歐陽(yáng)春光 陽(yáng)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(méi)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(méi)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(chēng)，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(wú)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(chǎng)份額呈擴(kuò)展趨勢(shì)，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(cè)管路中水的流速，它的工作原理和技術(shù)要點(diǎn)，見(jiàn)《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(wèn)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(wèn)題長(zhǎng)期困擾著即熱式熱水器的發(fā)展。在加熱過(guò)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(huì)損壞。這是因?yàn)殡娂訜崞髟诩訜徇^(guò)程中要在很小的空間里，產(chǎn)生很大的熱量才能夠給流過(guò)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(dòng)的水帶走，它的溫度將迅速升高到將其自身?yè)p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(dòng)中吸收熱量，維持了溫度的平衡。如果此時(shí)浸沒(méi)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(méi)在水中，而且水在流動(dòng)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(shuō)必須預(yù)先切斷電源。

3 出水溫度恒定控制的問(wèn)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(jiǎn)稱(chēng)變量）：出水溫度、進(jìn)水溫度和流量，通過(guò)對(duì)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(guò)程比較容易理解：控制系統(tǒng)通過(guò)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(jí)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(lái)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(cè)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(cè)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(zhǎng)。

4 傳感器解決上述問(wèn)題的原理

因脫水而損壞加熱器的問(wèn)題，是在即熱式熱水器的檢測(cè)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(guò)程如下：

即熱式熱水器在開(kāi)始實(shí)行運(yùn)行時(shí)，控制系統(tǒng)首先檢測(cè)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(méi)在流動(dòng)的水中；在運(yùn)行過(guò)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(cè)到此信號(hào)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(wèn)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(cè)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(guò)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(dòng)態(tài)控制。

舉例說(shuō)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(guò)大時(shí)容易引起振蕩（即溫度波動(dòng)大），當(dāng)調(diào)節(jié)量過(guò)小則溫度調(diào)整時(shí)間太長(zhǎng)。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(guò)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(duì)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(dòng)態(tài)控制。可見(jiàn)，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(wèn)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(shí)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(shí)別功能是指水流量傳感器只測(cè)量一個(gè)方向的流量，當(dāng)流水向相反方向流動(dòng)時(shí)，傳感器沒(méi)有反應(yīng)（流速為零）；不具備方向識(shí)別功能的水流量傳感器只測(cè)量流速，當(dāng)流水向相反方向流動(dòng)時(shí)，傳感器仍然輸出流速的絕對(duì)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(huì)倒流，此時(shí)，具有方向識(shí)別功能的水流量傳感器因?yàn)闆](méi)有反應(yīng)（流速為零），發(fā)出切斷電源的信號(hào)，將有效保護(hù)加熱器；而沒(méi)有方向識(shí)別功能的水流量傳感器，此時(shí)卻給出了“進(jìn)水流動(dòng)正常”的錯(cuò)誤信號(hào)，后果將是電加熱器立刻燒毀！

可見(jiàn)，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(shí)別、可靠性、穩(wěn)定性、壽命等性能的其它技術(shù)細(xì)節(jié)。