家用太阳能热水器NTC水位检测
关键词：太阳能热水器、NTC、水位检测
内容提要：为了提高家用太阳能热水器水箱水位检测的可靠性和稳定性，针对目前水位检测技术中存在的问题，提出采用NTC进行水位检测的解决方案，叙述了NTC水位检测的工作原理和技术要点。
本文讨论是目前广泛使用的家用太阳能热水器水箱（以下简称太阳能热水器）水位检测，它的水箱为非承压式，并且与玻璃管集热器为一体的结构。
一、太阳能热水器水位检测的作用
由于太阳能热水器及水箱安装在室外，随着注水和放水，水箱里面的水量随之发生变化，因此水位检测有其特殊的作用。
首先，用户在使用热水时需要知道水箱里的水量。防止在使用过程中出现缺水情况，特别是在沐浴过程。太阳能热水器与蓄水承压式电热水器不同，在通常情况下不宜在用水的过程中往水箱里注水，否则会造水温下降，影响正常使用。当然，目前大多数太阳能热水器具有电辅助加热功能，但除了特殊情况之外用户应当尽量发挥太阳能加热的作用，少用电加热。
其次，自动注水控制。如果没有水位检测就无法实现对水箱注水的自动化，水箱是否要注水和水满之后停止注水的控制，防止水箱溢水都离不开对水箱内水位的检测。
二、太阳能热水器水位检测的现状
受太阳能热水器水箱的结构和形状的限制，水位检测不得改变或破坏箱体的尺寸及隔热部件。水位检测部件只能从上部或底部预留的一个Ф20mm左右的圆孔伸入箱内。
目前大部分太阳能热水器采用电极片检测水位（简称电极式），原理是利用水的导电性能。电极片按照一定的尺寸要求分布在一根绝缘棒上，构成测量棒，从水箱顶部插入。如图一所示，其中A、B、C、D包括公共端为电极片。当A、B、C、D电极片被水浸没时，就会与公共端产生电流。实际检测是根据电极片上是否有电流，判别其是否浸没在水中。由于电极式的控制及检测电路比较简单、成本较低，因而得到广泛应用，是目前的主流技术。然而，当电极片结垢（钠镁离子的附着）之后，导致测量错误的问题一直未能从根本上得到解决。因为电极片结垢之后，或者水垢的厚度达到一定的程度，就不能正常测量水位。在水质较差的地方情况更加严重，为了保证测量的准确，必须定期更换测量杆。
少量太阳能热水器采用水压传感器测量水位，安装在水箱底部的压力传感器，通过测量水压来确定水位（量），简称压力式。如图二所示。压力式在一定程度上避免了水垢造成的测量问题，然而，此种传感器不能够耐受60℃以上的高温（实际水温经常超过60℃）。尽管可以采用一些隔热措施，但仍然不能够杜绝温度过高造成传感器的损坏。此外，水垢堵塞测量孔之后也会影响测量结果。
也有采用干簧管进行水位检测，简称干簧管式。原理是在一根测量棒内按照一定的尺寸要求（与电极式一样）分布埋设干簧管，每个干簧管分段设置一个环状的带有永磁铁的浮子，干簧管位于每段的顶部，且限制浮子只在该段向上下移动，当水的浮力抬起浮子至分段的顶部时永磁铁吸引干簧管动作。测量棒从水箱顶部插入，如图三所示。可见，所有浮子位于分段的顶部时，则所有干簧管动作，那么水位最高；反之，所有浮子位于分段的底部时，则所有干簧管不动作，那么水位最低。由于干簧管式存在机械运动（浮子的上下移动），它的可靠性更低。
三、NTC水位检测的优势
NTC是一种广泛使用的热敏电阻器，它的主要特征是随（感应）温度的变化其电阻值呈显著的变化，当温度升高时阻值呈下降变化。NTC的全称为负温度系数热敏电阻器。NTC具有价格低廉、电路构成简单、性能稳定等特点，而广泛用于温度测量。事实上，NTC还可以用于液位测量。笔者认为，NTC用于太阳能热水器的水位测量已经具备了取代电极式的技术条件，它除了具有电极式体积小、结构简单等优点之外，还具有它自身的一些其它优点。
当NTC用于水位检测时，不仅保留了它在测量温度时的一些优势，而且还显示了目前水位检测方式中不具备的一些优势。首先，NTC属于半导体器件，固体器件的特点是没有机械运动且寿命长；其次，除了电路结构的简单之外，还可以兼顾测量水温的功能；最为重要的是它完全摆脱了因水垢造成的困扰。
客观地说，电极式水位检测技术，如果没有的水垢困扰应当是一个比较现实的水位检测的解决方案（仍然需要解决不对称电镀问题），然而，电极上的水垢造成了电控系统的失效，是太阳能热水器长时间稳定可靠运行未能克服的障碍。其实，仅仅是消除水垢困扰并不困难，在表面附着铁氟龙（聚四氟乙烯，PTFE）涂层（例如，类似的如不粘锅的表面涂层）就可以十分有效地防止水垢，关键是这类涂层都是绝缘的。电极式的电极片上恰巧不能使用这类涂层，因为它需要导电才可以工作。NTC在检测水位时采用了不同的工作原理，因此表面可以敷设此类涂层。这就防止了水垢的形成，同时又不影响它检测水位的工作，从而有效避免了水垢困扰。另一方面，从NTC检测水位的工作原理来看，它在检测过程中对水垢并不敏感，也就是说少量的水垢并不影响它的检测结果。实际上，假设NTC的表面已经结垢，它在检测过程中自身温度的高低变化有助于水垢的脱落。
四、NTC水位检测的工作原理
利用温差。一般情况下太阳能热水器水箱中空气和水的温度是不一致，有人设想，通过NTC测量水箱中的温度并利用空气和水的温差来检测水位。深入分析，存在几个难以克服的问题：①不易区分装满了水和没有水的状态；②不同深度的水其温度往往不同，集热过程水的上部温度高于下部温度；③环境温偏低时，测量孔附近的温度变化较大。虽然严谨的逻辑判断电路及软件可以解决这些问题，但是，物理判断更直接，更可靠、简洁和廉价。目前还没有发现利用温差检测水位的市场应用案例，但这一思路有借鉴作用。
自热。运用NTC时总要通过一定量的电流，这一电流使NTC自身产生热量，简称自热。因为NTC是热敏感元件，自热会导致阻值下降，NTC用于温度测量时，应当尽量避免产生自热，或者将自热造成的温升控制在忽略不计的程度，不然所测量的温度就不准确。如果人为地让NTC产生自热，并且设定自热功率恒定不变及恒功率，且周围温度为一个确定值时，此时，它自身的温升就取决于周围的介质，热容量（比热）大的介质比热容量小的介质温升要低，因为热容量大的介质比热容量小的介质吸收了更多NTC的热量。例如，水的热容量比空气大，是空气的2.5倍，自热的NTC在水中的温度比同一温度下的空气中要低，也就是说，当NTC温度偏低时，表明它在水中；反之，当NTC温度偏高时，表明它在空气中。这就是测量水位的基本原理。NTC在自热状态下具有分辨同一温度条件下不同热容量介质的特性，前提是要知道介质的温度。在实际检测中，水和空气的温度往往是不一致的，需要再增加一些条件及数据才能够检测水位，否则会导致错误。例如，还是在NTC自热功率不变的条件下，当空气温度偏低，而水温偏高时，如果只根据NTC温升的大小则无法判断NTC是在水中还是在空气中。
基本电路。这里特指自热电路。为了让水位检测的实际电路简单可靠，一般不采用恒功率方式，甚至不采用恒流源方式。只需采用金属膜电阻分压的电路结构，与温度测量电路一样，极为简洁，如图四所示。
基本数据。根据基本电路分别测量和收集不同温度和两种介质（水和空气）条件下的电压值，我们就可以获取空气和水的两组“电压-温度”的数据。根据这两组数据，我们得到了每一个温度值下面的两个电压值，显然，偏大的数值为水中获取的；值偏小的数值为空气中获取数的。
基本方法。对于每个NTC检测水位的过程可以按照以下步骤进行：①测温，确定NTC所处位置的温度值；②电压，测量自热的电压值；③查找，找到基本数据组中相应温度条件下两个数据；④判断结果，电压值等于或接近偏大（偏小）的数值，则表明在水（空气）中；⑤测温，回到第一个步骤循环检测。
外形结构。家用太阳能热水器行业习惯做法是分四档显示水箱水位。NTC安装在一根测量杆上，外形式样与电极式基本上一样，NTC的位置与电极片的位置一致。如图五所示。
五、太阳能热水器NTC水位检测的技术要点
由于太阳能热水器安装在室外，日晒雨淋，水位检测的控制缆线比较长，环境条件比其它家用电器更为严酷，有其自身的技术要求。
温升要求。水箱内NTC元件及引线须耐受高温。考虑到太阳能热水器水箱内会出现没有水的情况，此时玻璃真空集热管仍在正常采集热量，水箱内的温度最高为260℃。虽然发生这种情况的机率不大，但必须加以考虑。NTC及引线应耐温300℃。
防水要求。NTC必须能够经受长年累月在水中浸泡的考验，其参数须稳定不变，电气性能须保持安全可靠。
减少线缆。水位检测的控制线缆从室外水箱到室内控制器有比较长的距离，尽可能减少导线的根数，无论从降低成本的角度还是提高可靠性都具有现实意义。其实，测量温度的NTC和自热的NTC是可以共用，这样就可以节省一半的NTC，同时也减少了一半的线缆根数。测量温度和产生自热可以通过控制电路切换NTC的分压电阻（或施加不同的电压值）来实现。NTC由测温状态转变为自热状态需要一定的升温时间；同样，NTC由自热状态转变为测温状态需要一定的降温时间，这种状态转变所需要的时间造成了水位检测速度的下降，尽管如此，控制过程仍然可以满足检测要求，因为水箱水位的上升（注水过程）和下降（放水过程）的速度比电路的反应速度还要缓慢。
初次上电。电路设计应当先测量温度，当温度高于100℃时，说明水箱没有水（此时不得注水，否则玻璃管集热器会爆裂损坏），同时，所有NTC不必进入自热状态。
NTC状态。当检测出水位之后，只需水面上下各一只NTC处于自热状态，其它NTC处于测温状态。例如，水位在CD之间，则C和D两只NTC处于自热状态，A和B处于测温状态；水满时，只需D一只NTC处于自热状态，其它处于测温状态；没有水时，温度低于60℃时（处于准备注水状态），注水控制之前只需A一只NTC处于自热状态，其它处于测温状态。如图五所示。
满足EMC。为了降低成本，NTC需采用非屏蔽线缆，这样就很容易形成对电控系统的干扰源，是系统的抗干扰重点。
上述内容是对实用新型专利《一种太阳能热水器及水箱水位检测装置》（ZL 2005 2 0120442.6）的学术讨论，笔者是这项专利的设计人。
