环境试验箱温度均匀性的有关问题

在我们与用户交流的过程中，或是用户在申请购买试验箱时提指标时，也有在试验箱计量过程中会经常遇到的温度均匀性，温度偏差，温度波动度的疑问，到底这几个参数所代表的物理含义以及它们之间的相互关系是怎样，下面的文章或许能帮您得到答案…

环境试验箱温度均匀性的有关问题

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，最终使试验归于失败。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：
英国标准BS389-1965《实验室湿热箱技术条件》：规定为在第一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，其中最大者即为温度均匀度，其大小不得超过规定指标±0.5℃。

日本试验机工业会，温度的性能试验方法：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50mm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，其中最大者即为温度均匀度。（ESPEC亦采用此指标）。
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25mm内，其余8只在上下四角且距箱壁50mm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个数据中选出两个最大数和两个最小数分别各自减去平均数，然后从四个差值中选出两个最大差值并求其平均值，此值就表述箱内温度均匀度。
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，其中最大值与最高工作温度之比即干燥箱的温度均匀度，以百分比表示。
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最高与最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：

在美军标MIL-STD-810D，4.4.1试验条件允差中规定“试样完全被空气包围（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℃或总的最大值为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。
在美军标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）。
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℃。
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绝对误差，缓慢的温度变化和工作空间的温度波动度等”。
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唯一检定项目。温度偏差的检定方法是：当工作空间指示点温度第一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最高温度和实测最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

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。
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。
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。
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，最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军标、国军标，和国际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

试验箱的结构在很大程度上影响工作中间温度均匀，由于结构难于完全对称，从而对温度均匀造成不利影响。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，前后也完全不同，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0.1～300m3，之间都可使用，其温度偏差都可满足标准要求。
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。
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。
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。
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。