CN103562607B - 家用电子混合阀装置 - Google Patents

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Abstract

一种家用电子混合阀龙头，其包括：具有热水入口和冷水入口以及出口的龙头主体；控制器；响应于所述控制器的动力阀；被调适成确定每个阀的开口程度的配置；布置在所述阀上游的温度传感器和压力传感器；和相对于所述阀布置在下游的第三压力传感器；所述控制器被调适为接收：来自所述配置的开口程度信息，和来自所述传感器的温度和压力信息，所述控制器具有使下列相关的校准关系：(i)作为第一压力差的函数，使流过热水流径的热水流速与其所述动力阀的开口程度相关，以及(ii)作为第二压力差的函数，使流过冷水流径的冷水流速与其所述动力阀的开口程度相关，且其中在操作期间，所述控制器基于所述温度信息并且基于所述龙头流径内的实际压力差来控制所述动力阀。

Description

家用电子混合阀装置
相关申请案的交叉引用
本申请案主张2011年2月28日申请的英国专利申请案第GB1103306.5号的优先权，如本文充分阐述，所述申请案以引用方式并入用于所有目的。
技术领域和发明背景
本发明涉及家用混合阀装置，且更明确来说，涉及家用电子恒温混合阀装置。
在家庭中，电子恒温混合阀或龙头可用来通过响应于设定点（通常是用户设定点）电子调节一个或多个阀构件来混合相对较热流和相对较冷流而提供具大致混合温度的混合流。举例来说，这类混合阀可安装在浴室或淋浴房中。
虽然这种装置的设计可能呈现得相当简单，但对所述设计存在许多且通常对立的要求，包括响应时间、安全性、可靠性和易维修性。当然，所述设计还受限于需要以使得能够在市场上畅销的成本来生产和提供所述装置。
电子龙头通常执行某一种闭合环路控制，这会潜在地变得不稳定且会造成过烫的热水施配给用户。因此，极其重要的是消除、最小化或至少极大地减小这类不稳定性的可能性。
在家庭水系统中，温度控制混合水流参数的任务因混合阀的入口条件的多样性而复杂化。举例来说，冷水温度可从寒冷天气下的实质0℃变化到炎热天气下的至多达30℃。热水温度可高达80℃或更高（例如，当从太阳炉或燃气炉直接抽取热水时），并且可低至冷水温度。热水温度通常可处于40℃到75℃的极宽范围内。
重要的是，混合阀的入口压力可取决于供应器、消耗和消耗设备位置的高度而在约1.5巴到7巴（压力计）的范围内变化或波动。
家用恒温混合龙头可能需要次秒响应时间以便在当冷水供应压力暂时下降（例如在连接的、可选择的或辅助水管的突然开启之后，或因冷水管道的灾难性故障或爆裂引起）时有效地响应突发情况。
关于恒温混合龙头的控制，一些已知的装置对混合流量使用单一温度传感器来提供用于控制环路的反馈。
其它已知的装置由美国专利第4,756,030号和德国专利文献第DE10241303号公开，如本文充分阐述，所述两个专利以引用方式并入用于所有目的。一起测量通过两个入口的流量与入口温度，且可添加额外的温度传感器来测量混合流量的温度。基于设定点并且使用Richmann的混合法则来计算测量的入口温度和通过每个入口的所需流速。控制器使用来自流量传感器的测量并且移动阀以便维持计算的流量。
其它已知的装置由美国专利公开第2006/0231638号和美国专利第4,694,512号公开。
虽然迄今为止已知各种电子恒温混合龙头，但在家用市场中的畅销度已然受限。并且虽然已经做出一些技术提升，但本发明人员已经意识到需要对响应行为、安全性、稳固性和易维修性的进一步改进，同时提供具成本效益的设计和产品。本公开和权利要求的主题旨在实现这个需要。
发明概要
根据本发明的教示，提供了一种家用电子混合阀龙头，其用于控制从龙头排放的混合流的温度，龙头包括：(a)龙头主体，其包括：(i)热水入口，其被调适成连接到热水源并且流体连接到热水流径；和(ii)冷水入口，其被调适成连接到冷水源并且流体连接到冷水流径，所述入口在所述龙头主体上的接点处流体连接；和(iii)龙头出口，其被调适成经由所述接点输送从所述水流径接收的混合流；(b)控制器；(c)第一动力阀，其流体连接到所述热水流径，所述阀响应于所述控制器；(d)第二动力阀，其流体连接到所述冷水流径，所述第二阀响应于所述控制器；(e)至少一个配置，其被调适成确定所述第一动力阀的开口程度和所述第二动力阀的开口程度；(f)第一温度传感器和第二温度传感器，所述传感器与所述龙头主体关联，且可操作来分别感测在所述第一动力阀上游的所述热水流径内的第一流体的第一温度和在所述第二动力阀上游的所述冷水流径内的第二流体的第二温度；(g)第一压力传感器的至少第一组件和第二压力传感器的至少第一组件，所述传感器的所述组件与所述龙头主体关联，所述第一传感器的所述第一组件可操作来接触在所述第一动力阀上游的所述热水流径内的所述第一流体，所述第二传感器的所述组件可操作来接触在所述第二动力阀上游的所述冷水流径内的所述第二流体；和(h)另一压力传感器的至少一个额外组件，所述组件相对于所述动力阀布置在下游，所述控制器被调适为接收：来自所述配置的关于每个所述动力阀的所述开口程度的开口程度信息；来自所述温度传感器的温度信息；和来自所述压力传感器的压力信息，所述控制器具有：作为第一压力差的函数，使通过所述热水流径的所述第一流体的流速与所述第一动力阀的所述开口程度相关的校准关系，以及作为第二压力差的函数，使通过所述冷水流径的所述第二流体的流速与所述第二动力阀的所述开口程度相关的校准关系，其中，在所述家用电子混合阀龙头的操作期间，所述控制器被调适成基于所述压力信息来获得所述第一流体的压力与所述第一阀下游的压力之间的实际第一压力差和所述第二流体的压力与所述第二阀下游的压力之间的实际第二压力差，且其中所述控制器还被调适成通过使用确定性数学模型来处理所述混合流的设定点温度、所述混合流的设定点流速、所述温度信息和所述实际压力差而确定性计算每个所述动力阀的所需开口程度，并且基于所述处理来控制所述阀而使其接近每个所述所需开口程度，从而使所述混合流的实际温度与所述设定点温度之间的差值保持在特定范围内。
根据本发明的另一方面，提供了一种家用电子混合阀龙头，其用于控制从所述龙头排放的混合流的温度和流速，所述龙头包括：(a)龙头主体，其包括：(i)热水入口，其被调适成连接到热水源并且流体连接到热水流径；和(ii)冷水入口，其被调适成连接到冷水源并且流体连接到冷水流径，入口在所述龙头主体上的接点处流体连接；和(iii)龙头出口，其被调适成经由接点输送从水流径接收的混合流；(b)控制器；(c)第一动力阀，其流体连接到热水流径，阀响应于控制器；(d)第二动力阀，其流体连接到冷水流径，第二阀响应于所述控制器；(e)至少一个配置，其被调适成确定第一动力阀的开口程度和第二动力阀的开口程度；(f)第一温度传感器和第二温度传感器，传感器与龙头主体关联，且可操作来分别感测在第一动力阀上游的热水流径内的第一流体的第一温度和在第二动力阀上游的冷水流径内的第二流体的第二温度；(g)第一压力传感器的至少第一组件和第二压力传感器的至少第一组件，传感器的组件与龙头主体关联，第一传感器的第一组件可操作来接触在第一动力阀上游的热水流径内的第一流体，第二传感器的组件可操作来接触在第二动力阀上游的冷水流径内的第二流体；和(h)另一压力传感器的至少一个额外组件，组件相对于动力阀布置在下游，控制器被调适成接收和/或处理：来自配置的关于每个动力阀的开口程度的开口程度信息；来自温度传感器的温度信息；和来自压力传感器中的至少一部分的压力信息，控制器具有：作为第一压力差的函数，使通过热水流径的第一流体的流速与第一动力阀的开口程度相关的校准关系，以及作为第二压力差的函数，使通过冷水流径的第二流体的流速与第二动力阀的开口程度相关的校准关系，其中，在家用电子混合阀龙头的操作期间，控制器被调适成基于压力信息来获得第一流体的压力与第一阀下游的压力之间的实际第一压力差和第二流体的压力与第二阀下游的压力之间的实际第二压力差，且其中控制器还被调适成基于温度信息和实际压力差来控制动力阀，从而使混合流的实际温度与其设定点温度之间的差值保持在特定范围内。
根据本文描述的本发明的另一方面，提供了一种控制从龙头排放的混合流温度的方法。
根据本文描述的本发明的另一方面，提供了一种控制从龙头排放的混合流的温度和流速的方法。
根据描述的优选实施方案中的另外特征，控制器被调适成基于温度和实际压力差来控制动力阀，从而使混合流的实际流速与设定点流速之间的差值保持在第二特定范围内。
根据描述的优选实施方案中的又另外特征，第三压力传感器是与第一压力传感器和第二压力传感器截然不同的压力传感器。
根据描述的优选实施方案中的又另外特征，第三压力传感器布置在第一动力阀与接点之间。
根据描述的优选实施方案中的又另外特征，第三压力传感器布置在第二动力阀与接点之间。
根据描述的优选实施方案中的又另外特征，第一压力传感器是第一压差传感器，其包括第一压力传感器的第一组件和另一压力传感器的额外组件。
根据描述的优选实施方案中的又另外特征，第二压力传感器是第二压差传感器，其包括第二压力传感器的第一组件和第三或另一压力传感器的额外组件。
根据描述的优选实施方案中的又另外特征，由第一压力传感器提供的压力信息包括离散压力信息。
根据描述的优选实施方案中的又另外特征，由第二压力传感器提供的压力信息包括离散压力信息。
根据描述的优选实施方案中的又另外特征，由第三压力传感器提供的压力信息包括离散压力信息。
根据描述的优选实施方案中的又另外特征，控制器包括被调适成驱动动力阀的至少一个驱动器。
根据描述的优选实施方案中的又另外特征，龙头还包括操作性地连接到控制器的人机界面(MMI)模块。
根据描述的优选实施方案中的又另外特征，动力阀中的至少一个由步进马达驱动，配置包括与步进马达关联的计数器，计数器被调适成计数步进马达的步数，其中控制器被调适成使用步数来确定动力阀中的至少一个的开口程度。
根据描述的优选实施方案中的又另外特征，动力阀中的至少一个由直流电(DC)马达驱动，配置被调适成实现反EMF的至少一次测量，且控制器被调适成使用测量来确定动力阀中的至少一个的开口程度。
根据描述的优选实施方案中的又另外特征，动力阀中的至少一个通过由马达驱动的旋转轴来供以动力，配置包括旋转轴，且配置被调适成基于轴的旋转角度来确定开口程度。
根据描述的优选实施方案中的又另外特征，龙头还包括布置在接点下游的第三温度传感器。
根据描述的优选实施方案中的又另外特征，龙头与家用或家庭型接收容器结合安装。
根据描述的优选实施方案中的又另外特征，龙头与选自由水槽、浴缸和淋浴间组成的群的家用或家庭型接收容器结合安装。
根据描述的优选实施方案中的又另外特征，控制器被调适成基于来自第三温度传感器的输入而修改所需开口程度。
根据描述的优选实施方案中的又另外特征，控制器被调适成基于前馈控制方案和反馈控制方案来控制动力阀，前馈控制方案和反馈控制方案至少部分并行地操作。
根据描述的优选实施方案中的又另外特征，控制器被调适使得前馈控制方案和反馈控制方案实质上完全并行地操作。
根据描述的优选实施方案中的又另外特征，控制器被调适成基于温度信息和实际压力差来控制动力阀，从而使混合流的实际流速维持在每分钟20升以上且混合流的压力是至少0.5巴。
附图简述
本文仅通过举实例且参考附图来描述本发明。现特别详细参考附图，着重指出所示细节是举实例且仅用于说明本发明的优选实施方案的说明性讨论，并且因提供对本发明的原理和概念方面最有用且易于理解的描述而呈现。在这点上，未企图比基本理解本发明所需更详细地示出本发明的结构细节，用附图进行描述使得本领域技术人员显而易知本发明的多种形式在实践中可如何具体实施。在全部附图中，相同参考字符用来指示相同元件。
在附图中：
图1提供根据本发明的一个实施方案的示例性电子混合阀装置的示意图；
图2提供根据本发明的另一实施方案的示例性电子混合阀装置的示意图；
图3是根据本发明的另一实施方案的示例性混合主体的示意图；
图4是根据本发明的另一实施方案的示例性电动阀总成的示意性截面图；
图5A至图5D是管道内的阀主体的示意性截面图，其示出开口程度从完全闭合变化到完全打开。
图6提供根据本发明的另一实施方案的电子混合阀装置的控制器的示例性逻辑流程图；
图7提供根据本发明的另一实施方案的控制器的第二示例性逻辑流程图；和
图8提供根据本发明的另一实施方案的控制器的第三示例性逻辑流程图。
具体实施方式
可参考附图和随附描述更好地理解根据本发明的电子混合阀装置的原理和操作。
在详细解释本发明的至少一个实施方案之前，应了解本发明在其应用时不限于下文描述中所阐述或附图中所图示的构造细节和组件配置。本发明能够具有其它实施方案或以各种方式实行或执行。还应了解本文使用的措词和术语用于描述目的且不应认为具限制性。
本人已经发现针对混合流量仅使用单一温度传感器来为控制环路提供反馈以控制恒温龙头存在问题。在这种构造中，所需温度与阀开口程度之间不存在一对一映射。此外，阀开口程度的改变与测量的温度改变之间存在可变延迟，这取决于未知流速。因此，需要精确地测量混合流温度，这会使得需要某种方式来加速混合入口水流。此外，热入口流和冷入口流的物理参数的不确定性造成控制系统具有不确定的响应程度：阀位置的指定改变（开口程度）会造成相对于输出温度变化的高度改变。因此，基于单一混合流温度传感器的控制环路在各种输入环境中无法产生令人满意的结果。基于一组特定的入口参数而经过适当调谐的控制环路会在不同组的入口条件下产生高温度过调，或甚至变得不稳定。可通过在入口上安装额外温度传感器并且为控制器提供温度数据而将这种控制方法的限制减小到较小程度。
在更先进的系统中，通过两个入口的流量可与入口温度一起被测量。控制器使用来自流量传感器的测量并且移动阀以便基于Richmann的混合法则来维持计算流量。这种控制系统比仅仅基于温度测量的前述系统更优越，且可部分校正其一些缺陷。然而，在这种更先进系统中，本人已经识别出相当多的缺陷和不稳定源。
可能最重要的是本人已经观测到在给定时间通过入口的流速无法确定获得出口流的预定或设定点流速所需的阀开口程度。举例来说：在较高入口压力下，阀位置的较小改变可足以获得所需流速，而在较低入口压力下，会需要阀位置的较大改变。当基于所需流量与测量流量之间的差值来校正阀位置时，这种不确定性需要以反馈方式控制通过每个阀的流速。当入口压力实质上不同于使环路最佳化的压力时，这种反馈控制环路会遭受不稳定性。因此，即使在这种相对先进的控制系统中，极度无法预测响应度。
此外，使用各种类型的常规流量传感器会造成不同种类的问题。基于涡轮的流量传感器会促进轴承磨损并且降低水流速。由于污垢和锈迹的沉积，所述流量传感器会特别容易发生故障。使用具有直接接触流水的移动零件的传感器通常会不利，这归因于大量磨损，尤其是在严峻的有水条件下。其它类型的流量传感器基于通过对流从热元件散热。这类传感器可固有地需要大量功率消耗，这可使得使用自主电源（诸如电池）是不切实际的。这类传感器还会经受长响应时间。其它类型的流量传感器（诸如基于涡泻的流量传感器）也会经受长响应时间。
许多类型的流量传感器需要层流和一段相对较长的直管道，其会不切实际地增大系统尺寸。
总的来说，在电子混合阀装置中引入各种类型的流量传感器会造成较短的装置寿命、需要较大装置尺寸并且达到较长响应时间。此外，电子混合阀装置的技术-经济性能会极大受限于家用消耗设备的节电性。
取代流量测量，本发明使用压力测量作为对控制环路的输入。为了这个目的，压力传感器可有利地布置在每个动力阀的上游和下游。本人已经发现压力传感器相对于流量传感器可具有略微改进的响应时间，至少部分是因为压力传感器大规模地测量改变而非其积分。本人还已发现通过预先校准作为压力函数的阀水力特性，并且通过将上游传感器与下游传感器之间的压力差输入到控制器，控制算法可（根据这些压力差，通常直接地）精确地计算或确定动力阀的所需开口程度，而非如现有技术所教示的通过每个阀的所需流速。因此，这个配置消除了通过每个阀的流量反馈环路的需要并且因此改进了任何组的变化压力条件的系统稳定性。因此，本发明的装置和方法完全并且固有地补偿系统中由于宽入口条件范围引起的不确定性，从而产生没有或大致没有稳定性问题的稳固、闭合环路系统。
现参考附图，图1提供根据本发明的一个实施方案的示例性电子恒温混合阀龙头或装置50的示意图。恒温龙头50包括：热水入口1，其被调适成连接到热水源（未示出）并且流体连接到热水流径8；和冷水入口2，其被调适成连接到冷水源（未示出）并且流体连接到冷水流径18。流径8和18在混合接点3处会聚来产生混合水流，其在经由混合流或龙头出口4从龙头50排放之前流过混合水流流径38。
恒温龙头50可包括流体连接到热水流径8的第一动力阀和流体连接到冷水流径18的第二动力阀14B。至少一个开口程度求值器或配置15A、15B与动力阀14A、14B关联，其被调适成测量、监测或求值每个动力阀14A、14B的开口程度。每个动力阀14A、14B通常都配备有各自配置15A、15B，其中每个可操作来测量其各自阀14A、14B相对于其完全闭合位置的位置。
龙头50的热水流径8包括第一温度传感器10A和至少第一压力传感器12A，其与龙头50的主体关联并且可操作来分别感测热水流径8内的第一流体的温度和压力。第一压力传感器12A可有利地布置在动力阀14A的上游。类似地，龙头50的冷水流径18还包括第二温度传感器10B和至少第二压力传感器12B，其与龙头50的主体关联并且可操作来分别感测冷水流径18内的第二流体的温度和压力。第二压力传感器12B可有利地布置在动力阀14B的上游。
恒温龙头50可包括下游压力传感器16，其与龙头50内的混合水流流径38关联并且可进行操作来感测在混合水流流径38内流动的混合水流的压力。恒温龙头50可包括温度传感器17，其相对于接点3布置在下游并且可进行操作来感测在流径38内流动的混合水流的温度。
温度传感器10A、10B和17以及压力传感器12A、12B和16可进行操作来向控制器22分别提供温度和压力信息。动力阀14A、14B响应于控制器22。下文将更深度地描述控制器22的操作。
恒温龙头50可包括：电子板20，其用于容纳控制器（通常是微控制器）22；和多个模拟数字转换器（ADC），诸如ADC26。每个ADC26可布置在控制器22内。每个ADC26通常被调适成从各个传感器接收信号来对其进行取样并且将其转换成数字信号。
恒温龙头50还可包括至少两个驱动器，诸如驱动器24，每个驱动器24可进行操作来驱动动力阀14A和14B中的一个。在其中由DC马达驱动阀14A和14B的示例性情况下，每个驱动器24可有利的是H桥接器。
人机界面(MMI)模块28可用来输入设定点和/或显示关于性质（诸如混合流性质）的参数。MMI模块28可有线或无线地连接到板20。
本领域一般技术人员应了解动力阀的几何形状连同驱动方法可确定开口程度求值器15A和15B的设计和构造。举例来说，对于由旋转轴控制的阀，旋转马达可连接来提供电子控制阀的方式。接着，阀开口程度可由阀轴的旋转角度来确定。当步进马达驱动阀时，计数命令步数的计数器可用作为配置或求值器15A和15B的主组件。在DC马达的情况下，反EMF的测量可用来计算马达速度，并且通过积分（计算）—马达旋转角度(http://www.acroname.com/robotics/info/articles/back-emf/back-emf.html)。在这种情况下，求值器15A和15B会将马达驱动器和软件例行程序以及用来测量跨过马达绕组的电压的ADC转换器封围在一起。在另一实施方案中，配置15A和15B可包括电位计和ADC转换器。通过测量电位计的电阻改变，可推断出阀轴的成角度移动。在又一实施方案中，光耦合或霍耳效应编码器可用来计算阀轴的成角度移动。
在图2中所示的根据本发明的恒温龙头或装置200的另一示例性实施方案中，第二热水流径压力传感器13A可沿着热水流径8相对于动力阀14A布置在下游。类似地，第二冷水流径压力传感器13B可沿着热水流径18相对于动力阀14B布置在下游。尤其有利的是使用单一压差传感器单元19A，其可进行操作来测量动力阀14A的上游压力与下游压力之间的差值。类似地，压差传感器单元19B可用来测量动力阀14B的上游压力与下游压力之间的差值。在这种情况下，压力传感器12A、13A可本质上是压差传感器单元19A的第一组件和第二组件，且压力传感器12B、13B可本质上是压差传感器单元19B的第一组件和第二组件。
上述配置可消除对压力传感器16（图1中所示）的需要。如上所述，温度传感器17是装置的可选组件。
图3是根据本发明的另一实施方案的示例性混合主体250的简化机械图。这个实施方案表示基于图1中提供的方案的基于电子龙头的特定硬件设计。
混合主体250包括外壳220，其具有热水入口220A、冷水入口220B和混合水出口220C。混合主体250还包括组合式压力/温度传感器202A、202B和202C，其被调适成分别测量热水流、冷水流和混合水流的温度和压力。诸如RPS0-6传感器单元（Grundfos HoldingA/S,Denmark（丹麦格兰富控股公司））的传感器可能是适合的。
混合主体250还包括动力阀单元210A和210B，其分别可进行操作来基于来自与控制器20关联的驱动器24（图1中所示）的控制信号而控制流过热水入口和冷水入口的水。动力阀或阀总成210A和210B可通过互补连接件（诸如互补螺纹表面（例如使用标准螺纹））连接到外壳220。因此，每个阀210A和210B可以是可互换单元，其可以用简单且直接的方式可逆安装以及与外壳220可逆移除或去耦合来用于维修或更换目的。
图4是根据本发明的另一实施方案的示例性电动阀总成210的示意性截面图。电动阀总成210可包括：直流电(DC)马达211、齿轮箱212、空心轴电位计213（诸如MegAuto KG(德国慕尼黑的普茨布伦)的RH24PC），其机械地连接到马达211的齿轮输出轴2121；和盖阀215，诸如Fluehs Drehtechnik GMBH(Luedenscheid-Bruegge,Germany（德国布鲁格的吕登沙伊德）)的Lifetime F118陶瓷盖阀。通过相对于阀主体2152旋转阀215的阀轴2151，可控制通过阀215的流量。齿轮输出轴2121可通过耦合模块214连接到阀轴2151。马达211、齿轮箱212和电位计213有利地互连，使得马达211的接触件（未示出）上的压降导致轴2121相对于齿轮箱212的主体旋转，并且相对于电位计213电阻的对应改变，其与轴2121的成角度改变成比例。耦合模块214可被调适成抑制轴2121与阀轴2151之间的相对成角度移动。此外，阀主体2152和齿轮箱212可通过外壳216刚性连接，从而大致抑制齿轮箱212与阀主体2152之间的相对移动。
在电动阀总成210中，对阀215的开口程度（θ）的双向控制可通过将驱动器24（图1和图2中所示）的输出端连接到马达211的电接触件来实现，且可通过测量电位计213的取决于旋转的电阻来监测θ。
现在还是参考图1，用户可通过MMI模块28设置混合流的所需温度和流量。给定这些设定点并且基于来自ADC26的信号，控制器20被设计和构造成发送命令到阀驱动器24，从而使混合流的实际温度与设定点温度之间的差值保持在特定或预定误差容限内。由于这个限制，混合流流量与设定点流量之间的差值便可最小化。
图5A至图5D是管道504内的阀主体502的示意性截面图，其示出示例性球阀的变化的开口程度（θ）。在图5A的截面图中，管道504由阀主体502完全闭合，这可对应于θ为零。在图5B中，θ呈现正值；当阀主体502呈现为管道504的较小截面时，θ增大（图5C），达到某一最大值。在图5D中，所述最大值对应于具有完全打开截面的管道504。
当旋转阀把手（未示出）时，阀主体502可在管道内展现不同的开口程度用于水流通过。因此，对于不同开口度或开口程度，可获得不同流速。
图6提供根据本发明的另一实施方案的控制器22的示例性逻辑流程图。各个术语的定义如下提供：
Qh-通过热入口1的流速
Qc-通过冷入口2的流速
Qm-通过混合出口4的流速
Th-热入口1（热水流径8）中液流的温度
Tc-冷入口2（冷水流径18）中液流的温度
Tm_calc-经由混合出口4排放的液流的计算温度
Tm_meas-经由混合出口4排放的液流的实际温度，由传感器17测量
Ph-阀14A上游的压力（压力计压力）
Pc-阀14B上游的压力（压力计压力）
Pi-Pc或Ph
P混合-阀14A和阀14B下游的压力（压力计压力）
ΔPh=Ph－P混合－阀14A上的压降
ΔPc=Pc－P混合－阀14B上的压降
θh-由求值器15A计算的阀14A的开口程度
θc-由求值器15B计算的阀14B的开口程度
Ch(θh)-阀14A的阀系数
Cc(θc)-阀14B的阀系数
Ci-Cc或Ch
Dh-到阀14A的驱动信号
Dc-到阀14B的驱动信号
T设定-温度设定点
Q设定-流速设定点
θ设定-开口程度设定点
我们假设如下：
假设(1)混合阀中未损失热量。那么，热量守恒方程式读作：
Tm _ calc = TcQc + ThQh ( Qc + Qh ) - - - ( 1 )
假设(2)系统中未损失水。那么，质量守恒读作：
Qm=Qc+Qh     (2)
假设(3)通过每个阀的流量低于阀的最满流态。因此，以下方程式成立：
Qc = Cc ( θc ) ΔPc Qh = Ch ( θh ) ΔPh - - - ( 3 )
假设(4)Ch和Cc分别是θh和θc的单调递增函数，或至少存在其中这个假设成立的区域[θ最小_h,θ最大_h]、[θ最小_c,θ最大_c]。
给定T设定和Q设定，可以在设定点计算字组100中基于方程式（1）和（2）计算分别通过热入口和冷入口的所需流量Q设定_h和Q设定_c。由计算字组102A、104A、102B和104B根据方程式（3）和假设（4）分别计算热阀和冷阀的所需开口程度θ设定_h和θ设定_c。
其中Ci-1(x)是Ci(x)的反函数，使得Ci-1(Ci(x))=x，其中i代表c或h。
因此，给定所需流量参数T设定和Q设定，通过数学公式（1）至（4）以前馈方式确定性地计算所测入口温度Tc和Th以及所测压力差（降）ΔPc和ΔPh、阀的所需开口角度。只要假设（1）至（4）成立，那么获得的计算产生单一解决方案，使得如果阀根据这个解决方案放置，那么出口流量参数将等于所需流量参数，而无需使用基于通过一个或两个入口的流速或出口温度的反馈控制。
我们已经发现，关于压力测量，单独测量入口压力通常是不够的。可能有利的是额外测量混合水压。举例来说，本发明的电子混合阀龙头可连接到流量限制元件，其增加龙头出口的压力。举例来说，这个流量限制元件可以是淋浴喷头或转向阀。对于较高流速来说，混合阀出口处的（增加的）压力的幅度（P混合）将较高，因为限制元件上的压降随着通过其的流速增加而增高。
当存在流量限制元件时，方程式（4）中的术语
可实质上不同于术语尤其对于高流速来说是这样的。因此，使用方程式（4）中的术语会造成输送流速的重大误差以及出口温度（通过方程式（1））的对应误差，尤其对于高流速来说是这样的。虽然可以通过限制混合流速来降低误差幅度，但这个过程会不必要且不利地限制通过龙头的流量。
我们已经发现Ci对开口角度的依赖度通常可为非线性。举例来说，在上述参考的F118陶瓷盖阀的情况下，Ci对θ函数的最小平方线性拟合产生重大误差。例如，在70°开口下，单独由于线性化（未考虑压力传感器、定位传感器和校准的误差）的流速求值误差是而在50°开口下，单独由于线性化的流速求值误差是。未能会聚到所需流速将不可避免地造成实际出口温度不利地偏离由方程式（1）预测的值。通过线性化方程式（1），获得由于实际流速误差引起的温度误差：
δT = Δ T HC Q C δ Q H - Q H δ Q C ( Q C + Q H ) 2 ,
其中ΔTHC是热入口温度与冷入口温度之间的差值。举例来说，让我们假设以下参数：
根据上述过程，这些情况中的所需流速和阀系数是QH=QC=5l/分钟、CVH=5.24、CVC=2.1。线性化模型的所得开口角度是θH=70°、θc=50°。因此这意味着取代获得混合输出流温度为接近舒适的38°，实际混合温度变成热得很不舒适（42.3°）。可分别使用PID控制器106A和106B控制每个阀14A、14B的位置。PID控制器106A和106B通过驱动器24（上文所示和描述）并且基于控制变量来驱动其对应的阀14A、14B。
由于入口的压力测量误差、温度测量误差、函数Cc和Ch校准期间的误差以及θh和/或θc的误差，出口的实际温度Tm_meas可不同于计算的混合流温度Tm_calc。作为补偿方式，图7中描述的控制器22的另一实施方案通过字组110求温度误差的积分、将其乘以积分器增益112并且用不同标记加上所得值到计算的设定点Q设定_h和Q设定_c。图8中提供类似控制构造（和方法）。但是，在字组104A和104B之后将积分器增益112的输出提供到基本控制环路。为了有进一步的多功能性，举例来说，当动力阀14A和14B是不同类型时，额外增益113可并入控制方案中。举例来说，如果动力阀14A具有180度的范围，且动力阀14B具有90度的范围，那么180度阀中移动两度可大致对应于90度阀中移动一度，且增益113将是2.0。
虽然本领域一般技术人员会了解存在多种阀校准方法来确定阀恒定，但函数C的校准过程可易于如下执行：
a)对于每个开口度θ，例如通过用位于将被校准的阀上游或下游的另一阀来限制流量而在将被校准的阀上施加不同压降ΔP；
b)对于ΔP设定，测量ΔP和通过将被校准的阀的流速Q；
c)绘制点 ( ΔP , Q ) ;
d)在最小化线与测量点之间的均方根误差的线中找趋势线，其中m是线的斜率；以及
e)确定C(θ)=m。
如本文说明书和随附权利要求书中使用，术语“压力传感器”意指包括测量绝对压力或相对压力（或压差）的传感器。相对压力可相对于大气、相对于另一特定或预定压力或相对于恒温混合阀装置内或任何水流径内的另一压力。
如本文说明书和随附权利要求书中使用，术语“另一压力传感器”相对于第一压力传感器和第二压力传感器是指第一压力传感器和第二压力传感器中的至少一个，或指不同于第一压力传感器和第二压力传感器的另一压力传感器（诸如第三压力传感器）。
如本文说明书和随附权利要求书中使用，术语“离散压力信息”是指绝对压力信息，或指相对于大气或相对于独立于恒温混合阀装置内或任何水流径内的压力的标准的压力信息。
如本文说明书和随附权利要求书中使用，术语“家用电子混合阀龙头”及类似物是指被调适成安装在家庭型水系统中的龙头，所述家庭型水系统具有从热水供应器（诸如锅炉）提供水的第一管道和从冷水供应器（诸如市冷水供应线（例如与市立水网连接））提供水的第二管道，所述龙头被调适成与水槽（诸如厨房或卫生间水槽）、浴室、淋浴间或类似物结合使用。术语“家用”尤其意指包括公寓楼、旅馆、医院和具有水槽、浴室、淋浴间等的其它这类基于消费者的设施。
应了解为清楚起见，以单独实施方案为背景所描述的本发明的某些特征还可在单一实施方案中组合提供。相反地，为简明起见，以单一实施方案为背景所描述的本发明的各种特征还可单独提供或以任何适当的次组合方式提供。
虽然已经结合其特定实施方案描述了本发明，但显然熟悉本领域技术人员显而易知许多替代、修改和变更。因此，意欲涵盖落入随附权利要求的精神和宽范围内的所有这类替代、修改和变更。此外，本申请案中任何参考的引用和认同不应被解释为允许这类参考用作为本发明的现有技术。

Claims (21)

1.一种家用电子混合阀龙头，其用于控制从所述龙头排放的混合流的温度，所述龙头包括：
(a)龙头主体，其包括：
(i)热水入口，其被调适成连接到热水源并且流体连接到热水流径；和
(ii)冷水入口，其被调适成连接到冷水源并且流体连接到冷水流径，
所述入口在所述龙头主体上的接点处流体连接；和
(iii)龙头出口，其被调适成经由所述接点输送从所述水流径接收的所述混合流；
(b)控制器；
(c)第一动力阀，其流体连接到所述热水流径，所述第一动力阀响应于所述控制器；
(d)第二动力阀，其流体连接到所述冷水流径，所述第二动力阀响应于所述控制器；
(e)至少一个配置，其被调适成确定所述第一动力阀的开口程度和所述第二动力阀的开口程度；
(f)第一温度传感器和第二温度传感器，所述第一和第二温度传感器与所述龙头主体关联，且可操作来分别感测在所述第一动力阀上游的所述热水流径内的第一流体的第一温度和在所述第二动力阀上游的所述冷水流径内的第二流体的第二温度；
(g)第一压力传感器的至少第一组件和第二压力传感器的至少第一组件，所述第一和第二压力传感器的所述第一组件与所述龙头主体关联，所述第一压力传感器的所述第一组件可操作来接触在所述第一动力阀上游的所述热水流径内的所述第一流体，所述第二压力传感器的所述第一组件可操作来接触在所述第二动力阀上游的所述冷水流径内的所述第二流体；和
(h)另一压力传感器的至少一个额外组件，所述额外组件相对于所述动力阀布置在下游，
所述控制器被调适为接收：
来自所述配置的关于每个所述动力阀的所述开口程度的开口程度信息；
来自所述温度传感器的温度信息；和
来自全部所述压力传感器的压力信息，
所述控制器具有：作为第一压力差的函数，使通过所述热水流径的所述第一流体的流速与所述第一动力阀的所述开口程度相关的校准关系，以及作为第二压力差的函数，使通过所述冷水流径的所述第二流体的流速与所述第二动力阀的所述开口程度相关的校准关系，
其中，在所述家用电子混合阀龙头的操作期间，所述控制器被调适成基于所述压力信息来获得所述第一动力阀上游的所述第一流体的压力与所述第一动力阀下游的压力之间的实际第一压力差和所述第二动力阀上游的所述第二流体的压力与所述第二动力阀下游的压力之间的实际第二压力差，
且其中所述控制器还被调适成通过使用确定性数学模型来处理所述混合流的设定点温度、所述混合流的设定点流速、所述温度信息和所述实际压力差而确定性计算每个所述动力阀的所需开口程度，并且基于所述处理来控制所述动力阀而使其接近每个所述所需开口程度，从而使所述混合流的实际温度与所述设定点温度之间的差值保持在特定范围内。
2.根据权利要求1所述的龙头，所述控制器被调适成基于所述温度和所述实际压力差来控制所述动力阀，从而使所述混合流的实际流速与所述设定点流速之间的差值保持在第二特定范围内。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的龙头，其中所述另一压力传感器是与所述第一压力传感器和第二压力传感器截然不同的压力传感器。
4.根据权利要求1或权利要求2所述的龙头，其中所述另一压力传感器布置在所述第一动力阀与所述接点之间。
5.根据权利要求1或权利要求2所述的龙头，其中所述另一压力传感器布置在所述第二动力阀与所述接点之间。
6.根据权利要求1或权利要求2所述的龙头，其中所述第一压力传感器是第一压差传感器，其包括所述第一压力传感器的所述第一组件和所述另一压力传感器的所述额外组件。
7.根据权利要求1或权利要求2所述的龙头，其中所述第二压力传感器是第二压差传感器，其包括所述第二压力传感器的所述第一组件和所述另一压力传感器的所述额外组件。
8.根据权利要求1或权利要求2所述的龙头，其中由所述第一压力传感器提供的所述压力信息包括离散压力信息。
9.根据权利要求1或权利要求2所述的龙头，其中由所述第二压力传感器提供的所述压力信息包括离散压力信息。
10.根据权利要求1或权利要求2所述的龙头，其中由所述另一压力传感器提供的所述压力信息包括离散压力信息。
11.根据权利要求1或权利要求2所述的龙头，其中所述控制器包括被调适成驱动所述动力阀的至少一个驱动器。
12.根据权利要求1或权利要求2所述的龙头，其还包括操作性地连接到所述控制器的人机界面(MMI)模块。
13.根据权利要求1或权利要求2所述的龙头，其中所述动力阀中的至少一个由步进马达驱动，且其中所述配置包括与所述步进马达关联的计数器，所述计数器被调适成计数所述步进马达的步数，且其中所述控制器被调适成使用所述步数来确定所述动力阀中的至少一个的所述开口程度。
14.根据权利要求1或权利要求2所述的龙头，其中所述动力阀中的至少一个由直流电(DC)马达驱动，且其中所述配置被调适成实现反电动势(EMF)的至少一次测量，且其中所述控制器被调适成使用所述测量来确定所述动力阀中的至少一个的所述开口程度。
15.根据权利要求1或权利要求2所述的龙头，其中所述动力阀中的至少一个通过由马达驱动的旋转轴来供以动力，且其中所述配置包括所述旋转轴，所述配置被调适成基于所述旋转轴的旋转角度来确定所述开口程度。
16.根据权利要求1或权利要求2所述的龙头，其还包括布置在所述接点下游的第三温度传感器。
17.根据权利要求16所述的龙头，所述控制器被调适成基于来自所述第三温度传感器的输入而修改所述所需开口程度。
18.根据权利要求16所述的龙头，所述控制器被调适成基于前馈控制方案和反馈控制方案来控制所述动力阀，所述前馈控制方案和所述反馈控制方案至少部分并行地操作。
19.根据权利要求18所述的龙头，所述控制器被调适使得所述前馈控制方案和所述反馈控制方案实质上完全并行地操作。
20.根据权利要求1或权利要求2所述的龙头，所述控制器被调适成基于所述温度信息和所述实际压力差来控制所述动力阀，从而使所述混合流的实际流速维持在每分钟20升以上且所述混合流的压力是至少0.5巴。
21.一种家用电子混合阀龙头，其用于控制从所述龙头排放的混合流的温度，所述龙头包括：
(a)龙头主体，其包括：
(i)热水入口，其被调适成连接到热水源并且流体连接到热水流径；和
(ii)冷水入口，其被调适成连接到冷水源并且流体连接到冷水流径，
所述入口在所述龙头主体上的接点处流体连接；和
(iii)龙头出口，其被调适成经由所述接点输送从所述水流径接收的所述混合流；
(b)控制器；
(c)第一动力阀，其流体连接到所述热水流径，所述第一动力阀响应于所述控制器；
(d)第二动力阀，其流体连接到所述冷水流径，所述第二动力阀响应于所述控制器；
(e)至少一个配置，其被调适成确定所述第一动力阀的开口程度和所述第二动力阀的开口程度；
(f)第一温度传感器和第二温度传感器，所述第一和第二温度传感器与所述龙头主体关联，且可操作来分别感测在所述第一动力阀上游的所述热水流径内的第一流体的第一温度和在所述第二动力阀上游的所述冷水流径内的第二流体的第二温度；
(g)第一压力传感器的至少第一组件和第二压力传感器的至少第一组件，所述第一和第二压力传感器的所述第一组件与所述龙头主体关联，所述第一压力传感器的所述第一组件可操作来接触在所述第一动力阀上游的所述热水流径内的所述第一流体，所述第二压力传感器的所述第一组件可操作来接触在所述第二动力阀上游的所述冷水流径内的所述第二流体；和
(h)另一压力传感器的至少一个额外组件，所述额外组件相对于所述动力阀布置在下游，
所述控制器被调适来处理：
来自所述配置的关于每个所述动力阀的所述开口程度的开口程度信息；
来自所述温度传感器的温度信息；和
来自全部所述压力传感器的压力信息，
所述控制器具有：作为第一压力差的函数，使通过所述热水流径的所述第一流体的流速与所述第一动力阀的所述开口程度相关的校准关系，以及作为第二压力差的函数，使通过所述冷水流径的所述第二流体的流速与所述第二动力阀的所述开口程度相关的校准关系，
其中，在所述家用电子混合阀龙头的操作期间，所述控制器被调适成基于所述压力信息来获得所述第一动力阀上游的所述第一流体的压力与所述第一动力阀下游的压力之间的实际第一压力差和所述第二动力阀上游的所述第二流体的压力与所述第二动力阀下游的压力之间的实际第二压力差，
且其中所述控制器还被调适成基于所述温度信息和所述实际压力差来控制所述动力阀，从而使所述混合流的实际温度与其设定点温度之间的差值保持在特定范围内。
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