4 .1  气动控制和电磁阀

　　司机坐在车边，遥控车门开和关

　　在实际生活和生产中，根据用来传送信息或动力的物质形态，可把自动化系统分为电动、气动、液动三类，其中电动的为数最多。液动就是指油压或水压系统。在日常生活中几乎用不着液动设备，只在工业的重型设备上有用。但是气动设备却并不少见，例如公共汽车及电力的门就是气动的。公共车辆的门都是由司机前面的电开关控制的，但驱动车门并不使用电力，而是用电流控制“电磁阀”的启闭，通过电磁阀决定压缩空气的流向，最后由压缩空气推动活塞开门或关门。为什么不直接用电力却绕这么大弯呢？听我说说这个道理吧。

　　用压缩空气为人们干活有着不少好处：首先，气动工具的结构比电动工具简单，无非是气缸、活塞和膜片之类，不像电动机和电磁铁那样复杂，也用不着维护和照料。其次气动工具适用于恶劣环境，不怕潮湿、灰尘、振动和过冷过热，比电器设备坚固耐用；第三，气缸、活塞之类容易直接输出大的机械力或者长的位移，电动工具就得有复杂的传动机构来达到同样的效果；再有，气动工具允许长时间受阻挡停转或卡住而不会发热损坏，电器设备就不行；还有一个原因，若在潮湿的矿井里使用电动工具则不但有触电危险，还可能因电火花而引爆井下的易燃易爆气体。但是使用气动工具，非但安全而且它排出的空气有助于空气流通。

　　由于气动有这么多优点，所以车门采用气动代替电动是非常合适的。因为气压不很高，万一把人体夹住也不会有严重伤害。倘若是用油压车门（当然实际没这么用的）那岂不把人挤成残废吗？

　　也许有人会问，气动既然比电动好得多，那为什么不把“家用电器”全改成“家用气器”呢？最主要的原因就是气源不方便，为了用气动工具还得买空气压缩机，那就太不合算了。但是大汽车上有现成的气源，因为一般大汽车的刹车也是要用压缩空气的，所以车上有空气压缩机。像车门这样的装置工作时只需要有全开和全关两个状态就足够了，根本用不着半开半关，所以采用开关方式控制是合情合理的。不过在此要说明一点，车门的开关控制只不过是远方操作而已，算不上自动控制，与前面所说的温度、压力等等的开关控制有着本质的不同。但气动设备在工业上的应用，更多的是自动生产线上的工件夹紧放松和刀具前进后退等动作，和车门控制有相似之处。

　　就拿气动车门来说，也有自动化程度高一些的，比如地下铁道的车门，各个车厢的门都是司机通过电磁阀控制的，到站同时开，启动前同时关。你大概也注意到，开门时动作很干净利落，一次就开大了。但是在关门的过程中有时似乎犹豫不决，关了一半时忽然又急忙开大一点，然后再关。甚至这样反复两三次才完全关上。你猜这是为什么？一定是某个车厢有人被门夹住了。这种车门有个防夹措施，一旦在关的过程中遇到某些阻力，它就立刻自动地开大一点重新再关。若没这项措施，只要有人被夹就死死地夹住不放，非得等别人经过长距离传话给列车前面的司机，叫他再开一下门，被夹的人才能重获自由，那多么可笑。汽车和电车没这个措施是因为必要性不大，即使把乘客的背包或脚后跟夹住了，叫司机开门也方便。当然最好是别出这种事。

　
　　在机电一体化的现代工业生产系统里，气动和电动往往共存，这样才能各取所长，所以用电控制的阀门应用十分普遍，叫做“电磁阀”。它在液压系统里也用得很多。图1就是常用于全自动洗衣机上的进水电磁阀的示意图。图的上部有铁心和线圈，铁心的位置决定阀的启闭。线圈里通电时铁心被吸起，阀门开启。断电后弹簧把铁心推落，阀门就关闭了。这也就是电磁阀名称的由来。水首先进入A室，如果铁心在最下位置，膜片被压下把出水口C堵住，不能流通。但是水可以经小孔流到B室，使A、B两室的压力相等。当线圈里通电时，铁心被吸起，B室中的水先从大孔流到C室，这使B室压力迅速下降，出现膜片下方压力高于上方的不平衡力。此力把膜片抬起，水便从A直接到C并且送往出口。若用铁心直接带动膜片使阀开闭，虽然原理上可行，但动作阻力太大。采用膜上开大孔及小孔的办法，就是为了借助水的压力使膜片更容易动。

　
　　　在汽车中，车门由气缸、活塞机构带动，电磁阀就是决定活塞动作的控制器。动画的上半部左右各有一个线圈和铁心，铁心和小活塞式滑阀相连，用以控制压缩空气的气路。当滑阀杆处在中间位置时，两个线圈都没通电，滑阀把通向气缸的两个气路都堵住，下面的大活塞就停在原来位置不动。如果右线圈里通电把滑阀门杆吸到右边，压缩空气就被送往气缸左端把活塞向右推。反之，如果左线圈里通电把滑阀门杆吸到左边，压缩空气就被送往气缸右端把活塞向左推。

　　由此可见根据不同的物理对象和应用环境，选用不同的控制方法，可以达到适合的控制目的！

　　4 .2  灭火自动关气

　　使用燃气热水器 灭火自动关燃气

　　随着现代化程度的提高，人们的生活舒适程度越来越高，家用燃气热水器已在城市居民中广泛使用，但它用管道煤气或天然气作燃料，若无安全措施容易引起中毒或火灾。一般家用燃气热水器本质上无非是个以燃气为燃料的小锅炉而已，但是它的“锅”是用很薄的金属做成的“换水器”。而且大多数家用热水器是“直流式”，即水顺着一根管子走，边流动边被加热，直到出口冷水就变成热水了。管子里的水容量很小，这样的好处是热得快，可是这样的锅炉很容易把水烧干。一旦水不流动就得赶紧把火灭掉，否则水就会沸腾，不一会儿水干了就会把热水器烧坏了。因此，燃气热水器上都有各不相同的自动开关，可以说是家用器具上安全保护装置花样最多的。

　　但因新旧产品不同，制造厂家各异，原理和结构不大一样，这里只介绍几个常见类型。家用燃气热水器的安全保护装置中，有个专门管“灭火自动关气”的开关。因为无论是所用的燃气或是它排出的烟气，都是有毒的，所以不允许把它装在浴室里面，必须装在浴室外通风的地方。可是这样一来，洗澡的人就看不见热水器里有没有火焰了。而且，既然要求把热水器装在通风的地方，那就很容易被风把火焰吹灭。

　　有人会说：“从热水器上的小窗口看进去，那火苗很旺，不至于被风吹灭吧”。其实，你要考虑到洗澡的用水特点是断断续续的，一会儿洗，一会儿搓肥皂。若是在不用水的情况下也让热水长期哗哗流着，那该多么浪费？所以就得一会儿点火，一会儿灭火。于是在某些热水器上就设计了长明小火，只要洗澡前把它点着，不论用不用水，这小火总是长明不灭。用热水时它把大火引燃，不用时它作为火种保持着燃烧。这个小火可就弱不禁风了，在使用中若是火焰已经被吹灭了，洗澡的人还不知道，等到开大阀门时突然冷水烧头才明白是火灭了，就肯定要感冒着凉。着凉还算小事，火灭之后放出来的燃气得不到燃烧，弥漫在房里里岂不是祸害吗？所以使用中突然灭火是非常危险的。怎么办呢？总不能为此专门派个人守望火焰吧！根据一些简单的思想，于是就想到设计个灭火自动关气的装置。

　　1．双金属片灭火关气

　　这种阀的杆上有个弯曲的双金属片，处在长明小火的旁边，靠小火把它加热才能使气阀开启。若是小火灭了，双金属片冷却伸展就把燃气阀关闭。

　　双金属片灭火关气原理

　　2．热电偶电磁阀灭火关气

　　新式热水器里没有长明小火，利用出水阀的开大自动点火，也要有灭火关气装置以备万一，往往用热电偶和电磁阀实现灭火关气。“热电偶”是工业测温技术里广泛使用的元件，它用两种不同的耐热而又导电的材料制成细丝，将其一端焊接在一起，这个焊点若被加热，另一端就会产生电动势。这个电动势本身很微弱，只有几十毫伏，把它放大以后就能测量或控制温度。将热电偶装在火焰旁，用它的电动势放大后控制燃气电磁阀，有火时阀是开的，一旦灭火就自动关闭。

　　无论用双金属片灭火关气或是热电偶电磁阀灭火关气，在没点火之前，双金属片是冷的，热电偶也不热，燃气不通，这样下去那还怎么用热水呢？所以必须靠外力引燃。这个外力就是水气联动阀。“水气联动阀”就是靠水的压力或水流在某个阻力件流过后形成的压力差把燃气阀打开，一旦停水，这个压力或压力差消失，燃气阀就关闭了。根据这样简单的思想就可以解决大问题了！

　　4 .3  停水自动关气

　　停水自动把火灭 免得水管被烧裂

　　热水器在使用中若遇停水，必须立刻用自动开关把燃气关闭，不然就会空烧，损坏热水器里的换热器。虽然停水的事不见得常有，也不可不防。所以必须采取措施，避免这种情况的发生。

　　为了保护热水器，采用了“水气联动阀”。靠水的压力或水流过某个阻力元件后形成的压力差把燃气阀打开，一旦停水，这个压力或压力差消失，燃气阀就关闭了。下图给出了它的基本构造和工作过程。

　　水气联动阀原理

　　这是利用水流的压力差工作的停水关气装置。在进水管路里有个小室，其中有薄膜，膜的左右分别接在有阻力的水量调节阀的两端，若正在用水，水流形成的压力差使石墨片向左移动，用过阀杆把燃气阀打开。若停水则膜片在弹簧作用下向右移动，气阀关闭了。如果不是停水而是出水阀关闭，同样也没有压力差，也会关气灭火，以免烧坏换热器。下次再用热水时，一旦打开出水阀，水流压力差的出现又会把燃气阀打开。

　　仔细观察还能发现，在小室的膜片两边可以经过锥形管相通，锥形管里还有个小球，这是做什么用的？这叫“缓燃器”，目的是让点燃过程较慢而灭火过程较快。点火前必须有足够时间使燃气到达点火器的火花间隙处，而且气流不宜太快才有利于点燃。但灭火时应毫不迟疑地把燃气阀关死，不要在火已灭之后还没关严以致有燃气排出。怎么才能缓燃而快关呢？当出水阀打开，压力差出现时，膜向左运动，这时膜左边的水被挤压从上面的小管流向出水口，水把小球压到锥形管的下端，把管底堵塞，难以流动，只能较慢地漏。所以膜片向左动得慢。但是关出水阀时，差压消失，在弹簧作用下膜片向右动，上面锥形管里的水就要倒流，把小球向上冲起来，管内阻力减小，流动很快，膜片向右边动作得快。所以燃气关得快。可见设计者考虑得多么细致周到，采取的措施又是多么简单有效。总之，出水阀和燃气阀是联动的，所以有“水气联动阀”之称。用了这种装置就防止了停水后空烧损坏换热器。

　　值得注意的是，除了上述保护作用以外，水气联动阀还体现了自动调节水温的作用。假定燃气阀开度恒定，火焰的强度就不会变，发热量也就不变。若是洗澡的人突然把出水阀开大，流量增加了，可是火焰的发热量依然如故，肯定水温要下降。也就是说，水流越大水就越凉，水流越小水就越热。这当然谁都不会满意的。有了水气联动阀就好了，水流越大压力差越大，阀里的膜片就越往左移动，结果是气的通路加大，火焰烧得更旺，这样一来水温就不会下降太多了。这样既保护了热水器又调节了温度，真是一举两得。

　　说了半天自动灭火，可是这火又是靠谁来点燃呢？洗澡过程中，一关水火就灭了，等搓完肥皂要用水冲的时候，没人点火难道用凉水冲吗？显然不行。事实上某些新型热水器的水气联动阀还跟点火装置有联系，当你开大出水阀的时候，聪明的热水器就知道你要用热水了，赶紧替你把火点上。电子点火的线路也不复杂，这是一种用电池的点火电路，若把开关闭合，晶体管，变压器及电阻所构成的振荡电路起振。这时变压器的次级产生高电压，经二极管整流后通过电阻向电容充电。同时还经过变压器给电容充电。因为双向二极管起初不导通，但当电容上充到一定电压以后，导通了，使得双向晶闸管突然导通。这时电容上的电荷经过变压器迅速放电，使其次级产生10kV以上的高压，足以把火点燃。上述电路本身并没有什么特别，巧妙之处就在于它并不是靠人力把开关闭合才开始工作的，而是把开关装在水气联动阀里面。当打开出水阀时，差压膜片把燃气阀开启的同时，高电压的火花就出现了，所以点火不仅是自动的而且可以说是及时的。这种电路若一次未能点燃，还会再点多次。

　　有了水气联动阀，又把自动点火联上去，自动化程度就更高了。

　　除此之外，大的热水器应该装排烟道和通风设备，家用小热水器往往直接排到室内，这就对室内空气有污染。因此，有的热水器上带缺氧保护措施，以保安全。实验证明，火焰的长短与空气含氧量有关。因此利用两个热电偶装在不同位置上，根据它们的电动势就能判断是否缺氧，发现情况不妙就自动报警或自动熄火。一般的热水器只能事先把火焰大小粗略地调节一下，使用中就靠水气联动阀随流量大小调节水温，但它的调节不够理想，嫌凉还得把水开小些，嫌热就再把水开大些，这不是个好办法。现在有的热水器上带有水温调节功能，可以自动维持恒温。这些辅助功能的增加原理上多没有本质的变化，不同的是具体的技术参数的细微调整，但是会极大地方便人们的生活！

　　总之，技术不断进步，产品推陈出新，今后的热水器一定会更加自动化。让我们尽情地享受科学技术带给我们的舒适与便利吧!

　　4 .4  逻辑控制

　　既没灭火又有水 洗澡刷碗都供给

　　热水器使用时，只有在既没熄火又没停水这两个条件共存才能使热水器工作，把这种关系概括成布尔代数的说法，这就是逻辑“与”的关系。换句话说，要使用热水必须[没灭火]“与”[没停水]这两条同时存在，缺一不可。这是布尔代数的内容的一种表述形式。

　　逻辑“与”可以用两个互相串联的开关对一盏灯供电的效果来比拟。比如有甲乙两人对某事发表意见，可以用这个最简单的表决电路。每人前面有个开关，两开关串联之后接到一盏灯上，只有两人都把开关置于通的状态，灯才会亮。灯亮就表明甲乙两人都一致同意。见图1，通常浴室和厨房共用一个热水器，无论[洗澡]“或”[洗碗]都能使热水器供应热水，从这两个阀门看，这就是逻辑“或”的关系。两个条件中任何一个成立就能得到热水，不一定要都具备。

　开关并联给同一盏灯供电的效果。如若把甲乙两人面前的开关并联起来，只要有任何一个人把开关置于通的状态，灯就会亮。亮就表明甲乙之中至少有一人同意（也许两人都同意）。如图1。

　　此外，还有逻辑“非”的关系，那就是否定的意思。只要把某个条件的定义反过来就成了“非”的意思。例如[没灭火]就是“非”[灭火]。那么，[停水]也就是“非”[没停水]。对电路来说，开关的[通]及[断]颠倒过来，就成了“非”的关系。在自然界中这种二值逻辑是普遍存在的。

　　逻辑控制就是根据某些条件的逻辑关系决定最后措施的控制。它一点也不神秘。上述热水器的安全保护措施里就包含了“与”、“或”、“非”这三种逻辑关系。逻辑关系的表述和运算，是布尔代数的初级内容，它反映了自然界中一些最基本的逻辑关系。