CN104067065A - 使用称重传感器的水位测量装置 - Google Patents

Abstract

一种用于测量食品行业的机器的水位的组件，所述组件具有：容纳待加热的水的水箱；称重传感器，所述称重传感器被安装在所述水箱的下方使得容纳有水的水箱的重量作用于所述称重传感器的应变片；控制器，所述控制器用于接收来自所述称重传感器的与所述水箱及所述水箱中的水的总重成比例的电信号并且基于预定规则将重量转换为所述水箱的水位；显示机构，所述显示机构用于连续显示所述水箱中的水的水位。水位测量装置保持干燥并且没有水垢沉积物。

Description

使用称重传感器的水位测量装置

技术领域

本发明涉及用于咖啡机的设备和方法，更具体地涉及具有使用了称重传感器（load cell）的水位测量装置的咖啡机。

背景技术

咖啡机（该术语被理解为在其中包括意式浓咖啡机（espresso-makingmachine））需要加热水以便用于冲泡咖啡或意式浓咖啡（espresso）。用于冲泡咖啡或意式浓咖啡的水是未过滤水，而未过滤水并不适于饮用。相应地，用于冲泡咖啡或意式浓咖啡的水中含有大量溶解的矿物质。所述水可以是自来水或是含矿物质的瓶装水。

众所周知，加热水会导致至少一些矿物质从溶液中沉淀出来，所述沉淀通过因水溶剂加热而发生的蒸发或通过溶质的沉淀物以微小颗粒从溶液中析出而产生。不论发生何种情况，溶液中出现的颗粒下沉至容器的底部或侧壁，从而使溶液持续含有沉淀物。例如，钙沉积物是加热水常见的产物。

咖啡机的一个重要的组件为水位测量仪器。在现有技术中，这些水位测量装置为内部测量仪器，所述内部测量仪器指示水是否已经到达注水线，即，水箱是否充满或仍需要被充注。在图1示出的一种形式中，浮球6向下延伸至水箱3中，所述水箱3具有流体入口1和流体出口2。当水4的水位上升至到达向下延伸至所述注水线的所述浮球6的水位时，所述浮球在水的作用下使得所述浮球6上升并且启动微型磁性开关7，从而发送YES信号给控制器9。否则，在另一情况下，所述开关保持未被启动，并且NO信号被传送给所述控制器。当水箱中的水被加热时，钙和其它矿物质从溶液中沉淀并蒸发出来，并且导致钙的水垢和石灰堆积在所述浮球上。

在图2示出的第二种类型的水位测量装置中，细长且薄的金属探针8向下延伸至水箱中。当水位上升至接触到延伸至注水线的所述探针时，所述探针发送YES信号给控制器。否则，NO信号被传送给所述控制器。

在两种情况下，所述水位测量装置或至少部分的所述水位测量装置很快就暴露于从加热水中沉淀或蒸发出来的钙和石灰的沉积物之下。

众所周知，由于一些原因，钙化和石灰的沉积物一直是咖啡机的湿式水位测量组件和其它湿式组件的一个问题。钙和石灰附着至所有接触水的物体上。这包括水位测量装置和其它传感器及其它关键组件。水垢的堆积影响了水位测量组件的运行并且导致水位测量组件产生高估了水位或低估了水位的错误的读数。此外，还会卡住所述浮球。

如果所述水位测量装置给出了比其实际水位低的错误读数（通常发生于水垢堆积时），真正的水位将会太高并且这导致水箱被继续保持充注，最终导致溢流。水流到整个机器上。因故障的水位测量装置而导致整个经营场所被浸渍的溢流事件亦不鲜见。溢流的水可能接触电路并且导致短路、关闭整个机器，并且甚至可能会关闭被连接到同一线路上的其它机器或家用电器或关闭被溢流的水影响的其它机器或家用电器。损坏修理起来非常昂贵并且甚至不可挽回。

此外，如果所述水位测量装置给出比其实际水位高的错误读数，实际的水位将会太低并且这导致过热，而过热还会损坏咖啡机或其它食品行业机器。

由于水垢的沉淀物在咖啡机的组件上的堆积，假定能使用10年至20年的机器最终只使用了2年至4年。因此，器材更换的花费是极其巨大的。由于更换这些加热元件需要由经认证的意式浓咖啡机技师来完成，因此用于维护这些咖啡机的人工成本也是很高的。他们需要工作几个小时，在这个期间机器故障从而影响了生意。

为了试图防止石灰和钙在加热元件上堆积，可以增加维修检测的频率。用于清洁石灰和钙的化学制品也需要花费金钱。因此，增加维修检测的频率增加人工成本，且使总的维修费用大幅增加。

之前为解决水垢的沉淀物的问题的尝试包括使用放置在水中的软水器。软水器用两倍的钠离子交换钙镁离子。维护这种离子交换是昂贵的，需要很多销售额来运营且需要许多额外的水。环保人士主张软水器污染了我们的环境并且伤害到对盐有饮食节制的人群。这已导致在国家或地方层面上立法，在美国大约34个州中限制在生活污水系统中使用软水器。由于盐度较大的水通过管道流动，软水器还可能加速了管道损坏。从现在起大约2年后，另外的立法有望被实施以进一步限制使用软水器。

另外有一项现有技术试图解决这一问题，包括在咖啡机中使用过滤器。过滤器是昂贵的。此外，为了过滤器的有效性，必须适当地维护过滤器。事实上，需要每周更换一次过滤器。申请人几十年对咖啡机进行检修的过程中的经验是：过滤器仅仅是没有被适当地维护。当它们应当被更换时而没有更换。除了懒惰，常见的原因是使用咖啡机的零售店中频繁的人事更换且经常短缺能够更换过滤器的受过训练的员工。

另一种类型的水位测量装置是超声波的。尽管超声波不会接触到水，但是其成本大约为700美元，实际中在咖啡机或其它的食品行业的机器中使用它来测量水位是非常昂贵的。超声波被使用在比如大型称重机（包括卡车称重站）的大型工业应用中。

申请人还听说有一家在网上自称为“Scalebusters”的公司提供一被安装在设施的入水管上的计算机化的系统。该计算机系统使用振荡电子场，声称所述振荡电子场改变钙分子的物理（physical）尺寸、形状和电荷。虽然宣称比软水器更便宜，但该计算机系统的安装和维护是昂贵的。

因此，迫切需要一种用于解决水中的石灰和钙沉积物的累积的方法和设备，石灰和钙沉积物的累积影响咖啡机的水位测量组件和其它的关键组件。

发明内容

本发明的一方面指向一种用于测量咖啡机的水位的组件，所述组件包括：容纳待加热的水的水箱；称重传感器，所述称重传感器被安装在所述水箱的下方使得容纳有水的水箱的重量作用于所述称重传感器的应变片；控制器，所述控制器用于接收来自所述称重传感器的与所述水箱及所述水箱中的水的总重成比例的电信号并且基于预定规则于将重量转换为所述水箱的水位；显示机构，所述显示机构用于连续地显示所述水箱中的水的水位。

本发明的另一方面是一种测量使用于食品行业以提供食品或饮料的机器中水的水位的方法，所述方法包括：在所述机器的水箱的下方安装称重传感器，使得容纳有水的水箱的重量作用于称重传感器；提供控制器以将来自所述称重传感器的信号转换为所述水箱中的水的水位；可操作地接合到所述控制器上的显示机构连续显示所述水位。

本发明的另一方面涉及一种用于水在水箱中被加热的机器的组件，所述组件包括：水箱、水位测量装置、控制器、显示机构和短波加热元件；所述水位测量装置包含称重传感器，所述称重传感器被安装在所述水箱的下方，使得容纳有水的水箱的重量作用于所述称重传感器的应变片；所述控制器用于接收来自所述称重传感器的与所述水箱及所述水箱中的水的总重成比例的电信号并基于预定规则将重量转换为所述水箱的水位；所述显示机构用于连续地显示所述水箱中的水的水位；短波加热元件，所述短波加热元件被包裹在热传导套管中，所述套管在所述注水线下方处穿过所述水箱，所述短波加热元件选自包括卤素灯和红外灯的组中，所述短波加热元件被连接到控制器上，所述控制器确定所述短波加热元件何时被启动以及运行时长。

参考附图、说明书和权利要求，将更好地理解本发明的这些和其他的特征、方面和优点。

附图说明

本文仅参考附图以示例的方式描述了多种实施例，其中：

图1为现有技术的水箱的前视图，所述水箱具有包含浮球的水位测量装置；

图2为现有技术的水箱的前视图，所述水箱包括包含探针的水位测量装置；

图3为根据本发明的另一实施例的水箱和水位测量装置的前视图；

图4为根据本发明的一个实施例的水箱和水位测量装置的前视图，在此视图中还示出了加热干燥元件；以及

图5为示出根据本发明的一个实施例的一种方法的流程图。

具体实施方式

下面的详细描述的是本发明的目前预期的最优实施模式。由于所附的权利要求书对本发明的范围进行了最好地限定，因此本说明书并非意在限制，本说明书仅是为了例示本发明的一般原理。

本发明通常提供一种食品行业的机器，比如具有小型水箱/热水容器的咖啡机，所述小型水箱/热水容器利用称重传感器作为水位测量装置。通过安装在所述水箱下方的称重传感器的应变片来连续地检测水箱中的水和水箱的总重并且通过控制器将水箱中的水及水箱的总重转换成所述水箱的水位。因此，所述水位测量装置保持干燥且没有石灰或水垢的堆积。

与现有技术的咖啡机（现有技术中的水位测量装置与水箱中的水接触且在平常使用过程中累积由石灰或钙形成的水垢）相比，本发明的水位测量装置和用于该机器的组件使用的水位测量装置通过处于所述水箱外部而保持干燥。因此，水位测量装置（在机器的使用过程中的关键组件）上不出现石灰或钙的结垢现象。传统咖啡机使用的水位测量装置受到石灰水垢的影响并且常常由于石灰沉积物或其它水垢而损坏，与现有技术进一步相比，本发明的咖啡机出现损坏的频率小得多。与其中水位测量装置需要经常维护的现有技术进一步相比，包括本发明组件的本发明的咖啡机更加可靠并且具有高的预期寿命。由于外部的称重传感器不受水、温度等的影响，所述咖啡机还几乎不需要这么多的维护，并且这使得其与使用了内部水位指示装置的专用机器相比，其长期花费大大减小。与现有技术的咖啡机中的水位测量装置给出二值读数（即，满的或不满的）进一步相比，本发明的水位测量装置可通过在一数值（从空到完全满的所有可能的数值）范围上对水箱中的水位进行连续的实时测量来提供一种更精确的水位测量读数。所述控制器可将水及所述水箱的总重转换为水位读数。因此，当排除咖啡机的故障时，本发明不仅是在必要时重新注水的注水线，而且在检修所述咖啡机时可通过追踪实际的水位来确定问题和偏差。因此，与现有技术的机器相比，连续的实时测量所述水位可确定出故障和错误的水位读数，由此允许在问题变得更糟之前作出适当的实时检修响应。与现有技术的仅可使用两年至四年的咖啡机进一步相比，本发明的咖啡机或使用了本发明有关的水位测量装置的组件的咖啡机以及使用了保持干燥的半外部加热元件的咖啡机可使用十年至二十年。与现有技术的意式浓咖啡机（在现有技术的意式浓咖啡机中，积累石灰水垢和钙水垢的水位测量装置的故障的常见的结果是：溢流导致的短路关闭整个机器并且有时其它的机器也受到溢流影响）进一步相比，本发明的具有外部称重传感器的咖啡机能够不遭受溢流或短路以及由其引起损坏和失效的影响。

参考附图和下面的描述可以更好地理解根据本发明的在食品行业的机器中使用了称重传感器的水位测量装置（以使其具有干燥的关键组件）的原理及操作。

如图3所示，用于咖啡机的组件10用于测量咖啡机的水位。所述组件10可包括水箱20，所述水箱20容纳待加热的水22并且所述水箱20具有进水口21和出水口22。称重传感器30可被安装在所述水箱20的下方，使得容纳有水的所述水箱20的重量构成能转换为电信号的力。例如，如果所述称重传感器30为应变片称重传感器，所述水箱和水的总重可构成作用于所述称重传感器30的应变片33的力。尽管所述组件10的称重传感器30可采取其它的形式（未示出），但是所述称重传感器30可适合于用于食品行业的机器的水箱20的通用重量。

所述称重传感器30可不具有与所述水箱20中的水接触的组件。例如，所述称重传感器30没有使用探针或浮球或与水箱20的水22接触的其它组件。在优选的实施例中，称重传感器20不接触水并且不具有和水接触（包括除水箱20中的水22以外的水）的组件。此外，称重传感器20可不具有与离开水箱20的蒸汽流动连通的组件或部件，并且在优选的实施例中，称重传感器30不与任何蒸汽或也不和水以外的任何流体接触。

在某些特殊的实施例中，称重传感器30可包括多个称重传感器，例如，包括起作为第一称重传感器30的备件的第二称重传感器（未示出）。如果必要的话，应变片33还可包括实际上多于一个的应变片。

所述组件10和本发明的方法对例如食品行业中的具有相对小的水箱的机器是有益的。例如，所述组件10中的所述水箱20的容积可小于20加仑（gallon）。在其它的形式中，所述水箱20的容积可具小于15加仑或小于12加仑或小于10加仑。例如，组件10可被使用在咖啡机中。这种咖啡机可以是例如意式浓咖啡机。

所述组件10可包括控制器40，所述控制器40用于接收来自所述称重传感器30的电信号，所述电信号和其所指示或反应的所述水箱及所述水箱中的水总重成比例。所述控制器40还可基于预定的规则将来自所述称重传感器30的信号转换为所述水箱20的水位。例如，所述规则可考虑到所述水箱为空时水箱的重量已知。因此，可以从所述水箱和水的总重的读数中减去所述水箱为空时的重量。这表示所述水箱中的水的重量。所述规则可进一步考虑在已知的各种温度下水的密度。所述控制器40可基于假定温度估计所述密度，或可有效地结合温度计（在一些实施例中，所述温度计被认为是所述控制器40的一部分）。基于这种对密度的估计，所述控制器40可使用预定规则将水的重量转换为水的体积。此外，由于所述水箱的形状也是已知的，所述水箱的水位可与已知的水的体积水平相互关联。因此，所述控制器40可使用预定规则将所述水箱及所述水箱中的水的总重转换为表示水箱中的水位的参数。

所述称重传感器30能够将水箱20中的水量和水位的连续且精确的测量数据提供给所述控制器40。因此，所述组件10还可包含用于连续地显示水箱20中的水22的水位的显示机构50。所述显示机构50显示的连续性并非意味：一周七天，一天二十四小时的产生显示或甚至必须在机器（例如，咖啡机）被打开的所有时刻产生显示。所述显示机构50可具有关闭（Off）模式，在所述关闭模式期间，所述显示没有被启动或没有完全启动。所述显示机构50可以是所述控制器40的一部分或可以可操作地接合到所述控制器40上。

所述水箱20可具有注水线。所述显示机构50还可显示关于所述注水线的水位信息，例如，可通过显示二值函数来显示所述水箱20中的水位是否升至所述注水线。

在其它的实施例中，所述显示机构50可显示关于所述水位的其它信息。例如，咖啡机可冲泡不同种类的咖啡。可能有如下情况：其中加热元件被保持在“打开”（“On”）位置并且机器中的水位对意式浓咖啡或其它类型的咖啡的质量有影响或正在开发的类型的咖啡有影响。在这种情况下，所述显示机构50可显示一种类型的咖啡所适用的所述水箱中存在的具体水位信息。在另一示例中，另一组件可被放置在水箱中（例如，被包裹在套管中），并且所述显示机构可提供关于所述水位是否到达所述另一组件的信息。仍在另一示例中，水位影响一些机器中的其它组件的功能。在那种情况下，所述显示机构50可显示关于所述水箱20中的水的水位是否处于影响所述其它组件的功能的水位的信息（比如显示二值函数）。因此，所述显示机构50的显示的内容不一定限于显示所述水箱是否为满。

所述显示机构50能够以各种形式显示所述水箱20的水位（或提供其它信息）。所述显示机构50所使用的各种形式的非限制性示例可包含数字形式、文字形式或图表形式（比如，图片或水位的示意图）。本发明还考虑了其中所述显示机构50以其它的形式（例如，组件（比如指示杆）的运动）显示水位信息的方案。在此方案中，当所述水箱的水位到达所述注水线或一些其它的预定水位时，小的指示杆（例如，位于所述水箱外部的小的指示杆）可（从“下部”位置）移动或旋转至“上部”位置并且因此可在使用者无须注视液晶显示屏的情况下传递水量信息。仍在其它的方案中，所述显示机构可发射视觉或甚至嗅觉的刺激来传送信息。此外，任何所述方案可单独或组合起来使用并且可被使用在所述组件10和方法100中。

如图5所示，本发明还可被表示成方法100，所述方法100用于测量使用于食品行业以提供食品或饮料的机器（例如，咖啡机）中水的水位。所述方法100可包含步骤110：在所述机器的水箱的下方安装称重传感器，使得容纳有水的水箱的重量作用于称重传感器。如果所述称重传感器为应变片称重传感器，所述水的重量可作用于所述称重传感器的应变片。所述方法还可包含提供控制器或使用控制器的另一步骤，所述控制器将来自所述称重传感器的信号转换为所述水箱中的水的水位。所述步骤100还可包含步骤130：可操作地接合到所述控制器上的显示机构连续显示所述水位。在所述方法100的一些形式中，还可存在一步骤：即不管实际的水位是否处于所述水箱的注水线处，都显示实际的水位。所述称重传感器、控制器和显示机构可被保持为不接触来自所述水箱的水且不会结垢石灰水垢或钙沉积物。

如图4所示，为了使所述机器由于水垢的沉积物而故障的可能性降低，在一种形式中，还可使得咖啡机（或其它机器）的加热元件在所述机器运行期间被保持在干燥状态下。例如，所述加热元件可以是如申请人于2011年3月7号递交的美国专利申请13/041，459（具有半外部的卤素或红外加热元件的咖啡机）中所描述的加热元件（这一专利通过引用并入本文）。因此，组件100的加热元件可以是半外部加热元件，其中，所述半外部加热元件在所述水箱的体积的内部，但是尽管如此，所述半外部加热元件不与所述水箱中的水接触（例如，通过被包裹在所述水箱内的热传导套管中）。

在那种情况下，本发明可被描述为组件100，所述组件100用于水在水箱中被加热的机器，其中，所述组件100可包括水箱和水位测量装置，所述水位测量装置可包含安装在所述水箱的下方的称重传感器，使得容纳有水的水箱的重量作用于所述称重传感器的应变片。另外，所述组件100还可包含控制器40，所述控制器40用于接收来自所述称重传感器30的与所述水箱20和所述水箱20中的水的总重成比例的电信号并且基于预定规则将重量转换为所述水箱的水位。

组件300可进一步包含“短波加热元件”310（不管所使用的光的波长如何，“短波加热元件”被限定为表示卤素灯或红外灯），所述“短波加热元件”310可被包裹在诸如热传导套管320的热传导套管中。所述套管320可从低于注水线的位置穿过所述水箱20。在这种情况下，，所述“穿过”意味着穿过所述水箱的整个长度；或穿过所述水箱的至少三分之二的长度；或穿过的长度在所述卤素灯或红外灯被所述控制器40启动时足以快速地加热水箱中的水。优选地，所述套管320可位于水箱的内部高度的中点的下方并且必定位于所述注水线的下方。

所述组件300还可包括用于显示水箱中的水的水位的显示机构50。所述组件300的显示机构50还可显示所述水箱中的水是否到达注水线，并且还可显示所述水箱中的水位是否到达所述套管320。“到达所述套管”可表示到达所述套管的底部；或另一情况表示到达所述套管的顶部；或另一情况表示到达所述套管的一部分。由于功效的原因（热度升高），所述套管320应被保持于水下。

所述短波加热元件310被限定为卤素灯或红外灯，并且不必受限于很小的光谱范围。小范围加热元件可被连接到控制器（可以为控制器40）上，所述控制器确定短波加热元件何时被启动以及运行时长。

所述热传导套管320可被限定为金属套管，且还可被限定为具有高导热性的非金属套管。高导热性应被理解为是指（以Btu/(hr°F ft)为单位）至少15或至少40，或在更优选的实施例中是至少100或至少150或至少200。因此，所述热传导套管320包含由石墨烯（一种最近发现的具有非常高的导热性的强碳（strong carbon）材料）制成的套管。

“含矿物质的水”指普通自来水或出售的瓶装水，及可含矿物质的水（诸如矿泉水）。“含矿物质的水”不包括出售的其中矿物质已被去除的瓶装水且尤其不包括作为“过滤水”出售的水。含矿物质的水适用于冲泡咖啡或意式浓咖啡。

虽然已关于有限数量的实施例对本发明进行了描述，但应理解还可得到本发明的很多变形、修改和其他应用。因此，在权利要求中叙述的所要求保护的发明并不受到本文所描述的实施例的限制。

Claims (18)

1.一种用于测量咖啡机的水位的组件，包括：

容纳待加热的水的水箱；

称重传感器，所述称重传感器被安装在所述水箱的下方以使得容纳有水的水箱的重量作用于所述称重传感器的应变片；

控制器，所述控制器用于接收来自所述称重传感器的与所述水箱及所述水箱中的水的总重成比例的电信号并且基于预定规则将该信号转换为所述水箱的水位；以及

显示机构，所述显示机构用于连续显示所述水箱中的水的水位。

2.根据权利要求1所述的组件，其中所述显示机构还显示所述水位是否升至注水线的二值函数。

3.根据权利要求1所述的组件，其中所述水箱的容积小于二十加仑。

4.根据权利要求1所述的组件，其中所述水箱的容积小于十五加仑。

5.根据权利要求1所述的组件，其中所述称重传感器不包含与所述水箱中的水接触的任何组件。

6.根据权利要求1所述的组件，其中所述咖啡机为意式浓咖啡机。

7.一种测量使用于食品行业以提供食品或饮料的机器中的水的水位的方法，所述方法包括：

在所述机器的水箱的下方安装称重传感器，使得容纳有水的水箱的重量作用于称重传感器；

提供控制器将来自所述称重传感器的信号转换为所述水箱中的水的水位；以及

可操作地接合到所述控制器上的显示机构连续显示所述水位。

8.根据权利要求7所述的方法，进一步包含：所述机器为咖啡机。

9.根据权利要求7所述的方法，进一步包括：不管实际的水位是否处于所述水箱的注水线，都显示实际的水位。

10.根据权利要求7所述的方法，保持所述称重传感器、所述控制器和所述显示机构不与水接触。

11.一种用于水在水箱中被加热的机器的组件，所述组件包括：

水箱；

水位测量装置，所述水位测量装置包含称重传感器，所述称重传感器被安装在所述水箱的下方，使得容纳有水的水箱的重量作用于所述称重传感器的应变片；

控制器，所述控制器用于接收来自所述称重传感器的与所述水箱及所述水箱中的水的总重成比例的电信号并基于预定规则将重量转换为所述水箱的水位；

显示机构，所述显示机构用于显示所述水箱中的水的水位；

短波加热元件，所述短波加热元件被包裹在热传导套管中，所述套管在注水线下方处穿过所述水箱，所述短波加热元件选自包括卤素灯和红外灯的组中，所述短波加热元件被连接到控制器上，所述控制器确定所述短波加热元件何时被启动以及运行时长。

12.根据权利要求11所述的组件，其中所述套管位于所述水箱的内部的高度的中点之下。

13.根据权利要求11所述的组件，其中所述套管位于所述注水线之下。

14.根据权利要求11所述的组件，进一步包括显示机构，所述显示机构用于显示所述水箱中的水是否到达注水线并且用于显示所述水箱中的水是否到达所述套管。

15.根据权利要求14所述的组件，其中所述水到达所述套管表示所述水到达所述套管的底部。

16.根据权利要求11所述的组件，其中所述套管穿过整个第一水箱的至少三分之二的长度。

17.根据权利要求11所述的组件，其中所述短波加热元件为卤素加热元件。

18.根据权利要求11所述的组件，进一步包括：连续显示水位的显示机构。