文／于涛 首都经济贸易大学 管理工程学院 北京 100070

廊坊新奥智能科技有限公司 河北廊坊 065001

黄双峰、李庆军 廊坊新奥智能科技有限公司 河北廊坊 065001

引言：

随着社会经济的增长与科技水平的提高，城镇居民家庭使用的燃气表型号逐渐由物联网燃气表代替了传统的普通皮膜燃气表、IC 卡燃气表，在实现自动抄表、自助缴费便利的同时物联网燃气表的使用寿命也得到了越来越多的关注。按照燃气表检定规程JJG577-2012《模式燃气表》要求，以天然气为介质的民用燃气表使用期限一般不超过10年，但对于物联网燃气表这样新型的计量器具是否能达到10年的使用寿命，尚缺乏科学的寿命评估方法。

基于正常工作应力条件下开展城镇居民用物联网燃气表寿命评估研究，需要较长时间，较高费用，对于物联网燃气表这样高可靠、长寿命的产品，不具有现实意义。基于此种现状，利用应力加速寿命试验开展寿命评估成为了最好的选择。

1、应力加速寿命试验

应力加速寿命试验是在失效机理不变的基础上，通过寻找产品寿命与应力之间的物理化学关系-加速模型，利用高(加速)应力水平下的寿命特征去外推或评估正常应力水平下寿命特征的试验技术和方法[1]。以城镇居民用物联网燃气表为对象开展应力加速寿命试验的研究流程如下图1所示。

1.1 失效故障分析

物联网燃气表是以膜式燃气表为基表，加装远传电子控制器，实现数据远传及控制的燃气计量器具[2]，基于此种描述物联网燃气表属于机电集成产品范畴，在进行失效故障分析时需要综合考虑。

本研究选用廊坊新奥智能科技有限公司生产的某A 型号物联网燃气表为试验对象，A 型号物联网燃气表主要面向城镇居民用户，G2.5 规格，准确度1.5 级，采用NBIoT 通讯方式。统计其他型号物联网燃气表常见的故障维修信息，并结合失效机理，确定了A 型号物联网燃气表在加速寿命试验时可能出现的失效故障，如下表1所示。

表1 失效故障表

1.2 应力加载方式

按照加速寿命试验应力的加载方式，通常分为恒定应力、步进应力和序进应力。恒定应力加速寿命试验是最基本的加速寿命试验，相对于其他应力加载方式，最为成熟，试验方法简单且成功率高[3]。综合考虑城镇居民用物联网燃气表的失效机理、试验设备等因素，选用恒定应力加载方式。

1.3 加速模型

加速模型描述的是产品寿命与施加应力间的函数关系，不同的应力水平对应不同的寿命特征，常用的模型有Arrhenius 模型、Eyring 模型、Peck 模型和逆幂律模型。为寻找合适的加速模型，需结合城镇居民用物联网燃气表的失效机理进行综合分析。物联网燃气表为有效防尘、防潮，外壳结构采用密封设计，防护等级一般为IP65，同时电子控制器灌密封胶或喷涂三防漆，据此评估湿度对其的寿命影响较小；其次物联网燃气表供电方式采用4 节5号碱性电池，电压在6V 左右，静态功耗在50μA 之下,电应力对其寿命的影响同样较小；再者城镇居民用燃气表大多安装在厨房,位置固定，振动对其寿命影响基本可以忽略。

综上所述，选取Arrhenius 模型为加速寿命试验模型，该模型可以描述温度应力与产品寿命的关系[4]，表达式为：

式（1）中：L 代表产品的寿命特征；A 是未知的常数；Ea为激活能，单位为eV；K 为波尔茨曼常数，K=8.617×10-5eV/K，T 为热力学温度，单位为K。基于上式（1）可得Arrhenius 模型在温度TS时的加速因子AF，表达式为：

式（2）中Tu是以热力学温度K 为单位表示的产品正常工作温度，对于城镇居民用燃气表的工作温度常用25℃。加速因子AF 取决于激活能Ea、TS和Tu，当TS＞Tu时，将获得大于1 的加速倍数。

1.4 试验判定标准

对于城镇居民用物联网燃气表是否能达到10年的使用寿命，本文参考GB5080.4-85 中对可靠性测定试验区间估计所规定的方法，当置信度为90%时，利用χ2函数对试验时间下限进行估算[5]，如下所示：

上式（3）中r 为失效样本数，m 为产品规定的寿命时间，T 为所有样本累计的试验时间。当选取的试验样本数为n 时，加速寿命试验的截尾时间t 需满足：

上式（4）表明，当试验时间大于t 的取值下限时，评估城镇居民用物联网燃气表能达到10年的使用寿命，置信度为90%。

2、寿命评估试验方案

试验计划在恒定温度应力TS=338.15K（65℃）下进行，考虑物联网燃气表的失效薄弱点在电子控制器，激活能按电子产品典型值Ea=0.67eV,在城镇居民家庭室内，燃气表的环境温度按Tu=298.15K(25℃)计算，代入式（2）得到加速因子AF ≈21.9,表示在温度65℃试验1小时等效于温度25℃试验21.9 小时。

试验选取样本数量n=15,允许的失效样本个数r=0，查χ2分位数分布表得χ20.90(2r+2)= 4.605，按照10年的使用寿命m=87600 小时（1年按365 天），将各值代入式（4）可求得试验截尾时间t ≥614 小时。表示15个样本在温度65℃下进行试验614 小时，发生0 次失效，满足10年的使用寿命要求，置信度为90%。

选取A 型号物联网燃气表15 台，试验前确认各功能正常，完成开户操作后放入高低温箱，温度65℃。试验采用间歇检验方式，每隔9 天（216 小时）暂停高低温箱运行，将样品全部取出，恢复常温4 小时后在跑表架上通气，通气量Q 按照如下公式计算：

上式（5）中Δt 为间歇时间，AF 为加速因子，qa为城镇居民家庭每户每天用气量估值。本试验Δt=9 天，AF=21.9，qa=1m3/天，代入式（5）后求得Q=197.1m3。通气量达到Q 时，检验各样品是否发生表1 中的失效故障。如未发生失效故障，再次放入高低温箱，继续试验。如图1所示为试验环境。

图2 试验环境

3、寿命评估试验结果

试验分三次进行了样本检验，分别在第220h、438h和650h，当试验时间达到650h 时，试验停止。试验结束后所有样品均未发生表1 中失效故障。试验前后记录的静态功耗，大流量qmax、中流量0.2qmax的示值误差如下表2所示，各指标变化较小，产品具有良好的可靠性。

表2 试验前后数据对比

15 个样本在温度65℃下试验时间650h，样品失效数为0，大于试验要求下限时间614h,经判定A 型号物联网燃气表寿命满足10年的使用要求。

结语：

本文提出的城镇居民用物联网燃气表寿命评估方法，属于定性判断方法，具有实际的工程操作性，可为燃气表的制造企业快速评估产品可靠性提供有效的技术指导，同时可为燃气公司对物联网燃气表选型、维修更换、制定轮换政策以及全寿命周期内的其他管理活动提供科学合理的评价依据。