探索“恒温”关的技术知识

　　什么是恒温技术？

　　恒温即热式电热水器采用的是最先进的控制技术，是根据所设定的温度，用数字化技术时时监控出水和进水温度之间的温差、水流量，再通过主程序芯片(CPU)进行计算，根据所需要的加热能量在最快速的时间来调整输出功率，达到设定温度和出水温度相互一致，保持出水温度恒定的即热式电热水器产品。

　　恒温产品和普通固定功率的产品最大的区别就是恒温产品是设定所需要的温度后，机器会自动根据所设定的温度，自动检测在此设定温度下，根据实际的进水温度、出水温度、水压、流量、电压等条件，在最短的时间内到达所需要的温度，并保持在该设定温度；普通固定温度产品是靠设定的功率档位来固定使用功率，在进水温度、出水温度、水压、流量、电压等条件变化的时候，温度会在一定范围内变化，特别是水压和电压的变化，温度明显变化范围很大。简单的理解就好比汽车的手动档和自动档的区别一样，相对而言，恒温即热式电热水器的技术含量较高，市场销售价格也相对高一些。

　　国标中是如何定义恒温标准的

　　国家过去标准GB4706.11中对恒温热水器并没有明确的定义。目前新标准中对于快速电热水器的恒温产品的判定，有了一些新的规定，具有一定的参考价值：

　　第一，判定一台机器的恒温性能有三个关键技术指标：调节时间、超调量和稳态误差。

　　第二，对以上三个技术指标的测试有严格的测试方法：

　　（1）进水压力变化时出水温度的稳定性测试：

　　将进水水压由0.1Mpa至0.7Mpa进行调整变化时，记录时间及出水温度的变化；

　　（2）电源电压变化时，出水温度的稳定性测试：

　　将供电电压从198Ｖ至242Ｖ进行调整变化时，记录时间及出水温度的变化；

　　（3）进水温度变化时，出水温度的稳定性测试：

　　将进水温度从7～20℃进行调整变化时，记录时间及出水温度的变化。

　　第三，根据以上三项指标测试结果，把机器的恒温性能分为ＡＢＣＤ四个等级，如表1：

　　可见，真正的恒温产品不仅仅关注稳态误差，调节时间和超调量也很重要。

　　恒温技术的实现条件

　　事实上，即热式电热水器恒温控制的原理非常简单，主要是通过下面方法计算发热元件的功率：

　　Q=C x q x (T2-T1)= P xη

　　Q：水吸收的热量；

　　C：水的比热容常数；

　　q：水流量；

　　T2：热水器出水温度；

　　T1：热水器进水温度；

　　P：热水器输入功率；

　　η：发热系统效率，通常为90%～100%

　　所以即热式电热水器要实现精确控温，必须要具备以下条件：

　　1、发热系统的功率可无级调节；

　　2、具有出水温度和进水温度传感器；

　　3、具有流量传感器；

　　4、通过微电脑(CPU)控制板即时检测传感器参数并调整功率输出；

　　5、水流量的控制（此条件主要是在极限状况下，保证热水器的恒温）。

　　恒温热水器的关键元器件

　　可控硅 也称作晶闸管，它是由PNPN四层半导体构成的元件，有三个电极，阳极A，阴极K和控制极G。可控硅在电路中能够实现交流电的无触点控制，以小电流控制大电流，并且不像继电器那样控制时有火花产生，而且动作快、寿命长、可靠性好。在调速、调光、调压、调温以及其他各种控制电路中都有它的身影。

　　可控硅最主要的作用之一就是稳压稳流。可控硅分为单向的和双向的，符号也不同。

　　单向可控硅有三个PN结，由最外层的P极和N极引出两个电极，分别称为阳极和阴极，由中间的P极引出一个控制极。单向可控硅有其独特的特性：当阳极接反向电压，或者阳极接正向电压但控制极不加电压时，它都不导通，而阳极和控制极同时接正向电压时，它就会变成导通状态。一旦导通，控制电压便失去了对它的控制作用，不论有没有控制电压，也不论控制电压的极性如何，将一直处于导通状态。要想关断，只有把阳极电压降低到某一临界值或者反向。

　　双向可控硅的引脚多数是按T1、T2、G的顺序从左至右排列（电极引脚向下，面对有字符的一面时）。加在控制极G上的触发脉冲的大小或时间改变时，就能改变其导通电流的大小。与单向可控硅的区别是，双向可控硅G极上触发脉冲的极性改变时，其导通方向就随着极性的变化而改变，从而能够控制交流电负载。而单向可控硅经触发后只能从阳极向阴极单方向导通，所以可控硅有单双向之分。

　　可控硅在自动控制控制，机电领域，工业电气及家电等方面都有广泛的应用。可控硅是一种有源开关元件，平时它保持在非导通状态，直到由一个较少的控制信号对其触发或称“点火”使其导通，一旦被点火就算撤离触发信号它也保持导通状态，要使其截止可在其阳极与阴极间加上反向电压或将流过可控硅二极管的电流减少到某一个值以下。

　　温度传感器 恒温型即热式电热水器目前多设置在出水口，用于控制出水温度，一些功能先进的热水器还在进水口再设置一个温度传感器，这样不仅有利于CPU精确计算输出功率，还可以防止进水温度过高，起到保护作用。

　　对于热水器上使用的温度传感器，从技术方面主要有以下要求：

　　1、反应速度快，温度滞后小；

　　2、一致性好；

　　3、分辨率即检测精度高；

　　4、耐潮湿、耐高温。

　　目前即热式电热水器多采用NTC型温度传感器。NTC是Negative Temperature Coefficient 的缩写，意思是负的温度系数，泛指负温度系数很大的半导体材料或元器件。NTC温度传感器是将不同外观结构的高精度热敏电阻元件或芯片，根据传感器实际应用环境的不同技术要求，采用锡焊、金属包（压）接或微型点焊等安全的加工工艺与导线可靠连接，然后进行留胶、绝缘、防潮防水处理并施用性能优良的环氧树脂包（灌）封材料将热敏电阻元件或芯片部位密封固定于不同结构的金属或非金属保护壳体内，形成一个能够实现满足特定测控温要求的稳定可靠的组件总成。

　　封装后的温度传感器热敏电阻

　　所谓NTC热敏电阻器就是负温度系数热敏电阻器，即电阻值会随着温度的升高而变小的非线性电阻器，是温度传感器的核心元件。通常是由锰（Mn）、钴（Co）、镍（Ni）、铝（Al）、锌（Zn）等两种或者两种以上高纯度金属氧化物材料经共同沉淀或水热法合成的纳米粉体材料，后经球磨充分混合、等静压成型、高温烧结、半导体切片、划片、玻封烧结或环氧包封等封结工艺制成的接近理论密度结构的半导体电子陶瓷材料，一般是具有尖晶石结构的氧化物电子陶瓷，其电阻率和材料参数（B值）随材料成分比例、烧结温度、烧结气氛和结构状不同而变化，这种具有负温度系数特征的热敏电阻具有灵敏度高、稳定性好、响应快、寿命长、成本低等特点，广泛用于需要定点测温的自动控制电路。

　　水流量传感器 主要由阀体、水流转子组件、稳流组件和霍尔传感器组成。它装在热水器的进水端用于检测进水流量的大小及通断。当水流通过水流转子组件时，磁性转子转动并且转速随着流量的变化而成线性变化。霍尔传感器（霍尔元件采样）输出相应的脉冲信号。反馈给控制器，由控制器判断水流量的大小，进而根据水温和流量计算输出功率的大小。由于水流量传感器具有反应灵敏、寿命长、动作迅速、工作可靠、连接方便、超低流量启动等优点，被广大用户及消费者广泛接受。

　　1、水流转子组件主要由涡轮开关壳、磁性转子、制动环组成。试验表明，使用水流开关方式时，其性能优于机械式压差盘结构，且尺寸明显缩小。当水流通过涡轮开关壳，推动磁性转子旋转，不同磁极靠近霍尔元件时霍尔元件导通，离开时霍尔元件断开。由此，可测量出转子转速（水流速度）。根据实测的水流量→转子转速→输出信号（电压）的曲线，便可确定出热水器的启动水压，以及与此启动水压相对应的启动水量与转子转速n。由控制电路，便可以实现转子转速＞设定转速n时热水器的启动工作，在转速＜n时，热水器停止工作。这样热水器启动水压一般设定在0.0lMpa，启动水量为 3L～5L/min （须满足热水器标准对最高温升的限制）。制动环的作用是停水时克服磁性转子惯性，使高速旋转的磁性转子快速停止，终止脉冲信号输出，控制器接收不到脉冲信号，立即指令切断发热系统电源。

　　2、霍尔传感器是利用霍尔元件的霍尔效应原理来直接或间接检测磁性物理量，当它被置于磁场强度为B的磁场时，且给霍尔元件正极串入负载电阻，同时通入控制电压 DC5V，使电流方向与磁场方向正交。这样，当水通过涡轮开关壳时，推动磁性转子转动，产生不同磁极的旋转磁场，切割磁力线，产生高低脉；中电平、再利用霍尔元件进行隔离检测。由于霍尔元件的输出脉冲信号与磁性转子的转速成正比关系，转子的转速又与水流量大小成正比关系，使燃气热水器的启动与水流量大小有关。霍尔传感器反馈信号给控制器判断出水流量的大小，并可以根据燃气热水器机型不同，选择最佳的启动流量，实现超低压启动。

　　3、目前，即便是一些所谓的“恒温热式电热水器”也多采用干簧式水流开关或压差式水流开关来控制发热元件的电源，其缺点是启动流量大、水路阻力大，只能防止发热元件干烧，却无法得到准确的水流量，所谓的恒温也只是利用温度传感器所检测到的温度，进行简单的功率计算，调节周期长，温度波动大。

　　而流量传感器体积小，结构相对简单，启动流量低，水路系统阻力小，虽然控制电路复杂一些，但在一些高端品牌的热水器上已开始采用。近年来，脉冲式水流量传感器检测流量在恒温即热式热水器中应用的事实证明，采用水流量传感器检测水流量作为即热式典热水器的开关及流量检测，具有结构简单、可靠性高、检测范围宽等特点，是实现智能恒温必不可少的原件之一。

　　在恒温热水器的自动控制电路中，温度传感器的感温部位通常布置在出水口处，有些在进口处也设有温度传感器， 另一端通过线路连接到电路板，根据电路的分压原理，当水温变化时，热敏电阻两端的电压也随之变化，CPU根据这个电压信号，通过A/D转换，就可以得到准确的水温值。