Informazioni sull’affidabilità del sistema di raffreddamento criogenico

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Teledyne FLIR comprende quanto sia critica la prontezza della missione dell’utente e l’importanza di un funzionamento durevole del sistema a raggi infrarossi (IR) e senza manutenzione. I moduli della termocamera raffreddati e a media lunghezza d’onda (MWIR) devono essere progettati, testati e fabbricati per soddisfare i rigorosi requisiti ambientali e di affidabilità. Sono inclusi intervalli di temperatura militari e livelli elevati di urti e vibrazioni. Sapendo che l'affidabilità e la durata operativa sono generalmente determinate dal funzionamento e dalla durata del refrigeratore criogenico, Teledyne FLIR ha sviluppato, testato e prodotto un refrigeratore criogenico lineare rinforzato e di lunga durata per costruire moduli per fotocamere MWIR ottimizzati per le dimensioni, il peso e l'alimentazione con una durata operativa leader del mercato. In base ai test di durata e all'analisi di Weibull, il tempo medio stimato al guasto (MTTF) del refrigeratore criogenico Teledyne FLIR FL-100 è aumentato da circa 17.000 ore con l’introduzione del prototipo a circa 27.000 ore per le unità di produzione correnti con una durata prevista superiore a 30.000 ore.

Questo articolo descrive i tipi e la storia dei refrigeratori criogenici, spiega diversi fraintendimenti comuni sulla loro affidabilità e illustra cosa fa Teledyne FLIR per migliorarne la durata.

Introduzione al modulo della termocamera e al sistema

Teledyne FLIR progetta e produce molti sistemi di imaging IR diversi. Il portafoglio di prodotti Neutrino® include moduli per telecamere MWIR ad alte prestazioni e diversi modelli della serie Neutrino IS che integrano il modulo delle termocamere MWIR con un gruppo obiettivo zoom continuo (CZ). Questi moduli o sistemi di telecamere MWIR a raffreddamento criogenico sono disponibili in una varietà di configurazioni di modello, ognuna delle quali incorpora componenti simili, ma con le leggere variazioni necessarie per ottimizzare le prestazioni rispetto a dimensioni, peso e potenza. I componenti e le funzioni seguenti sono inclusi nei moduli e nei sistemi di telecamere MWIR.

• Focal Plane Array (FPA): L'FPA è costituito da un rilevatore ibrido in un circuito integrato di lettura (ROIC). Il rilevatore converte i fotoni MWIR in corrente elettrica. Il ROIC legge la corrente e fornisce una tensione analogica o un segnale digitale che è proporzionale al numero di fotoni nel rivelatore. Attualmente, i rilevatori InSb e la maggior parte dei rilevatori HgCdTe funzionano meglio a temperature criogeniche (ad es., 77 K). Queste basse temperature richiedono una notevole capacità di raffreddamento che si traduce in una maggiore dimensione del refrigeratore, un maggiore peso e una maggiore potenza. I rilevatori a infrarossi a barriera MWIR a caldo (ad es., T2SL) sono considerati ad alta temperatura di funzionamento (HOT) a circa 120 K e richiedono quindi una minore capacità di raffreddamento. Queste temperature più elevate comportano dimensioni più ridotte del refrigeratore portatile, un peso inferiore, un minor consumo energetico richiesto, tempi di acquisizione delle immagini ridotti e una maggiore durata del refrigeratore portatile.
• Dewar: Il Dewar è una confezione sottovuoto contenente l'FPA, la protezione fredda (definisce il numero f/ e previene la luce diffusa) e il filtro freddo (determina le lunghezze d'onda dei fotoni nel rivelatore). I segnali elettrici tra il ROIC e l'elettronica della fotocamera sono forniti tramite passanti ermeticamente sigillati. I numeri f/ più rapidi aumentano le prestazioni, ma aumentano anche le dimensioni dell'ottica.

• Refrigeratore criogenico: I refrigeratori criogenici meccanici forniscono un raffreddamento di lunga durata agli FPA IR. I design moderni si integrano direttamente con il Dewar come parte di un gruppo refrigeratore integrato (IDCA). Sono inoltre integrati e controllati da componenti elettronici della fotocamera, generalmente tramite un modulo elettronico di controllo dedicato del dispositivo di raffreddamento portatile.
• Elettronica telecamera: L'elettronica della telecamera può includere molteplici gruppi di schede a circuito stampato (PCBA) per eseguire le seguenti funzioni.
  L'elettronica dell'interfaccia del sensore include alimentazione, clock e logica di temporizzazione per l'FPA e, se necessario, la digitalizzazione delle uscite FPA
  I componenti elettronici dell'interfaccia utente includono l'elaborazione del segnale per il filtraggio del rumore, il miglioramento dell'immagine, la logica operativa e le funzioni della telecamera, tra cui l'interfaccia di comando e controllo generale e gli standard di uscita video per l'interfaccia utente.
  L'elettronica del controller del refrigeratore controlla il funzionamento del refrigeratore per raffreddare e mantenere la temperatura FPA/Dewar scelta per ottimizzare la potenza e la qualità dell'immagine.
  L'elettronica del controller ottico controlla il gruppo ottico-meccanico dell’obiettivo, mantiene la messa a fuoco atermalizzata in modo continuo rispetto allo zoom e supporta l'interfaccia utente.
• Ottica continua (CZ: È possibile integrare un'ottica CZ per fornire la soluzione di imaging finale. Il gruppo ottico-meccanico dell’obiettivo CZ comprende il gruppo ottico, il confezionamento meccanico, i motori di messa a fuoco e zoom e i sensori di temperatura.
  

Refrigeratori criogenici passati e presenti

I refrigeratori criogenici Stirling per applicazioni tattiche sono quasi sempre di tipo rotante o lineare. I refrigeratori rotanti utilizzano un albero a gomiti collegato al loro pistone mobile e al loro posizionatore. Questa disposizione consente un controllo preciso dell'angolo di fase relativa di questi componenti, ma introduce forze laterali dai collegamenti dell'albero a gomiti che possono influire sulla durata e sull'affidabilità. Al contrario, i refrigeratori portatili lineari sono azionati da attuatori a bobina di altoparlante con forze laterali minime e che si basano su un azionamento pneumatico e sulla messa a punto per controllare la fase del posizionatore rispetto al compressore.

I refrigeratori portatili rotanti sono stati il tipo più comune nei primi sensori raffreddati. Grazie al meccanismo preciso di controllo della fase meccanica e al fatto che la fase non varia con la frequenza (RPM), i refrigeratori portatili rotanti hanno avuto storicamente un'efficienza e tempi di raffreddamento più rapidi rispetto a quelli portatili lineari. Lo svantaggio di questi refrigeratori portatili è stato tradizionalmente il ciclo di vita a causa della maggiore usura della tenuta causata dalle forze laterali generate dai loro collegamenti meccanici dell'albero a gomiti. Tuttavia, i progetti moderni hanno notevolmente migliorato l'affidabilità, con alcuni produttori che dichiarano di avere una durata di 15.000-30.000 ore. Un altro inconveniente per i refrigeratori portatili rotanti è stato in generale la vibrazione esportata dai loro meccanismi a gomiti sbilanciati, che possono causare tremolii per i sistemi sensibili e, a loro volta, possono portare a un aumento dell’ingombro SWaP e a una minore affidabilità, se è necessaria una stabilizzazione. Anche la generazione di rumore acustico è un problema con molti refrigeratori portatili rotanti.

Figura 1. Schemi di refrigeratori criogenici rotanti e lineari

I refrigeratori criogenici lineari sono diventati il tipo più comune per i sistemi più recenti grazie alla loro durata significativamente maggiore e alle minori vibrazioni esportate. Il meccanismo del refrigeratore criogenico lineare di solito consente di ottenere dimensioni leggermente maggiori per una data capacità di raffreddamento e tempi di raffreddamento leggermente più lunghi. Poiché sono regolati per funzionare vicino alla risonanza, i refrigeratori lineari sono limitati a una singola frequenza di funzionamento. La loro potenza in ingresso può essere modulata attraverso l'ampiezza dei pistoni del compressore, ma l'incapacità di aumentare la frequenza durante il raffreddamento comporta tempi di raffreddamento più lunghi rispetto a quelli ottenibili con i refrigeratori portatili rotanti. Per i moderni refrigeratori portatili lineari, si prevede una durata di 20.000-30.000 ore.

Il refrigeratore con tubo a impulsi è un tipo speciale di refrigeratore lineare Stirling in cui il posizionatore mobile Stirling nel dito freddo viene sostituito da un espansore privo di parti mobili. Una colonna di gas sostituisce il posizionatore fisico Stirling. Questo “pistone a gas” è accoppiato a un rigeneratore stazionario e a un meccanismo di spostamento di fase per controllare il flusso di massa relativo alla pressione oscillatoria. Questo meccanismo di controllo di fase è più sensibile alle condizioni di funzionamento rispetto alla regolazione pneumatica del refrigeratore lineare standard Stirling, il che porta a una minore efficienza nei punti di funzionamento lontano dal punto di progettazione. Il tempo di raffreddamento è particolarmente condizionato ed è in genere significativamente più lungo rispetto ad altri refrigeratori portatili con capacità simili. La separazione del rigeneratore dal tubo ad impulsi, che diventa il posizionatore efficace, porta a un dito freddo più grande. Anche i tubi a impulsi sono soggetti a sensibilità di orientamento, in particolare in ambienti ad alta accelerazione. Questi inconvenienti hanno impedito l'utilizzo dei refrigeratori con tubo a impulsi nella maggior parte delle applicazioni tattiche, nonostante il loro vantaggio nel corso della vita. I refrigeratori portatili con tubo ad impulsi, abbinati a un compressore a cuscinetto flessibile senza contatto, possono durare più di 100.000 ore.

Principi base di affidabilità del refrigeratore criogenico e pregiudizi

Figura 2. Relazione tra MTBF, MTTF, tasso di guasto e distribuzione cumulativa dei guasti

L'affidabilità dei moduli della telecamera raffreddati e dei refrigeratori criogenici viene spesso riportata in termini di tempo medio tra i guasti (MTBF) oppure di tempo medio al guasto (MTTF). Anche se i termini sembrano simili, ci sono diverse importanti distinzioni. In genere, il MTBF viene applicato ai sistemi riparabili, mentre il MTTF viene utilizzato per i sistemi che non possono essere riparati. Cosa ancora più importante, i due parametri sono definiti in modo diverso e non si confrontano direttamente tra loro. Per aggiungere ulteriore ambiguità, a volte l’MTTF viene indicato come tempo medio prima del guasto e abbreviato come MTBF. Questi parametri sono mostrati con il tasso di guasto tipico e le curve di distribuzione dei guasti cumulativi nella Figura 2.

Il parametro MTBF (tra) presuppone un tasso costante di guasti per un componente, il che rappresenta un buon presupposto per i componenti non soggetti a usura meccanica (ad es., parte elettronica). È equivalente all'inverso del tasso di guasto casuale del componente ed è spesso definito come (n. ore operative) / (n. fallimenti) per una popolazione di riferimento. L’MTBF è stato spesso utilizzato storicamente per refrigeratori criogenici e termocamere raffreddate, in particolare quando i refrigeratori criogenici si consumavano rapidamente e venivano sostituiti frequentemente. Per i refrigeratori criogenici più moderni, il tasso di guasto prima dell'usura è generalmente molto basso e l’MTBF è quindi molto alto. Poiché non tiene conto dell’usura meccanica del refrigeratore criogenico e si concentra solo sul tasso di guasto casuale prima dell’usura, l’MTBF calcolato di un refrigeratore criogenico spesso supererà significativamente il suo MTTF o la durata prevista.

Attualmente, le stime di durata del refrigeratore criogenico sono presentate più spesso in termini di MTTF e calcolate utilizzando le statistiche di Weibull. La distribuzione di Weibull più utilizzata ha due parametri, un parametro di forma indicativo della quantità di usura nel sistema e un parametro di durata che rappresenta il punto in cui il 63% della popolazione non avrà avuto successo. I due parametri di distribuzione Weibull che rappresentano il tasso di guasto rispetto al tempo sono mostrati di seguito.

L’MTTF, definito come il momento in cui il 50% delle unità nella popolazione non avrà avuto successo, può essere calcolato da un campione di unità utilizzando un software di analisi statistica. Questa metodologia è ora utilizzata dalla maggior parte dei produttori di refrigeratori criogenici, tuttavia molti riportano il parametro di durata della loro distribuzione (guasto del 63%) piuttosto che l’MTTF reale (guasto del 50%). Poiché questo metodo tiene conto dell'usura dei refrigeratori portatili meccanici, fornisce una stima migliore della loro reale vita utile. Teledyne FLIR stima la durata del refrigeratore criogenico per i nostri prodotti, adattando i dati dei nostri test di durata a una distribuzione Weibull e calcolando il punto MTTF (guasto del 50%) della popolazione.

Anche se gli ingressi MTTF del refrigeratore criogenico sono utili per stabilire l’affidabilità del sistema a infrarossi raffreddato criogenicamente, vi è un’importante avvertenza per i moduli e i sistemi di termocamere di Teledyne FLIR. I refrigeratori criogenici sono progettati come componenti sostituibili in fabbrica all'interno del sistema. Un refrigeratore criogenico usurato può essere facilmente sostituito in fabbrica, il che significa che il sistema a infrarossi deve essere visto come riparabile più volte, se necessario, e quindi offrire una maggiore durata operativa del sistema a infrarossi.

Miglioramenti nell'affidabilità del refrigeratore criogenico in Teledyne FLIR

La prontezza operativa e il funzionamento prolungato e senza manutenzione sono fondamentali per le missioni dei sistemi IR. Teledyne FLIR ha sviluppato un refrigeratore criogenico lineare rinforzato, di lunga durata, che fa parte dei moduli della termocamera MWIR raffreddata Neutrino® ottimizzata SWaP. Il refrigeratore criogenico lineare FL-100 illustrato nella Figura 3 non è solo il migliore della categoria dal punto di vista delle prestazioni, ma ha anche una durata di esercizio stimata di oltre 27.000 ore (MTTF) in base ai test di durata e alla distribuzione Weibull.

Il design di FL-100 è stato sottoposto a continui interventi migliorativi dalla sua introduzione nel
2018. Sono stati apportati diversi miglioramenti di tolleranza e riduzione dell'attrito, con conseguente aumento della durata e della capacità di raffreddamento. Anche le innovazioni di processo, concentrate principalmente sulla qualità delle guarnizioni di sfregamento e sull'allineamento dei componenti mobili, hanno contribuito in modo significativo a migliorare la durata. L’impatto di questi miglioramenti sull’affidabilità dell’FL-100 è stato quantificato attraverso il programma di test di affidabilità del refrigeratore criogenico di Teledyne FLIR. Sono stati apportati ulteriori miglioramenti nella convalida mirata a un MTTF superiore a 30.000 ore.

Figura 3: Refrigeratore criogenico Teledyne FLIR FL-100

Teledyne FLIR esegue test continui di affidabilità del refrigeratore criogenico al doppio scopo di verificare e migliorare l'affidabilità. I test comprendono sia test standard di settore che test di durata (ALT) basati sul profilo di test di durata degli US Army Standard Advanced Dewar Assembly (SADA) che test di durata accelerati che incorporano diverse sollecitazioni acceleranti. I dati raccolti consentono di tradurre i risultati dei test accelerati in una durata equivalente di SADA. La struttura di test FL-100 ha una capacità di 26 refrigeratori con 8 dedicati al profilo SADA e 18 sottoposti ad ALT. Vengono aggiunte nuove unità man mano che le stazioni di test diventano disponibili, consentendo la verifica delle prestazioni della produzione attuale e la valutazione dei miglioramenti di processo e progettazione. In base ai test di durata e all’analisi di Weibull, il tempo medio stimato al guasto (MTTF) del refrigeratore criogenico Teledyne FLIR FL-100 è aumentato da circa 17.000 ore con l’introduzione del prototipo a circa 27.000 ore per le unità di produzione correnti.

Figura 4: Evoluzione di Teledyne FLIR FL-100 MTTF basata su test di affidabilità e analisi di Weibull

Riepilogo di Teledyne FLIR FL

L'affidabilità del refrigeratore criogenico in ambienti variabili è spesso scalata dai requisiti di alimentazione in ingresso di una determinata applicazione. In questo modo, la durata stimata in un ambiente standard (ad es., profilo SADA) può essere tradotta in un caso d'uso del cliente tramite normalizzazione di wattora. Per questo motivo, un refrigeratore criogenico più efficiente ha generalmente una durata maggiore, in particolare nelle applicazioni che richiedono sollecitazioni.

Oltre all'affidabilità leader di categoria, l'FL-100 è stato progettato per fornire una capacità di raffreddamento efficiente per l'alimentazione in ingresso. La Figura 5 mette a confronto le curve delle prestazioni di raffreddamento per FL-100 e cinque refrigeratori lineari attualmente disponibili di diversi fornitori con i dati utilizzati da fonti pubbliche, tra cui schede tecniche e documenti pubblicati. Il modello FL-100 offre un miglioramento di almeno il 20% e fino a 2 volte della potenza in ingresso rispetto alla capacità di raffreddamento se paragonata a refrigeratori portatili lineari simili.

Figura 5: Capacità di raffreddamento dell'alimentazione in ingresso per il refrigeratore FL-100 rispetto ai tipici microrefrigeratori

I refrigeratori criogenici lineari sono diventati il tipo più comune per i sistemi più recenti grazie alla loro durata significativamente maggiore e alle minori vibrazioni esportate. Per i moderni refrigeratori portatili lineari, si prevede una durata di 20.000-30.000 ore. Il refrigeratore criogenico lineare Teledyne FLIR FL-100 ha un MTTF di circa 27.000 ore e con il miglioramento continuo del prodotto è destinato a superare 30.000 ore di MTTF. È integrato nei moduli con versione aggiornata per termocamera MWIR raffreddati con risoluzione 640 x 512 Neutrino LC e risoluzione 1280 x 1024 Neutrino SX8 ottimizzati SWaP, nonché nei moduli per termocamera MWIR VGA e SXGA della serie Neutrino IS con vari gruppi di obiettivi CZ. Come componente affidabile e sostituibile, il modello FL-100 consente una maggiore durata utile del portafoglio Neutrino.

Per saperne di più, visita www.flir.com/neutrino.