Методы повышения надежности приборов и датчиков

  МЕТОДЫ  ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ ПРИБОРОВ И ДАТЧИКОВ

  Методы  повышения надежности приборов и  датчиков можно разделить на три  группы:

1. Конструктивно-технологические методы, направленные на улучшение качества отдельных элементов прибора, а также облегчающие режимы их работы.
2. Методы технической диагностики, связанные с применением систем автоматического или полуавтоматического контроля исправности приборов и датчиков в процессе их эксплуатации.
3. Структурные методы, с помощью которых может быть выбрана наиболее рациональная структура прибора, по возможности ослабляющая влияние отказов отдельных элементов на погрешность выходного сигнала прибора.

  Все эти методы не исключают, а взаимно  дополняют друг друга, и одновременное  их использование ведет к созданию наиболее надежных устройств.

  1. Конструктивно-технологические методы  повышения надежности

  Конструктивно-технологические  методы повышения надежности весьма многообразны; укажем основные из них:

  а) ослабление механических напряжений в  наиболее нагруженных элементах конструкции (упругих элементах, опорах, шарнирах и т. п.). С целью увеличения запасов прочности расчет механических напряжений должен вестись с учетом инерционных сил, возникающих при воздействиях вибрации, ударов и т. п. Если нагрузка носит периодический характер, то особое, внимание нужно обратить на исключение резонансных явлений, так как механический резонанс деталей часто приводит к их поломке. При увеличении запаса прочности необходимо считаться с ограничениями по другим показателям (точности, габаритам и т. п.). Например, увеличение диаметра опор приводит к увеличе нию погрешностей от трения; увеличение толщины мембраны влечет за собой уменьшение чувствительности упругого элемента и т. п.). Поэтому приходится выбирать оптимальные параметры механических узлов с учетом всех действующих факторов.

  Ослаблению  механических воздействий, возникающих  при вибрации, способствует применение амортизаторов;

  б) ослабление режимов работы электрических элементов (сопротивлений, конденсаторов, полупроводников и др.). Это достигается недогрузкой элементов по рассеиваемой мощности, по падению напряжения, по силе тока по сравнению с номинальными значениями, установленными для данного элемента. Применение ослабленных режимов является одним из наиболее эффективных способов повышения надежности электрических элементов. Выигрыш в надежности определяется степенью снижения эксплуатационных коэффициентов (см. рис. 5.4);

  в) ослабление тепловых режимов работы как механических, так и электрических элементов. Примером механического элемента, для которого опасен чрезмерный нагрев, служит шарикоподшипник и, в частности, шарикоподшипник гиромотора, в котором при нагреве происходит ускоренное испарение смазки и повышенный износ. При этом возможны случаи заклинивания оси. Высокие температуры нагрева опасны также для упругих элементов, постоянных магнитов и других элементов, в которых при воздействии высоких температур могут иметь место необратимые остаточные процессы.

  В электрических элементах высокие  температуры способствуют уменьшению сопротивления изоляции, возникновению пробоя и изменению физических характеристик.

  Ослабление  тепловых режимов достигается различными способами: снижением скорости вращения гиромотора, улучшением конструкции маслоуловителей в узле шарикоподшипника, улучшением теплоотвода путем заполнения полости прибора водородом, обладающим высокой теплопроводностью, или путем заливки полости прибора жидкостью. Иногда приходится применять обдув нагревающихся элементов, а в особо ответственных случаях – охлаждение.

  Ослабление  тепловых режимов электрических  элементов достигается также ослаблением режимов их работы и тем самым уменьшением количества тепла, выделяемого самими элементами;

  г) исключение из конструкции приборов и датчиков трущихся элементов путем замены подшипников упругими подвесами, применение бесконтактных электрических преобразователей и т. п. Надежность приборов и датчиков существенно повышается при замене коллекторных электрических двигателей постоянного тока бесконтактными двигателями* переменного тока и при использовании бесконтактных индуктивных преобразователей перемещения вместо потенциометров с трущимися контактами;

  д) исключение из конструкции приборов и датчиков токоподводов, связывающих подвижную систему прибора с неподвижными частями. Токоподводы являются, как правило, слабым звеном и при воздействии вибрации часто выходят из строя. Если сравнить между собой два датчика, в первом из которых имеется неподвижный постоянный магнит, взаимодействующий с подвижной рамкой, а во второй – неподвижная рамка, взаимодействующая с подвижным магнитом, то более надежным будет датчик, в котором токоподводы отсутствуют;

  е) разгрузка мест пайки. Многие приборы и датчики содержат электронные схемы с большим числом соединений. Соединения, выполняемые посредством пайки или сварки, являются одним из слабых мест и при вибрации могут разрушаться. Необходимо разгружать места пайки путем укрепления проводников; наилучший результат дает закрепление проводника в непосредственной близости от места пайки. Надежность пайки существенно повышается при переходе на печатные схемы. Еще больший эффект дает замена паяных соединений сварными, но так же, как и при пайке, необходимо место сварки разгружать. Одним из современных способов разгрузки мест пайки и сварки является заливка электронных узлов  изоляционным материалом (пенполиуретаном или др.) ;

  ж) защита от воздействия пониженного давления, влаги, песка, пыли. Наиболее эффективным способом защиты, широко применяемых в современных приборах и датчиках, является герметизация корпуса. Особенно эффективна герметизация в сочетании с заполнением внутренней полости инертным газом илижидкостью.

  Приведенные здесь способы повышения надежности далеко не исчерпывают всех возможностей конструктивно-технологических методов. Сюда можно отнести также и улучшение механических свойств применяемых материалов, способствующее повышению износоустойчивости трущихся деталей и усталостной прочности упругих элементов; повышение стабильности постоянных магнитов путем улучшения качества магнитных сплавов и методики намагничивания; разработку и применение медленно высыхающих смазывающих материалов;' применение высокопрочных сплавов с малым удельным весом (например, титана, бериллия) и многие другие.

  2. Методы технической  диагностики

  Методы  технической диагностики основаны на применении систем автоматического или полуавтоматического контроля, позволяющих обнаруживать дефекты приборов и датчиков как при наземном их контроле, так и при контроле в процессе полета.

  Наземный  контроль может осуществляться через  определенные интервалы времени (регламентный контроль), а также перед полетом (предполетный или предстартовый контроль).

  Контроль  приборов и датчиков в процессе полета может производиться путем подключения контрольной аппаратуры непосредственно к их входным и выходным цепям или к промежуточным преобразующим звеньям.

  Контроль  может быть пассивным, когда контрольная  аппаратура не влияет на уровни передаваемых сигналов, и активным, когда в прибор или датчик из контрольной аппаратуры по мере надобности посылаются стимулирующие (пробные) сигналы. Определенная реакция приборов и датчиков на пробный сигнал служит показателем их исправного состояния.

  Заметим, что методы технической диагностики  часто сопутствуют методам функциональной избыточности, поскольку некоторые способы переключения резервов основаны на обнаружении отказов в процессе полета с помощью системы автоматического контроля.

  3. Структурные методы повышения надежности

  Структурные методы повышения надежности можно  разделить на две подгруппы:

  а) методы, основанные на оптимизации  структурной схемы без применения функциональной избыточности. При использовании этого метода схема прибора (датчика) строится таким образом, чтобы изменение в широких пределах параметров наиболее нестабильных элементов не влияло или мало влияло на погрешность выходного сигнала. Например, при наличии в схеме прибора или датчика отдельных звеньев, обладающих нестабильными характеристиками, иногда целесообразно охватывать эти звенья отрицательными обратными связями. В качестве примера можно привести схему силовой компенсации, при которой наиболее нестабильные звенья оказываются охваченными обратной связью, благодаря чему их влияние сводится к минимуму (см. схему на стр. 353).

  Формулы для определения коэффициентов  влияния отдельных звеньев в различных типовых структурах и условия оптимизации параметров этих структур были получены в § 4.3 и 4.5.

  Оптимизация параметров приборов и датчиков позволяет  существенно снизить вероятность постепенных отказов, вызванных износом и старением элементов. Однако при полной утрате работоспособности элементов, например при дефектах типа «обрыв» и «короткое замыкание», в электрических цепях или при поломках деталей и заклинивании подвижных частей в механических узлах восстановление работоспособности приборов и датчиков без применения функциональной избыточности невозможно;

  148

  . б)  методы, основанные на введении  функциональной избы-чности (резервирование, комплексирование по мультимодаль-

  «у принципу и др.). Эти методы более подробно рассматрива-

  ся в § 5.6.- 

  3.5 Методы повышения надежности приборов и датчиков

  Методы  повышения надежности приборов и  датчиков можно разделить на три  группы:

4. Конструктивно-технологические методы, направленные на улучшение качества отдельных элементов прибора, а также облегчающие режимы их работы.
5. Методы технической диагностики, связанные с применением систем автоматического или полуавтоматического контроля исправности приборов и датчиков в процессе их эксплуатации.
6. Структурные методы, с помощью которых может быть выбрана наиболее рациональная структура прибора, по возможности ослабляющая влияние отказов отдельных элементов на погрешность выходного сигнала прибора.

  Все эти методы не исключают, а взаимно  дополняют друг друга, и одновременное  их использование ведет к созданию наиболее надежных устройств.

  1. Конструктивно-технологические методы  повышения надежности

  Конструктивно-технологические  методы повышения надежности весьма многообразны; укажем основные из них:

  а) ослабление механических напряжений в  наиболее нагруженных элементах конструкции (упругих элементах, опорах, шарнирах и т. п.). С целью увеличения запасов прочности расчет механических напряжений должен вестись с учетом инерционных сил, возникающих при воздействиях вибрации, ударов и т. п. Если нагрузка носит периодический характер, то особое, внимание нужно обратить на исключение резонансных явлений, так как механический резонанс деталей часто приводит к их поломке. При увеличении запаса прочности необходимо считаться с ограничениями по другим показателям (точности, габаритам и т. п.). Например, увеличение диаметра опор приводит к увеличе нию погрешностей от трения; увеличение толщины мембраны влечет за собой уменьшение чувствительности упругого элемента и т. п.). Поэтому приходится выбирать оптимальные параметры механических узлов с учетом всех действующих факторов.

  Ослаблению  механических воздействий, возникающих  при вибрации, способствует применение амортизаторов;

  б) ослабление режимов работы электрических элементов (сопротивлений, конденсаторов, полупроводников и др.). Это достигается недогрузкой элементов по рассеиваемой мощности, по падению напряжения, по силе тока по сравнению с номинальными значениями, установленными для данного элемента. Применение ослабленных режимов является одним из наиболее эффективных способов повышения надежности электрических элементов. Выигрыш в надежности определяется степенью снижения эксплуатационных коэффициентов (см. рис. 5.4);

  в) ослабление тепловых режимов работы как механических, так и электрических элементов. Примером механического элемента, для которого опасен чрезмерный нагрев, служит шарикоподшипник и, в частности, шарикоподшипник гиромотора, в котором при нагреве происходит ускоренное испарение смазки и повышенный износ. При этом возможны случаи заклинивания оси. Высокие температуры нагрева опасны также для упругих элементов, постоянных магнитов и других элементов, в которых при воздействии высоких температур могут иметь место необратимые остаточные процессы.