一种液体自动添加并加热装置及运行方法与流程

本发明涉及液体加热领域，尤其涉及一种液体自动添加并加热装置及运行方法。

背景技术：

目前居民消费者使用的饮水机、饮料机、茶水机以及工业使用的液体加热容器等加热机器缺乏按不同海拔加热液体的功能，同时也缺乏对剩余加热时间准确预测的功能。

目前市面液体加热装置功能单一，自动化程度不足。

1.目前既有液体加热装置功能单一，缺乏以下特点其中一个或多个：

1)不支持特定海拔下液体沸点检测功能；

2)不支持多种类液体加热功能

3)不支持按目标容积或按目标重量选择添加液体功能；

4)除了沸点加热外不支持按特定目标温度加热功能；

2.手动添加液体容易溢出，不够方便；

3.既有的一些装置体积较大，不利于空间狭小的场景使用；

4.缺乏准确的剩余加热时间预测功能；

5.缺乏沸点检测防止干烧的功能。

技术实现要素：

本发明的目的在于，解决现有技术中存在的上述不足之处。

为实现上述目的，第一方面，本发明提供一种液体自动添加并加热装置，包括添加器、加热装置本体、温度传感器、加热器、控制装置、大气压强检测器和至少一个薄膜压力传感器，其中，加热装置本体为腔体结构，温度传感器和加热器均位于加热装置本体内部，添加器和控制装置位于加热装置本体的外部，控制装置连接添加器、温度传感器、加热器、薄膜压力传感器和大气压强检测器；温度传感器用于测量加热装置本体内的液体的实时温度，薄膜压力传感器用于测量加热装置本体内的液体的实时压力，大气压强检测器用于检测实时大气压强；控制装置根据参数进行判断，并根据判断结果对添加器和加热器发出相应指令，其中，参数包括目标液体种类、实时大气压强、实时温度和实时压力。

优选地，薄膜压力传感器的薄膜压力信号通过惠斯通电桥进行转换。

优选地，加热装置本体的下方设置有加热底座，加热底座包括耦合器、面板机械层和位于面板机械层上的多个物理层，多个物理层从下到上依次为粘结层、保护层和耐磨层，耦合器位于多个物理层的中心，并贯穿多个物理层；薄膜压力传感器位于保护层中的预设区域。

优选地，耐磨层的厚度范围为5um-100um，保护层的厚度范围为5um-100um，粘结层的厚度范围为5um-100um。

第二方面，本发明提供一种液体自动添加并加热装置的运行方法，包括：获取目标参数，目标参数包括目标液体种类、目标温度和目标容积；根据目标液体种类，获取目标压力容积离散曲线；根据目标容积和目标压力容积离散曲线，获得目标压力；检测腔体的实时压力，判断实时压力是否小于目标压力；若是，控制添加器开通；若否，控制添加器关闭；检测腔体内液体的实时温度，判断实时温度和目标温度的关系；当实时温度小于目标温度，控制加热器进行加热，并计算加热所需时间，当实时温度大于或者等于目标温度，关闭加热器。

优选地，获取目标容积包括根据目标重量获取目标体积或者直接获取目标容积，其中，根据目标重量获取目标体积包括：根据目标液体种类，获取对应的目标液体种类的温度密度离散曲线；通过对应的目标液体种类的温度密度离散曲线将目标重量换算为目标容积。

优选地，获取目标温度包括获取沸点或者获取用户的指定温度，其中，获取沸点包括：根据目标液体种类，获取液体海拔沸点离散曲线；检测实时大气压强，并根据实时大气压强，获取当前海拔高度；根据液体海拔沸点离散曲线，将当前海拔高度换算为沸点。

优选地，在判断实时压力是否小于目标压力之前，还包括判断腔体压力是否异常，具体包括：若判断异常，控制添加器关闭，控制加热器停止加热；其中，异常的条件为下列条件之一：第一条件：腔体的实时压力小于或者等于腔体内无液体压力。第二条件：腔体的实时压力大于腔体内满液体压力，腔体内无液体压力和腔体内满液体压力根据目标压力容积离散曲线获得。

优选地，计算加热所需时间，具体包括：将加热功率、液体总质量、比热容、实时温度、目标温度和降温系数代入以下公式，计算所需时间：

式中z为中间过程量，p为加热功率、c为比热容、m为液体总质量，t为所需时间、t为目标温度，t0为实时温度，k为降温系数

进一步优选地，降温系数根据以下方法获得：

通过测得温差分别获得t＝2s、t＝3s、t＝4s时的实时降温系数，将三个实时降温系数求取平均值，即为降温系数。

本发明的有益效果：(1)支持特定海拔下液体沸点检测；(2)支持多种类液体加热功能；(3)支持按目标容积或按目标重量选择添加液体功能；(4)支持按特定目标温度加热功能；(5)可以计算剩余加热时间；(6)可以防止干烧。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种自动加液体加热装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种惠斯通电桥的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种加热底座的剖视图；

图4为本发明实施例提供的另一视角下的加热底座的剖视图；

图5为本发明实施例提供的一种液体压力容积离散曲线图；

图6为本发明实施例提供的一种液体海拔沸点离散曲线图；

图7为本发明实施例提供的一种液体温度密度离散曲线图；

图8为本发明实施例提供的一种中间过程量z的时间和温升速度的关系图；

图9为本发明实施例提供的一种图8简化后的二维图；

图10为本发明实施例提供的一种自动加液体加热装置的运行方法流程图；

图11为本发明实施例提供的一种获取目标容积的方法流程图；

图12为本发明实施例提供的一种计算腔体加热所需时间的方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

如图1，本发明实施例提供一种液体自动添加并加热装置，包括添加器1、加热装置本体2、温度传感器3、加热器4、控制装置6、大气压强检测器15和一个薄膜压力传感器5，其中，加热装置本体2为腔体结构，温度传感器3和加热器4均位于加热装置本体2内部，添加器1和控制装置6位于加热装置本体2的外部，控制装置6连接添加器1、温度传感器3、加热器4、薄膜压力传感器5和大气压强检测器15。

温度传感器3用于测量加热装置本体2内的液体的实时温度，薄膜压力传感器5用于测量加热装置本体2内的液体的实时压力，大气压强检测器15用于检测实时大气压强。

示例性的，大气压强检测器可以选用bme280。

示例性的，薄膜压力传感器可以选用rfp602-薄膜压力传感器。

在一个示例中，添加器主要用于给腔体添加液体。可以两种选用类型的液体添加器，一种是输入液体已有压力的，例如自来水，由电磁水阀控制液体流入腔体；一种是输入液体没有压力的，通过电动水泵来抽取液体再输送给腔体；电磁水阀可以选用ze180-cj2，电动水泵可以选用klp40-08t。

液体添加器接受智能控制器控制，实时开通或者关闭；

控制装置6根据参数进行判断，并根据判断结果对添加器和加热器发出相应指令，其中，参数包括目标液体种类、实时大气压强、实时温度和实时压力。

本发明实施例提供的液体自动添加并加热装置还包括设置在加热装置本体2上的显示器16和设置器17。

显示器16用于人工交互，接受控制装置6的输出结果，例如操作过程中的状态、显示异常状态。

设置器17用于人工交互，用于给控制装置6输入操作命令。设置器17可以是wifi、红外、网络、或者有线连接的设备。

薄膜压力传感器5的薄膜压力信号通过惠斯通电桥进行转换，图2所示，其中，惠斯通电桥输出压力电压信号为：

r1:薄膜压力传感器等效电阻，可以是1个、2个、3个等多个薄膜压力传感器串联或并联得到；

r2,r3,r4:电桥匹配电阻，选取合理的电阻使得vfo工作于线性区间；

e:恒压恒流电源。

如图3和图4，加热装置本体的下方设置有加热底座，在一个示例中，加热装置本体2的下方设置有加热底座，加热底座包括耦合器11、面板机械层7和位于面板机械层7上的多个物理层，多个物理层从下到上依次为粘结层8、保护层9和耐磨层10，耦合器11位于多个物理层的中心，并贯穿所述多个物理层。前述的薄膜压力传感器5位于保护层9中的预设区域。其中，薄膜压力传感器5引出两根压力信号线：第一压力信号线52，第二压力信号线53,耦合器11下方还引出电源线13和温度信号线12。

在一个示例中，耐磨层10是一层非常薄的薄膜，不影响薄膜压力传感器5的线性测量关系。耐磨层10主要解决划痕问题，利于经久耐用。耐磨材料可以是三氧化二铝、氮化硅、二氧化硅、碳化硅、聚酯、绝缘树脂的一种或多种。

在一个示例中，保护层9是一层非常薄的薄膜，起到固定薄膜压力传感器5、压力信号导线以及防水、绝缘的功能，材料，可以是三氧化二铝、氮化硅、二氧化硅、碳化硅、聚酯、绝缘树脂的一种或多种。

在一个示例中，粘结层8用于将结构粘结在面板机械层7上固定，采用结构胶粘剂，厚度12um-580um。

在一个示例中，压力信号线由金属铜制成，用于传输信号。

下面介绍本装置运行的一些基本原理：

1)液体压力容积离散曲线

如图5，加热装置本体2的腔体在不同材料和不同容积设计情况下，其本体作用于垂向的压力是不同的，同时液体充满特定容积时作用于垂向的压力可能是线性，也很能是非线性的。

控制装置内可以存储多种液体的压力容积离散曲线。

这里离散曲线意思是指非公式计算的，存储的是非连续的离散化的值，离散的程度满足精度、误差、存储空间等的要求。

其中，

无腔体情况下，指腔体没有放置在薄膜压力传感器5上时，薄膜压力传感器5测量到的值。

腔体内无液体，指腔体内没有充入液体，空载放在薄膜压力传感器5时，薄膜压力传感器5测量到的值。

腔体内充满液体，指腔体内充入液体，满载放在薄膜压力传感器5时，薄膜压力传感器5测量到的值。

离散曲线通过手工实际测量得到。

2)液体海拔沸点离散曲线

如图6，由本领域clausius-clapeyron方程式推导，在t^θ与t0为同一数量级，为10⁴数量级，m*g为10^-1数量级，当海拔h(和10⁵米相比)不太高时，此时液体沸点t与海拔h之间关系为近似线性关系，精度和误差满足本发明的需要，公式为：

式中：

t：液体海拔沸点，单位℃；

t^θ：液体在一个标准大气压下的沸点，单位℃；

t0：大气平均温度，单位℃；

h：海拔高度，单位米；

g：重力加速度，常数值9.8m/s²；

m：空气的平均相对分子量，常数值29；

液体的摩尔蒸发潜热，单位kj/mol；

通过此公式可推算出目标液体在不同海拔下的沸点值，并离散化存储于控制装置6中。

这里离散曲线意思是指非公式计算的，存储的是非连续的离散化的值，离散的程度满足精度、误差、存储空间等的要求。

3)大气压强同海拔的关系

按照《火力发电厂燃烧系统设计计算技术规程(dl/t5240-2010)》的经验公式进行计算：

式中：

pa：当地平均大气压，单位kpa；

h：当地海拔高度，单位米。

4)液体温度密度离散曲线

如图7，该离散曲线通过查阅国家、行业标准、文献等手工绘制得到。

该离散曲线存储于控制装置6中。

这里离散曲线意思是指非公式计算的，存储的是非连续的离散化的值，离散的程度满足精度、误差、存储空间等的要求。

5)腔体加热时间预测

腔体加热所需时间的计算方法。

正常情况下，腔体加热过程中伴随有自然冷却。

理论推导：

腔体内的液体在恒定功率p加热下，温度的变化率微分式为：

式中：

p：功率，单位w；

t：时间，单位s；

r升:在恒定功率加热下，腔体无散热时的升温速率，单位：℃/s；

r降＝k(t-t0)：腔体散热时的降温速率，单位：℃/s；

t：实时温度，单位：℃；

t0：初始温度，单位：℃；

k：降温系数，常数，单位：/s，空气环境下温度变化率不大，0≤k＜200；

解微分式，得：

在t＝0并且t＝t0时，有

整理得：

按照本领域的热量学公式，恒定功率p在t时间内产生的热量为：

式中：

c：比热容，单位：j/(kg·℃)；

m：液体总质量，单位:kg；

整理得腔体加热所需时间的计算公式：

式中z为中间过程量，等式p、c、m均已知，t、t和t0通过测量可以得到；参数k需要特殊计算。

等式右侧:

参考图8，图8为中间过程量z的时间和温升速度的关系图，图8表明该函数在0.8s≤t＜5s,0≤k＜200区间近似为线性空间。

参考图9，图9为图8简化后的二维图，是中间过程量z的温升速率和时间的关系曲线图，从图9中，可以看出中间过程量z在t＝1s,t＝2s，t＝3s，t＝4s时均为良好的线性特征。

据此，参数降温系数k的计算方法为：

在t＝1s时测量t0；

在t＝2s测量t，通过①式左边计算得到k1＝k，令t0＝t；

在t＝3s测量t，通过①式左边计算得到k2＝k，令t0＝t；

在t＝4s测量t，通过①式左边计算得到k3＝k；

计算即为k；

在所有参数齐备情况下，令t为加热目标温度，t0为当前温度或初始温度，通过公式1可计算时间t，腔体加热时间即为时间t。

本发明实施例还提供一种上述装置的运行方法，如图10，包括以下步骤：

步骤11，获取操作指令。

步骤12，判断操作指令是否运行。

若步骤12的判断结果为否，进行步骤71

步骤71，控制加热器停止加热，以及关闭添加器。

步骤72，提示用户操作指令是否暂停，若不暂停，停止操作，若暂停，返回步骤11。

若步骤12的判断结果为是，进行步骤13。

步骤13，获取目标参数，其中，目标参数包括目标液体种类、目标温度和目标容积。目标参数从存储在控制器中的配置参数中获得，也可以从外部输入的参数获得，例如按键、控制指令等。

示例性的，在步骤13中，获取目标液体种类是因为本发明实施例的目标是给液体加热，可以是水或其它饮料，例如牛奶，果汁等。

示例性的，在步骤13中，获取目标温度是因为用户可以将液体加热到沸腾或使用者指定的温度，例如标准大气压下，将水加热到60℃。

示例性的，有的情况不需要让整个装置的水都加热，只需要加热部分的水，例如婴儿的奶瓶需要的热水，只要100-200ml即可，多烧的热水用不完，也会造成浪费，对此，本发明实施例可以加热指定体积的液体。进一步的，有的用户喜欢用重量来表示，这里也支持。

所以，步骤13中的获取目标容积的方式有两种，一种是直接获得目标容积，一种是通过获取目标重量转换成目标体积。

示例性的，如图11，获取目标容积包括：

步骤131，获取目标类型。

步骤132，判断目标类型是否为重量。

若判断目标类型不是重量，直接获取目标容积。

若判断目标类型是重量，进行步骤133。

步骤133，获取目标重量。

步骤134，根据目标液体种类，获取对应的目标液体种类的温度密度离散曲线。

步骤135，通过对应的目标液体种类的温度密度离散曲线将目标重量换算为目标容积。

至此，获取目标容积的步骤13完成。

步骤14，获取液体压力容积离散曲线。

步骤15，根据液体压力容积离散曲线，将目标容积换算成目标压力。

步骤21，检测实时大气压强。

步骤22，根据实时大气压强，获取当前海拔高度。

步骤23，根据目标液体种类，获取液体海拔沸点离散曲线；

步骤24，根据液体海拔沸点离散曲线，将当前海拔高度换算为沸点。

步骤31，检测腔体的实时压力。

步骤32，判断腔体的实时压力是否异常。

异常的条件为下列条件之一：

第一条件：腔体的实时压力小于或者等于腔体内无液体压力。

第二条件：腔体的实时压力大于腔体内满液体压力。

若异常，进行步骤41。

若不异常，进行步骤33。

步骤41，控制添加器关闭，控制加热器停止加热，显示异常，并返回步骤11。

步骤33，判断实时压力是否小于目标压力。

若判断为是，进行步骤51。

若判断为否，进行步骤34。

步骤51，控制添加器开通，并返回步骤11。

步骤34，判断腔体内液体的实时温度是否大于或者等于沸点

若是，进行步骤61。

若否，进行步骤35。

步骤61，控制添加器关闭，加热器停止，并返回步骤11.

步骤35，判断腔体内液体的实时温度是否大于或者等于目标温度。

若是，进行步骤61。

若否，进行步骤36。

步骤36，计算腔体加热所需时间。

其中，如图12，计算腔体加热所述时间具体包括：

步骤361，判断是否已经计算降温系数k。

若是，进行步骤363。

若否，在步骤363之前先进行步骤362。

步骤362，计算降温系数。

步骤363，根据降温系数计算加热剩余所需时间。

以上的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。