CH633746A5 - METHOD AND DEVICE FOR CONNECTING PIPELINE ELEMENTS FROM WELDABLE PLASTIC. - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden von Rohrleitungselementen aus schweissbarem Kunststoff durch Schweissen ihrer Enden durch elektrische Widerstandsheizung sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. The invention relates to a method for connecting pipe elements made of weldable plastic by welding their ends by means of electrical resistance heating, and a device for carrying out the method.
Beim Bau von Rohrleitungen aus schweissbarem Kunststoff spielen die Verfahren und Geräte mit denen die Rohrleitungselemente durch elektrische Widerstandsheizung miteinander verbunden werden, eine erhebliche Rolle. Unter dem Begriff Rohrleitungselemente werden Rohre, Formstük-ke aller Art und Armaturen verstanden, die zu ganzen Rohrleitungen und Rohrleitungssystemen zusammengesetzt und miteinander verbunden werden müssen. Die Ausführung der Verbindungen für diese Rohrleitungselemente stellt eine aufwendige Teiloperation dar, die zudem die Qualität der Rohrleitung bestimmt und deshalb zuverlässig ausgeführt werden muss. Zum Verbinden der Rohrelemente werden entweder Muffenverbindungen, die einen Teil des Rohrleitungselements darstellen oder von den Rohrleitungselementen getrennte Schweissmufifen, die auf die Enden zweier Rohrleitungselemente gesteckt und mit diesen verbunden werden, verwendet. Im Überlappungsbereich dieser Verbindungen ist eine Wicklung aus einem Widerstandsheizdraht eingelegt, der zur Herstellung der Verbindung elektrisch erhitzt wird, so dass in der Umgebung der Wicklung das Material der sich überlappenden Enden der Rohrleitungselemente schmilzt und dadurch eine Verschweissung dieser Teile erreicht wird. When constructing pipes made of weldable plastic, the processes and devices with which the pipe elements are connected to one another by electrical resistance heating play a significant role. The term pipeline elements is understood to mean pipes, fittings of all types and fittings, which have to be put together to form entire pipelines and piping systems and connected to one another. The execution of the connections for these pipeline elements represents a complex partial operation, which also determines the quality of the pipeline and must therefore be carried out reliably. To connect the pipe elements, either socket connections, which form part of the pipe element, or welding sleeves separated from the pipe elements, which are plugged onto the ends of two pipe elements and connected to them, are used. In the overlap area of these connections, a winding made of a resistance heating wire is inserted, which is electrically heated to produce the connection, so that the material of the overlapping ends of the pipeline elements melts in the vicinity of the winding, thereby welding these parts.
Die durch die Wicklung zugeführte Heizenergie soll hierbei derart dosiert sein, dass eine einwandfreie Verbindung, d.h. weder eine ungenügende noch übermässige Erwärmung der zu verbindenden Teile zur Dosierung der Heizenergie in Ab-5 hängigkeit mit der zu verbindenden Rohrelemente wird ein Gerät verwendet, an dem die Einstellung der Heizenergie manuell oder selbsttätig erfolgt. The heating energy supplied by the winding should be metered in such a way that a perfect connection, i.e. neither an insufficient nor excessive heating of the parts to be connected for metering the heating energy depending on the pipe elements to be connected, a device is used on which the heating energy is set manually or automatically.
Beim Schweissen der erwähnten Verbindungen mit einem solchen Gerät ist es, insbesondere im Hinblick darauf, dass io die Verbindungen an einer Baustelle vorgenommen werden müssen, nicht zu vermeiden, dass gelegentlich Verbindungen nicht einwandfrei geschweisst werden. Meistens ist hierbei die für die Verbindung zugeleitete Schweissenergie im Hinblick auf die Art der Verbindung und die während der i5 Schweissung vorliegenden Umgebungsfaktoren, z.B. die Umgebungstemperatur oder eine mangelhafte Verbindung, z.B. ein Unterbruch an einer Steckverbindung zu klein. Dies führt meistens dazu, dass zwar die Verbindung mechanisch den Beanspruchungen standhält, aber undicht ist. 20 Beispielsweise ist durch die OE-Patentschrift 318 988 ein elektrisch gesteuertes Schweissgerät zum Verbinden von Kunststoffrohren oder -formteilen bekannt geworden, mit dem zum Erzielen einer guten Schweissverbindung die Endtemperatur der Schweissstelle innerhalb enger Grenzen ein-25 gehalten wird. Dabei ist ein besonderer Temperaturfühler für den Schweissfitting zur direkten Beeinflussung von Heizleistungs-oder Schweisszeitsteuerkreisen durch die Umgebungstemperatur entbehrlich. When welding the connections mentioned with such a device, especially in view of the fact that the connections have to be made at a construction site, it cannot be avoided that occasionally connections are not welded properly. Most of the time, the welding energy supplied for the connection is related to the type of connection and the environmental factors present during i5 welding, e.g. the ambient temperature or a poor connection, e.g. an interruption in a connector is too small. This usually means that the connection can withstand the stresses mechanically, but is leaky. For example, OE patent 318 988 has disclosed an electrically controlled welding device for connecting plastic pipes or molded parts, with which the final temperature of the welding point is kept within narrow limits in order to achieve a good weld connection. In this case, a special temperature sensor for the welding fitting is unnecessary for the direct influence of heating output or welding time control circuits by the ambient temperature.
Dies wird erreicht durch einen die Grösse des konstanten 30 Heizstromes bestimmenden Schaltkreis zur Leistungssteuerung und/oder Schweisszeit mit mindestens einem in Berührung mit der Aussenluft stehendem und den Schaltkreis beeinflussenden thermisch sensiblen Bauelement. Dieses thermische Bauelement ist in oder am Gehäuse des 35 Schweissgerätes wärmeisoliert angebracht, es ist ein bereits vorhandenes Schaltungsbauelement und kein besonderer, im Fitting angeordneter Temperaturfühler. This is achieved by a circuit determining the size of the constant heating current for power control and / or welding time with at least one thermally sensitive component which is in contact with the outside air and influences the circuit. This thermal component is mounted in or on the housing of the welding device in a heat-insulated manner; it is an existing circuit component and not a special temperature sensor arranged in the fitting.
Eine wesentliche Verbesserung in der Schweisstechnik von Kunststoffrohren brächte eine Vorrichtung, die in der 40 Lage wäre, mangelhafte Schweissung zu erkennen und anzuzeigen, auch wenn sie durch komplexe Einflussfaktoren bewirkt werden. A device that would be able to detect and indicate defective welding, even if it is caused by complex influencing factors, would bring a significant improvement in the welding technology of plastic pipes.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art so auszugestal-45 ten, dass eine möglichst grosse Zahl von Einflussfaktoren mindestens näherungsweise berücksichtigt wird. Die Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil der unabhängigen Patentansprüche 1 und 4 angegebenen Erfindung gelöst. The invention is therefore based on the object of designing a device of the type described at the outset in such a way that the greatest possible number of influencing factors is taken into account at least approximately. The object is achieved by the invention specified in the characterizing part of independent claims 1 and 4.
so Die Erfindung ist mit Hilfe der nachfolgend aufgeführten Figuren in einem Ausführungsbeispiel dargestellt und beschrieben. The invention is illustrated and described in an exemplary embodiment with the aid of the figures listed below.
Die Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Geräts zum Verbinden von Rohrleitungselementen aus 55 schweissbarem Kunststoff, das als Blockdiagramm dargestellt ist und 1 shows a schematic representation of a device for connecting pipe elements made of 55 weldable plastic, which is shown as a block diagram and
Fig. 2 zeigt in mehr allgemeiner Darstellung die Wirkungsstrecke der Schaltung nach Fig. 1. FIG. 2 shows a more general representation of the range of action of the circuit according to FIG. 1.
Das in der Zeichnung dargestellte Gerät ist für die Her-60 Stellung von Verbindungen vor allem mit Schweissmuffen vorgesehen, jedoch besteht grundsätzlich keine Einschränkung bezüglich seiner Verwendung für Schweissverbindun-gen anderer Art, z.B. Muffenverbindungen od.dgl. The device shown in the drawing is intended for the manufacture of connections, especially with welded sockets, but there is basically no restriction with regard to its use for other types of welded connections, e.g. Socket connections or the like.
Die Stromversorgung des in Fig. 1 dargestellten Geräts 65 erfolgt über einen Netzanschluss 1. Der Stromkreis wird über eine Schaltstufe 7 geführt. Am Ausgang der Schaltstufe ist eine Schweissmufife 3 über einen schematisch dargestellten Steckkontakt 4 angeschlossen. Am Ausgang der Schaltstufe The device 65 shown in FIG. 1 is supplied with power via a mains connection 1. The circuit is routed via a switching stage 7. At the output of the switching stage, a welding sleeve 3 is connected via a schematically illustrated plug contact 4. At the output of the switching stage
3 3rd
633 746 633 746
7 ist eine Stromüberwachung 6 angeordnet. Diese überwacht den fliessenden Strom und hält die Schaltstufe, die beispielsweise ein Relais aufweist, in Arbeitsstellung. 7, a current monitor 6 is arranged. This monitors the flowing current and keeps the switching stage, which has a relay, for example, in the working position.
Am Stromkreis ist ein Netzteil 2 angeschlossen, mittels welchem eine Kleinspannung, z.B. 12 Volt, erzeugt wird, die zur Versorgung des Geräts dient. Die Ausgangsspannung des Netzteils 2 wird in einer Spannungsquadrierschaltung 8 gemessen und in eine quadratische Nachbildung der Netzspannung U2 umgeformt. Der Ausgang der Spannungsquadrierschaltung 8 ist mit dem Eingang eines spannungsabhängigen Impulsgenerators 9 verbunden, der eine dem Quadrat der Spannung entsprechende Impulsfrequenz erzeugt. Dieser quadratische Wert wird beispielsweise aus der Ladungskurve eines Kondensators gebildet, der über einen Widerstand direkt oder indirekt von der an der Schweissmuffe liegenden Spannung gespeist wird. Wird dieser Kondensator an eine Gleichspannungsquelle geschaltet, so kann die Kondensatorspannung höchstens bis zur Höhe der Speisespannung steigen. Seine Zeitkonstante T, d.h. die Zeit, in der 63% der maximal möglichen Kondensatorspannung erreicht wird, wird aus der Gleichung T = C • R bestimmt, wobei C die Kapazität des Kondensators und R seinen ohmschen Widerstand bedeutet. Der Anstieg der Kondensatorspannung erfolgt in bekannter Weise nicht linear, sondern nach der Gleichung Uc = U (l-e~t/T) wobei Uc die Kondensatorspannung, U die Ladespannung und t die Ladezeit bedeuten. Wird bei Erreichen einer vorbestimmten Ladespannung der Kondensator mittels einer Schaltstufe, die z.B. einen Komparator aufweist, entladen, so beginnt ein neuer Ladevorgang und man erhält eine Frequenz, die von der Ladespannung bzw. von der Netzspannung gesteuert wird. A power supply unit 2 is connected to the circuit, by means of which a low voltage, e.g. 12 volts, is generated, which serves to supply the device. The output voltage of the power supply unit 2 is measured in a voltage quadrature circuit 8 and converted into a quadratic replica of the mains voltage U2. The output of the voltage squaring circuit 8 is connected to the input of a voltage-dependent pulse generator 9, which generates a pulse frequency corresponding to the square of the voltage. This quadratic value is formed, for example, from the charge curve of a capacitor which is fed directly or indirectly from the voltage at the welding sleeve via a resistor. If this capacitor is connected to a DC voltage source, the capacitor voltage can only rise up to the level of the supply voltage. Its time constant T, i.e. the time in which 63% of the maximum possible capacitor voltage is reached is determined from the equation T = C • R, where C is the capacitance of the capacitor and R is its ohmic resistance. In a known manner, the rise in the capacitor voltage does not take place linearly, but according to the equation Uc = U (l-e ~ t / T), where Uc is the capacitor voltage, U is the charging voltage and t is the charging time. If the capacitor is reached when a predetermined charging voltage is reached, e.g. has a comparator, discharges, a new charging process begins and a frequency is obtained which is controlled by the charging voltage or by the mains voltage.
Die Nachbildung der quadratischen Funktion der Netzspannung im Bereich von z.B. 180-260 V kann dadurch erreicht werden, dass der Schaltpunkt der Entladung z. B. auf einen Wert von 0,39 der Netzspannung bei 220 V festgelegt wird. Weicht die Spannung von diesem Wert ab, erfolgt eine Überkompensation der quadratischen Netzspannung. Diese Überkompensation ist bei kleineren Netzspannungen erforderlich, um den grösseren Wärmeabfluss im Kunststoffmaterial, der durch die längere Schweisszeit auftritt, entgegenzuwirken. Die Schweisszeit wird dadurch nicht nur entsprechend der kleineren Netzspannung, sondern darüber hinaus zusätzlich verlängert. Es kann dadurch eine gleichbleibende Schweissgüte erreicht werden, auch wenn bei einer Spannung von z.B. 180 V die Schweisszeit um den Faktor 1,5 ansteigt. In gleicher Weise kann durch entsprechende Wahl des Teilwertes der Ladespannung bzw. Netzspannung eine Überkompensation bei Spannungen erreicht werden, die über dem festgelegten Wert der Ladespannung bzw. Netzspannung liegen. The simulation of the quadratic function of the mains voltage in the range of e.g. 180-260 V can be achieved in that the switching point of the discharge z. B. is set to a value of 0.39 of the mains voltage at 220 V. If the voltage deviates from this value, the quadratic mains voltage is overcompensated. This overcompensation is necessary for smaller mains voltages in order to counteract the greater heat flow in the plastic material, which occurs due to the longer welding time. This not only increases the welding time according to the lower mains voltage, but also extends it further. A constant weld quality can be achieved, even if a voltage of e.g. 180 V the welding time increases by a factor of 1.5. In the same way, by appropriate selection of the partial value of the charging voltage or mains voltage, overcompensation can be achieved at voltages which are above the specified value of the charging voltage or mains voltage.
Der Ausgang des Impulsgenerators ist an einen Zähler 10 gelegt, in welchem die Aufsummierung der Impulse erfolgt. Die Kapazität des Zählers 10 beträgt z.B. 28-224 Impulse. Entsprechend der Abhängigkeit der Impulsfrequenz des Impulsgenerators 9 vom quadratischen Wert der Spannung bedeutet eine im Zähler 10 aufsummierte Impulszahl eine bestimmte Heizenergie. The output of the pulse generator is connected to a counter 10, in which the summation of the pulses takes place. The capacity of the counter 10 is e.g. 28-224 pulses. Corresponding to the dependency of the pulse frequency of the pulse generator 9 on the square value of the voltage, a number of pulses summed in the counter 10 means a certain heating energy.
In Fig. 2 ist zur besseren Übersicht der Schaltung und ihrer Wirkungsweise der zur Wirkungsstrecke gehörende Teil in mehr prinzipieller Darstellung hervorgehoben. In Fig. 2 the part belonging to the effective section is highlighted in a more basic representation for a better overview of the circuit and its mode of operation.
Die Netzspannung U wird in der Spannungsquadrierschaltung 8 quadriert und dieser quadrierte Spannungswert auf den Eingang eines spannungsabhängigen Impulsgenerators 9 geführt. Am Ausgang des Generators erscheint eine vom quadratischen Wert der Netzspannung abhängige Frequenz f = f (U2), die von einem nachfolgend eingeschalteten Zähler 10 gezählt wird. Am Zähler ist ein Zählwert vorgegeben. Das Abzählen dieses Zählwertes geschieht mit einer variablen, von der Netzspannung abhängigen Zählrate. Nach Abarbeiten des Zählwertes durch Auf- oder Abzählen betätigt der Zähler 10 die Schweissstrom-Schaltstufe 7 und die im Kunststoff eingebettete Widerstandsheizung wird mit dem Energienetz verbunden oder davon getrennt. Eine vorübergehende Erhöhung der Spannung aus dem Energienetz bewirkt eine Erhöhung der Folgefrequenz und das Zählen geschieht rascher; damit wird die Schweisszeit der Spannungserhöhung entsprechend verkürzt. Ein Absinken der Spannung bewirkt letztlich eine entsprechende Verlängerung der Schweisszeit, und ein Ausfall der Spannung unterbricht die Zählung. Wird das Zählpensum nicht erreicht, so meldet der Zähler faktisch «energetisch unvollkommene Schweissung». The mains voltage U is squared in the voltage quadrature circuit 8 and this squared voltage value is fed to the input of a voltage-dependent pulse generator 9. At the output of the generator, a frequency f = f (U2), which is dependent on the quadratic value of the mains voltage, appears and is counted by a counter 10 which is subsequently switched on. A counter value is specified on the counter. This count value is counted using a variable count rate that depends on the mains voltage. After the count value has been processed by counting up or counting down, the counter 10 actuates the welding current switching stage 7 and the resistance heating embedded in the plastic is connected to or disconnected from the energy network. A temporary increase in the voltage from the energy network causes an increase in the repetition frequency and the counting takes place more quickly; the welding time of the voltage increase is shortened accordingly. A lowering of the voltage ultimately leads to a corresponding increase in the welding time, and a failure of the voltage interrupts the counting. If the count is not reached, the counter actually reports “energetically imperfect welding”.
Wesentlich ist, dass beim Schweissen der Schweissmuffe 3 die der Schweissenergie entsprechende Impulszahl im Zähler 10 erreicht wird. Dies wird durch eine Funktionsüberwachung 5 sichergestellt. Falls der Zähler 10 seine vorbestimmte Impulszahl noch nicht erreicht hat, z.B. bei einem Unterbruch im Stromkreis zwischen dem Gerät und der Schweissmuffe während des Schweissens, so erzeugt die Funktionsüberwachung 5 ein Störsignal, z.B. das Blinken einer roten Kontrollampe. Sobald das Störsignal einsetzt, wird damit angezeigt, dass die durchgeführte Schweissung der Muffe 3 überprüft werden muss. Gleichzeitig mit der Anzeige des Störsignals erfolgt eine sofortige Abschaltung der Netzspannung von der Schweissmuffe 3 durch die Schaltstufe 7. Das Einschalten des Stromkreises durch Einschalten der Schaltstufe 7 wird durch eine Einschaltüberwachung 11 gesteuert. Mittels einer Kleinspannung wird von der Einschaltüberwachung 11 festgestellt, ob am Stromkreisausgang 4 eine Schweissmuffe 3 oder ein äquivalenter Widerstand angeschlossen ist. Zweckmässig wird die Einschaltüberwachung so ausgelegt, dass das Einschalten des Stromkreises nur dann möglich ist, wenn der Verbraucherwiderstand kleiner als ein bestimmter Wert, z.B. 3 k Ohm, ist. It is essential that when the welding sleeve 3 is welded, the number of pulses corresponding to the welding energy is reached in the counter 10. This is ensured by function monitoring 5. If the counter 10 has not yet reached its predetermined number of pulses, e.g. in the event of an interruption in the circuit between the device and the welding socket during welding, the function monitor 5 generates an interference signal, e.g. the flashing of a red indicator lamp. As soon as the interference signal sets in, this indicates that the welding of the sleeve 3 must be checked. Simultaneously with the display of the interference signal, the mains voltage is immediately switched off from the welding sleeve 3 by the switching stage 7. The switching on of the circuit by switching on the switching stage 7 is controlled by a switch-on monitor 11. The start-up monitoring 11 uses a low voltage to determine whether a welding socket 3 or an equivalent resistor is connected to the circuit output 4. The switch-on monitoring is expediently designed in such a way that the circuit can only be switched on if the consumer resistance is less than a certain value, e.g. 3 k ohms.
Mit dem beschriebenen Gerät wird ein Maximum an Betriebssicherheit gewährleistet. Der Ausgang für den Stromkreis des Geräts ist so lange gesperrt, bis ein Verbraucherwiderstand mit einem unter einem Grenzwert liegenden Widerstandswert angeschlossen ist. Erst dann sperrt die Einschaltüberwachung 11 nicht mehr und die Schaltstufe 7 kann mittels einer nicht dargestellten Taste eingeschaltet werden. The device described ensures maximum operational reliability. The output for the device's circuit is blocked until a consumer resistor with a resistance value below a limit value is connected. Only then does the switch-on monitoring 11 no longer lock and the switching stage 7 can be switched on by means of a key (not shown).
Aber auch die Umgebungseinflüsse werden mindestens teilweise ausgeschaltet. Da die Heizenergie aufgrund der Spannung nach der Formel U2 • t/R ermittelt wird, hat dies zur Folge, dass bei tiefen Umgebungstemperaturen die Schweissleistung grösser ist, vorausgesetzt allerdings, der verwendete elektrische Widerstandsheizdraht sei ein Kaltleiter. Ebenso kann ein die Form der Schweissmuffe berücksichtigender Formfaktor bei der Abhängigkeit der Spannung bzw. seines quadratischen Wertes von der Impulsfrequenz berücksichtigt werden. Durch die hohe Zählerkapazität ist es möglich, die Schweisszeit, die in der Grössenordnung von z.B. 70-80 sec liegen kann, sehr genau einzuhalten und auch Zeiten von mindestens 20 min Dauer noch ausreichend sicher zu erfassen. But environmental influences are also at least partially eliminated. Since the heating energy is determined based on the voltage using the formula U2 • t / R, this means that the welding power is greater at low ambient temperatures, provided, however, that the electrical resistance heating wire used is a PTC thermistor. A form factor that takes the shape of the welding sleeve into account can also be taken into account when the voltage or its quadratic value is dependent on the pulse frequency. Due to the high counter capacity, it is possible to reduce the welding time, which is on the order of e.g. 70-80 sec, can be adhered to very precisely and times of at least 20 min can still be recorded with sufficient certainty.
Wesentlich ist, dass durch diese Auslegung des Geräts der Aufbau desselben sehr einfach wird und gleichzeitig gegenüber den bekannten Schweissgeräten eine wesentliche Gewichtsersparnis, die bis 80% und mehr betragen kann, erreicht wird. It is essential that this design of the device makes it very easy to set up and at the same time achieves substantial weight savings compared to the known welding devices, which can be up to 80% and more.
5 5
10 10th
15 15
20 20th
25 25th
30 30th
35 35
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60 60
65 65
S S
1 Blatt Zeichnungen 1 sheet of drawings
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