家用电磁加热器具能效检测装置的构想

赵介军 过峰 聂义 霍大云 谢耀聪 俞建峰

摘 要：目前我国电磁加热器具能效的检测技术无法同时测量多个参数，且人工参与环节较多，检测效率及准确度较低，因此有必要加强电磁加热器具能效检测的多参数和自动化操作过程。文中拟建立多元数据平台，对电磁灶、微波炉的能效进行全面自动检测，可同时收集多个参数，并通过PLC控制实现设备自动化运行，避免过多的人工操作对实验数据形成干扰，提高测试准确性。同时，将各种参数采集到信息处理系统，信息处理系统以国家现有标准为依据，准确评估电磁炉、微波炉的能效指标，形成数据表格并输出，上传至数据库，实现资源共享。

关键词：电磁灶；微波炉；多参数；自动检测

中图分类号：TP39 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2018）07-0-05

0 引 言

我国全国人大常委会批准我国加入《巴黎气候变化协定》，表现出中国对全球应对气候变化的强有力支持。习近平指出，气候变化关乎人民福祉和人类未来。习近平强调，中国是负责任的发展中大国，是全球气候治理的积极参与者。中国将落实创新、协调、绿色、开放、共享的发展理念，全面推进节能减排和低碳发展，迈向生态文明新时代[1]。

进一步加强节能减排工作是应对全球气候变化的迫切需要。《中华人民共和国节约能源法》指出“节约资源是我国的基本国策。国家实施节约与开发并举、把节约放在首位的能源发展战略”[2]。

家用电器作为现代生活必不可少的一部分，中国已成为全球最大的家用电器生产和消费国之一，家用电器拥有量的迅速增长带来了巨大的能源消耗问题，值得深入研究。2014年，居民家庭用电占全国总用电量的12.54%，其中电磁炉、微波炉等加热做饭器具耗能占较大比例，因此提高家用电器的能效对于节能减排意义重大，世界各国都通过制定和实施能效标准、推广能效标识制度来提高用能产品的能源效率，促进节能技术进步，进而减少有害物的排放。

目前，运用于电磁灶、微波炉能效的检测仪器都只能独立、单一地对某一项或两项进行测试。检测实施过程中人工参与环节较多，且无法同时对器具进行多元参数检测[3，4]。此外，对某些参数的独立检测评估不能全面地检测电磁炉、微波炉的能效。因此，本文为解决这些问题，拟建立多元数据平台对电磁炉、微波炉进行全面的能效自动检测，可同时采集多个参数，设备全程自动运行，避免过多的人工操作对实验数据产生干扰，提高测试准确性。同时，将各种参数采集到信息处理系统，信息处理系统以国家现有标准为依据，准确评估电磁炉、微波炉的能效指标，形成数据表格并输出，上传至数据库，实现资源共享。

1 微波炉能效检测要求分析

根据GB 24849-2010《家用和类似用途微波炉能效限定值及能效等级》要求，微波炉的能效测试需要检测其能效值、烧烤能耗值、待机和关机功率值[5-7]。本文拟建立的检测系统硬件设备包括IPC，PLC，多通道记录仪，功率计，温度传感器等，多通道记录仪用于记录温度、质量参数，功率计用于测量输入能量。

1.1 微波炉效率检测

测试条件：

（1）该试验在无强制对流空气环境中进行，且环境温度为20℃±5℃，相对湿度为45%～75%，被测微波炉放置在厚度约20 mm，涂有无光黑漆的胶合板水平板上；

（2）微波炉电源电压为220 V（±1%），频率为50 Hz（±0.2%），谐波失真不超过5%；

（3）测量水温的热电偶线径不超过0.3 mm，在0～100℃温度范围内准确率为±0.1℃[8]；

（4）电压表、功率计准确度误差为±1%，电子称准确度误差为±0.5%，计时器准确度误差为±0.5%。

测试步骤：

（1）准备相应规格的圆柱形硼硅玻璃器皿，该器皿的质量为mc，温度为室温T0，称量温度为（10±1）℃，質量mw为（1 000±5） g的水；

（2）设置温度传感器，记录初始水温为T1，并通过控制PLC启动微波炉测试；

（3）水温达到（20±2）℃时，PLC动作，断开电源，通过多通道记录仪和功率计记录测试时间t和输入能量Win，并测量60 s内的最高水温T2，上传至上位机，结束测试。

微波炉的输出功率P和效率η通过上位机的程序计算得到，功率计算公式见式（1），效率计算公式见式（2）：

参照表1，根据所测得的效率η，程序自动评定被测微波炉的能效等级，生成报告。

微波炉效率检测流程如图1所示。

1.2 微波炉烧烤耗能值检测

测试条件：

（1）该试验在无强制对流空气环境中进行，且环境温度为20℃±5℃，相对湿度为45%～75%，被测微波炉按照说明书进行安装；

（2）微波炉电源电压为220 V（±1%），频率为50 Hz（±0.2%），谐波失真不超过5%；

（3）测量水温的热电偶线径不超过0.3 mm，在0～100℃温度范围内准确率误差为±0.5℃；

（4）电压表、功率计准确度误差为±1%，计时器准确度误差为±1%。

测试步骤：

（1）器具内放置热电偶，用于测量腔体内的平均温度，记录初始温度T1；

（2）控制PLC启动微波炉，调到烧烤模式，进行测试；

（3）5 min后由PLC控制微波炉停止运作，系统记录内部温度T2和测试消耗能量E，结束测试[9]。

微波炉烧烤能耗Wc通过程序计算得到，见式（3）：

根据GB 24849-2010要求，烧烤能耗应满足Wc≤1.4 W·h。

1.3 微波炉待机和关机功耗检测

测试条件：

（1）该试验在无强制对流空气环境中进行，且环境温度为（20±5）℃，相对湿度为45%～75%，被测微波炉放置在厚度约20 mm，涂有无光黑漆的胶合板水平板上，至少放置

6 h以使器具整体温度达到环境温度；

（2）微波炉电源电压为220 V（±1%），频率为50 Hz（±1%），谐波失真不超过2%；

（3）测量水温的热电偶线径不超过0.3 mm，在0～100℃温度范围内准确率误差为±0.5℃；

（4）电压表、功率计准确度误差为±1%，计时器准确度误差为±1%。

测试步骤：

（1）将微波炉设置成待机或关机模式；

（2）测试5 min，功率稳定（波动小于5%），则通过功率计直接记录待机或关机功率值，上传至上位机；

（3）测试5 min，功率不稳定，继续测试一段时间。

方法一：取一个真平均功率为待机或关机功率值；

方法二：用累计能耗和测试时间计算待机或关机功率值[10]。

根据GB 24849-2010要求，关机和待机功耗应小于或等于0.5 W，在待机模式具有信息或状态显示的微波炉，待机功率应不大于1 W。

2 电磁灶能效检测要求分析

根据GB 21456-2014《家用电磁灶能效限定值及能效等级》要求，电磁灶的能效测试需要检测其热效率、待机状态功率，热效率测试需要用到标准锅，标准锅应满足GB 21456-2014附录A中的要求[11]。

2.1 电磁灶热效率检测

测试条件：

（1）该试验在无强制对流空气环境中进行，且环境温度为（20±2）℃，相对湿度为45%～85%，大气压力范围为86 ～106 kPa；

（2）电磁炉电源电压为220 V（±1%），频率为（50±1）Hz，谐波失真不超过3%；

（3）测量水温的热电偶线径不超过0.3 mm，在0～100℃温度范围内准确率误差为±0.1℃；

（4）电压表、功率计准确度为±1%，质量测量分辨力不大于5 g，计时器准确度误差为±2 s/h。

测试步骤：

（1）测量加盖标准锅的质量m2，并称量温度为（15±1）℃、质量为m1的水，水的质量根据表2添加；

（2）设置温度传感器，记录初始温度T1，PLC动作，启动电磁灶开始测试，一段时间后停止测试，记录电能消耗E，1 min后读取最高温度值T2，温升?t在（75±1）℃内有效；

（3）自动重复两次上述过程，热效率取三次测试的平均值，结束测试。

电磁灶热效率η（单位：%）通过程序计算得到，计算公式见式（4）：

电磁灶的热效率检测流程如图2所示。

2.2 电磁灶待机功率检测

测试条件：

（1）该试验在无强制对流空气且环境温度为20℃±2℃，相对湿度为45%～85%，大气压力为86～106 kPa的场所进行；

（2）电磁炉电源为电压220 V（±1%），频率为（50±1）Hz，谐波失真不超过3%；

（3）电压表、功率计准确度误差为±1%，计时器准确度误差为±2 s/h。

测试步骤：

（1）待测电磁灶以额定电压供电，处于功耗最大的待机状态；

（2）功率计测量稳定，大约90 min后开始检测，上传数据；

（3）记录测量时间t和耗电量E，测试结束。

程序按式（5）计算待机平均功率：

参照表3和表4，根据所测得的热效率η和待机功率P，程序自动评定被测微波炉的能效等级，生成报告。

3 电磁加热器具能效检测系统构建

针对现有电磁加热器具检测技术的缺陷，本研究结合国家标准要求，优化测试流程，确定计算评估研究模型，拟建立基于多元数据平台的智能检测系统，可同时对微波炉、电磁灶的多元参数进行能效检测，系统硬件组成如图3所示。PLC用于控制电磁加热器具的启动和停止，多通道记录仪用于记录所测得的温度值和质量值，功率计用于记录输入的功率和能耗，它们与电脑之间可相互通信，PC端应用程序控制设备并读取相应的数据[12，13]。

软件方面，本研究设计了基于Visual Basic程序开发软件的检测程序以及源于国家标准的计算评估数学模型。利用VB程序控制PLC实现整个检测过程的自动化，PLC主要用于实现测试过程中电磁灶、微波炉的通断功能[14]。该系统通过应用软件实现可视化显示技术，研究水温变化、时间变化、质量参数、消耗电能等多元数据，并依据检测数据结果，计算出最终的能效等级，如图4所示。

检测系统全程自动化测试，参数自动检测存储并生成报告，完成数据库建设，实现实验室參数测试仪器和PC端局域网与数据库共享功能，如图5所示[15]。

检测系统构建采取以下技术路线：

（1）基于多参数可视化和高精度数据采集和转化的研究方案

按国家标准要求，集成多种试验所需测试过程，结合多信息辨识理论、数字化显示方法，依托先进的信息采集与转换装置，采集高精度目标数据，通过比对获取的各项数据，修正多个参数的准确性。通过在线数据辨识，进行数值仿真计算分析，得出能效测试所需的稳定数据。

（2）基于检测自动化实施和结果智能评估系统的方案研究

参照国家标准，优化测试流程，对测试过程实现标准化，将动态集成检测方法应用到检测系统控制器，以国家标准为根本依据，结合以往的参数标准，对各参数的关联性进行分析，从而得出全面、综合的结果。

（3）构建大数据研究体系实现用户在线查询能力研究方案

建立结果远程可查询功能，在产品自动检测后，建立数据库，数据库是为众多用户可共享其信息而建立的，摆脱了具体程序的限制和制约，用户可以同时共享数据库中的数据资源。

（4）建立测试过程自动化实施的软件控制系统方案

基于最新的物联网技术，以PC作为处理平台的控制系统编制多任务软件系统，根据需求分析阶段确定的功能设计软件系统的整体结构、划分功能模块，确定每个模块的实现算法以及编写具体的代码，形成软件的具体设计。实现流程自动控制，并具备简便、可靠、經济、适用等特点。

技术路线示意图如图6所示。

4 结 语

本文提供的家用电磁加热器具能效检测系统能够对电磁灶、微波炉进行全面的能效检测，可以同时对多个参数进行高精度数据采集，并通过全程软件控制实现检测过程的自动化以及结果自动评估的智能化，测试效率高、自动化程度高、检测准确度高、标准符合性强，实现了家用电磁加热器具产品能效检测的快速实施、减少了人为干预因素、节约了人力资源、提高了数据准确性。

参考文献

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[3]广运机电（苏州）有限公司.电磁炉检测系统[P].中国专利：CN201520433907.7，2015-06-23.

[4]广东美的厨房电器制造有限公司.微波炉的空载检测装置和微波炉的空载检测方法[P].中国专利：CN201410665685.1，2014-11-19.

[5] GB 24849-2010 家用和类似用途微波炉能效限定值及能效等级[S].2010.

[6] GB/T 18800-2008 家用微波炉性能试验方法[S].2008.

[7] IEC 60705：2010，Household microwave ovens–Methods for measuring performance [S].2010.

[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 家用电磁灶能效限定值及能效等级[S].2014.

[12] SWAIN M，RUSELL S，CLARKE R. The development of food simulants for microwave oven testing[J].International journal of food science & technology，2004 ，39（6）：623-630.

[13]汪升.集中供热锅炉控制系统的PLC控制[J].电子技术与软件工程，2013（15）：159.

[14]谈士力，张海洪，冯星华.基于VB的PLC与微机通讯及其应用[J].系统工程与电子技术，2001，23（3）：91-94.

[15]孙中廷.基于NoSQL数据库的大数据存储技术的研究与应用[J].计算机时代，2014（7）：7-9.