水流量传感器在即热式热水器上的应用

欧阳春光 阳猛 陈文全

(深圳市久喜电子有限公司 广东深圳 518125)

1 引言

即热式热水器与贮水式热水器相比有许多优点，其中二个优点最为明显：一是节能环保，二是使用方便。即热式电热水器因不用提前预热，所以没有预热时的热能量散失，而且用多少水就放多少水，也没有贮水式热水器存在使用后有剩余热水的能量消耗。据称，即热式电热水器比传统贮水式电热水器省电30%-50%（未找到证明材料）。另外，即热式热水器的节能环保还体现在它的体积小巧，因为不存在贮水水箱，所以在设计上不需要体大笨重的内胆贮水箱和保温层，节省材料、节省空间、重量轻、易安装。即热式热水器不需预热，无需等待，而贮水式热水器需要预热时间。即热式热水器的技术日臻成熟，市场份额呈扩展趋势，其中一个重要原因是，内部安装了一个关键器件——水流量传感器。水流量传感器用于检测管路中水的流速，它的工作原理和技术要点，见《家电科技》2012第6期《双腔结构的水流量传感器》。

2 电加热器的脱水问题

大功率加热时，偶尔突然出现原因不明的脱水情况，因不能提前断电而造成加热器损坏的问题长期困扰着即热式热水器的发展。在加热过程中电加热器一旦现出脱水现象，尽管与此同时也切断了电源，但电加热器仍然会损坏。这是因为电加热器在加热过程中要在很小的空间里，产生很大的热量才能够给流过的冷水加温；相反，如果加热器产生的热量不能及时被流动的水带走，它的温度将迅速升高到将其自身损坏的程度。

实验证明，加热器必须在脱水之前确保有一个时间段切断电源，才可以有效保护加热器不被损坏。原因是，加热器的加热量很大，而水的热容量很大，而且在流动中吸收热量，维持了温度的平衡。如果此时浸没加热器的水突然消失了，那么，加热器的热量不能够向外传导出去，而加热器本身的热容量较小，导致的结果是自身温度迅速上升。

很显然，防止因脱水造成的加热器烧坏需要控制好二个要点：①确保加热器已经浸没在水中，而且水在流动的情况下才可以接通电源；②加热器在脱水之前几秒钟停止加热，也就是说必须预先切断电源。

3 出水温度恒定控制的问题

几乎所有的热水器都面临出水温度的恒温控制的难题。出水温度的恒定控制需要考虑三个变化量（简称变量）：出水温度、进水温度和流量，通过对变量的分析可以知道控制方式。

出水温度为设定变量，进水温度和流量为条件变量。当条件变量稳定时，恒温控制过程比较容易理解：控制系统通过比较实际出水温度与设定温度的偏差调节加热功率，实现出水温度的恒定。具体控制方式是，当温度偏低时则加大功率；反之减小功率。实际控制的细节要复杂许多，当偏差出现的时候，增减功率的量级是关键要素，它不仅要考虑偏差量的大小，还要考虑热容量带来的“热惯性”即温度上升和下降的最佳曲线等因素，最重要因素是条件变量数据。

表面上看，影响恒温出水的控制要素是检测温度与调整加热功率，其实流量因素不可缺少。事实上，早期的即热式热水器控制方式就是采用“检测温度与调整加热功率”的方式，出水温度的精度和稳定性一直未能解决，当用户调整出水流量后，也就是加大或减少用水量时，出水温就不易稳定，或稳定所需要的时间比较长。

4 传感器解决上述问题的原理

因脱水而损坏加热器的问题，是在即热式热水器的检测系统运用了水流量传感器之后得到了解决。其工作原理及过程如下：

即热式热水器在开始实行运行时，控制系统首先检测水流量传感器是否有水流入，接着确定流入足够的水量之后，才接通加热器的电源，这样就确保加热器接通电源的时候已经浸没在流动的水中；在运行过程时，当加热器在正常加热时候，出现突然停水的状态，则水流量传感器在第一时间检测到此信号并反馈到控制系统，控制系统立刻切断加热器的电源，此时水管及加热器内仍然有水，从而确保了加热器在脱水之前几秒钟预先切断了电源。这是在现有技术条件下解决即热式热水器脱水的最佳方法。

出水温度恒定的问题，当采用温度和流量二个条件反馈量之后得到了有效解决。早期的“检测温度与调整加热功率”的控制方式，只有温度一个反馈量。在单个反馈量的控制过程中，系统比较实际出水温度与设定温度的偏差之后，就要确定所要调节的加热功率（即增减功率的值），通常的做法估计一个数值，然后再进行比较，如此循环地动态控制。

举例说明，当实际出水温度比设定温度低，则增加功率（例如100W），如果偏差仍然偏低，则继续增加功率；如果偏差转高，则降低功率。采用单个反馈量的控制很不稳定，当调节量过大时容易引起振荡（即温度波动大），当调节量过小则温度调整时间太长。在控制系统中再增加一个流量的反馈量，形成流量与温度的双反馈量，则调节过程就有了根本改善。运行时，当比较实际出水温度与设定温度的偏差之后，系统将根据偏差值和流量值计算出所要增减的功率值（而不是估计值），有针对性的定量调节，然后再比较，以同样的方法再调节，动态控制。可见，增加流量反馈之后，即热式热水器的出水温度可以做到精确、稳定。有些水流量传感器内部就装有温度传感器，实际应用时非常方便。事实上，这种控制精度是目前热水器中精度最高的。

水流量传感器的性能。安装了水流量传感器的即热式热水器不一定能够全部解决上述的问题，因为水流量传感器性能及质量参差不齐。例如，水流量传感器有些具备水流方向的识别功能，有些则不具备，而这个功能在即热式热水器上的应用具有特别重要的意义。

水流方向识别功能是指水流量传感器只测量一个方向的流量，当流水向相反方向流动时，传感器没有反应（流速为零）；不具备方向识别功能的水流量传感器只测量流速，当流水向相反方向流动时，传感器仍然输出流速的绝对值。一个不可回避的现实是，出现停水现象时，水管中的水往往会倒流，此时，具有方向识别功能的水流量传感器因为没有反应（流速为零），发出切断电源的信号，将有效保护加热器；而没有方向识别功能的水流量传感器，此时却给出了“进水流动正常”的错误信号，后果将是电加热器立刻烧毁！

可见，即热式热水器的研发人员在选择水流量传感器时，不仅仅要了解流量-脉冲、流量极限数据等基本参数，还要了解如方向识别、可靠性、稳定性、寿命等性能的其它技术细节。