大型智能环境测试舱的研制

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　　【摘要】 本文介绍了一款大型智能环境测试舱，有效测试体积5～30 m3可调，解决了大型环境测试舱的凝露问题，可以实现各类家具产品有毒有害挥发性气体的整体检验。硬件设计中为控制系统预留多项可调节功能部件，解决了理论计算与实际调试的不一致性。对环境测试舱运行稳定后的风速、温度、湿度及有毒气体本底值指标进行连续测试，其各项指标均在国家相关检验标准要求以上。
　　【关键词】 智能环境测试舱;有毒有害;揮发性气体;本底值
　　【DOI编码】 10.3969/j.issn.1674-4977.2019.02.015
　　Abstract： This paper introduces a large-scale intelligent environmental test chamber，which has adjustable effective test volume of 5～30 m3，which can effectively solve the problem of the large-scale environmental test chamber condensation. It solves the condensation problem of large-scale environment test cabin，and  can achieve overall test for toxic and hazardous volatile gases of all kinds of furniture products. The reservation for a number of adjustable features in the control system hardware design can solve the problem of the inconsistency for the theoretical calculations and the actual debugging. The environmental test chamber continuously test the wind speed，temperature，humidity and toxic gases background value indicators at the  stable operation condition，so that all the indicators have reached the national test requirements above.
　　Key words： intelligent environmental test chamber;toxic and hazardous;volatile gases;background value
　　随着国内经济的发展，家具制造和家庭装饰装修行业迅猛发展，其所造成的室内空气污染问题也随之而来。甲醛、氨、TVOC等挥发有毒有害气体，会严重刺激呼吸道，引起呼吸道水肿、眼刺痛、头痛、粘膜充血、皮肤过敏等现象。然而，在国家现行的标准GB 18584-2001《室内装饰装修材料 木家具中有害物质限量》规定的家具检测项目中，检测只是针对家具生产原料人造板材，而不是日常生活中所使用的成品家具;在检测方法上，以成套家具的一小部分板材作为样品检测，检测结果不能真实反映成品家具所有部位的有害物质释放情况，同时检验的取样过程是破坏性的，这类检测会给家具行业造成经济损失。因此，研发可以整体检测各类家具有毒有害气体挥发的设备十分必要。
　　1 大型环境测试舱检测方法概述
　　大型环境测试舱法是以舱体模拟室内环境，将家具放置其中并进行检测的方法。它是一种最接近日常实际使用状态，对有害物质释放量进行测试评价的试验方法。在检测要求的试验条件下（稳定的温度、湿度、舱内空气流速）将整体家具或建材装饰材料等放置在舱内，使空气气流平稳而均匀地从试样表面拂过。这一过程持续一定时间后，按照相关国家标准规定采集舱内空气样品进行检测，以确定家具或装饰材料样品的环保安全性能[1-3]。本文介绍一种最大有效检测体积为30 m3的大型智能环境测试舱，主要用于成套家具以及多种建材装饰材料等有毒有害物质挥发量的测定，其工作原理就是依据上述大型环境测试舱法。
　　2 大型环境测试舱的设计
　　大型环境测试舱采用内外舱嵌套结构，环境舱整体尺寸为长7500 mm、宽6000 mm、高4500 mm，内舱体积为30 m3（4000 mm×3000 mm×2500 mm）。分别采用高密度聚氨酯彩钢板和304镜面不锈钢板材料构成。这种设计在调解温度、湿度、气流速度时，可以有效抑制舱内室的凝露现象。环境测试舱外层的保温箱体为100 mm厚高密度聚氨酯彩钢板，舱内室箱体为2 mm。
　　厚镜面不锈钢板，内舱采用电梯轿厢式结构设计，钢板采用2 mm厚镜面不锈钢板。为确保舱内室的密封，在拼接处贴有薄层硅胶膜。这种设计避免了传统舱体有凹凸面和焊缝的弊端。工作原理如图1所示，为保证机械结构稳定，并促进了内舱与嵌套层之间的热交换，内舱外侧设计安装了不锈钢翅片组。它不仅能降低能量消耗，同时也减少了温度达到稳态需要的时间。不锈钢翅片组可以根据实际情况适当增加或减少，为控制系统预留调节空间[4-5]。
　　在舱内室长度方向的两侧交错安装了循环风道，共计14个循环风道，两侧各7个风道。如图2所示。每个循环风道之间都是彼此独立的，即循环风道内的空气互不干扰。这种设计是为了更好地整体控制内舱气体流速，使气流均匀运行。舱内设计安装了移动隔板，为了实现更好的密封效果，隔板四周设置了航空充气袋。如果隔板需要移动，需先将充气袋泄气，隔板沿导轨直线方向移动，并由导轨支撑实现系统机械结构稳定。环境舱内外舱分别都安装了舱门，由移动隔板分成两个测试舱，这两个测试舱可以同时使用。 　　3 进风量和风速的控制
　　为了使内舱循环风的风速达到国家相关检验标准要求，用柏努利方程进行计算。
　　新风量增加和排出量相对30 m3体积可以忽略，并假设测试舱内气体质量守恒、动量守恒、连续体、不可压缩（即密度不变以及粘度为零）。在此段流程内无流动阻力，外部没有做功效应，即能量损失[∑hf=0]，[We=0]，[P1=P2]，（1）式可简化为：
　　按GB 50325-2010附录B要求，测试舱内室风速为0.1～0.3 m/s，按[Z1=0.4] m（距地面高度），[Z2=0.3] m（地面高度+测试舱高），内舱上方的14个均压室均独立运行，假设其流入内舱空气流速在0.1～0.3 m/s范围内，则对应每个均压室进入舱内室的空气流量在0.12～0.36 m3/s（每个均压室的有效面积约1.2 m2，循环风道横截面积为0.046 m2）范围内，由此可得[u1=7.7～10.6] m/s;[u2=2.6～7.8] m/s。
　　因此，每个风道风机必须保证空气的最小流速为10.6 m/s，最小流量为0.49 m3/s。风机的选择和循环风道设计时要有余量，避免因空气流速快，导致噪声偏大和舱体震动的不利影响[6-7]。
　　4 基于PID算法的温湿度控制
　　大型环境测试舱的温湿度控制方案基于传统PID控制方法设计[8]，PID控制程序算法表达式为：
　　在温度控制过程中为避免常见的凝露现象又能使内舱温度均匀，环境舱采用的是外舱控制內舱的设计方案，即升温或降温先作用于外舱，内舱温度由镜面不锈钢板均匀传热控制。根据现行的GB 50325-2010附录A中，对1～40 m3的环境舱测试法中，测试时间长达7～28天;在ASTM E 1333-96（2002）标准中测试时间为16～20小时。因此，温度控制在1～2小时内达到稳定即可，控制重点在于温度的均匀性和稳定性。由于大型环境测试舱体积大，内舱中设计了温度传感器阵列，控制算法中采用的是这些值的平均值。因此，为了弥补可能出现的个别区域温度控制缺陷，系统设计了一个特殊控制部分[9]，即每个传感器实际测量值与设定温度值的偏差[e（t）k]，再得出它的一阶偏差变化率[Δte（t）k]，由控制系统计算综合数值[Uk]，根据数值对比得出对该传感器位置采取的控制补偿（如增加翅片量）：
　　由于很好的避免了凝露现象，湿度控制方面直接将调节好湿度的空气注入内舱即可，由内舱的进风口实时监控即可达到良好效果。
　　5 大型环境测试舱的性能指标
　　大型环境测试舱的实物图如图3所示，其内部的镜面设计可以有效避免有毒有害气体的吸附效应。
　　环境舱主要性能运行测试结果见图4，图5。可以看出，样机在运行1小时后达到工作状态，各项运行参数达到了检验标准要求;整个系统于2小时进入稳定状态，温度在±1 ℃之间波动，湿度在±4%范围内波动，循环风速稳定在±0.05 m/s范围内，空气交换率±3%，舱内压力（26±1） Pa。结果表明，大型智能环境测试舱各项运行参量都达到了目前国家检验标准的要求。
　　系统运行稳定后，对舱内空气样品进行取样，用去离子水来吸附甲醛，苯类及TVOC由tenax活性炭管吸附，舱内有害物质本底值测定结果见表1。从表1可以看出，大型环境测试舱内有害物质本底值很低，完全符合目前国家检验标准要求。
　　6 结论
　　根据测试结果，大型环境测试舱体积5～30 m3可调;测试舱内的温度、湿度以及舱内风速在标准要求范围内可调;空气交换率（0～1.0）次/h±0.05次/h可调;空气流速0.1～0.5 m/s可调;舱内温度（15.0～45.0） ℃±1.0 ℃可调;相对湿度（30.0～90.0）%±4.0%可调;气密性1 Pa以上正压（工作中）;系统稳定后有害物质本底值（PPb）甲醛≤6，TVOC≤25，氨≤10，氡≤10，苯类≤6。基本满足现行国家检验标准的要求，即可实现对整体家具的甲醛会发量等项目进行连续、周期性检验。
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