Активные вещества в атмосфере

МДК 01.02 Проектирование цифровых устройств

Раздел 1 Общие сведения о конструкции ЭВМ

Тема 1.1Факторы, влияющие на работоспособность ЭВМ -2

Классификация факторов

Климатические факторы

Механические факторы

Радиационные факторы

Конструкция современной ЭВМ и системы – комплекс различных по природе деталей, определенным образом, объединенных электрически и механически друг с другом. Этот комплекс деталей способен выполнять заданные функции в заданных условиях и режимах эксплуатации. От правильного выбора этих деталей, материалов, из которых они изготовлены, правильного их размещения, закрепления и объединения зависят важнейшие характеристики машин (быстродействие, объем, масса, потребляемая мощность, допустимые условия эксплуатации, надежность, стоимость и т.д.).

Широкое внедрение ВТ во все сферы человеческой деятельности предопределяет необходимость разработки таких ЭВМ, которые бы имели широкие возможности применения, малую стоимость, небольшую длительность этапа разработки и внедрения ее в производство, максимальную технологичность.

Конструктор – разработчик ЭВМ для обеспечения этих требований в качестве исходных данных использует электрическую схему машины, вид объекта установки машины и общие сведения об уровне производства, предназначенного для выпуска разработанной машины малыми, средними и большими сериями.

От вида объекта установки ЭВМ зависит, какие из факторов в большей степени будут влиять на ее работоспособность.

При определении стоимости ЭВМ, ее надежности, удобства наладки и ремонта, трудоемкости и технологичности имеет большое значение уровень производства.

Факторы, влияющие на работоспособность ЭВМ и

Систем

Электронно-вычислительные машины и системы обычно эксплуатируются в различных условиях, имеющих различную физико-химическую среду и природу. Условия эксплуатации изменяются в очень широких пределах.

Рассмотрим факторы, которые влияют на работоспособность ЭВМ. Они подразделяются на следующие: климатические, механические и радиационные.

Кклиматическимфакторамотносят:

- изменение температуры и влажности окружающей среды;

- тепловой удар;

- увеличение или уменьшение атмосферного давления;

- наличие ветра или движущегося потока пыли, песка;

- присутствие активных веществ в окружающей атмосфере;

- наличие солнечного облучения;

- наличие грибковых образований (плесени), микроорганизмов;

- наличие насекомых и грызунов;

- наличие взрывоопасной и воспламеняющейся атмосферы;

- дождь, брызги;

- присутствие в окружающей среде озона.

Кмеханическимфакторамотносят:

- воздействие вибрации, ударов;

- воздействие линейного ускорения;

- акустический удар;

- наличие невесомости.

Крадиационнымфакторамотносят:

- космическую радиацию;

- ядерную радиацию от реакторов, атомных двигателей;

- облучение потоком гамма – фотонов;

- облучение быстрыми нейтронами, бета – частицами, альфа – частицами, протонами, дейтронами.

Некоторые из этих факторов проявляют себя независимо от остальных, а некоторые факторы – в совместном действии с другими факторами той или иной группы. Например, наличие движущихся потоков песка неизбежно приведет к возникновению вибрации в ЭВМ.

Климатические факторы

Температура окружающей среды

Повышение температуры среды, окружающей ЭВМ и ее узлы, связано с одной стороны – с повышением температуры атмосферы, с другой стороны – с выделением теплоты при работе микроэлектронных компонентов.

Как правило, температура внутри ЭВМ больше наружной и это необходимо учитывать при разработке ее конструкции, ведь понижение температуры связано только с изменением температуры атмосферы.

Для того чтобы ЭВМ была работоспособной, необходимо определить допустимый температурный диапазон. При этом ЭВМ должна сохранять работоспособность во включенном, то есть рабочем состоянии.

Для исключения варианта выхода ЭВМ из строя в процессе хранения и транспортировки (в нерабочем состоянии), её конструкцию выполняют такой, чтобы она выдерживала температуры, несколько больше их допустимого диапазона. Такие температуры называют предельными температурами, они характеризуют тепло и холодопрочность конструкции ЭВМ.

Верхние и нижние значения температуры атмосферы окружающей среды при эксплуатации ЭВМ, а также температуры воздуха или другого газа при ее хранении и транспортировании разделяют по степеням жесткости, таб.1:

Таблица 1

Воздействующий фактор	Значения	Степень жёсткости
	Градусы, оС
Рабочие температуры	Верхнее   Нижнее	+1 -5 -10 -25 -30 -40 -45 -60 -85	I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII XIII XIV XV   I II III IV V VI VII VIII IX
Предельные температуры	Верхнее     Нижнее	+50 +60   -50 -60 -85	I II   I II III

Тепловой удар

Тепловой удар – это резкое изменение температуры окружающей среды. При этом время изменения температуры измеряется минутами, а ее перепад – десятками градусов. Такой вид воздействия на ЭВМ крайне нежелателен.

Атмосферное давление

Обычно ЭВМ устанавливается, в зависимости от назначения, на различных объектах. Эти объекты могут располагаться повсюду, как в горах, так и на равнинах, на полюсе или на корабле. И естественно, что атмосферное давление среды окружающей работающую ЭВМ – разное, в зависимости от высоты над уровнем моря. Давление же внутри корпуса постоянно, если корпус машины хорошо герметизирован.

На уровне моря отмечено минимальное давление 91 кПа и максимальное 107,5 кПа. Номинальное значение атмосферного давления – 101,3 кПа. С увеличением высоты над уровнем моря, давление падает.

Рассмотрим таблицу 2, отображающую степени жесткости данного воздействующего фактора:

Таблица 2

Степень жёсткости	I	II	III	IV	V	VI	VII	VIII	IX	X
Пониженное давление в, Па	7* 104	53,5* 103	26,7* 103	12* 103	2* 103	6,7* 102	133,3	13,3	0,13	1,3* 10-4
Повышенное давление в, Па	0,147* 106	0,294* 106	-	-	-	-	-	-	-	-

Влажность

Самым агрессивным воздействующим фактором является влажность. Этот фактор выступает в виде: дождя, брызг, водяных паров, содержащихся в атмосфере, образование росы, инея с последующим его оттаиванием.

Вода в атмосфере всегда загрязнена активными веществами: углекислыми и сернистыми солями кальция, магния, железа, хлористым натрием, газами (азот, кислород, углекислый газ). Если обсуждать морскую воду, то можно сказать, что в морской воде концентрация соли достигает 5%. Состав речной воды зависит от состава воды источников, их питающих и химической природы размываемых пород.

Капли дождя и брызг о корпус вызывают механические вибрации. Выпадение росы на поверхность аппаратуры происходит при определенной температуре, значение которой зависит от относительной влажности атмосферы.

Зависимости температуры выпадения росы от относительной влажности представлено в таблице 3.

Таблица 3

Относительная влажность, %
Точки росы, оС	15,5	12,1	7,8	2,0	-6,6

Содержание водяных паров выражается как процент от величины насыщения ими атмосферы. Существует понятие, абсолютнаявлажностьатмосферы – это есть фактическая масса водяного пара в 1 м³. Количество водяного пара в атмосфере сравнительно мало, и если общее содержание влаги остается неизменным, то относительная влажность при повышении температуры уменьшается. Например, если 1 дм³ воздуха содержит 0,07 г влаги при 4,4 ˚С (насыщение), то при более высокой температуре значение относительной влажности будет изменяться, как представлено в таблице 4:

Таблица 4

Температура воздуха, оС	4,4		15,5		27,5
Относительная влажность, %						19,5	14,5

Также, количество водяных паров в атмосфере уменьшается с ростом высоты над уровнем моря. В верхних слоях атмосферы воды практически нет.

Степени жесткости, относительной влажности и соответствующих температур, представлены в таблице 5.

Воздействия влажности на металлы и изоляционные материалы по физической природе различно, но имеет одинаковый результат - разрушение исходной структуры вещества, в металлах – коррозии, а в изоляционных материалах – за счет влагопоглощения.

Таблица 5

Степень жесткости	I	II	IV	VI	VIII
Относительная влажность, %
Температура, оС
Конденсация влаги	нет	нет	нет	нет	да

Пыль и песок

Пыль и песок в атмосфере обычно передвигаются вместе с движущимися потоками воздуха, постепенно равномерно оседая на все предметы, находящиеся в окружающей среде.

Вблизи городов и тепловых электростанций содержание пыли в атмосфере увеличивается.

Рассмотрим состав пыли – основную часть её состава представляют продукты сгорания (зола, сажа, продукты сгорания серы). Также присутствуют частицы текстильного и растительного происхождения. Размер частиц, образующихся после производственных процессов – достигает 20 мкм. Наряду с этим 95% всего числа пылинок составляют частицы размером 5 мкм.

Концентрация пыли с увеличением высоты над уровнем моря убывает по экспоненциальному закону. Средний уровень концентрации пыли в нашей широте 100 пылинок в 1см³ воздуха, на высоте - 1,5 км в среднем 1 пылинка в 1см³.

Сухие частицы пыли вследствие адсорбирования ионов могут быть заряжены. А заряженные частицы оседают преимущественно на деталях, находящихся под постоянным потенциалом.

Песок состоит из округленных частиц кварца размером 0,06 – 0,8 мм. Наличие песка в атмосфере заметно, особенно в районах с жарким, сухим климатом, его концентрация увеличивается с увеличением скорости движения масс воздуха.

Грибковые образования

Эти образования относят к низшим растениям, которые не имеют фотосинтеза. Отсутствие хлорофилла является причиной того, что для своего роста такие растения используют органические вещества, а в процессе жизнедеятельности – выделяют ферменты (метаболиты), ускоряющие процессы разложения этих веществ. В состав грибковых образований входит вода (до 90%), но, несмотря на это, они гигроскопичны и во влажной атмосфере интенсивно поглощают воду.

Грибковые образования довольно быстро разрастаются. Идеальные условия для их роста – относительная влажность 80-100%, температура 25-35˚С, неподвижность воздуха, отсутствие света (ультрафиолетовой и инфракрасной частей спектра, тормозящих их развитие).

Солнечное облучение

Энергия солнечных лучей, падающих на земную поверхность, составляет около 1,4*10³ Вт/м² и сосредотачивается в основном в области длин волн: 0,2-0,5 мкм.

Активные вещества в атмосфере

Содержание активных веществ в атмосфере значительно больше вблизи морей и океанов, нежели во внутриконтинентальных районах. Если сравнивать жилые и нежилые районы, то, естественно, содержание активных веществ вблизи городов, тепловых электростанций, крупных производств и т. д. гораздо больше, нежели вне их. К ним относятся: сернистый газ, хлористые соли, пары азотной кислоты, щелочей и др.

Климатические зоны

Действие климатических факторов на работоспособность ЭВМ определяется климатической зоной или высотой над уровнем моря, где эксплуатируется машина.

Климатическойзоной – называют участок поверхности Земли, на котором в течение 30 – 50 лет наблюдаются постоянные, характерные метеорологические условия. Различают следующие климатические зоны:

- умеренную (У);

- холодную (ХЛ);

- тропическую влажную (ТВ);

- тропическую сухую (ТС);

- умеренно-холодную морскую (М);

- тропическую морскую (ТМ).

Зоны умеренного климата: Европа, Западная и Южная Сибирь, равнинный Китай, Канада, США, северная Япония, южные районы Австралии, Африки и Южной Америки – районы между 30-й и 60-й параллелями Южного и Северного полушарий.

Здесь среднегодовое изменение температуры от -30˚ до +35˚С с максимальными значениями ±40˚С; среднесуточный перепад температуры 11˚С; средняя относительная влажность 80% при температуре +20˚С (влажность может доходить до 90%); обледенение, образование инея, росы, наличие тумана; изменение давления воздуха от 86 до 106 кПа.

Зоны холодногоклимата: Средняя и Восточная Сибирь, Аляска, Северная Канада, Гренландия, Антарктида, Арктика.

Здесь характерно наличие отрицательных температур в течение большей части года, средняя минимальная температура -50˚С; средняя максимальная температура +30˚С; годовой перепад температур для некоторых районов 80˚С, среднесуточный может доходить до 40˚С.

Наиболее холодная местность – Антарктида, на станции Фрамгейме зарегистрирована среднегодовая температура -25˚С.

Частые и большие перепады температур приводят к образованию инея, тумана обледенения. В летние месяцы появляется множество насекомых (гнус, комары). Скорость ветра при пурге доходит до 40 – 100 м/сек. Из всего количества выпадающих осадков (до 200 мм) более половины приходится на снег.

Зоны тропическогосухогоклимата: засушливые районы Средней Азии, Турция, Иран, Афганистан, Аравия, Северная и Центральная Африка, Южная Африка – пустыня Калахари, Центральная Австралия, Мексика, средняя часть Южной Америки.

Здесь характерны высокая температура и низкая относительная влажность воздуха (в среднем 10 – 20%) в течение большей части года. Температура воздуха изменяется от +60˚С днем до -10˚С ночью, суточное изменение температур достигает 40˚С. Температура земли и поверхности аппаратуры на солнце достигает +75˚С. Большую часть года в районах сухого климата дуют ветры. Движущиеся потоки захватывают частицы песка, поднимают на большую высоту (3000 м) и переносят на значительное расстояние с большой скоростью. Частицы пыли и песка остаются во взвешенном состоянии в течение нескольких недель и медленно осаждаются на поверхность аппаратуры. Для этих районов характерно также наличие грызунов, насекомых и пресмыкающихся.

Зоны тропическоговлажногоклимата: Индия, Индокитай, Индонезия, тропическая Экваториальная Африка, Америка и бассейн Амазонки.

Здесь характерна среднегодовая температура от +20˚С до +25˚С при минимальной +3˚С и максимальной +40˚С. Перепад температур за сутки не превосходит +10˚С. Относительная влажность воздуха доходит до 100% при температуре +35˚С. Часты грозы, туман, роса, обилие насекомых, грызунов, пресмыкающихся.

Различают два типа тропического климата: влажный тропический лес и районы тропических морей.

Для леса характерны относительное постоянство температуры днем и ночью (перепад 2 - 3˚С), высокая влажность – 85%. Для морей характерно наличие большой концентрации солей в атмосфере (например, наличие NaCl может достичь 5 мг в 1 м³ на расстоянии 45м от линии прибоя). Высокая влажность способствует развитию микроорганизмов, а загрязненная солями атмосфера является причиной ускоренной коррозии металлов и разложения органических веществ.

Характеристики окружающей аппаратуру атмосферы зависят не только от вида климатической зоны, но и от высоты над уровнем моря. Это должно учитываться при конструировании ЭВМ в горных условиях и на космических объектах.

Атмосферу разделяют на зоны в соответствии с климатическими изменениями: ближайшая к поверхности Земли зона – тропосфера – простирается вверх до 16 км, следующая за ней – стратосфера – до 40 км, затем мезосфера – до 80 км и ионосфера – свыше 80 км.

Давление воздуха с ростом высоты падает и на границе между тропосферой и стратосферой оно равно - 10,6 кПа, рис.1. Содержание влаги в атмосфере с увеличением высоты также уменьшается. На высоте 15 км относительная влажность воздуха 2–3%.

Закон изменения температуры с увеличением высоты сравнительно сложен. До высоты 11 км, температура падает на каждые 300 м примерно на 2˚С, затем останавливается на уровне 60˚С до высоты 32 км и потом равномерно повышается на каждые 800 м на 7˚С. На высоте 50–60 км температура почти не меняется, оставаясь +80˚С. Затем снова уменьшается до -30˚С на высоте 80 км и далее только повышается.

Рис.1. График зависимости давления воздуха от высоты над уровнем моря.

На высоте 15-48 км расположена зона озона, поглощающего около 5% солнечной энергии (в основном поглощается коротковолновая часть электромагнитного спектра, т.е. ультрафиолетовые лучи с длиной волны ниже 4000 Å).

Исследование околоземного и космического пространства в последние годы позволило установить два радиационных пояса около Земли. Первый пояс располагается на высоте 2300–5500 км с пиковой интенсивностью на уровне 3860 км; второй пояс находится на высоте 12800 – 19300 км с максимальной интенсивностью на уровне 16000 км. Оба пояса простираются над геомагнитным экватором Земли и до широт 50-60˚. Более высокие широты свободны от присутствия заряженных частиц с высокой интенсивностью.

Механические факторы

Вибрация.

В процессе эксплуатации, а также при транспортировании, ЭВМ подвергается воздействию вибраций. Вибрации представляют собой периодические колебания, которые возникают в ЭВМ при контакте с источником колебаний. Особо опасные колебания или вибрации, частота которых близка к собственным колебаниям узлов и элементов конструкции (из-за резонансных явлений).

Способность машины противодействовать их влиянию, определяет ее вибропрочность и виброустойчивость.

Виброустойчивость – определяет способность ЭВМ устойчиво работать в условиях воздействия вибрации.

Вибропрочность – характеризует качество конструкции машины, т. е. способность противостоять разрушающему воздействию вибрации в нерабочем состоянии и продолжать нормально работать при включении после снятия вибрационных нагрузок.

Параметры вибрации – частота и ускорение. Значение этих характеристик для виброустойчивости ЭВМ выше, нежели для вибропрочности.

Механический удар

Механический удар наблюдается в тех случаях, когда объект, где установлена ЭВМ, претерпевает быстрое изменение ускорения. Параметры удара: ускорение и длительность удара. Удары бывают одиночные и многократные. Значения параметров ударных нагрузок разделяются по степени жесткости. Ударные нагрузки менее опасны, чем вибрации.

К механическим факторам также относятся линейное ускорение, акустический удар и невесомость.

Линейное ускорение

Линейное ускорение отрицательно влияет на работоспособность ЭВМ, оно выражается в единицах ускорения свободного падения – g. Линейное ускорение менее опасно, чем вибрации.

Акустический удар

Акустический удар можно характеризовать давлением звука, мощностью колебаний источника звука и силой звука.

Важный параметр звука – спектр звуковых частот, различный для всех видов источников. Так, звук ракетного двигателя имеет широкий спектр и почти равномерное распределение мощности по частотам спектра.

Невесомость

Невесомость проявляется в космических аппаратах и искусственных спутниках Земли. Она характеризуется отсутствием гравитационных сил или равновесием центробежной силы и силы притяжения Земли.

Влияние невесомости (длительной) на работоспособность ЭВМ сравнительно мало изучено. Невесомость оказывает отрицательное действие в местах соприкосновения движущихся поверхностей механических деталей (при этом изменяются свойства смазывающих масел) и в местах крепления массивных блоков, установленных на земле с начальными напряжениями, обусловленными их собственными массами.

Радиационные факторы

Космическая радиация.

Космическая радиация выражается в возникновении процесса ионизации в материалах и проявляется в ЭВМ, устанавливаемых на космических объектах. Основная характеристика космической радиации – мощность потока и интегральный поток.

Мощность потока – количество частиц, падающих на площадку в 1 см² за 1 сек. Интегральный поток – полное число частиц, прошедшее через площадку в 1 см² за все время облучения.