环境试验 温度循环中的湿度控制 彭彤，李果 （航天科工防御技术研究试验中心，北京１００８５４） 摘要：通过对温度循环中凝露原理的分析，解释了采用充入干燥氮气（空气）进行湿度控制的原理，并从理论上分析和确定 了进行该方法采用干燥氮气或空气的压力及流量，从而对参数进行了规范，确保试验的一致性。此外，本文还对温度循环中 为何观测不到凝露现象进行了解释。 关键词：温度循环；凝露；压力；流量 中图分类号：Ｖ２１６．５ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１００４ ７２０４（２０１２）０２—００２４ ０４ Ｈｕｍｉｄｉｔｙ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｉｎ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｙｃｌｅ Ｔｅｓｔ ＰＥＮＧ Ｔｏｎｇ，ＬＩ Ｇｕｏ （Ａｅｒｏｓｐａｃｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｉｎｄｕｓｔｒｙ ＣＯＲＰ Ｄｅｆｅｎｓｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｒ＆Ｔ Ｃｅｎｔｅｒ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １００８５４） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｔｈｉＳ ａｒｔｉｃｌｅ，ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｅｓ ｏｆ ｃｏｎｄｅｎｓａｔｉｏｎ ｔｈｅｏｒｙ ｉｎ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｙｃｌｅ ｔｅｓｔ，ｅｘｐｌａｉｎｅｄ ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｕｓｉｎｇ ｄｒｙ ｎｉｔｒｏｇｅｎ（ａｉｒ）ｔｏ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｈｅ ｈｕｍｉｄｉｔｙ．Ｇｉｖｅｎ ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｍｅｔｈｏｄ ｔｏ ｃｏｕｎｔ ｔｈｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ａｎｄ ｆｌｏｗ ｏｆ ｄｒｙ ｎｉｔｒｏｇｅｎ（ａｉｒ），ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ｓｔａｎｄａｒｄ ｔｈｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ａｎｄ ｅｎｓｕｒｅ ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｃｏｎｓｉｓｔｅｎｃｙ． Ｉｎ ａｄｄｉｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｒｅａｓｏｎｓ ｗｈｙ ｃｏｎｄｅｎｓａｔｉｏｎ ｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎ ｃａｎ ｎｏｔ ｂｅ ｏｂｓｅｒｖｅｄ ｉｎ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｙｃｌｅ ｔｅｓｔ ｗｅｒｅ ｅｘｐｏｓｉｔｅｄ ｉｎ ｔｈｉＳ ａｒｔｉｃｌｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｙｃｌｅ；ｃｏｎｄｅｎｓａｔｉｏｎ；ｐｒｅｓｓｕｒｅ；ｆｌｏｗ 引言 随着产品质量意识的提高，环境应力筛选已广泛应 露是当环境温度低于当时的露点温度（空气中水蒸气达 到饱和状态而液化成露珠所需要温度），空气中的水蒸 Ｅ 用于各个领域，在电子产品领域，ＧＪＢ １０３２—１９９０得到 ＿一 盯 气凝结成水珠的现象 ］。而由于湿空气中温度场的不均 匀，致使局部空气中水蒸气达到露点而析出，如果这一 现象发生在产品上，则能在产品上看到明显的凝露现象。 相当广泛的应用，由于标准颁布时间较早，该标准中一 ～ 些细节未提出明确的实现方式。本文讨论的就是针对该 标准中提出的４．５．１条中“ｆ箱内空气和制冷系统的冷却 介质——空气的温度和湿度应加以控制，使其在试验期 间产品上不产生凝露” 这一项进行分析，确定如何能 实现这一控制方式。目前，具备湿度控制的设备上大都 是进行加湿的功能，而具备除湿功能的设备很少，因此， 当环境湿度大的情况而设备又不具备除湿功能的情况下， 多采用向试验箱内充干燥空气的方式进行除湿处理，但 这种方式不是标准中有明确规定的方法，因而对干燥空 从凝露的基本定义可以看出，凝露需要至少具备两 个基本条件，一是环境温度低于露点温度，二是温度场 的不均匀 ］，这种不均匀性具体体现在产品凝露度是发 生在温度场内的温度低的区域。当箱内处于高低温保持 阶段，由于箱内的温度均匀性通过检定得到保证，因此， 在这两个阶段不会出现凝露的现象。当试验处于降温阶 段时，由于需要进行一个快速的温度变化，此时箱内制 冷的蒸发器温度很低，根据凝露的原理，此时的凝露都 凝结在箱内的蒸发器上，产品也不会出现凝露的状态， 气的压力，流量及时间都没有相关的规定，即不能确保 试验中不产生凝露，而且由于每次充气的压力，流量及 时间的随意性，导致试验的可复现性很差。本文针对充 干燥氮（空）气控制湿度的方法进行分析，以确保试验 过程中不产生凝露的参数。 而在升温阶段（以及高温保持的最初阶段），情况则正 好相反，此时，箱内的空气温度已升高且高于箱内空气 的露点温度，但由于产品的热惯性通常要比空气大许多， 即产品表面以产品内部的温度会低于露点温度，此时， 凝露便产生了，因此，在实际试验中，出现凝露的阶段 １产品上产生凝露的条件 通常说的空气是干空气和水蒸气的混合物，产生凝 是在由低温向高温（常温）的升温过程中。图１是一典 型的低温试验后升常温过程中产生凝露的现象。 Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ・Ａｐｒｉｌ ２０１ ２ ２４ 压力。 ２．１氮气（空气）压力的选择 在试验中控湿用的氮气（空气）通常不经过设备的 加热和制冷系统直接进入箱内，压力过大会提高氮气（空 气）的消耗速度，还可能会对箱内的温度场形成扰动， 从经济性和试验稳定性上考虑需要对充气压力进行有效 控制，同时该压力必须保证大于试验箱内的空气压力才 能起到除湿的作用。 在试验过程中，为保证试验箱内的温度统一，通常 试验只留一个很小的测试孑Ｌ，甚至无测试孔，此时，箱 内的压力变化基本可视为在等容状态下完成的。 在常温下，箱内的空气压力为Ｐ。，此时氮气（空气） 的压力Ｐ（ Ｉ＞Ｐｎ即可满足要求。当箱内温度为Ｔ 时，此时 箱内的空气压力 ＝ 即如果实现在温度循环过程中不调节氮气（空气） 压力，在进行氮气（空气）压力设置时，应将压力设置 的Ｐｓ略大于只 只＞ ＝Ｒ要 Ｐｓ：压力设置值 Ｐ．：箱内空气压力 Ｐ 常压下气压 Ｔ ：箱内温度 ｒｒｎ：常温温度 ２．２氮气（空气）流量及时问的选择 箱内的空气流量是用于置换箱内空气的，试验开始 前箱内空气的绝对湿度为 ： ｄ－ ｅ：蒸汽压力 Ｒ ：相对湿度 ｄ：绝对含湿量 ａ：常数，ａ＝３．６５８ Ｘ １０～ 充入压力为Ｐ的氮气（空气），其体积流量为ｆ，绝 对含湿量为ｈ，充气时间为ｔ，此时，箱内的空气绝对含 湿量ｈ 为： ｎｖｉｒｏ ｎｇｍｅｎｔ ｌ环境试验 ｈｔ 南 ＋ｄ） 要保证在温度Ｔ下不发生凝露，即需要保证在温度 Ｔ下的相对湿度不大于１００％： Ｒ－ ｅ＝ ＝ ＜ 由于用于除湿的氮气（空气）的绝对含湿量很低， 特别是使用钢瓶高纯氮作为干燥气体时，在计算时可认 为ｈ＝０。 式中ｆ为Ｐ压力下的体积流量，由于流量系数，管 路直径不随压力而变化，因此可得 ： ｆ～Ｇ￣ｒ ｄ ２ ： Ｐ：气体压力 ｖ：气体体积 ＩＴＩ：气体质量 Ｍ：气体分子量 Ｉ１：：气体摩尔数 Ｒ：气体常熟 ｐ：Ｐ压力下气体密度 ｆ：体积流量 Ｃｑ：流量系数 ｄ：管路直径 △Ｐ：管路压力差 即充气的时间ｔ：ｒ＞ 一手 ３试验举例 根据前面的描述，可以得到保证系统内不出现凝露， 只需要获取环境温湿度数据，同时测量氮气的体积流量， 时间可由上式直接计算。对于大部分实验室来说，可能 不具备氮气体积流量的测量设备，体积流量可以氮气的 一些参数计算得出，下面的例子说明了在不具备体积流 量测量能力的时候．计算氮气充气时间的方法。 假设环境温度为３０℃，相对湿度为８０％，气压为 一个标准大气压１００ｋＰａ，需要进行低温一４Ｏ℃，高温 ＋６０￣Ｃ，高低温各保持２小时，温变速率为５℃／ａｒｉｎ的温 度循环试验。需要设计湿度控制方案，保证试验过程中 不出现凝露。 Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ・Ａｐｒｉｌ ２０１ ２ ２６ ｎｖｉｒｏｎｍｅ —Ｉ环境试验 当箱门关闭后，试验箱内空气的绝对含湿量为： ｄ＝ ¨一 １ ａＴ ＝ １ ６５８ｘ１０ ： ３３．９８ ＋ 一 ＋３一’× ３０ ０６４一 １．１Ｏ８ ：一 ３２．４２３ｇｍ。 ． 要求在一４０℃下不产生凝露，即要求试验中的露点 温度为一４Ｏｃｃ，即： 叫一 ＝ １ ＝Ｆ＝碱０．２０＋ ａＴ 一 一３１ ６５８ １０ ． × 一 × ４０ 一Ｏ． ８５３６８—１４＝０一 ．２３５ｇｍ。 设充入干燥空气的量为ｖ，则有： ＝鲁一１＝１３６ｍ３ 高温时，箱内气压为： 片＝ 丢＝ｏ．１ ＝ｏ．１ｌＯＭＰａ＝ｌｌＯｋＰａ 因此，气压设定为１ｌＯｋＰａ。 使用干燥氮气进行湿度控制，高纯氮气气瓶的技术 指标为１．５ ｘ １０５ｋＰａ，４０Ｌ。试验前充气系统经过试验， 当输出压力为２１０ｋＰａ，一瓶氮气大约使用２ｈ，即管路的 流量ｆ： ： ＝ ＝ ＝２８ ｆ＝１４．３ｍ ／ｈ 代人计算ｋ值： ＝，√ ＝１４．３×√器＝１９．７６ 当放气压力位０．１ＩＭＰａ时，体积流量为： ｆ＝ √ ＝１９．７６× 器：５－９５ ／ｈ 需要氮气的量为： ＝ ： ＝１２４ｍ３． ＝ ＝ ：２０ 即需要再升温前以ｌｌＯｋＰａ充氮气２０．８４ｈ。 通过试验验证，在试验前的充干风以及试验过程中 的良好密封，能有效地防止产品在温度循环中出现凝露 的现象，事实上在绝大多数的实验室，为了避免试验过 程中的凝露现象，多采用试验过程全程干风吹扫的方式， 因此，对于温度循环试验较多的试验室，配备一套产生 干燥空气的系统是非常重要的。 从示例可以看出，除了需要根据温度循环的试验条 件确定一个适合的充气压力，充气时间主要取决于温度 循环试验的低温极限值以及充气系统的体积流量。而要 实现试验箱内空气的露点温度在０度以下，干风的需要 充气的时间非常长，而且这个时间点必须在试验的升温 ２７ ２０１２年０４月・环境技术 阶段之前，这样才能确保试验过程中不会产生凝露的现 象。 ４结束语 具体在操作过程中如果没有进行这么一个长时间的 操作一般观测不到有凝露的产生，这主要是以下原因： １）由于低温下的空气中的即便是饱和空气其绝对含 湿量已然很低，如在一４０℃时饱和空气的绝对含湿量为 ０．２３５ｇｍ～，即１ｍ。试验箱内的含水量只有０．２３５ｇ，即便 这些水量全部凝结成水，也只有０．２３５ｍｌ，不到一滴水的 液体，不仅目测不可能观测到，甚至已超出了大部分凝 露传感器的测量范围。 ２）产品如果热容量较小，那么试验箱壁的热容量将 大于产品本身，因此，凝露会首先在试验箱壁上发生， 因此，进一步减小了产品上凝露的量。 ３）在温度循环中，一般要求在升温过程中加电测试， 使得产品在试验过程中有一定的温升，加快了产品温度 的响应速度，减小了试验箱内温度场的不均匀性，在一 定程度上减小了凝露发生的可能。 即便如此，仍需要注意的是，虽然无法观测到（测 试到１凝露的产生，但根据理论分析，如果试验前的预 处理，氮气（空气）未达到一定的要求，凝露将不可避免， 对凝露极其敏感的产品，需要充分考虑个中的影响。 参考文献 【１】ＧＪＢ１０３２—１９９０电子产品环境应力筛选试验方法Ｐ３ 【２】周军、周文越，开关柜放凝露控制技术浅谈ｌＪ１ ２０１０ Ｎｏ．１ Ｐ５７ ［３】王俊峰、田艳萍，空调室内机凝露预防及处理方法［Ｊｌ ２０１０年第１ ５ 期Ｐ２１ ５～Ｐ２１６ ［４】自然环境因素，航空部第三０一研究所，１ ９８６ Ｐ２３２ 【５】路甬祥，液压气动技术手册，机械工业出版社，２００７ Ｐ２０ 作者简介 彭彤，１９８３－，工程师，主要研究方向为环境试验技术 李果，１ ９７８，高级工程师，主要研究方向为环境试验与可靠性