Comprensión de la fiabilidad del sistema criorrefrigerado

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Teledyne FLIR comprende la importancia de la preparación de la misión de nuestro usuario’ y la importancia del funcionamiento prolongado y sin mantenimiento del sistema de infrarrojos (IR). Los módulos de cámara refrigerada de infrarrojos de longitud de onda media refrigerada (MWIR) se deben diseñar, probar y fabricar para cumplir con rigurosos requisitos de entorno y fiabilidad. Esto incluye rangos de temperatura militares y altos niveles de choque y vibración. Consciente de que la fiabilidad y la vida útil operativa están determinadas normalmente por el funcionamiento y la vida útil del criorrefrigerador, Teledyne FLIR desarrolló, probó y fabrica un criorrefrigerador lineal reforzado de larga duración para fabricar módulos de cámara MWIR optimizados para el tamaño, el peso y la potencia (SWaP) con vida útil operativa líder en el mercado. De acuerdo con las pruebas de vida útil y el análisis de Weibull, el tiempo medio estimado hasta el fallo (MTTF) del criorrefrigerador Teledyne FLIR FL-100 ha aumentado de aproximadamente 17 000 horas en la introducción del prototipo a aproximadamente 27 000 horas para las unidades de producción actuales con una vida útil de más de 30 000 horas.

Este documento describe los tipos y el historial de criorrefrigeradores, explica varios malentendidos comunes sobre su fiabilidad y cubre lo que Teledyne FLIR está haciendo para mejorar la vida útil de los criorrefrigeradores.

Módulo de cámara de infrarrojos e introducción al sistema

Teledyne FLIR diseña y fabrica muchos sistemas de adquisición de imágenes IR diferentes. La gama de productos Neutrino® incluye módulos de cámara MWIR de alto rendimiento y varios modelos de la serie Neutrino IS que integran el módulo de cámara MWIR con un conjunto de lente de zoom continuo (CZ). Estos sistemas o módulos de cámaras MWIR criorrefrigerados vienen en una variedad de configuraciones de modelos. Cada uno incorpora componentes similares, pero con ligeras variaciones para optimizar el rendimiento frente al tamaño, el peso y la potencia. Los siguientes componentes y funciones se incluyen en los sistemas y módulos de cámara MWIR.

• Matriz de plano focal (FPA): La FPA está compuesta por un detector hibridizado con un circuito integrado de lectura (ROIC). El detector convierte fotones MWIR en una corriente eléctrica. El ROIC lee la corriente y proporciona una tensión analógica o señal digital que es proporcional al número de fotones del detector. Actualmente, InSb y la mayoría de los detectores de HgCdTe funcionan mejor a temperaturas criogénicas (p. ej., 77K). Estas bajas temperaturas requieren una potencia de refrigeración significativa, lo que se traduce en un mayor tamaño del refrigerador, mayor peso y mayor potencia. Los detectores infrarrojos de barrera MWIR calientes (p. ej., T2SL) se consideran de alta temperatura de funcionamiento (HOT) con aproximadamente 120K de funcionamiento y, por lo tanto, requieren menos capacidad de refrigeración. Estas temperaturas más altas significan un tamaño más pequeño, menor peso, menor consumo de energía, menor tiempo para la obtención de imágenes y mayor vida útil del refrigerador.
• Dewar: El Dewar es un paquete de vacío que contiene la FPA, el escudo de frío (define el número f y evita la luz parásita) y el filtro de frío (determina las longitudes de onda de los fotones en el detector). Las señales eléctricas entre el ROIC y los componentes electrónicos de la cámara se proporcionan a través de vías de paso selladas herméticamente. Los números f más rápidos aumentan el rendimiento, pero también el tamaño de la óptica.

• Criorrefrigerador: Los criorrefrigeradores mecánicos proporcionan refrigeración de larga duración a las FPA IR. Los diseños modernos se integran directamente con el Dewar como parte de un conjunto del refrigerador Dewar integrado (IDCA). También están integrados y controlados por la electrónica de la cámara, generalmente a través de un módulo electrónico de control del refrigerador.
• Electrónica de cámara: La electrónica de la cámara puede incluir varios conjuntos de placas de circuito impreso (PCBA) para lograr la siguiente funcionalidad.
  La electrónica de la interfaz del sensor incluye alimentación, relojes y lógica de temporización a la FPA y, si es necesario, digitalización de las salidas de la FPA
  La electrónica de la interfaz de usuario incluye: procesamiento de señales para filtrado de ruido, mejora de imágenes, lógica operativa y funciones de cámara, que incluye los estándares de salida de vídeo e interfaz de comandos y control generales para la interfaz de usuario.
  El controlador electrónico del refrigerador controla el funcionamiento del refrigerador para enfriar y mantiene la temperatura de la FPA/Dewar elegida para optimizar la potencia y la calidad de la imagen.
  La electrónica del controlador óptico controla el conjunto de lentes optomecánicas, mantiene un enfoque atermalizado continuo sobre el zoom y admite la interfaz de usuario.
• Óptica continua (CZ): Se puede integrar una óptica de CZ para proporcionar la solución de captura de imagen final. El conjunto de lente optomecánica de CZ incluye: el conjunto óptico, el embalaje mecánico, los motores de enfoque y zoom y los sensores de temperatura.
  

Criorrefrigeradores pasados y presentes

Los criorrefrigeradores de agitación para aplicaciones tácticas son casi siempre de tipo giratorio o lineal. Los refrigeradores giratorios utilizan un cigüeñal unido a su pistón móvil y a su desplazador. Esta disposición permite un control preciso del ángulo de fase relativo de estos componentes, pero introduce fuerzas laterales de los acoplamientos del cigüeñal que pueden afectar la vida útil y la fiabilidad. Por el contrario, los refrigeradores lineales son accionados por actuadores de tipo bobina de voz con fuerzas laterales mínimas y que dependen de la transmisión neumática y el ajuste para controlar la fase del desplazador en relación con el compresor.

Los refrigeradores rotativos eran el tipo de refrigerador más común en los primeros sensores refrigerados. Debido a su preciso mecanismo de control de fase mecánico y al hecho de que la fase no varía con la frecuencia (RPM), los refrigeradores rotativos históricamente han tenido una mayor eficiencia y tiempos de enfriamiento más rápidos que los refrigeradores lineales. El inconveniente de estos refrigeradores ha sido tradicionalmente la vida útil, debido al mayor desgaste de la junta causado por las fuerzas laterales generadas por los varillajes mecánicos del cigüeñal. Sin embargo, los diseños modernos han mejorado considerablemente la fiabilidad, con algunos fabricantes que afirman una vida útil de entre 15 000 y 30 000 horas. Otro inconveniente de los refrigeradores rotativos ha sido la vibración exportada de los mecanismos de biela desbalanceados, lo que puede causar fluctuaciones en sistemas sensibles y, a su vez, puede conducir a un aumento de la huella SWaP y a una menor fiabilidad si se necesita estabilización. La generación de ruido acústico también es un problema con muchos refrigeradores giratorios.

Figura 1. Diagrama de criorrefrigeradores giratorios y lineales

Los criorrefrigeradores lineales se han convertido en el tipo de refrigerador más común para los sistemas más nuevos debido a su vida útil significativamente más larga y a la menor vibración exportada. El mecanismo del criorrefrigerador lineal normalmente tiene un tamaño ligeramente mayor para una capacidad de refrigeración determinada y tiempos de enfriamiento ligeramente más largos. Debido a que están ajustados para funcionar cerca de la resonancia, los refrigeradores lineales están limitados a una única frecuencia de funcionamiento. Su potencia de entrada puede modularse a través de la amplitud de los pistones del compresor, pero la incapacidad de aumentar la frecuencia durante el enfriamiento da como resultado tiempos de enfriamiento más largos que los que se pueden lograr con los refrigeradores giratorios. Para los refrigeradores lineales modernos, se esperan vidas útiles de entre 20 000 y 30 000 horas.

El refrigerador de tubos de pulsos es un tipo especial de refrigerador lineal Stirling en el que el desplazador móvil Stirling del dedo frío se sustituye por un expansor que no contiene piezas móviles. Una columna de gas sustituye al desplazador físico Stirling. Este “pistón gaseoso” se empareja con un regenerador estacionario y un mecanismo de cambio de fase para controlar el flujo de masa relativo a la presión oscilatoria. Este mecanismo de control de fase es más sensible a las condiciones de funcionamiento que el ajuste neumático del refrigerador Stirling lineal estándar, lo que reduce la eficiencia en los puntos de funcionamiento alejados del punto de diseño. El tiempo de enfriamiento se ve especialmente afectado y, por lo general, es significativamente más largo que otros refrigeradores de capacidades similares. La separación del regenerador del tubo de pulso, que se convierte en el desplazador efectivo, conduce a un dedo frío más grande. Los tubos de pulso también son propensos a la sensibilidad de orientación, especialmente en entornos de alto G. Estos inconvenientes han impedido que los refrigeradores de tubos de pulsos se utilicen en la mayoría de las aplicaciones tácticas, a pesar de su ventaja de vida útil. Si se combinan con un compresor de cojinetes flexibles sin contacto, los refrigeradores de tubos de pulsos pueden tener una vida útil superior a 100 000 horas.

Conceptos básicos y conceptos erróneos sobre la fiabilidad de los criorrefrigeradores

Figura 2. Relación entre MTBF, MTTF, tasa de fallos y distribución acumulada de fallos

La fiabilidad de los módulos de cámara refrigerada y los criorrefrigeradores se informa a menudo en términos de tiempo medio entre fallos (MTBF) o tiempo medio hasta el fallo (MTTF). Aunque los términos suenan similares, hay varias distinciones importantes. Por lo general, MTBF se aplica a sistemas reparables, mientras que MTTF se utiliza para sistemas que no se pueden reparar. Y, lo que es más importante, las dos métricas se definen de forma diferente y no se comparan directamente entre sí. Para añadir más ambigüedad, a veces se hace referencia a MTTF como tiempo medio antes del fallo y se abrevia como MTBF. Estas métricas se muestran con la tasa de fallos típica y las curvas de distribución de fallos acumulativas en la Figura 2.

El indicador MTBF (entre) asume una tasa constante de fallos para un componente, lo cual es una buena suposición para componentes no sujetos a desgaste mecánico (p. ej., componentes electrónicos). Es equivalente a la inversa de la tasa de fallos aleatorios del componente y, a menudo, se define como (cantidad de horas de funcionamiento)/(cantidad de fallos) para una población de interés. El MTBF se solía utilizar históricamente para criorrefrigeradores y cámaras IR refrigeradas, especialmente cuando los criorrefrigeradores se desgastaban rápidamente y se sustituían con frecuencia. Para los criorrefrigeradores más modernos, la tasa de fallo antes del desgaste es generalmente muy baja y, por lo tanto, el MTBF es muy alto. Debido a que no tiene en cuenta el desgaste mecánico del criorrefrigerador y solo se centra en la tasa de fallo aleatorio antes del desgaste, el MTBF calculado de un criorrefrigerador a menudo superará significativamente su MTTF o vida útil esperada.

Actualmente, las estimaciones de vida útil del criorrefrigerador se presentan con más frecuencia en términos de MTTF y se calculan utilizando estadísticas de Weibull. La distribución Weibull más utilizada tiene dos parámetros: un parámetro de forma indicativo de la cantidad de desgaste en el sistema y un parámetro de vida útil que representa el punto en el que el 63 % de la población habrá fallado. A continuación, se muestra la distribución Weibull de dos parámetros que representa la tasa de fallos frente al tiempo.

El MTTF, definido como el tiempo en el que el 50 % de las unidades de la población habrá fallado, puede calcularse a partir de una muestra de unidades utilizando el software de análisis estadístico. La mayoría de los fabricantes de criorrefrigeradores utilizan ahora esta metodología. Sin embargo, muchos informan del parámetro de vida útil de su distribución (fallo del 63 %) en lugar del verdadero MTTF (fallo del 50 %). Este método proporciona una mejor estimación de su verdadera vida útil, ya que tiene en cuenta el desgaste de los refrigeradores mecánicos, . Teledyne FLIR estima la vida útil del criorrefrigerador para nuestros productos ajustando nuestros datos de pruebas de vida útil a una distribución Weibull y calculando el punto MTTF (fallo del 50 %) de la población.

Aunque las entradas MTTF del criorrefrigerador son útiles para establecer la fiabilidad del sistema criorrefrigerado por infrarrojos, existe una advertencia importante para los módulos y sistemas de cámara por infrarrojos de Teledyne FLIR. Los criorrefrigeradores están diseñados como un componente reemplazable de fábrica dentro del sistema. El criorrefrigerador desgastado se puede sustituir fácilmente en nuestra fábrica, lo que significa que el sistema IR se debe ver como reparable varias veces si es necesario y, por lo tanto, ofrecer una vida útil prolongada del sistema de infrarrojos.

Mejoras y fiabilidad de los criorrefrigeradores en Teledyne FLIR

La preparación operativa y el funcionamiento prolongado y sin mantenimiento son fundamentales para las misiones del sistema IR. Teledyne FLIR desarrolló un criorrefrigerador lineal reforzado y de larga duración como parte de los módulos de cámara MWIR con refrigeración Neutrino® optimizados para SWaP. El criorrefrigerador lineal FL-100 que se muestra en la Figura 3 no solo es el mejor de su clase desde una perspectiva de rendimiento, sino que también tiene una vida útil estimada de más de 27 000 horas (MTTF) basada en pruebas de vida útil y la distribución de Weibull.

El diseño del FL-100 ha experimentado esfuerzos de mejora continua desde su presentación en
2018. Se han realizado múltiples mejoras en la reducción de la fricción y la tolerancia, lo que se traduce en una mayor vida útil y capacidad de refrigeración. Las innovaciones en los procesos, centradas principalmente en la calidad de los sellos de fricción y la alineación de los componentes móviles, también contribuyeron significativamente a mejorar la vida útil. El impacto de estas mejoras en la fiabilidad del FL-100 se ha cuantificado a través del programa de pruebas de fiabilidad del criorrefrigerador de Teledyne FLIR. Se están validando mejoras adicionales con el objetivo de conseguir un MTTF superior a 30 000 horas.

Figura 3: Criorrefrigerador FL-100 de Teledyne FLIR

Teledyne FLIR realiza pruebas continuas de fiabilidad de criorrefrigeradores con el doble propósito de verificar y mejorar la fiabilidad. La prueba se compone de las dos pruebas estándar de la industria que siguen el perfil de prueba de vida útil del montaje de Dewar avanzado estándar (SADA) del ejército de los EE. UU. y la prueba de vida útil acelerada (ALT) que incorpora varias tensiones de aceleración. Los datos recopilados permiten la traducción de los resultados acelerados de la prueba a vidas útiles equivalentes de SADA. El centro de pruebas del FL-100 tiene capacidad para 26 refrigeradores con 8 dedicados al perfil SADA y 18 sometidos a ALT. Se añaden nuevas unidades a medida que las estaciones de prueba están disponibles, lo que permite verificar el rendimiento de la producción actual y evaluar las mejoras de proceso y diseño. De acuerdo con el programa de pruebas de vida útil y el análisis de Weibull, el MTTF estimado del criorrefrigerador FL-100 ha aumentado de aproximadamente 17 000 horas en la presentación del prototipo a aproximadamente 27 000 horas para las unidades de producción actuales.

Figura 4: Evolución de MTTF de FL-100 de Teledyne FLIR basada en pruebas de fiabilidad y análisis Weibull

Resumen de FL-100 de Teledyne FLIR

La fiabilidad de los criorrefrigeradores en entornos variables a menudo es ampliada por los requisitos de potencia de entrada de una aplicación determinada. De esta forma, las vidas útil estimadas en un entorno estándar (p. ej., perfil SADA) se pueden traducir a un caso de uso de cliente mediante normalización por vatios-hora. Por este motivo, un criorrefrigerador más eficiente generalmente tiene una vida útil más larga, particularmente en aplicaciones de tensión.

Además de la fiabilidad líder en su categoría, el FL-100 se diseñó para proporcionar una capacidad de refrigeración eficiente según la alimentación de entrada. La Figura 5 compara las curvas de rendimiento de refrigeración para el FL-100 y cinco refrigeradores lineales disponibles actualmente de varios proveedores con los datos utilizados de fuentes públicas, incluidas hojas de datos y documentos publicados. El FL-100 ofrece una mejora de al menos el 20 % y hasta el doble de mejora en la potencia de entrada según la potencia de refrigeración en comparación con refrigeradores lineales similares.

Figura 5: Potencia de entrada Capacidad de refrigeración para el refrigerador FL-100 en comparación con los micro refrigeradores típicos

Los criorrefrigeradores lineales se han convertido en el tipo de refrigerador más común para los sistemas más nuevos debido a su vida útil significativamente más larga y a la menor vibración exportada. Para los refrigeradores lineales modernos, se esperan vidas útiles de entre 20 000 y 30 000 horas. El criorrefrigerador lineal FL-100 de Teledyne FLIR tiene un MTTF aproximado de 27 000 horas y con una mejora continua del producto se pretende superar las 30 000 horas de MTTF. Está integrado en los módulos de cámara de 640 × 512 de resolución Neutrino LC optimizada para SWaP y de 1280 × 1024 de resolución Neutrino SX8 refrigerados así como en la serie Neutrino IS de módulos de cámara MWIR VGA y SXGA con varios conjuntos de lentes CZ. Como componente fiable y reemplazable, el FL-100 permite una vida útil prolongada para la cartera Neutrino.

Más información en www.flir.com/neutrino.