Kaarihitsauksen suojakaasun tunnistus ja virtauksen mittaus ultraäänellä

Kaasukaarihitsauksessa suojakaasuna käytetään yleensä argonin ja hiilidioksidin tai argonin ja heliumin seoksia. Suojakaasu vaikuttaa useisiin hitsausominaisuuksiin, jotka puolestaan vaikuttavat hitsauksen laatuun ja tuottavuuteen. Automaattisella suojakaasun tunnistuksella ja virtausmäärän mittauksella voitaisiin tehdä hitsauksesta paitsi käyttäjän kannalta yksinkertaisempaa, myös laadukkaampaa. Työn tavoite on löytää mahdollisimman edullinen ja kuitenkin mahdollisimman tarkasti kaasuseoksia tunnistava menetelmä, jota voitaisiin hyödyntää MIG/MAG-hitsauskoneeseen sisäänrakennettuna. Selvä etu on, jos menetelmällä voidaan mitata myös kaasun virtausmäärä. Äänennopeus kaasumaisessa väliaineessa on aineen atomi- ja molekyylirakenteesta ja lämpötilasta riippuva ominaisuus, joka voidaan mitata melko edullisesti. Äänennopeuden määritys perustuu ääniaallon kulkuajan mittaamiseen tunnetun pituisella matkalla. Kaasun virtausnopeus on laskettavissa myötä- ja vastavirtaan mitattujen kulkuaikojen erotuksen avulla. Rakennettu mittauslaitteisto koostuu kahdesta ultraäänimuuntimesta, joiden halkaisija on 10 mm ja jotka toimivat sekä lähettimenä että vastaanottimena. Muuntimet ovat 140 mm:n etäisyydellä toisistaan virtauskanavassa, jossa suojakaasu virtaa yhdensuuntaisesti äänen kanssa. Virtauskanava on putki, jossa on käytetty elastisia materiaaleja, jotta ääniaaltojen eteneminen kanavan runkoa pitkin minimoituisi. Kehitetty algoritmi etsii kahden lähetetyn 40 kHz:n taajuisen kanttiaaltopulssin aiheuttaman vasteen perusteella ääniaallon saapumisajanhetken. Useiden mittausten, tulosten lajittelun ja suodatuksen jälkeen tuntemattomalle kaasulle lasketaan lämpötilakompensoitu vertailuluku. Tuntematon kaasu tunnistetaan vertailemalla lukua tunnettujen kaasuseosten mitattuihin vertailulukuihin. Laitteisto tunnistaa seokset, joissa heliumin osuus argonissa on enintään 50 %. Hiilidioksidia sisältävät argonin seokset puolestaan tunnistetaan puhtaaseen hiilidioksidiin asti jopa kahden prosenttiyksikön tarkkuudella. Kaasun tilavuusvirtausmittauksen tarkkuus on noin 1,0 l/min.

In gas metal arc welding the shielding gas usually is a mixture of argon and helium or argon and carbon dioxide. The shielding gas affects the welding process in many ways, which again influence the overall quality and productivity of welding. Automatic shielding gas identification and flow rate measurement could, in addition to improving the quality of welding, also make welding more user-friendly. The aim of the study is to find an inexpensive method, to recognize the distinctive shielding gas compositions with sufficient precision, and to be used as a built-in part of a MIG/MAG welder. The possibility of determining the flow rate of the gas using the same method is considered a clear advantage. Speed of sound in a gas medium is quite affordably measurable and only dependent on temperature and the atomic and molecular structure of the substance. Determining the speed of sound is based on the propagation time of the sound wave on a path with a known length. The flow rate can be calculated based on the difference of times measured up- and downstream. The measurement equipment consists of two ultrasonic transducers with a diameter of 10 mm and that work both as transmitter and receiver. The transducers are situated 140 mm apart from each other in a flow channel in which sound flows in parallel with the gas mixture. The flow channel is a tube made of elastic materials in order to minimize the propagation of sound waves along the body of the flow channel. The algorithm developed finds the arrival time of the sound wave based on the response produced by two square wave pulses with a frequency of 40 kHz. Based on several measurements, sorting and filtering of the results, a temperature compensated reference number is calculated for the unknown gas. The unknown gas is identified based on a comparison made with numbers collected from known shielding gases. The apparatus can identify shielding gas mixtures containing a maximum of 50 % helium in argon. Mixtures containing carbon dioxide can be identified up to pure carbon dioxide with an accuracy as high as two percentage units. The accuracy of the flow rate measurement is about 1.0 l/min.