產(chǎn)品性能試驗(yàn)器測(cè)試儀表檢定周期管理與評(píng)估

呼延剛毅，雷天人

（西控國(guó)際，陜西 西安 710000）

目前，我公司產(chǎn)品性能測(cè)試試驗(yàn)器從其產(chǎn)品研制過(guò)程，可分為預(yù)研產(chǎn)品專用測(cè)試設(shè)備，批產(chǎn)產(chǎn)品試驗(yàn)器。對(duì)于批產(chǎn)產(chǎn)品試驗(yàn)器，從功能試驗(yàn)上分為產(chǎn)品性能調(diào)整試驗(yàn)臺(tái)、磨合運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)臺(tái)，從元件試驗(yàn)臺(tái)到產(chǎn)品調(diào)試試驗(yàn)臺(tái)基本定位為性能調(diào)試試驗(yàn)臺(tái)，關(guān)系到產(chǎn)品功能特性，極其重要。

對(duì)于產(chǎn)品性能的符合性、可靠性關(guān)鍵在于測(cè)控系統(tǒng)的可靠性，其中測(cè)試系統(tǒng)的可靠性更為重要。測(cè)試系統(tǒng)中壓力、溫度、轉(zhuǎn)速、流量、位移等參數(shù)測(cè)量?jī)x表（或傳感器、數(shù)顯儀表和采集系統(tǒng)）分別承擔(dān)著公司產(chǎn)品各參數(shù)測(cè)試功能，因此對(duì)于承擔(dān)產(chǎn)品性能測(cè)試儀表檢定周期管理非常有必要。

產(chǎn)品試驗(yàn)器設(shè)計(jì)依據(jù)產(chǎn)品性能試驗(yàn)技術(shù)協(xié)議書(shū)而設(shè)計(jì)，技術(shù)協(xié)議書(shū)是根據(jù)產(chǎn)品性能試驗(yàn)大綱要求編制的，依據(jù)產(chǎn)品試驗(yàn)器各種測(cè)試系統(tǒng)所承擔(dān)測(cè)試功能的主次來(lái)確認(rèn)檢定周期，可以科學(xué)有效地管控計(jì)量器具，既保證各個(gè)測(cè)試儀表測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確有效，也考慮到計(jì)量成本，因此，本文主要圍繞這一觀點(diǎn)進(jìn)行科學(xué)的分析。

1 試驗(yàn)器測(cè)試儀表檢定周期管理基本方法

1.1 產(chǎn)品試驗(yàn)器測(cè)試系統(tǒng)特點(diǎn)

產(chǎn)品試驗(yàn)器是一種非標(biāo)試驗(yàn)設(shè)備，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能特殊，主要針對(duì)滿足軍工產(chǎn)品性能試驗(yàn)而設(shè)計(jì)的，屬于特種試驗(yàn)設(shè)備。產(chǎn)品試驗(yàn)器基本由測(cè)控部分和機(jī)械液壓部分組成。機(jī)械液壓控制部分主要提供產(chǎn)品工作各種模擬工況狀態(tài)；試驗(yàn)器測(cè)試系統(tǒng)主要承擔(dān)產(chǎn)品模擬工作狀態(tài)參數(shù)數(shù)據(jù)采集與試驗(yàn)器模擬工作狀態(tài)參數(shù)監(jiān)測(cè)與控制。另外，測(cè)控部分還承擔(dān)設(shè)備正常工作運(yùn)行參數(shù)的監(jiān)測(cè)，根據(jù)試驗(yàn)器的組成及其功能，依據(jù)測(cè)試儀表所承擔(dān)的測(cè)量與監(jiān)視任務(wù)，可按以下原則進(jìn)行分類管理。

從試驗(yàn)器設(shè)計(jì)理念來(lái)說(shuō)，產(chǎn)品試驗(yàn)器測(cè)試儀表可劃分為四類：第一類是產(chǎn)品工作狀態(tài)性能參數(shù)測(cè)量?jī)x表；第二類是試驗(yàn)器為產(chǎn)品提供模擬工作狀態(tài)的控制參數(shù)，也可認(rèn)為是產(chǎn)品模擬工作狀態(tài)條件參數(shù)，承擔(dān)這類參數(shù)測(cè)量?jī)x表劃分第二類；第三類是產(chǎn)品試驗(yàn)器正常工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)儀表或安全防護(hù)參數(shù)測(cè)量?jī)x表；第四類是針對(duì)一個(gè)測(cè)試口而設(shè)計(jì)的模擬指針儀表及具備遠(yuǎn)傳通信功能的數(shù)字測(cè)量?jī)x表，它們承擔(dān)同樣測(cè)試功能，規(guī)定模擬指針儀表為監(jiān)視測(cè)量?jī)x表，數(shù)顯通信功能數(shù)字測(cè)量系統(tǒng)儀表（或計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)）為錄取性能儀表[1-2]。

1.2 測(cè)試儀表檢定周期管理原則[3]

確定測(cè)試儀表檢定周期時(shí)，首先應(yīng)明確所使用測(cè)試儀表的測(cè)量可靠性目標(biāo)R；一般測(cè)試儀表的測(cè)量性能可靠性目標(biāo)確定為R≥90%（如圖1所示）。

圖1 測(cè)量可靠性R(t)變化示意圖

測(cè)量可靠性R（t）是指表征表征某種測(cè)量?jī)x表的整體性能隨時(shí)間變化的置信水平，一般儀表計(jì)量性能的可靠性隨時(shí)間延長(zhǎng)而逐漸衰減。也就是說(shuō)，測(cè)量可靠性目標(biāo)R是指某種計(jì)量器具的整體性能在進(jìn)行后續(xù)檢定時(shí)保持在所期望的合格范圍內(nèi)的概率。從圖1不難看出，測(cè)量?jī)x表經(jīng)t0時(shí)間使用后，可靠性將衰減至期望值，此時(shí)將需要重新檢定校準(zhǔn)，才可保證計(jì)量器具的性能合乎要求，這就是科學(xué)合理制定檢定周期的基本機(jī)理。

1.3 結(jié)合產(chǎn)品試驗(yàn)器測(cè)試系統(tǒng)功能進(jìn)行儀表分類管理[4-5]

依據(jù)試驗(yàn)器測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念，按照儀表測(cè)量可靠性R（t）變化機(jī)理，結(jié)合產(chǎn)品試驗(yàn)器測(cè)試儀表特點(diǎn)進(jìn)行如下儀表分類和檢定周期預(yù)假設(shè)：

1）產(chǎn)品在工作狀態(tài)下用于性能錄取的測(cè)量?jī)x表按B類儀表管理

其理由是：產(chǎn)品在試驗(yàn)器提供的模擬工況狀態(tài)（轉(zhuǎn)速、壓力、溫度、位移等條件）下工作時(shí)，用于產(chǎn)品性能錄取所需要的測(cè)試參數(shù)（流量、扭矩等）儀表，它們的準(zhǔn)確性直接關(guān)系到產(chǎn)品符合性，是檢驗(yàn)產(chǎn)品符合性的重要參數(shù)，必須納入周期檢定[6-7]。依據(jù)現(xiàn)有定期管理規(guī)定，用于定型批產(chǎn)產(chǎn)品測(cè)量?jī)x表按2個(gè)月預(yù)假設(shè)周期進(jìn)行檢定，用于研制階段的測(cè)量?jī)x表按3個(gè)月預(yù)假設(shè)周期進(jìn)行檢定

2）試驗(yàn)器為產(chǎn)品提供模擬工況狀態(tài)的監(jiān)測(cè)與控制測(cè)量?jī)x表按B類儀表管理

其理由是：對(duì)于試驗(yàn)器提供給產(chǎn)品模擬工況狀態(tài)，用于監(jiān)測(cè)與控制這種狀態(tài)的測(cè)量?jī)x表，視為產(chǎn)品錄取性的條件參數(shù)，依據(jù)現(xiàn)有關(guān)定期管理規(guī)定，用于定型批產(chǎn)產(chǎn)品測(cè)量?jī)x表按2個(gè)月預(yù)假設(shè)周期進(jìn)行檢定，用于研制階段的測(cè)量?jī)x表按3個(gè)月預(yù)假設(shè)周期進(jìn)行檢定。

3）用于試驗(yàn)器正常工作監(jiān)測(cè)或安全預(yù)警用的測(cè)量?jī)x表按C類儀表管理

其原因是：試驗(yàn)器工作后，電源監(jiān)測(cè)及安全防護(hù)檢測(cè)儀表，由于不作為產(chǎn)品性能錄取參數(shù)，可按監(jiān)測(cè)儀表進(jìn)行C類管理，實(shí)行一次檢定合格永久使用。

4）對(duì)于試驗(yàn)器一個(gè)測(cè)試口存在兩套測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試儀表管理。一個(gè)測(cè)試口兩套測(cè)試系統(tǒng)試驗(yàn)器，普遍存在有調(diào)試間和操控間的試驗(yàn)間，調(diào)試間存在一套模擬指針儀表測(cè)試系統(tǒng)，操控間存在一套數(shù)顯測(cè)試系統(tǒng)或計(jì)算機(jī)數(shù)采系統(tǒng)。產(chǎn)品性能錄取以數(shù)顯測(cè)試系統(tǒng)或計(jì)算機(jī)數(shù)采測(cè)試系統(tǒng)為準(zhǔn)，調(diào)試間模擬儀表主要是以試驗(yàn)工作為參考調(diào)整產(chǎn)品。因此，對(duì)于調(diào)試間的模擬儀表可作為B類表，按4個(gè)月預(yù)假設(shè)周期進(jìn)行檢定；對(duì)于數(shù)顯測(cè)試儀表及傳感器按B類，按6個(gè)月預(yù)假設(shè)周期進(jìn)行檢定；數(shù)采系統(tǒng)按12個(gè)月預(yù)假設(shè)周期進(jìn)行校準(zhǔn)。

2 測(cè)試系統(tǒng)儀表周期管理技術(shù)論證[8-10]

2.1 測(cè)試系統(tǒng)可靠性模型建立

可靠性指標(biāo)是測(cè)試系統(tǒng)的一個(gè)重要指標(biāo)，合理確定檢定周期既關(guān)系到計(jì)量器具計(jì)量性能的可靠性，也要考慮到儀器儀表校驗(yàn)頻次的合理性，也就是計(jì)量成本有效控制。下面著重對(duì)于上面預(yù)假設(shè)周期合理性進(jìn)行一下技術(shù)論證。

我公司產(chǎn)品性能試驗(yàn)器，承擔(dān)測(cè)試工作主要由模擬指針儀表、數(shù)顯測(cè)試系統(tǒng)或計(jì)算機(jī)數(shù)采系統(tǒng)構(gòu)成，這三種測(cè)試系統(tǒng)在公司產(chǎn)品性能試驗(yàn)器上廣泛存在，因此，研究建立測(cè)試系統(tǒng)可靠性數(shù)學(xué)模型，可以科學(xué)合理制定檢定周期，下面以彈簧管精密壓力表測(cè)試系統(tǒng)建立數(shù)學(xué)模型，來(lái)研究其可靠性，以驗(yàn)證預(yù)先確定的檢定周期合理性。

以彈簧管精密壓力表（以下簡(jiǎn)稱壓力表）作為主體的壓力測(cè)試系統(tǒng)可靠性，可以通過(guò)評(píng)價(jià)壓力表在一定時(shí)間間隔內(nèi)其計(jì)量性能在規(guī)定測(cè)量精度范圍內(nèi)的置信度進(jìn)行判斷。隨著壓力表使用時(shí)間的延長(zhǎng)，其計(jì)量性能可靠性指標(biāo)會(huì)隨著使用時(shí)間的延長(zhǎng)不斷降低，即意味著壓力表技術(shù)性能指標(biāo)超出其規(guī)定技術(shù)范圍內(nèi)的概率將增大。利用可靠性模型（即通過(guò)對(duì)測(cè)量器具參數(shù)建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型）確定壓力表的檢定周期，可根據(jù)試驗(yàn)器試驗(yàn)頻次與試驗(yàn)時(shí)間對(duì)壓力表可靠性的要求進(jìn)行評(píng)估，使其滿足計(jì)量性能要求的最長(zhǎng)工作時(shí)間。根據(jù)獲得的最長(zhǎng)工作時(shí)間，科學(xué)地確定壓力表檢定周期，從而保障在該檢定周期內(nèi)，壓力表的可靠性水平維持在合格范圍之內(nèi)，保障壓力表能夠可靠地、準(zhǔn)確地完成產(chǎn)品性能試驗(yàn)測(cè)量任務(wù)。

壓力表可靠性主要通過(guò)其內(nèi)部的關(guān)鍵敏感元件（彈簧管）可靠性來(lái)保證，根據(jù)敏感元件的可靠性知識(shí)，壓力表的故障模型服從指數(shù)分布。根據(jù)彈簧管壓力敏感元件的可靠性模型，可以認(rèn)定壓力表測(cè)量系統(tǒng)的可靠性示值指標(biāo)與使用時(shí)間服從指數(shù)函數(shù)的模型，即

式中：λ為常數(shù)；Ii為第i次計(jì)量檢定時(shí)的檢定時(shí)間間隔。

采用這種可靠性模型評(píng)估壓力表的檢定周期時(shí)，統(tǒng)計(jì)的不合格數(shù)，必須清楚只有將壓力表計(jì)量性能衰竭造成的不合格作為統(tǒng)計(jì)之列，對(duì)于與測(cè)量準(zhǔn)確度無(wú)關(guān)的非計(jì)量不合格（如裝卸送檢過(guò)程外觀損壞、送檢掉地造成的零位不回零現(xiàn)象、人為操作試驗(yàn)器不正確造成的壓力表彈簧管鼓壞，等等這些非測(cè)試工作中造成的示值超差性不合格）不應(yīng)列入壓力表測(cè)量器具計(jì)量周期的不合格數(shù)種，否則就改變了數(shù)學(xué)模型。另外，在作檢定數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)時(shí)，一定要注意所采用數(shù)據(jù)的有效性、一致性和連續(xù)性。

2.2 可靠性模型參數(shù)的確定

通過(guò)采用最大似然估計(jì)法對(duì)可靠性模型的相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行評(píng)估。最大似然估計(jì)法是建立在數(shù)理統(tǒng)計(jì)和大量數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)似然函數(shù)的概率分布函數(shù)，來(lái)評(píng)價(jià)被檢壓力表示值超出允許誤差的狀況，從而確定壓力表測(cè)量器具可靠性模型參數(shù)。

根據(jù)確定的壓力表測(cè)量系統(tǒng)可靠性函數(shù)，可以假設(shè)壓力測(cè)量器具失效時(shí)間概率分布函數(shù)也為指數(shù)函數(shù)，其失效時(shí)間概率分布函數(shù)為

構(gòu)造似然函數(shù)如下：

n為所觀測(cè)的檢定樣本數(shù)；Ii為第i次所觀察到的檢定時(shí)間。

對(duì)似然函數(shù)取對(duì)數(shù)后，有

其中，為n次計(jì)量檢定中檢定時(shí)間的總和。

因此，該壓力表測(cè)量器具的可靠性函數(shù)為R（Ii）e-λIi

＝e-λˉIi.設(shè)定使用單位對(duì)壓力表測(cè)量器具的可靠性指標(biāo)要求為90%，令R（Ii）=e-λIi

＝e-λˉIi

＝ 0.9，根據(jù)樣本量的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)確立對(duì)應(yīng)的。為了方便對(duì)壓力表測(cè)量器具檢定周期的管理，選取以兩個(gè)月的整數(shù)倍時(shí)間作為備選的檢定時(shí)間間隔，通過(guò)下式對(duì)檢定時(shí)間間隔進(jìn)行修正，即

I＝ [Ii/2]× 2（月）

式中：[Ii/2]表示對(duì)Ii/2的結(jié)果進(jìn)行取整操作。

2.3 壓力表測(cè)量系統(tǒng)檢定周期確定方法的實(shí)例

實(shí)例：以典型XC578性能試驗(yàn)器壓力表測(cè)量器具連續(xù)40個(gè)月檢定結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，XC578試驗(yàn)設(shè)備壓力表測(cè)量器具周期檢定記錄如表1所示，要求確定該型彈簧管精密壓力表檢定周期，保障XC578試驗(yàn)設(shè)備壓力表測(cè)量系統(tǒng)可靠性目標(biāo)滿足期望值R.

表1 檢定結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

則

一般情況下，壓力表測(cè)試系統(tǒng)可靠性目標(biāo)定為R≥90%.

故 Ii≤（-40）× In R=4.2（月）

為使壓力表測(cè)量器具的檢定周期便于管理，選擇2個(gè)月的整數(shù)倍為備選的檢定周期，確定該型壓力表測(cè)量器具檢定周期為：

I＝[Ii/2]×2=[4.2/2]×2=2×2=4（月）

因此，該壓力表測(cè)量器具的檢定周期定為4個(gè)月，可保證被檢壓力表測(cè)量器具在該檢定周期內(nèi)的測(cè)量可靠性滿足≥90%的要求。

通過(guò)以上論證，XC578試驗(yàn)器壓力表檢定周期4個(gè)月，是科學(xué)合理檢定周期，如果與預(yù)估的檢定周期一致，說(shuō)明預(yù)估的檢定周期能保證測(cè)試系統(tǒng)可靠，否則，重新確定壓力表的檢定周期，根據(jù)后期檢定數(shù)據(jù)，按此類方法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，以確定和驗(yàn)證原確定的檢定周期。

對(duì)于其它測(cè)試系統(tǒng)均可建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，用同樣的評(píng)估方法驗(yàn)證預(yù)先設(shè)置的檢定周期是否合理，根據(jù)這一原則，進(jìn)行相應(yīng)的周期調(diào)整。

3 結(jié)束語(yǔ)

預(yù)先確定周期與可靠性評(píng)估法是確定測(cè)試系統(tǒng)檢定周期合理性的科學(xué)方法，根據(jù)這一原則，對(duì)于承擔(dān)專用測(cè)試設(shè)備各類測(cè)試儀表進(jìn)行以上周期確定方法是保證測(cè)試系統(tǒng)可靠性最科學(xué)的管理方法。

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