儀表的可靠性

上對可靠性工程的研究始于20世紀(jì)50年代，其建立和完善與電子產(chǎn)業(yè)特別是過程控制系統(tǒng)的發(fā)展有著密切的關(guān)系。如果一個系統(tǒng)只有功能指標(biāo)而沒有可靠性指標(biāo)，那么充其量只能用作試驗系統(tǒng)，而無法付諸應(yīng)用，因為一個實用系統(tǒng)只有在長期穩(wěn)定可靠地工作的前提下，才能充分發(fā)揮其各種功能。

可靠性是產(chǎn)品質(zhì)量的評價指標(biāo)，其定義為：產(chǎn)品在規(guī)定的條件下，規(guī)定的時間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力。其中規(guī)定條件是指產(chǎn)品工作時所處的環(huán)境條件、維護條件、使用條件等，規(guī)定時間是指考察產(chǎn)品是否正常工作的起止時間，規(guī)定功能則是指產(chǎn)品應(yīng)當(dāng)實現(xiàn) 的功能。必須注意：上述三個規(guī)定的條件不同 則可靠性也不同。例如，同一個產(chǎn)品在試驗室內(nèi)工作與在惡劣的現(xiàn)場條件下工作可靠性不同，在同樣條件下工作一年與工作數(shù)年可靠性也不同。

由可靠性的定義可以看出，可靠性是一個定性的概念，沒有具體的*量"的含義，因而難以進行分析和比較。為了科學(xué)地研究可靠性間題。必須對可靠性進行量度，從而達到定量分析的目的。演化“定性"為"定量“可以有許多方法。下面介紹一組常用的可靠性量化指標(biāo)，這些指標(biāo)共同構(gòu)成了一個可靠性的量化體系。

1.可靠度

可靠度的定義是：產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)完成規(guī)定功能的概率。

設(shè)有N0個同樣的產(chǎn)品，在同樣的條件下同時開始工作，從開始運行到時間t之間有Nf(t)個發(fā)生故障Ns（t）個未發(fā)牛故障，則其可靠度R（t)可表示為

表達式（1-7)看起來非常簡單，但在理解時須注意以下幾個問題：一是式中概率R（t） 是通過事實N0和Ns(t)求得的，因此必須符合數(shù)理統(tǒng)計中的大數(shù)規(guī)律。即N0必須足夠大， R(t)才有意義。也就是說對于一種產(chǎn)品，必須抽取足夠多的樣本進行實驗，由式（I-7) 得到的 R(t)能反映該產(chǎn)品的可靠度。第二，可靠度是時間的函數(shù)。因為考察的時間越長， 產(chǎn)品發(fā)生故障的可能性越大。第三，對于不同的規(guī)定條件，也不同。例如N0個產(chǎn)品工作到時刻t,如果工作條件惡劣，可能Ns(t)較小，反之如工作條件較好，則Ns(t)較大 這樣計算出 R(t)自然會不同。由可靠性與可靠度的定義可以看出，任何可靠性指標(biāo)都與規(guī)定條件相關(guān)，由于規(guī)定條件因素較多，難以在公式中表達，但是在研究各種可靠性指標(biāo)時， 必須同時考慮其規(guī)定條件，否則是沒有意義的。第四， R(t) R是一個無量綱量，其取值范圍為0≤ R(t) ≤1。

(2) 失效率

失效率是指系統(tǒng)運行到t時刻后的單位時間內(nèi)發(fā)生故障的系統(tǒng)數(shù)與時刻 t 時完好的系統(tǒng)數(shù)之比。設(shè)N0個系統(tǒng)的可靠度為 R(t) ，則從t時刻到t+△t時刻失效的系統(tǒng)數(shù)為N0[ R(t) 一 R(t+△t) )],則在t時刻后，單位時間的失效數(shù)為N0[ R(t) 一 R(t+△t)]/△t而在時刻t時完好的系統(tǒng)數(shù)為N0R(t),將失效率記作λ(t)，則有

λ(t)的單位是時間的倒數(shù)，一般即1/h。對于電子產(chǎn)品而言，λ(t)與時間t的關(guān)系如圖1-4所示，這就是的“浴盆"曲線。

該曲線可分為三個部分，*部分為早期失效期，這一時期內(nèi)引起產(chǎn)品失效的主要原因是生產(chǎn)過程中的缺陷，隨著t的增加這種情況迅速減少。第二部分為偶然失效期，其中λ(t)很低，并且?guī)缀跖c時間t無關(guān)，這一時期也稱為壽命期，它持續(xù)的時間很長。 第三部分為耗損失效期，這一時期內(nèi)產(chǎn)品已達到其壽命，失效率迅速上升。

通常情況下，一種產(chǎn)品經(jīng)過適當(dāng)?shù)睦匣幚恚梢院芸斓囟蛇^早期失效期而進人偶然失效期，偶然失效期是一個長期穩(wěn)定的過程，因此在分析產(chǎn)品的可靠性指標(biāo)時，一般是指產(chǎn)品在偶然失效期內(nèi)的可靠性。

3.平均壽命與平均維修時間

按照可靠度的定義，如果一種產(chǎn)品在時刻t內(nèi)正常工作的概率為R(t)，則按照統(tǒng)計學(xué)理論，該產(chǎn)品壽命的數(shù)學(xué)期望值，即平均壽命m可表達為

對于電子產(chǎn)品，在偶然失效期內(nèi)，λ(t)幾乎與時間無關(guān)，即λ(t)=λ，故

也就是說，電子產(chǎn)品的平均壽命是其失效率的倒數(shù)。

如果產(chǎn)品出現(xiàn)故障后無法修復(fù)，則其壽命m又可祿做平均*時間（Mean Time 了： Failure),簡稱MTTF;如產(chǎn)品故障可以修復(fù)，則其壽命所代表的是平均故障間隔司 (Mean Time Between Failure),簡稱MTBF。多數(shù)儀表的故障均應(yīng)是可以修復(fù)的,所以其平均壽命統(tǒng)稱作MTBF。

對可修復(fù)的系統(tǒng)，還有一個重要的可靠性指標(biāo)，即平均修復(fù)時間（Mean T:。7: Re- pair),亦稱為MTTR。MTTR也是一個統(tǒng)計值，但由于MTTR —般遠遠小于MTTR，是一段很短的時間，可以通過試驗和經(jīng)驗確定，因此這里不再以表達式來計算MTTR，而只是提出這個概念。

2. 利用率（有效度）

利用率（或叫有效度）是可修復(fù)產(chǎn)品的一個可靠性指標(biāo)，由式(1-11)定義

也就是說，利用率是產(chǎn)品正常工作的時間占總時間的比率。為提高利用率，一方面要盡量提高產(chǎn)品的MTBF，另一方面還要努力減小產(chǎn)品的MTTR。

如圖1-5所示，在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，監(jiān)測系統(tǒng)的故障可能會帶來嚴(yán)重的后果，儀表的使用可以認(rèn)為是這樣的過程，儀表從投人使用——故障——檢修——繼續(xù)投入使用，在這種循環(huán)中我們希望儀表使用的時間越長，故障越少越好；如果產(chǎn)生故障，應(yīng)該很容易維修，并能很快地重新投人使用。只有達到這兩種要求才能認(rèn)為可靠性是高的。

A表示了工作時間在整個時間 中所占的份額，當(dāng)然A值越大則可靠性越高。可靠性目前是一門專門的學(xué)科，它涉及三個領(lǐng)域。*是可靠性理論，它又分為可靠性數(shù)學(xué)和可靠性物理。其中可靠性數(shù)學(xué)是研究如何用一個數(shù)學(xué)的特征量來定量地表示儀表設(shè)備的可靠程度，這個特征量表示了在規(guī)定的條件下、規(guī)定的時間內(nèi)完成規(guī)定功能的概率，因此可以用概率統(tǒng)計的方法進行估算，上面我們簡要介紹的內(nèi)容就是這種方法。第二是可靠性技術(shù)， 它又分可靠性設(shè)計、可靠性試驗和可靠性分析等，其中可靠性設(shè)計包括系統(tǒng)可靠性設(shè)計、可靠性預(yù)測、可靠性分配、元器件散熱設(shè)計、電磁兼容性設(shè)計、參數(shù)優(yōu)化設(shè)計等等。第三是可靠性管理，它包括宏觀管理和微觀管理兩個層面。