Импульсные конденсаторы для термографии углепластика и определения глубины повреждений от удара.

Импульсные конденсаторы для термографии углепластика и определения глубины повреждений от удара.

Резюме

Ударные повреждения в углепластике располагаются под поверхностью, где визуальный осмотр невозможен. Импульсная вихретоковая термография позволяет одновременно получить изображение всей панели и оценить глубину дефекта по температуре поверхности. Источник импульса определяет результат: 1–10 кВт в течение 100 мс – 1 с, при этом температура поддерживается на постоянном уровне. В данной статье рассматриваются соотношения нагрева и диффузии, конфликт между глубиной и разрешением, а также правила выбора и согласования конденсаторов, обеспечивающие воспроизводимость теплового контраста.

1. Введение

Углеволокнистый полимер, армированный углеродным волокном (CFRP), накапливает повреждения от удара под поверхностью. Отслоение, расслоение и пористость образуются в точке удара и увеличиваются под нагрузкой. Визуальный осмотр позволяет увидеть только поверхность. Тест на удар показывает состояние только внешнего слоя.

Ультразвуковой контроль позволяет обнаружить повреждения, но сканирование производится по точкам. Полная проверка панели занимает несколько часов, а результатом является карта, построенная на основе множества измерений в отдельных точках. Импульсная вихретоковая термография (ВЭТТ) позволяет получить изображение всего поля за один снимок.

Исследования, проведенные в ICT Prague и Federation University Australia, демонстрируют возможности метода ECPT. Этот метод нагревает поверхность импульсом вихревых токов и регистрирует температуру с помощью инфракрасной камеры. Дефект блокирует тепловой поток и проявляется в виде температурного контраста.

Эффективность работы определяется источником импульсов. Блок должен выдавать мощность от 1 до 10 кВт в течение от 100 мс до 1 с, а конденсатор определяет, насколько ровным остается этот импульс.

2. Основной механизм

2.1 Цепь нагрева и обнаружения

Вихревые токи распространяются в поверхностном слое углепластика под действием электрического поля катушки. Джоулево нагревание повышает локальную температуру. Затем тепло распространяется вглубь детали. Расслоение, отслоение или пустота прерывают этот путь диффузии, поэтому поверхность над дефектом охлаждается медленнее. Камера фиксирует разницу.

Тепловая мощность нагрузки подчиняется соотношению сопротивления:

P = V² / R.

Где P — мощность импульса в Вт, V — напряжение на катушке в В, а R — сопротивление катушки в Ом. Катушка с сопротивлением 0.05 Ом, работающая от напряжения 15 В, потребляет 300 А и рассеивает 4.5 кВт, что находится в пределах рабочего диапазона.

2.2 Энергия, ширина импульса и глубина

Энергия одного импульса определяет повышение температуры:

E = P · τ.

Где E — энергия импульса в Дж, P — мощность импульса в Вт, а τ — длительность импульса в с. Импульс мощностью 4.5 кВт длительностью 200 мс подает 900 Дж в поверхностный слой, и именно эта энергия определяет, станет ли дефект видимым.

Глубина достигается за счет диффузии, а не только за счет энергии. Тепло достигает глубины, определяемой шириной импульса:

z ≈ √(2 · α · τ).

Где z — глубина диффузии в мм, α — коэффициент тепловой диффузии в мм²/с, а τ — ширина импульса в с. По толщине типичного ламината из углепластика α составляет около 0.5 мм²/с, поэтому импульс длительностью 100 мс достигает глубины 0.3 мм, а импульс длительностью 1 с — 1 мм.

Сама по себе диффузия является свойством материала:

α = k / (ρ · c_p).

Где α — коэффициент теплопроводности, k — теплопроводность в Вт/(м·К), ρ — плотность в кг/м³, а c_p — удельная теплоемкость в Дж/(кг·К). Углеродные волокна повышают значение k вдоль направления волокна и снижают его по всей толщине слоев.

2.3 Спад во время длительного импульса

Импульс длительностью 200 мс вытягивает заряд из батареи, и напряжение на шине падает по мере его прохождения. Затем происходит падение напряжения:

ΔV = I · Δt / C.

Где ΔV — падение напряжения в В, I — импульсный ток в А, Δt — ширина импульса в мс, а C — емкость батареи в мФ. На батарее емкостью 20 мФ импульс силой 300 А длительностью 200 мс падает напряжение на шине на 3 В. На шине 15 В это падение составляет 20%, что изменяет скорость нагрева в течение импульса и ослабляет оценку глубины.

Одновременно с этим батарея повышает свою собственную температуру. Потери в эквивалентном последовательном сопротивлении следуют за I² · R, поэтому 300 А на 10 мОм рассеивают 900 Вт. Параллельное соединение элементов делит этот ток и уменьшает эффективное эквивалентное последовательное сопротивление, а крепление должно отводить тепло.

2.4 Почему направление волокон влияет на результат

Углеродный композит лучше проводит ток и тепло вдоль волокон, чем поперек них. Поэтому однонаправленное вращение катушки нагревает одну ориентацию волокон сильнее, чем другую. В результате на поверхности наблюдается температурный рисунок, обусловленный укладкой волокон, а не повреждениями. Многоканальный выходной сигнал с вращающимся направлением возбуждения позволяет разделить эти два явления.

Рис. 1 — Импульс длительностью 200 мс мощностью 4.5 кВт обеспечивает энергию 900 Дж и проникает на глубину 0.45 мм в ламинат, при этом ток 300 А через сопротивление 10 мОм рассеивает 900 Вт.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Неравномерная плотность мощности на анизотропной панели.

Одно направление возбуждения приводит к охлаждению областей перекрестного расположения слоев. Оператор, повышающий мощность для исправления этой проблемы, перегревает области, выровненные по волокнам, и камера перегревается в этих областях. В результате получается тепловое изображение, показывающее структуру слоев, а дефект остается скрытым.

Проблема 2: Глубина и разрешение поверхности расходятся.

Длинный импульс способствует проникновению тепла вглубь и обнаружению скрытых расслоений. Он также позволяет теплу распространяться в стороны, что размывает контраст поверхности. Короткий импульс делает изображение поверхности более четким и не позволяет обнаружить глубокие дефекты. Длительность импульса необходимо выбирать для каждой целевой глубины сканирования отдельно.

Проблемный момент 3: Нагрев блока при высокой скорости сканирования

При производственном сканировании импульс генерируется каждые несколько секунд. В диэлектрике накапливается тепло, изменяется емкость, и энергия импульса уменьшается в течение смены. В результате деталь с большим температурным коэффициентом дает иной результат в конце смены, чем в начале.

Проблема №4: Фонарные лампы против электрического отопления

Лампы-вспышки нагревают только поверхность и требуют большой оптической энергии. Электрический нагрев подает ток в деталь и передает энергию в местах дефектов. Для электрического тока необходима батарея с низким эквивалентным последовательным сопротивлением (ESR) и низким эквивалентным внутрилабораторным сопротивлением (ESL); оптический источник не требуется.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Рассчитать размер банка, исходя из энергетических и нисходящих потоков.

Определите энергию импульса по формуле E = P · τ, затем разделите на напряжение питания, чтобы получить емкость. Проверьте, соответствует ли просадка требуемой точности. Импульс, провисающий на 20%, нагревает деталь неравномерно и ухудшает оценку глубины.

Стратегия 2: Расположите клетки параллельно друг другу.

Разделите банк на параллельные линии HVCT8G В нескольких ячейках ток 300 А распределяется между несколькими компонентами. Параллельное подключение ячеек снижает эквивалентное последовательное сопротивление и рассеивает тепло, благодаря чему температура каждого диэлектрика остается ниже номинальной во время длительного сканирования.

Стратегия 3: Согласование каналов с точностью до ±1%.

Многоканальный вывод работает только при совпадении каналов. Экранируйте каждый канал с точностью ±1%, чтобы каждое направление волокна получало одинаковую энергию. Диэлектрик класса I N4700 с TCC ±30 ppm/°C, и баланс каналов сохраняется в нагретом шкафу.

Стратегия 4: Поддерживайте низкую индуктивность петли.

Достичь уровня электростатического напряжения ниже 20 нГн можно с помощью ламинированной шины, коротких выводов и симметричной компоновки. пленочный конденсатор Емкость блока с тем же параметром на два порядка выше по ESL, что увеличивает длительность нарастания тока и выводит энергию за пределы полезной полосы пропускания.

Стратегия 5: Контроль температуры и проверка по эталонному дефекту.

Установите датчики температуры на блоке и ограничьте рабочий цикл на уровне, при котором диэлектрическая проницаемость остается ниже 80% от номинального значения. Добавьте HVR-BSP толстопленочные резисторы для ограничения тока в контуре разряда, и а быстровосстанавливающийся высоковольтный диод Для предотвращения обратного тока между импульсами. Перед началом сканирования в процессе эксплуатации необходимо проверить глубину, сравнив ее с плоскодонным отверстием известной глубины.

Стратегия 6: Задать тот импульс, который предполагала модель.

Сопоставьте блок с моделью, которая сгенерировала параметры импульса. Проверьте емкость, эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) и ширину импульса на стенде с установленной производственной катушкой, при рабочей температуре и с помощью того же токового датчика, который использовался в модели.

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. Высоковольтные конденсаторы для термографических блоков из углепластика.

Здесь тепловое изображение определяется двумя параметрами: величиной потерь, вносимых блоком при токе 300 А, и равномерностью распределения тока между параллельно расположенными ячейками. Компания HVC производит компоненты класса I N4700 для обеих задач 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.

• ЭПР ниже 10 мОм при 100 кГц. Импульсная последовательность силой 300 А остается в миллиджоульном классе на импульс, поэтому батарея сохраняет свою энергию от первого кадра до последнего.
• ESL ниже 20 нГн. Нарастание тока остается кратковременным, поэтому импульс нагрева поддерживает спектр, предполагаемый тепловой моделью.
• ±1% совпадение ячеек. Параллельные и многоканальные блоки равномерно распределяют ток, и каждое направление волокна получает одинаковую плотность энергии.
• TCC ±30 ppm/°C. Энергия импульса сохраняется на протяжении длительного сканирования, поэтому базовая температура не смещается между началом и концом смены.
• Частичный разряд ниже 5 пКл. Повторные импульсы не ухудшают состояние диэлектрика, поэтому батарея сохраняет свою энергию на импульс более 10⁶ циклов работы.
• Скоординированные компоненты. резисторы выборки HVRGXP в текущем смысле и HVR-BSP Толстопленочные компоненты для разрядного контура можно заказать у банка.

Компоненты HVC соответствуют электрическим параметрам и данным о надежности. Vishay Используются компоненты HVCC, KEMET с радиальными выводами, Murata DHS/DHR и TDK для сверхвысоковольтных/низковольтных систем, а также в крупносерийном производстве для компаний из списка Fortune 500, занимающихся производством оборудования для визуализации и контроля.

Доставка и поддержка

Стандартные детали класса I поставляются в течение 4–8 недель, а детали нестандартных размеров — в течение 6–10 недель. Инженеры-технологи HVC оказывают поддержку в расчете энергопотребления и просадки мощности, согласовании параллельных ячеек и тепловом анализе монтажа блока.

Отправьте напряжение питания, ширину импульса, ток на канал и частоту сканирования. HVC в течение пяти рабочих дней вернет предложение по банку микросхем с номерами компонентов, данными ESR на частоте импульсов и соответствующим набором образцов.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Какая энергия необходима для одного импульса термографии с использованием углепластика?

Этого достаточно, чтобы поднять поверхность выше уровня шума камеры и достичь целевой глубины. Импульс мощностью 4.5 кВт длительностью 200 мс обеспечивает 900 Дж, что достаточно для типичного сканирования повреждений от удара. Для более глубоких дефектов требуется более длинный импульс; дополнительная мощность не увеличивает глубину, поскольку она определяется диффузией.

В2: Как выбрать ширину импульса?

От целевой глубины по оси z ≈ √(2 · α · τ). Диффузионная способность по толщине в CFRP составляет около 0.5 мм²/с, поэтому за 100 мс достигается примерно 0.3 мм, а за 1 с — примерно 1 мм. Выберите ширину для одной целевой глубины на одно сканирование и обеспечьте повторяемость результатов.

В3: Почему банку нужен низкий показатель ESR на уровне 300 А?

Поскольку потери пропорциональны квадрату тока. При токе 300 А батарея из 10 мОм рассеивает 900 Вт, и это тепло изменяет емкость и снижает энергию импульса. Параллельное подключение ячеек разделяет ток, поэтому батарея из четырех ячеек по 40 мОм каждая ведет себя как батарея из 10 мОм, но потери на одну ячейку в четыре раза меньше.

Вопрос 4: Имеет ли значение ESL, если длительность импульса составляет 200 мс?

Это имеет значение на краю, а не на плоской вершине. Нарастание тока происходит за микросекунды, и индуктивность петли определяет скорость этого нарастания. Высокая эквивалентная последовательная индуктивность (ESL) увеличивает время нарастания, сдвигает спектр вниз и уменьшает приповерхностный нагрев, который создает контраст поверхности.

В5: Может ли система импульсных ламп заменить импульсный блок?

Для тонких панелей — да. Лампа-вспышка нагревает только поверхность, поэтому она обнаруживает расслоения вблизи поверхности и пропускает скрытые дефекты. Электрический нагрев подает ток в ламинат и передает энергию ближе к дефектам, поэтому импульсный генератор используется для обнаружения повреждений от удара.

В6: Какую повторяемость от импульса к импульсу следует ожидать?

Погрешность составляет 2% от накопленной энергии, если емкость батареи составляет ±1%, а температурный коэффициент теплового расширения — ±30 ppm/°C. Без этих значений дрейф проявляется в виде смещающейся тепловой базовой линии, и оператор не может отличить реальный дефект от изменения коэффициента усиления импульса.

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, 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. Ф. Д. Киферндорф, М. Форстер и Т. А. Липо, Снижение пульсаций тока на конденсаторе шины постоянного тока с помощью преобразователя PAM/PWMIEEE Transactions on Industry Applications, том 40, № 2, стр. 607-614, 2004. https://doi.org/10.1109/tia.2004.824495
8. И. Чен, Ф. Лин, Х. Ли, Ф. Лю, М. Чжан и З. Ли, Исследование самовосстановления и характеристик срока службы металлизированного пленочного конденсатора в условиях высокого электрического поля., в сборнике трудов конференции IEEE Pulsed Power Conference 2011 года, стр. 711-716, 2011. https://doi.org/10.1109/ppc.2011.6191497
9. США 7,023,686, Высоковольтный керамический конденсаторTDK Corporation, патент выдан в 2006 году, https://www.freepatentsonline.com/7023686.html.
10. Зинке, О., и Зайтер, Х., Widerstände, Kondensatoren, Spulen und ihre Werkstoffe, 2. Ауфл. Берлин: Спрингер, 1982.
11. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com