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家用太阳能热水器NTC水位检测

作者: 发布时间:2015-11-24 11:40:05


关键词:太阳能热水器、NTC、水位检测


内容提要:为了提高家用太阳能热水器水箱水位检测的可靠性和稳定性,针对目前水位检测技术中存在的问题,提出采用NTC进行水位检测的解决方案,叙述了NTC水位检测的工作原理和技术要点。


    本文讨论是目前广泛使用的家用太阳能热水器水箱(以下简称太阳能热水器)水位检测,它的水箱为非承压式,并且与玻璃管集热器为一体的结构。


一、太阳能热水器水位检测的作用


由于太阳能热水器及水箱安装在室外,随着注水和放水,水箱里面的水量随之发


生变化,因此水位检测有其特殊的作用。


首先,用户在使用热水时需要知道水箱里的水量。防止在使用过程中出现缺水情


况,特别是在沐浴过程。太阳能热水器与蓄水承压式电热水器不同,在通常情况下不宜在用水的过程中往水箱里注水,否则会造水温下降,影响正常使用。当然,目前大多数太阳能热水器具有电辅助加热功能,但除了特殊情况之外用户应当尽量发挥太阳能加热的作用,少用电加热。


其次,自动注水控制。如果没有水位检测就无法实现对水箱注水的自动化,


水箱是否要注水和水满之后停止注水的控制,防止水箱溢水都离不开对水箱内水位的检测。


二、太阳能热水器水位检测的现状


受太阳能热水器水箱的结构和形状的限制,水位检测不得改变或破坏箱体的


尺寸及隔热部件。水位检测部件只能从上部或底部预留的一个Ф20mm左右的圆孔伸入箱内。


目前大部分太阳能热水器采用电极片检测水位(简称电极式),原理是利用水的导


电性能。电极片按照一定的尺寸要求分布在一根绝缘棒上,构成测量棒,从水箱顶部插入。如图一所示,其中A、B、C、D包括公共端为电极片。当A、B、C、D电极片被水浸没时,就会与公共端产生电流。实际检测是根据电极片上是否有电流,判别其是否浸没在水中。由于电极式的控制及检测电路比较简单、成本较低,因而得到广泛应用,是目前的主流技术。然而,当电极片结垢(钠镁离子的附着)之后,导致测量错误的问题一直未能从根本上得到解决。因为电极片结垢之后,或者水垢的厚度达到一定的程度,就不能正常测量水位。在水质较差的地方情况更加严重,为了保证测量的准确,必须定期更换测量杆。


                                         


         少量太阳能热水器采用水压传感器测量水位,安装在水箱底部的压力传感器,通过测量水压来确定水位(量),简称压力式。如图二所示。压力式在一定程度上避免了水垢造成的测量问题,然而,此种传感器不能够耐受60℃以上的高温(实际水温经常超过60℃)。尽管可以采用一些隔热措施,但仍然不能够杜绝温度过高造成传感器的损坏。此外,水垢堵塞测量孔之后也会影响测量结果。


  


        也有采用干簧管进行水位检测,简称干簧管式。原理是在一根测量棒内按照一定的尺寸要求(与电极式一样)分布埋设干簧管,每个干簧管分段设置一个环状的带有永磁铁的浮子,干簧管位于每段的顶部,且限制浮子只在该段向上下移动,当水的浮力抬起浮子至分段的顶部时永磁铁吸引干簧管动作。测量棒从水箱顶部插入,如图三所示。可见,所有浮子位于分段的顶部时,则所有干簧管动作,那么水位最高;反之,所有浮子位于分段的底部时,则所有干簧管不动作,那么水位最低。由于干簧管式存在机械运动(浮子的上下移动),它的可靠性更低。


                                 


                                                                                                        图三


三、NTC水位检测的优势


        NTC是一种广泛使用的热敏电阻器,它的主要特征是随(感应)温度的变化其电阻值呈显著的变化,当温度升高时阻值呈下降变化。NTC的全称为负温度系数热敏电阻器。NTC具有价格低廉、电路构成简单、性能稳定等特点,而广泛用于温度测量。事实上,NTC还可以用于液位测量。笔者认为,NTC用于太阳能热水器的水位测量已经具备了取代电极式的技术条件,它除了具有电极式体积小、结构简单等优点之外,还具有它自身的一些其它优点。


        当NTC用于水位检测时,不仅保留了它在测量温度时的一些优势,而且还显示了目前水位检测方式中不具备的一些优势。首先,NTC属于半导体器件,固体器件的特点是没有机械运动且寿命长;其次,除了电路结构的简单之外,还可以兼顾测量水温的功能;最为重要的是它完全摆脱了因水垢造成的困扰。


        客观地说,电极式水位检测技术,如果没有的水垢困扰应当是一个比较现实的水位检测的解决方案(仍然需要解决不对称电镀问题),然而,电极上的水垢造成了电控系统的失效,是太阳能热水器长时间稳定可靠运行未能克服的障碍。其实,仅仅是消除水垢困扰并不困难,在表面附着铁氟龙(聚四氟乙烯,PTFE)涂层(例如,类似的如不粘锅的表面涂层)就可以十分有效地防止水垢,关键是这类涂层都是绝缘的。电极式的电极片上恰巧不能使用这类涂层,因为它需要导电才可以工作。NTC在检测水位时采用了不同的工作原理,因此表面可以敷设此类涂层。这就防止了水垢的形成,同时又不影响它检测水位的工作,从而有效避免了水垢困扰。另一方面,从NTC检测水位的工作原理来看,它在检测过程中对水垢并不敏感,也就是说少量的水垢并不影响它的检测结果。实际上,假设NTC的表面已经结垢,它在检测过程中自身温度的高低变化有助于水垢的脱落。


四、NTC水位检测的工作原理


        利用温差。一般情况下太阳能热水器水箱中空气和水的温度是不一致,有人设想,通过NTC测量水箱中的温度并利用空气和水的温差来检测水位。深入分析,存在几个难以克服的问题:①不易区分装满了水和没有水的状态;②不同深度的水其温度往往不同,集热过程水的上部温度高于下部温度;③环境温偏低时,测量孔附近的温度变化较大。虽然严谨的逻辑判断电路及软件可以解决这些问题,但是,物理判断更直接,更可靠、简洁和廉价。目前还没有发现利用温差检测水位的市场应用案例,但这一思路有借鉴作用。


        自热。运用NTC时总要通过一定量的电流,这一电流使NTC自身产生热量,简称自热。因为NTC是热敏感元件,自热会导致阻值下降,NTC用于温度测量时,应当尽量避免产生自热,或者将自热造成的温升控制在忽略不计的程度,不然所测量的温度就不准确。如果人为地让NTC产生自热,并且设定自热功率恒定不变及恒功率,且周围温度为一个确定值时,此时,它自身的温升就取决于周围的介质,热容量(比热)大的介质比热容量小的介质温升要低,因为热容量大的介质比热容量小的介质吸收了betway娱乐NTC的热量。例如,水的热容量比空气大,是空气的2.5倍,自热的NTC在水中的温度比同一温度下的空气中要低,也就是说,当NTC温度偏低时,表明它在水中;反之,当NTC温度偏高时,表明它在空气中。这就是测量水位的基本原理。NTC在自热状态下具有分辨同一温度条件下不同热容量介质的特性,前提是要知道介质的温度。在实际检测中,水和空气的温度往往是不一致的,需要再增加一些条件及数据才能够检测水位,否则会导致错误。例如,还是在NTC自热功率不变的条件下,当空气温度偏低,而水温偏高时,如果只根据NTC温升的大小则无法判断NTC是在水中还是在空气中。


        基本电路。这里特指自热电路。为了让水位检测的实际电路简单可靠,一般不采用恒功率方式,甚至不采用恒流源方式。只需采用金属膜电阻分压的电路结构,与温度测量电路一样,极为简洁,如图四所示。     


                                          


                                                                                图四


        基本数据。根据基本电路分别测量和收集不同温度和两种介质(水和空气)条件下的电压值,betway88客户端就可以获取空气和水的两组“电压-温度”的数据。根据这两组数据,betway88客户端得到了每一个温度值下面的两个电压值,显然,偏大的数值为水中获取的;值偏小的数值为空气中获取数的。


        基本方法。对于每个NTC检测水位的过程可以按照以下步骤进行:①测温,确定NTC所处位置的温度值;②电压,测量自热的电压值;③查找,找到基本数据组中相应温度条件下两个数据;④判断结果,电压值等于或接近偏大(偏小)的数值,则表明在水(空气)中;⑤测温,回到第一个步骤循环检测。


        外形结构。家用太阳能热水器行业习惯做法是分四档显示水箱水位。NTC安装在一根测量杆上,外形式样与电极式基本上一样,NTC的位置与电极片的位置一致。如图五所示。


五、太阳能热水器NTC水位检测的技术要点


       由于太阳能热水器安装在室外,日晒雨淋,水位检测的控制缆线比较长,环境条件比其它家用电器更为严酷,有其自身的技术要求。


       温升要求。水箱内NTC元件及引线须耐受高温。考虑到太阳能热水器水箱内会出现没有水的情况,此时玻璃真空集热管仍在正常采集热量,水箱内的温度最高为260℃。虽然发生这种情况的机率不大,但必须加以考虑。NTC及引线应耐温300℃。


       防水要求。NTC必须能够经受长年累月在水中浸泡的考验,其参数须稳定不变,电气性能须保持安全可靠。


       减少线缆。水位检测的控制线缆从室外水箱到室内控制器有比较长的距离,尽可能减少导线的根数,无论从降低成本的角度还是提高可靠性都具有现实意义。其实,测量温度的NTC和自热的NTC是可以共用,这样就可以节省一半的NTC,同时也减少了一半的线缆根数。测量温度和产生自热可以通过控制电路切换NTC的分压电阻(或施加不同的电压值)来实现。NTC由测温状态转变为自热状态需要一定的升温时间;同样,NTC由自热状态转变为测温状态需要一定的降温时间,这种状态转变所需要的时间造成了水位检测速度的下降,尽管如此,控制过程仍然可以满足检测要求,因为水箱水位的上升(注水过程)和下降(放水过程)的速度比电路的反应速度还要缓慢。


        初次上电。电路设计应当先测量温度,当温度高于100℃时,说明水箱没有水(此时不得注水,否则玻璃管集热器会爆裂损坏),同时,所有NTC不必进入自热状态。


        NTC状态。当检测出水位之后,只需水面上下各一只NTC处于自热状态,其它NTC处于测温状态。例如,水位在CD之间,则C和D两只NTC处于自热状态,A和B处于测温状态;水满时,只需D一只NTC处于自热状态,其它处于测温状态;没有水时,温度低于60℃时(处于准备注水状态),注水控制之前只需A一只NTC处于自热状态,其它处于测温状态。如图五所示。





         满足EMC。为了降低成本,NTC需采用非屏蔽线缆,这样就很容易形成对电控系统的干扰源,是系统的抗干扰重点。


        上述内容是对实用新型专利《一种太阳能热水器及水箱水位检测装置》(ZL 2005 2 0120442.6)的学术讨论,笔者是这项专利的设计人。