CN201413372Y - 温度冲击试验箱 - Google Patents

Abstract

一种新型的温度冲击试验箱，是长方体的箱形结构，它由箱体、温度测控系统、试件测量及加载系统、试件架及其旋转系统、制冷系统、升温系统和集中测控系统所组成。温度测控系统，是由热电偶及其配套件组成，热电偶通过石英玻璃管从箱顶或底部中心孔插入试件中间；试件测量及加载系统，是由各种测量仪器及加载电路和相应电源组成，它位于箱外；制冷系统中的液氮贮罐、导管、开关控制阀及控制单元位于箱外，雾化喷嘴置于箱内；升温系统，由电源、电阻加热器、温度控制单元组成；试件架及其旋转系统，由试件架、转动轴、旋转机构、电源组成；集中测控系统由控制板、控制软件及工业计算机组成，该系统放置在箱外。本实用新型参数优异、性能良好、用途广泛。

Description

温度冲击试验箱

(一)技术领域

本实用新型涉及一种试验箱，尤其涉及一种新型的温度冲击试验箱，属于试验设备技术领域。

(二)背景技术

温度冲击试验箱广泛用于工业各部门，但现有的技术存在以下不足：

1、筛选温度是程序设置的，筛选器件处的温度不可控，造成筛选应力不可控，导致筛选效果不可控。

2、被筛件相对制冷(热)气流的相对方向不能变，导致迎风面与避风面温差很大，筛选应力相差很大，造成筛选强度相差很大。

3、筛选试验在大气中进行，空气中的水气，氧气及其他有害性气体在高温下，给元器件带来附加的危害，特别是严重的影响元器件引脚的可焊性。

4、筛选的低温范围不够，航天用的器件有的要求在-100℃以下工作，而现有的温度冲击试验箱最低温度在-80℃以上，满足不了试验要求。

5、被筛选器件只能在不工作下进行，在剧烈温度变化下，被筛选器件的性能不能测量记录。

(三)发明内容

1、目的

本实用新型提供一种温度冲击试验箱，它解决了现有技术的不足，其构思新颖，结构合理，造价低廉，可靠性高。它为试验设备的发展开创了一个新的品种，为提高产品可靠性，提供一条新的技术途径。

2、技术方案

一种温度冲击试验箱，它是方形或长方体的箱形结构，它是由箱体和温度测控系统、试件测量及加载系统、试件架及其旋转系统、制冷系统、升温系统和集中测控系统所组成。

所述箱体是由金属材料制成的箱形结构件；

所述温度测控系统，是由热电偶及其配套部件组成。(采购货架产品)，热电偶通过石英玻璃管从该箱顶部中心孔插入试件中间，或由箱体下部通过试验架空心轴插入，且货架及样品转动时，它不跟随转动，其测得温度信号输向集中测控系统。

所述试件测量及加载系统，是由各种电压电流测量仪器及加载电路和可编程电源(货架产品)组成。现行筛选标准规定大多数元器件温度冲击时，不测量性能，不通电，但可靠性老化试验要求通电检测。用此设备进行PCB板和器件老化筛选时，就需用加载、测量功能，其具体要求一般按定货方通电、检测要求配置。

所述制冷系统，是利用液氮气化相变吸热物理特性降温。该系统由液氮贮罐、导管、开关控制阀、雾化喷嘴等组成。有一定压力(3-5个大气压)的液氮，通过导管到控制阀，控制单元根据控制需要开启阀使液氮到喷咀雾化，以便气化降温。为了保证温度控制准确度与精度，本系统采用一种新型控制技术，即佔空比控制技术。现在气、液体控制大多采用比例阀控制，在深低温下(-196℃)比例阀很难制造，且精度也不高，价格昂贵。

占空比控制技术：

液氮开关阀，由集中测控系统设置一个适当固定的开关频率开启和关闭，此频率取决于最大降温速率，而与温度差无关，无论温差是多少，液氮电磁阀均按设定的频率开、关。即如图2的a所示。

降温时，其控制温差由开启与关闭之时间长短而定，若试验温度与设置的温度温差较大则占空比较大，温差较小占空比就小；如图2b所示。前几个脉冲持续时间较长，输入液氮多，很快将温度降下来，减小温差。因此后面几个脉冲持续时间逐渐变小，是因为此时不需要太多液氮气化。其占空比时从100％降至1~2％。因为在保温期间，注入的液氮气化热等于箱体散热。占空比100％是以最快速度降温，0％表示不需降温，在升温时加热电流的控制也是如此。不过此时控制的是整流器的开启角。

所谓占空比 $r=\frac{\mathrm{To}}{\mathrm{Tn}}\×100\%$ f_n----电磁阀开关频率(Hz)

$\mathrm{Tn}=\frac{1}{f_n}$ 电磁阀开关周期    T_d---电磁阀开启的持续时间

依据上面原理，编制相应的软件填入集中测控系统予以实现。其硬软件的主要技术途径是：用软件实现一定频率的脉冲并放大控制电磁阀开启，电磁阀打开的同时接通一个自保电路。自保电路的自保时间，由集中测控系统按设置的控制模型计算出来的持续时间来实施控制自保电器切断时间，实现T_d的控制。

所述升温系统，由电源、电阻加热器(货架产品)、热电偶温度计组成。温度控制也采用的占空比技术实施控制。其具体方法是控制规律同降温，控制保持用的信号用于整流器的开启角，或电源开关。

所述试件架及其旋转系统，由试件架、转动轴、传动机构、变频电机和电源组成；试件架置于冲击箱内以便放置试件，旋转机构是固定在冲击箱底板上的转动传递，减速控制；变频电机是动力，固定在箱内下部，转轴从冲击箱底板中心插入箱内，将旋转机构与试件架相连，并将转动力传给试件架。转动速度与转动要求，由转动控制系统实现控制。此系统可用支架安装在冲击箱的底板下面。

所述集中测控系统由专用控制板、专用控制软件及工业计算机组成，它能按用户需要通过人机对话实施温度变化控制、冲击速率控制、样品转动速度控制、样品检测通电等功能的控制与测量、记录、打印、存储等多项功能实现。

本实用新型也可用作高低温快速温变试验箱，其各项性能指标全面超过现有高低温快速温变试验箱。

3、优点及效果

(1)用液氮制冷的优点：

a.解决了-120℃~-150℃的深低温要求；

b.冲击试验箱结构简单，造价低，通常只有用制冷机的1/2~1/3的造价；

c.液氮是制氧的附产品，是空气的主要组成部分，用液氮制冷，运行费便宜，维修费省，可靠性高，利于环保；

d.温度冲击箱工作和维修时，不排出污染空气环境的机油和氟利昂气体，有利环保；

e.保证筛选器件始终在无有害气体、无氧、无水的惰性气氛氮气中进行高低温试验，不会有水汽、氧气和其它有害气体带来额外的损伤。

(2)开关频率与占空比控制的优点：

用开关式液压阀控制，系统不易稳定，控制精度也不高；用适当地的开关频率来周期性地开启开关式液压阀，用占空比控制的办法来控制温度准确度。这种控制技术，由于阀的开启时间与温度误差没有关系，而误差只用于开关打开的时间长短，该方法理论分析控制精度可无限提高，不存在控制小信号的死区，属于无偏控制，可以很轻易地实现±0.5℃的精度。由于使用的是开关式阀，构造简单，造价便宜，易于调试，维修简单。升、降温过程可实现线性变温速率控制。

(3)旋转试验架的优点：

由步进电机带动的试验架，可以根据试件特性，设置转动模式、正返转模式时不需引线环。连续单向转动模式时，需用导电环与电刷配合将电源引入，电信号引出。

勿需引线的器件筛选模式，其优点是在不断改变迎风方向，使试件受力均匀，筛选效果好。

温度冲击时，温度范围、冲击速度可以精确控制，可以避免过试验或欠试验情况，保证温度冲击的科学性，数据的准确性。

(4)本实用新型参数优异，性能良好，可达到：

温度范围从-120℃~+250℃(300℃)可调可控

温度变化率±5℃/min~±100℃/min可调可控

温度控制试验样品中间，且温度控制精度高±0.5℃(保温时)

(四)附图说明

图1本实用新型结构示意方框图

图2a占空比控制-电磁阀开启频率示意图

图2b占空比控制-电磁阀降、保温时开启保持时间示意图

图中符号说明如下：

1新型温度冲击试验箱；2温度测试系统；3试件测量及加载系统；4制冷系统；5升温系统；6试件架及其旋转系统；7集中测控系统；8电源；9液氮贮罐。

Tn电磁阀开关周期；T_d电磁阀开启的持续时间；t时间轴

T_di为第i次开启持续时间。

(五)具体实施方式

见图1、图2所示，一种温度冲击试验箱1，它是方形或长方体的箱体结构，它是由箱体、温度测试系统2、试件测量及加载系统3、制冷系统4、升温系统5、试件架及其旋转系统6、集中测控系统7、电源8和液氮贮罐9组成。

所述箱体是由金属材料制成的箱形结构件；

所述温度测试系统2，是由热电偶及其配套部件组成。(采购货架产品)，热电偶通过石英玻璃管从该箱顶部或底部中心孔插入试件中间，且货架及样品转动时，它不跟随转动，其测得温度信号输向集中测控系统7。

所述试件测量及加载系统3，是由各种电压电流测量仪器及加载电路和可编程电源(货架产品)组成。现行筛选标准规定大多数元器件温度冲击时，不能测量性能，不通电。但用此设备进行老化试验和快速温变箱用时，就必须通电，一般按需方具体通电与检测要求配置。

所述制冷系统4，是利用液氮气化相变吸热物理特性降温。该系统由液氮罐、导管、开关控制阀、雾化喷嘴组成。为了保证温度控制准确度与精度，本系统采用一种新型控制技术。即本专利中采用的占空比控制技术。

液氮开关，由集中测控系统设置一个适当的开关频率，此频率与温度差无关。无论温差是多少，液氮电磁阀按一定的频率开关。即如下图2a所示。

其控制温差由开启与关闭之时间长短而定，若试验温度与设置的温度温差较大则占空比较大，温差较小占空比就小；如图2b所示。前几个脉冲持续时间较长，输入液氮多，很快将温度降到为了减小温差。后面阀开启持续时间逐渐变小，其占空比时从100％降至1~2％。占空比100％是以最快速度降温，0％表示不需降温，在升温时应是如此。

所谓占空比 $r=\frac{\mathrm{To}}{\mathrm{Tn}}\×100\%$ f_n----电磁阀开关频率(Hz)

$\mathrm{Tn}=\frac{1}{f_n}$ 电磁阀开关周期    T_d---电磁阀开启的持续时间

T_di——为第i次电磁阀开启持续时间。

研制相应的硬、软件填入集中测控系统予以实现。其硬、软件的主要技术途径是：用软件实现一定频率的脉冲经放大，控制电磁阀开启，电磁阀开启的同时接通一个自保电路。自保电路的自保时间由集中测控系统计算出来的持续时间实施控制。

所述升温系统5，由电源、电阻加热器和热电偶温度计组成。温度控制可以用传统的控制系统，也可用上面采用的占空比控制。

所述试件架及其旋转系统6，由试件架、转动轴、旋转机构、变频电机和电源组成；试件架置于冲击箱内以便放置试件，旋转机构是固定在冲击箱底板上的转动传递，减速控制；变频电机是动力，固定在箱内下部，转轴从冲击箱底板中心插入箱内，将旋转机构与试件架相连，并将转动力传给试件架。转动速度与转动方向要求，由转动控制系统实现控制。

所述集中测控系统7由专用控制板、专用控制软件及工业计算机组成，它能按用户需要实施温度变化范围控制、冲击温度速率控制、样品转动速度与方向控制及样品检测加载通电等功能的控制与测量、记录、打印、存储等多项功能实现。

本实用新型也可用作高低温快速温变试验箱，老化筛选箱。功能及其各项性能指标，全面超过现有温度冲击试验箱、高低温快速温变试验箱。

Claims (2)

1、一种温度冲击试验箱，它是长方体的箱形结构，其特征在于：它是由箱体、温度测控系统、试件测量及加载系统、试件架及旋转系统、制冷系统、升温系统和集中测控系统所组成；

所述箱体是由金属材料制成的箱形结构件；

所述温度测控系统，是由热电偶及其配套部件组成；热电偶通过石英玻璃管从该箱顶部中心孔插入试件中间；

所述试件测量及加载系统，是由电压电流测量仪表及加载电路和可编程电源组成；它位于箱外；

所述制冷系统，是由液氮贮罐、导管、开关控制阀、雾化喷嘴组成；液氮贮罐、导管、开关控制阀位于箱外，雾化喷嘴置于箱的上部；

所述升温系统，由电源、电阻加热器、热电偶温度计组成；电阻加热器位于箱内上部；

所述试件架及其旋转系统，由试件架、转动轴、旋转机构、变频电机和电源组成；试件架置于冲击箱内，旋转机构是固定在冲击箱底板上，转轴从冲击箱底板中心插入箱内，将旋转机构与试件架相连，变频电机固定在箱内下部，此系统用支架安装在冲击箱内部的下方；

所述集中测控系统由专用控制板、专用控制软件及工业计算机组成，该系统放置在箱外。

2、根据权利要求1所述的一种新型的温度冲击试验箱，其特征在于：该热电偶通过石英玻璃管从该箱底部中心孔插入试件中间。

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