谈谈高低温工作试验中的保温时间

臧 兵，张景山，李 明

（1.中航工业西安航空计算技术研究所，西安 710119；2.中航航空装备有限责任公司，北京 100028； 3.中国航空综合技术研究所，北京 100028）

0 引言

众所周知，温度试验包括高温储存和高温工作试验、低温储存和低温工作试验、温度冲击试验和温度变化试验。这些试验的严酷度在很大程度上取决于温度值或温度范围的大小和温度作用于受试产品上的时间。人们通常主要关注温度或温度范围的严酷度，而忽略温度作用于受试产品的时间，从而使温度试验不充分，达不到应有的效果。本文主要介绍和讨论受试产品暴露于规定的高、低工作温度中的时间（即保温时间）之确定原则和有关标准中的一些规定。

1 有关定义或术语及其说明

1.1 温度稳定

温度稳定包括试验箱温度稳定和试件温度稳定两种类型。

1.1.1 试验箱温度稳定

GB/T 2424.5《电工电子产品环境试验：温度试验箱性能确认》[1]对试验箱温度稳定的定义为：“试验箱工作空间内所有点的温度达到并维持在温度设定值的给定容差内”。

从定义可知，其研究对象是温度试验箱的工作空间的温度，试验箱工作空间空气温度达到稳定意味着试验箱工作状态已达到稳定。试验箱升温过程如图1中的T1和T2段所示。

图1 试件不工作状态随箱升温的高温工作试验的 保温时间的组成 Fig.1 The composition of temperature maintaining time in high temperature operation test

试验箱温度达到稳定的时间取决于试验箱的能力、风速和试验箱结构的散热等因素，需要布点测量才能得出。当试验箱指示点温度达到设定值时 就认为试验箱温度已稳定是不够准确的，因为试验箱有效容积内各点温度都达到试验设定温度容差范围还需要一些时间；工程实践中一般既不进行这一测量，也不给出这一时间，有个别单位按指示点温度到达后半小时作为试验箱温度稳定时间。

1.1.2 试件温度稳定

关于试件温度稳定，民用标准GB/T 2422《电工电子产品环境试验术语》[2]和军用标准GJB 6117《装备环境工程术语》[3]都有相应的定义，如表1所示。需要说明的是，试件温度稳定的定义仅适用于恒定温度的高低温试验，不适用于温度循环试验，如GJB 150A[4]中的日循环试验。在这种试验中，试验箱温度以24 h 为单位进行循环，试件温度也跟着进行以24 h 为单位的日循环，永远达不到温度稳定。试件可以达到一个最高响应温度，这个最高响应温度滞后于试验箱日循环温度的最高温度。GJB 150A 规定了达到这一最高响应温度的确定方法。试验所需的循环数不是温度稳定时间。

表1 GB/T 2422 和GJB 6117 中的试件温度稳定的定义 Table1 Definitions of test sample temperature stabilization in GB/T 2422 and GJB 6117

试件温度稳定研究的对象是试件的温度。从 表1看出，GB/T 2422 和GJB 6117 两个术语标准对试件温度稳定的定义在原理上是基本相同的，但相比而言，GB/T 2422 的定义可操作性较差，主要表现在：

1）GB/T 2422 以试验箱中空气最后达到的平均温度（非散热试件）为比较依据，而GJB 6117以试验设定温度（不工作状态）为比较依据。前者需要同时反复测量试件温度和试验箱空气温度，并计算试验箱空气的平均温度，这一过程很复杂，工程操作性很差。而后者只要对试件温度进行测量并直接与试验设定温度比较，方法简单、可操作性好。

2）GB/T 2422 的定义包含许多不确定因素，例如寿命期中预期暴露时间、是否散热样品、样品热时间常数等，这些都要事先做一些调查和实验室温度测量工作才能确定。

3）GB/T 2422 要求试件各部分的温度处于试验箱各点平均温度范围，意味着试件各部分都要布置传感器，这种做法过于烦琐。GJB 6117 只要求在试件中热惯性最大的功能部件上布置传感器，使 传感器的布置更有针对性，且不必等待试件所有部分都达到温度稳定。这种做法既满足温度考核要求又缩短了试验时间，节约资源。

4）GB/T 2422 与GJB 6117 的定义均要求不断监视试件温度变化情况。GJB 6117 明确在热惯性最大的功能部件上测量温度，GB/T 2422 则未明确测量部位，可操作性较差。

1.2 试验箱保温时间

试验箱保温时间是从温度试验箱的角度来说的，是指试验箱内温度达到标准规定的要求，即试验箱达到温度稳定后，继续保持这一温度不再变化所经历的时间。这一时间通常应包括试件不工作状态达到温度稳定的时间(包括有些标准规定的附加时间)，试件启动工作后达到二次稳定的时间，以及对试件进行目视检查和功能性能检测所需的时间，如图1中的T31～T33段。

2 温度稳定确定方法

2.1 试验箱温度稳定确定方法

试验箱温度稳定的确定方法是在试验箱的有效容积内布置若干个温度测量点，调节试验箱温度到某一设定的高、低温工作温度。有效容积内各测温点温度均到达设定温度的容差范围内的时间与指示点处空气温度到达设定温度的时间之差即为试验箱温度稳定所需的时间，如图1中的T2所示。这一方法很简单，而且可在试验箱检定时得到这一数据。但在实际的试验箱检定标准中，没有规定测量和提供这一数据。

试验箱检定时，为了保证检定结果的准确性，要求指示点处空气温度到达规定值后再稳定2 h，而后每隔一定时间（如2 min）测一次各布点的温度[5]。显然检定试验箱时温度稳定2 h 的规定能绝对保证试验箱达到稳定状态。但在实际使用中大部分情况下是从指示点温度达到设定点温度就看作试验箱温度已达到稳定，并从此时开始计算试件达到温度稳定的时间。显然，此时试验箱实际上并未达到温度稳定，从而与检定时的条件不一致。实际试验时如果都像试验箱检定那样操作也是不现实的。最好能够事先确定试验箱达到温度稳定的时间。有些单位为了简便起见，自行设定一个试验箱温度稳定时间（如0.5 h），这一做法不够正确。

2.2 试件温度稳定确定方法

2.2.1 重量法

重量法是根据试件的重量大小确定高、低温温度下达到温度稳定的方法。HB 6-71—1976《飞机电机电器环境试验方法》[6]、GJB 360B—2009《电子及电器元件试验方法》[7]等标准中均有相应规定，如表2所示。

重量法的特点是简单但不精确。只要知道试件的重量即可从表中查出达到温度稳定的时间。这一方法给出的时间很不准确，因为产品可使用各种不同的材料，以不同的结构形式组成。不同材料的比热、不同结构件的热传导形式和途径都不一样，因此达到热平衡所需时间绝对不会单一取决于重量，因此大部分环境试验标准中不提供这一方法。

表2 重量法 Table2 Gravimetric method

2.2.2 直接测量法

不管是国军标还是民用电工电子产品的环境试验方法标准，一般都是给出产品温度稳定的定义，要求按照定义中规定的原则和范围，通过直接测量试件上的响应温度来确定试件达到温度稳定的时间。有关测量温度用的传感器在试件上布置的部位，随着环境试验技术的进展逐步合理化。例如MIL-STD-810[8]系列标准的相关规定，从试件中热惯性最大的部件（810C）到热惯性最大的工作部件（810D），再到热惯性最大的功能部件（810F/G），从而不必要求试件所有部位都达到设定试验温度的容差范围，既科学合理地缩短了试验时间，又不影响试验的严酷度。

直接测量法需要在试件的热惯性最大功能部件上布置温度传感器，直接测量其在设置的试验温度下试件不工作或工作状态的温度接近试验箱设定温度（即试验温度）的状况，这样做往往要布置多个传感器、测量多个位置的温度变化情况。按照 试件处于不工作状态的温度稳定定义，当各测点中变化最慢的一点的温度到达试验箱设定温度的±2 ℃以内(或±3 ℃以内)时，此时的时间与试验箱本身温度达到稳定的时间之差即为一次温度稳定时间(如图1中的T31)；到达此时间后接通电源，试件温度进一步升高并趋于平缓（达到每小时变化温度小于2 ℃时）所需时间为第二次温度稳定时间（如图1中的T32）。

众所周知，试件中的功能部件往往需要设计人员加以确定，而热惯性最大的功能部件有时则难以确定，因此，或许要在多个功能部件上布置传感器，通过观察其响应温度变化的快慢，来确定热惯性最大的功能部件和最终确定达温度稳定的时间。

直接测量法的优点是确定的时间更为真实可信，但实施起来会遇到一些问题，例如在进行鉴定试验时往往不允许破坏试件的结构状态，不能打开壳体并在试件的一些功能部件上直接布置传感器，从而难以实施。直接测量法也会受多种因素的影响，例如试验箱热交换能力、温度变化速率的大小 和试验设定温度与周围温度的差距都会对温度稳定时间的确定产生影响。因此，在试验前某一时刻事先确定试件的温度稳定时间并将其用于后续试验中时，必须在相同技术结构状态的产品上，保持上述三个因素的一致性。

2.2.3 间接推算法

针对不可能直接测量某内部温度的试件，可测量其某些与温度有已知函数关系的其他参数的变化量来进行推算。该方法理论上是准确可行的，但必须事先找出相关参数与温度的关系；做到这一点并不容易，因而该方法很少用。

3 试验方法标准中有关高、低温工作试验 的保温时间之规定及分析

3.1 军用环境试验方法中的高低温工作试验保温 时间

MIL-STD-810 系列和GJB 150[9]/GJB 150A 中有关保温时间的组成如表3所示。

表3 军用环境试验标准中的高、低温工作试验的保温时间之组成 Table3 Composition of temperature maintaining time in high and low temperature operation tests

试件的温度稳定分为试件处于工作状态和处于不工作状态两种状况，GJB 150/150A 标准中均按试件不工作状态开始进行温度试验，但RTCA DO 160 系列标准《机载设备环境条件与试验方法》[10]的高低温工作试验均是在试件工作状态时调节试验箱温度，因此其温度稳定时间应按工作状态定义进行确定。既然是工作状态的温度稳定，试件一直在工作，就不存在启动后工作发热引起的第二次热稳定问题。因此本文中未将其与GJB 150/150A 的规定一起讨论。

3.2 民用环境试验标准中的高、低温工作试验的 保温时间

我国电工电子产品环境试验标准[11-12]与保温时间相关的时间有试件达到温度稳定的时间、中间检测时间（如进行中间检测）和持续时间3 种，前两种时间与军用环境试验标准基本相同。对于持续时间，标准推荐了2、16、24 和96 h 共4 个等级，具体应由相关规范确定。这些时间应从试件达到温度稳定后开始计算，它是为特定的试验目的（如考核试件的可靠性和耐久性）而进行的试验所选用的。GB/T 2423.1[11]规定的低温试验方法中关于保温时间一节明确规定，若试验目的仅仅是检查试件在低温时能否正常工作，则保温时间仅为试件温度达到稳定的时间。因此，低温工作试验的保温时间仅包括试件达到温度稳定的时间和进行中间检测的时间，标准中未提及二次稳定时间，这是因为GB/T 2423 已将试件分为散热和不散热两类分别按不同方法进行试验，不散热样品不必考虑二次稳定，而散热产品确定时间中已考虑了温升。

3.3 标准分析

3.3.1 试件第二次温度稳定要求GJB 150 中高、低温工作试验的保温时间均包括工作状态达到温度稳定的时间。试件工作后由于自身发热而打破了原来的温度平衡，需要一定的时间使其再次达到平衡即达到二次温度稳定。此时试件的温度将高于试验箱设定的试验温度（见图1），第二次温度稳定所需要的时间决定于试件的发热量大小。应当指出，从考核产品对规定的高、低温工作温度的适应性而言，高温下产品发热使其环境温度进一步恶化，要求其在更严酷的高温下工作，因而等待产品达到第二次温度稳定后测量其性能是十分必要的；但对于低温工作试验来讲，只要试件在低温下能够启动和开始工作，试验产品工作发出的热量有利于改善低温环境，理应立即测量其功能性能才能真实反映试件对规定的低温环境的适应性。

从MIL-STD-810D 开始的后续版本，对低温工作试验时间不再考虑等待试件达到二次稳定后才测量其功能性能。但必须指出，有些产品在低温下虽然能够立即启动，但不能立即满足功能性能指标，随着产品工作环境温度条件的改善，全部指标要求才能逐渐满足；因此，必要时可在产品规范中作出相应规定，如启动后多长时间内应满足功能性能要求。

3.3.2 试件目视检查

从MIL-STD-810D 开始到810F/G 以及GJB 150A 中均明确要求试件在高低温箱中不工作状态达到温度稳定后要尽可能目视检查其表面状况并记录结果，意即保温时间中要增加完成目视检查的时间（T目）。应当指出，规定这一要求是必要的，可以及早发现试件的问题，从而中止试验。问题是当试件置于温度箱中并连接好电源、功能、性能测试线路、试验箱内空气温度和试件温度响应测试传感器和线路的情况下，往往难以进行全面的目视检查。工程实践中，试件在高、低温工作试验温度下达到温度稳定后，由于温度要求不像储存试验那样严酷，且试验时间相对较短，出现目视可发现的变化的可能性不大，所以一般不必考虑这一时间，只有那些经分析认为其外观和表面状态对这两个温度和达到温度稳定时间极为敏感的产品才考虑进行目视检查。

3.3.3 附加保温时间

在MIL-STD-810F/G 和GJB 150A 中，无论是高温工作试验还是低温工作试验的保温时间均要加上2 h。试件在试验温度下达到温度稳定的时间是实际测量的结果，影响这一结果的因素很多，主要是试件自身材料、结构和热传递路径等内部因素；此外，还有许多外部因素也不可忽视，例如，试件中热惯性最大的功能部件选得准不准，有没有代表性，这很大程度上取决于设计人员的判断和试验人员安装的测量点的多少；另外，事先进行温度 稳定测量时使用的试验箱热交换能力、升降温速率若与实际进行温度试验的试验箱不同，则直接使用事先测得的温度稳定时间也会影响试验结果。正是基于上述原因，810F/G 和GJB 150A 中增加了2 h的附加保温时间。

针对这一规定的基本操作方法是：如果温度试验时，在试件的关键功能部件上安装了若干温度传感器，则观察和记录传感器指示的温度达试验温度容差范围的时间，最后一个测量点温度达到容差范围的时间与试验箱达到温度稳定的时间之差即为温度稳定时间（T1），到达此时间后保温2 h。如果温度试验前，已经单独测量过该试件在规定试验温度下达到温度稳定的时间，则可将这一时间作为试验时的温度稳定时间T1，再加上2 h 的保温时间。

3.3.4 中间检测时间

中间检测的目的是在试件确实达到温度稳定状态时，确定产品的功能和性能是否正常。只有在温度稳定后测得的结果才能真正反映试件对该温度的适应能力，而中间检测的时间取决于检测项目的数量和检测每一项目所需的时间。

4 标准的应用情况分析

4.1 非实测法带来的问题和风险

长期以来，国内外标准一再给出了试件温度稳定的定义，要求通过实际测量来获取试件达到温度稳定所需的时间，作为确定高、低温试验中暴露时间（即保温时间）的依据。但由于种种原因，应用实测方法确定试件温度稳定时间的情况很少，大部分军工产品定型过程的高、低温工作试验的温度稳定时间均用最简单的重量法确定，或者使用相似产品以前用过的温度稳定时间。因此可以说大多数情况下所用的温度稳定时间不够准确。如果时间不足，由于产品尚未热透或冷透，造成欠试验，使鉴定试验中产品的环境适应性结论不可信；如果时间过长，即超过了温度稳定所需时间，则又造成不必要地延长试验时间，资源浪费。

4.2 直接测量法应用遇到的问题

直接测量法难以被推广应用主要有以下原因：

1）需要配置额外的温度传感器和测量记录设备，并且传感器的安装和走线可能会影响受试产品的结构或密封状态；

2）需要产品设计人员和试验人员密切配合，确定试件上热惯性大的功能部件，并在试验操作流程中，安排专门的工作步骤进行测量和记录；

3）目前尚缺乏可操作性强的温度稳定时间确定方法标准和相应的指导文件。

需要说明的是，现有环境试验标准，如GJB 150A，有安装温度传感器测量试验箱内空气温度和试件响应温度的要求，用直接测量法测量试件温度稳定时间可以与此要求结合进行。可见，直接测量法难以贯彻实施虽有技术上、经济上和管理上的原因，但最重要的还是认识上的不足，而且缺乏相应标准的支撑和指导。

5 建议

应用直接测量法是高低温工作试验中确定试件温度稳定的有效方法，美军标810F/G 和GJB 150A 相对于810C 与GJB 150 的突出变化是试验过程的精细化。人们往往更加注意的是试验条件的变化，而不是试验过程实施要求的这些变化。就810F/G 和GJB 150A 的高、低温试验而言，在关于温度试验前“准备”一节的条款中规定，“按技术文件规定，在试件内、试件上或其周围安装温度传感器，以测量试件周围的空气温度和试件的响应温度”；程序II（工作试验）规定，“为了确保测量到试件最大温度响应，温度传感器应安装在功能元件上”；在“高温试验”的第4.4 节中，对编制试验操作程序时提出了要考虑一些特殊要求。因此，建议如下：

1）尽快制定《受试产品温度稳定时间确定方法》标准，为规范化地应用直接测量法提供技术支撑。

2）结合贯彻实施GJB 150A 中有关测量试验箱内空气温度和试件响应温度的要求，综合考虑配置测量试件温度稳定时间所需的传感器和测量记录系统。

3）在温度试验箱检定时，同时给出试验箱达到温度稳定的时间，以供进行温度试验时使用。

4）在产品研制阶段适当时机安排温度响应调查试验，以确定受试产品的各种热特性和达到温度稳定所需的时间。为了使确定的温度稳定时间也适用 于鉴定试验，建议调查试验所使用的温度试验箱、试验温度、温度变化速率等尽量与鉴定试验时的一致。

5）采纳GJB 150A 关于缩短试件达到温度稳定时间的建议，在进行温度稳定时间测量时，可以将试验箱的温度调到受试产品最高工作温度而不是试验温度。鉴定试验中应用这一数据时，初始温度也可调到受试产品最高工作温度，达到温度稳定时间后，才将试验箱温度调节至试验温度。这样做的前提条件是受试产品必须事前用步进应力的方法确定其最高工作温度，以便有较大的工作温度裕度，可用于缩短达到温度稳定的时间，节约试验总时间和资源。

（References）

[1] GB/T 2424.5 电工电子产品环境试验: 温度试验箱性能确认[S],2006

[2] GB/T 2422 电工电子产品环境试验术语[S],1995

[3] GJB 6117 装备环境工程术语[S],2009

[4] GJB 150A 军用装备实验室环境试验方法[S],2005

[5] HB 6783.3 军用机载设备气候环境试验箱（室）检定方法: 温度试验箱（室）[S],1993

[6] HB 6-71 飞机电机电器环境试验方法[S],1976

[7] GJB 360B 电子及电器元件试验方法[S],2009

[8] MIL-STD-810F/G 环境工程考虑和实验室环境试验[S],2014

[9] GJB 150 军用设备环境试验方法[S],1983

[10] RTCA DO 160 机载设备环境条件与试验方法[S],2014

[11] GB/T 2423.1 电工电子产品环境试验: 第2 部分 试验A: 低温[S],2001

[12] GB/T 2423.2 电工电子产品环境试验: 第2 部分 试验B: 高温[S],2001