Испытания на воздействие изменения температуры внешней среды

Условия испытаний и применяемое испытательное оборудование. Из­менение (смена) температуры может происходить по разным при­чинам, зависящим от условий окружающей среды в период эксплуа­тации, а также от условий транспортирования и хранения. При этом возможны следующие случаи: постепенное изменение температуры, соответствующей природным явлениям (суточному циклу); быстрое изменение температуры, вызванное переносом из комнатных усло­вий на холодный открытый воздух или эксплуатацией изделий вне комфортных условий на самолете или в космическом пространстве; резкое изменение температуры в результате охлаждения дождем, по­гружением в холодную воду и т. д.

Результаты испытаний различных изделий на изменение темпе­ратуры существенно зависят от таких свойств изделий, как теплоем­кость, теплопроводность и тепловое расширение; от применяемых в их конструкциях материалов; от системы охлаждения, определяющей распределение теплоты внутри изделия и ряда других факторов.

Основными параметрами, характеризующими процесс испытаний на изменение температуры, являются: исходная (нормальная) темпе­ратура, повышенная и пониженная температура, скорость измене­ния температуры, длительность выдержки при различных температу­рах, интервал между выдержками при двух крайних температурах, число циклов. Под циклом испытания понимают выдержку от исход­ной температуры до первой испытательной температуры, затем до вто­рой испытательной температуры и снова до исходной температуры.

Одним из важных параметров является длительность выдержки, которую следует связывать с температурной постоянной времени из­делия или входящих в него элементов (деталей). Температурная по­стоянная времени изделия зависит от свойств и подвижности окру­жающей среды. При этом для некоторых конструкций изделий температурные постоянные времени наружных и внутренних деталей будут различными. В связи с этим следует определять температур­ную постоянную времени деталей, расположенных на большом рас­стоянии от поверхности изделия и требующих на нагрев больше вре­мени, а также деталей, наиболее критичных к изменению температуры.

Для определения температурной постоянной времени необходи­мо снять зависимость изменения температуры изделия от изменения температуры окружающей среды во времени. Критерием прекраще­ния снятия указанной характеристики является достижение стацио­нарной температуры изделием.

Значение температурной постоянной времени т определяется точ­кой пересечения касательной к экспериментально определенной ха­рактеристике, проведенной из точки начального значения темпера­туры /н0, с линиями, ограничивающими диапазон температур испытания tB и t^. При этом будут получены два значения постоян­ной времени Т[ и т2 соответственно для повышенной и пониженной температур (рис. 6.12).

Таким образом, при выборе длительностей выдержки /j и соот­ветственно tB и /н исходят из следующих условий: если d < 0,012), где d — разность между температурами испытательной среды и издели­ем, a D — разность между повышенной (tB) и пониженной (/н) тем­пературами испытаний, то длительность выдержки t> 5%, если же d < 0,12), то / > 2,5т.

Воспроизведение условий испытаний на воздействие изменения температуры осуществляют с помощью различных испытательных ус­тановок.

Для испытания изделий на постепенное изменение температуры на­ходят применение комбинированные термокамеры (тепла и холода) с прямым (непосредственным) и косвенным термостатированием. Луч­шие результаты дает применение камер с косвенным термостатиро­ванием, оснащенных аналоговыми или цифровыми средствами авто­матического регулирования температуры.

Для испытаний изделий на тепловой удар используются одно — и двухкамерные установки. Однокамерные установки обеспечивают по­очередную подачу в зону испытаний камеры нагретого или охлажден­ного воздуха с помощью специальной заслонки или цилиндрической вращающейся камеры. Однокамерная установка с заслонкой (рис. 6.13) может работать в двух — и трехзонном режимах.

В двухзонном режиме (рис. 6.13, а, в) изделие поочередно под­вергается воздействию воздушной среды с повышенной и понижен­ной температурами, а в трехзонном режиме оно при переходе от воз­действия одной температуры к другой находится некоторое время в условиях воздействия нормальной температуры (рис. 6.13, 6).

В однокамерной установке с вращающейся цилиндрической ка­мерой в зависимости от ее угла поворота зона испытаний соединяется с источниками нагретого или охлажденного воздуха (рис. 6.14). При этом также возможно осуществление двух — или трехзонного режима работы.

Двухкамерные установки для испытаний на тепловой удар в зави­симости от направления перемещения камер могут быть горизонталь­ными и вертикальными.

б)

Двухкамерная установка с горизонтальным перемещением камер тепла и холода (рис. 6.15) отличается от рассмотренных тем, что последние подводятся к стационарно расположенным в специальной корзине изделиям. Возможно осуществление двух — (рис. 6.15, 6) и трехзонного (рис. 6.15, а) режимов испытаний.

	#		=>		і	—=> —	§
‘////////Л		‘шш у////ш/.

б)

Рис. 6.15. Схема работы двухкамерной установки с горизонтальным пере-
мещением камер: а — трехзонный режим; б — двухзонный режим; 1 — каме-
ра тепла; 2 — камера холода; 3 — корзина для изделий

Двухкамерная установка с вертикальным перемещением корзины с испытуемым изделием из камеры холода в камеру тепла обеспечи­вает возможность двухзонного режима испытаний (рис. 6.16).

Для компенсации повышения температуры в камере холода за счет накопления теплоты в изделиях, подвергавшихся в предыдущем цикле нагреву, осуществляют интенсификацию охлаждения. Резкое охлаждение может достигаться впрыскиванием с помощью инжекто­ров жидких хладагентов (азота или углекислоты); применением акку­мулятора холода, накапливающего холод, вырабатываемый холодиль­ной машиной. В момент перехода к циклу испытаний на воздействие пониженной температуры включаются синхронно аккумулятор холо­да и холодильная машина, которые охлаждают камеру за минималь-

но короткое время. Специальное контрольное устройство предвари­тельного охлаждения позволяет аккумулятору холода накапливать хо­лод с запасом. Наличие аккумулятора холода исключает необходи­мость использования жидких хладагентов (азота или углекислоты), расходуемых в процессе проведения испытаний.

Установка обеспечивает воспроизведение температур при нагре­ве в диапазоне +(60—200)°С и при охлаждении в диапазоне —(10—65)°С. Время выхода на режим от комнатной температуры до +200°С состав­ляет 15 мин., а до — 65°С — 90 мин. Наличие в камерах вентиляторов обеспечивает принудительную циркуляцию воздуха. Нагрев камеры тепла осуществляется ленточными или проволочно-ленточными элек­тронагревателями.

Охлаждение в камере холода достигается с помощью каскадной паровой холодильной машины. В камерах холода применяются испа­рители панельного типа, выполняющие функции внутренних стенок камеры. Имеющийся в установках вентилятор обеспечивает быстрое восстановление нормальных условий при воздействии нормальной температуры в трехзонном режиме. Предусмотрен автоматический удалитель инея.

При проведении испытаний в рассмотренных камерах испытуе­мое изделие помещается в специальную стальную корзину, которая остается неподвижной в процессе испытаний, что позволяет испы­тывать изделия под электрической нагрузкой. Для обеспечения под­держания заданного температурного режима с минимальными коле­баниями температуры термодатчик устанавливается непосредственно в зоне испытаний, что позволяет повысить качество контроля и сле­жения за температурой. Быстрое установление повышенной темпе­ратуры в зоне испытаний достигается автоматическим дефростером, являющимся устройством, обеспечивающим дополнительный нагрев и циркуляцию воздуха.

Для испытания изделий на резкое изменение температур находит применение установка с двумя ваннами (рис. 6.17), заполненными жидким термоносителем (хлорированное или силиконовое масло). Использование жидкой термопередающей среды позволяет обеспечить более сильное температурное воздействие на испытуемое изделие.

Особенностью установки является наличие специального, регу­лируемого во времени механизма с поворотным устройством 4, обес­печивающим плавное перемещение двух корзин 2 из коррозионно — стойкой стали с изделиями из одной ванны в другую. Механизм состоит из пневмомоментного двигателя, совершающего плавное перемеще­ние по окружности, и пневматического цилиндра, совершающего перемещение по вертикали. При этом обеспечивается минимальное разбрызгивание жидкой среды. Время перемещения из одной ванны

C_J

1 2 З Рис. 6.17. Схема работы с установками с двумя ваннами: 1 — ванна холода; 2 — корзина для изделий; 3 — ванна тепла; 4 — поворотное устройство

в другую составляет 3—8 с, что уменьшает примешивание теплопро­водящей среды из ванны тепла в ванну холода и наоборот. Обеспече­ние равномерности температуры в ваннах достигается перемешива­нием жидкости пропеллерной мешалкой. Охлаждение от 0 до — 60°С осуществляется паровой холодильной машиной с змеевиковым испа­рителем, охватывающим ванну холода. Нагрев от +50 до +200°С осу­ществляется электронагревателем в специальной оболочке.

Методы испытаний на воздействие изменения температуры. Ис­пытания на воздействие изменения температуры окружающей среды проводят для определения способности изделий сохранять свой внеш­ний вид и значения параметров в пределах установленных норм после воздействия изменения температуры среды в пределах значений, ус­тановленных в НТД на изделие. Следует различать три разновиднос­ти данного вида испытаний:

• на постепенное изменение температуры;

• на быстрое изменение температуры, или тепловой удар;

• на резкое изменение температуры.

Испытание на постепенное изменение температуры проводят в тер­мокамере (камера тепла и холода), обеспечивающей воспроизведе­ние заданных режимов с отклонениями, не превышающими уста­новленных значений. Испытания проводят без электрической нагрузки, если другое не предусмотрено НТД. При испытаниях теп­ловыделяющего изделия не под электрической нагрузкой в камере устанавливают положительную температуру, равную максимальной температуре контролируемого участка изделия.

Особенностью испытаний на постепенное изменение температу­ры является то, что изделия подвергают воздействию непрерывно сле­дующих друг за другом циклов (рис. 6.18), различающихся тем, что скорость охлаждения или нагрева камер, усредненная за период не более 5 мин., выбирается из ряда 1±0,2; 3±0,5 или 5±1 °С/мин. Дли­тельность выдержки согласуется с длительностью суточного (24 ч) цикла при целом числе циклов с учетом восстановления и заключительных измерений.

Рис. 6.18. График испытательного цикла постепенного изменения темпе­ратуры в камере: Тн, Т0 — температуры нагрева и охлаждения; t{ — время выдержки

Степень жесткости испытаний на изменение температуры выби­рают в зависимости от свойств испытуемого изделия и возможного процесса их ухудшения. Она определяется разностью температур (их крайними значениями) и числом циклов.

Испытаниям на тепловой удар подвергают изделия, которые в ус­ловиях эксплуатации испытывают быстрые изменения температуры. Испытания на тепловой удар проводят для определения электричес­ких характеристик изделий и их механической прочности при экстре­мальных температурных воздействиях. При этом оценивают качество контактов, выявляют дефекты, возникающие в полупроводниковых приборах, растрескивание пластмасс. Испытания на тепловой удар могут осуществляться с применением двух раздельных камер тепла и холода, двух — и однокамерных установок. Испытательное оборудова­ние должно обеспечивать воспроизведение испытательных режимов, предусмотренных нормативной документацией.

Испытания на тепловой удар характеризуются определенными па­раметрами, значения которых соответствуют установленным степеням жесткости. Важное значение имеет знание температурной постоянной времени т, определяющей длительность выдержки при воздействии повышенной и пониженной температур. Физически длительность вы­держки при каждой из двух температур зависит от теплоемкости испыту­емых изделий (иногда ее рекомендуют брать равной 3 ч или 30 мин.). Изделия подвергают воздействию 3—5 циклов, если другое число не предусмотрено нормативной документацией.

Как правило, испытания проводят без электрической нагрузки. Однако при испытаниях в специализированных установках, допуска­ющих подведение питающих напряжений, испытательных сигналов и их измерение, возможно испытание изделий в рабочем состоянии. После выдержки изделия в нормальных климатических условиях, ви­зуального осмотра и измерения значений параметров его подвергают воздействию установленного числа циклов изменения температуры.

При испытаниях изделий с применением двух раздельных камер тепла и холода в каждом цикле испытаний предусмотрены следую­щие этапы:

• после установления в камере холода пониженной предельной или рабочей температуры (в зависимости от того, которая из них ниже) в нее помещают изделие и выдерживают его до дос­тижения теплового равновесия в течение времени, указанного в нормативной документации;

• после выдержки в камере холода и установления в камере тепла повышенной предельной или рабочей температуры (в зависи­мости от того, какая из них выше) изделие переносят в камеру тепла и выдерживают до достижения теплового равновесия в течение времени, указанного в нормативной документации.

Рекомендуется, чтобы время установления заданного темпера­турного режима в камере после помещения в нее изделия не превы­шало 10% времени выдержки или 5 мин. (в зависимости от того, какое из этих значений меньше). Время переноса изделия из камеры в камеру не должно превышать 3 мин. Применение для испытаний двух — и однокамерных установок позволяет существенно сократить вре­мя установления заданного температурного режима и время переноса (перехода) изделия.

Испытание некоторых изделий на резкое изменение температуры тре­бует применения в качестве термоносителя жидкости, позволяющей оказать более сильное воздействие на изделие, чем при использовании воздуха для передачи температуры. При испытании используют две ванны с жидкостями, имеющими пониженную и повышенную тем­
пературы, соответствующие испытательным режимам. Этим мето­дом наиболее целесообразно испытывать герметичные изделия, име­ющие стеклянно-металлические уплотнения.

Испытания могут проводиться в двух ваннах с водой, имеющих соответственно повышенную и пониженную температуру, без пода­чи на изделие электрической нагрузки. При испытании изделие под­вергают воздействию 10 циклов, если иное число не указано в нор­мативной документации. Каждый цикл состоит из следующих этапов: выдержка изделия в ванне с холодной водой со льдом при температу­ре 0 °С с превышением не более +2 °С; перенос и выдержка в ванне с кипящей водой, причем температура не должна опускаться ниже 95 °С или более чем на 2 °С по отношению к значению, указанному в нор­мативной документации (рис. 6.19).

Начало 1-го цикла

Y

Рис. 6.19. График испытательного цикла быстрого изменения температу-
ры в ванне: А — начало цикла; tx — время выдержки; /2 — время перено-
са; Тн, Т0 — температуры нагрева и охлаждения

Степени жесткости при данном виде испытаний определяются дли­тельностью выдержки tx и продолжительностью /2 переноса из одной ванны в другую, а также числом циклов. Различают две степени жес­ткости: первая — t> 5 мин.; /2 < 10 с; вторая — t{ > 15 с; /2 < 3 с.

После окончания последнего цикла изделие извлекают из ванны и, удалив с него капли влаги, проводят визуальный осмотр и изме­рение параметров.

Применение специальной установки для испытаний в жидкостных ваннах позволяет испытывать изделие при большем перепаде темпе­
ратур, поскольку низкотемпературная ванна обеспечивает пониже­ние температуры до -65-0 °С, а высокотемпературная ванна — повы­шение температуры до +(50-200) °С.

Автоматическое перемещение изделий из одной ванны в другую за время 3-8 с позволяет сократить общую продолжительность испы­таний.