CN108414039A - 一种水流量、水温检测方法及水流量传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种水流量、水温检测方法，通过设置两个超声波收发装置，根据超声波收发装置接收信号的时间差、传输距离及管体直径实时地将通过水流量传感器的水流量准确计算出来，完全消除水温变化对水流量检测的影响。另外，根据时间差、传输距离及管体直径可计算出当前水温下超声波传输速度，再根据超声波传输速度反推出当前水温，实现无需温度传感器检测水温的目的。本发明提供的水流量传感器，一对超声波收发装置安装在管体同一侧，之间的距离控制较稳定，不像其他非机械式水流量传感器，受传感器对角安装、夹角精度等因素影响较大，检测精度更高。

Description

一种水流量、水温检测方法及水流量传感器

技术领域

本发明涉及热水器技术领域，尤其涉及一种热水器的水流量、水温检测方法及水流量传感器。

背景技术

目前，热水器已经广泛进入了普通家庭。在使用过程中，为确保用户的洗浴舒适性，需实时确保热水器的出水温度稳定。通常出水温度是由热水器的主控制器根据进水管中的水流量与水温控制燃气量的供给进行控制，即通过Q＝cmΔT来控制，其中c为水比热容，m为水质量，ΔT为温升。

现有的燃气热水器的主控制器大多通过机械式水流量传感器来获得水流量，主要由阀体、水流转子组件、霍尔元件等构成，当水流过转子组件时，磁性转子转动，且转速跟水流量成线性关系，霍尔元件反馈相应的脉冲信号给控制器，再由控制器判断水流量的大小，以调节控制比例阀的电流，进而控制燃气气量。为了快速实现出水水温的控制，一般还需要在水流量传感器安装温度传感器，起检测进水温度作用。

现有技术中，水流经进水管时会接触到水流量传感器中的磁性转子等部件，随着使用时间增加水流量传感器会产生水垢，这将导致水量检测产生较大误差，且缩短了水流量传感器的使用寿命。因此目前各大热水器及水阀厂致力于研究各种电磁、超声波、涡轮、光纤、差压等流量检测传感器，但对于热水器行业而言采用超声波法测量流量满足要求且成本可接受。其中一篇专利号为CN107131653A的中国发明专利公开燃气热水器的控制裝置、燃气热水器及其水流量的计算方法，它包括安装在阀体两侧的超声波传感器，与管壁的夹角均为45度，但在实际生产加工装配中，无法确保传感器绝对安装位置与角度，存在较大误差。另外现在水流量传感器阀体逐渐采用塑料件替代铜件，在环境温度较低时，存在很多阀体冻裂情况，目前有相关结构或专利可自动排水防冻，但其结构较复杂，一直未得以推广。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的一个目的在于提供一种水流量、水温检测准确方便的检测方法。

本发明的另一个目的在于提供一种安装使用方便，集水温检测、防冻功能于一体的水流量传感器。

为达到以上目的，本发明采用如下技术方案。

一种水流量、水温检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)在水流上游、下游分别设置可互相收发信号的第一超声波收发装置和第二超声波收发装置；

2)测出超声波从第二超声波收发装置到达第一超声波收发装置的时间T1，测出超声波从第一超声波收发装置到达第二超声波收发装置的时间T2；

3)测出超声波从第一超声波收发装置到达第二超声波收发装置所走的路程L；

4)根据以下公式分别计算出超声波在水中传播的速度C及水流速度V，

5)根据以下公式计算出水流量其中，D代表水流管道的直径；

6)根据以下公式计算出水温T：C＝1448.9+3.68(T-10)-0.0279(T-10)²；当计算的水温T落在10-35℃外时，根据以下公式估算水温：C＝4.6(T-20)+1482.9。

作为上述方案的进一步说明，所述T1＝t₁-t_d1，t₁代表第二超声波收发装置启动工作的控制指令发出到第一超声波收发装置收到相应信号的时间差，所述t_d1代表第二超声波收发装置的滞后时间，即第二超声波收发装置启动工作的控制指令发出到第二超声波收发装置实际发出相应信号的时间差。

作为上述方案的进一步说明，所述T2＝t₂-t_d2，t₂代表第一超声波收发装置启动工作的控制指令发出到第二超声波收发装置收到相应信号的时间差，所述t_d1代表第一超声波收发装置的滞后时间，即第一超声波收发装置启动工作的控制指令发出到第一超声波收发装置实际发出相应信号的时间差。

作为上述方案的进一步说明，时间T1、时间T2由控制器及与控制器连接定时器计算出，当控制器给第一超声波收发装置或第二超声波收发装置发出启动工作指令时，定时器开始计时；当收到启动工作指令的第一超声波收发装置或第二超声波收发装置正式发出超声波信号时反馈一个信号给控制器，控制器采集定时器的计时时长；当第一超声波收发装置或第二超声波收发装置收到相应超声波时再反馈一个信号给控制器，控制器再次采集定时器的计时时长。

作为上述方案的进一步说明，当超声波在水中的传播速度c≤1400m/s时，控制所述第一超声波收发装置和/或所述第二超声波收发装置发出93.1±ΔKHz的超声波，Δ取值为3-8。

一种水流量传感器，其特征在于，包括：管体，垂直安装在所述管体同一侧的第一超声波收发装置、第二超声波收发装置，在所述第一超声波收发装置和所述第二超声波收发装置的正面分别设有倾斜的反射斜边，所述反射斜边的倾斜角度为45°；所述第一超声波收发装置/所述第二超声波收发装置发出的超声波信号经过两个所述反射斜边依次反射后进入所述第二超声波收发装置/所述第一超声波收发装置。

作为上述方案的进一步说明，所述第一超声波收发装置和所述第二超声波收发装置都与一控制器连接，所述控制器自带定时器。

作为上述方案的进一步说明，两个所述反射斜边固定在所述管体的管壁上。

作为上述方案的进一步说明，所述水流量传感器设置在燃气热水器上，所述控制器为所述燃气热水器的主控制器。

作为上述方案的进一步说明，在所述管体上设有安装螺母。

本发明的有益效果是：

一、通过设置两个超声波收发装置，根据超声波收发装置接收信号的时间差、传输距离及管体直径实时地将通过水流量传感器的水流量准确计算出来，完全消除水温变化对水流量检测的影响。另外根据时间差、传输距离及管体直径可计算出当前水温下超声波传输速度，再根据超声波传输速度反推出当前水温，实现无需温度传感器检测水温的目的。

二、通过对超声波收发装置发射、接收频率的控制，当检测到水温低于一定值时，控制超声波收发装置产生特定频率，使得当前水流量传感器内部水分子运动加剧，水分子获得动能后相互碰撞加剧，转化为内能，产生热量，防止结冰从而达到防冻裂目的；且该温度信息可根据需求反馈在可视界面。

三、一对超声波收发装置安装在管体同一侧，之间的距离控制较稳定，不像其他非机械式水流量传感器，受传感器对角安装、夹角精度等因素影响较大，检测精度更高。

附图说明

图1所示为本发明提供的水流量传感器结构示意图。

图2所示为水流量传感器工作原理框图。

图3所示为水流量、水温检测方法流程图。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要说明的是，对于方位词，如有术语“中心”，“横向”、“纵向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示方位和位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于叙述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定方位构造和操作，不能理解为限制本发明的具体保护范围。

此外，如有术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含指明技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”特征可以明示或者隐含包括一个或者多个该特征，在本发明描述中，“至少”的含义是一个或一个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除另有明确规定和限定，如有术语“组装”、“相连”、“连接”术语应作广义去理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；也可以是机械连接；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介相连，可以是两个元件内部相连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述的术语在本发明中的具体含义。

在发明中，除非另有规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一特征和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“之下”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅是表示第一特征水平高度高于第二特征的高度。第一特征在第二特征“之上”、“之下”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度低于第二特征。

下面结合说明书的附图，对本发明的具体实施方式作进一步的描述，使本发明的技术方案及其有益效果更加清楚、明确。下面通过参考附图描述实施例是示例性的，旨在解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

如图1、图2所示，一种水流量传感器，在常规水流量传感器结构的基础上去掉霍尔元件与温度传感器，主要由安装在水流量传感器管体1同一侧的第一超声波收发装置2、第二超声波收发装置3，在第一超声波收发装置2、第二超声波收发装置3的末端均有插接端子4，用于与热水器主控制器弱电连接；管体1内部有两个倾斜的反射斜边5，管体1进水口有两个螺母6，方便与热水器进水接头连接。

第一超声波收发装置2、第二超声波收发装置3受热水器主控制器控制发出固定频率的超声波，超声波在水中传播时，频率越高，衰减越严重，有资料表明频率在150KHz以内衰减影响不大，这也限制了有效声程不能做得很长，不过这也是水流量传感器所需要的，所以在结构尺寸尽可能小的情况下，超声波发射、接收频率选择在150KHz以内。同时考虑在管体直径D＝20mm范围内，超声波收发装置体积、功率限制，除冰效果最好的93.1KHz区分开来，正常水量、水温检测时，采用150KHz频率；在温度较低水温中，启动防冻功能时，采用93.1±ΔKHz，Δ一般取值为3-8，最佳值为5。

结合图3所示，具体水量、水温检测实现如下：

1)测出第一超声波收发装置2与第二超声波收发装置3之间信号传输距离L，管体1的内径D。假定水流由下向上流动，速度为V，则此时由第二超声波收发装置3到第一超声波收发装置2超声波传播速度为：

c₁＝c-V①

第一超声波收发装置2到第二超声波收发装置3超声波传播速度为：

c₂＝c+V②

式中c为超声波在静止水中的超声波传播速度，考虑到超声波收发装置在接收到超声波信号到电位信号输出会受电子器件滞后性影响，为提高此发明所述的水量检测精度，因此还需考虑滞后性因素对测量时间的影响。

每隔20ms超声波传感器发射固定频率的短小脉冲，由①与②分别得出逆流传播时间t1与顺流传播时间t2，第一超声波收发装置2和第二超声波收发装置3接收到信号时分别启动热水器主控制器芯片的两路定时计数器，通过芯片时钟信号量，分别计算出第一超声波收发装置2和第二超声波收发装置3的滞后时间td1、td2，则：

由③与④解方程可得：

令Τ1＝t1-td1；Τ2＝t2-td2则⑥式可进一步化简为：

则此时流过水流量传感器的流量为：

同理：⑤式超声波在静止水中的超声波传播速度可进一步化简为：

对于温度的估算，采用以下经验公式：

c＝4.6(T-20)+1482.9⑩

对于相对准确的温度计算，采用以下公式：关系有相关文献指出在10-35℃水温范围内满足下式：

c＝1448.9+3.68(T-10)-0.0279(T-10)²【11】

【11】式中，10℃≤T≤35℃。

因此根据⑨式计算出的超声波在静止水中的超声波传播速度c系统先带入【11】中，求取当前水温T，若计算出T在10≤T≤35范围内，则取该T值为当前水温，若不在该范围，则将c带入⑩式，此时计算的T为当前水温的估算值，记为T’，对于热水器使用的水环境，10-35℃的水温几乎满足所有的热水器进水温度。另外当⑨式计算的超声波在静止水中的超声波传播速度c≤1400m/s(此时水温约为2℃)时，系统判定此时水温较低，热水器主控制器控制超声波输出93.1±ΔKHz，Δ一般取值为5；达到水流量传感器防冻目的。

本实施例提供的一种水流量传感器，是一种新型非机械式水流量传感器，不像机械式水流量传感器转子易卡死，磁性转子易吸附铁锈等杂质，并且超声波传感器未与水直接接触，避免了水垢及其他杂质对传感器影响，使用寿命得以大幅提升。同时，一对超声波收发装置安装在阀体同一侧，之间的距离控制较稳定，不像其他非机械式水流量传感器，受传感器对角安装、夹角精度等因素影响较大，检测精度更高。此外，无需单独温度传感器，即可实现水温检测；无需复杂排水防冻结构，通过发射一定频率超声波在一定范围内，对水流量传感器内部水进行加热，轻松实现水流量传感器的防冻功能，避免塑料水流量传感器的冻裂。

通过上述的结构和原理的描述，所属技术领域的技术人员应当理解，本发明不局限于上述的具体实施方式，在本发明基础上采用本领域公知技术的改进和替代均落在本发明的保护范围，本发明的保护范围应由各权利要求项及其等同物限定之。具体实施方式中未阐述的部分均为现有技术或公知常识。

Claims (10)

1.一种水流量、水温检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)在水流上游、下游分别设置可互相收发信号的第一超声波收发装置和第二超声波收发装置；

2)测出超声波从第二超声波收发装置到达第一超声波收发装置的时间T1，测出超声波从第一超声波收发装置到达第二超声波收发装置的时间T2；

3)测出超声波从第一超声波收发装置到达第二超声波收发装置所走的路程L；

4)根据以下公式分别计算出超声波在水中传播的速度C及水流速度V，

5)根据以下公式计算出水流量其中，D代表水流管道的直径；

6)根据以下公式计算出水温T：C＝1448.9+3.68(T-10)-0.0279(T-10)²；当计算的水温T落在10-35℃外时，根据以下公式估算水温：C＝4.6(T-20)+1482.9。

2.根据权利要求1所述的一种水流量、水温检测方法，其特征在于，所述T1＝t₁-t_d1，t₁代表第二超声波收发装置启动工作的控制指令发出到第一超声波收发装置收到相应信号的时间差，所述t_d1代表第二超声波收发装置的滞后时间，即第二超声波收发装置启动工作的控制指令发出到第二超声波收发装置实际发出相应信号的时间差。

3.根据权利要求1所述的一种水流量、水温检测方法，其特征在于，所述T2＝t₂-t_d2，t₂代表第一超声波收发装置启动工作的控制指令发出到第二超声波收发装置收到相应信号的时间差，所述t_d1代表第一超声波收发装置的滞后时间，即第一超声波收发装置启动工作的控制指令发出到第一超声波收发装置实际发出相应信号的时间差。

4.根据权利要求1所述的一种水流量、水温检测方法，其特征在于，时间T1、时间T2由控制器及与控制器连接定时器计算出，当控制器给第一超声波收发装置或第二超声波收发装置发出启动工作指令时，定时器开始计时；当收到启动工作指令的第一超声波收发装置或第二超声波收发装置正式发出超声波信号时反馈一个信号给控制器，控制器采集定时器的计时时长；当第一超声波收发装置或第二超声波收发装置收到相应超声波时再反馈一个信号给控制器，控制器再次采集定时器的计时时长。

5.根据权利要求1所述的一种水流量、水温检测方法，其特征在于，当超声波在水中的传播速度c≤1400m/s时，控制所述第一超声波收发装置和/或所述第二超声波收发装置发出93.1±ΔKHz的超声波，Δ取值为3-8。

6.一种水流量传感器，其特征在于，包括：管体，垂直安装在所述管体同一侧的第一超声波收发装置、第二超声波收发装置，在所述第一超声波收发装置和所述第二超声波收发装置的正面分别设有倾斜的反射斜边，所述反射斜边的倾斜角度为45°；所述第一超声波收发装置/所述第二超声波收发装置发出的超声波信号经过两个所述反射斜边依次反射后进入所述第二超声波收发装置/所述第一超声波收发装置。

7.根据权利要求6所述的一种水流量传感器，其特征在于，所述第一超声波收发装置和所述第二超声波收发装置都与一控制器连接，所述控制器自带定时器。

8.根据权利要求6所述的一种水流量传感器，其特征在于，两个所述反射斜边固定在所述管体的管壁上。

9.根据权利要求7所述的一种水流量传感器，其特征在于，所述水流量传感器设置在燃气热水器上，所述控制器为所述燃气热水器的主控制器。

10.根据权利要求6所述的一种水流量传感器，其特征在于，在所述管体上设有安装螺母。