CN101308046A - 新型探测和控制液体沸腾的方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种新型探测和控制液体沸腾的方法及装置，其包括发射头、接收头、滑动件和电气线路板，滑动件设置在盛装液体的器皿上；液体加热时，发射头发射信号，接收头接收信号；当液体温度上升到沸腾温度时，液体汽化产生大量蒸汽，蒸汽压力使滑动件产生位移并使之进入信号传输区，从而使接收头接收到的信号发生突变；接收头一旦检测到所接收的信号发生突变，控制系统就可判定液体处于沸腾状态，立即断开加热器电源。本发明与现有技术相比，其优点是：液体在加热时可以确保液体温度能上升到沸腾温度，沸腾后自动断开加热器电源，使用安全；此外，由于盛装液体的器皿上不设置任何电气元件，故器皿的清洗十分方便。

Description

新型探测和控制液体沸腾的方法及装置

所属技术领域

本发明涉及液体加热控制技术领域，尤其涉及一种新型探测和控制液体沸腾的方法及装置。

背景技术

控制液体沸腾的公知技术有：

第一种技术：采用温控器控制液体的沸腾温度，即在盛装液体的器皿上设置温控器，当液体的温度上升到温控器的控制温度时，温控器起跳，断开主电路。这种技术的优点是：结构简单，成本低，有许多应用。例如：饮水机中加热饮用水的热罐通常采用这种技术，用于在保温瓶中加热饮用水的“热得快”也有采用这种技术的产品。这种技术的缺点是很难实现在液体温度上升到沸腾温度时断电，实际应用中经常出现：要么液体还没有沸腾就断电停止加热，要么液体已经沸腾还继续通电加热，其原因如下：

1.感温元件的灵敏度、感温元件与被加热液体之间的热阻、电气元件的制造误差和温控器的安装位置等因素，均影响温控器的控制精度；

2.液体的沸腾温度不是一个定值，它随液体中杂质含量和大气压力等因素的变化而变化。

第二种技术：在液体中或者在盛装液体器皿的器壁上设置测温探头，通过测量液体的温度或者测量液体温度的上升速度进行控制。

采用测量液体温度的方法与第一种方法(采用温控器控制液体的沸腾温度)没有本质区别，同样很难实现在液体温度上升到沸腾温度时断电。

采用测量液体温度的上升速度进行控制的原理是：液体加热后，其温度开始上升；在加热初期，液体的温度较低，通过器壁向环境散失的热量较少，液体蒸发带走的热量也较少，所以液体温度的上升速度较快；当液体温度上升到接近沸腾温度时，液体的温度较高，向环境散失的热量较多，液体蒸发带走的热量也较多，所以液体温度的上升速度较慢；当液体温度上升到沸腾温度时，液体的温度不再上升，即液体温度的上升速度等于零；控制系统一旦检测出液体温度的上升速度为零并且温度值达到或者接近沸腾温度时即可判定液体处于沸腾状态，立即断开加热器电源。这种技术可以实现在液体温度上升到沸腾温度时断电，中国专利申请号为200510037189.2的专利文件中公开了这种技术。但是，这种技术必须在液体中或者在盛装液体器皿的器壁上设置测温探头，使得盛装液体的器皿不便于清洗，其应用受到一定限制。

第三种技术：在盛装液体的器皿(器壁或者盖)上设置发声器(声音报警器)，该发声器的动力源是流速较高的蒸汽，液体沸腾后会产生大量的蒸气，蒸气流经发声器时发出声音，人们在听到发声器发出响亮的声音后手动关断电源。这种方法可以实现在液体温度上升到沸腾温度时断电。但是，这种方法不能实现自动控制，即不能做到液体加热时无人职守，因而存在一定的安全隐患。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术现状的不足而提供一种新型探测和控制液体沸腾的方法，本发明的另一目的是提供一种采用该方法探测和控制沸腾的液体加热装置，该加热装置可以确保液体在加热时其温度能上升到沸腾温度，沸腾后自动断开加热电源，使用安全；此外，由于盛装液体的器皿上不设置任何电气元件，故器皿的清洗十分方便。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种新型探测和控制液体沸腾的方法，其包括发射头、接收头、滑动件和电气线路板；滑动件设置在盛装液体的器皿上；液体加热时，发射头发射信号，接收头接收信号；当液体温度上升到沸腾温度时，液体汽化产生大量蒸汽，蒸汽压力使滑动件产生位移并使之进入信号传输区，从而使接收头所接收到的信号发生突变；接收头一旦检测到所接收的信号发生突变，控制系统就可判定液体处于沸腾状态，立即断开加热器电源。

所述的器皿由器皿本体和器皿盖组成，滑动件可以设置在器皿盖上，也可以设置在器皿本体上。

所述的滑动件上设有纳气腔、排气孔和限位结构。滑动件与安装滑动件的零件(指器皿盖或者本体)之间的结构具有下述功能：液体沸腾前，滑动件上的排气孔被其它零件遮挡，排气孔与外界大气不相通；液体沸腾时，液体汽化产生大量蒸汽，当蒸汽压力上升到一定值时，蒸汽压力能使滑动件产生位移并使之进入信号传输区，这时排气孔与外界大气相通，蒸汽从排气孔向外排出。

所述的器皿具有使液体沸腾时产生的大量蒸汽基本上全部从滑动件中穿过的结构。其具体结构是：器皿本体上设一个大开口，器皿盖盖在本体的大开口处；液体沸腾前，滑动件上的排气孔被其它零件遮挡，器皿基本上是一个密闭容器；液体沸腾时，滑动件产生位移并进入信号传输区，滑动件上的排气孔无其它零件遮挡，其与外界大气相通，即器皿内部与外界大气之间只有通过滑动件上的排气孔实现内外相通。

设器皿盖(包括与器皿盖固定连接成一体的其它零件)的质量为m_盖，器皿盖内部表面在重力方向的投影面积为A_盖，滑动件的质量为m_滑，滑动件内部表面积在滑动方向的投影面积为A_滑，滑动件在水平方向滑动时的摩擦力为F_平，滑动件在竖直方向滑动时的摩擦力为F_竖，液体沸腾时器皿内的相对压力为P，g为重力加速度，为了保证液体沸腾时器皿盖仍处在原来位置不动而滑动件能可靠地产生位移并进入信号传输区，则对于滑动件的滑动方向设置为竖直方向的结构，必须满足：

或者满足：

m_盖·g/A_盖＞(m_滑·g+F_竖)/A_滑            (3)

对于滑动件的滑动方向设置为水平方向的结构，必须满足：

或者满足：

m_盖·g/A_盖＞F_平/A_滑                    (6)

不等式(1)～(6)说明了液体沸腾时要保证器皿盖在原位不动而滑动件能产生移动并进入信号传输区在结构上要满足的力学条件。

所述的信号可以是光信号，可以是机械波信号，也可以是电磁波信号。

当采用光信号时，所述的发射头和接收头分别是发光元件和接收光元件，与之配套的发射电路和接收电路分别是发光元件和接收光元件的电源电路。因红外光的抗干扰能力较强且不易散射，优选红外光，发光元件和接收光元件分别采用红外发射管和红外接收管。为进一步提高检测可靠性，在红外接收管的前端设置红外滤光片去除可见光。

当采用机械波信号时，所述的发射头和接收头分别是发射机械波元件和接收机械波元件，与之配套的发射电路和接收电路分别是发射机械波和接收机械波的电源电路。因超声波在听觉范围之外且抗干扰能力强，优选超声波。

当采用电磁波信号时，所述的发射头和接收头分别是发射和接收电磁波的元件，与之配套的发射电路和接收电路分别是发射电磁波和接收电磁波的电源电路。因微波的抗干扰能力强且定向性好，优选微波。

本专业技术人员知道，对于采用电磁波信号的情况，还可以通过适当的电路设计，使发射头和接收头合二为一成为发射接收头，即发射头和接收头为同一物体。其工作原理是，发射接收头交替运行在发射和接收两种状态，即一段时间处于发射状态，另一段时间处于接收状态。

所述的信号发生突变可以是“无信号→有信号”，也可以是“有信号→无信号”。所述的“无信号”是指接收头接收不到信号或者接收到的信号很微弱，所述的“有信号”是指接收头可接收到较强的信号。所以，“无信号→有信号”的本质是指信号的强度在较短的时间内从无或弱到强发生突变，“有信号→无信号”的本质是指信号的强度在较短的时间内从强到无或弱发生突变。

对于信号发生突变是“无信号→有信号”的情况，液体沸腾前，滑动件的位置在信号传输区之外，发射头发射的信号接收头接收不到或者接收到的信号很微弱；液体沸腾时，滑动件产生位移并进入信号传输区，发射头发射的信号经滑动件反射后传到接收头，接收头能接收到较强的信号。接收头一旦探测到所接收的信号由无或者弱突变为强，控制系统即可判定液体处于沸腾状态，立即断开加热器电源。

对于信号发生突变是“有信号→无信号”的情况，液体沸腾前，滑动件的位置在信号传输区之外，发射头发射的信号接收头可以接收到，并且接收到的信号有足够的强度；液体沸腾时，滑动件产生位移并进入信号传输区，发射头发射的信号被滑动件遮挡，使得接收头接收不到信号或者接收到的信号很微弱。接收头一旦探测到所接收的信号由强突变为无或者弱，控制系统即可判定液体处于沸腾状态，立即断开加热器电源。

加热液体的加热器，可以是采用电热丝加热的电加热器，可以是采用电磁感应加热的电加热器，可以是采用微波加热的电加热器，也可以是其它形式的电加热器。当采用电磁感应加热的电加热器时，盛装液体的器皿应采用金属材料制造。当采用微波加热的电加热器时，盛装液体的器皿应采用非金属材料(玻璃、陶瓷或者耐高温塑料等)制造。

本发明的进一步技术措施是，控制系统中设有声光报警装置(喇叭、指示灯等)，控制系统一旦探测到液体处于沸腾状态，则在断开加热器电源的同时发出声光报警。

从能量方面分析，液体在加热过程中，电能转换成热能输给液体。在液体沸腾前，输给液体的热能的绝大部分用于升高液体温度，其余部分热能的一部分从器壁向环境散失，另一部分热能用于液体表面汽化，因而此时由汽化产生的蒸汽量较少，不足以使滑动件产生移动；在液体沸腾时，液体的温度保持不变，输给液体的热能绝大部分用于液体内部和表面同时汽化，少量热能从器壁向环境散失，所以，液体沸腾时会产生大量蒸汽，蒸汽压力使滑动件产生位移。本发明技术就是利用液体加热过程中在沸腾前和沸腾时所产生的蒸汽量具有明显差别的原理，使滑动件在液体沸腾前不发生位移而在液体沸腾时发生位移并进入信号传输区，通过探测滑动件是否进入信号传输区来判断液体是否沸腾。本发明技术避开了公知技术中采用检测液体温度的方法来判断液体是否沸腾的种种不足，可适用于探测和控制各种沸点不同的液体。

本发明技术应用于独立的液体加热装置时，将加热器、发射头和接收头设置在底盘上，在底盘内部设置电气线路板，在加热器的上方放置可移动的盛液杯，在杯体或者杯盖上设置滑动件。

本发明技术应用于饮水机上时，在饮水机出水龙头的下方设置加热器，在加热器之上出水龙头之下的区域放置可移动的盛水杯，在杯体或者杯盖上设置滑动件，在饮水机壳体上设置发射头和接收头，在饮水机内部设置电气线路板。

本发明的有益效果是：可以确保液体在加热时，其温度能上升到沸腾温度，液体沸腾后能自动断开加热器电源，同时发出声光报警，使用安全，此外，由于盛装液体的器皿上不设置任何电气元件，故器皿的清洗十分方便。

附图说明

图1为本发明实施例一的结构示意图。

图2是实施例一的电气控制原理示意图。

图3为本发明实施例二的结构示意图。

图4是图3的I部分放大图。

图5是实施例二的电气控制原理示意图。

图6为本发明实施例三的结构示意图。

图7是实施例三的电气控制原理示意图。

具体实施方式

下面结合具体附图对本发明进行详细描述，但应当理解这里的详细描述并不构成对本发明保护范围的限制。

实施例一：结合图1和图2所示，在底座(3)的内部设有电磁感应线圈(5)和电气线路板(24)，电气线路板(24)上设有发射电路、接收电路和其它电路，在底座(3)的侧壁上设有启动开关(4)、停止开关(2)、信号灯(49)和喇叭(50)，在底座(3)上表面设有红外发射管(6)和在红外发射管(6)的毗邻位置设置红外接收管(7)，在红外发射管(6)和红外接收管(7)的上方设有可滤除可见光的滤光片(9)，在电磁感应线圈(5)的上方设置炉盘面板(8)，在面板(8)上放置采用金属材料制造的杯体(10)，杯体(10)的开口处设有包括上盖板(17)和衬盖(11)的杯盖，上盖板(17)上设有定位筋(15)和定位筋(16)，衬盖(11)上设有多个通气孔(18)，上盖板(17)和衬盖(11)通过卡扣方式在周边连接，在上盖板(17)和衬盖(11)之间的空腔边缘(左侧)设置滑动件(12)，滑动件(12)上设有纳气腔(14)和排气口(13)，底座(3)的底部设有底板(23)，底板(23)的下方设有橡胶垫(21)，底座(3)的内部还设有向下延伸的连接杆(22)，连接杆(22)的端部设有可拧入螺钉(20)的螺钉孔，螺钉(20)拧入后可将橡胶垫(21)、底板(23)和底座(3)连接成一体。

在本实施例中，盛装液体的器皿是杯体(10)及杯盖，当杯盖盖在杯体(10)上时，由于杯盖具有一定的重量，液体沸腾时所产生的蒸汽压力在初期不足以顶开杯盖，而滑动件(12)的质量较小、滑动摩擦力也较小，在蒸汽压力的作用下，滑动件(12)将向外移动，当排气口(13)移到可与外界大气相通的位置之后，蒸汽可通过排气口(13)向外排出。当排气口(13)的截面积与一定的加热功率和器皿结构相适应时，即单位时间内产生的蒸汽能即时从排气口(13)向外排出时，则器皿内的蒸汽压力不再上升，并且其值较低不足以顶开杯盖，使杯盖与杯体(10)之间仍维持基本密封状态，液体沸腾时所产生的蒸汽基本上全部从排气口(13)向外排出。所以本实施例中盛装液体的器皿具有使液体沸腾时产生的蒸汽可从滑动件(12)中穿过的结构。

用户使用时，先在杯体(10)内加入适量的液体，盖上杯盖并将滑动件(12)按入杯盖腔体中，然后按启动开关(4)，于是，继电器线包CJ1通电，其所有常开触点闭合，电磁感应线圈(5)通电对液体进行加热，红外发射管(6)发射红外线。当液体温度上升到沸腾温度时，液体汽化产生大量蒸汽，这些蒸汽产生的压力使滑动件(12)向外移动。同时，红外发射管(6)发射的红外光被滑动件(12)的下表面反射到红外接收管(7)上，红外接收管(7)接收到红外光后，控制电路立即给继电器线包CJ2通电。继电器线包CJ2通电后，其常开触点闭合，指示灯(49)发光和喇叭(50)发声报警，而其串接在继电器线包CJ1线路中的常闭触点立即断开，于是继电器线包CJ1断电。继电器线包CJ1断电后，其所有常开触点也随之断开，从而电磁感应线圈(5)断电停止加热。

在加热的过程中，用户如果需要停止加热，可按停止开关(2)，使继电器线包CJ1断电。继电器线包CJ1断电后，其常开触点也随之断开，于是电磁感应线圈(5)断电，停止加热。

实施例二：结合图3、图4和图5所示，在饮水机龙头(33)的下方设置电磁感应线圈(25)，在电磁感应线圈(25)的上方设置炉盘面板(26)，在面板(26)上放置金属材料制造的杯体(27)，杯体(27)的开口处设有杯盖(28)，杯盖(28)上设有滑动件(29)，滑动件(29)上设有纳气腔(40)、下限位环(41)、上限位筋(39)和排气口(19)，在饮水机壳体(36)内设置电气线路板(37)，在饮水机壳体(36)上设置启动开关(35)和停止开关(34)，在靠近滑动件(29)的饮水机壳体(36)上设置超声波发射头(31)，在超声波发射头(31)毗邻位置设置超声波接收头(32)。

本实施例使用时，用户先开启杯盖(28)，再开启出水龙头(33)，将饮水机水斗(38)中的水放入杯体(27)中(也可以从其它地方接水或者接其它液体)，然后将杯盖(28)盖上，再按启动开关(35)。这时，继电器线包CJ1通电，于是，继电器线包CJ1的各个常开触点闭合，给电磁感应线圈(25)通电对液体进行加热。当水温上升到沸腾温度时，会产生大量水蒸汽，这些水蒸汽产生的压力使滑动件(29)上升，同时超声波发射头(31)发射的超声波经滑动件(29)反射到超声波接收头(32)上。超声波接收头(32)一旦接收到从滑动件(29)反射回的超声波信号，控制电路即可判定液体处于沸腾状态，给继电器线包CJ2通电。继电器线包CJ 2通电后，其常开触点闭合，指示灯发光和喇叭发声报警，而其串接在继电器线包CJ1线路中的常闭触点断开，继电器线包CJ1断电。继电器线包CJ1断电后，其各个常开触点也随之断开，从而电磁感应线圈(25)断电停止加热。

在加热的过程中，用户如果需要停止加热，可按停止开关(34)，使继电器线包CJ1断电。继电器线包CJ1断电后，其各个常开触点也随之断开，于是电磁感应线圈(25)断电，停止加热。

实施例三：结合图6和图7所示，本实施例的加热系统和实施例二相同，在饮水机龙头(47)的下方设置加热装置，在加热装置上方放置金属材料制造的杯体(43)，杯体(43)的开口处设有杯盖(45)，杯盖(45)上设有滑动件(46)，滑动件(46)上设有纳气腔、下限位环、上限位筋和排气口，在饮水机壳体(42)内设置电气线路板(30)，在饮水机壳体(42)的前面板上设置启动开关(48)、停止开关(51)、喇叭(52)和指示灯(53)，在滑动件(46)左右的饮水机壳体(42)上分别设置微波发射头(44)和微波接收头(54)。

本实施例使用时，用户先开启杯盖(45)，再开启出水龙头(47)，将饮水机水斗中的水放入杯体(43)中(也可以从其它地方接水或者接其它液体)，然后将杯盖(45)盖上，再按启动开关(48)。这时，继电器线包Cj1通电，其各个常开触点闭合，给电磁感应线圈通电对杯体(43)中的水进行加热，同时微波发射头(44)发射的微波传到微波接收头(54)上。当水温上升到沸腾温度时，会产生大量水蒸汽，这些水蒸汽产生的压力使滑动件(46)上升，同时微波发射头(44)发射的微波被滑动件(46)遮挡。微波接收头(54)一旦接收不到微波信号或者接收的信号微弱，控制电路即可判定液体处于沸腾状态，给继电器线包CJ2通电。继电器线包CJ2通电后，其常开触点闭合，指示灯(53)发光和喇叭(52)发声报警，而其串接在继电器线包CJ1线路中的常闭触点立即断开，继电器线包CJ1断电。继电器线包CJ1断电后，其各个常开触点也随之断开，从而电磁感应线圈断电停止加热。

在加热的过程中，用户如果需要停止加热，可按停止开关(51)，使继电器线包CJ1断电。继电器线包CJ1断电后，其各个常开触点也随之断开，于是电磁感应线圈断电，停止加热。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案；因此，尽管本说明书参照上述两个实施例对本发明已进行了详细的说明，但是，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围中。

Claims (10)

1、一种新型探测和控制液体沸腾的方法，其特征在于：

a.包括发射头、接收头、滑动件和电气线路板；

b.滑动件设置在盛装液体的器皿上；

c.液体在加热时，发射头发射信号，接收头接收信号；

d.当液体加热至沸腾温度时，液体汽化产生大量蒸汽，蒸汽压力使滑动件产生位移并使之进入信号传输区，使得接收头接收到的信号发生突变；

e.接收头一旦检测到所接收的信号发生突变，控制系统就可判定液体处于沸腾状态，立即断开加热器电源。

2、按照权利要求1所述的新型探测和控制液体沸腾的方法，其特征在于：所述的发射头和接收头分别是光发射头和光接收头。

3、按照权利要求2所述的新型探测和控制液体沸腾的方法，其特征在于：所述的光是红外光。

4、按照权利要求1所述的新型探测和控制液体沸腾的方法，其特征在于：所述的发射头和接收头分别是机械波发射头和机械波接收头。

5、按照权利要求1所述的新型探测和控制液体沸腾的方法，其特征在于：所述的发射头和接收头分别是电磁波发射头和电磁波接收头。

6、按照权利要求1所述的新型探测和控制液体沸腾的方法，其特征在于：所述的信号发生突变是“无信号→有信号”，或者是“有信号→无信号”。

7、按照权利要求1所述的新型探测和控制液体沸腾的方法，其特征在于：所述的滑动件上设有排气孔。

8、按照权利要求1所述的新型探测和控制液体沸腾的方法，其特征在于：所述的器皿具有使液体沸腾时液体汽化所产生的蒸汽可从滑动件中穿过的结构。

9、一种液体加热装置，其特征在于：所述的液体加热装置中采用按照权利要求1所述的新型探测和控制液体沸腾的方法进行探测和控制液体沸腾。

10、一种饮水机，其特征在于：所述的饮水机中设有按照权利要求9所述的液体加热装置。

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