Модернизация блока управления аппарата искусственной вентиляции легких Спирон201 (стр. 10 из 18)

Целью данного расчета является анализ данных по надежности микроконтроллера, входящего в состав блока управления аппаратом искусственной вентиляции легких «Спирон – 201», а так же подбор надежных элементов для управления аппаратом.

Значения интенсивностей отказов, режимы работы и поправочные коэффициенты по справочникам [2,3,4] элементов схемы КФБН.941200.731 Э3 приведены в таблице 2.1.1.

Так как было применено дублирование соединителей и дорожек монтажных их вероятность безотказной работы рассчитывается по формулам:

P_с(t) = 1 – (1 – e^{-λс t})² (2.1.1)

P_Д(t) =1 – (1 – e^{-λД t})²(2.1.2)

Вероятность безотказной работы остальных элементов микроконтроллера определяется уточненным средне – групповым методом по формуле:

, (2.1.3)

где l_i- интенсивность отказов элемента.

Вероятность безотказной работы всего микроконтроллера будет рассчитываться по формуле (2.1.4).

P_общ(t) = P_c(t)· P_д(t)·P(t) (2.1.4)

1. Рассчитаем вероятность безотказной работы в течение заданной наработки.

Коэф-т нагрузки Кн	Температура рабочая Т,о С
Микросхемы: КР580ВВ55А КР580ВИ53 К555ЛА3 К580ГО324 К555ИД7 К580ВМ80А КР580ВВ51А КР580ВИ53 КР580ВМ52 К580ВК28 К170АР2 К170УР2 К555АР3 К555ИД7 К555ЛЕ1 КР537РУ8А К555ИР22 КР580В555А КР580ВА87 К1816ВЕ35 К580ВР43	D1 D2 D3 D4 D6 D7 D8 D9 D10 D11 D12, D13 D14 D15 D16 D17 D18 D26 D21 D24 D25 D28	1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1	0,1	0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5	40	1	0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1	0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,2 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1
Кварц: 18 мГц 6 кГц	B1 B2	1 1	0,07 0,07	0,5 0,5	40	1,5	0,105 0,105	0,105 0,105
Резисторы: Млт – 0,25	R1-R17	17	0,04	0,5	40	2,5	0,1	1,7
Диоды: КД 522 Б	V1 – V2	2	0,2	0,8	40	1,19	0,238	0,476
Конденсаторы: К50–35 К10–7В	С2, С3, С8, С28 С21 С1, С4, С5, С9-С27, С29, С30	5 24	0,135 0,035	0,56 0,56	40	2	0,27 0,07	0,35 6,48
Соединители:	Х1-Х10	10	0,05	0,4	10	0,5	5
Выводы: Пайка	507	0,004	1	1	0,045	2,028
Провода: Дорожки монтажные	439	0,015	1	1	0,015	6,585

P_c(2000) = 1 – (1-е^{-0,000005·2000})² = 0,9999

Р_д(2000) = 0,9998

Р(2000) = е^-Λ·2000 = 0,977, где Λ = ∑λ_i = 16,4· 10^-6

Р_общ(2000) = 0,9999·0,9998·0,967 = 0,967

2. Рассчитаем вероятность безотказной работы за время средней интенсивности эксплуатации.

P_c(8) = 1 – (1-е^-0,000005·8)² = 0,99999999

Р_д(8) = 0,99999999

Р(8) = е^-Λ·8 = 0,999, где Λ = ∑λ_i = 16,4· 10^-6

Р_общ(8) = 0,99999999·0,99999999·0,999 = 0,9989

Доза отказа ИЭТ существенно зависит от интенсивности излучения ИИ, а ресурс изделий в радиационных полях в 2 –5 раз ниже показателей приводимых в ТУ на ИЭТ. [2]. При этом интенсивность отказов увеличивается в 2 – 5 раз, т.е.

Λ= 0,000049;

λ_с = 0,000015;

λ_д = 0,00002.

Получим

Р_с^и(8) = 0,9999999;

Р_д^и(8) = 0,9999999;

Р^и(8) = 0,999;

Р_общ(8) = 0,99899.

Р_с^и(2000) = 0,999;

Р_д^и(2000) = 0,998;

Р^и(2000) = 0,906;

Р_общ(2000) = 0,904.

Следовательно, в условиях действия ИИ от дефибриллятора и рентгеновского аппарата, вероятность безотказной работы по ГОСТу Р50444–92 не достаточна.

Для повышения надежности микроконтроллера необходимо:

1. Для эффективного уменьшения воздействий электромагнитных излучений рекомендуется экранирование микроконтроллера.

2. Заменить некоторые элементы на зарубежные аналоги:

КР580ВИ53 – времязадающее устройство на I8253;

К580ВК28 – комбинированное устройство на I8228;

К580ВМ80А – микропроцессор на I8080;

КР580ВВ51А – устройство управления вводом – выводом на I8251;

К1816ВЕ35 – микро – ЭВМ на I8025;

К555АП3 – формирователь разрядных токов на I4240;

КР580ВВ55А – I8255A;

К555ИД7 – SN74LS138N;

КР580ВН59 – I8259;

К555ЛЕ1 – SN74LS02N;

КР537РУ8А – HM6516;

КР580ВА87 – I8257;

К555ИР22 – SN74LS373N;

К580ВР43 – I8243.

Расчет интенсивности отказов зарубежных микропроцессоров производится по справочнику [6].

λ = (С₁· π_т + С₂· π_Е)·π_Q·π_L·10^-6 1/час,

где С₁ – коэффициент, учитывающий количество элементов в кристалле микросхемы,

С₂ – коэффициент, учитывающий количество ножек микросхемы, коэффициент, учитывающий

π_т – коэффициент, учитывающий рабочую температуру микросхемы,

π_Е – коэффициент, учитывающий условия эксплуатации элемента (в данном случае на земле),

π_Q – коэффициент, учитывающий качество изготовления,

π_L – коэффициент, учитывающий время выращивания кристалла.

λ = (0,08·0,03+0,015·0,4)·0,9·1·10^-6 = 0,0076·10^-6

Заменив, отечественные микросхемы на их зарубежные аналоги, рассчитаем вероятность безотказной работы микроконтроллера.

Р_з (8) = е^-Λ·8 = 0,9998,

Рз_общ(8) = 0,99999999·0,99999999·0,9998 = 0,9998

Р_з(2000) = е^-Λ·2000 = 0,989, где Λ_з = 14,36

Р_общ(2000) = 0,9999·0,9998·0,989 = 0,989

Такая вероятность безотказной работы соответствует ГОСТу Р50444–92 для изделий класса А.

2.2 Расчет экрана блока управления

Для повышения надежности необходимо экранировать блок печатных плат, находящихся в блоке управления, от внешних источников помех.

Экран представляет собой металлический параллелепипед, разделяющий две области пространства, и предназначен для регулирования распространения электромагнитных полей от одной из этих областей к другой.

Степень экранирования оценивается величиной коэффициента экранирования

К _Э=

,

где Н_н – напряженность наружного поля;

Н_в – напряженность того же поля внутри экрана.

Предельно допустимый уровень воздействия магнитного поля для человека при длительном воздействии равен Н_в=0,8 А/м. (Инструкция главного Государственного санитарного врача от 16.8.1977 №1742). Уровень магнитного поля от медицинской установки УМ-8 составляет 40А/м

К_Э=

Коэффициент экранирования материала рассчитывается по формуле [7,9]

К_Э=

_., (2.2.1)

где m – магнитная проницаемость материала;

R_в – среднее арифметическое внутренних размеров экрана по трем его главным осям;

R_н – среднее арифметическое наружных размеров экрана.

Толщина экрана

D=R_н-R_в (2.2.2)

Выведем формулу для расчета R_н

, (2.2.3)

R_в=

мм

Для экранирования электромагнитных полей используют материалы с высокой магнитной проницаемостью. В качестве такого материала подходит пермаллой [8].

Для пермаллоя марки 79 НМ m=20×10³

R_н=

=228 мм

D=228–227,7=0,3 мм

Вывод: блок плат, находящихся в блоке управления необходимо экранировать пермоллоем марки 79НМ толщиной 0,3 мм. На чертеже КФБН941400.731 СБ представлен экран с размерами и полученной толщиной. Экран понижает интенсивность отказов элементов печатных плат в 2 – 3 раза, в результате чего повышается надежность блока управления, а так же и всего аппарата.

2.3 Расчет основных параметров следящей системы

Рассчитаем момент инерции всей системы. Он равен суммарному моменту ее составляющих.

J=J_пр +J_дв. +J_тг, (2.3.1)

где J_пр – момент инерции системы,

J_дв – момент инерции двигателя,

J_тг – момент инерции тахогенератора.

J_дв=1,2×10^-4кг×м²,

J_тг=0,5×10^-4кг×м² [11].

На валу расположены цилиндрические кулачки с радиусом 0,02 м и длиной 0,01 м. Момент инерции одного кулачка равен

, (2.3.2)

где m – масса кулачка,

R – радиус кулачка.

, (2.3.3)

где Р=7,7×10³ кг/м³,

V=p×R²×L=3,14×0,004×0,01=1,256×10^-5 м³.

кг.

кг×м²

Так как на валу стоит три кулачка, то J_пр=5,7×10^-6кг×м².

Момент инерции всей системы

J= 1,2×10^-4+0,5×10^-4+0,057×10^-4=1,757×10^-4 кг×м²

Рассчитаем коэффициент вязкого трения двигателя