CN103584738B - 改进的容器液面检测 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种咖啡制作机，该咖啡制作机具有单次服务功能，其利用容器水面检测机构，使得单次服务用量的水被分配到咖啡渣中而不考虑该机器的容器中的水面。

Description

改进的容器液面检测

本申请是申请日为2008年6月20日的名称为“容器液面检测”的中国专利申请200880025143.0的分案申请。

技术领域

本发明涉及用于检测液体容器内的液面的机构。

背景技术

在诸如咖啡壶或茶壶的一些物品和器具中可以提供容器。在一些情况下可能希望采集用于器具操作控制的信息。例如，如果在酿泡之前就知道储水液面并因此知道被酿泡的咖啡的量，则能够获得在滴流咖啡壶/自动滴咖啡壶中的咖啡渣的有效的用量或酿泡参数。

对于在诸如咖啡壶的装置内所用的容器，可以在加热水的过程中或加热水之前完成液面检测。

申请人的澳大利亚临时申请No.2007900705和PCT申请No.PCT/AU2008/000187结合于此供参考。

发明内容

本发明的目的是测量容器内的液面。

本发明的一些实施例的目的还在于提供一种通过测量加热机构的出口温度来工作的液面检测机构。

本发明一些实施例的另一个目的是提供一种利用水的电导率的液面检测机构。

本发明的目的还在于提供一种用于测量容器内的储液的装置，该装置利用枢转的浮子机构和光学传感器以便测量浮子的角位移。

优选实施例的目的在于提供一种具有单次服务功能的咖啡机和内部液面检测机构，使得单次服务用量的水能够被分配到咖啡渣中，而不考虑机器的容器中的水面。

附图说明

图1是液面检测机构的第一实施例的示意图，其中利用热敏电阻；以及

图2是液面检测机构的第二实施例的示意图，其中利用充电棒；

图3是液面检测机构的第三实施例的示意图，该检测机构包括水硬度检定（calibration）；

图4是液面检测机构的第四实施例的示意图，该检测机构包括水硬度检定；

图5（a）是示出水箱和可选择的检定板的示意图；

图5（b）是示出在另一个实施例中的水箱和可选择的检定板的示意图；

图5（c）是示出水箱和设置在水箱下方的可选择的检定板的示意图；

图5（d）是示出在另一个实施例中的水箱的示意图；

图6是利用光学传感器的容器液面传感器的分解透视图；

图7是传感器和容器的侧视图；

图8是图7的传感器和容器的部分剖视透视图，示出容器的完全安装位置；

图9是示出咖啡壶的单次服务机构和容器的液面传感器之间的关系的示意图；

图10是示出与咖啡机的单次服务机构相关的处理步骤的流程图，该单次服务机构与内部的容器液面传感器结合在一起。

具体实施方式

在诸如滴流茶壶或咖啡壶的饮料酿泡器中，希望进行水面测量（或水面“检测”），因为咖啡粉的用量或其他处理变量能够根据水或酿泡物的量来调节。可以在需要液面检测的其他器具或机构中提供液面检测。

在适合用在滴流咖啡机构中的一个实施例中，液面检测机构与酿泡器中的加热机构配合。通过监控从加热机构排出的水温的变化，能够确定水面，因此能够确定水量。

如图1所示，水从容器（或“水箱”）100排放到水平C形的加热和泵送机构101中。该加热机构包括输入端102、输出端103以及在两端之间的C形水管104。该管104全部地或部分地被加热元件105围绕。

单向止回阀106被设置在容器100下方的输入端102处。该止回阀106由来自容器100的水压（或“水头”）开启。优选地容器的顶部不高于水出口107。这在泵和加热器101上形成最佳背压并且防止泄漏。由于单向阀106，沸腾的水和蒸汽只能够从该机构的输出端103朝向沸水出口107排出。以这种方式，加热机构101向出口107泵送沸水。

从出口107放出的沸水使来自容器的水能够补充管104。当水箱100中的水面降低时，水头（waterhead）减小。因此减小的压力作用在阀106上。反过来，在每次循环过程中阀106允许较少的水能够补充管104。与在酿泡过程的开始时所记录的温度下降相比，这引起在管输出端103处具有甚至更小的温度下降。因此，通过在相对较短的时间段监控管出口端103的水温变化，能够确定水面。可以分析在多个（比如说十个）循环中记录的温度数据，以提供容器储存量的有用的指示。在一个实施例中，将早期的读数与后面的读数进行比较，并且从该比较中推导出水面。

为此，T形接头108设置在管输出端103，用于安装热敏电阻109或其他的电传感器。当由热敏电阻109所测量的T形接头108处的温度第一次达到沸点时微控制器开始进行计算以便确定水面。电阻器110与热敏电阻109串联。电阻器110与热敏电阻109一起用作公用电源111的分压器。通过测量电阻器110两端的电压能够计算在热敏电阻109上的压降。在一些实施例中，电容器112进一步与电阻器110并联连接，以最小化噪声的影响。然后微控制器113利用在短时间内测量的电压数据以便确定T形接头处的温度降并且确定对应的水面。

在另一个实施例中，液面检测机构不与任何加热机构配合。如图2所示，利用设置在容器201中的并联的充电棒来实现液面检测。检测棒202从顶部203延伸并且到达容器的底部204。在这个例子中，四个液面棒205、206、207、208向下延伸到容器内的不同深度。最长的液面棒208可以延伸到相关应用所需的预定的最低水面。例如在滴流咖啡壶的情况下，这个最低液面可以是一杯（或者如果需要的话是几分之一杯）咖啡所需的液面。液面棒之一208也是到达容器底部204的可选的“空”棒。设置的充电棒使得能检测出空容器和三个不同的非空容器液面。在其他实施例中，可以设置更多的棒以用于具有更高分辨率的液面检测。

除了电压检测棒202之外的其他充电棒接收来自由门控（gated）RC电路209形成的振荡电路的电波形。优选地，参数选择成以实现用于这个电路的50至60Hz之间的频率。可以使用从50Hz至500Hz或更高频率的更宽的频率范围。

振荡电路的输出（“电信号”）210被发送到门211、212、213、214，每个门均连接于一个液面棒。微控制器215将附加的控制输入276、217、218、219供给这些门。从微控制器接收所需控制信号的门允许输出210能够朝向对应的液面棒传送。因此，微控制器将控制施加于接收该电信号的液面棒上。如果所提供的水达到或超过所需要的最低液面，则水将来自接收电信号的棒的电传导给检测棒。

来自检测棒的电流（如果有的话）输送到电压检测电路222。在这个例子中，电压检测电路222是具有和振荡电路209相同频率的并联的RC电路。来自检测电路222的输出又输送给微控制器215。在一些实施例中，电容器可以设置在这些门和对应的液面棒之间，或者在检测棒和检测电路之间，以使不想要的噪声最小。在这个例子中，二极管220、221设置在检测电路222中，使得微控制器接收整流的数据。还可以有设置在检测电路222的输出和微控制器215之间的诸如非门的逻辑门。该门确保标准的电压电平被微控制器215读取。

水的电导率能够使当前传导电流的液面棒和检测棒之间产生连接。否则，在这个液面棒和检测棒之间形成断开电路。通过将电流传送给液面棒并且依次地读取对应的检测棒信号，微控制器能够确定水面。在优选实施例中，因为使用交流电，所以棒是“自清洁的”。在使用直流电的实施例中，为了使棒是自清洁的，检测处理用第一极性的直流电进行一次，然后用相反极性的直流电再进行一次。

在其他实施例中，可以利用棒和管结构来实现液面检测。在图3所示的实施例中，液面机构测量不锈钢棒301和围绕该棒301的不锈钢管302之间的水的总电阻。棒301和管302两者均位于在水箱303内，以确定水面。

参考图3，棒和管结构横跨（span）需要液面检测的整个水面范围，但是不到达水箱的底部。对于到达水箱底部513的棒和管结构，需要沿着管515设置通孔514，以便水能够进入该管和棒516之间的空间（见图5（d））。棒301和管302可以由另一种材料制造，只要该材料是导电的。棒301电连接于信号发生电路（或“信号发生器”）304。在这个例子中，信号发生器304是门控RC电路，其以50至60Hz的频率产生5V方波，但是也可以选择产生其他波形或振幅、或以其他频率的电路。可以用50Hz和500Hz之间的频率或更高的频率。管302以串联方式与水面检测电路305连接。检测电路305包括电阻器306，其与棒和管结构一起形成分压器。还可以有与电阻器306并联连接的电容器307，以减少高频噪声的影响。还可以提供二极管308、309，以便整流检测电路305两端的电压电平。

从信号发生器304到棒301的输出通过输入逻辑门310接通或断开，该输入逻辑门310接收由微控制器311发出的控制信号。在这个微控制器311的指令下，来自信号发生器304的电波形被输送给棒301。电容器312可以设置在输入逻辑门310和棒301之间，以使诸如剩余的直流电信号的伪象（artefact）最小。串联电容器313可以同样被设置在管302和检测电路305之间。

当水面在棒301和管302结构下方时，在棒301和管302之间是断开电路。当水面增高时，在棒301和管302之间的较大的空间部分被水填充，从而减小该棒和管之间的电阻并且增加在检测电路305两端测量的电压电平。被微控制器311所用的这个测量的电压电平确定了水面。

水的电导率取决于包括水的硬度和温度的各种因素。这些因素根据，例如，使用者的位置、天气或每天的时间而不同。因此，在优选实施例中，包括检定电路以检定在微控制器的计算中所用的水的电导率。

如图3所示，充水管314包括设置在水箱303的底部323下方的两个短的导电管子或节段315、316。管子315、316足够长，并且彼此之间被足够小的间隙分开，与噪声波动（fluctuation）相比管子之间的电导率不是微不足道的。在这里管子315、316之间的管部分324不导电。可以使用诸如板的其他结构，或使用销子而不使用板。一个管子315与检定信号发生器317串联，该检定信号发生器317具有与液面检测信号发生器305相同的排布（layout）。检定信号发生器由微控制器311以与液面检测信号发生器305相同的方式控制。检定检测电路318同样设置在微控制器311和第二检定管子316之间。

微控制器311通过向检定控制门319发送控制信号来接通或断开检测信号。来自这个门319的电波形进入第一管子315，并且通过水传导到第二管子316。此外，在检定逻辑门319和第一管子315之间有电容器320，或者在检定检测电路318和第二管子316之间有电容器321，或者两者，从而减少诸如非零直流电压电平的伪象。

微控制器311通过监控检测电路318两端的电压来监控管子上的电压降，并且计算水的电导率。两个模拟电压信号（一个来自液面检测电路305且另一个来自检定检测电路318）通过微控制器311中的模数转换器322被转换成离散的水面。

在图4所示的例子中，通过利用一个单一的信号发生器401来简化控制电路，其中该信号发生器401用于水面检测和水的电导率检定两者。在这里，信号发生器401的输出连接于液面检测逻辑门402和检定逻辑门403，每个逻辑门都在微控制器404的控制下。

另一种简化可以通过减少用于液面检测和水电导率检定两者的微控制器输入的数目来实现。例如，一个控制输入405被发送给液面检测逻辑门402。相同的控制输入405通过实际上是“非”门406而被求反并且之后被检定逻辑门403使用。在这里，求反意味着在控制输入405的低电平和高电平之间的转换。该控制输入被求反是因为检定和水检测在不同的时间进行。

微控制器404具有第一工作电压，而非门402、406、403具有第二工作电压。在这个实施例中，第一和第二工作电压分别是5V和12V。在第一和第二工作电压不同的实施例中，微控制器404输出可以连接于晶体管407，该晶体管407将微控制器的工作电压中继（relay）成逻辑门的工作电压。晶体管407在饱和区工作。在这里微控制器404的输出被连接于晶体管的基极408，而逻辑门402、403被连接于晶体管的集电极409。

简化电路使得可以包含用于其他功能的其他电路，例如热保护或水温相关的操作，或用于酿泡机构的控制，诸如将水硬度作为输入的酿泡机构。

在图3和图4所示类型的实施例中，检定管子被设置在充水管内（即“内嵌（inline）”）。在其他例子中可以利用板而不用管子来检定，或检定管子或它们的功能等同物可以设置在水箱主体的下方。例如，在图5（a）中检定板501、502设置在位于水箱505的底部504下方的充水管503内。板的其他布置也是可能的。图5（c）示出一个例子，其中板506、507并排地设置，每个板足够大并且被足够小的距离分开，用于可靠地测量这两个板之间的水的电导率。这两个板没有大到阻挡充水管508中的水的流动。在图5（c）所示的例子中，检定板509、510，或它们的功能等同物被设置在水箱512下方的检定室511中。直到检定室511已经被充满时才开始填充水箱512。

在具有图3至图5所示类型的液面检测机构的咖啡壶中，在滴流咖啡壶的情况下，微控制器还可以被编程以便包括诸如查阅表的参考，该查阅表将检测信号和最佳咖啡量之间的关系制成了表。在另一个优选的实施例中，查阅表也可以包括检测信号和水流进该酿泡器中的流率之间的相互关系，和对应的用量需求。

图6示出一种另外的容器液面检测机构或传感器600。如图所示，浮子机构610包括固定于枢转浮子臂602的一端的浮子601。该浮子臂的枢转端603包括绕支柱轴605旋转的套筒604，该支柱轴605由浮子旋转致动器606支承。弧形叶片607靠近枢转端603被连接于浮子臂602。弧形叶片内具有各种弧形狭槽608。该狭槽608优选沿着不同的旋转半径630设置，并且大致表示浮子臂围绕支柱轴605的不同旋转角度。在这个例子中，可以仅仅利用四个其上形成狭槽608的半径630来确定12－16个不同的容器液面。壳体适于接纳诸如LED光阵列的光发射器620。在图6的例子中，LED光的数目是四个，并且沿着直线等间隔地设置。光发射器620与贯通壳体部分612而形成的配合开口621对齐。光穿过开口621并且撞击在叶片或鳍板607上。根据浮子组件610的径向取向，设置在另一个壳体部分611上的光学接收器或光学传感器622测量出不同的光接收图形。因此，浮子组件610的旋转能够被四个光学接收器或光学传感器622测量，以指示出咖啡机的容器中的水的杯数或水的量。在浮子机构的任何给定取向中，四个传感器622上的照明图形描述了代表能够被测量的离散液面中的一个离散液面的二进制代码。因此，与四个传感器622组合的狭槽的图形给出42或最多16个变换，每个变换能够代表浮子机构的一个旋转弧度，因此代表不同的并且离散的液面。提供光接受器或传感器622的输出作为咖啡机的处理器或MCU的一个输入。

如图6、图7和图8所提出的，浮子旋转致动器606和浮子组件610被部分地包含在壳体611、612内。壳体612的一部分包括用于开槽叶片607的保护套613并且具有由浮子旋转致动器606的中心孔接纳的第二支柱轴614。扭力弹簧615被设置在壳体部分612和浮子旋转致动器之间。该弹簧615用来抵消重力的作用，并且当从咖啡机拆卸容器时通过旋转该浮子致动器606将浮子601提升到容器的外面。如图7所示，浮子旋转致动器606还包括具有圆角或切成圆弧的远端702的杠杆701。当咖啡机的可拆卸的水容器703从咖啡机中抽出时，其侧壁704碰撞在杠杆701上而停止，因此弹簧615用来将浮子组件610旋转到其最上部位置，如图7所示。应当指出，当侧壁704密切靠近杠杆时，浮子601大致位于容器703的开口顶部或口705的中心部分的上方。

如图8所示，容器703的完全插入使侧壁704碰撞杠杆701。这引起弹簧扭转，从而从浮子致动器606脱离，因此使浮子机构610能够在重力作用下下降到容器703内部内。以这种取向，浮子机构可以绕浮子旋转致动器的支柱轴605自由枢转或旋转。于是来自发射器620的光将选择地通过叶片607中的狭槽，并且根据单个光束能够通过哪个狭槽608而被传感器622检测。于是被接收器或传感器622检测得到的接收图形将作为信号被传送给咖啡机的MCU。随之发生的容器703的抽出使杠杆701能够旋转并且将浮子组件610提升到图7所示的位置。

如图9所示，具有单次服务设定的咖啡机在水面检测和液面检测机构方面能够从前述的教导中受益。在本申请人的共同待审PCT申请PCT/AU2008/000187中所公开的那种咖啡机中，机器的饮料瓶的取出通常将使机器的滴流停止阀关闭。滴流停止阀的关闭在阻止来自过滤框的不想要的滴流是有效的，但是，与饮料瓶不同，为了使单次服务的咖啡能够被分配到杯子中，所需要的手动或机器干预不适于与滴流停止阀接合并且因此打开滴流停止阀。根据本发明的教导，本发明的液面检测机构被用来确定在容器中是否有足够的水，以完成使用者规定的酿泡任务（例如，分配单次服务）。水面传感器还可以用来确定什么时候特定的水量，例如单次服务的水量，已经分配到过滤筐中。

如图9所示，例如前面提到的那种类型的水面传感器或液面检测机构901，能够用来产生输出到咖啡机的MCU903的输出信号902。该MCU903用来将操作功率输送给咖啡机的蒸煮器/泵904，因此，与传感器901一起导致将单次服务的水量供应给过滤筐905。以这种方式，使用者能够启动单次服务酿泡循环，从而MCU将操作咖啡机的研磨器906，以使得相应的磨碎的单次服务用量的咖啡通过咖啡流料槽907被分配到过滤筐905中。在磨碎的咖啡已经分配到过滤筐内并且适当的水量已经由蒸煮器/泵904供给之后，MCU903能够定时滴流停止阀908的延迟开启，以便在分配之前实现咖啡渣最佳地渗入热水中。当经过预定的浸泡时间段时，MCU运行电机909，该电机使滴流停止阀908开启。这样将酿泡的咖啡分配到使用者的杯中。在图9所示的具体例子中，操作滴流停止阀908的电机909也用来控制用于密封咖啡粉流料槽907的盘910，直到新磨碎的咖啡已经分配到过滤筐905内。在本申请人的前面提到的共同待审PCT申请PCT/AU2008/000187中公开并描述了研磨器906、流料槽907、盘910和滴流停止阀908的操作。

前面提到的单次服务酿泡方法的流程图被详细地公开在图10中。如图所示，处理1000以使用者通过咖啡机的外部控制器输入所需要的选择和操作设定1001开始。这些控制器可以使使用者能够选择参数，例如分配的咖啡服务量、咖啡浓度和所需要的单个服务的次数，包括单次服务。咖啡机的MCU或者接收适当的控制输入，或者询问控制器以确定使用者是否已经请求单次服务，在步骤1002处。如果使用者尚未请求单次服务，则MCU以常规的饮料瓶模式操作1003。如果使用者已经请求单次服务，则在步骤1004，MCU进行处理以确定容器中的水面。可以使用任何合适的液面传感器，包括上面提到的那些传感器。然后MCU在步骤1005确定容器中是否有足够的水，以提供使用者所需要的量。如果没有足够的水，则在步骤1006，MCU提醒使用者加水。如果根据液面检测机构的输出容器中有足够的水，则在步骤1006启动咖啡机的蒸煮器。蒸煮器的运转使得热水排放到过滤筐中。MCU继续周期性地读取容器内的液面。如果在步骤1007没有达到想要的输出，于是处理重复回到步骤1004以检查水箱中的水面。如果在步骤1007已经达到想要的水输出，于是在步骤1008咖啡机的蒸煮器被关掉。一但蒸煮器开始向过滤筐供给水，则在步骤1009，MCU开始确定浸泡咖啡渣的时间量的定时操作。（在其他实施例中，浸泡时间可以在步骤1008从蒸煮器被关掉时开始确定）。在步骤1010，MCU利用容器液面传感器继续确定容器中的水面，并且由使用者将提供的量与单次服务所需要的量进行比较。在这个例子中，使用者可以用机器的控制器来请求四种不同的单次服务咖啡的粒度或体积的其中之一，范围是从一小杯到一大杯。如果需要在步骤1011比较，并且MCU在步骤1012确定足够的水已经被分配并有溢出过滤筐的危险，则MCU给电机909发送指令以便操作滴流停止阀908并打开它。这使得在步骤1013滴流停止阀被释放。因此滴流停止阀的释放在步骤1014引起在过滤筐中浸泡的咖啡被分配到使用者的杯子中。否则，当在步骤1009已经达到预先确定的浸泡时间时，在步骤1013滴流停止被释放。

虽然已经参考结构的具体细节描述了本发明，但是本领域的技术人员应当明白结构的具体细节是以举例的方式提供，而不是限制本发明的范围和精神实质。

Claims (15)

1.一种酿泡咖啡的装置，所述装置包括：

容器；

操作性地关联于所述容器的液面检测机构；

过滤筐，该过滤筐用于接收咖啡渣并使该咖啡渣浸泡其中；

滴流停止阀，该滴流停止阀使得能够从所述过滤筐选择性地分配酿泡咖啡的单次服务；

用于将咖啡渣分配到所述过滤筐的咖啡粉流料槽；

用于分配来自所述容器的水的泵机构；

从所述过滤筐选择性地分配酿泡咖啡的单次服务的单次服务机构；

处理器模块；所述泵机构由所述处理器模块操作；所述处理器模块从所述液面检测机构接收指示所述容器内水面的信号来控制所述泵机构以便单次服务量的水被分配到所述过滤筐；以及

使用户能够输入操作设定的用户界面；

其中所述处理器模块适于定时所述滴流停止阀的延迟开启，用于在分配之前使所述咖啡渣渗入热水中；并且

其中所述滴流停止阀能够通过饮料瓶的插入和通过处理器模块的控制中的每个被选择性地独立开启。

2.根据权利要求1所述的装置，其中所述操作设定包括下述设定中的任意一个或更多个：

单次服务分配模式；

被分配的单次服务容量；

被分配的咖啡浓度；以及

所需的单个服务的数量。

3.根据权利要求1所述的装置，所述装置还包括：

咖啡研磨机；所述咖啡研磨机由所述处理器模块操作；并且其中所述处理器模块适于操作所述咖啡研磨机来向所述过滤筐分配相应单次服务剂量的咖啡渣。

4.根据权利要求1所述的装置，所述装置还包括电动控制致动器，该电动控制致动器适于在新磨碎的咖啡被分配到所述过滤筐中后密封所述咖啡粉流料槽。

5.根据权利要求1所述的装置，所述装置还包括：

电动控制致动器也作用在所述滴流停止阀上，用于分配酿泡咖啡的单次服务；

其中延迟开启所述滴流停止阀从而在分配所述酿泡咖啡前使得咖啡渣在热水中具有预定浸泡时间。

6.根据权利要求1所述的装置，其中容器适于保持加热前的水，并且所述液面检测机构适于测量所述容器中保持的水量。

7.根据权利要求1所述的装置，其中在分配酿泡咖啡的单次服务之前，所述液面检测机构被用于确认所述容器中是否存在足够的水来完成酿泡咖啡的特定单次服务。

8.根据权利要求1所述的装置，其中所述液面检测机构被用于确认是否已经向所述过滤筐分配了单次服务量的水。

9.根据权利要求1所述的装置，其中酿泡咖啡的单次服务是适于一杯咖啡的量。

10.根据权利要求1所述的装置，其中所述液面检测机构适于检测所述容器中一杯或更少的量的水面。

11.根据权利要求1至10中任一所述的装置，其中：

所述液面检测机构包括被设置在所述容器内的多个充电棒；每个所述棒从所述容器的顶部延伸向所述容器的底部；

两个第一棒比其他棒更远地延伸到所述容器中，并且至少一个其他棒没有延伸得如所述第一棒远；

所述第一棒中的一个是电压检测棒，并且除所述电压检测棒之外的所有棒从振荡电路接收电信号；

检测电路适于读取该检测棒和另一个棒之间的电压，并因此检测所述容器中的水面。

12.根据权利要求11所述的装置，其中所述充电棒用交流电充电，因此它们是自清洁的。

13.根据权利要求11所述的装置，其中所述检测电路的输出被处理器利用，以确定什么时候水的量已经从所述容器排出并且因此导致与该装置的所述过滤筐相关联的滴流停止阀打开。

14.根据权利要求13所述的装置，其中所述处理器在导致所述滴流停止阀打开之前允许经过预定的浸泡时间段。

15.根据权利要求13所述的装置，其中选择单次服务，并且所述滴流停止阀在所述单次服务的量已经被排放到该过滤筐之前打开。