ВОДОСМЕСИТЕЛЬНЫЙ КРАН С БЕСКОНТАКТНЫМ ДИСТАНЦИОННЫМ УПРАВЛЕНИЕМ Российский патент 2005 года по МПК E03C1/04 F16K31/02 

Изобретение относится к техническим средствам водоснабжения, в частности к смесительным устройствам, предназначенным для смешивания потоков воды с различными параметрами в системах водоснабжения.

Известны смесительные устройства, предназначенные для управления потоками воды в сетях водоснабжения [1-9].

Известен кран-смеситель [1], относящийся к смесительным устройствам, предназначенным для смешивания в различном соотношении горячей и холодной воды, и использующийся в качестве запорно-регулирующего устройства в системах водоснабжения. Кран-смеситель содержит корпус с камерой смешения, каналами подвода холодной и горячей воды и каналами отвода воды, запорные устройства, крышку и переключатель.

Известен водопроводный смеситель [2], относящийся к оборудованию сантехнических приборов и использующийся в сетях водоснабжения, где возникает необходимость смешивания потоков жидкости с различными параметрами. Водопроводный смеситель включает корпус, две вентильные головки, трубку излива, подводящие трубки, при этом трубка излива установлена в средней части корпуса с возможностью сообщения с зоной смешивания, а подводящие трубки установлены в подводящих каналах, выполненных в корпусе.

Указанные [1, 2] или подобные [3-9] смесительные устройства обладают рядом существенных недостатков. Они не отвечают требованиям создания аппаратуры на принципах энергосберегающих технологий. Задача экономного и рационального использования сетевой воды в системах водоснабжения промышленных и коммунальных предприятий непосредственно связана с проблемой создания сантехнического оборудования, построенного на принципах энергосберегающих технологий. Применение указанных смесителей в составе сантехнического оборудования вызывает значительный, объективно неконтролируемый расход воды в системах водоснабжения и существенный перерасход тепловой энергии, необходимый на ее нагревание. Перерасход воды, в частности, связан с истечением воды из изливной трубки смесителя прямой струей или через неэкономичные душевые насадки.

Другой существенный недостаток указанных смесителей связан с отсутствием возможности соответствовать ужесточившимся санитарно-гигиеническим нормам, которые принимают все большее число стран. Дело в том, что указанные смесители являются контактными, т.е. они приводятся в действие вручную каждым отдельным пользователем, что становится все более нежелательным, а в ряде случаев является просто недопустимым явлением.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является водосмесительный кран фирмы “DELABIE” [10]. Указанный водосмесительный кран с бесконтактным дистанционным управлением содержит корпус с камерой смешивания воды и переключателем, подводящие трубки, изливную трубку с выходной насадкой и приемопередающей головкой, автономный контрольно-измерительный блок, электрически связанный с источником и приемником оптического излучения и электромагнитными клапанами подачи воды. Этот кран-смеситель выгодно отличается от вышеуказанных устройств бесконтактным включением подачи воды. Однако он имеет ряд существенных недостатков. Указанный кран-смеситель неэкономичен как по расходу воды, так и по энергии, затрачиваемой на ее нагревание. Большие объемы расходуемой краном воды обусловлены двумя причинами: перерасход воды вызван неэкономичной выходной насадкой для истечения воды из изливной трубки и системой дозирования подачи воды, основанной на строго фиксированном и однозначно установленном времени поддержания крана во включенном состоянии, которое определяет электрическая схема контрольно-измерительного блока. Другими словами, конструкция насадки не способствует уменьшению расхода воды и ее расход определяется временем ее истечения, заложенным в электрическую схему, вне зависимости от наличия объекта обработки перед приемопередающей головкой крана, т.е. руки из-под струи можно убрать, а вода будет продолжать течь из насадки изливной трубки согласно установленному электрической схемой времени поддержания крана во включенном состоянии.

Следующим недостатком указанного крана-смесителя является его электрическая активность. Кран-смеситель сообщается с автономным блоком, расположенным на периферии с помощью электрического кабеля, и поэтому требуется электрическая развязка при расположении его в области повышенного потенциала. Известно, что обрыв электрического кабеля приводит к искрообразованию, вследствие чего этот кран-смеситель является взрывопожароопасным. Кроме того, наличие электрического кабеля делает кран-смеситель уязвимым к наведению электромагнитных помех и, как следствие, к возникновению недопустимых ложных включений крана.

Задачей изобретения является снижение расхода воды и тепловой энергии, затрачиваемой на ее нагревание, обеспечение включенного состояния крана только наличием объекта обработки в зоне контроля, при отсутствии объекта обработки в зоне контроля кран должен выключаться, достижение сочетания бесконтактности включения/выключения подачи воды с электрической пассивностью крана, его устойчивостью к электромагнитным помехам и к возникновению ложных включений, антивандальность исполнения чувствительных оптических элементов бесконтактного привода крана.

Технический результат достигается тем, что в водосмесительном кране с бесконтактным дистанционным управлением, содержащем корпус с камерой смешивания воды и переключателем, подводящие трубки, изливную трубку с выходной насадкой и приемопередающей головкой, автономный контрольно-измерительный блок, электрически связанный с источником и приемником оптического излучения и электромагнитными клапанами подачи воды, выходная насадка выполнена в виде центробежной распылительной форсунки, формирующей конус мелкодисперсной равномерно распыленной воды, изливная трубка выполнена с возможностью размещения в ней волоконно-оптического преобразователя с внешней модуляцией, выходной оптический торец которого размещен в приемопередающей головке изливной трубки, а противоположный торец преобразователя оптически связан с источником и приемником оптического излучения, размещенными в автономном контрольно-измерительном блоке, электрически связанном с электромагнитными клапанами подачи воды, при этом электрическая схема блока выполнена на основе интегрирующей цепи накопления сигнала измерительной информации.

Экономичность водосмесительного крана, т.е. низкий расход краном воды, и, как следствие, снижение уровня затрат тепловой энергии, расходуемый на нагревание воды, достигается новым построением схемы обнаружения объекта контроля. Для схемы обнаружения необходимо выполнение двух условий от объекта контроля: присутствие объекта контроля в зоне обнаружения и совершение объектом контроля колебательных движений, соответствующих колебательным движениям рук человека под краном. При наличии только первого условия схема обнаружения включит водосмесительный кран, но отключит его через 3 с. Только при соблюдении второго условия - колебательного движения моющихся рук человека - схема обнаружения благодаря интегрирующей цепочке, накопившей необходимый и достаточный сигнал о колебаниях объекта, трансформируется в контрольно-измерительную схему, следящую за наличием объекта и его колебательными движениями. По окончании процесса руки из-под крана убираются и контрольно-измерительная схема выдает управляющий сигнал электромагнитным клапанам на прекращение подачи воды. В результате контрольно-измерительная схема ограждает водосмесительный кран от ложных включений и обеспечивает включенное состояние крана только при наличии рук человека в процессе мытья. Такое построение контрольно-измерительной схемы автономного блока в предлагаемом водосмесительном кране позволяет экономить воду и энергию на ее нагревание.

Особая роль по экономии воды и тепловой энергии в предлагаемом изобретении принадлежит центробежной распылительной форсунке. Способность этой форсунки существенно и резко снижать объемы расходуемой воды благодаря ее оригинальной конструкции известна из [11]. В предлагаемом же изобретении по новому использованы распылительные особенности форсунки, а конкретно, отражательные свойства создаваемого форсункой конуса распыляемой жидкости. Дело в том, что при распылении форсунка образует факел (конус) равномерной мелкодисперсной жидкости.

И вот этот факел (или конус) равномерно распыленной мелкодисперсной жидкости позволяет волоконно-оптическому преобразователю уверенно различать в зоне обнаружения моющиеся руки и при этом, в чем и состоит суть конструкторского замысла, не реагировать, не “замечать” сам факел распыленной жидкости. А это позволяет принципиально реализовать требуемое включенное состояние крана во время мытья рук. Распылительные насадки, например прототипа - французские смесители фирмы “DELABIE”, не позволяют достичь этого эффекта в силу того, что вода изливается из насадки прямой струей или в виде потока с качественно низкими формой и составом распыляемой воды. Появление перед волоконно-оптическим преобразователем прямой струи воды, обладающей значительным коэффициентом отражения, будет воспринято схемой обнаружения как наличие ложного объекта контроля и через 3 с подача воды будет отключена. Прозрачный же факел из нашей форсунки позволяет волоконно-оптическому преобразователю “разглядеть” и наличие рук в зоне обнаружения и уловить процесс их мытья, т.е. требуемые колебательные движения. В результате при построении предлагаемого водосмесительного крана установлены и использованы новые зависимость и влияние отражательных свойств распыляемого центробежной форсункой равномерного мелкодисперсного водяного конусного факела на обнаружительную способность волоконно-оптического преобразователя и контрольно-измерительного блока в целом.

Таким образом, экономия воды и тепловой энергии достигается двумя способами: процессом мытья рук только при наличии последних в зоне контроля и оригинальной конструкцией примененной форсунки, причем следует подчеркнуть, что в обоих способах форсунка играет ключевую роль.

В изобретении по-новому решена задача бесконтактного дистанционного обнаружения и контроля объекта обработки.

В качестве чувствительного элемента использован волоконно-оптический преобразователь с внешней модуляцией. Для решения задач изобретения необходимо среди множества известных и возможных вариантов преобразователей установить и определить принципы построения необходимого оптимального преобразователя.

Из [12] известно математическое выражение для теоретического расчета параметров волоконно-оптического преобразователя:

Р_и - мощность оптического излучения на торце передающего световода;

Р_п - мощность оптического излучения на торце приемного световода;

а - радиус сердечника световода;

х - расстояние между продольными осями световодов;

NA - числовая апертура световода;

Z - расстояние до объекта контроля от торца световода;

r-а+r·tgα, α - апертурный угол световода.

Согласно приведенной формуле построены графики (фиг.1) зависимости мощности оптического излучения на торце приемного световода от расстояния до объекта контроля при различных параметрах а, NA световода, мощности излучения на торце передающего световода. Нас интересует влияние на чувствительность преобразователя геометрических а, оптических NA параметров световода, мощности на торце передающего световода.

График 1 построен при:

а=200 мкм; х=400 мкм; NA=0,3; Рн=4000 мкВт

График 2 построен при:

а=100 мкм; х=200 мкм; NA=0,3; Рн=4000 мкВт

График 3 построен при:

а=200 мкм; х=400 мкм; NA=0,5; Рн=4000 мкВт

График 4 построен при:

а=100 мкм; х=200 мкм; NA=0,5; Рн=8000 мкВт

Сравнительный анализ построенных графических зависимостей показывает, что наибольшей чувствительностью обладает волоконно-оптический преобразователь на основе волоконных световодов с малым радиусом сердечника, большой числовой апертурой при значительной величине передаваемой по световоду мощности оптического излучения. Эти выводы легли в основу принципа построения волоконно-оптического преобразователя с внешней модуляцией для водосмесительного крана.

Согласно этому принципу волоконно-оптический преобразователь с внешней модуляцией содержит передающие и приемные световоды (или жгуты передающих и приемных световодов), отличающиеся низкими оптическими потерями, малым размером сердечника волноведущей структуры, высокой числовой апертурой, при этом по передающему световоду (или жгуту передающих световодов) должно передаваться оптическое излучение большой мощности.

Поскольку автономный контрольно-измерительный блок сообщается с зоной обнаружения с помощью волоконных световодов, являющихся хорошими изоляторами, не требуется электрической развязки или других мер изоляции при расположении кранов в месте эксплуатации, даже если это место находится в области повышенного потенциала. Следствием такой электрической пассивности крана является несомненное, присущее только такому техническому исполнению крана, достоинство - абсолютная взрыво-пожаробезопасность.

Техническое исполнение крана на основе волоконных световодов обеспечивает его устойчивость к электромагнитным помехам. Это достоинство является существенным и в ряде случаев решающим. Наличие электромагнитных помех приводит к возрастанию шумового фона в электрическом информационно-измерительном тракте. Поскольку информационно-измерительный тракт выполнен на основе волоконных световодов, электромагнитных помех практически не наблюдается.

Водосмесительный кран с бесконтактным дистанционным управлением содержит (фиг.2) корпус 1 с камерой смешивания воды 2 и переключателем 3, подводящие трубки 4, изливную трубку 5 с выходной насадкой, выполненной в виде центробежной распылительной форсунки 6, и с приемо-передающей головкой 7 для размещения выходного торца волоконно-оптического преобразователя с внешней модуляцией, передающий волоконный световод (или жгут волоконных световодов) 9 преобразователя 8, приемный волоконный световод (или световодный жгут) 10 преобразователя 8, автономный контрольно-измерительный блок 11 с источником 12 и приемником 13 оптического излучения, электромагнитные клапаны 14.

Водосмесительный кран с бесконтактным дистанционным управлением работает следующим образом. В исходном состоянии электромагнитные клапаны 14 закрыты, оптическое излучение от источника 12 поступает в передающий волоконный световод (или световодный жгут) 9 и с его торца, расположенного в приемопередающей головке 7, излучается в открытое пространство зоны обнаружения. При отсутствии в открытом пространстве объекта контроля отсутствует отраженное излучение и автономный контрольно-измерительный блок 11 не выдает сигнала клапанам 14. При появлении в зоне обнаружения объекта контроля (при поднесении рук к крану) появляется отраженный сигнал, улавливаемый торцом приемного световода (или жгута световодов) 10 и передаваемый им к приемнику излучения. Блок 11 обрабатывает поступивший сигнал измерительной информации и выдает управляющий сигнал клапанам 14 на подачу воды в кран. Этот процесс происходит в случае, если в зоне обнаружения действительно оказались руки, совершающие “моющие” колебательные движения. Если такие движения отсутствуют, блок 11 через 3 с отключает подачу воды. После завершения действительного процесса мытья рук, при их убирании из зоны обнаружения блок 11 через 0,5 с прекратит подачу воды.

В лучшем исполнении водосмесительный кран с бесконтактным дистанционным управлением изготовлен с применением автономного контрольно-измерительного блока, на основе электрической схемы с интегрирующей цепочкой и импульсной накачкой источника излучения АЛ-119, электромагнитными клапанами, и волоконно-оптическим преобразователем из жгутов волоконных световодов из многокомпонентного стекла с размером сердечника световода 50 мкм, числовой апертурой 0,5, оптическими потерями 50 дБ/км. Дальность обнаружения (расстояние от выходного торца преобразователя до объекта контроля) составила 60 см. При этом особо отметим тот факт, что выходной торец волоконно-оптического преобразователя, размещенный в приемопередающей головке изливной трубки, выполнен не совмещенным, а раздельным, т.е. приемные и передающие жгуты световодов образуют раздельные информационно-измерительные каналы. Это сделано для того, чтобы выполнить условие антивандального исполнения крана, т.к. эксперименты показали, что при совмещенном торце (имеющем лучшие показатели по дальности обнаружения объекта контроля) наличие небольшой царапины на световодах вызывает ложное включение крана. При раздельном исполнении торца преобразователя та же царапина вызывает лишь уменьшение дальности обнаружения объекта контроля, но не вызывает недопустимых ложных включений водосмесительного крана.

Использованные источники информации

1. RU №2117844, МКИ 6 F 16 K 11/02, 1995.

2. RU №2155288, МКИ 7 F 16 K 11/10, 27/04, 1998 г.

3. RU №2193711, МКИ 7 F 16 K 11/16, 2001 г.

4. RU №2127391, МКИ 6 F 16 K 11/02,1996 г.

5. RU №2175735, МКИ 7 F 16 K 11/074, 3/08, 2001 г.

6. RU №2185559, МКИ 7 F 16 K 11/10, 31/62, 2000 г.

7. RU №2115051, МКИ 6 F 16 K 11/00, 1996 г.

8. RU №2176757, МКИ 7 F 06 K 11/02, Е 03 С 1/04, 2000 г.

9. RU №2067713, МКИ 6 F 16 K 11/074, 1993 г.

10. Каталог фирмы “DELABIE” “ROBINETTERIE TEMPORISEE”, 18 rue du Marechal Foch-BP89-F-80534 Friville cedex-RC Saint-Valery-sur- somme B 615680089 - 08/1999, с.12, кран BINOPTIC MIX.

11. RU №2196205, МКИ 7 Е 03 С 1/08, 2000 г.

12. RU №2178902, МКИ 7 G 02 B 6/36 2000 г.

Изобретение относится к техническим средствам водоснабжения. Водосмесительный кран с бесконтактным дистанционным управлением содержит корпус с камерой смешивания воды и переключателем, подводящие трубки, изливную трубку с выходной насадкой и приемопередающей головкой, автономный контрольно-измерительный блок, электрически связанный с источником и приемником оптического излучения и электромагнитными клапанами подачи воды. Выходная насадка выполнена в виде центробежной распылительной форсунки, формирующей конус мелкодисперсной равномерно распыленной воды, изливная трубка выполнена с возможностью размещения в ней волоконно-оптического преобразователя с внешней модуляцией, выходной оптический торец которого размещен в приемопередающей головке изливной трубки, а противоположный торец преобразователя оптически связан с источником и приемником оптического излучения, размещенными в автономном контрольно-измерительном блоке, электрически связанном с электромагнитными клапанами подачи воды, при этом электрическая схема блока выполнена на основе интегрирующей цепи накопления сигнала измерительной информации. Техническим результатом является снижение расхода воды и тепловой энергии, затрачиваемой на ее нагревание, обеспечение включенного состояния крана только наличием объекта обработки в зоне контроля, достижение сочетания бесконтактности включения/выключения подачи воды с электрической пассивностью крана, его устойчивостью к электромагнитным помехам и к возникновению ложных включений, антивандальность исполнения чувствительных оптических элементов бесконтактного привода крана. 2 ил.

Водосмесительный кран с бесконтактным дистанционным управлением, содержащий корпус с камерой смешивания воды и переключателем, подводящие трубки, изливную трубку с выходной насадкой и приемопередающей головкой, автономный контрольно-измерительный блок, электрически связанный с источником и приемником оптического излучения и электромагнитными клапанами подачи воды, отличающийся тем, что выходная насадка выполнена в виде центробежной распылительной форсунки, формирующей конус мелкодисперсной равномерно распыленной воды, изливная трубка выполнена с возможностью размещения в ней волоконно-оптического преобразователя с внешней модуляцией, выходной оптический торец которого размещен в приемопередающей головке изливной трубки, а противоположный торец преобразователя оптически связан с источником и приемником оптического излучения, размещенными в автономном контрольно-измерительном блоке, электрически связанном с электромагнитными клапанами подачи воды, при этом электрическая схема блока выполнена на основе интегрирующей цепи накопления сигнала измерительной информации.