闡述關于氣候環境試驗箱溫度均勻性的相關問題

關于氣候環境試驗箱溫度均勻性的相關問題

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，從而產生過試驗或欠試驗的問題，使試驗的再現性差，試驗得出的數據不可靠，zui終使試驗歸于失敗。本文擬對氣候環境試驗箱（室）的溫度均勻性有關問題提出一些看法。
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《實驗室濕熱箱技術條件》：規定為在*次達到設定溫度兩小后，用溫差熱電偶連續測試兩小時，分別計算每一測試點與中心點的溫差平均值，其中zui大者即為溫度均勻度，其大小不得超過規定指標±0.5℃。

2）日本試驗機工業會，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。當溫度達到恒定狀態后，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zui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條件》：用9只熱電偶，一只在距工作室幾何中心25㎜內，其余8只在上下四角且距箱壁50㎜處。當達到設定溫度并穩定16小時后，盡快記錄9支熱電偶的溫度數據，然后，每隔5分鐘記錄一次，共記錄得到45個數據。計算45個數據的平均值作為箱溫。從45個數據中選出兩個zui大數和兩個zui小數分別各自減去平均數，然后從四個差值中選出兩個zui大差值并求其平均值，此值就表述箱內溫度均勻度。

4）中國JB/T5520—91《干燥箱技術條件》：對各測試點連續測試四次，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zui大值與zui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。當溫度達到規定值并穩定2h后，每隔2min測試各測試點溫度一次，在30min內共測15次，再隔30min再測一次，以后每隔1h測一次。利用30min內15次的測試數據，分別算出每次數據中zui高與zui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試驗條件允差中規定“試樣*被空氣包圍（必要的支承點除外），試驗區測區測理系統的溫度和包圍試件各處的溫度梯度應分別在試驗溫度的±2℃以內和不超過每米1℃或總的zui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中要求工作區空間內任一點的溫度，在給定時間內偏離基準點不超過±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，在高溫箱中規定為±2℃，在低溫箱中規定為±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”。

在IEC216號出版物第四篇老化烘箱中，定義“溫度偏差”是“由于溫度波動度和溫度梯度組合而成的誤差”。

5）GB／T5170•21996《電工電子產品環境試驗設備基本參數檢定方法溫度試驗設備》，規定“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：當工作空間指示點溫度*次達到標稱溫度后穩定2h。測量各測試點溫度，每2min記錄一次各點的溫度，在30min內共測量15次。工作空間各測試點的實測zui高溫度和實測zui低溫度與標稱溫度的上、下偏差定為設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，才能全面描述箱內溫度場的變化尤其當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。只有當某些試驗設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，溫度試驗設備的檢定方法中，對溫度性能指標只規定檢定溫度偏差，而對溫度均勻度未作規定必須檢定，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）目前國內一些環境試驗設備產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，zui多加上一個溫度波動度指標就很全面了。而且采用溫度偏差符合美軍標、國軍標，和電工委員會相關標準的要求。

二、試驗箱（室）溫度不均勻產生的原因

1）試驗箱的結構在很大程度上影響工作中間溫度均勻，由于結構難于*對稱，從而對溫度均勻造成不利影響。如圖示一常用的低溫箱或濕熱箱結構。大門在前，空調室在箱后部，上送風下回風。顯然這種結構左右對稱性好，可較易達到左、右溫度均勻，但結構上、下不對稱，前后也*不同，對工作空間溫度產生了不均勻影響。盡管如此，這種單風道結構如設計處理得當，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，而產生漏熱（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溫差，高溫箱的送風溫度高于箱內工作溫度，低溫箱的送風溫度則低于箱內工作溫度。由于必然存在的送風溫差使工作室內產生了溫度不均勻。

3）由于箱壁六面傳熱系數不等，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放置試品，當試品體積過大，或放置的方式或位置不恰當，使空氣對流受阻．將產生較大的溫度偏差。

三、提高氣候環境試驗箱（室）溫度均勻性減小溫度偏差的一些方法

1、減小送風溫差和加大送風量

送風溫差和送風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，當低溫箱已處于某一低溫下的恒溫狀態時，此時的冷負荷應與送人工作室風的制冷量相等，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送風溫差，等于出風口溫度減工作室溫度（℃）

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

式中Q1箱體圍護結構傳熱產生的冷負荷（w）

Q2觀察窗、穿線孔等局部傳熱的冷負荷（w）

Q3風機轉動由機械能轉為熱能的冷負荷（w）

Q4照明燈發熱而產生的冷負荷（w）

Q5發熱試品，由于工作時發熱而產生的冷負荷（w）

Q6其它冷負荷（w）

Q總的冷負荷（w）

在一定的恒溫狀態下，ρ、γ為常數，送風量與送風溫差成反比，為了提高箱內溫度均勻性和減小溫度波動，就需減小At，從而增加送風量v。但是，△t過小則v會太大，從而增加運行費。或使箱內的風速過高，不符合試驗方法標準的要求。一般送風溫差可取△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容有所變化而已。

2、提高試驗箱結構設計的合理性、完善性。盡量作到結構對稱，如左右、上、下風道；如用兩臺風機，應采用一臺左旋一臺右旋，使出風均勻。如有必要，可在出風口安裝調風板，調節風向，使箱內溫度均勻；注意箱體的密封性，防止局部漏氣，選擇優良性能的保溫隔熱材料，足夠的保溫層厚度以減少熱損失；箱體內膽與外殼之間的連接件應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就可以減小送風量，或減小送風溫差。

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

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，有關標準規定試品總體積小于工作室的1／5，以留出足夠的通風空間，試品的總重量為50～80kg／m3，在各迎風面上試品的面積小于諒迎風截面積的1／3，以利于風的流動。這些規定對于箱內溫度均勻，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連續調節可以減小溫度波動。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，常采用調節制冷量的措施，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。為了使其感溫反應靈敏，一般將傳感器置于出風口附近，從而可提高控制精度，減小溫度波動度，zui終減小溫度偏差。

6、調整溫度場中值，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，則可對設備的溫度場進行適當調整，從而使調整后的溫度偏差小于允許偏差。

CB／T5170.2—1996《電工電于產品環境試驗設備基本參數檢定方法、溫度試驗設備》8.2.1.1中有“在檢定過程中，如果發現設備工作空間溫度上偏差或下偏差超出允許偏差值時，應檢查溫度場中值是否偏離標稱值，若偏離標稱值應對設備溫度場進行調整”，調整值按下式：

△Ta=Tm-TN            （2）

Tm=（Tmax+Tmin）/2       （3）

式中△Ta溫度場調整值，℃；

Tm溫度場中值，℃；

TN標稱溫度值，℃；

Tmax各測試點在30min（或24h）內的實測zui高溫度值，℃；

Tmin各測試點在30min（或24h）內的實測zui低溫度值，℃。

但以上調整，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△T 1  （5）

式中1△T 1允許偏差；℃；

△Tmax溫度上偏差，℃；

△Tmin溫度下偏差；℃。

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

以上對氣候環境試驗箱（室）溫度均勻性有關問題的粗略論述，僅供參考，歡迎指正。