Лекции по метрологии (866861), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Поверочные схемы. Содержание и построение».Надёжность средств измерений.Средства измерений имеют ограниченный срок «жизни» (ресурс), так какони морально и физически изнашиваются, т. е. «стареют». Моральноеустаревание происходит вследствие развития науки и техники. Прифизическом старении средства измерений не выдерживаютгарантированных изготовителем границ погрешностей, что выявляется приповерках.В связи со сказанным возникают проблемы надежности измерительныхсредств, тесно связанные с их свойствами и погрешностью измерений.Надёжность – вероятность того, что средство измерения можетфункционировать в предписанных условиях без нарушения заданных границхарактеристик и параметров, в частности, границ погрешностей.Выход за пределы поля допуска (метрологическая надежность) следуетотличать от полного отказа (аппаратурная надежность), однако этоотличие условно.
Выход за пределы поля допуска и полный отказпредставляют собой случайные события, оцениваемые вероятностьюбезотказной работы (являющейся одним из показателей надежности).Показатели надежности можно задать по опыту длительной эксплуатациисредств измерений или по результатам ускоренных испытаний такихсредств с повышенными требованиями к эксплуатационным параметрам.Для сложных устройств и систем показатели надежности оценивают похарактеристикам надежности отдельных элементов этих устройств(систем).8IID11Надежность работы до его катастрофического отказа (утратыработоспособности), при котором оно не может продолжать выполнятьсвои функции, оценивают вероятностными характеристиками случайнойвеличины – наработки до отказа Т.Интенсивность отказов ( ) - условная плотность вероятностивозникновения отказа неремонтируемого устройства, определяемая длярассматриваемой наработки, если до этой наработки отказа не было.Интенсивность отказов можно рассматривать как относительнуюскорость уменьшения значений функции надежности с увеличениеминтервала (0, t) либо как количество устройств из заданного количестваоднотипных устройств, отказавших в интервале времени наблюдения:( )=()− ( )( )=−()( )Здесь ( ) – непрерывная и дифференцируемая функция.График интенсивности отказов стареющего устройства представляетсобой прямую ( ) =.92Наработка - продолжительность или объём работы устройства,измеряемые в часах, циклах, километрах или других единицах.Полную характеристику любой случайной величины дает ее законраспределения, т.
е. соотношение между возможными значениямислучайной величины (в данном случае - наработки до отказа) исоответствующими этим значениям вероятностями. Распределениенаработки до отказа может быть описано с помощью различныхпоказателей надежности неремонтируемых устройств. К их числуотносятся:а). Функция надежности ( )б). Плотность распределения наработки до отказа (является производнойфункции надежности)в). Интенсивность отказов ( )г). Функция ненадёжности (1 − ( ))11IID2Рисунок иллюстрирует характер графической зависимости интенсивностиотказов от времени старения для электронных элементов и устройств.Рисунок иллюстрирует характер графической зависимости интенсивностиотказов от времени старения для механических устройств и систем, укоторых первые эксплуатационные отказы появляются раньше, чем уэлектронных устройств.При анализе надежности различают системы нерезервируемые ирезервируемые.
В последних отказавший элемент заменяется резервнымработоспособным; такие системы рассматривают как параллельные.Считается, что нерезервируемые системы имеют последовательнуюструктуру (последовательно включенные элементы).нерезервируемой системы, состоящей из rПри расчете надежностиэлементов, их полагают независимыми (в смысле отказов) и указаннуюнадежность определяют как произведение вероятностей безотказнойработы этих элементов:"=!#10( ), а надежность системы определяетсябыть принята экспоненциальной, то, как доказано, интенсивность отказоввыражением=%∑"#( ).Интенсивности отказов, определенные для конкретных элементов иприборов, выдерживаются лишь при соблюдении требуемых нормальныхусловий их эксплуатации, включая и нагрузки. В экстремальных условияхэксплуатации интенсивность отказов возрастает и необходимо вводитьпоправочные коэффициенты, учитывающие эти условия.
Так, на основеопыта известно, что для средств измерений, установленных на кораблях,этот коэффициент равен 20, на самолетах - 150, а на современных ракетахдостигает 1000.Важное значение с точки зрения эксплуатационной надёжностипромышленных средств измерения имеет их защищённость отклиматических, химических, механических и иных воздействий, которыемогут приводить к появлению дополнительных погрешностей измерений,повреждению или отказу в работе. При этом используются как внутренние(схемотехнические) средства (защита от перенапряжения, короткогозамыкания и т.
п.), так и конструктивные меры (выбор конструкционныхматериалов с соответствующими свойствами и исполнение средствизмерений, предусматривающее защиту против климатических,радиационных, механических и прочих вредных воздействий). Для этих целейво многих странах разработаны и действуют нормы по исполнению средствизмерений, в частности, для различных климатических условийэксплуатации с учетом перепадов температур и влажности, с повышеннойвибро-, пыле- и влагозащищенностью, с защитой от электромагнитныхпомех и ионизирующего излучения.
Кроме того, существуют нормыисполнения средств измерений, учитывающие требования безопасностиобслуживающего персонала и окружающей среды.112системы равна ( ) = ∑"#11IIDЕсли функция надежности для каждого из элементов системы может11IIDЭталоны времени и частоты.В 1967 г.
XIII Генеральная конференция по мерам и весам постановила, чтоквантовый переход между линиями сверхтонкой структуры атома 133Cs, аименно невозмущённый внешними полями переход& = 4, )* = 0 ↔ & = 3, )* = 0 основного состояния /_- // , даётчастоту 9,192631770 ГГц точно. Тем самым определяется, и единицавремени — секунда — как интервал времени, в течение которогосовершается 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), что приводит к расщеплению основного электронного уровняатома на ряд подуровней, т. е. к образованию так называемой сверхтонкойструктуры.
Частоты, соответствующие переходам между уровнямисверхтонкой структуры, попадают в диапазон радиочастот. Энергияперехода между уровнями сверхтонкой структуры и соответствующаячастота очень мало зависят от внешних магнитных полей.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 2служат для сортировки атомов пучка по состояниям сверхтонкойструктуры: выделяются атомы, находящиеся в состояниях122Измерения времени и частоты колебаний тесно связаны друг с другом, и ихединица воспроизводится одним и тем же эталоном.
Астрономическиешкалы времени базируются на явлениях вращения Земли вокруг собственнойоси и обращения Земли вокруг Солнца по слегка эллиптической орбите.Однако такие шкалы не могут быть достаточно точными т. к. параметрыдвижения небесных тел не постоянны.IID11& = 3, )* = 0 и & = 4, )* = 0.2К резонаторам 3 подводится сверхвысокочастотный сигнал, частотукоторого можно в некоторых пределах изменять около значения 9192631770Гц.
В результате действия этого сигнала, выделенные атомы переходят изсостояния & = 3, )* = 0 в состояние & = 4, )* = 0 или обратно. Второйсортирующий магнит выделяет из пучка только те атомы, которыеперешли из одного состояния в другое в результате взаимодействия с полемсигнала. Атомы, совершившие переход, попадают в приёмник 4 ирегистрируются индикатором 5, показания которого максимальны, есличастота подводимого сигнала точно соответствует частоте перехода;если же частота сигнала отличается от частоты перехода, то показанияиндикатора резко уменьшаются. Это и служит основой стабилизациичастоты. Частота сигнала, соответствующая максимальным показанияминдикатора, принимается за 9192631770 Гц.Все узлы установки помещены в камеру, в которой поддерживается высокийвакуум.Стабильность эталона с атомным пучком цезия равна 10время их используют службы времени и частоты.13, в настоящее2Схема водородного генератора.11IIDЛекция №3.Принцип работы водородных генераторов (на атомарном водороде) основанна использовании квантового перехода между состояниями& = 1, )* = 0 и & = 0, )* = 0 в сверхтонкой структуре основногосостояния атомов водорода, частота которого при отсутствии внешнихвоздействий постоянна и равна 1420405751,8 Гц.Атомы водорода получаются в источнике 1, представляющем собойстеклянную трубку, где происходит диссоциация молекул водорода поддействием высокочастотного электрического разряда.
Пучок атомовводорода выходит из источника через коллиматор, обеспечивающий егонаправленность, и попадает в поле шестиполюсного аксиального магнита 2.В сильном неоднородном поле, создаваемом этим магнитом, происходитпространственная сортировка атомов в пучке, так что атомы,находящиеся на уровне & = 3, )* = 0 , фокусируются на вход накопительнойячейки 3, которая расположена внутри высокодобротного объёмногорезонатора 4, настроенного на частоту используемого перехода.Конструкция ячейки такова, что атомы находятся в резонаторе околосекунды. Её стенки покрыты фторопластом, в результате чего даже приболее чем 102 соударениях атома водорода со стенкой его энергетическоесостояние не меняется.Взаимодействие возбуждённых атомов с высокочастотным полемрезонатора в течение секунды повышает вероятность их перехода внижнее энергетическое состояние и вызывает самовозбуждениегенератора, а также увеличивает добротность линии излучения исоответственно стабильность частоты генератора.Для уменьшения влияния внешних магнитных полей на частоту водородногогенератора резонатор помещают в многослойный экран 5.14IID11В Государственном первичном эталоне времени и частоты используютсяквантовые меры, в которых за опорную принимается частота,соответствующая частоте энергетического перехода в атомах илимолекулах выбранного вещества.В состав Государственного первичного эталона входят: цезиевые репер ичасы; водородные реперы и часы; рубидиевые часы (квантовый генератор нарубидии с оптической накачкой); аппаратура внутренних и внешнихсличений эталонов и аппаратура средств обеспечения.Цезиевый репер, входящий в состав эталона, включается два раза в месяц, ис его помощью определяют частоту рубидиевых часов, отличающихсявысокой кратковременной стабильностью (порядка 1 ∙ 10 3 − 2 ∙ 10 3 втечение 1¸10 с, за сутки приблизительно на два порядка хуже).Одновременно путём сравнения с частотой рубидиевых часов, определяютчастоту водородных реперов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
