關(guān)鍵詞:太陽能熱水器、NTC、水位檢測
內(nèi)容提要:為了提高家用太陽能熱水器水箱水位檢測的可靠性和穩(wěn)定性,針對(duì)目前水位檢測技術(shù)中存在的問題,提出采用NTC進(jìn)行水位檢測的解決方案,敘述了NTC水位檢測的工作原理和技術(shù)要點(diǎn)。
本文討論是目前廣泛使用的家用太陽能熱水器水箱(以下簡稱太陽能熱水器)水位檢測,它的水箱為非承壓式,并且與玻璃管集熱器為一體的結(jié)構(gòu)。
一、太陽能熱水器水位檢測的作用
由于太陽能熱水器及水箱安裝在室外,隨著注水和放水,水箱里面的水量隨之發(fā)生變化,因此水位檢測有其特殊的作用。
首先,用戶在使用熱水時(shí)需要知道水箱里的水量。防止在使用過程中出現(xiàn)缺水情況,特別是在沐浴過程。太陽能熱水器與蓄水承壓式電熱水器不同,在通常情況下不宜在用水的過程中往水箱里注水,否則會(huì)造水溫下降,影響正常使用。當(dāng)然,目前大多數(shù)太陽能熱水器具有電輔助加熱功能,但除了特殊情況之外用戶應(yīng)當(dāng)盡量發(fā)揮太陽能加熱的作用,少用電加熱。
其次,自動(dòng)注水控制。如果沒有水位檢測就無法實(shí)現(xiàn)對(duì)水箱注水的自動(dòng)化,水箱是否要注水和水滿之后停止注水的控制,防止水箱溢水都離不開對(duì)水箱內(nèi)水位的檢測。
二、太陽能熱水器水位檢測的現(xiàn)狀
受太陽能熱水器水箱的結(jié)構(gòu)和形狀的限制,水位檢測不得改變或破壞箱體的尺寸及隔熱部件。水位檢測部件只能從上部或底部預(yù)留的一個(gè)Ф20mm左右的圓孔伸入箱內(nèi)。
目前大部分太陽能熱水器采用電極片檢測水位(簡稱電極式),原理是利用水的導(dǎo)電性能。電極片按照一定的尺寸要求分布在一根絕緣棒上,構(gòu)成測量棒,從水箱頂部插入。如圖一所示,其中A、B、C、D包括公共端為電極片。當(dāng)A、B、C、D電極片被水浸沒時(shí),就會(huì)與公共端產(chǎn)生電流。實(shí)際檢測是根據(jù)電極片上是否有電流,判別其是否浸沒在水中。由于電極式的控制及檢測電路比較簡單、成本較低,因而得到廣泛應(yīng)用,是目前的主流技術(shù)。然而,當(dāng)電極片結(jié)垢(鈉鎂離子的附著)之后,導(dǎo)致測量錯(cuò)誤的問題一直未能從根本上得到解決。因?yàn)殡姌O片結(jié)垢之后,或者水垢的厚度達(dá)到一定的程度,就不能正常測量水位。在水質(zhì)較差的地方情況更加嚴(yán)重,為了保證測量的準(zhǔn)確,必須定期更換測量桿。
少量太陽能熱水器采用水壓傳感器測量水位,安裝在水箱底部的壓力傳感器,通過測量水壓來確定水位(量),簡稱壓力式。如圖二所示。壓力式在一定程度上避免了水垢造成的測量問題,然而,此種傳感器不能夠耐受60℃以上的高溫(實(shí)際水溫經(jīng)常超過60℃)。盡管可以采用一些隔熱措施,但仍然不能夠杜絕溫度過高造成傳感器的損壞。此外,水垢堵塞測量孔之后也會(huì)影響測量結(jié)果。
也有采用干簧管進(jìn)行水位檢測,簡稱干簧管式。原理是在一根測量棒內(nèi)按照一定的尺寸要求(與電極式一樣)分布埋設(shè)干簧管,每個(gè)干簧管分段設(shè)置一個(gè)環(huán)狀的帶有永磁鐵的浮子,干簧管位于每段的頂部,且限制浮子只在該段向上下移動(dòng),當(dāng)水的浮力抬起浮子至分段的頂部時(shí)永磁鐵吸引干簧管動(dòng)作。測量棒從水箱頂部插入,如圖三所示??梢姡懈∽游挥诜侄蔚捻敳繒r(shí),則所有干簧管動(dòng)作,那么水位最高;反之,所有浮子位于分段的底部時(shí),則所有干簧管不動(dòng)作,那么水位最低。由于干簧管式存在機(jī)械運(yùn)動(dòng)(浮子的上下移動(dòng)),它的可靠性更低。
三、NTC水位檢測的優(yōu)勢
NTC是一種廣泛使用的熱敏電阻器,它的主要特征是隨(感應(yīng))溫度的變化其電阻值呈顯著的變化,當(dāng)溫度升高時(shí)阻值呈下降變化。NTC的全稱為負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器。NTC具有價(jià)格低廉、電路構(gòu)成簡單、性能穩(wěn)定等特點(diǎn),而廣泛用于溫度測量。事實(shí)上,NTC還可以用于液位測量。筆者認(rèn)為,NTC用于太陽能熱水器的水位測量已經(jīng)具備了取代電極式的技術(shù)條件,它除了具有電極式體積小、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)之外,還具有它自身的一些其它優(yōu)點(diǎn)。
當(dāng)NTC用于水位檢測時(shí),不僅保留了它在測量溫度時(shí)的一些優(yōu)勢,而且還顯示了目前水位檢測方式中不具備的一些優(yōu)勢。首先,NTC屬于半導(dǎo)體器件,固體器件的特點(diǎn)是沒有機(jī)械運(yùn)動(dòng)且壽命長;其次,除了電路結(jié)構(gòu)的簡單之外,還可以兼顧測量水溫的功能;最為重要的是它完全擺脫了因水垢造成的困擾。
客觀地說,電極式水位檢測技術(shù),如果沒有的水垢困擾應(yīng)當(dāng)是一個(gè)比較現(xiàn)實(shí)的水位檢測的解決方案(仍然需要解決不對(duì)稱電鍍問題),然而,電極上的水垢造成了電控系統(tǒng)的失效,是太陽能熱水器長時(shí)間穩(wěn)定可靠運(yùn)行未能克服的障礙。其實(shí),僅僅是消除水垢困擾并不困難,在表面附著鐵氟龍(聚四氟乙烯,PTFE)涂層(例如,類似的如不粘鍋的表面涂層)就可以十分有效地防止水垢,關(guān)鍵是這類涂層都是絕緣的。電極式的電極片上恰巧不能使用這類涂層,因?yàn)樗枰獙?dǎo)電才可以工作。NTC在檢測水位時(shí)采用了不同的工作原理,因此表面可以敷設(shè)此類涂層。這就防止了水垢的形成,同時(shí)又不影響它檢測水位的工作,從而有效避免了水垢困擾。另一方面,從NTC檢測水位的工作原理來看,它在檢測過程中對(duì)水垢并不敏感,也就是說少量的水垢并不影響它的檢測結(jié)果。實(shí)際上,假設(shè)NTC的表面已經(jīng)結(jié)垢,它在檢測過程中自身溫度的高低變化有助于水垢的脫落。
四、NTC水位檢測的工作原理
利用溫差。一般情況下太陽能熱水器水箱中空氣和水的溫度是不一致,有人設(shè)想,通過NTC測量水箱中的溫度并利用空氣和水的溫差來檢測水位。深入分析,存在幾個(gè)難以克服的問題:①不易區(qū)分裝滿了水和沒有水的狀態(tài);②不同深度的水其溫度往往不同,集熱過程水的上部溫度高于下部溫度;③環(huán)境溫偏低時(shí),測量孔附近的溫度變化較大。雖然嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪壿嬇袛嚯娐芳败浖梢越鉀Q這些問題,但是,物理判斷更直接,更可靠、簡潔和廉價(jià)。目前還沒有發(fā)現(xiàn)利用溫差檢測水位的市場應(yīng)用案例,但這一思路有借鑒作用。
自熱。運(yùn)用NTC時(shí)總要通過一定量的電流,這一電流使NTC自身產(chǎn)生熱量,簡稱自熱。因?yàn)镹TC是熱敏感元件,自熱會(huì)導(dǎo)致阻值下降,NTC用于溫度測量時(shí),應(yīng)當(dāng)盡量避免產(chǎn)生自熱,或者將自熱造成的溫升控制在忽略不計(jì)的程度,不然所測量的溫度就不準(zhǔn)確。如果人為地讓NTC產(chǎn)生自熱,并且設(shè)定自熱功率恒定不變及恒功率,且周圍溫度為一個(gè)確定值時(shí),此時(shí),它自身的溫升就取決于周圍的介質(zhì),熱容量(比熱)大的介質(zhì)比熱容量小的介質(zhì)溫升要低,因?yàn)闊崛萘看蟮慕橘|(zhì)比熱容量小的介質(zhì)吸收了更多NTC的熱量。例如,水的熱容量比空氣大,是空氣的2.5倍,自熱的NTC在水中的溫度比同一溫度下的空氣中要低,也就是說,當(dāng)NTC溫度偏低時(shí),表明它在水中;反之,當(dāng)NTC溫度偏高時(shí),表明它在空氣中。這就是測量水位的基本原理。NTC在自熱狀態(tài)下具有分辨同一溫度條件下不同熱容量介質(zhì)的特性,前提是要知道介質(zhì)的溫度。在實(shí)際檢測中,水和空氣的溫度往往是不一致的,需要再增加一些條件及數(shù)據(jù)才能夠檢測水位,否則會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤。例如,還是在NTC自熱功率不變的條件下,當(dāng)空氣溫度偏低,而水溫偏高時(shí),如果只根據(jù)NTC溫升的大小則無法判斷NTC是在水中還是在空氣中。
基本電路。這里特指自熱電路。為了讓水位檢測的實(shí)際電路簡單可靠,一般不采用恒功率方式,甚至不采用恒流源方式。只需采用金屬膜電阻分壓的電路結(jié)構(gòu),與溫度測量電路一樣,極為簡潔,如圖四所示。
基本數(shù)據(jù)。根據(jù)基本電路分別測量和收集不同溫度和兩種介質(zhì)(水和空氣)條件下的電壓值,我們就可以獲取空氣和水的兩組“電壓-溫度”的數(shù)據(jù)。根據(jù)這兩組數(shù)據(jù),我們得到了每一個(gè)溫度值下面的兩個(gè)電壓值,顯然,偏大的數(shù)值為水中獲取的;值偏小的數(shù)值為空氣中獲取數(shù)的。
基本方法。對(duì)于每個(gè)NTC檢測水位的過程可以按照以下步驟進(jìn)行:①測溫,確定NTC所處位置的溫度值;②電壓,測量自熱的電壓值;③查找,找到基本數(shù)據(jù)組中相應(yīng)溫度條件下兩個(gè)數(shù)據(jù);④判斷結(jié)果,電壓值等于或接近偏大(偏?。┑臄?shù)值,則表明在水(空氣)中;⑤測溫,回到第一個(gè)步驟循環(huán)檢測。
外形結(jié)構(gòu)。家用太陽能熱水器行業(yè)習(xí)慣做法是分四檔顯示水箱水位。NTC安裝在一根測量桿上,外形式樣與電極式基本上一樣,NTC的位置與電極片的位置一致。如圖五所示。
五、太陽能熱水器NTC水位檢測的技術(shù)要點(diǎn)
由于太陽能熱水器安裝在室外,日曬雨淋,水位檢測的控制纜線比較長,環(huán)境條件比其它家用電器更為嚴(yán)酷,有其自身的技術(shù)要求。
溫升要求。水箱內(nèi)NTC元件及引線須耐受高溫??紤]到太陽能熱水器水箱內(nèi)會(huì)出現(xiàn)沒有水的情況,此時(shí)玻璃真空集熱管仍在正常采集熱量,水箱內(nèi)的溫度最高為260℃。雖然發(fā)生這種情況的機(jī)率不大,但必須加以考慮。NTC及引線應(yīng)耐溫300℃。
防水要求。NTC必須能夠經(jīng)受長年累月在水中浸泡的考驗(yàn),其參數(shù)須穩(wěn)定不變,電氣性能須保持安全可靠。
減少線纜。水位檢測的控制線纜從室外水箱到室內(nèi)控制器有比較長的距離,盡可能減少導(dǎo)線的根數(shù),無論從降低成本的角度還是提高可靠性都具有現(xiàn)實(shí)意義。其實(shí),測量溫度的NTC和自熱的NTC是可以共用,這樣就可以節(jié)省一半的NTC,同時(shí)也減少了一半的線纜根數(shù)。測量溫度和產(chǎn)生自熱可以通過控制電路切換NTC的分壓電阻(或施加不同的電壓值)來實(shí)現(xiàn)。NTC由測溫狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樽詿釥顟B(tài)需要一定的升溫時(shí)間;同樣,NTC由自熱狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闇y溫狀態(tài)需要一定的降溫時(shí)間,這種狀態(tài)轉(zhuǎn)變所需要的時(shí)間造成了水位檢測速度的下降,盡管如此,控制過程仍然可以滿足檢測要求,因?yàn)樗渌坏纳仙ㄗ⑺^程)和下降(放水過程)的速度比電路的反應(yīng)速度還要緩慢。
初次上電。電路設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)先測量溫度,當(dāng)溫度高于100℃時(shí),說明水箱沒有水(此時(shí)不得注水,否則玻璃管集熱器會(huì)爆裂損壞),同時(shí),所有NTC不必進(jìn)入自熱狀態(tài)。
NTC狀態(tài)。當(dāng)檢測出水位之后,只需水面上下各一只NTC處于自熱狀態(tài),其它NTC處于測溫狀態(tài)。例如,水位在CD之間,則C和D兩只NTC處于自熱狀態(tài),A和B處于測溫狀態(tài);水滿時(shí),只需D一只NTC處于自熱狀態(tài),其它處于測溫狀態(tài);沒有水時(shí),溫度低于60℃時(shí)(處于準(zhǔn)備注水狀態(tài)),注水控制之前只需A一只NTC處于自熱狀態(tài),其它處于測溫狀態(tài)。如圖五所示。
滿足EMC。為了降低成本,NTC需采用非屏蔽線纜,這樣就很容易形成對(duì)電控系統(tǒng)的干擾源,是系統(tǒng)的抗干擾重點(diǎn)。
上述內(nèi)容是對(duì)實(shí)用新型專利《一種太陽能熱水器及水箱水位檢測裝置》(ZL 2005 2 0120442.6)的學(xué)術(shù)討論,筆者是這項(xiàng)專利的設(shè)計(jì)人。