Комплексное исследование тепловых состояний электродуговых устройств Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

электронное научно-техническое издание

НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

Эя №ФС 77 - 305Б9. Государственная регистрация №0421100025. ISSN 1994-04OS_

Комплексное исследование тепловых состояний электродуговых устройств

77-30569/325179

# 02, февраль 2012 Докукин М. Ю.

УДК 537.523

МГТУ им. Н.Э. Баумана [email protected]

Развитие современной науки и техники настоятельно требует разработки и совершенствования плазменно-дугового оборудования для технологических процессов сварки, плавки, термообработки химически активных и тугоплавких материалов (например, молибден, титан, цирконий, и их сплавы).

Эффективность и качество указанных нагревных технологий определяются, прежде всего, эффективностью соответствующих источников нагрева. В связи с этим большой практический интерес представляет разработка и исследование электродуговых устройств, способных работать как в условиях вакуума, так и при атмосферном и избыточном давлениях контролируемой среды. Именно вопросам комплексного экспериментального исследования теплонапряженных состояний электродных узлов посвящена данная статья.

Исследования электродуговых устройств на основе термокатодов (как «классического» полого, так и стержневого катодов [1]) предполагают определение

20 23 3

параметров квазипрозрачной плазмы с концентрацией n ~ 10 ... 10 м" и температурой электронов Те > 104 К, измерение высоких рабочих температур катода (Тк ~ 3000 К), определения больших тепловых потоков в анод (Qa > 1 кВт) и их распределения по рабочей поверхности. В связи с этим в состав экспериментальной установки входила различная диагностическая аппаратура, позволявшая определять как локальные, так и интегральные характеристики дугового разряда с термокатодом. В данной статье рассматривается методика и обсуждаются некоторые результаты диагностики тепловых состояний электродов.

Диагностические средства тепловых состояний электродов

Важнейшая характеристика работы катода - поле его температур - исследовалась с помощью многократного регистратора спектра МРС-1 (рис. 1). Данный комплекс позволял получить на экране встроенного осциллографа за время развёртки ~ 10-6 с полное температурное распределение вдоль поверхности катода. Это достигалось посредством специального прибора - диссектора, входившего в состав комплекса. Он представлял собой двойной электронно-оптический преобразователь (ДЭОП), т.е. совокупность ЭОП, непосредственно воспринимавшего оптическое изображение катода и преобразовывавшего его в электрические сигналы, и вторичного электронного умножителя, усиливавшего эти сигналы. В электронном преобразователе имелась специальная щель-диафрагма с системой управляющих электродов, на которые подавалось пилообразное отклоняющее напряжение для перемещения электронного изображения объекта поперёк щели. Таким образом, через щель проходил поток электронов, плотность которого соответствовала интенсивности отдельных участков оптического изображения. Усиленный в раз электронный

сигнал снимался с коллекторной нагрузки умножителя и подавался через аттенюатор на вход осциллографа, встроенного в индикаторный блок МРС-1. При этом на экране наблюдалась осциллограмма распределения яркости объекта (катода) вдоль одной пространственной координаты (оси электрода). Дальнейшая обработка этой осциллограммы позволяла получить продольное распределение температур по поверхности катода. Разрешающая способность диссектора составляла 10 штрихов на 1 мм.

Комплекс также предоставлял возможность исследования динамики изменения температур катода во времени. Это достигалось путём подачи из блока управления ступенчато-нарастающего напряжения в генератор пилообразного напряжения электроннолучевой трубки и в её усилитель, что позволяло осуществить сдвиг развёртки по горизонтали и вертикали. В результате на экране можно было наблюдать до 16 развёрток, каждая из которых соответствовала определённому моменту времени. Период повторения развёрток мог регулироваться в диапазоне от 1,5 до 300 мкс. МРС-1 имел задержку развёртки от 0,2 до 10000 мкс, а также возможности внешнего запуска и выдачи инициирующего импульса на стороннюю аппаратуру (типа генератора импульсов, осциллографа и т.п.).

Средством определения локальных температур катода являлся оптический пирометр ЛОП-72, позволявший непосредственно измерять яркостную температуру объекта методом сравнения с яркостью свечения накаливаемой эталонной нити, встроенной в прибор. Диапазон измеряемых пирометром температур - 1170...6270 К, причём точность в интервале от 1170 до 3270 К составляла 10 К, а свыше 3270 и до 6270 К включительно - 50 К. Измерение температур свыше 1670 К осуществлялось путём применения специальных 77-30569/325179, №02 февраль 2012 г. http://technomag.edu.ru 2

поглощающих фильтров. Для монохроматизации светового потока использовались красные фильтры, которые обеспечивали эффективную длину волны 650 ± 10 нм. С целью определения температуры в различных местах катода использовалась специальная металлическая решётка с системой поперечных щелевидных отверстий. Решётка располагалась непосредственно перед электродом и перекрывала его в продольном направлении. Т.к. минимальные размеры объекта, температура которого подлежала измерению, для данного пирометра были ограничены площадкой 1,5 х 1,5 мм, величина отверстий в решётке составляла 2 х 10 мм при шаге между щелями 2 мм.

Обычно данный пирометр использовался для регистрации температур ряда контрольных точек на поверхности электрода (срез, положение температурного максимума, область заделки), а также в качестве измерительного средства сравнения при анализе результатов, полученных с помощью диссектора.

Определение теплового потока, поступающего в анод, производилось средствами калориметрирования, которые включали в себя: ротаметр РМ-0,4ЖУ3 с регулирующим

3 3

вентилем для установки и измерения расхода воды (до 100 см /с с точностью 0,5 см /с) и ртутные лабораторные термометры (диапазон измерения 273... 328 К с точностью 0,1 К) на входе и выходе тракта охлаждения анода.

Вакуумная камера

Рис. 1. Диагностические средства тепловых состояний катода и анода: КО - кварц оптический, ЗП - зеркало поворотное,

СТП - система термопар

77-30569/325179, №02 февраль 2012 г. http://technomag.edu.ru

4

Распределение температур на рабочей, обращенной к разряду, поверхности анода определялось (в относительных единицах) по показаниям хромель-копелиевых термопар. Система таких термопар располагалась в горизонтально-диаметральном направлении на тыльной стороне анода, представлявшего собой медный водоохлаждаемый диск 0 230 мм толщиной 1,5 мм и расположенного перпендикулярно оси катода. Учитывая осесимметричность разряда и исходя из технических возможностей размещения термопар между витками «спирали» охлаждения анода, была выбрана определённая схема их установки (рис. 2). Термопары были зачеканены в поверхность анода, а их электровыводы через керамические изоляторы были выведены из зоны нагрева на соответствующий герморазъём монтажного фланца. Показания термопар регистрировались на цифровом вольтметре В7-28. Данная система позволяла измерять температуру в диапа-зоне 283...373 К с точностью 1 К.

Рис. 2. Схема размещения термопар на аноде

Методы и результаты исследования тепловых состояний электродов

Измерения температурных полей полого катода проводились по методике, ранее отработанной авторами [2] на стержневых катодах. С помощью диссектора ЛИ-602, входившего в состав диагностического комплекса МРС-1, регистрировались мгновенные поля яркостных температур вдоль электрода Тя(г) с последующим их пересчётом в истинные температуры.

Следует отметить, что диссектор предварительно настраивался на пространственное разрешение объекта по специальной штриховой мире (1 штр/мм) и дополнительно подстраивался на конкретный полый катод по виткам спирали его нагревателя. Тарировка получаемых температурных полей катода производилась по осциллограммам от эталонной температурной лампы ТРУ 1100-2350, откалиброванной в диапазоне Тя = 1170...2570 К. Съёмка катода и лампы производилась при постоянной оптической настройке диссектора с использованием красного светофильтра (А эф = 650 ± 10 нм). На фотографиях (рис. 3) представлены характерные осциллограммы продольных распределений Тя(г) на поверхности исследуемого электрода и температурной ленточной лампы.

а) б)

Рис. 3. Осциллограммы распределений яркостных температур Тя(г) на поверхности: а) полого катода; б) ленточной температурной лампы

Дополнительно (в качестве тестирования результатов, полученных с помощью диссектора) проводилась контрольная пирометрия основных реперных точек полого катода (обычно это: срез катода - г0, положение температурного максимума - гтах, место расположения электрического зонда или полюсов магнитной системы - гз, место заделки катода - гк). Для этой цели использовался поверенный пирометр ЛОП-72, диапазон

измеряемых температур которого с большим запасом перекрывал все возможные температурные поля катода.

Аналогичные температурные измерения проводились на модели со стержневым катодом.

Переход от измеренной яркостной температуры Тя к истинной Т осу-ществлялся с учётом соответствующего значения монохроматической излучательной способности поверхности электрода £ х,т [3, 4], зависящей от материала, эффективной длины волны и температуры. Для пересчёта использовалась формула из [4]:

1/Т = 1/Тя - Ксг ' ln(1/£ ц), (1)

где с2 = 1,438 • 10-2 м'К; X = 650 нм = 6,5'10-7 м.

В целом величина относительной погрешности измерения температуры катода 6Т определялась инструментальной погрешностью прибора (диссектора или пирометра) 6пр, погрешностью измерения тока накала эталонной лампы (если такая использовалась) бнл, погрешностями, связанными с ослаблением принимаемого излучения смотровым (кварцевым) стеклом 6т и - с переходом от яркостных температур к истинным 6£. Согласно рекомендациям [4] получаем

6 Т = ДТ/Т = УС2 ' Т (6 пр + 6 нл + 6 т + 6 Е), (2)

где 6пр < 0,01 (для используемых типов приборов); 6 нл « 0,02 (погрешность измерения тока по падению напряжения на шунте); 6 т = АтТ » 0,01 (т = 0,92 - коэффициент пропускания кварца взят из [5]); 6 £ = Да а,т /а а,т ~ 0,02 (0,383 < £ а,т < 0,481 - для тантала при Т = 1000...3000 К и А = 650 нм). Таким образом для указанного диапазона температур получаем 6Т < 0,01.

Тк, К

3000

2800

2600

2400

2200

2000

0

10

Ток: i = 80 А 3 Ксенон: v = 0,16 см /с ПК: тантал, 5 = 0,1 мм

1

1—^-' *-•- йк = 6 мм

Г

1 \ йк = = 5 мм

= мм

►- 4 к л

-\ ►-<

20

30 ^ мм 40 z, мм

Рис. 4. Продольные распределения температуры на поверхности полого катода в

зависимости от его диаметра йк

На рисунке 4 представлены характерные рабочие температурные профили стенки полого катода в зависимости от диаметра его полости.

Особенностью температурного распределения у полого катода является его немонотонность. В нормальном режиме работы катодная стенка имеет температурный максимум на некотором расстоянии от среза. Величина Тк тах определяется током разряда и родом плазмообразующего газа, а его положение гтах зависит, прежде всего, от расхода и диаметра полости катода.

В экспериментах на модели со стержневым вольфрамовым катодом было установлено, что эффективность передачи энергии дуги аноду (тепловой к. п. д. процесса) зависит от давления в камере р и межэлектродного зазора /мэз. В условиях низкого давления (р ~ 103 Па) при малых зазорах (/ мэз < 15 мм) наблюдается рост этого к. п. д. (об этом свидетельствуют результаты калориметрирования анода). Эти дуговые режимы также обеспечивают более высокие удельные тепловые потоки в анод. Об этом косвенно говорят картины распределения температур на поверхности положительного электрода, полученные

с помощью системы термопар (рис. 5). Причём использование рабочих сред с меньшим потенциалом ионизации (например, аргон) обеспечивает более концентрированный подвод энергии к аноду при более высоких абсолютных уровнях его температур.

Т /Т

1 а 1 тах 1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

-40 -20 0 20 40 г, мм

Рис. 5. Нормированные распределения температуры анода по его поверхности в зависимости от зазора (/мэз) и рабочего газа в условиях дуги низкого давления (1=200 А, р = 2,66'103 Па)

Как уже отмечалось, интегральная тепловая нагрузка анода экспериментальной модели определялась методом калориметрирования. Устанавливался и измерялся ротаметром расход охлаждающей анод воды т, соответствовавший заданному токовому режиму работы модели, измерялась температура воды на входе Т1 и выходе Т2 тракта охлаждения и по известной формуле рассчитывался интегральный тепловой поток в анод:

0л = Ср ■ т ' (Т2 - Т1), (3)

где Ср - изобарная теплоёмкость воды (в расчётах принималась 4,18 кДж/кг К).

Погрешность калориметрирования анода бд определялась погрешностью ротаметра брм и погрешностью термометров бг. В соответствии с рекомендациями [6] бд вычислялась как

ъ= №+% = }( а т + (А т / г)2,

(4)

где Дт = 0,5 г/с и т = 50 г/с - точность и среднее значение рабочего диапазона ротаметра типа РМ-0,4Ж У3; АТ = 0,1 К и Т = 27,5 К - точность и среднее значение рабочего диапазона применяемых ртутных термометров. Таким образом имеем

бв =7(0,5/50)2+(0,1 / 27,5)2 = 0,01. (5)

Эксперименты по воздействию малых поперечных магнитных полей на дуговой разряд с полым катодом выявили заметный рост характеристик внешней межэлектродной плазмы (Те). Такая трансформация плазмы ведёт, как следствие, к росту общего энерговклада в анод (изделие), что и было зафиксировано в ходе его калориметрирования. Из рис. 6 видно, что тепловая мощность, воспринимаемая анодом, увеличивается приблизительно в 1,5 раза при воздействии полем В± до 30 мТл в условиях режима стабилизации по току. В этих условиях возрастает напряжение дугового разряда, что обеспечивается дополнительной мощностью, поступающей от источника питания.

а, 2.0

1,6

1.2

0.8

0.4

кВт

/= юод^

Ксенон 70 А ^ 0.55 см3/с.

_ _

10

20

В_, мТл

Рис. 6. Зависимость тепловой мощности, вкладываемой в анод, от поперечного магнитного поля

Таким образом проведенная на электродуговых моделях серия экспериментов показала правомерность и информативность использования комплексного подхода к диагностике теплонапряженных состояний электродных узлов, сочитающего методы и

средства оптического измерения температуры, контактного калориметрирования тепловых потоков и определения температурных профилей на рабочих поверхностях с помощью термопар.

Список литературы

1. Приэлектродные процессы в дуговых разрядах / М.Ф. Жуков [и др.] Новосибирск: Наука, Сиб. отд-ние, 1982. 158 с.

2. Исследование теплового режима электродов газоразрядных импульсных устройств / В.В. Гужков [и др.] // Промышленная теплотехника. 1979. Т. 1, № 2. С. 45-49.

3. Thermophysical properties of high temperature solid materials / In edition of Y.S. Touloukian. N. York - London, 1967. 1270 p.

4. Гордов А.Н. Основы пирометрии. М.: Металлургия, 1971. 373 с.

5. Физико-технические свойства кварцевых стёкол для оболочек источников высокоинтенсивного света / Ю.П. Андреев [и др.] // Обзоры по электронной технике. Сер. 4 (М.). 1976, № 6. 75 с.

6. Кондрашов А. П., Шестопалов Е. В. Основы физического эксперимента и математическая обработка результатов измерения. М.: Атомиздат, 1977. 200 с.

electronic scientific and technical periodical

SCIENCE and EDUCATION

_EL № KS 77 -3()56'J..VaU421100025. ISSN 1994-jMOg_

Complex research of heat states of arc devices 77-30569/325179

# 02, February 2012 Dokukin M.Yu.

Bauman Moscow State Technical University

[email protected]

The paper is devoted to the problems of complex experimental research of heat stress states of electrode units for the arc devices working in a wide range of controlled environment pressures. Author described methods and means of diagnostics of devices with hot cathodes (models with hollow cathode and with tungsten core cathode). Experimental setup consisted of different diagnostic equipment, which allowed to determine both local and integral thermophysical characteristics of the arc discharge, namely: the high temperature of the cathode (Tc up to 3000 K) and its longitudinal distribution, large heat fluxes in the anode (Q > 1 kW) and its distribution on the working electrode surface. The results of diagnostics of thermal states of electrodes were discussed and the recommendations on its use in the technology arc devices were given in this article.

Publications with keywords: hot cathode, complex diagnostics, arc devices, temperature distribution, heat flows, anode

Publications with words: hot cathode, complex diagnostics, arc devices, temperature distribution, heat flows, anode

Reference

1. M.F. Zhukov, et al., Near-electrode processes in arc discharges, Novosibirsk, Nauka, Sib. otd-nie, 1982, 158 p.

2. V.V. Guzhkov, et al., Research of thermal regime of electrodes of gas-discharge impulse devices, Promyshlennaia teplotekhnika 1 (2) (1979) 45-49.

3. In: Y.S. Touloukian (Ed.), Thermophysical properties of high temperature solid materials, N. York- London, 1967, 1270 p.

4. Gordov A.N., Fundamentals of pyrometry, Moscow, Metallurgiia, 1971, 373 p.

5. Iu.P. Andreev, et al., Physical and technical properties of quartz glasses intended for encapsulation of sourse of high-intensity light , Overviews of Electronic Engineering, Ser. 4, Moscow, No. 6, 1976, 75 p.

6. Kondrashov A. P., Shestopalov E. V., Fundamentals of physical experiments and mathematical treatment of measurement results, Moscow, Atomizdat, 1977, 200 p.