检测液体加热设备中水垢量的方法及设备
发明领域
1.本发明涉及一种用于检测积聚在液体加热设备(特别是用于加热水的液体加热设备)中的水垢的量的方法和设备。
背景技术：2.用于分配热饮料的家用电器(比如，例如但不限于浓缩咖啡机)的许多应用需要在最佳温度下可用的给定量的水，并且在分配最终产品(例如咖啡)期间水温保持恒定。
3.这种类型的器具设置有适于快速加热水的加热器，以减少分配最终产品所需的时间和两次连续分配操作之间的时间间隔。此外，这些加热器通常连接到自动关闭系统，如果家用电器在预设时间内不使用，该系统会干预以关闭家用电器。用于上述类型的器具的加热器的示例是所谓的热块式加热器(thermoblock heaters)和所谓的流通式加热器(flow-through heaters，fths)。
4.热块式加热器中的水在陷入固体金属块中的盘管中流动，该固体金属块由具有增加的热容和传导性的材料组成，以便存储大量的热能，这些热能可以有效地传递到在盘管中循环的水。
5.流通式加热器或flh由金属体和一个或更多个电阻器形成，金属体中插入有管，待加热的液体可以在管内流动，一个或更多个电阻器被配置成加热管，并从而加热在管内流动的液体。
6.通常，所述类型的加热器和用于家用电器(咖啡机、锅炉等)的用于加热水的其他类型的加热器会出现水垢结垢的问题，这些水垢结垢形成坚硬、发白和白垩色的氧化层，其沉积在与待加热水接触的加热元件(例如，加热器的电阻或流通式加热器的管壁)的表面上，并可能严重限制或损害加热器本身的恰当操作，从而限制热量从加热器传输到待加热的水。
7.到目前为止，大多数用于加热水的家用机器(比如，例如，诸如咖啡机的小型家用电器)不使用额外的传感器来了解加热元件上积聚了多少水垢。
8.通常，要求用户测量在家用电器中使用的水的硬度，并基于这些结果设置家用电器，以便通知用户需要对家用电器加热器执行除垢循环。可以理解这个过程是近似的，并且不提供关于所执行的除垢循环的结果的任何用户反馈。
9.因此，显然需要一种用于检测液体加热设备的加热器中积聚的水垢量的方法——无论加热器是流通式加热器类型还是其他类型——以便允许用户更好地管理上述加热器的效率，同时保持优化的使用条件，以确保恰当的热交换，并因此在温度和加热时间方面恰当地加热待加热的液体。
10.发明简述
11.本发明的目的是提供一种用于检测液体加热设备的加热器中积聚的水垢的量的方法。所述方法适于提供关于加热器状态的准确指示，并且可有利地用于评估加热器的当前效率水平和对加热器进行清洁循环以去除过量的水垢(例如在诸如咖啡机的家用电器
中)的需要。此外，根据本发明的方法可用于确定加热器所经受的清洁循环的效率程度，以便提供关于重复清洁循环本身或以不同的方法和持续时间执行清洁循环的需要的指示。
12.根据本发明的方法是基于在加热器本身开启仅几秒的时间间隔之后测量并随后处理从加热器输出的水的热升温。在加热水之后的曲线提供了有关从加热器到水的热传递如何受到水垢存在限制(相对于最优)的所需信息。事实上，水垢通过降低加热器的整体增益来增加系统的热阻，从而使加热器更慢地增加待加热的水的温度。
13.本专利申请的目的的方法利用与通过电路对输入的电压脉冲的响应来表征电路的方法类似的方法。基本上，向包括加热器和待加热的水(或液体)的系统提供功率脉冲，并且记录监测的幅度的趋势，这里是从加热器输出的水(或液体)的温度。
14.令人惊讶的是，已经注意到对包括加热器和水的系统的脉冲的响应的特征趋势与对一阶系统的脉冲的响应相当，因此由给定的初始延迟和依赖于系统的热阻值的连续指数趋势来表征。因此，通过对加热器施加的简单的清洁循环，可以获得关于加热器中存在水垢的信息，因为系统的热阻随着水垢量的增加而增加，从而使系统本身变慢并以较小的整体增益表征。通过分析在这个短的清洁循环期间从加热器输出的水的热升温曲线，最终确定了加热器关于其中的水垢积聚的健康状态，表明需要进一步的清洁循环或需要可能的维护以恢复加热器的恰当的功能和操作。
15.附图简述
16.借助于附图，根据通过非限制性示例公开的用于检测液体加热设备的加热器中积聚的水垢的量的方法的优选但非排他性实施例的详细描述，本发明的另外的特征和优点将变得更加明显，在附图中：
17.图1示出了用于制作热饮料的机器的简化功能图；
18.图2示出了响应于输入的脉冲应力而从用于制作热饮料的机器的热液压回路输出的水的温度趋势图；
19.图3示出了与所述机器的液压回路中的水的流速的图和输入的脉冲应力的图相比较的加热器的温度趋势和响应于输入的脉冲应力而从用于制作热饮料的机器的热液压回路输出的水的温度趋势；
20.图4示出了由根据本发明的方法执行的算法的优选实施例的流程图的第一部分；
21.图5示出了由根据本发明的方法执行的算法的优选实施例的流程图的第二部分；
22.图6示出了由根据本发明的方法执行的算法的优选实施例的流程图的第三部分，以及
23.图7示出了在加热器是清洁的，加热器在其表面上有水垢沉积物的情况下，响应于输入的脉冲应力而从用于制作热饮料的机器的热液压回路输出的水的温度趋势的图。
24.相同的附图标记指代相同的元件或具有相同功能和/或结构特征的元件。在适当的情况下，所述元件在附图中以常规符号示出，仅示出与理解本发明的实施例有关的那些特定细节，以便参考本文指示的描述而不注意对本领域技术人员而言很明显的细节。
25.本发明的详细描述
26.许多日常使用的家用电器都使用适当加热以供使用的水。这些家用电器的示例是制作浓缩咖啡的机器。
27.浓缩咖啡机必须产生热水来制作饮料，并因此，配备了加热器，该加热器适于在给
定时间内提高给定水量的温度。在上述浓缩咖啡机中使用的大多数加热器通常利用与待加热的水直接接触的电阻。电流流过电阻，电阻被加热并向周围的大量水产生热量。合适的热传感器检测水的温度，并且当水达到预设的使用温度时，该热传感器将电阻与该电阻的电源电路断开。此时，热水被咖啡机的液压回路用来进行所需的灌注。
28.在咖啡机使用给定时间后，加热器的电阻浸没在其中的水往往会在上述电阻上沉积一层水垢，坚硬的、发白的和白垩色的氧化层。这层水垢的厚度逐渐增加，并有助于部分隔离电阻，从而降低向周围水的热传递效率。由于这个原因，咖啡机中的水逐渐需要更多的时间来达到给定的温度或在相同的加热时间间隔期间达到较低的温度。
29.因此，有必要定期清洁咖啡机和这类家用电器的加热器。所述清洁应有效地执行，以便使加热器尽可能接近其初始条件。根据本说明书的方法适于准确地确定加热器中的水垢污染程度，以便成功地安排加热器的清洁循环并提高其有效效率。
30.参考本技术所附的图1，用于制作热饮料的典型机器提供加热器10，例如1500w的流通式加热器(fth)，其配置为将来自特定容器11并通过泵12向分配器输送的水加热到达到预定温度，该预定温度被认为是制作热饮料的最佳温度。
31.用于制作热饮料的典型机器的结构还提供至少一个温度传感器13，该温度传感器13位于管道上，该管道将加热的水带到机器的分配喷嘴14，该分配喷嘴优选地在加热元件的输出端处。
32.所述热传感器可以例如由ntc(负温度系数)电阻器制成，其电阻值随温度而降低。ntc的电阻值的读数——例如，当ntc由保持恒定的电流供电时，通过测量ntc两端的电压得到的读数——提供了与ntc相关联的部件或回路区域的温度信息。通过沿着水管道定位ntc(或ntcs，如果使用多个ntc的话)，可以获得水已经达到的温度的准确估计，并且因此可以以适当的方式控制加热器的操作以达到期望的水温水平。
33.在某些情况下，用于制造热饮料的机器还可以在液压回路中包括流量计15或流速计，该流量计15或流速计适于提供关于被送到机器的制作待分配的饮料的部分中的加热的水的流速的信息。在制作浓缩咖啡的机器的情况下，水的流速将被精确地调节，以促进制作饮料本身的受力渗滤过程的最佳表现。
34.对用于制作热饮的机器的典型热液压回路进行的测量表明，由包括加热器和水的系统对输入的功率脉冲的特征响应趋势与对一阶系统的脉冲的响应趋势相当，因此由给定的初始延迟和依赖于系统的热阻值的连续指数趋势来表征。
35.附图2示出了通过上述测量获得的典型fth加热器的模型。
36.详细地，通过对加热器10施加功率阶跃20的输入，并测量在加热器10的输出端处水所经历的对应的热升温，获得用于制作热饮料的机器的热液压回路的模型。例如，水的热升温可以通过利用机器的回路中已经存在的ntc来测量。
37.所得到的温度曲线可在拉普拉斯域中用下式表示：
[0038][0039]
其中
[0040]
td＝t
10％-t
0％
且t＝t
63％-t
10％
。
[0041]
幅度g(s)表示系统的传递函数，即表示系统输入和输出之间关系的方程。系统增
益则用幅度k表示，幅度k计算为温度变化与产生温度变化的功率变化之间的比率，k＝δt/δp。延迟时间td和系统时间常数t则是根据水(或液体)的温度分别达到温度范围δt的10％和63％所需的时间来计算的。
[0042]
用于制作热饮料的机器的热液压回路对脉冲应力(输入的功率阶跃)的响应具有对一阶系统的脉冲的特征响应趋势，其由初始延迟和指数趋势来表征，如本技术的附图2所示。上述指数趋势包括第一近似线性部分和第二渐近部分。
[0043]
加热器元件上可能积聚的水垢沉积物增加了系统的热阻和热容，使系统本身变得更慢，并以较小的增益来表征。更详细地，加热器上的水垢沉积物作用于系统，会使时间常数t增大，增益k减小，而延迟时间td保持基本不变，相对于上述参数k和t所经历的对应变化，显示出小得多的百分比变化。
[0044]
因此，在存在水垢的情况下，相对于加热元件上不存在水垢沉积物的情况，所获得的曲线具有较小的峰值和较小的初始前缘斜率。因此，这允许通过测量用于制作热饮料的机器的热液压系统对脉冲应力的响应来估计加热器元件中的水垢的水平。加热器的有效表面上沉积的水垢量可以根据对测量的温度曲线的斜率和可能的峰值的评估来估计。根据本说明书的方法有效地允许区分至少三个水平，低水平的水垢、中等水平的水垢和高水平的水垢(高水平的水垢需要用于制作热饮料的机器的清洁操作)。
[0045]
因此，根据本说明书的方法提供了估计关于加热器开启后水的温度趋势的曲线的近似线性部分的角度系数。然后将计算的角度系数估计与预设的参考阈值进行比较，并基于比较结果确定加热器的有效表面上的水垢沉积实体。
[0046]
通过用直线逼近加热器开启后水温曲线的第一近似线性部分，我们可以从直线的两点的笛卡尔坐标出发计算角度系数m：a(xa,ya)和b(xb,yb)，使得m＝(y
b-ya)/(x
b-xa)。
[0047]
上述温度曲线是指温度/时间图，因此更准确地说，上述角度系数由m＝(t
b-ta)/(t
b-ta)表示。
[0048]
如果我们操作以便测量相同时刻的温度值，即保持ta和tb不变，则在加热器的各种操作条件下测量的各种角度系数与测量的温差成正比:m＝α(t
b-ta)，其中α是常数值。
[0049]
因此，在条件相同(相同的加热器、相同的液压回路、相同的家用电器)的情况下，在相同时刻测量的温度值之间的差值的测量指示温度曲线的角度系数，并因此也指示加热器上沉积的水垢量的估计。
[0050]
根据本说明书的方法的变型提供了在给定的参考时间间隔内测量水达到的最高温度t
max
。因此，以达到的最高温度值为顶点的温度曲线的初始曲线被认为近似是线性的。同样，在这种情况下，以水垢沉积物表征的加热器效率较低，并因此向水传递的热量较少，从而在给定的时间间隔内，相对于加热器清洁的情况，水达到较低的最高温度。
[0051]
对关于加热器开启后水的温度趋势的曲线的分析进一步表明，系统输出的水温在初始延迟时间td(其也部分依赖于加热器的初始温度)期间具有瞬态。为了避免该初始瞬态影响测量，并且使根据本说明书的方法独立于系统的初始条件和延迟时间td(其在存在水垢和不存在水垢时基本上保持不变)，只在开启加热器的给定时间后才进行适合于确定系统温度变化从而确定存在的水垢水平的测量。这个时间依赖于系统的大小和所涉及的水(或液体)的体积。对于小型家用电器(比如，例如用于制作热饮料的机器)，该时间可以选择为例如大于或等于5秒。
[0052]
对多个加热器进行测量，以微调根据本说明书的该方法。对于所分析的每一个加热器，首先系统在不存在水垢的情况下被表征，并然后在不同的磨损条件下重复测量，并因此在加热器本身上沉积的不同水垢量的条件下重复测量。此外，对经受清洁和脱钙过程的加热器进行测量，以检查本发明的方法是否能够验证所检测到的水垢量的降低。所采取的测量证实，在加热器中，在相同的功率脉冲提供给加热器的情况下，随着水垢水平的增加，水被加热得更慢，最高温度峰值降低。
[0053]
附图4示出了可用于根据本发明的方法中的算法的优选实施例。
[0054]
该算法提供以下步骤：
[0055]
在时间t0，操作用于循环加热器的回路中的水(或使用的液体)的泵，以便开始讨论的家用电器的清洁循环；
[0056]
开始水温监测；
[0057]
在第一时间间隔δ1之后，在时间t1＝t0+δ1时，以预设功率p0操作加热器。所述第一时间间隔1也可以等于零，然而，在用于自制热饮料的小家用电器的情况下，δ1优选地选择成小于或等于约5秒；
[0058]
在第二时间间隔δ2之后，在时间t2＝t1+δ2时，测量水的温度t2。在制作自制热饮料的小家用电器的情况下，所述第二时间间隔δ2可以选择成小于或等于约5秒；
[0059]
存储在时间t2测量的水温值t2，单位为摄氏度；
[0060]
在第三时间间隔δ3之后，在时间t3＝t2+δ3时，关闭加热器。在制作自制热饮料的小家用电器的情况下，所述第三时间间隔δ3可以选择成小于或等于约2秒；
[0061]
在第四时间间隔δ4之后，在时间t4＝t3+δ4时，测量水温值t4。在制作自制热饮料的小家用电器的情况下，所述第四时间间隔δ4可以被选择成小于或等于约2秒。
[0062]
存储在时间t4测量的水温值t4，单位为摄氏度；
[0063]
在第五时间间隔δ5后，在时间t5＝t4+δ5时，关闭水循环泵；
[0064]
计算时间t2和t4之间的水的δt
t2-t4
，其作为在时间t2和t4时测量的温度值的存储值之间的差；
[0065]
将δt
t2-t4
与预定的阈值δta和δtb比较，从而区分三种情况：
[0066]
a)δt
t2-t4
《δta[0067]
b)δta≤δt
t2-t4
《δtb[0068]
c)δt
t2-t4
≥δtb[0069]
例如，如果上述阈值选择如下：δta＝8℃，δtb＝11℃(其他阈值适于不同布局和不同系统的情况)，则我们有：
[0070]
在a)的情况下，加热器上存在过量的水垢量，以至于影响了加热器的正常性能，加热器需要清洁。
[0071]
在b)的情况下，加热器上存在大量的水垢，但尚未影响其正常性能，清洁加热器仅被认为是建议性的。
[0072]
在c)的情况下，水垢量很少，并且加热器不需要清洁。
[0073]
在根据本说明书的方法的所述优选实施例中使用的各种参数的优选值应被认为是指示性的，并且与用于制作热饮料的小家用电器的具体情况相关。在具有不同特征的系统的情况下，显然可以选择其他阈值，无论是就加热器回路而言还是就所用水量而言。
[0074]
作为上述在时刻t2和t4时测量温度的替代或附加，根据本说明书的方法可以提供以下步骤：
[0075]
从时刻t1直到关闭水循环泵的时刻t5，以预设的时间间隔测量水温；
[0076]
确定测量的最高温度值t
max
；
[0077]
存储测量的最高温度值t
max
；
[0078]
将t
max
与预定阈值tc和td比较，从而区分三种情况：
[0079]
d)t
max
《tc[0080]
e)tc≤t
max
《td[0081]
f)t
max
≥td。
[0082]
例如，如果上述阈值选择如下：tc＝13℃和td＝16℃，我们有：
[0083]
在d)的情况下，加热器上存在过量的水垢，以至于影响了加热器的正常性能，加热器需要清洁。
[0084]
在e)的情况下，加热器上存在大量的水垢，但尚未影响其正常性能，清洁加热器仅被认为是建议性的。
[0085]
在f)的情况下，水垢量很少，并且加热器不需要清洁。
[0086]
在根据本说明书的方法的所述优选实施例中使用的各种参数的优选值应被认为是指示性的，并且与用于制作热饮料的小家用电器的具体情况相关。在具有不同特征的系统的情况下，显然可以选择其他阈值，无论是就加热器回路而言还是就所用水量而言。
[0087]
操作加热器的功率可以是所讨论的器具可用的最大功率或中间功率。除了最大可用功率值之外的功率值的选择可能会对根据本说明书的方法的时间和阈值的选择产生影响。
技术特征：1.一种用于检测液体加热设备中的水垢沉积物的方法，所述液体加热设备包括液压回路、用于使所述液体在所述液压回路内循环的至少一个泵(12)、用于所述液体的加热器(10)、以及用于测量所述液体的温度的装置(13)，所述方法包括：在时间t0时操作所述泵(12)以循环液体；在第一时间间隔δ1之后，在时间t1＝t0+δ1时，以预设功率p0操作所述加热器(10)；在第二时间间隔δ2之后，在时间t2＝t1+δ2时，测量液体温度t2；存储液体温度值t2；在第三时间间隔δ3之后，在时间t3＝t2+δ3时，关闭所述加热器；在第四时间间隔δ4之后，在时间t4＝t3+δ4时，测量液体温度值t4；存储液体温度值t4；在第五时间间隔δ5之后，在时间t5＝t4+δ5时，关闭液体循环泵；计算液体的δt
t2-t4
，其作为在时间t4和t2时测量的温度值的存储值之间的差，t4-t2；将δt
t2-t4
与预定阈值δt
a
和δt
b
比较，从而区分三种情况：a)δt
t2-t4
<δt
a
，在这种情况下，所述加热器上存在过量的水垢，以至于影响了所述加热器的正常性能，所述加热器本身需要清洁；b)δt
a
≤δt
t2-t4
<δt
b
，在这种情况下，所述加热器上存在大量的水垢，但尚未影响其正常性能，清洁所述加热器仅被认为是建议性的；c)δt
t2-t4
≥δt
b
，在这种情况下，水垢量很小，所述加热器不需要清洁。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括：从操作所述加热器的时刻t1直到关闭所述液体循环泵的时刻t5，以预设的间隔测量液体温度；确定测量的最高温度值t
max
；存储测量的最高温度值t
max
；将t
max
与预定阈值t
c
和t
d
比较，从而区分三种情况：d)t
max
<t
c
，在这种情况下，所述加热器上存在过量的水垢，以至于影响了所述加热器的正常性能，所述加热器本身需要清洁；e)t
c
≤t
max
<t
d
，在这种情况下，所述加热器上存在大量的水垢，但尚未影响其正常性能，清洁所述加热器仅被认为是建议性的；f)t
max
≥t
d
，在这种情况下，水垢量很小，所述加热器不需要清洁。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述预定阈值t
c
和t
d
分别等于8℃和11℃。4.根据权利要求1至3中的一项或更多项所述的方法，其特征在于，所述预定阈值δt
a
和δt
b
分别等于13℃和16℃。5.根据权利要求1至4中的一项或更多项所述的方法，其特征在于，所述温度测量装置(13)包括ntc。6.根据权利要求1至5中的一项或更多项所述的方法，其特征在于，所述功率p0是所述加热器(10)可用的最大功率。7.根据权利要求1至5中的一项或更多项所述的方法，其特征在于，所述第一时间间隔δ1等于5秒，所述第二时间间隔δ2等于5秒，所述第三时间间隔δ3等于2秒，所述第四时间间隔δ4等于2秒，并且所述第五时间间隔δ5大于或等于20秒。
8.一种用于检测液体加热设备中的水垢沉积物的设备，所述液体加热设备包括液压回路、用于使所述液体在所述液压回路内循环的至少一个泵(12)、用于所述液体的加热器(10)、以及用于测量所述液体的温度的装置(13)，所述用于检测所述液体加热设备中的水垢沉积物的设备包括：在时间t0时操作所述液体循环泵(12)的装置；在第一时间间隔δ1之后，在时间t1＝t0+δ1时，以预设功率p0操作所述加热器(10)的装置；在第二时间间隔δ2之后，在时间t2＝t1+δ2时，测量液体温度t2的装置；存储液体温度值t2的装置；在第三时间间隔δ3之后，在时间t3＝t2+δ3时，关闭所述加热器的装置；在第四时间间隔δ4之后，在时间t4＝t3+δ4时，测量液体温度值t4的装置；存储液体温度值t4的装置；在第五时间间隔δ5之后，在时间t5＝t4+δ5时，关闭所述液体循环泵的装置；计算液体的δt
t2-t4
的装置，δt
t2-t4
作为在时间t4和t2时测量的温度值的存储值之间的差，t4-t2；将δt
t2-t4
与预定阈值δt
a
和δt
b
比较的装置，从而区分三种情况：a)δt
t2-t4
<δt
a
，在这种情况下，所述加热器上存在过量的水垢，以至于影响了所述加热器的正常性能，所述加热器本身需要清洁；b)δt
a
≤δt
t2-t4
<δt
b
，在这种情况下，所述加热器上存在大量的水垢，但尚未影响其正常性能，清洁所述加热器仅被认为是建议性的；c)δt
t2-t4
≥δt
b
，在这种情况下，水垢量很小，所述加热器不需要清洁。9.一种用于制备热饮料的机器，包括液压回路、用于使所述液体在所述液压回路内循环的至少一个泵(12)、用于所述液体的加热器(10)、以及用于测量所述液体的温度的装置(13)，其特征在于，所述机器包括检测沉积在所述加热器(10)上的水垢的系统，所述系统实施根据权利要求1至7中的一项或更多项所述的方法。
技术总结一种用于检测液体加热设备、特别是用于加热水的液体加热设备中积聚的水垢量的方法和设备。该方法能够通过简单的温度测量来确定在用于加热液体的设备的加热器元件上沉积的水垢的量是否危及其正常操作，并向用户提供关于需要清洁上述加热器的信息。需要清洁上述加热器的信息。需要清洁上述加热器的信息。
技术研发人员：费德里科
受保护的技术使用者：I.R.C.A.（共同）股份公司工业铠装及类似电阻
技术研发日：2020.11.11
技术公布日：2022/11/1
