自动化快速冷热交换冲击试验箱的计量特性及方法介绍

一、引言

二、计量特性

（一）温度范围

1. 定义与重要性

• 温度范围是指试验箱能够稳定达到的低温度与高温度之间的区间。例如，某试验箱的温度范围为 - 60℃至 150℃。这个范围决定了试验箱能够适应的产品测试需求的广度。不同的产品在不同的应用场景下可能需要在特定的温度区间内进行测试，如航空航天部件可能需要在极低温度下测试其材料性能，而电子元器件可能需要在较高温度下评估其耐热性。如果试验箱的温度范围不能满足产品测试要求，将导致无法准确评估产品在相应温度环境下的性能，影响产品的质量把控和可靠性评估。

2. 影响因素

• 制冷系统的性能是影响低温下限的关键因素。强大的制冷压缩机、高效的冷凝器和蒸发器以及合适的制冷剂等，能够确保试验箱达到较低的温度。对于高温上限，加热系统的功率和稳定性起着决定性作用。加热丝的功率大小、分布均匀性以及加热控制电路的精度等都会影响试验箱的高温性能。此外，试验箱的保温材料和箱体结构设计也会对温度范围产生影响。良好的保温材料可以减少热量的散失，使制冷或加热系统能够更有效地维持箱内温度，而合理的箱体结构可以避免局部温度异常，保证整个箱内空间温度的一致性。

（二）温度波动度

1. 定义与重要性

• 温度波动度是指在稳定状态下，试验箱工作空间内任一点的温度随时间的变化幅度。一般用一段时间内（如 10 分钟）高温度与低温度之差的一半来表示。例如，在 10 分钟内，某点温度高为 30.5℃，低为 29.5℃，则温度波动度为 (30.5 - 29.5)/2 = 0.5℃。温度波动度反映了试验箱温度控制的稳定性。在产品测试过程中，较小的温度波动度可以提供更精确的测试环境，避免因温度变化过大而导致测试结果的误差。特别是对于一些对温度敏感的产品，如高精度电子仪器、生物样本等，温度波动度的大小直接影响到测试数据的准确性和可靠性。

2. 影响因素

• 温度控制系统的精度是影响温度波动度的主要因素之一。先进的温度控制器能够通过高精度的传感器实时监测箱内温度，并根据设定值精确地调节制冷或加热系统的运行。传感器的灵敏度和准确性也至关重要，它直接决定了温度反馈信号的可靠性。此外，试验箱的热惯性也会对温度波动度产生影响。热惯性较大的试验箱在温度调节过程中反应相对较慢，容易出现温度波动。例如，箱体的质量较大、内部结构复杂或保温材料的热传导性能较差等情况，都会增加试验箱的热惯性，从而导致温度波动度增大。

（三）温度均匀性

1. 定义与重要性

• 温度均匀性是指在稳定状态下，试验箱工作空间内各点温度之间的差异程度。通常用工作空间内最高温度与低温度之差来表示。例如，在某一时刻，工作空间内最高温度为 40℃，低温度为 38℃，则温度均匀性为 40 - 38 = 2℃。温度均匀性是衡量试验箱性能的重要指标之一。在产品测试中，如果箱内温度不均匀，会导致不同位置的产品所经历的温度环境不同，从而影响测试结果的一致性和可比性。对于批量生产的产品进行质量检测时，温度均匀性差可能会使部分产品因温度差异而出现误判，无法准确筛选出存在质量问题的产品。

2. 影响因素

• 试验箱的风道设计是影响温度均匀性的关键因素。合理的风道设计能够使冷热空气在箱内均匀地循环流动，确保各个角落都能得到充分的热量或冷量交换。例如，采用多风道、均匀分布的出风口和回风口，以及优化的风道形状和尺寸等，可以有效提高温度均匀性。风机的性能也很重要，风机的风量、风压以及转速稳定性等会影响空气的循环效果。此外，箱内的负载分布也会对温度均匀性产生影响。如果负载放置不均匀，可能会阻碍空气的正常流通，导致局部温度异常。

（四）升降温速率

1. 定义与重要性

• 升降温速率是指试验箱在升温或降温过程中，单位时间内温度变化的数值。例如，某试验箱从 20℃升温至 100℃的时间为 20 分钟，则升温速率为 (100 - 20)/20 = 4℃/min。升降温速率反映了试验箱对温度变化的响应速度。在一些产品的测试标准中，对升降温速率有明确的要求，如某些电子元器件需要在特定的快速升降温条件下进行热应力测试，以模拟其在实际使用中的快速温度变化环境。如果试验箱的升降温速率不能满足要求，将无法准确评估产品在这种动态温度环境下的性能和可靠性。

2. 影响因素

• 制冷系统和加热系统的功率是影响升降温速率的主要因素。大功率的制冷压缩机和加热丝能够在短时间内提供足够的冷量或热量，从而加快温度的变化。同时，温度控制系统的响应速度也很关键。快速的控制响应可以及时调节制冷或加热系统的输出，使温度按照设定的速率变化。此外，试验箱的热容量和热传导性能也会对升降温速率产生影响。较小的热容量和良好的热传导性能可以使试验箱更快地吸收或释放热量，提高升降温速率。

（五）转换时间

1. 定义与重要性

• 转换时间是指试验箱从高温工作状态转换到低温工作状态或反之所需的时间。例如，从 120℃转换到 - 40℃的时间为 5 分钟。转换时间对于模拟产品在快速冷热交替环境下的性能变化具有重要意义。在一些实际应用场景中，产品可能会迅速从高温环境进入低温环境，如航空发动机部件在飞行过程中的温度变化。准确的转换时间可以使试验箱更好地模拟这种温度转换情况，从而更真实地评估产品在这种环境下的可靠性和耐久性。

2. 影响因素

• 制冷系统和加热系统的切换速度以及制冷、加热能力的平衡是影响转换时间的关键因素。快速的系统切换可以减少转换过程中的延迟，而制冷和加热能力的合理匹配可以确保在转换过程中能够迅速达到目标温度。此外，试验箱的保温性能和热惯性也会对转换时间产生影响。良好的保温性能可以减少热量的散失或吸收，降低转换过程中的能量消耗，使系统能够更快地达到稳定状态。较小的热惯性可以使试验箱在温度转换时更迅速地响应，缩短转换时间。

三、计量方法

（一）温度范围计量方法

1. 设备与工具

• 需要使用高精度的温度传感器（如铂电阻温度计，其精度可达 ±0.1℃）、数据采集仪以及标准温度计（作为校准参考）。

2. 测量步骤

• 将温度传感器均匀分布在试验箱的工作空间内，包括中心位置、角落以及靠近门和后壁等位置。设定试验箱的低温度，待温度稳定后（一般稳定时间不少于 2 小时），使用数据采集仪记录各个传感器的温度值，并与标准温度计进行对比，确保测量的准确性。然后逐渐升高温度，每隔一定温度间隔（如 10℃）重复上述测量步骤，直至达到试验箱的最高温度。通过分析采集的数据，确定试验箱的实际温度范围，并与设备标称的温度范围进行比较，判断是否符合要求。

（二）温度波动度计量方法

1. 设备与工具

• 高精度温度传感器（如热电偶，其响应速度快，适合测量温度波动）、数据采集仪。

2. 测量步骤

• 在试验箱工作空间内选择具有代表性的几个点（如中心、前壁、后壁、左侧壁、右侧壁等位置）放置温度传感器。设定试验箱为某一稳定温度（如 50℃），启动数据采集仪，连续采集温度数据，采集时间不少于 10 分钟。采集结束后，分析数据，找出每个测量点在采集时间内的最高温度和低温度，计算温度波动度。例如，某点最高温度为 50.3℃，低温度为 49.7℃，则温度波动度为 (50.3 - 49.7)/2 = 0.3℃。对各个测量点的温度波动度进行评估，确保其均在设备规定的允许范围内。

（三）温度均匀性计量方法

1. 设备与工具

• 多个高精度温度传感器（如铂电阻温度计）、数据采集仪。

2. 测量步骤

• 在试验箱工作空间内按照一定的网格状分布方式放置温度传感器，例如，在水平和垂直方向上每隔一定距离（如 20cm）放置一个传感器，确保传感器能够覆盖整个工作空间。设定试验箱为某一稳定温度（如 30℃），待温度稳定后（稳定时间不少于 1 小时），使用数据采集仪同时采集所有传感器的温度数据。采集结束后，分析数据，找出最高温度和低温度，计算温度均匀性。例如，最高温度为 30.5℃，低温度为 29.8℃，则温度均匀性为 30.5 - 29.8 = 0.7℃。将计算结果与设备标准要求进行对比，判断试验箱的温度均匀性是否合格。

（四）升降温速率计量方法

1. 设备与工具

• 高精度温度传感器、数据采集仪、计时器。

2. 测量步骤

• 在试验箱工作空间内放置温度传感器，一般放置在中心位置。首先设定试验箱的起始温度（如 0℃）和目标温度（如 100℃），启动数据采集仪和计时器，同时开启试验箱的升温功能。数据采集仪记录温度随时间的变化数据，当温度达到目标温度后，停止数据采集和计时。根据采集的数据，计算升温速率，例如，从 0℃升温至 100℃用了 25 分钟，则升温速率为 (100 - 0)/25 = 4℃/min。同样的方法可以测量降温速率，设定起始温度为较高温度（如 100℃），目标温度为较低温度（如 0℃），重复上述步骤进行测量和计算。

（五）转换时间计量方法

1. 设备与工具

• 高精度温度传感器、数据采集仪、计时器。

2. 测量步骤

• 在试验箱工作空间内放置温度传感器，通常放置在中心位置。设定试验箱的初始工作状态为高温（如 150℃），待温度稳定后，启动数据采集仪和计时器，同时切换试验箱至低温工作状态（如 - 50℃）。数据采集仪记录温度随时间的变化数据，当温度达到低温设定值并稳定后，停止数据采集和计时。根据采集的数据和计时结果，确定从高温到低温的转换时间。同样的方法可以测量从低温到高温的转换时间，初始设定为低温状态，然后切换至高温状态进行测量。

四、总结