专利名称：：探测水位和水温的方法及装置的制作方法
技术领域：
：本发明涉及水位和水温的控制
技术领域：
，尤其涉及一种探测饮水机电加热器中水位和水温的方法及装置。
背景技术：
：控制饮水机热罐中水温的公知技术有第一种技术釆用温控器控制水温，即在热罐上设置温控器，当罐内水温上升到温控器的控制温度时，温控器起跳，断开电加热器电源。这种技术的优点是电路简单，成本低。其缺点是控制滞后，且难以实现在水沸腾时断电。其原因是感温元件与饮用水之间存在热阻、感温元件本身的精度和热惰性误差，使得温控器探测到的温度总是不同于饮用水当时的实际温度，罐壁越厚，热阻越大，问题越严重。第二种技术釆用测温探头控制水温，即在热罐上设置可深入热罐内部的测温探头，当测温探头探测到罐内水温上升到设定值时，控制电路断开电加热器电源。这种技术的优点是用户可在一定范围内任意设定加热温度，并且热惰性小于第一种技术。其缺点是测温探头与罐体之间的密封结构存在泄漏隐患，控制滞后的问题没有从根本上解决，并且成本较高。控制饮水机热罐中水位的公知技术有第一种技术釆用浮球(也可用浮子)和干簧管控制水位。一种方法是在水中设置浮球，浮球上设有磁铁，在容器外部设置干簧管；另一种方法是将干簧管设置在结构管内(结构管内无水，保持干燥)，将装有磁铁的环状浮子套在管外；利用磁铁接近或远离干簧管使干簧管出现闭合或断开，以此判断水位是否在所控制的位置，进而控制电磁阀的启闭和电加热器电源的通断。这种技术应用较普遍，其缺点是结构较复杂，影响可靠性，此外，成本较高，并且对水质有一定影响。第二种技术采用电极控制水位，即在水中设置两个或两个以上电极，利用电极是否导通判断水位是否在所控制的位置，进而控制电磁闽的启闭和电加热器电源的通断。这种技术应用较普遍，但存在不可克服的缺点水的导电性能受水中杂质含量的影响，如纯净水与普通水的导电性能有很大的差异，纯净水几乎不导电，而普通水有较好的导电性能，所以水质的差异将严重影响这种方法的可靠性。第三种技术釆用光电控制水位，即在水中设置不透光的浮球(或浮子),在透光器壁的一侧设置红外发光管，在透光器壁的另一侧设置红外接收管，利用浮球是否遮挡红外光来判断水位是否在所控制的位置，进而控制电磁阀的启闭和电加热器电源的通断。这种技术的应用也较普遍，其缺点是器壁材料必须透光，应用范围受到一定限制，并且成本较高。综上所述，探测饮水机热罐中水位和水温，公知技术釆用的是两种完全不同的方法，设置两套相互独立的装置实现的，所以结构较复杂、成本较高是必然的。要采用一个方法，设置一套装置同时实现探测水位和水温两种功能还需要技术上的突破。
发明内容本发明的目的是针对上述现有技术现状的不足而提供一种探测水位和水温的方法及装置，本发明主要用于饮水机上控制热罐中的水位和水温，也可以用于其它类似的设备上。本发明解决上述技术问题所釆用的技术方案为一种探测水位和水温的方法及装置，其包括介电常数传感器和电气线路板，介电常数传感器设置在盛水容器上或者与盛水容器相连通的接管上，电气线路板设置在所在的设备上；利用水与气体的介电常数明显不同，以及水的介电常数随温度变化的特性，通过检测介电常数的变化来探测容器中的水位和水温。盛水容器中正常情况下可能存在的介质是水、水蒸气和空气，水、水蒸气和空气在不同温度T时的相对介电常数sr如下表所示表1<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>从表l可以看出，空气和水蒸气的相对介电常数约等于l，水的相对介电常数在OX:~IOO'C温度范围内为88.0~55.3，其变化规律是随着温度的升高而减小。结合表l可知a.当盛水容器中无水或者水位很低时，传感器所检测的介质为空气，空气的相对介电常数很小，约等于l。b.当盛水容器中水满时，传感器所检测的介质为水，水的相对介电常数较大，在88.0-55.3之间，并且与水温有一一对应关系。c.当盛水容器中介质的温度较高且水位较低时，传感器所检测的介质为水蒸汽，水蒸气的相对介电常数很小，约等于l。所以，可以通过检测介质的相对介电常数来探测盛水容器中是否有水，水温是多少，进而控制电磁闽的启闭和电加热器电源的通断。本发明技术用于控制电加热器电源的通断时，其控制原理如下a.盛水容器中无水，即"《1,此时电加热器不得通电，以防无水干烧；b.盛水容器中水满，即^=88.0-55.3,根据水温要求确定是否需要给电加热器通电；c.盛水容器中水位较低，即1<sr<55.3，此时电加热器不得通电，以防无水干烧；d.盛水容器中的水处于沸腾状态，也就是水温较高并且继续加热时水温不再上升，即"《55.3，并且相对介电常数的增量A"=0，此时电加热器应断电停止加热。由于水的沸点是随压力的变化而变化的，当压力为l大气压时水的沸点为IO(TC,当压力小于1大气压时水的沸点小于10(TC，所以只要sr接近或者等于55.3，并且在加热过程中sr不变，即可判定盛水容器中的水处于沸腾状态。所述的介电常数传感器可以是电容传感器，通过检测电容量的变化来反映介电常数的变化；所述的介电常数传感器可以是电磁波传播速度传感器，通过检测电磁波在介质中传播时传播速度的变化来反映介电常数的变化；所述的介电常数传感器可以是电磁波角频率传感器，通过检测电磁波在介质中传播时角频率的变化来反映介电常数的变化；所述的介电常数传感器也可以是其它类型的传感器，通过检测与介电常数有函数关系的其它参量的变化来反映介电常数的变化。当釆用电容传感器时，现以平行极板电容为例，利用物理学知识一定结构和尺寸的电容器，其电容量是其中的介质的介电常数的函数，设传感器电容的极板面积为S，平行极板的间距为d,真空中的介电常数为e。，极板间介质的相对介电常数为"，若忽略极板的边缘效应，则该传感器电容的电容量C为C=^(1)式(1)说明传感器电容的电容量与极板间介质的相对介电常数"之间存在一一对应的正比关系。所以，可以通过检测传感器电容的电容量变化情况进行探测盛水容器中的水位和水温。当采用电磁波传播速度传感器时，利用物理学知识电磁波在特定介质中的传播速度V与该介质的相对介电常数"有关，其关系式如下F=;(2)式(2)中的C为光速，C=0.3m/ns。式(2)说明电磁波在介质中传播时，传播速度V与传播介质的相对介电常数"之间存在一一对应关系。所以，可以通过检测电磁波传播速度V的变化情况进行探测盛水容器中的水位和水温。所述的电磁波传播速度传感器可以釆用如下方式构造在介质的一侧设置电磁波发射头，在介质的另一侧设置电磁波接收头。电磁波发射头发射的电磁波穿过介质到达电磁波接收头，设电磁波发射头到电磁波接收头之间的距离为d,在"时刻发射电磁波，在t2时刻接收到电磁波，则电磁波在该介质中的传播速度为F=7^7(3)式(3)说明电磁波传播速度V与电磁波在该介质中的传播时间(t厂t,)成反比。所以，可以通过检测电磁波在给定介质中传播时间的变化情况进行探测盛水容器中的水位和水温。所述的电磁波传播速度传感器也可以釆用如下方式构造将电磁波的发射头和接收头合二为一成为发射接收头，即发射头和接收头为同一物体，在介质的一侧设置发射接收头，在介质的另一侧设置反射层。其工作原理是发射接收头交替运行在发射和接收两种状态，即在一段时间处于发射状态，在另一段时间处于接收状态；发射接收头发射的电磁波穿过介质并经反射层返回发射接收头；设介质的厚度为d，在h时刻发射电磁波，在t2时刻接收到电磁波，则电磁波在该介质中的传播速度为式(4)说明电磁波传播速度V与电磁波在该介质中的传播时间(t2-tj成反比。所以，可以通过检测电磁波在给定介质中传播时间的变化情况进行探测盛水容器中的水位和水温。当釆用电磁波角频率传感器时，利用物理学知识一定波长的电磁波在特定介质中传播时的角频率w与该介质的相对介电常数"有关，设电磁波的波长为入，介质的磁导率为P(根据物理学知识可知一般情况下，磁导率是不随温度变化的常数)，其关系式如下.-式(5)说明一定波长的电磁波的角频率co与该介质的相对介电常数"存在一一对应的函数关系。所以，可以通过检测电磁波在给定介质中传播时角频率CO的变化情况进行探测盛水容器中的水位和水温。本发明技术应用于饮水机上时，可以将介电常数传感器设置在电加热器上或者设置在与电加热器连通的接管上，电气线路板设置在饮水机壳体内，通过检测介质的相对介电常数的变化情况来探测电加热器中的水位和水温。本发明技术的有益效果是a.—个传感器可同时作探测水位和水温两个用途，成本低；b.测温在瞬时完成，不存在温控器和测温探头由传热引起的控制滞后问题；c.传感器没有机械动作，且可以不与水接触，所以结构简单，既能保证水质卫生，又方便维护，并且使用寿命长；d.可探测容器中的水是否处于沸腾状态。图1为本发明实施例一的结构示意图。图2是实施例一的电气控制原理示意图。图3是图2中的信号检测电路祥图。图4是实施例一中介质的相对介电常数随时间变化的曲线图。图5为本发明实施例二的结构示意图。图6为本发明实施例三的结构示意图。图7是图6的I部分放大图。图8为本发明实施例四的结构示意图。图9是实施例四的电气控制原理示意图。图io是实施例四中介质的相对介电常数随时间变化的曲线图。具体实施例方式下面结合具体附图对本发明进行详细描述，但应当理解这里的详细描述并不构成对本发明保护范围的限制。实施例一本实施例是本发明技术在普通饮水机上的一种应用。结合图91、图2和图3所示，本实施例电容传感器的两块电容极板(3)设置在热罐(1)的出水排气管(2)外壁上的两侧，出水排气管(2)的材料为绝缘材料，出水排气管(2)接弯头(4),弯头(4)接三通，三通的另外两个管口分别接出水龙头(5)和排气管(9)，排气管(9)接到水斗(11)的上部，电气线路板(10)设置在饮水机壳体(6)的内部，电热管(12)设置在热罐(1)的内部。所述的电气线路板UO)中设有信号检测电路、信号处理电路和执行电路，执行电路中包括继电器CJ1和CJ2，Cs是电容传感器的电容。所述的信号检测电路包括交流电压发生器0SC、运算放大器(和0P2),电阻(lR2、R3)和电容C。使用时，用户按下启动开关(7)，继电器线包CJ2通电。继电器线包CJ2通电后，其与启动开关(7)并联的常开触点闭合，信号检测电路和信号处理电路通电。此时，如果热罐(1)中无水或者水位很低，则传感器电容的电容量Cs很小，该信号经信号检测电路检测和信号处理电路处理后，信号处理电路发出指令使继电器线包CJ1保持断电状态，于是电热管(12)也处于断电状态；如果热罐(1)中水满或者水位很高，则传感器电容的电容量Cs很大，该信号经信号检测电路检测和信号处理电路处理后，信号处理电路发出指令，使继电器线包CJ1通电。继电器线包CJ1通电后，电热管(12)通电，加热热罐(1)中的饮用水。随着电热管(12)通电过程的进行，热罐(1)中的水温逐渐上升，与此同时，传感器电容Cs的电容量逐渐减小，当电容量减小到某一设定值(该设定值对应于上限控制温度)后，该信号经信号检测电路检测和信号处理电路处理后，信号处理电路发出指令断开继电器线包CJ1的电源。继电器线包CJ1断电后，其常开触点随之断开，于是电热管(12)断电停止加热。电热管(12)断电后，热罐(1)中的水温会逐渐下降，当水温降低到下限控制温度时，传感器电容的电容量将上升到另一设定值，该信号经信号检测电路检测和信号处理电路处理后，信号处理电路发出指令接通继电器线包CJ1的电源。继电器线包CJ1通电后，电热管(12)通电，又对热罐(1)中的饮用水进行加热。系统就这样对热罐(l)中的水温进行自动控制。在加热过程中，用户如果需要停止加热，可按下停止开关(8)，使继电器线包CJ2断电。继电器线包CJ2断电后，其常开触点随之断开，于是电热管(12)和电气线路板(10)全部断电。图4所示是本实施例饮水机热罐(1)在进水和加热时，热罐(1)中的介质的相对介电常数随时间变化的曲线图，现说明如下在t。《t<h时段，电热管(12)未通电加热，热罐(1)中无水，热罐(1)中的介质为常温空气，空气的相对介电常数"《1，并保持不变。在U<t<t2时段，电热管(12)未通电加热，热罐(1)开始进水，热罐(1)中的介质有两种，上部是常温空气，下部是常温水，随着热罐(l)中水位的上升，介质的相对介电常数Sr逐渐增大。当t—t2时，e_。在t2<t<t3时段，电热管(12)未通电加热，热罐(1)中盛满常温水，常温水的相对介电常数"《e皿x，并保持不变。在t3《t《t4时段，电热管(12)开始通电加热，热罐(1)中水满，随着加热过程的进行，热罐(l)中的水温逐渐上升，水的相对介电常数"逐渐减小，当"减小到"2时，水的温度上升到上限控制温度，电热管U2)断电停止加热。在t4<t<t5时段，热罐(1)处于保温状态，由于散热作用，热罐(1)中的水温逐渐下降，水的相对介电常数"随之逐渐增大，当"增大到e"时，水温降低到下限控制温度。在"<t《t6时段，电热管(12)开始通电加热，随着加热过程的进行，热罐U)中的水温逐渐上升，水的相对介电常数S,逐渐减小，当Sr减小到"2时，水的温度上升到上限控制温度，电热管(12)断电停止加热。在t6<t<t7时段，热罐(1)处于保温状态，由于散热作用，热罐(1)中的水温逐渐下降，水的相对介电常数Sr逐渐增大，当Sr增大到Sn时，水温降低到下限控制温度。为了实现图4中粗实线所描述的控制过程，饮水机控制系统釆用下述方法进行控制a.当￡r2,电热管不得通电加热(罐中无水、水位很低或水温过高);b.当厶^>0,并且Sr上升速度V》V。(热罐在进水状态时的V。，可以通过试验确定)，电热管不得通电加热；c.当Asr=0，并且e,e_电热管可以通电加热(热罐中盛满常温水)；d.当Asr〈0,并且e》Sr2,电热管继续通电加热(热罐处于加热状态)；e.当A"〈0，并且"《"2，电热管断电停止加热(热罐中的水温上升到或高于上限控制温度)；f.当A">0，并且h>srl，"上升速度V<V。，电热管可以通电加热(热罐中的水温降低到或低于下限控制温度)。实施例二结合图5所示，本实施例是对实施例一的一种简化，即取消实施例一中的排气管，其余要求与实施例一相同。普通饮水机由于没有探测热罐中是否有水的装置，为了防止出现无水干烧现象而设置排气管。当水斗中的水向热罐中流动时，其中的空气可以从排气管向上排出，这样，就可以实现只要水斗中有水就可以保证热罐中有水。本实施例由于有可靠的防止热罐干烧的控制系统，故可以不设置排气管。用户如果发现饮水机水斗中有水，而饮水机不加热，说明热罐中无水或者水位很低。这时，用户可以开启出水龙头排出热罐中的空气，使水斗中的水顺利进入热罐。取消排气管后，不仅可防止从排气管散发热量，达到节能的目的，还可有效地防止水斗中的水出现温升现象，即有效地防止饮水机的串温问题。实施例三结合图6和图7所示，本实施例电容传感器通过密封圈(17)和螺母(18)固定在热罐(13)的顶部，所述的电容传感器包括极板座(16)和极板(15)，极板座(16)的上部设有可与螺母(18)连接的外螺紋，极板(15)固定在极板座(16)上，极板(15)的表面设有食品卫生级的绝缘层(27)，电气线路板(14)设置在饮水机壳体内部。本实施例的其它要求与实施例二相同。本实施例由于电容传感器的电极板(15)设置在金属热罐(13)的内部，所以，传感器电容的抗干扰性较强，此外，电极板(15)与水不接触，可保证水质卫生。实施例四本实施例是本发明技术在无热罐饮水机上的一种应用。结合图8和图9所示，传感器电容的极板(21)设置在电加热器(19)上方的接管外部，电气线路板(26)设置在饮水机壳体内部，饮水机的前面板上还设有启动开关(23)和停止开关(24)，电气线路板(26)中设有信号检测电路、信号处理电路和执行电路。使用时，用户按下启动开关(23)，继电器线包CJ4通电。继电器线包CJ4通电后，其与启动开关(23)并联的常开触点闭合，信号检测电路和信号处理电路通电。此时，如果电加热器(19)中无水或者水位很低，则传感器电容的电容量Cs很小，该信号经信号检测电路检测和信号处理电路处理后，信号处理电路发出指令使继电器线包CJ5保持断电状态，于是，电加热器(19)也处于断电状态，电磁阀(25)也保持关闭状态；如果电加热器(19)中水满或者水位很高，则传感器电容的电容量Cs较大，该信号经信号检测电路检测和信号处理电路处理后，信号处理电路发出指令使继电器线包CJ5通电。继电器线包CJ5通电后，其所有常开触点闭合，于是，电加热器(19)通电，加热其中的饮用水。随着电加热器(19)通电过程的进行，电加热器(19)中的水温逐渐上升，与此同时，传感器电容Cs的电容量逐渐减小，当电容量减小到某一设定值(该设定值对应于控制温度)后，信号处理电路发出指令接通继电器线包CJ6的电源。继电器线包CJ6通电后，其常开触点随之闭合，于是电磁阀(25)通电开启，热水从饮水机的出水龙头(22)流出。随着加热过程的进行，水斗(28)中的常温水不断向电加热器(19)补充，热水不断从电加热器(19)流向电磁阀(25)，再从出水龙头(22)流出，电加热器(19)中的水温保持动态平衡。当流出的热水量满足需要时，用户可以按下停止开关(24)，断开继电器线包CJ4的电源。继电器线包CJ4断电后，其常开触点断开，随之继电器线包CJ5和CJ6也断电，电磁阀(25)断电关闭，电加热器(19)断电停止加热。图10所示是本实施例中的电加热器(19)在进水和加热时，其中的介质的相对介电常数"随时间t变化的曲线图，现说明如下在t。<t<L时段，电加热器(19)中无水且未通电，其中的介质为常温空气，空气的相对介电常数s,l，并保持不变。t,《t<t2时段，电加热器(19)开始进水但未通电，其中的介质有两种，上部是常温空气，下部是常温水，随着水位的上升，介质的相对介电常数"逐渐增大。当t—"时，Sr—S，。t2<t<t3时段，电加热器(19)中盛满常温水但未通电，常温水的相对介电常数s,",并保持不变。t=t3时刻，电加热器(19)中盛满常温水并开始通电。t3<t<t4时段，随着加热过程的进行，水温逐渐上升，水的相对介电常数"逐渐减小。t-t4时刻，水的相对介电常数"减小到S"时，水温上升到控制温度，电磁阀(25)开启放水，电加热器(19)继续通电加热。t4<t<t5时段，随着电磁阀(25)的持续放水和电加热器(19)的持续通电加热，电加热器U9)中的水温保持动态平衡，水的相对介电常数"保持不变。t=ts时刻，热水出水量满足需要，电磁阀(25)断电关闭，同时电加热器(19)断电停止加热。T5<t<t6时段，电加热器(19)断电停止加热，由于散热作用，水温逐渐降到常温，sr逐渐增大到e幽。t=t6时刻，电加热器(19)中盛满常温水并开始通电。T6<t<t7时段，随着加热过程的进行，水温逐渐上升，水的相对介电常数"逐渐减小。t=t7时刻，水的相对介电常数"减小到"2时，水温上升到控制温度，电磁阀(25)开启放水，电加热器(19)继续通电加热。T7<t<t8时段，随着电磁阀(25)的持续放水和电加热器(19)的持续通电加热，电加热器(19)中的水温保持动态平衡，水的相对介电常数Sr保持不变。t="时刻，热水出水量满足需要，电磁阀(25)断电关闭，同时电加热器(19)断电停止加热。为了实现图10中粗实线所描述的控制过程，饮水机控制系统釆用下述方法进行控制a.当er《sr2，电加热器(19)和电磁阀(25)均不得通电加热，因为电加热器(19)中无水、水位很低或者水温过高；b.当A"〉0，并且Sr上升速度V^Va，电加热器(19)和电磁阀(25)均不得通电加热，因为电加热器(19)此时处于进水状态(V。可以通过试验确定)；c.当A^-0，并且5,Sr隨，电加热器(19)可以通电加热，因为电加热器(19)中已经盛满常温水，但电磁阀(25)不得通电；d.当A"<0,并且">"2，电加热器(19)继续通电加热，电磁阀(25)不通电，因为电加热器(19)中的水温尚未上升到设定温度；e.当Asr<0，并且55.3<sr<er2，电磁阀(25)通电开启，电加热器(19)继续通电加热；f.当A"〉0，Sr上升速度V〈V。，sr>55.3电加热器(19)可以通电加热。最后应说明的是以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案；因此，尽管本说明书参照上述几个实施例对本发明已进行了详细的说明，但是，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围中。权利要求1.一种探测水位和水温的方法，其特征在于a.包括介电常数传感器和电气线路板；b.介电常数传感器设置在盛水容器上或者与盛水容器相连通的接管上。2.按照权利要求l所述的探测水位和水温的方法，其特征在于所述的介电常数传感器是电容传感器，利用传感器电容的电容量与介电常数具有一一对应关系的原理，通过检测传感器电容的电容量变化来探测水位和水温。3.按照权利要求l所述的探测水位和水温的方法，其特征在于所述的介电常数传感器是电磁波传播速度传感器，利用电磁波在介质中的传播速度与介电常数具有一一对应关系的原理，通过检测电磁波在介质中传播时的速度变化来探测水位和水温。4.按照权利要求l所述的探测水位和水温的方法，其特征在于所述的介电常数传感器是电磁波角频率传感器，利用电磁波在介质中传播时的角频率与介电常数具有一一对应关系的原理，通过检测电磁波在介质中传播时的角频率变化来探测水位和水温。5.—种探测水位和水温的装置，其特征在于a.包括介电常数传感器和电气线路板；b.介电常数传感器设置在盛水容器上或者与盛水容器相连通的接管上，电气线路板设置在所在的设备上。6.按照权利要求5所述的探测水位和水温的装置，其特征在于所述的介电常数传感器是电容传感器，其包括非金属水管和极板。7.按照权利要求5所述的探测水位和水温的装置，其特征在于所述的介电常数传感器是电容传感器，其包括极板和极板座。8.按照权利要求5所述的探测水位和水温的装置，其特征在于所述的电气线路板上设有信号检测电路和信号处理电路。9.按照权利要求8所述的探测水位和水温的装置，其特征在于所述的信号是介质的相对介电常数、传感器电容的电容量、电磁波在介质中的传播速度，或者电磁波在介质中传播时的角频率。10.—种饮水机，其特征在于所述的饮水机釆用按照权利要求l、2、3或者4所述的探测水位和水温的方法进行探测水位和水温。全文摘要一种探测水位和水温的方法及装置，其包括介电常数传感器和电气线路板，介电常数传感器设置在盛水容器上或者与盛水容器相连通的接管上，电气线路板设置在所在的设备上，利用水与气体的介电常数明显不同，以及水的介电常数随温度变化的特性，通过检测介电常数的变化来探测容器中的水位和水温。本发明主要用于饮水机上控制电加热器中的水位和水温，也可以用于其它类似的设备上。与现有技术相比，本发明的特点是一个传感器可同时作探测水位和探测水温两个用途，成本低；测温在瞬时完成；传感器没有机械动作，且可以不与水接触，所以结构简单，既能保证水质卫生，又方便维护，并且使用寿命长；此外还可探测容器中的水是否处于沸腾状态。文档编号G01K7/00GK101315295SQ20071010839公开日2008年12月3日申请日期2007年5月30日优先权日2007年5月30日发明者黄樟焱申请人:黄樟焱