CC BY
17П. А. Будко
доктор технических наук, профессор, ПАО «Интелтех»
A. И. Литвинов
кандидат технических наук, Военная академия связи им. Маршала Советского Союза С. М. Буденного
B. К. Гойденко
Военная академия связи им. Маршала Советского Союза С. М. Буденного
Е. К. Кислицина
Военная академия связи им. Маршала Советского Союза С. М. Буденного
МЕТОДЫ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ В ДИАГНОСТИКЕ СОСТОЯНИЯ СЛОЖНЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ
АННОТАЦИЯ. В статье дана классификация методов неразрушающего контроля и более подробно такой его класс как тепловой контроль. Обосновано внедрение тепловых методов контроля в интересах диагностирования технического состояния военной техники связи и других сложных технологических объектов на различных этапах их жизненного цикла. Рассмотрены требования, предъявляемые к методам и средствам теплового контроля. Приведена укрупненная схема метода теплового диагностирования радиотехнических устройств. Сформулированы основные направления развития систем бесконтактного мониторинга технического состояния военной техники связи и других сложных технических объектов.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: неразрушающий контроль, тепловизор, тепловое диагностирование, теплограмма, дефект.
Введение
Боевая готовность и боевая способность войск напрямую связана с вопросами технического состояния военной техники связи (ВЕС). В настоящее время определение технического состояния ВЕС базируется на основе получения достоверной диагностической информации о состоянии радиоэлектронных изделий посредством разрушающих и неразрушающих методов контроля [1, 2]. Классификация видов неразрушающего контроля (НК) основана на физических процессах взаимодействия поля или вещества с объектом контроля. В основе решения диагностических задач лежит, прежде всего, оптимальный выбор физического процесса, дающего наиболее объективную информацию об объекте диагностирования.
В зависимости от общности физических принципов, на которых они основаны, различают девять видов НК: радиоволновой; акустический; магнитный; электрический; оптический;
вихретоковый; радиационный; проникающими веществами; тепловой [1, 3].
Каждый из перечисленных видов НК делится на классы. Остановимся более подробнее на тепловом методе НК (ЕНК).
По характеру взаимодействия физических полей с контролируемым объектом различают: тепловой контактный метод, конвективный метод, метод собственного излучения.
По первичному информативному параметру методы ЕНК делят: на термометрический, те-плометрический.
По способу получения первичной информации методы ЕНК бывают: пирометрическими, жидких кристаллов, термокрасок, термобумаг, термолюминофоров, термозависимых параметров, оптический, интерференционный, калориметрический.
Цель статьи: обоснование внедрения тепловых методов неразрушающего контроля в интересах диагностирования технического состояния
военной техники связи и других сложных технических объектов на различных этапах их жизненного цикла.
Роль теплового контроля в диагностике технического состояния ВТС
Методы диагностирования, которые используют в качестве «параметра контроля» температуру, оказываются довольно эффективными, их кратко называют методами термографии. Это связано с тем, что 70—95 % всех форм энергии в радиотехнических устройствах (РТУ), в конечном счете, превращается в тепловую, что свидетельствует о целесообразности выбора в качестве параметра, характеризующего ее техническое состояние, температуры. Любое отклонение те-плофизических и геометрических параметров материалов конструкции от своих номинальных значений, а также изменение электрического режима работы РТУ, обусловленного отклонением параметра какого-либо радиоэлемента от номинала, приводит к изменению температурного поля (или теплового поля) конструкции и являются свидетельством потенциальной ненадежности аппаратуры и ее элементов. Кроме того, измененное тепловое поле может сигнализировать о дефектах, поиск которых обычными способами (например, визуально или при помощи специального электрического стенда) может быть затруднен по ряду причин или неэффективен [4].
Например, при анализе теплового поля узла или блока РТУ по определенным температурным аномалиям может быть выявлено неправильное подключение элемента в схеме, некачественный монтаж, неудачное размещение элементов на плате. В случае многослойной печатной платы по ее тепловому полю можно выявить проблемы утоньшения и коррозионного износа проводников, некачественную металлизацию, отслоение дорожек.
В области микроэлектроники анализ тепловых полей позволяет выявлять дефекты р-п-переходов (поверхностная деградация, электромиграция, межметаллические соединения, «шнурование» тока, мезоплазма), неравномерность плотности тока, газовые пузыри между кристаллом и основанием, дефекты теплоотво-да и диффузионной сварки, повреждения кристалла, обрыв проводов, короткие замыкания и другие дефекты. Посредством анализа тепловых полей интегральных схем можно контро-
лировать качество разварки выводов на контактные площадки печатных плат. Качество высокотемпературных пленочных покрытий (отслоения от подложки, неравномерность толщины) также можно проанализировать по конфигурации их тепловых полей.
Кроме того, важную роль играет тепловой контроль на стадии компоновки устройства: визуализация теплового поля позволяет выявить конструктивные проблемы, оценить работу систем охлаждения и сделать выводы о приемлемости тепловых полей в разрабатываемом устройстве.
Бесконтактный тепловой метод контроля является эффективным средством диагностики электронной техники. Он успешно применяется для обнаружения проблем в конструкции, а также для выявления дефектов электронных ячеек и элементной базы радиоэлектронной аппаратуры [4].
Метод основан на исследовании, проводимом благодаря измерению температуры поверхности всей электрической установки или объекта, а также его определенных элементов. Чаще всего используется система бесконтактного ТНК с применением тепловизора.
Стандартные способы контроля электрических установок, в основном, требуют их временной дезактивации. Такое отключение, например, в случае работы с высоким напряжением, может спровоцировать повреждения устройства либо потерю его работоспособности. Благодаря тепло-визонному обследованию появляются возможности для диагностики оборудования частями, то есть каждый элемент будет диагностироваться отдельно. Помимо этого, тепловизор позволяет оценить техническое состояние приспособления во время его эксплуатации. Большая часть дефектов может быть выявлена на ранних стадиях. Также тепловизор поможет сформировать допустимые эксплуатационные ограничения, благодаря чему возникновение дефектов можно будет предотвратить.
Требования, предъявляемые
к методам и средствам ТНК
Задача обеспечения постоянной боевой готовности объектов военного назначения в условиях продолжающегося физического и морального износа ВТС обуславливает повышение роли НК как одного из основных факторов, определяющих техническое состояние указан-
ных объектов, возможность и сроки их эксплуатации [5]. В свою очередь развитие научно-технического прогресса и решение задач по улучшению качественных показателей технического состояния и поддержанию высокой эксплуатационной надежности сложных технических объектов военного назначения требуют совершенствование и более широкого использования НК в том числе и ТНК (см. рис. 1).
При этом к требованиям, предъявляемым к методам НК можно отнести:
возможность осуществления контроля на всех стадиях жизненного цикла (ЖЦ) изготовления, при эксплуатации и при ремонте изделий; высокая достоверность результатов контроля; возможность контроля качества продукции по большинству заданных параметров;
согласование времени, затрачиваемого на контроль, со временем работы другого технологического оборудования;
возможность механизации и автоматизации контроля технологических процессов, а также управления ими с использованием сигналов, выдаваемых средствами контроля;
высокая надежность дефектоскопической аппаратуры и возможность использования ее в различных условиях;
простота методик контроля, техническая доступность средств контроля в условиях производства, ремонта и эксплуатации.
В ходе тепловизионного контроля (см. рис. 2) должна происходить:
объективная фиксация фактического состояния технологического оборудования в соответствии с его тепловым фоном (согласно данных теплового поля) в виде термограмм, и непосредственная локализация дефекта на фотоизображении (данные являются приложением к протоколам измерений и отчетной документации, см. рис. 3);
Рис. 1. Серверные и стойки коммутации необитаемых отсеков и аппаратных, подвергаемые тепловому контролю
определение дефектов устройства, определение уровня их опасности, выявление прямых экспериментальных данных, необходимых для произведения расчетов эксплуатационных мощностей объекта. Создание проекта, направленного на устранение дефектов и формирование программы, направленной на предотвращение развития основной группы повреждений;
выявление неточных данных, связанных с выполнением процедур, предусмотренных регламентом, а также проверка выполнения испытаний электрической установки на специализированных объектах. Проверка выполняется при помощи тепловизора по образцам тепло-граммам технической документации;
формирование архива базы данных тепло-визионного контроля с целью использования их в ходе ретроспективных мероприятий, выполнения аналитических и расчетных мероприятий, относительно технического состояния электри-
ческого оборудования, а также для формирования плана модернизации оборудования и эксплуатационных мер, направленных на продление эксплуатационного срока установок (технологически сложных объектов).
Основной задачей в ходе выполнения теплового контроля является автоматическое выявление проблемных узлов среди огромного количества анализируемых предметов, их определение, сортировка, а также классификация. Для предметов диагностического исследования определяют числовое значение порога (основой для формирования данного параметра стал метод гистограмм — поиска минимальных значений, которые соответствуют наиболее благоприятному значению порога), в соответствии с типом объекта, его технических параметров, и режимом эксплуатации. Другими словами происходит отделение качественных участков от аномальных зон. Далее необходимо выполнить сравнение ано-
мальных участков с эталонными зонами. Этот процесс происходит при помощи сравнения термограмм, в соответствии с контрольными участками либо точками. После этого выполняется анализ данных в соответствии с вышеизложенными параметрами дефектов, см. рис. 4.
Метод теплового диагностирования РТУ
Существуют современные решения, в сфере выполнения теплового контроля электрических приспособлений, которые можно применять не только для выполнения контроля оборудования, работающего в условиях высокого напряжения [5—7]. Такие решения актуальны для контроля
устройств, которые гораздо чаще выходят из строя и становятся причиной аварийных ситуаций.
Данные технические решения необходимо шире использовать в военной технике связи, в необитаемых аппаратных (отсеках) узлов связи и в других сложных технологических объектах, где отсутствует контролирующий персонал (дежурная смена связи), а встроенные системы контроля не дают полного представления о техническом состоянии РТУ и сопутствующего технологического оборудования, систем жизнеобеспечения [8—10]. Предлагаемая методика позволяет выполнять контроль устройств, на основании ТНК, а также многолетнего опыта
16.1°С
Рис. 4. Разновидности термограмм: сетевого кабеля (а), токоведущих дорожек электронных плат (б), блейда IBM с равномерно нагруженными лезвиями (в), помещения серверной (г)
тепловизионных исследований. В настоящее время существуют все возможности для выполнения более точных исследований, основанных на современных решениях. Благодаря этому можно не только выявить неисправности оборудования, но и определить степень брака, допущенного в ходе более ранних исследований, монтажных работ и эксплуатации оборудования.
Укрупненная схема метода теплового диагностирования приведена на рис. 5.
Следует отметить, что контроль тепловизором через крышку корпуса устройства провести невозможно. При удалении крышки (вскрытии помещения) могут нарушиться условия охлаждения и давления, что приведет к получению недостоверных данных. Поэтому бесконтактный метод теплового контроля целесообразно использовать на войсковых стационарных узлах связи, как правило, в необитаемых аппаратных и отсеках, в отделах АСУ, вычислительных центрах, где в качестве средств связи используются шкафы, коммутационные стойки и т. д. (рис. 1). Также, в связи с широким внедрением на по-
левых узлах связи ВС РФ автономных систем и агрегатов с применением кузовов-контейнеров, тепловизионный контроль может быть применен и в данном случае, к примеру, как показано на рис. 6, для полевого центра обработки данных (ЦОД) на вынесенной удаленной площадке, без присутствия оператора АСУ.
Заключение
Хочется отметить, что изложенный метод теплового контроля ВТС необходимо применять в комплексе с другими методами [5—12] для анализа электрических, механических и аэродинамических параметров радиотехнических устройств. Применение математических методов и средств вычислительной техники для анализа тепловых процессов (электрических, аэродинамических, механических), без учета взаимного влияния друг на друга не позволяет в полной мере реализовать высокую точность моделирования.
Таким образом, тепловые методы диагностирования, основанные на процессах теплообмена в объектах контроля, уже не являются уникаль-
Рис. 5. Укрупненная схема метода теплового диагностирования РТУ
Рис. 6. Вариант полевого ЦОД с автономной системой электроснабжения
ными ни для промышленной практики, а также для научных исследований в области неразру-шающих испытаний. Однако уровень использования таких методов в условиях войсковой эксплуатации техники связи и АСУ нельзя признать удовлетворительным. Объективные причины
этого с методологической точки зрения заключаются в значительной зашумленности процессов теплового контроля и отсутствии стандартов на методики применения данных методов в конкретных изделиях, что требует дополнительных исследований.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Клюев В. В., Соснин Ф. Р., Ковалев А. В. и др.
Неразрушающий контроль и диагностика: Справ. 2-е изд. Испр. и доп., под ред. В.В. Клюева. М.: Машиностроение. 2003. 656 с.
2. Биргер И. А. Техническая диагностика. М.: «Машиностроение», 1978. 240 с.
3. Бакланов И. Г. Тестирование и диагностика систем связи. М.: Эко-Трендз. 2001. 264 с.
4. Литвинов А. И., Захаров А. А. Анализ методов неразрушающего контроля технического состояния элементов электрооборудования систем электроснабжения стационарных узлов связи // Труды 66 НТК Санкт-Петербурского научно-технического общества радиотехники, электроники и связи имени А.С. Попова, посвященной дню радио. Санкт-Петербург, 19-29 апреля 2011 г. СПб.:СПГЭТУ, 2011. С. 95-96.
5. Литвинов А. И., Дорошенко Г. П. Совершенствование процесса эксплуатации электрооборудования систем электроснабжения стационарных узлов связи // Труды всеармейской научно-практической конференции «Инновационная деятельность в Вооруженных Силах Российской Федерации». Санкт-Петербург, 16-19 ноября 2011 г. СПб.: ВАС, 2011. С. 93-98.
6. Будко П. А., Литвинов А. И. Методика бесконтактного контроля и идентификации технического состояния электрооборудования систем электроснабжения промышленных комплексов // Датчики и системы / Sensors&Systems. №8. 2014. С. 5-10.
7. Будко П. А., Винограденко А. М., Юров А. С., Литвинов А. И. Способ мониторинга предаварийного состояния контролируемых объектов // Датчики и системы / Sensors&Systems. №9. 2014. С. 8-13.
8. Будко П. А., Литвинов А. И. Кинетический метод контроля и диагностики технических средств // Мехатроника, автоматизация, управление. №7. 2014. С. 42-47.
9. Будко П. А., Винограденко А. М., Литвинов А. И.
Экспериментальные исследования по применению кинетического метода контроля и диагностики технических средств // Мехатроника, автоматизация, управление. №9. 2014. С. 53-58.
10. Будко П. А., Будко Н. П., Литвинов А. И., Винограденко А. М. Реализация кинетического метода контроля и диагностики технических средств // Мехатроника, автоматизация, управление. №8. 2014.
С. 37-44.
11. Будко П. А., Дорошенко Г. П., Ершов Г.А., Мухин А.В., Будко Н. П. Реализация метода распределенного контроля и адаптивного управления многоуровневой системой // Информационно-измерительные и управляющие системы. 2012. Т. 10. №3. С. 65-73.
12. Будко Н. П., Будко П. А., Винограденко А. М., Дорошенко Г. П. и др. Способ распределенного контроля и адаптивного управления многоуровневой системой и устройство для его осуществления. Патент на изобретение RUS 2450335 от 11.07.2011.
