气候试验中试验箱使用的问题和建议

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0引言

GJB150A[1]是一个包含有27个试验方法的环境试验系列标准，如气候试验标准、生物和化学试验标准、动力学试验标准和综合环境试验标准等。这些试验方法所用的试验设备产生模拟或加速应力环境的途径多种多样，有的是用固体直接传递，如振动冲击、加速度和结冰、冻雨试验；有的是用液体作为介质传递或产生，如淋雨、浸渍、流体污染试验；有的则是靠生物和化学直接、间接作用，如霉菌、盐雾酸性大气试验；有的是靠光声物理作用，如噪声试验和太阳辐射试验；有的是以空气作为介质，如温度试验。还有些试验是靠多种途径同时作用，如太阳辐射试验依靠光和空气（作用）；湿热试验依靠水汽和空气；沙尘试验依靠沙和空气等。可以说有相当部分的气候试验方法中环境试验条件的实现与空气流动（即风速）有密切关系，空气作为一种介质既可以起到传递热量的作用，也可以作为一种载体携带沙、尘、雨滴运动。因而，风速在一些气候试验方法中成为一个试验条件或保证试验温度科学合理的重要因素，这些气候试验方法中均对其作出了一些定性或定量的规定，本文对这些规定进行分析和讨论。

1典型标准中对风速的要求

1.1GJB150A中的风速要求

GJB150A中的3个温度试验、太阳辐射试验、湿热试验、沙尘试验、霉菌试验等均对试验箱中的风速作了明确的规定，如表1所示。

1.2GB/T2423[2]中的风速要求

1.2.1温度试验中的风速要求1）一般规定众所周知，GJB150系列标准对标于美国军用标准体系，GB/T2423系列标准则对标于欧洲IEC标准体系，两者制定环境试验方法标准的思路有一定的差别。就试验方法中的风速要求而言，GJB150[3]的温度试验标准中定量规定了试验箱中的风速；而GB/T2423的高、低温试验标准则是作一个定性规定，如下所述：①试验箱（室）工作空间内，为能保持本标准中所规定的温度条件及容差值，可以用强迫空气循环来保持温度均匀。②在无强迫空气循环试验情况下，试验箱（室）与试验样品大小及其散热总量比较起来应足够大，要大到可以模拟“自由空气条件的影响”。③用强迫空气循环的试验箱（室）进行试验时，风速要尽可能低。2）自由空气条件①GB/T2423的定义无限大空间内的条件，在该空间内，空气的运动只受散热试验样品本身的影响，试验样品辐射的能量由周围空气全部吸收。②GB/T2423.2附录A中规定的满足“自由空气条件”的条件试验样品体积等于或小于1dm3的情况下，功率散耗等于或小于50W时，任何试验样品表面与箱壁之间的最小距离不小于10cm；功率散耗大于50W而不超过100W时，任何试验样品表面与箱壁之间的最小距离不小于20cm。试验样品体积大于1dm3的情况下，任何试验样品表面与箱壁之间的最小距离为10cm，或者当其单位表面面积的散热量大于GB/T2423.2附录A图1中10cm对应的散热量时的更大的距离。试验箱与试验样品的体积比不小于5:1。试验样品应尽可能地放置在试验箱（室）的中心，使得试验样品任何部分与箱壁之间有足够大的空间。3）试验方法中的考虑①非散热样品非散热试验样品（带负载工作时，表面温度与周围空气温度的差值不超过5℃的试验样品）的试验均可在能进行空气循环的试验箱中进行，其空气循环的目的仅是使试验箱提供规定的温度条件且其容差满足规定要求。②散热样品对于散热试验样品，考虑到空气循环时风速对散热样品有较大的影响，专门规定了一套试验方法，其流程如图1所示。从图1可知，该方法首先是要在常温下测量试验样品，负载工作时达到温度稳定后，可以同时测量其表面若干点的温度，并找出表面温度相对环境空气温度最大的温升值。而后开动试验箱的气流循环系统、加上负载，使试验样品再次工作并达到温度稳定，再次测量上面各测点温度得到相对于环境空气温度最大的温升值，并将其与上一步不通风时测得的最大温升值进行比较。显然，由于空气流动带走热量，开启气流循环系统后达到温度稳定状态时的温升必然要小于无气流循环时的温升，如果这两个温升差值小于3K（低温）/5K（高温），表明气流对于热效应的影响不大或在允许范围内，则不必调节试验箱循环气流的风速，直接用此试验箱进入后面的试验步骤，即施加环境温度、待温度稳定后进行中间检测和恢复到常温后进行最终检测。如果通风后使温升值的减小量达到或超过规定值，如大于低温试验规定的3K、高温试验规定的5K或者其他允许限值，则表明循环气流的风速太大，应降低风速使其表面温升量增加。若风速调整能达到规范要求，则可用以该风速进行气流循环的试验箱完成后续步骤的试验；如果仍不能达到规范要求，则要按照能确保受试产品试验时的表面温升与使用状态表面温升相同的试验方法B进行试验（有关方法B可参见GB2423/T.1/2中的相应条款和附录）。

1.2.2其他试验中的风速要求GB/T2423中其他相关试验中的风速规定如表2所示。

2风速要求分析

2.1GJB150A中规定的风速要求分析

1）温度试验GJB150A中的高温、低温和温度冲击试验明确规定，试件（试验样品）附近的风速不超过1.7m/s，其目的是防止在试件中产生与实际不符合的热传递。风速越大，单位时间内气流从试件表面带走的热量越多，表面温度降低得越多，往往与实际情况不符，使试验结果失真。若知道实际环境的风速，应优先使用。而大多数情况下是无法知道实际环境的风速的，因此标准规定一个统一的风速，有利于确保试验结果的可比性和重现性，这是一个工程处理方法。需要说明的是，最好的方法是在没有风速的环境下，即GB/T2423中所述的“自由空气条件”中进行试验。但实现这一目标需要试验箱的容积很大，往往是不实际的，而且用试验箱的加热或制冷系统施加温度应力时，为保证热量快速传递和在试验箱内各处温度尽量一致，并在规定的温度容差范围，必须依靠气流循环运动。即便如此，由于存在空气流动死角及试验箱本身的传热作用，不可能使试验箱内各处的温度完全一致，靠近试验箱箱壁附近的空间往往达不到容差范围。因此温度试验方法中往往规定一个有效容积，在此容积外即靠近试验箱壁一定范围（如10cm）内不能放置试件。2）太阳辐射试验从表1可以看出，太阳辐射试验条件中也有温度的要求，因而同样存在风速对试验样品表面产生热效应影响的问题；但太阳辐射本身也引起产品的升温，而风速则是影响太阳辐射引起产品升温的关健。GJB150.7A和GB/T中均指出，1m/s的风速就能导致产品表面温升减少20%。当然，试件的升温还与产品表面的颜色和粗糙度等影响其对阳光反射率的因素密切相关。因此这一试验中要求试件附近的风速尽可能小，通常保持在0.25～1.5m/s。最好在试验前了解或测定试件在自然环境条件下的最高响应温度，根据这一响应温度来控制或调节风速。3）湿热试验湿热试验对风速的规定与温度试验大致相同，但是增加了一个“风速下限0.5m/s”。0.5m/s这一较大的风速或许是有利于保证密度比干空气大的湿空气更好地运动和更快速地达到均匀分布。湿热试验中明确规定，流过湿球传感器的风速不低于4.6m/s，并避免受风扇热量的影响，这一要求并不是指确保湿热箱中空气温、湿度均匀的循环气流的风速，而是指干湿球温度计附近的局部风速，目的是保证干湿球测湿法中干湿表系数（A值）达到稳定状态。众所周知，当流过干湿球附近的风速大于2.5m/s以后，A值接近于一个常量，从而使计算得到的相对湿度值更接近正确和具有可比性。4.6m/s的风速当然能够满足这一要求，有关干湿表系数与风速的关系详见参考文献[5]。4）霉菌试验霉菌试验对风速的要求与湿热试验一样。由于担心试验箱内过大的风速会吹走喷洒在试件（试片）表面的菌种，从而影响霉菌生长，使试验结果失真。中国航空综合技术研究所曾就风速对长霉程度的影响进行过试验研究，结论是几乎没有影响。因此规定不大于1.7m/s的风速是合理的。5）沙尘和淋雨试验从表1看出，沙尘试验对风速作出了与温度、湿度和霉菌试验不同的规定，吹沙、吹尘和降尘3种试验有不同的风速要求，这是因为在沙尘试验中，风作为沙和尘的载体带动沙尘运动，以模拟自然环境中的沙尘流动速度或沉降速度。风速不仅使试件暴露于沙和尘的环境中，而且还使沙尘以一定速度冲撞试件表面，从而加强沙尘的渗透、机械撞击和切割作用。因此这一试验中的风速已经成为主要的试验条件，而不仅仅是对温度的影响因素。淋雨试验中的水平风速也是一个试验条件。

2.2GB/T2423.1/2中规定的风速要求分析

2.2.1温度试验

1）高、低温试验从上述内容可以看出，GB/T2423.1/2标准中用另一种方式来实现试验中防止风速降低热效应的影响，GB/T2423标准不规定试验箱风速的具体数值，而是将试件分为散热试验样品和不散热试验样品2种类型。对于不散热试验样品，从试验样品体积与试验箱的容积比和试验样品距箱壁最近距离方面作出规定，以满足“自由空气条件”，也允许用适当的循环气流来保证试验箱内温度条件和容差满足规定要求，但未规定风速的具体数值，只是要求尽可能小。对于散热试验样品，先对试验箱的有/无循环气流时产品表面最高温升值进行测量和比较，再按照循环气流对产品表面最高温升值下降的影响分3种情况区别对待。当产品表面温升下降在较小的范围（如低温3K或高温5K）内，则直接使用该试验箱进行试验；当温升下降超过规定值（如低温3K或高温5K），则设法调节试验箱风速，使其符合要求后按照调整后的风速使用该试验箱进行后续试验；若无法通过调节试验箱的风速使产品表面温升下降值满足规定值时，则须改用能确保试件表面温升与实际使用中表面温升一致的方法B进行试验。GB/T2423的这些方法比GJB150.3A/4A/5A中的规定似乎更合理，但是由于事先要进行一系列测量和调整，试验工作量大、可操作性很差，因此目前很少有单位按此方法进行试验。2）温度变化试验GB/T2423.22温度变化试验实际上包括温度冲击试验和温度变化试验两种类型。GB/T2423.22Na是规定转换时间的快速变化试验，实际上与GJB150.5A一样，同属温度冲击试验，只是其温度条件选用方法和转换时间等参数不同。要说明的是，GB/T2423.22Na和Nb均规定箱内空气流速不小于2m/s，意味着风速必须在2m/s以上，这一要求正好与GJB150.5A的规定相反，也违背了GB/T2423.1/3温度试验不用大风速的原则。风速不小于2m/s这一原则只适用于环境应力筛选箱和可靠性试验用的快速温度变化箱，不适用于必须考虑风速对热传递影响的环境试验中的快速温度变化试验。

2.2.2其他相关试验

1）湿热试验湿热试验包括恒定湿热试验和交变湿热试验。这两类试验均未对干湿球温度计附近的风速作出明确规定，但这两个风速是必须考虑的因素。2）霉菌试验标准中将风速规定为1m/s，而不是GJB150.10A中规定的0.5～1.7m/s，对干湿球温度计附近的风速也没有作出规定。风速规定不是一个范围，而是定值1m/s且没有容差，这是不实际的，对干湿球附近的风速不作规定同样是不恰当的。3）太阳辐射试验标准中未规定风速，只是定性要求可以控制和监测风速，而且风速要尽可能小。这样的规定显得过于原则，不具有实际指导意义。但标准中提出可通过加热或冷却试验箱箱壁的办法来避免采用高风速，这类做法有一定的道理，但必须注意箱壁辐射传热是造成试验样品各部分加热/冷却不均匀的重要因素，因此需要权衡各方面因素确定实际应采用的试验方法。4）沙尘试验标准中推荐了一组风速，以便根据具体情况选用（与GJB150.12A一样，风速也是试验条件），但GJB150.12A中则对风速作了明确规定，不是根据具体情况选用。

3标准理解和实施中存在的问题

上述介绍和分析表明，各个涉及风速的试验方法标准对风速作出的定性或定量的规定有3种不同目的：第一是为了减少风速引起的产品表面温度下降，尽量避免产生与实际使用中不相同的热传递；第二是为了确保干湿度温度计测量法所得结果的正确性；第三是为了产生模拟实际使用中可能遇到的风强度，产生所需速度的沙尘、淋雨等环境条件。理解这些要求的目的和原理，是正确贯彻实施相关标准的基础，在实际应用中，若不能全面、正确地理解和执行，就会采取一些不适当做法，主要如下所述。

3.1不用专门的温度试验箱进行温度试验1）用干燥箱进行温度试验众所周知，干燥箱的主要用途是在生产车间中用来烘干小型物品，如电焊条等，不是用于进行温度试验的，一般不按照温度试验标准中对试验箱的要求选择箱壁材料和进行结构以及温度控制系统的设计，因此箱内的温度均匀度和风速不能满足温度试验要求，尤其是风速一般远超过1.7m/s，不能用来进行温度试验。2）用ESS箱和快速温度变化箱进行温度试验GJB1032《电子产品环境应力筛选方法》中规定环境应力筛选（ESS）设备要能产生＞5℃/min的温度变化速率（全程平均值），美国军用手册MIL-HDBK-2164A《电子设备环境应力筛选方法》进一步要求设备能达到＞10℃/min的温度变化速率；GJB899《可靠性鉴定和验收试验》则要求温度箱的温度变化速率可达到30℃/min，以模拟军用装备实际使用中遇到的各种温度变化速率。要达到这样的温度变化速率，必然要求提高空气循环的速度，因此ESS箱和环境与可靠性试验用的快速温度变化箱中的风速一般均超过4m/s，远高于温度试验方法标准中规定的1.7m/s，显然不适用于进行高、低温试验。如果想要做到一箱多用，必须按标准中对温度试验箱的要求对箱体进行设计改造，同时使风速可调，并在用于进行温度试验前，将风速调到＜1.7m/s，并按相关要求对试验箱进行检定，通过检定后才能使用。

3.2不注意干湿球温度计附近的风速测量涉及相对湿度试验条件的环境箱，一般均布置有干湿球温度计用于测量和控制试验箱内的相对湿度。按照干湿球测湿法的原理，干湿球温度计附近的风速超过2.5m/s时，干湿表系数才趋于恒定，从而据此测量和计算得的相对湿度才能正确并且有可比性。目前各实（试）验室使用这些试验箱的过程中，均未对干湿球温度计附近的风速进行测量，试验设备厂家也不提供该位置的风速量值，设备检定时也不检定该位置的风速和提供相对湿度检定点位置的风速。因此，试验设备的相对湿度测量值的正确性是模糊的，这可能与GJB150标准中没有这方面的规定有关。GJB150A已明确规定了干湿球温度计附近的风速为4.6m/s，这一规定迫使试验设备用户和试验设备检定单位注意和遵循干湿球法相对湿度测量的风速要求。若试验设备制造商在其试验箱温、湿度控制系统中，已将湿度计附近的实际风速（不一定≥2.5m/s或达到4.6m/s，但使用中应是不会变化的）对应的A值和相对湿度计算公式纳入系统的软件，从而可以方便地指示出不同干湿球温度和干湿球温差时的相对湿度，则应在试验设备使用说明书中有所交代。须说明的是，如果不使用干湿球法测量相对湿度，当然不必遵循这一原则。

3.3试验箱内的风速检定目前气候环境试验箱使用中，各实（试）验室均对试验箱内的温、湿度进行检定，确认其提供温、湿度的能力和温度允差能满足相关标准要求，但往往不检定试验箱内的风速。试验方法标准中对温度试验箱风速的要求为≤1.7m/s。这虽然是一个单方向范围，也有检定的必要，检定合格的依据是试验箱有效容积内各处测得的风速最高不超过1.7m/s；对于湿热试验风速应在0.5～1.7m/s范围内；对于太阳辐射试验，风速应在0.25～1.5m/s范围内。考虑到试验箱中装入试验样品后会改变循环气流流动方向及其速度，因此标准中更明确规定了试件附近风速，这就要求试验过程中直接测量风速并满足要求。因此GJB150.7A《太阳辐射试验》还要求试验箱内的风速是可调的，以便在试验前，根据装备在自然太阳辐射环境下测得的最高响应温度来调整风速的大小，保证试验样品上该点的温度与此响应温度一致，并在试验过程中不断测量和记录风速。可见试验单位应配备相应的风速测量系统，并掌握相应的风速测量技术。

3.4尚未见到按GB/T2423规定进行高、低温试验GB/T2423的高、低温试验方法比较复杂，首先要通过温度测量确定试验样品是散热样品，还是不散热样品。不散热试验样品的试验与GJB150A中规定的类似；对于散热试验样品，则要求通过在试验箱内对有/无循环气流两种状态下的受试产品表面温升差别的大小，判断风速对热效应的影响，若影响不大可按非散热试验样品的方法进行试验；若影响偏大，则应调节试验箱风速，使其影响减小到符合要求后再用此箱进行试验。无法通过调节风速来降低热效应影响时，则须改用控制样品表面温度，使其与实际使用中表面温度一致的做法进行试验。该方法要求试验箱应配备风速测量系统并能进行风速调节，因此试验人员应掌握风速测量和调整的技术。

4结束语

1）气候试验方法中，风速要求多种多样，其目的也不同。温度和太阳辐射试验中，空气循环被用来适当加快试验箱的热交换和箱内温度均匀化过程，但风速又不能过大以致影响试验样品表面温度或影响太阳辐射引起的表面温升，产生不真实的模拟，因此要求监视和控制箱内风速的大小；2）涉及相对湿度的气候试验方法，若用干湿球温度计测量相对湿度，需要在干湿球温度计附近产生＞2.5m/s的风速，以确保测量得到相对湿度的正确性；3）沙尘、淋雨等试验方法中，流动的空气作为尘和雨滴的载体，使其以一定的速度（风速）作用于试验样品，成为一种试验条件；而在风压试验中，风作为一种自然环境因素作用于试验样品，产生机械力，是一种纯在环境试验条件。4）GJB150A和GB/T2423两个标准的温度和太阳辐射试验方法中，均考虑到风速对产品表面温度的影响，作了测量和控制试验样品附近空气速度的规定或其他规定。总体说来，GJB150A规定得更为明确和更具可操作性，GB/T2423中的有关规定和实施方法虽然更加科学、合理，但试验方法过于复杂。5）无论是GJB150A还是GB/T2423，均要求试验过程同时测量或调节试验样品附近的风速，使其满足一定的要求，因此，试验实施单位应考虑配置风速测量和调节系统，并掌握风速测量和调节技术。6）GJB150A明确规定干湿球温度计附近的风速为4.6m/s，目的是确保干湿表系数达到稳定状态，从而使查算得到的相对湿度具有一致性和可比性。以往由于GJB150中没有此规定，这一问题一直未得到注意。贯彻GJB150A时必须对比予以重视，并在试验设备制造和试验箱检定中采取相应措施。7）要准确了解各种气候试验箱、ESS箱和可靠性试验综合箱中的风速及风速规定的依据或出发点，防止由于不恰当混用造成试验结果不真实。