儀器儀表可靠性設(shè)計(jì)及應(yīng)用

王化祥

(天津大學(xué)電氣自動(dòng)化與信息工程學(xué)院，天津 300072)

0 引言

伴隨科技的迅猛發(fā)展，世界各工業(yè)國(guó)家均投入了大量人力、物力和財(cái)力進(jìn)行可靠性系統(tǒng)研究及推廣應(yīng)用，有效推動(dòng)了經(jīng)濟(jì)發(fā)展，并帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。國(guó)外可靠性工程研究較早，尤其是以美國(guó)為代表的西方發(fā)達(dá)國(guó)家。20世紀(jì)40年代，隨著復(fù)雜電子設(shè)備相繼出現(xiàn)，電子產(chǎn)品的可靠性越來越重要，直接影響美國(guó)的武器裝備效能。1943年，美國(guó)成立了電子管研究委員會(huì)，專門研究電子管可靠性問題。20世紀(jì)50年代，美國(guó)國(guó)防部組織成立了電子設(shè)備可靠性咨詢組(advisory group on reliability of electronic equipment，AGREE)，開始研究可靠性預(yù)計(jì)的基本理論和預(yù)計(jì)模型，收集并處理大量現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并于1957年推出MIL-HDBK-217《電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)手冊(cè)》。該《手冊(cè)》制定和修訂了一系列有關(guān)可靠性軍標(biāo)、國(guó)標(biāo)及國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，開展了產(chǎn)品壽命試驗(yàn)和快速篩選試驗(yàn)，發(fā)展了失效模式影響及危害分析(failure mode effect and criticality analysis,FMECA)及故障樹分析(fault tree analysis,FTA)方法，有效促進(jìn)了可靠性技術(shù)的不斷發(fā)展。繼而，日本、英國(guó)、德國(guó)、法國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家相繼開展可靠性研究工作，并取得較好進(jìn)展。20世紀(jì)90年代后，可靠性逐漸步入標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化、系統(tǒng)化時(shí)期?？煽啃怨こ滩粌H在國(guó)防軍工裝備領(lǐng)域發(fā)揮了重大作用，而且廣泛用于民用工業(yè)，尤其電子產(chǎn)品行業(yè)。

我國(guó)于20世紀(jì)50年代在廣州籌建了亞熱帶環(huán)境適應(yīng)試驗(yàn)基地，主要從事產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn)和亞熱帶防護(hù)措施研究，并于1972年成立了電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗(yàn)研究所。20世紀(jì)60年代，我國(guó)開始在雷達(dá)、通信、電子計(jì)算機(jī)領(lǐng)域進(jìn)行可靠性研究。20世紀(jì)70年代，基于國(guó)家重大工程需要，開始進(jìn)行電子元器件“七專”產(chǎn)品及元器件驗(yàn)證試驗(yàn)。經(jīng)過十年努力，軍用電子元器件可靠性明顯提高?！皟蓮椧恍恰惫こ桃约昂娇蘸教旃こ叹〉镁薮蟪晒?。與此同時(shí)，我國(guó)的儀器儀表應(yīng)用范圍也越來越廣：從試驗(yàn)室到工廠、野外；從地面到高空，海洋；從熱帶到寒帶，到極地。其應(yīng)用環(huán)境日趨復(fù)雜、惡劣，常常處于高溫、輻射、腐蝕、振動(dòng)等工作環(huán)境，使儀表故障頻繁發(fā)生。如20世紀(jì)80年代某化工廠初步統(tǒng)計(jì)，投入使用的國(guó)產(chǎn)儀表中，指示記錄儀每1 000 h平均故障率高達(dá)50%以上，變送器及調(diào)節(jié)器故障率約為3%；而同期日本的電子儀表使用壽命為10～20年。其中,橫河I系列儀表故障率僅為0.03%/1 000 h。如此之大的差距表明，提高儀器儀表可靠性已成為我國(guó)儀表行業(yè)當(dāng)務(wù)之急。

1 可靠性評(píng)估

儀器儀表的可靠性評(píng)估是根據(jù)儀表可靠性設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、壽命模型、試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，對(duì)其可靠性指標(biāo)作出估計(jì)的過程?？煽啃栽u(píng)估是在一定規(guī)定條件下，如工作環(huán)境、工作應(yīng)力以及規(guī)定時(shí)間內(nèi)，驗(yàn)證其能否完成所要求功能的過程。該過程主要考核其組成的元、部件在試驗(yàn)室或工作現(xiàn)場(chǎng)條件下運(yùn)行時(shí)，其設(shè)計(jì)的固有性能是否滿足可靠性要求，從而進(jìn)行必要的分析、計(jì)算、測(cè)試試驗(yàn)或可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)。

1.1 儀器儀表可靠性評(píng)估方法

可靠性評(píng)估根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)來源可分為3類。

①試驗(yàn)室可靠性試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析評(píng)估。其工作環(huán)境條件、工作程序以及負(fù)荷均為可控，但與實(shí)際工作狀況有所不同，因此可通過試驗(yàn)室測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)，進(jìn)而評(píng)估其可靠性水平。

②可靠性分析及計(jì)算評(píng)估。分析數(shù)據(jù)主要來源于試驗(yàn)室各種性能測(cè)試，現(xiàn)場(chǎng)收集的數(shù)據(jù)或者可靠性預(yù)計(jì)數(shù)據(jù)等。這些數(shù)據(jù)通常較為龐雜，一般通過FTA、統(tǒng)計(jì)等方法評(píng)估其可靠性水平。

③可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)分析法。其數(shù)據(jù)來源主要是儀器儀表研制階段，通過施加各種環(huán)境應(yīng)力試驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)，并通過試驗(yàn)-改進(jìn)-再試驗(yàn)的不斷循環(huán)，然后基于可靠性增長(zhǎng)模型分析、計(jì)算儀表可靠性增長(zhǎng)的實(shí)際水平。

1.2 儀器儀表可靠性評(píng)估的主要特征量[1-2]

①可靠度R(t)。

儀器的可靠度表示在儀器儀表工作在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定功能的概率。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

R(t)=P(T>t)

(1)

式中：T為儀器儀表使用壽命。

②失效率λ(t) 。

(2)

式中：F(t)為儀器的失效分布函數(shù)。

于是有：

(3)

③平均壽命E(t)。

(4)

對(duì)于可修復(fù)產(chǎn)品(儀器儀表一般屬于可修復(fù)產(chǎn)品)，稱為平均無故障時(shí)間(mean time between failure，MTBF)。

④維修度M(τ)和修復(fù)率μ(τ)。

M(τ)=P(T?τ)

(5)

式中：M(τ) 為儀器儀表在規(guī)定時(shí)間內(nèi)修復(fù)其功能的概率；μ(τ)為修復(fù)率，表示單位時(shí)間修復(fù)的概率。

⑤有效度A(t)。

儀表在規(guī)定的使用條件下，在某個(gè)觀察時(shí)間t內(nèi)，保持其規(guī)定功能的能力。

(6)

式中：TMTTR為儀表的平均修復(fù)時(shí)間(mean time to repair,MTTR)；TMTBF為儀表的MTBF。

1.3 常用失效分布函數(shù)

(1)指數(shù)分布。

在可靠性理論中，指數(shù)分布函數(shù)是最為基本、常用的分布函數(shù)，適用于失效率λ(t)為常數(shù)的情況。一般地，儀器儀表整機(jī)或系統(tǒng)失效模型服從指數(shù)分布。

①失效概率密度函數(shù)為f(t)。

f(t)=λe-λt,t≥0

(7)

式中：λ為指數(shù)分布函數(shù)的失效率，為常數(shù)。

②累積失效分布函數(shù)F(t)。

(8)

③可靠度函數(shù)R(t)。

R(t)=1-F(t)=e-λt,t≥0

(9)

④平均壽命E(t)。

(10)

指數(shù)分布的重要性質(zhì)是“無記憶性”，即當(dāng)產(chǎn)品在t時(shí)刻正常工作時(shí)，其在t刻以后的剩余壽命與新產(chǎn)品一樣，與t無關(guān)。

(2)威布爾分布。

威布爾分布在可靠性理論中是適應(yīng)范圍較廣的一種分布，可全面描述產(chǎn)品浴盆失效率曲線的各階段。威布分布也稱為“最弱環(huán)模型”。一般地，機(jī)械元器件疲勞損傷模型服從威布爾分布或?qū)?shù)正態(tài)分布。筆者曾研究過儀表彈性敏感元件(金屬波紋管)失效壽命分布，試驗(yàn)結(jié)果表明，其壽命分布屬于威布爾分布模型[1,3]。

①失效概率密度函數(shù)f(t)。

(11)

式中：m為形狀參數(shù)；t0為尺度參數(shù)。

② 累積失效概率函數(shù)F(t)。

(12)

式中：γ為位置參數(shù)。

③可靠度R(t)。

(13)

④平均壽命E(t)。

(14)

對(duì)于威布爾分布，當(dāng)形狀參數(shù)m>3后，趨于正態(tài)分布；當(dāng)m=1時(shí)，為指數(shù)分布。

(3) 對(duì)數(shù)正態(tài)分布。

對(duì)數(shù)正態(tài)分布常用于機(jī)械元部件由于裂紋擴(kuò)展而引起失效的分布模型，也可用于恒應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)后對(duì)樣品失效時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

①對(duì)數(shù)正態(tài)分布概率密度函數(shù)f(t)。

(15)

式中：μ、σ分別為均值和方差。

②對(duì)數(shù)正態(tài)分布失效概率函數(shù)F(t)。

(16)

③對(duì)數(shù)正態(tài)可靠度函數(shù)R(t)。

(17)

(4)平均壽命E(t)。

(18)

2 儀表可靠性設(shè)計(jì)[4]

為了確保設(shè)計(jì)的儀器儀表穩(wěn)定、可靠，首先對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行可靠性預(yù)計(jì)和分配，然后進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)。可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)包括可靠性預(yù)計(jì)和分配、元器件降額設(shè)計(jì)、冗余設(shè)計(jì)、環(huán)境防護(hù)設(shè)計(jì)(所謂防潮濕、防煙霧、防霉菌三防設(shè)計(jì))、故障分析、維修性設(shè)計(jì)以及可靠性增長(zhǎng)技術(shù)等。

2.1 可靠性預(yù)計(jì)與分配[4]

可靠性預(yù)計(jì)表示儀器在設(shè)計(jì)階段，根據(jù)其使用的元器件、功能、應(yīng)用環(huán)境等對(duì)儀器可靠度進(jìn)行初步預(yù)測(cè)，判斷所設(shè)計(jì)的裝置是否達(dá)到預(yù)期要求的可靠性指標(biāo)，并找出設(shè)計(jì)中的薄弱環(huán)節(jié)加以改進(jìn)、提高。

根據(jù)所設(shè)計(jì)的儀表系統(tǒng)，繪制其可靠性邏輯框圖，并建立相應(yīng)可靠性數(shù)學(xué)模型。首先確定元器件的可靠度，然后預(yù)計(jì)部件的可靠度，經(jīng)逐級(jí)預(yù)計(jì)，最后預(yù)計(jì)儀器裝置的可靠度。預(yù)計(jì)方法包括電子元器件使用失效率預(yù)計(jì)(參考美國(guó)軍用《電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)手冊(cè)》以及國(guó)內(nèi)《電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)手冊(cè)》)。系統(tǒng)(或整機(jī))預(yù)計(jì)方法一般根據(jù)可靠性框圖及模型進(jìn)行，包括快速預(yù)計(jì)法、數(shù)學(xué)模型法及邊值法。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行可靠性分配，即將要求的儀器儀表可靠性指標(biāo)合理地分配給整機(jī)中的每個(gè)元部件，為可靠性預(yù)計(jì)的逆過程。通過可靠性分配，可使設(shè)計(jì)人員明確所設(shè)計(jì)的各部件乃至所選用的元器件應(yīng)達(dá)到的可靠性水平，并與預(yù)計(jì)結(jié)果進(jìn)行比較，找出設(shè)計(jì)時(shí)考慮不足部分進(jìn)行改進(jìn)，以提高系統(tǒng)(或整機(jī))的固有可靠度。可靠性分配方法主要包括等分配法、相對(duì)失效率法、代數(shù)分配法以及約束條件下系統(tǒng)可靠性分配方法等。

以最新研發(fā)的液固兩相流量計(jì)為例，說明可靠性預(yù)計(jì)和分配方法。該流量計(jì)采用相關(guān)測(cè)速方法進(jìn)行紙漿體積流量測(cè)量，主要由傳感器和互相關(guān)器兩部分組成。傳感器獲取隨機(jī)相關(guān)測(cè)量信號(hào)，互相關(guān)器則完成相關(guān)流速測(cè)量。

這里暫不考慮機(jī)械零部件失效率(與電子元器件相比，其失效率可忽略)，主要考慮由8單元串聯(lián)組成的液固兩相流量計(jì)系統(tǒng)的可靠度及平均壽命。

(19)

(20)

式中：λpi為第i個(gè)單元使用失效率。

考慮工藝性失效等影響因素，取補(bǔ)償系數(shù)α，則可得：

(21)

其次，考慮到部分元器件失效并不會(huì)導(dǎo)致儀表系統(tǒng)失效，取修正系數(shù)β。則第i個(gè)單元使用失效率為：

(22)

式中：ni為第i個(gè)單元元器件數(shù)。

于是，儀表系統(tǒng)的MTBF 預(yù)估為:

(23)

液固兩相流量計(jì)可靠性如圖1所示。

圖1 液固兩相流量計(jì)可靠性框圖Fig.1 Liquid-solid two-phase flowmeter reliability block diagram

該傳感器單元安裝在紙漿工藝管道上，最高溫度為45 ℃，互相關(guān)器安裝在控制室，最高溫度35 ℃?；谠骷氖褂铆h(huán)境及失效率模型，可求得各元器件使用失效率λij以及修正系數(shù)βij。由式(22)可計(jì)算各單元的使用失效率。信號(hào)檢測(cè)及前置放大器單元的使用失效率λp1為 36.175 0×10-6/h。極性化處理單元的使用失效率λp2為2.832 0×10-6/h。延時(shí)電路單元的使用失效率λp3為1.577 6×10-6/h。微處理器單元的使用失效率λp4為14.004 2×10-6/h。D/A 轉(zhuǎn)換單元的使用失效率λp5為5.160 3×10-6/h。基準(zhǔn)電壓?jiǎn)卧氖褂檬师藀6為0.991 8×10-6/h。電源的使用失效率λp7為2.537 8×10-6/h。 其他單元的使用失效率λp8為5.127 3×10-6/h。

取補(bǔ)償系數(shù)α=0.05 (具體情況因使用環(huán)境條件而定)，根據(jù)式(23)計(jì)算液固兩相流量計(jì)整機(jī)的MTBF,為:

其中，由于部分元器件失效模式不引起系統(tǒng)故障，故取βij為1。

在上述預(yù)計(jì)的基礎(chǔ)上，可對(duì)液固兩相流量計(jì)各單元進(jìn)行可靠性分配。這里將TMTBFs值適當(dāng)放寬為20 000 h。于是，根據(jù)相對(duì)失效率分配法，有：

(24)

λp1= 26.441 6×10-6/h；λp2= 2.070 0×10-6/h；

λp3= 1.153 1×10-6/h；λp4= 10.236 1×10-6/h；

λp5= 3.771 8×10-6/h；λp6= 0.724 9×10-6/h；

λp7= 1.854 9×10-6/h；λp8= 3.747 7×10-6/h。

2.2 可靠性篩選與降額設(shè)計(jì)[2]

電子元器件篩選分為應(yīng)力強(qiáng)度篩選和老練篩選。應(yīng)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)對(duì)儀表施加各種應(yīng)力條件后進(jìn)行測(cè)試篩選，如高溫老練篩選、功率篩選以及離心老練篩選等。降額首先考慮溫度、應(yīng)力初值的選擇，以及降額等級(jí)和降額準(zhǔn)則。對(duì)此，可參考《電子設(shè)備可靠性預(yù)測(cè)手冊(cè)》規(guī)定實(shí)行。

例如，常用的模擬電路放大器降額參數(shù)和降額因子如表1所示。

表1 放大器降額參數(shù)和降額因子

表1中，運(yùn)算范大器參數(shù)如下，并要求Ⅰ級(jí)降額。正電源電壓VCC為+22 V; 最高結(jié)溫Tjm為150 ℃;負(fù)電源電壓VCC為-22 V; 總功率Ptot為500 mW; 輸入差動(dòng)電壓Vid為±20 V;熱阻vJC為160 ℃/W;輸出短路電流Ios為20 mA。

根據(jù)表1中Ⅰ級(jí)降額對(duì)應(yīng)的降額因子，則計(jì)算器件各參數(shù)降額值如下。 正電源電壓VCC為+15.4 V (降額因子0.7);負(fù)電源電壓VCC為-15.4 V(降額因子0.7); 輸入差動(dòng)電壓Vid為±12 V(降額因子0.6);輸出短路電流Ios為14 mA (降額因子0.7);最高結(jié)溫Tjm為80 ℃；總功率Ptot為350 mW(降額因子0.7)；熱阻vJC為160 ℃/W。

從而推導(dǎo)出此運(yùn)算放大器降額曲線，如圖2所示。

圖2 運(yùn)算放大器降額曲線Fig.2 Derating curves of operational amplifier

2.3 冗余設(shè)計(jì)

冗余設(shè)計(jì)[1](或余度設(shè)計(jì))是系統(tǒng)或儀器儀表裝置的關(guān)鍵元部件通過并聯(lián)冗余、表決冗余或儲(chǔ)備冗余，以提高整機(jī)可靠性指標(biāo)，適用于復(fù)雜的高可靠性系統(tǒng)或儀器儀表裝置。

①并聯(lián)冗余。

并聯(lián)冗余包括工作冗余和非工作冗余。

對(duì)于二重工作冗余系統(tǒng)，可靠度為:

Rs=1-(1-R)2=2e-λt-e-2λt

(25)

式中：?jiǎn)卧目煽慷纫话阍O(shè)為指數(shù)分布R=e-λt。

對(duì)于非工作冗余，即系統(tǒng)只有一個(gè)單元工作，發(fā)生故障后立即切換到另一個(gè)備份單元。為保證系統(tǒng)繼續(xù)工作，系統(tǒng)可靠度為：

Rs=e-λt(1+λt)

(26)

幾種冗余系統(tǒng)可靠度如圖3所示。

圖3 幾種冗余系統(tǒng)可靠度Fig.3 Reliability of several redundant systems

圖3中：曲線1為無并聯(lián)冗余系統(tǒng)可靠度，Rs=e-λt；曲線2為兩個(gè)單元并聯(lián)冗余系統(tǒng)可靠度，Rs=1-(1-R)2=2e-λt-e-2λt；曲線3為兩個(gè)單元非工作冗余系統(tǒng)可靠度，Rs=e-λt(1+λt) 。

顯然，兩個(gè)單元非工作冗余系統(tǒng)的可靠度最高。

②表決系統(tǒng)。

表決系統(tǒng)大多采用[2/3]表決系統(tǒng)，簡(jiǎn)單且實(shí)用。 [2/3]表決系統(tǒng)可靠性如圖4所示。

圖4 [2/3]表決系統(tǒng)可靠性框圖Fig.4 Reliability block diagram of [2/3] voting system

表決系統(tǒng)可靠度為：

Rs=3e-2λt-2e-3λt

(27)

其MTBF為：

(28)

對(duì)于多數(shù)表決系統(tǒng)(m取n系統(tǒng))一般稱為(n+1)/(2n+1) 系統(tǒng)。其可靠度為：

(29)

多數(shù)表決系統(tǒng)可靠度曲線如圖5所示。

圖5 多數(shù)表決系統(tǒng)可靠度曲線Fig.5 Reliability curves of major voting systems

2.4 可靠性漂移設(shè)計(jì)

構(gòu)成儀表系統(tǒng)電子元器件由于環(huán)境條件以及退化效應(yīng)而導(dǎo)致其性能產(chǎn)生漂移，故應(yīng)采取相應(yīng)措施加以修正和補(bǔ)償。一般采取控制質(zhì)量法和容差電路設(shè)計(jì)法。前者嚴(yán)格控制材料及加工工藝過程，后者主要考慮電子線路設(shè)計(jì)方法，包括反饋及補(bǔ)償技術(shù)。其中，常用方法稱為最壞情況分析法(一種非統(tǒng)計(jì)方法)。基于元器件參數(shù)的變化極限，預(yù)測(cè)系統(tǒng)性能參數(shù)變化是否超過允許范圍，是一種十分有效的方法。

2.5 熱設(shè)計(jì)

電子設(shè)備中功率損失通常表現(xiàn)為熱能耗散。其中，電阻元件即為一個(gè)內(nèi)部熱源。當(dāng)儀表運(yùn)行時(shí)，不僅本身溫度升高，而且向周圍輻射熱量；同時(shí)，周圍的環(huán)境溫度也將影響設(shè)備內(nèi)部溫度。一般而言，元器件使用環(huán)境溫度每提高10 ℃，元器件的壽命會(huì)縮短二分之一到三分之一。因此，必須采用熱設(shè)計(jì)方法保證產(chǎn)品的可靠性。通常采用的措施為：①將設(shè)備和元器件溫度限定在一定的范圍內(nèi)，并保持其各點(diǎn)間的溫差盡量小；②進(jìn)行散熱設(shè)計(jì)(必要時(shí)安裝散熱器)和致冷設(shè)計(jì)，使設(shè)備工作在低溫環(huán)境下，以減少參數(shù)漂移，保持儀表性能穩(wěn)定。

2.6 電磁兼容性設(shè)計(jì)

電子線路受電磁干擾的三要素為存在干擾源、噪聲敏感的接收電路、噪聲源到接收電路之間的耦合通道。因此，只要消除其中一個(gè)環(huán)節(jié)，便可防止電磁干擾。例如，信號(hào)輸入端設(shè)計(jì)濾波和隔離單元；地線設(shè)計(jì)采用公共地并一點(diǎn)接地，防止寄生耦合造成干擾；加裝屏蔽罩并采用屏蔽線，也可采取浮空加保護(hù)屏蔽措施。

2.7 維修性設(shè)計(jì)

為提高儀器儀表有效性，不僅需要提高固有的可靠性設(shè)計(jì)，還應(yīng)進(jìn)行維修性設(shè)計(jì)[2]。

維修性設(shè)計(jì)一般準(zhǔn)則如下。

①簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)：盡可能簡(jiǎn)化儀表功能，采用最簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以減少元、部件品種及數(shù)量。

②可達(dá)性：對(duì)于故障率較高且需要一定維修空間的部件，盡可能安排在易接近的部位，各元部件(特別是易損及常用件)的拆裝應(yīng)簡(jiǎn)便，產(chǎn)品的檢查點(diǎn)、測(cè)試點(diǎn)等應(yīng)設(shè)置在方便接近的位置，檢查或維修時(shí)盡量不拆或少拆其他元部件。

③標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化：優(yōu)先選用標(biāo)準(zhǔn)件，對(duì)于故障率較高的易損件，應(yīng)具有良好的互換性及通用性，可按功能設(shè)計(jì)為易于互換的模塊，便于單獨(dú)進(jìn)行測(cè)試。

④自檢和自診斷：儀器盡可能具有自檢及故障自診斷顯示功能，以便迅速識(shí)別故障，指導(dǎo)維修人員實(shí)現(xiàn)快速維修，恢復(fù)儀器功能。

⑤維修安全性：設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)保護(hù)維修人員免受機(jī)械損傷，以及高溫、有毒及放射性物質(zhì)的傷害。

例如，儀表中鍵盤接口板可能存在干擾問題，通常是鍵盤電路和數(shù)據(jù)傳輸線設(shè)計(jì)問題。鍵盤接口板設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6 鍵盤接口板設(shè)計(jì)圖Fig.6 Keyboard interface board design diagram

圖6中，定義硬件接口Pin1～Pin2為VCC、GND;Pin3～Pin5 為鍵盤輸入( MCU 輸出的掃描信號(hào)接口板)的L1、L2、L3;Pin6～Pin8為鍵盤列掃描輸出(MCU 讀出接口板信號(hào))的C1、C2、C3。

軟件接口為L(zhǎng)1=1,讀取C1、C2、C3的值。若C1通路為“1”電平，表明L1-C1對(duì)應(yīng)按鍵按下，以此類推。電路板的四個(gè)安裝孔V1～V4為機(jī)械安裝孔，板卡機(jī)械接口。經(jīng)改進(jìn)設(shè)計(jì)，需要增大電路板面積，并考慮可維修性，設(shè)計(jì)改進(jìn)時(shí)需要考慮接口兼容性，即Pin1～Pin8 引腳功能和電平以及軟件協(xié)議不能改動(dòng)。結(jié)構(gòu)上，因?qū)嶋H需要改變其面積大小，所以即使V1、V2、V5、V6滿足板卡固定要求，需要仍保留V3、V4安裝孔，如圖6(b)所示。以新版本的板卡作為備件，可實(shí)現(xiàn)老版本替換性維修。

2.8 可靠性增長(zhǎng)

可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)是通過設(shè)計(jì)改進(jìn)，以期提高儀器的可靠性?？煽啃栽鲩L(zhǎng)周期如圖7所示。通過試驗(yàn)-分析-改進(jìn)-再試驗(yàn)，逐漸提高儀表的可靠性?？煽啃栽囼?yàn)通常包括環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)，如：溫、濕度試驗(yàn)，振動(dòng)、沖擊試驗(yàn)，腐蝕、侵蝕影響以及電磁兼容性(electromagnetic compatibility,EMC)試驗(yàn)等。本文對(duì)此不作詳細(xì)討論，具體可參閱參考文獻(xiàn)[1]和參考文獻(xiàn)[2]。

圖7 可靠性增長(zhǎng)周期Fig.7 Reliability growth cycle

仍以上述液固兩相流量計(jì)為例。由于該流量計(jì)是較為復(fù)雜的新型流量計(jì)，比較適合的增長(zhǎng)模型為陸軍器材系統(tǒng)分析(army material system analysis activity，AMSAA)模型。該模型是對(duì)杜安(Duane)模型改進(jìn)后提出的，可直接基于原始數(shù)據(jù)計(jì)算。

基于AMSAA模型的液固兩相流量計(jì)數(shù)據(jù)處理流程如圖8所示。

圖8 基于AMSAA模型的液固兩相流量計(jì)數(shù)據(jù)處理流程圖Fig.8 Data processing flowchart of liquid-solid two-phaseflowmeter based on AMSAA model

通過計(jì)算表明，液固兩相流量計(jì)的可靠度獲得明顯的增長(zhǎng)效果。

3 結(jié)論

儀器儀表涉及光學(xué)、機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)和材料等多學(xué)科領(lǐng)域。伴隨著自動(dòng)化水平不斷提高，自動(dòng)化設(shè)備結(jié)構(gòu)越加復(fù)雜，所用元器件種類繁多，而應(yīng)用的環(huán)境條件日趨惡劣，發(fā)生系統(tǒng)故障的幾率增大，因此提高儀表可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)十分重要和迫切[5-7]。為此，提出以下建議。

①研究機(jī)構(gòu)以及生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)高度重視可靠性工作在產(chǎn)業(yè)發(fā)展中的戰(zhàn)略地位，不斷加大投入并加以政策引導(dǎo)，認(rèn)真抓好儀器儀表產(chǎn)品可靠性使用試驗(yàn)與評(píng)價(jià)，推動(dòng)儀器儀表產(chǎn)業(yè)發(fā)展和升級(jí)。

②根據(jù)企業(yè)研發(fā)、生產(chǎn)、銷售情況，建立企業(yè)的可靠性工作流程。在產(chǎn)品可靠性目標(biāo)的制定基礎(chǔ)上，根據(jù)產(chǎn)品使用環(huán)境條件，開展可靠性設(shè)計(jì)以及產(chǎn)品的失效分析，并進(jìn)行相應(yīng)的環(huán)境試驗(yàn)，以及可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)，瞄準(zhǔn)世界先進(jìn)水平，不斷提高產(chǎn)品質(zhì)量。

③建立可靠性試驗(yàn)及可靠性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，不斷跟蹤國(guó)際可靠性標(biāo)準(zhǔn)修訂和標(biāo)準(zhǔn)的解讀，使我國(guó)的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)不斷完善。