CN101028573A - 用于蒸汽发生器的水导电率监控电路 - Google Patents

用于蒸汽发生器的水导电率监控电路 Download PDF

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Abstract

一种水导电率监控电路可以确定在蒸汽发生器水流中离子交换过滤器的状态。微处理器发送参考信号到导电率传感器电路，该电路将参考信号转换为发送到水流中探测器的激励信号。任何水导电率将改变激励信号，并且将改变的信号与参考信号比较，以建立一个表示水导电率的数值。微处理器将该数值与至少两个代表过滤器状态的阈值比较。

Description

用于蒸汽发生器的水导电率监控电路
技术领域
本发明一般地涉及水导电率监控电路，并且更具体地涉及在蒸汽发生器中采用微处理器监控水导电率的电路。
背景技术
在家庭用具中各种不同用途均需要蒸汽发生。例如，在烹饪用的烤炉中需要使用蒸汽发生器。在蒸汽发生器中，典型地有水源对于烧水器供水以便产生蒸汽。对于烤炉中的蒸汽发生器，可以从贮存器供水并将其抽入烧水器，或者直接从诸如市政水供应系统的连续加压水源供应。
在水汽化成为蒸汽以后，多数普通水源将在烧水器中留下钙或镁的沉淀物，其累计堆积将对性能产生不利影响。一种解决烧水器中沉淀物堆积的技术方案是在水源中添加可以溶解沉积物的清洁剂，然后通过排水口冲洗流出物。在家庭用具中一种更加普通和实际技术方案是利用在烧水器上游的离子交换过滤器限制可进入烧水器中的溶解固体。一台离子交换过滤器通常从水源中除去所有溶解固体的99％，在烧水器中基本上只剩下纯水用于发生蒸汽。
不过，过滤器的主要问题是当其被固体阻塞时或当其使用到期而停止使用时，必须周期性地更换。需要决定何时更换蒸汽发生器中的过滤器。
众所周知，可以通过测定其导电率而测定水的纯度，因为水的导电率直接与水中发现的溶解固体的电离量成正比。授予Clack的美国专利No.4,496,906公开一种可连续地监控液体导电率的装置。该装置包括具有平行地隔开而插入液体中电极的壳体和用户可以观察的透明镜片。电极在壳体中连接到差分放大器，当液体导电率超过预定阈值水平时，该放大器提供输出信号电平的变化。连接在从差分放大器输出的相应单向电源之间的一对不同颜色并且可以通过镜片观察的发光二极管(LED)显示出可以接受或不可接受水的导电电平。
但是，通过测量导电率评估水的纯度也有其自身的问题。例如，从探测器引入电流将改变需要测定水真正的化学性质。同样，被沉积物污染的探测器将影响其灵敏度。还有，已知的水纯度导电率测量设备只提供“满意”或“不满意”性质的评估(对于固定阈值)。或者仅能说明水是否满足纯度标准。
发明内容
在本发明中，用于蒸汽发生器水导电率的监控电路用来决定在蒸汽发生器上游水流中设置的水过滤器中状态可以解决现有技术的这些或其它已知限制。该电路包括一个用于产生参考信号的微处理器，一个适合于定位在过滤器下游水流中的探测器，和一个处于微处理器和探测器中间的导电率传感器电路，用于向微处理器输出表示水导电率的输出信号。当探测器定位在水流中时，微处理器可以根据参考信号与输出信号的比较评估过滤器的状态。
可以在微处理器上连接显示器以便形象地显示过滤器的状态。较佳地，该电路包括至少两个可以测量作为比较的阈值电平，其中一个表示需要更换过滤器。在一个实施例中，警告阈值设定在导电率约为50μS/cm的导电率，而更换阈值设定在约为100μS/cm。
通常，参考信号为脉冲波，而导电率传感器电路可以包括将参考信号转换为输送到探测器的激励信号的装置。较佳地，参考信号处于1-10伏特范围内。
探测器可具有两个电极，其中之一接地。同样，电路可包括在更换过滤器以后净化水流的装置，在这样的情况中，输出信号在一预定时间内不予考虑(overridden)。
在本发明另一方面，确定设置在蒸汽发生器上游水流中水过滤器状态的方法包括如下步骤：设置微处理器、位于过滤器下游水流中的探测器、和处于微处理器和探测器中间的导电率传感器电路，产生从微处理器通过导电率传感器电路到达探测器的参考信号，通过导电率传感器电路发送从探测器到微处理器的输出信号，比较参考信号和输出信号以便确定一个数值，以及将该数值与代表过滤器状态的预定阈值电平相比较。较佳地，参考信号将为一个脉冲方形波。
该方法可以包括发送显示信号到表示过滤器状态的视觉显示器的步骤。较佳地，该方法至少包括两个阈值，其一表示需要更换过滤器。在一个实施例中，警告阈值设定在导电率约为50μS/cm，而更换阈值设定在约为100μS/cm。
同样，该方法可以包括转换参考信号为通过导电率传感器电路发送到探测器的激励信号的步骤。还有，如果过滤器已经更换，还可以包括净化水流的步骤。此外，还可以包括对于任何信号施加电压分压器的步骤以便控制最大电压电平。较佳的方法将参考信号保持在1-10伏特范围。
附图说明
在附图中：
图1是根据本发明的水监控电路示意图。
图2是根据本发明监控水导电率过程的流程图。
图3是对于用户显示过滤器处于良好状态下的示例性显示器。
图4是对于用户显示过滤器接近更换时间的示例性显示器。
图5是对于用户显示过滤器需要更换的示例性显示器。
图6是显示经过过滤器的累计水量的导电率曲线图。
图7是根据本发明水监控电路的示例性电路图。
图8是显示两电极处于水中的等效电路示意图。
图9是显示根据本发明探测器的几何形状图。
图10是净化循环方框图。
具体实施方式
首先看图1，根据本发明的水监控电路利用导电率传感器电路10连同微处理器12评估在家庭用具的蒸汽发生器中通过位于水过滤器16水流下游和蒸气发生器18上游的探测器14发送的信号。在该实施例中，家庭用具认为是烤炉而水过滤器是离子交换过滤器。来自水源20的水流过离子交换过滤器16，经过探测器14，到达产生蒸汽的蒸汽发生器18并以本技术已知的方式引入烤炉。所采用蒸汽发生器和过滤器的具体型号对于本发明并不重要。一般而言，微处理器12，在电子烤炉控制方面较佳地，产生一个参考或输入信号进入导电率传感器电路10，然后到探测器14。输入信号被探测器处的水所修改，然后通过导电率传感器电路10返回，并作为输出信号到达微处理器12。微处理器12将参考信号与输出信号(被水所改变)比较，以评估水的导电率并且根据评估确定过滤器的状态。当过滤器良好时水导电率很低。当过滤器开始损坏时导电率将上升，并且一旦达到某一阈值，过滤器就需要更换。
该过程在如图2的流程图中清楚地示出。在方框30，微处理器12产生脉冲序列，即例如高达5伏特而频率为1千赫兹(KHz)的原始方形波信号。在较高频率下可以采用较低的电压。频率范围大约为1-10千赫兹。例如，在5千赫兹下，大约可用3.3伏特。频率高于10千赫兹较少使用，因为较高频率趋向于改变被监控水的化学性质。
原始方形波信号32从微处理器12被发送到导电率传感器电路10，其中在方框34中转换为激励信号36。激励信号较佳地为在6伏特直流载波上的+/-100毫伏信号。如果原始方形波信号32是在5千赫兹下3.3伏特，则激励信号36将为+/-300毫伏。在方框38，导电率传感器电路10采用差分放大器比较激励信号36与6伏特直流信号，在一路上发送激励信号36而在另一路上发送比较输出信号45。在方框39，电容器从激励信号36除去6伏特直流载波以形成输出信号40。如果需要，在方框42可以在前往探测器以前对于输入信号40施加电压分压器，以降低输入信号40的电压。在方框44输入信号40然后送往探测器14的一个电极，在该框处被水改变为输出信号43。
在方框46，在探测器14的输出信号(被水所改变的输入信号)在第二差分放大器处与第一差分放大器的比较输出信号相比较并输出初始最终信号48。在方框50，电压分压器施加在初始最终信号48上，以保证对于微处理器12的最大电压就绪，较佳不超过5伏特。在方框52，被降低的初始最终信号48在微处理器12中采用10比特模拟/数字转换器测量，该微处理器读取计数电平，其中对于最高3.3伏特的输入1个计数＝3.2毫伏。然后微处理器12将计数电平与预先加载的阈值比较，并向显示器60发送表示水导电率的显示信号，可从该显示器60观察过滤器状态。
图3表示显示器60，其中来自微处理器12的信号代表过滤器处于良好状态。显示器60包括过滤器显示器62和蒸汽烹饪显示器64。过滤器显示器62包括过滤器状态的两个阈值，在第一阈值66处测量所得导电率约为50μS/cm，而在第二阈值处测量所得导电率约为100μS/cm。至少两个阈值可以提供过滤器状态的基本信息。第一阈值66为表示过滤器16必须很快更换的警告阈值，如图4所示。当水导电率低于第一阈值66时，过滤器状态将为良好，并且不向用户提供任何建议。
图4表示显示器60，其中来自微处理器12的信号表示过滤器需要很快更换。当该数值高于第一阈值66并且低于第二阈值68时，用户受到警告更换过滤器的时候将很快到来。
图5示出了到达第二阈值68时的显示器60。第二阈值68是表示过滤器必须立即更换的阈值。如果探测所得水导电率电平高于第二阈值68，蒸汽烹饪显示器64将要求用户更换过滤器。如果过滤器状态需要更加精细分辨率，可以采用更多的阈值。
从图6可以看到，随着更多的水流经过滤器，过滤器下游水的导电率在某些点上开始增加。阈值66、68根据经验与指定过滤器状态重合而预先确定。
图7表示示例性导电率传感器电路100。可以看到，电路100设置多个放大器，顺序地作用在由微处理器12产生的原始方形波信号32上。在概念上，分阶段考虑电路100是有益的。
在阶段1，电路100采用接受并将原始方形波信号32转换为激励信号36的放大器102。阶段1的输出没有直流偏移量而信号是倒置的。在阶段2，激励信号36经过电容器104，通过电压分压器发送，然后到达探测器14。探测器信号108，在被水改变以后并且从激励信号36减去，前往放大器106，在放大器中探测器信号和激励信号之差被放大、反相并作为无直流偏移量的初始最终信号48输出。
阶段3对于初始最终信号48加回直流偏移量开始准备其输入微处理器12，并将信号在放大器110重新倒置。阶段4为提供缓冲的可选阶段，以便使以后电压分压器不致影响以前的阶段，并在放大器112处最后一次倒置初始最终信号48，以便使其与激励信号36同相。阶段5为电压分压器，以保证作为微处理器12输入的最终信号最高值不超过3.3伏特。
图9表示探测器14的示例性构造。较佳地该探测器模塑成为具有两电极120、122的塑料夹持器118。在水中两电极120、122之间具有电阻抗的物理效果可以用图8中电气等效电路的模型表示。等效阻抗Z包括水电阻Rw和水电容Cw的并联电路与水电阻R1和水电容C1的并联电路串联，和寄生电阻Rs(导电性水路的电阻)与寄生电容Cs(电气连接的寄生电容)并联。
水电阻和水电容取决于水的电气特性和电极的几何形状，并且由下式确定：
R w = K σ 和
C w = ϵ 0 ϵ r K
式中，
σ为水的电解导电率，按西门子/米(S/米)测定；
εr为水的相对渗透性，
ε0为空间渗透性，和
K为电池常数，以米-1测定，该值表示电极几何性质。
从以上方程式说明水导电率可以被电解导电率和电池常数K(设计变量)所影响。K的意义对于最简单的电极形状是清楚的，就是面积为S[m2]和放置在距离d[m]的平行板，其中d＜＜sqrt(S)。因此：
                       K＝d/S
但是对于包括长度为L和半径为r的两平行圆筒，其轴线互相相隔距离D，如在本构造中的探测器14，
K = ln ( D / r ) πL
电极必须用导电材料制造，该材料对于所期望水杂质是惰性的(此外，如果考虑容器的维护，对于酸或碱也是惰性的)。较佳地，电极为不锈的并且具有尽可能高的标准还原电压(以便避免放电反应)。因此，铜(黄铜或青铜)和铝合金较差。此外，如果生产的蒸汽将与食品接触，电极材料应与食品兼容。应该避免采用镍基合金(例如，标准不锈钢)，因为镍被认为是潜在的致癌物质。诸如金或铂的过渡贵金属是可以接受的。成本迫使采用镀有贵金属的其它金属，但是必须获得镀层的整体性和连续性以保证传感器具有完整的寿命(由于原电池效应镀层刮落的区域成为迅速腐蚀点)。电极的较佳材料为AISI 316L不锈钢。
一旦过滤器已经更换，需要使系统“复位”以便恢复正确的指示。从水箱放干水(如果是水源)需要一定的时间，以减少总体离子含量，并且使过滤器稳定在良好状态以便读取正确数值。“净化”循环可以手工地或者自动地按照图10中流程图运行。在“净化”过程中，显示器60将表示过滤器良好，不管从探测器14读取的导电率如何，一直到经过预定时间为止，此时在更换过滤器以前的存水认为已经净化。显示器60可以是图3-5中所显示的类型，其中输出完全根据阈值，或者可以是显示相对于阈值电导率增量的条形图，或任何其它的足以显示过滤器状态的显示器。
虽然本发明已经具体联系某些特定的实施例予以描述，应该理解这仅是说明而不是限制，并且所附权利要求的范围应该认为与现有技术所容许一样宽。

Claims (19)

1.一种用于确定设置在蒸汽发生器上游水流中的水过滤器状态的水导电率监控电路，所述电路包括：
微处理器，用于产生参考信号，
探测器，适于定位在所述过滤器下游水流中，和
导电率传感器电路，处于所述微处理器和所述探测器中间，用于向所述微处理器输出表示水导电率的输出信号，由此，当所述探测器定位在水流中时，所述微处理器可以根据所述参考信号与所述输出信号的比较评估所述过滤器的状态。
2.如权利要求1所述的水导电率监控电路，其特征在于，还包括一连接于所述微处理器的显示器以显示所述过滤器的状态。
3.如权利要求1所述的水导电率监控电路，其特征在于，还包括至少两个与其对照可测定所述比较的阈值电平，其中之一表示需要更换过滤器。
4.如权利要求3所述的水导电率监控电路，其特征在于，警告阈值设定在导电率约为50μS/cm，而更换阈值设定在约100μS/cm。
5.如权利要求1所述的水导电率监控电路，其特征在于，所述参考信号为脉冲波。
6.如权利要求5所述的水导电率监控电路，其特征在于，所述导电传感器电路包括将参考信号转换为送往探测器的激励信号的装置。
7.如权利要求1所述的水导电率监控电路，其特征在于，所述导电传感器电路包括将参考信号转换为送往探测器的激励信号的装置。
8.如权利要求1所述的水导电率监控电路，其特征在于，参考信号在1-10伏特范围内。
9.如权利要求1所述的水导电率监控电路，其特征在于，所述探测器具有两个电极，其中之一接地。
10.如权利要求1所述的水导电率监控电路，其特征在于，还包括在更换所述过滤器以后净化水流的装置，其中所述输出信号在一预定时间内不予考虑。
11.一种确定设置在蒸汽发生器上游水流中的过滤器状态的方法，所述方法包括：
提供一微处理器、一定位在过滤器下游水流中的探测器、和一处于微处理器和探测器中间的导电率传感器电路，
产生从微处理器通过导电率传感器电路到达探测器的参考信号，
通过导电率传感器电路从探测器向微处理器发送输出信号，
比较所述参考信号和所述输出信号以确定一个数值，以及
将该数值与代表所述过滤器状态的预定阈值电平相比较。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，参考信号为脉冲方形波。
13.如权利要求11所述的方法，其特征在于，还包括向表示过滤器状态的视觉显示器发送显示信号的步骤。
14.如权利要求11所述的方法，其特征在于，还包括至少两个阈值，其中之一表示需要更换过滤器。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，警告阈值设定在导电率约为50μS/cm，而更换阈值设定在约100μS/cm。
16.如权利要求11所述的方法，其特征在于，还包括将参考信号转换为通过导电率传感器电路发送到探测器的激励信号的步骤。
17.如权利要求11所述的方法，其特征在于，如果过滤器已经更换，还包括净化水流的步骤。
18.如权利要求11所述的方法，其特征在于，还包括对于任何信号施加电压分压器以控制最高电压电平的步骤。
19.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述参考信号在1-10伏特范围内。
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