Импульсные генераторы на 300 В: погружные ультразвуковые конденсаторы

Импульсные генераторы на 300 В: погружные ультразвуковые конденсаторы

Резюме

При ультразвуковом контроле погружением детали сканируются в резервуаре с водой, а импульсный генератор задает осевое разрешение. Накопительный конденсатор, который замыкается после края, маскирует все дефекты в пределах первых 100–300 мкм детали. В этой статье приводятся уравнения разряда и затухания колебаний, пять режимов отказов в полевых условиях для производственных систем ультразвукового контроля погружением, а также значения емкости конденсатора и параметров компоновки, которые удерживают мертвую зону в пределах 100 мкм при частоте повторения импульсов 10 кГц.

1. Введение

Ультразвуковой контроль погружением предполагает сканирование деталей в резервуаре с водой или под воздействием водяной струи. Вода передает звук в каждую точку контура детали, поэтому этот метод подходит для кованых изделий аэрокосмической отрасли, подшипниковых сталей, композитных материалов и сварных швов.

Импульсный генератор находится в начале этой цепочки. Он заряжает небольшой высоковольтный конденсатор и сбрасывает заряд в преобразователь, который преобразует один электрический импульс в один короткий акустический импульс.

Длительность этого импульса определяет осевое разрешение. Импульс с фронтом 30 нс и хвостом 150 нс разделяет два отражателя, расположенных на расстоянии 0.2 мм друг от друга в воде. Импульс с хвостом 500 нс объединяет их в одно эхо.

В этой статье приводятся уравнения разряда и затухания колебаний, пять типов отказов, наблюдаемых в производственных системах иммерсионного облучения, а также значения емкости конденсатора и параметров компоновки, которые позволяют удерживать мертвую зону в пределах 100 мкм при частоте повторения импульсов 10 кГц.

2. Основной механизм

2.1 Генерация импульсов посредством емкостного разряда

Импульсный генератор заряжает накопительный конденсатор C_s до напряжения питания V0, затем замыкает переключатель. Разряд происходит по закону RC.

V(t) = V0 · exp(−t / (R · C))

где V(t) — пиковое напряжение в В, V0 — напряжение заряда в В, t — время в нс, R — сопротивление контура в Ом, а C — емкость накопителя в нФ.

Рассмотрим конденсаторную батарею емкостью 10 нФ и демпфирующую цепь сопротивлением 50 Ом. Постоянная времени и пиковый ток определяются теми же двумя значениями.

τ = R · C = 500 ns     I_peak = V0 / R = 6 A

где τ — постоянная времени разряда в нс, I_peak — пиковый ток разряда в А, R — сопротивление контура в Ом, а C — емкость накопителя в нФ. Постоянная 500 нс задает ширину импульса. Большая постоянная расширяет акустический импульс, а меньшая добавляет колебания к переднему фронту.

2.2 Реакция преобразователя и затухание колебаний

Преобразователь выглядит как зажатая ёмкость, соединённая параллельно с подвижной ветвью. После края петли возникает колебание в точке последовательного резонанса.

f_0 = 1 / (2 · π · √(L_m · C_m))

где f_0 — последовательный резонанс в МГц, L_m — индуктивность колебаний в мкГн, а C_m — емкость колебаний в пФ. Погружной зонд с частотой 10 МГц и добротностью 4 кольца в течение примерно 127 нс.

Вода распространяет звук со скоростью 1480 м/с, поэтому окно затухания колебаний становится мертвой зоной перед деталью.

d_dead = c · t_ring / 2

где d_dead — мертвая зона в мкм, c — скорость звука в воде в м/с, а t_ring — время затухания в нс. Хвост длительностью 127 нс дает 94 мкм. Любой дефект внутри этого окна в 94 мкм не дает пригодного для использования сигнала.

2.3 Энергия импульса и тепловая нагрузка при высокой частоте повторения импульсов

Энергия, накопленная в батарее, определяет амплитуду импульса и количество тепла, которое должна отводить головка генератора импульсов.

E = ½ · C_s · V²

где E — энергия импульса в мкДж, C_s — емкость накопителя в нФ, а V — напряжение заряда в В. Аккумуляторная батарея емкостью 10 нФ при напряжении 300 В накапливает 450 мкДж, поэтому частота повторения импульсов 10 кГц подает в головку усилителя среднюю мощность 4.5 Вт без воздушного потока.

Большая часть этой энергии попадает в демпфирующий резистор сопротивлением 50 Ом. ЭПР 50 мОм добавляет еще 10–15% энергии импульса внутрь корпуса конденсатора, где тепло не имеет выхода. В результате емкость изменяется, ширина импульса увеличивается, а осевое разрешение снижается от снимка к снимку.

2.4 Паразитные эффекты кабеля, компоновки и зарядного устройства на штекере

Коаксиальный кабель длиной 2 м с емкостью 100 пФ/м добавляет 200 пФ параллельно преобразователю. Это значение сдвигает LC-резонанс петли возбуждения на десятки процентов и приглушает фронт напряжения 300 В.

ESL накопительного конденсатора присоединяется к той же петле. Каждые 20 нГн добавленной индуктивности петли удлиняют хвост колебаний примерно на половину периода паразитного резонанса, который в воде превращается в микрометры дополнительной мертвой зоны.

Подходит быстровосстанавливающийся диод в цепи зарядки. Его обратное восстановление определяет время перезарядки между импульсами, а его емкость перехода находится на высоковольтной шине при каждом импульсе.

Рис. 1 — В воде при скорости 1480 м/с мертвая зона следует за затуханием колебаний: хвост длительностью 127 нс обходится в 94 мкм, а хвост длительностью 420 нс скрывает первые 310 мкм.

3. Проблемы проектирования

Болевой пункт 1: Звон в ушах, создающий мертвую зону размером 100–300 мкм.

В системе погружения с частотой 10 МГц паразитный резонанс между конденсатором ESL и емкостью кабеля вызывает колебания частотой 5–20 МГц, длящиеся 300–600 нс. В воде этот диапазон составляет 220–440 мкм. Трещины на поверхности внутри него не дают сигнала, и дефект обнаруживается на более позднем этапе проверки.

Проблема 2: Время восстановления, ограничивающее скорость сканирования.

После каждого скачка напряжения переключатель и аккумуляторная батарея должны перезаряжаться. Недостаточная емкость батареи и медленное зарядное устройство увеличивают время восстановления до 30–50 мкс, что ограничивает частоту повторения импульсов до 20–30 кГц. На вращающемся сканере это ограничение снижает количество A-сканирований за оборот и размер обнаруживаемого дефекта.

Проблемный момент 3: Нагрев демпфирующего резистора при высокой частоте повторения импульсов.

Частота повторения импульсов 10 кГц рассеивает около 4.5 Вт в демпфирующей цепи. Внутри герметичного корпуса зонда резистор и блок нагреваются до 90–120 °C. Емкость изменяется с температурой, импульс растягивается, и в одном из задокументированных случаев температура головки сместилась на 8 °C при сдвиге, что привело к увеличению ширины импульса на 15% и образованию дополнительной мертвой зоны на 40 мкм.

Проблемный момент 4: Емкость кабеля, искажающая передаваемый импульс.

Длинный или плохо согласованный кабель добавляет 100–300 пФ параллельной емкости. Выходной фронт сглаживается, и за ним следует затухающая осцилляция. Такая форма приводит к образованию широких ультразвуковых импульсов и ложных эхо-сигналов в ближнем поле.

Проблемный момент 5: Изменение амплитуды и времени сканирования.

Температура воды и аэрация изменяются в течение смены, а скорость звука изменяется примерно на 3 м/с на каждый °C. Время эхо-сигнала затем смещается на 100 пс на каждый мм пути на каждый °C. В сочетании с дрейфом амплитуды импульсного генератора, время пролета и амплитудные затворы требуют частой перенастройки, и каждая перенастройка вносит свой вклад в погрешность, вносимую оператором.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Выберите накопительный конденсатор, подходящий для обеспечения высокого качества сигнала.

Укажите керамику класса I с эквивалентным последовательным сопротивлением (ESR) значительно ниже сопротивления демпфирования, менее 10 мОм относительно сети 50 Ом, и эквивалентной последовательной индуктивностью (ESL) менее 20 нГн. Форма пика будет соответствовать выбранному вами демпфирующему резистору. Диэлектрик класса I N4700 Обладает емкостью, защищающей от изменения температуры, поэтому ширина импульса не меняется по мере нагревания головы.

Стратегия 2: Определите размер емкости исходя из ширины импульса.

Установите емкость блока из C = τ / R на максимально допустимом импульсе, который позволяет метод. Для постоянной длительностью 500 нс в сети с сопротивлением 50 Ом требуется 10 нФ, а для постоянной длительностью 300 нс — 6 нФ. Измерьте первые 200 нс окна A-сканирования перед отпусканием, поскольку требуемая мертвая зона определяет выбор демпфирования.

Стратегия 3: Установите демпфирующий резистор на 2–3-тактный хвостовой сигнал.

Используйте R_d ≈ 2 · √(L_m / C_m) для определения почти критического демпфирования, затем проверьте затухание колебаний на отправляемом вами зонде. Более высокое сопротивление демпфирования укорачивает хвостовую часть сигнала и снижает амплитуду. Измерьте оба параметра и выберите значение, которое соответствует целевому значению мертвой зоны с наименьшими потерями амплитуды.

Стратегия 4: Рассчитать тепловую нагрузку на верхнем уровне частоты повторения импульсов.

Вычислите рассеиваемую мощность как P = C·V²·f плюс I_rms²·ESR при максимальной частоте повторения импульсов, затем оцените демпфирующий резистор с запасом в 50%. Добавьте тепловой канал от резистора и блока к корпусу и используйте принудительную вентиляцию или рассеивающую пластину на частоте 10 кГц и выше. HVR-BSP толстопленочный резистор Сохраняет свои характеристики до +125 °C, поэтому демпфирующая сеть остается в пределах допустимых значений, даже когда головка блока цилиндров нагревается.

Стратегия 5: Закрепите кабель и петлю.

Длина кабеля датчика должна быть небольшой, а демпфирующая сеть должна располагаться на конце датчика. Используйте специальную возвратную плоскость и удерживайте площадь контура привода менее 4 см². Этот шаг направлен на решение «болевой точки 4» и может вдвое уменьшить эффективную мертвую зону.

Стратегия 6: Отслеживайте амплитуду и время на каждой смене.

В процессе ввода в эксплуатацию регистрируйте амплитуду импульса, ширину импульса, время эхо-сигнала, температуру головки и температуру воды. Сдвиг амплитуды на 1 дБ или растяжение импульса на 5 нс являются ранним предупреждением о необходимости технического обслуживания. резистор выборки HVRGHP В цепи делителя тока регистрируется ток разряда при каждом выстреле с низкой индуктивностью.

Параметр компонента	Типичное значение	Условие теста
Номинальное напряжение (серия HVCT8G)	10 кВ постоянного тока	высоковольтный режим 1.5× в течение 60 с
емкость	4700 пФ ±20% (472М)	1 МГц, 1 В среднеквадратичное значение
ЭПР на частоте 1 МГц	ниже 50 мОм	-
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 МЭК 60068-2
Возможность импульсного DV/DT	выше 50 кВ/мкс	при номинальном напряжении

5. Конденсаторы HVC для импульсных генераторов импульсов с иммерсионным воздействием.

Иммерсионный импульсный генератор требует наличия батареи, способной сохранять свою емкость в течение рабочей смены и 10⁶ импульсов без необходимости сервисного обслуживания. Компания HVC производит керамические конденсаторы класса I N4700 для напряжений от 1 кВ до 150 кВ на заводе площадью 6,000 м² в Дунгуане. Перекрестная ссылка по отношению к номерам деталей Vishay, Murata и TDK.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• Значение ESR менее 10 мОм при 100 кГц и tanδ ≤ 0.1%, поэтому конденсатор остается незаметным в разрядной сети с сопротивлением 50 Ом.
• ESL ниже 20 нГн с собственным резонансом выше 100 МГц, что подавляет паразитные колебания, вызванные емкостью кабеля.
• Плотность энергии составляет 0.45 Дж/см³, что в три раза больше, чем у пленочного элемента, поэтому блок энергии в 450 мкДж помещается на зонде, а контур управления остается коротким.
• TCC ±30 ppm/°C и линейность C(V) лучше 99% в диапазоне от −30 °C до +85 °C, поэтому ширина импульса сохраняется при сдвиге.
• Длительность импульсного режима превышает 10⁶ импульсов с частичным разрядом ≤ 5 пКл, что соответствует десяткам миллионов импульсов, которые сканер генерирует в месяц.
• Эпоксидная инкапсуляция, выдерживающая 96-часовое воздействие солевого тумана, и Дверная ручка HVCT8G корпуса для компактных зондов.

Доставка и поддержка

Стандартные детали поставляются в течение 4–8 недель, а комплекты демпфирования, изготовленные на заказ, — в течение 6–10 недель. Каждая партия имеет рекордную длительность импульсного действия более 10⁶ выстрелов и отчет о частичном разряде при напряжении, в 1.5 раза превышающем номинальное.

Передайте напряжение питания, емкость преобразователя, частоту повторения импульсов, сопротивление контура и монтажную схему. HVC вернет план работы с учетом просадки напряжения, накопленной энергии и рассеиваемой мощности. пленочный конденсатор сравнение при одинаковой ширине импульса и предоставление комплекта для оценки двух образцов в течение пяти рабочих дней.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Почему шип издает характерный звон после края?

Поскольку эквивалентная последовательная индуктивность конденсатора (ESL) и емкость кабеля образуют петлю, резонирующую на частоте 5–20 МГц, это кольцо длится 300–600 нс и охватывает 220–440 мкм водного пути. ESL ниже 20 нГн и короткий кабель смещают резонанс выше полосы пропускания импульса.

В2: Как выбрать емкость накопителя?

Установите значение из соотношения C = τ / R. Для постоянной времени 500 нс в сети с сопротивлением 50 Ом требуется 10 нФ, а для постоянной времени 300 нс — 6 нФ. Затем проверьте запасенную энергию E = ½·C·V² в зависимости от импульса и времени перезарядки на верхнем уровне частоты повторения импульсов.

Вопрос 3: Какое эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) может иметь накопительный конденсатор?

Сопротивление конденсатора составляет менее 10 мОм на частоте разряда, что является небольшой частью петли в 50 Ом. При 50 мОм конденсатор преобразует от 10% до 15% энергии импульса во внутреннее тепло, и организм не может его отвести. В результате емкость изменяется, и ширина импульса увеличивается на величину сдвига.

Вопрос 4: Какова величина мертвой зоны, которую создает эффект затухания колебаний?

Хвост следует формуле d_dead = c · t_ring / 2. В воде при скорости 1480 м/с хвост длительностью 127 нс обходится в 94 мкм, а хвост длительностью 420 нс — в 310 мкм. На втором рисунке скрыты все приповерхностные трещины в детали из подшипниковой стали.

В5: Помогает ли более низкое сопротивление демпфированию?

Нет. Более низкое затухание растягивает хвост и расширяет мертвую зону. Используйте R_d ≈ 2 · √(L_m / C_m) для затухания в 2–3 цикла и смиритесь с небольшой потерей амплитуды. Сравните обе формы сигнала на зонде, который вы отправите.

В6: Что мне нужно зарегистрировать, чтобы доказать стабильность работы импульсного генератора?

Амплитуда импульса, ширина импульса, время эхо-сигнала, температура головки и температура воды. Триггером для технического обслуживания является сдвиг амплитуды на 1 дБ или растяжение импульса на 5 нс. Сохраните первые два значения в заголовке файла сканирования, чтобы постобработка могла скорректировать дрейф генератора импульсов.

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. C. Lv, J. Liu, Y. Zhang, W. Lei и R. Cao, Усовершенствованный метод прогнозирования срока службы металлизированных пленочных конденсаторов с учетом гармоник и процесса деградации.Microelectronics Reliability, vol. 114, p. 113892, 2020. https://doi.org/10.1016/j.microrel.2020.113892
8. Сезон дуги и наблюдения за конструкцией доски (техническая заметка о высоковольтном дуговом пробое, остатках флюса и компоновке), Johanson Dielectrics, Inc., https://www.johansondielectrics.com/docs/3939/arc-season-and-board-design-observations.pdf .
9. В моём высоковольтном источнике питания происходит искрение: как мне определить причину проблемы?Spellman High Voltage Electronics Corporation, Примечание по применению AN-25, https://www.spellmanhv.com/en/Technical-Resources/Application-Notes-HVPS/AN-25 .
10. ГБ/Т 7354-2018, 高电压试验技术 局部放电测量 (Методы испытаний высоким напряжением. Измерения частичных разрядов). Пекин: 中国标准出版社, 2018.
11. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com