高溫老化厭氧箱

傅釗

（廣州愛(ài)斯佩克環(huán)境儀器有限公司，廣東 廣州 510800）

1 引言

高溫老化會(huì)使某些材料的特性產(chǎn)生比較明顯的影響，隨著溫度和時(shí)間的推移，主要體現(xiàn)在：a）老化：1）抗拉強(qiáng)度老化；2）絕緣老化。b）化學(xué)變化：熱分解。c）軟化、熔化、汽化和升華：扭曲。d）高溫氧化：氧化層的結(jié)構(gòu)。e）熱擴(kuò)散（金屬化合物結(jié)構(gòu)）：引線斷裂。

對(duì)某些產(chǎn)品進(jìn)行高溫老化時(shí)，其在高溫狀態(tài)下容易發(fā)生氧化，特別是一些連接點(diǎn)材料。氧化會(huì)使某些材料中含有的填料和溶劑物質(zhì)加速揮發(fā)或蒸發(fā)，促使材料加速老化失效。因此，選擇滿足高溫老化測(cè)試、同時(shí)滿足失效可能性試驗(yàn)要求，并且使用簡(jiǎn)單、保養(yǎng)維修方便的設(shè)備就顯得非常必要。高溫老化厭氧箱就是一種廣泛用于產(chǎn)品的研制、生產(chǎn)過(guò)程之中的環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備。該設(shè)備可以讓產(chǎn)品在投入使用之前試工作一段時(shí)間，以穩(wěn)定產(chǎn)品性能，減緩試樣的氧化速度，加快老化進(jìn)程。現(xiàn)介紹一款高溫老化厭氧設(shè)備——高溫老化厭氧箱IPH201S，其不僅性能、功能優(yōu)良，還具備相當(dāng)?shù)谋憷院桶踩浴?/p>

2 設(shè)備簡(jiǎn)介

在本公司原有高溫箱的基礎(chǔ)上，根據(jù)市場(chǎng)需求，滿足部分客戶特殊要求的使用場(chǎng)合，增加及更改了相關(guān)功能：控制系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)，氧濃度控制測(cè)量等。用于樣品或產(chǎn)品進(jìn)行高溫厭氧可靠性與模擬環(huán)境試驗(yàn)。

a）主要技術(shù)指標(biāo)及性能

1）內(nèi)容積： W 600×H 600×D 600=0.216 m3；

2）溫度范圍：常溫～+300℃；

3）降溫時(shí)間：≤100 min（+200℃→常溫，空載）；

4）升溫時(shí)間：≤60 min（常溫→200℃，空載）；

5）溫度偏差： ≤±2℃（空載）；

6）溫度波動(dòng)度： ≤±0.5℃（空載）；

7）殘留氧濃度： ≤100 ppm（≤60 min）；

8）保護(hù)裝置：電機(jī)過(guò)載過(guò)熱、超壓和箱內(nèi)超溫報(bào)警等。

b）主要特點(diǎn)

1）調(diào)節(jié)方式：平衡調(diào)節(jié)溫度、氧濃度控制方式，精度高；

2）執(zhí)行機(jī)構(gòu)：電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，氧濃度測(cè)量控制；

3）內(nèi)箱尺寸為正方形，內(nèi)容積利用率高；

4）冷卻方式：采用內(nèi)箱外壁強(qiáng)制傳動(dòng)風(fēng)冷卻，有效地降低相關(guān)成本。

3 工作原理簡(jiǎn)介

試驗(yàn)箱由箱體、調(diào)溫系統(tǒng)、氧氣置換系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等部分組成。系統(tǒng)原理圖如圖1所示，檢測(cè)控制原理如圖2所示。

箱體為內(nèi)外鋼板結(jié)構(gòu)，中間填充耐高溫保溫材料，外殼采用熱軋鋼板，內(nèi)壁為不銹鋼板。箱內(nèi)配有置換氧氣裝置通道、樣品架等。

溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)由軸流風(fēng)機(jī)、調(diào)節(jié)通道、蓋板和空氣加熱器等部分組成。

為了保證試驗(yàn)空間溫度的均勻性，采用強(qiáng)制空氣對(duì)流的方法來(lái)進(jìn)行熱量的傳遞。試驗(yàn)空間內(nèi)氣流由蓋板底部進(jìn)入調(diào)節(jié)通道，經(jīng)空氣加熱器進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)后，在調(diào)節(jié)通道中部，由軸流風(fēng)機(jī)送風(fēng)，從中間位置回到試驗(yàn)空間，實(shí)現(xiàn)箱內(nèi)氣流循環(huán)。

氧氣置換系統(tǒng)由氣源N2、連接管道、流量計(jì)、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥和排氣口等部件組成。

流量計(jì)是進(jìn)入箱體的氣體流量的顯示裝置。通過(guò)調(diào)節(jié)流量計(jì)上的流量調(diào)節(jié)閥，控制開(kāi)、關(guān)氣體回路，調(diào)節(jié)進(jìn)入箱體的氣體壓力及流量，不用時(shí)處于關(guān)閉狀態(tài)。電動(dòng)調(diào)節(jié)閥是安裝在進(jìn)氣口上的專用閥門(mén)，用于控制空氣進(jìn)氣量與N2進(jìn)氣量，其原理與制冷調(diào)節(jié)溫度的蒸發(fā)器和加熱器類似，采用空氣進(jìn)氣與N2進(jìn)氣同時(shí)進(jìn)行的調(diào)節(jié)方法，與傳統(tǒng)的位式調(diào)節(jié)方式相比，具有較高的控制精度。利用箱內(nèi)氧濃度及壓力檢測(cè)直接控制閥的開(kāi)度與關(guān)閉。當(dāng)氣源壓力不足、箱內(nèi)壓力偏低、設(shè)備停止高溫加熱或電源突然中斷時(shí)，調(diào)節(jié)閥就處于關(guān)閉狀態(tài)，同時(shí)排氣口單向閥門(mén)自動(dòng)將系統(tǒng)封閉，將氧氣擋在箱體外，避免在高溫缺保護(hù)氣體狀態(tài)下發(fā)生氧化、老化器件的情況。

降溫系統(tǒng)采用強(qiáng)制風(fēng)冷方式。選用高可靠性、低噪音的離心風(fēng)機(jī)，離心風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速可調(diào)，在冷卻通道增加散熱器，提高冷卻降溫效率，以保證運(yùn)行工況的穩(wěn)定性。

圖1 系統(tǒng)原理圖

電氣控制系統(tǒng)由可編程控制器、溫度傳感器、氧濃度分析儀、故障檢測(cè)單元和執(zhí)行元件等組成。包括溫度控制系統(tǒng)、控氧系統(tǒng)和保護(hù)系統(tǒng)等部分。

圖2 檢測(cè)控制原理圖

溫度控制器采用MPC-3000可編程控制器?？刂破髋鋫溆?20×240點(diǎn)陣觸摸屏液晶顯示器，中文菜單對(duì)話方式，實(shí)時(shí)顯示設(shè)定溫度、氧濃度及壓力，實(shí)測(cè)溫度、氧濃度及壓力、總運(yùn)行時(shí)間、段運(yùn)行時(shí)間、段剩余時(shí)間、加熱狀態(tài)以及日歷等，界面友好，方便且易以操作?？刂破鲗y(cè)量板通過(guò)溫度傳感器測(cè)得的箱內(nèi)溫度值與通過(guò)用戶操作界面設(shè)定的溫度值進(jìn)行比較，并將差值按一定的調(diào)節(jié)規(guī)律進(jìn)行PID運(yùn)算，算出需要輸出控制量的大小及決定各輸出點(diǎn)的工作狀態(tài)，通過(guò)I/O輸入輸出口控制加熱系統(tǒng)、控氧濃度和降溫系統(tǒng)等工作，使箱內(nèi)溫度按要求變化，控制器內(nèi)置PLC接受MPC-3000的控制指令，決定各執(zhí)行元件（如調(diào)節(jié)閥、加熱器和降溫器）的工作狀態(tài)。同時(shí)，設(shè)備還具備先進(jìn)的故障自診斷功能，PLC對(duì)各保護(hù)檢測(cè)元件的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，一旦設(shè)備出現(xiàn)異常發(fā)生時(shí)，即采取保護(hù)措施并發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，同時(shí)設(shè)備將切斷主要部件的電源。顯示器將顯示故障部位、可能原因及推薦的解決方法，幫助迅速排除故障。

氧濃度控制也采用MPC-3000可編程控制器。其中氧濃度分析儀由變送器和氧化鋯傳感器組成，測(cè)量范圍：0%～100%氧濃度；檢測(cè)極限：小于1 ppm。設(shè)備進(jìn)行設(shè)定氧濃度調(diào)節(jié)控制時(shí)，變送器將傳感器測(cè)得的信號(hào)進(jìn)行變換，以標(biāo)準(zhǔn)4～20 mA電流信號(hào)送至測(cè)量板，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，通過(guò)與用戶操作界面設(shè)定的氧濃度值進(jìn)行比較，經(jīng)控制器內(nèi)部PID運(yùn)算產(chǎn)生數(shù)字輸出信號(hào)，經(jīng)轉(zhuǎn)換器輸出及I/O輸出口輸出控制，分別調(diào)控控氧系統(tǒng)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度大小及與其相關(guān)的部件工作，從而控制箱體的空氣進(jìn)氣量與N2進(jìn)氣量的大小，使箱內(nèi)氧濃度量按預(yù)設(shè)定要求進(jìn)行變化。

保護(hù)系統(tǒng)包括電源斷相、風(fēng)機(jī)過(guò)載、超溫、箱內(nèi)超壓和門(mén)電動(dòng)鎖緊裝置等保護(hù)裝置。其中超溫保護(hù)及氧濃度測(cè)量尤為重要，因此，除控制器設(shè)定溫度上下限保護(hù)外，另還增加一套獨(dú)立的超溫保護(hù)裝置。設(shè)備系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，為消除不必要的干擾因素，采取相應(yīng)的抗干擾措施是提高控制可靠性的重要手段，濾波、屏蔽和接地等措施能極大地消除設(shè)備間的耦合及共阻干擾。用屏蔽線進(jìn)行數(shù)字信號(hào)的傳輸并盡量避開(kāi)電源線和動(dòng)力線，可消除傳輸線路中的電磁干擾，可有效地保證控制回路的可靠性。

由于傳感器的特性及周圍環(huán)境的因素影響，采集數(shù)據(jù)不能絲毫不差地反映被測(cè)溫度、氧濃度的變化，總存在著一定的誤差，有必要對(duì)溫度、氧濃度的偏差進(jìn)行校正，通常用相對(duì)誤差來(lái)表示其大小。非線性誤差的大小是以一定的擬合直線或理想直線作為基準(zhǔn)直線算出來(lái)的，因此，基準(zhǔn)直線不同所得出的線性精度也就不一樣，所以要找到一條能反映校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的一般趨向同時(shí)又使誤差絕對(duì)值為最小的直線，本系統(tǒng)采用分段修正方式。采用最小二乘法線性度作為傳感器特性的擬合直線，校準(zhǔn)點(diǎn)有n個(gè)，對(duì)應(yīng)的輸出值是y，然后計(jì)算出最佳的校準(zhǔn)方程式進(jìn)行溫度、氧濃度的偏差校正。

本系統(tǒng)可配置微型打印機(jī)，用于記錄試驗(yàn)過(guò)程中的溫度、氧濃度數(shù)據(jù)，還可打印用戶設(shè)定溫度、壓力試驗(yàn)程序清單。記錄功能集成在控制器內(nèi)，可同時(shí)記錄溫度、氧濃度數(shù)據(jù)，通過(guò)USB接口可轉(zhuǎn)存到優(yōu)盤(pán)，通過(guò)PC機(jī)專用軟件直接顯示和打印試驗(yàn)數(shù)據(jù)/曲線。

另外，本設(shè)備還可提供RS-485標(biāo)準(zhǔn)通訊接口，用戶可通過(guò)PC機(jī)對(duì)設(shè)備實(shí)施遠(yuǎn)程監(jiān)控。

4 結(jié)束語(yǔ)

這款高溫老化厭氧箱經(jīng)測(cè)試檢驗(yàn)，結(jié)果符合各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)要求。它能夠成功地處理好溫度、氧濃度及壓力控制的關(guān)系，客戶反映良好。

[1]徐平.電控設(shè)備可靠性工程技術(shù) [M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997.

[2]常健生.檢測(cè)與轉(zhuǎn)換技術(shù) [M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1994.

[3]林偉，邵華楓，李才安，等.水溫控制系統(tǒng)的邏輯規(guī)則控制研究 [J].測(cè)控技術(shù)，2008，（8）：67-70.