家用電磁加熱器具能效檢測裝置的構想

趙介軍 過峰 聶義 霍大云 謝耀聰 俞建峰

摘 要：目前我國電磁加熱器具能效的檢測技術無法同時測量多個參數(shù)，且人工參與環(huán)節(jié)較多，檢測效率及準確度較低，因此有必要加強電磁加熱器具能效檢測的多參數(shù)和自動化操作過程。文中擬建立多元數(shù)據(jù)平臺，對電磁灶、微波爐的能效進行全面自動檢測，可同時收集多個參數(shù)，并通過PLC控制實現(xiàn)設備自動化運行，避免過多的人工操作對實驗數(shù)據(jù)形成干擾，提高測試準確性。同時，將各種參數(shù)采集到信息處理系統(tǒng)，信息處理系統(tǒng)以國家現(xiàn)有標準為依據(jù)，準確評估電磁爐、微波爐的能效指標，形成數(shù)據(jù)表格并輸出，上傳至數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)資源共享。

關鍵詞：電磁灶；微波爐；多參數(shù)；自動檢測

中圖分類號：TP39 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2018）07-0-05

0 引 言

我國全國人大常委會批準我國加入《巴黎氣候變化協(xié)定》，表現(xiàn)出中國對全球應對氣候變化的強有力支持。習近平指出，氣候變化關乎人民福祉和人類未來。習近平強調，中國是負責任的發(fā)展中大國，是全球氣候治理的積極參與者。中國將落實創(chuàng)新、協(xié)調、綠色、開放、共享的發(fā)展理念，全面推進節(jié)能減排和低碳發(fā)展，邁向生態(tài)文明新時代[1]。

進一步加強節(jié)能減排工作是應對全球氣候變化的迫切需要。《中華人民共和國節(jié)約能源法》指出“節(jié)約資源是我國的基本國策。國家實施節(jié)約與開發(fā)并舉、把節(jié)約放在首位的能源發(fā)展戰(zhàn)略”[2]。

家用電器作為現(xiàn)代生活必不可少的一部分，中國已成為全球最大的家用電器生產(chǎn)和消費國之一，家用電器擁有量的迅速增長帶來了巨大的能源消耗問題，值得深入研究。2014年，居民家庭用電占全國總用電量的12.54%，其中電磁爐、微波爐等加熱做飯器具耗能占較大比例，因此提高家用電器的能效對于節(jié)能減排意義重大，世界各國都通過制定和實施能效標準、推廣能效標識制度來提高用能產(chǎn)品的能源效率，促進節(jié)能技術進步，進而減少有害物的排放。

目前，運用于電磁灶、微波爐能效的檢測儀器都只能獨立、單一地對某一項或兩項進行測試。檢測實施過程中人工參與環(huán)節(jié)較多，且無法同時對器具進行多元參數(shù)檢測[3，4]。此外，對某些參數(shù)的獨立檢測評估不能全面地檢測電磁爐、微波爐的能效。因此，本文為解決這些問題，擬建立多元數(shù)據(jù)平臺對電磁爐、微波爐進行全面的能效自動檢測，可同時采集多個參數(shù)，設備全程自動運行，避免過多的人工操作對實驗數(shù)據(jù)產(chǎn)生干擾，提高測試準確性。同時，將各種參數(shù)采集到信息處理系統(tǒng)，信息處理系統(tǒng)以國家現(xiàn)有標準為依據(jù)，準確評估電磁爐、微波爐的能效指標，形成數(shù)據(jù)表格并輸出，上傳至數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)資源共享。

1 微波爐能效檢測要求分析

根據(jù)GB 24849-2010《家用和類似用途微波爐能效限定值及能效等級》要求，微波爐的能效測試需要檢測其能效值、燒烤能耗值、待機和關機功率值[5-7]。本文擬建立的檢測系統(tǒng)硬件設備包括IPC，PLC，多通道記錄儀，功率計，溫度傳感器等，多通道記錄儀用于記錄溫度、質量參數(shù)，功率計用于測量輸入能量。

1.1 微波爐效率檢測

測試條件：

（1）該試驗在無強制對流空氣環(huán)境中進行，且環(huán)境溫度為20℃±5℃，相對濕度為45%～75%，被測微波爐放置在厚度約20 mm，涂有無光黑漆的膠合板水平板上；

（2）微波爐電源電壓為220 V（±1%），頻率為50 Hz（±0.2%），諧波失真不超過5%；

（3）測量水溫的熱電偶線徑不超過0.3 mm，在0～100℃溫度范圍內準確率為±0.1℃[8]；

（4）電壓表、功率計準確度誤差為±1%，電子稱準確度誤差為±0.5%，計時器準確度誤差為±0.5%。

測試步驟：

（1）準備相應規(guī)格的圓柱形硼硅玻璃器皿，該器皿的質量為mc，溫度為室溫T0，稱量溫度為（10±1）℃，質量mw為（1 000±5） g的水；

（2）設置溫度傳感器，記錄初始水溫為T1，并通過控制PLC啟動微波爐測試；

（3）水溫達到（20±2）℃時，PLC動作，斷開電源，通過多通道記錄儀和功率計記錄測試時間t和輸入能量Win，并測量60 s內的最高水溫T2，上傳至上位機，結束測試。

微波爐的輸出功率P和效率η通過上位機的程序計算得到，功率計算公式見式（1），效率計算公式見式（2）：

參照表1，根據(jù)所測得的效率η，程序自動評定被測微波爐的能效等級，生成報告。

微波爐效率檢測流程如圖1所示。

1.2 微波爐燒烤耗能值檢測

測試條件：

（1）該試驗在無強制對流空氣環(huán)境中進行，且環(huán)境溫度為20℃±5℃，相對濕度為45%～75%，被測微波爐按照說明書進行安裝；

（2）微波爐電源電壓為220 V（±1%），頻率為50 Hz（±0.2%），諧波失真不超過5%；

（3）測量水溫的熱電偶線徑不超過0.3 mm，在0～100℃溫度范圍內準確率誤差為±0.5℃；

（4）電壓表、功率計準確度誤差為±1%，計時器準確度誤差為±1%。

測試步驟：

（1）器具內放置熱電偶，用于測量腔體內的平均溫度，記錄初始溫度T1；

（2）控制PLC啟動微波爐，調到燒烤模式，進行測試；

（3）5 min后由PLC控制微波爐停止運作，系統(tǒng)記錄內部溫度T2和測試消耗能量E，結束測試[9]。

微波爐燒烤能耗Wc通過程序計算得到，見式（3）：

根據(jù)GB 24849-2010要求，燒烤能耗應滿足Wc≤1.4 W·h。

1.3 微波爐待機和關機功耗檢測

測試條件：

（1）該試驗在無強制對流空氣環(huán)境中進行，且環(huán)境溫度為（20±5）℃，相對濕度為45%～75%，被測微波爐放置在厚度約20 mm，涂有無光黑漆的膠合板水平板上，至少放置

6 h以使器具整體溫度達到環(huán)境溫度；

（2）微波爐電源電壓為220 V（±1%），頻率為50 Hz（±1%），諧波失真不超過2%；

（3）測量水溫的熱電偶線徑不超過0.3 mm，在0～100℃溫度范圍內準確率誤差為±0.5℃；

（4）電壓表、功率計準確度誤差為±1%，計時器準確度誤差為±1%。

測試步驟：

（1）將微波爐設置成待機或關機模式；

（2）測試5 min，功率穩(wěn)定（波動小于5%），則通過功率計直接記錄待機或關機功率值，上傳至上位機；

（3）測試5 min，功率不穩(wěn)定，繼續(xù)測試一段時間。

方法一：取一個真平均功率為待機或關機功率值；

方法二：用累計能耗和測試時間計算待機或關機功率值[10]。

根據(jù)GB 24849-2010要求，關機和待機功耗應小于或等于0.5 W，在待機模式具有信息或狀態(tài)顯示的微波爐，待機功率應不大于1 W。

2 電磁灶能效檢測要求分析

根據(jù)GB 21456-2014《家用電磁灶能效限定值及能效等級》要求，電磁灶的能效測試需要檢測其熱效率、待機狀態(tài)功率，熱效率測試需要用到標準鍋，標準鍋應滿足GB 21456-2014附錄A中的要求[11]。

2.1 電磁灶熱效率檢測

測試條件：

（1）該試驗在無強制對流空氣環(huán)境中進行，且環(huán)境溫度為（20±2）℃，相對濕度為45%～85%，大氣壓力范圍為86 ～106 kPa；

（2）電磁爐電源電壓為220 V（±1%），頻率為（50±1）Hz，諧波失真不超過3%；

（3）測量水溫的熱電偶線徑不超過0.3 mm，在0～100℃溫度范圍內準確率誤差為±0.1℃；

（4）電壓表、功率計準確度為±1%，質量測量分辨力不大于5 g，計時器準確度誤差為±2 s/h。

測試步驟：

（1）測量加蓋標準鍋的質量m2，并稱量溫度為（15±1）℃、質量為m1的水，水的質量根據(jù)表2添加；

（2）設置溫度傳感器，記錄初始溫度T1，PLC動作，啟動電磁灶開始測試，一段時間后停止測試，記錄電能消耗E，1 min后讀取最高溫度值T2，溫升?t在（75±1）℃內有效；

（3）自動重復兩次上述過程，熱效率取三次測試的平均值，結束測試。

電磁灶熱效率η（單位：%）通過程序計算得到，計算公式見式（4）：

電磁灶的熱效率檢測流程如圖2所示。

2.2 電磁灶待機功率檢測

測試條件：

（1）該試驗在無強制對流空氣且環(huán)境溫度為20℃±2℃，相對濕度為45%～85%，大氣壓力為86～106 kPa的場所進行；

（2）電磁爐電源為電壓220 V（±1%），頻率為（50±1）Hz，諧波失真不超過3%；

（3）電壓表、功率計準確度誤差為±1%，計時器準確度誤差為±2 s/h。

測試步驟：

（1）待測電磁灶以額定電壓供電，處于功耗最大的待機狀態(tài)；

（2）功率計測量穩(wěn)定，大約90 min后開始檢測，上傳數(shù)據(jù)；

（3）記錄測量時間t和耗電量E，測試結束。

程序按式（5）計算待機平均功率：

參照表3和表4，根據(jù)所測得的熱效率η和待機功率P，程序自動評定被測微波爐的能效等級，生成報告。

3 電磁加熱器具能效檢測系統(tǒng)構建

針對現(xiàn)有電磁加熱器具檢測技術的缺陷，本研究結合國家標準要求，優(yōu)化測試流程，確定計算評估研究模型，擬建立基于多元數(shù)據(jù)平臺的智能檢測系統(tǒng)，可同時對微波爐、電磁灶的多元參數(shù)進行能效檢測，系統(tǒng)硬件組成如圖3所示。PLC用于控制電磁加熱器具的啟動和停止，多通道記錄儀用于記錄所測得的溫度值和質量值，功率計用于記錄輸入的功率和能耗，它們與電腦之間可相互通信，PC端應用程序控制設備并讀取相應的數(shù)據(jù)[12，13]。

軟件方面，本研究設計了基于Visual Basic程序開發(fā)軟件的檢測程序以及源于國家標準的計算評估數(shù)學模型。利用VB程序控制PLC實現(xiàn)整個檢測過程的自動化，PLC主要用于實現(xiàn)測試過程中電磁灶、微波爐的通斷功能[14]。該系統(tǒng)通過應用軟件實現(xiàn)可視化顯示技術，研究水溫變化、時間變化、質量參數(shù)、消耗電能等多元數(shù)據(jù)，并依據(jù)檢測數(shù)據(jù)結果，計算出最終的能效等級，如圖4所示。

檢測系統(tǒng)全程自動化測試，參數(shù)自動檢測存儲并生成報告，完成數(shù)據(jù)庫建設，實現(xiàn)實驗室參數(shù)測試儀器和PC端局域網(wǎng)與數(shù)據(jù)庫共享功能，如圖5所示[15]。

檢測系統(tǒng)構建采取以下技術路線：

（1）基于多參數(shù)可視化和高精度數(shù)據(jù)采集和轉化的研究方案

按國家標準要求，集成多種試驗所需測試過程，結合多信息辨識理論、數(shù)字化顯示方法，依托先進的信息采集與轉換裝置，采集高精度目標數(shù)據(jù)，通過比對獲取的各項數(shù)據(jù)，修正多個參數(shù)的準確性。通過在線數(shù)據(jù)辨識，進行數(shù)值仿真計算分析，得出能效測試所需的穩(wěn)定數(shù)據(jù)。

（2）基于檢測自動化實施和結果智能評估系統(tǒng)的方案研究

參照國家標準，優(yōu)化測試流程，對測試過程實現(xiàn)標準化，將動態(tài)集成檢測方法應用到檢測系統(tǒng)控制器，以國家標準為根本依據(jù)，結合以往的參數(shù)標準，對各參數(shù)的關聯(lián)性進行分析，從而得出全面、綜合的結果。

（3）構建大數(shù)據(jù)研究體系實現(xiàn)用戶在線查詢能力研究方案

建立結果遠程可查詢功能，在產(chǎn)品自動檢測后，建立數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫是為眾多用戶可共享其信息而建立的，擺脫了具體程序的限制和制約，用戶可以同時共享數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)資源。

（4）建立測試過程自動化實施的軟件控制系統(tǒng)方案

基于最新的物聯(lián)網(wǎng)技術，以PC作為處理平臺的控制系統(tǒng)編制多任務軟件系統(tǒng)，根據(jù)需求分析階段確定的功能設計軟件系統(tǒng)的整體結構、劃分功能模塊，確定每個模塊的實現(xiàn)算法以及編寫具體的代碼，形成軟件的具體設計。實現(xiàn)流程自動控制，并具備簡便、可靠、經(jīng)濟、適用等特點。

技術路線示意圖如圖6所示。

4 結 語

本文提供的家用電磁加熱器具能效檢測系統(tǒng)能夠對電磁灶、微波爐進行全面的能效檢測，可以同時對多個參數(shù)進行高精度數(shù)據(jù)采集，并通過全程軟件控制實現(xiàn)檢測過程的自動化以及結果自動評估的智能化，測試效率高、自動化程度高、檢測準確度高、標準符合性強，實現(xiàn)了家用電磁加熱器具產(chǎn)品能效檢測的快速實施、減少了人為干預因素、節(jié)約了人力資源、提高了數(shù)據(jù)準確性。

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