基于LabVIEW设计的 热延伸试验机

武 政，王 鑫，吴福娣，郭 慧

（ 1.广东检验检疫技术中心，广州 510623； 2.广州检验检疫局，广州 510623）

基于LabVIEW设计的 热延伸试验机

武 政1，王 鑫2，吴福娣1，郭 慧1

（ 1.广东检验检疫技术中心，广州 510623； 2.广州检验检疫局，广州 510623）

根据GB/T 5013.1和GB/T 2951.12的要求，对电线电缆的绝缘和护套需要进行热延伸试验。为了提高检测数据的准确性和可靠性，利用LabVIEW设计了热延伸试验机，不仅实现了数据采集、计算、存储及监控，还可以查看历史记录、实时报警等功能。该试验机控制界面设计友好，在线参数设定方便、扩展性强等优点，具有较高的实用价值。

热延伸试验；LabVIEW；热延伸试验机

前言

LabVIEW是美国国家仪器公司推出的创新软件产品，也是目前发展最快、功能最强大的图形化软件开发集成环境，被视为一个标准的数据采集和一起控制软件，广泛应用于现代工业的各个领域。

LabVIEW的优势在于：一是编程简单，形象生动，易于理解和掌握；另一个方面，其针对数据采集、仪器控制、信号分析与处理等任务，提供了节点函数对底层协议进行了高度封装，用户只需要直接调用即可，大大提高了开发效率[1]。

LabVIEW的基本功能是数据采集和仪器控制，其通过可视化的流程图，完成对一个项目的设计、测试和验证。这使得设计开发变得更加高效和快速。

热延伸试验机就利用了该软件的上述功能，利用硬件驱动软件和仪器控制的驱动程序完成了热延伸试验机的前期设计和模拟。

热延伸试验机主要用于电线电缆的热老化性能测试试验，是评估电线电缆的安全性能和寿命重要因素之一。

1 软件设计

热延伸试验机软件主要实现的功能是：①对各个参数的实时监控及报警；②数据存储；③数据曲线的显示；④载荷下伸长率和冷却后的伸长率的计算。从层次上分主要有三层：①用户交互层；②功能函数层；③数据通讯层。

1.1 数据通讯设计

热延伸试验机采用控制仪表、采集仪表、PLC控制和数据采集。上位机控制软件需要与下位机的数据采集器、PLC、控制仪表等进行通讯。因此该部分需要在各个模块的通讯协议基础上，进行硬件通讯层的程序编写。

本设计的热电偶采集器（型号为DA100）、Rs422双工通讯接口、Rs232串行通讯接口和以太网接口（MX100数据采集器）等。

由于控制部分使用触摸屏，因此，上位机在设计时需要软件采用用户中断的处理方式，只有在用户点击面板时触发中断执行命令，在未触发中断时实时读取温度采样。且LabVIEW通讯允许写入/读取PLC的中间继电器，不可以写入输出继电器，但能读取PLC的中间继电器，不可以写入输出继电器，但能读取PLC输入和输出信息，见图1。

在设计PLC与LabVIEW通讯时要注意两点：第一，用户的任何开关冷机，风机，加热的操作，都需要采用中断的方式进行，通过中断瞬间将要完成的动作通讯给下位机，且和实时刷新变量分开执行不会相互影响。第二，采用中断时，上位机LabVIEW需要并行引用COM口，这会导致在接收和发送之间的COM冲突，为了解决这个问题，需要在LabVIEW中将PLC通讯子VI化，该子VI包括每一次的数据写入和读取操作，并且将子VI设置为不可重入的方式。

针对其他COM口的设计与PLC的设计类似，但是在设计COM通讯程序时，针对固定帧数据格式，适用“发送代码—读取固定个数数据—判断解析数据”的方式；而对于像DA100这种部分通道不连接就不输出相应数据的变化个数协议模式，适用“发送数据—等待固定时间—一次性读取数据—解析数据”的方式，这样可以保证在后续更改连接方式时不会导致软件读数错位和读数等待卡顿现象。这也是LabVIEW提供多种COM函数的原因之一。

图1 热延伸试验机流程图

1.2 数据存储设计

热延伸试验机所采集和存储的数据包括有：温度、采集图像等。其中参与计算的数据有两组，即载荷下的伸长度和冷却后的伸长度。所有的数据按照时间顺序进行存储，以便计算和查看历史记录。

热延伸试验机的数据库采用的（ROI/SUM/BIN）格式，可以完成对产生数据的各种操作，如实时数据处理、历史数据存储与查询、统计数据处理、报警及数据服务请求处理等。

1.3 延伸率的计算

本试验机的测试对象有哑铃试样和管状试样两种，其中哑铃试样有大哑铃和小哑铃之分。对于大哑铃试样，试样上标记线之间的原始距离（L1）为10 mm；对于小哑铃试样，试样上标记线之间的原始距离（L1）为20 mm。对于管状试样，试样上标记线之间的原始距离（L1）为20 mm[2]。

根据GB/T 5013.1-2008的要求，相关的绝缘试样需要在规定温度（200 ℃）试验箱下，通过计算出试样的截面积，给试样施加规定的作用力，施加15 min后，读取试样的标线之间的距离（L2）。通过式（1）的公式，计算出载荷下的伸长率（Lz）：

通过计算出的载荷伸长率与标准要求的数值进行比较，判定是否满足标准要求。

测试载荷下的伸长率后，热延伸试验机的剪切机构从试样的下夹头顶部切断试样后，剩余试样在试验箱保持5 min，然后从试验箱中取出剩余的试样，等试样冷却到室温后，测量标线之间的距离（L3），通过式（2）的公式，计算出冷却后的伸长率（Lq）：

通过计算出的冷却后伸长率与标准要求的数值进行比较，判定是否满足标准要求。

上述的计算值不应超过标准中相应的要求值，否则，判定测试不通过[3]。

2 硬件设计

热延伸试验机硬件主要实现的功能是：①温度控制；②测试过程的记录；③辅助功能包括数据计算。从硬件结构上主要分为：①温度试验箱和换气装置；②剪切机构；③记录和辅助计算部分。

2.1 温度试验箱和换气装置设计

热延伸试验仪中的温度试验箱应满足以下条件：空气进入烘箱的方式应使空气流过试件表面，然后从烘箱顶部附近排出。在规定的老化温度下，烘箱内全部空气更换次数在每小时应不少于8次，也不多于20次[4]。

以标准GB/T 5013.1-2008中表1为例，对于IE2性混合物组成的试样，老化的温度范围为（200±3）℃，载荷下的伸长率最大值为175 %，冷却后的伸长率最大值为25 %。

如果试样为小哑铃试样，标线最初长度为20 mm。当试样在载荷作用下，标线之间的距离为55 mm，即伸长率为175 %。考虑到试验箱中上夹头、下夹头和载荷的长度，热延伸试验机内部的烘箱高度为900 mm。

测试时，每次需要3个试样进行同时测试，考虑试样的夹具、剪切机构的宽度和操作的空间，热延伸试验机内部的烘箱宽度为800 mm。同时，测试时使用一个摄像机对3个试样进行监控、记录，考虑到有效的摄像记录范围，热延伸试验机内部的烘箱长度为700 mm。

由于标准要求，使得空气流过试样表面，试验箱的大小以确定，为了保证气流比较均匀，底面采用直径为6 mm、圆心距为40 mm的布局。实物图如图2所示。

与之相对应的热延伸试验机顶部，有5个通气孔，以方便热空气的流出。由于试验箱内部为长方形，顶部的四个孔成长方形布置，孔心距为320 mm×300 mm，孔直径为28 mm。为了起到调节换气量的作用，每个通孔上有遮盖板和拨片，详见图3所示。

试验箱侧板如果采用光板（没有孔的板），进行换气次数的测试时，虽然可以满足换气量的要求，但是开门后，试验温度的回复时间过长，不能满足标准要求。因此需要在侧板上增加通孔，以增加试验箱内的温度。

侧板的实际加工图，如图4所示。左右侧板的加工方法一致。由于热的上升作用，侧板中靠近底部的孔需要全部打开，上部的板孔需要根据试验箱内部放置的其他附件，不断的调节，以满足标准的换气率和温度回升时间的要求。

图2 热延伸试验机底部图

图3 热延伸试验机顶部图

图4 侧板实物图

2.2 剪切机构设计

剪切机构也是热延伸试验机的一个关键部件。剪切机构的功能是将高温条件下，受载荷作用的试样与载荷分离。

由于剪切动作只在试样受载荷作用的15 min后，才可以动作。所以，剪切机构不需要放置于温度试验箱内，而且如果试验箱内放置的过多辅助工具会导致试验机的换气率不满足标准的要求。

本试验机的剪切机构如图5所示。剪切机构有2个伺服电机，一个电机是控制整个机构上下移动，另一个电机控制剪切头动作。

整个剪切机构前面是一个可控的遮盖板，剪切机构动作时，遮盖板打开，整个机构伸入试验箱内，动作完成后，整个机构退出试验箱，遮盖板闭合。

2.3 记录和辅助计算部分设计

本试验机的记录仪器使用的是DS-CFM500M工业相机。该产品数据接口为USB2.0，传输数据快。图像传输的格式和速度可以通过软件设置，极大的方便对数据的二次应用。

辅助计算部分，还是使用LabVIEW软件，输入相关的测量量，得到相应的伸长率。

3 应用

热延伸试验机完成后，取标称GB/T 5013.3的电线（电线的型号为1.5 mm2的黑色硅橡胶绝缘电缆）约100 mm，抽取电缆中的铜线，在试样的中间标记20mm的白色标记线。查标准GB/T 5013.1-2008中表1，硅橡胶绝缘的电缆为IE2型。热延伸试验的温度为200 ℃，机械应力的要求为0.20 N/mm2.

测量样品的绝缘厚度（σ）和外径（D），绝缘厚度σ为0.83 mm，外径D为3.45 mm。通过式（3）的公式，计算试样的截面积（A）。

A=π（D-σ）σ （3）

将上述数值带入式（3），计算出截面积（A）为6.83 mm2。试样的机械应力为1.366 N，施加的重量为139.33 g，取139 g为测试时的载荷。由于下夹头的重量为49 g，还需要90 g的砝码。

准备好试验砝码，对热延伸试验机进行升温，温度到设定值时，将试样用上夹头加紧后，关闭试验箱。启动下夹头按钮，使得载荷夹住试样的下部，同时，开始计时和摄像。

15 min后，取摄像时的最后一次图像，截取标线的距离，测试的距离为51 mm，载荷下的伸长率（Lz）为155 %。测试高温载荷后，剪切机构动作，剪短试样，打开试验箱的门。冷却30 min后，取摄像的图像，标线的距离回复为24 mm，冷却后的伸长率（Lq）为20 %。

5 结论

通过上述试验测试，证明了该试验机可以满足标准要求。该试验机有以下优点：

图5 剪切机构

1）可以满足标准要求的各种试样的要求，可以对哑铃试样和管状试样进行测试。

2）测试和计算方便。 由于测试的初始长度是固定的，测试后的实验数据通过确认后，即可得到测试后的数据。

3）避免了测试人员的烫伤。测试的高温为200 ℃。如果测试人员不熟练，会导致烫伤。本试验机通过控制系统控制剪切机构动作，减少了测试人员与高温的接触，减少了测试人员烫伤的可能性。

[1]龙华伟,伍俊,顾永刚,等.LabVIEW数据采集与仪器控制[M].北京：清华大学出版社, 2016:1-5.

[2] GB/T 2951.21-2008 ,电缆和光缆绝缘和护套材料通用试验方法第21部分：弹性体混合料专用试验方法—耐臭氧试验—热延伸试验—浸矿物油试验[S].

[3] GB/T 5013.1-2008,额定电压450/750V及以下橡皮绝缘电缆第1部分：一般要求[S].

[4] GB/T 2951.12-2008,电缆和光缆绝缘和护套材料通用试验方法第12部分：通用试验方法—热老化试验方法[S].

武政：男，40岁，广东检验检疫技术中心，高级工程师，从事环境测试和电气附件的测试。

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