автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.17, диссертация на тему:Исследование и разработка прецизионных источников тока для питания магнитных систем медицинских магнитно-резонансных томографов "Образ"

ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ И ИСПЫТАТЕЛЬНЫЙ ИНСТИТУТ МЕДИЦИНСКОЙ ТЕХНИКИ

о

I 0

од

2 3 АПР 1ааь

11а правах рукописи

УДК 616-ОТ3.756.8+ 621.316.721

ДАБАГОВ АНАТОЛИИ РУДОЛЬФОВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ПРЕЦИЗИОННЫХ ИСТОЧНИКОВ ТОКА ДЛЯ ПИТАНИЯ МАГНИТНЫХ СИСТЕМ МЕЛИВШИХ МАГНИТНО-РЕЗОНШСНЫХ ТОМОГРАФОВ "ОБРАЗ"

Специальность - 05.11.1Т - Медицинские приборы и измерительные

системы,

05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы.

включая их управление и регулирование.

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1996.

Работа выполнена в АО "Корпорация "Агрегат".

Оффициальные оппоненты.:

- доктор техн.наук, профессор Блинов H.H.,

- кандидат твхн.наук, с.н.с. Клейменов В.А.

Ведущая организация - АО "ВНШШ-Вита".

JS. Jrng

Защита диссертацш состоится * ■ 1995 г>

в/(¿^чъсоъ на заседании специализированного совета Д СГ74.46.01 ео Всероссийском научно-исследовательском и испытательном институте медицинской техники по адресу: 129301, г.Ыосква, ул.Касаткина, 3.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВНШМТ. Автореферат разослан "_"_ 1996 г.

Ученый секретарь Совета

Актуальность работы. Техническое сснащоние медицинской диагностики постоянно претерпевает изменегая, которые связаны с общим прогрессом в технологии получения информации об окружающем мире. Особенно ощутимые " поправки в последнее десятилетие произошли в медицинской интроскопии - разделе диагностики, связанном о использованием методов и устройств для исследования внутренних органов пациентов, которые на могут быть проанализированы визуально. Возможности такого анализа появились в связи с использованием для получения изображений различия физических явлений, и прежде всего тепловых, электромагнитных и ультразвуковых. Новые возмогяостп в визуализации органов и систем тавых организмов открывает магнитно-резонансная томография (МР-томография), в основе которой легат явление ядерного магнитного резонанса.

Накопленный к настоящему времени опыт свидетельствует о таких несомненных достоинствах этого диагностического метода,как обэспочоние высокого разрешения и высококонтрастного изображения практически всех тканой и систем человеческого организма, возможность визуализации труднодоступных областой человеческого тола, например, задней черепной ямки головц, наблюдать которие неинвазивными методами до внедрения МР-томографэв вообаэ не удавалось. МР-томография позволяет поставить диагноз многих заболеваний * на более ранних стадиях их развития,чем другие методы. Здесь не используются источники ионизирующего излучения, и поэтому МР-томография практически безопасна для обследуемых.

Первый отечественный промиилепний ^-томограф "Образ-'!" был разработан и изготовлен в 1991 году на Опытном заводе "Агрегат" Минэлектротехприбора СССР (шла Акционерное общество "Корпорация "Агрегат"). К настоящему времени разработаны и серийно производятся МР-томогра^и "Мраз-2", "Образ-3", а также совместно с итальянской фермой "1С0НА 213ГШ ЮФЮАЫ" МР-томографц 100КА-6400.

Автор осуществлял научное руководство и принимал непосредственное участие в создании МР-томографов "Образ-1" и последущих модификаций. В диссертационной работа обобщаются результаты выполненных ¡ш теоретических и экспериментальных исследований, связанных с разработкой источников тока для питания магнитных систем этих томографов.

Объект, содержание и методы исследований.

С учетом факторов риска и стоимости, а также имевшейся информации о зарубежных МР-томографах к разработке был принят МР-томограФ с электромагнитной розистивлой системой.

Специфической особенностью указанной магнитной системы является необходимость поддержания питающего тока в течение рабочего цикла с точностью не хуке Сложность создания такой системы еще более

повышается, если принять во внимание возможные достаточно значительные изменения напряжения питапдой сети (itOZ) и температуры окружающей среды (±5°С).

Ссновное содержание работы составляет синтез структуры и исследование точностных характеристик источника тока, принятого к использованию в MP-томографе "Образ-!". Под синтезом структуры источника тока понимается формирование такой его функциональной схемы и выбор таких его параметров, характеристик и способов их реализации, которые в условиях технических и производственник ограничений наилучшим образе:: обеспечивают выполнение предъявляемых к источнику тока требований при заданных условиях применения и эксплуатации.

Для использования в MP-томографа "Образ-1" был выбран полупровод-водккковый источник тока на основе стабилизатора тока непрерывного действия с обратной связью. Имеющиеся в литературе результаты исследований и рекомендации по построению подобных источников составляют достаточную базу для решения порвой части задачи синтеза структуры источника тока, но не дают ответа на вопросы, связанные с практическим выбором параметров и характеристик отдельных элементов.

Круг рассматриваемых в диссертационной работе вопросов включает:

- обоснование требований к СЗП по точности в установившихся и переходных режимах, связанных с колебаниями напряжения питающей сети;

- синтез структурной схемы СЗП;

- исследование статических и динамических свойств составных злементов и СЭП в целом;

- разработку методик расчета элементов источника тока - дросселей насыщения и дополнительных сопротивлений, обеспечивающих равномерное распределение тока меаду параллельно включенными транзисторами.

При описании СЭП и происходящих при ее работе процессов использова лись уравнения обиетеоретических дисциплин (электротехники,электроники, автоматического регулирования). Специфические особенности объекта исследований (габариты, вес, энергопотребление) и многообразие влияющих на его характеристики факторов предопределили применение в качестве основного метода исследования метода матомаггческого моде-моде лированкя. При моделировании применялась ГОШ ГЕШ PC/AT-286.

Научная значимость работы состоит в развитии методов расчета отдельных алиментов и прецизионных источников тока в целом.

Практическая значимость работа определяется использованном ее результатов и рекомендаций при разработай и промишюнпом производство МР-томогрзфов "Образ".

На защиту выносится:

- аналитические соотношения, вираяагаде требования к стабильности источников тока для питания электромагнитных систем Мр-томографов,

- функциональная схема источника тока, удовлетворялся требования!« по точности/, характеристикам, предъявляем™ по условиям его применения для питания электромагнитных систем МР-томографов:

- котодика расчета дросселей насыщения;

- методика расчета дополштольпих сопротивлений для втравливания токов между параллельно включенными транзисторам.

Основшо положения и рзультатн диссертационной работа доклашгвэлись па республиканской научно-практической конференции "Магнитно-резонансная томография¡медицинские и технические аспекты" (Москва,1992) и научно-практическом семинаре "Опыт эксплуатации ИТ-томографов "Образ" (МоскЕа, 1995).

Публикации. Результата выполненных исследований и разработок представлены в 3-х докладах в сборниках материалов конференций 2-х статьях, опубликованных в журнале "Электротехника", а также 2-х авторских свидетельствах.

Структура и объем диссертации. 'Диссертация Представлена рукописью на 100 стр., состоящей из введенияк 5-та гл&в, вакяючвния, приложения и Акта о внедрении результатов дассвртаШЫШй работы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОЙ! 1

Во введении дается постановка задачй ¡забой!, 1арШёрйз^е1>са ее основное содержание и принятый мото& и&'бзЙ^йЙаШШ; фйр!«улзгру»тся основные положеная; вшосимце на агЩаН $&ЬЬШтрйвается научная и практическая значимость работы.

Глава 1. Требования, продъявлявшэ к источникам тока электро-магнитнитных слотам МР-тс;,;ографов.

В разд.1.1. рассматриваются исходные предпосылки, положенные в основу выбора направления разработки ЫР-томографа "Образ-1 ".Таковыми приняты результаты сравнителышх анализов магнитных систем различного типа (па основа постоянных магнитов, электромагнитных резистивных и сверхпроводящих) по основным технико-эксплуатационным показателям (Ríos, Lasterls) ц стоимости (Knuettel). Такие учитывались результаты анализа требования к магнитным системам ЫР-томографов, выполненного с участием автора с позиций требований МР-визуализашш, а таккэ требований к МР-томэграфам как системам медицинской шзтроскошш. По результатам анализа к разработка был принят МР-томограф с электромагнитной резистивной системой и уровнем индукции 0,12 Тл.

В разд. 1.2 с учетом пропорциональной связи каглу индукцией В0 и питашим током 3 к соотношений МР-визуализации выведено аналитическое соотношение, определяющее допустимое отклонение тока от номинального значения:

51 гикьрд^) Гном 7В0Ткгр

б соответствии с которым при характерных значениях В0 = 0,12-0,14Тл, р___0,02 и Т.,_ » 5 ыс допустимое отклонение величины тока от номи-

4 п * -4 i\i tJ

дальнего значения долано быть но более

61 я - < (1,03-1,26) 10 .

■*ном

Такой уровень Сил установлен в техническом задании на разработку источника тока магнитноа системы ЫР-томографа "Образ-1".

Глава 2. Синтез структуры источника тока магнитной система UP-томографа "Образ-1".

В разд.2.1 проведено формирование функциональной схемы источника тока. В ее основу полонен стабилизатор с непрерывной стабилизацией тока с обратной сбязыо, выбранный с учетом рекомендаций литературных источников /Степанаико.Додик/ по построешш источников питания ври высоких требованиях по точности и дана\щческо0 стабильности.

В условиях значительных колебаний напряжения первичного источника без принятия специальных мер весь избыток энергии при отклонениях

напряжения долз:ен Си выделяться в виде тепла в регулируемом элемента, из-за чего стабилизатор тскз имел би весьма ютзкио энергетические характеристики и большие габаритныо размори. Поэтому в целях компенсации перэпздов напрлг;ения первичного источника предусмотрено использование компенсатора отклонений напряжения.Сравноние технико-эксплуа-тациошшх показателей имегаих наибольшее практическое распространение компенсаторов отклонения напряжения на основе автотрансформаторов с непрерывным или дискретным изменением вторичных витков, стабилизаторов с переклочзв:лыми регулируюдими элементам, коммутаторов напряжения с управляемыми тиристорами,' трансформаторов с подмагничиваяиам и управляемых. дроссолей насыщения привело пас к выбору компенсатора на осног-г управляемых дросселей насыщения. Обосновано использование в качестве регулирующего воздействия для управления состоянием дросселей падения напряжения на переходе "коллектор- эмиттер" регулируемого элемента стабилизатора тока, а такса обеспечение питания утгравлятжза обмоток по схеме источника тока.

В функциональной схеме источника тока также предусмотрены элементы преобразования переменного тока в постоянный - выпрямитель (по схомо Ларионова) и пассивный ЬО-фильтр, а исходя из требований по электро-безспасности - разделительный трансформатор.

Принятая функциональная схема источника тока для питания магнитной системы МГ-томографа "Образ-!" приведена на рис.1.

В разд.2.2 рассмотрена диаграмма работы источника тока; показано, что влияние дросселей на напряжение на выходе БШрямительпого моста (а, следовательно, и на ток нагрузки) выражается в снижении мгновенных значений напряжений, подаваемых на выпрямительный мост, и происходит только в течение части периода переменного тока. Поэтому в качестве выходной переменной статической характеристики дросселей принято среднее значение суммарного падения напряжения на проводящих дросселях за период повторяемости.

В разд.2,3 определены требования, которым должны удовлетворять регулируемый элемент стабилизатора тока по нзпрякению в номинальном рекимз и£э:

^з > °'2ином - Чэ и дроссели насыщения по диапазону изменения падения напряжения си^:

Шдр * 0.2ином - ОЦ^з - си^э.

I-------1

Рис. 1.

Глава 3. Точностные характеристики источника тока

В разд.3.1 выведены аналитические выражения статических характеристик основных элементов структурной схемы источника тока - регулируемого элемента стабилизатора тока, дросселя насыщения я регулятора тока управляющих обмоток дросселей насыщения:

Л0КП = ---Аи ,

кэ + оКд) вх

Идр-^др) -Х^'р-1^'упр!'

Ъ

ДГуср ----Аикэ

В разд.3.2 проведен прямым (аналитическим) способом анализ точностных характеристик источника тока. Найдено, что для худшего случая, когда отклонения напряжения первичного источника и температуры одновременно ведут к изменению тока нагрузки), требование по точности поддержания тока будет выполнено, если пра характерных значениях параметров элементов источника тока кст(35кру + 1) > 105. Это требование выполняется безусловно, если статический коэффициент усиления стабилизатора тока кст будет не ниже 105.

С целью сникения тепловой нагрузки регулируемого элемента целесообразно выбирать вознохно большее значение коэффициента усиления регулятора тока управляющих обмоток дросселей насыщения к^. Однако, при больше« коэффициенте ^ потребуется источник питания большего напряжения, что может оказаться неприемлемым, например.по соображениям електробезонасности, надежности и т.п.

Анализ качества переходных процессов систем автоматического регулирования помимо исследования точностных характеристик предполагает оценка степени ах колебательности (или степени затухания), устойчивости, других интегральных критериев. Проведение таких оценок в общем виде достаточно слозгао, в силу чего мы ограничились оценками применительно к конкретному источнику тока магнитной системы МР-томографа "Образ-!", которые даются в главе 5. - >>"

Глава 4. Расчет элементов источника тока

Разд.4.1 посвящен разработке методики расчета дросселей насыщения. При определении падания напряжения на рабочих обмотках дроссели рассматривались как переменные индуктивности 1др, магнитное состояние которых определялось токами рабочей и управляющей обмоток, при этом принималось, что ток рабочей обмотки 1р содержит постоянную составлявшую, равную току нагрузки и переменную составляющую приблизительно равную току намагничивания разделительного трансформатора источника тока.

С учетом парности дросселей и включения рабочих обмоток и обмотки управления падения напряжения на дросселях одной фазы составят:

При рассмотрении вопроса об аппроксимации кривой намагничивания материала еардечзшка Ъ=Г(1г), от точности которой зависит точность определения Цд,,н, и, следовательно, точность определения^ падения напряжения на дросселях и^,показаны преимущества аппроксимации в виде комбинации линейной зависимости при напрякенностях магнитного поля, меньших напряженности Но1 и степенной функции в зоне насыщения:

Качественный анализ статической характеристики дросселей насыщения показал, что аналитически она выражается соотношением

Для установления количественных значений показателей статических характеристик дросселей насыщения выполнен комплекс расчетов, в хода котсрих получены приведенные на рис.2-4 количественные зависимости падения нацрязюшщ на дросселях (или напряжения нагрузки) от их пара-

1) = -Ь (при Ь * Н„), Ь = В (при Ь > Н-).

Нп 2 3

В,

идр " и(др) - " Му1'

мэтров (тока управления, номинального напряхания, магнитных свойств материала, активного сопротивления работах обмоток). ¿0.

Рис.2.

Рмс.З.

----

__7.-7

т-*

г-7

Т

риг

Рас.2-4. Количественные зависимости падения напряжения на дросселях от их параметров-

В разд.4.2 рассматривается вопрос о параллельной работе транзис-зисторов, обращение к которому било продиктовано противоречивость«-одержащкхся в литературных источниках рекомендаций по выбору величины дополнительшх сопротивлений в стабихиаторе тока, включаемых для обе с печения равномерного распределения тока по параллельно соединенным транзисторам. Не правильный выбор дополнительнкх сопротивлений может

сопровождаться либо повышенным выделением тепла в стабилизаторе тока, либо заметной неравномерностью распределения тока по транзисторам, что может привести к выходу их из строя по механизму последовательных отказов.

Выведено аналитическое соотношение, определяйте величину дополнительного сопротивления HQ в зависимости от допустимой неравномерности распределения тока по транзисторам d, коэффициента их загрузки К и раз броса входных Л? и выходных AS характеристик:

. + - а Rc = —-*-•

s[ü - (1-К)-^] - п—

В отличие от известных в литературных источниках указанное соотношение учитывает коэффициент загрузки транзисторов К. При К=1 оно совпа дает с соотноаениэм, полученным Коневым.

Глава 5. Практическая реализация результатов исследований при разработке источника тока магнитной ситстемы МР-томографа "Образ-Ч".

Изложенные в предыдущих главах рекомендации и результаты исследований использовались при проектировании источника тока магнитной системы мр-тоиогрзфа "Образ-1". Так, в названном томографе принята функциональная схема источника тока, полностью соответствующая синтезированной в работе. По уточненной методике выбрани дополнительные сопротивления регулируемого элемента стабилизатора тока и регулятора тока управляющих обмоток дросселей насыщения.

По данным разд.4.1 найдено, что требуемым диапазоном изменения падения напряжения обладают дроссели с параметрами z не менее 0,4 и 7 нэ менее 7. С учетом указанных значений параметров z и 7 был рассчитан дроссель насвдения со слеяугщши параметрами; S = О.ОНм2, 1 = 1м,материал сердечника-элзктротехническая сталь 0.35-Н-2-ТШ-Б-3411 ((is-460Q), wp=15 витков, w =500 витков (Lp=1,81мГн, О.бТГн).

Сравнение расчетных и экспериментальных осциллограмм напряжения на нагрузка при напряжениях первичного источника О,9ипом, ипоц. и 1,10НО(< (регулируемый элемент стабилизатора тока и пассивный фильтр при испытании из цепи исключались путем их шунтирования) показало их достаточно удовлетворительное совпадение (рис.5), что служит подтверждением правильности полученных соотношений для расчета дросселей насыщения.

Анализу переходных процессов в источнике тока предпослано определение зависимости прироста напряжения на регулируемом элементе стабилизатора тока дикэ и на дросселях ДЕГ^ в установившемся режиме от коэффициента усиления регулятора тока Кру при коэффициенте к^, соответствующим выбранному дросселю, напряженки питания управляющих обмоток дросселей В и общем сопротивлении Б цепи управляющих обмоток дросселей. Показано, что

АО + к-¿и круАис

ди = ДО—с ди = ТУ с

КЭ *ру + КдрН ' * *ру + V. ' а также, что минимально-допустимое значение коэффициента усиления регулятора тока кру должно быть пв менее

ди и

I

При маныаа значениях кру при подъеме напряжения, первичного источника падение напряжения на дросселях будет снижаться, т.е. дроссели не будут выполнять своего функционального назначения.

Относительный прирост напряжения на регулируемом элемонте стабилизатора тока х = дикэ/дис составляет

Л0 * V п

" V

В соответствии с указанным соотношением при заданных \ = 0,1, кДр = 0,04, Н = 5 Ом и ди/дис = и/ис = 0,3 коэффициент усиления регулятора тока кру должен бить не молоо 4,8.

Как показали расчеты изменения напряжения на транзисторе стабили-лизатора тока при скачкообразном повышении напряжении сети и вышеупо-

Рис.5.

S-0,4; 1*0,5 ; U¡, -Ой S-0.7; Z-0,4 ; Ui-Oi

Рис.6.

мшавшихся параметрах стабилизатора тока, дросселе® насыщения и регулятора тока управляющих обмоток дросселей, источник тока обладает высокой степенью затухания переходных процессов при колебаниях напряжения сети (рис.6).

В табл.5-1 приведены основные технические характеристики ЫР-томо-графов "Образ" и зарубежных 5крм с резиставнсЗ магнитной системой, из которой видно, что по удельным массовым и энергетическим показателям ЦР-томогра4ы "Образ" из уступает зарубекным, а некоторых -даха превосходят.

В Заключении обобщатся результаты выполненных исследоЕагай. а такхе сообщается данные о внедрении ИР-томографов "Образ" в медицинскую практику и результатах их эксплуатации.

В прилегании лр;швден листинг программы расчета падения напряжения на дросселях насыщения.

Основные, результаты работы:

В результате проведенных исследований:

- получено аналитическое выражение для определения допустимого отклонения тска от номинального значения в зависимости от индукши нагкитпого поля и времени когерентности измерительного сигнала;

- синтезирована функциональная схома ц обоснован выбор осноишх элементов источшвсз тока применительно к требованиям и условиям его .

использования для питания резистивпой магнитной системы ноли-шГЛСКСГ ■о ОТ-томографа;

- разработана методика чледенного расчета характеристик дросселя пасыасгкя;

- уточнена методика расчета величины дополнительных сопротивлений, необходимых для обеспечения равномерного распределения тока между параллельно включенными полупроводниковыми транзисторами.

Результата исследований использована при разработке магнитных систем МР-томографов "Образ" на стадии и расчета и конструирования, а т&кжэ при технологической подготовка га сорийного производства.

Таблица 5-1.

Модель МР-тскогрзфа Instrmen tarlun, Финляндия Bruker, Гормания Picker Kerlt, С1ЯА Обоаз-t ' Образ-2 HÎÎ5 "A3" Poccrot |

Тип магнита р о 3 и с т и в н ы а

Индукция магнитного поля, Тл 0,03 0,23 0.1 0,12 0,14

Даамето области исследования, мм 320 400 400 320- 400

Система охлаждения Масса магнита,т проточная 1,9 проточная 8.4 замкнутая 1,35 проточная 2,3 замкнутая 2.7

Мощность, кВА 40 115 40 60 55

Уд.взс.т/Тл 23,8 35,6 13.5 19,2 19,2

Уд. кож., кВА/Тл 500 500 400 500 393

СТОИМОСТЬ,тыс.% 800 ... ' , 2.100 1.100 снят с произв. 350

Сгг,;г.ок пуГ-лнкаций по теие диссертации:

1. Б.А.Архангельский, А.Р.Добзгов, А.АЛ'айорен.

Доклад на реся.каг^о-практ.ко:^. Магнитно- розонаясная томография: медицинские ;; технические аспскты", Ы.. 1Э92.

2. Б.А.Архангельский, А.Р.Дабагов, А.А.Ыайороц. Создание ЫР-томографа "Оброз-1" на новой экономической осново и порспективц сзрийпого производства. Доклад нз росп.научпо-прш:т.конф.пМзгнитно-разсианская томографиягмелиштсгага и технические аспекты", М. ,1992.

3. Г.. А. Архангельский, А.Р.Дзбзгов, В.И.Спсрыш, А.А.Майорец. Совершенствование и модернизация медицинских МР-томографов "Образ". Доклад на научно-практическом семинаре "Опит эксплуатация ЫР-томо-графов "Образ" (Иоскза, 1995).

4. В.А.Архангельский, А.Р.Лабагов, А.А.Ыайороц. Медицинские магнитно-резонансные томографы "Образ". //Электротехника, 1995, N3

5. А.Р.Лабагов, А.А.Майорец. К выбору числа транзисторов при их параллельном включении - принято к печати в журнале "Электротехника"

6. Патент СССР II 1824029 (с приоритетом о? 12.10.90) "Формирователь фронтов кжульсов", ввт.Кнорин Э.А., Дабагов А.Р. и др,

7. Патент РФ (с приоритетом от 24.09.90) "Двухфазный генератор гармонических сигналов", авт.Кнорин Э.А., Дабагов А.Р. а др.