Надежность датчика 

Надежность датчика

Надежность - способность датчика выполнятьтребуемые функции при соблюденииопределенных условий в течение заданного промежутка времени. В статистических терминах - это вероятность того, что устройствобудет функционировать без поломок в течение указанного интервала времени или заданногоколичества циклов. Не является характеристикой дрейфа или шума и отражает время до выходаустройства из строя (отказа), либо временного, либо постоянного присоблюдении регламентированных условий эксплуатации.Несмотряна важность редко указывается производителями датчиков. Возможно из-за отсутствияобщепринятых способов ее измерения.

В США для многих электронных приборов вкачестве способа определения эксплуатационной надежности применяется процедура вычисления среднеговремени между отказами(СВМО), описанная в стандарте MIL-HDBK-2I7. Эта процедура основана на определении СВМО всегоустройства после вычисления СВМО его отдельных элементов, при этом необходимоучитывать влияние внешних факторов: температуры, давления, механических напряжений, степени экранирования и т.д. К сожалению, процедуранахождения СВМО не позволяет оценить надежность напрямую, и такуюхарактеристику трудно применять на практике.Поэтому часто дляопределения надежности датчиков их подвергают квалификационным испытаниям, которые проводятся в наихудшихусловиях. Например, датчики заставляютнепрерывно работать при максимальной рабочей температуре в течение 1000 часов (эта методика описана в стандарте MIL-STD-883). Но этот метод не учитывает ситуации резкихизменений внешних условий, например, быстрого повышения температуры. Он имитирует работу датчика в модели реального окружения, но приэтом стремится сжать годы в недели.

Перед такими квалификационнымииспытаниями стоят три задачи:

  1. оценка СВМО,
  2. определение самого уязвимого местаконструкции (места первой поломки) для последующего усовершенствования датчика
  3. нахождение эксплуатационного срокажизни всей системы.

Другим возможным способом«ускоренного старения» является использование той же самой совокупности параметров, что и вреальных режимах эксплуатации,включая максимальную нагрузку и циклы включения/выключения, но проверку системы проводить врасширенных диапазонах окружающих условий (по сравнению с регламентированными в паспортных данных).При этом допускается, чтобырабочие характеристики датчиков выходили за пределы, указанные в их описаниях,но в нормальных условиях эксплуатации они должны возвращаться к требуемым значениям.Например, если в документации говорится, что датчик должен работать при температуре, не превышающей50°С, и наибольшейотносительной влажности 85% при максимальном рабочем напряжении + 15 В, его следует тестировать вцикличном режиме при температуре 100°С, относительной влажности 99% и напряжении +18 В. Дляоценки количества циклов(л) может применяться следующая эмпирическая формула, предложенная в Sandstrand Aerospace, (Rockford, IL) и Interpoint Corp. (Redmond,WA) [1]:
АСУ ТП
где N — приблизительноеколичество циклов за весь эксплуатационный период,
?Ттах — максимально возможная флуктуация температуры,
?Ttest - максимальная флуктуация температуры,зафиксированная во время тестирования.

Например, пусть нормальная рабочая температурадатчика равна 25°С, максимальная рабочая температура, указанная в описании, составляет 50°С,тестирование проводилось притемпературе 100°С. Также было оценено, что датчик за период своей эксплуатации (допустим, 10 лет) подвергается20000 рабочим циклам, тогда количество тестовых циклов, определенное по формулесоставит:
АСУ ТП

Это значит, что для тестирования, моделирующего весьсрок эксплуатации, проведенногопри вышеуказанных условиях, потребуется 1300 циклов вместо 20000.Следует отметить, что коэффициент 2.5получен для мест соединения припоем, поскольку именно эти элементы наиболее подвержены выходуиз строя. Но некоторые датчики не имеют паянных соединений, а элементы другихустройств обладают более высоким коэффициентом, чем 2.5 (например, соединенияпри помощи электропроводных эпоксидных смол), поэтому на практике этоткоэффициент может либослегка снижаться, либо слегка увеличиваться.

В результате тестирования на«ускоренное старение», надежность выражается через вероятность отказов. Например, если при проведениитестирования 100 датчиков два из них вышли из строя (при оцененном сроке службы 10 лет), можноутверждать, что надежность данноготипа устройств составляет 98% в течение первых 10 лет их эксплуатации.
Датчик, в зависимости от областиприменения, может подвергаться воздействию и других факторов окружающей среды, которыепотенциально могут менять егорабочие характеристики или помогать обнаруживать скрытые дефекты.

Поэтому иногда применяются следующие виды дополнительных испытаний:

  • тестированиепри высокой температуре и высокой влажности при максимальном напряжении питания. Например,датчик заставляют работать при максимально допустимой температуре и относительной влажности 85-90% в течение500 часов. Такоетестирование является очень полезным для обнаружения загрязнений и оценки целостности корпусовустройств. Срок службы датчиков часто определяется по тесту ускоренного старения, проводимого притемпературе 85°С и относительнойвлажности 85%. Такую проверку часто называют «тестированием 85-85»,
  • длямоделирования неблагоприятных условий окружающей среды при проверке надежности соединений: проводных,клеевых и т.п., датчики часто подвергаются воздействию механических ударов и вибрациям. Дляполучения высоких значенийускорений моделируется падение датчика. Часто требуется проводить такие испытания относительно разных осейустройства. Частота гармонических колебаний, прикладываемых к датчику при вибрационномтестировании, должна изменятьсяв интервале, включающем его собственную частоту. В США в оборонной промышленности при проведениимеханических тестов часто используются методы 2016 и 2056 стандарта 750,
  • длямоделирования экстремальных условий хранения и перевозок датчик, как минимум,1000 часов выдерживается либо при очень высоких (+100°С), либо при очень низких температурах(-40°С). Этот вид тестирования проводится, как правило, на неработающих устройствах. Выбор верхнего инижнего температурных пределовдолжен проводится в соответствии с физической природой датчиков. Например, для пироэлектрических TGS датчиков фирмы Philips, характеризуемых точкой Кюри +60°С, эта температураникогда не должна превышать +50°С, что всегда должно быть четко указано на их корпусах,
  • дляпроверки поведения датчиков при экстремально изменяющихся внешних условиях их подвергаютвоздействию теплового шока или циклических температур. Например, устройствонаходится в течение 30 минут в среде с температурой -40°С, после чего быстро перемещается на 30 минут всреду с температурой +100°С и так много раз. Количество таких циклов, как правило, лежит в пределах 100...1000. Этот тест помогаетобнаруживать дефекты разных типов соединений и проверяет целостность корпуса,
  • длямоделирования условий морских перевозок датчики могут подвергаться воздействиюсоляных туманов в течение определенного интервала времени (например, 24 часов). Такое тестированиепомогает определять устойчивость устройств к коррозии и обнаруживать дефекты корпусов.