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(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(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,用以指導工程產品的環(huán)境及可靠性試驗。如指導軍工產品進行環(huán)境試驗GJB150――中華人民共和國國家軍用標準《軍用設備環(huán)境試驗方法》,指導電工電子產品進行環(huán)境試驗的GB2423――中華人民共和國國家標準《電工電子產品環(huán)境試驗方法指南》等。因此漢陽科技,我們選擇環(huán)境及可靠性試驗設備時主要的依據是工程產品的試驗規(guī)范和試驗標準。

　　其次,為了規(guī)范試驗設備中環(huán)境試驗條件的容差,保證環(huán)境參數(shù)的控制精度,國家技術監(jiān)督機構及各工業(yè)部門還制訂了一系列的環(huán)境試驗設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《電工電子產品環(huán)境試驗設備基本參數(shù)檢定方法》,又如國家技術監(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)境及可靠性試驗設備的重要依據,不符合這些檢定規(guī)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(huán)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(huán)境條件的再現(xiàn)性

　　在試驗室內完整而精確地再現(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,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?shù)冗^程中所經受的外界環(huán)境條件。這段話用工程的語言概括,就是“試驗設備所創(chuàng)造的圍繞被試產品周邊的環(huán)境條件(含平臺環(huán)境)應該滿足產品試驗規(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(huán)境試驗中環(huán)境條件的再現(xiàn)性。

　　2、環(huán)境條件的可重復性

　　一臺環(huán)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(huán)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(guī)范所規(guī)定的環(huán)境試驗條件下所得試驗結果的可比較性,必然要求環(huán)境試驗設備所提供的環(huán)境條件具有可重復性。這也就是說,環(huán)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(guī)范的要求是一致的。

　　環(huán)境試驗設備所提供環(huán)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(jiān)督機構所制定的檢定規(guī)程檢定合格后提供保證。為此,必須要求環(huán)境試驗設備能滿足檢定規(guī)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(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,保證試驗條件的再現(xiàn)性和重復性的要求,而且從產品試驗的安全出發(fā)也是必須的,以便防止環(huán)境條件失控導致被試產品的損壞,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束后判斷和分析產品失效與故障模式時n,提供確切的依據,故要求環(huán)境試驗設備除提供所規(guī)定的環(huán)境條件外,不允許對被試產品附加其它的環(huán)境應力干擾。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)境試驗條件的唯一性而制定的檢定項目。

　　5、試驗設備的安全可靠性

　　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品,試驗過程中,試驗人員經常要在現(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(huán)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(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品外廓尺寸之間應遵循以下幾點規(guī)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(fā)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鬼知道,(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是被試產品外廓體積的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,因為在有關標準中對涉及溫度環(huán)境試驗都規(guī)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(guī)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(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(guī)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(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)下檢測的結果,一旦置入被試驗件后,對試驗箱工作腔內環(huán)境參數(shù)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(shù)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(huán)境參數(shù)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(huán)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(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足國內絕大多數(shù)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(fā)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�？衫�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(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(xiàn)結露現(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(shù)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(tài)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(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(huán)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(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(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漢陽科技,一種是線形升降溫速度(實際上是每5min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(huán)境試驗設備生產廠家提供的變溫速率的技術參數(shù)都是指的全程平均速率。線形升降溫速度指在任意的每5min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5min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5min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5min平均速度)這兩個參數(shù)。一般來說,線形升降溫速度(每5min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(guī)定,進行環(huán)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(huán)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(huán)境試驗箱,為追求變溫速率,必須加快箱體內循環(huán)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(xiàn)的參數(shù),所有環(huán)境試驗設備廠家生產的多數(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。

　　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(huán)境狀況,在環(huán)境試驗中必須保證被試產品的周邊處在同一溫度環(huán)境條件下北京漢陽,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(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(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(tǒng),制冷系統(tǒng)需要進行冷卻。試驗箱有風冷、水冷兩種形式。