水流量傳感器在即熱式熱水器上的應(yīng)用

歐陽春光 陽猛 陳文全

(深圳市久喜電子有限公司 廣東深圳 518125)

1 引言

即熱式熱水器與貯水式熱水器相比有許多優(yōu)點(diǎn)，其中二個(gè)優(yōu)點(diǎn)最為明顯：一是節(jié)能環(huán)保，二是使用方便。即熱式電熱水器因不用提前預(yù)熱，所以沒有預(yù)熱時(shí)的熱能量散失，而且用多少水就放多少水，也沒有貯水式熱水器存在使用后有剩余熱水的能量消耗。據(jù)稱，即熱式電熱水器比傳統(tǒng)貯水式電熱水器省電30%-50%（未找到證明材料）。另外，即熱式熱水器的節(jié)能環(huán)保還體現(xiàn)在它的體積小巧，因?yàn)椴淮嬖谫A水水箱，所以在設(shè)計(jì)上不需要體大笨重的內(nèi)膽貯水箱和保溫層，節(jié)省材料、節(jié)省空間、重量輕、易安裝。即熱式熱水器不需預(yù)熱，無需等待，而貯水式熱水器需要預(yù)熱時(shí)間。即熱式熱水器的技術(shù)日臻成熟，市場份額呈擴(kuò)展趨勢，其中一個(gè)重要原因是，內(nèi)部安裝了一個(gè)關(guān)鍵器件——水流量傳感器。水流量傳感器用于檢測管路中水的流速，它的工作原理和技術(shù)要點(diǎn)，見《家電科技》2012第6期《雙腔結(jié)構(gòu)的水流量傳感器》。

2 電加熱器的脫水問題

大功率加熱時(shí)，偶爾突然出現(xiàn)原因不明的脫水情況，因不能提前斷電而造成加熱器損壞的問題長期困擾著即熱式熱水器的發(fā)展。在加熱過程中電加熱器一旦現(xiàn)出脫水現(xiàn)象，盡管與此同時(shí)也切斷了電源，但電加熱器仍然會損壞。這是因?yàn)殡娂訜崞髟诩訜徇^程中要在很小的空間里，產(chǎn)生很大的熱量才能夠給流過的冷水加溫；相反，如果加熱器產(chǎn)生的熱量不能及時(shí)被流動的水帶走，它的溫度將迅速升高到將其自身損壞的程度。

實(shí)驗(yàn)證明，加熱器必須在脫水之前確保有一個(gè)時(shí)間段切斷電源，才可以有效保護(hù)加熱器不被損壞。原因是，加熱器的加熱量很大，而水的熱容量很大，而且在流動中吸收熱量，維持了溫度的平衡。如果此時(shí)浸沒加熱器的水突然消失了，那么，加熱器的熱量不能夠向外傳導(dǎo)出去，而加熱器本身的熱容量較小，導(dǎo)致的結(jié)果是自身溫度迅速上升。

很顯然，防止因脫水造成的加熱器燒壞需要控制好二個(gè)要點(diǎn)：①確保加熱器已經(jīng)浸沒在水中，而且水在流動的情況下才可以接通電源；②加熱器在脫水之前幾秒鐘停止加熱，也就是說必須預(yù)先切斷電源。

3 出水溫度恒定控制的問題

幾乎所有的熱水器都面臨出水溫度的恒溫控制的難題。出水溫度的恒定控制需要考慮三個(gè)變化量（簡稱變量）：出水溫度、進(jìn)水溫度和流量，通過對變量的分析可以知道控制方式。

出水溫度為設(shè)定變量，進(jìn)水溫度和流量為條件變量。當(dāng)條件變量穩(wěn)定時(shí)，恒溫控制過程比較容易理解：控制系統(tǒng)通過比較實(shí)際出水溫度與設(shè)定溫度的偏差調(diào)節(jié)加熱功率，實(shí)現(xiàn)出水溫度的恒定。具體控制方式是，當(dāng)溫度偏低時(shí)則加大功率；反之減小功率。實(shí)際控制的細(xì)節(jié)要復(fù)雜許多，當(dāng)偏差出現(xiàn)的時(shí)候，增減功率的量級是關(guān)鍵要素，它不僅要考慮偏差量的大小，還要考慮熱容量帶來的“熱慣性”即溫度上升和下降的最佳曲線等因素，最重要因素是條件變量數(shù)據(jù)。

表面上看，影響恒溫出水的控制要素是檢測溫度與調(diào)整加熱功率，其實(shí)流量因素不可缺少。事實(shí)上，早期的即熱式熱水器控制方式就是采用“檢測溫度與調(diào)整加熱功率”的方式，出水溫度的精度和穩(wěn)定性一直未能解決，當(dāng)用戶調(diào)整出水流量后，也就是加大或減少用水量時(shí)，出水溫就不易穩(wěn)定，或穩(wěn)定所需要的時(shí)間比較長。

4 傳感器解決上述問題的原理

因脫水而損壞加熱器的問題，是在即熱式熱水器的檢測系統(tǒng)運(yùn)用了水流量傳感器之后得到了解決。其工作原理及過程如下：

即熱式熱水器在開始實(shí)行運(yùn)行時(shí)，控制系統(tǒng)首先檢測水流量傳感器是否有水流入，接著確定流入足夠的水量之后，才接通加熱器的電源，這樣就確保加熱器接通電源的時(shí)候已經(jīng)浸沒在流動的水中；在運(yùn)行過程時(shí)，當(dāng)加熱器在正常加熱時(shí)候，出現(xiàn)突然停水的狀態(tài)，則水流量傳感器在第一時(shí)間檢測到此信號并反饋到控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)立刻切斷加熱器的電源，此時(shí)水管及加熱器內(nèi)仍然有水，從而確保了加熱器在脫水之前幾秒鐘預(yù)先切斷了電源。這是在現(xiàn)有技術(shù)條件下解決即熱式熱水器脫水的最佳方法。

出水溫度恒定的問題，當(dāng)采用溫度和流量二個(gè)條件反饋量之后得到了有效解決。早期的“檢測溫度與調(diào)整加熱功率”的控制方式，只有溫度一個(gè)反饋量。在單個(gè)反饋量的控制過程中，系統(tǒng)比較實(shí)際出水溫度與設(shè)定溫度的偏差之后，就要確定所要調(diào)節(jié)的加熱功率（即增減功率的值），通常的做法估計(jì)一個(gè)數(shù)值，然后再進(jìn)行比較，如此循環(huán)地動態(tài)控制。

舉例說明，當(dāng)實(shí)際出水溫度比設(shè)定溫度低，則增加功率（例如100W），如果偏差仍然偏低，則繼續(xù)增加功率；如果偏差轉(zhuǎn)高，則降低功率。采用單個(gè)反饋量的控制很不穩(wěn)定，當(dāng)調(diào)節(jié)量過大時(shí)容易引起振蕩（即溫度波動大），當(dāng)調(diào)節(jié)量過小則溫度調(diào)整時(shí)間太長。在控制系統(tǒng)中再增加一個(gè)流量的反饋量，形成流量與溫度的雙反饋量，則調(diào)節(jié)過程就有了根本改善。運(yùn)行時(shí)，當(dāng)比較實(shí)際出水溫度與設(shè)定溫度的偏差之后，系統(tǒng)將根據(jù)偏差值和流量值計(jì)算出所要增減的功率值（而不是估計(jì)值），有針對性的定量調(diào)節(jié)，然后再比較，以同樣的方法再調(diào)節(jié)，動態(tài)控制?？梢?，增加流量反饋之后，即熱式熱水器的出水溫度可以做到精確、穩(wěn)定。有些水流量傳感器內(nèi)部就裝有溫度傳感器，實(shí)際應(yīng)用時(shí)非常方便。事實(shí)上，這種控制精度是目前熱水器中精度最高的。

水流量傳感器的性能。安裝了水流量傳感器的即熱式熱水器不一定能夠全部解決上述的問題，因?yàn)樗髁總鞲衅餍阅芗百|(zhì)量參差不齊。例如，水流量傳感器有些具備水流方向的識別功能，有些則不具備，而這個(gè)功能在即熱式熱水器上的應(yīng)用具有特別重要的意義。

水流方向識別功能是指水流量傳感器只測量一個(gè)方向的流量，當(dāng)流水向相反方向流動時(shí)，傳感器沒有反應(yīng)（流速為零）；不具備方向識別功能的水流量傳感器只測量流速，當(dāng)流水向相反方向流動時(shí)，傳感器仍然輸出流速的絕對值。一個(gè)不可回避的現(xiàn)實(shí)是，出現(xiàn)停水現(xiàn)象時(shí)，水管中的水往往會倒流，此時(shí)，具有方向識別功能的水流量傳感器因?yàn)闆]有反應(yīng)（流速為零），發(fā)出切斷電源的信號，將有效保護(hù)加熱器；而沒有方向識別功能的水流量傳感器，此時(shí)卻給出了“進(jìn)水流動正常”的錯誤信號，后果將是電加熱器立刻燒毀！

可見，即熱式熱水器的研發(fā)人員在選擇水流量傳感器時(shí)，不僅僅要了解流量-脈沖、流量極限數(shù)據(jù)等基本參數(shù)，還要了解如方向識別、可靠性、穩(wěn)定性、壽命等性能的其它技術(shù)細(xì)節(jié)。