一种用于实验室的定量定时的水龙头设计

 实验室安全无小事，要将安全事故消灭于萌芽之中，发现了安全隐患就要采取相关措施，认真整改。通过对实验室的水龙头进行重新设计，改造成定时定量出水的水龙头，在检测到实验室漏水时能及时报警。

1.研究内容

本项目将重新设计现如今实验室使用的水龙头，使其能定量定时出水，并在实验室发生水灾时报警提醒，以此提高其安全系数，防患于未然，将事故发生概率降到最低。设计出一种以机械能为主要动力的手动式定量定时出水的水龙头，再辅以红外线感应装置，监测水龙头漏水状况，连接报警器。

2.研究方法

按照“以人为本、安全第一、预防为主”的原则，本课题重新设计了实验室用水水龙头。水龙头的预期功能为：阀体设有刻度标识，所述开关把手与所述刻度标识配合设置。并且在水龙头开关转至某一刻度时，水龙头将会自动流出该刻度标识的水量，在这之后会自动关闭。并且再在水龙头喷头处设置流量感应器，流量感应器以公式Q=Sv为基本原理计算流水量，计算某一时段内的出水流量，规划用水量。流量感应器还能检测闲置时水龙头的流量，使用红外线判断其是否有漏水情况并报警。重新设计之后，团队成员将探讨其可行性与制作方式，分析其优缺点、整合结果再重新进行实验。

水龙头与人们的生活息息相关。随着信息技术的发展，水龙头产品一直向着更加节能、高效、智能的方向演变。如今，全球鼓式水龙头在市场上的需求量仍居首位，2021年全球前四的鼓式水龙头生产商大约占有75%的市场份额^[1]。因为我国的水资源短缺并且地区分布不均匀，所以对于水资源的利用需要做到更加合理和高效，节约水资源是当前的迫切需要，当下的节水更趋向于从源头上控制节水，在水的出口处，即在水龙头处予以处理^[2]。

随着我国高等教育事业的快速发展，国家越来越重视实验室安全^[3]，国家和地方对高校实验室建设的投入大幅增加，实验室建设无论是从数量上和质量上都达到了前所未有的程度^[4]。目前实验室的水龙头通常采用两种水龙头，一是感应式控制开关的水龙头，二是手动式控制开关水龙头，但这两种水龙头都无法满足定量、定时出水和监测水流量的要求，无法满足实验人员对于超纯水用水量的精确要求，也容易出现水龙头关不严或者忘记关水等浪费现象。

手动式水龙头制造工艺比较简单，生产成本低，缺点是耐久性差、易损坏、无法快速调控流量，有浪费水资源的现状。而感应水龙头传统上是通过红外线反射原理，当手放在水龙头的红外线区域内，接收到信号后按指令打开阀芯来控制水龙头出水；当手离开红外线感应范围，未接受信号，水龙头关闭^[5]。感应式水龙头可有效防止细菌交叉感染和节约用水，现普遍应用于人流量密集的火车站、汽车站、飞机场、医院等公共场所。在传统的红外感应自动水龙头中，红外线水龙头都使用开关进行控制，即只有开与关这两种状态，并且在使用过程中由于无法根据用户的需求而自动改变出水流量，造成一定程度的水资源的浪费^[2]。可以采用研发的SHARP红外线测距传感器HD-1501MG系列的舵机为输出装置，模糊自整定PID算法程序来达到流量可控式红外线感应水龙头^[6]。

对于常见类型的水龙头可以完善及优化它的功能。如：为避免洗手时的“二次污染”，设计自动清洁式的水龙头装置。安装在出水口正下方的开关扳手，可单向任意角度启闭，通过控制阀芯的开关度来控制水流量，扳手整体被覆盖于水流面积下，具有自洁、防菌和节水环保的效果^[7]。或在原有水龙的基础上实现了自控水龙头流量及断流报警装置自动化^[8]。能根据人们用水的需求自动控制水龙头的开闭。

水龙头的发展日益更新，趋于更合理、更节水、更环保。随着5G时代的到来，利用智能化、新科技安全高效地将节水方式转移到节水设备上，探求新方法，提高水资源利用率。诸如声音控制(自动控制开关水源，语音播报，人机对话等)，根据人脸识别，自动调整出舒适的水流温度，照明装置(能够照明且能够有杀菌作用)、节水效能更优等一系列的改善，将会极大地满足我们日常生活中对人工智能水龙头的需求，同时使我们的生活也越来越智能化，便利化^[9]。

参考文献：

[1]龙仕煌,吴波,徐坤鹏,等.节水水龙头设计[J].中国高新科技,2023(04):44-45.

[2]方鹏燕,刘晶茹,国馨月,等.节水水龙头研究应用及发展趋势[J].绿色科技,2020(12):198-199+201.

[3] 白明， 刘彦， 齐明， 等.中国高校实验室安全的现状、挑战与未来方向[J].2022年特刊部分内容。

[4]廖庆敏.高校实验室安全管理之思考[J].实验室研究与探索,2010,29(01):168-170.

[5]陈奇俊,徐开炜,杨奋洁,等.红外感应定高节水水龙头设计[J].实验科学与技术,2016,14(01):118-120.

[6]王婧瑶,李浩明,夏宇.节水节能的感应水龙头设计[J].科技风,2019(06):4-5.

[7]傅国迎.电池式感应水龙头制作[J].电子制作,2003(08):56-57.

[8]侯加浩,肖懿宸,李牧展,等.自控水龙头流量及断流报警装置[J].科技创新导报,2018,15(23):96+98.

[9]谌涛,朱蔓,周加立,等.基于人工智能水龙头的研究[J].电子测试,2021(12):28-30+33.

对现如今的实验室使用的水龙头进行改进，将其改进为能定时定量出水，能监测出水量，自洁等预防实验室水灾事故发生的多功能智慧性水龙头。

1.技术路线

                         图1.技术路线方案图

2.拟解决的问题

    将现有的专利成果成功重新设计后成为实验室用定量定时出水的水龙头。并在此基础上为该水龙头增加额外功能，例如监测用水量、预防实验室水灾的发生等。

  3.预期成果

   1）成功研制出实验室用的定量定时水龙头；

   2）定量定时出水的水龙头成功应用至实验室；

   3）成功推广定时定量出水水龙头至更大范围。

2024.0 5-2024.09 资料收集，为设计做准备

2024.07-2025.03 修改设计，将已有成果改进为实验室用

2025.03-2025.04 总结报告