恒温恒湿称重系统的设计与应用

聂红梅

（山东省冶金科学研究院有限公司，山东 济南250014）

1 前 言

固定污染源是大气污染的主要组成部分，通过对其废气的含量检测是控制达标排放的一项重要手段。根据2018年3月份实施的新国标HJ 836—2017《固定污染源废气颗粒物测定重量法》中关于采样后称量条件的要求，需要有恒温恒湿称重系统，如对PM2.5 的测量。因涉及对微量物质的测量，所以要求系统具有较高的温湿度控制精度及防震性能，因此开发一款具有高精度、高防震性能的恒温恒湿称重系统尤为必要。针对现有恒温恒湿称重系统技术存在的问题，设计开发了一种结构合理、设计科学、使用便捷的称重系统。

2 系统工作原理

对废气的含量检测，目前常用的测量方法有光透射法、激光后向散射法、电荷法、β 射线吸收法、过滤称重法等。其中，过滤称重法目前使用较为广泛。为获得准确的数据，称重过程对称量天平的精度要求越来越高，对称量环境的恒温恒湿要求也越来越高。对于1/100 000 精度级别的天平，震动对其测量值的影响十分明显，产生的误差足以导致测量结果失真。

恒温恒湿称重系统为满足采样后称量条件的要求，在恒温恒湿环境内放置十万分之一天平，将要称量的样品放入恒温恒湿箱体内平衡24 h 后再进行称量。该系统解决了实验室环境温度湿度的变化与环境灰尘颗粒物对样品称重结果的影响，极大地提高了称量样品结果的准确性，该产品也用于其它对称量环境要求较高的样品称量。

恒温恒湿称重系统适用于称量47 mm滤膜、90 mm滤膜、低浓度采样头、3#滤筒。该系统集合众多领先技术，可对处理对象进行恒温恒湿平衡，并进行后续的称重，整个过程都在封闭洁净环境下完成，能有效防止环境微尘的污染。同时预留射频识别（RFID）读写功能，实现系统自动编码、识别和数据统计管理。

3 系统设计

3.1 控制系统设计

该系统能够采集与显示称重系统箱体内温度、湿度等实时参数，可根据具体要求通过触摸屏输入实现对参数的设置，适应不同国家的标准要求。该系统具备声音报警功能，根据反馈信号，实时控制执行机构的开断。本系统的硬件设计是以单片机为核心，由触摸输入、LED 显示电路、传感器、A/D转换、隔离开关和执行电路、报警电路等组成。控制系统原理如图1所示。

图1 控制系统原理框图

传感器输出的模拟量，经过运算放大器放大信号，再通过A/D模块转换为数字信号。触摸屏输入的是系统参数的上、下限极限值，若检测到的信号值出现不在此极限区间的情况，单片机就会驱动蜂鸣器产生报警，此时执行机构控制称重系统箱体内环境做出相应的调整，使得温度、湿度等参数回归到设定的参数区间。

3.2 防震设计

针对现有恒温恒湿称重系统防震技术存在的不足，设计开发了防震系统，通过该装置减少震动对测量值的影响，进一步保证测量结果的准确性。

本设计方案结构简单，设计合理，将恒温恒湿空调器与操作舱分离，保证称重环境的同时，减少了恒温恒湿空调运行时对称重结果的影响。通过在称重防震结构中设置阻尼管、减震弹簧、隔震垫、减震垫和减震轮的多重防震设计，减少震动对称重精度的影响，提高称重的准确性。

该防震式恒温恒湿称重装置的外壳内设置有操作舱，外壳壳体上设置有控制面板，外壳外设置有恒温恒湿空调器，恒温恒湿空调器通过通风管连通所述操作舱。其特征在于，操作舱下侧设置有称重防震结构，称重防震结构为由上框架和下框架组成的长方体框架结构，下框架包括成对角竖直设置的4根立杆，立杆的底部之间通过固定底杆来固定连接；上框架为架设在下框架顶部的矩形框架，上框架的中部设置有若干与边框平行的支杆，上框架的边缘与支杆的上表面分布设置若干减震垫，操作舱固定设置于减震垫上。相邻的两个立杆的上部之间相对设置有阻尼管，每根阻尼管的一端均与其对应的立杆固定连接，另一端上侧均铰接1根活动杆的一端，活动杆的另一端与上框架的下表面铰接。

3.3 其他设计细节

恒温恒湿称重系统的水箱集成于箱体底部，避免外部管路连接；压缩机与箱体采用软管连接，杜绝了震动的传导。采用国内领先的实时数据库技术，存储量达3 000条以上，数据采集周期＜1 s。产品外型美观，结构设计合理，符合人机工程学设计，便于操作。控温、控湿、防震等主要参数高于国家标准的要求，技术指标领先。

4 结 语

该恒温恒湿称重系统的检测结果符合HJ 836—2017《固定污染源废气低浓度颗粒物的测定重量法》标准要求，适用于手动称量采样滤膜、低浓度采样头及3#滤筒，每个处理对象均有独立储存位，可充分暴露于恒温恒湿环境中，具备多试样批处理能力。工作舱可完全密封，保证系统与外界微尘有效隔离，工作舱顶部安装风机过滤系统（FFU），使洁净空气从顶部整流罩均匀送出，试验过程自动完成，无需人为干预，具有稳定、精确、可调节的温湿度控制系统，无需额外建恒温恒湿实验室，可选配十万分之一电子天平。防震天平台具有独特的系统去耦设计，确保电子天平不受微震动干扰平稳工作。

恒温恒湿称重系统能实现样品平衡和称量在同一恒温恒湿箱内操作完成，保证样品称量结果的准确性。箱体采用合理循环风方式，保证箱体内温湿度均匀。该产品结构简单、设计合理、使用方便，减少了震动对测量值的影响，实现压缩机等震动源与箱体分离，进行了柔性连接，克服了防震静音的难题，避免了系统震动对天平称量产生的干扰。