基于LabVIEW設(shè)計(jì)的 熱延伸試驗(yàn)機(jī)

武 政，王 鑫，吳福娣，郭 慧

（ 1.廣東檢驗(yàn)檢疫技術(shù)中心，廣州 510623； 2.廣州檢驗(yàn)檢疫局，廣州 510623）

基于LabVIEW設(shè)計(jì)的 熱延伸試驗(yàn)機(jī)

武 政1，王 鑫2，吳福娣1，郭 慧1

（ 1.廣東檢驗(yàn)檢疫技術(shù)中心，廣州 510623； 2.廣州檢驗(yàn)檢疫局，廣州 510623）

根據(jù)GB/T 5013.1和GB/T 2951.12的要求，對(duì)電線電纜的絕緣和護(hù)套需要進(jìn)行熱延伸試驗(yàn)。為了提高檢測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性，利用LabVIEW設(shè)計(jì)了熱延伸試驗(yàn)機(jī)，不僅實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、計(jì)算、存儲(chǔ)及監(jiān)控，還可以查看歷史記錄、實(shí)時(shí)報(bào)警等功能。該試驗(yàn)機(jī)控制界面設(shè)計(jì)友好，在線參數(shù)設(shè)定方便、擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，具有較高的實(shí)用價(jià)值。

熱延伸試驗(yàn)；LabVIEW；熱延伸試驗(yàn)機(jī)

前言

LabVIEW是美國(guó)國(guó)家儀器公司推出的創(chuàng)新軟件產(chǎn)品，也是目前發(fā)展最快、功能最強(qiáng)大的圖形化軟件開發(fā)集成環(huán)境，被視為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和一起控制軟件，廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域。

LabVIEW的優(yōu)勢(shì)在于：一是編程簡(jiǎn)單，形象生動(dòng)，易于理解和掌握；另一個(gè)方面，其針對(duì)數(shù)據(jù)采集、儀器控制、信號(hào)分析與處理等任務(wù)，提供了節(jié)點(diǎn)函數(shù)對(duì)底層協(xié)議進(jìn)行了高度封裝，用戶只需要直接調(diào)用即可，大大提高了開發(fā)效率[1]。

LabVIEW的基本功能是數(shù)據(jù)采集和儀器控制，其通過(guò)可視化的流程圖，完成對(duì)一個(gè)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、測(cè)試和驗(yàn)證。這使得設(shè)計(jì)開發(fā)變得更加高效和快速。

熱延伸試驗(yàn)機(jī)就利用了該軟件的上述功能，利用硬件驅(qū)動(dòng)軟件和儀器控制的驅(qū)動(dòng)程序完成了熱延伸試驗(yàn)機(jī)的前期設(shè)計(jì)和模擬。

熱延伸試驗(yàn)機(jī)主要用于電線電纜的熱老化性能測(cè)試試驗(yàn)，是評(píng)估電線電纜的安全性能和壽命重要因素之一。

1 軟件設(shè)計(jì)

熱延伸試驗(yàn)機(jī)軟件主要實(shí)現(xiàn)的功能是：①對(duì)各個(gè)參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控及報(bào)警；②數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；③數(shù)據(jù)曲線的顯示；④載荷下伸長(zhǎng)率和冷卻后的伸長(zhǎng)率的計(jì)算。從層次上分主要有三層：①用戶交互層；②功能函數(shù)層；③數(shù)據(jù)通訊層。

1.1 數(shù)據(jù)通訊設(shè)計(jì)

熱延伸試驗(yàn)機(jī)采用控制儀表、采集儀表、PLC控制和數(shù)據(jù)采集。上位機(jī)控制軟件需要與下位機(jī)的數(shù)據(jù)采集器、PLC、控制儀表等進(jìn)行通訊。因此該部分需要在各個(gè)模塊的通訊協(xié)議基礎(chǔ)上，進(jìn)行硬件通訊層的程序編寫。

本設(shè)計(jì)的熱電偶采集器（型號(hào)為DA100）、Rs422雙工通訊接口、Rs232串行通訊接口和以太網(wǎng)接口（MX100數(shù)據(jù)采集器）等。

由于控制部分使用觸摸屏，因此，上位機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)需要軟件采用用戶中斷的處理方式，只有在用戶點(diǎn)擊面板時(shí)觸發(fā)中斷執(zhí)行命令，在未觸發(fā)中斷時(shí)實(shí)時(shí)讀取溫度采樣。且LabVIEW通訊允許寫入/讀取PLC的中間繼電器，不可以寫入輸出繼電器，但能讀取PLC的中間繼電器，不可以寫入輸出繼電器，但能讀取PLC輸入和輸出信息，見圖1。

在設(shè)計(jì)PLC與LabVIEW通訊時(shí)要注意兩點(diǎn)：第一，用戶的任何開關(guān)冷機(jī)，風(fēng)機(jī)，加熱的操作，都需要采用中斷的方式進(jìn)行，通過(guò)中斷瞬間將要完成的動(dòng)作通訊給下位機(jī)，且和實(shí)時(shí)刷新變量分開執(zhí)行不會(huì)相互影響。第二，采用中斷時(shí)，上位機(jī)LabVIEW需要并行引用COM口，這會(huì)導(dǎo)致在接收和發(fā)送之間的COM沖突，為了解決這個(gè)問(wèn)題，需要在LabVIEW中將PLC通訊子VI化，該子VI包括每一次的數(shù)據(jù)寫入和讀取操作，并且將子VI設(shè)置為不可重入的方式。

針對(duì)其他COM口的設(shè)計(jì)與PLC的設(shè)計(jì)類似，但是在設(shè)計(jì)COM通訊程序時(shí)，針對(duì)固定幀數(shù)據(jù)格式，適用“發(fā)送代碼—讀取固定個(gè)數(shù)數(shù)據(jù)—判斷解析數(shù)據(jù)”的方式；而對(duì)于像DA100這種部分通道不連接就不輸出相應(yīng)數(shù)據(jù)的變化個(gè)數(shù)協(xié)議模式，適用“發(fā)送數(shù)據(jù)—等待固定時(shí)間—一次性讀取數(shù)據(jù)—解析數(shù)據(jù)”的方式，這樣可以保證在后續(xù)更改連接方式時(shí)不會(huì)導(dǎo)致軟件讀數(shù)錯(cuò)位和讀數(shù)等待卡頓現(xiàn)象。這也是LabVIEW提供多種COM函數(shù)的原因之一。

圖1 熱延伸試驗(yàn)機(jī)流程圖

1.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)計(jì)

熱延伸試驗(yàn)機(jī)所采集和存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)包括有：溫度、采集圖像等。其中參與計(jì)算的數(shù)據(jù)有兩組，即載荷下的伸長(zhǎng)度和冷卻后的伸長(zhǎng)度。所有的數(shù)據(jù)按照時(shí)間順序進(jìn)行存儲(chǔ)，以便計(jì)算和查看歷史記錄。

熱延伸試驗(yàn)機(jī)的數(shù)據(jù)庫(kù)采用的（ROI/SUM/BIN）格式，可以完成對(duì)產(chǎn)生數(shù)據(jù)的各種操作，如實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理、歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與查詢、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)處理、報(bào)警及數(shù)據(jù)服務(wù)請(qǐng)求處理等。

1.3 延伸率的計(jì)算

本試驗(yàn)機(jī)的測(cè)試對(duì)象有啞鈴試樣和管狀試樣兩種，其中啞鈴試樣有大啞鈴和小啞鈴之分。對(duì)于大啞鈴試樣，試樣上標(biāo)記線之間的原始距離（L1）為10 mm；對(duì)于小啞鈴試樣，試樣上標(biāo)記線之間的原始距離（L1）為20 mm。對(duì)于管狀試樣，試樣上標(biāo)記線之間的原始距離（L1）為20 mm[2]。

根據(jù)GB/T 5013.1-2008的要求，相關(guān)的絕緣試樣需要在規(guī)定溫度（200 ℃）試驗(yàn)箱下，通過(guò)計(jì)算出試樣的截面積，給試樣施加規(guī)定的作用力，施加15 min后，讀取試樣的標(biāo)線之間的距離（L2）。通過(guò)式（1）的公式，計(jì)算出載荷下的伸長(zhǎng)率（Lz）：

通過(guò)計(jì)算出的載荷伸長(zhǎng)率與標(biāo)準(zhǔn)要求的數(shù)值進(jìn)行比較，判定是否滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

測(cè)試載荷下的伸長(zhǎng)率后，熱延伸試驗(yàn)機(jī)的剪切機(jī)構(gòu)從試樣的下夾頭頂部切斷試樣后，剩余試樣在試驗(yàn)箱保持5 min，然后從試驗(yàn)箱中取出剩余的試樣，等試樣冷卻到室溫后，測(cè)量標(biāo)線之間的距離（L3），通過(guò)式（2）的公式，計(jì)算出冷卻后的伸長(zhǎng)率（Lq）：

通過(guò)計(jì)算出的冷卻后伸長(zhǎng)率與標(biāo)準(zhǔn)要求的數(shù)值進(jìn)行比較，判定是否滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

上述的計(jì)算值不應(yīng)超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)中相應(yīng)的要求值，否則，判定測(cè)試不通過(guò)[3]。

2 硬件設(shè)計(jì)

熱延伸試驗(yàn)機(jī)硬件主要實(shí)現(xiàn)的功能是：①溫度控制；②測(cè)試過(guò)程的記錄；③輔助功能包括數(shù)據(jù)計(jì)算。從硬件結(jié)構(gòu)上主要分為：①溫度試驗(yàn)箱和換氣裝置；②剪切機(jī)構(gòu)；③記錄和輔助計(jì)算部分。

2.1 溫度試驗(yàn)箱和換氣裝置設(shè)計(jì)

熱延伸試驗(yàn)儀中的溫度試驗(yàn)箱應(yīng)滿足以下條件：空氣進(jìn)入烘箱的方式應(yīng)使空氣流過(guò)試件表面，然后從烘箱頂部附近排出。在規(guī)定的老化溫度下，烘箱內(nèi)全部空氣更換次數(shù)在每小時(shí)應(yīng)不少于8次，也不多于20次[4]。

以標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5013.1-2008中表1為例，對(duì)于IE2性混合物組成的試樣，老化的溫度范圍為（200±3）℃，載荷下的伸長(zhǎng)率最大值為175 %，冷卻后的伸長(zhǎng)率最大值為25 %。

如果試樣為小啞鈴試樣，標(biāo)線最初長(zhǎng)度為20 mm。當(dāng)試樣在載荷作用下，標(biāo)線之間的距離為55 mm，即伸長(zhǎng)率為175 %。考慮到試驗(yàn)箱中上夾頭、下夾頭和載荷的長(zhǎng)度，熱延伸試驗(yàn)機(jī)內(nèi)部的烘箱高度為900 mm。

測(cè)試時(shí)，每次需要3個(gè)試樣進(jìn)行同時(shí)測(cè)試，考慮試樣的夾具、剪切機(jī)構(gòu)的寬度和操作的空間，熱延伸試驗(yàn)機(jī)內(nèi)部的烘箱寬度為800 mm。同時(shí)，測(cè)試時(shí)使用一個(gè)攝像機(jī)對(duì)3個(gè)試樣進(jìn)行監(jiān)控、記錄，考慮到有效的攝像記錄范圍，熱延伸試驗(yàn)機(jī)內(nèi)部的烘箱長(zhǎng)度為700 mm。

由于標(biāo)準(zhǔn)要求，使得空氣流過(guò)試樣表面，試驗(yàn)箱的大小以確定，為了保證氣流比較均勻，底面采用直徑為6 mm、圓心距為40 mm的布局。實(shí)物圖如圖2所示。

與之相對(duì)應(yīng)的熱延伸試驗(yàn)機(jī)頂部，有5個(gè)通氣孔，以方便熱空氣的流出。由于試驗(yàn)箱內(nèi)部為長(zhǎng)方形，頂部的四個(gè)孔成長(zhǎng)方形布置，孔心距為320 mm×300 mm，孔直徑為28 mm。為了起到調(diào)節(jié)換氣量的作用，每個(gè)通孔上有遮蓋板和撥片，詳見圖3所示。

試驗(yàn)箱側(cè)板如果采用光板（沒有孔的板），進(jìn)行換氣次數(shù)的測(cè)試時(shí)，雖然可以滿足換氣量的要求，但是開門后，試驗(yàn)溫度的回復(fù)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，不能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。因此需要在側(cè)板上增加通孔，以增加試驗(yàn)箱內(nèi)的溫度。

側(cè)板的實(shí)際加工圖，如圖4所示。左右側(cè)板的加工方法一致。由于熱的上升作用，側(cè)板中靠近底部的孔需要全部打開，上部的板孔需要根據(jù)試驗(yàn)箱內(nèi)部放置的其他附件，不斷的調(diào)節(jié)，以滿足標(biāo)準(zhǔn)的換氣率和溫度回升時(shí)間的要求。

圖2 熱延伸試驗(yàn)機(jī)底部圖

圖3 熱延伸試驗(yàn)機(jī)頂部圖

圖4 側(cè)板實(shí)物圖

2.2 剪切機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

剪切機(jī)構(gòu)也是熱延伸試驗(yàn)機(jī)的一個(gè)關(guān)鍵部件。剪切機(jī)構(gòu)的功能是將高溫條件下，受載荷作用的試樣與載荷分離。

由于剪切動(dòng)作只在試樣受載荷作用的15 min后，才可以動(dòng)作。所以，剪切機(jī)構(gòu)不需要放置于溫度試驗(yàn)箱內(nèi)，而且如果試驗(yàn)箱內(nèi)放置的過(guò)多輔助工具會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)機(jī)的換氣率不滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求。

本試驗(yàn)機(jī)的剪切機(jī)構(gòu)如圖5所示。剪切機(jī)構(gòu)有2個(gè)伺服電機(jī)，一個(gè)電機(jī)是控制整個(gè)機(jī)構(gòu)上下移動(dòng)，另一個(gè)電機(jī)控制剪切頭動(dòng)作。

整個(gè)剪切機(jī)構(gòu)前面是一個(gè)可控的遮蓋板，剪切機(jī)構(gòu)動(dòng)作時(shí)，遮蓋板打開，整個(gè)機(jī)構(gòu)伸入試驗(yàn)箱內(nèi)，動(dòng)作完成后，整個(gè)機(jī)構(gòu)退出試驗(yàn)箱，遮蓋板閉合。

2.3 記錄和輔助計(jì)算部分設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)機(jī)的記錄儀器使用的是DS-CFM500M工業(yè)相機(jī)。該產(chǎn)品數(shù)據(jù)接口為USB2.0，傳輸數(shù)據(jù)快。圖像傳輸?shù)母袷胶退俣瓤梢酝ㄟ^(guò)軟件設(shè)置，極大的方便對(duì)數(shù)據(jù)的二次應(yīng)用。

輔助計(jì)算部分，還是使用LabVIEW軟件，輸入相關(guān)的測(cè)量量，得到相應(yīng)的伸長(zhǎng)率。

3 應(yīng)用

熱延伸試驗(yàn)機(jī)完成后，取標(biāo)稱GB/T 5013.3的電線（電線的型號(hào)為1.5 mm2的黑色硅橡膠絕緣電纜）約100 mm，抽取電纜中的銅線，在試樣的中間標(biāo)記20mm的白色標(biāo)記線。查標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5013.1-2008中表1，硅橡膠絕緣的電纜為IE2型。熱延伸試驗(yàn)的溫度為200 ℃，機(jī)械應(yīng)力的要求為0.20 N/mm2.

測(cè)量樣品的絕緣厚度（σ）和外徑（D），絕緣厚度σ為0.83 mm，外徑D為3.45 mm。通過(guò)式（3）的公式，計(jì)算試樣的截面積（A）。

A=π（D-σ）σ （3）

將上述數(shù)值帶入式（3），計(jì)算出截面積（A）為6.83 mm2。試樣的機(jī)械應(yīng)力為1.366 N，施加的重量為139.33 g，取139 g為測(cè)試時(shí)的載荷。由于下夾頭的重量為49 g，還需要90 g的砝碼。

準(zhǔn)備好試驗(yàn)砝碼，對(duì)熱延伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行升溫，溫度到設(shè)定值時(shí)，將試樣用上夾頭加緊后，關(guān)閉試驗(yàn)箱。啟動(dòng)下夾頭按鈕，使得載荷夾住試樣的下部，同時(shí)，開始計(jì)時(shí)和攝像。

15 min后，取攝像時(shí)的最后一次圖像，截取標(biāo)線的距離，測(cè)試的距離為51 mm，載荷下的伸長(zhǎng)率（Lz）為155 %。測(cè)試高溫載荷后，剪切機(jī)構(gòu)動(dòng)作，剪短試樣，打開試驗(yàn)箱的門。冷卻30 min后，取攝像的圖像，標(biāo)線的距離回復(fù)為24 mm，冷卻后的伸長(zhǎng)率（Lq）為20 %。

5 結(jié)論

通過(guò)上述試驗(yàn)測(cè)試，證明了該試驗(yàn)機(jī)可以滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。該試驗(yàn)機(jī)有以下優(yōu)點(diǎn)：

圖5 剪切機(jī)構(gòu)

1）可以滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的各種試樣的要求，可以對(duì)啞鈴試樣和管狀試樣進(jìn)行測(cè)試。

2）測(cè)試和計(jì)算方便。 由于測(cè)試的初始長(zhǎng)度是固定的，測(cè)試后的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)通過(guò)確認(rèn)后，即可得到測(cè)試后的數(shù)據(jù)。

3）避免了測(cè)試人員的燙傷。測(cè)試的高溫為200 ℃。如果測(cè)試人員不熟練，會(huì)導(dǎo)致燙傷。本試驗(yàn)機(jī)通過(guò)控制系統(tǒng)控制剪切機(jī)構(gòu)動(dòng)作，減少了測(cè)試人員與高溫的接觸，減少了測(cè)試人員燙傷的可能性。

[1]龍華偉,伍俊,顧永剛,等.LabVIEW數(shù)據(jù)采集與儀器控制[M].北京：清華大學(xué)出版社, 2016:1-5.

[2] GB/T 2951.21-2008 ,電纜和光纜絕緣和護(hù)套材料通用試驗(yàn)方法第21部分：彈性體混合料專用試驗(yàn)方法—耐臭氧試驗(yàn)—熱延伸試驗(yàn)—浸礦物油試驗(yàn)[S].

[3] GB/T 5013.1-2008,額定電壓450/750V及以下橡皮絕緣電纜第1部分：一般要求[S].

[4] GB/T 2951.12-2008,電纜和光纜絕緣和護(hù)套材料通用試驗(yàn)方法第12部分：通用試驗(yàn)方法—熱老化試驗(yàn)方法[S].

武政：男，40歲，廣東檢驗(yàn)檢疫技術(shù)中心，高級(jí)工程師，從事環(huán)境測(cè)試和電氣附件的測(cè)試。

Design of Hot Set Based on LabVIEW

WU Zheng1, WANG Xin2, WU Fu-di1, GUO Hui1
(Guangdong Inspection and Quarantine Technology Centre, Guangzhou 510623)

According to the requirement of standards GB/T 5013.1 and GB/T 2951.12, the insulating and sheathing materials must be carried on the thermal expansion test.In order to improve the veracity and the reliability of test data, the hot set is designed based on LabVIEW, which not only realizes the data acquisition, calculation, storage, and monitor, but also can view task history and realize realtime alarm.Its interface has the advantages of friendly design, convenient online parameters setting, and good extensibility.It has high practical value.

thermal expansion test; LabVIEW; hot set

TP23

B

1004-7204（2016）05-0128-04