CN101578515A - 声学探测冰的系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种探测特定厚度的冰的系统，包括：形成冰的机构，和可移动地固定到该机构的冰探测装置。该冰探测装置包括可操作地连接到感应媒介的传感器。该传感器在感应媒介中产生捕获声波，其中，当从机构中形成的冰接触感应媒介，并且衰减感应媒介中的所述捕获声波时，特定厚度的冰被探测。

Description

声学探测冰的系统和方法

本申请涉及2007年2月22日提交的名称为“探测冰的存在的系统和方法”的No.60/902,797号美国临时申请并要求其优先权，其全文在此通过参考并入本文。

技术领域

本发明的实施例主要涉及一种探测冰的存在的系统和方法，尤其涉及一种通过捕获声波的使用来探测冰的存在和厚度的系统和方法。

背景技术

用于探测冰的存在的典型系统使用确定从传感器电极到地面的阻抗的电容传感系统。传统的冰成形机包括冰格。当水流过冰格时，水凝结。随着持续结冰，冰层连续向外生长。当冰层形成的足够远时，喷流越过冰层的水接触电容电极或传感器。如果水与电极持续接触较长的时间，冰成形机切换到收获模式并加热冰格，使得冰层脱落。

但是，传统的冰成形机容易受到由于污染物、流体等在电极和/或至地面的虚拟的导电通道上的“垢”累积的不利影响。

发明内容

本发明的某些实施例提供了一种探测特定厚度的冰的系统。该系统包括形成冰的机构，和可移动地固定到该机构的冰探测装置。该冰探测装置包括，可操作地连接到感应媒介的传感器。该传感器在感应媒介中产生捕获声波，其中，当从机构中形成的冰与感应媒介接触，并且衰减感应媒介中的捕获声波时，特定厚度的冰被探测。

感应媒介可包括设有声波腔的基底。选择性地，感应媒介可包括传感器带。一支撑板可用于支撑传感器带并屏蔽传感器于机构。传感器带可包括通过弯曲的中间部分一体地连接到冰接触部分的延长梁。

系统还可包括配置成加热感应媒介的加热元件。附加地，该系统可包括可操作地连接到冰探测装置的控制单元。

机构可以是设有多个冰成形隔间的冰格。这种情况下，该系统还可包括冰收集箱，其中，当冰接触感应媒介时，冰格被加热以形成方冰块，从而从冰格中打破方冰块。然后方冰块掉进冰收集箱。

系统还可包括支架，所述支架枢轴连接冰探测装置至机构。支架配置成使冰探测装置相对于机构的位置可调整。

本发明的某些实施例提供了一种冰成形系统，包括：冰格，冰探测装置，冰收集箱，和可操作地连接到冰探测装置的处理部件和/或探测电路的其中之一或两者。冰格包括配置成形成方冰块的多个冰成形隔间，其中，水流经冰格，进入多个成形隔间以形成向外生长的冰。

冰探测装置枢轴固定到冰格，并包括可操作地连接到感应媒介的传感器。传感器在感应媒介中产生捕获声波，其中，当从冰格向外生长的冰接触感应媒介，并且衰减感应媒介中的捕获声波时，特定厚度的冰被探测。

当向外生长的冰接触感应媒介时，冰格可被加热以从隔间中分离方冰块。当落下的方冰块接触冰探测装置，冰探测装置枢轴转动离开冰格。然后方冰块收集在冰收集箱。

附图说明

图1为根据本发明一种实施例的冰成形系统的等轴视图。

图2为根据本发明一种实施例的冰成形系统的简化了的侧视图。

图3为根据本发明一种实施例的冰探测装置的等轴视图。

图4为根据本发明一种实施例的冰探测装置的后视图。

图5为根据本发明一种实施例的冰探测装置的侧视图。

图6为根据本发明一种实施例的冰探测装置的主视图。

图7为根据本发明一种实施例的冰成形系统的简化了的侧视图。

在详细阐述本发明的实施例之前，可理解的，本发明的应用不限于下文描述或附图中示出的构成的结构和布置的细节。本发明能够有其它实施例，并能够以多种方式实现或进行。同样，可理解的，在此使用的措词和术语是为了描述而不应该认为是作为限制。“包括”和“包含”以及它的变换的使用意味着包括其后所列的项目和它的等同物，也包括附加的项目和它的等同物。

具体实施方式

图1为根据本发明一种实施例的冰成形系统10的等轴视图。冰成形系统10包括冰格12，冰探测装置14和冰收集箱16。冰格12和冰探测装置14连接到电源(未示出)。另外，冰探测装置14和冰格12还可电连接至一控制系统，例如处理单元(图1未示出)。

冰格12包括主壳体18，其顶面20一体地连接到侧壁(图1未示出)，依次地，侧壁一体地连接到基部(图1未示出)。冰成形室22被限定在顶面20、侧壁和基部之间。多个成形隔间24位于冰成形室22中。多个成形隔间24配置成形成方冰块。

冰探测装置14包括偏转臂26，所述偏转臂通过支架28枢轴连接到冰格12的顶面20。偏转臂26被设置成围绕由将偏转臂26固定至支架28的杆30所限定的轴，沿着箭头A和A’方向枢转。具有可操作地连接至声波腔34的传感器32的传感器壳体31固定到偏转臂26。传感器32和声波腔34如图1所示可从偏转臂26的远端设置。传感器32在声波腔34的一侧，声波腔的另一侧暴露于接近冰格12的水和冰。传感器32与电源电连接。

在操作中，水喷泻越过冰成形室22，进入单个的隔间24。随着冰格12变冷，收集在冰隔间24的水结冰，并朝向冰探测装置14向外生长。如下面所讨论的，冰探测装置14感应到何时冰结合到声波腔34，在该点冷却过程停止，冰收获模式启动。尤其是，冰格12可被加热以使冰从隔间24脱落。随着冰的脱落，当冰向收集箱16掉落时，冰可能碰撞到偏转臂26。当冰碰撞到偏转臂26时，偏转臂26沿着箭头A’方向被推回，使得冰落进收集箱16中。

图2为根据本发明一种实施例的冰成形系统10的简化了的侧视图。如上所述，冰探测装置14包括可操作地连接到声波腔34的后面的传感器32。冰探测装置14利用一种或多种在声波腔34中捕获的声波来探测声波腔34外表面36上冰的存在。为探测冰的存在，捕获的声波，例如捕获的剪切声波，由传感器32在声波腔34中产生，如在名称为“声波冰和水探测器(Acoustic WaveIce and Water Detector)”的美国专利No.7026943中所描述，其全文在此通过参考并入本文。

如图2所示，声波腔34由基底40的凸起的区域38限定。声波腔34由增加质量的区域形成在基底40上，使得声波腔34每单位表面积的质量大于紧邻声波腔34的基底40每单位表面积的质量。声波腔34还可由不在基底40上凸起的增加质量的区域限定。例如，通过在基底40的表面上限定声波腔34的区域上沉积一材料薄层来形成这些腔。这种声波腔还可使用比基底40质量更大的材料遍及该腔或者在腔的一部分上形成。

限定声波腔34的凸起区域38可以是正方形、长方形或其它形状。凸起区域38可有圆形的周缘或外围的边缘。凸起区域38可有平的表面或弯曲的、拱形的表面，如图2所示。

将支撑捕获的或共振的声波的声波腔34的高度和几何形状与支撑捕获的剪切波的声波腔所需的高度和几何形状相同，如名称为“声波接触致动开关(Acoustic Wave Touch Actuated Switch)”的美国专利No.7106310中所描述的，其全文在此通过参考并入本文。

本发明的实施例用传感器32在声波腔34中产生捕获的共振声波，如美国专利No.7026943中所描述。传感器32电连接至处理单元41。当没有冰接触声波腔34的凸起区域38时，捕获的声波腔的已知的振幅、阻抗或衰减速度被处理单元41(或探测电路42)感应。因此，处理单元(或探测电路42)确定没有冰与声波腔34接触。但是，当冰接触声波腔34时，感应到的振幅、阻抗或衰减速度改变。即，当冰44接触声波腔34时，在声波腔34中捕获的声波能被衰减。这样，处理单元41或探测电路42能够确定冰正结合到声波腔34中。

当处理单元41或探测电路42确定冰与声波腔34接触，处理单元41可将冰格12切换至加热模式，其中，隔间24可被加热以打破从那里突出的形成的冰44。当冰从隔间24中脱落，冰落进收集箱16。如上所述，碰撞冰探测装置14的冰促使它沿A’方向向后摇摆。这样，冰探测装置14上的冰被允许落进收集箱16中。

冰探测装置14还可包括加热元件43，例如线圈加热器，可操作地连接到基底40的后表面。加热元件43可用于稍微加热声波腔34，使得水的冷凝不在声波腔34上结冰。在从隔间24中生长的冰44接触声波腔34之前，冷凝以致结成冰能产生冰探测读取(即，处理单元41或探测电路40通过捕获声波的振幅、阻抗或衰减速度的变化可能探测冰的存在)。

根据要形成的冰的大小，冰探测装置14可距离冰格12期望的距离。这样，系统10能探测到期望的冰的厚度。即，当冰接触声波腔34时，处理单元41或探测电路42确定具有特定厚度的冰已经形成(决定于从冰格12到探测装置14的间隔)。如果希望得到大块冰，那么冰探测装置14可远离冰格12。如果希望得到小块冰，冰探测装置14可移动靠近冰格12。支架28可通过箭头B和B’指示的方向调整。例如，支架28可包括伸缩颈46，使其沿着方向B和B’移动。

如图2所示，传感器32可离冰44很近，流动的水溢过冰格12。因此，传感器32和相应的电子部件可被密封，以防止水接触电子部件所带来的不利影响。密封化合物可用于传感器32和相应的电子部件上以防止水进入。再者，传感器32和声波基底40可一体成型，彼此相连，从而提供彼此间改善的密封。

图3和图4分别为根据本发明一种实施例的冰探测装置50的等轴视图和后视图。冰探测装置50包括平面的支撑板52，该支撑板设有向上翻转的侧壁54。板52可用塑料成型。枢轴56位于侧壁54的末端，允许冰探测装置50枢转地连接到冰格的支架上。

支撑板52固定支撑可用金属制造的传感器带58。传感器带58的一端靠近板52的顶部固定在板52上。传感器带58的固定的末端连接到传感器60。即传感器60可操作地连接到传感器带58的末端，以在传感器带58中产生捕获的声波。传感器带58包括延长梁62，该延长梁从传感器60延伸到超过板52的长度。即延长梁62自身是传感器带58的一部分。传感器带58的延长梁62可通过从板52延伸的一个或多个固定夹64固定入位。例如，固定夹64搭接地固定到传感器带58的延长梁62的边缘。冰接触钩66从延长梁62延伸到越过板52的下边缘。当延长梁62同板52的平面部分67大体共面时，钩66向内延伸超过板52的平面67。传感器带58可以是，例如，以剪切模式在1.2MHz操作的5”长，0.4”宽和35mm厚的不锈钢带。

图5为冰探测装置50的侧视图。如图5所示，钩66沿箭头C方向从延长梁62向内弯曲。钩66的变平的冰接触部分68连接到从延长梁62延伸的向内弯曲的部分70。向上翻转的顶端72依次地一体地连接到变平的冰接触部分68。变平的冰接触部分68的平面x沿箭头C方向从延长梁62的平面y向内偏移。如图5所示，变平的冰接触部分68沿箭头C方向延伸超过板52。

图6为根据本发明一种实施例的冰探测装置50的主视图。板52提供了可保护传感器60(例如图5所示)使其免于直接与冰和水接触的屏蔽。

图7为根据本发明一种实施例的冰成形系统80的简化了的侧视图。冰成形系统80包括通过支架84枢轴连接到冰格82的冰探测装置50，并且操作类似于如图1和图2所示和说明的冰成形系统10。尤其地，水86流经冰格82以形成冰88，冰长大并最终接触钩66的冰接触部分68。传感器60连接处理单元，探测在振幅、阻抗、波衰减速度或类似物的变化。即，处理单元(或探测电路)探测到冰接触冰接触部分68时，并切换系统80至冰收获模式，如上述参照图1和图2所述。

参照图3-7，可知也可选为管或杆的传感器带58是用于传播特定类型的声波的有效媒介。传感器60在传感器带58中产生声波，声波自始至终传送至钩66，来回反射，并被传感器带58的侧面和末端限制。即，产生的声波在传感器带58中被捕获。已经发现，传感器带58中限制或捕获的剪切波(以及由此延伸出在杆和管中的扭转波)可被结合到冰接触部分68的冰有效吸收，与传感器带58的长度相反。在传感器带58的侧面流动的水本质上不吸收波能。因此，系统10能区分水和冰的存在。再者，传感器带58对矿物沉淀(垢)不灵敏，完全与传统的传感装置不同。

传感器带58足够长以设置传感器60和相应的电子部件在水86的路径之外。这样，水86不能渗透传感器60或相应的电子部件，因此减弱了提供附加的密封的需求。传感器带58比传统的冰感应装置更容易制造。通常，可知传感器带58可被弯曲、扭转和折叠成多种形状而不影响性能。通常，传感器带58的曲率半径与在传感器带58中产生的波的声波长度有很大关系。

本发明的实施例通过声波，尤其是通过在声波腔中捕获的声波，来感应和探测冰的存在和厚度。可知，与传统的冰成形机完全不同，本发明的实施例不受累积的垢(可能由于通过碳酸钙(垢)层波动耦合)、水和其它污染物所影响。

本发明的实施例不使用传送波。替代的，本发明的实施例利用捕获的波的运动，如美国专利No.7106310和美国专利No.7026943中所述。通过捕获的波的运动来探测冰提供了一种探测系统，其对冰的存在更敏感，并大大简化了信号处理。塑料的声波传感系统比金属声波传感系统有利，因为它们的导热性比典型的金属更低，容许从冰产生表面有更好的隔热。

本发明的实施例可用在多种机构和应用中。如上所述的方冰块成形系统只是范例。本发明的实施例还可用于检测在冷凝线圈和管中形成的冰的存在和厚度，这是冷冻设备中已知的问题，以及，例如，用于确定在摩天楼的外表面累积的、可能产生安全问题(例如摩天楼上的冰掉下砸到行人)的冰。

虽然多种空间的和方向的术语，例如上部的、底部的、下部的、中间的、侧面的、水平的、垂直的等可用于描述本发明的实施例，但是可以理解，这些术语都仅是用于相对于附图所示的取向。取向可以是倒转的、旋转的或其它变化，以致上部是下部，反之亦然，水平变成垂直等。

对前述的变化和修改都在本发明的范围之内。可理解的，本发明在此的披露和限定延伸至所有可选择的两个或更多提及的独立的特征，或来自文中和/或附图中的明显的结合。所有这些不同的结合构成了本发明多种可选择的方面。在此描述的实施例是实践本发明的最好的模式，并将使本领域技术人员使用该发明。权利要求根据现有技术允许的程度用于解释包括可选择的实施方式。

本发明的多种特征阐明在以下的权利要求中。

Claims (23)

1.一种探测特定厚度的冰的系统，包括：

形成冰的机构；和

冰探测装置，其可移动地固定到所述机构上，所述冰探测装置包括可操作地连接到感应媒介的传感器，所述传感器在所述感应媒介中产生捕获声波，其中，当从所述机构中形成的冰接触所述感应媒介，并且使所述感应媒介中的所述捕获声波衰减时，探测特定厚度的冰。

2.如权利要求1所述的系统，其中，所述感应媒介包括设有声波腔的基底。

3.如权利要求1所述的系统，其中，所述感应媒介包括传感器带。

4.如权利要求3所述的系统，还包括用于支撑所述传感器带的支撑板，所述支撑板屏蔽保护所述传感器不受所述机构影响。

5.如权利要求1所述的系统，其中，所述传感器带包括通过弯曲的中间部分一体连接到冰接触部分的延长梁。

6.如权利要求1所述的系统，还包括配置成加热所述感应媒介的加热元件。

7.如权利要求1所述的系统，其中，所述机构是设有多个冰形成隔间的冰格。

8.如权利要求7所述的系统，还包括冰收集箱，其中，当冰接触所述感应媒介时，所述冰格被加热以形成方冰块，所述方冰块被收集在所述冰收集箱中。

9.如权利要求1所述的系统，还包括支架，所述支架将所述冰探测装置枢轴连接至所述机构。

10.如权利要求1所述的系统，其中，所述支架配置成相对于所述机构可调整地定位所述冰探测装置。

11.如权利要求1所述的系统，还包括控制单元，所述控制单元可操作地连接到所述冰探测装置。

12.一种冰成形系统，包括：

冰格，设有配置成形成方冰块的多个成形隔间，其中，水流经所述冰格并进入所述多个成形隔间中，以形成向外生长的冰；和

冰探测装置，其可移动地固定到所述冰格，所述冰探测装置包括可操作地连接到感应媒介的传感器，所述传感器在所述感应媒介中产生捕获声波，其中，当从所述冰格向外生长的冰接触所述感应媒介，并且衰减所述感应媒介中的所述捕获声波时，特定厚度的冰被探测。

13.如权利要求12所述的系统，其中，所述感应媒介包括设有声波腔的基底。

14.如权利要求12所述的系统，其中，所述感应媒介包括传感器带，所述传感器带设有通过弯曲的中间部分一体地连接到冰接触部分的延长梁。

15.如权利要求14所述的系统，还包括支撑所述传感器带的支撑板，所述支撑板保护所述传感器不受所述冰格的影响，其中所述冰接触部分暴露于所述冰格。

16.如权利要求12所述的系统，还包括配置成加热所述感应媒介的加热元件。

17.如权利要求12所述的系统，还包括支架，所述支架将所述冰探测装置枢轴连接到所述冰格，其中，所述支架配置成相对于所述冰格可调整地定位所述冰探测装置。

18.一种冰成形系统，包括：

冰格，设有配置成形成方冰块的多个成形隔间，其中，水流经所述冰格并进入所述多个成形隔间，以形成向外生长的冰；

冰探测装置，其枢轴固定到所述冰格，所述冰探测装置包括可操作地连接到感应媒介的传感器，所述传感器在所述感应媒介中产生捕获声波，其中，当从所述冰格向外生长的冰接触所述感应媒介，并且衰减所述感应媒介中的所述捕获声波时，特定厚度的冰被探测；

冰收集箱，其中，当所述向外生长的冰接触所述感应媒介时，所述冰格被加热以从所述隔间分离所述方冰块，当落下的方冰块接触所述冰探测装置时，所述冰探测装置枢轴转动远离所述冰格，所述方冰块被收集在所述冰收集箱；和

处理单元和/或探测电路的其中之一或二者，其可操作地连接到所述冰探测装置。

19.如权利要求18所述的系统，其中，所述感应媒介包括设有声波腔的基底，所述声波腔的每单位表面积的质量大于邻接所述声波腔的所述基底的每单位表面积的质量。

20.如权利要求18所述的系统，其中，所述感应媒介包括传感器带，所述传感器带设有通过弯曲的中间部分一体地连接到冰接触部分的延长梁。

21.如权利要求20所述的系统，还包括支撑所述传感器带的支撑板，所述支撑板保护所述传感器不受所述冰格的影响，其中，所述冰接触部分暴露于所述冰格。

22.如权利要求18所述的系统，还包括配置成加热所述感应媒介的加热元件。

23.如权利要求18所述的系统，还包括支架，所述支架使所述冰探测装置枢轴连接至所述冰格，其中，所述支架配置成相对于所述冰格可调整地定位所述冰探测装置。

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