Модернизация блока управления аппарата искусственной вентиляции легких "Спирон–201"

Построим по полученным точкам механическую характеристику двигателя.

Из приведенного графика, а также уравнений (2.4.14) и (2.4.15) вытекает следующее соотношение:

Мвр=Мn-F, (1.4.18)

где F= называется коэффициентом вязкого трения двигателя и характеризует жесткость его механической характеристики.

Из выражения (2.4.15) можно получить следующее соотношение

, (1.4.19)

где - коэффициент пропорциональности между пусковым моментом двигателя и приложенным к его якорю напряжением.

Из уравнений (2.4.4), (2.4.3) и (2.4.5) выразим входное напряжение усилителя следующим образом:

Uвх=kn-km, (1.4.20)

тогда выходное напряжение усилителя

Ua=knky-kmky, (1.4.21)

при этом пусковой момент двигателя

Мn=knkykdU - kmkykdU, (1.4.22)

где К0= knkykdU - передаточный коэффициент системы;

F1= kmkykdU - коэффициент успокоения, вносимого тахогенератором.

Получим

Мn=K0 - F1. (1.4.23)

Подставив (2.4.24) в (2.4.18), получим

Мвр=К0 - F1 - F

или

Мвр=К0 - (F+F1). (1.4.24)

Уравнение равновесия моментов двигателя запишется в следующем виде:

К0 - (F+F1)= +Мст (1.4.25)

Производя замену вых=вх - , получим

Это выражение представляет собой дифференциальное уравнение движения следящей системы с принимающим тахогенератором.

Важнейшим показателем, характеризующими поведение система, является ошибка слежения . Получим выражения для статической и динамической установившихся ошибок.

Так как статическая ошибка ст оценивается по окончании движения, т.е. при неподвижных входном и выходном валах, примем . Из этого следует, что . А так как в состоянии покоя системы ее ошибка должна быть постоянна, то и .

Отсюда получим

К0ст=Мст (1.4.26)

откуда

ст=. (1.4.27)

Полагая, что входной и выходной валы движутся с одинаковой постоянной скоростью =уст=const, примем . А так как в установившемся режиме ошибка слежения постоянна, то и . Отсюда получим

К0=(F+F1)уст+Мст, (1.4.28)

но =ст+ dy. (1.4.29)

Следовательно,

К0(ст+dy)=(F+F1)уст+Мст, (1.4.30)

отсюда

ст+dy= (1.4.31)

или, учитывая формулу (2.4.27),

dy= (1.4.32)

2. Расчетно-конструкторская часть

Аппараты искусственной вентиляции легких по классификации медицинских аппаратов ГОСТ Р50444 - 92 относятся к изделиям класса А, вероятность безотказной работы которых задается равной 0,99 в течение заданной наработки.

Целью данного расчета является анализ данных по надежности микроконтроллера, входящего в состав блока управления аппаратом искусственной вентиляции легких «Спирон - 201», а так же подбор надежных элементов для управления аппаратом.

Значения интенсивностей отказов, режимы работы и поправочные коэффициенты по справочникам [2,3,4] элементов схемы КФБН.941200.731 Э3 приведены в таблице 2.1.1.

Так как было применено дублирование соединителей и дорожек монтажных их вероятность безотказной работы рассчитывается по формулам:

Pс(t) = 1 - (1 - e-лс t)2 (2.1.1)

PД(t) =1 - (1 - e-лД t)2 (2.1.2)

Вероятность безотказной работы остальных элементов микроконтроллера определяется уточненным средне - групповым методом по формуле:

, (2.1.3)

где i- интенсивность отказов элемента.

Вероятность безотказной работы всего микроконтроллера будет рассчитываться по формуле (2.1.4).

Pобщ(t) = Pc(t)? Pд(t)?P(t) (2.1.4)

1. Рассчитаем вероятность безотказной работы в течение заданной наработки.

Pc(2000) = 1 - (1-е-0,000005?2000)2 = 0,9999

Рд(2000) = 0,9998

Р(2000) = е-Л?2000 = 0,977, где Л = ?лi = 16,4? 10-6

Робщ(2000) = 0,9999?0,9998?0,967 = 0,967

2. Рассчитаем вероятность безотказной работы за время средней интенсивности эксплуатации.

Pc(8) = 1 - (1-е-0,000005?8)2 = 0,99999999

Рд(8) = 0,99999999

Р(8) = е-Л?8 = 0,999, где Л = ?лi = 16,4? 10-6

Робщ(8) = 0,99999999?0,99999999?0,999 = 0,9989

Доза отказа ИЭТ существенно зависит от интенсивности излучения ИИ, а ресурс изделий в радиационных полях в 2 -5 раз ниже показателей приводимых в ТУ на ИЭТ. [2]. При этом интенсивность отказов увеличивается в 2 - 5 раз, т.е.

Л= 0,000049;

лс = 0,000015;

лд = 0,00002.

Получим

Рс и(8) = 0,9999999;

Рд и(8) = 0,9999999;

Ри(8) = 0,999;

Робщ(8) = 0,99899.

Рс и(2000) = 0,999;

Рд и(2000) = 0,998;

Ри(2000) = 0,906;

Робщ(2000) = 0,904.

Следовательно, в условиях действия ИИ от дефибриллятора и рентгеновского аппарата, вероятность безотказной работы по ГОСТу Р50444-92 не достаточна.

Для повышения надежности микроконтроллера необходимо:

1. Для эффективного уменьшения воздействий электромагнитных излучений рекомендуется экранирование микроконтроллера.

2. Заменить некоторые элементы на зарубежные аналоги:

КР580ВИ53 - времязадающее устройство на I8253;

К580ВК28 - комбинированное устройство на I8228;

К580ВМ80А - микропроцессор на I8080;

КР580ВВ51А - устройство управления вводом - выводом на I8251;

К1816ВЕ35 - микро - ЭВМ на I8025;

К555АП3 - формирователь разрядных токов на I4240;

КР580ВВ55А - I8255A;

К555ИД7 - SN74LS138N;

КР580ВН59 - I8259;

К555ЛЕ1 - SN74LS02N;

КР537РУ8А - HM6516;

КР580ВА87 - I8257;

К555ИР22 - SN74LS373N;

К580ВР43 - I8243.

Расчет интенсивности отказов зарубежных микропроцессоров производится по справочнику [6].

л = (С1? рт + С2? рЕ)?рQ?рL?10-6 1/час,

где С1 - коэффициент, учитывающий количество элементов в кристалле микросхемы,

С2 - коэффициент, учитывающий количество ножек микросхемы, коэффициент, учитывающий

рт - коэффициент, учитывающий рабочую температуру микросхемы,

рЕ - коэффициент, учитывающий условия эксплуатации элемента (в данном случае на земле),

рQ - коэффициент, учитывающий качество изготовления,

рL - коэффициент, учитывающий время выращивания кристалла.

л = (0,08?0,03+0,015?0,4)?0,9?1?10-6 = 0,0076?10-6

Заменив, отечественные микросхемы на их зарубежные аналоги, рассчитаем вероятность безотказной работы микроконтроллера.

Рз (8) = е-Л?8 = 0,9998,

Рзобщ(8) = 0,99999999?0,99999999?0,9998 = 0,9998

Рз(2000) = е-Л?2000 = 0,989, где Лз = 14,36

Робщ(2000) = 0,9999?0,9998?0,989 = 0,989

Такая вероятность безотказной работы соответствует ГОСТу Р50444-92 для изделий класса А.

где Нн - напряженность наружного поля;

Нв - напряженность того же поля внутри экрана.

Предельно допустимый уровень воздействия магнитного поля для человека при длительном воздействии равен Нв=0,8 А/м. (Инструкция главного Государственного санитарного врача от 16.8.1977 №1742). Уровень магнитного поля от медицинской установки УМ-8 составляет 40А/м

КЭ=

Коэффициент экранирования материала рассчитывается по формуле [7,9]

КЭ=., (2.2.1)

где - магнитная проницаемость материала;

Rв - среднее арифметическое внутренних размеров экрана по трем его главным осям;

Rн - среднее арифметическое наружных размеров экрана.

Толщина экрана

=Rн-Rв (2.2.2)

Выведем формулу для расчета Rн

, (2.2.3)

Rв=мм

Для экранирования электромагнитных полей используют материалы с высокой магнитной проницаемостью. В качестве такого материала подходит пермаллой [8].

Для пермаллоя марки 79 НМ =20103

Rн==228 мм

=228-227,7=0,3 мм

Вывод: блок плат, находящихся в блоке управления необходимо экранировать пермоллоем марки 79НМ толщиной 0,3 мм. На чертеже КФБН941400.731 СБ представлен экран с размерами и полученной толщиной. Экран понижает интенсивность отказов элементов печатных плат в 2 - 3 раза, в результате чего повышается надежность блока управления, а так же и всего аппарата.

Рассчитаем момент инерции всей системы. Он равен суммарному моменту ее составляющих.

J=Jпр +Jдв. +Jтг, (2.3.1)

где Jпр - момент инерции системы,

Jдв - момент инерции двигателя,

Jтг - момент инерции тахогенератора.

Jдв=1,210-4кгм2,

Jтг=0,510-4кгм2 [11].

На валу расположены цилиндрические кулачки с радиусом 0,02 м и длиной 0,01 м. Момент инерции одного кулачка равен

, (2.3.2)

где m - масса кулачка,

R - радиус кулачка.

, (2.3.3)

где Р=7,7103 кг/м3,

V=R2L=3,140,0040,01=1,25610-5 м3.

кг.

кгм2

Так как на валу стоит три кулачка, то Jпр=5,710-6кгм2.

Момент инерции всей системы

J= 1,210-4+0,510-4+0,05710-4=1,75710-4 кгм2

Рассчитаем коэффициент вязкого трения двигателя

F=, (2.3.4)

где kм= 7,19 - коэффициент характеризующий магнитную проводимость магнитопровода электродвигателя,

kе=1,2 - коэффициент прпорциональности характеризующий конструкцию электродвигателя,

Ф=610-4 Вб,

Rа=180 Ом - сопротивление ротора.

.

Рассчитаем коэффициент успокоения, вносимого тахогенератором

, (2.3.5)

где km - передаточный коэффициент тахогенератора,

kу =20 - коэффициент усиления усилителя по напряжению,

kdU - коэффициент пропорциональности между пусковым моментом двигателя и приложенным к его якорю напряжением.

, (2.3.6)

, (2.3.7)

где = 141,4 - скорость вращения тахогенератора,

Uвых =11В - выходное напряжение тахогенератора,

Мп - пусковой момент двигателя.

, (2.3.8)

где Мном - номинальный момент двигателя.

, (2.3.9)

где Р=50В=510 кгсм/сек

кгсм,

кгсм.

,

Получим

.

Рассчитаем передаточный коэффициент ситемы

(2.3.10)

где kп=0,08 В/рад - коэффициент показывающий, какое напряжение сигнала ошибки приходится на единицу угла рассогласования.

В данном разделе проводится моделирование следящей системы, дифференциальное уравнение движение которой было получено в пункте (1.4) и имеет вид

Рассмотрим, как ведет себя следящая система в переходном процессе. Для этого следует задаться определенным законом движения входного вала системы.

Пусть до момента t=0 система находится в покое и ее выходной вал неподвижен. В

момент t=0 входной вал начинает вращаться с постоянной скоростью.

Для этих условий уравнение движения следящей системы примет вид:

(2.4.1)

для следящих систем в переходных процессах можно пренебречь влиянием статического момента нагрузки Мст по сравнению с динамическим моментом Мдин. Это значительно облегчает анализ системы, так как упрщается ее дифференциальное уравнение.

Итак, пренебрегая статическим моментом нагрузки, получим

(2.4.2)

Передаточная функция будет иметь вид

(2.4.3)

График переходного процесса представлен на рисунке (2.4.1.)

Время переходного процесса tп.п.= 0,12 сек

Перерегулирование =42,87%.

Для сравнения приведем график переходного процесса для системы без тахогенератора.

Передаточная функция в этом случае будет иметь вид

 (2.4.4)

График переходного процесса представлен на рисунке (2.4.2)

Рисунок 2.4.1 График переходного процесса следящей системы

Рисунок 2.4.2 График переходного процесса системы без тахогенератора

Переходный процесс для двигателя получился колебательный, поэтому на выходе воздуходувки воздух выходит не равномерно. Для того, чтобы сгладить неравномерность в АИВЛ «Спирон-210» перед и после воздуходувки были установлены ресиверы. После того как установили тахогенератор, колебания уменьшились и на много раньше установился установившийся режим.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6