机电一体化技术在家用净水器中的应用探析

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　　摘 要 机电一体化一词最早出现在1971年的日本杂志《机械设计》中，其最初含义是指将机械系统和电子系统结合起来发挥各自优势，通过传感器和自动控制技术达到提高系统速度和精度的目的。最初它主要应用在工业领域，比如数控车床和各种液压机械等。随着计算机科技的迅猛发展和传感器技术的普及使得机电一体化也不断走向成熟。同时应用领域也从工业领域拓展到家电领域。时至今日，可以说家电行业已经无法离开机电一体化技术。家用净水器作为近几年才出现的新型家电更是从一开始就与机电一体化密不可分，本文将从机电一体化技术在家用净水器中的应用的现状和趋势展开探讨。
　　关键词 机电一体化;家用净水器;自动控制;信息技术
　　引言
　　家用净水器的发展至今在过滤技术上大体分为两条技术路线：一条是以超滤膜为核心滤芯的净水器，它能过滤掉自来水中大于细菌的杂质，同时保留大部分离子也就是人们常说的矿物质;另一条是以反渗透膜为核心的净水器（又叫纯水机），它能过滤掉大部分水分子以外的杂质。超滤净水器可以无须电源，直接连接自来水使用，因此控制比较简单，也无相关数据显示。反渗透净水器过滤所需水压远大于自来水水压，所以需要相关泵阀的配合才能正常使用。同时各级滤芯的寿命也需要主控板根据传感器返回的信号，在不同工作条件予以控制、计算。 反渗透净水器大量采用了机电一体化技术，是本文主要阐述的对象。
　　1 应用现状
　　家用反渗透净水器按制水量可分为无桶机和有桶机。由于反渗透膜较为昂贵，所以首先进入家庭的反渗透净水器中的反渗透膜制水量一般不超过0.26L/nin（100加仑），为方便消费者使用，这种净水器需要增加一个储水桶配合使用，因此这种净水器又称之为有桶机。随着反渗透膜成本的下降，其滤芯体积也逐步变小，制水量大于1L/min（400加仑/天）的反渗透净水器逐步在市场上出现，因为制水流量较大，可以让消费者直接使用，无须额外使用储水桶，因此这种净水器又称之为无桶机。有桶机和无桶机的控制方式相似，但各零部件因流量不同会有所不同。在现阶段的家用净水器中，机电一体化技术广泛应用于以下几方面。
　　1.1 制水控制
　　反渗透膜正常制水所需压力一般为0.4MPa-0.8MPa，而自来水水压一般在0.1MPa-0.2MPa，其中的压差需要内部增压泵提供，制水时泵开启。但家用净水器的出水龙头通常为机械龙头，无法告知机器何时该制水。为使得净水器能在消费者需要时制水，一般的解决方案是在反渗透的出水端连接一个单向阀和一个压力开关，当龙头关闭时，纯水处压力提高到设定值时，触发高压开关。带有单片机的主控板（以下简称主控板）可根据高压开关的通断信号控制泵的开启和关闭，进而控制反渗透膜的制水。
　　1.2 综合滤芯寿命计算
　　对于消费者而言，滤芯寿命最好能在机器面板或龙头上直观显示，这样消费者就可自行判断是否需要更换滤芯。而滤芯寿命与过水量、水质有直接关系。现有滤芯寿命的计算通常会综合这两方面的因素。具体来说主控板通过泵的工作时间和流量传感器累计的数据来计算滤芯剩余的寿命，计算完毕后将数据显示在面板上。
　　1.3 排水量控制
　　受原理限制反渗透膜滤芯在制水时需要排放部分浓水，就节能减排而言希望排水越少越好，但排水太少会导致制取的水水质变差。为解决这个矛盾，现有做法是引进一个检测水中溶解固体量的传感器----TDS探头，和可调浓水阀。当水质好时减少浓水排放，反之亦然。在主控板中先预设水质与可调浓水阀的关系，当净水器工作时主控板可通过TDS探头反馈的数据调节排放比例，达到在不同水质都能提供优质饮水的同时减少排水[1]。
　　2 應用趋势
　　随着技术的进步，尤其是信息技术和传感器技术的发展，使得家用净水器可以有更准确控制和检测功能。在精细化、智能化、数字化、人性化方面有更深入的发展。比如以下应用。
　　2.1 膜前稳压控制
　　对反渗透膜而言，稳定的水压对出水水质和反渗透膜的寿命都有很大的帮助。但是自来水水压并不稳定，以前的家用净水器对此无能为力。随着电机技术和MEMS（微机电系统）传感器技术的进步，市场上已有可调压力的泵和小型化低成本的压力传感器。家用净水器的主控板可以通过压力传感器的数据对泵的转速进行调整。使得反渗透膜的水压稳定，延长反渗透膜寿命。
　　2.2 精确滤芯寿命控制
　　上述压力传感器也可以安装在滤芯两侧，家用净水器工作时主控板通过检测滤芯两侧的压差，就可以清晰的判断滤芯的堵塞情况，并于设定滤芯寿命到期压差对比可知真实的滤芯寿命。 新型的滤芯寿命检测减少了滤芯的浪费。
　　2.3 手机APP应用
　　家用净水器通常安装在厨房的水槽下，平时工作状态不易感知，计算机网络的发展使得消费者可以轻易通过手机APP连接家电，了解家电的运行状况。在家用净水器中，手机APP可有查看滤芯寿命、购买滤芯、查看自来水水质等功能，方便消费者使用。
　　2.4 新型水质传感器的应用
　　传统水质传感器只能检测简单的几个参数，而对水中COD、浊度无法感知，无法解除些消费者对净水器的过滤效果的疑虑。新型的水质传感器可以分析水中COD、浊度。其原理是水通过一段石英玻璃材质的管道，在管道两边各设有能发射特定波长的LED灯和感应光的传感器，主控板通过接收传感器光信号强度，用独特的算法就可以分析出水中的COD含量和浊度。这些数据有助于消除消费者疑虑，甚至在自来水水质突然恶化时还可以起到预警的作用[2]。
　　3 结束语
　　家用净水器是一种年轻的家电，它的功能从最初的简单过滤水发展到能够检测水质并智能控制，除了滤芯技术的发展以外，离不开机电一体化技术的应用。在可以见到的未来，信息技术和传感器技术的进一步发展和应用家用净水器会变得越来越聪明，越来越人性化。
　　参考文献
　　[1] 丁连红.机电一体化技术发展趋势和现状分析[J].中国科技信息，2007，（13）：72-72.
　　[2] ST防水型MEMS压力传感器瞄准消费和工业应用[J].单片机与嵌入式系统应用，2019，（05）：95-96.
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