FYZIKÁLNÍ a FUNKČNÍ METODY DIAGNOSTIKY

1. FYZIKÁLNÍ a FUNKČNÍ METODY DIAGNOSTIKY DIAGNOSTIKA A TESTOVÁNÍ ELEKTRONICKÝCH OBVODŮ

2. Obsah přednášky • Fyzikální metody technické diagnostiky. • Funkční metody technické diagnostiky. • Matematické modely diagnostických objektů. • Diagnostické testy. • Formy diagnostiky. • Periodická diagnostika.

3. Obsah přednášky • Průběžná diagnostika. • Zobrazení diagnostického testu pomocí tabulky, postup při testování. • Detekční testování. • Lokalizační testování.

4. Fyzikální metody diagnostiky • Jednotlivé metody rozlišujeme podle typu fyzikálního jevu na kterém je metoda založena • Základní dělení fyzikálních metod: • využívající elastických kmitů v materiálu, které se dále dělí: kmitočtu, aktivní x pasivní • založené na využití magnetických a elm. polí se dále člení podle způsobu vyhodnocování a zobrazování dat

5. Fyzikální metody diagnostiky • založené na využití pronikavého záření (RTG) umožňují odhalit poruchy v materiálu mechanických součástí, • založené na využití kapilární elevace • založené na vyhodnocování teplotních polí vyhodnocování tepelného namáhání, liší se aparaturami i způsobu zobrazování

6. Diagnostické systémy • Technický stav je souhrn kvalitativních i kvantitativních údajů o strukturních parametrech daného systému v daném časovém okamžiku. • Za správný považujeme takový technický stav, kdy hodnoty všech podstatných strukturních parametrů odpovídají jmenovitým hodnotám stanovených výrobcem nebo se liší v toleranci

7. Diagnostické systémy • Strukturní parametry • vnitřní vlastnosti systému, • vzájemné uspořádání prvků, • jejich vzájemné působení, • tvary, • rozměry, • mechanická vůle, • vlastnosti materiálu, • velikosti různých fyzikálních veličin, atd.

8. Diagnostické systémy • Nesprávný technický stav nastane v případě, kdy některý strukturní parametr překročí stanovenou mezní hodnotu. • Hovoříme pak o poruše, která může (ale nemusí) mít za následek chybu, tedy selhání funkce

9. Diagnostické systémy • I funkčně jednoduchý diagnostický objekt může být popsán velkým množstvím strukturních parametrů • Vybíráme ty nejdůležitější a vytvoříme zjednodušený model diagnostického objektu • Vzniká tak nebezpečí špatné diagnózy

10. Diagnostické systémy • Přímé určení strukturních parametrů je mnohdy nemožné, proto využíváme nepřímých metod • Zaměřujeme se na vnější projevy a procesy • Jedná se o fyzikální a chemické procesy, které označujeme jako funkční procesy. • Kvantitativní hodnocení probíhajících funkčních procesůprovádíme pomocí funkčních parametrů (hluk ventilů je funkční proces, kmitočet, tvar vlny, amplituda takto vznikajícího hluku jsou jeho funkční parametry)

11. Diagnostické systémy • V některých případech může být vztah mezi funkčním parametrem a strukturním parametrem jednoznačný - nezávislý parametr • V případě, kdy jsme schopni vyhodnotit strukturní parametr z několika funkčních parametrů jde o závislé parametry • Funkční parametry vhodné pro diagnostikování jsou diagnostické signály

12. Diagnostické systémy Diagnostické signály naftových motorů: • výkon • otáčky motoru • otáčky turbodmychadla • teploty výfukových plynů • kouřivost • obsah kovových prvků v motorovém oleji • časový průběh spalovacího tlaku ve válci

13. Funkční metody diagnostiky

14. Funkční metody diagnostiky • Uplatňují se v případech, kdy jsou dominantní funkční projevy objektu, přičemž fyzikální děje v nich probíhající nejsou podstatné • Jsou to objekty, kde vzniklá porucha má za následek chybu funkce, takže rozborem funkce je možné lokalizovat chybu • Není možné diagnostikovat bez znalosti vnitřního zapojení diagnostikovaného objektu

15. Funkční metody diagnostiky Příklad: 32bitová sčítačka • bez znalosti vnitřní struktury musíme prověřit 264 kombinací = 1,8.1019 • Budeme-li testovat 1s otestujeme sčítačku za půl milionu let!!! • Pokud je ale sčítačka realizována paralelní kombinací jednobitových úplných sčítaček, stačí 8 až 10 kombinací vstupních signálů

16. Matematické modely diag. objektů • Pojem matematický model diagnostického objektu definujeme jako formální popis chování diagnostického objektu ve všech technických stavech • Může mít formu • analytického popisu vlastností objektu • tabulky • grafického popisu

17. Matematické modely diag. objektů • Matematický model diagnostického objektu popisuje vztahy mezi vstupními, vnitřními a výstupními proměnnými. • Zavedeme následující označení: • symbolem Xn-složkový vektor vstupních proměnných x1, x2, … xn • symbolem Ym-složkový vektor vnitřních proměnných y1, y2, … yn • symbolem Zk-složkový vektor výstupních proměnných z1, z2, … zn

18. Matematické modely diag. objektů • Přenosové vlastnosti diagnostického objektu můžeme vyjádřit funkcí • Množství poruch v diag. objektu může být značné. Množinu poruch, které budeme v uvažovat značíme symbolem S. Vyskytne-li se porucha si z uvažované množiny S, siЄS, i = 1, 2, 3 .., S, pak říkáme, že se nachází v i-tém poruchovém stavu

19. Matematické modely diag. objektů • Chování diagnostického objektu v i-tém poruchovém stavu popisujeme funkcí • Popis následujícími rovnicemi označujeme jako explicitní vyjádření matematického modelu diagnostikovaného objektu.

20. Matematické modely diag. objektů • Dále je možné stanovit chování diagnostického objektu v poruchovém stavu ze znalosti chování v bezporuchovém stavu a uvažovaných poruch • Tento popis označujeme jako implicitní vyjádření matematického modelu diagnostikovaného objektu.

21. Diagnostické testy • Diagnostický testje základem diagnostického systému • Je to množina dvojic vzájemně přiřazených vstupních a výstupních signálů nebo vektorů • Aplikace diagnostického testu je proces, který umožňuje stanovit technický stav objektu na základě rozboru chování objektu • Jeden vstupní vektor a jemu odpovídající výstupní tvoří krok testu, počet kroků = délka testu

22. Diagnostické testy • Diagnostické testy dělíme do dvou kategorií • detekční • lokalizační • Kvalitu diagnostického testu určujeme pomocí ukazatele diagnostické pokrytí • Diagnostický test s pokrytím 100% je označován jako úplný test

23. Diagnostické testy • Sestavíme-li test s úplným pokrytím, každý další krok již nevede ke zvýšení pokrytí – redundantní kroky testu • Úplných testů je možné sestavit nekonečně mnoho • Pokud k danému objektu lze najít řadu různých úplných testů, z nichž není možné, bez ztráty úplnosti vypustit žádný krok, označujeme tyto testy jako neredundantní

24. Diagnostické testy • Úplný test, který má minimální délku, se nazývá minimální test • jde o úplný neredundantní test • pro jeden systém je možné najít několik minimálních testů, které se liší v jednotlivých krocích • Jedná se o extrémní případ, který se v praxi moc nevyskytuje – ekonomické aspekty

25. Diagnostické testy • Opakem minimálního testu je test triviální • Je to test s největší možnou délkou, protože zahrnuje všechny možné kombinace vstupních proměnných • Triviální testy se můžou lišit pouze uspořádáním kroků • Triviální testy jsou vždy testy úplné • Jednoduchá testovací aparatura

26. Diagnostické testy • Problém – časová náročnost • Příklad: • systém s 50 vstupy • potom existuje 2501015 kroků • při testovacím kmitočtu 1 MHz bychom potřebovali 109 s  32 let testování

27. Lokalizační testy • Slouží k detekci všech poruch v obvodu a určení místa ve kterém se v obvodě poruchy nacházejí • Takové testy se nazývají lokalizační • Lokalizační testy jsou složitější než testy detekční • Mírou kvality lokalizačního testu je diagnostické rozlišení

28. Lokalizační testy • Diagnostické rozlišení vyjadřujeme jako nejmenší funkční jednotku, kterou jsme schopni pomocí daného testu rozlišit jako poruchovou • V praxi není vždy nutné a ekonomické vyžadovat maximální rozlišení

29. Lokalizační testy • Podle způsobu volby následujícího kroku dělíme testy na nezávislé a závislé • V nezávislém testuje vstupní posloupnost dat dána předem a provádí se až do konce • Závislý test (adaptivní, sekvenční) je charakterizován výběrem následujícího kroku v závislosti na výsledku předchozího kroku • Průběh závislého testu se popisuje ve tvaru vývojového diagramu (diagnostického stromu)

30. Závislé testy • Proměnlivá délka testu závislá na technickém stavu diagnostikovaného objektu • Pro detekci poruch je zbytečné sestavovat celý diagnostický strom, protože nemůže být celý využit • V případě bezporuchového stavu může být délka úplného závislého testu rovna délce minimálního nezávislého testu, protože i závislý test musí být úplný

31. Shrnutí Detekční testy se vytvářejí jako nezávislé posloupnosti Lokalizační testy lze vytvářet jako závislé posloupnosti

32. Diagnostické testy • Pro lokalizaci poruchy slouží slovník poruch, což je soupis kroků testu, jejichž chybná odezva svědčí o přítomnosti poruchy • Testy, jejichž součástí je měření hodnot zvolených fyzikálních parametrů se označují jako parametrické • Testy, při nichž se ověřuje pouze správnost logické funkce se nazývají testy funkce

33. Diagnostické testy • Podle času, který máme k dispozici pro testování dělíme testy na • statické • dynamické • Nejjednodušší je statický test funkce • Test, který kontroluje pouze schopnost obvodu fungovat předepsanou rychlostí označujeme jako dynamický test funkce

34. Diagnostické testy • Jsou-li měřeny i délky určitých impulsů, strmosti čel a týlů, vzájemné posuny impulsů jde o dynamický parametrický test • Všechny výše uvedené testy je možné provádět za mezních podmínek (Ucc ± 10%, teplotou, kmitočtu, vibracemi) • Tyto mezní testy jsou často úspěšné, protože se za zhoršených podmínek projeví poruchy dříve.

35. Diagnostické testy • Množinu diagnostických objektů, které mohou být zkoumány metodami funkční diagnostiky dělíme do skupin. • Podle charakteru vstupních proměnných • veličiny plynule proměnné (analogové) • proměnné v krocích (diskrétní) • zvláštní skupinou diskrétních veličin jsou binární • hybridní

36. Diagnostické testy • Podle charakteru samotného objektu • kombinační • sekvenční (s vnitřní pamětí)

37. Diagnostické testy

38. Formy diagnostiky • Diagnostiku lze provádět několika způsoby: • v závislosti na době provádění, • podle vztahu mezi testovanou jednotkou a diag. řídícím zařízením (tester, zkoušeč) • Podle doby provádění se dělí diagnostika na: • periodickou a • průběžnou

39. Periodická diagnostika • Název je odvozen od skutečnosti, že se diagnostika provádí v pravidelných intervalech • Diagnostika se provádí v přestávce během výroby, nebo je přerušení vynuceno • Perioda by měla být dostatečně malá, aby se minimalizovala případná škoda • Může být realizována jako vnitřní nebo vnější

40. Periodická diagnostika • Vnitřní periodické testy byly využívány především počítači, protože mohly využít jejich programové vybavení • Díky tomu je tento typ testování digitálních obvodů nejvíce propracován • Trend – distribuce testů na elementární bloky systému

41. Průběžná diagnostika • Průběžná diagnostika je založena na nepřetržitém sledování a vyhodnocování signálů během normální činnosti objektu • Nedochází tak ke ztrátám času na testování • Základem je použití bezpečnostního kódu a hlídače

42. Průběžná diagnostika • Klasická forma průběžné diagnostiky je vnitřní, založená na vestavění hlídačů přímo do funkčního bloku • Možností realizace vnější průběžné diagnostiky je zdvojení funkční jednotky (RAID) – zabezpečení proti poruchám

43. Zobrazení testu pomocí tabulky • Diagnostický test obsahuje velké množství informací. • Existuje celá řada možností zápisu matematického modelu diagnostického objektu • Jednou z variant je pomocí p-tabulky • Symbolem pj budeme označovat vždy jednu z možných vnitřních proměnných, které přiřadíme vnitřní stav objektu

44. Zobrazení testu pomocí tabulky • Množinu všech pj označíme symbolem p • Technický stav objektu označujeme symbolem ei, kde i = 0, 1, 2, …, S je pořadové číslo • Ke každé poruše si z množiny S přiřazujeme technický stav ei, přičemž e0 označuje nulovou poruchu • Odezvu objektu, který se nachází v technickém stavu ei, na kombinaci pj označíme Rji, kde i je technický stav a j značí množinu p na kterou objekt reaguje

45. Zobrazení testu pomocí tabulky • Formálně platí vztah • p-tabulku sestavíme tak, že • každému sloupci přiřadíme technický stav ei z množiny E, • každému řádku tabulky jednu kombinaci pj z množiny p a • do každého políčka zapisujeme příslušné odezvy Rji z množiny R

46. Zobrazení testu pomocí tabulky

47. Zobrazení testu pomocí tabulky • p-tabulka funkčních hodnot představujezobrazení explicitního modelu diagnostického objektu • Protože množina p zahrnuje všechny kombinace vstupních proměnných, zobrazuje p-tabulka triviální diagnostický test • Užitečnost tkví v komplexním pohledu problematiku testování

48. Zobrazení testu pomocí tabulky • p-tabulku můžeme za účelem zrychlení diagnostiky zjednodušit vypuštěním řádků a sloupců • Problémem je vhodný výběr testů k vypuštění • Počet řádků představuje počet kroků testu a počet sloupců diagnostické pokrytí • Zjednodušená p-tabulka se nazývá T-tabulka a zobrazuje konkrétní test

49. Detekční testování • V případě detekčního testování je výstupem rozhodnutí zda je objekt bezchybný, nebo se v něm nachází chyba • Máme sestavený detekční test. K zahájení testování potřebujeme generátor vstupní posloupnosti testu. • Potom můžeme buď naměřené data zaznamenat nebo generovat posloupnost pomocí fyzikálního modelu diag. objektu

50. Detekční testování • Model je realizován formou diagnostického etalonu Řídící generátor Paměť vstupní posloupnosti Řídící generátor Diagnostický etalon Zkoušený objekt Paměť testu Zkoušený objekt Komparátor Komparátor