一种电热壶的加热控制系统和方法与流程

本发明涉及家用电子电器技术领域，尤其涉及一种电热壶的加热控制系统；本发明还涉及一种电热壶的加热控制方法。

背景技术：

目前，煮开水尤其泡茶所需开水一般都使用电热壶，如泡茶时多半都是多人围坐边烧开水边泡茶。现有的电热壶输出功率一般恒定不变，从常温水至烧开跳闸断开功率输入的过程中，加热器的功率一直不变，而且通常要翻滚一小段时间确保水烧开了才停止功率输出。这段水翻滚沸腾的时间里，水汽从壶盖或者壶嘴喷出，容易对周围的人造成灼伤，对周围环境喷出水雾造成一定影响。水壶都有一定容量，而且一般都要预留上部空间作为沸腾翻滚空间，然而有些使用者为了一次多煮开水，超出最大容量盛水烧煮，水沸腾后容易溢出，影响周围环境，影响电热壶的使用和使用寿命，甚至会导致短路或者水汽飞溅烫伤周围人员。

为了减少水喷出的风险，一些电热壶设计的加热功率降低到一定范围，低功率时沸腾水汽飞溅的几率降低了，但降低加热功率导致加热烧煮时间过长，而且并不能完全避免水汽的飞溅和喷射，水溢出和灼伤的风险依然存在。

技术实现要素：

基于以上不足，本发明要解决的技术问题是提供一种电热壶的加热控制系统，其能够控制加热功率从而实现合理升温，并能够大大提高烧水效率。

本发明同时还提供一种电热壶的加热控制方法，其能够变频控制加热功率实现合理升温，并避免水开激烈沸腾从而提升电热壶的煮水容量。

为了解决以上技术问题，本发明采用了以下技术方案：一种电热壶的加热控制系统，其包括与输入交流电源电连接的加热器、与加热器并联的整流变压器、与整流变压器的输出端串联形成单回路的处理器、接入输入交流电源其中一相并将频率信号传输至处理器的信号采集器、用于检测电热壶内水温并将温度信号传输至处理器的测温仪、与所述处理器电连接的控制器，所述控制器设电控开关于所述加热器的其中一个电源输入端；所述处理器根据所述测温仪检测到的温度输出信号给所述控制器使其控制所述加热器的加热功率。

作为本发明的一种电热壶的加热控制系统的技术方案的一种改进，所述信号采集器包括接入交流电源一相的两个依次串联连接后接地的分压电阻、与两个分压电阻之间的结点电导通连接并与所述处理器电信号导通连接的采集三极管。

作为本发明的一种电热壶的加热控制系统的技术方案的一种改进，所述测温仪包括探温头、过渡电阻和接地电容，所述接地电容、过渡电阻和探温头依次串联连接后与整流变压器一输出端电连接，探温头与过渡电阻的结点导通接入处理器的信号脚并连接有另一端接地的保护电容。

作为本发明的一种电热壶的加热控制系统的技术方案的一种改进，所述电控开关是可控硅，所述控制器包括指令三极管、可控硅和保护电阻，所述可控硅串联连接于所述加热器的一个电源输入端，所述指令三极管与所述整流变压器连接导入电源并与所述处理器连接导入指令信号源且又与保护电阻串联连接后与所述可控硅的控制极电导通连接。

作为本发明的一种电热壶的加热控制系统的技术方案的一种改进，其还包括分别串联于所述加热器两个电源输入端的两个常闭温度开关；以及显示屏模组和键输入模组，所述显示屏模组和所述键输入模组均与所述处理器通信连接。

为了解决现有技术问题，本发明还采用了以下方法技术方案：一种电热壶的加热控制方法，使用上述任意一项技术方案所述的电热壶的加热控制系统，所述控制方法包括以下步骤：

使用测温仪检测水温并传输温度信号给处理器；

处理器根据测温仪检测到的当前水温所处的温度区间输出控制信号给控制器使其控制加热器的加热功率，按水温由低至高分为恒功率段、减功率段、微功率段，各段加热器以递减的功率输出进行分段减火加热；

水温处于恒功率段时，加热器以满功率P持续运行；水温处于减功率段时，加热器的输出功率以沸点零功率为终值均匀降低或有级步降；水温处于微功率段时，加热器的输出功率维持恒定。

作为本发明的一种电热壶的加热控制方法的技术方案的一种改进，信号采集器的频率信号输送到处理器，处理器以定量多个或设定量多个交流电周期为计算周期，根据加热器的输出功率需求，处理器发送指令给控制器使其在一个计算周期时间内通过电控开关按比例关闭一定数量个交流电周期。

作为本发明的一种电热壶的加热控制方法的技术方案的一种改进，以定量100个交流电周期为计算周期，所述电控开关为可控硅。

作为本发明的一种电热壶的加热控制方法的技术方案的一种改进，在比沸点低5℃时开始，水温每升高1℃加热器输出功率对应降低20％P；在比沸点低0.5℃时开始，加热器输出功率保持10％P持续加热直至沸点。

作为本发明的一种电热壶的加热控制方法的技术方案的一种改进，电热壶每次接通交流电的首次烧水过程中，检测到水温达到自然最低水沸点时，开始按温度梯度检测温度持续的时间，若持续时间达到前一个温度梯度持续时间的2倍以上，则该温度为沸点温度，将其记录为沸点温度。

作为本发明的一种电热壶的加热控制方法的技术方案的一种改进，电热壶内水温达到沸点后，进入保温状态，保持以满功率的1％输出，并且水温每降低0.05℃则功率增加满功率的1％。

采用以上技术方案，本发明取得了以下技术效果：本发明提供的电热壶的加热控制系统，采用变频手段控制加热器的加热功率，使用信号采集器测定当前交流电的频率，并传输给处理器，处理器发出对应的控制信号给控制器使其电控开关适时关闭从而断开电源输入，分段截止电源输入，实现变频。当水温接近并低于沸点温度几度时，降低加热器的功率输出，水温越接近沸点温度则加热器功率越低，直至沸点出现，因此沸腾的时候水翻滚的幅度非常低，几乎不翻滚，出现的是虾眼水，即使电热壶盛水非常满也不会翻滚溢出，大大改善了电热壶的安全使用性能，而且水壶烧开水时也可以一次盛装更多的水。当温度达到沸点时，电热壶进入保温状态，加热器以微小的功率输出电热壶进行保温，并根据冷却情况，通过变频手段调节加热器的输出功率，实现沸点恒温。当温度高于沸点时，电热壶进入干烧状态，此时处理器命令控制器切断电源输入从而加热器停止工作功率为零，避免水壶干烧损坏。

本发明的电热壶的加热控制方法，根据探测到的水温分时段以不同的加热功率进行烧水，先是以满功率进行快速加热，然后在接近沸腾的一小段时间开始减小加热功率，并在即将沸腾的时候维持微小的加热功率直至达到沸点，这样前期可以以更大的功率快速加热，后续慢火煮开避免水汽飞溅，电热壶内注水量水位可以更高，烧水速度也可以更快。此加热控制方法能够变频控制加热功率实现快速加热、缓慢沸腾、平和煮开，煮水烧开速度更快并避免水开激烈沸腾同时提升电热壶的煮水容量。

附图说明

图1为本发明电热壶的加热控制系统的电路构造原理图。

图2是本发明电热壶的加热控制方法的温度功率图。

具体实施方式

下面对本发明的实施方式进行具体描述。

如图1所示，本发明一种电热壶的加热控制系统，其包括与输入交流电源电连接的加热器13、与加热器13并联的整流变压器12、与整流变压器12的输出端串联形成单回路的处理器11、接入输入交流电源其中一相并将频率信号传输至处理器的信号采集器18、用于检测电热壶内水温并将温度信号传输至处理器的测温仪15、与所述处理器11电连接的控制器21，所述控制器21设电控开关于所述加热器13的其中一个电源输入端；所述处理器11根据所述测温仪15检测到的温度运算后输出信号给所述控制器21使其控制所述加热器13的加热功率。电热壶的加热控制系统，采用变频加热的方式，使用信号采集器18测定当前交流电的频率，并传输给处理器11，处理器11发出对应的控制信号给控制器21使其电控开关适时关闭从而断开电源输入，分段截止电源输入，实现变频，即一个时间段内截取一定数量的正弦波，截停另外一部分，使得输入的频率改变，功率改变。采用变频手段控制加热器的加热功率，使用信号采集器测定当前交流电的频率，并传输给处理器，处理器发出对应的控制信号给控制器使其电控开关适时关闭从而断开电源输入，分段截止电源输入，实现变频。当水温接近并低于沸点温度几度时，降低加热器的功率输出，水温越接近沸点温度则加热器功率越低，直至沸点出现，因此沸腾的时候水翻滚的幅度非常低，几乎不翻滚，出现的是虾眼水，即使电热壶盛水非常满也不会翻滚溢出，大大改善了电热壶的安全使用性能，而且水壶烧开水时也可以一次盛装更多的水。当温度达到沸点时，电热壶进入保温状态，加热器以微小的功率输出电热壶进行保温，并根据冷却情况，通过变频手段调节加热器的输出功率，实现沸点恒温。当温度高于沸点时，电热壶进入干烧状态，此时处理器命令控制器切断电源输入从而加热器停止工作功率为零，避免水壶干烧损坏。

更佳地，所述信号采集器18包括接入交流电源一相的两个依次串联连接后接地的分压电阻、与两个分压电阻之间的结点电导通连接并与所述处理器11电信号导通连接的采集三极管Q1。所述采集三极管Q1为NPN型。所述信号采集器18包括接入交流电源一相的两个依次串联连接后接地的分压电阻、基极与两个分压电阻R1、R2之间的结点电导通连接的采集三极管Q1，采集三极管Q1的集电极与所述处理器11连接，发射极接地。所述信号采集器18包括采集三极管Q1、分压电阻R1和分压电阻R2，分压电阻R1和分压电阻R2依次串联连接后接地连接，所述采集三极管Q1的基极与所述分压电阻R1和分压电阻R2之间的结点通过导线电导通连接，该结点是信号采集点，具有电压低而安全的特性，避免电压击穿三极管，集电极与所述处理器11连接，发射极接地。分压电阻R1和分压电阻R2起到分压的作用，保护采集三极管Q1，并且不会损坏处理器11。所述信号采集器也可是频率测定仪，其频率信号传输至处理器11。

更佳地，所述测温仪15包括探温头16、过渡电阻R3和接地电容C1，所述接地电容C1、过渡电阻R3和探温头16依次串联连接后与整流变压器12一个输出端电连接，整流变压器为探温头16提供电源，探温头16与过渡电阻R3的结点导通接入处理器11的信号脚并连接有另一端接地的保护电容C2，安全测温的同时将信号反馈至处理器11，作为输出控制功率命令的判断依据。探温头16设有热敏电阻。此电路连接结构使探温头16可以探测电热壶内的水温，同时使用接地电容C1来滤波和抗干扰，确保探温头16所测到的温度信息可以安全稳定地反馈到处理器11中。

更佳地，所述电控开关是可控硅22，所述控制器21包括指令三极管Q2、可控硅22和保护电阻，所述可控硅22串联连接于所述加热器13的一个电源输入端，所述指令三极管Q2与所述整流变压器12连接导入电源并与所述处理器11连接导入指令信号源且又与保护电阻R4串联连接后与所述可控硅22的控制极电导通连接。所述指令三极管Q2的基极与所述处理器连接、集电极与保护电阻R4串联连接后与所述可控硅22的控制极连接、发射极与所述整流变压器12连接。可控硅的主电极与所述加热器串联接入交流电源的电路中。处理器11的控制信号输出给控制器21，其中的指令三极管Q2传递指令控制可控硅22的通断，实现对交流电源输入的导通和截止，从而在正常频率输入的交流电中截停部分正弦波，即通过的电源频率发生改变，形成广义的变频，最终使得加热器的输出功率改变。可控硅22的通断间隔时间可以自定，从而可以降低其通断频率，延长其使用寿命。

更佳地，该系统还包括分别串联于所述加热器13两个电源输入端的常闭温度开关S1和常闭温度开关S2，所述常闭温度开关S1、所述加热器、所述常闭温度开关S2依次串联连接，常闭温度开关S1和常闭温度开关S2实现过温保护，起到防干烧的作用。所以，常闭温度开关也称为过温保护开关。

另外该系统还包括以及显示屏模组25和键输入模组26，所述显示屏模组25和所述键输入模组26均与所述处理器11通信连接，使用者可以直观地获取指定信息，如温度等，也可以通过按键操作控制电热壶的运行状态。

同时参考图2所示，本发明还可以采用了以下方法控制烧水过程：

一种电热壶的加热控制方法，使用上述任意一项技术方案所述的电热壶的加热控制系统，所述控制方法包括以下步骤：使用测温仪15检测水温并传输温度信号给处理器11；处理器11根据测温仪15检测到的当前水温所处的温度区间输出控制信号给控制器21使其控制加热器13的加热功率，按水温由低至高分为恒功率段、减功率段、微功率段，各段加热器以递减的功率输出进行分段减火加热；水温处于恒功率段时，加热器以满功率P持续运行；水温处于减功率段时，加热器13的输出功率以沸点零功率为终值均匀降低或有级步降，加热器的当前输出功率与满功率的差值ΔP与温度升高值ΔT成正比；水温处于微功率段时，加热器13的输出功率维持恒定。电热壶的加热控制方法，根据探测到的水温分时段以不同的加热功率进行烧水，先是以满功率进行快速加热，然后在接近沸腾的一小段时间开始减小加热功率，并在即将沸腾的时候维持微小的加热功率直至达到沸点，这样前期可以以更大的功率快速加热，实现越接近沸点功率越小，能够做到合理升温，提高加热效率。后续慢火煮开避免水汽飞溅，电热壶内注水量水位可以更高，烧水速度也可以更快。此加热控制方法能够变频控制加热功率实现快速加热、缓慢沸腾、平和煮开，煮水烧开速度更快并避免水开激烈沸腾同时提升电热壶的煮水容量。

更佳地，信号采集器18的频率信号输送到处理器11，处理器11以定量多个或设定量多个交流电周期为计算周期，根据加热器的输出功率需求，处理器11发送指令给控制器21使其在一个计算周期时间内通过电控开关按比例关闭一定数量个交流电周期。即预先采集并测定输入交流电源的实时频率，不以交流电一个正弦波为周期，而是选取一定数量个交流电周期，即选取多个正弦波作为一个计算周期，再通过控制器21的断开动作截止一定比例的正弦波，实现对输入功率的控制，达到对加热器13的功率控制。

更佳地，以定量100个交流电周期为计算周期，所述电控开关为可控硅，便于计算并以合理的节奏控制可控硅的通与断，保护可控硅的使用延长其寿命。以50Hz的交流电频率来计算，则100个交流电周期为2秒，具体精确度另论，便于运算和控制。当然也可以选择其他数量个交流电周期作为计算周期。

更佳地，在比沸点低5℃时开始，水温每升高1℃加热器输出功率对应降低20％P，此为减功率段的温度与输出功率的关系，也是处理器输出信号控制的运算依据，是一个具体的实施例，也可以选取更长或更短的温度段进行减功率控制，避免后续激烈沸腾。在微功率段也就是即将沸腾而未激烈沸腾的时候，一般选择在比沸点低0.5℃时开始，加热器输出功率保持10％P持续加热直至沸点，以比较低的功率加热沸腾，避免水激烈沸腾扑出，使得烧水容量可以更大，更加安全，也更加节电节能。

更佳地，电热壶每次使用接通交流电的首次烧水过程中，检测到温度达到自然最低水沸点时，开始按温度梯度检测温度持续的时间，若持续时间达到前一个温度梯度持续时间间隔的2倍以上，则该温度为沸点温度，将其记录为沸点温度。自然最低水沸点是自然条件下不施加压力的情况下在任何活动领域的低气压条件下最低可能沸点，一般设为85℃左右，在电热壶中预设定。每次接入电源的首次煮水过程都进行沸点检测并储存，以适应不同气压状态下不同沸点的确定，以此沸点倒数推算功率变化的起始温度，以适应宽气压的情况，不同沸点都可以做到相同的沸腾状态，不激烈沸腾不干烧。

更佳地，电热壶内水温达到沸点后，进入保温状态，保持以满功率的1％输出，并且水温每降低0.05℃功率增加满功率的1％。沸腾后维持微小的功率对水壶内的水进行保温，实现沸点恒温。

处理器根据检测到的当前水温所处的温度区间控制功率输出模块改变加热器的加热功率的实施方式是：测温仪持续检测当前水温；如果当前水温未超出拐点温度(设定比沸点低5℃或其他温度值)，处理器控制加热器持续满负荷功率加热，此时段处于恒功率段，或者是满功率段，是满功率恒功率加热的时间段；如果当前水温超出拐点温度且未超过缓点温度(比沸点低0.5℃或其他设定温度值)，处理器通过控制器时加热器的加热功率降低，功率有级定差降低，每次降低18％P或其他比例值，P为满功率值，此时段处于减功率段，或者是降功率段；如果当前水温高于缓点温度且低于沸点温度，控制加热器的加热功率变为小于或等于10％P，P为满功率值，此时处于微功率段。后续进行保温，如果当前温度等于沸点温度，控制加热器的加热功率变为小于或等于1％P，持续采集温度值，如果当前温度大于缓点温度且小于沸点温度，处理器控制加热器的加热功率升高，功率有级定差升高，差级值可设定为满功率的1％；若当前温度高于沸点温度，此时切断加热器的功率输入，以免干烧。

具体过程可参看图2，图2为本实施方式电热壶从加热到保温的温度功率状态图。其中，A点常温的水开始加热，B点温度为拐点温度，一般依据沸点为100℃而拐点温度设为95℃，C点为缓点温度，一般设为99.5℃，D点温度为沸点温度，即AB段为恒功率段，BC段围减功率段，CD段为微功率段，D后段为保温段。如果测定沸点温度不是100℃，则拐点温度、缓点温度自动调整。水加热过程先是满负荷功率快速加热，到一定温度接近沸点时开始降功率加热，在非常接近沸点时以微小功率煮水使其沸腾，过程中防止水激烈沸腾，避免激烈翻滚，使电热水壶中的水不易溢出，从而可以在烧水过程一次容纳更多的水量。

以上所揭露的仅为本发明的优选实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。