DE1932364A1

DE1932364A1 - Verfahren und Einrichtung zur automatischen Steuerung des Betriebszustandes einer thermischen Elektronenstrahlanlage

Info

Publication number: DE1932364A1
Application number: DE19691932364
Authority: DE
Inventors: Jakowlew Pawel Borisowitsch; Gutterman Kyrill Davidowitsch; Brukowskij Igor Pawlowitsch
Original assignee: Moskovsky Energetichesky Institut
Current assignee: Moskovsky Energetichesky Institut
Priority date: 1968-06-27
Filing date: 1969-06-26
Publication date: 1970-12-10
Also published as: BE735266A; FR2011737A1; SU469165A1; GB1277098A; AT287133B; SE351105B

Description

.24.- Juni 1969

Moskovskij ordena Leninä erterge tits ehe ski;)

iiistitut
Moskau, UdSSR

Verfahren und Einrichtung zur automatisehen Steuerung des Betriebszustandes einer thermischen Elektronenstrahlanlage

Die vorliegende.Erfindung bezieht sich auf Elektronenstrahlanlagen, „-ie sie zur Erzeugung von e^ergi.edichten Elektronenstrahlen, z. B. zum Schmelzen von Metallen, zum Schweißen und für andere Zv/ecke verwendet werden und wie sie teilweise auch als "-ülektruuenkanonen" bezeichnet werden.. Insbesondere bezieht sic Ii die-Erfindung auf ein Verfahren und eine Einrichtung zur automatischen steuerung des elektrischen Betriebszustandes _feiner derartigen Anlage. - _ .

Es 3ind Einrichtungen zur Speisung von thermischen Elektrprifens brcthlanlage..-: mit Thermoemissionskathode bekannt,, die mit ein^-r Steuereinheit zur Stroniütabilisierung den Speisestrom der Anlage konstant halten. :

Ein Mangel dieser Einrichtungen besteht darin, daß sich kein sta&ilur elektrischer Betriebszustand der Anlage einstellt und vor allem kein Schutz vor Überspannungen gegeben ist, die bei einer Änderung der Leitfähigkeit in der Anlage entstehen.

Der Erfindung v/urde die Aufgabe zugrundegelegt, unter Vermeidor erwähnten ifuohteile ein Verfahren zur automatischen Rei_o des Bü briebazuytc.dds einer von einer ütromstabilisierten

llü gespeisten tho.rmisehen Elektronenstrahlanlage und eine entsprechenae. Einrichtuii^ vur Verwirklichung dieses Verfahzu" entv/iokeln, die eiua automatische Regelung des Betriebsder Anlage göütattet, a-uwie ihren Schutz bei B

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störungen gewährleistet, wobei insbesondere an Änderungen ihrer leitfähigkeit gedacht ist, wie sie durch verschiedene Ursachen entstehen können.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß beim Verfahren zur Automatischen Regelung des elektrischen Betriebszustands einer thermischen Elektronenstrahlanlage mit Thermoemissionskathode-, die von einer stromstabilisierten Speisequelle gespeist wird, die Leitfähigkeit der Anlage erfindungsgemäß durch Änderung des Kathodentemperatur konstant und auf einem vorgegebenen Hiveau gehalten wird.

Zweckmäßigerwelse wird die Kathodentemperatur in Abhängigkeit von der Wärmeabstrahlung von der Oberfläche des Werkstückes oder des zu erwärmenden.-Gegenstandes verändert.

Eine -Einrichtung .''zur Dur chiaiirung des erwähnten liege lungsverfahrens enthält eine erste Steuereinheit zur Stabilisierung des Stroms der -SpeisequeÜe der Gesaittteinrichtang sowie eine zweite Steuereinheit für die die Thermoemissionskathode speisende Stromquelle. Sie enthält außerdem nach der Erfindung eine Leitfähigkeits—Prüfeinheit-,' deren Ausgang zur Konstanthaltung der Leitfähigkeit der Anlage auf vorgegebenem iliveau wenigstens mit einer der erwähnten Einheiten verbunden ist. ' .. ;

Diese Leitfähigkeits-Prüfeinheit ist zweckmäßig mit einer Sonde ausgestattet, die in unmittelbarerHähe der Thermoemissionskathode angeordnet wird, wobei für die Leitfähigkeits-Prüfeinheit· eine Speisequelle vorhanden ist, deren eine*¹"-Pol mit der Sonde und deren anderer Pol mit der Thermoemissionskathode verbunden ist.

Die Leitfähigkeits-Prüfeinheit kann zweckmäßig auch versehen .. '. sein mit einer Einrichtung zur Kontrolle der von der stromstabiiisierten Speisequelle erzeugten Spannung oder mit einer Einrichtung zur Kontrolle der Temperatur wenigstens eines der Körper, die bei".-..er Änderung des Wärmestromes von der Ober- ■ fläche des erwärmten Erzeugnisses zur"Oberfläche der Thermo-

BAD.ORIGINAL

- 3 emissionskathode beteiligt sind.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die Einrichtung zur Durchführung desselben gestattet es, den elektrischen Betriebszustand der Anlage automatisch zu steuern und dadurch ihre Leistungsfähigkeit und die Qualität der Erzeugnisse zu erhöhen, einen Schutz der Anlage bei Betriebsstörungen zu gewährleisten .una t-chlieiDl-ieh uie üedienuiig zu erleichtern und somit die Arbeitsbedingungen des Personals zu verbessern und ihre Anzahl herabzusetzen ·

Im folgenden wird die Erfindung an Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigen

Eig. 1 ein Blockschaltbild der erfindungsgemäß

aufgebauten Einrichtung zur automatischen * Regelung des elektrischen Betriebszustandes einer thermischen Elektronenstrahlanlage;

Fig. 2 eine Ausführungsvariante der erwähnten Einrichtung mit einer Sonde für die Leitfähigkeits-Prüf einheit";

Eig. 3 eine Ausführungsvariante der erwähnten Einrichtung mit einem Element zur Kontrolle der Speise^uellespannung in. der Leitfähigkeits-Prüfeinheit;

Fig. 4 eine Ausführungsvariante.der erwähnten Einrichtung mit einem in der Leitfähigkeits-Prüfeinheit vorhandenen Element zur Temperaturkontrolle der Körper, die an der Änderung des Värmestromc-s von der Oburflache des erwärmten Erzeugnisses zur Oberfläche dor Thormoeiiiiösions^atho-de beteiligt sind.

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Bei der Speisung thermischer Elektronenstrahlanlagen durch auf eine konstante Stromstärke ..geregeltem. Speise quellen sind die Leistung der Anlage und die G-röße der Speis-equellespannung. durch die Leitfähigkeit der Anlage be stimmt. Eine Erhöhung der Leitfähigkeit der Anlage führt zum Abfall der Speiseyuellenspci,nnung und bei eineu Absinken der Leitfähigkeit in der Anlage wächst die Spannung der Speisequelle an.

Somit, führt eine durch irgendwelche Ursachen hervorgerufene Änderung der Leitfähigkeit in der Anlage zu Schwankungen ihrer Leistung. Bei eine-r bedeutenden Senkung, ihrer'Leitfähigkeit kanndie Speisequellenspannung einen für den ITormalbetrieb der Apparatur gefährlichen Wert erreichen. . ..-■

Bei- einer anderen Betriebsart der lülektronenstralilanlage als der Betriebsart mit Strombegrenzung durch die Ilaumladung (was für die meisten in der Industrie zur Anwendung komraeiiden thermischen Elektronenstrahlanlagen kennzeichnend ist), können die Änderungen der Leitfähigkeit in der Anlage hervorgerufen; werden aurch Änderungen, der Kathodenteraperatur Suvde durch Verunreinigung der Kathodenoberflache mit Dämpfen des erwärmten Erzeugnisses. ■-..-..

Eine Änderung der Kathodentemperatur kann die PoIge von Span-, nungsSchwankungen im die Kathode speisenden Hetz und damit Schwankungen der aufgenommenen Leistung sein.

Bei einer Reihe der hier in Rede stehenden Anlagen befinden sich die Thermoeruissiönskathode und das erwärmte Erzeugnis in einer Zo.ie gegenseitiger Bestrahlungseinwirkung. In diesem Fall wird die·Kathodentemperatur und folglica auch die Leitfähigkeit der Anlage sowohl durch die von der Th'jrmoinissionskathode von ihrer SpeiseQuelle aufgenommenen Leistung als auch durch den .von der Oberfläche des erwärmten E_rzeugnluses zur Thürmoemiseionskathode fließenden Wärmestrom bestimmύ, wobei die Starke dieses Wärmestromes von eier Temperatur des erwärmten jürZeugnisses und somit von der LeIutun_ö der Anlagy abhun^i,·; ist. ^:

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Bei Überschlägen zwischen der Thermoeniiaissionskathode und der Anode und beim Auftreten einer Gasentladung zwischen den Elektroden der Anlage (was für die meisten Industrieanlagen charakteristisch ist), sinkt die vom erwärmten Erzeugnis absorbierte ' Leistung und damit seine Temperatur. Dasselbe gilt auch bei einer durch irgendeine Ursache hervorgerufenen Abschaltung der Anlage. Dabei wird auch der Y/ärmestrom von der Oberfläche deserwärmten Erzeugnisses zur;Thermoemissionskathode schwäoher, v/as bei unveränderlicher Leistung der Kathodenspeiseqüelle ein Sinken der Kathodentemperaiur und somit eine'Herabsetzung der Leitfähigkeit der Anlage zur Folge hat.

Bei der ,/lederherstellung der Speisespannungsgröße können wegen der !Instabilität der Entladung zwischen den Elektroden· oder bei Viedereinbchaltung der Speisequelle der. Anlage deswegen an ihren Schaltangselementen gefährliche Überspannungen auftreten,.

Bei einigen technologischen Vorgängen, z. B. beim Sohmelzen eines stückigen Beschickungsguta, erfolgen periodische Temperaturänderungen auf der Oberfläche der Metallschmelze und somit periodioche Änderungen des resultierenden Wärmestromes von dieser Oberfläche zur Kathode. Bei konatantbleibender Leistung der Kathodenspeise uelle führt dies zu LeistungsSchwankungen in der , Anlage.

ine Verunreinigung der Kathodenoberfläche durch Dämpfe des tferkstoffes ruft'eine Senkung der Stromdichte der Käthodentheriioemiiüsion und eine Herabsetzung "α er Leitfähigkeit der Anlage nervor_f. was bei Speisung durch eine auf konstante Stromstärkebelaatun^ geregelte Stromquelle und bei "-konstanter Leistung der iathouenorhitzun^: zu einem umVulüsnigen Spannungsanstieg an den ichaltungselementcn der Spuiaequellen führen kann.

6ur otaoiliaierung des elöktrlBchen Botriebazustands der Anlage und zur ibv/tindung eines eientuullen iiobbetrlubs kann nun ein 7-x-fanroii zur automatischen 1ϊο₆^1η.π_;/ -'uigej wandt v/erdeu, bei dam'

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der Anlage durch. Änderung der.Kathodentemperatur mittels einer Änderung der Leistung der Kathodenspeisequelle konstant gehalten wird. In den I¹ all en, in denen die ThermoemisaionskathOde und das zu erwärmende Erzeugnis- in einer Zone gegenseitiger Strahlungabeeinflußung liegen, wird die Temperatur der Thermoemissiom kathode dabei in Abhängigkeit von der Änderung des Wärmestromes von der Oberfläche des erwärmten Erzeugnisses geändert.

Das Blaokaahaltbild der Einrichtung zur !Realisierung des beschriebenen Verfahrens zur automatischen Regelung des elektrischen Betriebazuatänds einer thermischen Elektronen-strahlanlage iat in Pig, 1 dargestellt. Die thermische Elektronenstrahlanlage 1 wird von einer Stromquelle 2 mit konstantgehaltener Stromstärke gespeist, wobei die Steuerung dieser Stromquelle durch die Steuereinheit 3 erfolgt. Die Thermoemissionskathode der Anlage 1 wird von der für diese Kathode vorgesehenen Kathodenapeisequelle 4 gespeist, deren Steuerung die Steuereinheit 5 bewirkt. Die Leitfähigkeit der Anlage wird von der leitfühigkeits-prüfeinheit 6 überwaoht.

Bei einer Änderung^. B. bei einer Senkung der Leitfähigkeit der Anlage beeinflußt die Leitfähigkeits-Prüfeinheit 6 die Steuereinheit 9 der Kathodenspeiaequelle derart, daß die zur Heizung der Their moe missions kathode abgegebene Leistung der KathOdenspeiaequelle 4 steigt, wodurch sich die Kathodentemperatur erhöht und der vorgegebene v/ert der leitfähigkeit der Anlage 1 wiederhergestellt wird. . ;.

V/enn trot a der Steigerung der von der Kathodenspeise quelle 4 abgegebenen Leistung die Leitfähigkeit der Anlage wegen einer

tarJjBη Verunreinigung der Katliodenoberflache oder wegen der Trägheit des Systems der automatischen Regelung weiter sinkt und erreioht die Spannung der Speisequelle 2 der Anlage 1 einen für den Betrieb der Anlage gefährlichen Viert, so wird die Leitfähigkeita-PrUfeinheit 6 auf die Steuereinheit 3 der Speist-quelle 2 der Anlage 1 einwirken, dieae abschalten und ihre . ■i/iedereinaohaltung- für die Seit verhii-uiern, die zur Wiederher-

BAD OR!G!NÄL

stellung des für die Anlage 1 vorgegebenen Leitfähigkeitswertes notwendig ist, '

Das Blockschaltbild einer Variante der erfindungsgemäß aufgebauten Einrichtung ist in Fig. 2 gezeigt. In der Anlage 1 ist oben die Kathode, in der.Mitte die Anode, z. B. eine Ringanade, und ggfs. eine Fokussierungselektrode und unten das Erzeugnis bzw. das Werkstück dargestellt. Wie der Zeichnung zu entnehmen ist, enthält die Leitfähigkeits-Prüfeinheit 6 eine in unmittelbarer ITähe der Kathode angeordnete Sonde 7» eine Sonderispeise-Cjuelle 8 und ein G-erät 9 zur Messung des durch Absetzen auf der Sonde 7 hervorgerufenen Stromes.

Die Benutzung der "beschriebenen Leitfähigkeits-Erüfeinheit 6 bietet die Möglichkeit, die Leitfähigkeit der Anlage- 1 durch Messung "des durch die Sonde 7 beim Formalbetrieb oder beim Aussetzen der Anodenspannung fließenden Stromes unmittelbar zu kontrollieren. ·

Die Blockschaltung einer anderen Ausführungsvariante der betreffenden Einrichtung ist in Fig. 3 gezeigt. Wie aus der Zeichnung folgt, besitzt die Leitfähigkeits-Prüfeinheit 6 ein Gerät 10 zur Kontrolle der von der Speisequelle 2 der Anlage 1 erzeugten Spannung, z. B. ein Maximalspannungsrelais, sowie ein Gerät 11 zur Kontrolle der Kathodenspeisung, das z.B. ein Minimalstromrelais und ein Zeit^Lais enthält.

Die nach diestr Variante ausgeführte Leitfäliiglceits-Prüfeinheit 6 gibt die Möglichkeit, die Leitfähigkeit der Anlage indirekt zu überwachen. Bei einer Leitf aiii gkeit sand er ung in der Anlage , die durch Verunreinigung der Kathouenoberflache durch Dämpfe des Erwärmten Erzeugnisses oder durch Änderung des Wärmestromes von der Oberfläche des erwärmten Erzeugnisses zur Kathode hervorgerufen- wird, erfolgt die Kontrolle der Leitfähigkeit der Anlage 1 mit dem apunnungskontrollgerät 10, das auf die Spannungsänderungen der S^eiseauelle 2 der Anlage 1 anspricht. Bei einer Änderung der Leitfähigkeit der Anlage 1, die infolge einer Änderung der darca axe T-hermo,emissioruikatlipüe von der Katiioden-

spei'sequelle '4 aufgenommenen Leistung erfolgt, kontrolliert man die Leitfähigkeit der Anlage mit Hilfe des Gfarätes 11 zur Kontrolle der' Kathodenspeisung. Zur Verhütung einer Einschaltung der Anlage bei ungenügend warmer Kathode besitzt die Leitfähigkeits-Prüfeinheit 6 ein Zeitrelais, das die Einschaltung der Speise^uelle der Anlage erst nach Ablauf einer Zeitspanne zuläßt, die vom -Zeitpunkt der Einbehaltung der KathoaeiiBpeiüequelle bis zur vollständigen Erwärmung der Kathode notwendig is ti,

In Fig. 4 ist das Blockschaltbild eiriur weiteren AusfULrungsvariante der erfindungsgemaß aufgebauten Einrichtung dargestellt, in/der die Leitf ähigkeits-Bcüf einheit 6 ein G-erüt 12 zur Überwachung der Temperatur der Körper besitzt, die an der..JLii'derung des Wärme ströme s von der Oberfläche des ürwüriüten JJr Zeugnisses zur Kathode beteiligt sind, z. 13. ein photoelektrisches X¹^TO- ;meter. In diesem Falle erfolgt die Kontrolle der Luitfü.l.i_ok.e.it der Anlage, durch Fernmessung der KathodenteKiperatur, dor uieui^c.-ratur des erwärmten Erzeugnisses oder'irgendeines, anderen Kcr,--p^ers, der beim Viärmeaus tausch duren Ausstrahlung .mitwirkt, z. "£. einer Fpkussifcrungselektrode. . --

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Claims

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PATElITANSPRUOiIE

1. Verfahren zur automatischen Regelung des elektrischen Betriebszustands einer thermischen Elektronenstrahlanlage mit Thermoemissionskathode, die von einer stromstabilisierten Quelle gespeist wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitfähigkeit der Anlage (1) durch Änderung der Temperatur uer ihermoemissionskathode konstant' auf einem vorgegebenen y/ert gehalten wird.

d». Veriahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur der Thermoemissionskathode abhängig von der . Änderung des Wärmestromes von der Oberfläche des erwärmten geregelt wird.

3. Einrichtung zur Durchfuhrung des Verfahrens nach Ansprüchen 1 und 2, mit einer Steuereinheit zur Steuerung der atromstabilisierten Speiseq.uelle der Anlage sowie einer Steuereinheit zur Steuerung der Kathodenspeisequelle, dadurch gekannzeichnet, daß sie eine Leitfähi_L;keits-PrUfeinheit (6) besitzt, deren Ausgang zur Konstanthaltung des vorgegebenen Leitfähigkeitswertes der Anlage (1) wenigstens mit einer der er·,ahnten Einheiten (3j 5) verbunden ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß diü Leibfähigkeibs-Prüfeinheit (6) der Anlage (1) eine in unmittelbarer liähe dur Thormoeuivssionakathode angeordnete iioniri (7) jovyie eine Sj.>eije;_Luul.Le (8) enthält, bei der ein xöl nii ϊ der ;jo-ide (7) und der andero mit dor Thurmoemissions*- Kathode v^

. Einrichtung ^aon- Λ/u-j^rucu '5, dadurch geKüxmzuichnet, daß αϊ'; liüi tlfUi'tjicivi i/.-l'ruiüinnoib [G) dar Anlage (1) eixi Uerät (10) zur konbrolLc- uer von der ntromatabiliHiorben· ijpannunga

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. - 10 -

quelle gelieferten Spannung aufweist.. . .

6. Einrichtung nach Anspruch 3> dadurch gekennzeichnet, daß die Leitfähigkeits-Prüfeinheit (6) der Anlage (1) ein Gerät (12) zur Kontrolle der Temperatur wenigstens eines der Körper enthält, die von der Änderung des ¥ärniestromes von der Oberfläche des erwärmten Erzeugnisses zur Oberfläche der Thermoeniissionskathode beeinflußt v/erden.

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