一种商用燃气灶与家用燃气灶两用型综合性能试验台的设计

李卓昀

（1.上海梦地工业自动控制系统股份有限公司，上海 201402；2.上海梦地检测技术有限公司，上海 201402）

1 前言

根据中国合格评定国家认可委员会（CNAS）网站上查询到的数据可以得知：我国现有20余家检测机构同时通过了商用燃气燃烧器具、家用燃气灶具项目的国家实验室认可。随着商用燃气燃烧器具自愿性认证、家用燃气灶具强制认证等工作的开展，这些燃气具检测机构的检测业务越来越多，需要设计更科学的试验设备来应对繁重的检测任务。

商用燃气灶综合性能试验台是依据GB35848-2018等标准要求设计的、用于商用燃气燃烧器具检测的试验设备；家用燃气灶综合性能试验台是依据GB16410-2020等标准要求设计的、用于家用燃气灶具检测的试验设备。检验检测机构如果要进行上述标准的试验，通常的做法是分别购买两种试验台。为了把两种试验台的功能“合二为一”，以提高工作效率、减少资金投入和设备占地面积，文章提出了一种商用燃气灶与家用燃气灶两用型综合性能试验台的设计。

本设计适用于下标准：GB35848-2018《商用燃气燃烧器具》、CJ/T451-2014《商用燃气燃烧器具通用技术条件》、CJ/T392-2012《炊用燃气大锅灶》、CJ/T28-2013《中餐燃气炒菜灶》、CJ/T187-2013《燃气蒸箱》、GB/T30531-2014《商用燃气灶具能效限定值及能效等级》、GB16410-2020《家用燃气灶具》、GB30720-2014《家用燃气灶具能效限定值及能效等级》。

2 设备结构说明

商用燃气灶与家用燃气灶两用型综合性能试验台由燃气管路、水温检测组件、定压水装置、控制系统及软件等部分组成。试验台设计的核心，即在试验时实现：两个气体流量计分开用，差压变送器和工业铂热电阻共用。

设备实物图如图1所示：

图1 设备实物图

2.1 燃气管路

燃气管路上的计量器具有：气体流量计、差压变送器、工业铂热电阻、膜盒压力表、U型压力计。其中的气体流量计用于测量燃气消耗量，差压变送器用于测量气体流量计内的燃气压力和灶具前的燃气压力，工业铂热电阻用于测量燃气温度。主要零部件有：加湿器、燃气减压阀、燃气过滤器、球阀、煤气专用电磁阀、煤气安全阀。其中加湿器用于湿式气体流量计所在的管路，以保证湿式气体流量计水位的稳定，确保气体流量计的精度不受水位变化的影响。燃气减压阀用于调节燃气压力，球阀和煤气专用电磁阀用于控制燃气管路的通断，煤气安全阀用于出现异常时紧急切断燃气回路（可以与可燃气体报警器连接）。

燃气管路设计的要点主要有：气体流量计脉冲信号的处理、燃气管路管径的计算。

2.1.1 气体流量计脉冲信号的处理

试验台中包含两个气体流量计，一个是超声波流量计，出厂时的技术指标为：测量范围0~15 m3/h，准确度等级1.5级，脉冲幅度3 V，脉冲周期1 s/p，用于测量商用灶的燃气消耗量。一个是湿式气体流量计，测量范围0~3 m3/h，准确度等级1.0级，脉冲幅度10 V，脉冲周期0.01 L/p，用于测量家用灶的燃气消耗量。

两个气体流量计输出两路脉冲信号，两路脉冲信号通过一个旋钮控制，共用一个PLC端口采集。当进行商用灶的检测时把旋钮拨到左边，湿式气体流量计的脉冲信号断开，超声波流量计的脉冲信号输出到PLC端口；当进行家用灶的检测时把旋钮拨到右边，超声波流量计的脉冲信号断开，湿式气体流量计的脉冲信号输出到PLC端口。

由于超声波流量计出厂时的脉冲幅度偏低，试验台采用的西门子S-200型PLC不能识别，因此给它加装了脉冲放大器，加装后的脉冲幅度为13 V。另外，超声波流量计出厂时的脉冲周期不符合检测需求，将其更改为0.01 L/p。更改前后的脉冲电压值、脉冲频率如图2所示：

图2 更改前后的脉冲电压值、脉冲频率

2.1.2 燃气管路管径的计算

在相同额定热负荷下，使用液化石油气的灶具单位时间内消耗的燃气体积，比使用天然气的灶具单位时间内消耗的燃气体积小。另一方面，使用天然气的灶具是市面上的主流，使用人工煤气、液化石油气的灶具较少。因此在燃气管路管径计算时，只考虑管路中通入天然气的情况。

燃气行业对天然气在管道中的流速有要求，结合实际情况，设备中天然气的设计流速不超过15 m/s。根据数学模型：V=900πd2v，其中：

V：被检灶具的天然气耗量，m3/h；

d：燃气管路的内径，m；

v：设计流速上限值，此处取15 m/s。

再根据GB/T 16411-2008中的公式（1）（2），可知：

100 kW的商用燃气燃烧器具（沸水器类）的天然气耗量约10 m3/h，燃气管路的内径约30.7 mm。

5.23 kW的家用燃气灶的天然气耗量约0.52 m3/h，燃气管路的内径约3.5 mm。

为了生产加工方便，选用DN32的无缝钢管制作超声波流量计所在燃气管路；选用DN15的无缝钢管制作湿式气体流量计所在燃气管路。

2.2 水温检测组件

水温检测组件由工业铂热电阻、电子秤、自动搅拌装置组成。

其中工业铂热电阻用于检测试验锅内的水温；电子秤用于检测试验锅水的质量或燃气蒸箱蒸汽转化消耗水的质量；自动搅拌装置用于对试验锅内的水进行搅拌，以保证水温均匀。

水温检测组件设计的要点主要有：水温传感器的选择、自动搅拌装置的设计。

2.2.1 水温传感器的选择

燃气具行业内要求测量水温使用“低热惰性温度计”。低热惰性温度计是指对温度变化响应的时间为：在15~100 ℃范围内当其传感器浸入静止的水中5 s内能达到最终温升95%的值。

水银温度计没有输出信号无法应用在自动化检测设备中，因此我们考虑使用铂热电阻或者热电偶来进行水温检测。铂热电阻准确度高、响应时间慢；热电偶准确度低、响应时间快。二等标准铂热电阻最大允许误差≤0.1 ℃，但价格昂贵；A级工业铂热电阻，在试验水温范围内最大允许误差≤0.2 ℃，性价比较高。

综合上述因素订制了A级工业铂热电阻并对其采集到的温度值进行软件修正，用来检测试验锅内的水温。经过大量试验证实，它不低于低热惰性温度计的计量性能，符合标准要求。

2.2.2 自动搅拌装置的设计

自动搅拌装置用于搅拌试验锅内的水。由于商用灶检测时的试验锅和家用灶检测时的试验锅，在尺寸、形状上都有很大差异，因此试验台设计有两种自动搅拌装置。商用自动搅拌装置如图3所示：

图3 商用灶自动搅拌装置（气动）

商用灶自动搅拌装置含调节杆、往复式气缸、磁性开关、搅拌器等。调节杆用于对自动搅拌装置的位置在XYZ方向上进行手动调节。工作时，往复式气缸驱动夹住搅拌器在试验锅中匀速上下移动，磁性开关控制搅拌器上下行程。可以通过调节进入气缸的压缩空气压力的大小，实现对自动搅拌装置的搅拌频率的控制。

家用灶自动搅拌装置，通过采用高性能步进电机驱动，实现高速上下运动，进而带动搅拌器对燃气灶具试验专用锅中的水进行搅拌。搅拌装置的行程在0~150 mm范围内可调，频率在30 r/min~60 r/min范围内可调。

2.3 定压水装置

定压水装置用于燃气蒸箱检测时提供稳定水压和补水量。该装置由稳压罐、水压变送器、工业铂热电阻等组成。

稳压罐的水路部分含20L闭式不锈钢水罐、补水阀、出水阀、排污阀、液位开关等，稳压罐的空气路部分含空气减压阀、进气阀、排气阀、气压表等，稳压罐采用气压水方式工作。水压变送器用于检测稳压罐水压；工业铂热电阻用于检测进水温度及蒸汽温度。

定压水装置是对国家标准进行研究、改进后得出的。国家标准是使用增压泵抽水，以保证试验时水的压力的，这种方法的不足之处在于：增压泵的运行会产生热量，会使得水温升高，不利于蒸箱进水温度的控制；增压泵的运行还会产生噪声，会对部分试验项目（如噪声试验）造成影响。

2.4 控制系统及软件

控制系统由计算机、PLC可编程控制器、开关和指示灯、电源及其他电气部件组成，可驱动设备中的电磁阀等执行部件，可实时采集、显示和处理多种动态数据，如：燃气温度、燃气压力、瞬时/累积燃气流量及水温等。控制系统采用计算机系统控制，PLC采集执行的方式对被测灶具性能进行检测和判定。

软件由上海梦地工业自动控制系统股份有限公司自行开发，能够对采集到的数据进行修正、计算，并输出热负荷、热效率等测试结果。在软件编辑时应当注意：使用超声波流量计和湿式气体流量计的水蒸气压力不同，对应的实测折算热负荷、热效率计算公式有所差别。

3 性能验证

先将试验台上的计量器具校准，再把经上海市燃气设备计量检测中心有限公司检验的家用燃气灶、炊用燃气大锅灶分别放在试验台上进行检测，实验室间比对数据见表1：

表1 实验室间比对数据

经分析，以上各组数据均满足该试验台的性能符合要求。