溫度環境試驗及其標準綜述（四）溫度試驗技術

蔡良續，張 露，徐 良，杜海波，劉 佳

（1.中國航空綜合技術研究所，北京 100028；2.中航工業西安飛行自動控制研究所，西安 710065）

溫度環境試驗及其標準綜述（四）
溫度試驗技術

蔡良續1，張 露2，徐 良1，杜海波1，劉 佳1

（1.中國航空綜合技術研究所，北京 100028；2.中航工業西安飛行自動控制研究所，西安 710065）

(續上期)

1 溫度試驗設備和輔助儀器

1.1 對溫度試驗箱的要求

溫度試驗設備包括高溫箱、低溫箱、高低溫箱、溫度沖擊箱和快速溫度變化箱。雖然都是用來產生溫度條件，不同的溫度試驗項目對溫度試驗設備的要求有所不同。對試驗箱的結構和參數要求也略有區別（見表1）但不管什么試驗箱，它們都應能產生并保持試驗方法標準中所規定的試驗條件，并在規定的容差范圍，以確保試驗結果的重現性。

1.2 對輔助設備和儀器的要求

溫度試驗實施尚需一些輔助設施和測試儀表。輔助設施主要是試驗箱內放置受試產品的擱架。擱架應當是絕熱的，以避免將受試產品熱量傳送走。輔助儀器是指用于測量試驗箱空氣溫度，受試產品響應溫度和試驗箱內風速的傳感器和信號傳輸線、信息處理、記錄和顯示系統。GJB 150A尤其強調要記錄箱內風速、受試產品周圍的溫度，受試產品響應溫度，以獲得各種信息，用于各種目的，保證試驗正確順利的實施和試驗結果的重現性。

輔助測試系統可以作為試驗箱組成部分，也可以單獨配置。但這些系統必須與試驗箱的試驗條件控制系統分開，并且有相應耐溫度環境的能力。

2 溫度試驗技術

科學合理地進行溫度試驗，是確保溫度試驗結果正

確性和重現性的關鍵。溫度試驗技術包括受試產品溫度穩定時間確定技術、試驗溫度監控技術、受試產品溫度響應的測量技術、負載和冷卻措施模擬技術和試驗設備的選用技術等。

表1 各種溫度試驗箱的比數

2.1 受試產品溫度穩定確定技術

1）溫度穩定的定義和穩定時間確定方法

受試產品在試驗溫度下達到溫度穩定是保證試驗結果正確的關鍵，有關受試產品達到溫度穩定的定義在GJB 150.1A《軍用裝備實驗室環境試驗方法第1部分 通用要求》中有明確的闡述，分為不工作狀態溫度穩定和工作狀態溫度穩定兩種類型，分別用于受試產品兩種狀態，適用于不同標準中不同的試驗要求。按照GJB 150/150A定義，應當用直接測量法確定溫度穩定時間，即在受試產品內部關鍵功能部件處布置溫度傳感器，進行測量。溫度達到穩定的時間為受試產品上各測量點中溫度變化最慢的點達到溫度穩定日歷時間減去試驗箱溫度到達設定溫度的時間。例如，假如試驗溫度為60℃，試驗箱空氣溫度（通常是指示溫度）到達此溫度的時間為9∶30分，各測量點中變化最慢的測量處溫度到達穩定時間為11∶30分，則溫度穩定時間為2h。需要指出的是，工作狀態和不工作狀態達到溫度穩定時間是不一樣的，特別是產品在工作狀態會發熱時，需要增加產品發出的熱量與周圍空氣熱交換達到平衡所需的時間，因而會比不工作狀態時得到的時間長。產品發熱量越小，則此時間越接近不工作狀態確定的溫度穩定時間。

2）影響溫度穩定時間的因素

雖然受試產品在某一溫度下達到穩定所需的時間在理論上應當是一個確定的值，若確定溫度穩定時所用試驗箱的熱沉（改變溫度的能力），和試驗箱溫度變化速率不同時，得到結果也不同。一般說來，試驗箱的發熱和致冷能力越強，達到溫度穩定時間越短；試驗箱升、降溫速率越大，受試產品熱滯后越大，達到溫度穩定所需的時間越長；試驗箱內的風速加大，會加快熱交換過程，能縮短達到溫度穩定所需的時間。因此在選用溫度試驗箱溫度變化速率時，應考慮盡量用與未來進行此試驗的試驗箱的型號和變化速率相同的試驗箱。

此外受試產品在不同的試驗溫度下達到溫度穩定的時間也不一樣。這是因為達到溫度平衡過程需進行熱交換量不一樣，試驗溫度高或低，則與試驗室當時溫度（15℃～35℃之間）差值會或大或小，因而達到溫度穩定時間會不一樣。為此，最好對每一個試驗溫度均采用直接測量法確定達到溫度穩定的時間，而不能簡單地對不同的試驗溫度采用同一個溫度穩定時間。

3）溫度穩定測量時，測量點的選擇

GJB 150/150A中，對測量點選擇有原則性說明，而且這一說明越來越符合工程實踐，例如GJB 150.1《軍用裝備實驗室環境試驗方法 總則》中明確測量點應是產品熱容量最大的部位，但不考慮結構件和無源件，GJB 150A中進一步明確為受試產品中的熱容量最大的關鍵功能部件。這一規定是非常合理的，但實際確定哪個部位是關鍵功能部件、哪個關鍵功能部件熱容量最大并不容易，需要和設計人員一起分析確定。由于工程實踐中常難以確定這一部件，可以在認為要考慮的多個關鍵部件上均布傳感器，進行響應溫度測量，將實際測量得到的溫度變化最慢點對應曲線用于確定為溫度穩定時間。

4）縮短溫度穩定時間的方法

在GJB 150.1/150.1A中均提出可以用溫度過沖的辦法來縮短受試產品達到溫度穩定的時間。這一方法的最大問題是必須保證受試產品不因經受此溫度過沖而損壞。GJB 150.1中規定經受過沖溫度為5℃時間不得超過5min，但無法保證受試產品不受損壞，因而這一方法很難采用；GJB 150.1A進行了修正，明確溫度過沖不得超過受試產品應力極限，此時產品自然就不會損壞。這一方法的前提是要先通過步進溫度試驗確定其溫度極限，但標準中沒有明確在過沖溫度下的保持時間，具體時間要自行掌握。

5）存在問題

我國軍工產品研制過程中，溫度穩定時間一直使用重量法或相似產品法確定。所謂重量法是根據產品重量大小確定溫度穩定時間，如HB 6-71-76中規定：受試產品2kg以下為1h；10kg以下為2h；……不同材料的熱容

量不同，不同產品的結構不同，導致傳熱方式和路線不同，因而傳熱效率不同。若使用了隔熱材料，則更影響熱交換速度，所以這一方法是不科學的；而采用相似產品的溫度穩定時間，雖然看起來有充分依據，但由于相似產品溫度穩定時間來源于重量法和拍腦袋，本身就不正確，這并不是好的選擇。GJB 150.1A中已明確規定要在受產品內部布置傳感器進行直接測量。

長期以來，直接測量法不被應用的一個重要原因是在受試產品設計定型或技術鑒定時，有些產品可以在其內部安裝傳感器和布線測量溫度而不破壞其技術狀態，有些產品是密封的，無法這樣做，不可能為安裝傳感器和布線而在產品外殼上打洞，破壞其技術狀態。在這種情況下，建議將確定溫度穩定的時機提前到工程研制階段。在環境適應性研制試驗中，最好是在環境響應特性調查試驗時進行這一工作，獲取達到溫度穩定的時間這一數據，供后續試驗使用或作為估算的依據。

2.2 溫度試驗箱的選用技術

溫度試驗箱的選用首先必須遵循GJB 150.1/150.1A中規定的經過檢定，且測量精度小于等于被測參數容差1/3的原則。在溫度箱的選用時，許多人并不仔細研究各種溫度試驗項目對試驗箱的具體要求，以為能產生和保持所需溫度等試驗條件的試驗箱就可選用，從而導致試驗無效。例如，進行高低溫恒溫工作試驗時許多人選用了環境應力篩選箱（ESS箱）或綜合試驗用的快速溫度變化箱。溫度試驗標準項目中對試驗箱要求是風速要小于1.7m/s，以防止產生不符合實際情況的熱傳導，而ESS箱和快速溫度變化箱的風速通常在4m/s以上，因而用這兩種試驗箱做高、低溫工作試驗，會造成試驗結果不真實。溫度試驗試驗箱規定風速小于1.7m/s，已經是為了實現試驗箱內溫度均勻采取的不得已的折衷措施。還有一些單位用快速溫度變化箱進行溫度沖擊試驗，其理由是一些標準中指出10℃/min已經可以看作是熱沖擊，這也是不恰當的。溫度沖擊試驗一般應使用兩箱法或一箱兩室法進行，兩箱或兩室分別保持在溫度沖擊所需的高溫和低溫上，使受試產品輪流進入這兩個試驗箱內實現溫度沖擊，顯然這種溫度沖擊比10℃/ min變化嚴酷得多。也有些單位使用一個試驗箱內輸流注入熱氣和冷氣的方法對受試產品進行熱沖擊，這一方法雖然簡便，不需要移動受試產品，且可以方便地監測受試產品功能性能，但往往造成能量浪費，而且溫度沖擊試驗標準中并不要求轉換過程測量性能。

2.3 溫度試驗設定點選用技術

溫度試驗中，試驗箱的溫度設定點一般應是試驗溫度。實際試驗操作中，常常會出現問題，造成過試驗或欠試驗。許多試驗方法標準或試驗大綱中，常常有“將試驗箱的溫度升到60℃±2℃”的步驟，這一類描述方法，使試驗操作人員誤認為試驗箱設定溫度可以在58℃到62℃中選擇任何一個值，而且往往把58℃作為設定溫度，這種做法導致欠試驗。60℃±2℃是試驗條件中的規定，試驗溫度應是60℃，但最低不能低于58℃。最高不能高于62℃，即受試產品各部分經受的溫度應在58℃～62℃之間。試驗條件容差±2℃是一個工程處理方法，由于試驗箱內溫度場受其結構向外界散熱和風速不一的影響不可能保持在一個溫度下，標準中給出了4℃范圍，作為試驗箱溫度場均勻性設計目標。±2℃是試驗箱溫度場檢定用的符合性指標。如果將試驗溫度設定在58℃，則由于試驗箱內溫度的不均勻性，其實際溫度范圍在56℃到60℃之間，受產品的部分地方經受到的溫度會低于58℃，造成欠試驗。這是指溫度箱檢定時，其最高最低溫度對稱分布在試驗溫度上下限的情況，如檢定溫度為60℃；檢定結果最低溫度為58℃，最高為62℃。往往出現不對稱分布的情況，例如檢定溫度為60℃，其最低溫度為57℃，最高溫度為61℃在這種情況下，進行60℃的高溫工作試驗，對其設定溫度必須進行修正，才能避免出現經受57℃的欠試驗溫度，即將設定溫度改在61℃，此時最低溫度為58℃，最高溫度為62℃，從而實現了60℃高溫試驗的要求。低溫試驗則剛好相反，即若-55℃檢定時，其最低溫度為-58℃、最高溫度-54℃，則55℃的低溫試驗設定溫度應為-54℃。檢定單位在這種情況下應給出代表各試驗溫度的設定溫度值，即試驗溫度的修正值作為試驗設定溫度。

2.4 確保經受的試驗條件準確的技術

環境的試驗條件控制取決于試驗設備的能力和試驗技術人員操作兩個方面。試驗設備首先應具備產生和保持試驗大綱中規定的試驗條件，這可通過試驗設備選用和試驗設備的定期檢定和嚴格按照檢定證書規定的試驗溫度范圍使用溫度箱來實現，試驗操作人員實施過程不當，即使是正確選用了溫度箱，并不能保證受試產品經受的溫度和試驗時間滿足規定的要求，主要有以下幾個方面。

2.4.1 安裝不當造成過試驗或欠試驗

受試產品在溫度箱內放置不當會使其經受的試驗溫度低于或高于規定的試驗溫度，導致過試驗和欠試驗。溫度試驗箱一般只有一半的容積可用于進行試驗，試驗箱的結構設計、熱交換和氣流流動方式和方向決定了即便是在空箱情況下，不可能保證試驗箱內每一位置的溫度都在規定容差范圍。一般來說，離開箱壁一定距離范圍內（常見的數據是箱壁長度的六分之一到十分之一）的溫度都不能滿足要求。特別是方形試驗箱的四個角，這四個角是空氣流動的死角。因此一些標準對受試產品的體積和溫度箱的容積比作出了規定，一般規定是發熱的試驗樣品體積不大于試驗箱容積的十分之一，不發熱的試驗樣品不大于五分之一。GJB 150A中規定受試產品應盡量安裝在試驗設備的中央，被安裝的試驗樣品之間，試驗樣品與試驗箱箱底和箱壁之間應有適當間隙，并將此間隙規定為不小于15cm，以使空氣能夠自由流動。

然而試驗人員實際操作中，往往忽視這些要求，常見的錯誤做法如下：

1）因受試產品較重，直接將其放在溫度箱的箱底。

2）為了提高生產率，多個受試產品放在同一個箱中，且彼此之間間隙小于15cm嚴重影響空氣流動。

3）受試產品緊貼溫度箱箱壁，不在試驗箱有效容積范圍內。

4）小型受試產品在擱架上放置時，在擱架上放一塊墊板，受試產品不直接放在金屬擱架上，防止通過擱架傳熱是正確的，但墊板不宜太大，以致影響了箱內空氣自由流動和受試產品底部直接與箱內空氣進行熱交換的效率。

5）受試產品放置方向，其長的一面垂直于箱氣流流動方向，而不是順著氣流方向，阻止了箱內空氣自由流動。

由于以往標準中規定的一些原則和要求常被忽視，不能切實保證受試產品各部位經受的溫度處于溫度容差范圍。GJB 150.3A中明確規定要在受試產品周圍布置傳感器，以測量其周圍空氣溫度。通過這種測量才能真正了解到受試產品是否經受了規定的試驗條件。GJB 150.3A在試驗準備中提出的這一要求是否實施可按技術文件規定，表明這不是GJB 150A的硬性規定，具體由有關文件決定。但如果執行這一規定，就可以杜絕以往的一切不規范安裝的行為。

2.4.2 試驗持續時間計算不當

高低溫工作試驗中，有些受試產品進行中間檢測。由于涉及到施加負載和操作上的限制，必須打開箱門或拿出箱外進行檢測。此時引起試驗箱溫度或受試產品溫度產生顯著變化（大于2℃），若15min內不能完成工作性能檢測，必須使試件回到規定的試驗溫度，再開箱或出箱進行檢測。在繼續試驗前應使試件重新穩定到規定的溫度。開箱或出箱檢測和檢測完后恢復到規定溫度的時間不能計入試驗持續時間。

在溫度沖擊試驗中，試件從一個箱轉入另外一個箱中時，必然由于打開箱門而造成試驗箱溫度降低，從受試產品入箱到試驗箱恢復到規定溫度（其時間超過標準規定）的時間不能計入試驗持續時間，否則也會導致試驗持續時間不足。

2.5 測量受試產品溫度響應技術

GJB 150.3A/4A中提出，可按有關文件規定，在試件內和試件上安裝溫度傳感器，以測量受試產品的響應溫度和確定受試產品達到溫度穩定的時間。GJB 150.3A/4A提出這一做法是很有意義的，用直接測量方法確定受試產品溫度穩定時間是標準本身的要求。測量受試產品表面和內部響應溫度，有利于掌握受試產品試驗時有關部位經受的溫度情況和溫度分布，便于進行熱分析和故障

定位。這一工作不是所有產品和所有階段的試驗時都能進行的。有些產品在設計定型或技術鑒定時，無法安裝傳感器確定溫度穩定時間，此時須考慮在研制中期開展環境響應特性調查試驗，確定達到溫度穩定時間這一信息，或者用熱分析法確定這一時間。

2.6 試驗中斷及處理

溫度試驗過程中會由于試驗設備故障和受試設備故障導致試驗的意外中斷或人為中斷。此時應按GJB 150.1A中基本原則進行處理，溫度試驗除滿足GJB 150.1A規定外，還有一些特殊要求。

第一，關于研究生國際合作的論文，主要有：譚敏的《我國研究生國際合作培養現狀及其質量保障研究》；何勇靈的《研究生國際合作教學模式研究和實踐》；殷允杰、王潮霞的《我國研究生國際合作與聯合培養新模式探索》。

2.6.1 高溫試驗意外中斷特殊要求

1）欠試驗中斷

①循環試驗

若高溫循環試驗在進行過程中發生意外中斷，使得試驗條件向標準大氣條件溫度下降并超出允差，則應從上一次成功完成的循環結束點恢復試驗。

②恒定溫度試驗

若恒定溫度試驗在進行過程中出現意外中斷，使得試驗條件向標準大氣條件溫度下降并超出允差，則應使試件重新穩定到規定的試驗溫度，并從試驗條件偏離點開始繼續進行試驗。中斷期間溫度超出允差的時間不計入總試驗時間。應記錄中斷前和中斷后試驗段的持續時間。

2）過試驗中斷（例如試驗箱失控）

①物理檢查和性能檢測

若循環試驗或恒定試驗的中斷，使得試件暴露于比產品規范要求的更為嚴酷的環境中時，則應在中斷之后進行全面的物理檢查和工作性能檢測（如可能），然后根據檢查和測量結果決定是否繼續進行試驗。

②安全、性能和材料問題

當過試驗后發現安全、性能和材料問題時，最好的措施是結束這次試驗，并用新的試件重新進行試驗。若不這樣做而在余下的試驗中試件出現故障，則會因過試驗條件而認為此試驗結果無效。若沒有發現安全、性能和材料問題，應按以下辦法處理：

對于恒溫試驗，則應恢復中斷之前的條件，并從試驗允差超出點繼續進行試驗，試驗中斷期間的時間計入總的試驗時間；對于循環溫度試驗，應從上一次成功完成的循環結束點恢復試驗，過試驗中斷時的循環（不完整的循環）不計入總的循環數。

2.6.2 低溫試驗意外中斷特殊要求

1）欠試驗中斷

對于使試驗溫度向周圍環境溫度變化并超出允差范圍的試驗中斷，應對試件進行全面的物理檢查和工作性能測量（若可能的話）。若沒有發現問題，則使試件重新穩定在試驗溫度，并從中斷點開始繼續試驗。由于未遇到極端條件，出現任何問題均應認為是試件本身的問題。中斷期間溫度超出允差的時間不計入總的試驗時間。

2）過試驗中斷

對于使試件暴露于比產品規范要求的更為嚴酷的條件下的試驗中斷，在繼續試驗之前應對試件進行全面的物理檢查和工作性能檢測（若可能的話）。若存在安全問題時（如彈藥），尤其需要這樣做。若發現有問題，最好的辦法是結束此次試驗，用新的試件重新做，否則在后續試驗期間試件失效時，由于出現過過試驗條件，可定為試驗結果無效；若沒有發現問題，則恢復中斷前的試驗條件繼續試驗。試驗中斷期間的時間計入總的試驗時間。

2.6.3 溫度沖擊試驗意外中斷特殊要求

1）欠試驗中斷

若在保溫期間發生意外的試驗中斷，使試驗條件向標準環境溫度偏離并超出允差，則應從中斷點開始重新試驗，并使試件重新處在試驗條件下。若在轉換期間發生中斷，應使試件重新處在轉換前的溫度下，然后進行轉換。欠試驗期間的時間不計入試驗時間。

2）過試驗中斷

在導致試件暴露于比裝備規范要求更為極端的溫度下的任何中斷發生后，只要可能，應在繼續試驗之前立即對試件進行全面的物理檢查和工作性能測量。在可能存在安全問題的情況下，例如對彈藥進行試驗時，尤其應如此。若發現問題，最好的辦法是停止試驗，并且用新試件重新開始試驗。若不這樣做，而且在隨后的試驗中試件再次出

現故障，則由于試驗中曾出現過過試驗條件，此試驗結果無效。若沒有發現問題，應重新恢復中斷前的條件繼續試驗。過試驗期間的時間計入試驗時間。

2.6.4 受試產品出現故障后的人為中斷

受試產品試驗過程中出現故障，必須中斷試驗，進行故障分析和定位，并決定是否中止試驗。從環境適應性驗證試驗的角度，出現故障就可判為試驗失敗。工程實踐中，出現故障必須要采取糾正措施，并進行試驗驗證，實現故障歸零，而后重新進行該項試驗。若該項試驗通過，則考慮繼續進行試驗，但分兩種情況，先應分析采取故障糾正措施后，產品的技術狀態變化是否影響前面已進行并通過的試驗項目的結論的有效性。若認為這一更改不會影響以前試驗的結果，則可繼續進行余下的試驗項目，但必須提交分析報告，說明前面進行過的試驗的有效性；若認為這一更改會影響以前試驗的結論或無把握，則應從頭開始進行所有的試驗。

3 其他技術

GJB 150.3A/4A中還規定，進行高低溫工作試驗時試驗步驟中應包括功耗和負載、電壓變化和冷卻等方面的要求。

1）應包括功耗最大（產生的熱量最多）的工作狀態。

2）電壓改變會影響試件的熱耗或溫度響應(如動力的產生和風扇的轉速)時，應包括所需要的輸入電壓條件的變化范圍。

3）應引入使用期間通常使用的冷卻介質（如強迫的冷卻空氣或冷卻液）。使用冷卻介質時應考慮冷卻介質入口處的溫度和流量，以反映典型情況和最壞情況下的溫度及流量條件。

4 結論

本文從溫度對裝備的影響、試驗程序、試驗條件及其剪裁、試驗技術四個方面系統闡述了溫度環境試驗及其標準的特點、主要技術內容和應用方法等，并著重針對軍品研制中對溫度試驗的錯誤理解和操作，提出了具體解決方法和建議。

[1] GJB 150-1986,軍用設備環境試驗方法[S].

[2] GJB 150A-2009,軍用裝備實驗室環境試驗方法[S].

[3] GB/T 2423.1-2001,電工電子產品環境試驗第2部分：試驗方法 試驗A；低溫[S].

[4] GB/T 2423.2-2001,電工電子產品環境試驗第2部分：試驗方法 試驗B：高溫[S].

[5] GB/T 2423.22-2002,電工電子產品環境試驗第2部分：試驗方法 試驗N：溫度變化[S].

[6] 祝耀昌. 產品環境工程概論[M].北京：航空工業出版社, 2003.

[7] 祝耀昌.產品環境工程論文集[C].北京：航空綜合環境航空 科技重點實驗室, 2009.

蔡良續，1978年生，黑龍江省哈爾濱市人，北京航空航天大學材料學博士，高級工程師，現主要從事裝備環境和可靠性試驗技術研究。

Review of Temperature Tests and Their Standards (Part Four) Temperature Test Technique

CAI Liang-xu1, ZHANG Lu2, XU Liang1, DU Hai-bo1, LIU Jia1
（1. China Aero-Polytechnology Establishment,beijing 100028 2.Avic Xi’an Flight Automatic Control Research Institute,xi'an 710065）

V416.6

A

1004-7204（2015）02-0077-06