分子篩氧氣濃縮監(jiān)控器可靠性技術(shù)及管理研究

王世和，盧 燦，許育林，劉 艷

(華東光電集成器件研究所， 安徽 蚌埠 233042)

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【信息科學(xué)與控制工程】

分子篩氧氣濃縮監(jiān)控器可靠性技術(shù)及管理研究

王世和，盧 燦，許育林，劉 艷

(華東光電集成器件研究所， 安徽 蚌埠 233042)

通過分子篩氧氣濃縮監(jiān)控器故障模式、影響和危害性分析(Failure Mode,Effects and Criticality Analysis,FMECA)確定分子篩氧氣濃縮監(jiān)控器故障危害度并基于故障危害度進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)和氧分壓檢測(cè)關(guān)鍵功能的可靠性控制,采用嵌入式測(cè)試(Built-in Test,BIT)功能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的維護(hù)，全工作生命周期的狀態(tài)監(jiān)控等綜合管理措施。試驗(yàn)表明,監(jiān)控器的可靠性得到了有效的提升。

分子篩；氧氣濃縮；監(jiān)控器；可靠性

分子篩氧氣濃縮裝備(氧氣濃縮器)是機(jī)載分子篩產(chǎn)氧系統(tǒng)的重要組成部分，廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代飛機(jī)的氧氣系統(tǒng)中，為飛行員提供主呼吸氧源。分子篩氧氣濃縮裝備采用晶態(tài)硅酸鹽化合物分子篩材料,根據(jù)“變壓-吸附-解吸附”壓力交變?cè)韀1-2]，將空氣中的氧和氮分離，濃縮氧氣?？諝饨?jīng)過分子篩的微孔，尺寸大的有極性氮分子被分子篩吸附，形成含氧濃度較高的富氧氣體，供飛行員呼吸[1]。氧氣濃縮裝備的可靠性直接關(guān)系到飛行供氧的安全，需要使用分子篩氧氣濃縮監(jiān)控器控制裝備的運(yùn)行，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)和產(chǎn)品氣的氧分壓進(jìn)行監(jiān)控。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障、分子篩氧氣濃縮濃度降低，滿足不了飛行員的生理要求時(shí)，監(jiān)控器自動(dòng)輸出告警信號(hào)，并同自動(dòng)接通備用氧源，保證飛行員不缺氧[1]。

分子篩氧氣濃縮監(jiān)控器(監(jiān)控器)通過控制多分子篩床實(shí)現(xiàn)交替產(chǎn)氧控制，采用氧傳感器檢測(cè)供氧氧分壓。氧傳感器的傳感材料工作在大于650℃的環(huán)境下[3]，局部高溫會(huì)影響產(chǎn)品長期工作的可靠性。傳感器材料受工作環(huán)境和污染粒子影響易導(dǎo)致產(chǎn)品性能衰減和引發(fā)故障，監(jiān)控器出現(xiàn)測(cè)量精度漂移、超差。電子產(chǎn)品中經(jīng)常使用有機(jī)硅樹脂化合物，常散發(fā)出的有機(jī)硅氣體，使氧氣傳感器失效[4]。有機(jī)硅氣體在高溫的傳感芯體上燃燒會(huì)形成細(xì)小的SiO2,可能堵塞擴(kuò)散孔和電極的活性部位，毒化傳感器。碳粒子堵塞氧分壓傳感器的過濾孔，影響傳感器的響應(yīng)速度。由于影響監(jiān)控器可靠性的環(huán)節(jié)和因素很多，采用常規(guī)的篩選等品質(zhì)控制措施難以保證監(jiān)控器的可靠性。

為了飛行供氧的安全必須確保分子篩氧氣濃縮監(jiān)控器的可靠性。多余度的控制方式可有效提高產(chǎn)品的可靠性，但受體積大、成本高等因素限制，無法在系統(tǒng)中實(shí)施。本文通過基于FMECA分析確定功能單元的故障危害度，針對(duì)故障危害度較大的單元采取補(bǔ)償措施，同時(shí)采用BIT(嵌入式測(cè)試)技術(shù)、產(chǎn)品使用維護(hù)和可靠性管理等綜合措施，提升監(jiān)控器的可靠性，滿足系統(tǒng)的高可靠性需求。

1 分子篩氧氣濃縮監(jiān)控器的構(gòu)成

分子篩氧氣濃縮監(jiān)控器的系統(tǒng)構(gòu)成原理如圖1所示：系統(tǒng)由控制電路組件﹑采樣氣體限流機(jī)構(gòu)和壓力檢測(cè)機(jī)構(gòu)、產(chǎn)品氣氧分壓檢測(cè)機(jī)構(gòu)等組成。控制電路組件完成系統(tǒng)的全部電控功能，包括：傳感器信號(hào)測(cè)量和處理，多床分子篩運(yùn)行控制與驅(qū)動(dòng)，系統(tǒng)的自檢控制、維護(hù)控制、通信管理，報(bào)警控制，數(shù)據(jù)記錄和管理等功能。采樣氣體限流機(jī)構(gòu)對(duì)輸入到監(jiān)控器的采樣氣進(jìn)行流量控制，以滿足后級(jí)氧分壓檢測(cè)的要求，采樣氣體壓力檢測(cè)機(jī)構(gòu)對(duì)產(chǎn)品氣壓力檢測(cè)，用于判斷系統(tǒng)是否進(jìn)入產(chǎn)氧工作狀態(tài)。氧分壓檢測(cè)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品氣的氧分壓測(cè)量，采用分壓型氧化鋯傳感器。氧分壓的測(cè)量環(huán)境通過管路與感壓環(huán)境連接，測(cè)量的氧分壓數(shù)據(jù)等于感壓環(huán)境中的氧分壓數(shù)據(jù)。多床分子篩根據(jù)氧氣濃縮控制時(shí)序和環(huán)境氣壓控制分子篩床的交替產(chǎn)氧和運(yùn)行控制周期，分子篩氧氣濃縮主要以兩床和三床為主[5]，控制方式有一定的差異。通信接口實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)狀態(tài)和環(huán)境信息的發(fā)送和接收、自檢和精度校準(zhǔn)、歷史工作數(shù)據(jù)的管理。采用BIT技術(shù)(嵌入式測(cè)試)實(shí)現(xiàn)監(jiān)控器在工作中對(duì)于氧氣濃縮系統(tǒng)和監(jiān)控器狀態(tài)的檢測(cè)，在出現(xiàn)故障時(shí)輸出報(bào)警信號(hào)，通過報(bào)警執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)報(bào)警控制。

2 分子篩氧氣濃縮監(jiān)控器的可靠性技術(shù)

2.1 系統(tǒng)的FMECA分析

FMECA 是分析產(chǎn)品每一個(gè)可能的故障模式及其可能產(chǎn)生的影響，并按每個(gè)故障模式產(chǎn)生影響的嚴(yán)重程度及其發(fā)生概率預(yù)計(jì)分類的一種歸納分析技術(shù)[6]。FMECA是由故障模式及影響分析(FMEA)、危害性分析(CA)兩部分組成[7]，在FMEA的基礎(chǔ)上完成CA分析工作。通過FMECA找出系統(tǒng)中的危害度大和故障發(fā)生概率高的故障模式，根據(jù)分析結(jié)果提出改進(jìn)方案，重新進(jìn)行設(shè)計(jì)迭代。進(jìn)行FMECA分析，找出薄弱環(huán)節(jié)，提出預(yù)防措施或改進(jìn)意見，避免因事故而產(chǎn)生的嚴(yán)重后果[8]。系統(tǒng)的FMECA分析流程如圖2所示。

圖1 分子篩氧氣濃縮監(jiān)控器的系統(tǒng)構(gòu)成原理

圖2 FMECA分析流程

監(jiān)控器的FMECA采用層級(jí)逐次分析的方法，分析的層級(jí)有元器件級(jí)、功能單元級(jí)、控制板和獨(dú)立傳感器級(jí)、系統(tǒng)級(jí)以及系統(tǒng)BIT(嵌入式測(cè)試)擴(kuò)展等分析，通過分析和改進(jìn)設(shè)計(jì)確保重要功能單元的BIT測(cè)試覆蓋率達(dá)到100%，使產(chǎn)品具有良好的外場(chǎng)使用和維護(hù)性能。監(jiān)控器的重要功能部分的系統(tǒng)級(jí)FMECA分析如表1所示。

表1 系統(tǒng)級(jí)FMECA分析

通過系統(tǒng)級(jí)FMECA分析，找到影響產(chǎn)品可靠性和安全性的薄弱環(huán)節(jié)，其中氧分壓檢測(cè)、報(bào)警控制和通信控制功能部分故障危害度較大。氧分壓檢測(cè)功能的故障率和危害度均較大，通信功能和報(bào)警控制出現(xiàn)故障對(duì)系統(tǒng)主要功能的完成影響很大，在系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)時(shí)需要重點(diǎn)關(guān)注并加以解決。

2.2 故障危害度較大單元的控制措施

在系統(tǒng)啟動(dòng)BIT(嵌入式測(cè)試)中完成通信功能和報(bào)警控制功能測(cè)試，BIT不合格時(shí)給出報(bào)警信息。為了保證能夠在啟動(dòng)BIT中有效檢測(cè)這兩部分功能，在系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)時(shí)需要進(jìn)行測(cè)試性設(shè)計(jì)，確定故障判據(jù)。系統(tǒng)測(cè)試性方案需要進(jìn)行驗(yàn)證，要求BIT檢測(cè)率能夠覆蓋故障危害度較大功能單元，檢測(cè)方法和判定標(biāo)準(zhǔn)便于程序?qū)崿F(xiàn)。啟動(dòng)BIT通過與上位機(jī)的交互式通信檢測(cè)實(shí)現(xiàn)通信功能的檢查，在系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)時(shí)定義啟動(dòng)檢測(cè)的通信控制協(xié)議，出現(xiàn)發(fā)送和接收檢測(cè)錯(cuò)誤時(shí)分別通過系統(tǒng)的報(bào)警電路和上位機(jī)輸出報(bào)警信息。啟動(dòng)BIT采用啟動(dòng)過程輸出報(bào)警在啟動(dòng)結(jié)束后關(guān)閉報(bào)警，通過觀測(cè)報(bào)警燈的狀態(tài)進(jìn)行判斷，當(dāng)能夠進(jìn)行報(bào)警燈的開和關(guān)的操作，確定報(bào)警控制功能是否正常。為了使系統(tǒng)在斷電的情況下能夠正常輸出報(bào)警信息，通常采用電磁繼電器作為報(bào)警輸出控制開關(guān)，當(dāng)系統(tǒng)掉電時(shí)通過繼電器的常閉觸點(diǎn)輸出報(bào)警信號(hào)。

2.3 提高氧分壓檢測(cè)功能的可靠性

2.3.1 氧分壓檢測(cè)的可靠性問題

實(shí)現(xiàn)氧分壓檢測(cè)是監(jiān)控器的重要功能，氧分壓傳感器易于受到使用環(huán)境和污染物質(zhì)等的綜合影響，導(dǎo)致出現(xiàn)精度漂移或故障。通過對(duì)失效產(chǎn)品的統(tǒng)計(jì)分析，得出氧分壓傳感器失效的故障樹如圖3所示。

圖3 氧分壓傳感器故障樹

由故障樹可以看出氧分壓傳感器故障模式主要有三種：傳感器無信號(hào)輸出、參數(shù)漂移、輸出超差失效。主要原因有振動(dòng)失效、產(chǎn)品品質(zhì)缺陷、傳感器材料的老化、固有衰減特性和污染等。

2.3.2 氧分壓傳感器的篩選控制

通過篩選控制剔除品質(zhì)有缺陷產(chǎn)品并消除傳感器早期漂移，主要篩選措施是振動(dòng)篩選和加電老化，其中振動(dòng)篩選剔除抗振等級(jí)差的產(chǎn)品，消除在振動(dòng)環(huán)境下工作導(dǎo)致的振動(dòng)失效。在最高工作溫度下加電工作，工作時(shí)間為312 h，每24 h 為一個(gè)試驗(yàn)周期，檢測(cè)氧分壓測(cè)量精度漂移量，剔除漂移量較大的產(chǎn)品。圖4為根據(jù)一組加電工作氧分壓測(cè)量精度漂移數(shù)據(jù)所作的曲線，可以看出，消除早期漂移后傳感器輸出特性趨于穩(wěn)定。

圖4 氧分壓傳感器工作過程曲線

2.3.3 氧分壓傳感器的校準(zhǔn)

氧分壓傳感器的傳感材料在長期工作中會(huì)逐漸老化導(dǎo)致輸出特性衰減，出現(xiàn)測(cè)量精度漂移，為了消除漂移需要定期進(jìn)行精度校準(zhǔn)。產(chǎn)品采用空氣(氧濃度約為20.8%)作為標(biāo)準(zhǔn)氧源，采用大氣壓力傳感器測(cè)量環(huán)境壓力并計(jì)算出空氣下的氧分壓作為基準(zhǔn)，通過通信接口發(fā)送和接收校準(zhǔn)參數(shù)、控制命令、校準(zhǔn)狀態(tài)等信息，校準(zhǔn)結(jié)束后將傳感器特性參數(shù)記錄在監(jiān)控器的存儲(chǔ)器中。通過氧氣分壓測(cè)量精度的校準(zhǔn)消除測(cè)量精度漂移，有效提高產(chǎn)品的使用壽命。

2.3.4 傳感材料的污染控制

硅的氧化物粒子易于污染傳感材料而導(dǎo)致毒化，使傳感器的測(cè)量精度出現(xiàn)嚴(yán)重漂移且無法進(jìn)行校準(zhǔn)，圖5為毒化傳感材料表面的顯微放大和元素分析圖片，可見表面覆著很多細(xì)小污染顆粒，通過元素分析為硅的氧化物。

圖5 污染物光譜分析圖

監(jiān)控器的生產(chǎn)過程中應(yīng)嚴(yán)格控制硅膠的使用。對(duì)局部加固使用的硅膠，在加固后要進(jìn)行一定時(shí)間的高溫烘烤，選擇在監(jiān)控器的最高工作環(huán)境溫度下高溫存儲(chǔ)，時(shí)間超過48 h。生產(chǎn)過程中的清洗需避免清洗液對(duì)傳感器的污染，在清洗過程中對(duì)傳感器要進(jìn)行局部保護(hù)。

3 監(jiān)控器的使用維護(hù)和管理

3.1 監(jiān)控器的使用維護(hù)

良好的維護(hù)功能設(shè)計(jì)是提高監(jiān)控器使用維護(hù)效果的前提，監(jiān)控器主要的維護(hù)功能是通過產(chǎn)品的BIT(嵌入式測(cè)試)、傳感器的校準(zhǔn)控制和工作狀態(tài)數(shù)據(jù)記錄和數(shù)據(jù)分析實(shí)現(xiàn)。BIT是系統(tǒng)、設(shè)備內(nèi)部提供的檢測(cè)、隔離故障的自動(dòng)測(cè)試能力[9-10]，產(chǎn)品的BIT主要包括加電時(shí)的啟動(dòng)BIT和工作過程中的循環(huán)BIT。啟動(dòng)BIT主要進(jìn)行傳感器的工作狀態(tài)、通信功能、報(bào)警控制等主要功能的檢查，當(dāng)啟動(dòng)BIT發(fā)現(xiàn)故障時(shí)通過報(bào)警機(jī)構(gòu)和通信接口輸出故障信息，提示進(jìn)行及時(shí)維護(hù)或終止執(zhí)行任務(wù)。循環(huán)BIT主要完成系統(tǒng)工作狀態(tài)和產(chǎn)品氣的生理要求符合性，在系統(tǒng)工作期間實(shí)時(shí)進(jìn)行，循環(huán)BIT需要?jiǎng)討B(tài)接收主機(jī)工作狀態(tài)信息作為BIT的合格性判定依據(jù)。BIT功能以產(chǎn)品的測(cè)試性設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，在測(cè)試性設(shè)計(jì)時(shí)需要保證主要功能單元的測(cè)試覆蓋達(dá)到100%，在不需要借助測(cè)試設(shè)備的情況下實(shí)現(xiàn)檢測(cè)。BIT的測(cè)試性驗(yàn)證也很重要，通過模擬各種故障模式的輸入條件，驗(yàn)證通過BIT是否能夠完成故障檢測(cè)并能通過報(bào)警或通信輸出故障信息。

傳感器的校準(zhǔn)控制在設(shè)備的維護(hù)時(shí)進(jìn)行，監(jiān)控器主要完成氧分壓的校準(zhǔn)和壓力傳感器的校準(zhǔn)，其中氧分壓的校準(zhǔn)以空氣作為參考源，在校準(zhǔn)時(shí)采樣腔體需要與空氣進(jìn)行充分置換，保證校準(zhǔn)的準(zhǔn)確性。壓力傳感器的校準(zhǔn)主要采用系統(tǒng)發(fā)送的壓力信息作為校準(zhǔn)基準(zhǔn)。校準(zhǔn)工作狀態(tài)的進(jìn)入采用校準(zhǔn)開關(guān)或指令控制的方法，不同的應(yīng)用環(huán)境有不同的應(yīng)用需求。在強(qiáng)調(diào)嚴(yán)格校準(zhǔn)控制的場(chǎng)合則同時(shí)采用開關(guān)和指令觸發(fā)的方式。有些系統(tǒng)不能設(shè)置開關(guān)，則采用通信應(yīng)答驗(yàn)證的控制方法，保證校準(zhǔn)的可靠性和安全性。

工作狀態(tài)數(shù)據(jù)主要記錄傳感器的校準(zhǔn)次數(shù)、測(cè)量精度的漂移情況，在維護(hù)時(shí)需要結(jié)合系統(tǒng)工作狀態(tài)數(shù)據(jù)綜合判定，其中系統(tǒng)記錄的工作時(shí)間、報(bào)警情況等對(duì)于判定監(jiān)控器的工作狀態(tài)具有重要作用。當(dāng)傳感器校準(zhǔn)時(shí)發(fā)現(xiàn)漂移量變大且校準(zhǔn)的時(shí)間間隔逐漸減小，則需要及時(shí)更換傳感器或在內(nèi)場(chǎng)復(fù)測(cè)性能。在維護(hù)時(shí)，針對(duì)系統(tǒng)記錄的報(bào)警狀態(tài)信息進(jìn)行仔細(xì)分析，必要時(shí)提示進(jìn)行內(nèi)場(chǎng)測(cè)試和檢查。監(jiān)控器的使用維護(hù)方法和要求在使用維護(hù)手冊(cè)中詳細(xì)說明，以用于對(duì)外場(chǎng)維護(hù)人員進(jìn)行培訓(xùn)。由于維護(hù)過程可能涉及產(chǎn)品參數(shù)的標(biāo)定和修改，應(yīng)嚴(yán)格按維護(hù)流程操作，確保維護(hù)工作的安全性。

3.2 監(jiān)控器的可靠性管理

氧氣濃縮監(jiān)控器作為系統(tǒng)運(yùn)行的控制和檢測(cè)設(shè)備，其可靠性決定了供氧的安全，僅僅依靠可靠性設(shè)計(jì)和質(zhì)控?zé)o法滿足產(chǎn)品工作生命周期的可靠性要求。測(cè)量氧分壓的傳感器除了通過維護(hù)進(jìn)行定期校準(zhǔn)，作為一個(gè)“有壽”器件通過監(jiān)控器全過程的可靠性管理和故障預(yù)警，在故障發(fā)生前及時(shí)更換。氧分壓傳感器作為關(guān)鍵器件在采購?fù)瓿珊蟮暮细裥詼y(cè)試和檢驗(yàn)時(shí)建立唯一的編號(hào)，后續(xù)的篩選試驗(yàn)、產(chǎn)品生產(chǎn)、產(chǎn)品篩選和產(chǎn)品使用過程中的維護(hù)全過程記錄其測(cè)量精度變化情況，建立產(chǎn)品工作狀態(tài)數(shù)據(jù)庫，通過數(shù)據(jù)查詢每一臺(tái)監(jiān)控器的工作狀態(tài)和其使用的氧分壓傳感器特性變化狀況。工作狀態(tài)數(shù)據(jù)主要包括系統(tǒng)工作時(shí)間、精度校準(zhǔn)情況、校準(zhǔn)間隔時(shí)間和漂移量的大小。當(dāng)出現(xiàn)加速漂移現(xiàn)象或達(dá)到了氧分壓傳感器的使用壽命，提示及時(shí)更換。由于系統(tǒng)工作時(shí)間等信息需要在維護(hù)時(shí)采集和更新，為了有效進(jìn)行數(shù)據(jù)管理配備專用的系統(tǒng)維護(hù)和數(shù)據(jù)記錄儀對(duì)維護(hù)時(shí)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，通過記錄儀存儲(chǔ)卡內(nèi)信息實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行及時(shí)更新。

4 監(jiān)控器的可靠性試驗(yàn)驗(yàn)證情況

在溫度、濕度、振動(dòng)和電應(yīng)力等四種綜合應(yīng)力條件下對(duì)監(jiān)控器進(jìn)行可靠性試驗(yàn)，工作壽命超過3600臺(tái)時(shí)，監(jiān)控器的各項(xiàng)功能和性能指標(biāo)仍滿足系統(tǒng)要求，表明采用可靠性設(shè)計(jì)和可靠性管理等綜合措施，產(chǎn)品的可靠性有了很大的提升。

5 結(jié)束語

通過可靠性試驗(yàn)表明，對(duì)分子篩氧氣濃縮監(jiān)控器采用可靠性設(shè)計(jì)、故障危害度較大單元補(bǔ)償、使用維護(hù)和可靠性管理等綜合措施可有效提高產(chǎn)品的可靠性，對(duì)提高分子篩產(chǎn)氧系統(tǒng)的可靠性，確保飛行安全具有重要意義。本文提出的可靠性技術(shù)和管理方法可用于實(shí)現(xiàn)同類產(chǎn)品的可靠性增長。

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(責(zé)任編輯 楊繼森)

The criticality severity is confirmed by Failure Mode, Effects and Criticality Analysis of molecular sieve oxygen concentrator controller, the reliability design and the reliability control of the key oxygen partial pressure measurement function based on it. The complex management method of maintenance through Built-in Test function and product life working status inspection and control is used also.The reliability of the controller is made progress effectively indicated by experimentation.

molecular sieve；oxygen concentrator；controller；reliability

2016-11-25；

2016-12-20 作者簡介：王世和(1965—),男,高級(jí)工程師,主要從事元器件、部件產(chǎn)品的工藝及可靠性技術(shù)管理研究。

盧燦(1972—),男，研究員,主要從事機(jī)載產(chǎn)氧系統(tǒng)電控技術(shù)研究，E-mail:Lucan72@163.com。

10.11809/scbgxb2017.04.023

王世和，盧燦，許育林，等.分子篩氧氣濃縮監(jiān)控器可靠性技術(shù)及管理研究[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2017(4):105-108.

format:WANG Shi-he，LU Can，XU Yu-lin，et al.The Reliability Technique and Management Study of Molecular Sieve Oxygen Concentrator Controller[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(4):105-108.

TP202+.1

A

2096-2304(2017)04-0105-04

The Reliability Technique and ManagementStudy of Molecular Sieve Oxygen Concentrator Controller

WANG Shi-he，LU Can，XU Yu-lin，LIU Yan

(East-China Photo and Electron Integrated Circuit Institute, Bengbu 233042, China)