Переносные исторические КТ-системы: замена нефтяных резервуаров керамическими.

Переносные исторические КТ-системы: замена нефтяных резервуаров керамическими.

Резюме

Портативный компьютерный томограф позволяет проводить 3D-сканирование в гротах, музейных галереях и пещерах, где отсутствует электропитание и оборудование перемещается вручную. Самым тяжелым элементом в головке является погруженный в масло высоковольтный модуль. В этой статье приводятся соотношения между плотностью энергии, пульсациями множителя и утечкой, определяющие вес и время работы, а также шесть стратегий проектирования: замена керамики, более высокое напряжение блока, диэлектрик с низкими потерями, компактная компоновка, модульное резервирование и повышение устойчивости к воздействию окружающей среды.

1. Введение

Исследования культурного наследия основаны на неразрушающем контроле. Крупные объекты, такие как гроты, фрески, бронзовые сосуды и деревянные конструкции, нельзя доставить в лабораторный кабинет компьютерной томографии, а их перемещение сопряжено с риском повреждения. Портативные системы компьютерной томографии позволяют доставить сканер на место археологических раскопок, в музейную галерею или в пещеру.

Для обеспечения портативности необходимо жестко контролировать вес системы, обычно это десятки килограммов. На долю высоковольтных генераторов с масляным наполнением и их конденсаторных батарей часто приходится более 30% от этой цифры. Задача проектирования состоит в том, чтобы обеспечить стабильное выходное напряжение 90–160 кВ при одновременном снижении веса высоковольтной секции.

В этой статье рассматривается проблема, связанная с конденсаторами: плотность энергии, количество каскадов умножения, ток утечки и конструкция корпуса, обеспечивающая работу полевого прибора во влажном и вибрационном режимах.

2. Основной механизм

2.1 Плотность энергии определяет вес

Конденсатор накапливает энергию пропорционально емкости и квадрату напряжения.

E = ½ · C · V²

где E — запасенная энергия в миллиджоулях, C — емкость в нанофарадах, а V — напряжение в киловольтах.

Умножитель должен накапливать достаточно заряда для обеспечения тока экспозиции и поддержания стабильного выходного сигнала. Детали с низкой плотностью энергии требуют большего объема и большего количества компонентов для достижения того же накопленного заряда, и этот объем превращается в массу. Керамические диэлектрики накапливают в несколько раз больше энергии на единицу массы, чем пропитанная маслом бумага, что является тем рычагом, который может задействовать портативная конструкция.

2.2 Количество этапов умножения и пульсации

Умножитель Кокрофта-Уолтона устанавливает выходное напряжение и пульсации посредством количества каскадов, частоты переключения и емкости каждого каскада.

V_out = n · V_in − (I_load / (f · C)) · n(n+1)/2

где n — количество каскадов, V_in — пиковое входное напряжение, I_load — ток нагрузки, f — частота переключения, а C — емкость на каскад.

ΔV = (I_load / (f · C)) · n(n+1)/2

где ΔV — амплитуда пульсаций выходного сигнала в вольтах, а остальные параметры определены, как указано выше.

Второй член в уравнении выходного сигнала вычитает напряжение по мере увеличения тока нагрузки. Более высокое удельное напряжение уменьшает n, а большее значение C на каждом этапе уменьшает пульсации. Оба изменения снижают вес, поскольку каждый удаленный этап забирает с собой конденсаторы, контакты и проводку.

2.3 Ток утечки и время работы от батареи

Портативная система работает от литий-ионного аккумулятора, поэтому утечка тока разряжает его даже между воздействиями. Утечка тока соответствует сопротивлению изоляции конденсатора.

I_leak ≈ V / R_iso

где I_leak — ток утечки, V — приложенное напряжение, а R_iso ​​— сопротивление изоляции конденсатора.

Постоянная времени саморазряда подчиняется тем же двум параметрам:

τ = C · R_iso

где τ — постоянная времени в секундах, C — емкость в нанофарадах, а R_iso ​​— сопротивление изоляции в гигаомах.

Диэлектрик первого класса с высоким сопротивлением изоляции поддерживает энергопотребление в режиме ожидания на уровне, близком к милливаттному. Эта разница определяет, сколько сканирований можно выполнить на одном заряде.

2.4 Саморезонанс в компактной головке

Небольшие корпуса требуют компактной компоновки, а индуктивность контура возрастает, когда компоненты расположены близко друг к другу, а длинные выводы укладываются в небольшое пространство.

f_r = 1 / (2π · √(L · C))

где f_r — собственная резонансная частота в гигагерцах, L — индуктивность петли в наногенри, а C — емкость в пикофарадах.

При частоте выше f_r компонент ведет себя как индуктор. Корпуса с низким уровнем эквивалентной последовательной слышимости (Low-ESL) повышают f_r и позволяют конденсатору продолжать работать как конденсатор на частоте переключения.

Рис. 1 — Керамические компоненты позволяют снизить вес высоковольтного модуля с 12 кг до 3.8 кг и увеличить время работы батареи с 4 ч до 7 ч на аккумуляторе 24 В, 20 Ач.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Высоковольтные модули с масляным охлаждением имеют большой вес.

Генератор с масляным охлаждением содержит трансформаторное масло и металлический корпус, выдерживающий давление масла и защищающий поле. Один модуль может весить 10–20 кг. Объекты культурного наследия расположены в горах, пещерах, руинах или под водой, куда не могут добраться транспортные средства, поэтому бригада переносит оборудование. Каждый сэкономленный килограмм означает более быструю установку и меньший риск повреждений при транспортировке.

Проблема 2: Питание от батареи, протечки и разряд батареи в режиме ожидания.

На полевых участках нет централизованного электропитания, поэтому система зависит от батареи. Конденсатор с высоким током утечки постоянно разряжает батарею в режиме ожидания и между сканированиями. Обычная деталь класса II может пропускать микроамперы при нагреве. В батарее 24 В/20 Ач постоянная утечка в 100 мкА потребляет около 4.8 Вт·ч в день, что в сумме составляет около 34 Вт·ч за семидневную поездку, примерно 8% от накопленной энергии. При одном снимке, потребляющем около 30 Вт·ч, потери энергии приводят к расходу энергии на сканирование.

Проблемная точка 3: Колебания влажности и температуры в полевых условиях.

Условия в полевых условиях сильно различаются. В гробницах и пещерах относительная влажность может превышать 90% при температуре 5–10 °C. В пустынных районах температура колеблется на 30 °C в течение дня и ночи, а на поверхностях может быть выше 50 °C. На высокогорных участках воздух разрежен, а изоляция менее прочная. Если герметичность нарушена, влага повышает коэффициент рассеяния и снижает сопротивление изоляции, что делает возможным пробитие поверхности. Частичные разряды могут достигать десятков пикокулонов, начиная с уровня ниже 5 пКл при транспортировке, и проблема часто проявляется только после возвращения экипажа в лабораторию.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Заменить масляные конденсаторы на керамические компоненты.

Керамический конденсатор класса I занимает от одной трети до одной пятой объема и веса по сравнению с масляным конденсатором при том же напряжении и емкости. Масляный конденсатор на 30 кВ/1 нФ весит около 80 г, имеет диаметр 30 мм и высоту 50 мм. Керамический аналог весит 15–20 г и занимает примерно на 60% меньше объема.

В результате вес высоковольтного модуля снижается с 12 кг до 3–4 кг, а вся портативная головка весит менее 25 кг, что позволяет переносить её одному или перевозить самолётом. Кроме того, исключается утечка масла на пол музея.

Стратегия 2: Повысить номинальное напряжение отдельного блока, чтобы сократить количество ступеней.

Устройство на 50 кВ или 100 кВ уменьшает количество ступеней умножителя на 160 кВ с 8–10 до 3–4. Меньшее количество ступеней означает меньший вес, меньшее количество паяных соединений, меньше проводки и меньшее количество точек отказа. Формула пульсаций также дает электрический коэффициент усиления: при тех же значениях I_load, f и C уменьшение n с 8 до 3 снижает пульсации примерно на 85%. Стабильность выходного сигнала улучшается, а отношение контрастности изображения к шуму возрастает примерно на 10–15%.

Стратегия 3: Сокращение DF_eff и утечек памяти для увеличения времени выполнения.

An N4700 Диэлектрик класса I (T3M) обеспечивает коэффициент несущей способности DF_eff ниже 0.1% на частоте 100 кГц и сопротивление изоляции выше 10 ТΩ. В системе 90 кВ ток утечки остается ниже 10 нА на конденсатор, а потребляемая мощность в режиме ожидания — ниже 1 мВт. Обычные компоненты класса II могут терять сотни наноампер, что обходится в несколько ватт-часов в день. Низкие потери также означают низкий самонагрев, поэтому емкость не уменьшается по мере нагревания головки.

Стратегия 4: Использование компактной компоновки с контролем электромагнитных помех.

Укоротите высоковольтные дорожки и уменьшите площадь токовой петли, чтобы снизить паразитную индуктивность и излучаемый шум. Внутри портативной головки используйте экранирующие корпуса и заземляющие плоскости, а высоковольтные и сигнальные цепи проложите на отдельных слоях. Добавьте RC-демпферы в узлах переключения. Используйте коаксиальный или витой парный экранированный кабель для высоковольтных линий. Низкоэмиссионные кабели, такие как Конденсаторы дверной ручки HVCT8G Обрежьте петлю в источнике.

Стратегия 5: Создание модульных этапов с быстрой заменой.

Каждый каскад умножения вместе с конденсаторами, резисторами и диодами следует объединить в независимый модуль с интерфейсом, управляемым ключом. В этом случае неисправный модуль можно извлечь за считанные минуты, не затрагивая остальные. Для критически важных каскадов два параллельно соединенных конденсатора позволяют работать с пониженной мощностью в случае отказа одного из них, что позволяет завершить серию сканирований. Каждому модулю следует присвоить серийный номер и протокол испытаний, чтобы замена на месте эксплуатации обеспечивала целостность цепочки прослеживаемости.

Стратегия 6: Упрочнить деталь для эксплуатации в полевых условиях.

Используйте влагостойкую, устойчивую к УФ-излучению эпоксидную или силиконовую герметизацию со свинцовыми уплотнениями класса защиты IP54 или выше. Диапазон рабочих температур составляет от −25 °C до +125 °C, а кратковременное хранение – от −40 °C до +150 °C, что подтверждено испытаниями при 85 °C/85% относительной влажности в течение 1,000 часов и 100 циклами термического шока в диапазоне температур от −40 °C до +150 °C. Поставляйте с осушителем и амортизирующей пеной. Перед развертыванием проверьте сопротивление изоляции и частичные разряды до предела в 5 пКл.

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 ТΩ при напряжении постоянного тока 500 В	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 портативного компьютерного томографа, предназначенного для демонстрации исторических образцов.

Вес, время работы и надежность в полевых условиях — факторы, влияющие на производительность, и конденсатор находится на стыке этих параметров. Компания HVC производит компоненты из стали N4700, отличающиеся низкой массой на джоуль, стабильным значением в зависимости от температуры и герметичностью, выдерживающей циклы влажности. Производство осуществляется на собственном заводе площадью 6,000 м² в Дунгуане и охватывает диапазон напряжений от 1 кВ до 150 кВ.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• Высокая плотность энергии. Керамическая деталь весит в три-пять раз меньше, чем деталь, погруженная в масло, при той же мощности, что и позволяет снизить вес модуля с 12 кг до менее 4 кг.
• Широкий температурный диапазон стабильности. Диэлектрик класса I сохраняет емкость практически неизменной в диапазоне температур от −25 °C до +125 °C, поэтому головка, откалиброванная в холодной пещере, будет по-прежнему показывать правильные показания в теплой галерее.
• Низкий коэффициент полезного действия и низкий уровень утечки. Потери ниже 0.1% на частоте 100 кГц и сопротивление изоляции выше 10 ГОм позволяют снизить нагрузку на батарею и поддерживать энергопотребление в режиме ожидания ниже 1 мВт.
• Высоковольтные одноблочные устройства. Номинальное напряжение 50–100 кВ уменьшает количество ступеней, что снижает как пульсации, так и общую массу.
• Частичные разряды на уровне 5 пКл или ниже при использовании влагостойкой упаковки. Заводская экранировка и герметичный корпус ограничивают частичные разряды и поверхностный пробой во влажных местах.
• Полный комплект. HVR-BSP градуировочные резисторы, резисторы выборки HVRGHP, быстровосстанавливающиеся высоковольтные диоды и пленочный конденсатор Все необходимые опции поставляются одним и тем же поставщиком, что позволяет сохранить компактные размеры модуля и сократить спецификацию материалов.

Доставка и поддержка

Стандартные компоненты поставляются в течение 4–8 недель, а модули, изготовленные на заказ, — в течение 6–10 недель. Инженеры-разработчики HVC оказывают поддержку в проведении исследований по количеству ступеней увеличения мощности, сравнении плотности энергии и выборе материалов для герметизации в полевых условиях.

Укажите целевое напряжение, емкость на ступень, предельный вес и условия эксплуатации. HVC в течение пяти рабочих дней предоставит оценку веса и времени работы, план ступеней с номерами компонентов и два образца для оценки.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Какой вес могут уменьшить керамические конденсаторы?

В портативном компьютерном томографе на 90 кВ, относящемся к классу устаревших моделей, вес высоковольтного модуля снизился с 12 кг до 3.8 кг, а общий вес системы уменьшился примерно на 23%. При том же напряжении и емкости керамическая деталь занимает от одной трети до одной пятой объема и веса детали, погруженной в масло. Экономия приходится на самый тяжелый элемент в головке блока цилиндров, а именно на сам модуль, а не на электронику.

В2: Почему количество стадий заболевания имеет такое большое значение?

Каждый этап добавляет конденсаторы, соединения, проводку и массу, а пульсации растут как n(n+1)/2. Переход от 8-ступенчатого умножителя на 160 кВ к 3-ступенчатому снижает пульсации примерно на 85% и исключает более половины высоковольтных компонентов. Более высокое напряжение на единицу напряжения делает это снижение возможным, поэтому компонент на 100 кВ окупается вдвое.

В3: Как утечка влияет на время работы батареи?

Утечка тока разряжает аккумулятор в режиме ожидания и между снимками. Постоянная утечка в 100 мкА в аккумуляторе 24 В/20 Ач потребляет около 4.8 Вт·ч в день, или примерно 34 Вт·ч за семидневную поездку. Диэлектрик класса I с сопротивлением изоляции выше 10 ГОм поддерживает этот ток ниже 10 нА, что практически полностью исключает утечку и увеличивает количество сканирований на одном заряде.

Вопрос 4: Какие полевые условия должна учитывать конструкция?

Планируйте работу при относительной влажности 90% и температуре 5–10 °C в пещерах, перепадах температуры 30 °C в пустынных районах и разреженном воздухе на высоте. Используйте герметизацию IP54 или выше, проверяйте работу при температуре 85 °C/относительной влажности 85% в течение 1,000 часов и проведите 100 циклов термического шока от −40 °C до +150 °C. Проверяйте сопротивление изоляции и частичные разряды перед каждым развертыванием, поскольку повреждение от влажности проявляется в виде увеличения частичных разрядов раньше, чем в виде отказа.

В5: Может ли конденсатор класса II выполнить ту же работу?

Для этой задачи это не подходит. Деталь класса II может терять сотни наноампер при нагревании, а её ёмкость уменьшается с повышением температуры и постоянного напряжения, что влияет на пульсации и выходное напряжение. Вес может казаться похожим, но время работы от батареи и стабильность изображения — нет. Диэлектрик класса I, такой как N4700, сохраняет как потери, так и значение во всём диапазоне рабочих температур.

Вопрос 6: Как проверить облегченную конструкцию перед отправкой?

Убедитесь, что общий вес системы не превышает 25 кг, при этом высоковольтный модуль весит менее 4 кг, потребляемая мощность в режиме ожидания составляет менее 1 Вт при 90 кВ, а количество эффективных сканирований на одном заряде превышает 100. Температура эксплуатации должна составлять от −10 °C до +50 °C, а температура хранения — от −40 °C до +150 °C. Проверьте сопротивление изоляции выше 1 ГОм и частичные разряды (ЧР) на уровне 5 пКл или ниже при относительной влажности 90%, затем проведите случайную вибрацию с ускорением 5 g и повторите проверки.

7. Рекомендации

1. IEC 60601-1:2005+AMD1:2012, Медицинское электрооборудование — Часть 1: Общие требования к базовой безопасности и основным рабочим характеристикамЖенева: МЭК, 2012.
2. МЭК 60601-2-54, Медицинское электрооборудование — Часть 2-54: Особые требования к базовой безопасности и основным рабочим характеристикам рентгеновского оборудования для рентгенографии и рентгеноскопии.Женева: МЭК, 2018.
3. МЭК 60384-8, Неподвижные конденсаторы для использования в электронном оборудовании — Часть 8: Неподвижные конденсаторы с керамическим диэлектриком, класс 1Женева: МЭК, 2015.
4. МЭК 60270, 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. Д.Н. Донахью, М. Пехт, И.К. Ллойд и С. Ганесан, Деградация многослойных керамических конденсаторов под воздействием влагиНадежность микроэлектроники, том 46, № 2-4, стр. 400-408, 2006. https://doi.org/10.1016/j.microrel.2005.05.008
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. ГБ/Т 6346.1-2024, 电子设备用固定电容器 第1部分:总规范 (Постоянные конденсаторы для использования в электронном оборудовании – Часть 1: Общая спецификация). Пекин: 国家市场监督管理总局, 2024 г.
10. Высоковольтные керамические конденсаторы для силовой электроники, Х. Лавиль (Exxelia), техническая статья EE Power, https://eepower.com/technical-articles/high-voltage-ceramic-capacitors-for-power-electronics/.
11. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Технические ресурсы по высоковольтным керамическим конденсаторамhttps://www.hv-caps.com

Похожие страницы товаров HVC: перекрестная ссылка на конденсатор.