黃志強(qiáng)

（廈門芯陽科技股份有限公司，福建 廈門 361100）

1 鍋爐熨斗一般設(shè)計(jì)需求

設(shè)計(jì)任何產(chǎn)品首先要考慮的是滿足消費(fèi)者的需求，給消費(fèi)者帶來便利，鍋爐熨斗也不例外。鍋爐熨斗可以持續(xù)不斷地出一定量的熱蒸汽，同時(shí)也可以產(chǎn)生短暫的強(qiáng)力蒸汽，適合熨燙比較厚的衣物。鍋爐熨斗要求能持續(xù)不斷地出熱蒸汽，使用過程中蒸汽不能中斷，這就對(duì)鍋爐的補(bǔ)水控制有很高的要求。確保鍋爐內(nèi)部有一定的水量，不能干燒；在補(bǔ)水時(shí)不能使鍋爐內(nèi)溫度降低太多而使蒸汽中斷；不能補(bǔ)水太多，避免在釋放蒸汽時(shí)鍋爐內(nèi)水因沸騰而直接噴出。當(dāng)蒸汽開關(guān)打開控制出蒸汽時(shí)不可以有水滴出來，要求鍋爐溫度和熨斗本體溫度低時(shí)，按出蒸汽開關(guān)時(shí)也不能打開電磁閥釋放蒸汽。

2 鍋爐熨斗規(guī)格

常規(guī)的鍋爐熨斗的鍋爐加熱管功率2000W，用于加熱鍋爐，使鍋爐達(dá)到一定的溫度；鍋爐總?cè)莘e700mL，可以形成相當(dāng)量的飽和蒸汽；交流水泵45W，每分鐘抽水量240mL，用于從水箱里把水泵到鍋爐內(nèi)；交流電磁閥12W，當(dāng)需要出蒸汽時(shí)，通過檢測出蒸汽開關(guān)，在鍋爐蒸汽達(dá)到特定要求時(shí)控制電磁閥，打開出蒸汽管道；熨斗部分功率900W，作為熨燙面料的部件，當(dāng)出蒸汽時(shí)可以對(duì)蒸汽進(jìn)行二次加熱。

3 鍋爐熨斗產(chǎn)生蒸汽過程

鍋爐熨斗產(chǎn)生蒸汽過程圖如圖1 所示。開始使用前在鍋爐熨斗的水箱①中加入適量水；熨斗通上電后，根據(jù)需要抽水泵②將水箱①中的水抽到鍋爐③內(nèi)；鍋爐進(jìn)行加熱，使鍋爐內(nèi)部產(chǎn)生一定溫度和壓力的飽和蒸汽；用戶進(jìn)行熨燙過程中需要出蒸汽時(shí)，通過熨斗本體⑤上的控制開關(guān)，控制電磁閥④打開鍋爐出蒸汽的通道，蒸汽輸出到熨斗本體⑤進(jìn)行二次加熱；最終產(chǎn)生高溫蒸汽⑥，達(dá)到對(duì)衣物快速去皺的效果。

圖1 鍋爐熨斗產(chǎn)生蒸汽過程圖

4 主要硬件電路

鍋爐熨斗控制板的電源部分電路圖如圖2 所示。電源芯片采用必易KP3110，該芯片是一款非隔離型、高集成度、低成本的PWM 功率開關(guān)，此電路可提供5V 大于150mA 的電源。電路中TVR1 壓敏電阻用于浪涌干擾吸收，防止大的浪涌干擾損壞電子器件。R1 作用類似TVR1，但R1 是分擔(dān)電源電路及后端所串接的電子器件的干擾。D2、D3 這2 個(gè)二極管串接的目的是當(dāng)反向打高壓脈沖測試時(shí)，因二極管單個(gè)耐壓只有1000V，串接2 個(gè)可以降低反向擊穿可能性，避免KP3110 反電擊損傷。E1、L1、E2 組成π型濾波電路，對(duì)經(jīng)過D2、D3 二極管整流后的市電進(jìn)行濾波。R6 電阻用于調(diào)整最大輸出負(fù)載電流。L2 為buck 電路儲(chǔ)能電感，在KP3110 內(nèi)部開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)L2 進(jìn)行儲(chǔ)能，L2 電感電流增加，并對(duì)E3 電容供電；當(dāng)KP3110 內(nèi)部開關(guān)關(guān)斷時(shí)L2 及D4 持續(xù)對(duì)E3 供電。在L2、D4 對(duì)E3 供電的同時(shí)，L2 和D1 組成的電路也同步對(duì)C1 進(jìn)行供電。C1為KP3110 提供工作電源，同時(shí)也是KP3110 穩(wěn)定電壓的電壓基準(zhǔn)。當(dāng)C1 電壓高于5V 時(shí)，KP3110 內(nèi)部開關(guān)導(dǎo)通一定時(shí)間后關(guān)斷一定時(shí)間，并持續(xù)開通及關(guān)斷；當(dāng)C1 電壓達(dá)到5V 時(shí)，KP3110 關(guān)斷后就不再導(dǎo)通，直到電壓降低到5V 以下再重新導(dǎo)通，進(jìn)而達(dá)到穩(wěn)定電壓輸出。

圖2 電源電路圖

水泵驅(qū)動(dòng)電路如圖3 所示。水泵一端接L 線，一端接到電路中的PUMP。采用單相可控硅SCR1 驅(qū)動(dòng)交流水泵。交流水泵本身內(nèi)帶二極管，實(shí)際的作用只用電源的正半周，因此可以采用單相可控硅來驅(qū)動(dòng)。R41 用于給可控硅的驅(qū)動(dòng)偏置，使可控硅在剛上電或沒有驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)驅(qū)動(dòng)腳為穩(wěn)定的低電平，避免水泵誤動(dòng)作。R39 接到MCU 的水泵驅(qū)動(dòng)IO 口。單相可控硅一般驅(qū)動(dòng)電流只要兩200 μA 左右就可以導(dǎo)通，比較容易受到干擾，預(yù)留C10 作為抗干擾器件。D7 二極管用于加強(qiáng)可控硅的反向耐壓，MCR100-8 的可控硅反向耐壓為400 V，增加D7 整流二極管可以大大提升可控硅的反向耐壓。C7 電容和R38 電阻為預(yù)留對(duì)策EMC 器件。

電磁閥的驅(qū)動(dòng)電路如圖4 所示，電磁閥為交流電磁閥，一端接L，一端接電路中VALVE。采用雙向可控硅Q3 驅(qū)動(dòng)，R11 為偏置電阻，C13 為預(yù)留抗干擾電容，功能如圖3 中的R41 和C10。R14 連接到MCU 的IO 口，用于驅(qū)動(dòng)雙向可控硅。電磁閥功率只有12 W，流過電磁閥的電流只有55 mA左右。一般雙向可控硅的工作象限在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，對(duì)驅(qū)動(dòng)電流要求會(huì)比較低，導(dǎo)通壓降也比較小。但考慮成本因素（采用低成本的非隔離電源架構(gòu)），該設(shè)計(jì)可控硅工作在Ⅰ、Ⅳ象限，雖然用到第Ⅳ象限，但因驅(qū)動(dòng)的負(fù)載功率足夠小，Ⅳ象限的設(shè)計(jì)并不會(huì)產(chǎn)生問題。

圖3 水泵驅(qū)動(dòng)電路

圖4 電磁閥驅(qū)動(dòng)電路

繼電器驅(qū)動(dòng)電路如圖5 所示，采用繼電器控制加熱管進(jìn)行加熱，加熱管一端接OUT1，一端接N 線。鍋爐加熱和熨斗本體加熱都采用繼電器控制，繼電器用5 V 電源供電，MCU 的驅(qū)動(dòng)信號(hào)通過R13 電阻再經(jīng)過Q2 三極管進(jìn)行放大來驅(qū)動(dòng)繼電器，MCU 輸出高電平時(shí)三極管進(jìn)入飽和導(dǎo)通狀態(tài)，繼電器觸點(diǎn)吸合，加熱管通電加熱。當(dāng)MCU 輸出低電平時(shí)三極管截止，繼電器觸點(diǎn)斷開，加熱管斷電不加熱。D5 為開關(guān)二極管，用于在繼電器驅(qū)動(dòng)斷開時(shí)進(jìn)行續(xù)流，使繼電器線圈的電流不會(huì)對(duì)驅(qū)動(dòng)三極管產(chǎn)生沖擊。開關(guān)二極管的反向恢復(fù)時(shí)間非?？?，在4 ns 左右，而普通整流二極管的反向恢復(fù)時(shí)間為微秒級(jí)，使用開關(guān)二極管比普通整流二極管的吸收沖擊電流效果要好很多。在繼電器的觸點(diǎn)輸出端增加了觸點(diǎn)異常的檢測電路，由R2、R8、R12 構(gòu)成。當(dāng)繼電器吸合時(shí)，市電電壓經(jīng)過電阻分壓再輸入MCU 的IO 口，雖然分壓比大約為1/10，理論電壓峰值為220×1.414×100/（100+470+470），大約30 V，因MCU 的IO 內(nèi)部有保護(hù)二極管（對(duì)地和對(duì)電源的2 個(gè)二極管），30 V 的小電流信號(hào)到IO 會(huì)被鉗位到0 V 和5 V 左右，實(shí)際到IO 口就是接近方波信號(hào)。即當(dāng)繼電器正常吸合時(shí)，MCU 可以檢測到方波信號(hào)，繼電器斷開時(shí)，MCU檢測到持續(xù)的低電平信號(hào)。如果繼電器吸合時(shí)未檢測到方波信號(hào)，說明繼電器異常或檢測電路異常；如果繼電器斷開時(shí)檢測到方波信號(hào)，說明繼電器觸點(diǎn)未能正常斷開，在這種情況下需要進(jìn)行異常報(bào)警提示。

圖5 繼電器驅(qū)動(dòng)電路

NTC 測溫電路（NTC 為負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻）如圖6 所示。NTC 組件接到CN23 接線端子上，用于檢測鍋爐溫度。NTC 與電阻串聯(lián)接在5 V 和GND 之間，通過R75 電阻C1 電容濾波后接到MCU 的AD 口進(jìn)行電壓檢測。軟件換算出阻值，并根據(jù)NTC 的RT 表對(duì)應(yīng)到相應(yīng)溫度，NTC 安裝在鍋爐的底部。

圖6 NTC 測溫電路

5 關(guān)于蒸汽、壓力、溫度、能量的關(guān)系

5.1 水加熱到沸點(diǎn)所需的熱量

假設(shè)1 g 的常溫水初始溫度為25 ℃，加熱到沸點(diǎn)100℃，則所需要的熱量為（100-25）×4.2=315 J。

5.2 水汽化所需的熱量

水的汽化熱為40.8 kJ/mol。

質(zhì)量=摩爾質(zhì)量×物質(zhì)的量。

水的摩爾質(zhì)量約為18 g/mol，1 mol 水質(zhì)量為18 g。

1 g 水汽化所需的熱量為40.8×1 000/18=2 267 J。

5.3 飽和蒸汽壓力與溫度關(guān)系

摩爾量=物質(zhì)的質(zhì)量/物質(zhì)的摩爾質(zhì)量，水蒸汽為18。

PV=nRT=>n/V=P/RT，其中n為摩爾量，R 為常數(shù)，n/V代表密度。

則水蒸汽的密度與壓力成正比，與溫度成反比[1]，見表1。

表1 飽和蒸汽溫度密度絕對(duì)壓力關(guān)系表

飽和蒸汽的溫度密度壓力關(guān)系圖如圖7 所示。當(dāng)控制溫到在140 ℃時(shí)，瞬間釋放蒸汽的蒸汽量為（1.967-0.6）×700×2/3/1000=0.638 g。1.967 為140 ℃時(shí)鍋爐內(nèi)部的飽和蒸汽密度（單位kg/m3），0.6 為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的飽和蒸汽密度（單位kg/m3），700 為鍋爐容量（單位為mL），2/3 是以鍋爐內(nèi)水位為1/3 時(shí)鍋爐內(nèi)的蒸汽占比，除1000 為單位換算。

圖7 飽和蒸汽溫度密度絕對(duì)壓力曲線

控制140 ℃飽壓后釋放蒸汽可釋放的蒸汽量為0.638 g。

5.4 連續(xù)出蒸汽時(shí)的平衡補(bǔ)水點(diǎn)

水泵一秒可以抽水4 g，鍋爐功率2 000 W，先計(jì)算水泵補(bǔ)水一秒需要加熱多久形成蒸汽：[4×（100-25）×4.2+4×2 267]/2 000=5.164 s

（100-25）為常溫水加熱到沸點(diǎn)的溫度差，4.2 為水的比熱容，2 267 為為水的汽化熱，也就是水泵抽一秒有4 g 的水到鍋爐里面，鍋爐以2 000 W 的功率連續(xù)加熱5.164 s 可以把所有4 g 的水全部加熱成水蒸汽[2]。因鍋爐的熱量并不是全部傳導(dǎo)到水里，還有一部分會(huì)散到環(huán)境中，因此實(shí)際所需加熱的時(shí)間要比5.164 s 長一些。

5.5 維持沸點(diǎn)功率水量平衡點(diǎn)

設(shè)水泵一秒可以抽水X，g，鍋爐功率Y，W，計(jì)算使水保持沸點(diǎn)時(shí)X和Y的關(guān)系。同樣以常溫25 ℃水進(jìn)行計(jì)算。Y=X×（100-25）×4.2=315×X。當(dāng)X=4 g 時(shí)，Y=1 260 W，也即當(dāng)鍋爐功率如果是2 000 W，水泵流量為4 g/s 時(shí)。連續(xù)加熱時(shí)，水泵連續(xù)抽水，鍋爐內(nèi)部的水可以一直保持沸騰狀態(tài)。但如果鍋爐功率小于1 260 W 時(shí)，連續(xù)的補(bǔ)水會(huì)使水溫降低，進(jìn)而中斷蒸汽的輸出。當(dāng)Y=2 000 W 時(shí)，X=6.35 g，也即當(dāng)鍋爐功率為2 000 W 時(shí)，水泵流量大于6.35 g/s 時(shí)就會(huì)使蒸汽中斷。當(dāng)鍋爐功率夠大，水泵流量不會(huì)太大時(shí)，連續(xù)的抽水雖然不造成鍋爐內(nèi)的水溫下降，但鍋爐內(nèi)的水位會(huì)快速上升，使鍋爐內(nèi)的氣體空間減少，水沸騰時(shí)可能會(huì)有水直接沖到電磁閥出蒸汽口，導(dǎo)致熱水噴出。

6 補(bǔ)水方案

實(shí)際的補(bǔ)水方案有很多關(guān)聯(lián)因素?zé)o法完全用理論計(jì)算出來，例如各部件的個(gè)體差異，包括水泵流量、鍋爐功率、結(jié)構(gòu)等，入水溫度的不確定，電網(wǎng)電壓波動(dòng)，出氣管阻力不同等。因此如果只是按理論結(jié)果并按固定方式進(jìn)行補(bǔ)水的話，很有可能會(huì)導(dǎo)致水量越來越少或越來越多。

目前有幾種針對(duì)鍋爐熨斗的控制方案，有的帶水位檢測探針，以控制最高水位，有的用NTC 來檢測溫度進(jìn)而反應(yīng)出蒸汽量。

6.1 有探針的鍋爐補(bǔ)水方案

針對(duì)有探針的鍋爐熨斗，初始冷態(tài)的補(bǔ)水可以在預(yù)熱時(shí)直接補(bǔ)水，直到到達(dá)水位探針位置。

鍋爐如果有探針，可以通過探針對(duì)水位進(jìn)行檢測。但探針檢測在出蒸汽狀態(tài)下會(huì)受蒸汽影響而誤測為水位到達(dá)，這就需要等到鍋爐內(nèi)蒸汽量較小時(shí)再檢測，也即此時(shí)的鍋爐內(nèi)水基本燒干，如果沒有及時(shí)補(bǔ)水就會(huì)有干燒的問題。

該文針對(duì)有探針鍋爐熨斗的補(bǔ)水方案如下：在出蒸汽狀態(tài)下，當(dāng)檢測有水時(shí)，以每10 s 補(bǔ)水1 s（補(bǔ)水量小于平衡點(diǎn)），這樣水位將會(huì)降低。當(dāng)探針檢測不到水時(shí)，出蒸汽狀態(tài)下每5 s 補(bǔ)水1 s（補(bǔ)水量略大于平衡點(diǎn)），這樣水位將會(huì)緩慢增加。當(dāng)不出蒸汽時(shí)，如果檢測有水則不補(bǔ)水，如果檢測無水則按5 s 補(bǔ)1 s 的補(bǔ)水方式補(bǔ)8 個(gè)周期。這樣的補(bǔ)水方式可以確保鍋爐內(nèi)的水位不會(huì)有大的變化，可以使出蒸汽比較平順。

6.2 帶NTC 的鍋爐熨斗補(bǔ)水方案

對(duì)無探針帶NTC 的鍋爐熨斗，當(dāng)熨斗處于冷態(tài)時(shí)，熨斗采用預(yù)加熱的方式，通過NTC 的溫升速度可以預(yù)估鍋爐內(nèi)的水量，如果預(yù)估水量小于1/3，則按預(yù)估的水量再補(bǔ)水到約1/3。并一直加熱到NTC 檢測到溫度到140 ℃，關(guān)閉加熱并且電磁閥可以受出蒸汽開關(guān)控制進(jìn)行蒸汽釋放。

關(guān)于蒸汽量的估算，按實(shí)際的測試可以擬合一個(gè)溫度與水量的關(guān)系式，即M=（A-T0×B）/△T-C。其中M為水量，T0為當(dāng)前溫度，△T為溫升速度，A、B、C 為常數(shù)。A 為和鍋爐功率相關(guān)的常數(shù)，B 為鍋爐的散熱系數(shù)，C 為鍋爐本身比熱相關(guān)的常數(shù)。通過幾個(gè)不同水量的溫升速度測試就可以確定A、B、C 這3 個(gè)常數(shù)，進(jìn)而建立水量計(jì)算公式。

從公式n/V=P/RT來看，當(dāng)連續(xù)出蒸汽時(shí)壓力P基本恒定，鍋爐內(nèi)的溫度和蒸汽量成反比。補(bǔ)水的節(jié)奏可以根據(jù)溫度進(jìn)行調(diào)整，當(dāng)溫度高時(shí)，加快補(bǔ)水節(jié)奏。溫度小于120 ℃時(shí)補(bǔ)水以15 s 補(bǔ)1 s 的方式進(jìn)行，溫度為120 ℃～130 ℃時(shí)以10 s 補(bǔ)1 s 的方式補(bǔ)水，溫度為130 ℃以上時(shí)以5 s 補(bǔ)1 s的方式補(bǔ)水[3]。

當(dāng)不出蒸汽時(shí)，如果壓力開關(guān)動(dòng)作（用于保證鍋爐內(nèi)的壓力不會(huì)過高，壓力開關(guān)直接串接在鍋爐加熱體，動(dòng)作時(shí)可以斷開加熱），說明壓力達(dá)到了一定的值。此時(shí)溫度與蒸汽量成反比。溫度高說明鍋爐內(nèi)的蒸汽量比較少，蒸汽未到飽和，鍋爐內(nèi)無液態(tài)水，此時(shí)可以進(jìn)行補(bǔ)水。如果鍋爐內(nèi)完成沒水，有可能無法形成壓力，因此在檢測到比較高的溫度時(shí)要關(guān)掉鍋爐加熱。

7 總結(jié)

該文介紹了鍋爐熨斗的蒸汽產(chǎn)生系統(tǒng)、電源供電電路和主要部件的控制驅(qū)動(dòng)硬件電路。從理論基礎(chǔ)出發(fā)，研究了鍋爐溫度與蒸汽壓力的關(guān)系、鍋爐溫度與蒸汽儲(chǔ)量的關(guān)系、加熱功率與水汽化量的關(guān)系。針對(duì)帶鍋爐溫度傳感器檢測和鍋爐水位探針檢測水位這2 種不同設(shè)計(jì)方案，分別給出了對(duì)應(yīng)的加熱及水泵補(bǔ)水控制方法。該控制方法具有普遍適用性，對(duì)進(jìn)行鍋爐熨斗控制的軟件設(shè)計(jì)有指導(dǎo)性作用，包括軟件控制架構(gòu)，參數(shù)的設(shè)定方法等。另外也可以給類似的產(chǎn)品如咖啡機(jī)、蒸汽烤箱等產(chǎn)品提供借鑒。該文的方法通過簡單的控制邏輯達(dá)到了較好的蒸汽產(chǎn)生效果，當(dāng)然如果要達(dá)到更高的要求，如保持鍋爐內(nèi)溫度水量精準(zhǔn)可控，還需要進(jìn)一步的深入研究?？梢詫?duì)整個(gè)熨斗系統(tǒng)建立完整的數(shù)字模型，通過測量參數(shù)與數(shù)字模型比對(duì)修正，實(shí)時(shí)了解整個(gè)系統(tǒng)狀態(tài)，達(dá)到更高的控制要求。