Надежность средств измерений

Средства измерений, как и лю­бые технические устройства и систе­мы, имеют ограниченный срок «жиз­ни» (ресурс), так как они морально и физически изнашиваются, т. е. «стареют». Моральное устаревание происходит вследствие развития науки и техники. При физическом старении (износе) средство измере­ний не выдерживает гарантированных изготовителем границ погреш­ностей, что выявляется при перио­дических поверках данного средства.

В связи со сказанным возникают проблемы надежности измеритель­ных средств, тесно связанные с их свойствами и погрешностью изме­рений. Под надежностью средства измерений понимают вероятность того, что оно может функциониро­вать в предписанных условиях без нарушения заданных границ харак­теристик и параметров, в частности, границ погрешностей.

Выход за пределы поля допуска (метрологическая надежность) сле­дует отличать от полного отказа (аппаратурная надежность), однако это отличие условно. Выход за пре­делы поля допуска и полный отказ представляют собой случайные со­бытия, оцениваемые вероятностью безотказной работы (являющейся одним из показателей надежности). Показатели надежности можно за­дать по опыту длительной эксплуа­тации средств измерений либо по результатам ускоренных испытаний таких средств с повышенными тре­бованиями к эксплуатационным па­раметрам. Для сложных устройств и систем показатели надежности оценивают по характеристикам на­дежности отдельных элементов этих устройств (систем), рассмотренным ниже.

Надежность работы техническо­го устройства до его катастрофи­ческого отказа (утраты работоспо­собности), при котором оно не мо­жет продолжать выполнять свои функции, оценивают вероятностны­ми характеристиками случайной ве­личины - наработки до отказа Т. Под наработкой понимают продол­жительность или объем работы уст­ройства, измеряемые в часах, цик­лах, километрах или других едини­цах. Полную характеристику любой случайной величины дает ее закон распределения, т. е. соотношение между возможными значениями случайной величины (в данном слу­чае - наработки до отказа) и соответ­ствующими этим значениям вероят­ностями. Распределение наработки до отказа может быть описано с по­мощью различных показателей на­дежности неремонтируемых уст­ройств. К их числу относятся: а) функция надежности R(t); б) плот­ность распределения наработки до отказа (является производной функ­ции надежности); в) интенсивность отказов (t); г) функция ненадеж­ности 1- R(t).

Чаще других показателей надеж­ности на практике используют ин­тенсивность отказов (t) - условную плотность вероятности возникнове­ния отказа неремонтируемого уст­ройства, определяемую для рас­сматриваемой наработки, если до этой наработки отказа не было. Интенсивность отказов можно рас­сматривать как относительную ско­рость уменьшения значений функ­ции надежности с увеличением ин­тервала (0, t) либо как количество устройств из заданного количества однотипных устройств, отказавших в интервале времени наблюдения:

Здесь R(t) -непрерывная и диффе­ренцируемая функция. График ин­тенсивности отказов стареющего устройства представляет собой пря­мую, (t) = const.

Рис. иллюстрирует характер графической зависимости интенсив­ности отказов от времени старения T_A для электронных элементов и уст­ройств, а рис. на следующей странице - характер такой зависимости для механических уст­ройств и систем, у которых первые эксплуатационные отказы появля­ются раньше, чем у электронных устройств.

При анализе надежности разли­чают системы нерезервируемые и резервируемые. В последних отка­завший элемент заменяется резерв­ным работоспособным; такие систе­мы рассматривают как параллель­ные. Считается, что нерезервируемые системы имеют последовательную структуру (последовательно вклю­ченные элементы).

При расчете надежности R_s не­резервируемой системы, состоящей из r элементов, их полагают неза­висимыми (в смысле отказов) и ука­занную надежность определяют как произведение вероятностей р_i безот­казной работы этих элементов: .

Е сли функция надежности для каж­дого из элементов системы может быть принята экспоненциальной, то, как доказано, интенсивность отка­зов системы равна , а надежность системы определяется выражением .

Интенсивности отказов, опреде­ленные для конкретных элементов и приборов, выдерживаются лишь при соблюдении требуемых нор­мальных условий их эксплуатации, включая и нагрузки. В экстремаль­ных условиях эксплуатации интен­сивность отказов возрастает и необ­ходимо вводить поправочные коэф­фициенты, учитывающие эти усло­вия. Так, на основе опыта известно, что для средств измерений, установ­ленных на кораблях, этот коэффи­циент равен 20, на самолетах - 150, а на современных ракетах достигает 1000.

Важное значение с точки зрения эксплуатационной надежности про­мышленных СИ имеет их защищен­ность от климатических, химичес­ких, механических и иных воздейст­вий, которые могут приводить к по­явлению дополнительных погреш­ностей измерений, повреждению или отказу в работе. При этом исполь­зуются как внутренние (схемотехни­ческие) средства (защита от перена­пряжения, короткого замыкания и т. п.), так и конструктивные меры. К последним следует отнести выбор конструкционных материалов с со­ответствующими свойствами и ис­полнение СИ, предусматривающее защиту против климатических, ра­диационных, механических и прочих вредных воздействий. Для этих це­лей во многих странах разработаны и действуют нормы по исполнению средств измерений, в частности, для различных климатических условий эксплуатации с учетом перепадов температур и влажности, с повы­шенной вибро-, пыле- и влагозащищенностью, с защитой от электро­магнитных помех и ионизирующего излучения. Кроме того, существуют нормы исполнения средств измере­ний, учитывающие требования без­опасности обслуживающего персо­нала и окружающей среды.

Эталоны времени и частоты

Измерения времени и частоты колебаний тесно связаны друг с другом, и их единица воспроизводится одним и тем же эталоном. Астрономические шкалы времени базируются на явлениях вращения Земли вокруг собственной оси и обращения Земли вокруг Солнца по слегка эллиптической орбите. Однако такие шкалы не могут быть достаточно точными т. к. параметры движения небесных тел не постоянны.

В 1967 г. XIII Генеральная конференция по мерам и весам постановила, что квантовый переход между линиями сверхтонкой структуры атома ¹³³Cs, а именно невозмущенный внеш­ними полями переход F = 4, m_F = 0 F = 3; m_F = 0 основного состояния ²S_1/2, дает частоту 9,192631770 ГГц точно. Тем самым определяется, и единица вре­мени — секунда — как интервал времени, в течение которого совершается 9 192 631 770 колебаний излучения при этом переходе.

Ядро атома цезия, обладающее магнитным моментом (спин I=7/2), взаимо­действует с магнитным моментом валентного электрона (спин I=1/2). Это и приводит к расщеплению основного электронного уровня атома на ряд под­уровней т. е. к образованию так называемой сверхтонкой структуры. Частоты, соответствующие переходам между уровнями сверхтонкой структуры, попадают в диапазон радиочастот. Очень важно, что энергия перехода между уровнями сверхтонкой структуры, а стало быть, и соответствующая частота, очень мало зависят от внешних магнитных полей.

В эталонах удается настолько снизить напряженность внешних магнитных полей, что смещение частоты, соответствующей используемому переходу, со­ставляет всего 10^-12 от частоты при полном отсутствии внешних магнитных полей. От других параметров (электрического поля, давления, плотности пучка и т. п.) частота перехода зависит еще меньше.

На рис. приведена схема цезиевого атомно-лучевого эталона времени и частоты.

Источник 1 атомного пучка представляет собой контейнер из металла, стойкого по отношению к щелочам. В стенке контейнера имеются каналы, фор­мирующие пучок. Температура источника 100  150°С. Магниты 2 служат для сортировки атомов пучка по состояниям сверхтонкой структуры: выделяются атомы, находящиеся в состояниях F = 3, m_F =0 и F =4, m_F = 0.

К резонаторам 3 подводится сверхвысокочастотный сигнал, частоту кото­рого можно в некоторых пределах изменять около значения 9192631770 Гц. В результате действия этого сигнала, выделенные атомы переходят из состоя­ния F = 3, m_F =0 в состояние F =4, m_F = 0 или обратно. Второй сортирующий маг­нит выделяет из пучка только те атомы, которые перешли из одного состояния в другое в результате взаимодействия с полем сигнала. Атомы, совершившие переход, попадают в приемник 4 и регистрируются индикатором 5.

Если частота подводимого сигнала точно соответствует частоте перехода, то показания индикатора максимальны. Если же частота сигнала отличается от частоты перехода, то показания индикатора резко уменьшаются. Это и слу­жит основой стабилизации частоты. Частота сигнала, соответствующая максимальным показаниям индикатора, принимается за 9192631770 Гц.

Все узлы установки помещены в камеру, в которой поддерживается высо­кий вакуум.

Стабильность эталона с атомным пучком цезия равна 10^-11, в настоящее время их используют службы времени и частоты.

П ринцип работы водородных генераторов (на атомарном водороде) осно­ван на использовании квантового перехода между состояниями F = 1, m_F = 0 и F = 0, m_F = 0 в сверхтонкой структуре основного состояния атомов водорода частота которого при отсутствии внешних воздействий постоянна и равна 1420405751,8 Гц.

Схема и принцип действия водородного генератора изображены на рис.

Атомы водорода получаются в источнике 1, представляющем собой стек­лянную трубку, где происходит диссоциация молекул водорода под действием высокочастотного электрического разряда. Пучок атомов водорода выходит из источника через коллиматор, обеспечивающий его направленность, и попадает в поле шестиполюсного аксиального магнита 2. В сильном неоднородном поле, создаваемом этим магнитом, происходит пространственная сортировка атомов в пучке, так что атомы, находящиеся на уровне F = 1, m_F = 0, фокусируются на вход накопительной ячейки 3, которая расположена внутри высокодобротного объемного резонатора 4, настроенного на частоту используемого перехода.

Конструкция ячейки такова, что атомы находятся в резонаторе около секун­ды. Ее стенки покрыты фторопластом, в результате чего даже при более чем 10⁵ соударениях атома водорода со стенкой его энергетическое состояние не меняется.

Взаимодействие возбужденных атомов с высокочастотным полем резонато­ра в течение секунды повышает вероятность их перехода в нижнее энергетиче­ское состояние и вызывает самовозбуждение генератора, а также увеличивает добротность линии излучения и соответственно стабильность частоты генератора.

Для уменьшения влияния внешних магнитных полей на частоту водородно­го генератора резонатор помещают в многослойный экран 5.

В Государственном первичном эталоне времени и частоты используются квантовые меры, в которых за опорную принимается частота, соответствующая частоте энергетического перехода в атомах или молекулах выбранного вещест­ва. Квантовые меры подразделяются на реперы и хранители. Они различаются тем, что реперы включаются эпизодически с целью осуществления поверок и регулировок средств измерения частоты, а хранители (часы) работают непре­рывно и для них определяется значение фазы выходного сигнала относительно некоторого начального момента. Таким образом, квантовые меры частоты (ре­перы) обеспечивают воспроизведение единицы времени и частоты, а квантовые часы (хранители времени) служат для воспроизведения шкал времени ТА (SU) и UTC(SU).

В состав Государственного первичного эталона входят: цезиевый репер; цезиевые часы; водородные реперы и часы; рубидиевые часы (квантовый гене­ратор на рубидии с оптической накачкой); аппаратура внутренних и внешних сличений эталонов и аппаратура средств обеспечения.

Цезиевый репер, входящий в состав эталона, включается два раза в месяц, и с его помощью определяют частоту рубидиевых часов, отличающихся высокой кратковременной стабильностью (порядка 1*10^-13 —2*10^-13 в течение 110 с, за сутки приблизительно на два порядка хуже). Одновременно путем сравнения с частотой рубидиевых часов, определяют частоту водородных реперов. После этого в течение полумесяца с ними сравнивают основные хранители эталона — водородные и цезиевые часы.

Государственный первичный эталон времени и частоты обеспечивает воспроизведение единиц с относительным средним квадратическим отклонением результата измерений, не большим 1 * 10^-13, при неисключенной относительной систематической погрешности, не превышающей 1*10^-12.