空氣熱老化試驗(yàn)箱校準(zhǔn)方法研究

常宗英

(晉中市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢驗(yàn)測(cè)試所，山西 晉中 030600)

電線電纜產(chǎn)業(yè)是我國的重要產(chǎn)業(yè)之一，生產(chǎn)企業(yè)和檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)遍布全國，幾乎每家都配備有數(shù)量不等的空氣熱老化試驗(yàn)箱，檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)和相應(yīng)設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)都對(duì)其計(jì)量性能進(jìn)行了規(guī)定，3C、煤安、生產(chǎn)許可證、CNAS、檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)計(jì)量認(rèn)證等都要求對(duì)其進(jìn)行有效溯源?？諝鉄崂匣囼?yàn)箱(以下簡稱熱老化箱)用于電線電纜絕緣材料的耐熱性試驗(yàn)，也可用于塑化和橡膠制品的換氣老化性能測(cè)試，考核和判斷這些材料在高溫環(huán)境下的貯存和使用性能。老化箱技術(shù)性能要求對(duì)換氣次數(shù)和溫度測(cè)量都要校準(zhǔn)，目前現(xiàn)有的一些國標(biāo)和行標(biāo)做了相應(yīng)規(guī)定，但是方法要求均不一致，嚴(yán)重影響空氣熱老化箱的有效溯源，從而影響電線電纜產(chǎn)品檢驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確可靠。筆者通過對(duì)現(xiàn)有方法標(biāo)準(zhǔn)的比較研究，并結(jié)合日常工作實(shí)踐，進(jìn)一步探討切實(shí)可行的空氣熱老化試驗(yàn)箱校準(zhǔn)方法。

1 校準(zhǔn)項(xiàng)目與參量要求

1.1 校準(zhǔn)項(xiàng)目

老化箱內(nèi)空氣更換次數(shù)、溫度偏差、溫度指示誤差、溫度波動(dòng)度、溫度均勻度等。

1.1.1 箱內(nèi)全部空氣更換次數(shù)

1.1.2 溫度偏差：在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，熱老化箱工作空間各溫度測(cè)量點(diǎn)實(shí)測(cè)最高和最低溫度，分別與標(biāo)稱溫度的上、下偏差。

1.1.3 溫度指示誤差：熱老化箱顯示溫度值與箱內(nèi)實(shí)際溫度值之差。

1.1.4 溫度波動(dòng)度：在穩(wěn)定狀態(tài)下，熱老化箱在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，工作空間任意溫度測(cè)量點(diǎn)的溫度隨時(shí)間的變化量.

1.1.5 溫度均勻度：在穩(wěn)定狀態(tài)下，熱老化箱工作空間在某一瞬時(shí)實(shí)測(cè)任意兩點(diǎn)之間的最大溫差。

1.2 參量要求

熱老化箱主要技術(shù)要求見表1.

表1 主要技術(shù)要求
Tab.1 The main technical requirements

項(xiàng)目Project技術(shù)要求Technicalrequirement(0～100)℃(100～200)℃(200～300)℃箱內(nèi)全部空氣更換次數(shù)(8～20)次/h溫度偏差(℃)±1±2±3溫度波動(dòng)度(℃)±0．5±1±1．5溫度均勻度(℃)114溫度指示誤差(℃)±1±2±3注：測(cè)量特性或檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)另有規(guī)定時(shí)，校準(zhǔn)應(yīng)按有關(guān)技術(shù)文件的要求進(jìn)行。

2 校準(zhǔn)條件

(1)環(huán)境條件：溫度：15 ℃～35 ℃，相對(duì)濕度：小于等于85%，氣壓：80 kPa～106 kPa，還應(yīng)滿足電氣測(cè)試設(shè)備和產(chǎn)品使用說明書的要求。

(2)負(fù)載條件：一般在無負(fù)載時(shí)校準(zhǔn)。根據(jù)用戶要求，也可在負(fù)載狀態(tài)下校準(zhǔn)，但應(yīng)說明負(fù)載情況。

(3)其它條件：箱體周圍應(yīng)無強(qiáng)烈振動(dòng)，無腐蝕性氣體，應(yīng)避免其他冷熱源影響。

(4)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)及其他配套設(shè)備

測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)及其他配套設(shè)備見表2.

3 校準(zhǔn)溫度點(diǎn)的選擇

一般應(yīng)選擇試驗(yàn)箱使用范圍的上、下限和中間溫度點(diǎn)，也可選擇用戶常用溫度點(diǎn)，在每一溫度點(diǎn)分別進(jìn)行各項(xiàng)目的校準(zhǔn)。

表2 測(cè)試用標(biāo)準(zhǔn)器和配套設(shè)備
Tab.2 Test standard equipment and Auxiliary equipment

序號(hào)名稱測(cè)量范圍技術(shù)要求用途備注1溫度傳感器(0～300)℃熱電阻不低于B級(jí)廉金屬熱電偶不低于Ⅰ級(jí)溫度測(cè)量9支熱電偶(阻)組相互間在200℃時(shí)溫度偏差不大于0．2℃2測(cè)溫儀器(0～300)℃不低于0．02級(jí)采集及顯示溫度時(shí)間常數(shù)應(yīng)小于15s3低熱電勢(shì)轉(zhuǎn)換開關(guān)/寄生電勢(shì)<1μV采集切換4標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計(jì)(0～300)℃二等標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量箱內(nèi)幾何中心點(diǎn)溫度測(cè)換氣次數(shù)時(shí)用5單相電能表5A0．5級(jí)測(cè)量試驗(yàn)箱一定時(shí)間的耗電量測(cè)換氣次數(shù)時(shí)用6秒表/分度值0．1s計(jì)時(shí)

4 換氣次數(shù)的測(cè)定

4.1 試驗(yàn)箱在密封狀態(tài)下的耗電量

將老化箱的所有通風(fēng)口均關(guān)閉，在其門縫、溫度計(jì)插口、進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口及有可能內(nèi)外空氣流通交換的部位粘貼膠粘帶，使老化箱內(nèi)完全密封。

標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)放于試驗(yàn)箱內(nèi)幾何中心處，觀察箱內(nèi)溫度。設(shè)定試驗(yàn)箱溫度，當(dāng)試驗(yàn)箱溫度達(dá)到與試驗(yàn)要求溫度相差±2 ℃穩(wěn)定后，恒溫1 h.

在密封狀態(tài)下，用標(biāo)準(zhǔn)電能表測(cè)量老化箱加熱器30 min的耗電量，換算成該時(shí)間段的平均功率P1，開始和結(jié)束均應(yīng)與加熱周期的“開—關(guān)”相對(duì)應(yīng)。

4.2 試驗(yàn)箱在開封狀態(tài)下的耗電量

拆去密封膠帶后，調(diào)節(jié)老化箱進(jìn)氣孔和出氣孔位置，恒溫1 h.用同樣方法對(duì)開封狀態(tài)下老化箱加熱器的電量消耗進(jìn)行測(cè)量，換算出該時(shí)間段的平均功率P2.

4.3 箱外環(huán)境溫度

在老化箱2 m處的底部水平位置，且周圍0.6 m內(nèi)無任何實(shí)物時(shí)，進(jìn)行箱外環(huán)境溫度的測(cè)量，環(huán)境溫度與箱內(nèi)溫度之差在老化箱開封和密封狀態(tài)下應(yīng)相同，誤差要小于0.2 ℃.

4.4 換氣次數(shù)計(jì)算

測(cè)定完成后按式(1)計(jì)算老化箱每h換氣次數(shù)N：

(1)

式中，CP——常壓狀態(tài)空氣的比熱(1.003 J/g)

N——換氣次數(shù)，次/h

P1——?dú)忾T關(guān)閉狀態(tài)的平均功率，W；

P2——?dú)忾T開啟狀態(tài)的平均功率，W；

t1——環(huán)境溫度，℃；

t2——箱內(nèi)溫度，℃；

V——試驗(yàn)箱內(nèi)容積，L；

d——試驗(yàn)時(shí)的周邊環(huán)境空氣密度，g/L，見表3

若實(shí)驗(yàn)測(cè)得的老化箱換氣次數(shù)超出(8～20)次/h范圍，可重新調(diào)節(jié)進(jìn)氣孔和出氣孔位置后，按4.2再次測(cè)量老化箱在開封狀態(tài)下的耗電量。

若進(jìn)出氣孔調(diào)到極限位置，熱老化箱的換氣次數(shù)仍不滿足表1的要求，則可不進(jìn)行后續(xù)校準(zhǔn)，直接判定該老化箱不合格。

表3 空氣密度
Tab.3 Air density

溫度℃密度g/L溫度℃密度g/L溫度℃密度g/L溫度℃密度g/L11．288111．243211．201311．16121．284121．239221．197321．15731．279131．235231．193331．15441．275141．230241．189341．15051．270151．226251．185351．14661．265161．222261．181361．14271．261171．217271．177371．13981．256181．213281．173381．13591．253191．209291．169391．132101．248201．205301．165401．128

5 溫度偏差、溫度指示誤差、溫度均勻度、溫度波動(dòng)度的校準(zhǔn)

5.1 校準(zhǔn)點(diǎn)數(shù)量及位置

根據(jù)箱內(nèi)容積大小，將老化箱工作空間分為三層(上層、中層和下層，工作空間的幾何中心分布在中層)。測(cè)量點(diǎn)分別位于這三層上，用英文字母O、A、B、C、D、E、F、G、H、I、J、K、L、M、N表示，O點(diǎn)為老化箱工作空間中心點(diǎn)，選擇一定數(shù)量的傳感器，避開冷熱源的直接輻射，布放在規(guī)定位置上。除中心點(diǎn)外，其它各測(cè)量點(diǎn)位置與試驗(yàn)箱體內(nèi)壁距離為箱體內(nèi)各自邊長的1/10，且最大距離不大于500 mm，最小距離不小于50 mm。

老化箱試驗(yàn)容積小于2 m3時(shí)測(cè)量點(diǎn)為9個(gè)，布放位置如圖1；大于2 m3時(shí)測(cè)量點(diǎn)為15個(gè)，布放位置如圖2

圖1 老化箱試驗(yàn)容積小于或等于2m3時(shí)布放位置
Fig.1 Aging tank test volume less than 2m3when laying position

圖2 老化箱試驗(yàn)容積大于2m3時(shí)布放位置
Fig.2 Aging tank test volume greater than 2m3when laying position

5.2 校準(zhǔn)步驟及測(cè)量數(shù)據(jù)修正

所有溫度項(xiàng)目的校準(zhǔn)可同時(shí)進(jìn)行：根據(jù)傳感器布放要求，調(diào)整溫度控制器，設(shè)定試驗(yàn)箱標(biāo)稱溫度，使設(shè)備正常工作。當(dāng)老化箱溫度與試驗(yàn)要求溫度的偏離達(dá)到±2 ℃且穩(wěn)定后，開始測(cè)量設(shè)備指示溫度和各測(cè)量點(diǎn)溫度，記錄間隔為2 min，30 min內(nèi)測(cè)量15次，對(duì)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)采集的所有測(cè)量數(shù)據(jù)均應(yīng)進(jìn)行修正。

5.3 溫度偏差的計(jì)算

對(duì)采集并修正后的數(shù)據(jù)，分別按式(2)和式(3)計(jì)算溫度上、下偏差Δtdmax和Δtd min：

Δtdmax=tmax-tN

(2)

Δtd min=tmin-tN

(3)

式中：Δtdmax、Δtd min——溫度上、下偏差，℃ ；

tmax、tmin——30 min內(nèi)各測(cè)量點(diǎn)測(cè)得的最高、最低溫度，℃ ；

tN——標(biāo)稱溫度值，℃ ；

5.4 溫度均勻度的計(jì)算

對(duì)采集并修正后的數(shù)據(jù)，按式(4)計(jì)算溫度均勻度Δtu：

(4)

式中：Δtu——溫度均勻度，℃ ；

tjmax、tj min——在第j次測(cè)量中，各測(cè)量點(diǎn)所測(cè)最高、最低溫度，℃ ；

5.5 溫度波動(dòng)度的計(jì)算

對(duì)采集并修正后的數(shù)據(jù)，，按式(5)和或(6)計(jì)算溫度波動(dòng)度Δtf：

(5)

Δti=timax-ti min

(6)

式中：Δtf——溫度波動(dòng)度，℃ ；

timax、ti min——在30 min內(nèi)，第i點(diǎn)所測(cè)得最高、最低溫度值，℃ ；

取Δtj絕對(duì)值最大值為設(shè)備溫度波動(dòng)度。

5.6 溫度指示誤差的計(jì)算

對(duì)采集并修正后的數(shù)據(jù)，，按式(7)計(jì)算溫度指示誤差Δtd：

(7)

式中：Δtd——溫度指示誤差，℃ ；

m——測(cè)量點(diǎn)數(shù)，m=9或15;

n——設(shè)備測(cè)量次數(shù)，此處n=15;

tij——設(shè)備第j點(diǎn)第i次的溫度測(cè)量值，℃；

ti——設(shè)備第i次指示溫度值，℃.

6 校準(zhǔn)結(jié)果及復(fù)校時(shí)間間隔

校準(zhǔn)完成后出具校準(zhǔn)證書，校準(zhǔn)證書應(yīng)給出每一校準(zhǔn)點(diǎn)的箱內(nèi)空氣換氣次數(shù)、溫度偏差、溫度波動(dòng)度、溫度均勻度、溫度指示誤差及測(cè)量結(jié)果不確定度，復(fù)校時(shí)間間隔可根據(jù)熱老化箱的實(shí)際使用情況由用戶自主決定，通常不超過1年。

7 結(jié)束語

通過明確校準(zhǔn)項(xiàng)目和技術(shù)性能要求，采用相應(yīng)的校準(zhǔn)方法，最終計(jì)算出各校準(zhǔn)點(diǎn)的換氣次數(shù)和溫度指標(biāo)及其測(cè)量結(jié)果不確定度，使用戶在使用熱老化箱時(shí)可依據(jù)校準(zhǔn)結(jié)果進(jìn)行修正，確保電線電纜老化性能檢驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確可靠。

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