---

5. ИЗМЕРЕНИЯ

5.1. Температура

При испытаниях теплорассеивающих образцов в условиях, отличающихся от условий свободного обмена воздуха, необходимо выполнять измерения температуры в различных точках образца или внутри него.

Рекомендации приведены в приложении С.

5.2. Скорость воздуха

Сведения о скорости воздуха в испытательной камере, может быть, и не являются важными для характеристики испытаний, однако они весьма полезны для обеспечения однородных условий внутри камеры в случае одновременного испытания группы образцов в одной камере с принудительной циркуляцией воздуха.

Рекомендации приведены в приложении Н.

5.3. Коэффициент лучепоглощения

Поскольку теплообмен излучением имеет важное значение при испытании теплорассеивающих образцов, следует определить коэффициент лучепоглощения стенок камеры и затем его периодически контролировать.

Необходимые рекомендации приведены в приложении I.

6. МЕРЫ ПРЕДОСТОРОЖНОСТИ ПРИ ИСПЫТАНИИ

6.1. Общие положения

Для достижения воспроизводимости методика испытания на воздействие температуры должна быть разработана таким образом, чтобы самая высокая (низкая) температура, достигаемая в определенной точке образца, в равной мере не зависела от температуры испытательной лаборатории. При проведении испытаний, продолжительность которых мала по сравнению с временем, необходимым для достижения образцом температурной стабильности, следует учитывать следующие меры предосторожности.

6.2. Скорость воздуха, окружающего испытуемый образец

Эффективность теплообмена между воздухом в камере и испытуемым образцом зависит от скорости воздуха.

Желательна точная имитация скоростей воздуха, связанных с высокими (низкими) температурами в естественных условиях окружающей среды. Однако вследствие ограниченной информации о естественных условиях окружающей среды, а также трудностей в воспроизведении определенных скоростей воздуха (включая степень турбулентности и т.д.) в испытательных камерах такая имитация обычно невозможна. Поэтому чтобы охватить все возможные случаи, необходимо выбрать самые жесткие условия испытания ("наихудший случай").

При испытании нетеплорассеивающих образцов увеличение скорости воздуха вызывает повышение (при испытании на холод - понижение) температуры образца. Поэтому для этого испытания рекомендуется применять высокую скорость воздуха в испытательной камере (предпочтительно не менее 2 м/с в незаполненном рабочем объеме камеры).

При испытании теплорассеивающих образцов увеличение скорости воздуха ведет к снижению температуры самых горячих точек испытуемого образца, если эта температура выше температуры окружающего воздуха. Поскольку это случается часто, то такое испытание должно проводиться, по возможности, без принудительной циркуляции воздуха (условия свободного обмена воздуха).

В том случае, когда нагрев (охлаждение) камеры возможен только при помощи циркуляции воздуха, может быть применен метод А испытания Bd (Ad).

6.3. Выдержка

Для достижения воспроизводимости следует точно построить график изменения температуры воздуха в камере во времени на весь период выдержки. В тех случаях, когда возможна полная имитация реальных условий окружающей среды, график изменения температуры во времени может быть построен специально для имитируемых условий.

В большинстве случаев рекомендуется пользоваться графиком (см. рис.1).

1 - образец, внесенный в испытательную камеру; 2 - температура испытания; 3 - скорость изменения

температуры 0,7-1 °С в минуту; 4 - температура воздуха в камере; 5 - скорость изменения

температуры 0,5 °С в минуту; 6 - образец включен (для испытаний в рабочем состоянии),

7* - заданная длительность выдержки

________________

* Заданная длительность выдержки отсчитывается с момента достижения в камере заданного значения температуры воздуха с допуском 3 °С.

температура нетеплорассеивающих образцов

температура теплорассеивающих образцов

Рис.1

Следует заметить, что предлагаемый график изменения температуры во времени отличается от испытаний А и В следующим:

а) более узким диапазоном начальной температуры (25±3) °С;

б) определенной скоростью изменения температуры воздуха в камере в период установления температуры испытания;

в) длительность выдержки отсчитывается с момента достижения в камере заданного значения температуры воздуха.

ПРИЛОЖЕНИЕ А

Рекомендуемое

ВЛИЯНИЕ РАЗМЕРОВ КАМЕРЫ НА ТЕМПЕРАТУРУ ПОВЕРХНОСТИ ОБРАЗЦА

ПРИ ОТСУТСТВИИ ПРИНУДИТЕЛЬНОЙ ЦИРКУЛЯЦИИ ВОЗДУХА

Рис.2 является результатом ряда экспериментов, проведенных с целью определения минимально допустимых размеров камеры сухого тепла, в которой при испытании определенного типа образцов температура поверхности образца была бы приблизительно такой же, как и в условиях свободного обмена воздуха.

Теплорассеяние с единицы площади поверхности испытуемого образца, при котором разность температур

поверхности образца в камере очень большого объема и в камере меньшего объема достигает 5 °С

- экспериментальные данные

- расстояние между поверхностью испытуемого образца и стенкой камеры, см

Рис.2

Образцы различных габаритов с неодинаковым теплорассеянием с единицы поверхности подвергались воздействию температуры окружающей среды (которая определена в СТ МЭК 68-1 (ГОСТ 28198), равной 70 °С, в камерах сухого тепла различного объема. Критерием, по которому определялись минимально допустимые размеры камеры, служило требование, чтобы температура поверхности испытуемого образца не превышала более чем на 5 °С температуру поверхности, полученную в камере наибольшего объема, размер которой был очень велик по сравнению с размерами испытуемых образцов. Температура стенок камеры отличалась от температуры окружающей среды не более чем на 5 °С.

Испытуемые образцы имели форму куба и были почти термически белыми, чтобы имитировать наихудший вариант, при котором все тепло рассеивается посредством конвекции. Стенки камеры были близки к термически черному цвету.

ПРИЛОЖЕНИЕ В

Справочное

ВЛИЯНИЕ ЦИРКУЛЯЦИИ ВОЗДУХА НА УСЛОВИЯ ИСПЫТАНИЯ В КАМЕРЕ

И НА ТЕМПЕРАТУРУ ПОВЕРХНОСТИ ИСПЫТУЕМЫХ ОБРАЗЦОВ

1. Расчет воздействия воздушного потока на температуру образца и на температурный градиент в камере

- скорость воздуха, м·с ;

- коэффициент теплопередачи, Вт·м ·К ;

- количество тепла, переносимого в единицу времени, Вт;

- эффективная площадь теплорассеивающей поверхности, м ;

- время;

- масса входящего или выходящего воздуха в единицу времени, кг·с ;

- удельная теплоемкость воздуха при постоянном давлении, 1000 Дж·кг ·К ;

- плотность воздуха, 1,29 кг·м ;

- площадь поперечного сечения камеры, м ;

- температура, К.

1.1. Температура образца

, (1)

где ; ~10; 3 м·с .

Экспериментальные данные показывают, что при малой скорости воздуха, которая имеет место во время испытаний, ~3; увеличивается с возрастанием скорости воздуха; при 3 м·с ~8.

Если =0,3 м·с , ошибка в 10%.

1.2. Градиент между входящим и выходящим воздухом

. (2)

Подставив числовые значения, получим для камеры в форме куба со стороной 0,5 м, скоростью воздушного потока в ней 0,3 м·с и расстоянием мощности 100 Вт следующее

=0,25 м ; ~1 °С. (3)

При рассеянии мощности до 100 Вт сколько-нибудь значительных проблем не возникает. При рассеянии 1 кВт требуется большая камера (например, камера в форме куба со стороной 1,5 м).

Если градиент является приемлемым, то допустимо увеличение скорости воздушного потока.

Экспериментальные данные о влиянии циркуляции воздуха на температуру поверхности

проволочного резистора. Циркуляция воздуха с радиальным направлением потока

Рис.3

Экспериментальные данные о влиянии циркуляции воздуха на температуру поверхности

проволочного резистора. Циркуляция воздуха с осевым направлением потока

Рис.4

Распределение температуры по цилиндру с однородным тепловыделением

при циркуляции воздуха со скоростью 0,5; 1 и 2 м·с

- превышение температуры поверхности образца над температурой окружающей среды;

- скорость воздуха, м·с ;

Температура воздуха =70 °С;

Диаметр цилиндра =6 мм;

Теплорассеяние с единицы поверхности - 1,5 кВт·м .

Рис.5

Примечание. При построении кривых теплопроводность образца не принималась во внимание (наихудший вариант).

ПРИЛОЖЕНИЕ С

Справочное

ВЛИЯНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ИЗЛУЧЕНИЯ ОБРАЗЦА НА ПОВЫШЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ

Сравнение повышения температуры в зависимости от величины теплорассеяния термически белых

и термически черных образцов, помещенных в камеру с термически черными стенками,

температура воздуха в которой равна 70 °С (данные получены экспериментальным путем).

См. также приложение Е

Рис.6

ПРИЛОЖЕНИЕ D

Справочное

ВЛИЯНИЕ РАЗМЕРОВ ПРОВОЛОЧНЫХ ВЫВОДОВ И МАТЕРИАЛА

НА ТЕМПЕРАТУРУ ПОВЕРХНОСТИ ЭЛЕМЕНТА

________________

* Провод большого сечения, используемый для обмотки резистора, также способствует быстрому отводу тепла от "нагретой точки"

Рис.7

ПРИЛОЖЕНИЕ Е

Справочное

РАСЧЕТ И НОМОГРАММЫ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ

1. Система условных обозначений

- количество тепла, переносимого в единицу времени, Вт;

- площадь поверхности образца, м ;

- площадь поверхности стенок камеры, м ;

- температура стенок камеры, К;

- температура поверхности образца, К;

- коэффициент лучепоглощения стенок камеры;

- коэффициент излучения образца;

- постоянная Стефана-Больцмана

Вт·м ·К ;

- средний размер образца, м;

- коэффициент теплоотдачи конвекции (Вт·м ·К ).

Величина зависит от и .

2. Теплообмен излучением

Количество тепла, переносимого только посредством излучения от изделия в камере к окружающим стенкам, вычисляют по формуле

. (4)

Для камеры с неограниченным объемом, т.е. при свободном обмене воздуха, , отсюда

. (5)

Тот же самый результат получается для термически черных стенок ( =1) независимо от размеров камеры.

Используем при упрощении выражение

. (6)

Тогда общий случай примет вид

(7)

или

. (8)

Это соотношение представлено на рис.8 приложения Е.

3. Теплообмен излучением и конвекцией

3.1. Перенос тепла

Допустим, что стенки камеры имеют температуру, равную температуре воздуха в камере. Тогда получим

. (9)

Для условий свободного обмена воздуха и для термически черных стенок в упрощенном виде имеем

, (10)

что можно переписать следующим образом:

. (11)

Введем новые переменные:

,

и получим

. (12)

Это соотношение может быть легко представлено в виде номограммы. В качестве примера приведены две номограммы (для удобства температура в номограммах указана в градусах Цельсия).

3.2. Номограммы

Из п.1 видно, что зависит от и от среднего размера образца . Примеры номограммы, где =0,7, составленные для двух различных значений , приведены на рис.9 и 10.

При расчете номограмм использовались следующие величины:

Пример использования номограмм

Условие: Образец, рассеивающий определенную мощность в условиях свободного обмена воздуха, температура которого 20 °С, имеет температуру поверхности 70 °С.

Какова будет температура его поверхности при рассеянии той же мощности в условиях свободного обмена воздуха при температуре 55 °С?

Решение: Так как =50 °С, то величина , используемая в номограмме на рис.9, близка к действительной величине.

Проведем прямую линию на рис.9 от точки +20 °С на шкале к точке +70 °С на шкале , отметим точку ее пересечения с ОСЕВОЙ ЛИНИЕЙ. Теперь проведем прямую линию от точки +55 °С на шкале через точку пересечения на ОСЕВОЙ ЛИНИИ к шкале и получим новую точку пересечения со шкалой : +98 °С. Это и есть искомая температура поверхности.