CN108656561B - 一种塑料管道电熔焊接智能监测装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及塑料管道电熔焊接领域，旨在提供一种塑料管道电熔焊接智能监测装置与方法。该装置包括装置输入端口与装置输出端口，装置输入端口与电熔焊机的焊接电源输出端相接，装置输出端口与焊接元件相接；以及电压传感器、电流传感器、温度传感器、信号调理电路、数字控制器、EEPROM存储器和通信电路。本发明能适用于市面上不同型号规格的电熔焊机，而不需要调整电熔焊机本身。产品结构上兼容不同型号规格的电熔焊机，能够方便、直接地安装在电熔焊机上，使用便捷。采用通用器件，同时对输出电压为直流与交流的不同焊机进行检测，具备很好的通用性；体积小巧轻便，具有便捷性与安全性。对焊接热量计算更精准，能实现焊接全过程监测。
Description
技术领域
本发明属于塑料管道电熔焊接领域，具体涉及一种塑料管道电熔焊接智能监测装置与方法。
背景技术
塑料管道在世界各国燃气管道中的广泛应用，是管道领域“以塑代钢”最为引人注目的成就。近年来，我国塑料管道发展十分迅速，我国目前实施的“煤改气”项目中城镇燃气管道的使用率达95％以上，使用量巨大。电熔连接是塑料管道最主要的连接方法之一。通过对预埋设在电熔管件内的电热丝通电而使其发热，从而使管件的内表面及管材的外表面分别被熔化，由塑料焊管自身的热胀效应，在熔胀压力的作用下，使塑料管道与其连接件熔焊在一起。大量研究和实践证明，焊接输入热量对焊接质量具有重要影响。焊接输入热量不足，将使电熔接头产生冷焊缺陷；而焊接输入热量过大，将使接头产生过焊缺陷。对焊接输入热量进行精确控制与监测，对保证电熔焊接质量具有至关重要的作用。
近年来许多学者开展了许多对电熔焊机设计开发的相关研究。如浙江大学李分秋提出一种逆变式的电熔焊机，为焊接提供稳定的焊接电压或电流；浙江大学徐玫提出一种恒温控制的电熔焊机系统；东南大学彭洋军等提出一种提高焊接质量和焊接效率智能电熔焊机；浙江大学施建峰等提出能够防止冷焊与过焊的电熔焊接方法与电熔焊机，并提出通过无线网络实现焊接质量监控的方法。虽然各类新型电熔焊机不断被研制开发出来，目前市场上新型电熔焊机的使用率仍然很低，绝大多数仍采用传统的有效值为39.5V的交流电熔焊机。主要原因是传统电熔焊机成本较低，且与市面上多数电熔管件产品配套相容性较好。但传统电熔焊机往往无法采集焊接过程的电压、电流数据，或没有配备相应的数据接口输出相关焊接数据，导致近两年大量施工安装的塑料管道电熔接头焊接过程没有数据记录，也无法进行追溯与系统管理。
此外，在实际塑料管道电熔焊接过程中存在着许多影响焊接质量的干扰因素。比如电熔焊机的负载电阻丝较长且是绕制的，因此往往存在一定的电感值，这会导致功率因数不为1，实际焊接有功功率下降。在实际工况下，焊接接口也可能会存在一定杂质，导致接触电阻上升，总电流和有功功率下降。实际焊接时的环境温度也会对焊接所需时间造成一定影响。这些实际情况都可能导致冷焊，过焊等焊接缺陷，然而市面上的电熔焊机并没有相应的监测方法和设备。
虽然现在市场对具有实时监控与数据存储系统管理功能的智能电熔焊机有着巨大的需求。但是由于现有焊接工艺往往与电熔焊机有着密切联系，替换电熔焊机往往需要同时调整配套的焊接工艺，导致智能电熔焊机推广困难。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种塑料管道电熔焊接智能监测装置与方法。
为解决技术问题，本发明的解决方案是：
提供一种塑料管道电熔焊接智能监测装置，包括用于向装置内各设备或电路供电的供电电路；还包括：
通过内部线缆相连的装置输入端口与装置输出端口，装置输入端口与电熔焊机的焊接电源输出端相接，装置输出端口与焊接元件相接；
电压传感器，通过装置输入端口与电熔焊机的焊接电源输出端相连，用于采集电熔焊机的输出电压信号；
电流传感器，套装在所述内部线缆上，用于采集电熔焊机的输出电流信号；
温度传感器，用于采集电熔焊机的工作环境温度信号；
信号调理电路，分别与所述电压传感器、电流传感器、温度传感器相连，用于将采集的信号进行电平转换与滤波，输入数字控制器中；
数字控制器，与信号调理电路相连；数字控制器中内嵌采样信号处理模块，用于对输出电压、输出电流、工作环境温度的信号进行AD采样和处理，经计算得到实时的焊接热量；
EEPROM存储器，与数字控制器相连；用于存储在电熔焊机工作过程中采集或计算得到的输出电压、输出电流、工作环境温度、焊接热量的数据；
通信电路，与数字控制器相连；用于将所述输出电压、输出电流、环境温度、焊接热量的数据进行调制，并发送至终端通信设备。
本发明中，所述供电电路与内部线缆相连，用于将电熔焊机的输出电压转换为装置内各设备或电路能够接受的工作电压；供电电路中包括桥式不控整流电路与Buck型DC-DC变换器。
本发明中，该装置还包括外壳，用于容纳电压传感器、电流传感器、信号调理电路、数字控制器、EEPROM存储器与通信电路；所述温度传感器设置在外壳表面。
本发明中，所述通信电路中包括蓝牙发射模块、RFID发射模块和GPS发射模块；所述终端通信设备是内置了蓝牙接收模块、RFID接收模块和GPS接收模块的电脑、手机或工装手持终端。
本发明中，所述电压传感器是采样电阻，所述电流传感器是电流互感器。
本发明中，所述装置输入端口通过焊接线缆或直接对接的方式连接至电熔焊机的焊接电源输出端，装置输出端口通过焊接线缆或直接对接的方式连接至焊接元件的焊接电源输入端。
本发明中，所述装置输入端口具有与焊接线缆或电熔焊机的焊接电源输出端相匹配的公头结构或母头结构；所述装置输出端口具有与焊接线缆或焊接元件相匹配的公头结构或母头结构。
本发明进一步提供了利用前述装置对塑料管道电熔焊接过程进行监测的方法，包括以下步骤：
(1)将装置输入端口与电熔焊机的焊接电源输出端相连，装置输出端口与焊接元件的焊接电源输入端相连；
(2)启动电熔焊机进行塑料管道的焊接操作；在焊接过程中，以电压传感器采集电熔焊机的输出电压信号，以电流传感器采集电熔焊机的输出电流信号，以温度传感器采集电熔焊机的工作环境温度信号；
(3)信号调理电路将采集到的三种信号进行电平转换与滤波，输入内嵌于数字控制器的采样信号处理模块中，由其对采集信号进行AD采样和处理，经计算得到实时的焊接热量；
(4)将电熔焊机工作过程中采集或计算得到的数据存储在EEPROM存储器中；由通信电路调制后，按设定的周期发送至终端通信设备。
本发明中，所述焊接热量是通过下述方式计算获得的：
Q＝ΣUt ItΔt
其中，Ut、It分别为各个时刻测量得到的电压和电流信号，Δt为电压和电流信号的采样时间间隔。
与现有技术相比，本发明的有益技术效果在于：
(1)本发明中的装置具有独立的结构形体，能适用于市面上不同型号规格的电熔焊机，而不需要调整电熔焊机本身。产品结构上兼容不同型号规格的电熔焊机，能够方便、直接地安装在电熔焊机上，使用便捷。
(2)本发明采用通用的电压传感器、电流传感器、温度传感器，可同时对输出电压为直流与交流的不同焊机进行检测，具备很好的通用性；且体积小巧轻便，具有很强的便捷性与安全性。
(3)本发明集成多种传感器，对焊接热量计算更精准，能实现焊接全过程监测。
(4)本发明可通过蓝牙、RFID、GPS与手机或电脑等终端设备进行通信，直接显示焊接过程的热量、平均电压、平均电流，具有很好的应用扩展性。
附图说明
图1为本发明所述装置结构原理示意框图。
图2为本发明中供电电路的电路结构示意图。
图3为本发明在电熔焊接过程中的连接关系示意图。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明进行详细说明。
首先需要说明的是，在本发明的实现过程中，会涉及到多个软件功能模块的应用。申请人认为，如在仔细阅读申请文件、准确理解本发明的实现原理和发明目的以后，在结合现有公知技术的情况下，本领域技术人员完全可以运用其掌握的软件编程技能实现本发明。前述软件功能模块包括但不限于：采样信号处理模块等，凡本发明申请文件提及的均属此范畴，申请人不再一一列举。
如图1所示，本发明提供的塑料管道电熔焊接智能监测装置，包括用于向装置内各设备或电路供电的供电电路；还包括：
通过内部线缆相连的装置输入端口与装置输出端口，装置输入端口与电熔焊机的焊接电源输出端相接，装置输出端口与焊接元件相接；电压传感器，通过装置输入端口与电熔焊机的焊接电源输出端相连，用于采集电熔焊机的输出电压信号；电流传感器，套装在内部线缆上，用于采集电熔焊机的输出电流信号；作为应用示例，电压传感器可选采样电阻(如电压霍尔传感器)，电流传感器可选电流互感器(如电流霍尔传感器)。温度传感器，用于采集电熔焊机的工作环境温度信号；信号调理电路，分别与所述电压传感器、电流传感器、温度传感器相连，用于将采集的信号进行电平转换与滤波，输入数字控制器中；数字控制器，与信号调理电路相连，作为示例，数字控制器采用意法半导体的高性能MCU，型号为stm32f407。数字控制器中内嵌采样信号处理模块，用于对输出电压、输出电流、工作环境温度的信号进行AD采样和处理，经计算得到实时的焊接热量；EEPROM存储器，与数字控制器相连；用于存储在电熔焊机工作过程中采集或计算得到的输出电压、输出电流、工作环境温度、焊接热量的数据；通信电路，与数字控制器相连；用于将所述输出电压、输出电流、环境温度、焊接热量的数据进行调制，并发送至终端通信设备。
该装置还包括外壳，用于容纳电压传感器、电流传感器、信号调理电路、数字控制器、EEPROM存储器与通信电路；温度传感器设置在外壳表面。装置输入端口与装置输出端口设与外壳的两端，装置输入端口通过焊接线缆或直接对接的方式连接至电熔焊机的焊接电源输出端，装置输出端口通过焊接线缆或直接对接的方式连接至焊接元件的焊接电源输入端。作为一种具体应用示例：装置输入端口具有与焊接线缆或电熔焊机的焊接电源输出端相匹配的公头结构或母头结构；所述装置输出端口具有与焊接线缆或焊接元件相匹配的公头结构或母头结构。
供电电路与内部线缆相连，用于将电熔焊机的输出电压转换为装置内各设备或电路能够接受的工作电压；供电电路中包括桥式不控整流电路与Buck型DC-DC变换器。
该装置的通信电路中包括蓝牙发射模块、RFID发射模块和GPS发射模块；所述终端通信设备是内置了蓝牙接收模块、RFID接收模块和GPS接收模块的电脑、手机或工装手持终端。
利用前述装置对塑料管道电熔焊接过程进行监测的方法，包括以下步骤：
(1)将装置输入端口与电熔焊机的焊接电源输出端相连，装置输出端口与焊接元件的焊接电源输入端相连；
(2)启动电熔焊机进行塑料管道的焊接操作；在焊接过程中，以电压传感器采集电熔焊机的输出电压信号，以电流传感器采集电熔焊机的输出电流信号，以温度传感器采集电熔焊机的工作环境温度信号；
(3)信号调理电路将采集到的三种信号进行电平转换与滤波，输入内嵌于数字控制器的采样信号处理模块中，由其对采集信号进行AD采样和处理，经计算得到实时的焊接热量；焊接热量是通过下述方式计算获得的：
Q＝ΣUt ItΔt
其中，Ut、It分别为各个时刻测量得到的电压和电流信号，Δt为电压和电流信号的采样时间间隔。
(4)将电熔焊机工作过程中采集或计算得到的数据存储在EEPROM存储器中；由通信电路调制后，按设定的周期发送至终端通信设备。
具体应用示例：
本实施例中，电压传感器采用采样电阻，采样电阻的两端分别连接至电熔焊机输出端口的直流“+”端和地；电流传感器采用电流霍尔传感器，温度传感器采用NTC热敏电阻。供电电路如图2所示，包括桥式不控整流电路与Buck型DC-DC变换器。因此，本智能监测装置可适用于输出电压为交流或直流的电熔焊机。
智能监测装置的装置输入端口为公头结构，直接连接电熔焊机的输出母头端口；装置输出端口为母头结构，与连接至焊接元件的焊接线缆上的公头结构直接对接。在实际焊接应用中，只需将匹配的公母头结构对接就能实现电熔焊机、智能监测装置及焊接元件之间的连接，在利用电熔焊机进行焊接操作的同时，可实现连续监测(如图3所示)。
当智能监测装置进行工作时，电压传感器、电流传感器、温度传感器分别采集电熔焊机的输出电压、输出电流和工作温度，采样得到的信号经过信号调理电路的滤波与电平转换后，输入数字控制器的模数转换口中，数字控制器中内嵌采样信号处理模块对所得到的采样信号进行处理与计算，得到实时的电熔焊机输出电压、输出电流、焊接热量、工作温度值。所得数据一方面存储在智能监测模块里的EEPROM存储器中，另一方面通过通信电路里的蓝牙模块或RFID模块，发送至手机或电脑等终端设备。通信电路里的GPS模块则用于定位，获取当前焊接元件的实时位置信息，并发送至终端设备。用于显示在手机或电脑上，随时了解焊接过程的有功功率变化情况、有效值电压、有效值电流，从而对整个焊接过程实现实时监控。同时，该应用程序也可对历史信息进行存储，便于后期维护。
Claims (7)
1.一种对塑料管道电熔焊接过程进行监测的方法，其特征在于，该方法是基于下述的塑料管道电熔焊接智能监测装置而实现的：
该装置包括用于向装置内各设备或电路供电的供电电路；还包括：
通过内部线缆相连的装置输入端口与装置输出端口，装置输入端口与电熔焊机的焊接电源输出端相接，装置输出端口与焊接元件相接；
电压传感器，通过装置输入端口与电熔焊机的焊接电源输出端相连，用于采集电熔焊机的输出电压信号；
电流传感器，套装在所述内部线缆上，用于采集电熔焊机的输出电流信号；
温度传感器，用于采集电熔焊机的工作环境温度信号；
信号调理电路，分别与所述电压传感器、电流传感器、温度传感器相连，用于将采集的信号进行电平转换与滤波，输入数字控制器中；
数字控制器，与信号调理电路相连；数字控制器中内嵌采样信号处理模块，用于对输出电压、输出电流、工作环境温度的信号进行AD采样和处理，经计算得到实时的焊接热量；
EEPROM存储器，与数字控制器相连；用于存储在电熔焊机工作过程中采集或计算得到的输出电压、输出电流、工作环境温度、焊接热量的数据；
通信电路，与数字控制器相连；用于将所述输出电压、输出电流、环境温度、焊接热量的数据进行调制，并发送至终端通信设备；
所述对塑料管道电熔焊接过程进行监测的方法，具体包括以下步骤：
(1)将装置输入端口与电熔焊机的焊接电源输出端相连，装置输出端口与焊接元件的焊接电源输入端相连；
(2)启动电熔焊机进行塑料管道的焊接操作；在焊接过程中，以电压传感器采集电熔焊机的输出电压信号，以电流传感器采集电熔焊机的输出电流信号，以温度传感器采集电熔焊机的工作环境温度信号；
(3)信号调理电路将采集到的三种信号进行电平转换与滤波，输入内嵌于数字控制器的采样信号处理模块中，由其对采集信号进行AD采样和处理，通过下述方式计算获得实时的焊接热量：
Q＝ΣUt ItΔt
其中，Ut、It分别为各个时刻测量得到的电压和电流信号，Δt为电压和电流信号的采样时间间隔；
(4)将电熔焊机工作过程中采集或计算得到的数据存储在EEPROM存储器中；由通信电路调制后，按设定的周期发送至终端通信设备。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述供电电路与内部线缆相连，用于将电熔焊机的输出电压转换为装置内各设备或电路能够接受的工作电压；供电电路中包括桥式不控整流电路与Buck型DC-DC变换器。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该装置还包括外壳，用于容纳电压传感器、电流传感器、信号调理电路、数字控制器、EEPROM存储器与通信电路；所述温度传感器设置在外壳表面。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通信电路中包括蓝牙发射模块、RFID发射模块和GPS发射模块；所述终端通信设备是内置了蓝牙接收模块、RFID接收模块和GPS接收模块的电脑、手机或工装手持终端。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电压传感器是采样电阻，所述电流传感器是电流互感器。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述装置输入端口通过焊接线缆或直接对接的方式连接至电熔焊机的焊接电源输出端，装置输出端口通过焊接线缆或直接对接的方式连接至焊接元件的焊接电源输入端。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述装置输入端口具有与焊接线缆或电熔焊机的焊接电源输出端相匹配的公头结构或母头结构；所述装置输出端口具有与焊接线缆或焊接元件相匹配的公头结构或母头结构。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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