CN86102806A - 焊接交流电弧断弧参数的测定方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明采用焊接交流电弧电流原信号作为检测对象，采用微分器对交流电弧电流原信号进行微分处理，用绝对值电路和比较器产生标识脉冲，识别断弧脉冲，最后用单板计算机进行数据处理，测定出断弧时间和断弧次数及准断弧时间和准断弧次数。本发明的装置是由前置放大器、微分器、绝对值电路、比较器及与非门电路外加单板计算机组合而成。

Description

本发明属于焊接交流电弧稳定性测定技术领域，专门用来测定断弧参数。

本发明是建立在“断弧”的新概念基础之上。在焊接交流电弧自然过零点附近，如果有一段时间内交流电弧电流随时间的变化率为零，即 (di)/(dt) ＝0，则此时发生了断弧， (di)/(dt) ＝0所持续的一段时间称为断弧时间。若在焊接交流电弧自然过零点附近， (di)/(dt) 不等0，焊接交流电弧电流值也不按正弦规律变化。 (di)/(dt) 低于某一个常数，此时虽未发生实际断弧，但也是焊接交流电弧（注：上述及以后的“交流电弧电流”均为“焊条焊接交流电弧电流，，的简称）不稳定的一种现象，因此称之为“准断弧”。在记录时间内，断弧时间和次数，准断弧的时间和次数统称为断弧参数。在一定焊接时间和焊接规范下，断弧时间越长，断弧次数越多，则焊接电弧稳定性越差。

焊条用交流电源施噬时，其断弧现象有三个特征：1.明视电弧突然熄灭或亮度明显减弱;2.电弧电压波形中出现很高的引弧电压;3.电弧电流在过零点附近的一段时间内几乎保持为零。依据这在特征，采用了不同的测定方法。其中甘肃工业大学焊接教研室在《碱性焊条交流电弧稳定性的研究》中提出用SC-10光线示波器测定焊接交流电弧“断弧率”的方法，用SC-10光线示波器拍摄记录交流施焊时的电压波形，假定在波形图上有V峰≥2V弧的引燃峰值电压出现，就认为“断弧”一次，这样在所拍摄的波形图上算出断弧次数占全部波形图周波数的百分比，称之为“断弧率”。断弧率越大，交流电弧稳定性越差。

苏联学者K.Pokhclnya等在《1979年伦敦国际焊接论文集》第1卷第93页上发表题为《交流电弧稳定性的研究》的论文，这篇论文中提出了一种焊接交流电弧稳定性测定方法。即将在焊接过程中弧前期（从电弧自然过零点瞬时至电弧引燃时刻）电弧空间电导率平均增长速度B作为电弧稳定性的特征值，B与峰值电压的引弧电流I成正比，与引弧峰值电压和弧前期持续时间之积成反比。其测定方法为：通过与焊接回路相连的转换器将正比与焊接电流和电压的电信号输入给不稳定过程分析仪，转换为数字形式，通过初次数据处理将电弧燃烧参数分离出来，最后用电子计算机和双笔记录仪给出统计结果或在屏幕上显示出来，同时用打印机打印出数据。

用光线示波器测定焊接交流“断弧率”的方法只能测定在一定时间内的交流电弧断弧次数，很难测定重要的断弧时间，而且要得到统计结果必须拍摄和分析大量胶片，效率很低。上述所指的V峰≥2V弧的情况用精密的阴极射线示波器来测定是较少发现的，采用光线示波器拍摄，由于该装置精度极低，本身引入了测量误差，所以测量结果与实际情况是有出入的。

苏联学者K.Pokhclnya等人提出的测定方法比较科学，但也存在一些问题。第一：根据高精度数字记忆示波器分析的结果，交流电弧断弧现象一般只发生在电弧电流过零点附近，其持续时间很少超过10ms，即半个周波，多为几百微秒。而用该方法测的弧前期时间（按其定义，弧前期持续时间应小于半个周波，小于或等于断弧时间）基本上都大于10ms，在这样长的时间里，交流电弧基本上没有燃烧，实际上测的大部分为熄弧时间。第二，该方法没有区分断弧与非断弧这两个截然不同的现象，而是只从电弧空间导电率增长速度来确定交流电弧的稳定性。第三，该装置采用高速计算机数据采集与处理系统，设备昂贵。

本发明的目的就是为了解决上述问题，精确而快速地测定断弧参数，确定焊接交流电弧稳定性。

本发明采用焊接交流电弧电流作为检测对象。如图1所示，应用标准分流器〔3〕采样交流电弧电流进行电流/电压的线性变换，得到与焊接电流成正比的采样输入电压。前置放大器〔4〕将此信号放大后分两路输出，一路进入微分器〔5〕进行微分运算。另一路进入绝对值电路〔8〕对交流电弧电流信号取绝对值。微分器〔5〕将交流电弧电流信号转变为微分输出 (di)/(dt) ，用以抽取断弧的特征。由于采用了微分器〔5〕，不仅排除了焊接过程中由于焊接电流波动对测量带来的误差，消除了前置放大器温漂，时漂对系统造成的误差，而且可以分离出去在碱性焊条交流施焊过程中由于溶滴短路过渡而产生的灭弧现象（电弧短路）。绝对值电路〔6〕、〔8〕分别对交流电弧电流信号的微分和交流电弧电流信号取绝对值。两绝对值信号分别进入两个比较器〔7〕、〔9〕。对于电弧电流微分信号绝对值的基值取值前面已有定义，即 (di)/(dt) ＝0，这是测定断弧参数时比较器〔7〕的阈值。（由于绝对值电路存在运算误差及漂移等，此值实取一可接受的误差值，本装置中定为10mv）。当此阈值增大时，即 (di)/(dt) ＝α，本装置不仅能够测得实际断弧参数，而且同时测得交流电弧自然过零点附近 (di)/(dt) ＜α的任何准断弧参数，这样便扩展了本装置的性能。比较器〔7〕的输出为：当交流电弧电流微分绝对值中凡符合 (di)/(dt) ＜α的所有时刻均有一高电平与之对应，此高电平形成了一个矩形脉冲，脉冲宽度就等于断弧时间，以脉冲序列方式给出。在此脉冲序列中包含了交流电弧自然过零点附近断弧或准断弧所引起的脉冲，也包含了交流电弧电流最大值附近其 (di)/(dt) ＜α的全部时刻，这后一部分显然是不符合断弧定义的，必须将其剔除。使交流电弧电流信号的绝对值通过比较器〔9〕，产生标识信号予以识别。电流信号通过阈值为b的比较器〔9〕，每当过零时比较器〔9〕输出一正脉冲，当b取值为400mv时（此时峰值为2V），在标准正弦时，对应标识脉冲宽度为1.3ms。实际断弧或准弧发生时，此脉冲将自动展宽，若断弧时间小于1.3ms/2时，标识脉冲宽度变宽不多;断弧时间大于1.3ms/2时，则标识脉冲宽度大于：1.3ms/2+断弧时间。即每当发生断弧必定对应一个标识脉冲，且标识标冲宽度总大于断弧时间。由正弦函数与其微分关系可知，两者恰有90°相位差，交流电弧电流过零时，微分经过最大值，断弧就发生在交流电弧电流过零和其微分的最大值附近，自然断弧脉冲与标识脉冲相重合，且均为高电平，经过与非门〔10〕，断弧脉冲被检出，为低电平。

在比较器与与非门之间采用了光电耦合器件，目的在于使模似信号处理部分与计算机之间进行完全电气隔离，防止焊机主回路对计算机的干扰，同时实现了运算放大器与与非门〔10〕间的电平转换。

为了在不同焊接规范时模似处理系统均能得到同样的输入电平，本装置设置了简单峰值电压表〔11〕，与采样部分电位器配合使用，可在不同焊接规范时使前放级输出电压峰值调整在2V。至此，交流电弧电流模似信号处理全部完成。

本发明的断弧参数数据统计与处理由单板计算机〔12〕完成。设定计算机P10为输入口，用以接受由模似信号处理装置输出的断弧和准断弧脉冲。P10A：P10B均设定为位控方式。其中P10A口作为定时器同步信号输入口。它等待第一个断弧脉冲到来后执行“定时器同步启动”中断服务程序，该中断服务程序调用一个延时5ms子程序，程序流程图如图2所示。

该程序使系统接受到第一个断弧脉冲后延时5ms投入运行。其目的是使10ms计时周期与电弧电流周期严格同步，且滞后于电流周期5ms，以避免在断弧发生时，断弧参数测试中断服务程序（图4）与定时器中断服务程序（图3）嵌套。但在一次断弧时间超过5ms时此嵌套不可避免，然而这时所产生的测试误差比例已很小，可忽略。为使程序不致很长，在程序中此误差未予修正。

定时器CTC使用主机中周期为0.5008μS的时钟脉冲产生10ms一次的中断信号，如图3所示，定时器中断100次，所运行的时间便是10ms×100＝1标准秒，用秒寄存器累计测试过程的秒时数。

P10B口接受断弧脉冲而产生中断，如图4所示为断弧参数测试中断服务程序流程图，其核心是一个周期为25μS的循环体，作为逻辑尺对断弧脉冲宽度进行测量，每循环一次，断弧时间寄存器加一，至断弧结束为止。测量结束后，将断弧时间寄存器中记录的本次断弧时间数据置于数据区指针指定的内存单元中，使相邻两数据间空出一个字节，留作将来进行十进制转换时使用。然后，断弧次数寄存器加1，在其内累积断弧次数。

如图5所示，主程序由四段组成：

1、P10A口初始化，设定为位控，允许中断方式，开CPU中断后处于等待状态。

2、关闭P10A口，使其禁止中断。P10B口初终化，设定为位控，允许中断方式。定时器初始化，设定为自动启动，10ms定时，

3、设置各寄存器的初始状态，开CPU中断然后进入循环程序，检测秒计数器是否已到设定的采样时间，未到则继续循环，并随时响应P10B口中断与定时器中断，若到设定的采样时间，则立即关闭CPU中断，进入数据处理程序。

4、数据处理：首先将二字节十六进制的断弧次数转换成三字节十进制数，并存入原地址中，此时将占用原来予留的一个空单元。然后按断弧次数指定的数据个数对数据区中贮存的断弧时间依次进行十进制转换，同样，每个数据经转换后都将占用一个予留的空单元，直至数据全部转换完毕，即进行打印工作。至此，测试工作结束，得到了该次实验的全部数据。

本发明为改善药皮焊条，电焊机的工艺性能，为解决碱性焊条交流施焊问题提供了一个非常重要的测试手段，能够快速，精确的测定焊接交流电弧的断弧参数。本发明的装置结构简单，操作方便，成本低，能够立即得到测试结果。

Claims (4)

1、测定焊接交流电弧断弧参数方法，其特征在于将焊接交流电弧电流作为原信号，采用微分器[5]对焊接交流电弧电流原信号进行微分处理，使断弧现象特征化；

2、按权利要求1所述，本发明的特征在于采用绝对值电路〔8〕和比较器〔9〕将焊接交流电弧电流原信号转换为标识脉冲，用标识脉冲识别断弧脉冲;

3、按权利要求1所述，本发明的特征在于使用单板计算机〔12〕，采用定时器同步启动中断服务程序使整个系统延时运行，使计时周期与焊接交流电弧电流周期严格同步;采用主程序和定时器中断服务程序、断弧信号测试中断服务程序进行数据处理，确定断弧参数;

4、用于权利要求1所述方法的装置，其特征在于该装置由前置放大器〔4〕、微分器〔5〕、绝对值电路〔6〕、〔8〕、比较器〔7〕、〔9〕、与非门电路〔10〕和单板计算机〔12〕、峰值电压表〔11〕组合而成。

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