闡述關於氣候環境試驗箱溫度均勻性的相關問題

關(guan) 於(yu) 氣候環境試驗箱溫度均勻性的相關(guan) 問題

試驗箱（室）工作空間的試驗溫度是否均勻是一個(ge) 非常重要的問題，因為(wei) 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(cong) 而產(chan) 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終使試驗歸於(yu) 失敗。本文擬對氣候環境試驗箱（室）的溫度均勻性有關(guan) 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(wei) 在*次達到設定溫度兩(liang) 小後，用溫差熱電偶連續測試兩(liang) 小時，分別計算每一測試點與(yu) 中心點的溫差平均值，其中zui大者即為(wei) 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(ye) 會(hui) ，恒溫恒濕箱的性能試驗方法：測溫元件置於(yu) 上、下四角及中心點，上下四角測溫元件距箱壁距離為(wei) 各自邊長的1/6且不小於(yu) 50㎜處。當溫度達到恒定狀態後，對各測試點每隔一分鍾測試一次，共測十次以上，計算每一測試點與(yu) 中心點的溫差的平均值，其中zui大者即為(wei) 溫度均勻度。（ESPEC亦采用此指標）。

3）美國ASTMD2436-68《電氣絕緣用強製對流實驗室烘箱技術條件》：用9隻熱電偶，一隻在距工作室幾何中心25㎜內(nei) ，其餘(yu) 8隻在上下四角且距箱壁50㎜處。當達到設定溫度並穩定16小時後，盡快記錄9支熱電偶的溫度數據，然後，每隔5分鍾記錄一次，共記錄得到45個(ge) 數據。計算45個(ge) 數據的平均值作為(wei) 箱溫。從(cong) 45個(ge) 數據中選出兩(liang) 個(ge) zui大數和兩(liang) 個(ge) zui小數分別各自減去平均數，然後從(cong) 四個(ge) 差值中選出兩(liang) 個(ge) zui大差值並求其平均值，此值就表述箱內(nei) 溫度均勻度。

4）中國JB/T5520—91《幹燥箱技術條件》：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(yu) 中心點四次測試的平均值之差，其中zui大值與(yu) zui高工作溫度之比即幹燥箱的溫度均勻度，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，其餘(yu) 各點距箱壁為(wei) 各自邊長的1/10。當溫度達到規定值並穩定2h後，每隔2min測試各測試點溫度一次，在30min內(nei) 共測15次，再隔30min再測一次，以後每隔1h測一次。利用30min內(nei) 15次的測試數據，分別算出每次數據中zui高與(yu) zui低溫度之差再求其平均值，即為(wei) 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(jun) 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），試驗區測區測理係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(nei) 和不超過每米1℃或總的zui大值為(wei) 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(nei) 工作空間的溫度均勻性。

2）在美軍(jun) 標MIL-STD-202F，2.2.1及MIL-STD-883C，4.5.8中要求工作區空間內(nei) 任一點的溫度，在給定時間內(nei) 偏離基準點不超過±3℃（即為(wei) 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(wei) ±2℃，在低溫箱中規定為(wei) ±3℃。

4）在IEC68-2-3，2.1的注中“溫度±2℃的容差是由於(yu) 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(yi) “溫度偏差”是“由於(yu) 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(chan) 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(wei) 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*次達到標稱溫度後穩定2h。測量各測試點溫度，每2min記錄一次各點的溫度，在30min內(nei) 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(yu) 標稱溫度的上、下偏差定為(wei) 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(liang) 種表述方法的比較

1）用溫度均勻度指標雖可表示箱內(nei) 工作空間溫度均勻性的好或差，但由於(yu) 在計算中都采用了多次平均值的方法，從(cong) 而把各點的溫度波動度因素基本上去掉了。然而對於(yu) 試驗設備的溫度性能指標隻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，才能全麵描述箱內(nei) 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(nei) 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。隻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(wei) 濕熱箱溫度波動度超過±0.5℃時，會(hui) 帶來較大的濕度波動，增大濕度誤差，從(cong) 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，對溫度性能指標隻規定檢定溫度偏差，而對溫度均勻度未作規定必須檢定，隻在附錄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，由於(yu) 表示各點溫度平均值與(yu) 中心點溫度平均值的差值，所以有正負號，隻有國標的溫度均勻度，因未與(yu) 中心點比較或與(yu) 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(nei) 一些環境試驗設備產(chan) 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(ge) 溫度波動度指標就很全麵了。而且采用溫度偏差符合美軍(jun) 標、國軍(jun) 標，和電工委員會(hui) 相關(guan) 標準的要求。

二、試驗箱（室）溫度不均勻產(chan) 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，由於(yu) 結構難於(yu) *對稱，從(cong) 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，空調室在箱後部，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，前後也*不同，對工作空間溫度產(chan) 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(cong) 0.l～300m3，之間都可使用，其溫度偏差都可滿足標準要求。

2）由於(yu) 箱壁的熱傳(chuan) 導，而產(chan) 生漏熱（高溫箱）或漏冷（低溫箱）等熱損失，為(wei) 了補償(chang) 熱損失必然會(hui) 有送風溫差，高溫箱的送風溫度高於(yu) 箱內(nei) 工作溫度，低溫箱的送風溫度則低於(yu) 箱內(nei) 工作溫度。由於(yu) 必然存在的送風溫差使工作室內(nei) 產(chan) 生了溫度不均勻。

3）由於(yu) 箱壁六麵傳(chuan) 熱係數不等，有的有穿線孔等局部傳(chuan) 熱．使箱壁溫度不均勻，從(cong) 而使箱壁幅射對流傳(chuan) 熱也不均勻，影響溫場均勻。

4）箱體(ti) 的密封性不好，比如大門漏氣，從(cong) 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(nei) 放置試品，當試品體(ti) 積過大，或放置的方式或位置不恰當，使空氣對流受阻．將產(chan) 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(jue) 於(yu) 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(wei) 例，當低溫箱已處於(yu) 某一低溫下的恒溫狀態時，此時的冷負荷應與(yu) 送人工作室風的製冷量相等，即

Q=V/3600•ρ•γ•△t（w）

∴V=3600Q/•ρ•γ•△t（m3/h）

式中V送風量（m3/h）

ρ幹空氣的密度（kg/m3）

γ空氣的定壓比熱（J/kg•℃）

△t送風溫差，等於(yu) 出風口溫度減工作室溫度（℃）

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

式中Q1箱體(ti) 圍護結構傳(chuan) 熱產(chan) 生的冷負荷（w）

Q2觀察窗、穿線孔等局部傳(chuan) 熱的冷負荷（w）

Q3風機轉動由機械能轉為(wei) 熱能的冷負荷（w）

Q4照明燈發熱而產(chan) 生的冷負荷（w）

Q5發熱試品，由於(yu) 工作時發熱而產(chan) 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(wei) 常數，送風量與(yu) 送風溫差成反比，為(wei) 了提高箱內(nei) 溫度均勻性和減小溫度波動，就需減小At，從(cong) 而增加送風量v。但是，△t過小則v會(hui) 太大，從(cong) 而增加運行費。或使箱內(nei) 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(wei) 宜。

對於(yu) 高溫試驗箱，道理是一樣的。公式（1）仍適用，隻是冷負荷改為(wei) 熱負荷，而熱負荷所包含的內(nei) 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(liang) 台風機，應采用一台左旋一台右旋，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(nei) 溫度均勻；注意箱體(ti) 的密封性，防止局部漏氣，選擇優(you) 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(ti) 內(nei) 膽與(yu) 外殼之間的連接件應有熱隔離措施以減少局部漏熱。從(cong) 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(nei) 的流動，消除死區，從(cong) 而使箱內(nei) 的溫度較為(wei) 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(cong) 而達到風速小，風量大室內(nei) 溫度均勻的目的。

4、在使用試驗箱時要特別注意試品的體(ti) 積、重量，以及在試驗箱工作空間的擺放位置，有關(guan) 標準規定試品總體(ti) 積小於(yu) 工作室的1／5，以留出足夠的通風空間，試品的總重量為(wei) 50～80kg／m3，在各迎風麵上試品的麵積小於(yu) 諒迎風截麵積的1／3，以利於(yu) 風的流動。這些規定對於(yu) 箱內(nei) 溫度均勻，溫度偏差不超過標準要求起到很好的作用。

5、提高試驗箱的控製精度，減小溫度波動度，從(cong) 而可減小溫度偏差。對於(yu) 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。對於(yu) 低溫試驗箱，為(wei) 了減小溫度波動，通常采用熱平衡方法控溫，即達到設定溫度後，製冷機仍常開，而用受控的加熱功率來平衡多餘(yu) 的製冷量。為(wei) 了避免過大的冷熱衝(chong) 擊，浪費太多能源，常采用調節製冷量的措施，減小恒溫時的製冷量，從(cong) 而所需平衡的加熱量就會(hui) 減少，這樣就節省了能量，又提高了控製精度。

溫度傳(chuan) 感器的位置對控製精度有較大影響。為(wei) 了使其感溫反應靈敏，一般將傳(chuan) 感器置於(yu) 出風口附近，從(cong) 而可提高控製精度，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於(yu) 允許偏差時，則可對設備的溫度場進行適當調整，從(cong) 而使調整後的溫度偏差小於(yu) 允許偏差。

CB／T5170.2—1996《電工電於(yu) 產(chan) 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(nei) 的實測zui高溫度值，℃；

Tmin各測試點在30min（或24h）內(nei) 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於(yu) 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後得出必須zui高溫度與(yu) zui低溫度之差的一半小於(yu) 允許偏差，調整溫場才有意義(yi) ，調整後的偏差才會(hui) 小於(yu) 允許偏差。

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