Рентгеновский генератор Советский патент 1980 года по МПК H05G1/32 

1

Изобретение относится к рентгено-г технике, а более конкретно - к рентгеновским генераторгил со средствами стабилизации анодного напр;1жения на рентгеновской трубке.5

К рентгеновским генераторам аппаратов, применяемых в составе замкнутых систем радиационного контрд ля, например в радиационных толщиномерах проката, предъявляют весьма 10 высокие требования к быстродействию и точности регулирования анодного напряжения. Как правило, в системах высокой точности применяют конденсаторные аппараты, ха1 актеризунвди- |5 еся наиболее равномерным спектром и наибольшей интенсивностью излучения.

В рентгеновских генераторах с :преобразователями частоты, как пра- yQ вило, используют два конденсаторных фильтра: первый - низкочастотный, служащий для подавления пульсаций выпрямленного напряжения сети, которое используется для питания пре- 2S образователя частоты (инвертора), второй - высокочастотный, которьй Входит в состав высоковольтного генератора, как правило, это фильтр каскадного умножителя напряжения. JQ

Если сетевой выпрямитель нерегулируемый, то между ним и инвертором находится регулятор, которай также может содержать сглаживающий фильтр. В современных рентгеновских генераторгис получгиот распространение импульсные регуляторы напряжения.

Известен ре.нтгеновский генератор, содержёшисй инвертор и импульсный регулятор постоянного напряжения, которое питает инвертор, измерительный делитель анодного напряжения, соединенный с импульсньм регулятором по схеме обратной связи, включающей схему сравнения и источник опорного напряжения {l.

Наиболее близким к изобретению техническим решением является рентгеновский генератор, содержащий излучатель, главную цепь, состоящую из управляемого выпрямителя , конденсаторного сглаживающего фильтра, инвертора и каскадного умножителя напряжения, схему измерения и управления, включакяцую измерительный делитель анодного напряжения, пиковый детектор, источник опорного напряжения и схему сравнения, подсоединённую через преобразователь к управляемому выпрямителю S .

Методические преимущества схемы рассматриваемого генератора известны. Регулирование постоянного напряжения при помощи высокочастотной модуляции (в известном генераторе применяется двухпозиционный (релейный) модулятор, режим работы которого соответствует частотно-импульной модуляции (ЧИМ) позволяет получить высокие динамические показатели. Но практическая реализация генераторов большой мощности связана с рядом трудностей. Схемы с ЧИМ не позволяют оптимизировать работу ключевого элемента, замыкающего диода, дросселя и конденсатора сглаживагадего фильтра, так как йти элементы работают в переменном частотном диапазоне, юме того, схема с ЧИН не эффективна при низких анодвьек напряжениях. Практически схема с ЧИМ не применяется на мощности больше неско льких десятков BatT.

Схемам-с широтно-импульсной модуляцией {ИШН) та«сие недостатки не свойствекгны но присущ другой недостаток - аасяадеяие дросселя сглаживакадего фильтра импульсного регулятора при болызшх токах нагрузки изза наличия постояйной составляющей в модулируегиюм. нап ряжении. Этот фактор приводит к резкому увеличению тока через ключевой элемент. Поэтому акиа схема на болымие мощности также не при йеняю(тся или применяются но с существенными аппаратурными усЛОЖНбчияяи, связанными с устранением режима аасьацения дросселя.

Наиболее простыми и экономичными язяЯ1й)Фёярегулзтт6ры постоянного напряйсейия, выполненные на основе управяяемьк вьтрямителей. Показатели таких регуляторов еще более возрасли в связи с созданием оптронных тиристоров (фототиристоров), которые входят в состав выпрямителя. По экономичйости и аппаратурной емкости они значительно превосходят известные устройства с различными видами частотной модуляции, но по быстродействию уступают последним, так как регулирование в управляемых выпрямитёЛях происходит на частоте питающей сети.

в некоторых случаях введение корректирудадего звена в систему управления генератором позволяет повысить быстродействие систегвл управления и обеспечить етаибку стабилизации анодного напряжений is заданных пределах. Однако реализовать вбэмозкности быстродействия сиете№а управления не йсегда удается из-за неполной управляемости тиристоров июстового вып|5йШтеля и его вентильных свойств Так при некотором уровне возмущаю.щего воздействия происходит заряд, фильтрующего конденсатора, до такого уровня, что в следукяций полупериод

в момент прихода управляющего импулса тиристор не отпирается, так как напряжение на конденсаторе превышает напряжение в сети, соответствующее фазовому положению управляющего импульса. И замкнутая схемно система стабилизации оказывается парс1метрически разомкнутой на некоторое время. Это приводит к увеличению ошибки стабилизации в переходном режиме и, следовательно, общей ошибки стабилизации.

Цель изобретения заключается в том, чтобы повысить точность стабилизации анодного напряжения в рентгеновском генераторе.

Достигается это тем, что в рентгеновском гене)Е аторе, содержащем излучатель, главную цепь, состоящую из управляемого выпрямителя, конденсаторного сглаживающего фильтра, инвертора и каскадного умножителя напряжения, схему измерения и управления, включающую измерительный делитель анодного напряжения, пиковый детектор, источник опорного напряжения и схему сравнения, подсоединенную через преобразователь к управляемому выпрямителю, в схему измерения и управления введены измерительный резистор анодного тока, вторая схема сравнения, компаратор, экстрематор и схема И, причем выход второй сравнения и измерительный резистор анодного тока подключены к входам компаратора, измерительный делитель анодного напряжения - к входу экстрематора и к инверсному входу второй схемы сравнения, к прямому входу которой подключен источник опорного напряжения, а выходы компаратора и экстрематора - к входам схемы И, в главную цепь введены включенн ые параллельно сглаживающему фильтру последовательно соединенные ключ и резистор, причем ключ соединен с выходом схемы И.

Преобразователь содержит корректирующую схему -и модулятор импульсов с синхронизацией от сети.

Компаратор состоит из устройства вычисления времени разряда конденсатора сглаживающего фильтра, источника опорного напряжения и схенег сравнения.

Экстрематор состоит из последовательно соейиненных ключа, дифференцирующей цепи и формователя импульсов, а также высокочастотного генератора, выход которого соединен с управляющим входом ключа,

На фиг. 1 показана функциональная схема предлагаемого рентгеновского генератора; на фиг. 2 - временные диаграммы,поясняющие принцип его работы. ч

Рентгеновский генератор состоит из управляемого выпрямителя 1, кондесаторного сглаживающего фильтра 2, ключа 3, резистора 4, инвертора 5, каскадного умножителя 6 напряжения, измерительного делителя 7 анодного напряжения, излучателя 8, измерительного резистора 9 анодного тока, пикового детектора 10, источника 11 опорного напряжения (ИОН), схемы сра нения 12, корректирующей схемы 13, модулятора 14 импульсов, второй схе ,мы сравнения 15, экстрематора 16, состоящего из ключа 17, высокочасто ного генератора 18, дифференцирумяцей цепи 19 и формирователя импуль сов 20, схемы И 21, компаратора 22, состоящего из схемы сравнения 23, устройства 24 вычисления времени ра ряда конденсатора сглаживающего фил тра и источника 25 опорного напряжения. По структурному принципу заявлен ный генератор представляет собой двухконтурную систему автоматическо го регулирования анодного напряжения рентгеновской трубки. Первый (основной) контур образован главной цепью и системой управления и измерения, состоящей.иэ измерительного делителя 7 анодного напряжения, пикового детектора 10, ИОН 11, схекЕЫ сравнения 12, корректирующего эвена 13, модулятора 14 импульсов. Регулирование анодного напряжения в такой системе достигается за счет импульсио-фазовой модуляции угла отпирания тиристорюв управ ляемого выпрямителя 1 и, как следствие, напряжения питания инвертора 5 , изменение которого приводит к изменению напряжения на обмотках главного трансформатора (ГТ), вхо дящего в состав инвертора Пиковый. детектор 10 служит для выделения постоянного уровня, пропорциональ-. ного амплитудному значению анодного напряжения. Корректирующее звено 13 предназначено для придания замкнутой системе необходимых показателей в переходном режиме. .Рассматривая процессы изменения напряжения в главной цепи, допустим что формы напряжения Цф сглаживающего фильтра 2 и анодного напряжения UQ, излучателя 8 совпадают с точ ностью до уровня высокочастотных пульсаций, содержа&шхся в анодном напряжении. Но уровень этих пульс ций во много раз меньше низкочастот ных пульсаций. Например, низкочастотная пульсация анодного напряжения и фильтра 2 составляет.в номинсшьнрм 10%, а высокочастотная пульсация анодного напряжения равна 0,5%. Как видно из временной диагра &&1 (фиг. 2), установившемуся значению с1мплитуды анодного напряжения Je,,, соответствует угол d. управления тиристорами. Предположим, что в момент времени в сети возникает скачкообразное возмущение. При открывании тиристора в момент времени t, (J7+А)/ио произойдет заряд конденсатора фильтра 2 по траектории АС. В точке С происходит сравнение напряжения на конденсаторе и напряжения в сети, напряжение на открытом тиристоре станет равным нулю, т.е. произойдет запирание тиристора. Из точки С начинается свободный разряд конденсатора по траектории СО (в установившемся режиме свободный разряд проходил по траектории RA). По об амплитуде анодного напряжения в точке С схема управления основного контура в соответствии с характерньви для нее быстродействием изменит угол управления тиристором, а именно, увеличит его (dL+Ad) с тем, чтобы уменьшить амплитуду напряжения UQ,. Например, если бы разряд конденсатора происходил по траектории CF, то тиристор включился бы в момент времени 11 ( ) /из, и заряд конденсатора фильтра произошел бы по траектории FG. В следующий полупериод угол управления еще более увеличивается, и при крутизне разряда, соответствующей траектории CF, анодное напряжение было бы близко к установившемуся значению Крутизна траектории разряда определена величиной эквивалентного сопротивления рентгеновской трубки J-e. при Одном и том же напряжении - величиной анодного тока. При величине анодного тока, определяющего разряда по траектории СО, и величине возмущения, превышающего некоторуй критическую величину, тиристор в момент времени (21)+А.(А)/ не открывается, поскольку напряжение сети, соответствующее этому углу отпирания, меньше напряжения на конденсаторе 2. Поэтому, как минимум, на один шхлупериод произойдет параметрическое размыкание основного контура регулирования за счет размыкания регулятора напряжения (выпрямителя 1) главной цепи, хотя система управления постоянно формирует управлякяцие импульсы. и„зд. При малых анодных токах (большом Rjjjg) параметрическое разкыкание может произойти на несколько периодов, что вызывает существенную погрийность в отклонении анодного напряжения от установившегося значения. Включение дополнительного контуjpa уменьшить время переходного щюцесса, устранить явление паpaMetpH4ecKoro размыкания основного контура и повысить точность стабилизации. Сущность работы контура заключается в подключении в переходном режиме дополнительной нагрузки .«. в виде резистора и параллельно Rj, приведенной ОСНОВНОЙ нагрузке

к клемйам конденсатора фильтра 2. Har pyeka подключается к конденсатору 2 через ключ 3, управляемый схемой 22 экстрематором 16. В этом случае разряд конденсатора 2 происходи по траектории СЕ, включа1ацей участо свободного разряда конденсатора на суммарную нагрузку ,(траектория СЕ) и участок свободного разряда только на нагрузку R gfтраектория EF), .

Управление компаратором 22 производят по информации об аноднсмч й а ноЯйоМ напряжений излучателя. Если бЫ нагрузка рентгеновского rail ёратора была линейна, то на компаратор достаточно было подавать информацию о величине анолногс напряжения и опорное напряжение, уровень которого превышал бы уровень уставки анодного напряжения (ИОН 11 на, допустимую величину возмущения. Но тал к аи Ffarpy3ka нелинейна, то при различных уставках анодного одна и та же величина возмущения в одних случаях может вызвать размыкание основного контура, а в других нет. Более того, возможен такой режим работы, что при меньших уоовнях возмущения система окажется разомкнутой, а при больших замкнутой.

, величина возмущающего воздействия вызывает изменение анодного напряжения от установившегося Экачёнля на величину о,. Учитывая, что величина возмущений в сети не превьвнает 10-15%, можно утверждать, что разряд конденсатора 2 на эту величину происходит практически по линейному закону. В этом случае время разряда конденсатора до установишегося значения, соответствующего и , равно

И)

4. -С... д

с

где С - емкость конденсатора фильтра;

приведенные к клемма кон3o,,AUa денсатора значения анодноj7b тЬка и изменения анодного напряжения.

Назовем критической величиной вомущения такую величину, превышение которой Щзтв}уятс У: ё ё конденсатора фильтра болыаему длительности половины периода питающей сети Т/2. Например, если траектория СЕ соответствует свободному разряду конденсатора, то критической величиной возмущения будет уровень равный траекто1рии АС. ,.Z.-,: ,i-.:- Из зыражечия (i)легко Определить крйтйческуга; величину возмущения ::

(а)

лЦ

О)

а- с

коКак видно из выражения J2), Р Шёская величина озмущен11Я

784032

от величины анодного тока Зд. Поэтому на компаратор целесообразно подавать не информацию о величине анодного напряжения, а информацию о времени разряда конденсатора при наличии возмущения величиной лУд. Если tp,j,jp Т/2, то компаратор 22 через ключ 3 подключает дополнительную нагрузку и изменяет время разряда.

вычисление времени разряда по . формуле (1) осуществляют известными средствами с последующим преобразованием цифровой информации в напряжение для его сравнения с опорным напрйяеёнием ИОН 25, пропорциональным величине Т/2. Различие схем

$ сравнения 12 и 15 заключается в том, что схема 12 вьщеляет амплитудную разность (за счет пикового детектора ТО), а схема 15 - разность по мгновенному значению,

Q Использовать информацию л выхода схемы сравнения 12 принципиально невозможно, поскольку пиког.ый детектор 10 запоминает информацию об амплитуде, например, в точке С на половину периода, т.е. в этом интервале 1 (пик. детектора) Const. В этом при Ja -const схема сравнения 23 была бы включена на половину периода, и конденсатор 2 разрядился бы за это время

0 практически полностью по траектории СЕ (ниже точки Е).

По информации р М1новенном значении , которая изменяется по мере разряда конденсатора, схема сравнения 23 отключится, как только величина AU{j станет равна критической величине (на фиг. 2 соответствует точке Е). Из этой точки начинается свободный разряд конденсатора тольQ ко на эквивалентное сопротивление трубки RgKe ° траекторий EF. Информация об анодном токе подается с резистора 9.

Важнейшим требованием, предъявляемым к компаратору, является то, чтобы он обеспечивал подключение дополнительной нагрузки только после отключения тиристора. В противном случае подключение дополнительQ ной нагрузки ftftonB ийтервалё проводимости тиристора приведет к значительному Юзрастанию тока через тиристор, поскольку в любом режиме работы трубки величина R всегда значительно меньше величины КЭКА

Именно за счет этого и обеспечивается быстрый разряд конденсатора (тр аектОрйй со) в переходном режиме. Кроме того, в указанном режиме возможны и автоколебания релейного контура, а также снижается КПД генератора.

Поэтдму, несмотря на то, что сигнал .с выхода схемы сравнения 23 появляется уже при достижении кри5 тйческОй величины лил,,р(точка В),

ключ 3 не срабатывает, поскольку с экстрематора 16 поступает сигнал запрета (логический О), и только после достижения максимального уровня возмущения (точка С), при котором тиристор запирается, с экстрематора поступает сигнал и (логическая 1), раэрешгиощий через схему И 21 прохождение управляющего сигнала схемы сравнения 23 на вход ключа 3. Как видно из временной диагргммы,. сигнгш t схемы И 21 Смещен во времени относительно сигнала и,„р.

Экстрематор 16, как следует из его назначения, определяет временное положение максимума анодного напряжения трубки. Сущность его работы заключается в определении производной анодного напряжения Когда анодное напряжение достигает максимума, его производная изменяет знак. Например, точке С соответствует изменение знака производной (точка L) с минуса на плюс Момент этого перехода фиксируется формирователем импульсов 20, КОТО1ШЙ фОСМИрует импульс разрешения и постоянной длительности.

Функционгшьно экстрематор предстляет собой импульсное дифференцирующее устройство, входной сигнал которого - измеряемая часть аиодного напряяюния V с делителя 7, модулируется высокочастотной (100200)кГц последовательностью импульсов при помощи ключи 17 и высокочастотного генератора 18, а затем промодулированный импульсный сигнал дифференцируется цепочкой 19. Последовательность высокоча ьтотных импульсов подается на вход формирователя 20.

На фиг. 2 пунктиром показана огибгиоцая Цди этих импульсов. Собственно импульсы показаны только в области точек L и М. Как правило, в подобных схемах используют усилительограничитель этих импульсов (на схеме не показан), поэтому на фиг. 2 показан ограниченный уровень импульсов. Фо(трователь импульсов 20 представляет собой последовательно соединенные триггер и одновибратор. При смене знака производной в точке М первый отрицательный импульс :сбросит триггер, например, в состояние О, а котором одновибратор не реагирует на изменение состояния триггера. Но при смене знака производной в точке L первый положительный импульс сбросит триггер в сос;тояийе 1, которое служит управляшцим для запуска одиоаибратора, формирующего импульс Uj. Аналогично сработает схема и в точке N при величине возмущения FG, превьшакхаей критическое значение. Как видно из диаграмм, экстрематор формирует импульс U4 в точке каждого экстремума

анодного напряжения, но ключ 3 замыкается только при наличии импульса . Например, в стационарном режиме (точка R) ключ 3 не эамыкаетря, поскольку отсутствует импульс Реализация изобретения позволяет повысить точность стабилизации интенсивности излучения и, что особенно важно, уменьшить при этом динамическую составляющую ошибки. В динамических системах радиационного контроля этот фактор имеет очень важное значение..

Проведенные экспериментальные исследования на макете рентгеновского генератора аппарата АРП 140-5 подS твердили преимущества предложения. Время переходного процесса до стабилизированного уровня анодного напряжения при набросе напряжения сети на 10% в одноконтурной системе сосO тавило 50 мс, в двухконтурной системе - 5-6 мс.

Формула изобретения

1.Рентгеновский генератор, содержшаий излучатель, главную цепь,

S состоящую из управляемого выпрямителя, конденсаторного сглаживающего фильтра, инвертора и каскадного умножителя напряжения, схему измерения и управления, включающую изме0рительный делитель анодного напряжения, пиковый детектор, источник опорного напряжения и схему сравнения, подсоединенную через преобразователь к управляемому выпрямите5лю, отличающийся тем, что, с целью повышения точности стабилизации анодного напряжения,

в схему измерения и управления введены измерительный резистор анодного тока, вторая схема сравнения, ком0паратор, экстрематор и схема И, причем выход второй : схемы сравнения и измерительный резистор анодного тока подключены ко входам компаратора, измерительный делитель анодного на5пряжения - ко входу экстрематора и к инверсному входу второй скеыа сравнения, к прямому входу которой подключен источник опорного напряжения, а выводы компаратора и экстрематора 0ко входам И, в главную цепь введены включенные параллельно сглаживгооцему фильтру последовательно соединенные ключ и резистор, причем ключ соединен с выходом схеь И.

2.Генератор по п.1, отлива5ю щ и и с я тем, что преобразователь содержит корректирующую схему и модулятор пмпульсов с синхронизацией от сети.

3.Генератсф по пп. 1 и 2, отОличающийся тем, что компа-. ратор состоит из устройства вычисления вреьюни разряда конденсатора сглаживающего фильтра, источника опорного напряжения и сравне5ния.