恒温恒湿试验设备选型指南

恒温恒湿试验设备选型指南

　　温湿度环境试验箱选型指南一、设备选择依据存在于地球表面及大气层空间中的自然环境因素和诱发环境因素的种类，目前还无法统计出个确切的数目。其中对工程产品（设备）的使用及寿命影响较大的因素不下几十种。从事工程产品环境条件研究的工程师们将自然界存在以及人类活动所诱发的环境条件整理归纳为一系列的试验标准和规范，用以指导工程产品的环境及可靠性试验。如指导军工产品进行环境试验的GJB150—中华人民共和国国家军用标准《军用设备环境试验方法》,指导电工电子产品进行环境试验的GB2423—中华人民共和国国家标准《电工电子产品环境试验方法指南》等。因此，我们选择环境及可靠性试验设备时主要的依据是工程产品的试验规范和试验标准。其次，为了规范试验设备中环境试验条件的容差，保证环境参数的控制精度，国家技术监督机构及各工业部门还制订了一系列的环境试验设备及检测仪器仪表的检定规程。如中华人民共和国国家标准GB5170《电工电子产品环境试验设备基本参数检定方法》,又如国家技术监督局颁布实施的JJG190-89《电动振动试验台系统试行检定规程》等。这些检定规程也是选择环境及可靠性试验设备的重要依据,不符合这些检定规程要求的试验设备是不允许投入使用的。二、设备选择基本原则环境及可靠性试验设备的选择应遵循以下五条基本原则：1．环境条件的再现性在试验室内完整而精确地再现自然界存在的环境条件是可望而不可及的事情。但是，在一定的容差范围之内，人们完全可以正确而近似地模拟工程产品在使用、贮存、运输等过程中所经受的外界环境条件，这段话用工程的语言概括，就是“试验设备所创造的围绕被试产品周边的环境条件（含平台环境）应该满足产品试验规范所规定的环境条件及其容差的要求”。如用于军工产品试验的温度箱不仅要满足国军标GJB150.3-86、GJB150.4-86中根据不同类型产品所规定的高温、低温的试验量值、试验时间，同时也应满足试验规范中对温度场的均匀性和温度控制精度的要求。只有这样，才能保证在环境试验中环境条件的再现性。2．环境条件的可重复性一台环境试验设备可能用于同一类型产品的多次试验，而一台被试的工程产品也可能在不同的环境试验设备中进行试验，为了保证同一台产品在同一试验规范所规定的环境试验条件下所得试验结果的可比较性，必然要求环境试验设备所提供的环境条件具有可重复性。这也就是说，环境试验设备施用于被试验产品的应力水平（如热应力、振动应力、电应力等）对于同一试验规范的要求是一致的。环境试验设备所提供环境条件的可重复性是由国家计量检定部门依据国家技术监督机构所制定的检定规程检定合格后提供保证。为此，必须要求环境试验设备能满足检定规程中的各项技术指标及精度指标的要求，并且在使用时间上不超过检定周期所规定的时限。如使用非常普遍的电动振动台除满足激振力、频率范围、负载能力等技术指标外，还必须满足检定规程中规定的横向振动比、台面加速度均匀性、谐波失真度等到精度指标的要求，而且每次检定后的使用周期为二年，超过二年必须重新检定合格后才能投入使用。3．环境条件参数的可测控性任何一台环境试验设备所提供的环境条件必须是可观测的和可控制的，这不仅是为了使环境参数限制在一定的容差范围之内，保证试验条件的再现性和重复性要求，而且从产品试验的安全出发也是必须的，以便防止因环境条件失控导致被试产品的损坏，带来不必要的损失。目前各种试验规范中大体要求参数测试的精度不应低于试验条件允许误差的三分之一。4．环境试验条件的排它性每一次进行的环境或可靠性试验，对环境因素的类别、量值及容差都有严格的规定，并排除非试验所需的环境因素渗透其中，以便在试验中或试验结束后判断和分析产品失效与故障模式时，提供确切的依据，故要求环境试验设备除提供所规定的环境条件外，不允许对被试产品附加其它的环境应力干扰。如电动振动台检定规程中所限定的台面漏磁，加速度信噪比、带内带外加速度总均方根值比。随机信号的检验、谐波失真度等精度指标都是为了保证环境试验条件的唯一性而制定的检定项目。5．试验设备的安全可靠性环境试验，特别是可靠性试验，试验周期长，试验的对象有时是价值很高的军工产品，试验过程中，试验人员经常要在现场周围进行操作或测试工作，因此要求环境试验设备必须具有运行安全、操作方便、使用可靠、工作寿命长等特点，以确保试验本身的正常进行。试验设备的各种保护、告警措施及安全联锁装置应该完善可靠，以保证试验人员、被试产品和试验设备本身的安全可靠性。三、温湿度箱的选择1．温湿度箱容积的选择将被试产品（元器件、组件、部件或整机）置入气候环境箱进行试验时，为了保证被试产品周围气氛能满足试验规范所规定的环境条件，气候箱工作空间尺寸与被试产品外廓尺寸之间应遵循以下几点规定：a)被试产品的体积（W×D×H）不得超过试验箱有效工作空间的（20-35）%（推荐选用20%）。对于在试验中发热的产品推荐选用不大于30%。b)被试产品的迎风断面积与该断面上试验箱工作腔总面积之比不大于（35-50）%（推荐选用35%）。c)被试产品外廓表面距试验箱壁的距离至少应保持100-150mm，（推荐选用150mm）。上述三点规定实际上是相互依存和统一的。以1立方米正立方体箱子为例，面积比为1：（~0.5）相当于体积之比为1:(~4)。距箱壁100-150mm相当于体积之比为1:(~)。总括上述三点规定,气候环境试验箱的工作腔容积至少就是被试产品外廓体积的3~5倍,作出这种规定的理由有以下几点:1）被试验件置入箱体后挤占了流场中气流的通道，通道变窄将导致气流流速的啬。加速气流与被试验件之间的热交换，这与环境条件的再现性不符，因为在有关标准中对涉及温度环境试验都规定试验箱内试验样周围的空气流速不应超过，以防止试验样件和周围气氛产生不符合实际的热传导，在空载时试验箱内平均风速为0.6~不超过1m/s，满足a)、b）两点要求所规定的空间及面积比时，流场的风速可能增大（50~100）%，平均最高风速为（）m/s，满足标准规定的要求。如果在试验中不加限制地加大试验件的体积或迎风断面积，则实际试验时气流风速将增大到超出试验标准所规定的最高风速，其试验结果的有效性将受到怀疑。2）气候箱工作腔内环境参数（如温度、湿度、盐雾沉降率等）的精度指标都是在空载状态下检测的结果，一旦置入被试验件后，对试验箱工作腔内环境参数的均匀性将产生影响，试验件占有的空间越大，这种影响也就越严重。实测试验数据表明，流场中迎风面与背风面的温差可达到3~8℃，严重时可大到10℃以上。因此，必须尽量满足a)、b)两项要求，以保证被试产品周围环境参数的均匀性。3）根据热传导的原理，箱壁附近气流的温度通常与流场中心温度相差2~3℃，在高低温的上下限时，还可能达到5℃。箱壁的温度与箱壁附近流场的温度又相差2~3℃（视箱壁的结构和材料而定）。试验温度与外界大气环境温度相差越大，上述温差也越大，因此，距箱壁（100~150mm）距离内的空间是不可利用空间。2．温度范围目前，国外温度试验箱的温度范围大体上为（-73~+177℃），或（-70~+180℃）。国内多数厂家为（-70~+120℃），也有高温到150℃。这个温度范围通常可以满足辆绝大多数军用、民用产品温度试验的需要，除非确有特殊需要，如安装位置靠近发动机等热源的产品外，不可盲目利用的工作腔体积也就越小。另一方面，上限温度越高，对箱壁夹层中保温材料（如玻璃棉等）的耐热性要求也越高。箱体密封性的要求也越高，使箱体的制作成本增加。3．湿度范围国内外环境试验箱给出的温度指标大体上都是20~95%RH或20~98%RH，其实这两个指标是完全一致的，因为湿度控制精度通常为±(3~5)%RH,而最大湿度只可能是100%RH,值得注意的是在湿度指标后面应该注明相应的温度范围,或给出最低露点温度.因为相对湿度是与温度直接相关的,对于同样的绝对含湿量,温度越高,相对湿度就越小,如绝对含湿度量d为5g/kg(指1公斤干空气中含有5克的水蒸汽),当温度为29℃时,相对湿度为20%RH,温度为6℃时,相对湿度为99%RH,当温度降至4℃以下,相对湿度超过100%,在箱体内会出现结露现象。

　　实现高温、高湿只需要往箱体空气中喷水蒸汽或雾化的水珠，进行加湿。低温低湿则相对难于控制，因为此时的绝对含湿量很低，有时比大气中的绝对含湿量低很多，需要对箱体内流动空气除湿，使空气变得更干燥。目前国内外绝大多数的温湿度箱都是采用制冷除湿的原理，是在箱体的空气预调室内加一组制冷光管。当湿空气经过冷管时，其相对湿度会达到100%RH，因空气饱和在光管上结露，使空气变得更干燥。这种除湿方式理论上可达到零度以下的露点温度，但是当冷点表面温度到达0℃以下。实际所达到的最低露点温度为5~7℃。露点温度5℃相当于绝对含湿量为，对应相对湿度20%RH的温度为30℃。如果要求温度20℃时相对湿度达到20%RH，此时的露点温度为-3℃，采用致冷方式除湿是很困难的，必须选用空气干燥系统才能实现。4．风速有关标准规定，进行环境试验时温湿箱内的风速应小于，风速过大会加速试验件表面与箱体内流动气流的热交换，于试验不利，但是在温度、湿度、振动等多因素综合环境试验中，为追求高的变温速率，必须加快箱体内循环气流的流速，风速通常在2.5~。因此，对于不同的使用目的，风速的限制是不一样的。5．温度场为了更正确地模拟产品在自然界所遭受的实际环境状况，在环境试验中必须保证被试产品的周边能处在同一温度环境条件下，为此，必须对试验箱内的温度梯度和温度的波动度加以限制。在国军标GJB150.1-86军用设备环境试验方法总则中明确规定“试验样品附近测量系统的温度应在试验温度的±2℃以内,其温度梯度不超过1℃/m或总的最大值为2.2℃（试验样品不工作）”。如上面所述，对温度场的要求包括三个方面：a）温度量值的准确性。试验规范给定的是试验温度名义值（标称温度值），试验设备测出的是温度场中心蹼（或出风口、回风口）试验温度实际值（工作空间指示点温度），这两者之间存在一个误差。b)温度波动度。温度实际值的数据不是一个常值，是一个随时间的延续上下波动的量，用时间统计平均可以得到一个数学期望值（均值），和一个标准差。

　　按试验规范的要求，上述两项，即包含数学期望值与名义值的误差即系统误差）加上标准差（即随机误差）的总和（温度控制精度）不大于所规定的误差范围，GJB150.1-86中规定为±2℃。按国标GB/T5170.1-1995规定试验箱的温度偏差是指试验箱在稳定状态下，工作空间各测试点在规定时间内实测最高温度和最低温度与标称温度的上下偏差。高温温度偏差不大于±2℃，低温温度偏差不大于±3℃。c)温度场梯度。这个指标是控制箱体内温度场的均匀性。也就是在空间的延拓上保证被试产品周边的温度具有一致性。国军标GJB150中规定温度梯度为1℃/m的要求通常用于3m3以上的试验箱，而最大值为2.2℃则多用3m3以下的试验箱。从理论上讲，温度梯度对所有的产吕试验都适用，但是在风速大于的试验箱内，由于流场内气流旋窝作用增强，流场的均匀性变坏，很难达到国军标GJB150要求。另一方面，在追求高变温速率（如大于10℃/m）的试验箱内，必需加大气流的风速（大于2m/s），此时被试产品迎风面和背风面的温差随着风速的增大而增加，因此，在有关试验规范及检定规程中对追求高变温速率的温湿度箱没有提出严格的温度场均匀性的要求。当然对于环境试验设备制造商而言，都在努力实现高的变温速率和好的温度场均匀性兼而有之的产品，以满足用户的要求。如美国环测公司（Envirotronics）生产的温湿度箱，变温速率15℃/m时，温度场的均匀性在±2.2℃之内。6．湿度的精度控制。环境试验箱中测量湿度多数是采用价格低廉的干湿球法，在高湿（80~100%RH）情况下，干湿球温差1℃，对应于相对湿度相差5%左右。根据测试装置的精度不应低于试验条件允差三分之一原则（见国军标GJB150.1-86），温差1℃要求干球和湿球本身温度测量的允差为±0.7℃，则温度的测量精度液压达到0.2℃。依此类推，相对湿度误差为±3%RH。要求温度测量精度应达到±0.1℃。故采用干湿球法测量相对湿度的误差通常为±（3~5）%RH，温度测量精度如此，湿度的控制精度也就可想而知了。为克服干湿球法测量精度不高，且受人为操作影响过大的缺点，近十几年固体式湿度敏感头（如电容式湿度传感器）在解决了低温（-55~70℃）下使用的问题后，已开始应用到环境试验设备中，其测量精度可达到±1~3%RH。美国不测公司生产的温湿度箱均已配置固体式湿度传感器。湿度的控制精度除了受测湿手段制约外，还与加湿方式有关，在环境试验箱中加湿的方法很多，通用的有以下三种：1）水盘式加湿。分为自然蒸发和电加热蒸发，此种加湿方法加湿的速率慢。控制精度较低，多适合于恒温恒湿箱。2）喷蒸汽加湿。加湿的速率快，但加湿的波动度大，容易实现快速控制，控制精度较好，但由于喷入100℃蒸汽，对箱内的温度状态会产生少量的干扰。3）喷雾化的水。雾化水的微粒直径大体在10~50μ此种方法具有喷蒸汽加湿的优点，又不需要外置蒸汽锅炉，并且可以调整喷水微粒的温度和箱体内试验温度相同，是一种比较好的加湿方式。7．露点温度选择露点温度是指在给定的绝对含湿量不变的条件下，使湿空气冷却到饱和状态（相对温度为100%RH）时的那个温度。因此，给出了空气状态的露点温度，也就给出了空气的绝对含湿量，从空气的焓——湿图就可以查到对应此绝对含湿量时不同温度下的相对温度值。露点温度越低，说明箱体内空气的绝对含湿量越小，对应同一温度下的相对湿度也越小。一个温湿度环境试验箱所能达到的最低露点温度与所采用除湿方式有关，通常采用的制冷除湿的办法，最低露点温度约为5~7℃，经过长时间的稳定除湿，露点温度也可到达2~5℃，若一定要求露点温度到达0℃以下，则需要采用固体吸湿剂或液体吸湿剂等附加装置，或其它干燥除湿装置。如美国环测公司生产的温湿度箱可选配露点温度为-40℃的干空气吹扫系统和空气干燥系统。四、温湿度试验设备状况分析1）温湿度环境试验设备的生产是一个持续了几十年的机械制造行业，其基本技术（如制冷，加热）已经成熟。但是随着工业技术的进步和发展，很多新的应用技术不断被引入到环境试验设备中，如计算机技术、模糊控制理论、多箱同步运行等，因此，很难给制造厂家下一个孰优孰劣的武断性结论。各个生产厂家积几十年的制造经验所生产垢设备都是可以使用的，其工作原理、所应用的技术，甚至结构、材料等都有很多相似之处。只要生产厂家管理精细，以质量认真负责（如通过ISO9000论证），其产品都有存在的条件和使用的价值。2）国内国外的环境试验设备虽然工作原理、应用技术等基本相同，但在下述三个方面仍存在差距，造成国内生产的环境试验设备使用中故障率高，性能指标的持续保证期比国外短。a)元器件、部件的质量相对较差，尤其是制冷压缩机组、膨胀阀、主通路电磁阀及控制系统的电子元器件。国内生产的环境试验设备的故障中，多数是由元器件、部件的质量及使用寿命而引发的。b)生产工艺相对落后。生产工艺及设备，包括施工人员的技术水平，对产品的使用寿命影响较大。如制冷系统中管道布置涉及运转中管道的谐振，制冷剂流程中的沿程损失，维修物方便性，压缩机油的全程回收流畅等。再如管路的焊接工艺及质量，管路清洗及检漏技术等。生产的设备（如数控变板、数控弯管、充氮保护焊机等）可以用钱很快买到，但生产工艺却是一个长期的经验积累过程，不可一鞠而蹴。c)生产过程的质量控制。国内生产过程的质量控制远不如国外公司那么严格，因此设备的隐患较多。这些隐患在使用中会逐渐暴露而形成故障。生产过程的质量控制与生产厂家的管理水平、生产习惯有关，通过ISO9000的论证是生产过程质量控制走上规范化的一个标志。3）国外生产温湿度环境试验设备的厂家有美国的Envirotronics（环测）、Thermotron（热测）、德国的Weiss、Votsch（富奇）公司、意大利的ACS公司、日本的TaBal公司等。上述各家公司在生产气候环境试验设备方面都积累了丰富的经验。提供的设备都是供使用的，在质量上都可信赖。至于究竟应该选用哪一家，哪一种型号产品更符合要求，除了本文前面所述的一些原则和具体的技术指标要求外，还有一些值得重视和考虑的因素。a)性能/价格比。环境试验设备的进口无一例外都是通过代理商在国内进行销售，价格的因素不仅取决于生产厂家的成本和利润，还包含着很多中间环节的费用及销售提成。在相同的制造成本下，降低中间费用是降低订货价格的重要因素。同一国家相同技术指标的产品，制造成本大体相当，不同国家（指西方发达国家）生产的产品即使有差别也不会太大。b)满足用户需要的程度和能力。用户订购一台温湿度环境试验箱，其要求依产品试验的需要而不同，如有的三综合试验箱常常用于产品部件或组件的环境应力筛选试验，此时设备的强制除湿能力以及附加空气干燥系统的可能性是用户应该重点关心的项目，如果有的用户想利用三综合试验箱作环境试验（如湿热试验），则风速的可调整性就是必须考虑的因素。c)售后服务及设备故障的处理能力。任何一台设备在使用中不可能不出故障，一旦出现问题使用者能否享受到及时的维修服务，或者能根据设备自身具有的故障诊断能力很快确定出故障处理方法，使设备尽快恢复性能，重新投入使用。在这方面，国内外的生产厂家都已经或正在作出积极的努力，如建立快速反应的维修队伍，如在计算机控制系统中增加故障诊断及故障预警系统软件，用户可根据计算机提供的信息，尽快处理故障。