50217

КЕРУВАННЯ ЕНЕРГЕТИЧНИМИ ПАРАМЕТРАМИ ЛАЗЕРНОЇ ТЕХНОЛОГІЧНОЇ УСТАНОВКИ. ККД ЛАЗЕРА

Лабораторная работа

Физика

ККД ЛАЗЕРА Ціль роботи: вивчити склад і пристрій електричної частини лазерної технологічної установки ЛТУ; ознайомитися з етапами перетворення енергії в лазерних установках і з методами виміру енергетичних параметрів лазерного випромінювання; зняти енергетичну характеристику ЛТУ залежно від параметрів схеми накачування; визначити ККД лазера при різних режимах його роботи. Устаткування й прилади Лазерна технологічна установка Квант16 ; вимірювальник енергії ИКГ1М; лазер газовий ЛГ105.1: індуктивноємнісний перетворювач...

Украинкский

2014-01-18

702 KB

2 чел.

5

Лабораторна робота № 2

КЕРУВАННЯ ЕНЕРГЕТИЧНИМИ ПАРАМЕТРАМИ  ЛАЗЕРНОЇ ТЕХНОЛОГІЧНОЇ  УСТАНОВКИ.  ККД  ЛАЗЕРА

Ціль роботи:

  •  вивчити, склад і   пристрій електричної частини лазерної технологічної установки (ЛТУ);
  •  ознайомитися з етапами перетворення енергії в лазерних установках і з методами виміру енергетичних параметрів лазерного випромінювання;
  •  зняти енергетичну характеристику ЛТУ залежно від параметрів схеми накачування;
  •  визначити ККД лазера при різних режимах його роботи.

2.1. Устаткування й прилади

Лазерна технологічна установка "Квант-16"; вимірювальник енергії ИКГ-1М;  лазер газовий ЛГ-105.

2.2. Загальні положення

Для збудження твердотільних і газових випромінювачів використовуються джерела живлення, що  працюють на специфічне навантаження у вигляді газорозрядного проміжку. У газових лазерах джерело живлення безупинно збуджує активний елемент (у газорозрядній трубці), а у твердотільних лазерах - через лампи накачування. Пристрої електроживлення лазерів здійснюють імпульсне або безперервне збудження газорозрядних ламп оптичного накачування або газових активних середовищ.

Основні функціональні елементи імпульсного джерела живлення (мал. 2.1): індуктивно-ємнісний перетворювач (ИEП) сіткової напруги в джерело струму; високовольтний випрямляч (ВВ); дільник зворотного зв'язку (ДОС); накопичувач енергії (НЭ); блок запалювання газорозрядного проміжку високовольтним імпульсом (БЗ); система керування (СУ); лампи накачування (ЛН).

Рис. 2.1


ИЕП являє собою особливий клас пристроїв, принцип дії якиx заснований на явищах резонансу в електричних ланцюгах, що містять індуктивності і ємності. Він дозволяє трансформувати електромагнітну енергію таким чином, що змінний синусоїдальний струм на його виході виходить пропорційним вхідній напрузі й незмінним за значенням незалежно від зміни опору навантаження. Паралельна тиристорна комутація дозволяє раціонально керувати зарядним ланцюгом. Нечутливість ИЕП до коротких замикань дозволяє включати паралельно виходу, перетворювача  тиристорний комутатор.

ВВ призначений для формування напруги постійного струму, що накопичена в накопичувачі енергії, і складається з набору мостів, з'єднаних паралельно або послідовно залежно від максимальної напруги й значення зарядного струму.

ДОС входить до складу системи регулювання й стабілізації вихідної напруги.

Енергія електричного поля в НЭ може бути накопичена в конденсаторах, а магнітного - у котушках індуктивності. Застосовуються також електрохімічні методи накопичення електромагнітної енергії в акумуляторних батареях. Залежно від режиму роботи лазера використовуються одноконтурні накопичувачі й накопичувачі зі штучною довгою лінією. Число ділянок LC не перевищує п'яти. У ряді випадків, наприклад для лазерних технологічних установок, потрібна складна форма імпульсу випромінювання лазера, що дозволяє оптимизувати процеси зварювання, pозмірної обробки матеріалів й ін. Для цієї мети застосовуються багатоконтурні схеми з різними електричними
параметрами, контури в яких комутуються в певній послідовності.

В джерелах для накачування твердотільних і газових лазерів, розряду накопичувача передує запалювання газорязрядного проміжку високовольтним імпульсом.

БЗ містить генератор імпульсів запалювання, високовольтний трансформатор, підключений до електрода лампи накачування, а також, що блокує конденсатор.

В cxему СУ (рис. 2.2) входять генератор тактових імпульсів (ГТИ), тригер зарядки (ТТ), пристрій порівняння (ВУС), реле керування (РУ), вузол блокування (БЛ), формувач імпульсів керування розрядним контуром (ФИ). Схема, що  задає цикл роботи джерела живлення. Працює наступним чином. ГТИ своїм імпульсом перекидає ТТ у стан зарядки накопичувача й видає сигнал на РУ. Енергія мережі через ИЕП і ВВ надходить на НЭ. Напруга на ємностях збільшується, і його частина ос) з ДОС вступає на перший вхід ВУС. На другий вхід ВУС подана напруга задатчика Uз. У момент рівності цих  напруг ВУС виробляє сигнал, що повертає ТТ у вихідний стан

Рис. 2.2.

"немає зарядки". Одночасно із цим на виході РУ з'являється сигнал, що переводить ИЕП у виключений стан. Разом із сигналом Цу ТТ виробляє сигнал на вхід ФИ, що запускає БЗ. Повторну зарядку накопичувача можна починати не раніше, ніж деіонізується лампа накачування (12 мс). Із цією метою в СУ уведений БЛ, що спрацьовує одночасно з ФИ й замикає ТТ на час деіонізації лампи.

При створенні джерел живлення газових лазерів їхню зовнішню характеристику необхідно погодити з вольт-амперною характеристикою газового розряду й забезпечити початкове запалювання розрядного проміжку. Найпростішими джерелами живлення газових лазерів є випрямні пристрої, що навантажують на газорозрядний проміжок, паралельно якому включено активний баластний опір. Для початкового запалювання газорозрядного проміжку використовується БЗ. Причини невисокого ККД лазера – багатогранність процесу перетворення струму сіткової напруги в постійний струм високого потенціалу, а також відносно невисока ефективність перетворення енергії накачування в активному середовищі в енергію люмінісценції. Саме більше число етапів перетворення енергії при оптичному накачуванні пояснює істотно низький ККД лазера на твердому тілі в порівнянні з газовими, що використовують накачування прямим електронним збудженням або резонансним переносом енергії: для лазерів на рубіні й гранаті.

ККД досягає 1%, на склі з неодимом  5,0...6,0%, тоді як для молекулярних лазерів на  СО2 він становить 20...25%.

У лазерних установках енергетичні параметри лазерного випромінювання вимірюють прямим або непрямим методом. Для встановлення абсолютного значення енергії випромінювання застосовується калориметричний вимірник типу ИКТ-1М. Вимірник енергії одиночних імпульсів ИКТ-1М є диференціальним калориметром із твердотільним поглинаючим навантаженням. Принцип роботи приладу полягає в порівнянні теплової дії лазерного випромінювання, поглиненого приймальним елементом, з тепловою дією постійного струму, що розсіює на тому ж поглинаючому навантаженні. Нагрівання навантаження, поглиненою енергією, реєструється мідним дротовим термометром опору, включеним у мостову схему. Прилад складається з вимірювальної головки 1, блоку індикації 2 й юстирувального механізма (див. рис. 2.1). У ЛТУ часто використовується відносний метод виміру енергії. Процес виміру при цьому заснований на відхиленні частини лазерної енергії за допомогою світлоділильної пластини 3 на п’єзокерамічний датчик 4. З виходу датчика знімається електричний сигнал, пропорційний рівню випромінювання, що подає на нього, і подається на вхід вимірника енергії ИЭ-2, що входить до складу ЛТУ.

2.3. Порядок виконання роботи

  1.  Ознайомитися з методичними вказівками до даної роботи.
  2.  Вивчити електричну частину ЛТУ, зобразити неї в протоколі.
  3.  Перевірити торування вимірника енергії ИЭ-2 по вимірнику ИКТ-1М при різних значеннях напруги накачування. Якщо буде потреба скорегувати показання ИЭ-2.
  4.  Зняти енергетичну характеристику установки залежно від зміни енергії імпульсу накачування.
  5.  Розрахувати КПД лазера для різних режимів роботи.

2.4. Методика виконання роботи

  1.  Перед включенням приладу ИКТ-1М перемикач піддіапазонів 3 (мал. 2.3) встановити в положення "5 Дж", а перемикач діапазонів 2 - у положення "АРР".
  2.  Зняти з установки предметний трьохкоординатний столік і на його місце вертикально встановити вимірювальну головку, щоб вихідне з об'єктива лазерне випромінювання попадало безпосередньо в її вхідне вікно. При цьому головку виставляють так,  щоб вісь лазерного променя проходила через центр вхідного вікна.

Рис. 2.3

  1.  Тумблером "Мережа" включити прилад. Після прогріву приладу протягом 10 хв поставити перемикач діапазонів у положення "0,05-5", включити тумблер 7 і ручками 8 й 9 ("Грубо" й "Точно") виставити нуль приладу.
  2.  Відкалібрувати прилад, натиснувши кнопку "Калібрування". У   випадку зашкалення або відхилення не на повну шкалу, обертанням осі потенціометра 5 ("Підсилення") виставити 100% шкали.
  3.  Поставити перемикач піддіапазонів 3 у положення "15-50", перемикач діапазонів з положення "15-150". Зняти кришку з вікна вимірювальної головки. Прилад готовий до роботи.
  4.  У присутності викладача включити установку "Квант-16'', поставивши тумблер 2 "Мережа"(мал. 2.4) на лицьовій панелі верстата 1 у верхнє положення; при цьому запускається двигун системи охолодження й включається висвітлення 3 робочі зони верстата. Зняти задню кришку верстата 1 й установити індуктивність ланцюга розряду 1000 мкгн.

Рис. 2.4

  1.  На лицьовій панелі СУМ-9 встановити режим роботи "Одиночний", по шкалі 7 вивести верньєр 8 установки напруги накачування в нульове положення.
  2.  На лицьовій панелі вимірника енергії 10 нажати кнопки "Мережа" 4 й "Вимір" 5.
  3.  На лицьовій панелі джерела струму 11 тумблер 14 поставити у верхнє положення й нажати кнопку "Вкл." 15.
  4.  Прогріти установку протягом 10 хв. Верньєром СУМа встановити по шкалі обране значення напруги накачування. Установка підготовлена до роботи. Її запуск може бути здійснений від кнопки 6 на лицьовій панелі СУМа або від педалі (при цьому перемикач роду роботи поставити в положення "Ручне").
  5.  Послідовно вимірювати рівень енергії по приладу ИКТ-1М паралельно по вимірнику установки ИЭ-2 при значеннях напруги накачування 1500, 1800 й 2100 В. Показання обох приладів занести в табл. 2.1. Розрахувати погрішність показань ИЭ-2:

де     Еул - показання вимірника ИЭ-2;

Екл - показання приладу ИКТ-1М.

  1.  Виміряти рівень енергії по вимірнику установки ИЭ-2 для наступних значень напруг накачування: 1500, 1650,  1800,  1950 й 2100 В. Дані вимірів занести в табл. 2.2.
  2.  Зняти  задню кришку з верстатом 1 й установити індуктивність ланцюга розряду 2000 мкГн. Закрити кришку.
  3.  Зняти енергетичну характеристику установки. Заповнити табл. 2.2.
  4.  Побудувати залежність  Ел=f(U)  для значень індуктивності ланцюга розряду 1000 й 2000 мкГн.
  5.  Розрахувати значення накопиченої енергії в накопичувачі для досліджуваних напруг накачування (при значенні ємності накопичувача С=1800 мкф):

Дані розрахунків занести в табл.  2.2.

  1.  Визначити КПД ЛТУ при досліджуваних режимах роботи:

  1.  Побудувати залежність для значень = 1000мкГн й  L2 = 2000 мкГн.


Таблиці експериментальних вимірювань та розрахунків

Таблиця 2.1

U, В

Ел, Дж

1500

1800

2100

Таблиця 2.2

U, В

L, мкГн

1500

1650

1800

1950

2100

1000

2000

Енергетичні характеристики та ККД ЛТУ «Квант-16»

Ел, Дж

U

U


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

51236. Российский биржевой рынок: структура и перспективы развития 389.5 KB
  Провести анализ российского биржевого рынка, в том числе: Московской Межбанковской Валютной Биржи (далее ММВБ), как крупнейшую универсальную биржу России, выделить основные направления ее деятельности и рассмотреть показатели этой деятельности, рассмотреть Российскую Торговую Систему (далее РТС)