УДК 621. 62-2.
Сравнительный анализ амплитудно-частотных характеристик вибрации микрокриогенных машин роторного типа
П.П. Добровольский, И.И. Кремис, В.Н.Федоринин, В.И. Сидоров
Новосибирский филиал Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института физики полупроводников им. А.В. Ржанова Сибирского отделения Российской академии наук «Конструкторско-технологический институт прикладной микроэлектроники»
630090, г. Новосибирск, ул. Николаева, 8
Е-mail: fedorinin55@mail.ru
Дата публикации 25.06.2021
Новосибирский филиал Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института физики полупроводников им. А.В. Ржанова Сибирского отделения Российской академии наук «Конструкторско-технологический институт прикладной микроэлектроники»
630090, г. Новосибирск, ул. Николаева, 8
Е-mail: fedorinin55@mail.ru
Дата публикации 25.06.2021
Виброактивность микрокриогенных машин является важным фактором, определяющим ресурсные характеристики матричных фотоприемных устройств, работающих в ИК диапазоне спектра. В статье приводятся амплитудно-частотные характеристики виброактивности ФПУ разных производителей с различными сроками службы. Измерения виброактивности осуществляются с помощью датчика деформации, жестко связанного с основанием ФПУ. Анализируются влияние центробежных и компрессионных сил на виброактивность ФПУ и возможность их взаимной компенсации.
Ключевые слова: микрокриогенная машина, матричное фотоприемное устройство.
Ключевые слова: микрокриогенная машина, матричное фотоприемное устройство.
Введение
Современные фотоприемные устройства (ФПУ) - это высокотехнологичное изделие, в состав которых входит вакуумный криостат, где располагается матрица фотоприемных элементов, холодная диафрагма и микрокриогенная машина, обеспечивающая охлаждение матрицы фотоприемных элементов и холодной диафрагмы до температур 80-75К и ее стабилизацию в процессе работы [1].
К числу основных показателей, которые декларируются и гарантируются производителями ФПУ, относятся потребляемая мощность ФПУ, время выхода на режим, количество циклов включения, массогабаритные характеристики. Данные показатели находятся в определенной взаимосвязи и во многом зависят от конструктивных и технологических решений, заложенных при проектировании ФПУ и реализованных в процессе изготовления. Например, потребляемая мощность ФПУ и время выхода на режим зависят от холодопроизводительности микрокриогенной машины, теплоемкости охлаждаемой массы и величины теплопритоков в вакуумном криостате.
Миниатюризация микрокриогенной машины позволяет снизить массогабаритные характеристики ФПУ, но это приводит к снижению КПД микрокриогенной машины. Повышение холодопроизводительности при уменьшении массогабаритных характеристик микрокриогенной машины осуществляется за счет увеличения количества термодинамических циклов за единицу времени. Увеличение частоты термодинамических циклов, как правило, приводит к повышению тепловыделения и к снижению ресурсных показателей ФПУ (такие как время работы на отказ).
Предъявление жестких требований к вибрационным характеристикам ФПУ определятся условиями эксплуатации. Например, в переносных тепловизионных приборах вибрация ФПУ может сказываться на их пространственное разрешение.
Основные причины повышения виброактивности могут быть связаны с неуравновешенностью сил инерции и моментов вращающих масс кинематической схемы компрессора, электромагнитными дефектами, дефектами в опорных подшипниках.
Целью проведения анализа амплитудно-частотных характеристик вибрации микрокриогенных машин является определение факторов, влияющих на виброактивность ФПУ и их изменение в процессе эксплуатации, а также демонстрация метода измерения вибраций с использованием датчика деформации [2,3] в системе контроля на различных технологических этапах создания микрокриогенных машин.
К числу основных показателей, которые декларируются и гарантируются производителями ФПУ, относятся потребляемая мощность ФПУ, время выхода на режим, количество циклов включения, массогабаритные характеристики. Данные показатели находятся в определенной взаимосвязи и во многом зависят от конструктивных и технологических решений, заложенных при проектировании ФПУ и реализованных в процессе изготовления. Например, потребляемая мощность ФПУ и время выхода на режим зависят от холодопроизводительности микрокриогенной машины, теплоемкости охлаждаемой массы и величины теплопритоков в вакуумном криостате.
Миниатюризация микрокриогенной машины позволяет снизить массогабаритные характеристики ФПУ, но это приводит к снижению КПД микрокриогенной машины. Повышение холодопроизводительности при уменьшении массогабаритных характеристик микрокриогенной машины осуществляется за счет увеличения количества термодинамических циклов за единицу времени. Увеличение частоты термодинамических циклов, как правило, приводит к повышению тепловыделения и к снижению ресурсных показателей ФПУ (такие как время работы на отказ).
Предъявление жестких требований к вибрационным характеристикам ФПУ определятся условиями эксплуатации. Например, в переносных тепловизионных приборах вибрация ФПУ может сказываться на их пространственное разрешение.
Основные причины повышения виброактивности могут быть связаны с неуравновешенностью сил инерции и моментов вращающих масс кинематической схемы компрессора, электромагнитными дефектами, дефектами в опорных подшипниках.
Целью проведения анализа амплитудно-частотных характеристик вибрации микрокриогенных машин является определение факторов, влияющих на виброактивность ФПУ и их изменение в процессе эксплуатации, а также демонстрация метода измерения вибраций с использованием датчика деформации [2,3] в системе контроля на различных технологических этапах создания микрокриогенных машин.
Схема измерительного стенда
На рис. 1 приведен внешний вид ФПУ во время испытаний на виброактивность.
Измерение амплитудно-частотных характеристик вибраций, возникающих в действующих ФПУ, осуществлялось путем регистрации изменения деформации металлической пластины, на которой крепилось ФПУ. Воздействия переменных механических колебаний, распространяющихся вдоль металлической пластины, регистрировалось оптическим датчиком деформации. Величина измеряемой деформации пропорциональна изменению базы датчика ΔL в результате сжатия (растяжения) несущей металлической пластины, ΔL = L F/E, , L- база датчика, F – силы, действующие на корпус в направлении установки датчика, E – модуль упругости (модуль Юнга)
Источником механически колебаний является возникающее в опорах микрокриогенной машины переменное давление.
Сравнительный анализ виброактивности микрокриогенных машин был выполнен на трех образцах ФПУ.
Виброактивность ФПУ измерялась для случаев, когда ориентация «охлаждаемого пальца» совпадала с направлением вектора измерения деформации.
На рис. 3, 5, 6 представлены диаграммы изменения деформации в металлической пластине, измеренные на различных этапах цикла работы микрокриогенных машин (начальный этап – первичное охлаждение до выхода на постоянный режим работы, установившийся этап – микрокриогенная машина работает в режиме стабилизации температуры). Ось Х – время, представленное числом измеренных данных с интервалом считывания 2 мс, по оси У- величина деформации в условных единицах - Δ.
Коэффициент k пересчета значения деформации металлической пластины, определенной в условиях действия стационарной силы F, определяется k = F/ Δ.
Значение коэффициента k = 0,37 10-3 кг / у.е.
Случайная составляющая сигнала в измерениях ( шум) составляет 15 у.е.
На рис. 2 приведен внешний вид ФПУ «PLUTON LW» с микрокриогенной машиной К 508 (производитель Франция [4]).
Источником механически колебаний является возникающее в опорах микрокриогенной машины переменное давление.
Сравнительный анализ виброактивности микрокриогенных машин был выполнен на трех образцах ФПУ.
Виброактивность ФПУ измерялась для случаев, когда ориентация «охлаждаемого пальца» совпадала с направлением вектора измерения деформации.
На рис. 3, 5, 6 представлены диаграммы изменения деформации в металлической пластине, измеренные на различных этапах цикла работы микрокриогенных машин (начальный этап – первичное охлаждение до выхода на постоянный режим работы, установившийся этап – микрокриогенная машина работает в режиме стабилизации температуры). Ось Х – время, представленное числом измеренных данных с интервалом считывания 2 мс, по оси У- величина деформации в условных единицах - Δ.
Коэффициент k пересчета значения деформации металлической пластины, определенной в условиях действия стационарной силы F, определяется k = F/ Δ.
Значение коэффициента k = 0,37 10-3 кг / у.е.
Случайная составляющая сигнала в измерениях ( шум) составляет 15 у.е.
На рис. 2 приведен внешний вид ФПУ «PLUTON LW» с микрокриогенной машиной К 508 (производитель Франция [4]).
На рис. 3 приведены результаты измерения виброактивности ФПУ «PLUTON LW».
а - фрагмент диаграммы деформации, возбуждаемой ФПУ в металлической пластине на этапе первичного охлаждения.
б - частотный спектр (а) возбуждаемой деформации. ω1 = 54.9 Гц частота вращения ротора микрокриогенной машины. ω3 =164.5 Гц частота пульсации электромагнитного поля двигателя. ω3 = 3 ω1.
в - фрагмент диаграммы деформации, возбуждаемой ФПУ в металлической пластине на этапе стабилизации охлаждения.
г - частотный спектр (с) возбуждаемой деформации. ω1 = 31.2 Гц частота вращения ротора микрокриогенной машины. ω3 =3 ω1=93.61 Гц частота пульсации электромагнитного поля двигателя.
На рис. 4 приведен внешний вид ФПУ «ФУК -151» с микрокриогенной машиной – аналог К 508 (производитель Россия).
б - частотный спектр (а) возбуждаемой деформации. ω1 = 54.9 Гц частота вращения ротора микрокриогенной машины. ω3 =164.5 Гц частота пульсации электромагнитного поля двигателя. ω3 = 3 ω1.
в - фрагмент диаграммы деформации, возбуждаемой ФПУ в металлической пластине на этапе стабилизации охлаждения.
г - частотный спектр (с) возбуждаемой деформации. ω1 = 31.2 Гц частота вращения ротора микрокриогенной машины. ω3 =3 ω1=93.61 Гц частота пульсации электромагнитного поля двигателя.
На рис. 4 приведен внешний вид ФПУ «ФУК -151» с микрокриогенной машиной – аналог К 508 (производитель Россия).
На рис. 5 приведены результаты измерения виброактивности ФПУ «ФУК -151».
а – фрагмент диаграммы деформации, возбуждаемой ФПУ в металлической пластине на этапе первичного охлаждения.
б - частотный спектр (а) возбуждаемой деформации. ω1 = 72.5 Гц частота вращения ротора микрокриогенной машины. ω3 =218.0 Гц частота пульсации электромагнитного поля двигателя. ω3 = 3 ω1.
в - фрагмент диаграммы деформации, возбуждаемой ФПУ в металлической пластине на этапе стабилизации охлаждения.
г - частотный спектр (с) возбуждаемой деформации. ω1 = 42.0 Гц частота вращения ротора микрокриогенной машины. ω3 =3 ω1=126.0 Гц частота пульсации электромагнитного поля двигателя.
На рис. 6 приведены результаты измерения виброактивности ФПУ «ФУК -151» с микрокриогенной машиной - К 508 после проведения ресурсных испытаний (производитель Россия).
б - частотный спектр (а) возбуждаемой деформации. ω1 = 72.5 Гц частота вращения ротора микрокриогенной машины. ω3 =218.0 Гц частота пульсации электромагнитного поля двигателя. ω3 = 3 ω1.
в - фрагмент диаграммы деформации, возбуждаемой ФПУ в металлической пластине на этапе стабилизации охлаждения.
г - частотный спектр (с) возбуждаемой деформации. ω1 = 42.0 Гц частота вращения ротора микрокриогенной машины. ω3 =3 ω1=126.0 Гц частота пульсации электромагнитного поля двигателя.
На рис. 6 приведены результаты измерения виброактивности ФПУ «ФУК -151» с микрокриогенной машиной - К 508 после проведения ресурсных испытаний (производитель Россия).
а – фрагмент диаграммы деформации, возбуждаемой ФПУ в металлической пластине на этапе первичного охлаждения.
б - частотный спектр (а) возбуждаемой деформации. ω1 = 70.0 Гц частота вращения ротора микрокриогенной машины. ω3 =210.0 Гц частота пульсации электромагнитного поля двигателя. ω3 = 3 ω1.
в - фрагмент диаграммы деформации, возбуждаемой ФПУ в металлической пластине на этапе стабилизации охлаждения.
г - частотный спектр (с) возбуждаемой деформации. ω1 = 61.0 Гц частота вращения ротора микрокриогенной машины. ω3 =3 ω1=183.0 Гц частота пульсации электромагнитного поля двигателя.
Представленные результаты измерения дают возможность оценить действия центробежных и компрессионных сил на виброактивность ФПУ
Значения неуравновешенности центробежных сил вращающихся масс и сил давления, развивающихся в компрессоре, определим путем рассмотрения следующей упрощенной модели.
Значение деформации, возбуждаемой на частоте вращения ротора ω, представим как сумму действия двух независимых сил
б - частотный спектр (а) возбуждаемой деформации. ω1 = 70.0 Гц частота вращения ротора микрокриогенной машины. ω3 =210.0 Гц частота пульсации электромагнитного поля двигателя. ω3 = 3 ω1.
в - фрагмент диаграммы деформации, возбуждаемой ФПУ в металлической пластине на этапе стабилизации охлаждения.
г - частотный спектр (с) возбуждаемой деформации. ω1 = 61.0 Гц частота вращения ротора микрокриогенной машины. ω3 =3 ω1=183.0 Гц частота пульсации электромагнитного поля двигателя.
Представленные результаты измерения дают возможность оценить действия центробежных и компрессионных сил на виброактивность ФПУ
Значения неуравновешенности центробежных сил вращающихся масс и сил давления, развивающихся в компрессоре, определим путем рассмотрения следующей упрощенной модели.
Значение деформации, возбуждаемой на частоте вращения ротора ω, представим как сумму действия двух независимых сил
где С - амплитуда колебания регистрируемой деформации, А – амплитуда колебаний деформации, возбуждаемая центробежными силами в следствие неуравновешенности масс, В- амплитуда колебания деформации, возбуждаемая действием компрессионных сил, δ – рассогласование фаз между действием вектора компрессионных сил и направлением вектора регистрации (предполагаем несогласованность направлений векторов может принимать значение близкие к 0 или 180 град.). Амплитуды деформации, возбуждаемые центробежными силами и их изменения, связаны с изменением частоты вращения соотношением
Изменения амплитуды деформации, вызванные действиями компрессионных сил, остаются постоянными и не зависят от частоты вращения.
Решение системы уравнения позволяет выделить центробежную и компрессионную составляющую деформации.
Решение системы уравнения позволяет выделить центробежную и компрессионную составляющую деформации.
ω1- частота вращения при начальном охлаждении, ω2 – частота вращения в режиме стабилизации.
В таблице представлены исходные данные и результаты определения величины деформации, вызываемой действиями центробежных и компрессионных сил.
В таблице представлены исходные данные и результаты определения величины деформации, вызываемой действиями центробежных и компрессионных сил.
Заключение
По результатам проведенного анализа можно сделать следующие выводы:
- повышенные значения виброактивности приемника «ФУК-151» относительно «PLUTON LW» на основной частоте связаны лишь с более высокой частотой вращения и следует предположить, что в данном приемнике наблюдается более высокий уровень теплопритоков, для чего требуется увеличение производительности микрокриогенной машины;
- результаты измерений показывают, что значительный вклад в виброактивность машины наблюдается на частоте 3 ω1, совпадающей частотой модуляции магнитного потока и имеет электромагнитную природу. Виброактивность на частоте модуляции магнитного потока определяется дефектами сборки электродвигателя и системой управления (причины возникновения электромагнитных дефектов не рассматриваются в данной работе, описание данных дефектов подробно изложены в материалах по вибродиагностике электродвигателей [5,6]);
- результаты измерений виброактивности ФПУ, прошедшего ресурсные испытания, показывают десятикратное увеличение виброактивности на частоте модуляции магнитного потока, что позволяют говорить о формировании неконтролируемых зазоров в опорах;
- анализ результатов виброактивности ФПУ прошедшего ресурсные испытания дает основание предположить, что увеличение частоты термодинамических циклов в ФПУ в установившемся режиме работы обусловлено снижением холодопроизводительности микрокриогенной машины и является следствием увеличения гидросопротивления в сечении регенератора. Увеличение гидросопротивления в сечении регенератора может возникнуть вследствие осаждения в его холодной части продуктов газовыделения, износа, остатков влаги. Данное заключение косвенно подтверждается значительным ростом компрессионной составляющей силы В(ω1), В(ω2) вибросигнала, наблюдаемого у ФПУ «ФУК -151» прошедшего ресурсные испытания (см. таблицу 1).
- повышенные значения виброактивности приемника «ФУК-151» относительно «PLUTON LW» на основной частоте связаны лишь с более высокой частотой вращения и следует предположить, что в данном приемнике наблюдается более высокий уровень теплопритоков, для чего требуется увеличение производительности микрокриогенной машины;
- результаты измерений показывают, что значительный вклад в виброактивность машины наблюдается на частоте 3 ω1, совпадающей частотой модуляции магнитного потока и имеет электромагнитную природу. Виброактивность на частоте модуляции магнитного потока определяется дефектами сборки электродвигателя и системой управления (причины возникновения электромагнитных дефектов не рассматриваются в данной работе, описание данных дефектов подробно изложены в материалах по вибродиагностике электродвигателей [5,6]);
- результаты измерений виброактивности ФПУ, прошедшего ресурсные испытания, показывают десятикратное увеличение виброактивности на частоте модуляции магнитного потока, что позволяют говорить о формировании неконтролируемых зазоров в опорах;
- анализ результатов виброактивности ФПУ прошедшего ресурсные испытания дает основание предположить, что увеличение частоты термодинамических циклов в ФПУ в установившемся режиме работы обусловлено снижением холодопроизводительности микрокриогенной машины и является следствием увеличения гидросопротивления в сечении регенератора. Увеличение гидросопротивления в сечении регенератора может возникнуть вследствие осаждения в его холодной части продуктов газовыделения, износа, остатков влаги. Данное заключение косвенно подтверждается значительным ростом компрессионной составляющей силы В(ω1), В(ω2) вибросигнала, наблюдаемого у ФПУ «ФУК -151» прошедшего ресурсные испытания (см. таблицу 1).
Литература
1. У. Волф, Г. Цисис «Справочник по инфракрасной технике» т.3 Москва «Мир» 1999г.
2. В.Н. Федоринин. Эллипсометрический датчик. Патент РФ N 2157513 от 10.10.2000 г. Бюл.№28
3. Электронный ресурс: http://datchikdeform.ru/
4 Электронный ресурс: https://www.lynred.com/
5. А.С. Гольдин. Вибрация роторных машин. - М.: Машиностроение, 2000. - С. 344. - ISBN 5-217-02927-7.
6. В.А. Русов. Диагностика дефектов вращающегося оборудования по вибрационным сигналам. - Пермь, 2012, Изд-во «Вибро-Центр»
2. В.Н. Федоринин. Эллипсометрический датчик. Патент РФ N 2157513 от 10.10.2000 г. Бюл.№28
3. Электронный ресурс: http://datchikdeform.ru/
4 Электронный ресурс: https://www.lynred.com/
5. А.С. Гольдин. Вибрация роторных машин. - М.: Машиностроение, 2000. - С. 344. - ISBN 5-217-02927-7.
6. В.А. Русов. Диагностика дефектов вращающегося оборудования по вибрационным сигналам. - Пермь, 2012, Изд-во «Вибро-Центр»
Comparative analysis of amplitude-frequency vibration characteristics of micro-cryogenic rotary type machines
P. P. Dobrovolsky, I. I. Kremis, V. N. Fedorinin, V. I. Sidorov
Novosibirsk Branch of the Institute of Semiconductor Physics
of the Siberian Branch of The Russian Academy of Sciences
«Technological Design Institute of Applied Microelectronics»
(NB ISP SB RAS TDIAM)
8 Nikolaeva str., Novosibirsk, 630090, Russia
Novosibirsk Branch of the Institute of Semiconductor Physics
of the Siberian Branch of The Russian Academy of Sciences
«Technological Design Institute of Applied Microelectronics»
(NB ISP SB RAS TDIAM)
8 Nikolaeva str., Novosibirsk, 630090, Russia
The vibroactivity of micro-cryogenic machines is an important factor determining the resource characteristics of matrix photodetector devices (FPU) operating in the IR range. The article presents the amplitude-frequency characteristics of the vibration activity of FPU of different manufacturers measured using a strain sensor. The influence of centrifugal and compression forces on the vibroactivity of the FPU and the possibility of their mutual compensation is analyzed.
Keywords: Micro Scanner, pixel, matrix photodetector.
Keywords: Micro Scanner, pixel, matrix photodetector.
REFERENCES
1. U. Wolf, G. Cisis "Handbook of infrared technology" vol. 3 Moscow " Mir " 1999.
2. https://www.lynred.com/
3. V. N. Fedorinin. Ellipsometric sensor. Patent of the Russian Federation N 2157513 from 10.10.2000
4. http://datchikdeform.ru/
5. A. S. Goldin. Vibration of rotary machines. - Moscow: Mashinostroenie, 2000. - P. 344. - ISBN 5-217-02927-7.
6. V. A. Rusov. Diagnostics of rotating equipment defects based on vibration signals. - Perm, 2012.
2. https://www.lynred.com/
3. V. N. Fedorinin. Ellipsometric sensor. Patent of the Russian Federation N 2157513 from 10.10.2000
4. http://datchikdeform.ru/
5. A. S. Goldin. Vibration of rotary machines. - Moscow: Mashinostroenie, 2000. - P. 344. - ISBN 5-217-02927-7.
6. V. A. Rusov. Diagnostics of rotating equipment defects based on vibration signals. - Perm, 2012.