恒溫恒濕箱選型指南

一、 設(shè)備選擇依據(jù)
　　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(shù)目。其中對工程產(chǎn)品（設(shè)備）的使用及壽命影響較大的因素不下幾十種。從事工程產(chǎn)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(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，用以指導(dǎo)工程產(chǎn)品的環(huán)境及可靠性試驗。如指導(dǎo)軍工產(chǎn)品進(jìn)行環(huán)境試驗的GJB150—中華人民共和國國家軍用標(biāo)準(zhǔn)《軍用設(shè)備環(huán)境試驗方法》,指導(dǎo)電工電子產(chǎn)品進(jìn)行環(huán)境試驗的GB2423—中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)《電工電子產(chǎn)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(shè)備時主要的依據(jù)是工程產(chǎn)品的試驗規(guī)范和試驗標(biāo)準(zhǔn)。
　　其次，為了規(guī)范試驗設(shè)備中環(huán)境試驗條件的容差，保證環(huán)境參數(shù)的控制精度，國家技術(shù)監(jiān)督機(jī)構(gòu)及各工業(yè)部門還制訂了一系列的環(huán)境試驗設(shè)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(biāo)準(zhǔn)GB5170《電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗設(shè)備基本參數(shù)檢定方法》,又如國家技術(shù)*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(shè)備的重要依據(jù),不符合這些檢定規(guī)程要求的試驗設(shè)備是不允許投入使用的。
二、 設(shè)備選擇基本原則
環(huán)境及可靠性試驗設(shè)備的選擇應(yīng)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(nèi)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(nèi)，人們*可以正確而近似地模擬工程產(chǎn)品在使用、貯存、運輸?shù)冗^程中所經(jīng)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(shè)備所創(chuàng)造的圍繞被試產(chǎn)品周邊的環(huán)境條件（含平臺環(huán)境）應(yīng)該滿足產(chǎn)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(chǎn)品試驗的溫度箱不僅要滿足國軍標(biāo)GJB150.3-86、GJB150.4-86中根據(jù)不同類型產(chǎn)品所規(guī)定的高溫、低溫的試驗量值、試驗時間，同時也應(yīng)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(fù)性
　　一臺環(huán)境試驗設(shè)備可能用于同一類型產(chǎn)品的多次試驗，而一臺被試的工程產(chǎn)品也可能在不同的環(huán)境試驗設(shè)備中進(jìn)行試驗，為了保證同一臺產(chǎn)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(jié)果的可比較性，必然要求環(huán)境試驗設(shè)備所提供的環(huán)境條件具有可重復(fù)性。這也就是說，環(huán)境試驗設(shè)備施用于被試驗產(chǎn)品的應(yīng)力水平（如熱應(yīng)力、振動應(yīng)力、電應(yīng)力等）對于同一試驗規(guī)范的要求是一致的。
　　環(huán)境試驗設(shè)備所提供環(huán)境條件的可重復(fù)性是由國家計量檢定部門依據(jù)國家技術(shù)監(jiān)督機(jī)構(gòu)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(shè)備能滿足檢定規(guī)程中的各項技術(shù)指標(biāo)及精度指標(biāo)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(fù)載能力等技術(shù)指標(biāo)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(biāo)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(shù)的可測控性
任何一臺環(huán)境試驗設(shè)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(shù)限制在一定的容差范圍之內(nèi)，保證試驗條件的再現(xiàn)性和重復(fù)性要求，而且從產(chǎn)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(dǎo)致被試產(chǎn)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(shù)測試的精度不應(yīng)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(jìn)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(yán)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(jié)束后判斷和分析產(chǎn)品失效與故障模式時，提供確切的依據(jù)，故要求環(huán)境試驗設(shè)備除提供所規(guī)定的環(huán)境條件外，不允許對被試產(chǎn)品附加其它的環(huán)境應(yīng)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(nèi)帶外加速度總均方根值比。隨機(jī)信號的檢驗、諧波失真度等精度指標(biāo)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(shè)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(chǎn)品，試驗過程中，試驗人員經(jīng)常要在現(xiàn)場周圍進(jìn)行操作或測試工作，因此要求環(huán)境試驗設(shè)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(jìn)行。試驗設(shè)備的各種保護(hù)、告警措施及安全聯(lián)鎖裝置應(yīng)該完善可靠，以保證試驗人員、被試產(chǎn)品和試驗設(shè)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(chǎn)品（元器件、組件、部件或整機(jī)）置入氣候環(huán)境箱進(jìn)行試驗時，為了保證被試產(chǎn)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(chǎn)品外廓尺寸之間應(yīng)遵循以下幾點規(guī)定：
　　a） 被試產(chǎn)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(chǎn)品推薦選用不大于30% 。
　　b） 被試產(chǎn)品的迎風(fēng)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(chǎn)品外廓表面距試驗箱壁的距離至少應(yīng)保持100-150mm，
（推薦選用150mm）。

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(nèi)多數(shù)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(shù)軍用、民用產(chǎn)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(jī)等熱源的產(chǎn)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(nèi)外環(huán)境試驗箱給出的溫度指標(biāo)大體上都是20~95%RH或20~98%RH，其實這兩個指標(biāo)是*一致的，因為濕度控制精度通常為±（3~5）% RH,而zui大濕度只可能是100% RH,值得注意的是在濕度指標(biāo)后面應(yīng)該注明相應(yīng)的溫度范圍,或給出zui低露點溫度.因為相對濕度是與溫度直接相關(guān)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(dāng)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(dāng)溫度降至4℃以下,相對濕度超過100%,在箱體內(nèi)會出現(xiàn)結(jié)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(jìn)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(nèi)流動空氣除濕，使空氣變得更干燥。目前國內(nèi)外絕大多數(shù)的溫濕度箱都是采用制冷除濕的原理，是在箱體的空氣預(yù)調(diào)室內(nèi)加一組制冷光管。當(dāng)濕空氣經(jīng)過冷管時，其相對濕度會達(dá)到100% RH，因空氣飽和在光管上結(jié)露，使空氣變得更干燥。這種除濕方式理論上可達(dá)到零度以下的露點溫度，但是當(dāng)冷點表面溫度到達(dá)0℃以下。實際所達(dá)到的zui低露點溫度為5~7℃。露點溫度5℃相當(dāng)于含濕量為0.0055g/kg ，對應(yīng)相對濕度20%RH 的溫度為30℃。如果要求溫度20℃時相對濕度達(dá)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(fēng)速
　　有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，進(jìn)行環(huán)境試驗時溫濕箱內(nèi)的風(fēng)速應(yīng)小于1.7m/s，風(fēng)速過大會加速試驗件表面與箱體內(nèi)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(nèi)循環(huán)氣流的流速，風(fēng)速通常在2.5~3.0m/s。因此，對于不同的使用目的，風(fēng)速的限制是不一樣的。
5． 溫度場
　　為了更正確地模擬產(chǎn)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(chǎn)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(nèi)的溫度梯度和溫度的波動度加以限制。在國軍標(biāo)GJB150.1-86軍用設(shè)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(yīng)在試驗溫度的±2℃以內(nèi),其溫度梯度不超過1℃/m或總的zui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(zhǔn)確性。
試驗規(guī)范給定的是試驗溫度名義值（標(biāo)稱溫度值），試驗設(shè)備測出的是溫度場中心蹼（或出風(fēng)口、回風(fēng)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(shù)據(jù)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(shù)學(xué)期望值（均值），和一個標(biāo)準(zhǔn)差。

　　按試驗規(guī)范的要求，上述兩項，即包含數(shù)學(xué)期望值與名義值的誤差即系統(tǒng)誤差）加上標(biāo)準(zhǔn)差（即隨機(jī)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(biāo)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(nèi)實測zui高溫度和zui低溫度與標(biāo)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(biāo)是控制箱體內(nèi)溫度場的均勻性。也就是在空間的延拓上保證被試產(chǎn)品周邊的溫度具有一致性。國軍標(biāo)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zui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(chǎn)呂試驗都適用，但是在風(fēng)速大于1.7m/s的試驗箱內(nèi)，由于流場內(nèi)氣流旋窩作用增強，流場的均勻性變壞，很難達(dá)到國軍標(biāo)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(nèi)，必需加大氣流的風(fēng)速（大于2m/s），此時被試產(chǎn)品迎風(fēng)面和背風(fēng)面的溫差隨著風(fēng)速的增大而增加，因此，在有關(guān)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(yán)格的溫度場均勻性的要求。當(dāng)然對于環(huán)境試驗設(shè)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(chǎn)品，以滿足用戶的要求。如美國環(huán)測公司（Envirotronics）生產(chǎn)的溫濕度箱，變溫速率15℃/m時，溫度場的均勻性在±2.2℃之內(nèi)。
6． 濕度的精度控制。
　　環(huán)境試驗箱中測量濕度多數(shù)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(yīng)于相對濕度相差5%左右。根據(jù)測試裝置的精度不應(yīng)低于試驗條件允差三分之一原則（見國軍標(biāo)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(dá)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(yīng)達(dá)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(yīng)用到環(huán)境試驗設(shè)備中，其測量精度可達(dá)到±1~3%RH。美國不測公司生產(chǎn)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(guān)，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(nèi)的溫度狀態(tài)會產(chǎn)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(diào)整噴水微粒的溫度和箱體內(nèi)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(yīng)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(nèi)空氣的含濕量越小，對應(yīng)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(dá)到的zui低露點溫度與所采用除濕方式有關(guān)，通常采用的制冷除濕的辦法，zui低露點溫度約為5~7℃，經(jīng)過長時間的穩(wěn)定除濕，露點溫度也可到達(dá)2~5℃，若一定要求露點溫度到達(dá)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。