Главная страница | Контакты | Случайная страница Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

Условия эксплуатации АППАРАТУРЫ

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.

В интегральных микросхемах (МС) при облучении существенно изме­няются характеристики вследствие изменения параметров входящих в них ре­зисторов, конденсаторов, диодов, транзисторов. Так же изменяются изолирую­щие свойства разделительных p-n-переходов, возрастают токи утечки, появля­ются многочисленные паразитные связи между элементами структуры микросхем, что в результате приводит к нарушению их функционирования.