變溫過程試驗箱溫度特性分析

周芳，賈業寧

（北京強度環境研究所，北京 100076）

?

變溫過程試驗箱溫度特性分析

周芳，賈業寧

（北京強度環境研究所，北京 100076）

目的 研究環境試驗箱變溫過程中的溫度分布特性。方法 對具有代表特性的溫度試驗箱進行溫場特性測定及分析，深入了解變溫過程中試驗箱的溫場分布和影響溫度特性的各個因素。結果 變溫過程中不同位置的溫度重合性差，溫變率越高，變溫過程的非線性越明顯。結論 在變溫過程中，試驗箱內部測點和控制溫度相比有一定的差異性，使得處于試驗箱中的受試產品的不同部位，承受溫度梯度應力。對于產品外表面、安裝在外表面的零部件或靠近外表面的內部零部件，可能產生物理損壞或性能下降。故在使用中應充分注意這種溫場特性對受試產品的影響。

變溫過程；溫變率；溫度特性

目前，國內外對試驗箱的技術指標考核均在設備達到穩定后一定時間進行測量記錄，對于變溫過程中的參數指標研究不夠。文中根據GB/T 2423《電工電子產品環境試驗》［1—2］中的低溫、高溫試驗方法，對具有代表特性的溫度試驗箱進行溫場特性分析，深入了解變溫過程中試驗箱的溫場分布和變溫過程中影響溫度特性的各個因素。對試驗的實施和試驗箱的選型有一定的指導意義。

1　國內外現狀

目前，國內外試驗箱的生產標準、試驗箱檢驗方法或試驗方法中，對于試驗箱技術指標的考核均在設備達到穩定后一定時間再進行測量記錄。對于變溫過程中試驗箱的參數指標只測量控制點的溫度變化率，其他位置和均勻度均無考核和要求，并且當前試驗室所有環境試驗箱的校準證書均依此為前提進行出具。目前，國內外使用的常見標準也未對該項指標提出要求。

BS 389—1965《實驗室濕熱箱技術條件》和日本試驗機工業會提出的恒溫恒濕箱的性能試驗方法中對溫箱均勻度進行了規定，兩者在測點位置、測試間隔、測試次數要求不同，但都規定計算測試點與中心點的溫差平均值，并以最大者即為溫度均勻度。美國ASTMD2436-68《電氣絕緣用強制對流實驗室烘箱技術條件》［3］：用9只熱電偶，在規定的位置布點，當達到設定溫度并穩定16 h后，記錄數據以5 min為測試間隔，共記錄45組數據，計算45個數據的平均值，從45個數據中選出2個最大數和2個最小數，分別各自減去平均數，然后從4個差值中選出2個最大差值，并求其平均值，以此表述箱內溫度均勻度。

GB 10586—2006《濕熱試驗箱技術條件》［4］：各測試點除中心點外，其余各點距箱壁為各自邊長的1/10。當溫度達到規定值并穩定2 h后，每隔2 min測試各測試點溫度1次，在30 min內共測15次，隔30 min再測1次，以后每隔1 h測1次。利用30 min內15次的測試數據，分別算出每次數據中最高與最低溫度之差再求其平均值，即為溫度均勻度。

GB/T 5170.2—2008《電工電子產品環境試驗設備檢驗方法——溫度試驗設備》［5］中8.2.1.3中規定：使試驗設備降溫或升溫，設備進入控溫狀態后穩定30 min（穩定時間最長不超過2 h），開始記錄各測量點的溫度和設備指示溫度，每隔1 min記錄1次，在30 min內共記錄30次。

GB/T 2423.1—2008/IEC60068-2-1：2007《電工電子產品環境試驗第2部分：試驗方法 試驗A：低溫》中6.2節規定：穩定狀態時，流向試驗樣品的空氣溫度應處于試驗嚴酷等級溫度的±2℃范圍內。

當前，國內外均對試驗箱穩態過程參數指標的測量作了詳細規定。在變溫過程方面，國內僅GB/T 5170.2—2008《電工電子產品環境試驗設備檢驗方法——溫度試驗設備》中對試驗箱的變溫速率給出兩種提法：一種是全程平均升降溫速度，一種是線形升降溫速度（即每5 min平均速度）。因此，需要對變溫過程中的溫場分布特性和影響因素進行分析。

2　變溫過程溫場特性試驗方案設計

2.1參試試驗箱

分別采用三個生產商研制生產的試驗箱，試驗箱記錄號為A1，A2，A3，檢測試驗箱變溫過程中的溫場特性。其參數見表1。

表1　參試試驗設備技術參數Table 1　Technical parameters of test equipment

其中A1試驗箱控制溫度傳感器位于回風口的位置，A2位于出風口的位置，A3位于箱門位置。

2.2測量點的數量和位置

根據試驗箱的具體情況，試驗共放置了11個溫度測量點，其中9個測量點根據GB/T 5170.2— 2008《電工電子產品環境試驗設備檢驗方法溫度試驗設備》中的相關規定，在被測試設備工作室內定出上、中、下三個水平層面，上層與工作室頂面的距離是工作室的1/10，中層通過工作室幾何中心，下層在底層樣品架上方10 mm處。另外兩個分別放置在出風口和回風口的位置。

2.3試驗方案設計

1）時鐘調整。調整巡檢儀和試驗箱的內部時鐘，保持巡檢儀和試驗箱記錄數據的同步性。

2）試驗方案：將試驗箱溫度從20℃以1℃/min的溫變率降到-55℃，保溫20 min，以1℃/min的溫變率升溫到 20℃；將試驗箱溫度從20℃以1℃/min的溫變率升到100℃，保溫20 min，以1℃/min的溫變率降溫到20℃；將試驗箱溫度從20℃以2℃/min的溫變率降到-55℃，保溫20 min，以2℃/min的溫變率升溫到20℃，以考核試驗箱溫度變化趨勢；將試驗箱溫度從20℃以2℃/min的溫變率升到100℃，保溫20 min，以2℃/min的溫變率降溫到20℃；將試驗箱溫度從20℃以5℃/min的溫變率降到-55℃，保溫20 min，以5℃/min的溫變率升溫到20℃，以考核試驗箱溫度變化趨勢；將試驗箱溫度從20℃以5℃/min的溫變率升到100℃，保溫20 min，以5℃/min的溫變率降溫到20℃。

3　變溫過程溫場特性試驗結果分析

3.1試驗結果

按照2.3節進行試驗實施，以降溫試驗為例進行試驗結果分析。

以1℃/min的溫變率降溫過程結果如圖1—6所示。

圖1　A1試驗箱內部溫場分布情況Fig.1　Temperature distribution of the A1 test chamber

圖2　A1各點溫度與試驗箱顯示溫度之間的關系Fig.2　Relation between measured temperature and displayed temperature of A1 test chamber

圖3　A2試驗箱內部溫場分布情況Fig.3　Temperature distribution of the A2 test chamber

圖4　A2各點溫度與試驗箱顯示溫度之間的關系Fig.4　Relation between measured temperature and displayed temperature of A2 test chamber

圖5　A3試驗箱內部溫場分布情況Fig.5　The temperature distribution of the A3 test chamber

圖6　A3各點溫度與試驗箱顯示溫度之間的關系Fig.6　Relation between measured temperature and displayed temperature of A3 test chamber

以2℃/min的溫變率降溫過程結果如圖7，8所示。

圖7　A2試驗箱內部溫場分布情況（2℃/min）Fig.7　Relation between measured temperature and displayed temperature of A2 test chamber（2℃/min）

圖8　A2各點溫度與試驗箱顯示溫度之間的關系（2℃/min）Fig.8　Relation between measured temperature and displayed temperature of A2 test chamber（2℃/min）

3.2結果分析

1）試驗箱在降溫過程中，不同降溫速率條件下，溫場特性規律一致，即試驗箱在同一使用狀態下特性固化。

2）試驗箱內部設定的10個溫度點，變溫過程中溫度特性重合性差，個別位置的溫度差可以達到3～5℃。

3）試驗采用不同操作人員實現現場操作，不同現場操作人員實施操作獲得的試驗數據變化趨勢一致，即人員操作造成的影響極小，可以認為是誤差。

4）實驗過程中，變溫率越高，則變溫過程中的非線性越明顯，即溫度波動現象越明顯。實際使用過程中，針對降溫過程中均勻性要求較高的產品，采用低變溫速率可以獲得相對更為準確的試驗結果。

同一試驗箱在升溫過程中表現的溫場特性與降溫過程中的特性差異較大，需要獨立分析，不可一概而論。

3.3試驗原因分析

試驗箱內部的溫度場受到試驗箱結構、控制點位置和溫變率等因素的影響，試驗箱完成生產后其特征已確立，同品牌同型號的試驗箱也可能存在差異，除遇大修或人員操作嚴重異常，否則不會發生改變。

1）試驗箱結構影響。所有的環境試驗箱（室）均存在一定的不均勻性，很大程度上是由試驗箱的結構特點造成的，由于箱（室）結構難于完全對稱，從而對其內部的溫度均勻造成不利影響。目前試驗室常用的試驗箱結構通常為大門在前，空調室在箱后部，上送風下回風。這種結構左右對稱性好，可較易達到左、右溫度均勻，但結構上、下不對稱，前后也完全不同，對工作空間溫度產生了不均勻影響。這種現象在變溫特別是快速變溫過程中顯現的尤為突出。

2）控制點位置影響。溫度試驗箱控制傳感器的位置對控制精度有較大影響。為了使其感溫反應靈敏，一般將傳感器置于出風口附近，從而可提高控制精度，減小溫度波動度，最終減小溫度偏差。這是當前國內外主流設計思路，試驗設備變溫率驗收點位置為出風口，即控制點溫度傳感器所在位置。由制點位置的設置導致在變溫過程中，因箱體結構、風速大小、出風溫度等造成的溫度差異無法被試驗箱傳感器探知，變溫過程持續時間短，試驗箱溫度控制系統便無法及時對各點溫度進行調控。

3）溫變率的計算方法。目前試驗室的試驗箱，全部依據GB/T 5170.2—2008《電工電子產品環境試驗設備檢驗方法——溫度試驗設備》完成試驗箱驗收及其后的歷年檢定。該標準中規定的全部11項檢定項目，其中關于試驗箱的變溫速率僅有兩種提法，一種是全程平均升降溫速度，一種是線形升降溫速度（即每5 min平均速度）。全程平均速度按照以式（1）進行計算：

目前國內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全程平均速率。這種設備的驗收方法，根本上忽略了試驗箱變溫過程中的空間變量，而專注于單點的變化。

4　結語

通過對不同試驗箱進行高低溫變溫試驗，深入研究了控制溫度點位于試驗箱不同位置的試驗箱在變溫階段的溫場分布情況，對試驗箱在溫度變化情況下的溫度分布有了更加深入的認識。對于不同試驗箱，中心點溫度變化和控制溫度相比有一定的差異性，并且試驗箱變溫率越快，控制溫度與中心點溫度在變溫過程中的差值會隨之變大。處于試驗箱中的受試產品的不同部位，承受溫度梯度應力，對于產品外表面、安裝在外表面的零部件或裝置靠近外表面的內部零部件，產生物理損壞或性能下降。故在對試驗箱選型和驗收過程中，通過在風口處設置控制點溫度，對于滿足均勻度、波動度等指標是可行的，但無法有效覆蓋試驗箱溫變率特性，應對溫變率指標的制定和檢驗加強重視，提高檢驗手段。在對試驗箱選型和驗收過程中，應對溫變率指標的制定和檢驗進一步加強重視。

使用環境試驗箱施加的溫度應力主要包含低溫、高溫和變溫等三種應力形式。使用足夠的保溫時間可以使參試產品達到低溫或高溫的環境應力要求，但是溫度變化應力的實施常常被忽視?，F行的GJB 1032—1990《電子產品環境應力篩選方法》［15］中明確規定了試驗箱的溫變率要≥10℃/min，在實際操作中甚至有參試產品要求20℃/min的溫度變化速率。這種高要求的溫度變化應力，工程實踐中作用到參試產品實體上如何量化，影響為多少尚待研究。通過對試驗箱內部變溫過程中的溫場特性研究分析表明，在快速變溫過程中，試驗箱內存在較大的不均勻性。試驗箱使用過程中應注意分析這種溫場特性對于參試產品的影響，以保證試驗結果的正確性，降低過應力和欠應力的情況出現。

［1］GB/T 2423.1—2008，電工電子產品環境試驗 第二部分：試驗方法試驗A：低溫［S］.

GB/T 2423.1—2008，Environmental Testing for Electric and Electronic Products—Part 2：Test Methods—Testing A：Cold［S］.

［2］GB/T 2423.2—2008，電工電子產品環境試驗 第二部分：試驗方法試驗A：高溫［S］.

GB/T 2423.2—2008，Environmental Testing for Electric and Electronic Products—Part 2：Test Methods—Testing A：High［S］.

［3］ASTMD2436-68，TechnicalSpecificationforForced Convection Laboratory Ovens for Electrical Insulation［S］.

［4］GB 10586—2006，濕熱試驗箱技術條件［S］.

GB 10586—2006，Specifications for Damp Heat Testing Chambers［S］.

［5］GB/T 5170.2—2008，電工電子產品環境試驗設備檢驗方法—溫度試驗設備［S］.

GB/T5170.2—2008，InspectionMethodsfor EnvironmentalTestingEquipmentsforElectricand ElectronicProducts—TemperatureTesting Equipments［S］.

［6］王浚，黃本誠，萬才大，等.環境模擬技術［M］.北京：國防工業出版社，1996.

WANG Jun，HUANG Ben-cheng，WAN Cai-da，et al. Environment Simulation Methods［M］.Beijing：National Defence Industry Press，1996.

［7］黃利君.高低溫交變濕熱試驗箱溫場均勻度超差的原因［J］.計量與測試技術，2013，40（9）：13—14.

HANGLi-jun.TheReasonofOut-of-toleranceof TemperatureFieldUniformityofHighandLow Temperature Alternating Humidity-heat Test Chamber［J］. Metrology and Measurement Technique，2013，40（9）：13—14.

［8］IEC Technical Committee 104，IEC 60068-3-11：2007 EnvironmentalTesting—Part3-11：Supporting Documentation and Guidance-calculation of Uncertainty of Conditions in Climatic Test Chambers［S］.

［9］ISO/TC 69.ISO 3534-2：2006 Statistics—Vocabulary and symbols—Part2： AppliedstatisticsInternational VocabularyofBasicandGeneralStandardTerms Inmetrology［S］.

［10］ The BIPMetc.ISO/IEC GUIDE 98-3：2008 Uncertainty of Measurement—Part 3 Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement（GUM：1995）［S］.

［11］ 趙世宜，胡立成.低氣壓環境對軍用電工電子產品的影響［J］.裝備環境工程，2009，6（5）：100—102.

ZHAO Shi-yi，HU Li-cheng.Low Pressure Environment Impact on Military Electric and Electronic Products［J］. Equipment Environmental Engineer，2009，6（5）：100—102.

［12］ 吳志勇.環境試驗箱圍護結構傳熱研究［J］.裝備環境工程，2007，4（5）：51—56.

WU Zhi-yong.Study on Heat Transfer of Exterior Protected Construction of Environmental Test Chamber［J］. Equipment Environment Engineering，2007，4（5）：51—56.

［13］ 楊喜存，單軍勇.某溫濕高度試驗箱低溫-高度試驗溫度漂移原因分析與對策［J］.裝備環境工程，2014，11（2）：101—104.

ANG Xi-cun，SHAN Jun-yong.Analyzing the Causes of TemperatureExcursionWhenTestingofLow Temperature-Altitudebya Temperature-Humidity-Altitude Testing Equipment and theCountermeasures［J］.EquipmentEnvironment Engineering，2014，11（2）：101—104.

［14］ 馬建軍，孫俠生，李喜明.環境實驗室溫度均勻性的數值分析研究［J］.裝備環境工程，2014，11（2）：48—52.

Ma Jian-jun，Sun Xia-sheng，Li Xi-ming.Numerical Analysis of Temperature Uniformity for Climatic Test Chamber［J］.Equipment Environment Engineering，2014，11（2）：48—52.

［15］ GJB 1032—90，電子產品環境應力篩選方法［S］.

GJB 1032—90，Environmental Stress Screening Method for Electrical Products［S］.

Temperature Characteristics of the Chamber during Temperature Variation

ZHOU Fang，JIA Ye-ning
（Beijing Institute of Structure and Environment Engineering，Beijing 100076，China）

Objective To study the temperature characteristics of the chamber during temperature variation.Methods Temperature field characteristics of the typical chamber were measured and analyzed；the various distribution and influence factors of the temperature characteristics of the chamber during temperature variation were deeply understood.Results The temperature at different positions coincided badly during temperature variation.The higher temperature variability was，the more obvious the nonlinearity in variation was.Conclusion In temperature variation process，inside measurement points are certainly different from control temperature in the chamber，which makes different positions of tested product in the chamber bear temperature gradient stress.For outer surface，parts installed in the surface or inner parts close to the surface，physical damages or performance reduction may be caused.Therefore，special attention should be paid to the effect of this temperature field characteristics on the tested product.

temperature variation；temperature variability；temperature characteristics

2016-03-06；Revised：2016-04-26

10.7643/issn.1672-9242.2016.04.012

TJ01；V216.8

A

1672-9242（2016）04-0072-06

2016-03-06；

2016-04-26

周芳（1976—），女，北京人，高級工程師，主要從事環境可靠性試驗與研究。

Biography：ZHOU Fang(1976—),Female,from Beijing,Senior Engineering,Research focus:environment and reliability test technology。