恒溫恒濕稱重系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用

聶紅梅

（山東省冶金科學研究院有限公司，山東 濟南250014）

1 前 言

固定污染源是大氣污染的主要組成部分，通過對其廢氣的含量檢測是控制達標排放的一項重要手段。根據(jù)2018年3月份實施的新國標HJ 836—2017《固定污染源廢氣顆粒物測定重量法》中關(guān)于采樣后稱量條件的要求，需要有恒溫恒濕稱重系統(tǒng)，如對PM2.5 的測量。因涉及對微量物質(zhì)的測量，所以要求系統(tǒng)具有較高的溫濕度控制精度及防震性能，因此開發(fā)一款具有高精度、高防震性能的恒溫恒濕稱重系統(tǒng)尤為必要。針對現(xiàn)有恒溫恒濕稱重系統(tǒng)技術(shù)存在的問題，設(shè)計開發(fā)了一種結(jié)構(gòu)合理、設(shè)計科學、使用便捷的稱重系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)工作原理

對廢氣的含量檢測，目前常用的測量方法有光透射法、激光后向散射法、電荷法、β 射線吸收法、過濾稱重法等。其中，過濾稱重法目前使用較為廣泛。為獲得準確的數(shù)據(jù)，稱重過程對稱量天平的精度要求越來越高，對稱量環(huán)境的恒溫恒濕要求也越來越高。對于1/100 000 精度級別的天平，震動對其測量值的影響十分明顯，產(chǎn)生的誤差足以導(dǎo)致測量結(jié)果失真。

恒溫恒濕稱重系統(tǒng)為滿足采樣后稱量條件的要求，在恒溫恒濕環(huán)境內(nèi)放置十萬分之一天平，將要稱量的樣品放入恒溫恒濕箱體內(nèi)平衡24 h 后再進行稱量。該系統(tǒng)解決了實驗室環(huán)境溫度濕度的變化與環(huán)境灰塵顆粒物對樣品稱重結(jié)果的影響，極大地提高了稱量樣品結(jié)果的準確性，該產(chǎn)品也用于其它對稱量環(huán)境要求較高的樣品稱量。

恒溫恒濕稱重系統(tǒng)適用于稱量47 mm濾膜、90 mm濾膜、低濃度采樣頭、3#濾筒。該系統(tǒng)集合眾多領(lǐng)先技術(shù)，可對處理對象進行恒溫恒濕平衡，并進行后續(xù)的稱重，整個過程都在封閉潔凈環(huán)境下完成，能有效防止環(huán)境微塵的污染。同時預(yù)留射頻識別（RFID）讀寫功能，實現(xiàn)系統(tǒng)自動編碼、識別和數(shù)據(jù)統(tǒng)計管理。

3 系統(tǒng)設(shè)計

3.1 控制系統(tǒng)設(shè)計

該系統(tǒng)能夠采集與顯示稱重系統(tǒng)箱體內(nèi)溫度、濕度等實時參數(shù)，可根據(jù)具體要求通過觸摸屏輸入實現(xiàn)對參數(shù)的設(shè)置，適應(yīng)不同國家的標準要求。該系統(tǒng)具備聲音報警功能，根據(jù)反饋信號，實時控制執(zhí)行機構(gòu)的開斷。本系統(tǒng)的硬件設(shè)計是以單片機為核心，由觸摸輸入、LED 顯示電路、傳感器、A/D轉(zhuǎn)換、隔離開關(guān)和執(zhí)行電路、報警電路等組成?？刂葡到y(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)原理框圖

傳感器輸出的模擬量，經(jīng)過運算放大器放大信號，再通過A/D模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。觸摸屏輸入的是系統(tǒng)參數(shù)的上、下限極限值，若檢測到的信號值出現(xiàn)不在此極限區(qū)間的情況，單片機就會驅(qū)動蜂鳴器產(chǎn)生報警，此時執(zhí)行機構(gòu)控制稱重系統(tǒng)箱體內(nèi)環(huán)境做出相應(yīng)的調(diào)整，使得溫度、濕度等參數(shù)回歸到設(shè)定的參數(shù)區(qū)間。

3.2 防震設(shè)計

針對現(xiàn)有恒溫恒濕稱重系統(tǒng)防震技術(shù)存在的不足，設(shè)計開發(fā)了防震系統(tǒng)，通過該裝置減少震動對測量值的影響，進一步保證測量結(jié)果的準確性。

本設(shè)計方案結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計合理，將恒溫恒濕空調(diào)器與操作艙分離，保證稱重環(huán)境的同時，減少了恒溫恒濕空調(diào)運行時對稱重結(jié)果的影響。通過在稱重防震結(jié)構(gòu)中設(shè)置阻尼管、減震彈簧、隔震墊、減震墊和減震輪的多重防震設(shè)計，減少震動對稱重精度的影響，提高稱重的準確性。

該防震式恒溫恒濕稱重裝置的外殼內(nèi)設(shè)置有操作艙，外殼殼體上設(shè)置有控制面板，外殼外設(shè)置有恒溫恒濕空調(diào)器，恒溫恒濕空調(diào)器通過通風管連通所述操作艙。其特征在于，操作艙下側(cè)設(shè)置有稱重防震結(jié)構(gòu)，稱重防震結(jié)構(gòu)為由上框架和下框架組成的長方體框架結(jié)構(gòu)，下框架包括成對角豎直設(shè)置的4根立桿，立桿的底部之間通過固定底桿來固定連接；上框架為架設(shè)在下框架頂部的矩形框架，上框架的中部設(shè)置有若干與邊框平行的支桿，上框架的邊緣與支桿的上表面分布設(shè)置若干減震墊，操作艙固定設(shè)置于減震墊上。相鄰的兩個立桿的上部之間相對設(shè)置有阻尼管，每根阻尼管的一端均與其對應(yīng)的立桿固定連接，另一端上側(cè)均鉸接1根活動桿的一端，活動桿的另一端與上框架的下表面鉸接。

3.3 其他設(shè)計細節(jié)

恒溫恒濕稱重系統(tǒng)的水箱集成于箱體底部，避免外部管路連接；壓縮機與箱體采用軟管連接，杜絕了震動的傳導(dǎo)。采用國內(nèi)領(lǐng)先的實時數(shù)據(jù)庫技術(shù)，存儲量達3 000條以上，數(shù)據(jù)采集周期＜1 s。產(chǎn)品外型美觀，結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，符合人機工程學設(shè)計，便于操作。控溫、控濕、防震等主要參數(shù)高于國家標準的要求，技術(shù)指標領(lǐng)先。

4 結(jié) 語

該恒溫恒濕稱重系統(tǒng)的檢測結(jié)果符合HJ 836—2017《固定污染源廢氣低濃度顆粒物的測定重量法》標準要求，適用于手動稱量采樣濾膜、低濃度采樣頭及3#濾筒，每個處理對象均有獨立儲存位，可充分暴露于恒溫恒濕環(huán)境中，具備多試樣批處理能力。工作艙可完全密封，保證系統(tǒng)與外界微塵有效隔離，工作艙頂部安裝風機過濾系統(tǒng)（FFU），使?jié)崈艨諝鈴捻敳空髡志鶆蛩统?，試驗過程自動完成，無需人為干預(yù)，具有穩(wěn)定、精確、可調(diào)節(jié)的溫濕度控制系統(tǒng)，無需額外建恒溫恒濕實驗室，可選配十萬分之一電子天平。防震天平臺具有獨特的系統(tǒng)去耦設(shè)計，確保電子天平不受微震動干擾平穩(wěn)工作。

恒溫恒濕稱重系統(tǒng)能實現(xiàn)樣品平衡和稱量在同一恒溫恒濕箱內(nèi)操作完成，保證樣品稱量結(jié)果的準確性。箱體采用合理循環(huán)風方式，保證箱體內(nèi)溫濕度均勻。該產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計合理、使用方便，減少了震動對測量值的影響，實現(xiàn)壓縮機等震動源與箱體分離，進行了柔性連接，克服了防震靜音的難題，避免了系統(tǒng)震動對天平稱量產(chǎn)生的干擾。