Исследование и разработка методов и средств обеспечения метрологической надежности прецизионных микропроцессорных мультиметров

Термин «цифровые мультиметры», или просто «мультиметры «используется для обозначения многофункциональных электроизмерительных приборов с цифровым представлением измерительной информации. Среди мультиметров, выпускаемых в нашей стране и за рубежом, выделяют три группы приборов: 1) системные мультиметры- 2) мультиметры для лабораторных исследований- 3) мультиметры для промышленных измерений. Мультиметры, отнесенные к первым двум группам, в большинстве случаев являются прецизионными приборами, характеризующимися повышенным уровнем точности, стабильности и разрешающей способности.

Практически все модели современных прецизионных мультиметров построены с применением микропроцессоров (МП). Функциональные возможности и принципы организации встраиваемых в мультиметры микроЭВМ влияют на структуру, алгоритм работы и конструкцию прибора, создают предпосылки для реализации новых функций.

Для микропроцессорных мультиметров (ММ) характерно:

1)улучшение метрологических характеристик, достигаемое, главным образом, в результате использования алгоритмических способов повышения точности и разрешающей способности;

2)снижение аппаратурных затрат за счет программной реализации ряда функций;

3)повышение надежности за счет использования самодиагностирования. Среди метрологических характеристик прецизионных средств измерений (СИ) для потребителя одной из важнейших является метрологическая надежность (МН), которая определяется, в основном, долговременной стабильностью погрешности данного СИ. При этом МН можно рассматривать в двух аспектах. Во-первых, МН любого СИ мол жет быть оценена в виде метрологического ресурса Тм, т. е. среднего времени работы до метрологического отказа. Во-вторых, рассматривая выход погрешности СИ за допускаемые границы (метрологический отказ) как частный случай скрытого отказа СИ, можно охарактеризовать МН с помощью среднего времени скрытой неработоспособности (Тсн). С этими двумя показателями связана длительность межповерочного интервала Тмпи, которая, обычно, и указывается в нормативно-технической документации СИ. При этом для СИ, не имеющих систем встроенного контроля, Тмпи находится в строгом соответствии с Тм, что обеспечивает приемлемый уровень Тон. Среди особенностей, отличающих ММ от «традиционных» СИ, была отмечена их приспособленность к самодиагностированию. Использование системы встроенного диагностирования позволяет осуществлять контроль ММ и его функциональных узлов с достаточно высокой частотой, что позволяет установить существенно большее значение Тмпи при тех же значениях Тм и Тсн.

Увеличение метрологической безотказности (т.е. значения Тм) ограничивается характеристиками нестабильности современной элементной базы, в первую очередь, — операционных усилителей, резисторов и стабилитронов. Поэтому дальнейшее улучшение этого показателя ММ может быть достигнуто в результате совершенствования технологии изготовления указанных элементов. Однако, для достижения данной цели могут быть использованы и «интеллектуальные» возможности ММ.

Скрытое для пользователя отклонение реальных характеристик ММ от заданных может быть вызвано не только метрологическими, но и информационными отказами, т. е. отказами, связанными с нарушением таких внутренних функций прибора, как управление работой функциональных узлов, обработка результатов преобразований измеряемых величин, информационный обмен. В ряде случаев информационные отказы по своим последствиям подобны метрологическим. Для их своевременного обнаружения, также, как в случае метрологических отказов, целесообразно использовать встроенные средства диагностирования.

Таким образом, система самодиагностирования ММ должна с требуемой полнотой и глубиной своевременно обнаруживать и лока-лизовывать возникающие дефекты, приводящие к метрологическим и информационным отказам ММ. Однако, введение в структуру ММ средств самодиагностирования, очевидно, приводит к избыточности. В этой связи немаловажной является задача выбора критерия оптимизации системы самодиагностирования ММ.

Перечисленные выше задачи определили цель данной диссертационной работы — исследование и разработка методов и средств обеспечения метрологической надежности прецизионных микропроцессорных мультиметров.

— 7.

Научная новизна работы заключается в:

— разработке критерия оптимизации системы самодиагностирования микропроцессорных мультиметров;

— разработке обобщенного алгоритма самодиагностирования микропроцессорных мультиметров;

— исследовании путей повышения метрологической надежности микропроцессорных мультиметров;

— разработке метода и средств повышения метрологической надежности микропроцессорных мультиметров.

Основными положениями, выносимыми автором на защиту, являются:

1.Критерий оптимизации системы самодиагностирования микропроцессорного мультиметра, необходимой для обеспечения требуемого уровня метрологической надежности.

2.Обобщенный алгоритм диагностирования микропроцессорных мультиметров.

3.Результаты анализа причин, ограничивающих метрологическую безотказность микропроцессорного мультиметра.

4.Метод повышения метрологической надежности микропроцессорных мультиметров, основанный на использовании разработанного автором группового автоматически контролируемого источника опорного напряжения.

Данная работа выполнена в рамках исследований по созданию прецизионных цифровых вольтметров и мультиметров, проводимых на кафедре информационно-измерительной техники Московского энергетического института. к I I.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ.

1.Для оптимизации системы самодиагностирования целесообразно использовать обощенные скалярные критерии эффективности и стоимости.

Разработана методика диагностирования микропроцессорного мультиметра, а также структурная схема и обобщенный алгоритм работы системы самодиагностирования. Показано, что оптимизация системы самодиагностирования может быть достигнута при сочетании функционального и тестового диагностирования.

3.Разработаны ноЕые и конкретизированы применительно к микропроцессорным мультиметрам известные решения встроенных средств функционального и тестового диагностирования: семантический контрольвспомогательный АЦПтесты ядра, калибровочного ЗУ, узлое отображения и клавиатуры.

4.При оптимизации системы обеспечения метрологической надежности микропроцессорного мультиметра в качестве показателей эффективности целесообразно воспользоваться коэффициентом частоты ремонтов и коэффициентом скрытой неработоспособности (по метрологическим отказам),.

5.Выполнен анализ модели прецизионного микропроцессорного мультиметра с позиций метрологической надежности, в результате которого показано, что главным фактором, ограничивающим метрологическую безотказность и достоверность функционирования современных прецизионных микропроцессорных мультиметров, является временная нестабильность напряжения стабилизации стабилитронов, используемых в источниках опорного напряжения приборов. б. Обосновано использование метода группового эталона при построении источника опорного напряжения прецизионного микропроцессорного мультиметра, так называемого «интеллектуального эталона напряжения» (ИЭН).

7.Разработан алгоритм автоматического контроля ИЭН. Получены соотношения, позволяющие определить значения допусков, обеспечивающих наибольшую достоверность контроля ИЭН. Разработаны функциональная схема ИЭН и методика сличения опорных стабилитронов. Выполнена оценка погрешности ИЭН и погрешности сличения.

8.Результаты диссертационной работы нашли практическое применение в ряде разработок, выполненных на кафедре Информационно-измерительной техники МЭИ.

9.Экспериментальные исследования разработанного ИОН подтвердили правильность полученных теоретическим путем оптимальных значений контрольных допусков и оценок температурных погрешностей ИОН, а также показали его высокую отказоустойчивость в условиях дестабилизирующих воздействий, связанных с аномальными изменениями напряжений стабилизации отдельных стабилитронов.

— 158 -ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Основные положения, выводы и рекомендации данной работы проверены и подтверждены результатами экспериментальных исследований, разработкой микропроцессорных измерительных приборов, выполненных на кафедре Информационно-измерительной техники МЭИ при непосредственном участии автора. На основе проведенных исследований автором создана система самодиагностирования для серийно выпускаемых приборов: микропроцессорного мультиметра Щ1518 (Ленинградское ПО «Вибратор») и микропроцессорного измерителя удельного электрического сопротивления полупроводниковых материалов Ф4802 (Львовское ПО «Микроприбор»). Кроме того, в макете прецизионного микропроцессорного мультиметра с расширенными системными функциями, спроектированного на кафедре ИИТ МЭИ по заданию ЛПО «Вибратор», в качестве источника опорного напряжения использован высокостабильный, устойчивый к метрологическим отказам «интеллектуальный эталон напряжения», принципиальная схема и алгоритм работы которого разработаны автором.

Результаты диссертационной работы изложены в 7 публикациях и 7 отчетах о НИР.