专利名称：具有一体的超声波收发器的饮料机的制作方法
技术领域：
本发明公开了ー种具有一体的超声波收发器的饮料机。具体地，借助于超声波收发器，能精确地确定饮料机的储罐中的液面和/或从储罐流出的液体的体积。
背景技术：
用于制备热饮或冷饮的机器通常包括储罐，液体如水或牛奶被容纳在该储罐中。该储罐通常可以可移除地连接到饮料机的分配器，并且当运转时，饮料机使用来自储罐的液体来制备饮料。每种饮料都通常需要一定体积的液体来与饮料配料混合。液体体积的确定越精确，饮料的品质就越好。此外，储罐通常应该仅保持最大体积的液体。另外，为了制备饮料，需要最小体积的液体。如果不存在这ー最小体积的液体，则可能导致可能负面地影响所制备的饮料的液体供应中断。例如，气泡可能被捕获在从储罐流出的残留体积的液体中，即使储罐在饮料制备循环期间被再充填，这也可能影响饮料的精度。因此，希望精确地 測量储罐中的液面以及从储罐泵出到机器中以用于制备饮料的液体的体积两者。还希望在饮料制备循环期间防止液体从储罐到机器中的中断和/或异常流量变化，以便避免饮料的错误或无效制备。现有技术饮料机主要提供至少通过储罐上的标签或标记来确定储罐中的液面的可能性。例如，通常指示最小和最大液位，并且有时指示制备ー种或两种饮料所需的液位。更复杂的饮料机包括连接到指示器的充填液位传感器，这些传感器指示储罐中的液面状态。此类传感器例如为浮子，它们具有小于液体的密度，使得它们浮在液面顶部上，并且可确定它们的位置。也普遍使用电极来測量环境即液体的电容，该电容取决于储罐中的液面。可采用检测液体产生的压カ的其他传感器来确定液面。流入或流出饮料机的液体的体积通常通过流量计来测量，比方说例如旋转叶片，该旋转叶片被流动的液体旋转，且其基于例如每秒转速来确定流动的液体的体积或流速。除了现有技术饮料机中通常使用単独的传感器或測量装置来分别测量储罐的液面和从储罐流出的液体的体积或液体的流速的事实外，存在另外的缺点。储罐上的标签或标记仅指示液面,仅提供粗略估计,并且很容易受液体的移动影响。它并未提供从储罐流出的液体的体积的任何合适的指示。另外，由于储罐通常定位在饮料机的背面，所以使用者无法直观和容易地进行液面的读取。浮子也是不精确的，其对于阻挡和损坏很敏感，并且使机器不容易清洁。其他传感器比方说上述电容或压カ传感器需要被置于液体中，即储罐的内部或储罐下方，从而与液体接触。这使饮料机更加难以清洁，并且负面地影响测量装置的可靠性。此外，所述传感器仅提供有限的精度。用于测量流速的旋转叶片也必须直接置于液体中。它们不是很精确，很脆弱并且容易损坏。此外，如果ー些固体部分意外随液体流动，则它们可能被阻挡。WO 2009/060192A2公开了电动液体加热容器及其电子控制装置。加热容器包括储器和无电线的基座。借助于联接到储器中的元件板的超声波换能器来测量储器中的液面。然而，该发明仅涉及仅对容器中的液位进行控制而不对从容器流出或泵出的任何液体进行控制。鉴于上述缺点，本发明g在改进现有技木。具体地，希望提供ー种具有精确测量系统的饮料机，所述精确測量系统用于控制储罐中的液面和从储罐流出或泵出的液体的体积，例如以用于精确地计量在机器中与一份婴儿配方食品(例如作为粉末或浓缩物)混合的水量。另外，该测量系统应该以便宜的制造成本提供良好的精度。该饮料机应该具有良好的长期可靠性，并且应该可容易地清洁。希望饮料机的储罐和分配器之间有简单的可连接性。
发明内容
上述问题由本发明的ー种具有一体的超声波收发器的饮料机来解決。在第一实施例中，本发明公开了ー种饮料机，所述饮料机包括储罐和分配器，所述储罐保持用于制备饮料的液体，所述储罐可连接到所述分配器，其中
所述储罐包括出ロ阀；所述分配器包括将所述储罐流体连接在所述分配器上的用于接纳所述出ロ阀的开ロ ；至少ー个超声波收发器配置在所述分配器和/或储罐中，所述超声波收发器设计成发射和接收液体中的超声波，以便确定从所述收发器到液面的距离，其中，所述饮料机还包括连接到所述超声波收发器的控制单元；这种单元适于确定随时间变化的距离并因此确定从储罐流出的液体的体积。所述超声波收发器提供了易于实现的用于以高精度測量储罐中的液面的装置。此夕卜，通过所述超声波收发器，可通过控制単元确定水体积，从而解决测定的液面随时间的变化。优选地，控制单元中存储有储罐的轮廓，并且控制单元适于基于所述轮廓和随时间变化的距离来确定从储罐流出或泵出的液体的体积。为此，控制単元包括存储器，其中存储有储罐的轮廓。通过沿着储罐从液面的最大表面积到最小表面积的距离(例如深度)对储罐中的液面的表面积进行积分来确定所记忆的储罐轮廓。控制单元构造成通过一旦已达到体积的设定点或超过阈值便中断液体流动来控制饮料的液体体积。液体流动的中断通常可通过控制単元切断分配器中的泵和/或主动关闭出ロ阀来获得。通过这种系统，可精确地确定从储罐分配的液体的液面和体积两者。控制单元可以可选地适于通过以时间単位计算从储罐流出或泵出的液体的体积的变化来确定从储罐流出或从储罐泵出的液体的流速。此外，仅需要简单的超声波收发器。控制单元也可集成到超声波收发器和嵌入其中的存储器中。所输送的液体的液面和体积两者都可很精确地确定而不采用复杂和脆弱的流量计，例如旋转叶片。对于流量计功能，通过在例如数毫秒级的很小的时间间隔内根据时间控制体积的变化和例如通过当所确定的体积达到设定体积时使泵停止来确定精确体积。应注意，液体可仅通过重力从储罐流出到分配器(不在分配器中使用泵)。当低压液体满足要求时会是这种情况。这种情况下，将优选设置用于控制液体流量的主动阀；这种主动阀受控制单元控制并且安置在储罐和/或分配器处。优选地，该饮料机还包括用于指示所述距离是否越过预定的临界水平(即超过或不足)的报警信号単元。因此，使用者精确地了解例如储罐中是否存在用于制备ー种或多种饮料的足量液体，或者是否达到临界的最小或最大液体体积。信号単元可包括发光单元，该发光单元可在使用者可容易地观察到的部位定位在饮料的正面上。报警信号単元可为发光単元、发声单元或它们的组合。结合报警信号単元或者可选择地，当距离越过预定临界水平，提供用于中断液体流向分配器的手段。这种流动中断手段可作为用于切断分配器中的泵的程序集成在控制单元中。报警信号単元也可布置成用于在检测到流速的错误(S卩，在时间间隔的体积变化)时进行指示。例如，如果流速在所设定的体积达到前异常降低或停止，则启动报警信号单元。例如，报警信号可指示流体回路中例如由于回路中存在严重的石灰岩沉淀物而需要实 施或运行除垢程序的限流状态。相结合和/或可选择地，流动供应可由流动中断装置例如通过切断分配器的泵来中断，以便避免损坏饮料机和/或不正确地制备饮料。报警信号单元也可布置成用于当液体体积在饮料制备结束时达到饮料体积的设定点时进行指示。如本身公知的那样，用于不同饮料体积(例如30、50、70、120、220ml)的若干个设定点存储在控制单元的存储器中。在第一模式中，超声波收发器配置在分配器的位于出口阀下方的开口中。当储罐在分配器上就位时，该开ロ的位置对应于阀的位置。阀设计成打开以允许超声波换能器将超声波发射到储罐中的液体中和接收超声波。具体地，阀布置成由于储罐被插入分配器上而由分配器的推动装置侧向推动。例如，阀可由分配器的开口中的斜面推动。阀的后部也可以是倾斜的，以在被分配器的斜面接合时采取适当的侧面位置。在超声波收发器位于分配器中的情况下，储罐可被容易地移除、再充填或清洁。由于不一定需要液体与收发器之间的直接接触，所以饮料机可具备更长的寿命。通过将超声波收发器定位在分配器中，可使用例如由塑料或另ー种合适的材料制成的简单储罐。储罐不需要任何电连接器，并且如果从分配器被移除，则超声波收发器不移动。在这种布置下，储罐变得更容易清洁。通过使储罐装备有所述阀，所述阀与分配器的开口重叠，并且当储罐连接到分配器时打开，可更精确地进行液面測量，这是因为所发射的超声波未被储罐底壁或关闭的阀或某一其他阻挡元件阻挡，所述阻挡会导致不希望的反射并因此导致测量不准确。此外，打开的阀允许饮料机从储罐泵出液体以便制备饮料。优选地，分配器包括空腔，超声波收发器配置在该空腔中。该空腔与分配器的其他部分是分离的，并且当储罐与分配器连接时，该空腔的顶部的外表面与储罐中的液体直接接触，并且将超声波直接发射到液体中。通过将超声波收发器配置在空腔中，构件与分配器中的液体分离。因此，如果饮料机制备饮料，并且因此经分配器从储罐泵送液体，则超声波收发器与液体隔离。这提高了收发器的寿命，并且使其清洁不需要那么頻繁。此外，液体的流动路径未被阻挡。超声波经空腔的顶部发射。由于一旦阀打开顶部的外表面便与储罐中的液体直接接触，所以不会出现来自中间空气层或阻挡超声波路径的其他材料的不希望的反射，并且因此液面和/或流速的测量更加可靠和精确。
优选地，超声波收发器与空腔顶壁的内表面直接接触。因此，超声波收发器与空腔顶部的内表面之间不存在空气层或任何其他材料层。因此，超声波可最有效地从收发器耦合到空腔的顶部中，并且超声波可从空腔的顶部最有效地耦合到储罐中的液体中，这是因为超声波收发器与空腔顶部的外表面直接接触。避免了例如由位于收发器与空腔顶部之间的空气层导致的不希望的反射而不是在液面处的反射，并且可优化测量信号。优选地，空腔的顶部的宽度与开ロ的宽度相同。这提供了超声波与液体之间的良好率禹合。在本发明的第二模式中，超声波收发器连接在储罐的底壁上或所述底壁处。收发器优选在横向上远离底壁上的出口阀。术语“在横向上远离”在此指的是平行于储罐中的液面的方向上的两点之间的距离。收发器可定位在底壁的与储罐中的液体隔离但对储罐顶部的方向上的超声波足够透明的空腔中。收发器具有布置成由于储罐以液体连通方式插入 分配器上而变成与分配器电插接的无线连接器。收发器优选在轴向上远离接合在分配器的开口中的阀。优选地，该空腔可作为储罐的底壁的一体部分形成。它可朝储罐的内侧延伸，并且在这种情况下，该空腔必须由(例如塑料)密封顶壁不滲透地封闭。该空腔也可朝储罐的外部延伸，并且优选由后盖不渗透地封闭。该空腔也可由与储罐的壁分离并例如通过焊接或胶粘与壁连接的(例如塑料)外壳形成。在所有情况下，该空腔还在与收发器的后接触侧(例如在第一模式中储罐的底壁中)接触的壁或盖处包括小的孔径，以允许收发器的电连接器从储罐向外突出，以实现在储罐插入分配器上期间与分配器无线连接。连接器可为如本身公知被偏压的弹簧。超声波收发器可通过无线连接装置例如电气接触件(例如销和铆钉)或通过非接触式连接装置例如电磁线圈与分配器电气连接。在该模式中，收发器的电气连接可用于检测分配器上的储罐的有无。可经由电压或电流或通过饮料设备的控制单元进行的任何其他合适的电气检测来检测这种有无。通过这种方式检测储罐可与设备上的发光信号装置(例如LED)相关。当然，收发器的关键发射和接收装置也可分布在储罐和分配器中。例如，超声波发射器可为储罐的一部分并且超声波接收器为分配器的一部分，例如安置在输出开口中，或者反之。一般而言(即对于所有模式而言)，控制单元还设计成进行A/D转换，以获得对应于所接收的超声波的接收信号。优选地，该超声波收发器为I. 4MHz传感器。优选地，控制单元还设计成在固定的特定电压水平分析所接收的信号，藉此始終使用所接收的信号的相同周期斜度(slope)来进行分析，优选以超声波的信号周期的30°相位和/或以不大于I :2的超声波的信号振幅变化进行分析。优选地,控制单元还设计成至少在8MHz、优选至少在16MHz的条件下操作。通过上述电子设计方案，可提高液面和/或流速测量的分辨率。优选地，控制单元还设计成对约O. 5秒内测量的距离进行平均。通过平均測量结果，可防止动荡的水面导致的液面的液位偏差。为了测量的最佳可能結果，液面应该尽可能平静。
优选地，超声波收发器包括压电元件，该压电元件适合通过短电压脉冲周期性激发来发射超声波。在ー个方面，本发明涉及ー种在储罐和分配器之间的阀组件，所述储罐可与所述分配器连接。该阀组件在储罐底部处包括阀，其中如果储罐和分配器连接，则阀的位置对应于开ロ在分配器顶部处的位置，并且分配器中配置有至少ー个超声波收发器，该超声波收发器设计成经阀将超声波发射到储罐中的液体中和接收来自储罐中的液体的超声波，以便确定从储罐底部到液面之间的距离。本发明的阀组件允许超声波收发器定位在分配器中，使得可容易地移除和清洁储器。此外，由于阀在打开的情况 下未阻挡所发射的超声波，所以实现了超声波更好地耦合到液体中，并且因此液面和/或流速的测量更加可靠。本发明的另ー个方面公开了ー种用于监控饮料机的储罐中的液面的方法。该方法包括以下步骤将储罐连接到所述饮料机的分配器，由此打开所述储罐的阀，经所述阀将超声波发射到所述储罐中的液体中，经所述开ロ接收在所述液面处反射的超声波，并且从而基于所述超声波来确定从所述储罐底部到所述液面的距离以及从所述储罐流出或泵出的液体的体积。通过测量具有超声波收发器的饮料机的储罐中的液面，获得了很精确和快速的方法，这是因为超声波在液体与空气之间的界面处直接反射。通过将超声波收发器集成到分配器中，饮料机的储罐保持可移除以用于再充填或清洁，并且分配器与储罐之间的可连接性保持间单。本发明还涉及ー种饮料机，所述饮料机包括储罐和分配器，所述储罐保持用于制备饮料的液体，所述储罐可与所述分配器流体连接，其中所述储罐在其底部处包括出ロ阀；所述分配器在其顶部处包括用干与所述出口阀流体连接的开ロ ；至少ー个超声波收发器定位在所述分配器和/或储罐中，以经所述出ロ阀将超声波发射到所述储罐中的液体中和接收来自所述液体的超声波，以便确定从所述储罐底部到所述液面的距离，以及可选地确定从所述储罐流出或泵出的液体的体积。另ー个发明涉及一种用于饮料机的储水罐，所述储水罐包括用来插入饮料分配器的座上的底部部分，所述底部部分包括具有出水ロ(例如出口阀组件)的底壁，其中所述底部部分包括支承装置，所述支承装置布置成长于所述阀组件并且布置成用于在所述出水口与平坦表面不接触的情况下将所述储水罐维持在所述平坦表面上。储水罐的这样ー种构造解决了卫生问题，这是因为当储水罐被置于平坦表面例如案桌上时，阀组件永远不会与该平坦表面接触。本发明还由在此以引用的方式并入的所附权利要求限定。
下文将參照附图更详细地描述本发明。图I示出了根据第一模式的本发明的饮料机的储罐、分配器和超声波收发器的示意性表示。图2示出了根据第一模式的本发明的饮料机的分配器和超声波收发器。
图3示出了当储罐和分配器连接时本发明的饮料机的阀组件的更详细和更精确的表示。图4比较了当阀关闭时和当阀打开时本发明的饮料机的阀组件。图5示出了本发明的測量信号。图6示出了单结晶体管，使用该单结晶体管来激发本发明的超声波收发器。图7示出了通过进行本发明的方法而获得的信号。图8示出了用于评估通过本发明的方法获得的信号的简单Schmitt-Trigger回路。图9示出了本发明的分配器和储罐的第二模式。 图10示出了第二模式的储水罐。
具体实施例方式图I示出了本发明的饮料机的储罐2和分配器7。储罐2保持液体(通过阴影区域表示)，该液体由饮料机用于制备热饮或冷饮。作为优选但非限制性的示例，该机器设计成用于制备诸如婴儿配方食品之类的营养液。为了简单起见，未示出饮料的公知部件，例如泵、加热器或冲煮(或稀释)単元。通常，储罐中的液体为水。然而，本发明并不限于保持水的储罐，并且储罐可以保持不同的液体，例如牛奶。例如，液体然后可与被容纳在包装容器(例如分份胶囊或料理包)中的一份诸如婴儿配方食品粉末或液体浓缩物之类的配料混合。储罐中的液体和空气之间的界面为液面5。从储罐的底部到液面5之间的距离通过储罐右侧的双箭头表示，并命名为d。超声波收发器3位于储罐2下方的分配器7中，如下文将更详细地说明。储罐2优选由塑料制成，这是因为塑料制造起来便宜并且重量轻。此夕卜，储罐2易于清洁，并且甚至可设计成在洗碗机中清洁。然而，储罐2也可由其他材料制成，这些材料能容纳液体并且能从收发器3发射接入的超声波，即，在收发器3定位在储罐2的外部的情况下。即使储罐2的形式被表示为在底部为矩形并且在顶部为球状，但储罐2可呈现与饮料机I配合的任何形式。超声波收发器3能发射超声波4a,并且能接收超声波4b。所发射的超声波4a-
如下文将更详细地说明——耦合到液体中，并且经液体传播直到它们到达液面5处液体与空气之间的界面。在该界面5处，超声波4a被反射，并且所反射的波4b在一定时长后被超声波收发器3接收。超声波收发器3測量所发射的超声波4a返回所耗费的这ー时长，并且由于超声波4a、4b在液体中的速度是已知的，所以超声波收发器可基于所检测到的从超声波4a、4b的发射到接收的时间差来确定从储罐2的底部到液面5的距离d。该时间差和/或距离d随后由超声波收发器3传输到与收发器3电气连接的控制单元6。控制单元6也可与超声波收发器3 —体形成。控制单元6还可包括存储装置，其中存储有有关信息，例如超声波在不同液体中的传播速度。此外，控制单元6中可存储有储罐的轮廓。这种轮廓例如描述储罐的精确形貌，或者为类似的信息，该信息清楚地将储罐2中的液体体积与液面5关联。储罐2的轮廓设计得越简单，就可更容易和更精确地确定流速。理想地，储罐2设计成具有内部容积，其中容积变化(增加/減少)与距离d线性地相关，例如立方体形、平面六面体形、圆柱形等。超声波收发器3和控制单元经分配器7被供电。分配器7可与某电压源电缆连接，或者可经由电感耦合接收电压。同样，连接器可在分配器7的内部硬连线，以向收发器3和控制单元6供电，或者可执行电力的感应耦合。分配器7也可配备有电池，该电池可使用外部电源充电。超声波收发器3和/或控制单元6可具有単独的电源开关，其例如可设置在饮料机的壳体上。因此，当不需要测量时，即使饮料机为了制备饮料而耗电，构件也从电源断开以节省待机电流。为了确定从储罐2流出的体积或流速，特别是当被液体回路(未示出)中的分配器的泵抽吸时离开储罐来到分配器的体积，超声波收发器3进行多次上述距离d的測量。测量可连续或分散地进行。通过每一次測量，收发器确定新的距离d，并且将其传输到控制单元6。两次测量彼此相接得越快，就能更精确地确定所分配的体积或流速。在后续测量中，超声波收发器可连续地发射和接收超声波。或者，收发器仅以一定间隔发射和接收超声波，这消耗了较少的电力。基于存储在控制单元6中并且将储罐2中的液体的体积与液面5关联的储罐轮廓，控制单元6可监控距离d分别随时间或随每ー个単独的测量步骤的变化，并且可确定流速。例如，如果控制単元6在液面5下降或上升的情况下获知多少分升液体对应于液面5的一定变化，则它可确定所分配的体积或流速。
为了测量(即距离d、所分配的体积(或流速)的測量)的最佳分辨率，超声波收发器3相对于储iiS 2的览度定位在中央。因此，超声波4a和4b也王要在储iil 2的中央传播，并且在液体与空气的界面5处反射。在储罐2的中央，液面5更易于稳定，即使饮料机I的移动导致动荡的液体表面。通常，在储罐2的边缘处，这种动荡导致液面5的更强烈上升或下降。用于配置超声波收发器3的优选方案在图I中示出。饮料机I包括分配器7，如果饮料机I运转以制备饮料，则所述分配器从储罐2泵出液体。分配器7和储罐2能可移除地连接，如通过储罐2上的三角形突出部13a和分配器7上的对应的三角形凹部13b所示。三角形突出部/凹部将储罐在分配器上的互补配合形式化，以确保如后文将说明的储罐与分配器之间的适当流体连接。然而，这种互补配合可通过许多不同的设计和/或结构来获得。为了饮料机的运转，储罐2必须连接到分配器7，并且为了再充填储罐2或清洁储罐2，可将它从分配器7取下。优选地，储罐2在连接状态下安置在分配器7上。超声波收发器3优选配置在分配器7内。因此，当储罐2从分配器7被移除时，为了再充填或清洁，不需要移除收发器3。因此可以使储罐2成为简单得多的储罐，不带有电子元件或电连接器。此外，储罐2清洁起来要简单得多，并且也轻得多。当储罐2连接到分配器7时，超声波收发器3直接位于其底部下方，并且优选相对于其宽度确定中心。储罐2在其底部处还包括出ロ阀8。分配器7在其顶部处包括对应的开ロ 9，并且如果储罐2和分配器7连接，则阀8位置和开ロ 9位置精确地重叠，使得当饮料机I运转时液体可从储罐2流入分配器7中。此外，当储罐2被置于分配器7上以进行连接时，通过使用自动机构将阀8打开。例如，可使用一种机构，其中阀8被分配器7的倾斜平面12向侧面推动，如图3所示。倾斜平面12使阀8在压カ下傾斜，阀8例如可旋转或可滑动，并且开ロ 9露出。在图3中，阀8以这样的方式建立当它被推向侧面时，阀的底部是空的，并且可经分配器7的开ロ 9将液体泵入饮料机I中。一旦储罐2从该分配器7被移除，便可使用弹簧14来使阀8自动关闭，以便防止液体从储罐2漏出。弹簧沿与倾斜平面12相反的方向在阀8的底部上施力，由此使其倾斜返回其初始位置并封闭开ロ 9。
如在图I和图3中可见，当阀8被推向侧面(并向上)以与其座15分离时，所发射的超声波4a通向液体中的路径变得不受阻挡。因此，超声波4a直接耦合在液体中，并且仅在液面5处的液体-空气界面处反射。被阻挡的路径将降低信号強度，并且将形成不希望的反射的危险，所述不希望的反射将导致不正确的测量結果。如图2中示意性和图3中更详细所示，可将作为一体或分离的部件的超声波收发器3和控制单元6例如配置在分配器7的空腔10中。空腔10与分配器的其余部分分离，使得没有从储罐2泵送到分配器7的液体进入空腔10。由此，超声波收发器3和控制单元6被保护免于与液体直接接触。例如，空腔10设置在经由密封件18和连接装置(未示出)以不透流体的方式连接到分配器基座17的软管联接器16的外側。软管联接器例如可形成包围空腔10和阀的环形腔室19，使得允许液体离开阀而不会过多地受到阻碍并因此不会形成过大的压降。软管联接器还可通过压盖(gland)45连接到流体管线(未示出)。液体的流动因此可定向在径向(流F)或任何其他合适的方向上，这取决于联接器的构造。
这提高了电子元件的可靠性和寿命。此外，系统的其余部分变得更容易清洁，这是因为仅存在平坦和均匀的表面。超声波收发器3理想地附装在空腔10的顶壁IOa的内表面上。超声波收发器3应该以这样的方式附装空腔10的顶壁IOa的内表面与收发器表面之间不存在空气或其他残留物或材料。空腔10例如可由塑料制成，并且收发器3可通过硫化类エ艺附装到空腔10的顶壁IOa的内表面上。收发器3也可以是顶壁IOa的一部分，或位于空腔10的顶壁IOa的内部。如果使用不干扰超声波4a的特殊胶水，则也可将收发器3胶粘和/或压配合到空腔10的顶壁IOa的内表面上。如果阀8打开，则在分配器7与储罐2相连的状态下，液体进入分配器7并与空腔10的顶壁IOa的外表面直接接触。所有空气都被液体推走。当超声波收发器3操作时，超声波4a耦合到空腔的顶壁IOa上并从其外表面直接发射到储罐2的液体中。由于空腔10与这种阀组件中的液体之间不存在空气层，所以优化了波4a在液体中的耦合。空腔表面IOa的材料应该选择成使得从超声波收发器3发射的超声波4a在没有信号损失或者仅有ー点信号损失的情况下发射到液体中。塑料或类似的合成材料为良好的选择。在图4中，示出了阀组件的所述操作的概览。在图4的左侧，储罐2和分配器7在分离状态下被示出，在所述分离状态下，阀8例如由弹簧14抵靠着其位于储罐底部处的座16推入不透液体的关闭位置。当然可采用其他机构，它们以类似的方式将阀8推动或移动回到关闭位置。在图4的右侧，示出了储罐2被安置在分配器7上的状态。分配器7的开ロ 9与阀8重叠，并且由于倾斜平面12，阀8被侧向(并向上)推动，因此打开分别用于液体并且还用于由超声波收发器3或空腔10的顶壁IOa发射的超声波4a的路径。阀8优选具有被偏压的侧面41在较高平面侧的不对称设计，使得通过阀的移位而形成的通路足够大从而不会显著地妨碍液流进入开ロ 9。超声波4a经液体向上传播到液面5，并且作为波4b反射，并由超声波收发器3再次接收。然后如上所述确定至液面5的距离d。为了确保超声波与液体之间的良好耦合，安装有超声波收发器3的空腔10的顶壁IOa应该尽可能大。理想地，空腔10的表面IOa应该有分配器7的开ロ 9的宽度那么宽。然而，有时候这一点由于分配器7的内部所需的液体路径而不可能实现。饮料机I可另外配备有报警信号単元11，该报警信号単元与控制单元6和/或超声波收发器3电气连接。报警信号単元11例如可由发光二极管(LED)制成，当距离d超过和/或不足预定的临界水平时，所述LED提供信号，例如闪烁。这种预定的临界水平例如可指示储罐2中的液体的量不足以制备一种饮料和/或一定数量的多种饮料。也可指示储罐2中的最小体积或最大体积。信号単元11优选配置在饮料机I的外部，在这里它容易由用户观察到。然而，信号単元11也可位于分配器7的内部并覆盖有透明窗。因此，信号単元11也可配置在腔室10中，其中它与液体隔离。信号単元11也可指示其他内容，例如定时事件，比方说饮料机I需要清洁。信号単元11也可指示储罐2是否与分配器7正确连接和/或阀8是否正确打开或关闭。信号単元11还可指示是否正确地进行液面5的測量，或者误差是否超过一定水平。此外，数字显示器也是可行的，其基于所确定的液面5和基于存储的饮料參数的计算来显示储罐2中的液体足够用于多少饮料。信号単元11也可指示流速值，或者可指示流速对于待制备的预定饮料而言是否足够、过慢或过快。如果这样，则控制単元6可自动所发射警告信号，或者可自动中断饮料的制备。为了获得用于液面5或流速的测量的良好分辨率，可进行若干改进。超声波频率应该尽可能高，因此分辨率主要受对所接收的信号的分析限制。控制单元6能够进行A/D转 换，以将已在空气与液体的界面5处反射的所接收的超声波4b转换成所接收的信号。由于对于低成本超声波收发器而言仅以固定的预定电压水平来分析信号，所以为了实现最佳可能的分辨率，应该始终采用所接收的信号的相同周期斜度。所接收的信号的典型正弦波形在图5中示出。竖直轴线示出了振幅，而水平轴线以度为単位示出了相位。对于最佳可能的分辨率，应该以30°的相位进行测量。另外，振幅的变化应该最大为1:2。通过使用I. 4MHz作为超声波收发器3,通过上述设置,用于确定距离d的可能分辨率为约O. 05mm。O. 05mm的偏差可以可选地通过在控制単元6中执行的软件程序来消除。由于分辨率还受控制単元6的计时器限制，所以控制单元6应该至少在约8MHz或更快的频率下、优选在约16MHz或更快的频率下操作。总计可分别获得操作速度的O. 2mm和O. Imm的分辨率。可使測量结果虚假的另一影响是，液面5不平静，而是具有例如由于饮料机I的移动而导致的动荡表面。所导致的液位偏差在储罐2的边缘处比它们在储罐2的中央更严重。因此，上述超声波收发器3应该靠近储罐2的中央定位，以实现更好的結果。此外，控制单元6适于将測量结果平均，并且消除短时间内出现的任何偏差。控制单元6可在约O. 5秒进行平均。从储罐底部到液面5的距离d的确定的分辨率被用于对流速的确定，在控制单元6中进行流速的确定。以普通方式，通过以下方程式评估排出的液体体积(例如，所分配的水体积)
[鋼s 其中，area (x)是水面位置x处的水面积，并且体积是xl与x2之间排
V =4:1
出的液体(例如水)体积。可有利地采用抵消表面动荡的另外的措施来提高距离d的超声波測量和确定的可靠性和分辨率。例如，储罐2可浮动地安装到分配器7上，分配器7与储罐2之间有ー个或多个缓冲层。使用者操作导致的饮料机I的移动传递到分配器7，但通过储罐2与分配器7之间的缓冲层对储罐2进行补偿。因此，储罐2的移动減少。缓冲层可以为弹性橡胶材料，或适合减振的任何其他材料。缓冲层与储罐2和分配器7接触，从而将储罐2保持在适当位置而不引起储罐2与分配器7之间的直接接触。因此，从分配器7传递到储罐2的振动被衰減，从而得到更平静的液体表面。储罐2也可设置有内容器，液体被保持在所述内容器中。内容器可借助于内容器与储罐2之间的可移动或可旋转连接而在储罐2中枢转。如果储罐2进行移动，则内容器将由于其自重而在储罐2中稍微移动并补偿所述移动。必须保证内容器与储罐2的壁之间不存在空气，并且容器由不妨碍超声波4a、4b进入/离开内容器的材料制成。也可设想用海绵状材料充填储罐，所述材料滲透液体并且防止波形成，因此得到更平静的液体表面。充填材料必须设计成使得液体仍可由饮料机I容易地从储罐2泵出到分配器7中。此外，充填的材料必须是可滲透的并且对超声波4a、4b无效，使得反射仅发生在液面5处。代替储罐2充满海绵状材料，可将例如由塑料制成的单向干扰(singledisturbing)元件布置在储罐2的内部，所述单向干扰元件干扰并因此减少液体中的波浪的形成。或者，可将具有较大质量的漂浮元件(swimming element)安置在液面5处和/或紧接着液面5下方，以由于其惯性防止在液体中形成波浪。上述示例全部用于当饮料机运转并且进行液面5的读取时使储罐2中的液体的表 面平静。即使饮料机I在运转期间不应该移动或倾斜，但通过操纵机器，使用者会导致储罐2中的液体移动，并且如果在液面5或流速的测量时不对该移动进行缓冲，则影响测量精度。本发明也可设置有已知引起储罐2中的平静液面或移动补偿的未谈到的现有技木。图6示出了单结晶体管(Q12N6027)，使用该单结晶体管通过短电压脉冲来激发超声波收发器3。可使用电阻器Rl和电容器Cl来调节脉冲之间的时间。可使用电阻器R2和R3来控制切換水平。电阻器用于激发收发器3，尤其在进行流速的确定吋。在每一次激发下，超声波收发器3发射超声波4a，并且可确定距离d。如果液体从储罐2流出或流入储罐2，则该距离d随时间即随每次测量变化，并且控制単元6可确定流速。为了获得精确的流速，脉冲之间的时间应该尽可能短。在最佳情形中，连续进行測量。然而，评估受控制単元6的速度和超声波收发器3的速度限制。图7示出了如由超声波收发器3接收的典型信号。使用示波器记录该信号。通过软件程序呈现和评估该信号。所发射的超声波4a与所反射的超声波4b之间的时间为约42 μ S。这计算出储罐2的底部与液面5之间的距离d为约29. 4mm。图8示出了用于评估所发射的超声波4a与所接收的反射超声波4b之间的时间差的Schmitt-Trigger回路。由于超声波收发器3具有高共振频率，所以比较器的响应时间不应该长于200ns。总之，提供了具有一体的超声波收发器3的饮料机1，并且描述了用于操作收发器3的方法，通过所述方法，可快速、容易地并以高精度确定饮料机I的储罐2中的液面5和/或流入和/或流出储罐2的流速。对于两种测量，仅需在饮料机I的分配器7中应用单个一体的超声波收发器3，因此与使用两个单独的測量装置的现有技术机器相比节省了空间和成本。由于饮料机I的储罐2和分配器7之间的特殊阀组件，可确保超声波4a在储罐2的液体中的良好耦合。此外，由于机器设计成使得超声波收发器3定位在分配器7中，所以储罐2可简单地建造，并且可容易地清洗和再充填。可使用储罐2与分配器7之间的简单连接机构，例如单向阀，其仅允许液体从储罐2通向分配器7。通过将收发器3置于空腔10中，使收发器3与液体隔离，并且提高了測量系统的寿命。
超声波收发器3确定所发射的超声波4a与在储罐2中的液体与空气的界面5处反射的所接收的超声波4b之间的时间差，并且确定从储罐2的底部到液面5的对应距离d。为了确定流入或流出储罐2的流速，控制单元6将距离d随时间的变化与增加或减少的液体体积关联。通过优化对所接收的超声波4b的分析，并且优化电子元件，可实现用于液面5和流速的确定的很好的分辨率。图9和10示出了本发明的饮料机的另ー种模式。该机器包括带有座20的分配器7，所述座形成用于接纳储罐2的底部部分21的凹部。应注意，未示出整个饮料机，而仅示出其顶部。储水罐包括带有用于接纳超声波收发器3的空腔的底壁22。收发器3被收容在形成凹部并由盖24 (或顶壁)封闭的底壁的空腔23中。收发器优选与被容纳在储罐中的液体隔离地封装在该空腔中。
设置有诸如O形环25之类的密封部件，以确保内部带有收发器的空腔的不透液体的封闭。结果，防止了液体进入储罐并且收发器的电子/电气元件持久地受到保护。空腔的底部具有用于使收发器的连接器26、特别是两个弹簧偏压的销能够横穿储罐并向外突出的小孔隙。连接器与定位在分配器的座中的电气/电子触点形成无电线连接装置。因此由于储罐插入分配器的座中而获得连接。分配器的电气/电子触点与分配器或饮料机(未示出)的控制单元通信。当然，连接器26也可以是固定的，即不可缩回的，而触点27可安置在凹部中以允许固定的连接器的插入。连接器26也可是与从座的表面突出的可缩回触点协作的平坦(非突出)表面。最后，连接器可以位于凹部中，以与在分配器的座上凸出的固定触点协作。此外，储罐包括阀8，该阀经储罐的底壁在轴向上与收发器3分离。阀本身是公知的并且定位在储罐的配合在分配器的液体入口 29中的刚性管状部分28的内部。此外，阀的弹簧14允许阀孔隙在储罐与座分离时自动闭合。如本身公知的液体入口 29包括内部指形件以向上提升阀。储罐还可包括可移除地插入储罐的本体33的再充填开口中的盖32。可设置手柄34，例如本体的一体部分，以有利于操纵储罐和从分配器的座移除储罐。储罐的底部部分21包括诸如环形部分38之类的支承装置，该支承装置包围储罐的包括收发器3和阀8的底壁22。环形部分38具有大于管状部分28的长度的高度“H”，以确保储水罐可在阀不触靠案桌的情况下位于平坦表面(例如案桌)上的稳定直立位置。结果，阀和因此液体管线不会由于可能与案桌的表面接触而被污染。这种储罐的结构的优点在于超声波装置更不容易受液体动荡、逆流作用和捕获在阀中的气泡影响。分配器的座20也还包括不同竖直液位的三个区；第一最高液位区35包括输入开ロ 29 ;第二中间液位区36包括电气/电子触点，并且第三低液位区37用于接纳储罐的环形部分38并用作用于残留液体的环形储器。因此，降低了液体进入收发器中的风险。为了确保收发器的可靠无线连接，阀优选以偏心的方式定位，使得其突出的管状部分28仅在储罐在座中的单个角度位置接合在开口中。储罐中可设置有接合在座的凹部31中的诸如小型钩30之类的附加锁定装置。该锁定装置防止当储水罐清空时储水罐由于连接器的弹簧的強度而提升。管可设计成使得其较大宽度大于其较长深度，以确保使用毛巾更方面地进行清洁和干燥。例如，其较大宽度至少比其较长深度大两倍(例如2. 5倍)。也可使储罐的表面也平滑，以有利于清洁和干燥。
最后，分配器7可包括报警信号単元，该报警信号単元包括用于当储罐中的水(或液体)的液位不足时进行指示的LED40。可将不足的水位编程为略大于(例如多I-IOml)对应于制备饮料例如婴儿配方食品制品所需的最小水量(例如65或75ml水)的水位。报警信号单元也可禁止向饮料机中的泵供电，以确保在液体回路和泵中维持充足的水位。
权利要求
1.一种饮料机(1)，包括储罐(2)和分配器(7)，所述储罐保持用于制备饮料的液体，所述储罐可连接到所述分配器，其中 所述储罐(2)包括出口阀(8)； 所述分配器包括用于接纳所述出口阀的开口(9)，以便将所述储罐流体连接在所述分配器上； 所述分配器(7 )和/或储罐(2 )中配置有至少一个超声波收发器(3 )， 所述超声波收发器设计成发射和接收液体中的超声波(4a，4b)，以便确定从所述超声波收发器到液面(5)的距离(d)， 其中，所述饮料机还包括连接到所述超声波收发器(3)的控制单元(6)，所述控制单元适于确定随时间变化的所述距离(d)和因此确定从所述储罐流出的液体的体积(V)。
2.根据权利要求I所述的饮料机(1)，其中 所述控制单元(6)中存储有所述储罐(2)的轮廓；所述控制单元(6)适于基于所述轮廓来确定从所述储罐(2)流出的液体的体积(V)。
3.根据权利要求I或2所述的饮料机(1)，还包括 用于指示所述距离(d)是否越过预定的临界水平的报警信号单元(11)。
4.根据权利要求I至3中任一项所述的饮料机(1)，所述超声波收发器(3)配置在所述分配器(7)的位于所述阀下方的开口中，并且其中所述开口(9)的位置对应于所述阀(8)的位置，并且所述阀(8)设计成打开以允许所述超声波收发器发射和接收被容纳在所述储罐中的液体中的超声波(4a，4b )。
5.根据权利要求I所述的饮料机(4)，其中 所述分配器(7 )包括腔室(10 )，所述超声波收发器(3 )配置在所述腔室中；其中 所述腔室(10)与所述分配器(7)的其他部分分离；并且 如果所述储罐(2)和分配器(7)是连接的，则所述腔室(10)的顶部(IOa)的外表面与所述储罐(2)中的液体直接接触，并且将超声波(4a)发射到所述液体中。
6.根据权利要求5所述的饮料机(I)，其中 所述超声波收发器(3)与所述腔室(10)的顶壁(IOa)的内表面直接接触。
7.根据权利要求I至3中任一项所述的饮料机(I)，其中，所述超声波收发器连接在所述储罐的底壁上或所述底壁处。
8.根据权利要求7所述的饮料机(1)，其中，所述超声波收发器通过诸如电气接触件(例如销和铆钉)的无线连接装置或通过诸如电磁线圈的非接触式连接装置与所述分配器电气连接。
9.根据权利要求I至8中任一项所述的饮料机(1)，其中 所述控制单元(6)还设计成进行A/D转换，以获得对应于所接收的超声波(4b)的接收信号。
10.根据权利要求I至9中任一项所述的饮料机(1)，其中 所述超声波收发器(3)为1. 4MHz传感器。
11.根据权利要求I至10中任一项所述的饮料机(1)，其中 所述控制单元(6 )还设计成以固定的特定电压电平分析所述接收信号，藉此 始终使用所述接收信号的相同周期斜度来进行分析，优选地，以超声波(4a，4b)的信号周期的30°相位进行分析和/或以不大于1:2的超声波(4a，4b)的信号振幅变化进行分析。
12.根据权利要求I至11中任一项所述的饮料机(1)，其中，所述超声波传感器(3)包括压电元件，所述压电元件适于通过短电压脉冲周期性激发来发射超声波(4a)。
13.一种阀组件(8，9)，其位于储罐(2)与分配器(7)之间，所述储罐(2)可连接到所述分配器上，其中，所述阀组件包括 位于所述储罐(2)的底部处的阀(8)； 其中，当所述储罐(2)和分配器(7)流体连接时，所述阀(8)的位置对应于所述分配器(7)的顶部处的开口(9)的位置，并且所述阀(8)由于流体连接而打开；并且， 所述分配器(7)中配置有至少一个超声波收发器(3)，并且所述超声波收发器设计成经所述开口(9)将超声波(4a，4b)发射到所述储罐(2)中的液体中和接收离开液体的超声 波，以便确定从所述储罐(2)的底部到液面(5)的距离(d)。
14.一种饮料机，包括储罐(2)、分配器(3)和根据权利要求13所述的阀组件。
15.一种用于监控饮料机(I)的储罐(2)中的液面(5)的方法，所述方法包括以下步骤 将所述储罐(2 )连接到所述饮料机(I)的分配器(7 )，由此打开所述储罐(2 )的阀(8 ); 经所述阀(8)将超声波(4a)发射到所述储罐(2)中的液体中； 经所述阀(8 )接收在所述液面(5 )处反射的超声波(4b ); 基于超声波(4a，4b)确定从所述储罐(2)的底部到所述液面(5)的距离(d)，并且可选地确定从所述储罐流出或泵出的液体的体积。
全文摘要
本发明公开了一种包括储罐(2)和分配器(7)的饮料机(1)，所述储罐保持用于制备饮料的液体，所述储罐可连接到所述分配器(7)，其中所述储罐(2)包括阀(8)；所述分配器包括用于接纳所述阀的开口(9)，以便将所述储罐流体连接在所述分配器上；所述分配器(7)或储罐(2)中配置有至少一个超声波收发器(3)，所述超声波收发器设计成发射和接收液体中的超声波(4a，4b)，以便确定从所述收发器到液面(5)的距离(d)，其中，所述饮料机还包括连接到所述超声波收发器(3)的控制单元(6)，所述控制单元适于确定随时间变化的所述距离(d)和因此从所述储罐流出的液体的体积(V)。
文档编号A47J31/44GK102858211SQ201180021436
公开日2013年1月2日 申请日期2011年4月18日 优先权日2010年4月27日
发明者R·伯恩哈茨格吕特, R·库格勒, Y·埃帕尔, H·P·普莱奇, V·马丁 申请人:雀巢产品技术援助有限公司