专利名称：一种共轭式管道消磁器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于带磁长输管道的共轭式管道消磁器，属于管道施工技术领 域。
背景技术：
长输管道是指用于输送油、气等商品介质，并跨省、市，穿、跨越江河、道路 等，中间设有加压泵站的长距离输送管道。它作为管道运输的重要组成部分，对我国国 民经济的发展起着非常重要的作用，被誉为国民经济的动脉。长输管道由大口径无缝钢管通过焊接方式连接而成。但是，无缝钢管在生产、 加工、储运过程中不可避免地带有剩磁。管道剩磁会给焊接生产带来不利的影响。例如 在焊接带磁长输管道时，经常会出现电弧引燃困难、电弧燃烧不稳定、在磁场中电弧出 现偏离等现象，将严重影响焊接质量，甚至无法进行焊接。为了稳定焊接过程，改善焊 接接头质量，对被磁化的钢管在焊接前要专门进行消磁处理。应该指出，被磁化的钢管 要达到完全消磁是困难的。所以，当剩磁不足于影响焊接质量时，便允许进行焊接。目前，市场上普通固定式的消磁设备很多，而专门针对长输管道的消磁，尤其 是大口径、高品质的无缝钢管的消磁设备却并不多见。就申请人所知，中国石油天然气 股份有限公司在2006年研制出一种带磁长输管道局部消磁器(参见中国实用新型专利ZL 200620115848.X),能把管道剩磁降到能够正常焊接的水平。该消磁器主要由主变压器、 12伏电源、SPCE061A单片机、晶闸管恒流恒压模块组成。主变压器连接12伏电源和晶 闸管恒流恒压模块。12伏电源连接单片机，单片机上连接有磁场检测探头。晶间管恒流 恒压模块输入端与单片机连接。在晶间管恒流恒压模块输出端与单片机之间串连有电流 传感器。消磁线圈连接在晶闸管恒流恒压模块输入端。使用时，消磁线圈缠绕在钢质管 道上。控制电源产生消磁器所需的电流的大小和方向，以得到大小和管道剩磁相等、方 向相反的磁场，把剩磁降到管道能够正常焊接的水平。除上述产品之外，国际上管道消 磁理论以俄罗斯见长，美国和日本也有研究，但简便、高效的长输管道消磁设备仍属凤 毛麟角，相关产品在终端适应性和节能安全性方面还存在不足。当前，国内外大规模的管道施工，特别是特殊地段的管道施工，要求工期短， 还要保证质量，而长输管道的剩磁是影响施工进度和质量的重要因素。因此，加强对管 道消磁的研究，尽快研制出适合长输管道施工的消磁设备，加快长输管道的施工进度， 是每个管道施工企业共同面临的重要课题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种新型的共轭式管道消磁器。该管道消 磁器可以用于管道焊接前的消磁工作，具有良好的终端适应性和节能安全性。为实现上述的发明目的，本发明采用下述的技术解决方案一种共轭式管道消磁器，其特征在于
所述共轭式管道消磁器包括开关电路、控制电路、驱动电路和消磁线圈，所述 开关电路向所述消磁线圈提供管道消磁用的直流电，所述控制电路中具有单片机，所述 驱动电路驱动所述开关电路中的功率开关器件；所述开关电路由电网滤波电路、第一整流滤波电路、功率转换电路、第二整流 滤波电路顺序连接而成；所述消磁线圈由柔性导线制成，并采用防爆航空插头进行连接；所述控制电路利用负反馈构成一个自动控制系统，通过给定量和反馈量的比较得 到偏差，并通过PID调节运算控制所述单片机的PWM输出，从而控制开关电路的输出。其中，所述功率转换电路采用全桥型DC-DC变换器，其中的功率开关器件为 IGBT模块。所述控制电路还包括电压传感器，矩阵键盘，互锁、缓冲电路，数码管驱动电 路，所述电压传感器从第二整流滤波电路的输出端进行电压采样，将采样信号送入所述 单片机的ADOO端口，所述矩阵键盘连接所述单片机的PBO PB7端口，所述互锁、缓 冲电路连接所述单片机的PWM端口，所述数码管驱动电路连接所述单片机的PAO PA7端□。所述控制电路还包括输入过压保护电路、输出过流保护电路、输入欠压保护电 路和输出过压保护电路，所述输入过压保护电路、所述输出过流保护电路、所述输入欠 压保护电路和所述输出过压保护电路连接所述单片机的INFO端口。所述PID调节运算中，当偏差与积分符号相反时，积分清零。本发明所提供的共轭式管道消磁器具有如下的技术特点①高消磁性利用本管道消磁器消磁，可以使长输管道的磁场强度小于3mT， 低于焊接要求的指标；②终端适应性好由于本管道消磁器的消磁线圈采用柔性导线，可根据管径的 大小来自动适应，因此可对不同口径的长输管道消磁，产品适应范围较广；③节能安全性好本管道消磁器充分利用被消磁工件的导磁特性，与消磁线圈 共同工作，因此所需功率可大大降低，既节约了能源，又提高了安全指标；④具备自保护特性本管道消磁器可以设置针对过流、过压等情况的保护电 路，从而具备负载短路情况下的自我保护能力。
下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步的说明。图1为本发明所提供的共轭式管道消磁器的整体电路原理图；图2为功率转换电路的原理示意图；图3为控制电路的原理示意图；图4为本管道消磁器的整体工作流程示意图； 图5为本管道消磁器所采用的PID调节运算的操作流程示意图。
具体实施例方式本发明所提供的共轭式管道消磁器主要包括开关电路、控制电路、驱动电路和消磁线圈等几部分。其中，开关电路的作用在于完成DC (直流)-AC (交流)-DC (直流) 的转换，向消磁线圈提供管道消磁用的直流电。控制电路以单片机为核心，用于对开关 电路的工作状态进行控制。驱动电路的作用在于驱动开关电路中的功率开关器件，它的 工作状态也由控制电路进行控制。如图1所示，开关电路由电网滤波电路、第一整流滤波电路、功率转换电路、 第二整流滤波电路顺序连接而成。其中，电网滤波电路直接连接外部的220V交流电源， 对市电进行滤波处理。辅助电源从电网滤波电路的输出端引出，向单片机及驱动电路提 供电力供应。功率转换电路是开关电路的核心组成部分。如图2所示，该功率转换电路 采用全桥型DC-DC变换器，其中的功率开关器件优选采用IGBT (绝缘栅双极晶体管)模 块。由于每个IGBT模块是一个半桥结构，因此在全桥系统中需要两个IGBT模块。每 个IGBT模块内嵌入一个快速续流二极管。需要说明的是，功率开关器件改用GTO (门 极可关断晶闸管)或者IGCT (集成门极换流晶闸管)也是可行的，在此不累述。如图3所示，控制电路以单片机为核心，还包括电压传感器，矩阵键盘，互 锁、缓冲电路，数码管驱动电路等。其中，单片机可以选用具备PWM功能的多种现有 产品，如PIC16F87X单片机、ATMEGA16L单片机等。电压传感器从第二整流滤波电路 的输出端进行电压采样，将采样信号送入单片机的ADOO端口。矩阵键盘连接单片机的 PBO PB7端口，用于接收用户的各项操作指令。输入过压保护、输出过流保护、输入 欠压保护、输出过压保护等各类保护电路连接单片机的INFO端口，向其提供启动保护状 态的指令。这些保护电路是电子技术领域普通技术人员都能掌握的常规设计，在此就不 详细赘述了。单片机的PWM(脉宽调制)端口连接互锁、缓冲电路。该互锁、缓冲电 路的作用在于向功率转换电路中的IGBT模块提供相应的驱动信号。另外，单片机上的 PAO PA7端口连接数码管驱动电路。该数码管驱动电路驱动数码管显示屏，用于向用 户显示管道消磁器当前的工作状态如输出电压等。控制电路主要完成如下功能电压采集、A/D转换、闭环调节、PWM信号产 生、IGBT驱动与保护、键盘输入和输出电压显示等。该控制电路利用负反馈构成一个自 动控制系统，通过给定量和反馈量的比较得到偏差，并通过数字PID(比例积分微分)调 节器控制单片机的PWM输出，从而控制开关电路的输出。其中，PID调节和PWM输出 都是由单片机采用软件方式实现的。为了精确控制开关电路的电压输出，控制电路采用PWM方式控制功率开关器件 的导通与关断时间。在开关电路工作时，控制电路根据期望值与电压反馈值的偏差，由 单片机实现对PWM占空比进行PID调节。控制电路根据电压控制算法(可采用改进的 PID控制算法)设置单片机产生不同占空比的方波信号，经过光电耦合器控制功率开关器 件，调整电路输出设定的电压值。控制电路通过A/D转换实现对开关电路输出电压的采 样，同时采用电压闭环控制，完成对输出电压的稳定控制。 要使功率开关器件正常工作，合适的驱动是至关重要的。驱动电路的任务是将 控制电路发出的信号转换为加在功率开关器件如IGBT的控制端和公共端之间、可以使其 开通或关断的信号。同时，驱动电路还具有电气隔离及保护功率开关器件等功能。图4显示了本管道消磁器的整体工作流程，该工作流程受单片机中运行的主程 序的控制。主程序在完成各种变量和I/O初始化后，用户可以输入期望电压值并存入寄存器，当按下启动按钮后，启动电源系统。这里设定启动时，使PWM输出占空比为最小值，即0.1%。启动后，调用A/D转换子程序并读入键值，将反馈电压值与给定电压 值相比较后，调用PID调节运算，更新驱动波形的占空比，然后调用PWM产生子程序输 出PWM信号，并通过显示子程序显示输出电压。上述的A/D转换子程序直接利用单片机的10位ADC端口实现，具体包括如下 功能选择模拟输入通道，并预制分频数；配置控制寄存器ACON ；读取A/D转换后的 数值，返还ADTAO、ADTAl中的数据。PID调节运算也由单片机来实现。单片机根据给定信号与反馈信号相减得到的误 差来计算调整量，用以控制方波信号的占空比。图5所示为本管道消磁器所采用的PID 调节运算的操作流程。在该PID调节运算中，特别规定当偏差与积分符号相反时，积分 清零。因为若符号相反，说明积分项起了反作用，故把积分项清零。其余的参数KP、 KK KD可以在调试过程中设定。本管道消磁器中的消磁线圈由柔性导线制成，可根据长输管道的管径大小来自 动适应，因此可对不同口径的长输管道消磁，产品适应范围较广。该消磁线圈在设计 时，鉴于磁场强度的简化公式为H = NXI/Le(H为磁场强度；N为励磁线圈的匝数；I为 励磁电流；Le为测试样品的有效磁路长度)，因此主要考虑两个因素一是消磁线圈的 匝数及长度，二是消磁线圈的冗余电流值。而消磁线圈的长度跟电阻成正比，电压一定 时跟电流值成反比，所以在设计时要根据材料的电阻率、线径、绕线方式以及编线线材 的支数进行综合计算，获得最佳值。为了提高安全特性，消磁线圈采用防爆航空插头进行连接。另外，为了保证整 个消磁线圈的阻值在合理范围内，消磁线圈的引线阻值应该考虑在内。本管道消磁器在实际使用时，首先要用高斯计测量被消磁的长输管道的磁感应 强度并判断极性，然后在被消磁的长输管道的端头缠绕消磁线圈，消磁线圈的绕线应靠 近消磁的端头一端(以不影响对口器安装为度)。在消磁线圈缠绕完毕之后，将消磁线圈 与开关电路的输出端对接。随后，利用控制电路调节开关电路的输出信号，同时用高斯 计进行测量检测。消磁线圈中产生与长输管道的剩余磁场方向相反的磁场，该磁场会使 管道端口的磁感应强度应逐渐减小，直至减小到零。此时，在保持消磁电流稳定输出的 前提下，可以进行正常的焊接操作。在电工学上，把变压器或电磁铁的铁芯称为“铁轭”或“轭铁”。电磁铁一般 由通电线螺线管和铁芯(铁轭)组成，本管道消磁器是通过缠绕于被消磁管道上的消磁线 圈进行消磁，因此被消磁管道既是被消磁特征体，又是通电螺线管的铁轭，即被消磁管 道既是带磁体，又是通电螺线管的聚磁铁芯，这就是本管道消磁器被称为“共轭式”的 原因所在。消磁线圈实际上就是一个空心的螺线管。通电的螺线管在加入铁芯之后，其磁 感应强度由于铁芯内部分子电流作用会成数十倍增长。本管道消磁器巧妙地利用了被消 磁管道铁磁性材料的特点，让管道作为消磁线圈的铁芯，既增强了消磁强度，又避免另 加铁芯而增加消磁器体积的问题，所以消磁电流可大大减小，同时减小了管道消磁器的 体积。这两者的共同作用是在达到相同消磁效果的前提下，增加了安全系数。以上对本发明所提供的共轭式管道消磁器进行了详细的说明。对本领域的技术人员而言，在不背离本 发明实质精神的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都将构 成对本发明专利权的侵犯，将承担相应的法律责任。
权利要求
1.一种共轭式管道消磁器，其特征在于所述共轭式管道消磁器包括开关电路、控制电路、驱动电路和消磁线圈，所述开关 电路向所述消磁线圈提供管道消磁用的直流电，所述控制电路中具有单片机，所述驱动 电路驱动所述开关电路中的功率开关器件；所述开关电路由电网滤波电路、第一整流滤波电路、功率转换电路、第二整流滤波 电路顺序连接而成；所述消磁线圈由柔性导线制成，并采用防爆航空插头进行连接； 所述控制电路利用负反馈构成一个自动控制系统，通过给定量和反馈量的比较得到 偏差，并通过PID调节运算控制所述单片机的PWM输出，从而控制开关电路的输出。
2.如权利要求1所述的共轭式管道消磁器，其特征在于所述功率转换电路采用全桥型DC-DC变换器，其中的功率开关器件为IGBT模块。
3.如权利要求1所述的共轭式管道消磁器，其特征在于所述控制电路还包括电压传感器，矩阵键盘，互锁、缓冲电路，数码管驱动电路， 所述电压传感器从第二整流滤波电路的输出端进行电压采样，将采样信号送入所述单片 机的ADOO端口，所述矩阵键盘连接所述单片机的PBO PB7端口，所述互锁、缓冲电路连接所述单片机的PWM端口，所述数码管驱动电路连接所述单片机的PAO PA7端□。
4.如权利要求1所述的共轭式管道消磁器，其特征在于所述控制电路还包括输入过压保护电路、输出过流保护电路、输入欠压保护电路和 输出过压保护电路，所述输入过压保护电路、所述输出过流保护电路、所述输入欠压保 护电路和所述输出过压保护电路连接所述单片机的INFO端口。
5.如权利要求1所述的共轭式管道消磁器，其特征在于 所述PID调节运算中，当偏差与积分符号相反时，积分清零。
全文摘要
本发明公开了一种共轭式管道消磁器，包括开关电路、控制电路、驱动电路和消磁线圈，开关电路向消磁线圈提供管道消磁用的直流电，控制电路中具有单片机，驱动电路驱动开关电路中的功率开关器件；开关电路由电网滤波电路、第一整流滤波电路、功率转换电路、第二整流滤波电路顺序连接而成；消磁线圈由柔性导线制成，并采用防爆航空插头进行连接。本共轭式管道消磁器具备高消磁性和自保护特性，并具有终端适应性好、节能安全性好的优点。
文档编号H01F13/00GK102024547SQ20101023148
公开日2011年4月20日 申请日期2010年7月20日 优先权日2010年7月20日
发明者吴中林, 白国义 申请人:中石油北京天然气管道有限公司