CN106369835A - 一种速热式恒温出水装置及其控制方法和控制系统 - Google Patents

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朱海宝
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Abstract

一种速热式恒温出水装置，包括带储水加热腔的水箱，及设置于水箱上的加热组件，水箱上设有进水口和出水口；还包括液位开关、温控开关、出水温度传感器、进水温度传感器和流量计；液位开关、温控开关和出水温度传感器分别伸入水箱内与水接触；进水温度传感器和流量计分别连接进水口；加热组件上设置有熔断器。本发明在使用恒温水之前可对水箱中的水进行预热，预热到目标温度，当使用恒温水时则根据检测到的进水温度、流量、输入电压和目标出水温进行加热控制，可保证在3秒内以恒定设置温度连续出水，温度偏差±1℃范围内，无须等待，适合现代人们快节奏的生活，其具有省时、省水、省电、安全、环保的优点。

Description

一种速热式恒温出水装置及其控制方法和控制系统
技术领域
本发明涉及一种出水装置，特别涉及一种速热式恒温出水装置及其控制方法和控制系统，应用于家用电器及热水器、饮水机、智能马桶等需要即时热水的设备。
背景技术
中国专利文献号CN104776587A于2015年7月15日公开了一种快速水加热装置及其控制方法，具体公开了包括水箱壳体，所述水箱壳体上设有进水口和出水口，所述水箱壳体内设有加热元件，所述加热元件和加热控制板相连，所述水箱壳体上靠近出水口处设有出水温度传感器，所述水箱壳体上出水口处设有整流腔，所述出水温度传感器的头部感应点及杆体位于整流腔中，所述出水温度传感器和加热元件之间的距离为1～15mm。该装置的加热效率较低，而且能耗较高，出水温度未能达到恒温效果，因此，有必要做进一步改进。
发明内容
本发明的目的旨在提供一种结构简单合理、省时、省水、省电、安全、环保的速热式恒温出水装置，及其控制方法和控制系统，以克服现有技术中的不足之处。
按此目的设计的一种速热式恒温出水装置，包括带储水加热腔的水箱，及设置于水箱上的加热组件，水箱上设有进水口和出水口；其特征在于：还包括液位开关、温控开关、出水温度传感器、进水温度传感器和流量计；液位开关、温控开关和出水温度传感器分别伸入水箱内与水接触；进水温度传感器和流量计分别连接进水口；加热组件上设置有熔断器。
所述水箱上设置有挡水部件，挡水部件设置于加热组件与进水口之间。
所述挡水部件由挡水主体和导水结构组成，导水结构凸起于挡水主体上，挡水主体对应导水结构设有通孔，导水结构的一侧或两侧设有连通通孔的导水口。
所述水箱包括相互装配的盖体和箱体，液位开关、温控开关、出水温度传感器和出水口分别设置于盖体上，加热组件、挡水部件和进水口分别设置于箱体上，此外，箱体上还设有排污口。
上述速热式恒温出水装置的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
A、实时监测进水温度T1、进水流量m和输入电压U，系统根据公式P＝C·m(Ts-T1))/t和P＝U·I计算出每秒需要的加热电功率；
其中，C为水的比热容量，即4200J/(kg·℃)；
m为单位时间内增加的重量或流量(kg/h)；
Ts为目标设定温度；
T1为进水温度；
t为时间；
P为功率；
U为电压；
I为电流；
B、在实际使用过程中外界环境温度的变化和硬件检测流量、温度的精度都会影响出水温度的精度，故根据实际出水温度T2与目标设定温度Ts进行修正；
出水3秒后检测实际出水温度T2，计算T2与Ts之间的温差从而进行修正；
若：Ts-T2＝1℃，根据步骤A中的公式增加1℃的功率输出，以此类推；
若：Ts-T2＝-2℃，根据步骤A中的公式减少1℃的功率输出，以此类推；
C、当T2-Ts≥5℃时，停止加热；当T2-Ts≤1℃时，则按实际计算的功率输出；
D、固定预热功率，根据T2与Ts的温差，及水箱内水的重量计输出时间，按计算时间输出后，每3秒检测一次T2，再根实际水箱水温情况进行每秒1％的补偿；Ts-T2≥1℃时，进行补偿；Ts-T2＜1℃时，停止补偿；
E、当进水流量小于300mL/min或停止进水时，则停止加热；当进水流量大于300mL/min时，则开启加热；
当出水温度传感器和/或进水温度传感器开路或短路时，停止加热；使用过程中，出水温度传感器或进水温度传感器连续1min检测的温度值无任何变化时，停止加热；
出水温度传感器检测到水温大于保护值时，则停止加热；温度下降到恢复值时，则启动加热；
出水温度传感器检测到水温达极限水温时，熔断器断开，永久性断开加热组件；
液位开关与水位断开时不允许加热，液位开关与水流闭合时允许加热。
上述速热式恒温出水装置的控制系统，其特征在于：还包括主控MCU、电源模块、电压检测模块、过零检测模块和可控硅；主控MCU分别连接电压检测模块、进水温度传感器、出水温度传感器、流量计、液位开关、电源模块和过零检测模块，过零检测模块依次连接可控硅、熔断器、温控开关和加热组件。
本发明通过设置主控板、进出水温度传感器、温控开关、液位开关、流量计等，使其在使用恒温水之前可对水箱中的水进行预热，预热到目标温度，当使用恒温水时则根据检测到的进水温度、流量、输入电压和目标出水温进行加热控制，可保证在3秒内以恒定设置温度连续出水，温度偏差±1℃范围内，无须等待，适合现代人们快节奏的生活，其具有省时、省水、省电、安全、环保的优点。
附图说明
图1为本发明一实施例的分解图；
图2为本发明一实施例又一方位的分解图；
图3为本发明一实施例的装配图；
图4为本发明一实施例又一方位的装配图；
图5为本发明一实施例的剖视图；
图6为本发明中挡水部件的结构示意图；
图7为图6中B处的放大示意图；
图8为本发明一实施例的控制系统示意图；
图9和图10分别为本发明一实施例的控制原理图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述。
参见图1-图10，本速热式恒温出水装置，包括带储水加热腔的水箱4，及设置于水箱4内的加热组件5，水箱4上设有进水口1.1和出水口1.2；还包括液位开关1、温控开关2、出水温度传感器3、进水温度传感器7和流量计9；液位开关1、温控开关2和出水温度传感器3分别伸入水箱4内与水接触；进水温度传感器7和流量计9分别连接进水口1.1；加热组件5上设置有熔断器6。本速热式恒温出水装置在控制加热组件5的功率上，预先根据流量计和进水温度传感器7检测到的数据，计算出要达到目标温度，所需要的热量，通过公式计算出，再通过可控硅在过零点用一定频率PWM的脉冲来开关控制，从而实现快速稳定控制的目的。
进一步说，所述水箱4内设置有挡水部件10，挡水部件10设置于加热组件5与进水口1.1之间，使原水均匀分布通过加热组件5，保证水温的快速稳定。
进一步说，所述挡水部件10由挡水主体11和若干导水结构12组成，导水结构12凸起于挡水主体11上，挡水主体11对应导水结构12设有通孔11.1，导水结构12两侧设有连通通孔11.1的导水口12.1，原水依次穿过通孔11.1和导水口12.1，实现均匀分布原水的效果。
进一步说，所述水箱4包括相互装配的盖体4’和箱体4”，液位开关1、温控开关2、出水温度传感器3和出水口1.2分别插设于盖体4’上，加热组件5、挡水部件10和进水口1.1分别设置于箱体4”上，此外，箱体4”底部还设有排污口1.3，进水口1.1设置于箱体4”底部。
进一步说，箱体4”上设置有装配孔4.1”，加热组件5通过装配孔4.1”插设装配于箱体4”内，挡水部件10覆盖进水口1.1和排污口1.3，方便均匀分布原水，且具有一定的过滤效果。
进一步说，流量计9通过水管或直接连接进水口1.1；进水温度传感器7设置于传感器支架8上，其通过传感器支架8连接流量计9。
上述速热式恒温出水装置的控制方法，包括以下步骤：
A、实时监测进水温度T1、进水流量m和输入电压U，系统根据公式P＝C·m(Ts-T1))/t和P＝U·I计算出每秒需要的加热电功率；
其中，C为水的比热容量，即4200J/(kg·℃)；
m为单位时间内增加的重量或流量(kg/h)；
Ts为目标设定温度；
T1为进水温度；
t为时间；
P为功率；
U为电压；
I为电流；
B、在实际使用过程中外界环境温度的变化和硬件检测流量、温度的精度都会影响出水温度的精度，故根据实际出水温度T2与目标设定温度Ts进行修正；
出水3秒后检测实际出水温度T2，计算T2与Ts之间的温差从而进行修正；
若：Ts-T2＝1℃，根据步骤A中的公式增加1℃的功率输出，以此类推；
若：Ts-T2＝-2℃，根据步骤A中的公式减少1℃的功率输出，以此类推；
C、当T2-Ts≥5℃时，停止加热；当T2-Ts≤1℃时，则按实际计算的功率输出；
D、固定预热功率，根据T2与Ts的温差，及水箱内水的重量计输出时间，按计算时间输出后，每3秒检测一次T2，再根实际水箱水温情况进行每秒1％的补偿；Ts-T2≥1℃时，进行补偿；Ts-T2＜1℃时，停止补偿；
水箱4预热时间取决于水箱4容积与电加热功率的匹配，例如根据比热容公式计算，容积200ml的水箱4，电加热功率2000W，则一箱水从5℃到40℃的预热时间大约为15S左右，如果要缩短预热时间，则必须加大加热组件5的功率，相应成本及供电电路成本增加，所以根据实际产品需求，在水箱5容量及预热时间、加热组件5之间需要找到相对合理的匹配。
E、当进水流量小于300mL/min或停止进水时，则停止加热；当进水流量大于300mL/min时，则开启加热；
当出水温度传感器3和/或进水温度传感器7开路或短路时，停止加热；使用过程中，出水温度传感器3或进水温度传感器7连续1min检测的温度值无任何变化时，停止加热；
出水温度传感器3检测到水温大于保护值时，则停止加热；温度下降到恢复值时，则启动加热；
出水温度传感器3检测到水温达极限水温时，熔断器6断开，永久性断开加热组件5；
液位开关1与水位断开时不允许加热，液位开关1与水流闭合时允许加热。
参见图8，上述速热式恒温出水装置的控制系统，还包括主控MCU、电源模块、电压检测模块、过零检测模块和可控硅；主控MCU分别连接电压检测模块、进水温度传感器7、出水温度传感器3、流量计9、液位开关1、电源模块和过零检测模块，过零检测模块依次连接可控硅、熔断器6、温控开关2和加热组件5。
主控MCU：系统核心控制部件，检测各个输入控制量，按照计算公式实时计算功率热需求，控制加热组件5的实时功率，并在水温接近设定温度时，予以PID反馈调节温度水温在设定温度，对系统水温、水温等保护检测；
电源模块：220V交流电经过变压器，经过分压电路进入电压检测模块，由主控AD采样检测供电电压；变压器次级进入整流桥堆，整流为直流电，再通过电源芯片7805和7812生成5V和12V直流电源，供整个电路使用。
电压检测模块：检测交流电电压，以修正调节加热组件5功率百分比。
过零检测模块：检测交流电的过零点，以在过零点控制可控硅，用于单片机控制功率输出百分比。
可控硅：根据计算出的功率需求，调节加热组件5到需求的百分比输出。
温控开关2：当软件等异常情况下，硬件方式关闭发热管输出，以保护水温过高。
进出水温度传感器：检测进水温度、出水温度用来计算功率需求，以及修正调节稳定水温。
流量计9：检测进水流量，用于计算热功率需求。
液位开关1：水满位检测，防止水箱4内无水干烧损坏硬件。
本结构在使用恒温水之前可对水箱4中的水进行预热，预热到目标温度，当使用恒温水时则根据检测到的进水温度、流量、输入电压和目标出水温进行加热控制，可保证在3秒内以恒定设置温度连续出水，温度偏差±1℃范围内，无须等待，适合现代人们快节奏的生活需要省时、省水、省电、安全、环保。
其中，加热组件5可根据比热容公式中的用水流量和进水温度的最大极限值匹配加热组件5功率的大小，如最大用水流量在1000ml/min，进水温度最低在5℃，出水温度要求在40℃，则使用的加热功率不小于2450W。
上述为本发明的优选方案，显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本领域的技术人员应该了解本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (6)

1.一种速热式恒温出水装置，包括带储水加热腔的水箱(4)，及设置于水箱(4)上的加热组件(5)，水箱(4)上设有进水口(1.1)和出水口(1.2)；其特征在于：还包括液位开关(1)、温控开关(2)、出水温度传感器(3)、进水温度传感器(7)和流量计(9)；液位开关(1)、温控开关(2)和出水温度传感器(3)分别伸入水箱(4)内与水接触；进水温度传感器(7)和流量计(9)分别连接进水口(1.1)；加热组件(5)上设置有熔断器(6)。
2.根据权利要求1所述速热式恒温出水装置，其特征在于：所述水箱(4)上设置有挡水部件(10)，挡水部件(10)设置于加热组件(5)与进水口(1.1)之间。
3.根据权利要求2所述速热式恒温出水装置，其特征在于：所述挡水部件(10)由挡水主体(11)和导水结构(12)组成，导水结构(12)凸起于挡水主体(11)上，挡水主体(11)对应导水结构(12)设有通孔(11.1)，导水结构(12)的一侧或两侧设有连通通孔(11.1)的导水口(12.1)。
4.根据权利要求3所述速热式恒温出水装置，其特征在于：所述水箱(4)包括相互装配的盖体(4’)和箱体(4”)，液位开关(1)、温控开关(2)、出水温度传感器(3)和出水口(1.2)分别设置于盖体(4’)上，加热组件(5)、挡水部件(10)和进水口(1.1)分别设置于箱体(4”)上，此外，箱体(4”)上还设有排污口(1.3)。
5.如权利要求1-4任一项所述速热式恒温出水装置的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
A、实时监测进水温度T1、进水流量m和输入电压U，系统根据公式P＝C·m(Ts-T1))/t和P＝U·I计算出每秒需要的加热电功率；
其中，C为水的比热容量，即4200J/(kg·℃)；
m为单位时间内增加的重量或流量(kg/h)；
Ts为目标设定温度；
T1为进水温度；
t为时间；
P为功率；
U为电压；
I为电流；
B、在实际使用过程中外界环境温度的变化和硬件检测流量、温度的精度都会影响出水温度的精度，故根据实际出水温度T2与目标设定温度Ts进行修正；
出水3秒后检测实际出水温度T2，计算T2与Ts之间的温差从而进行修正；
若：Ts-T2＝1℃，根据步骤A中的公式增加1℃的功率输出，以此类推；
若：Ts-T2＝-2℃，根据步骤A中的公式减少1℃的功率输出，以此类推；
C、当T2-Ts≥5℃时，停止加热；当T2-Ts≤1℃时，则按实际计算的功率输出；
D、固定预热功率，根据T2与Ts的温差，及水箱内水的重量计输出时间，按计算时间输出后，每3秒检测一次T2，再根实际水箱水温情况进行每秒1％的补偿；Ts-T2≥1℃时，进行补偿；Ts-T2＜1℃时，停止补偿；
E、当进水流量小于300mL/min或停止进水时，则停止加热；当进水流量大于300mL/min时，则开启加热；
当出水温度传感器(3)和/或进水温度传感器(7)开路或短路时，停止加热；使用过程中，出水温度传感器(3)或进水温度传感器(7)连续1min检测的温度值无任何变化时，停止加热；
出水温度传感器(3)检测到水温大于保护值时，则停止加热；温度下降到恢复值时，则启动加热；
出水温度传感器(3)检测到水温达极限水温时，熔断器(6)断开，永久性断开加热组件(5)；
液位开关(1)与水位断开时不允许加热，液位开关(1)与水流闭合时允许加热。
6.如权利要求1-4任一项所述速热式恒温出水装置的控制系统，其特征在于：还包括主控MCU、电源模块、电压检测模块、过零检测模块和可控硅；主控MCU分别连接电压检测模块、进水温度传感器(7)、出水温度传感器(3)、流量计(9)、液位开关(1)、电源模块和过零检测模块，过零检测模块依次连接可控硅、熔断器(6)、温控开关(2)和加热组件(5)。
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