УСТАНОВКА ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ НА ВНЕШНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ И СПОСОБ ЕЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ (ВАРИАНТЫ)
PLANT FOR TESTS OF EXTERNAL EXPOSURES AND METHOD OF ITS USE (VERSIONS)

Установка для испытаний на внешние воздействия и способ ее использования предназначены для испытаний различной продукции и исследования биологических объектов, электронной продукции под воздействием температуры, влаги, давления, газа, агрессивной окружающей среды и их комбинаций. Такие испытания проводятся при производстве продукции и ее проверке на соответствие установленными требованиями стойкости к климатическим и другим внешним воздействиям, а также для изучения свойств указанных объектов в условиях внешних воздействий. Использование заявленной установки позволяет определить зависимости характеристик и параметров объектов в условиях внешних воздействий без перемещения объектов исследований (измерений) в специальную испытательную камеру после исследования их свойств при нормальных условиях без изменения их первоначального положения, что иногда требуется для чистоты эксперимента и приближенности к условиям естественной среды.
Известный уровень техники
В настоящее время в промышленном производстве и в научных исследованиях широко используются различные установки с испытательными камерами, которые выполняют необходимые требования при испытаниях объектов на внешние воздействия.
Все они предусматривают перемещение объекта в специальный шкаф с испытательной камерой, где происходят испытания и соответствующие измерения интересующих параметров. Такие стационарные камеры много лет изготавливаются известными ведущими мировыми производителями, такими как ESPEC (TABAI) (Япония), BINDER GmbH (Германия), FEUTRON GmbH (Германия), TIRA GmbH (Германия), DZX Test Equipmen (Китай), TERCHY (Тайвань), ООО «ЗИКО» (Россия). Камеры известных производителей предусматривают необходимость перемещения (помещения) объекта испытаний внутрь камеры через дверцу, снабженную уплотнителем. Для проведения испытаний объектов разных размеров используются шкафы с камерами соответствующего размера, а все коммуникации, обеспечивающие работу объекта, подводятся через шлюзы камеры. Указанный подход приводит к тому, что установки с камерами больших размеров используются для испытаний объектов малого размера, что приводит к перерасходу энергии и энергоносителей, увеличению времени для создания требуемых условий в большом объеме, что неоправданно увеличивает время испытаний, т.к. время измерений параметров много меньше времени установления требуемого режима. При необходимости проведения испытаний объекта большого размера вообще требуется замена установки. В целом же климатические испытания представляют собой составляющую часть испытаний объектов на внешние воздействия.
Известны другие технические решения, позволяющие проводить испытания на внешние воздействия, в частности, мобильная климатическая камера, предназначенная для испытания рельсовых транспортных средств, эксплуатируемых в различных климатических условиях по патенту ЕР 1760447 «Мобильная климатическая камера». Согласно данному изобретению климатическая камера состоит из сборочного изоляционного блока и содержит кондиционер, создающий необходимые климатические условия внутри камеры. Изоляционный блок собирается из полиуретановых сэндвич-панелей или пенополистирольных блоков, при этом элементы могут крепиться между собой с помощью шипа и паза. Изоляционный блок собирается и разбирается внутри портала и «надстраивается» над размещаемым в портале объектом испытаний. После завершения испытаний изоляционный блок разбирается на составляющие его элементы. Данное устройство позволят осуществлять испытания больших объектов, не помещающихся в стационарные камеры, но не решает проблемы осуществления испытаний в рамках одного устройства, не содержащего внутри себя кондиционер (устройство воздействия). Известно также устройство для термических испытаний и способ проведения термических испытаний по патенту ЕР 2322908 «Термоиспытательное устройство и метод». Техническим результатом данного изобретения является обеспечение возможности проведения полной возможности обеспечения термического испытания отдельных частей испытуемого образца (например, части конструкции самолета). Результат обеспечивается использованием в устройстве гибкого изолирующего теплового кожуха, а именно многослойного тканевого «савана», который надевают на испытуемый объект или его часть. Недостатком данного технического решения является невозможность обеспечения абсолютной герметичности корпуса, невозможность обеспечить неподвижность испытываемого устройства и подводимых к нему жестких систем жизнеобеспечения и/или трактов. По сравнению со стационарными климатическими камерами (испытательными установками), указанные конструкции имеют больше возможностей и позволяют провести испытания в отношении объектов большего объема, чем те, которые используются обычно. Однако они имеют свои ограничения, в частности, они не обеспечивают поддержание очень высоких и очень низких температур (выше +50°С и ниже -50°С) из-за особенностей конструкции в связи с трудностями герметизации, а для испытаний в агрессивных средах вообще не применимы.
В известных изобретениях для снятия/измерения требуемых параметров обычно используются гибкие тракты и/или провода, длина и форма которых существенно не ограничена, однако зачастую для испытаний и/или проведения измерений и/или жизнеобеспечения объекта могут требоваться или иметь существенное значение негибкие жесткие и/или полужесткие тракты (например, жесткие/полужесткие коаксиальные тракты, волноводы и стеклянные трубки), которые должны быть жестко зафиксированы и длина которых не должна меняться в зависимости от необходимости помещения объекта в испытательную климатическую камеру (так происходит в случае стеклянных трубок, через которые осуществляется снабжение/функционирование системы жизнеобеспечения биологического объекта или, например, в случае СВЧ объекта, когда должна быть обеспечена фазовая стабильность (электрическая длина) при проведении испытаний/измерений).
Современное производство и научные исследования выдвигают требования по исследованию и тестированию объектов, перемещение которых из начального положения, зафиксированного в исходных условиях, недопустимо. Кроме того подводимые к объекту исследований датчики не должны перемещаться, а коммуникации не должны перемещаться и не должна изменяться их длина. Известные технические решения не обеспечивают выполнения этих требований, но этим требованиям отвечает заявленная конструкция установки для испытаний на внешние воздействия со съемной частью камеры.
Кроме того, при необходимости проведения климатических испытаний в отношении объектов разного размера, как правило, используют стационарные камеры соответствующих размеров для того, чтобы объем камеры соответствовал размерам испытуемого объекта, при этом сами камеры неотделимы от конструкции, включающей агрегаты воздействия на объекты испытаний. Это приводит к необходимости иметь/приобретать множество установок с камерами камер различного размера при увеличении/уменьшении размеров объектов испытаний.
Раскрытие изобретения.
Заявленные изобретения направлены на решение задачи по созданию испытательной установки для осуществления испытаний на внешние воздействия со съемной частью камеры широкого назначения, которая позволяет первоначально в удобных для исследования нормальных рабочих условиях (сидя за столом с коммуникациями любой сложности и большим объемом контрольно-измерительной аппаратуры) произвести необходимые исследования и измерения (контрольные измерения), после чего, не изменяя положения объекта и коммуникаций за счет помещения испытуемого объекта в камеру со съемной частью необходимого объема, создать требуемые внешние воздействия (тепло, холод, влага, давление и пр.). Решение позволяет расширить возможности использования одной и той же установки для испытаний объектов различных размеров (не нужно менять всю установку, достаточно заменить съемную часть камеры на аналогичную, но необходимых размеров/формы, соответствующих требующемуся диапазону размеров объектов испытаний), реализовать способ проведения указанных испытаний.
Использование взаимозаменяемых съемных частей камеры сокращает материалоемкость, т.к. вместо нескольких установок требуется одна установка с набором съемных частей камер нужного размера или формы. Кроме того, устройство дает возможность изменения объема рабочей части камеры, в том числе изменения объема даже съемной части камеры, и в дополнение к нормализации условий испытаний для неподвижных объектов позволяет сократить расход электроэнергии за счет того, что внешнему воздействию подвергается не избыточный объем, а только необходимый и достаточный для размещения объекта испытаний. Дополнительным результатом заявленных изобретений является уменьшение времени проведения испытаний при внешних воздействиях за счет исключения операций, связанных с необходимостью перемещения объекта, повторного подключения к нему проводов, трактов и/или систем жизнеобеспечения, сокращается время выхода установки на рабочий режим (например, чем меньше дополнительный объем, тем быстрее установится требующаяся температура - низкая или высокая по отношению к температуре окружающей среды). Решение позволяет достичь чистоты эксперимента при сравнении параметров объекта до внешнего воздействия и после воздействия, оставляя объект неподвижным во всех трех состояниях. Указанные преимущества позволяют считать заявленное решение весьма эффективным по многим параметрам.
Заявляемая конструкция установки для испытаний на внешние воздействия со съемной частью камеры (фиг.1) представляет установку для испытаний на внешние воздействия, состоящую из стола со столешницей, блока обеспечения внешних воздействий, блока автоматизации измерений, камеры (перечисленные признаки являются общими с признаками известных технических решений - большинства испытательных установок на внешние воздействия), при этом данную установку отличает от других конструкция камеры, которая состоит из двух частей - из стационарной части камеры, расположенной на столешнице стола, и съемной части камеры в виде полузамкнутого объема открытого с одной стороны с возможностью совмещения торца съемной части и стационарной части камеры на столешнице (1) рабочего стола.
Стационарная часть камеры состоит из решетки (2), окруженной двойным контуром эластичного уплотнения (3). Решетка располагается в окне, вырезанном в столешнице стола. Снизу к решетке подводится воздуховод для оказания воздействия на объект.
Объект исследований фиксируется на решетке (2), поверх объекта помещается съемная часть камеры (4), снабженная по периметру системой эластичного уплотнения ответной системе (контуру/контурам) уплотнения на поверхности стола с целью герметизации места стыка уплотнителя съемной части камеры (5) и стационарной части камеры по периметру уплотнения (3). Под столешницей располагаются агрегаты, обеспечивающие работу установки (6), в частности, агрегаты обеспечения внешних воздействий (подачи тепла, холода, пара, газов и т.п.) и, возможно, система автоматизации проведения испытаний. Необходимые провода, тракты, трубки, подводимые к объекту, проходят между эластичными уплотнениями съемной и стационарной частей, обеспечивая герметизацию камеры.
Заявленное решение в виде устройства конструкции испытательной установки со съемной частью камеры может быть реализовано в двух вариантах установки - с изменением рабочего объема камеры за счет изменения собственно объема съемной части камеры путем ее замены и/или с изменением рабочего объема камеры за счет использования вкладыша в камеру, изменяющего рабочий объем камеры. Вкладыш изготавливают меньшего размера, чем съемная камера, делают его, например, из металла (алюминия или нержавеющей стали) или иного материала, устойчивого к внешним воздействиям, и снабжают его дополнительным слоем теплоизоляции, размещаемым между внешним слоем вкладыша и внутренним слоем съемной части камеры, что позволяет не только сократить рабочий объем камеры, но и обеспечить дополнительную теплоизоляцию, а следовательно, более быстрый выход на требующийся режим внешних воздействий и сокращение энергозатрат. Для отдельных видов испытаний вкладыш вообще может быть сделан только из теплоизоляции (без металлической части) с выемкой необходимой формы и объема.
В дополнение к двум вариантам конструкции испытательной установки заявлены соответствующие им два способа проведения испытаний с использованием вариантов этих конструкций, представляющие собой порядок осуществления действий над объектом испытаний на внешние воздействия в заявленных испытательных установках. В обоих случаях объект испытаний помещают на решетку, возможно фиксируют, при этом к нему подключают необходимые коммуникации и/или тракты, провода, трубки для для жизнеобеспечения (в зависимости от объекта). Возможно, проводят измерения при нормальных/начальных условиях. После этого объект накрывают камерой (по первому варианту) или камерой с размещенным в ней вкладышем, осуществляют внешние воздействия с использованием агрегатов блока внешних воздействий, проводят измерения при указанных воздействиях с использованием блока автоматизации измерений. После окончания действия внешних воздействий измерения могут произвести повторно.
Краткое описание чертежей.
Фиг.1. Общий вид испытательной установки в процессе подготовки к испытаниям без установленной съемной части камеры.
Фиг.2. Общий вид установки с установленной съемной частью камеры.
Фиг.3. Общий вид установки со съемной частью камеры и вкладышем в разрезе.
Осуществление вариантов изобретений.
Заявленное решение по устройству двух вариантов установки для испытаний на внешние воздействия может быть осуществлено следующим образом.
Установка состоит из стола со столешницей (1), блока обеспечения внешних воздействий, блока автоматизации измерений, камеры со съемной и стационарной частями, в первом варианте устройства комплектуют, по меньшей мере, одной или несколькими съемными частями камеры разных размеров и/или разных форм (4) с возможностью размещения их на поверхности стола (автоматически или вручную) или во втором варианте устройства комплектуют, по меньшей мере, одной или несколькими съемными частями камеры разных размеров и/или разных форм (4), по меньшей мере, с одним вкладышем или набором вкладышей различной формы и/или размера с возможностью размещения их в обоих вариантах на поверхности стола (автоматически или вручную). При осуществлении обоих способов съемную часть камеры (4) по периметру эластичного уплотнения (3), проходящему в нижней части камеры, совмещают соответственно с ответным эластичным уплотнением (5) стационарной части камеры, осуществляя герметизацию, и стягивают части между собой при необходимости, например, замками (7) (частный случай - в виде защелок), которые могут быть расположены по периметру или на противоположных сторонах.
Перед этим на поверхности решетки располагают объект испытаний и при необходимости проводят измерения, а после опускания камеры и соответствующей герметизации осуществляют воздействие на него с использованием агрегатов блока внешних воздействий и вновь проводят измерения с использованием блока автоматизации измерений. На фиг.2 показана съемная часть камеры (4), соединенная со стационарной частью для проведения испытаний. Съемная часть камеры, как и другие известные камеры других производителей, представляет собой двухслойную металлическую конструкцию (используют алюминий и/или нержавеющую сталь), при этом промежуток между слоями заполняют слоем теплоизоляции (например, из вспененного полиуретана), достаточным по толщине для обеспечения необходимого внешнего воздействия - сохранения тепла, холода. Форма съемной части камеры может быть любой (полусфера, цилиндр, прямоугольный параллелепипед, усеченная пирамида и т.п.), и определяется она только требованиями испытаний и формой испытуемого объекта, так же как и размер.
Первоначальные испытания объекта могут быть осуществлены при нормальных условиях окружающей среды при его размещении (фиксации) на поверхности столешницы (1) без присоединения съемной части камеры (4). После этих измерений на стационарную часть камеры помещается съемная часть камеры (4), в объеме камеры осуществляют внешние воздействия на объект с помощью агрегатов блока внешних воздействий (6) и результаты (параметры) измерений регистрируют в автоматическом режиме блоком автоматизации измерений при различных условиях, создаваемых агрегатами блока внешних воздействий (6) без перемещения объекта испытаний, в том числе как после проведения измерений при нормальных условиях, так и после проведения измерений при искусственно созданных условиях.
По второму варианту изобретения конструкции установки для испытаний на внешние воздействия с целью изменения рабочего объема камеры ее комплектуют не только, по меньшей мере, одной съемной частью камеры (4), но и, по меньшей мере, одним вкладышем (8), снабженным изолирующей прокладкой, размещенной между съемной частью камеры и с возможностью совместного их расположения на стационарной части камеры (автоматически или вручную), с дальнейшим соединением частей контуров эластичного уплотнения (3) и (5), и герметизацией соединения, при необходимости дополнительно части камеры могут быть притянуты друг к другу замками (7) (например, в виде защелок или зажимов известных конструкций) по периметру. Периметр уплотнения съемной части камеры (3) и внешний периметр стационарной части (5) камеры совпадают, обеспечивая необходимую герметизацию. На фиг. 3 приведен пример съемной камеры для проведения испытаний, при изменении объема камеры за счет вкладыша, а внутренний рабочий объем камеры меняется за счет использования одного из вкладышей набора вкладышей набора вкладышей (8) различного объема и формы в соответствии с требованиями и размером испытуемого объекта. При этом вкладыш (8) может быть любой геометрической формы (в том числе и отличной от формы камеры), его снабжают теплоизоляционной прокладкой (9), например, из вспененного полиуретана, заполняющей пространство между вкладышем и внутренней стенкой камеры, при этом внутренняя поверхность прокладки повторяет форму внешней поверхности вкладыша, примыкая к нему вплотную, а внешняя поверхность прокладки повторяет форму внутренней поверхности камеры, также примыкая к ней вплотную. Снизу прокладка по горизонтали вплотную примыкает к поверхности решетки, а нижний край вкладыша примыкает к поверхности решетки (его могут также при необходимости снабдить вырезами под коммуникации) или несколько выше поверхности решетки - выше высоты подводимых к объекту коммуникаций, удерживаемый на весу упругой прокладкой или поддерживаемый подставкой соответствующей высоты. Для оптимизации процесса испытаний в камере для изменения ее объема вставляют вкладыш необходимого размера с соответствующей прокладкой. Наличие прокладок обеспечивает дополнительную термоизоляцию, что важно при проведении испытаний при сверхнизких и сверхвысоких температурах. В отдельных видах испытаний могут быть использованы вкладыши, сделанные только из теплоизоляционного материала (например, пенополиуретана), без металлической части (случай, когда сам вкладыш формируют из теплоизоляционного материала). Эластичное уплотнение может быть изготовлено из силикона.
Заявляемое решение по обоим вариантам конструкции камеры имеет следующие отличительные особенности реализации:
1) исследуемый объект не перемещается относительно первоначального положения, в котором, например, проводились измерения его параметров при нормальных условиях;
2) при создании моделирующих внешних воздействий при размещении объекта внутри камеры или вкладыша не требуется отключать и/или менять размеры коммуникационных устройств и трактов, которые остаются на своем месте, а герметизация создается за счет системы эластичного уплотнения, между слоями которого проходят провода и/или тракты и/или трубки, при этом известные камеры для этого имеют соответствующие шлюзы, что приводит к трудностям создания сверхвысоких или сверхнизких температур по отношению к нормальной температуре окружающей среды;
3) объем съемной части камеры и/или вкладыша выбираются в соответствии с размерами исследуемого объекта;
4) размер съемной части камеры, ее уплотнение и встречная система уплотнения (герметизации) выбираются соответственно размеру испытуемого объекта при неизменном периметре уплотнения;
5) после проведения испытаний объект остается в исходном положении (без перемещения).
Конструкция вкладыша с прокладкой может иметь самостоятельной значение, использоваться как с известными из уровня техники климатическими/испытательными установками, так и в совокупности с любым из вариантов изобретения.
При осуществлении вариантов способов испытаний на внешние воздействия с использованием заявленных устройств испытуемый объект устанавливают на решетку окна (2) стационарной части камеры в столешнице (1), к нему подключают необходимые коммуникации и проводят измерения и тестирование объекта в исходных нормальных условиях. Далее объект накрывают съемной частью камеры (4) необходимого размера (по первому варианту) или съемной частью камеры (4) и вкладышем (8) (по второму варианту), по периметру решетки стационарной части камеры осуществляют герметизацию при соединении уплотнений (3) и (5), например, дополнительно с помощью механических зажимов, защелок (7) и/или иным известным способом, затем включают агрегаты блока внешних воздействий (6), обеспечивающие режим внешних воздействий, и программу автоматического управления и регистрации процесса испытаний. После проведения испытаний в режиме внешних воздействий съемная часть камеры (4) снимается, и объект вновь оказывается в исходном положении и при нормальных условиях, объект и коммуникации остаются неподвижным во всех трех состояниях (до испытаний, во время и после них). Отличие второго варианта способа от первого заключается лишь в том, что внутри съемной камеры размещают вкладыш перед осуществлением испытаний.
Съемная часть камеры представляет собой двухслойный металлический «колпак» (из нержавеющей стали или алюминия), пространство между металлическими слоями заполняется вспененным пенополиуретаном или другим подходящим изоляционным материалом, форма края встречной части съемной части камеры совпадает с формой встречной части стационарной части камеры, обе части снабжены системой эластичного уплотнения по периметру (например, двухслойной) для обеспечения герметизации и прохождения проводов, трактов, трубок в зависимости от объекта испытаний. Система контуров уплотнения (3) и (5) по заявленным изобретениям является стандартной и представляет собой двойной контур гибкого эластичного уплотнения со стороны камеры и со стороны стола, например из силикона, при этом его толщина должна быть достаточной для создания хорошего уплотнения с учетом толщины проходящих между слоями уплотнения коммуникаций, например, если толщина (диаметр) коммуникаций менее 10 мм, то толщина уплотнителя должна быть порядка 10 мм с каждой стороны, специальных выемок для коммуникаций не делают. Если толщина (диаметр) коммуникаций более 10 мм, то толщина уплотнителя должна быть более 10 мм с каждой стороны, а при очень толстых трактах делают специальные выемки для коммуникаций с целью обеспечения более плотного прилегания уплотнителя. Материал уплотнения может меняться в зависимости от вида испытаний и отвечать требованиям эластичности при низких или высоких температурах, быть устойчивым к агрессивной среде. Кроме того, уплотнение, проходящее по торцу съемной части камеры, и уплотнение стационарной части могут образовывать обойму, скрепляющую их вместе герметично.
Стационарная часть камеры имеет решетку, вмонтированную в окно столешницы рабочего стола. Решетка имеет нагрузочную способность, соответствующую весу объекта испытаний. В нижней части стол может быть снабжен также рамой, возможно на колесах, на которую устанавливаются указанные агрегаты блоков обеспечения воздействия (7), обеспечивающих работу установки (в частности, используют агрегаты подачи тепла, холода, пара, газов и т.п.), и блок системы автоматизации измерений и проведения испытаний. Нижняя часть стола с рамой может быть обеспечена решетками в целях безопасности.
Промышленная применимость.
Установка для испытаний на внешние воздействия со съемной частью камеры может быть изготовлена из известных материалов, известными способами на основе обычного лабораторного стола со столешницей (1), например из стали. Установка в вариантах и варианты заявленных способов могут быть использованы для исследований и тестирования СВЧ-устройств с высокими требованиями к фазовым характеристикам в процессе их производства, например, при производстве приемо-передающих модулей активных фазированных решеток (АФАР), а также для изучения и исследования некоторых биологических объектов, для которых недопустимо перемещение для помещения их в условия внешних воздействий, недопустимо отключение от систем жизнеобеспечения. Испытания установок и способов в соответствии с заявленными изобретениями показали стабильность электрической длины трактов во время испытаний в температурном диапазоне от -70°С до +180°С. Максимальное отклонение температуры от заданного значения в установившемся режиме было ±1°С. Неравномерность нагрева или охлаждения, скорость изменения температуры, потребляемая мощность, уровень шума при использовании установки определяются характеристиками агрегатов блока для обеспечения внешних воздействий. Проведенные испытания подтверждают выполнение поставленной задачи, что свидетельствует о соответствии заявленного технического решения требованию патентоспособности «промышленная применимость».