Сети зарядовой связи для мониторинга плазмы лазерной сварки

Сети зарядовой связи для мониторинга плазмы лазерной сварки

Резюме

Емкостной датчик считывает состояние сварочной ванны по потенциалу плазмы, а его точность зависит от делителя заряда, состоящего из двух конденсаторов и одного паразитного элемента. В данной статье выводятся коэффициент передачи, переданный заряд, высокочастотная характеристика и уровень шума, а затем описываются этапы компоновки, экранирования, зажима и калибровки, обеспечивающие внутреннюю калибровку диагностического прибора для сварки.

1. Введение

Лазерная сварка с глубоким проплавлением осуществляется с помощью «замочной скважины» — парового капилляра, передающего энергию лазерного луча в заготовку. Ее состояние — открытая, колеблющаяся или схлопывающаяся — определяет качество сварки, и его можно измерить электрическим способом. Плазма внутри «замочной скважины» несет потенциал, который изменяется в зависимости от динамики «замочной скважины».

Небольшой высоковольтный конденсатор передает этот заряд на контрольный усилитель без физического контакта с обрабатываемым объектом. Усилитель преобразует сигнал в диагностику в реальном времени, а значение разделительного конденсатора определяет чувствительность датчика.

Данная сеть находится на стыке двух дисциплин. Она должна выдерживать полное плазменное напряжение от 5 до 20 кВ и его переходные процессы, а также переносить заряд пикокулоновского масштаба в среде, насыщенной шумом сварочного тока, переключением инвертора и излучением дуги.

Результат измерим. Емкостные плазменные датчики обнаруживают схлопывание сварочной ванны на 2–5 мс раньше, чем фотодиодные системы, а в линиях сварки автомобильных швов количество дефектов неполного сплавления сокращается до 40%, когда предупреждение запускает контур регулировки мощности в реальном времени.

2. Основной механизм

2.1 Делитель заряда

Плазменный узел, разделительный конденсатор и вход усилителя образуют емкостной делитель. Доля колебаний плазмы, достигающая монитора, составляет:

V_mon / V_plasma = C_c / (C_c + C_par)

где V_mon — напряжение на узле усилителя, V_plasma — размах потенциала плазмы, C_c — емкость связи, а C_par — паразитная емкость на узле усилителя.

Соединитель на 10 пФ с паразитными токами на 5 пФ пропускает 0.67 размаха. Соединитель на 22 пФ с паразитными токами на 10 пФ пропускает 0.69. Передаточная функция определяется соотношением, а не только значением соединителя, поэтому оба параметра должны оставаться стабильными, чтобы диагностический прибор сохранял свою калибровку.

2.2 Перенесенный заряд и напряжение узла

Заряд, передаваемый на узел усилителя, зависит от емкости связи:

Q_transferred = C_c × ΔV_plasma

где Q_transferred — перенесенный заряд, C_c — емкость связи, а ΔV_plasma — размах потенциала плазмы. Колебание с напряжением 2 кВ через емкость 10 пФ переносит 20 нКл.

Этот заряд создает напряжение на каждом конденсаторе в узле:

V_mon = Q_transferred / (C_c + C_par + C_amp)

где C_amp — входная емкость усилителя. При емкости связи 10 пФ, паразитной емкости 5 пФ и входной емкости 3 пФ, при емкости 20 нКл возникает напряжение 1.11 кВ. Усилитель никогда не видит этот уровень, поскольку между разветвителем и входом находится делитель или ограничитель.

2.3 Время прохождения угла и нарастания высокочастотного фильтра

Соединитель и входное сопротивление усилителя образуют фильтр верхних частот:

f_low = 1 / (2π × R_in × (C_c + C_par))

где f_low — нижняя частота среза, R_in — входное сопротивление усилителя, C_c — емкость связи, а C_par — паразитная емкость. При R_in = 100 МОм и 15 пФ на узле частота f_low составляет 106 Гц, что значительно ниже полосы частот от 1 кГц до 10 кГц, характерной для колебаний типа «замочная скважина».

Время нарастания зависит от эквивалентной последовательной индуктивности соединителя. При 30 нГн и 15 пФ соединитель стабилизируется за 0.67 нс, что на три порядка ниже динамики плазмы в микросекундном диапазоне, поэтому индуктивность корпуса имеет значение только при добавлении длинного вывода.

2.4 Уровень шума и надбавка за инвалидность

Уровень шума монитора определяется собственной разрядной активностью соединителя и электрической обстановкой:

SNR = V_signal / √(V_pd² + V_EMI²)

где V_signal — сигнал связанной плазмы, V_pd — возмущение от частичного разряда соединителя, а V_EMI — излучаемые и кондуктивные помехи в узле.

Экранирование соединителя при 5 пКл приводит к генерации импульсов мощностью 5 пКл, а событие типа «ключевая дыра» переносит 20 нКл. Это событие в 4,000 раз больше, поэтому экранированные соединители удерживают вклад разряда на уровне 0.025% от сигнала, в пределах допустимого отклонения в 0.1%.

Рис. 1 — Коэффициент передачи снижается по мере увеличения паразитных параметров узла усилителя; разброс от 5 до 15 пФ приводит к тому, что коэффициент передачи для 10-пФ разветвителя снижается с 0.67 до 0.40, в то время как для 22-пФ разветвителя он остается равным 0.59.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: температурный дрейф коэффициента связи препятствует калибровке.

Показания керамики класса II колеблются на 10–30% в зависимости от температуры в цехе. Если калибровка монитора производится один раз за смену, то из-за колебаний в соединительном элементе показания за летний день увеличиваются с 80% до 120% от истинной амплитуды. Анализ тенденций на основе этих данных бесполезен.

Проблема 2: Частичный разряд в муфте выглядит как дефект в виде «замочной скважины».

В муфте с внутренними пустотами происходит разряд при каждом цикле напряжения, и монитор классифицирует каждый импульс как колебание типа «замочной скважины». Операторы видят сигналы тревоги о нестабильности на качественных сварных швах, теряют доверие к диагностике и отключают систему раннего предупреждения, на которую была построена вся линия.

Проблема 3: Паразитная емкость различается в зависимости от конфигурации машины.

Усилительный узел собирает данные о емкости экрана, платы и разъема. Там, где C_par изменяется от 5 пФ до 15 пФ между сборками, коэффициент связи меняется на 40%, и две идентичные машины показывают разные абсолютные амплитуды. Общесистемные ограничения качества перестают работать.

Проблемный момент 4: Соединитель должен выдерживать плазменные переходные процессы и электрические дуги.

При возникновении пробоя на соединительный элемент за микросекунды подается полный потенциал разомкнутой цепи, в 3 раза превышающий нормальный размах. Соединительный элемент без запаса по переходному процессу либо искрит внутри, либо выходит из строя из-за короткого замыкания, что приводит к выходу из строя и входного каскада монитора.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Выбирать соединители класса I со стабильностью на уровне ppm.

Используйте N4700 Керамика класса I с коэффициентом ±30 ppm/°C для соединителя. Изменение емкости составляет менее 0.3% от 25 °C до любой из крайних температур, поэтому коэффициент деления заряда сохраняется, и одна калибровка охватывает весь сдвиг.

Стратегия 2: Устранить паразитный термин с помощью определенной структуры.

Стандартизируйте компоновку узла усилителя таким образом, чтобы емкость C_par регулировалась с точностью до ±1 пФ: один тип разъема, одна длина дорожки и защитное кольцо, возвращающее паразитный заряд на землю. В этом случае коэффициент связи станет постоянной величиной, а не переменной, зависящей от конкретной модели.

Стратегия 3: Требовать проверки на частичные разряды (ЧР) при номинальном напряжении ниже 5 пКл.

Для проверки характеристик соединителей используйте данные о частичных разрядах (ЧР) на уровне партии при номинальном напряжении плюс ожидаемый переходный выброс. Соединитель, который не саморазряжается при напряжении, в 1.5 раза превышающем номинальное, обеспечивает уровень шума монитора на уровне 0.025% от сигнала.

Стратегия 4: Ограничьте сигнал перед усилителем.

Установите диодный ограничитель, соединенный встречно, и последовательный резистор между согласующим устройством и входом усилителя, рассчитанный на 3-кратный переходный процесс. Ограничитель поддерживает напряжение усилителя на уровне ±12 В, пока согласующее устройство поглощает энергию, а номинальный диапазон напряжения согласующего устройства от 1.5 до 2 раз обеспечивает запас прочности. Используйте быстровосстанавливающийся диод Сопоставьте элементы и установите значение серии с помощью толстопленочный резистор которая сохраняет свое значение в узле.

Стратегия 5: Калибровка на месте с использованием известного импульса.

При запуске машины подайте калиброванный импульс напряжением 1 кВ и частотой 1 кГц на второй небольшой конденсатор и запишите показания монитора. Это позволяет компенсировать значение коэффициента связи, паразитную емкость и коэффициент усиления усилителя за одно измерение, а также преобразовать задачу определения абсолютного отношения в задачу определения дифференциального отношения.

Стратегия 6: Согласование пар «соединитель-усилитель» для многоточечного мониторинга.

Для верхнего и нижнего датчиков плазмы выберите соединители с емкостью, соответствующей ±2%, и повторите ту же схему на каждом канале. Разница амплитуд между каналами будет отражать реальную асимметрию плазмы, а не разброс компонентов.

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 N4700 для сетей захвата плазмы.

На этом этапе выбор определяется тремя требованиями: стабильным коэффициентом передачи, уровнем шума ниже плазменного сигнала и соединителем, поглощающим переходные процессы пробоя. Компания HVC производит компоненты класса I N4700 (T3M) на основе SrTiO3 на собственном заводе площадью 6,000 м² в Дунгуане, работающем в диапазоне напряжений от 1 кВ до 100 кВ.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• Стабильность значений на уровне ppm. Коэффициент ±30 ppm/°C обеспечивает стабильность характеристик соединителя 10–22 пФ с точностью до 0.3% в диапазоне температур от 25 °C до любого из крайних значений, поэтому коэффициент деления заряда сохраняется при полном изменении.
• Частичный разряд ниже 5 пКл при номинальном напряжении. Заводская экранировка предотвращает внесение собственных шумов в соединитель, что обеспечивает запас 4,000 к 1 между событием образования «замочной скважины» и разрядным импульсом.
• Устойчивость к переходным процессам при высоких напряжениях. Соединители, рассчитанные на напряжение в 1.5–2 раза превышающее рабочий потенциал плазмы, поглощают переходные процессы пробоя, в 3 раза превышающие нормальный размах, без образования внутренних дуговых разрядов.
• Корпуса с низким уровнем ESL. Радиально-выводные, плоские и дверная ручка конденсаторы Необходимо поддерживать уровень ESL ниже 30 нГн, чтобы время нарастания 0.67 нс оставалось доступным для монитора.
• Коэффициент рассеяния 0.1% или ниже. Низкие диэлектрические потери обеспечивают охлаждение соединителя при непрерывном высокочастотном изменении плазмы, что исключает дрейф коэффициента, вызванный самонагревом.
• Сертифицированные компоненты, пригодные для использования в программах ремонта на местах. Компоненты HVC соответствуют электрическим параметрам и габаритам корпуса. Murata Винтовые конденсаторы, используемые при ремонте источников света в литографии.

Доставка и поддержка

Стандартные значения отгружаются в течение 4–8 недель, а подобранные комплекты с точностью до ±1% — в течение 6–10 недель. Инженеры-технологи HVC оказывают поддержку в выборе соединителей, согласовании емкостей, определении переходных характеристик и подготовке отчетов по результатам испытаний на частичные разряды.

Отправьте потенциал плазмы, значение параметра соединителя и схему расположения узлов, полосу колебаний в области "замочной скважины", уровень переходного процесса и количество. HVC вернет номера деталей с данными о частичных разрядах, отчет о допусках емкости и образцы для проверки прототипа в течение пяти рабочих дней.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Какую часть сигнала теряет разделительный конденсатор?

Потери рассчитываются по формуле C_c / (C_c + C_par). Соединитель на 10 пФ с паразитными потерями в 5 пФ пропускает 0.67 размаха плазмы, а тот же соединитель с паразитными потерями в 15 пФ пропускает 0.40. Паразитный член следует удерживать в пределах ±1 пФ за счет компоновки, поскольку он изменяет соотношение так же сильно, как и значение параметра соединителя.

В2: Почему во время смены происходит сбой в калибровке диагностического прибора?

Керамические элементы класса II изменяют свои характеристики на 10–30% с повышением температуры, поэтому коэффициент связи изменяется вместе с ними. Мониторы, калибруемые один раз за смену, затем показывают 80–120% от истинной амплитуды в течение летнего дня. Соединитель класса I с точностью ±30 ppm/°C удерживает свои значения в пределах 0.3%, что исключает это изменение.

В3: Как отличить разряд в муфте от реального разряда в замочной скважине?

По уровню заряда. Колебания в форме замочной скважины пропускают 20 нКл через соединитель 10 пФ при размахе 2 кВ, а экранирование соединителя при 5 пКл вводит импульсы в 4,000 раз меньшего размера. Требуются данные о частичном разряде партии ниже 5 пКл при номинальном напряжении, при этом разделение остается чистым.

Вопрос 4: На какое напряжение должен быть рассчитан разделительный конденсатор?

В 1.5–2 раза превышающий рабочий потенциал плазмы. Пробой плазмы вызывает колебания напряжения на соединительном элементе, превышающие нормальный уровень в 3 раза, в течение микросекунд, а ограничение напряжения на уровне ±12 В защищает усилитель, пока соединительный элемент поглощает эту энергию.

В5: Как обеспечить одинаковый результат работы двух идентичных устройств?

Контролируйте компоновку узлов. Если паразитная емкость варьируется от 5 пФ до 15 пФ между сборками, соотношение изменяется на 40%, и результаты измерений на разных машинах расходятся. Один разъем, одна длина дорожки, защитное кольцо и соединители, подобранные с точностью до ±2%, позволяют уменьшить разброс значений и уменьшить шум измерений.

Вопрос 6: Зависит ли индуктивность соединителя от ширины полосы пропускания?

Высокочастотный срез обусловлен входным сопротивлением и емкостью узла, которая составляет 106 Гц при 100 МОм и 15 пФ. Индуктивность, в свою очередь, определяет время нарастания: при 30 нГн и 15 пФ время нарастания сигнала в разветвителе составляет 0.67 нс, что намного быстрее, чем динамика микросекундного эффекта «замочной скважины».

7. Рекомендации

1. Э. Куффель, В.С. Заенгль, Дж. Куффель, Основы высоковольтной техники, 2-е изд., Ньюнес, 2000.
2. Н. Мохан, Т.М. Унделанд, У.П. Роббинс, Силовая электроника: преобразователи, применение и дизайн, 3-е изд., Wiley, 2003.
3. Уведомление 2 MIL-HDBK-217F. Прогнозирование надежности электронного оборудования, 1995.
4. МЭК 60384-1:2021, Фиксированные конденсаторы для использования в электронном оборудовании — Часть 1: Общие технические характеристики, 6-е изд. Женева: МЭК, 2021.
5. А. Будиаф, С. Буазабиа, Н. Харид и М.Л. Амрани, Аналитический расчет порога частичного разряда в газовой полости внутри изоляции высоковольтного кабеля.Электротехника, том 104, № 2, стр. 555-565, 2021. https://doi.org/10.1007/s00202-021-01310-9.
6. А. Марискотти и Л. Ваккаро, Катушка Роговского для высоковольтных применений, в сборнике трудов конференции IEEE Instrumentation and Measurement Technology Conference 2008 года, стр. 1069-1073, 2008. https://doi.org/10.1109/imtc.2008.4547197.
7. Y. Zhou, B. Chen, C. Tian, ​​J. Yuan и Y. Chen, Параллельный линейный преобразователь с диодным ограничением для испытаний на выдерживаемое напряжение и измерения частичных разрядов электрооборудования.Высокое напряжение, том 8, № 1, стр. 171-182, 2023. https://doi.org/10.1049/hve2.12312.
8. Использование керамических конденсаторов 3 кВ (Обсуждение стабильности C0G/NP0 по сравнению с X7R/Y5S), Forum Retrotechnique, https://forum.retrotechnique.org/t/utilisation-des-condensateurs-ceramiques-3kv/115858 .
9. ГБ/Т 7354-2018, 高电压试验技术 局部放电测量. Источник: 中国标准出版社, 2018.
10. Заряжая энергией будущее: как высоковольтные многослойные керамические конденсаторы повышают эффективность современной электроникиМурата, https://www.murata.com/en-eu/s/blog/powering-the-future-how-high-voltage-mlccs-drive-efficiency-in-modern-electronics.html .
11. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com