CN201143604Y - 智能型电热熔焊机焊接温度实时监控的电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种智能型电热熔焊机焊接温度实时监控的电路，它包括空气开关和浪涌保护电路、输入整流滤波电路、全桥驱动电路、隔直电容、隔离变压器、输出整流滤波电路、电流采样电路、高阻抗电压采样电路、高速A/D转换电路、DSP电路、输入电压信号采样电路和显示电路。输入整流滤波电路、全桥驱动电路、隔直电容、隔离变压器和输出整流滤波电路依次相连，输出整流滤波电路与和钢塑复合管电热熔接头加热丝两端相连，高阻抗电压采样电路输入端与钢塑复合管电热熔接头加热丝两端相连，电流采样电路、高阻抗电压采样电路和输入电压信号采样电路均与高速A/D转换电路相连，DSP电路与全桥驱动电路相连。本实用新型能进行电热熔焊机的焊接温度监测与控制。

Description

智能型电热熔焊机焊接温度实时监控的电路

技术领域

本实用新型涉及一种智能型电热熔焊机焊接温度实时监控的电路。主要用于钢塑复合管管件焊接时通过焊接温度实时监测与控制进行自动焊接。

背景技术

电热熔焊机是钢塑复合管在管件对接时的必要设备。目前常用的电热熔焊机有可控硅整流电热熔焊机和普通单片机控制的电热熔焊机。其中可控硅整流电热熔焊机存在电能转换效率低、设备笨重等缺点，不利于现场工程操作。而普通单片机控制的电热熔焊机虽然克服了可控硅整流电热熔焊机的上述缺点，但焊接电流或电压参数需要手动输入或用条形码扫描器输入参数。现在也有一部分采用微处理器MCU和FPGA的智能型电热熔焊机，但其智能化仅针对输入电压220V和380V的自动识别和根据一些标准化钢塑复合管的标准参数进行自动焊接，其智能化焊接特点具有局限性。

以上电热熔焊机在焊接时只能显示输入电压和电流值，均无法直观显示钢塑复合管管件在焊接时的内部焊接温度。这造成工人对焊接时间、工艺以及焊接最终质量的把握存在不确定性。这样容易造成焊接质量的不稳定并大大增加了工人的劳动强度。

因此，寻找一种能进行焊接温度监测与控制的智能型电热熔焊机是钢塑复合管焊接领域非常关注而又急待解决的问题。

发明内容

本实用新型的目的在于克服上述不足，提供一种能进行焊接温度监测与控制的智能型电热熔焊机焊接温度实时监控的电路。

本实用新型的目的是这样实现的：一种智能型电热熔焊机焊接温度实时监控的电路，其特征在于所述电路包括空气开关和浪涌保护电路、输入整流滤波电路、全桥驱动电路、隔直电容、隔离变压器、输出整流滤波电路、电流采样电路、高阻抗电压采样电路、高速A/D转换电路、DSP电路、输入电压信号采样电路、显示电路和辅助电源电路，所述空气开关和浪涌保护电路输出端分别与输入整流滤波电路、输入电压信号采样电路和辅助电源电路相连，输入整流滤波电路与全桥驱动电路相连，全桥驱动电路与隔直电容相连，隔直电容与隔离变压器相连，隔离变压器与输出整流滤波电路相连，输出整流滤波电路与电流采样电路相连，输出整流滤波电路的输出端与钢塑复合管电热熔接头加热丝两端相连，高阻抗电压采样电路输入端与钢塑复合管电热熔接头加热丝两端相连，电流采样电路、高阻抗电压采样电路和输入电压信号采样电路均与高速A/D转换电路相连，高速A/D转换电路与DSP的16位数据总线端口相连，DSP电路与全桥驱动电路和显示电路相连。

电源经空气开关和浪涌保护电路连接到输入整流滤波电路的输入端，输入整流滤波电路的输出端输出直流电压，其中直流电压高电平给全桥驱动电路超前臂开关管的集电极，直流电压低电平给全桥驱动电路滞后臂开关管的发射极，全桥驱动电路左半桥超前臂开关管的发射极引出电信号，经隔直电容到隔离变压器，经隔离变压器原边线圈返回到全桥驱动电路右半桥滞后臂开关管的集电极，隔离变压器次级输出经输出整流滤波电路整流滤波后输出直流电流，电流采样电路输入端从输出整流滤波电路输出端引出实时电流值信号，电流采样电路输出端把采集的实时电流值给高速A/D转换电路输入端；高阻抗电压采样电路输入端直接从钢塑复合管电热熔接头加热丝两端引出实时电压，高阻抗电压采样电路输出端把采集的加热丝两端的实时电压给高速A/D转换电路输入端，高速A/D转换电路把模拟量转换后得到的数字量给DSP的16位数据总线端口。同时输入电压信号采集电路也经高速A/D转换电路转换成数字量给DSP的16位数据总线端口。DSP采集16位数据总线端口上的数据，经程序运行处理和计算实时钢塑复合管电热熔焊接管件加热丝的温度来进行PWM波的输出和进行报警、保护。DSP的事件管理器(EV)根据程序计算结果产生PWM波给全桥驱动电路进行调整电源输出，确保输出电流的恒定性。同时EV上有两个功率驱动保护中断，为功率转换提供安全保护。数据和报警信号经显示电路来显示。

本实用新型采用高阻抗电压采集电路输入端与钢塑复合管电热熔接头加热丝两端相连的方法的目的：尽量避免和减少产生在电热熔焊机输出与钢塑复合管电热熔接头加热丝两端连接电缆和接触电阻上的电压降。具体连接方式如附图1所示。

本实用新型采用DSP处理器代替传统的微处理器MCU(Micro-Controller Unit)和FPGA，是因为DSP具有如下特点：

①DSP采用了专用的硬件乘法器和乘法指令以及累加器；

②DSP能在单个指令周期内完成乘/加法运算；

③DSP采用了程序与数据分开的哈佛总线结构或修正的哈佛总线结构，使DSP能在一个时钟周期内完成读取程序和存取操作数，大大提高速度新能；

④DSP为实现数字信号处理设置了专门的特使指令；

⑤DSP为满足FFT、卷积等数字信号处理的特殊要求，DSP在指令系统中设置了“循环寻址”和“为倒序”使得寻址、排序的速度大大提高；

⑥DSP片内集成了Flash和双口RAM，大大提高了数据的读写速度；

⑦DSP专门设置能产生PWM的事件管理器(EV)，用户可以方便的用来生成PWM波并完成调节死区等功能。

因DSP的上述特点，DSP可实时响应高频电源PWM的要求和自动计算并实时监控电热熔焊机工作，确保最终焊接质量。

由于本实用新型采用DSP代替传统的微处理器MCU和FPGA以及采用高阻抗电压采样电路直接采集钢塑复合管加热丝两端电压，利用钢塑复合管电热熔焊接管件加热丝材料的特殊性，故本实用新型可以做到实时进行钢塑复合管电热熔焊接管件焊接温度监测与控制。

由于钢塑复合管电热熔焊接管件加热丝材料基本是锰铜合金或纯铜，该材料电气特性中的电阻率和电阻的温度系数具有较好的线性关系(如表1所示)。

表1：几种纯金属、合金和碳在0℃时的电阻率ρ₀(单位：欧·米)和电阻的温度系数α(单位：℃^-1)值。

材料	0℃时的电阻率	电阻的温度系数
			银	1.5×10-8	4.0×10-3
铜	1.6×10-8	4.3×10-3
			铝	2.5×10-8	4.7×10-3
钨	5.5×10-8	4.6×10-3
			铁	8.7×10-8	5.0×10-3
铂	9.8×10-8	3.9×10-3
			汞	94×10-8	8.8×10-4
碳	3500×10-8	-5×10-4
			镍鉻合金60％Ni，15％Cr，25％Fe	110×10-8	1.6×10-4
镍铜合金54％Cu，26％Ni	50×10-8	4.0×10-5
			锰铜合金84％Cu，12％Mn，4％Ni	48×10-8	1.0×10-5

当温度改变时，该材料的电阻率也要改变。在一定的温度范围内，该材料的电阻率与温度之间近似地存在如下线性关系：

ρ_t＝ρ₀(1+αt)-------(1)

其中ρ_t：t℃电阻率；

ρ₀：0℃电阻率；

α：该材料电阻的温度系数；

本实用新型电热熔焊机实现实时进行钢塑复合管电热熔焊接管件焊接温度监测与控制的方法如下：

1、开始工作前先对环境温度t₁进行采样，利用公式(1)求出钢塑复合管电热熔焊接管件加热丝通电前的初始电阻率ρ₁；

2、给钢塑复合管电热熔焊接管件加热丝一恒定直流电流I₁，通过高阻抗电压采样电路反馈钢塑复合管焊接管件加热丝的两端电压U₁，求的这个时候的电阻 $R_1:R_1=\frac{U_1}{I_1};$

3、根据高中物理：金属电阻和它的长度(用L表示，单位：米)截面积(用S表示，单位平方米)和温度有关系。公式 $R=\mathrm{\ρ}\frac{L}{S}$ 可得到 $\frac{L}{S}=\frac{R_1}{{\mathrm{\ρ}}_1};$ (其中温度对电阻的影响主要反应在电阻率ρ上，它的长度和截面积在温度变化时反应在电阻上变化的值和电阻率反应在电阻上变化的值相比，可以忽略不计。)

4、给钢塑复合管电热熔焊接管件加热丝的恒定电流逐步增加，设为I₂；通过高阻抗电压采样电路反馈钢塑复合管焊接管件加热丝的两端电压U₂，得到实时电阻R₂；

5、结合第3步得到的数值 $\frac{L}{S}=\frac{R_1}{{\mathrm{\ρ}}_1};$ 和第4步的电阻值R₂，可以得到实时钢塑复合管电热熔焊接管件加热丝的电阻率 ${\mathrm{\ρ}}_2=\frac{R_2{\mathrm{\ρ}}_1}{R_1};$

6、根据公式(1)和第5步得到的数据可得到实时钢塑复合管电热熔焊接管件加热丝的温度 $t_2:t_2=\frac{1+\mathrm{\α}{t}_1}{\mathrm{\α}{R}_1}-\frac{1}{\mathrm{\α}};$

7、判断t₂温度是否复合要求，如小于要求值，重复执行步骤4～6；如大于要求值，把步骤4中的电流增加改为减少，重复执行步骤4～6。

附图说明

图1为本实用新型输出电缆与钢塑复合管加热丝连接图。

图2为本实用新型智能型电热熔焊机焊接温度实时监控的电路框图。

具体实施方式

参见图2，本实用新型涉及的智能型电热熔焊机焊接温度实时监控的电路，主要由空气开关和浪涌保护电路、输入整流滤波电路、全桥驱动电路、隔直电容、隔离变压器、输出整流滤波电路、电流采样电路、高阻抗焊接管件电压采样电路、高速A/D转换电路、数字信号处理器(DigitalSignal Processor)电路(以下简称为DSP电路)、输入电压信号采样电路、显示电路和辅助电源电路组成。

所述空气开关和浪涌保护电路输出端分别与输入整流滤波电路、输入电压信号采样电路和辅助电源电路相连，输入整流滤波电路与全桥驱动电路相连，全桥驱动电路与隔直电容相连，隔直电容与隔离变压器相连，隔离变压器与输出整流滤波电路相连，输出整流滤波电路与电流采样电路相连，输出整流滤波电路的输出端与钢塑复合管电热熔接头加热丝两端相连，高阻抗电压采样电路输入端与钢塑复合管电热熔接头加热丝两端相连，电流采样电路、高阻抗电压采样电路和输入电压信号采样电路均与高速A/D转换电路相连，高速A/D转换电路与DSP的16位数据总线端口相连，DSP与全桥驱动电路和显示电路相连。

Claims (1)

1、一种智能型电热熔焊机焊接温度实时监控的电路，其特征在于所述电路包括空气开关和浪涌保护电路、输入整流滤波电路、全桥驱动电路、隔直电容、隔离变压器、输出整流滤波电路、电流采样电路、高阻抗电压采样电路、高速A/D转换电路、DSP电路、输入电压信号采样电路、显示电路和辅助电源电路，所述空气开关和浪涌保护电路输出端分别与输入整流滤波电路、输入电压信号采样电路和辅助电源电路相连，输入整流滤波电路与全桥驱动电路相连，全桥驱动电路与隔直电容相连，隔直电容与隔离变压器相连，隔离变压器与输出整流滤波电路相连，输出整流滤波电路与电流采样电路相连，输出整流滤波电路的输出端与钢塑复合管电热熔接头加热丝两端相连，高阻抗电压采样电路输入端与钢塑复合管电热熔接头加热丝两端相连，电流采样电路、高阻抗电压采样电路和输入电压信号采样电路均与高速A/D转换电路相连，高速A/D转换电路与DSP的16位数据总线端口相连，DSP电路与全桥驱动电路和显示电路相连。

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