Способ регулирования температуры в электронно-лучевой установке Советский патент 1980 года по МПК H01J37/305 H05B7/16 G05D23/19 

(54) СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ В ЭЛЕКТРОННОЛУЧЕВОЙ УСТАНОВКЕ

I

Изобретение относится к электро- технике и может бытьприменено для нагрева объектов в электроннолучевой установке.

Известен способ нагрева объектов в электроннолучевых установках с использованием перераспределения энергии электронного пучка по поверхности объекта, реализованный в устройстве 1. Согласно этому способу создают по заданной программе наибольшую плотность тепловложения в местах интенсивного теплоотвода и энергетической тени путем уменьшения скорости движения электронного пучка в соответствукяцих местах нагреваемой поверхности. Этот способ, однако, не позволяет достаточно точ но поддерживать температуру на поверхности объекта, так как случайные возмущения в процессе нагрева искажают заданное распределение температуры .

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является способ регулирования температуры при электроннолучевом нагреве, реализованный в известном устройстве, согласно которому воздействуют на по верхность объекта нагрева движущимся электронным пучком, при котором задают сигналы мощности пучка, скорости его перемещения и фокусировки, измеряют распределение температуры на поверхйости объекта, сравнивают измеренную температуру с заданным полем температур, по резуль . тату с1Ьавнения формируют сигнал рассогласования в любой точке поверхности и по нему изменяют мощность и скорость движения пучка р.

Однако при регулировании тёмпера- туры этим методом имеет место локальный перегрев под электронным

J5 пучком, сфокусированным на поверхность объекта в небольшое пятно постоянного размера, и, как следствие этого, ускоренное испарение и ухудшение структуры материгша. Кроме того

возрастают потери энергии электронного гпучка на испарение и излучение.. Целью изобретения яв.пяется улучшение качества объекта нагрева путем уменьшения локального перегрева и

25 потерь металла на испарение.

Поставленная цель,достигается тем, что формируют дополнительный усредненный по всей поверхности сигнал рассогласования, сравнивают его

30 Р указанным сигналом рассбгласования.

формируют разностный сигнал, алгебраически складывают его с заданным си- гналом фокусировки - и по суммарному сигналу управляют фокусировкой электронного пучка.

На tHr.l (а,б,р ,г,д ,е ,ж) изображены графики формирования сигнала управления фокусировкой электронного пучка на фиг,1(з)- графики распределения интенсивности тепловложенйя в пятне энергетического воздействия в зависимости от текущей координаты центра этого пятна, (при нормальной мощности электронного пучка) ;на фит. 2 - пример устройства, реализующего предлагаемый способ. На фиг.1 приняты следующие обозначения: X - пространственная координата, Й- - размер нагреваемой по вёрхности объекта, Т - температура, Т заданная температура, Тц - измеренная температура,ир - сигнал рассогласования, лГр - дополнительный ус. редненный сигнал рассогласования, A-Up - разностныйсигнал, Ф у; - бигнал коррекции Фокусировки электронного пучка, заданный сигнал . изменения фокусировки электронного пучка, Ф суммарный сигнал йзмемения фокусйройкй §ле1стронно1 6 пучка, q плотность мощности тепловложения,dYI диаметр пятна энёр гетичес кого воздействия , текущая координата центра пятна энергетического воздействия (XQ Хд(1) .Обозначения, принятые на фиг. 2.; 1 - электронная пушка, 2 - электронный пучок, 3 объект нагрева, 4 - сканирующий пирометр, 5 - сравнивающее устройство, 6 - задающий блок, 7 - блок фор1 шрования сигнала управления мощностью электронного пучка,8 - блок формирования сигнала управления скоросзтью движения электронного пучка, 9 - блок формирования сигнгша коррекции Локусировкй электронного пучка, 10 - программный блок, 11 - отклоняющая система, 12 - суймматор; 13 фокусирующая система, 14 - пятно энергетического воздействия, 15 кристаллизатор. ; -v--.---..v.,™.,.,i.,...,...

Суть предлагаемого способа сводится к следующему (см.Аиг,). Задан1 ое распределение температуры T(jp) (фиг.la) на поверхности объекта процессе его нагрева в электроннол чевой установке постоянно искажается вследствие различных возмущающих факторов (газовые выбросы с поверхности расплава, изменение условий теплообмена с окружающей средой, изменение теплофйэйчёскйх постоянных материала и др.). Поэтому для стабилизации тeмrtepaтypы на уровне заданной измеряют действительное распределение температуры Т, (х) (фйг.1а) на поверхности объекта, сравнивают заданную температуру с измеренной, по полученной разности температур формируют

сигнал Up(x) (фиг.16) рассогласования.

Сигнал рассоглас:ования дополнительно

1

усредняют (Up J J Up(x)d), дополж нительный усредненный сигнал U i

(фиг.IB) рассогласования сравнивают С сигналом рассогласования и получают разностный сигнал u.Up (х) (фиг.1г)г пропорционально которому формируют сигнал Ф|,(х) (фиг.1д) коррекции фо кусировки электронного пучка. Получаемый сигнал коррекции фокусировки . алгебраически складывают с заданным сигналом 1(х) (фиг.1е) фокусировки электронного пучка и по результирующему суммарному сигналу Ф2(х)

(фиг.1ж) управляют фокусировкой электронного пучка.

Алгоритм изменения параметров заданного сигнала фокусировки электрОнного пучка предварительно рассчитывают на ЭВМ. Основной, исходной, предпосылкой для расчета является . минимизация (при неизменной мотнос5 ти электронного пучка) .плотности

мощности тепловложения в пятне энергетического воздействия (с целью уменьшения локального перегрева и угара материала) при учете конкретных условий нагрева - заданного распределения температуры, условий теплообмена объекта с окружающей средой, заданного закона движения электронного пучка и др. Согласно , ЭТОЙ предпосьшке электронный пучок, движущийся по поверхности объекта, больше рассредотачйвают (в пределах поверхности) на участках с меньшей теплоотдачей, например, в центре объекта. И, наоборот, рассредоточен0 нбсть электронного пучка уменьшают на участках более интенсивного охлаждения, например, на краях объекта (см.фиг.1з).

Как показано графически на й)иг.1з 5 распределение плотности мощности q тёпловложеНйя внутри пятна энерге- тйческого воздействия подчиняется закону HopWartbHoro распределения Гаусса q (х) Ч.„,,е х Р () , л где q q (х - текущее значение

максимума плотности мощности тепловложения в пятне энергетического воздействия,

k k (Х(,- текущее значение

коэффициента сосредоточенности электронного пучка..

Q Коэффициент сосредоточенности связан с сигналом управления фокусировкой электронног.о пучка пропорциональной зависимостью k (хд) ) , где У - коэффициент пропорциональности.

Диаметр d пятна энергетического воздействия условно определен на уровне 5% от максимального значения

Пpeдлaгae лый способ может быть реализован в устройстве, изображенном на фиг. 2, следугогт1им образом. С помощью электронной пушки 1 инжектируют электронный пучок 2 на поверхность объекта нагрева 3. Распределение температуры на поверхности объекта измеряют сканирукйцим пирометром 4, а сигналы, соответствующие этой температуре, подают на сравнива;ю1чее устройство 5. Одновременно туда же поступают сигналы, соответствующие заданной температуре, с задающего блока 6, В сравниваючем устройстве формируют сигналы рассогласрвания, которые затем подают в блок. / (Нормирования сигнала управления мощностью электронного пучка, блок 8 формирования сигнала управления скоростью движения электронного пучка и блок 9 формирования сигнала коррекции фокусировки электронного пучка. В блоки 7 и 8, кроме сигналов рассогласования, поступают также заданные сигналы из прогр 1много блока 10, Сигналы управления модностью,сформированные в блоке 7, подают на электронную пушку -для управления мощностью электронного пучка, а сигналы управле,ния скоростью, сформированные в блоке 8, подают на отклоняющую систему 11- для управления скоростью движения электронного пучка. В блоке 9 сигналы рассогласования усредняют, усредненные значения сравнивают с сигналом рассогласования и выделяют разностные сигналы, пропорционально которым формируют сигналы коррекции фокусировки электронного пучка. Сигналы коррекции, а также заданные сигналы Фокусировки, поступающие из программного блока 10, алгебраически складывают в сумматоре 12. Полученные cy 1мapныe сигналы подают на фокусирующую систему 13 для управления фокусировкой электг ронного пучка.

При использовании покусировки электронного пучка в качестве управляющего воздействия в процессе регулирования температуры в электроннолучевых установках закон движения

электронного пучка может быть достаточно простым, легко реализуемым аппаратурно, например, синусный, круговой, спиральный законы. Закон построчной развертки и др.

Применение предлагаемого способа в процессах плавки металла в кристаллизаторах позволит получать более качественный металл за счет уменьшения локального перегрева и угара металла (или компонентов сплава) ,

а также сократить потери энергии и металла на испарение.

Формула изобретения

15

Способ регулирования температуры в электроннолучевой установке при воздействии на поверхность объекта нагрева движущимся электронным пучком, при котором задают сигналы мощности пучка, скорости его перемещеВИЯ и фокусировки, измеряют распределение температур на поверхности

объекта, сравнивают измерение температуры с заданным полем температур,

по, результату сравнения формируют сигнал рассогласования в любой точке поверхности и по нему изменяют мощность и скорость движения пучка, отличающийся тем, что, с целью улучшения качества объекта нагрева путем уменьшения локального перегрева и потерь металла на испарение, дополнительно усредняют по всей поверхности сигнал рассогласования, сравнивают его с указанным сигнсшом рассогласования, формируют ра зностный сигнал, алгебраически складывгиот его с згщанным сигналом фокусировки и по суммарному сигналу изменяют фокусировку электронного пучка.

- Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

с.273-275.

а

I

f

К

x

/ V

fui:2