一種鹽酸氨氣試驗(yàn)箱的研究與實(shí)現(xiàn)

屈環(huán)宇 徐華月 李海燕 翁曉偉

（1.臺(tái)州市產(chǎn)品質(zhì)量安全檢測研究院，浙江 臺(tái)州 318000；2.臺(tái)州方圓質(zhì)檢有限公司，浙江 臺(tái)州 318000）

0 引言

衛(wèi)生間雖然占據(jù)家中的面積很小，但是在復(fù)雜的衛(wèi)生間環(huán)境中，造成衛(wèi)生間物品腐蝕的原因很多。首先是下水道反味帶來的氣體，當(dāng)下水道水封設(shè)計(jì)不達(dá)標(biāo)時(shí)，公共管道的氣體會(huì)返回到室內(nèi)腐蝕物品；另外，在衛(wèi)生間環(huán)境中會(huì)進(jìn)行沐浴等活動(dòng)，現(xiàn)在很多家庭衛(wèi)生間沒有窗戶，通風(fēng)差，造成衛(wèi)生間久濕不干，與沐浴液、洗手液、肥皂等清洗劑結(jié)合，空氣中極易產(chǎn)生腐蝕性氣體；再者，衛(wèi)生間作為排泄場所，人員活動(dòng)會(huì)帶來臭味（主要為氨類物質(zhì)），長期在密閉環(huán)境中也會(huì)帶來一定的腐蝕。

根據(jù)《家用和類似用途電器的安全坐便器的特殊要求》（IEC60335-2-84：2019）標(biāo)準(zhǔn)的要求，智能坐便器需在室溫且一個(gè)大氣壓強(qiáng)下，濃度為0.0005%±0.0002%的鹽酸環(huán)境中保存96h，排盡鹽酸后，在濃度為0.055%±0.005%的氨氣環(huán)境中保存96h[1]。鹽酸氨氣試驗(yàn)室通過試驗(yàn)箱對相關(guān)環(huán)境的模擬，在一定的容積空間內(nèi)進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)。目前，由于該標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容尚未轉(zhuǎn)化為國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)，許多智能坐便器生產(chǎn)廠家未進(jìn)行該方面的測試，相關(guān)設(shè)備也鮮有廠家生產(chǎn)，但是由于衛(wèi)生間環(huán)境造成的智能坐便器產(chǎn)品腐蝕的情況卻時(shí)有發(fā)生。鑒于此，本文提出了一種鹽酸氨氣試驗(yàn)箱的設(shè)計(jì)方法，該裝置可以實(shí)現(xiàn)鹽酸、氨氣濃度的調(diào)節(jié)和功能自動(dòng)切換，具有抗腐蝕性和自動(dòng)保護(hù)功能。

1 鹽酸氨氣試驗(yàn)箱設(shè)計(jì)原理

該鹽酸氨氣試驗(yàn)箱主要用于模擬智能坐便器在衛(wèi)生間環(huán)境中耐鹽酸、氨氣的防腐蝕能力，試驗(yàn)箱的設(shè)計(jì)總體要求為：箱內(nèi)內(nèi)膽應(yīng)大于一個(gè)智能坐便蓋的尺寸，具有氣體控制裝置，箱內(nèi)氣體濃度和溫度監(jiān)測、調(diào)節(jié)裝置，人機(jī)操作界面，故障自動(dòng)報(bào)警裝置；試驗(yàn)箱本身及各個(gè)氣路管道不會(huì)被鹽酸、氨氣腐蝕。

經(jīng)測量，目前市面上分體式智能坐便蓋的底部平整，其尺寸普遍在600mm×500mm×120mm上下浮動(dòng)，某些一體機(jī)式智能坐便蓋跟陶瓷配套，其底部會(huì)有凸出部分，高度范圍一般為200～300mm。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)要求，每次試驗(yàn)時(shí)間需192h，為了提高氣體的利用率，滿足大批量試驗(yàn)需求，箱內(nèi)空間共計(jì)5.76m3，即5760L的空間。箱內(nèi)放置智能坐便蓋，可分為兩層放置，一層可放6個(gè)，單次試驗(yàn)共計(jì)可放12個(gè)智能坐便蓋。具體尺寸設(shè)計(jì)如下：單臺(tái)設(shè)備箱體占用空間W2345mm×D3318mm×H2395mm；內(nèi)膽總尺寸W1600mm×D2125mm×H1800mm；內(nèi)膽使用尺寸W1600mm×D2000mm×H1800mm。

其俯視圖和左視圖如圖1所示。

圖1 鹽酸氨氣試驗(yàn)箱俯視圖和左視圖

在氣體濃度設(shè)計(jì)方面，箱內(nèi)鹽酸濃度需要達(dá)到0.0005%，則單次試驗(yàn)需要5760L×0.0005%=0.0288L的鹽酸。若由濃度為0.1%的鹽酸氣瓶給試驗(yàn)箱內(nèi)提供鹽酸，在流量為4.0L/min的情況下，設(shè)供氣時(shí)間為xmin，則可得等式為：4.0×0.1%×x=0.0288，計(jì)算得供氣時(shí)間x為7.2min。同理，若箱內(nèi)氨氣濃度要達(dá)到0.055%，則需3.168L的氨氣。若由濃度為10%的氨氣氣瓶給試驗(yàn)箱內(nèi)提供氨氣，在流量為4.0L/min的情況下，計(jì)算可得供氣時(shí)間為7.92min[2]。試驗(yàn)箱將根據(jù)供氣瓶的濃度和流量精準(zhǔn)進(jìn)行供氣時(shí)間測算，并設(shè)計(jì)相應(yīng)的氣體傳感器及報(bào)警裝置，當(dāng)出現(xiàn)氣體用完或其他異常情況時(shí)，報(bào)警器報(bào)警，并提示報(bào)警原因。

為通過《家用和類似用途電器的安全 坐便器的特殊要求》（IEC60335-2-84：2019）標(biāo)準(zhǔn)中的防銹測試，需設(shè)置0.0005%的鹽酸濃度下，溫度為25℃的環(huán)境中，運(yùn)行96h后排空鹽酸充入空氣；再設(shè)置0.055%的氨氣濃度下，溫度為25℃的環(huán)境中，運(yùn)行96h。觀察樣品的腐蝕情況即完成試驗(yàn)。其流程圖如圖2所示。

圖2 鹽酸氨氣試驗(yàn)箱操作流程圖

2 鹽酸氨氣試驗(yàn)箱的硬件設(shè)計(jì)

鹽酸氨氣試驗(yàn)箱的電路主要由7個(gè)部分組成，分別是供電電源（有220V和24V兩部分）、主控板、傳感器部分（系統(tǒng)配有溫度傳感器、濕度傳感器、氨氣濃度傳感器、鹽酸濃度傳感器）、液晶觸控屏、電磁閥部分（包括鹽酸電磁閥和氨氣電磁閥）、風(fēng)扇部分（進(jìn)風(fēng)風(fēng)扇和內(nèi)循環(huán)風(fēng)扇）、加熱及加濕部分，其結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 鹽酸氨氣試驗(yàn)箱結(jié)構(gòu)框圖

鹽酸氨氣試驗(yàn)箱核心為氣體控制裝置，主要包括鹽酸氣體輸入控制接口、氨氣氣體輸入控制接口、空氣輸入控制接口、氣體排廢管道、氣體箱內(nèi)循環(huán)風(fēng)機(jī)。氣體輸入控制接口由耐腐蝕的氣體電磁閥和流量計(jì)組成，排廢管道里連接一個(gè)排風(fēng)扇和一個(gè)自動(dòng)開閉的機(jī)械閥門。

為達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的濃度和濕度，需要通過濃度和溫度調(diào)節(jié)裝置進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和調(diào)整，涉及溫度傳感器、濕度傳感器、加熱器、加濕器、箱內(nèi)氣體循環(huán)風(fēng)機(jī)。溫度傳感器和濕度傳感器裝在箱內(nèi)側(cè)壁中部，加熱器由與箱內(nèi)底部長寬適配的加熱膜構(gòu)成，加濕器通過超聲波方式將水霧化，并由風(fēng)機(jī)將霧化的水汽吹入箱體，在箱內(nèi)進(jìn)行空氣循環(huán)[3]。

另外，為了方便操作，該鹽酸氨氣試驗(yàn)箱有一個(gè)人機(jī)操作界面，由7寸液晶觸控屏構(gòu)成，屏幕上有多個(gè)頁面：狀態(tài)監(jiān)視頁面，其內(nèi)容有溫度顯示、濕度顯示、鹽酸濃度顯示值、氨氣濃度顯示值、已運(yùn)行時(shí)間等；運(yùn)行參數(shù)設(shè)定頁面，包括溫度設(shè)定值、濕度設(shè)定值、鹽酸濃度設(shè)定值、氨氣濃度設(shè)定值、需持續(xù)運(yùn)行時(shí)間、下一階段設(shè)定值等[4]。

由于試驗(yàn)時(shí)間長，易出現(xiàn)無人值守狀態(tài)，特設(shè)置報(bào)警器負(fù)責(zé)異常現(xiàn)象的報(bào)警：（1）加入鹽酸或氨氣一定時(shí)間后，箱內(nèi)氣體濃度變化不符合預(yù)期；（2）加濕器中水位過低；（3）加熱一定時(shí)間后，箱內(nèi)溫度變化不符合預(yù)期；（4）排廢氣一定時(shí)間后，箱內(nèi)氣體濃度不符合預(yù)期；（5）按照定時(shí)設(shè)置，設(shè)備完成指定工作等情況發(fā)生時(shí)，報(bào)警器報(bào)警。

鹽酸氨氣試驗(yàn)箱電路原理圖如圖4所示，主控板外接24V電源，采用STM32L100C6U6型號的微處理器（如圖中的U2A和U2B），封裝為UFQFPN-48，該封裝可節(jié)省主控板的面積，使主控板做得更小。該款處理器主頻36MHz，足夠?qū)崿F(xiàn)液晶屏顯示、電磁閥和風(fēng)扇的通斷控制、程序邏輯處理、傳感器輪詢檢測等功能。

圖4 鹽酸氨氣試驗(yàn)箱電路原理圖

對于氨氣濃度傳感器和鹽酸濃度傳感器的選型，考慮到試驗(yàn)箱中的氨氣運(yùn)行濃度為0.055%，即550ppm，選用氨氣濃度傳感器模塊的量程為0～1000ppm，濃度分辨率為1ppm；試驗(yàn)箱中的鹽酸運(yùn)行濃度為0.0005%，即5ppm，選用鹽酸濃度傳感器的量程為0～10ppm，分辨率為0.01ppm。試驗(yàn)箱中的加熱器由220V市電供電，由于試驗(yàn)箱中面積較大，選用功率為1000W的加熱器。

3 結(jié)語

本文研究的鹽酸氨氣試驗(yàn)箱，可滿足12個(gè)智能坐便蓋同時(shí)進(jìn)行鹽酸/氨氣試驗(yàn)，在試驗(yàn)過程中由主控芯片實(shí)時(shí)檢測溫度、濕度、氣體濃度數(shù)據(jù)，通過控制電磁閥、風(fēng)扇、加熱器、加濕器等設(shè)備，實(shí)時(shí)糾正實(shí)測值與設(shè)定值的偏差，保證產(chǎn)品時(shí)刻在標(biāo)準(zhǔn)要求的環(huán)境下進(jìn)行測試。本文所設(shè)計(jì)的鹽酸氨氣試驗(yàn)箱，能滿足《家用和類似用途電器的安全坐便器的特殊要求》（IEC 60335-2-84：2019）的試驗(yàn)要求，彌補(bǔ)該標(biāo)準(zhǔn)所對應(yīng)的設(shè)備空白，滿足智能坐便器生產(chǎn)企業(yè)的研發(fā)和改進(jìn)需求。