用压力传感器测量小米净水器及接管线机的改装方案

本文着重测量小米净水器各种使用场景（包括各种接管线机的改装方案）中的水路压力，以便更深入理解其原理，客观评价各种改装方案的优劣。

基本背景请看前文：深度解析小米净水器不能接管线机的问题。前文重在说明原理，而本文重在用实验数据说话。

实验器材

待测对象：

小米净水器：厨下式。
管线机: 沁园WF-1010G，无热胆即热型。
高压开关：HPS-2，2分快接。
水流开关：2分快接，淘宝杂牌。
延时继电器：淘宝杂牌。
压力桶：1.5G（加仑），淘宝杂牌。

测量工具：

压力传感器：美控进口扩散硅压力变送器MIK-P300，输入0~1MPa, 输出4~20mA。
电源：KA3005P程控电源，用于给压力传感器提供24V电源。
万用表：优利德UT181A，用于连续采集压力传感器的数据。
树莓派：和UT181A连接，实时采集数据。UT181A的本身的记录频率最高每秒1次，实时采集的频率可以更高一点。
液压表：0~1.6MPa，廉价杂牌，只是用于参考。

图1：实验器材

压力传感器

貌似工业上都叫“压力变送器”，反正就是把压强转换为电信号，可以转换为电流或电压。我买的这款是电流的，这样电路上比较简单，只需要两根线。

图2：压力传感器及转接头

其机械接口是2分外螺纹。为了能测量净水器的水路，我找到了2分快接转2分内螺纹的转接头（如上图所示）。其实压力桶球阀也是这样的接口，还多一个开关。另外，液压表也是2分外螺纹。所以，要买这个转接头，可以用这样一些关键字搜索：2分内螺纹转2分快接、2分内丝、水压压力表接头、2分压力桶球阀。我实际使用的是带开关的，这样可以用于泄压或排出空气，也方便分段调试。

电路连接：电源+24V —— (+)压力传器(-) —— (+)电流表(-) —— 电源地。

输入是0~1MPa, 输出是4~20mA，其间是一个线性变换，所以压强P和电流I（单位mA)的关系：

P = (I - 4) / 20 (MPa)

压力传感器不仅能用于测量液压，还可以用于测量气压。作为热身，我先测了一下气压。

图3：吹气实验

在没有任何压力时，其读数在3.990~4.002 mA之间（波动可能和温度有关系），这个误差在标称的0.5%以内。顺便说一句，在使用压力传感器以前，我以为在空气中其值是反映气压值的。现在看来其内部并不是真空的，而是和大气连通的。其实这样也是合理的，在测量液压时，也不用考虑大气压力，因为非真空环境，大气压总是无处不在的，测液压时就是纯粹液体的压力（压强）。

一个0点并不能反映整个量程的精度。本来还想用水压来测试一下传感器的精度的，比如测1米的水柱，2米的水柱。但发现往水管里注水并不是很容易（还要排除空气），而且这个实验肯定会很粗糙（误差远大于传感器的精度0.5%），所以不测也罢，姑且相信传感器是符合标称的吧。其实，5%的精度对这个实验都可以接受。

热身测试中，测了下我和吹气球吹气时的气压。结果我大大输给了吹气球。

图4：吹气实验结果

改装及测量方案

下图是各种方案的水路和电路的汇总，也是我实际测量时的连接图。偷懒，一张图搞定。

实际使用中，请从水路中去除“测量装置”及它前端的那个三通。当然，也可以就这样一直接一个水压表用于监测，不影响使用。

图5：改装及测量方案汇总

测量时，我一般会放冷水和热水（沸水）各2次。因为管线机的冷水和热水出水速度不同，而且可能内部水路上也有点差别。

下面列出各种场景下，从出水之前到关水之后水路中的压力变化曲线。

测量时的室温为12°C。

小米龙头直连

这个相当于测量改装前、不接管线机的场景。

如果正常速度打开水龙头，其出水时的压力大约是0.07MPa；
如果很快地打开水龙头，压力最高大0.12MPa；
如果很慢地打开水龙头，压力上升很小，大约到0.03MPa；

图6：小米龙头直连

小米龙头直连时，制水和出水的速度一致，压力基本没什么变化。波动只是来自于开水龙头的瞬间。

前文说过，龙头转动到行程的约60%，电路才接通。如果龙头转动得慢，水龙头已经开始出水，而电路后接通，这样压力上升得比较少；如果转得快，电路接通得快，净水器内毕竟由于压力高，出水更快，而水龙头里的水还没有开始流动起来，这时会积累的水多一点，而导致压力高一点。

纯高压开关方案

高压开关是管线机和净水器联动的前提，是各种改装方案的基础。但只用高压开关会反复启停。在图中的表现就是水压高频率地上下跳跃。

从图中还可以看出：

出热水的波动频率更高。因为出热水慢，启/停更频繁。
波动的水压，低压位于0.05MPa左右，高压位于0.25MPa左右，这反映了高压开关的触发压力。（前文中说高压开关的标称压力范围是0.15MPa~0.35MPa，难道是加上了大气压？一个大气压约0.1MPa）

图7：纯高压开关方案

图8：纯高压开关方案

延时继电器方案

延时继电器方案的核心是延时停止净水器，以达到降低启/停的频率。相当于：高压开关给出关闭净水器的信号时，它在把这个信号延时几秒送给净水器。在延时的几秒钟内，出水口是关闭的。显然，水路中的压力会上升。

如图，最大会到大约0.75MPa。这个最大值和冷/热水无关，只和延时的长短有关。下图中大约延时了7秒停止。

图9：延时继电器方案

下图中，“热水1”（橙色线）在停水时，水压正好在临界点附近，过了很久，水压终于降低到了临界点以下，于是触发了净水器启动，而此时并没有人的操作，所有出水口都是关闭的，净水器强行运转了8秒（延时继电器的设定值）后停止。

可以看到，延时2秒和延时8秒的差别不大，后期压力上升比较慢。推测净水器在出水口压力很高的情况下，制水速度接近于0了。

图10：延时继电器方案

压力桶方案

压力桶方案的曲线表现为这么几个阶段：

最初，压力桶内的水是满的，水压比较高；开管线机时，只使用压力桶内的水，水压平稳下降；
水压下降到高压开关导通的临界值（0.05MPa）时，净水器启动；
净水器给压力桶充水，而此时管线机还在出水，水压上升，但上升比较慢；
关闭管线机，此后水压平稳上升，上升较快；
水压达到高压开关断开的临界值（0.15MPa）时，净水器停止，水压不再上升。

图11：压力桶方案

由于这个实验需要的水量较大，而且结果容易预判，所以没有用热水做实验。使用热水时，无非是水压变化的坡度不同。

水流开关方案

水流开关是个神奇的方案。下图的测量结果，我靠墙想了很久，才得出一个靠谱的解释。

疑点1：下图中，管线机出冷水时，水压是下降的，而我以前测试过，净水器制水是比管线机出水要快不少的，为什么水压会下降？
疑点2：净水器制水速度应该比管线机出热水速度快更多，为什么净水器没有出现反复启/停呢？
疑点3：出冷水和出热水，为什么停止时的水压明显不同呢？

图12：水流开关方案

我的解释就是：净水器的制水速度确实变慢了！原因是出水管路中的水压变高了。出口的水压越高，制水速度越慢（前面的实验中，高到0.75MPa以上，制水速度可以接近于0）。所以，不管放冷水还是放热水，只要一直放下去，最后都会达到一个制水和出水速度相等的平衡点（即水压曲线最后都会走平）。只不过对于冷水，这个平衡点的压力较低，而对于热水，这个压力值较高。

而水流开关的作用，只是保证在压力较高的情况下，电路不断开。压力高，制水慢，但水还是在流动，只是流得慢而已，所以电路不会断。

结束时的压力值也比较好解释了。出冷水和热水时，水路压力本来就会趋向于各自的平衡点，热水本来就比冷水的高。在关管线机的瞬间，在极短的延时后，水流就会停止，导致净水器停止工作。所以停止时的压力就是各自当时的压力再往上一点点。

水压综合对比

下图只是把各种场景放在一张图里，这样对压力和时间的差别有个直观的感受。

图13：综合对比，以冷水为主

图14：综合对比，以热水为主

结语

在接管线机的各种改装方案中：

只用高压开关，会导致净水器频繁启动，不利于净水器的健康，水量计量也完全不准，基本不考虑。
加装延时继电器，会导致水路中水压过高（是各种方案里最高的），也可以排除了。
加装压力桶，是对设备健康最有利的方案（水压严格在高压开关的压力范围内），但有死水问题，App水量计量不实时，有点小纠结。
加装水流开关，对于管线机出冷水的场景，可以说完美；对于出热水，水压还是偏高；净水器在出水水压高的情况下，会降低制水速度，有人反映废水率会上升。以上，也有点小纠结。

总体上，压力桶和水流开关两种方案都可以，各有利弊，看自己的喜好吧。反正我能接受水流开关方案。

对于在管线机支路中，是否要用单向阀的问题，我觉得可以不用。这样有一个好处：就是在管线机出热水后，水路中压力上升，此后如果再开小米龙头，如果水路中没有单向阀，管线机支路的水压也会随之降低（而有单向阀，就被隔离了，水压不会降），从概率上讲，会减少水路维持在高压状态的时间。

另外，本文的实验基本证明了出水水路中水压越高，净水器制水速度越慢。而直接从小米龙头出水时，水压是最低的，所以它的效率和出水速度也是最高的。