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DISPOSITIF AUTOMATIQUE ELECTRIQUE DE PROTECTION, APPLICABLE EN PARTICULIER
AUX TUBES A RAYONS Xo
La présente invention est relative aux systèmes d'alimentation des appareils électriques et plus particulièrement aux dispositifs destinés à (DU- per le circuit d'alimentation, dans le cas où certains éléments de l'appareil atteignent une température prédéterminée qu'il est essentiel de ne pas dépas- sero
Bien que le dispositif faisant l'objet de l'invention puisse être appliqué à tout appareil électrique développant de la chaleur, il trouve une application particulière dans la protection des tubes à rayons X et appareils similaires, fonctionnant à des niveaux élevés de puissance, sans dommage pen= dant de cours intervalles de temps,
mais qui seraient rapidement détériorés en fonctionnement continu ou trop fréquento
L'enveloppe d'un tube à rayons X ordinaire, laquelle est scellée après que le vide a été fait, contient une anode et une cathode. La produc- tion de rayons X est le résultat du bombardement de l'anode par les électrons émis par la cathode.
La cathode comprend, en général, un filament adapté pour émettre des électrons lorsqu'il est alimenté en courant électriqueo Durant le fonctionnement du tube, les électrons émis par le/et au filament sont pous- sés vers l'anode contre laquelle ils viennent se heurtersans l'influence d'une tension électrique de polarité convenable, maintenue entre l'anode et la cathodeo
Lorsqu'un tube à rayons X est en fonctionnement, de la chaleur est développée à l'anode, par suite du bombardement des électrons, et à la catho- de La majeure partie de cette chaleur est produite à l'anode, qui doit sup- porter des températures de l'ordre du point'de fusion du métal anodique,
la chaleur ainsi produite étant .'dissipée .dans les parois du.tube ou par circula- tion d'un fluide réfrigérant dans un échangeur de-chaleur avec l'anode, ou par tout autre moyen de dissipation de la chaleur. Un tùbe à rayons X est,
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en général, construit de manière à ce que la chaleur développée soit dissipée le plus rapidement possible, et chaque tube possède évidemment ses-propres ca-- ractéristiques de vitesse de dissipation de la chaleur. Lorsqu'il est en fonc- tionnement, un tube à rayons X est à une température qui est fonction de'la différence entre la quantité, de chaleur équivalente à l'énergie électrique appliquée au tube, et la quantité de chaleur dissipée par le tube.
Un tube à rayons X fonctionne habituellement durant des interval- les de temps relativement courts, à des niveaux d'énergie d'alimentation re- lativement élevés. Ces niveaux d'énergie sont d'un ordre tel que, s'ils sont appliqués au tube de façon continue, la température de ce dernier, par suite de la capacité limitée de dissipation de la chaleur du tube, augmente au-des- sus du point de fusion de ses parties composantes, ce qui amené la détériora- tion du tubeo Cette possibilité de détérioration par churchauffe apparaît également si le tube fonctionne durant de courts intervalles de temps,
mais à une fréquence telle que la chaleur est libérée dans le tube plus vite qu'el- le n'est dissipéeo
La présente invention a pour but de fournir des moyens empêchant un tube électronique de fonctionner à une température plus élevée que sa tem- pérature de sécurité, en limitant la quantité d'énergie qui lui est appliquée, de façon à ce qu'elle s'équilibre, à tout instant, avec la capacité de dissi- pation de chaleur déterminée par la température,quelle qu'elle soit, à laquel- le se trouve le tube, capacité qui varie en fonction de la courbe de refroi- dissement normal du tube.
La caractéristique essentielle de l'invention réside en un réglage de la quantité d'énergie appliquée au tube en fonction de la température à l'instant considéréo Le moyen adopté consiste en un moteur entraîné dans un sens à une vitesse proportionnelle à l'énergie fournie au tube et, dans le sens inverse, à une vitesse proportionnelle à la vitesse de refroidissement du tube, variable en fonction de la température instantanée de celui-ci. A chaque instant, la position d'équilibre du moteur s'écarte d'une position de référence- correspondant à un refroidissement complet- d'un angle caractéri- sant l'équilibre instantané du tube.
Un jeu d'interrupteurs commandés par ce moteur coupe le circuit d'alimentation du tube chaque fois que le moteur s'écarte de la position de référence d'un angle donné, et cela, tant que l'é- cart angulaire dépasse cette valeura Un appareil de mesure donne, à tout ins- tant,le décalage angulaire du moteur et la quantité de chaleur qui peut en- core être absorbée par le tube.
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Le couple d'entraînement du moteur en fonction de la vitesse de refroidissement est appliqué, soit d'une façon continue, lorsque le tube est à une température relativement élevée, soit d'une façon intermittente, à une fréquence qui décroît progressivement, à mesure que la température baisse.
Conformément à l'invention, on utilise un moteur wattheuremétrique, dont les positions limites sont, d'une part, le zéro, ou position d'équilibre, représentant le refroidissement complet du tube, d'autre part, la température maximum de sécurité que l'on peut tolérer. Grâce aux dispositifs d'entraîne- ment décrits plus bas, le moteur se déplace de sa position d'équilibre vers une position limite, à une vitesse proportionnelle à l'apport d'énergie four- ni au tube, et sous l'action d'un couple antagoniste, le moteur revient vers sa position zéro à des vitesses variables,correspondant à la vitesse de re- froidissement normal du tube, et fonction de sa températureo
L'invention sera mieux comprise en se référant à la description suivante et aux dessins qui l'accompagnent,
donnés à titre d'exemple de réa- lisation non limitatif. La figure 1 est un diagramme représentatif d'un sys- tème de protection qui caractérise l'invention;la..figure 2 est un graphique illustrant la manière dont le dit système peut fonctionner.
Sur la figure 1, on voit un tube à rayons X,11, comportant une ano- de 12 et un filament 13, qui-émet des électrons et joue le rôle de cathode9 Anode et-cathode sont comprises dans une enceinte 14, étanche au vide, et el- les sont connectées à une source d'énergie. Un tube à, rayons X peut fonction- ner en auto-redresseur, et on connecte alors directement l'anode et la ca-
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thode à une source de courant alternatif Dans le cas présent;,' on alimente en puissance continue, obtenue par un redresseur à deux alternances., les re- dresseurs 15 sont alimentés par du courant alternatif à travers le transfor- mateur 16, dont le secondaire est relié à l'entrée du système redresseur;
l'en- roulement primaire 17 est connecté à une source de courant alternatif à ten- sion relativement basse, comme il sera décrit plus loin.,
La quantité de chaleur engendrée dans le tube par suite de l'éener- gie transmise à la cathode, est relativement insignifiante, si on la compare. aux énormes quantités de chaleur développées par bombardement électronique de l'anode, qui produit les rayonsXo En pratique,.lorsqu'on détermine la tempé- rature du tube en fonctionnement, on peut négliger la,.chaleur que' dégage la cathode. Ainsi peu.+,,-on mesurer, avec assez d'exactitude, le degré d'échauf- fement du tube en fonctionnement,en partant de l'énergie électrique (tension x courant x temps) au droit de l'anode.
Dans certains cas, auxquels s'applique en particulier l'invention, un tube à-rayons X dégage une énergie calorifique à une vitesse bien supérieu- re à celle de dissipation de chaleuro Il est donc nécessaire de laisser le tube se refroidir de temps en temps pour l'empêcher d'atteindre des tempéra- tures critiqueso Le processus de refroidissement est caractéristique de cha- que tube, mais il s'opère naturellement toujours d'après les mêmes lois, qu'ils lustre la courbe 18 de la figure 20
La présente invention utilise un dispositif permettant d'obtenir automatiquement, à chaque instant, la différentielle par rapport au temps de la température, les autres paramètres étant l'équivalent calorifique de l'é- nergie appliquée au tube,
diminué de la quantité de chaleur normalement dissi- pée par l'anode en fonction de sa températureo Ce dispositif est représenté par un moteur du type wattheuremétrique Il comprend un axe 20,- reposant' par l'intermédiaire de. paliers, sur un châssis et supportant un disque 21, Une bobine de tension 22 et deux bobines de courant 23, sont montées dans le chas- sis; elles produisent un champ électromagnétique qui entraine le disque 21 dans un sens.
L'enroulement primaire 17. du système d'alimentation'du tube, est connecté, au moyen des conducteurs 24 et d'un autotransformateur 25, à une source de courant alternatif 26 L'autotransformateur peut être muni d'u- ne prise mobile 27 permettant de régler la tension d'alimentationo Les bobi- nes 22 et 23 sont interconnectées aux conducteurs 24 de manière à induire les champs respectivement en fonction de la tension et du courant appliqués au tube par lesdits conducteurs En fonctionnement, le moteur tourne dans un sens, à une vitesse proportionnelle.à l'énergie fournie au tube, d'après les principes wattheuremétriques connus en soi,
et l'on peut régler l'appareil de telle sorte quelle déplacement du disque 21 dans un sens soit proportion- nel à la chaleur engendrée dans le tube par son fonctionnemento
Couplée au disque 21, une bobine d'entraînement 28 en sens inverse est alimentée par une source 29, à-une tension constante de préférence. L'ex- citation de la bobine 28 est commandée, au moyen d'un jeu de contacts, par les variations de la dissipation possible du tubeo La bobine 28 est connec- tée dans un circuit qui comporte la source 29, un rhéostat 30 et le contact 31 d'un relais 32, ouvert dans les conditions normales de fonctionnement.
Celui-ci comprend, en outre, une bobine qui, mise sous tension, ferme 31. La bobine 33, à son tour, fait partie d'un circuit comprenant la source 29 et les contacts indépendants 34, 35, 36, 37 & 38. Ces contacts sont interconnec- tés de telle façon que la bobine 28 soit excitée, chaque fois que 36 est fer- mé, ou bien que 35 et 38 sont fermés, ou que 34 & 37 le sonto
Le circuit comporte aussi un interrupteur de commande 39, en série entre la source d'alimentation et la bobine 40 d'un relais 41;
41 comprend deux contacts 42 & 439 le premier est ouvert, le second ferméo Lorsque la bobine est mise sous tension, l'état des contacts s'inverse. Les contacts 34, 35, 36 & 39 sont normalement ouverts, ils sont fermés au moyen des cames corres- pondantes 34', 35', 36' et 39', montées sur l'arbre 44, qui est entrainé, par l'intermédiaire d'un train d'engrenage réducteur 45, à partir de l'arbre du moteur 19;ce dernier commande donc la rotation des cames qui sont disposées de telle sorte que le contact 39 se ferme lorsque le décalage angulaire du
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moteur correspond, au déplacement maximum, à partir de la position de référen- ce, qui représente la température limite de sécurité du tube.
La fermeture de 39 qui commande la mise sous tension de la bobine 40, ferme le contact 42, qui est connecté dans le circuit avec la source 29, et avec un compteur 46, qui enregistre 1 nombre de fermetures de 39 et fournit ainsi, après une cer- taine période de fonctionnement, une indication du nombre de fois où le tube a atteint des températures dangereusement élevées. La fermeture de 39 entrai- ne l'ouverture du contact 43, connecté dans un circuit qui comprend une frac- tion de l'autotransformateur 25, un interrupteur de commande à main 47 et la bobine 48 d'un relais 49; 49 comporte un contact 50, ouvert au repos, en..série avec l'un des conducteurs d'alimentation 24, de façon à commander'1'énergie fournie au tube et aux bobines d'entrainement 22 & 23 du moteur.
Aussi longtemps que le contact 39 reste ouvert, c'est-à-dire aus- si longtemps que le tube est à une température inférieure à la limite de sé- curité, de l'énergie lui est fournie, ainsi qu'aux bobines 22 & 23 du moteur, lorsque l'interrupteur à main 47 est fermée En effet, la fermeture de 47 met sous tension la bobine d'excitation 48 fermant le contact 50, ouvert au re- pos Mais, dès la fermeture de 39,43 s'ouvre sous l'action de la bobine 40, même si 47 reste ferméo Par suite, le circuit de la bobine 48 se trouve in- terrompu et le contact 50 s'ouvre, ce qui interrompt l'alimentation du tube et annule le couple d'entraînement du moteur ; température du tube est alors celle qui est représentée en 51 sur la courbe 18 de la figure 2.
Le tube se refroidit alors très rapidement d'abord, comme l'indi- que la pente presque verticale de la courbe 18 L'invention se caractérisé par l'emploi de la bobine 28, qui agit sur le disque 21 et le fait tourner en sens inverse à une vitesse correspondant à la vitesse de refroidissement représentée par la première partie de la courbe 18 Pour obtenir ce résultat, on dispose la came 36' de telle façon qu'elle-maintienne fermé le contact 36 pendant l'intervalle de temps où le tube perd sa chaleur très rapidement.
Par la fermeture de 36, la bobine 33 est mise sous tension et le contact 31 reste fermé; la bobine 28 agit donc sur le disque 21 aussi longtemps que 36 reste fermé, et l'entraine vers la position de référence à une vitesse repré- sentée sur la figure 2 par la droite 52, vitesse que, par ajustement du rhé- ostat 30, on peut régler et faire coïncider avec la portion presque verticale de la courbe 18.
Le disque 21 étant à une certaine distance prédéterminée de sa po- sition de référence, la came 36' ouvre le contact associé, cependant que la came 35' ferme le sien, 35 ; la bobine 33 se trouve ainsi .commandée par le con- tact 38 Les:,Contacts 37¯et 38 se ferment périodiquement.sous l'action des cames 37' & 38, entraînées à vitesse constante de préférence, au moyen d'un moteur 53 -qu'alimente de façon continue la source 29, La came 38'ferme 38 à une fréquence relativement ..élevée, tandis .que la'came 37' fermé 37 à une fréquence plus basse Aussi longtemps que le contact 35 reste fermé, la bobine-'33 qui .ferme 31, et la bobine d'entrainement antagoniste du disque21 sont mises, sous'tension alter- nativement,
de manière à commander la rotation inverse du disque àune vitesse moyen- ne correspondant à la droite 54 de la figure 2; cette-vitesse est quelque peu inférieu- . re à cele qui correspond à la droite 52,afiri de varier-dans-le même sens que la vites- se.de refroidissement du tube,plus faible pendant les périodes intermédiaires.
Quand le moteur 19 atteint une position prédéterminée, le contact
35 s'ouvre et la fermeture de 34 fait passer la bobine 33 sous le contrôle du contact 37. Celui-ci est'commandé par la came 37' et met sous tension 28 pendant des intervalles de temps moins fréquents et, éventuellement, des du- rées plus faibles, que le système 38-38' De la sorte, le disque 21 se trou- ve ramené vers sa position de référence à une.vitesse lente, correspondant à la pente de la droite 55 de la figure 2, qui représente la vitesse de re- froidissement du tube au voisinage de la température ambiante.
Il est certain que l'on peut, sans sortir des limites de l'inven- tion, et pour entrainer le disque-en conformité parfaite avec la caractéris- tique de refroidissement du tube, utiliser davantage de contacts combinés, semblables à 37 et à 38, en combinaison respectivement avec 34 et 35. Tou- tefois, en pratique, il est bon d'approcher d'assez près les caractéristiques
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de refroidissement avec un nombre minimum de contacts de commande
Dans une réalisation particulière de l'invention, la rotation des cames 34', 35', 36' et 39' est limitée à environ 110 degrés. Dans cette réa- lisa'-ion 34' & 36' maintiennent leur contact respectif fermés pendant 25% de la rotation de la came, et 35' maintient le sien fermé pendant environ,la moitié, soit 50% de sa rotation.
Il est bon aussi que les quatre cames soient calées et/ou profilées de façon que l'un au moins des contacts qu'elles com- mandent, soit toujours fermé, sauf lorsque le dispositif est dans sa position de référence,auquel car tous lesdits contacts sont ouverts.
On peut, si on le désire, s'assurer une indication visuelle de la température du tube à tout instant de fonctionnement. Pour ce faire, on adap- te à l'arbre 44 un index 56 qui tourne en même temps que les cames. On peut adjoindre à l'index un cadran gradué indiquant à 'tout instant la température du tube d'après le déplacement de l'arbre 44 Le cadran peut être en matière translucide et l'index, placé derrière, être rendu visible au moyen d'une lam- pe 58, connectée à l'autotransformateur 25.
L'indicateur 56-57 peut servir de guide à l'opérateur d'un appareil à rayons X, auquel ce'dispositif de pro- tection est particulièrement destinée Par un simple coup d'oeil au cadran, l'opérateur détermine exactement la quantité d'énergie qui peut être fournie au tube, sans danger de voir la température s'élever au-dessus de la limite de sécuritéo Même si l'opérateur tentait d'alimenter encore l'appareil-au- delà de cette limite, le dispositif de protection bloquerait automatiquement l'arrivée d'énergie, par la fermeture du contact 39
Les dispositifs conçus selon l'invention ont encore l'avantage de fonctionner en accord avec les caractéristiques de refroidissement de l'ap- pareil protégé et, par suite, de fournir une indication réelle des conditions calorifiques qui règnent dans cet appareil à tout instant donnée Dans,
ce qui précède, on a décrit l'application du dispositif de sécurité à action dégressive, selon l'invention, à un tube à rayons X,'mais il est bien évident que cette'application n'est nullement limitative et que le dispositif s'appliquer également à tout système dont la loi de refroidis- sement est connue.
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