一种盐酸氨气试验箱的研究与实现

摘 要：

研制了一种盐酸氨气试验箱，能满足《家用和类似用途电器的安全 坐便器的特殊要求》（IEC 60335-2-84: 2019）的试验要求，在试验过程中由主控芯片实时检测温度、湿度、气体浓度等数据。试验箱通过控制电磁阀、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，保证试验的准确性和可靠性。

0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》（IEC 60335-2-84:2019）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600 mm×500 mm×120 mm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200～300 mm。根据国家标准要求，每次试验时间需192 h，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5.76 m3，即5 760 L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×H2 395 mm；内胆总尺寸W1600mm×D2125mm×H1 800 mm；内胆使用尺寸W1600mm×D2000mm×H1 800 mm。

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0.000 5%，则单次试验需要5 760 L×0.000 5%=0.028 8 L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4.0 L/min的情况下，设供气时间为xmin，则可得等式为：4.0×0.1%×x=0.0288，计算得供气时间x为7.2 min。同理，若箱内氨气浓度要达到0.055%，则需3.168 L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4.0 L/min的情况下，计算可得供气时间为7.92 min[2]。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》（IEC 60335-2-84: 2019）标准中的防锈测试，需设置0.000 5%的盐酸浓度下，温度为25 ℃的环境中，运行96 h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96 h。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220 V和24 V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。

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[3]。

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[4]。

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24 V电源，采用STM32L100C6U6型号的微处理器（如图中的U2A和U2B），封装为UFQFPN-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36 MHz，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550 ppm，选用氨气浓度传感器模块的量程为0～1 000 ppm，浓度分辨率为1 ppm；试验箱中的盐酸运行浓度为0.000 5%，即5 ppm，选用盐酸浓度传感器的量程为0～10 ppm，分辨率为0.01 ppm。试验箱中的加热器由220 V市电供电，由于试验箱中面积较大，选用功率为1 000 W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》（IEC 60335-2-84: 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。

审核编辑：汤梓红