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    环境工程试验专业知识:试验设备如何选择与校准

    时间:2019-08-01    作者:仪多多网     

      任何一项工程试验都是试验条件+试验设备+试验技术+试验判据的有机组合,其中试验设备及測量装置是完成一项工程试验的基本物质条件,没有试验设备的支持,试验只能是“纸上谈兵”,即使现在炒得很热的“虚拟试验”,目前也只能是用于模拟某些简单的工程试验而已。現实中,仍然需要要耗费巨大的资金和精力用于研发能尽量模拟产品工作环境的试验设备。

      如上所述,环境试验设备及环境参数测量裝置是完成环境试验的基本物质条件,但是在产品环境工程界,特别是从事产品环境工程的管理层面,曾经有过一种误解,认为只要有了好的试验设备,就可以很好地完成环境试验任务,一味地强调引进或采购高档的环境与可靠性试验设备。这种做法既不了解环境与可靠性试验技术对试验过程有效性及试验结果可信性的重要意义,也完全无视环境与可靠性试验人员在整个试验过程中的主导性作用。事实上,试验设备是为试验服务的,在国家质檢部门主持的环境与可靠性实验室“比对”试验中,曾经多次出现参加比对的实验室用高档试验设备实施比对的试验结果反而不合格,这充分说明试验设备只是完成试验任务的必要条件之一,而不是完成试验任务

      的充分条件。因此,有必要探讨如何根据试验任务的要求,选择合适的与实用的环境与可靠性试验设备,并保持试验设备处于良好的工作状态和正确地使用和维护这些试验设备。


      一、设备选择依据

      存在于地球表面及大气层空间中环境因素的种类,目前还无法统计出一个确切的数目,其中对工程产品(装备)的使用及寿命影响较大的因素不下几十种。另一方面,这些环境因素的状态(即环境条件)又随着空间的延拓和时间的延续,以及人类生产、生活活动的开展而干变万化。因而,人类和工程产品所面对的环境是一个纷繁复杂、变化莫测的大千景象,善良的人们想要在试验室内完整而精确地再现外面那精彩的世界显然是不可能的。于是,从事工程产品环境条件研究的工程师们将自然界存在以及由于人类生产和生活活动诱发的环境条件整理归纳为一系列的试验标准或规范,用于指导工程产品的环境及可靠性试验。如:指导军工产品环境试验的中华人民共和国国家军用标准CJB 150《军用装备环境试验方法》系列标准,指导电工电子产品环境试验的中华人民共和国国家标准GB/T2423《电工电予产品基本环境试验规程》系列标准等。因此,我们选择环境及可靠性试验设备的主要依据之一是工程产品的环境试验規范和试验标准。

      其次,为了规范环境及可靠性试验设备中环境试验条件的容差,保证环境参数的控制精度,国家质量监督机构及各工业部门还制定了一系列的环境试验设备及检測装置的检定方法或校准规范。如国家计量技术规范JJF 1270-2010《温度、湿度、振动综合环境试验设备校准规范》、国家计量检定规程JG 948-1999《数字电动振动试验系统》、中华人民共和国国家标准准GB/T 5170《电工电子产品环境试验设备基本参数检定方法》等。按照这些检定规程、校准规范对试验设备的功能性参数、精度性技术指标进行计量检测,核定这些校准结果是否满足试验任务的要求也是选择环境及可靠性试验设备的重要依据。未经校准的试验设备是不允许投入使用的。


      二、设备选择的基本原则

      选择环境及可靠性试验设备应遵循以下五条基本原则:

      1.环境条件的再现性

      人们要在试验室内完整而精确地再现自然界存在的环境条件是可望而不可及的事情。但是,在一定的容差范围之内,人们完全可以正确而近似地模拟工稈产品在使用、贮存、运输等过程中经受的外部环境条件。请注意:我们特别强调不是精确地再现,而是正确又近似地模拟,这段话用工程的语言概括,就是“试验设备所创造的围绕被试产品周边的环境条件(含平台环境)应该满兄产品试验规范所规定的环境条件及其容差的要求”。如用于军工产品环境试验的温度箱不仅要满足同军标CJB 150.A3—2009、GJB 150.A4一2009中根据不同类型产品规定的高温、低温的试验量值、试验时同,同时也应满足试验规范中对温度场容差的要求。只有这样,才能保证环境试验中环境条妁再现性要求。

      2.环境条件的可重复性

      一台环境试验设备可能用于同一类型产品的多次环境试验,而一台被測试的工程产品也可能在不同的环境试验设备中进行相同环境条件的试验,为了保证同一台(批)产品按同一个试验规范的环境试验条件在多次或多台试验设备中实施试验得到结果的可比较性,必然要求环境试验设备提供的环境条件具有可重复性。或者说,按同一个试验規范施加于同一个产品的多次的环境试验,或者按同一个试验规范施加于不同产品的环境试验,试验设备施于被试产品的应力水平(如热应力、振动应力、电应力等)都是一致的,是完全可以重复的。尤其是在判定产品故障原因,实施“故障归零”的过程中,环境试验设备提供的环境条件可重复性更是必须保证的关键条件。

      环境试验设备提供的环境条件可重复性是由国家计量校准机构依据国家质量监督机将制定的校准规范实施校准提供保证。为此,必须要求不同档次的环境试验设备能满足试验规范对性能指标及精度指标的要求,并且在使用时间上不超过校准规范推荐的时限。如使用非常普通的电动振动台除满足激振力、频颏卒范围、负载能力等性能指标外,还必須满足横向振功比、台面加速度均匀性、谐波失真度等精度指标的要求,推荐校准后的使用周期为二年,超过二年必须重新校准才能投入使用。

      请读者注意,环境条件再现性强调的是:在某一次试验中,环境试验设备的功能性枝术指标必须満足产品试验规范中施加应力水平的要求,同时,还必须将施加的应力控制在一定的误差范围之内、这是从满足试验规范的要求提出的原则。环境条件的可重复性是说环境试验设备应长期保持功能性指标和精度指标的稳定性,强调的是试验设备在长期的使用过程或待机状态下,能够保持其功能及其对性能指标的控制能力。这二者有太多相同或相似之处,但其侧重点不一样。在时间跨度上有明显的差别。

      3.环境条件参数的可测控性

      任何一台环境试验设备所提供的环境条件必须是可观测和受控的,这不仅是为了使环境参数限制在一定的容差范闱之内,保证试验条件的再现性和重复性要求、而且从产品试验的安全性出发也是必须的,以便防止因环境条件的失控致被试产品的损坏,带来不必要的损失。

      环境参数的可测控性包含“测”和“控”两个方面。测量是控制的基础,准确的测量是实施精确控制的前提,现有各种试验规范中大体上规定环境条件参数测量的精度不应低于试验条件允许误差的三分之一。试验设备的这种能力首先是由设备制造商提供保证,试验设备制造方在选择使用测试用的传感器、变送器、二次仪表及其显示装置时,应能充分满足试验规范的要求、并留有足够的余量。在试验设备使用过程中,保持测量能力的有效性及持久性是通过质量检测与管理部门对测试设备的定期校准和有计划的期间核查得到保证。

      精确的控制能力是使环境试验设备具有环境条件再现性及环境条件可重复性的保证。在环境试验设备中,控制的精确性与控制的稳定性是同等重要的指标,试验设备的这种能力首先也是由设备制造商提供保证。在其后的使用中,由质检部门定期进行校准确认。随着科学技术的发展,试验验箱的测控已愈来愈自动化。但使用者在试验过程中决不可完全依赖于设备自身的“自动化”,必须进行人工巡巡视,以确保施加的环境应力在使用过程中的可测控性”。

      4.环境试验条件的排它性

      任何一次可实施的环境或可靠性试验,对环境因素的类别、量值及容差都有严格的规定,并排除非试验所需的环境冈素渗透其中,以便在试验中或试验结束后判别和分析产品失效与故障模式时,提供确切的依据,故要求环境试验设备除提供规定的环境条件外,不允许对被试产品附加其它的环境应力干扰。如电工电子产品高温(干燥)试验中限制相对湿度不能超过某个量值、不能将干热( Dry heat,)试验变成湿热( Damp heat)环境条件的模拟,其目的是确保正确模拟产品在干热的沙漠环境条件下的环境适应性。还如电动振动台校准规范中的台面漏磁、加速度信噪比、带内带外加速度总均方根值比、随机信号的检验、谐波失真度等精度指标也都是为了保证环境试验条件的唯一性而制定的校准项目。因此,更准确地说,环境试验条件的排它性(或唯一性)是要求环境试验设备在提供试验规范所要求的环境应力时,必须同时抑制其它不必要的环境应力的影响,将这些与主环境参数之外的环境应力量值严格限制在低量级范围之下。

      5.试验设备的安全可靠性

      环境试验,特别是可靠性试验,试验周期长,试验的对象有时是价值很高的产品,试验过程中,试验人员经常要在现场周围进行巡视或测试工作,因此要求环境试验设备必须具有运行安全、操作方便、使用可靠、工作寿命长等特点,以确保试验本身的正常进行,而且用于环境与可靠性试验设备的各种保护、告警措施及安全联锁装置完善、可靠,甚至有多裕度安全设计。

      试验设备的安全可靠分三个层次,第一是确保试验操作人员的安全,包括正常操作甚至出现误操作情况下,能对操作者人身实施安全保护。第二是对重要的被试验产品的保

      护,一旦控制系统出现故障,被试产品周边的环境条件失控时,多裕度保护系统会参与对被试产品的保护并自动停机。第三是试验设备的自身安全性,当设备的测试系统失灵,失控的环境条件超出极值范围时,独立于试验设备控制系统之外的多裕度安全保护系统能自

      动切断能源供应,停机待查。

      这三个层次中,第一层次和第三层次的保护与告警是必须确保的,第二层次可依据被试产品的重要性和价值,选取相应的辅助手段实施不同级别的安全保护,不必一视同仁



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