仪表的可靠性

仪表的可靠性

上对可靠性工程的研究始于20世纪50年代，其建立和完善与电子产业特别是过程控制系统的发展有着密切的关系。如果一个系统只有功能指标而没有可靠性指标，那么充其量只能用作试验系统，而无法付诸应用，因为一个实用系统只有在长期稳定可靠地工作的前提下，才能充分发挥其各种功能。

可靠性是产品质量的评价指标，其定义为：产品在规定的条件下，规定的时间内，完成规定功能的能力。其中规定条件是指产品工作时所处的环境条件、维护条件、使用条件等，规定时间是指考察产品是否正常工作的起止时间，规定功能则是指产品应当实现 的功能。必须注意：上述三个规定的条件不同 则可靠性也不同。例如，同一个产品在试验室内工作与在恶劣的现场条件下工作可靠性不同，在同样条件下工作一年与工作数年可靠性也不同。

由可靠性的定义可以看出，可靠性是一个定性的概念，没有具体的*量"的含义，因而难以进行分析和比较。为了科学地研究可靠性间题。必须对可靠性进行量度，从而达到定量分析的目的。演化“定性"为"定量“可以有许多方法。下面介绍一组常用的可靠性量化指标，这些指标共同构成了一个可靠性的量化体系。

1.可靠度

可靠度的定义是：产品在规定的条件下和规定的时间内完成規定功能的概率。

设有N0个同样的产品，在同样的条件下同时开始工作，从开始运行到时间t之间有Nf(t)个发生故障Ns（t）个未发牛故障，则其可靠度R（t)可表示为

表达式（1-7)看起来非常简单，但在理解时须注意以下几个问题：一是式中概率R（t） 是通过事实N0和Ns(t)求得的，因此必须符合数理统计中的大数规律。即N0必须足够大， R(t)才有意义。也就是说对于一种产品，必须抽取足够多的样本进行实验，由式（I-7) 得到的 R(t)能反映该产品的可靠度。第二，可靠度是时间的函数。因为考察的时间越长， 产品发生故障的可能性越大。第三，对于不同的规定条件，也不同。例如N0个产品工作到时刻t,如果工作条件恶劣，可能Ns(t)较小，反之如工作条件较好，则Ns(t)较大 这样计算出 R(t)自然会不同。由可靠性与可靠度的定义可以看出，任何可靠性指标都与规定条件相关，由于规定条件因素较多，难以在公式中表达，但是在研究各种可靠性指标时， 必须同时考虑其规定条件，否则是没有意义的。第四， R(t) R是一个无量纲量，其取值范围为0≤ R(t) ≤1。

(2) 失效率

失效率是指系统运行到t时刻后的单位时间内发生故障的系统数与时刻 t 时完好的系统数之比。设N0个系统的可靠度为 R(t) ，则从t时刻到t+△t时刻失效的系统数为N0[ R(t) 一 R(t+△t) )],则在t时刻后，单位时间的失效数为N0[ R(t) 一 R(t+△t)]/△t而在时刻t时完好的系统数为N0R(t),将失效率记作λ(t)，则有

λ(t)的单位是时间的倒数，一般即1/h。对于电子产品而言，λ(t)与时间t的关系如图1-4所示，这就是的“浴盆"曲线。

该曲线可分为三个部分，*部分为早期失效期，这一时期内引起产品失效的主要原因是生产过程中的缺陷，随着t的增加这种情况迅速减少。第二部分为偶然失效期，其中λ(t)很低，并且几乎与时间t无关，这一时期也称为寿命期，它持续的时间很长。 第三部分为耗损失效期，这一时期内产品已达到其寿命，失效率迅速上升。

通常情况下，一种产品经过适当的老化处理，可以很快地渡过早期失效期而进人偶然失效期，偶然失效期是一个长期稳定的过程，因此在分析产品的可靠性指标时，一般是指产品在偶然失效期内的可靠性。

3.平均寿命与平均维修时间

按照可靠度的定义，如果一种产品在时刻t内正常工作的概率为R(t)，则按照统计学理论，该产品寿命的数学期望值，即平均寿命m可表达为

对于电子产品，在偶然失效期内，λ(t)几乎与时间无关，即λ(t)=λ，故

也就是说，电子产品的平均寿命是其失效率的倒数。

如果产品出现故障后无法修复，则其寿命m又可祿做平均*时间（Mean Time 了： Failure),简称MTTF;如产品故障可以修复，则其寿命所代表的是平均故障间隔司 (Mean Time Between Failure),简称MTBF。多数仪表的故障均应是可以修复的,所以其平均寿命统称作MTBF。

对可修复的系统，还有一个重要的可靠性指标，即平均修复时间（Mean T:。7: Re- pair),亦称为MTTR。MTTR也是一个统计值，但由于MTTR —般远远小于MTTR，是一段很短的时间，可以通过试验和经验确定，因此这里不再以表达式来计算MTTR，而只是提出这个概念。

2. 利用率（有效度）

利用率（或叫有效度）是可修复产品的一个可靠性指标，由式(1-11)定义

也就是说，利用率是产品正常工作的时间占总时间的比率。为提高利用率，一方面要尽量提高产品的MTBF，另一方面还要努力减小产品的MTTR。

如图1-5所示，在现代工业生产中，监测系统的故障可能会带来严重的后果，仪表的使用可以认为是这样的过程，仪表从投人使用——故障——检修——继续投入使用，在这种循环中我们希望仪表使用的时间越长，故障越少越好；如果产生故障，应该很容易维修，并能很快地重新投人使用。只有达到这两种要求才能认为可靠性是高的。

A表示了工作时间在整个时间 中所占的份额，当然A值越大则可靠性越高。可靠性目前是一门专门的学科，它涉及三个领域。*是可靠性理论，它又分为可靠性数学和可靠性物理。其中可靠性数学是研究如何用一个数学的特征量来定量地表示仪表设备的可靠程度，这个特征量表示了在规定的条件下、规定的时间内完成規定功能的概率，因此可以用概率统计的方法进行估算，上面我们简要介绍的内容就是这种方法。第二是可靠性技术， 它又分可靠性设计、可靠性试验和可靠性分析等，其中可靠性设计包括系统可靠性设计、可靠性预测、可靠性分配、元器件散热设计、电磁兼容性设计、参数优化设计等等。第三是可靠性管理，它包括宏观管理和微观管理两个层面。