CN111630467B - 热控制设备和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于加热负载的加热设备。加热设备包括加热器，其具有加热元件，加热元件用于接收电功率，并用于将电功率转换为热量以加热加热器的加热表面。加热设备还包括：温度传感器，其用于感测加热元件的温度并输出加热元件的温度的测量；功率致动器，其用于将电功率提供到加热器的加热元件；功率传感器，其用于感测通过功率致动器提供到加热元件的功率并输出通过功率致动器提供到加热元件的功率的测量；和控制电路系统，其用于控制功率致动器，以控制通过功率致动器传递到加热元件的功率。控制电路系统被配置为从温度传感器接收温度测量，从功率传感器接收功率测量，将温度测量和功率测量组合，并依照经组合的温度测量和功率测量来控制功率致动器。这确保在施加负载的整个期间加热表面的温度恒定。

Description

热控制设备和方法
技术领域
本发明涉及用于控制加热装置中的温度的设备和方法。本发明特别但非排他地涉及用于控制用于操纵头发的形状例如以便为头发造型的装置中的温度的设备和方法。
背景技术
存在可用于使头发造型的各种设备。已知该设备的一种形式是采用可加热的板的直发器。为了造型，将头发夹在板之间，并且在头发变得可塑的其玻璃转变温度以上进行加热。
直发器装置通常包括在一端铰接的一对臂，并且每个臂包括一个或多个加热器。每个加热器通常包括通常为陶瓷的加热元件以及通常为铝的一个或多个加热板。这种装置使头发夹在板之间，并且从两侧进行加热。头发具有相对高的热质量，并且当与加热板接触时，头发从加热板吸收大量的热能。加热元件必需将损失的热能快速地供应回加热板，否则加热板的温度将下降，并且可能影响热造型的质量。头发的热造型依赖于头发的玻璃转变相(GTP)温度：为了使头发造型，头发必需加热至其中头发的形状随后可被操控的GTP以上。当头发冷却下来时，维持头发的形状，直至用水将其“重置”为止。如果加热板的温度下降，使得头发不被加热至GTP以上，则该造型是不良的。另外，如果温度过高，则头发可能会永久受损，因此，在这种头发造型装置中进行精确的温度控制很重要。加热板的温度应尽可能高，以实现快速造型，并且尽可能快地将头发加热到GTP，但不要太热，以免在使头发造型装置缓慢移动通过头发时损坏头发。
通常，直发器使用高电压(例如110Vac至255Vac)进行供电。这意味着加热元件由高电压(高于安全特低电压，SELV)进行供电，并且在未隔离电子电路系统的情况下(出于成本原因)，温度传感器连接到电绝缘陶瓷加热元件。因此，通过电子装置经由传感器测量的温度不是加热板的表面(或头发的表面)的实际温度，而是测量陶瓷加热元件的温度。由于陶瓷加热元件与加热板之间的热阻(以及由于加热板和陶瓷加热元件本身的热阻)，整个陶瓷-铝组件上的温度下降，其与由加热器提供的功率成比例，比例常数是热阻。
本发明试图提供一种当突然施加热负载时快速补偿与加热器热连接的加热器两端的温度下降的方法。
发明内容
本文描述的新颖的控制系统背后的理念是在施加负载的整个期间试图确保加热表面的温度恒定。本发明可以应用于各种各样的装置，包括直发器或整发器、烹饪用具、加热的搅拌碗、热水器、咖啡机以及其它头发造型装置(诸如卷发钳、卷发装置、睫毛夹和干发器)。本发明允许例如在用于咖啡制作装置、水壶和淋浴器中时快速有效地加热水。
在第一方面中，本发明提供了用于加热负载的加热设备，该加热设备包括：加热器，其具有加热元件，所述加热元件用于接收电功率，并且用于将电功率转换为热量，以加热加热器的加热表面；温度传感器，其用于感测加热元件的温度(TC)和输出加热元件的温度(TC)的测量；功率致动器，其用于将电功率提供到加热器的加热元件；功率传感器，其用于感测通过功率致动器提供到加热元件的功率和输出通过功率致动器提供到加热元件的功率的测量；以及控制电路系统，其用于控制功率致动器来控制通过功率致动器传递到加热元件的功率，其中，该控制电路系统被配置为：从温度传感器接收温度测量(TC)；从功率传感器接收功率测量(P)；将温度测量和功率测量组合；
以及依照组合的温度测量和功率测量来控制功率致动器。
控制电路系统可以还被配置为基于加热表面的目标温度(TD)和加热器中的温度差(ΔT)来确定新的输出功率(Pnew)；其中，温度差(ΔT)是基于所接收到的功率测量(P)和加热器的热阻(Rth)。
可以基于所接收到的功率测量(P)乘以加热器的热阻(Rth)来计算加热器中的温度差(ΔT)。
确定新的输出功率(Pnew)可以包括确定所接收到的温度测量(TC)与加热表面的目标温度(TD)之间的差(D1)。
确定新的输出功率(Pnew)还可以包括将加热器中的温度差(ΔT)与所接收到的温度测量(TC)与加热表面的目标温度(TD)之间的经确定的差(D1)相加。
控制电路系统可以还被配置为确定新的输出功率(Pnew)，使得TC-TD-PnewRth＝0。
加热器还可以包括加热元件与加热表面之间的电绝缘界面。
加热表面可以是金属的。
加热设备可以包括整发器。
整发器可以包括适用于在打开配置与闭合配置之间可移动的彼此相对的第一臂和第二臂，所述打开配置用于在其间接收一段长度的头发，在所述闭合配置中，头发夹在相对的臂之间，并且所述臂中的至少一个可以包括加热器。
控制电路系统可以还被配置为对所述功率测量(P)应用加权，然后将所述温度测量和加权的功率测量组合。
可以选择所述加权，使得经加权的功率测量表示加热元件的温度与加热表面的温度之间的温度下降。
控制电路系统还可以被配置为将温度测量和功率测量组合，使得经组合的温度测量和功率测量表示加热表面的温度的测量。
控制电路系统还可以被配置为将加热表面的温度与加热表面的期望的温度进行比较，以生成误差信号，并且控制功率致动器以降低误差信号。
控制电路系统还可以被配置为过滤温度测量，以便于降低噪声，并且/或者被配置为过滤功率测量以降低噪声。
在另一方面中，本发明提供了一种控制加热器的方法，所述加热器包括加热元件，其用于从功率致动器接收电功率，并且用于将电功率转换为热量以加热加热器的加热表面，所述方法包括：接收加热元件的温度测量(TC)；接收提供到加热元件的电功率的功率测量(P)；将温度测量和功率测量组合；以及依照组合的温度测量和功率测量来控制功率致动器。
在另一方面中，本发明提供了一种整发器，包括：加热器，其用于加热头发，所述加热器具有加热元件，所述加热元件用于接收电功率，并且用于将电功率转换为热量以加热加热器的加热表面；温度传感器，其用于感测加热元件的温度(TC)和输出加热元件的温度(TC)的测量；功率致动器，其用于将电功率提供到加热器的加热元件；功率传感器，其用于感测通过功率致动器提供到加热元件的功率和输出通过功率致动器提供到加热元件的功率的测量；以及控制电路系统，其用于控制功率致动器来控制通过功率致动器传递到加热元件的功率，其中，该控制电路系统被配置为：从温度传感器接收温度测量(TC)；从功率传感器接收功率测量(P)；将温度测量和功率测量组合；
以及依照组合的温度测量和功率测量来控制功率致动器。
附图说明
将参照附图仅通过示例的方式来描述本发明的实施例，在附图中：
图1示出整发器；
图2是通过加热器的截面图；
图3是示出热控制系统的示意性框图；
图4是示出形成图3中所示的系统的一部分的控制电子装置的主要部件的示意性框图；
图5是控制电子装置的等效电路；
图6是示出利用示例性实施方式获得的实验结果的曲线图；以及
图7是示出了另一热控制系统的示意性框图。
在附图中，同样的元件始终由同样的附图标记表示。
具体实施方式
本实施例代表将本发明付诸实践的申请人已知的最佳方式。然而，它们并不是可实现本发明的唯一方式。
整发器的概述
图1示出采用热控制系统的整发器1。整发器1包括通过铰接机构2耦接在一起的第一可动臂4a和第二可动臂4b。第一可动臂4a和第二可动臂4b彼此相对，并且借助于铰接机构2相对于彼此可移动。因此，用户在使用期间可以将第一臂4a和第二臂4b靠拢以成为闭合配置，或者分开以成为打开配置。
第一臂4a承载第一加热板6a，第二臂4b承载第二加热板6b。第一加热板6a和第二加热板6b彼此相对，并且在使用时随着第一臂4a和第二臂4b靠拢而靠拢，或者随着第一臂4a和第二臂4b分开而分离。加热板6a、6b形成各个加热器的一部分。
铰接机构2可以包含允许第一臂4a和第二臂4b相对于彼此移动的任何合适的装置。
铰接机构2可以被配置为将第一臂4a和第二臂4b偏置为打开配置，使得要求用户向臂4a、4b施加压力以将它们闭合在一起，并且使得一旦去除压力就自动打开臂4a、4b。例如，铰接机构2可以包含板簧或盘簧以提供该偏置。可替换地或另选地，第一臂4a和第二臂4b可以一体地形成(例如，由塑料材料形成)，并且具有在第一臂4a与第二臂4b之间设置的“U”形中间部分，“U”形中间部分能够弹性弯曲以允许打开和闭合第一臂4a和第二臂4b。
整发器1的电气和电子电路系统被容纳在第一臂4a中，在第一臂4a上提供有开关3，以使整发器1能够被打开或闭合，并且与灯5一起指示电源是否被打开。整发器1的电气和电子电路系统也可以容纳在第二臂4b中，或者在臂4a和4b之间分开。当打开并准备使用整发器1时，也可以由声音生成器(未示出)来播放声音。开关3、灯5和声音生成器(如果包括)一起形成用户界面。在可替代的实施例中，用户界面可以包括附加部件(诸如，例如，用于向用户提供有关造型器的操作状态的更多信息的显示装置)。
在使用时，将头发夹在两个加热板6a、6b之间，然后移动整发器，使得通过整发器在第一加热板6a与第二加热板6b之间拉头发。热量从加热板6的头发接触的表面传递到头发中，以允许使用该装置对用户的头发进行造型。
加热器
图2是通过加热器10(穿过臂4的宽度)的截面图，其示出了每个臂4上承载的加热器10的主要部件(也被称为加热器堆叠件或热堆叠件)。如所示出的，加热器10包括经由界面18热连接的加热元件15和加热板6。
通常，加热元件15由陶瓷材料形成，加热板6由铝形成。
界面18通常包括导热的导热胶，例如，氧化铝胶。
界面18可以附加地或可替换地包括热障。这可以包括紧密烧结的陶瓷的层和/或热稳定塑料(诸如Kapton胶带)的层。通常，在加热器10中将存在这样的屏障，以便提供电绝缘以用于提高安全性，或者符合标准或法规。作为特定示例，一些地区具有法规，出于安全目的(例如，降低用户遭受电击的危险)，该法规要求电气产品(诸如整发器)在电加热装置与外表面之间包括Kapton胶带的层。大多数电绝缘体是出色的热绝缘体，因此具有非常高的热阻。
加热器10还包括温度传感器19(诸如热敏电阻)，其设置在加热元件15上，在与加热板6的相对侧上。
图2还示出加热器的一些参数，包括：Tp，其是加热板6的温度；Tc，其是如由温度传感器19测量的加热元件15的温度；ΔT，其是加热元件15与加热板6之间的温度下降；以及Rth，其是加热元件15与加热板6之间的热阻。优选地，Rth考虑加热板6的热阻和加热元件15的热阻。因此，ΔT是该热阻两端的温度差。
利用标准物理定律，板温度可以被计算为：
TP＝TC–ΔT 等式1
ΔT与穿过热界面18的热阻和热功率PI有关，所以TP可以被写为：
TP＝TC-RthPI 等式2
因此，如果测量了(或已知)穿过界面18的功率PI和界面18的热阻Rth，则可以确定加热板6的温度TP。
在等式2中，功率PI是热功率，即，Q/t，其中，Q是以焦耳为单位的热能，t是时间。热能Q源自将电能转换为热能的加热元件15。如以下所述，加热元件15供应有电功率P。发明人发现，在将电功率转换为热功率的系统中的损失很小并且通常是恒定的，因此可以使用供应到电热元件15的电功率P的测量来推断散布在界面18上的热功率PI。例如，可以通过对电功率P应用适当的加权因子以考虑系统损失，或通过将加权因子合并到界面18的热阻Rth中来完成此操作。通常，加权系数是恒定的乘法因子。
在现有技术的系统中，反馈控制回路以这种方式起作用：通过功率致动器打开和关闭加热器，使加热元件的温度尽可能保持恒定。换言之，控制回路用来确保TC和所需的板温度或目标温度Td尽可能接近。这意味着TP由于等式2而总是小于TC：PI和Rth始终为正，因此温度可能不够高以至于无法造型。
另外，期望使加热板6(其与头发接触)保持在恒定的期望(目标)温度。这可以通过将传感器放置在加热板6中或非常靠近加热板6的与头发接触的表面来实现。然而，这是昂贵的并且在高电压系统上非常困难，因为在可被用户接触的导电部分与电路之间需要隔离间隙距离。能够使用电绝缘材料，但是通常这种材料是极好的绝热体，因此存在上述相同的问题。
如以下将更加详细地描述的，控制电子装置24使用造型装置的知识，以基于TC和P的波动来确定TP，然后调节P以确保恒定的TP。
在现有技术中，加热元件与加热板之间的热阻会在头发的造型期间使性能劣化，因为温度传感器识别板上的温度下降所花费的时间很长，因此增加了温度下降的幅度。本发明使用TC和P的波动来计算控制信号，该控制系统采用一种前馈控制，即使在加热元件15与加热板6之间存在热障(例如，ΔT高)，并且即使负载被施加到加热板6，该前馈控制也有利地确保恒定的TP。
热控制系统
图3是示出为了控制电功率到加热器10的传递而在图1的整发器1中使用的热控制系统20的示意性框图。
热控制系统20包括电源单元21、控制电子装置24、功率致动器22、用户界面25、功率传感器27、加热元件15和温度传感器19。为了完整，图3还示出加热板6。热控制系统20被配置为改变供应到加热元件15的电功率，以便于在将热负载(诸如用户的头发)施加到加热板6时将加热板6维持在恒定的温度TP。
加热元件15热耦合到提供加热元件15的温度TC的测量的温度传感器19。
功率致动器22为加热元件15供电。功率致动器22可以包括三端双向可控硅开关元件(triac)和/或用于控制输出到加热元件15的功率的任何合适的装置。
功率传感器27测量通过功率致动器22输出的电功率P，并且将功率P的该测量提供到控制电子装置24。如以上所陈述的，由于系统中存在很少的损失，因此供应到加热元件18的电功率可以等于穿过加热元件15与加热板6之间的界面18的热功率PI，表示系统中的能量的损失的加权因子包括界面18的热阻Rth。如以下将进一步解释的，在系统的校准期间完成该操作。
如以上参照等式2所述，可以根据加热元件15的温度(TC)以及通过测量穿过加热元件15与加热板6之间的界面18的功率PI和界面18的热阻Rth来确定加热板的温度TP。
控制电子装置24(其可以包括PID(比例、积分、微分)控制器)基于从温度传感器19接收的加热元件15的温度的测量(TC)和从功率传感器27接收的通过功率致动器22输出的功率的测量(P)两者来控制功率致动器22。这些测量被控制电子装置24用来控制由功率致动器22输出的功率，以便于尝试并达到经由用户界面25被用户限定的加热板6的目标温度Td。Td还被称为设定点或控制温度，并且优选地具有约185℃的值。
尽管185℃是优选的目标温度，但是为了对头发造型，目标温度可以在例如30℃至230℃的范围内。这有利地允许多种造型选择，包括将整发器应用于湿发的“湿造型”。在此情况下，可以例如通过使用检测器来测量头发的水含量，该检测器将红外源发射并被头发反射的光谱中两个吸收带中的辐射能的量进行比较。基于此测量，可以相应地调整目标温度以阻止发生损坏。如以下进一步描述的，目标温度的其它范围可以用于不同的应用，诸如在电淋浴器中。
如将在以下更加详细地描述的，控制电子装置24被有效地配置为使用加热器温度TC和电功率P的测量值以及与界面18的热阻(Rth)有关的预存储数据来确定TP的实际值，由此得出目标值Td与实际值TP之间的误差。然后，控制电子装置24使用该误差来计算并输出控制信号，该控制信号将使功率致动器22输出施加至加热元件15的更新的电功率信号，并将该误差减小至零。
功率致动器22可以通过改变施加到加热元件15的电流和/或电压来改变传递到加热元件15的功率。在优选实施例中，由控制器生成的控制信号是脉冲宽度调制(PWM)的信号，其导通和断开功率致动器22，并且其中功率通过改变PWM控制信号的标记空间比而改变。
与界面18的热阻(Rth)有关的预存储数据存储在形成控制电子装置24的一部分的非易失性存储器(未示出)中。通常在测量Rth和加热器10的电阻的生产期间首先校准造型装置时执行此操作。特别地，这在生产中通过使用外部设备通过串行通信链路控制该装置并将该装置上的TC设定为已知目标值来实现。然后，直接使用外部设备来测量TC和TP及其它们各自的变化率两者。然后，该数据可用于计算加热器电阻和热阻的实际值。然后例如经由通信链路将这些值加载到非易失性存储器中。在这一点上，还可以通过将加权因子并入热阻Rth中来测量和解释系统中的能量损失。可替换地或附加地，可以通过对经测量的电功率P应用合适的加权因子来在控制电子装置24中解释系统损耗。
Rth是负载或板对空气的热阻，可以认为，该热阻在加载或卸载的板之间(无论有无头发)不太可能改变。这显然是简化的系统，并且不考虑热质量。在实践中并且与标准思想相反，发明人已经发现不需要考虑热质量。
由功率传感器27和温度传感器19两者生成的测量信号可以通过电滤波器以降低噪声的影响。同样，也可以过滤由功率致动器22生成的信号以减少施加到加热元件15的电功率的突然变化。
电源单元21将功率提供到热控制系统20。在该实施例中，电源单元21与控制电子装置24连接，控制电子装置24轮流向为加热元件15供电的功率致动器22提供功率。将理解，可以例如通过将电源单元21直接连接到功率致动器22来提供不同的布置以用于为热控制系统20供电。
电源单元优选地使用相对较高的电压(例如，110Vac至255Vac)为热控制系统20供电。例如，电源单元21可以将电源电压(230Vac)供应到热控制系统20。
控制回路
图4是示出形成图3中所示的控制系统的一部分的控制电子装置24的主要部件的示意性框图。如所示出的，温度测量值TC被输入到滤波器块31，该滤波器块31对温度测量进行过滤(以减小噪音的影响)。滤波器块31由传递函数(E)表示。然后，在减法单元33中从期望的或设定的点温度Td中减去经过滤的温度测量。相似地，在滤波器块35中对功率测量(P)进行过滤，以降低噪声的影响。滤波器块35由传递函数(H)表示。滤波器块35具有与Rth对应的增益(加热元件15与加热板6之间的热阻，如在上述校准程序期间用于造型装置所确定的)。然后，将经加权和过滤的功率测量输入到加法单元37，在该加法单元37中将其与来自减法单元33的输出相加。然后将加权和滤波后的功率测量值输入到加法单元37，在此将其与减法单元33的输出相加。然后，将来自加法单元37的输出或误差信号(e)输入到控制器39并通过等式3给出：
e＝Td-TC+RthP＝Td–(TC-Rth P)＝Td-Tp 等式3
由于Td是加热板15的期望温度，并且Tp是加热板的实际加热板温度，因此控制器39可以使用由此生成的误差信号来控制施加到加热元件15的功率，以便将该误差信号驱动至零。只要新的测量可从传感器获得，控制器39就可以计算输出控制信号的更新。可替换地，滤波器可以在输出用于控制器39的过滤的值之前对多个测量进行过滤。发明人已经发现，控制器仅需要以约每0.1至0.5秒一次的速率更新输出控制信号，以实现对整发器的稳定控制。
如以上所讨论的，在优选实施例中，由控制器生成的控制信号是脉冲宽度调制(PWM)信号，其打开和关闭功率致动器22，并且其中通过改变PWM控制信号的占空比来改变功率。还必须注意确保控制器39不尝试以大于加热器的额定功率(如由加热器制造商定义为Pmax)的功率来驱动加热器。控制器39通过确保PWM控制信号的占空比不超过由以下计算出的最大值(Dmax)来做到这一点：
Figure BDA0002594190700000111
其中，V是从电源单元接收的电压(例如，230Vac)，R是加热器的电阻。
传递函数表示
图5是示出温度传感器、功率传感器、滤波器和控制器作为具有传递函数的块的控制回路的等效电路。加热器10上的负载由电阻Rload表示，加热元件与加热板之间的热阻由电阻Rth表示。
温度传感器和滤波器、功率传感器和滤波器以及控制器和功率致动器的组合传递函数分别为E、H和G。
如图5中所示，过滤温度测量TC以提供过滤的温度测量Tsf，其中，Tsf＝E*Tc。
过滤功率测量P以提供过滤的功率测量Psf，其中，Psf＝H*P。
优选地，使用十分之一度来测量温度，并且使用毫瓦来测量功率。
因此，目标温度Td与板温度TP之比可以由下式给出：
Figure BDA0002594190700000112
如果将传递函数H的增益设定为：
H＝E*Rht
则：
Figure BDA0002594190700000121
实际上，在其中板拉直头发的直发器的情况下，相关输入(即，排除噪声和不需要的信号的输入)是恒定的或者是DC，因此传递函数可以由纯实数增益(不复杂)定义，对于所有感兴趣的Rload值，G*Rload非常大。这表示：
Figure BDA0002594190700000122
因此，如果传递函数E的增益为单位增益，则板温度(TP)的稳态值是与负载无关的目标温度(Td)。因此，使用图5中的反馈方案，可以在不需要加热器板上的传感器的情况下精确地跟踪加热器板温度(TP)至目标温度。
通常选择滤波器31和滤波器35以降低噪声(例如，温度传感器的50Hz陷波滤波器)或使信号平均化(例如，功率传感器的低通滤波器)，因为使用半周期控制AC功率的性质不是很平滑)。
也可以调整滤波器传递函数以改变系统的动态响应，并且滤波器传递函数可以包括用于改变相位等的复杂项。
在选择滤波器传递函数时，还必须考虑控制系统的稳定性。作为我们的实施方式中的安全预防措施，通过以下方式在运行时检查稳定性：确保如果控制器39的输出为零，则温度应在预定的超时时间内停止升高。
实验结果
图6是示出使用示例性实施方式获得的结果的曲线图。在该实施方式中，直接测量加热板温度Tp。
在示例性实施方式中，传递函数描述如下：
E是除阻带(30-80Hz)外的具有单位增益的二阶陷波滤波器。
G为由PID控制器(P＝1.5,I＝0,D＝0)和纯串级增益10组成的值15。
H是一阶低通滤波器，其增益被设定为如在上述校准程序期间测量的Rth(在本实施例中通常为0.133)。
示例性实施方式的设计使得当加热板空转(不是加热头发)并且功率致动器22向加热板15输送12W时，Rload被计算为15欧姆，因此G*Rload＝225，其倒数为0.004，因此，Tp/Td＝0.996。当加热板负载有头发并且功率致动器22向加热板15输送30W功率时，Rload为5欧姆，G*Rload＝75，其倒数为0.013，因此Tp/Td＝0.987。
由于设计示例性实施方式的方式(每320毫秒控制一次向加热器的功率传输)，还存在时间延迟。实际上，Rload实际上是由Rload和Cload并联组成的复阻抗Zload的一部分。在稳态或DC状态下，所有传递函数中的频率相关项均为零，我们可以将上述传递函数视为纯增益。
在图6中，y轴示出了加热板的以摄氏度为单位的温度Tc和板的温度TP，x轴示出了以秒为单位的时间。结果总结如下。
0–119秒——未基于TC和P的控制:
在0到30秒之间，加热板15被卸载(加热板15之间没有头发)：可以看出Tc处于设定点温度Td＝185℃。然而，板温度Tp为比Tc低2℃的183℃。测得功率P为20W。在t＝30秒时在加热板15之间施加负载(头发)持续20秒。可以看出板温度Tp从183℃下降到178℃。Tc明显升高，但这是由于负载的局部性质和测量热电偶(控制器39，因为它使用了平均传感器，所以Tc中没有温度变化)的点性质造成的。
120–300秒——基于TC和P的控制
在t＝120秒时，使用2℃温度下降和20W功率的参数来激活基于TC和P的控制。紧接着，板温度Tp上升到185℃(与设定点温度Td相同)，Tc上升到187℃。在t＝200秒时，施加与之前相同的负载持续40秒。明显升高到200℃以上的Tc是由于上述控制作用所致，这导致板温度几乎保持不变(可以通过更精细地调整补偿参数来消除2℃的升高)。可以看出，随着负载温度升高，温度Tc开始下降，这与消耗的功率较小是一致的。在时间t＝240秒时，突然卸下了负载，系统返回到其未受干扰的状态。
可以从上面可以看出，通过测量施加到加热元件的功率并且使用它来有效地确定加热元件15与加热板6之间的温度下降的测量，控制器39能够快速地补偿施加到加热板6的热负载的变化。这可以更好且更精确地控制加热板6。
额外的加热器
上面的描述解释了用于控制单个加热器板的温度的控制策略。如上所讨论的，在图1的整发器中，有两个加热器(加热元件和加热板)。可以提供并联控制回路以独立地控制两个加热器。可替换地，可以提供一个控制器来控制两个加热器的加热–如图7中所示。
如图7中所示，热控制系统70包括电源单元21、控制电子装置24、功率致动器22和用户界面25。除了热控制系统70的控制电子装置24和功率致动器22适用于控制两个加热器的加热之外，，这些元件与以上图3中描述的元件相似。加热元件15a、温度传感器19a和加热板6a形成第一加热器的一部分，加热元件15b、温度传感器19b和加热板6b形成第二加热器的一部分。
第一功率传感器27a测量通过功率致动器22输出到第一加热器的电功率P，并且将功率P的该测量提供到控制电子装置24。第二功率传感器27b测量通过功率致动器22输出到第二加热器的电功率P’，并且将功率P’的该测量提供到控制电子装置24。
热控制系统70被配置为：当将热负载(诸如用户的头发)施加到加热板6a和6b时，改变供应到加热元件15a和15b的电功率，以便将加热板6a和6b维持在恒定温度TP。
修改物和替换物
以上已经描述了示出了这样的方式的实施例：其中，控制电子装置可以在不使用板上的温度传感器的情况下确定加热表面(加热板的表面)的温度，而是通过测量随着负载被施加到加热表面由装置获取的功率，从而与被感测温度的加热元件之间的温度下降以及加热元件与加热板之间的热阻(在校准程序中确定)有关。
如本领域技术人员将理解，可以对上述控制系统进行各种修改和替换，并且现在将描述其中的一些。
在上述加热器中，温度传感器附着到加热元件的与加热板相对的一侧。在可替代的实施例中，温度传感器可以嵌入加热元件内，使得温度传感器在更靠近加热板的位置感测加热元件的温度。另外，温度传感器可以不是加热器自身的一部分，但是可以附着到加热器和/或被放置为与加热器热接触，优选地，与加热元件接触。
在上述加热器中，热界面设置在加热元件与加热板之间。热界面可以包括导热胶、热障/绝缘体、气隙和粘合剂中的一个或多个。如果需要，可以省略该热界面，其中，加热元件将与加热板直接接触的情况。然而，优选使用热界面，因为它允许加热元件与加热器板之间更好的热接触，这允许它们之间更好的热传递。
在以上实施例中，使用功率传感器来测量通过功率致动器22输出的功率。测量由功率致动器22输出到加热器的电功率有多种方式。例如，可以测量施加到加热器的电压或电流，其中，可以根据施加到加热器的电压或电流使用常规的P＝I2R或P＝V2/R等式来确定功率测量。
在通过功率致动器改变的电压(或电流)的占空比的情况下，可以测量均方根(rms)电压(或电流)并乘以功率致动器的占空比。因此，V2＝Vrms2×占空比。
加热器的电阻(R)取决于加热器的温度。温度/电阻曲线由制造商定义，因此可以通过使用感测到的温度确定加热器电阻并将其乘以上面计算的V2值来确定功率测量。
控制电子装置还可以被配置为控制功率致动器的最大功率输出，以便改变在造型时头发获得的体积量。由于头发的动态响应，高的最大功率意味着，当将一束头发施加到加热板上时，头发将被迅速加热，从而导致了较小体积的直发。另一方面，较低的最大功率意味着当将一束头发施加到加热板时，头发将被更慢地加热，从而导致更大的头发体积。
注意，对于大的热负载，降低最大功率可能会降低整个应用期间负载的温度升高。然而，对于较小的热负载(例如头发)，总的温度升高大致相同，同时改变加热的速率。加热的速度影响头发的体积。
在以上实施例中，加热器包括加热板。如本领域技术人员将理解的，加热板不需要呈板的形状。加热板的目的是提供加热表面，热量可以通过加热表面从加热板传递到要加热的负载，在上述情况下，要对头发进行加热。该加热表面可以具有任何形状。
上述传递函数中给出的值是示例性的。本领域技术人员将理解，这些值可以根据例如在除整发器之外的装置中的特定应用而变化。
已经描述了新的控制系统，用于控制向直发器的加热器施加功率。如本领域技术人员将理解的，上述技术可以在其它头发造型和/或操作装置(包括但不限于卷发装置、睫毛夹和卷发器)中广泛地使用。
此外，上述技术可以应用于采用热控制的许多其它装置，例如，电淋浴器、烹饪装置和咖啡机。
在电淋浴器的情况下，采用以标准方式进行热控制的系统，水可能需要几分钟才能加热到期望的温度，并且在某些情况下水可能不会保持在期望的温度下。例如，当淋浴器关闭时，加热元件中的残留热量会将加热区域中的水加热到不希望的温度。如果随后突然再次打开淋浴器，则这些水很容易使用户感到不适。
使用上述技术，可以至少部分解决这些问题。通过测量加热元件的温度以及通过淋浴器中的功率致动器供应到加热元件的功率(例如，淋浴器的功耗)，可以控制功率致动器以减少水达到期望的温度所花费的时间段。另外，通过测量加热元件温度和功率输入，可以减少加热器中的残留热量，因为加热器的温度控制更加精确。通过测量流过花洒的水流量，也可以使控制更加精确，因为这表明施加到加热器的负载。
对于电淋浴器，控制温度优选在60℃至95℃的范围内。
在咖啡机的情况下，重要的是施加到磨碎的咖啡豆上的蒸汽或热水处于恒定的温度和正确的温度，以确保来自咖啡豆的正确有机化学物质最终进入咖啡中，以确保正确的苦度和咖啡油脂的水平。过去，传统上是使用大型铜块来存储热量以加热水来实现的。这意味着这种咖啡机需要很长时间才能预热并准备好操作，并且这些机器笨重且效率低下。更便宜和方便的替换方法是使用大功率加热元件，但是必须精确控制这些加热元件以确保正确的水或蒸汽温度。
使用上述技术，可以至少部分解决咖啡机中的这些问题。通过测量加热元件的温度和由咖啡机中的功率致动器供应到加热元件的功率(例如，咖啡机的功耗)，可以精确地控制水温。通过额外测量水流量和磨碎的咖啡豆温度，可以进一步改善该控制。
对于咖啡机，控制温度优选在80℃至120℃的范围内。
在加热的搅拌碗或类似的烹饪装置(这种产品的示例包括Vorwerk Thermomix和Kenwood食物搅拌机)的情况下，重要的是要确保所搅拌的食物不过热，并且要均匀加热以防止结块的酱料或使食物烧焦。使用上述技术，通过测量加热元件的温度以及由加热的搅拌碗或类似烹饪装置中的功率致动器供应到加热元件的功率(例如，装置的功耗)，可以精确地控制施加到食物的热量。相似地，这可以应用于烤箱和真空消毒装置。
对于烹饪装置(包括加热的搅拌碗和烤箱)，控制温度优选在30℃至230℃的范围内。
毫无疑问，对于技术人员而言，将出现许多其它有效的替换物。将理解，本发明不限于所描述的实施例，并且包含落入所附权利要求书的范围内的对本领域技术人员而言显而易见的修改。
在本说明书的整个描述和权利要求书中，词语“包括”和“包含”及这些词语的变型(例如，“包含”)意味着“包括但不限于”，并且不意图(不包括)排除其它部件、整体或步骤。

Claims (17)

1.一种用于加热负载的加热设备，所述加热设备包括：
加热器，其具有加热元件(15)，所述加热元件(15)用于接收电功率，并且用于将电功率转换为热量，以加热所述加热器的加热表面(6)；
温度传感器(19)，其用于感测所述加热元件(15)的温度并输出所述加热元件(15)的温度测量(TC)；
功率致动器(22)，其用于将电功率提供到所述加热器的所述加热元件；
功率传感器(27)，其用于感测通过所述功率致动器(22)提供到所述加热元件的功率并输出通过所述功率致动器(22)提供到所述加热元件的功率测量(P)；以及
控制电路系统(24)，其用于控制所述功率致动器(22)来控制通过所述功率致动器传递到所述加热元件的功率，其中，所述控制电路系统(24)被配置为：
从所述温度传感器(19)接收所述温度测量(TC)；
从所述功率传感器接收功率测量(P)；
将所述温度测量(TC)和所述功率测量(P)组合；以及
依照经组合的温度测量(TC)和功率测量(P)来改变通过所述功率致动器(22)递送到所述加热元件的功率，以将所述加热表面的温度驱动到期望的操作温度；
所述控制电路系统(24)还被配置为：
基于所述加热表面(6)的目标温度(TD)和所述加热器中的温度差(ΔT)来确定新的输出功率(Pnew)，所述温度差(ΔT)是所述加热元件(15)与所述加热表面(6)之间的温度下降；
其中，所述温度差(ΔT)基于接收到的功率测量(P)和所述加热器的热阻(Rth)，所述热阻(Rth)是所述加热元件(15)与所述加热表面(6)之间的热阻。
2.根据权利要求1所述的加热设备，其中，所述控制电路系统(24)被配置为通过将所述温度测量(TC)和所述功率测量(P)组合来确定所述加热表面的温度的测量，并且依照所述加热表面的温度的确定的测量来控制所述功率致动器(22)。
3.根据权利要求1所述的加热设备，其中，基于接收到的功率测量(P)乘以所述加热器的热阻(Rth)来计算所述加热器中的温度差(ΔT)。
4.根据权利要求1所述的加热设备，其中，确定新的输出功率(Pnew)包括：
确定接收到的温度测量(TC)与所述加热表面(6)的目标温度(TD)之间的差(D1)。
5.根据权利要求4所述的加热设备，其中，确定新的输出功率(Pnew)还包括：
将所述加热器中的温度差(ΔT)与接收到的温度测量(TC)与所述加热表面(6)的目标温度(TD)之间的确定的差(D1)相加。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的加热设备，其中，所述控制电路系统(24)还被配置为确定所述新的输出功率(Pnew)使得TC-TD-PnewRth＝0。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的加热设备，其中，所述加热器还包括在所述加热元件(15)与所述加热表面(6)之间的界面。
8.根据权利要求7所述的加热设备，其中，所述界面包括电绝缘界面和热绝缘界面中的至少一个。
9.根据权利要求1至5中任一项所述的加热设备，其中，所述加热表面(6)是金属的。
10.根据权利要求1至5中任一项所述的加热设备，其中，所述加热设备包括整发器。
11.根据权利要求10所述的加热设备，其中，所述整发器包括适用于在打开配置与闭合配置之间移动的彼此相对的第一臂和第二臂，所述打开配置用于在所述第一臂和所述第二臂之间接收一段头发，在所述闭合配置中，头发夹在相对的臂之间，并且所述臂中的至少一个包括所述加热器。
12.根据权利要求1至5中任一项所述的加热设备，其中，所述控制电路系统(24)还被配置为对所述功率测量(P)应用加权，然后将所述温度测量(TC)和加权的功率测量(P)组合。
13.根据权利要求12所述的加热设备，其中，选择所述加权，使得加权的功率测量(P)表示所述加热元件的温度与所述加热表面的温度之间的温度下降。
14.根据权利要求2或13所述的加热设备，其中，所述控制电路系统(24)还被配置为将所述加热表面的温度与所述加热表面的期望的温度进行比较，以生成误差信号，并且控制所述功率致动器以降低所述误差信号。
15.根据权利要求1至5中任一项所述的加热设备，其中，所述控制电路系统(24)还被配置为过滤所述温度测量(TC)以便于降低噪声，并且/或者被配置为过滤所述功率测量(P)以降低噪声。
16.一种控制加热器的方法，所述加热器包括加热元件(15)，其用于从功率致动器(22)接收电功率，并且用于将电功率转换为热量以加热所述加热器的加热表面(6)，所述方法包括：
接收所述加热元件(15)的温度测量(TC)；
接收提供到所述加热元件(15)的电功率的功率测量(P)；
将所述温度测量(TC)和所述功率测量(P)组合；
依照组合的温度测量(TC)和功率测量(P)来控制所述功率致动器(22)，所述控制包括依照经组合的温度测量(TC)和功率测量(P)来改变通过所述功率致动器(22)递送到所述加热元件的功率，以将所述加热表面的温度驱动到期望的操作温度；以及
基于所述加热表面(6)的目标温度(TD)和所述加热器中的温度差(ΔT)来确定新的输出功率(Pnew)，所述温度差(ΔT)是所述加热元件(15)与所述加热表面(6)之间的温度下降；
其中，所述温度差(ΔT)基于接收到的功率测量(P)和所述加热器的热阻(Rth)，所述热阻(Rth)是所述加热元件(15)与所述加热表面(6)之间的热阻。
17.一种整发器，包括：
用于加热头发的加热器，所述加热器具有加热元件(15)，所述加热元件(15)用于接收电功率，并且用于将电功率转换为热量以加热所述加热器的加热表面(6)；
温度传感器(19)，其用于感测所述加热元件(15)的温度并输出所述加热元件(15)的温度测量(TC)；
功率致动器(22)，其用于将电功率提供到所述加热器的加热元件；
功率传感器(27)，其用于感测通过所述功率致动器(22)提供到所述加热元件的功率并输出通过所述功率致动器(22)提供到所述加热元件的功率测量(P)；以及
控制电路系统(24)，其用于控制所述功率致动器(22)，以控制通过所述功率致动器传递到所述加热元件的功率，其中，所述控制电路系统(24)被配置为：
从所述温度传感器(19)接收所述温度测量(TC)；
从所述功率传感器接收所述功率测量(P)；
将所述温度测量(TC)和所述功率测量(P)组合；以及
依照经组合的温度测量(TC)和功率测量(P)来改变通过所述功率致动器(22)递送到所述加热元件的功率，以将所述加热表面的温度驱动到期望的操作温度；
所述控制电路系统(24)还被配置为：
基于所述加热表面(6)的目标温度(TD)和所述加热器中的温度差(ΔT)来确定新的输出功率(Pnew)，所述温度差(ΔT)是所述加热元件(15)与所述加热表面(6)之间的温度下降；
其中，所述温度差(ΔT)基于接收到的功率测量(P)和所述加热器的热阻(Rth)，所述热阻(Rth)是所述加热元件(15)与所述加热表面(6)之间的热阻。
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