引言

衛(wèi)生間雖然占據(jù)家中的面積很小,但是在復雜的衛(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,當下水道水封設(shè)計不達標時,公共管道的氣體會返回到室內(nèi)腐蝕物品:另外,在衛(wèi)生間環(huán)境中會進行沐浴等活動,現(xiàn)在很多家庭衛(wèi)生間沒有窗戶,通風差,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,人員活動會帶來臭味(主要為氨類物質(zhì)),長期在密閉環(huán)境中也會帶來一定的腐蝕。

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(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]。鹽酸氨氣試驗室通過試驗箱對相關(guān)環(huán)境的模擬,在一定的容積空間內(nèi)進行相關(guān)試驗。目前,由于該標準內(nèi)容尚未轉(zhuǎn)化為國內(nèi)標準,許多智能坐便器生產(chǎn)廠家未進行該方面的測試,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)品腐蝕的情況卻時有發(fā)生。鑒于此,本文提出了一種鹽酸氨氣試驗箱的設(shè)計方法,該裝置可以實現(xiàn)鹽酸、氨氣濃度的調(diào)節(jié)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(shè)計原理

該鹽酸氨氣試驗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,試驗箱的設(shè)計總體要求為:箱內(nèi)內(nèi)膽應大于一個智能坐便蓋的尺寸,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(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,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(jù)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(nèi)空間共計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,單次試驗共計可放12個智能坐便蓋。具體尺寸設(shè)計如下:單臺設(shè)備箱體占用空間w2345mm×D3318mm×H2395mm:內(nèi)膽總尺寸w1600mm×D2125mmxH1800mm:內(nèi)膽使用尺寸w1600mm×D2000mm×H1800mm。

其俯視圖和左視圖如圖1所示。

在氣體濃度設(shè)計方面,箱內(nèi)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(nèi)提供鹽酸,在流量為4.0L/min的情況下,設(shè)供氣時間為%min,則可得等式為:4.0×0.1%×%=0.0288,計算得供氣時間%為7.2min。同理,若箱內(nèi)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(nèi)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。試驗箱將根據(jù)供氣瓶的濃度和流量精準進行供氣時間測算,并設(shè)計相應的氣體傳感器及報警裝置,當出現(xiàn)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(shè)置0.0005%的鹽酸濃度下,溫度為25℃的環(huán)境中,運行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。

2鹽酸氨氣試驗箱的硬件設(shè)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(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)、風扇部分(進風風扇和內(nèi)循環(huán)風扇)、加熱及加濕部分,其結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3鹽酸氨氣試驗箱結(jié)構(gòu)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(nèi)循環(huán)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(guī)定的濃度和濕度,需要通過濃度和溫度調(diào)節(jié)裝置進行實時監(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)風機。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,并由風機將霧化的水汽吹入箱體,在箱內(nèi)進行空氣循環(huán)。

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(gòu)成,屏幕上有多個頁面: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、已運行時間等:運行參數(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)運行時間、下一階段設(shè)定值等。

由于試驗時間長,易出現(xiàn)無人值守狀態(tài),特設(shè)置報警器負責異常現(xiàn)象的報警:(1)加入鹽酸或氨氣一定時間后,箱內(nèi)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(nèi)溫度變化不符合預期:(4)排廢氣一定時間后,箱內(nèi)氣體濃度不符合預期:(5)按照定時設(shè)置,設(shè)備完成指定工作等情況發(fā)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UFOFPN-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、電磁閥和風扇的通斷控制、程序邏輯處理、傳感器輪詢檢測等功能。

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(jié)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(shù)據(jù),通過控制電磁閥、風扇、加熱器、加濕器等設(shè)備,實時糾正實測值與設(shè)定值的偏差,保證產(chǎn)品時刻在標準要求的環(huán)境下進行測試。本文所設(shè)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》(1EC60335-2-84:2019)的試驗要求,彌補該標準所對應的設(shè)備空白,滿足智能坐便器生產(chǎn)企業(yè)的研發(fā)和改進需求。