防護服熔融金屬飛濺試驗儀的研發

白振華 韓 祥 陳 波 穆 巖 張生輝

(陜西元豐紡織技術研究有限公司，陜西西安，710038)

1 研發背景

隨著科技的發展和紡織工業的進步，紡織品種類不斷增多，其應用范圍從人們的日常生活擴展到工業、農業、交通運輸、軍事、衛生等諸多領域。與此同時，由于大部分紡織品不具備隔熱性而引起的潛在威脅也進一步增大。如何減少紡織品隔熱危險性，減少人們生命財產的損失，已引起全世界的關注和重視。近年來，世界各國紛紛開展紡織品隔熱技術的研究，并制定了相應的紡織品隔熱性能測試方法、隔熱制品標準及應用法規等。我國對紡織品的隔熱性能也進行了大量研究，制定了一系列相應的標準與方法。

目前國內隔熱防護服的標準有GB 8965.2—2009《焊接防護服》和GB/T 17599—1998《抗熔融金屬沖擊性能的測定》。這兩個標準都是針對焊接生產過程制定，適用于各種防熔融金屬飛濺物灼傷人體的織物和復合織物的防護性能。其測試原理為：使用焊接槍將焊絲條熔化，其滴落物引起織物背部量熱計溫度上升40℃時，測量其滴落的熔融金屬滴的數量。這種測試方法的試驗強度較低，適用于金屬焊接的工作場合，針對此類標準研制的測試儀器技術已經成熟，且市場上生產銷售品類較多，而適用于金屬冶煉的工作場合的相關標準目前國內暫時沒有，也沒有相關的檢測儀器。

針對熔融金屬防護的國際標準ISO 9185—2007《防護服裝-材料耐熔融金屬飛濺的評估》，測試原理為：測試過程中，適量的熔融金屬濺射到一定角度放置的樣品上[1]，將一個PVC薄膜覆在樣品背面與之接觸，通過記錄濺射后PVC薄膜的變化來評價損壞情況；根據測試結果，使用更大或更小的金屬量進行重復試驗，直至PVC薄膜損壞程度最小。這種測試方法的試驗強度明顯較高，適用于金屬冶煉等生產場合，這種測試儀器目前僅有德國WAZUA生產。

由于我國隔熱防護服和隔熱面料對歐盟各國的出口不斷增長，按照國外標準進行隔熱防護服的檢測就成了必需。然而由于相應檢測儀器的不普遍、不完善，誤差大、自動化程度低或委托檢驗時間、費用等問題，給外貿企業帶來了不小的阻礙。我單位承擔的2018國家重點研發計劃項目——熔融金屬飛濺防護新材料的技術研究與開發(課題編號：2018YFC0810305)，正是為彌補我國在此領域的短板，包含了紡織面料的研發、金屬熔珠飛濺的標準和配套測試儀器。面料的研發保證了金屬冶煉工人的人身安全，標準的制定為金屬冶煉企業防護服的檢測提供了依據，儀器的研制則為防護服的檢測提供了必要的檢測手段。

我們根據國家項目要求的金屬鋁飛濺和金屬鐵飛濺標準，同時依據國際標準ISO 9185—2007《防護服裝-材料耐熔融金屬飛濺的評估》，進行鋁、鐵、銅、低碳鋼和冰晶石的熔融飛濺試驗，為廣大外貿出口企業提供性價比高的檢測儀器。設計開發的防護服金屬熔珠飛濺測試儀器，集成創新應用機電一體化技術，采用HMI工業人機界面、PLC程序控制、步進電機控制單元、高頻爐和高性能雙色紅外測溫儀核心部件。經過在國內檢測機構使用，性能指標達到要求。

2 測試原理

測試過程中，適量的熔融金屬濺射到一定角度放置的樣品上，將一個PVC薄膜覆在樣品背面與之接觸。通過記錄濺射后PVC薄膜的變化來評價損壞情況。根據測試結果，使用更大或更小的金屬量進行重復試驗，直至PVC薄膜損壞程度最小。

3 設計思路

根據項目提出的技術要求結合標準要求，規劃設計思路，梳理出實現儀器功能的核心裝置。通過人機操作界面選擇需要熔融物質的類型，自動調節該物質需要的加熱溫度、澆注速度、澆注角度、澆注高度和試樣角度，同時配合加熱裝置、測溫裝置和澆注旋轉裝置實現試驗過程自動化，并應用無線通訊技術。通訊將人機界面的設定值發送給加熱控制器和步進電機控制器，用模擬量信號完成對各參數的設定，同時將測溫裝置和步進編碼器的信號反饋給人機界面進行優化運算，保證數據的準確性。測溫裝置使用高性能雙色紅外測溫儀，保證各種熔融金屬測溫的準確性。澆注旋轉裝置和試樣調整裝置應用步進電機實現精準控制，保證澆注過程平穩準確，澆注高度和試樣角度定位準確。上述設計思路，實現了儀器的全自動化工作，降低了操作人員的操作難度，同時讓操作人員遠離熱源，保證安全，有效地提升了試驗工作效率。

4 系統構成

防護服熔融金屬飛濺試驗儀由加熱裝置、測溫裝置、澆注旋轉裝置和HMI人機界面系統組成。

4.1 加熱裝置

熔化金屬的容器為高純石墨坩堝，其特點是本身具有導磁性，能夠承受電磁感應，最大容量為190 mL，5種熔融物質的最低溫度820 ℃，最高溫度1 650 ℃。針對小容量金屬熔化的加熱裝置有兩種，一種是馬弗爐，一種是高頻爐。馬弗爐熔化物質的原理是溫度熱傳遞，常見的馬弗爐為箱式結構，加熱單元有電爐絲、硅碳棒和硅鉬棒，將需熔化的物質放入加熱箱內，加熱單元將箱內加熱至指定溫度，利用熱傳遞原理熔化物質。馬弗爐的特點是結構簡單，可同時熔化多組物質，缺點是熔化物質速度慢，功率恒定，加熱單元屬易耗品，體積較大。高頻爐熔化物質的原理是高頻電流流向紫銅管繞制而成的感應圈狀加熱線圈，產生交變電磁場，將需要加熱的物料放于感應圈中，電磁感應在物料中產生渦流，受電阻作用而使電能轉化為熱能，最終使物料溫度上升，實現物質熔化。高頻爐的特點是熔化物質速度快，功率可調，無易耗品，體積小易于集成，缺點是只能加熱導磁物質[2]。需要加熱熔化的5種物質分別是：鋁、銅、鐵、低碳鋼和冰晶石，其中冰晶石屬礦物質不具有導磁性，但石墨坩堝本身具有導磁性。

根據這兩種加熱裝置的原理和特點，結合5種熔融物質、坩堝的材質，考慮系統集成實現聯動控制，確定選擇高頻爐作為加熱裝置。高頻爐的功率調節核心部件為大功率IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)，原理如圖1所示。

圖1 IGBT原理圖

其構成是由BJT(雙極型三極管)和MOS(絕緣柵型場效應管)組成的復合全控型電壓驅動式功率半導體器件, 兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導通壓降兩方面的優點。GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅動電流較大；MOSFET驅動功率很小，開關速度快，但導通壓降大，載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優點，驅動功率小而飽和壓降低。由IGBT與FWD(續流二極管芯片)通過特定的電路橋接封裝而成的模塊化半導體產品，封裝后的IGBT模塊直接應用于高頻爐。高頻爐功率調節原理為利用模擬量控制IGBT基極的電壓，調整導通系數，從而達到調節功率的目的，調節電壓為0 V～+10 V,對應功率量程0～100%;PLC控制器模擬量輸出范圍-10 V～+10 V，對應控制值-2 000～+2 000。人機界面利用通訊將功率控制值發送至PLC，PLC控制IGBT基極電壓調節實現對高頻爐功率調節。調節換算機制如表1所示。

表1 調節換算機制

高頻爐功率/%調節電壓/VPLC控制值30.060.090.03.006.009.00 6001 2001 800

4.2 測溫裝置

標準要求測量溫度最低760 ℃，最高1 650 ℃，精度±10 ℃。測溫裝置大致分為直接接觸式和非接觸式兩種，且都能滿足標準要求的測量范圍和精度。直接接觸式手提式熔煉測溫儀配合熱電偶，直接放入被測金屬溶液中測溫，熱電偶為一次性使用，每測一次溫就更換一個熱電偶，其特點是溫度顯示迅速，精度高，可直接測量各種物質。非接觸式測溫裝置按測溫原理分為單色紅外線測溫儀和雙色紅外測溫儀。單色紅外測溫儀測量熔融物質只適用于同一種物體，且會受到加熱煙塵的影響。雙色紅外測溫儀采用比色測溫原理直接測量目標的溫度，抗煙霧、水蒸氣和灰塵能力強，帶有溫度顯示和信號輸出，既適合于測量，又適合于閉環控制。

綜上分析選用高性能雙色紅外測溫儀較為合適，溫度的采集信號通過工業通訊協議RS-485實現，RS-485總線標準規定了總線接口的電氣特性標準即對于2個邏輯狀態的定義：正電平在+2 V～+6 V之間，表示一個邏輯狀態；負電平在-2 V～-6 V之間，則表示另一個邏輯狀態；數字信號采用差分傳輸方式，能夠有效減少噪聲信號的干擾。

4.3 澆注旋轉裝置

標準要求澆注時坩堝旋轉要以恒定角速度旋轉且轉速可調。熔融金屬的澆注：坩堝恒定的速度(36±2.5)°/s；熔融冰晶石的澆注：坩堝恒定旋轉速度為(18±1.5)°/s，且要求運動平穩、定位準確、精度高。步進電機驅動可以通過控制脈沖個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的，同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速精度較高，運動平穩，步距角一般為3.6°、1.8°、0.72°、0.36°，適用于小功率小扭矩的環境；伺服電機驅動是通過控制脈沖時間的長短控制轉動角度，運動精度高，步距角為0.036°，適用于大功率大扭矩。綜上分析選擇步進電機驅動系統作為澆注旋轉裝置的動力[3]。需要計算以下幾個重要參數。

步進電機扭矩計算。扭矩公式：T=m×g×r。式中：m為物體質量，單位為kg，g為重力加速度，取9.8 m/s2，r為物體回轉半徑，單位為m。計算得：T=3.2×9.8×0.097=3.04(N·m)。根據選型需要，電機扭矩為實際使用扭矩的1倍，故選擇步進電機扭矩為6 N·m以上。

(2)步進電機步距角計算。步距角公式：β=(360°)/ZKm。式中：Z為轉子齒數(二相步進電機為100)，K為通電系數(通常為2)，m為定子繞組相數。計算得：β= (360°)/(100×2×2)=0.9°。選擇步進電機步距角不大于0.9°。

(3)脈沖輸出頻率計算。步進電機驅動器精度為0.9°/脈沖，旋轉36°需要36°/0.9°=40脈沖。滿足36°/s，需要40脈沖/s，故脈沖輸出頻率為40 Hz即可。

4.4 HMI人機界面系統

試驗需要熔化的物質有5種，其中4種金屬1種礦物質，每種物質熔化的溫度、澆注溫度、澆注高度、澆注角度、旋轉速度和旋轉角度都不相同，在更換物質時需要對各個參數進行一一調整，很容易出現錯誤或調整不到位的情況，所以利用HMI人機界面開發專用操作軟件實現各個參數的自動調整，使實驗過程自動化，提高儀器的操作簡便性、安全性和穩定性。從前期市場調研反饋，市場上銷售的儀器均沒有配備專用操作軟件實現自動化的操作，所以研發儀器配備HMI人機界面專用操作平臺具有創新性。HMI人機界面配合PLC邏輯控制器構成系統控制中心，實現了儀器操作、參數設置和信號的采集處理，實現了可視化和全自動化。

4.5 信號傳輸的抗干擾處理

抗干擾處理一直是所有應用電子控制技術必備的系統，也是整體運行可靠的保障，具有至關重要的作用。抗干擾并不是針對某一個部位進行的處理，而是對信號的發出、傳輸、接收的整個過程進行處理，同時抗干擾系統也不是一成不變的，而是在具體使用過程中根據實際情況綜合考慮設計出來的。儀器中使用的模擬量信號包括PLC邏輯控制器模擬量輸入輸出端口、步進電機或伺服電機控制器和雙色紅外測溫儀。具體技術措施：一是對儀器中能造成干擾的部件進行分析，做好屏蔽處理措施，初步分析干擾源為旋轉電機、開關電源、交流220 V電源，如果使用高頻爐，高頻爐是最大的干擾源，針對這些部件設計金屬屏蔽罩。二是模擬量儀表布置和線路走向時，盡量遠離干擾源，同時傳輸電線采用RVVP銅編織網屏蔽銅纜，通訊系統可靠接地。三是在模擬量的輸入和輸出點設計濾波電路，濾波電路一般由電抗元件組成，分為兩大類無源濾波和有源濾波，無源濾波又分為電容濾波、電感濾波和復式濾波，有源濾波為有源RC濾波。首先考慮使用無源濾波中常用的復式濾波，濾除某一次或多次諧波，且具有結構簡單、成本低廉、運行可靠性較高等優點。如果無源濾波效果不佳，再考慮使用有源RC濾波，與無源濾波相比，其具有高度可控性和快速響應性，能補償各次諧波，可抑制閃邊、補償無功，有一機多能的特點，濾波特性不受系統阻抗的影響，消除與系統阻抗發生諧振的危險，具有自適應功能，可自動跟蹤補償變化著的諧波。通過以上技術措施，儀器可完美解決系統干擾問題。

5 測試過程

調整澆注裝置的位置，使澆注高度滿足規定的要求，調整試樣支架的角度，使試樣角度滿足規定的要求。按照被測試樣需要的溫度要求，將對應的金屬材料稱重50 g或50 g的倍數放入坩堝，并將其熔化至略高于整個試驗期間保持熔融狀態的溫度。安裝一塊PVC薄膜，壓花面在上面，在足夠的張力下使其平整，然后將試樣放在PVC薄膜上，固定銷釘。確保試樣和PVC薄膜在整個區域內接觸，并且試樣沒有折痕。使用可拆卸的坩堝支架小心地將坩堝放到澆注環上，讓熔融金屬冷卻至澆注溫度，然后操作澆注裝置，使坩堝以恒定的速度從水平面旋轉至少130°。澆注完成30 s后，取下試樣并檢查PVC薄膜是否有損壞跡象，記錄是否有熔融金屬凝固并黏附在試樣表面，待殘留在坩堝中的金屬充分固化后，將其刮掉并稱重，從熔化的初始金屬質量中減去該殘余物，記錄為“金屬澆注質量”。

6 應用成效對比

基于PLC邏輯控制器、步進電機控制單元、高頻爐、高性能雙色紅外測溫儀、HMI工業人機界面操作軟件設計開發的防護服熔融金屬飛濺試驗儀器，完全符合國家項目和ISO9185—2007《防護服裝-材料耐熔融金屬飛濺的評估》標準要求，能夠促進我國熱防護面料的研發和生產，為打造功能性紡織品研發、生產和測試一體化市場提供可靠的技術手段。

(1)儀器使用HMI人機界面配合PLC程序控制器，實現儀器操作無線遠程化、過程全自動化，保證了操作人員的安全，提高了儀器測試的穩定性和數據的準確性。

(2)儀器使用步進電機控制單元、高頻爐和高性能雙色紅外測溫儀作為核心部件，保證了各種金屬熔融溫度的準確控制和高效熔化，澆注速度和角度的運轉平穩，試樣角度和高度的準確定位。

(3)儀器配備了多種保護措施，過壓過流保護、過溫保護、冷卻水保護和整體防護罩，保證了試驗的安全性。

我國西部某檢測機構使用防護服熔融金屬飛濺試驗儀與西班牙Textile Technological Institute(以下簡稱Aitex)檢測機構的測試報告進行對比，結果見表2。

表2 實驗結果對比

試樣編號使用質量/gAitex 本儀器傾倒質量/gAitex 本儀器PVC評定Aitex 本儀器結果Aitex 本儀器12345678910209208209207208210209207208207210208207209207207206209207205203201202200200202201203200201204202202203200201203201200200NoNoNoNoNoNoNoNoNoNoNoNoNoNoNoNoNoNoNoNoD2D2D2D2D2D2D2D2D2D2D2D2D2D2D2D2D2D2D2D2

由表2可以看出，該儀器的測試結果與西班牙Aitex測試報告結果一致。

7 結語

防護服熔融金屬飛濺試驗儀設計完全符合國家重點研發計劃項目和ISO9185—2007《防護服裝-材料耐熔融金屬飛濺的評估》標準要求。采用機電一體化技術通過程序控制，實現了熔融金屬飛濺測試過程的自動化，方便適用，性能穩定，在保證了實驗結果準確性的同時，降低了采購成本，為相關檢測機構和生產企業提供了高性價比選擇，為提高防護服阻燃面料的阻燃性能提供了可靠的檢測儀器。