Verfahren und Einrichtung zur automatischen Regelung des elektrischen Betriebszustandes einer thermischen Anlage mit einer Vorrichtung zur Erzeugung und Führung des Elektronenstrahls
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur automatischen Regelung des elektrischen Betriebszustandes einer thermischen Anlage mit einer Vorrichtung zur Erzeugung und Führung des Elektronenstrahls, deren Thermoemissionskathode von einer stromstabilisierten Speisequelle gespeist wird sowie eine Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
Es sind Mittel zur Speisung von Vorrichtungen zur Erzeugung und Führung von Elektronenstrahlen mit Thermoemissionskathoden bekannt, die eine konstante Speisestromgrösse gewährleisten und eine Steuereinheit für die stromstabilisierte Speisequelle der Vorrichtung enthalten.
Ein Mangel dieser bekannten Speiseeinrichtungen besteht darin, dass sie die Stabilisierung des elektrischen Betriebszustandes des Elektronenstrahlsystems und somit auch der gesamten Anlage nicht gewährleisten können. Diese Einrichtungen bieten der Anlage keinen Schutz vor Überspannungen, die bei einer Änderung der Leitfähigkeit in der Vorrichtung zur Erzeugung und Führung des Elektronenstrahls entstehen.
Der Erfindung wurde die Aufgabe zugrunde gelegt, ein Verfahren zur automatischen Regelung des Betriebszustandes einer von einer stromstabilisierten Speisequelle gespeisten Vorrichtung zur Erzeugung und Führung des Elektronenstrahls und eine Einrichtung zur Realisierung dieses Verfahrens zu entwickeln, die eine automatische Regelung des Betriebszustandes der Vorrichtung zur Erzeugung und Führung des Elektronenstrahles gewährleisten, sowie ihren Schutz beim gestörten Betrieb gewährleisten soll, der durch Anderung ihrer Leitfähigkeit entstehen kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die Leitfähigkeit der Vorrichtung zur Erzeugung und Führung des Elektronenstrahls auf vorgegebenem Niveau durch Änderung der Temperatur der Thermoemissionskathode konstant gehalten wird.
Zweckmässigerweise kann die Kathodentemperatur abhängig von der Wärmeabstrahlung von der Oberfläche des der Erwärmung unterzogenen Erzeugnisses verändert werden.
Die Einrichtung zur Durchführung des erwähnten Regelungsverfahrens, die eine Steuereinheit zur Steuerung der stromstabilisierten Speisequelle für die Vorrichtung zur Erzeugung und Führung des Elektronenstrahls sowie eine Steuereinheit zur Steuerung der Kathodenspeisequelle enthält, weist erfindungsgemäss eine Leitfähigkeits-Prüfeinheit für die Leitfähigkeitsprüfung der genannten Vorrichtung auf, wobei der Ausgang dieser Leitfähigkeits-Prüfeinheit zur Konstanthaltung des vorgegebenen Leitfähigkeitswertes der Vorrichtung zur Erzeugung und Führung des Elektronenstrahls wenigstens mit einer der vorerwähnten Einheiten verbunden ist.
Es ist auch zweckmässig, die Leitfähigkeits-Prüfeinheit mit einer Sonde zu verbinden, die in unmittelbarer Nähe der Thermoemissionskathode angeordnet ist, sowie für die Leitfähigkeits-Prüfeinheit eine Speisequelle vorzusehen, bei der ein Pol mit der Sonde und der andere mit der Thermoemissionskathode verbunden ist.
Die Leitfähigkeits-Prüfeinheit kann zweckmässig auch mit einer Einrichtung zur Kontrolle der von der stromstabilisierten Speisequelle erzeugten Spannung oder mit einer Einrichtung zur Kontrolle der Temperatur wenigstens eines der Körper versehen sein, die bei der Anderung des Wärmestromes von der Oberfläche des erwärmten Erzeugnisses zur Oberfläche der Thermoemissionskathode mitwirken.
Das erfindungsgemässe Verfahren und die Einrichtung zu dessen Durchführung gestatten es, den elektrischen Betriebszustand der Vorrichtung zur Erzeugung und Führung des Elektronenstrahls automatisch zu regeln und dadurch die Leistungsfähigkeit der gesamten thermischen Anlage und die Qualität der Erzeugnisse zu erhöhen. Sie erlauben einen Schutz der Anlage beim gestörten Betrieb zu gewährleisten sowie die Arbeitsbedingungen des Bedienungspersonals zu er leichtern und die Anzahl der Bedienungspersonen herabzusetzen.
Im folgenden werden drei Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 ein Blockschaltbild der erfindungsgemäss aufgebauten Einrichtung zur automatischen Regelung des elektrischen Betriebszustandes einer thermischen Anlage,
Fig. 2 eine erste Ausführungsvariante der erwähnten Einrichtung,
Fig. 3 eine zweite Ausführungsvariante der erwähnten Einrichtung, und
Fig. 4 eine dritte Ausführungsvariante der erwähnten Einrichtung.
Bei Speisung der Vorrichtung zur Erzeugung und Führung des Elektronenstrahls in einer thermischen Elektronenstrahlanlage aus einer Speisequelle, die eine konstante Stromstärke in die Last liefert, werden die Leistung der Anlage sowie die Grösse der Speisequellenspannung durch die Leitfähigkeit der genannten Strahlenvorrichtung bestimmt. Eine Erhöhung der Leitfähigkeit dieser Vorrichtung führt zum Abfall der Spannung der Speisequelle, hingegen bei einer Senkung der Leitfähigkeit der genannten Vorrichtung wächst die Spannung der Speisequelle an.
Somit führt eine durch irgendwelche Ursachen hervorgerufene Anderung der Leitfähigkeit in der Strahlenvorrichtung zu Schwankungen ihrer Leistung. Bei einer bedeutenden Senkung der Leitfähigkeit kann die Spannung der Speisequelle einen für den Normalbetrieb der Apparatur gefährlichen Wert erreichen.
Bei einer Betriebsart der Vorrichtung zur Erzeugung und Führung des Elektronenstrahls, die sich von der Betriebsart mit Strombegrenzung durch die Raumladung unterscheidet, was für die meisten in der Industrie zur Anwendung kommenden thermischen Elektronenstrahlanlagen kennzeichnend ist, können die Ande- rungen der Leitfähigkeit in der genannten Vorrichtung durch Änderung der Kathodentemperatur sowie durch die Verunreinigung der Kathodenoberfläche mit Dämpfen vom erwärmten Erzeugnis verursacht werden.
Änderungen der Kathodentemperatur können die Folge einer Änderung der Leistung sein, die durch diese Kathode aus ihrer Speisequelle bei Spannungsschwan kungen im Speisenetz aufgenommen wird.
Bei einer Reihe von bekannten thermischen Anlagen befinden sich die Thermoemissionskathode und das erwärmte Erzeugnis in der Zone der gegenseitigen Bestrahlung. In diesem Fall wird die Kathodentemperatur und folglich auch die Leitfähigkeit der Anlage sowohl durch die von der Thermoemissionskathode von der Speisequelle aufgenommene Leistung als auch durch den resultierenden Wärmestrom von der Oberfläche des erwärmten Erzeugnisses zur Thermoemissionskathode bestimmt, wobei die Stärke dieses Wärmestromes von der Temperatur des erwärmten Erzeugnisses und somit von der Leistung der Anlage abhängig ist.
Bei Überschlägen zwischen der Thermoemissionskathode und der Anode und beim Erscheinen einer Gasentladung zwischen den Elektroden der Vorrichtung zur Erzeugung und Führung des Elektronenstrahls (was für die meisten Industrieanlagen charakteristisch ist), senkt sich die vom erwärmten Erzeugnis vernichtete Leistung, wobei die Temperatur des Erzeugnisses herabgesetzt wird. Dasselbe erfolgt auch bei einer durch irgendeine Ursache hervorgerufene Abschaltung der Anlage. Dabei wird auch der Wärmestrom von der Oberfläche des erwärmten Erzeugnisses zur Thermoemissionskathode schwächer, was bei unveränderlicher Leistung der Kathodenspeisequelle eine Senkung der Kathodentemperatur und somit eine Herabsetzung der Leitfähigkeit der Anlage hervorruft.
Bei der Wiederherstellung der SpeisespannunSs- grösse oder bei Wiedereinschaltung der Speisequelle der Anlage können deswegen an ihren Schaltungselementen gefährliche Überspannungen entstehen.
Bei einigen technologischen Vorgängen, z. B. beim Schmelzen eines stückigen Beschickungsgutes, erfolgen periodische Temperaturänderungen auf der Oberfläche der Metallschmelze und somit periodische Änderungen des resultierenden Wärmestromes von dieser Oberfläche zur Kathode. Bei konstant bleibender Leistung der Kathodenspeisequelle führt dies zu Leisungsschwankungen in der Anlage. Die Verunreinigung der Kathodenoberfläche durch Dämpfe des erwähnten Werkstoffes ruft eine Senkung der Stromdichte bei der Kathodenthermoemission und eine Herabsetzung der Leitfähigkeit der Anlage hervor, wobei dies bei der Speisung von einer Stromquelle mit konstantgehaltenem Stromwert in der Belastung und bei konstanter Leistung der Kathodenerhitzung zur unzulässigen Spannungssteigerung an den Schaltungselementen der Speisequellen führen kann.
Zur Stabilisierung des elektrischen Betriebszustandes der Vorrichtung zur Erzeugung und Führung des Elektronenstrahls bei einer thermischen Anlage und zur Verhinderung ihres Notbetriebes kann ein Verfahren zur automatischen Regelung angewandt werden, bei dem das vorgegebene Leitfähigkeitsniveau in der Anlage durch Änderung der Kathodentemperatur mittels einer Änderung der Leistung der Kathodenspeisequelle konstant gehalten wird. In den Fällen, wenn die Thermoemissionskathode und das zu erwärmende Erzeugnis in der Zone der gegenseitigen Bestrahlung liegen, wird die Temperatur der Thermoemissionskathode dabei in Abhängigkeit von der Änderung des Wärmestromes von der Oberfläche des erwärmten Erzeugnisses geändert.
Das Blockschaltbild der Einrichtung zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens zur automatischen Regelung des elektrischen Betriebszustandes einer thermischen Elektronenstrahlanlage ist in Fig. 1 dargestellt.
Wie aus der Zeichnung ersichtlich ist, wird die Vorrichtung zur Erzeugung und Führung des Elektronenstrahls 1 der genannten Anlage von einer Stromquelle 2 mit konstantgehaltener Stromstärke gespeist, wobei die Steuerung dieser Stromquelle durch eine erste Steuereinheit 3 erfolgt. Die Thermoemissionskathode der Strahlenvorrichtung 1 wird von der für diese Kathode vorgesehenen Kathodenspeisequelle 4 gespeist, wobei die Kathodenspeisequelle ihrerseits von einer zweiten Steuereinheit 5 gesteuert wird.
Die Leitfähigkeit der Strahlenvorrichtung wird von einer Leitfähigkeits-Prüfeinheit 6 überwacht.
Bei einer Änderung der eLitfähigkeit, z. B. bei einer Senkung der Leitfähigkeit der Vorrichtung, beeinflusst die Leitfähigkeits-Prüfeinheit 6 die Steuereinheit 5 der Kathodenspeisequelle 4 und in der Folge wird die für die Erwärmung der Thermoemissionskathode erforderliche Leistung der Kathodenspeisequelle 4 vergrössert, somit erhöht sich die Temperatur der Kathode und der vorgegebene Wert der Leitfähigkeit der Vorrichtung 1 wird wieder hergestellt.
Bei einer starken Verunreinigung der Kathodenoberfläche oder wegen der Trägheit des Systems der automatischen Regelung kann die Leitfähigkeit der Anlage weiter sinken, trotz der Steigerung der von der Kathodenspeisequelle 4 abgegebenen Leistung, die zur Kathodenerwärmung verbraucht wird. Auf diese Weise kann die Spannung der Speisequelle 2 für die Strahlenvorrichtung einen Wert erreichen, der für den Betrieb der Anlage gefährlich sein kann. Die Leitfähigkeits Prüfeinheit 6 wirkt auf die Steuereinheit 3 der Speisequelle des Elektronenstrahlsystems derart, dass die Speisequelle für die Strahlenvorrichtung abschaltet, wobei seine Wiedereinschaltung für die Zeit verhindert wird, die für die Wiederherstellung des für die Strahlenvorrichtung 1 vorgegebenen Leitfähigkeitswertes notwendig ist.
Das Blockschaltbild einer Variante der Einrichtung ist in Fig. 2 gezeigt. Wie in der Zeichnung dargestellt ist, enthält die Anlage eine Sonde 7, die in unmittelbarer Nähe von der Kathode angeordnet ist und die über eine Sondenspeisequelle 8 an ein Messgerät 9 angeschlossen ist. Die Sondenspeisequelle 8 sowie das Messgerät zur Messung des durch das Absetzen auf der Sonde 7 hervorgerufenen Stromes 9 sind Bestandteile der Leitfähigkeits-Prüfeinheit 6.
Die Benutzung der so ausgebildeten Leitfähigkeits Prüfeinheit 6 bietet die Möglichkeit, die Leitfähigkeit der Strahlenvorrichtung 1 unmittelbar zu kontrollieren, und zwar durch eine Messung des durch die Sonde 7 beim Normalbetrieb oder beim Aussetzen der Anodenspannung fliessenden Stromes.
Die Blockschaltung einer anderen Ausführungsvariante der betreffenden Einrichtung ist in Fig. 3 angeführt. Wie aus der Zeichnung hervorgeht, besitzt die Leitfähigkeits-Prüfeinheit 6 in diesem Fall ein Gerät 10 zur Kontrolle der von der Speisequelle 2 des Elektronenstrahlsystems 1 erzeugten Spannung, z. B. ein Maximalspannungsrelais, sowie ein Gerät 11 zur Kontrolle der Kathodenspeisung, das z. B. ein Minimalstromrelais und ein Zeitrelais enthält.
Die nach dieser Variante ausgeführte Leitfähigkeits-Prüfeinheit 6 gibt die Möglichkeit, die Leitfähigkeit der Strahlenvorrichtung indirekt zu überwachen.
Bei Leitfähigkeitsänderungen in der Vorrichtung, die durch Verunreinigung der Kathodenoberfläche durch Dämpfe des erwärmten Erzeugnisses oder durch Änderung des Wärmestromes von der Oberfläche des erwärmten Erzeugnisses zur Kathode hervorgerufen werden, erfolgt die Kontrolle der Leitfähigkeit der Strahlenvorrichtung durch das Spannungskontrollgerät 10 je nach den Spannungsänderungen bei der Speisequelle 2 der Vorrichtung 1. Bei einer Änderung der Leitfähigkeit der Vorrichtung 1, die infolge einer Änderung der durch die Thermoemissionskathode von der Kathodenspeisequelle 4 aufgenommenen Leistung erfolgt, kontrolliert man die Leitfähigkeit der Vorrichtung 1 mit Hilfe des Gerätes 11 zur Kontrolle der Kathodenspeisung.
Zur Verhütung einer Einschaltung der Anlage bei ungenügend warmer Kathode besitzt die Leitfähig keits-Prüreinheit 6 ein Zeitrelais, das die Einschaltung der Speisequelle der Strahlenvorrichtung erst nach Ablauf einer Zeit zulässt, die vom Zeitpunkt der Einschaltung der Kathodenspeisequelle bis zur vollständigen Erwärmung der Kathode notwendig ist.
In Fig. 4 ist das Blockschaltbild einer weiteren Ausführungvariante der Einrichtung dargestellt, in der die Leitfähigkeits-Prüfeinheit 6 ein Gerät 12 zur Über- wachung der Temperatur von Körpern besitzt, die an der Änderung des Wärmestromes von der Oberfläche des erwärmten Erzeugnisses zur Kathode beteiligt sind.
Ein solches Gerät kann z. B. ein photoelektrisches Pyrometer sein. In diesem Falle erfolgt die Kontrolle der Leitfähigkeit der Anlage durch Fernmessung der Kathodentemperatur oder der Temperatur des erwärmten Erzeugnisses oder irgendeines anderen Körpers, der beim Wärmeaustausch durch Ausstrahlung mitwirkt, z. B. einer Fokussierungselektrode.