具体实施方式
下面将结合附图对本发明优选的实施方式进行详细说明:
如图1所示,本发明熔断器寿命特征数据试验与评估***主要由试验模块1、数据采集模块2、寿命评估模块3、显示模块4、存储与打印模块5以及键盘输入模块6组成,其中,试验模块1主要用于为待评估的多个相串联的熔断器形成的熔断器组提供模拟试验环境,其主要由中央控制单元、电源单元、取样单元、检测与隔离单元、驱动单元以及执行单元组成,本发明中,试验模块1的优选实施方式可参见本申请人在先申请的申请号为201010003668.3的发明专 利,同时,该试验模块1还具备自动检测每个熔断器个体的通断状态,当出现某一熔断器熔断,通过短接该熔断个体从而恢复其他熔断器的继续供电。
数据采集模块2主要用于实时采集熔断器寿命试验模块1的各种数据信息,包括试验电流、电位差、各个熔断器当前的状态(是否熔断)、每个熔断器熔体达到选定冷态电阻值以及熔断或试验截止时的时间和对应的熔体温度。其主要由数据采集卡、温度传感器等及其相应的处理电路组成,其具体实现电路不是本发明要点,在此不再赘述。
显示模块4的设置为了保证观察的更直接,显示的内容包括试验电流的大小、各个熔断器个体的编号、电位差、各个熔断器的通断状况、每个熔断器熔体达到选定冷态电阻值以及熔断或试验截止时的时间和对应的熔体温度,当寿命试验截止时,还可显示该组熔断器在寿期内的主要寿命点的特征数据。
存储与打印模块5能够自动存储与打印试验电流的大小、各个熔断器个体的编号、电位差、各个熔断器的通断状况、每个熔断器熔体达到选定冷态电阻值以及熔断或试验截止时的时间和对应的熔体温度,当寿命试验截止时,还可存储并打印该组熔断器在寿期内的主要寿命点的特征数据。
键盘输入模块6用于向寿命评估模块3输入试验电流设定值以及熔断器熔体冷态电阻选定值等。
上述显示模块4、存储与打印模块5以及键盘输入模块6均可采用现有技术实现,在此对其具体电路不再赘述。
所述的寿命评估模块3是基于金属电迁移寿命模型而设计的,其对数据采集模块2提供的熔断器组的寿命试验数据进行分析与处理,以得出该组熔断器在寿期内主要寿命点的特征数据。具体评估方法如下:
首先设定试验截止条件,给熔断器组加正常工作电流,待温度达到稳定后,通过数据采集模块采集熔丝温度TU并记录;
然后,通过试验模块1向熔断器组增加电流应力(小于最小约定熔断电流大于额定电流)进行加速应力试验,并记录试验开始时间,此电流为试验电流,整个过程中,试验电流保持恒定值,待熔断器温度达到稳定后,记录试验电流下的熔丝温度TS。随着加速试验的进行,熔断器的熔体逐渐老化,冷态电阻值会逐渐增大,熔体温度会缓慢升高,温度升高后,熔体自身的冷态电阻值会进一步增大,直至熔体熔断。因此,在不同的阶段,熔断器的冷态电阻值是不同 的,本发明中,在整个试验过程间隔设定j个冷态电阻值,定义为选定冷态电阻值,不同的熔断器到达各选定冷态电阻值的时间以及熔体温度均有所不同,分别记录下每个熔断器达到相应冷态电阻值以及熔断或试验截止时的时间和对应的熔体温度。根据上述公式(1)可得到针对各个选定冷态电阻值的综合加速因子AFm,以及各熔体熔断或试验截止时的综合加速因子AFj+1,分别为:
式中,JU为正常工作电流条件下的电流密度,n2为相应的电流密度指数;JS为试验电流条件下的电流密度,n1为相应的电流密度指数;TU为正常工作电流条件下的熔体温度,TSm为达到第m个冷态电阻值时的各个熔体温度的平均值,TSf为各熔断个体熔断时以及未熔断个体达到试验截止条件时熔体温度的平均值。
上述对各个阶段下的综合加速因子进行了计算,下面将计算加速应力下熔断器寿期内另一特征数据——达到各选定冷态电阻值以及熔断或试验截止时的运行时间:
首先,采用平均秩法计算定时截尾试验的经验故障分布函数,计算方法如下:
Ak=Ak-1+ΔAk (4)
R(t)=1-F(tk) (6)
以上各式中,Ak为故障样品的平均秩次;k为试验过程中熔断样品按试验时间由小到大的顺序号;ΔAk为平均秩次增量;i为所有样品按试验时间由小到大的顺序排列号;tk为第k个故障样品的运行时间(h)。
根据记录的每个熔断器熔体达到相应冷态电阻值的时间以及各个熔断器的熔断时间,利用式(3)~式(6)计算出经验可靠性指标。在此,R(t)为与试验过程中熔断样品个数相对应的多个离散点。利用这些离散点,采用双参数威布尔分布模型进行可靠性参数估计,涉及的模型表达式如下:
通过作图法,进行直线拟合,可得出在各个选定冷态电阻值下双参数威布尔分布对应的两个参数αm与βm(m=1,2,...,j)以及熔断或试验截止时对应的αf与βf,从而得到式(7)的可靠度函数Rm(t)(m=1,2,...,j)以及Rf(t),最终通过如下式(8)得到加速应力下的达到各个选定冷态电阻值以及熔断或试验截止时的运行时间,为:
其中, 为伽马函数。
最后,通过上述各个选定冷态电阻值以及熔断或试验截止时的综合加速因子以及运行时间,将加速应力下熔断器的寿命转化为熔断器在正常工作电流条件下的寿命:
式中:T代表熔断器正常工作电流条件下的寿命。
下面将给出根据上述方法对16个熔断器形成的熔断器组进行试验的过程举例:
加速老化试验开始时间:2010-5-29 10:10;
选定冷态电阻值为:0.068Ω、0.071Ω、0.074Ω、0.077Ω、0.08Ω、0.083Ω、0.086Ω、0.089Ω;
In表示额定电流,正常工作电流为0.8In,试验电流为1.05In。
试验中不同电流下达到不同冷态电阻值时测量的平均温度信息记录如表1:
表1试验过程中的平均温度信息
选定冷态电阻值以及达到各个选定冷态电阻的运行时间如表2:
表2达到各个选定冷态电阻的运行时间
注:>1492表示超过试验截止时间仍未达到相应冷态电阻值
利用加速因子公式(公式2)根据上述记录结果计算不同试验阶段对应的加速因子,计算结果如表3所示:
表3不同试验阶段对应的加速因子
计算出不同阶段对应的加速因子后,下面对达到各个选定冷态电阻值的平均运行时间进行计算:
1、冷态电阻达到0.068Ω,各熔断器的时间信息如表4:
表4冷态电阻达到0.068Ω的时间信息
设备编号 |
投运时间 |
达到0.068Ω的时间 |
运行时间ti |
1 |
2010-5-29 10:10 |
2010-6-8 15:00 |
244 |
2 |
2010-5-29 10:10 |
2010-6-7 15:00 |
220 |
3 |
2010-5-29 10:10 |
2010-6-8 15:00 |
244 |
4 |
2010-5-29 10:10 |
2010-6-7 15:00 |
220 |
5 |
2010-5-29 10:10 |
2010-6-10 15:00 |
292 |
6 |
2010-5-29 10:10 |
2010-6-11 15:00 |
316 |
7 |
2010-5-29 10:10 |
2010-6-15 15:00 |
412 |
8 |
2010-5-29 10:10 |
2010-6-13 15:00 |
364 |
9 |
2010-5-29 10:10 |
2010-6-15 15:00 |
412 |
10 |
2010-5-29 10:10 |
2010-6-3 15:00 |
124 |
11 |
2010-5-29 10:10 |
2010-6-2 15:00 |
100 |
12 |
2010-5-29 10:10 |
2010-6-15 15:00 |
412 |
13 |
2010-5-29 10:10 |
2010-6-11 15:00 |
316 |
14 |
2010-5-29 10:10 |
2010-6-12 15:00 |
340 |
15 |
2010-5-29 10:10 |
2010-6-15 15:00 |
412 |
16 |
2010-5-29 10:10 |
2010-6-13 15:00 |
364 |
按照平均秩法计算结果如表5:
表5冷态电阻达到0.068Ω的平均秩法计算结果
i |
k |
tk |
Ak |
ΔAk |
F*(tk) |
R*(tk) |
lntk |
ln[-lnR(t)] |
1 |
1 |
100 |
1 |
1 |
0.0427 |
0.9573 |
4.6052 |
-3.1322 |
2 |
2 |
124 |
2 |
1 |
0.1037 |
0.8963 |
4.8203 |
-2.2124 |
3 |
3 |
220 |
3 |
1 |
0.1646 |
0.8354 |
5.3936 |
-1.7154 |
4 |
4 |
220 |
4 |
1 |
0.2256 |
0.7744 |
5.3936 |
-1.3638 |
5 |
5 |
244 |
5 |
1 |
0.2866 |
0.7134 |
5.4972 |
-1.0856 |
6 |
6 |
244 |
6 |
1 |
0.3476 |
0.6524 |
5.4972 |
-0.8509 |
7 |
7 |
292 |
7 |
1 |
0.4085 |
0.5915 |
5.6768 |
-0.6441 |
8 |
8 |
316 |
8 |
1 |
0.4695 |
0.5305 |
5.7557 |
-0.4558 |
9 |
9 |
316 |
9 |
1 |
0.5305 |
0.4695 |
5.7557 |
-0.2796 |
10 |
10 |
340 |
10 |
1 |
0.5915 |
0.4085 |
5.8289 |
-0.1107 |
11 |
11 |
364 |
11 |
1 |
0.6524 |
0.3476 |
5.8972 |
0.0553 |
12 |
12 |
364 |
12 |
1 |
0.7134 |
0.2866 |
5.8972 |
0.2229 |
13 |
13 |
412 |
13 |
1 |
0.7744 |
0.2256 |
6.0210 |
0.3981 |
14 |
14 |
412 |
14 |
1 |
0.8354 |
0.1646 |
6.0210 |
0.5900 |
15 |
15 |
412 |
15 |
1 |
0.8963 |
0.1037 |
6.0210 |
0.8183 |
16 |
16 |
412 |
16 |
1 |
0.9573 |
0.0427 |
6.0210 |
1.1487 |
采用双参数威布尔分布模型进行可靠性参数估计,根据表5的结果,以ln[-lnR(t)]为纵轴,lntk为横轴,进行直线拟合,拟合曲线图如图2所示。
直线拟合方程为:ln[-lnR(t)]=2.6426lnt-15.42;
双参数威布尔分布的两个参数为:α=342.12、β=2.6426;
故试验开始至冷态电阻达到0.068的平均运行时间为:
利用相同的计算过程可得出达到其它各个选定冷态电阻值的平均运行时间,当有样品在试验过程中未达到某一冷态电阻值,则按照正常退出处理,这 里不再赘述。下面给出熔断或试验截止时的计算过程,同样根据试验记录的结果(如表6)按照平均秩法计算经验可靠性指标,见表7,并利用作图法进行双参数威布尔模型的参数估计,拟合曲线如图3所示,运行时间计算过程如下:
直线拟合方程为:ln[-lnR(t)]=4.0299lnt-29.111;
双参数威布尔分布的两个参数为:α=1371.63,β=4.0299;
故冷态电阻从0.089达到试验截止的平均运行时间为:
表6熔断或试验截止时的时间信息
设备编号 |
投运时间 |
熔断或试验截止时 |
运行时间ti |
1 |
2010-5-29 10:10 |
2010-6-30 4:35 |
762 |
2 |
2010-5-29 10:10 |
2010-7-29 10:11 |
1464 |
3 |
2010-5-29 10:10 |
2010-7-4 15:03 |
868 |
4 |
2010-5-29 10:10 |
2010-7-5 10:42 |
888 |
5 |
2010-5-29 10:10 |
2010-7-5 5:19 |
883 |
6 |
2010-5-29 10:10 |
2010-7-30 15:00(试验截止) |
1118 |
7 |
2010-5-29 10:10 |
2010-7-15 0:20 |
1492 |
8 |
2010-5-29 10:10 |
2010-7-29 15:22 |
1469 |
9 |
2010-5-29 10:10 |
2010-7-23 7:22 |
1317 |
10 |
2010-5-29 10:10 |
2010-7-2 15:41 |
821 |
11 |
2010-5-29 10:10 |
2010-7-30 8:36 |
1486 |
12 |
2010-5-29 10:10 |
2010-7-30 15:00(试验截止) |
1492 |
13 |
2010-5-29 10:10 |
2010-7-19 2:16 |
1216 |
14 |
2010-5-29 10:10 |
2010-7-22 9:26 |
1295 |
15 |
2010-5-29 10:10 |
2010-7-30 15:00(试验截止) |
1492 |
16 |
2010-5-29 10:10 |
2010-7-18 16:06 |
1205 |
表7熔断或试验截止时的平均秩法计算结果
i |
k |
tk |
Ak |
ΔAk |
F*(tk) |
R*(tk) |
lntk |
ln[-lnR(t)] |
1 |
1 |
762 |
1 |
1 |
0.0427 |
0.9573 |
6.6359 |
-3.1322 |
2 |
2 |
821 |
2 |
1 |
0.1037 |
0.8963 |
6.7105 |
-2.2124 |
3 |
3 |
868 |
3 |
1 |
0.1646 |
0.8354 |
6.7662 |
-1.7154 |
4 |
4 |
883 |
4 |
1 |
0.2256 |
0.7744 |
6.7833 |
-1.3638 |
5 |
5 |
888 |
5 |
1 |
0.2866 |
0.7134 |
6.7890 |
-1.0856 |
6 |
6 |
1118 |
6 |
1 |
0.3476 |
0.6524 |
7.0193 |
-0.8509 |
7 |
7 |
1205 |
7 |
1 |
0.4085 |
0.5915 |
7.0942 |
-0.6441 |
8 |
8 |
1216 |
8 |
1 |
0.4695 |
0.5305 |
7.1033 |
-0.4558 |
9 |
9 |
1295 |
9 |
1 |
0.5305 |
0.4695 |
7.1663 |
-0.2796 |
10 |
10 |
1317 |
10 |
1 |
0.5915 |
0.4085 |
7.1831 |
-0.1107 |
11 |
11 |
1464 |
11 |
1 |
0.6524 |
0.3476 |
7.2889 |
0.0553 |
12 |
12 |
1469 |
12 |
1 |
0.7134 |
0.2866 |
7.2923 |
0.2229 |
13 |
13 |
1486 |
13 |
1 |
0.7744 |
0.2256 |
7.3038 |
0.3981 |
表8具体给出了熔断器组达到各选定冷态电阻各阶段的双参数威布尔分布的参数估计:
表8试验各阶段的双参数威布尔分布的参数估计结果
|
0.068 |
0.071 |
0.074 |
0.077 |
0.08 |
0.083 |
0.086 |
0.089 |
试验截止 |
α |
342.12 |
476.65 |
747.2 |
968 |
1086.77 |
1181.36 |
1255.94 |
1323.19 |
1371.63 |
β |
2.6426 |
4.2883 |
2.0729 |
2.1864 |
2.5902 |
2.9225 |
3.1851 |
3.4713 |
4.0299 |
T(h) |
304.03 |
433.77 |
661.86 |
857.27 |
965.17 |
1053.77 |
1124.69 |
1190.08 |
1243.79 |
通过达到各个选定冷态电阻值以及熔断或试验截止时的综合加速因子以及平均运行时间,可计算出正常工作电流0.8In条件下熔断器的寿命:
年。
本发明通过采集熔断器组在加速应力环境下达到多个选定冷态电阻值以及熔断或试验截止时的熔体温度与时间进行综合加速因子与平均运行时间的计算,将整个熔断器的熔断过程分为多阶段进行综合评估,从而使得评估的结果更真实可靠,避免了现有技术中直接利用熔断时间进行粗略评估的缺陷,为熔断器的使用寿命提供了精确的参考。