實(shí)現(xiàn)洗碗機(jī)水位信號(hào)延遲傳遞的技術(shù)改進(jìn)研究

黎銘峰 張 震 王松波 鐘 毅 王豪杰

（華帝股份有限公司 中山 528415）

引言

近年來(lái)，家用洗碗機(jī)（下簡(jiǎn)稱(chēng)洗碗機(jī)）逐漸受到國(guó)內(nèi)消費(fèi)者的關(guān)注和青睞，近年來(lái)洗碗機(jī)在國(guó)內(nèi)的銷(xiāo)量呈快速增長(zhǎng)的趨勢(shì)。洗碗機(jī)的核心模塊是水流系統(tǒng)，具體描述如下：洗滌腔底部設(shè)有水杯，水杯之前為若干級(jí)的過(guò)濾系統(tǒng)；在水杯側(cè)壁的中部靠下位置開(kāi)有吸水口，連向循環(huán)水泵，循環(huán)水泵將水輸送到各個(gè)噴臂處，形成對(duì)餐具的噴淋清洗。洗滌過(guò)程中，洗滌腔需要存有一定量的水，水量太多或太少都會(huì)產(chǎn)生不良影響，尤其是進(jìn)水太多，水量超過(guò)一定程度之后會(huì)漫溢出到洗碗機(jī)之外，這將可能進(jìn)一步造成更大的問(wèn)題，因此高水位保護(hù)是洗碗機(jī)中必不可少的，已經(jīng)成為了洗碗機(jī)常規(guī)技術(shù)之一。

目前，洗碗機(jī)普遍采用氣壓式水位檢測(cè)技術(shù)，并且通過(guò)壓力開(kāi)關(guān)去觸發(fā)高水位保護(hù)措施，如圖1 所示，其工作原理是：洗滌腔底部設(shè)有一個(gè)氣室，氣室和水杯在最低位置連通，因而當(dāng)洗滌腔進(jìn)水后，一定量的空氣將被封住在氣室之中；氣室頂部設(shè)出氣口，通過(guò)軟管和壓力開(kāi)關(guān)連接，從而壓力開(kāi)關(guān)能夠?qū)崟r(shí)地感應(yīng)氣室里的氣壓；洗滌腔內(nèi)水位越高，氣室里的氣壓越大，當(dāng)氣壓達(dá)到壓力開(kāi)關(guān)的設(shè)定值時(shí)，壓力開(kāi)關(guān)就會(huì)被觸發(fā)，進(jìn)而啟動(dòng)高水位保護(hù)措施——停止進(jìn)水和啟動(dòng)排水，直到洗滌腔內(nèi)水位降回合適范圍。

圖1 氣壓式水位檢測(cè)技術(shù)的示意圖

但是，在實(shí)際使用中，如果洗滌過(guò)程中開(kāi)門(mén)后又快速關(guān)門(mén)，洗滌腔內(nèi)就會(huì)形成一個(gè)瞬時(shí)的高氣壓增大，并且會(huì)通過(guò)水傳導(dǎo)到氣室，最終就可能誤觸發(fā)壓力開(kāi)關(guān)，就會(huì)啟動(dòng)排水。這樣的異常排水過(guò)后，洗碗機(jī)內(nèi)部水量過(guò)少，雖然可以繼續(xù)洗滌程序，但水量不足就會(huì)影響洗凈效果，進(jìn)而降低用戶(hù)使用體驗(yàn)。由于氣壓式水位檢測(cè)技術(shù)在洗碗機(jī)中普遍采用，因此“洗滌過(guò)程中關(guān)門(mén)誤觸發(fā)高水位保護(hù)”的問(wèn)題在各類(lèi)型洗碗機(jī)產(chǎn)品中都有可能發(fā)生，尤其是對(duì)于前開(kāi)門(mén)的洗碗機(jī)，壓力開(kāi)關(guān)的觸發(fā)值不能設(shè)得很大，否則可能出現(xiàn)滿溢但還沒(méi)有觸發(fā)高水位信號(hào)，所以這類(lèi)洗碗機(jī)更容易出現(xiàn)誤觸發(fā)問(wèn)題。

1 問(wèn)題分析

對(duì)于某個(gè)洗碗機(jī)，該機(jī)采用了氣壓式水位檢測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量，氣室里面的氣壓值以及壓力開(kāi)關(guān)感應(yīng)到的氣壓值保持一致，并且隨著洗滌腔內(nèi)的水位增高而逐漸增大，這種變化過(guò)程是持續(xù)性的。

圖2 所示是水位對(duì)應(yīng)氣壓值與洗滌腔進(jìn)水量的關(guān)系圖。圖中可以看到，整體與線性關(guān)系接近，并且斜率逐漸輕微減小，這是由于從水杯底向上到平面濾網(wǎng)再到洗滌腔底面，水平截面積逐漸增大，所以相同進(jìn)水量造成水位增幅逐漸減小。正常進(jìn)水量3 L 左右，其對(duì)應(yīng)性的氣壓值約為840 kPa；另一方面，根據(jù)洗滌腔最大進(jìn)水量可設(shè)定高水位，本實(shí)驗(yàn)測(cè)得9 L 為洗滌腔最大進(jìn)水量，因此設(shè)定8.2 L 為高水位，此時(shí)的氣壓值約為1 040 kPa，與正常水位的氣壓值相差200 kPa 左右。當(dāng)洗碗機(jī)發(fā)生進(jìn)水異常，氣壓值就會(huì)隨不斷進(jìn)水而持續(xù)上升，當(dāng)進(jìn)水量達(dá)到高水位時(shí)，對(duì)應(yīng)氣壓就會(huì)觸發(fā)壓力開(kāi)關(guān)，從而啟動(dòng)排水等保護(hù)措施。

圖2 水位對(duì)應(yīng)氣壓值與洗滌腔進(jìn)水量的關(guān)系圖

在洗滌過(guò)程中的關(guān)門(mén)場(chǎng)景中，門(mén)體合上過(guò)程向內(nèi)膽壓入空氣，使得內(nèi)膽里的氣壓上升，門(mén)合上時(shí)內(nèi)膽里氣壓達(dá)到最大值。關(guān)門(mén)速度越快，形成的氣壓上升的量就越大。之后，由于內(nèi)膽開(kāi)有與外部相通的通氣孔和結(jié)構(gòu)間隙，內(nèi)膽里的氣壓會(huì)迅速下降，最后恢復(fù)到原來(lái)水平。這個(gè)氣壓恢復(fù)過(guò)程是很短暫的，對(duì)于快速關(guān)門(mén)的情況也只有約2～3 s 的時(shí)間。進(jìn)一步地，當(dāng)關(guān)門(mén)速度達(dá)到一定速度，氣壓增幅可能超過(guò)200 kPa，疊加到水位對(duì)應(yīng)的氣壓值就產(chǎn)生一個(gè)瞬時(shí)高氣壓，接著這個(gè)瞬時(shí)高氣壓將沿著管路傳遞到壓力開(kāi)關(guān)處，傳遞過(guò)程可理解為一個(gè)擾動(dòng)沿著絕熱等截面管道的傳播[1]，傳播速度即為聲速約340 m/s，估算可知瞬時(shí)高氣壓傳到壓力開(kāi)關(guān)的時(shí)間不到0.001 s，進(jìn)而觸發(fā)高水位保護(hù)。由于關(guān)門(mén)產(chǎn)生的氣壓增幅要2～3 s 才能消除，此時(shí)氣室里的氣壓值也會(huì)隨之恢復(fù)正常，因此如果能延遲氣壓變化向壓力開(kāi)關(guān)的傳遞，壓力開(kāi)關(guān)將不會(huì)接收到異常的“高水位信號(hào)”，從而就不會(huì)被誤觸發(fā)。

2 方案探究

本節(jié)對(duì)氣壓式液位檢測(cè)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入研究，以實(shí)現(xiàn)對(duì)氣壓變化的傳遞形成緩沖延遲效應(yīng)，并且能夠達(dá)到合適的延遲時(shí)間。

首先就緩沖器的實(shí)現(xiàn)方式設(shè)計(jì)了4 個(gè)技術(shù)方案，如圖3 所示，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證得出以下結(jié)論：①加長(zhǎng)連接管路需要非常大的加長(zhǎng)量，增加中間氣室也需要做到非常大，由于實(shí)際空間有限，難以滿足，并且過(guò)長(zhǎng)或過(guò)大的零件造成成本上升較大，因此都不考慮；②增加小孔的方案，小孔的構(gòu)建比較困難，并且只有若干個(gè)小孔產(chǎn)生的延遲效應(yīng)很短，而如果構(gòu)造巨大數(shù)量的小孔，管路將變得很復(fù)雜，可操作性低，因此也不考慮；③塞入海綿的方案可行，能夠產(chǎn)生延遲效應(yīng)，并且通過(guò)調(diào)節(jié)海綿的通氣密度，可以達(dá)到合適的延遲時(shí)間。

圖3 不同緩沖實(shí)現(xiàn)形式的方案示意圖

確定了海綿作為緩沖器，進(jìn)一步就緩沖器的安裝位置和可靠性再進(jìn)行了細(xì)化設(shè)計(jì)，不同方案如圖4 所示，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證都有延遲效果，詳細(xì)分析如下：①海綿塞到氣室入口或當(dāng)中，容易被水潤(rùn)濕影響通氣性，并且海綿不好固定，因此不考慮；②海綿塞入連接管路不好操作，也難以控制海綿的松緊程度，即無(wú)法控制海綿的延遲時(shí)間，因此也不考慮；③管路中間增加緩沖器，緩沖器里面塞入海綿，并且可以控制海綿的量，從而可以比較準(zhǔn)確而穩(wěn)定地控制海綿的延遲效應(yīng)，此外緩沖器對(duì)原有結(jié)構(gòu)改動(dòng)小，因此更加容易實(shí)施。

圖4 緩沖器設(shè)在不同位置的方案示意圖

3 緩沖器的研究

本文提出的緩沖器利用海綿透氣特性，使氣壓在緩沖器中的傳遞主要依靠滲透，傳遞時(shí)間顯著增加，從而實(shí)現(xiàn)了時(shí)間延遲效應(yīng)，緩沖期間洗滌腔內(nèi)的瞬時(shí)氣壓變化會(huì)迅速消失，從結(jié)果來(lái)看就是瞬時(shí)氣壓變化在傳遞過(guò)程中被過(guò)濾了，不會(huì)到達(dá)壓力開(kāi)關(guān)就不會(huì)誤觸發(fā)高水位信號(hào)。另一方面，緩沖器的加入會(huì)使信號(hào)傳輸產(chǎn)生一定延遲，但由于隨水位變化的氣壓變化是持續(xù)性的，所以只要延遲時(shí)間很短，就不會(huì)影響壓力開(kāi)關(guān)接收氣壓信號(hào)，并且緩沖器會(huì)過(guò)濾掉一些瞬時(shí)性的異常信號(hào)，從而還能提高水位信號(hào)檢測(cè)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

進(jìn)一步地，根據(jù)氣體在多孔介質(zhì)中的滲流機(jī)理，介質(zhì)滲透率越低，滲流速度越小，進(jìn)而氣壓傳遞穿透所需的時(shí)間越長(zhǎng)。緩沖器的構(gòu)成如圖5 所示，將某一密度的海綿裁剪成統(tǒng)一20 mm 厚的圓柱狀塊體，作為填充緩沖器的單元，海綿的圓形輪廓與緩沖器的圓柱狀內(nèi)腔相配。填充時(shí)，改變填充單元海綿塊的數(shù)量，就可改變內(nèi)腔海綿段的密實(shí)度，從而改變緩沖器產(chǎn)生的延遲時(shí)間。最后，由于快速關(guān)門(mén)產(chǎn)生的瞬時(shí)高氣壓在約2～3 s 后恢復(fù)原值，因而當(dāng)緩沖器產(chǎn)生的延遲時(shí)間設(shè)定為3～4 s 時(shí)，內(nèi)膽瞬時(shí)高氣壓在傳到壓力開(kāi)關(guān)前就會(huì)消失，從而就不會(huì)觸發(fā)“高水位信號(hào)”，能夠達(dá)成改進(jìn)的目標(biāo)。

圖5 緩沖器實(shí)物圖與內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

4 結(jié)論

本文針對(duì)洗碗機(jī)洗滌過(guò)程中快速關(guān)門(mén)可能誤觸發(fā)高水位信號(hào)的問(wèn)題，對(duì)氣壓式水位檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行深入分析，提出對(duì)氣壓傳遞加入緩沖延遲的技術(shù)改進(jìn)方向。通過(guò)不同方案的驗(yàn)證對(duì)比，選定海綿作緩沖器的可行方案，之后再進(jìn)行細(xì)化設(shè)計(jì)，出于可操作性、可調(diào)節(jié)性和效應(yīng)穩(wěn)定性的考慮，最終確定管路中增加海綿緩沖器的具體方案。進(jìn)一步研究表明，緩沖器中的海綿越密實(shí)，產(chǎn)生的延遲效應(yīng)越大，因此控制塞入適量海綿就能形成相對(duì)準(zhǔn)確而穩(wěn)定的延遲時(shí)間，本文采用3～4 s 的延遲時(shí)間，既可濾掉異常的瞬時(shí)氣壓波動(dòng)，又不會(huì)影響原來(lái)水位檢測(cè)的功能，并且不會(huì)明顯延遲高水位信號(hào)的響應(yīng)時(shí)間。綜上，本文對(duì)氣壓式水位檢測(cè)系統(tǒng)提出了可行可靠的改進(jìn)方案，這對(duì)洗碗機(jī)的整機(jī)技術(shù)發(fā)展具有很高的促進(jìn)作用。