Метрологические характеристики климатических камер

Качество изделий, подвергающихся климатическим испытаниям с использованием испытательных камер, напрямую зависит от точности воспроизведения и поддержания воздействующих факторов.

В данной статье речь пойдет о температурном воздействии (камеры тепла/ тепла холода), воздействии повышенной относительной влажности (камеры с влажностью), воздействии давления (барокамеры) и характеристиках, определяющих точность их поддержания.

К таким характеристикам относятся:

• 
  
  отклонение достигнутого значения температуры в камере от заданного;


• 
  
  амплитуда колебаний температуры в установившемся режиме;


• 
  
  градиент температуры;


• 
  
  отклонение достигнутого значения относительной влажности в камере от заданного;


• 
  
  колебания относительной влажности в установившемся режиме;


• 
  
  отклонение достигнутого значения давления в камере от заданного.

С целью подтверждения возможности воспроизведения условий испытаний в пределах допустимых отклонений и установления пригодности использования данного испытательного оборудования в соответствии с его назначением проводится первичная аттестация испытательного оборудования.

Аттестация климатических испытательных камер производится в соответствии с требованиями:

• 
  
  ГОСТ Р 8.568-97 "Аттестация испытательного оборудования";


• 
  
  ГОСТ РВ 0008-002-2013 "Аттестация испытательного оборудования, применяемого при оценке соответствия оборонной продукции";


• 
  
  на основании действующих норм и правил метрологического обеспечения.

Дадим определения основным метрологическим характеристикам, применяемым при аттестации климатических камер:

• 
  
  камер  тепла/тепла холода (в соответствии с ГОСТ 53618-2009 "Методы аттестации камер (без загрузки) для испытаний на стойкость к воздействию температуры"),


• 
  
  камер с влажностью (в соответствии с ГОСТ 53616-2009 "Методы аттестации камер (без загрузки) для испытаний на стойкость к воздействию влажности"),


• 
  
  барокамер (в соответствии с ГОСТ 54437-2011 "Методы аттестации камер (без загрузки) для испытаний на стойкость к воздействию давлением воздуха"):
  
  
  
  
  
  
  • 
    
    
    
    стабилизация режима (установившийся режим): состояние, при котором характеристики колебаний значений основного фактора режима в любой точке полезного объёма постоянны.
  
  
  
  
  • 
    
    
    
    заданное значение температуры: требуемое значение температуры, установленное контроллером термокамеры или другим задающим устройством.
  
  
  
  
  • 
    
    
    
    характеристики колебаний температуры в точках полезного объема камеры: амплитуда и период колебаний температуры.
  
  
  
  
  • 
    
    
    
    достигнутое значение температуры: значение температуры, соответствующее заданному, установившееся в испытательной камере после стабилизации.
  
  
  
  
  • 
    
    
    
    предельное значение температуры: верхнее и нижнее значения температуры для полного диапазона температур, установленных в нормативной или эксплуатационной документации на камеру.
  
  
  
  
  • 
    
    
    
    отклонение достигнутого значения температуры в камере от заданного: разность между достигнутым в камере значением температуры (соответствующем заданному) и заданным значением температуры, установленным на контроллере для данного режима.
  
  
  
  
  • 
    
    
    
    градиент температуры: разность между максимальным и минимальным средними значениями температуры (после стабилизации) в двух любых точках полезного объема климатической камеры (см. рис. 1).
  
  
  
  
  

Рисунок 1 – Пример температурных различий

• 
  
  заданное значение влажности: требуемое значение относительной влажности, установленное контроллером камеры влаги или другим задающим устройством.


• 
  
  достигнутое значение относительной влажности: значение относительной влажности (с заданным допуском) в любой точке в пределах полезного объема испытательной камеры после стабилизации.


• 
  
  колебания относительной влажности: разность между максимальным и минимальным значениями относительной влажности, вычисленные для данного температурного датчика.


• 
  
  предельные значения относительной влажности: верхнее и нижнее значения относительной влажности для полного диапазона влажности, в соответствии с нормативной или эксплуатационной документацией на климатическую камеру.


• 
  
  отклонение достигнутого значения относительной влажности в камере от заданного: разность между достигнутым средним значением относительной влажности в камере и заданной относительной влажностью для данного режима.


• 
  
  отклонение достигнутого значения давления в камере от заданного: разность между соответствующими среднеарифметическими измеренными значениями давления и заданным.

Иногда, в различных источниках, встречаются некорректные обозначения метрологических характеристик климатических испытательных камер, такие как: неравномерность распределения температуры/влажности/давления, флуктуация температуры/влажности/давления, погрешность поддержания температуры/влажности/давления, однородность температурного поля и др. Следует отметить, что использование данных понятий в технической документации (техническое задание, паспорт на камеру) может привести к возникновению спорных ситуации при прохождении аттестации вплоть до отказа аттестационных органов в выдаче аттестата.

Рассмотрим каждый воздействующий фактор по отдельности.

Температурное воздействие (камеры тепла /камеры тепла и холода)

Для измерения температуры в рабочем объеме климатической камеры при аттестации испытательного оборудования применяются термометры сопротивления или термопары. Для термометров сопротивления в температурном диапазоне от минус 200°С до плюс 200°С неопределенность измерения датчика должна соответствовать требованиям класса допуска А по ГОСТ 6651-2009.

Для термокамер с формой куба (параллелепипеда) датчики, измеряющие температуру, размещают в центре полезного объема и в каждом углу - минимум 9 датчиков (см. рисунок 2). Для камер тепло и камер тепло-холод объемом более 2000 л перед центром каждой стенки размещают дополнительные датчики - минимум 6 датчиков (см. рисунок 3), всего минимум 15 датчиков.

Рисунок 2 - Размещение датчиков температуры воздуха для камер объемом до 2000 л



Рисунок 3 - Размещение минимального количества дополнительных датчиков температуры воздуха для камер объемом более 2000 л

Для исключения влияния условий внешней среды измерения характеристик климатической камеры во время аттестации испытательного оборудования производят при стандартных условиях испытаний по ГОСТ 30630.0.0-99.

После завершения подготовительного этапа приступают непосредственно к определению измеряемых и вычисляемых температурных характеристик камеры.

В ходе аттестации климатических камер определяют достигнутые значения и параметры колебаний температуры при предельных и промежуточных заданных значениях.

Определение достигнутого значения температуры проводят в следующем порядке:

а) для каждого датчика температуры (включая датчик, установленный в центре испытательной камеры) вычисляют среднее значение температуры;

б) вычисляют достигнутое значение температуры для термокамеры, соответствующее заданным, как среднее из средних значений этой характеристики, определенное для каждого из датчиков, установленных в полезном объеме камеры.

Далее определяют показатели разброса значений температурных характеристик камер тепла и камер тепло холод: градиенты температуры (неравномерность распределения температуры в камере), вариации температуры (см. рис. 1); характеристики колебаний температуры; дисперсии и среднеквадратичные отклонения от средних значений температуры для каждого датчика.

Затем определяют отклонение достигнутого значения температуры (соответствующего заданному) в климатической камере от заданного. По результатам аттестации испытательного оборудования по этому показателю устанавливают необходимость и значение поправки, путем введения которой корректируют показания встроенного датчика измерения температуры камеры в межаттестационный период.

Воздействие повышенной относительной влажности (камеры с влажностью)

Для измерения влажности при аттестации в испытательных камерах тепла влаги и камер тепла холода влаги обычно применяют следующие методы и соответствующие им датчики:

а) метод сухого и влажного термометра (психрометрический метод). Метод основан на охлаждающем эффекте от испарения воды из влажной матерчатой трубочки, надетой на датчик температуры, и сравнения показаний этого датчика с показаниями рядом расположенного "сухого" датчика температуры, непосредственно измеряющего температуру воздуха в климатической камере;

б) метод точки росы, измеряемой с помощью зеркала. При этом методе охлаждают поверхность зеркала, пока не наступит его запотевание. Температура зеркала, при которой происходит это явление, принимают за точку росы;

в) метод измерения абсолютной влажности воздуха при помощи датчика на основе хлорида лития. Этим методом измеряют значение абсолютной влажности (точку росы);

г) емкостный (сорбционно-емкостной) метод. Проникновение влажности в некоторые материалы (являющиеся основой для соответствующих датчиков) изменяет их диэлектрическую проницаемость; в сочетании с платиновыми термометрами сопротивления это явление используют для прямого измерения сочетания относительной влажности с температурой и для устройства соответствующих многоканальных датчиков.

Неопределенность системы измерений влажности для датчиков не должна превышать ±3% RH.

Для исключения влияния условий внешней среды измерения характеристик климатической испытательной камеры производят при стандартных условиях испытаний по ГОСТ 30630.0.0-99.

В камере устанавливают один датчик влажности, который располагают в центре полезного объема камеры влаги.

Конечным результатом аттестации климатических камер для испытаний на стойкость к воздействию влажности является построение климатограммы испытательной камеры, графические границы которой проводят посредством соединения нескольких характерных точек сочетания "относительная влажность - температура".

Для каждой из характерных точек путем измерений и вычислений определяют достигнутые значения сочетания "относительная влажность - температура", а также показатели разброса значений температурно-влажностных характеристик камер влаги.

В ходе аттестации климатических камер для каждой характерной точки определяют показатели разброса значений влажностных характеристик испытательных камер: градиент относительной влажности, вариации относительной влажности; характеристики колебаний относительной влажности; дисперсии и среднеквадратичные отклонения от средних значений относительной влажности.

Далее производят построение климатограммы камеры тепло-влага или камеры тепло-холод-влага и определяют отклонения достигнутого значения температуры и достигнутого значения относительной влажности (соответствующие заданным) от заданных значений этих показателей, установленных на контроллерах испытательной камеры для каждой характерной точки. По результатам аттестации испытательного оборудования по этому показателю устанавливают необходимость и значение поправки, путем введения которой корректируют показания встроенного датчика измерения влажности климатической камеры в межаттестационный период.

Воздействие давления (барокамеры)

Для измерения давлений при аттестации климатического испытательного оборудования в вакуумной камере в диапазоне от 795 до 0,1 мм рт.ст. применяют вакуумметры манометрического типа. При измерениях давлений в диапазоне от 10 до 10-6 мм. рт. ст. в высоковакуумных испытательных камерах применяют ионизационные манометры.

Предельно допустимая погрешность измерений давления воздуха в испытательных вакуумных камерах с помощью средств измерений, специально применяемых при аттестации климатического оборудования, должна быть менее:

- для диапазона давлений от 840 до 1 мм рт.ст. - ±5% от измеряемого диапазона датчика или ±1 мм рт.ст., в зависимости от того, что больше;

- в диапазоне от 1 до 10-2 - ±60%;

- для диапазона ниже 10-2 - ±30%.

Для исключения влияния условий внешней среды в ходе аттестации измерения характеристик вакуумной камеры производят при стандартных условиях испытаний по ГОСТ 30630.0.0-99.

Точку присоединения датчика атмосферного давления к барокамере или термобарокамере выбирают так, чтобы не было существенной разницы между давлением в этой точке и в полезном объеме камеры, и эта точка не находилась вблизи вентилятора или вакуумного насоса. Допускается устанавливать при аттестации датчики снаружи испытательной камеры, если в камере предусмотрены специальные устройства для этой цели.

Характеристики климатической камеры, связанные с установлением пониженного атмосферного давления, проводят путем измерения характеристик вакуумных камер, зависящих от атмосферного давления воздуха и температуры при нескольких уровнях пониженного давления.

По результатам измерения давления проводят вычисление отклонения достигнутого значения (соответствующего заданному) от заданного.

Если отклонение имеет место, то при установке в следующий межаттестационный период необходимого значения давления в камере вакуума следует задавать на контроллере необходимое значение плюс поправку. Значение этой поправки равно числовому значению полученного ранее отклонения достигнутого значения температуры от заданного, взятому с обратным знаком.

По результатам проведенных в ходе аттестации испытательного оборудования измерений для вышеописанных воздействий выносят решение о пригодности использования испытательной камеры. Камеру признают удовлетворяющей требованиям, если ее характеристики находятся в пределах, установленных нормативной или эксплуатационной документацией на климатическую камеру и (или) в нормативных документах на методы испытания продукции по ГОСТ 30630.0.0-99, ГОСТ Р 51368-2009 (для камер тепла/тепла холода), ГОСТ Р 51369-99 (для камер с влажностью) и ГОСТ Р 51684-2000 (для барокамер), а также других стандартах или программах на испытания продукции.

Таким образом, определение метрологических характеристик является важной и неотъемлемой частью при вводе в эксплуатацию и контроле качества испытательных камер, что в свою очередь влияет на качество продукции, подвергающейся климатическим испытаниям.