CN1791796A - 用于检测流体尤其是食用油品质及/或变质的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及到一种用于检测流体尤其是油的品质及/或变质的装置，包含一个由至少一对空间相互间隔的电极构成的传感器。所述的传感器被浸入至被检测的流体中。电极和流体形成一个电容元件，其电容依照流体的电容率而发生变化。此传感器可提供一个代表所述电容率的输出电信号。本发明的装置也包含处理工具，其接收输出信号并能够根据所述的输出信号判断流体的品质及/或变质程度。本发明其特征在于，电极在同一平面内充分地延伸，并且其特征在于，流体包围了位于所述平面两侧的电极的两个表面。

Description

用于检测流体尤其是食用油品质及/或变质的装置

本发明涉及到一种用来检测流体尤其是油的品质及/或变质的电容装置。本发明尤其涉及到用于这种检测食用油的品质及/或变质的装置，例如检测直接用在烹饪设备中的煎炸用油。

众所周知，食用油在烹饪期间会发生变质，尤其当油被重复加热至高温时。典型地，为了煎炸食物，这些油被加热至超过180℃的温度。在这样的温度下，发生了大量的化学反应，如聚合反应，热氧化反应等，可显著改变油的品质。这些反应产生的某些物质的量一定不能超过法律规定的限值，因为超出限值，油便被认为不适合食用。因此，为了尽可能在必须更换油的时候采取相应行动，能够以令人信赖的方式检测出限值是非常重要的。很长一段时间内，限值的判定由厨师来进行，他们对油进行视觉和嗅觉的检测后，判定油是否适合继续食用。当然，这种方法完全来自于主观判断，因而是不可信的。

为客观地检测食用油的品质及/或变质，迄今为止的现有技术中已经提出了各种各样的装置来试图解决这个问题。因为食用油的变质导致在油中发生热氧化反应，并且这种反应产生了极性化合物。在电容器中，被检测的油形成了电介质，而通过测量该电容器的电容，并且油的变质程度已经同油的电容率形成了相互联系，由此该装置可以被设想出来。

这种装置在序列号为5818731的美国专利申请中被用作例子来披露。这份文件披露了一种用来检测食用油品质的装置，这些食用油被装入烹饪设备，如油炸锅中。该装置同时还检测电容的变化以及在烹饪或煎炸温度范围内油的光传输。电容检测装置包含两套平行的板组，相互交叉，由此形成一个测量电容器。当两套板组浸入至油中，油形成所述测量电容器的电介质，并且电容的变化通过直流振荡桥接电路的方式被检测出来。然而，这个装置具有多个缺点。第一个缺点在于板组间的空间小，并且当板组投入油中时，油由于毛细现象而不能轻松地在板组之间流动。因此，呈现在板组间的油的规律性变化不能得到保证，可能导致错误的油变质检测结果。而且，油中出现的固体颗粒也被板组所捕获，对检测信号也会有负作用。还应注意到，板间所限定的小的空间，以及平行板内电容器的构造，不允许容易进入这些空间，这也使得对装置的维护操作变得复杂。另一个缺点在于，板组形成的电容器体积庞大，并且占用烹饪设备大量的空间。而且，电容器所形成的单一检测传感器容易受到温度变化的影响，可能导致错误的电容测量结果，以致该装置不得不采取一些措施来弥补这些错误。在这份文件中提出的方案在于，使用了一个温度传感器，来提供适当的接通电路的识别，通过软件工具整合与被检测油有关的数据，来实现对温度变化的考虑。因此，如果油的品质变化，或者新油被使用过，软件工具将不得不进行升级，以使装置可继续使用。

本发明的一个主要目的是为了克服现有技术中的缺点，通过提供一个改进的装置来完成。该装置通过检测电容来测量流体的品质及/或变质，具有简单，紧凑及价格便宜的构造。

本发明的另一个目的是提供了这种类型的装置，其特征在于，当保持高水平的电容变量测量灵敏性时，该电容检测传感器具有可便于在接近电极检测流体流动的构造。

本发明的另一个目的是提供了这种类型的装置，其特征在于，存在于流体中的颗粒物在测量电容器的电极之间被俘获的可能性被降低了。

本发明的另一个目的是提供了这种类型的装置，其特征在于，测量传感器的维护，尤其是清洗可以很便利地进行。

本发明的另一个目的是提供了这种类型的装置，其特征在于，电容的测量不再依赖于温度，而是具有很大的使用灵活性，即，该装置的处理电路软件当希望使用该装置进行不同性质流体的测量时，不需要进行系统地升级。

因此，本发明涉及到一种用来检测流体，尤其是油的品质及/或变质的装置，包括一个传感器，该传感器包括至少一对相互分隔开的电极，被浸入到待检测流体中，电极和流体形成了一个电容检测元件，其电容随着流体的电容率而变化。传感器能够提供代表所述电容率的输出电信号。该装置还包括接收所述输出信号的处理工具，并能够根据所述的输出信号来判断流体的品质及/或变质程度。该装置特征在于，所述电极在同一平面内充分地延展，并且，位于所述平面两侧的电极的两个表面，都浸没在流体中。

由于这些特征，待检测的流体在电容性检测元件的电极的两个表面上可容易地并快速地流动。接近电极的流体可因此被不断地更新，这样可提高该装置所提供的测量可信度及精确度，至于后者，总体上说可代表流体品质的演变过程。进一步地，这种构造大大降低了颗粒物被俘获至电容性元件的空气隙中的风险。基于本发明的装置的另一个优势在于，流体进入空气隙很容易，这样改善了传感器的维护操作。也应注意到，因为流体可浸没位于中间面两侧的测量电极的表面，所以可能得到高水平的测量灵敏度。

根据此发明的优选实例，传感器进一步包括一个参考电容元件，由至少一对相互分隔开的参考电极组成，被浸入至参考流体中，参考电极和流体形成了参考电容元件，其电容由于参考流体的电容率而变化，所述参考电容元件能够向处理工具提供代表所述参考电容率的参考信号，并且处理工具被安排用来将输出信号同参考信号相比较。

因此，参考电容元件可稳定地测量“新流体”或者换句话说，未变质的参考流体的电容率，并且提供用于为流体的参考电容率的值，该数值可被用来同由电容性测量元件提供的电容率值进行对比。两个传感器的使用也消除了由于温度变化导致的电容率的变化。

当测量装置被与包含了盛装食用油的容器的烹饪设备联系起来时，电容性检测元件可被浸入油中，在油里食物被煎炸，而参考电容元件被浸入到另一份参考食用油中，该参考食用油的特征与烹饪用油相同，但被盛装载一个空间封闭绝缘的容器里。

更好地，盛装参考食用油的封闭容器与烹饪用油具有热接触。当然地，参考食用油可周期性地被更新，例如一天一次，或为了提供用于未变质的油的良好限定的参考电容率值，如果必要的话，可进行持续更新。这种更新可用自动或手动的方式完成。

本发明的其他特征及优点，通过下述对基于本发明的检测装置优选实例的描述，并结合附图，而变得清楚。附图如下，

-图1是基于本发明的检测装置的首选实例的示意图；

-图2是一般烹饪设备盛油缸的截面示意图，图1中所示设备被固定于此，沿图1中虚线II-II的截面图，后者被局部地显示，并且处理工具被忽略；

-图3所示曲线图为当电容元件被浸入新的油和已使用的油中时，基于本发明检测装置中电容元件的电容，随温度作用的变化图；

-图4为一般烹饪设备盛油缸的透视截面示意图，基于本发明第二首选实例的检测装置被固定于此；

-图5显示了基于本发明第二首选实例的检测装置的不同设计；

-图6显示了基于图5所述实例的不同设计图；并且

-图7显示了本发明中装置的电容元件的支撑结构的具体实例；

首先，关于图1，显示了电容装置的第一个具体实例，用于测量流体，尤其是油的品质及/或变质，整体用附图标记1表示。

将会注意到，下述描述将依照装置1的应用来进行。在烹饪设备中包含一个盛油缸，在其中油通常可被加热至200℃左右，该装置即可测量用于煎炸食物的食用油或类似油的品质及/或变质。

检测装置1包括传感器2，该传感器包括一对相互分隔开并被浸入流体F(图2)中的电极4和6，流体如油炸锅中的油，通常希望测量该流体的品质及/或变质以判断其是否仍旧适合使用。电极4，6和流体F形成了一个电容检测元件EFM，该元件的电容随着油的电容率而变化。当油变质时，油中极性化合物的数量就会增加并引发其电容率的增加。因此，通过测量电容检测元件EFM的电容的演变，油的品质及/或变质程度就能被确定。因此，传感器2及更确切的说是电容元件EFM，能够在广泛的温度范围内提供代表油的电容率的输出电信号，尤其是在20℃至200℃范围之间。

电极组中的电极4和6，每个都具有梳子一样的形状，具有大量完全平行的齿4a，6a，从基座4b，6b延伸出来。电极4和6彼此相对排列，使得一个电极4的齿4a与另一电极6的齿6a相互交叉排列，并排列于同一个平面上。

此处将要注意到，比如说电极4和6由被以适当方式剪裁的同样平板来形成，平板具有足够的刚度，以便当其被加工时，电极可以不发生形变。在所述的实例中，电极由平板制作而成，并且食品用钢(18-10碳基奥氏体钢)的厚度在0.1至3mm之间。其他种类的食品用钢也可被使用，如Z7CN18-09，Z3CND18-12-02，Z6CNDT17-12和Z7CNU16-04。采用激光束对平板进行切割，可在电极的齿之间制成10nm至1mm宽的空气隙。很清楚，空气隙E越小，电容元件的灵敏度就越高。依照可选实例，可以设想出，电极可由喷涂了导电材料的基片来制成，例如喷涂了一层金，铂或类似材料的基片。

在所示实例中，电极4和6被固定于绝缘基片8上，与校准工具10一同配合，来保持电极处于彼此相对的固定位置。更确切地，通过来自于基座4b，6b的固定耳，以及一些适合的工具，如螺丝或类似的工具，电极4和6都被固定在基片8上。校准工具10包含一些定位销，它们如被插入至基片8并与在电极4和6中的孔配合。

基片8具有方框般的外形，带有中心孔12，被置于面向用于测量电极4和6的区域，即，面向在电极4的齿4a和电极6的齿6a之间空间内构成的空气隙。由于这种结构，被检测的流体，此实例中为油，浸没了电极平板两侧的电极4和6的两个面，以致油能够在电极4和6的齿4a和6b附近流通。

应注意到，电容元件EFM被金属框CM所包围。这个金属框形成了抵抗外部电干扰的一个保护挡板，并因此降低了检测期间这种干扰的影响。典型地，此框由金属格栅制成。

更好地，基片8由耐热材料制成，包括耐20℃至200℃的温度区间，并且具有低的热膨胀系数，如陶瓷材料。然而，它也可由任何其他与检测装置的应用一致的绝缘材料制作而成。如用于在前述温度内保持稳定的食品业的应用，基片8也可由氟化聚合体材料制成，如聚四氟乙烯。

为了清晰地叙述，申请者采用由不锈钢制作的厚度0.8mm的电极4，6做了具有结论性的实验。电极4包括9个齿，电极6包括8个齿，由此规定了每个宽度都为100微米的18个空气隙，每个齿的宽度为1mm。基片由陶瓷材料制作而成并且厚度为0.6mm，外表面面积为5×5cm²。

由电极4和6与油结合一同定义了电容检测元件EFM，其电容被处理工具14所检测，处理工具包含一个本领域普通技术人员都很熟知的模拟电容/电压转换器16，和相关联的微控制器18。作为例子，电容/电压转换器的电路可采用Xemics公司销售的XE2004。

电极4和6被连接至电路16的输入端，在输出端传送代表电容检测元件的电容的模拟电压信号S_V。信号S_V被供应至微控制器18的输入端，由微控制器将信号S_V转换成数字信号S_N。典型地，可使用Motorola公司销售的微控制器68HC11。然后，微控制器输出的数字信号被提供至显示装置20，例如以液晶(LCD)显示器或发光二极管(LED)显示器的形式构成。后者显示了代表例如油的电容率的数字值。根据可选实例，这个数字值能被以合适的方式处理来指示油中测到的极性化合物率。

参考图2，可以看到，检测装置1的电容检测元件EFM是如何被放置在包含被检测油的一般烹饪设备的盛油缸22中的。处理工具14和显示装置20在此图中被省略。这些工具将被布置成与烹饪设备相关联，但与盛油缸22相分离。当然，烹饪设备要与加热工具相连接，图中未显示。在此实例中，电容检测设备通过固定于基片8上的钩连接工具26，被悬挂于缸22的侧壁顶部，并沿着与所述壁相平行的方向延伸。

在图3中显示了两个曲线C1和C2，表示装置1的电容检测元件的电容C分别由于新油和用过的油的温度作用而导致的变化。“用过的油”表示已经经历过几次烹饪循环的油。曲线C1显示了当电极3和4被浸入至新油中时，电容检测元件的电容变化，而曲线C2显示了当电极3和4被浸入至用过的油中时，电容检测元件的电容变化。注意到，这两条曲线随着温度尤其是给定的温度的作用，大体上具有同样的走势，新油和用过的油的被测量的电容差基本一致。因此，电容元件EFM的电容检测可在广泛的温度范围内容易地将好的油与用过的油区分出来。

关于图4，可看到基于本发明检测装置的第二个实例，在这里，与那些已述元件相同的元件被同样的附图标记所指明。这个装置也在申请中被描述，对烹饪设备24的缸22内所盛装的食用油F的品质及/或变质的检测。

在这个实例中，传感器2除了包含浸入被检测油中的电容检测元件EFM之外，还包含一个浸入至参考油FRBF中的参考电容元件EFT，参考油被放置在与被检测油隔离开的一个封闭装置中。参考油与被检测的新油具有同样的特征。最好地，参考电容元件EFT的结构与电容检测元件EFM的结构相同，尽管这不是绝对必要的。因此，参考电容元件EFR由电极4_ref和6_ref，结合参考油F_ref而形成。因此，参考电容元件EFR能够提供代表参考油电容率的参考信号，所述信号能够被处理工具26与来自电容检测元件的输出检测信号进行对比。电容检测元件与参考电容检测元件和处理工具26的连接在图4中被概略地显示出来。在此例子中，处理工具26一般包含电容/电压转换器27，其具有三个输入端和一个连接至微处理器28的模拟电压输出端，然后，微处理器被连接至显示装置30。每个电容元件EFM和ERM的第一个电极6，4ref，被连接至转换器的第一个共有输入端，而每个电容元件EFM和EFR的第二个电极4，6ref，被连接至电容/电压转换器的第二和第三输入端。作为例子，电容/电压转换器27可采用Xemics公司销售的XE2004，并且，微处理器28采用与所述的第一个实例中微处理器相同的型号。

在所述实例中，参考电容元件EFR和检测电容元件EFM被布置在烹饪设备24的盛油缸22中。参考电容元件EFR被放置在浸在被检测油中的封闭装置32中，封闭装置32进行了水密封处理，以便所盛的参考油与缸24中所盛的被检测油不发生混合。检测电容元件EFM被置于开放工作的封闭空间34中，例如，该空间的壁是由栅格形成，以便能够浸没至待检测油中。这种壁的使用形成了过滤器，来保护电容检测元件EFM的电极，并且因此，阻止了悬浮于油中的颗粒物与电极接触，这些颗粒物可干扰检测工作。当然，根据另一种变化，这些壁可被忽略。

将注意到，封闭空间32的壁和开放封闭空间34的壁，分别形成了针对外部电干扰的金属保护框或屏蔽，并且由此能够降低检测过程中干扰的影响作用。

为了方便起见，封闭装置32和34被相互紧固起来，由此形成单一的结构36，固定于烹饪设备24的盛油缸22上，更好地并如图4所示，电容元件通过与基片相配合的绝缘支撑物分别固定在各自的封闭空间内。

将注意到，盛装参考油的封闭空间32包含一个注油通道38，通道的口可采用罩或盖子(未显示)进行防水密封。根据未显示的变化，封闭装置32可进一步包含置于其底部的排泄装置。

仍要注意到，结构36被有利地布置于靠近缸的垂直内壁22a的位置，因此，当执行检测时，给食物烹饪留下了足够的自由空间。

结构36进一步包含其侧壁的吊钩工具40a，40b，与固定于壁22a上的吊钩工具42a，42b相互对应配合。在所述实例中，吊钩工具40和对应的吊钩工具42分别包含两个成对配合的吊钩40a，40b，42a和42b。结构36也可移动地悬挂在盛油缸22内部。将注意到，结构36的这种可移动的组件有利于封闭空间32的油的注入与排泄，也有利于电容元件EFM和EFR的维护操作。而且，由于结构36是一种简单的构造，并且尤其不包含任何可动的机械部件，所以这种结构是非常值得信赖的。

此实例中，两个电容元件及处理工具26之间的电连接经由吊钩40a，40b，42a和42b被布置于盛油缸的外部。因此，吊钩40a，40b包含分别连接至电容元件EFM和ERM的相对应的接触板44a，44b。吊钩42a和42b包含连接至处理工具26的相对应的接触板46a，46b，并且，当工具26被悬挂于盛油缸内时，试图与接触板44a，44b进行接触。接触板44a，44b和电容元件之间的电连接通过使金属线以水密封的方式穿过封闭装置32的壁来实现。同样地，接触板46a，46b与处理工具之间的电连接由以水密封的方式穿过缸22的壁的金属线来实现。当然，基于此的变化，电容元件与处理电路之间不同的连接能够独立于缸22内的悬挂工具，直接连接至一个可能包含或不包含显示装置30的独立的部件，并且形成一个带有结构36且独立于任何烹饪设备的便携式测量装置。

图5显示了基于本发明测量装置的第二个实例的变化，其特征在于，该装置与一个用于更新参考油的系统相关联。更新系统由盛装新油并布置在缸22之外的容器48组成。容器48被一条管路连接至封闭装置32的注油口，管路上设置有泵P和电磁阀EV1。封闭空间32经由排油口连接至一条管路上，该管路上提供有电磁阀EV2和进入缸22的通路。用过的参考油可因此被重新注入至缸22并被再次使用。

将注意到，泵P和两个电磁阀EV1和EV2最好置于缸22之外，以便保护它们不受温度的影响。

还应注意到，在不同的设计中，泵可被忽略，其特征在于，容器48被放置的足够高，以便当电磁阀打开时，被检测的油没有升高到盛装参考油的封闭装置中。

这套更新系统更好地可同自动编程工具联系起来，来控制泵和电磁阀。典型地，这些工具可构成一个微处理器。这种系统有利于检测装置的使用。

图6显示了图5中所述实例的不同设计，其特征在于，容器48直接被管子52连接至封闭装置32的注油口。封闭装置32被排油口连接至一个穿过缸22的壁的管子并通向置于缸22外面的回收罐50。更好地，容器48形成了一个水密封袋，被水滴型的流量控制器54a连接至管子52，并且，封闭装置32的排油口也被同种类型的流量控制器54b连接。当然，两个流量控制器的流率是相同的，并能便利地进行调整，以便封闭装置32的容量每天都被更新。此实例的另一个优点是参考油可恒定地与氧气隔离开来。

此不同设计的优点在于，它不包含任何可动的机械部件，因此提高了可信度并有利于维护。

根据第二实例的检测装置，参考电容元件被浸入至新油中，油温与被检测油的温度完全相同，电容检测元件被放置在油中，由两个电容元件构成了单臂电桥的排列。这些元件由油的变质引发的电容率的变化，可根据温度摆动引发的变化区分出来。在例如Willem Chr.Heerens宣称拥有权利的文章“电容技术在传感器设计中的应用”中，这种类型的桥路排列被描述，该文献发表于J.Phys.E：科学仪器19：897 906(1986)，被用作参考体现在此申请中。

本领域技术人员，将会认识到在所附权利要求书的范围内，可对方案和设计进行多种多样的修订及/或改进。特别地，可在盛装被检测流体的缸内，对电容元件进行任意方向的布置。

也可以设计制作与图7所示构造一致的单一结构36，其特征在于，封闭装置32和34被以更紧凑的方式布置，为显示电容元件EFM和EFR，封闭装置的壁已经被忽略。

在第二个实例中，为了限制连接的数量，也可以设计出，适用于两个电容元件的公用电极。

必然地，已经被描述的基于本发明的检测装置，并不限于食用油的检测，它能够被用于检测任何流体的品质及/或变质，这些流体具有电容率的变化可表示其品质及/或变质的特征。

Claims (12)

1.用于检测流体，尤其是油的品质及/或变质的装置，包括：

一个传感器，其包含至少一对相互间隔的电极，被浸入至待检测流体中，电极和流体形成了电容检测元件，该元件的电容由于流体电容率而变化，所述的传感器，能够提供一个代表所述电容率的输出电信号，和

处理工具，接收所述输出信号，并能够以所述输出信号为基础判断出流体的品质及/或变质程度，其特征在于，所述电极在同一平面内延伸，并且，位于所述电极的两个侧面都浸没在所述平面两侧的流体中。

2.根据权利要求1中的检测装置，其特征在于，传感器进一步包括一个参考电容元件，其包含至少一对相互间隔的参考电极，被浸入至参考流体中，电极和参考流体形成了参考电容检测元件，该元件的电容由于参考流体电容率而变化，所述参考电容元件能够提供代表所述参考电容率的参考信号给所述处理工具，并且，处理工具被设置用来将输出信号与参考信号进行比较。

3.根据权利要求2中的检测装置，其特征在于，所述参考电容元件的电极在同一平面内延伸，并且，电极的两个侧面，都浸没在位于所述平面两侧的流体中。

4.根据权利要求2或3中的检测装置，其特征在于，参考流体被置于与待检测流体隔绝的封闭装置中，并同后者热接触，致使参考流体与被检测流体具有相同的温度。

5.根据权利要求4中的检测装置，其特征在于，盛装参考流体的封闭装置与被用于更新所述参考流体的系统连接。

6.根据权利要求5中的检测装置，其特征在于，所述的更新系统包含一个与所述封闭装置相联系的参考液体罐，并且，系统包含流量控制工具，以使得盛装于所述封闭装置内的参考流体可进行有规律的更新。

7.根据前述任一权利要求中的检测装置，其特征在于，电极分别由平板来成形。

8.根据前述任一权利要求中的检测装置，其特征在于，每对电极组中的每个电极都具有梳子一样的形状，带有大量完全平行的齿，一个电极的齿与另一个电极的齿相互交叉排列。

9.根据前述任一权利要求中的检测装置，其特征在于，电容元件被金属框所包围，该金属框形成了防护电磁干扰的隔板。

10.根据前述任一权利要求中的检测装置，其特征在于，电容元件的电极由食品用钢制作而成。

11.根据前述任一权利要求中的检测装置，其特征在于，电容元件的电极被电绝缘的支撑结构承载，该结构具有与所述电极的检测区域相对的孔。

12.包括盛装烹调用流体的盛油缸以及加热装置的烹饪设备，其特征在于，其进一步包括基于权利要求1至11中任意一个的检测装置，检测电容元件被放置在盛油缸中，以使其浸入至烹饪用流体中。

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