太陽(yáng)能熱水器水位水溫傳感器

　　對(duì)于太陽(yáng)能熱水器，控制系統(tǒng)是十分重要的，在我們所遇到的太陽(yáng)能熱水器故障中，90%以上是由于控制系統(tǒng)的故障引起的，其中由于水位水溫傳感器引起的故障率又占50%，所以深入地了解控制系統(tǒng)的作用，了解控制部件的原理，是掌握太陽(yáng)能熱水器安裝和維修所必須的。說實(shí)在話，太陽(yáng)能控制器目前完全過關(guān)的可以說沒有，為此，筆者只能根據(jù)自己在長(zhǎng)期實(shí)踐中認(rèn)為比較好的西子牌自尊太陽(yáng)能控制儀為基本元件來解說這一章的內(nèi)容。當(dāng)然，市面上還有許多太陽(yáng)能控制儀，質(zhì)量也可能不錯(cuò)，無法一一介紹?？梢载?fù)責(zé)地說，你只要掌握了本書介紹的控制儀和系統(tǒng)，已經(jīng)可以解決絕大部分太陽(yáng)能的問題了。

　　第一節(jié)水位水溫傳感器

　　目前探測(cè)水位的方法很多，但最常用的是導(dǎo)電式方法和浮子式方法，這兩種方法也是太陽(yáng)能熱水器中使用面最廣的探測(cè)方法，所以本書將專門介紹這兩種探測(cè)法。（常用的太陽(yáng)能的水位水溫傳感器如圖7-1-1，圖7-1-2所示）

圖7-1-1導(dǎo)電式傳感器        圖7-1-2浮子式傳感器

　　太陽(yáng)能熱水器的水位水溫傳感器是太陽(yáng)能的眼睛，它將太陽(yáng)能大部分的信息傳給控制儀，控制儀通過對(duì)這些信息的處理來管理太陽(yáng)能熱水器，同時(shí)將熱水器的運(yùn)行情況告訴用戶，讓用戶合理正確的利用太陽(yáng)能。傳感器是太陽(yáng)能熱水器的重要部件，也是故障經(jīng)常發(fā)生的地方，在太陽(yáng)能普及的初期，太陽(yáng)能90%以上的故障來自傳感器。隨著人們不斷總結(jié)、改進(jìn)，太陽(yáng)能傳感器的質(zhì)量不斷提高，傳感期的壽命也逐步達(dá)到1年以上。

　　一、太陽(yáng)能水位的控制原理

　　1、導(dǎo)電式探測(cè)原理

　　導(dǎo)電式水位傳感器的原理就是利用水的導(dǎo)電性來探測(cè)水面的高度，如圖7-1-3，在圖中的水位情況下，0極（公共極）與1、2、3是導(dǎo)通的，與4是不導(dǎo)通的，因此控制系統(tǒng)就可以判斷水面在3、4之間。

　　圖7-1-3導(dǎo)電式探測(cè)水位原理圖

　　實(shí)際使用中的家用太陽(yáng)能導(dǎo)電式傳感器的結(jié)構(gòu)如圖7-1-8。

　　2、浮子式探測(cè)原理

　　浮子式的原理就是通過不同高度的干簧管通斷的情況來探測(cè)水面的高度的。干簧管是一種電子元件，當(dāng)它遇到強(qiáng)烈的磁場(chǎng)時(shí)，內(nèi)部的開關(guān)閉合，電流從干簧管兩端流過，給出位置和溫度的信號(hào)。如圖7-1-4所示。

　　圖7-1-4浮子式水位傳感器原理圖

　　實(shí)際使用的浮子詳圖如圖7-1-9。

　　3、通用的控制方法

　　太陽(yáng)能熱水器經(jīng)十幾年的的發(fā)展，已經(jīng)形成一個(gè)被國(guó)內(nèi)同行普遍認(rèn)可的控制模式和控制電阻參數(shù)，這方面的控制器已經(jīng)可以互用和替代，其數(shù)量已經(jīng)占新安裝產(chǎn)品的80%以上，為此本書將以介紹通用控制方法為主。不管是導(dǎo)電式還是浮子式，目前太陽(yáng)能熱水器水位控制普遍采用開關(guān)控制法，利用開關(guān)接通和斷開所造成的電阻的串聯(lián)（并聯(lián)）產(chǎn)生的不同電阻值來傳遞水位信號(hào)，讓控制器判斷水位，水位一般分為4檔。傳感器導(dǎo)電的原理有水導(dǎo)電（利用水的導(dǎo)電特性）和干簧管導(dǎo)電兩種，實(shí)際上就是四個(gè)開關(guān)的開和關(guān)的狀態(tài)。原理如圖7-1-5。

　　圖7-1-5水位傳感器電路原理圖

　　解說：當(dāng)水位在1格以下時(shí)，所有開關(guān)都處于開的狀態(tài)，1、2端輸出的電阻值R1+R2+R3+R4=60K很大，控制儀顯示水位為一格20%以下。當(dāng)水位到達(dá)１格時(shí)，開關(guān)K1由于水的導(dǎo)電作用（或者干簧管在磁鐵的作用下）導(dǎo)通，電阻R1被短路，端口1、2的電阻值為R2+R3+R4=30K，控制儀顯示水位為20%；當(dāng)水位到達(dá)2格時(shí)，開關(guān)K2導(dǎo)通，電阻R2也被短接，端口1、2的電阻值為R3+R4=20K，控制儀顯示水位為50%；當(dāng)水位到達(dá)3格時(shí)，開關(guān)K3導(dǎo)通，電阻R3也被短接，端口1、2的電阻值為R4=10K，控制儀顯示水位為80%；當(dāng)水位到達(dá)4格時(shí)，開關(guān)K4導(dǎo)通，電阻R4也被短接，端口1、2的電阻值接近為0?？刂苾x顯示水位已滿。水位低于1格時(shí)，控制儀輸出12V的電壓，啟動(dòng)電磁閥等打開進(jìn)水，水位高于4格時(shí)，控制儀關(guān)閉電磁閥等停止進(jìn)水。

　　二、溫度控制原理

　　1、溫度傳感器采用熱敏電阻，目前統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)是Rt=10KΩ的NTC（負(fù)溫度系數(shù)）電阻，B值在3800左右，精度在3%左右即可。溫度傳感探頭一般是和水位傳感器裝在一起，一般放在水位傳感器的中間部位，它表示太陽(yáng)能水箱中間部分的溫度。也有一些溫度傳感器是單獨(dú)做成單一配件的，比如部分浮子式傳感器。圖7-1-6是溫度傳感器的溫度曲線。圖7-1-7是一種常用的溫度傳感器的外形。

圖7-1-6溫度傳感器              圖7-1-710KΩ熱敏電阻的溫度曲線

　　三、太陽(yáng)能熱水器常用的水位水溫傳感器

　　要正確使用和靈活安裝太陽(yáng)能熱水器，就必須充分了解太陽(yáng)能熱水器傳感器的原理和結(jié)構(gòu)。

　　1、導(dǎo)電式水位水溫傳感器（探頭）：在傳感器中間還帶有溫度探頭，目前50%以上的太陽(yáng)能熱水器的傳感器是采用導(dǎo)電式傳感器，優(yōu)點(diǎn)是成本低，安裝簡(jiǎn)便；最大的缺點(diǎn)是受水的質(zhì)量影響大，易結(jié)垢，水質(zhì)好的地方可以用一年以上，最好的使用5年都見過；差的只有幾十天，最短的只有兩個(gè)星期。一般情況下，壽命在一年左右。雖然導(dǎo)電式傳感器有致命的缺點(diǎn)，但由于成本低、安裝簡(jiǎn)便，目前還是使用最廣泛的太陽(yáng)能的水位溫度器件。其結(jié)構(gòu)如圖7-1-8。

　　圖7-1-8導(dǎo)電式水位水溫傳感器結(jié)構(gòu)圖

　　傳感器的探頭是由熱縮套管和不銹鋼管做成的，里面安裝由4個(gè)電阻和一個(gè)熱敏電阻Rt組成的電子電路（實(shí)際為等效電路），其水位原理如圖7-1-5，溫度原理如圖7-1-7，安裝方法見第四章的圖4-1-8。

　　2、浮子式水位控制傳感器（探頭）：這種傳感器的水位和溫度是分開的。安裝如第四章圖４-1-9，有一個(gè)浮子和四個(gè)浮子之分，一般采用4個(gè)浮子的為多，浮子式方案中，采用浮子和溫度探頭分開的安裝方式，這樣各自在不同的位置進(jìn)行探測(cè)，比較準(zhǔn)確，浮子又與水箱分離，利用同水位原理探測(cè)水位，傳感器的環(huán)境溫度比太陽(yáng)能水箱內(nèi)的溫度低，這樣延長(zhǎng)了傳感器的壽命。這種傳感器一般做成可以拆卸的，如果浮子臟了，或是結(jié)垢了，可以拆下來清洗，還可以反復(fù)使用，這樣可以達(dá)到在太陽(yáng)能有效的生命期內(nèi)不用更換水位傳感器的目的。溫度探頭另外安裝，可以安裝在熱水出水口附近，溫度顯示比較準(zhǔn)確。根據(jù)實(shí)踐得出的結(jié)論，溫度傳感器的故障率很小，一般在5%以下，壽命在10年以上。浮子式方案的缺點(diǎn)是成本比較高，安裝比較復(fù)雜。所以目前用的不多。但隨著人們對(duì)太陽(yáng)能熱水器可靠性的要求提高，浮子式的使用量可能會(huì)增加。

　　浮子式傳感器的電子線路原理圖同導(dǎo)電式的原理圖7-1-5，結(jié)構(gòu)圖如圖7-1-9。

　　圖7-1-9浮子式水位傳感器和溫度傳感器

　　傳感器上有4個(gè)浮子，帶有磁鐵的浮子浮在水面上，當(dāng)水位上升時(shí)浮子跟著上升，當(dāng)它浮到干簧管附近時(shí)，被浮子上擋圈擋住，傳感器內(nèi)部相應(yīng)干簧管導(dǎo)通，送出水位信號(hào)給控制系統(tǒng)，告知水面的位置。實(shí)際中家用太陽(yáng)能浮子式傳感器的浮子是4個(gè)的，主要考慮的是實(shí)際使用中斷電時(shí)的狀況和浮子浮動(dòng)范圍不能太大。傳感器內(nèi)部的電子原理與導(dǎo)電式一樣，不再贅述。溫度探頭就是一個(gè)熱敏電阻Rt，安裝在一邊封死的探頭體內(nèi)，溫度傳感器的故障率很低，一般不超過2%，只要探頭體不漏水，壽命可達(dá)10年以上。

　　3、硅膠導(dǎo)電式水位傳感器（探頭）：硅膠水位傳感器是利用硅膠的的導(dǎo)電特性制作的（如圖7-1-10），它也是利用水的導(dǎo)電的原理來探測(cè)水位的，由于采用了硅膠作為導(dǎo)電體，可以有效地減緩傳感器表面的結(jié)垢，延長(zhǎng)傳感器的壽命，它的電子線路原理同以上兩種傳感器。但部分產(chǎn)品阻值有所不同（如比華麗公司的產(chǎn)品，引線只有2根，設(shè)計(jì)更為先進(jìn)，但也一定程度上限制了它使用的靈活性）。由于其成本低、安裝簡(jiǎn)便，目前也是使用較多的太陽(yáng)能水位溫度傳感器件。其缺點(diǎn)是無法克服水中泥土的附著，對(duì)泥沙較多的水質(zhì)較容易失效。在溫度傳感方面，由于硅膠的導(dǎo)熱性差，所以溫度顯示起伏大，不能準(zhǔn)確的顯示水箱的當(dāng)前溫度。另外，由于太陽(yáng)能水箱的溫度高低變化大，高的時(shí)候達(dá)100℃，低的時(shí)候僅在10℃以下，而硅膠的膨脹系數(shù)和金屬導(dǎo)線的膨脹系數(shù)不一致，導(dǎo)電硅膠體與導(dǎo)線容易產(chǎn)生脫離，出現(xiàn)導(dǎo)電不良的現(xiàn)象，在溫差大的太陽(yáng)能水箱里，硅膠體老化變質(zhì)加快，它的壽命也是比較短的。

　　圖7-1-10硅膠傳感器

　　4、電子線路探測(cè)方案：目前，國(guó)內(nèi)已經(jīng)自然形成了較為統(tǒng)一的電子線路探測(cè)方案，為各種控制儀的傳感器的互換創(chuàng)造了好的條件。

　　了解了水位溫度傳感器的原理，可以知道：傳感器的輸出一般是4條線（有部分是2條的），其中兩條是傳遞溫度信號(hào)的，兩條是傳遞水位的。用萬用表的100KΩ以上的檔測(cè)量，能量出電阻的（阻值在7-10KΩ）是溫度線，另外兩條就是水位線，水位線的阻值一般在60KΩ左右。水位和溫度的電子線路都是由電阻組成，所以它是沒有極性的，接頭可以互調(diào)。下面舉一個(gè)例子說明是如何靈活應(yīng)用傳感器原理的：

　　例7-1-1：

　　有一臺(tái)承壓式太陽(yáng)能熱水器，水位不需要控制，水箱側(cè)面留有探測(cè)溫度的盲孔，以便控制溫度，手頭上有一臺(tái)普通的“西子牌”控制儀，如何達(dá)到控制太陽(yáng)能溫度的目的？

　　解決的辦法：

　　1）用10KΩ，B值為3800左右的熱敏電阻兩端焊上導(dǎo)線，用熱縮套管將熱敏電阻保護(hù)起來（其他保護(hù)方法也可以），做成一個(gè)簡(jiǎn)易的水溫探頭，將它插入測(cè)溫孔中。將導(dǎo)線與控制儀傳感器導(dǎo)線連接，如果沒有標(biāo)記，可以試著連接傳感器導(dǎo)線中的兩條，有溫度出現(xiàn)，且與水溫相近的就是了，其他兩條同時(shí)可斷定為水位線。

　　2）將水位的兩條導(dǎo)線短接（如有1K左右的電阻更好）。

　　3）此時(shí)控制儀顯示當(dāng)前水的溫度，同時(shí)顯示水位為滿格，太陽(yáng)能可以正常工作了（如電加熱）。

　　如果沒有測(cè)溫孔，用戶可以通過三通，還有水箱的排污口，使用圖7-1-6的溫度傳感器進(jìn)行溫度探測(cè)，效果跟例7-1-1是一樣的。

　　還有一些傳感器：壓電式傳感器，厚膜電阻傳感器，由于應(yīng)用不多，這里暫不介紹。