一种新型预防水垢影响的锅炉液位传感技术

王鹏鹏 李德念

（珠海格力电器股份有限公司 珠海 519070）

引言

本文研究对象为蒸汽自动清洗机，是一种集成式小型水蒸汽发生设备，通过产生高温高压蒸汽来达到清洗的目的。在清洗机所使用的自来水中包含有大量的钙离子和硅酸根离子等物质，在高温作用下会产生水垢，附着在锅炉内部。基于这种情况，传统的电极式液位传感器在长时间使用后会因为水垢问题而导致误差偏大甚至传感器失效，无法满足实际使用的需要。针对这个问题，本文研究团队开发了一种适用于集成式小型水蒸汽发生设备的磁浮式液位传感技术，能够有效解决因为水垢问题而导致的检测误差。

1 蒸汽清洗机的概述

蒸汽自动清洗机（如图1所示）是一种集成式小型水蒸汽发生设备，设备由油路系统、水路系统、锅炉燃烧系统、控制系统、保护系统、电路电气系统组成。设备小型锅炉中的水经高温加热后转化为饱和高温水蒸汽，通过软管输送到喷枪，进行清洗作业。其工作原理图如图2所示。锅炉中的水由于高温加热，需对水的液位进行有效监控，以避免出现干烧安全隐患。

图1 蒸汽自动清洗机

图2 蒸汽洗车机工作原理图

1.1 常见的锅炉液位传感器类型

液位传感器，又称水位开关，是通过液位来控制线路通断的开关；目前市场上常见的液位传感器主要有石墨棒、钨钢棒、不锈钢棒、SKDII、干簧管浮球磁性传感器。

1）石墨棒（缺点：无法完整可靠密封安装，锁紧后石墨棒易脆断，长期在高温蒸汽环境中使用容易失效，可靠性差）

2）钨钢棒、不锈钢棒、SKDII（缺点：长期在水中使用，容易在其表面形成一层致密的水垢，导致钨棒也无法导电，使其功能丧失）

3）干簧管浮球磁性传感器（缺点：干簧管工作范围是（-40～125）°，当使用环境温度超出这个温度后，干簧管的AT值，即灵敏度会发生变化，导致产品不能正常吸合或断开；②在高温水中，由于烧开的水液位波动幅度大，直接影响浮球上、下波动，严重影响干簧管的寿命，使传感器失效。）

2 锅炉水垢对液位传感器的影响分析

自来水中含有较高含量的Ca2+、Mg2+、SiO2和其它重金属离子，然而众所周知，自来水经过高温加热后，容易产生水垢。锅炉水垢形成机理，是经过复杂的物理、化学变化, 特别是在运行中锅水中发生受热、蒸发、浓缩、结晶及物质间反应等理化变化, 导致了锅炉水中沉淀物的析出, 从而形成水垢。而当水垢吸附在传感器上，将使其无法有效监测水位。

3 外置磁控式液位开关的设计与应用

防止水垢对清洗机水位检测系统造成影响的方案有两个方向：一个是通过水过滤装置对自来水进行净化，提前过滤掉水中大部分的钙离子、镁离子以减少水垢的产生；另一种是该变水位监控的方式，即使在水垢较多的情况下也能有效对水位情况进行监控。

由于蒸汽自动清洗机是一种可以灵活自由移动的设备，如果用大型的水过滤装置则必然会对限制清洗机的工作范围，而小型的过滤器由于需要频繁的更换，造成使用成本的增加，因此选择改变水位监控的方式，并对多种监控方式进行试验验证，最终设计了一种磁控式的洗车机锅炉水位监测系统。

3.1 磁控式液位开关技术方案设计

不同于传统的电极式液位监控系统需要将传感器的检测棒伸到在锅炉浸没在水中，磁控式的液位监控系统可以将所有的电路元件都置于锅炉外部（如图3所示），其工作情况不会受到锅炉内环境的影响。

图3 磁控式液位开关系统

3.1.1 磁控开关工作原理

磁控式液位开关结构如图4所示，主体钢管安装在锅炉外面，横向的两条连接管是连通锅炉内部的，主体钢管内部水位实时与锅炉水位保持一致，磁控开关通过固定支架固定。钢管内装有一个浮子，浮子上端镶嵌永磁体，根据浮子大小选择合适的镶嵌位置，当浮球浮起后使磁体位置能和液位大致保持在同一位置，实时反馈容器内部液位。当锅炉水位降到低水位时，浮子是处于低水位，低水位感应开关干簧管受到浮子上磁铁的吸力而闭合，电路接通，控制器接收到此电信号，启动水泵往锅炉内补水，当水位补水上升到高水位时，高水位感应开关的干簧管受到浮子上磁铁的吸力而闭合，电路接通，控制器接收到此电信号，停止水泵，循环往复。

图4 磁控开关结构原理图

此技术方案的关键是，其电路感应开关是安装在锅炉外面的，不受内部是否结垢的影响，不像电极式的电极棒是安装在内部的水中，存在结水垢隐患。主体铜管和浮子即使结了水垢，也不影响磁铁的磁场，不影响对干簧管的吸力。

3.2 磁控开关设计

钢管外面装有高水位磁控开关和低水位磁控开关，开关感应组件包括干簧管、导线和保护用瓷壳，用乙基快干胶对干簧管进行固定，瓷壳内部用环氧树脂填充，并加入软化剂，以防止高温时因为膨胀出现裂纹。

干簧管是监控水位变化的关键组件，通常情况下，干簧管内的电路处于断开的状态，当受到一个足够大的磁场力作用时就会闭合，输出相应的电信号。但传统的干簧管元件由一个明显的缺点就是在磁性元件离开后就会断开，当浮子随锅炉内液位变化而超过测量开关后就无法持续的输出相应的电信号。为解决这一问题，研究团队在干簧管外再增加一个小型磁铁。

小磁铁所产生的磁场较弱，不能直接将干簧管吸合，当浮子内磁铁的磁场与干簧管外的小磁铁磁场叠加时，吸合干簧管，使干簧管触发；当浮子内磁铁的磁场与干簧管外的小磁铁磁场相互抵消时，干簧管断开。而在这段时间内，干簧管受到的磁力大小一直维持在临界点附近，保持一个吸合的状态。随着浮子的移动，磁控开关的磁场变化情况可分为三个阶段：

第一阶段：外置磁性元件由下至上靠近干簧管。磁场先抵消后叠加，磁力先减弱后变强，干簧管由断开变为闭合（如图5（a）所示）；

图5 磁控开关磁场变化图

第二阶段：外置磁性元件由下至上离开干簧管。干簧管在小磁体的磁力下继续保持闭合，外置磁性元件离开干簧管一直保持闭合（如图5（b）所示）；

第三阶段：外置磁性元件由上至下再次接近干簧管。磁场先叠加后抵消，磁力先变强后减弱。干簧管由闭合变为断开（如图5（c）所示）。

通过设置在干簧管外的小磁铁，使得浮子离开后仍能够保持干簧管的触发动作，在不需要精确测量的场合能够减少干簧管数量的使用，减少测量端口使用。

4 技术方案可靠性测试验证

将外置磁控式液位开关与传统的钨钢棒、不锈钢棒开关分别安装在方形锅炉上，使用2个功率为2 kW的电加热器，整机的功率为4.5 kW，在常温下进行长期可靠性运行测试。当运行至72 h时，装了电极式液位传感器机器出现E2故障报警（即液位传感异常），导致机器无法正常运行。而装磁控式液位开关机器运行正常，拆机检查发现电极式液位传感器与磁控开关管道内壁已吸附有水垢，如图6、7、8所示。

图6 钨钢棒

图7 不锈钢棒

图8 管道内壁

将安装外置磁控式液位开关的机器，继续运行至1 800 h，用水6 m2，机器均未出现过液位感应异常报警，磁控液位开关一直能正常感应液位并进行缺补水。拆机检查发现此时锅炉内部已结满水垢，水垢厚度高达2.5 mm，如图9所示。

图9 锅炉内壁水垢

5 结语

该预防水垢影响的锅炉液位传感技术是通过改进锅炉结构，利用电磁式液位传感器，避免了传感器与锅炉水的直接接触，从而使其不会受到水垢的影响。对于蒸汽洗车机这样一种集成式小型水蒸汽发生设备，可以有效的提高水位监控系统的稳定性和准确性，并且不会对设备使用的灵活性造成影响，适宜于在集成式小型水蒸汽发生设备上使用。