Расстояние между импульсами в любой другой точке зондовой характеристики может быть рассчитано по уравнению
о |
|
х~ |
|
A(x) = Amine2° \ |
(5.11) |
с учетом (5.10) и (5.6) получим |
|
Л « = |
(5.12) |
временной интервал между соседними импульсами определится выра жением
А/ = |
(5.13) |
где Vc n- скорость перемещения пучка в процессе сканирования. |
|
Каждый квант излучения может быть представлен в |
виде |
5-функции с площадью, равной его энергии. В рассмотренном случае средняя энергия кванта равна hv = 7,2 • 10"8 эрг.
Поскольку импульсы, снимаемые с выхода рентгеновского дат чика, имеют очень малую длительность для формирования зондовой характеристики, на выходе датчика ставят фильтр нижних частот (ФНЧ). Полоса пропускания ФНЧ должна захватывать спектр сигнала зондовой характеристики. На рис. 4.20 изображена нормированная плотность сигнала, имеющего форму нормального закона, которая получена при сканировании с длительностью 1 мс. Согласно этой ха рактеристике максимальная частота спектра при диаметре пучка 0,2 мм составляет 20 кГц.
При продолжительности сканирования 0,1 мс максимальная час тота спектра составит 200 кГц. Постоянная времени ФНЧ должна быть не более
т < — -— .
^Tt/inax
При выполнении этого условия ФНЧ не вносит искажений в зондовую характеристику. При длительности сканирования 0,1 мс Т < 0,76 мкс.
Фильтр нижних частот, выполненный в виде апериодического звена первого порядка, имеет передаточную функцию вида
W ^ ( S) — 1 Гя + Г
Реакция ФНЧ на одиночный импульс 5(0) представляет собой импульсную переходную характеристику в виде экспоненциальной функции
(s)}= ^e~ T
Втом случае когда действует серия импульсов, выходной сигнал
сдатчика имеет вид
(5.14)
т—0
где / = — , а величина At рассчитывается по формуле (5.13). Если
A t
подставить f = я + е , то выходной сигнал записывается в виде решет чатой функции
У(и,е) = £ 5 (т )А [л -т ,е ]. |
(5Л5) |
0 |
|
Нас интересует уровень пульсаций в выходном сигнале. Ампли туда пульсаций определяется как половина его размаха:
A=±{Y[n,0]-Y[n- 1 ,0 ] Ц у .
Относительный уровень пульсаций определяется выражением
А |
1 y fa O ] - У [п - 1 ,0 ] |
1 Ь> 1 |
||
ога |
8 |
П « -1,0] |
|
~ 8 Г У[л-1,0] ~ |
|
|
1 |
1 |
(5.16) |
|
|
8 л-1 |
|
|
|
|
|
i-m) |
|
|
|
£ 5 (и )е |
|
|
|
|
»*■0 |
|
|
В выражении (5.16) учитывается то обстоятельство, что высоко энергетическими импульсами формируется 1/4 амплитуды зондовой характеристики. Для того чтобы определить пульсации в установив шемся режиме, необходимо выбрать п из выражения
At • п = 4Г, |
|
или |
|
4Г |
(5.17) |
п = — |
А/
В этом случае погрешность расчета пульсаций не превышает 8 %.
Для рассмотренного случая интервал времени между соседними импульсами при диаметре пучка dn = 0,2 мм At = 0,73 10-8 с, а при диаметре пучка dn= 2,5 мм - At = 9,3 • Ю"8 с.
Очевидно, что амплитуда пульсаций при dn =2,5 мм будет больше, чем при 4 i = 0,2 мм. Расчет по формулам (5.16) и (5.17) при dn = 2,5 мм дает значение = 0, 016 = 1,6 % от амплитуды зондовой характери стики. Амплитуда пульсаций при dn= 0,2 мм будет на порядок меньше.
Следует заметить, что расчеты проводились при токе пучка /п = 100 мА. Настройка электронного пучка на стык и его фокусировка на поверхности обрабатываемого изделия производится при токе пучка /п = 2...5 мА. В этом случае интенсивность рентгеновского излучения снижается пропорционально току пучка в 50...20 раз и количество высокоэнергетических квантов излучения, распределенных по зондо вой характеристике, снижается со 180 до 3...9. Вместе со снижением интенсивности излучения уменьшается амплитуда выходного сигнала рентгеновского датчика, а амплитуда пульсаций может достигать 25 % от амплитуды сигнала. В этом случае зондовая характеристика снима ется с большими искажениями. Можно повысить точность зондовой характеристики, если использовать метод накопления, но для этого понадобится значительное время. Поэтому снижение пульсаций можно получить за счет увеличения времени сканирования, при этом пропор ционально увеличивается амплитуда сигнала датчика. Время сканиро вания ограничивается условиями сварки. Время вывода пучка из зоны сварки не должно превышать 1 мс, исходя из условий стабильного формирования сварочного шва. Для уменьшения влияния помех, свя занных с пульсациями тока сварки, фазу сканирования связывают с фазой питающей сети, т. е. осуществляют периодическое сканирование с частотой питающей сети. При времени сканирования 1 мс и частоте сканирования 50 Гц его скважность равна 0,05. В этом случае 5 % мощности электронного пучка расходуется на процесс контроля. Это довольно высокий уровень затрат. Поэтому целесообразно снизить время сканирования до 0,5 мс. На процесс контроля в этом случае бу дет затрачиваться 2,5 % энергии электронного пучка.
Рассчитаем уровень пульсаций при длительности сканирования 0,5 мс. При токе пучка /= 100 мА количество квантов высокоэнергети-
ческого излучения, формирующих зондовую характеристику, в соот ветствии с формулой (5.9)
ид = 1,61 • 1014 0,2 ‘3’3- - — 3,3 - 1(Г6 =900.
д4л2
Временной интервал между соседними импульсами, рассчитан ный по формулам (5.13) и (5.10), равен:
при da —0,2 мм А/ = 0,73 *КГ8с; при dn= 2,5 мм Дг = 9,3 • 10~*с.
Следует заметить, что временные интервалы не изменились, так как мощность излучения осталась прежней. Постоянная времени фильтра нижних частот рассчитывается по формуле
Т й — -— = 4 1 0 ”6с . 2я/тах
Расчет по формулам (5.16) и (5.17) показывает, что амплитуда пульсаций при dn - 2,5 мм уменьшилась в 5 раз и составляет А^и = = 0,003 = 0,3 %. При диаметре пучка dn = 0,2 мм амплитуда пульсаций будет на порядок меньше.
Найдем теперь амплитуду пульсаций при токе пучка /ц = 5 мА и диаметре пучка dn= 2,5 мм:
Д*=1,86Ю"*с; Лотн = 0,0794 « 8 %.
Из приведенных расчетов следует, что при токе пучка /п = 5 мА и диаметре пучка dn = 2,5 мм амплитуда пульсаций составляет 8 % от амплитуды зондовой характеристики. Амплитуда пульсаций может быть снижена в 4 раза, если использовать метод накоплений при числе накоплений п., равном 16.
Следует заметить, что наиболее неблагоприятные условия по амплитуде пульсаций возникают в случае контроля большого диаметра пучка при малой мощности. Такие условия на практике не возникают, поскольку диаметр сфокусированного электронного пучка малой мощ ности, как правило, меньше 1 мм. Поэтому можно утверждать, что при использовании метода накоплений с числом накоплений п= 16 во всем диапазоне токов пучка амплитуда пульсаций не превышает 1 % от ам плитуды зондовой характеристики, а при контроле на рабочих токах значительно меньше 1 %, что особенно важно для управления и стаби лизации параметров электронного лучка в процессе сварки.
Для контроля сигнала рентгеновского датчика, запоминания ин формации и дальнейшей обработки используются аналого-цифровые преобразователи (АЦП). Число разрядов АЦП выбирают равным числу разрядов микропроцессорной системы. При использовании 8-разряд ных микропроцессоров целесообразно применять 8-разрядный АЦП. АЦП производит квантование информации по уровню. При 8-разряд ном АЦП число таких уровней 256. Квантование по уровню приводит к погрешности, которая равна величине младшего разряда АЦП. Если перед АЦП стоит усилительный элемент с автоматической регулиров кой усиления (АРУ), обеспечивающий постоянство амплитуды выход ного сигнала, равной диапазону преобразования АЦП, то погрешность квантования по уровню равна А/2", где А - амплитуда зондовой харак теристики; п - число разрядов АЦП. При п = 8 погрешность квантова ния по уровню равна 0,4 % от амплитуды.
Из проведенного анализа следует, что все три вида погрешно стей: погрешность метода, погрешность от действия помех и погреш ность квантования - являются независимыми и можно определить об щую среднеквадратическую погрешность. Расчеты показывают, что достижимая точность контроля диаметра пучка составляет 1 % при малых токах электронного пучка и 0,6 % на рабочих токах электронно го пучка, что вполне приемлемо для контроля и стабилизации.
Диаметр электронного пучка является важной, но не единствен ной характеристикой плотности распределения энергии пучка по его сечению. В процессе эксплуатации электронно-лучевой пушки проис ходит износ или поломка катода, что отражается на характере кривой распределения. По виду кривой распределения можно диагностировать эмиссионную систему. При идеальной эмиссионной системе плотность распределения соответствует нормальному закону. Поэтому отклоне ние от нормального закона можно рассматривать как погрешность кривой распределения. В качестве критерия отклонения целесообразно применять квадратичный интегральный критерий вида
(5.18)
где j[n\ - зондовая характеристика в дискретных точках сканирования, центрированная по п и нормированная по амплитуде J[0] = 1; А - цена одного дискрета перемещения пучка; 8П- расчетное среднеквадратиче ское отклонение, определяемое по формуле (5.6).