电器产品测试用供水系统的研制

王晓岭，童朱珏，李庆丰，方艺，周徐宁

（浙江省质量检测科学研究院，杭州 310013）

引言

电热水器、洗衣机、洗碗机、电子坐便器、太阳能热水器等与水源连接的家用电器在进行安全与性能测试时，试验用水必须符合标准试验条件的要求才能确保测试结果的准确有效，对于不同的产品和测试项目，标准对试验用水的要求也不尽相同。如：快热式热水器性能测试，标准要求提供进水温度15±1℃、水压稳定在0.3±0.01MPa，流量调整为按照额定加热功率和温升25℃情况下流量的90%时的流量；家用太阳能热水器能效测试，则要求供水系统提供20±0.5℃的试验用水。对于一些特殊产品除了对供水水温、水压有要求外，还对水质有较高的要求，如采用防电墙技术和使用裸露式电热元件的电热水器，标准[3][4]对试验用水有导电率的要求；洗衣机的洗净率等性能项目以及快热式电热水器水质适应性测试则对测试用水的硬度和pH值有很高的要求。当然，采用单一参数控制的多套供水装置也能确保满足完成这些测试的要求，但这样实验室需要针对单一参数和复合参数建立多套供水装置，而实际上大部分时间很多供水装置都处于停止运行的状态，使用率和效率非常低，不经济。建立一套与之匹配的符合标准要求的多功能多参数的高精度供水系统则更经济，效率更高，且能满足参数间的变化的控制要求，功能强大，更能满足实验室各种复杂的供水要求。本文研究汇总了各类家电产品检测标准对试验用水的要求，对提高测试用水的水温、水压、流量及水质调节的精确性和稳定性进行了研究。设计方案分以下两个方面：

装置总体设计方案主要包括两大系统，即自动恒温恒压供水系统和自动水质调节系统。装置的具体技术要求如下:水温控制范围：5～60℃,出水温度波动不大于±0.2℃,水压变化范围0.1～0.6MPa±0.01MPa，软化水指标达到：钙盐和镁盐含量小于50mg/L，硬度调节范围：0～300mg/L，电阻率的调节范围0～1500Ωcm，pH可调，供水量：0～1.6m3/h。系统总框架如图1所示。

1 自动恒温恒压供水系统方案设计

1.1 自动恒温恒压供水系统的组成

自动恒温恒压供水系统主要包括以下几个部分组成：保温水箱、电加热器、制冷机组、PID调节仪、固态继电器、PLC、铂电阻温度传感器、循环水泵、变频水泵、电动调节阀等。整个系统分为两个子系统：第一子系统为水温调节系统，主要有电加热器、压缩机、风冷冷凝器、电子膨胀阀、蒸发器、铂电阻温度传感器等组成，利用铂电阻温度传感器、PLC对电加热器、制冷机组的控制，通过循环水泵实现保温水箱里的水与蒸发器及加热器进行换热，使水温变得均匀稳定。第二子系统为水压及流量调节系统，主要由变频水泵、压力传感器、PID调节控制仪控制和电动调节阀组成。本系统框架如图1右侧上半部分所示。

1.2 自动恒温恒压供水系统控制方案

自动恒温恒压供水系统在控制上可分为温度控制系统、压力控制系统和流量控制系统。温度控制系统主要由温度采集模块对保温水箱的水温进行测量采集，通过制冷系统，使保温水箱的水降温，而加热系统由PI D控制可控硅调节输出功率，系统通过这种采用调节热源百分比和冷源相互作用的方法来提高控制精度，使温度波动范围不超过±0.2℃温度。图2(a)为温度控制系统图。压力控制系统由PLC可编程控制器、变频器、水泵电机组、压力传感器等构成。通过压力传感器采样管网压力信号，变频器输出电机频率信号，这两个信号反馈给PLC的PID模块，根据这两个信号经模糊控制运算，发出控制信号，调节水泵电机的转速，控制压力，达到恒压控制的目的。控制系统如图2(b)所示。流量控制系统的执行器由PID调节控制仪、流量计、电动调节阀等组成。供水时，把被试机需要的供水量设定到PID调节控制仪中，通过流量计测出当前流量值，反馈到PID调节控制仪中，如果当前供水量比设定供水量要小，则PID调节控制仪控制增大电动阀开度，增大供水量。如果当前供水量比设定供水量要大，减小电动阀开度，减少供水量，使供水量达到设定值，控制系统如图2(c)所示。显然，对于整个系统各参数之间的关系，这是一个关联系统。如果在保持水压不变的情况下，输出流量一旦发生变化，则会导致整个系统的控制参数都发生变化。这就要求控制系统中PID的控制不是三个孤立的控制器，而是整个系统统一执行的控制方案。这样才能在输出发生变化时，整个系统能够迅速做出合理的调整方案，使系统迅速达到稳定，保证正常供水。

图1

1.3 自动水质调节系统方案设计

自动水质调节系统硬件组成主要包括以下几个部分组成：软水系统、导电率及pH值调节系统、硬度调节供水系统。其中软水系统主要是应用离子交换技术，通过树脂上的功能离子与水中的钙、镁离子进行交换，吸附水中多余的钙、镁离子，从而达到软化水质的目的。该系统带自动过滤，自动软水、自动再生功能，经软水处理后硬度小于50 mg/L，可满足洗衣机性能标准[1]对试验用水的要求。对水质硬度进行调节主要是针对快热式热水器性能标准[2]中水质适应性能试验项目要求进行设计，该试验项目考核产品使用一定硬度的水连续工作100h后加热效率的降低和电热管表面的结垢程度，由于试验时随着试验的进行，水会使热水器的发热元件和容器内胆表面结垢，导致水质硬度降低，逐渐偏离试验要求的2.5mmol/L，造成试验误差。因此水质硬度应实时调节。而对于使用裸露式电热元件和采用防电墙技术的电热水器在进行安全性能测试时，标准[3][4]对试验用水除了有温度的要求，还对水的电阻率有要求，如采用防电墙技术的储水式热水器试验用水水温为25℃±5℃，电阻率为1250±50Ωcm。自动水质调节系统框架如图1左侧及右侧下半部分所示。

图2

目前大多数实验室对供水系统的硬度、电阻率、pH值等水质指标的调节采用的大多是通过人工手动加药及手动测定的方法来实现，但在实际操作时由于水箱浓度不均匀，往往不能满足试验连续稳定供水要求。针对此问题，水质调节系统设计了在线监控、自动加药的控制系统，实现了供水系统的水质调节自动控制。以试验用水电阻率控制为例，实时测量调节系统控制流程见图3，其控制的流程为：通过对水箱中的电导率值进行在线测量，并与给定值进行比较，再经控制系统PID运算后，通过变频器控制加药计量泵，从而实时控制试验用水的加药量(所加药物为高浓度磷酸铵溶液)，使试验用水的电阻率保持在标准允许的范围内。该系统控制部分分为PID调节器、执行器、被控制对象及水电阻率在线测定4部分。其中，调节器由PID和相应控制软件组成，执行器由变频器、计量泵组成，被控制对象为容器中的水的电导率值，水电阻率测定由传感器、变送器组成。系统PID调节仪采用自校正PID控制器，用最小二乘法来调整控制量的参数变化，将自校正的控制思想及算法和常用PID控制相结合解决在动态时变供水系统中，控制作用不及时，及引起系统产生超调或振荡，系统控制精度不高问题。

2 结束语

图3

本文介绍的高精度多参数供水系统，能够满足所有与水源连接家电产品的测试需要，实践证明该系统运行可靠能够实现多参数的自动调节。特别是在水质控制方面，设计了基于自校正PID控制自动加药系统可满足电阻率、pH值、硬度等水质指标的在线监控，解决了以往手动控制难以保证水质指标稳定的问题，能够大大降低人工劳动强度，减少人为的误差，提高了检测效率及检测结果的准确性。

[1] GB/T 4288—2008，家用和类似用途电动洗衣机[S].

[2] GB/T 26185-2010，快热式热水器[S].

[3] GB 4706.12-2006，家用和类似用途电器的安全储水式热水器的特殊要求[S].

[4] GB 4706.11-2008，家用和类似用途电器的安全快热式热水器的特殊要求[S].

[5] 王腾东、李瑛等.高精度恒温水供水装置的研制[J].家用电器科技，2011，9（2）.