基于LabVIEW設計的 熱延伸試驗機

武 政，王 鑫，吳福娣，郭 慧

（ 1.廣東檢驗檢疫技術中心，廣州 510623； 2.廣州檢驗檢疫局，廣州 510623）

基于LabVIEW設計的 熱延伸試驗機

武 政1，王 鑫2，吳福娣1，郭 慧1

（ 1.廣東檢驗檢疫技術中心，廣州 510623； 2.廣州檢驗檢疫局，廣州 510623）

根據GB/T 5013.1和GB/T 2951.12的要求，對電線電纜的絕緣和護套需要進行熱延伸試驗。為了提高檢測數據的準確性和可靠性，利用LabVIEW設計了熱延伸試驗機，不僅實現了數據采集、計算、存儲及監控，還可以查看歷史記錄、實時報警等功能。該試驗機控制界面設計友好，在線參數設定方便、擴展性強等優點，具有較高的實用價值。

熱延伸試驗；LabVIEW；熱延伸試驗機

前言

LabVIEW是美國國家儀器公司推出的創新軟件產品，也是目前發展最快、功能最強大的圖形化軟件開發集成環境，被視為一個標準的數據采集和一起控制軟件，廣泛應用于現代工業的各個領域。

LabVIEW的優勢在于：一是編程簡單，形象生動，易于理解和掌握；另一個方面，其針對數據采集、儀器控制、信號分析與處理等任務，提供了節點函數對底層協議進行了高度封裝，用戶只需要直接調用即可，大大提高了開發效率[1]。

LabVIEW的基本功能是數據采集和儀器控制，其通過可視化的流程圖，完成對一個項目的設計、測試和驗證。這使得設計開發變得更加高效和快速。

熱延伸試驗機就利用了該軟件的上述功能，利用硬件驅動軟件和儀器控制的驅動程序完成了熱延伸試驗機的前期設計和模擬。

熱延伸試驗機主要用于電線電纜的熱老化性能測試試驗，是評估電線電纜的安全性能和壽命重要因素之一。

1 軟件設計

熱延伸試驗機軟件主要實現的功能是：①對各個參數的實時監控及報警；②數據存儲；③數據曲線的顯示；④載荷下伸長率和冷卻后的伸長率的計算。從層次上分主要有三層：①用戶交互層；②功能函數層；③數據通訊層。

1.1 數據通訊設計

熱延伸試驗機采用控制儀表、采集儀表、PLC控制和數據采集。上位機控制軟件需要與下位機的數據采集器、PLC、控制儀表等進行通訊。因此該部分需要在各個模塊的通訊協議基礎上，進行硬件通訊層的程序編寫。

本設計的熱電偶采集器（型號為DA100）、Rs422雙工通訊接口、Rs232串行通訊接口和以太網接口（MX100數據采集器）等。

由于控制部分使用觸摸屏，因此，上位機在設計時需要軟件采用用戶中斷的處理方式，只有在用戶點擊面板時觸發中斷執行命令，在未觸發中斷時實時讀取溫度采樣。且LabVIEW通訊允許寫入/讀取PLC的中間繼電器，不可以寫入輸出繼電器，但能讀取PLC的中間繼電器，不可以寫入輸出繼電器，但能讀取PLC輸入和輸出信息，見圖1。

在設計PLC與LabVIEW通訊時要注意兩點：第一，用戶的任何開關冷機，風機，加熱的操作，都需要采用中斷的方式進行，通過中斷瞬間將要完成的動作通訊給下位機，且和實時刷新變量分開執行不會相互影響。第二，采用中斷時，上位機LabVIEW需要并行引用COM口，這會導致在接收和發送之間的COM沖突，為了解決這個問題，需要在LabVIEW中將PLC通訊子VI化，該子VI包括每一次的數據寫入和讀取操作，并且將子VI設置為不可重入的方式。

針對其他COM口的設計與PLC的設計類似，但是在設計COM通訊程序時，針對固定幀數據格式，適用“發送代碼—讀取固定個數數據—判斷解析數據”的方式；而對于像DA100這種部分通道不連接就不輸出相應數據的變化個數協議模式，適用“發送數據—等待固定時間—一次性讀取數據—解析數據”的方式，這樣可以保證在后續更改連接方式時不會導致軟件讀數錯位和讀數等待卡頓現象。這也是LabVIEW提供多種COM函數的原因之一。

圖1 熱延伸試驗機流程圖

1.2 數據存儲設計

熱延伸試驗機所采集和存儲的數據包括有：溫度、采集圖像等。其中參與計算的數據有兩組，即載荷下的伸長度和冷卻后的伸長度。所有的數據按照時間順序進行存儲，以便計算和查看歷史記錄。

熱延伸試驗機的數據庫采用的（ROI/SUM/BIN）格式，可以完成對產生數據的各種操作，如實時數據處理、歷史數據存儲與查詢、統計數據處理、報警及數據服務請求處理等。

1.3 延伸率的計算

本試驗機的測試對象有啞鈴試樣和管狀試樣兩種，其中啞鈴試樣有大啞鈴和小啞鈴之分。對于大啞鈴試樣，試樣上標記線之間的原始距離（L1）為10 mm；對于小啞鈴試樣，試樣上標記線之間的原始距離（L1）為20 mm。對于管狀試樣，試樣上標記線之間的原始距離（L1）為20 mm[2]。

根據GB/T 5013.1-2008的要求，相關的絕緣試樣需要在規定溫度（200 ℃）試驗箱下，通過計算出試樣的截面積，給試樣施加規定的作用力，施加15 min后，讀取試樣的標線之間的距離（L2）。通過式（1）的公式，計算出載荷下的伸長率（Lz）：

通過計算出的載荷伸長率與標準要求的數值進行比較，判定是否滿足標準要求。

測試載荷下的伸長率后，熱延伸試驗機的剪切機構從試樣的下夾頭頂部切斷試樣后，剩余試樣在試驗箱保持5 min，然后從試驗箱中取出剩余的試樣，等試樣冷卻到室溫后，測量標線之間的距離（L3），通過式（2）的公式，計算出冷卻后的伸長率（Lq）：

通過計算出的冷卻后伸長率與標準要求的數值進行比較，判定是否滿足標準要求。

上述的計算值不應超過標準中相應的要求值，否則，判定測試不通過[3]。

2 硬件設計

熱延伸試驗機硬件主要實現的功能是：①溫度控制；②測試過程的記錄；③輔助功能包括數據計算。從硬件結構上主要分為：①溫度試驗箱和換氣裝置；②剪切機構；③記錄和輔助計算部分。

2.1 溫度試驗箱和換氣裝置設計

熱延伸試驗儀中的溫度試驗箱應滿足以下條件：空氣進入烘箱的方式應使空氣流過試件表面，然后從烘箱頂部附近排出。在規定的老化溫度下，烘箱內全部空氣更換次數在每小時應不少于8次，也不多于20次[4]。

以標準GB/T 5013.1-2008中表1為例，對于IE2性混合物組成的試樣，老化的溫度范圍為（200±3）℃，載荷下的伸長率最大值為175 %，冷卻后的伸長率最大值為25 %。

如果試樣為小啞鈴試樣，標線最初長度為20 mm。當試樣在載荷作用下，標線之間的距離為55 mm，即伸長率為175 %。考慮到試驗箱中上夾頭、下夾頭和載荷的長度，熱延伸試驗機內部的烘箱高度為900 mm。

測試時，每次需要3個試樣進行同時測試，考慮試樣的夾具、剪切機構的寬度和操作的空間，熱延伸試驗機內部的烘箱寬度為800 mm。同時，測試時使用一個攝像機對3個試樣進行監控、記錄，考慮到有效的攝像記錄范圍，熱延伸試驗機內部的烘箱長度為700 mm。

由于標準要求，使得空氣流過試樣表面，試驗箱的大小以確定，為了保證氣流比較均勻，底面采用直徑為6 mm、圓心距為40 mm的布局。實物圖如圖2所示。

與之相對應的熱延伸試驗機頂部，有5個通氣孔，以方便熱空氣的流出。由于試驗箱內部為長方形，頂部的四個孔成長方形布置，孔心距為320 mm×300 mm，孔直徑為28 mm。為了起到調節換氣量的作用，每個通孔上有遮蓋板和撥片，詳見圖3所示。

試驗箱側板如果采用光板（沒有孔的板），進行換氣次數的測試時，雖然可以滿足換氣量的要求，但是開門后，試驗溫度的回復時間過長，不能滿足標準要求。因此需要在側板上增加通孔，以增加試驗箱內的溫度。

側板的實際加工圖，如圖4所示。左右側板的加工方法一致。由于熱的上升作用，側板中靠近底部的孔需要全部打開，上部的板孔需要根據試驗箱內部放置的其他附件，不斷的調節，以滿足標準的換氣率和溫度回升時間的要求。

圖2 熱延伸試驗機底部圖

圖3 熱延伸試驗機頂部圖

圖4 側板實物圖

2.2 剪切機構設計

剪切機構也是熱延伸試驗機的一個關鍵部件。剪切機構的功能是將高溫條件下，受載荷作用的試樣與載荷分離。

由于剪切動作只在試樣受載荷作用的15 min后，才可以動作。所以，剪切機構不需要放置于溫度試驗箱內，而且如果試驗箱內放置的過多輔助工具會導致試驗機的換氣率不滿足標準的要求。

本試驗機的剪切機構如圖5所示。剪切機構有2個伺服電機，一個電機是控制整個機構上下移動，另一個電機控制剪切頭動作。

整個剪切機構前面是一個可控的遮蓋板，剪切機構動作時，遮蓋板打開，整個機構伸入試驗箱內，動作完成后，整個機構退出試驗箱，遮蓋板閉合。

2.3 記錄和輔助計算部分設計

本試驗機的記錄儀器使用的是DS-CFM500M工業相機。該產品數據接口為USB2.0，傳輸數據快。圖像傳輸的格式和速度可以通過軟件設置，極大的方便對數據的二次應用。

輔助計算部分，還是使用LabVIEW軟件，輸入相關的測量量，得到相應的伸長率。

3 應用

熱延伸試驗機完成后，取標稱GB/T 5013.3的電線（電線的型號為1.5 mm2的黑色硅橡膠絕緣電纜）約100 mm，抽取電纜中的銅線，在試樣的中間標記20mm的白色標記線。查標準GB/T 5013.1-2008中表1，硅橡膠絕緣的電纜為IE2型。熱延伸試驗的溫度為200 ℃，機械應力的要求為0.20 N/mm2.

測量樣品的絕緣厚度（σ）和外徑（D），絕緣厚度σ為0.83 mm，外徑D為3.45 mm。通過式（3）的公式，計算試樣的截面積（A）。

A=π（D-σ）σ （3）

將上述數值帶入式（3），計算出截面積（A）為6.83 mm2。試樣的機械應力為1.366 N，施加的重量為139.33 g，取139 g為測試時的載荷。由于下夾頭的重量為49 g，還需要90 g的砝碼。

準備好試驗砝碼，對熱延伸試驗機進行升溫，溫度到設定值時，將試樣用上夾頭加緊后，關閉試驗箱。啟動下夾頭按鈕，使得載荷夾住試樣的下部，同時，開始計時和攝像。

15 min后，取攝像時的最后一次圖像，截取標線的距離，測試的距離為51 mm，載荷下的伸長率（Lz）為155 %。測試高溫載荷后，剪切機構動作，剪短試樣，打開試驗箱的門。冷卻30 min后，取攝像的圖像，標線的距離回復為24 mm，冷卻后的伸長率（Lq）為20 %。

5 結論

通過上述試驗測試，證明了該試驗機可以滿足標準要求。該試驗機有以下優點：

圖5 剪切機構

1）可以滿足標準要求的各種試樣的要求，可以對啞鈴試樣和管狀試樣進行測試。

2）測試和計算方便。 由于測試的初始長度是固定的，測試后的實驗數據通過確認后，即可得到測試后的數據。

3）避免了測試人員的燙傷。測試的高溫為200 ℃。如果測試人員不熟練，會導致燙傷。本試驗機通過控制系統控制剪切機構動作，減少了測試人員與高溫的接觸，減少了測試人員燙傷的可能性。

[1]龍華偉,伍俊,顧永剛,等.LabVIEW數據采集與儀器控制[M].北京：清華大學出版社, 2016:1-5.

[2] GB/T 2951.21-2008 ,電纜和光纜絕緣和護套材料通用試驗方法第21部分：彈性體混合料專用試驗方法—耐臭氧試驗—熱延伸試驗—浸礦物油試驗[S].

[3] GB/T 5013.1-2008,額定電壓450/750V及以下橡皮絕緣電纜第1部分：一般要求[S].

[4] GB/T 2951.12-2008,電纜和光纜絕緣和護套材料通用試驗方法第12部分：通用試驗方法—熱老化試驗方法[S].

武政：男，40歲，廣東檢驗檢疫技術中心，高級工程師，從事環境測試和電氣附件的測試。

Design of Hot Set Based on LabVIEW

WU Zheng1, WANG Xin2, WU Fu-di1, GUO Hui1
(Guangdong Inspection and Quarantine Technology Centre, Guangzhou 510623)

According to the requirement of standards GB/T 5013.1 and GB/T 2951.12, the insulating and sheathing materials must be carried on the thermal expansion test.In order to improve the veracity and the reliability of test data, the hot set is designed based on LabVIEW, which not only realizes the data acquisition, calculation, storage, and monitor, but also can view task history and realize realtime alarm.Its interface has the advantages of friendly design, convenient online parameters setting, and good extensibility.It has high practical value.

thermal expansion test; LabVIEW; hot set

TP23

B

1004-7204（2016）05-0128-04