CN106770506A - 测量低氢型焊条药皮含水量的电容式传感器及测量方法 - Google Patents
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Abstract
测量低氢型焊条药皮含水量的电容式传感器及测量方法，传感器由外壳和内部传感器填充机构组成，壳体（1）与填充物（2）一面粘接在一起为整体，另一面用薄膜全覆盖，与壳体（1）粘接在一起；分别固定在薄膜（4）中间线位置两侧，每块电极（3）都与外壳（1）保持平行，引出导线；用薄膜将电极（3）固定，薄膜（4）将电极（3）全部包裹且与电极下薄膜（4）和壳体（1）粘接成一体，螺杆（8）穿过钢板（7）和壳体（1）的合体与螺帽（5）连接在一起；该方法通过焊条吸潮后，焊剂的相对介电常数发生明显变化，在传感器结构参数不变的情况下，通过传感器电容量变化表征待测量焊条药皮中含水量的多少，精准测量焊条药皮含水量。
Description
技术领域
本发明涉及低氢型焊条药皮含水量的电容式传感器测量技术，国际专利分类为B25B23/10。
背景技术
焊芯及药皮两部分构成焊条，其中焊条药皮均匀、向心地压涂在焊芯上。焊芯即焊条的金属芯，焊芯的不同决定焊条种类的不同。使用光焊条焊接，电弧很不稳定，飞溅严重，焊缝成型很差。焊条药皮在焊接过程中分解熔化后形成气体和熔渣，起到机械保护、冶金处理、改善工艺性能的作用。药皮的组成物有：矿物类(如大理石，氟石等)、钛合金和金属粉类(如锰铁、钛铁等)、有机物类、有机物类(如木粉、淀粉等)、化工产品类(如钛白粉、水玻璃等)。焊条药皮是决定焊缝质量的重要因素。随着工业技术的不断发展，低氢型焊条的引进能够有效减少融敷氢，提高焊接质量。在使用现场，不可能做到焊条现产现用，存储和运输过程中很难保证焊条不吸潮。焊条中的氢含量和氧含量主要来自于焊条药皮中的水分，水分高低直接决定着焊接质量高低，准确检测焊接前低氢型焊条药皮中的水分含量显得尤为重要，准确的检测结果无疑能够保证焊接中融敷氢含量不影响焊接质量，因此控制焊条药皮含水量是减少冷裂纹影响的主要方法之一。目前测定焊条含水量大都采用剥下焊条药皮高温干燥然后称量计算百分比的方法(GB5117-1995)，测量一次需要一小时左右的时间，且需要专有的一套设备在实验室中进行测量，无法在现场操作，同时为有损检测法。因此，研制方便快捷且对焊条无损的焊条药皮含水量测定传感器具有重要的意义。
基于电容法，利用水对焊条焊剂相对介电常数影响的敏感性，美国大陆石油公司Marvin L.Peterson于1977年申请发明专利US Patent 4011501，中国石化兰州炼油化工总厂实用新型专利ZL97201190.0，先后申请了电容式焊条湿度传感器，从使用过程和实验过程中发现，以上各种结构的传感器存在着不同程度的结构和原理上的缺陷，导致测量过程中容易受到环境温度、测试前环境湿度等因素的影响。US Patent 4011501是第一种利用电容法测量焊条药皮含水量的方法，为够脱离环境限制的便携式仪器，缺陷是采用机械指针来显示，结构易损坏，电机采用普通铁质电极，电极暴露空气中，空气湿度对传感器影响较大，电极测量精度不高，受使用者所处环境影响较大，使用准确度不高。ZL97201190.0结构上电极容易生锈，人工的按压才使得电极与焊条表面紧缚，使用者的按压力的差异性导致了传感器数据的误差。本发明从结构上和原理上提出很大创新，改变了以往结构性缺陷，从原理上改变了传感器易出现的测量误差，同时利用现有的新型材料，弥补了以上对测试现场环境依赖性较强等因素引起的测量不足。
发明内容
本发明的目的是提供一种测量低氢型焊条药皮含水量的电容式传感器及测量方法。
本发明是测量低氢型焊条药皮含水量的电容式传感器及测量方法，测量低氢型焊条药皮含水量的电容式传感器，整体为一半开式圆筒，固定在底座9上，传感器由外壳和内部传感器填充机构组成，包括壳体1、薄膜4、螺帽5、钢板7、螺杆8、底座9、电极3、壳体1和薄膜4之间的填充物2、焊芯12、焊条药皮10；其中，壳体1与填充物2一面粘接在一起为整体，另一面用薄膜全覆盖，与壳体1粘接在一起；两块电极(3)间隔预设的距离，分别固定在薄膜4中间线位置两侧，每块电极3都与外壳1保持平行，引出导线；用薄膜将电极3固定，薄膜4将电极3全部包裹且与电极下薄膜4和壳体1粘接成一体，完成固定；壳体1两头边缘处与钢板7连接在一起，螺杆8穿过钢板7和壳体1的合体与螺帽5连接在一起；焊条横向夹持在半开式圆通中间，角度θ小于60°。
低氢型焊条药皮含水量的测量方法，其步骤为：
(1)首先将传感器电极3引线对接消除残余电荷；
(2)从一包焊条中随机取出一根，避免接触到含水物体，将焊条横向穿过传感器，任意位置夹持在传感器中，保证焊条最上部药皮10表面与电极3间隔处中间位置靠一起，且与传感器保持平行；
(3)调节螺帽5，调节过程中始终保持步骤(2)中焊条与传感器相对位置不变，逐渐缩小焊条与传感器间隙，直至传感器夹紧焊条，焊条不能上下左右晃动为止，同时角度θ小于60°；
此时，焊条药皮含水量传感器电容量为：
式中，ε0为空气的相对介电常数，εγ1为焊条药皮10的相对介电常数，εγ2为薄膜4的相对介电常数，L为传感器长度，α、θ为薄膜4与焊条药皮10紧敷时夹角，R1为焊芯12中心到电极3的距离，R2为焊芯12中心到药皮10外表面的距离，r0为焊芯12半径；
(4)焊芯12与电极3形成两个位置相对固定的串联电容器，通过电极3引线，外接电容检测仪表，体现出电容量；
计算传感器电容量：
经过技术改进后，测量结果主要由C4、C5的串联决定，即：
式中，C4为焊芯与其中一片电极形成的电容，C5为焊芯与其中另一片电极形成的电容；
(5)利用国标GB-5117 1995标准测量方法，标定传感器电容量与焊条药皮含水量百分比关系，在焊条药皮含水量百分比<2.3％时，由焊条药皮含水量百分比和电容传感器电容量值之间的线性关系可得对应含水量百分比，实现焊条药皮含水量电容法测量。
本发明与背景技术相比，具有的有益的效果是：测量中，有效避免了因为周围环境温湿度对于电极的影响，同时减少了指部按压不均造成的前后测量结果误差，使得电极使用寿命延长，测量更精确、快速，效果稳定。采用无损测量的方式，减少因测量带来的焊条消耗，同时充分利用传感器，提高检测效率，使得能够做到快速、无损、非实验室环境测试的目的。这种电容式传感器的结构简单，测量方法可行，测量精度较高，频率响应范围宽，量程大，被检测体在一定范围内都能够被检测到，可以广泛用于焊接现场、焊条厂家、焊条经销商仓库用于焊条药皮含水量检测，同时也非常适用于野外环境和温湿度较大场合。
附图说明
图1是本发明的传感器机械结构图，图2是本发明的传感器理论模型图，图3是本发明的传感器理论分析模型图，图4本发明的传感器理论角度分析模型示意图，图5两个极板与壳体1之间的电容示意图，图6为图5中接地后的电容示意图，图7为电容C3、C4、C5构成串联电容模型图，图8为C4、C5构成串联电容模型图。
具体实施方式
本发明是测量低氢型焊条药皮含水量的电容式传感器及测量方法，针对常用低氢型碱性三种规格(焊芯直径φ＝3.2，φ＝4.0，φ＝5.0)的焊条，旨在测量焊条药皮中含水量，确保焊接前焊条含水量符合焊接要求，实现无损检测的同时，提高焊条药皮含水量检测效率，不受检测环境温湿度的限制，避免周围环境对于检测结果和传感器结构的影响。
在传感器使用中，焊条安放部分可调节以适应不同尺寸焊条。与此同时，为了防止在使用过程中对于传感器内部结构的磨损以及周围环境温湿度对传感器数值的影响，设计保护措施，即在电极外面附有一层耐磨绝缘保护层，并且电极全部覆盖不接触空气。图1、图2、图3、图4分别是传感器机械结构图、传感器的理论模型图、传感器理论分析模型图、传感器理论分析模型示意图。
利用电容法测量焊条药皮含水量，主要利用药皮吸水对相对介电常数的敏感性，测量药皮含水量，可由相对介电常数变化量转化为构成电容传感器的电容值表征。具体的实施方案如下：
测量低氢型焊条药皮含水量的电容式传感器，整体为一半开式圆筒，固定在底座9上，传感器由外壳和内部传感器填充机构组成，包括壳体1、薄膜4、螺帽5、钢板7、螺杆8、底座9、电极3、壳体1和薄膜4之间的填充物2、焊芯12、焊条药皮10；其中，壳体1与填充物2一面粘接在一起为整体，另一面用薄膜全覆盖，与壳体1粘接在一起；两块电极(3)间隔预设的距离，分别固定在薄膜4中间线位置两侧，每块电极3都与外壳1保持平行，引出导线；用薄膜将电极3固定，薄膜4将电极3全部包裹且与电极下薄膜4和壳体1粘接成一体，完成固定；壳体1两头边缘处与钢板7连接在一起，螺杆8穿过钢板7和壳体1的合体与螺帽5连接在一起；焊条横向夹持在半开式圆通中间，角度θ小于60°。
以上所述的测量低氢型焊条药皮含水量的电容式传感器，所述壳体1为钢箔，型号呈Ω形，两头各15mm处为折线，且向外与中间圆弧在折线处切线夹角不大于80°。
以上所述测量低氢型焊条药皮含水量的电容式传感器，所述的钢板7与壳体1点焊连接，两边打孔，一边钢板上打椭圆形的孔，其长轴向下，短轴部分存在丝纹；另一边打孔为圆形，直径φ＝4mm。
以上所述的测量低氢型焊条药皮含水量的电容式传感器，壳体1和薄膜4之间的填充物2，长度与传感器长度一致，紧致与壳体1粘贴为一体；所述电极，长度与传感器长度一致；所述薄膜4，一面光滑，一面附有粘接胶；薄膜4的中间线左右2.5～4mm处向后延伸开始固定电极，两电极间距11为5～8mm；调节螺帽5和螺杆8使得角度θ小于60°，焊条药皮10与薄膜4紧缚。
以上所述的测量低氢型焊条药皮含水量的电容式传感器，所述壳体1、填充物2、电极3由薄膜4全部包裹，整个电极处隔绝空气；所述底座9的一边与壳体1连接，另一边与外包装体固定，接地线。
低氢型焊条药皮含水量的测量方法，其步骤为：
(1)首先将传感器电极3引线对接消除残余电荷；
(2)从一包焊条中随机取出一根，避免接触到含水物体，将焊条横向穿过传感器，任意位置夹持在传感器中，保证焊条最上部药皮10表面与电极3间隔处中间位置靠一起，且与传感器保持平行；
(3)调节螺帽5，调节过程中始终保持步骤(2)中焊条与传感器相对位置不变，逐渐缩小焊条与传感器间隙，直至传感器夹紧焊条，焊条不能上下左右晃动为止，同时角度θ小于60°；
此时，焊条药皮含水量传感器电容量为：
式中，ε0为空气的相对介电常数，εγ1为焊条药皮10的相对介电常数，εγ2为薄膜4的相对介电常数，L为传感器长度，α、θ为薄膜4与焊条药皮10紧敷时夹角，R1为焊芯12中心到电极3的距离，R2为焊芯12中心到药皮10外表面的距离，r0为焊芯12半径；
(4)焊芯12与电极3形成两个位置相对固定的串联电容器，通过电极3引线，外接电容检测仪表，体现出电容量；
计算传感器电容量：
经过技术改进后，测量结果主要由C4、C5的串联决定，即：
式中，C4为焊芯与其中一片电极形成的电容，C5为焊芯与其中另一片电极形成的电容；
(5)利用国标GB-5117 1995标准测量方法，标定传感器电容量与焊条药皮含水量百分比关系，在焊条药皮含水量百分比<2.3％时，由焊条药皮含水量百分比和电容传感器电容量值之间的线性关系可得对应含水量百分比，实现焊条药皮含水量电容法测量。
如图2所示，实际测量的传感器电容值是外三层部分左右两块柔性电极构成电容值的大小。通过测量图1中的电极3之间部分电容值，然后根据电容值与介质介电常数之间的关系可导出药皮含水量影响关系。传感器电容值与介质介电常数之间的关系可利用焊条药皮含水量电容式传感器理论模型进行分析，分析过程如下：
构成传感器理论分析模型如图2、图3、图4所示，焊条药皮10紧缚于薄膜4时，即此时传感器处于测试状态。构成电容的中心电极的半径(即焊芯12的半径)为r0，包裹绝缘层到中心轴的距离为R1，焊条中心到药皮外壁距离为R2，传感器长度为L。
由经典电磁理论可知，图中假设电极均匀带电量为Q，则线电荷密度为，H为电解质内任一点到轴线的距离，D为电位移矢量，E为电场强度，U为电势差，C为电容，则柱状电容器的电容量根据其定义为：
为了求解U，利用有机介质的高斯定理得：
∮sD·dS0＝τL (3)
故，有：
D2πHL＝τL (4)
D＝ε0·εγ1·E1＝ε0·εγ2·E2 (6)
E1为绝缘层中的电场强度，E2为药皮中的电场强度，所以绝缘层中的电场强度E1为：
即，
式中r0<H<R1 (8)
同理，第二层药皮中的电场强度E2为：
式中R1<H<R2 (9)
因此，内外电极之间(焊芯与电极之间)的电势差U为：
将式(8)和式(9)代入式(10)积分可得：
将上式代入式(1)，可得：
传感器采用电容的串联方式，如图2中所示传感器在两电极间存在α角度大小的间距和开口处的θ角的开口，两块柔性电极的有效极板面积为：
因此，最终该电容器的电容可由下式计算：
由此，上式中可知，传感器尺寸确定的情况下，焊条药皮中相对介电常数发生变化时，能够反映出由于含水量引起的电容值变化，理论验证可行。
下面利用理论模型对两电极间存在的电容进行分析，得出构成传感器模型中各因素对传感器电容值的影响关系，以此解决杂散电容对测量结果的影响，确定焊条药皮含水量测量电容模型。
图2中两个电极3分别是两个极板(弧形)，焊芯12是另一个极板，因此电极3与焊芯12构成一个电容记为C4，另一个电极3与焊芯12构成另一个电容记为C5。当将传感器压紧后，两个电极与焊芯之间的介质为焊条药皮和薄膜4，两个电极间距为d，底座9接地后不影响电容式传感器电容。当焊条药皮含水量不同时，药皮的介电常数将发生变化，因此电容C4和C5的值也将发生变化。由图2可以看出，两个电容C4和C5是串联关系，因此总的极间电容为：
然而实际上，两个极板与壳体1之间都分别存在电容，如图所示记为C1和C2，它们也是串联的关系，两电极之间也存在电容，如图所示记为C3，因此若
两个电极之间存在电容示意图如图5所示。
这将是一个很复杂的模型，电容的测试存在较大的误差，要得到药皮在含水后的电容值很不容易。若在使用传感器时将壳体1接地，则两个电极之间存在电容示意图如图6所示，此时，电容C1和C2将不会对电极a与电极b之间的电容造成影响，因此，两个电极之间存在电容示意图将简化为图7所示。
即两个电极之间存在的电容为：
由于壳体1的接地设计消去了电容和对电极3之间的电容的影响，因此填充物2的介电常数、电极3、壳体1之间以及两电极a与b的距离将不再影响传感器电容值的计算，实现了设计之初的理论分析构想。同时在使用中，利用测量电路，消除电容C3的值，最终传感器电容值将由C4、C5构成串联电容决定，模型如图8所示。
即测量传感器电容值为：
利用水对焊条药皮(10)相对介电常数影响的敏感性，焊条药皮(10)成分中介质的相对介电常数为3～7之间，常温下水的介电常数为78，比焊条药皮(10)成分高一个数量级，焊条药皮中水的存在将明显改变整个药皮的介电常数。在常规大气中放置的焊条药皮含水量一般小于2.3％，在此范围内，若传感器结构参数不改变的情况下，焊条药皮的含水量百分比和电容量传感器电容量有很好的线性关系，能够利用该方法实现焊条药皮含水量测量。具体测量步骤如下：
(1)首先将传感器电极3引线对接消除残余电荷；
(2)从一包焊条中随机取出一根，避免接触到含水物体，将焊条横向穿过传感器，任意位置夹持在传感器中，保证焊条最上部药皮10表面与电极3间隔处中间位置靠一起，且与传感器保持平行；
(3)调节螺帽5，调节过程中始终保持步骤(2)中焊条与传感器相对位置不变，逐渐缩小焊条与传感器间隙，直至传感器夹紧焊条，焊条不能上下左右晃动为止，同时角度θ小于60°；
此时，焊条药皮含水量传感器电容量为：
(4)此时，焊芯12与电极3形成两个位置相对固定的串联电容器，通过电极3引线，外接电容检测仪表，体现出电容量。
计算传感器电容量：
经过技术改进后，测量结果主要由C4、C5的串联决定，即
(5)最后，利用国标GB-5117 1995标准测量方法，标定传感器电容量与焊条药皮含水量百分比关系，在焊条药皮含水量百分比<2.3％时，由焊条药皮含水量百分比和电容传感器电容量值之间的线性关系可得对应含水量百分比，实现焊条药皮含水量电容法测量。
由上述可知，新式传感器从机构上解决了前人相关发明的缺陷，测量电极不易受环境影响，避免了空气湿度对测量结果的影响，避免了人为误差的产生。同时，传感器理论上解决了杂散电容对测量结果的影响，能够实现焊条药皮含水量测量。
经过对实验室现有的焊芯直径为4mm的J707在恒温恒湿箱中模拟吸潮，利用国标法GB 5117-1995做相应的测试，测试结果显示，焊条药皮含水量±0.01％，相对应的电容量±1.38pF，药皮含水量误差为±0.0039％，能够实现对焊条药皮含水量的测量。
因此，在完成制作传感器结束后，其相关设计参数确定，本传感器可以针对常用低氢型碱性焊条在现场焊接前对焊条做药皮含水量测试，适用于工程上对焊条药皮含水量进行现场测试。基于此传感器研制出的电容式焊条药皮含水量测定仪，能够取代传统的干燥称量法测定药皮含水量，实现对焊条药皮含水量快速、无损和高精度测量，用于现场对焊条药皮含水量进行实时无损检测，防止不合格的焊条施焊，控制焊接冷裂纹及气孔缺陷。也可用于焊条生产厂家对焊条含水量进行实时监控，选择最佳烘干温度和时间，以保证焊条质量，降低能耗。
Claims (6)
1.测量低氢型焊条药皮含水量的电容式传感器，整体为一半开式圆筒，固定在底座（9）上，其特征在于传感器由外壳和内部传感器填充机构组成，包括壳体（1）、薄膜（4）、螺帽（5）、钢板（7）、螺杆（8）、底座（9）、电极（3）、壳体（1）和薄膜（4）之间的填充物（2）、焊芯（12）、焊条药皮（10）；其中，壳体（1）与填充物（2）一面粘接在一起为整体，另一面用薄膜全覆盖，与壳体（1）粘接在一起；两块电极（3）间隔预设的距离，分别固定在薄膜（4）中间线位置两侧，每块电极（3）都与外壳（1）保持平行，引出导线；用薄膜将电极（3）固定，薄膜（4）将电极（3）全部包裹且与电极下薄膜（4）和壳体（1）粘接成一体，完成固定；壳体（1）两头边缘处与钢板（7）连接在一起，螺杆（8）穿过钢板（7）和壳体（1）的合体与螺帽（5）连接在一起；焊条横向夹持在半开式圆通中间，角度θ小于60o。
2.根据权利要求1所述的测量低氢型焊条药皮含水量的电容式传感器，其特征在于：所述壳体（1）为钢箔，型号呈Ω形，两头各15mm处为折线，且向外与中间圆弧在折线处切线夹角不大于80o。
3.根据权利要求1所述测量低氢型焊条药皮含水量的电容式传感器，其特征在于所述的钢板（7）与壳体（1）点焊连接，两边打孔，一边钢板上打椭圆形的孔，其长轴向下，短轴部分存在丝纹；另一边打孔为圆形，直径φ=4mm。
4.根据权利要求1所述的测量低氢型焊条药皮含水量的电容式传感器，其特征在于：壳体（1）和薄膜（4）之间的填充物（2），长度与传感器长度一致，紧致与壳体（1）粘贴为一体；所述电极，长度与传感器长度一致；所述薄膜（4），一面光滑，一面附有粘接胶；薄膜（4）的中间线左右2.5～4mm处向后延伸开始固定电极，两电极间距（11）为5～8mm；调节螺帽（5）和螺杆（8）使得角度θ小于60o，焊条药皮（10）与薄膜（4）紧缚。
5.根据权利要求1所述的测量低氢型焊条药皮含水量的电容式传感器，其特征在于：所述壳体（1）、填充物（2）、电极（3）由薄膜（4）全部包裹，整个电极处隔绝空气；所述底座（9）的一边与壳体（1）连接，另一边与外包装体固定，接地线。
6.低氢型焊条药皮含水量的测量方法，其特征在于，其步骤为：
（1）首先将传感器电极（3）引线对接消除残余电荷；
（2）从一包焊条中随机取出一根，避免接触到含水物体，将焊条横向穿过传感器，任意位置夹持在传感器中，保证焊条最上部药皮（10）表面与电极（3）间隔处中间位置靠一起，且与传感器保持平行；
（3）调节螺帽（5），调节过程中始终保持步骤（2）中焊条与传感器相对位置不变，逐渐缩小焊条与传感器间隙，直至传感器夹紧焊条，焊条不能上下左右晃动为止，同时角度θ小于60o；
此时，焊条药皮含水量传感器电容量为：
式中，为空气的相对介电常数，为焊条药皮（10）的相对介电常数，为薄膜（4）的相对介电常数，为传感器长度，、为薄膜（4）与焊条药皮（10）紧敷时夹角，为焊芯（12）中心到电极（3）的距离，为焊芯（12）中心到药皮（10）外表面的距离，为焊芯（12）)半径；
（4）焊芯（12）与电极（3）形成两个位置相对固定的串联电容器，通过电极（3）引线，外接电容检测仪表，体现出电容量；
计算传感器电容量：
经过技术改进后，测量结果主要由、的串联决定，即：
式中，为焊芯与其中一片电极形成的电容，为焊芯与其中另一片电极形成的电容；
（5）利用国标GB-5117 1995标准测量方法，标定传感器电容量与焊条药皮含水量百分比关系，在焊条药皮含水量百分比<2.3%时，由焊条药皮含水量百分比和电容传感器电容量值之间的线性关系可得对应含水量百分比，实现焊条药皮含水量电容法测量。
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