杜遠(yuǎn)霜

（廣州五所環(huán)境儀器有限公司， 廣東 廣州 510800）

0 引言

環(huán)境試驗(yàn)箱是一種考核產(chǎn)品在不同溫度下的適應(yīng)性指標(biāo)的設(shè)備， 現(xiàn)已得到了廣泛的應(yīng)用。 尤其是在使用武器裝備的軍事領(lǐng)域中， 環(huán)境試驗(yàn)箱的使用頻率更高， 也更廣泛。 其結(jié)果會(huì)直接影響到武器質(zhì)量的鑒定結(jié)果。 但是試驗(yàn)箱在使用多年之后， 溫度的監(jiān)測(cè)會(huì)出現(xiàn)偏差。 本文主要是針對(duì)環(huán)境試驗(yàn)箱的溫度偏差問題， 進(jìn)行分析和修正， 以使環(huán)境試驗(yàn)箱的應(yīng)用效果更好一些。

1 環(huán)境試驗(yàn)箱的工作原理和工作概況

環(huán)境試驗(yàn)箱的研究初衷是為了可以對(duì)用于戰(zhàn)爭(zhēng)時(shí)期的武器等裝備進(jìn)行戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境模擬， 檢測(cè)武器的質(zhì)量， 后來(lái)其使用范圍不斷地?cái)U(kuò)大， 在日常檢測(cè)當(dāng)中也被廣泛地使用。

環(huán)境試驗(yàn)箱主要是通過設(shè)備進(jìn)行自然場(chǎng)景的模擬， 為了更好地模擬出相關(guān)設(shè)備在未來(lái)可能使用的環(huán)境情況， 應(yīng)盡可能地進(jìn)行多次試驗(yàn)。 但是， 環(huán)境試驗(yàn)箱的模擬場(chǎng)景和真實(shí)的使用場(chǎng)景仍然是存在差別的， 只能盡可能地接近， 并不能完全一樣。 所以， 在進(jìn)行模擬項(xiàng)目的選擇時(shí)， 應(yīng)該根據(jù)實(shí)驗(yàn)物品的使用要求有針對(duì)性地進(jìn)行場(chǎng)景模擬， 這樣不僅可以有效地檢測(cè)物品的質(zhì)量， 還可以加快試驗(yàn)的進(jìn)度， 減少模擬所需要的經(jīng)費(fèi)。

環(huán)境試驗(yàn)箱的使用范圍比較廣泛， 本文主要是進(jìn)行溫度環(huán)境的模擬， 并對(duì)溫度模擬時(shí)出現(xiàn)的偏差進(jìn)行分析和修正。 關(guān)于溫度的模擬， 環(huán)境試驗(yàn)箱主要是通過調(diào)溫和增濕兩個(gè)部分來(lái)進(jìn)行的。 首先， 通過試驗(yàn)箱頂?shù)娘L(fēng)扇系統(tǒng)將空氣輸進(jìn)環(huán)境試驗(yàn)箱中，保持試驗(yàn)箱內(nèi)外空氣的流通和壓強(qiáng)相等； 然后， 通過調(diào)節(jié)箱內(nèi)的溫度控制器進(jìn)行溫度的調(diào)節(jié)并通過溫度傳感器進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)的采集。

2 環(huán)境試驗(yàn)箱溫度試驗(yàn)環(huán)境條件

使用環(huán)境試驗(yàn)箱進(jìn)行溫度的檢測(cè)主要是通過反復(fù)多次將不同的溫度物品置于環(huán)境試驗(yàn)箱中進(jìn)行溫度的測(cè)定， 將溫度試驗(yàn)箱所測(cè)得的結(jié)果和實(shí)際物品的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄和比較， 確定環(huán)境試驗(yàn)箱的溫度檢測(cè)是否存在偏差。 但是， 如果環(huán)境試驗(yàn)箱周圍的環(huán)境沒有得到良好的控制， 使用環(huán)境試驗(yàn)箱進(jìn)行溫度檢測(cè)的話就很容易會(huì)受到試驗(yàn)箱周圍環(huán)境的影響， 導(dǎo)致溫度偏差較大。 比如： 在強(qiáng)光照射或者是潮濕很明顯的環(huán)境下很容易會(huì)對(duì)環(huán)境試驗(yàn)箱造成影響， 嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致環(huán)境試驗(yàn)箱所保存的數(shù)據(jù)丟失或損壞。 在這樣的環(huán)境下進(jìn)行溫度的檢測(cè)是不穩(wěn)定的， 所取得的結(jié)果也不能作為很好的參考依據(jù)[1]。

一般環(huán)境試驗(yàn)箱的試驗(yàn)都需要保持常態(tài)下進(jìn)行， 相關(guān)試驗(yàn)可以很直觀地檢測(cè)到環(huán)境試驗(yàn)箱所取得的溫度數(shù)據(jù)比較穩(wěn)定。 除去那些會(huì)對(duì)環(huán)境試驗(yàn)箱的檢測(cè)結(jié)果造成明顯影響的因素之外， 如果在檢測(cè)過程中出現(xiàn)問題也可以得到及時(shí)、 有效的解決。

因此， 在接下來(lái)的實(shí)驗(yàn)過程中， 應(yīng)該要保證環(huán)境試驗(yàn)箱周圍環(huán)境比較穩(wěn)定， 避免受到強(qiáng)光或者是較重濕氣等因素的影響。 這樣才能根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)查找出導(dǎo)致溫度出現(xiàn)偏差的具體原因并進(jìn)行修正。

3 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)環(huán)境試驗(yàn)箱溫度檢測(cè)的要求

根據(jù)有關(guān)環(huán)境試驗(yàn)箱的檢測(cè)規(guī)范要求， 環(huán)境試驗(yàn)箱即使保證了檢測(cè)的條件平穩(wěn)， 還需要保證檢測(cè)溫度的次數(shù)要在3 次及以上， 而且檢測(cè)結(jié)果和實(shí)際的溫度相差應(yīng)在5 ℃以內(nèi)， 這3 組數(shù)據(jù)相互之間的平均誤差也要保證不能超過0.25。 這樣所取得的數(shù)據(jù)才算是有效的數(shù)據(jù)， 才可以用來(lái)進(jìn)行后續(xù)的分析計(jì)算。

4 環(huán)境試驗(yàn)箱溫度偏差測(cè)試的基本設(shè)備

4.1 環(huán)境試驗(yàn)箱

在本次的實(shí)驗(yàn)過程中， 選取5 臺(tái)比較典型的溫度環(huán)境試驗(yàn)箱進(jìn)行相關(guān)溫度的測(cè)試并對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄和誤差的分析。 通過對(duì)數(shù)據(jù)的分析進(jìn)行誤差產(chǎn)生原因的分析和修正。 5 臺(tái)溫度試驗(yàn)箱分別為4臺(tái)高溫試驗(yàn)箱和一臺(tái)低溫試驗(yàn)箱。 用編號(hào)1、 2、3、 4 和5 來(lái)表示。 1-4 號(hào)箱為高溫試驗(yàn)箱， 5 號(hào)箱為低溫試驗(yàn)箱。 1、 2 兩臺(tái)試驗(yàn)箱常設(shè)置的溫度分別是20、 40、 50 ℃， 而3、 4 臺(tái)高溫試驗(yàn)箱常設(shè)置的溫度分別為15、 20、 40 ℃； 5 號(hào)試驗(yàn)箱常設(shè)置的溫度是0、 -20、 -50 ℃。

4.2 用于檢測(cè)的溫度系統(tǒng)

對(duì)于溫度試驗(yàn)箱內(nèi)部的溫度測(cè)定主要是通過一定的測(cè)試設(shè)備進(jìn)行溫度檢測(cè)。 環(huán)境試驗(yàn)箱用于進(jìn)行溫度檢測(cè)的系統(tǒng)是帶有熱傳感器的熱電阻。

5 環(huán)境試驗(yàn)箱溫度偏差測(cè)試的步驟

首先， 將熱電阻放置到1 號(hào)溫度試驗(yàn)箱中， 熱電阻主要是采用分層擺放的方式放置到溫度試驗(yàn)箱當(dāng)中； 其次， 關(guān)閉溫度試驗(yàn)箱的艙門， 將溫度調(diào)節(jié)到20 ℃， 待試驗(yàn)箱內(nèi)的溫度顯示穩(wěn)定以后， 在溫度的測(cè)試系統(tǒng)當(dāng)中收集溫度的數(shù)據(jù)； 然后， 將溫度調(diào)節(jié)到40 ℃和50 ℃待試驗(yàn)箱內(nèi)的溫度顯示穩(wěn)定以后， 在溫度的測(cè)試系統(tǒng)當(dāng)中收集溫度的數(shù)據(jù)； 最后， 2、 3、 4 和5 號(hào)溫度試驗(yàn)箱分別按照上述操作步驟進(jìn)行操作和數(shù)據(jù)采集。

6 環(huán)境試驗(yàn)箱溫度偏差測(cè)試數(shù)據(jù)分析

在實(shí)驗(yàn)結(jié)束之后需要做的便是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。 首先， 用Til符號(hào)來(lái)代表在環(huán)境試驗(yàn)箱內(nèi)熱電阻上傳到傳感器的溫度數(shù)值， 而對(duì)于環(huán)境試驗(yàn)箱自身設(shè)置的溫度在相關(guān)操作的面板上呈現(xiàn)的數(shù)據(jù)用Tjk表示[2]。 Til符號(hào)中的i 是熱電阻在溫度試驗(yàn)箱里擺放的數(shù)量， 本次實(shí)驗(yàn)中， 在每一個(gè)環(huán)境試驗(yàn)箱中都放置了7 個(gè)熱電阻進(jìn)行不同部分的溫度檢測(cè)，每一個(gè)熱電阻對(duì)應(yīng)的傳感器的實(shí)際溫度是不同的。Til符號(hào)中的l 表示的是總共進(jìn)行的采樣的次數(shù)。

假設(shè)1＜i≤M， 1＜l≤N， 通過實(shí)驗(yàn)可以得到Til和Tjk的數(shù)據(jù)， 將Til和Tjk帶入到以下公式中進(jìn)行溫度偏差的計(jì)算。 對(duì)于Til和Tjk的分析， 首先是計(jì)算兩個(gè)數(shù)據(jù)的平均值， Til和Tjk的平均值用A 和B來(lái)表示：

在數(shù)據(jù)分析過程中發(fā)現(xiàn)Tjk數(shù)據(jù)與其溫度試驗(yàn)箱在溫度穩(wěn)定之后計(jì)算得到的B 值都在±0.1 以內(nèi)，所以計(jì)算Tjk的B 值并沒有多大的意義。 對(duì)于后面的數(shù)據(jù)， 主要是采用Ts（k）（k=1， 2， 3……）來(lái)代替上述的B 值進(jìn)行后續(xù)的數(shù)據(jù)分析。 Ts（k）的含義是環(huán)境試驗(yàn)箱實(shí)際上設(shè)置的溫度數(shù)值。 對(duì)于每一臺(tái)的溫度試驗(yàn)箱計(jì)算出其A 值并且記錄下Ts（k）之后， 就可以進(jìn)行溫度偏差值的計(jì)算。 溫度的偏差可以用C進(jìn)行表示， C=A-Ts（k）。 如果是在理想的狀態(tài)下， C的值一般是為零， 但是在實(shí)際生活中， 實(shí)際溫度的數(shù)值會(huì)受到多種因素的影響， 與理想值會(huì)存在差異， 所以C 值為零是不太可能的。 但是在一般情況下， 只需要保證設(shè)備最終所求的C 值誤差不大，約等于零就可以。 最終計(jì)算得出的C （1）， C （2），C （3） 等數(shù)據(jù)可以使用約等號(hào)， 那么就可以認(rèn)定設(shè)備的溫度是恒定的。

但是， 本次試驗(yàn)過程中選擇的5 臺(tái)設(shè)備， 計(jì)算出相應(yīng)的C 值之后， 存在比較明顯的差異。 從這里可以得出設(shè)備本身設(shè)置的溫度和環(huán)境試驗(yàn)箱內(nèi)實(shí)際的溫度仍然存在差異并且存在不穩(wěn)定的現(xiàn)象。 以下主要是以1 號(hào)設(shè)備為例進(jìn)行詳細(xì)的說(shuō)明[3]。 對(duì)于1 號(hào)溫度試驗(yàn)箱需要進(jìn)行3 次實(shí)驗(yàn)， 每次設(shè)置的溫度不同。 第一次的實(shí)驗(yàn)首先根據(jù)操作步驟進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)的測(cè)量和收集。 在1 號(hào)環(huán)境試驗(yàn)箱內(nèi)分層放置了7 個(gè)熱電阻對(duì)環(huán)境試驗(yàn)箱里不同部分的溫度進(jìn)行感受和數(shù)據(jù)記錄。 對(duì)1 號(hào)箱所設(shè)置的一些熱電阻通過傳感器返回的數(shù)據(jù)可以看到每一個(gè)傳感器都和實(shí)際的溫度試驗(yàn)箱溫度變化的趨勢(shì)是保持一致的。如圖1 所示， 圖1 中橫坐標(biāo)為時(shí)間， 縱坐標(biāo)為Til，S 所表示的是電熱阻， 數(shù)字表示電熱阻的數(shù)目。

圖1 1 號(hào)溫度試驗(yàn)箱的溫度變化和電熱阻溫度變化

根據(jù)圖1 可以看出： 每一個(gè)熱電阻向傳感器傳輸?shù)臏囟群蜏囟仍囼?yàn)箱的溫度變化幾乎是一致的。隨后進(jìn)行偏差的計(jì)算， 得到的結(jié)果如表1 所示。

表1 1 號(hào)溫度試驗(yàn)箱的設(shè)置溫度和實(shí)際溫度及其偏差計(jì)算

根據(jù)圖1 和表1 所展示的數(shù)據(jù)可以看出： 1 號(hào)溫度試驗(yàn)箱最后的偏差數(shù)據(jù)相互之間的差異較大，并不能夠滿足上述相互之間近似相等的條件。

剩余的溫度試驗(yàn)箱的數(shù)據(jù)也應(yīng)該按照1 號(hào)溫度試驗(yàn)箱的分析過程進(jìn)行仔細(xì)的分析， 最終得出結(jié)論。

通過對(duì)具體數(shù)據(jù)的分析可以得到， 檢測(cè)溫度的環(huán)境試驗(yàn)箱在溫度上出現(xiàn)偏差最主要的原因并不是周圍環(huán)境的問題， 更多的是環(huán)境試驗(yàn)箱長(zhǎng)時(shí)間使用， 所以環(huán)境試驗(yàn)箱出現(xiàn)老化的情況或者是熱電阻的傳感器等元件有問題[4]。 但是熱電阻和其傳感器所使用的是比較先進(jìn)的設(shè)備， 其精度和靈敏度都是比較好的。 在溫度的變化下， 其涂層也可以保持良好的穩(wěn)定性， 性能十分的可靠。

并且， 為了驗(yàn)證熱電阻的性能， 對(duì)熱電阻進(jìn)行了溫度的監(jiān)測(cè)， 最終根據(jù)得到的數(shù)據(jù)所繪制的曲線也證實(shí)了熱電阻的性能是比較優(yōu)秀的。 所以得出了熱電阻存在缺陷的可能性。 那么最終的結(jié)論就是環(huán)境試驗(yàn)箱因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間的使用， 自身的設(shè)備出現(xiàn)了老化的情況導(dǎo)致了偏差較大的現(xiàn)象。

而且， 通過對(duì)5 個(gè)環(huán)境試驗(yàn)箱溫度的檢測(cè)和數(shù)據(jù)處理， 最終發(fā)現(xiàn)， 3 號(hào)的整體性能是最差的。 再比較每一臺(tái)環(huán)境試驗(yàn)箱的偏差數(shù)據(jù)和環(huán)境試驗(yàn)箱的使用壽命我們可以看到， 環(huán)境試驗(yàn)箱使用的時(shí)間越長(zhǎng)， 其偏差越大； 這就比較好地解釋了溫度出現(xiàn)偏差的原因。

7 對(duì)于環(huán)境試驗(yàn)箱溫度偏差的修正方法

7.1 更換元件

對(duì)于環(huán)境試驗(yàn)箱， 如果出現(xiàn)老化的現(xiàn)象， 最直接的方法就是更換設(shè)備當(dāng)中已經(jīng)老化的元件， 用新元件進(jìn)行替代可以很好地解決因?yàn)橛布栴}而導(dǎo)致溫度偏差的現(xiàn)象。

但是環(huán)境試驗(yàn)箱的元件更換比較繁瑣， 而且過程復(fù)雜， 價(jià)格也比較昂貴。 如果預(yù)算不夠的話并不能更換較好的元件設(shè)備， 環(huán)境試驗(yàn)箱也就不能保證溫度的準(zhǔn)確性。 而且進(jìn)行元件的更換也需要時(shí)間，如果對(duì)于某一樣物品急需要進(jìn)行環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)， 環(huán)境試驗(yàn)箱的使用就需要等到更換完成并且檢驗(yàn)之后才能投入到使用中， 這樣一來(lái)就會(huì)耽誤其他試驗(yàn)的進(jìn)度[5]。

7.2 選取合適的修正值

除了更換元件之外， 還可以采取修正值的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的修正， 提高其準(zhǔn)確性。 但是， 對(duì)于合適的修正值的選取是十分重要的過程， 這也是需要解決的難題。

在一般情況下， 如果數(shù)據(jù)出現(xiàn)的偏差相互之間近似， 那么我們只需要取計(jì)算所得到的偏差值作為溫度的修正值就可以； 但是每一臺(tái)設(shè)備需要使用的溫度不同時(shí)， 其偏差值也是不相同的。 如何選擇合適的修正值， 保證每一臺(tái)設(shè)備在設(shè)置不同的溫度時(shí)， 其準(zhǔn)確性為最高， 這是需要進(jìn)行探討的事項(xiàng)。

首先， 可以確定每一臺(tái)環(huán)境試驗(yàn)箱的工作溫度區(qū)間， 保持在區(qū)間內(nèi)進(jìn)行實(shí)際數(shù)據(jù)和理想數(shù)據(jù)的擬合， 擬合之后根據(jù)結(jié)果來(lái)選擇合適的修正數(shù)據(jù)； 隨后， 將修正的數(shù)據(jù)帶入到環(huán)境試驗(yàn)箱中去， 對(duì)于實(shí)際溫度的斜率進(jìn)行測(cè)量和驗(yàn)算， 由此就可以求出最佳的修正數(shù)據(jù)。

8 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述， 環(huán)境試驗(yàn)箱主要是通過模擬物品的使用環(huán)境進(jìn)行物品質(zhì)量的檢測(cè)。 其適用范圍比較廣泛， 但是， 如果環(huán)境試驗(yàn)箱所處的環(huán)境較差， 對(duì)于結(jié)果也會(huì)產(chǎn)生一定的影響。 在本次環(huán)境試驗(yàn)箱溫度偏差的設(shè)計(jì)中， 選取了5 臺(tái)環(huán)境試驗(yàn)箱來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)， 并用穩(wěn)定性較好和熱感性比較靈敏的熱電阻進(jìn)行溫度的檢測(cè)， 通過實(shí)驗(yàn)操作和對(duì)數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)， 影響環(huán)境試驗(yàn)箱溫度偏差的原因主要是設(shè)備自身的老化程度。 面對(duì)這樣的情況， 最優(yōu)的選擇是進(jìn)行元件的更換； 其次是對(duì)環(huán)境試驗(yàn)箱相關(guān)溫度設(shè)置進(jìn)行修正值的綜合確定。 如果數(shù)據(jù)偏差有較大的差異， 那么修正值確定需要對(duì)相關(guān)溫度的方程斜率進(jìn)行計(jì)算和確定。