变温过程试验箱温度特性分析

周芳，贾业宁

（北京强度环境研究所，北京 100076）



变温过程试验箱温度特性分析

周芳，贾业宁

（北京强度环境研究所，北京 100076）

目的 研究环境试验箱变温过程中的温度分布特性。方法 对具有代表特性的温度试验箱进行温场特性测定及分析，深入了解变温过程中试验箱的温场分布和影响温度特性的各个因素。结果 变温过程中不同位置的温度重合性差，温变率越高，变温过程的非线性越明显。结论 在变温过程中，试验箱内部测点和控制温度相比有一定的差异性，使得处于试验箱中的受试产品的不同部位，承受温度梯度应力。对于产品外表面、安装在外表面的零部件或靠近外表面的内部零部件，可能产生物理损坏或性能下降。故在使用中应充分注意这种温场特性对受试产品的影响。

变温过程；温变率；温度特性

目前，国内外对试验箱的技术指标考核均在设备达到稳定后一定时间进行测量记录，对于变温过程中的参数指标研究不够。文中根据GB/T 2423《电工电子产品环境试验》［1—2］中的低温、高温试验方法，对具有代表特性的温度试验箱进行温场特性分析，深入了解变温过程中试验箱的温场分布和变温过程中影响温度特性的各个因素。对试验的实施和试验箱的选型有一定的指导意义。

1　国内外现状

目前，国内外试验箱的生产标准、试验箱检验方法或试验方法中，对于试验箱技术指标的考核均在设备达到稳定后一定时间再进行测量记录。对于变温过程中试验箱的参数指标只测量控制点的温度变化率，其他位置和均匀度均无考核和要求，并且当前试验室所有环境试验箱的校准证书均依此为前提进行出具。目前，国内外使用的常见标准也未对该项指标提出要求。

BS 389—1965《实验室湿热箱技术条件》和日本试验机工业会提出的恒温恒湿箱的性能试验方法中对温箱均匀度进行了规定，两者在测点位置、测试间隔、测试次数要求不同，但都规定计算测试点与中心点的温差平均值，并以最大者即为温度均匀度。美国ASTMD2436-68《电气绝缘用强制对流实验室烘箱技术条件》［3］：用9只热电偶，在规定的位置布点，当达到设定温度并稳定16 h后，记录数据以5 min为测试间隔，共记录45组数据，计算45个数据的平均值，从45个数据中选出2个最大数和2个最小数，分别各自减去平均数，然后从4个差值中选出2个最大差值，并求其平均值，以此表述箱内温度均匀度。

GB 10586—2006《湿热试验箱技术条件》［4］：各测试点除中心点外，其余各点距箱壁为各自边长的1/10。当温度达到规定值并稳定2 h后，每隔2 min测试各测试点温度1次，在30 min内共测15次，隔30 min再测1次，以后每隔1 h测1次。利用30 min内15次的测试数据，分别算出每次数据中最高与最低温度之差再求其平均值，即为温度均匀度。

GB/T 5170.2—2008《电工电子产品环境试验设备检验方法——温度试验设备》［5］中8.2.1.3中规定：使试验设备降温或升温，设备进入控温状态后稳定30 min（稳定时间最长不超过2 h），开始记录各测量点的温度和设备指示温度，每隔1 min记录1次，在30 min内共记录30次。

GB/T 2423.1—2008/IEC60068-2-1：2007《电工电子产品环境试验第2部分：试验方法 试验A：低温》中6.2节规定：稳定状态时，流向试验样品的空气温度应处于试验严酷等级温度的±2℃范围内。

当前，国内外均对试验箱稳态过程参数指标的测量作了详细规定。在变温过程方面，国内仅GB/T 5170.2—2008《电工电子产品环境试验设备检验方法——温度试验设备》中对试验箱的变温速率给出两种提法：一种是全程平均升降温速度，一种是线形升降温速度（即每5 min平均速度）。因此，需要对变温过程中的温场分布特性和影响因素进行分析。

2　变温过程温场特性试验方案设计

2.1参试试验箱

分别采用三个生产商研制生产的试验箱，试验箱记录号为A1，A2，A3，检测试验箱变温过程中的温场特性。其参数见表1。

表1　参试试验设备技术参数Table 1　Technical parameters of test equipment

其中A1试验箱控制温度传感器位于回风口的位置，A2位于出风口的位置，A3位于箱门位置。

2.2测量点的数量和位置

根据试验箱的具体情况，试验共放置了11个温度测量点，其中9个测量点根据GB/T 5170.2— 2008《电工电子产品环境试验设备检验方法温度试验设备》中的相关规定，在被测试设备工作室内定出上、中、下三个水平层面，上层与工作室顶面的距离是工作室的1/10，中层通过工作室几何中心，下层在底层样品架上方10 mm处。另外两个分别放置在出风口和回风口的位置。

2.3试验方案设计

1）时钟调整。调整巡检仪和试验箱的内部时钟，保持巡检仪和试验箱记录数据的同步性。

2）试验方案：将试验箱温度从20℃以1℃/min的温变率降到-55℃，保温20 min，以1℃/min的温变率升温到 20℃；将试验箱温度从20℃以1℃/min的温变率升到100℃，保温20 min，以1℃/min的温变率降温到20℃；将试验箱温度从20℃以2℃/min的温变率降到-55℃，保温20 min，以2℃/min的温变率升温到20℃，以考核试验箱温度变化趋势；将试验箱温度从20℃以2℃/min的温变率升到100℃，保温20 min，以2℃/min的温变率降温到20℃；将试验箱温度从20℃以5℃/min的温变率降到-55℃，保温20 min，以5℃/min的温变率升温到20℃，以考核试验箱温度变化趋势；将试验箱温度从20℃以5℃/min的温变率升到100℃，保温20 min，以5℃/min的温变率降温到20℃。

3　变温过程温场特性试验结果分析

3.1试验结果

按照2.3节进行试验实施，以降温试验为例进行试验结果分析。

以1℃/min的温变率降温过程结果如图1—6所示。

图1　A1试验箱内部温场分布情况Fig.1　Temperature distribution of the A1 test chamber

图2　A1各点温度与试验箱显示温度之间的关系Fig.2　Relation between measured temperature and displayed temperature of A1 test chamber

图3　A2试验箱内部温场分布情况Fig.3　Temperature distribution of the A2 test chamber

图4　A2各点温度与试验箱显示温度之间的关系Fig.4　Relation between measured temperature and displayed temperature of A2 test chamber

图5　A3试验箱内部温场分布情况Fig.5　The temperature distribution of the A3 test chamber

图6　A3各点温度与试验箱显示温度之间的关系Fig.6　Relation between measured temperature and displayed temperature of A3 test chamber

以2℃/min的温变率降温过程结果如图7，8所示。

图7　A2试验箱内部温场分布情况（2℃/min）Fig.7　Relation between measured temperature and displayed temperature of A2 test chamber（2℃/min）

图8　A2各点温度与试验箱显示温度之间的关系（2℃/min）Fig.8　Relation between measured temperature and displayed temperature of A2 test chamber（2℃/min）

3.2结果分析

1）试验箱在降温过程中，不同降温速率条件下，温场特性规律一致，即试验箱在同一使用状态下特性固化。

2）试验箱内部设定的10个温度点，变温过程中温度特性重合性差，个别位置的温度差可以达到3～5℃。

3）试验采用不同操作人员实现现场操作，不同现场操作人员实施操作获得的试验数据变化趋势一致，即人员操作造成的影响极小，可以认为是误差。

4）实验过程中，变温率越高，则变温过程中的非线性越明显，即温度波动现象越明显。实际使用过程中，针对降温过程中均匀性要求较高的产品，采用低变温速率可以获得相对更为准确的试验结果。

同一试验箱在升温过程中表现的温场特性与降温过程中的特性差异较大，需要独立分析，不可一概而论。

3.3试验原因分析

试验箱内部的温度场受到试验箱结构、控制点位置和温变率等因素的影响，试验箱完成生产后其特征已确立，同品牌同型号的试验箱也可能存在差异，除遇大修或人员操作严重异常，否则不会发生改变。

1）试验箱结构影响。所有的环境试验箱（室）均存在一定的不均匀性，很大程度上是由试验箱的结构特点造成的，由于箱（室）结构难于完全对称，从而对其内部的温度均匀造成不利影响。目前试验室常用的试验箱结构通常为大门在前，空调室在箱后部，上送风下回风。这种结构左右对称性好，可较易达到左、右温度均匀，但结构上、下不对称，前后也完全不同，对工作空间温度产生了不均匀影响。这种现象在变温特别是快速变温过程中显现的尤为突出。

2）控制点位置影响。温度试验箱控制传感器的位置对控制精度有较大影响。为了使其感温反应灵敏，一般将传感器置于出风口附近，从而可提高控制精度，减小温度波动度，最终减小温度偏差。这是当前国内外主流设计思路，试验设备变温率验收点位置为出风口，即控制点温度传感器所在位置。由制点位置的设置导致在变温过程中，因箱体结构、风速大小、出风温度等造成的温度差异无法被试验箱传感器探知，变温过程持续时间短，试验箱温度控制系统便无法及时对各点温度进行调控。

3）温变率的计算方法。目前试验室的试验箱，全部依据GB/T 5170.2—2008《电工电子产品环境试验设备检验方法——温度试验设备》完成试验箱验收及其后的历年检定。该标准中规定的全部11项检定项目，其中关于试验箱的变温速率仅有两种提法，一种是全程平均升降温速度，一种是线形升降温速度（即每5 min平均速度）。全程平均速度按照以式（1）进行计算：

目前国内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全程平均速率。这种设备的验收方法，根本上忽略了试验箱变温过程中的空间变量，而专注于单点的变化。

4　结语

通过对不同试验箱进行高低温变温试验，深入研究了控制温度点位于试验箱不同位置的试验箱在变温阶段的温场分布情况，对试验箱在温度变化情况下的温度分布有了更加深入的认识。对于不同试验箱，中心点温度变化和控制温度相比有一定的差异性，并且试验箱变温率越快，控制温度与中心点温度在变温过程中的差值会随之变大。处于试验箱中的受试产品的不同部位，承受温度梯度应力，对于产品外表面、安装在外表面的零部件或装置靠近外表面的内部零部件，产生物理损坏或性能下降。故在对试验箱选型和验收过程中，通过在风口处设置控制点温度，对于满足均匀度、波动度等指标是可行的，但无法有效覆盖试验箱温变率特性，应对温变率指标的制定和检验加强重视，提高检验手段。在对试验箱选型和验收过程中，应对温变率指标的制定和检验进一步加强重视。

使用环境试验箱施加的温度应力主要包含低温、高温和变温等三种应力形式。使用足够的保温时间可以使参试产品达到低温或高温的环境应力要求，但是温度变化应力的实施常常被忽视。现行的GJB 1032—1990《电子产品环境应力筛选方法》［15］中明确规定了试验箱的温变率要≥10℃/min，在实际操作中甚至有参试产品要求20℃/min的温度变化速率。这种高要求的温度变化应力，工程实践中作用到参试产品实体上如何量化，影响为多少尚待研究。通过对试验箱内部变温过程中的温场特性研究分析表明，在快速变温过程中，试验箱内存在较大的不均匀性。试验箱使用过程中应注意分析这种温场特性对于参试产品的影响，以保证试验结果的正确性，降低过应力和欠应力的情况出现。

［1］GB/T 2423.1—2008，电工电子产品环境试验 第二部分：试验方法试验A：低温［S］.

GB/T 2423.1—2008，Environmental Testing for Electric and Electronic Products—Part 2：Test Methods—Testing A：Cold［S］.

［2］GB/T 2423.2—2008，电工电子产品环境试验 第二部分：试验方法试验A：高温［S］.

GB/T 2423.2—2008，Environmental Testing for Electric and Electronic Products—Part 2：Test Methods—Testing A：High［S］.

［3］ASTMD2436-68，TechnicalSpecificationforForced Convection Laboratory Ovens for Electrical Insulation［S］.

［4］GB 10586—2006，湿热试验箱技术条件［S］.

GB 10586—2006，Specifications for Damp Heat Testing Chambers［S］.

［5］GB/T 5170.2—2008，电工电子产品环境试验设备检验方法—温度试验设备［S］.

GB/T5170.2—2008，InspectionMethodsfor EnvironmentalTestingEquipmentsforElectricand ElectronicProducts—TemperatureTesting Equipments［S］.

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GJB 1032—90，Environmental Stress Screening Method for Electrical Products［S］.

Temperature Characteristics of the Chamber during Temperature Variation

ZHOU Fang，JIA Ye-ning
（Beijing Institute of Structure and Environment Engineering，Beijing 100076，China）

Objective To study the temperature characteristics of the chamber during temperature variation.Methods Temperature field characteristics of the typical chamber were measured and analyzed；the various distribution and influence factors of the temperature characteristics of the chamber during temperature variation were deeply understood.Results The temperature at different positions coincided badly during temperature variation.The higher temperature variability was，the more obvious the nonlinearity in variation was.Conclusion In temperature variation process，inside measurement points are certainly different from control temperature in the chamber，which makes different positions of tested product in the chamber bear temperature gradient stress.For outer surface，parts installed in the surface or inner parts close to the surface，physical damages or performance reduction may be caused.Therefore，special attention should be paid to the effect of this temperature field characteristics on the tested product.

temperature variation；temperature variability；temperature characteristics

2016-03-06；Revised：2016-04-26

10.7643/issn.1672-9242.2016.04.012

TJ01；V216.8

A

1672-9242（2016）04-0072-06

2016-03-06；

2016-04-26

周芳（1976—），女，北京人，高级工程师，主要从事环境可靠性试验与研究。

Biography：ZHOU Fang(1976—),Female,from Beijing,Senior Engineering,Research focus:environment and reliability test technology。