談談高低溫工作試驗中的保溫時間

臧 兵，張景山，李 明

（1.中航工業西安航空計算技術研究所，西安 710119；2.中航航空裝備有限責任公司，北京 100028； 3.中國航空綜合技術研究所，北京 100028）

0 引言

眾所周知，溫度試驗包括高溫儲存和高溫工作試驗、低溫儲存和低溫工作試驗、溫度沖擊試驗和溫度變化試驗。這些試驗的嚴酷度在很大程度上取決于溫度值或溫度范圍的大小和溫度作用于受試產品上的時間。人們通常主要關注溫度或溫度范圍的嚴酷度，而忽略溫度作用于受試產品的時間，從而使溫度試驗不充分，達不到應有的效果。本文主要介紹和討論受試產品暴露于規定的高、低工作溫度中的時間（即保溫時間）之確定原則和有關標準中的一些規定。

1 有關定義或術語及其說明

1.1 溫度穩定

溫度穩定包括試驗箱溫度穩定和試件溫度穩定兩種類型。

1.1.1 試驗箱溫度穩定

GB/T 2424.5《電工電子產品環境試驗：溫度試驗箱性能確認》[1]對試驗箱溫度穩定的定義為：“試驗箱工作空間內所有點的溫度達到并維持在溫度設定值的給定容差內”。

從定義可知，其研究對象是溫度試驗箱的工作空間的溫度，試驗箱工作空間空氣溫度達到穩定意味著試驗箱工作狀態已達到穩定。試驗箱升溫過程如圖1中的T1和T2段所示。

圖1 試件不工作狀態隨箱升溫的高溫工作試驗的 保溫時間的組成 Fig.1 The composition of temperature maintaining time in high temperature operation test

試驗箱溫度達到穩定的時間取決于試驗箱的能力、風速和試驗箱結構的散熱等因素，需要布點測量才能得出。當試驗箱指示點溫度達到設定值時 就認為試驗箱溫度已穩定是不夠準確的，因為試驗箱有效容積內各點溫度都達到試驗設定溫度容差范圍還需要一些時間；工程實踐中一般既不進行這一測量，也不給出這一時間，有個別單位按指示點溫度到達后半小時作為試驗箱溫度穩定時間。

1.1.2 試件溫度穩定

關于試件溫度穩定，民用標準GB/T 2422《電工電子產品環境試驗術語》[2]和軍用標準GJB 6117《裝備環境工程術語》[3]都有相應的定義，如表1所示。需要說明的是，試件溫度穩定的定義僅適用于恒定溫度的高低溫試驗，不適用于溫度循環試驗，如GJB 150A[4]中的日循環試驗。在這種試驗中，試驗箱溫度以24 h 為單位進行循環，試件溫度也跟著進行以24 h 為單位的日循環，永遠達不到溫度穩定。試件可以達到一個最高響應溫度，這個最高響應溫度滯后于試驗箱日循環溫度的最高溫度。GJB 150A 規定了達到這一最高響應溫度的確定方法。試驗所需的循環數不是溫度穩定時間。

表1 GB/T 2422 和GJB 6117 中的試件溫度穩定的定義 Table1 Definitions of test sample temperature stabilization in GB/T 2422 and GJB 6117

試件溫度穩定研究的對象是試件的溫度。從 表1看出，GB/T 2422 和GJB 6117 兩個術語標準對試件溫度穩定的定義在原理上是基本相同的，但相比而言，GB/T 2422 的定義可操作性較差，主要表現在：

1）GB/T 2422 以試驗箱中空氣最后達到的平均溫度（非散熱試件）為比較依據，而GJB 6117以試驗設定溫度（不工作狀態）為比較依據。前者需要同時反復測量試件溫度和試驗箱空氣溫度，并計算試驗箱空氣的平均溫度，這一過程很復雜，工程操作性很差。而后者只要對試件溫度進行測量并直接與試驗設定溫度比較，方法簡單、可操作性好。

2）GB/T 2422 的定義包含許多不確定因素，例如壽命期中預期暴露時間、是否散熱樣品、樣品熱時間常數等，這些都要事先做一些調查和實驗室溫度測量工作才能確定。

3）GB/T 2422 要求試件各部分的溫度處于試驗箱各點平均溫度范圍，意味著試件各部分都要布置傳感器，這種做法過于煩瑣。GJB 6117 只要求在試件中熱慣性最大的功能部件上布置傳感器，使 傳感器的布置更有針對性，且不必等待試件所有部分都達到溫度穩定。這種做法既滿足溫度考核要求又縮短了試驗時間，節約資源。

4）GB/T 2422 與GJB 6117 的定義均要求不斷監視試件溫度變化情況。GJB 6117 明確在熱慣性最大的功能部件上測量溫度，GB/T 2422 則未明確測量部位，可操作性較差。

1.2 試驗箱保溫時間

試驗箱保溫時間是從溫度試驗箱的角度來說的，是指試驗箱內溫度達到標準規定的要求，即試驗箱達到溫度穩定后，繼續保持這一溫度不再變化所經歷的時間。這一時間通常應包括試件不工作狀態達到溫度穩定的時間(包括有些標準規定的附加時間)，試件啟動工作后達到二次穩定的時間，以及對試件進行目視檢查和功能性能檢測所需的時間，如圖1中的T31～T33段。

2 溫度穩定確定方法

2.1 試驗箱溫度穩定確定方法

試驗箱溫度穩定的確定方法是在試驗箱的有效容積內布置若干個溫度測量點，調節試驗箱溫度到某一設定的高、低溫工作溫度。有效容積內各測溫點溫度均到達設定溫度的容差范圍內的時間與指示點處空氣溫度到達設定溫度的時間之差即為試驗箱溫度穩定所需的時間，如圖1中的T2所示。這一方法很簡單，而且可在試驗箱檢定時得到這一數據。但在實際的試驗箱檢定標準中，沒有規定測量和提供這一數據。

試驗箱檢定時，為了保證檢定結果的準確性，要求指示點處空氣溫度到達規定值后再穩定2 h，而后每隔一定時間（如2 min）測一次各布點的溫度[5]。顯然檢定試驗箱時溫度穩定2 h 的規定能絕對保證試驗箱達到穩定狀態。但在實際使用中大部分情況下是從指示點溫度達到設定點溫度就看作試驗箱溫度已達到穩定，并從此時開始計算試件達到溫度穩定的時間。顯然，此時試驗箱實際上并未達到溫度穩定，從而與檢定時的條件不一致。實際試驗時如果都像試驗箱檢定那樣操作也是不現實的。最好能夠事先確定試驗箱達到溫度穩定的時間。有些單位為了簡便起見，自行設定一個試驗箱溫度穩定時間（如0.5 h），這一做法不夠正確。

2.2 試件溫度穩定確定方法

2.2.1 重量法

重量法是根據試件的重量大小確定高、低溫溫度下達到溫度穩定的方法。HB 6-71—1976《飛機電機電器環境試驗方法》[6]、GJB 360B—2009《電子及電器元件試驗方法》[7]等標準中均有相應規定，如表2所示。

重量法的特點是簡單但不精確。只要知道試件的重量即可從表中查出達到溫度穩定的時間。這一方法給出的時間很不準確，因為產品可使用各種不同的材料，以不同的結構形式組成。不同材料的比熱、不同結構件的熱傳導形式和途徑都不一樣，因此達到熱平衡所需時間絕對不會單一取決于重量，因此大部分環境試驗標準中不提供這一方法。

表2 重量法 Table2 Gravimetric method

2.2.2 直接測量法

不管是國軍標還是民用電工電子產品的環境試驗方法標準，一般都是給出產品溫度穩定的定義，要求按照定義中規定的原則和范圍，通過直接測量試件上的響應溫度來確定試件達到溫度穩定的時間。有關測量溫度用的傳感器在試件上布置的部位，隨著環境試驗技術的進展逐步合理化。例如MIL-STD-810[8]系列標準的相關規定，從試件中熱慣性最大的部件（810C）到熱慣性最大的工作部件（810D），再到熱慣性最大的功能部件（810F/G），從而不必要求試件所有部位都達到設定試驗溫度的容差范圍，既科學合理地縮短了試驗時間，又不影響試驗的嚴酷度。

直接測量法需要在試件的熱慣性最大功能部件上布置溫度傳感器，直接測量其在設置的試驗溫度下試件不工作或工作狀態的溫度接近試驗箱設定溫度（即試驗溫度）的狀況，這樣做往往要布置多個傳感器、測量多個位置的溫度變化情況。按照 試件處于不工作狀態的溫度穩定定義，當各測點中變化最慢的一點的溫度到達試驗箱設定溫度的±2 ℃以內(或±3 ℃以內)時，此時的時間與試驗箱本身溫度達到穩定的時間之差即為一次溫度穩定時間(如圖1中的T31)；到達此時間后接通電源，試件溫度進一步升高并趨于平緩（達到每小時變化溫度小于2 ℃時）所需時間為第二次溫度穩定時間（如圖1中的T32）。

眾所周知，試件中的功能部件往往需要設計人員加以確定，而熱慣性最大的功能部件有時則難以確定，因此，或許要在多個功能部件上布置傳感器，通過觀察其響應溫度變化的快慢，來確定熱慣性最大的功能部件和最終確定達溫度穩定的時間。

直接測量法的優點是確定的時間更為真實可信，但實施起來會遇到一些問題，例如在進行鑒定試驗時往往不允許破壞試件的結構狀態，不能打開殼體并在試件的一些功能部件上直接布置傳感器，從而難以實施。直接測量法也會受多種因素的影響，例如試驗箱熱交換能力、溫度變化速率的大小 和試驗設定溫度與周圍溫度的差距都會對溫度穩定時間的確定產生影響。因此，在試驗前某一時刻事先確定試件的溫度穩定時間并將其用于后續試驗中時，必須在相同技術結構狀態的產品上，保持上述三個因素的一致性。

2.2.3 間接推算法

針對不可能直接測量某內部溫度的試件，可測量其某些與溫度有已知函數關系的其他參數的變化量來進行推算。該方法理論上是準確可行的，但必須事先找出相關參數與溫度的關系；做到這一點并不容易，因而該方法很少用。

3 試驗方法標準中有關高、低溫工作試驗 的保溫時間之規定及分析

3.1 軍用環境試驗方法中的高低溫工作試驗保溫 時間

MIL-STD-810 系列和GJB 150[9]/GJB 150A 中有關保溫時間的組成如表3所示。

表3 軍用環境試驗標準中的高、低溫工作試驗的保溫時間之組成 Table3 Composition of temperature maintaining time in high and low temperature operation tests

試件的溫度穩定分為試件處于工作狀態和處于不工作狀態兩種狀況，GJB 150/150A 標準中均按試件不工作狀態開始進行溫度試驗，但RTCA DO 160 系列標準《機載設備環境條件與試驗方法》[10]的高低溫工作試驗均是在試件工作狀態時調節試驗箱溫度，因此其溫度穩定時間應按工作狀態定義進行確定。既然是工作狀態的溫度穩定，試件一直在工作，就不存在啟動后工作發熱引起的第二次熱穩定問題。因此本文中未將其與GJB 150/150A 的規定一起討論。

3.2 民用環境試驗標準中的高、低溫工作試驗的 保溫時間

我國電工電子產品環境試驗標準[11-12]與保溫時間相關的時間有試件達到溫度穩定的時間、中間檢測時間（如進行中間檢測）和持續時間3 種，前兩種時間與軍用環境試驗標準基本相同。對于持續時間，標準推薦了2、16、24 和96 h 共4 個等級，具體應由相關規范確定。這些時間應從試件達到溫度穩定后開始計算，它是為特定的試驗目的（如考核試件的可靠性和耐久性）而進行的試驗所選用的。GB/T 2423.1[11]規定的低溫試驗方法中關于保溫時間一節明確規定，若試驗目的僅僅是檢查試件在低溫時能否正常工作，則保溫時間僅為試件溫度達到穩定的時間。因此，低溫工作試驗的保溫時間僅包括試件達到溫度穩定的時間和進行中間檢測的時間，標準中未提及二次穩定時間，這是因為GB/T 2423 已將試件分為散熱和不散熱兩類分別按不同方法進行試驗，不散熱樣品不必考慮二次穩定，而散熱產品確定時間中已考慮了溫升。

3.3 標準分析

3.3.1 試件第二次溫度穩定要求GJB 150 中高、低溫工作試驗的保溫時間均包括工作狀態達到溫度穩定的時間。試件工作后由于自身發熱而打破了原來的溫度平衡，需要一定的時間使其再次達到平衡即達到二次溫度穩定。此時試件的溫度將高于試驗箱設定的試驗溫度（見圖1），第二次溫度穩定所需要的時間決定于試件的發熱量大小。應當指出，從考核產品對規定的高、低溫工作溫度的適應性而言，高溫下產品發熱使其環境溫度進一步惡化，要求其在更嚴酷的高溫下工作，因而等待產品達到第二次溫度穩定后測量其性能是十分必要的；但對于低溫工作試驗來講，只要試件在低溫下能夠啟動和開始工作，試驗產品工作發出的熱量有利于改善低溫環境，理應立即測量其功能性能才能真實反映試件對規定的低溫環境的適應性。

從MIL-STD-810D 開始的后續版本，對低溫工作試驗時間不再考慮等待試件達到二次穩定后才測量其功能性能。但必須指出，有些產品在低溫下雖然能夠立即啟動，但不能立即滿足功能性能指標，隨著產品工作環境溫度條件的改善，全部指標要求才能逐漸滿足；因此，必要時可在產品規范中作出相應規定，如啟動后多長時間內應滿足功能性能要求。

3.3.2 試件目視檢查

從MIL-STD-810D 開始到810F/G 以及GJB 150A 中均明確要求試件在高低溫箱中不工作狀態達到溫度穩定后要盡可能目視檢查其表面狀況并記錄結果，意即保溫時間中要增加完成目視檢查的時間（T目）。應當指出，規定這一要求是必要的，可以及早發現試件的問題，從而中止試驗。問題是當試件置于溫度箱中并連接好電源、功能、性能測試線路、試驗箱內空氣溫度和試件溫度響應測試傳感器和線路的情況下，往往難以進行全面的目視檢查。工程實踐中，試件在高、低溫工作試驗溫度下達到溫度穩定后，由于溫度要求不像儲存試驗那樣嚴酷，且試驗時間相對較短，出現目視可發現的變化的可能性不大，所以一般不必考慮這一時間，只有那些經分析認為其外觀和表面狀態對這兩個溫度和達到溫度穩定時間極為敏感的產品才考慮進行目視檢查。

3.3.3 附加保溫時間

在MIL-STD-810F/G 和GJB 150A 中，無論是高溫工作試驗還是低溫工作試驗的保溫時間均要加上2 h。試件在試驗溫度下達到溫度穩定的時間是實際測量的結果，影響這一結果的因素很多，主要是試件自身材料、結構和熱傳遞路徑等內部因素；此外，還有許多外部因素也不可忽視，例如，試件中熱慣性最大的功能部件選得準不準，有沒有代表性，這很大程度上取決于設計人員的判斷和試驗人員安裝的測量點的多少；另外，事先進行溫度 穩定測量時使用的試驗箱熱交換能力、升降溫速率若與實際進行溫度試驗的試驗箱不同，則直接使用事先測得的溫度穩定時間也會影響試驗結果。正是基于上述原因，810F/G 和GJB 150A 中增加了2 h的附加保溫時間。

針對這一規定的基本操作方法是：如果溫度試驗時，在試件的關鍵功能部件上安裝了若干溫度傳感器，則觀察和記錄傳感器指示的溫度達試驗溫度容差范圍的時間，最后一個測量點溫度達到容差范圍的時間與試驗箱達到溫度穩定的時間之差即為溫度穩定時間（T1），到達此時間后保溫2 h。如果溫度試驗前，已經單獨測量過該試件在規定試驗溫度下達到溫度穩定的時間，則可將這一時間作為試驗時的溫度穩定時間T1，再加上2 h 的保溫時間。

3.3.4 中間檢測時間

中間檢測的目的是在試件確實達到溫度穩定狀態時，確定產品的功能和性能是否正常。只有在溫度穩定后測得的結果才能真正反映試件對該溫度的適應能力，而中間檢測的時間取決于檢測項目的數量和檢測每一項目所需的時間。

4 標準的應用情況分析

4.1 非實測法帶來的問題和風險

長期以來，國內外標準一再給出了試件溫度穩定的定義，要求通過實際測量來獲取試件達到溫度穩定所需的時間，作為確定高、低溫試驗中暴露時間（即保溫時間）的依據。但由于種種原因，應用實測方法確定試件溫度穩定時間的情況很少，大部分軍工產品定型過程的高、低溫工作試驗的溫度穩定時間均用最簡單的重量法確定，或者使用相似產品以前用過的溫度穩定時間。因此可以說大多數情況下所用的溫度穩定時間不夠準確。如果時間不足，由于產品尚未熱透或冷透，造成欠試驗，使鑒定試驗中產品的環境適應性結論不可信；如果時間過長，即超過了溫度穩定所需時間，則又造成不必要地延長試驗時間，資源浪費。

4.2 直接測量法應用遇到的問題

直接測量法難以被推廣應用主要有以下原因：

1）需要配置額外的溫度傳感器和測量記錄設備，并且傳感器的安裝和走線可能會影響受試產品的結構或密封狀態；

2）需要產品設計人員和試驗人員密切配合，確定試件上熱慣性大的功能部件，并在試驗操作流程中，安排專門的工作步驟進行測量和記錄；

3）目前尚缺乏可操作性強的溫度穩定時間確定方法標準和相應的指導文件。

需要說明的是，現有環境試驗標準，如GJB 150A，有安裝溫度傳感器測量試驗箱內空氣溫度和試件響應溫度的要求，用直接測量法測量試件溫度穩定時間可以與此要求結合進行。可見，直接測量法難以貫徹實施雖有技術上、經濟上和管理上的原因，但最重要的還是認識上的不足，而且缺乏相應標準的支撐和指導。

5 建議

應用直接測量法是高低溫工作試驗中確定試件溫度穩定的有效方法，美軍標810F/G 和GJB 150A 相對于810C 與GJB 150 的突出變化是試驗過程的精細化。人們往往更加注意的是試驗條件的變化，而不是試驗過程實施要求的這些變化。就810F/G 和GJB 150A 的高、低溫試驗而言，在關于溫度試驗前“準備”一節的條款中規定，“按技術文件規定，在試件內、試件上或其周圍安裝溫度傳感器，以測量試件周圍的空氣溫度和試件的響應溫度”；程序II（工作試驗）規定，“為了確保測量到試件最大溫度響應，溫度傳感器應安裝在功能元件上”；在“高溫試驗”的第4.4 節中，對編制試驗操作程序時提出了要考慮一些特殊要求。因此，建議如下：

1）盡快制定《受試產品溫度穩定時間確定方法》標準，為規范化地應用直接測量法提供技術支撐。

2）結合貫徹實施GJB 150A 中有關測量試驗箱內空氣溫度和試件響應溫度的要求，綜合考慮配置測量試件溫度穩定時間所需的傳感器和測量記錄系統。

3）在溫度試驗箱檢定時，同時給出試驗箱達到溫度穩定的時間，以供進行溫度試驗時使用。

4）在產品研制階段適當時機安排溫度響應調查試驗，以確定受試產品的各種熱特性和達到溫度穩定所需的時間。為了使確定的溫度穩定時間也適用 于鑒定試驗，建議調查試驗所使用的溫度試驗箱、試驗溫度、溫度變化速率等盡量與鑒定試驗時的一致。

5）采納GJB 150A 關于縮短試件達到溫度穩定時間的建議，在進行溫度穩定時間測量時，可以將試驗箱的溫度調到受試產品最高工作溫度而不是試驗溫度。鑒定試驗中應用這一數據時，初始溫度也可調到受試產品最高工作溫度，達到溫度穩定時間后，才將試驗箱溫度調節至試驗溫度。這樣做的前提條件是受試產品必須事前用步進應力的方法確定其最高工作溫度，以便有較大的工作溫度裕度，可用于縮短達到溫度穩定的時間，節約試驗總時間和資源。

（References）

[1] GB/T 2424.5 電工電子產品環境試驗: 溫度試驗箱性能確認[S],2006

[2] GB/T 2422 電工電子產品環境試驗術語[S],1995

[3] GJB 6117 裝備環境工程術語[S],2009

[4] GJB 150A 軍用裝備實驗室環境試驗方法[S],2005

[5] HB 6783.3 軍用機載設備氣候環境試驗箱（室）檢定方法: 溫度試驗箱（室）[S],1993

[6] HB 6-71 飛機電機電器環境試驗方法[S],1976

[7] GJB 360B 電子及電器元件試驗方法[S],2009

[8] MIL-STD-810F/G 環境工程考慮和實驗室環境試驗[S],2014

[9] GJB 150 軍用設備環境試驗方法[S],1983

[10] RTCA DO 160 機載設備環境條件與試驗方法[S],2014

[11] GB/T 2423.1 電工電子產品環境試驗: 第2 部分 試驗A: 低溫[S],2001

[12] GB/T 2423.2 電工電子產品環境試驗: 第2 部分 試驗B: 高溫[S],2001