CN103884105B

CN103884105B - 一种恒温沐浴系统

Info

Publication number: CN103884105B
Application number: CN201410046354.XA
Authority: CN
Inventors: 杨家强; 杨磊
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2014-02-10
Filing date: 2014-02-10
Publication date: 2016-04-27
Anticipated expiration: 2034-02-10
Also published as: CN103884105A

Abstract

本发明公开了一种恒温沐浴系统，包括：电热水箱、恒温控制器、传感单元、水温调控单元、手控阀门和沐浴喷头；控制面板安装在电热水箱上；控制面板包括加热开关、热水温度显示单元、出水温度显示单元和温度设置单元；传感单元包括室温传感器、热水温度传感器、出水温度传感器、水流量传感器和红外传感器；水温调控单元包括驱动电机和混合阀。本发明利用传感单元的信息采样和水温调控单元的输出控制，保持出水水温恒定，避免洗浴过程中手调阀门造成的不便，同时喷头采用喷雾淋浴两种模式，起到很好的热传递效果，大大提高系统的能量利用率，用户根据显示单元的温度信息按键设置出水温度，操作简单。

Description

一种恒温沐浴系统

技术领域

本发明属于恒温控制技术领域，具体涉及一种恒温沐浴系统。

背景技术

目前，家庭洗浴多是使用电热水器或者太阳能热水器。它们分别利用电能和太阳能对箱体内储蓄的水进行加热、保温。由于家庭里的冷热水管道大多采用一个供水系统，因此，当其他用户使用冷水或热水时，往往造成冷水或热水管道内水压降低，进而导致洗浴过程中出水过冷或过热的情况。此外，一般的电热水器水箱容量小，储蓄好的热水常不能满足洗浴需要。用户洗浴时热水器要一直对冷水加热，补充到水箱中。但用户的用水速度往往大于水的加热速度，因此，喷头喷出的热水水温会逐渐降低。在上述情况下，用户需要不断转动出水阀门，调节冷热水比例得到合适的出水温度，这显然给洗浴用户造成了极大不便。

用户在洗浴前或洗浴过程中，即便不需淋浴也常选择让喷头一直释放热水，来提升浴室温度或保持室温的相对稳定。但是，这部分热水从喷出喷头到流进下水管道，中间过程时间很短，而且水滴粒径大，所以热水与空气的热交换速率慢，能量利用率低。用户使用浴霸等加热装置，更造成了能耗的额外增加。

目前，已有的恒温沐浴系统多是基于恒温阀的应用，通过在出水口处设置热敏元件，利用热敏元件感温伸长或收缩的特性从而改变冷热水流量，实现流出水温的恒定。但是热敏元件伸长或收缩对应的温度曲线往往没有很好的对称性，即使是伸长或者收缩一侧的温度曲线也不具有好的线性特性，所以对出水温度调节很难实现精确的控制。此外，热敏元件由于自身的灵敏度局限在出水水温出现较小波动时大多不具有快速的反应能力，进而容易导致当出水水温出现较大变化调控时间过长的情况。

发明内容

针对现有技术所存在的上述技术问题，本发明提供了一种恒温沐浴系统，能够自动改变冷热水出水量进而保持出水水温恒定，避免手动调节造成的洗浴不便。

一种恒温沐浴系统，包括：电热水箱、恒温控制器、传感单元、水温调控单元、手控阀门和沐浴喷头；其中：

所述的电热水箱的进水口连接冷水管，出水口连接热水管，所述的水温调控单元包括混合阀及与其相连的驱动电机；

所述的热水管经混合阀与冷水管连通后通过出水管将混合后的温水注入沐浴喷头；所述的手控阀门安装于出水管上，其开关信息传输给恒温控制器；

所述的传感单元包括：

热水温度传感器，安装于热水管上，用于检测热水管内的热水温度；

冷水温度传感器，安装于冷水管上，用于检测冷水管内的冷水温度；

出水温度传感器，安装于出水管上且位于混合阀与手控阀门之间，用于检测出水管内的出水温度；

所述的恒温控制器根据热水温度、冷水温度、出水温度以及用户的设定水温以确定PWM信号的占空比，从而输出PWM信号控制驱动电机变流器中的开关器件，而控制混合阀中冷水管与热水管的出水口径。

所述的恒温控制器根据以下关系式确定PWM信号的占空比γ：

γ = K_{1} \frac{T_{0} - T_{1}}{T_{2} - T_{1}} + K_{2} \cdot {(T_{3} - T_{0})}^{1 / 3}

其中：K₁和K₂均为预设的比例系数，T₀为用户的设定水温，T₁为冷水温度，T₂为热水温度，T₃为出水温度。

所述的电热水箱外表面安装有控制面板，所述的控制面板包括：

加热开关，用于控制电热水箱对其箱内的蓄水进行加热；

热水温度显示单元，其与恒温控制器连接，用于显示所述的热水温度；

出水温度显示单元，其与恒温控制器连接，用于显示所述的出水温度；

温度设置单元，其与恒温控制器连接，用于接收用户按键输入的设定水温并将该输入信息传输给恒温控制器。

所述的热水温度显示单元和出水温度显示单元均由智能仪表指示对应的水温；所述的智能仪表与恒温控制器连接，其包括指针、温度刻度盘以及对应设于温度刻度盘上方的转动表盘，所述的转动表盘上标记有低温区间、中温区间、高温区间以及适宜温度区间，且由恒温控制器实时控制转动表盘与温度刻度盘之间的转角。

所述的传感单元还包括用于检测当前环境室温的室温传感器；当室温为25℃时，转动表盘与温度刻度盘存在转角θ_ref且低温区间、中温区间、高温区间以及适宜温度区间分别对应温度刻度盘上5℃～25℃、30℃～50℃、55℃～75℃、35℃～48℃的温度区间，故所述的恒温控制器根据当前环境室温通过以下关系式实时控制转动表盘与温度刻度盘之间的转角θ：

其中：K₃和K₄均为预设的比例系数，T为当前环境室温。

所述的传感单元还包括水流量传感器和红外传感器；所述的水流量传感器安装于出水管上且位于手控阀门与淋浴喷头之间，并与恒温控制器连接；所述的红外传感器与恒温控制器连接且安装于淋浴喷头上，其用于检测淋浴喷头下方是否存在有人；当手控阀门打开且通过水流量传感器检测到有水流注入淋浴喷头，此时若通过红外传感器检测到淋浴喷头下方有人，则恒温控制器控制淋浴喷头采用喷水模式喷出正常水滴；若通过红外传感器检测到淋浴喷头下方没有人，则恒温控制器控制淋浴喷头切换为喷雾模式喷出雾状水滴。

本发明恒温沐浴系统通过使用温度传感器采集热水和出水温度信息，根据用户设置的出水温度，利用驱动马达调控冷热水混合阀中冷水管道与热水管道的出水口径，改变冷热水出水量进而保持出水水温恒定，避免手动调节造成的洗浴不便。而且，温度显示单元中智能仪表上标记有低温、中温、适宜洗浴温度、高温的提示信息，该提示信息可根据室内温度改变对应的水温范围，从而方便用户按照提示信息设置合适的洗浴温度。此外，系统利用水流量传感器和红外传感器可以有效判断淋浴、洗浴但不淋浴、不洗浴三种情况，控制喷头喷水以及喷雾和淋浴两种模式的切换。喷头处于喷雾模式时，喷出水滴粒径小，与空气的接触总面积增大，而且质量轻因此悬浮时间长，可以有效提高与浴室气体的热交换效率，减少能耗。

故相对现有技术，本发明具有以下有益技术效果：

（1）本发明淋浴系统可以自动调节冷热水混合阀中冷水管道与热水管道的出水口径，改变冷热水流量，从而保持出水水温与用户的设置温度相同，避免洗浴过程中由于出水温度改变用户手动调节造成的不便。

（2）本发明智能仪表中安装有一个标记着低温、中温、高温或低温、中温、适宜洗浴温度、高温等提示信息的表盘，该表盘可以根据浴室温度的变化发生转动，从而改变提示信息所对应的温度范围。不同季节天气下对应的提示信息帮助用户设置合理的洗浴温度，避免设置温度过高或过低的情况。

（3）本发明喷头采用喷雾和淋浴两种模式。喷雾模式下，喷头喷出的热水粒径小，质量轻，在空中悬浮时间长，与空气的接触总面积大，可以有效提高与空气的热交换效率，减少用于增加浴室温度造成能量损耗，起到很好的节水节能的效果。

附图说明

图1是本发明沐浴系统的结构示意图。

图2是本发明沐浴系统的功能模块示意图。

图3是本发明智能仪表的结构示意图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1和图2所示，一种恒温沐浴系统，包括：电热水箱1、控制面板2、传感单元3、水温调控单元4、手控阀门5、淋浴喷头6和恒温控制器7，控制面板2安装在电热水箱上；其中：

控制面板2包括加热开关2a、热水温度显示单元2b、出水温度显示单元2c和温度设置单元2d，控制面板2的输出端与恒温控制器7相连，恒温控制器7的输出结果也输送到控制面板2上显示。

传感单元3包括室温传感器3a、热水温度传感器3b、出水温度传感器3c、水流量传感器3d、红外传感器3e和冷水温度传感器3f；传感单元3的监测信号经A/D采样后送到微处理器进行处理，处理结果用于控制水温调控单元4和淋浴喷头6，并在控制面板2上显示。传感单元3采样的输出端与恒温控制器7相连，所有传感器都采用水密绝缘处理，工作电压在3V左右。

水温调控单元4包括驱动电机4a和混合阀4b，冷热水混合阀4b分别与冷水管道、热水管道和出水管道相连通；驱动电机4a安装在混合阀4b上；恒温控制器7输出PWM波到驱动电机4a，驱动电机4a调控混合阀4b中冷水管道与热水管道的出水口径，进而改变冷热水的出水量，保持出水水温恒定。

手控阀门5安装在出水管道内，手控阀门5的开关信息将传输给恒温控制器7；当手控阀门5打开时，冷热水将通过混合阀4b流进出水管道中，恒温控制器7将控制水温调控单元4和淋浴喷头6开始工作；当手控阀门5关闭时，冷热水无法通过混合阀4b进入出水管道，恒温控制器7将控制上述模块停止工作。

恒温控制器7安置在控制面板2内部，其采用内嵌多通道A/D数模转换模块的微处理器。多通道A/D数模转换模块可以对多个传感器的监测信号进行同时多次的采样；微处理器可以选择TMS320F28035，该微处理器传输处理数据速度快，可以对大量的采样数据进行高速处理并传输。

室温传感器3a安装在控制面板2上，用于监测浴室温度；

热水温度传感器3b安装在电热水箱热水出口处，用于监测热水温度；

冷水温度传感器3f安装于冷水管道上，用于监测冷水温度；

出水温度传感器3c安装在出水管道内，手控阀门5上方，用于监测出水温度；水流量传感器3d安装在出水管道内，手控阀门5下方，用于监测冷热水是否通过混合阀4b流进出水管道；

红外传感器3e安装在淋浴喷头6附近，用于监测用户是否需要淋浴；

加热开关2a用于控制是否对电热水箱1中储蓄的水进行加热。

室温传感器3a监测浴室温度，监测信号经A/D采样后传送给微处理器进行处理，处理结果传输到热水温度显示单元2b与出水温度显示单元2c的智能仪表上。

出水温度显示单元2c包括智能仪表和LED显示屏；如图3所示，智能仪表上标有温度刻度，有一个标记着低温、中温、适宜洗浴温度、高温等提示信息的可转动表盘，用于指示出水管道中的水温，提示信息可方便用户设置洗浴温度；LED显示屏明确显示当前出水温度值；出水温度传感器3c监测的出水温度信号经恒温控制器7处理后分别在出水温度仪表和LED显示屏上显示。

热水温度显示单元2b同样包括智能仪表和LED显示屏；其智能仪表也如图3所示，用于指示热水管道中的水温和电热水箱1中的热水容量；LED显示屏明确显示当前热水温度值；热水温度传感器3b监测的热水温度信号经恒温控制器7的处理后分别在热水温度仪表和LED显示屏上显示。

室温传感器3a监测浴室温度，监测信号经A/D采样后传送给微处理器进行处理，处理结果传输到热水温度显示单元2b与出水温度显示单元2c的智能仪表上，用于控制可转动表盘的转角，从而改变提示信息对应的温度范围。

温度设置单元2d包括输入按键和LED显示屏；用户根据仪表上的提示信息按键输入设置出水水温，设定值在LED显示屏上显示；按键的输入信息将传输到恒温控制器7进行处理，用于控制水温调控单元4。

热水温度传感器3b和出水温度传感器3c监测的水温信息以及按键设置的温度在恒温控制器7中进行处理、比较，处理结果将传输给驱动电机4a和混合阀4b进行调控出水管道中冷热水的各自流量，直到出水温度传感器3c采样的水温与用户按键的设置温度相等为止。

智能仪表的可转动表盘转角的控制策略如下：

当室温传感器检测到室温为25℃时，低温对应的温度范围为5℃～25℃，中温对应的温度范围为30℃～50℃，高温对应的温度范围为55℃～75℃，适宜洗浴温度对应的温度范围为35℃～48℃。以此设为基准，此时转盘的转角用θ_ref表示。当室温发生变化时，可转动表盘转角θ满足如下关系式：

其中：K₃和K₄均为预设的比例系数，T为当前环境室温。

恒温控制器7给驱动电机4a输送PWM波来改变混合阀4b中的冷水管道与热水管道的口径，因此最终控制的变量为PWM波的占空比γ。具体控制策略如下：

出水管道的流量恒定为2m，热水流量为αm，冷水流量为（2-α）m。

若冷热水等比例混合，即α=1，此时的出水水温用T_f表示，满足如下关系式：

\begin{matrix} C \cdot (T_{2} - T_{1}) \cdot αm = C \cdot (T_{f} - T_{1}) \cdot 2 m \\ T_{f} = \frac{T_{1} + T_{2}}{2} \\ T_{1} = {2 T}_{f} - T_{2} \end{matrix}

其中：T₁为冷水温度，T₂为热水温度，C为水的比热容。

当出水水温为设置温度T₀时，应满足：

\begin{matrix} C \cdot (T_{2} - T_{1}) \cdot αm = C \cdot (T_{0} - T_{1}) \cdot 2 m \\ α = 2 \frac{T_{0} - T_{1}}{T_{2} - T_{1}} (0 < α < 2) \end{matrix}

当出水温度T₃在T₀附近发生波动时，PWM占空比γ应发生相应变化，且要求占空比γ在设置温度T₀附近有较大变化率β：

β＝K·(T₃-T₀)^1/3

所以PWM的占空比由两部分组成，分别为α和β：

\begin{matrix} γ = ω_{1} α + ω_{2} \cdot β \\ = K_{1} \frac{T_{0} - T_{1}}{T_{2} - T_{1}} + K_{2} \cdot {(T_{3} - T_{0})}^{1 / 3} (0 < β < 100 %) \end{matrix}

其中：K、K₁、K₂、ω₁、ω₂均为比例系数，且K₁=ω₁/2，K₂=Kω₂。

本实施方式中，用户需要洗浴时，打开手动阀门5，此时冷热水通过混合阀4b流进出水管道，水流量传感器3d采样信息经调整电路后传输给恒温控制器7，水温调控单元4、淋浴喷头6等将开始工作。当用户不需洗浴时，手动阀门5关闭，冷热水无法通过混合阀4b流进出水管道，上述功能模块停止工作。

红外传感器3e在工作时监测淋浴喷头6下方是否有人，监测信号经A/D采样后传输给微处理器进行处理，处理结果传送给淋浴喷头6，用于切换喷头6的喷水模式。当用户处于喷头6下方时，喷头6切换为淋浴模式；当用户不在喷头6下方时，喷头6切换为喷雾模式。具体控制逻辑如下：

手控阀门5打开，喷头6喷水；手控阀门5关闭，喷头6停止喷水。当喷头6处于喷水状态，即用户需要洗浴时，若红外传感器3e在喷头6下方检测到用户，喷头6喷出正常水滴，用于淋浴；若红外传感器3e未在喷头6下方检测到用户，喷头6喷出雾状水滴，可用于浴室保温。

Claims

1.一种恒温沐浴系统，包括：电热水箱、恒温控制器、传感单元、水温调控单元、手控阀门和沐浴喷头；其特征在于：

所述的水温调控单元包括混合阀及与其连接的驱动电机；所述的电热水箱的进水口连接冷水管，出水口连接热水管；所述的热水管经混合阀与冷水管连通后通过出水管将混合后的温水注入沐浴喷头；所述的手控阀门安装于出水管上，其开关信息传输给恒温控制器；

所述的传感单元包括：

所述的恒温控制器根据热水温度、冷水温度、出水温度以及用户的设定水温通过以下关系式确定PWM信号的占空比γ，从而输出PWM信号控制驱动电机变流器中的开关器件，进而控制混合阀中冷水管与热水管的出水口径；

γ = K_{1} \frac{T_{0} - T_{1}}{T_{2} - T_{1}} + K_{2} \cdot {(T_{3} - T_{0})}^{1 / 3}

其中：K₁和K₂均为预设的比例系数，T₀为用户的设定水温，T₁为冷水温度，T₂为热水温度，T₃为出水温度；

加热开关，用于控制电热水箱对其箱内的蓄水进行加热；

温度设置单元，其与恒温控制器连接，用于接收用户按键输入的设定水温并将该输入信息传输给恒温控制器；

所述的热水温度显示单元和出水温度显示单元均由智能仪表指示对应的水温；所述的智能仪表与恒温控制器连接，其包括指针、温度刻度盘以及对应设于温度刻度盘上方的转动表盘，所述的转动表盘上标记有低温区间、中温区间、高温区间以及适宜温度区间，且由恒温控制器实时控制转动表盘与温度刻度盘之间的转角；

其中：K₃和K₄均为预设的比例系数，T为当前环境室温；