探索“恒溫”關(guān)的技術(shù)知識

　　什么是恒溫技術(shù)？

　　恒溫即熱式電熱水器采用的是最先進的控制技術(shù)，是根據(jù)所設(shè)定的溫度，用數(shù)字化技術(shù)時時監(jiān)控出水和進水溫度之間的溫差、水流量，再通過主程序芯片(CPU)進行計算，根據(jù)所需要的加熱能量在最快速的時間來調(diào)整輸出功率，達到設(shè)定溫度和出水溫度相互一致，保持出水溫度恒定的即熱式電熱水器產(chǎn)品。

　　恒溫產(chǎn)品和普通固定功率的產(chǎn)品最大的區(qū)別就是恒溫產(chǎn)品是設(shè)定所需要的溫度后，機器會自動根據(jù)所設(shè)定的溫度，自動檢測在此設(shè)定溫度下，根據(jù)實際的進水溫度、出水溫度、水壓、流量、電壓等條件，在最短的時間內(nèi)到達所需要的溫度，并保持在該設(shè)定溫度；普通固定溫度產(chǎn)品是靠設(shè)定的功率檔位來固定使用功率，在進水溫度、出水溫度、水壓、流量、電壓等條件變化的時候，溫度會在一定范圍內(nèi)變化，特別是水壓和電壓的變化，溫度明顯變化范圍很大。簡單的理解就好比汽車的手動檔和自動檔的區(qū)別一樣，相對而言，恒溫即熱式電熱水器的技術(shù)含量較高，市場銷售價格也相對高一些。

　　國標(biāo)中是如何定義恒溫標(biāo)準(zhǔn)的

　　國家過去標(biāo)準(zhǔn)GB4706.11中對恒溫?zé)崴鞑]有明確的定義。目前新標(biāo)準(zhǔn)中對于快速電熱水器的恒溫產(chǎn)品的判定，有了一些新的規(guī)定，具有一定的參考價值：

　　第一，判定一臺機器的恒溫性能有三個關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)：調(diào)節(jié)時間、超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)誤差。

　　第二，對以上三個技術(shù)指標(biāo)的測試有嚴(yán)格的測試方法：

　?。?）進水壓力變化時出水溫度的穩(wěn)定性測試：

　　將進水水壓由0.1Mpa至0.7Mpa進行調(diào)整變化時，記錄時間及出水溫度的變化；

　?。?）電源電壓變化時，出水溫度的穩(wěn)定性測試：

　　將供電電壓從198Ｖ至242Ｖ進行調(diào)整變化時，記錄時間及出水溫度的變化；

　?。?）進水溫度變化時，出水溫度的穩(wěn)定性測試：

　　將進水溫度從7～20℃進行調(diào)整變化時，記錄時間及出水溫度的變化。

　　第三，根據(jù)以上三項指標(biāo)測試結(jié)果，把機器的恒溫性能分為ＡＢＣＤ四個等級，如表1：

　　可見，真正的恒溫產(chǎn)品不僅僅關(guān)注穩(wěn)態(tài)誤差，調(diào)節(jié)時間和超調(diào)量也很重要。

　　恒溫技術(shù)的實現(xiàn)條件

　　事實上，即熱式電熱水器恒溫控制的原理非常簡單，主要是通過下面方法計算發(fā)熱元件的功率：

　　Q=C x q x (T2-T1)= P xη

　　Q：水吸收的熱量；

　　C：水的比熱容常數(shù)；

　　q：水流量；

　　T2：熱水器出水溫度；

　　T1：熱水器進水溫度；

　　P：熱水器輸入功率；

　　η：發(fā)熱系統(tǒng)效率，通常為90%～100%

　　所以即熱式電熱水器要實現(xiàn)精確控溫，必須要具備以下條件：

　　1、發(fā)熱系統(tǒng)的功率可無級調(diào)節(jié)；

　　2、具有出水溫度和進水溫度傳感器；

　　3、具有流量傳感器；

　　4、通過微電腦(CPU)控制板即時檢測傳感器參數(shù)并調(diào)整功率輸出；

　　5、水流量的控制（此條件主要是在極限狀況下，保證熱水器的恒溫）。

　　恒溫?zé)崴鞯年P(guān)鍵元器件

　　可控硅 也稱作晶閘管，它是由PNPN四層半導(dǎo)體構(gòu)成的元件，有三個電極，陽極A，陰極K和控制極G?？煽毓柙陔娐分心軌?qū)崿F(xiàn)交流電的無觸點控制，以小電流控制大電流，并且不像繼電器那樣控制時有火花產(chǎn)生，而且動作快、壽命長、可靠性好。在調(diào)速、調(diào)光、調(diào)壓、調(diào)溫以及其他各種控制電路中都有它的身影。

　　可控硅最主要的作用之一就是穩(wěn)壓穩(wěn)流。可控硅分為單向的和雙向的，符號也不同。

　　單向可控硅有三個PN結(jié)，由最外層的P極和N極引出兩個電極，分別稱為陽極和陰極，由中間的P極引出一個控制極。單向可控硅有其獨特的特性：當(dāng)陽極接反向電壓，或者陽極接正向電壓但控制極不加電壓時，它都不導(dǎo)通，而陽極和控制極同時接正向電壓時，它就會變成導(dǎo)通狀態(tài)。一旦導(dǎo)通，控制電壓便失去了對它的控制作用，不論有沒有控制電壓，也不論控制電壓的極性如何，將一直處于導(dǎo)通狀態(tài)。要想關(guān)斷，只有把陽極電壓降低到某一臨界值或者反向。

　　雙向可控硅的引腳多數(shù)是按T1、T2、G的順序從左至右排列（電極引腳向下，面對有字符的一面時）。加在控制極G上的觸發(fā)脈沖的大小或時間改變時，就能改變其導(dǎo)通電流的大小。與單向可控硅的區(qū)別是，雙向可控硅G極上觸發(fā)脈沖的極性改變時，其導(dǎo)通方向就隨著極性的變化而改變，從而能夠控制交流電負(fù)載。而單向可控硅經(jīng)觸發(fā)后只能從陽極向陰極單方向?qū)ǎ钥煽毓栌袉坞p向之分。

　　可控硅在自動控制控制，機電領(lǐng)域，工業(yè)電氣及家電等方面都有廣泛的應(yīng)用。可控硅是一種有源開關(guān)元件，平時它保持在非導(dǎo)通狀態(tài)，直到由一個較少的控制信號對其觸發(fā)或稱“點火”使其導(dǎo)通，一旦被點火就算撤離觸發(fā)信號它也保持導(dǎo)通狀態(tài)，要使其截止可在其陽極與陰極間加上反向電壓或?qū)⒘鬟^可控硅二極管的電流減少到某一個值以下。

　　溫度傳感器 恒溫型即熱式電熱水器目前多設(shè)置在出水口，用于控制出水溫度，一些功能先進的熱水器還在進水口再設(shè)置一個溫度傳感器，這樣不僅有利于CPU精確計算輸出功率，還可以防止進水溫度過高，起到保護作用。

　　對于熱水器上使用的溫度傳感器，從技術(shù)方面主要有以下要求：

　　1、反應(yīng)速度快，溫度滯后小；

　　2、一致性好；

　　3、分辨率即檢測精度高；

　　4、耐潮濕、耐高溫。

　　目前即熱式電熱水器多采用NTC型溫度傳感器。NTC是Negative Temperature Coefficient 的縮寫，意思是負(fù)的溫度系數(shù)，泛指負(fù)溫度系數(shù)很大的半導(dǎo)體材料或元器件。NTC溫度傳感器是將不同外觀結(jié)構(gòu)的高精度熱敏電阻元件或芯片，根據(jù)傳感器實際應(yīng)用環(huán)境的不同技術(shù)要求，采用錫焊、金屬包（壓）接或微型點焊等安全的加工工藝與導(dǎo)線可靠連接，然后進行留膠、絕緣、防潮防水處理并施用性能優(yōu)良的環(huán)氧樹脂包（灌）封材料將熱敏電阻元件或芯片部位密封固定于不同結(jié)構(gòu)的金屬或非金屬保護殼體內(nèi)，形成一個能夠?qū)崿F(xiàn)滿足特定測控溫要求的穩(wěn)定可靠的組件總成。

　　封裝后的溫度傳感器熱敏電阻

　　所謂NTC熱敏電阻器就是負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器，即電阻值會隨著溫度的升高而變小的非線性電阻器，是溫度傳感器的核心元件。通常是由錳（Mn）、鈷（Co）、鎳（Ni）、鋁（Al）、鋅（Zn）等兩種或者兩種以上高純度金屬氧化物材料經(jīng)共同沉淀或水熱法合成的納米粉體材料，后經(jīng)球磨充分混合、等靜壓成型、高溫?zé)Y(jié)、半導(dǎo)體切片、劃片、玻封燒結(jié)或環(huán)氧包封等封結(jié)工藝制成的接近理論密度結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體電子陶瓷材料，一般是具有尖晶石結(jié)構(gòu)的氧化物電子陶瓷，其電阻率和材料參數(shù)（B值）隨材料成分比例、燒結(jié)溫度、燒結(jié)氣氛和結(jié)構(gòu)狀不同而變化，這種具有負(fù)溫度系數(shù)特征的熱敏電阻具有靈敏度高、穩(wěn)定性好、響應(yīng)快、壽命長、成本低等特點，廣泛用于需要定點測溫的自動控制電路。

　　水流量傳感器 主要由閥體、水流轉(zhuǎn)子組件、穩(wěn)流組件和霍爾傳感器組成。它裝在熱水器的進水端用于檢測進水流量的大小及通斷。當(dāng)水流通過水流轉(zhuǎn)子組件時，磁性轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動并且轉(zhuǎn)速隨著流量的變化而成線性變化?；魻杺鞲衅鳎ɑ魻栐蓸樱┹敵鱿鄳?yīng)的脈沖信號。反饋給控制器，由控制器判斷水流量的大小，進而根據(jù)水溫和流量計算輸出功率的大小。由于水流量傳感器具有反應(yīng)靈敏、壽命長、動作迅速、工作可靠、連接方便、超低流量啟動等優(yōu)點，被廣大用戶及消費者廣泛接受。

　　1、水流轉(zhuǎn)子組件主要由渦輪開關(guān)殼、磁性轉(zhuǎn)子、制動環(huán)組成。試驗表明，使用水流開關(guān)方式時，其性能優(yōu)于機械式壓差盤結(jié)構(gòu)，且尺寸明顯縮小。當(dāng)水流通過渦輪開關(guān)殼，推動磁性轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，不同磁極靠近霍爾元件時霍爾元件導(dǎo)通，離開時霍爾元件斷開。由此，可測量出轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速（水流速度）。根據(jù)實測的水流量→轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速→輸出信號（電壓）的曲線，便可確定出熱水器的啟動水壓，以及與此啟動水壓相對應(yīng)的啟動水量與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n。由控制電路，便可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速＞設(shè)定轉(zhuǎn)速n時熱水器的啟動工作，在轉(zhuǎn)速＜n時，熱水器停止工作。這樣熱水器啟動水壓一般設(shè)定在0.0lMpa，啟動水量為 3L～5L/min （須滿足熱水器標(biāo)準(zhǔn)對最高溫升的限制）。制動環(huán)的作用是停水時克服磁性轉(zhuǎn)子慣性，使高速旋轉(zhuǎn)的磁性轉(zhuǎn)子快速停止，終止脈沖信號輸出，控制器接收不到脈沖信號，立即指令切斷發(fā)熱系統(tǒng)電源。

　　2、霍爾傳感器是利用霍爾元件的霍爾效應(yīng)原理來直接或間接檢測磁性物理量，當(dāng)它被置于磁場強度為B的磁場時，且給霍爾元件正極串入負(fù)載電阻，同時通入控制電壓 DC5V，使電流方向與磁場方向正交。這樣，當(dāng)水通過渦輪開關(guān)殼時，推動磁性轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生不同磁極的旋轉(zhuǎn)磁場，切割磁力線，產(chǎn)生高低脈；中電平、再利用霍爾元件進行隔離檢測。由于霍爾元件的輸出脈沖信號與磁性轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速成正比關(guān)系，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速又與水流量大小成正比關(guān)系，使燃?xì)鉄崴鞯膯优c水流量大小有關(guān)?；魻杺鞲衅鞣答佇盘柦o控制器判斷出水流量的大小，并可以根據(jù)燃?xì)鉄崴鳈C型不同，選擇最佳的啟動流量，實現(xiàn)超低壓啟動。

　　3、目前，即便是一些所謂的“恒溫?zé)崾诫姛崴?rdquo;也多采用干簧式水流開關(guān)或壓差式水流開關(guān)來控制發(fā)熱元件的電源，其缺點是啟動流量大、水路阻力大，只能防止發(fā)熱元件干燒，卻無法得到準(zhǔn)確的水流量，所謂的恒溫也只是利用溫度傳感器所檢測到的溫度，進行簡單的功率計算，調(diào)節(jié)周期長，溫度波動大。

　　而流量傳感器體積小，結(jié)構(gòu)相對簡單，啟動流量低，水路系統(tǒng)阻力小，雖然控制電路復(fù)雜一些，但在一些高端品牌的熱水器上已開始采用。近年來，脈沖式水流量傳感器檢測流量在恒溫即熱式熱水器中應(yīng)用的事實證明，采用水流量傳感器檢測水流量作為即熱式典熱水器的開關(guān)及流量檢測，具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、檢測范圍寬等特點，是實現(xiàn)智能恒溫必不可少的原件之一。

　　在恒溫?zé)崴鞯淖詣涌刂齐娐分?，溫度傳感器的感溫部位通常布置在出水口處，有些在進口處也設(shè)有溫度傳感器， 另一端通過線路連接到電路板，根據(jù)電路的分壓原理，當(dāng)水溫變化時，熱敏電阻兩端的電壓也隨之變化，CPU根據(jù)這個電壓信號，通過A/D轉(zhuǎn)換，就可以得到準(zhǔn)確的水溫值。