CN104111676B - 电热水壶的加热控制方法及应用该方法的加热控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电热水壶的加热控制方法及应用该方法的加热控制装置，加热控制方法包括水温、水量检测步骤和加热控制步骤，本发明通过加热控制步骤控制电热水壶对受加热水体按“在加热间断加热时间内进行加热、暂停加热、在重新计算的加热间断加热时间内进行加热、暂停加热”的循环方式进行间断式加热，并在每次加热间断加热时间结束时刻的受加热水体水温均未能达到目标水温，在暂停加热时段，利用电热水壶释放的余热对受加热水体继续进行加热，直到受加热水体的水温达到目标水温后结束，这将大大降低受加热水体水温因电热水壶释放余热而超出目标水温的幅度，使得受加热水体能够更准确的加热到目标水温，提高了电加热水壶的加热精度。

Description

电热水壶的加热控制方法及应用该方法的加热控制装置

技术领域

本发明涉及一种电热水壶的加热控制方法，本发明还涉及应用该方法的电热水壶的加热控制控制装置。

背景技术

目前电热水壶加热控制主要分为机械控温和电子控温两种方式。机械控温方式是利用蒸汽感应式双金属片检测到水沸腾产生的高温蒸汽后动作，从而断开加热电源，实现水开断电的功能。电子控温方式是控制器利用温度传感探测壶内水温，并经过运算后控制发热体的通断实现温控。机械控温方式只能实现单一的烧开功能，电子控温方式则可根据需要设定温度进行烧水。

为了在短时间内将水加热到设定温度，电热水壶普遍采用大功率、小水量设计，以实现水的快速加热。电热水壶即使采用电子温控要实现精确控温也绝非易事，因为电热水壶的温度控制具有时滞大、惯性大的特点：即温度采集存在较大的滞后，难以实时反映壶内真实的水温；即使停止加热，加热盘的余热仍能使壶内的水温继续升高。

当电热水壶的结构、加热功率确定，其温度控制主要受加热水量、设定温度与初始水温的温差影响。目前的温度控制方法由于没有检测加热水量或者无法准确检测加热水量，因此不能针对不同的水量、温差，准确计算出加热时间，从而实现将水准确地加热到设定温度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种电热水壶的加热控制方法，以克服现有的电热水壶温度控制时滞、惯性大，加热精度低的问题。

本发明所要解决的另一个技术问题是：提供一种应用上述方法的电热水壶的加热控制装置。

解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：

一种电热水壶的加热控制方法，包括以下步骤：

用于检测电热水壶内受加热水体水温的水温检测步骤，该步骤在初始时刻检测到的水温即为受加热水体的初始水温；

用于检测电热水壶内受加热水体质量m的水量检测步骤，该步骤在初始时刻检测到的质量即为受加热水体的初始水量；

用于依据所述受加热水体的初始水温、初始水量和目标水温控制所述电热水壶的加热方式的加热控制步骤，该步骤包括：

计时加热步骤：启动电热水壶对受加热水体进行加热，并在经过间断加热时间t后控制电热水壶暂停对受加热水体的加热；

其中，所述间断加热时间t按以下公式计算，

$t=\frac{c*m*(\mathrm{\ΔT}-\mathrm{\δ})}{W*\mathrm{\η}},$

c为所述受加热水体的比热容，ΔT为目标水温与实时水温的温差，δ为预设的加热温度误差，W和η分别为所述电热水壶的加热功率和发热效率；

循环控制步骤：电热水壶暂停对受加热水体加热后，检测受加热水体的水温是否平稳并实时检测受加热水体的水温是否达到目标水温，如受加热水体的水温已达到目标水温，则结束所述加热控制步骤，完成受加热水体的加热控制，如受加热水体的水温在平稳后还没有达到目标水温，则重复所述计时加热步骤。

作为本发明的一种实施方式，所述检测受加热水体的水温是否平稳的方法为：

计算所述受加热水体在水温平稳检测时间N内的水温变化率其中，T₀为所述电热水壶暂停对受加热水体加热时刻即水温平稳检测时间N的起始时刻下受加热水体的水温，T₁为水温平稳检测时间N的终止时刻下受加热水体的水温，当该水温变化率θ≤0时，判断受加热水体的水温已经平稳，否则，判断受加热水体的水温还没有平稳。

作为本发明的一种改进，所述的加热控制步骤还包括：

初始状态检测步骤：在初始时刻，检测初始水温是否小于目标水温、检测初始水量是否在所述电热水壶的额定水量范围内，若该两项检测中的任意一项结果为否，则结束所述加热控制步骤并发出报警信号。

作为本发明的一种改进，所述的计时加热步骤还包括：在电热水壶对受加热水体进行加热期间，实时检测受加热水体的水温是否达到目标水温，如是则结束所述加热控制步骤，完成受加热水体的加热控制。

作为本发明的一种改进，所述的加热控制步骤还包括：

水温检测故障报警步骤：在检测受加热水体的水温时，判断检测到的水温是否在零度以下，若是，则结束所述加热控制步骤并发出相应的故障报警信号。

作为本发明的一种改进，所述的加热控制步骤还包括：

水量检测故障报警步骤：在检测受加热水体的水量时，判断检测到的水量是否小于或者等于零，若是，则结束所述加热控制步骤并发出相应的故障报警信号。

一种应用上述任意一项方案所述方法的电热水壶的加热控制装置，其特征在于：所述的加热控制装置包括用于检测电热水壶内受加热水体水温的温度传感器、用于检测电热水壶内受加热水体质量m的重量传感器、用于执行所述加热控制步骤的控制器和加热驱动电路；所述温度传感器和重量传感器分别连接到控制器的相应端口，控制器通过加热驱动电路与电热水壶的发热体电连接。

作为本发明的一种实施方式，所述的加热控制装置还包括用于发出报警信号的声光报警电路，所述声光报警电路连接到控制器的相应端口。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

第一，本发明通过设置计时加热步骤和循环控制步骤，控制电热水壶对受加热水体按“在加热间断加热时间t内进行加热、暂停加热、在重新计算的加热间断加热时间t内进行加热、暂停加热”的循环方式进行间断式加热，并且，由于加热间断加热时间t的计算公式，每次加热间断加热时间t结束时刻的受加热水体水温均未能达到目标水温，因此，在暂停加热时段，利用电热水壶释放的余热对受加热水体继续进行加热，直到受加热水体的水温达到目标水温后结束，这将大大降低受加热水体水温因电热水壶释放余热而超出目标水温的幅度，使得受加热水体能够更准确的加热到目标水温，提高了电加热水壶的加热精度；

第二，本发明通过初始状态检测步骤、水温检测故障报警步骤、水量检测故障报警步骤、以及在电热水壶对受加热水体进行加热期间实时检测受加热水体的水温是否达到目标水温的步骤，实现对电加热水壶的故障保护。

附图说明

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：

图1为本发明的电热水壶的加热控制装置的电路原理框图；

图2为本发明的电热水壶的加热控制方法的流程框图之一；

图3为本发明的电热水壶的加热控制方法的流程框图之二；

图4为本发明的电热水壶的加热控制方法的流程框图之三。

具体实施方式

本发明的电热水壶的加热控制方法，包括以下步骤：

用于检测电热水壶内受加热水体水温的水温检测步骤，该步骤在初始时刻检测到的水温即为受加热水体的初始水温；

用于检测电热水壶内受加热水体质量m的水量检测步骤，该步骤在初始时刻检测到的质量即为受加热水体的初始水量；

用于依据受加热水体的初始水温、初始水量和目标水温控制电热水壶的加热方式的加热控制步骤，该步骤包括初始状态检测步骤、计时加热步骤、循环控制步骤、水温检测故障报警步骤和水量检测故障报警步骤，具体说明如下：

初始状态检测步骤：在初始时刻，检测初始水温是否小于目标水温、检测初始水量是否在电热水壶的额定水量范围内，若该两项检测中的任意一项结果为否，则结束加热控制步骤并发出报警信号；

计时加热步骤：启动电热水壶对受加热水体进行加热，在电热水壶对受加热水体进行加热期间，实时检测受加热水体的水温是否达到目标水温，如是则结束加热控制步骤，完成受加热水体的加热控制，否则，在经过间断加热时间t后控制电热水壶暂停对受加热水体的加热；

其中，间断加热时间t按以下公式计算，

$t=\frac{c*m*(\mathrm{\ΔT}-\mathrm{\δ})}{W*\mathrm{\η}},$

c为受加热水体的比热容，ΔT为目标水温与实时水温的温差，δ为预设的加热温度误差，其表征的是用户允许的受加热水体经过本控制方法加热后最终水温与目标水温的温差，W和η分别为电热水壶的加热功率和发热效率；

循环控制步骤：电热水壶暂停对受加热水体加热后，检测受加热水体的水温是否平稳并实时检测受加热水体的水温是否达到目标水温，如受加热水体的水温已达到目标水温，则结束加热控制步骤，完成受加热水体的加热控制，如受加热水体的水温在平稳后还没有达到目标水温，则重复计时加热步骤；

其中，检测受加热水体的水温是否平稳的方法为：

计算受加热水体在水温平稳检测时间N内的水温变化率其中，T₀为电热水壶暂停对受加热水体加热时刻即水温平稳检测时间N的起始时刻下受加热水体的水温，T₁为水温平稳检测时间N的终止时刻下受加热水体的水温，当该水温变化率θ≤0时，判断受加热水体的水温已经平稳，否则，判断受加热水体的水温还没有平稳；

水温检测故障报警步骤：在检测受加热水体的水温时，判断检测到的水温是否在零度以下，若是，则结束加热控制步骤并发出相应的故障报警信号；

水量检测故障报警步骤：在检测受加热水体的水量时，判断检测到的水量是否小于或者等于零，若是，则结束加热控制步骤并发出相应的故障报警信号。

如图1所示，本发明应用上述方法的电热水壶的加热控制装置，包括用于执行加热控制步骤的控制器1、加热驱动电路2、用于发出报警信号的声光报警电路3、人机界面电路4、水量测量电路5、水温测量电路6、发热体7、用于检测电热水壶内受加热水体质量m的重量传感器8、用于检测电热水壶内受加热水体水温的温度传感器9。温度传感器用于将壶内的水温变换成电信号，水温测量电路用于将温度传感器输出的电信号处理及转换成数字信号，重量传感器用于将壶内的水量变换成电信号，水量测量电路用于将重量传感器输出的电信号处理及转换成数字信号，加热驱动电路用于控制发热体工作，发热体用于对壶内的水进行加热，声光报警电路用于以声音加灯光闪烁形式进行报警，人机界面电路用于实现人机交互，控制器用于实现水温控制。

温度传感器安装在水壶底部；温度测量电路接入温度传感器输出的表征水温的电信号；控制器接入温度测量电路输出的数字量水温信号；重量传感器安装在水壶底座；水量测量电路接入重量传感器输出的表征水量的电信号；控制器接入水量测量电路输出的数字量水量信号；加热驱动电路接入控制器输出的直流驱动电信号；发热体接入加热驱动电路输出的交流驱动电信号；声光报警电路接入控制器输出的报警控制信号；人机界面电路与控制器电连接，用户通过人机界面进行温度设定、启动加热、取消加热，人机界面实时显示设定温度、当前水温、当前水量、水位状态、工作状态、故障信息。

本发明中的控制器可选用通用的单片机或微处理器，温度传感器可选用NTC型热敏电阻，重量传感器可选用电阻应变式压力传感器。水温测量电路选用合适的电阻与NTC型热敏电阻串接组成分压电路，从而将水温变换成电压信号，同时根据水温的加热控制误差要求，水温测量电路选用合适分辨率的常规模数转换器ADC，将水温从模拟量转换成数字量。水量测量电路选用合适的电阻与电阻应变式压力传感器组成电桥电路，从而将水量变换成电压信号，同时根据最大水量以及水量测量精度，水量测量电路选用合适分辨率的常规模数转换器ADC，将水量从模拟量转换成数字量。根据加热功率，加热驱动电路选用合适的继电器或者可控硅作为电控开关控制发热体的通断。发热体可根据加热功率和形状尺寸要求进行定制。报警驱动电路选用合适的蜂鸣器、指示灯作为声光报警的执行部件。人机界面电路可选用触摸屏或液晶按键作为人机交互界面。

上述加热控制装置中，控制器1执行加热控制步骤可以通过编程实现：

(1)参见图2，控制器检测壶内的水温；

(2)判断当前水温是否小于等于零；

(3)当步骤(2)的判断结果为是时，控制器控制声光报警并提示温度传感器故障，结束；当步骤(2)的判断结果为否时，转到步骤(4)；

(4)判断目标水温是否小于等于当前水温；

(5)当步骤(4)的判断结果为是时，控制器控制声光报警并提示设定温度小于或等于当前水温，结束；当步骤(4)的判断结果为否时，转到步骤(6)；

(6)控制器检测壶内的水量m；

(7)判断当前水量是否小于等于零；

(8)当步骤(7)的判断结果为是时，控制器控制声光报警并提示重量传感器故障，结束；当步骤(7)的判断结果为否时，转到步骤(9)；

(9)判断当前水量是否小于最小水量；

(10)当步骤(9)的判断结果为是时，控制器控制声光报警并提示水位过低，结束；当步骤(9)的判断结果为否时，转到步骤(11)；

(11)判断当前水量是否大于最大水量；

(12)当步骤(11)的判断结果为是时，控制器控制声光报警并提示水位过高，结束；当步骤(11)的判断结果为否时，转到步骤(13)；

(13)根据温差、水量进行加热控制；

参见图3，上述步骤(13)加热控制方法，包括以下步骤：

(a)控制器计算设定温度与当前水温的温差ΔT；

(b)控制器计算加热时间t＝(c*m*(ΔT-δ))/(W*η)；

其中，系数c表示水的比热容，m表示壶内当前水量，ΔT表示设定温度与当前水温的温差，δ表示加热允许的控制误差，W表示水壶加热功率，系数η表示发热效率。

(c)控制器控制发热体加热；

(d)控制器检测壶内的水温，并进行加热计时；

(e)判断当前水温是否小于等于零；

(f)当步骤(e)的判断结果为是时：控制器首先控制发热体停止加热，接着控制声光报警并提示温度传感器故障，结束；当步骤(e)的判断结果为否时，转到步骤(g)；

(g)判断当前水温是否大于等于设定温度与控制误差的差值；

(h)当步骤(g)的判断结果为是时：控制器首先控制发热体停止加热，接着控制声光报警并提示当前水温已到达设定温度，结束；当步骤(g)的判断结果为否时，转到步骤(i)；

(i)判断加热时间t是否到；

(j)当步骤(i)的判断结果为否时，转到步骤(d)；当步骤(i)的判断结果为是时，转到步骤(k)；

(k)控制器控制发热体停止加热；

(l)控制器检测壶内的水温，并计算温度变化率；

(m)判断当前水温是否小于等于零；

(n)当步骤(m)的判断结果为是时：控制器控制声光报警并提示温度传感器故障，结束；当步骤(m)的判断结果为否时，转到步骤(o)；

(o)判断当前水温是否大于等于设定温度与控制误差的差值；

(p)当步骤(o)的判断结果为是时：控制器控制声光报警并提示当前水温已到达设定温度，结束；当步骤(o)的判断结果为否时，转到步骤(q)；

(q)判断水温是否平稳；

(r)当步骤(q)的判断结果为否时，转到步骤(l)；当步骤(q)的判断结果为是时，转到步骤(s)；

(s)控制器检测壶内的水量m；

(t)判断当前水量是否小于等于零；

(u)当步骤(t)的判断结果为是时，控制器控制声光报警并提示重量传感器故障，结束；当步骤(t)的判断结果为否时，转到步骤(a)；

其中，上述步骤(q)判断水温是否平稳的流程为：

A.控制器检测并记录壶内当前水温T0；

B.控制器进行水温平稳检测时间N计时；

C.判断水温平稳检测时间N是否到？

D.当步骤C的判断结果为否时，转到步骤C；当步骤C的判断结果为是时，转到步骤E；

E.控制器检测并记录壶内当前水温T1；

F.控制器计算温度变化率θ＝(T1-T0)/N；

G.判断温度变化率θ是否小于等于零？

H.当步骤G的判断结果为否时，转到步骤A；当步骤F的判断结果为是时，转到步骤I；

I.判定水温已平稳；

J.结束。

上述步骤B中水温平稳检测时间N的取值对于不同加热功率的水壶不同，一般可取N＝5～10秒。

本发明不局限与上述具体实施方式，根据上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，本发明还可以做出其它多种形式的等效修改、替换或变更，均落在本发明的保护范围之中。

Claims (8)

1.一种电热水壶的加热控制方法，包括以下步骤：

用于检测电热水壶内受加热水体水温的水温检测步骤，该步骤在初始时刻检测到的水温即为受加热水体的初始水温；

用于检测电热水壶内受加热水体质量m的水量检测步骤，该步骤在初始时刻检测到的质量即为受加热水体的初始水量；

用于依据所述受加热水体的初始水温、初始水量和目标水温控制所述电热水壶的加热方式的加热控制步骤，该步骤包括：

计时加热步骤：启动电热水壶对受加热水体进行加热，并在经过间断加热时间t后控制电热水壶暂停对受加热水体的加热；

其中，所述间断加热时间t按以下公式计算，

$t=\frac{c*m*(\mathrm{\Δ}T-\mathrm{\δ})}{W*\mathrm{\η}},$

c为所述受加热水体的比热容，ΔT为目标水温与实时水温的温差，δ为预设的加热温度误差，W和η分别为所述电热水壶的加热功率和发热效率；

循环控制步骤：电热水壶暂停对受加热水体加热后，检测受加热水体的水温是否平稳并实时检测受加热水体的水温是否达到目标水温，如受加热水体的水温已达到目标水温，则结束所述加热控制步骤，完成受加热水体的加热控制，如受加热水体的水温在平稳后还没有达到目标水温，则重复所述计时加热步骤。

2.根据权利要求1所述的加热控制方法，其特征在于：所述检测受加热水体的水温是否平稳的方法为：

计算所述受加热水体在水温平稳检测时间N内的水温变化率其中，T₀为所述电热水壶暂停对受加热水体加热时刻即水温平稳检测时间N的起始时刻下受加热水体的水温，T₁为水温平稳检测时间N的终止时刻下受加热水体的水温，当该水温变化率θ≤0时，判断受加热水体的水温已经平稳，否则，判断受加热水体的水温还没有平稳。

3.根据权利要求1所述的加热控制方法，其特征在于：所述的加热控制步骤还包括：

初始状态检测步骤：在初始时刻，检测初始水温是否小于目标水温、检测初始水量是否在所述电热水壶的额定水量范围内，若该两项检测中的任意一项结果为否，则结束所述加热控制步骤并发出报警信号。

4.根据权利要求1至3任意一项所述的加热控制方法，其特征在于：所述的计时加热步骤还包括：在电热水壶对受加热水体进行加热期间，实时检测受加热水体的水温是否达到目标水温，如是则结束所述加热控制步骤，完成受加热水体的加热控制。

5.根据权利要求1至3任意一项所述的加热控制方法，其特征在于：所述的加热控制步骤还包括：

水温检测故障报警步骤：在检测受加热水体的水温时，判断检测到的水温是否在零度以下，若是，则结束所述加热控制步骤并发出相应的故障报警信号。

6.根据权利要求1至3任意一项所述的加热控制方法，其特征在于：所述的加热控制步骤还包括：

水量检测故障报警步骤：在检测受加热水体的水量时，判断检测到的水量是否小于或者等于零，若是，则结束所述加热控制步骤并发出相应的故障报警信号。

7.一种应用权利要求1至6任意一项所述方法的电热水壶的加热控制装置，其特征在于：所述的加热控制装置包括用于检测电热水壶内受加热水体水温的温度传感器、用于检测电热水壶内受加热水体质量m的重量传感器、用于执行所述加热控制步骤的控制器和加热驱动电路；所述温度传感器和重量传感器分别连接到控制器的相应端口，控制器通过加热驱动电路与电热水壶的发热体电连接。

8.根据权利要求7所述电热水壶的加热控制装置，其特征在于：所述的加热控制装置还包括用于发出报警信号的声光报警电路，所述声光报警电路连接到控制器的相应端口。