阅读说明：本技术 一种太阳能热水器非溢流式自动补水控制系统及方法 (Non-overflow automatic water replenishing control system and method for solar water heater ) 是由 孟江 安坤 杨良兴 程晓斌 何建龙 于 2019-12-02 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种太阳能热水器非溢流式自动补水控制系统及方法。所述系统中的热水管道的一端与热水器水箱连接,热水管道的另一端与用户负载连接；冷水管道通过补水管道与热水管道连接；温度传感器和流量传感器均设置在热水管道上,且温度传感器和流量传感器均位于热水管道与管道连接点之间；管道连接点为热水管道与补水管道的连接点；补水阀设置在补水管道上；补水控制阀均与温度传感器、流量传感器、继电器连接；继电器与补水阀连接；补水控制器用于获取温度传感器采集到的温度和流量传感器采集到的流量,并通过继电器控制补水阀的开闭。采用本发明的系统或方法,能够解决液体控制自动补水系统中因液位传感器失效而导致溢流的问题。(The invention discloses a non-overflow automatic water replenishing control system and method for a solar water heater. One end of a hot water pipeline in the system is connected with a water tank of a water heater, and the other end of the hot water pipeline is connected with a user load; the cold water pipeline is connected with the hot water pipeline through a water replenishing pipeline; the temperature sensor and the flow sensor are both arranged on the hot water pipeline and are both positioned between the hot water pipeline and the pipeline connecting point; the pipeline connecting point is a connecting point of the hot water pipeline and the water replenishing pipeline; the water replenishing valve is arranged on the water replenishing pipeline; the water replenishing control valves are all connected with a temperature sensor, a flow sensor and a relay; the relay is connected with the water replenishing valve; the water replenishing controller is used for acquiring the temperature acquired by the temperature sensor and the flow acquired by the flow sensor and controlling the opening and closing of the water replenishing valve through a relay. By adopting the system or the method, the problem of overflow caused by failure of the liquid level sensor in the liquid control automatic water replenishing system can be solved.)

一种太阳能热水器非溢流式自动补水控制系统及方法

技术领域

本发明涉及太阳能热水器技术领域，特别是涉及一种太阳能热水器非溢流式自动补水控制系统及方法。

背景技术

目前，非承压式太阳能热水器补水控制主要采用手动或液位自动控制实现。采用手动补水方式时，因缺少传感器信号对水箱储水量的估计，通常会出现补水不足或补水过盈而溢出等情况；采用液位控制时，补水控制器通过判断液位信号是否到达水箱上限而操纵补水阀启闭实现自动补水。

然而，在液位控制自动补水系统实际运行中，经常会出现自动补水功能失控的问题，出现上述问题最主要的原因是液位传感器失效，由于补水水质出现较严重的水垢问题使传感器信号输出变差，或是由于太阳能水箱温度经常处于100摄氏度或更高的工况下，导致传感器电子元件迅速老化而损坏。液位控制自动补水系统出现的自动补水功能失控的问题，会导致大量补水从水箱内持续溢出，进而造成水资源的极大浪费。

发明内容

基于此，有必要提供一种太阳能热水器非溢流式自动补水控制系统及方法，以解决液体控制自动补水系统中因液位传感器失效而导致溢流的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种太阳能热水器非溢流式自动补水控制系统，包括：热水管道、冷水管道、补水管道、温度传感器、流量传感器、补水阀、补水控制器和继电器；

所述热水管道的一端与热水器水箱连接，所述热水管道的另一端与用户负载连接；所述冷水管道通过所述补水管道与所述热水管道连接；所述温度传感器和所述流量传感器均设置在所述热水管道上，且所述温度传感器和所述流量传感器均位于所述热水管道与管道连接点之间；所述管道连接点为所述热水管道与所述补水管道的连接点；所述补水阀设置在所述补水管道上；所述补水控制阀分别与所述温度传感器、所述流量传感器、所述继电器连接；所述继电器与所述补水阀连接；所述补水控制器用于获取所述温度传感器采集到的温度和所述流量传感器采集到的流量，并通过所述继电器控制所述补水阀的开闭。

可选的，所述流量传感器为双向电磁式传感器。

可选的，所述流量传感器为双向内外管压差式传感器。

本发明还提供了一种太阳能热水器非溢流式自动补水控制方法，所述方法用于上述所述的太阳能热水器非溢流式自动补水控制系统，所述方法包括：

确定当前采样时间下的热水器状态；所述热水器状态包括用水状态和补水状态；在所述用水状态下，继电器为低电平状态，补水阀为断开状态；在所述补水状态下，所述继电器为高电平状态，所述补水阀为断开状态；

获取当前采样时间下，所述温度传感器采集到的当前温度和所述流量传感器采集到的当前流量；

依据当前采样时间下的所述热水器状态、所述当前流量和所述当前采样时间计算当前累计用水量；

判断所述当前累计用水量是否满足补水条件；所述补水条件为所述当前累计用水量大于或等于水量上限设定值，或者所述当前温度位于补水设定时间内；

若所述当前累计用水量不满足补水条件，则判断所述当前累计用水量是否小于或等于水量下限设定值；

若所述当前累计用水量小于或等于水量下限设定值，则更新当前采样时间，再将当前采样时间下的热水器状态调整为用水状态，返回所述获取当前采样时间下，所述温度传感器采集到的当前温度和所述流量传感器采集到的当前流量；

若所述当前累计用水量大于水量下限设定值，则更新当前采样时间，再保持当前采样时间下的热水器状态，返回所述获取当前采样时间下，所述温度传感器采集到的当前温度和所述流量传感器采集到的当前流量；

若所述当前累计用水量满足补水条件，则判断所述当前温度是否小于或等于设定温度；

若所述当前温度小于或等于设定温度，则更新当前采样时间，再将当前采样时间下的热水器状态调整为补水状态，返回所述获取当前采样时间下，所述温度传感器采集到的当前温度和所述流量传感器采集到的当前流量；

若所述当前温度大于设定温度，则更新当前采样时间，再将当前采样时间下的热水器状态调整为用水状态，返回所述获取当前采样时间下，所述温度传感器采集到的当前温度和所述流量传感器采集到的当前流量。

可选的，所述当前流量为：

其中，Q(T)为当前采样时间T下的当前流量，D为热水管道的管内径，B为外部所加磁场的磁感应强度，f(T)为当前采样时间T下的流量传感器采集到的电信号。

可选的，所述当前流量为：

ρ(t)＝2×10^-5t³-6×10^-3t²+2×10^-2t+1000(kg/m³)，

其中，Q(T)为当前采样时间T下的当前流量，K为流量系数，f(T)为当前采样时间T下的流量传感器采集到的电信号，ρ(t)为热水管道内水流密度和温度之间的关系，t为热水管道内水流温度。

可选的，所述依据当前采样时间下的所述热水器状态、所述当前流量和所述当前采样时间计算当前累计用水量，具体为：

V_t(T)＝V_t(T-ΔT)+Q(T)ΔTflag，

其中，V_t(T)为当前采样时间T下的当前累计用水量，V_t(T-ΔT)为上一采样时间的累计用水量，ΔT为采样时间间隔，Q(T)为当前采样时间T下的当前流量，flag为热水器状态，当热水器状态为用水状态时，flag＝1，当热水器状态为补水状态时，flag＝-1。

可选的，所述补水设定时间为凌晨四点半到五点之间。

可选的，所述水量上限设定值为热水器水箱的总容量的80％～100％；所述水量下限设定值为热水器水箱的总容量的0～10％。

可选的，所述设定温度为20℃～25℃。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提出了一种太阳能热水器非溢流式自动补水控制系统及方法。所述系统中的热水管道的一端与热水器水箱连接，热水管道的另一端与用户负载连接；冷水管道通过补水管道与热水管道连接；温度传感器和流量传感器均设置在热水管道上，且温度传感器和流量传感器均位于热水管道与管道连接点之间；管道连接点为热水管道与补水管道的连接点；补水阀设置在补水管道上；补水控制阀均与温度传感器、流量传感器、继电器连接；继电器与补水阀连接；补水控制器用于获取温度传感器采集到的温度和流量传感器采集到的流量，并通过继电器控制补水阀的开闭。本发明不依赖于液位传感器，仅通过安装于室内的流量传感器和温度传感器即可实现太阳能热水器的无泄漏补水，解决了液体控制自动补水系统中因液位传感器失效而导致溢流的问题，且控制成本低、可靠性高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一种太阳能热水器非溢流式自动补水控制系统的结构示意图；

图2为本发明实施例太阳能热水器非溢流式自动补水控制方法的流程图；

图3为本发明具体实例的太阳能热水器非溢流式自动补水控制方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明实施例一种太阳能热水器非溢流式自动补水控制系统的结构示意图。

参见图1，实施例的太阳能热水器非溢流式自动补水控制系统，包括：热水管道1、冷水管道2、补水管道3、温度传感器4、流量传感器5、补水阀6、补水控制器7和继电器8。所述热水管道1的一端与热水器水箱9连接，所述热水管道1的另一端与用户负载连接；所述冷水管道2通过所述补水管道3与所述热水管道1连接；所述温度传感器4和所述流量传感器5均设置在所述热水管道1上，且所述温度传感器4和所述流量传感器5均位于所述热水管道1与管道连接点之间；所述管道连接点为所述热水管道1与所述补水管道3的连接点；所述补水阀6设置在所述补水管道3上；所述补水控制阀均与所述温度传感器4、所述流量传感器5、所述继电器8连接；所述继电器8与所述补水阀6连接；所述补水控制器7用于获取所述温度传感器4采集到的温度和所述流量传感器5采集到的流量，并通过所述继电器8控制所述补水阀6的开闭。

本实施例中，所述流量传感器5为双向电磁式传感器或双向内外管压差式传感器。所述双向电磁式传感器基于传感器信号与流量呈正比关系的检测原理，例如按照电磁感应原理，当任意方向的水流经过外磁场时所产生感应电势与该方向的流量成正比关系。所述双向内外管压差式传感器基于传感器信号与流量平方呈正比关系的检测原理，例如将一个差压式传感器安装在套筒式节流元件内，节流件内孔水流与外环水流之间的压力差信号与水流平方成正比关系。

本实施例中，所述补水阀6采用“电开”形式，当热水器水箱9处于用水状态时，补水控制器7输出低电平给继电器8，以操纵补水阀6断开；当热水器水箱9处于补水状态时，补水控制器7输出高电平给继电器8，以操纵补水阀6接通。

本实施例中，补水控制器7内部设置用水状态为“正”，补水状态为“负”，同时设置一个热水器的累积用水量作为存储变量。当补水控制器7判断累积用水量大于设定上限值或处于补水规定时间时，补水控制器7输出高电平给继电器8，以操纵补水阀6接通，进行补水操作；否则保持补水阀6为断开状态。当补水阀6处于断开状态时，热水器水箱9处于用水模式，将温度传感器4和流量传感器5的采样信号输入到补水控制器7中，按照相应的测量原理公式将其转换为用水流量，乘以采样时间间隔后以正值累积存储。当补水阀6处于接通状态时，热水器水箱9处于补水模式，将温度传感器4和双向流量传感器5的采样信号输入到补水控制器7中。首先判断所采集到的温度信号是否大于设定温度：如果判断结果为“是”，表明虽然热水器水箱9处于补水模式，但因供水压力不足等原因导致热水器水箱9内所储存热水会倒流到热水管路引起温度升高，故补水控制器7应输出低电平给继电器8，以操纵补水阀6断开；如果判断结果为“非”，表明冷水管路水压充足，此时可以将温度传感器4和双向流量传感器5的采样信号输入到补水控制器7，按照相应的测量原理将其转化为补水流量，然后乘以采样时间间隔后以负值累积存储。当累积用水量流量小于设定下限值时，补水控制器7输出低电平信号给继电器8，以操纵补水阀6断开，完成本轮自动补水工作。

本发明提供的太阳能热水器非溢流式自动补水控制系统，不依赖于液位传感器，仅通过安装于室内的流量传感器5和温度传感器4即可实现太阳能热水器的无泄漏补水，解决了液体控制自动补水系统中因液位传感器失效而导致溢流的问题，且控制成本低、可靠性高；并且自动补水控制系统中的流量传感器5、温度传感器4、继电器8、补水阀6、补水阀6控制器全部安装于室内，因此结构简单且安装方便。

本发明还提供了一种太阳能热水器非溢流式自动补水控制方法，图2为本发明实施例太阳能热水器非溢流式自动补水控制方法的流程图。

参见图2，本实施例的太阳能热水器非溢流式自动补水控制方法用于上述实施例提供的太阳能热水器非溢流式自动补水控制系统，所述方法包括：

101：确定当前采样时间下的热水器状态；所述热水器状态包括用水状态和补水状态。

在所述用水状态下，继电器为低电平状态，补水阀为断开状态；在所述补水状态下，所述继电器为高电平状态，所述补水阀为断开状态。

102：获取当前采样时间下，所述温度传感器采集到的当前温度和所述流量传感器采集到的当前流量。

103：依据当前采样时间下的所述热水器状态、所述当前流量和所述当前采样时间计算当前累计用水量。

104：判断所述当前累计用水量是否满足补水条件。

所述补水条件为所述当前累计用水量大于或等于水量上限设定值，或者所述当前温度位于补水设定时间内。

若所述当前累计用水量不满足补水条件，则执行105。若所述当前累计用水量满足补水条件，则执行108。

105：判断所述当前累计用水量是否小于或等于水量下限设定值。若所述当前累计用水量小于或等于水量下限设定值，则执行106。

106：更新当前采样时间，再将当前采样时间下的热水器状态调整为用水状态，返回102。若所述当前累计用水量大于水量下限设定值，则执行107。

107：更新当前采样时间，再保持当前采样时间下的热水器状态，返回102。

108：判断所述当前温度是否小于或等于设定温度。若所述当前温度小于或等于设定温度，则执行109。

109：更新当前采样时间，再将当前采样时间下的热水器状态调整为补水状态，返回102。若所述当前温度大于设定温度，则执行106。

作为一种可选的实施方式，当所述流量传感器为双向电磁式传感器时，所述当前流量的计算公式为：

其中，Q(T)为当前采样时间T下的当前流量，D为热水管道的管内径，B为外部所加磁场的磁感应强度，f(T)为当前采样时间T下的流量传感器采集到的电信号，即双向电磁式传感器在当前采样时间T下的感应电动势信号。

作为一种可选的实施方式，当所述流量传感器为双向内外管压差式传感器时，所述当前流量的计算公式为：

ρ(t)＝2×10^-5t³-6×10^-3t²+2×10^-2t+1000(kg/m³)，

其中，Q(T)为当前采样时间T下的当前流量，K为流量系数，f(T)为当前采样时间T下的流量传感器采集到的电信号，即套管式节流元件的内孔水流与外环水流之间的双向内外管压差式传感器在当前采样时间T下所采样的压力差信号，ρ(t)为热水管道内水流密度和温度之间的关系，t为热水管道内水流温度。

作为一种可选的实施方式，所述依据当前采样时间下的所述热水器状态、所述当前流量和所述当前采样时间计算当前累计用水量，具体为：

V_t(T)＝V_t(T-ΔT)+Q(T)ΔTflag，

其中，V_t(T)为当前采样时间T下的当前累计用水量，V_t(T-ΔT)为上一采样时间的累计用水量，ΔT为采样时间间隔，Q(T)为当前采样时间T下的当前流量，flag为热水器状态，当热水器状态为用水状态时，flag＝1，当热水器状态为补水状态时，flag＝-1。

作为一种可选的实施方式，所述补水设定时间为凌晨四点半到五点之间。

作为一种可选的实施方式，所述水量上限设定值为热水器水箱的总容量的80％～100％；所述水量下限设定值为热水器水箱的总容量的0～10％。

作为一种可选的实施方式，所述设定温度为20℃～25℃。

下面提供了两个较为具体的实施例。

具体实例一：

图3为本发明具体实例的太阳能热水器非溢流式自动补水控制方法的流程图。参见图3，本具体实例中的太阳能热水器非溢流式自动补水控制方法，包括如下步骤：

S1：初始化控制系统。设定用水标志flag、继电器电位U、采样时间间隔ΔT、用水量上限V₁、用水量下限V₀、采样时间T和累积用水量V_t(T)。其中，用水标志flag，取flag＝1代表太阳能热水器处于用水状态，取flag＝-1代表阳能热水器处于补水状态；继电器电位U＝1代表高电平，以操纵补水阀接通，继电器电位U＝1代表低电平，以操纵补水阀断开。累积用水量V_t(T)初始化为0，表示用户还没有开始使用热水器热水。随即执行S2。

S2：双向电磁式传感器和温度传感器每隔ΔT采样一次，在第T时间采样到：双向电磁式传感器的信号f(T)和温度信号t(T)，然后执行S3。

S3：判断是否满足以下条件：第T时间是否到达设定的补水时间，或第T时间的用水量V_t(T)是否大于等于设定上限V₁。所述设定的补水时间一般在日出前，本实例取规定的补水时间为凌晨4:30到凌晨5:00；所述用水量上限V₁为热水器水箱总容量的80％～100％，本实例取用水量上限V₁为热水器水箱容量的100％。若两个判断条件满足任意一条，即判断结果为“是”，表示达到补水的外在条件，可执行S6；否则，表示热水器处于用水状态，继续执行S4。

S4：判断第T时间的用水量V_t(T)是否小于等于设定下限V₀。所述用水量下限V₀可设置为热水器水箱1总容量的0～10％，本实例设定V₀＝0。如果满足结果为“是”，表明第T时间下的补水量已达到最大或用水量V_t(T)达到最小，故应执行S9以断开继电器，保证补水系统处于无溢流的安全和省水状态；否则，执行S5。

S5：按照双向电磁式传感器测量原理将双向流量传感器信号f(T)转换为流量，即：

其中，Q(T)为当前采样时间T下的当前流量，D为热水管道的管内径，B为外部所加磁场的磁感应强度，f(T)为双向电磁式传感器在当前采样时间T下的感应电动势信号，本实施例选用四分管。更新采样时间T＝T+ΔT，然后执行S6。

S6：更新累计用水量，得到第T+1时间的累计用水量，返回步骤S2。

S7：判断所采样温度信号t(T)是否小于等于设定温度t₀。所述设定温度一般可设置为室内环境温度20～25℃，本实例设定t₀＝25℃。所述采样温度信号t(T)低于设定温度t₀时，表示由于供水压力不足等原因导致热水器水箱内热水流出，导致温度升高。如果满足结果为“否”，表明出现回流情况，即不满足补水内在条件，故应执行S9。否则，执行S8。

S8：设置继电器电位为低电平U＝1，以操纵补水阀接通，进行补水操作；同时设置用水标志flag＝-1，然后返回执行S5。

S9：设置继电器电位为低电平U＝0，以操纵补水阀断开，停止补水操作；同时设置用水标志flag＝1，然后返回执行S5。

具体实例二：

本具体实例提供的太阳能热水器非溢流式自动补水控制方法，流量传感器选用双向内外管压差式传感器，与具体实例一的区别仅在于流量的计算公式不同，其余操作流程均相同，具体参见具体实例一即可，在此不再赘述。

本发明提供的太阳能热水器非溢流式自动补水控制方法，具有以下优点：

1)该补水控制方法是利用累积用水量进行定量补水的，所能达到的理想效果是用过一定数量的水后再补充相同数量的水量，从原理上避免了传统的液位控制系统中液位传感器因污垢而造成的溢流现象。

2)该补水控制方法中的双向流量传感器在使用一段时间后，可能由于污垢等原因导致双向流量传感器信号与实际流量之间的标定系数变化，但在较短时间内自动补水量和系统用水量与双向流量传感器的标定系数近似相等，即补水量始终与用水量适配相等，所以无论管路内流通面积是否变化，都不影响控制精度，保证无泄漏效果。

3)本补水控制方法不依赖于液位传感器，仅通过安装于室内的双向流量传感器和温度传感器信号就可实现太阳能热水器的无泄漏补水，控制成本低但可靠性高。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。