溫度環境試驗及其標準綜述（三）溫度試驗的試驗條件和剪裁方法

蔡良續，祝耀昌，于江波，王克強

（中國航空綜合技術研究所，北京 100028）

如前所述，溫度試驗程序多種多樣，不同的環境試驗標準中規定的試驗程序和試驗條件也不盡相同，本文將最典型的軍用和民用環境試驗標準中規定的溫度試驗程序分類匯總在表1 中，并列出各試驗程序對應的試驗條件和作了相應的說明。

不管是什么試驗程序，溫度試驗條件通常包括試驗溫度，在試驗溫度下的保持時間或循環次數；對于溫度沖擊和溫度變化試驗來說，還包括轉換時間或溫度變化速率及循環或溫沖次數。

1 高低溫貯存試驗

1.1 貯存溫度

貯存試驗溫度取決于貯存場合、模擬方式和選用的風險。當裝備貯存于直接受太陽照射的環境時，由于受到太陽輻射誘發加熱的影響，其內部溫度通常要比自然環境溫度(即氣象溫度)高出15℃～20℃。高溫貯存溫度要考慮這一誘發溫升，選用GJB 150.3A 表1 誘發條件高溫作貯存溫度。

當考慮對貯存狀態進行真實的日循環模擬時，則采用GJB 150.3A 中的誘發條件下的日循環，溫度在33℃～71℃之間變化；當不考慮進行日循環模擬，而采用峰值溫度模擬時，則采用GJB 150.3A 中誘發條件下日循環溫度中的峰值溫度。GJB 150.3 中的70℃實際對應于GJB 150.3A 中熱氣候區日循環溫度中的峰值溫度71℃。如果明確裝備未來不會應用于熱氣候區而是基本熱氣候區，則應選用基本熱氣候區對應的誘發條件，日循環試驗采用GJB 150.3A 表1 中的基本熱的30℃到63℃的24h 循環；恒定溫度貯存試驗則采用該循環的峰值溫度63℃，按GJB 150.3 進行48h 的貯存試驗。如果使用方不打算采用標準中1%時間風險的值，則應首先確定選用的風險值是5%、10%還是15%，然后根據該風險值從MILHDBK-310《研制軍用產品用的全球氣候數據》中查取相應的溫度日循環數據或該日循環的峰值溫度作為試驗用的溫度值。

當裝備貯存場合不受太陽光直接照射，完全取決于其附近的發熱設備或有關熱源，則應以測得的貯存環境溫度作為貯存試驗溫度，此時由于不受太陽輻射影響，溫度不會按日循環變化，因此只進行恒定溫度貯存試驗。

1.2 試驗持續時間

溫度試驗的持續時間與受試產品狀態有關：如果受試產品不工作狀態隨試驗箱升溫，則總持續時間應是其在試驗溫度下達到溫度穩定的時間，加上由于受試產品工作發熱表面升溫，破壞了原來的溫度平衡，再次達到溫度穩定的時間和溫度穩定后檢測產品功能和性能所需的時間；如果產品處于工作狀態隨試驗箱升降溫，則應是受試產品在試驗溫度下達到溫度穩定的時間加上進行檢查和性能測量所需的時間。有關什么是溫度穩定在試驗方法中往往按試件工作狀態和試驗不工作狀態兩種情況進行定義，通過直接測量其關鍵功能部件的溫度來確定受試產品達到溫度穩定所需的時間。

這種方法雖然科學合理，但長期以來在我國一直未能得到推廣應用，主要原因是涉及到要購置微型傳感器、測試線路及儀表；受試產品交付狀態往往難以安裝傳感器和測試線路；還要確定作為測試點的關鍵功能部件和布置傳感器，比較復雜，因而大多堅持采用早期的不科學的重量法，或延用相似設備數據，甚至拍腦袋確定。GJB 150.3A 中明確要求要在受試產品內部關鍵功能部件處安裝傳感器測量響應溫度，這一要求與測量溫度穩定方法可以合并使用。應用直接測量法確定受試產品溫度穩定是必然趨勢，設計人員在設計產品時應盡量考慮使產品結構便于進行這一操作或者在研制階段早期通過環境響應特性調查試驗獲取溫度穩定時間和響應溫度信息，為后續試驗備用。

由于溫度穩定時間通常是試驗箱空氣溫度達到規定的試驗溫度時算起，因此溫度試驗持續時間也可稱為試驗箱保溫時間，即試驗箱溫度保持在試驗溫度所用的時間。

在各種環境試驗方法中，貯存試驗的持續時間有不同的規定，具體如表1 所示。對于GJB 150.3《高溫試驗》來講，不提試件溫度穩定，標準中直接規定48h。48h 是一個經驗數據，認為受試產品在70℃太陽誘發貯存高溫下放置48h，能夠暴露高溫貯存誘發的各種問題，這一做法比較簡便。GJB 150.4《低溫試驗》則規定受試產品要在試驗溫度下達到溫度穩定而后再持續24h，所以持續時間是受試產品在試驗溫度下達到溫度穩定所需的時間再加上24h，受試產品達到溫度穩定的時間用直接測量方法獲得。

在民用飛機機載設備環境試驗標準HB 6167/HB 6167A（相當美國航空無線電技術委員會標準DO 160B/DO160F）中高低溫貯存試驗的持續時間則均為受試產品達到溫度穩定后不少于3h。

在GJB 150.3A/4A 中，高低溫貯存試驗的持續時間與GJB 150.3/.4 有所不同。GJB 150.3A 的高溫日循環貯存試驗的持續時間為至少7 天即168h，而其高溫恒定溫度貯存試驗持續時間為受試產品達到溫度穩定的時間加上至少2h，GJB 150.4A 低溫恒溫貯存試驗的持續時間為受試產品達到溫度穩定后再加上至少4h、24h 或72h，具體取決產品自身材料結構特性和使用情況，GJB 150.4A 的4.3.3 其中給出了選用原則。

民用電工電子產品環境試驗標準GJB/T 2423 中未明確規定持續時間，其基本思路是按照GJB 2421《總則》第4.8 條熱穩定定義和直接測量得到的時間園整化到與試驗方法標準中規定的最近的時間等級即可。必須指出，電工電子產品環境試驗方法標準中有關溫度試驗的持續時間，雖然也要求用直接測量法，但溫度穩定的定義和所用確定方法與軍用標準是不完全一樣的。

2 高低溫工作試驗

2.1 溫度

高低溫工作試驗的溫度通常是指平臺的誘發環境溫度。平臺誘發環境溫度雖然受自然環境基礎溫度的影響，但主要取決平臺特性。安裝于平臺的設備經受的誘發環境溫度不僅取決于平臺的任務特性，還取決于其在平臺上的位置、有否冷卻措施和周圍產品發熱情況等，因此，通用試驗方法標準中一般無法規定具體的溫度，這種溫度應當通過實測或者根據相似設備已經使用過的溫度按具體情況適當調整。當然，如果平臺是大自然，如野外地面固定設備處于地球表面的自然環境中，則其工作溫度可以按照自然界環境空氣溫度，因此，GJB 150.4A 中給出的1%出現頻率和20%出現頻率的自然環境中高低溫工作試驗溫度，包括日循環溫度或日循環溫度中的峰值溫度。由于冬季低緯度地區太陽輻射影響微弱，GJB 150.4A 中給出的低溫工作溫度不推薦使用日循環模擬，自然環境溫度和太陽誘發的溫度是趨于一致的。

不同的環境試驗方法標準中對高低溫工作試驗的溫度的確定還會在上述原則的基礎上作一些工程性處理。例如，民用飛機環境試驗標準HB 6167/6167A（RTCA DO160B/160F）中對民機機載設備按載機飛行高度和機載設備所在艙段是否增壓和是否進行溫度控制分成六大類20 小類，并對大部分類別的設備的高低溫工作溫度作了規定，這是因為一方面民用飛機的飛行模式單一，飛行高度有相對明確的規定，另一方面各類設備所在艙段，采取了增壓或部分增壓和溫度控制措施，對其溫度進行了人為控制。提供這些溫度使標準更便于使用。又如GB/T 2423 標準，其高、低溫工作溫度僅推薦溫度等級，要求標準使用者根據實際測量得到的或用其他方法得到的溫度數據向其規定的溫等級圓整化。

2.2 持續時間

溫度試驗中使受試產品達到溫度穩定是一個必須遵循的重要原則，因為只有在其(關鍵部件)真正達到規定工作溫度時檢測得到的功能和性能數據才能真正代表其能適應這一溫度，試驗才有效。

高低溫工作試驗持續時間，原則上應是受試產品在試驗溫度下達到溫度穩定(即熱透或冷透)所需時間，加上對受試產品進行檢測所需的時間。

由于試驗實施方式不同，產生不同的表述方式。如果受試產品處于不工作狀態隨溫度試驗箱升降溫，則應按GJB 150.1/150.1A 中的不工作狀態溫度穩定的定義來確定溫度穩定時間。試驗持續時間應當是受試產品不工作狀態達到溫度穩定的時間，受試產品啟動后工作狀態重新達到溫度穩定(即二次穩定)所需的時間，加上二次穩定后進行功能性能檢測所需的時間。GJB 150.3 和GJB 150.4 的2.2.2 節均是這樣規定的。

如果受試產品以工作狀態隨溫度試驗箱升溫或降溫，則溫度穩定測量過程應以GJB 150.1/150.1A 中規定的工作狀態定義確定溫度穩定時間，試驗持續時間應當是受試產品工作狀態達到溫度穩定的時間加上功能性能檢測所需要的時間。

不同的試驗標準有不同的處理方式，GJB 150.3A/GJB 150.4A 中為了確保測量得到的內部元(部)件溫度能真正達到溫度穩定。其試驗持續時間除了用直接測量法確定的溫度穩定時間外，還要加上至少2h，而后加上試驗樣品啟動后達到二次溫度穩定時間和進行功能性能檢測所需的時間。GJB 150.3A/150.4A 中說明了若無法直接測量內部元(部)件溫度時，應根據熱分析確定熱浸時間，因此GJB 150.3A/150.4A 中的高低溫工作試驗持續時間要比GJB 150.3/150.4 增加至少2h。

HB 6167/6167A 標準規定試驗樣品以工作狀態隨試驗箱升溫或降溫，高低溫試驗持續時間應為受試產品工作狀態在試驗溫度下達到溫度穩定的時間再加上至少2h，而功能性能檢測應在受試產品溫度穩定后的2h 或更長時間內進行完，因此不再加上功能性能檢測所需的時間。由于是工作狀態測得的溫度穩定時間，不存在二次熱穩定問題。

GB/T 2423 標準中對高、低溫工作試驗的時間無具體說明，原則上是測得的或用其他方法得到的溫度穩定時間向標準中規定的時間等級圓整化。

GJB 150.3A 中高溫工作日循環試驗強調工作環境溫度的模擬日循環變化，顯然這種環境只有地面野外使用的固定安裝設備才可能遇到，裝在飛機、導彈、車輛、艦船上/內的設備在工作時不會遇到這種環境。GJB 150.4A 中規定要進行至少3 個日循環，即72h，認為3個日循環通?？梢允乖囼灅悠愤_到其最高響應溫度，當難以重現溫度響應時，最多采用7 個循環，這種情況往往出現在熱慣性大，溫度響應很慢的產品，這種情況下有可能7 個循環以上還是看不到峰值溫度經過24h 后變化值小于3℃的情況，此時，就用7 個循環。

3 溫度沖擊試驗

GJB 150/150A 中安排有溫度沖擊試驗，HB 6167/6167A 的S2 也采用溫度沖擊試驗，用于安裝在飛機外部或內部、但不知道溫度變化率是否大于10℃/min 的設備。GJB 150.5/150.5A 的溫度沖擊試驗與HB 6167/6167A 中的溫度沖擊試驗的主要區別是HB 6167/6167A 規定高、低溫下試驗樣品要工作，并在溫度穩定過程中檢測受試產品功能和性能，還要求在轉換入另一個箱中前分別停止工作2min（高溫）或30min（低溫）。

溫度沖擊試驗的環境條件參數包括：上、下限溫度（即溫度范圍）、高低溫持續時間、高低溫之間轉換時間、循環數或沖擊方法和次數。

3.1 溫度

溫度沖擊試驗一般不進行中間檢測，因此為了加大溫度沖擊效應采用高低溫貯存試驗的溫度作為其上、下限溫度。高低溫貯存試驗溫度的確定方法如本文4.1 節1）中所述。GB/T 2423 為液體沖擊規定了80℃～100℃的沖擊范圍。

溫度沖擊試驗大多是恒定溫度沖擊，只有GJB 150.3A 等效采用810F 方法503 程序II，其上限溫度部分，模擬高溫日循環中從峰值高溫降到試驗樣品最高響應溫度經歷的溫度和最高響應溫度。

3.2 上、下限溫度的持續時間

溫度沖擊試驗中在上、下限溫度上的持續時間原則上應使試驗樣的達到溫度穩定，這樣才可能保證沖擊溫度的起始點符合要求。因此，大多數標準均規定為試驗樣品達到溫度穩定的時間。各個標準中對這一試驗的規定也有所不同，例如GJB 150.5 中，規定為1h 或試驗樣品達到溫度穩定的時間，以長者為準，GB/T 中介質為空氣時，溫度保持時間要根據熱容量，從10min，30min，1h，2h 和3h 五個等級中選??；介質為液體時，溫度應保持時間從15s ～5min 和5min ～20min 中選取。GJB 150.5A 中基于日循環的溫度沖擊程序規定，在上限值保持時間為從日循環峰值高溫日循環歷程降到試驗樣品最高響應溫度的時間和試驗樣品在最高響應溫度下達到溫度穩定或至少試件整個表面溫度達到一致的時間。在下限保持達到溫度穩定時間或至少試件整個外表溫度一致。應當指出，整個外表面溫度一致看來是放松了要求，但確定方法并不簡單和方便。

3.3 轉換時間和循環次數

溫度沖擊試驗應使用兩箱法或一箱兩室法進行。受試產品在兩箱或兩室間轉換的時間和循環次數各個標準也不一致，GJB 150.5 規定5min 和3 個循環。

GB/T 2423 規定以氣體為介質時為2min ～3min，5個循環；液體為介質時，在8±2(s)和2±1(s)中選取10個循環，而GJB 150.5A 則規定轉換時間為1min，但不是規定循環數(每個循環二次沖擊)，而是規定從低溫到高溫和/或從高溫到低溫方向沖擊的次數，實際使用中遇到沖擊少的僅需一次，多的則可進行3 次，顯然，GJB 150.5A 的沖擊次數遠少于GJB 150.5。

（待續）