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电容式传感器—测控技术发展的必然趋势

行业聚焦点中国仪表网2008年12月28日 10:37人气:4222

    传感器作为太阳能热水器电子控制系统中的感觉器官,承载系统的信息源,采集来自储水箱里的水温、水量等信息,在太阳能热水器的多功化和智能化方面具有举足轻重的地位。www.21tyn.cn
      然而,传感技术在太阳能热水器的应用中由于受到恶劣使用环境的影响,一直很难保证长期可靠地运行,一批批专业人士虽然制作了多种形式的传感器,但是都没能从根本上解决品质问题,直到现在就连一年以上的使用寿命都还很难保障;传感技术和智能控制技术的落后,已成为影响行业发展的最大瓶颈。对此我们认为,只有找准问题的症结所在,科学分析,逐一梳理,做到有的放矢,选择合适的传感技术,才能达到事半功倍的效果,制造出符合设计要求的理想产品。

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     一、目前使用的电极式传感器有三大致命缺陷21tyn

      由于太阳能热水器是民用产品,考虑到电子控制系统的制造成本,制作简单、价格低廉的电极式传感器一直被生产厂家所普遍采用,但由于它的工作原理和采集方法都是传感技术中最原始、最落后的部分,存在着以下三大致命的、无法克服的缺陷:
     电极式传感器是直接利用水的电阻检测水位,这种传感器一般以不锈金属,或导电硅橡胶作为导电体,其封装工艺的优劣直接关系到产品的质量。因为,太阳热水器储水箱内的环境特征是高温(空晒达180℃以上)、高压(沸腾时超过一个在这样的环境中标准大气压)、高潮态(湿度达到饱和),若封装工艺不过关,其绝缘防护体有可能在短时间内就造成胀裂渗水,导致内部电路短路、检测功能失效。因此,只有在封装技术与工艺上有根本性的突破,才有提高产品质量的基础。
     假定封装工艺解决了,还有水垢的问题。由于水中的无机盐或矿物质在60度以上的高温状态下会形成水垢,特别在电极的作用下会加快水垢的形成,在电极表面形成绝缘带造成采集信号失真。为了解决这类问题一些厂家推出了胶棒式传感器,利用胶类表面的活性即伸缩性延缓了水垢的形成,这无疑是一个进步,但在水沸腾时接口处在高压气流作用下振动频率极高,极易造成硅胶体和导电橡胶体粘合连结部位的损伤或开裂,另外,储水箱内的高低温转换也会使硅胶体产生热胀冷缩现象,也很容易造成传感器的变型,弯曲或开裂。
     为了解决上述二个技术难题,采用这类传感器的控制仪生产厂家已探索了十多年,至今也还未能找到真正行之有效的解决方法,像什么“实芯”、“胶棒”、“锤子式”等等,都曾经声称已解决了传感器的使用寿命问题,但投放市场不到一年,都纷纷证明这些只不过是厂家的概念炒作、或者是一种美好的意愿罢了!退一步说,假定上述问题已经能够解决,还有水电阻的一致性问题,水的成份为H2O,是氢氧化合物,水本身是绝缘的。传感器信号的采集主要是利用溶解于水中的无机盐或矿物质,不同区域不同流域水的电阻值变化较大,为了解决这个问题需在控制器上增加一个微调开关,往往为了得到一个真实的信号,需反复调试,无疑给安装工作增添了麻烦。若水质中的导电质的含量极少,还有可能调试无效。
     综上所述,这种电极式传感器具有许多先天性的致命缺陷,是无法运用现有的技术予以解决的!

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     二、采用电容传感是解决传感器技术难题的必由之路21tyn·com

电容传感技术投入应用已长达一个世纪,它具有结构简单、动态响应快、易实现非接触测量等突出的优点,特别适用于酸类,碱类,氯化物,有机溶剂,液态CO2,氨水,PVC粉料,灰料,油水界面等液体位测量。目前在冶金、石油、化工、煤炭、水泥、粮食等行业中应用广泛。
     电容式水位传感器是依据电容原理而制作,以耐高温耐腐蚀的聚四氟乙烯绝缘导线作为感应体,水作为电容的介质淹没感应导线越高,产生的电容量就越大,且能随着水位升降呈线性变化,控制系统通过检测电容量的大小变化来计取太阳能热水器储水箱里的水位,具有结构合理、动态范围大、分辨率高(水位显示可分成100档甚至是1000档),无密封防水要求、不受水质水垢影响、无使用寿命周期等优点。
     但是,电容式传感器在太阳能热水器的实际应用中,由于太阳能热水器储水箱的内胆直径通常只有30—36公分,可获取的电容变化量往往仅有几十个或100来个皮法的大小,属于微弱电容的检测,若想有较高的显控精度,其测量值的准确性与稳定性显得优为重要。然而,电容式传感器恰恰在这方面存在严重缺陷:它的工作原理是需要根据被测量程对零水位点和满水位点的电容量进行预先设定,但在使用过程中随着温度、湿度、以及元器件的性能等因素的变化会产生寄生电容,而且是随机性的,其寄生电容甚至可以超过被测电容的变化量;当发生此种现象后,尽管被测电容的变化量与水位变化的对应关系不会改变,可是由于预定的测量常数与实际电容量已不一致,控制系统所计取的水位与实际水位会有很大的误差,从而频频发生误控或失控事故,导致电容式传感器在太阳能热水器上没有实际使用价值,这也是电容式传感器迟迟未能大批量上市的主要原因。
     随着微处理器技术的不断进步,电容式传感器技术正在向智能化方向发展,所谓智能化就是将传感器获取信息的功能与专用的微处理器的信息分析、处理等功能紧密结合在一起。由于微处理器具有计算与逻辑判断功能,故可以方便地对传感器所采集的数据进行存储记忆、比较分析、并能够对实际水位的电容量变化进行实时监控、自动校正;从而有效地解决了以往受寄生电容影响、导致电容式传感器准确性、稳定性、及可靠性差的技术难题,使电容式传感器所具有的分辨率高、调控能力强、不受水质水垢影响、无使用寿命周期等优点能在太阳能热水器的应用上得到充分体现,并可因此而赋予控制系统强大的功能,确保太阳能热水器在水量控制、水温显示、上水、辅助电加热等方面无限接近理想的智能模式,真正开启太阳能热水器家电化时代。
    勿容置疑的是,就像通讯行业中的数字式手机淘汰先前的模拟手机一样,电容式传感器的出现是传感器技术的一次重大突破和革命,也是今后太阳能热水器测控技术发展的必然趋势!
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