专利名称：粉状材料填充水平检测装置与存储单元内填充水平检测方法
技术领域：
本发明涉及一种粉状材料填充水平检测装置，该装置包括
- 存储单元，包括具有卸料孔的容器，该卸料孔用于排出计量的粉状 材料；以及
- 传感器，包括用于发射光束的光源、以及用于检测光强的检测单元； 其中，在容器的壁上至少有一个区域对于由光源发射的光至少是部分透明 的；传感器被以某种方式置于容器外，从而使光源将光束导向到容器壁上 的区域中，且使检测单元拦截由粉状材料反射、并经容器壁上的区域透出 的光。粉状材料的例子包括咖啡、牛奶/乳酪和糖。通过使用这类填充水平 检测装置，可确定在存储单元的容器内是否仍存在足量的粉状材料，而不 会由这类检测降低粉状材料的质量。这样做具有说服力，因为通过使用传 感器，有可能无需与粉状材料直接接触、即可确定在容器内是否存在足量 的粉状材料。
背景技术：
在美国专利说明书6,234,603中公开了一种系统，该系统可用于检测在 墨水容器(墨盒)中是否存在墨水、并可在存在墨水时确定在所述墨盒中 的墨水水平。为达到这一目的，该系统包括具有源的传感器、检测器、以 及至少一个反射元件。源和检测器可与壁的一部分整合在一起，或相互松
散叠放。该系统的一个缺点是，通过相对于彼此定位源和检测器，可同时
测量到一些可能的墨水水平。
发明内容
本发明旨在提供一种可更精确工作的填充水平检测装置。为此，本发明 的填充水平检测装置的特点在于，光源和检测单元被置于一个水平面上。 光源和检测单元的这类相互定位或多或少垂直于粉状材料的降落方向。使 用相同光束照射意谓着与在相互垂直定位时的情形相比，有更低可能水平 的粉状材料被照射到。由此，在各种情形下，当确定粉状材料是否在一水 平之上或之下时，在测量中通过使用检测单元而存在更少的传播。结果， 传感器可更精确地工作。
优选地，填充水平检测装置还包括指示元件，用于指示在存储单元的容 器内粉状材料何时不足；且当检测光强低于预定极限值时，检测单元可发
送信号。这样，有可能无需查看存储单元，就已指示出在存储单元的容器 内粉状材料不足。信号可以是被发送到检测元件的'空，信号。然而，填 充水平检测装置也有可能还包括处理器，且信号也有可能是当检测光强低 于预定极限值时、被发送到处理器的阈信号。处理器可在收到阈信号后、 计算粉状材料份的预定数量，且可在已达到粉状材料份的预定数量后、向 指示元件发送'空'信号。
在填充水平检测装置的一实施例中，发射光束是平纟于或发散的。在填充 水平检测装置的另一实施例中，发射光束以某种方式会聚，从而使光束焦 点位于存储单元之外。由于在这些实施例中光束所具有的上述特征，光被
投射在具有粉状材料的相对大的表面区域上，由此使填充水平检测装置甚
至可在壁被沾污的情况下起作用。在光束与壁之间的角度优选在40至90 度之间。由于具有这样的角度，降低了由沾污壁造成不精确信号的可能性。
在填充水平检测装置的所有实施例中，光源可用于发射具有预定脉冲频 率的脉冲光束。这类情形下的检测单元可检测来自脉冲光束的光的光强。 在这类实施例中，可根据在"噪音"中可识别出来自填充水平检测装置光 源的光这一事实，减少环境光对填充水平检测装置功能的不利影响。
在所有实施例中，光源可用于发射含有在红外线波长范围内主波长的光 束。通过使用具有在这一波长范围内(该波长范围从约750 nm直至50 pm)主波长的光，有可能使用标准的聚碳酸酯容器。此外，人类未发现这 类波长的扰动，这是因为所述波长在人类看得见的波长范围之外。
本发明进一步涉及一种分配基于粉状材料的饮料的饮料分配装置。该装 置包括用于分配液体的液体分配装置；用于分配粉状材料的存储单元； 混合空间，用于混合由液体分配装置分配的液体、以及由存储单元分配的 粉状材料;且所述饮料分配装置包括本发明实施例中的填充水平检测装置。 饮料分配装置的壁具有可关闭的孔，且填充水平检测装置的传感器经由固 定结构被安装在可关闭的孔上。在这种情形下，传感器在维护期间不会妨 碍维护工作，且这意谓着有可能在适当位置进行简单的固定。
最后，本发明涉及一种由放置在所述容器外的传感器检测存储单元内填 充水平的方法，且该存储单元包括粉状材料容器；所述传感器具有光源和
检测单元、以及与传感器连接的指示单元；其中在容器的壁上至少有一个 区域对于由光源发射的光至少是部分透明的。所述方法包括
- 由光源以某种方式发射光束，从而使光束被导向到容器壁的透明区 域上；
- 使用检测单元检测来自光束的光的光强，该光从容器内的粉状材料 反射，并透过容器壁上的区域；以及
- 如果检测光强低于预定极限值，由检测单元向指示单元发送'空' 信号。
然而，由检测单元发送的信号也有可能是发送到处理器的阈信号。在最 后这一情形下，所述方法包括一种系统，在该系统中处理器进一步计算从 容器中取出的许多份粉状材料，直到达到预定数量，且处理器向指示单元 发送'空'信号。当在存储单元中的粉状材料水平与位置有关时，最后这 一方法尤其适用。
由光源发射的光束可以是具有预定脉冲频率的脉冲光束。在这种情形 下，光强检测是以来自脉冲光束的光为基础的。使用这类脉冲光束意谓着 可根据以下事实减少环境光对所述方法的不利影响，即可在"噪音"中识 别出来自填充水平检测装置光源的光。
下文将结合附图和例子对本发明作更详细的说明。这些附图并未旨在 限制本发明的范围，而是要举例说明本发明。
图la-lc为本发明粉状材料填充水平检测装置的一实施例的示意图2为用于本发明粉状材料填充水平检测装置的传感器的一实施例 的示意图3为在本发明一实施例中具有粉状材料填充水平检测装置的饮料 分配装置示意图；以及
图4为本发明粉状材料填充水平检测装置的一实施例的示意图，该 装置可被安装在图3所示类型的饮料分配装置中。
具体实施例方式
图la-lc为粉状材料填充水平检测装置的一实施例的示意图。填充水 平检测装置包括存储单元15和传感器2。存储单元15还包括容器1， 该容器在图la-lc中分别被填以粉状材料3达全满、 一半以及不够满的 程度。容器1具有用于供应粉状材料3的给料孔4、以及用于按计量数 量排出粉状材料3的卸料孔5。换言之，存储单元的容器1可经由给料 孔4被填以粉状材料3，且容器1可经由卸料孔5被排空。然而，也有 可能例如经由卸料孔5填充存储单元。在这类实施例中，不存在单独的给 料孔4。
传感器2包括用于发射具有光线7的光束的光源6、以及用于检测 光强的检测单元8。传感器2被以某种方式放置在容器1夕卜，从而由检 测单元8至少可部分检测到粉状材料3反射光束7的光的光强，且被发 射的光束7穿过存储单元15的容器1的壁9。光源6被以某种方式安 置，从而可使光束7被导向到壁9的一区域上，该区域对于由光源6发 射的光至少是部分透明的。为此，检测单元8以某种方式被安置，从而使
其可拦截来自光束7的光；光束7被粉状材料3反身寸，并透过壁9上 至少部分透明的区域。在图la-lc中，整个壁9对于由光源6发射的光 至少部分透明。然而，也有可能只有壁9上的有限部分(即所述区域)对 于该光是至少部分透明的。
在图la中，由光源6发射的光束7的大部分经由存储单元15的 容器1的壁9投射在所述存储单元内的粉状材料3上。光束7的小部 分将被壁9反射、或被壁9吸收。从壁9反射的光线在图la-lc中由 虚箭头10指示。图la-lc所示的光束7优选以角度e入射在存储单元 15的容器1的壁9上，从而使得检测单元8实际上检测不到反射光线。 然而，正如本领域技术人员所知，必须在此确保该角度不能大于所谓的界 限角，这是因为当该角度大于所述界限角时、光束7将被全部反射。由实 验已清楚看出，在光束与存储单元15的容器1的壁9之间的角度e优 选在40至90度之间。
光束7的大部分将被粉状材料3沿许多方向反射，其中相对大的部 分向检测单元8的方向通过壁9。向检测单元8的方向从粉状材料3反 射的光束在图la-lb中由虚箭头11指示。然后，由检测单元8检测从粉 状材料3反射的光线11的光强。
在图lb中，容器1中只有一半高度被填以粉状材料3。经过壁9 进入容器1的光束7的一部分将通过在容器1另一侧上相对的壁12 再次离开容器1。结果，在这种情形下由检测单元8检测到的光强将低于 在图la所示情形下检测到的光强。
在图lc中，容器1几乎是空的，换言之，几乎不存在粉状材料3。 经过壁9进入容器1的几乎全部光束7经由相对的壁12离开容器1。 只有小部分将被相对的壁12反射(未显示)或被所述壁吸收。由检测单 元8检测到的光强将因此是最小的。
通过与检测光强的预定极限值作比较，可确定在容器1内是否存在 足量的粉状材料3。这一极限值可例如对应在图lb所示情形中测量到的 光强。如果检测光强高于极限值，则在容器1中存在足量的粉状材料3。 另一方面，如果检测光强低于极限值，则粉状材料3不足，需要补充在存 储装置内容器1的容量。
如果在存储装置的容器1内粉状材料3不足，即当检测光强低于预 定极限值时，检测单元8可发送'空'信号。这类'空'信号可被发送到 诸如指示灯之类的指示元件13。经由这类指示元件13、并通过使用本领 域技术人员所知的适当紧固件，有可能无需打开内部放置有填充水平检测 装置的饮料分配装置、就可指示在存储单元15的容器1中粉状材料3 不足。
由于光束7被粉状材料3沿各个方向反射，可通过照射在装有粉状 材料3的容器上相对大的表面区域，提高传感器2的可靠性。这可通过 以某种方式布置光源6、从而使光束7平行或发散或会聚发射而达到，且 在最后提到的情形下、光束7的焦点位于存储单元15之外。
粉状材料3有可能沾污容器1。如果容器内部被沾污，例如被来自 粉状材料3的极细粉末沾污，于是即使照射相对大的表面区域，光束7的
相对大部分将仍被粉末薄层通过不希望的反射或吸收挡住。在这种情形下，
由检测单元8检测到的光强也将低于当在入射光束7的位置存在充足的 粉状材料3时检测到的光强。如图la-lc所示，使用光束7沿一角度照 射容器1甚至可以加剧这类沾污层对检测可靠性的负面影响。在最坏的情 形下，检测单元将在这种情形下发送信号，表明在容器1中存在足量的粉 状材料3，而事实并非如此。
为尽可能减少沾污层对检测可靠性的负面影响，有可能对填充水平检 测装置的各个元件的相互位置及/或定向进行最优化。可在这一最优化中起 作用的参数包括角度e;检测单元8相对于壁9的位置(例如，所述 检测单元是否位于壁的向下倾斜部分上、或壁的"垂直"部分上)；要被照 射的表面的大小；光源6距壁9的距离；最低检测水平；以及与反射光
强度有关的极限值等。
此外，卸料孔5与(如果存在)给料孔4的位置安排方式可使粉状 材料3在容器1 一侧的高度极不同于其在容器1另一侧的高度。由实验 已可清楚看出，在高度变化方面存在某种可预测性。为适应粉状材料3在 容器1中与位置有关的数量下降，可使用确定的固定模式。然后将检测单 元8置于某位置，从而当仍可取出有限预定已知份数的粉状材料3时、 通过例如卸料孔5发送这类信号。该信号可以是'空，信号，它可被再次 发送到诸如指示灯之类的指示元件13。然而，该信号也可以是发送到处理 器16的阈信号，该处理器16用于例如以电子计算器的形式计算粉状材 料3区。然后，处理器16计算在收到阈信号后取出的粉状材料3的份
数。当处理器16达到有限预定已知份数时，处理器16将发送'空，信 号。这一 '空'信号可再次被发送到诸如指示灯之类的指示元件13。
光源6可以是单一光源，例如发光二极管(LED)。然而，也可能使 用一个以上的光源；在这种情形下，有可能将每个光源用于发射不同波长 的光。由光源发射的光的波长可在红外线波长的范围内。该范围在此指包 括从750nm至50 pm的波长范围；其中，在这一应用中，在800 nm至 1000 nm之间的波长尤为合适。目前，普通光源6还包括用于发射波长 为880 nm或940 nm的光的光源。通过使用这类波长的光，有可能照射 使用聚碳酸酯制成的容器1;聚碳酸酯是制造某些容器常用的材料，这些 容器例如可用于储存咖啡机内的咖啡。此外，具有在该波长范围内波长的 光未发现具有扰动性，这是因为它们处在人类看得见的波长范围之外。然 而，在本发明的一些实施例中也有可能使用光源6，它可发射波长在人类 看得见波长范围内的光，即450-700 nm。
检测单元8可以是单一部件，例如光电晶体管或光电二极管。在这 种情形下，极限值可由相关光电晶体管或光电二极管的平衡点确定。然而， 也有可能使用更复杂的检测单元8、或多个检测单元8。在这些情形下， 存储单元还可包括处理器，该处理器可根据单个或多个检测单元确定在存 储单元的容器1内是否存在足量的粉状材料3。在这种情形下，极限值可 被储存在与处理器相连的存储器内，正如本领域技术人员所熟知的那样。
环境光对传感器2功能的不利影响会导致检测错误；为避免这一影 响，光可由光源6以具有任意但已知频率的脉冲形式发射。于是，该频率 不同于环境中任何脉动光源的频率。这样，从电源提供的普通光源可以以
频率为100Hz或120Hz的脉冲形式发光；且所述频率取决于电源频率， 即在欧洲常见的电源频率为50 Hz的情形下为100 Hz，在美国正常的电 源频率为60 Hz的情形下为120 Hz。在这种情形下，可按某种方式布置 传感器2，从而使'空'信号只基于某种光，该光是由检测单元8在对应 于光源6的脉冲频率下检测到的。
为清楚起见，在传感器2中的光源6和检测单元8被相叠放置， 如图la-lc所示。必须理解的是，也有可能以另外的方式相对于彼此放置 这些元件，例如在水平面上位于彼此的旁边，如图2所示。术语"水平" 在此是指与重力作用在粉状材料3上的方向成直角的方向，即所谓的垂直 方向。在许多情形下，粉状材料3将沿垂直方向经由卸料孔5从容器1 中被取出。
通过使用图2所示的传感器类型，可照射到更低可能水平的粉状材 料3;其结果是，在各种情形下，当使用检测单元8检测水平时，传播将 更少。结果，传感器2可更精确地工作。
图3为饮料分配装置20的示意图，该装置安装有填充水平检测装 置的一实施例。饮料分配装置20适用于分配某种饮料，该饮料基于由液 体与粉状材料构成的混合物。饮料分配装置20包括粉状材料的存储单元 15、以及液体分配装置22。存储装置15连同传感器2 —同被围在填充 水平检测装置21内，在此只用虚线示意性地示出。传感器2和存储单元 15可采用在图la-lc所示的填充水平检测装置21中的形式。
为能够分配要求的饮料，液体分配装置22的卸料单元和存储单元 15的卸料单元均与混合空间23通信。存储单元15的卸料单元可对应在 图la-lc和图4的填充水平检测装置实施例中所示的卸料单元5。在混 合空间23中，可通过混合液体和粉状材料获得要求的饮料，其后进行分 配。
图4为粉状材料填充水平检测装置一实施例的示意图，该装置可被 安装在图3所示类型的饮料分配装置中。填充水平检测装置又包括具有容 器1的存储单元15、以及传感器2。存储单元15的容器1要被填充。 传感器2经由固定结构30被固定在饮料分配装置的壁上的可关闭的开 口处，该开口例如可以是门31。然而，也有可能将传感器2经由固定结 构30固定在饮料分配装置的另一壁上。在图4中，当门31被打开时， 在线A-A'左侧的部分将被摆动离开该线右侧的部分(即容器1)。
固定结构30以某种方式被安装，从而当门31被关闭时，传感器2 相对于存储单元15的容器1的壁9处于适当的距离和精确的位置。有 必要打开门，以便经由给料孔4将存储单元15的容器1填以粉状材料 3，或对饮料分配装置内的各种部件进行维护；当门被打开时，传感器2连 同门31 —起被摆动离开。所示传感器2的安装和定位可确保传感器2 被置于精确的位置，而所述传感器在维护或填充工作期间并不妨碍正常工 作。因此，不必将传感器2移走和放回到精确的位置。后一动作尤其要求 更高的精密度。此外，这类动作可能会被忘记。所示固定方法也减少了使 传感器2损坏或沾污的可能性。
必须理解的是，在本说明中所用的术语"高于"和"低于"极限值对 应于一检测光强；该检测光强在极限值情形下、与在检测单元8上的入射 光强相比，分别高于和低于在检测单元8上的入射光强。如果不按光强表 述极限值，则有可能在数值高于极限值的情形下、由检测单元8发送'空' 信号。如果检测值已超过极限值，则发送'空'信号。
上述说明只描述了本发明的几个可能的实施例。容易看出，可设想本 发明的许多其他可能的实施例，且所有这些实施例均在本发明的由下列权 利要求确定的范围内。
权利要求
1.粉状材料(3)的填充水平检测装置，该装置包括-存储单元(15)，包括具有卸料孔(5)的容器(1)，该卸料孔(5)用于排出计量的粉状材料(3)；以及-传感器(2)，包括用于发射光束(7)的光源(6)、以及用于检测光强的检测单元(8)；其特征在于在所述容器(1)的壁(9)上至少有一个区域对于由所述光源(6)发射的光至少是部分透明的；所述传感器(2)被以某种方式置于所述容器(1)外，从而使所述光源(6)将所述光束(7)导向到在所述容器(1)的所述壁(9)上的所述区域中，且使所述检测单元(8)拦截由所述粉状材料(3)反射、并经在所述容器(1)的所述壁(9)上的所述区域透出的光；以及所述传感器(2)的所述光源(6)和所述检测单元(8)处于一个水平面上。
2. 根据权利要求1所述的填充水平检测装置，其特征在于所述填充水平 检测装置还包括指示元件(13)，用于指示在所述存储单元(15)的所述容 器(1)内粉状材料何时不足；且当所述检测光强已超过预定极限值时、所 述检测单元(8)用于发送信号。
3. 根据权利要求2所述的填充水平检测装置，其特征在于所述发送信号 是发送到所述指示单元(13)的'空'信号。
4. 根据权利要求2所述的填充水平检测装置，其特征在于所述填充水平检测装置还包括处理器(16)，其中所述发送信号是发送到所述处理器(16) 的阈信号；所述处理器(16)用于在收到所述阈信号后、计算粉状材料(3) 的预定份数，以及在已达到粉状材料(3)的所述预定份数后、向所述指示 元件(13)发送'空，信号。
5. 根据前述权利要求之一所述的填充水平检测装置，其特征在于所述发 射光束(7)是平行或发散的。
6. 根据权利要求1-4之一所述的填充水平检测装置，其特征在于所述 发射光束(7)以某种方式会聚，从而使所述光束(7)的焦点位于所述存储 单元(15)之外。
7. 根据权利要求5或6所述的填充水平检测装置，其特征在于在所述 光束(7)与所述壁(9)之间的界限角在40至90度之间。
8. 根据前述权利要求中的任何一个所述的填充水平检测装置，其特征在 于所述光源(6)用于发射具有预定脉冲频率的脉冲光束；以及所述检测 单元(8)用于检测所述脉冲光束的光强。
9. 根据前述权利要求中的任何一个所述的填充水平检测装置，其特征在于所述光源(6)用于发射含有在红外线波长范围内主波长的光束(7)。
10. —种用于分配基于粉状材料(3)的饮料的饮料分配装置(20)，该装置包括用于分配液体的液体分配装置(22);用于分配粉状材料(3)的存《诸单元(15);混合空间(23)，用于混合由所述液体分配装置(22)分配的所述液体、以及由所述存储单元(15)分配的所述粉状材料(3);所述饮料分配装置(20)包括权利要求1-9之一所述的填充水平检测装置(21);所述 饮料分配装置(20)的壁具有可关闭的孔(31);以及所述填充水平检测装 置(20)的所述传感器(2)经由固定结构(30)被安装在所述可关闭的孔 (31)上。
11. 一种存储单元(15)的填充水平检测方法，包括粉状材料(3)的容 器(1)，该容器(1)使用放置在其外的传感器(2);且该传感器(2)具有 光源(6)和检测单元(8)、以及与该传感器(2)连接的指示单元(13);其特征在于在所述容器(1)的壁(9)上至少有一个区域对于由所述光源 (6)发射的光至少是部分透明的；所述方法包括- 由所述光源(6)以某种方式发射光束(7)，从而使所述光束(7)被 导向到在所述容器的所述壁(9)上的所述透明区域中； - 使用所述检测单元(8)检测来自所述光束(7)的光的光强；所述光被所述容器(1)内的所述粉状材料(3)反射，并透过在所述容器(1)的所述壁(9)上的所述区域；以及- 如果所述检测光强低于预定极限值，则由所述检测单元(6)向所述 指示单元(13)发送'空，信号。
12. 根据权利要求11所述的方法，其特征在于由所述检测单元(8)发 送的所述信号是发送到处理器(16)的阈信号；且所述方法还包括- 由所述处理器(16)计算从所述容器(1)中取出的许多份粉状材料(3)，直到达到预定数量；以及- 由所述处理器(16)向所述指示单元(13)发送 <空，信号。
13. 根据权利要求11或12所述的方法，其特征在于由所述光源(6)发 射的所述光束是作为具有预定脉冲频率的脉冲光束被发射的；在这种情形 下，所述光强检测是以来自所述脉冲光束的光为基础的。
全文摘要
本发明涉及一种粉状材料(3)的填充水平检测装置。该填充水平检测装置具有存储单元(15)和传感器(2)。存储单元(15)包括具有卸料孔(5)的容器(1)，且该卸料孔(5)用于排出计量的粉状材料(3)。传感器(2)具有用于发射光束(7)的光源(6)、以及用于检测光强的检测单元(8)。在容器(1)的壁(9)上至少有一个区域对于由光源(6)发射的光至少是部分透明的。此外，传感器(2)以某种方式被置于容器(1)外，从而使光源(6)将光束(7)导向到在容器(1)的壁(9)上的所述区域中，以及使检测单元(8)拦截由粉状材料(3)反射、并经由在容器(1)的壁(9)上的所述区域透过的光。
文档编号G01F23/292GK101375138SQ200780003466
公开日2009年2月25日 申请日期2007年1月26日 优先权日2006年1月26日
发明者卡尔洛斯·尼古拉斯·乔瑟夫·玛丽亚·库普曼, 莱昂纳德斯·康奈里斯·范·德·费尔登, 雷蒙·埃德沃德·维尔霍文 申请人:宝丽华控股有限公司