Конструирование и производство
датчиков, приборов и систем
УДК 681.586.772:629.7.017.1
ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ ДАТЧИКОВ ДАВЛЕНИЯ ДЛЯ ЭКСПЛУАТАЦИИ В ЖЕСТКИХ УСЛОВИЯХ
INCREASING RELIABILITY OF PRESSURE SENSORS FOR PRODUCT ROCKET AND SPACE TECHNIQVES
Фролов Михаил Алексеевич
начальник НИЛ
E-mail: frolov10061987@gmail.com
ОАО "Научно-исследовательский институт физических измерений", г. Пенза
Аннотация: Представлена методика и алгоритм повышения надежности датчиков давления емкостного типа для эксплуатации в жестких условиях, которые позволили повысить надежность разработанной конструкции датчика и обеспечить заявленные метрологические характеристики. Ключевые слова: емкостной датчик давления, жесткие условия эксплуатации, надежность, вероятность безотказной работы, методика, алгоритм.
Frolov Mikhail Alexeevich
Head Scientific Research of Labs E-mail: frolov10061987@gmail.com
Joint Stock Company "Research institute of physical measurements", Penza city
Abstract: The technique and algorithm of increasing reliability of pressure capacitor sensors for products rocket and space techniques are shown. The results allowed to increase reliability of developed pressure sensors construction and providing the declared metrolog-ical characteristics.
Keywords: capacitive pressure sensors, hard service conditions, reliability, probability of non-failure operation, technique, algorithm.
ВВЕДЕНИЕ
При разработке изделий, эксплуатирующихся в жестких условиях, например, изделий для ракетной и космической техники (РКТ), все более широкое распространение получают новые методы измерения и цифровой обработки сигналов в датчиках различного назначения, в том числе и датчиков давления.
На сегодняшний день развитие датчиков давления с цифровым выходом направлено на совершенствование конструкций чувствительных элементов, электронных устройств и схемотехники. Одним из основных направлений, обеспечивающих улучшение таких характеристик, как точность, стабильность, надеж-
ность и долговечность, является отработка и реализация емкостного метода измерения давления.
МЕТОДИКА РАСЧЕТА МЕХАНИЧЕСКОЙ НАДЕЖНОСТИ ДАТЧИКОВ ДАВЛЕНИЯ
Важным преимуществом емкостных датчиков в сравнении с другими типами является стабильность метрологических характеристик и возможность реализации широкой номенклатуры функций преобразования линейных, логарифмических, экспоненциальных, степенных и др. [1], реализуемых благодаря широким возможностям вторичной измерительной аппаратуры, непосредственно преоб-
разующей емкость в цифровой код.
Примером такого датчика является разработанный в ОАО "НИИФИ" емкостной датчик давления с цифровым выходом (рис. 1). Он содержит емкостный измерительный преобразователь ПИП и преобразователь емкость—код ВИП, выполненный в моноблочном исполнении [2].
Ужесточение требований к механической надежности современной датчико-преобразую-щей аппаратуры (ДПА) [3] делает актуальной задачу создания специализированной методики расчета надежности датчиков давления в целом. Согласно техническим требованиям датчики
28
Sensors & Systems • № 6.2015
Рис. 1. Емкостный датчик давления:
1 — штуцер; 2 — мембрана; 3 — гермопереходник; 4 — подвижная обкладка конденсатора; 5 — неподвижная обкладка конденсатора; 6 — платы; 7 — вилка
Рис. 2. Общий вид датчика с цифровым выходом:
1 — резьбовое штуцерное соединение датчика с гнездом присоединительного затвора; 2 — сварное соединение гайки с наконечником и со штуцером (сварной шов); 3 — сварное соединение мембраны со штуцером (сварной шов); 4 — мембрана
давления с цифровым выходом должны обеспечивать:
— формирование и передачу параметров измеряемого давления в виде цифрового последовательного кода по интерфейсу 1-Мге;
— измерение абсолютного давления от 0...0,588 МПа до 0...34,3 МПа;
— работоспособность после воздействия допустимого давления перегрузки (0,82; 1,37; 2,06; 3,43; 5,49; 8,23; 13,72; 39,2 МПа);
— вероятность безотказной работы (ВБР) в условиях воздействия внешних факторов не менее 0,95 в течение 10 лет (87 600 ч) в нормальных климатических условиях;
— назначенный ресурс до 11 лет (96 360 ч), включающий в себя наработку в течение 1 года (8760 ч) на заводе-изготовителе изделий РКТ и в процессе подготовки и эксплуатации.
Механическая надежность ДПА определяется механической прочностью конструкции [1], являющейся основной характеристикой, определяющей надежность и обеспечивающей возможность проведения сравнительного анализа вновь разрабатываемых вариантов конструктивного построения датчика и выбора наиболее оптимального варианта конструктивного исполнения.
Механическая прочность емкостного датчика давления с
цифровым выходом (рис. 2) характеризуется коэффициентом запаса прочности и определяется механической прочностью элементов его конструкции [1]. Для определения требуемых значений механической прочности элементов конструкции по заданному значению вероятности неразрушения датчика целесообразно применять метод структурно-функционального анализа (СФА) на основе построения структурно-функциональной схемы (СФС).
При этом необходимо четко определять функциональное назначение элементов конструкции 1—4 (см. рис. 2) и анализировать последствия отказа каждого из перечисленных элементов, виды нагрузок, их предельные значения, условия работоспособности каждого элемента в режимах эксплуатации датчика, а также критерии работоспособности датчика после воздействия перегрузок в виде предела текучести ст-р и предела прочности ств. В результате проведения такого анализа конструкции, показанной на рис. 2, было установлено, что основным критерием отказа считается потеря работоспособности вследствие разгерметизации внутренней полости чувствительного элемента и попадание в нее компонентов контролируемой среды.
СТРУКТУРНО-
ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ НАДЕЖНОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ ДАТЧИКА
На основании полученных результатов после проведения СФА была сформирована матрица СФА (см. таблицу), позволяющая оценить степени нагру-женности и функциональной значимости каждого элемента.
^ л
'1 4 гпип 'ним
Рис. 3. Структурно-функциональная вероятностная схема надежности датчика:
Рпип — вероятность безотказной работы чувствительного элемента; Рвип — вероятность безотказной работы преобразователя "емкость-код"; Рх_4 — вероятность безотказной работы 1—4 элементов конструкции
Для определения механической надежности датчика в целом используют метод СФС, определяющий взаимосвязь элементов конструкции с позиции обеспечения надежности.
Вследствие того, что отказ (разрушение) любого из элементов 1—4 датчика давления приводит к отказу всей измерительной цепи, можно сделать вывод о последовательном соединении всех элементов СФС (рис. 3).
ОЦЕНКА ВЕРОЯТНОСТИ НЕРАЗРУШЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИИ ДАТЧИКА
Используя принцип равно-надежности элементов, в соответствии с полученной СФС механической надежности определяется гауссовский уровень надежности каждого элемента у [1], выраженный отношением:
Л = (К - 1)/(ВД, (1)
где К — коэффициент запаса несущей способности элемента; Vд — коэффициент вариации, принимаемый равным 0,15 [1].
Согласно формуле (1) для оценки механической надежности датчика необходимо определить коэффициенты запаса прочности его элементов, соответствующие полученному значению вероятности неразрушения. По результатам определения коэффициентов запаса прочности элементов был спроектирован оптимальный вариант конструктивного исполнения датчика давления, отвечающий требованиям технического задания (ТЗ) по механической надежности. Расчетная оценка механической надежности выбранного варианта конструкции датчика производилась на ос-
Результаты структурно-функционального анализа надежности ПИП
Элемент датчика Вид нагрузки: Условие сохранения работоспособности Коэффициент запаса несущей способности, К Гауссовский уровень надежности, И Вероятность неразрушения Р
предел измерения, МПа допустимое давление перегрузки ртах, МПа
1. Резьбовое штуцерное соединение датчика с гнездом присоединительного затвора Усилие затяжки 0зн, МПа Тср < [Тср] °см < [°см] К = 7,37 К = 4,73 П = 5,76 У2 = 5,25 Р1 = 1,0
34,3 49,4
Момент затяжки, МПа
0,588...34,3 20
2. Сварной шов гайки с наконечником и штуцером Усилие от ртах 0 с. ш. МПа °сш < [°сш] К3 = 1394...29,1 у2 = 6,66...6,44 Р2 = 1,0
0,588...34,3 0,588...34,3 0,95...45,2 0,84...40
3. Сварной шов мембраны со штуцером Усилие от ртах 0 с. ш., МПа °сш < [°сш] К4 = 757...18 у3 = 6,65...6,29 Р3 = 1,0
0,588...34,3 0,588...34,3 17,95...1206 0,084...4,0
4. Мембрана Усилие от ртах 0 с. ш., МПа °м < [°м] К5 У4 Р4
0,588 0,98 1,47 2,45 3,92 5,88 9,8 34,3 0,84 1.4 2,1 3.5 56 8,4 14 40 13,09 9,87 8,48 7,21 6,28 5,24 4,5 4,27 6,15 5,99 5,88 5,74 5,6 5,39 5,18 5,1 1,0
30
вепвогв & Эувгетв • № 6.2015
новании прочностного расчета и экспериментальных данных о механической надежности элементов при проведении разрушающих испытаний.
Для элементов, включенных в СФС механической надежности, исходя из принципа рав-нонадежности элементов по известным коэффициентам запаса находится общее значение вероятности неразрушения для цепи последовательно соединенных элементов конструкции, приведенной на рис. 2, с учетом полученных значений вероятности неразрушения каждого элемента конструкции:
п
Робщ — П Р/, I = 1
где Р^ — вероятность неразрушения 1-го элемента; п — число элементов в данной цепи СФС.
При проведении расчетов принималось во внимание, что механические свойства материалов могут меняться во времени и под влиянием длительного воздействия дестабилизирующих факторов. Для получения достоверных расчетов при оценке несущей способности в формулы прочностных расчетов вводились значения предельных прочностных характеристик с учетом реальных условий эксплуатации.
Для повышения надежности датчика давления с цифровым выходом при условии его многократного использования проводилась расчетная оценка надежности при циклическом на-гружении, так как в случае превышения значения предела выносливости циклическое на-гружени
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.