Учебное пособие 1704

в мельчайшие пары и трещины диэлектриков, а так как она хорошо растворяет соли и щелочи, то происходящий при этом процесс электрической диссоциации приводит к образованию проводящих электролитов, резко снижающих поверхностное и объемное сопротивление изоляции. Первоначально электроизоляционные материалы, в течение первых лет эксплуатации не имеют трещин и капилляров. Они появляются позже в результате старения и высыхания.

Даже при нормальной относительной влажности воздуха (65%) все тела покрыты тончайшей (0,001-0,01 мкм) пленкой влаги, которая может быть непрерывной (на гидрофильной поверхности) или прерывистой (на гидрофобной). С ростом относительной влажности толщина пленки растет и при 93-96% достигает сотни микрон, резко снижая поверхностное сопротивление изоляторов.

Уменьшение поверхностного и объемного сопротивлений приводит к шунтированию элементов, появлению гальванических связей между ними, возрастанию потерь в конденсаторах и трансформаторах, падения добротности катушек и т.д. Все это вызывает ухудшение работы аппарата и в ряде случаев выход его из строя из-за электрических пробоев. Весьма опасна, особенно для серебра и олова, электрохимическая коррозия металлов, приводящая к нарушению паяльных соединений в печатном монтаже, возрастанию переходного сопротивления, контактов реле и переключателей (вплоть до полного разрыва цепи). Большую опасность высокая относительная влажность представляет для самих печатных плат: из-за небольших расстояний между проводниками появления пленки и капель влаги приводит к пробою между ними. Следовательно, воздух с высокой (более 80%) относительной влажностью, действующей длительное время на РЭА,- фактор, который необходимо учитывать при ее конструировании и эксплуатации. Ежедневная работа в течении четырех-пяти часов в какой-то мере предохраняет РЭА от повреждения в этих условиях.

Способы защиты РЭА от действия влажного воздуха бывают активными и пассивными. Пассивная защита основана на создании барьера, либо полностью изолирующего его от влажного воздуха, либо замедляющего проникновение влаги к защищаемому узлу. В первом случае это достигается помещением его в герметичный корпус (металлический кожух, стеклянный или керамический баллон), во втором пропиткой или покрытиям объекта различными веществами (смолами, лаками, компаундами). Активная защита заключается в поглощении влаги адсорбентами, снижающими относительную влажность воздуха в кожухе до безопасного уровня.

Пассивные способы в настоящее время - основные при защите РЭА.

Следует, однако, отметить, что полная герметизация бытовых аппаратов обычно не применяется из-за большой стоимости, значительной материалоемкости, увеличения массы и объема аппарата, сложности уплотнения осей ручек управления, плохой ремонтоспособности и т.д. Дело ограничивается лишь использованием герметизированных элементов, помещением деталей в пластмассовый чехол. В последнем случае влага, проникнув через стенки, уже не уходит из чехла, в нем устанавливается высокая относительная влажность (до 100%) и элемент выходит из строя/4/.

Опрессовка пластмассой и заливка компаундами и смолами длительно защищает узлы от влаги, но требует хорошей изоляции их выводов.

Самый распространенный и дешевый способ защиты гетинаксовых и текстолитовых печатных плат - покрытие их бакелитовыми, эпоксидными лаками или эпоксидной смолой (это не должно затруднять подстройку элементов во время эксплуатации). Наиболее стойко к действию влаги покрытие из эпоксидной смолы, обеспечивающее самое высокое поверхностное сопротивление. Несколько хуже защитные свойства перхлорвиниловых, и эпоксидных лаков. Плохо защищает покрытие из полистирола, но в отличие от остальных, при помещении изделия в нормальные условия оно быстро восстанавливает свои свойства.

Печатные платы бытовой РЭА покрывают лаком только со стороны печатных проводников. Отверстие с другой стороны (под выводы элементов) остаются открытыми, что резко увеличивает скорость поглощения влаги материалом. Многие сетевые трансформаторы (ТС-16С,ТС-18С, ТС-200 и др.) устанавливают в телевизоры без пропитки обмоток, хотя известно, что сопротивление их изоляции через 20 часов падает до 10, а через 50 ч до 1 МОм.

При поглощении влаги композиционными сопротивлением на 0,2% от объема композита сопротивление выходит из строя.

Конденсаторы выходят из строя при поглощении 0,1% от объема диэлектрика.

Кварцевый резонатор выходит из строя при поглощении 0,004% влаги от объема резонатора.

На практике в объем РЭА проникает паровоздушная смесь, которая характеризуется двумя состояниями:

1.Состояние низкого давления паров, когда окружающей средой следует считать воздух;

2.Состояние высокого давления паров, когда окружающей средой следует считать преимущественно воду.

Каждому из этих состояний соответствует свой механизм

проникновения в РЭА. Механизм характерный для условии низкого давления действует в том случае, когда содержание паров в смеси меньше 50%.

Механизм характерный для состояния высокого давления действует в том случае, когда содержание паров в смеси больше 50%. Воздух становится насыщенным при 80 С в случае соотношения паровоздушной фазы 50 на

50%.

На практике можно считать, что условия низкого давления реализуются при температуре меньше 80 С, а высокого при температуре больше 80 С.

7.1 Оборудование для испытания на воздействие влаги

Для характеристики содержания водяного пара в воздухе пользуются следующими наиболее распространенными параметрами:

1.Абсолютная влажность (g) -вес в граммах водяного пара содержащегося в единице объема (1 м 3) воздуха.

2.Влагосодержание (d) - отношение массы водяного пара к массе сухого воздуха в том же объеме, выраженное в граммах на килограмм.

3.Температура точки росы ( ) - это температура, которую примет влажный воздух, если охладить его до полного насыщения по отношению к плоской поверхности воды.

4.Относительная влажность (r) - отношение упругости водяного пара, содержащегося в воздухе (l) , к давлению насыщенного пара при данной

температуре (Et) r=l/ Et 1; r 100%.

По-другому относительную влажность можно охарактеризовать как отношение действительной влажности к максимально возможной при данной температуре/4,6/.

Для измерения влажности воздуха атмосферы пользуются психрометрами и гигрометрами.

7.2.Психрометры

Работа психрометров основана на измерении разности температур воздуха в камере и на поверхности с которой испаряется жидкость.

Простейший психрометр представляет собой два ртутных термометра.

Рис.7.1.Простейший психрометр

Смоченный термометр показывает собственную температуру, зависящую от интенсивности испарения воды с поверхности термометра. Количество испарившейся воды прямо пропорционально дефициту влажности и температуре испаряющейся с поверхности tв , и обратно пропорционально атмосферному давлению

где C - коэффициент пропорциональности; (Eтв-l)=dw- дефицит влажности - разность между максимально возможной при данной температуре упругостью водяного пара и фактической упругостью; S - площадь испаряющей поверхности; P – давление.

Умножив V на скрытую теплоту парообразования L получим Q1 - расход тепла на испарение с поверхности смоченного термометра:

Приток тепла поступающего на испаряющуюся поверхность по закону Ньютона

где h - коэффициент пропорциональности.

Влажность воздуха определяют при установившихся показаниях смоченного термометра, когда расход тепла на испарение с его поверхности равен приходу тепла поступившего из окружающего воздуха: Q1=Q2; отсюда находим

Эта формула называется основной психометрической, где А=h/CLкоэффициент пропорциональности, зависящий от конструктивного оформления психрометра и от скорости движения воздушного потока около приемной части психрометра.

По данным Главной геодезической обсерватории, A=79,47 10-5 для скорости воздуха 2-2,5 м/с. Поскольку с уменьшением скорости воздуха величина коэффициента несколько возрастает, то для практических расчетов она может быть принятой А= 10-3. Em.вл табличная величина.

В соответствии с изложенным, относительная влажность по психрометру будет равна ( r )

Психрометрический метод измерения влажности позволяет достаточно просто автоматизировать этот процесс, применив вместо ртутных термометров термочувствительные элементы.

Рис.7.2. Резистивный мост для измерения влажности

На рисунке изображена мостовая схема, два плеча которой составляют терморезисторы: один сухой, другой влажный.

Выходные напряжения Uвых будет пропорционально психрометрической разности температур сухого и влажного терморезисторов.

Это напряжение, прокалиброванное в процентах относительной влажности, может использоваться как для измерения влажности, так и для управления режимом автоматического регулирования, что часто используется в камерах тепла и влаги.

7.3. Гигрометры

Работа этих приборов основана на использовании свойств гигроскопических тел поглощать свои характеристики в зависимости от поглощенной влаги. В зависимости от использования параметров гигроскопических тел различают гигрометры:

1)деформационные;

2)электрические;

3)весовые;

4)цветовые и др.

Наиболее распространены деформационные гигрометры с человеческим волосом, длина которого колеблется под влиянием изменения относительной влажности.

На рисунке изображен волосяной гигрометр.

Рис.7.3. Волосяной гигрометр 1 - волос; 2 - корпус; 3 - шкала;4 - подвижной блок;5 - регулировочный винт.

Отдельный волос может передавать малые усилия, поэтому при необходимости можно использовать набор волос (гитара).

Рассмотрим схему волосяного гигрометра, где в качестве чувствительного элемента используется гитара.

Рис.7.4. Автоматический волосяной гигрометр 1 - гитара; 2 – каретка; 3 – контакт; 4 – реостат; 5 - контакт пружинный; 6 -

катушка электромагнитная; 7 - рамка электромагнита, прижимающая контакт 3; 8 – логометр.

При изменении длины гитары 1 перемещается контакт 3, не соприкасаясь при этом реостата 4. Для снятия показаний по стрелке логометра замыкают ключ К, рамка 7 прижимает контакт 3 к реостату 4.

7.4. Гигрометры пьезосорбционные

Предназначены для измерения относительной влажности газов. Они состоят из пьезоэлемента с нанесенными на него обкладками из гигроскопических материалов.

В зависимости от принципа действия подразделяются:

1)сорбционно-частотные;

2)сорбционно-диссипативные.

Сорбционно-частотные гигрометры (пьезосорбционные гигрометры) - их действие основано на зависимости резонансной частоты электрических колебаний пьезоэлемента, от поглащенной влаги гигроскопическим веществом.

Сорбционно-диссипативные гигрометры. Здесь используется зависимость амплитуды электрических колебаний пьезоэлемента, покрытого слоем гигроскопического вещества, являющегося количественной мерой диссипации упругих колебаний, пьезоэлемента, от влажности анализируемого газа (среды). Недостаток гигрометров - большая инерционность, старение, необходимость постоянной коррекции/4/.

Методы пересчета веса гигроскопических материалов при отклонении их влажности от нормированной (абсолютной или относительной).

1.Метод пересчета веса материалов при отнесении нормированной влажности, в процентах, к абсолютно сухому их весу (абсолютная влажность).

2.Метод пересчета веса материалов при отнесении нормированной влажности, в процентах, к весу влажных материалов (относительная влажность).

В тех случаях, когда нормированная влажность отнесена к абсолютно сухому весу материала, пересчет фактического веса материала в партии на

вес материала с нормированной влажностью Gн должен производиться по следующей формуле

где Gф - масса материала; wH - нормированная влажность (установленная к абсолютно сухому весу), %; wф - фактическая влажность,%.

В тех случаях, когда нормированная влажность отнесена к весу влажного материала, пересчет фактического веса материала в партии на вес материала с нормированной влажностью wH1 должен производиться по формуле

где wф1, wH1 - фактическая и нормированная влажность, установленная к весу материала, %.

7.5. Конструкции камер влаги

Для испытаний на воздействие влажности необходимы камеры, в которых возможно осуществить кондиционирование воздуха, т.е. получение воздуха, характеризующегося определенной температурой, влажностью и скоростью движения.

Необходимая влажность воздуха может быть достигнута следующими способами: - открытым, когда воздух соприкасается с открытой свободной поверхностью; закрытым, когда влажность достигается путем циркуляции воздуха через закрытое увлажнительное устройство.

Рис 7.5. Камера открытого типа:

1 - корпус; 2 - ванна с водой;3,4 - термометры; 5 - подогреватель

Недостаток: трудность поддержания заданной влажности и температуры в пределах психометрической разности/4/.

Понижение температуры более чем на 0,5 С при высокой относительной влажности повышенной температуре может привести к выпадению росы, что является недостатком.

Камеры закрытого типа: циркуляция воздуха осуществляется через увлажнительное устройство. Воздух барботируется.

Рис 7.6. Камера с распылением воды 1 – испытательная камера; 1 – сосуд с водой; 3 – термрметр сухой; 4 – термометр влажный; 5 – вентилятор.

7.6. Радиационные испытания

Воздействующую на РЭА радиацию по ее происхождению можно подразделить на естественную и искусственную. К естественной радиации относят: космические излучения, корпускулярное и рентгеновское излучение Солнца, радиационные пояса Земли. Искусственная радиация возникает в результате ядерных реакций: в реакторе или при ядерном взрыве/4,6/.

В настоящее время искусственная радиация имеет место при эксплуатации РЭА в зонах излучений на атомных электростанциях, на кораблях и судах с атомными двигателями, в зонах излучений различных устройств, использующих атомную энергию в мирных целях и т.д.

Основными составляющими радиоактивных излучений являются , и лучи, сильно отличающиеся друг от друга по своим свойствам, в частности по способности проникать сквозь вещество, а также нейтронное излучение. и лучи представляют собой потоки противоположно заряженных частиц, причем -лучи являются потоком положительно, а - лучи отрицательно заряженных частиц, - лучи являются нейтральными. Наиболее сильно поглощаются -лучи, и поэтому их проникающая способность минимальна. Наибольшей проникающей способностью обладают - лучи. Их интенсивность уменьшается в пространстве обратно пропорционально квадрату расстояния.

Способность радиационных излучений проникать в толщу вещества и вызывать в нем ионизацию дает основание называть эти излучения ионизирующими.

Радиационная способность РЭА, ее элементов и применяемых материалов зависит от поглощаемой энергии ионизирующего излучения, преобразованного в материале в другие виды энергии. За основную меру действия ионизирующих излучений на вещество принимают энергию излучения, переданную веществу в расчете на единицу массы, которую называют поглощенной дозой излучения.

Последнее время наиболее часто оценки поглощенной дозы применяют единицу измерения получившую название рад ( начальные буквы Radiation Absorbed dose): 1 Рад=1* 10-2 Дж/кв = 100 эрг/г. Мощность дозы это радиан в единицу времени (рад/ч, рад/сутки, рад/год).

Воздействие радиации на материалы и радиоэлементы может вызывать радиационные повреждения, приводящие к обратимым (временным) и необратимым (остаточным) изменениям их электрических, физических химических и других параметров.

Необратимые изменения, связанные с нарушением структуры вещества,

сохраняются и после прекращения облучения.

Все материалы, применяемые для изготовления РЭА и ее элемент с точки зрения радиационных повреждений можно подразделить на 4 основные группы: 1. металлы; 2. неорганические материалы; 3. органические материалы; 4. полупроводники.

Изменение свойств металлов проявляется при облучении их быстрыми нейтронами и выражается, к примеру, у меди, молибдена в увеличении сопротивления. Металлы становятся более прочными, но и более хрупкими. К структурным изменениям металлов под воздействием ионизирующего облучения относится изменение коэрцитивной силы, магнитной проницаемости, остаточная намагниченность.

Наиболее радиационностойкими являются неорганические материалы стекло, кварц, керамика.

При облучении органических материалов существенно изменяются механические свойства и электрические (tg , , ), что ограничивает их применение в РЭА.

Поглощение радиации полупроводниками способствует появлению свободных электронов, возникновению электронно-дырочных пар, что способствует росту токов. Кроме вида радиации и дозы облучения необходимо учитывать природу окружающей среды.

Радиационные испытания проводятся с целью определения устойчивости изделий к воздействию радиации, а также проверки их способности выполнять свои функции и сохранить неизменными параметры в процессе и после пребывания в среде с повышенной радиоактивностью.

Метод проведения испытаний

Прежде чем производить испытания на радиационное воздействие, необходимо определить характер радиоактивной среды, в которой будет эксплуатироваться РЭА, установить степень соответствия воздействия радиационной обстановке, создаваемой лабораторными источниками, реальным условиям. Большинство РЭА мало чувствительны к воздействию импульсов радиации длительностью менее 1 мксек, поэтому для определения воздействия радиации необходимо интегрировать: общую дозу поступающую за весь период облучения. Далее выбираются параметры для контроля до и после или во время облучения. При ядерном взрыве имеет место следующее распределение излучаемой энергии: кинетическая энергия осколков деления 85,5%; энергия мгновенного - излучения 3,5%; кинетическая энергия нейтронов деления 2,5%;- излучение продуктов деления 3,5%; - излучение продуктов деления 3,0%; нейтрино,