噪声式水温控制装置

摘要

本发明公开了一种噪声式水温控制电路，其包括：依次相连接的容器AV、接地电极AE、传感电极AK、耦合电容C3、放大电路20、检波电路30、温度设定电路40、执行电路50；所述噪声式水位控制电路还包括直流电源10，所述直流电源10为所述的放大电路20、执行电路50提供直流电压Uc；所述放大电路20、检波电路30、温度设定电路40、执行电路50以及直流电压Uc的负极均接线路地；所述执行电路50连接至与负载RL串联连接的触点开关，以控制所述触点开关的闭合或断开。通过本发明的噪声式水温控制电路，实现对水温的自动控制。

权利要求

1.一种噪声式水温控制装置，其包括：依次相连接的容器AV、接地电极AE、传感电极AK、耦合电容C3、放大电路（20）、检波电路（30）、温度设定电路（40）、执行电路（50）； 所述噪声式水温控制装置还包括直流电源（10），所述直流电源（10）为所述的放大电路（20）、执行电路（50）提供直流电压Uc；所述放大电路（20）、检波电路（30）、温度设定电路（40）、执行电路（50）以及直流电压Uc的负极均接线路地； 其中，所述直流电源（10）由并联连接的变压器T、整流桥BR、第一电容C1、第二电容C2、稳压二极管DW组成；所述放大电路（20）由第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第一三极管V1、第二三极管V2组成，所述第一电阻R1与第二电阻R2串联后与所述第三电阻R3的一端连接；所述第一三极管V1的基极连接至第一电阻R1和第二电阻R2之间，其集电极与所述第二三极管V2的集电极连接并接至第三电阻R3的另一端，其发射极接至所述第二三极管V2的基极，第一电阻R1与第二三极管V2的发射极连接； 所述检波电路（30）由第四电容C4、第一二极管D1、第二二极管D2、第五电容C5、第六电容C6组成，所述第四电容C4的一端连接至第二三极管V2的集电极，另一端连接第一二极管D1的负极与第二二极管D2的正极，第二二极管D2的负极连接至并联的第五电容C5和第六电容C6的一端，第一二极管的正极与并联的第五电容C5和第六电容C6的另一端接地； 所述温度设定电路（40）由第四电阻R4、第六电位器RP6、第二电位器RP2组成，其结构为：（R4+RP2）//RP6；

所述执行电路（50）由集成时基电路LM555、发光二极管LED、继电器J、第三二极管D3及第七电容C7组成，其中并联连接的继电器J与第三二极管D3的一端连接至发光二极管LED的负极，另一端接地，发光二极管LED的正极接入集成时基电路LM555的3脚，第七电容C7接入集成时基电路LM555的5脚和线路地之间，集成时基电 路LM555的2脚连接第二电位器RP2的电位调节端，集成时基电路LM555的6脚连接第六电位器RP6的电位调节端，集成时基电路LM555的4脚和8脚共同连接至所述直流电源（10）中的稳压二极管DW的负极； 其中，耦合电容C3的一端连接至第二电阻R2和第一电阻R1之间；第六电位器RP6的一端与第六电容C6的一端相连，另一端接地；负载RL与继电器J的触点开关串联后接入市政供电电源AC220V的两端；

其中，所述继电器J为电磁继电器或固态继电器。

2.如权利要求1所述的噪声式水温控制装置，其中，若所述容器AV采用金属制作并接地，所述接地电极AE可省略。

3.如权利要求1或2所述的噪声式水温控制装置，其中，该负载RL为加热器，当所述继电器J得电时，所述触点开关接通；当继电器J失电时，所述触点开关断开。

4.如权利要求1或2所述的噪声式水温控制装置，其中，该负载RL为制冷设备，当所述继电器J得电时，所述触点开关断开；当继电器J失电时，所述触点开关接通。

说明书

噪声式水温控制装置

技术领域

[0001] 本发明涉及一种水温控制装置，尤其涉及一种利用水中的噪声信号对水温进行自动控制的“噪声式水温控制装置”。

背景技术

[0002] 检测水温、控制水温， 是人们在生活和生产中最常见的技术手段之－。大功率广播发射机、雷达发射机的水冷却系统，饮水机、热水器、内燃机（例如汽车发动机）的冷却水等，都要采用检测水温、控制水温的技术手段。

[0003] 检测水温或控制水温，必须用温度传感器（Temperature sensor）。由于温度检测的普遍性，温度传感器的使用量在各种传感器中高居首位。

[0004] 高档设备例如雷达发射机的水冷却系统，常用下列类型的温度传感器：热敏电阻温度传感器例如MF53-1、铂电阻Pt100温度传感器、集成模拟温度传感器例如AD590、集成数字温度传感器例如MAX6575；简易的设备例如饮水机则普遍采用突跳式双金属片（例如KSD301）作温度传感器。

[0005] 上述的温度传感器，精度均可满足所在设备的控制要求，但普遍存在下列重大的技术缺陷：热惯性大、响应时间长！

[0006] 所述的MF53-1、Pt100、AD590、 MAX6575等温度传感器，为了传感水温，必须在原有封装（例如MF53-1原有封装与普通电阻器近似、AD590则与三极管外形相同）的基础上进行再封装，再封装形式－般为：外壳用金属材料，壳內填充绝缘材料例如环氧树脂。众所周知，绝缘材料是热的不良导体，由于绝缘材料的隔热作用，就使所述的温度传感器“热惯性大、响应时间长”（ 以下简称热时间常数）。

[0007] 温度传感器“热惯性大、热时间常数长” 的缺陷, 在许多场合会影响其所在设备的性能。 例如,在固态雷达发射机中, 功率晶体管的结温每增加10℃, 其可靠性就将下降60℅。饮水机普遍采用的突跳式双金属片（例如KSD301）,是贴在饮水机加热容器壁上的,其感温的时间则更长。

[0008] 近年来逐步使用的红外测温传感器的热惯性几乎为零, 但无论诸如雷达冷却水还是诸如饮水机中的水都是密闭于容器（或管道）中, 红外测温传感器只能测盛水容器的壁温,而水温传导至容器壁需要传导时间, 同时容器壁会散热而不能真实反映容器内的水温,因此, 即使用价格昂贵的红外测温传感器也不能根本性地解决“热惯性大、热时间常数长” 的问题。

[0009] 针对现有技术存在的缺陷, 本发明要达到的目标是：利用水中的噪声信号的特性, 设计－种可以检测即时温度并对水温进行即时自动控制的“噪声式水温控制电路”。

[0010] 发明內容

[0011] 众所周知，除纯净水以外的水，例如自来水、江河水、工业或生活污水都是具有一定导电能力的物质（雷达发射机的冷却水,虽然是经净化处理,电阻率较高,但不是“纯净水”仍有一定的导电能力），其含有离子、水合电子（hydrated elecctron或eaq）等多种带电微粒。这些带电微粒受热、光、电磁场等作用，会产生热噪声、散弹噪声、闪烁噪声等多种噪声。根据《概率论》和热力学统计理论等方法可以证明，水中的噪声是功率频谱密度均匀、与频率无关的白噪声，其电压均方值为2
Un=4KTRB…………………………………………………（1）

[0012] （1）式中：K为波尔兹曼常数：1.38×10-23焦耳/度（绝对温度）；

[0013] T为水的温度，以绝对温度计量；

[0014] R为水的等效电阻；

[0015] B为测试设备的通频带。

[0016] （1）式表明，所述的水中存在数值为Un的噪声电压, 并且, 该噪声电压Un的均2
方值Un 与水温T（绝对温度）成正比。用示波器则可直观地显示该噪声电压Un，图1是上海地区自来水在室温为32℃时的噪声波形图。

[0017] 所述的噪声电压Un（以下称噪声信号Un）的特征是：

[0018] 1、与水温同步变化, 其均方值Un2 与水温T（绝对温度）成正比；

[0019] 2、无热惯性，热时间常数（热响应时间）为零;

[0020] 3、若用作控制信号, 则可实现对水温的“即时控制”。

[0021] 本发明就是一种利用所述的噪声信号Un来实现对水温自动控制的装置。

[0022] 本发明由容器（或管道）AV、接地电极AE、传感电极AK、耦合电容C3、放大电路20、检波电路30、温度设定电路40、执行电路50及直流电源10组成；所述的传感电极AK、耦合电容C3、放大电路20、检波电路30、温度设定电路40、执行电路50依次相连接；所述的接地电极AE、放大电路20、检波电路30、温度设定电路40、执行电路50均接线路地；所述的直流电源10为所述的放大电路20、执行电路50提供直流电压Uc；所述的直流电压Uc的负极与线路地相连接。

[0023] 所述的容器AV若采用金属制作并将其接线路地，则所述的接地电极AE可以省略；

[0024] 所述的传感电极AK从容器AV的水中获取与水温同步变化的无热惯性的噪声信号Un，该噪声信号Un作为系统的（以下称本发明为“系统”）控制信号对水温实行即时自动控制。

[0025] 所述的噪声信号Un经耦合电容C3耦合、放大电路20放大、检波电路30检波、温度设定电路40设定极限温度后送至执行电路50执行即时控制水温的程序；所述的温度设定电路40按下述程序设定极限温度：

[0026] 下限温度Tmin：置所述的容器AV中的水温为需要的下限温度Tmin，调整所述的温度设定电路40中的第二电位器RP2使所述的执行电路50中的集成电路IC1第2脚上的电压为下限电压U20；

[0027] 上限温度Tmax：置容器AV中的水温为需要的上限温度Tmax，调整所述的温度设定电路40中的第六电位器RP6使所述的集成电路IC1第6脚上的电压为上限电压U60；

[0028] 所述的执行电路50则按以下程序即时地自动地控制水温：

[0029] 当水温T低于下极限温度Tmin即T＜Tmin时, 所述的集成电路IC1的2脚上的电压U2低于下限电压即U2＜U20, 其3脚输出的电压U3为高电平,执行电路50中的执行器件继电器J得电；

[0030] 当水温T高于上限温度Tmax即T＞Tmax时, 所述的集成电路IC1的6脚上的电压U6高于上限电压即U6＞U60, 其3脚输出的电压U3为低电平, 所述的继电器J失电。

[0031] 所述的继电器J则通过其之动断触点DD或动合触点DH控制系统的负载RL与AC220V接通或断开：

[0032] 所述的负载RL若为水的加热器（制热器件），则：所述的继电器J得电时，其与AC220V接通，水得热升温；继电器J失电时，其与AC220V断开，水开始保温；

[0033] 所述的负载RL若为水的制冷设备（制冷器件），则：所述的继电器J失电时，其与AC220V接通，水获冷降温；继电器J得电时，其与AC220V断开，水开始保温。

[0034] 周而复始，本发明就自动地即时地控制所述的容器（或管道）AV中的水温T在下限温度Tmin和上限温度Tmax之间, 即：控制水温T在Tmin＜T＜Tmax的范围内。

[0035] 应用本发明可以取得以下有益效果：

[0036] 1、简单廉价。本发明的传感结构极为简单、廉价, 只须在容器（或管道）AV中设置传感电极AK、接地电极AE即可。如果容器（或管道）AV为金属制作, 则接地电极AE可以省略, 只须将容器（或管道）AV与线路接地线连接。

[0037] 2、即时控制。本发明的控制信号为传感电极AK获取的水中噪声信号Un, 如前所述, 该噪声信号Un与水温T直接相关联, 水温T上升或下降、噪声信号Un便随之上升或下降，两者之间不存在热惯性。或说：本发明的传感结构的热时间常数→0, 堪称“理想” 的温度传感器。 因此, 本发明可对相关设备（例如大功率广播发射机的水冷却系统）的水温实现无热惯性的“即时控制”。 这种无热惯性的“即时控制” 方式, 是现有技术难以实现的崭新的控制方式。

[0038] 3、动态范围大。水中噪声信号Un的值在大动态范围内变化, 系统都可正常工作。

附图说明

[0039] 图1为示波器显示的水中噪声Un的波形图；

[0040] 图2为本发明的原理方框图；

[0041] 图3为本发明实施例1的电路原理图；

[0042] 图4为本发明实施例2的电路原理图。

具体实施方式

[0043] 下面, 结合附图, 阐述本发明优选的实施方式：

[0044] 图2为本发明的原理方框图，图3为本发明优选的实施例1的电路原理图。结合图2、图3：

[0045] 变压器T、整流桥BR、第一电容C1、第二电容C2、稳压二极管DW组成了直流电源10, 上述器件的共同作用, 为本发明的放大电路20、执行电路50提供直流电压Uc。所述的直流电压Uc的正端与放大电路20、执行电路50连接、负端与线路地相连接。

[0046] 第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第一三极管V1、第二三极管V2组成了放大电路20。

[0047] 本发明优先采用由第一三极管V1、第二三极管V2组成的复合管放大器放大噪声信号Un,也可以采用其他形式的放大器例如集成运算放大器放大所述的噪声信号Un。

[0048] 第四电容C4、第一二极管D1、第二二极管D2、第五电容C5、第六电容C6组成了检波电路30。

[0049] 第四电阻R4、第六电位器RP6、第二电位器RP2组成了温度设定电路40，并且，所述的第六电位器RP6的滑动臂（动接点）与执行电路50中的集成电路IC1的6脚连接，第二电位器RP2的滑动臂与IC1的2脚连接。

[0050] 结合图3：第四电阻R4、第六电位器RP6、第二电位器RP2以及集成电路IC1串并联后成为检波电路30的负载，由于集成电路IC1的输入阻抗极大，因此，检波电路30的负载可以简化为第六电位器RP6、第四电阻R4、第二电位器RP2串并联后的等效电阻：RP6∥（R4＋RP2）。本发明所设计的“温度设定电路40” 的优点之一是：无论第六电位器RP6、第二电位器RP2的滑动臂怎样调节，检波电路30的等效负载电阻：RP6∥（R4＋RP2）均保持不变。此种设计，显著地增加了检波电路30和放大电路20的稳定、可靠性。

[0051] 本温度设定电路40按下述程序设定极限温度：

[0052] 下限温度Tmin：置容器AV中的水温为需要的下限温度Tmin，调整第二电位器RP2使集成电路IC1第2脚上的电压为下限电压U20＝ 1/3Uc；

[0053] 上限温度Tmax：置容器AV中的水温为需要的上限温度Tmax，调整第六电位器RP6使集成电路IC1第6脚上的电压为上限电压U60＝ 2/3Uc；

[0054] 根据上述设定, 再参照前述的噪声电压均方值的表迖式Un2=4KTRB即（1）式, 可知：

[0055] 当水温T低于下限温度Tmin即T＜Tmin时, 电压U2＜U20＝ 1/3Uc即U2＜1/3Uc；

[0056] 当水温T高于上限温度Tmax即T＞Tmax时, 电压U6＞U60＝ 2/3Uc即U6＞2/3Uc。

[0057] 集成电路IC1（型号：集成时基电路LM555）与其外围器件：发光二极管LED、继电器J、第三二极管D3及第七电容C7组成了执行电路50；并且, 集成电路IC1的1脚接线路地,2脚接第二电位器RP2的滑动臂, 6脚接第六电位器RP6的滑动臂,4脚和8脚均与直流电压Uc的正端连接, 5脚与一端接线路地的第七电容C7连接；继电器J与第三二极管D3并联以后, －端（第三二极管D3的正极端）接线路地、另－端与发光二极管LED的负极连接, 发光二极管LED的正极则接集成电路IC1的3脚。

[0058] 结合图3：根据时基电路LM555的特性, 可将集成电路IC1（即时基电路LM555）看成特殊的R-S触发器, 在本实施例1中，其具有以下特征：

[0059] 其5脚与一端接线路地的第七电容C7连接;

[0060] 当其2脚上的电压U2＜U20即U2＜ 1/3Uc时, 其3脚输出的电压U3为高电平；

[0061] 当其6脚上的电压U6＞U60即U6＞ 2/3Uc时, 其3脚输出的电压U3为低电平。

[0062] 结合图2、图3：本实施例1的工作过程为：传感电极AK获取的水中噪声信号Un经耦合电容C3耦合、放大电路20放大、检波电路30检波、温度设定电路40设定后送至执行电路50执行以下的控制程序：

[0063] 1、升温：当容器AV中的水温T低于下限温度Tmin即T＜Tmin时,集成电路IC1的2脚上的电压U2低于下限电压即U2＜U20, 其3脚输出的电压U3为高电平, 执行器件继电器J得电, 其动合触点（常开触点）DH闭合,AC220V施加至负载RL两端, 同时,发光二极管LED点亮, 指示负载RL正在通电。

[0064] 若负载RL为容器AV中的电制热器件例如电热管, 则其通电后,容器AV中的水温将逐步上升, 当水温T高于上限温度Tmax即T＞Tmax时, 集成电路IC1的6脚上的电压U6高于下限电压即U6＞U60, 其3脚输出的电压U3为低电平,继电器J失电, 其动合触点DH复位断开,负载RL断电停止加热， 发光二极管LED熄灭, 指示负载RL已断电。

[0065] 2、保温：

[0066] 负载RL断电停止加热、 系统便进入保温状态, 水温将逐渐下降。当水温T[0067] 重新下降至T＜Tmin后, 系统再次执行“升温” 程序, 如此周而复始地循环,可控制水温T在下限温度Tmin和上限温度Tmax之间, 即：控制水温T在Tmin＜T＜Tmax的范围内。

[0068] 所述的执行电路50中的执行器件优先选用电磁继电器,也可选用固态继电器（Solid State Relays，SSR ）或双向晶闸管（Triode AC Switch，TRIAC）。

[0069] 本实施例1适宜用作涉水电热器例如饮水机、热水器的水温控制。

[0070] 图4为本发明的实施例2的电路原理图, 本实施例2的工作原理与实施例1相同, 所不同的有：

[0071] 一、直流电压U5取代电容C7接入了集成电路IC1即集成时基电路LM555的5脚。

[0072] 作这样设计以后, 本实施例2就按下述程序设定极限温度：

[0073] 下限温度Tmin：置容器AV中的水温为需要的下限温度Tmin，调整第二电位器RP2使集成电路IC1第2脚上的电压为下限电压U20＝ 1/2U5；

[0074] 上限温度Tmax：置容器AV中的水温为需要的上限温度Tmax，调整第六电位器RP6使集成电路IC1第6脚上的电压为上限电压U60＝U5。

[0075] 与上述设定相对应, 水温T与电压U2、U6的对应关系也变为：

[0076] 当水温T低于下限温度Tmin即T＜Tmin时, 电压U2＜U20＝ 1/2U5即 U2＜1/2U5；

[0077] 当水温T高于上限温度Tmax即T＞Tmax时, 电压U6＞U60＝U5即 U6＞U5。

[0078] 作这样设计的目的是：由于电压U5的值小于电源电压Uc的值, 因此, 噪声信号电压Un的值便可降低, 同时, 放大电路20的放大倍数也可降低。例如, 若调整图4中的第五电位器RP5, 使U5＝0.5V, 则按上述方法设定极限温度时, 下限温度Tmin对应的下限电压U20＝ 1/2U5只须0.25V, 上限温度Tmax对应的上限电压U60＝U5只须0.5V。

[0079] 综上所述, 可得出结论：

[0080] 1、在第一实施例即所述的集成电路IC1之5脚接第七电容C7时, 上限温度Tmax对应的上限电压U60＝2/3Uc；设此时对应的使系统正常运行的噪声信号电压为Un＝Un7；

[0081] 2、在第二实施例即所述的集成电路IC1之5脚接直流电压U5时, 上限温度Tmax对应的上限电压U60＝U5；设此时对应的使系统正常运行的噪声信号电压为Un＝Un5；

[0082] 3、由于U5可以远小于Uc即U5＜＜Uc，那么, Un5也可以远小于Un7, 换言之：噪声信号电压Un在大动态范围变化，本发明仍可正常工作。

[0083] 保证系统正常工作的噪声信号电压Un的动态范围大, 是本发明的一大优点。

[0084] 这样, 本发明设定极限温度的方法有两种：

[0085] 第一种为：当所述的集成电路IC1之5脚接电容C7时,所述的温度设定电路40在水温为下限温度Tmin时调定下限电压U20＝1/3Uc、在水温为上限温度Tmax时调定上限电压U60＝2/3Uc；

[0086] 第二种为：，当所述的集成电路IC1之5脚接直流电压U5时,所述的温度设定电路40在水温为下限温度Tmin时调定下限电压U20＝1/2U5、在水温为上限温度Tmax时调定上限电压U60＝U5；

[0087] 作上述设计以后, 本实施例2中的集成电路IC1就具有以下的特性：

[0088] 其5脚接入了直流电压U5；

[0089] 当其2脚上的电压U2＜U20即U2＜1/2U5时, 其3脚输出的电压U3为高电平；

[0090] 当其6脚上的电压U6＞U60即U6＞U5时, 其3脚输出的电压U3为低电平。

[0091] 二、执行电路50中的继电器J触点的接法与实施例1不相同, 实施例1用的是动合触点DH, 本实施例2用的是动断触点（常闭触点）DD。

[0092] 三、发光二极管LED改接至集成电路IC1的7脚、继电器J与第三二极管D3并联以后直接与集成电路IC1的3脚连接；并且, 发光二极管LED的负极端接集成电路IC1的7脚，继电器J与第三二极管D3并联以后，第三二极管D3的负极端接集成电路IC1的3脚, 正极端接线路地。

[0093] 集成电路IC1之3脚、7脚的逻辑关系为：

[0094] 3脚输出的电压U3为低电平时,7脚对线路地短路；

[0095] 3脚输出的电压U3为高电平时,7脚对线路地开路。

[0096] 与上述变动相对应, 本实施例2的控制过程也相应地变为：

[0097] 1、降温：当容器（或管道）AV中的水温T高于上限温度Tmax即T＞Tmax时, 集成电路IC1的6脚上的电压U6高于上限电压即U6＞U60, 其3脚输出的电压U3为低电平,继电器J失电, 其动断触点DD闭合,AC220V施加至负载RL两端； 同时, 集成电路IC1的7脚对线路地短路,发光二极管LED点亮, 表示负载RL正在通电。

[0098] 若负载RL为水的制冷设备, 则负载RL通电后,容器AV中的水温将逐步下降, 当水温T低于下极限温度Tmin即T＜Tmin时, 集成电路IC1的2脚上的电压U2低于下限电压即U2＜U20, 其3脚输出的电压U3为高电平,继电器J得电, 其动断触点DD断开,负载RL断电停止制冷；同时, 集成电路IC1的7脚对线路地开路,发光二极管LED熄灭, 表示负载RL已断电。

[0099] 2、保温：

[0100] 负载RL断电停止制冷～系统进入保温步骤～水温T重新上升至T＞Tmax[0101] 后，系统再次执行“制冷降温” 步骤, 如此周而复始地循环,可控制水温T在下限温度Tmin和上限温度Tmax之间, 即：控制水温T在Tmin＜T＜Tmax的范围内。

[0102] 本实施例2适宜用作大功率广播发射机、雷达发射机、汽车发动机、柴油机的水冷却系统的水温控制。

[0103] 综上所述, 本发明的执行电路50按以下步骤自动控制水温：

[0104] 当水温T低于下极限温度Tmin即T＜Tmin时,集成电路IC1的2脚上的电压U2低于下限电压即U2＜U20, 其3脚输出的电压U3为高电平,继电器J得电；

[0105] 当水温T高于上限温度Tmax即T＞Tmax时, 集成电路IC1的6脚上的电压U6高于下限电压即U6＞U60, 其3脚输出的电压U3为低电平,继电器J失电。

[0106] 根据本发明所提供的技术, 本领域的技术人员应该清楚：若将继电器J、发光二极管LED的位置互易, 即继电器J接至集成电路IC1的7脚、发光二极管LED接集成电路IC1的3脚，根据集成电路IC1的7脚、3脚、继电器J的动断触点DD、动合触点DH之间的逻辑关系, 也可以实现对水温的自动控制。

[0107] 本发明公开了利用水中噪声即时控制水温的技术, 根据本发明所提供的技术思路而设计的等同或等效变换所得的技术, 都在本发明权利要求的保护范围内。