老化箱热滞时间检测方法研究

陈成新，杜美波，李少鹏

(深圳市计量质量检测研究院，广东 深圳518000)

0 引言

换气式老化箱(以下简称老化箱)主要应用于高分子材料(橡胶，塑料等)、电气绝缘材料和绝缘构件的耐热性能试验。考核和判断试验材料在高温环境条件下贮存和使用的适应性。通常试样材料在换气式老化箱中老化后，测定试验材料的性能并与未老化的材料进行比较。

为保证老化箱体内部空气的氧含量，老化箱的运行过程中，必须将新鲜空气源源不断换入老化箱体内部。这必定会造成老化箱内的温度在一定程度上的下降，需要老化箱不断加热以保持恒定温度。热滞时间就是用于表征老化箱加热能力的一个参数。

本论文参照标准文件ASTM D5374 －1993 《用于评价电绝缘用强制对流实验室老化箱的试验方法》和ASTM D5423 －1993 《用于电绝缘评估的强制对流实验室老化箱规范》进行老化箱热滞时间测量的实验，并对该实验方法进行讨论研究。

1 热滞时间定义

ASTM D5423 －1993 定义:热滞时间是指将标准试验样品升温到指定温度所需的时间［1］。

IEC60216 －4 －1 定义:标准试验样品的温度达到老化箱温度所需的时间［2］。

2 标准检测方法

根据标准ASTM D5374 －1993 规定，热滞时间的检测方法［3］如下所述:

制作一个直径为10 mm，高为55 mm的铜质圆柱体。将一支热电偶(直径应不大于0.5 mm)的感温点焊接到铜质圆柱体两端之间的中心表面上。

将被检老化箱加热至(200 ±5)℃，并稳定1 h 以上。将铜质圆柱体放在室温下(15 ～30℃)至少稳定1 h。

老化箱保持运行状态，将老化箱门打开到与箱体成90°角，用耐热非金属线将铜质圆柱体放入老化箱内的几何中心位置，铜质圆柱体的放置方向不影响热滞时间的检测。将另一支热电偶感温点置于离铜质圆柱体80 ～100 mm 的位置。打开老化箱箱门(60 ±1)s 后关闭箱门。此时每10 s 记录一次两支热电偶的温度差值，直到获得最大温差值，记为Tmax。再将记录间隔调整为30 s，直到两支热电偶的温度差已降到低于最大温度差值(Tmax)的10%，记为T10。

记录两支热电偶的温差从Tmax降到T10的时间，即为老化箱的热滞时间。

3 检测方法的研究

3.1 标准试样温度检测方法

3.1.1 国外标准的不足

按照ASTM D 5423 的描述，需要将一支热电偶焊接在铜质圆柱体的表面。然而在实际工作中，却遇到困难。首先，铜柱体积较大，并且导热性能较好。这将导致焊接点上的温度被迅速传到整个铜柱，并向空气中散发，非常不利于热能的集中完成焊接。其次，大多数热电偶都是掺有其它金属材料的合金，通常的锡焊接比较困难。只有一些专业的焊接加工厂，使用专用的焊接设备和特殊工艺才能对其进行有效焊接。最后，既使用特殊工艺(如钎焊，亚弧焊)将热电偶成功焊接，由于热电偶本身的强度不够，往往会出现焊点脱落或热电偶断裂的情况，导致检测工作中断，给现场检测造成不便。

3.1.2 改进方法

铜柱表面的热电偶是用于检测铜柱的温度，以此温度代表标准文件中所说的标准试验样品的温度。由于铜的导热性能良好，并且导热非常迅速(相对于老化箱的升温速度而言)，那么铜柱的表面与内部的温度应该是近似的。可以将铜质圆柱体的温度由其表面转移到铜柱内部进行测量。则可以有效避免上文中所提及的热电偶的焊接问题和断裂问题。

两种检测铜质圆柱体温度的方法，对最终的热滞时间的会产生多大的差异，可通过比对试验进行分析。在进行比对实验之前，将标准试验样品与热电偶的连接方式做如下改进:

1)在铜柱半高位置上，由铜柱的表面向柱心方向打一个深度约等于铜柱半径的小孔(孔底处于铜柱的几何中心)，孔径大小以刚好将热电偶插入小孔为宜;

2)在铜柱的小孔插入一支热电偶，使感温点接触到孔底，同时在小孔背面用细铁丝(铜丝)将另一支热电偶扎于铜柱表面上;

3)为更好地保障测温热电偶与铜柱的导热，可以在放置热电偶之前在铜柱的小孔里(和背面热电偶的感温点上)放上耐温高于200℃的导热脂。

3.1.3 对比实验结果

标准试验样品改进后，按照本文第2 节所描述的方法进行热滞时间检测试验。整理数据如表1。

表1 铜柱表面与内部所测热滞时间比对

从表1 的实验数据中，可以得出如下结论:

1)铜柱传热迅速，两种检测方式能在同一时间达到温差最大点Tmax。

2)铜柱温度的检测方式无论是在其表面还是铜柱内部测量，但两种方式所测得的热滞时间差异小于标准文件所规定的采样间隔30 s。则可以将两种方法检测结果等同。

3.2 标准试验样品材料选择

在ASTM D5423 标准中，并末对铜质样品的成分比例进行详细描述。使用铜含量不同的合金铜质样品检测老化箱的热滞时间可能会存在一定的差异。为比较不同成分比例的铜质样品的检测结果，分别用黄铜(铜含量57%)与紫铜(含铜量99.7%)样品同时对老化箱进行对比实验。整理数据见表2。

表2 不同铜合金所测热滞时间比对

从表2 的实验数据中，可以得出如下结论:

1)不同铜合金在检测时，能在同一时刻达到温差最大点Tmax。

2)不同含量的铜质样品检测热滞时间差异小于标准文件所规定的采样间隔30 s。由此得出:铜含量的多少对于检测结果的影响在可接受范围内。因此可以将两种材料铜合金所测得的结果等同。

4 总结

据上文论述，可以得出如下结论:

1)将测量铜柱表面温度的热电偶转移到铜柱的内部，即能有效避免热电偶的焊接工艺、焊点脱落和折断的问题，也可根据需要对热电偶进行定期校准和更换，还能准确检测老化箱的热滞时间。

2)铜合金的铜含量对检测热滞时间影响不显著。

［1］ASTM D5423 －1993 (2005)用于电绝缘评估的强制对流实验室老化箱规范［S］.1993.

［2］IEC 60216 －4 －1:2006 电气绝缘材料—耐热性能第4 －1部分:老化箱－单室炉［S］.2006.

［3］ASTM D5374 －1993 (2005)用于评价电绝缘用强制对流实验室老化箱的试验方法［S］.1993.