一种冰箱电容式凝霜检测装置及检测方法与流程

本发明属于电冰箱技术领域，特别涉及一种电冰箱的冰霜检测装置及检测方法。

背景技术：

在电冰箱的应用中，用于进行制冷热交换的蒸发器上，表面温度在零下；当空气中存在水汽时，很容易形成凝霜附着在蒸发器上。当蒸发器上结霜后，会严重影响制冷效率，导致冰箱制冷效果变差，同时功耗增加。

在现有的技术中，电冰箱是通过加热装置定时对蒸发器进行加热除霜，这显著增加了电冰箱的功耗，且效果不佳；例如可能在需要除霜时，定时器并未启动加热器除霜；而不需要除霜时反而启动了加热，造成了电能的浪费。

为了节省电能，提高除霜效果，有必要在对凝霜进行检测，确认确实存在凝霜时才启动加热器进行除霜。

传统的结冰检测装置包括光学式\电学式以及机械式等方法。一种典型的光学式结冰传感器为光纤式结冰传感器，是用两根同心结构的光纤，中心圆形为发射光纤，可以发出红外光；外围圆环形为接收光纤，可以接受和检测散射和反射回来的红外光。光纤探头端面是一个平面玻璃，玻璃上没有结冰时，发射光纤发射的红外光全部透光玻璃端面进入空气，接收光纤接收不到任何红外光；当玻璃端面上有结冰时，发射光纤发出的部分红外光由于被冰层散射和反射而被接收光纤接受。通过检测接收光纤接收到的红外光的强弱，达到检测结冰的目的；但该结构复杂，不便于安装，且成本高。

机械式结冰传感器是根据冰的机械特性检测结冰。一种比较典型的机械式结冰传感器是基于压电效应的平膜式结冰传感器。检测原理是：平膜上有结冰时，结冰增大了平膜的刚度，使平膜的谐振频率增大。通过压电陶瓷的压电效应驱动平膜振动在其谐振频率上，通过压电陶瓷的逆压电效应实时监测其谐振频率。该方法主要缺点在于压电器件控制复杂，成本高，且结构强度(平膜)得不到保证。

一种典型的电学式结冰传感器为电容式结冰传感器。电容式结冰传感器基于冰、空气介电常数的不同来判断电极之间的介质是冰还是空气。例如专利申请CN200810055051.9中将多组电极对等距排列，每个电极对为一个结冰检测刻度，总的结冰厚度就等于相邻电极对的距离和介质是冰的电极对的个数的乘积。其中基准平行板电容器电极之间为空气。检测平行板电容器的电极极板之间的介质可能是冰，可能是空气。当检测电容极板间是空气时，检测电容和基准电容的电容值之比为1；当检测电容极板间介质是冰时，检测电容和基准电容的电容值之比大于等于2。这样就可以判断任意一个检测电容极板之间的介质是冰还是空气。但其缺点在于，要求基准电容极板的介质为空气，因此增加了结构复杂度，不适用于冰箱环境使用，另外检测平板电容器的需要的空间太多，不利于节省空间。

技术实现要素：

基于此，因此本发明的首要目地是提供一种冰箱电容式凝霜检测装置及检测方法，该检测装置及检测方法充分利用了冰箱蒸发器的原有结构，可以有效降低凝霜检测结构的复杂度和体积，降低成本，提高检测准确度。

本发明的另一个目地在于提供一种冰箱电容式凝霜检测装置及检测方法，该检测装置及检测方法能够提高冰箱除霜效果，提高制冷效率，节省电能。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种冰箱电容式凝霜检测装置，其包括有：

蒸发器，进一步包括有支撑架、蒸发管、以及串在蒸发管上的翅片；

检测平板电容器，至少具有两个相对平行放置的导电极板，并物理接触蒸发管；

参考平板电容器，至少具有两个相对平行放置的导电极板，并物理接触蒸发管，且导电极板之间具有固体介质或者四周密封；

信号转换装置，电连接于检测平板电容器和参考平板电容器，将检测平板电容器和参考平板电容器的电容值转化为数字信号。

所述检测平板电容器和或参考平板电容器的导电极板采用和翅片相同的材料和尺寸制作；以具有良好的检测效果。

所述参考平板电容器采用介质为亚克力玻璃片，所述亚克力玻璃片和两导电极板紧密贴合。

进一步，所述检测平板电容器由多个子检测平板电容器并联组成，每个子检测平板电容器由两片相对平行放置并串在蒸发管上的导电极板组成。

更进一步，所述相邻子检测平板电器之间相互共用极板。

进一步，所述参考平板电容器由多个子参考平板电容器并联组成，每个子参考平板电容器由两片相对平行放置并串在蒸发管上的导电极板组成。

更进一步，所述相邻子参考平板电器之间相互共用极板。

进一步，所述的信号转化装置为RC振荡器，包括有两个RC振荡器，其中，每个RC振荡器，包括一个比较器、四个电阻R1-R4以及至少一个电容组成；比较器包括正、负输入端，以及一个输出端；电阻R1和R2串联在电源VDD和地GND之间，电阻R3接在比较器正输入端和输出端之间；电阻R4和检测平板电容器串联连接，电阻R4一端接比较器正输入端，另一端接电容正端并且接入比较器的负输入端；电容负端接地。输出方波的频率由电阻R和电容C决定；其中电阻R由信号转换装置自身决定，电容C部分或全部由检测平板电容器或参考平板电容器决定。

所述电容还可以并联其他固定电容到地，从而调节振荡周期Tt。

本发明还提供一种冰箱凝霜检测装置的检测方法，其包括步骤如下：

101、将检测平板电容器和参考平板电容器接入RC振荡器后，在预定的时间T0内振荡器输出方波进行计数；其中接入检测平板电容器时计数值为NUM_TST，接入参考平板电容器时计数值为NUM_REF；

102、将NUM_TST和/或NUM_REF作为检测平板电容器极板之间凝霜或者结冰厚度的依据；当NUM_TST和/或NUM_REF到达预定的阀值，则认为达到了凝霜点，冰箱需要进行除霜处理。

进一步，预定时间T0等于检测平板电容器接入的RC振荡器的输出方波计数为NUM_TST的时间，并将NUM_REF结果作为检测平板电容器极板之间凝霜或者结冰厚度的判断依据。

本发明所述的电容式凝霜检测装置及检测方法，充分利用了冰箱蒸发器的原有结构，可以有效降低凝霜检测结构的复杂度和体积，降低成本，提高检测准确度，从而提高冰箱除霜效果，提高制冷效率，节省电能。

附图说明

图1是本发明所实施的结构示意图。

图2是本发明所实施电容检测装置的结构示意图。

图3是本发明所实施信号转换器的电路图。

图4是凝霜/结冰前RC振荡器输出波形图。

图5是凝霜/结冰后RC振荡器输出波形图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参见图1，所示为本发明所实施冰箱电容式凝霜检测装置的实施例，该装置包括有蒸发器100，以及安装在蒸发器100上的检测平板电容器104以及参考平板电容器105；其中蒸发器100又包括了支架102，用于固定整个蒸发器；蒸发管101用于传输冷却液用于冷凝；翅片103，用于增大散热面积，增强热交换效果；另外，还包括信号转换器300，电性连接至检测平板电容器104的上极板N_CTP和下极板N_CTN，以及参考平板电容器105的上极板N_CFP和下极板N_CFN，如图2所示。检测平板电容器104以及参考平板电容器105的上下极板都如翅片103一样，穿在蒸发管101上，且采用和翅片103相同材料制作，例如铝片；尺寸亦和翅片103相当。因此，安装了电容检测装置——包括检测平板电容器104以及参考平板电容器105——的蒸发器100，其结构保持和普通蒸发器基本一致，结构相对简单可靠，生产制作成本低。

参见图2，电容检测装置包括了检测平板电容器104、参考平板电容器105以及信号转换器300。其中检测平板电容器104由三片正极板1041和两片负极板1042依次交替平行相对穿在蒸发管101上构成；其中一片正极板和一片负极板可以认为组成一个子检测平板电容器，如1043。检测平板电容器104的正负极板之间是空闲的，当在冰箱中蒸发器上发生凝霜时，则正负极板上的凝霜将渐渐填充该空闲空间，从而改变电容器104的电容值。相对应的，参考平板电容器105也具有和检测平板电容器104相似的结构，主要由三片正极板1051和两片负极板1052依次交替平行相对穿在蒸发管101上构成；其中一片正极板和一片负极板可以认为组成一个子检测平板电容器，如1053。所不同的是，电容器105的正负极板间需要填充物质，该物质最好性质稳定，成本低廉且易于安装等，如玻璃/亚克力等材料，实施例采用亚克力玻璃材料1054；这样做的目的是在蒸发器凝霜时，参考电容器105正负极板之间不会有霜或者冰进入，保持电容值相对稳定。或者将参考平板电容的四周密封，也可以起到防止冰霜进入的效果。平板电容器的电容值C＝ε*S/D，其中ε为物质的介电常数，S为平板电容器两个极板的重叠面积，D为两个极板之间的距离。本例中，S＝30mm*30mm＝900mm^2；D＝4mm，在空气中，等效电容约为2pF；极板之间填充亚克力玻璃时，等效电容约为6～7pF。设置参考电容器105的目的在于将凝霜结冰导致的检测电容器电容的变化转变为检测电容器和参考电容器相对电容比值的变化，从而可以消除温度、结构以及寄生参数导致的绝对电容值的漂移和变化，提高检测的信噪比和精度。

检测平板电容器104的两个电容器的正负极板电性连接至信号转换器300，从而实现电容值的检测，确切地说是电容相对比值的检测。信号转换器300采用RC振荡器的方式来检测电容比值，结构简单可靠。RC振荡器输出的振荡波形的周期和电阻R以及电容C的乘积RC成比例关系，T＝K*R*C，K为一预定的系数。将上述电容器的电容值加入到C中，则可以实现电容器电容值和振荡波形周期的比例关系；进而通过比较接入不同的电容器的周期就可以得到电容器电容比值关系。

参见图3，信号转换器300包括两个RC振荡器330和340。每个RC振荡器，包括一个比较器、四个电阻以及至少一个电容组成；以RC振荡器330为例，比较器301包括正、负输入端，以及一个输出端；电阻R1和R2串联在电源VDD和地GND之间，连接点接入比较器301的正输入端，作为比较器的参考电压；电阻R3接在比较器正输入端和输出端之间；电阻R4和检测平板电容器104串联连接，其中R4一端接比较器正输入端，另一端接电容104一端(正端)并且接入比较器301的负输入端；电容104一端(负端)接地。工作时，比较器301输出端输出方波，因此等效电阻R3、R4接比较器301输出的一端时而接地、时而接电源，且一般R1＝R2＝R3。当比较器301输出为高电平VDD时，等效比较器301正输入端电压为2*VDD/3，电容104通过R4进行充电；当比较器301输出为低电平GND时，则等效比较器301正输入端电压为1*VDD/3，电容104通过R4进行放电；因此，整个比较器301输出的方波振荡周期为Tt＝R4*C104*LN2；计数器TIMER0302对输出的方波进行计数，计数值为NUM_TSTx(x＝1,2…,n)。电容104还可以并联其他固定电容到地，从而调节振荡周期Tt。

RC振荡其340结构完全和330一致，因此振荡周期为Tr＝R8*C105*LN2，计数器TIMER1304记录方波的个数为NUM_REFx(x＝1,2…,n)。为了方便得到电容的比值，设置一个方波个数NUM_SET，并通过数字比较器Dig_Compare350和NUM_TSTx进行比较，当NUM_TSTx＝NUM_SET时，输出信号让TIMER1304停止计数，此时的TIMER1的计数值就是反应了电容器104和电容器105比值的数值：

NUM_REFx*R8*C105*LN2＝NUM_TSTx*R4*C104*LN2

一般设置R4＝2*R8，从而从上式得到：

NUM_REFx＝NUM_SET*C104/C105

＝〉NUM_REFx/NUM_SET＝C104/C105。

参见图4，在凝霜结冰前信号转换器300输出的方波波形，其中方波201是RC振荡器340输出参考方波，周期为Tr0，在预定时间内计数个数为NUM_REF0＝9；方波202是RC振荡器330输出参考方波，周期为Tt0，在预定时间内计数个数为NUM_TST0＝NUM_SET＝6。上述预定时间即为NUM_TST0*Tt0。

参见图5，在凝霜结冰后信号转换器300输出的方波波形，其中方波203是RC振荡器340输出参考方波，周期为Tr1，在预定时间内计数个数为NUM_REF0＝12；方波204是RC振荡器330输出参考方波，周期为Tt1，在预定时间内计数个数为NUM_TST1＝NUM_SET＝6。上述预定时间即为NUM_TST1*Tt1。由于参考电容器105几乎不受凝霜结冰影响，因此Tr1≈Tr0。

可设置NUM_REFx/NUM_SET>＝11/6时，认为达到了凝霜判断的阈值，因此当NUM_REF1/NUM_SET＝12/6时，冰箱凝霜检测装置认为达到了凝霜点，冰箱需要进行除霜处理。

总之，本发明充分利用了冰箱蒸发器的原有结构，可以有效降低凝霜检测结构的复杂度和体积，降低成本，提高检测准确度，从而提高冰箱除霜效果，提高制冷效率，节省电能。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。