確保設備（尤其是工業傳感器）在其指定工作范圍內的測量質量通常需要在生產周期的不同階段進行熱測試。工程部門不僅要考慮設備尺寸和測試規格，還必須考慮測試訪問，以及操作部門節省地面空間和最大限度靈活性的需求。實現質量目標涉及許多熱應力點，包括調節、驗證、校準、壽命測試、設計鑒定、故障分析、質量檢查和監管審核。由於工業應用需要更高的工作溫度，生產吞吐量是一個日益嚴峻的挑戰。

許多工業傳感器需要在200°C及以上的溫度下長時間工作。

優化生產這些工業測量設備的受控熱環境取決於四個方面：

1. 正在執行的測試

2.被測單元（UUT）

3.吞吐量目標

4.設施基礎設施

所有制造過程都受到許多相互關聯的變量的影響，測試環境也不例外。

瞭解測試環境

大多數過程測量設備（流量、壓力、液位等）至少有一個共同點——需要溫度補償。

隨著物理尺寸、熱質量和刺激需求的增加，每個裝配步驟也必須增加，測試環境也必須增長。通常，沒有一個環境可以有效地完成所有操作。例如，包含低質量PCB的小腔室比超大空間提供瞭更有效的外殼，或者子組件可能需要更大的熱容量和體積才能滿足可靠性測試。此外，實驗室或生產車間的可用空間為正確的腔室尺寸帶來瞭其他挑戰。圖1說明瞭可能影響腔室尺寸和配置的變量。

7058fc357df135256618aef86c071991圖 1影響最佳測試環境的四個主要因素。配置受控溫度環境取決於您如何管理四個主要方面：測試要求、被測試設備、吞吐量和設施基礎設施。

使測試環境與吞吐量目標相匹配

在決定外殼尺寸時要考慮設備（電路、傳感器、組裝外殼）尺寸、質量和UUT（被測單元）數量。然而，工廠車間不同生產階段所需的不動產量並不一定是固定的。對配置選項的深思熟慮可以提高生產率並節省占地面積。

下面顯示瞭為優化吞吐量而配置的散熱盤櫃的三個示例。

1、電路調節和預生產示例

用於處理傳感器信號的電子設備往往是小的、低質量的物品。通常，這些電路可以在由具有較大增量T（熱源能力和設定點溫度之間的差異）的熱循環儀驅動的小型外殼中進行調節。這種類型的系統還可以容納多個電路板。

對於對熱沖擊敏感的設備，外殼設計可以將空氣分散在電路周圍，以防止直接暴露在溫度源中，如圖2所示。

圖2 便攜式、氣動溫度誘導系統直接（左）或間接針對外殼側面（右）的UUT

2、子組件測試示例

隨著設備的構建，應用傳感器和外殼通常需要更大的隔熱罩。大型腔室會消耗大量占地面積，這通常非常昂貴。如圖3所示，將具有獨立控件的單區域腔室堆疊在一起，是將每個給定區域的占地面積利用率增加一倍的一種方法。

圖3 堆疊式熱室使可用占地面積加倍

3、最終系統認證示例

成品傳感器和變送器產品具有不同的溫度靈敏度區域。例如，傳感電子設備可能不超過85°C，而壓力變送器的密封件可能需要在125°C下進行測試。

多個區域（2、3、4或更多）提供單獨控制的溫度環境。它允許在不同溫度下同時測試設備。圖4所示的3區室是中心區模擬管道流動的高溫條件的一個例子。外部區域可以編程，以滿足儀器化電子設備的極端工作溫度。

圖4 多個區域允許在不同溫度下同時進行設備測試。

用戶訪問如何影響吞吐量

規劃用戶訪問及其對生產的影響。各種測試設置需要不同數量的用戶參與和不動產。考慮對UUT的物理和視覺訪問適合您的測試需求和可用占地面積。

操作員需要什麼才能有效、安全地設置測試？例如，將電纜或測量連接連接到腔室外部的UUT上可能更方便，因為腔室有更多的工作空間。這樣，加載和卸載設備的速度更快。在腔室中添加凹口，代替或補充端口，可提供此功能。

在變送器校準期間，可能需要不同的配置。例如，操作員可以訪問腔室一側的壓力源，但設備的正常負載可能來自另一側。多門配置可以優化用戶便利性和測試效率。

那麼可見性如何呢？窗戶和燈光提供瞭對UUT的視覺訪問。那是否需要在生產或可靠性測試實驗室節省占地面積？腔室堆疊和腳輪是增加空間利用的幾種方法，也是配置地面空間使用方式的靈活性。圖5說明瞭這些配置。

圖5 組合鉸鏈式可拆卸門（左）。多個鉸鏈門——相對或相鄰的側面（右）。

從腔室配置的角度來看，優化通量有許多註意事項（參見圖6）。用戶需要建立物理連接，加載和卸載設備，並在可用占地面積的范圍內執行這些任務。

圖6 熱室配置的部分摘要——物理和視覺訪問（凹口，端口，架子，窗戶，燈），堆疊室和移動性。

以上幾點旨在幫助瞭解不同的配置怎樣才有利於工業。業務目標將確定增加產量的價值與所需設備專業化程度之間的權衡。

冷卻能力和控制裝置是如何影響熱性能的？

指定的溫度范圍、熱循環和測試持續時間將決定腔室性能的最低要求。例如，如果規范要求在-40°C下進行測試，那麼顯然需要一個能夠至少達到無源UUT溫度的系統。

但是，該系統可能需要很長時間才能到達那裡，或者，如果設備具有活動負載，則根本不需要。我們將在下面討論溫度變化。

冷卻方法、系統控制和外殼設計將分別影響測試結果的效率和速度。指定熱系統通常取決於測試規范以及設施基礎設施的要求。

下面概述瞭這些註意事項。

一、低溫或基於壓縮機的冷卻

429179047357c7a0daab07643792f6c3圖1 基於低溫與壓縮機的性能。LN2、LCO2 和各種尺寸壓縮機單元的冷卻曲線。

基於壓縮機的冷卻在閉環系統中使用壓縮機和常規制冷劑;低溫冷卻在開環系統中使用消耗性液氮 （LN2） 或液態二氧化碳 （LCO2）。圖1顯示瞭每種方法的冷卻曲線，圖2顯示瞭它們各自的溫度范圍。

圖2 各種冷卻方法的溫度范圍。

需要極端溫度范圍、快速轉換或高散熱管理的規格將需要低溫的冷卻能力。配備處理散裝輸送和液化氣體使用的設施是采用低溫冷卻系統的另一個原因。

基於壓縮機的系統更適合長停留時間，因為閉環系統不需要消耗性冷卻劑。當沒有處理低溫材料的設施時，它也成為一個考慮因素。

二、傳熱能力決定熱響應時間

工業測量設備，特別是航空航天、汽車和石油天然氣領域的設備，繼續將其工作范圍擴展到150°C、200°C及以上。隨著指定溫度范圍的增加，對更高測試 系統 性能 的 需求 也 隨之增加。否則，在相距較遠的熱設定點和冷設定點之間轉換的時間將顯著增加。當變冷時尤其如此。器件尺寸和腔室體積之間的性能關系如圖3所示。

圖3 設備尺寸和腔室體積之間的性能關系。在相同的負載下使用相同的UUT，適當大小的環境在50秒內達到-10°C，或比較大的腔室快3至9倍。

決定系統吞吐量的兩個主要變量：①系統容量與指定設定點（dT）之間的溫差和②腔室氣流屬性（Hc）。當您將 UUT 的表面積 （A） 相加時，傳熱 （Q） 可以用公式 Q=Hc*A*dT 表示。

例如，能夠達到-55°C（無負載）的系統用於將UUT冷卻到-40°C的設定點，需要200秒。引入熱容量為-90°C（相同的腔室體積和UUT）的不同系統，並在100秒內達到設定點，將斜坡時間縮短一半。圖 4 描述瞭兩個不同容量的系統之間的響應差異。

圖4 傳熱能力決定瞭環境響應時間。低溫度冷卻能力和流速將使UUT更快地達到溫度。

三、控制測試

快速準確地將測試環境溫度升高取決於控件的設計，以及冷卻能力和外殼規格。

當快速轉換時間很重要時，軟件算法需要驅動環境超過其設定點。隨後進行同樣快速的控制，以達到所需溫度的平衡。圖 5 說明瞭這一點。這是通過以下兩種方法之一對控制進行編程來實現的：從腔室的早期表征或基於監測UUT來控制溫度。 有關 UUT 控制的更多信息。

圖5 使用 UUT 溫度進行環境控制。控制算法驅動腔室溫度超過設定點，以加速UUT達到溫度。

四、保持均勻性

由於外殼壁效率低下，所有環境都會遭受環境熱損失。隨著外殼溫度遠離環境溫度，該損耗將增加。

這會有什麼影響呢？外殼越大，UUT保持均勻溫度所需的循環量就越大。例如，如果腔室的循環不足（氣流過小或空間過大）或尚未表征，則在175°C時UUT的變化可能高達5°C。 熱損失增加的示例如圖6所示。

3896bdbc5948d6c9189112189ccee5ce圖 6 由於氣流不足引起的熱損失示例。在這種情況下，UUT 永遠不會達到其設定點。

適當尺寸的腔室——針對氣流，絕緣和控制進行瞭優化，將最大限度地減少熱損失並提高均勻性。將UUT放置在遠離腔室壁的位置也可以提高均勻性。

五、確保測試精度

無論腔室設計如何，測試環境都應在整個溫度范圍內提供準確和一致的性能。雖然控制器可以快速調整以保持穩定溫度在一度或更低，但可能還有其他影響可能會影響精度的影響。

設備本身可能會給測試或校準結果帶來意想不到的變量。例如，刺激壓力傳感器需要一個腔室內壓力穩定的環境。冷凍氣體的汽化會誘發壓力，使傳感器測量結果失真。在另一個應用中，測試加速度計需要一個低振動的測試環境。用於產生氣流的鼓風機可能會增加不必要的振動。

有一些技術可以將設備噪音降低到可以忽略不計的水平。在指定熱測試系統時，應考慮設備對傳感器測量的影響。

六、總結

許多類型的工業傳感器和變送器都需要溫度補償。下圖中列出瞭各種類型。

制造這些設備通常需要一系列精密熱環境以適應產品生命周期——調節、驗證、校準、壽命測試、設計認證、故障分析、質量和法規審核。

傳感器和電子學的發展使設備能夠在更寬的極端溫度下運行。這給實現生產吞吐量目標帶來瞭挑戰。雖然許多受控環境可以支持對設計要求的測試，但它們的執行速度可能很慢。

如果不考慮配置熱測試系統的各個方面，可能會增加生產輸出的時間。其中包括用戶訪問、占地面積、冷卻能力、控制功能、機櫃尺寸和熱屬性、系統引起的噪聲以及 UUT 的放置。

不斷增長的應用要求- 汽車、化工、石油和天然氣 - 更有理由在設備、測試規范、熱系統和設施基礎設施之間尋求適當的平衡。它們對於傳感器和變送器設備的高效生產至關重要。