老化箱熱滯時間檢測方法研究

陳成新，杜美波，李少鵬

(深圳市計量質(zhì)量檢測研究院，廣東 深圳518000)

0 引言

換氣式老化箱(以下簡稱老化箱)主要應(yīng)用于高分子材料(橡膠，塑料等)、電氣絕緣材料和絕緣構(gòu)件的耐熱性能試驗。考核和判斷試驗材料在高溫環(huán)境條件下貯存和使用的適應(yīng)性。通常試樣材料在換氣式老化箱中老化后，測定試驗材料的性能并與未老化的材料進行比較。

為保證老化箱體內(nèi)部空氣的氧含量，老化箱的運行過程中，必須將新鮮空氣源源不斷換入老化箱體內(nèi)部。這必定會造成老化箱內(nèi)的溫度在一定程度上的下降，需要老化箱不斷加熱以保持恒定溫度。熱滯時間就是用于表征老化箱加熱能力的一個參數(shù)。

本論文參照標(biāo)準(zhǔn)文件ASTM D5374 －1993 《用于評價電絕緣用強制對流實驗室老化箱的試驗方法》和ASTM D5423 －1993 《用于電絕緣評估的強制對流實驗室老化箱規(guī)范》進行老化箱熱滯時間測量的實驗，并對該實驗方法進行討論研究。

1 熱滯時間定義

ASTM D5423 －1993 定義:熱滯時間是指將標(biāo)準(zhǔn)試驗樣品升溫到指定溫度所需的時間［1］。

IEC60216 －4 －1 定義:標(biāo)準(zhǔn)試驗樣品的溫度達到老化箱溫度所需的時間［2］。

2 標(biāo)準(zhǔn)檢測方法

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ASTM D5374 －1993 規(guī)定，熱滯時間的檢測方法［3］如下所述:

制作一個直徑為10 mm，高為55 mm的銅質(zhì)圓柱體。將一支熱電偶(直徑應(yīng)不大于0.5 mm)的感溫點焊接到銅質(zhì)圓柱體兩端之間的中心表面上。

將被檢老化箱加熱至(200 ±5)℃，并穩(wěn)定1 h 以上。將銅質(zhì)圓柱體放在室溫下(15 ～30℃)至少穩(wěn)定1 h。

老化箱保持運行狀態(tài)，將老化箱門打開到與箱體成90°角，用耐熱非金屬線將銅質(zhì)圓柱體放入老化箱內(nèi)的幾何中心位置，銅質(zhì)圓柱體的放置方向不影響熱滯時間的檢測。將另一支熱電偶感溫點置于離銅質(zhì)圓柱體80 ～100 mm 的位置。打開老化箱箱門(60 ±1)s 后關(guān)閉箱門。此時每10 s 記錄一次兩支熱電偶的溫度差值，直到獲得最大溫差值，記為Tmax。再將記錄間隔調(diào)整為30 s，直到兩支熱電偶的溫度差已降到低于最大溫度差值(Tmax)的10%，記為T10。

記錄兩支熱電偶的溫差從Tmax降到T10的時間，即為老化箱的熱滯時間。

3 檢測方法的研究

3.1 標(biāo)準(zhǔn)試樣溫度檢測方法

3.1.1 國外標(biāo)準(zhǔn)的不足

按照ASTM D 5423 的描述，需要將一支熱電偶焊接在銅質(zhì)圓柱體的表面。然而在實際工作中，卻遇到困難。首先，銅柱體積較大，并且導(dǎo)熱性能較好。這將導(dǎo)致焊接點上的溫度被迅速傳到整個銅柱，并向空氣中散發(fā)，非常不利于熱能的集中完成焊接。其次，大多數(shù)熱電偶都是摻有其它金屬材料的合金，通常的錫焊接比較困難。只有一些專業(yè)的焊接加工廠，使用專用的焊接設(shè)備和特殊工藝才能對其進行有效焊接。最后，既使用特殊工藝(如釬焊，亞弧焊)將熱電偶成功焊接，由于熱電偶本身的強度不夠，往往會出現(xiàn)焊點脫落或熱電偶斷裂的情況，導(dǎo)致檢測工作中斷，給現(xiàn)場檢測造成不便。

3.1.2 改進方法

銅柱表面的熱電偶是用于檢測銅柱的溫度，以此溫度代表標(biāo)準(zhǔn)文件中所說的標(biāo)準(zhǔn)試驗樣品的溫度。由于銅的導(dǎo)熱性能良好，并且導(dǎo)熱非常迅速(相對于老化箱的升溫速度而言)，那么銅柱的表面與內(nèi)部的溫度應(yīng)該是近似的?？梢詫~質(zhì)圓柱體的溫度由其表面轉(zhuǎn)移到銅柱內(nèi)部進行測量。則可以有效避免上文中所提及的熱電偶的焊接問題和斷裂問題。

兩種檢測銅質(zhì)圓柱體溫度的方法，對最終的熱滯時間的會產(chǎn)生多大的差異，可通過比對試驗進行分析。在進行比對實驗之前，將標(biāo)準(zhǔn)試驗樣品與熱電偶的連接方式做如下改進:

1)在銅柱半高位置上，由銅柱的表面向柱心方向打一個深度約等于銅柱半徑的小孔(孔底處于銅柱的幾何中心)，孔徑大小以剛好將熱電偶插入小孔為宜;

2)在銅柱的小孔插入一支熱電偶，使感溫點接觸到孔底，同時在小孔背面用細鐵絲(銅絲)將另一支熱電偶扎于銅柱表面上;

3)為更好地保障測溫?zé)犭娕寂c銅柱的導(dǎo)熱，可以在放置熱電偶之前在銅柱的小孔里(和背面熱電偶的感溫點上)放上耐溫高于200℃的導(dǎo)熱脂。

3.1.3 對比實驗結(jié)果

標(biāo)準(zhǔn)試驗樣品改進后，按照本文第2 節(jié)所描述的方法進行熱滯時間檢測試驗。整理數(shù)據(jù)如表1。

表1 銅柱表面與內(nèi)部所測熱滯時間比對

從表1 的實驗數(shù)據(jù)中，可以得出如下結(jié)論:

1)銅柱傳熱迅速，兩種檢測方式能在同一時間達到溫差最大點Tmax。

2)銅柱溫度的檢測方式無論是在其表面還是銅柱內(nèi)部測量，但兩種方式所測得的熱滯時間差異小于標(biāo)準(zhǔn)文件所規(guī)定的采樣間隔30 s。則可以將兩種方法檢測結(jié)果等同。

3.2 標(biāo)準(zhǔn)試驗樣品材料選擇

在ASTM D5423 標(biāo)準(zhǔn)中，并末對銅質(zhì)樣品的成分比例進行詳細描述。使用銅含量不同的合金銅質(zhì)樣品檢測老化箱的熱滯時間可能會存在一定的差異。為比較不同成分比例的銅質(zhì)樣品的檢測結(jié)果，分別用黃銅(銅含量57%)與紫銅(含銅量99.7%)樣品同時對老化箱進行對比實驗。整理數(shù)據(jù)見表2。

表2 不同銅合金所測熱滯時間比對

從表2 的實驗數(shù)據(jù)中，可以得出如下結(jié)論:

1)不同銅合金在檢測時，能在同一時刻達到溫差最大點Tmax。

2)不同含量的銅質(zhì)樣品檢測熱滯時間差異小于標(biāo)準(zhǔn)文件所規(guī)定的采樣間隔30 s。由此得出:銅含量的多少對于檢測結(jié)果的影響在可接受范圍內(nèi)。因此可以將兩種材料銅合金所測得的結(jié)果等同。

4 總結(jié)

據(jù)上文論述，可以得出如下結(jié)論:

1)將測量銅柱表面溫度的熱電偶轉(zhuǎn)移到銅柱的內(nèi)部，即能有效避免熱電偶的焊接工藝、焊點脫落和折斷的問題，也可根據(jù)需要對熱電偶進行定期校準(zhǔn)和更換，還能準(zhǔn)確檢測老化箱的熱滯時間。

2)銅合金的銅含量對檢測熱滯時間影響不顯著。

［1］ASTM D5423 －1993 (2005)用于電絕緣評估的強制對流實驗室老化箱規(guī)范［S］.1993.

［2］IEC 60216 －4 －1:2006 電氣絕緣材料—耐熱性能第4 －1部分:老化箱－單室爐［S］.2006.

［3］ASTM D5374 －1993 (2005)用于評價電絕緣用強制對流實驗室老化箱的試驗方法［S］.1993.