10

КОНСТРУИРОВАНИЕ РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ ГЕОФИЗИЧЕСКОЙ АППАРАТУРЫ

Development and creation of geophysical instruments. Conditions of usages

Тема 4: ТРЕБОВАНИЯ К РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЕ

ПО УСЛОВИЯМ ЭКСПЛУАТАЦИИ

Всякое предсказывание зла только тогда доброе дело, когда оно сопровождается советом, как это зло отвести.

Цицерон. Римский политик, философ, писатель. 106-43 до н.э.

Главное зло условий эксплуатации, выводящее из строя любую аппаратуру надежно и надолго – дурак. Но в технических регламентах этот фактор пока отсутствует, а потому и защита от дураков к числу обязательных требований не относится.

Игорь Бреднев. Уральский геофизик. ХХ в.

Содержание:

1. Условия эксплуатации аппаратуры. Климатические факторы. Механические факторы. Радиационные факторы.

2. Классификация аппаратуры по условиям эксплуатации. Стационарная РЭА. Транспортируемая РЭА. Портативная РЭА. Значения воздействующих факторов на группы РЭА.

3. Требования, предъявляемые к конструкции аппаратуры. Тактико-технические требования. Конструктивно-технологические требования. Эксплуатационные требования. Требования по надежности. Экономические требования.

4. Показатели качества конструкции аппаратуры.

4.1. Условия эксплуатации АППАРАТУРЫ [1, 2]

Условия эксплуатации радиоэлектронной аппаратуры и измерительно-вычислительных систем, особенно в геологии, имеют различную природу и изменяются в весьма широких пределах. Факторы, воздействующие на приборы и в определенной мере ограничивающие работоспособность аппаратуры, разделяют на климатические, механические и радиационные.

К климатическим факторам относят: изменение температуры и влажности окружающей среды, тепловой удар, атмосферное давление, присутствие агрессивных веществ и озона в окружающей среде, солнечное облучение, грибковые образования (плесень), наличие микроорганизмов, насекомых и грызунов, взрывоопасность и воспламеняемость атмосферы, водные воздействия (дождь, брызги).

К механическим факторам относят вибрацию, механические и акустические удары, линейные ускорения.

К радиационным факторам относят все виды космической, естественной и искусственной радиации.

Эти факторы принято называть дестабилизирующими факторами. Каждый из них может проявлять себя и независимо от остальных, и в совместном действии с другими факторами той или другой группы.

Так как РЭА принадлежит, как правило, к классу человеко-машинных систем, то большое влияние на работоспособность аппаратуры оказывает и субъективный человеческий фактор. Квалификация специалистов сказывается на качестве работы РЭА на всех этапах ее жизненного цикла.

Климатические факторы. Нормальными климатическими условиями являются: температура +25±10 °С, относительная влажность 45...80 %, атмосферное давление 83-106 кПа (630...800 мм рт. ст.), отсутствие активных веществ в окружающей атмосфере.

Совокупность воздействующих на конструкцию РЭА кли­матических факторов и их характеристики определяются климатичес­кой зоной, в которой она эксплуатируется. Весь земной шар разделен на семь климатических зон, климат которых определяется как очень холодный, холодный, умеренный, тропически влажный, тропически сухой, умеренно холодный морской и тропический морской.

Очень холодный регион располагается в Антарктиде, средняя мини­мальная температура ниже -60 °С (рекорд -88,3 °С). Особенностью региона является сочетание низких температур с сильным ветром.

В холодную зону включены большая часть России и Канады, Аляска, Гренландия. Средняя минимальная температура здесь достигает -50 °С, го­довой перепад температур достигает 80 °С, средне­суточный до 40 °С. Особенностью этой климатической зоны является высокая прозрачность атмосферы, что благоприятно для ионизации воздуха и, как следствие, накоплению на поверхности аппаратуры статиче­ского электричества. Характерным также является обледенение, иней, ветер со снежной пылью.

В умеренный климатический регион включены часть территории Рос­сии, большая часть Европы, США, прибрежные территории Австралии, Южной Африки и Южной Америки. Для него характерно годовое измене­ние температур от -35 до +35 °С, образование инея, выпадение росы, нали­чие тумана, изменение давления воздуха от 86 до 106 кПа.

Влажная тропическая зона располагается вблизи экватора и включает большую часть Центральной и Южной Америки, среднюю часть Африки, Юг Индии, Индонезию, часть Юго-Восточной Азии. Для этой зоны харак­терны среднегодовые температуры +20...+25 °С с перепадом температуры за сутки не более 10 °С. Высокая влажность и повышенная концентрация солей (особенно вблизи побережья морей и океанов) делает атмосферу этой зоны коррозионно-агрессивной. Благоприятное сочетание температуры и влажности способствует существованию более 10000 видов плесневых грибков.

К зоне с сухим тропическим климатом относят северную часть Афри­ки, центральную Австралию, засушливые районы Средней Азии, Аравий­ский полуостров, часть Северной Америки. Этот регион характеризуется высокими температурами (до +55 °С), низкой влажностью, интенсивным солнечным излучением (до 1500 Вт/м²), высоким содержанием пыли и песка в атмосфере с абразивным и хими­ческим воздействием на аппаратуру.

Умеренно холодная морская зона включает моря, океаны и прибреж­ные территории, расположенные севернее 30° северной широты и южнее 30° южной широты. Остальная часть морей, океанов и прибрежных терри­торий относится к тропически морской зоне. Климат морских зон отличает­ся сравнительно небольшими суточными перепадами температур, наличием высокой влажности и значительной концентрацией хлоридов в атмосфере.

Учитывая специфику каждой из климатических зон, РЭА наземного ба­зирования, предназначенная для работы в тропических зонах, должна быть изготовлена в соответствующем исполнении, что отмечается в документа­ции индексом Т. РЭА, устанавливаемая на судах имеет обозначение ОМ. РЭА, пригодная для эксплуатации на суше и на море, имеет индекс В.

Температурные условия влияют на место уста­новки РЭА, расположение источников внешнего подогрева, выделение тепла активными элементами внутри. Необходимо обеспечивать, чтобы температура нагрева чувстви­тельных к температуре радиоэлементов находилась в допустимых пределах. Кроме того, для многих конструктивных материа­лов характерно теп­ловое старение.

Работоспособность РЭА определяется температурным диапазоном работы, в котором РЭА должна выполнять заданные функции в рабочем состоянии. Для исключения выхода из строя РЭА в процессе хранения и транспортирования в нерабочем состоянии необходимо, чтобы она выдерживала температуры, большие рабочего диапазона. Эти предельные температуры характеризуют тепло- и холодопрочность конструкции РЭА.

Тепловой удар – это резкое изменение температуры окружающей среды, при котором время изменения температуры исчисляется минутами, а ее перепад - десятками градусов. Наиболее сильно тепловой удар проявляется в элементах конструкции, где имеются локальные механические напряжения, способствуя образованию микротрещин.

Влажность - один из наиболее агрессивных воздействующих факторов, проявляющий себя при погружении аппаратуры в воду, воздействии капель дождя и брызг, водяных паров, образовании росы и инея. Адсорбция воды на поверхности элементов РЭА способствует коррозии металлических деталей, старению неметаллов, изменению электроизоляционных характеристик изоляторов. Способность воды смачивать поверхность и проникать в поры материалов и микротрещины увеличивается с по­вышением температуры.

Вода в атмосфере всегда загрязнена активными веще­ствами - углекислыми и сернистыми солями кальция, магния, железа, хло­ристым кальцием, газами - что способствует проявлению кор­розии. Выпадение росы на поверхность аппаратуры происходит при опреде­ленной температуре (точка росы), значение которой зависит от относитель­ной влажности атмосферы:

Относительная влажность, % ……… 100 80 60 40 20

Точка росы, °С ……………………… 15,5 12,1 7,8 2,0 -6,6

Давление воздушной среды и диапазон его изменения зависит от высоты над уровнем моря места, где эксплуатируется РЭА. На высоте 5 км давление воздуха может падать до 40 кПа, при этом ухудшается отвод тепла конвективным теп­лообменом, уменьшается электрическая прочность воздуха, повышается ионизация воздуха и образование химически активных ионов и радикалов. Содержание влаги в атмосфере с ростом высоты уменьшается. Температура в тро­посфере (80 % всей воздушной массы) убывает в среднем на 6 град на каждом километре.

Атмосферная пыль содержит углекислые и сернокислые соли и хлориды, которые, взаимодей­ствуя с влагой, ускоряют процессы коррозии, способствует утечке зарядов и может вызвать пробой между контактами с высоким потенциалом. Стандар­тами определены три уровня концентрации пыли: 0,18; 1,0; 2,0 г/м3.

Грибковые образования (плесень) относят к низшим растениям, не имеющим фотосинтеза. Они выделяют лимонную, уксусную, щавелевую кислоты и другие химические вещества, под действием которых ухудшаются электроизоляционные свойства полимерных материа­лов. Защита от этих образований обязательна для аппаратуры тропической зоны.

Механические факторы. В процессе транспортирования и эксплуатации РЭА подвергается воз­действию вибраций, в основном, от внешних источников колеба­ний. Особо опасны вибрации, частота которых близка к собственным часто­там колебаний узлов и элементов конструкции. Свойство аппаратуры про­тиводействовать их влиянию характеризуется вибропрочностью и вибро­устойчивостью. Виброустойчивость определяет способность РЭА выполнять заданные функции во включенном состоянии в условиях воздействия виб­раций. Вибропрочность характеризует способность противостоять разрушающему воздействию вибрации в не­рабочем состоянии и нормально работать после снятия вибрационных нагрузок. Воздействующие на конструкцию РЭА вибрации характеризуются диапазоном частот и величиной ускорения (в единицах g).

Явление удара в конструкции РЭА возникает при быстрых изменениях ускоре­ния. Удар характеризуется ускорением, длительностью и числом ударных импульсов. Различают удары одиночные и многократные. Линейное ускорение характеризуется ускорением (в единицах g) и длительностью воздействия.

При воздействии вибрации и ударных нагрузок на элементы конст­рукции РЭА в них возникают статические и динамические деформации, так как любой элемент конструкции представляет собой колебательную систе­му, имеющую сосредоточенную и распределенную нагрузку. Ударно-вибрационные нагрузки воздействуют на элементы конструкции РЭА через их точки крепления. Эффективность воздействия определяется также положением элементов относительно его на­правленности. Детали крепления элементов в определенной мере являются демпферами, ослабляющими действие источника вибраций.

Акустический шум от внешних источников характеризуется давлением звука, мощно­стью колебаний источника звука, силой звука, спектром звуковых частот. Акустический шум подвергает механическим нагрузкам практически в равной степени все элемен­ты конструкции. При прочих равных условиях действие акустического шума более разрушительно, чем действие ударно-вибрационных нагрузок.

Все более расширяющиеся сферы применения РЭА ужесточают требования к устойчи­вости их конструкции воздействию механических факторов.

Радиационные факторы. Радиационное воздействие вызывает как немедленную, так и накапли­вающуюся реакцию элементов, составляющих конструкцию РЭА. Среди существующих видов излучений наибольшую опасность представляют элек­тромагнитные излучения и ионизирующие частицы высоких энергий.

Полный спектр электромагнитных излучений охватывает диапазон длин волн от десятков тысяч метров до тысячных долей нанометра. Наибо­лее значимое воздействие на РЭА оказывают гамма- и рентгеновское излучение (длина волн менее 10 нм). Эти виды излучения обладают зна­чительной проникающей и ионизирующей способностью.

Существенное воздействие на конструкцию РЭА могут также оказывать заряжен­ные частицы: альфа, бета и протоны, а также нейтроны, обладающие вы­сокой проникающей способностью.

Наиболее устойчивы к воздействию облучения металлы. Наи­меньшей радиационной стойкостью обладают магнитные материалы и электро­технические стали. Некоторые металлы, например марганец, цинк, молибден и др., после облучения нейтронами сами становятся радиоактивными. Воздействие излучения на полимеры приводит к разрушению межмо­лекулярных связей, образованию зернистых структур и микротрещин. В ре­зультате полимерные детали теряют эластичность, становятся хрупкими.

Наименее стойкими к облучению являются полупроводниковые приборы и интеграль­ные микросхемы. Необратимые дефекты в полупроводниках приводят к потере выпрямительных свойств диодов, транзисторы всех типов при облучении теряют усилительные свойства, в них возрастают токи утечки, пробивное напряжение снижается. Их радиационная стойкость составляет 10¹²...10¹⁴ нейтронов/см² при облучении нейтронами и 10⁴...10⁷ рад при гамма-облучении.