CN104046999A - 牺牲阳极控制 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及牺牲阳极控制。描述了用于基于水的导电率状态来控制牺牲阳极的电流的系统和方法。测量牺牲阳极相对于水箱的未调整电流，并且基于所测量的未调整电流来识别水的导电率状态。基于水的导电率状态来确定针对牺牲阳极的最大电流限值，并且限制牺牲阳极的电流，以使电流不超过所确定的最大电流限值。

Description

牺牲阳极控制
技术领域
本发明涉及基于箱体的水加热系统，该基于箱体的水加热系统包括用于限制对该箱体的腐蚀量的牺牲阳极。
背景技术
因为水加热器箱体通常由金属制成，所以材料可以与存储在箱体中的水起反应，从而导致对金属的腐蚀，最终使箱体损坏。用于限制这类腐蚀的机制包括向箱体加诸如玻璃的非腐蚀材料的衬里。一些水加热系统还包括用于限制对箱体材料的腐蚀的牺牲阳极。该牺牲阳极与水起反应，以使电流通过阳极与箱体流动。这种化学反应使牺牲阳极劣化，而不是腐蚀水箱壁的金属材料。
这种牺牲阳极所提供的保护程度随着牺牲阳极相对于箱壁的电流而增大。然而，增大的电流也会使牺牲阳极更快速劣化。牺牲阳极的电流、阳极劣化的速率，以及阳极用于保护箱体材料的能力取决于多个可变条件，包括箱体中的水的导电率。
发明内容
在一个实施方式中，本发明提供了一种用于基于水的导电率状态来控制牺牲阳极的电流的方法。测量所述牺牲阳极相对于所述水箱的未调整电流，并且基于所测量的未调整电流来识别水的导电率状态。基于水的所述导电率状态来确定针对所述牺牲阳极的最大电流限值，并且限制所述牺牲阳极的电流，以使所述电流不超过所确定的最大电流限值。
在一些实施方式中，通过识别存储在存储器中的、与所述水箱中的水的温度相对应的第一电流阈值和第二电流阈值，来确定所述导电率状态。将所测量的所述阳极的未调整电流与所述第一阈值和所述第二阈值进行比较。如果所测量的未调整电流小于两个阈值，则水的所述导电率状态被确定成低。如果所测量的未调整电流处于两个阈值之间，则所述导电率状态被确定为中。如果所测量未调整电流大于两个阈值，则所述导电率状态被确定为高。
在一些实施方式中，所述第一和第二电流阈值是基于水温、水箱的几何形状（通过产品型号识别的），以及所述阳极的几何形状/化学特性（如通过产品型号识别的）而从所述查找表中选择的。
在一些实施方式中，所确定的最大电流限值对应于保护所述水箱不受腐蚀所需的最小电流乘以安全因数。在一些实施方式中，确定所述水加热器的气味减小模式是否被激活，并且在所述气味减小模式被激活时，将所确定的最大电流限值减小至小于原始确定的最大电流限值、但大于或等于保护所述水箱不受腐蚀所需的所述最小电流的值。
在一些实施方式中，周期性地估计所述水箱的劣化。测量所述阳极的随后未调整电流，并与初始未调整电流值进行比较。当所述初始未调整电流值与所述随后未调整电流值之差超过劣化阈值时，增大所确定的最大电流限值。
在另一实施方式中，本发明提供了一种水加热系统，该水加热系统包括：水箱、牺牲阳极以及水加热器控制器。所述水加热器控制器测量所述牺牲阳极相对于所述水箱的未调整电流，并且基于所测量的未调整电流来识别所述水箱中的水的导电率状态。基于所述导电率状态来确定针对所述牺牲阳极的最大电流限值，并且限制所述牺牲阳极的电流，以使所述电流不超过所确定的最大电流限值。
通过考虑下面的详细描述和附图，本发明的其它方面将变清楚。
附图说明
图1是根据一个实施方式的基于箱体的水加热系统的框图。
图2是图1的水加热系统的水加热器控制器的框图。
图3是基于水箱中的水的导电率状态来控制图1的水加热系统的牺牲阳极的电流的方法的流程图。
图4是图3的方法中利用的、用于确定水箱中的水的导电率状态的查找表的例子。
图5是图2的水加热器控制器的电流限值电路的框图。
图6是调节水加热系统的最大电流限值以减小水中气味的方法的流程图。
图7是估计图1的水加热系统的水箱的劣化的方法的流程图。
具体实施方式
在详细说明本发明的任何实施方式之前，要明白的是，本发明在其应用方面不限于在下面的描述中阐述的或者在下面的附图中例示的组件的构造和排布结构（arrangement）的细节。本发明能够具有其它实施方式，并且能够按各种方式具体实践或执行。
图1例示了水加热系统100，其包括水箱101和电加热元件103（举例来说，如电阻性加热元件）。该水箱101由金属性材料构成，并且用玻璃加衬里（lining）。水加热器控制器105操作该电加热元件103，以加热水箱101中的水。在一些另选构造中，该电加热元件103被气体加热装置替换，该气体加热装置包括受水加热器控制器105控制的气阀，以调节水箱101中的水的温度。该控制器105可以安装至水箱101或远程定位。该水加热系统100还包括定位在水箱101内的牺牲阳极107。该牺牲阳极107与水箱101中的水起反应，以向与水箱101相对的牺牲阳极107施加电流。这种反应还防止了水箱101的金属的腐蚀。
图2进一步详细例示了水加热器控制器105。该控制器105包括硬件与软件组件的组合。该控制器105包括组装有多个电气和电子组件的印刷电路板（“PCB”），其向水加热系统100提供电力、操作控制以及保护。在图2的实施例中，该PCB包括：处理器201（例如，微处理器、微控制器，或另一合适可编程装置或可编程装置的组合）、存储器203，以及控制器区域网络总线（“CAN总线”）205。该CAN总线205将PCB的包括存储器203的各个组件连接至处理器201。该存储器205例如包括：只读存储器（“ROM”）、随机存取存储器（“RAM”）、电可擦除可编程只读存储器（“EEPROM”）、闪速存储器、硬盘，或者另一合适的磁性、光学、物理或电子存储器装置。处理器201连接至存储器203，并且执行能够存储在RAM（例如，在执行期间）、ROM（例如，永久性地），或诸如另一存储器或磁盘的另一非暂时性计算机可读介质中的软件指令。另外或另选的是，存储器203被包括在处理器201中。控制器105还包括输入/输出（“I/O”）系统207，其包括用于在控制器105内的组件与水加热系统100的其它组件之间传递信息的例程。例如，该I/O系统207可以与水加热系统100的用户接口进行通信。
包括在水加热系统100的实现中的软件被存储在控制器105的存储器203中。该软件例如包括：固件、一个或更多个应用、程序数据、一个或更多个程序模块，以及其它可执行指令。该控制器105被设置成从存储器获取并执行与在此描述的控制处理和方法有关的指令。
控制器105的PCB还包括多个附加的无源和有源组件，如电阻器、电容器、电感器、集成电路、转换器以及放大器。这些组件被设置并连接成向PCB提供多个电气功能，其中包括：滤波、信号调节、信号转换器，以及电压调节器。出于描述的目的，PCB和该PCB上组装的电气组件在此被统称为控制器105。
该控制器还包括阳极电流电路209。如下详细描述的，阳极电流电路209与处理器201相互作用，以测量与水箱101相对的牺牲阳极107的电流，并且调节该电流，以使该电流被限制成所确定的最大电流极限。
图3例示了控制器105基于水的导电率状态来调节牺牲阳极107的电流的方法。控制器105首先测量阳极的未调节电流（步骤301）。阳极107的未调节电流是当没有向阳极107应用电阻或其它电流限值功能时，所测得的与水箱101相对的阳极107的电流。接着，控制器105访问存储在控制器105的存储器203上的水导电率查找表。
图4例示了供在水加热系统100中使用的查找表的一个实施例。该查找表列出了与多个水导电率状态中的每一个和多个温度范围中的每一个相对应的电流值范围。查找表所限定的范围基于许多电流阈值。在图4的实施例中，该查找表被划分成三种导电率状态：水导电率大约为90μS/cm的低状态、水导电率大约为350μS/cm的中状态，以及水导电率大约为1500μS/cm的高状态。然而，在其它构造中，本系统的特异性可以通过根据大量状态分类水导电率来增加。
而且，为允许将同一控制器105和查找表包括在多种不同的水加热系统构造中，该查找表可以包括额外的尺度。例如，与低、中，以及高导电率相对应的电流范围不仅基于水的温度而且基于水箱101和牺牲阳极107的几何形状和成分来限定。然而，不需要测量和分析水箱101和牺牲阳极，控制器105被设置成，基于指配给特定组件的产品型号，在查找表中识别水箱101和牺牲阳极107。同样地，图4所示查找表的一部分可以对应于水箱101和阳极107的特定组合。在包括不同箱体和阳极类型的水加热系统中，与低、中、高导电率相对应的电流值可以完全不同于图4所示查找表的该部分中列出的那些电流值。
下面返回至图3，控制器105基于查找表来确定水的导电率状态（步骤305）。图4的查找表中的、与每一个导电率状态相对应的电流值范围基于一对电流值阈值，-将“低导电率”范围与“中导电率”范围分开的第一阈值，和将“中导电率”范围与“高导电率范围”分开的第二阈值。控制器105通过比较所测得的阳极的未调节电流与这两个电流阈值，来确定水箱101中的水的合适导电率状态。
如果所测量的未调节电流小于两个阈值，则控制器105确定水箱101中的水具有低导电率。在低导电率水中，需要更高电流才能足够保护水箱101不受腐蚀。同样地，控制器105将水加热系统的“最大电流限值”限定为高电流限值值（步骤307）。在一些构造中，控制器105甚至可以从电源向阳极人工施加电流，以确保阳极107的电流足够保护水箱101不受腐蚀。
如果所测量的未调节电流大于第一阈值但低于第二阈值，则控制器105确定水箱101中的水具有中导电率。接着，控制器将水加热系统的“最大电流限值”限定为中电流限值值（即，小于低导电率水的电流限值值的电流值）（步骤309）。类似的是，如果所测量的未调节电流大于第一阈值和第二阈值两者，则控制器105确定水箱101中的水具有高导电率，并且将水加热系统100的“最大电流限值”限定为低电流限值值（即，小于低导电率和中导电率水两者的电流限值值的电流值）（步骤311）。
一旦水的导电率状态已经被确定并且最大电流限值已经被确定，控制器105就利用电流限值电路209来调整阳极107的电流。图5例示了控制器105的电流限值电路209的一个实例。水箱101的壁部接地并且连接至处理器201和运算放大器（op-amp）501两者。该值用作电流限值功能的基准。阳极107通过一系列电阻器R1、R2以及R3连接至处理器201、op-amp501的输入端以及op-amp501的输出端。电流限值电路209使处理器能够测量阳极相对于水箱102（即，地）的电流，并且还限制阳极107的电流，以使其不超过所确定的水加热系统100的最大电流限值。在另选构造中，阳极电流电路209包括可变电阻器，处理器基于所测得的阳极107的电流对该可变电阻器进行调节。
在上述实施例中，控制器105确定水箱101中的水的导电率状态，并且基于该导电率状态来控制阳极的电流。然而，上述系统还实现了附加的功能，以基于其它变量（举例来说，如水和水箱101的状态）来调节所确定的水加热系统100的最大电流限值的值。
利用牺牲阳极107来保护水箱101不受腐蚀的负面影响是，在一些水条件下，过多的电流会导致水箱中的水发出讨厌的气味。图6例示了控制器105可以怎样调节所确定的最大电流限值来减小气味的实施例。如上所述，控制器105基于水的导电率状态来限定水加热系统100的最大电流限值。在一些构造中，该最大电流限值是根据基于水箱101的特性和保持在水箱101中的水的特性的计算来限定的。然而，在其它构造中，该最大电流限值的与上述三个导电率状态中的每一个相对应的高、中、低值是存储在存储器203中的常量。在某些情况下，所确定的针对水的所识别导电率状态的最大电流限值对应于保护水箱不受腐蚀所需的最小电流值偏移一个安全因数。在一些构造中，该安全因数的值与保护水箱所需的最小电流值相加或者乘以该最小电流值。例如，在一些构造中，该安全因数被限定为“二”，结果，所确定的针对所识别的导电率状态的最大电流限值是保护水箱不受腐蚀所需的最小电流值的两倍。
如图6所示，控制器105通过将该安全因数应用至该电流限值来确定水加热系统100的合适最大电流限值（步骤601）。接着，控制器105确定是否已经针对水加热系统激活了“气味减小模式”（步骤603）。在一些构造中，该气味减小模式由用户通过用于水加热系统的用户接口上的开关或按钮来激活。在其它情况下，该气味减小模式可以由控制器105基于所观察的水状态（例如，包括水的导电率状态）而自动激活。
如果气味减小模式未激活（步骤603），则控制器105基于原始最大电流限值（包括该安全因数）继续调整阳极电流。然而，如果气味减小模式被激活了，则控制器105减小电流限值的值（步骤605）。例如，控制器105可以去除该安全因数，并且仅基于保护水箱所需的最小电流电平来调整阳极的电流。另选的是，控制器105可以调节最大电流限值值，以使调节后的最大电流电平落在原始电流限值值与最小所需电流之间。
随着时间的推移，水箱101的玻璃衬里将会磨损，并且如上所述，阳极107本身将开始劣化。同样地，保护水箱不受腐蚀所需的阳极电流一般会随着水加热系统100的寿命而增大。图7例示了针对阳极107的所确定最大电流级可以怎样调节以解决水加热系统100的硬件状态劣化的实施例。
控制器105通过确定是否经过了劣化估计时段而开始（步骤701）。控制器105可以被设置为周期性地执行该估计（例如，一月一次或一年一次）。如果尚未经过劣化估计时段，则控制器105基于所确定的最大电流限值来继续调整阳极电流（步骤703）。然而，如果控制器105确定出又到了估计水加热系统100的状态的时候，则控制器105去除阳极电流电路209应用至阳极107的电流限值，并且测量阳极107的未调整电流（步骤705）。
水加热系统在水加热系统100的寿命期间通常不重新定位，而且某个位置处的水的导电率在同一时段内通常不显著改变。因此，在经过劣化估计时段之后，所测量的未调整电流的任何变化都主要归因于水加热系统100的劣化。在图7的实施例中，控制器105将原始的未调整电流与随后的未调整电流之差与劣化差阈值进行比较（步骤707）。如果未超过该阈值，则控制器105不调节水加热系统100的最大电流限值，并且基于先前确定的最大电流限值来继续调整阳极电路（步骤703）。然而，如果超过了该劣化阈值，则控制器105增大最大电流限值的值（步骤709），并且基于增大后的最大电流限值来继续调整阳极电路（步骤703）。
当超过了该劣化阈值时，控制器105可以按多种方式增大该电流限值。例如，控制器105可以向最大电流限值应用更高的安全因数。另选的是，控制器105可以基于原始测量的未调节电流与随后测量的未调节电流之间的偏差的量值来调节最大电流限值。而且，在其它构造中，控制器105基于针对所测量的未调节电流的变化来增加电流限值，而不管是否超过了劣化阈值。在一些这样的构造中，上述安全因数的值直接涉及阳极的原始未调节电流与阳极的未调节电流的当前值之间的偏差的量值。
如上所述，尽管增大最大电流限值的值增加了向水箱提供的保护级别，但也会增加牺牲阳极的劣化的速率。因此，在一些构造中，为水加热系统100的阳极107限定了最大电流限值设置点。该最大电流限制设置点可以被限定为将使阳极在限定时段之后劣化至损坏点的电流值。该最大电流限值设置点可以被限定成，使得直到阳极损坏为止的限定时段与水加热器箱的预期寿命相关联，或者另选的是，与水加热系统100的保修时段相关联。防止控制器105将最大电流限值增大到超过最大电流限值设置点确保了阳极107针对至少已知的限定时段保持可操作。
由此，本发明尤其提供了一种用于基于水加热器箱中的水的导电率状态来调整牺牲阳极的电流，以确保足够保护并减小牺牲阳极的劣化速率的系统和方法。本发明的各个特征和优点在下列权利要求书中加以阐述。

Claims (26)

1.一种控制水箱中的牺牲阳极的方法，该方法包括以下步骤：
测量所述牺牲阳极的相对于所述水箱的未调整电流；
基于所测量的未调整电流来识别所述水箱中的水的导电率状态；
基于水的所述导电率状态来确定针对所述牺牲阳极的最大电流限值；以及
限制所述牺牲阳极的电流，以使所述牺牲阳极的电流不超过所确定的所述最大电流限值。
2.根据权利要求1所述的方法，该方法还包括以下步骤：测量所述水箱中的水的温度，并且其中，识别水的所述导电率状态的步骤包括基于所测量的未调整电流和所测量的温度来识别水的导电率状态。
3.根据权利要求2所述的方法，该方法还包括以下步骤：
识别所述水箱的产品型号；以及
识别所述牺牲阳极的产品型号，
其中，识别水的所述导电率状态的步骤还包括基于所测量的未调整电流、所测量的温度、所述水箱的产品型号以及所述牺牲阳极的产品型号来识别水的导电率状态。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，识别水的所述导电率状态的步骤包括：
当所测量的未调整电流未超过第一电流阈值时，将所述导电率状态识别为低，
当所测量的未调整电流超过所述第一电流阈值但未超过第二电流阈值时，将所述导电率状态识别为中，所述第二电流阈值大于所述第一电流阈值，并且
当所测量的未调整电流超过所述第一电流阈值和所述第二电流阈值二者时，将所述导电率状态识别为高。
5.根据权利要求4所述的方法，该方法还包括以下步骤：
测量所述水箱中的水的温度；以及
从存储器中存取与所测量的水的温度相对应的所述第一电流阈值和所述第二电流阈值。
6.根据权利要求5所述的方法，该方法还包括以下步骤：
识别所述水箱的产品型号；以及
识别所述牺牲阳极的产品型号，
其中，存取所述第一电流阈值和所述第二电流阈值的步骤还包括：从所述存储器存取与所述水箱的产品型号、所述牺牲阳极的产品型号以及所测量的水的温度相对应的第一电流阈值和第二电流阈值。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所确定的最大电流限值对应于保护所述水箱不受腐蚀所需的最小电流乘以安全因数。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述安全因数等于二，并且所确定的最大电流限值对应于保护所述水箱不受腐蚀所需的所述最小电流的两倍。
9.根据权利要求1所述的方法，该方法还包括以下步骤：
确定气味减小模式是否被激活；以及
在所述气味减小模式被激活时，减小所确定的最大电流限值。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所确定的最大电流限值对应于保护所述水箱不受腐蚀所需的最小电流乘以安全因数，并且其中，减小所确定的最大电流限值的步骤包括：基于所述安全因数来减小所确定的最大电流限值，以使减小后的所确定的最大电流限值等于保护所述水箱不受腐蚀所需的所述最小电流。
11.根据权利要求1所述的方法，该方法还包括通过以下操作来估计所述水箱的衬里的劣化：
存储所述牺牲阳极相对于所述水箱的初始未调整电流值；
在经过了一段时间之后，测量所述牺牲阳极相对于所述水箱的随后未调整电流值；以及
基于所述初始未调整电流值与所述随后未调整电流值之差来增大所确定的最大电流限值。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，基于所述初始未调整电流值与所述随后未调整电流值之差来增大所确定的最大电流限值的操作包括：当所述初始未调整电流值与所述随后未调整电流值之差超过劣化阈值时，将所确定的最大电流限值设置成等于增大后的所确定的最大电流限值。
13.根据权利要求11所述的方法，其中，所确定的最大电流限值未增大到超过最大设置点电流限值。
14.一种水加热系统，该水加热系统包括：
水箱；
牺牲阳极，该牺牲阳极保护所述水箱不受腐蚀；以及
水加热器控制器，该水加热器控制器包括处理器和存储有指令的存储器，所述指令在由所述处理器执行时使所述水加热器控制器执行以下操作：
测量所述牺牲阳极相对于所述水箱的未调整电流；
基于所测量的未调整电流来识别所述水箱中的水的导电率状态；
基于水的所述导电率状态来确定针对所述牺牲阳极的最大电流限值；以及
限制所述牺牲阳极的所述电流，以使所述牺牲阳极的所述电流不超过所确定
的最大电流限值。
15.根据权利要求14所述的水加热系统，其中，所述指令在由所述处理器执行时，还使所述水加热器控制器测量所述水箱中的水的温度，并且使所述水加热器控制器通过基于所测量的未调整电流和所测量的温度识别水的导电率状态，来识别水的所述导电率状态。
16.根据权利要求15所述的水加热系统，其中，所述指令在由所述处理器执行时，还使所述水加热器控制器识别所述水箱的产品型号并且识别所述牺牲阳极的产品型号，并且使所述水加热器控制器进一步通过基于所测量的未调整电流、所测量的温度、所述水箱的产品型号以及所述牺牲阳极的产品型号识别水的导电率状态，来识别水的所述导电率状态。
17.根据权利要求14所述的水加热系统，其中，所述指令在由所述处理器执行时，使所述水加热器控制器通过以下步骤来识别水的所述导电率状态：
当所测量的未调整电流未超过第一电流阈值时，将所述导电率状态识别为低，
当所测量的未调整电流超过所述第一电流阈值但未超过第二电流阈值时，将所述导电率状态识别为中，所述第二电流阈值大于所述第一电流阈值，并且
当所测量的未调整电流超过所述第一电流阈值和所述第二电流阈值二者时，将所述导电率状态识别为高。
18.根据权利要求17所述的水加热系统，其中，所述指令在由所述处理器执行时，还使所述水加热器控制器执行以下操作：
测量所述水箱中的水的温度；
访问存储在所述存储器中的查找表；以及
在所述查找表中识别与所测量的水的温度相对应的所述第一电流阈值和所述第二电流阈值。
19.根据权利要求18所述的水加热系统，其中，所述指令在由所述处理器执行时，还使所述水加热器控制器执行以下操作：
识别所述水箱的产品型号，
识别所述牺牲阳极的产品型号，以及
在所述查找表中识别与所述水箱的产品型号、所述牺牲阳极的产品型号以及所测量的水的温度相对应的所述第一电流阈值和所述第二电流阈值。
20.根据权利要求14所述的水加热系统，其中，所确定的最大电流限值是从所述存储器存取的并且对应于保护所述水箱不受腐蚀所需的最小电流乘以安全因数。
21.根据权利要求20所述的水加热系统，其中，所述安全因数等于二，并且所确定的最大电流限值对应于保护所述水箱不受腐蚀所需的所述最小电流的两倍。
22.根据权利要求14所述的水加热系统，其中，所述指令在由所述处理器执行时，还使所述水加热器控制器执行以下操作：
确定气味减小模式是否被激活；并且
在所述气味减小模式被激活时，减小所确定的最大电流限值。
23.根据权利要求22所述的水加热系统，其中，所确定的最大电流限值是从所述存储器存取的并且对应于保护所述水箱不受腐蚀所需的最小电流乘以安全因数，并且其中，指令在由所述处理器执行时，使所述水加热器控制器通过基于所述安全因数减小所确定的最大电流限值来减小所确定的最大电流限值，以使减小后的所确定的最大电流限值等于保护所述水箱不受腐蚀所需的所述最小电流。
24.根据权利要求14所述的水加热系统，其中，所述指令在由所述处理器执行时，还使所述水加热器控制器通过以下操作来估计所述水箱的衬里的劣化：
将所述牺牲阳极相对于所述水箱的初始未调整电流值存储在所述存储器中；
在经过了一段时间之后，测量所述牺牲阳极相对于所述水箱的随后未调整电流值；以及
基于所述初始未调整电流值与所述随后未调整电流值之差来增大所确定的最大电流限值。
25.根据权利要求24所述的水加热系统，其中，所述指令在由所述处理器执行时，使所述水加热器控制器执行以下操作：通过当所述初始未调整电流值与所述随后未调整电流值之差超过劣化阈值时，将所确定的最大电流限值设置成等于增大后的所确定的最大电流限值，来基于所述初始未调整电流值与所述随后未调整电流值之差增大所确定的最大电流限值。
26.根据权利要求24所述的水加热系统，其中，所确定的最大电流限值未增大到超过最大设置点电流限值。
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