全自动家电溢水试验设备的研制

余姚出入境检验检疫局 胡 哲 叶亦旭 卢自强

全自动家电溢水试验设备的研制

余姚出入境检验检疫局 胡 哲 叶亦旭 卢自强

本文通过对家用电器安全标准所涉及的各类溢水试验进行归纳，分析了目前普遍采用的测试方法，提出了对家电溢水试验进行自动测试的技术方案，总结了研制该设备的关键技术和成果，并提出后续技术改进意见，为进一步提高该项目测试的规范性、准确性提供参考。

家用电器；溢水试验；自动测试

1 前言

在各类家用电器中,有些是以液体为工作介质的,如电热水壶、咖啡机、电饭锅、食品搅拌机、油炸锅等等,这些器具中的水、蔬菜水果的汁液、食用油等液体均具有导电性。如不采取正确的设计和防护措施,在家电的使用过程中则有可能发生人身触电和电路短路的危险。溢水试验是指在家电安全测试中,对正常使用中有可能产生液体溢出的器具,通过注入大于其额定容量的液体,使液体从器具中溢出,进而考核这类盛装液体的家电结构是否会影响器具电气绝缘性能的一项测试。本文通过对标准的理解及现有测试方法的分析,研制了一种全自动溢水试验设备,该溢水试验设备采用自动化设备代替人工操作,不仅能提高测试效率,而且减少手动操作的随意性,增加试验的可重复性。

2 标准要求及测试现状

家用电器安全标准—IEC 60335-1∶2010(Household and similar electrical appliances-Safety-Part 1∶General requirements)以及GB4706.1-2005(家用和类似用途电器的安全第1部分:通用要求)中15.2条款对正常使用中有可能产生液体溢出的家用电器规定了考核方法,具体为:将器具的液体容器用约含1%氯化钠的水溶液充满,然后,再用等于容器容量的15%,或是0.25L同浓度多余1%氯化钠水溶液,两者中取量多者,在1min时间内持续地注入容器。然后,器具应经受16.3的电气强度试验,并且视检应表明在绝缘上没有能导致爬电距离和电气间隙降低到低于第29章中规定限值的水迹[1]。另外,液体加热器特殊标准—GB 4706.19和IEC 60335-2-15还增加了倾斜溢水以及测试样品连接器基座溢水试验[2]。

通过对相关标准要求的归纳,在家电溢水试验中,大致可以分为以下几类:

(1)将测试样品的液体容器注满1%氯化钠水溶液,然后,再用等于容器容量的15%,或是0.25L同浓度多余1%氯化钠水溶液,两者中取量多者,在1min时间内持续地注入容器;

(2)将测试样品的液体容器注满1%氯化钠水溶液,然后测试样品偏离正常使用位置不超过5°,再用等于容器容量的15%,或是0.25L同浓度多余1%氯化钠水溶液,两者中取量多者,在1min时间内持续地注入容器;

(3)将测试样品放置在一块与水平成20°角的斜板上注入1%氯化钠水溶液,如果水位标记在注水的位置能看得很清楚时,将1%的氧化钠溶液注到最高水位的标记;没有标记的,应注到容器中的水溢出为止。然后,尽快将额定容量15%的氧化钠溶液注入容器中;

(4)测试样品容器注入额定容积的水。将其置于与水平面成20°的平面上;

(5)将测试样品放在水平面上,用含有1%氯化钠的溶液30mL,通过内径8mm、低端高于连接器200mm的管子,在2s内倒到测试样品上。

显然标准对使用中有可能产生液体溢出器具的考核还是比较详细的,使得我们在进行测试时对标准条款的严格执行也颇为重要。

针对上述溢水试验,目前在用的国内外同类测试的方法有下列几种:

(1)全手工法:采用这个方法的比例最高。具体的测试方法为,通过手工进行溶液配比并搅匀,用水平尺对测试平台进行水平校准,将测试样品的容器用规定浓度的溶液先灌满,再手持量杯将多余的液体用1min时间注入到测试样品容器中,1min的时间采取秒表计时的方法进行。该方法的优点是简单,便于操作,为目前绝大多数实验室所采取,缺点是手工操作具有很大随意性, 1min的注溶液很可能出现前半段时间注入的速率过快、注入的水量多,后半段注入慢、注入的量少,甚至不能达到标准持续注入的要求,手工难以控制,测试结果的重复性也不好。

(2)阀门法:有部分实验室采用这个测试方法进行。在进行多余溶液1min时间注入到测试样品容器中时,先采用带阀门的漏斗,将多余的液体倒到漏斗内,通过调节阀门的大小到一个合适的孔径,使漏斗内的液体刚好在1min内注入到容器中。采用阀门注入法的优点是当确定阀门大小后,在1min内能保证溶液稳定持续的注入容器中,避免了手工倾倒溶液的不确定性,缺点是,为确定阀门的大小,要进行数次的模拟注入试验,比较费时,而且当注入溶液的容量不同时,阀门又必须重新调节大小,效率较低。

(3)半自动法:有部分设备厂家设计出半自动的溢水试验装置,相当于阀门法的改进,具有电磁阀自动接通和停止的功能,但不能根据溢水容量的大小自动调节溶液注入的速率,也不具备容器平台角度自动可调功能。

基于上述对家电溢水试验的理解和试验设备的现状,我们希望能够制作一台全自动溢水试验设备,该溢水试验设备采用自动化设备代替人工操作。近年来,由于测试理论的丰富、测试手段的进步、测试设备精度的提高以及自动测试设备和电子计算机在测试中的广泛应用,控制技术有了较大的发展。随着科技水平的进步,提高溢水试验测试效率、降低操作人员劳动强度、提高测试精度和试验质量势在必行。

3 系统设计及技术路线

本试验设备主要针对容积6升及以下家用电器的溢水试验,单次溢水量在30-900mL之间,具有自动配置氯化钠溶液,溢水速率可调,溢水高度可调,溢水角度可调等功能。

技术指标包括:

(1)可测试的测试样品的最大容积为6L,单次最大溢水量为900mL,最小30mL;

(2)注水量及注水速率的准确度均控制在±1%以内;

(3)注水口高度可在距离测试台面18cm-55cm之间自由调节,标尺精度0.5%;

(4)溢水台面可实现水平至30度倾斜调整,角度准确度在±1°以内;

(5)溢水台面与试验设备绝缘,可以经受3750V, 50Hz的电压1min不击穿;

(6)设备可适配内径8mm,长30mm的漏斗,可进行GB 4706.19/IEC 60335-2-15的30mL溢出试验。

本试验设备由4个主要组成部分:溶液配置机构;注液机构;被试样品调节台面及注液高度调节机构;测试控制机构。

(1)溶液配置机构。

溶液配置机构是将纯净水与氯化钠颗粒按标准要求进行混合,配制成浓度为1%的Nacl水溶液,用于溢水试验。

溶液配置机构由纯水箱、盐水箱、水泵、流量计、螺旋进料机、称重传感器、潜水泵及潜入式盐度计等组成。其工作过程为:根据设定的溶液体积,水泵将纯净水泵入盐水箱;螺旋进料机将对应质量的氯化钠投入盐水箱;潜水泵工作进行搅拌,完成溶液配制。潜入式盐度计组成则显示实时溶液浓度及温度。

(2)注液机构。

注液机构是将配置好的溶液从盐水箱抽出,在设定的时间内将一定体积的溶液注入被试器具用于溢出。其由注液步进电机、注液螺杆、注液汽缸、单向阀、光电开关等组成。

(3)被试样品调节台面及注液高度调节机构。

由于测试样品大小及高度不一,以及液体加热器特殊标准(IEC 60335-2-15/GB 4706.19)中还对溢水角度做出了规定,因此除了将溢水口的高度制成可调节以外,还将测试台面制成可以0-30°倾斜可调,同时为了防止台面倾斜后测试样品发生位移,还在台面上安装有定位杆用来固定测试样品。

该机构由高度调节电机、角度调节电机、减速器、螺杆、光电开关等组成。

(4)测试控制机构。

测试控制机构主要通过人机交互完成对信号的采集、调理、分析、处理、结果显示等功能。PLC采用三菱FX3U-32MT系列,触摸屏是WEINVIEW TK6070i。软件设计主要是PLC程序的设计和人机界面的设计。PLC的程序主要采用常用的梯形图编辑,触摸屏人机界面使用采用Easy Builder 8000编辑软件进行设计。采用RS-485串行口进行PLC和触摸屏之间的通讯。

4 关键技术

在试验设备的研制过程中,把溶液配制、测试样品的固定、注液调节、系统控制分别进行单独研制再进行整合。其关键技术如下:

(1)测试样品放置平台绝缘。

由于需要将测试样品在溢水后直接进行电气强度测试,为确保电气强度测试时所施加的高电压仅作用于被测试的样品上,需要将样品放置平台与试验设备进行绝缘,平台本身材料采用绝缘良好的环氧树脂,转轴与平台连接件采取封胶处理,同时为避免施加的高电压沿水迹与大地导通,在平台上开设导流槽,对易溅到液体的金属部件加装绝缘护板,平台图片见图1。

图1 测试样品放置平台

(2)平台角度调节电机的安装。

平台通过调节自身一测的高低来实现角度的调节,由于在平台角度变化时,平台上调节孔的轴线会随着平台角度一起改变,由此在调节机构上增设一套转轴,使得调节机构与平台角度一起改变,图2为角度调节电机的实际安装方式。

图2 角度调节电机

(3)氯化钠进料机构。

最初设计的管状进料机构由于管径太小而导致进料困难,而增大管径又会造成多投料,因此改为螺旋进料的方式,见图3,解决进料容易卡住的问题。

图3 螺旋进料口

(4)注水采用螺杆驱动气缸的方式。

本试验设备的溶液注水采用精度较高且起停较容易控制的气缸注水,即通过步进电机带动螺杆驱动气缸活塞在气缸内的位移,配合单向阀,实现溶液吸入气缸再排出气缸实现注水的功能。

我们所选用的注水气缸数量为2个,内径80mm,有效行程150mm,材质为不锈钢材料,通过计算得出每个气缸的理论最大体积为754mL,考虑到随着行程的增加其累计误差也会增加,我们决定选取其中450mL体积对应的长度作为本试验设备的使用行程,同时也满足绝大多数液体加热器溢水容量的要求,可以得出本试验设备单次最大溢水量为450mL×2=900mL,每毫米行程的溢水量为10mL。

图4 注水机构

5 研究成果

本试验设备已实现的功能包括:

(1)容积不大于6升的家用电器涉及的各类溢水试验均可在本试验设备上完成

对家电而言,基本上其工作容积不会超过6升,因此本试验设备可以满足绝大多数的家电产品溢水试验的需求。

同时,本试验设备具备溢水高度可调,溢水角度可调,溢水量可调,溢水时间可调,样品放置平台绝缘等功能,实现了家电安全通用标准与特殊标准所涉及的各类溢水试验均可在本试验设备上完成,解决以往试验设备功能单一的不足。

(2)实现了家电溢水试验的自动化测试。

本试验设备通过在触摸屏上设置溶液配置量、溢水量、溢水速率等参数,可以由机器代替手工实现溢水试验的自动化操作,解决了以往手工测试时溢水点不准、计时存在偏差、溢水量不均匀的问题,提高了测试准确度,降低了劳动强度。

［1］GB4706.1-2005《家用和类似用途电器的安全 第1部分 通用要求》［S］.

［2］GB4706.19-2008《家用和类似用途电器的安全 液体加热器的特殊要求》［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