CN101561306A - 准确监测太阳能热水器水箱内水量的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种对太阳能热水器水箱内水量进行准确监测的方法，包括使用至少一个称重传感器来测量太阳能热水器水箱的至少部分重量，以获得所测重量的测量值；根据所述水箱的空载测量值、满载测量值以及当前测量值计算出水箱内当前水量与最大水量的水量百分比，以及定期对所述称重传感器的漂移进行自动校正，从而获得准确的水量百分比。

Description

准确监测太阳能热水器水箱内水量的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种准确监测太阳能热水器水箱内水量的方法和装置。

背景技术

用于测量太阳能热水器水箱内水量的传感器是太阳能热水器的一个重要的部件。太阳能热水器的水量测量和控制都与测量水量的传感器密不可分，稳定工作的传感器是对整个太阳能热水器智能控制的保障。

目前，通常使用水位传感器来测量水面在水箱内所处的位置，其间接反映了水箱内的水量。现有的水位传感器种类繁多，有触点式、浮球式等等。这些传统的传感器都需要放入水箱内并与水接触。由于太阳能热水器水箱内的高温(能长时间处于100℃，无水时能高达200℃)以及在加热过程中容易结上水垢(CaCO₃)，这些水位传感器在开始安装使用的第一年里故障率达到了5％-10％，而三年内的故障率更高达50％。而一旦水位传感器出现了故障，售后工程师就不得不爬上房顶对其进行更换。如此高的故障率造成了用户使用的不方便，并增加了维护成本。

本发明旨在通过下面描述的方法和装置来解决上述及其其它问题。

发明内容

在本发明中，直接使用水箱内的水量百分比(即，水箱内当前水量与满载水量的百分比)来反映水箱内的水量多少。考虑到水箱的形状，水量百分比与传统意义的水位相比能更准确地反映水箱内的水量，有利于用户更准确的了解当前水量以及更准确地进行太阳能热水器的水量控制。

本发明利用称重传感器来测量太阳能热水器水箱内水量百分比，称重传感器安装在太阳能热水器的水箱外部，所以不需要对原太阳能热水器的水箱进行任何改动，并由于水箱的外部环境明显优于水箱内部的环境，解决了上述水箱内传感器由于高温和水垢带来的高故障率的问题，从而获得了极低的故障率并延长了水量测量装置的寿命。

然而，对于传感器，尤其是对于称重传感器而言，在使用的过程中经常会出现传感器漂移的现象。传感器漂移产生的原因是：称重传感器通常都基于一种材料的弹性形变，而该弹性材料在每次弹性回复之后总会产生一定的弹性疲劳。除了材料本身引起的漂移外，还存在一种温度漂移，即由于温度变化而引起的传感器输出变化。可见，传感器发生漂移的现象是不可避免的，并且随着使用时间的增加，漂移还会越来越显著。

在称重传感器发生漂移的情况下，其所测得的水箱重量值以及计算得到的水量百分比将变得不准确，而太阳能热水器根据不准确的水量百分比对注水进行控制，必将引起：过度注水或者向注水不足。由于太阳能热水器的水箱通常都是置于房屋顶部，所以在热水器使用期间很难对测量水箱重量的称重传感器进行检测和校准，并且如果安排维护人员定期对其进行检测和校准，其操作难度和成本都将是很大的。

根据本发明的一个方面，提供一种准确监测太阳能热水器水箱内水量的方法，包括：使用至少一个称重传感器来实时测量太阳能热水器水箱的至少部分重量，以获得所测重量的测量值；根据所述水箱的空载测量值、满载测量值以及当前测量值计算出水箱内当前水量与最大水量的水量百分比，以及定期对所述称重传感器的漂移进行自动校正。

所述当前水量为所述当前测量值减去空载测量值，所述最大水量为所述满载测量值减去空载测量值。

工作人员在完成太阳能热水器的安装后，在水箱空载时和水箱满载时测得所述空载测量值和满载测量值，并将其存储在太阳能热水器水量检测装置的控制器中。

定期对所述称重传感器的漂移进行自动校正的步骤包括：向太阳能热水器水箱注水，如当前测量值在一数值保持恒定并持续预定时间则使用该数值来更新满载测量值，计算更新后满载测量值与更新前满载测量值的比值，以及使用空载测量值与所述比值的乘积来更新空载测量值。

所述定期对所述称重传感器的漂移进行自动校正可以每1个月自动执行一次，优选每2周一次。

上述使用空载测量值与所述比值的乘积来更新空载测量值是基于：某一时刻的特定称重传感器对于不同负荷的漂移率基本相同。通过对满载测量值和空载测量值的更新，保证了计算得到的水箱内水量百分比的准确性。

结合准确的水量百分比，太阳能热水器的控制装置能够准确地控制向水箱内注水，解决上述过度注水或注水不足的问题。

根据本发明的另一方面，还提供了一种准确监测太阳能热水器水箱内水量的装置，包括：至少一个称重传感器，设置用于实时感测太阳能热水器水箱的至少部分重量；控制器，基于来自称重传感器的电信号得到表征称重传感器所测重量的测量值，并将水箱的空载测量值、满载测量值存储在控制器中；所述控制器根据水箱的当前测量值和所存储的空载测量值、满载测量值计算出水箱内当前水量与最大水量的水量百分比；所述控制器进一步定期对所述称重传感器的漂移进行自动校正。

附图说明

图1示出了根据本发明实施例的使用称重传感器的太阳能热水器水箱内水量监测装置；

图2示出了根据本发明自动校正称重传感器漂移的方法的流程图。

参照以下描述的示例性实施例，本发明的这些及其其它方面将变得更加清楚。

具体实施方式

下面将参照附图来描述本发明的示例性实施例。

图1示出了根据本发明的使用称重传感器的太阳能热水器水箱内水量监测装置。水箱具有多个重力支撑点7，在其中一个重力支撑点上设置有一个称重传感器3，其承受了水箱的部分重量。称重传感器3将所承受的重量转换为mV级的电信号，并提供给控制器4。控制器4包含有放大器、低通滤波器、A/D转换器以及单片机(微处理器)。在控制器4中，来自称重传感器3的电信号经过放大、滤波、A/D转换，然后由单片机进行处理得到表征称重传感器所承受重量的测量值。使用单片机处理来自称重传感器的电信号以得到表征称重传感器所承受重量的测量值对于本领域技术人员而言是一项成熟的已知技术，在这里就不再赘述。

在工作人员完成对太阳能热水器的安装后，在太阳能热水器水箱为空时测得表征称重传感器所承受重量的测量值，即水箱的空载测量值Minvalue；在水箱装满水时测得表征称重传感器所承受重量的测量值，即水箱的满载测量值Maxvalue。在单片机中存储所测得的空载测量值Minvalue和满载测量值Maxvalue。

应注意到，虽然在本实施例中称重传感器感测到的是水箱的部分重量，但是一旦完成太阳能热水器的安装，在水箱内水量处于任何位置时，称重传感器所感测的水箱部分重量与水箱总重量之间的比例是恒定的，所以下面将直接使用称重传感器的测量值来计算水箱内的水量百分比。

在太阳能热水器的使用过程中，结合所存储的水箱空载测量值Minvalue、水箱满载测量值Maxvalue以及即时测得的水箱当前测量值Curvalue，由控制器4根据下列公式计算出当前水箱内的水量百分比W_L，即水箱内的当前水量与最大水量的百分比：

$W_L=\frac{\mathrm{Curvalue}-\mathrm{Minvalue}}{\mathrm{Maxvalue}-\mathrm{Minvalue}}\×100\%.$ (公式1)

当传感器发生漂移时，上述即时测得的水箱当前测量值将相对于实际值变大或变小。由于公式1中的水箱空载测量值Minvalue、水箱满载测量值Maxvalue都是从控制器4中直接读取的已存储测量值，所以传感器的漂移必然导致所计算得出的水量百分比相对于实际水量百分比将变大或变小。

图2示出了根据本发明自动校正称重传感器漂移的方法的流程图。太阳能热水器的控制器每一个月自动执行一次上述称重传感器的自动校正，优选每两周执行一次。在为水箱注水时，持续对称重传感器所承载的水箱重量进行测量，在本实施例中，Weight(i)表示在时刻i的测量值，而Weight(i+1)表示在后一时刻的测量值。控制器4对前后时刻的测量值进行判断“Weight(i+1)＝Weight(i)？”。如果Weight(i+1)不等于(在注水过程中，不等于的情况应该为大于)Weight(i)，则控制器4继续对后面时刻的测量值进行上述判断；如果Weight(i+1)等于Weight(i)，则控制器开启一计时器，同时继续对后面时刻的测量值进行上述判断。开启计时器后，如果控制器4判断在后面时刻的Weight(i+1)持续等于前一时刻的Weight(i)，并且此相等的情况持续n秒(n为大于零的整数)以上，优选为6秒以上，则控制器4判断水箱上水已满，即已经满载。由于在水箱满载后如果还继续上水，多余的水将通过溢水管流出，所以水箱内的水量将不再增加。

接下来，控制器4判断这是否为安装完热水器后的第一次为水箱注水，如果判断结果为“是”，则控制器将所述持续恒定的测量值Weight(i+1)设定为水箱满载测量值Maxvalue，并存储在控制器4中；如果这不是第一次注水，则控制器4将所述持续恒定的测量值Weight(i+1)与控制器4中存储的满载测量值Maxvalue进行比较，判断“Maxvalue*K1＞Weight(i+1)＞Maxvalue*K2？”这里K1和K2分别为大于1和小于1的两个漂移系数，优选分别为1.3和0.7。如果判断结果为“否”，则表示该传感器的漂移过大，已不适于继续使用，控制器4将建议用户更换称重传感器；如果判断结果为“是”，则控制器4将所存储的水箱满载测量值Maxvalue更新设置为所述持续恒定的测量值，即Maxvalue’＝Weight(i+1)。最后，关闭上水阀。

对于称重传感器在一定范围的漂移而言，其对于不同的负荷呈现基本相等的漂移率。在本实施例中，根据更新的水箱满载测量值Maxvalue’，传感器4将其存储的水箱空载测量值Minvalue更新为新的空载测量值Minvalue’：

${\mathrm{Minvalue}}^{\′}=\frac{{\mathrm{Maxvalue}}^{\′}}{\mathrm{Maxvalue}}\×\mathrm{Minvalue}.$ (公式2)

在完成了对控制器4所存储的水箱空载、满载测量值的更新后，再使用公式1来计算水箱内的水量百分比，可以发现称重传感器当前产生的漂移量被消除，得到了准确的当前水量百分比。

控制器可以将计算得到的水箱水量百分比W_L输出到显示装置5，显示给用户。由于现在的称重传感器已经具有很好的灵敏度，所以通过上述方法得到的水量百分比也具有足够的精确度。根据本发明的水量监测装置不但能够在几个离散的水量百分比值，例如0％、25％、50％、75％和100％显示水量，而且还能向显示装置实时输出连续变化的水量百分比值。

计算得到的水量百分比值除了显示给用户，而且还能用于对水箱内水量的自动控制。在控制器内，可以根据用户所需设置一个预定水量百分比，当上述计算得到的水量百分比低于该预定水量百分比时，控制器打开太阳能热水器的上水电磁阀6向水箱注水，并且当计算得到的水量百分比达到该预定水量百分比时，控制器能够关闭所述上水电磁阀6以停止向水箱注水。

同时，控制器内还设置有一个例如为5％的警戒水量百分比，当所述水箱内水量百分比低于该警戒水量百分比时，控制器打开太阳能热水器的上水电磁阀6以向水箱注水，直到水量达到上述预定水量百分比。

通过预定水量百分比和警戒水量百分比的设置，结合实时测得的水量百分比，就能够实现水箱内水量的自动控制。通过上述对传感器漂移的校正，保证了计算得出的水量百分比的准确性。控制器根据准确的水量百分比来对水箱内水量进行自动控制，避免了水箱内水量过高或过低，既保证了热水器的加热效率又保证了热水器的安全。

请注意，在太阳能热水器平时为水箱上水的过程中，控制器根据预定水量百分比和警戒水量百分比来对上水量进行控制；而在定期对传感器漂移进行校正的上水过程中，控制器不再根据预定水量百分比来对上水量进行控制，而是让水箱上水到满载，控制器在判断水箱已满载时自动关闭上水电磁阀。

上述实施例中使用一个称重传感器来测量当前水箱的部分重量，但本发明不限于此，也可以使用多个称重传感器。使用不同数量的称重传感器的区别仅在于所使用的每个称重传感器所承受的重量不同而已，可以使用任意一个称重传感器的测量值来计算所述水量百分比，也可以使用多个称重传感器的测量值之和来计算所述水量百分比。因此，根据安装现场的情况以及特别的需要，可以使用其它数量的称重传感器来对水箱进行称重。同样，对于校正传感器的漂移而言，在使用任意一个称重传感器的测量值来计算所述水量百分比的情况下，仅对该称重传感器的测量值进行校正；而在使用多个称重传感器的测量值之和来计算所述水量百分比的情况下，则对所述多个称重传感器的测量值之和进行校正。

本领域技术人员应清楚本发明不限于上述示例性的实施例，本发明可体现为不偏离本发明实质的其它形式。因此，本发明所请求保护的范围由后面的权利要求进行限制，而非上述说明书的内容，而且所有属于权利要求等同物范围内的各种变型都包括在其中。另外，权利要求中词语“包括”不排除其它元件或者步骤，词语“一个”不排除多个。权利要求书中的任何附图标记不应解释来限制所涉及的权利要求。

Claims (14)

1、一种准确监测太阳能热水器水箱内水量的方法，包括

使用至少一个称重传感器(3)来实时测量太阳能热水器水箱(1)的至少部分重量，以获得所测重量的测量值；

根据所述水箱的空载测量值、满载测量值以及当前测量值计算出水箱内当前水量与最大水量的水量百分比，以及

定期对所述称重传感器的漂移进行自动校正。

2、如权利要求1所述的方法，其中

所述当前水量为所述当前测量值减去空载测量值，所述最大水量为所述满载测量值减去空载测量值。

3、如权利要求1或2所述的方法，其中定期对所述称重传感器的漂移进行自动校正的步骤包括：

向太阳能热水器水箱注水，

如当前测量值在一数值保持恒定并持续预定时间则使用该数值来更新满载测量值，

计算更新后满载测量值与更新前满载测量值的比值，以及

使用空载测量值与所述比值的乘积来更新空载测量值。

4、如权利要求3所述的方法，其中定期对所述称重传感器的漂移进行自动校正的步骤每一个月执行一次。

5、如权利要求1-3之任一所述的方法，还包括

向用户显示计算得出的水量百分比。

6、如权利要求5所述的方法，其中

向用户连续地显示所述水量百分比。

7、如权利要求5所述的方法，其中

仅在几个离散点向用户显示所述水量百分比。

8、一种准确监测太阳能热水器水箱(1)内水量的装置，包括：

至少一个称重传感器(3)，设置用于实时感测太阳能热水器水箱(1)的至少部分重量；

控制器(4)，基于来自称重传感器的电信号得到表征称重传感器所测重量的测量值，并将水箱的空载测量值、满载测量值存储在控制器(4)中；

所述控制器根据水箱的当前测量值和所存储的空载测量值、满载测量值计算出水箱内当前水量与最大水量的水量百分比；

所述控制器进一步定期对所述称重传感器的漂移进行自动校正。

9、如权利要求8所述的装置，其中

所述当前水量为所述当前测量值减去空载测量值，所述最大水量为所述满载测量值减去空载测量值。

10、如权利要求8或9所述的装置，所述控制器定期对所述称重传感器的漂移进行自动校正包括：

控制器打开上水电磁阀向水箱注水，

如当前测量值在一数值保持恒定并持续预定时间则使用该数值来更新控制器中存储的满载测量值，

计算更新后满载测量值与更新前满载测量值的比值，以及

使用控制器中存储的空载测量值与所述比值的乘积来更新所存储的空载测量值。

11、如权利要求10所述的装置，控制器对所述称重传感器的漂移每个月进行一次自动校正。

12、如权利要求8-10之任一所述的装置，还包括

显示器(5)，用于显示由控制器计算得出的水量百分比。

13、如权利要求12所述的装置，其中

所述显示器连续地显示所述水量百分比。

14、如权利要求12所述的装置，其中

所述显示器仅在几个离散点显示所述水量百分比。

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