基于自整定降低老化箱溫度過沖量的研究

王 強,李 晶

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

0 引 言

電纜檢測中,老化試驗作為通用試驗,可測試產品的可靠性,發現產品的質量問題,驗證產品能否適應市場環境中的變化[1],對于電纜產品的把控具有重要意義。 根據GB/T 2951.12—2008《電纜和光纜絕緣和護套材料通用試驗方法 第十二部分:通用試驗方法——熱老化試驗方法》、JB/T 4278.6—2011《橡皮塑料電線電纜試驗儀器設備檢定方法 第六部分——自然通風熱老化試驗箱》等標準[2],老化試驗溫度的過沖量要求不大于2 ℃。 過沖量指在設備升溫或降溫至規定溫度過程中,工作時間實際溫度超出規定溫度允許范圍的量。 在試驗時,溫度過沖量超過標準規定值,易造成試驗結果不準確,故研究如何降低老化箱溫度過沖量具有重要意義。 通常,試驗員通過以往工作經驗手動調節設定溫度來控制溫度過沖量,這種方法不僅操作復雜,還容易產生溫度偏差。

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

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,低溫加熱區域,升溫速率極快,如老化箱溫度設定為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,達到設定溫度點,且穩定運行[4]。

1.2 自整定調節方式

自整定調節方式有兩種。 一是低溫超調方式[5],即當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,溫度無限接近設定溫度,加熱速率無限變慢,不斷接近設定溫度,最終達到設定溫度,見圖1;二是高溫超調方式,也稱為標準調溫方式,現行大多數老化箱按照這種調溫方式來調溫,見圖2。

圖1 低溫超調圖

圖2 高溫超調圖

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

2 自整定調節過沖量

2.1 試驗條件

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

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

2.2 試驗方法

為了研究通過自整定降低老化箱溫度過沖量,按照JB/T 4278.6—2011 進行老化箱設備檢定試驗。 試驗中,使用RL100 老化箱,因為RL100 老化箱在國內電纜檢測行業中應用廣泛,具有較強的代表性。

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

3 結果與討論

試驗分為3 個步驟:①測量設定溫度下自整定前老化箱溫度過沖量大小;②測量設定溫度下自整定后老化箱溫度過沖量大小;③測量設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, 設定溫度分別為 85,150,200,300 ℃。 根據實際工作經驗,從初始溫度分別為30,40,50,60,70 ℃開始加熱,試驗結果見圖3。

圖3 自整定前溫度過沖量

由圖3 可知,當設定溫度為85,150,200,300 ℃時,溫度過沖量的變化呈現相同趨勢,即初始溫度相同,設定溫度越高,溫度過沖量越小;設定溫度相同,初始溫度越高,溫度過沖量越大。 當初始溫度為50 ℃時,設定溫度為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,具體試驗結果見圖4。

圖4 自整定后溫度過沖量

對比自整定前試驗結果,自整定后溫度過沖量明顯低于自整定前。 由此可知,在老化試驗中,通過自整定可明顯降低溫度過沖量。

在設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,試驗結果見圖5。 第1 組:初始溫度為65 ℃,設定溫度為70 ℃;第2 組:初始溫度為70 ℃,設定溫度為85 ℃;第3 組:初始溫度為85 ℃,設定溫度為100 ℃;第4 組:初始溫度為100 ℃,設定溫度為85 ℃。

圖5 不同設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,溫度由低緩慢升高,當初始溫度越接近設定溫度時,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,自整定加熱區間越大,自整定效果越好,溫度過沖量越小;當初始溫度較高時,如第4 組的初始溫度設定為100 ℃,在降溫過程中,雖然熱電偶探頭檢測到溫度已為85 ℃,另外,老化箱內大部分空間溫度高于85 ℃,另老化箱內空氣不斷流動,導致溫度過沖量過高。 因此,在使用老化箱時,若初始溫度高于設定溫度,則必須使老化箱內溫度降低到設定溫度以下再加熱,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問題。 例如,老化箱長時間運行,易導致加熱管老化;箱內熱電偶出現問題,即老化箱內熱電偶一般幾十年更換一次,長期高溫運行導致熱電偶感溫端出現故障;控溫表引起溫度過沖,即控溫表程序錯亂,導致無法控溫,最終引起溫度過沖。

4 結束語

本工作開展了老化箱溫度過沖自整定試驗,發現在老化試驗中,老化箱溫度過沖量大于標準規定范圍時,可通過自整定對老化箱進行調控。 在進行溫度自整定試驗時,加熱區間大小會影響自整定結果,加熱區間越大,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,通過自整定調節老化箱溫度過沖量,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用具有一定意義。