恒溫恒濕稱重系統的設計與應用

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》中關于采樣后稱量條件的要求，需要有恒溫恒濕稱重系統，如對PM2.5 的測量。因涉及對微量物質的測量，所以要求系統具有較高的溫濕度控制精度及防震性能，因此開發一款具有高精度、高防震性能的恒溫恒濕稱重系統尤為必要。針對現有恒溫恒濕稱重系統技術存在的問題，設計開發了一種結構合理、設計科學、使用便捷的稱重系統。

2 系統工作原理

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。為獲得準確的數據，稱重過程對稱量天平的精度要求越來越高，對稱量環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，產生的誤差足以導致測量結果失真。

恒溫恒濕稱重系統為滿足采樣后稱量條件的要求，在恒溫恒濕環境內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平衡24 h 后再進行稱量。該系統解決了實驗室環境溫度濕度的變化與環境灰塵顆粒物對樣品稱重結果的影響，極大地提高了稱量樣品結果的準確性，該產品也用于其它對稱量環境要求較高的樣品稱量。

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

3 系統設計

3.1 控制系統設計

該系統能夠采集與顯示稱重系統箱體內溫度、濕度等實時參數，可根據具體要求通過觸摸屏輸入實現對參數的設置，適應不同國家的標準要求。該系統具備聲音報警功能，根據反饋信號，實時控制執行機構的開斷。本系統的硬件設計是以單片機為核心，由觸摸輸入、LED 顯示電路、傳感器、A/D轉換、隔離開關和執行電路、報警電路等組成。控制系統原理如圖1所示。

圖1 控制系統原理框圖

傳感器輸出的模擬量，經過運算放大器放大信號，再通過A/D模塊轉換為數字信號。觸摸屏輸入的是系統參數的上、下限極限值，若檢測到的信號值出現不在此極限區間的情況，單片機就會驅動蜂鳴器產生報警，此時執行機構控制稱重系統箱體內環境做出相應的調整，使得溫度、濕度等參數回歸到設定的參數區間。

3.2 防震設計

針對現有恒溫恒濕稱重系統防震技術存在的不足，設計開發了防震系統，通過該裝置減少震動對測量值的影響，進一步保證測量結果的準確性。

本設計方案結構簡單，設計合理，將恒溫恒濕空調器與操作艙分離，保證稱重環境的同時，減少了恒溫恒濕空調運行時對稱重結果的影響。通過在稱重防震結構中設置阻尼管、減震彈簧、隔震墊、減震墊和減震輪的多重防震設計，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設置有操作艙，外殼殼體上設置有控制面板，外殼外設置有恒溫恒濕空調器，恒溫恒濕空調器通過通風管連通所述操作艙。其特征在于，操作艙下側設置有稱重防震結構，稱重防震結構為由上框架和下框架組成的長方體框架結構，下框架包括成對角豎直設置的4根立桿，立桿的底部之間通過固定底桿來固定連接；上框架為架設在下框架頂部的矩形框架，上框架的中部設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置若干減震墊，操作艙固定設置于減震墊上。相鄰的兩個立桿的上部之間相對設置有阻尼管，每根阻尼管的一端均與其對應的立桿固定連接，另一端上側均鉸接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 其他設計細節

恒溫恒濕稱重系統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。采用國內領先的實時數據庫技術，存儲量達3 000條以上，數據采集周期＜1 s。產品外型美觀，結構設計合理，符合人機工程學設計，便于操作。控溫、控濕、防震等主要參數高于國家標準的要求，技術指標領先。

4 結 語

該恒溫恒濕稱重系統的檢測結果符合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境中，具備多試樣批處理能力。工作艙可完全密封，保證系統與外界微塵有效隔離，工作艙頂部安裝風機過濾系統（FFU），使潔凈空氣從頂部整流罩均勻送出，試驗過程自動完成，無需人為干預，具有穩定、精確、可調節的溫濕度控制系統，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去耦設計，確保電子天平不受微震動干擾平穩工作。

恒溫恒濕稱重系統能實現樣品平衡和稱量在同一恒溫恒濕箱內操作完成，保證樣品稱量結果的準確性。箱體采用合理循環風方式，保證箱體內溫濕度均勻。該產品結構簡單、設計合理、使用方便，減少了震動對測量值的影響，實現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，避免了系統震動對天平稱量產生的干擾。