一種鹽酸氨氣試驗箱的研究與實現

屈環宇 徐華月 李海燕 翁曉偉

（1.臺州市產品質量安全檢測研究院，浙江 臺州 318000；2.臺州方圓質檢有限公司，浙江 臺州 318000）

0 引言

衛生間雖然占據家中的面積很小，但是在復雜的衛生間環境中，造成衛生間物品腐蝕的原因很多。首先是下水道反味帶來的氣體，當下水道水封設計不達標時，公共管道的氣體會返回到室內腐蝕物品；另外，在衛生間環境中會進行沐浴等活動，現在很多家庭衛生間沒有窗戶，通風差，造成衛生間久濕不干，與沐浴液、洗手液、肥皂等清洗劑結合，空氣中極易產生腐蝕性氣體；再者，衛生間作為排泄場所，人員活動會帶來臭味（主要為氨類物質），長期在密閉環境中也會帶來一定的腐蝕。

根據《家用和類似用途電器的安全坐便器的特殊要求》（IEC60335-2-84：2019）標準的要求，智能坐便器需在室溫且一個大氣壓強下，濃度為0.0005%±0.0002%的鹽酸環境中保存96h，排盡鹽酸后，在濃度為0.055%±0.005%的氨氣環境中保存96h[1]。鹽酸氨氣試驗室通過試驗箱對相關環境的模擬，在一定的容積空間內進行相關試驗。目前，由于該標準內容尚未轉化為國內標準，許多智能坐便器生產廠家未進行該方面的測試，相關設備也鮮有廠家生產，但是由于衛生間環境造成的智能坐便器產品腐蝕的情況卻時有發生。鑒于此，本文提出了一種鹽酸氨氣試驗箱的設計方法，該裝置可以實現鹽酸、氨氣濃度的調節和功能自動切換，具有抗腐蝕性和自動保護功能。

1 鹽酸氨氣試驗箱設計原理

該鹽酸氨氣試驗箱主要用于模擬智能坐便器在衛生間環境中耐鹽酸、氨氣的防腐蝕能力，試驗箱的設計總體要求為：箱內內膽應大于一個智能坐便蓋的尺寸，具有氣體控制裝置，箱內氣體濃度和溫度監測、調節裝置，人機操作界面，故障自動報警裝置；試驗箱本身及各個氣路管道不會被鹽酸、氨氣腐蝕。

經測量，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，某些一體機式智能坐便蓋跟陶瓷配套，其底部會有凸出部分，高度范圍一般為200～300mm。根據國家標準要求，每次試驗時間需192h，為了提高氣體的利用率，滿足大批量試驗需求，箱內空間共計5.76m3，即5760L的空間。箱內放置智能坐便蓋，可分為兩層放置，一層可放6個，單次試驗共計可放12個智能坐便蓋。具體尺寸設計如下：單臺設備箱體占用空間W2345mm×D3318mm×H2395mm；內膽總尺寸W1600mm×D2125mm×H1800mm；內膽使用尺寸W1600mm×D2000mm×H1800mm。

其俯視圖和左視圖如圖1所示。

圖1 鹽酸氨氣試驗箱俯視圖和左視圖

在氣體濃度設計方面，箱內鹽酸濃度需要達到0.0005%，則單次試驗需要5760L×0.0005%=0.0288L的鹽酸。若由濃度為0.1%的鹽酸氣瓶給試驗箱內提供鹽酸，在流量為4.0L/min的情況下，設供氣時間為xmin，則可得等式為：4.0×0.1%×x=0.0288，計算得供氣時間x為7.2min。同理，若箱內氨氣濃度要達到0.055%，則需3.168L的氨氣。若由濃度為10%的氨氣氣瓶給試驗箱內提供氨氣，在流量為4.0L/min的情況下，計算可得供氣時間為7.92min[2]。試驗箱將根據供氣瓶的濃度和流量精準進行供氣時間測算，并設計相應的氣體傳感器及報警裝置，當出現氣體用完或其他異常情況時，報警器報警，并提示報警原因。

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）標準中的防銹測試，需設置0.0005%的鹽酸濃度下，溫度為25℃的環境中，運行96h后排空鹽酸充入空氣；再設置0.055%的氨氣濃度下，溫度為25℃的環境中，運行96h。觀察樣品的腐蝕情況即完成試驗。其流程圖如圖2所示。

圖2 鹽酸氨氣試驗箱操作流程圖

2 鹽酸氨氣試驗箱的硬件設計

鹽酸氨氣試驗箱的電路主要由7個部分組成，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）、風扇部分（進風風扇和內循環風扇）、加熱及加濕部分，其結構框圖如圖3所示。

圖3 鹽酸氨氣試驗箱結構框圖

鹽酸氨氣試驗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、氣體箱內循環風機。氣體輸入控制接口由耐腐蝕的氣體電磁閥和流量計組成，排廢管道里連接一個排風扇和一個自動開閉的機械閥門。

為達到標準規定的濃度和濕度，需要通過濃度和溫度調節裝置進行實時監控和調整，涉及溫度傳感器、濕度傳感器、加熱器、加濕器、箱內氣體循環風機。溫度傳感器和濕度傳感器裝在箱內側壁中部，加熱器由與箱內底部長寬適配的加熱膜構成，加濕器通過超聲波方式將水霧化，并由風機將霧化的水汽吹入箱體，在箱內進行空氣循環[3]。

另外，為了方便操作，該鹽酸氨氣試驗箱有一個人機操作界面，由7寸液晶觸控屏構成，屏幕上有多個頁面：狀態監視頁面，其內容有溫度顯示、濕度顯示、鹽酸濃度顯示值、氨氣濃度顯示值、已運行時間等；運行參數設定頁面，包括溫度設定值、濕度設定值、鹽酸濃度設定值、氨氣濃度設定值、需持續運行時間、下一階段設定值等[4]。

由于試驗時間長，易出現無人值守狀態，特設置報警器負責異常現象的報警：（1）加入鹽酸或氨氣一定時間后，箱內氣體濃度變化不符合預期；（2）加濕器中水位過低；（3）加熱一定時間后，箱內溫度變化不符合預期；（4）排廢氣一定時間后，箱內氣體濃度不符合預期；（5）按照定時設置，設備完成指定工作等情況發生時，報警器報警。

鹽酸氨氣試驗箱電路原理圖如圖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，足夠實現液晶屏顯示、電磁閥和風扇的通斷控制、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，考慮到試驗箱中的氨氣運行濃度為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；試驗箱中的鹽酸運行濃度為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。試驗箱中的加熱器由220V市電供電，由于試驗箱中面積較大，選用功率為1000W的加熱器。

3 結語

本文研究的鹽酸氨氣試驗箱，可滿足12個智能坐便蓋同時進行鹽酸/氨氣試驗，在試驗過程中由主控芯片實時檢測溫度、濕度、氣體濃度數據，通過控制電磁閥、風扇、加熱器、加濕器等設備，實時糾正實測值與設定值的偏差，保證產品時刻在標準要求的環境下進行測試。本文所設計的鹽酸氨氣試驗箱，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）的試驗要求，彌補該標準所對應的設備空白，滿足智能坐便器生產企業的研發和改進需求。