ЛЕК+ЛАБА(СУМ) / Лаб / 15ЭУСА-л1

2. ВНЕШНИЕ ВОЗДЕЙСТВУЮЩИЕ ФАКТОРЫ

При системном рассмотрении П&С на рис.1.5 были выделены вертикальные связи, характеризующие как воздействия внешней среды на П&С, так и воздействия П&С на внешнюю среду.

Среди внешних воздействий на П&С были рассмотрены экономический и социальный факторы. Экономический фактор был рассмотрен как «влияние конкурентной среды» на проектирование и создание П&С. Этот фактор как бы оценивает: а в состоянии ли разработчик создать изделие, которое не «потеряется» в условиях конкурентной борьбы за потребителя? Тот ли у разработчика уровень профессиональной квалификации и владения современной технологией? Социальный фактор уточняет совсем другое: достоверны ли результаты маркетинговых исследований, выполненных разработчиком, и подготовлен ли потребитель к активному использованию нового П&С? Может быть потребитель вполне может обойтись и без нового П&С? А может быть новое изделие очень нужно потребителю, но он этого еще не знает: для осознания такой потребности надо что-то изменить в его среде обитания? Например, зачем потребителю прибор учета потребляемой тепловой энергии, если эта энергия обходится ему практически «даром» и регулировку температуры в помещении потребитель осуществляет распахиванием окон? Видимо ситуация может измениться не раньше, чем оплата расхода тепла станет существенной частью бюджета потребителей.

В данном разделе рассмотрим факторы внешних физических воздействий на П&С в процессе их эксплуатации, у которым относятся:

∙климатические факторы,

∙факторы электропитания и электромагнитной совместимости,

∙факторы механических воздействий: вибрации, удары, свободное падение, тряска (транспортная).

2.1. Общие положения защиты от внешних физических воздействий

При проектировании П&С для защиты от внешних факторов физического воздействия могут быть только два пути:

∙обеспечение защиты П&С от внешних влияющих факторов;

∙обеспечение независимости П&С от внешних влияющих факторов.

1)Защиту П&С от внешних влияющих факторов рассмотрим на следую-

щем примере.

Диапазон рабочих условий эксплуатации изделия
Диапазон изменения влияющего фактора	-40°С	0°С	+40°С

Пусть необходимо обеспечить работоспособность прибора, предназначенного для эксплуатации в диапазоне положительных температур, например, − от 0 до 40ºС (на рис.− зеленый цвет), характерных для цехового помещения, в ус-

2

ловиях изменения температуры воздуха в диапазоне +40ºС (на рис.− желтый цвет). Из рисунка видно, что диапазон внешнего воздействия больше диапазона допустимых условий эксплуатации прибора на величину красной зоны и в этой зоне отрицательных температур необходимо защитить прибор.

Наиболее общим способом проектной защиты прибора является создания вокруг него защитной оболочки, внутри которой обеспечиваются требуемые (в соответствии с зеленым цветом) условия эксплуатации. Например, прибор может быть помещен в металлический или пластиковый шкаф, в котором установлен регулятор температуры (рис.2.1а) и нагревательный элемент (один из показанных на рис.2.1б, в зависимости от требуемой мощности нагрева). Регулятору задается уставка температуры среды, равная +1ºС. Работа регулятора состоит в

а) регулятор температуры

б) нагревательный элемент

Рис.2.1. Устройства регулирования температуры вутри шкафа

том, что он непрерывно измеряет текущее значение температуры воздуха в шкафу и сравнивает его с уставкой. Как только температура в шкафу станет ниже +1ºС, регулятор включит нагревательный элемент, а когда температура в шкафу нагреется на 3…5ºС, регулятор отключит нагревательный элемент. Таким образом, если вне шкафа температура воздуха будет минус 40ºС, то внутри шкафа она не опустится ниже +1ºС, конечно, с учетом погрешности измерения температуры.

2) Второй путь решения поставленной задачи состоит в том, что прибор изначально проектируется для максимально возможных условий эксплуатации. Или по рассмотренному выше примеру –для работы в возможно более широком диапазоне температур, например от минус 40ºС до плюс 80ºС (зеленый цвет), который заведомо больше диапазона температур внешнего воздействия ( +40ºС, желтый цвет):

Диапазон рабочих условий эксплуатации изделия Диапазон изменения влияющего фактора

Как видно из рисунка в этом случае прибор в защите не нуждается. Это безусловное достоинство прибора. Но, необходимо отметить, что создание прибора для большого диапазона внешних воздействий стоит значительно дороже. Для его реализации требуются специальные комплектующие элементы, удовлетворяющие заявленному температурному диапазону: резисторы, конденсаторы, индуктивные и полупроводниковые элементы, микросхемы и микропроцессоры, печатные платы, конструктивные элементы. А также такой прибор требует более трудоемок в процессе различных испытаний.

3

3) В настоящее время в практике проектирования приборов и систем активно развиваются оба направления защит от физического воздействия внешних факторов.

Хотя оба подхода здесь противопоставляются, но, однако, они имеют общее. Так прибор, даже предназначенный для работы в столь широком диапазоне, как ─40ºС…+80ºС, все рано может потребоваться в эксплуатации в более широком температурном диапазоне, например: ─50ºС…+125ºС. Следовательно и такой прибор потребует размещения в защитной оболочке.

2.2. Факторы климатического воздействия

Климатические факторы определяют физическую среду, в которой должны функционировать проектируемые приборы и системы. При этом под климатическими понимаются факторы, которые определяют: температуру среды и скорость ее изменения, относительную и абсолютную влажность воздуха, атмосферное давление (высота над уровнем моря). А также: солнечное излучение, количество и интенсивность жидких или твердых осадков, скорость ветра, пыли (в том числе снежной), соляной туман, иней, действие плесневых грибов, содержание в воздухе коррозионно-активных агентов.

До настоящего времени основополагающим документом, который определяет состояние климатических факторов в различных географических зонах мира, является ГОСТ 15150-69 «Машины, приборы и другие технические изделия. Исполнения для различных климатических районов. Категории, условия эксплуатации, хранения и транспортирования в части воздействия климатических факторов внешней среды». Это означает, что если получен заказ на проектирование прибора или системы для какого-то района в любой части света, то разработчик имеет возможность определить это место на прилагаемой к стандарту географической карте климатических районов и сформулировать технические требования к диапазонам воздействующих климатических факторов, которым разрабатываемые П&С должны соответствовать. В этом стандарте определены типы климатов и макроклиматов, а также и критерии их разграничения.

Требования к климатическому исполнению П&С приведены в табл.2.1.

Таблица 2.1.

Климатические исполнения изделий

Обозначения

Рус. Лат. Циф.

Изделия, предназначенные для эксплуатации на суше, реках, озерах

Для макроклиматического района с умеренным климатом		У		(N)
Для макроклиматических районов с умеренным и холодным климатом		УХЛ		(NF)
Для макроклиматического района с влажным тропическим климатом		ТВ		(ТН)
Для макроклиматического района с сухим тропическим климатом		ТС		(ТА)

0

1

2

3

4

	Для макроклиматических районов как с сухим, так и с влажным тропичес-		Т		(Т)		4
	ким климатом
	Для всех макроклиматических районов на суше, кроме макроклиматичес-		О		(U)		5
	кого района с очень холодным климатом (общеклиматическое исполнение)
	Изделия, предназначенные для эксплуатации в макроклиматических
	районах с морским климатом
	Для макроклиматического района с умеренно-холодным морским климатом		М		(М)		6
	Для макроклиматического района с тропическим морским климатом, в том		ТМ		(МТ)		7
	числе для судов каботажного плавания или иных, предназначенных для
	плавания только в этом районе
	Для макроклиматических районов как с умеренно-холодным, так и тропи-		ОМ		(MU)		8
	ческим морским климатом, в том числе для судов неограниченного района
	плавания
	Изделия, предназначенные для эксплуатации во всех макроклиматических		В		(W)		9
	районах на суше и на море, кроме макроклиматического района с очень
	холодным климатом (все климатическое исполнение)

В стандарте приборы и системы (изделия) разделяются по исполнениям в соответствии с табл.2.2 в зависимости от места их размещения при эксплуатации в воздушной среде на высотах до 4300 м (в том числе под землей и под водой) изготавливают по категориям размещения изделий:

Таблица 2.2.

	Укрупненные категории				Дополнительные категории
	Характеристика		Обоз.		Характеристика		Обоз.
	Для эксплуатации на открытом воздухе		1		Для хранения в процессе эксплуатации в		1.1
	(воздействие совокупности климатичес-				помещениях категории 4 и работы как в ус-
	ких факторов, характерных для данного				ловиях категории 4, так и (кратковремен-
	макроклиматического района)				но) в других условиях, в том числе на отк-
					рытом воздухе
	Для эксплуатации под навесом или в по-		2		Для эксплуатации в качестве встроенных		2.1
	мещениях (объемах), где колебания тем-				элементов внутри комплектных издели ка-
	пературы и влажности воздуха несуще-				тегорий 1; 1.1; 2, конструкция которых иск-
	ственно отличаются от колебаний на от-				лючает возможность конденсации влаги на
	крытом воздухе и имеется сравнительно				встроенных элементах (например, внутри
	свободный доступ наружного воздуха,				радиоэлектронной аппаратуры)
	например, в палатках, кузовах, прице-
	пах, металических помещениях без теп-
	лоизоляции, а также в оболочке комп-
	лектного изделия категории 1 (отсутст-
	вие прямого воздействия солнечного из-
	лучения и атмосферных осадков)
	Для эксплуатации в закрытых помеще-		3		Для эксплуатации в нерегулярно		3.1
	ниях с естественной вентиляцией без				отапливаемых помещениях (объемах)
	искусственно регулируемых климатиче-
	ских условий, где колебания темпера-
	туры и влажности воздуха и воздейст-
	вие песка и пыли существенно меньше,
	чем на открытом воздухе, например, в
	металлических с теплоизоляцией,камен-

5

ных, бетонных, деревянных помещениях (отсутствие воздействия атмосферных осадков,прямого солнечного излучения; существенное уменьшение ветра; существенное уменьшение или отсутствие воз-

действия рассеянного излучения и конденсации влаги)

Для эксплуатации в помещениях (объемах) с искусственно регулируемыми климатическими условиями. Например, - в закрытых отапливаемых или охлаждаемых и вентилируемых производственных и других, в том числе хорошо вентилируемых подземных помещениях (отсутствие воздействия прямого солнечного излучения, атмосферных осадков, ветра, песка и пыли наружного воздуха; отсутствие или существенное уменьшение воздействия рассеянного солнечного излучения и конденсациивлаги)

Для эксплуатации в помещениях (объемах) с повышенной влажностью (например, - в неотапливаемых и невентилируемых подземных помещениях, в том числе шахтах, подвалах, в почве, в таких судовых,корабельных и других помещениях, в которых возможно длительное наличие воды или частая конденсация влаги на стенах и потолке, в частности, в некоторых трюмах, в некоторых цехах текстильных, гидрометаллургических производств и т.п.).

4

5

Для эксплуатации в помещениях с кондиционированным или частично кондиционированным воздухом

Для эксплуатации в лабораторных, капитальных жилых и других подобного типа помещениях

Для эксплуатации в качестве встроенных элементов внутри комплектных изделий категорий 5, конструкция которых исключает возможность конденсации влаги на встроенных элементах (например, внутри радиоэлектронной аппаратуры)

4.1

4.2

5.1

2.2.1. Факторы внешнего воздействия – температура и влажность воздуха

Применительно к изделиям государственной системы промышленных приборов требования к условиям их эксплуатации определяются ГОСТ 12997-84 «Изделия ГСП. Общие технические условия» в соответствии с табл.2.3. В соответствии с этой таблицей должны нормироваться характеристики проектируемых и промышленно производимых приборов.

				Таблица 2.3.
Груп-	Диапазон темпера-		Верхнее значение относительной		Место размещения
па ис-	туры,˚С(значения)		влажности воздуха, %		при эксплуатации
полн.	Нижн.	Верхн.
В1	+10	+35	75%	при 30°С и более низких темпе-	Обогреваемые или
В2*	+5	+40	ратурах без конденсации влаги		охлаждаемые
ВЗ	+5	+40	95%	при 30°С и более низких темпе-	помещения
В4			ратурах, без конденсации влаги
	+5	+50	80%	при 35°С и более низких темпе-
С1			ратурах, без конденсации влаги
	- 25	+55	100% при 30°С и более низких		Необогреваемые
С2	-40	+70	температурах, с конденсацией влаги		помещения
С3	-10	+50	95%	при 35°С и более низких тем-	(закрытые или под

6

С4	-30	+50	пературах, без конденсации влаги	крышей)
Д1	-25	+70	100% при 40°С и более низких
Д2	-50	+85 (200)	температурах с конденсацией влаги	Открытое
ДЗ	-50,-65	+50	95 при 35°С и более низких темпе-	пространство
			ратурах, без конденсации влаги

Для групп исполнений С и Д нормируются допустимые скорости изменения температуры окружающей среды из ряда: 3, 10, 20 °С/ч.

2.2.2. Факторы внешнего воздействия – проникновения твердых тел и воды.

Для обозначения степени защиты изделий от проникновения в них твердых тел или воды применяются буквы «IP» и следующие за ними две цифры – Y и Z. Тогда обозначение будет иметь вид: IP YZ. Если для изделия требуется указать степень защиты только одной цифрой, то пропущенная цифра заменяется буквой «x», например: IPx5; IP2x.

2.2.2.1. Первая цифра в IP Yx обозначает степень защиты изделия от попадания внутрь твердых посторонних тел. Значения и расшифровка первой цифры, характеризующей степени защиты изделия от твердых посторонних тел указаны в таблице:

			Таблица 2.4.
	IP,	Степень зашиты от попадания внутрь твердых посторонних тел.
	первая	Краткое описание	Определение
	цифра
	0	Защита отсутствует	Специальная защита отсутствует
	1	Защита от твердых тел	Защита от проникновения внутрь оболочки большого
		размером более 50 мм	участка поверхности человеческого тела, например, руки, и
			от проникновения твердых тел размером свыше 50мм
	2	Защита от твердых тел	Защита от проникновения внутрь оболочки пальцев или
		размером более 12 мм	предметов длиной не более 80 мм и от проникновения
			твердых тел размером свыше 12 мм
	3	Защита от твердых тел	Защита от проникновения внутрь оболочки инструментов,
		размером более 2,5 мм	проволоки и т. д. диаметром или толщиной более 2,5 мм и от
			проникновения твердых тел размером более 2,5 мм
	4	Защита от твердых тел	Защита от проникновения внутрь оболочки проволоки и от
		размером более 1,0 мм	проникновения твердых тел размером более 1,0 мм
	5	Защита от пыли	Проникновение внутрь оболочки пыли не предотвращено
			полностью. Однако пыль не может проникать в количестве,
			достаточном для нарушения работы изделия
	6	Пыленепроницаемость	Проникновение пыли предотвращено полностью

2.2.2.2. Вторая цифра в IP xZ обозначает степень защиты изделия от попадания воды во внутрь определяется таблицей:

		Таблица 2.5.
IP,	Степени защиты от попадания воды
вторая	Краткое описание	Определение
цифра
0	Защита отсутствует	Специальная защита отсутствует
1	Защита от капель воды	Капли воды, вертикально падающие на оболочку, не должны
2		оказывать вредного воздействия на изделие
	Защита от капель воды	Капли воды, вертикально падающие на оболочку, не должны
	при наклоне до 15°	оказывать вредного воздействия на изделие при наклоне его
		на любой угол до 15° относительно нормального положения

		7
3	Защита от дождя	Дождь, падающий на оболочку под углом 60° от вертикали, не
4		должен оказывать вредного действия на изделие
	Защита от брызг	Вода, разбрызгиваемая на оболочку в любом направлении, не
5		должна оказывать вредного действия на изделие
	Защита от водяных	Струя воды, выбрасываемая в любом направлении на обо-
	струй	лочку, не должна оказывать вредного действия на изделие
6	Защита от волн воды	Вода при волнении не должна попадать внутрь оболочки в
7		количестве, достаточном для повреждения изделия
	Защита при погружении	Вода не должна проникать в оболочку, погруженную в воду,
	в воду	при определенных условиях давления и времени в количестве,
8		достаточном для повреждения изделия
	Защита при длительном	Изделия пригодны для длительного погружения в поду при
	погружении в воду	условиях, установленных изготовителем.

2.2.2.3. Обозначение IP может дополняться уточняющей буквой, следующей за цифрами в обозначении IP: IP YZ S, IP YZ М, IP YZ W.

Буквы S, М или W должны использоваться только со следующими значениями: S – испытано на проникновение воды, когда изделие не работает (например, неподвижная машина); М - испытано на проникновение воды, когда изделие работает (например, вращающаяся машина); W- изделие предназначено для использования в особых климатических условиях при осуществлении дополнительных мер защиты в конструкции изделия или в эксплуатации.

2.3. Факторы электропитания и электромагнитной совместимости,

Одной из задач проектирования является обеспечение защиты изделия от возмущающих воздействий, которые поступают в изделие по цепям электропитания.

1)Электроснабжение приборов и систем осуществляется от сетей общего на-значения постоянного и (или) переменного тока. Они характеризуются допус-тимыми диапазонами изменения питающих напряжений [ от (-15%) до (+10%); от (-20%) до (+15%); от (-25%) до (+30%)], а также допустимыми значениями изменения частоты переменного тока (+1Гц, +2Гц). Отклонения от указанных допустимых изменений и являются одним из наиболее распространенных факторов внешнего воздействия.

Предсказуемыми факторами внешнего воздействия являются скачкообразные изменения напряжения и частоты электрической сети в течение суток, в том числе в течение рабочих и выходных дней, а также провалы и кратковременные перебои напряжения питания, присутствующие постоянно. Для борьбы

сними при проектировании должны быть разработаны специальные схемотехнические решения, защищающие прибор или систему от негативных последствия таких воздействий.

2)Непредсказуемые факторы – это внешние воздействия на электросеть, которые возникают случайно и могут привести к значительному отклонению параметров электросети от её нормированных значений. К таким воздействиям на сеть электропитания относятся мощные импульсные помехи.

По результатам наблюдения помех в 40 контрольных точках различных объектов, выполнявшихся на протяжении 3400 часов (более 4-х месяцев) было

8

зарегистрировано порядка 28000 импульсных помех с амплитудой не менее 100В (т.е. частота – более 8 помех в час). Доля наиболее опасных помех с амплитудой 1...6кВ составляет 0,1% от общего числа зарегистрированных помех. Для условий промышленного предприятия это означает, что один или два раза в неделю его электронное оборудование подвергается воздействию мощной импульсной помехи, способной привести к серьёзным сбоям в работе приборов и систем, а также к невосстанавливаемым отказам.

Серьезными возмущающими непредсказуемыми воздействиями являются не только высоковольтные импульсы, но и импульсные прерывания питания, которые могут составлять единицы и десятки миллисекунд. Такие воздействия особенно неприятны для микропроцессорных устройств.

3) Предельным возмущающим воздействием по цепям электроснабжения являются, естественно, отключения электроэнергии (перебои в электроснабжении). Для обеспечения надежной работы изделий при проектировании их электропитание защищают с использованием источников бесперебойного питания (ИБП).

Вопросы для самопроверки:

1)Что понимается под внешними воздействующими факторами на П&С и какие есть два принципиально различных подхода к защите П&С от влияния воздействующих факторов?

2)Объясните назначение ГОСТ 15150-69 «Машины, приборы и другие технические изделия. Исполнения для различных климатических районов. Категории, условия эксплуатации, хранения и транспортирования в части воздействия климатических факторов внешней среды».

3)Объясните внешнее воздействие - «Фактор температуры и влажности воздуха».

4)Объясните внешнее воздействие- «Фактор проникновения твердых тел и воды» IP Yx.

5)Объясните внешнее воздействие- «Фактор проникновения твердых тел и воды» IP xZ.

6)Объясните внешнее воздействие- «Фактор воздействия по цепи пита-

ния»