液体加热容器及其基于差值判别的液体加热状态监测装置的制作方法

本发明涉及液体加热检测，尤其涉及一种液体加热容器及其基于差值判别的液体加热状态监测装置。

背景技术：

1、为去除豆浆中含有的皂素和抗胰蛋白酶等有害成分，豆浆机需对豆浆进行反复熬煮，因而对豆浆沸腾及其防溢出的检测需求非常强烈。其他液体加热容器如煎药机、煮茶机等均也有液体防溢出的检测需求。

2、目前豆浆机中的防溢出报警检测多采用电阻式测量方式，需要将导电金属引入被容器内部，测量导电金属与容器壁之间的电阻，即有无液体接触到导电金属所引起的阻值是有差异的，最后通过比较电阻值的变化判定是否有液体正在溢出。

3、电阻式方案的缺点是：

4、a、传感器需要探入容器，且最终是要与液体接触后才能实现断电报警功能，需要专用的结构件安装固定，存在卫生死角，不便清洗，尤其对于豆浆机需要反复熬煮导致难清洗的此类型家电中，卫生死角更为敏感；

5、b、液体食材不同，导电率不同，而溢出物多为泡沫状，导电性能极不确定，很容易造成不报警，或已经溢出后才报警；

6、c、较低水位时断电报警不及时：电阻式传感器是单一电极，位置固定，难以实现较低水位时的溢出断电报警功能，属于溢出后接触到电极才报警，即便断电，由于热惯性，泡沫仍然会溢出容器；

7、d、传感器模具成本很高。

8、专利cn201811314598.6公开液体加热容器的加热控制方法，采用电容检测方式，通过获取液体加热容器在加热时上电容感应片感应的第一电容量和下电容感应片感应的第二电容量，在监测到下电容感应片的电容变化率先变小后，若接着发现上电容感应片的变化率也跟着变小，则停止对液体加热容器加热，以此实现溢出监控。该方案适用于检测沸腾后没有剧烈波动直接溢出的液体，例如豆浆，该类型液体受热后产生泡沫，液体沸腾时因表面泡沫存在，液面相对稳定的快速上升。但无法检测液体只会剧烈沸腾不会溢出的情况，例如水，其沸腾后液面波动剧烈，但不会像豆浆一样溢出。

9、专利cn202110969026.7同样采用电容检测方式，公开如果当前时刻的电容值与当前时刻前两次时刻的电容值的平均值的差值绝对值超过预定的阈值，即|capa□(capa1+capa2)/2|≥x，则认为当前电容值产生一次波动变化，并对电容波动总次数加1，n＝n+1；如果所述电容波动总次数大于等于预定的阈值，即n≥y，则判定所述温度达到沸点。该方案需要收集一定时间内的波动变化，对于类似豆浆此类型液体而言，因豆浆沸腾后的溢出速度极快，方案并不能及时防止此类型液体的溢出。

10、专利cn201811315361.x公开下层电极的电容量和上层电极的电容量之间的差值小于阈值时报警，该方案适用于检测沸腾后没有剧烈波动直接溢出的液体，例如豆浆，该类型液体受热后产生泡沫，液体沸腾时因表面泡沫存在，液面相对稳定的快速上升，存在检测精度缺陷。

技术实现思路

1、本发明目的是提供一种针对沸腾后没有剧烈波动直接溢出的液体的电容检测方案，依赖于电容检测优点达到传感器结构简单、布置便捷、避免清洗等优势，同时要达到较高检测精度。

2、为此，提供一种基于差值判别的液体加热状态监测装置，所述受热沸腾时液面产生轻微波动，并能够被液体加热容器承载，所述轻微波动配置为液面波动的峰峰值在40ff-80ff之间；所述液体加热状态监测装置包括第一电极单元、电容数字转换电路、处理模块；所述第一电极单元用于电容式感应所述液体的液位，并设于所述液体加热容器上且与所述液体绝缘；所述电容数字转换电路耦合所述第一电极单元，用于将第一电极单元的自电容转换为自电容测量原始值；所述处理模块耦合所述电容数字转换电路，用于依据所述第一电极单元的自电容测量值与动态电容基线值之间的分离程度，输出所述液体的溢出预警信号和/或调整所述加热的功率，其中，所述自电容测量值配置为自电容测量原始值经小延迟滤波后的输出值，所述动态电容基线值配置为自电容测量原始值经大迟延滤波后的输出值。

3、受热沸腾时液面产生轻微波动的液体，其沸腾液面相对稳定的快速上升，例如豆浆在被加热过程中，随着豆浆温度的升高，自电容值随之增加；沸腾后自电容值增加速度变快，且波动剧烈，溢出时，自电容值会以极高速度增加，断电后自电容值随着溢出泡沫的破碎快速减少，可以通过自电容测量值与动态电容基线值之间的分离程度来进行溢出的预警和/或响应，同时，借助于电容测量值与动态电容基线值的比较，使得检测更加精确。此外，基于电容数字转换电路(cdc)，例如adi7142、adi7147，采用δ-∑调制方式通过多次对被测电容进行充放电并于参考电容比较的方法(参见：us patentnumber：5,134,401)直接将被测电容值转换成数字值，获得对杂散电容免疫的特性，提升精度性能。

4、本发明中，通过电容式测量手段，电极布置非常简易，传感器无需特殊专用结构，达到电路简单，功耗低，成本低，并且电极与液体绝缘设置，避免需要维护清洗。

5、上述中，所述的小延迟滤波的延迟时长配置为在10-40ms之间，并且可以采用例如小点数滑动平均值和/或小点数滑动中值、小系数一阶滤波值等算法实现，此处不作赘述。上述的电容测量原始值，配置为未经任何滤波的cdc电容转换数字值。大延迟滤波的延迟时长配置为在2560-10240ms之间，可以采用例如大系数一阶滤波值、大点数滑动平均值和/或大点数中值等算法实现，此处不作赘述。优选地，为进一步提升精度，同时兼顾灵敏度要求，上述方案中小延迟滤波的延迟时长与大迟延滤波的延迟时长之比配置为1：256。

6、本发明中，沸腾和/或溢出后的加热功率的调整策略，例如在事件发生时进行暂停加热/减小功率等响应操作，此处不作展开。作为具体实现方案处理模块配置为进一步包括：若自电容测量值与动态电容基线值之间的差值大于或等于规定的差分阈值，则输出液体的溢出预警信号和/或调整加热的功率。

7、进一步地，基于检测对象溢出速度极快的特点，差分阈值的设置需要考虑，过大容易导致泡沫直接溢出容器，过小则检测的可靠性及精度将会收到影响，有基于此，本发明对于此类型液体的波动阈值配置为32ff-40ff之间。

8、由于诸如豆浆等此类型受热沸腾时液面产生轻微波动的液体，其沸腾后并没有马上溢出，而一旦溢出，速度将极快，即使断电，热惯性仍可以使溢出持续几秒，甚至导致泡沫直接溢出容器，因此，为了更加保障性的，处理模块配置在差值检测之前还执行波动检测算法进行更及时的检测，包括：依据在电容测量值的一阶导数，输出液体的沸腾信号和/或调整加热的功率。具体为若电容测量值的一阶导数的绝对值大于或等于规定的波动阈值，则输出液体的沸腾信号和/或调整加热的功率。对于液体而言，沸腾时产生液面波动，对于电容测量系统而言，我们发现，这种波动将使得电极的自电容上下波动，因此，本发明通过对电容测量原始值经某种小迟延滤波后得到的电容测量值的一阶导数进行判断，能够在液体未溢出前的沸腾程度比较剧烈时将其检测出来，这种方式要比差值判别方式更及时，此时，差值判别作为在后执行的第二检测关卡。并且，借助于cdc特点将对电容的测量灵敏度提高到1ff级别，还能够助于波动检测的及时性设计。

9、此外，对于波动检测方案而言，还能额外地检测受热沸腾时液面产生剧烈波动的液体(例如水)，达到设备泛用性的提升。

10、进一步地，出于诸如豆浆一溢出速度极快的特点，需要兼顾检测灵敏度以及可靠性，达到两者之间的平衡，为此，对于此类型液体的波动阈值配置为32ff-40ff之间。

11、考虑到每次被加热液体的量是不同的，需要有最小量及最大量的设定，豆浆机规定最小量为600ml，最大量为1200ml，而豆浆属于容易溢出的液体，所以豆浆的最小量为600ml，最大量为1200ml。作为另一种改进方案，本发明采用的是多段自电容传感器，具体配置第一电极单元配置为具有至少两个，各个第一电极单元沿液体加热容器的高度方向排布从而形成多层结构；电容数字转换电路通过开关阵列耦合各个第一电极单元；处理模块耦合开关阵列。通过多段电极对采用垂直排列，可以分级进行测量，在最小到最大水量范围内具有液位检测功能，并且能够测量初始水位，便于机器自动选择熬煮策略，并且，每个自电容都可以采用差值和波动量两种方式判别液体的沸腾与溢出。这样的设计，目的就是为了适合不同量的液体，因为对应最大量时，下面4段自电容会被液体淹没，而淹没后自电容将不会因沸腾或溢出而产生明显变化，也就是说，对应最大液体量被加热时，只能对上面第1段或第2段自电容进行差值和波动量判别方式。同理，对应最小水量时，可以只对第3段或第4段自电容起先差值和波动值判别方式。

12、本发明中，进一步地，基于沸腾的检测结果，可以配置对加热容器提前预警沸腾溢出，依据液位高低，智能选择最优加热功率。本发明还可以具有液位检测功能，进而对水位过低或水位过高进行报警。

13、进一步地，第一电极单元配置为包含至少一电极对，电极对中两电极的相对于液体的投影面积呈非对称设置；电容数字转换电路，用于获取每层电极对中两电极的自电容和/或相邻两层电极之间的互电容，处理模块，依据每层电极对中两电极的自电容和/或相邻两层电极之间的互电容获得液体的液位信息。在此进一步改进方案中，采用为多段的非对称面积电极对，如此，通过每一段的非对称面积电极对的两个电极的自电容之比，可以精确计算该段范围内的液位相对高度h2；用相邻两段(层)之间电极的互电容确定液位处于哪一段内，并用该段与液位完全淹没的相邻段的间隙的中点高度作为该段的起始位置h1，因此，通过液位高度h＝h1+h2，就能得到准确、高精度的连续液位检测。之所以设置多段，每段中又设置非对称面积电极对，例如对梯形或对三角形电极，设计意图在于：一方面，互电容是两个电极，一个输入激励，一个作为接收，因此，互电容的计算受环境变化影响较小，换言之，这部分是相对准确的；另一方面，通过分段，每段独立设置非对称电极对，还是以对三角为例，此时对三角中，左右两侧的三角电极的面积都会减小，因此，由环境变动对两者影响的差异程度也随之变小，进而，使得精度上升。并且，利用多段的分隔间隙对计算的液位进行动态修正或标定，还能进一步提高液位检测的精度。

14、关于上述的通过每一段的非对称面积电极对的两个电极的自电容之比计算h2的方法，可以是：

15、例如右侧三角电极(尖部向上)为senseor0，随水位增加初期电容变化较快，末期变化较慢；左侧三角电极(尖部向下)为senseor1，随水位增加初期变化较慢，末期变化较快。连续水位计算方法如下：

16、1)首先记录下0水位时两个三角形电极电容的初始值；

17、2)计算出两个三角形电极电容随水平变化产生的增量，用左侧三角电极(尖部向下)senseor1的增量除以右侧三角电极(尖部向上)senseor0的增量，就可以得到0～100％的值，100％表示两个三角形电极都被水位淹没，由于两个电极面积相等，所以比值为1，即100％。

18、对大多数液体加热容器而言，由于涉及到沸腾溢出问题，高水位的加热比低水位的加热更需要关注，有基于此，更优选地，还包括沿容器高度方向排布且位于第一电极单元下方的至少一层第二电极单元，第二电极单元配置为包含至少一个电极。在该方案中，低水位可以采用一个电极进行模糊区分，高水位时由于上部分的非对称电极的存在，检测精度更为准确，进而，在满足液体加热容器检测性能要求下，实现了电极结构的简化，以及cdc的电容通道的减少，达到成本的进一步优化。更进一步地，以储液容器高度方向作为所述电极的宽度方向，配置第一电极单元中的电极宽度配置为大于所述第二电极单元中的电极宽度，一方面第二电极单元的宽度减小有助于低水位的检测精度的提升，另一方面也能为上部分电极的布置腾出更多的空间，尤其是高度方向上的空间，再配合上部分电极的非对称电极对设置，能够既达到高水位的宽范围检测，又确保高精度。

19、还提供一种液体加热容器，包括上述的液体加热状态监测装置。

20、本发明的液体加热容器，可以是任意能够加热液体的容器，例如豆浆机、煮茶器、煎药器等。以豆浆机等带把手的液体加热容器为例，作为另一种改进方案，可以将电极传感器安装于容器把手内部，与容器壁紧贴，并允许有少量安装间隙，一方面使用户看不到传感器的存在，另一方面通过非接触避免需要维护清洗。