CC BY
484
Богачев К.А., Цыганов П.А.
Московский институт электроники и математики Национального исследовательского университета «Высшая школа экономики», Москва, Россия
ОСОБЕННОСТИ РАСЧЕТА НАДЕЖНОСТИ ДАТЧИКОВ И ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ В РЭС
Данное научное исследование (№ проекта 14-05-0038) выполнено при поддержке Программы «Научный фонд НИУ ВШЭ» в 2014 г. Датчики и преобразователи физических величин получили широкое распространение в радиоэлектронных средствах. Номенклатура используемых датчиков достаточно обширна. Основная трудность при расчете надежности датчиков обусловлена их рассмотрением только в составе измерительной системы, включающей линии связи, а также блоки преобразования и обработки информации. Показан пример расчета надежности датчиков с учетом внешних факторов с помощью справочника NSWC.
Современные радиоэлектронные средства (РЭС) как коммерческого, так и военного назначения обычно имеют в своем составе некоторое количество датчиков и преобразователей различных типов. Датчик (преобразователь) - это устройство, которое предназначено для преобразования различной информации в электрический сигнал. Номенклатура датчиков (преобразователей) достаточно обширна. Они применяются для измерения температуры, потока, давления, перепадов давления и т.п.
Особенность при расчете надежности преобразователей и датчиков заключается в том, что, так как они могут работать только в составе измерительной системы, то суммарная надежность аппаратуры определяется надежностью датчиков и надежностью измерительной системы [1-3].
Для определения надежности механических компонентов используется справочник NSWC [4], ориентированный на механические конструкции изделий военной техники. Поскольку датчики и преобразователи могут входить в состав систем различного назначения, для возможности использования данных справочника в целях расчета надежности подобных изделий в электро/радиоаппаратуре может потребоваться введение корректирующих коэффициентов, учитывающих особенности устройства.
В случае расчета надежности датчиков (преобразователей) необходимо помимо самого преобразователя оценивать интенсивности отказов компонентов системы, таких как: линии передачи информации, блоки обработки сигналов и т.д. Пример типовой блок-схемы измерительной системы на показан на рис. 1.
Рис. 1 - Блок-схема измерительной системы
Типовое измерительное устройство состоит из датчиков-преобразователей физической величины, модуля аналого-цифрового преобразования, процессора, приемопередатчика и пользовательского интерфейса. Блок питания предназначен для электропитания всех элементов устройства. Отказ системы может возникнуть вследствие отказа любого из ее элементов.
Например, при отказе датчика возможен некорректный сигнал на его выходе или полная потеря отклика. Возникшая при этом ошибка может привести к отказу системы. Сигнал с датчика также может быть полностью потерян при его отказе, что тоже приведет к отказу системы. Подобная ситуация может возникнуть также при потере проводимости линии связи (например, при обрыве соединительных проводов). Отказ системы возможен и при ошибке калибровки датчиков центральным процессором.
В таблицу 1 сведены значения базовых интенсивностей отказов (Atd,b) для основных типов датчиков .
Таблица 1. Значения интенсивности отказов датчиков___________________________________________
Тип датчика Интенсивность отказов, отказов на миллион рабочих часов (млн.час-1)
Акселерометр 174.20
Термопара 1.00
Гироскоп 80.00
Датчик давления жидкости 32.90
Датчик температуры (резистивного типа) 0.39
Суммарная интенсивность отказов измерительной системы вычисляется по формуле [3]:
(1)
где: Atd - интенсивность отказов датчика; Atd,b - базовая интенсивность отказов датчика; Ag - интенсивность отказов сенсорного элемента; At - интенсивность отказов линии передачи; Ac - интенсивность отказов модуля обработки; Ар - интенсивность отказов источника питания; Ах - интенсивность отказов других элементов, включая датчик.
Рассмотрим возможность использования приведенного подхода к системе термоконтроля (измерителя температуры с термопарным датчиком, блоком аналого-цифрового преобразования и микропроцессором).
Базовая интенсивность отказов датчика (термопары) составляет 1 млн. час-1 (см. табл. 1).
Исходные данные для расчета надежности взяты из базы данных системы АСОНИКА-К-СЧ программного комплекса АСОНИКА-К [5-7] .
Интенсивность отказов кабельной линии связи определяется количеством проводов в линии и составляет 0.3 млн. час-1 для одного провода. Поскольку согласно блок схемы, линий связи в системе 5, то интенсивность отказов всех линий составляет 1,5 млн. час-1. Интенсивность отказов аналого-
цифрового преобразователя (выполненного на ИМС) составляет 31 млн. час-1. Блока обработки (микропроцессор) - 2 млн. час-1. Блока электропитания - 2,9 млн. час-1( типовой модуль электропитания широкого применения).
С помощью приведенной формулы (1) оценим интенсивность отказов измерительной системы. Так как кроме указанных выше компонентов система не содержит других элементов, то Ах при расчете не учитывается. Интенсивность отказов измерительной системы составила 38,4 млн. час-1, а время наработки на отказ системы - более 25 тыс. часов, что вполне соответствует статистическим данным для подобных систем, полученным экспериментальным путем.
Таким образом, модель (1) допустимо применять в расчетах надежности систем с механическими компонентами, датчиками и преобразователями, работающими в составе радиоэлектронной аппаратуры различного назначения. Время наработки на отказ системы удовлетворяет требованиям, применяемым к аппаратуре гражданского назначения. В целях гарантированного повышения надежности системы возможно применение элементной базы с военной приемкой, имеющей более высокие показатели качества, а также введение резервирования датчиков и преобразователей в ответственных схемах и устройствах [5] .
ЛИТЕРАТУРА
1. Жаднов В.В. Методы и средства оценки показателей надежности механических и электромеханических приборов и систем. / В.В. Жаднов. // Датчики и системы. - 2013. - № 4. - с. 15-20.
2. Zhadnov, V. Methods and means of the estimation of indicators of reliability of mechanical
and electromechanical elements of devices and systems. / V. Zhadnov. // Reliability: Theory &
Applications. - 2011. - Vol. 2, No 4. - р. 94-102.
3. Маркин, А.В. Методы оценки надёжности элементов механики и электромеханики электронных
средств на ранних этапах проектирования. / А.В. Маркин, С.Н. Полесский, В.В. Жаднов. // Надёж-
ность. - 2010. - № 2. - с. 63-70.
4. NSWC-11. Handbook of reliability prediction procedures for mechanical equipment.
5. Абрамешин, А.Е. Информационная технология обеспечения надёжности электронных средств наземно-космических систем: научное издание. / А.Е. Абрамешин, В.В. Жаднов, С.Н. Полесский; отв. ред. В.В. Жаднов. - Екатеринбург: Форт Диалог-Исеть, 2012. - 565 с.
6. Жаднов, В.В. Управление качеством при проектировании теплонагруженных радиоэлектронных
средств: учебное пособие. / В.В. Жаднов, А.В. Сарафанов - М.: СОЛОН-ПРЕСС, 2012. - 464 с. - Сер.
«Библиотека инженера».
7. Жаднов, В. В. Автоматизация проектных исследований надёжности радиоэлектронной аппаратуры: научное издание. / В.В. Жаднов, Ю.Н. Кофанов, Н.В. Малютин. - М.: Радио и связь, 2003. - 156 с.
