环境试验设备的选择

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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，目前还无法统计出一个确切的数目，其中对工程产品（设备）的使用及寿命影响较大的因素不下十几种。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的要求，而且从产品试验的安全出发也是必须的，以便防止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的误差的三分之一。
4、环境试验条件的排它性
每一次进行环境或可靠性试验，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操作巡视或测试工作，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、告警措施及安全连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、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试验条件，气候箱工作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10％。
b） 被试产品的迎风断面积与该断面上试验箱工作室总面积之比不大于（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立方米正方体箱子为例，面积比为1：(0.35～0.5）相当于体积之比为1：（0.207～0.354）。距箱壁100～150mm相当于体积之比为1：（0.343～0.512）。
总括上述三点规定，气候环境试验箱的工作腔容积至少应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畅的通道，通道变窄将导致气流流速的增加。加速气流与被试验件之间的热交换。这与环境条件的再现不符，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件周围的空气流速不应超过1.7m/s，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0.6～0.8m/s，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（1～1.7）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、温度范围的选择
目前，国外温度试验箱的范围大体上为－73～＋177℃，或－70～＋180℃。国内多数厂家一般为－80～＋130℃，－60～＋130℃，－40～＋130℃，也有高温到150℃。这些温度范围通常可以满足国内绝大多数军用、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，不可盲目提高温度上限。因为上限温度越高，箱体内外的温差越大，箱体内部流场的均匀性也越差。可利用的工作室体积也就越小。另一方面，上限温度值越高，对箱壁夹层中保温材料（如玻璃棉等 ）的耐热性要求越高。箱体密封性的要求也越高，使箱体的制作成本增加。   
3、湿度范围的选择
国内外环境试验箱给出的湿度指标大都是20～98％RH或30～98％RH，如果湿热试验箱没有除湿系统，则湿度范围为60～98％，这一类试验箱只能做高湿试验，但它的价格低得多。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，如绝对含湿量为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90％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，需要对箱体内流动的空气除湿，使空气变得干燥。目前国内外绝大多数的温湿度箱都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℃时，光管表面结露的水滴会结冰，从而影响光管表面的热交换，使除湿能力下降。又因为箱体不可能绝对密封，大气中的湿空气会渗入到箱体内，使露点温度回升。另一方面，在光管间流动的湿空气只是在和光管（冷点）接触的瞬间达到饱和状态而析出水蒸汽，因此这种除湿方法很难使箱体内的露点温度在到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0.0055g/Kg，对应相对湿度20％RH的温度为30℃。如果要求温度20℃进相对湿度达到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。

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4、控制方式的选择
     温度、湿度试验箱有恒定试验箱、交变试验箱两种情况。
普通的高低温试验箱一般指的是恒定高低温试验箱，其控制方式为：设定一个目标温度，试验箱具有自动恒温到目标温度点的能力。恒定温湿度试验箱的控制控制方式也类似，设定一个目标温度、湿度点，试验箱具有自动恒温到目标温度、湿度点的能力。高、低温交变试验箱具有设定一条或者多条高低温变化、循环的程序，试验箱有能力根据预置的曲线完成试验过程，并且可以在最大升温、降温速率能力的范围内，精确控制升温、降温的速率，即可以根据设定的曲线的斜率控制升温、降温速率。同样，高低温交变湿热试验箱也具有预置温度、湿度曲线，并且根据预置进行控制的能力。当然，交变试验箱都具有恒定试验箱的功能，但交变试验箱的制造成本较高，因为交变试验箱需配置有曲线自动记录装置、程序控制仪，还须解决试验箱在工作室内温度较高的情况下开启制冷机等问题，因此，交变试验箱的价格比恒定试验箱的价格一般要高20%以上。因此，我们应当实事求是的以试验方法的需要为出发点，选用恒定试验箱或者是交变试验箱。
5、变温速率的选择
普通的高低温试验箱没有降温速度的指标，从环境温度降温到标称的最低温度的时间一般为90～120min。高低温交变试验箱、高低温交变湿热试验箱都有变温速度的要求，其变温速率一般要求1℃/min，在此速率的范围内速度可调。而快速温度变化试验箱的变温速率较快，升温降温速率可以达到3℃/min～15℃/min，在某些温度段升温、降温速率甚至可以达到30℃/min以上。
各种规格、速度的快速温度变化试验箱的温度范围一般都是相同的，即－60～＋130℃，但考核降温速度的变温范围却不尽相同，根据试验不同的试验要求，快速温度变化试验箱变温范围有的是－55～＋80℃，而有的是－40～＋80℃。
关于快速温度变化试验箱的变温速率有两种提法，一种是全程平均升降温速度，一种是线形升降温速度（实际上是每5 min平均速度）。全程平均速度是指在试验箱的变温范围内，最高温度与最低温度之差值与时间之比。目前国外各环境试验设备生产厂家提供的变温速率的技术参数都是指的全程平均速率。线形升降温速度指在任意的每5 min时间段内，能够保证的变温速率。而实际上对于快速温度变化试验箱来说，保证线形升降温速度的难度最大、最关键的一段是，在降温段最后的一个5 min的时间段内，试验箱可以达到的降温速率。从某种角度讲，线形升降温速度（每5 min平均速度）更科学。因此试验设备最好具有全程平均升降温速度和线形升降温速度（每5 min平均速度）这两个参数。一般来说，线形升降温速度（每5 min平均速度）是全程平均升降温速度的1/2。
6、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1.7m/s，对于试验本身来说，风速越小越好，风速过大会加速试验件表面与箱体内流动气流的热交换，于试验的真实性不利。但为了保证试验箱工作室内的均匀性，试验箱内具有循环风是必需的。但是快速温度变化试验箱以及温度、湿度、振动等多因素综合环境试验箱，为追求变温速率，必须加快箱体内循环气流的流速，风速通常在2～3m/s。因此，对于不同的使用目的，风速的限制是不一样的。
7、温度波动度
     温度波动是一个比较容易实现的参数，所有环境试验设备厂家生产的多数的试验箱实际的温度波动都可以控制在±0.3℃的范围以内。
8、温度场均匀度
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，其温度工不超过1℃/m或总的最大值为2.2℃（试验样品不工作）”。
9、湿度的精度控制
环境试验箱中测量湿度多数是采用干湿球法，环境试验设备的制造标准GB10586要求，相对湿度偏差应在±２３％RH。为满足湿度控制精度的要求，湿度试验箱的温度控制精度较高，温度波动一般小于±0.2℃。否则很难达到湿度控制精度的要求。
10、冷却方式选择
试验箱如果带有制冷系统，制冷系统需要进行冷却。试验箱有风冷、水冷两种形式。风冷 水冷
使用条件 设备安装简便，只需要接通电源即可使用。  环境温度应低于28℃，如果环境温度高于28℃对制冷效果有一定的影响（最好配备空调）需配置循环冷却水系统。
换热效果 较差（相对于水冷方式） 稳定、良好
对使用环境的影响 会导致试验箱周围的空气温度上升。 不影响试验箱周围的温度。
噪声 较大（相对于水冷方式） 较小
结论 选择何种冷却方式，应结合试验室的实际情况而定。 在条件允许的情况下，优先考虑选择水冷方式。 但如果选用的试验箱的制冷系统很小，也可以优先考虑选择水冷方式

风冷
水冷

使用条件
设备安装简便，只需要接通电源即可使用。  环境温度应低于28℃，如果环境温度高于28℃对制冷效果有一定的影响（最好配备空调）
需配置循环冷却水系统。

换热效果
较差（相对于水冷方式）
稳定、良好

对使用环境的影响
会导致试验箱周围的空气温度上升。
不影响试验箱周围的温度。

噪声
较大（相对于水冷方式）
较小

结论
选择何种冷却方式，应结合试验室的实际情况而定。 在条件允许的情况下，优先考虑选择水冷方式。 但如果选用的试验箱的制冷系统很小，也可以优先考虑选择水冷方式。

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。便是随着工业技术的进步和发展，很多新的应用技术不断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的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。但是由于环境试验设备 “多非标、多品种、小批量”的生产方式的制约，产品的可靠性始终是困绕国内、国外制造商的一个问题。关键在于生产厂家必须管理精细，工艺完备、检测手段齐全、对质量认真负责（如通过ISO9000论证）。同时，环境试验设备是一种耐用品，一些问题和设计缺陷需要多年使用才能暴露出来，通过统计分析才能发现问题所在。一个成熟的、高可靠性的产品往往需要多年改进、完善。因此，环境试验设备生产厂家具有一定生产规模和生产历史，是产品具有较高可靠性的必要条件之一。
2〕生产过程的质量控制。国内生产过程的质量控制有很大提高。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。
国内外生产温湿度环境试验设备的厂家在生产气候环境试验方面都积累了丰富的经验。提供的都是可供使用的，在质量上都可信赖。至于究竟应该选用哪一家，哪一种型号的产品更符合要求，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。
在对环境试验设备的技术参数、可靠性充分考证的基础上，性价比是应当考虑的重要因素。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的，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，同一国家相关技术指标的产品，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和环境应力筛选试验，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办法，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做出积极的努力，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。