关于气候环境试验箱温度均匀性的相关问题
点击次数：3615 更新时间：2012-12-24
试验箱（室）工作空间的试验温度是否均匀是一个非常重要的问题，因为如果温度不均匀超过了允许偏差，则受试样品的试验条件达不到一致，有的样品或样品某一部分，试验温度偏高，有的偏低，从而产生过试验或欠试验的问题，使试验的再现性差，试验得出的数据不可靠，Z终使试验归于失败。本文拟对气候环境试验箱（室）的温度均匀性有关问题提出一些看法。
一、各种标准表述试验箱（室）温度均匀性的指标及其计算方法
1、均匀度：以温度均匀度指标来表示试验箱的温度均匀性，例如有以下一些标准：
1）英国标准BS389-1965《实验室湿热箱技术条件》：规定为在*次达到设定温度两小后，用温差热电偶连续测试两小时，分别计算每一测试点与中心点的温差平均值，其中Z大者即为温度均匀度，其大小不得超过规定指标±0.5℃。
2）日本试验机工业会，恒温恒湿箱的性能试验方法：测温元件置于上、下四角及中心点，上下四角测温元件距箱壁距离为各自边长的1/6且不小于50㎜处。当温度达到恒定状态后，对各测试点每隔一分钟测试一次，共测十次以上，计算每一测试点与中心点的温差的平均值，其中Z大者即为温度均匀度。（ESPEC亦采用此指标）。
3）美国ASTMD2436-68《电气绝缘用强制对流实验室烘箱技术条件》：用9只热电偶，一只在距工作室几何中心25㎜内，其余8只在上下四角且距箱壁50㎜处。当达到设定温度并稳定16小时后，尽快记录9支热电偶的温度数据，然后，每隔5分钟记录一次，共记录得到45个数据。计算45个数据的平均值作为箱温。从45个数据中选出两个Z大数和两个Z小数分别各自减去平均数，然后从四个差值中选出两个Z大差值并求其平均值，此值就表述箱内温度均匀度。
4）中国JB/T5520—91《干燥箱技术条件》：对各测试点连续测试四次，时间≤20min，计算各测试点四次测得的平均值与中心点四次测试的平均值之差，其中Z大值与Z高工作温度之比即干燥箱的温度均匀度，以百分比表示。
5）中国GB10586-89《湿热试验箱技术条件》。各测试点除中心点外，其余各点距箱壁为各自边长的1/10。当温度达到规定值并稳定2h后，每隔2min测试各测试点温度一次，在30min内共测15次，再隔30min再测一次，以后每隔1h测一次。利用30min内15次的测试数据，分别算出每次数据中Z高与Z低温度之差再求其平均值，即为温度均匀度。
2、温度偏差：以温度偏差指标来要求试验箱工作空间的温度均匀性，如以下一些标准：
1）在美MIL-STD-810D，4.4.1试验条件允差中规定“试样*被空气包围（必要的支承点除外），试验区测区测理系统的温度和包围试件各处的温度梯度应分别在试验温度的±2℃以内和不超过每米1℃或总的Z大值为2.2℃（试件不工作）”
此标准中用±2℃的温度偏差和1℃/M的温度梯度来要求箱内工作空间的温度均匀性。
2）在美MIL-STD-202F，2.2.1及MIL-STD-883C，4.5.8中要求工作区空间内任一点的温度，在给定时间内偏离基准点不超过±3℃（即为容许偏差）。
3）在IEC68号出版物及GB2423中，对试验箱工作空间的温度均匀性要求以“容差”即对标称温度的容许偏差表述。对容差大小，在高温箱中规定为±2℃，在低温箱中规定为±3℃。
4）在IEC68-2-3，2.1的注中“温度±2℃的容差是由于考虑到有测量的误差，缓慢的温度变化和工作空间的温度波动度等”。
在IEC216号出版物第四篇老化烘箱中，定义“温度偏差”是“由于温度波动度和温度梯度组合而成的误差”。
5）GB／T5170·21996《电工电子产品环境试验设备基本参数检定方法温度试验设备》，规定“温度偏差”为试验箱温度性能指标的*检定项目。温度偏差的检定方法是：当工作空间指示点温度*次达到标称温度后稳定2h。测量各测试点温度，每2min记录一次各点的温度，在30min内共测量15次。工作空间各测试点的实测Z高温度和实测Z低温度与标称温度的上、下偏差定为设备在该标称温度下的温度偏差。
3、温度偏差和温度均匀度两种表述方法的比较
1）用温度均匀度指标虽可表示箱内工作空间温度均匀性的好或差，但由于在计算中都采用了多次平均值的方法，从而把各点的温度波动度因素基本上去掉了。然而对于试验设备的温度性能指标只标出温度均匀度是不够的，还必须有温度波动度指标，即各点温度随时间而变化的大小，才能全面描述箱内温度场的变化尤其当温度波动较大的情况下。
2）温度偏差不但反映了工作空间各点温度的位置误差，同时也包括了各点温度随时间而变化的误差即温度波动度。因此温度偏差更能说明箱内的温度均匀性，一般无需再测试验箱的温度均匀度和温度波动度。只有当某些试验设备对温度波动度有特殊要求时，如对湿热箱，才标出温度波动度。因为湿热箱温度波动度超过±0.5℃时，会带来较大的湿度波动，增大湿度误差，从而超过湿度允许偏差。
GB/T5170.2—1996，温度试验设备的检定方法中，对温度性能指标只规定检定温度偏差，而对温度均匀度未作规定必须检定，只在附录B中提示了温度波动度、温度均匀度的检定方法，这样的规定是非常正确的。
3）温度均匀度指标，由于表示各点温度平均值与中心点温度平均值的差值，所以有正负号，只有国标的温度均匀度，因未与中心点比较或与标称温度比较，故没有正负号，所以没有温度偏差表示方法清楚准确。
4）目前国内一些环境试验设备产品标准仍要求有温度波动度、温度均匀度和温度偏差三项指标，显然没有必要。建议在修订这些标准时采用温度偏差指标，Z多加上一个温度波动度指标就很全面了。而且采用温度偏差符合美、国，和电工委员会相关标准的要求。
二、试验箱（室）温度不均匀产生的原因
1）试验箱的结构在很大程度上影响工作中间温度均匀，由于结构难于*对称，从而对温度均匀造成不利影响。如图示一常用的低温箱或湿热箱结构。大门在前，空调室在箱后部，上送风下回风。显然这种结构左右对称性好，可较易达到左、右温度均匀，但结构上、下不对称，前后也*不同，对工作空间温度产生了不均匀影响。尽管如此，这种单风道结构如设计处理得当，实践证明工作室从0.l～300m3，之间都可使用，其温度偏差都可满足标准要求。
2）由于箱壁的热传导，而产生漏热（高温箱）或漏冷（低温箱）等热损失，为了补偿热损失必然会有送风温差，高温箱的送风温度高于箱内工作温度，低温箱的送风温度则低于箱内工作温度。由于必然存在的送风温差使工作室内产生了温度不均匀。
3）由于箱壁六面传热系数不等，有的有穿线孔等局部传热．使箱壁温度不均匀，从而使箱壁幅射对流传热也不均匀，影响温场均匀。
4）箱体的密封性不好，比如大门漏气，从而影响工作空间的温场均匀。
5）如果检测温度偏差要求工作室内放置试品，当试品体积过大，或放置的方式或位置不恰当，使空气对流受阻．将产生较大的温度偏差。
三、提高气候环境试验箱（室）温度均匀性减小温度偏差的一些方法
1、减小送风温差和加大送风量
送风温差和送风量的大小取决于冷负荷（对低温试验箱）或热负荷（对高温试验箱）的大小。以低温箱为例，当低温箱已处于某一低温下的恒温状态时，此时的冷负荷应与送人工作室风的制冷量相等，即
Q=V/3600·ρ·γ·△t（w）
∴V=3600Q/·ρ·γ·△t（m3/h）
式中V送风量（m3/h）
ρ干空气的密度（kg/m3）
γ空气的定压比热（J/kg·℃）
△t送风温差，等于出风口温度减工作室温度（℃）
Q=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5+Q6
式中Q1箱体围护结构传热产生的冷负荷（w）
Q2观察窗、穿线孔等局部传热的冷负荷（w）
Q3风机转动由机械能转为热能的冷负荷（w）
Q4照明灯发热而产生的冷负荷（w）
Q5发热试品，由于工作时发热而产生的冷负荷（w）
Q6其它冷负荷（w）
Q总的冷负荷（w）
在一定的恒温状态下，ρ、γ为常数，送风量与送风温差成反比，为了提高箱内温度均匀性和减小温度波动，就需减小At，从而增加送风量v。但是，△t过小则v会太大，从而增加运行费。或使箱内的风速过高，不符合试验方法标准的要求。一般送风温差可取△t=1～3℃为宜。
对于高温试验箱，道理是一样的。公式（1）仍适用，只是冷负荷改为热负荷，而热负荷所包含的内容有所变化而已。
2、提高试验箱结构设计的合理性、完善性。尽量作到结构对称，如左右、上、下风道；如用两台风机，应采用一台左旋一台右旋，使出风均匀。如有必要，可在出风口安装调风板，调节风向，使箱内温度均匀；注意箱体的密封性，防止局部漏气，选择优良性能的保温隔热材料，足够的保温层厚度以减少热损失；箱体内胆与外壳之间的连接件应有热隔离措施以减少局部漏热。从公式（1）可以看到减小冷负荷（或热负荷）Q就可以减小送风量，或减小送风温差。
3、在试验方法标准允许条件下提高风速，以增强空气在箱内的流动，消除死区，从而使箱内的温度较为均匀。对某些要求风量大而风速小的试验箱，如冰箱试验室，可采用箱顶孔板送风，从而达到风速小，风量大室内温度均匀的目的。
4、在使用试验箱时要特别注意试品的体积、重量，以及在试验箱工作空间的摆放位置，有关标准规定试品总体积小于工作室的1／5，以留出足够的通风空间，试品的总重量为50～80kg／m3，在各迎风面上试品的面积小于谅迎风截面积的1／3，以利于风的流动。这些规定对于箱内温度均匀，温度偏差不超过标准要求起到很好的作用。
5、提高试验箱的控制精度，减小温度波动度，从而可减小温度偏差。对于高温试验箱，对加热功率进行P1D连续调节可以减小温度波动。对于低温试验箱，为了减小温度波动，通常采用热平衡方法控温，即达到设定温度后，制冷机仍常开，而用受控的加热功率来平衡多余的制冷量。为了避免过大的冷热冲击，浪费太多能源，常采用调节制冷量的措施，减小恒温时的制冷量，从而所需平衡的加热量就会减少，这样就节省了能量，又提高了控制精度。
温度传感器的位置对控制精度有较大影响。为了使其感温反应灵敏，一般将传感器置于出风口附近，从而可提高控制精度，减小温度波动度，Z终减小温度偏差。
6、调整温度场中值，可以减小温度偏差：温度上偏差和温度下偏差常常是不相等的，如果此时温度上偏差或下偏差超过允许偏差，但上、下偏差之差的二分之一仍小于允许偏差时，则可对设备的温度场进行适当调整，从而使调整后的温度偏差小于允许偏差。
CB／T5170.2—1996《电工电于产品环境试验设备基本参数检定方法、温度试验设备》8.2.1.1中有“在检定过程中，如果发现设备工作空间温度上偏差或下偏差超出允许偏差值时，应检查温度场中值是否偏离标称值，若偏离标称值应对设备温度场进行调整”，调整值按下式：
△Ta=Tm-TN（2）
Tm=（Tmax+Tmin）/2（3）
式中△Ta温度场调整值，℃；
Tm温度场中值，℃；
TN标称温度值，℃；
Tmax各测试点在30min（或24h）内的实测Z高温度值，℃；
Tmin各测试点在30min（或24h）内的实测Z低温度值，℃。
但以上调整，必须在上、下偏差之差的二分之一小于允许偏差，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△T1（5）
式中1△T1允许偏差；℃；
△Tmax温度上偏差，℃；
△Tmin温度下偏差；℃。
Z后得出必须Z高温度与Z低温度之差的一半小于允许偏差，调整温场才有意义，调整后的偏差才会小于允许偏差。
以上是北京恒泰丰科公司对气候环境试验箱（室）温度均匀性有关问题的粗略论述，仅供参考，欢迎指正。
一、各种标准表述试验箱（室）温度均匀性的指标及其计算方法
1、均匀度：以温度均匀度指标来表示试验箱的温度均匀性，例如有以下一些标准：
1）英国标准BS389-1965《实验室湿热箱技术条件》：规定为在*次达到设定温度两小后，用温差热电偶连续测试两小时，分别计算每一测试点与中心点的温差平均值，其中Z大者即为温度均匀度，其大小不得超过规定指标±0.5℃。
2）日本试验机工业会，恒温恒湿箱的性能试验方法：测温元件置于上、下四角及中心点，上下四角测温元件距箱壁距离为各自边长的1/6且不小于50㎜处。当温度达到恒定状态后，对各测试点每隔一分钟测试一次，共测十次以上，计算每一测试点与中心点的温差的平均值，其中Z大者即为温度均匀度。（ESPEC亦采用此指标）。
3）美国ASTMD2436-68《电气绝缘用强制对流实验室烘箱技术条件》：用9只热电偶，一只在距工作室几何中心25㎜内，其余8只在上下四角且距箱壁50㎜处。当达到设定温度并稳定16小时后，尽快记录9支热电偶的温度数据，然后，每隔5分钟记录一次，共记录得到45个数据。计算45个数据的平均值作为箱温。从45个数据中选出两个Z大数和两个Z小数分别各自减去平均数，然后从四个差值中选出两个Z大差值并求其平均值，此值就表述箱内温度均匀度。
4）中国JB/T5520—91《干燥箱技术条件》：对各测试点连续测试四次，时间≤20min，计算各测试点四次测得的平均值与中心点四次测试的平均值之差，其中Z大值与Z高工作温度之比即干燥箱的温度均匀度，以百分比表示。
5）中国GB10586-89《湿热试验箱技术条件》。各测试点除中心点外，其余各点距箱壁为各自边长的1/10。当温度达到规定值并稳定2h后，每隔2min测试各测试点温度一次，在30min内共测15次，再隔30min再测一次，以后每隔1h测一次。利用30min内15次的测试数据，分别算出每次数据中Z高与Z低温度之差再求其平均值，即为温度均匀度。
2、温度偏差：以温度偏差指标来要求试验箱工作空间的温度均匀性，如以下一些标准：
1）在美MIL-STD-810D，4.4.1试验条件允差中规定“试样*被空气包围（必要的支承点除外），试验区测区测理系统的温度和包围试件各处的温度梯度应分别在试验温度的±2℃以内和不超过每米1℃或总的Z大值为2.2℃（试件不工作）”
此标准中用±2℃的温度偏差和1℃/M的温度梯度来要求箱内工作空间的温度均匀性。
2）在美MIL-STD-202F，2.2.1及MIL-STD-883C，4.5.8中要求工作区空间内任一点的温度，在给定时间内偏离基准点不超过±3℃（即为容许偏差）。
3）在IEC68号出版物及GB2423中，对试验箱工作空间的温度均匀性要求以“容差”即对标称温度的容许偏差表述。对容差大小，在高温箱中规定为±2℃，在低温箱中规定为±3℃。
4）在IEC68-2-3，2.1的注中“温度±2℃的容差是由于考虑到有测量的误差，缓慢的温度变化和工作空间的温度波动度等”。
在IEC216号出版物第四篇老化烘箱中，定义“温度偏差”是“由于温度波动度和温度梯度组合而成的误差”。
5）GB／T5170·21996《电工电子产品环境试验设备基本参数检定方法温度试验设备》，规定“温度偏差”为试验箱温度性能指标的*检定项目。温度偏差的检定方法是：当工作空间指示点温度*次达到标称温度后稳定2h。测量各测试点温度，每2min记录一次各点的温度，在30min内共测量15次。工作空间各测试点的实测Z高温度和实测Z低温度与标称温度的上、下偏差定为设备在该标称温度下的温度偏差。
3、温度偏差和温度均匀度两种表述方法的比较
1）用温度均匀度指标虽可表示箱内工作空间温度均匀性的好或差，但由于在计算中都采用了多次平均值的方法，从而把各点的温度波动度因素基本上去掉了。然而对于试验设备的温度性能指标只标出温度均匀度是不够的，还必须有温度波动度指标，即各点温度随时间而变化的大小，才能全面描述箱内温度场的变化尤其当温度波动较大的情况下。
2）温度偏差不但反映了工作空间各点温度的位置误差，同时也包括了各点温度随时间而变化的误差即温度波动度。因此温度偏差更能说明箱内的温度均匀性，一般无需再测试验箱的温度均匀度和温度波动度。只有当某些试验设备对温度波动度有特殊要求时，如对湿热箱，才标出温度波动度。因为湿热箱温度波动度超过±0.5℃时，会带来较大的湿度波动，增大湿度误差，从而超过湿度允许偏差。
GB/T5170.2—1996，温度试验设备的检定方法中，对温度性能指标只规定检定温度偏差，而对温度均匀度未作规定必须检定，只在附录B中提示了温度波动度、温度均匀度的检定方法，这样的规定是非常正确的。
3）温度均匀度指标，由于表示各点温度平均值与中心点温度平均值的差值，所以有正负号，只有国标的温度均匀度，因未与中心点比较或与标称温度比较，故没有正负号，所以没有温度偏差表示方法清楚准确。
4）目前国内一些环境试验设备产品标准仍要求有温度波动度、温度均匀度和温度偏差三项指标，显然没有必要。建议在修订这些标准时采用温度偏差指标，Z多加上一个温度波动度指标就很全面了。而且采用温度偏差符合美、国，和电工委员会相关标准的要求。
二、试验箱（室）温度不均匀产生的原因
1）试验箱的结构在很大程度上影响工作中间温度均匀，由于结构难于*对称，从而对温度均匀造成不利影响。如图示一常用的低温箱或湿热箱结构。大门在前，空调室在箱后部，上送风下回风。显然这种结构左右对称性好，可较易达到左、右温度均匀，但结构上、下不对称，前后也*不同，对工作空间温度产生了不均匀影响。尽管如此，这种单风道结构如设计处理得当，实践证明工作室从0.l～300m3，之间都可使用，其温度偏差都可满足标准要求。
2）由于箱壁的热传导，而产生漏热（高温箱）或漏冷（低温箱）等热损失，为了补偿热损失必然会有送风温差，高温箱的送风温度高于箱内工作温度，低温箱的送风温度则低于箱内工作温度。由于必然存在的送风温差使工作室内产生了温度不均匀。
3）由于箱壁六面传热系数不等，有的有穿线孔等局部传热．使箱壁温度不均匀，从而使箱壁幅射对流传热也不均匀，影响温场均匀。
4）箱体的密封性不好，比如大门漏气，从而影响工作空间的温场均匀。
5）如果检测温度偏差要求工作室内放置试品，当试品体积过大，或放置的方式或位置不恰当，使空气对流受阻．将产生较大的温度偏差。
三、提高气候环境试验箱（室）温度均匀性减小温度偏差的一些方法
1、减小送风温差和加大送风量
送风温差和送风量的大小取决于冷负荷（对低温试验箱）或热负荷（对高温试验箱）的大小。以低温箱为例，当低温箱已处于某一低温下的恒温状态时，此时的冷负荷应与送人工作室风的制冷量相等，即
Q=V/3600·ρ·γ·△t（w）
∴V=3600Q/·ρ·γ·△t（m3/h）
式中V送风量（m3/h）
ρ干空气的密度（kg/m3）
γ空气的定压比热（J/kg·℃）
△t送风温差，等于出风口温度减工作室温度（℃）
Q=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5+Q6
式中Q1箱体围护结构传热产生的冷负荷（w）
Q2观察窗、穿线孔等局部传热的冷负荷（w）
Q3风机转动由机械能转为热能的冷负荷（w）
Q4照明灯发热而产生的冷负荷（w）
Q5发热试品，由于工作时发热而产生的冷负荷（w）
Q6其它冷负荷（w）
Q总的冷负荷（w）
在一定的恒温状态下，ρ、γ为常数，送风量与送风温差成反比，为了提高箱内温度均匀性和减小温度波动，就需减小At，从而增加送风量v。但是，△t过小则v会太大，从而增加运行费。或使箱内的风速过高，不符合试验方法标准的要求。一般送风温差可取△t=1～3℃为宜。
对于高温试验箱，道理是一样的。公式（1）仍适用，只是冷负荷改为热负荷，而热负荷所包含的内容有所变化而已。
2、提高试验箱结构设计的合理性、完善性。尽量作到结构对称，如左右、上、下风道；如用两台风机，应采用一台左旋一台右旋，使出风均匀。如有必要，可在出风口安装调风板，调节风向，使箱内温度均匀；注意箱体的密封性，防止局部漏气，选择优良性能的保温隔热材料，足够的保温层厚度以减少热损失；箱体内胆与外壳之间的连接件应有热隔离措施以减少局部漏热。从公式（1）可以看到减小冷负荷（或热负荷）Q就可以减小送风量，或减小送风温差。
3、在试验方法标准允许条件下提高风速，以增强空气在箱内的流动，消除死区，从而使箱内的温度较为均匀。对某些要求风量大而风速小的试验箱，如冰箱试验室，可采用箱顶孔板送风，从而达到风速小，风量大室内温度均匀的目的。
4、在使用试验箱时要特别注意试品的体积、重量，以及在试验箱工作空间的摆放位置，有关标准规定试品总体积小于工作室的1／5，以留出足够的通风空间，试品的总重量为50～80kg／m3，在各迎风面上试品的面积小于谅迎风截面积的1／3，以利于风的流动。这些规定对于箱内温度均匀，温度偏差不超过标准要求起到很好的作用。
5、提高试验箱的控制精度，减小温度波动度，从而可减小温度偏差。对于高温试验箱，对加热功率进行P1D连续调节可以减小温度波动。对于低温试验箱，为了减小温度波动，通常采用热平衡方法控温，即达到设定温度后，制冷机仍常开，而用受控的加热功率来平衡多余的制冷量。为了避免过大的冷热冲击，浪费太多能源，常采用调节制冷量的措施，减小恒温时的制冷量，从而所需平衡的加热量就会减少，这样就节省了能量，又提高了控制精度。
温度传感器的位置对控制精度有较大影响。为了使其感温反应灵敏，一般将传感器置于出风口附近，从而可提高控制精度，减小温度波动度，Z终减小温度偏差。
6、调整温度场中值，可以减小温度偏差：温度上偏差和温度下偏差常常是不相等的，如果此时温度上偏差或下偏差超过允许偏差，但上、下偏差之差的二分之一仍小于允许偏差时，则可对设备的温度场进行适当调整，从而使调整后的温度偏差小于允许偏差。
CB／T5170.2—1996《电工电于产品环境试验设备基本参数检定方法、温度试验设备》8.2.1.1中有“在检定过程中，如果发现设备工作空间温度上偏差或下偏差超出允许偏差值时，应检查温度场中值是否偏离标称值，若偏离标称值应对设备温度场进行调整”，调整值按下式：
△Ta=Tm-TN（2）
Tm=（Tmax+Tmin）/2（3）
式中△Ta温度场调整值，℃；
Tm温度场中值，℃；
TN标称温度值，℃；
Tmax各测试点在30min（或24h）内的实测Z高温度值，℃；
Tmin各测试点在30min（或24h）内的实测Z低温度值，℃。
但以上调整，必须在上、下偏差之差的二分之一小于允许偏差，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△T1（5）
式中1△T1允许偏差；℃；
△Tmax温度上偏差，℃；
△Tmin温度下偏差；℃。
Z后得出必须Z高温度与Z低温度之差的一半小于允许偏差，调整温场才有意义，调整后的偏差才会小于允许偏差。
以上是北京恒泰丰科公司对气候环境试验箱（室）温度均匀性有关问题的粗略论述，仅供参考，欢迎指正。
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