CN112986885A - 一种焊接电流监测仪校准装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种焊接电流监测仪校准装置及方法，所述装置包括VFD键盘、程控标准信号源、交直流电压功率放大模块、直流电流功率放大模块、BTL交流电流功率放大模块、空心线圈、交直电流电流互感器和焊接电流监测仪；所述VFD键盘的输出端与程控标准信号源连接，程控标准信号源的输出端与交直流电压功率放大模块的信号输入端连接，所述交直流电压功率放大模块的输出端与焊接电流监测仪连接；所述交直流电压功率放大模块的输出端还与自身的反馈输入端连接。本发明能够快速输出焊接电压、焊接电流、焊接持续时间等标准模拟信号，提升焊接电流监测仪校准工作的效率。

Description

一种焊接电流监测仪校准装置及方法

技术领域

本发明涉及焊接电流监测仪，特别是涉及一种焊接电流监测仪校准装置及方法。

背景技术

焊接工艺技术已广泛应用于工业生产的各行各业领域中，焊接主要参数电流、电压、时间的把控对焊接过程及焊接质量非常重要；为了确保制造质量，市场上陆续出现焊接电流监测仪，而且焊接电流监测仪已经广泛应用于工业领域的焊接监测工作，为工业制造准确焊接技术应用保驾护航。

因此，焊接流监测仪的准确度及监测指标的有效性，是焊接工艺质量有效保证的前提；但目前市面尚未有准确的一体化焊接电流监测仪标准装置；特别是波峰数的检测校准尚未形成有效的手段为其进行定期校准，现有检测波峰数、时间方法往往是通过一定电流后通过手动短接开关将负载线圈短接使其失去电流从而达到短时输出电流信号方式，然而这种方式不能有效精准的输出电流信号周波数，因而无法准确判定焊接流监测仪波峰数检测是否正确。

焊接流监测仪主要以罗柯夫斯基线圈为主，为了获得大安匝比的输出，需要绕制多匝空心线圈进行检测，达到小电流实现大安匝比输出效果。因为空心线圈的特性是交直流阻抗相差会不一样，匝数越多相差越大，从而使得交流和直流无法在一台设备上完成。由于匝数的增加随之而来的交流阻抗就越大，需要较高的交流输出电压才能获得设计的电流值，现有的功率放大器已经无法满足使用要求。

以往由于采样技术原因，互感方式采样是无法实现交流和直流一样得，因此需要制造两套采样电路，因此需要，目前对于焊接流监测仪的校准仅能校准电流、电压且交流与直流需要分别使用两套装置进行检测，而焊接的波峰数、时间更加无法准确检测校准。校准一台焊接流监测仪往往需要多个工序多次分别进行检测校准，因此需要较长的校准时间，检定工作效率低。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种焊接电流监测仪校准装置及方法，能够快速输出焊接电压、焊接电流、焊接持续时间等标准模型信号，提升焊接电流监测仪校准工作的效率。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种焊接电流监测仪校准装置，包括VFD键盘、程控标准信号源、交直流电压功率放大模块、直流电流功率放大模块、BTL交流电流功率放大模块、空心线圈、交直电流电流互感器和焊接电流监测仪；

所述VFD键盘的输出端与程控标准信号源连接，程控标准信号源的输出端与交直流电压功率放大模块的信号输入端连接，所述交直流电压功率放大模块的输出端与焊接电流监测仪连接；所述交直流电压功率放大模块的输出端还与自身的反馈输入端连接；

所述直流电流功率放大模块的信号输入端通过开关K1与程控标准信号源的输出端连接，直流电流功率放大模块的输出端通过开关K3与空心线圈连接；

BTL交流电流功率放大模块的信号输入端通过开关K2与程控标准信号源的输出端连接，BTL交流电流功率放大模块的输出端通过开关K4与空心线圈连接；

所述交直电流电流互感器用于对空心线圈进行检测，交直流电流互感器的输出端通过切换开关K5连接到直流电流功率放大模块和BTL交流电流功率放大模块的反馈信号输入端。

一种焊接电流监测仪校准方法，包括以下步骤：

S1.用户通过VFD键盘设定需要输出测量的电压、电流、相位、周期或时间参数确认后，VFD键盘将用户设定参数传送至程控标准电压源；

S2.程控标准信号源根据用户设定产生两相标准电压信号及电流信号，

S3.电压信号送入交直流电压功率放大器电路的PID调节电路；PID调节电路将标准信号与标准电压反馈信号进行比例、积分、微分处理后输送至交直流电压功率放大器；功率放大器将弱信号放大后的标准电压信号送至焊接电流监测仪，焊接电流监测仪显示相关电压信息。

S4.直流电流信号送入直流电流功率放大器电路的PID调节电路；PID调节电路将标准信号与标准电流反馈信号进行比例、积分、微分处理后输送至直流电流功率放大器；功率放大器将弱信号放大后的标准电流信号送至空心线圈，由焊接电流监测仪通过罗柯夫斯基线圈监测获取直流电流信号进行数值显示。

S5.交流电流信号送入交流电流功率放大器电路的PID调节电路；PID调节电路将标准信号与标准电流反馈信号进行比例、积分、微分处理后输送至BTL交流电流功率放大模块,BTL交流电流功率放大模块中的电平变换电路首先将信号进行正向放大，同时变换出一个相位相反幅值的绝对值相等的负向信号；具体地，电平变换电路通过信号检测电路分别取样运放输出及功率放大器输出；以及自动AGC控制电路确保两路信号经过带载后仍然能抵消负载影响，保证两路信号幅值相等，相位相反；然后将这两个幅值相等、正负相反方向的信号分别送入正反向功率放大器及负向功率放大器进行功率放大，然后将正向功率放大后电流信号与电压同步送至空心线圈高端，反向功率放大后电流信号与电压同步送至空心线圈低端，焊接电流监测仪通过罗柯夫斯基线圈监测获得设定输出的交流电流信号并进行数值显示。

S6.记录焊接电流监测仪的测电压幅值、电流幅值和周期数，与用户通过VFD键盘设定的参数进行比较，完成焊接电流监测仪的校准。

本发明的有益效果是：（1）本发明能够快速准确校准焊接电流监测仪电压、电流、波峰数、时间等参数，交直流功率放大器一体化设计以及标准功率源技术的引入能够快速准确的测量出焊接电流监测仪主要检测参数，提升校准工作效率；并且测量技术参数能够有效溯源校准。

（2）本发明采用数字信号源控制应用，能够准确输出正弦信号的周期数，确保了焊接电流监测仪波峰数及时间的校准。

（3）本发明采用BTL(桥接)功率放大器应用技术，获得了低压供电高电压输出问题，由于正负半周同时放大因此正负电源同时输出，较以往仅功率放大器同一时刻仅使用正电源或负电源相比，提升了电源利用效率。

附图说明

图1为本发明的装置原理示意图；

图2为程控标准信号源原理示意图；

图3为交直电压功率放大模块的原理示意图；

图4为BTL交流电流功率放大模块的原理示意图；

图5为电平变换电路的原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

如图1所示，一种焊接电流监测仪校准装置，包括VFD键盘、程控标准信号源、交直流电压功率放大模块、直流电流功率放大模块、BTL交流电流功率放大模块、空心线圈、交直电流电流互感器和焊接电流监测仪；

所述VFD键盘的输出端与程控标准信号源连接，程控标准信号源的输出端与交直流电压功率放大模块的信号输入端连接，所述交直流电压功率放大模块的输出端与焊接电流监测仪连接；所述交直流电压功率放大模块的输出端还与自身的反馈输入端连接；

所述直流电流功率放大模块的信号输入端通过开关K1与程控标准信号源的输出端连接，直流电流功率放大模块的输出端通过开关K3与空心线圈连接；

BTL交流电流功率放大模块的信号输入端通过开关K2与程控标准信号源的输出端连接，BTL交流电流功率放大模块的输出端通过开关K4与空心线圈连接；

所述交直电流电流互感器用于对空心线圈进行检测，交直流电流互感器的输出端通过切换开关K5连接到直流电流功率放大模块和BTL交流电流功率放大模块的反馈信号输入端。

在本申请的实施例中，VFD键盘用于提供人机交互途径，通过数字键盘快速输入设定参数，并自动传输到程控标准电压源，解决了人手调节调压器的落后操作方式；所述焊接电流监测仪连接有罗柯夫斯基线圈。所述切换开关K5为单刀双掷开关，切换开关K5的动端与所述交直电流电流互感器的输出端连接，切换开关K5的第一个动端与直流电流功率放大模块的反馈信号输入端连接，切换开关K5的第二个动端与BTL交流电流功率放大模块的反馈信号输入端连接。

如图2所示，所述程控标准信号源包括ARM微控制处理器、CPLD芯片、第一DAC模块、第二DAC模块和晶振；所述晶振的输出端分别与ARM微控制处理器和CPLD芯片连接，用于为ARM微控制处理器和CPLD芯片提供时钟基准；所述ARM微控制处理器的输入端与VFD键盘连接，ARM微控制处理器的输出端通过CPLD芯片分别与第一DAC模块和第二DAC模块连接，所述第一DAC模块的输出端与交直流电压功率放大模块连接，所述第二DAC模块的输出端分别与开关K1和开关K2连接。

程控标准信号源用于产生50Hz低失真度周期正弦信号或直流脉冲方波信号，使用高精度带温度补偿的晶振确保时间的准确度；其中第二DAC模块用于进行电压信号的DA转换，第二DAC模块用于进行电流信号的DA转换。

如图3所示，所述交直流电压功率放大模块包括第一PID调节电路和交直流电压功率放大器，所述第一PID调节电路的信号输入端与程控标准信号源，所述第一PID调节电路输出端与交直流电压功率放大器连接，所述交直流电压功率放大器的输出端与所述焊接电流监测仪连接，所述交直流电压功率放大器的输出端还与第一PID调节电路的反馈输入端连接。该模块用于对标准信号源送来的交流周期电压信号或直流脉冲电压信号进行功率放大，然后将功率放大后电压信号与电流同步送至焊接电流监测仪，提供电压参考信号。电压输出信号经精密电阻反馈至PID输入端与标准电压信号进行比对，并进行自动修正。

在本申请的实施例中，所述直流电流功率放大模块包括第二PID调节电路和直流电流功率放大器，所述第二PID调节电路的输入端通过开关K1与所述程控信号源连接，第二PID调节电路的反馈输入端与切换开关K5的第一个动端连接；第二PID调节电路的输出端与直流电流功率放大器连接，所述直流电流功率放大器的输出端包括IH端和OV端；

所述开关K3包括两个同步开闭的子开关，其中IH端通过开关K3的第一个子开关与空心线圈的第一端连接，OV端通过开关K3的第二个子开关与空心线圈的第二端连接。

直流电流功率放大模块用于对标准信号源送来的直流脉冲电流信号进行功率放大，然后将功率放大后电流信号与电压同步送至空心线圈，由焊接电流监测仪通过罗柯夫斯基线圈监测获取直流电流信号进行数值显示。流经空心线圈电流输出信号经精密交直流电流互感器采样反馈信号送至PID输入端与标准电流信号进行比对，并进行自动修正。

如图4所示，BTL交流电流功率放大模块用于对标准信号源送来的交流周期信号首先进行正向及反向变换，获得的幅值相同相位相反的信号分别送入正反向功率放大器进行功率放大，然后将正向功率放大后电流信号与电压同步送至空心线圈高端，反向功率放大后电流信号与电压同步送至空心线圈低端，由焊接电流监测仪通过罗柯夫斯基线圈监测获取交流电流信号进行数值显示。该电路形成BTL（桥式）功率放大驱动电路，获得了低电压供电高电压输出效果，解决现有的功率放大器已经无法满足高电压输出的问题。流经空心线圈电流输出信号经精密交直流电流互感器采样反馈信号送至PID输入端与标准电流信号进行比对，并进行自动修正；在本申请的实施例中，所述BTL交流电流功率放大模块包括第三PID调节电路、电平变换电路、正向功率放大器、反向功率放大器、iH端口和iL端口，所述电平变换电路包括正向变换电路和反向变换电路；所述第三PID调节电路的输入端通过开关K2与程控标准信号源连接，第三PID调节电路的反馈输入端与切换开关K5的第二个动端连接；所述第三PID调节电路的输出端分别与正向变换电路和反向变换电路连接，所述正向变换电路的输出端通过正向功率放大器与iH端口连接，所述反向变换电路的输出端通过反向功率放大器与iL端口连接；

如图5所示，电平变换电路由输入电阻R1~R5、运算放大器、检测电路、自动增益控制AGC电路等组成，输送至变换电路进行正向及反向变换，变换电路通过信号检测电路分别取样正向变换运算放大器、反向变换运算放大器的输出，及正向功率放大器输出和反向功率放大器输出；通过比较放大电路，自动AGC控制电路进行反馈补偿，确保两路信号经过带载后仍然能抵消负载影响，保证两路信号幅值相等，相位相反；获得的幅值相同相位相反的信号分别送入正反向功率放大器进行功率放大，该电路是确保能够确保BTL电路平衡输出的关键。

所述开关K4的包括两个同步开启的关闭的子开关，iH端口通过其中一个子开关与空心线圈的第一端连接，iL端口通过另一个子开关与空心线圈的第二端连接。

在本申请的实施例中，采用最新电流采样技术交直流电流互感器，能用一套电流互感器实现交流、直流采样，解决了交直流多个工序多次分别进行检测校准工作，提高工作效率的同时，降低制造成本；也解决了以往电阻采样时，电阻发热引入的温漂导致电参量改变的问题。

采用多匝空心线圈技术，实现了小电流术获得大安匝比输出效果。根据安匝计算公式I*N，同样的安匝要求，N越大I就可以越小，电流越小对功率放大器的工作要求也就没有那么苛刻，这样就能购大大提升系统安全稳定性。

一种焊接电流监测仪校准方法，包括以下步骤：

S1.用户通过VFD键盘设定需要输出测量的电压、电流、相位、周期或时间参数确认后，VFD键盘将用户设定参数传送至程控标准电压源；

S2.程控标准信号源根据用户设定产生两相标准电压信号及电流信号，

S3.电压信号送入交直流电压功率放大器电路的PID调节电路；PID调节电路将标准信号与标准电压反馈信号进行比例、积分、微分处理后输送至交直流电压功率放大器；功率放大器将弱信号放大后的标准电压信号送至焊接电流监测仪，焊接电流监测仪显示相关电压信息。

S4.直流电流信号送入直流电流功率放大器电路的PID调节电路；PID调节电路将标准信号与标准电流反馈信号进行比例、积分、微分处理后输送至直流电流功率放大器；功率放大器将弱信号放大后的标准电流信号送至空心线圈，由焊接电流监测仪通过罗柯夫斯基线圈监测获取直流电流信号进行数值显示。

S5.交流电流信号送入交流电流功率放大器电路的PID调节电路；PID调节电路将标准信号与标准电流反馈信号进行比例、积分、微分处理后输送至BTL交流电流功率放大模块,BTL交流电流功率放大模块中的电平变换电路首先将信号进行正向放大，同时变换出一个相位相反幅值的绝对值相等的负向信号；具体地，电平变换电路通过信号检测电路分别取样运放输出及功率放大器输出；以及自动AGC控制电路确保两路信号经过带载后仍然能抵消负载影响，保证两路信号幅值相等，相位相反；然后将这两个幅值相等、正负相反方向的信号分别送入正反向功率放大器及负向功率放大器进行功率放大，然后将正向功率放大后电流信号与电压同步送至空心线圈高端，反向功率放大后电流信号与电压同步送至空心线圈低端，焊接电流监测仪通过罗柯夫斯基线圈监测获得设定输出的交流电流信号并进行数值显示。

S6.记录焊接电流监测仪的测电压幅值、电流幅值和周期数，与用户通过VFD键盘设定的参数进行比较，完成焊接电流监测仪的校准，校准方式如下：

公式1：电压测量误差=（（实测值-设定值）÷设定值）+修正值

公式2：电流测量误差=（（实测值-设定值）÷设定值）+修正值

公式3：周期数测量误差=（实测值-设定值）÷设定值

实测值：为焊接电流监测仪实际测量的电参数结果。

设定值：用户通过VFD键盘设定需要输出的电参量值。

修正值：系统溯源校准后的误差修正值，用于补偿校准装置自身的误差信息，但该修正值是预先测定好的，在本申请中可作为一个已知量看待；在一些实施例中，也可以直接忽略修正值。

上述说明示出并描述了本发明的一个优选实施例，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种焊接电流监测仪校准装置，其特征在于：包括VFD键盘、程控标准信号源、交直流电压功率放大模块、直流电流功率放大模块、BTL交流电流功率放大模块、空心线圈、交直电流电流互感器和焊接电流监测仪；

所述VFD键盘的输出端与程控标准信号源连接，程控标准信号源的输出端与交直流电压功率放大模块的信号输入端连接，所述交直流电压功率放大模块的输出端与焊接电流监测仪连接；所述交直流电压功率放大模块的输出端还与自身的反馈输入端连接；

所述直流电流功率放大模块的信号输入端通过开关K1与程控标准信号源的输出端连接，直流电流功率放大模块的输出端通过开关K3与空心线圈连接；

BTL交流电流功率放大模块的信号输入端通过开关K2与程控标准信号源的输出端连接，BTL交流电流功率放大模块的输出端通过开关K4与空心线圈连接；

所述交直电流电流互感器用于对空心线圈进行检测，交直流电流互感器的输出端通过切换开关K5连接到直流电流功率放大模块和BTL交流电流功率放大模块的反馈信号输入端。

2.根据权利要求1所述的一种焊接电流监测仪校准装置，其特征在于：所述焊接电流监测仪连接有罗柯夫斯基线圈。

3.根据权利要求1所述的一种焊接电流监测仪校准装置，其特征在于：所述切换开关K5为单刀双掷开关，切换开关K5的动端与所述交直电流电流互感器的输出端连接，切换开关K5的第一个动端与直流电流功率放大模块的反馈信号输入端连接，切换开关K5的第二个动端与BTL交流电流功率放大模块的反馈信号输入端连接。

4.根据权利要求1所述的一种焊接电流监测仪校准装置，其特征在于：所述程控标准信号源包括ARM微控制处理器、CPLD芯片、第一DAC模块、第二DAC模块和晶振；所述晶振的输出端分别与ARM微控制处理器和CPLD芯片连接，用于为ARM微控制处理器和CPLD芯片提供时钟基准；所述ARM微控制处理器的输入端与VFD键盘连接，ARM微控制处理器的输出端通过CPLD芯片分别与第一DAC模块和第二DAC模块连接，所述第一DAC模块的输出端与交直流电压功率放大模块连接，所述第二DAC模块的输出端分别与开关K1和开关K2连接。

5.根据权利要求1所述的一种焊接电流监测仪校准装置，其特征在于：所述交直流电压功率放大模块包括第一PID调节电路和交直流电压功率放大器，所述第一PID调节电路的信号输入端与程控标准信号源，所述第一PID调节电路输出端与交直流电压功率放大器连接，所述交直流电压功率放大器的输出端与所述焊接电流监测仪连接，所述交直流电压功率放大器的输出端还与第一PID调节电路的反馈输入端连接。

6.根据权利要求1所述的一种焊接电流监测仪校准装置，其特征在于：所述直流电流功率放大模块包括第二PID调节电路和直流电流功率放大器，所述第二PID调节电路的输入端通过开关K1与所述程控信号源连接，第二PID调节电路的反馈输入端与切换开关K5的第一个动端连接；第二PID调节电路的输出端与直流电流功率放大器连接，所述直流电流功率放大器的输出端包括IH端和OV端；

所述开关K3包括两个同步开闭的子开关，其中IH端通过开关K3的第一个子开关与空心线圈的第一端连接，OV端通过开关K3的第二个子开关与空心线圈的第二端连接。

7.根据权利要求1所述的一种焊接电流监测仪校准装置，其特征在于：所述BTL交流电流功率放大模块包括第三PID调节电路、电平变换电路、正向功率放大器、反向功率放大器、iH端口和iL端口，所述电平变换电路包括正向变换电路和反向变换电路；所述第三PID调节电路的输入端通过开关K2与程控标准信号源连接，第三PID调节电路的反馈输入端与切换开关K5的第二个动端连接；所述第三PID调节电路的输出端分别与正向变换电路和反向变换电路连接，所述正向变换电路的输出端通过正向功率放大器与iH端口连接，所述反向变换电路的输出端通过反向功率放大器与iL端口连接；

所述开关K4的包括两个同步开启的关闭的子开关，iH端口通过其中一个子开关与空心线圈的第一端连接，iL端口通过另一个子开关与空心线圈的第二端连接。

8.一种焊接电流监测仪校准方法，采用权利要求1~7中任意一项所述的系统，其特征在于：包括以下步骤：

S1.用户通过VFD键盘设定需要输出测量的电压、电流、相位、周期或时间参数确认后，VFD键盘将用户设定参数传送至程控标准电压源；

S2.程控标准信号源根据用户设定产生两相标准电压信号及电流信号，

S3.电压信号送入交直流电压功率放大器电路的PID调节电路；PID调节电路将标准信号与标准电压反馈信号进行比例、积分、微分处理后输送至交直流电压功率放大器；功率放大器将弱信号放大后的标准电压信号送至焊接电流监测仪，焊接电流监测仪显示相关电压信息；

S4.直流电流信号送入直流电流功率放大器电路的PID调节电路；PID调节电路将标准信号与标准电流反馈信号进行比例、积分、微分处理后输送至直流电流功率放大器；功率放大器将弱信号放大后的标准电流信号送至空心线圈，由焊接电流监测仪通过罗柯夫斯基线圈监测获取直流电流信号进行数值显示；

S5.交流电流信号送入交流电流功率放大器电路的PID调节电路；PID调节电路将标准信号与标准电流反馈信号进行比例、积分、微分处理后输送至BTL交流电流功率放大模块,BTL交流电流功率放大模块中的电平变换电路首先将信号进行正向放大，同时变换出一个相位相反幅值的绝对值相等的负向信号，然后将这两个幅值相等、正负相反方向的信号分别送入正反向功率放大器及负向功率放大器进行功率放大，然后将正向功率放大后电流信号与电压同步送至空心线圈高端，反向功率放大后电流信号与电压同步送至空心线圈低端，焊接电流监测仪通过罗柯夫斯基线圈监测获得设定输出的交流电流信号并进行数值显示；

S6.记录焊接电流监测仪的测电压幅值、电流幅值和周期数，与用户通过VFD键盘设定的参数进行比较，完成焊接电流监测仪的校准。

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