氣候試驗中試驗箱使用的問題和建議

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0引言

GJB150A[1]是一個包含有27個試驗方法的環境試驗系列標準，如氣候試驗標準、生物和化學試驗標準、動力學試驗標準和綜合環境試驗標準等。這些試驗方法所用的試驗設備產生模擬或加速應力環境的途徑多種多樣，有的是用固體直接傳遞，如振動沖擊、加速度和結冰、凍雨試驗；有的是用液體作為介質傳遞或產生，如淋雨、浸漬、流體污染試驗；有的則是靠生物和化學直接、間接作用，如霉菌、鹽霧酸性大氣試驗；有的是靠光聲物理作用，如噪聲試驗和太陽輻射試驗；有的是以空氣作為介質，如溫度試驗。還有些試驗是靠多種途徑同時作用，如太陽輻射試驗依靠光和空氣（作用）；濕熱試驗依靠水汽和空氣；沙塵試驗依靠沙和空氣等。可以說有相當部分的氣候試驗方法中環境試驗條件的實現與空氣流動（即風速）有密切關系，空氣作為一種介質既可以起到傳遞熱量的作用，也可以作為一種載體攜帶沙、塵、雨滴運動。因而，風速在一些氣候試驗方法中成為一個試驗條件或保證試驗溫度科學合理的重要因素，這些氣候試驗方法中均對其作出了一些定性或定量的規定，本文對這些規定進行分析和討論。

1典型標準中對風速的要求

1.1GJB150A中的風速要求

GJB150A中的3個溫度試驗、太陽輻射試驗、濕熱試驗、沙塵試驗、霉菌試驗等均對試驗箱中的風速作了明確的規定，如表1所示。

1.2GB/T2423[2]中的風速要求

1.2.1溫度試驗中的風速要求1）一般規定眾所周知，GJB150系列標準對標于美國軍用標準體系，GB/T2423系列標準則對標于歐洲IEC標準體系，兩者制定環境試驗方法標準的思路有一定的差別。就試驗方法中的風速要求而言，GJB150[3]的溫度試驗標準中定量規定了試驗箱中的風速；而GB/T2423的高、低溫試驗標準則是作一個定性規定，如下所述：①試驗箱（室）工作空間內，為能保持本標準中所規定的溫度條件及容差值，可以用強迫空氣循環來保持溫度均勻。②在無強迫空氣循環試驗情況下，試驗箱（室）與試驗樣品大小及其散熱總量比較起來應足夠大，要大到可以模擬“自由空氣條件的影響”。③用強迫空氣循環的試驗箱（室）進行試驗時，風速要盡可能低。2）自由空氣條件①GB/T2423的定義無限大空間內的條件，在該空間內，空氣的運動只受散熱試驗樣品本身的影響，試驗樣品輻射的能量由周圍空氣全部吸收。②GB/T2423.2附錄A中規定的滿足“自由空氣條件”的條件試驗樣品體積等于或小于1dm3的情況下，功率散耗等于或小于50W時，任何試驗樣品表面與箱壁之間的最小距離不小于10cm；功率散耗大于50W而不超過100W時，任何試驗樣品表面與箱壁之間的最小距離不小于20cm。試驗樣品體積大于1dm3的情況下，任何試驗樣品表面與箱壁之間的最小距離為10cm，或者當其單位表面面積的散熱量大于GB/T2423.2附錄A圖1中10cm對應的散熱量時的更大的距離。試驗箱與試驗樣品的體積比不小于5:1。試驗樣品應盡可能地放置在試驗箱（室）的中心，使得試驗樣品任何部分與箱壁之間有足夠大的空間。3）試驗方法中的考慮①非散熱樣品非散熱試驗樣品（帶負載工作時，表面溫度與周圍空氣溫度的差值不超過5℃的試驗樣品）的試驗均可在能進行空氣循環的試驗箱中進行，其空氣循環的目的僅是使試驗箱提供規定的溫度條件且其容差滿足規定要求。②散熱樣品對于散熱試驗樣品，考慮到空氣循環時風速對散熱樣品有較大的影響，專門規定了一套試驗方法，其流程如圖1所示。從圖1可知，該方法首先是要在常溫下測量試驗樣品，負載工作時達到溫度穩定后，可以同時測量其表面若干點的溫度，并找出表面溫度相對環境空氣溫度最大的溫升值。而后開動試驗箱的氣流循環系統、加上負載，使試驗樣品再次工作并達到溫度穩定，再次測量上面各測點溫度得到相對于環境空氣溫度最大的溫升值，并將其與上一步不通風時測得的最大溫升值進行比較。顯然，由于空氣流動帶走熱量，開啟氣流循環系統后達到溫度穩定狀態時的溫升必然要小于無氣流循環時的溫升，如果這兩個溫升差值小于3K（低溫）/5K（高溫），表明氣流對于熱效應的影響不大或在允許范圍內，則不必調節試驗箱循環氣流的風速，直接用此試驗箱進入后面的試驗步驟，即施加環境溫度、待溫度穩定后進行中間檢測和恢復到常溫后進行最終檢測。如果通風后使溫升值的減小量達到或超過規定值，如大于低溫試驗規定的3K、高溫試驗規定的5K或者其他允許限值，則表明循環氣流的風速太大，應降低風速使其表面溫升量增加。若風速調整能達到規范要求，則可用以該風速進行氣流循環的試驗箱完成后續步驟的試驗；如果仍不能達到規范要求，則要按照能確保受試產品試驗時的表面溫升與使用狀態表面溫升相同的試驗方法B進行試驗（有關方法B可參見GB2423/T.1/2中的相應條款和附錄）。

1.2.2其他試驗中的風速要求GB/T2423中其他相關試驗中的風速規定如表2所示。

2風速要求分析

2.1GJB150A中規定的風速要求分析

1）溫度試驗GJB150A中的高溫、低溫和溫度沖擊試驗明確規定，試件（試驗樣品）附近的風速不超過1.7m/s，其目的是防止在試件中產生與實際不符合的熱傳遞。風速越大，單位時間內氣流從試件表面帶走的熱量越多，表面溫度降低得越多，往往與實際情況不符，使試驗結果失真。若知道實際環境的風速，應優先使用。而大多數情況下是無法知道實際環境的風速的，因此標準規定一個統一的風速，有利于確保試驗結果的可比性和重現性，這是一個工程處理方法。需要說明的是，最好的方法是在沒有風速的環境下，即GB/T2423中所述的“自由空氣條件”中進行試驗。但實現這一目標需要試驗箱的容積很大，往往是不實際的，而且用試驗箱的加熱或制冷系統施加溫度應力時，為保證熱量快速傳遞和在試驗箱內各處溫度盡量一致，并在規定的溫度容差范圍，必須依靠氣流循環運動。即便如此，由于存在空氣流動死角及試驗箱本身的傳熱作用，不可能使試驗箱內各處的溫度完全一致，靠近試驗箱箱壁附近的空間往往達不到容差范圍。因此溫度試驗方法中往往規定一個有效容積，在此容積外即靠近試驗箱壁一定范圍（如10cm）內不能放置試件。2）太陽輻射試驗從表1可以看出，太陽輻射試驗條件中也有溫度的要求，因而同樣存在風速對試驗樣品表面產生熱效應影響的問題；但太陽輻射本身也引起產品的升溫，而風速則是影響太陽輻射引起產品升溫的關健。GJB150.7A和GB/T中均指出，1m/s的風速就能導致產品表面溫升減少20%。當然，試件的升溫還與產品表面的顏色和粗糙度等影響其對陽光反射率的因素密切相關。因此這一試驗中要求試件附近的風速盡可能小，通常保持在0.25～1.5m/s。最好在試驗前了解或測定試件在自然環境條件下的最高響應溫度，根據這一響應溫度來控制或調節風速。3）濕熱試驗濕熱試驗對風速的規定與溫度試驗大致相同，但是增加了一個“風速下限0.5m/s”。0.5m/s這一較大的風速或許是有利于保證密度比干空氣大的濕空氣更好地運動和更快速地達到均勻分布。濕熱試驗中明確規定，流過濕球傳感器的風速不低于4.6m/s，并避免受風扇熱量的影響，這一要求并不是指確保濕熱箱中空氣溫、濕度均勻的循環氣流的風速，而是指干濕球溫度計附近的局部風速，目的是保證干濕球測濕法中干濕表系數（A值）達到穩定狀態。眾所周知，當流過干濕球附近的風速大于2.5m/s以后，A值接近于一個常量，從而使計算得到的相對濕度值更接近正確和具有可比性。4.6m/s的風速當然能夠滿足這一要求，有關干濕表系數與風速的關系詳見參考文獻[5]。4）霉菌試驗霉菌試驗對風速的要求與濕熱試驗一樣。由于擔心試驗箱內過大的風速會吹走噴灑在試件（試片）表面的菌種，從而影響霉菌生長，使試驗結果失真。中國航空綜合技術研究所曾就風速對長霉程度的影響進行過試驗研究，結論是幾乎沒有影響。因此規定不大于1.7m/s的風速是合理的。5）沙塵和淋雨試驗從表1看出，沙塵試驗對風速作出了與溫度、濕度和霉菌試驗不同的規定，吹沙、吹塵和降塵3種試驗有不同的風速要求，這是因為在沙塵試驗中，風作為沙和塵的載體帶動沙塵運動，以模擬自然環境中的沙塵流動速度或沉降速度。風速不僅使試件暴露于沙和塵的環境中，而且還使沙塵以一定速度沖撞試件表面，從而加強沙塵的滲透、機械撞擊和切割作用。因此這一試驗中的風速已經成為主要的試驗條件，而不僅僅是對溫度的影響因素。淋雨試驗中的水平風速也是一個試驗條件。

2.2GB/T2423.1/2中規定的風速要求分析

2.2.1溫度試驗

1）高、低溫試驗從上述內容可以看出，GB/T2423.1/2標準中用另一種方式來實現試驗中防止風速降低熱效應的影響，GB/T2423標準不規定試驗箱風速的具體數值，而是將試件分為散熱試驗樣品和不散熱試驗樣品2種類型。對于不散熱試驗樣品，從試驗樣品體積與試驗箱的容積比和試驗樣品距箱壁最近距離方面作出規定，以滿足“自由空氣條件”，也允許用適當的循環氣流來保證試驗箱內溫度條件和容差滿足規定要求，但未規定風速的具體數值，只是要求盡可能小。對于散熱試驗樣品，先對試驗箱的有/無循環氣流時產品表面最高溫升值進行測量和比較，再按照循環氣流對產品表面最高溫升值下降的影響分3種情況區別對待。當產品表面溫升下降在較小的范圍（如低溫3K或高溫5K）內，則直接使用該試驗箱進行試驗；當溫升下降超過規定值（如低溫3K或高溫5K），則設法調節試驗箱風速，使其符合要求后按照調整后的風速使用該試驗箱進行后續試驗；若無法通過調節試驗箱的風速使產品表面溫升下降值滿足規定值時，則須改用能確保試件表面溫升與實際使用中表面溫升一致的方法B進行試驗。GB/T2423的這些方法比GJB150.3A/4A/5A中的規定似乎更合理，但是由于事先要進行一系列測量和調整，試驗工作量大、可操作性很差，因此目前很少有單位按此方法進行試驗。2）溫度變化試驗GB/T2423.22溫度變化試驗實際上包括溫度沖擊試驗和溫度變化試驗兩種類型。GB/T2423.22Na是規定轉換時間的快速變化試驗，實際上與GJB150.5A一樣，同屬溫度沖擊試驗，只是其溫度條件選用方法和轉換時間等參數不同。要說明的是，GB/T2423.22Na和Nb均規定箱內空氣流速不小于2m/s，意味著風速必須在2m/s以上，這一要求正好與GJB150.5A的規定相反，也違背了GB/T2423.1/3溫度試驗不用大風速的原則。風速不小于2m/s這一原則只適用于環境應力篩選箱和可靠性試驗用的快速溫度變化箱，不適用于必須考慮風速對熱傳遞影響的環境試驗中的快速溫度變化試驗。

2.2.2其他相關試驗

1）濕熱試驗濕熱試驗包括恒定濕熱試驗和交變濕熱試驗。這兩類試驗均未對干濕球溫度計附近的風速作出明確規定，但這兩個風速是必須考慮的因素。2）霉菌試驗標準中將風速規定為1m/s，而不是GJB150.10A中規定的0.5～1.7m/s，對干濕球溫度計附近的風速也沒有作出規定。風速規定不是一個范圍，而是定值1m/s且沒有容差，這是不實際的，對干濕球附近的風速不作規定同樣是不恰當的。3）太陽輻射試驗標準中未規定風速，只是定性要求可以控制和監測風速，而且風速要盡可能小。這樣的規定顯得過于原則，不具有實際指導意義。但標準中提出可通過加熱或冷卻試驗箱箱壁的辦法來避免采用高風速，這類做法有一定的道理，但必須注意箱壁輻射傳熱是造成試驗樣品各部分加熱/冷卻不均勻的重要因素，因此需要權衡各方面因素確定實際應采用的試驗方法。4）沙塵試驗標準中推薦了一組風速，以便根據具體情況選用（與GJB150.12A一樣，風速也是試驗條件），但GJB150.12A中則對風速作了明確規定，不是根據具體情況選用。

3標準理解和實施中存在的問題

上述介紹和分析表明，各個涉及風速的試驗方法標準對風速作出的定性或定量的規定有3種不同目的：第一是為了減少風速引起的產品表面溫度下降，盡量避免產生與實際使用中不相同的熱傳遞；第二是為了確保干濕度溫度計測量法所得結果的正確性；第三是為了產生模擬實際使用中可能遇到的風強度，產生所需速度的沙塵、淋雨等環境條件。理解這些要求的目的和原理，是正確貫徹實施相關標準的基礎，在實際應用中，若不能全面、正確地理解和執行，就會采取一些不適當做法，主要如下所述。

3.1不用專門的溫度試驗箱進行溫度試驗1）用干燥箱進行溫度試驗眾所周知，干燥箱的主要用途是在生產車間中用來烘干小型物品，如電焊條等，不是用于進行溫度試驗的，一般不按照溫度試驗標準中對試驗箱的要求選擇箱壁材料和進行結構以及溫度控制系統的設計，因此箱內的溫度均勻度和風速不能滿足溫度試驗要求，尤其是風速一般遠超過1.7m/s，不能用來進行溫度試驗。2）用ESS箱和快速溫度變化箱進行溫度試驗GJB1032《電子產品環境應力篩選方法》中規定環境應力篩選（ESS）設備要能產生＞5℃/min的溫度變化速率（全程平均值），美國軍用手冊MIL-HDBK-2164A《電子設備環境應力篩選方法》進一步要求設備能達到＞10℃/min的溫度變化速率；GJB899《可靠性鑒定和驗收試驗》則要求溫度箱的溫度變化速率可達到30℃/min，以模擬軍用裝備實際使用中遇到的各種溫度變化速率。要達到這樣的溫度變化速率，必然要求提高空氣循環的速度，因此ESS箱和環境與可靠性試驗用的快速溫度變化箱中的風速一般均超過4m/s，遠高于溫度試驗方法標準中規定的1.7m/s，顯然不適用于進行高、低溫試驗。如果想要做到一箱多用，必須按標準中對溫度試驗箱的要求對箱體進行設計改造，同時使風速可調，并在用于進行溫度試驗前，將風速調到＜1.7m/s，并按相關要求對試驗箱進行檢定，通過檢定后才能使用。

3.2不注意干濕球溫度計附近的風速測量涉及相對濕度試驗條件的環境箱，一般均布置有干濕球溫度計用于測量和控制試驗箱內的相對濕度。按照干濕球測濕法的原理，干濕球溫度計附近的風速超過2.5m/s時，干濕表系數才趨于恒定，從而據此測量和計算得的相對濕度才能正確并且有可比性。目前各實（試）驗室使用這些試驗箱的過程中，均未對干濕球溫度計附近的風速進行測量，試驗設備廠家也不提供該位置的風速量值，設備檢定時也不檢定該位置的風速和提供相對濕度檢定點位置的風速。因此，試驗設備的相對濕度測量值的正確性是模糊的，這可能與GJB150標準中沒有這方面的規定有關。GJB150A已明確規定了干濕球溫度計附近的風速為4.6m/s，這一規定迫使試驗設備用戶和試驗設備檢定單位注意和遵循干濕球法相對濕度測量的風速要求。若試驗設備制造商在其試驗箱溫、濕度控制系統中，已將濕度計附近的實際風速（不一定≥2.5m/s或達到4.6m/s，但使用中應是不會變化的）對應的A值和相對濕度計算公式納入系統的軟件，從而可以方便地指示出不同干濕球溫度和干濕球溫差時的相對濕度，則應在試驗設備使用說明書中有所交代。須說明的是，如果不使用干濕球法測量相對濕度，當然不必遵循這一原則。

3.3試驗箱內的風速檢定目前氣候環境試驗箱使用中，各實（試）驗室均對試驗箱內的溫、濕度進行檢定，確認其提供溫、濕度的能力和溫度允差能滿足相關標準要求，但往往不檢定試驗箱內的風速。試驗方法標準中對溫度試驗箱風速的要求為≤1.7m/s。這雖然是一個單方向范圍，也有檢定的必要，檢定合格的依據是試驗箱有效容積內各處測得的風速最高不超過1.7m/s；對于濕熱試驗風速應在0.5～1.7m/s范圍內；對于太陽輻射試驗，風速應在0.25～1.5m/s范圍內。考慮到試驗箱中裝入試驗樣品后會改變循環氣流流動方向及其速度，因此標準中更明確規定了試件附近風速，這就要求試驗過程中直接測量風速并滿足要求。因此GJB150.7A《太陽輻射試驗》還要求試驗箱內的風速是可調的，以便在試驗前，根據裝備在自然太陽輻射環境下測得的最高響應溫度來調整風速的大小，保證試驗樣品上該點的溫度與此響應溫度一致，并在試驗過程中不斷測量和記錄風速。可見試驗單位應配備相應的風速測量系統，并掌握相應的風速測量技術。

3.4尚未見到按GB/T2423規定進行高、低溫試驗GB/T2423的高、低溫試驗方法比較復雜，首先要通過溫度測量確定試驗樣品是散熱樣品，還是不散熱樣品。不散熱試驗樣品的試驗與GJB150A中規定的類似；對于散熱試驗樣品，則要求通過在試驗箱內對有/無循環氣流兩種狀態下的受試產品表面溫升差別的大小，判斷風速對熱效應的影響，若影響不大可按非散熱試驗樣品的方法進行試驗；若影響偏大，則應調節試驗箱風速，使其影響減小到符合要求后再用此箱進行試驗。無法通過調節風速來降低熱效應影響時，則須改用控制樣品表面溫度，使其與實際使用中表面溫度一致的做法進行試驗。該方法要求試驗箱應配備風速測量系統并能進行風速調節，因此試驗人員應掌握風速測量和調整的技術。

4結束語

1）氣候試驗方法中，風速要求多種多樣，其目的也不同。溫度和太陽輻射試驗中，空氣循環被用來適當加快試驗箱的熱交換和箱內溫度均勻化過程，但風速又不能過大以致影響試驗樣品表面溫度或影響太陽輻射引起的表面溫升，產生不真實的模擬，因此要求監視和控制箱內風速的大小；2）涉及相對濕度的氣候試驗方法，若用干濕球溫度計測量相對濕度，需要在干濕球溫度計附近產生＞2.5m/s的風速，以確保測量得到相對濕度的正確性；3）沙塵、淋雨等試驗方法中，流動的空氣作為塵和雨滴的載體，使其以一定的速度（風速）作用于試驗樣品，成為一種試驗條件；而在風壓試驗中，風作為一種自然環境因素作用于試驗樣品，產生機械力，是一種純在環境試驗條件。4）GJB150A和GB/T2423兩個標準的溫度和太陽輻射試驗方法中，均考慮到風速對產品表面溫度的影響，作了測量和控制試驗樣品附近空氣速度的規定或其他規定。總體說來，GJB150A規定得更為明確和更具可操作性，GB/T2423中的有關規定和實施方法雖然更加科學、合理，但試驗方法過于復雜。5）無論是GJB150A還是GB/T2423，均要求試驗過程同時測量或調節試驗樣品附近的風速，使其滿足一定的要求，因此，試驗實施單位應考慮配置風速測量和調節系統，并掌握風速測量和調節技術。6）GJB150A明確規定干濕球溫度計附近的風速為4.6m/s，目的是確保干濕表系數達到穩定狀態，從而使查算得到的相對濕度具有一致性和可比性。以往由于GJB150中沒有此規定，這一問題一直未得到注意。貫徹GJB150A時必須對比予以重視，并在試驗設備制造和試驗箱檢定中采取相應措施。7）要準確了解各種氣候試驗箱、ESS箱和可靠性試驗綜合箱中的風速及風速規定的依據或出發點，防止由于不恰當混用造成試驗結果不真實。