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大氣腐蝕試驗標準中相對濕度和溫度控制的考慮

放大字體  縮小字體 更新日期:2020-03-28 15:52  瀏覽次數:40
核心提示:在本文中,我們將討論操作腐蝕試驗箱的實驗室工程師和研究員提出的眾多問題:如何測量和控制這些試驗箱中的相對濕度和溫度。腐蝕試驗標準中對相對濕度測量和控制的描述不具體甚至某些時候是錯誤的,導致試驗者產生了很大的困惑。設備制造商已經使用了各種各樣的測量技術,每種測量技術代表對標準的一種合理解釋,但是它們相互之間產生的結果不盡相同。除了這些困惑外,對相對濕度控制的需求和人們所期望的現代測試標準同樣不明確。最后,實驗室條件在滿足這些標準要求中有什么意義呢?

簡介
  在本文中,我們將討論操作腐蝕試驗箱的實驗室工程師和研究員提出的眾多問題:如何測量和控制這些試驗箱中的相對濕度和溫度。腐蝕試驗標準中對相對濕度測量和控制的描述不具體甚至某些時候是錯誤的,導致試驗者產生了很大的困惑。設備制造商已經使用了各種各樣的測量技術,每種測量技術代表對標準的一種合理解釋,但是它們相互之間產生的結果不盡相同。除了這些困惑外,對相對濕度控制的需求和人們所期望的現代測試標準同樣不明確。最后,實驗室條件在滿足這些標準要求中有什么意義呢?

在標準中定義溫度和相對濕度的困難
  關于溫度和相對濕度,標準都是怎么寫的?IS0 16151說明如下:“使用合適的系統保持試驗箱體及其中試樣在規定的溫度和濕度條件下。在距離試驗箱壁大于100mm的位置測量溫度。”ISO9227中的描述與此非常類似。盡管ISO要求說明了試驗箱壁絕緣層設計不良或其中含有加熱器時可能產生問題,如下面討論的,并未提到溫度和相對濕度測量的復雜性。ASTM B117和ASTM G85對溫度控制和測量的說法相同:“每個設置值及其誤差代表試驗箱中某個位置在平衡條下件的操作控制點,而并不代表試驗箱中測試參數的均勻性……”
  ASTM略有提及在定義腐蝕試驗條件時面臨的挑戰,但并未直接說明。換言之,試樣周圍變化的微氣候給所有循環腐蝕試驗帶來了溫度和相對濕度測量問題。例如,在干燥測試中,潮濕試樣和空氣交界的地方相對濕度不可避免地接近100%。但是,在距離試樣表面幾毫米的地方,相對濕度較低。此外,接近試驗箱壁并遠離潮濕表面的位置相對濕度也較低。以上事實告訴了試驗箱制造商,安裝傳感器是一個復雜的問題。
  當人為地在一個大房間而不是設計精良的試驗箱中進行循環腐蝕試驗時,此問題會變得更加嚴重。很多汽車循環腐蝕方法的開發就是如此,如GMW14872。在這種情況下,相對濕度傳感器可能距離試樣之間潮濕微氣候一米開外甚至更遠,且室內空氣循環程度不如傳統試驗箱。于是導致室內測量和在試樣附近測量得到的結果存在差異。
  盡管GMW 14872和大部分國際標準回避討論相對濕度的測量位置和方法,沃爾沃還是在VCS1027149中提供了一些指南,“加速腐蝕試驗:大氣腐蝕。”與ISO標準不同,沃爾沃直接說明了試驗箱絕緣壁問題,而不是規定了安裝傳感器的最小距離。它還說,“環境試驗箱應配備均勻有效的分布空氣的裝置,以保證試驗箱中的溫度和濕度變化較小。”經驗豐富的讀者認為使用“應”和“小”等詞,意味著該陳述不是強制要求,而是希望達到的條件。在這種情況下,撰寫者明白在試驗期間會產生微氣候,因此,有必要避免實際上無法達到的均勻性要求。該標準還說,“濕度和溫度傳感器應體現出每個試驗區的氣候條件。”使用“體現”一詞,好像是故意不精確,因為它意識到在試驗期間變化的微氣候條件環境中進行測量的復雜性。此外,它還暗示有 多種方法可以放置傳感器以得到試驗箱溫度和相對濕度。
  這把我們引到了一個有關相對濕度傳感器的話題和在腐蝕環境中測量相對濕度面臨的難題。現代相對濕度傳感器技術名稱為“濕度計”,使用電阻和電容技術測量空氣中的水分。對探頭的準確性和防腐蝕的權衡中,往往破壞了測量。它們中沒有一個能夠耐受腐蝕條件。而防止傳感器腐蝕是試驗箱設計中的一個重要因素,因為腐蝕溶液會降低測量的準確性并導致這些(有時)昂貴 的傳感器出現永久性故障。一些制造商設計出了更加聰明的機制,在使用腐蝕溶液期間取出傳感器,以改善相對濕度傳感器的耐用性。此類系統面臨著設計的復雜性,以及結合箱體中多變的微氣候,如何確定傳感器的位置。
  像沃爾沃此類腐蝕標準很少見,因為它們描述了傳感器的類型,稱“使用設計用于測量高濕度水平的濕度計,如優質濕度傳感器或鍍金鏡露點計。”第二種無法用于腐蝕試驗箱,但是很多試驗箱制造商使用濕球/干球溫濕度計,因為其準確度高且易于校準。這項技術是在數個世紀前開發出來的,使用兩個溫度計,一個保持干燥,測量空氣溫度溫,而另一個上面有吸濕“襪”以保持其在測量期間濕潤。由于水汽蒸發,導致濕球溫度讀數較干球溫度計的溫度讀數低。
這座位于奧地利薩爾茨堡市的19中后期氣象站,在2007年被選為歷史地標。右圖為其顯示相對濕度的側面。這個時代的濕度計常常用人類頭發的張力度量,頭發的張力會根據空氣中的濕氣含量不同而改變。
  通過比較這兩個溫度并借助完善的濕度圖,就可以比較準確地確定空氣的相對濕度。這些濕度計要求氣流流過濕球和干球,以促進蒸發。懸掛式的干濕球溫度計需要用戶人為地將其轉動起來,以保證氣流流經濕球,促進水汽蒸發,使濕球溫度降下來,形成和干球的溫度差,這樣才能正常使用。
  將此系統用于腐蝕試驗箱中時,有兩個因素使測試變得復雜。第一,干球溫度計必須保持干燥且濕球襪必須保持濕潤、清潔且無鹽。第二,必須在保持有足夠的氣流流經濕球以促進蒸發的前提下實現第一點。因此,試驗箱制造要么清洗濕球中的鹽并保持干球干燥,要么避免濕球和干球處在腐蝕的環境中。而且,涉及到試驗箱中的微氣候,傳感器的安裝位置一直是個問題。ASTM使用“代表”一詞解決此問題,而沃爾沃采用“體現”。在循環腐蝕試驗期間,試驗箱空氣每分鐘交換數次,試驗箱最終達到平衡條件。這使得試驗箱空氣出口成為測量試驗箱工作狀態的理想位置。
腐蝕標準中的相對濕度條件:需要些什么?
我們已經討論了在循環腐蝕試驗中試驗箱工作狀態的復雜性及用于測量溫度和相對濕度的各種技術,現在,我們可以延伸到汽車循環試驗。這些試驗的一個共同特征是GMW 14872稱為“環境階段”的,它是溫度和相對濕度控制室中開發的測試循環的一部分。此階段的溫度為25±3℃且相對濕度為45±10%。福特和大眾的環境階段溫度為23℃相對濕度為50%,采用的誤差不同。在開發鹽霧試驗的時候,是否需要考慮去控制相對濕度,以滿足“環境階段”中的濕度要求,這就產生了困惑和混淆。此回答取決于安裝試驗箱的實驗室是否可以可靠的滿足規定的條件。
如果將實驗室精確控制到標準所列環境條件,則可以通過打開試驗箱蓋子或循環室內空氣到箱內試樣上等方式,將試樣暴露在這些條件中,從而實現試驗箱內外的平衡,這樣就無需調整和控制試驗箱內相對濕度。但是,將實驗室條件控制到這些實驗要求的精確度的少之又少,尤其是在腐蝕試驗中。因此,一種實際的做法是,在試驗箱中控制相對濕度來取代環境多變的實驗室,這在全球市場是有必要的。此外,此標準還通過測量腐蝕樣片的質量損失,以證明采取良好的控制措施是有必要的,以達到要求的質量損失。在一些腐蝕試驗中,正確地控制相對濕度非常重要,所以使用標準腐蝕板仍是一個趨勢。
  針對這些多變的實驗室條件,試驗箱制造者在設計試驗箱時面臨的一大難題是,在很多環境中,很難達到環境階段所要求的溫度和相對濕度。例如,如果實驗室的溫度控制在25℃且相對濕度上升到60%(如在夏季月份,室外露點比較高的時候),進入腐蝕試驗箱中的空氣必須除濕以達到要求的45±10%的相對濕度。如果實驗室溫度達到290C,則必須冷卻空氣,以達到“環境”條件。因為這些原因,很多試驗箱制造商設計了制冷機和除濕系統以實現要求的條件。
  汽車循環腐蝕試驗的最佳實驗室規范或許就是,不論標準是否特別要求,都使用有相對濕度控制能力且有空氣冷卻和除濕系統的試驗箱。這樣可以保證最佳試驗重復性和再現性。
試驗標準:前路展望
  循環腐蝕試驗已經有一個世紀的歷史,相對而言,相對濕度控制是一個比較新的功能。與很多領域一樣,標準和在售試驗設備功能之間存在一定的平衡。試驗箱制造商和標準撰寫者必須并肩齊驅。幾十年來,雙方已經開發出了在設備中無相對濕度控制的方法,但是越來越多的汽車OEM廠商認為這種測試方法不可靠。隨著越來越多的具有相對濕度控制的設備進入市場,標準撰寫者還必須將試驗方法現代化,以利用更好的試驗技術,同時保持硬件中性標準,以便市場公開競爭。
結論
  在本文中,我們討論了腐蝕試驗箱中相對濕度測量和控制的一些難題及之前采用的解決這些問題的試驗標準。因為不同的測量技術可能在試驗標準范圍內產生不同的試驗條件,所以使用質量損失樣片等測量參照可能還會增加。在未來幾年,試驗設備制造商和標準纂寫者必須就濕度控制這一重要的試驗要求之闡述及改良保持持續溝通。
 
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