Способ измерения плотности тока электрической дуги

союз соВетскихСОЦИАЛ ИСТИЧЕ СКИРЕСПУБЛИК 6141 9) сн г(51)5 АНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ ОСУДАРСТВЕННЫИ КОМИТЕТ0 ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИРИ ГКНТ СССР К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(71) Институт физики АН КиргССР(56) Поляков С,ИБуланый П.Ф. Датчик для измерения удельного теплового потока и плотности тока в пятне электрической дуги. Физика и химия обработки материалов, М 6, 1980, с. 137 - 139.Авторское свидетельство СССР М 1190275, кл, С 01 Р 19/08, 1983.Гордеев В,Ф., Пустогаров А.В. Термоэмиссионные дуговые катоды, Энергоатомиздат, 1988, с. 32 - 34.(54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПЛОТНОСТИ ТОКА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДУГИ Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения плотности тока в электропроводящей среде, в частности, в электрической дуге с плавящимся электродом, используемой в процессах сварки и наплавки,Известен контактный спэсоб определения удельного теплового потока и плотности тока в пятне неплавящегося;лектрода мощных электрических дуг путем лспользования секционирования водоохлажда мого электрода, сканирующим анодное пятно электрической дуги перпендикулярно ее оси. По мере сканирования определяют ток, протекающий через секцию, и тепловой поток, приходящийся на секцию и отводимый водой, Во время измерения датчик приводят во вращение, а дуговое пятно перемещают параллельно оси вращения, пересекая гра(57) Использование: измерение плотности тока электрической дуги с плавящимся электродом при исследованиях электрической дуги в процессах сварки и наплавки, Сущность изобретения: при измерении плотности тока на бумажный носитель фиксируют (перерисовывают, фотографируют) форму расплава, полученного на торце электрода, по изображению измеряют радиусы кривизны в заданных точках на поверхности расплава и радиус столба дуги. Кроме того, измеряют электрический ток дуги и радиус электрода, а затем плотность тока в заданной точке определяют из выражения, приведенного в описании изобретения. 2 ил,ницу раздела секций. След, оставляемый дугой на тепловоспринимающей поверхности, представляет собой винтовую линию. Степень изменения температуры воды в секциях регистрируют термопарами. Во время измерения плазматрон перемещают на заданном расстоянии от тепловоспринимающей поверхности вращающегося датчика параллельно оси вращения постоянной подачей,Все контактные способы измерения плотности электрического тока в электро- проводящей среде, в том числе и описанный для измерения плотности тока в пятне электрической дуги, очень сложны как сами по себе, так и в техническом их оснащении. А это в свою очередь, приводит к снижению точности определения плотности электрического тока, Кроме того, такие способы немогут быть использованы для измерения плотности тока в определенной (наперед заданной) точке поверхности плавящего электрода.Известен также бесконтактный способ измерения плотности тока в токопроводе, основанный на контроле напряженности магнитного поля, создаваемого током, протекающим по токопроводу, В известном способе контроль напряженности магнитного поля осуществляют в двух точках, расположенных на поверхности токопровода на линии, перпендикулярной направлению тока в токопроводе, на расстоянии друг от друга много меньшем ширины токопровода, и затем по разности напряженностей магнитного поля, в этих точках определяют плотность тока в элементарном сечении токопровода, Описанный способ значительно проще контактных способов измерения плотности тока, однако он никак не может быть использован при исследовании электрической дуги, так как электрическая дуга не имеет четких геометрических границ, а по определению измерения должны проводиться на поверхности токопровода,За прототип взят способ измерения плотности тока, в котором плотность тока определяется как отношение тока к измеренной методом автографов площади привязки разряда на торце электрода:)=ргде ) - плотность тока;- величина силы тока;Рт - площадь привязки разряда на электроде.Площадь привязки разряда на электроде находят по яркосветящейся зоне на поверхности электрода (пятну), которая в общем случае может не совпадать с зоной свечения плазмы. Площадь этой зоны измеряют визуально при проекции стационарного изображения на экран, а также фотографическим или фотоэлектрическим способами. Яркосветящейся зоной на катоде следует считать зону с температурой на границе, равной температуре плавления.Основным недостатком взятого в качестве прототипа способа, является низкая его точность, т,к. площадь привязки находится по характерным следам термического воздействия разряда на поверхность электрода, таким как изменение шероховатости поверхности, микротвердости, окисление, оплавление и др. В этом случае видна интегральная картина и, следовательно, неизвестно, какой из зон термического воздействия соответствует размер привязки дуги, поскольку размер зон будет зависеть от удельного теплового потока в электрод, свойств материалов, распределения тока, скорости перемещения пятна и др. По этому метод автографов может как завышать, так и занижать плотность тока в электродах. Кроме того. получаемая этим методом плотность тока является усредненной по пятну.10 Целью изобретения является повышение точности измерения плотности тока в произвольной точке на поверхности плавящегося электрода.Поставленная цель достигается тем, что 15 на бумажном носителе фиксируют (перерисовывают, фотографируют) форму расплава (капли), образованного на торце плавящегося электрода в процессах сварки или наплавки, затем измеряют в заданных точках 20 поверхности расплава (капли) радиусы кривизны Я 1, Я 2, радиус электропроводящегося столба дуги, величину электрического тока дуги и радиус электрода, после чего плотность тока в заданной точке поверхности 25 расплава определяют из выражения:4 ГРэЯВ 2,и истэ З 0 где ) - плотность тока в заданной точке;Рэ - электродинамическое давление; В 1, В 2 - радиусы кривизны поверхностив заданной точке;и - магнитная проницаемость дуги; З 5- сила тока в дугейст - радиус столба дуги;Йэ - радиус электрода.На фиг.1 изображена капля, образовавшаяся на плавящемся электроде под воз действием теплового потока электрическойдуги; на фиг.2 - сварочный электрод с кап.лей на торце,Известно использование зарегистрированной на фотопленке формы капли, обра.45 зованной на торце прутка (электрода), присследовании плазменных потоков, Однакс в известном источнике капля используетс в качестве метки, вводимой в плазменные поток для его исследования, в то время, ка 50 в предлагаемом способе капля (расплав) используются в новом качестве, а именно,качестве места привязки электродного пят на и предназначена для определения плот ности тока электрической дуги 55 Представленное сравнение свидетельствует о неочевидности решения поставленно задачи - определения плотности тока н торце плавящегося электрода по форме рас плава (капли) Нам неизвестно использование для этой цели операций измерения радиусов кривизны поверхности расплава Я, Я 2, радиуса столба дуги Яст и радиуса электрода Яэ, а также предлагаемая математическая формула расчета. 5Основной теоретической предпосылкой предлагаемого изобретения является то. что поверхность расплава (капли), образованного на торце плавящегося электрода, находится в равновесии. С физической точ ки зрения это означает, что гидростатическое, электродинамическое, внутреннее давления и Лапласовское давление (давление, вызванное кривизной поверхности расплава) уравновешивают друг друга. Поэ тому в любой точке поверхности расплава электродинамическое давление можно определить как разность между Лапласовским, гидростатическим и внутренним давлениями. Внутреннее давление являет ся постоянным для всех точек поверхности, а гидростатическое и Лапласовское давления, зависят от формы расплава и различны в различных точках поверхности. В свою очередь, форма поверхности определяется 25 радиусами кривизны Я 1, Я 2. Зная значение электродинамического давления, из соотношения (1) можно определить плотность тока . Таким образом, форма капли, характеризуемая радиусами кривизны Я 1, Я 2, и плот ность тока ) взаимно-зависимы. Это позволяет, по нашему мнению, определять ) по зарегистрированной форме расплава,Практически для определения плотности тока электрической дуги выполняем сле дующие операции, Фиксируем электрод, на одном из торцов 1 которого под воздействием теплового потока образуется расплав (капля) 2 определенной формы. Каплю 2 в процессе ее роста фотографируем в произ вольный момент времени. По фотографии измеряем координаты в не менее чем 20 - 25 точках расположенных произвольно или эквидистантно по всех поверхностях капли и полностью характеризующих ее форму. Си стему координат выбираем так, что ось Х располагается в плоскости нерасплавленного торца электрода, а ось 2 перпендикулярно ей в направлении оси симметрии электрода и капли (фиг.2). Таким образом, 50 координата Л любой точки поверхности расплава равна расстоянию до плоскости торца прутка и = 2. С помощью известного сплайн-метода, реализованного нами на ЭВМ, аппроксимируем выбранные экспе риментальные точки аналитической сплайн-функцией, Это позволяет определить в произвольной точке кривизну поверхности расплава (капли), которая характеризуется двумя главными радиуса ми кривизны Я 1 и Я 2, Аналитически в выбранной точке свободной поверхности капли Я и Я 2 определяем по формулам1+ 2Д г 2 Х 1 . (Е ) );2Яу) где 2 - первая производная по х,7 - вторая производная по х,х - радиальная координата в выбраннойточке.Для определения внутреннего давления в капле выбираем точку в той части ееповерхности, где не протекает электрический ток (точка В), В этом случае внутреннеедавление вычисляется по формулеРо = ( + ) Рж 9"1 1 в(3)Я Я 3где а - коэффициежения;рж - плотность расплава;9 - ускорение свободного падения;и - расстояние между торцом электровда и точкой В (фиг.1);Я, Я 2 - радиусы кривизны поверхноВ Всти в точке В,Величины орж находим из физическихтаблиц. Для вычисления плотности тока поформуле (1) кроме регистрации формы расплава на торце электрода необходимо ещеполучить радиус электрической дуги. Эту величину определяем по контуру дуги на фотографии, полученной черезинтерференционный светофильтр. Последний выделяет из спектра излучения дуги узкую полосу частот, которая характернатолько для токовой части дуги. Например,для сварки и наплавки в аргоне - это линияионов аргона, для сварки и наплавки в СО 2- линия атомов или ионов кислорода.По фотографии контура дуги измеряемее радиус Яст. За радиус дуги принимаемрадиус светящейся ее части, в области гдепоперечные размеры дуги стабилизировались (фиг.1). нт поверхностного натяНа контуре капли протекает электричес димо определить его точку А (фиг,1). Далее динамическое давлен выбираем точку, где ий ток и где необхоплотность, например определяем электрое в точке А по формуР -Р, -Р,д тродинамическо(В 1, В 2 - радиусы кривизны поверхноА Асти в точке А);АРд - гидростатическое давление в определяемой точке и рассчитываемое по формуле:Рд 0 ж 9 П (6)(1 - расстояние между торцом прутка и точкой А);Ро - внутреннее давление в капле. Таким образом, имея значения радиусов кривизны В 1 и В 2 точки на поверхности капли, образованной на торце электрода, радиус столба дуги Вот, величину электрического тока дуги, радиус электрода Вз и, рассчитав по формуле (4) электродинамическое давление в точке, где необходимо измерить плотность тока, последнюю определяем из выражения;(7)а 1 и- -дгде) - плотность тока в точке А,дРэ - электродинамическое давление вточке А,,и - магнитная проницаемость дуги,- сила тока в дуге,Вст - радиус столба дуги,Вэ - радиус электрода,д дВ 1, В 2 - радиусы кривизны в точке А,Пример реализации способа. Сваркупроводим электродом марки СВ - 08 Г 2 диаметром 2 мм (Яэ = 1 мм) в аргоне. Ток дуги205 А. В результате на торце электрода образуется расплав (капля), форма которогоблизка к осесимметричной. Из физическихтаблиц находим, что плотность расплаварк 7820 кг/м, коэффициент поверхностного натяжения 0 0,960 н/м, Каплю, образованную на торце прутка, фотографируемдвумя способами в произвольный моментвремени:для получения контура капли - с подсветкой без фильтра (фиг.2, пунктиром обозначен контур дуги, полученный пофотографии контура дуги);для получения контура дуги - через интерференционный светофильтр, выделяющий ионную линию аргона.Контур капли определяем координатами точек, которые были измерены по первойфотографии (таблица). По второй фотографии измеряем радиус столба дуги Вэ = 3,75мм,С помощью сплайн-метода аппроксимируем измеренные координаты для определения главных радиусов кривизны влюбой интересующей нас точке поверхности. Для определения внутреннего давленияв капле точку В берем там, где не протекает электрический ток, например, точку 21. Тогда В 1 = -20,510 м; В 221= 1,05 10 з м.5 Расстояние от торца прутка до точки 21равно Ь =2 = 1,25 ф 10 м . Следовательно21 21 Ро =О - + - ) - рж 9 Ь " =807,811 122110 Н/2Координаты точек поверхности каплиприведены в таблице.Определяем плотность тока в произ 15вольной точке поверхности капли, например, в точке 1, Для этого находим:- гидростатическое давлениеРд =Рж 9" =Рж 9 = 457,52 Н/м 2;- давление, вызванное кривизной поверхности(Я 1 =В 2 =1,05 10 м)Р) =о - + - ) =.1828,57 Н/м 2,1 1В 1 ВТогда электродинамическое давлениеравно25 Рэ = РО -Рд Р 0 =563,24 Н/м .Плотность тока в точке 1 находим поформулеАР=20,78 А/мм 2.Использование предлагаемого технического решения по сравнению с прототипом35имеет существенное преимущество, а именно: возможность определения плотности тока электрической дуги в произвольной точке поверхности плавящегося электрода, что имеет существенное значение для процес 40сов сварки и наплавки, Определение распределения плотности тока в процессе сварки позволяет прогнозировать форму сварочной ванны и качество получаемого сварочного шва, и в конечном итоге, управ 45лять качеством сварочных работ. В процессе плазменной наплавки знание распределения плотности тока позволяет обосновано выбирать режимы работы.Бесконтактность способа делает его от 50носительно простым в техническом плане что повышает точность и допустимость определения плотности тока.Формула изобретения Способ измерения плотности тока электрической дуги, при котором измеряют величину электрического тока и изображение расплавленной поверхности электродного пятна, о тл и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности измерения, в произвольной точке расплавленной поверхностиэлектродного пятна измеряк)т радиусы кривизны К, В 2 поверхности расплава, радиус столба дуги и радиус электрода, а затем плотность токав этой точке определяют из следующего выражения: 4/Р 3 ( Р 1 Я 2п 1 ивэгде Рэ - электродинамическое давление;5 и - магнитная проницаемость дуги;/ Составитель М,НикифороваТехред М.Моргентал Корректор М,Андрушенко Редактор Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 Заказ 3217 Тираж ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5