高温老化厌氧箱

2010-07-03傅钊

电子产品可靠性与环境试验 2010年3期

傅钊

（广州爱斯佩克环境仪器有限公司，广东广州 510800）

1 引言

高温老化会使某些材料的特性产生比较明显的影响，随着温度和时间的推移，主要体现在：a）老化：1）抗拉强度老化；2）绝缘老化。b）化学变化：热分解。c）软化、熔化、汽化和升华：扭曲。d）高温氧化：氧化层的结构。e）热扩散（金属化合物结构）：引线断裂。

对某些产品进行高温老化时，其在高温状态下容易发生氧化，特别是一些连接点材料。氧化会使某些材料中含有的填料和溶剂物质加速挥发或蒸发，促使材料加速老化失效。因此，选择满足高温老化测试、同时满足失效可能性试验要求，并且使用简单、保养维修方便的设备就显得非常必要。高温老化厌氧箱就是一种广泛用于产品的研制、生产过程之中的环境试验设备。该设备可以让产品在投入使用之前试工作一段时间，以稳定产品性能，减缓试样的氧化速度，加快老化进程。现介绍一款高温老化厌氧设备——高温老化厌氧箱IPH201S，其不仅性能、功能优良，还具备相当的便利性和安全性。

2 设备简介

在本公司原有高温箱的基础上，根据市场需求，满足部分客户特殊要求的使用场合，增加及更改了相关功能：控制系统、冷却系统，氧浓度控制测量等。用于样品或产品进行高温厌氧可靠性与模拟环境试验。

a）主要技术指标及性能

1）内容积： W 600×H 600×D 600=0.216 m3；

2）温度范围：常温～+300℃；

3）降温时间：≤100 min（+200℃→常温，空载）；

4）升温时间：≤60 min（常温→200℃，空载）；

5）温度偏差： ≤±2℃（空载）；

6）温度波动度： ≤±0.5℃（空载）；

7）残留氧浓度： ≤100 ppm（≤60 min）；

8）保护装置：电机过载过热、超压和箱内超温报警等。

b）主要特点

1）调节方式：平衡调节温度、氧浓度控制方式，精度高；

2）执行机构：电动调节阀，氧浓度测量控制；

3）内箱尺寸为正方形，内容积利用率高；

4）冷却方式：采用内箱外壁强制传动风冷却，有效地降低相关成本。

3 工作原理简介

试验箱由箱体、调温系统、氧气置换系统、冷却系统和控制系统等部分组成。系统原理图如图1所示，检测控制原理如图2所示。

箱体为内外钢板结构，中间填充耐高温保温材料，外壳采用热轧钢板，内壁为不锈钢板。箱内配有置换氧气装置通道、样品架等。

温度调节系统由轴流风机、调节通道、盖板和空气加热器等部分组成。

为了保证试验空间温度的均匀性，采用强制空气对流的方法来进行热量的传递。试验空间内气流由盖板底部进入调节通道，经空气加热器进行温度调节后，在调节通道中部，由轴流风机送风，从中间位置回到试验空间，实现箱内气流循环。

氧气置换系统由气源N2、连接管道、流量计、电动调节阀和排气口等部件组成。

流量计是进入箱体的气体流量的显示装置。通过调节流量计上的流量调节阀，控制开、关气体回路，调节进入箱体的气体压力及流量，不用时处于关闭状态。电动调节阀是安装在进气口上的专用阀门，用于控制空气进气量与N2进气量，其原理与制冷调节温度的蒸发器和加热器类似，采用空气进气与N2进气同时进行的调节方法，与传统的位式调节方式相比，具有较高的控制精度。利用箱内氧浓度及压力检测直接控制阀的开度与关闭。当气源压力不足、箱内压力偏低、设备停止高温加热或电源突然中断时，调节阀就处于关闭状态，同时排气口单向阀门自动将系统封闭，将氧气挡在箱体外，避免在高温缺保护气体状态下发生氧化、老化器件的情况。

降温系统采用强制风冷方式。选用高可靠性、低噪音的离心风机，离心风机转速可调，在冷却通道增加散热器，提高冷却降温效率，以保证运行工况的稳定性。

图1 系统原理图

电气控制系统由可编程控制器、温度传感器、氧浓度分析仪、故障检测单元和执行元件等组成。包括温度控制系统、控氧系统和保护系统等部分。

图2 检测控制原理图

温度控制器采用MPC-3000可编程控制器。控制器配备有320×240点阵触摸屏液晶显示器，中文菜单对话方式，实时显示设定温度、氧浓度及压力，实测温度、氧浓度及压力、总运行时间、段运行时间、段剩余时间、加热状态以及日历等，界面友好，方便且易以操作。控制器将测量板通过温度传感器测得的箱内温度值与通过用户操作界面设定的温度值进行比较，并将差值按一定的调节规律进行PID运算，算出需要输出控制量的大小及决定各输出点的工作状态，通过I/O输入输出口控制加热系统、控氧浓度和降温系统等工作，使箱内温度按要求变化，控制器内置PLC接受MPC-3000的控制指令，决定各执行元件（如调节阀、加热器和降温器）的工作状态。同时，设备还具备先进的故障自诊断功能，PLC对各保护检测元件的状态进行监测，一旦设备出现异常发生时，即采取保护措施并发出声光报警信号，同时设备将切断主要部件的电源。显示器将显示故障部位、可能原因及推荐的解决方法，帮助迅速排除故障。

氧浓度控制也采用MPC-3000可编程控制器。其中氧浓度分析仪由变送器和氧化锆传感器组成，测量范围：0%～100%氧浓度；检测极限：小于1 ppm。设备进行设定氧浓度调节控制时，变送器将传感器测得的信号进行变换，以标准4～20 mA电流信号送至测量板，进行A/D转换，通过与用户操作界面设定的氧浓度值进行比较，经控制器内部PID运算产生数字输出信号，经转换器输出及I/O输出口输出控制，分别调控控氧系统电动调节阀的开度大小及与其相关的部件工作，从而控制箱体的空气进气量与N2进气量的大小，使箱内氧浓度量按预设定要求进行变化。

保护系统包括电源断相、风机过载、超温、箱内超压和门电动锁紧装置等保护装置。其中超温保护及氧浓度测量尤为重要，因此，除控制器设定温度上下限保护外，另还增加一套独立的超温保护装置。设备系统运行时，为消除不必要的干扰因素，采取相应的抗干扰措施是提高控制可靠性的重要手段，滤波、屏蔽和接地等措施能极大地消除设备间的耦合及共阻干扰。用屏蔽线进行数字信号的传输并尽量避开电源线和动力线，可消除传输线路中的电磁干扰，可有效地保证控制回路的可靠性。

由于传感器的特性及周围环境的因素影响，采集数据不能丝毫不差地反映被测温度、氧浓度的变化，总存在着一定的误差，有必要对温度、氧浓度的偏差进行校正，通常用相对误差来表示其大小。非线性误差的大小是以一定的拟合直线或理想直线作为基准直线算出来的，因此，基准直线不同所得出的线性精度也就不一样，所以要找到一条能反映校准数据的一般趋向同时又使误差绝对值为最小的直线，本系统采用分段修正方式。采用最小二乘法线性度作为传感器特性的拟合直线，校准点有n个，对应的输出值是y，然后计算出最佳的校准方程式进行温度、氧浓度的偏差校正。

本系统可配置微型打印机，用于记录试验过程中的温度、氧浓度数据，还可打印用户设定温度、压力试验程序清单。记录功能集成在控制器内，可同时记录温度、氧浓度数据，通过USB接口可转存到优盘，通过PC机专用软件直接显示和打印试验数据/曲线。

另外，本设备还可提供RS-485标准通讯接口，用户可通过PC机对设备实施远程监控。