朱甫金

全自動(dòng)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(kāi)關(guān)）感知?dú)馐蚁到y(tǒng)的空氣壓力變化來(lái)自動(dòng)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(guò)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(yàn)、標(biāo)定過(guò)程中采用空氣加壓方法，以檢測(cè)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(duì)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(duì)水位控制精度的影響，并對(duì)氣室尺寸設(shè)計(jì)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(guò)程中將水位檢測(cè)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(shí)空氣腔體積，P2為注水完成時(shí)水位控制系統(tǒng)感知到的水位壓力，V2為注水完成時(shí)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(cè)與氣室尺寸

為了計(jì)算方便，下面所有的計(jì)算方程式，壓力以mmH2O為單位，長(zhǎng)度以mm 為單位。

參見(jiàn)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(zhǎng)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(jiǎn)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(shuō)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(jì)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(yùn)算可得到水頭c近似計(jì)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(jì)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(jì)氣室時(shí)應(yīng)該將直徑盡量增大，同時(shí)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(jì)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(shí)測(cè)某型號(hào)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(duì)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(jì)算的水頭c與氣室直徑的關(guān)系如圖4 所示。計(jì)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(duì)水位傳感器進(jìn)貨檢驗(yàn)時(shí)不同加壓方式得到不同傳感器檢測(cè)參數(shù)的原因。氣室的長(zhǎng)度對(duì)水頭的影響很小，不再詳細(xì)討論。設(shè)計(jì)氣室時(shí)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(zhǎng)度一般選擇65 mm 以上。

3 MEMS 傳感器的氣室設(shè)計(jì)

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(kāi)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(jiǎn)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(duì)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(duì)應(yīng)式（9）的水頭c近似計(jì)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(jì)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(duì)水頭的影響最大。設(shè)計(jì)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(duì)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(guò)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(cè)的波動(dòng)。