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| 如何選用環(huán)境試驗(yàn)箱 |
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| 時(shí)間：2007/4/27 |
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如何選用環(huán)境試驗(yàn)箱
一、 設(shè)備選擇依據(jù)
存在于地球表面及大氣層空間中的自然環(huán)境因素和誘發(fā)環(huán)境因素的種類，目前還無法統(tǒng)計(jì)出一個(gè)確切的數(shù)目，其中對(duì)工程產(chǎn)品（設(shè)備）的使用及壽命影響較大的因素不下十幾種。從事工程產(chǎn)品環(huán)境條件研究的工程師們將自然界存在以及人類活動(dòng)所誘發(fā)的環(huán)境條件整理歸納為一系列的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，用以指導(dǎo)工程產(chǎn)品的環(huán)境及可靠性試驗(yàn)。如指導(dǎo)軍工產(chǎn)品進(jìn)行環(huán)境試驗(yàn)GJB150――中華人民共和國國家軍用標(biāo)準(zhǔn)《軍用設(shè)備環(huán)境試驗(yàn)方法》，指導(dǎo)電工電子產(chǎn)品進(jìn)行環(huán)境試驗(yàn)的GB2423――中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)《電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn)方法指南》等。因此，我們選擇環(huán)境及可靠性試驗(yàn)設(shè)備時(shí)主要的依據(jù)是工程產(chǎn)品的試驗(yàn)規(guī)范和試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。
其次，為了規(guī)范試驗(yàn)設(shè)備中環(huán)境試驗(yàn)條件的容差，保證環(huán)境參數(shù)的控制精度，國家技術(shù)監(jiān)督機(jī)構(gòu)及各工業(yè)部門還制訂了一系列的環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備及檢測(cè)儀器儀表的檢定規(guī)程。如中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)GB5170《電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備基本參數(shù)檢定方法》，又如國家技術(shù)監(jiān)督局頒布實(shí)施的JJG190－89《電動(dòng)振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)試行檢定規(guī)程》等。這些檢定規(guī)程也是選擇環(huán)境及可靠性試驗(yàn)設(shè)備的重要依據(jù)，不符合這些檢定規(guī)程要求的試驗(yàn)設(shè)備是不允許投入使用的。
二、 設(shè)備選擇基本原則
環(huán)境及可靠性試驗(yàn)設(shè)備的選擇應(yīng)遵循以下五條基本原則：
1、環(huán)境條件的再現(xiàn)性
在試驗(yàn)室內(nèi)完整而精確地再現(xiàn)自然界存在的環(huán)境條件是可望而不可及的事情。但是，在一定的容差范圍之內(nèi)，人們完全可以正確而近似地模擬工程產(chǎn)品在使用、貯存、運(yùn)輸?shù)冗^程中所經(jīng)受的外界環(huán)境條件。這段話用工程的語言概括，就是“試驗(yàn)設(shè)備所創(chuàng)造的圍繞被試產(chǎn)品周邊的環(huán)境條件（含平臺(tái)環(huán)境）應(yīng)該滿足產(chǎn)品試驗(yàn)規(guī)范所規(guī)定的環(huán)境條件及其容差的要求”。如用于軍工產(chǎn)品試驗(yàn)的溫度箱不僅要滿足國軍標(biāo)GJB150.3－86、GJB150.4－86中根據(jù)不同的均勻性和溫度控制精度的要求。只有這樣，才能保證在環(huán)境試驗(yàn)中環(huán)境條件的再現(xiàn)性。
2、環(huán)境條件的可重復(fù)性
一臺(tái)環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備可能用于同一類型產(chǎn)品的多次試驗(yàn)，而一臺(tái)被試的工程產(chǎn)品也可能在不同的環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備中進(jìn)行試驗(yàn)，為了保證同一臺(tái)產(chǎn)品在同一試驗(yàn)規(guī)范所規(guī)定的環(huán)境試驗(yàn)條件下所得試驗(yàn)結(jié)果的可比較性，必然要求環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備所提供的環(huán)境條件具有可重復(fù)性。這也就是說，環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備施用于被試驗(yàn)產(chǎn)品的應(yīng)力水平（如熱應(yīng)力、振動(dòng)應(yīng)力、電應(yīng)力等）對(duì)于同一試驗(yàn)規(guī)范的要求是一致的。
環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備所提供環(huán)境條件的可重復(fù)性是由國家計(jì)量檢定部門依據(jù)國家技術(shù)監(jiān)督機(jī)構(gòu)所制定的檢定規(guī)程檢定合格后提供保證。為此，必須要求環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備能滿足檢定規(guī)程中的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)及精度指標(biāo)的要求，并且在使用時(shí)間上不超過檢定周期所規(guī)定的時(shí)限。如使用非常普遍的電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)除滿足激振力、頻率范圍、負(fù)載能力等技術(shù)指標(biāo)外，還必須滿足檢定規(guī)程中規(guī)定的橫向振動(dòng)比、臺(tái)面加速度均勻性、諧波失真度等精度指標(biāo)的要求，而且每次檢定后的使用周期為二年，超過二年必須重新檢定合格后才能投入使用。
3、環(huán)境條件參數(shù)的可測(cè)控性
任何一臺(tái)環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備所提供的環(huán)境條件必須是可觀測(cè)的和可控制的，這不僅是為了使環(huán)境參數(shù)限制在一定的容差范圍之內(nèi)，保證試驗(yàn)條件的再現(xiàn)性和重復(fù)性的要求，而且從產(chǎn)品試驗(yàn)的安全出發(fā)也是必須的，以便防止環(huán)境條件失控導(dǎo)致被試產(chǎn)品的損壞，帶來不必要的損失。目前各種試驗(yàn)規(guī)范中大體要求參數(shù)測(cè)試的精度不應(yīng)低于試驗(yàn)條件允許的誤差的三分之一。
4、環(huán)境試驗(yàn)條件的排它性
每一次進(jìn)行環(huán)境或可靠性試驗(yàn)，對(duì)環(huán)境因素的類別、量值及容差都有嚴(yán)格的規(guī)定，并排除非試驗(yàn)所需的環(huán)境因素滲透其中，以便在試驗(yàn)中或試驗(yàn)結(jié)束后判斷和分析產(chǎn)品失效與故障模式時(shí)，提供確切的依據(jù)，故要求環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備除提供所規(guī)定的環(huán)境條件外，不允許對(duì)被試產(chǎn)品附加其它的環(huán)境應(yīng)力干擾。如電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)檢定規(guī)程中所限定的臺(tái)面漏磁，加速度信噪比、帶內(nèi)帶外加速度總均方根值比。隨機(jī)信號(hào)的檢驗(yàn)、諧波失真度等精度指標(biāo)都是為了保證環(huán)境試驗(yàn)條件的唯一性而制定的檢定項(xiàng)目。
5、試驗(yàn)設(shè)備的安全可靠性
環(huán)境試驗(yàn)，特別是可靠性試驗(yàn)，試驗(yàn)周期長(zhǎng)，試驗(yàn)的對(duì)象有時(shí)是價(jià)值很高的軍工產(chǎn)品，試驗(yàn)過程中，試驗(yàn)人員經(jīng)常要在現(xiàn)場(chǎng)周圍操作巡視或測(cè)試工作，因此要求環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備必須具有運(yùn)行安全、操作方便、使用可靠、工作壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，以確保試驗(yàn)本身的正常進(jìn)行。試驗(yàn)設(shè)備的各種保護(hù)、告警措施及安全連鎖裝置應(yīng)該完善可靠，以保證試驗(yàn)人員、被試產(chǎn)品和試驗(yàn)設(shè)備本身的安全可靠性。
三、 溫濕度箱的選擇
1、容積的選擇
將被試產(chǎn)品（元器件、組件、部件或整機(jī)）置入氣候環(huán)境箱進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，為了保證被試產(chǎn)品周圍氣氛能滿足試驗(yàn)規(guī)范所規(guī)定的環(huán)境試驗(yàn)條件，氣候箱工作尺寸與被試產(chǎn)品外廓尺寸之間應(yīng)遵循以下幾點(diǎn)規(guī)定：
a） 被試產(chǎn)品的體積（W×D×H）不得超過試驗(yàn)箱有效工作空間的（20～35）％（推薦選用20％）。對(duì)于在試驗(yàn)中發(fā)熱的產(chǎn)品推薦選用不大于10％。
b） 被試產(chǎn)品的迎風(fēng)斷面積與該斷面上試驗(yàn)箱工作室總面積之比不大于（35～50）％（推薦選用35％）。
c） 被試產(chǎn)品外廓表面距試驗(yàn)箱壁的距離至少保持100～150mm，（推薦選用150mm）。
上述三點(diǎn)規(guī)定實(shí)際上是相互依存和統(tǒng)一的。以1立方米正方體箱子為例，面積比為1：(0.35～0.5）相當(dāng)于體積之比為1：（0.207～0.354）。距箱壁100～150mm相當(dāng)于體積之比為1：（0.343～0.512）。
總括上述三點(diǎn)規(guī)定，氣候環(huán)境試驗(yàn)箱的工作腔容積至少應(yīng)是被試產(chǎn)品外廓體積的3～5倍。作出這種規(guī)定的理由有以下幾點(diǎn)：
1〕 被試驗(yàn)件置入箱體后擠占了流暢的通道，通道變窄將導(dǎo)致氣流流速的增加。加速氣流與被試驗(yàn)件之間的熱交換。這與環(huán)境條件的再現(xiàn)不符，因?yàn)樵谟嘘P(guān)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)涉及溫度環(huán)境試驗(yàn)都規(guī)定試驗(yàn)箱內(nèi)試驗(yàn)樣件周圍的空氣流速不應(yīng)超過1.7m/s，以防止試驗(yàn)樣件和周圍氣氛產(chǎn)生不符合實(shí)際的熱傳導(dǎo)。在空載時(shí)試驗(yàn)箱內(nèi)平均風(fēng)速為0.6～0.8m/s，不超過1m/s，滿足a)、b)兩點(diǎn)要求所規(guī)定的空間及面積比時(shí)，流場(chǎng)的風(fēng)速可能增大（50～100）％，平均最高風(fēng)速為（1～1.7）m/s。滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求。如果在試驗(yàn)中不加限制地加大試驗(yàn)件的體積或迎風(fēng)斷面積，則實(shí)際試驗(yàn)時(shí)氣流風(fēng)速將增大到超出試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的最高風(fēng)速，其試驗(yàn)結(jié)果的有效性將受到懷疑。
2〕 氣候箱工作腔內(nèi)環(huán)境參數(shù)〔如溫度、濕度、鹽霧沉降率等〕的精度指標(biāo)都是在空載狀態(tài)下檢測(cè)的結(jié)果，一旦置入被試驗(yàn)件后，對(duì)試驗(yàn)箱工作腔內(nèi)環(huán)境參數(shù)的均勻性將產(chǎn)生影響，試驗(yàn)件占有的空間越大，這種影響也就越嚴(yán)重。實(shí)測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，流場(chǎng)中迎風(fēng)面與背風(fēng)面的溫差可達(dá)到3～8℃，嚴(yán)重時(shí)可大到10℃以上。因此，必須盡量滿足a〕、b〕兩項(xiàng)要求，以保證被試產(chǎn)品周圍環(huán)境參數(shù)的均勻性。
3〕 根據(jù)熱傳導(dǎo)的原理，箱壁附近氣流的溫度通常與流場(chǎng)中心溫度相差2～3℃，在高低溫的上下限時(shí)，還可能達(dá)到5℃。箱壁的溫度與箱壁附近流場(chǎng)的溫度又相差2～3℃（視箱壁的結(jié)構(gòu)和材料而定）試驗(yàn)溫度與外界大氣環(huán)境相差越大，上述溫差也越大，因此，距箱壁（100～150mm）距離內(nèi)的空間是不可利用空間。
2、溫度范圍的選擇
目前，國外溫度試驗(yàn)箱的范圍大體上為－73～＋177℃，或－70～＋180℃。國內(nèi)多數(shù)廠家一般為－80～＋130℃，－60～＋130℃，－40～＋130℃，也有高溫到150℃。這些溫度范圍通常可以滿足國內(nèi)絕大多數(shù)軍用、民用產(chǎn)品溫度試驗(yàn)的需要，除非確有特殊需要，如安裝位置靠近發(fā)動(dòng)機(jī)等熱源的產(chǎn)品外，不可盲目提高溫度上限。因?yàn)樯舷逌囟仍礁撸潴w內(nèi)外的溫差越大，箱體內(nèi)部流場(chǎng)的均勻性也越差。可利用的工作室體積也就越小。另一方面，上限溫度值越高，對(duì)箱壁夾層中保溫材料（如玻璃棉等 ）的耐熱性要求越高。箱體密封性的要求也越高，使箱體的制作成本增加。
3、濕度范圍的選擇
國內(nèi)外環(huán)境試驗(yàn)箱給出的濕度指標(biāo)大都是20～98％RH或30～98％RH，如果濕熱試驗(yàn)箱沒有除濕系統(tǒng)，則濕度范圍為60～98％，這一類試驗(yàn)箱只能做高濕試驗(yàn)，但它的價(jià)格低得多。值得注意的是在濕度指標(biāo)后面應(yīng)該注明相應(yīng)的溫度范圍，或給出最低露點(diǎn)溫度。因?yàn)橄鄬?duì)濕度是與溫度直接相關(guān)的，對(duì)于同樣的絕對(duì)含濕量，溫度越高，相對(duì)濕度就越小，如絕對(duì)含濕量為5g/Kg（指1公斤干空氣中含有5克的水蒸汽），當(dāng)溫度為29℃時(shí)，相對(duì)濕度為20％RH，溫度為6℃時(shí)，相對(duì)濕度為90％RH，當(dāng)溫度降至4℃以下，相對(duì)濕度超過100％，在箱體內(nèi)會(huì)出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象。
實(shí)現(xiàn)高溫、高濕只需要往箱體空氣中噴水蒸汽或霧化的水珠，進(jìn)行加濕。低溫低濕則相對(duì)難于控制，因?yàn)榇藭r(shí)的絕對(duì)含濕量很低，有時(shí)比大氣中的絕對(duì)含濕量低很多，需要對(duì)箱體內(nèi)流動(dòng)的空氣除濕，使空氣變得干燥。目前國內(nèi)外絕大多數(shù)的溫濕度箱都采用制冷除濕的原理，是在箱體的空氣預(yù)調(diào)室內(nèi)加一組制冷光管。當(dāng)濕空氣經(jīng)過冷管時(shí)，其相對(duì)濕度會(huì)達(dá)到100％RH，因空氣飽和在光管上結(jié)露，使空氣變得更干燥。這種除濕方式理論上可達(dá)到零度以下的露點(diǎn)溫度，但是當(dāng)冷點(diǎn)表面溫度到達(dá)0℃時(shí)，光管表面結(jié)露的水滴會(huì)結(jié)冰，從而影響光管表面的熱交換，使除濕能力下降。又因?yàn)橄潴w不可能絕對(duì)密封，大氣中的濕空氣會(huì)滲入到箱體內(nèi)，使露點(diǎn)溫度回升。另一方面，在光管間流動(dòng)的濕空氣只是在和光管（冷點(diǎn)）接觸的瞬間達(dá)到飽和狀態(tài)而析出水蒸汽，因此這種除濕方法很難使箱體內(nèi)的露點(diǎn)溫度在到0℃以下。實(shí)際所達(dá)到的最低露點(diǎn)溫度為5～7℃。露點(diǎn)溫度5℃相當(dāng)于絕對(duì)含濕量為0.0055g/Kg，對(duì)應(yīng)相對(duì)濕度20％RH的溫度為30℃。如果要求溫度20℃進(jìn)相對(duì)濕度達(dá)到20％RH，此時(shí)的露點(diǎn)溫度為－3℃，采用致冷方式除濕是很困難的，必須選用空氣干燥系統(tǒng)才能實(shí)現(xiàn)。
4、控制方式的選擇
溫度、濕度試驗(yàn)箱有恒定試驗(yàn)箱、交變?cè)囼?yàn)箱兩種情況。
普通的高低溫試驗(yàn)箱一般指的是恒定高低溫試驗(yàn)箱，其控制方式為：設(shè)定一個(gè)目標(biāo)溫度，試驗(yàn)箱具有自動(dòng)恒溫到目標(biāo)溫度點(diǎn)的能力。恒定溫濕度試驗(yàn)箱的控制控制方式也類似，設(shè)定一個(gè)目標(biāo)溫度、濕度點(diǎn)，試驗(yàn)箱具有自動(dòng)恒溫到目標(biāo)溫度、濕度點(diǎn)的能力。高、低溫交變?cè)囼?yàn)箱具有設(shè)定一條或者多條高低溫變化、循環(huán)的程序，試驗(yàn)箱有能力根據(jù)預(yù)置的曲線完成試驗(yàn)過程，并且可以在最大升溫、降溫速率能力的范圍內(nèi)，精確控制升溫、降溫的速率，即可以根據(jù)設(shè)定的曲線的斜率控制升溫、降溫速率。同樣，高低溫交變濕熱試驗(yàn)箱也具有預(yù)置溫度、濕度曲線，并且根據(jù)預(yù)置進(jìn)行控制的能力。當(dāng)然，交變?cè)囼?yàn)箱都具有恒定試驗(yàn)箱的功能，但交變?cè)囼?yàn)箱的制造成本較高，因?yàn)榻蛔冊(cè)囼?yàn)箱需配置有曲線自動(dòng)記錄裝置、程序控制儀，還須解決試驗(yàn)箱在工作室內(nèi)溫度較高的情況下開啟制冷機(jī)等問題，因此，交變?cè)囼?yàn)箱的價(jià)格比恒定試驗(yàn)箱的價(jià)格一般要高20%以上。因此，我們應(yīng)當(dāng)實(shí)事求是的以試驗(yàn)方法的需要為出發(fā)點(diǎn)，選用恒定試驗(yàn)箱或者是交變?cè)囼?yàn)箱。
5、變溫速率的選擇
普通的高低溫試驗(yàn)箱沒有降溫速度的指標(biāo)，從環(huán)境溫度降溫到標(biāo)稱的最低溫度的時(shí)間一般為90～120min。高低溫交變?cè)囼?yàn)箱、高低溫交變濕熱試驗(yàn)箱都有變溫速度的要求，其變溫速率一般要求1℃/min，在此速率的范圍內(nèi)速度可調(diào)。而快速溫度變化試驗(yàn)箱的變溫速率較快，升溫、降溫速率可以達(dá)到3℃/min～15℃/min，在某些溫度段升溫、降溫速率甚至可以達(dá)到30℃/min以上。
各種規(guī)格、速度的快速溫度變化試驗(yàn)箱的溫度范圍一般都是相同的，即－60～＋130℃，但考核降溫速度的變溫范圍卻不盡相同，根據(jù)試驗(yàn)不同的試驗(yàn)要求，快速溫度變化試驗(yàn)箱變溫范圍有的是－55～＋80℃，而有的是－40～＋80℃。
關(guān)于快速溫度變化試驗(yàn)箱的變溫速率有兩種提法，一種是全程平均升降溫速度，一種是線形升降溫速度（實(shí)際上是每5 min平均速度）。全程平均速度是指在試驗(yàn)箱的變溫范圍內(nèi)，最高溫度與最低溫度之差值與時(shí)間之比。目前國外各環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備生產(chǎn)廠家提供的變溫速率的技術(shù)參數(shù)都是指的全程平均速率。線形升降溫速度指在任意的每5 min時(shí)間段內(nèi)，能夠保證的變溫速率。而實(shí)際上對(duì)于快速溫度變化試驗(yàn)箱來說，保證線形升降溫速度的難度最大、最關(guān)鍵的一段是，在降溫段最后的一個(gè)5 min的時(shí)間段內(nèi)，試驗(yàn)箱可以達(dá)到的降溫速率。從某種角度講，線形升降溫速度（每5 min平均速度）更科學(xué)。因此試驗(yàn)設(shè)備最好具有全程平均升降溫速度和線形升降溫速度（每5 min平均速度）這兩個(gè)參數(shù)。一般來說，線形升降溫速度（每5 min平均速度）是全程平均升降溫速度的1/2。
6、風(fēng)速
有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，進(jìn)行環(huán)境試驗(yàn)時(shí)溫濕箱內(nèi)的風(fēng)速應(yīng)小于1.7m/s，對(duì)于試驗(yàn)本身來說，風(fēng)速越小越好，風(fēng)速過大會(huì)加速試驗(yàn)件表面與箱體內(nèi)流動(dòng)氣流的熱交換，于試驗(yàn)的真實(shí)性不利。但為了保證試驗(yàn)箱工作室內(nèi)的均勻性，試驗(yàn)箱內(nèi)具有循環(huán)風(fēng)是必需的。但是快速溫度變化試驗(yàn)箱以及溫度、濕度、振動(dòng)等多因素綜合環(huán)境試驗(yàn)箱，為追求變溫速率，必須加快箱體內(nèi)循環(huán)氣流的流速，風(fēng)速通常在2～3m/s。因此，對(duì)于不同的使用目的，風(fēng)速的限制是不一樣的。
7、溫度波動(dòng)度
溫度波動(dòng)是一個(gè)比較容易實(shí)現(xiàn)的參數(shù)，所有環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備廠家生產(chǎn)的多數(shù)的試驗(yàn)箱實(shí)際的溫度波動(dòng)都可以控制在±0.3℃的范圍以內(nèi)。
8、溫度場(chǎng)均勻度
為了更正確地模擬產(chǎn)品在自然界所遭受的實(shí)際環(huán)境狀況，在環(huán)境試驗(yàn)中必須保證被試產(chǎn)品的周邊處在同一溫度環(huán)境條件下，為此，必須對(duì)試驗(yàn)箱內(nèi)的溫度梯度和溫度的波動(dòng)度加以限制。在國軍標(biāo)GJB150.1－86軍用設(shè)備環(huán)境試驗(yàn)方法總則中明確規(guī)定“試驗(yàn)樣品附近測(cè)量系統(tǒng)的溫度應(yīng)在試驗(yàn)溫度的±2℃以內(nèi)，其溫度工不超過1℃/m或總的最大值為2.2℃（試驗(yàn)樣品不工作）”。
9、濕度的精度控制
環(huán)境試驗(yàn)箱中測(cè)量濕度多數(shù)是采用干濕球法，環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備的制造標(biāo)準(zhǔn)GB10586要求，相對(duì)濕度偏差應(yīng)在±２３％RH。為滿足濕度控制精度的要求，濕度試驗(yàn)箱的溫度控制精度較高，溫度波動(dòng)一般小于±0.2℃。否則很難達(dá)到濕度控制精度的要求。
10、冷卻方式選擇
試驗(yàn)箱如果帶有制冷系統(tǒng)，制冷系統(tǒng)需要進(jìn)行冷卻。試驗(yàn)箱有風(fēng)冷、水冷兩種形式。 |
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