребляемая в измерительной цепи, предел измерения и т. д.). В последнем случае от-442

Критерии Эффективности.

Обобщенные иратераи Эф/рента

Обобщенные критерии затрат

Частные иритериа зфсреитивноста

JaowHbie критерии ЭффЕИта

Частные

критерии

Рис. 17.1. Структура образования критериев качества

дельные показатели полезного эффекта можно назвать частными критериями (показателями). Термин частный критерий эквивалентен по смыслу термину единичный показатель по ГОСТ 15467- 70 и обозначает характеристику отдельного свойства изделия.

Оценка полезного эффекта только частными критериями при большом их числе неудобна, поскольку затрудняет сравнительный анализ изделий. Действительно, сравнить два изделия, например по пяти

частным показателям, по каждому из которых одно изделие может быть как лучше, так и хуже другого, практически невозможно. Поэтому в таких случаях на основе частных показателей конструируют обобщенный показатель (критерий) полезного эффекта, объединяющий в правильных соотношениях все учитываемые частные показатели. Обобщенный критерий эквивалентен комплексному показателю по ГОСТ 15467-70.

Частные и обобщенные критерии используют и для оценки затрат. Критериями затрат могут быть себестоимость, цена, масса изделия, занимаемый им объем, потребляемая мощность и т. д. Универсальным обобщенным критерием затрат является стоимость в денежном выражении, причем структура затрат в сферах проектирования, производства и эксплуатации различна.

Достигнутый полезный эффект и затраты на его достижение, рассматриваемые в отдельности, еще не характеризуют в полной мере успехи разработчиков и создателей изделий. Для оценки технико-экономического уровня изделий используют критерии эффективности (интегральные показатели по ГОСТ 15467-70), которые могут применяться в двух формах:

критерий эффективности затрат, показывающий величину достигнутого эффекта, приходящуюся на единицу затрат;

стоимость единицы достигнутого эффекта, которая показывает величину затрат в той или иной форме, приходящуюся на единицу достигнутого эффекта.

Структура показателей качества (рис. 17.1), помимо рассмотренных, содержит частные критерии эффективности, определяемые соотношением частных критериев эффекта и затрат.

Если состав стоимости разработки, производства и эксплуатации различных изделий изучается и определяется экономикой соответствующих отраслей промышленности (экономикой энергетики, экономикой приборостроения и т. д.), то численное определение объема полезного технического эффекта, т. е. потребитель-

ной стоимости технических изделий, - это задача конкретных технических наук.

Так, например, понятия одного киловатта установленной мощности электростанции или одного киловатт-часа выработанной электроэнергии устанавливаются электротехникой. Лишь после установления этих понятий экономика получает возможность оценивать эффективность тех или иных технических решений электроэнергетики, характеризуя их стоимостью, приходящейся на 1 кВт установленной мощности или стоимостью 1 кВт-ч выработанной электроэнергии и т. д.

Применительно к средствам измерения их потребительная стоимость определяется полным объемом возможностей, который обеспечивает данное средством измерения. Ясно, что более чувствительный прибор имеет больший объем возможностей, чем малочувствительный, так как он позволяет выполнять как грубые, так и точные измерения, более быстродействующий может измерять как медленно, так и быстро изменяющиеся величины, в то время как менее быстродействующий прибор не имеет таких возможностей. Так, для амперметра, микроамперметра или гальванометра объем возможностей тем больше, чем больше его рабочий диапазон D и чем меньше его погрешность у, предел измерения / (тем выше его чувствительность), входное сопротивление г амперметра и время установления показаний t.

Средства измерения могут быть как очень простыми, так и весьма сложными. Для создания простого прибора с большой погрешностью, большим временем установления показаний и большим потреблением энергии от объекта измерения не требуется больших усилий со стороны разработчика. Такой прибор содержит мало деталей, имеет малую массу и габаритные размеры, а следовательно, и малую стоимость производства. Он надежен в эксплуатации (мало деталей - мало поломок), поэтому малы и эксплуатационные расходы. Однако у такого прибора очень мал и объем возмонностей.

Для достижения большого объема возможностей разработчик вынужден идти на резкое усложнение прибора. Большой прибор содержит многие сотни деталей, имеет большую массу и высокую стоимость производства, а его сложность приводит к низкой надежности и большим расходам на ремонт при эксплуатации. Однако каких-либо других путей для достижения больших объемов возможностей, т. е. высокой точности, быстродействия, большого диапазона и чувствительности, кроме повышения затрат, не существует.

И действительно, статистическое сопоставление затрат на создание различных средств измерения в виде числа радиотехнических деталей (диодов, транзисторов, резисторов, конденсаторов и т. п.), массы средств измерения (электромеханических приборов, датчиков, электронных узлов), их стоимости и надежности или эксплуатационных расходов показывает, что все эти виды затрат 444

1 ... 41 42 43 44 45 46 47 48