CN108692808A - 一种测振式识别锅内液体状态的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种测振式识别锅内液体状态的方法和装置，包括：测量杆或台面、振动传感器，A/D采样分析电路模块，所述测量杆或台面与锅具刚性接触，所述振动传感器与测量杆或台面紧密接触，所述A/D采样分析电路模块通过屏蔽线连接振动传感器；本方法利用锅具受热不均、内部液体因对流换热运动和气泡破裂而产生振动的原理，将锅具的振动信号传递给振动传感器后转为电信号，经信号调理后由A/D采样分析电路模块进行时域/频域转换，生成幅频特性值和功率谱值，其运算组合作为判断依据值，可通过比较锅内无液体时的背景值和实际值进行静态判断、或根据这些值的变化趋势来动态判断锅内液体状态，包括锅内是否有液体、对流程度、是否沸腾或特定中间状态。
Description
技术领域
本发明涉及一种锅内液体状态检测技术，具体是一种适用于炉具的测振式识别锅内液体对流状态的方法及装置
背景技术
目前炉具都没有一种全过程监测和判断置于其上的锅具内部是否有液体、液体受热后的对流状态和沸腾状态的方法和装置，容易导致空烧/烧干、沸腾后溢出和沸腾过久等问题，查阅相关技术和专利，有如下几类检测干烧和沸腾的技术方案：
1、判断干烧：通过紧贴于锅底的温度传感器测量锅底温度，超过设定值则认为干烧，如专利号201610089582.4的中国专利“防干烧防溢智能报警燃气灶”等等，该技术只能判断锅具是否进入干烧状态，且有一定的适用范围。
2.判断沸腾：除部分特殊场合外(如可方便测量锅内压力和温度时可采用直接测量法)，当前具有广泛适应性的技术有三种：
A.测量沸腾时液体汽化过程所产生的振动特征，如专利号200620025739.0的中国专利“用于电磁灶的水沸腾检测装置”，利用水沸腾时水滴汽化所产生的机械振动进行识别，只能识别单一的沸腾状态；
B.测量沸腾时的音频特征进行判断,如公布号为201010607284.2和201020682133.9中国专利“一种电磁炉的水沸腾检测装置”，仅判断音频域的沸腾特征，无法判断是否有液体、对流程度、空烧/烧干等其他特征；
C.测量锅具红外辐射，依据锅内有水时锅具表面温度和红外辐射值不会超出一定范围进行判断，如专利号201110398864.X的中国专利“感应加热烹调器”公开了红外线传感器检测沸腾的技术，也只是识别单一状态，且对锅具的适用范围有一定约束。
以上所有技术方案都只针对某一项目的，存在一定适用范围和局限性，如不能同时识别干烧和沸腾、锅内是否有水/油以及水/油是否沸腾等，不能识别锅内液体的对流或沸腾程度等。
发明内容
本发明的目的是提供一种测振式识别锅内液体对流状态的装置，适用于各类燃气和电加热炉具，由与锅具刚性接触的金属测量杆或玻璃工作台面、振动传感器，A/D采样分析电路模块组成。
所述与锅具刚性接触的金属测量杆要求与锅具紧密接触，可以从锅具金属支撑架底部焊接金属块引出；对于封闭式炉具台面，如电磁炉和封闭式燃气炉，锅具与台面刚性接触，此时台面可作为测量点。
所述振动传感器为压电陶瓷片，可针对频率范围，采用不同响应特性的压电陶瓷片，或者同时使用多个不同频段压电陶瓷片以扩大频率范围和增强信号强度。振动传感器将振动信号转化为电信号，并通过屏蔽线传送至A/D采样分析电路模块；
所述A/D采样分析电路模块通过滤波、A/D转换和采样将振动信号转化为离散的时域数字信号，再通过傅立叶变换，转化为频域离散值，即幅频特性值，并进一步可计算出功率谱值，和某个频段内的总功率值。
为了识别锅内液体状态，根据本发明的一个方面，提供了液体对流状态的振动式测量方法，该方法利用锅具底部受热而上部不受热，锅内液体(包括水和油)因受热不均产生对流，对流运动也将产生振动，温差小和火力小时对流不强烈，其振动信号集中在低频段，火力大和温差大时对流强烈，其振动信号逐渐向高频段移动，沸腾时对流非常强烈，但其振动峰值频率却有所下降；加热过程中锅底受热面还将产生汽化和气泡破裂振动，但强度不如对流振动，沸腾时产生强烈汽化，其气流可能冲击锅盖产生撞击振动，但这并非其固有特征。这些不同的对流状态和气泡破裂所产生的振动频率和幅度也不同，具有各自的特征，其频率范围可覆盖次声、音频、超声，但其主要峰值特征频率在不同阶段分布在不同的频段，称为峰值频段或活跃频段；通过比较峰值频段的特征，可判别锅内是否有液体、液体是否沸腾等状态。
在整个加热过程中，由于其主要特征值呈现趋势性变化，所以可根据这种变化趋势做进一步判断：刚启动加热尚未形成对流时的幅频特征值和功率谱值作为背景值，称为原始点值，锅底液体受热后迅速形成对流，产生以低频为主的振动，在功率谱上其低频段的总功率将逐渐增加，据此可判断锅内有液体；温度升高其峰值频段中心上移，沸腾前其峰值频段达到最高，进入沸腾后峰值频段将略有下降，根据这种趋势亦可判断沸腾状态。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
1.可以全过程检测锅具内部状态，包括是否有液体、受热状态、是否沸腾、对流程度等等，以便实现自动控制炉头状态。
2.装置简单，成本低。
附图说明
图1为本发明实施例一基本结构的剖视图
图2为本发明实施例二基本结构的剖视图
具体实施方式
实施例一：图1中设有平板玻璃工作台面(11)，其上放置锅具(10)，其下表面紧贴压电陶瓷片(16)，与弹性支撑架(14)之间隔离刚性绝缘垫片(15)，弹性支撑架(14)提供预压力确保压电陶瓷片(16)正常工作，A/D采样分析电路模块(11)通过屏蔽线(12)连接压电陶瓷片(16)。压电陶瓷片(16)可采用强力胶固定于台面下方，取代弹性支撑架(14)，但使用环境温度较高时不适合。整个测量系统的本征频率要尽量远离被测信号的特征频率和压电陶瓷片(16)的谐振点。
锅具(10)底部受热后，锅内液体将进行对流换热和气泡破裂，产生振动，振动信号通过压电陶瓷片(16)转为电信号经滤波和放大后由A/D采样转为数字信号，信号分析电路和软件通过傅立叶变换，将时域特征值转换为频域特征值，生成离散的频率/幅度对照表，并可进一步生成功率谱和总功率，以及分频段的功率值，可选择这些值或其组合运算值作为判断依据值。
首先将没有盛放任何液态物质的锅具(10)放置在玻璃工作台面(11)上，启动加热，炉具进入稳定工作状态后，立即开始信号采集和转换，将生成一组离散幅频特征值和功率谱值并转化为判断依据值，称该值为系统背景特征值；为避免偶发性误差，可进行短时多次采集，取平均值为背景值，不同系统在不同环境中的背景值可能不同。
将盛有待检测液态物质(水或者油等)的锅具(10)放置于玻璃工作台面(11)上，启动加热，炉具进入稳定工作状态后，再次进行信号采集和转换，也将生成离散幅频特征值和功率谱值并转化为判断依据值，通过对比相应的背景值，可判断锅内液体状态，比如低频段10～400Hz的总功率值如果超过设定的有水阈值，则可判断锅内有水，如频段500～2KHz的总功率值超过设定的沸腾阈值，则可判断锅内水已沸腾。
不同液体、不同系统的固有特征频率不同，对锅具内部液体状态的判断将产生影响，所依据的频率范围和状态特征也可能不同，其判断依据值可选功率、幅度或者某种组合运算值，对应的阈值设定也将不同，需要根据特定系统和特定液体的实验结果进行调整。
以上为阈值比较式静态判断方法，在此基础上，可以同时采取趋势分析式动态判断法，即在刚开始加热时采集判断依据值作为原始值(背景值)，然后每隔一段时间(如1～5秒钟)再采集一组值，换算成不同状态的判断依据值(如某低频段的总功率值)，将该判断依据值按时间顺序构成趋势曲线(实际操作中因数据量较大，可分割为分段滑动趋势线)，如果该曲线是波动很小的平稳值，则认为锅内无液态物质或内部处于稳定状态(如沸腾)，如果曲线与某状态的趋势特征相符，则可认为锅内液体处于相应状态，如有液态物质、且处于温度上升过程时特定低频段的总功率值呈增加趋势。多状态需同时监控时(如是否有液体、是否沸腾)可采用多个趋势曲线组合判断，可提升判断的准确性和可靠性。
本方案的优点是适用于炉头封闭式工作台面，如电磁炉、封闭式电炉和红外线炉头。
实施例二：图2中设锅具(20)放置在锅具支架(21)上，工作台面(22)不直接接触锅具(20)，此时应增设金属测量杆(27)，要求测量杆(27)与锅具(22)形成刚性接触，压电陶瓷片(26)一面紧贴测量杆(27)，另一面紧贴刚性绝缘垫片(25)，弹性压紧块(24)提供一定预压力确保压电陶瓷片(26)正常工作，同时要采取一定的降温措施，避免高温传导至压电陶瓷片(26)以影响其性能，A/D采样分析电路模块(29)通过屏蔽线(28)连接压电陶瓷片(26)。信号较弱或压电陶瓷片频率范围不能覆盖全部检测范围时可采用多个压电陶瓷片串联/并联以增加信号特征。
信号采样分析方法与实施例一相同。
本方案的优点是可广泛应用于现有明火炉具的智能化升级。
上述实施例仅仅是对本发明的优选实施例进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域中专业技术人员对本发明的技术方案所采取的各种变化和改进，均属于本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种测振式识别锅内液体状态的装置，包括：振动传感器(16)、振动识别PCB模块(13)、金属测量杆或玻璃工作台面(11)，其特征在于：金属测量杆(11)与锅具刚性接触，或支撑锅具的玻璃工作台面当作测量杆(11)，振动传感器(16)刚性接触金属测量杆或玻璃工作台面(11)，并通过屏蔽线(12)连接至振动识别PCB模块(13)，锅具的振动信号可通过金属测量杆或玻璃工作台面(11)传递至振动传感器(16)，传感器将振动信号转化为电信号，被振动识别PCB模块(13)采集和处理。
2.一种测振式识别锅内液体状态的方法，其特征在于：锅具在灶上因底部受热而上部不受热，内部液体将产生对流运动和气泡破裂，该对流运动和气泡破裂会产生振动信号，振动识别PCB模块(13)采集该振动信号，进行信号调理和时域/频域傅立叶变换后，可生成离散幅频特征值和功率谱值，其对应特征频段内的组合运算值作为判断依据值，将锅内无液态物质时系统采集的判断依据值作为背景值，通过对比实际采集值与背景值来判断锅内液体状态，可设置不同的判别阈值，包括锅内有液态物质判别阈值、沸腾判别阈值和中间过程判别阈值。
3.根据权利要求2所述的一种测振式识别锅内液体状态的方法，其特征在于：液体处于不同状态时其振动的峰值频段也不同，对应的幅频特性值和功率谱值以及判断依据值也不同，刚受热时主要集中在低频段，随着温度升高其峰值频段的频率也越高，而沸腾时则又有所降低，根据这种变化规律，可采用趋势判断法识别锅内液体状态，即刚启动加热时的判断依据值即背景值作为趋势原始值，随后每隔一固定时间采集一次，判断其滑动趋势曲线，可以判别出锅内液体状态，包括是否有液体、是否沸腾以及中间状态等。
4.根据权利要求1和2所述的一种测振式识别锅内液体状态的装置和方法，其特征在于：根据判断方法所依据的频率范围选择相应参数的压电陶瓷片作为振动传感器(16)，当频率范围超出压电陶瓷片响应范围时，可使用多个不同频段的振动传感器(16)组合来采集对应频段的振动信号，进行综合判断。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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