一種新型預防水垢影響的鍋爐液位傳感技術

王鵬鵬 李德念

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070）

引言

本文研究對象為蒸汽自動清洗機，是一種集成式小型水蒸汽發生設備，通過產生高溫高壓蒸汽來達到清洗的目的。在清洗機所使用的自來水中包含有大量的鈣離子和硅酸根離子等物質，在高溫作用下會產生水垢，附著在鍋爐內部。基于這種情況，傳統的電極式液位傳感器在長時間使用后會因為水垢問題而導致誤差偏大甚至傳感器失效，無法滿足實際使用的需要。針對這個問題，本文研究團隊開發了一種適用于集成式小型水蒸汽發生設備的磁浮式液位傳感技術，能夠有效解決因為水垢問題而導致的檢測誤差。

1 蒸汽清洗機的概述

蒸汽自動清洗機（如圖1所示）是一種集成式小型水蒸汽發生設備，設備由油路系統、水路系統、鍋爐燃燒系統、控制系統、保護系統、電路電氣系統組成。設備小型鍋爐中的水經高溫加熱后轉化為飽和高溫水蒸汽，通過軟管輸送到噴槍，進行清洗作業。其工作原理圖如圖2所示。鍋爐中的水由于高溫加熱，需對水的液位進行有效監控，以避免出現干燒安全隱患。

圖1 蒸汽自動清洗機

圖2 蒸汽洗車機工作原理圖

1.1 常見的鍋爐液位傳感器類型

液位傳感器，又稱水位開關，是通過液位來控制線路通斷的開關；目前市場上常見的液位傳感器主要有石墨棒、鎢鋼棒、不銹鋼棒、SKDII、干簧管浮球磁性傳感器。

1）石墨棒（缺點：無法完整可靠密封安裝，鎖緊后石墨棒易脆斷，長期在高溫蒸汽環境中使用容易失效，可靠性差）

2）鎢鋼棒、不銹鋼棒、SKDII（缺點：長期在水中使用，容易在其表面形成一層致密的水垢，導致鎢棒也無法導電，使其功能喪失）

3）干簧管浮球磁性傳感器（缺點：干簧管工作范圍是（-40～125）°，當使用環境溫度超出這個溫度后，干簧管的AT值，即靈敏度會發生變化，導致產品不能正常吸合或斷開；②在高溫水中，由于燒開的水液位波動幅度大，直接影響浮球上、下波動，嚴重影響干簧管的壽命，使傳感器失效。）

2 鍋爐水垢對液位傳感器的影響分析

自來水中含有較高含量的Ca2+、Mg2+、SiO2和其它重金屬離子，然而眾所周知，自來水經過高溫加熱后，容易產生水垢。鍋爐水垢形成機理，是經過復雜的物理、化學變化, 特別是在運行中鍋水中發生受熱、蒸發、濃縮、結晶及物質間反應等理化變化, 導致了鍋爐水中沉淀物的析出, 從而形成水垢。而當水垢吸附在傳感器上，將使其無法有效監測水位。

3 外置磁控式液位開關的設計與應用

防止水垢對清洗機水位檢測系統造成影響的方案有兩個方向：一個是通過水過濾裝置對自來水進行凈化，提前過濾掉水中大部分的鈣離子、鎂離子以減少水垢的產生；另一種是該變水位監控的方式，即使在水垢較多的情況下也能有效對水位情況進行監控。

由于蒸汽自動清洗機是一種可以靈活自由移動的設備，如果用大型的水過濾裝置則必然會對限制清洗機的工作范圍，而小型的過濾器由于需要頻繁的更換，造成使用成本的增加，因此選擇改變水位監控的方式，并對多種監控方式進行試驗驗證，最終設計了一種磁控式的洗車機鍋爐水位監測系統。

3.1 磁控式液位開關技術方案設計

不同于傳統的電極式液位監控系統需要將傳感器的檢測棒伸到在鍋爐浸沒在水中，磁控式的液位監控系統可以將所有的電路元件都置于鍋爐外部（如圖3所示），其工作情況不會受到鍋爐內環境的影響。

圖3 磁控式液位開關系統

3.1.1 磁控開關工作原理

磁控式液位開關結構如圖4所示，主體鋼管安裝在鍋爐外面，橫向的兩條連接管是連通鍋爐內部的，主體鋼管內部水位實時與鍋爐水位保持一致，磁控開關通過固定支架固定。鋼管內裝有一個浮子，浮子上端鑲嵌永磁體，根據浮子大小選擇合適的鑲嵌位置，當浮球浮起后使磁體位置能和液位大致保持在同一位置，實時反饋容器內部液位。當鍋爐水位降到低水位時，浮子是處于低水位，低水位感應開關干簧管受到浮子上磁鐵的吸力而閉合，電路接通，控制器接收到此電信號，啟動水泵往鍋爐內補水，當水位補水上升到高水位時，高水位感應開關的干簧管受到浮子上磁鐵的吸力而閉合，電路接通，控制器接收到此電信號，停止水泵，循環往復。

圖4 磁控開關結構原理圖

此技術方案的關鍵是，其電路感應開關是安裝在鍋爐外面的，不受內部是否結垢的影響，不像電極式的電極棒是安裝在內部的水中，存在結水垢隱患。主體銅管和浮子即使結了水垢，也不影響磁鐵的磁場，不影響對干簧管的吸力。

3.2 磁控開關設計

鋼管外面裝有高水位磁控開關和低水位磁控開關，開關感應組件包括干簧管、導線和保護用瓷殼，用乙基快干膠對干簧管進行固定，瓷殼內部用環氧樹脂填充，并加入軟化劑，以防止高溫時因為膨脹出現裂紋。

干簧管是監控水位變化的關鍵組件，通常情況下，干簧管內的電路處于斷開的狀態，當受到一個足夠大的磁場力作用時就會閉合，輸出相應的電信號。但傳統的干簧管元件由一個明顯的缺點就是在磁性元件離開后就會斷開，當浮子隨鍋爐內液位變化而超過測量開關后就無法持續的輸出相應的電信號。為解決這一問題，研究團隊在干簧管外再增加一個小型磁鐵。

小磁鐵所產生的磁場較弱，不能直接將干簧管吸合，當浮子內磁鐵的磁場與干簧管外的小磁鐵磁場疊加時，吸合干簧管，使干簧管觸發；當浮子內磁鐵的磁場與干簧管外的小磁鐵磁場相互抵消時，干簧管斷開。而在這段時間內，干簧管受到的磁力大小一直維持在臨界點附近，保持一個吸合的狀態。隨著浮子的移動，磁控開關的磁場變化情況可分為三個階段：

第一階段：外置磁性元件由下至上靠近干簧管。磁場先抵消后疊加，磁力先減弱后變強，干簧管由斷開變為閉合（如圖5（a）所示）；

圖5 磁控開關磁場變化圖

第二階段：外置磁性元件由下至上離開干簧管。干簧管在小磁體的磁力下繼續保持閉合，外置磁性元件離開干簧管一直保持閉合（如圖5（b）所示）；

第三階段：外置磁性元件由上至下再次接近干簧管。磁場先疊加后抵消，磁力先變強后減弱。干簧管由閉合變為斷開（如圖5（c）所示）。

通過設置在干簧管外的小磁鐵，使得浮子離開后仍能夠保持干簧管的觸發動作，在不需要精確測量的場合能夠減少干簧管數量的使用，減少測量端口使用。

4 技術方案可靠性測試驗證

將外置磁控式液位開關與傳統的鎢鋼棒、不銹鋼棒開關分別安裝在方形鍋爐上，使用2個功率為2 kW的電加熱器，整機的功率為4.5 kW，在常溫下進行長期可靠性運行測試。當運行至72 h時，裝了電極式液位傳感器機器出現E2故障報警（即液位傳感異常），導致機器無法正常運行。而裝磁控式液位開關機器運行正常，拆機檢查發現電極式液位傳感器與磁控開關管道內壁已吸附有水垢，如圖6、7、8所示。

圖6 鎢鋼棒

圖7 不銹鋼棒

圖8 管道內壁

將安裝外置磁控式液位開關的機器，繼續運行至1 800 h，用水6 m2，機器均未出現過液位感應異常報警，磁控液位開關一直能正常感應液位并進行缺補水。拆機檢查發現此時鍋爐內部已結滿水垢，水垢厚度高達2.5 mm，如圖9所示。

圖9 鍋爐內壁水垢

5 結語

該預防水垢影響的鍋爐液位傳感技術是通過改進鍋爐結構，利用電磁式液位傳感器，避免了傳感器與鍋爐水的直接接觸，從而使其不會受到水垢的影響。對于蒸汽洗車機這樣一種集成式小型水蒸汽發生設備，可以有效的提高水位監控系統的穩定性和準確性，并且不會對設備使用的靈活性造成影響，適宜于在集成式小型水蒸汽發生設備上使用。