環(huán)境試驗箱溫度偏差分析及修正探討

杜遠霜

（廣州五所環(huán)境儀器有限公司， 廣東 廣州 510800）

0 引言

環(huán)境試驗箱是一種考核產(chǎn)品在不同溫度下的適應性指標的設備， 現(xiàn)已得到了廣泛的應用。 尤其是在使用武器裝備的軍事領域中， 環(huán)境試驗箱的使用頻率更高， 也更廣泛。 其結(jié)果會直接影響到武器質(zhì)量的鑒定結(jié)果。 但是試驗箱在使用多年之后， 溫度的監(jiān)測會出現(xiàn)偏差。 本文主要是針對環(huán)境試驗箱的溫度偏差問題， 進行分析和修正， 以使環(huán)境試驗箱的應用效果更好一些。

1 環(huán)境試驗箱的工作原理和工作概況

環(huán)境試驗箱的研究初衷是為了可以對用于戰(zhàn)爭時期的武器等裝備進行戰(zhàn)場環(huán)境模擬， 檢測武器的質(zhì)量， 后來其使用范圍不斷地擴大， 在日常檢測當中也被廣泛地使用。

環(huán)境試驗箱主要是通過設備進行自然場景的模擬， 為了更好地模擬出相關設備在未來可能使用的環(huán)境情況， 應盡可能地進行多次試驗。 但是， 環(huán)境試驗箱的模擬場景和真實的使用場景仍然是存在差別的， 只能盡可能地接近， 并不能完全一樣。 所以， 在進行模擬項目的選擇時， 應該根據(jù)實驗物品的使用要求有針對性地進行場景模擬， 這樣不僅可以有效地檢測物品的質(zhì)量， 還可以加快試驗的進度， 減少模擬所需要的經(jīng)費。

環(huán)境試驗箱的使用范圍比較廣泛， 本文主要是進行溫度環(huán)境的模擬， 并對溫度模擬時出現(xiàn)的偏差進行分析和修正。 關于溫度的模擬， 環(huán)境試驗箱主要是通過調(diào)溫和增濕兩個部分來進行的。 首先， 通過試驗箱頂?shù)娘L扇系統(tǒng)將空氣輸進環(huán)境試驗箱中，保持試驗箱內(nèi)外空氣的流通和壓強相等； 然后， 通過調(diào)節(jié)箱內(nèi)的溫度控制器進行溫度的調(diào)節(jié)并通過溫度傳感器進行溫度數(shù)據(jù)的采集。

2 環(huán)境試驗箱溫度試驗環(huán)境條件

使用環(huán)境試驗箱進行溫度的檢測主要是通過反復多次將不同的溫度物品置于環(huán)境試驗箱中進行溫度的測定， 將溫度試驗箱所測得的結(jié)果和實際物品的溫度數(shù)據(jù)進行記錄和比較， 確定環(huán)境試驗箱的溫度檢測是否存在偏差。 但是， 如果環(huán)境試驗箱周圍的環(huán)境沒有得到良好的控制， 使用環(huán)境試驗箱進行溫度檢測的話就很容易會受到試驗箱周圍環(huán)境的影響， 導致溫度偏差較大。 比如： 在強光照射或者是潮濕很明顯的環(huán)境下很容易會對環(huán)境試驗箱造成影響， 嚴重時甚至會導致環(huán)境試驗箱所保存的數(shù)據(jù)丟失或損壞。 在這樣的環(huán)境下進行溫度的檢測是不穩(wěn)定的， 所取得的結(jié)果也不能作為很好的參考依據(jù)[1]。

一般環(huán)境試驗箱的試驗都需要保持常態(tài)下進行， 相關試驗可以很直觀地檢測到環(huán)境試驗箱所取得的溫度數(shù)據(jù)比較穩(wěn)定。 除去那些會對環(huán)境試驗箱的檢測結(jié)果造成明顯影響的因素之外， 如果在檢測過程中出現(xiàn)問題也可以得到及時、 有效的解決。

因此， 在接下來的實驗過程中， 應該要保證環(huán)境試驗箱周圍環(huán)境比較穩(wěn)定， 避免受到強光或者是較重濕氣等因素的影響。 這樣才能根據(jù)檢測數(shù)據(jù)查找出導致溫度出現(xiàn)偏差的具體原因并進行修正。

3 標準對環(huán)境試驗箱溫度檢測的要求

根據(jù)有關環(huán)境試驗箱的檢測規(guī)范要求， 環(huán)境試驗箱即使保證了檢測的條件平穩(wěn)， 還需要保證檢測溫度的次數(shù)要在3 次及以上， 而且檢測結(jié)果和實際的溫度相差應在5 ℃以內(nèi)， 這3 組數(shù)據(jù)相互之間的平均誤差也要保證不能超過0.25。 這樣所取得的數(shù)據(jù)才算是有效的數(shù)據(jù)， 才可以用來進行后續(xù)的分析計算。

4 環(huán)境試驗箱溫度偏差測試的基本設備

4.1 環(huán)境試驗箱

在本次的實驗過程中， 選取5 臺比較典型的溫度環(huán)境試驗箱進行相關溫度的測試并對檢測數(shù)據(jù)進行記錄和誤差的分析。 通過對數(shù)據(jù)的分析進行誤差產(chǎn)生原因的分析和修正。 5 臺溫度試驗箱分別為4臺高溫試驗箱和一臺低溫試驗箱。 用編號1、 2、3、 4 和5 來表示。 1-4 號箱為高溫試驗箱， 5 號箱為低溫試驗箱。 1、 2 兩臺試驗箱常設置的溫度分別是20、 40、 50 ℃， 而3、 4 臺高溫試驗箱常設置的溫度分別為15、 20、 40 ℃； 5 號試驗箱常設置的溫度是0、 -20、 -50 ℃。

4.2 用于檢測的溫度系統(tǒng)

對于溫度試驗箱內(nèi)部的溫度測定主要是通過一定的測試設備進行溫度檢測。 環(huán)境試驗箱用于進行溫度檢測的系統(tǒng)是帶有熱傳感器的熱電阻。

5 環(huán)境試驗箱溫度偏差測試的步驟

首先， 將熱電阻放置到1 號溫度試驗箱中， 熱電阻主要是采用分層擺放的方式放置到溫度試驗箱當中； 其次， 關閉溫度試驗箱的艙門， 將溫度調(diào)節(jié)到20 ℃， 待試驗箱內(nèi)的溫度顯示穩(wěn)定以后， 在溫度的測試系統(tǒng)當中收集溫度的數(shù)據(jù)； 然后， 將溫度調(diào)節(jié)到40 ℃和50 ℃待試驗箱內(nèi)的溫度顯示穩(wěn)定以后， 在溫度的測試系統(tǒng)當中收集溫度的數(shù)據(jù)； 最后， 2、 3、 4 和5 號溫度試驗箱分別按照上述操作步驟進行操作和數(shù)據(jù)采集。

6 環(huán)境試驗箱溫度偏差測試數(shù)據(jù)分析

在實驗結(jié)束之后需要做的便是對數(shù)據(jù)進行分析。 首先， 用Til符號來代表在環(huán)境試驗箱內(nèi)熱電阻上傳到傳感器的溫度數(shù)值， 而對于環(huán)境試驗箱自身設置的溫度在相關操作的面板上呈現(xiàn)的數(shù)據(jù)用Tjk表示[2]。 Til符號中的i 是熱電阻在溫度試驗箱里擺放的數(shù)量， 本次實驗中， 在每一個環(huán)境試驗箱中都放置了7 個熱電阻進行不同部分的溫度檢測，每一個熱電阻對應的傳感器的實際溫度是不同的。Til符號中的l 表示的是總共進行的采樣的次數(shù)。

假設1＜i≤M， 1＜l≤N， 通過實驗可以得到Til和Tjk的數(shù)據(jù)， 將Til和Tjk帶入到以下公式中進行溫度偏差的計算。 對于Til和Tjk的分析， 首先是計算兩個數(shù)據(jù)的平均值， Til和Tjk的平均值用A 和B來表示：

在數(shù)據(jù)分析過程中發(fā)現(xiàn)Tjk數(shù)據(jù)與其溫度試驗箱在溫度穩(wěn)定之后計算得到的B 值都在±0.1 以內(nèi)，所以計算Tjk的B 值并沒有多大的意義。 對于后面的數(shù)據(jù)， 主要是采用Ts（k）（k=1， 2， 3……）來代替上述的B 值進行后續(xù)的數(shù)據(jù)分析。 Ts（k）的含義是環(huán)境試驗箱實際上設置的溫度數(shù)值。 對于每一臺的溫度試驗箱計算出其A 值并且記錄下Ts（k）之后， 就可以進行溫度偏差值的計算。 溫度的偏差可以用C進行表示， C=A-Ts（k）。 如果是在理想的狀態(tài)下， C的值一般是為零， 但是在實際生活中， 實際溫度的數(shù)值會受到多種因素的影響， 與理想值會存在差異， 所以C 值為零是不太可能的。 但是在一般情況下， 只需要保證設備最終所求的C 值誤差不大，約等于零就可以。 最終計算得出的C （1）， C （2），C （3） 等數(shù)據(jù)可以使用約等號， 那么就可以認定設備的溫度是恒定的。

但是， 本次試驗過程中選擇的5 臺設備， 計算出相應的C 值之后， 存在比較明顯的差異。 從這里可以得出設備本身設置的溫度和環(huán)境試驗箱內(nèi)實際的溫度仍然存在差異并且存在不穩(wěn)定的現(xiàn)象。 以下主要是以1 號設備為例進行詳細的說明[3]。 對于1 號溫度試驗箱需要進行3 次實驗， 每次設置的溫度不同。 第一次的實驗首先根據(jù)操作步驟進行溫度數(shù)據(jù)的測量和收集。 在1 號環(huán)境試驗箱內(nèi)分層放置了7 個熱電阻對環(huán)境試驗箱里不同部分的溫度進行感受和數(shù)據(jù)記錄。 對1 號箱所設置的一些熱電阻通過傳感器返回的數(shù)據(jù)可以看到每一個傳感器都和實際的溫度試驗箱溫度變化的趨勢是保持一致的。如圖1 所示， 圖1 中橫坐標為時間， 縱坐標為Til，S 所表示的是電熱阻， 數(shù)字表示電熱阻的數(shù)目。

圖1 1 號溫度試驗箱的溫度變化和電熱阻溫度變化

根據(jù)圖1 可以看出： 每一個熱電阻向傳感器傳輸?shù)臏囟群蜏囟仍囼炏涞臏囟茸兓瘞缀跏且恢碌?。隨后進行偏差的計算， 得到的結(jié)果如表1 所示。

表1 1 號溫度試驗箱的設置溫度和實際溫度及其偏差計算

根據(jù)圖1 和表1 所展示的數(shù)據(jù)可以看出： 1 號溫度試驗箱最后的偏差數(shù)據(jù)相互之間的差異較大，并不能夠滿足上述相互之間近似相等的條件。

剩余的溫度試驗箱的數(shù)據(jù)也應該按照1 號溫度試驗箱的分析過程進行仔細的分析， 最終得出結(jié)論。

通過對具體數(shù)據(jù)的分析可以得到， 檢測溫度的環(huán)境試驗箱在溫度上出現(xiàn)偏差最主要的原因并不是周圍環(huán)境的問題， 更多的是環(huán)境試驗箱長時間使用， 所以環(huán)境試驗箱出現(xiàn)老化的情況或者是熱電阻的傳感器等元件有問題[4]。 但是熱電阻和其傳感器所使用的是比較先進的設備， 其精度和靈敏度都是比較好的。 在溫度的變化下， 其涂層也可以保持良好的穩(wěn)定性， 性能十分的可靠。

并且， 為了驗證熱電阻的性能， 對熱電阻進行了溫度的監(jiān)測， 最終根據(jù)得到的數(shù)據(jù)所繪制的曲線也證實了熱電阻的性能是比較優(yōu)秀的。 所以得出了熱電阻存在缺陷的可能性。 那么最終的結(jié)論就是環(huán)境試驗箱因為長時間的使用， 自身的設備出現(xiàn)了老化的情況導致了偏差較大的現(xiàn)象。

而且， 通過對5 個環(huán)境試驗箱溫度的檢測和數(shù)據(jù)處理， 最終發(fā)現(xiàn)， 3 號的整體性能是最差的。 再比較每一臺環(huán)境試驗箱的偏差數(shù)據(jù)和環(huán)境試驗箱的使用壽命我們可以看到， 環(huán)境試驗箱使用的時間越長， 其偏差越大； 這就比較好地解釋了溫度出現(xiàn)偏差的原因。

7 對于環(huán)境試驗箱溫度偏差的修正方法

7.1 更換元件

對于環(huán)境試驗箱， 如果出現(xiàn)老化的現(xiàn)象， 最直接的方法就是更換設備當中已經(jīng)老化的元件， 用新元件進行替代可以很好地解決因為硬件問題而導致溫度偏差的現(xiàn)象。

但是環(huán)境試驗箱的元件更換比較繁瑣， 而且過程復雜， 價格也比較昂貴。 如果預算不夠的話并不能更換較好的元件設備， 環(huán)境試驗箱也就不能保證溫度的準確性。 而且進行元件的更換也需要時間，如果對于某一樣物品急需要進行環(huán)境模擬實驗， 環(huán)境試驗箱的使用就需要等到更換完成并且檢驗之后才能投入到使用中， 這樣一來就會耽誤其他試驗的進度[5]。

7.2 選取合適的修正值

除了更換元件之外， 還可以采取修正值的方式進行數(shù)據(jù)的修正， 提高其準確性。 但是， 對于合適的修正值的選取是十分重要的過程， 這也是需要解決的難題。

在一般情況下， 如果數(shù)據(jù)出現(xiàn)的偏差相互之間近似， 那么我們只需要取計算所得到的偏差值作為溫度的修正值就可以； 但是每一臺設備需要使用的溫度不同時， 其偏差值也是不相同的。 如何選擇合適的修正值， 保證每一臺設備在設置不同的溫度時， 其準確性為最高， 這是需要進行探討的事項。

首先， 可以確定每一臺環(huán)境試驗箱的工作溫度區(qū)間， 保持在區(qū)間內(nèi)進行實際數(shù)據(jù)和理想數(shù)據(jù)的擬合， 擬合之后根據(jù)結(jié)果來選擇合適的修正數(shù)據(jù)； 隨后， 將修正的數(shù)據(jù)帶入到環(huán)境試驗箱中去， 對于實際溫度的斜率進行測量和驗算， 由此就可以求出最佳的修正數(shù)據(jù)。

8 結(jié)束語

綜上所述， 環(huán)境試驗箱主要是通過模擬物品的使用環(huán)境進行物品質(zhì)量的檢測。 其適用范圍比較廣泛， 但是， 如果環(huán)境試驗箱所處的環(huán)境較差， 對于結(jié)果也會產(chǎn)生一定的影響。 在本次環(huán)境試驗箱溫度偏差的設計中， 選取了5 臺環(huán)境試驗箱來進行試驗， 并用穩(wěn)定性較好和熱感性比較靈敏的熱電阻進行溫度的檢測， 通過實驗操作和對數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)， 影響環(huán)境試驗箱溫度偏差的原因主要是設備自身的老化程度。 面對這樣的情況， 最優(yōu)的選擇是進行元件的更換； 其次是對環(huán)境試驗箱相關溫度設置進行修正值的綜合確定。 如果數(shù)據(jù)偏差有較大的差異， 那么修正值確定需要對相關溫度的方程斜率進行計算和確定。