如何選用環(huán)境試驗箱

   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)計出一個確切的數(shù)目,，其中對工程產(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所誘發(fā)的環(huán)境條件整理歸納為一系列的試驗標準和規(guī)范，用以指導(dǎo)工程產(chǎn)品的環(huán)境及可靠性試驗,。如指導(dǎo)軍工產(chǎn)品進行環(huán)境試驗gjb150――中華人民共和國國家軍用標準《軍用設(shè)備環(huán)境試驗方法》,，指導(dǎo)電工電子產(chǎn)品進行環(huán)境試驗的gb2423――中華人民共和國國家標準《電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗方法指南》等。因此,，我們選擇環(huán)境及可靠性試驗設(shè)備時主要的依據(jù)是工程產(chǎn)品的試驗規(guī)范和試驗標準,。
    其次，為了規(guī)范試驗設(shè)備中環(huán)境試驗條件的容差,，保證環(huán)境參數(shù)的控制精度,，國家技術(shù)監(jiān)督機構(gòu)及各工業(yè)部門還制訂了一系列的環(huán)境試驗設(shè)備及檢測儀器儀表的檢定規(guī)程。如中華人民共和國國家標準gb5170《電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗設(shè)備基本參數(shù)檢定方法》,，又如國家技術(shù)監(jiān)督局頒布實施的jjg190－89《電動振動試驗臺系統(tǒng)試行檢定規(guī)程》等,。這些檢定規(guī)程也是選擇環(huán)境及可靠性試驗設(shè)備的重要依據(jù)，不符合這些檢定規(guī)程要求的試驗設(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
    在試驗室內(nèi)完整而地再現(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*可以正確而近似地模擬工程產(chǎn)品在使用,、貯存,、運輸?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（含平臺環(huán)境）應(yīng)該滿足產(chǎn)品試驗規(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)品試驗的溫度箱不僅要滿足國軍標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
    一臺環(huán)境試驗設(shè)備可能用于同一類型產(chǎn)品的多次試驗,，而一臺被試的工程產(chǎn)品也可能在不同的環(huán)境試驗設(shè)備中進行試驗，為了保證同一臺產(chǎn)品在同一試驗規(guī)范所規(guī)定的環(huán)境試驗條件下所得試驗結(jié)果的可比較性,，必然要求環(huán)境試驗設(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)境試驗設(shè)備施用于被試驗產(chǎn)品的應(yīng)力水平（如熱應(yīng)力,、振動應(yīng)力,、電應(yīng)力等）對于同一試驗規(guī)范的要求是一致的,。
   環(huán)境試驗設(shè)備所提供環(huán)境條件的可重復(fù)性是由國家計量檢定部門依據(jù)國家技術(shù)監(jiān)督機構(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)境試驗設(shè)備能滿足檢定規(guī)程中的各項技術(shù)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(guī)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(shù)指標外，還必須滿足檢定規(guī)程中規(guī)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(huán)境條件參數(shù)的可測控性
 ,；任何一臺環(huán)境試驗設(shè)備所提供的環(huán)境條件必須是可觀測的和可控制的,，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)，保證試驗條件的再現(xiàn)性和重復(fù)性的要求,，而且從產(chǎn)品試驗的安全出發(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,。目前各種試驗規(guī)范中大體要求參數(shù)測試的精度不應(yīng)低于試驗條件允許的誤差的三分之一,。

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

5,、試驗設(shè)備的安全可靠性
環(huán)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(chǎn)品,，試驗過程中，試驗人員經(jīng)常要在現(xiàn)場周圍操作巡視或測試工作,，因此要求環(huán)境試驗設(shè)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(shè)備的各種保護,、告警措施及安全連鎖裝置應(yīng)該完善可靠，以保證試驗人員,、被試產(chǎn)品和試驗設(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）置入氣候環(huán)境箱進行試驗時,，為了保證被試產(chǎn)品周圍氣氛能滿足試驗規(guī)范所規(guī)定的環(huán)境試驗條件,，氣候箱工作尺寸與被試產(chǎn)品外廓尺寸之間應(yīng)遵循以下幾點規(guī)定：
    a） 被試產(chǎn)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(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)品外廓表面距試驗箱壁的距離至少保持100～150mm，（推薦選用150mm）,。
    上述三點規(guī)定實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(guī)定，氣候環(huán)境試驗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：
   1〕 被試驗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。加速氣流與被試驗件之間的熱交換,。這與環(huán)境條件的再現(xiàn)不符,，因為在有關(guān)標準中對涉及溫度環(huán)境試驗都規(guī)定試驗箱內(nèi)試驗樣件周圍的空氣流速不應(yīng)超過1.7m/s，以防止試驗樣件和周圍氣氛產(chǎn)生不符合實際的熱傳導(dǎo),。在空載時試驗箱內(nèi)平均風(fēng)速為0.6～0.8m/s,，不超過1m/s，滿足a,、b兩點要求所規(guī)定的空間及面積比時,，流場的風(fēng)速可能增大（50～100）％,，平均zui高風(fēng)速為（1～1.7）m/s。滿足標準規(guī)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(fēng)斷面積,，則實際試驗時氣流風(fēng)速將增大到超出試驗標準所規(guī)定的zui高風(fēng)速，其試驗結(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〕的精度指標都是在空載狀態(tài)下檢測的結(jié)果,，一旦置入被試驗件后,，對試驗箱工作腔內(nèi)環(huán)境參數(shù)的均勻性將產(chǎn)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(shù)據(jù)表明，流場中迎風(fēng)面與背風(fēng)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(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中心溫度相差2～3℃,，在高低溫的上下*，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(jié)構(gòu)和材料而定）試驗溫度與外界大氣環(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?？梢詽M足國內(nèi)絕大多數(shù)軍用、民用產(chǎn)品溫度試驗的需要,，除非確有特殊需要,，如安裝位置靠近發(fā)動機等熱源的產(chǎn)品外,，不可盲目提高溫度上限。因為上限溫度越高,，箱體內(nèi)外的溫差越大,，箱體內(nèi)部流場的均勻性也越差?？衫玫墓ぷ魇殷w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(nèi)外環(huán)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(tǒng),，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(yīng)該注明相應(yīng)的溫度范圍，或給出zui低露點溫度,。因為相對濕度是與溫度直接相關(guān)的,，對于同樣的含濕量，溫度越高,，相對濕度就越小,，如含濕量為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(nèi)會出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象,。
     實現(xiàn)高溫,、高濕只需要往箱體空氣中噴水蒸汽或霧化的水珠，進行加濕,。低溫低濕則相對難于控制,，因為此時的含濕量很低，有時比大氣中的含濕量低很多,，需要對箱體內(nèi)流動的空氣除濕,，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,。當濕空氣經(jīng)過冷管時,，其相對濕度會達到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(jié)露的水滴會結(jié)冰,，從而影響光管表面的熱交換，使除濕能力下降,。又因為箱體不可能密封,，大氣中的濕空氣會滲入到箱體內(nèi)，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(tài)而析出水蒸汽，因此這種除濕方法很難使箱體內(nèi)的露點溫度在到0℃以下,。實際所達到的zui低露點溫度為5～7℃,。露點溫度5℃相當于含濕量為0.0055g/kg，對應(yīng)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(tǒng)才能實現(xiàn),。

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(shè)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(shè)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(shè)定一條或者多條高低溫變化、循環(huán)的程序,，試驗箱有能力根據(jù)預(yù)置的曲線完成試驗過程,，并且可以在zui大升溫、降溫速率能力的范圍內(nèi),，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箱也具有預(yù)置溫度,、濕度曲線,，并且根據(jù)預(yù)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(nèi)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(yīng)當實事求是的以試驗方法的需要為出發(fā)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(huán)境溫度降溫到標稱的zui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(nèi)速度可調(diào),。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(guī)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(jù)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(guān)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(nèi),，zui高溫度與zui低溫度之差值與時間之比,。目前國外各環(huán)境試驗設(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時間段內(nèi),，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zui大,、zui關(guān)鍵的一段是,，在降溫段zui后的一個5 min的時間段內(nèi)，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(xué)。因此試驗設(shè)備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(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)標準規(guī)定,，進行環(huán)境試驗時溫濕箱內(nèi)的風(fēng)速應(yīng)小于1.7m/s，對于試驗本身來說,，風(fēng)速越小越好,，風(fēng)速過大會加速試驗件表面與箱體內(nèi)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(nèi)的均勻性,，試驗箱內(nèi)具有循環(huán)風(fēng)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(huán)境試驗箱，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,，對于不同的使用目的,，風(fēng)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(xiàn)的參數(shù),，所有環(huán)境試驗設(shè)備廠家生產(chǎn)的多數(shù)的試驗箱實際的溫度波動都可以控制在±0.3℃的范圍以內(nèi),。

8、溫度場均勻度
   為了更正確地模擬產(chǎn)品在自然界所遭受的實際環(huán)境狀況,，在環(huán)境試驗中必須保證被試產(chǎn)品的周邊處在同一溫度環(huán)境條件下,，為此，必須對試驗箱內(nèi)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(shè)備環(huán)境試驗方法總則中明確規(guī)定“試驗樣品附近測量系統(tǒng)的溫度應(yīng)在試驗溫度的±2℃以內(nèi),，其溫度工不超過1℃/m或總的zui大值為2.2℃（試驗樣品不工作）"。

9,、濕度的精度控制
    環(huán)境試驗箱中測量濕度多數(shù)是采用干濕球法,，環(huán)境試驗設(shè)備的制造標準gb10586要求，相對濕度偏差應(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(tǒng),，制冷系統(tǒng)需要進行冷卻,。試驗箱有風(fēng)冷、水冷兩種形式,。