CN104019904A - 一种用于供水设备的水温检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于供水设备的水温检测系统及方法，系统包括供水设备、测温单元、红外测温单元、超声波测距单元、控制器、显示模块，所述控制器用于获取供水设备的供水时间、出水流量及水温，以及获取取水容器内水的原始水温、原始水面高度、实时水面高度，获得取水容器内混合水的水温；方法包括获得供水设备的供水总量和取水容器内水的原始体积；再获得混合后取水容器内水的总体积，并获得取水容器内水的体积与温度的乘积；利用取水容器内水的体积与温度的乘积和混合后取水容器内水的总体积结合获得取水容器内混合水的水温。本发明在供水时能实时检测取水容器内的水温和显示，测量准确，在供水同时进行检测，方便及时的将取水容器内的水温反馈。

Description

一种用于供水设备的水温检测系统及方法

技术领域

本发明涉及一种用于供水设备的水温检测系统及方法，属于水温检测的技术领域。

背景技术

供水设备，逐渐在很多公共场所普及，比如学校、企业、饭店、食堂等，极大方便了人们的生活。供水设备可以为热水供应设备或者冷水供应设备，如饮水机、开水器、饮水器等。目前主流的供水设备通常具有烧开水、保温、出水、或提供冷水等功能，虽然满足饮水的基本需求，但仍存在一些不足之处，不能很好地符合人们的使用习惯。比如，某类供水设备只提供供水，而人们习惯喝温水，常常用取水容器如杯子中的未喝完的凉水与开水，或将温水与热水混合，达到适宜的饮用温度，但由于在接水的过程中无法准确检测到水杯中的温度，结果往往是水温过高或者过低。因此，现有技术的供水系统无法在供水时一边检测取水容器的混合水温一边显示，未能充分利用供水的同时检测，由此使得使用上存在局限。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种用于供水设备的水温检测系统及方法，使得系统在供水时能够实时检测取水容器的混合水温，利用取水容器接水时能够较准确测量取水容器中水温并实时显示的水温，极大方便用户的使用。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种用于供水设备的水温检测系统，包括：供水设备，用于供水并记录供水时间和出水流量；设置于供水设备内的测温单元，用于测得供水设备内水的水温；红外测温单元，用于测量取水容器内水的原始水温；超声波测距单元，用于测量取水容器内水的原始水面高度和混合过程中的实时水面高度；控制器，用于获取供水设备的供水时间、出水流量及水温，以及获取取水容器内水的原始水温、原始水面高度、实时水面高度；所述控制器获得供水设备的供水总量和取水容器内水的原始体积；根据所述取水容器内水的原始体积结合供水总量获得混合后取水容器内水的总体积，并将所述取水容器内水的原始体积结合原始水温、供水设备内水的水温结合供水总量后获得取水容器内水的体积与温度的乘积；利用所述取水容器内水的体积与温度的乘积和混合后取水容器内水的总体积结合获得取水容器内混合水的水温；显示模块，与控制器连接，用于实时显示取水容器内混合水的水温。

作为本发明的一种优选技术方案：所述供水设备供应热水或者冷水。

作为本发明的一种优选技术方案：所述供水设备为饮水机或开水器。

作为本发明的一种优选技术方案：所述红外测温单元为非接触式红外温度传感器。

一种基于如上所述用于供水设备的水温检测系统的方法，包括以下步骤：

步骤(1)、获取取水容器内水的原始水温T₀和原始水面高度H₀，及获取供水设备内水的水温T；

步骤(2)、由供水设备供水，并记录供水时间t、出水流量Q₀及实时水面高度H；

步骤(3)、根据供水设备的出水流量Q₀以及供水时间t，获得单位时间△t内取水容器内水面上升高度△H_i，以获得对应时间下的取水容器截面积S_i；

步骤(4)、根据所得取水容器截面积S_i，利用拟合算法获得截面积S和实时水面高度H间的函数关系，经积分运算获得取水容器内水的原始体积Volume₀；

步骤(5)、获得混合后取水容器内水的体积与温度的乘积和混合后取水容器内水的总体积，再计算得到取水容器内混合水的水温：

T_混＝(Volume₀*T₀+Q₀*t*T)/(Volume₀+Q₀*t)。

本发明采用上述技术方案，能产生如下技术效果：

本发明的用于供水设备的水温检测系统及方法，使得系统在供水时能够实时检测取水容器的混合水温，利用取水容器接水时能够较准确测量取水容器中水温并实时显示的水温，充分利用供水的同时检测，提高测量精度、方便及时的将取水容器内的水温反馈至用户，给用户提供了极大的方便。解决了现有的供水系统所存在的技术问题。

附图说明

图1为本发明用于供水设备的水温检测系统的结构示意图。

图2为本发明中取水容器的水面高度示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的实施方式进行描述。

如图1所示，本发明设计了一种用于供水设备的水温检测系统，包括：供水设备，用于供水并记录供水时间和出水流量；设置于供水设备内的测温单元，用于测得供水设备内水的水温；红外测温单元，用于测量取水容器内水的原始水温；超声波测距单元，用于测量取水容器内水的原始水面高度和混合过程中的实时水面高度；控制器，分别和供水设备、测温单元、红外测温单元、超声波测距单元连接，用于获取供水设备的供水时间、出水流量及水温，以及获取取水容器内水的原始水温、原始水面高度、实时水面高度；所述控制器根据供水设备的供水时间和出水流量获得供水总量；根据所述供水总量与取水容器内水的实时水面高度、原始水面高度获得取水容器内水的原始体积；根据所述取水容器内水的原始体积结合供水总量获得混合后取水容器内水的总体积量，并将所述取水容器内水的原始体积结合原始水温、供水设备内水的水温结合供水总量后获得混合后取水容器内水的体积与温度的乘积；利用所述取水容器内水的体积与温度的乘积和混合后取水容器内水的总体积结合获得取水容器内混合水的水温。显示模块，与控制器连接，用于实时显示取水容器内混合水的水温。

进一步地，系统中的供水设备，可以根据需要，为一种热水供应设备或冷水供应设备。而采用热水供应设备时，供应热水，取水容器如杯子中则为冷水，相反，若采用冷水供应设备时，供应冷水，取水容器如杯子中则为热水，测量的均为取水容器中混合后的水温。另外，该供水设备可以为饮水机或开水器，充分实现供应功能。

对于红外测温单元，可以为非接触式红外温度传感器。利用红外测温模块非接触地测量取水容器中原始温度，可以防止传感器直接与取水容器内的水面接触，提高探测的准确性和卫生。优选的可以使用TS118-3非接触式红外温度传感器，实现液面温度的测量。该传感器温度测量完成后，输出电压信号(模拟信号)，控制器采集该信号，然后进行模/数转换，得到对应的电压值，再根据电压与温度的关系进行运算便可获得液面温度值。

系统使用超声波测距单元，实现液面高度的测量。控制器采集超声波回响信号即模拟信号，进行模/数转换后分析该信号，然后通过对时间差的处理解算，获得水面高度。

系统的测温单元，可以优选使用内嵌DS18B20温度传感器的防水型水温探头，测量供水设备中的热水温度。DS18B20温度传感器通过I²C协议，以数字信号输出温度信息。控制器读取到之后，再根据输出值与真实水温的对应关系进行转换，便可获得热水或冷水的水温。而其中的控制器优选采用STM32F103VET6芯片作为主控制器。

在此系统上，本发明提出了用于供水设备的水温检测方法，由此方法可探测取水容器在接水时的内部水温，具体如下：

步骤(1)、将取水容器放置在供水设备的供水出口处，用户接水前，此时的取水容器中水温已经稳定，不存在上下水温不一致的问题，故直接使用红外测温单元即可准确的获得取水容器内水的原始水温T₀；然后利用超声波测距单元，可以首先杯底与超声波测距单元的距离，然后获取水面与超声波测距单元间的距离，将两个相减即可获得水面原始高度,记为H₀。并且，利用位于供水设备内部的测温单元测量得到供水设备内水的水温T。

步骤(2)、由供水设备开始供水，在供水过程中由超声波测距单元实时测量取水容器中实时水面高度H，并同时记录供水时间t、出水流量Q₀；根据供水设备的出水流量Q₀以及供水时间t，获得单位时间△t内取水容器内水面上升高度△H_i，以获得对应时间下的取水容器截面积S_i。

获得取水容器中水的原始体积Volume₀具体过程为，如图2所示，由超声波传感器测出取水容器中原始水面高度H₀，可设定水流量为Q₀，在极短的时间Δt内(Δt足够小时，可将变化的体积看作等截面积S)，测量水面高度为H₁，再过Δt时间,测量水面高度为H₂……通过公式(1)可以计算获得截面积S₁,S₂,……,S_n，由此可得点的序列(H₁,S₁)，(H₂,S₂)……(H_n,S_n)。

S_i＝(Q₀*Δt)/(H_i-H_i-1)     (1)

其中i为1以上的自然数，即i＝1,2,......,n。

步骤(4)、由测量得到的实时水面高度H计算其高度变化的速率，结合已知的恒定出水速度后，采用拟合方法估计出取水容器中水的原始体积Volume₀，即根据所得取水容器截面积S_i，利用拟合算法获得截面积S与水面高度H的函数关系为S＝g(H),由此通过公式(2)进行积分运算，可预测取水容器中水的原始体积Volume₀。

${\mathrm{Volume}}_0=\underset{0}{\overset{H_0}{\∫}}g\left(H\right)\mathrm{dH}---\left(2\right)$

步骤(5)、在得到取水容器内水的原始体积Volume₀和原始温度T0之后，根据供水设备内部的温度传感器测得供水水温T，计算供水时间t，以及供水设备的出水流量Q₀，便可获得混合后取水容器内水的体积与温度的乘积和混合后取水容器内水的总体积，再由公式(3)计算得到取水容器内混合水的水温T_混。

推导过程如下:

由能量守恒可得，两部分水在混合过程中吸热量之和为0。取Q₁为杯中原始水混合过程吸收(或放出)的热量(Q₁为正即表示为吸热，Q₁为负即表示放热)，Q₂为供水设备所供水的混合过程吸收(或放出)的热量(Q₂为正即表示为吸热，Q₂为负即表示放热)，如下式所示:

Q₁+Q₂＝0      (3)

即:

Cm₁Δt₁+Cm₂Δt₂＝0     (4)

公式中，C为比热容，m₁为取水容器中原始水质量，Δt₁是取水容器中水吸收(或放出)热量的温度差，m₂供水设备供应水的质量，Δt₂是供水设备的供出水量的吸收(或放出)热量的温度差。

由密度和质量、体积的关系式ρ＝m/v，获得：

m₁＝ρ*Volume₀     (5)

m₂＝ρ*(Q₀*Δt)     (6)

由公式(5)和(6)，将公式(4)展开可得:

C*ρ*Volume₀*(T₀-T_混)+C*ρ*(Q₀*Δt)*(T-T_混)＝0    (7)

公式中，ρ为水的密度。

解得:

T_混＝(Volume₀*T₀+Q₀*t*T)/(Volume₀+Q₀*t)   (8)

获得取水容器内混合的水温T_混后，通过用户操作界面实时显示该温度，用户便可选择适宜的温度停止出水。

为了验证本发明可以准确的检测供水过程中的取水容器内水的温度，现特以一验证例进行验证。

现有一供水设备产生热水，而取水容器中装有冷水。通过测量，获取取水容器内水的原始水温T₀为5℃和原始水面高度H₀为0.10m，供水设备内水的水温T为100℃，供水设备的出水流量Q₀为0.0001m³/s，然后由供水设备进行供水，在供水总时间t为2.0秒内，供水设备的供水总量为0.0002m³。如表1所示，测得0～2.0s时的实时水面高度H，并根据公式(1)计算得到对应的截面积S。将高度H与截面积S数据进行二阶拟合，得到S与H关系式为：

S＝g(H)＝0.048771*H²+0.019810*H+0.001915

再由公式(2)积分得水的原始体积：

${\mathrm{Volume}}_0=\underset{0}{\overset{0.1}{\∫}}(0.048771*H^2+0.019810*H+0.001915)\mathrm{dH}=3.068708e-0004\left(m^3\right)$

再由公式(8)求得2.0s时刻水混合后的温度:T_混＝42.48℃。

表1计算实例数据

时间(s)	高度(m)	高度变化(m)	面积(m2)
				0.0	0.100000	--	--
0.1	0.102247	0.002247	0.004451
				0.2	0.104460	0.002214	0.004517
0.3	0.106642	0.002182	0.004583
				0.4	0.108794	0.002151	0.004648
0.5	0.110916	0.002122	0.004713
				0.6	0.113009	0.002093	0.004777
0.7	0.115075	0.002066	0.004841
				0.8	0.117113	0.002039	0.004905
0.9	0.119127	0.002013	0.004968
				1.0	0.121114	0.001988	0.005030
1.1	0.123078	0.001964	0.005093
				1.2	0.125018	0.001940	0.005155
1.3	0.126935	0.001917	0.005216
				1.4	0.128830	0.001895	0.005277
1.5	0.130704	0.001873	0.005338
				1.6	0.132556	0.001852	0.005399
1.7	0.134388	0.001832	0.005459
				1.8	0.136200	0.001812	0.005519
1.9	0.137993	0.001793	0.005578
				2.0	0.139766	0.001773	0.005637

由此，验证了本发明可以在供水时实时检测取水容器的混合水温，能够较准确测量接水时取水容器中水温并实时显示，充分利用供水的同时检测，提高测量精度、方便及时的将取水容器内的水温反馈至用户，给用户提供了极大的方便。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (5)

1.一种用于供水设备的水温检测系统，其特征在于，包括：

供水设备，用于供水并记录供水时间和出水流量；

设置于供水设备内的测温单元，用于测得供水设备内水的水温；

红外测温单元，用于测量取水容器内水的原始水温；

超声波测距单元，用于测量取水容器内水的原始水面高度和混合过程中的实时水面高度；

控制器，用于获取供水设备的供水时间、出水流量及水温，以及获取取水容器内水的原始水温、原始水面高度、实时水面高度；所述控制器获得供水设备的供水总量和取水容器内水的原始体积；根据所述取水容器内水的原始体积结合供水总量获得混合后取水容器内水的总体积，并将所述取水容器内水的原始体积结合原始水温、供水设备内水的水温结合供水总量后获得取水容器内水的体积与温度的乘积；利用所述取水容器内水的体积与温度的乘积和混合后取水容器内水的总体积结合获得取水容器内混合水的水温；

显示模块，与控制器连接，用于实时显示取水容器内混合水的水温。

2.根据权利要求1所述用于供水设备的水温检测系统，其特征在于：所述供水设备供应热水或者冷水。

3.根据权利要求1所述用于供水设备的水温检测系统，其特征在于：所述供水设备为饮水机或开水器。

4.根据权利要求1所述用于供水设备的水温检测系统，其特征在于：所述红外测温单元为非接触式红外温度传感器。

5.一种基于权利要求1至4任一项所述用于供水设备的水温检测系统的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤(1)、获取取水容器内水的原始水温T₀和原始水面高度H₀，及获取供水设备内水的水温T；

步骤(2)、由供水设备供水，并记录供水时间t、出水流量Q₀及实时水面高度H；

步骤(3)、根据供水设备的出水流量Q₀以及供水时间t，获得单位时间△t内取水容器内水面上升高度△H_i，以获得对应时间下的取水容器截面积S_i；

步骤(4)、根据所得取水容器截面积S_i，利用拟合算法获得截面积S和实时水面高度H间的函数关系，经积分运算获得取水容器内水的原始体积Volume₀；

步骤(5)、获得混合后取水容器内水的体积与温度的乘积和混合后取水容器内水的总体积，再计算得到取水容器内混合水的水温：

T_混＝(Volume₀*T₀+Q₀*t*T)/(Volume₀+Q₀*t)。