電器產品測試用供水系統的研制

王曉嶺，童朱玨，李慶豐，方藝，周徐寧

（浙江省質量檢測科學研究院，杭州 310013）

引言

電熱水器、洗衣機、洗碗機、電子坐便器、太陽能熱水器等與水源連接的家用電器在進行安全與性能測試時，試驗用水必須符合標準試驗條件的要求才能確保測試結果的準確有效，對于不同的產品和測試項目，標準對試驗用水的要求也不盡相同。如：快熱式熱水器性能測試，標準要求提供進水溫度15±1℃、水壓穩定在0.3±0.01MPa，流量調整為按照額定加熱功率和溫升25℃情況下流量的90%時的流量；家用太陽能熱水器能效測試，則要求供水系統提供20±0.5℃的試驗用水。對于一些特殊產品除了對供水水溫、水壓有要求外，還對水質有較高的要求，如采用防電墻技術和使用裸露式電熱元件的電熱水器，標準[3][4]對試驗用水有導電率的要求；洗衣機的洗凈率等性能項目以及快熱式電熱水器水質適應性測試則對測試用水的硬度和pH值有很高的要求。當然，采用單一參數控制的多套供水裝置也能確保滿足完成這些測試的要求，但這樣實驗室需要針對單一參數和復合參數建立多套供水裝置，而實際上大部分時間很多供水裝置都處于停止運行的狀態，使用率和效率非常低，不經濟。建立一套與之匹配的符合標準要求的多功能多參數的高精度供水系統則更經濟，效率更高，且能滿足參數間的變化的控制要求，功能強大，更能滿足實驗室各種復雜的供水要求。本文研究匯總了各類家電產品檢測標準對試驗用水的要求，對提高測試用水的水溫、水壓、流量及水質調節的精確性和穩定性進行了研究。設計方案分以下兩個方面：

裝置總體設計方案主要包括兩大系統，即自動恒溫恒壓供水系統和自動水質調節系統。裝置的具體技術要求如下:水溫控制范圍：5～60℃,出水溫度波動不大于±0.2℃,水壓變化范圍0.1～0.6MPa±0.01MPa，軟化水指標達到：鈣鹽和鎂鹽含量小于50mg/L，硬度調節范圍：0～300mg/L，電阻率的調節范圍0～1500Ωcm，pH可調，供水量：0～1.6m3/h。系統總框架如圖1所示。

1 自動恒溫恒壓供水系統方案設計

1.1 自動恒溫恒壓供水系統的組成

自動恒溫恒壓供水系統主要包括以下幾個部分組成：保溫水箱、電加熱器、制冷機組、PID調節儀、固態繼電器、PLC、鉑電阻溫度傳感器、循環水泵、變頻水泵、電動調節閥等。整個系統分為兩個子系統：第一子系統為水溫調節系統，主要有電加熱器、壓縮機、風冷冷凝器、電子膨脹閥、蒸發器、鉑電阻溫度傳感器等組成，利用鉑電阻溫度傳感器、PLC對電加熱器、制冷機組的控制，通過循環水泵實現保溫水箱里的水與蒸發器及加熱器進行換熱，使水溫變得均勻穩定。第二子系統為水壓及流量調節系統，主要由變頻水泵、壓力傳感器、PID調節控制儀控制和電動調節閥組成。本系統框架如圖1右側上半部分所示。

1.2 自動恒溫恒壓供水系統控制方案

自動恒溫恒壓供水系統在控制上可分為溫度控制系統、壓力控制系統和流量控制系統。溫度控制系統主要由溫度采集模塊對保溫水箱的水溫進行測量采集，通過制冷系統，使保溫水箱的水降溫，而加熱系統由PI D控制可控硅調節輸出功率，系統通過這種采用調節熱源百分比和冷源相互作用的方法來提高控制精度，使溫度波動范圍不超過±0.2℃溫度。圖2(a)為溫度控制系統圖。壓力控制系統由PLC可編程控制器、變頻器、水泵電機組、壓力傳感器等構成。通過壓力傳感器采樣管網壓力信號，變頻器輸出電機頻率信號，這兩個信號反饋給PLC的PID模塊，根據這兩個信號經模糊控制運算，發出控制信號，調節水泵電機的轉速，控制壓力，達到恒壓控制的目的。控制系統如圖2(b)所示。流量控制系統的執行器由PID調節控制儀、流量計、電動調節閥等組成。供水時，把被試機需要的供水量設定到PID調節控制儀中，通過流量計測出當前流量值，反饋到PID調節控制儀中，如果當前供水量比設定供水量要小，則PID調節控制儀控制增大電動閥開度，增大供水量。如果當前供水量比設定供水量要大，減小電動閥開度，減少供水量，使供水量達到設定值，控制系統如圖2(c)所示。顯然，對于整個系統各參數之間的關系，這是一個關聯系統。如果在保持水壓不變的情況下，輸出流量一旦發生變化，則會導致整個系統的控制參數都發生變化。這就要求控制系統中PID的控制不是三個孤立的控制器，而是整個系統統一執行的控制方案。這樣才能在輸出發生變化時，整個系統能夠迅速做出合理的調整方案，使系統迅速達到穩定，保證正常供水。

圖1

1.3 自動水質調節系統方案設計

自動水質調節系統硬件組成主要包括以下幾個部分組成：軟水系統、導電率及pH值調節系統、硬度調節供水系統。其中軟水系統主要是應用離子交換技術，通過樹脂上的功能離子與水中的鈣、鎂離子進行交換，吸附水中多余的鈣、鎂離子，從而達到軟化水質的目的。該系統帶自動過濾，自動軟水、自動再生功能，經軟水處理后硬度小于50 mg/L，可滿足洗衣機性能標準[1]對試驗用水的要求。對水質硬度進行調節主要是針對快熱式熱水器性能標準[2]中水質適應性能試驗項目要求進行設計，該試驗項目考核產品使用一定硬度的水連續工作100h后加熱效率的降低和電熱管表面的結垢程度，由于試驗時隨著試驗的進行，水會使熱水器的發熱元件和容器內膽表面結垢，導致水質硬度降低，逐漸偏離試驗要求的2.5mmol/L，造成試驗誤差。因此水質硬度應實時調節。而對于使用裸露式電熱元件和采用防電墻技術的電熱水器在進行安全性能測試時，標準[3][4]對試驗用水除了有溫度的要求，還對水的電阻率有要求，如采用防電墻技術的儲水式熱水器試驗用水水溫為25℃±5℃，電阻率為1250±50Ωcm。自動水質調節系統框架如圖1左側及右側下半部分所示。

圖2

目前大多數實驗室對供水系統的硬度、電阻率、pH值等水質指標的調節采用的大多是通過人工手動加藥及手動測定的方法來實現，但在實際操作時由于水箱濃度不均勻，往往不能滿足試驗連續穩定供水要求。針對此問題，水質調節系統設計了在線監控、自動加藥的控制系統，實現了供水系統的水質調節自動控制。以試驗用水電阻率控制為例，實時測量調節系統控制流程見圖3，其控制的流程為：通過對水箱中的電導率值進行在線測量，并與給定值進行比較，再經控制系統PID運算后，通過變頻器控制加藥計量泵，從而實時控制試驗用水的加藥量(所加藥物為高濃度磷酸銨溶液)，使試驗用水的電阻率保持在標準允許的范圍內。該系統控制部分分為PID調節器、執行器、被控制對象及水電阻率在線測定4部分。其中，調節器由PID和相應控制軟件組成，執行器由變頻器、計量泵組成，被控制對象為容器中的水的電導率值，水電阻率測定由傳感器、變送器組成。系統PID調節儀采用自校正PID控制器，用最小二乘法來調整控制量的參數變化，將自校正的控制思想及算法和常用PID控制相結合解決在動態時變供水系統中，控制作用不及時，及引起系統產生超調或振蕩，系統控制精度不高問題。

2 結束語

圖3

本文介紹的高精度多參數供水系統，能夠滿足所有與水源連接家電產品的測試需要，實踐證明該系統運行可靠能夠實現多參數的自動調節。特別是在水質控制方面，設計了基于自校正PID控制自動加藥系統可滿足電阻率、pH值、硬度等水質指標的在線監控，解決了以往手動控制難以保證水質指標穩定的問題，能夠大大降低人工勞動強度，減少人為的誤差，提高了檢測效率及檢測結果的準確性。

[1] GB/T 4288—2008，家用和類似用途電動洗衣機[S].

[2] GB/T 26185-2010，快熱式熱水器[S].

[3] GB 4706.12-2006，家用和類似用途電器的安全儲水式熱水器的特殊要求[S].

[4] GB 4706.11-2008，家用和類似用途電器的安全快熱式熱水器的特殊要求[S].

[5] 王騰東、李瑛等.高精度恒溫水供水裝置的研制[J].家用電器科技，2011，9（2）.