剖析水位開關(guān)在全自動洗衣機(jī)中的應(yīng)用

熊小蘭　黃春如

(江西省樟樹第三中學(xué)，江西　宜春　331200)

①　本文為中國教育學(xué)會物理教學(xué)專業(yè)委員會2013年—2016年全國物理教育科研重點(diǎn)立項(xiàng)課題“低成本物理實(shí)驗(yàn)研究及教具制作”的研究成果.

名師簡介：黃春如(1962—　)，男，江西省中學(xué)物理學(xué)科帶頭人，中學(xué)物理高級教師，宜春市名師，江西省教育學(xué)會物理教學(xué)專業(yè)委員會理事，主要從事中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究.

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·名師論壇·

剖析水位開關(guān)在全自動洗衣機(jī)中的應(yīng)用

熊小蘭黃春如

(江西省樟樹第三中學(xué)，江西宜春331200)

①本文為中國教育學(xué)會物理教學(xué)專業(yè)委員會2013年—2016年全國物理教育科研重點(diǎn)立項(xiàng)課題“低成本物理實(shí)驗(yàn)研究及教具制作”的研究成果.

名師簡介：黃春如(1962—)，男，江西省中學(xué)物理學(xué)科帶頭人，中學(xué)物理高級教師，宜春市名師，江西省教育學(xué)會物理教學(xué)專業(yè)委員會理事，主要從事中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究.

摘要：現(xiàn)代家用電器的自動化程度越來越高，形形色色的傳感器充當(dāng)了自動化控制的媒介，給現(xiàn)代家用電器披上了神秘的面紗.本文以全自動洗衣機(jī)水位開關(guān)為切入點(diǎn)，介紹了其結(jié)構(gòu)及水位自動控制原理，目的是想通過這一案例，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識自動控制的基礎(chǔ)仍來源于我們所學(xué)知識，并非高深莫測.通過自制洗衣機(jī)模型，既能培養(yǎng)學(xué)生的動手動腦能力，又能較好地提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng).

關(guān)鍵詞：洗衣機(jī)；水位開關(guān)；結(jié)構(gòu)功能；受控原理

隨著時代的進(jìn)步、科技的發(fā)展和人們生活水平的提高，家用洗衣機(jī)從最初的洗甩分離的雙桶式，逐漸發(fā)展成了集電磁自動控制、水位自動控制于一體的一桶式，通過自動控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)注水、洗滌、排水、脫水等功能，通過各種功能的有機(jī)組合，實(shí)現(xiàn)了一鍵操作式洗衣功能.為踐行“從生活走向物理，從物理走向生活”的課程理念，筆者選擇全自動洗衣機(jī)中的水位自動控制系統(tǒng)進(jìn)行剖析，重點(diǎn)分析水位開關(guān)的結(jié)構(gòu)及自動控制工作原理，從一個側(cè)面引導(dǎo)學(xué)生去認(rèn)識現(xiàn)代家用電器中神秘的自動控制，其實(shí)并非高深莫測，它就來自于中學(xué)物理基礎(chǔ)知識的應(yīng)用.并用簡易器材自制模型，剖析洗衣機(jī)是如何利用水位開關(guān)實(shí)現(xiàn)水位自動控制的，以幫助學(xué)生更好地了解氣體壓強(qiáng)的應(yīng)用、傳感器工作原理、自動控制等方面的知識.對洗衣機(jī)各模塊功能的探究亦是學(xué)生課外綜合實(shí)踐活動的好選題，通過動手實(shí)踐活動，既能加深學(xué)生對所學(xué)書本知識的理解，又能較好地探究和了解洗衣機(jī)的工作原理，促進(jìn)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的提升.

1洗衣機(jī)水位開關(guān)的功能簡介

洗衣機(jī)洗滌時，洗滌和漂洗的水位高低各不相同，洗衣機(jī)是怎樣識別指令并正常工作的？要解開這一疑惑，就得先從洗衣機(jī)上的水位開關(guān)說起.

圖1為水位開關(guān)的實(shí)物圖，圖2為其原理示意圖，水位開關(guān)主要為下、中、上三部分：下部為氣室，通過塑料軟管與洗衣機(jī)外桶相連；中部為壓力調(diào)節(jié)杠桿，與氣室的橡皮薄膜和開關(guān)的金屬彈片相連，傳遞橡皮薄膜形變產(chǎn)生的作用力，推動金屬片導(dǎo)致電路的通斷；上部為彈片上的調(diào)節(jié)彈簧，凸輪作用于水位調(diào)整開關(guān)上部的調(diào)節(jié)彈簧上，水位高低設(shè)定時旋轉(zhuǎn)旋鈕，帶動凸輪轉(zhuǎn)動，使彈簧產(chǎn)生大小不同的形變量，彈簧產(chǎn)生的彈力與橡皮膜形變產(chǎn)生的彈力通過調(diào)節(jié)桿共同作用于開關(guān)的金屬彈片上，使金屬片通斷的難易程度有所不同，實(shí)現(xiàn)水位的調(diào)節(jié).壓得松時，下部氣室中的壓強(qiáng)較小就能使金屬片接通電路，實(shí)現(xiàn)低水位運(yùn)轉(zhuǎn).壓得緊時，下部氣室中的壓強(qiáng)更大才可使金屬片接通，實(shí)現(xiàn)高水位運(yùn)轉(zhuǎn).

2洗衣機(jī)洗滌時水位開關(guān)的受控原理

圖3為洗衣機(jī)水位開關(guān)受控原理示意圖，圖4為水位開關(guān)受控工作的流程圖.水位開關(guān)通過塑料管與洗衣機(jī)外桶相連接.洗滌過程中，當(dāng)進(jìn)水電磁閥向洗滌桶內(nèi)注水時，桶內(nèi)的水平面會不斷地升高，在它超過外桶底部的氣室入口時，氣室內(nèi)的空氣就被封住了出口，隨著水位液面的不斷升高，桶底的壓力就越來越大，使導(dǎo)壓管和水位開關(guān)內(nèi)部的空氣被壓縮，氣壓也隨著增大，水位開關(guān)內(nèi)的橡皮薄膜被氣壓推動逐漸向上運(yùn)動，通過壓力調(diào)節(jié)桿帶動水位開關(guān)內(nèi)部金屬彈片的觸點(diǎn)導(dǎo)通，電源給洗滌電機(jī)供電，電機(jī)旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)洗滌功能.

洗衣機(jī)洗滌過程完成后，將水排出，隨著洗衣筒內(nèi)水位的降低，水位控制開關(guān)壓力腔的氣壓也一同降低，洗衣筒內(nèi)的水逐漸排出，橡皮薄膜在壓力調(diào)節(jié)桿的作用下逐漸復(fù)位，水位開關(guān)金屬片兩觸點(diǎn)斷開連接，被恢復(fù)成原來的常開狀態(tài)，進(jìn)水電磁閥通電吸合，洗衣機(jī)又開始第二輪的進(jìn)水、洗滌.

3自制洗衣機(jī)水位自動控制模型及洗滌演示

洗衣機(jī)由內(nèi)桶、外桶、波輪、電機(jī)、給排水自動控制等部分組成.洗滌時首先根據(jù)衣物的多少，設(shè)置水位的高低，進(jìn)水電磁裝置受控開啟，實(shí)現(xiàn)注水，當(dāng)桶內(nèi)水位達(dá)到水位開關(guān)設(shè)定的(高、中、低)某一水位時，停止注水，電機(jī)接受指令啟動帶動波輪旋轉(zhuǎn)，洗滌衣物.洗滌完成后，排水裝置受控排水，之后在離合裝置作用下，波輪和內(nèi)桶一同隨電機(jī)高速旋轉(zhuǎn)，由于離心運(yùn)動作用，達(dá)到水份與衣物分離的脫水目的.

圖5　簡易洗衣機(jī)模型

圖6　模擬洗衣機(jī)電路

如圖5為簡化洗衣機(jī)模型，圖6為簡易洗衣機(jī)電路.紙杯充當(dāng)內(nèi)桶，電腦散熱風(fēng)扇充當(dāng)波輪和電機(jī)，紙杯安裝在電機(jī)風(fēng)扇上，電機(jī)轉(zhuǎn)動帶動紙杯旋轉(zhuǎn)，模擬洗滌情形.為便于演示，電機(jī)和內(nèi)桶置于塑料臺板并平放于外桶上.外桶底部開孔與塑料管相連，塑料管的另一端與水位開關(guān)相連.往外桶中注水，外桶上的水位刻度線與水位開關(guān)的低水位、中水位、高水位相對應(yīng)，當(dāng)達(dá)到某一刻度線時，水位開關(guān)閉合使電機(jī)電路導(dǎo)通，電機(jī)旋轉(zhuǎn)完成洗滌功能.

簡易模型的主要元器件有：① 電源(兒童玩具小車中的充電電池，電壓4.8V)；② 洗滌電機(jī)(廢舊電腦散熱風(fēng)扇，工作電壓5V)；③ 水位開關(guān)(洗衣機(jī)專用開關(guān))；④ 洗滌內(nèi)桶(用紙杯模擬，挫平底部，安裝在風(fēng)扇電機(jī)上)；⑤ 用塑料桶模擬的洗滌外桶；⑥ 導(dǎo)壓管(與水位開關(guān)孔徑相當(dāng)?shù)乃芰宪浌?；⑦ 與水位開關(guān)對應(yīng)的水位刻度線.

模擬洗滌演示步驟為：按圖5連接電路及裝置.導(dǎo)壓軟管與水位開關(guān)連接之后，在與外桶連接前，用嘴對著與外桶連接的軟管端吹氣，若水位開關(guān)導(dǎo)通，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，則說明裝置及電路各部分連接良好.可進(jìn)行下面的實(shí)驗(yàn)操作.

(1) 將水位開關(guān)調(diào)整為低水位.往外桶中加水，當(dāng)水位升到一定位置時(標(biāo)出低水位刻度線)，電路接通，洗滌電機(jī)通電工作，進(jìn)行低水位洗滌；

(2) 將水位開關(guān)調(diào)整到對應(yīng)的中水位，可發(fā)現(xiàn)洗滌電機(jī)停轉(zhuǎn)，繼續(xù)往外桶中加水，當(dāng)水位升至一定高度時(標(biāo)出中水位刻度線)，電路再次接通，洗滌電機(jī)工作，進(jìn)行中水位洗滌；

(3) 再將水位開關(guān)調(diào)整到對應(yīng)的高水位，可發(fā)現(xiàn)洗滌電機(jī)再次停轉(zhuǎn)，此時，再往外桶中加水，當(dāng)水位升至接近滿桶時(標(biāo)出高水位刻度線)，電路接通，洗滌電機(jī)工作，實(shí)現(xiàn)高水位洗滌.

為了增加演示效果，紙杯中還可加入紐扣電池與LED組成發(fā)光電路，通過小彈簧制作的離心開關(guān)，實(shí)現(xiàn)洗滌狀態(tài)下的發(fā)光指示.亦可加入音樂電路，使電機(jī)旋轉(zhuǎn)時的洗滌功能與聲光效果相對應(yīng).外桶亦可用大號可樂瓶制作，演示時用水少，水位高度更易調(diào)節(jié).

參考文獻(xiàn)：

榮俊昌.全自動洗衣機(jī)原理與維修[M].北京：高等教育出版社，2004.