一種用于砂塵試驗箱的新型抽真空系統裝置研究

張迎新，靳 鑫，劉云鶴

（廣州特種機電設備檢測研究院，廣州 510663）

引言

廣泛分布的砂塵環境，對產品的性能具有嚴重影響，主要產生磨蝕、阻塞、沖擊、滲透、腐蝕等破壞效應。砂塵破壞作用的主要表現形式包括：能夠使運動部件活動受阻甚至卡死，使防護層剝落，阻塞油路和氣路，造成電氣設備內部短路和斷路，破壞電絕緣，造成軸承磨損，減弱光學儀器的反光和透光效果，降低熱傳導等等。進行砂塵環境試驗的目的就是為了考核產品對砂塵環境條件的環境適應性[1]。通過對產品進行環境試驗，研究產品在特定環境條件下貯存、運輸和使用中存在的缺陷及其失效機理，不斷改進產品的設計，確保產品的環境適應性，對提高產品的質量、節約成本具有極其重要的意義[2]。現行的國內砂塵試驗標準采用的是GB 4208-2008 IP《防護等級》中規定的試驗方法，其試驗條款是等同采用的IEC 60529:2001[3]中的條款。標準中對一類外殼類型防塵試驗時有如下規定：被試外殼放在試驗箱內，殼內壓力用真空泵保持低于大氣壓。試驗目的是利用壓差把箱內空氣抽入被試設備內，抽氣量為80倍被試外殼容積，抽氣速度每小時不超過60倍外殼容積。任何情況下壓差不得超過2kPa。如抽氣速度為每小時40～60倍外殼容積，則試驗進行2h。如最大壓差為2kPa，而抽氣速度低于每小時40倍外殼容積，則應連續抽滿80倍容積或抽滿8h后，試驗才可停止[4]。

可見，標準中對被試外殼內的壓差、抽真空的抽氣速度和抽氣量做了相關規定。這三個變量中，試驗時被試外殼內的壓差不超過2kPa是必須滿足的。目前，很多國內廠家生產的砂塵試驗箱沒有針對被試外殼內部的抽真空系統，或者抽真空系統達不到實驗要求，導致無法滿足標準中的這一規定。本文針對這一情況做了相關研究，并開發了一套抽真空系統。

1 標準解讀

標準測試是需要嚴格遵循標準要求的方法而做的，正確的理解、解讀標準中規定的內容將有助于我們更好的研究。

GB 4208-2008 IP《防護等級》中對一類外殼類型作了規定：設備正常工作周期內殼內的氣壓低于周圍大氣壓力，例如因熱循環效應引起的[4]。這里的熱循環效應指的是電氣設備由于外殼內部電氣工作時發熱，停止后內部冷卻產生的冷縮效應，即外部壓力大于內部壓力，這對于粉塵進入設備外殼內是有利的。但是，由于電氣設備發熱量有限，內外溫差引起的壓差最大不應超過標準中規定的2kPa。如果壓力過大引起的粉塵進入殼內超出了電氣設備的實際防塵等級要求，則會使電氣設備的防塵等級不能正確表現實際工況。所以，在做防塵等級砂塵試驗時需要對被試設備外殼內的壓差控制，使其不超過2kPa。

標準中對抽氣量和抽氣速度的規定如下：抽氣量為80倍被試外殼容積，抽氣速度每小時不超過60倍外殼容積。任何情況下壓差不得超過2kPa。如抽氣速度為每小時40～60倍外殼容積，則試樣進行2h。如最大壓差為2kPa，而抽氣速度低于每小時40倍外殼容積，則應連續抽滿80倍容積或抽滿8h后，試驗才可停止[1]。實際上，真空泵對被試外殼進行抽氣時，外界環境中的空氣總是要向一些密封不好之處漏氣，例如外殼接合的縫隙處。[3]顯然，抽氣量=抽氣速度×抽氣時間，對于一個抽氣速度穩定的抽真空系統，等到抽氣速度穩定后在一定時間內是可以算出抽氣量的。標準中規定了試驗停止的兩種情況，第一種是抽氣量達到80倍外殼容積，第二種是抽滿8h。理論上，抽真空系統對被試外殼作用時，壓差應與抽氣速度成正相關的關系，即當被試外殼出氣量大于進氣量時，外殼內部相較于大氣壓壓差變小。所以，控制抽氣速度即調節真空系統的流量閥可以降低抽氣速度用以穩定被試外殼內的壓差，當流速降低到每小時40倍外殼容積以下時，可以抽滿80倍容積或抽滿8h后停止。所以，做砂塵抽真空試驗時的關鍵參數即是通過流速調節控制外殼內壓差不差過2kPa。

標準中推薦了相關測試裝置示意圖，其控制原理是通過閥門調節抽真空的流速，來實現整個測試過程。如圖1所示。

試驗證明，當通過流速調節被試外殼內壓差不超過2kPa時，抽真空系統的抽氣速度通常會被降低到一個很低的水平，低于每小時40倍外殼容積，則試驗要進行8h，使原本2h的時間增加了4倍，大大延長了整個砂塵試驗的時間。所以，保證壓差的同時，控制好抽真空系統的抽氣速度可以提高整個實驗的效率。

2 新型抽真空系統的研究

本文針對抽真空系統既能保證壓差達到標準要求，又可以使系統的抽速處在每小時40倍外殼容積以上，即系統可以實現壓差和抽速的無極控制做了相關研究。

2.1 電子式真空比例閥

電子式真空比例閥采用ITV209系列，可以無極控制與電氣信號成比例的空氣壓力，其動作原理是輸入信號增大，真空壓用電磁閥為ON，大氣壓用電磁閥變為OFF狀態。由此，通過VAC.和先導室，先導室的壓力變為負壓，并作用在膜片的上面。由此結果，與膜片連動的真空壓閥芯打開，VAC.與OUT.接通，設定壓力變為負壓。此負壓通過壓力傳感器，反饋至控制回路。在這里進行修正動作，直到真空壓力與輸入信號成比例。從而得到與輸入信號成比例的真空壓力。其裝置示意圖和邏輯框圖如圖2和圖3所示。[5]

圖1 檢驗外殼防塵試驗裝置

2.2 差壓流量控制抽真空系統

本文研究的新型抽真空系統對差壓和流量的控制采用了電子式真空比例閥，分別通過流量傳感器、差壓表測量流速和壓差，其示意圖如圖4所示。

被試工件放置于防塵箱中，其B通氣口與抽真空裝置的B口相接，抽真空裝置的A口置于試驗箱外作為參考壓力。開啟抽真空系統之后，試驗箱內的氣體通過被試工件進入抽真空系統，通過過濾器過濾抽真空管路系統中的塵埃及水分，并經由電子式真空比例閥，氣體緩沖罐及流量傳感器將裝置內的氣體抽出，形成負壓。對于壓差的控制可以通過泵及電子式真空比例閥共同調節，對于流量的控制可以通過控制真空泵的轉速來調節。

圖2 電子式真空比例閥裝置示意圖

圖3 電子式真空比例閥邏輯框圖

圖4 新型抽真空系統示意圖

整套抽真空系統通過信號控制實現了遠程操控，可以對流量、流速、壓差等參數進行實時顯示，并通過電子式真空比例閥實現了對這三個參數的調節，方便了使用者的操作，提高了實驗效率。

3 小結

本文通過對GB 4208-2008 IP《防護等級》中砂塵試驗箱抽真空系統的規定解讀，分析了標準制訂的初衷，探討了抽真空系統設計應注意的問題，并研發出了一套新型的抽真空系統，可以實現遠程操控以及無極改變壓差與流量等參數，增加了對被測設備防塵能力檢驗的可靠性與易用性。

[1]張開平，劉學斌. 大型吹砂吹塵綜合環境試驗系統工程實現及應用[J].環境技術，2013(6)：6-8.

[2]安長暖，孫洪拓. 電子產品環境試驗概述[J].環境技術，2009(6)：54-58.

[3]IEC 60529，Degrees of protection provided by enclosures(IP Code)[S].

[4]GB 4208-2008，外殼防護等級（IP 代碼）[S].

[5]SMC.ITV 系列[EB/OL].(2004-10)http://www.smcqidong.cn/ /smc_itv.pdf.