模擬環(huán)境可靠性試驗設(shè)備怎么選擇

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幾十種。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)境試驗的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)*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
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)不同類型產(chǎn)品所規(guī)定的高溫,、低溫的試驗量值,、試驗時間,，同時也應(yīng)滿足試驗規(guī)范中對溫度場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,、諧波失真度等到精度指標的要求,，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，以便防止因環(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)低于試驗條件允許誤差的三分之一。
4．環(huán)境試驗條件的排它性
每一次進行的環(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)場周圍進行操作或測試工作，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、告警措施及安全聯(lián)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．溫濕度箱容積的選擇
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)境條件,，氣候箱工作空間尺寸與被試產(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30% ,。
b） 被試產(chǎn)品的迎風(fēng)斷面積與該斷面上試驗箱工作腔總面積之比不大
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應(yīng)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立方米正立方體箱子為例，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就是被試產(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場中氣流的通道，通道變窄將導(dǎo)致氣流流速的嗇,。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)性不符，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（1.17）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)境溫度相差越大，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
目前,，國外溫度試驗箱的溫度范圍大體上為（-73 ~ +177℃），或（-70 ~ +180℃）,。國內(nèi)多數(shù)廠家為（-70 ~ +120℃）,，也有高溫到150℃。這個溫度范圍通?？梢詽M足輛絕大多數(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,，不可盲目利用的工作腔體積也就越小,。另一方面，上限溫度越高,，對箱壁夾層中保溫材料（如玻璃棉等）的耐熱性要求也越高,。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
國內(nèi)外環(huán)境試驗箱給出的溫度指標大體上都是20~95%RH或20~98%RH,，其實這兩個指標是*一致的，因為濕度控制精度通常為±（3~5）% RH,而zui大濕度只可能是100% RH,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,如含濕度量d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99% 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)流動空氣除濕,，使空氣變得更干燥。目前國內(nèi)外絕大多數(shù)的溫濕度箱都是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℃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℃時相對濕度達到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．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,，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，于試驗不利，但是在溫度,、濕度,、振動等多因素綜合環(huán)境試驗中，為追求高的變溫速率,，必須加快箱體內(nèi)循環(huán)氣流的流速,，風(fēng)速通常在2.5~3.0m/s。因此,，對于不同的使用目的,，風(fēng)速的限制是不一樣的。
5．溫度場
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)品的周邊能處在同一溫度環(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),其溫度梯度不超過1℃/m或總的zui大值為2.2℃（試驗樣品不工作）",。如上面所述，對溫度場的要求包括三個方面：
a） 溫度量值的準確性,。
試驗規(guī)范給定的是試驗溫度名義值（標稱溫度值）,，試驗設(shè)備測出的是溫度場中心蹼（或出風(fēng)口、回風(fēng)口） 試驗溫度實際值（工作空間指示點溫度）,，這兩者之間存在一個誤差,。
b） 溫度波動度。
溫度實際值的數(shù)據(jù)不是一個常值,，是一個隨時間的延續(xù)上下波動的量,，用時間統(tǒng)計平均可以得到一個數(shù)學(xué)期望值（均值），和一個標準差,。
　　按試驗規(guī)范的要求,，上述兩項，即包含數(shù)學(xué)期望值與名義值的誤差即系統(tǒng)誤差）加上標準差（即隨機誤差）的總和（溫度控制精度）不大于所規(guī)定的誤差范圍,，GJB150.1-86中規(guī)定為±2℃,。
按國標GB/T5170.1-1995規(guī)定試驗箱的溫度偏差是指試驗箱在穩(wěn)定狀態(tài)下，工作空間各測試點在規(guī)定時間內(nèi)實測zui高溫度和zui低溫度與標稱溫度的上下偏差,。高溫溫度偏差不大于±2℃,，低溫溫度偏差不大于±3℃。
c） 溫度場梯度,。
這個指標是控制箱體內(nèi)溫度場的均勻性,。也就是在空間的延拓上保證被試產(chǎn)品周邊的溫度具有一致性。國軍標GJB150中規(guī)定溫度梯度為1℃/m的要求通常用于3m3以上的試驗箱,，而zui大值為2.2℃則多用3m3以下的試驗箱。
從理論上講，溫度梯度對所有的產(chǎn)呂試驗都適用,，但是在風(fēng)速大于1.7m/s的試驗箱內(nèi),，由于流場內(nèi)氣流旋窩作用增強，流場的均勻性變壞,，很難達到國軍標GJB150要求,。另一方面，在追求高變溫速率（如大于10℃/m）的試驗箱內(nèi),，必需加大氣流的風(fēng)速（大于2m/s）,，此時被試產(chǎn)品迎風(fēng)面和背風(fēng)面的溫差隨著風(fēng)速的增大而增加，因此,，在有關(guān)試驗規(guī)范及檢定規(guī)程中對追求高變溫速率的溫濕度箱沒有提出嚴格的溫度場均勻性的要求,。當然對于環(huán)境試驗設(shè)備制造商而言，都在努力實現(xiàn)高的變溫速率和好的溫度場均勻性兼而有之的產(chǎn)品,，以滿足用戶的要求,。如美國環(huán)測公司（Envirotronics）生產(chǎn)的溫濕度箱，變溫速率15℃/m時,，溫度場的均勻性在±2.2℃之內(nèi),。
6．濕度的精度控制。
環(huán)境試驗箱中測量濕度多數(shù)是采用價格低廉的干濕球法,，在高濕（80~100%RH）情況下,，干濕球溫差1℃，對應(yīng)于相對濕度相差5%左右,。根據(jù)測試裝置的精度不應(yīng)低于試驗條件允差三分之一原則（見國軍標GJB150.1-86）,，溫差1℃要求干球和濕球本身溫度測量的允差為±0.7℃，則溫度的測量精度液壓達到0.2℃,。依此類推,，相對濕度誤差為±3%RH。要求溫度測量精度應(yīng)達到±0.1℃,。故采用干濕球法測量相對濕度的誤差通常為±（3~5）% RH,，溫度測量精度如此，濕度的控制精度也就可想而知了,。
為克服干濕球法測量精度不高,，且受人為操作影響過大的缺點，近十幾年固體式濕度敏感頭（如電容式濕度傳感器）在解決了低溫（-55~70℃）下使用的問題后,，已開始應(yīng)用到環(huán)境試驗設(shè)備中,，其測量精度可達到±1~3%RH。美國不測公司生產(chǎn)的溫濕度箱均已配置固體式濕度傳感器,。
濕度的控制精度除了受測濕手段制約外,，還與加濕方式有關(guān)，在環(huán)境試驗箱中加濕的方法很多，通用的有以下三種：
1） 水盤式加濕,。分為自然蒸發(fā)和電加熱蒸發(fā),，此種加濕方法加濕的速率慢?？刂凭容^低,，多適合于恒溫恒濕箱。
2） 噴蒸汽加濕,。加濕的速率快,，但加濕的波動度大，容易實現(xiàn)快速控制,，控制精度較好,，但由于噴入100℃蒸汽，對箱內(nèi)的溫度狀態(tài)會產(chǎn)生少量的干擾,。
3） 噴霧化的水,。霧化水的微粒直徑大體在10~50μ此種方法具有噴蒸汽加濕的優(yōu)點，又不需要外置蒸汽鍋爐,，并且可以調(diào)整噴水微粒的溫度和箱體內(nèi)試驗溫度相同,，是一種比較好的加濕方式。
7．露點溫度選擇
露點溫度是指在給定的含濕量不變的條件下,，使?jié)窨諝饫鋮s到飽和狀態(tài)（相對溫度為100% RH）時的那個溫度,。因此，給出了空氣狀態(tài)的露點溫度,，也就給出了空氣的含濕量,，從空氣的焓——濕圖就可以查到對應(yīng)此含濕量時不同溫度下的相對溫度值。露點溫度越低,，說明箱體內(nèi)空氣的含濕量越小,，對應(yīng)同一溫度下的相對濕度也越小。一個溫濕度環(huán)境試驗箱所能達到的zui低露點溫度與所采用除濕方式有關(guān),，通常采用的制冷除濕的辦法,，zui低露點溫度約為5~7℃，經(jīng)過長時間的穩(wěn)定除濕,，露點溫度也可到達2~5℃,，若一定要求露點溫度到達0℃以下，則需要采用固體吸濕劑或液體吸濕劑等附加裝置,，或其它干燥除濕裝置,。如美國環(huán)測公司生產(chǎn)的溫濕度箱可選配露點溫度為-40℃的干空氣吹掃系統(tǒng)和空氣干燥系統(tǒng)。
3）國外生產(chǎn)溫濕度環(huán)境試驗設(shè)備的廠家有美國的Envirotronics（環(huán)測）,、Thermotron（熱測）,、德國的Weiss,、Votsch（富奇）公司、意大利的ACS公司,、日本的TaBal公司等,。上述各家公司在生產(chǎn)氣候環(huán)境試驗設(shè)備方面都積累了豐富的經(jīng)驗。提供的設(shè)備都是供使用的,，在質(zhì)量上都可信賴。至于究竟應(yīng)該選用哪一家,，哪一種型號產(chǎn)品更符合要求,，除了本文前面所述的一些原則和具體的技術(shù)指標要求外，還有一些值得重視和考慮的因素,。
a） 性能/價格比,。
環(huán)境試驗設(shè)備的進口無一例外都是通過代理商在國內(nèi)進行銷售，價格的因素不僅取決于生產(chǎn)廠家的成本和利潤,，還包含著很多中間環(huán)節(jié)的費用及銷售提成,。在相同的制造成本下，降低中間費用是降低訂貨價格的重要因素,。同一國家相同技術(shù)指標的產(chǎn)品,，制造成本大體相當，不同國家（指西方發(fā)達國家）生產(chǎn)的產(chǎn)品即使有差別也不會太大,。
b） 滿足用戶需要的程度和能力,。
用戶訂購一臺溫濕度環(huán)境試驗箱，其要求依產(chǎn)品試驗的需要而不同,，如有的三綜合試驗箱常常用于產(chǎn)品部件或組件的環(huán)境應(yīng)力篩選試驗,，此時設(shè)備的強制除濕能力以及附加空氣干燥系統(tǒng)的可能性是用戶應(yīng)該重點關(guān)心的項目，如果有的用戶想利用三綜合試驗箱作環(huán)境試驗（如濕熱試驗）,，則風(fēng)速的可調(diào)整性就是必須考慮的因素,。
c） 售后服務(wù)及設(shè)備故障的處理能力。
任何一臺設(shè)備在使用中不可能不出故障,，一旦出現(xiàn)問題使用者能否享受到及時的維修服務(wù),，或者能根據(jù)設(shè)備自身具有的故障診斷能力很快確定出故障處理方法，使設(shè)備盡快恢復(fù)性能,，重新投入使用,。在這方面，國內(nèi)外的生產(chǎn)廠家都已經(jīng)或正在作出積極的努力,，如建立快速反應(yīng)的維修隊伍,，如在計算機控制系統(tǒng)中增加故障診斷及故障預(yù)警系統(tǒng)軟件，用戶可根據(jù)計算機提供的信息,，盡快處理故障,。