MXPA02000283A

MXPA02000283A - Metodo y aparato para detectar una condicion de fuego seco en un calentador de agua.

Info

Publication number: MXPA02000283A
Application number: MXPA02000283A
Authority: MX
Inventors: A Bradenbaugh Kenneth
Original assignee: A Bradenbaugh Kenneth
Priority date: 2001-01-02
Filing date: 2002-01-07
Publication date: 2005-08-16
Also published as: US20010020615A1; WO2002053988A3; CN1500192A; CN1288393C; EP1356241A2; WO2002053988B1; WO2002053988A2; AU2002243351A1; US6455820B2; CA2366393A1

Abstract

Un calentador de agua que cuenta con un tanque de agua y multiples elementos calentadores por resistencia electrica que se extienden hacia el tanque de agua para calentar el agua en el tanque; el calentador de agua incluye un controlador de temperatura de banda proporcional para conducir la energia electrica hacia los elementos calentadores por resistencia electrica en rafagas; cada rafaga del comente electrica esta seguida por un periodo en el que el controlador de temperatura no conduce la energia hacia el elemento calentador por resistencia electrica; en una modalidad, cada rafaga de corriente electrica dura cerca del 95% o menos del ciclo compuesto por una rafaga de energia electrica seguida por un periodo en el que el controlador de temperatura no conduce energia electrica; ademas, la activacion de los elementos calentadores por parte del controlador se lleva a cabo en una forma secuencial y otra forma pro tiempo o controlada para permitir un calentamiento uniforme del agua en el tanque.

Description

METODO Y APARATO PARA DETECTAR UNA CONDICION DE FUEGO SECO EN UN CALENTADOR DE AGUA SOLICITUDES RELACIONADAS 5 El presente es la continuación en parte del Número de serie 09/361 ,825 EUA, presentado el 17 de agosto de 1999.

CAMPO DE LA INVENCION 10 La presente invención se refiere en general a los calentadores de agua eléctricos. Específicamente, la invención se relaciona con los métodos y aparatos para determinar si el elemento calentador del calentador de agua está rodeado de agua. 15 ANTECEDENTES DE LA INVENCION Un calentador de agua de tipo almacenamiento por lo general v , incluye un tanque de agua cerrado permanentemente, una cubierta cilindrica 20 coaxial respecto al tanque de agua y separada en forma radial del mismo para formar un espacio anular entre la pared exterior del tanque de agua y la pared interior de la cubierta, además de un material aislante en una proporción al menos correspondiente al espacio anular para proporcionar aislamiento térmico al tanque de agua. Adicionalmente, el calentador de agua cuenta con un sistema de calentamiento de agua y control de temperatura. Este sistema incluye un elemento de calentamiento por resistencia eléctrica. El elemento calentador se extiende a través de un accesorio en la pared del tanque de agua de manera que el elemento calentador se encuentra dentro del tanque. El elemento calentador está conectado a una fuente de energía externa al tanque de agua. Uno de los problemas asociados con los calentadores de agua con elementos de calentamiento por resistencia eléctrica es cuando el elemento calentador genera un "fuego seco". El término "fuego seco" se refiere al calentamiento del elemento calentador que no está sumergido en agua. Usualmente, sería benéfico determinar si el elemento calentador está sumergido en agua antes de utilizar dicho elemento para calentar el agua.

BREVE DESCRIPCION DE LA INVENCION Por consiguiente, la invención provee un calentador de agua que tiene un controlador del calentador de agua operable para detectar cuando el elemento calentador no se encuentra sumergido en agua. El controlador de la invención determina si el elemento calentador está rodeado por agua al aplicar un voltaje al elemento y calcula una resistencia inicial y subsiguiente para el elemento. A medida que se calienta el elemento, la resistencia del mismo se incrementa. Si el elemento se encuentra en agua, éste llega a una temperatura de equilibrio rápidamente. Si el elemento está "seco", se va calentando en forma continua y liega a una temperatura alta en un lapso corto. Así, para determinar si el elemento está rodeado de agua, el controlador mide una resistencia inicial y final, y las compara con los valores de resistencia medidos. Si la diferencia entre ambos valores de resistencia es pequeña, entonces el controlador determina que el elemento está "húmedo" (esto es, rodeado de agua). Si la diferencia entre los dos valores de resistencia por el contrario es grande, el controlador determina que el elemento está "seco" y entonces no utilizará ese elemento para calentar el agua. La invención además provee un método para determinar si el agua rodea al elemento calentador del calentador de agua. El método incluye los actos de aplicar una señal al elemento calentador, medir una primera resistencia del elemento calentador, medir una segunda resistencia del elemento calentador después de medir la primera, y determinar si el elemento calentador está rodeado por agua al comparar la primera resistencia con la segunda. Otras características y ventajas de esta invención serán aparentes a los conocedores después de revisar la siguiente descripción detallada, reivindicaciones y diagramas BREVE DESCRIPCION DE LOS DIBUJOS La Figura 1 es una vista en secciones del calentador de agua que incluye la invención en el que se muestra el arreglo del controlador de temperatura de la invención en relación con otros componentes del calentador de agua. La Figura 2 es un diagrama eléctrico del controlador de temperatura que incluye esta invención. La Figura 3 corresponde a la gráfica de los datos de uso de energía de un controlador de temperatura mecánico anterior y un controlador de temperatura de banda proporcional de esta invención. La Figura 4 es una gráfica de los datos de velocidad de consumo de energía del controlador de temperatura mecánico anterior y el controlador de temperatura de banda proporcional de esta invención. La Figura 5 es un vista en secciones de otro calentador de agua que incluye la invención y que cuenta con varios elementos calentadores. La Figura 6 es un vista en secciones de un tercer calentador de agua que incluye la invención y que cuenta con varios elementos calentadores. La Figura 7 es un vista en secciones parcial del calentador de agua que aparece en la Figura 6. La Figura 8 es un vista en secciones del calentador de agua incluyendo el controlador incluido en la invención.

La Figura 9 es una vista parcial ampliada del controlador de la Figura 8. La Figura 10 es una representación esquemática del circuito de control de la Figura 8. 5 La Figura 11 es un diagrama eléctrico de la fuente de energía del circuito de control que aparece en la Figura 10. La Figura 12 es un diagrama eléctrico del detector de cruce de v , curvas en punto cero del circuito de control que aparece en la Figura 10. La Figura 13 es un diagrama eléctrico del circuito de 10 restablecimiento de bajo voltaje del circuito de control que aparece en la Figura 10. La Figura 14 es un diagrama eléctrico del circuito sensor de temperatura del circuito de control que aparece en la Figura 10. La Figura 15 es un diagrama eléctrico de un termostato del 15 circuito de control que aparece en la Figura 10. Las Figuras 16(a) y 16(b) corresponden a los diagramas eléctricos de porciones del circuito de control de la Figura 10. La Figura 17 es un diagrama eléctrico de un oscilador del circuito de control que aparece en la Figura 10. 20 La Figura 18 es un diagrama de flujo que representa el método para controlar al calentador de agua de la Figura 8.

La Figura 19 es un diagrama de flujo que representa el método de ejemplo para llevar a cabo la prueba y determinar si el elemento calentador está sumergido. Las Figuras 20a, 20b, 20c y 20d son partes del diagrama de flujo que representa un método de ejemplo para llevar a cabo actos de recabar muestras del sensor, computar la temperatura del agua, computar la calibración del termostato, cambiar el modo de operación de ser necesario, establecer un estado de ciclo de calentamiento y configurar la prioridad de calentamiento. La Figura 21 es un diagrama de flujo que representa un evento de interrupción de ochocientos microsegundos. Antes de explicar una modalidad de la invención en detalle, deberá entenderse que la invención no está limitada en su aplicación a los detalles de construcción y arreglos de los componentes que se indican en a siguiente descripción o que se ilustran en los diagramas. La invención puede tener otras modalidades o se puede practicar o llevar a cabo en diferentes formas. Asimismo, se debe entender que la fraseología y terminología utilizadas en el presente son para fines descriptivos y no deberán considerarse como limitantes. El uso de "incluye" y "comprende" además de sus variaciones dentro del presente deberá incluir los elementos que se enumeren a continuación de esas palabras y sus equivalentes, al igual que elementos adicionales. El uso de "consiste de" y sus variaciones en el presente se debe considerar como que incluye únicamente los elementos que se enumeren a continuación de ese vocablo.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA MODALIDAD PREFERIDA Como se describió anteriormente, el uso de un controlador de temperatura de banda proporcional en un calentador de agua que tenga un elemento calentador a base de resistencia eléctrica tiene la inesperada ventaja de calentar el agua en un calentador de agua hasta un punto de referencia de temperatura previamente establecido al tiempo que consume menos energía eléctrica que si se calienta la misma cantidad de agua al mismo punto de referencia de temperatura en el mismo calentador de agua utilizando un controlador de temperatura mecánico de la técnica anterior. Un controlador de temperatura de banda proporcional muestra es un dispositivo electrónico que comprende un dispositivo sensor de la temperatura del agua (termistor), un dispositivo de punto de referencia de temperatura (reóstato variable), un tiristor regulado para intercambiar la corriente eléctrica hacia el elemento calentador a base de resistencia así como un circuito lógico para controlar el tiristor en respuesta a las señales del dispositivo sensor de temperatura del agua y el dispositivo de punto de referencia de temperatura. El circuito lógico recibe una entrada de voltaje que Índica el diferencial de la temperatura del agua de la temperatura del valor establecido. El circuito lógico, en respuesta a las entradas de voltaje del dispositivo sensor de la temperatura del agua y el dispositivo de punto de referencia de temperatura, envía una señal al tiristor regulado. Cuando se presentan grandes diferenciales de temperatura entre el dispositivo sensor de la temperatura del agua y el dispositivo de punto de referencia de temperatura, el circuito lógico envía una señal al tiristor regulado para que conduzca la electricidad durante una porción mayor, cerca del 94% de cada ciclo de corriente alterna (AC), y envía una señal al tiristor regulado para que deje de enviar electricidad durante cerca del 6% del ciclo AC. A medida que el diferencial de temperatura entre el agua y el punto de referencia disminuye, la temperatura del agua entra a una banda de control proporcional en la cual el circuito lógico tiene un mayor control sobre el tiristor regulado para limitar la corriente eléctrica que va hacia el elemento calentador por resistencia. A medida que la temperatura del agua entra a la banda de control proporcional, el circuito lógico establece un nuevo período de ciclo de control y envía una señal al tiristor para que conduzca la corriente eléctrica durante 85% de cada ciclo y deje de hacerlo durante 15% de cada ciclo. A medida que la temperatura del agua se acerca cada vez más a la temperatura del punto de referencia, el circuito lógico cierra el tiristor y ya no se suministracorriente eléctrica al elemento calentador por resistencia hasta que la temperatura del agua cae de nuevo por debajo de la temperatura del punto de referencia. Para evitar un ciclado indebido alrededor de la temperatura del punto de referencia, el circuito lógico se programa para que la temperatura del agua deba estar por debajo de la temperatura del punto de referencia de -15° a - 12.2°Cantes de que se envíe una señal a tirístor para que inicie la conducción de la corriente eléctrica y vuelva a calentar el agua a la temperatura del punto de referencia. Esta mejora en la eficiencia del calentamiento del agua en un calentador de agua utilizando un controlador de temperatura de banda proporcional no se comprende completamente aún. En teoría, esencialmente toda la corriente eléctrica que se suministra al elemento calentador por resistencia se convertiría en calor y ese calor debe ser transferido al agua que rodea a ese elemento. La misma cantidad de energía eléctrica debe ría calentar el mismo peso de agua el mismo número de grados de temperatura. Como se muestra en el siguiente ejemplo, un calentador de agua con un controlador de temperatura de banda proporcional requiere 10% menos energía eléctrica para calentar un tanque de agua hasta la temperatura de referencia seleccionada que el mismo calentador de agua con un controlador de temperatura mecánico anterior. La precisión mejorada del controlador de temperatura de banda proporcional para llevar al agua a la temperatura del punto de referencia con un sobreimpufso reducido da como resultado parte de la eficiencia mejorada respecto a un controlador de temperatura mecánico, pero no parece ser responsable de toda la eficiencia que se presenta. Sin querer estar limitados, se sugiere que la mejora en la eficiencia de calentamiento al utilizar un controlador de temperatura de banda proporcional surge de las condiciones físicas dentro del tanque de agua que afectan la transferencia de calor desde el elemento calentador por resistencia hacia el agua. Un controlador de temperatura de banda proporcional conduce la energía eléctrica al elemento calentador por resistencia en ráfagas cortas seguidas por períodos cortos durante los cuales no se conduce energía hasta que el agua dentro del tanque llega a la temperatura de punto de referencia seleccionada. El controlador de temperatura de banda proporcional deja de conducir energía eléctrica al elemento calentador por resistencia precisamente cuando el agua alcanza la temperatura del punto de referencia. Por otro lado, el controlador de temperatura mecánico anterior conduce la energía eléctrica al elemento calentador por resistencia de manera continua a potencia completa a medida que se calienta el agua. Cuando el agua alcanza la temperatura del punto de referencia, las características mecánicas del termopar bimetálico pueden causar que el controlador de temperatura mecánico se sobrepase y caliente el agua a una temperatura superior a la del punto de referencia antes de dejar de conducir la energía eléctrica al elemento calentador por resistencia. Un elemento calentador por resistencia, según se utiliza en ios calentadores de agua domésticos, calienta en unos cuantos segundos a una temperatura entre 426°C y 482.2 °C. El agua que está en contacto con ese elemento calentador por resistencia tan caliente puede vaporizar dependiendo de la presión del tanque, puede formar una capa de vapor alrededor del elemento calentador por resistencia y reducir la transferencia de calor del elemento calentador por resistencia hacia el agua. Con un controlador de temperatura mecánico, el elemento calentador por resistencia se calienta tanto y se mantiene a una temperatura alta hasta que el termopar bimetálico corta la transferencia de energía. El calor del elemento calentador por resistencia controlado por un controlador de temperatura mecánico puede radiar hacia la pared del tanque de agua o se puede transportar mediante las comentes de convección de vaporización hacia la parte superior del tanque en donde el exceso de calor es absorbido por la capa superior del agua que se localiza lejos del termopar bimetálico sensor de temperatura. Con un controlador de temperatura de banda proporcional, el elemento calentador por resistencia se calienta en cada ráfaga de corriente eléctrica y se enfría por el contacto con el agua durante los períodos entre las ráfagas. Este enfriamiento del elemento calentador por resistencia entre cada ráfaga de corriente eléctrica reduce la temperatura a la cual se eleva el elemento calentador por resistencia y reduce el potencial de acumulación de vaporización alrededor del elemento calentador por resistencia caliente. Por consiguiente, la transferencia de calor desde el elemento calentador por resistencia al agua se incrementa. Proporcionar energía eléctrica a un elemento calentador por resistencia en un calentador de agua en ráfagas cortas y directas, cada una de ellas seguida por un período con cierre de la energía eléctrica, mejora la eficiencia de la transferencia de calor del elemento calentador por resistencia hacia el agua en el calentador de agua. Los controladores de temperatura de banda proporcional son bien conocidos y se utilizan ampliamente en muchas aplicaciones comerciales, incluyendo el control de la temperatura del agua en electrodomésticos tales como las cafeteras. Los controladores de temperatura de banda proporcional, hasta donde se sabe, no se han utilizado para controlar la temperatura de un gran volumen de agua en un calentador de agua de almacenamiento. La Figura 1 de los diagramas muestra un vista en secciones del calentador de agua 10 que comprende un tanque de agua permanentemente cerrado 11 , una cubierta 12 que rodea al tanque de agua 11 y un aislante de espuma 13 que llena el espacio anular entre el tanque de agua 11 y la cubierta 12. El tubo de entrada de agua o tubo de sonda 14 y el tubo de salida del agua 15 entran por la parte superior del tanque de agua 11. El tubo de entrada de agua 14 tiene una apertura dé entrada 22 para agregar agua fría cerca de la parte inferior del tanque de agua 1. El tubo de salida de agua 15 tiene una apertura de salida 24 para sacar el agua caliente de la parte superior del tanque de agua 11. El elemento calentador por resistencia 16 se extiende a través de la pared del tanque de agua 11. La circuitería del controlador de temperatura de banda proporcional en la caja de control 17 está conectada al elemento calentador por resistencia 16. El termistor 18, en contacto con la pared exterior del tanque de agua 11 para medir la temperatura del agua en ei tanque de agua 11, está conectado al circuito lógico mediante el cable eléctrico 19, La corriente eléctrica alterna (AC) se abastece al tiristor regulado a través de la linea 20. Una interfaz de operador personalizare se puede montar en la parte exterior del calentador de agua para permitir comunicación con la caja de control 17 y proporciona acceso protegido de seguridad para el control del elemento calentador. La interfaz del operador se puede operar para proporcionar control directo o remoto del elemento calentador. La Figura 2 de los diagramas es un dibujo esquemático del circuito del controlador de temperatura de banda proporcional preferido 100 para calentar agua en un calentador de agua de acuerdo con el método de esta invención. En la figura 2, el elemento calentador por resistencia 125 es un elemento calentador de 4,500 watts para calentar agua en un calentador de agua. El dispositivo para el punto de referencia de temperatura 101 es un reóstato variable para establecer el punto de referencia de temperatura en un rango entre 32.2 °C y 82.2 °C. El termistor 102 es para medir la temperatura del agua en el calentador de agua. En una modalidad alternativa, se pueden colocar varios termistores a lo largo del tanque para medir la temperatura del agua en diferentes puntos. La información de los termistores se promediaría. El tiristor regulado 103 es un TRIAC, fabricado por Motorola, Inc., para controlar la energía eléctrica hacia el elemento calentador por resistencia 125. El chip lógico 104 es un controlador de temperatura de banda proporcional UAA1016A, fabricado por Motorola, Inc. Se abastece energía eléctrica a 240 voltios al circuito del controlador de temperatura de banda proporcional 100 a través de las líneas 105 y 106. Un acoplador óptico-eléctrico 108, según se describe a continuación, se usa para controlar cuánta temperatura debe bajar del agua desde la temperatura del punto de referencia antes de que se reactive de nuevo el controlador de temperatura de banda proporcional. Se suministra un voltaje estabilizado de aproximadamente -8 voltios al circuito del controlador de temperatura de banda proporcional desde la linea 106 a través del diodo Zener 107 y una resistencia 109 hacia la línea 110. El voltaje cae a través del dispositivo de punto de referencia de temperatura 101 y el sensor de temperatura 102 produce un voltaje de la señal en el punto 1 1. El voltaje de la señal es proporcional a la diferencia de temperatura entre la temperatura del punto de referencia y la temperatura de! agua que registra el sensor. El voltaje percibido se transmite a través de la línea 112 a uno de los circuitos del comparador de voltaje 113 dentro del chip lógico 104. El voltaje de referencia, cuya magnitud está determinada por las caídas de voltaje a través de las resistencias 1 4 y 115, se genera en el punto 1 6. Un voltaje en diente de sierra, generado en el generador en diente de sierra 118 dentro del chip lógico 104, se impone al voltaje de referencia en el punto 119. El voltaje de referencia, modificado por el voltaje en diente de sierra pasa a través de la línea 117 al segundo circuito del comparador de voltaje 113. El voltaje en diente de sierra impuesto al voltaje de referencia causa que el voltaje en el segundo circuito del comparador de voltaje 113 varíe, en un patrón en diente de sierra, a lo largo de un ciclo de unos 0.85 segundos desde un voltaje mínimo al máximo. En el comparador de voltaje 113, el voltaje de la señal en el primer circuito se compara con el voltaje de referencia modificado en el segundo circuito. El resultado de la comparación se transmite a través de la línea 120 al circuito lógico 121. En el circuito lógico 121 se genera una señal para que pase a través de la línea 122, el amplificador 123 y la línea 124 hasta el tiristor de control 103. Cuando el voltaje de señalización en el primer circuito del comparador 113 es mayor que el valor máximo del voltaje de referencia en el segundo circuito del comparador 113, la señal para el tiristor 103 es conducir y permitir que la energía eléctrica fluya a través del elemento calentador por resistencia 125 para que caliente el agua en el tanque de agua. El chip lógico 104 está arreglado de tal manera que la señal en la línea 124 causa que el tiristor 103 conduzca electricidad durante 96% de cada ciclo de corriente AC y deje de conducir durante 4% de cada ciclo de corriente. El voltaje de la señal de la señal en el primer circuito del comparador de voltaje 113 se reducirá a un valor inferior al valor máximo del voltaje de referencia en el segundo circuito del comparador de voltaje 1 13 a medida que la temperatura del agua registrada por el sensor de temperatura 102 se acerque a la temperatura del punto de referencia en el dispositivo de temperatura de punto de referencia 101. Cuando el voltaje de la señal se encuentre en un rango entre el valor máximo del voltaje de referencia y el promedio del valor del voltaje de referencia, el circuito de control de temperatura 100 se encuentra dentro del rango de la banda proporcional. Así, cuando el voltaje de la señal es mayor que el valor del voltaje de referencia en el segundo circuito del comparador de voltaje, el circuito lógico 21 envía una señal al amplificador 123 para que a su vez envíe una señal al tiristor 103 para que conduzca energía eléctrica al elemento calentador por resistencia 125. Entonces, a medida que el voltaje en diente de sierra causa que el voltaje de referencia en el segundo circuito del comparador de voltaje se incremente a un valor mayor que el voltaje de la señal en el primer circuito del comparador de voltaje, el circuito lógico 121 envía una señal al amplificador 123 el cual a su vez envía una señal al tiristor 103 para que deje de conducir energía eléctrica al elemento calentador por resistencia 125. A medida que el voltaje de la señal en el primer circuito del comparador de voltajes se acerca al valor promedio del voltaje de referencia en el segundo circuito del comparador de voltaje 113, el tiristor no conduce porcentajes superiores en cada ciclo del voltaje en diente de sierra generado. Cuando la temperatura del agua medida por el sensor de temperatura 102 es igual a la temperatura del punto de referencia del dispositivo de temperatura de punto de referencia 101 , el voltaje de la señal en el primer circuito del comparador de voltaje 113 será igual al valor promedio del voltaje de referencia en el segundo circuito del comparador de voltaje 1 13 y el circuito lógico 121 envía una señal al amplificador 123 para apagar el tiristor 103, cerrando el paso de la corriente eléctrica hacia el elemento calentador por resistencia 125. El tiristor 103 permanece en un estado de no conducción hasta que la temperatura del agua medida por el sensor de temperatura 102 caiga por debajo de la temperatura del punto de referencia en una cantidad preestablecida, según se describe a continuación.

El voltaje de la señal en el primer circuito del comparador de voltaje 113 y el voltaje de referencia en el segundo circuito del comparador de voltaje 113 deben tener valores que permitan al circuito lógico 121 producir una señal hacia el amplificador 123 el cual controlará adecuadamente al tiristor 103 para que caliente el agua a la temperatura deseada. El dispositivo de punto de referencia de temperatura 101 es un reóstato variable cuya resistencia se puede ajustar manualmente para cambiar la temperatura del punto de referencia. El sensor de temperatura 102 es un termistor en el cual la resistencia baja a medida que la temperatura medida del agua se incrementa. Los valores de las resistencias 126 y 127 se seleccionan de tal manera que el voltaje de la señal en el punto 111 sea proporcional a la diferencia entre la temperatura del punto de referencia y la temperatura medida del agua. El voltaje de referencia en el punto 1 16 se determina por los valores de las resistencias 114 y 115, y la magnitud del voltaje en diente de sierra impuesto al voltaje de referencia en el punto 119 se determina por los valores de las resistencias 128 y 129. Los valores de estas resistencias se deben ajustar para acomodar las características del dispositivo de punto de referencia de temperatura 101 , el sensor de temperatura 102, y el chip lógico 104 específicos seleccionados para el circuito del controlador de temperatura de banda proporcional 100. Según se describió anteriormente, el acoplador óptico-eléctrico 108 se incluye en el circuito controlador de temperatura de banda proporcional 100 para evitar un ciclado indebido del tiristor 103 cuando la temperatura medida del agua está cercana a la temperatura del punto de referencia. Cuando la temperatura medida del agua equivale a la temperatura del punto de referencia, el circuito lógico 121 envía una señal al amplificador 123 para apagar el tiristor 103, cerrando el paso de la corriente eléctrica hacia el elemento calentador por resistencia 125. Sin el acoplador óptico 108, cuando la temperatura medida del agua baja en una pequeña cantidad, por ejemplo, menos de 1 °C, por debajo de la temperatura del punto de referencia, el circuito lógico 121 enviará una señal al amplificador 123 para que abra el tiristor 103 y conduzca energía eléctrica al elemento calentador por resistencia 125 hasta que la temperatura medida del agua llegue de nuevo a la temperatura del punto de referencia. Esta acción da como resultado un encendido y apagado rápido del tiristor 103 para controlar la temperatura medida del agua tan cercanamente como sea posible a la temperatura del punto de referencia. El acoplador óptico-eléctrico 108 está conectado eléctricamente a través del elemento calentador por resistencia 125 mediante las líneas 130 y 131 , y opera para que la temperatura medida parezca ser 5o superior a la que realmente es cuando la corriente eléctrica fluye a través del elemento calentador por resistencia 125. De tal manera que cuando la temperatura del agua medida por el sensor de temperatura 102 llega a la temperatura del punto de referencia, el tiristor 103 deja de enviar corriente eléctrica a través del elemento calentador por resistencia 125 y el acoplador óptico-eléctrico 108. Si no hay corriente fluyendo a través del acoplador óptico-eléctrico 108, el voltaje de la señal en el punto 11 se determina por una caída ene I voltaje a través del sensor de temperatura 102 y una caída de voltaje en el dispositivo del punto de referencia 101 , la resistencia 126 y la resistencia 127. La resistencia 127 produce una caída de voltaje equivalente a la caída de voltaje producida por un cambio de temperatura de unos 5°C en la temperatura medida. Por consiguiente, la temperatura medida parece estar unos 5°C por encima de lo que realmente está, y la temperatura medida debe bajar unos 5°C adicionales antes de que el voltaje de la señal en el primer circuito del comparador de voltaje 113 indique que la temperatura medida se encuentra por debajo de la temperatura del punto de referencia. Cuando el comparador de voltaje 113 envía una señal al circuito lógico 121 que la temperatura medida se encuentra por debajo de la temperatura del punto de referencia, el circuito lógico 121 envía una señal al amplificador 123 para que abra el tiristor 103 y permita que la energía eléctrica fluya al elemento calentador por resistencia 125. Cuando la corriente eléctrica fluye a través del elemento calentador por resistencia 125, la comente eléctrica fluye a través del acoplador óptico-eléctrico 108 a través de las líneas 130 y 131. Cuando la corriente eléctrica fluye a través del acoplador óptico-eléctrico 108, la resistencia 127 se elude y el sesgo de 5"C de la temperatura aparentemente medida del agua se elimina. El circuito lógico 121 envía entonces una señal al amplificador 23 para que abra el tiristor 103 hasta que la temperatura medida del agua vuelva a alcanzar la temperatura del punto de referencia. Esta acción del acoplador óptico-eléctrico 108 permite que la temperatura medida caiga unos 5°C por debajo de la temperatura del punto de referencia antes de que el tiristor 103 vuelva a conducir energía eléctrica a través del elemento calentador por resistencia 125, y permite que la temperatura medida del agua se caliente a la temperatura del punto de referencia antes de que se corte el suministro de energía al elemento calentador por resistencia 125. Esta acción evita el ciclado de la corriente eléctrica a través del elemento calentador por resistencia 125 cuando la temperatura medida del agua se encuentra en la temperatura del punto de referencia. En una modalidad alternativa, el circuito de control de temperatura 100 puede incluir un reloj de tiempo real programable en el que los períodos de demanda de energía pico o fuera de pico o los ciclos de operación por vacaciones se pueden programar en el ciclo de control para el elemento calentador. Adicionalmente, se pueden agregar un sensor de presión, un sensor de temperatura, un sensor de depósitos minerales y/o sensor para detectar la presencia de agua. El circuito de control se puede programar para desconectar la energía del calentador de agua y/o el elemento calentador cuando se detectan condiciones o límites predeterminados. Además, el circuito de control podría incluir algún medio para ajustar automáticamente el punto de referencia en respuesta a diferentes condiciones tales como la cantidad de agua utilizada o se es un período de demanda de energía pico o no pico.

EJEMPLOS En un primer ejemplo, un calentador de agua eléctrico con un elemento calentador por resistencia de 4,500 watts se operó para calentar agua desde 15.5°C hasta 48.8 "C48.8 °C utilizando corriente AC de 240 voltios. En la primera corrida se utilizó un termostato bimetálico disponible comercialmente, según se describe en la introducción de esta aplicación, para medir la temperatura del agua y controlar la corriente eléctrica del elemento calentador por resistencia. En una segunda corrida se utilizó un controlador de temperatura de banda proporcional, como se muestra en la figura 2 y se describe en esta aplicación, para medir la temperatura del agua y controlar la corriente eléctrica del elemento calentador por resistencia. Los resultados de las dos corridas comparativas aparecen en la Figura 3 de los diagramas. Para la Corrida 1 , la tensión en un termostato bimetálico se ajustó con un perno con rosca de tal manera que el termostato bimetálico pudiera pasar de una configuración plana a una configuración en domo en la temperatura del punto de referencia de 48.8 °C. Un termostato bimetálico se colocó en contacto con la pared exterior del tanque de agua del calentador de agua en una posición unas tres pulgadas por encima del elemento calentador por resistencia eléctrica. El termostato bimetálico se conectó, mediante una varilla aislante, a un interruptor eléctrico en una línea que abastece corriente eléctrica al elemento calentador por resistencia. El tanque de agua se llenó con agua a 15.5°C y se conectó la energía eléctrica a la línea que abastece al elemento calentador por resistencia. El termostato bimetálico se mantuvo en la posición plana y se cerró el interruptor eléctrico. La corriente eléctrica pasó a través del elemento calentador por resistencia a una velocidad de 19.7 amperios durante unos 27 minutos hasta que el agua se calentó a unos 50 °C. El termostato bimetálico entonces saltó bruscamente a la forma de domo, activando el interruptor para cortar la energía eléctrica hacia el elemento calentador por resistencia. La Figura 3 muestra una gráfica de la temperatura del agua contra el tiempo para esta primera corrida. Para la Corrida 2 se utilizó un circuito de controlador de temperatura de banda proporcional, como el que aparece en la figura 2 y se describe anteriormente en esta aplicación. El dispositivo de punto de referencia de temperatura 101 se calibró para un punto de referencia de 48.8 °C y el dispositivo sensor de temperatura del termistor 1 2 se ajustó al tanque de agua a unas tres pulgadas por encima del elemento calentador por resistencia 125. El tiristor 103 se conectó al elemento calentador por resistencia 125. El tanque de agua del calentador de agua se drenó y volvió a llenar con agua a 15.5°C y se conectó el circuito del controlador de temperatura de banda proporcional 100 a la fuente de energía. El circuito del controlador de temperatura de banda proporcional 100 proporcionó inicialmente 18.8 amperios de electricidad al elemento calentador por resistencia 125, esto es, alrededor de 95% de amperios suministrados por el termostato mecánico de la Corrida 1. Después de unos cuatro minutos (a 20 °C), el circuito del controlador de temperatura de banda proporcional 100 redujo la electricidad proporcionada al elemento calentador por resistencia 125 a 18.6 amperios, esto es, cerca de 91% de los amperios proporcionados por el termostato mecánico de la Corrida 1. Después de 21 minutos (a 40 °C) la temperatura medida del agua entró al rango de temperatura de banda proporcional y el circuito del controlador de temperatura de banda proporcional 100 empezó a reducir lentamente la corriente eléctrica hacia el controlador de temperatura de banda proporcional 125, no fue hasta 27 minutos más tarde que la temperatura medida del agua alcanzó la temperatura del punto de referencia y el circuito del controlador de temperatura de banda proporcional 100 cerró el suministro de corriente eléctrica al elemento calentador por resistencia 125. La inspección de la figura 3 muestra que la misma cantidad de agua se calentó a prácticamente la misma temperatura en el mismo tiempo en la Corrida 1 y la Corrida 2. sin embargo, en la corrida 1 se requirieron 19.7 amperios de electricidad y en la corrida " únicamente unos 18.6 amperios de electricidad para el mismo período de calentamiento. Esto implica que calentar agua en un calentador de agua equipado con el circuito del controlador de temperatura de banda proporcional de esta invención, el cual suministra electricidad al elemento calentador por resistencia 125 en pequeñas ráfagas seguidas por períodos cortos sin electricidad, requiere de 9% menos electricidad que calentar la misma cantidad de agua a la misma temperatura en el mismo calentador de agua, pero utilizando un controlador de temperatura mecánico. Este es un resultado inesperado.

La pulsación de corriente a la carga por medio del circuito del controlador de temperatura de banda proporcional permite que la temperatura del agua se incremente en forma continua y caiga rápidamente en respuesta a la corriente aplicada. Una breve interrupción de la corriente aplicada al elemento del calentador en cada ciclo permite que se de una transferencia de energía de radiación más eficiente al agua a partir del elemento calentador. Como segundo ejemplo, se realizó una prueba para determinar la cantidad real de energía que usaría un consumidor durante un ciclo típico de operación del calentador de agua. Refiérase a la Figura 4 en la que se han graficado los kilo att-horas (kWh) reales contra el tiempo para un termostato mecánico y uno electrónico incluyendo la lógica del control de banda proporcional. La Figura 4 ilustra que durante un ciclo de calentamiento típico, se utiliza aproximadamente 3% menos energía como resultado directo del uso de la lógica de control de banda proporcional. Es posible que se pueda incrementar este porcentaje a aproximadamente 5 - 5.5% al modificar el ángulo de conducción de los cuadrantes de quema de los tiristores bidireccionales, sin afectar de manera adversa el rendimiento del calentador de agua. Adicionalmente, al limitar la corriente del elemento calentador utilizando la lógica del control de banda proporcional y suministrar corriente al calentador en forma de pulsos, llegando gradualmente al punto de referencia de temperatura sin un sobreimpulso a la temperatura deseada ofrece una reducción de energía de 5% adicional. Con la combinación de la modulación de comente y al evitar que se realice un sobreimpulso de los puntos de referencia de temperatura se ofrece al consumidor un ahorro de energía combinado de cerca del 10% sobre el costo de operación de un calentador similar que utilice un termostato mecánico bimetálico. Sobrecalentar el agua más allá de una temperatura razonable de 51.6 °C - 54.4 °C generalmente es un desperdicio energético. Una capa aislante típica de dos pulgadas de ancho pierde su capacidad de retener el calor efectivamente por encima de los 54.4 °C. La pérdida energética en el modo de espera es antieconómico y puede causar que el calentador cicle con más frecuencia de lo necesario. El circuito del controlador de temperatura de banda proporcional de esta invención evita el sobreimpulso y permite que la temperatura del agua baje sólo unos -12.2°Cpara ciclar únicamente la diferencia necesaria para que la temperatura del agua regrese al punto de referencia deseado. Una ventaja adicional al circuito del controlador de temperatura de banda proporcional es su adecuación para un ambiente de vapores inflamables. Por ejemplo, este tiempo de ambientes pueden existir en una cochera, un taller o un área de almacenamiento en un sótano en donde haya solventes, gasolina, propano u otros vapores altamente inflamables o explosivos. Los termostatos mecánicos y los dispositivos con interruptores de contacto pueden crear un arco cuando se realiza o rompe un contacto eléctrico, dependiendo de la cantidad de corriente que tenga el interruptor. El arco eléctrico puede prender fuego a un vapor inflamable si éste es lo suficientemente volátil. Por el contrario, el circuito del controlador de temperatura de banda proporcional es totalmente en estado sólido, no cuenta con partes móviles y no prenderá fuego a vapores inflamables. Mientras que implementar el control de banda proporcional como se describe anteriormente tiene sus ventajas, se puede lograr una eficiencia de calentamiento aún mayor en un calentador de agua con elementos calentadores múltiples y controlados. Un calentador de agua muestra 150 con esos elementos aparece en la Figura 5, y está sujeto a la patente No. 09/361,825 en Estados Unidos de América, llamada CONTROL DE TEMPERATURA POR BANDA PROPORCIONAL PARA MÚLTIPLES ELEMENTOS CALENTADORES, presentada el 17 de agosto de 1999, la cual se incorpora al presente por referencia. El calentador de agua 150 comparte muchos elementos comunes con el calentador de agua 10, y los elementos comunes están designados con los mismos números de referencia que en las figuras 1 y 5. Sin embargo, a diferencia del calentador de agua 10, el calentador de agua 150 tiene múltiples elementos calentadores 16 y 16'. El elemento calentador 16 se localiza en la porción inferior del tanque y el elemento calentador 16' se localiza en la parte superior del tanque. El elemento calentador 16' se puede controlar mediante un circuito de control almacenado en una caja de control 17' el cual recibe la entrada desde un termistor o sensor de temperatura 18" a través del enlace de comunicación 19', como un alambre eléctrico. Como alternativa, aunque no se muestra, el sensor 18' y el elemento calentador 16' podría comunicar con el circuito de control almacenado en la caja de control 17 y se podría utilizar un solo controlador en lugar de circuitos múltiples. La comunicación entre el sensor 18' y el elemento calentador 16' se puede lograr a través de un enlace de comunicación (no se muestra) que corra paralelo físicamente a la línea 20. en el caso de controlar dos elementos calentadores con un solo controlador, el circuito de control en la caja 17 podría tener la forma de un microprocesador programable. Por supuesto, más de dos elementos calentadores se pueden instalar en el calentador de agua 150 y pueden estar controlados por ese controlador, si se desea. Independientemente de (a circuitería de control exacta que se use, o si se implementa un solo controlador o múltiples controladores, los elementos calentadores en la Figura 5 se activan en forma secuencial o con una frecuencia o forma predeterminada de tal manera que la energía calorífica que se transfiera al tanque 150 se distribuya en forma equilibrada o uniforme. Así, por ejemplo, el elemento calentador 16 puede estar activo durante el primer período T1 durante el cual se suministra energía en la forma de pulsos o ráfagas múltiples como se describió anteriormente. Subsecuentemente, el elemento 16" puede activarse en forma de pulsos por un período T2. Los lapsos T1 y T2 pueden o no ser de largos equivalentes, y pueden o no sobreponerse entre sí dependiendo de la especificación de calentamiento y las condiciones específicas. Además, los mecanismos de retroalimentación que utilizan los sensores de temperatura 18 y 18' se pueden utilizar para disparar la activación de los elementos calentadores específicos dependiendo de la temperatura medida en las partes superior e inferior del tanque 11. Cualquiera que sea la secuencia específica utilizada, el uso de un controlador de temperatura de banda proporcional para controlar múltiples elementos en un calentador de agua ayuda a evitar un calentamiento disparejo del agua en el tanque. El calentamiento disparejo generalmente ocurre en los sistemas de calentamiento convencionales en los que el calentamiento del agua se logra con un elemento calentador localizado cerca de la parte inferior del tanque calentador. Esta configuración con frecuencia da como resultado la creación de un "apilamiento", en el cual el agua que se calienta se eleva hacia la parte superior del tanque y se súper calienta, mientras que se forman estratos con una temperatura no uniforme en la porción inferior del tanque. Para empeorar aún más las cosas, la acumulación de calor en la parte superior tiende a disiparse rápidamente ya que el aislamiento 3 en el tanque no puede retener efectivamente el calor alto que produce el agua súper calentada. Con el calentamiento del agua a base de pulso o ráfaga secuencíal que se describe en este documento, el agua en el taque 11 se calienta de manera más uniforme. Esto reduce la ocurrencia de puntos calientes o fríos en los diferentes estratos desde a parte superior hasta la inferior del tanque. La creación de agua súper calentada también se reduce y se incrementa el rendimiento.

La secuencia que se describe arriba también se puede combinar con una introducción controlada de agua fría a través de una salida o conducto 1555 de una válvula mezcladora 157 colocada en el tubo de inmersión 14. La válvula 157 se puede controlar a través del enlace de comunicación Vi o acoplado a la circuitería de control en la caja 17" o, de manera alternativa (y que no se muestra), la circuitería en la caja 17 cuando se configura para controlar múltiples elementos calentadores. Así, por ejemplo, si el sensor 18' mide un súper calentamiento en la parte superior del tanque, se introducirá una cantidad de agua fría en la parte superior del tanque 11 a través de la salida 155 para bajar la temperatura del agua caliente. Otra modalidad de la invención en el calentador de agua 160 aparece en la Figura 6. El calentador de agua 160 comparte los mismos elementos comunes con los calentadores de agua 10 y 150, y los elementos comunes están designados con los mismos números de referencia de las Figuras 1 , 5 y 6. Para la modalidad que se muestra en la Figura 6, el tanque de agua 160 define un volumen 165 con aproximadamente dos terceras partes superiores del volumen 170 y una tercera parte inferior del volumen 175. La apertura de entrada 22 se encuentra en la tercera parte inferior del volumen 175 e introduce agua fría al tanque 1 1. La apertura de salida 24 se encuentra dentro de las dos terceras partes superiores del volumen 170. Como se muestra en la figura 6, ambos elementos calentadores 16 y 16' se extienden hacia la tercera parte inferior del volumen 175 del tanque 11. Los elementos calentadores 16 y 16' están controlados por la circuitería de control almacenada en la caja de control 17 la cual recibe entrada de los sensores de temperatura 18 y 18'. Como alternativa, el calentador de agua 160 puede incluir una o más cajas de control, puede incluir uno o más elementos calentadores y puede incluir uno o más sensores de temperatura. Similar a lo que se presenta para el calentador de agua 50, los elementos calentadores 16 y 6' se activan en forma secuencial o en una frecuencia o forma predeterminada de manera que el calor se transfiera al tanque 11 en forma equilibrada o uniforme. Adicionalmente, los elementos calentadores 16 y 16' se activan preferentemente mediante el controlador 17 utilizando las técnicas de control de banda proporcional. En la modalidad preferida del calentador de agua 160, los elementos calentadores 16 y 16' están acomodados en un plano 180 básicamente ortogonal al eje longitudinal 185 del tanque 11 (esto es, un plan básicamente "horizontal") (véase la Figura 7). No obstante, los elementos calentadores 16 y 16' se pueden colocar en otra configuración en el tercio inferior del volumen 175 siempre y cuando ambos elementos se encuentren en este tercio inferior del volumen 175 (véase figura 6). También, si se utilizan elementos calentadores adicionales, deberán localizarse en el tercio inferior del volumen 210. Por lo general, los calentadores de agua anteriores raramente utilizan un elemento calentador superior. El elemento calentador superior en general está activo únicamente cuando el calentador de agua se instala por primera vez, cuando el calentador de agua no se ha utilizado por un período prolongado o cuando se ha extraído una cantidad importante de agua caliente del tanque en un lapso corto. Excepto por estas raras ocurrencias, el elemento calentador superior de las modalidades antiguas casi nunca se utiliza. Así, la mayor parte del agua calentada a lo largo de la vida de la unidad se calienta utilizando solamente el elemento inferior. El uso únicamente del elemento inferior es ineficiente en cuanto a energía ya que requiere un periodo más extendido para recuperar la temperatura del agua a las temperaturas del punto de referencia y con frecuencia requiere de un gran tanque de almacenamiento de reserva para el agua caliente para poder asegurar que se cuente con un abastecimiento adecuado de agua caliente cuando se necesite. El calentador de agua 160 soluciona estas dificultades al colocar el segundo elemento calentador 16' en el tercio inferior del volumen 175 del tanque 11. Al acomodar los elementos 16 y 16' de esta manera y controlar la operación de los elementos 16 y 16' al generar pulsos secuenciales con un control de banda proporcional, el calentador de agua 160 puede usar estrategias de calentamiento de agua más eficientes. Esto da como resultado que los elementos 16 y 16' tengan una transferencia efectiva mejorada de la energía calorífica hacia el agua. Adicionalmente, los elementos 16 y 16' distribuyen en forma más uniforme las densidades de watts, lo cual reduce las pérdidas por vaporización. Por consiguiente, el calentador de agua 160 tiene un tiempo de recuperación más rápido al tiempo que utiliza menos energía que los calentadores convencionales anteriores. Además, el calentador de agua 160 puede tener un tamaño de tanque más compacto para demandas de agua caliente comparables que los calentadores anteriores. La Figura 8 ilustra otra modalidad de la invención en el calentador de agua 200. El calentador de agua 200 incluye un tanque de agua cerrado permanentemente 205, una cubierta 210 que rodea al tanque de agua 205, un aislante de espuma 210 que llena el espacio anular entre el tanque de agua 205 y la cubierta 210. El tanque de agua 205 tiene una superficie exterior 206. La línea de entrada de agua y tubo de inmersión 215 y la línea de salida de agua 220 entran por la parte superior del tanque de agua 205. La línea de entrada de agua 215 tiene una apertura de entrada 225 para agregar agua fría cerca déla parte inferior del tanque de agua 205. La línea de salida de agua 220 tiene una apertura de salida 230 para sacar el agua caliente del la parte superior del tanque de agua 205. El calentador de agua 200 además incluye un primer elemento calentador por resistencia 235 y un segundo elemento calentador por resistencia 2409 que se extienden a través de la pared del tanque de agua 205. Se calcula que estos elementos calentadores 235 y 240 se pueden colocar en cualquier lugar del tanque 205 y pueden ser de cualquier forma. Sin embargo, es preferible que los elementos calentadores primero y segundo 235 y 240 se encuentren en el tercio inferior del volumen del tanque 200, y en un plano básicamente ortogonal al eje longitudinal (similar a la Figura 7).

Adicionalmente, a pesar de que la invención se describirá con dos elementos calentadores 235 y 240, el calentador de agua 200 puede incluir elementos calentadores adicionales o puede contener únicamente un elemento calentador 235. Por ejemplo, un calentador de agua comercial (comparado con un calentador de agua residencial) puede contener hasta quince elementos calentadores. El calentador de agua 200 incluye un primer sensor de temperatura del agua 245 y un segundo sensor de temperatura del agua 250. Ambos sensores de temperatura del agua 245 y 250 se encuentran en la superficie exterior 206 del tanque de agua 205. Los sensores de temperatura del agua 245 y 250 son preferentemente termistores y están acoplados termodinámicamente al agua en el tanque de agua 205. Preferentemente, el sensor de temperatura del agua 250 se localiza en la mitad inferior del tanque 205 y el sensor de temperatura 245 se localiza en la mitad superior del tanque 205. Sin embargo, se calcula que los sensores de temperatura del agua 245 y 250 se pueden montar en la misma mitad del tanque 205. Adicionalmente, el calentador de agua 200 puede incluir sensores de temperatura adicionales o puede incluir únicamente un sensor de temperatura 245. El calentador de agua 200 puede incluir un sensor de temperatura ambiente 255. El sensor de temperatura ambiente 255 se localiza en la parte exterior del calentador de agua 200, pero en el ambiente que rodea al calentador de agua 200 y mide la temperatura del entrono del calentador de agua 200. Por supuesto, el calentador de agua 200 puede incluir sensores de temperatura ambiente adicionales y puede incluir otro tipo de sensores (como sensor de consistencia del agua). El calentador de agua 200 incluye un controlador de banda proporcional o unidad de control 260 conectada eléctricamente a los elementos calentadores primero y segundo 235 y 240, los sensores de temperatura del agua primero y segundo 245 y 250 y el sensor de temperatura ambiente 255. En términos generales, el controlador 26° recibe una señal de corriente alterna (AC) de 240 voltios de la línea de energía 265; modula la señal de banda proporcional primera y segunda proporcionada a los elementos calentadores primero y segundo 245 y 150, respectivamente; recibe las señales del primer y segundo sensor de temperatura del agua 245 y 250, y recibe la señal de la temperatura ambiente del sensor ambiental 255. Como se muestra en la figura 9, el controlador 260 incluye una carcaza 267 que tiene un área de pantalla visual 270 y un área para entrada de datos por el usuario 275. El área de pantalla visual 270 incluye una serie de diodos emisores de luz (LEDs) Estos LEDs incluyen un LED2 de primer elemento, un LED3 del segundo elemento, un LED4 del sistema, un LED5 de calor, un LED6 de alerta y un LED7 de energía. El LED7 de energía generalmente en un LED rojo y se enciende en cualquier momento en que la electrónica está activa (esto es, "encendida"). El LED4 del sistema es verde y se utiliza para indicar el estado general del sistema. Durante la operación normal, el LED4 del sistema parpadea aproximadamente una parpadeo por segundo. El hecho que el LED4 del sistema esté parpadeando regularmente indica que el calentador de agua está funcionando adecuadamente. El LED5 de calor parpadea al unísono con el LED4 del sistema cuando el controlador 260 se encuentra en el modo "calentar" (heating) (esto es, el calentador de agua está calentado el agua a la temperatura deseada). El LED2 del primer elemento y el LED3 del segundo elemento se activan cuando sus respectivos elementos calentadores estás activos. El LED6 de alerta y el LED5 de calor se encuentran en el mismo paquete. El LED6 de alerta funciona junto con el LED4 del sistema para indicar el estado del calentador de agua 200. Durante la operación normal, si el controlador 260 se encuentra en el modo "espera" (stand-by) (esto es, la temperatura del agua es igual o mayor a la temperatura del agua deseada), únicamente parpadea el LED4 del sistema. Si el controlador 260 se encuentra en el modo calentar, el controlador 260 hace parpadear al LED4 del sistema y el LED5 de calor al unísono. Si por alguna razón existe un estado de error, entonces el LED5 de calor cambia al LED6 de alerta, el cual es rojo. Durante un estado de error, el LED4 del sistema parpadea como un código de error indicando el tipo de error. Por supuesto se pueden agregar otros LEDs y los que se han presentado en el presente se pueden eliminar o modificar, Adicionalmente, se puede incluir un altavoz audible para proporcionar una indicación audible o la información que proporcionan los LEDs se puede comunicar a otros indicadores visuales (como una pantalla de cristal líquido - LCD). El área de entrada de datos del usuario 280 incluye un dial o disco de entrada 283 para que el usuario introduzca la temperatura del agua deseada. El dial de entrada 283 incluye una posición "apagado" (off) (esto es, el calentador de agua 200 se encuentra apagado), una posición de vacaciones y una variedad de posiciones entre la temperatura baja o fría y la temperatura alta o caliente del agua. Si el dial de entrada 285 se encuentra en la posición de vacaciones, entonces el controlador se encuentra en el modo "vacaciones". El modo "vacaciones" calienta el agua a una temperatura preestablecida inferior a la del rango de temperatura normal del calentador de agua. Como alternativa, el área de entrada de datos del usuario 275 puede incluir otros dispositivos posibles para ingresar el estado deseado de la temperatura del agua incluyendo una variedad de botones con una pantalla LCD. Por supuesto, el área de pantalla visual 275 y el área de entrada de datos del usuario 280 se puede montar sobre una segunda caja de control localizada en un lugar remoto al calentador de agua 200 (o sea, montada lejos del calentador de agua 200). La segunda caja de control puede estar en comunicación con el controlador 260 ya sea mediante una conexión de cables o a través de un esquema de comunicación RF u otro adecuado. El controlador 260 incluye in circuito de control 285, el cual está representado esquemáticamente en la figura 10. en términos generales, el circuito de control 285 incluye una fuente de energía 290, un detector de cruce de curvas en punto cero 295, un circuito de reinicialización de bajo voltaje 300, un circuito sensor de temperatura 305, un circuito de termostato 310, un circuito de control de LEDs 312, un microcontrolador U1 , una unidad de memoria 315, un primer circuito de impulso 320, un segundo circuito de impulso 325 así como in circuito de fuego seco 330. Como se muestra en la Figura 10, la fuente de energía 290 recibe una señal de AC de alto voltaje ( por ejemplo, Acln = 240 VAC) de la línea 260 (Fig. 8) y crea una señal de AC de bajo voltaje (pro ejemplo, AcOut = 9 VAC), una señal de corriente directa (DC) no regulada (por ejemplo, V-SNS = 5 VDC), y una señal de corriente directa regulada (por ejemplo, Vcc = % VDC). Una muestra de la fuente de energía 290 aparece en mayor detalle en la Figura 11. Como se ve en la Figura 11 , la fuente de energía 290 incluye un transformador T2 con una bobina principal y una bobina secundaria para transformar la señal de AC de alto voltaje (Acln) a una señal de AC de bajo voltaje (AcOut). La señal de AC de bajo voltaje (AcOut) se suministra al detector de cruce de curvas en punto cero 295 (Fig. 10) y al interruptor S1 , el cual es un interruptor unidireccional, unipolar (SPST) conectado al lado alto de la bobina secundaria. Cuando se cierra el interruptor S1 , el circuito de control 285 está activo. La fuente de energía además incluye un rectificador de puente de onda completa D8, un capacitor C26, un diodo Zener D9, un regulador de voltaje U9 y los capacitores CU1 , CU2, CU4, CU7 y CU8. El rectificador de puente D (rectifica la señal de AC de bajo voltaje (AcOut) y el capacitor C26 filtra la señal resultante en la señal DC no regulada (VSNS). El diodo Zener D9 cierra la señal DC no regulada (VSNS) y protege la entrada del regulador de voltaje U9 de comentes transitorias de corta duración y exceso de voltaje. El regulador de voltaje U9 regula el voltaje hacia la señal Vcc de cinco voltios y cada uno de los capacitores CU1 , CU2, CU4, CU7 y CU8 en el regulador de voltaje U9 son capacitores de desacoplamiento dedicados un circuito integrado correspondiente. Por ejemplo, el capacitor CU1 es el capacitor de desacoplamiento para el circuito integrado U1. De nuevo en referencia a la Figura 10, la fuente de energía suministra una señal de AC de bajo voltaje (AcOut) a un detector de cruce de curvas en punto cero 295. Una muestra del detector de cruce de curvas en punto cero 295 aparece en mayor detalle en la Figura 12. El detector de cruce de curvas en punto cero 295 suministra una señal de salida (ZeroCross) la cual indica cada vez que el detector 295 detecta que la señal de bajo voltaje (AcOut) ha cambiado pluralidad(S,C). el detector de cruce de curvas en punto cero 295 incluye las resistencias R55, R61 y R53, el capacitor C21 , el diodo D1 y el transistor Q8. La resistencia R55 recibe la señal de AC de bajo voltaje (AcOut). El diodo D1 , el capacitor C21 y la resistencia R55 están conectados en paralelo con un extremo conectado a ia resistencia R55 y (a base del transistor Q8 y el otro extremo conectado al emisor del transistor Q8. La resistencia R53 tiene un extremo conectado a Vcc y el otro conectado al colector del transistor Q8. A medida que el voltaje AC cambia su polaridad, Q8 cambia entre el estado apagado y el de saturación, generando una serie de pulsos con un extremo frontal. El extremo frontal de cada pulso corresponde al cruce de curvas en punto cero. De nuevo en la figura 10, el circuito de control 285 incluye un circuito de reinicialización de bajo voltaje 300. Una muestra del circuito de reestablecimiento de bajo voltaje 300 aparece con mayor detalle en la Figura 13. El circuito de reestablecimiento de bajo voltaje incluye un circuito integrado U3, el cual preferentemente es Motorola MC34064P-5 (aunque se pueden utilizar otros circuitos) conectado a un capacitor C18, y las resistencias R45 y R46. El circuito integrado U3 suministra una señal de protección para reestablecer en casos de bajo voltaje al microcontrolador U1. en caso que falle la energía o se de un apagamiento parcial, el circuito integrado U3 causa que el microcontrolador U1 se reinicialíce. Preferentemente esto ocurre tan pronto como la señal DC solicitada cae por debajo de 4.5 voltios. Un circuito de reinicialización de bajo voltaje asegura que el circuito de control 285 opere en forma segura y no tenga un mal funcionamiento debido a falta de energía. De nuevo en la Figura 10, el circuito de control 285 incluye un circuito sensor de temperatura 305. El circuito sensor de temperatura 305 en combinación con el primer y segundo sensor de temperatura del agua 245 y 250 transmite la temperatura del agua del calentador de agua 200 al microcontrolador. Como se muestra en más detalle en la Figura 14, circuito sensor de temperatura incluye las resistencias R70 y R71 , y los termistores RT1 y RT2, los cuales tienen un coeficiente de temperatura negativo. La resistencia R70 y el termistor RT1 forman el primer divisor de voltaje que resulta en una primera señal de temperatura (First-Sensor), y la resistencia R71 y el termistor RT2 forman el segundo divisor de voltaje que resulta en la segunda señal de temperatura (Second-Sensor). Debido a que los divisores de voltaje primero y segundo son básicamente los mismos, únicamente el primer divisor de voltaje se analizará en detalle. A medida que la temperatura en la parte exterior del tanque de agua 250 se incrementa, la resistencia en el termistor RT1 se reduce lo que causa que se incremente el voltaje de salida (First-Sensor). El voltaje (First-Sensor) se lee en un convertidos analógico a digital (A/D) en el microcontrolador U1 lo que da como resultado un número de ocho bits. El número de ocho bits se utiliza como un índice para una cuadro de búsqueda que cuenta con varias temperaturas medidas correspondientes. Con base en el número de ocho bits se obtiene como resultado la temperatura medida. A medida que el agua dentro del tanque 205 incrementa su temperatura, existe un error creciente en lo que mide el sensor de temperatura del agua 245 ó 250. Esto es, el trayecto de conducción térmica desde el agua a través del material del tanque de agua 205 tiene un diferencial de tiempo. Para corregirlo, el valor de temperatura medida leído en la cuadro de búsqueda se "corrige" mediante una ecuación lineal. La temperatura corregida se utiliza para tomar decisiones sobre el calentamiento del agua en el microcontrolador U1.

De nuevo en la figura 10, el circuito de control incluye un termostato 310. Como se muestra con mayor detalle en la figura 15, el termostato es un potenciómetro R65 cableado como un divisor de voltaje y que tiene un rango de resistencia ( por ejemplo, 20 kOhmios). La señal de salida del divisor de voltaje (termostato) se convierte en un número de ocho bits en el microcontrolador U1 y después se escala para producir un valor de temperatura de punto de referencia. El valor de temperatura de punto de referencia es la temperatura a la que se calentará el agua. De nuevo en la figura 10, el circuito de control 285 incluye un circuito de control de LEDs 312. El circuito de control de LEDs 312 controla la activación de los diodos emisores de luz LED2, LED3, LED4, LED5, LED6 y LED7. Como se muestra con mayor detalle en la Figura 16(a), el controlador de LEDs 312 incluye las resistencias R56, R57, R58, R59, R60, R47, R48, R49, R50, R51 y R52, así como los transistores Q3, Q4, Q5, Q6 y Q7. Cuando se cierra el interruptor S1 ( Fig. 11 ), la fuente de energía 290 genera una señal DC de bajo voltaje regulada (Vcc) que pasa al LED7 y la resistencia R52. La señal DC de bajo voltaje regulada (Vcc) enciende el LED7. Para controlar los LED2, LED3, LED4, LED5 y LED6, se proporcionan señales de cinco bits a las resistencias R56, R57, R58, R59 y R60. si alguno de los bits es alto, se suministra una señal DC de bajo voltaje a las resistencias R56, R57, R58, R59 y R60 respectivas lo cual da como resultado una corriente base suficiente para permitir el flujo de corriente a través del transistor Q3, Q4, Q5, Q6 ó Q7 respectivo. La corriente fluye desde Vcc a través del transistor Q3, Q4, Q5, Q6 ó Q7, a través del diodo emisor de luz LED2, LED3, LED4, LED5 ó LED6, respectivo, a tierra. De nuevo en la Figura 10, el circuito de control incluye un microcontrolador o procesador U1 y una unidad de memoria 315. El microcontrolador U1 , el cual también aparece en la figura 16(a), es preferentemente un Motorola MC68HC705P6A de 28 pines (aunque se pueden utilizar otros microcontroladores). El microcontrolador U1 incluye un puerto de entrada/salida de ocho bits (pines 3-10), una interfaz serial de tres bits ( pines 1-13) un convertidor de analógico a digital de cuatro bits (pines 15-19), memoria para almacenar un programa de software que opera al microcontrolador, y dos pines (pines 26 y 27) para recibir una señal desde un oscilador 317 (Fig. 17). La unidad de memoria 315 incluye un chip U4 de Memoria de sólo lectura programable y borrable eléctricamente (EEPROM) de doscientos cincuenta y seis (256) bytes. La EEPROM U4 se utiliza para almacenar la información de configuración como las especificaciones de construcción del calentador de agua (por ejemplo, voltaje de operación, capacidad del tanque de agua, resistencias de los diferentes elementos, etc.), datos del patrón de uso del usuario, datos de tipo de elemento, y otra información relacionada. Con los datos EEPROM y los datos sensoriales en tiempo real (esto es, la temperatura medida por los sensores de temperatura del agua primero y segundo 245 y 250), el microcontrolador U1 implementa un programa de software para controlar los elementos calentadores para que calienten y mantengan la temperatura del agua. Adicionalmente, el programa de software incluye el menos una subrutina para determinar si el agua rodea a cada elemento calentador. De nuevo en la Figura 10, el circuito de control incluye un primer circuito impulso 320 y un segundo circuito impulsor 325 que controlan la energía que se suministra a los elementos calentadores primero y segundo 235 y 240, respectivamente. Los circuitos impulsores son idénticos y, por ende, únicamente se analizará en detalle el circuito impulsor 320. Como se muestra en la Figura 16(b), el primer circuito impulsor 320 incluye las resistencias R66 y R86 en el tiristor bidireccional Q1 y el impulsor del tiristor bidireccional de cruce de curvas en punto cero de acoplamiento óptico U5. el impulsor del tiristor bidireccional U5 está impulsado por una compuerta según lo determinen los pulsos de compuerta que se reciben de la salida del microcontrolador U1. Un tren de pulsos se genera en el microcontrolador U1 , el cual determina los niveles de energía que se entregan al elemento calentador 235 (Fig. 10). Por ejemplo, el microcontrolador U1 puede proporcionar un tren de pulsos al impulsor del tiristor bidireccional U5 lo que da como resultado una transferencia de energía de 66% (esto es, 66% de la energía disponible se transfiere al elemento calentador), o puede proporcionar un tren de pulsos al tiristor bidireccional U5 dando como resultado una transferencia de energía del 40%. El tiristor bidireccional U5 está acoplado al detector de cruce de curvas en punto cero 295 para asegurar que el tiristor bidireccional se apague completamente cuando se alcanza la temperatura del punto de referencia deseada. Sin el uso del impulsor de tiristor bidireccional U5, el tiristor bldireccional Q1 puede permanecer parcialmente abierto en un estado de conducción y afectar potencialmente la confiabilidad del circuito de control 285. De nuevo en la Figura 10, el circuito de control incluye un circuito de fuego seco 330. Como se muestra con más detalle en las Figuras 16(a) y 16(b), el circuito de fuego seco 330 incluye un circuito de retención de datos U2 (16(a)), una primera escalera de la resistencia 335 (16(a)), una segunda escalera de la resistencia 340 (16(a)), un amplificador sensor de voltaje 345 (16(b)), un amplificador sensor de corriente 350 (16(b)), las resistencias R90, R91 , R92, R97, R98 Y R100 (todas en 16(b)), los transistores Q9 y Q10 (ambos en 16(b)), un sensor de corriente T1 (16(b)) y una resistencia R44 (16(b)). El circuito de retención de datos U2 preferentemente en un circuito de retención de datos Motorola 74HC374 (se pueden utilizar otros circuitos de retención de datos) y se utiliza para mantener una palabra de datos de cinco bits que controla la primera y segunda escaleras de las resistencias 335 y 340. La primer escalera de resistencia 335 genera el voltaje que se usa como referencia en el amplificador sensor de voltaje 345. Una vez que este voltaje de referencia se ha establecido o calibrado, el circuito de retención de datos U2 se utiliza para controlar la segunda escalera déla resistencia 340 para generar un voltaje que se utiliza como referencia en el amplificador sensor de corriente 350. Este circuito de retención de datos también retiene tres bits de datos adicionales. El primer bit de datos (bit 7) controla uno de los LEDs de pantalla; el segundo bit de datos (bit 6) selecciona la EEPROM; y el tercer bit de datos (bit 5) permite la comunicación con el equipo de prueba fuera de la tarjeta. El sensor de corriente T1 y la resistencia R44 crean un voltaje que es proporcional a la corriente que se suministra a los elementos calentadores. Los transistores Q9 y Q10 seleccionan el amplificador que suministra una señal al microcontrolador U1. La base para la prueba "DryFire" es la medición del voltaje pico y la corriente pico sobre una base "prácticamente" de cada ciclo. La razón por la que la medición no es exactamente en cada ciclo es que el voltaje se mide después de que se ha rectificado y filtrado. Los cambios en el voltaje de la línea AC se manifiestan como cambios en el voltaje DC rectificado. Debido a la constante de tiempo del capacitor C26, con la resistencia en los devanados secundarios del transformador de corriente, se toman muestras de voltaje y corriente en cada ciclo y se almacenan en una memoria intermedia. Cuando la memoria intermedia está llena, las muestras de voltaje se examinan para determinar si este voltaje fue estable durante el lapso que se requirió para llenar las memorias intermedias. Si la variación se encuentra dentro de los límites aceptables, las muestras de voltaje y corriente se promedian y se realiza el cálculo de la resistencia simple (esto es, R=V/I)- Cuando el fabricante ensambla el calentador de agua 200, programa en la unidad de memoria 315 los componentes utilizados para ensamblar el calentador de agua 200, la capacidad del tanque de agua 205, y/o la información del producto respecto a componentes específicos del calentador de agua 200. Por ejemplo, el fabricante puede programar una o más características del tanque y/o una o más características de los elementos en la unidad de memoria. Las características del tanque pueden incluir, de manera enunciativa mas no limitativa, el diámetro del tanque, su altura, capacidad de almacenamiento, etcétera. Las características del tanque determinan los patrones de flujo de la corriente de convección calentadora dentro del tanque 205 que crean diferentes capas de temperatura en los estratos de agua dentro del tanque 205. las características de los elementos pueden incluir, de manera enunciativa mas no limitativa, el número de elementos, su tipo, el voltaje de un elemento, su ubicación física (por ejemplo, arriba o abajo, o al lado de), la densidad en watts del elemento, etcétera. Las características del elementos ayudan a proporcionar información sobre que tan efectivamente calentarán el agua los elementos 235 y 240. Adicionalmente, algunas de las características del tanque o los elementos se pueden determinar en el microcontrolador U1. Por ejemplo, el microcontrolador puede calcular el rendimiento en watts de un elemento para un elemento específico al aplicar voltaje a ese elemento y calcular una resistencia para el elemento con el tiempo. Preferentemente, todas las características del tanque del calentador de agua y de los elementos se programan en la unidad de memoria 315. Con base en las variables y las características, el microcontrolador U1 obtiene de una cuadro de búsqueda un código específico para el calentador de agua 200. El software en el microcontrolador U1 crea una estrategia de calentamiento para el calentador de agua 200 basado en el código del calentador de agua (analizado a continuación). El microcontralador U1 puede actualizar el código del calentador de agua si percibe que un elemento ha sido remplazado o si un técnico de reparación reprograma los datos almacenados en la unidad de memoria 315. Adicionalmente, a pesar de que el fabricante programa cada una de las variables o características en la unidad de memoria 315, se prevé que el fabricante puede programar directamente el código en la unidad de memoria 315. Debido a que existe una diversidad de características y elementos de los tanques utilizados en la fabricación y construcción de calentadores de agua eléctricos, una sola estrategia de calentamiento no puede responder por las numerosas construcciones. Por el contrario, el software asigna un código al calentador de agua 200 con base en las variables y características del calentador de agua 200. Las variables y características definen la firma de un calentador de agua y, cuando se utilizan con un patrón de uso de un calentador de agua, crean un calentador de agua más confiable, efectivo y eficiente en el uso de energía. En cuanto a la operación del calentador de agua 200 y ahora en la figura 18, un usuario "enciende" el calentador de agua 200 al girar el termostato 310 hacia la derecha a partir de la posición de apagado. Esto cierra el interruptor S1. Al cerrar el interruptor S1 , la fuente de energía 290 genera la señal de AC de bajo voltaje (AcOut), la señal DC no rectificada (V-SNS) y la señal DC rectificada (Vcc). Una vez que la fuente de energía genera una Vcc mayor que 4.5 voltios, el reinicializador de bajo voltaje 300 saca al microcontrolador U1 de la posición de reinicialización. Si en algún momento el voltaje cae por debajo de 4.5 voltios (por ejemplo si el usuario apaga el sistema, ocurre un "apagón", o una falla parcial de energía), el reinicializador de bajo voltaje 300 suministra una señal al microcontrolador U1 reiniciándolo. En la acción 505, una vez que sale del reinicio el microcontrolador U1 , el software inicialíza el microcontrolador U1. El software reinicializa todas (as variables a sus valores predeterminados y reinicializa todas las salidas a sus estados predeterminados respectivos. En la acción 510, el microcontrolador lleva a cabo una prueba "DryFire" (Fuego seco). El término "DryFire" se refiere al calentamiento del elemento calentador 235 ó 240 que no está sumergido en agua. Por lo general, un "fuego seco" destruye o quema el elemento calentador 235 ó 240 en menos de un minuto. El circuito de control 285 lleva a cabo una prueba "DryFire" para determinar si el elemento calentador está rodeado por agua. En términos generales, el circuito controlador 285 lleva a cabo una prueba "DryFire" al medir la corriente pico y el voltaje pico que se aplica a cada uno de los elementos calentadores 235 y 240 y al realizar un cálculo de resistencia basado en la medición. Por ejemplo, al aplicar voltaje a uno de los elementos calentadores 235 ó 240 durante un período específico y medir la resistencia al inicio y final del período de prueba, se puede determinar el estado de los elementos calentadores 235 ó 240. A medida que el elemento 235 ó 240 se caliente, si incrementa su resistencia. Si el elemento se encuentra en agua, el elemento llega a un punto de equilibrio (esto es, una temperatura y resistencia constantes) rápidamente. Por el contrario, si el elemento 235 ó 240 está "seco", continua calentándose y alcanza temperaturas (y resistencias) altas un muy poco tiempo. Al final de la prueba se comparan las resistencias inicial y final. Para un elemento "húmedo", la diferencia entre las resistencias inicial y final es pequeña, mientras que para un elemento "seco", la diferencia entre las resistencias inicial y final es muchas veces mayor a la del elemento húmedo. Adicionalmente, al variar la longitud de la prueba DryFire, la densidad de watts de los elementos calentadores 235 ó 240 se puede medir con precisión. Con base en la densidad de watts, el microcontrolador U1 puede actualizar el código del calentador de agua. Un método muestra para llevar a cabo la prueba DryFire aparece en la figura 19. En la acción 605, el microcontrolador U1 desactiva todos los LEDs durante la prueba DryFire. Al desactivar los LEDs se asegura que el parpadeo de los LEDs no afecte la prueba. En la acción 610, el software programa un número de elemento que indica que se está probando el primer elemento calentador 235. En la acción 615, el software programa el modo operativo para el microcontrolador U1 en la prueba DryFire. En la acción 620, el software borra todas las banderas de error DryFire. Las banderas de error DryFire indican si la prueba DryFire más reciente (de haberla) produjo algún error. Por ejemplo, si la prueba DryFire anterior dio como resultado una bandera de error correspondiente a que el primer elemento estaba "seco", entonces el microcontrolador U1 reinicializa la bandera de error en espera de los resultados de la prueba actual. En la acción 625, el microcontrolador U1 calibra el amplificador de voltaje 345. antes de tomar una muestra de voltaje para los cálculos de la prueba DryFire, el amplificador de voltaje 345 se debe calibrar utilizando el voltaje de referencia variable generado por el circuito de retención de datos U2 y la escalera de la resistencia 335. Para lograr esta calibración, el microcontrolador U1 selecciona primero la salida del circuito sensor de voltaje al impulsar a Q10 a su saturación (Q9 está apagado). El voltaje de referencia (V-REF) entonces se programa a su valor más alto. Después, el voltaje de referencia (V-REF) se reduce en incrementos hasta que la salida del amplificador de voltaje (Dry-Out) alcanza el valor predeterminado. El voltaje de referencia se dejan entonces en este valor. Por ejemplo, V-SNS es una señal DC no regulada que tiene un componente de estado estable y un pequeño componente de "corriente alterna". Cualquier incremento o reducción en la señal que suministra al transformador (Acln) se reflejará en un pequeño componente "AC de la señal V-SNS. Para que el microcontrolador U1 pueda notar cualquier cambio importante, el amplificador de voltaje 345 amplifica los pequeños cambios en el componente "AC". Si, por ejemplo, el estado estable es 2.0 voltios, cualquier voltaje de referencia (V-REF) que alimente a la resistencia R88 (Fig. 16(b)) por encima de 2.0 voltios dará como resultado que no se produzca amplificación y la salida del amplificador será cero. Si el voltaje de referencia (V-REF) está pro debajo de 2.0 voltios, la amplificación se llevará a cabo. El voltaje de referencia (V-REF) se ajusta de tal manera que la salida de U7B se encuentre en algún punto en el medio de su curva de salida (por ejemplo, 0-3.5 voltios). El microcontrolador U1 continua reduciendo el voltaje de referencia (V-REF) por pasos hasta que se alcanza la salida deseada (por ejemplo, el voltaje de referencia es igual a 1.5 voltios). Así, cualquier cambio en el voltaje de la línea se exagera por un factor igual a la ganancia de U7B. En la acción 630, el microcontrolador U1 calibra el amplificador de corriente 350. Al igual que con el amplificador de voltaje 345, la segunda etapa, U8B (Fig. 16(b)), se debe calibrar antes de iniciar el muestreo. El circuito sensor de corriente se selecciona al impulsar Q9 hasta el punto de saturación (Q10 está apagado) y después ajustar en forma incremental el voltaje de referencia (l-REF) de manera similar al voltaje de referencia (V-REF). En la acción 635, el software determina si los amplificadores de voltaje y corriente 354 y 350 están calibrados adecuadamente. Si existe algún error en calibración, entonces el software establece una bandera de error de calibración (acción 640) con un resultado positivo y procede a la acción 660. Si la calibración no da como resultado ningún error, entonces el microcontrolador U1 procede a la acción 645. En la acción 645, el v lleva a cabo la prueba DryFire para el primer elemento 235, Para la prueba, se miden voltajes y corrientes instantáneas en sus valores pico. Esto se logra al muestrear la señal de los circuitos amplificadores de voltaje y corriente 345 y 350 (Dry-Out) en relación con el cruce de curvas en punto cero de la señal de AC de bajo voltaje (AcOut). En el cruce de curvas en punto cero, se inicia un temporizador para cada uno de ios circuitos amplificadores 340 y 350. Se utiliza una variable de fin de temporización para tomar muestras de voltaje y comente durante un período predeterminado con respecto al cruce de curvas en punto cero cuando las formas de curva de voltaje y corriente se encuentran en sus picos. Las muestras instantáneas de voltaje y corriente se cargan en memorias Intermedias separadas dentro del microcontrolador U1. Cuando se llenan las memorias intermedias, se analizan los datos para determinar si el voltaje de la línea se ha mantenido estable durante el período de muestreo. Si el voltaje muestreado se ha mantenido estable, se computa el voltaje y corriente promedio y se hace un cálculo de resistencia. Los cálculos continúan así durante la prueba DryFire. Al final de la prueba, se restan los valores de inicio y fin de la resistencia para encontrar cuánto ha cambiado la resistencia a lo largo de la prueba. La base de la prueba no es el valor real de la resistencia (el cual es diferente para cada tipo de elemento calentador), sino la diferencia entre fas resistencias al inicio y al final de la prueba. En la acción 650, el microcontrolador U1 determina si el primer elemento 235 está seco. Si la diferencia de resistencias calculada es mayor que un valor establecido de cambio en la resistencia (el cual puede variar dependiendo de los elementos calentadores utilizados), entonces el microcontrolador U1 determina que el elemento no está rodeado por agua (esto es, está "seco") y procede a la acción 655. Si el microcontrolador U1 determina que el cambio en la resistencia calculada es igual que o menor que el valor establecido de cambio en la resistencia, entonces el microcontrolador U1 determina que el elemento está rodeado por agua y procede a la acción 660. En la acción 655, el software establece una bandera de error para el primer elemento con un resultado positivo. Una bandera de error para el primer elemento con resultado positivo informa a las subrutinas subsiguientes que el primer elemento 235 no está rodeado por agua. Por consiguiente, las subrutinas siguientes no utilizarán este elemento para calentar el agua. El microcontrolador U1 también establecerá al temporízador ReCheck en 180 minutos. El temporízador ReCheck irá reduciendo el tiempo hasta llegar a cero minutos. Cuando el temporízador ReCheck llega a cero, el microcontrolador U1 realiza otra prueba DryFire en ese elemento. En la acción 660, el microcontrolador U1 establece el número de elemento del segundo elemento. En la acción 665, el microcontrolador U1 repite las acciones 625, 630, 635, 640, 645, 650 y 655 para el segundo elemento y determinar si éste está seco. Si el microcontrolador U2 determina que el segundo elemento está seco, establece una bandera de error del segundo elemento en positivo. Por supuesto, si el calentador de agua incluye más de dos elementos calentadores, entonces el microcontrolador U2 lleva a cabo una prueba seca para cada uno de los elementos restantes. Adicionalmente, si el calentador de agua contiene únicamente un elemento calentador, entonces el microcontrolador U2 no llevará a cabo las acciones 660 ó 665. De nuevo en la Figura 18, en la acción 515, el software determina si un fin de temporización "ReCheck" es mayor que cero. El fin de temporización ReCheck es un temporizador (por ejemplo, 20 segundos) que se utiliza en el software para muestrear los sensores de temperatura 245, 250 y 255 y crear o modificar una estrategia de calentamiento para calentar el agua contenida en el calentador de agua 200. Si el fin de temporización ReCheck es mayor que cero, entonces el software procede a la acción 520. Si el fin de temporización ReCheck es menor que o igual a cero, entonces el software procede a la acción 525. En la acción 520, el microcontrolador U1 hace "parpadear" el LED4 del sistema, el LED5 de calor y el LED6 de alerta. Esto es, el software lleva a cabo una subrutina que activa los LEDs adecuados dependiendo del modo en que se encuentre el software o si se ha presentado una bandera de error. Por ejemplo, durante la operación normal, el microcontrolador 305 genera una señal que resulta en el parpadeo del LED4 del sistema. Si el software está en el modo calentar (analizado a continuación), entonces el LED5 de calor parpadea al unísono del LED4 del sistema. Si el software tiene una bandera de error positiva, el LED6 de alerta funciona en conjunto con el LED4 del sistema para indicar el estado del calentador de agua 200 a un operador o técnico de servicio.

Sí el fin de temporización ReCheck es menor que o igual a cero, entonces el microcontralador U1 procede a la acción 525. en términos generales, el microcontrolador U1 muestrea al sensor de temperatura (acción 525), computa la temperatura del agua (acción 530), computa la configuración del termostato (acción 535), establece un modo operativo (acción 540), establece un estado del ciclo de calentamiento (acción 545), y establece la prioridad de calentamiento (acción 550). Un método muestra que implementa las acciones 525, 530, 535, 540, 545 y 550 aparece en la Figura 18. Adicionalmente, el microcontrolador U1 almacena la información para crear un histórico de uso (acción 555) y hace parpadear los LEDs (acción 560). En la acción 705 (Figura 20(a)), el microcontrolador U1 muestrea el sensor de temperatura 245 y carga el primer voltaje resultante en el software para su procesamiento. En la acción 710, el microcontrolador U1 muestrea el sensor de temperatura 250 y carga el segundo voltaje resultante en el software para procesamiento. En la acción 715, el microcontrolador U1 convierte el primer y segundo voltaje muestreado en la primera y segunda temperatura muestreada, respectivamente, utilizando la cuadro de búsqueda de temperaturas. La cuadro de búsqueda contiene varios rangos de voltaje con sus temperaturas asociadas. Por ejemplo, si el primer sensor de temperatura genera una señal de 2.1 voltios, la temperatura asociada puede ser 100° Fahrenheit. La cuadro de búsqueda puede variar dependiendo del sensor utilizado. Después de obtener la primera y segunda temperatura medida, el software modifica las temperaturas medidas para tomar en cuenta cualquier tiempo de desfase en la obtención de la temperatura. Esto es, a medida que el agua en el interior del tanque 205 incrementa su temperatura, existe un error incrementa! en lo que mide el sensor de temperatura 245 ó 250. La ruta de conducción térmica desde el agua a través del material del tanque de agua 205 tiene un diferencial de desfase. Para corregirlo, los valores de temperatura leídos en la cuadro de búsqueda están "corregidos" contra ese desfase. Las temperaturas primera y segunda corregidas se utilizan para tomar decisiones relacionadas con el calentamiento del agua en el software. En la acción 720, el microcontrolador U1 carga o muestrea una señal desde el termostato 310. Si el microcontrolador U1 determina que el voltaje del termostato corresponde al del termostato en la posición de apagado (acción 725), entonces el software establece un modo operativo igual al del estado apagado (acción 730) y regresa a la acción 555 de la Figura 18. Por ejemplo, si el voltaje del termostato es menor que 0.1 voltios, entonces el software determina que el termostato se encuentra en la posición de apagado y apaga el controlador 260. si el voltaje del termostato es mayor que el voltaje correspondiente a la posición de apagado (acción 725), entonces el software procede a la acción 735. En la acción 735, el software determina si el modo operativo se estableció previamente en apagado (esto es, el sistema simplemente se encendió). Si el modo operativo estaba previamente en apagado, entonces el software cambia al modo operativo "espera" (acción 740). Como se analizará con más detalla después, cuando el calentador de agua 200 se encuentra ene I modo de espera, el controlador 260 no incrementa la temperatura del agua. Si el modo operativo se encuentra en un modo diferente al modo operativo apagado, entonces el software procede a la acción 745. En la acción 745, el software compara el voltaje del termostato con el voltaje establecido que representa la posición de vacaciones del termostato. Por ejemplo, si el voltaje del termostato es menor que 0.7 voltios, entonces el software determina que el termostato se encuentra en la posición de vacaciones y procede a la acción 750. Si el voltaje del termostato es mayor que 0.7 voltios, entonces el termostato determina que el usuario ha establecido el calentador de agua a la temperatura deseada y procede a la acción 755. En la acción 750, el software establece una temperatura de punto de referencia igual a la temperatura de vacaciones (por ejemplo, 32.2 °C). La temperatura de vacaciones puede ser un valor determinado por el fabricante o prefijado por el usuario. Una vez establecida la temperatura del punto de referencia, el software procede a la acción 760 (Fig. 20(B)). En la acción 755 (Fig. 20(b)), el software computa la temperatura del punto de referencia con base en el voltaje muestreado del termostato. El microcontrolador U1 utiliza preferentemente una segunda cuadro de búsqueda, pero puede utilizar alternativamente una fórmula basada en el voltaje de entrada.

En la acción 760, el software computa la temperatura del calentador funcionando. La temperatura del calentador funcionando es la temperatura en la cual uno o más elementos reciben una señal eléctrica. La temperatura del calentador funcionando es la temperatura del punto de referencia menos una temperatura de histéresis. La temperatura de histéresis es el número de grados Fahrenheit (por ejemplo 10 grados Fahrenheit) que baja la temperatura del agua por debajo de la temperatura del punto de referencia antes de que ocurra el calentamiento. Así, al calcular una temperatura de calentador funcionando, el microcontrolador U1 evitar "entrar en ciclos". En la acción 765, el software determina si el modo operativo está en modo de "espera" o en modo "calentar". Si el modo operativo está en espera, el software procede a la acción 770. Si el modo operativo está en calentar, entonces el software procede a la acción 775. En la acción 770, el software determina si la temperatura de la parte inferior del tanque (del sensor de temperatura 250) es menor que o igual a la temperatura de calentador funcionando. Si la temperatura de la parte inferior del tanque es menor que o igual a la temperatura de calentador funcionando, entonces el software determina que el agua debe calentarse y procede a la acción 780. Si la temperatura de la parte inferior del tanque es mayor que la temperatura de calentador funcionando, entonces el software determina que el agua no debe calentarse y procede a la acción 800.

En la acción 780, el software establece el modo operativo en calentar, lo cual indica que se debe calentar el agua. Después de establecer el modo operativo en calentar, el software reinicializa todas las variables de estado operativo y termina la temporización para otro ciclo de calentamiento (acción 785). Por ejemplo, el software reinicializa el temporizador ReCheck ( a 20 milisegundos, por ejemplo). Si, en la acción 765, el software determina que el modo operativo está en calentar, el software procede a la acción 775. En la acción 775, el software determina si temperatura de la parte inferior del tanque es mayor que o igual a la temperatura del punto de referencia. Si la temperatura de la parte inferior del tanque es mayor que o igual a la temperatura del punto de referencia, entonces el software determina que el agua debe seguir calentándose y se mantiene en el modo calentar y procede a la acción 800. Si la temperatura de la parte inferior del tanque es menor que la temperatura del punto de referencia, entonces el software determina que el agua se ha calentado adecuadamente y procede a la acción 785. En la acción 785, el software cambia el modo operativo a espera (eso es, indica que la temperatura del agua ya no debe incrementarse). En la acción 790, el software determina si el primer elemento calentador 235 está rodeado por agua (esto suponiendo que el primer elemento se encuentra por encima del segundo elemento 240s,c). Si el primer elemento calentador 235 no está rodeado por agua (el elemento está seco), entonces el software establece la variable de fin de temporización ReCheck en dos minutos (acción 795). Al modificar la longitud de la variable de fin de temporización ReCheck, el software permite que el tanque de agua se llene con más agua antes de calentar con el primer elemento. Por supuesto, el tiempo que establece el software en la variable de fin de temporización ReCheck puede variar, y no se requiere un valor específico para que esta invención funcione. Si el primer elemento tiene agua rodeándolo (esto es, se tiene un estado húmedo), entonces el software procede a la acción 800. En la acción 800 (véase la figura 20©), el software determina si ha transcurrido el período de cálculo de la pendiente de temperatura. Si ha transcurrido el período, entonces el software reinícializa el temporízador y computa una pendiente de temperatura (acción 805). Computar una pendiente de temperatura permite determinar si se está sacando agua. A intervalos regulares (por ejemplo, 90 segundos), se compara la muestra más reciente de temperatura del tanque con las muestras anteriores almacenadas en la unidad de memoria 315. Con base en los valores de temperatura, se calcula una pendiente o tasa de temperatura de los cambios de la temperatura del agua. Si el usuario está sacando agua, resultará una gran pendiente negativa que informará al software que se está sacando agua del calentador. En la acción 810, el software establece el ciclo de trabajo que determina la cantidad de energía a ser transferida a cada elemento calentador. La cantidad de energía varía dependiendo de la temperatura del agua y el código del calentador de agua para el calentador de agua 200. Además, la cantidad de energía puede tomar en consideración el patrón de uso del calentador de agua (que se almacena en la unidad de memoria 315), la temperatura ambiente, el valor de consistencia del agua u otra información. En la acción 810, el software obtiene de la unidad de memoria 315 el código para el calentador de agua y los registros anteriores de los datos almacenados en el calentador de agua. Los registros anteriores se almacenan cada vez que el software completa la acción 555 (Fig. 18), y cada registro incluye la hora del día, duración de los calentamientos anteriores, tasa de cambio (pendiente) en el aumento y reducción de la temperatura del agua y adicionalmente puede incluir otra información como la temperatura ambiente. A medida que el controlador 260 calienta el agua, busca en la unidad de memoria 315 para la información registrada de circunstancias similares durante un período similar en los días y/o semanas anteriores. Si parece que el usuario utiliza aproximadamente la misma cantidad de agua durante un período dado, entonces el agua se calentará a una tasa estándar para el código del calentador de agua que puede satisfacer la tasa de consumo anticipada para el agua caliente. Si los datos almacenados indican que puede no haber uso después del ciclo de calentamiento actual, el agua entonces se calentará lentamente en un ciclo de trabajo inferior para reducir el consumo de energía. Si existe una caída abrupta y rápida (esto es, pendiente de temperatura negativa) en la temperatura del agua, el software calculará el nuevo ciclo de trabajo de acuerdo con la condición de uso actual del calentador de agua. A medida que los patrones de uso cambian, los registros anteriores se irán modificando para reflejar las condiciones operativas actuales. Para la modalidad preferida, la fórmula de linea base para considerarlas tasas de flujo mínimas de temperatura del agua serán aceptables si la recuperación mínima es equivalente a diez galones por hora con un aumento de temperatura de sesenta grados Fahrenheit. Con esta fórmula, la información de código del producto y los registros de uso, las relaciones de entrada de energía versus el cambio en tasa de temperatura se utiliza para determinar las estrategias de calentamiento. Las estrategias proporcionan niveles de entrada de energía para satisfacer o exceder la tasa mínima dé recuperación, mientras que se mantiene la eficiencia energética al máximo. A medida que cambian las condiciones en los patrones de uso, se modifica la estrategia para mantener ia recuperación mínima en un nivel estándar. Por ejemplo, una estrategia de calentamiento estándar para el primer código del calentador de agua con un rendimiento en watts en el primer elemento diferirá al compararse con la estrategia de calentamiento para el segundo código del calentador de agua con un rendimiento en watts para el segundo elemento. Dos estrategias de calentamiento muestra para el segundo elemento 240 aparecen en Cuadrólos cuadros 1 y 2.

CUADRO 1 Estrategia de calentamiento para el primer código de calentamiento Temperatura del aaua Eneraía o ciclo de trabaio del seaundoslc elemento < 46.1 °C 100% 46.1 °C a 48.8 °C 66% 48.8 °C a 51.6 °C 57% 51.6 °C a 54.4 °C 50% 54.4 °C a 57.2 °C 40% 57.2 °C > 20% CUADRO 2 - Estrategia de calentamiento para el segundo código de calentamiento Temperatura del agua Energía o ciclo de trabaio del segundo elemento < 46.1 °C 100% 46.1 °C a 48.8 °C 66% 48.8 °C a 51.6 °C 57% 51.6 °C a 54.4 °C 50% 54.4 °C a 57.2 °C 40% 57.2 °C > 20% Para el calentador de agua 200, el ciclo de trabajo o energía aplicada a los elementos calentadores 235 ó 240 se basa al menos en parte en ta temperatura del agua medida y en el código del calentador de agua. El concepto de una estrategia de calentamiento dependiente del código del calentador de agua es diferente al método de calentar el agua para los calentadores de agua 10 y 150. Para los calentadores de agua 10 y 150, el ciclo de trabajo o energía aplicado a los elementos calentadores 16 y/o 16' se basa en la diferencia entre la temperatura del agua medida y la temperatura del agua deseada. Sin embargo, se ha determinado que incrementar la energía en un elemento sumergido en el agua en una temperatura del agua dada no puede resultar en una ganancia óptima de temperatura del agua cuando se compara con la entrada de energía. Por ejemplo, suponiendo que todas las demás condiciones sean las mismas, se ha determinado que se puede transferir más calor desde un elemento hacia el agua cuando el agua se encuentra a una temperatura más baja. A medida que se incrementa la temperatura del agua, se requiere proporcionar menos energía al elemento calentador 235 o 240 independientemente de la diferencia entre la temperatura medida y la temperatura deseada (esto es, la energía en exceso no dará como resultado una transferencia óptima cuando se compara con la entrada de energía). Por lo tanto, el software no necesita tomar en cuenta la diferencia entre la temperatura deseada y la temperatura medida para calentar el agua. Pero se calcula que en ciertas circunstancias (por ejemplo cambios en los patrones de uso dando como resultado que el agua necesite calentarse tan rápido como sea posible sin tomar en cuenta la eficiencia) una estrategia de calentamiento puede desear incluir una medida de diferencia. En la acción 815, el software determina el estado de "salida de agua". El estado de salida de agua indica si el usuario esta en ese momento 5 sacando agua y a qué velocidad lo está haciendo. El estado de salida del agua tiene cuatro valores: "el tanque está calentado", "salida de agua uno", "salida de agua dos" y "recuperando". Si el estado de salida del agua es "el tanque está calentado", entonces el software procede a la acción 820. Si el estado de salida del agua es "salida de agua uno", entonces el software 10 procede a la acción 825. Si el estado de salida del agua es "recuperando", entonces el software procede a la acción 830. Si el estado de salida del agua es "salida de agua dos", entonces el software procede a la acción 835. - - En la acción 820, el software determina si la pendiente de temperatura es menor que o igual al umbral para la salida de agua. Por 15 ejemplo, si la pendiente de temperatura calculada es menor que diez grados Fahrenheit, entonces el software determina que hay una salida de agua y establece el estado de salida de agua en "salida de agua uno" (acción 840). Si la pendiente de temperatura es mayor que el umbral de salida de agua, entonces el software determina que no hay salida de agua y procede a la 20 acción 870. Si el estado se salida de agua actualmente es "salida de agua uno", entonces el calentador de agua se encontró previamente en un estado de salida de agua (esto es, el usuario está usando agua caliente). En la acción 825, el software determina si la pendiente de temperatura es positiva. Si la pendiente de temperatura es positiva, entonces el software determina que el calentador de agua se está recuperando y establece el estado de salida de agua en recuperando 8acción 845). Si la pendiente de temperatura sigue siendo negativa, entonces el software determina que el calentador de agua aún se encuentra en salida de agua y procede a la acción 870. Si el estado de salida del agua en ese momento es "recuperando", entonces el calentador de agua se está recuperando de una salida de agua. En la acción 830, el software determina si ha habido salida de agua (esto es, la pendiente de temperatura es menor que o igual al umbral para la salida de agua). Si hay otra salida de agua, entonces el software establece el estado de salida de agua en "salida de agua dos" (acción 850). Si el software determina que el calentador de agua aún se está recuperando, el programa procede a la acción 870. En la acción 835, el software determina si la temperatura en la parte inferior del tanque es mayor que o igual a la temperatura de tanque está calentado. Si la temperatura en la parte inferior del tanque es mayor que o igual a la temperatura de tanque está calentado, entonces el software establece el estado de salida del agua en recuperando y reinicializa la pendiente de temperatura. Si la temperatura en la parte inferior del tanque es menor que la temperatura de tanque está calentado, entonces el microcontrolador U1 establece el ciclo de trabajo a potencia completa (acción 760). Por supuesto, se pueden utilizar otros ciclos de trabajo dependiendo del calentador de agua específico y las circunstancias ambientales. En la acción 870, el software determina la prioridad de calentamiento del calentador de agua. Si la prioridad de calentamiento es "cincuenta-cincuenta" (analizada más adelante), entonces el software establece el ciclo de trabajo a potencia completa (acción n875) independientemente de la temperatura del agua. Por supuesto, se pueden utilizar otros ciclos de trabajo dependiendo del calentador de agua específico y las circunstancias ambientales. Si la prioridad de calentamiento no es el modo cincuenta-cincuenta, entonces el software procede a la acción 880 (Fig. 20(d)). En la acción 880, el software selecciona un caso con base en la prioridad de calentamiento previamente determinada. La prioridad de calentamiento se utiliza para determinar qué elementos están activos. Por ejemplo, si el primer elemento es un elemento superior y el segundo se encuentra en la parte inferior (similar a la Fig. 5), entonces, en ciertas circunstancias, se pueden usar ambos elementos. Para este arreglo, si se utilizan ambos elementos, entonces la prioridad de calentamiento será cincuenta-cincuenta. Si sólo se utiliza un elemento, cuando la prioridad de calentamiento es cero-cien. Como alternativa, si los elementos se encuentran básicamente en un plano horizontal, ambos elementos se pueden usar en un arreglo cincuenta-cincuenta (vs. El uso de un solo elemento) para calentar el agua.

En la acción 885, el software determina si la temperatura superior del tanque ha bajado (esto es, la pendiente de temperatura del elemento superior es menor que o igual al umbral). Si la temperatura superior del tanque ha bajado, entonces el software establece la prioridad de calentamiento a "cincuenta-cincuenta" (acción 887), lo que resulta en que ambos elementos calientan el agua. Si la temperatura superior del tanque no ha bajado, entonces el software procede a la acción 555 (Fig. 16). En la acción 890, el software determina si la temperatura superior del tanque se ha recuperado (esto es, la pendiente de temperatura del elemento superior es mayor que el umbral). Si se ha recuperado la temperatura superior del tanque, entonces el software establece la prioridad en "cero-cien" (acción 895), lo que resulta en que únicamente el segundo elemento 240 calienta el agua. Si la temperatura superior del tanque no se ha recuperado, el software procede a la acción 555 (Fig. 16). Cada ochocientos microsegundos, el software realiza un evento de interrupción de temporizador. La interrupción del temporizador se utiliza como base de tiempo para diferentes finales de temporizador (por ejemplo el fin de temporizador "ReCheck"). Durante cada interrupción, el temporizador del microcontrolador se reinicializa y las variables de fin de temporizacion se reducen si su valor es mayor que cero. Una vez que el valor de fin de temporizacion llega a cero, la rutina asociada se puede llevar a cabo en ese momento, o se puede realizar durante el bucle principal. Como se muestra en la figura 21 , en la acción 905, el software reinicializa el temporizador para la siguiente interrupción programada. En la acción 910, el software realiza los fines de temporización (esto es, reduce cada fin de temporización) y retrasa las variables. En la acción 915, el software lleva a cabo las rutinas relacionadas con eventos según se requiera. En la acción 920, el software regresa de la interrupción para la acción que estaba implementando. Cada vez que la señal (AcOutHI) cruza cero voltios, el microcontrolador U1 lleva a cabo una interrupción de evento de cruce de curvas en punto cero. Cuando el transistor Q8 (Fig. 12) se enciende, pasa a punto de saturación lo cual causa un extremo en descenso que genera una interrupción en el microcontrolador U1. Este extremo de descenso se utiliza como extremo de referencia para activar los tiristores bidireccionales Q1 y Q2 (Fig. 16(b)). Cuando ocurre el extremo de referencia, la interrupción del temporizador (Fig. 21 ) se ajusta de tal manera que corresponderá exactamente cuando ocurra el cruce de curvas en punto cero. De esta manera, la interrupción en cruce de curvas en punto cero dispara los tiristores bidireccionales precisamente en el momento correcto. Para controlar la energía transmitida a los elementos calentadores 235 y 240, el microcontrolador U1 genera una señal de salida (primer elemento o segundo elemento) la cual se proporciona a los impulsores de los tiristores bidireccionales de cruce de curvas en punto cero U5 y U6, respectivamente. Los impulsores de los tiristores bidireccionales de cruce de curvas en punto cero U5 y U6 en combinación con los tiristores bidireccionales Q1 y Q2 controlan la señal de AC de alto voltaje (Acln) que se suministra a los elementos calentadores 235 y 240. Para controlar la energía transmitida a los elementos calentadores 235 y 240, se dispara el tiristor bidireccional Q1 ó Q2 para una 5 secuencia de cuatro medios ciclos AC secuenciales. El tiristor bidireccional Q1 ó Q2 se dispara con base en la prioridad de calentamiento y el estado del software en relación con el ciclo de calentamiento. Por ejemplo, si la prioridad de calentamiento es "cero-cien", entonces se disparará un tiristor bidireccional Q2. alternativamente, si la prioridad de calentamiento es "cincuenta- 10 cincuenta" y los elementos calentadores 235 y 240 se han disparado secuencialmente, entonces el software incluye una variable que especifica qué elemento calentador 235 ó 240 se va a activar. Después de disparar una - secuencia de cuatro medios ciclos AC secuenciales, el software demora el disparo, esto es, no dispara el tiristor bidireccional Q1 ó Q2 durante algunos 15 ciclos. El número de ciclos durante los cuales el tiristor bidireccional Q1 ó Q2 no se disparará está determinado por la cantidad de energía a ser transmitida por los elementos calentadores 235 ó 240. Por ejemplo, si se debe transmitir 100% de energía, entonces el software demorara el disparo por completo. Si se debe transmitir 50% de la energía, entonces el software demorará el 20 disparo del tiristor bidireccional Q1 ó Q2 durante cuatro medios ciclos AC. El cuadro 3 muestra un ejemplo de un cuadro de transferencia de energía.

CUADRO 3 Cuadro de búsqueda para los diferentes ciclos de trabajo basados en un disparo inicial de cuatro ciclos. Demora (medio ciclo) Transferencia de energía 0 medio ciclo de demora 100% de energía 1 medio ciclo de demora 80% de energía 2 medios ciclos de demora 66% de energía 3 medios ciclos de demora 57% de energía 4 medios ciclos de demora 50% de energía ... 6 medios ciclos de demora 40% de energía 16 medios ciclos de demora 20% de energía 5 Por supuesto, se pueden utilizar otros medios ciclos y el disparo inicial de cuatro ciclos puede variar para obtener diferentes relaciones de transferencia de energía. Mientras que en el presente se han mostrado y descrito modalidades especiales de la invención, se pueden realizar cambios y 10 modificaciones sin alejarse del espíritu y el alcance de la invención. Por ejemplo, se pueden usar chips lógicos diferentes al chip lógico Motorola UAA1016A para controlar el ciclo de encendido-apagado del tiristor 103. v ' Asimismo, se puede usar un dispositivo sensor de temperatura diferente al termistor utilizado como dispositivo sensor de temperatura 102. También, se 15 puede utilizar un tiristor diferente al TRIAC Motorola como tiristor 103 así como múltiples elementos calentadores y otros circuitos de control alternativos, según se indicó anteriormente. Por lo tanto, no se pretende establecer ninguna limitación a la invención que no sean las limitaciones incluidas en las reivindicaciones que se anexan. Muchas otras funciones y ventajas de la invención se establecen en las reivindicaciones.

Claims

NOVEDAD DE LA INVENCION REIVINDICACIONES

1. - Un método para determinar si el agua rodea al elemento calentador de un calentador de agua, el método comprende las acciones de: aplicar una señal al elemento calentador; medir una primera resistencia del elemento calentador; medir una segunda resistencia del elemento calentador después de medir la primera resistencia; determinar si el elemento calentador está rodeado por agua al comparar la primera resistencia con la segunda; caracterizada la acción de medir la primera resistencia por las acciones de: obtener una segunda señal proporcional a la primera señal; aplicar una segunda señal a un primer amplificador dando como resultado una tercera señal; medir una corriente de la primera señal; obtener una cuarta señal proporcional a la segunda corriente; aplicar la cuarta señal al segundo amplificador dando como resultado una quinta señal; y calcular la primera resistencia en respuesta a la tercera y quinta señal.

2. - El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado además porque la acción de determinar si el elemento calentador está rodeado por agua incluye las acciones de: restar la primera resistencia de la segunda resistencia para obtener una resistencia de diferencia; y determinar si la resistencia de diferencia es mayor que un umbral de resistencia.

3. - El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado además porque la acción de determinar si el elemento calentador está rodeado por agua incluye las acciones de: restar la segunda resistencia de la primera resistencia para obtener una resistencia de 5 diferencia; y determinar si la resistencia de diferencia es mayor que un umbral de resistencia.

4. - El método de conformidad con la reivindicación 1 , v caracterizado además porque la acción de medir una primera resistencia incluye: obtener un voltaje pico de la tercera señal; obtener una corriente pico 10 de la quinta señal; y dividir el voltaje pico entre la corriente pico.

5. - El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado además porque la acción de medir una primera resistencia ^ también incluye: calibrar el primer y segundo amplificador.

6. - Un calentador de agua de tipo almacenamiento comprende: 15 un tanque para mantener el agua de manera que el agua se pueda calentar hasta una temperatura de agua caliente seleccionada durante períodos de no uso, el tanque incluye una superficie interna y es operable para mantener el agua dentro déla superficie interna; un elemento calentador acoplado al tanque, el elemento calentador cuenta con una superficie térmica dispuesta 20 dentro de la superficie interna y operable para calentar el agua; y un circuito de control en comunicación con el elemento calentador, el circuito de control incluye un circuito sensor de voltaje y un circuito sensor de corriente, el circuito de control se puede operar para aplicar un voltaje al elemento calentador y así producir una corriente en el elemento calentador, generar una primera señal con el circuito sensor de voltaje, esta primera señal tiene una relación con el voltaje aplicado, generar una segunda señal con el circuito sensor de corriente, esta segunda señal tiene una relación con la corriente 5 producida, y determinar si el elemento calentador está en contacto con el agua, determinación que se basa al menos en parte en la primera y segunda señal. - 7.- El calentador de agua tipo almacenamiento de conformidad con la reivindicación 6, caracterizado además porque la primera señal incluye 10 una pluralidad de valores de voltaje, caracterizado además porque la segunda señal incluye una pluralidad de valores de corriente asociados con la pluralidad de valores de voltaje, respectivamente, caracterizado porque el circuito de control incluye un controlador en comunicación con el circuito sensor de voltaje y el circuito sensor de corriente, y el controlador se puede 5 operar para producir al menos dos valores calculados, cada valor calculado se calcula al menos en parte al dividir al menos un valor de voltaje de la pluralidad de valores de voltaje entre al menos uno de las valores de corriente asociados de la pluralidad de valores de corriente, y determinar si el elemento calentador se encuentra en contacto con agua utilizando al menos dos valores 20 calculados. 8.- El calentador de agua tipo almacenamiento de conformidad con la reivindicación 7, caracterizado además porque el controlador determina si el elemento calentador se encuentra en contacto con el agua al operarse además para determinar si la diferencia entre el primer valor calculado y el segundo es mayor que el del umbral. 9. - El calentador de agua tipo almacenamiento de conformidad con la reivindicación 7, caracterizado además porque el voltaje incluye un 5 primer componente de variación substancialmente cíclico, caracterizado además porque la corriente incluye un segundo componente de variación substancialmente cíclico, caracterizado además porque la pluralidad de los . valores de voltaje incluyen valores de voltaje pico del primer componente de variación substancialmente cíclico, y caracterizado además porque la 10 pluralidad de valores de corriente incluyen valores de corriente pico del segundo componente de variación substancialmente cíclico. 10. - El calentador de agua tipo almacenamiento de confonnidad con la reivindicación 6, caracterizado además porque la primer señal incluye la primer pluralidad de valores de voltaje y la segunda pluralidad de valores de 5 voltaje, caracterizado porque la segunda señal incluye la primer pluralidad de valores de corriente asociados con la primer pluralidad de valores de voltaje, respectivamente, y la segunda pluralidad de valores de corriente asociados con la segunda pluralidad de valores de voltaje, respectivamente; ^ caracterizado porque el circuito de control incluye un controlador en 20 comunicación con el circuito sensor de voltaje y el circuito sensor de corriente, pudiéndose operar el controlador para: promediar la primer pluralidad de valores de voltaje para producir un primer voltaje promedio; promediar la segunda pluralidad de valores de voltaje para producir un segundo voltaje promedio; promediar la primer pluralidad de valores de corriente para producir una primera comente promedio; promediar la segunda pluralidad de valores de corriente para producir una segunda corriente promedio; producir un primer valor calculado, el primer valor calculado siendo calculado al menos en parte al dividir el primer voltaje promedio entre la primer corriente promedio; producir un segundo valor calculado, el segundo valor calculado siendo calculado al menos en parte al dividir el segundo voltaje promedio entre la segunda corriente promedio; y determinar si el elemento calentador está en contacto con el agua al comparar el primer valor calculado con el segundo. 11.- El calentador de agua tipo almacenamiento de conformidad con la reivindicación 10, caracterizado además porque el controlador determina si el elemento calentador está en contacto con el agua al poderse operar además para determinar si la diferencia entre el primer valor calculado y el segundo es mayor que el del umbral. 12.- El calentador de agua tipo almacenamiento de conformidad con la reivindicación 10, caracterizado además porque el circuito de control incluye un circuito de retención de datos para calibrar los circuitos sensores de voltaje y corriente. 13.- El calentador de agua tipo almacenamiento de conformidad con la reivindicación 106, caracterizado además porque el voltaje incluye un componente de variación substancialmente cíclico, caracterizado porque la corriente incluye un segundo componente de variación substancialmente cíclico, caracterizado porque la primer pluralidad de valores de voltaje incluye los valores de voltaje pico del primer componente de variación substancialmente cíclico en el primer período de tiempo, caracterizado porque la segunda pluralidad de valores de voltaje incluye los valores de voltaje pico del primer componente de variación substancialmente cíclico durante el segundo período de tiempo, caracterizado porque la primer pluralidad de valores de corriente incluye los valores de corriente pico del segundo componente de variación substancialmente cíclico durante el primer período de tiempo, y caracterizado además porque la segunda pluralidad de valores de corriente incluye los valores de corriente pico del segundo componente de variación substancialmente cíclico durante el segundo período de tiempo. 14. - El calentador de agüa tipo almacenamiento de conformidad con la reivindicación 4, caracterizado además porque el controlador incluye una memoria con un programa de software para operar el controlador. 15. - Una unidad de calentamiento que calienta un líquido a una temperatura, el líquido se mantiene en el tanque, y la unidad de calentamiento comprende: un elemento calentador incluyendo una superficie térmica que se puede conectar al tanque de manera que la superficie térmica está distribuida dentro del tanque; un circuito sensor de voltaje que opera para generar una primer señal relacionada con el voltaje aplicado al elemento calentador un circuito sensor de comente que opera para generar una segunda señal relacionada con la corriente aplicado al elemento calentador; un controlador en comunicación con los circuitos sensores do voltaje y corriente, este controlador opera para recibir la primer y segunda señal, y determinar si el elemento calentador está en contacto con un líquido, esa determinación se basa al menos en parte en la primer y segunda señal. 16.- La unidad de calentamiento de conformidad con la reivindicación 15, caracterizada además porque la primer señal incluye una pluralidad de valores de voltaje, caracterizada porque la segunda señal incluye una pluralidad de valores de corriente asociados con la pluralidad de valores de voltaje, respectivamente, caracterizada porque el controlador que determina si el elemento calentador está en contacto con un líquido y que se puede operar además para producir al menos dos valores calculados, cada valor calculado se calcula al menos en parte al dividir al menos un valor de voltaje de la pluralidad de valores entre al menos uno de los valores de corriente asociados de la pluralidad de valores de corriente y determinar si el elemento calentador se encuentra en contacto con el líquido utilizando al menos dos de los valores calculados. 17.- La unidad de calentamiento de conformidad con la reivindicación 16, caracterizada además porque el controlador determina si el elemento calentador se encuentra en contacto con el líquido al operar además para determinar si la diferencia entre el primer valor calculado y el segundo es mayor que el umbral. 18.- La unidad de calentamiento de conformidad con la reivindicación 15, caracterizada además porque la primer señal incluye la primer pluralidad de valores de voltaje y la segunda pluralidad de valores de voltaje, caracterizada porque la segunda señal incluye la primer pluralidad de valores de corriente asociados con la primer pluralidad de valores de voltaje, respectivamente, y la segunda pluralidad de valores de corriente asociados con la segunda pluralidad de valores de voltaje, respectivamente; caracterizada porque el controlador determina si el elemento calentador está 5 en contacto con el líquido al operar además para: promediar la primer pluralidad de valores de voltaje para producir un primer voltaje promedio; promediar la segunda pluralidad de valores de voltaje para producir un - segundo voltaje promedio; promediar la primer pluralidad de valores de corriente para producir una primera corriente promedio; promediar la segunda 10 pluralidad de valores de corriente para producir una segunda corriente promedio; producir un primer valor calculado, el primer valor calculado siendo calculado al menos en parte al dividir el primer voltaje promedio entre la primer corriente promedio; producir un segundo valor calculado, el segundo valor calculado siendo calculado al menos en parte al dividir el segundo 15 voltaje promedio entre la segunda corriente promedio; y determinar si el elemento calentador está en contacto con el líquido al comparar el primer valor calculado con el segundo. 19.- La unidad de calentamiento de conformidad con la reivindicación 15, caracterizada además porque el controlador determina si el 20 elemento calentador está en contacto con el líquido al poderse operar además para determinar si la diferencia entre el primer valor calculado y el segundo es mayor que el umbral. 20.- La unidad de calentamiento de conformidad con la reivindicación 15, caracterizada además porque el circuito de control incluye un circuito de retención de datos para calibrar los circuitos sensores de voltaje y corriente. 21.- La unidad de calentamiento de conformidad con la reivindicación 15, caracterizada además porque el controlador incluye una memoria con un programa de software para operar el controlador. 22.- Un método para determinar si el agua rodea al elemento calentador de un calentador de agua, el método comprende las acciones de: aplicar una señal al elemento calentador, produciendo así una corriente en el elemento; medir el voltaje; medir la corriente; generar una pluralidad de valores de voltaje, cada valor de voltaje con una relación con el voltaje medido; generar una pluralidad de valores de corriente asociados con la pluralidad de valores de voltaje, respectivamente, y cada valor de corriente con una relación con (a comente medida; calcular un primer valor calculado al menos en parte al dividir al menos un valor de voltaje de la pluralidad de valores de voltaje entre al menos unos de los valores de corriente asociados de la pluralidad de valores de corriente; calcular un segundo valor calculado al menos en parte al dividir al menos un valor de voltaje de la pluralidad de valores de voltaje entre al menos unos de los valores de corriente asociados de la pluralidad de valores de corriente; y determinar si el elemento calentador está en contacto con el agua al comparar el primer valor calculado con el segundo. 23.- El método de conformidad con la reivindicación 22, caracterizado además porque determinar si el elemento calentador está en contacto con el agua incluye determinar si la diferencia entre el primer valor calculado y el segundo es mayor que el umbral. 24.- El método de conformidad con la reivindicación 22, caracterizado además porque generar una pluralidad de valores de voltaje incluye generar una primera pluralidad de valores de voltaje, generar una segunda pluralidad de valores de voltaje, caracterizado porque generar una pluralidad de valores de corriente incluye generar una primera pluralidad de valores de corriente asociados con la primera pluralidad de valores de voltaje, respectivamente, generar una segunda pluralidad de valores de corriente asociados con la segunda pluralidad de valores de voltaje, respectivamente, caracterizado porque calcular al menos dos valores calculados incluye promediar la primera pluralidad de valores de voltaje para producir un primer voltaje promedio, promediar la segunda pluralidad de valores de voltaje para producir un segundo voltaje promedio, promediar la primera pluralidad de valores de corriente para producir una primer corriente promedio, promediar la segunda pluralidad de valores de corriente para producir una segunda corriente promedio, calcular el primer valor calculado al menos en parte al dividir el primer voltaje promedio entre la primer corriente promedio, y calcular el segundo valor calculado al menos en parte al dividir el segundo voltaje promedio entre la segunda corriente promedio. 25.- El método de conformidad con la reivindicación 22, caracterizado además porque el voltaje incluye un primer componente de variación substancialmente cíclico, caracterizado porque la corriente incluye un segundo componente de variación substancialmente cíclico, caracterizado además porque los valores de voltaje incluyen valores de voltaje pico del primer componente de variación substancialmente cíclico en un período de tiempo, y caracterizado además porque los valores de corriente incluyen valores de corriente pico del segundo componente de variación substancialmente cíclico en un período de tiempo.