高低溫試驗(yàn)箱電表置物架和供水管路改造研究

梁 捷，龍 東

(中國南方電網(wǎng)廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院， 南寧 530023)

高低溫試驗(yàn)箱電表置物架和供水管路改造研究

梁 捷，龍 東

(中國南方電網(wǎng)廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院， 南寧 530023)

針對(duì)傳統(tǒng)高低溫試驗(yàn)箱試驗(yàn)時(shí)置物和供水操作不便的問題，分析了溫度影響下日計(jì)時(shí)誤差試驗(yàn)時(shí)存在的被試表計(jì)接線不便、箱內(nèi)氣密性不佳等問題的原因，提出了一種置物架結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案，在置物架上增設(shè)接線底座和走線槽，可實(shí)現(xiàn)底座上的電流和弱電端子壓接柱多個(gè)端子同時(shí)快速壓入接線，走線槽提供的暗線絕緣通道能使氣道缺口封堵嚴(yán)密。為了提高試驗(yàn)箱的水箱供水自動(dòng)化程度，設(shè)計(jì)了一套具備供水狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障告警功能的自動(dòng)加水裝置，可通過浮子感應(yīng)實(shí)現(xiàn)水位自動(dòng)調(diào)節(jié)。應(yīng)用結(jié)果表明，改進(jìn)后的設(shè)備能提高試驗(yàn)效率約30%，增強(qiáng)了試驗(yàn)箱溫度調(diào)節(jié)效果，保證了箱體的密封性，改善了被試箱在該實(shí)驗(yàn)溫度下的均勻度。

高低溫試驗(yàn)箱；快速壓接；氣密性；自動(dòng)加水

目前，電能表和計(jì)量終端在生產(chǎn)、包裝等過程中經(jīng)歷了復(fù)雜溫濕度環(huán)境，為避免環(huán)境對(duì)其產(chǎn)品質(zhì)量的影響，需要模擬自然環(huán)境影響，進(jìn)行高低溫試驗(yàn)。高低溫試驗(yàn)需要的試驗(yàn)設(shè)備一般為高低溫交變濕熱試驗(yàn)箱[1](以下簡(jiǎn)稱試驗(yàn)箱)。對(duì)試驗(yàn)箱在試驗(yàn)過程中存在的系統(tǒng)不穩(wěn)定和效率低等問題，文獻(xiàn)[2]通過調(diào)整制冷劑和溫濕度控制技術(shù)，改善了設(shè)備的溫濕度偏差。文獻(xiàn)[3]根據(jù)試驗(yàn)箱在試驗(yàn)任務(wù)過程中存在的水路循環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定問題，提出了水路循環(huán)系統(tǒng)以及電路控制部分的改造方法。但現(xiàn)有研究對(duì)試驗(yàn)箱置物架結(jié)構(gòu)和供水自動(dòng)化方面研究較少。本文針對(duì)傳統(tǒng)高低溫試驗(yàn)箱試驗(yàn)時(shí)置物和供水操作不便的問題，分析了試驗(yàn)時(shí)被試表計(jì)接線不便、箱內(nèi)氣密性不佳和供水自動(dòng)化程度低的原因，提出一種用于試驗(yàn)箱的電能表和計(jì)量自動(dòng)化終端的置物架結(jié)構(gòu)，增加了電流接線底座、測(cè)試線的走線槽和透氣孔填充層等部分，改善了試驗(yàn)箱的安全性和氣密性，并對(duì)水箱的供水方式進(jìn)行改造，提高了其自動(dòng)化程度，為電網(wǎng)設(shè)備安全提供了保證。

1 溫度影響日計(jì)時(shí)誤差試驗(yàn)的要求和存在的問題

溫度影響日計(jì)時(shí)誤差試驗(yàn)為南方電網(wǎng)電子式費(fèi)控電能表到貨抽檢[4]要求的一次抽查項(xiàng)目，試驗(yàn)要求參比溫度和高低溫下測(cè)量?jī)x表時(shí)鐘的日計(jì)時(shí)誤差應(yīng)滿足其隨溫度的改變量不應(yīng)超過0.1 s/(d·℃)，改變量表達(dá)式為

(1)

式中：q為儀表時(shí)鐘日計(jì)時(shí)誤差的溫度系數(shù)s/(d·℃)；e1為試驗(yàn)溫度下的儀表時(shí)鐘日計(jì)時(shí)誤差s/d；e0為參比溫度下的儀表時(shí)鐘日計(jì)時(shí)誤差s/d；t1為試驗(yàn)溫度,℃；t0為參比溫度,℃。

傳統(tǒng)試驗(yàn)箱在該試驗(yàn)過程中存在的問題如下：

1.1 接線繁瑣

樣品接線如圖1所示。將被試樣品(電能表、計(jì)量終端或低壓集抄系統(tǒng)載波模塊)放置于傳統(tǒng)試驗(yàn)箱的樣品網(wǎng)筐內(nèi)后，每個(gè)設(shè)備需要連接測(cè)試線。以南方電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)量終端為例，試驗(yàn)前需接線的端子主要為6個(gè)電流端子、4個(gè)電壓端子和5個(gè)弱電端子。傳統(tǒng)人工接線的主要過程為逐個(gè)擰松各接線端子的螺絲，將電流測(cè)試線的插棒插入樣品電流端子，將電壓、弱電測(cè)試線夾至相應(yīng)的端子，最后將已接好的線梳理、 固定， 從透氣孔引出接至標(biāo)準(zhǔn)裝置。在試驗(yàn)中，需逐根接線15條。由于被試樣品數(shù)量較多，手工接線效率較低，線路無絕緣走線槽，因此存在測(cè)試線松脫短路或強(qiáng)電干擾弱電通訊的風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 樣品接線示意圖

在托架側(cè)旁及試驗(yàn)箱內(nèi)壁通往透氣孔處，均需將連線固定傳送，由于試驗(yàn)箱的空間較小，各個(gè)樣品放置的位置不同，因此捆扎的連線需要從各部位不斷引出，沒有扎帶的專用固定點(diǎn)，各種連線交織在一起，分線復(fù)雜。

1.2 箱體密封性差

在試驗(yàn)中，被試表計(jì)需要在高/低溫環(huán)境中上電并同時(shí)讀取其時(shí)鐘秒脈沖信號(hào)，需將設(shè)備的測(cè)試線從試驗(yàn)箱工作室內(nèi)引出，接至箱外的儀表檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)裝置上。傳統(tǒng)做法是直接通過試驗(yàn)箱側(cè)壁上的圓形透氣孔引出，為了保證箱體的密封性，再用海綿等填充材料填塞測(cè)試線與透氣孔之間的間隙，如圖2所示。由于填充材料的外觀往往和間隙不能完全耦合，使得測(cè)試線的穿引銜接部位無法與透氣孔緊密接觸或固定不當(dāng)，發(fā)生松脫現(xiàn)象，造成透氣孔不能完全封堵，存在漏氣，影響箱體的密封性。

圖2 透氣孔存在縫隙

1.3 缺乏通訊模塊供電接口

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)[5-6]，低壓集抄系統(tǒng)的載波模塊的通訊測(cè)試項(xiàng)目需在高/低溫環(huán)境中上電進(jìn)行，傳統(tǒng)試驗(yàn)箱不具備該類模塊專用的AC 220交流電源供電接口和DC+12 V通信模塊模擬電源供電接口，無法對(duì)被測(cè)試模塊供電。

1.4 水箱加水問題

根據(jù)試驗(yàn)規(guī)程[7]，高低溫試驗(yàn)需保持試驗(yàn)箱工作室內(nèi)的溫濕度恒定或按要求周期變化，濕度通過水箱對(duì)試驗(yàn)箱噴水來控制。在試驗(yàn)前，需通過供水通道對(duì)水箱加水，傳統(tǒng)供水通道如圖3所示。傳統(tǒng)試驗(yàn)箱無配套的水位監(jiān)控和配套照明設(shè)施，加水量?jī)H根據(jù)目測(cè)來判斷水位，觀察環(huán)境差，易造成滿水溢出。此外，傳統(tǒng)試驗(yàn)箱只提供水箱的供水通道，加水時(shí)需要人工搬運(yùn)飲水機(jī)桶裝水(常用容量為18 L)倒入水箱，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。

圖3 傳統(tǒng)供水通道

2 試驗(yàn)箱結(jié)構(gòu)改進(jìn)

2.1 置物架結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)置物盒俯視結(jié)構(gòu)如圖4所示，電能表、計(jì)量終端以及模塊共用一個(gè)籃筐式置物架，籃架橫條間距與模塊尺寸不匹配，放置模塊時(shí)需考慮額外固定措施，無專用的樣品接線和供電措施，接線和試驗(yàn)不便。對(duì)此，改進(jìn)了試驗(yàn)箱的樣品置物架。改造后電能表、計(jì)量終端置物架結(jié)構(gòu)和實(shí)物分別如圖5、6所示，電能表和計(jì)量終端置物架主要由抽屜框架、接線底座、過線槽以及模塊盒構(gòu)成。其中電流接線底座分為兩種類型，分別用于計(jì)量自動(dòng)化終端和電能表的電流測(cè)試端子接線，并對(duì)應(yīng)放置尺寸與樣品匹配的模塊盒。接線底座上的電流和弱電端子壓接柱可實(shí)現(xiàn)多個(gè)端子同時(shí)壓入接線，能有效縮短接線時(shí)間。

圖4 改造前置物盒俯視結(jié)構(gòu)圖

圖5 改造后電能表和計(jì)量終端置物盒俯視結(jié)構(gòu)圖

圖6 電表和計(jì)量終端置物盒實(shí)物圖

過線槽提供樣品電壓、電流和弱電測(cè)試線的暗線通道，從電流接線底座、電壓和弱電端子插孔進(jìn)入，沿模塊盒內(nèi)腔延伸至靠近內(nèi)側(cè)的過線槽口，再由試驗(yàn)箱側(cè)壁上的透氣孔(圖2箭頭處)引出。當(dāng)需要進(jìn)行通電測(cè)試時(shí)，不需要打開試驗(yàn)箱箱門，只需將透氣孔外套管內(nèi)的測(cè)試線引出續(xù)接至檢測(cè)裝置，即可進(jìn)行通電測(cè)試。強(qiáng)弱電過線槽通過絕緣套管分離保證強(qiáng)弱電之間的安全隔離，測(cè)試線可固定于暗線通道，使布線美觀方便。

為了保證氣密性，根據(jù)試驗(yàn)箱透氣孔和測(cè)試線套管之間間隙的尺寸定制氟橡膠填充層，該材料可耐250 ℃以下高溫，柔軟、密封性好。根據(jù)規(guī)程[7]，高溫試驗(yàn)溫度為+70 ℃，低溫為-25 ℃，故能滿足試驗(yàn)需求。

此外，在抽屜的左側(cè)板和抽屜的右側(cè)板的底部分別安裝一個(gè)滾動(dòng)滑輪，減小了置物架與托架接觸面的摩擦。

載波通信模塊置物架如圖7、8所示。在模塊盒1、2分別放置符合南方電網(wǎng)規(guī)范[8]的集中器和單相電子式電能表外置載波模塊，通過帶相應(yīng)模塊的AC220交流電源(強(qiáng)電)供電接口、DC+12 V通信模塊模擬電源(弱電)供電接口，可對(duì)被放置模塊供電。通過具備電能表通信信號(hào)RXD、TXD引腳測(cè)試接口，可外接信號(hào)源為載波模塊提供心跳信號(hào)，為模塊通訊測(cè)試提供條件[9]。

圖7 改造后載波通訊模塊置物盒俯視結(jié)構(gòu)圖

2.2 自動(dòng)加水裝置設(shè)計(jì)

針對(duì)人工加水效率低的問題，研制了一種用于高低溫試驗(yàn)箱的自動(dòng)加水裝置，其結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖8 載波通訊模塊所提置物盒實(shí)物圖

自動(dòng)加水裝置主要由水泵、監(jiān)測(cè)儀表、控制臺(tái)、蓄水池等組成。出水管與進(jìn)水泵之間裝有計(jì)量罐，用于測(cè)量水源(如水龍頭、桶裝純凈水等)對(duì)試驗(yàn)箱水箱的供水量。供水泵通過供水管與試驗(yàn)箱的水箱連接，水箱內(nèi)設(shè)有浮子，通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制板與控制電路連接，根據(jù)浮子靈敏感應(yīng)水箱中水位的變化，并反饋至控制臺(tái)控制水泵啟停，可實(shí)現(xiàn)水箱缺水自動(dòng)補(bǔ)水功能。當(dāng)水箱內(nèi)水位下降時(shí)，浮子隨著水位的下降，在重力作用下拉動(dòng)浮子繩牽引浮子傳動(dòng)機(jī)構(gòu)向右移動(dòng)，浮子傳動(dòng)機(jī)構(gòu)通過滑輪組位移轉(zhuǎn)換，使可動(dòng)控制板的觸頭上移，與固定控制板接觸，接通反饋控制回路，并產(chǎn)生反饋信號(hào)反饋至控制電路和控制臺(tái)，控制臺(tái)發(fā)出聲光告警，提醒加水；控制電路為“與”邏輯，根據(jù)測(cè)試人員的需要進(jìn)行“與”邏輯判斷，當(dāng)控制臺(tái)下達(dá)同意自動(dòng)加水命令至控制電路時(shí)，供水泵電機(jī)啟動(dòng)對(duì)水箱加水。

圖9 自動(dòng)加水裝置整體結(jié)構(gòu)圖

3 改進(jìn)后應(yīng)用效果

3.1 試驗(yàn)操作效率比較

以廣西電網(wǎng)某計(jì)量檢測(cè)機(jī)構(gòu)的試驗(yàn)箱(以下簡(jiǎn)稱被試箱)為例，被試箱型號(hào)為HUTR01C，溫度調(diào)節(jié)范圍為-40 ℃～+150 ℃。

設(shè)備改進(jìn)后，對(duì)本機(jī)構(gòu)到貨抽檢的樣品進(jìn)行了多次應(yīng)用，情況如表1所示。表1中的操作過程平均用時(shí)由原來的8.4 min縮短到5 min左右，相比傳統(tǒng)方法所用的時(shí)間縮短了約30%。其原因是改造后的置物架上配置有電流、弱電端子壓接臺(tái)座。接線時(shí)可將電流和弱電端子壓接柱一次性插入終端的相應(yīng)端子中，再手動(dòng)上緊螺絲，效率高于人工逐根接線的方式。其次，提供引出箱外的專用測(cè)試線、走線槽和通道，已做好固定和氣密性措施，無需額外引線。改造前被試箱需人工加水，如圖3所示，加水時(shí)通過水箱的開放式引水槽引入水箱中，引水槽較淺且無防溢水措施，使得注水速度較慢且水易流出箱外；通過人工觀察監(jiān)測(cè)液位高度，加水量難以準(zhǔn)確控制，易造成加水不足或過剩。改造后增設(shè)了自動(dòng)加水裝置，啟動(dòng)供水泵，通過供水管路自動(dòng)對(duì)水箱加水，供水速率可達(dá)到20 L/ min。通過靜壓投入式液位計(jì)遠(yuǎn)程監(jiān)控液位，可在控制臺(tái)設(shè)置滿水告警閾值，水滿時(shí)發(fā)聲報(bào)警，提醒用戶停止加水，操作簡(jiǎn)單。

表1 置物盒接線和加水改造前后操作效率比較

3.2 試驗(yàn)箱溫度調(diào)節(jié)效果比較

下面分別對(duì)改造前后的被試箱進(jìn)行高低溫影響下日計(jì)時(shí)誤差試驗(yàn)，對(duì)樣品的升/降溫度曲線進(jìn)行比較。

被試箱的升溫曲線如圖10所示。升溫目標(biāo)為+40 ℃，壓縮制冷循環(huán)機(jī)組停止工作。在PID控制器的調(diào)節(jié)下，根據(jù)箱內(nèi)的實(shí)測(cè)溫度信號(hào)與設(shè)定溫度之間的差值控制電加熱器的輸出功率。恒溫空氣經(jīng)離心風(fēng)機(jī)由送風(fēng)口送入試驗(yàn)箱工作室內(nèi)，在箱內(nèi)進(jìn)行熱量交換，使試驗(yàn)箱內(nèi)溫度逐漸升高。在圖10中升溫階段，由于試驗(yàn)箱內(nèi)實(shí)際溫度與設(shè)定溫度相差較大，因此加熱輸出功率增大，升溫速率較快。隨著試驗(yàn)箱內(nèi)溫度接近設(shè)定溫度，加熱器輸出功率減小，試驗(yàn)箱內(nèi)的升溫速率逐漸降低，最后穩(wěn)定在+40 ℃，波動(dòng)較小，進(jìn)入穩(wěn)定階段。

在圖10中，改造前被試箱升至目標(biāo)溫度所需時(shí)間約為375 s，升溫階段的平均升溫速率約為0.06 ℃/s。改造后升至目標(biāo)溫度所需時(shí)間約為275 s，平均升溫速率約為0.08 ℃/s，改造后升溫效率得到了提高。

改造前，升溫速度較慢原因是在進(jìn)行該試驗(yàn)時(shí)，需將工作室內(nèi)連接樣品的電測(cè)試線引出箱外，傳統(tǒng)設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)未考慮預(yù)留專用引線通道，采用透氣孔強(qiáng)引的方法會(huì)在箱壁留下縫隙，難以完全封堵，無法保證氣密性，使實(shí)驗(yàn)時(shí)箱內(nèi)的風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)與周圍環(huán)境存在熱交換，部分加熱后的空氣從透氣孔和測(cè)試線之間的間隙泄露，就會(huì)降低高低溫箱升溫或降溫效率。改造后的被試箱增加了專用測(cè)試引線通道，在透氣孔和測(cè)試線之間的間隙根據(jù)缺口尺寸定制密封材料填充，使加熱后空氣的熱傳遞損耗小，升溫速度較快。

圖10 被試箱改造前后升溫曲線比較

被試箱的降溫曲線如圖11所示，情況與升溫曲線類似，區(qū)別在于溫度跨度較大，降溫時(shí)間較長(zhǎng)。

3.3 溫度均勻度比較

在規(guī)范[10]中，溫度均勻度為試驗(yàn)箱在穩(wěn)定狀態(tài)下，工作空間在某一瞬時(shí)各測(cè)試點(diǎn)溫度之間的差值。取同種型號(hào)的溫度傳感器9支，在試驗(yàn)箱內(nèi)取9個(gè)測(cè)試點(diǎn)，Φ={A1～A9}。選擇4個(gè)溫度點(diǎn)：-40 ℃、-25 ℃、+40 ℃、+150 ℃。將被試箱分別設(shè)定為上述溫度，啟動(dòng)試驗(yàn)達(dá)到目標(biāo)溫度并穩(wěn)定后，逐個(gè)記錄各測(cè)試點(diǎn)位置的溫度，共記錄15組，即TiA1～TiA9(i=1，2，…，15。j∈Φ)，定義ΔTi為

圖11 被試箱改造前后降溫曲線比較

ΔTi=max(|TiA1-TiA2|，|Tij-

TiA3|，…，|Tij-TiA15|)

(2)

則該溫度點(diǎn)上的溫度均勻度為

ΔTi=max(ΔT1，ΔT2，…，ΔT15)

(3)

被試箱4個(gè)溫度點(diǎn)的溫度均勻度測(cè)試結(jié)果如表2所示，可見改造前后的被試箱的溫度均勻度均未超過規(guī)范[10-11]要求的最大允許值，即均滿足技術(shù)規(guī)范要求。但除了+20 ℃點(diǎn)外，改造后被試箱其它3個(gè)測(cè)試點(diǎn)的溫度均勻度均小于改造前，說明改造后被試箱內(nèi)的空間溫度分布均勻性較好。溫度為+20 ℃時(shí)，改造前后的溫度均勻度相等且較小，其原因是測(cè)試時(shí)被試箱外室溫約為+18 ℃，與該設(shè)定溫度接近，工作室內(nèi)外的溫差小，電加熱器的調(diào)節(jié)工作量小，該溫度下的均勻度均較好。改造前被試箱在+40 ℃和-25 ℃的溫度均勻度較大，由于改造前箱體的密封性能不好，被試箱壁和工作室門的接合處能保證足夠的保溫層厚度以減少熱損失，透氣孔用于穿引測(cè)試線時(shí)銜接部位未能完全封堵，存在風(fēng)循環(huán)外流，因此影響工作空間的溫場(chǎng)均勻性。被試箱改造時(shí)選擇隔熱材料封堵透氣孔漏氣部分，防止局部漏氣，保證箱體的密封性，改善了被試箱該溫度下的均勻度。

表2 試驗(yàn)箱工作空間內(nèi)溫度均勻度測(cè)試結(jié)果

4 結(jié) 語

本文針對(duì)傳統(tǒng)高低溫試驗(yàn)箱試驗(yàn)時(shí)存在的被試表計(jì)接線不便、箱內(nèi)氣密性不佳等問題，改進(jìn)了置物架的結(jié)構(gòu)，使電流和弱電測(cè)試線能夠快速壓入接線。設(shè)計(jì)了水箱自動(dòng)加水控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了缺水自動(dòng)加水和加水狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)，克服了人工操作的不足。廣西電網(wǎng)某檢測(cè)機(jī)構(gòu)的應(yīng)用情況表明，改進(jìn)后的設(shè)備能有效提高樣品接線、引線和加水操作的效率，改善了升/降溫速率和溫度均勻度。

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[9] 中國南網(wǎng)電網(wǎng)有限公司標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì).Q/CSG 11109006-2013 中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司計(jì)量自動(dòng)化終端外形結(jié)構(gòu)規(guī)范[S]. 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2013.

[10] 國家電網(wǎng)公司.Q/GDW 1376.2 2012電力用戶用電信息采集系統(tǒng)通信協(xié)議(第3部分)[S]. 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2012.

[11] 中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).JJF 1101-2003 環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備溫度、濕度校準(zhǔn)規(guī)范[S]. 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2003.

Study on reconstruction of meter shelf and water-supply line of high and low temperature test chamber

LIANG Jie，LONG Dong

(Electric Power Research Institute of China Southern Power Grid Guangxi Power Grid Co.,Ltd.,Nanning 530023,China)

In view of the inconvenient operation in the storage and water supply of traditional high and low temperature test chamber during the test, the causes of the problems such as the inconvenient wiring of the tested meter and the poor air tightness in the box in the daily reckoning error test influenced by temperature are analyzed. A kind of improvement scheme of the shelf structure is proposed, in which the wiring base and the wiring trough are added on the shelves, so as to make the current and the weak voltage terminals on the base be swiftly pressed into the wiring when they contact with multiple terminals. Also, in the scheme, dark line insulation channel in the wiring trough can make the airway gap get tightly closed. In order to improve the water supply automation of the test water chamber, the automatic water supply system with water supply condition monitoring and fault alarm function is designed, in which float induction can be used to adjust the water level automatically. The application results show that the reformed equipment can improve the test efficiency by about 30%, enhance the temperature regulation effect, ensure the tightness, and improve uniformity of the test chamber under a certain temperature.

high and low temperature test chamber; fast crimping; air tightness; automatic watering

2017-05-25;

2017-06-14。

梁 捷(1987—)，男，工程師，研究方向?yàn)殡娔苡?jì)量管理和電能表型式試驗(yàn)。

TM930.3

A

2095-6843(2017)05-0419-06

(編輯侯世春)