液体加热器及其基于液量估计的智能加热控制方法与流程

1.本发明加热控制技术领域，尤其是涉及一种液体加热器及其基于液量估计的智能加热控制方法。


背景技术：

2.中国专利申请cn2015103500348公开了一种节能水壶及其加热方法，在壶体内实时温度低于预设的温度阈值时发热体以第一功率加热，壶体水内实时温度达到温度阈值时基于壶体中的水量以第二功率进行加热，第一功率大于第二功率，计算壶体内水量的方法是控制器根据壶体内的水从初始温度加热到预设温度阈值所需的时间计算获得。该技术方案通过控制节能水壶在加热温度达到温度阈值后降低加热功率进行加热，相比直接采用全功率加热到水沸腾而言，因降低了加热功率在一定程度上可以降低沸腾的时候热水从壶口喷洒出来并提高使用安全性，但是，该技术方案仍然存在如下技术缺陷：该技术方案只是简单的降低加热功率，没有对加热功率降低的多寡给出客观依据，也没有考虑环境温度，水温的散热条件等外部参数，导致仍然不能达到满意的加热效果：当壶体水内水量较少时，加热达到温度阈值后以固定的第二功率继续加热，加热速度较快，但容易导致小水量时候沸腾比较厉害甚至出现干烧；当壶体水内水量较多时，加热达到温度阈值后以固定的第二功率继续加热，可能存在将水加热至沸腾所需的时间较长，从而加热速度较慢。


技术实现要素：

3.本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种液体加热器及其基于液量估计的智能加热控制方法，通过估计加热液体的液量来智能确定降低加热功率的温度阈值及温度阈值之后继续加热的第二加热功率，兼顾了加热速度及避免发生快速加热产生剧烈沸腾从而可以获得较佳的加热效果。
4.本发明公开一种液体加热器基于液量估计的智能加热控制方法，包括步骤：s1、确定液体加热的目标温度t0，获取液体的初始温度t1，以预设的第一加热功率p1开始加热；s2、以第一加热功率p1持续加热时长t后，获取所述加热容器内的液体的温升
△
t，估计液体的液量v；s3、根据估计得到的所述液量v，通过查找预先建立的液量
‑
温度补偿
‑
功率三者的映射表确定出温度补偿值t2和第二加热功率p2；s4、以目标温度t0减去温度补偿值t2确定温度阈值，以第一加热功率p1将液体持续加热达到温度阈值时，以第二加热功率p2继续加热至目标温度t0，p2＜p1。
5.在一个实施例中，步骤s3中估计液体的液量v的估算公式为：液量v=第一加热功率p1*加热时长t*热效率系数a/温升
△
t；其中，符号“*”表示乘法，符号“/”表示除法，热效率系数a通过测试标定预先确定。
6.在一个实施例中，热效率系数a通过测试标定预先确定的步骤包括：对于已知液量v的液体，在不同温升
△
t下利用所述估算公式分别计算得到热效率系数a’；利用计算的多个热效率系数a’综合确定得到热效率系数a。
7.在一个实施例中，所述映射表包括根据液体加热的最大容量分成若干个液量区间，以及分别预设每个液量区间对应的温度补偿值t2及对应的第二加热功率p2。
8.在一个实施例中，液量v较小时相应的温度补偿值t2较大，对应的第二加热功率p2相应较小。
9.在一个实施例中，液量v较大时相应的温度补偿值t2较小，对应的第二加热功率p2相应较大。
10.本发明公开一种液体加热器，包括用于盛放液体的加热容器、用于检测所述加热容器内的液体的加热温度的温度检测单元、与加热容器接触连接的电热单元、与所述电热单元电性相连的功率调节单元、分别与所述温度检测单元和所述功率调节单元电性相连的控制单元；所述控制单元包括：存储模块，用于存储预先建立的液量
‑
温度补偿
‑
功率三者的映射表、液体加热的目标温度t0及液体的初始温度t1；液量估算模块，用于在以第一加热功率p1持续加热时长t后，获取所述加热容器内的液体的温升
△
t，估计液体的液量v；加热策略模块，用于根据估计得到的所述液量v，通过查找所述映射表确定出温度补偿值t2和第二加热功率p2，以目标温度t0减去温度补偿值t2确定温度阈值；控制器，用于控制所述电热单元以第一加热功率p1将液体持续加热达到温度阈值时，控制所述电热单元以第二加热功率p2继续加热至目标温度t0，p2＜p1。
11.在一个实施例中，所述液量估算模块估计液体的液量v的估算公式为：液量v=第一加热功率p1*加热时长t*热效率系数a/温升
△
t，其中，符号“*”表示乘法，符号“/”表示除法，热效率系数a通过测试标定预先确定。
12.在一个实施例中，液量v较小时相应的温度补偿值t2较大，对应的第二加热功率p2相应较小，液量v较大时相应的温度补偿值t2较小，对应的第二加热功率p2相应较大。
13.在一个实施例中，所述功率调节单元包括可控硅，所述可控硅与所述电热单元串接，所述可控硅的控制端通过开关驱动电路与所述控制器的其中一个控制端口电性相连，所述控制端口输出控制信号来调节可控硅的通断时间以调节所述电热单元的加热功率。
14.与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本发明通过对所述加热容器内的液体的液量v进行估计，利用估计液量v选择确定合适的温度补偿值t2和第二加热功率p2，在所述加热容器内的液体加热达到以目标温度t0减去温度补偿值t2所确定的温度阈值时，转而以所确定的第二加热功率p2继续加热到目标温度t0，让液量v较多时加热速度较快且不会出现液体加热的猛烈沸腾现象，让液量v较小时也能比较温和地沸腾而不易出现溢出现象。
附图说明
15.图1是一个优选实施例中电热单元的功率控制电路示意图。
16.图2是本发明一个优选实施例的实现流程示意图。
17.图3是液量
‑
温度补偿
‑
功率三者的映射表的数据结构示意图。
18.图4是液量
‑
温度补偿
‑
功率三者的映射表一个具体实例的示意图。
19.图5是控制单元的模块结构示意图。
具体实施方式
20.为更进一步阐述本技术为达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本技术的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构、或特点可由任何合适形式组合。
21.本发明公开的液体加热器，通过估计加热液体的液量来智能确定降低加热功率的温度阈值及温度阈值之后继续加热的第二加热功率，兼顾了加热速度及避免发生快速加热产生剧烈沸腾从而可以获得较佳的加热效果。
22.本发明的液体加热器，包括但不限于电热水壶、电热养生壶或其他形式。液体加热器包括用于盛放液体的加热容器、用于检测所述加热容器内的液体的加热温度的温度检测单元（通常为温度传感器）、与加热容器接触连接的电热单元、与所述电热单元电性相连的功率调节单元、分别与所述温度检测单元和所述功率调节单元电性相连的控制单元，所述控制单元用于估计所述加热容器内的液体的液量v，智能确定与液量v相匹配的温度阈值及第二加热功率p2，并在所述加热容器内的液体被加热至温度阈值时控制所述电热单元以第二加热功率p2继续加热至目标温度t0。
23.所述电热单元可以为电热管、电热丝、电热膜甚至电磁感应元件，在此不进行限制。
24.所述控制单元对所述功率调节单元进行控制，利用所述功率调节单元来调节或改变所述电热单元的加热功率，从而使得所述电热单元的加热功率是动态可调的，让所述电热单元无需保持固定的加热功率以获得较佳的液体加热效果。
25.如图1所示的一个优选实施例中：所述控制单元包括采用单片机、fpga等控制器来实现的控制器；所述功率调节单元包括可控硅tr1，所述可控硅tr1与所述电热单元串接，所述可控硅tr1的控制端通过开关驱动电路与所述控制单元的其中一个控制端口电性相连，所述控制器的控制端口输出控制信号来调节可控硅tr1的通断时间，达到改变所述电热单元的加热功率的目的。
26.以所述控制单元包括单片机为例。所述单片机的控制端口输出pwm控制信号。所述开关驱动电路包括晶体管q1，所述晶体管q1的基极通过电阻r2与所述控制单元的控制端口电性相连，所述晶体管q1的发射极接地，所述晶体管q1的集电极通过电阻r1与所述可控硅tr1的控制端连接。所述单片机发出的所述pwm控制信号通过所述晶体管q1拉动所述可控硅tr1导通或对应截止，从而改变所述电热单元的通电时间以调节所述电热单元的加热功率。
27.如图2所示，具体来说，所述控制单元采用如下流程来进行加热控制：步骤s1、确定所述加热容器内的液体加热的目标温度t0，所述控制单元通过所述温度检测单元获取所述加热容器内的液体的初始温度t1，控制所述电热单元以预设的第一加热功率p1开始加热。
28.所述目标温度t0由液体加热的目的所决定。例如，利用液体加热器的目的是烧开水，则所述目标温度t0是100℃；又如，利用液体加热器的目的是进行液体保温，则所述目标温度t0是可能是95℃甚至80℃。
29.一般来说，为了提高加热效率，第一加热功率p1往往是所述电热单元的全功率或最大功率p0进行加热，能够让所述加热容器内的液体在最短时间内得以最快的加热。当然，第一加热功率p1也可以小于最大功率p0的其他预设值，即p1≤p0。
30.步骤s2、以第一加热功率p1持续加热时长t后，所述控制单元通过所述温度检测单元获取所述加热容器内的液体的温升
△
t，估计所述加热容器内的液体的液量v。
31.在加热时长t后，所述温度检测单元获取所述加热容器内的液体的实时温度，利用实时温度减去初始温度t1就能获得温升
△
t。
32.具体来说，本发明是根据能量守恒原理来估计所述加热容器内的液体的液量v，估算公式为：第一加热功率p1*加热时长t*热效率系数a=液量v*温升
△
t，即，液量v=第一加热功率p1*加热时长t*热效率系数a/温升
△
t，其中，符号“*”表示乘法，符号“/”表示除法。
33.其中，热效率系数a=导热系数a1*散热系数a2。导热系数a1是所述电热单元通过所述加热容器与所述加热容器内的液体之间的热传导系数，主要与所述加热容器的材质有关；散热系数a2是所述加热容器的保温能力，主要与所述加热容器的材质有关。由此可见，热效率系数a是一个主要与所述加热容器有关的参数。
34.对一个液体加热器而言，在所述加热容器的材质、大小及所述加热容器与所述电热单元的连接关系等结构确定之后，热效率系数a可以预先通过测试标定确定。测试标定确定液体加热器的热效率系数a的过程如下：在所述加热容器内添加已知液量v的液体，在不同温升
△
t下利用上述估算公式分别计算得到热效率系数a’，然后利用计算的多个热效率系数a’综合确定得到热效率系数a。例如，可以简单的取多个热效率系数a’的算术均值作为热效率系数a；也可以去掉任意两个热效率系数a’之差最大的两个数值后，其余数值取均值得到热效率系数a。
35.其中，无论是估计液量v还是在测试标定确定液体加热器的热效率系数a的过程中，温差
△
t尽量选择大一点，这样得到的结果相对更为准确。例如如果初始水温温度是40度，可以选择结束水温是90度，这样温差
△
t=90
‑
40=50时，相对估算得到的液量v，相对温差
△
t=10或20时估算得到的液量v更为准确。
36.步骤s3、根据估计得到的所述液量v，通过查找预先建立的液量
‑
温度补偿
‑
功率三者的映射表确定出温度补偿值t2和第二加热功率p2。
37.根据图3所示，根据所述加热容器的最大容量l0，将液量分成若干个液量区间，再分别预设每个液量区间对应的温度补偿值t2及第二加热功率p2，原则是液量v与温度补偿值t2成反比，与第二加热功率p2成正比。即。在所述映射表中，液量v越小则相应的温度补偿值t2越大，对应的第二加热功率p2也相应越小。
38.在图3中，0＜v11＜v12≤v21＜v22≤v31＜v32
…
≤vn1＜vn2≤l0； t21≥t22≥t23≥
…
≥t2n＞0， p21≤p22≤p23≤
…
≤p2n＜p1，n为大于3的自然数。
39.结合图4所示，以所述加热容器的最大容量l0=1.6l、所述电热单元的全功率或最大功率p0为1000w为例，以每0.1l分为一个区间，故一共分为16个液量区间，每个液量区间对应预设有温度补偿值t2和第二加热功率p2。假如经过估算得到的液量v=0.23l，则对应属
于0.2至0.3的液量区间，对应确定温度补偿值t2=5，第二加热功率p2=150w。又如，经过估算得到的液量v=1.35l，则对应属于1.3至1.4的液量区间，对应确定温度补偿值t2=2，第二加热功率p2=380w。
40.步骤s4、以目标温度t0减去温度补偿值t2确定温度阈值，在以第一加热功率p1持续加热至所述加热容器内的液体达到温度阈值后，所述控制单元控制所述电热单元以第二加热功率p2继续加热，直到所述加热容器内的液体达到目标温度t0时控制所述电热单元停止加热。
41.假如利用液体加热器烧开水，目标温度t0=100℃为例：假如经过估算得到的液量v=0.23l，则对应属于0.2至0.3的液量区间，对应确定温度补偿值t2=5，第二加热功率p2=150w。确定出温度阈值=100
‑
5=95℃。因此，步骤s4在利用所述温度检测单元检测到所述加热容器内的液体的实时温度达到95℃时，所述控制单元控制所述电热单元不再以功率p1加热，而是降低加热功率以150w继续加热直到100℃。
42.又如，经过估算得到的液量v=0.88l，则对应属于0.8至0.9的液量区间，对应确定温度补偿值t2=3，第二加热功率p2=300w。确定出温度阈值=100
‑
3=97℃。因此，步骤s4在利用所述温度检测单元检测到所述加热容器内的液体的实时温度达到97℃时，所述控制单元控制所述电热单元不再以功率p1加热，而是降低加热功率以300w继续加热直到100℃。
43.由此可知，本发明通过估计出的液量v选择合理的温度补偿值t2，在液量v较小时选择较大的温度补偿值t2，可以避免利用所述电热单元的预热快速将液体加热至沸腾而溢出；反之，在液量v较小时选择较小的温度补偿值t2，让确定出的温度阈值尽可能靠近目标温度t0，有利于缩短加热时间以提高加热速度。
44.进一步结合图5所示，液体加热器的所述控制单元具体包括：存储模块，用于存储预先建立的液量
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温度补偿
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功率三者的映射表、液体加热的目标温度t0及液体的初始温度t1；液量估算模块，用于在以第一加热功率p1持续加热时长t后，获取所述加热容器内的液体的温升
△
t，估计液体的液量v；加热策略模块，用于根据估计得到的所述液量v，通过查找所述映射表确定出温度补偿值t2和第二加热功率p2，以目标温度t0减去温度补偿值t2确定温度阈值；控制器，用于控制所述电热单元以第一加热功率p1将液体持续加热达到温度阈值时，控制所述电热单元以第二加热功率p2继续加热至目标温度t0，p2＜p1。
45.利用存储模块、液量估算模块、加热策略模块及控制器相互配合，实现图2所示的智能加热控制步骤。
46.综上所述，本发明通过对所述加热容器内的液体的液量v进行估计，利用估计液量v选择确定合适的温度补偿值t2和第二加热功率p2，在所述加热容器内的液体加热达到以目标温度t0减去温度补偿值t2所确定的温度阈值时，转而以所确定的第二加热功率p2继续加热到目标温度t0，让液量v较多时加热速度较快且不会出现液体加热的猛烈沸腾现象，让液量v较小时也能比较温和地沸腾而不易出现溢出现象。
47.以上所述仅为本技术的较佳实施例而已，并不用以限制本技术，凡在本技术的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。