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环境技术增刊
Abstract：According to the characteristics and specific requirements of temperature control in thermal cycle test. The thermal cycle test has certain requirements for the test box. The test box should have the ability to measure and control the temperature of the sample. The temperature change rate is (35)℃/ min, and the temperature control accuracy is not less than 1℃/min, and the temperature control precision is ±0.5 ℃. This paper discusses the common problems and solutions of thermal cycle test, which has certain guiding significance and value for the test personnel to carry out thermal cycle test.
Key words：thermal cycle test; control parameters; test method; temperature control
摘要：针对热循环试验控温的特点和特定要求。热循环试验对试验箱有一定的要求，试验箱应具备测量样品和控制样品温度的能力，变温速率3 5 ℃/min，不能低于1 ℃/min，控温精度在±0.5 ℃。本文探讨热循环试验常见问题及解决方法，对试验人员在进行热循环试验时有一定的指导意义和价值。关键词：热循环试验；控制参数；试验方法；温度控制 中图分类号：V216.5+1 文献标识码：A 文章编号：1004-7204(2020)S1-0013-04
热循环试验常见问题及解决方法
Common Problems and Solutions in Thermal Cycle Testing
张双俊，袁海营，左贵杰，崔晓鹏
（航天科工防御技术研究试验中心，北京 100854）
ZHANG Shuang-jun, YUAN Hai-ying, ZUO Gui-jie, CUI Xiao-peng
（Aerospace Science & Industry Corp Defense Technology R&T Center，Beijing 100854）
引言
热循环试验是在常压热循环环境中进行环境应力筛选，发现设计、元器件、过程和工艺等缺陷。热循环鉴定试验验证电工电子组件设计的健壮性、在设计温度范围内的运行和后续产品验收试验期间的功能能力。热循环验收试验验证在寿命期内的最大预期条件下，组件的工艺完整性和生存与正常运转能力。试验时样品应通电工作并监测性能参数。试验温度控制点选在样品有代表性的位置（控制样品上 有代表性位置的温度），如传统的温度循环试验（控制试验箱空气的温度）有很大区别。热循环试验一般是热真空试验的补充试验，热循环试验主要应用于空间产品。热循环试验与一般的环境试验和可靠性试验有很大的区别，对试验人员和试验设备要求更高。
1 一般要求
1.1标准大气条件温度：15～35 ℃相对湿度：25～75 %大气压力：86～106 kPa 1.2试验设备要求
试验箱应具备测量样品和控制样品温度的能力，变温速率3～5 ℃/min，不能低于1 ℃/min，控温精度在±0.5 ℃。 提供的试验设备应能满足试验要求，在计量有效期内。试验设备的PTC（Products Temperature Control 产品温度控制）通道必须完好且设备应具备控制参数可调节的功能。
1.3试验样品放置要求
试验样品在试验箱内的放置应尽量靠近中心位置，
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产品各表面距离试验箱相应箱壁的位置尽量保持一致。安装时试验箱的容积与试验样品体积之间的比例不小于5:1。试验样品只能选定一个温度控制点，不允许多个试验样品同时进行试验。试验样品与试验箱支撑架之间应该放有绝缘板。
2 试验程序
2.1常温保持及干风吹扫
试验开始前，必须在常温情况下保持1 h（产品若体积或热容量较大时需适当增加保持时间），同时应向试验箱内充干燥空气或氮气，压力0.11 MPa，流量100 cfh （cubic foot per hour 立方英尺每小时）。
2.2稳态调节
稳态状态下是指热循环的温度保持阶段，稳态下可能出现问题及解决办法。
2.2.1稳态超调过大
出现该问题的主要原因依次从以下几个方面考虑：
1）产品自身发热影响：预试验前与客户沟通，确定产品温度与功率器件位置的关系。当产品的功率大于100 W或控制点靠近大功率器件，产品的发热作用不可忽略。该情况下需要调整产品的热上限调节参数和冷下限参数，在高温稳定阶段，将试验箱的热上限降低，在低温稳定阶段，将设备的冷下限调节降低，加大设备的制冷量以补偿产品的高温发热。特别造成该现象的原因是由于控制点靠近大功率器件，应建议客户更改控制点位置，避免试验的欠试验（高温）和过试验（低温）。
2）积分参数设置不合理：积分参数是对系统稳定性起主要作用的参数，积分参数主要对应着系统的滞后响应时间，一般来说，积分参数越大，滞后响应时间越长，系统的响应越慢，到达稳态的时间越长，即长时间会处于达不到设定值或高于设定值的情况。适当减小积分参数能避免这一情况。由于产品的低温响应要比高温响应滞后许多，因此，冷积分参数通常要比热积分参数大一些。产品的状态控制是比例参数和积分参数共同作用的结果，单独调节某一参数都可能带来系统的不稳定，因此，要注意参数间的配合。
3）比例参数不合理：单纯的比例参数的不合理设置一般不会带来稳态的超调，在稳态阶段主要是配合积分参数的修改以达到稳定的状态。当积分参数增大时，应适当加大比例参数以提高系统响应速度。同时，比例参数的设置过低也可能导致稳态下超调过大。
2.2.2温度控制不稳定
出现该问题应依次从以下几个方面解决：
1）比例参数设置不合理：比例参数不合理是温度保持阶段温度不稳定的主要原因，对于一般的情况下，温度保持阶段这一参数越低，系统对稳态的误差反应越慢，避免加热系统和制冷系统频繁启动，进而达到稳态控制的目的。比例参数如果设置过低，会导致无法达到设定值（不断逼近），因此，当该情况出现时，应适当加大比例参数。
2）试验箱的热上限和冷下限设置过大：在温度保持阶段，试验箱的热上限和冷下限应较小以保证系统的稳定性。需要注意的是，这一设置只是温度稳定设置的辅助手段，如果参数设置合理（比例参数和积分参数），这一参数越大对控制来说越好，不推荐通过调整该参数来保证试验的稳定性。
3）试验箱的积分参数设置：系统的积分参数越大，对系统的稳定性越有利，在稳态阶段，积分参数通常要比升降温阶段大一些。虽然积分参数越大，会影响系统的响应速度，但可以通过调节比例参数缩短达到稳态的时间对这部分延迟进行补偿，因此，在稳态阶段一般取较大的积分参数。
2.3升降温阶段
升降温阶段是指热循环的升温阶段和降温阶段。由于在这阶段，加热和制冷通常是同时作用，因此，可对这两个状态设置为同一参数。升降温阶段可能出现的问题及解决办法。
2.3.1温变速率不能满足要求
1）产品的热容量过大：当技术条件对产品温变率的要求为大于5 ℃/min、产品的质量大于10 kg或产品要
求的控制点在产品内部，可能是由于设备原因造成温变速率不能达到要求。为判断是否设备原因造成，在预试验中将高温设定值设定为比高温目标值高50 ℃，低温设定值比低温目标值低30 ℃，温变速率选择20℃/min，检测控制点温度变化率能否满足技术条件要求，若不能满足，则说明设备不具备试验能力，修改技术条件或改用其它设备。若能满足技术条件的要求，则考虑其它因素。
2）比例参数设置过低：由于产品的热容量比空气大许多，因此，为达到一个较快的温变速率，必须大幅提高产品的加热和制冷比例参数，比例参数越大，系统响应时间越短，越有利于提高响应速度。比例参数过大带来的风险是产品的超调过大以及系统不可控，因此，出于安全性的考虑，该参数不能过大。
3）积分参数过大：积分参数在升降温阶段应适当减小，以保证系统的响应速率。积分参数过小将导致系统的不可控以及超调过大。
挤压铸造机4）设定值过低（升温阶段）或过高（降温阶段）：由于产品的热响应比空气要慢得多，为了保证高温
变速率，必须满足两个条件：一是箱内空气与试验产品的温差足够大；二是保证在变温过程中有高风速。
前者的保证主要是通过设定一个较高的设定值（升温阶段）和较低的设定值实现的（降温阶段），设定值极值高温一般要高于高温目标值50 ℃以上，低温的设定值极值一般要低于低温目标值30 ℃以上。如果设备的能力达不到该要求，考虑设置一段高低温温度保持段以实现这一目标。
后者的保证主要是在设定的温变时间内，箱内空气的设定值也处于温变过程中。需要注意的是，设定的温变速率过高对于提高产品实际的温变速率没有太大帮助，反而缩短了温变的时间，因此，当要求的温变率在5 ℃/ min以下时，设定的温变速率以10 ℃/min为主，原则上不应超过15 ℃/min。当要求的温变率高于5 ℃/min，通过验证设备能满足试验要求的情况下，升降温的温变速率设置为15 ℃/min。
设定从极值向稳态值过渡这一段应设置一个较快的温变速率，由于这一段温度基本处于超调状态，因此，极值的设定以及温变速率的有效配合是保证控制精度的关键。
精油与肌肤百度影音2.3.2系统的超调过大
1）设定的高低温极值过高或过低：系统的超调主要是由于设定值过高或过低引起的，当超调过大时，应设置一个较低的设定值的极值，通过其它手段保证温变速率。
2）比例参数过大：比例参数会影响系统的稳定性，特别是对系统的一阶超调量起决定性作用，超调量过大通过减小比例参数能起到明显的抑制作用。
2.4循环中的其它环节
在产品的升降温阶段和温度保持阶段通常增加一段到达稳定段。其设定值为稳态的目标值，控制参数为升降温的控制参数。这样的目的一是保证产品温度快速的达到目标值附近，其次，由于稳定段到达稳态时间长，设置该段能缩短系统稳态调节时间。该段的温度较稳态波动较大，因此时间不能太长，一般设置为10 min。
3 中断处理
3.1设备故障中断
水泥厂脱硝试验过程中由于试验设备故障，引起试验中断时，当中断期间试验条件没有超出允许误差范围时，记下中断点。中断前的时间应作为总试验持续时间的一部分。处理故障时不应使试件因故障处理而受到损伤。故障处理完毕后从中断点继续试验。
3.2欠试验条件中断
当试验条件低于允许误差下限时，应从低于试验条件的点重新达到预先规定的试验条件，恢复试验，一直进行到完成预定的试验周期。
3.3过试验条件中断
当出现过试验条件时，停止此试验，用新的试验样品重做。如果过试验条件不会直接造成影响试验样品特
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无心磨床自动上料机性的损环，或者此试验样品可以修复，则可按欠试验条件中断处理。如果以后试验中出现试验样品失效，则应认为此试验结果无效。
3.4试件故障中断
试验过程中由于试件出现故障，引起试验中断时，依据委托方要求及有关标准中的试验中断处理方法进行中断处理。
4 总结
热循环试验和温度循环试验有着很大的区别，试验目的和试验方法也不一样。热循环试验对试验人员的经验丰富程度相对较高，对设备原理的理解和试验方法掌握的熟练程度非常重要。梳理热循环试验过程中存在的问题并采取相关措施，减少异常问题对试验造成负面影响，保障试验顺利的进行，对提高产品研制的数据准确性有很大帮助。
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