DE2945196C1 - Vorrichtung zum Steuern der Schweissenergie beim Verbinden von Rohrleitungselementen aus schweissbarem Kunststoff - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Steuern der Schweißenergie beim Verbinden von Rohrleitungselementen aus schweißbarem Kunststoff nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Beim Bau von Rohrleitungen aus schweißbarem Kunststoff spie­ len die Verfahren und Geräte, mit denen die Rohrleitungsele­ mente durch elektrische Widerstandsheizung miteinander ver­ bunden werden, ein wichtige Rolle. Unter dem Begriff Rohr­ leitungselemente werden Rohre, Formstücke aller Art und Arma­ turen verstanden, die zu ganzen Rohrleitungen und Rohrlei­ tungssystemen zusammengesetzt und miteinander verbunden wer­ den müssen. Die Ausführung der Verbindungen für diese Rohr­ leitungselemente stellt eine aufwendige Teiloperation dar, die zudem die Qualität der Rohrleitung bestimmt und deshalb zuverlässig ausgeführt werden muß. Zum Verbinden der Rohrlei­ tungselemente werden entweder Muffenverbindungen, die einen Teil des Rohrleitungselementes darstellen, oder von den Rohr­ leitungselementen getrennte Schweißmuffen, die auf die Enden zweier Rohrleitungselemente gesteckt und mit diesen verbunden werden, verwendet. Im Überlappungsbereich dieser Verbindungen ist eine Wicklung aus einem Widerstandsheizdraht eingelegt, der zur Herstellung der Verbindung elektrisch erhitzt wird, so daß in der Umgebung der Wicklung das Material der sich überlappenden Enden der Rohrleitungselemente schmilzt und da­ durch eine Verschweißung dieser Teile erreicht wird. Die durch die Wicklung zugeführte Heizenergie soll hierbei derart dosiert werden, daß eine einwandfreie Verbindung hergestellt wird, und zwar ohne eine ungenügende oder eine übermäßige Er­ wärmung der zu verbindenden Teile, wobei zur Dosierung der Heizenergie in Abhängigkeit von den zu verbindenden Rohrlei­ tungselementen eine Vorrichtung verwendet wird, an der die Heizenergie manuell oder selbsttätig eingestellt wird.

Beim Schweißen der Rohrleitungsverbindungen mit einem solchen Gerät läßt es sich, insbesondere im Hinblick darauf, daß die Verbindungen an einer Baustelle ausgeführt werden müssen, mitunter nicht vermeiden, daß einzelne Verbindungen nicht einwandfrei geschweißt werden. Meistens ist hierbei die für die Verbindung zugeführte Schweißenergie im Hinblick auf die Art der Verbindung und die während der Schweißung vorliegen­ den Umgebungsfaktoren, zum Beispiel die Umgebungstemperatur oder eine fehlerhafte Stromzuführung, zum Beispiel durch eine Unterbrechung an einer Steckverbindung, zu gering. Dies führt meistens dazu, daß die Schweißverbindung zwar den mechani­ schen Beanspruchungen standhält, aber undicht ist.

Aus der DE-OS 21 02 787 ist ein elektrisch gesteuertes Schweißgerät zum Verbinden von Kunststoffrohren mittels einer Schweißmuffe bekannt, bei dem zum Erzielen einer guten Schweißverbindung die Endtemperatur der Schweißstelle unab­ hängig von der Umgebungstemperatur innerhalb enger Grenzen gehalten wird. Hierzu wird ein Regelkreis verwendet, das heißt eine Regelschaltung mit einer Informationsrückführung über ein Quadrierglied, einen Vergleicher und einen Impuls­ schalter. Ein solches Gerät arbeitet so, daß die Speisespan­ nung über Anschlüsse und ein Stellglied an die Schweißmuffe gegeben wird. In einem Referenzverstärker wird der in dem Quadrierglied quadrierte Wert von Schweißmuffenspannung oder -strom als Istwert mit dem von einem Sollwertgeber erzeugten Wert verglichen. Die Differenz von Ist- und Sollwert steuert über eine Impulsschaltung das Stellglied. Damit ist der Re­ gelkreis geschlossen, und der quadratische Mittelwert von Schweißmuffenspannung bzw. -strom nimmt eine konstanten, vom Sollwertgeber vorgegebenen Wert ein.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Steuern der Schweißenergie beim Verbinden von Rohrlei­ tungselemente aus schweißbarem Kunststoff nach dem Oberbe­ griff des Anspruches 1 so auszubilden, daß eine möglichst große Zahl von Einflußfaktoren für die Steuerung der Schweiß­ energie zumindest näherungsweise berücksichtigt wird, ohne daß jedoch Ausgangsgrößen an der Schweißmuffe abgegriffen und wiederverwendet werden.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch eine den quadra­ tischen Wert der Schweißspannung verarbeitende Reihenschal­ tung eines spannungsabhängigen Oszillators und eine Impuls­ zählerschaltung gelöst, während in den Ansprüchen 2 und 3 besonders vorteilhafte Weiterbildungen einer solchen Vorrich­ tung gekennzeichnet sind.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird die Eingangsspan­ nung in einem Trafo/Netzteil auf eine verwendbare elektrische Größe gebracht, wobei die bereitgestellte Ausgangsspannung U in dem Quadrierer auf einen U ² entsprechenden Wert umgeformt wird. Dieser Wert steuert den spannungsabhängigen Oszillator, ein sogenannter VCO, an dessen Ausgang eine Impulsfrequenz in der Form f = f (U ²) erscheint, die vom Impulszähler gezählt wird. Diesem Impulszähler ist ein "Erfahrungswert" in Form einer Impulsanzahl vorgegeben. Wird dieser Wert erreicht, re­ agiert der Impulszähler in geeigneter Weise und gibt zum Bei­ spiel ein Schaltsignal ab.

Ändert sich die Eingangsspannung aus dem Netz, so ändert sich damit auch die Impulsfrequenz f = f (U ²) und der "Erfahrungs­ wert" wird mit Zeitgewinn oder Zeitverlust erreicht; um die­ sen Betrag des Zeitgewinnes oder Zeitverlusts wird die Schweißzeit verkürzt oder verlängert, während deren die Schaltstufe dem elektrischen Strom aus dem Netz den Weg frei­ gibt. Dadurch wird erreicht, daß die zugeführte Schweißener­ gie entsprechend der Sollwert-Schweißenergie sehr genau ein­ gehalten und zudem bestimmte Umgebungseinflüsse, zum Beispiel Außentemperatur, Temperatur der Muffe oder dergleichen, be­ rücksichtigt werden.

Im Unterschied zum Stand der Technik wird bei der erfindungs­ gemäßen Vorrichtung nicht die Ausgangsspannung, zum Beispiel an der Schweißmuffe, quadriert, sondern die Eingangsspannung aus dem Netz. Dies ist jedoch insofern ein wesentlicher Un­ terschied, als man sich nicht einer vorhandenen Information bedient, also die Ausgangsgröße einer Schaltung gemessen, verglichen und wieder in den Hauptpfad in Form einer Korrek­ tur eingebracht wird. Bei der Erfindung wird vielmehr die be­ nötigte Information gesondert ermittelt, ohne sich um die tatsächlichen Verhältnisse an der Schweißmuffe zu kümmern, und dann zum Steuern der Schweißenergie verwendet, ohne daß ein Korrektursignal in den Hauptpfad eingebracht wird. Eine Ist-Wert-Messung entfällt.

Die Erfindung ist in der Zeichnung in einem Ausführungsbei­ spiel schematisch dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Steuerschaltung für ein Gerät zum Verbinden von Rohrleitungselementen aus schweißbarem Kunststoff und

Fig. 2 Einzelheiten der Steuerschaltung von Fig. 1.

Das in der Zeichnung dargestellte Gerät ist für die Herstel­ lung von Rohrleitungsverbindungen vor allem mit Schweißmuffen vorgesehen, jedoch besteht grundsätzlich keine Einschränkung bezüglich einer Verwendung der Vorrichtung auch für Schweiß­ verbindungen anderer Art, zum Beispiel für Muffenrohre oder dergleichen.

Die Stromversorgung des in Fig. 1 und 2 dargestellten Gerätes erfolgt über einen Netzanschluß 1. Der Stromkreis wird über eine Schaltstufe 7 geführt. Am Ausgang der Schaltstufe 7 ist eine Schweißmuffe 3 über einen schematisch dargestellten Steckkontakt 4 angeschlossen. Am Ausgang der Schaltstufe 7 ist eine Stromüberwachung 6 angeordnet. Diese überwacht den fließenden Strom und hält die Schaltstufe 7, die beispiels­ weise ein Relais aufweist, in Arbeitsstellung.

Am Stromkreis ist ein Netzteil 2 angeschlossen, durch das ei­ ne Kleinspannung von zum Beispiel 12 Volt erzeugt wird, die zur Versorgung des Gerätes dient. Die Ausgangsspannung U des Netzteiles 2 wird in einem Meßumformer 8 gemessen und in eine quadratische Nachbildung der Netzspannung U ² umgeformt. Der Ausgang des Meßumformers 8 ist mit dem Eingang eines Impuls­ generators 9 verbunden, der eine dem Quadrat der Spannung entsprechende Impulsfrequenz f = f (U²) erzeugt. Dieser qua­ dratische Wert wird aus der Ladungskurve eines Kondensators gebildet, der über einen Widerstand direkt oder indirekt von der an der Schweißmuffe 3 liegenden Spannung gespeist wird. Wird dieser Kondensator an eine Gleichspannungsquelle ge­ schaltet, so kann die Kondensatorspannung höchstens bis zur Höhe der Speisespannung steigen. Seine Zeitkonstante T, das heißt die Zeit, in der 63% der maximal möglichen Kondensa­ torspannung erreicht wird, wird aus der Gleichung T = C × R bestimmt, wobei C die Kapazität des Kondensators und R seinen ohmschen Widerstand darstellt. Der Anstieg der Kondensator­ spannung erfolgt in bekannter Weise nicht linear, sondern nach der Gleichung U _c = U (1 - e ^{- t/T} ), wobei U _c die Kondensa­ torspannung, U die Ladespannung und t die Ladezeit bedeuten. Wird bei Erreichen einer vorbestimmten Ladespannung der Kon­ densator mittels einer Schaltstufe, die zum Beispiel einen Komparator aufweist, entladen, so beginnt ein neuer Ladevor­ gang und man erhält eine Frequenz, die von der Ladespannung bzw. von der Netzspannung gesteuert wird.

Die Nachbildung der quadratischen Funktion der Netzspannung im Bereich von zum Beispiel 180 bis 260 V kann dadurch er­ reicht werden, daß der Schaltpunkt der Entladung zum Beispiel auf einen Wert von 0,39 der Netzspannung bei 220 V festgelegt wird. Weicht die Spannung von diesem Wert ab, erfolgt eine Überkompensation der quadratischen Netzspannung. Diese Über­ kompensation ist bei kleineren Netzspannungen erforderlich, um den größeren Wärmeabfluß im Kunststoffmaterial, der durch die längere Schweißzeit auftritt, entgegenzuwirken. Die Schweißzeit wird dadurch nicht nur entsprechend der kleineren Netzspannung, sondern darüber hinaus zusätzlich verlängert. Es kann dadurch eine gleichbleibende Schweißgüte erreicht werden, auch wenn bei einer Spannung von zum Beispiel 180 V die Schweißzeit um den Faktor 1,5 ansteigt. In gleicher Weise kann durch entsprechende Wahl des Teilwertes der Ladespannung bzw. Netzspannung eine Überkompensation bei Spannungen erreicht werden, die über dem festgelegten Wert der Ladespannung bzw. Netzspannung liegen.

Der Ausgang des Impulsgenerators ist an einen Impulszähler 10 gelegt, in welchem die Aufsummierung der Impulse erfolgt. Die Kapazität des Impulszählers 10 beträgt zum Beispiel 2⁸ bis 2²⁴ Impulse. Entsprechend der Abhängigkeit der Impulsfrequenz des Impulsgenerators 9 vom quadratischen Wert der Spannung bedeutet eine im Impulszähler 10 aufsummierte Impulszahl eine bestimmte Heizenergie.

Wesentlich ist, daß beim Schweißen der Schweißmuffe 3 die der Schweißenergie entsprechende Impulszahl im Impulszähler 10 erreicht wird. Dies wird durch eine Funktionsüberwachung 5 sichergestellt. Falls der Impulszähler 10 seine vorbestimmte Impulszahl noch nicht erreicht hat, zum Beispiel bei einer Unterbrechung im Stromkreis zwischen dem Gerät und der Schweißmuffe 3 während des Schweißens, so erzeugt die Funk­ tionsüberwachung 5 ein Störsignal, zum Beispiel das Blinken einer roten Kontrollampe. Sobald das Störsignal einsetzt, wird damit angezeigt, daß die durchgeführte Schweißung der Muffe 3 überprüft werden muß. Gleichzeitig mit der Anzeige des Störsignals erfolgt eine sofortige Abschaltung der Netz­ spannung von der Schweißmuffe 3 durch die Schaltstufe 7. Das Einschalten des Stromkreises durch Einschalten der Schaltstu­ fe 7 wird durch eine Einschaltüberwachung 11 gesteuert. Mit­ tels einer Kleinspannung wird von der Einschaltüberwachung 11 festgestellt, ob am Ausgang des Stromkreises, das heißt am Steckkontakt 4, eine Schweißmuffe 3 oder ein äquivalenter Wi­ derstand angeschlossen ist. Zweckmäßig wird die Einschalt­ überwachung 11 so ausgelegt, daß der Stromkreis nur dann ein­ geschaltet werden kann, wenn der Verbraucherwiderstand klei­ ner als ein bestimmter Wert, zum Beispiel 3 k Ohm, ist.

Mit dem beschriebenen Gerät wird ein Maximum an Betriebssi­ cherheit gewährleistet. Der Ausgang für den Stromkreis des Gerätes ist so lange gesperrt, bis ein Verbraucherwiderstand mit einem unter einem Grenzwert liegenden Widerstandswert an­ geschlossen ist. Erst dann sperrt die Einschaltüberwachung 11 nicht mehr, und die Schaltstufe 7 kann mittels einer nicht dargestellten Taste eingeschaltet werden.

Aber auch die Umgebungseinflüsse werden mindestens teilweise ausgeschaltet. Da die Heizenergie aufgrund der Spannung nach der Formel U ² × t/r ermittelt wird, hat dies zur Folge, daß bei tiefen Umgebungstemperaturen die Schweißleistung größer ist, vorausgesetzt allerdings, daß der verwendete elektrische Widerstandsheizdraht ein Kaltleiter ist. Ebenso kann ein die Form der Schweißmuffe berücksichtigender Formfaktor bei der Abhängigkeit der Spannung bzw. seines quadratischen Wertes von der Impulsfrequenz berücksichtigt werden. Durch die hohe Zählerkapazität ist es möglich, die Schweißzeit, die in der Größenordnung von zum Beispiel 70 bis 80 Sekunden liegen kann, sehr genau einzuhalten und auch Zeiten von mindestens 20 Minuten Dauer nocht ausreichend sicher zu erfassen.

Wesentlich ist, daß durch diese Auslegung des Gerätes dessen Aufbau sehr einfach wird und gleichzeitig gegenüber den be­ kannten Schweißgeräten eine wesentliche Gewichtsersparnis, die bis 80% und mehr betragen kann, erreicht wird.

Claims (3)

1. Vorrichtung zum Steuern der Schweißenergie beim Verbin­ den von Rohrleitungselementen aus schweißbarem Kunst­ stoff durch eine Schweißmuffe aus Kunststoff mit einer im Kunststoff eingebetteten Widerstandsheizung, mit ei­ ner auf eine Schweißstrom-Schalteinrichtung wirkenden und von einer Spannungsquadrierschaltung ausgehenden Wirkungsstrecke, gekennzeichnet durch eine den quadratischen Wert der Schweißspannung verar­ beitende Reihenschaltung eines spannungsabhängigen Os­ zillators (9) und einer Impulszählerschaltung (10).

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß ein von der Impulszähler­ schaltung (10) rücketzbarer Überwachungsschaltkreis (5) vorgesehen ist, der bei jedem Schweißbeginn ein Be­ triebssignal erzeugt, und daß dieses Betriebssignal durch die Impulszählerschaltung (10) zurückgesetzt wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, gekenn­ zeichnet durch einen auf das Betriebs­ signal ansprechenden Schaltkreis (6) zur Speicherung des Betriebszustandes.