Исследование работы измерительной микроэлектроники в низкотемпературных климатических условиях

АКТУАЛЬНОСТЬ. Применение электронных измерительных устройств в процессе бурения скважин в особенно сложных и уникальных условиях Антарктиды. В условиях экстремально низких температур, которые характерны для этого региона, поставлена задача обеспечить надежную работу электроники, что является критически важным для успешного выполнения буровых операций и получения точных данных. Особое внимание уделено анализу различных методов защиты электронных устройств от отрицательных температур. Исследуются многочисленные подходы к термоизоляции, а также используются инновационные материалы, которые способны минимизировать влияние холодного воздуха на чувствительные компоненты электроники.

ЦЕЛЬ. Целью работы является исследование актуальных электронных измерительных систем, используемых при бурении скважин в условиях Антарктиды, а также проведение эксперимента над серийными датчиками температуры с использованием охлаждающей камеры.

МЕТОДЫ. В рамках работы проведены тщательные эксперименты с температурными датчиками различных типов и форматов. Тестирование осуществлялось в специальных охлаждающих камерах, что позволило моделировать реальные условия, с которыми сталкиваются устройства в Антарктиде. Кроме того, в исследовании рассматривается влияние расположения датчиков относительно микрочипов, что также может существенно влиять на их показатели точности и надежности. Важной частью работы стал эксперимент с электроникой, покрытой водонепроницаемым полимерным покрытием. Это покрытие не только защищает устройства от влаги, но и дополнительно изолирует их от холода, что в условиях Антарктики имеет первостепенное значение.

РЕЗУЛЬТАТЫ. Полученные результаты позволяют сделать выводы о наиболее эффективных способах защиты электронных измерительных устройств для бурения в непростых климатических условиях, а также открывают новые горизонты для дальнейших исследований в данной области.

1. X.K. Yu, Y.B. Tao, Preparation and characterization of paraffin/expanded graphite composite phase change materials with high thermal conductivity,(2022) InternationalJournalofHeatandMassTransfer, p. 123433 doi:10.1016/j.ijheatmasstransfer.2022.123433

2. Serbin, D. V., & Dmitriev, A. N. (2022). Experimental research on the thermal method of drilling by melting the well in ice mass with simultaneous controlled expansion of its diameter. Journal of Mining Institute, 257, 833-842. doi:10.31897/PMI.2022.82

3. ZhangNetal. (2020). Antarctic Subglacial Drilling Rig: Part IV. Electrical and Electronic Control System. AnnalsofGlaciology 1–12. https://doi.org/10.1017/aog.2020.40

4. Shishkin, E. V., Bolshunov, A. V., Timofeev, I. P., Avdeev, A. М., & Rakitin, I. V. (2022). Model of a walking sampler for research of the bottom surface in the subglacial lake vostok. Journal of Mining Institute, 257, 853-864. doi:10.31897/PMI.2022.53

5. Bolshunov, A. V., Vasilev, D. A., Ignatiev, S. A., Dmitriev, A. N., & Vasilev, N. I. (2022). Mechanical drilling of glaciers with bottom-hole scavenging with compressed air. [Механическое бурение ледников с очисткой забоя сжатым воздухом] Led i Sneg, 62(1), 35-46. doi:10.31857/S2076673422010114

6. Shilin Peng , Xiao Jiang, Yongzhen Tang, Chong Li, Xiaodong Li, Shengmiao Huang, Tianxin Zhu, Jianguang Shi, Youhong Sun, Pavel Talalay , Xiaopeng Fan, Nan Zhang, Bing Li, Da Gong and Haibin Yu 2021). Recoverable autonomous sonde for subglacial lake exploration: electronic control system design. Annals of Glaciology 62(85-86), 263–279. https://doi.org/10.1017/aog.2021.1

7. Pressure control method and device innovative design for deep oil in-situ exploration and coring Author links open overlay panel Nian-Han Wu, Ming-Zhong Gao, Liang-Yu Zhu, Jia-Nan Li, Dong Fan, Bin You, Wei Luo, Guo-Dong Zhu https://doi.org/10.1016/j.petsci.2022.10.011.

8. Lee, Ian & Hawley, Robert & Bernsen, Steven; Campbell, Seth & Clemens-Sewall, David & Gerbi, Christopher & Hruby, Kate. (2019). A novel tilt sensor for studying ice deformation: application to streaming ice on Jarvis Glacier, Alaska. Journal of Glaciology. 66. 1-9. 10.1017/jog.2019.84.

9. Performance of a deep in situ pressure-preserving coring controller in a high-temperature and ultrahigh-pressure test system Xiaojun Shi a,b , Heping Xie a,b , Cong Li a,b,*, Jianan Li a,b , Guikang Liu a,b , Zhenxi You b,c , Mingzhong Gao https://doi.org/10.1016/j.jrmge.2024.01.012

10. Sterkhov I.A. Kraev N. A., Denisova O. V Features of the Development of the Functional Units for Submersible Blocks of Downhole Telemetry Systems DOI: 10.1109/ElConRus51938.2021.9396635

11. Васильев, Н. И., А. Н. Дмитриев и П. А. Блинов (2012), Бурение глубокой скважины на российской антарктической станции Восток, Вестник ОНЗ РАН, 4, NZ2001, doi:10.2205/2012NZ000111.

12. Doyle, Samuel & Hubbard, Bryn & Christoffersen, Poul& Young, Tun Jan & Hofstede, Coen& Bougamont, Marion & Box, Jason & Hubbard, Alun. (2018). Physical Conditions of Fast Glacier Flow: 1. Measurements From Boreholes Drilled to the Bed of Store Glacier, West Greenland. Journal of Geophysical Research: Earth Surface. 123. 10.1002/2017JF004529.

13. Markov, Aleksey & Talalay, Pavel& Sysoev, Mikhail & Miller, Andrey; Cherepakhin, Alexander. (2021). Borehole multi-functional logger for geophysical high-precision monitoring in Antarctic and Greenland ice sheets and glaciers.Annals of Glaciology. 62. 1-11.10.1017/aog.2021.17.

14. Mortensen, N., Goetz, J., Gibson, C., Johnson, J., & Shturmakov, A. (2014). Replicate icecoring system architecture: Electrical, electronic and software design. Annals of Glaciology, 55(68), 156-164. doi:10.3189/2014AoG68A014

15. Moon, Sung In & Extrand, C..(2009). Water Vapor Permeation Resistance of Polycarbonate at Various Temperatures.Industrial & Engineering Chemistry Research – IND ENG CHEM RES. 48.10.1021/ie900842t.

16. Исмоилов И.И., Грачева Е.И. Повышение управляемости энергетическими системами и улучшение качества электроэнергии // Вестник Казанского государственного энергетического университета. 2022. Т. 14. №1 (53). С. 3-12.

17. Абдуллазянов Э.Ю., Грачева Е.И., Альзаккар А., Низамиев М.Ф., Шумихина О.А., Valtchev S. Прогнозирование и анализ электропотребления и потерь электроэнергии на промышленных объектах. Известия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ. 2022;24(6):3-12. https://doi.org/10.30724/1998-9903-2022-24-6-3-12.

18. Bons, P., Jansen, D., Mundel, F. et al. Converging flow and anisotropy cause large-scale folding in Greenland’s ice sheet. Nat Commun 7, 11427 (2016).https://doi.org/10.1038/ncomms11427.

19. Петросянц К.О., Исмаил-Заде М.Р., Самбурский Л.М. Особенности моделирования ВАХ JFET-транзисторов в диапазоне криогенных температур // Изв. вузов. Электроника. – 2019. – Т. 24. – № 2. – С. 174–184. DOI: 10.24151/1561-5405-2019-24-2-174-184