引言

　　電熱蒸汽發生器俗成電鍋爐，是利用電力加熱電阻絲產生的熱能把水加熱成蒸汽的機械設備，廣泛應用在醫療、食品、服裝眾多行業。水位控制器是蒸汽發生器的中樞神經系統，電子式水位控制器通過三根高低不一的水位電極探針來檢測水位，從而控制注水泵的供水和電加熱管系統的加熱。常規的電子式水位控制器的大致原理如圖1所示，采用市電AC220V通過一個工頻變壓器變壓產生AC18V左右、50Hz的交流電源，串接整流橋后加載到水位探針EC和EH的二端，當水位到達高水位探針時，由于水具有導電性，相當于在EC和EH探針間串接一個大約4k～40kΩ的電阻，這樣整流橋電路構成回路，使得電壓V1大于參考電壓Vref，從而比較器U1輸出高電平，打開三極管Q1，使繼電器K1得電閉合。繼電器K1的一組常開觸點閉合驅動電加熱管，常閉觸點斷開注水泵停止注水;繼電器K1的另一組觸點只用了常開觸點，當K1打開后，這組常開觸點閉合，使得低水位探針電極EL也接入到工頻變壓器變換出來的交流電源電路中。隨著蒸汽的消耗，水位慢慢降低，當水位降到EL探針以下時，EC和EL、EH之間交流回路斷開，從而使得V1遠遠小于Vref，比較器U1輸出低電平，Q1關閉，繼電器K1斷開，使得注水泵開始注水，電加熱管停止加熱。隨著水位慢慢上升到達EH高水位探針后，繼電器K1又閉合。如此往復循環，實現對電加熱蒸汽發生器的全自動控制。

　　由于這種常用的電子式水位控制器加在水位電極探針上面是AC8～24V、50Hz的正弦波，電極切換時間慢，形成電解水效應，長時間使用后，不僅腐蝕水位探針，而且探針上容易結垢，這樣使用一段時間后就必須更換探針。另一方面，由于電熱蒸發器是采用AC220V/380V交流電直接加熱放到水里的電加熱管，從圖1所示可以看出，探針上面的電信號直接連接到內部的比較器U1，所以一旦加熱管漏電，那么高電壓就直接進入到內部的IC芯片――U1，造成水位控制器不可逆損壞，使得整個蒸發器無法工作。本文提出了一種可以解決以上二個常規水位控制器缺陷的新型水位控制器設計方案。

　　1 新型水位控制器的原理和特點

　　針對常規的電子式水位繼電器探針容易腐蝕結垢而損壞、加熱管漏電造成水位控制器永久損壞這些缺陷，筆者利用二通道運算放大器和小型高頻變壓器電磁感應原理設計了一種新型的水位控制器，其原理如圖2所示。雙通道運算放大器U1的A通道運用運算大器的基本原理產生AC 9V 1kHz的正弦波，通過電容C2耦合加載到高頻變壓器T1的原邊上。高頻變壓器的副邊直接接到水位探針上，這樣就使得水位探針和水位控制器內部電路完全隔離。運算放大器的B通道用于電壓比較器，用于比較電壓V1和參考電壓Vref，當V1大于Vref時，輸出低電平，打開Q1，使繼電器K1得電閉合;當V1小于Vref時，輸出高電平，Q1關閉，使繼電器K1斷開。

　　當水位慢慢上升到水位探針EH時，相當于在變壓器T1副邊繞組二端由原來的開路狀態變成了接入一個4k～40kΩ左右的電阻，由于變壓器T1的電磁效應，使得副邊的電路阻抗變化傳導到原邊，從而使得V1的電壓大幅度升高大于Vref，輸出低電平，打開Q1，使得繼電器K1閉合，繼電器K1的常閉觸點斷開停止注水，常開觸點閉合開始加熱;隨著水位的慢慢下降，當水位到達低水位探針EL以下時，相當于變壓器T1副邊二端開路，從而使得V1的電壓大幅度下降小于Vref，輸出高電平，關閉Q1，繼電器K1斷開。這樣連續循環，實現對電加熱蒸汽發生器的全自動控制。

　　從圖2可以看出，該水位控制器內部的電路通過高頻變壓器和電熱蒸汽發生器里面的水位電極探針完全隔離，這樣即使蒸汽發生器的電加熱漏電，也不會傳導到水位控制器內部的電路中燒壞集成電路芯片，水位繼電器仍然能正常工作。利用運算放大器產生的高頻信號源，通過高頻變壓器T1加載到水位探針兩端，由于頻率高――1kHz，而且二個水位探針上面的電極性快速切換，所以常時間使用不會發生電解水現象，水位探針不會結垢和電化學腐蝕。該水位繼電器主要IC僅使用一個雙通道的運算放大器U1，而且使用的高頻變壓器功率很小，線圈線徑0.05mm，所以整個水位控制器體積小巧，成本非常低廉。

　　2 該設計方案的元器件選型

　　該水位控制器設計方案的首要條件是產生一個AC9V左右 1kHz左右的正弦波，從圖2可以看出，利用運算放大器U1的A通道設計成微分電路，輸出1kHz左右的方波通過R5、C5耦合到高頻變壓器T1的原邊上，這樣就在變壓器T1的副邊產生1kHz左右的正弦波。根據理論計算和筆者實際使用經驗，圖2中的元器件選擇如下：

　　R1，R2，R6：390kΩ，1%
　　R3，R5：20kΩ，1%
　　R4，R8：200kΩ，1%
　　R7：180kΩ， 1%
　　R9：1MΩ，5%
　　R11：1kΩ，5%
　　R12：10kΩ，5%
　　C11：22nF
　　C2，C3，C4：47nF
　　U1：LM358
　　Q1：MMBT2907
　　K1：G5V-2-H1-24V (注：歐姆龍，2常開/2常閉繼電器)
　　T1：線徑0.05mm，W1：W2=1：1，Q=40，L=10H 定制變壓器

　　上面的元件中，電阻選擇普通的0805封裝的片阻即可;電容選擇普通的J檔的磁片電容;U1選擇市場上最常用的運算放大器：LM358，價格低，購買方便;Q1選擇普通的PNP型三極管：MMBT2907，也可以選擇其他型號的通用PNP三極管;K1可根據實際需要的觸點容量選擇2常開2常閉功率型繼電器即可。高頻變壓器T1沒有固定的型號，筆者根據實際應用經驗，聯系變壓器廠家定做的微型變壓器，定制變壓器只要參數滿足，W1：W2=1：1，Q=40，L=10H左右即可。

　　3 小結

　　本方案設計的新型電子式水位控制器，與傳統常規的水位控制器相比，設計方案獨特、巧妙。不但避免水位探針易腐蝕、結垢，電熱管漏電容易損壞內部IC的缺陷，而且成本低廉，體積小巧安裝方便。該設計方案的新型水位控制器大量應用在高溫蒸汽滅菌器設備的電熱蒸汽發生器上面，運行穩定可靠，長期工作后沒有發現探針腐蝕、結垢的現象，也沒有發生水位控制器本身燒毀的故障，實際使用情況證明這種新型的水位控制器能適用于各種電熱蒸汽發生器。

　　參考文獻：
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