一種商用燃?xì)庠钆c家用燃?xì)庠顑捎眯途C合性能試驗臺的設(shè)計

李卓昀

（1.上海夢地工業(yè)自動控制系統(tǒng)股份有限公司，上海 201402；2.上海夢地檢測技術(shù)有限公司，上海 201402）

1 前言

根據(jù)中國合格評定國家認(rèn)可委員會（CNAS）網(wǎng)站上查詢到的數(shù)據(jù)可以得知：我國現(xiàn)有20余家檢測機(jī)構(gòu)同時通過了商用燃?xì)馊紵骶?、家用燃?xì)庠罹唔椖康膰覍嶒炇艺J(rèn)可。隨著商用燃?xì)馊紵骶咦栽感哉J(rèn)證、家用燃?xì)庠罹邚?qiáng)制認(rèn)證等工作的開展，這些燃?xì)饩邫z測機(jī)構(gòu)的檢測業(yè)務(wù)越來越多，需要設(shè)計更科學(xué)的試驗設(shè)備來應(yīng)對繁重的檢測任務(wù)。

商用燃?xì)庠罹C合性能試驗臺是依據(jù)GB35848-2018等標(biāo)準(zhǔn)要求設(shè)計的、用于商用燃?xì)馊紵骶邫z測的試驗設(shè)備；家用燃?xì)庠罹C合性能試驗臺是依據(jù)GB16410-2020等標(biāo)準(zhǔn)要求設(shè)計的、用于家用燃?xì)庠罹邫z測的試驗設(shè)備。檢驗檢測機(jī)構(gòu)如果要進(jìn)行上述標(biāo)準(zhǔn)的試驗，通常的做法是分別購買兩種試驗臺。為了把兩種試驗臺的功能“合二為一”，以提高工作效率、減少資金投入和設(shè)備占地面積，文章提出了一種商用燃?xì)庠钆c家用燃?xì)庠顑捎眯途C合性能試驗臺的設(shè)計。

本設(shè)計適用于下標(biāo)準(zhǔn)：GB35848-2018《商用燃?xì)馊紵骶摺?、CJ/T451-2014《商用燃?xì)馊紵骶咄ㄓ眉夹g(shù)條件》、CJ/T392-2012《炊用燃?xì)獯箦佋睢贰J/T28-2013《中餐燃?xì)獬床嗽睢?、CJ/T187-2013《燃?xì)庹粝洹贰B/T30531-2014《商用燃?xì)庠罹吣苄薅ㄖ导澳苄У燃墶?、GB16410-2020《家用燃?xì)庠罹摺?、GB30720-2014《家用燃?xì)庠罹吣苄薅ㄖ导澳苄У燃墶贰?/p>

2 設(shè)備結(jié)構(gòu)說明

商用燃?xì)庠钆c家用燃?xì)庠顑捎眯途C合性能試驗臺由燃?xì)夤苈贰⑺疁貦z測組件、定壓水裝置、控制系統(tǒng)及軟件等部分組成。試驗臺設(shè)計的核心，即在試驗時實現(xiàn)：兩個氣體流量計分開用，差壓變送器和工業(yè)鉑熱電阻共用。

設(shè)備實物圖如圖1所示：

圖1 設(shè)備實物圖

2.1 燃?xì)夤苈?/h3>

燃?xì)夤苈飞系挠嬃科骶哂校簹怏w流量計、差壓變送器、工業(yè)鉑熱電阻、膜盒壓力表、U型壓力計。其中的氣體流量計用于測量燃?xì)庀牧?，差壓變送器用于測量氣體流量計內(nèi)的燃?xì)鈮毫驮罹咔暗娜細(xì)鈮毫ΓI(yè)鉑熱電阻用于測量燃?xì)鉁囟?。主要零部件有：加濕器、燃?xì)鉁p壓閥、燃?xì)膺^濾器、球閥、煤氣專用電磁閥、煤氣安全閥。其中加濕器用于濕式氣體流量計所在的管路，以保證濕式氣體流量計水位的穩(wěn)定，確保氣體流量計的精度不受水位變化的影響。燃?xì)鉁p壓閥用于調(diào)節(jié)燃?xì)鈮毫?，球閥和煤氣專用電磁閥用于控制燃?xì)夤苈返耐〝?，煤氣安全閥用于出現(xiàn)異常時緊急切斷燃?xì)饣芈罚梢耘c可燃?xì)怏w報警器連接）。

燃?xì)夤苈吩O(shè)計的要點(diǎn)主要有：氣體流量計脈沖信號的處理、燃?xì)夤苈饭軓降挠嬎恪?/p>

2.1.1 氣體流量計脈沖信號的處理

試驗臺中包含兩個氣體流量計，一個是超聲波流量計，出廠時的技術(shù)指標(biāo)為：測量范圍0~15 m3/h，準(zhǔn)確度等級1.5級，脈沖幅度3 V，脈沖周期1 s/p，用于測量商用灶的燃?xì)庀牧?。一個是濕式氣體流量計，測量范圍0~3 m3/h，準(zhǔn)確度等級1.0級，脈沖幅度10 V，脈沖周期0.01 L/p，用于測量家用灶的燃?xì)庀牧俊?/p>

兩個氣體流量計輸出兩路脈沖信號，兩路脈沖信號通過一個旋鈕控制，共用一個PLC端口采集。當(dāng)進(jìn)行商用灶的檢測時把旋鈕撥到左邊，濕式氣體流量計的脈沖信號斷開，超聲波流量計的脈沖信號輸出到PLC端口；當(dāng)進(jìn)行家用灶的檢測時把旋鈕撥到右邊，超聲波流量計的脈沖信號斷開，濕式氣體流量計的脈沖信號輸出到PLC端口。

由于超聲波流量計出廠時的脈沖幅度偏低，試驗臺采用的西門子S-200型PLC不能識別，因此給它加裝了脈沖放大器，加裝后的脈沖幅度為13 V。另外，超聲波流量計出廠時的脈沖周期不符合檢測需求，將其更改為0.01 L/p。更改前后的脈沖電壓值、脈沖頻率如圖2所示：

圖2 更改前后的脈沖電壓值、脈沖頻率

2.1.2 燃?xì)夤苈饭軓降挠嬎?/p>

在相同額定熱負(fù)荷下，使用液化石油氣的灶具單位時間內(nèi)消耗的燃?xì)怏w積，比使用天然氣的灶具單位時間內(nèi)消耗的燃?xì)怏w積小。另一方面，使用天然氣的灶具是市面上的主流，使用人工煤氣、液化石油氣的灶具較少。因此在燃?xì)夤苈饭軓接嬎銜r，只考慮管路中通入天然氣的情況。

燃?xì)庑袠I(yè)對天然氣在管道中的流速有要求，結(jié)合實際情況，設(shè)備中天然氣的設(shè)計流速不超過15 m/s。根據(jù)數(shù)學(xué)模型：V=900πd2v，其中：

V：被檢灶具的天然氣耗量，m3/h；

d：燃?xì)夤苈返膬?nèi)徑，m；

v：設(shè)計流速上限值，此處取15 m/s。

再根據(jù)GB/T 16411-2008中的公式（1）（2），可知：

100 kW的商用燃?xì)馊紵骶撸ǚ兴黝悾┑奶烊粴夂牧考s10 m3/h，燃?xì)夤苈返膬?nèi)徑約30.7 mm。

5.23 kW的家用燃?xì)庠畹奶烊粴夂牧考s0.52 m3/h，燃?xì)夤苈返膬?nèi)徑約3.5 mm。

為了生產(chǎn)加工方便，選用DN32的無縫鋼管制作超聲波流量計所在燃?xì)夤苈?；選用DN15的無縫鋼管制作濕式氣體流量計所在燃?xì)夤苈贰?/p>

2.2 水溫檢測組件

水溫檢測組件由工業(yè)鉑熱電阻、電子秤、自動攪拌裝置組成。

其中工業(yè)鉑熱電阻用于檢測試驗鍋內(nèi)的水溫；電子秤用于檢測試驗鍋水的質(zhì)量或燃?xì)庹粝湔羝D(zhuǎn)化消耗水的質(zhì)量；自動攪拌裝置用于對試驗鍋內(nèi)的水進(jìn)行攪拌，以保證水溫均勻。

水溫檢測組件設(shè)計的要點(diǎn)主要有：水溫傳感器的選擇、自動攪拌裝置的設(shè)計。

2.2.1 水溫傳感器的選擇

燃?xì)饩咝袠I(yè)內(nèi)要求測量水溫使用“低熱惰性溫度計”。低熱惰性溫度計是指對溫度變化響應(yīng)的時間為：在15~100 ℃范圍內(nèi)當(dāng)其傳感器浸入靜止的水中5 s內(nèi)能達(dá)到最終溫升95%的值。

水銀溫度計沒有輸出信號無法應(yīng)用在自動化檢測設(shè)備中，因此我們考慮使用鉑熱電阻或者熱電偶來進(jìn)行水溫檢測。鉑熱電阻準(zhǔn)確度高、響應(yīng)時間慢；熱電偶準(zhǔn)確度低、響應(yīng)時間快。二等標(biāo)準(zhǔn)鉑熱電阻最大允許誤差≤0.1 ℃，但價格昂貴；A級工業(yè)鉑熱電阻，在試驗水溫范圍內(nèi)最大允許誤差≤0.2 ℃，性價比較高。

綜合上述因素訂制了A級工業(yè)鉑熱電阻并對其采集到的溫度值進(jìn)行軟件修正，用來檢測試驗鍋內(nèi)的水溫。經(jīng)過大量試驗證實，它不低于低熱惰性溫度計的計量性能，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.2.2 自動攪拌裝置的設(shè)計

自動攪拌裝置用于攪拌試驗鍋內(nèi)的水。由于商用灶檢測時的試驗鍋和家用灶檢測時的試驗鍋，在尺寸、形狀上都有很大差異，因此試驗臺設(shè)計有兩種自動攪拌裝置。商用自動攪拌裝置如圖3所示：

圖3 商用灶自動攪拌裝置（氣動）

商用灶自動攪拌裝置含調(diào)節(jié)桿、往復(fù)式氣缸、磁性開關(guān)、攪拌器等。調(diào)節(jié)桿用于對自動攪拌裝置的位置在XYZ方向上進(jìn)行手動調(diào)節(jié)。工作時，往復(fù)式氣缸驅(qū)動夾住攪拌器在試驗鍋中勻速上下移動，磁性開關(guān)控制攪拌器上下行程?？梢酝ㄟ^調(diào)節(jié)進(jìn)入氣缸的壓縮空氣壓力的大小，實現(xiàn)對自動攪拌裝置的攪拌頻率的控制。

家用灶自動攪拌裝置，通過采用高性能步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，實現(xiàn)高速上下運(yùn)動，進(jìn)而帶動攪拌器對燃?xì)庠罹咴囼瀸Ｓ缅佒械乃M(jìn)行攪拌。攪拌裝置的行程在0~150 mm范圍內(nèi)可調(diào)，頻率在30 r/min~60 r/min范圍內(nèi)可調(diào)。

2.3 定壓水裝置

定壓水裝置用于燃?xì)庹粝錂z測時提供穩(wěn)定水壓和補(bǔ)水量。該裝置由穩(wěn)壓罐、水壓變送器、工業(yè)鉑熱電阻等組成。

穩(wěn)壓罐的水路部分含20L閉式不銹鋼水罐、補(bǔ)水閥、出水閥、排污閥、液位開關(guān)等，穩(wěn)壓罐的空氣路部分含空氣減壓閥、進(jìn)氣閥、排氣閥、氣壓表等，穩(wěn)壓罐采用氣壓水方式工作。水壓變送器用于檢測穩(wěn)壓罐水壓；工業(yè)鉑熱電阻用于檢測進(jìn)水溫度及蒸汽溫度。

定壓水裝置是對國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行研究、改進(jìn)后得出的。國家標(biāo)準(zhǔn)是使用增壓泵抽水，以保證試驗時水的壓力的，這種方法的不足之處在于：增壓泵的運(yùn)行會產(chǎn)生熱量，會使得水溫升高，不利于蒸箱進(jìn)水溫度的控制；增壓泵的運(yùn)行還會產(chǎn)生噪聲，會對部分試驗項目（如噪聲試驗）造成影響。

2.4 控制系統(tǒng)及軟件

控制系統(tǒng)由計算機(jī)、PLC可編程控制器、開關(guān)和指示燈、電源及其他電氣部件組成，可驅(qū)動設(shè)備中的電磁閥等執(zhí)行部件，可實時采集、顯示和處理多種動態(tài)數(shù)據(jù)，如：燃?xì)鉁囟?、燃?xì)鈮毫?、瞬時/累積燃?xì)饬髁考八疁氐??？刂葡到y(tǒng)采用計算機(jī)系統(tǒng)控制，PLC采集執(zhí)行的方式對被測灶具性能進(jìn)行檢測和判定。

軟件由上海夢地工業(yè)自動控制系統(tǒng)股份有限公司自行開發(fā)，能夠?qū)Σ杉降臄?shù)據(jù)進(jìn)行修正、計算，并輸出熱負(fù)荷、熱效率等測試結(jié)果。在軟件編輯時應(yīng)當(dāng)注意：使用超聲波流量計和濕式氣體流量計的水蒸氣壓力不同，對應(yīng)的實測折算熱負(fù)荷、熱效率計算公式有所差別。

3 性能驗證

先將試驗臺上的計量器具校準(zhǔn)，再把經(jīng)上海市燃?xì)庠O(shè)備計量檢測中心有限公司檢驗的家用燃?xì)庠?、炊用燃?xì)獯箦佋罘謩e放在試驗臺上進(jìn)行檢測，實驗室間比對數(shù)據(jù)見表1：

表1 實驗室間比對數(shù)據(jù)

經(jīng)分析，以上各組數(shù)據(jù)均滿足該試驗臺的性能符合要求。