李卓昀

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

1 前言

根據(jù)中國(guó)合格評(píng)定國(guó)家認(rèn)可委員會(huì)（CNAS）網(wǎng)站上查詢到的數(shù)據(jù)可以得知：我國(guó)現(xiàn)有20余家檢測(cè)機(jī)構(gòu)同時(shí)通過(guò)了商用燃?xì)馊紵骶?、家用燃?xì)庠罹唔?xiàng)目的國(guó)家實(shí)驗(yàn)室認(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(kāi)展，這些燃?xì)饩邫z測(cè)機(jī)構(gòu)的檢測(cè)業(yè)務(wù)越來(lái)越多，需要設(shè)計(jì)更科學(xué)的試驗(yàn)設(shè)備來(lái)應(yīng)對(duì)繁重的檢測(cè)任務(wù)。

商用燃?xì)庠罹C合性能試驗(yàn)臺(tái)是依據(jù)GB35848-2018等標(biāo)準(zhǔn)要求設(shè)計(jì)的、用于商用燃?xì)馊紵骶邫z測(cè)的試驗(yàn)設(shè)備；家用燃?xì)庠罹C合性能試驗(yàn)臺(tái)是依據(jù)GB16410-2020等標(biāo)準(zhǔn)要求設(shè)計(jì)的、用于家用燃?xì)庠罹邫z測(cè)的試驗(yàn)設(shè)備。檢驗(yàn)檢測(cè)機(jī)構(gòu)如果要進(jìn)行上述標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)，通常的做法是分別購(gòu)買兩種試驗(yàn)臺(tái)。為了把兩種試驗(yàn)臺(tái)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(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)。

本設(shè)計(jì)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?、CJ/T28-2013《中餐燃?xì)獬床嗽睢贰J/T187-2013《燃?xì)庹粝洹?、GB/T30531-2014《商用燃?xì)庠罹吣苄薅ㄖ导澳苄У燃?jí)》、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?jí)》。

2 設(shè)備結(jié)構(gòu)說(shuō)明

商用燃?xì)庠钆c家用燃?xì)庠顑捎眯途C合性能試驗(yàn)臺(tái)由燃?xì)夤苈?、水溫檢測(cè)組件、定壓水裝置、控制系統(tǒng)及軟件等部分組成。試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)的核心，即在試驗(yàn)時(shí)實(shí)現(xiàn)：兩個(gè)氣體流量計(jì)分開(kāi)用，差壓變送器和工業(yè)鉑熱電阻共用。

設(shè)備實(shí)物圖如圖1所示：

圖1 設(shè)備實(shí)物圖

2.1 燃?xì)夤苈?/h3>

燃?xì)夤苈飞系挠?jì)量器具有：氣體流量計(jì)、差壓變送器、工業(yè)鉑熱電阻、膜盒壓力表、U型壓力計(jì)。其中的氣體流量計(jì)用于測(cè)量燃?xì)庀牧?，差壓變送器用于測(cè)量氣體流量計(jì)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(cè)量燃?xì)鉁囟?。主要零部件有：加濕器、燃?xì)鉁p壓閥、燃?xì)膺^(guò)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(jì)所在的管路，以保證濕式氣體流量計(jì)水位的穩(wěn)定，確保氣體流量計(jì)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(shí)緊急切斷燃?xì)饣芈罚梢耘c可燃?xì)怏w報(bào)警器連接）。

燃?xì)夤苈吩O(shè)計(jì)的要點(diǎn)主要有：氣體流量計(jì)脈沖信號(hào)的處理、燃?xì)夤苈饭軓降挠?jì)算。

2.1.1 氣體流量計(jì)脈沖信號(hào)的處理

試驗(yàn)臺(tái)中包含兩個(gè)氣體流量計(jì)，一個(gè)是超聲波流量計(jì)，出廠時(shí)的技術(shù)指標(biāo)為：測(cè)量范圍0~15 m3/h，準(zhǔn)確度等級(jí)1.5級(jí)，脈沖幅度3 V，脈沖周期1 s/p，用于測(cè)量商用灶的燃?xì)庀牧俊Ｒ粋€(gè)是濕式氣體流量計(jì)，測(cè)量范圍0~3 m3/h，準(zhǔn)確度等級(jí)1.0級(jí)，脈沖幅度10 V，脈沖周期0.01 L/p，用于測(cè)量家用灶的燃?xì)庀牧俊?/p>

兩個(gè)氣體流量計(jì)輸出兩路脈沖信號(hào)，兩路脈沖信號(hào)通過(guò)一個(gè)旋鈕控制，共用一個(gè)PLC端口采集。當(dāng)進(jìn)行商用灶的檢測(cè)時(shí)把旋鈕撥到左邊，濕式氣體流量計(jì)的脈沖信號(hào)斷開(kāi)，超聲波流量計(jì)的脈沖信號(hào)輸出到PLC端口；當(dāng)進(jìn)行家用灶的檢測(cè)時(shí)把旋鈕撥到右邊，超聲波流量計(jì)的脈沖信號(hào)斷開(kāi)，濕式氣體流量計(jì)的脈沖信號(hào)輸出到PLC端口。

由于超聲波流量計(jì)出廠時(shí)的脈沖幅度偏低，試驗(yàn)臺(tái)采用的西門子S-200型PLC不能識(shí)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(jì)出廠時(shí)的脈沖周期不符合檢測(cè)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?jì)算

在相同額定熱負(fù)荷下，使用液化石油氣的灶具單位時(shí)間內(nèi)消耗的燃?xì)怏w積，比使用天然氣的灶具單位時(shí)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?jì)算時(shí)，只考慮管路中通入天然氣的情況。

燃?xì)庑袠I(yè)對(duì)天然氣在管道中的流速有要求，結(jié)合實(shí)際情況，設(shè)備中天然氣的設(shè)計(jì)流速不超過(guò)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(jì)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(wú)縫鋼管制作超聲波流量計(jì)所在燃?xì)夤苈罚贿x用DN15的無(wú)縫鋼管制作濕式氣體流量計(jì)所在燃?xì)夤苈贰?/p>

2.2 水溫檢測(cè)組件

水溫檢測(cè)組件由工業(yè)鉑熱電阻、電子秤、自動(dòng)攪拌裝置組成。

其中工業(yè)鉑熱電阻用于檢測(cè)試驗(yàn)鍋內(nèi)的水溫；電子秤用于檢測(cè)試驗(yàn)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(dòng)攪拌裝置用于對(duì)試驗(yàn)鍋內(nèi)的水進(jìn)行攪拌，以保證水溫均勻。

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

2.2.1 水溫傳感器的選擇

燃?xì)饩咝袠I(yè)內(nèi)要求測(cè)量水溫使用“低熱惰性溫度計(jì)”。低熱惰性溫度計(jì)是指對(duì)溫度變化響應(yīng)的時(shí)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(jì)沒(méi)有輸出信號(hào)無(wú)法應(yīng)用在自動(dòng)化檢測(cè)設(shè)備中，因此我們考慮使用鉑熱電阻或者熱電偶來(lái)進(jìn)行水溫檢測(cè)。鉑熱電阻準(zhǔn)確度高、響應(yīng)時(shí)間慢；熱電偶準(zhǔn)確度低、響應(yīng)時(shí)間快。二等標(biāo)準(zhǔn)鉑熱電阻最大允許誤差≤0.1 ℃，但價(jià)格昂貴；A級(jí)工業(yè)鉑熱電阻，在試驗(yàn)水溫范圍內(nèi)最大允許誤差≤0.2 ℃，性價(jià)比較高。

綜合上述因素訂制了A級(jí)工業(yè)鉑熱電阻并對(duì)其采集到的溫度值進(jìn)行軟件修正，用來(lái)檢測(cè)試驗(yàn)鍋內(nèi)的水溫。經(jīng)過(guò)大量試驗(yàn)證實(shí)，它不低于低熱惰性溫度計(jì)的計(jì)量性能，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.2.2 自動(dòng)攪拌裝置的設(shè)計(jì)

自動(dòng)攪拌裝置用于攪拌試驗(yàn)鍋內(nèi)的水。由于商用灶檢測(cè)時(shí)的試驗(yàn)鍋和家用灶檢測(cè)時(shí)的試驗(yàn)鍋，在尺寸、形狀上都有很大差異，因此試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)有兩種自動(dòng)攪拌裝置。商用自動(dòng)攪拌裝置如圖3所示：

圖3 商用灶自動(dòng)攪拌裝置（氣動(dòng)）

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

家用灶自動(dòng)攪拌裝置，通過(guò)采用高性能步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)高速上下運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)攪拌器對(duì)燃?xì)庠罹咴囼?yàn)專用鍋中的水進(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(cè)時(shí)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(kāi)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(cè)穩(wěn)壓罐水壓；工業(yè)鉑熱電阻用于檢測(cè)進(jìn)水溫度及蒸汽溫度。

定壓水裝置是對(duì)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行研究、改進(jìn)后得出的。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)是使用增壓泵抽水，以保證試驗(yàn)時(shí)水的壓力的，這種方法的不足之處在于：增壓泵的運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生熱量，會(huì)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(huì)產(chǎn)生噪聲，會(huì)對(duì)部分試驗(yàn)項(xiàng)目（如噪聲試驗(yàn)）造成影響。

2.4 控制系統(tǒng)及軟件

控制系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、PLC可編程控制器、開(kāi)關(guān)和指示燈、電源及其他電氣部件組成，可驅(qū)動(dòng)設(shè)備中的電磁閥等執(zhí)行部件，可實(shí)時(shí)采集、顯示和處理多種動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，如：燃?xì)鉁囟?、燃?xì)鈮毫Α⑺矔r(shí)/累積燃?xì)饬髁考八疁氐?。控制系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制，PLC采集執(zhí)行的方式對(duì)被測(cè)灶具性能進(jìn)行檢測(cè)和判定。

軟件由上海夢(mèng)地工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)股份有限公司自行開(kāi)發(fā)，能夠?qū)Σ杉降臄?shù)據(jù)進(jìn)行修正、計(jì)算，并輸出熱負(fù)荷、熱效率等測(cè)試結(jié)果。在軟件編輯時(shí)應(yīng)當(dāng)注意：使用超聲波流量計(jì)和濕式氣體流量計(jì)的水蒸氣壓力不同，對(duì)應(yīng)的實(shí)測(cè)折算熱負(fù)荷、熱效率計(jì)算公式有所差別。

3 性能驗(yàn)證

先將試驗(yàn)臺(tái)上的計(jì)量器具校準(zhǔn)，再把經(jīng)上海市燃?xì)庠O(shè)備計(jì)量檢測(cè)中心有限公司檢驗(yàn)的家用燃?xì)庠睢⒋队萌細(xì)獯箦佋罘謩e放在試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)驗(yàn)室間比對(duì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1：

表1 實(shí)驗(yàn)室間比對(duì)數(shù)據(jù)

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