傅釗

（廣州愛斯佩克環(huán)境儀器有限公司，廣東 廣州 510800）

1 引言

高溫老化會使某些材料的特性產(chǎn)生比較明顯的影響，隨著溫度和時間的推移，主要體現(xiàn)在：a）老化：1）抗拉強度老化；2）絕緣老化。b）化學變化：熱分解。c）軟化、熔化、汽化和升華：扭曲。d）高溫氧化：氧化層的結(jié)構(gòu)。e）熱擴散（金屬化合物結(jié)構(gòu)）：引線斷裂。

對某些產(chǎn)品進行高溫老化時，其在高溫狀態(tài)下容易發(fā)生氧化，特別是一些連接點材料。氧化會使某些材料中含有的填料和溶劑物質(zhì)加速揮發(fā)或蒸發(fā)，促使材料加速老化失效。因此，選擇滿足高溫老化測試、同時滿足失效可能性試驗要求，并且使用簡單、保養(yǎng)維修方便的設(shè)備就顯得非常必要。高溫老化厭氧箱就是一種廣泛用于產(chǎn)品的研制、生產(chǎn)過程之中的環(huán)境試驗設(shè)備。該設(shè)備可以讓產(chǎn)品在投入使用之前試工作一段時間，以穩(wěn)定產(chǎn)品性能，減緩試樣的氧化速度，加快老化進程?，F(xiàn)介紹一款高溫老化厭氧設(shè)備——高溫老化厭氧箱IPH201S，其不僅性能、功能優(yōu)良，還具備相當?shù)谋憷院桶踩浴?/p>

2 設(shè)備簡介

在本公司原有高溫箱的基礎(chǔ)上，根據(jù)市場需求，滿足部分客戶特殊要求的使用場合，增加及更改了相關(guān)功能：控制系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)，氧濃度控制測量等。用于樣品或產(chǎn)品進行高溫厭氧可靠性與模擬環(huán)境試驗。

a）主要技術(shù)指標及性能

1）內(nèi)容積： W 600×H 600×D 600=0.216 m3；

2）溫度范圍：常溫～+300℃；

3）降溫時間：≤100 min（+200℃→常溫，空載）；

4）升溫時間：≤60 min（常溫→200℃，空載）；

5）溫度偏差： ≤±2℃（空載）；

6）溫度波動度： ≤±0.5℃（空載）；

7）殘留氧濃度： ≤100 ppm（≤60 min）；

8）保護裝置：電機過載過熱、超壓和箱內(nèi)超溫報警等。

b）主要特點

1）調(diào)節(jié)方式：平衡調(diào)節(jié)溫度、氧濃度控制方式，精度高；

2）執(zhí)行機構(gòu)：電動調(diào)節(jié)閥，氧濃度測量控制；

3）內(nèi)箱尺寸為正方形，內(nèi)容積利用率高；

4）冷卻方式：采用內(nèi)箱外壁強制傳動風冷卻，有效地降低相關(guān)成本。

3 工作原理簡介

試驗箱由箱體、調(diào)溫系統(tǒng)、氧氣置換系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等部分組成。系統(tǒng)原理圖如圖1所示，檢測控制原理如圖2所示。

箱體為內(nèi)外鋼板結(jié)構(gòu)，中間填充耐高溫保溫材料，外殼采用熱軋鋼板，內(nèi)壁為不銹鋼板。箱內(nèi)配有置換氧氣裝置通道、樣品架等。

溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)由軸流風機、調(diào)節(jié)通道、蓋板和空氣加熱器等部分組成。

為了保證試驗空間溫度的均勻性，采用強制空氣對流的方法來進行熱量的傳遞。試驗空間內(nèi)氣流由蓋板底部進入調(diào)節(jié)通道，經(jīng)空氣加熱器進行溫度調(diào)節(jié)后，在調(diào)節(jié)通道中部，由軸流風機送風，從中間位置回到試驗空間，實現(xiàn)箱內(nèi)氣流循環(huán)。

氧氣置換系統(tǒng)由氣源N2、連接管道、流量計、電動調(diào)節(jié)閥和排氣口等部件組成。

流量計是進入箱體的氣體流量的顯示裝置。通過調(diào)節(jié)流量計上的流量調(diào)節(jié)閥，控制開、關(guān)氣體回路，調(diào)節(jié)進入箱體的氣體壓力及流量，不用時處于關(guān)閉狀態(tài)。電動調(diào)節(jié)閥是安裝在進氣口上的專用閥門，用于控制空氣進氣量與N2進氣量，其原理與制冷調(diào)節(jié)溫度的蒸發(fā)器和加熱器類似，采用空氣進氣與N2進氣同時進行的調(diào)節(jié)方法，與傳統(tǒng)的位式調(diào)節(jié)方式相比，具有較高的控制精度。利用箱內(nèi)氧濃度及壓力檢測直接控制閥的開度與關(guān)閉。當氣源壓力不足、箱內(nèi)壓力偏低、設(shè)備停止高溫加熱或電源突然中斷時，調(diào)節(jié)閥就處于關(guān)閉狀態(tài)，同時排氣口單向閥門自動將系統(tǒng)封閉，將氧氣擋在箱體外，避免在高溫缺保護氣體狀態(tài)下發(fā)生氧化、老化器件的情況。

降溫系統(tǒng)采用強制風冷方式。選用高可靠性、低噪音的離心風機，離心風機轉(zhuǎn)速可調(diào)，在冷卻通道增加散熱器，提高冷卻降溫效率，以保證運行工況的穩(wěn)定性。

圖1 系統(tǒng)原理圖

電氣控制系統(tǒng)由可編程控制器、溫度傳感器、氧濃度分析儀、故障檢測單元和執(zhí)行元件等組成。包括溫度控制系統(tǒng)、控氧系統(tǒng)和保護系統(tǒng)等部分。

圖2 檢測控制原理圖

溫度控制器采用MPC-3000可編程控制器?？刂破髋鋫溆?20×240點陣觸摸屏液晶顯示器，中文菜單對話方式，實時顯示設(shè)定溫度、氧濃度及壓力，實測溫度、氧濃度及壓力、總運行時間、段運行時間、段剩余時間、加熱狀態(tài)以及日歷等，界面友好，方便且易以操作?？刂破鲗y量板通過溫度傳感器測得的箱內(nèi)溫度值與通過用戶操作界面設(shè)定的溫度值進行比較，并將差值按一定的調(diào)節(jié)規(guī)律進行PID運算，算出需要輸出控制量的大小及決定各輸出點的工作狀態(tài)，通過I/O輸入輸出口控制加熱系統(tǒng)、控氧濃度和降溫系統(tǒng)等工作，使箱內(nèi)溫度按要求變化，控制器內(nèi)置PLC接受MPC-3000的控制指令，決定各執(zhí)行元件（如調(diào)節(jié)閥、加熱器和降溫器）的工作狀態(tài)。同時，設(shè)備還具備先進的故障自診斷功能，PLC對各保護檢測元件的狀態(tài)進行監(jiān)測，一旦設(shè)備出現(xiàn)異常發(fā)生時，即采取保護措施并發(fā)出聲光報警信號，同時設(shè)備將切斷主要部件的電源。顯示器將顯示故障部位、可能原因及推薦的解決方法，幫助迅速排除故障。

氧濃度控制也采用MPC-3000可編程控制器。其中氧濃度分析儀由變送器和氧化鋯傳感器組成，測量范圍：0%～100%氧濃度；檢測極限：小于1 ppm。設(shè)備進行設(shè)定氧濃度調(diào)節(jié)控制時，變送器將傳感器測得的信號進行變換，以標準4～20 mA電流信號送至測量板，進行A/D轉(zhuǎn)換，通過與用戶操作界面設(shè)定的氧濃度值進行比較，經(jīng)控制器內(nèi)部PID運算產(chǎn)生數(shù)字輸出信號，經(jīng)轉(zhuǎn)換器輸出及I/O輸出口輸出控制，分別調(diào)控控氧系統(tǒng)電動調(diào)節(jié)閥的開度大小及與其相關(guān)的部件工作，從而控制箱體的空氣進氣量與N2進氣量的大小，使箱內(nèi)氧濃度量按預(yù)設(shè)定要求進行變化。

保護系統(tǒng)包括電源斷相、風機過載、超溫、箱內(nèi)超壓和門電動鎖緊裝置等保護裝置。其中超溫保護及氧濃度測量尤為重要，因此，除控制器設(shè)定溫度上下限保護外，另還增加一套獨立的超溫保護裝置。設(shè)備系統(tǒng)運行時，為消除不必要的干擾因素，采取相應(yīng)的抗干擾措施是提高控制可靠性的重要手段，濾波、屏蔽和接地等措施能極大地消除設(shè)備間的耦合及共阻干擾。用屏蔽線進行數(shù)字信號的傳輸并盡量避開電源線和動力線，可消除傳輸線路中的電磁干擾，可有效地保證控制回路的可靠性。

由于傳感器的特性及周圍環(huán)境的因素影響，采集數(shù)據(jù)不能絲毫不差地反映被測溫度、氧濃度的變化，總存在著一定的誤差，有必要對溫度、氧濃度的偏差進行校正，通常用相對誤差來表示其大小。非線性誤差的大小是以一定的擬合直線或理想直線作為基準直線算出來的，因此，基準直線不同所得出的線性精度也就不一樣，所以要找到一條能反映校準數(shù)據(jù)的一般趨向同時又使誤差絕對值為最小的直線，本系統(tǒng)采用分段修正方式。采用最小二乘法線性度作為傳感器特性的擬合直線，校準點有n個，對應(yīng)的輸出值是y，然后計算出最佳的校準方程式進行溫度、氧濃度的偏差校正。

本系統(tǒng)可配置微型打印機，用于記錄試驗過程中的溫度、氧濃度數(shù)據(jù)，還可打印用戶設(shè)定溫度、壓力試驗程序清單。記錄功能集成在控制器內(nèi)，可同時記錄溫度、氧濃度數(shù)據(jù)，通過USB接口可轉(zhuǎn)存到優(yōu)盤，通過PC機專用軟件直接顯示和打印試驗數(shù)據(jù)/曲線。

另外，本設(shè)備還可提供RS-485標準通訊接口，用戶可通過PC機對設(shè)備實施遠程監(jiān)控。

4 結(jié)束語

這款高溫老化厭氧箱經(jīng)測試檢驗，結(jié)果符合各項技術(shù)指標要求。它能夠成功地處理好溫度、氧濃度及壓力控制的關(guān)系，客戶反映良好。

[1]徐平.電控設(shè)備可靠性工程技術(shù) [M].北京：機械工業(yè)出版社，1997.

[2]常健生.檢測與轉(zhuǎn)換技術(shù) [M].北京：機械工業(yè)出版社，1994.

[3]林偉，邵華楓，李才安，等.水溫控制系統(tǒng)的邏輯規(guī)則控制研究 [J].測控技術(shù)，2008，（8）：67-70.