胡新文

摘要：基于PT100熱敏電阻設(shè)計了一個低成本、高精度的溫控電磁閥門開關(guān)，將之運用在普通熱水水龍頭上，以實現(xiàn)智能化控制水龍頭可出熱水的溫度。研究過程中對水龍頭出水口管道進行了改進以提高分離冷水的能力。最后進行實驗來檢測分析使用時水龍頭口的熱水溫度誤差，并利用軟件模擬從鍋爐到水龍頭的水管內(nèi)水溫變化，來驗證可節(jié)約的涼水的體積。本設(shè)計結(jié)構(gòu)精簡、功能可靠，在日常生活中可以有效地控制水龍頭“篩選”熱水的能力，起到了節(jié)約水源的作用。

關(guān)鍵詞：溫度檢測;熱敏電阻;電壓比較器;智能溫控水龍頭;

引言

目前，我國還是一個極度缺水的發(fā)展中國家，但經(jīng)濟建設(shè)和環(huán)保節(jié)約都不容忽視，二者兼顧發(fā)展變得日漸重要。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在學(xué)校、高速服務(wù)區(qū)等一些提供熱水服務(wù)的地方，人們想要使用熱水時，總會先打開水龍頭讓水流一會，等出口水溫較高后再接水，而等待過程中的涼水就會流入下水道，這樣就造成了水資源的大量浪費?；诠?jié)約用水的理念，本設(shè)計利用現(xiàn)有成熟的電子元件產(chǎn)品，將之和傳統(tǒng)的家用熱水龍頭結(jié)合，使改造后的水龍頭可以流出滿足需求溫度的熱水，而且讓原管內(nèi)的冷水回流并回收到儲水器中。在滿足需求的同時又實現(xiàn)節(jié)約用水的功能，做到了生產(chǎn)低成本、節(jié)水高效益的實用價值。

1、設(shè)計方案

1.1設(shè)計原理

“智能溫控回水龍頭”是基于溫度傳感器進行一系列操控的。

測溫觸頭被放置于出水管內(nèi)部，測量待出水的溫度。如果測得的溫度低于提前設(shè)置的期望溫度，則單片機接受信號后判定為“涼水”，此時由電磁閥門控制的溫控開關(guān)則打開，判定的“涼水”回流到儲水器中。涼水的流通路徑如圖2;如果測得的溫度超過預(yù)設(shè)的期望溫度，則單片機接受信號后判定為人們所需的“熱水”，此時由電磁閥門控制的溫控開關(guān)則關(guān)閉，“熱水”從水龍頭流出。熱水的流通路徑如圖3。

1.2設(shè)備的各部分原理

1.2.1、溫度傳感器

溫度傳感器是基于熱電阻的反饋電路，其核心部分有PT100熱電阻、LM339電壓比較器、2N5551三極管以及Songle繼電器。它的功能是根據(jù)溫度是否大于期望溫度從而判斷是否給電磁閥門220V的電壓。

1.2.2、PT100熱電阻

由于智能溫控回水龍頭的應(yīng)用對象是水，所以我們的熱電阻選用的溫度應(yīng)用范圍是在-30°C-100°C，考慮到精確度與成本等因素，我們選用的是PT100熱電阻，其阻值隨溫度升高而增大。部分電阻溫度與電阻值對照表如下表1：

1.2.3、LM339電壓比較器

LM339芯片具有以下特點：

（1）電壓失調(diào)小，一般是2mV;

（2）Vcc電壓范圍寬，單電源為2-36V;

（3）輸出端電位可靈活方便地選用;

只要兩個輸入端電壓差別大于10mV就能確保輸出能從一種狀態(tài)可靠地轉(zhuǎn)換到另一種狀態(tài)，所以我們選擇其作為我們的電壓比較器。其功能是將熱電阻PT100的阻值變化轉(zhuǎn)化成高低電平的變化，即隨溫度變化，熱電阻阻值也發(fā)生改變：當熱電阻阻值大于120Ω時，輸出高電平;當熱電阻阻值小于120Ω時，輸出低電平。（這里應(yīng)當注意的是（1）LM339芯片的輸出端相當于一只不接集電極電阻的晶體三極管，要想輸出高低電平，在輸出端到正電源一般須接一只電阻，稱為上拉電阻，選3-15K歐姆（2）LM339芯片的最大驅(qū)動電流為16mA。）

1.2.4、Songle繼電器

型號為SRD-05VDC-SL-C，額定功率為0.45W，工作電壓為5V，工作電流為90mA。其功能是當輸入線圈的電壓大于5V，電流大于90mA即功率大于0.45W時，繼電器中線圈通電，帶有磁性，使觸點吸合;否則繼電器觸點處于斷開狀態(tài)，從而實現(xiàn)開關(guān)功能。

1.2.5、2N5551三極管

三極管選用的是2N5551三極管，其封裝為TO92;極性為NPN;主要參數(shù)有最大工作電壓160-180V，最大工作電流0.6A，最大功率625mW，最高截止頻率100-300MHz，直流電流放大系數(shù)80-250。其功能是放大電壓比較器輸出的電流。

由于電壓比較器的輸出電流較?。ㄗ畲鬄?6mA），無法直接驅(qū)動繼電器（工作電流90mA）使其工作，所以需要附加一個三極管放大電流，使用方式為將三極管的基極接電壓比較器輸出端，集電極接地，發(fā)射極接繼電器。

1.2.6、最終電路的確定

為了更好地確定其電路，我們在電腦上使用電路仿真軟件Proteus 8 對電路進行測試，最終得到了滿足需求的電路。具體電路如圖4。

（1）其中各部分電阻阻值和元件分別為：

RV1：使用滑動電阻器代替熱電阻;

R16：基準電阻，其阻值為120Ω，因為期望溫度為60℃，熱電阻在60℃時對應(yīng)的阻值為123.24Ω;

R1和R2：12kΩ，因為滑動變阻器和基準電阻相比R1和R2較小，對電路的電流沒有影響，所以該支路電流不會隨著熱電阻阻值的變化而變化，始終為0.5mA;

R3：作為電壓比較器的正反饋，用作緩沖器以消除溫度波動帶來的振蕩。

R4：4.7kΩ，作為上拉電阻，因為LM339芯片的輸出端相當于一只不接集電極電阻的晶體三極管，要想輸出高低電平，在輸出端到正電源之間一般須接一只上拉電阻，選擇范圍是3-15KΩ。

D1：電路中與繼電器并聯(lián)的1N5408二極管是續(xù)流二極管，其作用是防止直流線圈斷電時，產(chǎn)生自感電勢形成的高電壓對三極管造成損害。

B1：6V直流電源。

（2）電路的兩種工作狀態(tài)：

I：當熱電阻的探頭溫度小于60°C時，熱電阻阻值小于基準電阻120Ω，其上的分壓也較小，那么電壓比較器輸出低電平，三極管的基極沒有電流輸入，此時繼電器觸點斷開。電路如圖5：

II：當熱電阻的探頭溫度大于60°C時，熱電阻阻值大于基準電阻120Ω，其上的分壓也變大，那么電壓比較器輸出電勢為高電平，此時三極管的基極有電流輸入，經(jīng)過三極管放大后使繼電器觸點閉合。電路如圖6：

1.3回水龍頭外觀的確定

最初設(shè)計時選擇使用6分（內(nèi)直徑240.5 mm）的PPR水管以及接頭與之匹配的電磁閥門組成回水龍頭，如下圖7。 但是，在實際實驗中我們發(fā)現(xiàn)水流動的實際情況與最初想象的不一樣：當涼水流入水龍頭時，因為在電磁閥門處受到較大的局部阻力，部分涼水會從水龍頭的熱水出口流出。經(jīng)過討論我們決定增加熱水出口部分的管道阻力，將水龍頭的熱水出口的管道改成4分管（內(nèi)徑19.5?0.3 mm）并增加一個彎道，來阻斷冷水的流出，具體形狀如下圖8

2、試驗?zāi)M

我們對實際的鍋爐供水方式進行了簡化和模擬。我們首先使用畫圖軟件Gambit 2.4.6繪制了簡化的鍋爐（2m*3m）、管道（0.06m*10m）以及使鍋爐內(nèi)的水維持在373k的熱源（2m*3m的高溫金屬）。為了繪制和計算方便，我們忽略了水的壓力和管道阻力等對結(jié)果影響不大的因素。并使用仿真軟件Fluent 15.0進行了模擬，得到了驗證所需的數(shù)據(jù)。

2.1 回水龍頭方案的可行性驗證

為了證明我們的方案具有實施價值，即輸水管道中的熱水確實會不斷與外界進行換熱變冷，我們進行了仿真模擬。我們設(shè)置的初始條件為：管道內(nèi)水的初溫為373k，管壁與外界的換熱為自然對流換熱且計算得到換熱系數(shù)為10，外界環(huán)境溫度依次設(shè)置為263k、273k、283k、293k。下圖是外界溫度為273k時，將溫度顯示區(qū)間設(shè)置為273-373k后模型管道中水的溫度分布情況。

我們記錄并處理了模擬所得數(shù)據(jù)，最后發(fā)現(xiàn)輸水管道中的熱水確實在不斷變冷，且外界溫度越低，管內(nèi)水溫變化越快，熱水溫度低到期望溫度60℃以下所需時間越短。外界溫度不同時，管道出口處水溫隨時間的變化如下圖11，并據(jù)此，我們認為智能溫控回水龍頭的研發(fā)是有價值的，它的使用可以節(jié)約水資源。

2.2 回水龍頭方案的必要性驗證

我們在前文中對回水龍頭方案的可行性進行了驗證，但是是否只有水龍頭處的水會變涼，我們?nèi)孕柽M一步的模擬計算。我們設(shè)置的初始條件為：管道內(nèi)水的初溫為373k，管壁與外界的換熱為自然對流換熱且計算得到換熱系數(shù)為10，外界環(huán)境溫度設(shè)置為273k。經(jīng)過了不同時間后，管內(nèi)水溫沿著管程的變化如下圖12：

我們可以看出，由于管道兩端與管道中間部分水的換熱條件不同，兩端水溫與管道中間部分有較大差異，但是兩端換熱條件對管道中間部分水的溫度影響不大，其絕大部分管程水的溫度都是相同的。

例如，在經(jīng)過10800s（3h）后，其絕大部分管程溫度約為324.16k，其中溫度高于324k的為接近鍋爐的一端長度僅為0.105m，溫度低于324k的為接近水龍頭的一端長度僅為0.17m，因此為了計算方便可以近似認為此時管道內(nèi)水的溫度均為324.16k。所以我們認為在外界溫度為273k時，只要熱水房在三小時內(nèi)沒有人接熱水的話，整個管道內(nèi)的水就會散發(fā)熱量并變涼從而被浪費掉，那么一次提供熱水服務(wù)即可節(jié)約用水為一所高校內(nèi)通常會配備3到4個熱水房，若這些熱水房從鍋爐到水龍頭都配有30m長的輸水管，并且每天至少早、中、晚期間提供三次熱水服務(wù)，那么使用我們的智能溫控回水龍頭則能夠在一年內(nèi)節(jié)約的水源量約為300。以北京市為例，其高校林立、人口眾多，但是水資源匱乏，如果市內(nèi)的93所院校水房都使用智能溫控回水龍頭，一年可以節(jié)約近30000的水資源，可以供約兩萬人的一個月生活用水，其數(shù)量及其可觀。

3、結(jié)論

經(jīng)過多個仿真軟件的模擬以及最后實際試驗所得到的數(shù)據(jù)可以表明，雖然使用了PT100熱敏電阻等成本較低的電子元件，但是經(jīng)過完善的結(jié)構(gòu)組合設(shè)計，智能溫控回水龍頭可以有效地實現(xiàn)水溫的檢測與水流的開關(guān)控制。在我國一些水源稀缺地區(qū)推廣智能溫控回水龍頭可以節(jié)約大量的水資源，有利于緩解水資源匱乏的現(xiàn)狀，它的研發(fā)與推廣對水資源的可持續(xù)發(fā)展起到有效的促進作用。

參考文獻

[1]秦曾煌，電工學(xué)（第七版）（下冊）[M]電子技術(shù).高等教育出版社，2011.

[2]黃賢武，鄭筱霞，傳感器原理與應(yīng)用[M].電子科技大學(xué)出版社，1999.

[3]PT100鉑電阻溫度對照表[EB/OL].（2020-01-02）[2020-01-30] http：//www.szsmyg.com/news/news_show/nid-1256.

[4]張靜秋，韓玉瑋.基于Multisim的滯回電壓比較器的設(shè)計及其應(yīng)用[J].電子制作，2016（21）：10-12+17.

[5]劉宇琦，樊丁，彭凱.Pt100熱敏電阻傳感器的數(shù)字仿真模塊設(shè)計[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2013，13（22）：6641-6645.

[6]陶文銓，楊世銘，傳熱學(xué)（第五版）[M].高等教育出版社，2019.