基于半導體制冷技術的電熱水壺防干燒自動測試機

徐蓓蓓，孫 文，梁澄波，王士杰

（1.深圳出入境檢驗檢疫局，深圳 518067；2.沈陽出入境檢驗檢疫局，沈陽 110000）

0 引言

近年來，精美實用和方便快捷的自動控制型電熱水壺走進了千家萬戶。正因為它與我們日常生活息息相關，其功能性和安全性更加受到了標準和檢測機構的重視。國際標準IEC60335-2-15和我國國家標準GB 4706.19中均明確規定，對帶有2個自復位熱斷路器的電熱水壺，應進行熱斷路器的壽命和可靠性測試。目前，該測試項目都是采用人工方式，存在著測試隨意性大、重復性差和測試效率低等問題。

本文提出的設備結合半導體制冷原理，采用先進的PLC控制等自動控制技術，為檢測機構提供了完美的全自動解決方案。

1 測試要求

針對帶有2個自復位熱斷路器的電水壺，為了檢驗其可靠性及耐久性，標準IEC60335-2-15第19.102條款規定，將器具其中之一熱斷路器短路后進行干燒試驗。在另一個熱斷路器動作后的2 s時間內，在電水壺中注入溫度為(15±5)℃的水。1 min后將電水壺中的水倒掉。試驗進行100次，并在試驗過程中按照19.13的要求，監測溫度變化。

2 結構設計及工作原理

本電熱水壺防干燒自動測試機的設計秉承無氟環保和方便應用的理念，進行了結構設計和主要工作模式的選擇。設備主要分為三個部分。

2.1 恒溫供水

本部分由水箱、溫度傳感恒溫裝置、注水泵、注水管等部件組成；其中:

水箱采用“大容積水箱+小容積恒溫箱”的方式對試驗用水進行循環利用，既能節約用水，又能提高調節水溫控制速度；

溫度傳感器采用日本松下KT4溫控器，松下溫控器KT4儀表是一種高精度、低價格的單回路PID調節器，它采用了最先進的加熱冷卻雙PID算法，無超調，無欠調，可設定多種報警方式，具有輸入用戶自由組態、雙設定值、手自動功能、通訊功能、回路斷線報警等功能，被廣泛應用于儀器設備溫度控制；

為了使得試驗水溫持續保持在標準規定范圍內，并盡量減小設備對試驗環境的影響，本設備采用半導體制冷技術實現恒溫控制。

半導體制冷片由兩片陶瓷片和夾于其間的N型和P型半導體材料（碲化鉍）組成如圖1所示，其工作運轉是用直流電流，通過改變直流電流的極性可在同一制冷片上實現制冷或加熱兩種功能，另外，半導體制冷片不需要任何制冷劑，可連續工作，沒有污染源沒有旋轉部件，不會產生回轉效應，半導體制冷片工作時還具有無震動、無噪音、壽命長，功耗小和安裝容易等優點。

當然，半導體制冷片也具有熱面溫度越高、冷熱端溫差越大、制冷量越小和效率越低這一特點（隨著半導體制冷器件制造技術的不斷提高，備定量送水提供了很大便利。

測試時，將KT4主控制設定值設為試驗要求數值15.0℃，溫度上下限值皆為5.0℃，將其監控輸入類型設為鉑電阻Pt100溫控模式，并與半導體制冷片構成控制連接狀態，如此，溫控器根據監測鉑電阻阻值測出水的當前溫度，并根據設定的PID值，對半導體制冷片的工作電流進行控制，從而調節水溫，使得小容積水箱內實驗用水恒定在(15±5)℃。已經可以實現高達68℃的溫差），為了提高半導體制冷片工作效率，本設備對半導制冷片導冷及散熱方面都做了特別設計，如圖2所示。

圖1 半導體制冷片結構

圖2 半導體散熱結構

在制冷片制冷端使用導熱膠緊貼導溫效果良好的鋁合金板，并在鋁合金板內部設有迷宮式的水路，使得試驗用水流經其內部時候盡可能的增大與金屬的接觸面積，另外在制冷片發熱端同樣使用導熱膠緊貼肋片式散熱器，如圖3所示，并在其外添加強力風扇，以有效降低半導體制冷片熱端溫度，減小其冷熱端溫差，大大提高半導體制冷片的工作效率。

圖3 散熱器

注水泵采用臺灣鄧元工業TPY-2500型自吸水泵，采用隔膜式設計,具有很高穩定度性能，為設

2.2 注水傾倒

本部分由機械手、機械臂、驅動電機及控制電路等部件組成。其中：

由于測試樣品形狀、大小的多樣化（大致分為直筒形、梯形和圓球形三種類型），且在測試過程中，不僅要將壺身抱起，還要將它傾倒160～180°，以確保倒空壺中的水，因此，為了確保機械手的普遍適用性，本設備設計為用一個支架托住壺身和底座，旋轉180°，以保證試驗過程順利完成；

本設備的控制電路采用日本松下GT11觸摸屏模塊和PLC控制模塊對測試參數按標準要求進行設置，并能將各測試參數及結果顯示在屏幕上，操作簡單、方便，顯示及時、準確；

驅動電機采用70YCJT-15/4型電容運轉電機，具用大負載量，轉速穩定等特點，確保平穩、準確的通過機械臂將支架連同樣品同時翻轉180度倒空壺中的水并復位。

圖4 工作流程圖

測試時，首先通過觸屏對測試用試樣容積、等待時間、通電次數及試驗次數等進行設置后啟動測試，具體工作流程如圖4所示，受試樣品在將其一自復位熱斷路器短路情況下進行通電，當另一熱斷路器動作后，PLC接收到電路斷路這一信息，通過分析和處理，在熱斷路器動作2 s內輸出控制信號控制，控制水泵吸出預先設定的試驗用水倒入壺內，并在1 min后控制驅動電機轉動機械臂將電水壺中的水倒掉后回復原狀態進行下一次試驗，如此重復進行預先設定的次數為止。

2.3 溫升測試

標準要求，在整個試驗過程中，應監測器具電源軟線和測試角底板的溫升，不超過標準要求的數值。因此，本設備還另外加裝了8通道溫度記錄儀和測試角，可以實時監測和記錄試驗過程中電源軟線、測試角邊壁和測試角底板等的溫升變化。

3 測試方法

在試驗開始前，首先對需測量溫度的點布置熱電偶，檢查溫度巡檢儀通道是否正常；根據樣品大小、形狀調節機械手，將樣品可靠的固定在測試平臺上。

對設備進行設置。根據標準要求及樣品實際情況，對通電次數、試驗水溫、注水量等進行設置，確認儀表上顯示的水溫是否符合要求。溫度未達到要求時，即使啟動設備，設備也會報警。

啟動設備，開始試驗，設備將自動完成規定的測試循環并記錄全過程的溫度變化。

4 結束語

與以往測試方法相比，使用本電熱水壺防干燒自動測試機不僅滿足了標準對干燒測試的要求，而且具有一次設置，多次重復測試的優越性，達到了控制精度高、響應速度快、操作簡單方便的目的，提高了檢測工作的自動化水平及檢測效率。

[1] IEC60335-2-15: 2008.Household and similar electrical appliances—Safety—Part 2-15: Particular requirements for appliances for heating liquids.

[2] GB 4706.19-2008.家用和類似用途電器的安全液體加熱器的特殊要[S].