CN205279491U - 一种用于太阳能热水器的智能温控系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于太阳能热水器的智能温控系统，包括：在热水器的出水管路内设置有温度传感器、水流方向采集装置及加热装置，所述温度传感器将采集的热水器出水端的水流温度传输至控制单元，水流方向采集装置检测水流方向，在热水器出水时，水流方向采集装置将热水器出水对应的信号传输至控制单元，所述控制单元根据温度传感器采集的水流温度控制加热装置的工作状态。本实用新型通过PTC加热器能够开始就得热水，达到节约水资源的目的。

Description

一种用于太阳能热水器的智能温控系统

技术领域

本实用新型涉及太阳能热水器温度控制领域，具体涉及基于智能温控系统的太阳能热水器定温送水的方法和装置。

背景技术

如今，随着经济和社会的快速发展，人们生活水平提高，居住条件改善，人们对居住的舒适性要求越来越高，建筑智能化越发重要。不管是居民小区还是酒店公寓，热水器都是必不可少的。目前，市场上的热水器大概有以下四类：燃气热水器、太阳能热水器、储水式电热水器、即热式电热水器。而大部分热水器都需要调节水温，尤其是太阳能热水器在调节水温时需要放掉大量的冷水，不节约、不方便，如何用最经济最方便的方式解决这一问题成为人们研究的热点。

人们在使用太阳能热水器时需要调节水温，由于太阳能热水器安装在楼顶，其出水口到用水端有很长的距离，这就造成了出水管里存储着大量的冷水，调节水温的同时会有很大一部分冷水白白流失，造成了水资源的浪费。在目前已经投入市场的热水器中，已经有一部分热水器安装了通过计算时间控制是否出水的装置，但是通过对管道中的冷水进行二次加热并通过检测太阳能的热水是否可用以控制加热设备状态的装置尚未见到。

实用新型内容

为解决现有技术存在的不足，本实用新型公开了基于智能温控系统的太阳能热水器定温送水的方法和装置，根据出水温度进行智能调节，并利用加热装置将不满足需求的冷水加热利用，从而有效地节约了水资源！

为实现上述目的，本实用新型的具体方案如下：

一种用于太阳能热水器的智能温控系统，包括：在热水器的出水管路内设置有温度传感器、水流方向采集装置及控制回路；

所述温度传感器将采集的热水器出水端的水流温度传输至控制单元；

所述水流方向采集装置检测水流方向，在热水器出水时，控制回路控制加热装置开始加热热水器的出水管路内的水；

所述控制单元根据温度传感器采集的水流温度控制延时开关的动作，延时开关与控制回路相连。

进一步的，所述水流方向采集装置包括设置热水器的出水管路内的磁钢，所述磁钢与铰链铰接，所述铰链嵌入环形涨塞中，所述环形涨塞紧贴管壁，磁钢与感应磁控开关相配合工作，磁钢靠近感应磁控开关时，感应磁控开关闭合，同时感应磁控开关所在回路中固态继电器通电，固态继电器对应的常开触点闭合。

进一步的，所述磁钢内部为N极、S极，感应磁控开关为干簧管式磁控开关，当磁钢靠近干簧管或绕在干簧管上的线圈通电形成的磁场使簧片磁化时，簧片的触点部分就会被磁力吸引，当吸引力大于簧片的弹力时，感应磁控开关对应的常开接点就会吸合；当磁力减小到设定程度时，常开接点被簧片的弹力打开。

进一步的，所述加热装置为PTC加热器，PTC加热器为盘管状，PTC加热器本体内设有加热腔和电器控制腔，以密封板隔开，电器控制腔内设有加热电路，加热腔内设有加热管，加热管连接在加热电路上。

进一步的，所述加热管为水电隔离式绝缘加热管。

进一步的，所述固态继电器对应的常开触点与断路器、加热电路、限温器对应的限温开关、延时继电器开关常闭触点及漏电保护开关组成控制回路，漏电保护开关与供电电源相连。

进一步的，所述温度传感器与信号转换器相连，所述信号转换器主要由测量单元、信号处理单元和转换单元组成，温度传感器为热电偶或热电阻，热电偶或热电阻与其他电阻构成桥式电路用于测量温度变化，并将测量的信号传输至信号处理单元进行处理，处理后的信号传输至转换单元转换成数字信号输出至控制单元。

进一步的，所述控制单元还与显示单元相连，所述显示单元用于实时显示热水器的出水管路内水流的温度。

进一步的，基于智能温控系统的太阳能热水器定温送水的方法，包括以下步骤：

步骤一：首先对热水器的出水管路内水流方向进行采集，判断是否是出水，如果是，则转入步骤二，否则结束；

步骤二：水流方向采集装置对应的感应磁控开关闭合，感应磁控开关所在的回路开始工作，温度传感器采集热水器的出水管路内出水温度，判断出水温度是否达标，如果是，则转入步骤三，否则，转入步骤四；

步骤三：延时开关动作，停止加热；

步骤四：加热装置开始对热水器的出水管路内的水流加热，判断加热后的水是否达到预设值，如果是，则限温开关断开，否则继续加热直至预设值。

本实用新型的主要思路是利用温度传感器测量太阳能出水管的温度，利用PTC对管道里的水进行二次加热，待出水温度达到其内限温开关设定值后PTC加热系统自动断开，实现出水温度即达到人们需求的效果；其次太阳能在阴雨天或雾霾天没有发挥作用时也可以对水进行电加热处理，满足人们对热水的需求。

本实用新型的有益效果：

(1)通过PTC加热器能够开始就得热水，达到节约水资源的目的；

(2)一般热水器需要等待冷水流出后才能得到热水，本实用新型可以一定程度的减少使用者的等待时间；

(3)一般太阳能在雾霾或者是阴天的天气情况下不能够很好地发挥加热作用，本实用新型可以充当临时加热器对水进行加热；

(4)本实用新型在太阳能中的热水可以使用时，自动断开加热回路并提醒使用者，避免重复加热，保障使用者的安全。

附图说明

图1本实用新型的整体结构示意图；

图2流向计的结构示意图；

图3与流向计相配合的管道结构设计剖面图；

图4磁钢内部结构示意图；

图5温度控制回路电路图；

图6信号放大电路与数模转换电路；

图7温度传感器对应的信号放大电路与数模转换具体电路图；

图8控制单元电路图；

图9出水控制流程图；

图中，1、PTC加热器，2、流向计，3、温度传感器，4、出水管管壁，5、环形涨塞，6、铰链，7、磁钢。

具体实施方式：

下面结合附图对本实用新型进行详细说明：

本实用新型旨在使用太阳能热水器时能够达到节水的目的，随着经济的不断发展，人们的节能减排意识不断的提高。通过本实用新型可以使居民用水资源得到最大化利用。

随着现在的空气质量的日益下降，雾霾天的状况日益严重，太阳能的工作效率逐渐下降，在很多情况下都不能得到很好地利用，所以当太阳能热水器不能发挥相应作用的时候，本实用新型还可以充当电热水器的作用，能够确保使用者可以使用热水。

如图1所示，本实用新型针对居民使用太阳能热水器时，需先将管道中冷水放出后才能使用热水的问题。本实用新型利用流向计2判断水流方向，通过PTC加热器1对管中的水进行加热，同时传感器采集管道中的出水温度，并将数据传至控制器，由控制器控制加热回路的开断。该方法既能够充分利用存储在出水管道里的冷水，达到节约水资源的目的；又能满足人们实时使用热水的需求，进而节约使用者的时间以及符合人机工程学的要求。

其中，水流方向采集装置为流向计2，因为太阳能热水器的进水和出水使用一条管道进行，所以，在系统工作前需要判断水流方向，在本实用新型中设计了一个以磁控开关为基础的方向判定装置，这样可以准确判断出水流方向，并决定是否启动加热装置。由于整个系统是智能化控制，所以水流的方向决定是否需要加热前提条件。可知，当给太阳能或者是热水器中上水时，虽然有水的流动，却不需要加热，此时上水侧的水压是大于出水侧的水压，流向计2控制的常开触点是不动作的，即上水时PTC加热器1不会进行加热；当人们需要用热水时，水的流动方向相反，此时出水侧的水压比上水侧的水压要大，此时流量计控制的常开触点闭合，触发PTC加热器1进行对水的加热处理。

本水流方向采集装置的电源为小幅电压供电，流向计2结构如图2所示，采用干簧管式磁控开关，在控制回路中作为电源开关，当磁钢靠近干簧管或绕在干簧管上的线圈通电形成的磁场使簧片磁化时，簧片的触点部分就会被磁力吸引，当吸引力大于簧片的弹力时，常开接点就会吸合；当磁力减小到一定程度时，接点被簧片的弹力打开。由于干簧管不能直接接入较大电流电路，所以本实用新型采用其控制继电器的方法，通过控制继电器的输入回路和触点实现被控制回路的通断，本实用新型采用的继电器为固态继电器。固态继电器的输入端可以用微小的控制信号，达到直接驱动大电流负载。磁钢内部如图4所示。

控制回路中，需采用漏电保护开关，用以对低压电网直接触电和间接触电进行有效保护，K1为固态继电器的辅助触点，当控制回路的固态继电器通电后，触点K1随之闭合，控制回路工作，控制回路电路图如图5所示。

如图3所示，为了实现水流方向的检测，本实用新型采用环形涨塞，涨塞的设计要尽量紧贴管壁，并且减小涨塞的体积，这样对水流的影响可以降到最低，在涨塞中嵌入带有磁钢的铰链，将环形涨塞固定在管道中，这样当有水流时，铰链上的磁钢就会随水流的方向改变位置。进水时，磁钢被冲向磁控感应开关相反方向，这样磁控感应开关不动作；用水时，磁钢被冲向磁控开关所在的方向，此时开关感应闭合，控制回路开始通电，随之带动本控制回路工作。

流向计2包括设置热水器的出水管路内的磁钢7，所述磁钢7与铰链6铰接，所述铰链6嵌入环形涨塞5中，所述环形涨塞5紧贴出水管管壁4，磁钢7与感应磁控开关相配合工作，磁钢7靠近感应磁控开关时，感应磁控开关闭合，同时感应磁控开关所在回路中固态继电器通电，固态继电器对应的常开触点闭合。

流向计2工作流程：当太阳能进水的时候，磁钢7被水冲向左边，此时无动作；当太阳能出水时，磁钢7被冲向右边，接近磁控感应开关，磁控感应开关闭合，整个控制回路接通，控制回路中的固态继电器通电之后，常开触点K1被吸和，被控制回路导通，开始加热。当水流停止或反向时，磁钢由于自身重力恢复位置。

本实用新型采用温度传感器3采集出水温度，人们在使用太阳能热水器时，开始流出的冷水会让其自行流走而不能采取有效措施，随着人们节能意识的增强，也想出了许多防止浪费水的办法。本实用新型提出的解决方案是安装一个温度传感器3来进行出水温度的检测，控制器根据温度传感器3的测量温度控制一个常闭触点K2，当水的温度过低时，控制器控制的常闭触点K2不动作。当流向计2对应的控制开关闭合时，开始加热，但是我们不能知道到太阳能中的热水是否已经可以使用，这样就不能及时的为手动调节水阀做准备，无法在太阳能热水器中的热水达到后配送凉水，非常的不安全。所以有必要安装一个显示单元，在智能系统进行加热配水的时候能够对管道中的水温有一个显示过程，保证使用者的安全。

当太阳能中流出的水达到预期设定值得时候，温度传感器3将信号传输给控制器，其控制的触点就会动作(断开)，这样PTC加热器1就会停止对管中水的加热，然后利用太阳能热水器中的热水。

工作过程：当太阳能的热水到达温度传感器3所在位置之后，温度传感器3将信号通过调理电路发送给控制器，控制器在接收到信号之后进行数据处理，控制延时常闭开关断开，考虑到温度传感器3与PTC加热器1之间有一定的距离，故采用延时开关延时关PTC加热器1，确保出水温度满足人们需求，延时开关断开的同时指示灯亮，此时提醒使用者太阳能热水器中的热水已经可以使用，这样使用者就可以手动进行热水和凉水的调配，直到达到自己适应的温度为止。

另外，本实用新型对出水管冷水进行二次加热，采用的加热器功率较高，主要原因是出水管中水流速较快，为使冷水在一个较短时间内达到预期温度需要采用大功率加热器。本环节采用的是PTC加热器1，PTC本体内设有加热腔和电器控制腔，以密封板隔开，电器控制腔内设有加热电路，加热腔内设有加热管，加热管功率一般在1.0-2.0KW，2～3秒钟即出热水，加热管连接在加热电路上，其特征在于所述加热管为水电隔离式绝缘加热管。

PTC加热器1要设计成盘管状，目的是增加水的受热时间，在规定时间内达到预期温度。

带有智能调温系统的PTC加热器1的电路设计：

首先PTC是一个小型的电加热器，可以在很短的时间内将管内的水加热到预期的温度值，所以PTC加热器1的设计要涉及到个方面：

(1)速热性：因为人们在使用热水器的时候，水流的速度是非常快的，所以需要在这极短的时间内能够达到一定的温度，以保证人们用水的实时性。

(2)轻巧性：在设计的时候需要尽可能的保证整个加热器外形轻巧，占用体积尽量不要太大，节省管道及安装处的空间。

(3)安全性：由于PTC加热需要大功率的加热器，使用时确保它的安全性是极为重要的，所以本系统需要加装限温器。首先限温器安装在加热管道内，其最高温度可以设定在50-60℃之间，这样可以保证其有见到的蓄热量，同时也可以保证人们所需要的温度。一旦加热温度达到设定值时，限温器便会立即切断电源，避免加热失控，造成事故。

工作过程：当使用者用水时，流向计2检测水流向正确，其控制的继电器开关常开触点k1闭合，PTC加热器1开始工作，将水迅速加热，当太阳能中的热水到达温度传感器3处，温度传感器3将信号传递给单片机，有单片机控制的延时继电器开关常闭触点k2断开，PTC停止工作。若电路出现故障或发生干烧的情况，限温开关k3断开，以防发生危险。

为了更好的说明本实用新型在实施时对应的技术方案，下面结合具体硬件电路进行说明。

(1)温度传感器3的选型

本实用新型采用常用温度传感器PT100，PT100温度传感器是一种将温度变量转换为可传送的标准化输出信号的仪表。主要用于工业过程温度参数的测量和控制。带传感器的变送器通常由两部分组成：传感器和信号转换器。传感器主要是热电偶或热电阻；信号转换器主要由测量单元、信号处理和转换单元组成。

(2)温度检测与处理电路

由电阻温度传感器检测的信号不稳定，进入测量电路的除了传感器输出的测量信号外，往往还有各种噪声。而传感器的输出信号一般又很微弱，为了将测量信号从含有噪声的信号中分离出来可采用仪用放大器AD623进行信号放大及低通滤波，将噪声去除。

热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的。通常将其放在电桥的桥臂上，温度变化时，热电阻两端的电压信号被送到仪器放大器AD623的输入端，经过仪器放大器放大后的电压输出送给A/D转换芯片，从而把热电阻的阻值转换成数字量。信号放大电路如图6所示。

仪表放大器都能将通带外的高频信号整流，整流后，这些信号在输出中表现为直流失调误差。所以本申请中还采用屏蔽电缆来减少噪声，且为了在整个频率范围内得到最好的共模抑制比，屏蔽层必须正确地连接。

(3)模数转换电路

模数转换电路图如图7所示。控制单元的控制电路如图8所示。

在-200℃到+200℃的温度范围内，PT100热电阻提供的电压范围从-7.890mV到10.777mV，AD623的增益编程为100(RG＝1.02kΩ)，而REF引脚上加上2V电压，产生的输出电压范围相对于地电平从1.110V到3.077V。由于AD623的输出电压为相对于基准端的电压，为获得较高的共模抑制比，REF引脚应连接于低阻抗点。

工作流程图如图9所示，首先判断管中的水流方向，由流向计2检测，若是进水，则不采取任何动作。若是出水，流向计2中的磁钢被冲向干簧管磁控开关所在侧，进而控制继电器的常开触点K1闭合，PTC开始加热工作对管中流动的水二次加热，当太阳能中的热水到达管道中的温度传感器3时，其将信号传输给控制器，控制器控制延时开关动作，延时一段时间后断开电路，同时数码管指示灯显示，提醒使用者可以调节水阀进行微调配水。

上述虽然结合附图对本实用新型的具体实施方式进行了描述，但并非对本实用新型保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本实用新型的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本实用新型的保护范围以内。

Claims (9)

1.一种用于太阳能热水器的智能温控系统，其特征是，包括：在热水器的出水管路内设置有温度传感器、水流方向采集装置及控制回路；

所述温度传感器将采集的热水器出水端的水流温度传输至控制单元；

所述水流方向采集装置检测水流方向，在热水器出水时，控制回路控制加热装置开始加热热水器的出水管路内的水；

所述控制单元根据温度传感器采集的水流温度控制延时开关的动作，延时开关与控制回路相连。

2.如权利要求1所述的一种用于太阳能热水器的智能温控系统，其特征是，所述水流方向采集装置包括设置热水器的出水管路内的磁钢，所述磁钢与铰链铰接，所述铰链嵌入环形涨塞中，所述环形涨塞紧贴管壁，磁钢与感应磁控开关相配合工作，磁钢靠近感应磁控开关时，感应磁控开关闭合，同时感应磁控开关所在回路中固态继电器通电，固态继电器对应的常开触点闭合。

3.如权利要求2所述的一种用于太阳能热水器的智能温控系统，其特征是，所述磁钢内部为N极、S极，感应磁控开关为干簧管式磁控开关，当磁钢靠近干簧管或绕在干簧管上的线圈通电形成的磁场使簧片磁化时，簧片的触点部分就会被磁力吸引，当吸引力大于簧片的弹力时，感应磁控开关对应的常开接点就会吸合；当磁力减小到设定程度时，常开接点被簧片的弹力打开。

4.如权利要求1所述的一种用于太阳能热水器的智能温控系统，其特征是，所述加热装置为PTC加热器，PTC加热器为盘管状，PTC加热器本体内设有加热腔和电器控制腔，以密封板隔开，电器控制腔内设有加热电路，加热腔内设有加热管，加热管连接在加热电路上。

5.如权利要求4所述的一种用于太阳能热水器的智能温控系统，其特征是，所述加热管为水电隔离式绝缘加热管。

6.如权利要求2所述的一种用于太阳能热水器的智能温控系统，其特征是，所述固态继电器对应的常开触点与断路器、加热电路、限温器对应的限温开关、延时继电器开关常闭触点及漏电保护开关组成控制回路，漏电保护开关与供电电源相连。

7.如权利要求1所述的一种用于太阳能热水器的智能温控系统，其特征是，所述温度传感器与信号转换器相连，所述信号转换器主要由测量单元、信号处理单元和转换单元组成，温度传感器为热电偶或热电阻，热电偶或热电阻与其他电阻构成桥式电路用于测量温度变化，并将测量的信号传输至信号处理单元进行处理，处理后的信号传输至转换单元转换成数字信号输出至控制单元。

8.如权利要求1所述的一种用于太阳能热水器的智能温控系统，其特征是，所述控制单元还与显示单元相连，所述显示单元用于实时显示热水器的出水管路内水流的温度。

9.如权利要求1所述的一种用于太阳能热水器的智能温控系统，其特征是，所述控制单元通过开关管与延时继电器相连。