基于自整定降低老化箱溫度過沖量的研究

王 強(qiáng),李 晶

(1.上海國纜檢測股份有限公司,上海 200444;2.同濟(jì)大學(xué),上海 200082)

0 引 言

電纜檢測中,老化試驗(yàn)作為通用試驗(yàn),可測試產(chǎn)品的可靠性,發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的質(zhì)量問題,驗(yàn)證產(chǎn)品能否適應(yīng)市場環(huán)境中的變化[1],對于電纜產(chǎn)品的把控具有重要意義。 根據(jù)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 第十二部分:通用試驗(yàn)方法——熱老化試驗(yàn)方法》、JB/T 4278.6—2011《橡皮塑料電線電纜試驗(yàn)儀器設(shè)備檢定方法 第六部分——自然通風(fēng)熱老化試驗(yàn)箱》等標(biāo)準(zhǔn)[2],老化試驗(yàn)溫度的過沖量要求不大于2 ℃。 過沖量指在設(shè)備升溫或降溫至規(guī)定溫度過程中,工作時間實(shí)際溫度超出規(guī)定溫度允許范圍的量。 在試驗(yàn)時,溫度過沖量超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值,易造成試驗(yàn)結(jié)果不準(zhǔn)確,故研究如何降低老化箱溫度過沖量具有重要意義。 通常,試驗(yàn)員通過以往工作經(jīng)驗(yàn)手動調(diào)節(jié)設(shè)定溫度來控制溫度過沖量,這種方法不僅操作復(fù)雜,還容易產(chǎn)生溫度偏差。

自整定指通過設(shè)定老化箱顯示儀表來自動調(diào)整溫度過沖量的方法,即通過比例、積分、微分(PID)控制器來設(shè)置PID 參數(shù),計算的時間自動調(diào)整,與所設(shè)定的溫度有關(guān)[3]。 自整定具有操作簡單、降低溫度過沖量明顯等優(yōu)勢。 因此,本工作通過自整定研究過沖量調(diào)節(jié)。

1 自整定原理

1.1 老化箱加熱模式

老化箱的加熱模式為三段式加熱,即加熱分為三步[4]。 第一步,低溫加熱區(qū)域,升溫速率極快,如老化箱溫度設(shè)定為200 ℃,其從室溫到150 ℃為迅速加熱;第二步,加熱速率低于第一步加熱速率,在設(shè)定溫度為200 ℃的老化箱中,一般由150 ℃到170 ℃為第二步加熱階段;第三步,升溫速率極緩慢,指第二步完成后,達(dá)到設(shè)定溫度點(diǎn),且穩(wěn)定運(yùn)行[4]。

1.2 自整定調(diào)節(jié)方式

自整定調(diào)節(jié)方式有兩種。 一是低溫超調(diào)方式[5],即當(dāng)老化箱在完成三段式加熱中的前兩段后,在第三段加熱過程中,溫度無限接近設(shè)定溫度,加熱速率無限變慢,不斷接近設(shè)定溫度,最終達(dá)到設(shè)定溫度,見圖1;二是高溫超調(diào)方式,也稱為標(biāo)準(zhǔn)調(diào)溫方式,現(xiàn)行大多數(shù)老化箱按照這種調(diào)溫方式來調(diào)溫,見圖2。

圖1 低溫超調(diào)圖

圖2 高溫超調(diào)圖

高溫超調(diào)方式,即在第三段加熱模式中,溫度無限接近設(shè)定溫度后,加熱速度變慢,但高于設(shè)定溫度,在達(dá)到某個高溫后,慢慢降低,穿越溫度設(shè)定線,隨后又低于設(shè)定溫度,不斷往復(fù)。 在往復(fù)過程中,振幅不斷減小,直至達(dá)到設(shè)定溫度,且穩(wěn)定于其偏差范圍內(nèi)。 偏差范圍根據(jù)試驗(yàn)要求設(shè)定,一般不大于2 ℃。

2 自整定調(diào)節(jié)過沖量

2.1 試驗(yàn)條件

自整定是通過模擬老化箱加熱模式來調(diào)節(jié)溫度過沖量的[6]。 因此,在設(shè)定溫度和初始加熱溫度之間必須有足夠大的溫度區(qū)間(從溫度起始點(diǎn)到設(shè)定溫度的區(qū)間大小),以便老化箱在加熱過程中將三段加熱程序完全運(yùn)行。

在自整定程序運(yùn)行期間,溫度區(qū)間大小不同,時間也不同[7]。 考慮到自整定試驗(yàn)時不可中斷程序,一般需預(yù)留好足夠的試驗(yàn)時間;其次,在自整定過程中,不允許做線纜檢測試驗(yàn)。

2.2 試驗(yàn)方法

為了研究通過自整定降低老化箱溫度過沖量,按照J(rèn)B/T 4278.6—2011 進(jìn)行老化箱設(shè)備檢定試驗(yàn)。 試驗(yàn)中,使用RL100 老化箱,因?yàn)镽L100 老化箱在國內(nèi)電纜檢測行業(yè)中應(yīng)用廣泛,具有較強(qiáng)的代表性。

試驗(yàn)時,在自整定前和自整定后分別測量老化箱溫度過沖量,并進(jìn)行對比。 參考電線電纜老化試驗(yàn),試驗(yàn)選取85,150,200,300 ℃作為設(shè)定溫度點(diǎn),可包含老化試驗(yàn)所有溫度;補(bǔ)充自整定加熱區(qū)間對溫度過沖量的影響試驗(yàn),測量不同初始溫度和不同設(shè)定溫度下的溫度過沖量。

3 結(jié)果與討論

試驗(yàn)分為3 個步驟:①測量設(shè)定溫度下自整定前老化箱溫度過沖量大小;②測量設(shè)定溫度下自整定后老化箱溫度過沖量大小;③測量設(shè)定溫度下和初始溫度均不同的情況下老化箱溫度過沖量大小。

自整定前, 設(shè)定溫度分別為 85,150,200,300 ℃。 根據(jù)實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn),從初始溫度分別為30,40,50,60,70 ℃開始加熱,試驗(yàn)結(jié)果見圖3。

圖3 自整定前溫度過沖量

由圖3 可知,當(dāng)設(shè)定溫度為85,150,200,300 ℃時,溫度過沖量的變化呈現(xiàn)相同趨勢,即初始溫度相同,設(shè)定溫度越高,溫度過沖量越小;設(shè)定溫度相同,初始溫度越高,溫度過沖量越大。 當(dāng)初始溫度為50 ℃時,設(shè)定溫度為85 ℃的溫度過沖量最大,其次為150,200,300 ℃。 由此可知,溫度區(qū)間范圍越大,溫度過充量越小。

自整定后,依次測量老化箱溫度過沖量,具體試驗(yàn)結(jié)果見圖4。

圖4 自整定后溫度過沖量

對比自整定前試驗(yàn)結(jié)果,自整定后溫度過沖量明顯低于自整定前。 由此可知,在老化試驗(yàn)中,通過自整定可明顯降低溫度過沖量。

在設(shè)定溫度和初始溫度均不同的情況下,測量老化箱溫度過沖量大小,試驗(yàn)結(jié)果見圖5。 第1 組:初始溫度為65 ℃,設(shè)定溫度為70 ℃;第2 組:初始溫度為70 ℃,設(shè)定溫度為85 ℃;第3 組:初始溫度為85 ℃,設(shè)定溫度為100 ℃;第4 組:初始溫度為100 ℃,設(shè)定溫度為85 ℃。

圖5 不同設(shè)定溫度和初始溫度自整定后溫度過沖量

對比圖5 中4 組試驗(yàn),溫度由低緩慢升高,當(dāng)初始溫度越接近設(shè)定溫度時,溫度過沖量越大,如第1組溫度過沖量較高,第2 組和第3 組溫度過沖量偏低。 因此,自整定加熱區(qū)間越大,自整定效果越好,溫度過沖量越小;當(dāng)初始溫度較高時,如第4 組的初始溫度設(shè)定為100 ℃,在降溫過程中,雖然熱電偶探頭檢測到溫度已為85 ℃,另外,老化箱內(nèi)大部分空間溫度高于85 ℃,另老化箱內(nèi)空氣不斷流動,導(dǎo)致溫度過沖量過高。 因此,在使用老化箱時,若初始溫度高于設(shè)定溫度,則必須使老化箱內(nèi)溫度降低到設(shè)定溫度以下再加熱,否則,溫度過沖量易偏大。

常見的引起老化箱溫度過沖的原因有老化箱加熱管出現(xiàn)問題。 例如,老化箱長時間運(yùn)行,易導(dǎo)致加熱管老化;箱內(nèi)熱電偶出現(xiàn)問題,即老化箱內(nèi)熱電偶一般幾十年更換一次,長期高溫運(yùn)行導(dǎo)致熱電偶感溫端出現(xiàn)故障;控溫表引起溫度過沖,即控溫表程序錯亂,導(dǎo)致無法控溫,最終引起溫度過沖。

4 結(jié)束語

本工作開展了老化箱溫度過沖自整定試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)在老化試驗(yàn)中,老化箱溫度過沖量大于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定范圍時,可通過自整定對老化箱進(jìn)行調(diào)控。 在進(jìn)行溫度自整定試驗(yàn)時,加熱區(qū)間大小會影響自整定結(jié)果,加熱區(qū)間越大,自整定后溫度過沖量越小;除此之外,初始溫度必須低于設(shè)定溫度,否則無法通過自整定來降低老化箱溫度過沖量。

綜上,通過自整定調(diào)節(jié)老化箱溫度過沖量,可解決老化箱溫度過沖量問題,對老化箱在電纜檢測中的應(yīng)用具有一定意義。