關鍵詞：太陽能熱水器、NTC、水位檢測

內(nèi)容提要：為了提高家用太陽能熱水器水箱水位檢測的可靠性和穩(wěn)定性，針對目前水位檢測技術中存在的問題，提出采用NTC進行水位檢測的解決方案，敘述了NTC水位檢測的工作原理和技術要點。

本文討論是目前廣泛使用的家用太陽能熱水器水箱（以下簡稱太陽能熱水器）水位檢測，它的水箱為非承壓式，并且與玻璃管集熱器為一體的結(jié)構(gòu)。

一、太陽能熱水器水位檢測的作用

由于太陽能熱水器及水箱安裝在室外，隨著注水和放水，水箱里面的水量隨之發(fā)生變化，因此水位檢測有其特殊的作用。

首先，用戶在使用熱水時需要知道水箱里的水量。防止在使用過程中出現(xiàn)缺水情況，特別是在沐浴過程。太陽能熱水器與蓄水承壓式電熱水器不同，在通常情況下不宜在用水的過程中往水箱里注水，否則會造水溫下降，影響正常使用。當然，目前大多數(shù)太陽能熱水器具有電輔助加熱功能，但除了特殊情況之外用戶應當盡量發(fā)揮太陽能加熱的作用，少用電加熱。

其次，自動注水控制。如果沒有水位檢測就無法實現(xiàn)對水箱注水的自動化，水箱是否要注水和水滿之后停止注水的控制，防止水箱溢水都離不開對水箱內(nèi)水位的檢測。

二、太陽能熱水器水位檢測的現(xiàn)狀

受太陽能熱水器水箱的結(jié)構(gòu)和形狀的限制，水位檢測不得改變或破壞箱體的尺寸及隔熱部件。水位檢測部件只能從上部或底部預留的一個Ф20mm左右的圓孔伸入箱內(nèi)。

目前大部分太陽能熱水器采用電極片檢測水位（簡稱電極式），原理是利用水的導電性能。電極片按照一定的尺寸要求分布在一根絕緣棒上，構(gòu)成測量棒，從水箱頂部插入。如圖一所示，其中A、B、C、D包括公共端為電極片。當A、B、C、D電極片被水浸沒時，就會與公共端產(chǎn)生電流。實際檢測是根據(jù)電極片上是否有電流，判別其是否浸沒在水中。由于電極式的控制及檢測電路比較簡單、成本較低，因而得到廣泛應用，是目前的主流技術。然而，當電極片結(jié)垢（鈉鎂離子的附著）之后，導致測量錯誤的問題一直未能從根本上得到解決。因為電極片結(jié)垢之后，或者水垢的厚度達到一定的程度，就不能正常測量水位。在水質(zhì)較差的地方情況更加嚴重，為了保證測量的準確，必須定期更換測量桿。

少量太陽能熱水器采用水壓傳感器測量水位，安裝在水箱底部的壓力傳感器，通過測量水壓來確定水位（量），簡稱壓力式。如圖二所示。壓力式在一定程度上避免了水垢造成的測量問題，然而，此種傳感器不能夠耐受60℃以上的高溫（實際水溫經(jīng)常超過60℃）。盡管可以采用一些隔熱措施，但仍然不能夠杜絕溫度過高造成傳感器的損壞。此外，水垢堵塞測量孔之后也會影響測量結(jié)果。

也有采用干簧管進行水位檢測，簡稱干簧管式。原理是在一根測量棒內(nèi)按照一定的尺寸要求（與電極式一樣）分布埋設干簧管，每個干簧管分段設置一個環(huán)狀的帶有永磁鐵的浮子，干簧管位于每段的頂部，且限制浮子只在該段向上下移動，當水的浮力抬起浮子至分段的頂部時永磁鐵吸引干簧管動作。測量棒從水箱頂部插入，如圖三所示?？梢?，所有浮子位于分段的頂部時，則所有干簧管動作，那么水位最高；反之，所有浮子位于分段的底部時，則所有干簧管不動作，那么水位最低。由于干簧管式存在機械運動（浮子的上下移動），它的可靠性更低。

三、NTC水位檢測的優(yōu)勢

NTC是一種廣泛使用的熱敏電阻器，它的主要特征是隨（感應）溫度的變化其電阻值呈顯著的變化，當溫度升高時阻值呈下降變化。NTC的全稱為負溫度系數(shù)熱敏電阻器。NTC具有價格低廉、電路構(gòu)成簡單、性能穩(wěn)定等特點，而廣泛用于溫度測量。事實上，NTC還可以用于液位測量。筆者認為，NTC用于太陽能熱水器的水位測量已經(jīng)具備了取代電極式的技術條件，它除了具有電極式體積小、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點之外，還具有它自身的一些其它優(yōu)點。

當NTC用于水位檢測時，不僅保留了它在測量溫度時的一些優(yōu)勢，而且還顯示了目前水位檢測方式中不具備的一些優(yōu)勢。首先，NTC屬于半導體器件，固體器件的特點是沒有機械運動且壽命長；其次，除了電路結(jié)構(gòu)的簡單之外，還可以兼顧測量水溫的功能；最為重要的是它完全擺脫了因水垢造成的困擾。

客觀地說，電極式水位檢測技術，如果沒有的水垢困擾應當是一個比較現(xiàn)實的水位檢測的解決方案（仍然需要解決不對稱電鍍問題），然而，電極上的水垢造成了電控系統(tǒng)的失效，是太陽能熱水器長時間穩(wěn)定可靠運行未能克服的障礙。其實，僅僅是消除水垢困擾并不困難，在表面附著鐵氟龍（聚四氟乙烯，PTFE）涂層（例如，類似的如不粘鍋的表面涂層）就可以十分有效地防止水垢，關鍵是這類涂層都是絕緣的。電極式的電極片上恰巧不能使用這類涂層，因為它需要導電才可以工作。NTC在檢測水位時采用了不同的工作原理，因此表面可以敷設此類涂層。這就防止了水垢的形成，同時又不影響它檢測水位的工作，從而有效避免了水垢困擾。另一方面，從NTC檢測水位的工作原理來看，它在檢測過程中對水垢并不敏感，也就是說少量的水垢并不影響它的檢測結(jié)果。實際上，假設NTC的表面已經(jīng)結(jié)垢，它在檢測過程中自身溫度的高低變化有助于水垢的脫落。

四、NTC水位檢測的工作原理

利用溫差。一般情況下太陽能熱水器水箱中空氣和水的溫度是不一致，有人設想，通過NTC測量水箱中的溫度并利用空氣和水的溫差來檢測水位。深入分析，存在幾個難以克服的問題：①不易區(qū)分裝滿了水和沒有水的狀態(tài)；②不同深度的水其溫度往往不同，集熱過程水的上部溫度高于下部溫度；③環(huán)境溫偏低時，測量孔附近的溫度變化較大。雖然嚴謹?shù)倪壿嬇袛嚯娐芳败浖梢越鉀Q這些問題，但是，物理判斷更直接，更可靠、簡潔和廉價。目前還沒有發(fā)現(xiàn)利用溫差檢測水位的市場應用案例，但這一思路有借鑒作用。

自熱。運用NTC時總要通過一定量的電流，這一電流使NTC自身產(chǎn)生熱量，簡稱自熱。因為NTC是熱敏感元件，自熱會導致阻值下降，NTC用于溫度測量時，應當盡量避免產(chǎn)生自熱，或者將自熱造成的溫升控制在忽略不計的程度，不然所測量的溫度就不準確。如果人為地讓NTC產(chǎn)生自熱，并且設定自熱功率恒定不變及恒功率，且周圍溫度為一個確定值時，此時，它自身的溫升就取決于周圍的介質(zhì)，熱容量（比熱）大的介質(zhì)比熱容量小的介質(zhì)溫升要低，因為熱容量大的介質(zhì)比熱容量小的介質(zhì)吸收了更多NTC的熱量。例如，水的熱容量比空氣大，是空氣的2.5倍，自熱的NTC在水中的溫度比同一溫度下的空氣中要低，也就是說，當NTC溫度偏低時，表明它在水中；反之，當NTC溫度偏高時，表明它在空氣中。這就是測量水位的基本原理。NTC在自熱狀態(tài)下具有分辨同一溫度條件下不同熱容量介質(zhì)的特性，前提是要知道介質(zhì)的溫度。在實際檢測中，水和空氣的溫度往往是不一致的，需要再增加一些條件及數(shù)據(jù)才能夠檢測水位，否則會導致錯誤。例如，還是在NTC自熱功率不變的條件下，當空氣溫度偏低，而水溫偏高時，如果只根據(jù)NTC溫升的大小則無法判斷NTC是在水中還是在空氣中。

基本電路。這里特指自熱電路。為了讓水位檢測的實際電路簡單可靠，一般不采用恒功率方式，甚至不采用恒流源方式。只需采用金屬膜電阻分壓的電路結(jié)構(gòu)，與溫度測量電路一樣，極為簡潔，如圖四所示。     

基本數(shù)據(jù)。根據(jù)基本電路分別測量和收集不同溫度和兩種介質(zhì)（水和空氣）條件下的電壓值，我們就可以獲取空氣和水的兩組“電壓-溫度”的數(shù)據(jù)。根據(jù)這兩組數(shù)據(jù)，我們得到了每一個溫度值下面的兩個電壓值，顯然，偏大的數(shù)值為水中獲取的；值偏小的數(shù)值為空氣中獲取數(shù)的。

基本方法。對于每個NTC檢測水位的過程可以按照以下步驟進行：①測溫，確定NTC所處位置的溫度值；②電壓，測量自熱的電壓值；③查找，找到基本數(shù)據(jù)組中相應溫度條件下兩個數(shù)據(jù)；④判斷結(jié)果，電壓值等于或接近偏大（偏小）的數(shù)值，則表明在水（空氣）中；⑤測溫，回到第一個步驟循環(huán)檢測。

外形結(jié)構(gòu)。家用太陽能熱水器行業(yè)習慣做法是分四檔顯示水箱水位。NTC安裝在一根測量桿上，外形式樣與電極式基本上一樣，NTC的位置與電極片的位置一致。如圖五所示。

五、太陽能熱水器NTC水位檢測的技術要點

由于太陽能熱水器安裝在室外，日曬雨淋，水位檢測的控制纜線比較長，環(huán)境條件比其它家用電器更為嚴酷，有其自身的技術要求。

溫升要求。水箱內(nèi)NTC元件及引線須耐受高溫?？紤]到太陽能熱水器水箱內(nèi)會出現(xiàn)沒有水的情況，此時玻璃真空集熱管仍在正常采集熱量，水箱內(nèi)的溫度最高為260℃。雖然發(fā)生這種情況的機率不大，但必須加以考慮。NTC及引線應耐溫300℃。

 防水要求。NTC必須能夠經(jīng)受長年累月在水中浸泡的考驗，其參數(shù)須穩(wěn)定不變，電氣性能須保持安全可靠。

減少線纜。水位檢測的控制線纜從室外水箱到室內(nèi)控制器有比較長的距離，盡可能減少導線的根數(shù)，無論從降低成本的角度還是提高可靠性都具有現(xiàn)實意義。其實，測量溫度的NTC和自熱的NTC是可以共用，這樣就可以節(jié)省一半的NTC，同時也減少了一半的線纜根數(shù)。測量溫度和產(chǎn)生自熱可以通過控制電路切換NTC的分壓電阻（或施加不同的電壓值）來實現(xiàn)。NTC由測溫狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樽詿釥顟B(tài)需要一定的升溫時間；同樣，NTC由自熱狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闇y溫狀態(tài)需要一定的降溫時間，這種狀態(tài)轉(zhuǎn)變所需要的時間造成了水位檢測速度的下降，盡管如此，控制過程仍然可以滿足檢測要求，因為水箱水位的上升（注水過程）和下降（放水過程）的速度比電路的反應速度還要緩慢。

初次上電。電路設計應當先測量溫度，當溫度高于100℃時，說明水箱沒有水（此時不得注水，否則玻璃管集熱器會爆裂損壞），同時，所有NTC不必進入自熱狀態(tài)。

NTC狀態(tài)。當檢測出水位之后，只需水面上下各一只NTC處于自熱狀態(tài)，其它NTC處于測溫狀態(tài)。例如，水位在CD之間，則C和D兩只NTC處于自熱狀態(tài)，A和B處于測溫狀態(tài)；水滿時，只需D一只NTC處于自熱狀態(tài)，其它處于測溫狀態(tài)；沒有水時，溫度低于60℃時（處于準備注水狀態(tài)），注水控制之前只需A一只NTC處于自熱狀態(tài)，其它處于測溫狀態(tài)。如圖五所示。

滿足EMC。為了降低成本，NTC需采用非屏蔽線纜，這樣就很容易形成對電控系統(tǒng)的干擾源，是系統(tǒng)的抗干擾重點。

上述內(nèi)容是對實用新型專利《一種太陽能熱水器及水箱水位檢測裝置》（ZL 2005 2 0120442.6）的學術討論，筆者是這項專利的設計人。