Метод теплового диагностирования латентных технологических дефектов радиоэлектронной аппаратуры и ее тепловая диагностическая модель

УДК 517.354.62

С. У. Увайсов, С. П. Сулейманов, Н. К. Юрков

МЕТОД ТЕПЛОВОГО ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ЛАТЕНТНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ДЕФЕКТОВ РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ И ЕЕ ТЕПЛОВАЯ ДИАГНОСТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ1

Аннотация. Актуальность и цели. У нас в стране и за рубежом непрерывно ведется поиск методов и средств повышения качества и надежности бортовой радиоэлектронной аппаратуры (БРЭА). На значение характеристик надежности влияет множество параметров, одним из которых является значение температуры. Изменение температуры приводит к изменению не только показателей надежности, но и электрических, механических характеристик. Так как нарушение теплового режима в устройстве может быть вызвано наличием дефектов, то их можно выявлять по значению температуры. В связи с этим создание новых методов теплового диагностирования технологических дефектов является актуальной задачей. Материалы и методы. Метод теплового диагностирования основан на сравнении измеренных температур с множеством температур «базы неисправностей» - электронного справочника, который формируется заранее перед диагностированием при решении задач обеспечения тепловых режимов проектируемого БРЭА, включает принципы системного подхода, топологического моделирования и теории технической диагностики, а также учитывает особенности конструкторско-технологических решений, используемых разработчиками БРЭА. Результаты. Разработан метод теплового диагностирования латентных технологических дефектов радиоэлектронной аппаратуры, основанный на сравнении измеренных температур с множеством температур «базы неисправностей» - электронного справочника, который формируется заранее перед диагностированием при решении задач обеспечения тепловых режимов проектируемого БРЭА. Основной отличительной особенностью является использование моделирования тепловых процессов для накопления содержимого базы неисправностей вместо проведения экспериментов. Для проведения анализа была разработана тепловая диагностическая модель. Выводы. Предложенный метод теплового диагностирования бортовой радиоэлектронной аппаратуры космических аппаратов с длительным сроком активного существования по температурам его электрорадиоэлементов позволяет выявить явные и латентные дефекты БРЭА на основе взаимодействия диагностической модели со средствами теплового моделирования.

Ключевые слова: диагностирование, тепловая модель, латентный дефект, термограмма, радиоэлектронная аппаратура, тепловая модель.

S. U. Uvaisov, S. P. Suleymanov, N. K. Yurkov

METHOD OF THERMAL DIAGNOSING OF LATENT TECHNOLOGICAL DEFECTS OF RADIO-ELECTRONIC EQUIPMENT AND THERMAL DIAGNOSTIC MODEL THEREOF

1 Статья подготовлена в рамках реализации НИР «Создание методологических основ обнаружения и локализации латентных технологических дефектов бортовой радиоэлектронной аппаратуры космических аппаратов методами неразрушающего контроля и диагностики на этапах производства» (ГК № 14.514.11.4078) в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса России на 2007-2013 годы».

Abstract. Background. The scientists in Russia and abroad are continuously searching for ways and means to improve the quality and reliability of on-board radio electronics (BREA). The values of reliability characteristics are influenced by many parameters, one of which is temperature. The change in temperature causes the changes not only in reliability but also in electric and mechanical characteristics. Since the heat mode disturbance in the device may be caused by defects, they can be identified by the value of temperature.In this regard, the creation of new methods of diagnosing thermal technology defects is a topical task. Materials and methods. The method of thermal diagnosis is based on a comparison of the measured temperatures with plenty of temperatures from "the faults base" - electronic directory, which is formed in advance of the diagnosis in the course of solving the problems of thermal control of the projected BREA.It incorporates the principles of a systems approach, the theory of topological modeling and technical diagnostics, and takes into account the design technology solutions that are used by developers of BREA. Results. The authors developed a method of diagnosing latent thermal technological defects of electronic equipment based on comparison of the measured temperatures with plenty of temperatures from "the faults base" - electronic directory, which is formed in advance of the diagnosis in the course of solving the problems of thermal control of the projected BREA. The main distinguishing feature is the use of modeling of thermal processes for the accumulation of faults instead of the contents of the base of the experiments. For the analysis the researchers developed a thermal diagnostic model. Conclusions. The suggested method of thermal diagnostics of onboard radio electronic equipment for spacecrafts with long operating life by the temperatures its radio electronic elements allows revealing the overt and latent defects of BREA on the basis of interaction between the diagnostic model and the means of thermal simulation.

Key words: diagnosis, thermal model, latent defect, thermogram, electronic equipment, thermal model.

Введение

Для радиотехнических устройств характерно большое разнообразие дефектов. По мере возрастания сложности бортовой радиоэлектронной аппаратуры (БРЭА) космических аппаратов с длительным сроком активного существования функции диагностирования также значительно усложняются. Зачастую из-за трудоемкости и дороговизны диагностирования производители ограничиваются лишь контролем работоспособности и проверкой соответствия основных выходных характеристик БРЭА требованиям технического задания, что чревато пропуском в эксплуатацию несовершенных, потенциально ненадежных радиотехнических устройств.

При изготовлении БРЭА невозможно избежать появления технологических дефектов, которые не выявляются известными методами. Такие дефекты называют скрытыми (латентными). Их выявление контролем работоспособности сложно, что приводит к их пропуску. Сложности связаны с тем, что первое время на работу БРЭА латентные дефекты (ЛД) могут не влиять, а проявить себя спустя какое-то время, когда изделие уже находится в эксплуатации [1-3].

Метод теплового диагностирования

Метод теплового диагностирования БРЭА по температурам электрорадиоэлементов включает принципы системного подхода, топологического мо-

делирования и теории технической диагностики. Метод также учитывает особенности конструкторско-технологических решений, используемых разработчиками БРЭА.

Любое радиотехническое устройство (рис. 1), имея входные воздействия X^) с влиянием внешних факторов Z ^), преобразует их в выход Y^). Преобразование осуществляется с помощью функции преобразования

f (X^), qi е Q) = Y^), где qi - параметр устройства со своими верхним св и

нижним сн допусками из множества Qн0рм - электрических, геометрических, теплофизических, физических и других параметров, причем

r [Z(t)] = var . Если параметр qt й

qf, qf

, то БРЭА неисправно.

Рис. 1. Модель бортовой радиоэлектронной аппаратуры космических аппаратов с длительным сроком активного существования

Для выявления дефектов используются разнообразные методы диагностирования (электрический, функциональный, визуальный, рентгеноскопический и др.), но имеются такие производственные дефекты Qпр , которые известными методами не выявляются. Эти дефекты, как правило, оказывают влияние на температуру элементов БРЭА, следовательно, их можно выявлять по значению температуры [4].

На рис. 2 приведена структурная схема метода теплового диагностирования БРЭА. Метод теплового диагностирования основан на сравнении измеренных температур с множеством температур «базы неисправностей» - электронного справочника, который формируется заранее перед диагностированием при решении задач обеспечения тепловых режимов проектируемого БРЭА. Судя по тому, какой термограмме справочника соответствует измеренная термограмма, ставится диагноз радиотехническому устройству.

Основной отличительной особенностью, которой обладает метод теплового диагностирования относительно других, - это использование моделирования тепловых процессов для накопления содержимого базы неисправностей вместо проведения экспериментов.

Список контрольных точек Скт (рис. 2, блок 3) формируется исходя из требований по ограничению временных затрат на диагностирование t0Tр, а также количества контрольных точек «кт . Для проектируемого БРЭА формируется свой список возможных дефектов QПр, принадлежащих множеству Qпр (рис. 2, блок 5).

Конструкция с геометрическими, теплофизическими и физико-механическими параметрами, интенсивностями отказов комплектующих и их предельными режимами

13.1

Интенсивность отказов, макс. доп. температуры,

І П

огр /*КТ

2 Создание списка контрольных точек

Контрольные точки Окт

4 Создание списка дефектов

7 База производственных дефектов бпр

1

Список дефектов проектируемого БРЭА Є 'пр

Создание

Базы

неисправностей

т;

Обучение Rm 9

new

=

База Я

М

неисправностей

8 Программа моделирования

13.2

10 Выявление дефектов

11 Вывод 'й" ’ 14

результатов Измеренные а Измерение

диагностирования значенияR и теплового поля

БРЭА БРЭА

1

3

б

Рис. 2. Структурная схема теплового метода диагностирования БРЭА по температурным характеристикам

В методе теплового диагностирования важной задачей является проводимый анализ (рис. 2, блок 10) данных, так как от точности и эффективности анализа будет зависеть полученный результат, следовательно, и результат диагностирования. Для проведения анализа была разработана тепловая диагностическая модель [5, 6].

Тепловая диагностическая модель

Задача тепловой диагностической модели заключается в определении соответствия измеренной термограммы с одной из термограмм базы неисправностей или ее несоответствия [7, 8].

На входе тепловой диагностической модели (ТДМ) (рис. 3) - измеренная термограмма ЯИ диагностируемого БРЭА и база неисправностей

-д!

п = I пд! пнор^

RM = 1 RM,••• RM , RM ),

состоящая из п термограмм, каждая из которых отражает производственный дефект с соответствующей qпр й Q .

^огр , nKT Q

пр

Рис. 3. Структурная схема взаимодействия диагностической модели со средствами теплового моделирования и измерения программного комплекса теплового диагностирования

Выделяют ограничения ТДМ на временные затраты ^огр по диагностированию или по количеству используемых контрольных точек Пкт . Ресурсами ТДМ является ЗПМ - заимствованная программа моделирования и ПКТД - программный комплекс теплового диагностирования подсистемы «АСОНИКА-Д». На выходе ТДМ может быть один из результатов диагноза:

- БРЭА исправно;

- наличие в БРЭА дефекта д^ с параметром qfпр ;

- диагностируемое БРЭА неисправно, дефект не определен из-за отсутствия текущего случая в справочнике неисправностей Ям . В этом случае

проводится обучение ТДМ путем внесения в Ям новой термограммы Ям™ .

На структуре ТДМ (рис. 4) показан процесс определения множества контрольных точек Скт = (^1 .. ^Б), которое представляет собой В контрольных точек и их соответствующие координаты.

В заданных контрольных точках Скт определяются значения температур для всех термограмм базы неисправностей Ям = ( Ям ,... Ям , Ямрм) ^

^ Тм =(тМ1,.тМп ,7Морм) и измеренные значения температур из экспериментальной термограммы ЯИ ^ Ти. В блоке 3 реализуется сравнение измеренных и накопленных при моделировании термограмм. Геометрической интерпретацией термограмм являются круговые диаграммы (рис. 5).

На диаграмме (рис. 5,а) с числом осей (лучей), равным числу контрольных точек измерения температур, откладываются значения рассчитанных температур.

114 University proceedings. Volga region

Рис. 4. Структура тепловой диагностической модели

Известия высших учебных заведений. Поволжский регион

т

предельная поТУ

т

предельная поТУ

D\

в)

Рис. 5. Диаграммы формирования термограмм: а - круговая диаграмма,

В - количество контрольных точек, а = 360/В , Ткп - ось первой контрольной точки; б - я-угольник измеренной термограммы, количество контрольных точек равно восьми; в - наложение я-угольника измеренной термограммы

на я-угольника] моделированной термограммы (£>М); г - разница площадей

между я-угольником измеренной термограммы и я-угольником ] моделированной термограммы

Расчетные температуры получаются тепловым моделированием устройства при всем многообразии возможных дефектов. Таким образом, формируется электронная база характерных неисправностей, геометрической интерпретацией которой является набор я-угольников (рис. 5,б).

Каждому я-угольнику соответствует тот или иной вид производственного дефекта [4].

Полученный в результате измерения в тех же контрольных точках я-угольник сравнивается с набором диаграмм из электронной базы.

По парным сравнениям измеренной диаграммы с расчетными диаграммами решается задача распознавания дефектного устройства по критерию минимальной разности площадей диаграмм (в, г).

В блоке 4 проводится анализ характеристик Cmjn . В блоке 5 проводится исследование диагностируемого образца, нахождение соответствующего параметра или параметров дпр , отражающих новый дефект. Далее проводит-

new

ся построение модели с новыми параметрами и моделируется термо-

грамма, которая добавляется в справочник неисправностей

Заключение

Таким образом, предложенный метод теплового диагностирования бортовой радиоэлектронной аппаратуры космических аппаратов с длительным сроком активного существования по температурам его ЭРЭ позволяет выявить явные и латентные дефекты БРЭА на основе взаимодействия диагностической модели со средствами теплового моделирования.

Список литературы

1. Сулейманов, С. П. Тепловой метод диагностирования радиоэлектронных средств / С. П. Сулейманов, Н. М. Чернов, А. А. Подкопаев, А. В. Долматов // Системные проблемы качества, математического моделирования, информационных, электронных и лазерных технологий : сб. тр. Междунар. науч.-техн. конф. и Рос. науч. шк. - М. : ГНПО «Агат», 2001. - Ч. 2. - С. 36-43.

2. Сулейманов, С. П. Характерные дефекты печатных узлов, приводящие к нарушению тепловых режимов комплектующих элементов / С. П. Сулейманов, А. В. Долматов, С. У. Увайсов // Информационные технологии в проектировании, производстве и образовании : сб. тр. Рос. науч.-техн. конф. - Ковров : Изд-во КГТА, 2002. - С. 84-90.

3. Сулейманов, С. П. Теплое диагностирование радиоэлектронных устройств / С. П. Сулейманов, А. В. Долматов, С. У. Увайсов // Радиовысотометрия-2004 : тр. Первой Всерос. науч. конф. / под ред. А. А. Иофина, Л. И. Пономарева. - Екатеринбург : Изд-во АМБ, 2004. - С. 55-59.

4. Юрков, Н. К. Использование метода интерполяции при обработке экспериментальных характеристик / Н. К. Юрков, С. А. Бростилов, Д. А. Голушко, С. У. Увайсов // Испытания-2011 : сб. материалов науч.-техн. конф. в рамках Всерос. науч. школы «Методики, техника и аппаратура внешних испытаний» / под ред. проф. Т. И. Мурашкиной. - Пенза : Изд-во ПГУ, 2011. - С. 79-82.

5. Юрков, Н. К. Результаты разработки тепловой модели датчика линейных перемещений / Н. К. Юрков, А. А. Трофимов, Д. А. Скаморин // Надежность и качество : тр. Междунар. симпоз. : в 2-х т. / под ред. Н. К. Юркова. - Пенза : Инф.-изд. центр ПГУ, 2007. - Т. 1. - С. 371-373.

6. Программный комплекс по расчету нестационарных тепловых полей радиоэлементов (информационная карта) / А. В. Авдеев, В. Б. Алмаметов, Г. В. Таньков, А. В. Затылкин, Н. К. Юрков // Свидетельство о регистрации электронного ресурса № 15814 от 07.06.2010, Инв. номер ВНТИЦ № 50201000987 от 16.06.2010.

7. Юрков, Н. К. Информационно-измерительный лабораторный комплекс исследования теплоотводов электрорадиоэлементов / Н. К. Юрков Н. В. Горячев, А. В. Лысенко, И. Д. Граб // Надежность и качество : тр. Междунар. симпоз. : в 2-х т. / под ред. Н. К. Юркова. - Пенза : Изд-во ПГУ, 2012. - Т. 2. - С. 239-241.

8. Юр ков, Н. К. Программа инженерного расчета температуры перегрева кристалла электрорадиокомпонента и его теплоотвода / Н. К. Юрков, Н. В. Горячев, А. В. Лысенко, И. Д. Граб // Надежность и качество : тр. Междунар. симпоз. : в 2-х т. / под ред. Н. К. Юркова. - Пенза : Изд-во ПГУ, 2012. - Т. 1. - С. 340-341.

References

1. Suleymanov S. P., Chemov N. M., Podkopaev A. A., Dolmatov A. V. Sistemnye prob-lemy kachestva, matematicheskogo modelirovaniya, informatsionnykh, elektronnykh i lazernykh tekhnologiy: sb. tr. Mezhdunar. nauch.-tekhn. konf. i Ros. nauch. shk. [System problems of quality, mathematical modeling, information, electronic and lazer technologies: proceedings of the International scientific and technical conference and the Russian scientific school]. Moscow: GNPO "Agat", 2001, part 2, pp. 36-43.

2. Suleymanov S. P., Dolmatov A. V., Uvaysov S. U. Informatsionnye tekhnologii v proektirovanii, proizvodstve i obrazovanii: sb. tr. Ros. nauch.-tekhn. konf. [Information technologies in design, production and education: proceedings of the Russian scientific and technical conference]. Kovrov: Izd-vo KGTA, 2002, pp. 84-90.

3. Suleymanov S. P., Dolmatov A. V., Uvaysov S. U. Radiovysotometriya-2004: tr. Per-voy Vseros. nauch. konf [Radio altimetry - 2004: proceedings of the First All-Russian scientific conference]. Ekaterinburg: Izd-vo AMB, 2004, pp. 55-59.

4. Yurkov N. K., Brostilov S. A., Golushko D. A., Uvaysov S. U. Ispytaniya-2011: sb. materialov nauch.-tekhn. konf. v ramkakh Vseros. nauch. shkoly «Metodiki, tekhnika i apparatura vneshnikh ispytaniy» [Testing - 2011: proceedings of the Scientific and technical conferences in the framework of the Russian scientific school "Methods, technology and equipment of external testing"]. Penza: Izd-vo PGU, 2011, pp. 79-82.

5. Yurkov N. K., Trofimov A. A., Skamorin D. A. Nadezhnost’ i kachestvo: tr. Mezhdunar. simpoz.: v 2-kh t. [Reliability and quality: proceedings of the International symposium: in 2 volumes]. Penza: Inf.-izd. tsentr PGU, 2007, vol. 1, pp. 371-373.

6. Avdeev A. V., Almametov V. B., Tan'kov G. V., Zatylkin A. V., Yurkov N. K. Svi-detel’stvo o registratsii elektronnogo resursa [Certificate of the electronic resource registration]. No. 15814, 07.06.2010, Inv.nomer VNTITs [Inventory number]. No. 50201000987, 16.06.2010.

7. Yurkov N. K., Goryachev N. V., Lysenko A. V., Grab I. D. Nadezhnost’ i kachestvo: tr. Mezhdunar. simpoz.: v 2-kh t. [Reliability and quality: proceedings of the International symposium: in 2 volumes]. Penza: Izd-vo PGU, 2012, vol. 2, pp. 239-241.

8. Yurkov N. K., Goryachev N. V., Lysenko A. V., Grab I. D. Nadezhnost’ i kachestvo: tr. Mezhdunar. simpoz.: v 2-kh t. [Reliability and quality: proceedings of the International symposium: in 2 volumes]. Penza: Izd-vo PGU, 2012, vol. 1, pp. 340-341.

Увайсов Сайгид Увайсович доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой радиоэлектроники и телекоммуникаций, Московский институт электроники и математики, Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»

E-mail: s.uvaysov@hse.ru

Uvaysov Saygid Uvaysovich

Doctor of engineering sciences, professor,

head of sub-department of radio electronics

and remote control, Moscow Institute

of Electronics and Mathematics

of the National Research University

"Higher School of Economy"

Сулейманов Сергей Павлович кандидат технических наук, доцент, кафедра радиоэлектроники и телекоммуникаций, Московский институт электроники и математики, Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»

E-mail: fdp@hse.ru

Юрков Николай Кондратьевич

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой конструирования и производства радиоаппаратуры, Пензенский государственный университет

E-mail: yurkov_nk@mail.ru

Suleymanov Sergey Pavlovich Candidate of engineering sciences, associate professor, sub-department of radio electronics and remote control, Moscow Institute of Electronics and Mathematics of the National Research University "Higher School of Economy"

Yurkov Nikolay Kondrat'evich Doctor of engineering sciences, professor, head of sub-department of radio equipment design and production, Penza State University (40 Krasnaya street,

Penza, Russia)

УДК 517.354.62 Увайсов, С. У.

Метод теплового диагностирования латентных технологических дефектов радиоэлектронной аппаратуры и ее тепловая диагностическая модель / С. У. Увайсов, С. П. Сулейманов, Н. К. Юрков // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. -2013. - № 4 (28). - С. 109-118.