温度环境试验及其标准综述（四）温度试验技术

蔡良续，张 露，徐 良，杜海波，刘 佳

（1.中国航空综合技术研究所，北京 100028；2.中航工业西安飞行自动控制研究所，西安 710065）

温度环境试验及其标准综述（四）
温度试验技术

蔡良续1，张 露2，徐 良1，杜海波1，刘 佳1

（1.中国航空综合技术研究所，北京 100028；2.中航工业西安飞行自动控制研究所，西安 710065）

(续上期)

1 温度试验设备和辅助仪器

1.1 对温度试验箱的要求

温度试验设备包括高温箱、低温箱、高低温箱、温度冲击箱和快速温度变化箱。虽然都是用来产生温度条件，不同的温度试验项目对温度试验设备的要求有所不同。对试验箱的结构和参数要求也略有区别（见表1）但不管什么试验箱，它们都应能产生并保持试验方法标准中所规定的试验条件，并在规定的容差范围，以确保试验结果的重现性。

1.2 对辅助设备和仪器的要求

温度试验实施尚需一些辅助设施和测试仪表。辅助设施主要是试验箱内放置受试产品的搁架。搁架应当是绝热的，以避免将受试产品热量传送走。辅助仪器是指用于测量试验箱空气温度，受试产品响应温度和试验箱内风速的传感器和信号传输线、信息处理、记录和显示系统。GJB 150A尤其强调要记录箱内风速、受试产品周围的温度，受试产品响应温度，以获得各种信息，用于各种目的，保证试验正确顺利的实施和试验结果的重现性。

辅助测试系统可以作为试验箱组成部分，也可以单独配置。但这些系统必须与试验箱的试验条件控制系统分开，并且有相应耐温度环境的能力。

2 温度试验技术

科学合理地进行温度试验，是确保温度试验结果正

确性和重现性的关键。温度试验技术包括受试产品温度稳定时间确定技术、试验温度监控技术、受试产品温度响应的测量技术、负载和冷却措施模拟技术和试验设备的选用技术等。

表1 各种温度试验箱的比数

2.1 受试产品温度稳定确定技术

1）温度稳定的定义和稳定时间确定方法

受试产品在试验温度下达到温度稳定是保证试验结果正确的关键，有关受试产品达到温度稳定的定义在GJB 150.1A《军用装备实验室环境试验方法第1部分 通用要求》中有明确的阐述，分为不工作状态温度稳定和工作状态温度稳定两种类型，分别用于受试产品两种状态，适用于不同标准中不同的试验要求。按照GJB 150/150A定义，应当用直接测量法确定温度稳定时间，即在受试产品内部关键功能部件处布置温度传感器，进行测量。温度达到稳定的时间为受试产品上各测量点中温度变化最慢的点达到温度稳定日历时间减去试验箱温度到达设定温度的时间。例如，假如试验温度为60℃，试验箱空气温度（通常是指示温度）到达此温度的时间为9∶30分，各测量点中变化最慢的测量处温度到达稳定时间为11∶30分，则温度稳定时间为2h。需要指出的是，工作状态和不工作状态达到温度稳定时间是不一样的，特别是产品在工作状态会发热时，需要增加产品发出的热量与周围空气热交换达到平衡所需的时间，因而会比不工作状态时得到的时间长。产品发热量越小，则此时间越接近不工作状态确定的温度稳定时间。

2）影响温度稳定时间的因素

虽然受试产品在某一温度下达到稳定所需的时间在理论上应当是一个确定的值，若确定温度稳定时所用试验箱的热沉（改变温度的能力），和试验箱温度变化速率不同时，得到结果也不同。一般说来，试验箱的发热和致冷能力越强，达到温度稳定时间越短；试验箱升、降温速率越大，受试产品热滞后越大，达到温度稳定所需的时间越长；试验箱内的风速加大，会加快热交换过程，能缩短达到温度稳定所需的时间。因此在选用温度试验箱温度变化速率时，应考虑尽量用与未来进行此试验的试验箱的型号和变化速率相同的试验箱。

此外受试产品在不同的试验温度下达到温度稳定的时间也不一样。这是因为达到温度平衡过程需进行热交换量不一样，试验温度高或低，则与试验室当时温度（15℃～35℃之间）差值会或大或小，因而达到温度稳定时间会不一样。为此，最好对每一个试验温度均采用直接测量法确定达到温度稳定的时间，而不能简单地对不同的试验温度采用同一个温度稳定时间。

3）温度稳定测量时，测量点的选择

GJB 150/150A中，对测量点选择有原则性说明，而且这一说明越来越符合工程实践，例如GJB 150.1《军用装备实验室环境试验方法 总则》中明确测量点应是产品热容量最大的部位，但不考虑结构件和无源件，GJB 150A中进一步明确为受试产品中的热容量最大的关键功能部件。这一规定是非常合理的，但实际确定哪个部位是关键功能部件、哪个关键功能部件热容量最大并不容易，需要和设计人员一起分析确定。由于工程实践中常难以确定这一部件，可以在认为要考虑的多个关键部件上均布传感器，进行响应温度测量，将实际测量得到的温度变化最慢点对应曲线用于确定为温度稳定时间。

4）缩短温度稳定时间的方法

在GJB 150.1/150.1A中均提出可以用温度过冲的办法来缩短受试产品达到温度稳定的时间。这一方法的最大问题是必须保证受试产品不因经受此温度过冲而损坏。GJB 150.1中规定经受过冲温度为5℃时间不得超过5min，但无法保证受试产品不受损坏，因而这一方法很难采用；GJB 150.1A进行了修正，明确温度过冲不得超过受试产品应力极限，此时产品自然就不会损坏。这一方法的前提是要先通过步进温度试验确定其温度极限，但标准中没有明确在过冲温度下的保持时间，具体时间要自行掌握。

5）存在问题

我国军工产品研制过程中，温度稳定时间一直使用重量法或相似产品法确定。所谓重量法是根据产品重量大小确定温度稳定时间，如HB 6-71-76中规定：受试产品2kg以下为1h；10kg以下为2h；……不同材料的热容

量不同，不同产品的结构不同，导致传热方式和路线不同，因而传热效率不同。若使用了隔热材料，则更影响热交换速度，所以这一方法是不科学的；而采用相似产品的温度稳定时间，虽然看起来有充分依据，但由于相似产品温度稳定时间来源于重量法和拍脑袋，本身就不正确，这并不是好的选择。GJB 150.1A中已明确规定要在受产品内部布置传感器进行直接测量。

长期以来，直接测量法不被应用的一个重要原因是在受试产品设计定型或技术鉴定时，有些产品可以在其内部安装传感器和布线测量温度而不破坏其技术状态，有些产品是密封的，无法这样做，不可能为安装传感器和布线而在产品外壳上打洞，破坏其技术状态。在这种情况下，建议将确定温度稳定的时机提前到工程研制阶段。在环境适应性研制试验中，最好是在环境响应特性调查试验时进行这一工作，获取达到温度稳定的时间这一数据，供后续试验使用或作为估算的依据。

2.2 温度试验箱的选用技术

温度试验箱的选用首先必须遵循GJB 150.1/150.1A中规定的经过检定，且测量精度小于等于被测参数容差1/3的原则。在温度箱的选用时，许多人并不仔细研究各种温度试验项目对试验箱的具体要求，以为能产生和保持所需温度等试验条件的试验箱就可选用，从而导致试验无效。例如，进行高低温恒温工作试验时许多人选用了环境应力筛选箱（ESS箱）或综合试验用的快速温度变化箱。温度试验标准项目中对试验箱要求是风速要小于1.7m/s，以防止产生不符合实际情况的热传导，而ESS箱和快速温度变化箱的风速通常在4m/s以上，因而用这两种试验箱做高、低温工作试验，会造成试验结果不真实。温度试验试验箱规定风速小于1.7m/s，已经是为了实现试验箱内温度均匀采取的不得已的折衷措施。还有一些单位用快速温度变化箱进行温度冲击试验，其理由是一些标准中指出10℃/min已经可以看作是热冲击，这也是不恰当的。温度冲击试验一般应使用两箱法或一箱两室法进行，两箱或两室分别保持在温度冲击所需的高温和低温上，使受试产品轮流进入这两个试验箱内实现温度冲击，显然这种温度冲击比10℃/ min变化严酷得多。也有些单位使用一个试验箱内输流注入热气和冷气的方法对受试产品进行热冲击，这一方法虽然简便，不需要移动受试产品，且可以方便地监测受试产品功能性能，但往往造成能量浪费，而且温度冲击试验标准中并不要求转换过程测量性能。

2.3 温度试验设定点选用技术

温度试验中，试验箱的温度设定点一般应是试验温度。实际试验操作中，常常会出现问题，造成过试验或欠试验。许多试验方法标准或试验大纲中，常常有“将试验箱的温度升到60℃±2℃”的步骤，这一类描述方法，使试验操作人员误认为试验箱设定温度可以在58℃到62℃中选择任何一个值，而且往往把58℃作为设定温度，这种做法导致欠试验。60℃±2℃是试验条件中的规定，试验温度应是60℃，但最低不能低于58℃。最高不能高于62℃，即受试产品各部分经受的温度应在58℃～62℃之间。试验条件容差±2℃是一个工程处理方法，由于试验箱内温度场受其结构向外界散热和风速不一的影响不可能保持在一个温度下，标准中给出了4℃范围，作为试验箱温度场均匀性设计目标。±2℃是试验箱温度场检定用的符合性指标。如果将试验温度设定在58℃，则由于试验箱内温度的不均匀性，其实际温度范围在56℃到60℃之间，受产品的部分地方经受到的温度会低于58℃，造成欠试验。这是指温度箱检定时，其最高最低温度对称分布在试验温度上下限的情况，如检定温度为60℃；检定结果最低温度为58℃，最高为62℃。往往出现不对称分布的情况，例如检定温度为60℃，其最低温度为57℃，最高温度为61℃在这种情况下，进行60℃的高温工作试验，对其设定温度必须进行修正，才能避免出现经受57℃的欠试验温度，即将设定温度改在61℃，此时最低温度为58℃，最高温度为62℃，从而实现了60℃高温试验的要求。低温试验则刚好相反，即若-55℃检定时，其最低温度为-58℃、最高温度-54℃，则55℃的低温试验设定温度应为-54℃。检定单位在这种情况下应给出代表各试验温度的设定温度值，即试验温度的修正值作为试验设定温度。

2.4 确保经受的试验条件准确的技术

环境的试验条件控制取决于试验设备的能力和试验技术人员操作两个方面。试验设备首先应具备产生和保持试验大纲中规定的试验条件，这可通过试验设备选用和试验设备的定期检定和严格按照检定证书规定的试验温度范围使用温度箱来实现，试验操作人员实施过程不当，即使是正确选用了温度箱，并不能保证受试产品经受的温度和试验时间满足规定的要求，主要有以下几个方面。

2.4.1 安装不当造成过试验或欠试验

受试产品在温度箱内放置不当会使其经受的试验温度低于或高于规定的试验温度，导致过试验和欠试验。温度试验箱一般只有一半的容积可用于进行试验，试验箱的结构设计、热交换和气流流动方式和方向决定了即便是在空箱情况下，不可能保证试验箱内每一位置的温度都在规定容差范围。一般来说，离开箱壁一定距离范围内（常见的数据是箱壁长度的六分之一到十分之一）的温度都不能满足要求。特别是方形试验箱的四个角，这四个角是空气流动的死角。因此一些标准对受试产品的体积和温度箱的容积比作出了规定，一般规定是发热的试验样品体积不大于试验箱容积的十分之一，不发热的试验样品不大于五分之一。GJB 150A中规定受试产品应尽量安装在试验设备的中央，被安装的试验样品之间，试验样品与试验箱箱底和箱壁之间应有适当间隙，并将此间隙规定为不小于15cm，以使空气能够自由流动。

然而试验人员实际操作中，往往忽视这些要求，常见的错误做法如下：

1）因受试产品较重，直接将其放在温度箱的箱底。

2）为了提高生产率，多个受试产品放在同一个箱中，且彼此之间间隙小于15cm严重影响空气流动。

3）受试产品紧贴温度箱箱壁，不在试验箱有效容积范围内。

4）小型受试产品在搁架上放置时，在搁架上放一块垫板，受试产品不直接放在金属搁架上，防止通过搁架传热是正确的，但垫板不宜太大，以致影响了箱内空气自由流动和受试产品底部直接与箱内空气进行热交换的效率。

5）受试产品放置方向，其长的一面垂直于箱气流流动方向，而不是顺着气流方向，阻止了箱内空气自由流动。

由于以往标准中规定的一些原则和要求常被忽视，不能切实保证受试产品各部位经受的温度处于温度容差范围。GJB 150.3A中明确规定要在受试产品周围布置传感器，以测量其周围空气温度。通过这种测量才能真正了解到受试产品是否经受了规定的试验条件。GJB 150.3A在试验准备中提出的这一要求是否实施可按技术文件规定，表明这不是GJB 150A的硬性规定，具体由有关文件决定。但如果执行这一规定，就可以杜绝以往的一切不规范安装的行为。

2.4.2 试验持续时间计算不当

高低温工作试验中，有些受试产品进行中间检测。由于涉及到施加负载和操作上的限制，必须打开箱门或拿出箱外进行检测。此时引起试验箱温度或受试产品温度产生显著变化（大于2℃），若15min内不能完成工作性能检测，必须使试件回到规定的试验温度，再开箱或出箱进行检测。在继续试验前应使试件重新稳定到规定的温度。开箱或出箱检测和检测完后恢复到规定温度的时间不能计入试验持续时间。

在温度冲击试验中，试件从一个箱转入另外一个箱中时，必然由于打开箱门而造成试验箱温度降低，从受试产品入箱到试验箱恢复到规定温度（其时间超过标准规定）的时间不能计入试验持续时间，否则也会导致试验持续时间不足。

2.5 测量受试产品温度响应技术

GJB 150.3A/4A中提出，可按有关文件规定，在试件内和试件上安装温度传感器，以测量受试产品的响应温度和确定受试产品达到温度稳定的时间。GJB 150.3A/4A提出这一做法是很有意义的，用直接测量方法确定受试产品温度稳定时间是标准本身的要求。测量受试产品表面和内部响应温度，有利于掌握受试产品试验时有关部位经受的温度情况和温度分布，便于进行热分析和故障

定位。这一工作不是所有产品和所有阶段的试验时都能进行的。有些产品在设计定型或技术鉴定时，无法安装传感器确定温度稳定时间，此时须考虑在研制中期开展环境响应特性调查试验，确定达到温度稳定时间这一信息，或者用热分析法确定这一时间。

2.6 试验中断及处理

温度试验过程中会由于试验设备故障和受试设备故障导致试验的意外中断或人为中断。此时应按GJB 150.1A中基本原则进行处理，温度试验除满足GJB 150.1A规定外，还有一些特殊要求。

第一，关于研究生国际合作的论文，主要有：谭敏的《我国研究生国际合作培养现状及其质量保障研究》；何勇灵的《研究生国际合作教学模式研究和实践》；殷允杰、王潮霞的《我国研究生国际合作与联合培养新模式探索》。

2.6.1 高温试验意外中断特殊要求

1）欠试验中断

①循环试验

若高温循环试验在进行过程中发生意外中断，使得试验条件向标准大气条件温度下降并超出允差，则应从上一次成功完成的循环结束点恢复试验。

②恒定温度试验

若恒定温度试验在进行过程中出现意外中断，使得试验条件向标准大气条件温度下降并超出允差，则应使试件重新稳定到规定的试验温度，并从试验条件偏离点开始继续进行试验。中断期间温度超出允差的时间不计入总试验时间。应记录中断前和中断后试验段的持续时间。

2）过试验中断（例如试验箱失控）

①物理检查和性能检测

若循环试验或恒定试验的中断，使得试件暴露于比产品规范要求的更为严酷的环境中时，则应在中断之后进行全面的物理检查和工作性能检测（如可能），然后根据检查和测量结果决定是否继续进行试验。

②安全、性能和材料问题

当过试验后发现安全、性能和材料问题时，最好的措施是结束这次试验，并用新的试件重新进行试验。若不这样做而在余下的试验中试件出现故障，则会因过试验条件而认为此试验结果无效。若没有发现安全、性能和材料问题，应按以下办法处理：

对于恒温试验，则应恢复中断之前的条件，并从试验允差超出点继续进行试验，试验中断期间的时间计入总的试验时间；对于循环温度试验，应从上一次成功完成的循环结束点恢复试验，过试验中断时的循环（不完整的循环）不计入总的循环数。

2.6.2 低温试验意外中断特殊要求

1）欠试验中断

对于使试验温度向周围环境温度变化并超出允差范围的试验中断，应对试件进行全面的物理检查和工作性能测量（若可能的话）。若没有发现问题，则使试件重新稳定在试验温度，并从中断点开始继续试验。由于未遇到极端条件，出现任何问题均应认为是试件本身的问题。中断期间温度超出允差的时间不计入总的试验时间。

2）过试验中断

对于使试件暴露于比产品规范要求的更为严酷的条件下的试验中断，在继续试验之前应对试件进行全面的物理检查和工作性能检测（若可能的话）。若存在安全问题时（如弹药），尤其需要这样做。若发现有问题，最好的办法是结束此次试验，用新的试件重新做，否则在后续试验期间试件失效时，由于出现过过试验条件，可定为试验结果无效；若没有发现问题，则恢复中断前的试验条件继续试验。试验中断期间的时间计入总的试验时间。

2.6.3 温度冲击试验意外中断特殊要求

1）欠试验中断

若在保温期间发生意外的试验中断，使试验条件向标准环境温度偏离并超出允差，则应从中断点开始重新试验，并使试件重新处在试验条件下。若在转换期间发生中断，应使试件重新处在转换前的温度下，然后进行转换。欠试验期间的时间不计入试验时间。

2）过试验中断

在导致试件暴露于比装备规范要求更为极端的温度下的任何中断发生后，只要可能，应在继续试验之前立即对试件进行全面的物理检查和工作性能测量。在可能存在安全问题的情况下，例如对弹药进行试验时，尤其应如此。若发现问题，最好的办法是停止试验，并且用新试件重新开始试验。若不这样做，而且在随后的试验中试件再次出

现故障，则由于试验中曾出现过过试验条件，此试验结果无效。若没有发现问题，应重新恢复中断前的条件继续试验。过试验期间的时间计入试验时间。

2.6.4 受试产品出现故障后的人为中断

受试产品试验过程中出现故障，必须中断试验，进行故障分析和定位，并决定是否中止试验。从环境适应性验证试验的角度，出现故障就可判为试验失败。工程实践中，出现故障必须要采取纠正措施，并进行试验验证，实现故障归零，而后重新进行该项试验。若该项试验通过，则考虑继续进行试验，但分两种情况，先应分析采取故障纠正措施后，产品的技术状态变化是否影响前面已进行并通过的试验项目的结论的有效性。若认为这一更改不会影响以前试验的结果，则可继续进行余下的试验项目，但必须提交分析报告，说明前面进行过的试验的有效性；若认为这一更改会影响以前试验的结论或无把握，则应从头开始进行所有的试验。

3 其他技术

GJB 150.3A/4A中还规定，进行高低温工作试验时试验步骤中应包括功耗和负载、电压变化和冷却等方面的要求。

1）应包括功耗最大（产生的热量最多）的工作状态。

2）电压改变会影响试件的热耗或温度响应(如动力的产生和风扇的转速)时，应包括所需要的输入电压条件的变化范围。

3）应引入使用期间通常使用的冷却介质（如强迫的冷却空气或冷却液）。使用冷却介质时应考虑冷却介质入口处的温度和流量，以反映典型情况和最坏情况下的温度及流量条件。

4 结论

本文从温度对装备的影响、试验程序、试验条件及其剪裁、试验技术四个方面系统阐述了温度环境试验及其标准的特点、主要技术内容和应用方法等，并着重针对军品研制中对温度试验的错误理解和操作，提出了具体解决方法和建议。

[1] GJB 150-1986,军用设备环境试验方法[S].

[2] GJB 150A-2009,军用装备实验室环境试验方法[S].

[3] GB/T 2423.1-2001,电工电子产品环境试验第2部分：试验方法 试验A；低温[S].

[4] GB/T 2423.2-2001,电工电子产品环境试验第2部分：试验方法 试验B：高温[S].

[5] GB/T 2423.22-2002,电工电子产品环境试验第2部分：试验方法 试验N：温度变化[S].

[6] 祝耀昌. 产品环境工程概论[M].北京：航空工业出版社, 2003.

[7] 祝耀昌.产品环境工程论文集[C].北京：航空综合环境航空 科技重点实验室, 2009.

蔡良续，1978年生，黑龙江省哈尔滨市人，北京航空航天大学材料学博士，高级工程师，现主要从事装备环境和可靠性试验技术研究。

Review of Temperature Tests and Their Standards (Part Four) Temperature Test Technique

CAI Liang-xu1, ZHANG Lu2, XU Liang1, DU Hai-bo1, LIU Jia1
（1. China Aero-Polytechnology Establishment,beijing 100028 2.Avic Xi’an Flight Automatic Control Research Institute,xi'an 710065）

V416.6

A

1004-7204（2015）02-0077-06