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如何正確選擇環(huán)境試驗設(shè)備

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)產(chǎn)品進行環(huán)境試驗

GJB150―中華人民共和國國標準，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

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

產(chǎn)品試驗的溫度箱不僅要滿足國標準

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(材料、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)。

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zui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zui高風速，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(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

－70～+100℃、－6～+100℃、－40～+100℃、－20～+100℃也有高溫到150℃、低溫到-80℃。

這些溫度范圍通?？梢詽M足國內(nèi)絕大多數(shù)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

，少部分做到10%，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，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

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℃/mi～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5min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