基于半导体制冷技术的电热水壶防干烧自动测试机

徐蓓蓓，孙 文，梁澄波，王士杰

（1.深圳出入境检验检疫局，深圳 518067；2.沈阳出入境检验检疫局，沈阳 110000）

0 引言

近年来，精美实用和方便快捷的自动控制型电热水壶走进了千家万户。正因为它与我们日常生活息息相关，其功能性和安全性更加受到了标准和检测机构的重视。国际标准IEC60335-2-15和我国国家标准GB 4706.19中均明确规定，对带有2个自复位热断路器的电热水壶，应进行热断路器的寿命和可靠性测试。目前，该测试项目都是采用人工方式，存在着测试随意性大、重复性差和测试效率低等问题。

本文提出的设备结合半导体制冷原理，采用先进的PLC控制等自动控制技术，为检测机构提供了完美的全自动解决方案。

1 测试要求

针对带有2个自复位热断路器的电水壶，为了检验其可靠性及耐久性，标准IEC60335-2-15第19.102条款规定，将器具其中之一热断路器短路后进行干烧试验。在另一个热断路器动作后的2 s时间内，在电水壶中注入温度为(15±5)℃的水。1 min后将电水壶中的水倒掉。试验进行100次，并在试验过程中按照19.13的要求，监测温度变化。

2 结构设计及工作原理

本电热水壶防干烧自动测试机的设计秉承无氟环保和方便应用的理念，进行了结构设计和主要工作模式的选择。设备主要分为三个部分。

2.1 恒温供水

本部分由水箱、温度传感恒温装置、注水泵、注水管等部件组成；其中:

水箱采用“大容积水箱+小容积恒温箱”的方式对试验用水进行循环利用，既能节约用水，又能提高调节水温控制速度；

温度传感器采用日本松下KT4温控器，松下温控器KT4仪表是一种高精度、低价格的单回路PID调节器，它采用了最先进的加热冷却双PID算法，无超调，无欠调，可设定多种报警方式，具有输入用户自由组态、双设定值、手自动功能、通讯功能、回路断线报警等功能，被广泛应用于仪器设备温度控制；

为了使得试验水温持续保持在标准规定范围内，并尽量减小设备对试验环境的影响，本设备采用半导体制冷技术实现恒温控制。

半导体制冷片由两片陶瓷片和夹于其间的N型和P型半导体材料（碲化铋）组成如图1所示，其工作运转是用直流电流，通过改变直流电流的极性可在同一制冷片上实现制冷或加热两种功能，另外，半导体制冷片不需要任何制冷剂，可连续工作，没有污染源没有旋转部件，不会产生回转效应，半导体制冷片工作时还具有无震动、无噪音、寿命长，功耗小和安装容易等优点。

当然，半导体制冷片也具有热面温度越高、冷热端温差越大、制冷量越小和效率越低这一特点（随着半导体制冷器件制造技术的不断提高，备定量送水提供了很大便利。

测试时，将KT4主控制设定值设为试验要求数值15.0℃，温度上下限值皆为5.0℃，将其监控输入类型设为铂电阻Pt100温控模式，并与半导体制冷片构成控制连接状态，如此，温控器根据监测铂电阻阻值测出水的当前温度，并根据设定的PID值，对半导体制冷片的工作电流进行控制，从而调节水温，使得小容积水箱内实验用水恒定在(15±5)℃。已经可以实现高达68℃的温差），为了提高半导体制冷片工作效率，本设备对半导制冷片导冷及散热方面都做了特别设计，如图2所示。

图1 半导体制冷片结构

图2 半导体散热结构

在制冷片制冷端使用导热胶紧贴导温效果良好的铝合金板，并在铝合金板内部设有迷宫式的水路，使得试验用水流经其内部时候尽可能的增大与金属的接触面积，另外在制冷片发热端同样使用导热胶紧贴肋片式散热器，如图3所示，并在其外添加强力风扇，以有效降低半导体制冷片热端温度，减小其冷热端温差，大大提高半导体制冷片的工作效率。

图3 散热器

注水泵采用台湾邓元工业TPY-2500型自吸水泵，采用隔膜式设计,具有很高稳定度性能，为设

2.2 注水倾倒

本部分由机械手、机械臂、驱动电机及控制电路等部件组成。其中：

由于测试样品形状、大小的多样化（大致分为直筒形、梯形和圆球形三种类型），且在测试过程中，不仅要将壶身抱起，还要将它倾倒160～180°，以确保倒空壶中的水，因此，为了确保机械手的普遍适用性，本设备设计为用一个支架托住壶身和底座，旋转180°，以保证试验过程顺利完成；

本设备的控制电路采用日本松下GT11触摸屏模块和PLC控制模块对测试参数按标准要求进行设置，并能将各测试参数及结果显示在屏幕上，操作简单、方便，显示及时、准确；

驱动电机采用70YCJT-15/4型电容运转电机，具用大负载量，转速稳定等特点，确保平稳、准确的通过机械臂将支架连同样品同时翻转180度倒空壶中的水并复位。

图4 工作流程图

测试时，首先通过触屏对测试用试样容积、等待时间、通电次数及试验次数等进行设置后启动测试，具体工作流程如图4所示，受试样品在将其一自复位热断路器短路情况下进行通电，当另一热断路器动作后，PLC接收到电路断路这一信息，通过分析和处理，在热断路器动作2 s内输出控制信号控制，控制水泵吸出预先设定的试验用水倒入壶内，并在1 min后控制驱动电机转动机械臂将电水壶中的水倒掉后回复原状态进行下一次试验，如此重复进行预先设定的次数为止。

2.3 温升测试

标准要求，在整个试验过程中，应监测器具电源软线和测试角底板的温升，不超过标准要求的数值。因此，本设备还另外加装了8通道温度记录仪和测试角，可以实时监测和记录试验过程中电源软线、测试角边壁和测试角底板等的温升变化。

3 测试方法

在试验开始前，首先对需测量温度的点布置热电偶，检查温度巡检仪通道是否正常；根据样品大小、形状调节机械手，将样品可靠的固定在测试平台上。

对设备进行设置。根据标准要求及样品实际情况，对通电次数、试验水温、注水量等进行设置，确认仪表上显示的水温是否符合要求。温度未达到要求时，即使启动设备，设备也会报警。

启动设备，开始试验，设备将自动完成规定的测试循环并记录全过程的温度变化。

4 结束语

与以往测试方法相比，使用本电热水壶防干烧自动测试机不仅满足了标准对干烧测试的要求，而且具有一次设置，多次重复测试的优越性，达到了控制精度高、响应速度快、操作简单方便的目的，提高了检测工作的自动化水平及检测效率。

[1] IEC60335-2-15: 2008.Household and similar electrical appliances—Safety—Part 2-15: Particular requirements for appliances for heating liquids.

[2] GB 4706.19-2008.家用和类似用途电器的安全液体加热器的特殊要[S].