Skripta Diagnostika a zkušebnictví

ých provozních
podmínek, předpisů pro zatěžování, nesprávnou obsluhou a údržbou apod.
Porucha z vnitřních příčin – je porucha způsobená vlastní nedokonalostí objektu při
zachování stanovených provozních podmínek nebo provozní degradací jeho vlastností
(únavou materiálu, opotřebením atd.).
Ukazatele spolehlivosti
Ukazatel spolehlivosti – kvantitativní charakteristika jedné nebo několika vlastností
určujících spolehlivost objektu.
Pravděpodobnost poruchy – pravděpodobnost, že v daném časovém intervalu nebo
v rozmezí dané provozní doby vznikne porucha objektu.
Pravděpodobnost bezporuchového stavu – pravděpodobnost, že v daném časovém intervalu
nebo v rozmezí dané provozní doby nevznikne porucha objektu; předpokládá se, že na
začátku intervalu byl objekt v bezporuchovém stavu.
Diagnostika a zkušebnictví 9


Hustota pravděpodobnosti poruchy – pravděpodobnost, že k poruše objektu dojde za krátký
časový interval po daném okamžiku dělená délkou tohoto intervalu.
Intenzita poruch – podmíněná hustota pravděpodobnosti vzniku poruchy neobnovovaného
objektu, určovaná pro daný okamžik za podmínky, že do tohoto okamžiku porucha nevznikla.
Parametr proudu poruch – hustota pravděpodobnosti vzniku poruchy obnovovaného
objektu, určovaná pro daný okamžik.
Střední doba do poruchy – střední hustota doby provozu objektu do první poruchy. V ČSN
(§148 – 01 0102) je definován obecnější a přesnější termín „střední doba bezporuchového
provozu“; u neobnovovaného objektu má význam jako střední doba do poruchy, zatímco u
obnovovaných objektů má význam jako střední doba mezi poruchami).
Střední doba mezi poruchami – střední hodnota doby provozu objektu mezi poruchami.
Střední život – střední hodnota technického života.
Gamaprocentní život – provozní doba, během které objekt nedosáhne mezního stavu
s pravděpodobností γ procent.
Intenzita obnovy provozuschopnosti – podmíněná hustota pravděpodobnosti doby obnovení
provozuschopnosti objektu, určovaná pro uvažovaný okamžik za podmínky, že do tohoto
okamžiku nebylo obnovení ukončeno.
Střední doba opravy – střední hodnota časového intervalu od začátku obnovy do okamžiku
ukončení obnovy správnosti nebo provozuschopnosti objektu.
Pravděpodobnost obnovy provozuschopnosti – pravděpodobnost, že doba obnovy
provozuschopnosti objektu nepřekročí stanovenou dobu; doba obnovy provozuschopnosti
zahrnuje dobu vynaloženou na zjištění a vyhledání příčiny poruchy a dobu vynaloženou na
odstranění následků poruchy.
Střední doba obnovy provozuschopnosti – střední hodnota doby obnovení
provozuschopnosti.
Ukazatel pohotovosti – obecně pravděpodobnost, že se objekt nachází v určitém stavu,
vyjádřená poměrem střední doby setrvání v určitém stavu k součtu střední doby setrvání
v tomto stavu a středních dob setrvání v jiných daných stavech, ve kterých se objekt může
nacházet během sledovaného intervalu.
Součinitel pohotovosti – pravděpodobnost, že objekt, který je v ustáleném provozním
režimu, bude provozuschopný v libovolném okamžiku (mimo plánovaná období, během nichž
se používání objektu podle jeho určení nepředpokládá.
Součinitel technického využití – poměr střední doby setrvání objektu v provozuschopném
stavu za určité období k součtu středních hodnot doby setrvání objektu v provozuschopném
stavu, doby prostojů způsobených údržbou s doby oprav v témže období.
Součinitel operační pohotovosti – pravděpodobnost, že objekt, který je připraven k plnění
funkce, bude provozuschopný v libovolném okamžiku a že od tohoto okamžiku bude během
daného časového intervalu pracovat bez poruchy.
Zkoušky spolehlivosti
Zkouška spolehlivosti – zkouška objektu, kterou se mají určit nebo ověřovat ukazatele
spolehlivosti.
Zrychlená zkouška spolehlivosti – zkouška objektu, prováděná ve zvláštních podmínkách,
aby se získaly informace o spolehlivosti objektu v kratších lhůtách než při jeho provozu
10 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně

v podmínkách stanovených technickou dokumentací; zvláštní podmínky nesmějí způsobit
změnu mechanismu poruch.
Třídicí zkouška – zkouška spolehlivosti všech objektů, jejímž cílem je vytřídit objekty se
zjevnými nebo skrytými nedostatky, které by mohly způsobit výskyt časných poruch.
Zkrácená zkouška – zkouška spolehlivosti, která se ukončí před porušením všech
zkoušených objektů.
Zkouška bez obnovy – zkouška spolehlivosti, při které se při vzniku poruch neobnovuje
provozuschopnost objektu.
Zkouška s obnovou – zkouška spolehlivosti, při které se při vzniku poruchy obnovuje
provozuschopnost objektu.
Doplňující informace k definicím ukazatelů spolehlivosti
Číselné hodnoty ukazatelů spolehlivosti, kterými hodnotíme spolehlivost prvků a systémů,
jsou závislé na tom, do jaké míry umíme jednoznačně rozlišit, je-li sledovaný výrobek
v provozuschopném stavu, v mezním stavu nebo ve stavu poruchy. Proto definici poruchy,
uvedenou v předcházející části, podrobněji vysvětlíme.
Druhy poruch
Porucha je jev spočívající v ukončení schopnosti výrobku plnit požadovanou funkci, a to
z jakékoliv příčiny a do jakékoliv stupně. Poruchy se třídí podle různých hledisek, jak je
uvedeno v ČSN 010 0102 Názvosloví spolehlivosti v elektronice. Především je třeba rozlišit
dvě kategorie poruch, poruchy havarijní a degradační.
Havarijní spontánně se vyskytující porucha, se někdy nazývá také katastrofální porucha.
Tento druh poruch se vyskytuje zpravidla bez předem zjistitelné příčiny a bez tendence změn
měřitelných vlastností, často s náhodným rozdělením dob do poruchy. Má exponenciální
rozdělení s konstantní intenzitou poruch. Účinkem takové poruchy je bezprostřední selhání
obvodu, montážní skupiny nebo přístroje, ve kterém je uvažovány prvek použit. Poruchový
jev má své charakteristické rysy a lze jej posuzovat podle funkčních znaků. Zvláštním typem
poruchy z hlediska časového průběhu změn parametru jsou tzv. občasné poruchy typu
selhání. Porucha objektu trvá po omezenou dobu, samovolně zmizí a objekt přejde opět do
provozuschopného stavu (viz ČSN 01 0102, § 101).
Zkrat nebo přerušení v elektrické součástce, zlomení hodinového péra nebo prasknutí ještě
neojeté pneumatiky považujeme za havarijní poruchy. Nahodilé přeslechy v dálkových
telefonních spojeních mohou být příkladem občasné poruchy.
Degradační porucha. Tato kategorie poruch předpokládá stanovit pro měřitelné vlastnosti
mezní hodnoty – kritéria poruch, jejichž překročení, vzniklé následkem postupných změn od
počáteční hodnoty, se hodnotí jako porucha. Ne v každém případě vede překročení téže mezní
hodnoty u součástky k poruše obvodu, ve kterém je součástka v provozu. Pojem degradační
porucha mění tedy svůj význam podle aplikace součástky.







Diagnostika a zkušebnictví 11


MIKROSKOPIE
- je v širším smyslu odvětví aplikované fyziky, které pomocí mikroskopu zobrazuje struktury
menší než je rozlišovací schopnost lidského oka, v užším smyslu technická práce s
mikroskopem
- je to souhrnný název pro četné, často velmi jemné a nesnadné metody, jichž se používá při
práci s mikroskopem. Jde o přípravu k pozorování i o další manipulace pod mikroskopem.
Mikroskopie byla přivedena k dokonalosti zavedením mikromanipulátorů.
Mikromanipulátor je mechanické zařízení uskutečňující jemné pohyby, na které již nestačí
jemnost a jistota ruky. Mikromanipulátory se používají nejen v technice, ale i v biologii,
lékařství apod. (např. k izolaci jediné předem vybrané buňky).
Optická mikroskopie – je jedna ze základních metod pro studium materiálů. Slouží ke studiu
mikroskopických předmětů a jejich struktur tím, že poskytuje zvětšený obraz zkoumaného
předmětu.
Optické mikroskopy využívají k zobrazování soustavou čoček, pro něž platí zákony světelné
optiky. Kromě omezeného zvětšení nemá optický mikroskop žádné zvláštní nevýhody,
naopak jeho předností je snadná obsluha a údržba. Zvětšení mikroskopu se mění po skocích
(od desetinásobného po tisícinásobné).
Na rozdíl od lupy se mikroskop skládá ze dvou optických částí, funkčně i stavebně
oddělených a odlišených – objektivu a okuláru.
Objektiv je soustava čoček umístěná poblíž pozorovaného předmětu (objektu). Při průchodu
objektivem vytvoří světelné paprsky v mikroskopu skutečný zvětšený převrácený obraz
předmětu. Okulárem pozorujeme tento obraz jako lupou - okulár je tedy soustava čoček pro
pozorování obrazu vytvořeného objektivem. Při pohledu do okuláru mikroskopu pozorujeme
zvětšený neskutečný převrácený obraz předmětu.
Elektronová mikroskopie – elektronový mikroskop pracuje místo se světlem s proudem
elektronů (ve vakuu), který je ekvivalentní záření velmi malé vlnové délky.
Transmisní elektronový mikroskop (TEM) slouží k vytvoření tisíci- až stotisícinásobně
zvětšeného obrazu studovaného vzorku pomocí elektronové optické soustavy. K vytvoření
obrazu se nevyužívá viditelné světlo, ale elektrony. Viditelný obraz je vytvořen na
fluorescenčním stínítku svazkem elektronů, které prošly studovaným vzorkem nebo které na
vzorku difraktovaly.
Protože elektrony silně interagují s pozorovaným objektem, tloušťka vzorku může být jen 0,1
až 5 µm. Vhodná tloušťka vzorku závisí na materiálu a energii elektronů. Obvykle se
používají elektrony s energií 30 až 100 keV, event. 1 MeV. To znamená, že vlnová délka
elektronů je velmi malá, rozlišovací schopnost elektronových mikroskopů je proto velmi
dobrá, až 0,2 nm.
Transmisní elektronová mikroskopie umožňuje studovat téměř všechny důležité
mikrosktrukturní charakteristiky krystalických a amorfních látek.
Výhodou elektronového mikroskopu je velké dosažitelné zvětšení, vysoká rozlišovací
schopnost, snadnost získání základních informací z obrazu.
Nevýhodou je omezená tloušťka vzorku.
Mikroskop s velmi vysokým urychlovacím napětím – pro pozorování struktury kovových
vzorků tloušťky větší než 0,1 µm – řádově 1 až 3 µm. Urychlovací napětí je řádově 1 000 kV.
Výhody - menší poškození vzorku a jeho menší ohřev.
12 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně

Nevýhody - větší nebezpečí vzniku rentgenového záření
- menší kontrast obrazu při dané tloušťce vzorku
- podstatně větší pořizovací náklady
- mikroskop je výrazně větší.
Transmisní elektronová mikroskopie poskytuje informace o vnitřní struktuře vzorků, které lze
prozářit elektrony. Chceme-li pozorovat transmisním elektronovým mikroskopem povrchy
tuhých látek, musíme využít metodu replik.
Rastrovací elektronová mikroskopie SEM (Scanning Electron Microscope)
Rastrovací elektronový mikroskop je zařízení určené především ke studiu povrchů tuhých
látek při velkém zvětšení (až stotisícinásobném), větší rozlišovací schopnosti (až 15 nm), větší
hloubce ostrosti (až několik mm).
V rastrovacím elektronovém mikroskopu dopadá na vzorek tenký svazek elektronů. Speciální
vychylovací soustava zajistí, že elektronový svazek postupně dopadne na všechna místa
povrchu. Obraz jednotlivých míst vzorku je přenesen na televizní obrazovku, kde je
pozorován. Pokud je vzorek dostatečně tenký, lze jej pozorovat v uspořádání na průchod, tj. v
transmisním uspořádání. Častěji se však používá uspořádání na odraz, tj. reflexní uspořádání.
Obraz je obvykle vytvořen elektrony, které jsou odraženy, popř. emitovány z povrchové
vrstvy vzorku po dopadu svazku elektronů s vysokou energií.
Emisní elektronová mikroskopie – zdrojem primárních elektronů je přímo vzorek, nikoliv
zvláštní elektronová tryska. Nejčastěji se využívá buď termoemise nebo autoemise elektronů.
Používá se i fotoemisní elektronový mikroskop, v němž je vzorek ozařován ultrafialovým
zářením.
Termoemisní elektronový mikroskop – studium kovových fází, studium rekrystalizace,
růstu zrn a fázových transformací v tuhé fázi.
Autoemisní elektronový mikroskop – měření průměrné výstupní práce materiálu, studium
procesů adsorpce atomů plynů a oxidace povrchu, měření aktivační energie povrchové difuse,
měření povrchového napětí čistého materiálu.
Zrcadlová elektronová mikroskopie slouží k pozorvání povrchů tuhých látek. Na vzorek ale
nedopadají elektrony, ani vzorek neemituje elektrony. Svazek urychlených elektronů vstupuje
do pole elektrostatického zrcadla. Na elektrodě zrcadla je záporný potenciál, který je mírně
větší (o několik desetin voltu) než urychlovací napětí elektronového svazku. To způsobí, že se
elektrony odrážejí od ekvipotenciálních ploch těsně před elektrodou zrcadla, kterou tvoří
zkoumaný vzorek. Odražené elektrony po průchodu elektronovými čočkami vytvoří na
fluorescenčním stínítku obraz povrchu vzorku.
Použití - frézování elektronovýn svazkem
- studium činnosti integrovaných obvodů
- studium změn výstupní práce v důsledku difuse kovů nebo příměsí
- zviditelnění magnetických domén
- zviditelnění feroelektrických domén (např. v BaTiO
3
) .
Iontová mikroskopie slouží k pozorování jednotlivých atomů v krystaové mříži na povrchu
vzorku.
Konstrukce iontového mikroskopu je jednoduchá, avšak provoz mikroskopu je
experimentálně náročný na kvalitu vakua a čistotu povrchu vzorku. Mikroskop sestává z
vakuově těsné nádoby (pracovní komory), jejíž dno je opatřeno uzemněným fluorescenčním
Diagnostika a zkušebnictví 13


stínítkem. Vzorek tvaru drátu (φ 0,1 mm) je elektrochemicky zašpičatěn a je připevněn k
vodivé tyči, kterou je vzorek připojen ke kladnému pólu vysokého napětí a kterou je současně
vzorek chlazen. K ochlazení se používá nejčastěji kapalný dusík.
Použití - studium vakancí, intersticiálů
- studium rozložení atomů v dislokačním jádře
- studium strukturních hranic zrn
- studium rozložení příměsí na hranicích zrn.
Technikou příbuznou iontové mikroskopii je autoemisní elektronová mikroskopie. Základní
konstrukce autoemisního mikroskopu je podobná mikroskopu iontovému s tím rozdílem, že
elektrické napětí na vzorku je záporné (nikoliv kladné jako u iontové mikroskopie).

































14 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně


SPEKTROSKOPIE
je obor zahrnující všechny metody studia látek založené na interakci mezi
elektromagnetickým polem a atomy nebo molekulami měřených látek v plynném, kapalném
nebo pevném stavu.
Spektrum je podle vlnových délek nebo kmitočtů srovnaný sled barevných čar - optické
spektrum čárové – nebo barev přecházejících plynule jedna v druhou – optické spektrum
spojité; v širším významu je to uspořádání kmitočtů, rychlostí, hmotností částic apod. podle
jejich velikosti.
Spektroskop je přístroj k rozložení světla v jeho spektrum a k pozorování tohoto spektra;
světlo se rozkládá nejčastěji hranolem nebo ohybovou mřížkou.
Skládá se
z kolimátoru se stavitelnou štěrbinou, osvětlovanou vyšetřovaným zdrojem světla, příp.
zároveň srovnávacím zdrojem světla pomocí odrazného (zasahujícího jen polovinu
štěrbiny).
Kolimátor je zařízení, které umožňuje vybrat ze širokého svazku záření úzký paprsek, v
němž se všechny částice pohybují přibližně rovnoběžně; jeho základem je objektiv s
dobře vykorigovanou otvorovou vadou
z hranolu (nebo několika hranolů) rozkládajícího světlo
z dalekohledu k pozorování jednobarevných obrazů štěrbiny, objevujících se v zorném poli
vedle sebe.
Příslušné vlnové délky se určují na stupnici promítané do zorného pole dalekohledu (po
odrazu na stěně hranolu) nebo má dalekohled okulární mikrometr.
K rychlé orientaci se používají ruční přímohledné spektroskopy, v nichž světlo rozkládá
přímohledný hranol – hranol rozkládající bílé světlo ve spektrum prakticky bez odchylky od
směru dopadu světla. K vyšetřování jemné struktury spektrální čáry vzniklé rozkladem světla
hranolem nebo ohybovou mřížkou se světlo čáry dále rozkládá interferenčním zařízením s
velkou rozlišovací schopností → interferenční spektroskop.
Jemná struktura spektrální čáry – složení čar z několika velmi tenkých vzájemně
oddělených složek, jejichž vlnové délky se tak málo navzájem liší, že v obyčejném
hranolovém spektroskopu splývají v jedinou čáru.
Interference světla je soubor jevů, které lze vysvětlit jako vlnění (tj. děj, jehož podstatou je
šíření kmitání prostorem), což ukazuje na vlnovou povahu světla. Interference světla vyžaduje
koherentní světelné paprsky vysílané týmž světelným zdrojem (týmiž zářícími atomy), aby
vzájemné fázové (dráhové) rozdíly paprsků byly časově neproměnné; jinak by interference
světla nebyla pozorovatelná.
Spektrometr je přístroj k přesnému měření indexu lomu světla. Skládá se
- z kolimátoru s osvětlenou štěrbinou,
- z hranolu z vyšetřované látky (např. dutý skleněný hranol naplněný vyšetřovanou
kapalinou) přilepeného na otáčivém stolku,
- z dalekohledu na rameni otočném kolem svislé osy přístroje a
- zděleného kruhu spojeného buď se stolkem nebo s dalekohledem, na němž se (pomocí
dvou noniů na opačných koncích téhož průměru) čte úhel otočení stolku nebo dalekohledu.
Index lomu se určí z minimální odchylky určité spektrální čáry v použitém hranolu.
Diagnostika a zkušebnictví 15


Spektrograf je přístroj k fotografování spekter. Je to v podstatě spektroskop, jehož
dalekohled je nahrazen fotografickou komorou. U hranolových spektrografů může jediná
čočka působit zároveň jako čočka kolimátoru i jako objektiv fotografické komory (jestliže se
světlo prošlé hranolem odráží rovinným zrcadlem za hranolem nebo stěnou hranolu zpět; při
opakovaném průchodu světla hranolem se jeho rozklad zdvojnásobí). Spektrografem lze
vyšetřovat i neviditelné části spektra – s použitím správné optiky.
Spektrografie je objektivní metoda emisní spektroskopie – jako indikační čidlo používá
fotografickou desku.
Spektroskopie – rozdělení
1) Podle typu interakce
a) Emisní spektroskopie zahrnuje metody založené na spontánní emisi částice emitované
látky přejde přijetím nezářivé energie (např. tepelné) do vybuzeného stavu. Při průchodu z
vybuzeného stavu do stavu energeticky nižšího (např. základního) vyzáří částice
charakteristické kvantum energie, které je registrováno jako emisní čára o určité vlnové délce.
Absolutní hodnota kvanta (vlnová délka, emisní linie) je dána kvalitativním charakterem
částic, intenzita potom jejich koncentrací.
b) Absorpční spektroskopie je každá spektroskopická metoda, při které dochází k
charakteristické absorpci kvant elektromagnetického vlnění měřenou látkou. Tyto metody
pracují s celým rozsahem elektromagnetického spektra.


Obr. Schéma jednopaprskového absorpčního spektrometru

Obr. Schéma dvoupaprskového absorpčního spektroskopu
c) Fluorescenční spektroskopie je soubor metod založených na měření fluorescenčního
záření vysílaného analyzovanou látkou. Společným rysem těchto metod je primární absorpce
energie, která zvýší celkovou vnitřní energii molekul, popř. atomů měřené látky a je jimi
potom vysílána jako sekundární fluorescenční záření.
16 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně

Podle toho, zda je analyzovaná látka v atomovém nebo molekulárním stavu, a podle absolutní
hodnoty energetických kvant fluorescenčního záření, lze definovat následující fluorescenční
metody:
RTG – fluorescenční spektrometrie – analyzovaná částice atom, energetický přechod
vnějšího elektronu, měří se závislost intenzity fluorescenčního záření látky na vlnové délce
(kvalitativní analýza) i na její koncentraci (kvantitativní analýza). Oblast rentgenového záření.

Obr. Prostorové uspořádání pro rtg. fluorescenční spektroskopii

AFS – atomová