分子篩氧氣濃縮監控器可靠性技術及管理研究

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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【信息科學與控制工程】

分子篩氧氣濃縮監控器可靠性技術及管理研究

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控器故障危害度并基于故障危害度進行可靠性設計和氧分壓檢測關鍵功能的可靠性控制,采用嵌入式測試(Built-in Test,BIT)功能實現產品的維護，全工作生命周期的狀態監控等綜合管理措施。試驗表明,監控器的可靠性得到了有效的提升。

分子篩；氧氣濃縮；監控器；可靠性

分子篩氧氣濃縮裝備(氧氣濃縮器)是機載分子篩產氧系統的重要組成部分，廣泛應用于現代飛機的氧氣系統中，為飛行員提供主呼吸氧源。分子篩氧氣濃縮裝備采用晶態硅酸鹽化合物分子篩材料,根據“變壓-吸附-解吸附”壓力交變原理[1-2]，將空氣中的氧和氮分離，濃縮氧氣?？諝饨涍^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系到飛行供氧的安全，需要使用分子篩氧氣濃縮監控器控制裝備的運行，同時對系統狀態和產品氣的氧分壓進行監控。當系統出現故障、分子篩氧氣濃縮濃度降低，滿足不了飛行員的生理要求時，監控器自動輸出告警信號，并同自動接通備用氧源，保證飛行員不缺氧[1]。

分子篩氧氣濃縮監控器(監控器)通過控制多分子篩床實現交替產氧控制，采用氧傳感器檢測供氧氧分壓。氧傳感器的傳感材料工作在大于650℃的環境下[3]，局部高溫會影響產品長期工作的可靠性。傳感器材料受工作環境和污染粒子影響易導致產品性能衰減和引發故障，監控器出現測量精度漂移、超差。電子產品中經常使用有機硅樹脂化合物，常散發出的有機硅氣體，使氧氣傳感器失效[4]。有機硅氣體在高溫的傳感芯體上燃燒會形成細小的SiO2,可能堵塞擴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，影響傳感器的響應速度。由于影響監控器可靠性的環節和因素很多，采用常規的篩選等品質控制措施難以保證監控器的可靠性。

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

1 分子篩氧氣濃縮監控器的構成

分子篩氧氣濃縮監控器的系統構成原理如圖1所示：系統由控制電路組件﹑采樣氣體限流機構和壓力檢測機構、產品氣氧分壓檢測機構等組成?？刂齐娐方M件完成系統的全部電控功能，包括：傳感器信號測量和處理，多床分子篩運行控制與驅動，系統的自檢控制、維護控制、通信管理，報警控制，數據記錄和管理等功能。采樣氣體限流機構對輸入到監控器的采樣氣進行流量控制，以滿足后級氧分壓檢測的要求，采樣氣體壓力檢測機構對產品氣壓力檢測，用于判斷系統是否進入產氧工作狀態。氧分壓檢測機構實現產品氣的氧分壓測量，采用分壓型氧化鋯傳感器。氧分壓的測量環境通過管路與感壓環境連接，測量的氧分壓數據等于感壓環境中的氧分壓數據。多床分子篩根據氧氣濃縮控制時序和環境氣壓控制分子篩床的交替產氧和運行控制周期，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。通信接口實現系統狀態和環境信息的發送和接收、自檢和精度校準、歷史工作數據的管理。采用BIT技術(嵌入式測試)實現監控器在工作中對于氧氣濃縮系統和監控器狀態的檢測，在出現故障時輸出報警信號，通過報警執行機構實現報警控制。

2 分子篩氧氣濃縮監控器的可靠性技術

2.1 系統的FMECA分析

FMECA 是分析產品每一個可能的故障模式及其可能產生的影響，并按每個故障模式產生影響的嚴重程度及其發生概率預計分類的一種歸納分析技術[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的基礎上完成CA分析工作。通過FMECA找出系統中的危害度大和故障發生概率高的故障模式，根據分析結果提出改進方案，重新進行設計迭代。進行FMECA分析，找出薄弱環節，提出預防措施或改進意見，避免因事故而產生的嚴重后果[8]。系統的FMECA分析流程如圖2所示。

圖1 分子篩氧氣濃縮監控器的系統構成原理

圖2 FMECA分析流程

監控器的FMECA采用層級逐次分析的方法，分析的層級有元器件級、功能單元級、控制板和獨立傳感器級、系統級以及系統BIT(嵌入式測試)擴展等分析，通過分析和改進設計確保重要功能單元的BIT測試覆蓋率達到100%，使產品具有良好的外場使用和維護性能。監控器的重要功能部分的系統級FMECA分析如表1所示。

表1 系統級FMECA分析

通過系統級FMECA分析，找到影響產品可靠性和安全性的薄弱環節，其中氧分壓檢測、報警控制和通信控制功能部分故障危害度較大。氧分壓檢測功能的故障率和危害度均較大，通信功能和報警控制出現故障對系統主要功能的完成影響很大，在系統方案設計時需要重點關注并加以解決。

2.2 故障危害度較大單元的控制措施

在系統啟動BIT(嵌入式測試)中完成通信功能和報警控制功能測試，BIT不合格時給出報警信息。為了保證能夠在啟動BIT中有效檢測這兩部分功能，在系統方案設計時需要進行測試性設計，確定故障判據。系統測試性方案需要進行驗證，要求BIT檢測率能夠覆蓋故障危害度較大功能單元，檢測方法和判定標準便于程序實現。啟動BIT通過與上位機的交互式通信檢測實現通信功能的檢查，在系統軟件設計時定義啟動檢測的通信控制協議，出現發送和接收檢測錯誤時分別通過系統的報警電路和上位機輸出報警信息。啟動BIT采用啟動過程輸出報警在啟動結束后關閉報警，通過觀測報警燈的狀態進行判斷，當能夠進行報警燈的開和關的操作，確定報警控制功能是否正常。為了使系統在斷電的情況下能夠正常輸出報警信息，通常采用電磁繼電器作為報警輸出控制開關，當系統掉電時通過繼電器的常閉觸點輸出報警信號。

2.3 提高氧分壓檢測功能的可靠性

2.3.1 氧分壓檢測的可靠性問題

實現氧分壓檢測是監控器的重要功能，氧分壓傳感器易于受到使用環境和污染物質等的綜合影響，導致出現精度漂移或故障。通過對失效產品的統計分析，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：傳感器無信號輸出、參數漂移、輸出超差失效。主要原因有振動失效、產品品質缺陷、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有缺陷產品并消除傳感器早期漂移，主要篩選措施是振動篩選和加電老化，其中振動篩選剔除抗振等級差的產品，消除在振動環境下工作導致的振動失效。在最高工作溫度下加電工作，工作時間為312 h，每24 h 為一個試驗周期，檢測氧分壓測量精度漂移量，剔除漂移量較大的產品。圖4為根據一組加電工作氧分壓測量精度漂移數據所作的曲線，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

氧分壓傳感器的傳感材料在長期工作中會逐漸老化導致輸出特性衰減，出現測量精度漂移，為了消除漂移需要定期進行精度校準。產品采用空氣(氧濃度約為20.8%)作為標準氧源，采用大氣壓力傳感器測量環境壓力并計算出空氣下的氧分壓作為基準，通過通信接口發送和接收校準參數、控制命令、校準狀態等信息，校準結束后將傳感器特性參數記錄在監控器的存儲器中。通過氧氣分壓測量精度的校準消除測量精度漂移，有效提高產品的使用壽命。

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致毒化，使傳感器的測量精度出現嚴重漂移且無法進行校準，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

監控器的生產過程中應嚴格控制硅膠的使用。對局部加固使用的硅膠，在加固后要進行一定時間的高溫烘烤，選擇在監控器的最高工作環境溫度下高溫存儲，時間超過48 h。生產過程中的清洗需避免清洗液對傳感器的污染，在清洗過程中對傳感器要進行局部保護。

3 監控器的使用維護和管理

3.1 監控器的使用維護

良好的維護功能設計是提高監控器使用維護效果的前提，監控器主要的維護功能是通過產品的BIT(嵌入式測試)、傳感器的校準控制和工作狀態數據記錄和數據分析實現。BIT是系統、設備內部提供的檢測、隔離故障的自動測試能力[9-10]，產品的BIT主要包括加電時的啟動BIT和工作過程中的循環BIT。啟動BIT主要進行傳感器的工作狀態、通信功能、報警控制等主要功能的檢查，當啟動BIT發現故障時通過報警機構和通信接口輸出故障信息，提示進行及時維護或終止執行任務。循環BIT主要完成系統工作狀態和產品氣的生理要求符合性，在系統工作期間實時進行，循環BIT需要動態接收主機工作狀態信息作為BIT的合格性判定依據。BIT功能以產品的測試性設計為基礎，在測試性設計時需要保證主要功能單元的測試覆蓋達到100%，在不需要借助測試設備的情況下實現檢測。BIT的測試性驗證也很重要，通過模擬各種故障模式的輸入條件，驗證通過BIT是否能夠完成故障檢測并能通過報警或通信輸出故障信息。

傳感器的校準控制在設備的維護時進行，監控器主要完成氧分壓的校準和壓力傳感器的校準，其中氧分壓的校準以空氣作為參考源，在校準時采樣腔體需要與空氣進行充分置換，保證校準的準確性。壓力傳感器的校準主要采用系統發送的壓力信息作為校準基準。校準工作狀態的進入采用校準開關或指令控制的方法，不同的應用環境有不同的應用需求。在強調嚴格校準控制的場合則同時采用開關和指令觸發的方式。有些系統不能設置開關，則采用通信應答驗證的控制方法，保證校準的可靠性和安全性。

工作狀態數據主要記錄傳感器的校準次數、測量精度的漂移情況，在維護時需要結合系統工作狀態數據綜合判定，其中系統記錄的工作時間、報警情況等對于判定監控器的工作狀態具有重要作用。當傳感器校準時發現漂移量變大且校準的時間間隔逐漸減小，則需要及時更換傳感器或在內場復測性能。在維護時，針對系統記錄的報警狀態信息進行仔細分析，必要時提示進行內場測試和檢查。監控器的使用維護方法和要求在使用維護手冊中詳細說明，以用于對外場維護人員進行培訓。由于維護過程可能涉及產品參數的標定和修改，應嚴格按維護流程操作，確保維護工作的安全性。

3.2 監控器的可靠性管理

氧氣濃縮監控器作為系統運行的控制和檢測設備，其可靠性決定了供氧的安全，僅僅依靠可靠性設計和質控無法滿足產品工作生命周期的可靠性要求。測量氧分壓的傳感器除了通過維護進行定期校準，作為一個“有壽”器件通過監控器全過程的可靠性管理和故障預警，在故障發生前及時更換。氧分壓傳感器作為關鍵器件在采購完成后的合格性測試和檢驗時建立唯一的編號，后續的篩選試驗、產品生產、產品篩選和產品使用過程中的維護全過程記錄其測量精度變化情況，建立產品工作狀態數據庫，通過數據查詢每一臺監控器的工作狀態和其使用的氧分壓傳感器特性變化狀況。工作狀態數據主要包括系統工作時間、精度校準情況、校準間隔時間和漂移量的大小。當出現加速漂移現象或達到了氧分壓傳感器的使用壽命，提示及時更換。由于系統工作時間等信息需要在維護時采集和更新，為了有效進行數據管理配備專用的系統維護和數據記錄儀對維護時采集的數據進行存儲，通過記錄儀存儲卡內信息實現對數據庫進行及時更新。

4 監控器的可靠性試驗驗證情況

在溫度、濕度、振動和電應力等四種綜合應力條件下對監控器進行可靠性試驗，工作壽命超過3600臺時，監控器的各項功能和性能指標仍滿足系統要求，表明采用可靠性設計和可靠性管理等綜合措施，產品的可靠性有了很大的提升。

5 結束語

通過可靠性試驗表明，對分子篩氧氣濃縮監控器采用可靠性設計、故障危害度較大單元補償、使用維護和可靠性管理等綜合措施可有效提高產品的可靠性，對提高分子篩產氧系統的可靠性，確保飛行安全具有重要意義。本文提出的可靠性技術和管理方法可用于實現同類產品的可靠性增長。

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(責任編輯 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,高級工程師,主要從事元器件、部件產品的工藝及可靠性技術管理研究。

盧燦(1972—),男，研究員,主要從事機載產氧系統電控技術研究，E-mail:Lucan72@163.com。

10.11809/scbgxb2017.04.023

王世和，盧燦，許育林，等.分子篩氧氣濃縮監控器可靠性技術及管理研究[J].兵器裝備工程學報，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)