變溫過程試驗(yàn)箱溫度特性分析

周芳，賈業(yè)寧

（北京強(qiáng)度環(huán)境研究所，北京 100076）

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變溫過程試驗(yàn)箱溫度特性分析

周芳，賈業(yè)寧

（北京強(qiáng)度環(huán)境研究所，北京 100076）

目的 研究環(huán)境試驗(yàn)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(yàn)箱進(jìn)行溫場特性測定及分析，深入了解變溫過程中試驗(yàn)箱的溫場分布和影響溫度特性的各個(gè)因素。結(jié)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(jié)論 在變溫過程中，試驗(yàn)箱內(nèi)部測點(diǎn)和控制溫度相比有一定的差異性，使得處于試驗(yàn)箱中的受試產(chǎn)品的不同部位，承受溫度梯度應(yīng)力。對于產(chǎn)品外表面、安裝在外表面的零部件或靠近外表面的內(nèi)部零部件，可能產(chǎn)生物理損壞或性能下降。故在使用中應(yīng)充分注意這種溫場特性對受試產(chǎn)品的影響。

變溫過程；溫變率；溫度特性

目前，國內(nèi)外對試驗(yàn)箱的技術(shù)指標(biāo)考核均在設(shè)備達(dá)到穩(wěn)定后一定時(shí)間進(jìn)行測量記錄，對于變溫過程中的參數(shù)指標(biāo)研究不夠。文中根據(jù)GB/T 2423《電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn)》［1—2］中的低溫、高溫試驗(yàn)方法，對具有代表特性的溫度試驗(yàn)箱進(jìn)行溫場特性分析，深入了解變溫過程中試驗(yàn)箱的溫場分布和變溫過程中影響溫度特性的各個(gè)因素。對試驗(yàn)的實(shí)施和試驗(yàn)箱的選型有一定的指導(dǎo)意義。

1　國內(nèi)外現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)外試驗(yàn)箱的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)、試驗(yàn)箱檢驗(yàn)方法或試驗(yàn)方法中，對于試驗(yàn)箱技術(shù)指標(biāo)的考核均在設(shè)備達(dá)到穩(wěn)定后一定時(shí)間再進(jìn)行測量記錄。對于變溫過程中試驗(yàn)箱的參數(shù)指標(biāo)只測量控制點(diǎn)的溫度變化率，其他位置和均勻度均無考核和要求，并且當(dāng)前試驗(yàn)室所有環(huán)境試驗(yàn)箱的校準(zhǔn)證書均依此為前提進(jìn)行出具。目前，國內(nèi)外使用的常見標(biāo)準(zhǔn)也未對該項(xiàng)指標(biāo)提出要求。

BS 389—1965《實(shí)驗(yàn)室濕熱箱技術(shù)條件》和日本試驗(yàn)機(jī)工業(yè)會提出的恒溫恒濕箱的性能試驗(yàn)方法中對溫箱均勻度進(jìn)行了規(guī)定，兩者在測點(diǎn)位置、測試間隔、測試次數(shù)要求不同，但都規(guī)定計(jì)算測試點(diǎn)與中心點(diǎn)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(qiáng)制對流實(shí)驗(yàn)室烘箱技術(shù)條件》［3］：用9只熱電偶，在規(guī)定的位置布點(diǎn)，當(dāng)達(dá)到設(shè)定溫度并穩(wěn)定16 h后，記錄數(shù)據(jù)以5 min為測試間隔，共記錄45組數(shù)據(jù)，計(jì)算45個(gè)數(shù)據(jù)的平均值，從45個(gè)數(shù)據(jù)中選出2個(gè)最大數(shù)和2個(gè)最小數(shù)，分別各自減去平均數(shù)，然后從4個(gè)差值中選出2個(gè)最大差值，并求其平均值，以此表述箱內(nèi)溫度均勻度。

GB 10586—2006《濕熱試驗(yàn)箱技術(shù)條件》［4］：各測試點(diǎn)除中心點(diǎn)外，其余各點(diǎn)距箱壁為各自邊長的1/10。當(dāng)溫度達(dá)到規(guī)定值并穩(wěn)定2 h后，每隔2 min測試各測試點(diǎn)溫度1次，在30 min內(nèi)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(nèi)15次的測試數(shù)據(jù)，分別算出每次數(shù)據(jù)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(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備檢驗(yàn)方法——溫度試驗(yàn)設(shè)備》［5］中8.2.1.3中規(guī)定：使試驗(yàn)設(shè)備降溫或升溫，設(shè)備進(jìn)入控溫狀態(tài)后穩(wěn)定30 min（穩(wěn)定時(shí)間最長不超過2 h），開始記錄各測量點(diǎn)的溫度和設(shè)備指示溫度，每隔1 min記錄1次，在30 min內(nèi)共記錄30次。

GB/T 2423.1—2008/IEC60068-2-1：2007《電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn)第2部分：試驗(yàn)方法 試驗(yàn)A：低溫》中6.2節(jié)規(guī)定：穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，流向試驗(yàn)樣品的空氣溫度應(yīng)處于試驗(yàn)嚴(yán)酷等級溫度的±2℃范圍內(nèi)。

當(dāng)前，國內(nèi)外均對試驗(yàn)箱穩(wěn)態(tài)過程參數(shù)指標(biāo)的測量作了詳細(xì)規(guī)定。在變溫過程方面，國內(nèi)僅GB/T 5170.2—2008《電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備檢驗(yàn)方法——溫度試驗(yàn)設(shè)備》中對試驗(yàn)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(jìn)行分析。

2　變溫過程溫場特性試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

2.1參試試驗(yàn)箱

分別采用三個(gè)生產(chǎn)商研制生產(chǎn)的試驗(yàn)箱，試驗(yàn)箱記錄號為A1，A2，A3，檢測試驗(yàn)箱變溫過程中的溫場特性。其參數(shù)見表1。

表1　參試試驗(yàn)設(shè)備技術(shù)參數(shù)Table 1　Technical parameters of test equipment

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

2.2測量點(diǎn)的數(shù)量和位置

根據(jù)試驗(yàn)箱的具體情況，試驗(yàn)共放置了11個(gè)溫度測量點(diǎn)，其中9個(gè)測量點(diǎn)根據(jù)GB/T 5170.2— 2008《電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備檢驗(yàn)方法溫度試驗(yàn)設(shè)備》中的相關(guān)規(guī)定，在被測試設(shè)備工作室內(nèi)定出上、中、下三個(gè)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?guī)缀沃行?，下層在底層樣品架上?0 mm處。另外兩個(gè)分別放置在出風(fēng)口和回風(fēng)口的位置。

2.3試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1）時(shí)鐘調(diào)整。調(diào)整巡檢儀和試驗(yàn)箱的內(nèi)部時(shí)鐘，保持巡檢儀和試驗(yàn)箱記錄數(shù)據(jù)的同步性。

2）試驗(yàn)方案：將試驗(yàn)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(yàn)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(yàn)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(yàn)箱溫度變化趨勢；將試驗(yàn)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(yàn)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(yàn)箱溫度變化趨勢；將試驗(yàn)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(yàn)結(jié)果分析

3.1試驗(yàn)結(jié)果

按照2.3節(jié)進(jìn)行試驗(yàn)實(shí)施，以降溫試驗(yàn)為例進(jìn)行試驗(yàn)結(jié)果分析。

以1℃/min的溫變率降溫過程結(jié)果如圖1—6所示。

圖1　A1試驗(yàn)箱內(nèi)部溫場分布情況Fig.1　Temperature distribution of the A1 test chamber

圖2　A1各點(diǎn)溫度與試驗(yàn)箱顯示溫度之間的關(guān)系Fig.2　Relation between measured temperature and displayed temperature of A1 test chamber

圖3　A2試驗(yàn)箱內(nèi)部溫場分布情況Fig.3　Temperature distribution of the A2 test chamber

圖4　A2各點(diǎn)溫度與試驗(yàn)箱顯示溫度之間的關(guān)系Fig.4　Relation between measured temperature and displayed temperature of A2 test chamber

圖5　A3試驗(yàn)箱內(nèi)部溫場分布情況Fig.5　The temperature distribution of the A3 test chamber

圖6　A3各點(diǎn)溫度與試驗(yàn)箱顯示溫度之間的關(guān)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(jié)果如圖7，8所示。

圖7　A2試驗(yàn)箱內(nèi)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(diǎn)溫度與試驗(yàn)箱顯示溫度之間的關(guān)系（2℃/min）Fig.8　Relation between measured temperature and displayed temperature of A2 test chamber（2℃/min）

3.2結(jié)果分析

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

2）試驗(yàn)箱內(nèi)部設(shè)定的10個(gè)溫度點(diǎn)，變溫過程中溫度特性重合性差，個(gè)別位置的溫度差可以達(dá)到3～5℃。

3）試驗(yàn)采用不同操作人員實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場操作，不同現(xiàn)場操作人員實(shí)施操作獲得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)變化趨勢一致，即人員操作造成的影響極小，可以認(rèn)為是誤差。

4）實(shí)驗(yàn)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(dòng)現(xiàn)象越明顯。實(shí)際使用過程中，針對降溫過程中均勻性要求較高的產(chǎn)品，采用低變溫速率可以獲得相對更為準(zhǔn)確的試驗(yàn)結(jié)果。

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

3.3試驗(yàn)原因分析

試驗(yàn)箱內(nèi)部的溫度場受到試驗(yàn)箱結(jié)構(gòu)、控制點(diǎn)位置和溫變率等因素的影響，試驗(yàn)箱完成生產(chǎn)后其特征已確立，同品牌同型號的試驗(yàn)箱也可能存在差異，除遇大修或人員操作嚴(yán)重異常，否則不會發(fā)生改變。

1）試驗(yàn)箱結(jié)構(gòu)影響。所有的環(huán)境試驗(yàn)箱（室）均存在一定的不均勻性，很大程度上是由試驗(yàn)箱的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)造成的，由于箱（室）結(jié)構(gòu)難于完全對稱，從而對其內(nèi)部的溫度均勻造成不利影響。目前試驗(yàn)室常用的試驗(yàn)箱結(jié)構(gòu)通常為大門在前，空調(diào)室在箱后部，上送風(fēng)下回風(fēng)。這種結(jié)構(gòu)左右對稱性好，可較易達(dá)到左、右溫度均勻，但結(jié)構(gòu)上、下不對稱，前后也完全不同，對工作空間溫度產(chǎn)生了不均勻影響。這種現(xiàn)象在變溫特別是快速變溫過程中顯現(xiàn)的尤為突出。

2）控制點(diǎn)位置影響。溫度試驗(yàn)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(yīng)靈敏，一般將傳感器置于出風(fēng)口附近，從而可提高控制精度，減小溫度波動(dòng)度，最終減小溫度偏差。這是當(dāng)前國內(nèi)外主流設(shè)計(jì)思路，試驗(yàn)設(shè)備變溫率驗(yàn)收點(diǎn)位置為出風(fēng)口，即控制點(diǎn)溫度傳感器所在位置。由制點(diǎn)位置的設(shè)置導(dǎo)致在變溫過程中，因箱體結(jié)構(gòu)、風(fēng)速大小、出風(fēng)溫度等造成的溫度差異無法被試驗(yàn)箱傳感器探知，變溫過程持續(xù)時(shí)間短，試驗(yàn)箱溫度控制系統(tǒng)便無法及時(shí)對各點(diǎn)溫度進(jìn)行調(diào)控。

3）溫變率的計(jì)算方法。目前試驗(yàn)室的試驗(yàn)箱，全部依據(jù)GB/T 5170.2—2008《電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備檢驗(yàn)方法——溫度試驗(yàn)設(shè)備》完成試驗(yàn)箱驗(yàn)收及其后的歷年檢定。該標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的全部11項(xiàng)檢定項(xiàng)目，其中關(guān)于試驗(yàn)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(jìn)行計(jì)算：

目前國內(nèi)外各環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備生產(chǎn)廠家提供的變溫速率的技術(shù)參數(shù)都是指全程平均速率。這種設(shè)備的驗(yàn)收方法，根本上忽略了試驗(yàn)箱變溫過程中的空間變量，而專注于單點(diǎn)的變化。

4　結(jié)語

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

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

［1］GB/T 2423.1—2008，電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn) 第二部分：試驗(yàn)方法試驗(yàn)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(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn) 第二部分：試驗(yàn)方法試驗(yàn)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(yàn)箱技術(shù)條件［S］.

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

［5］GB/T 5170.2—2008，電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備檢驗(yàn)方法—溫度試驗(yàn)設(shè)備［S］.

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

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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(huán)境可靠性試驗(yàn)與研究。

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