溫濕度環(huán)境試驗箱選型指南

一、 設備選擇依據
存在于地球表面及大氣層空間中的自然環(huán)境因素和誘發(fā)環(huán)境因素的種類，目前還無法統(tǒng)計出個確切的數目。其中對工程產品（設備）的使用及壽命影響較大的因素不下幾十種。從事工程產品環(huán)境條件研究的工程師們將自然界存在以及人類活動所誘發(fā)的環(huán)境條件整理歸納為一系列的試驗標準和規(guī)范，用以指導工程產品的環(huán)境及可靠性試驗。如指導軍工產品進行環(huán)境試驗的GJB150—中華人民共和國國家軍用標準《軍用設備環(huán)境試驗方法》,指導電工電子產品進行環(huán)境試驗的GB2423—中華人民共和國國家標準《電工電子產品環(huán)境試驗方法指南》等。因此，我們選擇環(huán)境及可靠性試驗設備時主要的依據是工程產品的試驗規(guī)范和試驗標準。
其次，為了規(guī)范試驗設備中環(huán)境試驗條件的容差，保證環(huán)境參數的控制精度，國家技術監(jiān)督機構及各工業(yè)部門還制訂了一系列的環(huán)境試驗設備及檢測儀器儀表的檢定規(guī)程。如中華人民共和國國家標準GB5170《電工電子產品環(huán)境試驗設備基本參數檢定方法》,又如國家技術監(jiān)督局頒布實施的JJG190-89《電動振動試驗臺系統(tǒng)試行檢定規(guī)程》等。這些檢定規(guī)程也是選擇環(huán)境及可靠性試驗設備的重要依據,不符合這些檢定規(guī)程要求的試驗設備是不允許投入使用的。
二、 設備選擇基本原則
     環(huán)境及可靠性試驗設備的選擇應遵循以下五條基本原則：
1． 環(huán)境條件的再現(xiàn)性
在試驗室內完整而地再現(xiàn)自然界存在的環(huán)境條件是可望而不可及的事情。但是，在一定的容差范圍之內，人們*可以正確而近似地模擬工程產品在使用、貯存、運輸等過程中所經受的外界環(huán)境條件，這段話用工程的語言概括，就是“試驗設備所創(chuàng)造的圍繞被試產品周邊的環(huán)境條件（含平臺環(huán)境）應該滿足產品試驗規(guī)范所規(guī)定的環(huán)境條件及其容差的要求”。如用于軍工產品試驗的溫度箱不僅要滿足國軍標GJB150.3-86、GJB150.4-86中根據不同類型產品所規(guī)定的高溫、低溫的試驗量值、試驗時間，同時也應滿足試驗規(guī)范中對溫度場的均勻性和溫度控制精度的要求。只有這樣，才能保證在環(huán)境試驗中環(huán)境條件的再現(xiàn)性。
2． 環(huán)境條件的可重復性
一臺環(huán)境試驗設備可能用于同一類型產品的多次試驗，而一臺被試的工程產品也可能在不同的環(huán)境試驗設備中進行試驗，為了保證同一臺產品在同一試驗規(guī)范所規(guī)定的環(huán)境試驗條件下所得試驗結果的可比較性，必然要求環(huán)境試驗設備所提供的環(huán)境條件具有可重復性。這也就是說，環(huán)境試驗設備施用于被試驗產品的應力水平（如熱應力、振動應力、電應力等）對于同一試驗規(guī)范的要求是一致的。
環(huán)境試驗設備所提供環(huán)境條件的可重復性是由國家計量檢定部門依據國家技術監(jiān)督機構所制定的檢定規(guī)程檢定合格后提供保證。為此，必須要求環(huán)境試驗設備能滿足檢定規(guī)程中的各項技術指標及精度指標的要求，并且在使用時間上不超過檢定周期所規(guī)定的時限。如使用非常普遍的電動振動臺除滿足激振力、頻率范圍、負載能力等技術指標外，還必須滿足檢定規(guī)程中規(guī)定的橫向振動比、臺面加速度均勻性、諧波失真度等到精度指標的要求，而且每次檢定后的使用周期為二年，超過二年必須重新檢定合格后才能投入使用。
3． 環(huán)境條件參數的可測控性
任何一臺環(huán)境試驗設備所提供的環(huán)境條件必須是可觀測的和可控制的，這不僅是為了使環(huán)境參數限制在一定的容差范圍之內，保證試驗條件的再現(xiàn)性和重復性要求，而且從產品試驗的安全出發(fā)也是必須的，以便防止因環(huán)境條件失控導致被試產品的損壞，帶來不必要的損失。目前各種試驗規(guī)范中大體要求參數測試的精度不應低于試驗條件允許誤差的三分之一。
4． 環(huán)境試驗條件的排它性
每一次進行的環(huán)境或可靠性試驗，對環(huán)境因素的類別、量值及容差都有嚴格的規(guī)定，并排除非試驗所需的環(huán)境因素滲透其中，以便在試驗中或試驗結束后判斷和分析產品失效與故障模式時，提供確切的依據，故要求環(huán)境試驗設備除提供所規(guī)定的環(huán)境條件外，不允許對被試產品附加其它的環(huán)境應力干擾。如電動振動臺檢定規(guī)程中所限定的臺面漏磁，加速度信噪比、帶內帶外加速度總均方根值比。隨機信號的檢驗、諧波失真度等精度指標都是為了保證環(huán)境試驗條件的性而制定的檢定項目。
5． 試驗設備的安全可靠性
環(huán)境試驗，特別是可靠性試驗，試驗周期長，試驗的對象有時是價值很高的軍工產品，試驗過程中，試驗人員經常要在現(xiàn)場周圍進行操作或測試工作，因此要求環(huán)境試驗設備必須具有運行安全、操作方便、使用可靠、工作壽命長等特點，以確保試驗本身的正常進行。試驗設備的各種保護、告警措施及安全聯(lián)鎖裝置應該*可靠，以保證試驗人員、被試產品和試驗設備本身的安全可靠性。
三、 溫濕度箱的選擇
1． 溫濕度箱容積的選擇
將被試產品（元器件、組件、部件或整機）置入氣候環(huán)境箱進行試驗時，為了保證被試產品周圍氣氛能滿足試驗規(guī)范所規(guī)定的環(huán)境條件，氣候箱工作空間尺寸與被試產品外廓尺寸之間應遵循以下幾點規(guī)定： 
a) 被試產品的體積（W×D×H）不得超過試驗箱有效工作空間的（20-35）%（推薦選用20%）。對于在試驗中發(fā)熱的產品推薦選用不大于30% 。
b) 被試產品的迎風斷面積與該斷面上試驗箱工作腔總面積之比不大
于（35-50）%（推薦選用35%）。
c) 被試產品外廓表面距試驗箱壁的距離至少應保持100-150mm，
（推薦選用150mm）。

上述三點規(guī)定實際上是相互依存和統(tǒng)一的。以1立方米正立方體箱子為例，面積比為1：（0.35~0.5）相當于體積之比為1:(0.207~0.354)。距箱壁100-150mm 相當于體積之比為1:(0.343~0.512)。
總括上述三點規(guī)定,氣候環(huán)境試驗箱的工作腔容積至少就是被試產品外廓體積的3~5倍,作出這種規(guī)定的理由有以下幾點:
1） 被試驗件置入箱體后擠占了流場中氣流的通道，通道變窄將導致氣流流速的嗇。加速氣流與被試驗件之間的熱交換，這與環(huán)境條件的再現(xiàn)性不符，因為在有關標準中對涉及溫度環(huán)境試驗都規(guī)定試驗箱內試驗樣周圍的空氣流速不應超過1.7m/s，以防止試驗樣件和周圍氣氛產生不符合實際的熱傳導，在空載時試驗箱內平均風速為0.6~0.8m不超過1m/s，滿足a)、b）兩點要求所規(guī)定的空間及面積比時，流場的風速可能增大（50~100）%，平均高風速為（1.17）m/s，滿足標準規(guī)定的要求。如果在試驗中不加限制地加大試驗件的體積或迎風斷面積，則實際試驗時氣流風速將增大到超出試驗標準所規(guī)定的高風速，其試驗結果的有效性將受到懷疑。
2） 氣候箱工作腔內環(huán)境參數（如溫度、濕度、鹽霧沉降率等）的精度指標都是在空載狀態(tài)下檢測的結果，一旦置入被試驗件后，對試驗箱工作腔內環(huán)境參數的均勻性將產生影響，試驗件占有的空間越大，這種影響也就越嚴重。實測試驗數據表明，流場中迎風面與背風面的溫差可達到3~8℃，嚴重時可大到10℃以上。因此，必須盡量滿足a)、b)兩項要求，以保證被試產品周圍環(huán)境參數的均勻性。
3） 根據熱傳導的原理，箱壁附近氣流的溫度通常與流場中心溫度相差2~3℃，在高低溫的上下*，還可能達到5℃。箱壁的溫度與箱壁附近流場的溫度又相差2~3℃（視箱壁的結構和材料而定）。試驗溫度與外界大氣環(huán)境溫度相差越大，上述溫差也越大，因此，距箱壁（100~150mm）距離內的空間是不可利用空間。
2． 溫度范圍
目前，國外溫度試驗箱的溫度范圍大體上為（-73 ~ +177℃），或（-70 ~ +180℃）。國內多數廠家為（-70 ~ +120℃），也有高溫到150℃。這個溫度范圍通常可以滿足輛絕大多數軍用、民用產品溫度試驗的需要，除非確有特殊需要，如安裝位置靠近發(fā)動機等熱源的產品外，不可盲目利用的工作腔體積也就越小。另一方面，上限溫度越高，對箱壁夾層中保溫材料（如玻璃棉等）的耐熱性要求也越高。箱體密封性的要求也越高，使箱體的制作成本增加。
3． 濕度范圍
國內外環(huán)境試驗箱給出的溫度指標大體上都是20~95%RH或20~98%RH，其實這兩個指標是*一致的，因為濕度控制精度通常為±(3~5)% RH,而大濕度只可能是100% RH,值得注意的是在濕度指標后面應該注明相應的溫度范圍,或給出低露點溫度.因為相對濕度是與溫度直接相關的,對于同樣的含濕量,溫度越高,相對濕度就越小,如含濕度量d為5g/kg (指1公斤干空氣中含有5克的水蒸汽),當溫度為29℃時,相對濕度為20% RH,溫度為6℃時,相對濕度為99% RH,當溫度降至4℃以下,相對濕度超過100%,在箱體內會出現(xiàn)結露現(xiàn)象。
實現(xiàn)高溫、高濕只需要往箱體空氣中噴水蒸汽或霧化的水珠，進行加濕。低溫低濕則相對難于控制，因為此時的含濕量很低，有時比大氣中的含濕量低很多，需要對箱體內流動空氣除濕，使空氣變得更干燥。目前國內外絕大多數的溫濕度箱都是采用制冷除濕的原理，是在箱體的空氣預調室內加一組制冷光管。當濕空氣經過冷管時，其相對濕度會達到100% RH，因空氣飽和在光管上結露，使空氣變得更干燥。這種除濕方式理論上可達到零度以下的露點溫度，但是當冷點表面溫度到達0℃以下。實際所達到的低露點溫度為5~7℃。露點溫度5℃相當于含濕量為0.0055g/kg ，對應相對濕度20%RH 的溫度為30℃。如果要求溫度20℃時相對濕度達到20% RH ，此時的露點溫度為-3℃，采用致冷方式除濕是很困難的，必須選用空氣干燥系統(tǒng)才能實現(xiàn)。
4． 風速
有關標準規(guī)定，進行環(huán)境試驗時溫濕箱內的風速應小于1.7m/s，風速過大會加速試驗件表面與箱體內流動氣流的熱交換，于試驗不利，但是在溫度、濕度、振動等多因素綜合環(huán)境試驗中，為追求高的變溫速率，必須加快箱體內循環(huán)氣流的流速，風速通常在2.5~3.0m/s。因此，對于不同的使用目的，風速的限制是不一樣的。
5． 溫度場
為了更正確地模擬產品在自然界所遭受的實際環(huán)境狀況，在環(huán)境試驗中必須保證被試產品的周邊能處在同一溫度環(huán)境條件下，為此，必須對試驗箱內的溫度梯度和溫度的波動度加以限制。在國軍標GJB150.1-86軍用設備環(huán)境試驗方法總則中明確規(guī)定“試驗樣品附近測量系統(tǒng)的溫度應在試驗溫度的±2℃以內,其溫度梯度不超過1℃/m或總的大值為2.2℃（試驗樣品不工作）”。如上面所述，對溫度場的要求包括三個方面：
a） 溫度量值的準確性。
試驗規(guī)范給定的是試驗溫度名義值（標稱溫度值），試驗設備測出的是溫度場中心蹼（或出風口、回風口） 試驗溫度實際值（工作空間指示點溫度），這兩者之間存在一個誤差。
b) 溫度波動度。
溫度實際值的數據不是一個常值，是一個隨時間的延續(xù)上下波動的量，用時間統(tǒng)計平均可以得到一個數學期望值（均值），和一個標準差。
按試驗規(guī)范的要求，上述兩項，即包含數學期望值與名義值的誤差即系統(tǒng)誤差）加上標準差（即隨機誤差）的總和（溫度控制精度）不大于所規(guī)定的誤差范圍，GJB150.1-86中規(guī)定為±2℃。
按國標GB/T5170.1-1995規(guī)定試驗箱的溫度偏差是指試驗箱在穩(wěn)定狀態(tài)下，工作空間各測試點在規(guī)定時間內實測高溫度和低溫度與標稱溫度的上下偏差。高溫溫度偏差不大于±2℃，低溫溫度偏差不大于±3℃。
c) 溫度場梯度。
這個指標是控制箱體內溫度場的均勻性。也就是在空間的延拓上保證被試產品周邊的溫度具有一致性。國軍標GJB150中規(guī)定溫度梯度為1℃/m的要求通常用于3m3以上的試驗箱，而大值為2.2℃則多用3m3以下的試驗箱。
從理論上講，溫度梯度對所有的產呂試驗都適用，但是在風速大于1.7m/s的試驗箱內，由于流場內氣流旋窩作用增強，流場的均勻性變壞，很難達到國軍標GJB150要求。另一方面，在追求高變溫速率（如大于10℃/m）的試驗箱內，必需加大氣流的風速（大于2m/s），此時被試產品迎風面和背風面的溫差隨著風速的增大而增加，因此，在有關試驗規(guī)范及檢定規(guī)程中對追求高變溫速率的溫濕度箱沒有提出嚴格的溫度場均勻性的要求。當然對于環(huán)境試驗設備制造商而言，都在努力實現(xiàn)高的變溫速率和好的溫度場均勻性兼而有之的產品，以滿足用戶的要求。如美國環(huán)測公司（Envirotronics）生產的溫濕度箱，變溫速率15℃/m時，溫度場的均勻性在±2.2℃之內。
6． 濕度的精度控制。
環(huán)境試驗箱中測量濕度多數是采用價格低廉的干濕球法，在高濕（80~100%RH）情況下，干濕球溫差1℃，對應于相對濕度相差5%左右。根據測試裝置的精度不應低于試驗條件允差三分之一原則（見國軍標GJB150.1-86），溫差1℃要求干球和濕球本身溫度測量的允差為±0.7℃，則溫度的測量精度液壓達到0.2℃。依此類推，相對濕度誤差為±3%RH。要求溫度測量精度應達到±0.1℃。故采用干濕球法測量相對濕度的誤差通常為±（3~5）% RH，溫度測量精度如此，濕度的控制精度也就可想而知了。
為克服干濕球法測量精度不高，且受人為操作影響過大的缺點，近十幾年固體式濕度敏感頭（如電容式濕度傳感器）在解決了低溫（-55~70℃）下使用的問題后，已開始應用到環(huán)境試驗設備中，其測量精度可達到±1~3%RH。美國不測公司生產的溫濕度箱均已配置固體式濕度傳感器。
濕度的控制精度除了受測濕手段制約外，還與加濕方式有關，在環(huán)境試驗箱中加濕的方法很多，通用的有以下三種：
1） 水盤式加濕。分為自然蒸發(fā)和電加熱蒸發(fā)，此種加濕方法加濕的速率慢。控制精度較低，多適合于恒溫恒濕箱。
2） 噴蒸汽加濕。加濕的速率快，但加濕的波動度大，容易實現(xiàn)快速控制，控制精度較好，但由于噴入100℃蒸汽，對箱內的溫度狀態(tài)會產生少量的干擾。
3） 噴霧化的水。霧化水的微粒直徑大體在10~50μ此種方法具有噴蒸汽加濕的優(yōu)點，又不需要外置蒸汽鍋爐，并且可以調整噴水微粒的溫度和箱體內試驗溫度相同，是一種比較好的加濕方式。
7． 露點溫度選擇
露點溫度是指在給定的含濕量不變的條件下，使?jié)窨諝饫鋮s到飽和狀態(tài)（相對溫度為100% RH）時的那個溫度。因此，給出了空氣狀態(tài)的露點溫度，也就給出了空氣的含濕量，從空氣的焓——濕圖就可以查到對應此含濕量時不同溫度下的相對溫度值。露點溫度越低，說明箱體內空氣的含濕量越小，對應同一溫度下的相對濕度也越小。一個溫濕度環(huán)境試驗箱所能達到的低露點溫度與所采用除濕方式有關，通常采用的制冷除濕的辦法，低露點溫度約為5~7℃，經過長時間的穩(wěn)定除濕，露點溫度也可到達2~5℃，若一定要求露點溫度到達0℃以下，則需要采用固體吸濕劑或液體吸濕劑等附加裝置，或其它干燥除濕裝置。如美國環(huán)測公司生產的溫濕度箱可選配露點溫度為-40℃的干空氣吹掃系統(tǒng)和空氣干燥系統(tǒng)。
四、 溫濕度試驗設備狀況分析
1） 溫濕度環(huán)境試驗設備的生產是一個持續(xù)了幾十年的機械制造行業(yè)，其基本技術（如制冷，加熱）已經成熟。但是隨著工業(yè)技術的進步和發(fā)展，很多新的應用技術不斷被引入到環(huán)境試驗設備中，如計算機技術、模糊控制理論、多箱同步運行等，因此，很難給制造廠家下一個孰優(yōu)孰劣的武斷性結論。各個生產廠家積幾十年的制造經驗所生產垢設備都是可以使用的，其工作原理、所應用的技術，甚至結構、材料等都有很多相似之處。只要生產廠家管理精細，以質量認真負責（如通過ISO9000論證），其產品都有存在的條件和使用的價值。
2） 國內國外的環(huán)境試驗設備雖然工作原理、應用技術等基本相同，但在下述三個方面仍存在差距，造成國內生產的環(huán)境試驗設備使用中故障率高，性能指標的持續(xù)保證期比國外短。
a) 元器件、部件的質量相對較差，尤其是制冷壓縮機組、膨脹
閥、主通路電磁閥及控制系統(tǒng)的電子元器件。國內生產的環(huán)境試驗設備的故障中，多數是由元器件、部件的質量及使用壽命而引發(fā)的。
b) 生產工藝相對落后。生產工藝及設備，包括施工人員的技術水平，對產品的使用壽命影響較大。如制冷系統(tǒng)中管道布置涉及運轉中管道的諧振，制冷劑流程中的沿程損失，維修物方便性，壓縮機油的全程回收流暢等。再如管路的焊接工藝及質量，管路清洗及檢漏技術等。生產的設備（如數控變板、數控彎管、充氮保護焊機等）可以用錢很快買到，但生產工藝卻是一個長期的經驗積累過程，不可一鞠而蹴。
c) 生產過程的質量控制。國內生產過程的質量控制遠不如國外公司那么嚴格，因此設備的隱患較多。這些隱患在使用中會逐漸暴露而形成故障。生產過程的質量控制與生產廠家的管理水平、生產習慣有關，通過ISO9000的論證是生產過程質量控制走上規(guī)范化的一個標志。
3）國外生產溫濕度環(huán)境試驗設備的廠家有美國的Envirotronics（環(huán)測）、Thermotron（熱測）、德國的Weiss、Votsch（富奇）公司、意大利的ACS公司、日本的TaBal公司等。上述各家公司在生產氣候環(huán)境試驗設備方面都積累了豐富的經驗。提供的設備都是供使用的，在質量上都可信賴。至于究竟應該選用哪一家，哪一種型號產品更符合要求，除了本文前面所述的一些原則和具體的技術指標要求外，還有一些值得重視和考慮的因素。
a) 性能/價格比。
環(huán)境試驗設備的進口無一例外都是通過代理商在國內進行銷售，價格的因素不僅取決于生產廠家的成本和利潤，還包含著很多中間環(huán)節(jié)的費用及銷售提成。在相同的制造成本下，降低中間費用是降低訂貨價格的重要因素。同一國家相同技術指標的產品，制造成本大體相當，不同國家（指西方發(fā)達國家）生產的產品即使有差別也不會太大。
b) 滿足用戶需要的程度和能力。
用戶訂購一臺溫濕度環(huán)境試驗箱，其要求依產品試驗的需要而不同，如有的三綜合試驗箱常常用于產品部件或組件的環(huán)境應力篩選試驗，此時設備的強制除濕能力以及附加空氣干燥系統(tǒng)的可能性是用戶應該重點關心的項目，如果有的用戶想利用三綜合試驗箱作環(huán)境試驗（如濕熱試驗），則風速的可調整性就是必須考慮的因素。
c) 售后服務及設備故障的處理能力。
任何一臺設備在使用中不可能不出故障，一旦出現(xiàn)問題使用者能否享受到及時的維修服務，或者能根據設備自身具有的故障診斷能力很快確定出故障處理方法，使設備盡快恢復性能，重新投入使用。在這方面，國內外的生產廠家都已經或正在作出積極的努力，如建立快速反應的維修隊伍，如在計算機控制系統(tǒng)中增加故障診斷及故障預警系統(tǒng)軟件，用戶可根據計算機提供的信息，盡快處理故障。