Термография вихревых токов в композитах на основе углеродного волокна: импульсные конденсаторы

Термография вихревых токов в композитах на основе углеродного волокна: импульсные конденсаторы

Резюме

Углеродсодержащий полимер проводит электричество примерно на два порядка слабее, чем сталь, и его проводимость анизотропна, поэтому импульсная вихретоковая термография работает со слабым сигналом. Импульс мощностью 225 Дж повышает температуру поверхности CFRP примерно на 0.94 К, и любое рассеяние энергии конкурирует с этим значением. В этой статье приводятся уравнения проводимости, глубины проникновения и контраста, четыре режима разрушения в поле и параметры банка, позволяющие обнаруживать слабые сигналы расслоения.

1. Введение

Углеродсодержащий полимер (CFRP) в настоящее время является основным конструкционным материалом самолетов, лопастей ветряных турбин и высокопроизводительных транспортных средств. Он также имеет характерный механизм разрушения. Упавший инструмент или обломок взлетно-посадочной полосы вызывают расслоение слоев под поверхностью, которая выглядит неповрежденной, а скрытые повреждения усугубляются под воздействием усталости.

Традиционные методы с трудом справляются с такими повреждениями. Ультразвуковой контроль требует контакта или погружения, а рентгеновское излучение дает плохой контраст для расслоения, расположенного параллельно поверхности. Импульсная вихретоковая термография, разработанная в Киотском университете, нагревает деталь коротким индукционным импульсом и визуализирует охлаждающуюся поверхность. Расслоение прерывает путь вихревого тока и проявляется в виде локальной горячей точки в течение нескольких секунд.

Углеродные композиты (CFRP) представляют собой сложную мишень для вихревых токов. Их проводимость анизотропна и примерно на два порядка ниже, чем у стали, поэтому индуцированный ток, нагрев и сигнал от дефектов слабы. Возбуждение также нестабильно во многих используемых системах, поскольку компоненты, накапливающие энергию, смещаются и не согласуются после завершения моделирования.

В данной статье рассматриваются физика проводимости и глубины проникновения сигнала, повторяемость энергии, необходимая для обнаружения слабых сигналов, а также параметры конденсаторов, обеспечивающие стабильность работы блока на частоте контроля.

2. Основной механизм

2.1 Анизотропная проводимость и путь вихревых токов

В CFRP проводимость в основном направлена ​​вдоль углеродных волокон. Типичный ламинат обеспечивает проводимость σ = 3 × 10⁴ С/м вдоль направления волокон и всего лишь от 10 до 100 С/м поперек них. Поэтому индукционная катушка генерирует вихревые токи, которые следуют вдоль волокон, и любой дефект, нарушающий траекторию движения волокон, искажает линии тока:

P_heat = J² / σ.

где P_heat — джоулево тепловыделение на единицу объема, J — плотность индуцированного тока, а σ — локальная проводимость.

Расслоение концентрирует ток по краям и усиливает локальный нагрев. Чем выше плотность тока, создаваемого катушкой, тем четче тепловой след. Ток возбуждения и блок, расположенный за ним, являются основным фактором, определяющим чувствительность обнаружения.

2.2 Глубина проникновения на частоте возбуждения

Вихревые токи проникают в ламинат на глубину, достаточную для проникновения в кожу:

δ = √(2 / (ω · µ · σ)).

где δ — глубина проникновения сигнала, ω — угловая частота, µ — магнитная проницаемость, а σ — проводимость вдоль волокна.

При частоте возбуждения 200 кГц угловая частота составляет ω = 1.26 × 10⁶ рад/с, что дает δ ≈ 6.5 мм. Эта глубина покрывает ламинат авиационного материала толщиной от 2 до 5 мм. Спектр импульса должен достигать полосы 200 кГц, что требует собственной резонансной частоты значительно выше этой.

2.3 Контраст нагрева и запасенная энергия

Накопленная в батарее энергия определяет повышение температуры поверхности. Энергетическое соотношение выглядит следующим образом:

W = ½ · C · V².

где W — запасённая энергия, C — ёмкость батареи, а V — напряжение заряда. Батарея с ёмкостью C = 200 мкФ при V = 1.5 кВ запасает 225 Дж.

Подъем уровня поверхности для связанной фракции η в области площадью A и нагретой глубиной d составляет:

ΔT = W / (ρ · c_p · A · d).

где ΔT — повышение температуры, ρ — плотность, c_p — удельная теплоемкость, A — площадь пятна, а d — глубина нагрева.

При η = 0.05, A = 100 см² и d = 1 мм повышение составляет около 0.94 К. Именно этот субкельвиновый контраст обуславливает необходимость повторения импульса. Любые изменения энергии попадают в кадр в виде температурного шума рядом с сигналом дефекта.

2.4 Повторяемость энергии и баланс последовательного напряжения

Выделяемая энергия зависит от напряжения заряда и от емкости:

ΔW/W = 2 · ΔV/V + ΔC/C.

где ΔW/W — относительная погрешность энергии, ΔV/V — погрешность заряда-напряжения, а ΔC/C — погрешность емкости.

Регулируемое зарядное устройство с точностью ±1% плюс блок с точностью ±1% дают погрешность ±3%, что добавляет около 0.03 кОм шума к сигналу 0.94 кОм. Блок с температурной погрешностью TCC = ±30 ppm/°C уменьшает емкостную составляющую до 0.18% при изменении температуры на 60 °C, а общая погрешность падает ниже ±1%.

В высоковольтных батареях компоненты соединяются последовательно, и напряжение на каждом элементе обратно пропорционально его емкости. Разброс допусков концентрирует напряжение:

k_v = (1 + d/100)^N / (1 − d/100)^N − 1.

где k_v — отношение пикового напряжения к среднему, d — процентный допуск, а N — количество последовательных каскадов. При 24 каскадах и d = 5% k_v = 3.2; подобранные пары с допуском ±1% снижают его до 0.56.

Рис. 1 — Глубина проникновения сигнала уменьшается с 13 мм на частоте 50 кГц до 6.5 мм на частоте 200 кГц, что соответствует толщине авиационного ламината от 2 до 5 мм.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Слабые сигналы дефектов, скрытые в шуме возбуждения.

Ламинат из углеродного волокна дает сигнал с температурой ниже кельвина, а погрешность энергии ±3% от выстрела к выстрелу добавляет температурный шум того же порядка, что и сигнал от неглубокого расслоения. При осмотре ангара одна и та же поврежденная панель показала явную аномалию в одном кадре и ничего в следующем. Оператор не мог определить, повреждена ли деталь или происходит дрейф импульсного генератора.

Проблема 2: Нестабильное возбуждение искажает оценку глубины.

Термографическая оценка глубины дефекта основана на времени достижения дефектом пикового контраста: ранний пик означает неглубокий дефект. Изменение ширины импульса или энергии сдвигает это кажущееся время пика, поэтому реальное расслоение на 2 мм в одном эксперименте считывается как 3.5 мм, а в следующем — как 1.2 мм. Точность определения глубины, на которой основывается решение о проведении ремонтных работ, определяется не камерой, а повторяемостью возбуждения.

Проблема 3: Последовательный дисбаланс напряжения приводит к каскадному эффекту.

24-ступенчатая струнная система, изготовленная из пленочные конденсаторы При допуске ±5% на самом слабом элементе возникает напряжение, в 3.2 раза превышающее среднее. В этом элементе начинается частичный разряд, разрушается изоляция, и напряжение переносится на соседние элементы. Элементы, прошедшие стендовые испытания по одному, выходят из строя в системе, и причина кроется в накопленном допуске, а не в самой детали.

Проблемный момент 4: Самонагрев СОЭ при высокой частоте пульса

Системы ECPT запускаются с высокой частотой импульсов для усреднения кадров, поэтому в блоке данных протекает повышенный среднеквадратичный ток. За этим следует самонагрев:

P = I_rms² · ESR.

где P — рассеиваемая мощность, I_rms — среднеквадратичный ток разряда, а ESR — эквивалентное последовательное сопротивление. Блок 30 мОм при 40 А среднеквадратичного значения рассеивает 48 Вт, а повышение температуры затем снова увеличивает ESR и потери. Операторы уменьшают частоту импульсов и теряют усреднение, необходимое для слабого сигнала от CFRP.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Выберите диэлектрик класса I для высокочастотных импульсов.

A N4700 Деталь класса I обеспечивает TCC ±30 ppm/°C, DF менее 0.1% и линейную кривую напряжения. Убедитесь, что собственная резонансная частота f_SR = 1/(2π√(ESL · C)) остается выше полосы возбуждения 200 кГц на реальных деталях. Диэлектрик класса II теряет емкость при смещении, поэтому передаваемая энергия уменьшается от выстрела к выстрелу.

Стратегия 2: Согласовать допуски и паразитные параметры по всему банку.

Контролируйте допуск емкости до ±2% и согласуйте ESR и ESL в пределах 5% между параллельно соединенными элементами. Используйте согласованные пары с допуском ±1%, чтобы k_v снизилось с 3.2 до 0.56, а разброс энергии упал ниже предела ±1%. Экранирование проводите при 200 кГц и рабочей температуре, а не при 1 кГц и 25 °C.

Стратегия 3: Определите размер теплового пути, исходя из величины самонагрева.

Вычислите самонагрев по формуле P = I_rms² · ESR и добавьте член диэлектрических потерь 2π · f · C · V² · DF. Рассчитывайте параметры охлаждения так, чтобы внутренняя температура оставалась ниже 80% от диэлектрического предела. Подтвердите полученный результат с помощью данных термопар из первой статьи.

Стратегия 4: Снизить номинальное напряжение и добавить резервную ступень.

Поддерживайте рабочее напряжение на уровне 70% или ниже номинального напряжения, что является наиболее сильным фактором, влияющим на показатель износостойкости n (от 8 до 12 для керамических элементов). Добавьте один резервный последовательный каскад, чтобы единичный отказ ухудшал производительность, а не выводил из строя весь канал. Следите за напряжением каскадов, поскольку постоянный дисбаланс позволяет заблаговременно выявить неисправный элемент.

Стратегия 5: Уменьшить индуктивность контура и обеспечить чистоту фронта импульса.

Длина проводов не должна превышать 3 мм при использовании ламинированной шины, а площадь петли должна быть менее 4 см², чтобы фронт сигнала длительностью 50 нс не вызывал колебаний выше 50 МГц на переключателе. Добавьте RC-демпфер с HVR-BSP демпфирующие резисторы через выпрямитель и использовать быстровосстанавливающиеся высоковольтные диоды где генератор импульсов выпрямляет напряжение на собственной шине питания.

Параметр компонента	Типичное значение	Условие теста
Номинальное напряжение (серия HVCT8G)	10 кВ постоянного тока	Высоковольтный модуль, рассчитанный на 1.5-кратное увеличение, рассчитан на 60 секунд.
емкость	4700 пФ ±20% (472М)	1 МГц, 1 В среднеквадратичного значения.
ЭПР на частоте 1 МГц	ниже 50 мОм	при 25 ° С.
Индуктивность петли (хорда E40)	ниже 8 нГн	Расстояние между клеммами 40 мм.
сопротивление изоляции	сопротивление выше 10 ГОм при напряжении 500 В постоянного тока	25 °C, 60% относительной влажности.
Диапазон температур	от −40 °C до +125 °C	Серия IEC 60068-2.
Возможность импульсного DV/DT	выше 50 кВ/мкс	при номинальном напряжении.

5. Конденсаторы HVC для этого узла

Блок из углепластика удерживает слабый сигнал от дефекта выше уровня шума при повторении передаваемой энергии. Это определяется двумя свойствами конденсатора: потерями на частоте возбуждения и стабильностью емкости в зависимости от температуры и количества импульсов. Компания HVC производит компоненты N4700 для обоих параметров на собственном заводе площадью 6,000 м² в Дунгуане, работающем в диапазоне напряжений от 1 кВ до 150 кВ.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• Значение ESR ниже 10 мОм при частоте 100 кГц позволяет поддерживать нагрев за импульс в диапазоне миллиджоулей, благодаря чему блок питания обеспечивает высокую частоту импульсов, необходимую для усреднения кадров.
• ESL ниже 20 нГн удерживает собственную резонансную частоту выше полосы возбуждения 200 кГц и обеспечивает чистоту фронта сигнала на 50 нс. Конденсаторы дверной ручки HVCT8G покрывают этот диапазон.
• Погрешность измерения TCC в пределах ±30 ppm/°C позволяет удерживать емкостной компонент энергетической погрешности на уровне 0.18% при изменении температуры на 60 °C, поэтому общая погрешность остается ниже ±1%.
• Частичное разрежение ниже 5 пКл при напряжении, в 1.5–2 раза превышающем номинальное, ограничивает старение диэлектрика в течение 10⁶ циклов работы, что обеспечивает воспроизводимость оценки глубины.
• Плотность энергии 0.45 Дж/см³ позволяет упаковать импульс в 225 Дж в портативный блок, заключенный в эпоксидную оболочку и рассчитанный на напряжение катушки 60 кВ.
• Совпадающие комплекты с точностью ±1%, плюс Перекрестная ссылка к классам Vishay HVCC, Murata DHS/DHR и TDK UHV. Низкоиндуктивные резисторы выборки HVRGHP Замкнуть контур датчика тока.

Доставка и поддержка

Стандартные детали отгружаются в течение 4-8 недель, а комплекты, подобранные по индивидуальному заказу, — в течение 6-10 недель, в то время как для вышеуказанных брендов этот срок составляет 20-30 недель. Инженеры-технологи HVC оказывают поддержку в расчете размеров блоков, согласовании катушек, тепловом моделировании и выборе демпфирующих элементов для периодичности проверок CFRP.

Укажите толщину ламината, частоту возбуждения, энергию импульса и скорость контроля. HVC в течение пяти рабочих дней предоставит вам лист соответствия с номерами деталей, данными ESR и DF на рабочей частоте, а также комплект для оценки двух образцов.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Почему сигнал о дефекте в углепластике такой слабый?

Поскольку CFRP проводит электричество примерно на два порядка слабее, чем сталь, и только вдоль волокон. Импульс мощностью 225 Дж при 5% связи повышает температуру участка площадью 100 см² примерно на 0.94 К. Сигнал является реальным, но небольшим, поэтому энергия возбуждения должна повторяться с точностью до ±1%, иначе шум его заглушит.

Вопрос 2: Какая частота возбуждения достигает ламината самолета?

Частота 200 кГц обеспечивает глубину проникновения сигнала 6.5 мм, что покрывает ламинат толщиной от 2 до 5 мм. В этом случае для генерации сигнала необходима собственная резонансная частота значительно выше 200 кГц, поэтому следует поддерживать эквивалентную последовательную индуктивность (ESL) ниже 20 нГн. Генерация сигнала, резонирующая в полосе возбуждения, приводит к искажению импульса.

В3: Как мне свести погрешность измерения энергии к ±1%?

Исправьте оба члена уравнения ΔW/W = 2 · ΔV/V + ΔC/C. Регулируемое зарядное устройство поддерживает напряжение на уровне ±1%, а батарея с температурным коэффициентом заряда ±30 ppm/°C поддерживает емкость на уровне 0.18% при температуре выше 60 °C. Сопоставьте части с точностью до ±1%, чтобы сумма двух членов не составляла ±3%.

В4: Почему оценка глубины меняется между запусками?

Поскольку время пикового контраста изменяется вместе с импульсом, дрейф ширины импульса или энергии сдвигает видимый пик, поэтому расслоение на 2 мм будет отображаться как 3.5 мм в одном цикле и как 1.2 мм в следующем. Сначала стабилизируйте банк данных, а затем алгоритм определения глубины будет иметь фиксированный входной сигнал.

Вопрос 5: Какой уровень дисбаланса последовательного напряжения является безопасным?

Поддерживайте значение k_v ниже 1.2. При 24 ступенях и допуске ±5% значение k_v достигает 3.2, и устройство начинает частично разряжаться и выходит из строя. Согласованные пары с допуском ±1% снижают значение k_v до 0.56, так что каждое устройство остается ниже 60% от своей номинальной мощности. Добавьте одну резервную ступень на каждую цепочку.

В6: Может ли дефект быть невидимым при одном из положений катушки?

Да. CFRP проводит ток вдоль волокон, поэтому дефект, совпадающий с ними, искажает ток менее чем на единицу через них. Поверните катушку и сравните кадры, и доверяйте отсутствующему показанию только тогда, когда энергия импульса повторяется. Нестабильное возбуждение делает невозможным отделение эффектов ориентации от дрейфа.

7. Рекомендации

1. IEC 61010-1:2010+AMD1:2016, Требования безопасности к электрооборудованию для измерений, управления и лабораторных работ — Часть 1: Общие требованияЖенева: МЭК, 2016.
2. МЭК 61071:2017, Конденсаторы для силовой электроникиЖенева: МЭК, 2017.
3. МЭК 60384-8:2015, Неподвижные конденсаторы для использования в электронном оборудовании — Часть 8: Неподвижные конденсаторы с керамическим диэлектриком, класс 1Женева: МЭК, 2015.
4. МЭК 60270:2015, Методы высоковольтных испытаний — Измерения частичных разрядовЖенева: МЭК, 2015.
5. Эриксон Р.В. и Максимович Д., Основы силовой электроники, 3-е изд. Чам: Спрингер, 2020.
6. Мохан, Н., Унделанд, Т.М., и Роббинс, В.П. Силовая электроника: преобразователи, применение и дизайн, 3-е изд. Хобокен, Нью-Джерси: Wiley, 2003.
7. Х. Лю, Б.Х. Ду, М. Сяо и Т. Танака, Высокотемпературные характеристики пробоя диэлектрика в пленочном конденсаторе из БОПП на основе поверхностной модификацииIEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, vol. 28, no. 4, pp. 1264-1272, 2021. https://doi.org/10.1109/tdei.2021.009585
8. Как определить напряжение пробоя конденсатора?Форум All About Circuits, https://forum.allaboutcircuits.com/threads/how-do-i-determine-breakdown-voltage-of-a-capacitor.25915/ .
9. MIL-PRF-49470 Ред. D, Конденсатор, фиксированный, с керамическим диэлектриком, импульсный источник питания (общего назначения и термостабильный), стандартная и высокая надежность, общие технические характеристики.Колумбус, Огайо: DLA Land and Maritime, 2017.
10. Х. Ван и Ф. Блаабьерг, Надежность конденсаторов в силовых электронных преобразователях, использующих звенья постоянного тока: обзор.IEEE Transactions on Industry Applications, том 50, № 5, стр. 3569-3578, 2014. https://doi.org/10.1109/tia.2014.2308357
11. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com