太阳能热水工程控制系统:水位水温传感器

目前探测水位的方法很多,但最常用的是导电式方法和浮子式方法,这两种方法这也是太阳能热水器中使用面最广的探测方法,所以本文将专门介绍这两种探测法。常用的天热水器的水位传感器如图5-1、图5-2所示。

太阳能控制系统-水温水温传感器

太阳能热水工程控制系统:水位水温传感器-智恩太阳能控制柜

太阳能热水器的水位水温传感器是太阳能的眼睛,它将太阳能大部分的信息传给控制仪,控制仪通过对这些信息的处理来管理太阳能热水器,同时将热水器的运行情况告诉用户,让用户合理正确地利用太阳能。传感器是太阳能热水器的重要部件,也是故障经常发生的地方,在太阳能普及的初期,太阳能90%以上的故障来自传感器。随着人们不断总结、改进,太阳能传感器的质量不断提高,传感器的寿命也逐步达到1年以上。

在工程中,为了安装,必须对水位传感器进行加工,才能把它装在水箱上,它们加工后的外形如图5-3所示。

一、太阳能水位的控制原理

1、导电式探测原理

导电式水位传感器的原理就是利用水的导电性来探测水面的高度,如图5—4,在图中的水位情况下,0极(公共极)与1、2、3是导通的,与4是不导通的,因此控制系统就可以判断水面在3、4之间。

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导电式探测水位原理 太阳能控制系统 水温水位传感器

2、浮子式探测原理

浮子式的原理就是通过不同高度的干簧管通断的情况来探测水面的高度的。干簧管是一种电子元件,当它遇到强烈的磁场时,内部的开关闭合,电流从干簧管两端流过,给出位置和温度的信号。如图5-5所示。

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太阳能控制系统 水温水位传感器

3、通用的控制方法

太阳能热水器经十几年的发展,已经形成一个被国内同行普遍认可的控制模式和控制电阻参数,这方面的控制器已经可以互用和替代,其数量已经占新安装产品的80%以上,为此本书将以介绍通用控制方法为主。不管是导电式或是浮子式,目前太阳能热水器水位控制普遍采用开关控制法,利用开关接通和断开所造成的电阻的串联(并联)产生的不同电阻值来传递水位信号,让控制器判断水位,水位一般分为4挡。传感器导电的原理有水导电(利用水的导电的特性)和干簧管导电两种,实际上就是四个开关的开和关的状态。原理如图5—6。

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太阳能控制系统 水温水位传感器

解说:当水位在1格以下时,所有开关都处于开的状态,1、2端输出的电阻值Rl+R2+R3+R4=60kΩ很大,控制仪显示水位为一格20%以下。当水位到达一格时,开关K1由于水的导电作用(或者干簧管在磁铁的作用下)导通,电阻Rl被短路,端口1、2的电阻值为R2+R3+R4=30kΩ控制仪显示水位为20%;当水位到达2格时,开关K2导通,电阻R2也被短接,端口1、2的电阻值为R3+R4=20kΩ,控制仪显示水位为50%;当水位到达3格时,开关K3导通,电阻R3也被短接,端口1、2的电阻值为R4=10kΩ,控制仪显示水位为80%;当水位到达4格时,开关K4导通,电阻R4也被短接,端口1、2的电阻值接近为0。控制仪显示水位已满。水位低于1格时,控制仪输出l2V的电压,启动电磁阀等打开进水,水位高于4格时,控制仪关闭电磁阀等停止进水。

二、温度控制原理

温度传感器采用热敏电阻,目前统一的标准是Rt=l0kΩ的NTC(负温度系数)电阻,B值在3800左右,精度在3%左右即可。温度传感探头一般是和水位传感器装在一起,一般放在水位传感器的中间部位,它表示太阳能水箱中间部分的温度。也有一些温度传感器是单独做成单一配件的,比如部分浮子式传感器。图5-7是温度传感器的温度曲线。图5—8是一种常用的温度传感器的外形。

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三、太阳能热水器常用的水位水温传感器

要正确使用和灵活安装太阳能热水器,就必须充分了解太阳能热水器的传感器的原理和结构。

1、导电式水位水温传感器(探头)

在传感器中间还带有温度探头,目前50%以上的太阳能热水器的传感器是采用导电式传感器,优点是成本低,安装简便;最大的缺点是受水的质量影响大,易结垢。水质好的地方可以用一年以上,最好的可以使用5年;水质差的只能使用几十天,最短的只有两个星期。一般情况下,寿命在一年左右。虽然导电式传感器有致命的缺点,但由于成本低、安装简便,目前还是使用最广泛的太阳能的水位温度器件。其结构如图5-9。

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太阳能控制系统水温水位-导电式水位水温传感器(探头)

传感器的探头是由热缩套管和不锈钢管做成的,里面安装由4个电阻和一个热敏电阻组成的电子电路(实际为等效电路),其安装方法见图5—10。

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太阳能控制系统水温水位-导电式水位水温传感器(探头)

2、浮子式水位控制传感器(探头)

这种传感器的水位和温度是分开的。有1个浮子和4个浮子之分,一般采用4个浮子的为多。浮子式方案中,采用浮子和温度探头分开的安装方式,这样各自在不同的位置进行探测,比较准确,浮子又与水箱分离,利用同水位原理探测水位,传感器的环境温度比太阳能水箱内的温度低,这样延长了传感器的寿命。这种传感器一般做成可以拆卸的,如果浮子脏了,或是结垢了,可以拆下来清洗,还可以反复使用,这样可以达到在太阳能有效的生命期内不要更换水位传感器的目的。温度探头另外安装,可以安装在热水出水口附近,温度显示比较准确。根据实践得出的结论,温度传感器的故障率很小,一般在5%以下,寿命在10年以上。浮子式方案的缺点是成本比较高,安装比较复杂。

所以目前用的不多。但随着人们对太阳能热水器可靠性的要求提高,浮子式的使用量可能会增加。

浮子式水位传感器的结构如图5—11。

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太阳能控制系统水温水位-导电式水位水温传感器(探头)3

传感器上有4个浮子,带有磁铁的浮子浮在水面上,当水位上升时浮子跟着上升,当它浮到干簧管附近时,被浮子上挡圈挡住,传感器内部相应干簧管导通,送出水位信号给控制系统,告知水面的位置。实际中家用太阳能浮子式的传感器的浮子是4个,主要考虑的是实际使用中断电时的状况和浮子浮动范围不能太大。传感器内部的电子原理与导电式一样,不再赘述。温度探头就是一个热敏电阻,安装在一边封死的探头体内,温度传感器的故障率很低,一般不超过2%,只要探头体不漏水,寿命可达10年以上。

3、电极导电式水位传感器(探头)

电极式水位传感器,利用的是水的导电式原理做成的,其优点是简单易行。比如用电线剪成不同长度的线端,放入水中,就行了。电极式水位传感器在水塔等低温水箱中使用较多,但由于太阳能水箱的温度比较高,电机极易腐蚀和结垢,造成信号探测错误。所以在太阳能的探测器中用得较少,如有应用,也是要将电极做成比较粗大的不锈钢条或者铜条,这样比较耐腐蚀,寿命相对长一点。电极式探头的示意如图5—12所示。

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太阳能控制系统水温水位-导电式水位水温传感器(探头)4

目前,国内已经自然形成了较为统一的电子线路探测方案,为各种控制仪的传感器的互换创造了好的条件。

了解了水位温度传感器的原理,可以知道:传感器的输出一般是4条线(有部分是2条的),其中两条是传递温度信号的,两条是传递水位的。用万用表100kΩ以上的挡测量,能量出电阻的(阻值在7~10kΩ)是温度线,另外两条就是水位线,水位线的阻值一般在60kΩ左右(西子导电式)。水位和温度的电子线路都是由电阻组成,所以它是没有极性的,接头可以互调。下面举一个例子说明如何灵活应用传感器原理的。

例:有一台承压式太阳能热水器,水位不需要控制,水箱侧面留有探测温度的盲孔,以便控制温度,手头上有一台普通的“西子牌”控制仪,如何达到控制太阳能温度的目的?

解决的办法:

(1)用10kΩ,B值为3800左右的热敏电阻两端焊上导线,用热缩套管将热敏电阻保护起来(其他保护方法也可以),做成一个简易的水温探头,将它插入测温孔中。将导线与控制仪传感器导线连接(如果没有标记,可以试着连接传感器导线中的两条,有温度出现,且与水温相近的就是了,其他两条同时可断定为水位线)。

(2)将水位的两条导线短接(如有lkΩ左右的电阻更好)。

(3)此时控制仪显示当前水的温度,同时显示水位为满格,太阳能热水器可以正常工作了(如电加热)。

如果没有测温孔,用户可以通过三通,还有水箱的排污口,使用图5—8的温度传感器进行温度探测,效果跟本例是一样的。

还有一些传感器,如压电式传感器、厚膜电阻传感器,由于应用不多,这里暂不介绍。

四、定温控制、防冻控制和温差控制

太阳能热水器工程的集热器比较多,管道也比较长,像家用的那样自然循环无法达到集热的目的,往往要靠水泵的推动,将水箱低温的水泵进集热器,将集热器的热水推入储热水箱,形成一个集热循环的状态。我们称这种水泵为集热循环水泵。水泵的动作是间歇性的,只有在一定的温度下,才能启动水泵循环,控制水泵循环的方式有两种:定温控制和差温控制。

1、定温控制

定温控制的方法就是在太阳能集热器的温度点上,一般在靠近储热水箱的集热器最高点上(参考水的分层原理),安装温度探测头,设定一个温度,比如50℃,当太阳能集热器中的水温达到设定温度时,比如50℃,控制器通知循环水泵将集热器中的热水泵入储热水箱中,直到温度探头的温度低于温控器的停止温度时,水泵停止工作。温控器的停止温度一般采用回差控制办法,一般比设定温度低3℃左右,这样才不会使得水泵频繁停启动,造成水泵烧毁等事故。根据控制器的不同,回差也不一样,一般在2~5℃的较多,还有的控制器还能调节回差值。定温控制最简单、最可靠的办法就是采用机械式温度控制开关,如图5-13,将温控输出点接在常闭开关线路上,就可以可靠地控制集热器的循环了,具体实施如图5—14所示。

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太阳能工程控制系统水温水位传感器——带有密封功能的机械式温控器 太阳能工程控制系统水温水位传感器——典型的机械式定温循环示意图

目前在太阳能工程中,定温循环已经很少用了,但个别的情况下还是有它自己的优点的,比如在温度比较低的地方,采用定温循环可以减少管道的热损失。

当然,数字式温控器、太阳能控制仪也能进行定温循环控制,但必须注意的是,它的温度控制方式是相反的,可以利用温度控制器的常闭开关来完成该任务。太阳能控制器要借助小型中间继电器来实现反向的控制功能,由于当前应用的很少,这里不做详细的介绍了。

2、防冻控制的考虑

此原理也可以应用到防冻循环控制上,将循环水泵连接在温控开关的常开开关线路上,温度调整在5℃,当集热器内水温降到5℃以下时,集热水泵启动,将保温水箱的热水泵入集热器,达到防冻的目的。同理,在电热带的应用上也可以采用此方法。机械式温控器,可靠性好,价格低廉,是太阳能热水工程控制的重要元件。参考控制图如图5—15。

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太阳能工程控制系统水温水位传感器——防冻控制示意图

考虑到节约成本,集热循环和防冻循环可以共用一个水泵,但在接入时要注意两点:

(1)要区分火线和零线,火线接火线,零线接零线(零线可以共用);

(2)对控制柜采用三相电源接入的,要考虑火线的相序,U相接U相,V相接V相,不能接错,否则将损坏循环电机等。

(3)对电工不太熟悉的读者,建议设立独立的防冻循环水泵,这样不容易混淆,修理时也方便,此法要加入单相阀将水道做一定的隔离。

3、温差循环

温差控制的方法就是在太阳能集热器的温度最高点上,尽量靠近储热水箱,安装高温的温度探头,在循环保温水箱的温度低点上安装低温探头,这样,当太阳能集热器工作时,就会产生一个高温和低温的温度差,我们可以设定一个温度差值,比如50c,当高温点和低温点温度差达到设定值时,比如50c,则控制器通知循环水泵将集热器中的热水泵入储热水箱中,直到高低温探头的温度差低于设定的温度时,水泵停止工作。温控器的温差停止温度也采用回差控制办法,一般比设定温度低2~3℃左右,这样才不会造成水泵因频繁启动而烧毁等事故。一般的温差控制器由于采用微机芯片控制,当然也就不在乎加上回差调功能了,所以温差控制器一般都有调控回差功能。

五、机械式水箱水位控制器

在太阳能热水工程中,水的控制是最难的,在使用中,漏水、不进水的现象比较多。给用户造成许多麻烦。为此,选用最可靠的水控制器和控制方式就显得十分重要。前面提到:在控制方式中,电气式的可靠性高于电子式,机械式的可靠性高于电气式。所以在小型太阳能工程中,建议读者尽量选用机械式进水方式,达到可靠、放心地运行太阳能热水工程。

如图5-16就是一种经常使用的箱式进水器。

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太阳能热水工程控制系统——水位水温传感器——箱式进水器

在图5—16中,随着水位的升高,浮球上升。橡皮封垫将压在进水水管上,进水停止;当水位降低时,浮球下落。橡皮封垫将离开水管。恢复进水,直到水位升高到停止进水位置。

箱式进水器最好用不锈钢做成,浮球也尽量选用不锈钢的,这种进水器的使用年寿命一般可以达到10年以上。如制作不锈钢进水水箱比较困难,可以选用市面上销售的公用卫生间用的冲便器水箱,它的结构与不锈钢水箱一样,只是用塑料制作,如放在露天,比较容易老化,一般寿命在3年左右。不过更换比较容易,各地都能买到,价格也便宜。该产品外形如图5—17。

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太阳能热水工程控制系统——水位水温传感器

浮球箱式进水器的原理与卫浴和家用储水箱的进水器的原理一样,已经经过人们几十年的使用和改进,可靠性非常高,作为太阳能工程的进水控制器十分合适。

1、控制的机械自动进水方案

减水阀如图5—18,也是一种经常用到的机械式自动进水的控制部件,它的可靠性较高。

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太阳能热水工程控制系统——水位水温传感器

图5-18典型的减压阀控制的机械式自动进水太阳能热水器。自来水经过阀门4、1,经过减压阀5进入水箱,当水箱的水位升高到一定高度时,对减压阀形成一个反向的压力,这个压力与自来水经减压阀减压的压力相等,进水停止。由于自来水的压力随着用水人数的变化而变化,还有一些其他情况也会引起水压的变化,所以反向水压,也就是水箱的水位也应有一个变化的空间,我们在前面基本原理一章已经提了水的压力只与水的高低有关,与水量的大小无关,在排气口3接上一段水管,约1m长,一般减压阀可调整太阳能水箱的水位高度范围在减压阀的出水口上方0.05~0.8m,了解了减压阀的这一性能。可以通过减压阀来调整水箱水的高度,水箱水的高度一般在0.4m以下,加上开关等管道配件,一般在0.6m以下。可以调整减压阀的水位高度,使水位正好在排气水管的中间处,这样自来水水压即使有变化,在低压时,水也能充满水箱,水压高时水也不会冒出来了。

这种方案下太阳能是一边出水一边进水,太阳能热水器的要求是慢进快出,减压阀的进水速度是15L/min,一般进满200L的水箱约15~20min,该方案符合这个要求。热水的分层原理告诉我们,水箱里的热水是按上层温度高,下层温度低来分布的,所以为了取得高温的水,我们在出口2内接上一个15cm的导流管,使得上方的热水能流出来,减压阀缓慢进的冷水又慢慢进入水箱,根据分层原理,冷水将逐步占据水箱底部和真空管内,将原来在水箱底部和真空管内的热水置换出来,顶到水箱的上部,这样又可以通过导流管6流出水箱。导流管的长度应根据客户情况定,客户用水较快,导流管短一点,反之,长一点,同时要求导流管控制的水面高度应高于电加热的发热管的高度,这样电加热器才不会烧毁。

采用减压阀控制进水的方案,可靠性很好,一般2~3年内基本没有故障,它的缺点就是一边进水一边出水,水箱里的热水无法充分利用,总会留下一部分与冷水混合。可以采用温度计和温度控制的太阳能控制仪控制温度,温度控制的可靠性很高,况且温度控制系统损坏,也不会影响太阳能的使用,只是看不见温度和无法加热罢了。这个方案最大优点就是可靠性高,对于人均可供水量较大的用户可以采用该方案。减压阀进水的方案很多,具体可以参考它的产品说明书。

由于减压阀自动进水器是为家用太阳能热水器设计的,它的进水量较小,经常用在单机组合的太阳能工程中,在较小的太阳能工程,比如1t,可以采用2~3个的减压阀并联的进水方式,这样可靠性又高,还可以通过设定各个减压阀不同的高度适当调节进水的速度,达到灵活使用的目的。

2、小型副水箱进水的方案

图5—19显示的就是一个典型的家用机副水箱自动进水方案。

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