CN102403085B - 一种管道端口磁滞缓冲消磁控制器 - Google Patents

Abstract

本发明是一种管道端口磁滞缓冲消磁控制器。涉及管道系统技术领域。它由可控硅预稳压电路、逆变主控电路、整流器、调节器、磁场检测模块、显示面板、保护电路组成；来自电网的电源接可控硅预稳压电路，可控硅预稳压电路输出接逆变主控电路，同时输出接显示面板的手动调节输出接逆变主控电路，接检测探头输出的磁场检测模块输出也接逆变主控电路，逆变主控电路输出接整流器，整流器输出有三路：一路接保护电路，保护电路输出接可控硅预稳压电路和逆变主控电路，一路接显示面板，另一路接输出至消磁线圈(1)和消磁线圈(2)。本发明较现有消磁产品具有重量轻、能耗低、控制方式先进、运行可靠、消磁迅速消磁效果好的优点。

Description

一种管道端口磁滞缓冲消磁控制器

技术领域

本发明是一种管道端口磁滞缓冲消磁控制器。涉及管道系统技术领域。

背景技术

目前对管道端口的消磁采用多种方法:1)适当改变焊件接地线位置;2)适当调节焊条倾角,将焊条朝偏吹方向倾斜;3)采用分段退焊法以及短弧焊法;4)采用交流焊法代替直流焊法;5)安放产生对称磁场的铁磁材料,尽量使电弧周围的铁磁物质分布均匀;6)减少焊件上的剩磁;7)用反消磁法,即让焊件产生相反磁场来抵消焊件上的剩磁;8)用截面35-50mm的焊接导线绕在钢管或者两根对接的钢管上,根据钢管剩磁大小绕成匝数不同的线圈,来完成直流电和交流电的消磁;9)利用磁阻特性减小钢管剩磁对焊接的影响。前8种技术虽说对减小钢管剩磁有一定效果,但不能完全消除。利用磁阻特性减小钢管剩磁对焊接的影响虽在理论上进行了探讨,并提出用钢楔沿对口缝楔一周的方法,显然是又慢又麻烦。实际上,现在是方法多而效果差,并未真正解决问题。如US4158873A公开了一种管道端口消磁方法及实现该消磁方法的消磁器,它是在管道端口缠绕消磁线圈,通过线圈种通入高频交流电的方法消磁。CN101651006A公开了一种管道端口消磁方法和实现该消磁方法的消磁器,它是在管道端口设置消磁线圈和探头,通过探头检测到的磁场方向、强度等参数对消磁线圈通交流电进行消磁。该两技术虽有一定程度的消磁,但消磁效果并不理想。

发明内容

本发明的目的是发明一种重量轻、能耗低、控制方式先进、运行可靠、消磁迅速、消磁效果好的管道端口磁滞缓冲消磁控制器。

本发明是利用磁滞缓冲器的磁滞特点外加消磁线圈,控制产生高频磁脉冲,阻断其磁场,使其与钢管的矫顽力平衡,达到消磁的目的。具体消磁如图1所示,是在待消磁管道的端口缠绕消磁线圈,巨磁阻探头固定于管道端口外缘,将巨磁阻探头与消磁器的主控制器数据接口连接,消磁线圈与主控制器功率输出端连接。

本管道端口磁滞缓冲消磁控制器是消磁器中的核心设备,其构成如图2所示,包括可控硅预稳压电路、逆变主控电路、整流器、调节器、磁场检测模块、显示面板、保护电路;来自电网的电源接可控硅预稳压电路,可控硅预稳压电路输出接逆变主控电路,同时输出接显示面板的手动调节输出接逆变主控电路,接检测探头输出的磁场检测模块输出也接逆变主控电路,逆变主控电路输出接整流器,整流器输出有三路:一路接保护电路,保护电路输出接可控硅预稳压电路和逆变主控电路,一路接显示面板,另一路接输出至消磁线圈1和消磁线圈2。

来自电网的电源经由可控硅预稳电路稳压后输出250V左右直流电压，供电给逆变主控电路，并经LC滤波后给辅助电源和功率输出电源供电，逆变主控电路产生PWM控制信号，分频器电路驱动功率输出管，经变压器降压后整流输出，驱动励磁线圈，完成消磁。

所述逆变主控电路(见图3)采用单片机间接控制分频器电路,主要由开关电源、高频变压器T1/2、数字电位器、单片机组成;高频变压器T1/2一次绕组通过两个场效应管A1、A2接向工频整流后的直流电源，场效应管A1、A2的漏极各接高频变压器T1/2一次绕组的一端,源极各接电阻R9、R10与栅极共同接Ra到地,源极各经电阻R11、R12接IC5的9、10端；IC5的8、11、12端接+12V,4端经电阻R13接地,13、14和15端接Vref基准电压,1端经串联的电阻R16、电阻R18接Vref基准电压,电阻R16、电阻R18之间接并联的电阻R17和电容C16到地,2、3端之间接电阻R20与串联的电阻R19、电容C17并联,2端经串联的电阻R21与电阻R22接IC6的13端,6端接串联的电位器Rw和电阻R14后接IC4的6、7端；IC4的5端接地,8端接+5V,1、2、3端分别接IC6的18、17、16端；IC6的1端经电阻R31接+5V,2端经串联的电阻R8、电容C10和电阻R7、电容C9两个“Г”型滤波器后接IC3的输出端1,IC3的“+”输入端经电阻R32接Ra的上端,IC3的“-”输入端经电阻R4接Ra的地端,且IC3的输出端1与“-”输入端接有反馈电阻R6,IC6的3端经串联的电阻R23、电容C19和电阻R24、电容C20两个“Г”型滤波器后接P2到RW1的中间抽头,而串联的P1、RW1、P3接在+5V与地之间,15端经电阻R27接三极管T3的基极,三极管T3的射极接地,集电极接二极管D1和光敏二极管L2并二极管D1和光敏二极管L2的另两端之间接电阻R25,在三极管T3的集电极接并联的电阻R26与电容C21的后点与电阻R25与二极管D1连接处P6取出+12V,14端接IC7的4端,IC7的1经端电阻R29到P5端,2、3端接地,4端经电阻R28接+5V,9、10端之间晶振CR1,并在晶振CR1的两端各接电容C23、电容C24到地;巨磁阻探头H与C27并联后一端接IC1的3端，同时通过R36接+12V电源，另一端接地；R35、R34串接分压，R35接电源+12V，R35、R34中点接IC1的2端，IC21的1端、2端之间接有并联阻容R33、C26，IC1的4端接电源+12V，11端接地，1端通过R32接IC4的6、7端;逆变主控电路中P4、P5为电源输出电源检测输入，接本图中P8、P9端；P6、P7为工作故障指示灯，接图6中辅助电源电源12V输出端E、G端；。

IC5采用他激式脉宽调制方式开关电源，由KA7500B集成电路作为脉宽调制器件，电源输出电压V的调节由KA7500B的1、2脚控制，脚1接参考电压，脚1接开关电源输出端，当脚2电压低于脚1电压时，KA7500B输出的脉冲宽度增大，只是回路的功率管导通时间增加，电源输出电压增大，繁殖输出电压V减小，仅当脚1和脚2电压相等时，电源输出电压才维持不变，达到稳定;IC6运用单片机PIC16F876结合数/模转换器产生电压接至脚1，这样就实现输出电压可连续可调;本电源输出电压由00.0V起连续可调，输出电压的变化步幅位0.1V，最大输出电压为60V;

该电路中的高频变压器T1/2一次绕组通过两个场效应管接向工频整流后的直流电源，这两个场效应管交互导通、推挽工作;具有效率高，功率管负载小，工作稳定，可长时间大功率工作的特点。本电路如采用并联多组场效应管输出功率可加大两倍以上;

IC4采用MCP41010,是具有256个抽头的数字电位器，他是单通道器件，MCP41010的抽头位置在工业级SPI接口控制下线性变化，在关断模式期间，能更改抽头控制寄存器的内容，电位器在退出关断模式后将使用新值;本电路主要实现手动模式下机械电位器的A/C转换;

单片机PLC16F876实现DC/DC斩波有两种方式：一种是单片机控制脉宽（PWM）控制集成电路，从而间接产生PWM控制信号，二是由单片机根据检测电路电压和电压设定值产生PWM控制信号，本发明考虑PLC16F876产生PWM信号电压值较低，另外控制信号占空比精度也不高，故采用第一种方案，即单片机控制间接PWM生成方式，使用单片机控制成本低廉的KA7500B分频器电路，实现用数字数据在0.1％～99.7％范围内准确而稳定地控制PWM信号的占空比，从而控制输出电压的稳定输出;

由于开关电源控制系统在调节过程中，目的是为了得到稳定的电压输出，消除电压偏差，故在PID参数整定过程中尽量增大积分环节的调节系数，减小微分环节的调节系数;

所述可控硅预稳压电路采用的是可控硅纹波触发式开关稳压电源;它包括两级稳压控制系统，由晶闸管预稳和专用集成电路反馈稳压达到170V-400V范围；电路将整流后的纹波加以整形、放大后，去触发可控硅使其导通;当整流电压的瞬时值降到0V时，可控硅自动关断，用输出电压的变化控制触发脉冲的前沿，便可实现稳压;

所述稳压电路(见图4)主要由晶体管VT1～VT4、变压器T、可控硅SCR1等组成;接电源的变压器输出接桥式整流电路,整流电路输出接L1与并联有电阻R47的可控硅SCR1串联至输出端,且可控硅SCR1的控制极经J2接并联有二极管VD8的变压器T次级绕组；(二极管VD8是脉冲变压器次级绕组的续流管，保证T次级绕组正半周触发可控硅SRC1,负半周由VD8续流）桥式整流电路输出经电阻R38和R39分压并经电容C33接三极管VT4的基极,三极管VT4的发射极经电阻R40接桥式整流电路输出,发射极与基极之间接有反馈电阻R41,集电极经电阻R42接地且集电极输出接VT3基极与地之间电阻R43、电阻R44、电容C34串联电路的两电阻之间,VT3发射极与基极之间接有二极管VD5,VT3发射极经电阻R45与VT4的发射极相连并接变压器T的初级绕组一端并共同接至R40分压供电端,VT3集电极经电阻R47到地,并VT3集电极经电容C37接三极管VT2的基极,三极管VT2的发射极经电阻R53到地,集电极接变压器T初级绕组的另一端,且变压器T初级绕组两端之间并连有电阻R50；三极管VT1的基极从串接在输出端至地之间的电阻R54、电位器R55、电阻R56的电位器R55中间抽头接出,三极管VT1的发射极经稳压二极管VD7接地，VT1集电极经电阻R52接三极管VT3的射极;

当接通电源时，由R38、R39分压后经C33加到VT4的基极，VT4将其放大后，集电极输出脉冲经R44对C34充电，形成抬高形锯齿波，经过R43送入VT3的基极。与此同时，误差放大器VTl集电极输出的误差电压经R51加到VT3的发射极，在两个电压的作用下，VT3集电极输出100Hz方波。该方波电压经过电容C37加到VT2基极的方波变为脉冲波形，经VT2放大后，通过低频脉冲变压器T微分，去触发SCRl的控制极;

当输出电压发生变化时，取样电路R54～R56两端的电压也变化，由VTl放大后去调制VT3输出方波的脉冲宽度，即改变脉冲前沿位置，使可控硅SCR1导通时间的长短与输出电压的高、低成反比变化，从而达到稳压的目的;本电路用两级稳压，随影响电源总效率，但可在大范围调压下，仍具有足够的输出电压稳定度;

所述辅助电源(见图5)为开关型稳压集成块MC34063和三端稳压7805分流供电,它采用15V电源变压器降压整流滤波后，接IC7开关型稳压集成块MC34063的6端,IC7的2端为输出端，其一接二极管D2到地,二接扼流圈L并与5端接的反馈电阻R2相接，2端输出+12V,该+12V接点与地之间并联接有电容C5、电容CE2和电阻R30、发光二极管rD3,并经扼流圈LT1接IC2三端稳压7805的1端,2端接地,3端输出+5V,1端经电容C6接地,3端经电容C7、CE3接地。

MC34063是专用于直流—直流变换器控制集成电路,能输出1.5A的开关电流。它能使用最少的外接元件构成开关式升压变换器，降压式变换器和电源反向器。本电路用于输出12V供电；三端稳压集成电路7805是一种线性稳压器件，具有外围电路简单，工作稳定，最大输出电流1.5A，本电路用于5V供电。

所述保护电路如图6所示,由IC1四运放LM324和NE555组成;电容C37和串接的感温二极管D3、二极管D4并联后下端接地,上端一经电阻R57接+12V,二接A1的“+”输入极3,A1的输出1端经二极管D5和电阻R64至NE555的6端,4端接+12V;+250V经电容C38接地并经电阻R61到A2的“+”输入极5,R60、R62串联R60一端接电源+12V,R62一端接地，R60、R62串接中点接A2负输入端6，A2的输出端7经二极管D6和电阻R64至NE555的6端;A3的“+”输入极12经电阻R6和电流表相串到地,“-”输入极13经电阻R7到地,A3的输入端12端串接R62电流表的正极，A3的负输入端13串接电阻R63接电流表负极，A3的输出14端经二极管D7和电阻R64至NE555的6端;NE555的1端接地,4、8端接+12V,5端经电阻R9接+12V,同时经稳压二极管DZ5后一路再串接电容C3到NE555的2端,另一路与LED、继电器的J1、电阻R9相串后接+12V,NE555的7端接相串联的LED、继电器的J、TLP光电耦合器到+12V;感温二极管D3、二极管D4紧贴于变主控电路中功率输出管2MBI75U4A散热片上；

本机一旦出现过流、短路、电源电压异常、过温等故障，将自动切断主电路，同时声光报警。电流检测信号取自直流电流表分流器，经LM324组成的同相比例运算电路A1放大后产生信号电压Ui，感温管D3～D4温度超过105℃后的传感信号经由A2运算放大后产生电压Uc，A3检测预稳压电源的输出电压，异常时产生电压Uv，三个电压信号各经过比例感载二极管D5、D6、D7后的合成电压信号Uj送往NE555，由NE555构成的触发器，由于它的电压控制端5接入稳定电压Uz5，确定2、6端的触发电平值。当开关电源正常工作时，Uj<Uz5,保护系统不动作。当发生过流、短路、过温时，Uj>Uz5，NE555的放电管由截止转为导通，TLP光电耦合器PC817工作，其三极管饱和导通，输出脉冲被封锁，主开关元件关断；同时继电器J接通，它的常闭触点断开，切断可控硅触发电路的给定信号，使可控硅关断，并声光报警。只在故障排除，切断辅助电源或总电源并重新合闸后，保护电路才回到电源正常工作时的状态。

所述磁场检测模块选用运放、磁感应类市销产品。

电路连接

逆变主控电路、可控硅预稳压电路、辅助电源、保护电路、磁场检测模块的电路连接是逆变主控电路中工作故障指示灯P6、P7，接辅助电源12V输出端E、G端；保护电路中的电源输入端H、I接辅助电源中的E、G端；保护电路中输出电流检测A、B端接逆变主控电路中的A、B端；保护电路中的保护输出4、14端接逆变主控电路中集成块KA7500B的4、14端,磁场检测模块的输入端接磁场检测探头，输出端接逆变主控电路6、7。

本磁滞缓冲消磁控制器的特征是：单片机上连接有磁场检测探头;晶闸管恒流恒压模块输入端与单片机连接;在晶闸管恒流恒压模块输出端与单片机之间串连有电流传感器（即电流表端电压）;消磁线圈连接在晶闸管恒流恒压模块输入端。使用时，消磁线圈缠绕在钢质管道上。效果：控制电源产生消磁器所需的电流的大小和方向，以得到大小和管道剩磁相等，方向相反的磁场，把剩磁降到管道能够正常焊接的水平.一种带磁长输管道局部消磁器，能把管道剩磁降到能够正常焊接的水平。

本发明在充分研究铁磁性材料的剩磁、矫顽力和内禀矫顽力，根据铁磁性材料矫顽力的不同，在参照矫顽力和磁能积计算消磁电流消磁的基础上，优化消磁线圈，进一步降低功耗、简化操作，达到较好的消磁目的。

消磁电路采用工业单片机比较反馈控制方式，通过调制脉宽与频率的不同比例来实现开关电源的从零起调，使输出电源的功率实现无级调节。同时，利用D/A转换模块实现用电位器无级调节输出，达到模糊控制，降低操作难度。通过安装在管端的巨磁阻探头即时测定消磁部位磁感强度与极性并通过显示仪表直观显示出来，根据仪表显示调节励磁电流的方向，并通过电位器无级调节输出高频脉冲励磁电流，直至仪表显示为零，达到消磁目的。

本发明能较好解决长输管道带磁焊接问题，消磁器较现有消磁产品具有重量轻、能耗低、控制方式先进、运行可靠、消磁迅速消磁效果好等优点，对保证焊接质量、加快管道局维抢修施工进度具有重要意义。

本发明的五大特点

①本机电源采用两级稳压控制系统，由晶闸管预稳和专用集成电路反馈稳压达到170V-400V宽范围工作，并且交直两用，电源适用范围宽；

②电路采用单片机脉宽调制与频率调制双重开关电源技术，成功地实现开关电源输出功率从零至最大的线性可调，解决了其他开关电源调整范围窄或阶跃式调整输出的弊端；

③充分利用高强钢硬磁性材料磁滞回线接近矩形的特点，采用20kHz-45kHz高频直流脉冲来克服管道焊接部位铁磁性材料的矫顽力，以磁滞缓冲形式使管道焊接部位的磁性达到内磁平衡状态，使焊接过程中磁偏吹影响降到最低，满足焊接工艺要求，确保焊接质量，在消磁效果相同的情况下与传统纯直流消磁相比，节能30％以上；

④采用新型材料巨磁阻探头与单片机配合实现自动控制：根据磁感应强度的不同自动调整输出功率，根据钢管材质的不同自动调整励磁脉冲频率，根据管道端口磁极的不同自动调整电源的输出极性；

⑤消磁线圈采用内螺旋设计，与普通线圈相比,相同匝数下磁感应强度大大增强，磁感强度提高约20倍，提高消磁效率。

附图说明

图1管道端口磁滞缓冲消磁控制器消磁示意图

图2管道端口磁滞缓冲消磁控制器原理框图

图3管道端口磁滞缓冲消磁控制器电原理图

图4可控硅预稳压电路电原理图

图5辅助电源电路电原理图

图6保护电路电原理图

具体实施方式

实施例.本例是一实验样机，其构成如图2-图6所示。它由可控硅预稳压电路、逆变主控电路、整流器、调节器、磁场检测模块、显示面板、保护电路组成;来自电网的电源接可控硅预稳压电路,可控硅预稳压电路输出接逆变主控电路,同时输出接显示面板的调节器输出接逆变主控电路,接检测探头输出的磁场检测模块输出也接逆变主控电路,逆变主控电路输出接整流器,整流器输出有三路:一路接保护电路,保护电路输出接可控硅预稳压电路和逆变主控电路,一路接显示面板,另一路接输出至消磁线圈1和消磁线圈2。

所述可控硅预稳压电路(见图4)采用的是可控硅纹波触发式开关稳压电源;

其中:

桥式整流选KBU2520;

晶体管VT1～VT4选3DG5C;

变压器T选1200T/400T;

可控硅SCR1选S4025L;

L1为200μH/15A;

VD5选2CP14;

VD6、VD8选2CP10;

VD7选2DW7;

C28-C32为4700Pf;

C41为100μf/15V;

C33、C34、C35为1μf;

C36为10μf;

C37为0.01μf;

R37为0.1Ω;

R38为200KΩ;

R39为10KΩ;

R40为18KΩ;

R41为6.2KΩ;

R42为12KΩ;

R43为9.1KΩ;

R44为390Ω;

R45为5.6KΩ;

R46为22KΩ;

R47为6.2KΩ;

R48为100Ω;

R49为12KΩ;

R50为1KΩ;

R51为680Ω;

R52为5.6KΩ;

R53为180Ω;

R54为27KΩ;

R55为1KΩ电位器;

R56为1KΩ;

所述主控电路(见图3)主控电路采用单片机间接控制分频器电路;

其中:

IC6选8位单片机PIC16F876;

IC5选KA7500B;

IC4选MCP41010;

IC3选TLC2264;

IC7选P521;

CR1为4MHZ;

A1、A2选2MBI75U4A-120;

Ra为0.1Ω;

R4为150Ω;

R5为300Ω;

R6为150KΩ;

R7为1.5KΩ;

R8为1.5KΩ;

R9、R10为100KΩ;

R11、R12为50KΩ;

R14为39KΩ;

RW为20KΩ电位器;

R16为150Ω;

R17为10KΩ;

R18为100Ω;

R19、R20为4.7KΩ;

R21为150Ω;

R22为100Ω;

R23为15KΩ;

R24为10KΩ;

R25为4.7KΩ;

R26为1KΩ;

R27为10KΩ;

R28为5KΩ;

R29为10KΩ;

R31为15KΩ;

C8为330μf;

C9为33Pf;

C10为10Pf;

C11为10μf;

C12为10μf;

C13为10μf;

C14为220μf;

C15为350Pf;

C16为220μf;

C17为0.1μf;

C18为220μf;

C19、C20为0.1μf;

C21为4.7μf;

C23、C24为18Pf;

C25为100μf;

保护电路如图6所示,由四运放LM324和NE555组成;

其中:

A1、A2、A3选四运放LM324;

LED选;

继电器JI选JQX-40F/2Z;

电流表A选HY-5235;

二极管D3、D4选IN4001;

二极管D5、D6、D7选IN34A;

二极管DZ5选IN4737;

R57为12KΩ;

R58为56KΩ;

R59为10KΩ;

R60为56KΩ;

R61为1.5MΩ;

R62为20KΩ;

R63为20KΩ;

R64为22KΩ;

R65为100KΩ;

R66为100KΩ;

C37为0.01μf;

C38为0.01μf;

C39为1μf。

用上述消磁器,在管道上安装两线圈和巨磁阻探头,按照图1所示连接方法与消磁器的主控制器连接好后,即可进行消磁。

具体消磁的步骤是:

开始后先初始化;

读A/D采样值;

输出电压、电流和输入电压超限判断;超限则保护;

未超限,进行磁场检测,根据电压值调用控制算法;

输出相应PWM信号;

设定电压改变;

电压改变则改变PWM输出频率,设置相应的初始宽度;

采样周期到,则转回到读A/D采样值。

本例经多次试验,证明本发明重量轻、能耗低、控制方式先进、运行可靠、消磁迅速、消磁效果好。

Claims (1)

1.一种管道端口磁滞缓冲消磁控制器,其特征是它由可控硅预稳压电路、逆变主控电路、整流器、调节器、磁场检测模块、显示面板、保护电路组成;来自电网的电源接可控硅预稳压电路,可控硅预稳压电路输出接逆变主控电路,同时输出接显示面板的手动调节输出接逆变主控电路,接检测探头输出的磁场检测模块输出也接逆变主控电路,逆变主控电路输出接整流器,整流器输出有三路:一路接保护电路,保护电路输出接可控硅预稳压电路和逆变主控电路,一路接显示面板,另一路接输出至第一消磁线圈(1)和第二消磁线圈(2);

来自电网的电源经由可控硅预稳压电路稳压后输出250V左右直流电压，供电给逆变主控电路，并经LC滤波后给辅助电源和功率输出电源供电，逆变主控电路产生PWM控制信号，分频器电路驱动功率输出管，经变压器降压后整流输出，驱动励磁线圈，完成消磁。

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