一种风量自适应的燃气热水器控制系统的制作方法

本发明涉及燃气热水器控制技术领域，尤其涉及一种风量自适应的燃气热水器控制系统。

背景技术：

目前燃气热水器在排烟管被堵塞或者外界风速较大产生倒灌风时，由于排烟受阻，在热水器自动关机之前，CO等有害气体含量必然会上升。虽然该有害气体并没有超标，但是长时间生活在该环境下，消费者的健康状况肯定受到较大影响。通常燃气热水器采用机械式风压开关进行风压保护，根据风压开关的正负压腔的压差控制微动开关的开或关，从而控制热水器的开启和关闭。但是机械式风压开关稳定性差、灵敏度不高、触点容易氧化、仅有一个保护点等缺点。虽然目前有较多半导体压力传感器，但受低风压、高精度等条件的制约，该类型传感器成本较高，所以一直未在热水器行业推广使用。

电子式风压传感器在燃气热水器上的应用是一项新型技术，虽偶有专利提及，但较大篇幅都在介绍整体的结构，具体如何实现则介绍得寥寥无几，并且还需专门研究风机取样嘴负压与外界逆风阻力的关系，同时还要实时结合燃烧工况与烟气成分来调整风机转速，还需要其它气体传感器，使得这种控制方式相对复杂，可行性并不是很高。

另外，海拔高度对燃气热水器的燃烧状况有较大影响，同一台热水器在低海拔地区使用没问题，而在高海拔地区总是遇到风压异常等现象，也有相关人士专门针对此问题进行专项研究，最后证明采用恒功率、恒电压、甚至恒电流等风机控制方式均不能克服由海拔引起的燃烧状况变差等情况，需要专门的数学模型来调节风机转速才能解决这一问题。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种控制简单、可行性高、风量自适应的燃气热水器控制系统。

为达到以上目的，本发明采用如下技术方案。

一种风量自适应的燃气热水器控制系统，其特征在于，包括主控制器和与主控制器连接的风压传感器，通过主控制器使燃气热水器的各热负荷与风压传感器的输出频率一一对应，当燃气热水器处于某一热负荷状态下时，主控制器改变风机电流使风压传感器的输出频率始终维持在相应值上。

作为改进地，燃气热水器的各热负荷与相应风压传感器的输出频率对应方法为：在无外部风压时，1)通过实验确定燃气热水器各热负荷所对应的风机取样嘴负压值；2)根据燃气热水器最小热负荷下所需要的风机电流，得出相应的风压传感器输出频率；3)根据燃气热水器最大热负荷下所需要的风机电流，得出相应的风压传感器输出频率；4)根据燃气热水器最小热负荷、最大热负荷状态下的风机取样嘴负压值和风压传感器输出频率值，确定风压传感器输出频率与风机取样嘴负压值的关系式：Y＝－AX+B；Y代表风压传感器输出频率，X代表风机取样嘴负压；5)根据步骤1)中确定的燃气热水器各热负荷与风机取样嘴负压值的对应关系、以及步骤4)中的关系式确定燃气热水器各热负荷所对应的风压传感器输出频率。

作为改进地，当风机电流增加到最大，而风压传感器输出频率仍未恢复到燃气热水器当前负荷对应的输出频率时，主控制器控制燃气热水器的进水量减少。

作为改进地，燃气热水器的各热负荷分别对应一个风机转速保护值；在某一热负荷下，当风机转速达到相应风机转速保护值5s以上，主控制器控制燃气热水器自动关机。

作为改进地，所述热负荷与相应风机转速保护值的关联方法为：在无外部风压时，1)通过实验确定每一燃气热水器热负荷所对应的风机电流；2)确定燃气热水器最大热负荷时的风机转速保护值y_H；3)通过实验确定燃气热水器最小热负荷时的风机转速保护值y_L；4)将其它负荷风机转速保护值设置在y_H和y_L这两个值之间线性变化，且满足线性关系y＝ax+b，变量x代表风机电流值，变量y代表风机转速保护值；5)主控制器根据燃气热水器热负荷与风机电流的对应关系确定燃气热水器热负荷与风机转速保护值的对应关系。

作为改进地，所述风压传感器包括：正压腔、负压腔、感应线圈、弹簧和皮膜，所述皮膜将正压腔、负压腔隔开，所述弹簧的一端与皮膜连接，另一端与负压腔连接，所述感应线圈与弹簧之间形成磁体腔；当负压腔与正压腔存在压差时，弹簧带动磁体腔中的磁芯动作，在感应线圈的作用下产生感应电信号，经过震荡电路的处理输出频率信号。

本发明的有益效果是：

一、燃气热水器上电开机后，系统自检正常后，进行前清扫、点火，任意时刻根据主控制器采集到的风压传感器的输出频率与燃气热水器当前负荷所对应的设定频率之间的差值，利用该差值去控制风机的转速，直至该差值足够小为止，燃气热水器进入正常燃烧状态，控制简单、可行性高。

二、风压传感器的风压信号不仅仅作为开关信号，还实时利用风压信号对热水器燃烧状况进行控制，使燃气热水器具有高抗风压特性，燃气热水器在外部风量较大时也能保证正常燃烧。

三、由于直流风机永磁铁的品质差异等因素，就算是相同电流下风机转速也不尽相同，给后期电机的更换带来繁琐的调试。本发明中，风量依赖于风压传感器输出频率，不在依赖风机电压或电流，彻底排除风机差异带来的燃烧异常现象，在后期更换低成本电机时不需要考虑更换的电机特性、技术参数是否完全一致，给工程的设计和售后带来较大便利。

四、由于风量依赖于风压传感器输出频率，可智能化补偿高海拔地区风机转速增量，控制风机始终保持最佳转速，从而使热水器始终处于最佳燃烧状况，实现真正意义上的“恒负压”燃烧，完全避免海拔差异因素引起的燃烧不充分现象，整体提高燃气热水器的适应性、安全性、高效率性。

五、燃气热水器根据负荷需求具有多个风压保护点，在达到保护点之前，燃气热水器始终处于最佳燃烧状况，大幅度减少废气排放和提高使用安全性。

六、采用此发明所所描述的电子式风压传感器，不仅能实现传统机械式风压开关的所有功能，还因为该传感器采用电磁感应技术，无机械触点，频率信号输出，控制芯片可直接读取，彻底解决传统风压开关故障率居高不下现象。

附图说明

图1所示为燃气热水器在不同热负荷下风压传感器输出频率与风机取样嘴负压值之间的关系模拟图。

图2所示为燃气热水器在不同热负荷下风机电流与风机转速保护值之间的关系模拟图。

图3所示为风压传感器结构示意图。

附图标记说明：

1：正压腔，2：负压腔，3：感应线圈，4：弹簧，5：皮膜。

具体实施方式

为方便本领域技术人员更好地理解本发明的实质，下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细阐述。

一种风量自适应的燃气热水器控制系统，包括主控制器和与主控制器连接的风压传感器，通过主控制器使燃气热水器的各热负荷与风压传感器的输出频率一一对应，当燃气热水器处于某一热负荷状态下时，主控制器改变风机电流使风压传感器的输出频率始终维持在相应值上。

如图1所示，燃气热水器的各热负荷与相应风压传感器的输出频率对应方法为：

1)通过常规实验和理论计算确定燃气热水器在无外部风压时最小热负荷所对应的风压传感器输出频率值b、风机取样嘴负压值a，即可确定图1中L(a，b)－“PL状态”点。

2)同理确定燃气热水器在无外部风压时最小热负荷所对应的风压传感器输出频率值d、风机取样嘴负压值，也可以确定图1中H(c，d)－“PH状态”点。

3)根据风压传感器的传感器输出频率值与风机取样嘴负压值成负线性特性及上述两个状态可确定传感器输出频率与风机取样压力的关系式Y＝－AX+B，Y代表风压传感器输出频率，X代表风机取样嘴负压。经实验测试可知该关系式与实际多点测试得出的结果相差非常小，实际应用时完全可忽略。

4)点火状态确定，得出点火状态的风机取样嘴负压值及风压传感器输出频率即图1中D(e，f)点，并且改点满足关系式：Y＝－AX+B。

系统正常燃烧状态下(无外部风压)，每一热负荷对应一风机电流，每一风机电流对应一风机转速，当外部风压过高时，因为风机负载变轻，取样嘴负压变小，即主控制器采集到风压传感器的输出频率增加，此时立即控制风机电流增加，风机电压也是逐渐增加的，风机的转速必然增加，在水流量不变，并且热水器温度能恒定的前提下，保持燃气比例阀的电流不变，直到风机电流增加到能使风压传感器输出频率恢复到正常燃烧状态下对应的输出频率为止。在相同负荷且热水器温度能恒定的前提下整个工作状态都满足上述关系式Y＝－AX+B，在该范围内不论外部风压如何变化，热水器的燃烧状况均不受影响。

因此在不同负荷下，一定堵风压范围内都能保证“该负荷”下的“恒负压”燃烧。而当水流量不变，热水器温度出现“不恒定”时，与其它恒温型燃气热水器控制方式一样，自动控制水流量的变化，保证温度的恒定；之所以会出现温度“不恒定”的状态，是由于风机的功率已接近最大值，此时随着外部风压继续增加，风机电流已不可能增加了，但是还没达到风机转速保护点，此时风机因为负载变轻，转速“不可控”地继续增加，电压也在缓慢的增加，风机电流必然减小以维持功率不变，为了防止风机在最大功率点长时间运行，那么如何设置风机转速保护点就显得尤为重要。

如图2所示，对于风机转速保护点的设置，通过常规实验和理论计算确定得出两个风机转速保护值HC(c1，d1)、LC(a1，b1)，其它负荷风机转速保护点在LC到HC之间线性变化，并且满足线性关系y＝ax+b。主控制器只需知道此时风机的电流就可以根据此线性关系计算出该状态的风机转速保护点，即风机转速保护点是动态变化的，真正实现多个风压保护点，一定范围内减少废气排放和提高使用安全性，实际推广应用也相对较易；该方案在任何状态均能保证热水器完全充分燃烧，实现热水器效率的最大化；需要强调的是最大风机转速保护点HC与风机最大功率点对应的转速相差不能太大，否则在最大概率点长时间工作容易烧坏风机。任何状态只要风机转速达到相应转速保护点5S以上，热水器自动关机。

对于由海拔等因素引起的大气压下降导致的热水器燃烧状况变差等情况，此发明即是上述技术瓶颈的较完善解决方案之一。

如图3所示，所述风压传感器包括：正压腔1、负压腔2、感应线圈3、弹簧4、皮膜5，所述皮膜5将正压腔1、负压腔2隔开，所述弹簧4的一端与皮膜5连接，另一端与负压腔连接，所述感应线圈3与弹簧4之间形成磁体腔。

当负压腔2与正压腔1存在压差时，弹簧4带动磁体腔中的磁芯动作，在感应线圈3的作用下产生感应电信号，经过震荡电路的处理输出频率信号。由于在高海拔地区由于气压下降，空气密度变小，在相同风机转速下所提供的氧含量必然变少，因此在高海拔地区要克服供氧不足的有效方法是合理的提高风机转速，而一台热水器在出厂时参数已调整好，如何合理的提高风机转速成为一个技术瓶颈，并且该转速提高量是动态变化的。

本实施例中，记标准大气压为P₀，燃气热水器在标准大气压下某一负荷点充分燃烧，相应的取样嘴负压定为P，风压传感器横向安装，则满足下式：

(P₀－P)S+KX1＝P₀S ①

其中：S为皮膜面积，K为弹簧系数，X1为当前状态下形变量。

当该燃气热水器处于高海拔地区时，相同风机转速下，其他燃烧状态等因素均不变，则风机取样嘴负压变小，假设大气压下降ΔP₀，取样嘴负压值变小ΔP；在同一负荷下，由于风机与弹簧的惯性不能突变特性，设该状态下风压传感器皮膜受力为F，则有：

F＝((P0－ΔP0)－(P－ΔP))S+KX1－(P0－ΔP0)S ②

将①式代入②式则有：F＝ΔPS＞0；即皮膜有向上移动的趋势，直至下一个平衡点，在负压腔2的负压值减少ΔP的情况下，负压腔2的体积还要增大，这将进一步导致负压腔2的负压值减少，此时主控制器采集的风压传感器输出频率比当前负荷设定的频率大，这是“恒负压”燃烧所不许的，因此必须控制风机电流增大，从而增大风机转速，从而提供更多的氧气，直到采集的风压传感器输出频率为当前负荷设定频率为止。因此该热水器处于高海拔地区时，主控制器会根据采集的风压传感器输出频率自动调整风机转速，同理在高海拔地区设计的热水器，在低海拔地区使用时风机转速也会自动调整，始终使热水器处于最佳燃烧状态。另外，在更换风机时，即使在相同电流下风机转速也不尽相同，给后期电机的更换带来繁琐的调试，因此采用此“恒负压”燃烧技术，只要取样嘴位置与方向不变，在更换其它电机时不需要考虑更换的电机特性、技术参数是否完全一致，给工程的设计和售后带来较大便利。

根据以上分析可知，该风量自适应燃气热水器控制系统能使热水器实现真正意义上的“恒负压”燃烧，这样就完全避免在排烟受阻时、海拔差异等因素引起的燃烧不充分现象，整体提高燃气热水器的适应性、安全性、高效率性。

以上具体实施方式对本发明的实质进行了详细说明，但并不能以此来对本发明的保护范围进行限制。显而易见地，在本发明实质的启示下，本技术领域普通技术人员还可进行许多改进和修饰，需要注意的是，这些改进和修饰都落在本发明的权利要求保护范围之内。