Исследование и разработка методов и средств обеспечения метрологической надежности прецизионных микропроцессорных мультиметров тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.05, кандидат технических наук Новиков, Виктор Александрович

• Новиков, Виктор Александрович
• кандидат технических наук
• 1993

Оглавление диссертации кандидат технических наук Новиков, Виктор Александрович

Введение.

1.Принципы обеспечения метрологической надежности микропроцессорных мультиметров.

1.1.Проблема метрологической надежности прецизионных средств измерений.

1.2.Метрологическая надежность микропроцессорных мультиметров.

1.3.Самодиагностирование микропроцессорных систем.

1.4.Особенности самодиагностирования микропроцессорных мультиметров.

Выводы. Задачи исследования.

2.Разработка системы самодиагностирования микропроцессорного мультиметра.

2.1.Дели и критерии оптимизации системы самодиагностирования микропроцессорного мультиметра.

2.2.Методика диагностирования.

Структура системы самодиагностирования.

2.3.Характеристика встроенных средств функционального диагностирования микропроцессорных мультиметров.

2.4.Характеристика встроенных средств тестового диагностирования микропроцессорных мультиметров. Алгоритм тестового ^диагностирования.

Выводы и основные результаты.

3.Разработка метода и средств увеличения метрологической надежности микропроцессорных мультиметров.

3.1. Система обеспечения метрологической надежности микропроцессорных мультиметров и критерии ее оптимизации.

3.2.Анализ модели микропроцессорного мультиметра с позиций метрологической надежности.

3.3.Разработка метода увеличения метрологической надежности микропроцессорных мультиметров, основанного на использовании "интеллектуального эталона напряжения".

3.3.1.Групповой эталон напряжения.

3.3.2.Преимущества использования ИЭН в качестве ИОН ММ.

3.3.3.Процедура контроля ИЗН ММ.

3.3.4.Выбор допуска, обеспечивающего наибольшую достоверность для первого этапа контроля ИЭН ММ.

3.3.5.Выбор допусков, обеспечивающих наибольшую достоверность для второго этапа контроля ИЭН ММ.

3.3.6.Схема ИЭН и методика сличения опорных стабилитронов.

Выводы и основные результаты.

4.Реализация методов и средств обеспечения метрологической надежности прецизионных микропроцессорных мультиметров.

4.1.Встроенные средства функционального и тестового диагностирования.

4.1.1.Критерий оптимизации системы самодиагностирования.

4.1.2.Встроенные средства функционального диагностирования.

4.1.3.Встроенные средства тестового диагностирования.ISO

4.2.Алгоритм работы источника опорного напряжения.

4.2.1. Калибровка.».

4.2.2. Воспроизведение.1S

4.2.3. Контроль.

4.3.Погрешности источника опорного напряжения.

4.3.1.Принципиальная электрическая схема ИОН.

4.3.2.Погрешность для режима ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ.

4.3.3.Погрешность для режима КОНТРОЛЬ.

4.3.4.Погрешности поправок.

4.4.Зксперименталь ные исследования источника опорного напряжения.

4.4.1. Машинное моделирование.

4.4.2. Физический эксперимент.

Выводы и основные результаты."

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «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

Заключение диссертации по теме «Приборы и методы измерения электрических и магнитных величин», Новиков, Виктор Александрович

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 контроль; вспомогательный АЦП; тесты 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.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Новиков, Виктор Александрович, 1993 год

1. Маклауд Дж.Цифровой мультиметр для автоматических испытательных систем/73лектроника.-1988.-N°3.-с.39-41.2.7071 and 7081 Precision digital voltmeters: Проспект/ Sol art ron Instruments.-1984.-24р.Великобритания.

2. S.The 1281 "Selfcal" digital multimeter: Проспект/Datron Instruments.- 12p.

3. Любимов Л. И.,Форсилова И.Д.,Шапиро Е.З. Проверка средств электрических измерений: Справочная книга.-Л. .-Знергоато-миздат. Ленинградское отд-ние, "1987. -298с.

4. Методические указания СЭВ МС 48-77. Стабильность и метрологическая надежность средств измерений.Термины и определения.

5. Екимов А.В.,Ревяков М.И. Надежность средств электроизмерительной техники.-Л.:Энергоатомиздат,1986.-208с.

6. Тарбеев Ю. В.,Иванов В. Н.,Новицкий П.В. Научно-технические перспективы обеспечения метрологической надежности средств измерений/УИзмерительная техника.-1982.-№5.-с.17-19.

7. Мостовой И. В.,Чернышева Т.И.Повышение метрологического ресурса аналоговых блоков ИИС коррекцией их начального уровня точности//Известия вузов.Приборостроение.-1980.-№8.-с.3-7.

8. Э.Рожнова Т.И. Определение состояния метрологических характеристик аналоговых блоков ИИС в процессе эксплуата-ции//Известия вузов.Приборостроение. -1979. -№9. -с. 17-21.

9. Коррекция погрешностей и диагностика в цифровом универсальном измерительном приборе с помощью микропроцессо-ра//Экспресс-информация.Контрольно-измерительная техника. -1977. №25. - с. 3-12.

10. Новицкий П.В. и др. Динамика погрешностей средств измерений. Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1990 192с.

11. S.D. Stever, J.E. Mueller,Т.G. Rodine,D.W. Olsen, R.K.Tuttle. Seven-function system multimeter offers extended resolution and scanner oapabilites/'/Hewlett-Packard J our.-1986,-Febr.-p.15-23.- 162

12. U.Qureshi. One-off calibration of DVMs//Electronic Engineering.-1986.-April.

13. Прецизионный цифровой вольтметр модели 7081 (Solartron): Инструкция по эксплуатации.

14. ВЦП.-Л.-04740.-М.-1985.-204с.

15. Smith Т.A.,Spreadbury P.J. An intellegent voltage standard//IEEE Tranactions on Instrumentation and measurement.-1987.-N°2.-p.296-299.

16. Соколов П.Т., Рождественская Т.Е. Высокостабильные меры постоянного тока для применения в нестационарных услови-ях/./ИКА. -1983. -№3(39). -с. 3-10.

17. Huntley L. A primary standard of voltage maintained in solid state references//IEEE Transactions on Instrumentation and measurement.-1987.-N°4.-p.908-912.

18. ГОСТ 23.563-79. Техническая диагностика. Контролепригодность объектов диагностирования. Правила обеспечения.

19. Основы технической диагностики:(Оптимизация алгоритмов диагностирования, аппаратурные средства)/ Под ред. П.П. Пархоменко. -М. :Энергия,1981.-320с.

20. Современные методы и средства диагностирования объектов вычислительной техники.- Обзорная информация ЦНИИ ТЭИ приборостроения. ТС- 2 "Средства вычислительной техники и оргтехники", еып.3,1986.-44с.

21. Еоллард Д. Проектирование сверхнадежных микропроцессорных систем//Злектроника. -1979. -№'1. -с. 73-80.

22. Способы предотвращения отказов микропроцессорных сис-тем//Экспресс-информация,сер. Надежность и контроль, качества.-1981.-№28.-с. 1-5.

23. Автоматическое обнаружение ошибок в микро-ЭВМ//Экс-пресс-информация,сер. Надежность и контроль качества.-1982.-№'18.-с.24-30.

24. Методы самоконтроля микропроцессоров и микропроцессорных систем/УЭкспресс-информация,сер. Контрольно-измерительная техника .-1980.- №22. с. 1 - 8.

25. Lala Р.К. Testing using a minimal number of instructions//Microprocessors and microsystems.-1981.-vol.5,№7.-p.295-298.

26. Исследование путей построения прецизионного цифрового вольтметра с использованием элементной базы IV поколения с мик- 163 ропроцессором/ Отчет о НИР, №гос.рег.: У62319, 1981.

27. Нейл М., Гуднер Р. Учет требований ремонта и обслуживания при проектировании микропроцессорных систем//Электроника. №5. -1979. - с. 40-49.

28. Особенности выполнения и применения встроенных автоматических устройств самоконтроля в микропроцессорных системах// Экспресс-информация,сер. Надежность и контроль качества. 1 982 . - №38. - с. 19- 23.

29. Георгиев Н.В., Орлов Б.В. Функциональный контроль полупроводниковых ЗУ//Электронная промышленность. -1980. №б. - с. 3- 20.

30. Данилов В.В., Клюев И.Н. Тесты с заданными свойствами для БИС 03У//Электронная техника,сер.8.-1983.-вып.3(102) .-с.30-37.

31. Фазанг П. Microbit способ самоконтроля сложных микро-компьютероЕ/УЭлектроника.-1983.-N°5.-с.35-40.

32. Фазанг П. Схемный модуль для практической реализации самотестирования/"/"Электроника. -1982. -N°10. с. 64-69.

33. Комоницки Д. Полное самотестирование системы результат синтеза существующих методов//Электроника.-1983.-N°5.-с.26-35.

34. Frohwerk R.A. Signature analysis: a new digital field service method//Hewlett.-Packard Journal.-1977.-May.-p.2-8.

35. Nadis H.J. Signature analysis concepts, examples and guidlines,//Hewlett-Packard Journal.-1977.-May.-p.15-21.

36. Кирьянов К.Г.,Соловейчик Э.Б. К проектированию РЭА, ориентированной на диагностику сигнатурным анализом//Техника средств связи, сер. Радиоизмерительная техника.-1980.-вып.1(26) с.9-84.

37. Самоконтроль измерительных приборов с микропроцессорами/Экспресс-информация, сер. Контрольно-измерительная техника. -1984.-№42.-с. 1-8.

38. Ferraris F., Pravis М. The auto-diagnosis system for an intellegent measuring instrirnient//Measurement.-1987.-N°4.

39. Глазунов Л.П. и др.Основы теории надежности автоматических систем управления: учебное пособие для вузов.-Л.Энергоа-томиздат, Ленинградское отделение. 1984-208с.

40. Основы моделирования сложных систем/ Под ред.И.В.Кузьмина. -Киев:Вица школа.1981-360с.

41. Надежность и эффективность в технике: Справочник. В Ют./Ред. совет: B.C.Авдуевский (пред.) и др.-М.Машиностроение :1987,т.9.Техническая диагностика/Под общ. ред. В.В.Клюева,1. П.П,Пархоменко.-352с.

42. Городницкий С.Р.Коэффициент готовности средств измере-ний//Надежность и контроль качества.-1988.-N°8.-с.37-40.

43. Евланов Ю.Н., Шатохин А.А.Алгоритмы интегрирующего аналого-цифрового преобразования цифровых вольтметров с микропроцессорным управлением/'/Измерения, контроль, автоматизация.-1984.-N°2 (50) .-с. 18-26.

44. Диденко В.И., Евланов Ю.Н., Малиновский В.К. Анализ погрешностей двухтактного интегрирующего аналого-цифрового преобразования. -В кн. .-Развертывающие системы/ Под ред. В.Л.Славинс-кого. -м.- Энергия, 1975. -280с.

45. Пат. 4281281 США, НКИ 323-271. Reference volt-age source.-Опубл. 28.07.81.

46. Розенблат М.Г., Михайлов Г.Х. Источники калиброванных напряжений постоянного тока.-М.:Энергия,1976.

47. Серов Н.А.Разработка и исследование методов повышения точности цифровых интегрирующих вольтметров с микропроцессорным управлением: Автореф. дис. на соиск. учен, степени канд. техн. наук.-М.,1985.-20с.

48. Еанди Б. Методы оптимизации. Вводный кури: Пер с англ. М7: Радио и связь, 1988.

49. Вострокнутов Н.Н., Земельман М.А. Метрологические характеристики точных стабилизаторов напряжения и методика их исс-ледования/УИзмерит. техника, -1964. -№l, -с, 38-41,

50. Венгеровский В.В., Вайнштейн А.Х. Прецизионные полупроводниковые стабилизаторы.-Л.:Энергия,1974.

51. Переверзев Е.С. Случайные процессы в параметрических моделях надежности.-Киев.-Наукова думка, 1987.

52. Егорычев Л.Н. и др. Исследование долговременной стабильности мер опорного напряжения на стабилитронах типа КС191Р//Труды метролог, институтов СССР.-1979.- вып.232(292).•■> 1 (wtu к.-'—' «

53. Фрумкин В.Д., Рубичев H.A. Теория вероятностей и статистика в метрологии и измерительной технике.-М.:Машиностроение, 1987.-168с.- 165

54. Исследование и разработка базовой модели микропроцессорного мультиметра с расширенными системными функциями/ Отчет по НИР, гос. per. №01880043089,1989.

55. Исследование и разработка цифрового вольтметра с микропроцессорным управлением / Отчет по НИР, гос. per. №790373179,1979.

56. Исследование и разработка цифрового вольтметра класса 0,01 с микропроцессорным управлением / Отчет по НИР, гос. per. №01820075670,1982.

57. Исследование и разработка микропроцессорного цифрового измерителя удельного электрического сопротивления полупроводниковых материалов/ Отчет по НИР, гос. per.№01840009101,1984.

58. Цифровые и аналоговые микросхемы: Справочник/ Под ред. С, В.Якубовского.-М.:Радио и связь,1989.-496с,

59. Коммутационные устройства РЭА/ Под ред. Г.Я.Рыбина. -М.:Радио и связь,1985.

60. Диоды: Справочник/ Григорьев О.П. и др.-М.:Радио и связь,1990.-336с.

61. Резисторы: Справочник/ Под общ. ред. И.И.Четверткова и В.М.Терехова.-М.:Радио и связь,1987.-352с.

62. Test. & Measurement: 1993-1994 Catalog- and Reference Guid / Keithley Instruments, Inc.-1993, 240p.