CN110793214A - 一种基于老年助浴人体适温模型的水温控制管路系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于老年助浴人体适温模型的水温控制管路系统，包括水温调节装置、水温检测装置和洗浴装置；所述水温调节装置包括热水进水管、冷水进水管、热水电动调节阀和冷水电动调节阀，热水进水管和冷水进水管分别连接热水电动调节阀和冷水电动调节阀，热水电动调节阀由第一步进电机和热水阀门组成，冷水电动调节阀由第二步进电机和冷水阀门组成；所述水温检测装置包括储水箱、温度传感器和搅拌叶片；热水进水管和冷水进水管连接汇总至储水箱。本发明的有益效果是：本发明设置的水温调节装置可根据热水阀门开口大小来调节混合水温度，确保了洗浴舒适性；水温检测装置的温度传感器可监测混合水温度，确保了洗浴安全性。

Description

一种基于老年助浴人体适温模型的水温控制管路系统及方法

技术领域

本发明涉及水温控制管路系统，尤其是涉及一种基于老年助浴人体适温模型的水温控制管路系统及方法。

背景技术

近年来，我国人口老龄化程度不断加剧，老年人病痛多，行动不便，洗浴成为一大问题。并且老年人皮肤较年轻人来说更为敏感，对水温的要求较高。水温过高会造成烫伤，同时还容易诱发心脑血管疾病；水温较低容易引起感冒甚至产生种种应激反应。当前老年人的洗浴基本依靠护理人员的协助，缺乏对水温的有效控制，洗浴的舒适性和安全性得不到保障。

就目前国内外的老年助浴设备而言，都是采用恒定水温进行洗浴，温度变化通过手动调节，洗浴时保持洗浴水温不变，缺乏对水温的个性化控制，无法根据不同的个体进行个性化洗浴。并且，无法让老人在洗浴时有一个逐渐适应水温的过程，往往老年人在刚入浴的时候容易感受到水温偏高或偏低的问题，从而影响老年人洗浴的舒适性和安全性。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种基于老年助浴人体适温模型的水温控制管路系统及方法。一方面，能够控制洗浴水温在各时段的变化从而满足人体最佳舒适度，对老年人健康洗浴有着重要意义；另一方面，能够实现水温的自动调节，在提高洗浴自动化的同时，还能进行个性化洗浴。

这种基于老年助浴人体适温模型的水温控制管路系统，包括水温调节装置、水温检测装置和洗浴装置；所述水温调节装置包括热水进水管、冷水进水管、热水电动调节阀和冷水电动调节阀，热水进水管和冷水进水管分别连接热水电动调节阀和冷水电动调节阀，热水电动调节阀由第一步进电机和热水阀门组成，冷水电动调节阀由第二步进电机和冷水阀门组成，步进电机连接阀门；所述水温检测装置包括储水箱、温度传感器和搅拌叶片；热水进水管和冷水进水管连接汇总至储水箱；所述洗浴装置包括进水口电动调节阀、浴缸和排水口电动调节阀；储水箱出口连接进水口电动调节阀。

作为优选：所述进水口电动调节阀和排水口电动调节阀分别设置在浴缸的进水口和排水口处。

作为优选：所述温度传感器和搅拌叶片均设置在储水箱内。

这种基于老年助浴人体适温模型的水温控制管路系统的控制方法，包括以下步骤：

1)建立人体适温模型：

首先是针对若干位实验对象进行模拟实验，设置初始水温35℃，每隔30s升高一次水温至人体感受最舒适的温度，持续十分钟，记录随时间变化的最佳温度离散点，根据温度离散点拟合得出人体适温曲线如下：

再结合热量计算公式Q＝cmΔt，其中c为水的比热容，m为产生热量变化的水的质量，Δt为温差；已知浴缸达到恒定水位时水的总重量为m_总，进水口与排水口的水流速率为vm³/s；根据冷热混合水进入浴缸与浴缸内的水混合之后散发的热量和原本浴缸内的水排出相同进水量后所吸收的热量相同，得如下等式：

代入人体适温曲线，得到所需冷热混合水的温度曲线如下：

冷水阀值保持不变，只改变热水阀值来实现水温控制，冷热混合水最终能达到人体适温曲线的最高温度40℃以及最低温度35℃，此时热水阀值最大即全部打开并且此时冷水、热水都在最低温度，冷水阀的最大量只能开到一定值；热水温度在55℃～75℃，冷水温度在7℃～22℃，此热水管道与冷水管道直径相同，那么在最终40℃混合水时由热量公式得：

c100％m(55-40)＝cx₁％m(40-7)

式中将阀全开的值定为100％，x₁％为冷水阀在极限情况下所能开的最大值,解得x₁％＝45％，直接取最大值45％；设热水阀值为x％，冷热混合水温度为T_混，根据热量公式得出等式如下：

c·x％m(T_热-T_混)＝c·45％m(T_混-T_冷)

从而解得热水阀门控制曲线：

2)水温控制管路系统工作：

2.1)热水和冷水分别从热水进水管和冷水进水管流入，其流量大小分别通过热水电动调节阀和冷水电动调节阀进行控制；设置冷水阀门初始值为45％，并保持不变；根据实验推导出的热水阀门控制曲线，得出不同时刻热水阀门的开口值，通过PLC发射脉冲对第一步进电机进行控制，使得热水阀门的开口值变化符合热水阀门控制曲线，从而得到所需的冷热混合水，使得洗浴时的水温符合人体适温模型；

2.2)洗浴过程中通过持续性进水和排水，维持洗浴水位恒定；搅拌叶片使冷水和热水进入储水箱后均匀混合，并在温度传感器的作用下实时监测冷热混合水的温度，一旦水温出现异常，进水口电动调节阀自动关闭，结束进水。

本发明的有益效果是：

1)本发明设置的水温调节装置可根据热水阀门开口大小来调节混合水温度，确保了洗浴舒适度；水温检测装置的温度传感器可监测混合水温度，确保了洗浴安全性。

2)本发明通过控制冷水阀门开口不变，改变热水阀门开口大小，来控制混合水的温度，从而实现了洗浴过程中水温的自动调节，使最终洗浴时的水温符合人体适温模型，极大地提高了老年助浴设备的自动化水平。相较于现有的恒定水温控制，避免了老人刚入浴时水温过高或过低以及洗浴过程中越洗越冷的问题，能够对水温进行及时有效的控制，让老年人在洗浴过程中对水温变化有一个适应的过程，对于保障老年人洗浴的舒适性和安全性有着重要意义。

附图说明

图1为基于老年助浴人体适温模型的水温控制管路系统示意图。

附图标记说明：热水进水管1、热水阀门2、第一步进电机3、热水电动调节阀4、冷水进水管5、冷水阀门6、第二步进电机7、冷水电动调节阀8、储水箱9、温度传感器10、搅拌叶片11，、进水口电动调节阀12、浴缸13、排水口电动调节阀14。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本发明。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

本发明主要针对老年助浴设备水温控制不及时以及自动化程度不高的问题，提出了基于老年助浴人体适温模型的水温控制管路系统及方法。能够让洗浴水温的变化符合人体最佳舒适度，实现老人洗浴时水温的自动控制，在提高老年人洗浴安全性和舒适性的同时，还极大地提高了老年助浴设备的自动化水平，对改善当前老年人的洗浴现状起到了至关重要的作用。

首先针对多个实验对象，通过模拟实验的方法得出几组随时间变化人体最适宜温度的离散点，然后对这几组数据取平均值处理，根据平均值用最小二乘法拟合出人体适温曲线。在水温控制方面，主要通过设定冷水阀值不变，通过改变热水阀值大小的方法来实现。结合人体适温曲线，对热水阀门控制曲线进行设计，最后通过PLC来对热水电动调节阀进行控制，使得热水阀值的大小变化符合推导得出的热水阀门控制曲线，从而实现洗浴水温的自动调节。

如图1所示，所述基于老年助浴人体适温模型的水温控制管路系统，包括水温调节装置、水温检测装置和洗浴装置。所述水温调节装置包括热水进水管1、冷水进水管5、热水电动调节阀4和冷水电动调节阀8。热水进水管1和冷水进水管5分别连接热水电动调节阀4和冷水电动调节阀8，热水电动调节阀4由第一步进电机3和热水阀门2组成，冷水电动调节阀8由第二步进电机7和冷水阀门6组成，步进电机连接阀门，通过PLC来控制步进电机，间接控制阀门的开口大小。所述水温检测装置包括储水箱9、温度传感器10和搅拌叶片11，温度传感器10和搅拌叶片11均设置在储水箱9内。热水进水管1和冷水进水管5连接汇总至储水箱9。所述洗浴装置包括进水口电动调节阀12、浴缸13和排水口电动调节阀14，浴缸13的进出水口分别设置进水口电动调节阀12和排水口电动调节阀14。储水箱9出口连接进水口电动调节阀12。

本发明的人体适温模型主要通过以下方法建立，首先是针对数位实验对象进行模拟实验，设置初始水温35℃，每隔30s升高一次水温至人体感受最舒适的温度，持续十分钟，记录随时间变化的最佳温度离散点，根据温度离散点拟合得出人体适温曲线如下：

再结合热量计算公式Q＝cmΔt，其中c为水的比热容，m为产生热量变化的水的质量，Δt为温差。已知浴缸达到恒定水位时水的总重量为m_总，进水口与排水口的水流速率为vm³/s，水的密度为ρ＝1×10³kg/m³，水的比热容为c＝4.2×10³J/(kg·℃)。根据冷热混合水进入浴缸与浴缸内的水混合之后散发的热量和原本浴缸内的水排出相同进水量后所吸收的热量近似相同，可得如下等式：

代入人体适温曲线，可以得到所需冷热混合水的温度曲线如下：

由于冷水阀值保持不变，只改变热水阀值来实现水温控制，那么考虑到冷热混合水最终能达到人体适温曲线的最高温度40℃以及最低温度35℃，只需将最极限的情况考虑进去即可，此时热水阀值最大即全部打开并且此时冷水、热水都在最低温度，冷水阀的最大量只能开到一定值。通常热水温度在55℃～75℃，冷水温度在7℃～22℃，又由于此热水管道与冷水管道直径相同，那么在最终40℃混合水时由热量公式得：

c100％m(55-40)＝cx₁％m(40-7)

式中将阀全开的值定为100％，x₁％为冷水阀在极限情况下所能开的最大值,解得x₁％≈45％，鉴于出水量和安全的考虑直接取最大值45％。设热水阀值为x％，冷热混合水温度为T_混，根据热量公式可得等式如下：

c·x％m(T_热-T_混)＝c·45％m(T_混-T_冷)

从而解得热水阀门控制曲线：

基于老年助浴人体适温模型的水温控制管路系统的具体工作过程主要如下：热水和冷水分别从热水进水管1和冷水进水管5流入，其流量大小分别通过热水电动调节阀4和冷水电动调节阀8进行控制。设置冷水阀门6初始值为45％，并保持不变。根据实验推导出的热水阀门控制曲线，得出不同时刻热水阀门2的开口值，通过PLC发射脉冲对步进电机3进行控制，使得热水阀门2的开口值变化符合热水阀门控制曲线，从而得到所需的冷热混合水，使得洗浴时的水温符合人体适温模型。

洗浴过程中通过持续性进水和排水，维持洗浴水位恒定。储水箱9的作用主要是短时间储水和确保洗浴安全，搅拌叶片11能够让冷水和热水进入储水箱9后快速均匀混合，在温度传感器10的作用下能够实时监测冷热混合水的温度，一旦水温出现异常，进水口电动调节阀12自动关闭，结束进水，确保洗浴安全。

本发明通过对热水阀门的开口大小进行控制，使得洗浴时的水温变化符合人体适温模型，能够让老年人洗浴时对水温的升高有一个适应的过程，更有利于老年人洗浴的舒适性和安全性。

Claims (4)

1.一种基于老年助浴人体适温模型的水温控制管路系统，其特征在于：包括水温调节装置、水温检测装置和洗浴装置；所述水温调节装置包括热水进水管(1)、冷水进水管(5)、热水电动调节阀(4)和冷水电动调节阀(8)，热水进水管(1)和冷水进水管(5)分别连接热水电动调节阀(4)和冷水电动调节阀(8)，热水电动调节阀(4)由第一步进电机(3)和热水阀门(2)组成，冷水电动调节阀(8)由第二步进电机(7)和冷水阀门(6)组成，步进电机连接阀门；所述水温检测装置包括储水箱(9)、温度传感器(10)和搅拌叶片(11)；热水进水管(1)和冷水进水管(5)连接汇总至储水箱(9)；所述洗浴装置包括进水口电动调节阀(12)、浴缸(13)和排水口电动调节阀(14)；储水箱(9)出口连接进水口电动调节阀(12)。

2.根据权利要求1所述的基于老年助浴人体适温模型的水温控制管路系统，其特征在于：所述进水口电动调节阀(12)和排水口电动调节阀(14)分别设置在浴缸(13)的进水口和排水口处。

3.根据权利要求1所述的基于老年助浴人体适温模型的水温控制管路系统，其特征在于：所述温度传感器(10)和搅拌叶片(11)均设置在储水箱(9)内。

4.一种如权利要求1所述的基于老年助浴人体适温模型的水温控制管路系统的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)建立人体适温模型：

首先是针对若干位实验对象进行模拟实验，设置初始水温35℃，每隔30s升高一次水温至人体感受最舒适的温度，持续十分钟，记录随时间变化的最佳温度离散点，根据温度离散点拟合得出人体适温曲线如下：

(t单位为s，T单位为℃)

再结合热量计算公式Q＝cmΔt，其中c为水的比热容，m为产生热量变化的水的质量，Δt为温差；已知浴缸达到恒定水位时水的总重量为m_总，进水口与排水口的水流速率为vm³/s；根据冷热混合水进入浴缸与浴缸内的水混合之后散发的热量和原本浴缸内的水排出相同进水量后所吸收的热量相同，得如下等式：

代入人体适温曲线，得到所需冷热混合水的温度曲线如下：

冷水阀值保持不变，只改变热水阀值来实现水温控制，冷热混合水最终能达到人体适温曲线的最高温度40℃以及最低温度35℃，此时热水阀值最大即全部打开并且此时冷水、热水都在最低温度，冷水阀的最大量只能开到一定值；热水温度在55℃～75℃，冷水温度在7℃～22℃，此热水管道与冷水管道直径相同，那么在最终40℃混合水时由热量公式得：

c100％m(55-40)＝cx₁％m(40-7)

式中将阀全开的值定为100％，x₁％为冷水阀在极限情况下所能开的最大值,解得x₁％＝45％，直接取最大值45％；设热水阀值为x％，冷热混合水温度为T_混，根据热量公式得出等式如下：

c·x％m(T_热-T_混)＝c·45％m(T_混-T_冷)

从而解得热水阀门控制曲线：

2)水温控制管路系统工作：

2.1)热水和冷水分别从热水进水管(1)和冷水进水管(5)流入，其流量大小分别通过热水电动调节阀(4)和冷水电动调节阀(8)进行控制；设置冷水阀门(6)初始值为45％，并保持不变；根据实验推导出的热水阀门控制曲线，得出不同时刻热水阀门(2)的开口值，通过PLC发射脉冲对第一步进电机(3)进行控制，使得热水阀门(2)的开口值变化符合热水阀门控制曲线，从而得到所需的冷热混合水，使得洗浴时的水温符合人体适温模型；

2.2)洗浴过程中通过持续性进水和排水，维持洗浴水位恒定；搅拌叶片(11)使冷水和热水进入储水箱(9)后均匀混合，并在温度传感器(10)的作用下实时监测冷热混合水的温度，一旦水温出现异常，进水口电动调节阀(12)自动关闭，结束进水。