Дія іонізуючих випромінювань та електромагнітного імпульсу на радіоелектронні системи

10.1 Дія іонізуючих випромінювань та електромагнітного імпульсу на радіоелектронні системи

Дія радіації на матеріали і деталі апаратури залежить від виду випромінювання, дози радіації, природи випромінюваної речовини та умов навколишнього середовища.

В радіоелектронній апаратурі (РЕА) використовуються елементи, до складу яких входять матеріали: метали, неорганічні матеріали, напівпровідники та різні органічні сполуки (діелектрики, смоли та ін.). Серед цих матеріалів метали найбільш чутливі до радіації, оскільки їм властива висока концентрація вільних носіїв [24].

В радіоелектронній апаратурі радіація викликає оборотні і необоротні процеси, внаслідок яких можуть бути порушення роботи елементів схеми, що приведе до пошкодження апаратури.

Якщо потік гамма-опромінення проходить через елементи РЕА, то в них виникають вільні носії електричних зарядів, внаслідок переміщення яких виникає хибний імпульс, який може призвести до включення пристрою.

Найбільш чутливі до дії радіації напівпровідники, оптичні прилади і фотоматеріали.

В елементній базі РЕА внаслідок дії іонізуючого випромінювання можлива зміна майже всіх електричних та експлуатаційних характеристик, залежних від проходження процесів іонізації і порушення структури матеріалів.

Практика експлуатації РЕА в умовах дії радіоактивних випромінювань дає можливість зробити висновки:

а) РЕА може раптово втратити працездатність при критичних рівнях радіації;

б) в елементах схем РЕА можуть початись оборотні і необоротні процеси через деякий час після випадання радіоактивних опадів при рівнях радіації значно

нижчих критичних, тобто [23]

. (10.1)

Для інженерної практики найбільший інтерес має перший випадок, тобто оцінка стійкості роботи РЕА при знаходженні її на зараженій радіоактивними речовинами місцевості тривалістю однієї години після випадання радіоактивних речовин на даній місцевості.

Одним із вражаючих факторів також є електромагнітний імпульс (ЕМІ) – потужний короткий імпульс, що вражає головним чином електронну апаратуру. Виникає ЕМІ в основному в результаті взаємодії гамма-випромінення, що утворюються під час вибуху, з атомами навколишнього середовища.

Основні параметри ЕМІ, що визначають вражаючу дію, є характер зміни напруженості електричного та магнітного полів в часі – форма імпульсу і максимальна напруженість поля – амплітуда імпульсу.

Діапазон частот електромагнітних імпульсів (ЕМІ) до 100 МГц, але в основному його енергія розподілена біля середньої частоти (10 – 15 кГц).

10.2 Оцінка стійкості роботи комп’ютеризованої вимірювальної системи параметрів електричних машин з газомагнітним підвісом в умовах дії іонізуючих випромінювань

Приведемо перелік основних елементів, від яких залежить робота комп’ютеризованої вимірювальної системи параметрів електричних машин з газомагнітним підвісом та визначимо з довідника експозиційні дози Д_і, при яких в елементах можуть виникнути зворотні зміни. Дані занесемо до таблиці 10.1.

Таблиця 10.1 – Максимально допустимі експозиційні дози РЕА

Проаналізувавши дані, визначається межа стійкості Д_гр, яка дорівнює мінімальному значенню експозиційної дози Д_і роботи РЕА:

Д_гр=10⁴ (Р).

Визначаємо можливу дозу опромінення Д_м за формулою:

, (10.2)

де: р_1max – максимальне значення рівня радіації;

К_посл – коефіцієнт послаблення радіації;

t_n – час початку опромінення;

t_k – час кінця опромінення.

Відомо, що максимальне значення рівня радіації р_1max, яке очікується на об’єкті дорівнює 4 (Р / год), коефіцієнт послаблення радіації К_посл = 7, час початку опромінення t_n = 1 (год), а кінцевий час спрацювання мікросхеми на відмову приймаємо рівним 10 років, або 87600 годинам. Отже, при таких умовах можлива доза опромінення буде дорівнювати:

.

Допустимий час роботи РЕА в заданих умовах можна визначити за допомогою виразу [23]:

. (10.3)

Оскільки всі значення відомі, то допустимий час роботи РЕА буде таким:

Провівши розрахунки можна зробити висновок, що в умовах дії іонізуючих випромінювань комп’ютеризована вимірювальна система параметрів електричних машин з газомагнітним підвісом буде стійкою до радіації, тому що граничне значення експозиційної дози 10⁴ (Р) більше за можливе значення 0,34 · 10³ (Р):

Д_гр > Д_м. (10.4)

Отже, проводити заходи щодо підвищення стійкості роботи комп’ютеризованої вимірювальної системи параметрів електричних машин з

газомагнітним підвісом непотрібно, тому що система стійка до іонізуючих випромінювань.

10.3 Оцінка стійкості роботи комп’ютеризованої вимірювальної системи параметрів електричних машин з газомагнітним підвісом в умовах дії електромагнітного імпульсу

За критерій стійкості роботи радіоелектронних систем або окремих їх блоків в умовах дії електромагнітного імпульсу можна прийняти коефіцієнт безпеки [23]:

,

де: U_д – допустиме відхилення напруги живлення;

U_в(г) – напруга наведена за рахунок дії електромагнітного імпульсу у вертикальних (горизонтальних) струмопровідних частинах.

Визначимо горизонтальну складову напруженості електромагнітного поля при дії вертикальної складової напруженості електромагнітного поля, яка дорівнює 12 (кВ / м) за формулою:

.

Комп’ютеризовану вимірювальну систему параметрів електричних машин з газомагнітним підвісом можна розділити на такі дільниці: блок перетворення, блок передачі.

Визначимо максимальну довжину вертикальної l_в та горизонтальної l_г струмопровідної частини для кожного блоку. Отже:

-          для блоку перетворення l_г = 0,008 (м), а l_в = 0,015 (м);

-          для блоку передачі l_г = 0,0265 (м), а l_в = 0,022 (м);

Визначимо необхідні параметри у струмопровідних частинах для 2-х блоків комп’ютеризованої системи та отримані дані занесемо до таблиці 6.

Для блоку перетворення:

U_в = Е_г · l_в =12 · 0,015 = 0,18 (В),

U_г = Е_в · l_г = 12000 · 0,008 = 96 (В).

Для блоку передачі:

U_в = Е_г · l_в = 12 · 0,022 = 0,264 (В),

U_г = Е_в · l_г = 12000 · 0,0265 = 318 (В).

Визначимо допустиме коливання напруги живлення за формулою [24]:

,  (10.5)

де: U_ж – напруга живлення;

N – допустимі відхилення.

Оскільки вся система живиться від напруги 220(В) з допустимим відхиленням N = 10 %, то допустиме коливання напруги живлення буде таким:

 (В).

Визначимо коефіцієнти безпеки для кожного блоку окремо за формулами:

,  (10.6)

.  (10.7)

Визначимо коефіцієнти безпеки для кожної дільниці.

Для блоку перетворення:

,

.

Для блоку передачі:

,

.

Якщо  40 (дБ) і  40 (дБ), то система стійка в роботі. А якщо < 40 (дБ) і < 40 (дБ), або < 40 (дБ), а  40 (дБ), то система не стійка в роботі при цих умовах. А в стовпчику "Примітка" запишемо – стійкий, чи нестійкий відповідний блок.

Таблиця 10.2 – Результати розрахунків коефіцієнтів безпеки

Провівши розрахунки відмітимо, що комп’ютеризована вимірювальна система параметрів електричних машин з газомагнітним підвісом в умовах дії електромагнітного імпульсу буде не стійкою, тому що значення коефіцієнта безпеки менше за допустимий рівень 40 (дБ). Отже необхідно розробляти заходи щодо підвищення стійкості системи. Найбільш ефективним заходом є екранування системи або її елементів.

Проведемо розрахунок екранування. Визначимо перехідне гасіння енергії електричного поля стальним екраном (А, дБ) за допомогою формули [23]:

, (10.8)

де А_ст – перехідне гасіння для стального екрану, дБ;

t – товщина стінки екрана, м;

f – 15000 Гц.

Товщину екрану визначаємо за формулою:

, (10.9)

де k – коефіцієнт, що залежить від виду екрану (мідний, алюмінієвий, стальний);

А_екр – затухання в екрані і визначається як:

. (10.10)

Проводимо розрахунки, при цьому К_б приймемо 45 дБ для того, щоб виконувалась умова (10.8), і отримані дані заносимо до таблиці 10.3.

При наступному розрахунку вертикальна (горизонтальна) складова напруженості електричного поля на виході екрана Е_ві визначається за допомогою виразу:

,  (10.11)

, (10.12)

Таблиця 10.3 Розрахунок екранування дільниць

Як видно з результатів розрахунку які приведені в таблиці 10.3, після проведення екранування всі блоки стійкі до дії ЕМІ.

Приймачі енергії ЕМІ – тіла, що проводять електричний струм: всі повітряні і підземні лінії зв’язку, лінії управління, сигналізації, електропередачі, металеві опори, повітряні і підземні антенні пристрої, наземні і підземні трубопроводи, металеві дахи та інші конструкції, що виготовленні з металу. В момент вибуху в них на долі секунди виникає імпульс електричного струму і з’являється різниця потенціалу відносно землі [24]. Під дією цих напруг може відбуватись: пробій ізоляції кабелів, пошкодження вхідних елементів апаратури, що підключені до антен, повітряними і підземними лініями (пробій трансформаторів зв’язку, вихід з ладу розрядників, запобіжників, пошкодження напівпровідникових приладів і т. д.), а також вигорання плавких вставок включених в лінії для захисту апаратури. Найбільшу небезпеку ЕМІ представляє для апаратури не обладнаної спеціальним захистом.

Висновки

В даному дипломному проекті розроблено комп’ютеризовану вимірювальну систему параметрів електричних машин з газомагнітним підвісом.

Під час його виконання було здійснено синтез форми прорізі первинного тахометричного перетворювача, що забезпечує його низькочастотний вихідний сигнал та обумовлює кращі, у порівнянні з існуючими аналогами, частотні властивості. Розроблено конструкцію первинного тахометричного перетворювача з низькочастотним вихідним сигналом.

Розроблено пристрій введення вимірювальної інформації до оперативного запам’ятовуючого пристрою комп’ютера, який включає в себе аналого-цифровий перетворювач, порт введення-виведення.

Розроблено схему роботи та програмне забезпечення вимірювання кутової швидкості та куту повороту валу об’єкту досліджень в динамічному режимі.

Також розраховано економічну ефективність від впровадження пристрою у виробництво та розглянуті питання охорони праці і цивільної оборони. На основі порівняння пристрою з існуючими аналогами доведено його перевагу над ними.

Розроблений пристрій та первинний тахометричний перетворювач мають широкі межі застосування. Тахометричний перетворювач має безперервний аналоговий вихідний сигнал, прямо пропорційний куту повороту, що дозволяє шляхом диференціювання (аналогового чи цифрового) отримувати вимірювальну інформацію про кутову швидкість.

Список літератури

1. Красковский Е.Я. Трение в подшипниках // Опоры осей и валов машин и приборов. – Л.: Машиностроение, 1970. – С.209-233.

2. Пинегин С.В., Орлов А.В., Табачников Ю.Б. Прецизионные опоры качения и опоры с газовой смазкой. – М.: Машиностроение, 1984. – 216 c.

3. Пинегин С.В., Табачников Ю.Б., Сипенков И.Е. Статические и динамические характеристики газостатических опор. – М.: Наука, 1982. – 265

4. Галкин В.И. Магнитный подвес роторов высокоскоростных электродвигателей: Дис… канд. техн. наук: – М.: МЭИ, 1974. – 115 с.

5. Разработка макета электроверетена ЭВВ-03-ПЦВ-24 с магнитными опорами для машин химических волокон: Отчет о НИР / Рук. Журавлев Ю.Н.; ЛПИ им. Калинина. – № ГР 81022002.– Ленинград-Псков, 1983. – 89 с.

6. Braunbeck W. Freischwebende Korper in elektrischen und magnetischen Feld // Zeitschrift fur Physik. - 1939. - Bd 112. - S. 753-763.

7. Вышков Ю.Д., Иванов В.И. Магнитные опоры в автоматике. – М.: Энергия, 1978. – 160 с.

8. Лапидус А.С. и др. Система магнитной разгрузки опор скольжения // Вестник машиностроения. – 1991. – № 2. – C. 22-25.

9. Внутришлифовальный шпиндель на воздушных подшипниках // Экспресс–информация. Автоматические линии и металлорежущие станки.– М.: ВИНИТИ. – 1981.– № 22.

10. Спицын Н.А., Машнев М.М. Высококачественные подшипники качения // Опоры осей и валов машин и приборов. – Л.: Машиностроение. – 1970. – С. 265.

11. Шнайдер А.Г., Сокол В.М. Сравнительные характеристики бесконтактных опор для электромашиностроения // Вестник машиностроения. – 1987. – № 7. – C. 18-22.

12. Шнайдер А.Г. Теория и проектирование механизмов текстильных машин с мотор подшипниками: Дис… докт. техн. наук: – М.: МТИ, 1991. – 610 с.

13. Моисеев В.С. Системное проектирование преобразователей информации. – Л.: Машиностроение, 1982. – 255 с.

14. Федорков Б.Г., Телец В.А. Микросхемы ЦАП и АЦП: функционирование, параметры, применение. – М.: Энергоатомиздат, 1990. – 320 с.

15. Высокопроизводительные преобразователи формы информации / А.И.Кондалев, В.А.Багацкий, В.А.Романов, В.А.Фабричев. – К.: Наук. думка, 1987. – 280 с.

16. Интегральные микросхемы: Микросхемы для аналого-цифрового преобразования и средств мультимедиа. Выпуск 2 – М.: ДОДЭКА, 1996. – 384 с.

17. Оптимальні системи керування електроприводами / Б.І.Кузнєцов, І.М.Богаєнко, М.О.Рюмшин та інш / за ред. Б.І.Кузнєцова, І.М.Богаєнко. – К.: Вища школа,1995.– 210 с.

18. Копылов И.П. Математическое моделирование электрических машин. – М.: Высш. шк., 1987.

19. ГОСТ 11828-86. Машины электрические вращающиеся: общие методы испытаний. – М.: Изд-во стандартов, 1986. – 42 с.

20. Потапов Л.А., Зотин В.Ф. Испытание микроэлектродвигателей в переходных режимах. – М.: Энергоатомиздат, 1986.

21. Техніко-економічне обґрунтування та економічні розрахунки в дипломних проектах: Методичні вказівки для студентів технічних спеціальностей факультетів: ФАКСУ, ФФЕЛТ, ФКСМ, ФКІ, ФМБЕП, ФРТТК / В.О. Козловський. – Вінниця: ВДТУ, 2002. – 66 с.

22. Навакатікян О.О., Кальншин В.В., Стрюков С.М. Охорона праці користувачів комп’ютерних відеодисплейних терміналів. – К., 1997. – 400 с.

23. Основи розробки питань цивільної оборони в дипломних проектах: Навчальний посібник / В.Ф. Сакевич. – Вінниця: ВДТУ, 2001. – 108 с..

24. Атаманюк В.Г., Ширшев Л.Г., Акимов Н.И. .Гражданская оборона. - М.: Высшая школа, 1986. – 207 с.

ДОДАТКИ

Додаток А

(обов’язковий)

Вінницький державний технічний університет

ЗАТВЕРДЖУЮ

Зав. кафедри МПА ВДТУ,

д. т. н., професор

___________В.О.Поджаренко

"___" ____________ 2002 р.

на дипломне проектування

КОМП’ЮТЕРИЗОВАНА ВИМІРЮВАЛЬНА СИСТЕМА ПАРАМЕТРІВ ЕЛЕКТРИЧНИХ МАШИН З ГАЗОМАГНІТНИМ ПІДВІСОМ

08 – 03. ДП. 003. 00. 000 ТЗ

Керівник проекту

к. т. н., доцент кафедри МПА ВДТУ

____________ П.І. Кулаков

Виконавець: ст. гр. 1АМ – 97

____________В.І. Козловський

Вінниця ВДТУ 2002

1 Підстава для проведення робіт

Підставою для виконання дипломного проекту на тему: "Комп’ютеризована вимірювальна система параметрів електричних машин з газомагнітним підвісом" є наказ ректора.

Термін виконання робіт:

початок 02. 04. 2002

кінець 17. 06. 2002