专利名称：电热水器保安装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及家用电器领域，尤其涉及一种利用电热器中水是否与保护地线连接、
水位是否过浅的不同情况来控制加热电源通、断的电热水器保安装置。
背景技术：
电热水器是常用的家用电器，分为储水式和即热式两种类型，而任何类型的电热 水器都必须解决防触电伤人，防干烧起火的安全问题。 中国专利申请号为200820164704. 2，发明名称为一种防触电热水器的实用新 型申请中公开了一种在水路中设置喇叭形导电丝或导电极，通过放电将水中电流导入保护 地线的防触电的技术。 中国专利申请号为200710186457. 6，发明名称为智能全方位保护、自动重合 闸、多用途流水式电热水器的发明专利申请中公开了一种电热水器防触电、防"过热"的技 术。 包括上述申请在内的现有技术，在电热水器防触电方面，普遍存在着或者机械结 构复杂庞大，或者控制电路繁杂而导致的体积大，造价高的缺点。 在防干烧方面，也普遍存在以下的缺点1、或无抗干烧的功能；2、或用"温度 传感器"作温度传感器件，用防过热的技术来实现抗干烧的功能。中国专利申请号为 200710186457. 6的发明专利申请中将温度传感器"捆绑在输电线上，对输电线温升进行监 测"的方法来达到抗干烧的目的。众所周知，所述的温度传感器为配合电热水器使用，还须 二次封装，因此热惰性很大，待其感知到干烧的高温，干烧与火灾早就发生。经多次试验后 发现现有技术中使用温度传感器方法而防干烧的技术手段，实际上因传感器的热响应速 度慢，而达不到真正防干烧的目的。 本发明的目的就是针对现有技术的不足，发明一种简单、廉价、实用的既可防触 电、又可防干烧的电热水器保安装置。
发明内容
在叙述本发明的内容之前，首先陈述以下两条本领域中所公知的事实 1、只要将电热水器中的水与保护地线E连接，电热水器就是安全而无触电的危险。 2、市政供电网的AC220V电源在入户之前，已将中线N(又称零线)与大地可靠连 接。因此，只要使用合适的电路，就可以通过AC220V的N线一大地一电路一AC220V的L线 的路径取得电流。 将该电流称为信号电流，即意味着从大地中取得信号电流。 在上述二条事实的基础上，本发明的技术方案为在加热杯(对应即热式电热水 器)或加热内胆(对应储水式电热水器)中设置一根传感电极，一根接地电极。以下为了 叙述方便，统一称加热杯或加热内胆为加热容器。
所述的接地电极与加热容器及其中的水相连接；所述的传感电极与加热容器绝 缘、其一端插入加热容器内的水中，另一端与控制系统连接。所述的控制系统由信号采集及 交流平衡电路、信号保持电路、比较电路、执行电路及指示电路组成。 当接地电极与保护地线E线连接、加热容器中的水位高于设定水位、传感电极浸 没在水中时，控制信号可按下述路径流通AC220V的N线一大地一E线一接地电极一水一 传感电极，此时，传感电极获得控制信号并将该信号输入到控制系统中，控制系统就自动地 接通加热电源，电热水器就正常工作。 当接地电极未与保护地线E线连接时，就意味着电热水器有触电的危险，此时由 于控制信号的流通路径开路断开，因此，控制信号为零，此时，控制系统就自动切断加热电 源，触电的危险便被解除。 当加热容器中的水位低于设定水位、传感电极露出水面时，意味着电热水器存在 干烧起火的危险。此时，由于控制信号的流通路径也开路断开，控制信号为零，此时控制系 统也自动切断加热电源，电热水器干烧起火的危险便被解除。 本发明进一步的技术措施是控制系统中设有信号采集及交流平衡电路，该电路 可以保证接地电极和传感电极中流动的电流为正弦交流电流，从而可以保证电极不结垢， 不腐蚀。 本发明进一步的技术措施是本发明可以具有直流电源，该直流电源既为控制系 统提供直流电压，又为信号电流和交流平衡电流提供流通的路径。 应用本发明，可以产生许多有益的效果，在下文将详细阐述这些有益的效果。
图1为本发明的原理方框图 图2为本发明的一个优选的实施例的电路原理图。图中RE为大地呈现的等效电 阻。 图3为信号电流L的等效路径图。
图4为交流平衡电流12的等效路径图。 图3或图4中RW为加热容器中的水所呈现的等效电阻；R为直流电源的等效负载 电阻。 图5为信号电流Ip交流平衡电流12的波形图。
具体实施例方式
结合图1、图2，第一、第二电阻RpR2、第一、第二电容Q、C2分别组成了AC220V的L 端和N端对称的降压电路101、102。第一至第四二极管组成了整流电路103。在本发明中， 降压电路和整流电路具有常规和特殊的二项功能常规功能降压和整流；特殊功能为信 号电流L和交流平衡电流l2提供流通路径。它们的特征为第一电阻Rp第一电容Q并联
后， 一端与AC220V的L线连接，另一端与第一二极管D工的负极、第三二极管D3的正极相连 接；第二电阻!^、第二电容C2并联后， 一端与AC220V的N线连接，另一端与第二二极管D2的 负极、第四二极管04的正极相连接；第一、第二二极管D^D2的正极均与直流电压UC的负极 即线路地相连接，第三、第四二极管D3、D4的负极均与直流电压UC的正端相连接。
4
第三、第四电容(:3、(；，第三电阻R3，稳压二极管DW组成了典型的滤波稳压电路 104。它们的连接关系为C3、 C4并联后， 一端接UC的正端，另一端(C4的负极端)接线路 地；R3、DW串联后，一端接UC的正端，另一端(DW的正极端)接线路地。
所述的对称降压电路101、102、整流电路103、滤波稳压电路104组成了本发明的 直流电源100。 在加热容器AV中，本发明设有两根电极一根为接地电极AE、另一根为传感电极 AK。接地电极AE的一端与加热容器及保护地线E线连接，另一端伸入容器中的水中；传感 电极AK与加热容器AV绝缘，其一端伸入加热容器中的水中，另一端与第四、第五电阻IVR5 相连接。在加热容器AV为金属容器时，接地电极AE可以省略，但所述的金属容器必须与保 护地线E线相连接。 第四、第五电阻&、 Rs、第五、第六二极管D5、 De组成了信号采集及交流平衡电路 201，其特征是第五电阻R5与第五二极管D5串联后， 一端与传感电极AK连接；另一端(D5 的正极端)与线路地连接；第四电阻1 4与第六二极管De串联后，一端与传感电极AK连接； 另一端(D6的负极端)与集成运放IC的同向输入端3脚连接。 第五、第六电容C5、 C6及第六电阻R6组成了信号保持电路202，并且，第五、第六电 容C5、 C6和第六电阻R6并联后， 一端与集成运放IC的同相输入端3脚连接，另一端(C6的 负极端)与线路地相连接。 第七至第十电阻R7、 R8、 R9、 R1Q及集成运放IC(型号LM393)组成了比较电路203， 其特征是第七电阻&、第八电阻R8的一端均与集成运放IC的反相输入端2脚连接；第九、 第十电阻R9、 R1Q的一端均与集成运放IC的输出端1脚连接；第七、第十电阻R7、 R1Q的另一 端及集成运放IC的4脚均与线路地连接；第八、第九电阻R8、R9的另一端及集成运放IC的 8脚均与直流电压UC的正端连接。 三极管K (型号C9014)，第七二极管D7，继电器J(包括其动合触点DH)组成了执 行电路204。其特征是第七二极管D7与继电器J并联后， 一端接直流电压UC的正端连接、 另一端(D7的正极端)与三极管K的集电极连接；三极管K的基极与集成运放IC的输出 端1脚连接；三极管K的发射极接线路地。 发光二极管LED、第十一电阻Rn、负载RL(或为加热器、或为交流接触器线包、或为 SCR、TRIAC的控制回路)组成了指示电路。其特征是发光二极管LED与第十一电阻Ru串 联后再与负载RL并联，该三器件串并联后一端与AC220V的N线连接；另一端经继电器J的 动合触点DH后再与AC220V的L线连接。 所述的信号采集及交流平衡电路201、信号保持电路202、比较电路203、执行电路
204及指示电路组成了控制系统200。 本发明的工作过程可分为以下三种情况来说明 —、安全状态结合图1、图2，当加热容器中的水位高于A，并且接地电极AE与保 护地线E连接时，电热水器处于既无触电、也无干烧危险的安全状态。此时，从图2可以分 析当N线为高电平、L线为低电平的交流负半周时，信号电流L按以下的路径流通
N线一RE — E线一AE — RW — AK — R4 — D6 — R6 —线路地一D丄一&与Q — L 线 该L的流通路径中，集成运放IC的3脚所呈现的输入阻抗远大于第六电阻R6的值，因此，集成运放IC对L的流通路径近似无影响。L流通路径的等效电路如图3所示。 由于L的流动，在R6两端就产生了信号电压Uy并施加到集成运放IC的同相输入端3脚 上。当L线为高电平，N线为低电平的交流正半周时，从图2和图3均可知此时第六二极管 D6反向偏置，因此，L = 0。但由于信号保持电路202中C5、C6的作用，在L = 0时，信号电 压U3仍可维持至下一次交流负半周的到来。 直流电压UC经R8、 R7分压后，产生了参考电压U2并施加在集成电路成运放IC的 反相输入端2脚上。 可以综合调整R4、Re、RpR8的值，使^ > ^，此时，集成运放IC的输出端1脚输出 高电平，三极管K导通，继电器J的线包得电，其动合触点DH闭合，电加热器得电，电热水 器便就正常工作。同时，发光二极管LED得电点亮。该发光二极管LED在本发明中称其为 "平安指示灯"，意思是只要其是点亮的，电热水器就是安全、平安的。 我们应注意到交流负半周时L流通，交流正半周时L = 0，即II恒从AE — AK 流动、实际上是直流电流。如果不采取其他的技术措施，接地电极AE将被腐蚀、传感电极AK 将结垢。为解决此问题，本发明进一步的技术措施是在信号采集及交流平衡电路201中设 置了由第五电阻R5和第五二极管D5组成的"交流平衡电路"。 结合图2，不难分析，当交流负半周时，W反偏，交流平衡电流I2 = 0 ;当 交流正半周时，I2按以下路径流通L线一&和Q (降压)一D3 — R —线路地 —D5 — R5 — AK — RW — AE — E线一RE — N线其流通路径的等效电路如图4所示。
在交流电频率为f = 50HZ时，信号电流Ip交流平衡电流I2的关系可用下述数学 表达式表不 I2 = I2msin2 Ji f t = I2msinl00 Ji t (K《100t < K+l K = 0、2、4、6.........) I丄=IlmsinlOO Ji t (K < 100t《K+l K = 1、3、5、7.........) 上二式中I2m表示I2的振幅，Ilm表示L的振幅。 若将I2、 L画在以100t为横轴的坐标中，I2的波形就如图5所示，只要Ilm = I2m， I" I2合成的波形就是正弦波形。 结合图2、图3、图4，我们只要综合调整R4、 R5、 R6、 R7的阻值，就可使Ilm = I2m，也 就是可使L与I2达到"平衡"(在试验电路上达到的"不平衡"程变为Irl2 = ±3uA)。此 时，电极AE、 AK中流通的是50HZ的交流电流，因此，它们不结垢也不电腐蚀，可以长寿命地工作。 二、有触电危险的状态当接地电极AE未与保护地线E线连接，即水未与大地连接 时，表示电热水器处于有触电危险的状态。此时，信号电流L与交流平衡电流I2的流通路 径均被中断(相当于图3、图4中的RE为无穷大)，L = I2 = 0，信号电压^也为零，集成 运放IC的1脚输出低电平，三极管K截止，继电器J失电，其动合触点DH断开，加热电源 切断，电热水器的触电危险便被解除。同时平安指示灯LED熄灭，告之危险虽已解除但产生 危险的根源仍存在。 三、水位太低有干烧危险状态当加热容器AV时水位低于设定水位A时，表示电热 水器存在干烧起火的危险，此时，不难分析山、12流通的路径中断(相当于图3、图4中的 RW为无穷大)^ = I2 = 0，U3 = O，K截止，DH断开，加热电源被切断，干烧危险被解除。同 时，平安指示灯LED熄灭，告之危险虽已解除但产生危险的根源还存在。
应用本发明，可以产生以下的有益效果 1、用简单的线路，极低的造价，就可保证电热水器的运行安全。 2、做到了防范于未然，只要电热水器存在安全的隐患，本发明就拒绝接通加热电
源，电热水器就无法起动加热。 3、电热水器如若在运行过程中出现了危险的根源(例如水位降至设定水位以下) 本发明就瞬间切断加热电源，可确保电热水器的运行安全。 4、平安指示灯明确地指示了电热水器的状态，灯亮时表示电热水器"平安"正在正
常运行；灯灭时，表示电热水器存在安全隐患，直观的反映了电热水器的安全状态。 最后应该说明，以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明的技术方案，所
以，本领域的技术人员应当理解，虽然在理解本发明技术方案的基础上，可以对本发明进行
修改或等同替换，但一切不脱离本发明的实质和范围的技术方案及改进，均应在本发明的
权利要求所涵盖的范围内。
权利要求
一种电热水器保安装置，包括电源(100)、控制系统(200)，加热容器(AV)，以及接地电极(AE)和传感电极(AK)，其特征在于所述的接地电极(AE)与所述加热容器(AV)及其中的水相连接；所述的传感电极(AK)与所述加热容器(AV)绝缘、其一端插入所述加热容器(AV)内的水中，另一端与所述控制系统(200)连接；当所述加热容器(AV)中的水位高于预设水位A，并且所述接地电极(AE)与保护地线E连接时，所述电热水器处于安全状态，可以正常工作；当接地电极(AE)未与保护地线E连接，即水未与大地连接时；或者，当所述加热容器(AV)中的水位低于设定水位A时，所述电热水器处于不安全状态，加热电源被切断。
2. 如权利要求1所述的电热水器保安装置，其特征在于控制系统(200)由信号采集及交流平衡电路(201)、信号保持电路(202)，比较电路 (203)，执行电路(204)及指示电路组成。
3. 如权利要求2所述的电热水器保安装置，其特征在于第四、第五电阻(R4)、 (R》、第五、第六二极管(D5)、 (D6)组成了信号采集及交流平衡电 路(201);并且，第五电阻(R5)与第五二极管(D5)串联后，一端与传感电极(AK)连接，另一端即 D5的正极端与线路地连接；第四电阻(R4)与第六二极管(D6)串联后，一端与传感电极(AK)连接，另一端即De的 负极端与集成电路成运放(IC)的同向输入端3脚连接。
4. 如权利要求2所述的电热水器保安装置，其特征在于 第五、第六电容(C5)、 (C6)及第六电阻(R6)组成了信号保持电路(202); 并且，第五、第六电容(C5)、(C6)和第六电阻(R6)并联后，一端与集成运放(IC)的同相输入端3脚连接，另一端即C6的负极端与线路地相连接。
5. 如权利要求2所述的电热水器保安装置，其特征在于第七至第十电阻(R7) 、 (R8) 、 (R9) 、 (R10)及集成运放(IC)组成了比较电路(203); 并且，当信号电流(1》流动时，集成运放(IC)的输出端l脚输出高电平； 信号电流L = 0时，集成运放电(IC)的1脚输出低电平。
6. 如权利要求2所述的电热水器保安装置，其特征在于发光二极管(LED)、第十一电阻(Rn)、负载RL组成了指示电路，并且，发光二极管(LED) 点亮时，告知电热器为安全状态；发光二极管(LED)熄灭时，告知电热器存在安全隐患。
全文摘要
本发明涉及一种电热水器保安装置，其控制信号通过接地电极从大地中采集。当电热水器的加热容器中的水位高于设定的水位并且与水相连的接地电极与保护地线E线相连接时，控制系统自动接通加热电源，电热水器正常工作；当电热水器的加热容器中水位低于设定水位、电热水器有干烧危险时，控制系统自动切断加热电源；当接地电极未与保护地线E线连接、电热水器有触电危险时，控制系统也自动切断加热电源。应用本发明，可以保证电热水器的运行安全。
文档编号H02H7/00GK101789582SQ20101014635
公开日2010年7月28日 申请日期2010年4月14日 优先权日2010年4月14日
发明者孙浙胜, 朱亮, 李玮, 汪孟金 申请人:宁波市镇海华泰电器厂