洗衣机水位传感器感知水位分析及气室尺寸对感知水位影响的研究

朱甫金

全自动波轮洗衣机和滚筒洗衣机的水位控制，是由水位传感器（或水位开关）感知气室系统的空气压力变化来自动控制。而空气是可以压缩的，而且传统的水位传感器在控制水位的过程中压力橡胶膜片随水位压力变化而产生位移，因此气室系统的空气容积随水位压力不同而变化，从而导致洗衣机筒内观察到的表观水位与水位控制系统感知的物理水位压力有差异。另外，水位传感器在生产品质检验、标定过程中采用空气加压方法，以检测设备气路中空气压力为标定压力[1]；与洗衣机上水柱压缩气室空气产生压力，以水柱高度作为洗衣机水位控制参数，也存在一定差异。本文应用理想气体状态方程式，对上述差异进行详细的分析，讨论了洗衣机气室容积、气室管容积、水位传感器压力腔容积尺寸对水位控制精度的影响，并对气室尺寸设计给出建议。

1 洗衣机气室水位压力分析

如图1 所示，洗衣机在注水过程中将水位检测系统的气室封闭，形成密闭的压力腔。随着水位压力上升和水位传感器内压力橡胶膜片的位移，密闭腔内的空气容积发生变化，从而在气室底部形成一小段水头c。在洗涤用水被加热前，按照等温压缩气体方程[2]，可以导出水头c方程式。V1为气室系统刚封闭时空气腔体积，P2为注水完成时水位控制系统感知到的水位压力，V2为注水完成时压力腔空气体积，h为水位控制系统感知的物理水位高度。

图1 洗衣机水位检测与气室尺寸

为了计算方便，下面所有的计算方程式，压力以mmH2O为单位，长度以mm 为单位。

参见图1 尺寸，式（1）可以表达为：

式中：P1为标准大气压，P1=0.101 3 MPa=10 332 mmH2O，

式中：Vf为长度L的气管空气体积，V0为图2 所示水位传感器初始空腔体积，Vp为水位传感器压力膜片位移后增加的空腔体积，d为气室直径，b为气室高度。

图2 洗衣机水位传感器结构

简化式（2）得到气室内空气被压缩后的高度a：

水位控制系统感知的物理水位高度h=H-b+a，综合式（3）得到：

式中：H为洗衣机筒内观察到的表观水位高度，也是行业内常说的洗衣机注水水位高度。

从式（4）可得到物理水位高度h与表观水位H关系为：

从式(5)得到水头c=H-h的计算式：

因此，水头c与气室直径的平方成反比，与气室的初始高度尺寸b成正比。表达式（6）比较复杂，式（4）做一些运算可得到水头c近似计算式。

由于水位高度H、h远小于大气压P1，式（7）可近似处理为：

整理式（8）得到水头c近似计算式：

式（9）表明，要减小表观水位高度H与物理水位高度h的差异，提高洗衣机注水水位的控制精度，设计气室时应该将直径尽量增大，同时选择受压后空腔容积增加量小的水位传感器。

2 气室设计尺寸要求

图2 所示水位传感器广泛应用于滚筒洗衣机、波轮洗衣机，初始频率25.7 kHz。实测某型号的压力膜片位移量与输出频率关系如图3 所示。

图3 水位传感器压力膜片位移量

滚筒洗衣机、波轮洗衣机的注水高度不同，气室系统的尺寸也有差异，表1 给出了二款产品的气室系统尺寸参数，注水水位分别为100 mm、400 mm，对应的水头为8 mm、17 mm。

表1 洗衣机气室系统尺寸参数

按式（6）、（9）计算的水头c与气室直径的关系如图4 所示。计算式（6）与式（9）的差异随水位传感器受压后空腔容积增加而变大。

图4 气室水头c 与气室直径关系

图4 表明，要减小表观水位高度H与物理水位高度h的差异，使洗衣机名义注水高度与控制系统感知的水位高度尽可能接近，滚筒洗衣机的气室直径至少13 mm，波轮洗衣机的气室直径至少20 mm。水头c是洗衣机控制软件设定注水水位与传感器感知水位差异的原因，也解释了洗衣机制造商对水位传感器进货检验时不同加压方式得到不同传感器检测参数的原因。气室的长度对水头的影响很小，不再详细讨论。设计气室时要保准洗涤用水、泡沫不能进入直径只有4 mm 的气室管，形成毛细效应。建议压力水头进入后还有50 mm 空气，气室长度一般选择65 mm 以上。

3 MEMS 传感器的气室设计

MEMS 压力传感器（Microelectro Mechanical Systems）作为数字输出的高精度传感器，在洗衣机行业已经开始应用[3]。与传统的振荡电路膜片式压力传感器不同，MEMS 传感器的压力感知空气腔体积几乎是零，即Vf=0，Vp=0，式（6）简化为：

水头c完全是由于气室内气体被压缩而产生，表1 所示的气室尺寸产生的水头如图5 所示，合理的气室直径对洗衣机注水水位控制的影响几乎是恒定的，现有产品的气室结构可以直接换用MEMS 压力传感器。

图5 MEMS 传感器气室水头c 与气室直径关系

对应式（9）的水头c近似计算式：

4 结论

洗衣机筒内观察到的表观水位与水位控制系统感知到的物理水位差异，可以应用理想气体方程计算。气室的直径参数和水位传感器感知压力后的压力腔体积增量，对水头的影响最大。设计合理的气室尺寸，可以把水头控制到很小的值，从而减小洗衣机控制软件设定注水水位与传感器感知水位差异，对洗衣机的耗水量进行精确控制。MEMS 压力传感器消除了受压过程中压力腔体积变化的影响，可以更精确地控制洗衣机水位，减少洗衣机耗水量检测的波动。