基于PT100熱敏電阻的溫控水龍頭設計

胡新文

摘要：基于PT100熱敏電阻設計了一個低成本、高精度的溫控電磁閥門開關，將之運用在普通熱水水龍頭上，以實現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水溫變化，來驗證可節約的涼水的體積。本設計結構精簡、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，起到了節約水源的作用。

關鍵詞：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展中國家，但經濟建設和環保節約都不容忽視，二者兼顧發展變得日漸重要。經調查發現，在學校、高速服務區等一些提供熱水服務的地方，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。基于節約用水的理念，本設計利用現有成熟的電子元件產品，將之和傳統的家用熱水龍頭結合，使改造后的水龍頭可以流出滿足需求溫度的熱水，而且讓原管內的冷水回流并回收到儲水器中。在滿足需求的同時又實現節約用水的功能，做到了生產低成本、節水高效益的實用價值。

1、設計方案

1.1設計原理

“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部，測量待出水的溫度。如果測得的溫度低于提前設置的期望溫度，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設的期望溫度，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則關閉，“熱水”從水龍頭流出。熱水的流通路徑如圖3。

1.2設備的各部分原理

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用對象是水，所以我們的熱電阻選用的溫度應用范圍是在-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可靠地轉換到另一種狀態，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的阻值變化轉化成高低電平的變化，即隨溫度變化，熱電阻阻值也發生改變：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，從而實現開關功能。

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小（最大為16mA），無法直接驅動繼電器（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的1N5408二極管是續流二極管，其作用是防止直流線圈斷電時，產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：

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

最初設計時選擇使用6分（內直徑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現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、試驗模擬

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據。

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。我們設置的初始條件為：管道內水的初溫為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為10，外界環境溫度依次設置為263k、273k、283k、293k。下圖是外界溫度為273k時，將溫度顯示區間設置為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據，最后發現輸水管道中的熱水確實在不斷變冷，且外界溫度越低，管內水溫變化越快，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，并據此，我們認為智能溫控回水龍頭的研發是有價值的，它的使用可以節約水資源。

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，我們仍需進一步的模擬計算。我們設置的初始條件為：管道內水的初溫為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為10，外界環境溫度設置為273k。經過了不同時間后，管內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沒有人接熱水的話，整個管道內的水就會散發熱量并變涼從而被浪費掉，那么一次提供熱水服務即可節約用水為一所高校內通常會配備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，那么使用我們的智能溫控回水龍頭則能夠在一年內節約的水源量約為300。以北京市為例，其高校林立、人口眾多，但是水資源匱乏，如果市內的93所院校水房都使用智能溫控回水龍頭，一年可以節約近30000的水資源，可以供約兩萬人的一個月生活用水，其數量及其可觀。

3、結論

經過多個仿真軟件的模擬以及最后實際試驗所得到的數據可以表明，雖然使用了PT100熱敏電阻等成本較低的電子元件，但是經過完善的結構組合設計，智能溫控回水龍頭可以有效地實現水溫的檢測與水流的開關控制。在我國一些水源稀缺地區推廣智能溫控回水龍頭可以節約大量的水資源，有利于緩解水資源匱乏的現狀，它的研發與推廣對水資源的可持續發展起到有效的促進作用。

參考文獻

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