CN102317769A - 用于估算烤箱室内部的空气湿度的设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及通过使用具有至少两个不同频率(f₁，f₂)的超声波来估算烤箱室(14)中的空气湿度的设备。所述设备包括至少一个用于产生超声波的超声发射器(10)，至少一个用于接收超声波的超声接收器(12)，和至少一个相位检测装置，用于检测超声接收器(12)处的超声波相对于超声发射器(10)处具有相同频率(f₁，f₂)的同一超声波的相位所述设备还包括至少一个计算单元，用于根据具有两个不同频率(f₁，f₂)的超声波的相位和频率(f₁，f₂)计算超声波的速度(V)，至少一个温度传感器(32)，用于检测烤箱室(14)内的温度(T)，和至少一个估算单元，用于根据温度(T)和超声波的速度(V)估算烤箱室(14)中的湿度。另外，本发明涉及用于估算烤箱室(14)中的空气湿度的相应方法。

Description

用于估算烤箱室内部的空气湿度的设备和方法

技术领域

本发明涉及如权利要求1所述的用于估算烤箱室内部的空气湿度的设备。进一步地，本发明涉及如权利要求7所述的用于估算烤箱室内部的空气湿度的方法。特别地，本发明涉及用于估算电烤箱的烤箱室内部的空气湿度的设备和方法。

背景技术

在烹饪过程中，烤箱室内部的温度是最为重要的参数。另一个重要的参数是烤箱室内部的空气湿度。普通的湿度传感器只适合于最高200℃的温度。然而，在传统的烤箱中，烹饪过程中的温度可能为250℃。在热解净化期间，温度可能会更高。

用于估算空间内湿度的另一方法是检测穿过该空间的声波或超声波的速度。声波或超声波的速度取决于湿度和温度，而不取决于环境压力。因为烤箱室中的温度已知，湿度可以由声波或超声波的速度决定。

文献US 5,689,060公开了用于热炊具的湿度测量装置。测量穿过参考空气接收的声波和穿过被测空气接收的声波之间的相位差。然而，相位差不能超过波长的1/4。因此，声波的频率必须为4kHz左右。频率为4kHz的声波是可以听见的，使得使用者会听到声音。

在文献EP 0174627B1中，公开了使用超声波的气体浓度测量仪器。特别地，气体浓度测量仪器用于测量二氧化碳的浓度。测量仪器包括超声发射器和接收器。然而，这种测量仪器不适用于高温。

文献DE 10143841A1公开了具有测量湿度的装置的烤箱。所述装置包括声波或超声波发射器、声波或超声波接收器、温度传感器和用于测量声波或超声波的行进时间的装置。根据行进时间，可以计算声波或超声波的速度。可以通过温度以及声波或超声波的速度来估算湿度。

发明内容

本发明的目的是提供以提高的精度估算烤箱室内部的空气湿度的设备和方法，其中，所述设备和方法的复杂性相对较低。

本发明的目的通过如权利要求1所述的设备实现。

根据本发明，通过使用具有至少两个不同频率的超声波来估算烤箱室内部的空气湿度的设备包括：

至少一个用于产生超声波的超声发射器，

至少一个用于接收超声波的超声接收器，

至少一个相位检测装置，用于检测超声接收器处的超声波相对于超声发射器处具有相同频率的同一超声波的相位，

至少一个计算单元，用于根据具有两个不同频率的超声波的相位和频率计算超声波的速度，

至少一个温度传感器，用于检测烤箱室内的温度，和

至少一个估算单元，用于根据烤箱室内的温度和超声波的速度估算烤箱室内的湿度。

本发明的要旨是使用两个不同的频率。这允许通过两个频率和两个相应的相位计算超声波的速度。湿度可以根据速度和温度进行估算。估算的比湿度(specific humidity)的最大误差为大约9％。

在本发明的优选实施例中，超声发射器和/或超声接收器布置在烤箱室的相对壁部上或内部。这允许超声发射器和超声接收器之间的距离尽可能大。

特别地，超声发射器和/或超声接收器布置在烤箱室侧壁的前部或后部。在这些位置，超声发射器和超声接收器之间始终存在直接连接。

另外，温度传感器可以布置在超声发射器和超声接收器之间。因此，温度和超声波的速度涉及相同的区域。

优选地，计算单元根据超声发射器和超声接收器之间的距离计算速度。超声发射器和超声接收器之间的距离是给定的尺寸而无需测量。

根据本发明的优选实施例，所述设备用于电烤箱。

本发明的目的还通过如权利要求7所述的方法进一步实现。

根据本发明，用于估算烤箱室内的空气湿度的方法包括如下步骤：

产生具有至少两个不同频率的超声波，

接收具有至少两个不同频率的超声波，

检测超声接收器处具有第一频率的超声波相对于超声发射器处具有第一频率的同一超声波的相位，

检测超声接收器处具有第二频率的超声波相对于超声发射器处具有第二频率的同一超声波的相位，

根据具有这两个不同频率的超声波的相位和频率计算超声波的速度，

检测烤箱室内的温度，和

根据温度和超声波的速度估算烤箱室内的湿度。

本发明的要旨是使用两个不同的频率。这允许通过两个频率和两个相应的相位计算超声波的速度。湿度可以根据速度和温度进行估算。估算的比湿度的最大误差为大约9％。

在本发明的优选实施例中，第一频率略大于由超声发射器和超声接收器所形成的超声换能器的谐振频率，第二频率略小于该谐振频率。这有助于提高本发明方法的精度。

另外，通过超声发射器和超声接收器之间的距离可以估算超声波的速度。超声发射器和超声接收器之间的距离是给定的尺寸而无需测量。

特别地，超声波的速度通过

进行估算，其中，如果

则

如果

则

因此，

的值在任何情况下都是正的。如果L＜[V_min/(f₁-f₂+Δ(Δf))-ΔL]，则上述公式有效，其中V_min＝331m/s是最小可能声速，Δ(Δf)是f₁-f₂的可能变化量，ΔL是L的可能变化量。另外，f₁是第一频率，f₂是第二频率，是与第一频率f₁相对应的相位，

是与第二频率f₂相对应的相位，L是超声发射器和超声接收器之间的距离。

优选地，在超声发射器和超声接收器之间的空间内检测温度。因此，所测温度和所计算的超声波速度涉及相同的区域。

例如，频率通过使预定时钟频率分频产生。特别地，频率由共用发生器产生。

估算的湿度可用于烹饪程序以便优化烹饪过程。

最终，提供了计算机程序产品。所述计算机程序产品储存在计算机可用介质中，包括用于使计算机执行如上所述方法的计算机可读程序装置。

所附权利要求书阐述了被视作本发明特征的新颖性和创造性特征。

附图说明

下面将参考附图进一步详细描述本发明，其中：

图1显示了根据本发明优选实施例的超声换能器的频谱的示意图；

图2显示了根据本发明该优选实施例的超声发射器和超声接收器之间的具有不同波长的两个超声波的示意图；

图3显示了根据本发明第一实施例的烤箱室的内部空间的前部透视图的示意图；

图4显示了根据本发明第二实施例的烤箱室的内部空间的前部透视图的示意图；和

图5显示了根据本发明所述优选实施例的超声波速度与比湿度的关系的示意图。

具体实施方式

图1显示了根据本发明优选实施例的超声换能器的频谱的示意图。该频谱包括在谐振频率f₀处的峰值。第一频率f₁和第二频率f₂用于测量超声波的速度。第一频率f₁和第二频率f₂围绕谐振频率f₀。第一频率f₁略大于谐振频率f₀。第二频率f₂略小于谐振频率f₀。

图2显示了根据本发明该优选实施例的超声发射器10和超声接收器12之间的具有不同波长λ₁和λ₂的两个超声波的示意图。超声发射器10和超声接收器12形成超声换能器。

第一超声波具有第一频率f₁和第一波长λ₁。第二超声波具有第二频率f₂和第二波长λ₂。超声发射器10和超声接收器12之间的距离为L。

距离L和第一波长λ₁之间的关系为

其中，n₁是距离L内的完整的第一波长λ₁的数量，

是超声接收器12处的第一超声波相对于超声发射器10处的第一超声波的相位。

同样，距离L和第二波长λ₂之间的关系为

其中，n₂是距离L内的完整的第二波长λ₂的数量，

是超声接收器12处的第二超声波相对于超声发射器10处的第二超声波的相位。

第一频率f₁和第二频率f₂可以由具有给定时钟频率f_c的共用频率发生器产生。第一频率f₁和第二频率f₂通过用时钟频率f_c分别除以除数N₁和N₂获得，

f₁＝f_c/N₁，f₂＝f_c/N₂

超声波的合成速度为

其中，频率差

Δf＝f₁-f₂＝f_c/N₁-f_c/N₂＞0

必须为正并且必须满足附加条件(side condition)

L＜V_min/[Δf+Δ(Δf)]-ΔL

如果满足所述附加条件，则相位

和

永远不会彼此相等。因此，

值始终为正。其中，L是超声发射器10和超声接收器12之间的距离，ΔL是L的变化范围，

是相位差，V_min是超声波的最小可能速度，Δ(Δf)是频率差Δf的变化范围。

如果

则相位差

为

否则，如果

则相位差

为

频率差Δf的变化范围Δ(Δf)为

Δ(Δf)＝f_c·δf_c/N₁-f_c·δf_c/N₂

其中，δf_c是时钟频率f_c的相对误差。

对于温度T＝0℃，压力P＝1atm的干燥空气而言，超声波的最小可能速度V_min为V_min＝331.244m/s。

通过采用实际值，即，f_c＝20MHz，δf_c＝0.5％，ΔL＝3mm，N₁＝497和N₂＝503，则超声发射器10和超声接收器12之间的距离L必须为L＜684mm。

超声波的速度取决于温度和湿度，公式为：

$V=\sqrt{\left\{\right[(7+X_V)\·Z\·R\·T]/[\left({5+X}_V\right)\·M_A\·(1-X_V\·(1-M_V/M_A))\left]\right\}}$

其中，T为温度，M_A为干燥空气的摩尔量，M_V为水蒸气的摩尔量，R为摩尔理想气体常数，Z为压缩系数。常数的数值为

M_A＝0.029kg/mol，

M_V＝0.018kg/mol，

R＝8.315J/(mol·k)。

压缩系数Z取决于温度T，摩尔分数X_V和压力P。然而，在这种情况下，压缩系数Z大约为1。

空气中的水蒸汽的摩尔分数X_V由比湿度SH决定

X_V＝(M_A·SH)/[M_V+(M_A-M_V)·SH]

比湿度SH限定为

SH＝(m_V·100％)/(m_A-m_V)

其中，m_V是水蒸汽部分的重量，m_A是干燥空气部分的重量。所述水蒸汽部分和所述干燥空气部分形成充满同一体积的真正的空气-蒸汽混合物。

对于实际精度ΔV±6.27m/s，ΔT±5℃，ΔP±300mm/Hg，在最坏情况下，比湿度的绝对误差为ΔSH±9％。

如果比湿度SH、温度T和压力P已知，则相对湿度可以计算如下

RH＝(P·M_A·SH·100％)/{P_VS(T)·[M_V+(M_A-M_V)·SH]}

其中P_VS(T)是给定温度T下水的饱和蒸汽压力。

图3显示了根据本发明第一实施例的烤箱室14的内部空间的前部透视图的示意图。烤箱室14由顶壁16、底壁18、左侧壁20、右侧壁22和后壁24界定。后壁24包括具有扇叶28的风扇26。

多个侧部栅格30成对布置在侧壁20和22的内侧上。每对侧部栅格30均布置在相同高度上。侧部栅格30沿着侧壁20和22的内侧水平地延伸。成对的侧部栅格30被设置用来支撑托盘或烤架。

在该实施例中，超声发射器10布置在左侧壁20的前部。超声发射器10布置在两个最下方侧部栅格30之间。按照类似的方式，超声接收器12布置在右侧壁22的前部、两个最下方侧部栅格30之间，使得超声发射器10和超声接收器12对称布置。

超声发射器10和超声接收器12位于如下位置：在所述位置处，它们之间的空间内没有任何物品。因此，超声波从超声发射器10向超声接收器12的传播是不受干扰的。超声发射器10和超声接收器12之间是直接的几何连接。

超声发射器10和超声接收器12之间的距离L等于烤箱室14的内部宽度。烤箱室14的内部宽度的典型值为L＝440mm。所述典型内部宽度L＝440mm幸运地满足上述附加条件L＜684mm。

图4显示了根据本发明第二实施例的烤箱室14的内部空间的前部透视图的示意图。烤箱室14由顶壁16、底壁18、左侧壁20、右侧壁22和后壁24界定。后壁24包括具有扇叶28的风扇26。

多个侧部栅格30成对布置在侧壁20和22的内侧上。每对侧部栅格30均布置在相同高度上。侧部栅格30沿着侧壁20和22的内侧水平地延伸。成对的侧部栅格30被设置用来支撑托盘或烤架。

在该实施例中，超声发射器10布置在左侧壁20的后部。超声发射器10布置在两个上方侧部栅格30之间。按照类似的方式，超声接收器12布置在右侧壁22的后部、两个上方侧部栅格30之间，使得超声发射器10和超声接收器12对称布置。

同样，在该实施例中，超声发射器10和超声接收器12位于如下位置：在所述位置处，它们之间的空间内没有任何物品。因此，超声波从超声发射器10向超声接收器12的传播是不受干扰的。超声发射器10和超声接收器12之间同样存在直接的几何连接。

温度传感器32布置在后壁24。所述温度传感器32位于超声发射器10和超声接收器12之间的区域中。因此，可以在与估算超声波速度的区域相同的区域内检测温度。因为湿度的计算是以实际温度值为基础，这种布置方式有助于提高湿度的计算精度。

同样，在该实施例中，超声发射器10和超声接收器12之间的距离L等于烤箱室14的内部宽度。典型值为L＝440mm，其幸运地满足上述附加条件L＜684mm。

图5显示了根据本发明优选实施例的超声波速度V与比湿度SH的关系的示意图。

该图显示了针对三个不同压力P＝0.5atm、P＝1.0atm和P＝1.5atm以及四个不同温度T＝100℃、T＝200℃、T＝300℃和T＝400℃的十二个函数关系。压力P＝0.5atm由点线表示，压力P＝1.0atm由实线表示，压力P＝1.5atm由短划线表示。

对于高湿度值而言，超声波的速度随着压力降低而略有增加。另外，对于所有湿度值而言，超声波速度随着温度增加而明显增大。

利用图5所示函数关系，通过获知超声波速度V和烤箱室内温度T，可以对湿度SH进行精确估算。

基于上述理论表达式通过校准可以提高估算湿度的精度。对于烤箱内高达350℃的所有可能温度而言，校准应当在0％到100％的整个湿度范围内执行。特别地，如果超声波不形成窄束，使得超声波可能在烤箱室的内壁16、18、20、22和24处反射，则校准是有利的。这时，超声接收器12将接收来自超声发射器10的直接超声波和反射超声波。反射超声波将导致估算超声波速度时的误差。所述误差可以通过上述校准进行补偿。

本发明允许估算整个腔室内的平均湿度，而非传感器周围的任何局部湿度。本发明允许非常快速的湿度估算。若干重复测量和随后的平均值计算可以提高精度。

具有足够的温度和化学耐受性能的合适的超声发射器10和超声接收器12是能够获得的。

超声发射器10和超声接收器12可用于其它目的。例如，可以检测敞开的烤箱门。另外，可以检测烤箱室14装填与否。

本发明还可以嵌入到计算机程序产品中，其包括能够执行本文所述方法的所有特征。另外，当加载于计算机系统中时，所述计算机程序产品能够执行这些方法。

尽管已经参考附图对本发明的说明性实施例进行了描述，但应当理解，本发明不局限于这些具体的实施例；在不脱离本发明范围或精神的情况下，本领域技术人员可以进行各种其它改变或改进。所有这些改变和改进落入由所附权利要求限定的本发明的范围之内。

附图标记列表

10    超声发射器

12    超声接收器

14    烤箱室

16    顶壁

18    底壁

20    左侧壁

22    右侧壁

24    后壁

26    风扇

28    扇叶

30    侧部栅格

32    温度传感器

f₀    谐振频率

f₁    第一频率

f₂        第二频率

f_c        时钟频率

N₁        第一频率f₁的除数

N₂        第二频率f₂的除数

Δf       f₁和f₂之间的频率差

Δ(Δf)   频率差的变化量

λ₁       第一波长

λ₂       第二波长

L         发射器10和接收器12之间的距离

ΔL       距离L的变化量

n₁        完整的第一波长λ₁的数量

n₂        完整的第二波长λ₂的数量

Claims (15)

1.一种通过使用具有至少两个不同频率(f₁，f₂)的超声波来估算烤箱室(14)内的空气湿度的设备，其中，所述设备包括：

至少一个用于产生超声波的超声发射器(10)，

至少一个用于接收超声波的超声接收器(12)，

至少一个相位检测装置，用于检测超声接收器(12)处的超声波相对于超声发射器(10)处具有相同频率(f₁，f₂)的同一超声波的相位

至少一个计算单元，用于根据具有两个不同频率(f₁，f₂)的超声波的相位

和频率(f₁，f₂)计算超声波的速度(V)，

至少一个温度传感器(32)，用于检测烤箱室(14)内的温度(T)，和

至少一个估算单元，用于根据烤箱室(14)内的温度(T)和超声波的速度(V)估算烤箱室(14)内的湿度。

2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述超声发射器(10)和/或超声接收器(12)布置在烤箱室(14)的相对壁(20，22)处或内部。

3.如权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述超声发射器(10)和/或超声接收器(12)布置在烤箱室(14)的侧壁(20，22)的前部或后部。

4.如在先权利要求中任意一项所述的设备，其特征在于，所述温度传感器(32)布置在所述超声发射器(10)和超声接收器(12)之间。

5.如在先权利要求中任意一项所述的设备，其特征在于，所述计算单元根据超声发射器(10)和超声接收器(12)之间的距离(L)计算所述速度(V)。

6.如在先权利要求中任意一项所述的设备，其特征在于，所述设备用于电烤箱。

7.一种用于估算烤箱室内的空气湿度的方法，其中，所述方法包括如下步骤：

产生具有至少两个不同频率(f₁，f₂)的超声波，

接收所述具有至少两个不同频率(f₁，f₂)的超声波，

检测超声接收器(12)处具有第一频率(f₁)的超声波相对于超声发射器(10)处具有第一频率(f₁)的同一超声波的相位

检测超声接收器(12)处具有第二频率(f₂)的超声波相对于超声发射器(10)处具有第二频率(f₂)的同一超声波的相位

根据具有这两个不同频率(f₁，f₂)的超声波的相位和频率(f₁，f₂)计算超声波的速度(V)，

检测烤箱室(14)内的温度(T)，和

根据温度(T)和超声波的速度(V)估算烤箱室(14)内的湿度。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，第一频率(f₁)略大于由超声发射器(10)和超声接收器(12)所形成的超声换能器的谐振频率(f₀)，第二频率(f₂)略小于该谐振频率。

9.如权利要求7或8所述的方法，其特征在于，通过超声发射器(10)和超声接收器(12)之间的距离(L)估算超声波的速度(V)。

10.如权利要求7-9中任意一项所述的方法，其特征在于，超声波的速度(V)通过进行估算，其中，如果

则

如果

则

并且其中，f₁是所述第一频率，f₂是所述第二频率，

是与第一频率f₁对应的相位，

是与第二频率f₂对应的相位，L是超声发射器(10)和超声接收器(12)之间的距离。

11.如权利要求7-10中任意一项所述的方法，其特征在于，在超声发射器(10)和超声接收器(12)之间的空间内检测温度(T)。

12.如权利要求7-11中任意一项所述的方法，其特征在于，频率(f₁，f₂)通过对预定时钟频率(f_c)分频产生。

13.如权利要求7-12中任意一项所述的方法，其特征在于，频率(f₁，f₂)由共用发生器产生。

14.如权利要求7-13中任意一项所述的方法，其特征在于，估算的湿度用于烹饪程序以便优化烹饪过程。

15.一种储存在计算机可用介质中的计算机程序产品，其包括用于使计算机实现如前述权利要求7-14中任意一项所述方法的计算机可读程序装置。

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