Введение

В настоящее время главной задачей метрологического обеспечения метеорологических средств измерений (СИ) является достижение высокой метрологической надежности разрабатываемых и применяемых метеорологических СИ, от качества которых во многом зависит достоверность прогнозов погоды, безопасность полетов авиации, надежность функционирования автоматических метеорологических станций и т.п. Непрерывное усложнение современных метеоро-логических СИ, создание сложных автоматизированных информационно-измерительных комплексов и систем вызывает необходимость разработки инженерных методов расчета и прогнозирования показателей метрологической надежности  метеорологических СИ с учетом реального процесса их эксплуатации.
Эксплуатация метеорологических СИ с низкими характеристиками метрологической надежности может привести к значительным информационным и экономическим потерям, существенно снизить эффективность их использования. В связи с этим возникает необходимость теоретического и экспери-ментального исследования показателей эксплуатаци-онной метрологической надежности СИ и разработки на основе полученных результатов научно обоснованной стратегии их эксплуатации. Стратегия эксплуатации должна быть оптимальной, что позволит повысить эффективность использования метеорологических СИ и сохранить требуемый уровень метрологической надеж-ности при их эксплуатации за счет рациональной органи-зации метрологического и технического обслуживания.
Существующая стратегия метрологического и технического обслуживания метеорологических СИ строилась без учета объективных характеристик эксплуатационной надежности (безотказности, функции готовности, ремонтопригодности, наработки до метрологических и явных отказов, фактического ресурса), особенностей конструкции СИ и условий эксплуатации (климатических условий, ограничений на длительность и частоту проведения различных восстановительных и поверочных работ), учета качества и эффективности поверки, ремонта СИ.
Вследствие этого в целом ряде случаев возникают трудности нормальной эксплуатации СИ, невозможность их поверки с существующими межповерочными интервалами, что приводит к значительным экономическим потерям, вызванным необоснованно частой поверкой СИ, выходом их из строя при частой транспортировке в поверку и, особенно, эксплуатацией после выработки ресурса и метрологических отказов.
Актуальность исследований показателей эксплуата-ционной метрологической надежности СИ обусловлена еще и тем, что до настоящего времени подобные исследования для метеорологических СИ не проводились и не определялись такие важные характеристики эксплуатационной метрологической надежности, как распределение времени безотказной работы, наработка на метрологический и явный отказы, вероятность безотказной работы (ВБР), функция готовности, функция изменения погрешности СИ во времени, эволюция законов распределения погрешности во времени.	В настоящее время отсутствуют универсальные методы оценки и прогнозирования показателей эксплуатационной метрологической надежности. Не изучены физико-химические причины метрологических отказов, а математические модели отказов имеют в большей степени теоретическое, чем прикладное значение. В большинстве случаев отсутствует информация о метрологических и явных отказах в период эксплуатации СИ, не уделяется внимание оптимальным срокам их эксплуатации, профилакти-ческим заменам. Отсутствуют данные о восстановлении их метрологических характеристик при поверке и ремонтах, без чего невозможно прогнозирование надежности СИ, оптимизация их эксплуатации.
Вследствие этого комплекс требований к надежности СИ, указанный в нормативной и справочной документации, не позволяет в настоящее время оценивать и прогнозировать вероятность их работоспособного состояния при эксплуатации, что предусмотрено требованиями ГОСТ 8.009–72, ГОСТ 27.003–83.
Согласно ГОСТ 27.002-89 [1] надежность — это свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, хранения и транспортирования. Это определение дает основание считать, что под метроло-гической надежностью следует понимать свойство объектов (в данном случае — средств измерений) сохранять все нормируемые метрологические характеристики (МХ) в течение заданного времени при определенных режимах и условиях эксплуатации.
Когда объект — средство измерений — находится в исправном состоянии, это значит, что все его характеристики, в т.ч. и метрологические, соответствуют нормативно-технической, конструкторской или эксплуатационной документации.
В течение всего периода изготовления изделия проходят различные виды контроля для обеспечения необходимого качества и надежности. Наиболее полная комплексная проверка качества изделий осуществляется при выходном контроле производства [2]. Каждое изделие (в нашем случае — СИ) проверяется на соответствие техническим условиям (ТУ), испытывается на работоспособность в граничных режимах (проводятся температурные испытания, испытания на вибрацию, при повышенном и пониженном давлении и др.). Перечисленные виды контроля имеют целью установить уровень качества. Изделия, благополучно прошедшие все виды контроля качества, считаются кондиционными. Однако этого недостаточно для успешной работы изделий на местах эксплуатации.
В процессе эксплуатации метрологические характеристики и параметры средств измерений претерпевают изменения. Эти изменения носят случайный монотонный или флуктуирующий характер и приводят к отказам, т.е. к невозможности СИ выполнять свои функции. При этом отказы могут быть неметрологическими и метрологическими.	
	
5	

Неметрологическим называется отказ, обусловленный причинами, не связанными с изменением метрологических характеристик средства измерений. Они носят, главным образом, явный характер, проявляются внезапно и могут быть обнаружены без проведения поверки. Кроме того, неметрологические отказы часто бывают независимыми, т.е. не обусловленными другими отказами. Характер таких отказов, как правило, стационарный.
Метрологическим называется отказ, вызванный выходом МХ из установленных допустимых границ [3]. При этом, если даже одна из метрологических характеристик СИ не соответствует установленному в нормативно-технической (или эксплуатационной) документации значению, считается, что наступил метрологический отказ. Как показывают исследования [4], метрологические отказы происходят значительно чаще, чем неметрологические. Это обусловливает необходимость разработки специальных методов их прогнозирования и обнаружения. Метрологические отказы подразделяются на внезапные и постепенные.
Внезапным называется отказ, характеризующийся скачкообразным изменением одной или нескольких МХ. Эти отказы в силу их случайности невозможно прогнозировать. Их последствия (сбой показаний, потеря чувствительности и т.п.) легко обнаруживаются в ходе эксплуатации прибора, т.е. по характеру проявления они являются явными. Особенность внезапных отказов — постоянство во времени их интенсивности. Это дает возможность применять для анализа этих отказов классическую теорию надежности. В связи с этим дальнейшем отказы такого рода не рассматриваются.
Постепенным называется отказ, характеризующийся монотонным изменением одной или нескольких МХ. По характеру проявления постепенные отказы являются скрытыми и могут быть выявлены только по результатам периодического контроля СИ. В дальнейшем рассматриваются именно такие отказы.
Современная теория надежности ориентирована на объекты, обладающие двумя характерными состояниями: работоспособное и неработоспособное. Постепенное изменение погрешности СИ позволяет ввести сколь угодно много работоспособных состояний с различным уровнем эффективности функционирования, определяемым степенью приближения погрешности к допустимым граничным значениям.
Понятие метрологического отказа является в известной степени условным, поскольку определяется допуском на МХ, который в общем случае может меняться в зависимости от конкретных условий. Важно и то, что зафиксировать точное время наступления метрологического отказа ввиду скрытого характера его проявления невозможно, в то время как явные отказы, которыми оперирует классическая теория надежности, могут быть обнаружены в момент их возникновения. Все это потребовало разработки специальных методов анализа метрологической надежности СИ [5; 6; 7; 8].	Доля наиболее опасных для потребителей метрологических отказов СИ, приводящих к искажению получаемой измерительной информации и измерительному браку, составляет, по разным оценкам, от 30 до 100%. Эти отказы являются следствием закономерно протекающих в элементах СИ процессов старения или износа, накопления изменений параметров элементов. Специфика проблемы метрологической надежности состоит в том, что для нее основное положение классической теории надежности о постоянстве во времени интенсивности отказов оказывается неправомерным. Для СИ нельзя также принимать фундаментальные допущения классической теории надежности, заключающиеся во взаимной независимости отказов элементов и стационарности потоков отказов. Применение на практике методов, основанных на этих допущениях, может привести к грубым просчетам (например, прогнозируемое в соответствии с ними значение межповерочного интервала, как правило, оказывается на порядок меньше его реальных значений).
Необходимость исследования вопросов надежности измерительных приборов с учетом их метрологических характеристик обосновывалась еще в 60-е годы в работах Арутюнова, Бруевича, Мандельштама, Обальского, Томашевского, Тышинского, Туркельбаума. Поэтому в 70-е гг. XX века были развернуты работы по специальной теории надежности, учитывающей специфику метрологических отказов СИ. Значительный вклад в ее решение внесли В.О. Арутюнов, Ю.В. Тарбеев, П.В. Новицкий, Л.К. Исаев, П.И. Падерно, Ю.Н. Кофанов, Б.И. Козлов, А.Б. Татиевский, Г.А. Кондрашкова, А.Э. Фридман, А.В. Екимов, Б.М. Беляев, А.В. Винокуров, А.М. Звягинцев, А.В. Чельцов и многие другие ученые и специалисты. Большой интерес также представляет монография польского ученого Казуски [Дж. Казуски. Метрологическая надежность], в которой представлены аналитические методы определения надежности измерительных приборов, рассматриваемой с точки зрения требований метрологии, новые статистические методы экспериментального исследования метрологической надежности, обоснованы и применены теория процессов Маркова, а также кинетические уравнения Фоккера, Планка, Колмогорова для анализа надежности измерительных приборов. Новый подход к известным посылкам теории чувствительности позволил сконструировать вероятностно-детерминистические методы, использующие детерминированные элементы функциональной и надежностной структуры и качественный процесс изменения чувствительности, происходящий при наличии такой структуры.
В 1990 г. П.В. Новицкий, И.А. Зограф и В.С. Лабунец в монографии [6] предложили новую теорию для оценки метрологической надежности СИ. В соответствии с ней метрологическая надежность СИ определяется как надежность СИ в части сохранения метрологической исправности, т.е. такого состояния, в котором все МХ соответствуют установленным нормам. Следовательно, она оценивается распределением моментов наступления метрологических отказов. Очевидно, что метрологи-ческая надежность СИ зависит от его стабильности, но,  кроме   того,  от   установленных   нормативов  и  условий	

6		

эксплуатации СИ: пределов допускаемых значений МХ, параметров градуировки, межпроверочного интервала и других. Из этого вытекает следующее принципиальное положение — оценка метрологи-ческой надежности СИ возможна только после исследования его стабильности.
Проведенный авторами анализ статистического материала о нестабильности основной погрешности аналоговых и цифровых электроизмерительных приборов и ИИС за 10–15 лет эксплуатации позволил получить значения параметров процесса метрологического старения, которые показывают конкретные пути и широкие возможности обеспечения метрологической надежности СИ. Высокая метрологическая надежность СИ обеспечивается двумя необходимыми условиями: 1 — достаточно большим заводским запасом погрешности на старение и 2 — качественным метрологическим обслуживанием при поверках и ремонтах, при эксплуатации.
П.В. Новицкий, И.А. Зограф и В.С. Лабунец [6] предложили использовать приведенные соотношения для прогнозирования метрологических отказов путем расчета параметров процесса нарастания прогрессирующей погрешности — текущего значения погрешности, запаса погрешности, момента возникновения метрологического отказа и т.д. Для этого необходимо знать значения следующих трех параметров: приведенную погрешность прибора при выпуске из производства, начальную скорость возрастания приведенного значения погрешности и отрицательное ускорение процесса старения. Для каждого экземпляра прибора эти параметры имеют индивидуальные значения. Особенно трудно определить значения скорости и ускорения процесса старения, так как они определяются разностями значений погрешности.
Из монографии [6] следует, что для получения данных о скорости и ускорении процесса старения необходимо ежегодно (в течение 3–4 лет) при проведении поверок заносить в компьютер значения полученных погрешностей для накопления этих данных.
	В развитие описанной теории, имеющей ряд недостатков (недостаточность общности и учета стохастического характера процессов дрейфа погрешности), в 1991–1993 гг. А.Э. Фридманом была разработана так называемая «теория метрологической надежности средств измерений» [7, 8], обладающая достаточной общностью и учитывающая помимо описанной модели стохастические представления о процессах дрейфа МХ СИ. Эта модель учитывает возможность сбора экспериментального материала о нестабильности СИ, так как контроль значений МХ осуществляется через определенные промежутки времени и, следовательно, при проведении эксперимента нельзя зафиксировать скачки скорости дрейфа.
При применении рассмотренных моделей траекторий дрейфа СИ к метеорологическим СИ следует учесть ряд особенностей этих приборов, таких как:
— эксплуатация в условиях значительной агрессивности внешней среды с развитием необратимых процессов износа и старения. Конструкция метеорологических СИ содержит относительно небольшое количество элементов, что ограничивает статистические эффекты компенсации и наложения во времени случайных процессов дрейфа МХ. Поэтому эффект последствий случайных процессов дрейфа параметров отдельных элементов конструкции метеорологических СИ может проявиться в полной мере;
— скачкообразные перемещения рабочей точки СИ, увеличивающие немонотонность дрейфа, возникающие из-за наличия погрешностей при восстановлении после обратимых (самоустраняющихся) метрологических сбоев.
Эти особенности позволяют выделить класс моделей случайных процессов немарковского типа, которые могут быть применимы для описания процессов изменения надежности метеорологических СИ.
В данной монографии описаны основные методы, алгоритмы, программное обеспечение, результаты исследований метрологической надежности и обоснования межповерочных интервалов для основных видов метеорологических СИ и автоматизированных измерительно-информационных систем (АИИС).	
	
7