鉑電阻在智能家電測試中的應用研究

袁興成 余榮斌 鄭小龍

（廣東產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗研究院 廣州 510670）

前言

鉑電阻廣泛應用在電飯煲、電磁灶以及家用空調(diào)器等智能家電的測試中，由于不同長度和直徑的鉑電阻有著不同的感溫長度和熱響應時間，導致測試結(jié)果存在較大差異，本文采用不同規(guī)格的鉑電阻，選取電飯煲的保溫溫度以及電磁灶的熱效率項目進行比對研究，為下一步標準的制修訂提供數(shù)據(jù)參考及建議。

1 鉑電阻的測溫原理及特點

鉑電阻是鉑熱電阻的簡稱，其利用金屬鉑的阻值隨著溫度的變化而改變這一特性來測量溫度及溫度相關的參數(shù)。它有Pt100和 Pt1000等系列，常見的Pt100鉑電阻是將鉑絲纏繞在陶瓷、云母或玻璃骨架上再經(jīng)過一定的工藝加工而成，其測量范圍在-200～+850 ℃之間，廣泛應用于測量、溫度計算、工業(yè)控制、衛(wèi)星、醫(yī)療、氣象等領域。在實際應用中，常將鉑電阻鎧裝在不銹鋼套管內(nèi)，不銹鋼套管的直徑從0.25～8.0 mm不等，這樣的鉑電阻具有機械性能好、耐振動、抗沖擊、可彎曲、便于安裝、使用壽命長等優(yōu)點。

國標GB/T 30121-2013《工業(yè)鉑熱電阻及鉑感溫元件》中，對鉑電阻的最小置入深度、感溫長度、熱響應時間、允差以及回差都進行了規(guī)定，其中感溫長度和熱響應時間等參數(shù)在智能家電測試中對測試結(jié)果有著重要的影響。熱響應時間是指鉑電阻響應一個溫度階躍變化，到達規(guī)定的百分比所需要的時間。在規(guī)定的響應時間內(nèi)，需要聲明響應的百分比，通常用τ0.9、τ0.5和τ0.1，分別指90 %、50 %和10 %響應的時間，還要規(guī)定試驗介質(zhì)（通常是流動水和/或流動空氣）和流通條件[1]。感溫長度是指鉑電阻感受溫度并直接影響到測量電阻值的那部分長度，通常鉑電阻的感溫長度與元件長度有關[1]。

2 鉑電阻在智能家電測試中的應用

鉑電阻廣泛應用在智能家電的測試中，電飯煲保溫溫度和電磁灶熱效率測試中都需要使用鉑電阻。電飯煲保溫溫度測試時按照說明書的方法按最大容量煮飯，并在額定電壓保溫12 h 后，測量米飯的溫度。測量點如圖1所示的內(nèi)鍋A、B、C 三點處[2]。

國標GB 21456-2014《家用電磁灶能效限定值及能效等級》中，家用電磁灶的熱效率測試方法是：在規(guī)定的測試條件下，選擇可以覆蓋電磁灶加熱區(qū)域的最小規(guī)格標準鍋（標準鍋底部直徑大于電磁灶線圈盤有效直徑），測量加蓋標準鍋的質(zhì)量m2；將相應標準鍋置于冷態(tài)被測電磁灶加熱單元中心，將鍋內(nèi)裝入表1所規(guī)定質(zhì)量的水m1，水溫為15±1 ℃，加蓋，溫度計從鍋蓋孔中放入鍋內(nèi)中心位置，溫度計感溫部分浸入水中距離鍋底10 mm，讀出溫度計讀書t1，啟動電磁灶并迅速調(diào)節(jié)到最大功率檔（制造商在說明書中指定），當水溫達到一定數(shù)值時，關閉電磁灶，同時記錄消耗的電能量E，并讀取1 min后的最高水溫讀數(shù)t2，水的溫升在（75±1）K范圍內(nèi)有效，并根據(jù)式（1）出電磁灶的熱效率[3]。

式中：

η—熱效率，%；

c1—水的比熱容，取4.18，單位千焦每千克開爾文（kJ/(kg.K)）；

m1—水的質(zhì)量，單位為千克（kg）；

c2—鍋身和鍋蓋的比熱容，取0.46，單位千焦每千克開爾文（kJ/(kg.K)）；

m2—鍋身和鍋蓋的質(zhì)量，單位為千克（kg）；

Δt —溫升，單位為開爾文（K），Δ t = t2-t1；

E —消耗的電能量，單位為千瓦時（kW.h）。

3 鉑電阻對電飯煲保溫溫度測試結(jié)果的影響

為研究不同尺寸的鉑電阻對電飯煲保溫溫度結(jié)果的影響，采用了3種不同規(guī)格的鉑電阻進行測試，鉑電阻的具體規(guī)格如表2所示。

圖1 電飯煲保溫溫度測試示意圖

表1 標準鍋的尺寸及試驗時添加的水量

采用額定容積分別為2 L、3 L和4 L的3種規(guī)格的電飯煲進行測試，按照說明書的方法按最大容量煮飯，并在額定電壓（220 V）下保溫12 h 后，測量米飯深度分別為H/4、H/2和3H/4位置的溫度（H為米飯的烹飪高度），不同位置的穩(wěn)定溫度以及達到穩(wěn)定溫度所需的時間（穩(wěn)定時間）如表3～5所示。

從表3至表5可以看出，1#和2#鉑電阻雖然長度不同，由于感溫長度相同，在所有的位置測量結(jié)果都相近，且達到穩(wěn)定溫度的時間也一致。3#鉑電阻由于較粗，感溫長度更長，在深度為H/4和H/2的位置時測量值遠小于1#和2#鉑電阻的測量值，在深度3H/4位置時，3#鉑電阻測量值接近于1#和2#鉑電阻的測量值，但是由于其較粗，插入米飯的過程中產(chǎn)生的空隙較大，帶入的空氣也越多，導致其測量值比1#和2#鉑電阻低。

從表3至表5還可以看出，由于3#鉑電阻直徑更大，其熱響應時間大于1#和2#鉑電阻的熱響應時間，測試時達到溫度達到穩(wěn)定所需要的時間遠遠大于1#和2#鉑電阻所需時間。

4 鉑電阻對電磁灶熱效率測試結(jié)果的影響

國標GB 21456-2014《家用電磁灶能效限定值及能效等級》中對測量溫度用的溫度計僅規(guī)定其分辨率不大于0.1 ℃，并規(guī)定電磁灶的熱效率試驗可采用鉑電阻或水銀溫度計，當試驗結(jié)果有爭議時，應以鉑電阻測試數(shù)據(jù)為準，但是未對鉑電阻長度以及直徑等影響測試結(jié)果的參數(shù)進行規(guī)定。原國家質(zhì)檢總局發(fā)布并于2018年3月26日實施的國家計量技術規(guī)范JJF 1261.3-2017《家用電磁灶能源效率計量檢測規(guī)則》中也只規(guī)定鉑電阻的直徑小等于4 mm[4]。為研究不同尺寸的鉑電阻對電磁灶熱效率測試結(jié)果的影響，采用了4種規(guī)格的鉑電阻和4種不同規(guī)格的電磁灶進行測試，按照國標GB 21456-2014《家用電磁灶能效限定值及能效等級》的要求分別采用4中不同的標準鍋進行測試，鉑電阻的尺寸如表6所示，測試的試驗條件如表7所示。

表2 電飯煲保溫溫度測試的鉑電阻規(guī)格

表3 額定容積為2 L的電飯煲保溫溫度測試結(jié)果

表4 額定容積為3 L的電飯煲保溫溫度測試結(jié)果

表5 額定容積為4 L的電飯煲保溫溫度測試結(jié)果

表6 電磁灶熱效率測試的鉑電阻規(guī)格

為了研究不同尺寸的鉑電阻對電磁灶熱效率測試結(jié)果的影響，同時為了消除不同溫度巡檢儀和鉑電阻自身的測量誤差，試驗過程中將4種不同規(guī)格的鉑電阻連接到同一臺溫度巡檢儀的不同端口，且同時將4種不同規(guī)格的鉑電阻從鍋蓋孔中放入標準鍋內(nèi)的中心位置，通過

5 總結(jié)

不同直徑和長度的鉑電阻由于感溫長度、熱響應時間等參數(shù)不同，進行電飯煲保溫溫度和電磁灶熱效率測試結(jié)果存在較大的差異。為了較為準確的測試電飯煲保溫溫度，應使用感溫長度和直徑較小的鉑電阻，同時在每個測試點應保持足夠的測試時間。在利用鉑電阻進行調(diào)整置入深度，確保4種不同規(guī)格的鉑電阻感溫部分浸入水中距離鍋底10 mm，這樣冷態(tài)的水溫t1和關閉電磁灶1 min后的最高水溫t2均由同一鉑電阻進行測量。

表7 電磁灶熱效率的試驗條件

表8 不同規(guī)格鉑電阻進行電磁灶熱效率測試的結(jié)果

表8中電磁灶的熱效率值為重復測量三次的平均值，平均溫升為三次熱效率測試過程中水的溫升的平均值。從表8可以看出，對于4中不同規(guī)格的電磁灶，鉑電阻的直徑越大，相同測試條件下其測得的平均溫升越高，所測試的電磁灶熱效率也越大。這主要是由于鉑電阻的直徑越大，其熱響應時間越長，進行熱效率測試時，按照GB 21456-2014測量關閉電磁灶1 min后的最高水溫t2可能實際測試的是關閉電磁灶不到1 min時的最大值，導致電磁灶的熱效率更大。從2#電磁灶的測試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，按照國標GB 21456-2014的分級規(guī)定，其熱效率值在2級附近。從測試結(jié)果可以看出，當采用1#鉑電阻進行測試時，其熱效率值只滿足3級能效的要求，但是采用2#、3#和4#鉑電阻進行測試時，其熱效率值可滿足2級能效的要求。

從表8中同時還發(fā)現(xiàn)，對于相同直徑、不同長度的2#和3#鉑電阻，只要將其感溫部分都完全浸入到水中，4中不同規(guī)格的電磁灶熱效率測試結(jié)果都一致，最大相差都只有0.1 %。電磁灶熱效率測試時，其他條件相同的情況下，直徑較大的鉑電阻熱效率值大于直徑較小的鉑電阻的測試值，因此國標GB 21456-2014進行修訂時，應該進一步明確鉑電阻的直徑以及長度等參數(shù)，以確保測試結(jié)果具有較好的一致性。