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，且人工參與環節較多，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和自動化操作過程。文中擬建立多元數據平臺，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，并通過PLC控制實現設備自動化運行，避免過多的人工操作對實驗數據形成干擾，提高測試準確性。同時，將各種參數采集到信息處理系統，信息處理系統以國家現有標準為依據，準確評估電磁爐、微波爐的能效指標，形成數據表格并輸出，上傳至數據庫，實現資源共享。

關鍵詞：電磁灶；微波爐；多參數；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《巴黎氣候變化協定》，表現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，中國是負責任的發展中大國，是全球氣候治理的積極參與者。中國將落實創新、協調、綠色、開放、共享的發展理念，全面推進節能減排和低碳發展，邁向生態文明新時代[1]。

進一步加強節能減排工作是應對全球氣候變化的迫切需要?！吨腥A人民共和國節約能源法》指出“節約資源是我國的基本國策。國家實施節約與開發并舉、把節約放在首位的能源發展戰略”[2]。

家用電器作為現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品的能源效率，促進節能技術進步，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節較多，且無法同時對器具進行多元參數檢測[3，4]。此外，對某些參數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，擬建立多元數據平臺對電磁爐、微波爐進行全面的能效自動檢測，可同時采集多個參數，設備全程自動運行，避免過多的人工操作對實驗數據產生干擾，提高測試準確性。同時，將各種參數采集到信息處理系統，信息處理系統以國家現有標準為依據，準確評估電磁爐、微波爐的能效指標，形成數據表格并輸出，上傳至數據庫，實現資源共享。

1 微波爐能效檢測要求分析

根據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，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境中進行，且環境溫度為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境中進行，且環境溫度為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境中進行，且環境溫度為（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，功率不穩定，繼續測試一段時間。

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境中進行，且環境溫度為（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；

（2）功率計測量穩定，大約90 min后開始檢測，上傳數據；

（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構建

針對現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，優化測試流程，確定計算評估研究模型，擬建立基于多元數據平臺的智能檢測系統，可同時對微波爐、電磁灶的多元參數進行能效檢測，系統硬件組成如圖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據[12，13]。

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

檢測系統全程自動化測試，參數自動檢測存儲并生成報告，完成數據庫建設，實現實驗室參數測試儀器和PC端局域網與數據庫共享功能，如圖5所示[15]。

檢測系統構建采取以下技術路線：

（1）基于多參數可視化和高精度數據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，采集高精度目標數據，通過比對獲取的各項數據，修正多個參數的準確性。通過在線數據辨識，進行數值仿真計算分析，得出能效測試所需的穩定數據。

（2）基于檢測自動化實施和結果智能評估系統的方案研究

參照國家標準，優化測試流程，對測試過程實現標準化，將動態集成檢測方法應用到檢測系統控制器，以國家標準為根本依據，結合以往的參數標準，對各參數的關聯性進行分析，從而得出全面、綜合的結果。

（3）構建大數據研究體系實現用戶在線查詢能力研究方案

建立結果遠程可查詢功能，在產品自動檢測后，建立數據庫，數據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據庫中的數據資源。

（4）建立測試過程自動化實施的軟件控制系統方案

基于最新的物聯網技術，以PC作為處理平臺的控制系統編制多任務軟件系統，根據需求分析階段確定的功能設計軟件系統的整體結構、劃分功能模塊，確定每個模塊的實現算法以及編寫具體的代碼，形成軟件的具體設計。實現流程自動控制，并具備簡便、可靠、經濟、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進行高精度數據采集，并通過全程軟件控制實現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，實現了家用電磁加熱器具產品能效檢測的快速實施、減少了人為干預因素、節約了人力資源、提高了數據準確性。

參考文獻

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[8] IEC 60584-2：1982，Thermocouples Part 2：Tolerances（Edition 1.0）[S].1982.

[9] IEC 60350-1：2011，Household electric cooking appliances - part 1：ranges，ovens，steam ovens and grills - methods for measuring performance[S].2011.

[10] GOST R IEC 62301：2011，Household electrical appliances. measurement of standby power[S].2011.

[11] GB 21456-2014 家用電磁灶能效限定值及能效等級[S].2014.

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