CN108836110A - 一种基于温度测量装置的蒸汽发生器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于温度测量装置的蒸汽发生器及其控制方法，不仅可以提高蒸汽发生器测温的精度，而且根据靠近加热箱的底板的水温以及收集罩内的蒸汽温度对加热棒的加热功率进行控制可以达到更好的控制精度，在加热之初采用全功率加热，利于快速产生蒸汽，在水温达到沸点后，即使加热箱中的水温保持不变，但是蒸汽温度过高时，控制单元仍然可以控制加热棒降低加热功率，防止加热箱过热，节约了能源，保证了蒸汽发生器输出的蒸汽量处于稳定的水平。

Description

一种基于温度测量装置的蒸汽发生器及其控制方法

技术领域

本发明属于厨具技术领域，尤其涉及一种基于温度测量装置的蒸汽发生器及其控制方法。

背景技术

随着生活水平的提高和技术的发展，市场上出现了各种各样的厨房炊具，其中包括对传统炊具的现代化改良。其中，蒸汽发生器是一种采用燃气或电力加热的厨具，通常用于餐厅、主食店以及大型饭店。相比传统的蒸箱，蒸汽发生器使用方便，适合需要大量生产主食或蒸熟食物的场合，但是现有的蒸汽发生器具有一些缺点。现有技术中测量蒸汽温度的温度传感器通常布置在垂直管壁上，这样的布置方式对于蒸汽发生器来说具有一定缺陷，因为在产生蒸汽的过程中，靠近管壁的蒸汽温度较低，设置在管壁的温度传感器并不能真实地反映蒸汽温度，对加热功率的控制会产生偏差。另外，在加热功率的控制中，没有考虑加热水箱中的水温与蒸汽温度不同，当水温较低时，加热水箱需要快速产生蒸汽，而水温达到沸点后，水温不再升高，现有技术中的控制方法也无法根据蒸汽温度自动调整加热功率，存在控制精度较低、控制滞后的问题，亟待改进。

发明内容

本发明提出一种基于液位测量装置的蒸汽发生器及其控制方法。本发明的蒸汽发生器包括加热箱。所述加热箱内部具有加热单元，所述加热单元包括若干个加热棒，由外部电源供电。所述加热棒呈圆柱体，加热箱底部具有可供导线通过的通孔，加热棒底座固定在通孔中。所述加热棒的功率通过加热控制单元进行控制。

所述加热箱的横截面可为圆形或方形，优选为圆形，加热箱主体为圆柱体，所述加热箱由不锈钢制成。所述加热棒采用纳米陶瓷加热棒，加热棒下端还具有底座，所述底座由不锈钢制成，其安装在加热箱底板上。所述底座能够保证加热棒与加热箱的底板物理隔离。

所述蒸汽发生器的加热箱的上方连接有收集罩，所述收集罩具有较小的上端开口和较大的下端开口，所述收集罩具有倾斜的侧壁。

本申请的蒸汽发生器还包括温度检测单元，所述温度检测单元包括第一温度传感器、第二温度传感器。加热棒的所述底座的外壁设置有第一温度传感器，所述第一温度传感器的测温探头用于测量加热箱内靠近加热箱的底板的水温并产生第一温度信号。所述第二温度传感器设置在所述收集罩倾斜的侧壁上，所述第二温度传感器的测温探头从所述侧壁上伸入收集罩内，用于测量流经收集罩倾斜的内侧壁的蒸汽温度，并产生第二温度信号。所述加热箱中的加热棒的加热功率由加热控制单元控制，所述加热控制单元通过控制单个或多个加热棒的加热功率。所述加热控制单元接收第一温度信号和第二温度信号，即根据靠近加热箱的底板的水温以及收集罩内的蒸汽温度对加热棒的加热功率进行控制。

本申请提出一种蒸汽发生器的控制方法，其基于上述的蒸汽发生器，具体包括：

(1)所述加热控制单元接收第一温度信号和第二温度信号，分别得到第一温度值和第二温度值。

(2)所述加热控制单元判断所述第一温度值是否小于第一温度阈值，所述第一温度阈值代表加热箱内的水初始的温度，一般为20℃。

(3)如果所述第一温度值小于所述第一温度阈值，所述加热控制单元设定每个加热棒的加热功率P＝P_max。所述P_max为最大加热功率。

(4)如果所述第一温度值大于或等于所述第一温度阈值，所述加热控制单元判断所述第一温度值是否小于第二温度阈值，所述第二温度阈值代表加热箱内的水沸腾的温度，所述第二温度阈值与当地的海拔高度以及加热箱内的气压有关。一般设为100℃。

(5)如果所述第一温度值小于第二温度阈值，加热控制单元按以下公式设定每个加热棒的加热功率：

其中P为加热功率，w为第一加热系数，单位为℃/m³，S为加热箱截面积，h为加热水箱高度，所述w可根据加热水箱的容量设定，对于容积为500升的加热箱，w可取值为20℃/m³。值得说明的是，第一温度值一般都大于零度。

(6)如果所述第一温度值大于或等于第二温度阈值，加热控制单元判断T₂-T₁-1是否大于零，如果大于零，加热控制单元按以下公式设定每个加热棒的加热功率：

其中k为第二加热系数，单位为℃/m³，所述w可根据加热水箱的容量设定，对于容积为500升的加热箱，k可取值为0.2℃/m³。

如果T₂-T₁-1不大于零，加热控制单元按以下公式设定每个加热棒的加热功率：

P＝0.6×P_max。

所述加热棒的侧表面垂直安装有对称的两块导热板，所述导热板由铝或不锈钢制成，所述加热板与所述底座、加热箱的侧壁均物理隔离。所述导热板优选为长方形，所述导热板的上端与加热棒的上端齐平。

所述加热棒内具有加热导线和测量导线。所述导热板与第一电容测量导线连接，所述加热导线或第一电容测量导线均通过加热棒的底座引出，并通过加热水箱底板上的通孔引出加热水箱主体之外。第二电容测量导线与所述加热箱的侧壁具有连接点。

所述蒸汽发生器具有液位测量装置，所述导热板作为第一电容极板，所述加热箱侧壁作为第二电容极板，第一电容测量导线和第二电容测量导线将所述导热板、加热箱侧壁、测量电源以及电容测量单元连接成电容测量电路，所述电容测量单元用于测量导热板与加热箱侧壁之间的电容，并将电容检测信号发送给液位检测单元，所述液位检测单元根据所述电容检测信号得到加热水箱中的液位。

所述蒸汽发生器还包括一个储水箱，所述储水箱通过管道向所述加热箱中加水，所述管道上安装有控制阀，所述液位检测单元发送开启或关闭指令控制所述控制阀的开闭。所述液位检测单元根据所述电容检测信号得到加热水箱中的液位，当加热水箱中的液位低于加热棒的高度时，所述液位检测单元发送开启指令给控制阀，所述控制阀开启，储水箱向加热箱中加水；当加热水箱中的液位高于加热棒的高度时，所述液位检测单元发送关闭指令给控制阀，所述控制阀关闭，储水箱停止向加热箱中加水。

本发明提出一种基于温度测量装置的蒸汽发生器及其控制方法，不仅可以提高蒸汽发生器测温的精度，而且根据靠近加热箱的底板的水温以及收集罩内的蒸汽温度对加热棒的加热功率进行控制可以达到更好的控制精度，在加热之初采用全功率加热，利于快速产生蒸汽，在水温达到沸点后，即使加热箱中的水温保持不变，但是蒸汽温度过高时，控制单元仍然可以控制加热棒降低加热功率，防止加热箱过热，节约了能源，保证了蒸汽发生器输出的蒸汽量处于稳定的水平。

附图说明

图1为本发明的蒸汽发生器的剖视图；

图2为本发明的加热棒局部图；

图3为本发明的温度检测单元局部图。

图4为本发明的温度控制方法流程图。

图5为本发明的液位检测装置框图；

其中，加热箱1，回流盖2，加热棒3，水箱4，水阀5，第一温度传感器6，第二温度传感器7，电容检测单元8，传热片9，底座10，连接点11，侧壁12。

具体实施方式

下面结合说明书附图以及具体实施例对本发明进行进一步解释。

如图1所示，本发明的蒸汽发生器包括加热箱1，所述加热箱1的横截面可为圆形或方形，优选为圆形，即加热箱1主体为圆柱体，由不锈钢制成。所述加热箱1内部具有加热单元，所述加热单元包括若干个加热棒3，优选采用纳米陶瓷加热棒，如图2所示，加热棒3下端还具有底座10，所述底座由不锈钢制成，由外部电源供电，其单个加热功率以及加热总功率可根据加热箱1的容量确定。所述加热棒3呈圆柱体，其底部安装在加热箱1底板上，加热箱底部具有可供导线通过的通孔，加热棒3底座通过焊接或螺纹旋接的方式固定在通孔中以保障密封性。所述加热棒3的功率可通过加热控制单元进行控制。所述底座10能够保证加热棒3与加热箱1的底板物理隔离。

如图2所示，所述加热棒3的侧表面垂直安装有对称的两块导热板9，所述导热板9由铝或不锈钢制成，所述加热板9与所述底座10、加热箱1的侧壁12均物理隔离。所述导热板9优选为长方形，所述导热板9的上端与加热棒3的上端齐平。当加热棒3进行加热时，其产生的热量可以通过导热板9传递给加热箱1中的水，以扩大导热面积。

进一步地，所述加热棒3内具有加热导线和测量导线。所述加热导线用于向加热丝提供电能以发热产生热量。所述导热板9与第一电容测量导线连接，所述加热导线或第一电容测量导线均通过加热棒3的底座10引出，并通过加热水箱1底板上的通孔引出加热水箱1主体之外。所述加热板9与所述底座10、加热箱1侧壁12均物理隔离使得所述导热板9与加热箱1主体的电气隔离。所述第二电容测量导线与所述加热箱1的侧壁12具有连接点11，所述连接点11优选设置在与所述导热板9所在平面的中垂线相交的加热箱侧壁上(两个交点均可，优选设置在距离较近的一侧)。

所述底座10的外壁设置有第一温度传感器6，所述第一温度传感器6的测温探头用于测量加热箱1内靠近加热水箱的底板的水温。所述第一温度传感器6的第一测温导线也通过加热水箱1底板上的通孔引出加热水箱1主体之外。

在一个实施例中，所述蒸汽发生器的加热箱1的上方连接有收集罩2，所述收集罩2具有较小的上端开口和较大的下端开口，因此加热箱1中产生的蒸汽通过收集罩2时会汇聚，再从收集罩2的上端开口流出，因此蒸汽的压力可以得到进一步提高。由于所述收集罩2具有较小的上端开口和较大的下端开口，因此所述收集罩2具有倾斜的侧壁。

在一个实施例中，本申请的蒸汽发生器还包括温度检测单元，所述温度检测单元包括第一温度传感器、第二温度传感器。加热棒的所述底座10的外壁设置有第一温度传感器6，所述第一温度传感器的测温探头用于测量加热箱1内靠近加热箱的底板的水温并产生第一温度信号。所述第二温度传感器7设置在所述收集罩2倾斜的侧壁上，所述第二温度传感器7的测温探头从所述侧壁上伸入收集罩内，用于测量流经收集罩2倾斜的内侧壁的蒸汽温度，并产生第二温度信号。如图3，由于蒸汽在流经倾斜的收集罩2的内侧壁时，其流速加快，从而加剧了蒸汽在第二温度传感器测温探头上的冷凝放热，使得第二温度传感器产生所检测到的温度值更加贴近收集罩中的蒸汽温度。所述加热箱1中的加热棒3的加热功率由加热控制单元控制，所述加热控制单元通过控制单个或多个加热棒3的加热功率，从而控制整个加热箱的加热功率。所述加热控制单元接收第一温度信号和第二温度信号，即根据靠近加热箱的底板的水温以及收集罩2内的蒸汽温度对加热棒的加热功率进行控制。

在一个实施例中，本发明提出一种蒸汽发生器的控制方法，其基于上述的蒸汽发生器，具体包括以下步骤：

(1)所述加热控制单元接收第一温度信号和第二温度信号，分别得到第一温度值和第二温度值。

(2)所述加热控制单元判断所述第一温度值是否小于第一温度阈值，所述第一温度阈值代表加热箱内的水初始的温度，一般为20℃。

(3)如果所述第一温度值小于所述第一温度阈值，所述加热控制单元设定每个加热棒的加热功率P＝P_max。所述P_max为最大加热功率。

(4)如果所述第一温度值大于或等于所述第一温度阈值，所述加热控制单元判断所述第一温度值是否小于第二温度阈值，所述第二温度阈值代表加热箱内的水沸腾的温度，所述第二温度阈值与当地的海拔高度以及加热箱内的气压有关。一般设为100℃。

(5)如果所述第一温度值小于第二温度阈值，加热控制单元按以下公式设定每个加热棒的加热功率：

其中P为加热功率，w为第一加热系数，单位为℃/m³，S为加热箱截面积，h为加热水箱高度，所述w可根据加热水箱的容量设定，对于容积为500升的加热箱，w可取值为20℃/m³。值得说明的是，第一温度值一般都大于零度。

(6)如果所述第一温度值大于或等于第二温度阈值，加热控制单元判断T₂-T₁-1是否大于零，如果大于零，加热控制单元按以下公式设定每个加热棒的加热功率：

其中k为第二加热系数，单位为℃/m³，所述w可根据加热水箱的容量设定，对于容积为500升的加热箱，k可取值为0.2℃/m³。

如果T₂-T₁-1不大于零，加热控制单元按以下公式设定每个加热棒的加热功率：

P＝0.6×P_max；

上述温度检测单元不仅可以提高蒸汽发生器测温的精度，而且根据靠近加热箱的底板的水温以及收集罩内的蒸汽温度对加热棒的加热功率进行控制可以达到更好的控制精度，在加热之初采用全功率加热，利于快速产生蒸汽，在水温达到沸点后，即使加热箱中的水温保持不变，但是蒸汽温度过高时，控制单元仍然可以控制加热棒降低加热功率，防止加热箱过热，节约了能源，保证了蒸汽发生器输出的蒸汽量处于稳定的水平。

目前的蒸汽发生器的加热箱都有用于检测水位的液位计，这些液位计可采用连通管将加热箱的水引到加热箱外部并对液位进行计量，但是这种液位计会破坏加热箱的整体结构，并且由于高温高压的环境使得连通管式液位计的工艺要求较高。还有液位计可采用超声式等非接触式的检测方式，但是这种液位计需要在加热箱壁上开孔，会破坏加热箱的气密性，并且加热箱内是水垢或高温环境会降低探头的检测精度和使用寿命。其次，由于加热箱容量较大，在加热之初，由于加热时间较长才会产生蒸汽，也在一定程度上影响了烹饪食物的口感，浪费了能源。例如，现有的蒸汽发生器的加热箱的水量根据液位计的检测水位来控制，当加热箱中的水位较低时，水箱的进水阀打开加水以避免干烧，但是这个时候可能是加热的初期，加热箱上方蒸汽温度较低或者没有蒸汽，这时候加水会将加热水箱中的水温大大降低，从而显著延迟产生足够蒸汽的时间，不利于实时应用。

如图5所示，所述蒸汽发生器具有液位测量装置，所述导热板9作为第一电容极板，所述加热箱侧壁12作为第二电容极板，第一电容测量导线和第二电容测量导线将所述导热板、加热箱侧壁、测量电源以及电容测量单元连接成电容测量电路，所述电容测量单元用于测量导热板与加热箱侧壁之间的电容，并将电容检测信号发送给液位检测单元，所述液位检测单元根据所述电容检测信号得到加热水箱中的液位。由于空气或水蒸气与水之间的介电常数差距巨大(水的介电常数为78.5，而水蒸气或空气的介电常数略大于1)，因此，当加热水箱内的水位低于导热板9或加热棒3时，第一电容极板和第二电容极板之间的电容会发生显著变化，其电容值与加热水箱内的水位值成反比，因此可以通过测量导热板与加热箱侧壁之间的电容获知加热水箱内的液位。

进一步地，如图1所示，所述蒸汽发生器还包括一个储水箱4，所述储水箱通过管道向所述加热箱1中加水，所述管道上安装有控制阀5，所述液位检测单元发送开启或关闭指令控制所述控制阀5的开闭，以实现控制向所述加热箱1中的加水量。所述液位检测单元根据所述电容检测信号得到加热水箱中的液位，当加热水箱中的液位低于加热棒3的高度时，所述液位检测单元发送开启指令给控制阀5，所述控制阀5开启，储水箱4向加热箱1中加水；当加热水箱中的液位高于加热棒3的高度时，所述液位检测单元发送关闭指令给控制阀5，所述控制阀5关闭，储水箱4停止向加热箱1中加水。

本发明的液位测量装置的显著特点在于，其采用电容测量的方法，避免了在加热箱的侧壁上开孔或将液位计放置在加热箱内，避免了高温高压的环境对测量精度和测量仪器的影响，并且导热片同时起到了导热元件和电容极板的作用，其构思巧妙，节约了部件，使得蒸汽发生器的结构更加紧凑，同时，其导热板9的上端与加热棒的上端齐平，如果水位低于所述加热棒，第一电容极板和第二电容极板之间的电容的显著变化能够准确地获知加热棒未完全与水接触(即“干烧”)的信息，而不需要具体判断水位的具体高度值是否在安全范围之内，只要电容值的跳变可以区别加热棒被浸没或露出水面的两种状态，并可以根据不同的状态直接向控制阀发送控制指令，简化了控制步骤和控制电路的构成(只需要放大器或与非门电路即可实现控制指令的发送，而无需可编程器件的使用，降低了成本)，并且提高了控制的准确性和实时性，并且保证导热片随时全部被水浸没，节约了金属材料和电能。可以理解的是，加热棒或导热片的高度可以根据实际液位控制的需要设置，可以保证加热箱的水量始终处于合适的水平(即保持比加热棒高度稍高的水位)，在加热之初也可以快速产生蒸汽。

以上仅为本发明优选的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可想到变化或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内，上述实施例的任何组合都应理解为本发明公开的范围之内。

Claims (8)

1.一种基于液位测量装置的蒸汽发生器，所述蒸汽发生器包括加热箱，所述加热箱内部具有加热单元，所述加热单元包括若干个加热棒，由外部电源供电，所述加热棒的功率通过加热控制单元进行控制，其特征在于，所述蒸汽发生器的加热箱的上方连接有收集罩，所述收集罩具有较小的上端开口和较大的下端开口，所述收集罩具有倾斜的侧壁，所述蒸汽发生器还包括温度检测单元，所述温度检测单元包括第一温度传感器、第二温度传感器，加热棒的所述底座的外壁设置有第一温度传感器，所述第一温度传感器的测温探头用于测量加热箱内靠近加热箱的底板的水温并产生第一温度信号，所述第二温度传感器设置在所述收集罩倾斜的侧壁上，所述第二温度传感器的测温探头从所述侧壁上伸入收集罩内，用于测量流经收集罩倾斜的内侧壁的蒸汽温度，并产生第二温度信号。

2.如权利要求1所述的蒸汽发生器，其特征在于，所述加热棒呈圆柱体，加热箱底部具有可供导线通过的通孔，加热棒底座固定在通孔中。

3.如权利要求2所述的蒸汽发生器，其特征在于，所述加热箱的横截面为圆形，加热箱主体为圆柱体，所述加热箱由不锈钢制成。

4.如权利要求3所述的蒸汽发生器，其特征在于，加热棒下端还具有底座，所述底座由不锈钢制成，其安装在加热箱底板上。

5.如权利要求4所述的蒸汽发生器，其特征在于，所述加热箱中的加热棒的加热功率由加热控制单元控制，所述加热控制单元通过控制单个或多个加热棒的加热功率，所述加热控制单元接收第一温度信号和第二温度信号对加热棒的加热功率进行控制。

6.如权利要求5所述的蒸汽发生器，其特征在于，所述加热棒的侧表面垂直安装有对称的两块导热板，所述导热板由铝或不锈钢制成，所述加热板与所述底座、加热箱的侧壁均物理隔离，所述导热板的上端与加热棒的上端齐平。

7.如权利要求6所述的蒸汽发生器，其特征在于，所述导热板与第一电容测量导线连接，所述加热导线或第一电容测量导线均通过加热棒的底座引出，并通过加热水箱底板上的通孔引出加热水箱主体之外，第二电容测量导线与所述加热箱的侧壁具有连接点。

8.一种蒸汽发生器的控制方法，其基于上述权利要求1-7之一所述的蒸汽发生器，具体包括：

(1)所述加热控制单元接收第一温度信号和第二温度信号，分别得到第一温度值和第二温度值；

(2)所述加热控制单元判断所述第一温度值是否小于第一温度阈值，所述第一温度阈值代表加热箱内的水初始的温度；

(3)如果所述第一温度值小于所述第一温度阈值，所述加热控制单元设定每个加热棒的加热功率P＝P_max；所述P_max为最大加热功率；

(4)如果所述第一温度值大于或等于所述第一温度阈值，所述加热控制单元判断所述第一温度值是否小于第二温度阈值，所述第二温度阈值代表加热箱内的水沸腾的温度；

(5)如果所述第一温度值小于第二温度阈值，加热控制单元按以下公式设定每个加热棒的加热功率：

其中P为加热功率，w为第一加热系数，单位为℃/m³，S为加热箱截面积，h为加热水箱高度，所述w可根据加热水箱的容量设定；

(6)如果所述第一温度值大于或等于第二温度阈值，加热控制单元判断T₂-T₁-1是否大于零，如果大于零，加热控制单元按以下公式设定每个加热棒的加热功率：

其中k为第二加热系数，单位为℃/m³，所述w可根据加热水箱的容量设定；

如果T₂-T₁-1不大于零，加热控制单元按以下公式设定每个加热棒的加热功率：

P＝0.6×P_max。