摘要：
本文旨在提供一种经济型的、基于PP浮子和磁铁驱动，通过干簧管探测和控制水位上下限的解决方案，可推广到家用电器领域的空调扇、饮水机的广泛应用。

引言
在日用电器领域，广泛使用液体介质，又以水为主，如煮咖啡、打豆浆、漂洗衣物等，对水位的测量和控制能改善食品的口味或节约用水实现节能。

涉及食品加工的领域，考虑大众对食品接触材料卫生安全的需求及精确水位控制对食品加工口味的影响，在咖啡机、豆浆机等小家电产品上普遍使用不与水直接接触的外置式高精度的电容、电感或红外线水位控制器，但这几种电子式水位检测装置需在水位的限位控制处进行分布式安装，成本相对高昂，相较于机械式水位控制装置寿命较短。


图1 咖啡机和豆浆机领域的电容式水位检测 

上述这些水位控制方案价格较高的原因在于，需要对水位上下限（或者更多水位检测点）分布式放置水位检测装置，而电子产品因环境耐候性不好（液体高温加热）导致产品寿命受到影响，但其中的好处是，因为外置式检测方式可以不用考虑食品接触材料安全、防水和尺寸的大小。

出于成本及寿命的考虑，较多的客户希望找到更经济并有质量保障的水位检测方案，在此，本文中将提供一种在空调扇领域应用的磁电式水位传感器，该方案的水位传感器采用符合食品接触材料安全要求环保PP材料，选取106高寿命的干簧管来实现水位上下限机械式的控制，设计具有紧凑的密封结构和工艺控制尺寸，小型简单并可实现防水。

结构和应用设计方案

空调扇吹出来的风柔和、自然，能改善吹电风扇引起的不同人体反应，相对于大功率空调制冷其功率仅50W-80W耗电量较低，较能迎合市场新的需求。据统计，2011年度空调扇的市场容量达到了200万台，占风扇市场的10%，产值超过10亿元。

图2：空调扇和饮水机领域的PP浮子磁铁驱动水位控制应用方案

具体的磁电式水位控制装置由磁铁、PP浮子、干簧管、PP外壳、和电线组成，磁铁与PP浮子通过发泡一体成型，磁铁薄壁型设计（小于2mm），磁感应强度不小于80mT以在成型后能驱动干簧管的通断，PP浮子和磁铁整体密度设定为0.7g/m3，选用中石化S700或IRPC 1100nk材料。

a)    干簧管式PP浮子水位控制器结构
b)    嵌入式PP浮子磁铁
图3：PP浮子磁铁驱动水位结构
鉴于PP外壳的结构限定（空间），干簧管与电线的焊接结构，灌封工艺对产品的防水性能有重要影响，是产品可靠性的关键参数。

试验验证

采用Lakeshore480 Fluxmeter对抽取的水位控制器t=1.9磁铁按IEC 60404-14标准进行测试，其测试结果均能满足设计要求，实现干簧管的磁场驱动，这种薄型并能驱动干簧管动作的磁铁，能有效的控制浮子和磁铁整体的密度。


抽取PP浮子发泡样品按GB 9688-1988《食品包装用聚丙烯成型品卫生标准》和FDA 21 CFR 177.1520进行了测试，需要说明的是，FDA对发泡密度要求在0.85-1.0g/cm³，因此按照产业化的发泡条件送样测试是无法达到要求的，满足FDA要求的测试样品的成型参数需要特别调整。同样的，按照FDA对发泡密度的要求，在长期浸水过程后，考虑到吸水率对产品的影响，可靠性将难以保证。

抽取230g样品按GB 9688标准测试的结果


FDA 21 CFR Part 177.1520测试结果


对于整个水位控制器的测试和应用，要视水位上下限控制的方式来决定，一种典型的用于空调扇的常开型的水位控制器结构，水位上升到ON（水位上限）时接通潜水泵抽水。

对这种常开型的水位控制器，按照企业标准进行了测试，用电阻仪进行接触电阻和水位上下限检测控制电源通断的测试，寿命测试仪进行动作周期测试，耐压仪和绝缘电阻表和浸水水箱进行电气强度和绝缘电阻的测试，高温箱与低温箱配合进行冷热冲击试验。

常开型水位控制器 CPS-8500通断距离和接触电阻值测试


常开型水位控制器 CPS-8500电气强度测试


常开型水位控制器 CPS-8500 冷热冲击试验


结语

本文旨在提供一种经济型的基于PP浮子和磁铁驱动，通过干簧管控制水位上下限的小型磁敏水位控制器方案，在空调扇的应用中，通过水位上限接通潜水泵抽水，通过水位下限控制加水，可单体实现水位上下限的测量和控制。产品符合GB 9688和FDA 21 CFR 177.1520食品接触材料安全要求，可符合150℃温差冷热冲击和12h浸水条件下的电气安全要求，并通过了CQC产品认证，在空调扇、饮水机领域得到了广泛的应用。

值得一提的是，另外一种MR磁阻式传感器重复定位精度可到0.03mm，响应时间12.5μs，磁驱动<1.5mT，可考虑通过置换干簧管作为磁敏元件设计磁敏水位控制器，能实现对水位测量和控制在高精度领域的需求。但同样需要指出的是，这种MR磁阻式传感器的环境耐候性也还有待提高。

料安全要求，可符合150℃温差冷热冲击和12h浸水条件下的电气安全要求，并通过了CQC产品认证，在空调扇、饮水机领域得到了广泛的应用。

引用文献：

[1]   空调扇：夹缝产业是鸡肋还是香饽饽.[Z]，慧聪空调制冷网，2012年5月4日，http://info.hvacr.hc360.com/2012/05/041002440575.shtml.