基于自整定降低老化箱温度过冲量的研究

王 强,李 晶

(1.上海国缆检测股份有限公司,上海 200444;2.同济大学,上海 200082)

0 引 言

电缆检测中,老化试验作为通用试验,可测试产品的可靠性,发现产品的质量问题,验证产品能否适应市场环境中的变化[1],对于电缆产品的把控具有重要意义。 根据GB/T 2951.12—2008《电缆和光缆绝缘和护套材料通用试验方法 第十二部分:通用试验方法——热老化试验方法》、JB/T 4278.6—2011《橡皮塑料电线电缆试验仪器设备检定方法 第六部分——自然通风热老化试验箱》等标准[2],老化试验温度的过冲量要求不大于2 ℃。 过冲量指在设备升温或降温至规定温度过程中,工作时间实际温度超出规定温度允许范围的量。 在试验时,温度过冲量超过标准规定值,易造成试验结果不准确,故研究如何降低老化箱温度过冲量具有重要意义。 通常,试验员通过以往工作经验手动调节设定温度来控制温度过冲量,这种方法不仅操作复杂,还容易产生温度偏差。

自整定指通过设定老化箱显示仪表来自动调整温度过冲量的方法,即通过比例、积分、微分(PID)控制器来设置PID 参数,计算的时间自动调整,与所设定的温度有关[3]。 自整定具有操作简单、降低温度过冲量明显等优势。 因此,本工作通过自整定研究过冲量调节。

1 自整定原理

1.1 老化箱加热模式

老化箱的加热模式为三段式加热,即加热分为三步[4]。 第一步,低温加热区域,升温速率极快,如老化箱温度设定为200 ℃,其从室温到150 ℃为迅速加热;第二步,加热速率低于第一步加热速率,在设定温度为200 ℃的老化箱中,一般由150 ℃到170 ℃为第二步加热阶段;第三步,升温速率极缓慢,指第二步完成后,达到设定温度点,且稳定运行[4]。

1.2 自整定调节方式

自整定调节方式有两种。 一是低温超调方式[5],即当老化箱在完成三段式加热中的前两段后,在第三段加热过程中,温度无限接近设定温度,加热速率无限变慢,不断接近设定温度,最终达到设定温度,见图1;二是高温超调方式,也称为标准调温方式,现行大多数老化箱按照这种调温方式来调温,见图2。

图1 低温超调图

图2 高温超调图

高温超调方式,即在第三段加热模式中,温度无限接近设定温度后,加热速度变慢,但高于设定温度,在达到某个高温后,慢慢降低,穿越温度设定线,随后又低于设定温度,不断往复。 在往复过程中,振幅不断减小,直至达到设定温度,且稳定于其偏差范围内。 偏差范围根据试验要求设定,一般不大于2 ℃。

2 自整定调节过冲量

2.1 试验条件

自整定是通过模拟老化箱加热模式来调节温度过冲量的[6]。 因此,在设定温度和初始加热温度之间必须有足够大的温度区间(从温度起始点到设定温度的区间大小),以便老化箱在加热过程中将三段加热程序完全运行。

在自整定程序运行期间,温度区间大小不同,时间也不同[7]。 考虑到自整定试验时不可中断程序,一般需预留好足够的试验时间;其次,在自整定过程中,不允许做线缆检测试验。

2.2 试验方法

为了研究通过自整定降低老化箱温度过冲量,按照JB/T 4278.6—2011 进行老化箱设备检定试验。 试验中,使用RL100 老化箱,因为RL100 老化箱在国内电缆检测行业中应用广泛,具有较强的代表性。

试验时,在自整定前和自整定后分别测量老化箱温度过冲量,并进行对比。 参考电线电缆老化试验,试验选取85,150,200,300 ℃作为设定温度点,可包含老化试验所有温度;补充自整定加热区间对温度过冲量的影响试验,测量不同初始温度和不同设定温度下的温度过冲量。

3 结果与讨论

试验分为3 个步骤:①测量设定温度下自整定前老化箱温度过冲量大小;②测量设定温度下自整定后老化箱温度过冲量大小;③测量设定温度下和初始温度均不同的情况下老化箱温度过冲量大小。

自整定前, 设定温度分别为 85,150,200,300 ℃。 根据实际工作经验,从初始温度分别为30,40,50,60,70 ℃开始加热,试验结果见图3。

图3 自整定前温度过冲量

由图3 可知,当设定温度为85,150,200,300 ℃时,温度过冲量的变化呈现相同趋势,即初始温度相同,设定温度越高,温度过冲量越小;设定温度相同,初始温度越高,温度过冲量越大。 当初始温度为50 ℃时,设定温度为85 ℃的温度过冲量最大,其次为150,200,300 ℃。 由此可知,温度区间范围越大,温度过充量越小。

自整定后,依次测量老化箱温度过冲量,具体试验结果见图4。

图4 自整定后温度过冲量

对比自整定前试验结果,自整定后温度过冲量明显低于自整定前。 由此可知,在老化试验中,通过自整定可明显降低温度过冲量。

在设定温度和初始温度均不同的情况下,测量老化箱温度过冲量大小,试验结果见图5。 第1 组:初始温度为65 ℃,设定温度为70 ℃;第2 组:初始温度为70 ℃,设定温度为85 ℃;第3 组:初始温度为85 ℃,设定温度为100 ℃;第4 组:初始温度为100 ℃,设定温度为85 ℃。

图5 不同设定温度和初始温度自整定后温度过冲量

对比图5 中4 组试验,温度由低缓慢升高,当初始温度越接近设定温度时,温度过冲量越大,如第1组温度过冲量较高,第2 组和第3 组温度过冲量偏低。 因此,自整定加热区间越大,自整定效果越好,温度过冲量越小;当初始温度较高时,如第4 组的初始温度设定为100 ℃,在降温过程中,虽然热电偶探头检测到温度已为85 ℃,另外,老化箱内大部分空间温度高于85 ℃,另老化箱内空气不断流动,导致温度过冲量过高。 因此,在使用老化箱时,若初始温度高于设定温度,则必须使老化箱内温度降低到设定温度以下再加热,否则,温度过冲量易偏大。

常见的引起老化箱温度过冲的原因有老化箱加热管出现问题。 例如,老化箱长时间运行,易导致加热管老化;箱内热电偶出现问题,即老化箱内热电偶一般几十年更换一次,长期高温运行导致热电偶感温端出现故障;控温表引起温度过冲,即控温表程序错乱,导致无法控温,最终引起温度过冲。

4 结束语

本工作开展了老化箱温度过冲自整定试验,发现在老化试验中,老化箱温度过冲量大于标准规定范围时,可通过自整定对老化箱进行调控。 在进行温度自整定试验时,加热区间大小会影响自整定结果,加热区间越大,自整定后温度过冲量越小;除此之外,初始温度必须低于设定温度,否则无法通过自整定来降低老化箱温度过冲量。

综上,通过自整定调节老化箱温度过冲量,可解决老化箱温度过冲量问题,对老化箱在电缆检测中的应用具有一定意义。