储水式电热水器性能检测多元数据采集装置研制

过峰，聂义，赵介军，俞建峰

（1.江苏出入境检验检疫局机电产品及车辆检测中心，江苏 无锡 214174；2.江南大学机械工程学院，江苏 无锡 214122）

0 引言

当前，世界各国对家电产品的使用性能提出了更高的要求，例如：出口欧盟的产品必须通过CE或GS认证，出口美国的产品必须通过UL认证等。与此同时，随着国家节能政策的实施和相关标准的强制规定，对储水式电热水器的整体性能指标提出了越来越高的要求。这就在客观上一方面要求生产企业在设计、生产、出厂检验产品阶段必须严格地按照标准进行各项工作，另一方面要求检验机构的检测方法、检测手段和检测仪器等必须更加科学和规范。而目前储水式热水器的能效与安全的检测仪器与技术都只能单一地、不连续地对储水式电热水器的相关性能指标进行检测，换而言之就是一次只能检测一种参数或者多种参数不能连续同时完成检测。因此，目前急需一种将现代微电子技术、计算机技术、虚拟仪器技术、信息技术、人工智能技术和数据库管理技术结合在一起的、能够对被测样品自动进行检测的多元数据采集装置。

1 储水式电热水器的性能检测要求

储水式电热水器较为主要的性能指标有：24 h固有能耗系数、热水输出率、防沸腾指标和热断路器动作出水温度等[1-3]。24 h固有能耗系数是从保温性能的角度对储水式电热水器进行检测评估，热水出水率是从出水性能的角度对储水式电热水器进行检测评估，防沸腾指标及热断路器动作出水温度是从使用者安全的角度对储水式电热水器进行检测评估。目前，24 h固有能耗和热水输出率的测试方法主要引自于IEC 60379《储水式电热水器性能测试方法》，我国也引用了该方法并形成了GB 20289-2006《储水式电热水器》和GB 21519-2008《储水式电热水器能效限定值及能效等级》标准。防沸腾指标和热断路器动作出水温度的测试方法主要引自于GB 4706.12-2006。国内目前对于储水式热水器产品，不管是企业自测还是实验室认证检测都主要按照3个标准进行，即：GB 4706.12-2006《家用和类似用途电器的安全储水式电热水器的特殊要求》、GB 20289-2006 《储水式电热水器》和GB 21519-2008 《储水式电热水器能效限定值及能效等级》。其中，后两项标准对于企业产品的市场竞争力有着更为重要的作用[4]。

2 装置的总体构思

基于PC机的虚拟仪器技术解决在线快速计算问题，建立多元数据处理模型，分析检测过程中产生的参数数据之间的关联性。在多元数据采集的基础上，结合多参数综合分析的方法，从多参数在线辨识、多元数据融合与评估、多元数据的采集和结果评判等3个方面实现对储水式电热水器能效的快速、全面检测，提高测试的效率和自动化程度。装置的构思框图如图1所示，模型框图如图2所示。

图1 构思框图

图2 装置模型框图

3 测试逻辑流程设计

24 h固有能耗系数测试逻辑流程设计如图3所示，热水输出率测试逻辑流程设计如图4所示，防沸腾指标测试逻辑流程设计如图5所示，热断路器动作出水温度测试逻辑流程设计如图6所示。

4 测控系统的组成

图3 24 h固有能耗系数测试逻辑流程

图4 热水输出率测试逻辑流程

图5 防沸腾指标测试逻辑流程

图6 热断路器动作出水温度测试逻辑流程

测控系统主要包含以下几个重要部件：工控机、显示屏、PLC、数字功率计和多通道记录仪等。测控系统共分为控制、设备和参数3个层面，控制层面主要由工业显示屏、上位机和下位机组成；设备层面主要包含具有信号采集存储功能的多通道记录仪，具有测量电压、电流和功率等电参量功能的数字功率计，还包含电热水器、水泵等被控制设备；参数层面主要是指完成4个检测指标所需要测量的参数的采集，主要是实现水温、电流、流量和流速等性能参数的自动检测采集。测控示意图如图7所示。

图7 测控示意图

5 装置硬件的组成

装置硬件的结构主要包含测试的机械装备、相关元件和电气测量设备。机械装备包含冷水机、水力输送装备 （水泵）、待测试电热水器、存水箱和电气控制柜；相关元件则为多路热电偶、电磁阀、流量计、温湿度仪、压力计和手动阀等管道配件；电气测量设备包含工控机、工业显示屏、横河功率计、多通道记录仪和PLC等工业常用的测试设备。其中，在进水管路与出水管路，采用K型热电偶来检测进出水温度；在筒体两端及筒身中部布置5路热电偶来检测热水器温度 （双容器测试时则需要10路热电偶），并布置1路热电偶检测环境温度；在出水管路布置流量计来检测出水流速；8路/13路热电偶所测定的温度信号输入到多通道数据记录仪，并传输到工控机中，由工控机对其进行处理存储；流量计、功率计的电参量数据也都输入至工控机。装置的工作原理如图8所示。

图8 装置的工作原理

6 测试软件的设计

软件设计从测试需求出发，根据需求分析结果来确定功能设计软件的整体结构、划分功能模块、确定每个模块的实现算法和编写具体的代码，形成软件的具体设计方案。软件主要由VB 6.0的上位机测量程序、PLC下位机控制程序和SQL Server 2008数据库管理组成。其中，PLC程序主要通过对开关量的控制实现对电子电气设备的通断控制。VB 6.0程序主要是通过串口通讯协议实现对控制指令的发出，对测量数据的采集、存储和分析处理。SQL Server 2008数据库管理主要是对上位机软件采集的数据进行后台实时存储与实时调用。上位机软件主要包含五大功能模块，即：用户登录、参数设置、24 h固有能耗系数、热水出水率和辅助功能测试 （防沸腾性能和热断路器）等模块。

以24 h固有能耗系数测试为例，形成的自动测试流程如图9所示。

图9 自动测试流程举例

7 主要部件的选用

a）测试仓

测试仓内置有测试台架、空调、风道和水路管道，其应满足空气流速不大于0.25 m/s，环境温度为 （20±2）℃，相对湿度不超过85%等要求。根据一般经验，测试仓宜采用框架结构。测试仓内应设计空气处理系统，通过风管来分配空气的强制式冷热风调节和通风系统。测试仓内空调制冷量的计算方法如下[5]：

式（1）中：Q1——室内设备总负荷；

Q2——环境热负荷（0.14～0.18 kW/m2×测试房面积）。

b）冷水机

冷水机由压缩机、冷凝器、蒸发器和膨胀阀4个主要部分组成，其工作原理与空气调节类似。冷水机组的制冷量计算如下：

式（2）中：Q0——冷却水的流量，因为要求规定供水流量在 2～20 L/min之间，所以冷却水流量取Q0=20 L/min=L/s；

4.187——水的基本比热容为4 187 J/（kg·℃）；

Δt——冷水机进水与出水之间的温度差，根据要求，通常选择温差为20℃；

f——风冷式冷水机的制冷系数，通常取f=1.3。

所以总制冷量Qt=×4.187×20×1.3=36.29 W。根据计算所得到的制冷量来选择合适的冷水机组。

c）工控机

机箱应采用钢结构，具有较高的防磁、防尘和防冲击的能力；箱内应有专用底板，底板上有PCI和ISA插槽；箱内应有专门的电源，电源应有较强的抗干扰能力；应具备连续长时间工作能力等。结合设计要求，可选用研华科技的IPC-610-L型工控机。

d）PLC

本装置对PLC的输入为：电热水器电源通断、蜂鸣器的通断和电磁阀的通断。基于需求分析结果，本装置可选用欧姆龙公司的型号为CP1HX40DT-D的PLC。

e）多通道记录仪

本装置采用多通道记录仪，其可接收热电偶、热电阻、电流和电压等多种输入信号；具备多路模拟量变送输出通道，具有0～10 mA、4～20 mA和0～20 mA 3种输出信号供选择；支持24 V配电输出、大容量FLASH历史数据存储、RS-232或隔离的RS-485等通讯，本装置采用34972A多通道记录仪，并配备34901高速数据采集卡，实现对温度、压力等参量的在线监控[6]。

f）数字功率计

本装置采用YOKOGAWA公司的WT310E，实现电热水器测试电参量的在线监控，电参量主要包含电压、电流、功率因素和能耗等。

g）热电偶

我国现行的热电偶和热电阻全部按IEC国际标准生产，并指定S、B、E、K、R、J、T 7种标准化热电偶，本装置可选用K型热电偶。

h）增压泵

可以源源不断地为热水器提供恒温冷水，保证随时可以进水。在供水过程中，冷水箱内 （15±2）℃的冷却水在增压泵的作用下被输送至储水式电热水器中。进水管道在泵机增压之后，还需要设置安全阀，以防止管道内压力过大。增压泵应必须保证供水流量能够达到20 L/min，供水水压能够达到0.8 MPa。

i）电磁阀

根据管道、压力和动作方式等特征，本装置可选择亚德客型号为2W050-15-B的两位两通直动式电磁阀。

j）流量计

电子流量计可使得控制人员能够远程实时获取生产现场的流量数据和历史数据。根据测控的特点，结合测试的流量需求，可选择型号为LWGY-15-I-W-C1的卡箍快装式流量计。

8 结束语

本文所介绍的检测装置，可对储水式电热水器的相关参数指标进行监测分析，可依托于标准要求对分析、处理采集到的数据绘制出各参数的数据曲线并自动判定检测结果，能够大大地提高检测效率，降低检测操作强度。该装置可为储水式电热水器在产品研发、产品定型和产品认证等方面提供性能检测服务，具有广泛的推广应用价值。