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如何選用環境試驗箱

時間：2007/4/27

如何選用環境試驗箱
一、設備選擇依據
存在于地球表面及大氣層空間中的自然環境因素和誘發環境因素的種類，目前還無法統計出一個確切的數目，其中對工程產品（設備）的使用及壽命影響較大的因素不下十幾種。從事工程產品環境條件研究的工程師們將自然界存在以及人類活動所誘發的環境條件整理歸納為一系列的試驗標準和規范，用以指導工程產品的環境及可靠性試驗。如指導軍工產品進行環境試驗GJB150――中華人民共和國國家軍用標準《軍用設備環境試驗方法》，指導電工電子產品進行環境試驗的GB2423――中華人民共和國國家標準《電工電子產品環境試驗方法指南》等。因此，我們選擇環境及可靠性試驗設備時主要的依據是工程產品的試驗規范和試驗標準。
其次，為了規范試驗設備中環境試驗條件的容差，保證環境參數的控制精度，國家技術監督機構及各工業部門還制訂了一系列的環境試驗設備及檢測儀器儀表的檢定規程。如中華人民共和國國家標準GB5170《電工電子產品環境試驗設備基本參數檢定方法》，又如國家技術監督局頒布實施的JJG190－89《電動振動試驗臺系統試行檢定規程》等。這些檢定規程也是選擇環境及可靠性試驗設備的重要依據，不符合這些檢定規程要求的試驗設備是不允許投入使用的。

二、設備選擇基本原則

環境及可靠性試驗設備的選擇應遵循以下五條基本原則：

1、環境條件的再現性
在試驗室內完整而精確地再現自然界存在的環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，人們完全可以正確而近似地模擬工程產品在使用、貯存、運輸等過程中所經受的外界環境條件。這段話用工程的語言概括，就是“試驗設備所創造的圍繞被試產品周邊的環境條件（含平臺環境）應該滿足產品試驗規范所規定的環境條件及其容差的要求”。如用于軍工產品試驗的溫度箱不僅要滿足國軍標GJB150.3－86、GJB150.4－86中根據不同的均勻性和溫度控制精度的要求。只有這樣，才能保證在環境試驗中環境條件的再現性。

2、環境條件的可重復性
一臺環境試驗設備可能用于同一類型產品的多次試驗，而一臺被試的工程產品也可能在不同的環境試驗設備中進行試驗，為了保證同一臺產品在同一試驗規范所規定的環境試驗條件下所得試驗結果的可比較性，必然要求環境試驗設備所提供的環境條件具有可重復性。這也就是說，環境試驗設備施用于被試驗產品的應力水平（如熱應力、振動應力、電應力等）對于同一試驗規范的要求是一致的。
環境試驗設備所提供環境條件的可重復性是由國家計量檢定部門依據國家技術監督機構所制定的檢定規程檢定合格后提供保證。為此，必須要求環境試驗設備能滿足檢定規程中的各項技術指標及精度指標的要求，并且在使用時間上不超過檢定周期所規定的時限。如使用非常普遍的電動振動臺除滿足激振力、頻率范圍、負載能力等技術指標外，還必須滿足檢定規程中規定的橫向振動比、臺面加速度均勻性、諧波失真度等精度指標的要求，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、環境條件參數的可測控性
任何一臺環境試驗設備所提供的環境條件必須是可觀測的和可控制的，這不僅是為了使環境參數限制在一定的容差范圍之內，保證試驗條件的再現性和重復性的要求，而且從產品試驗的安全出發也是必須的，以便防止環境條件失控導致被試產品的損壞，帶來不必要的損失。目前各種試驗規范中大體要求參數測試的精度不應低于試驗條件允許的誤差的三分之一。

4、環境試驗條件的排它性
每一次進行環境或可靠性試驗，對環境因素的類別、量值及容差都有嚴格的規定，并排除非試驗所需的環境因素滲透其中，以便在試驗中或試驗結束后判斷和分析產品失效與故障模式時，提供確切的依據，故要求環境試驗設備除提供所規定的環境條件外，不允許對被試產品附加其它的環境應力干擾。如電動振動臺檢定規程中所限定的臺面漏磁，加速度信噪比、帶內帶外加速度總均方根值比。隨機信號的檢驗、諧波失真度等精度指標都是為了保證環境試驗條件的唯一性而制定的檢定項目。

5、試驗設備的安全可靠性
環境試驗，特別是可靠性試驗，試驗周期長，試驗的對象有時是價值很高的軍工產品，試驗過程中，試驗人員經常要在現場周圍操作巡視或測試工作，因此要求環境試驗設備必須具有運行安全、操作方便、使用可靠、工作壽命長等特點，以確保試驗本身的正常進行。試驗設備的各種保護、告警措施及安全連鎖裝置應該完善可靠，以保證試驗人員、被試產品和試驗設備本身的安全可靠性。

三、溫濕度箱的選擇

1、容積的選擇
將被試產品（元器件、組件、部件或整機）置入氣候環境箱進行試驗時，為了保證被試產品周圍氣氛能滿足試驗規范所規定的環境試驗條件，氣候箱工作尺寸與被試產品外廓尺寸之間應遵循以下幾點規定：
a）被試產品的體積（W×D×H）不得超過試驗箱有效工作空間的（20～35）％（推薦選用20％）。對于在試驗中發熱的產品推薦選用不大于10％。
b）被試產品的迎風斷面積與該斷面上試驗箱工作室總面積之比不大于（35～50）％（推薦選用35％）。
c）被試產品外廓表面距試驗箱壁的距離至少保持100～150mm，（推薦選用150mm）。
上述三點規定實際上是相互依存和統一的。以1立方米正方體箱子為例，面積比為1：(0.35～0.5）相當于體積之比為1：（0.207～0.354）。距箱壁100～150mm相當于體積之比為1：（0.343～0.512）。
總括上述三點規定，氣候環境試驗箱的工作腔容積至少應是被試產品外廓體積的3～5倍。作出這種規定的理由有以下幾點：
1〕被試驗件置入箱體后擠占了流暢的通道，通道變窄將導致氣流流速的增加。加速氣流與被試驗件之間的熱交換。這與環境條件的再現不符，因為在有關標準中對涉及溫度環境試驗都規定試驗箱內試驗樣件周圍的空氣流速不應超過1.7m/s，以防止試驗樣件和周圍氣氛產生不符合實際的熱傳導。在空載時試驗箱內平均風速為0.6～0.8m/s，不超過1m/s，滿足a)、b)兩點要求所規定的空間及面積比時，流場的風速可能增大（50～100）％，平均最高風速為（1～1.7）m/s。滿足標準規定的要求。如果在試驗中不加限制地加大試驗件的體積或迎風斷面積，則實際試驗時氣流風速將增大到超出試驗標準所規定的最高風速，其試驗結果的有效性將受到懷疑。
2〕氣候箱工作腔內環境參數〔如溫度、濕度、鹽霧沉降率等〕的精度指標都是在空載狀態下檢測的結果，一旦置入被試驗件后，對試驗箱工作腔內環境參數的均勻性將產生影響，試驗件占有的空間越大，這種影響也就越嚴重。實測試驗數據表明，流場中迎風面與背風面的溫差可達到3～8℃，嚴重時可大到10℃以上。因此，必須盡量滿足a〕、b〕兩項要求，以保證被試產品周圍環境參數的均勻性。
3〕根據熱傳導的原理，箱壁附近氣流的溫度通常與流場中心溫度相差2～3℃，在高低溫的上下限時，還可能達到5℃。箱壁的溫度與箱壁附近流場的溫度又相差2～3℃（視箱壁的結構和材料而定）試驗溫度與外界大氣環境相差越大，上述溫差也越大，因此，距箱壁（100～150mm）距離內的空間是不可利用空間。

2、溫度范圍的選擇
目前，國外溫度試驗箱的范圍大體上為－73～＋177℃，或－70～＋180℃。國內多數廠家一般為－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絕大多數軍用、民用產品溫度試驗的需要，除非確有特殊需要，如安裝位置靠近發動機等熱源的產品外，不可盲目提高溫度上限。因為上限溫度越高，箱體內外的溫差越大，箱體內部流場的均勻性也越差。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
國內外環境試驗箱給出的濕度指標大都是20～98％RH或30～98％RH，如果濕熱試驗箱沒有除濕系統，則濕度范圍為60～98％，這一類試驗箱只能做高濕試驗，但它的價格低得多。值得注意的是在濕度指標后面應該注明相應的溫度范圍，或給出最低露點溫度。因為相對濕度是與溫度直接相關的，對于同樣的絕對含濕量，溫度越高，相對濕度就越小，如絕對含濕量為5g/Kg（指1公斤干空氣中含有5克的水蒸汽），當溫度為29℃時，相對濕度為20％RH，溫度為6℃時，相對濕度為90％RH，當溫度降至4℃以下，相對濕度超過100％，在箱體內會出現結露現象。
實現高溫、高濕只需要往箱體空氣中噴水蒸汽或霧化的水珠，進行加濕。低溫低濕則相對難于控制，因為此時的絕對含濕量很低，有時比大氣中的絕對含濕量低很多，需要對箱體內流動的空氣除濕，使空氣變得干燥。目前國內外絕大多數的溫濕度箱都采用制冷除濕的原理，是在箱體的空氣預調室內加一組制冷光管。當濕空氣經過冷管時，其相對濕度會達到100％RH，因空氣飽和在光管上結露，使空氣變得更干燥。這種除濕方式理論上可達到零度以下的露點溫度，但是當冷點表面溫度到達0℃時，光管表面結露的水滴會結冰，從而影響光管表面的熱交換，使除濕能力下降。又因為箱體不可能絕對密封，大氣中的濕空氣會滲入到箱體內，使露點溫度回升。另一方面，在光管間流動的濕空氣只是在和光管（冷點）接觸的瞬間達到飽和狀態而析出水蒸汽，因此這種除濕方法很難使箱體內的露點溫度在到0℃以下。實際所達到的最低露點溫度為5～7℃。露點溫度5℃相當于絕對含濕量為0.0055g/Kg，對應相對濕度20％RH的溫度為30℃。如果要求溫度20℃進相對濕度達到20％RH，此時的露點溫度為－3℃，采用致冷方式除濕是很困難的，必須選用空氣干燥系統才能實現。

4、控制方式的選擇
溫度、濕度試驗箱有恒定試驗箱、交變試驗箱兩種情況。
普通的高低溫試驗箱一般指的是恒定高低溫試驗箱，其控制方式為：設定一個目標溫度，試驗箱具有自動恒溫到目標溫度點的能力。恒定溫濕度試驗箱的控制控制方式也類似，設定一個目標溫度、濕度點，試驗箱具有自動恒溫到目標溫度、濕度點的能力。高、低溫交變試驗箱具有設定一條或者多條高低溫變化、循環的程序，試驗箱有能力根據預置的曲線完成試驗過程，并且可以在最大升溫、降溫速率能力的范圍內，精確控制升溫、降溫的速率，即可以根據設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箱也具有預置溫度、濕度曲線，并且根據預置進行控制的能力。當然，交變試驗箱都具有恒定試驗箱的功能，但交變試驗箱的制造成本較高，因為交變試驗箱需配置有曲線自動記錄裝置、程序控制儀，還須解決試驗箱在工作室內溫度較高的情況下開啟制冷機等問題，因此，交變試驗箱的價格比恒定試驗箱的價格一般要高20%以上。因此，我們應當實事求是的以試驗方法的需要為出發點，選用恒定試驗箱或者是交變試驗箱。

5、變溫速率的選擇
普通的高低溫試驗箱沒有降溫速度的指標，從環境溫度降溫到標稱的最低溫度的時間一般為90～120min。高低溫交變試驗箱、高低溫交變濕熱試驗箱都有變溫速度的要求，其變溫速率一般要求1℃/min，在此速率的范圍內速度可調。而快速溫度變化試驗箱的變溫速率較快，升溫、降溫速率可以達到3℃/min～15℃/min，在某些溫度段升溫、降溫速率甚至可以達到30℃/min以上。
各種規格、速度的快速溫度變化試驗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，根據試驗不同的試驗要求，快速溫度變化試驗箱變溫范圍有的是－55～＋80℃，而有的是－40～＋80℃。
關于快速溫度變化試驗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（實際上是每5 min平均速度）。全程平均速度是指在試驗箱的變溫范圍內，最高溫度與最低溫度之差值與時間之比。目前國外各環境試驗設備生產廠家提供的變溫速率的技術參數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時間段內，能夠保證的變溫速率。而實際上對于快速溫度變化試驗箱來說，保證線形升降溫速度的難度最大、最關鍵的一段是，在降溫段最后的一個5 min的時間段內，試驗箱可以達到的降溫速率。從某種角度講，線形升降溫速度（每5 min平均速度）更科學。因此試驗設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）這兩個參數。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、風速
有關標準規定，進行環境試驗時溫濕箱內的風速應小于1.7m/s，對于試驗本身來說，風速越小越好，風速過大會加速試驗件表面與箱體內流動氣流的熱交換，于試驗的真實性不利。但為了保證試驗箱工作室內的均勻性，試驗箱內具有循環風是必需的。但是快速溫度變化試驗箱以及溫度、濕度、振動等多因素綜合環境試驗箱，為追求變溫速率，必須加快箱體內循環氣流的流速，風速通常在2～3m/s。因此，對于不同的使用目的，風速的限制是不一樣的。

7、溫度波動度
溫度波動是一個比較容易實現的參數，所有環境試驗設備廠家生產的多數的試驗箱實際的溫度波動都可以控制在±0.3℃的范圍以內。

8、溫度場均勻度
為了更正確地模擬產品在自然界所遭受的實際環境狀況，在環境試驗中必須保證被試產品的周邊處在同一溫度環境條件下，為此，必須對試驗箱內的溫度梯度和溫度的波動度加以限制。在國軍標GJB150.1－86軍用設備環境試驗方法總則中明確規定“試驗樣品附近測量系統的溫度應在試驗溫度的±2℃以內，其溫度工不超過1℃/m或總的最大值為2.2℃（試驗樣品不工作）”。

9、濕度的精度控制
環境試驗箱中測量濕度多數是采用干濕球法，環境試驗設備的制造標準GB10586要求，相對濕度偏差應在±２３％RH。為滿足濕度控制精度的要求，濕度試驗箱的溫度控制精度較高，溫度波動一般小于±0.2℃。否則很難達到濕度控制精度的要求。

10、冷卻方式選擇
試驗箱如果帶有制冷系統，制冷系統需要進行冷卻。試驗箱有風冷、水冷兩種形式。

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