全自動家電溢水試驗設備的研制

余姚出入境檢驗檢疫局 胡 哲 葉亦旭 盧自強

全自動家電溢水試驗設備的研制

余姚出入境檢驗檢疫局 胡 哲 葉亦旭 盧自強

本文通過對家用電器安全標準所涉及的各類溢水試驗進行歸納，分析了目前普遍采用的測試方法，提出了對家電溢水試驗進行自動測試的技術方案，總結了研制該設備的關鍵技術和成果，并提出后續技術改進意見，為進一步提高該項目測試的規范性、準確性提供參考。

家用電器；溢水試驗；自動測試

1 前言

在各類家用電器中,有些是以液體為工作介質的,如電熱水壺、咖啡機、電飯鍋、食品攪拌機、油炸鍋等等,這些器具中的水、蔬菜水果的汁液、食用油等液體均具有導電性。如不采取正確的設計和防護措施,在家電的使用過程中則有可能發生人身觸電和電路短路的危險。溢水試驗是指在家電安全測試中,對正常使用中有可能產生液體溢出的器具,通過注入大于其額定容量的液體,使液體從器具中溢出,進而考核這類盛裝液體的家電結構是否會影響器具電氣絕緣性能的一項測試。本文通過對標準的理解及現有測試方法的分析,研制了一種全自動溢水試驗設備,該溢水試驗設備采用自動化設備代替人工操作,不僅能提高測試效率,而且減少手動操作的隨意性,增加試驗的可重復性。

2 標準要求及測試現狀

家用電器安全標準—IEC 60335-1∶2010(Household and similar electrical appliances-Safety-Part 1∶General requirements)以及GB4706.1-2005(家用和類似用途電器的安全第1部分:通用要求)中15.2條款對正常使用中有可能產生液體溢出的家用電器規定了考核方法,具體為:將器具的液體容器用約含1%氯化鈉的水溶液充滿,然后,再用等于容器容量的15%,或是0.25L同濃度多余1%氯化鈉水溶液,兩者中取量多者,在1min時間內持續地注入容器。然后,器具應經受16.3的電氣強度試驗,并且視檢應表明在絕緣上沒有能導致爬電距離和電氣間隙降低到低于第29章中規定限值的水跡[1]。另外,液體加熱器特殊標準—GB 4706.19和IEC 60335-2-15還增加了傾斜溢水以及測試樣品連接器基座溢水試驗[2]。

通過對相關標準要求的歸納,在家電溢水試驗中,大致可以分為以下幾類:

(1)將測試樣品的液體容器注滿1%氯化鈉水溶液,然后,再用等于容器容量的15%,或是0.25L同濃度多余1%氯化鈉水溶液,兩者中取量多者,在1min時間內持續地注入容器;

(2)將測試樣品的液體容器注滿1%氯化鈉水溶液,然后測試樣品偏離正常使用位置不超過5°,再用等于容器容量的15%,或是0.25L同濃度多余1%氯化鈉水溶液,兩者中取量多者,在1min時間內持續地注入容器;

(3)將測試樣品放置在一塊與水平成20°角的斜板上注入1%氯化鈉水溶液,如果水位標記在注水的位置能看得很清楚時,將1%的氧化鈉溶液注到最高水位的標記;沒有標記的,應注到容器中的水溢出為止。然后,盡快將額定容量15%的氧化鈉溶液注入容器中;

(4)測試樣品容器注入額定容積的水。將其置于與水平面成20°的平面上;

(5)將測試樣品放在水平面上,用含有1%氯化鈉的溶液30mL,通過內徑8mm、低端高于連接器200mm的管子,在2s內倒到測試樣品上。

顯然標準對使用中有可能產生液體溢出器具的考核還是比較詳細的,使得我們在進行測試時對標準條款的嚴格執行也頗為重要。

針對上述溢水試驗,目前在用的國內外同類測試的方法有下列幾種:

(1)全手工法:采用這個方法的比例最高。具體的測試方法為,通過手工進行溶液配比并攪勻,用水平尺對測試平臺進行水平校準,將測試樣品的容器用規定濃度的溶液先灌滿,再手持量杯將多余的液體用1min時間注入到測試樣品容器中,1min的時間采取秒表計時的方法進行。該方法的優點是簡單,便于操作,為目前絕大多數實驗室所采取,缺點是手工操作具有很大隨意性, 1min的注溶液很可能出現前半段時間注入的速率過快、注入的水量多,后半段注入慢、注入的量少,甚至不能達到標準持續注入的要求,手工難以控制,測試結果的重復性也不好。

(2)閥門法:有部分實驗室采用這個測試方法進行。在進行多余溶液1min時間注入到測試樣品容器中時,先采用帶閥門的漏斗,將多余的液體倒到漏斗內,通過調節閥門的大小到一個合適的孔徑,使漏斗內的液體剛好在1min內注入到容器中。采用閥門注入法的優點是當確定閥門大小后,在1min內能保證溶液穩定持續的注入容器中,避免了手工傾倒溶液的不確定性,缺點是,為確定閥門的大小,要進行數次的模擬注入試驗,比較費時,而且當注入溶液的容量不同時,閥門又必須重新調節大小,效率較低。

(3)半自動法:有部分設備廠家設計出半自動的溢水試驗裝置,相當于閥門法的改進,具有電磁閥自動接通和停止的功能,但不能根據溢水容量的大小自動調節溶液注入的速率,也不具備容器平臺角度自動可調功能。

基于上述對家電溢水試驗的理解和試驗設備的現狀,我們希望能夠制作一臺全自動溢水試驗設備,該溢水試驗設備采用自動化設備代替人工操作。近年來,由于測試理論的豐富、測試手段的進步、測試設備精度的提高以及自動測試設備和電子計算機在測試中的廣泛應用,控制技術有了較大的發展。隨著科技水平的進步,提高溢水試驗測試效率、降低操作人員勞動強度、提高測試精度和試驗質量勢在必行。

3 系統設計及技術路線

本試驗設備主要針對容積6升及以下家用電器的溢水試驗,單次溢水量在30-900mL之間,具有自動配置氯化鈉溶液,溢水速率可調,溢水高度可調,溢水角度可調等功能。

技術指標包括:

(1)可測試的測試樣品的最大容積為6L,單次最大溢水量為900mL,最小30mL;

(2)注水量及注水速率的準確度均控制在±1%以內;

(3)注水口高度可在距離測試臺面18cm-55cm之間自由調節,標尺精度0.5%;

(4)溢水臺面可實現水平至30度傾斜調整,角度準確度在±1°以內;

(5)溢水臺面與試驗設備絕緣,可以經受3750V, 50Hz的電壓1min不擊穿;

(6)設備可適配內徑8mm,長30mm的漏斗,可進行GB 4706.19/IEC 60335-2-15的30mL溢出試驗。

本試驗設備由4個主要組成部分:溶液配置機構;注液機構;被試樣品調節臺面及注液高度調節機構;測試控制機構。

(1)溶液配置機構。

溶液配置機構是將純凈水與氯化鈉顆粒按標準要求進行混合,配制成濃度為1%的Nacl水溶液,用于溢水試驗。

溶液配置機構由純水箱、鹽水箱、水泵、流量計、螺旋進料機、稱重傳感器、潛水泵及潛入式鹽度計等組成。其工作過程為:根據設定的溶液體積,水泵將純凈水泵入鹽水箱;螺旋進料機將對應質量的氯化鈉投入鹽水箱;潛水泵工作進行攪拌,完成溶液配制。潛入式鹽度計組成則顯示實時溶液濃度及溫度。

(2)注液機構。

注液機構是將配置好的溶液從鹽水箱抽出,在設定的時間內將一定體積的溶液注入被試器具用于溢出。其由注液步進電機、注液螺桿、注液汽缸、單向閥、光電開關等組成。

(3)被試樣品調節臺面及注液高度調節機構。

由于測試樣品大小及高度不一,以及液體加熱器特殊標準(IEC 60335-2-15/GB 4706.19)中還對溢水角度做出了規定,因此除了將溢水口的高度制成可調節以外,還將測試臺面制成可以0-30°傾斜可調,同時為了防止臺面傾斜后測試樣品發生位移,還在臺面上安裝有定位桿用來固定測試樣品。

該機構由高度調節電機、角度調節電機、減速器、螺桿、光電開關等組成。

(4)測試控制機構。

測試控制機構主要通過人機交互完成對信號的采集、調理、分析、處理、結果顯示等功能。PLC采用三菱FX3U-32MT系列,觸摸屏是WEINVIEW TK6070i。軟件設計主要是PLC程序的設計和人機界面的設計。PLC的程序主要采用常用的梯形圖編輯,觸摸屏人機界面使用采用Easy Builder 8000編輯軟件進行設計。采用RS-485串行口進行PLC和觸摸屏之間的通訊。

4 關鍵技術

在試驗設備的研制過程中,把溶液配制、測試樣品的固定、注液調節、系統控制分別進行單獨研制再進行整合。其關鍵技術如下:

(1)測試樣品放置平臺絕緣。

由于需要將測試樣品在溢水后直接進行電氣強度測試,為確保電氣強度測試時所施加的高電壓僅作用于被測試的樣品上,需要將樣品放置平臺與試驗設備進行絕緣,平臺本身材料采用絕緣良好的環氧樹脂,轉軸與平臺連接件采取封膠處理,同時為避免施加的高電壓沿水跡與大地導通,在平臺上開設導流槽,對易濺到液體的金屬部件加裝絕緣護板,平臺圖片見圖1。

圖1 測試樣品放置平臺

(2)平臺角度調節電機的安裝。

平臺通過調節自身一測的高低來實現角度的調節,由于在平臺角度變化時,平臺上調節孔的軸線會隨著平臺角度一起改變,由此在調節機構上增設一套轉軸,使得調節機構與平臺角度一起改變,圖2為角度調節電機的實際安裝方式。

圖2 角度調節電機

(3)氯化鈉進料機構。

最初設計的管狀進料機構由于管徑太小而導致進料困難,而增大管徑又會造成多投料,因此改為螺旋進料的方式,見圖3,解決進料容易卡住的問題。

圖3 螺旋進料口

(4)注水采用螺桿驅動氣缸的方式。

本試驗設備的溶液注水采用精度較高且起停較容易控制的氣缸注水,即通過步進電機帶動螺桿驅動氣缸活塞在氣缸內的位移,配合單向閥,實現溶液吸入氣缸再排出氣缸實現注水的功能。

我們所選用的注水氣缸數量為2個,內徑80mm,有效行程150mm,材質為不銹鋼材料,通過計算得出每個氣缸的理論最大體積為754mL,考慮到隨著行程的增加其累計誤差也會增加,我們決定選取其中450mL體積對應的長度作為本試驗設備的使用行程,同時也滿足絕大多數液體加熱器溢水容量的要求,可以得出本試驗設備單次最大溢水量為450mL×2=900mL,每毫米行程的溢水量為10mL。

圖4 注水機構

5 研究成果

本試驗設備已實現的功能包括:

(1)容積不大于6升的家用電器涉及的各類溢水試驗均可在本試驗設備上完成

對家電而言,基本上其工作容積不會超過6升,因此本試驗設備可以滿足絕大多數的家電產品溢水試驗的需求。

同時,本試驗設備具備溢水高度可調,溢水角度可調,溢水量可調,溢水時間可調,樣品放置平臺絕緣等功能,實現了家電安全通用標準與特殊標準所涉及的各類溢水試驗均可在本試驗設備上完成,解決以往試驗設備功能單一的不足。

(2)實現了家電溢水試驗的自動化測試。

本試驗設備通過在觸摸屏上設置溶液配置量、溢水量、溢水速率等參數,可以由機器代替手工實現溢水試驗的自動化操作,解決了以往手工測試時溢水點不準、計時存在偏差、溢水量不均勻的問題,提高了測試準確度,降低了勞動強度。

［1］GB4706.1-2005《家用和類似用途電器的安全 第1部分 通用要求》［S］.

［2］GB4706.19-2008《家用和類似用途電器的安全 液體加熱器的特殊要求》［S］.

The development of the automatic liquid spillage test equipment for the household electrical appliances

Hu Zhe Ye Yixu Lu Ziqiang
(Yuyao Entry-Exit Inspection and Quarantine Bureau, Yuyao Zhejiang, 315400)

This paper summarizes various types of household electrical appliances safety standards related to spillage, analyzes commonly used testing methods at present, and put forward the technical solution for automatic test of the spillage of appliances. By summarizing the development of the key techniques and results, we also gave our comments on follow-up technical improvements, which provide a reference for further improving the regulation and accuracy of the test.

household electrical appliances; liquid spillage test; automatic testing