環(huán)境試驗箱溫度均勻性的有關(guān)問題

       試驗箱（室）工作空間的試驗溫度是否均勻是一個非常重要的問題，因為如果溫度不均勻超過了允許偏差，則受試樣品的試驗條件達不到一致，有的樣品或樣品某一部分，試驗溫度偏高，有的偏低，從而產(chǎn)生過試驗或欠試驗的問題，使試驗的再現(xiàn)性差，試驗得出的數(shù)據(jù)不可靠，*終使試驗歸于失敗。本文擬對氣候環(huán)境試驗箱（室）的溫度均勻性有關(guān)問題提出一些看法。

一、各種標準表述試驗箱（室）溫度均勻性的指標及其計算方法

1、均勻度：以溫度均勻度指標來表示試驗箱的溫度均勻性，例如有以下一些標準：

1）英國標準BS389-1965《實驗室濕熱箱技術(shù)條件》：規(guī)定為在**次達到設(shè)定溫度兩小后，用溫差熱電偶連續(xù)測試兩小時，分別計算每一測試點與中心點的溫差平均值，其中*大者即為溫度均勻度，其大小不得超過規(guī)定指標±0.5℃。

2）日本試驗機工業(yè)會，恒溫恒濕箱的性能試驗方法：測溫元件置于上、下四角及中心點，上下四角測溫元件距箱壁距離為各自邊長的1/6且不小于50?處。當(dāng)溫度達到恒定狀態(tài)后，對各測試點每隔一分鐘測試一次，共測十次以上，計算每一測試點與中心點的溫差的平均值，其中*大者即為溫度均勻度。（ESPEC亦采用此指標）。

3）美國ASTMD2436-68《電氣絕緣用強制對流實驗室烘箱技術(shù)條件》：用9只熱電偶，一只在距工作室?guī)缀沃行?/span>25?內(nèi)，其余8只在上下四角且距箱壁50?處。當(dāng)達到設(shè)定溫度并穩(wěn)定16小時后，盡快記錄9支熱電偶的溫度數(shù)據(jù)，然后，每隔5分鐘記錄一次，共記錄得到45個數(shù)據(jù)。計算45個數(shù)據(jù)的平均值作為箱溫。從45個數(shù)據(jù)中選出兩個*大數(shù)和兩個*小數(shù)分別各自減去平均數(shù)，然后從四個差值中選出兩個*大差值并求其平均值，此值就表述箱內(nèi)溫度均勻度。

4）中國JB/T5520—91《干燥箱技術(shù)條件》：對各測試點連續(xù)測試四次，時間≤20min，計算各測試點四次測得的平均值與中心點四次測試的平均值之差，其中*大值與*高工作溫度之比即干燥箱的溫度均勻度，以百分比表示。

5）中國GB10586-89《濕熱試驗箱技術(shù)條件》。各測試點除中心點外，其余各點距箱壁為各自邊長的1/10。當(dāng)溫度達到規(guī)定值并穩(wěn)定2h后，每隔2min測試各測試點溫度一次，在30min內(nèi)共測15次，再隔30min再測一次，以后每隔1h測一次。利用30min內(nèi)15次的測試數(shù)據(jù)，分別算出每次數(shù)據(jù)中*高與*低溫度之差再求其平均值，即為溫度均勻度。

2、溫度偏差：以溫度偏差指標來要求試驗箱工作空間的溫度均勻性，如以下一些標準：

1）在美軍標MIL-STD-810D，4.4.1試驗條件允差中規(guī)定“試樣完全被空氣包圍（必要的支承點除外），試驗區(qū)測區(qū)測理系統(tǒng)的溫度和包圍試件各處的溫度梯度應(yīng)分別在試驗溫度的±2℃以內(nèi)和不超過每米1℃或總的*大值為2.2℃（試件不工作）”

此標準中用±2℃的溫度偏差和1℃/M的溫度梯度來要求箱內(nèi)工作空間的溫度均勻性。

2）在美軍標MIL-STD-202F，2.2.1及MIL-STD-883C，4.5.8中要求工作區(qū)空間內(nèi)任一點的溫度，在給定時間內(nèi)偏離基準點不超過±3℃（即為容許偏差）。

3）在IEC68號出版物及GB2423中，對試驗箱工作空間的溫度均勻性要求以“容差”即對標稱溫度的容許偏差表述。對容差大小，在高溫箱中規(guī)定為±2℃，在低溫箱中規(guī)定為±3℃。

4）在IEC68-2-3，2.1的注中“溫度±2℃的容差是由于考慮到有測量的**誤差，緩慢的溫度變化和工作空間的溫度波動度等”。

5）GB／T5170·21996《電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗設(shè)備基本參數(shù)檢定方法溫度試驗設(shè)備》，規(guī)定“溫度偏差”為試驗箱溫度性能指標的**檢定項目。溫度偏差的檢定方法是：當(dāng)工作空間指示點溫度**次達到標稱溫度后穩(wěn)定2h。測量各測試點溫度，每2min記錄一次各點的溫度，在30min內(nèi)共測量15次。工作空間各測試點的實測*高溫度和實測*低溫度與標稱溫度的上、下偏差定為設(shè)備在該標稱溫度下的溫度偏差。

3、溫度偏差和溫度均勻度兩種表述方法的比較

1）用溫度均勻度指標雖可表示箱內(nèi)工作空間溫度均勻性的好或差，但由于在計算中都采用了多次平均值的方法，從而把各點的溫度波動度因素基本上去掉了。然而對于試驗設(shè)備的溫度性能指標只標出溫度均勻度是不夠的，還必須有溫度波動度指標，即各點溫度隨時間而變化的大小，才能**描述箱內(nèi)溫度場的變化尤其當(dāng)溫度波動較大的情況下。

2）溫度偏差不但反映了工作空間各點溫度的位置誤差，同時也包括了各點溫度隨時間而變化的誤差即溫度波動度。因此溫度偏差更能說明箱內(nèi)的溫度均勻性，一般無需再測試驗箱的溫度均勻度和溫度波動度。只有當(dāng)某些試驗設(shè)備對溫度波動度有特殊要求時，如對濕熱箱，才標出溫度波動度。因為濕熱箱溫度波動度超過±0.5℃時，會帶來較大的濕度波動，增大濕度誤差，從而超過濕度允許偏差。

GB/T5170.2—1996，溫度試驗設(shè)備的檢定方法中，對溫度性能指標只規(guī)定檢定溫度偏差，而對溫度均勻度未作規(guī)定必須檢定，只在附錄B中提示了溫度波動度、溫度均勻度的檢定方法，這樣的規(guī)定是非常正確的。

3）溫度均勻度指標，由于表示各點溫度平均值與中心點溫度平均值的差值，所以有正負號，只有國標的溫度均勻度，因未與中心點比較或與標稱溫度比較，故沒有正負號，所以沒有溫度偏差表示方法清楚準確。

4）目前國內(nèi)一些環(huán)境試驗設(shè)備產(chǎn)品標準仍要求有溫度波動度、溫度均勻度和溫度偏差三項指標，顯然沒有必要。建議在修訂這些標準時采用溫度偏差指標，*多加上一個溫度波動度指標就很**了。而且采用溫度偏差符合美軍標、國軍標，和國際電工委員會相關(guān)標準的要求。

二、試驗箱（室）溫度不均勻產(chǎn)生的原因

1）試驗箱的結(jié)構(gòu)在很大程度上影響工作中間溫度均勻，由于結(jié)構(gòu)難于完全對稱，從而對溫度均勻造成不利影響。大門在前，空調(diào)室在箱后部，上送風(fēng)下回風(fēng)。顯然這種結(jié)構(gòu)左右對稱性好，可較易達到左、右溫度均勻，但結(jié)構(gòu)上、下不對稱，前后也完全不同，對工作空間溫度產(chǎn)生了不均勻影響。盡管如此，這種單風(fēng)道結(jié)構(gòu)如設(shè)計處理得當(dāng)，實踐證明工作室從0.l～300m3，之間都可使用，其溫度偏差都可滿足標準要求。

2）由于箱壁的熱傳導(dǎo)，而產(chǎn)生漏熱（高溫箱）或漏冷（低溫箱）等熱損失，為了補償熱損失必然會有送風(fēng)溫差，高溫箱的送風(fēng)溫度高于箱內(nèi)工作溫度，低溫箱的送風(fēng)溫度則低于箱內(nèi)工作溫度。由于必然存在的送風(fēng)溫差使工作室內(nèi)產(chǎn)生了溫度不均勻。

3）由于箱壁六面?zhèn)鳠嵯禂?shù)不等，有的有穿線孔等局部傳熱．使箱壁溫度不均勻，從而使箱壁幅射對流傳熱也不均勻，影響溫場均勻。

4）箱體的密封性不好，比如大門漏氣，從而影響工作空間的溫場均勻。

5）如果檢測溫度偏差要求工作室內(nèi)放置試品，當(dāng)試品體積過大，或放置的方式或位置不恰當(dāng)，使空氣對流受阻．將產(chǎn)生較大的溫度偏差。

三、提高氣候環(huán)境試驗箱（室）溫度均勻性減小溫度偏差的一些方法

1、減小送風(fēng)溫差和加大送風(fēng)量

送風(fēng)溫差和送風(fēng)量的大小取決于冷負荷（對低溫試驗箱）或熱負荷（對高溫試驗箱）的大小。以低溫箱為例，當(dāng)?shù)蜏叵湟烟幱谀骋坏蜏叵碌暮銣貭顟B(tài)時，此時的冷負荷應(yīng)與送人工作室風(fēng)的制冷量相等，即

Q=V/3600·ρ·γ·△t（w）

∴V=3600Q/·ρ·γ·△t（m3/h）

式中V送風(fēng)量（m3/h）

ρ干空氣的密度（kg/m3）

γ空氣的定壓比熱（J/kg·℃）

△t送風(fēng)溫差，等于出風(fēng)口溫度減工作室溫度（℃）

Q=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5+Q6

式中Q1箱體圍護結(jié)構(gòu)傳熱產(chǎn)生的冷負荷（w）

Q2觀察窗、穿線孔等局部傳熱的冷負荷（w）

Q3風(fēng)機轉(zhuǎn)動由機械能轉(zhuǎn)為熱能的冷負荷（w）

Q4照明燈發(fā)熱而產(chǎn)生的冷負荷（w）

Q5發(fā)熱試品，由于工作時發(fā)熱而產(chǎn)生的冷負荷（w）

Q6其它冷負荷（w）

Q總的冷負荷（w）

在一定的恒溫狀態(tài)下，ρ、γ為常數(shù)，送風(fēng)量與送風(fēng)溫差成反比，為了提高箱內(nèi)溫度均勻性和減小溫度波動，就需減小At，從而增加送風(fēng)量v。但是，△t過小則v會太大，從而增加運行費?；蚴瓜鋬?nèi)的風(fēng)速過高，不符合試驗方法標準的要求。一般送風(fēng)溫差可取△t=1～3℃為宜。

對于高溫試驗箱，道理是一樣的。公式（1）仍適用，只是冷負荷改為熱負荷，而熱負荷所包含的內(nèi)容有所變化而已。

2、提高試驗箱結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性、完善性。

盡量作到結(jié)構(gòu)對稱，如左右、上、下風(fēng)道；如用兩臺風(fēng)機，應(yīng)采用一臺**一臺右旋，使出風(fēng)均勻。如有必要，可在出風(fēng)口安裝調(diào)風(fēng)板，調(diào)節(jié)風(fēng)向，使箱內(nèi)溫度均勻；注意箱體的密封性，防止局部漏氣，選擇優(yōu)良性能的保溫隔熱材料，足夠的保溫層厚度以減少熱損失；箱體內(nèi)膽與外殼之間的連接件應(yīng)有熱隔離措施以減少局部漏熱。從公式（1）可以看到減小冷負荷（或熱負荷）Q就可以減小送風(fēng)量，或減小送風(fēng)溫差。

3、在試驗方法標準允許條件下提高風(fēng)速，以增強空氣在箱內(nèi)的流動，消除死區(qū)，從而使箱內(nèi)的溫度較為均勻。對某些要求風(fēng)量大而風(fēng)速小的試驗箱，如冰箱試驗室，可采用箱頂孔板送風(fēng)，從而達到風(fēng)速小，風(fēng)量大室內(nèi)溫度均勻的目的。

4、在使用試驗箱時要特別注意試品的體積、重量，以及在試驗箱工作空間的擺放位置，有關(guān)標準規(guī)定試品總體積小于工作室的1／5，以留出足夠的通風(fēng)空間，試品的總重量為50～80kg／m3，在各迎風(fēng)面上試品的面積小于諒迎風(fēng)截面積的1／3，以利于風(fēng)的流動。這些規(guī)定對于箱內(nèi)溫度均勻，溫度偏差不超過標準要求起到很好的作用。

5、提高試驗箱的控制精度，減小溫度波動度，從而可減小溫度偏差。對于高溫試驗箱，對加熱功率進行P1D連續(xù)調(diào)節(jié)可以減小溫度波動。對于低溫試驗箱，為了減小溫度波動，通常采用熱平衡方法控溫，即達到設(shè)定溫度后，制冷機仍常開，而用受控的加熱功率來平衡多余的制冷量。為了避免過大的冷熱沖擊，浪費太多能源，常采用調(diào)節(jié)制冷量的措施，減小恒溫時的制冷量，從而所需平衡的加熱量就會減少，這樣就節(jié)省了能量，又提高了控制精度。

溫度傳感器的位置對控制精度有較大影響。為了使其感溫反應(yīng)靈敏，一般將傳感器置于出風(fēng)口附近，從而可提高控制精度，減小溫度波動度，*終減小溫度偏差。

6、調(diào)整溫度場中值，可以減小溫度偏差：溫度上偏差和溫度下偏差常常是不相等的，如果此時溫度上偏差或下偏差超過允許偏差，但上、下偏差之差的二分之一仍小于允許偏差時，則可對設(shè)備的溫度場進行適當(dāng)調(diào)整，從而使調(diào)整后的溫度偏差小于允許偏差。

CB／T5170.2—1996《電工電于產(chǎn)品環(huán)境試驗設(shè)備基本參數(shù)檢定方法、溫度試驗設(shè)備》8.2.1.1中有“在檢定過程中，如果發(fā)現(xiàn)設(shè)備工作空間溫度上偏差或下偏差超出允許偏差值時，應(yīng)檢查溫度場中值是否偏離標稱值，若偏離標稱值應(yīng)對設(shè)備溫度場進行調(diào)整”，調(diào)整值按下式：

△Ta=Tm-TN            （2）

Tm=（Tmax+Tmin）/2      （3）

式中△Ta溫度場調(diào)整值，℃；

Tm溫度場中值，℃；

TN標稱溫度值，℃；

Tmax各測試點在30min（或24h）內(nèi)的實測*高溫度值，℃；

Tmin各測試點在30min（或24h）內(nèi)的實測*低溫度值，℃。

但以上調(diào)整，必須在上、下偏差之差的二分之一小于允許偏差，即

（△Tmax△Tmin）/2<1△T1        （4）

由△Tmax=△Tmax-Tn，△Tmin=△Tmin-Tn代人上式

得：（Tmax-TN）-（Tmin-TN）/2=（Tmax-Tmin）/2<1△T1  （5）

式中1△T1允許偏差；℃；

△Tmax溫度上偏差，℃；

△Tmin溫度下偏差；℃。

*后得出必須*高溫度與*低溫度之差的一半小于允許偏差，調(diào)整溫場才有意義，調(diào)整后的偏差才會小于允許偏差。