Praktische Anleitung zur Auswahl einer Klimaprüfkammer

WELCHER TEST KANN DURCHGEFÜHRT WERDEN?

Es gibt eine ganze Reihe von Umwelttests: Thermodynamik- und Klimatests, Korrosions- und Vibrationstests, Höhentests und Temperaturschocktests, … Sehr oft sind diese Tests in spezifischen Normenbereichen (IEC, DIN, ISO, …) oder Unternehmensnormen (FCA, FORD, ESA, …) enthalten.

Für die Wahl der Klimaprüfkammer und der entsprechenden Zubehörteile ist es notwendig, die Art des Tests zu kennen, dem das Prüfgut unterzogen werden soll. Es sollten deshalb vor der Wahl einer Prüfkammer so viele Informationen als möglich über die auszuführenden Tests bekannt sein; meistens ist es jedoch möglich, eine Vorauswahl anhand der nachfolgenden Informationen zu treffen: 

          ✓Temperaturbereich 
          ✓Klimabereich 
          ✓Temperaturgradient 
          ✓Volumen

WELCHE TEMPERATUREN KÖNNEN SIE TESTEN?

In den technischen Beschreibungen von Klimakammern werden die Höchst- und Mindesttemperaturen angegeben, die erreicht werden können. Fast alle Hersteller von Klimaprüfkammern setzen die Höchsttemperatur auf +180°C fest, obwohl dieser Wert auf Anfrage bis auf +200°C mit entsprechender Option erhöht werden kann. Ist die Höchsttemperatur einerseits fast immer dieselbe, so werden bei der Mindesttemperatur die Klimakammern mit mechanischem Abkühlsystem in zwei große Familien unterteilt:

          ✓  Einkammersystem -40°C
          ✓  Doppelkammersystem (in Reihe geschaltet) -70°C

Ohne das Funktionieren der beiden Systeme genauer zu erörtern, muss darauf hingewiesen werden, dass das Doppelkammersystem aus zwei Kühlanlagen besteht, die mit zwei voneinander getrennten, in Reihe geschalteten Kühlsystemen funktionieren und deswegen sehr niedrige Temperaturen erreichen können.

Manchmal fällt die Wahl auf eine Prüfkammer mit Doppelkammersystem nicht, weil besonders niedrige Werte erreicht werden sollen, sondern wegen einer höheren Kühlgeschwindigkeit bei niedrigen Temperaturen.

WIE SCHNELL STEIGT ODER SINKT DIE TEMPERATUR?

Die Geschwindigkeit, mit der die Temperatur im Innern der Testräume steigt oder fällt wird im Fachjargon als “Gradient” bezeichnet (und entweder in Kelvin oder Celsius pro Minute ausgedrückt); der Gradient kann von einem Modell zum anderen sehr unterschiedlich sein und von 1,5K/min bis zu 20K/min reichen.

Der Gradient drückt somit die Kühl- bzw. Wärmeleistung der in der Prüfkammer installierten Anlage aus, d.h. je stärker die Kompressoren sind, desto grösser ist die Abkühlgeschwindigkeit, und je mehr Heizwiderstände in der Prüfkammer installiert wurden, desto höher ist die Heizgeschwindigkeit.

In besonderen Fällen, wenn hohe Abkühlwerte benötigt werden, kann Flüssigstickstoff “LN2” injiziert werden, mit dem eine Abkühlgeschwindigkeit von über 30 K/min erreicht wird. Normalerweise beziehen sich die Gradienten in den technischen Beschreibungen der Klimaprüfkammern auf leere Kammern, d.h. ohne Prüfling.

FEUCHTIGKEITSSIMULATION

In der technischen Beschreibung einer Klimakammer wird der Wert des Klimabereichs angegeben, d.h. der Bereich zwischen Mindest- bzw. Höchsttemperatur, in dem die Feuchtewerte kontrolliert und reguliert werden können; diese Werte werden wiederum auch mit einem Mindest- und Höchstwert angegeben, z.B.:

   ✓Temperaturbereich für Klimatests: +10…+95°C
   ✓Feuchtebereich: 10%...98%

Um die möglichen Feuchtewerte, die im Innern einer Klimakammer auftreten können, besser zu verstehen, wird darauf hingewiesen, dass die in einer Prüfkammer erreichbare relative Feuchtigkeit (RH) im Verhältnis zur Temperatur steht. Aus diesem Grund ist es notwendig, für eine korrekte Definition des Klimabereichs auch den sogenannten “dewpoint” bzw. die “Taupunkttemperatur” hinzuzuziehen.

Um alles noch einfacher und leicht verständlich zu machen, wird zusammen mit der technischen Beschreibung der Klimakammer auch ein Feuchtediagramm mitgeliefert, so wie das unten abgebildete.

Bereich 1 gibt die Werte bei kontinuierlichen Tests an mit einer Taupunkttemperatur zwischen +4°C und +94°C (Standardbereich). Folgt man der unteren Linie im Bereich 1, kann für jeden Temperaturwert des Klimabereichs der Mindestfeuchtewert leicht gefunden werden, z.B. für T=20°C ist der niedrigste mögliche Feuchtewert im Innern der Kammer RH=40%.

Bereich 2 gibt die Temperatur/Feuchte-Kombinationen an, die nur für einen begrenzten Zeitraum eingestellt werden können (Taupunkttemperatur bis -3°C für kurze Zeiträume).

Bei den Kombinationen von T und RH, die in den Bereich 3 fallen, handelt es sich um Werte, die mit einem speziellen Zubehörteil für Tests bei extrem niedriger Feuchtigkeit erreicht werden können: hierbei wird trockene Luft injiziert (Taupunkttemperatur -40°C). 

ABMESSUNGEN UND MAXIMALGEWICHT FÜR PRÜFLINGS

Die wichtigsten Informationen, die für das zu testende Produkt berücksichtigt werden müssen sind: die Abmessungen/Geometrie und das Gewicht des Prüflings.

Schon aufgrund der bloßen Abmessungen des Prüflings kann das Volumen der Klimaprüfkammer bestimmt werden, die genügend Platz haben muss, um den Prüfling problemlos aufzunehmen. Es gilt die generelle Regel, dass der Prüfling nicht mehr als 1/3 des gesamten Raumvolumens des Prüfraums einnehmen soll, auch wenn besondere Betrachtungen hinsichtlich der Geometrie des Prüflings angestellt werden. Auf jeden Fall muss die Luft frei zirkulieren können um zu garantieren, dass die Temperaturvariation und -homogenität (innerhalb gewisser, vom Test festgelegter Toleranzen) auf der gesamten Oberfläche des Prüflings nahegehend gleich sind.

Auch die Masse und demzufolge das Gewicht des Prüflings ist ein sehr wichtiger Parameter, denn eine große Masse könnte sich negativ auf die Testeffizienz auswirken: Die Leistung der Klimakammern sowie die Temperaturgradienten werden mit Bezug auf eine leere Prüfkammer berechnet und angegeben, nämlich ohne jegliche Masse im Innern des Prüfraums; dies wiederum bedeutet, dass wenn der Wert des verlangten Gradienten bei Anwesenheit des Prüflings nahe bei dem in den technischen Daten angegebenen Gradienten (also bei leerem Prüfraum) liegt, muss dies mit dem Hersteller der Klimaprüfkammer abgesprochen werden. 

Beim Gewicht handelt es sich um einen Parameter, der auch aus einem anderen Grund berücksichtigt werden muss, und zwar weil Einlegeböden nur für Prüflinge bis zu einem gewissen Gewicht ausgelegt sind; es ist deshalb angebracht, anhand der technischen Daten der Klimakammern zu überprüfen, welches Maximalgewicht für Prüflinge vorgesehen ist.

Sollte der Prüfling das zulässige Höchstgewicht überschreiten, gibt es normalerweise einen verstärkten Boden bzw. Einlegeboden als Zubehör für die Klimakammer.

AUFMERKSAMKEIT AUF DIE WÄRMEABGEBENDE DER PRÜFLINGE

Wird der DUT mit einer Stromquelle verbunden (aktiver Prüfling), kann dieser Wärme abgeben. In einigen Fällen kann dies vernachlässigt werden, während in anderen Fällen diesem Umstand Rechnung getragen werden muss, denn er könnte Auswirkungen auf die Leistungen der Prüfkammer haben; wie schon im vorhergehenden Kapitel hervorgehoben, wird die Leistung normalerweise bei leerem Prüfraum angegeben, d.h. ohne Masse und ohne Wärmeabgaben.

Deswegen muss die Prüfkammer bei aktiven DUTs die vom Prüfling abgegebene Wärme entziehen, ohne dass sich dies auf ihre Leistung und somit auf die Werte des ausgeführten Tests auswirkt.
Es kann vorkommen, dass der Wert der vom Prüfling abgegebenen Wärme dazu führt, ein bestimmtes Prüfkammermodell auszuschließen zugunsten von effizienteren Modellen mit höherer Leistung.

Ein Parameter, der bei dieser Analyse hilfreich ist, ist der maximale Wert der Wärmebelastung, den die Prüfkammer bei einer bestimmten Temperatur kompensieren kann.