機載設備溫度試驗擺放間距研究

郭麗娜，郭世勇，郭華鵬，高援凱，余壯，高海峰，萬翔，錢磊

（中國航空工業(yè)集團公司 洛陽電光設備研究所，河南 洛陽 471000）

溫度試驗是機載設備環(huán)境試驗中的重要一項，它通過在實驗室條件下模擬機上的真實環(huán)境，用以考核設備能否經(jīng)受機上的溫度環(huán)境條件，是保證設備質(zhì)量的一種重要手段[1-2]。無論是在航空機載設備的科研研制過程中，還是生產(chǎn)批量交付過程中，都需要進行溫度試驗。對于研制階段的設備來說，為保證設備質(zhì)量的穩(wěn)定性，溫度試驗條件通常直接采用系統(tǒng)的條件，系統(tǒng)下所包含的組件往往不止1 個，在試驗中需要同時放置于1 個試驗箱內(nèi)，不同設備的發(fā)熱情況會因試驗的擺放間距對試驗效果產(chǎn)生直接影響。對于批生產(chǎn)階段的設備來說，同型號設備往往大批量放置于同一試驗箱內(nèi)，容易忽略設備間發(fā)熱對于試驗效果的影響。經(jīng)過對前期多型號設備溫度試驗的試驗實施過程和試驗結(jié)果詳細梳理發(fā)現(xiàn)，在溫度試驗過程中，機箱類設備涉及擺放間距的情況較多，過大的擺放間距會嚴重影響試驗進度、科研及交付任務，降低試驗效率，過小的擺放間距會引起過試驗的現(xiàn)象出現(xiàn)，引起非關(guān)聯(lián)故障的出現(xiàn)[3]。

本文將針對上述問題開展研究工作。基于接觸式測量技術(shù)，測試研究機箱類設備擺放間隔對溫度變化的影響，探究不同間距下對于高低溫篩選試驗過程的影響，最終達到發(fā)揮試驗箱最大效率的同時，避免過試驗情況發(fā)生的目的，從而改善試驗過程，提升設備試驗的有效性。

1 理論分析

1.1 溫度試驗的熱傳遞基本理論

溫度試驗的熱傳遞基本理論可用3 個定律來描述，即牛頓冷卻定律、傅里葉定律和能量守恒定律。一般情況下，試驗箱內(nèi)熱源（或冷源）與試驗樣品表面間的熱交換可用牛頓冷卻定律進行描述，見式（1）。

式中：Qd為產(chǎn)品獲得或失去的熱量；α為對流換熱系數(shù)；v為流體與固體的相對流速；C為流體的比熱容；F為被試產(chǎn)品表面的面積；Δtz為被試產(chǎn)品表面與包圍產(chǎn)品氣流的溫度差。

被試產(chǎn)品表面部件溫度改變后，和其相鄰部件間會出現(xiàn)溫度差，熱量沿著溫度梯度的方向，選擇熱阻最小途徑向內(nèi)部其他部件（或反向）傳遞。物體內(nèi)部熱量傳遞服從傅里葉定律，即：

式中：λ為物質(zhì)的導熱系數(shù)；Δt為傳遞途徑上的溫度差；L為傳遞路徑的長度。

被試產(chǎn)品內(nèi)部各零件自身溫度的改變?nèi)Q于該部件其本身的熱容量大小。根據(jù)能量守恒定律，其表達式為：

式中：Qd為零件從自身表面獲得或失去的熱量；C為組成該零件的材料的比熱容；V為組成該零件的材料的體積；γ為組成該零件的材料的密度。式（1）—（3）反映了溫度試驗中的所有影響要素。

1.2 擺放間距對溫度試驗的影響分析

通常認為，溫度試驗中擺放被試品是一件非常簡單的事情，試驗的實施者進行這類操作時有一定的隨意性。對于一些穩(wěn)態(tài)性的溫度試驗，如高（低）溫的工作試驗，高（低）溫貯存試驗，恒溫恒濕、鹽霧、霉菌等氣候試驗。出于試驗機理和考核目的，規(guī)定升降溫過程中溫度變化的速率很低，因而在變溫過程中被試產(chǎn)品內(nèi)部溫度場的差異性較小，由溫差效應帶來的被試產(chǎn)品內(nèi)部的溫差應力也很小，故被試品在試驗箱中的擺放相對試驗結(jié)果的影響小。然而，在一些包含快速溫度循環(huán)的可靠性試驗和高變溫速率的環(huán)境應力篩選（高加速試驗）以及電工電子產(chǎn)品的溫度變化試驗中，由于試驗過程中的溫度變化速率很高，在變溫過程中被試產(chǎn)品內(nèi)部溫度場的分布非常不均勻，被試品在試驗箱內(nèi)由于擺放間距會導致相互之間的熱傳導速度不同，會在被試品內(nèi)部激發(fā)出完全不一樣的溫度場，由溫差效應帶來的被試品內(nèi)部溫度應力場也會大不相同，也有可能導致強烈的溫差效應，使產(chǎn)品的潛在缺陷顯現(xiàn)為故障。因此，被試品在試驗箱中的擺放間距是對試驗結(jié)果有較大影響的一個條件[3]。

2 研究方案介紹

2.1 測試儀器

本次試驗所用的測試設備是溫度自動測試儀[4]，如圖1 所示，其技術(shù)參數(shù)見表1。該設備由采集器與計算機合二為一，主機將計算機集成為一體，代替了原來的數(shù)據(jù)采集器，以及筆記本電腦設備復雜、操作麻煩的程序，可自行處理數(shù)據(jù)處理，記錄打印可自行完成。

表1 溫度測試儀技術(shù)參數(shù)Tab.1 Technical parameters of temperature tester

圖1 溫度測試儀Fig.1 Temperature tester

2.2 多設備間距試驗方案設計

試驗中以2 套系統(tǒng)共計8 臺機箱作為被試品，第1—4 臺在溫度箱靠里側(cè)一排，每臺被試品之間間距按照GJB 150A[5-6]推薦的距離15 cm；第5—8 臺在溫度箱靠外側(cè)為一排，且每臺被試品間距為1 cm，標定依據(jù)為實際交付過程中放置的普遍情況。溫度傳感器通道1—6 分別在2 臺設備的中間位置，通道7 和通道8 為別粘貼在溫度箱底部和上部，其具體分布位置如圖2 所示。

圖2 溫度測試點位置Fig.2 Temperature test points

本文以實際測試情況為經(jīng)驗，指定4 種測試方案。其中，1 cm 極小間距測試方案模擬試驗箱最大有效容積試驗過程；5 cm 中等間距測試方案模擬試驗箱非飽和試驗過程；10 cm 中等間距測試方案模擬試驗箱非飽和試驗過程；15 cm 標準間距測試方案模擬試驗箱標準試驗過程。根據(jù)試驗設備情況與試驗目標，將測試方案分為以下4 種，見表2。

表2 測試方案Tab.2 Test plan

3 試驗過程

3.1 方案4 基準曲線測定[7-8]

為測定被試品間距對溫度試驗效果的影響，首先需要對試件符合GJB 150A 推薦距離（15 cm 間距）的標準溫度曲線，并監(jiān)測其試驗數(shù)據(jù)和溫度曲線，該試驗數(shù)據(jù)作為標準試驗條件下試驗效果的基準曲線（標準試驗監(jiān)測曲線）。試驗過程中按照標準的篩選剖面通斷電要求進行設備上下電，試驗在進行2 個循環(huán)后結(jié)束[9-12]，收集保存數(shù)據(jù)后準備進行間距試驗。試驗步驟如下：

1）將1—4 臺被試品居中放置在溫度箱的置物架上，處理機與試驗箱內(nèi)壁間保持15 cm 的距離，以確保空氣能正常循環(huán)，如圖3 所示。

圖3 方案4 標準間距下設備和傳感器分布Fig.3 Equipment and sensor distribution under standard distance in plan 4

2）在設備間布置溫度傳感器，粘貼溫度傳感器[13]。

3）關(guān)閉箱門，同時開啟溫度自動測試系統(tǒng)，實時記錄各溫度傳感器的溫度[8]。

4）將溫度箱設置為25 ℃，啟動。監(jiān)控溫度自動測試系統(tǒng)，直至所有測試點溫度均達到25 ℃。

5）將溫度箱設置為-55～71 ℃的篩選循環(huán)曲線，同時溫度自動測試系統(tǒng)記錄各溫度傳感器的溫度[14]。

6）通過溫度自動測試系統(tǒng)每分鐘采集1 次溫度數(shù)據(jù)，記錄2 個循環(huán)過程中非工作與工作狀態(tài)下該部件上所有傳感器的試驗數(shù)據(jù)。

3.2 方案1、2、3 測試過程

依據(jù)設備放置間距的定義，在進行多設備溫度試驗時，應盡量使所有試件重心保持在一條直線上。試驗過程中重點關(guān)注的是溫度巡檢儀記錄的各型設備的溫變曲線。整個試驗過程均嚴格控制溫度巡檢儀的各路溫度傳感器始終準確記錄測溫點的溫度變化曲線，嚴格控制試驗箱中的運行剖面與試驗剖面相符合[15]。具體步驟如下：

1）將4 臺設備居中放置在溫度箱的置物架上，為了探究試驗效果，除中心試件外，所有試件距箱壁按照GJB 150A 的要求保持15 cm 以上，試件間距離按照梯度設定，后續(xù)根據(jù)前一次試驗情況不斷迭代調(diào)整。本次試驗中，4 臺設備間距設定為1、5、10 cm，距離兩側(cè)箱壁均大于15 cm，以確保空氣能正常循環(huán)，如圖4—6 所示。

圖4 標準和極小間距下設備和傳感器分布Fig.4 Equipment and sensor distribution under standard and minimal distance

圖5 中等間距5 cm 下設備和傳感器分布Fig.5 Equipment and sensor distribution under moderate distance of 5 cm

圖6 中等間距10 cm 下設備和傳感器分布Fig.6 Equipment and sensor distribution under moderate distance of 10 cm

2）關(guān)閉箱門，同時開啟溫度自動測試系統(tǒng)，實時記錄各溫度傳感器的溫度。

3）將溫度箱設置為25 ℃，啟動溫度箱。監(jiān)控溫度自動測試系統(tǒng)，直至所有測試點溫度均達到25℃。

4）將溫度箱設置為-55～71 ℃的篩選循環(huán)曲線，同時溫度自動測試系統(tǒng)記錄各溫度傳感器的溫度。

5）通過溫度自動測試系統(tǒng)每分鐘采集1 次溫度數(shù)據(jù)，記錄2 個循環(huán)過程中非工作與工作狀態(tài)下該部件上所有傳感器的試驗數(shù)據(jù)。

4 試驗數(shù)據(jù)處理及分析

4.1 標準間距下溫度循環(huán)篩選測試結(jié)果

溫度自動測試系統(tǒng)測得標準間距下溫度隨時間的變化曲線如圖7 所示。其中，通道1、2、3 分別位于溫度箱內(nèi)側(cè)的4 臺設備中間，通道7、8 分別位于溫度箱底部和頂部位置。通過分析圖7 可知，通道1、2、3 所對應的3 條曲線的升降溫過程為線性，并且與通道7、8 所對應的溫度隨時間的變化曲線的擬合度較高。因此，在按照GJB 150A 的要求擺放設備時，設備周圍的環(huán)境溫度變化過程與溫度箱設定的升溫過程符合，升溫過程呈線性。若在交付過程中進行篩選試驗時，按照標準及測試方案中制定的15 cm間距擺放，則整個篩選過程的可信度較高，能完全滿足篩選剔除早期缺陷的環(huán)境試驗要求，達到篩選試驗的目的。

4.2 極小間距下溫度循環(huán)篩選測試結(jié)果

溫度自動測試系統(tǒng)測得極小間距下溫度隨時間的變化曲線如圖8 所示。其中，通道1、2、3 為標準間距，通道4、5、6 為極小間距，通道7、8 為篩選箱頂部及底部。通過分析圖8 可知，相比較于標準間距，極小間距下4 臺設備周圍的環(huán)境溫度變化過程滯后于溫度箱設定的溫度變化，在高低溫循環(huán)的保溫階段，存在明顯的欠試驗現(xiàn)象。根據(jù)圖8 中第一循環(huán)升溫及高溫段定量分析可知，存在75 min 的滯后效應。由第一循環(huán)的降溫及低溫段定量分析可知，存在50 min 的滯后效應。其中，第5—8 臺中的RIU2 與RIU3 之間通道5 的溫變速率最慢（116 min），說明通道5 溫度傳感器所在位置的溫度滯后效應最大。若在交付過程中進行篩選試驗時，按照測試方案中制定的1 cm 間距擺放，則整個篩選過程的可信度較低，不能滿足篩選剔除早期缺陷的環(huán)境試驗要求，達不到篩選試驗的目的。

圖8 極小間距下溫度隨時間的變化Fig.8 Change of temperature with time under minimal distance

4.3 中等間距5 cm 下溫度循環(huán)篩選測試結(jié)果

在中等間距下溫度循環(huán)篩選剛開始時，由于設備故障，試驗出現(xiàn)過中斷，因此截取篩選過程中的2 個循環(huán)進行分析。溫度自動測試系統(tǒng)測得8 個通道溫度隨時間的變化趨勢如圖9 所示。分析圖9 可知，相比較于標準間距，中等間距（5 cm）下4 臺設備周圍的環(huán)境溫度變化過程滯后于溫度箱設定的溫度變化。在高低溫循環(huán)的保溫階段，存在欠試驗的現(xiàn)象。根據(jù)第一循環(huán)升溫及高溫段定量分析可知，存在52 min 的滯后效應。由第一循環(huán)的降溫及低溫段定量分析可知，存在28 min 的滯后效應。其中，第5—8 臺的RIU2 與 RIU3 之間的通道 5 的溫變速率最慢（92 min），說明通道5 的溫度傳感器所在的位置溫度滯后效應最大。若在交付過程中進行篩選試驗時，按照測試方案中制定的5 cm 間距擺放，則整個篩選過程的可信度仍較低，不能滿足篩選剔除早期缺陷的環(huán)境試驗要求，達不到篩選試驗的目的。

圖9 中等間距5 cm 下溫度隨時間的變化Fig.9 Change of temperature with time under moderate distance of 5 cm

4.4 中等間距10 cm 下溫度循環(huán)篩選測試結(jié)果

截取中等間距10 cm 下溫度循環(huán)篩選過程中的2個循環(huán)進行分析，如圖10 所示。通過分析圖10 可知，相比較于標準間距，中等間距（10 cm）下4 臺設備周圍的環(huán)境溫度變化過程滯后于溫度箱設定的溫度變化較小，在高低溫循環(huán)的保溫階段，基本上不存在欠試驗現(xiàn)象。根據(jù)圖10 中第一循環(huán)升溫及高溫段定量分析可知，存在10 min 的滯后效應。由第一循環(huán)的降溫及低溫段定量分析可知，存在8 min 的滯后效應。其中，第5—8 臺的RIU2 與RIU3 之間的通道5溫變速率最慢，說明通道5 的溫度傳感器所在的位置溫度滯后效應最大。

圖10 中等間距10 cm 下溫度隨時間的變化Fig.10 Change of temperature with time under moderate distance of 10 cm

若在試驗過程中進行篩選試驗時，按照測試方案中制定的10 cm 間距擺放，則整個篩選過程的可信度仍較高。其中，高溫段的溫度滯后效應相較于整個恒溫過程的占比8.3%，低溫段的溫度滯后效應相較于整個恒溫過程占比6.7%。上述指標均在10%內(nèi)[16-17]，能夠滿足篩選剔除早期缺陷的環(huán)境試驗要求，在達到篩選試驗目的的同時能夠縮短試驗間距5 cm，提升試驗效率30%。

5 結(jié)論

本文采用基于接觸式測量的溫度曲線變化測試方法，探究設備的擺放間距對于篩選試驗效果的影響，并找出最佳擺放距離。研究成果可直接應用于機箱類設備的篩選、溫度試驗，顯著提高機箱類設備的試驗效率，研究成果已在同類型產(chǎn)品篩選試驗中應用，并取得直接成效。

經(jīng)過本文所開展的研究，機箱類設備在進行溫度試驗前需注意以下幾點[18-19]：

1）對于不同設備合箱篩選的情況，盡量保持不同型設備間距10 cm 以上進行高低溫試驗，雖不完全符合GJB 150 相關(guān)規(guī)定，但誤差仍能夠滿足10%以內(nèi)要求。有條件的情況下，應盡可能將功耗高的設備放置于試驗箱邊緣（保持距離試驗箱內(nèi)壁15 cm 以上）。

2）在同型多設備交付同時提交篩選試驗時，應嚴禁將各設備間距擺放在10 cm 以下，避免試驗中欠試驗現(xiàn)象產(chǎn)生，影響故障析出。

3）在多設備擺放過程中，不擺僅應關(guān)注設備間放距離，還要注意各設備與試驗箱體各面應保持15 cm 以上的距離。