洗衣機(jī)水位傳感器感知水位分析及氣室尺寸對感知水位影響的研究

朱甫金

全自動波輪洗衣機(jī)和滾筒洗衣機(jī)的水位控制，是由水位傳感器（或水位開關(guān)）感知氣室系統(tǒng)的空氣壓力變化來自動控制。而空氣是可以壓縮的，而且傳統(tǒng)的水位傳感器在控制水位的過程中壓力橡膠膜片隨水位壓力變化而產(chǎn)生位移，因此氣室系統(tǒng)的空氣容積隨水位壓力不同而變化，從而導(dǎo)致洗衣機(jī)筒內(nèi)觀察到的表觀水位與水位控制系統(tǒng)感知的物理水位壓力有差異。另外，水位傳感器在生產(chǎn)品質(zhì)檢驗、標(biāo)定過程中采用空氣加壓方法，以檢測設(shè)備氣路中空氣壓力為標(biāo)定壓力[1]；與洗衣機(jī)上水柱壓縮氣室空氣產(chǎn)生壓力，以水柱高度作為洗衣機(jī)水位控制參數(shù)，也存在一定差異。本文應(yīng)用理想氣體狀態(tài)方程式，對上述差異進(jìn)行詳細(xì)的分析，討論了洗衣機(jī)氣室容積、氣室管容積、水位傳感器壓力腔容積尺寸對水位控制精度的影響，并對氣室尺寸設(shè)計給出建議。

1 洗衣機(jī)氣室水位壓力分析

如圖1 所示，洗衣機(jī)在注水過程中將水位檢測系統(tǒng)的氣室封閉，形成密閉的壓力腔。隨著水位壓力上升和水位傳感器內(nèi)壓力橡膠膜片的位移，密閉腔內(nèi)的空氣容積發(fā)生變化，從而在氣室底部形成一小段水頭c。在洗滌用水被加熱前，按照等溫壓縮氣體方程[2]，可以導(dǎo)出水頭c方程式。V1為氣室系統(tǒng)剛封閉時空氣腔體積，P2為注水完成時水位控制系統(tǒng)感知到的水位壓力，V2為注水完成時壓力腔空氣體積，h為水位控制系統(tǒng)感知的物理水位高度。

圖1 洗衣機(jī)水位檢測與氣室尺寸

為了計算方便，下面所有的計算方程式，壓力以mmH2O為單位，長度以mm 為單位。

參見圖1 尺寸，式（1）可以表達(dá)為：

式中：P1為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，P1=0.101 3 MPa=10 332 mmH2O，

式中：Vf為長度L的氣管空氣體積，V0為圖2 所示水位傳感器初始空腔體積，Vp為水位傳感器壓力膜片位移后增加的空腔體積，d為氣室直徑，b為氣室高度。

圖2 洗衣機(jī)水位傳感器結(jié)構(gòu)

簡化式（2）得到氣室內(nèi)空氣被壓縮后的高度a：

水位控制系統(tǒng)感知的物理水位高度h=H-b+a，綜合式（3）得到：

式中：H為洗衣機(jī)筒內(nèi)觀察到的表觀水位高度，也是行業(yè)內(nèi)常說的洗衣機(jī)注水水位高度。

從式（4）可得到物理水位高度h與表觀水位H關(guān)系為：

從式(5)得到水頭c=H-h的計算式：

因此，水頭c與氣室直徑的平方成反比，與氣室的初始高度尺寸b成正比。表達(dá)式（6）比較復(fù)雜，式（4）做一些運算可得到水頭c近似計算式。

由于水位高度H、h遠(yuǎn)小于大氣壓P1，式（7）可近似處理為：

整理式（8）得到水頭c近似計算式：

式（9）表明，要減小表觀水位高度H與物理水位高度h的差異，提高洗衣機(jī)注水水位的控制精度，設(shè)計氣室時應(yīng)該將直徑盡量增大，同時選擇受壓后空腔容積增加量小的水位傳感器。

2 氣室設(shè)計尺寸要求

圖2 所示水位傳感器廣泛應(yīng)用于滾筒洗衣機(jī)、波輪洗衣機(jī)，初始頻率25.7 kHz。實測某型號的壓力膜片位移量與輸出頻率關(guān)系如圖3 所示。

圖3 水位傳感器壓力膜片位移量

滾筒洗衣機(jī)、波輪洗衣機(jī)的注水高度不同，氣室系統(tǒng)的尺寸也有差異，表1 給出了二款產(chǎn)品的氣室系統(tǒng)尺寸參數(shù)，注水水位分別為100 mm、400 mm，對應(yīng)的水頭為8 mm、17 mm。

表1 洗衣機(jī)氣室系統(tǒng)尺寸參數(shù)

按式（6）、（9）計算的水頭c與氣室直徑的關(guān)系如圖4 所示。計算式（6）與式（9）的差異隨水位傳感器受壓后空腔容積增加而變大。

圖4 氣室水頭c 與氣室直徑關(guān)系

圖4 表明，要減小表觀水位高度H與物理水位高度h的差異，使洗衣機(jī)名義注水高度與控制系統(tǒng)感知的水位高度盡可能接近，滾筒洗衣機(jī)的氣室直徑至少13 mm，波輪洗衣機(jī)的氣室直徑至少20 mm。水頭c是洗衣機(jī)控制軟件設(shè)定注水水位與傳感器感知水位差異的原因，也解釋了洗衣機(jī)制造商對水位傳感器進(jìn)貨檢驗時不同加壓方式得到不同傳感器檢測參數(shù)的原因。氣室的長度對水頭的影響很小，不再詳細(xì)討論。設(shè)計氣室時要保準(zhǔn)洗滌用水、泡沫不能進(jìn)入直徑只有4 mm 的氣室管，形成毛細(xì)效應(yīng)。建議壓力水頭進(jìn)入后還有50 mm 空氣，氣室長度一般選擇65 mm 以上。

3 MEMS 傳感器的氣室設(shè)計

MEMS 壓力傳感器（Microelectro Mechanical Systems）作為數(shù)字輸出的高精度傳感器，在洗衣機(jī)行業(yè)已經(jīng)開始應(yīng)用[3]。與傳統(tǒng)的振蕩電路膜片式壓力傳感器不同，MEMS 傳感器的壓力感知空氣腔體積幾乎是零，即Vf=0，Vp=0，式（6）簡化為：

水頭c完全是由于氣室內(nèi)氣體被壓縮而產(chǎn)生，表1 所示的氣室尺寸產(chǎn)生的水頭如圖5 所示，合理的氣室直徑對洗衣機(jī)注水水位控制的影響幾乎是恒定的，現(xiàn)有產(chǎn)品的氣室結(jié)構(gòu)可以直接換用MEMS 壓力傳感器。

圖5 MEMS 傳感器氣室水頭c 與氣室直徑關(guān)系

對應(yīng)式（9）的水頭c近似計算式：

4 結(jié)論

洗衣機(jī)筒內(nèi)觀察到的表觀水位與水位控制系統(tǒng)感知到的物理水位差異，可以應(yīng)用理想氣體方程計算。氣室的直徑參數(shù)和水位傳感器感知壓力后的壓力腔體積增量，對水頭的影響最大。設(shè)計合理的氣室尺寸，可以把水頭控制到很小的值，從而減小洗衣機(jī)控制軟件設(shè)定注水水位與傳感器感知水位差異，對洗衣機(jī)的耗水量進(jìn)行精確控制。MEMS 壓力傳感器消除了受壓過程中壓力腔體積變化的影響，可以更精確地控制洗衣機(jī)水位，減少洗衣機(jī)耗水量檢測的波動。