Технические науки/6.Электротехника и радиоэлектроника

 

Аспирант Нистратов М.И.

Тамбовский государственный технический университет

МЕТРОЛОГИЧЕСКАЯ НАДЕЖНОСТЬ ЭЛЕКТРОННЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СРЕДСТВ С УЧЕТОМ ВЛАЖНОСТИ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

 

Метрологическая надежность (МН) является характеристикой качества измерительных средств (ИС), определяющей их свойство сохранять во времени метрологические характеристики в пределах установленных норм при эксплуатации в заданных режимах и условиях использования. В общем потоке отказов ИС доля метрологических отказов составляет, по разным оценкам, от 40 до 100% [1].

Особенность метрологических отказов измерительных средств состоит прежде всего в скрытом постепенном характере их проявления. Такие отказы не удается описать методами классической теории надежности (экспоненциальным законом, законом Пуассона). Поэтому для оценки показателей МН приходится использовать другие математические методы [2]. Кроме того, в реальных условиях эксплуатации ИС подвергается воздействию окружающей среды. Продолжительность этих воздействий ускоряет процесс старения ИС, сопровождающийся ухудшением их метрологических характеристик.

Разработка методов оценки  МН ИС с учетом воздействия внешних влияющих факторов является задачей, решение которой позволит потребителю более точно определить МН на любой момент времени их эксплуатации в реальных условиях, правильно выбрать сроки поверок и профилактических работ.

Для решения задачи оценки МН разработан метод аналитико-вероятностного прогнозирования состояния метрологических характеристик и показателей метрологической надежности измерительных средств [3].

Недостатком метода, существенно сокращающим возможности его использования, является неучет влияния внешних факторов на параметры комплектующих элементов ИС. Поэтому представляется целесообразным оценка показателей МН при эксплуатации ИС в условиях, отличающихся от лабораторных. В качестве определяющего внешнего фактора в статье рассматривается влажность окружающей среды. Проникновение влаги внутрь компонентов приводит к изменению параметров комплектующих элементов, а также ускоряет старение элементной базы ИС, тем самым снижая метрологический ресурс. Таким образом, скорость изменения метрологической характеристики во времени зависит от условий эксплуатации ИС. Для выявления влияния условий эксплуатации на параметры процесса изменения во времени метрологической характеристики ИС требуется определить зависимости скорости изменения параметров комплектующих элементов ИС во времени от внешних влияющих факторов (таких, как температура, влажность).

Исходными данными при этом могут быть справочные значения, описывающие скорость старения комплектующих элементов при нормальных условиях  и экспериментально определяемые параметры законов ускоренного старения.

Проведенный анализ показал, что изменение параметров элементов обусловлено как параметрическими, так и структурными изменениями. Параметрические изменения обусловлены влиянием свойств внешней среды на параметры материалов компонентов (проводимость, диэлектрическая постоянная и т.д.). Параметрические изменения характеризуются коэффициентом влажности, описывающим относительное изменение параметра элемента при изменении влажности. Например, влажностный коэффициент емкости  определяется как относительное изменение емкости при изменении относительной влажности на 1%:

                                              ,                                             (1)

где  - емкость при относительной влажности  (нормальные условия эксплуатации),  - емкость при относительной влажности  (условия эксплуатации ИС).

Структурные изменения обусловлены физико-химическими процессами, протекающими в материалах с течением времени (диффузия, коррозия, гидролиз и т.д.), то есть они описывают старение элементов. Скорость старения при нормальных условиях  характеризуется справочными данными – максимальным изменением параметра элемента  за срок сохраняемости .

При длительном подвергании элементов повышенной влажности окружающей среды скорость старения возрастает. Количественно ускоренное старение характеризуется коэффициентом ускорения и описывается уравнением Холлберга-Пека [4]:

                                      ,                                     (2)

где  - энергия активации деградационного процесса (эВ);  - константа Больцмана ();  - степенной показатель;  - температура в нормальных условиях.

То есть, ускоренное старение описывается выражением:

                                         .                                         (3)

С учетом выражений (2), (3) математическая модель изменения во времени параметров элементов, учитывающая влияние влажности на процесс старения, имеет вид:

                          ,                          (4)

где  - изменение во времени параметра элемента, учитывающее влияние влажности окружающей среды.

Таким образом, используя в процедуре статистического моделирования математические модели элементов вида (4) возможно оценить метрологическую надежность  исследуемых ИС с учетом влажности окружающей среды.

Основным показателем МН является метрологический ресурс, определяемый временем пересечения реализаций нестационарного случайного процесса изменения метрологической характеристики границ поля допуска. Решение задачи прогнозирования метрологического ресурса рассмотрено на примере исследования преобразователя напряжение-частота.

Произведен анализ метрологического ресурса преобразователя напряжение-частота. Нормируемой метрологической характеристикой преобразователя является основная относительная погрешность . Проведено статистическое моделирование коэффициента преобразования и основной относительной погрешности во времени эксплуатации с учетом влияния влажности на элементную базу блока по выражениям вида (4).

По результатам статистического моделирования была построена математическая модель метрологической характеристики ИС и найден метрологический ресурс преобразователя. Уравнение метрологической исправности блока запишется в виде:

                                          , ,                                         (5)

где  - допустимое значение основной относительной погрешности преобразователя;  - коэффициент преобразования преобразователя напряжение-частота;  - номинальный коэффициент преобразования.

Результаты моделирования показали, что при относительной влажности  метрологический ресурс составил 45500 часов, при  метрологический ресурс составил 18940 часов. То есть при увеличении относительной влажности окружающей среды с 50% до 93% при температуре окружающей среды  метрологический ресурс уменьшился в 2,4 раза при доверительной вероятности . Таким образом, концентрация влаги в воздухе оказывает существенное влияние на величину метрологического ресурса и метрологическую надежность электронных измерительных средств.

 

Литература:

1.     Фридман А.Э. Теория метрологической надежности средств измерений// Измерительная техника. – 1991. - №11. – с. 3-10.

2.     Динамика погрешностей средств измерений/ П.В. Новицкий, И.А. Зограф, В.С. Лабунец. – Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1990 – 192 с.

3.     Мищенко С.В., Цветков Э.И., Чернышова Т.И. Метрологическая надежность измерительных средств – М.: Машиностроение, 2001. - 218 с.

4.     D. Stewart Peck, «Comperhensive Model for Humidity Testing Correlation», 24th Annual Proceedings of the International Reliability Physics Symposium, IEEE, 1986. pp. 44-50.