一种盐酸氨气试验箱的研究与实现

引言

卫生间虽然占据家中的面积很小,但是在复杂的卫生间环境中,造成卫生间物品腐蚀的原因很多。首先是下水道反味带来的气体,当下水道水封设计不达标时,公共管道的气体会返回到室内腐蚀物品:另外,在卫生间环境中会进行沐浴等活动,现在很多家庭卫生间没有窗户,通风差,造成卫生间久湿不干,与沐浴液、洗手液、肥皂等清洗剂结合,空气中极易产生腐蚀性气体:再者,卫生间作为排泄场所,人员活动会带来臭味(主要为氨类物质),长期在密闭环境中也会带来一定的腐蚀。

根据《家用和类似用途电器的安全坐便器的特殊要求》(IEC60335-2-84:2019)标准的要求,智能坐便器需在室温且一个大气压强下,浓度为0.0005%±0.0002%的盐酸环境中保存96h,排尽盐酸后,在浓度为0.055%±0.005%的氨气环境中保存96h[1]。盐酸氨气试验室通过试验箱对相关环境的模拟,在一定的容积空间内进行相关试验。目前,由于该标准内容尚未转化为国内标准,许多智能坐便器生产厂家未进行该方面的测试,相关设备也鲜有厂家生产,但是由于卫生间环境造成的智能坐便器产品腐蚀的情况却时有发生。鉴于此,本文提出了一种盐酸氨气试验箱的设计方法,该装置可以实现盐酸、氨气浓度的调节和功能自动切换,具有抗腐蚀性和自动保护功能。

1盐酸氨气试验箱设计原理

该盐酸氨气试验箱主要用于模拟智能坐便器在卫生间环境中耐盐酸、氨气的防腐蚀能力,试验箱的设计总体要求为:箱内内胆应大于一个智能坐便盖的尺寸,具有气体控制装置,箱内气体浓度和温度监测、调节装置,人机操作界面,故障自动报警装置:试验箱本身及各个气路管道不会被盐酸、氨气腐蚀。

经测量,目前市面上分体式智能坐便盖的底部平整,其尺寸普遍在600mm×500mm×120mm上下浮动,某些一体机式智能坐便盖跟陶瓷配套,其底部会有凸出部分,高度范围一般为200~300mm。根据国家标准要求,每次试验时间需192h,为了提高气体的利用率,满足大批量试验需求,箱内空间共计5.76m3,即5760L的空间。箱内放置智能坐便盖,可分为两层放置,一层可放6个,单次试验共计可放12个智能坐便盖。具体尺寸设计如下:单台设备箱体占用空间w2345mm×D3318mm×H2395mm:内胆总尺寸w1600mm×D2125mmxH1800mm:内胆使用尺寸w1600mm×D2000mm×H1800mm。

其俯视图和左视图如图1所示。

在气体浓度设计方面,箱内盐酸浓度需要达到0.0005%,则单次试验需要5760L×0.0005%=0.0288L的盐酸。若由浓度为0.1%的盐酸气瓶给试验箱内提供盐酸,在流量为4.0L/min的情况下,设供气时间为%min,则可得等式为:4.0×0.1%×%=0.0288,计算得供气时间%为7.2min。同理,若箱内氨气浓度要达到0.055%,则需3.168L的氨气。若由浓度为10%的氨气气瓶给试验箱内提供氨气,在流量为4.0L/min的情况下,计算可得供气时间为7.92min。试验箱将根据供气瓶的浓度和流量精准进行供气时间测算,并设计相应的气体传感器及报警装置,当出现气体用完或其他异常情况时,报警器报警,并提示报警原因。

为通过《家用和类似用途电器的安全坐便器的特殊要求》(IEC60335-2-84:2019)标准中的防锈测试,需设置0.0005%的盐酸浓度下,温度为25℃的环境中,运行96h后排空盐酸充入空气:再设置0.055%的氨气浓度下,温度为25℃的环境中,运行96h。观察样品的腐蚀情况即完成试验。其流程图如图2所示。

2盐酸氨气试验箱的硬件设计

盐酸氨气试验箱的电路主要由7个部分组成,分别是供电电源(有220V和24V两部分)、主控板、传感器部分(系统配有温度传感器、湿度传感器、氨气浓度传感器、盐酸浓度传感器)、液晶触控屏、电磁阀部分(包括盐酸电磁阀和氨气电磁阀)、风扇部分(进风风扇和内循环风扇)、加热及加湿部分,其结构框图如图3所示。

图3盐酸氨气试验箱结构框图

盐酸氨气试验箱核心为气体控制装置,主要包括盐酸气体输入控制接口、氨气气体输入控制接口、空气输入控制接口、气体排废管道、气体箱内循环风机。气体输入控制接口由耐腐蚀的气体电磁阀和流量计组成,排废管道里连接一个排风扇和一个自动开闭的机械阀门。

为达到标准规定的浓度和湿度,需要通过浓度和温度调节装置进行实时监控和调整,涉及温度传感器、湿度传感器、加热器、加湿器、箱内气体循环风机。温度传感器和湿度传感器装在箱内侧壁中部,加热器由与箱内底部长宽适配的加热膜构成,加湿器通过超声波方式将水雾化,并由风机将雾化的水汽吹入箱体,在箱内进行空气循环。

另外,为了方便操作,该盐酸氨气试验箱有一个人机操作界面,由7寸液晶触控屏构成,屏幕上有多个页面:状态监视页面,其内容有温度显示、湿度显示、盐酸浓度显示值、氨气浓度显示值、已运行时间等:运行参数设定页面,包括温度设定值、湿度设定值、盐酸浓度设定值、氨气浓度设定值、需持续运行时间、下一阶段设定值等。

由于试验时间长,易出现无人值守状态,特设置报警器负责异常现象的报警:(1)加入盐酸或氨气一定时间后,箱内气体浓度变化不符合预期:(2)加湿器中水位过低:(3)加热一定时间后,箱内温度变化不符合预期:(4)排废气一定时间后,箱内气体浓度不符合预期:(5)按照定时设置,设备完成指定工作等情况发生时,报警器报警。

盐酸氨气试验箱电路原理图如图4所示,主控板外接24V电源,采用sTM32L100C6U6型号的微处理器(如图中的U2A和U2B),封装为UFOFPN-48,该封装可节省主控板的面积,使主控板做得更小。该款处理器主频36MHz,足够实现液晶屏显示、电磁阀和风扇的通断控制、程序逻辑处理、传感器轮询检测等功能。

对于氨气浓度传感器和盐酸浓度传感器的选型,考虑到试验箱中的氨气运行浓度为0.055%,即550ppm,选用氨气浓度传感器模块的量程为0~1000ppm,浓度分辨率为1ppm:试验箱中的盐酸运行浓度为0.0005%,即5ppm,选用盐酸浓度传感器的量程为0~10ppm,分辨率为0.01ppm。试验箱中的加热器由220V市电供电,由于试验箱中面积较大,选用功率为1000w的加热器。

3结语

本文研究的盐酸氨气试验箱,可满足12个智能坐便盖同时进行盐酸/氨气试验,在试验过程中由主控芯片实时检测温度、湿度、气体浓度数据,通过控制电磁阀、风扇、加热器、加湿器等设备,实时纠正实测值与设定值的偏差,保证产品时刻在标准要求的环境下进行测试。本文所设计的盐酸氨气试验箱,能满足《家用和类似用途电器的安全坐便器的特殊要求》(1EC60335-2-84:2019)的试验要求,弥补该标准所对应的设备空白,满足智能坐便器生产企业的研发和改进需求。