摘要：
本文旨在提供一種經濟型的、基于PP浮子和磁鐵驅動，通過幹簧管探測和控制水位上下限的解決方案，可推廣到家用電器領域的空調扇、飲水機的廣泛應用。

引言
在日用電器領域，廣泛使用液體介質，又以水為主，如煮咖啡、打豆漿、漂洗衣物等，對水位的測量和控制能改善食品的口味或節約用水實現節能。

涉及食品加工的領域，考慮大衆對食品接觸材料衛生安全的需求及精确水位控制對食品加工口味的影響，在咖啡機、豆漿機等小家電産品上普遍使用不與水直接接觸的外置式高精度的電容、電感或紅外線水位控制器，但這幾種電子式水位檢測裝置需在水位的限位控制處進行分布式安裝，成本相對高昂，相較于機械式水位控制裝置壽命較短。


圖1 咖啡機和豆漿機領域的電容式水位檢測 

上述這些水位控制方案價格較高的原因在于，需要對水位上下限（或者更多水位檢測點）分布式放置水位檢測裝置，而電子産品因環境耐候性不好（液體高溫加熱）導緻産品壽命受到影響，但其中的好處是，因為外置式檢測方式可以不用考慮食品接觸材料安全、防水和尺寸的大小。

出于成本及壽命的考慮，較多的客戶希望找到更經濟并有質量保障的水位檢測方案，在此，本文中将提供一種在空調扇領域應用的磁電式水位傳感器，該方案的水位傳感器采用符合食品接觸材料安全要求環保PP材料，選取106高壽命的幹簧管來實現水位上下限機械式的控制，設計具有緊湊的密封結構和工藝控制尺寸，小型簡單并可實現防水。

結構和應用設計方案

空調扇吹出來的風柔和、自然，能改善吹電風扇引起的不同人體反應，相對于大功率空調制冷其功率僅50W-80W耗電量較低，較能迎合市場新的需求。據統計，2011年度空調扇的市場容量達到了200萬台，占風扇市場的10%，産值超過10億元。

圖2：空調扇和飲水機領域的PP浮子磁鐵驅動水位控制應用方案

具體的磁電式水位控制裝置由磁鐵、PP浮子、幹簧管、PP外殼、和電線組成，磁鐵與PP浮子通過發泡一體成型，磁鐵薄壁型設計（小于2mm），磁感應強度不小于80mT以在成型後能驅動幹簧管的通斷，PP浮子和磁鐵整體密度設定為0.7g/m3，選用中石化S700或IRPC 1100nk材料。

a)    幹簧管式PP浮子水位控制器結構
b)    嵌入式PP浮子磁鐵
圖3：PP浮子磁鐵驅動水位結構
鑒于PP外殼的結構限定（空間），幹簧管與電線的焊接結構，灌封工藝對産品的防水性能有重要影響，是産品可靠性的關鍵參數。

試驗驗證

采用Lakeshore480 Fluxmeter對抽取的水位控制器t=1.9磁鐵按IEC 60404-14标準進行測試，其測試結果均能滿足設計要求，實現幹簧管的磁場驅動，這種薄型并能驅動幹簧管動作的磁鐵，能有效的控制浮子和磁鐵整體的密度。


抽取PP浮子發泡樣品按GB 9688-1988《食品包裝用聚丙烯成型品衛生标準》和FDA 21 CFR 177.1520進行了測試，需要說明的是，FDA對發泡密度要求在0.85-1.0g/cm³，因此按照産業化的發泡條件送樣測試是無法達到要求的，滿足FDA要求的測試樣品的成型參數需要特别調整。同樣的，按照FDA對發泡密度的要求，在長期浸水過程後，考慮到吸水率對産品的影響，可靠性将難以保證。

抽取230g樣品按GB 9688标準測試的結果


FDA 21 CFR Part 177.1520測試結果


對于整個水位控制器的測試和應用，要視水位上下限控制的方式來決定，一種典型的用于空調扇的常開型的水位控制器結構，水位上升到ON（水位上限）時接通潛水泵抽水。

對這種常開型的水位控制器，按照企業标準進行了測試，用電阻儀進行接觸電阻和水位上下限檢測控制電源通斷的測試，壽命測試儀進行動作周期測試，耐壓儀和絕緣電阻表和浸水水箱進行電氣強度和絕緣電阻的測試，高溫箱與低溫箱配合進行冷熱沖擊試驗。

常開型水位控制器 CPS-8500通斷距離和接觸電阻值測試


常開型水位控制器 CPS-8500電氣強度測試


常開型水位控制器 CPS-8500 冷熱沖擊試驗


結語

本文旨在提供一種經濟型的基于PP浮子和磁鐵驅動，通過幹簧管控制水位上下限的小型磁敏水位控制器方案，在空調扇的應用中，通過水位上限接通潛水泵抽水，通過水位下限控制加水，可單體實現水位上下限的測量和控制。産品符合GB 9688和FDA 21 CFR 177.1520食品接觸材料安全要求，可符合150℃溫差冷熱沖擊和12h浸水條件下的電氣安全要求，并通過了CQC産品認證，在空調扇、飲水機領域得到了廣泛的應用。

值得一提的是，另外一種MR磁阻式傳感器重複定位精度可到0.03mm，響應時間12.5μs，磁驅動<1.5mT，可考慮通過置換幹簧管作為磁敏元件設計磁敏水位控制器，能實現對水位測量和控制在高精度領域的需求。但同樣需要指出的是，這種MR磁阻式傳感器的環境耐候性也還有待提高。

料安全要求，可符合150℃溫差冷熱沖擊和12h浸水條件下的電氣安全要求，并通過了CQC産品認證，在空調扇、飲水機領域得到了廣泛的應用。

引用文獻：

[1]   空調扇：夾縫産業是雞肋還是香饽饽.[Z]，慧聰空調制冷網，2012年5月4日，http://info.hvacr.hc360.com/2012/05/041002440575.shtml.