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技术探讨:延长冷热冲击试验箱温度转换时间的方法

作者: salmon范 编辑: 瑞凯仪器 来源: xh-studios.com 发布日期: 2020.04.25

    近日,东莞市瑞凯环境检测仪器有限公司受理一项高低温快速温度循环试验箱定制任务,要求试验的温度平均变化为速率为10℃/min左右。当时仅有的两台利用液氮的快速温度变化箱正在做24小时连续10天的试验。而委托方要求通过试验尽早确定试品的材料工艺性能,在满足试品的试验条件的要求下,经过分析,我们设法在冷热冲击试验箱的吊篮内除存放试品外,再加上有一定热容量的负载,运用热交换的定律,延长冷热冲击试验箱的高、低温工作区极限温度值的转换时间来达到试验要求。而冷热冲击试验箱由于本身的结构特点和国军标对有关试验设备的要求,冷热冲击试验箱的高低温工作区要有足够的热容量,以便使试品在放入试验箱后,在5 min之内高低温工作区的极限温度就能回复到规定值。换句话说,就是高低温工作区的极限温度转换时间必须要在5 min之内完成。

快速温变试验箱

    现在一般常见的冷热冲击试验箱从箱体结构上分主要有两种。一种是一箱法,即箱体的中间是存放试品的工作区,箱体的两边分别是高温室和低温室,并且高低温室与存放试品的工作区分别由风门相通,打开或者关闭相应的风门就可让高温室或低温室的空气通过送风电机快速强迫进人存放试品的工作区,从而使存放试品的工作区实现了快速温度变化的操作。另一种是两箱式上下结构,上半部分为高温工作区,下半部分为低温工作区,中间由试品吊篮连接,试品吊篮由升降机构在高低温工作区内上下移动。当吊篮移至箱体的上半部分,试品就暴露在高温工作区,当吊篮移至箱体的下半部分,试品就暴露在低温工作区。而极限温度转换时间是不能设置的。但温度循环试验的温度变化的速率是可以根据试品的具体要求和设备的性能进行设置的,延长冷热冲击试验箱的高低温极限温度值的转换时间也就近似于减缓了温度变化的速率。为此我们根据不同质量和不同金属材料所具有的热容量及热交换的定律作了模拟试验,结果证明可以适当延长冷热冲击试验箱高低温极限温度值的温度转换时间。

    我们知道,物质的热容量是材料比热系数和材料的质量乘积:即

公式1

    在同样的质量下,材质不同,热容量也不同。经查找有关资料,铝材和其它金属材料相比,比热系数较高,同质量下热容量较大。铝材自然就作为首选。当存放有铝材的吊篮上移至高温工作区时,所吸收的热量为

公式2

瑞凯仪器

    当存放有铝材的吊篮下移至低温工作区时就要释放热量Q放,由热交换定律可知:

冷热冲击试验箱

    由试验可知,在不考虑其它热量损耗的情况下,由于铝材热量的释放将低温工作区的极限温度升高△t1,当低温区的工作空间一定时,Q吸越大,△t1也越大。并随着铝材的热量不断释放,低温工作区的温度也在逐步上升,但此时由于冷热冲击试验箱的低温工作区在继续制冷及风扇电机的空气强迫对流,最终使冷热冲击试验箱的低温工作区的温度逐渐趋向平衡而达到极限值。在这个温度变化过程中由于铝材的热量不断释放,使得低温工作区的极限温度值的下降速率有所减缓,而不像温度冲击那样,吊篮的温度瞬间就下降到低温的温度极限值。反之,当吊篮上升至高温工作区时,也由于铝材在不断地吸收热量,将高温工作区的极限温度下降△t1,同样也由于高温工作区的继续加热及风扇电机的空气强迫对流,最终使冷热冲击试验箱的高温工作区的温度逐渐趋向平衡而达到极限值。根据以上的试验,我们在不影响冷热冲击试验箱吊篮的承重力情况下通过多次适当的调整铝材的质量,并按国家有关《电工电子产品环境试验的设备基本参数检定方法》标准,在吊篮内有关的位置布设相应的温度传感器进行了测量,温度偏差均在规定值内,总的温度平均速率也均在10℃/min左右。这样在试品对温度变化没有线性度要求的情况下,基本上满足了试品的试验条件要求,使试品成功地通过了试验。后来,我们根据同样的方法又做了一次摸底试验。两次试验不仅均满足检测需求,又节约了试验材料费用4万余元(按每天一瓶液氮450元计,共需90瓶)。

    图1、图2是用冷热冲击试验箱延长温度转换时间得到的温度升降曲线。


吊篮温度上升曲线

    从图中可看出,高温工作区的极限温度与低温工作区的极限温度的转换时间约在10~ 15 min之间,而且在温度上升或下降区域的温度变化速率较快。运用热交换定律,用冷热冲击试验箱做快速温度循环试验,每次做试验,都要根据试品的质量和具体试验条件的要求,需反复进行测算和调整铝材的质量的模拟试验。据了解,现国内有两种高低温快速温变试验箱。一种是升降温度速率没有线性度要求的试验箱,另一种是升降温速率有线性度要求的试验箱。经试验比较,从用热交换定律和模拟试验后的升降温曲线来看,使用效果近似于没有线性度要求的快速升降温试验箱。
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