On the Probabilistic-Physical Approach to the Question of Reliability and Safety of Electronic Products

Belozerov Valerii Vladimirovich Doctor of Technical Science General Director at LLC “Scientific Technological Production Center OKTAEDR”; Professor at the department of Automation of Production Processes, Don State Technical University 344091, Russia, Rostov-on-Don, ul. Kashirskaya, 22-41 safeting@mail.ru Other publications by this author

Введение

Расширение применения информационно-коммуника­ционных технологий (ИКТ) и изделий электронной техники (ИЭТ) в науке, технике и в быту, обострили проблемы разработки и применения новых и эффективных методов испытаний и диагностики электрорадиоэлементов (ЭРЭ) в радиоэлектронных и электротехнических приборах, на предмет обеспечения их надежности и безопасности.

В настоящее время в науке и практике общепринятыми способами оценки качества, надежности и безопасности ИЭТ в радиоэлектронной аппаратуре (РЭА) и электроприборах (ЭП) являются статистические методы ^[1-4]. Все международные и национальные стандарты используют для этих целей, как правило, экспоненциальные распре­деления, несмотря на то, что научно обоснована необходимость применения, как других видов статистических распределений ^[5,6], так и термодина­мического подхода ^[7,8], что влечет за собой недостоверные данные о качестве, надежности, долговечности и безопасности ИЭТ, РЭА и ЭП ^[9-11].

Представляя КАЧЕСТВО ^[12], как свойство безопасной работы объекта (ИЭТ, РЭА, ЭП) во времени, т.е. как долговечность и надежность с минимальным «общественным вредом» (с минимальными материальными и моральными потерями при эксплуатации), в Ростовском государственном университете была разработана «Концепция общей безопасности» ^[11] и на протяжении многих лет разрабатывались отдельные модели вероятностно-физической методологии оценки надежности, долговечности и безопасности объектов и процессов, в том числе ИЭТ, РЭА и ЭП ^[8-13] - как основы количественного метода квалиметрии.

Проблемы надежности и долговечности РЭА и ЭП, связаны с процессами старения и деградации свойств полупроводников, диэлектриков и проводников, исполь­зуемых в них, и решаются на основе определения их фи­зико-химических состояний, и связаны с основным понятием надежности - отказом, событием, заключающимся в нарушении работоспособности изделия ^[1,4,12].

Определение физической природы отказов, их причин и кор­ректное математическое описание явлений, лежащих в их основе, являются необходимыми условиями решения всех практи­ческих задач надежности. Именно поэтому правильный выбор тео­ретических моделей, описывающих отказы высоконадежных элементов, в ча­стности, микросхем, транзисторов, конденсаторов, резисто­ров и других ЭРЭ, которые используются в РЭА и ЭП, является сложной задачей, так как в отли­чие от моделей отказов для слабо надежных элементов, например, механиче­ских объектов, для ЭРЭ невозможно получить данные отказов всех поставленных на испытание элементов ^[5,6].

Следствием деградации физико-химических свойств материалов, из которых состоят ЭРЭ, является их опасность для человека и окружающей его среды, с точки зрения дисси­пации запасенной или преобразуемой ими энергии, что при отказе (помимо потери работоспособности) может привести к пожару, взрыву и другим опасным факторам ^[12].

В последнее время все более отклоняется общепринятое деление отказов ЭРЭ в РЭА и ЭП на "внезапные" и "постепенные", что приводило к недостоверному выбору вероятностных моде­лей отказов ^[6-12].

До настоящего времени от­каз считается "внезапным", если не установлена его причина и подразу­мевается, что отказ появился в результате мгновенного изменения какого-то параметра, чем практически отрицается существование каких-либо физических деграда­ционных процессов - настоящих причин, приведших к отказу. При этом оказывалось, что отказ идентифицировался как "внезапный" лишь потому, что в тот момент не было средств контроля изменения всех оп­ределяющих параметров, способных его вызвать ^[12].

Установленные физические модели отказов многих ЭРЭ описаны довольно подробно ^[1,5-9], основными из которых являются: механические разрушения, интерметаллизация, электромиграция, теплоэлектрический пробой, генера­ция и перемещение зарядов на поверхности кристаллов, коррозия, плавление, образование поверхностных плёнок, старение материалов ^[12].

Таким образом, физическая природа "внезапных" (с неизвестной причиной) и "постепенных" (с известной причиной) отказов одна и та же - это результат де­градационных процессов в материалах ЭРЭ, из которых собраны, РЭА и ЭП во время их испытаний, хранения и эксплуатации. Только во «внезапных случаях» процессы деградации протекают очень быстро, что приводит к от­казам и к скачкообразным изменениям контролируемых параметров, и факт возникновения отказа представляется неожиданным для исследователя. В «постепенных случаях», определяющие параметры, изменения которых и вызвали отказ, контролируются, и достижение их предельных значе­ний не является неожиданным.

Вероятностно-физическая модель надежности изделий

Вероятностно-физическая модель отказа включает в себя определение «текущих» интенсивностей отказов элементов изделий по модифицированному уравнению Ар­рениуса-Эйринга ^[13]:

(1)

где λ - текущая интенсивность отказа элемента, 1/час; А=k_i∙λ_О –произведение безразмерных коэффициентов, зависящих от давления, влажности, вибраций и т.д.) на интенсивность отказов при хранении (λ_О), 1/час; k - постоянная Больцмана, 1.38·10^-23 Дж/К; Т - температура элемента, ºК; h - постоянная Планка, 6.626·10^-34 Дж·с; Ea- эффективная энергия активации отказа, Дж; f(H)- функция нетермической (энергетической) нагрузки.

До настоящего времени это уравнение (1) не удавалось решить (для каждого ЭРЭ в РЭА и ЭП) по трем причинам ^[14]:

методологическим – определение энергии активации от­каза даже для одного ЭРЭ оказывалось практически не разрешимой задачей, так как приходилось выбирать превалирующий процесс деградации (термо­диффузия, электромиграция, коррозия и т.д.), т.е. не измерять, а подбирать её значение;

метрологическим - точное измерение параметров окружающей ЭРЭ среды, его температуры и энергетической нагрузки было не возможно, из-за внесения самими средствами измерения (СИ) изменений и потерь в процессы электро-тепло-массобмена;

технико-экономическим – количества ЭРЭ в РЭА и ЭП измеряются де­сятками, сотнями и тысячами, поэтому на каждый элемент СИ не поставить.

Решение было найдено ^[15,16] путем термозондирования окружающего воздуха [T_ВОЗД(t)] и внутреннего объема РЭА или ЭП [T(t)], а также измерением потребляемой изделием энергии [E(t)], при известных минимальных (λmin), номинальных (λном) и максимальных (λмах) значениях интенсивности отказов всех элементов. Единственным допущением считалось то, что все элементы расположены на платах, установленных регулярно (вертикально или горизонтально с определенным шагом), у каждой из которых также измеряется потребляемая энергия [Wp(t)], тогда решением уравнений теплового баланса и Навье-Стокса (прямая и обратная задачи тепловой локации), определялись все текущие коэффициенты энергетических нагрузок элементов [E_L(t)]:

(2)

где α, β, ρ, η - коэффициенты, Nu- число Нуссельта; С - теплоемкость, D- расстояние, σ - постоянная Стефана- Больцмана, S_и - площадь поверхности источника тепла (ЭРЭ), W_P - потребляемая источником тепла мощность (фактическая), Т_ВОЗД. - температура окружающего источник тепла воздуха/зонда, Т - искомая/измеренная температура источника тепла (ЭРЭ, платы, стенки и т.д.), B_L - коэффициент энергетической нагрузки конструктива (блока,изделия), P_L - коэффициент энергетической нагрузки платы (модуля), W - номинальная (паспортная) потребляемая мощность, Е_L - коэффициент энергетической нагрузки ЭРЭ (микросхемы, резистора и т.п.).

Определение коэффициентов энергетической нагрузки по указанному уравнению (1), превращало λ в функцию, у которой для любого ЭРЭ известны минимальное (λ_О), номинальное (λном), максимальное (λмах) значения интенсивности отказов, а также интенсивность отказов при хранении (λх), что позволяло построить и аппроксимировать «семейство» λ-кривых в плоскость, ограниченную кривыми λх(Т) и λмах(Т). Далее, логарифмированием получалась функция эффективной энергии активации отказов каждого ЭРЭ - Е_ai(Н,Т).

Далее, подставляя в уравнения (1) текущие значения функций энергетических нагрузок каждого ЭРЭ, текущие значения температур их корпусов, текущие значения функций эффективной энергии активации отказа им соответствующие, а также текущие значения параметров окружающей среды (давления, влажности, вибрации и т.д.),получаем текущие интенсивности отказов ЭРЭ , т.е. функции λ (Н,Т,Р), которые нельзя описывать экспоненциальными распределениями ^[10-16].

Именно с помощью термозондирования тепловых потоков от ЭРЭ позисто­рами, на которые был получен Патент РФ № 2060566 от 20.05.96 ^[17], удалось устранить ограничения, возникающие при решении системы уравнений (2) в двумер­ном приближении Обербека-Бусcинеска в «прямой и обратной задачах» теп­ловой локации элементов, чтобы получить значения функции нетермической нагрузки f(H) ^[18].

Как показали исследования ^[10-18], полученные функции интенсивности отказов можно описывать γ-распределениями ^[10]. При этом нахождение параметров γ-распределения случайной величины λi в данном случае сводилось к задаче определения параметров В и С функции γ-распределения по заданному двустороннему 100% доверительному интервалу

при В>0,С>0,5,Г(С)-гамма-функция (3)

т.е. по заданным ее квантилям λн = λmin и λв = λмах уровней вероятности соответственно L и 1-L, где L=(1-р)/2, к решению системы уравнений:

(4)

с последующей заменой переменной х = 2λ/В, переводящей γ- распределение в обобщенное χ² – распределение (для снятия ограничений относительно целочислености v), после чего делением одного уравнения на другое находится:

q (v) = λв / λн (5)

Полученные значения q (v) = χ²_1-L(v)/ χ²_L(v) являются монотонной функцией от v, имеющей при λв/λн>О единственный корень, а по вычисленному v(а следовательно, и С= v/2), находится и второй параметр γ-распределения:

В = 2λн/χ²_L(v) = 2 λв/χ² _1-L(v). (6)

Для реализации стендовых испытаний РЭА и ЭП по разработанной методологии, необхо­димо было рассчитать режим корректного ускорения испытаний, т.е. найти коэффици­ент ускорения К_У , равный ^[10-13]:

К_У = К_НТЦ ∙ К_В , (7)

где К_В - коэффициент учета внешней среды (влажности, давления, вибраций и т.п.), кроме температуры и электрической нагрузки;

К_НТЦ - коэффициент (функция) учета совместного влияния на λ: электрической нагрузки, температуры окружающей ЭРЭ среды и параметров циклирования (включения и выключения ЭРЭ).

Сопоставляя уравнения (1 и 7), найдем выражение для К_У^[13]:

К_У = К_В∙К_НЦ ∙К_Т, (8)

где К_В = А(P,V,W,N) – коэффициент (функция) учета внешней среды, независящий от изменения электрической нагрузки и слабо коррелирующий с изменениями температуры;

К_Т = kT·exp(-Ea/kT) - коэффициент (функция) учета влияния температуры, неза­висящий от изменений внешней среды и слабо коррелирующий с изменениями электриче­ской нагрузки;

К_НЦ = exp[f(H)]/h - коэффициент (функция) учета влияния электрической нагрузки, независящий от изменений внешней среды и слабо коррелирующий с изменениями тем­пературы, характеризуемый функцией нагрузки f(Н), рекомендуемыми значениями кото­рой являются значения равные 0,2–0,9 от – номинальных, при этом f(Н)=0 в цикле «вы­ключения», а непрерывный режим работы является частным случаем при частоте цикла равной 0.

Функция учета влияния электрической нагрузки f(Н) определяется как отношение заданной рабочей нагрузки W_РАБ к нагрузке W_НОМ номиналь­ного режима ^[5,6,13]:

f(Н) = W_РАБ / W_НОМ ,

где в качестве нагрузки W для ЭРЭ обычно выступают - мощность (для транзисторов, резисторов, микросхем), - напряжение (для конденсаторов, разъемов), - сила тока (для диодов, выключателей), - плотность тока в обмотке (для трансформаторов, дросселей).

При определении указанных нагрузок могут применяться и другие параметры режима (скважность сигналов, отношения сигналов верхнего и нижнего уровня к - номинальному и т.д.), однако во всех случаях f(Н) выражает нагрузку в долях от номинальной и является безраз­мерной.

Пренебрегая корреляцией К_B с температурой, коэффициент ускорения К_У был определен без К_B как К_НТЦ, и найден из условия ^[13]:

λ·t = λ_Р·t_Р + λ_Ц·v·t + λ_ОЖ·t_ОЖ ,

где, в соответствии с вышеприведенными уравнениями предполагалось, что

(9)

при t- общее полезное время испытаний в часах, в котором не учитыва­ются задержки на восстановления изделий после отказов;

t_Р =r·t - суммарное время нахождения изделия во включенном (рабо­чем) состоянии в процессе испытаний, а r - доля t_Р в t ;

v - частота циклирования (или средняя частота, если регулярность цик­лирования нарушается), 1/час.;

t_ОЖ = t - t_Р = (1 - r) · t - суммарное время нахождения изделия в вы­ключенном состоянии в процессе испытаний (т.е. в состоянии ожидания включения) при средней продолжительности:

t _Ц.Р = r/v - рабочей стадии цикла, час.,

t _Ц.ОЖ = (1-r)/v - нерабочей стадии цикла, час.,

λ_Р - интенсивность отказов элемента во включенном состоянии при средней температуре Т_Р рабочего состояния:

(10)

где Т(t)- температура окружающей среды для элемента как функция вре­мени t;

{t }- совокупность интервалов времени пребывания изделия во включенном состоянии в рабочих стадиях циклов;

λ_Ц - интенсивность внезапных отказов элемента, возникающих в мо­мент включения или выключения изделия (на один цикл включения);

λ_ОЖ - интенсивность отказов, возникающих в выключенном элементе при средней температуре Т_ОЖ ожидания работы:

(11)

где {t”} - совокупность интервалов времени пребывания изделия в выклю­ченном состоянии - в нерабочих стадиях циклов;

Итоговое выражение для коэффициента циклирования было получено в виде

К_НТЦ = r·g (Н, Т_Р) + (1 - r) · g (0, Т_ОЖ) + q·v , (12)

где q = λ_Ц / λном

Совмещая испытания на функционирование и надеж­ность, и подбирая план испытаний РЭА и ЭП (диапазоны режима «термо-баро-электро-циклирования»), можно контролировать «обратимые» и «не­обратимые» процессы в ЭРЭ, в т. ч. по модифицированной формуле Аррениуса-Эйринга, где S_O - энтропия отказа ^[12]:

(13)

Таким образом, получаем возможность продук­тивно использовать экспериментальный этап, во-первых, для уточнения интенсивностей отказов λмин и λном (в режиме хранения и номинальном ре­жиме), если баро-термо-электро-цикл «охватывает» интервал интенсивностей отказов от хранения ЭРЭ до номинального ре­жима, а во-вторых, для получения значений функции производства энтропии - ∆S, логарифмируя «соседние» значения λ-функции и вычисляя их разность ^[13].

Вероятностная физико-химическая модель

Разработанные модели и ме­тодология БЭТА-анализа физико-химических свойств материалов позволили начать решение про­блемы количественного определения параметров ЭРЭ, РЭА и ЭП, обуславливающих их эксплуатационную устойчивость и пожарную опасность, а также по аналогии с долговечностью (техническим ресурсом) вве­сти понятие пожаробезопасного ресурса, который рассчитывается по термодинамическим и вероятностно-физическим моделям ^[16].

Была найдена функция распределения вероятностей F_Э (Q) возможных дополнительных тепловыделений Q в элементе Э при условии его отказа ^[12]:

F_Э(Q) = 1 - v_Э · [1 - G_Э(z)], (Q > 0), (14)

где v_Э - доля пожароопасных отказов среди всех отказов элементов данного типа в рассматриваемых условиях;

G_Э(z)- условная функция распределения (при возникновении пожароопасного отказа) случайной величины z = lg Q ЭРЭ.

Случайная величина Q рассматривается как функция случайных аргументов I и t (R и t), исходя из общего выражения для "Джоулева тепла":

Q = k · U · I · t = k · U² · t /R, (15)

где I, R - случайные, усредненные за время t значения силы тока и сопротивления в ЭРЭ;

U - рабочее напряжение на ЭРЭ;

k - коэффициент пересчета электрической мощности в тепло, с учетом режима работы ЭРЭ.

Для случайных величин lg I= lg U - lg R, lg t, lg R - принимались нормальные распределения и учитывались их коэффициенты корреляции r, что хорошо согласуется с полученными экспериментальными данными ^[10,13], вследствие чего функция F(Q) берется для вычислений в следующем виде:

F_Э (Q) = 1 - v_Э + v_Э · Ф [(z -Мz)/ δ_z (16)

- стандартная ф-ция нормального распределения

М_Z - математическое ожидание случайной величины z= lg Q;

δ_Z - среднеквадратическое отклонение величины z;

Флуктуациями параметров распределений величин U, I, R в моделях пожароопасных отказов, влияющими на параметры М_Z и δ_Z , пренебрегаем, считая, что уже имеем их усредненные данные по быстротекущим процессам пробоев, коротких замыканий и т.п.

Случайная величина z = lgQ (для удобства применения имеющихся данных при оценке параметров м_z и δ_z) представлена в формуле (14) двумя выражениями (15).

В первом случае имеем [10]:

Q = kU²t/R,

где k и U - постоянные.

Относительно случайных величин х = lgt и у = lgR предполагается, что они имеют совместное двумерное нормальное распределение, определяемое параметрами м₁, м₂, δ₁, δ₂, r, где м₁, м₂ - математические ожидания величин х и у; δ₁, δ₂ - их дисперсии; r – коэффициент корреляции между х и у. При этом плотность вероятности P (х,у) совместного распределения х и у имеет вид:

,

а частные распределения случайных величин х и у - нормальные с параметрами м₁, δ₁ и м₂, δ₂, оценки которых считаются известными.

Согласно уравнению (16) z = lgQ=c₁+ х - у, где с₁ = lg(kU²) - постоянная. Отсюда м_z = c₁ + м_x-y, δ_z = δ_x-y, но распределение суммы (разности) величин х, у, подчиненных совместно распределению Р (х,у), как известно ^[11], является нормальным, и окончательно для данного случая (16) в принятых обозначениях имеем^[10]:

м_z = с₁ + м₁ - м₂,

(17)

где с₁ = lg(kU²) = lgk + 2lgU.

Во втором случае имеем:

Q = k·U·I·t,

и в предположении совместного нормального распределения величин х=lgt и v=lgI с параметрами м₁, м₃, δ₁, δ₃, r* (где м₃,δ₃ - параметры частного распределения случайной величины v, а r*- коэффициент корреляции между х и v) аналогично предыдущему приходим к выражениям:

z = lgQ = c₂ + х + v,

м_z = с₂ + м₁ - м₃ , (18)

где c₂ = lg(kU) = lgk + lgU.

Следует заметить, что при I = U/R имеем V = lgU - у , маргинальные (частные) распределениия v и у оказываются взаимно обусловленными и из нормальности одного вытекает нормальность другого, при простых соотношениях параметров: м₃ = lgU - м₂, δ₃ = δ₂, r*= -r. Таким образом, с учетом соотношения c₂ = с₁ - lgU формулы (18) оказываются эквивалентными формулам (17).

Входящий в выражения (17) коэффициент корреляции r может быть оценен обычными способами в зависимости от характера имеющихся данных: по выборке пар (хi, уi), по группированным данным и т.п.

Оценка r должна согласовываться с линейным среднеквадратическим уравнением регрессии величины у относительно х , которое проходит через точку (м1, м2) и имеет вид

у = м₂ + r·δ₂/δ₁·(х - м₁), (19)

или в более симметричном виде,

(у - м₂)/δ₂ = r·(х - м₁)/δ₁ , (20)

Теоретический вид функции условного математического ожидания м(ух) является необходимым условием утверждения вида Р (х).

Поэтому все применяемые в (17) оценки должны согласовываться (с учетом доверительных интервалов) с получаемой по методу наименьшиих квадратов регрессионной прямой вида (20). При этом теоретическое значение остаточной дисперсии равно

δ²(ух) = δ²₂·(1-r²)

Для вычисления входящей в выражение (14) Fэ(Q) функции распределения вероятностей нормального закона

могут быть использованы различные известные аппроксимации.

Таким образом, для оценки пожарной опасности мате­риалов и ЭРЭ из них, разработана модель, в которой тепло пожароопасного отказа ЭРЭ, вычисляемое по логнормальным функциям распределения дополнительного тепловыделения (14), нагревая электрорадиоматериал (ЭРМ), воспламеняет его при переходе про­цессов деструкции и пиролиза ЭРМ в самоускоряющуюся фазу по критерию Семёнова (Se=0,368), что вполне допустимо, принимая во внимание лавинообразный характер пожароопасного отказа ^[19]:

(21)

где Q - тепловыделение пожароопасного события, Дж./сек.; V - объём ЭРМ, м³; S - пло­щадь поверхности ЭРМ, м²; R - газовая постоянная, 8.31441 Дж/моль ·˚К; α_m - коэффици­ент теплоотдачи ЭРМ, Вт/˚К ·м²; Еа - эффективная энергия активации процессов в ЭРМ, Дж/моль; Т - рабочая температура ЭРМ, ˚К; K – предэкспоненциальный множитель, полу­чаемый по результатам термоаналитических испытаний ЭРМ; a_n- концентрация и порядок реакции в конденсированной фазе.

Одновременно проверяется выполнение условия зажигания каждого соседнего ЭРЭ, при возникновения пожароопасного отказа в - данном, по критическому тепловому потоку Зельдовича ^[9,10]:

(22)

где Н - тепловой эффект реакций пиролиза и деструкции ЭРМ, Дж./c; λв - теплопровод­ность газовой фазы, Вт/м·˚К (остальные обозначения переменных, как в уравнении 21).

Численное определение всех параметров обоих неравенств оказывается возможным, если в базе данных есть «образ» - ВФЖЦ материалов, из кото­рых изготовлены ЭРЭ, путем решения следующей системы уравнений в точке воспламенения ^[20]:

(23)

где Ze – критерий Зельдовича (критическая плотность теплового потока); λв- коэффициент теплопроводности газовой фазы; R - газовая постоянная; Тп - температура печи; Еа - энергия активации пиролиза образца; Н - тепловой эффект реакции в газовой фазе; K - предэкспонент; Se – критерий Семенова (Se=0,368); Q - теплота, подведенная к образцу; V - текущий объём образца; S - текущая площадь поверхности образца; a - текущий коэффициент теплоотдачи образца; Тпо-температура поверхности образца; Fк-критерий Франк-Каменецкого (Fк=2,00); r-линейный размер образца; λо-коэф.теплопроводности образца; То-температура образца.

Расчеты по системе уравнений (23) должны проводиться для каждого ЭРЭ и его «соседей», для чего необходима их топология, а для вероятностной оценки возможности загорания и распространения огня вводится функция «маятник события», формирующая из топологии ЭРЭ в РЭА и ЭП «матрицу загораний» ^[12]:

Вероятность развития пожара, т.е. распространения огня (Fр) "на соседа", т.е. распространения загора­ния «на соседа», формируется с помощью той же функции «маятник собы­тия» по неравенству Семенова (21) «для соседа» при критической плотности теплового потока Зельдовича, к которому добавляется дополнительный теп­ловой поток - ∆Qэ, обусловленный теплотой сгорания (пожаропроизводи­тельностью) воспламенившегося ЭРМ ^[10,19]:

(24)

где Q_Г - удельная теплота сгорания ЭРМ, Дж/кг; m_Э - горючая масса ЭРМ (убыль массы), кг; S - площадь поверхности ЭРМ, м²;

Математическая модель и алгоритмы, реализующие эти процедуры, по­зволяют определить ^[12]:

λ_ПО=λ∙∑v_Э - интенсивности пожароопасных отказов ЭРЭ, как произведение текущей интенсивности отказа (1) на сумму долей пожаро­опасных отказов (КЗ, пробой, обрыв) в общей статистике их отказов;

λ_В=λ_ПО∙F_Э - интенсивности воспламенений элементов, как произведение интенсивности пожароопасных отказов ЭРЭ на вероятность (14) дополнительного тепловыделения - Qэ, достаточного для самовоспламенения ЭРМ по Семенову (21);

Fв=∫λ_Вdλ_В - вероятности воспламенений ЭРЭ, как интеграл функ­ции интенсивности их воспламенений;

Fр=F(Qэ +∆Qэ)- вероятность распространения огня, как вероятности дополнительного тепловыделения ЭРЭ и горения ЭРМ, достаточного для «зажигания соседнего ЭРЭ» по Зельдовичу (24);

Fп= Fв ∙Fр - вероятность пожара, как произведение совместных собы­тий – воспламенения по Семенову и распространения по Зельдовичу.

Таким образом, при стендовых испытаниях появляется возможность поверки по­лученной «матрицы пожара» на соответствие стандарту ^[2].

Вероятностно-физическая модель электрической опасности изделий

Cуществующие международные стандарты (МЭК) и отечественные стандарты (ГОСТ Р) применяют качественные методы оценки электробезопасно­сти. РЭА и ЭП считаются электробезопасными для потреби­теля, если в выпускаемых изделиях, установленных на пробойных установках соответствующих напряжений (1 кВ, 2.7кВ, 6кВ и т.д.), пробой не наступает. Очевидно, что такой метод и критерий не позволяют получить вероятностной оценки указанной опасности в зависимости от условий экс­плуатации изделий и оборудования (давления, влажности, температуры), чтобы прогнозировать его устойчивость и безопасность, а также не учитывает процессы “старения“, в результате которых изменяется и диэлек­трическая проницаемость материалов и другие физические параметры. ^[11,17].

В данном случае прменение вероятностно-физического подхода заключа­ется в том, что та же логнормальную модель (14) используется в качестве расчетной, где под током в цепи бу­дет подразумеваться ток Таунсендовского разряда, зависящий от давления, напряжения и расстояния пробоя по закону Пашена, с коэффициентами ио­низации, определяемыми из уравнения Ленгмюра-Саха ^[10-12]:

(25)

где I - ток разряда; I_0i - плотность тока; α,γ – первый и второй коэффициенты Таунсенда; d – междуэлектродное расстояние; g_i,g_a– статистические веса ионного и атомного состояний; е – заряд электрона; φ – потенциал выхода; Ui– потенциал ионизации; k – постоянная Больцмана; Р – давление газа; Um - минимальное напряжение пробоя; Т - температура

Аналогично вероятностно-химической модели, через функцию "маятник события" полученный ре­зультат "распределяется" по вероятностям последствий пробоя (поражения чело­века, энергии зажигания и т.п.).

В проведенных исследованиях доказано изменение условий ионизации при наличии высокочастотных полей [10-10,11], что позволяет прогнозировать процессы пробоя на высоких частотах и, как следствие, оценивать электроопасность в блоках и модулях РЭА и ЭП, где практически все электрические напряжения и подводящие их цепи питания сопровождаются электромагнитными колебаниями широ­кого спектра частот ^[12].

Термодинамическая модель надежности и безопасности

Применение термодинамического подхода в решении проблем надежности РЭА и ЭП известно давно ^[7], а вот ие а его использование для решения задач их безопасности разрабатывается сравнительно недавно ^[8,10], поэтому рассмотрим его использование для объектов различной структуры (изделия, оборудование, здания и т.д.), отме­тив следующие особенности^[12]:

- универсальный характер термодинамических моделей и методов отно­сительно объектов и процессов различной физической приро­ды и слож­ности;

- кинетический характер термодинамических моделей, отражающих ре­альные необратимые процессы и явления, включая фактор вре­мени в явном виде;

- свойство аддитивности термодинамических функций и их интеграль­ный характер (в виде интегральной физики дефектов-отказов);

- возможности прямого и косвенного инструментального измерения тер­модинамических параметров объектов разной сте­пени сложно­сти.

Указанные особенности прояв­ляются и в энергетике взаимодействия объ­ектов с внешней средой (1-й закон термодинамики), и в направленности и динамике необра­тимого изменения состояния объектов (2-й закон термо­динамики). Объединяющим 1-й и 2-й законы термодинамики является урав­нение Гиббса ^[7,8]:

(26)

или в обобщенной форме:

(27)

Это выражение представляет типичную структуру термодинамических соотношений, включающих два класса параметров системы:

интенсивные или локальные параметры типа Xj существуют для каж­дой локальной точки системы (температура, плотность, давление) и имеют смысл термодинамических сил;

экстенсивные или интегральные параметры типа Yj принадлежат сис­теме в целом (масса, объем, энтропия) и подчиняются свойству аддитивности равновесных значений параметров, а в трехмерном случае - градиентами ин­тенсивных параметров;

Свойство аддитивности экстенсивных параметров позволяет адекватно представлять сложные, гетерогенные, многокомпо­нентные физические среды ^[12], как суперпозицию соответствующих подсис­тем, без усложнения применяе­мого аппарата. Указанные свойства, та­ким образом, являются основой тер­модинамических методов декомпо­зиции и агрегирования, позволяющих рас­пространить свойства и ха­рактеристики элементов и подсистем на системы различного уровня сложности ^[10-16].

В классической термодинамике термодинамические величины и соотношения вводятся для равновесных состояний физи­ческих сис­тем ^[12], при условии протекания квазистатических обратимых процессов, где такие величины, как температура, энтропия, сущес­твуют только для равно­весных состояний. Реальные физические сис­темы характеризуются принци­пиально неравновесными состояниями и соответственно необратимыми про­цессами, поэтому в соответствии с теорией о локальном равновесии имеем ^[7,8,10]:

(28)

или

(29)

Функция diS/dt, называемая производством энтропии, вклю­чает составляющие, относящиеся к необратимым процессам различного тен­зорного ранга:

- химические реакции,

- тепловые потоки,

- перенос вещества,

- электромагнитные процессы,

- вязкие явления.

Каждая из этих составляющих содержит два типа сомножителей ^[12]:

- обобщенные внутренние термодинамические силы, опреде­ляемые разностью неравновесных и равновесных значений пара­метров, а в трехмерном случае - градиентами интенсивных параметров;

- потоки или скорости необратимых процессов сопряжен­ные с соответствующими экстенсивными параметрами и определяемые из­менением их во времени.

Протекание необратимых процессов сопровождается производством эн­тропии в результате диссипации энергии:

(30)

Согласно 2-му закону термодинамики deltaS >0. При термодинами­ческом равновесии (вблизи состояния локального равновесия) зави­симости между потоками и силами линейны:

(31)

где Ljk - линейные коэффициенты, подчиняющиеся соотношениям Онсагера.

В соответствии с теоремой Пригожина общее условие ус­тойчивости записывается в виде обобщенных критериев эволюции термодинамиче­ских систем по производству энтропии ^[7,10]:

Используя теорему Пригожина и критерии устойчивости, интеграль­ный критерий эволюции физических систем можно предста­вить в виде ^[12]:

(32)

где yj(0) - неравновесные или стационарные значения соответствующих параметров сис­темы; tk - времена релаксации соответствующих необратимых процессов в системе; ljk - кинетические коэффициенты.

Очевидно, что в аналогичной форме суперпозиции экспоненциальных функций, можно предста­вить интеграль­ный процесс эволюции (релаксации) любых систем ^[7-12].

Следовательно, интегральные эволюционные и локальные процессы наруше­ния термодинамической устойчивости – взаимосвязаны, и в качестве такой связи ме­жду теорией термоди­намического равновесия и теорией необратимых процессов является теория флуктуаций, вероятность возни­кновения которых для равновесных и ло­кально-равновесных состояний определяется по формуле Эйнштейна ^[7,10]:

P = B exp (∆S/k) (33)

Если определить параметр - В, как «функцию масштаба начальной вероятности флуктуа­ции», которую в данном случае можно получить интегрированием интенсив­ности отказа при хранении – λ_О, т.е. из уравнения (13), а в качестве Р использовать статистическую вероятность отказа, то логарифмирование уравнения (33) дает возможность «обратного перевода» вероятностных ха­рактеристик в функцию производства энтропии ^[10].

k∙(lnP - lnB) = ∆S (34)

Вероятностно-физический метод стендовых испытаний

При испытаниях РЭА и ЭП на надежность и безопасность всегда прихо­дится решать задачу максимально эффективного использования возможно­стей их физических (стендовых) испытаний, в т.ч. для подтверждения конструк­торских расчетов и качества выпускаемой продукции.

Технико-экономическими ограничениями при этом являются ^[12]:

- общая продолжительность испытаний (реально не более 2-3 месяцев при круглосуточной загрузке стенда);

- количество испытываемых изделий, с учетом разрушающего харак­тера испытаний (реально - не более 3-5);

- затраты на идентификацию всех возникающих отказов элементов и на оперативное восстановление изделий в ходе испытаний (помимо сопровож­дения самого процесса испытаний).

В качестве основных физических ограничений выступают ^[12,13]:

- высокая надежность ЭРЭ, как причина слабой или практически нуле­вой наблюдаемости отказов ЭРЭ некоторых типов даже при продолжитель­ных испытаниях;

- малая доля информативных отказов в общей массе наблюдаемых от­казов, т.е. низкий процент однозначно идентифицируемых (параметрических) отказов (дефектность ЭРЭ, несоответствие нагрузочных характеристик и т.д.), в том числе «опасных» (коротких замыканий, пробоев и т.п.);

- ограниченные возможности корректного ускорения появления отка­зов в испытаниях с помощью повышения температуры среды и применения циклической электрической нагрузки, т.к. считается, что при ускорении де­градации ЭРЭ более чем в 100 раз происходит существенное перерас­пределения отказов по причинам, интенсивностям, формам проявления и т.д.

Указанные ограничения предопределяют место экспериментальных методов в общей схеме проверки испытываемых изделий на соответствие требованиям квалиметрии, надежности и безопасности ^[13]. До настоящего времени они не позволяли продуктивно использовать экспериментальный этап для уточнения справочных интенсивностей отказов, но при надлежащей формулировке статистического критерия оставляли возможность экспери­ментально проверить расчетные оценки вероятностей.

Разработанный критерий сравнения проектных величин с результа­тами стендовых испытаний ^[10], основывается на разработанных физико-химических моделях и методах ^[12], что позволяет более точно оценивать все необходимые параметры. При этом решающим обстоятельст­вом в выборе статистического критерия, связываемого с эксперименталь­ными методами, является придание ему свойства относительной нечувстви­тельности к неконтролируемому перераспределению пропорций в интенсив­ностях отказов ЭРЭ при форсировании испытаний изделий «ударными и цикличе­скими» нагрузками ^[13,18].

Математическая модель стендовых испытаний

Пусть после заверше­ния экспериментальных испытаний с восстановлениями отказывающих элементов всего получено N отказов ЭРЭ, в том числе o опасных отказов, m (m ≥ О) из которых вызвали опасные ситуации (пробой, воспламенение, дым и т.д.). За счет длительности форсированных испытаний количество опасных отказов o будетне слишком мало (иначе статистические выводы будут грубыми), а «ударный» режим «термобароциклирования» испытываемых изделий выбран так (в пре­делах ТУ), что вероятности опасных ситуаций высоки при наибольшей интенсив­ности отказов (например, выше 0,1).

Обозначим имевшие место опасные отказы через П_i(i =1,o) и будем рассматривать их как осуществленные взаимно независимые испытания, ка­ждое из которых имело возможность завершиться одним из двух исходов - появлением или не появлением события C, означающего опасную ситуа­цию в изделии (испытания П независимы именно относительно события C).

Пусть, вычисленные любым способом, вероятности события C в каж­дом из испытаний П_i , а q_i = 1 - р_i - вероятности противоположного события C в этих испытаниях. Тогда данная совокупность независимых испытаний П_i с указанными вероятностями р_i, q_i (p_i + q_i = 1) представляет собой обобщен­ную схему независимых испытаний Бернулли с переменными вероятно­стями, приводящую к определенному распределению значений случайной величины ξ суммарного количества исходов C при реализации совокупности испытаний П_i (i=1,ō). Это распределение за­дается вероятностями Рк = Р (ξ=k), где Р(ξ= k) - вероятность того, что ξ принимает значение k.

Статистическим критерием расчетных вероятностей яв­ляется проверка того, что каждая из вероятностей Р(ξ≤m) = Р(ξ≥m) оказыва­ется не меньше P_i(i=1,ō)заранее заданного числа L/2 , где L - уровень зна­чимости.

Указанные вероятности вычисляются по формулам ^[10,11,16]:

(35)

а вероятности Рк(k = 0,ō) для случайной величины ξ , имеющей обобщенное биномиальное распределение с параметрами (o, р₁ , р₂ ,... р_o ), (0 <р < 1, i = 1,ō), определяются выражениями:

(36)

При этом математическое ожидание М [ξ] и дисперсия D [ξ] случай­ной величины ξ, как это непосредственно следует из теорем о математиче­ском ожидании и дисперсии, равны

при (37)

где ξ - взаимно независимые случайные величины, принимающие значения 1 и 0 в испытаниях П_i, соответственно с вероятностями р_i и q_i, т.е. имеющие распределения Бернулли с параметрами р₁, р₂, ... р_о соответст­венно.

В тех случаях, когда все р_i - невелики, оказывается М[ξ] ≈ D[ξ]и по­добно обычному биномиальному распределению можно, для упрощения рас­четов, аппроксимировать указанное распределение (36) с достаточной точ­ностью распределением Пуассона с параметром α = М [ξ], что подтвержда­ется сравнением соответствующих характеристических функций:

(38)

Для практического применения является полезным следующее пред­ставление дисперсии D[ξ]:

(39)

где р и б_р- соответственно выборочное среднее и дисперсия "варианты" р_по заданной совокупности значений р :

(40)

Данное выражение указывает на то, что дисперсия рассматриваемого обобщенного биномиального распределения меньше дисперсии классиче­ского биномиального распределения с параметрами (о, p), причем меньше ровно на о дисперсий "варианты" p.

Таким образом, при планировании «интервалов электро-термо-баро-ударов» в стендовых испытаниях изделий ^[15] следует иметь в виду, что если средняя вероятность р будет оставаться постоянной, то максимум дисперсии D[ξ] будет соответствовать случаю р₁ = р₂ =.....= р_n = р, а измене­ния р_i в сторону их неодинаковости будут уменьшать флуктуации случай­ной величины ξ. Без (40) этот вывод мог бы показаться парадоксальным.

Методология реализации ускоренных испытаний

Системный анализ методов оценки надежности и ускоренных испытаний ЭРЭ, РЭА и ЭП ^[1,5-7], позволил выделить наиболее эффективные: американскую HAST-методику ^[21] и отечественные ^[9-20], а среди них - оптимальное направление исследований при создании стенда экспресс-диагностики изделий, в условиях тех ограничений, которые накладываются при ускорении процессов деградации полупроводников, диэлектриков и про­водников ^[12,15].

В связи с тем, что безопасность изделий связана только с небольшой ча­стью отказов, интенсивность которых, на один-два порядка ниже числа параметрических отказов, была обоснована взаимосвязь ^[9-12], не­обходимость ^[17] и эффективность ^[16,18] совмещения испытаний и оценки безопасности изделий и их надежности, с применением вероятностно–физических моделей. Таокй подход позволяет использовать все сущест­вующие методики и наработки в оценках, как параметров надежности (расхо­дования ресурса), так и каждого опасного фактора: пожарной опасности, взрывоопасности, радиационной опасности, электpоопасности, токсичности, электромагнитной опасности, включая «человеческий фактор» ^{[1,5,6,10-12]}, а также сконцентрировать дальнейшие усилия не на статистическом, а на их термодинамическом ^[7,8] или вероятностно-физическом комплексировании ^[12,19].

Ускоренными испытаниями РЭА и ЭП называются испытания указанных изделий в форсированных режимах с последующей экстраполяцией результатов к условиям испытаний при нормальных нагрузках ^[12,15].

Принимая во внимание, что результатом прогноза в нашем случае является момент времени выхода пожарных параметров за допустимые ГОСТ 12.1.004-91 границы (10^-6), а натурные испытания проводятся на выборке (группе) из 3-х изделий, то предлагаемая методология является - групповой обратной методологией ускоренных испытаний ^[2,9-11].

Испытания 3-х электроприборов проводятся на стенде (рис.1), состоящем из следующего оборудования [10-12,13]:

1. Термобарокамеры с диапазонами изменения: температуры от минус 50˚ С до плюс 80˚ С и давления от 0,01 МПа до 0,2 МПа;

2. Пpогpаммно-технического комплекса "УНИКОНТ" УК-111 с комплектом измерительных модулей МККТП/ТC, АЦП-60 и коммутаторов повышенной мощности УФДC;

3. Комплекта интегрирующих термодатчиков (ИТД_ХК-68), измерительных термозондов (ИТЗ_ТСМ-50) и измерительных шунтов (ИШ_Ri);

4. Имитатора изменения переменного сетевого напряжения 187-242 в., мощностью до 0.9 - 8 квт. (ЛАТР и АТ-8 ОФ4.723.002П);

5. Рабочей станции (Intel Pentium);

6. Измерителей времени испытаний (таймеры УК 111 и РС).

а) б) в)

Рисунок 1 - Стенд термо-баро-электро-циклирования: а) модернизированная камера 1 м³ (КТВ); б) контроллер «УНИКОНТ» (УК-111); в) рабочая станция

Все испытываемые изделия с установленными в них ИТД, ИТЗ и ИШ подключаются к испытательному стенду и помещаются в термобарокамеру, в которой с помощью РС и контроллера «УНИКОНТ» (рис. 2) устанавливаются средние по ТУ температура и давление для данного типа изделий, в которых они выдерживаются в течении 2-х часов.

После указанной выдержки изделие включают в рабочий режим с тестовой нагрузкой при сетевом напряжении 220 V 50 Гц ^[12], при котором их испытывают в течении суток (24 часа), после чего, полученные (установившиеся) температуры плат (блоков) и потребляемые ими мощности, обрабатываются программой расчета параметров надежности и пожарной опасности.

Рисунок 2 - Схема электрическая подключения контроллера «УНИКОНТ»

Далее, после «проветривания» термобарокамеры для остывания шунтов, датчиков и термозондов" до температуры средней по ТУ), описанный выше цикл измерений повторяется для сетевых напряжений 242 V и 187 V, 50 Гц, а затем изделия включают в режим с термо-баро-электро-циклированием, при сетевом напряжении 187 V 50 Гц. При этом термобароцикл должен иметь противофазные «квази-изотермические/квази-изобарические» участки (рис.3), во время которых должен «успевать» отрабатываться тест на работоспособность ЭП ^[12,13].

Рисунок 3 - Термо-баро-циклограмма (минуты)

Аналогично пониженному режиму (187 V) испытания проводятся для сетевых напряжений - 220 V и 242 V. Все полученные данные температурных и энергетических колебаний блоков РЭА или ЭП в целом обрабатываются программой расчета, а если в ходе испытаний происходит отказ ЭРЭ, плат и блоков электроприбора, то изделие подвергается восстановительному ремонту с фиксацией времени наработки и причины отказа. Пожароопасный отказ автоматически фиксируется УК 111 по изменению потребляемой мощности, измеряемой ИШ и соответствующему росту температуры зон, измеряемых ИТД и ИТЗ.

В таких режимах РЭА или ЭП испытывают до появления ОФП (опасных факторов пожара по ГОСТ 12.1.004), т.е. дыма или воспламенения какого-либо ЭРЭ или ЭРМ ^[12,13].

Если за рассчитанный срок испытаний с учетом электроциклирования воспламенение РЭА или ЭП не произошло, то изделие считается пожаробезопасным с точечными данными, полученными расчетным путем, но с более грубой доверительной оценкой при "нулевых наблюдениях" ^[12,13].

Проведенные исследования РЭА и ЭП с применением раз­работанных вероятностно-физических моделей свидетельствуют о том ^[10,15-17], что при использовании как отечественных, так и импортных ЭРЭ и ре­комендуемых режимов их применения, имеет место низкий уровень их на­дежности и безопасности (табл.1).

Таблица 1. Надежность и пожарная безопасность ПЭВМ

Так, например, пожарная опасность отечественного персонального компьютера (ПК) СМ-1810.62 в 27,3 раза превысила допустимый уровень вероятности пожара – 10^-6, обусловленный государственным стандартом.

За исключением клавиатуры. все остальные блоки и устройства оказывались опасными уже через несколько десятков ча­сов их эксплуатации, т.к. процессорный блок в 12,1 раза превысил допустимый уровень пожарной безопасности, монитор – в 8,8 раза, а устройство печати – в 6,3 (табл.1).

Таблица 2 - Надежность и пожарная безопасность лабораторных ЭП

Аналогичные результаты были получены при испытаниях средств вычислительной техники Украины и Литовской мини ЭВМ СМ-1700, а также при испытаниях лабораторных (таб.2) и бытовых (таб.3) электроприборов ^[10,13].

Таблица 3 - Надежность и пожарная безопасность бытовых ЭП

Рисунок 4 - Блок схема МСТЭЗ

Моделирование вариантов повышения надежности и снижения опасно­сти РЭА и ЭП привели к соз­данию ^[15,16] модулей (рис.4) термоэлектронной защиты (МСТЭЗ), применение которых (при тех же конструктивных и схемотехниче­ских решениях) поднимает уровень пожарной безопасности изделий более чем в 11 раз (таб.4), т.к. отключает их от электроэнергии при возникновении пожа­роопасного отказа, не допуская возникновения загорания, тем самым, делая практически соизмеримыми их эксплуатационный и пожаробезопасный ресурс ^[21].

Таблица 4 - Надежность и безопасность холодильника с двумя МТЭЗ

Схемо­техническая реализация МСТЭЗ (рис.4) зависит от сложности и конструктивных особенностей РЭА и ЭП т.е. определяется количеством термозондов, кон­тролирующих тепловые потоки, и мощностью РЭА и ЭП, т.к. требует выбора тиристора или симистора, отключающих их от сети ^[24].

По аналогии с МТЭЗ, для современного отечественного телевизора «Горизонт» (таб.5) был разработан модуль КИП (с вентилятором и дымовым пожарным извещателем ИП 212-45).

Таблица 5 - Надежность и безопасность телевизора «Horizont» с КИП

КИП, помимо воздушного охлаждения внутренних блоков, и «прокачивания» через ИП 212-45 воздуха помещения, в котором установлен телевизор, реализует тем самым, «псевдоаспирационный режим» ^[25] и подключается к соответствующим блокам, обеспечивая обнаружение ОФП, в т.ч. в режиме «сна». При этом пожаробезопасный ресурс был получен соизмеримым с техническим ресурсом (таб.5).

Модульные системы термоэлектронной защиты в автоматизации технологического прогона и приемо-сдаточных испытаний электроприборов.

При установке МСТЭЗ в ЭП, помимо решения проблемы их пожарной безопасности, т.е. автоматического отключения от электросети при появлении дополнитель­ного пожароопасного тепловыделения, появляются следующие новые воз­можности, позволяющие повысить качество и надежность ЭП ^[13]:

- использование МСТЭЗ для организации ускоренного техноло­гического прогона ЭП, вместо выборки группы изделий из промышленной серии и их испытаний, для «статистического распространения» параметров качества, надежности и безопасности на всю серию;

- если установить в МСТЭЗ разъем или порт (Wi-Fi или Bluetooth), на который вывести данные позисторов, то появляется возможность организовать для каждого ЭП или РЭА ускоренный технологический прогон с термоэлектроцикли­рованием и тепловой локацией «их внутренностей» (без вскрытия изделий), что позволяет решить проблему прогнозирования наработки на отказ каждого изделия и его опасности, а также выявлению «ненадежных» ЭРЭ, «про­скользнувших» в системе выходного контроля (у производителя ЭРЭ) и входного контроля (у производителя изделия), что является эффективным средством снижения отказов и потерь работоспособности до истече­ния спрогнозированного ресурса ^[10,15].

Как показали исследования ^[10-18], надежность самого изделия из-за дополнительных ЭРЭ, на которых реализована МСТЭЗ, может снижаться незначительно, т.к. в процессе его доработки и постановки на производство, появляется возможность «итерационного доведения» конструкции до опти­мальной по «тепловому образу» каждого ЭРЭ и изделия в целом, получаемых по результатам ускоренного термоэлектропрогона.

Более того, использование данных МТЭЗ при ускоренном технологическом прогоне создает условия для формирования динамического гарантийного срока работы и ценообразования каждого ЭП или РЭА, вместо одинаковых гарантийных сроков и цен на всю серию ^[13]. Иными словами - вычисление наработки на отказ каждого изделия и его опасности по данным ускоренного технологический прогона с термо-электро-циклирова­нием и внутренней тепловой локацией РЭА и ЭП с помощью МСТЭЗ, позволяет проставлять в паспорте каждого изделия вычисленный результат, как гаран­тийный срок работы, и изменять его цену, в соответствии надежностью и безопасностью каждого изделия ^[10].

А далее, если использовать данных ежегодной диагностики с МСТЭЗ (например, при гарантийном обслуживание РЭА и ЭП с МСТЭЗ), то возникает идея ежегодного контроля с помощью порта МСТЭЗ, при котором уточняется фактиче­ская наработка, и возникает возможность изъять РЭА или ЭП в конце срока безопасной эксплуатации, предотвратив, таким образом, его отказ (аварию, пожар и т.д.) и возможные социально-экономические потери ^[13].

В частности ^[12,14], возможность получения и обработки данных о техническом и пожаробезопасном ресурсе каждого СВТ, создает принципиально новые условия повышения надежности различных АСУ, путем своевременной профилактике модулей и блоков, вероятность отказа в которых начинает превышать допустимый уровень. Это особенно важно в АСУТП объектов повышенной опасности (на АЭС, ГРЭС, НПЗ и т.д.).

Электроприборы - радиоизвещатели техносферной опасности и её навигации (РИТОН)

В среднем в России ежедневно в пожарах погибает около 60 человек и столько же травмируется, а прямой и косвенный материальный ущерб достигает 500,0 миллионов рублей в день. В том числе в жилом секторе в среднем ежедневно происходит 515 пожаров, в которых погибают 27 человек, и столько же травмируется. При этом наибольшая частота загораний про­исходит в интервале с 22 ч. вечера до 6 ч. утра, т.е. когда люди спят и не могут бы­стро среагировать ^[13,19].

Очевидно поэтому в некоторых странах (США, Германия, Польша) получили распространение автономные пожарные извещатели (АПИ), предназначенные для применения в жилых помещениях, выдающих, при обнаружении признаков пожара, прерывистый сигнал тревоги с уровнем звукового давления 85-90 дБ на расстоянии 1 м. от извещателя. Статистика свидетельствует, что применение АПИ позволяет сократить число погибших при пожарах в жилом секторе на 45% ^[13,15,19].

Если учесть, что более 60% пожаров возникает по электротехническим причинам (проводка, электронагревательные приборы, холодильники, телевизоры и т.д.), в которых погибают более 40% населения, то возникает идея со­вместить АПИ с ЭП, чем, во-первых, повысить его собственную безопасность, путем своевременного отключения от сети с по­мощью МСТЭЗ, если в нем возникает пожароопасный отказ, во-вторых, пре­вратить его в устройство обнаруживающее загорание в жилом помещении вне электроприбора и оповещающее жильцов о необходимости эвакуации, в-третьих, расширить его функции оповещения об утечке бытового газа, а в-четвертых, предусмотреть наращивание функций на предмет охраны от не­санкционированного проникновения в жилое помещение, включая реализа­цию оповещения с помощью радиоканала соответствующих «аварийных служб» (пожарной, газоаварийной и вневедомственной охраны и т.д.), как это было предложено при разработке такой системы ^[12,15].

Технология «интеллектуализации» была разработана в 2000 году для холодильника «СТИНОЛ-102», который являлся самым «пожароопасным» из всех холодильников, выпускаемых Липецким ЗАО «СТИНОЛ», т.к. содержал два электродвигателя-компрессора (рис.5,6), которые обеспечивали работу независимо и одновременно морозильной и холодильной камер ^[10,26].

Рисунок 5 - Схема структурная агрегата

1 – компрессор, 2 - всасывающая трубка, 3 - капиллярная трубка,4 - испаритель ХК, 5 - испаритель МК, 6 – конденсатор, 7 - фильтр-осушитель, 8 - нагнетательная трубка

Рисунок 6 - Схема электрическая

L – Фаза, N – Нейтраль, ТН1 – терморегулятор холодильной камеры, ТН2 - терморегулятор морозильной камеры, RH1 - тепловое реле компрессора холодильной камеры, RA1 - пусковое реле компрессора холодильной камеры, RH2 - тепловое реле компрессора морозильной камеры, RA2 - пусковое реле компрессора морозильной камеры SL1 - индикаторная лампа холодильной камеры, SL2 - индикаторная лампа морозильной камеры, IL1 - выключатель лампы освещения холодильной камеры, L1 - лампа освещения холодильной камеры, TIM – таймер, TR - тепловое реле электронагревателя испарителя, IMV - выключатель вентилятора, MV – вентилятор, TF - тепловой плавкий предохранитель, CO1 - компрессор холодильной камеры, CO2 - компрессор морозильной камеры, R1 - электронагреватель испарителя, R2 - электронагреватель поддона испарителя

Модель «интеллектуализации СТИНОЛ-102» включала установку внутри корпуса холодильника проточного дымового пожарного извещателя с радиоканалом, при использовании дополнительной секции электровентилятора, который работает в системе автоматической оттайки (No Frost), и установкой МСТЭЗ в наиболее пожароопасных зонах (рис.7).

Рисунок 7 - Блок-схема холодильника-извещателя

В этом случае алгоритм круглосуточной «охраны кухни» можно представить в виде трех параллельных процессов ^[13,26]:

а) процесс нерерывного теплового контроля «пожароопасных зон» самого холодильника и отключение его от сети с помощью семисторов, если температура зоны превысит допустимую, с выдачей звукового аварийного сигнала «пожароопасный отказ»;

б) процесс «прокачки» объема воздуха в кухне через автономный пожарный извещатель с помощью электровентилятора и выдача прерывистого звукового сигнала «опасное задымление» в случае обнаружения «пороговой концентрации» дыма в помещении;

в) 3-х кратная верификация в течение 30 секунд концентрации дыма и, в случае непринятия жильцами мер блокировки сигнала «опасное задымление», отключение холодильника от сети с помощью семисторов и выдача непрерывного звукового сигнала «пожар», а также передача по радиоканалу сообщения на приемно-контрольный прибор в доме или прямо на ЦУСС сигнала «пожар».

В некоторых моделях холодильников «СТИНОЛ» (002,003,022,125 и 126) применяется электронная система управления вместо обычной электромеханической ^[13]. В таких холодильниках все функции контроля и управления сосредоточены в электронном блоке управления (рис.8).

При помощи термочувствительных датчиков, электронный блок управления собирает информацию о текущей температуре испарителей и воздуха внутри камер холодильника и управляет включением/отключением той или иной нагрузки (компрессоры, нагреватели, вентилятор и т.д.), включая самодиагностику и управление оттайкой «No Frost» ^[10,26].

Рисунок 8 - Блок-схема электронного управления холодильником

В случае обнаружения неисправности, на цифровом табло холодильника высвечивается соответствующий код (таб.6).

Таблица 6 - Система самодиагностики электронного блока

Возникновение аварийной ситуации сопровождается звуковым сигналом, свечением красного светодиода и кодом ошибки. Звуковой сигнал и код ошибки сбрасывается при нажатии любой кнопки, а с свечение красного светодиода сбрасывается только после устранения аварийной ситуации ^[13,26]. В этом случае функции МСТЭЗ и управление проточным извещателем, включая функцию отключения всех агрегатов при пожароопасном отказе, может быть возложена на электронный блок, при его соответствующей доработке ^[10,26].

По аналогии с холодильником могут быть «интеллектуализированы» телевизоры (таб.7), кондиционеры, сплит-системы (таб.8,9), СВЧ-печи и электросчетчики, защищая помещения, в которых они установлены ^[25-29].

Таблица 7- Надежность и безопасность телевизора «Рубин» с МСТЭЗ

Таблица 8 - Надежность и безопасность внутреннего блока сплит-системы

Таблица 9 - Надежность и безопасность внешнего блока сплит-системы

Следовательно, если «превратить» телевизоры и холодильники, электросчетчики и сплит-системы в автономные пожарные извещатели, то появляется возможность ^[10]:

- предотвратить 38,08% пожаров, которые произошли по электротехническим причинам;

- осуществить с их помощью раннее обнаружение, а следовательно и сокращение социально-экономических потерь 24,98% пожаров.

Дальнейшая «интеллектуализация» ЭП, как это отмечалось выше, возможна путем расширения функций МСТЭЗ металлооксидными (например, электрохимическими) датчиками на бытовой газ и ультразвуковыми доплеровскими датчиками обнаружения проникновения (перемещения) в помещения, при сооветствующей дифференциации сигналов вызова «аварийных служб» (пожарной, газоаварийной и вневедомственной охраны) по GSM-модему ^[10,29].

Таким образом, «интеллектуализация» превращает бытовые электроприборы, оснащенные микропроцессрами, в изделия двойного применения, которые помимо основных функций (холодильник, телевизор и т.д.) реализуют функции изделий «пожарно-сторожевого» назначения (пожаро-взрыво извещателей, датчиков охраны), т.е. «превращаются», таким образом, в радиоизвещатели техносферной безопасности и её навигации (РИТОН) с помощью пассивной локации источника радиоизлучения ^[13,15].

Тогда в соответствии с Федеральным Законом «О пожарной безопасности» (ФЗ-69, ст., ст. 26 и 29) указанные изделия освобождались бы от налога на добавленную стоимость и от налога на прибыль, что создавало бы благоприятные условия для скорейшего внедрения этой инновационной технологии и продукции. Однако, благодаря законотворчеству Российских чиновников и депутатов, новый Налоговый Кодекс «положил конец этим льготам», и продукция, которая могла бы предотвратить пожары и смерть от них – не появилась до сих пор ^[31].