Частота отказов
Надежность датчика является чисто статистической величиной, в каждом случае характеризуется его частотой отказов λ, которая рассчитывается в 1/ч, %/ч или об./ч. При этом X рассчитывается с помощью большого числа частей. Если нет желания рассчитывать частоту отказов с помощью слишком большого числа N (≤40) датчиков, то ведутся наблюдения за отказами данной выборочной партии в рабочих условиях до тех пор, пока — по истечении конечного времени — все части не выйдут из строя. Наблюдение начинают в момент времени t0 и отмечают показания до последующего момента времени ti, еще присутствующий исправный остаток в качестве В (t), таким образом, для частоты отказов λ получают хорошее приближение в качестве квоты отказов q для:
Квота отказов
ti являются теми моментами времени, в которые выходят из строя отдельные или некоторые детали (рисунок 17). Соотношение моментного или начального состояния рассчитывается как относительное состояние BR:
Рисунок 17. Наличие и относительное состояние выборочной пробы. Для выборочной пробы рассмотрено N=20 датчиков; Средний срок службы Тм = 4965 ч
Этому соответствует при очень большом числе частей (N→∞) вероятность сохранения работоспособного состояния R(t) — для постоянно изменяемого — момента времени t. Частота отказов рассчитывается при этом для большого числа (на практике N=2000) датчиков в качестве процентного изменения вероятности сохранения рабочего состояния R на единицу времени d t для:
Частота отказов (англ.: failure rate)
Под надежностью понимают обратное значение частоты отказов:
Надежность (англ.: reliability)
Для определения частоты отказов λ необходим критерий отказа.
- Полный отказ.
- Частичный отказ.
- Внезапный отказ (внезапные изменения характеристик).
- Постепенный отказ (постепенное изменение характеристик).
В дальнейшем следует обязательно определить, при каких условиях работы следует понимать определяемую таким образом частоту отказов. При этом следует различать, например, в отношении электрических частей, таких как датчики, фактическое, активное рабочее время (включенное состояние) и срок службы в контексте чистого времени хранения. Без этих дополнительных данных любой показатель частоты отказов обесценивается!
Показатели частоты отказов определяются чаще всего с помощью метода замедленной фотосъемки. При этом коэффициенты убыстрения получают благодаря тому, что датчики подвергаются более жестким условиям эксплуатации. Для использования способа замедленной фотосъемки, ориентированного на фактические условия, необходим значительный опыт.
Для обозначения надежности датчика используется термин среднего срока службы ТМ. Он рассчитывается в случае выборочной пробы в хорошем приближении из суммы отдельных сроков службы Тi:
Для очень большого количества частей.
Частота отказов продукта свидетельствует о времени типичного процесса, отображенного кривой на рис 18. Вначале частота достаточно высока из-за преждевременных отказов, затем следует длинный, относительно невысокий горизонтальный участок кривой с низкой частотой, и затем в конце срок службы снова резко возрастают отказы (эффекты старения и износа). В датчиках, которые должны иметь повышенную надежность, пытаются с самого начала максимально снизить высокую интенсивность отказов, за счет преждевременного состаривания — например, в результате хранения при повышенной температуре («burn in») — отсортировываются датчики, преждевременно выходящие из строя. Преждевременный выход из строя — это не что иное, как не распознанный производственный дефект.
Рисунок 18. Распределение частоты отказов λ(t) в течение времени
В таблице 3 приведены некоторые примеры допустимой частоты отказов в автомобиле λ. Указанные параметры об/мин касаются промежутка времени, равного 10 годам, либо пробегу в 150000 км, если он достигнут за меньший отрезок времени. Если здесь указаны датчики с обобщенным параметром менее 10 об/мин, то это означает, что за 10 лет из 1 миллиона датчиков могут выйти из строя менее 10 штук. Для датчиков систем защиты пассажиров этот параметр должен быть еще ниже.
Таблица 3. Требования к надежности в автомобильных системах
Цель гарантии: 150000 км/10 лет | |
ECU-частота отказов (поле) | < 50 об/мин |
ECU-частота отказов (0 км) | < 15 об/мин |
Частота отказов модули и датчики | < 10 об/мин |
ASIC-частота отказов | < 3 об/мин |
IC-частота отказов | << 1 об/мин |
Частота отказов дискретных компонентов | < 0,5 об/мин |
В сравнении с мобильным телефоном | 5000 об/мин |
Меры для повышения надежности
Лучший способ для обеспечения высокого качества — конструирование и концептуальное формирование надежности.
Это означает, что еще в момент проектирования датчика следует выбирать материалы, зарекомендовавшие себя как надежные и износостойкие, а в отношении ожидаемых механических, химических и электрический воздействий окружающей среды необходимо заранее предусмотреть мощные меры защиты (монтаж, пассивирование). Более затратно гарантировать надежность только за счет испытаний, т.е. путем преждевременного состаривания выявлять случаи преждевременного выхода из строя.
В сложных установках целесообразно предусматривать для датчиков наличие контрольных и диагностических процедур (например, проверка уровня сигнала (Signal range check)), чтобы можно было заблаговременно выявлять случаи отказов в работе. При необходимости функцию датчика здесь можно временно заменить другими измерительными величинами или целесообразными постоянными величинами (режим аварийной работы, back up). Можно предусмотреть наличие аварийного режима работы без датчиков, чисто механическое. Если, например, в дизельном автомобиле выходит из строя педаль газа, то автомобиль можно медленно вести до СТО только с помощью частоты вращения при холостом ходе (limp home).
Если надежность можно гарантировать почти стопроцентно (например, для датчиков электронной тормозной и рулевой систем), то обычно предусматриваются дублирующие средства, т.е. наличие нескольких дублирующих единиц. При этом двойное дублирование одного и того же датчика обеспечивает только выявление выхода из строя при наличии различных индикаторов, в то время как тройное дублирование уже благодаря 2 из 3 определенных значений выдает еще одну правильную измеряемую величину. Однако тут нужно следить за тем, чтобы было предусмотрено не только дублирование датчика, но и дублирование других важных элементов, таких как электроснабжение, оценка сигнала и средства передачи, поскольку в противном случае увеличивается вероятность одновременного выхода из строя. Часто имеет смысл изготавливать дублирующие датчики, используя другую технологию.