一種電熱壺的加熱控制系統和方法與流程

本發明涉及家用電子電器技術領域，尤其涉及一種電熱壺的加熱控制系統；本發明還涉及一種電熱壺的加熱控制方法。

背景技術：

目前，煮開水尤其泡茶所需開水一般都使用電熱壺，如泡茶時多半都是多人圍坐邊燒開水邊泡茶。現有的電熱壺輸出功率一般恒定不變，從常溫水至燒開跳閘斷開功率輸入的過程中，加熱器的功率一直不變，而且通常要翻滾一小段時間確保水燒開了才停止功率輸出。這段水翻滾沸騰的時間里，水汽從壺蓋或者壺嘴噴出，容易對周圍的人造成灼傷，對周圍環境噴出水霧造成一定影響。水壺都有一定容量，而且一般都要預留上部空間作為沸騰翻滾空間，然而有些使用者為了一次多煮開水，超出最大容量盛水燒煮，水沸騰后容易溢出，影響周圍環境，影響電熱壺的使用和使用壽命，甚至會導致短路或者水汽飛濺燙傷周圍人員。

為了減少水噴出的風險，一些電熱壺設計的加熱功率降低到一定范圍，低功率時沸騰水汽飛濺的幾率降低了，但降低加熱功率導致加熱燒煮時間過長，而且并不能完全避免水汽的飛濺和噴射，水溢出和灼傷的風險依然存在。

技術實現要素：

基于以上不足，本發明要解決的技術問題是提供一種電熱壺的加熱控制系統，其能夠控制加熱功率從而實現合理升溫，并能夠大大提高燒水效率。

本發明同時還提供一種電熱壺的加熱控制方法，其能夠變頻控制加熱功率實現合理升溫，并避免水開激烈沸騰從而提升電熱壺的煮水容量。

為了解決以上技術問題，本發明采用了以下技術方案：一種電熱壺的加熱控制系統，其包括與輸入交流電源電連接的加熱器、與加熱器并聯的整流變壓器、與整流變壓器的輸出端串聯形成單回路的處理器、接入輸入交流電源其中一相并將頻率信號傳輸至處理器的信號采集器、用于檢測電熱壺內水溫并將溫度信號傳輸至處理器的測溫儀、與所述處理器電連接的控制器，所述控制器設電控開關于所述加熱器的其中一個電源輸入端；所述處理器根據所述測溫儀檢測到的溫度輸出信號給所述控制器使其控制所述加熱器的加熱功率。

作為本發明的一種電熱壺的加熱控制系統的技術方案的一種改進，所述信號采集器包括接入交流電源一相的兩個依次串聯連接后接地的分壓電阻、與兩個分壓電阻之間的結點電導通連接并與所述處理器電信號導通連接的采集三極管。

作為本發明的一種電熱壺的加熱控制系統的技術方案的一種改進，所述測溫儀包括探溫頭、過渡電阻和接地電容，所述接地電容、過渡電阻和探溫頭依次串聯連接后與整流變壓器一輸出端電連接，探溫頭與過渡電阻的結點導通接入處理器的信號腳并連接有另一端接地的保護電容。

作為本發明的一種電熱壺的加熱控制系統的技術方案的一種改進，所述電控開關是可控硅，所述控制器包括指令三極管、可控硅和保護電阻，所述可控硅串聯連接于所述加熱器的一個電源輸入端，所述指令三極管與所述整流變壓器連接導入電源并與所述處理器連接導入指令信號源且又與保護電阻串聯連接后與所述可控硅的控制極電導通連接。

作為本發明的一種電熱壺的加熱控制系統的技術方案的一種改進，其還包括分別串聯于所述加熱器兩個電源輸入端的兩個常閉溫度開關；以及顯示屏模組和鍵輸入模組，所述顯示屏模組和所述鍵輸入模組均與所述處理器通信連接。

為了解決現有技術問題，本發明還采用了以下方法技術方案：一種電熱壺的加熱控制方法，使用上述任意一項技術方案所述的電熱壺的加熱控制系統，所述控制方法包括以下步驟：

使用測溫儀檢測水溫并傳輸溫度信號給處理器；

處理器根據測溫儀檢測到的當前水溫所處的溫度區間輸出控制信號給控制器使其控制加熱器的加熱功率，按水溫由低至高分為恒功率段、減功率段、微功率段，各段加熱器以遞減的功率輸出進行分段減火加熱；

水溫處于恒功率段時，加熱器以滿功率P持續運行；水溫處于減功率段時，加熱器的輸出功率以沸點零功率為終值均勻降低或有級步降；水溫處于微功率段時，加熱器的輸出功率維持恒定。

作為本發明的一種電熱壺的加熱控制方法的技術方案的一種改進，信號采集器的頻率信號輸送到處理器，處理器以定量多個或設定量多個交流電周期為計算周期，根據加熱器的輸出功率需求，處理器發送指令給控制器使其在一個計算周期時間內通過電控開關按比例關閉一定數量個交流電周期。

作為本發明的一種電熱壺的加熱控制方法的技術方案的一種改進，以定量100個交流電周期為計算周期，所述電控開關為可控硅。

作為本發明的一種電熱壺的加熱控制方法的技術方案的一種改進，在比沸點低5℃時開始，水溫每升高1℃加熱器輸出功率對應降低20％P；在比沸點低0.5℃時開始，加熱器輸出功率保持10％P持續加熱直至沸點。

作為本發明的一種電熱壺的加熱控制方法的技術方案的一種改進，電熱壺每次接通交流電的首次燒水過程中，檢測到水溫達到自然最低水沸點時，開始按溫度梯度檢測溫度持續的時間，若持續時間達到前一個溫度梯度持續時間的2倍以上，則該溫度為沸點溫度，將其記錄為沸點溫度。

作為本發明的一種電熱壺的加熱控制方法的技術方案的一種改進，電熱壺內水溫達到沸點后，進入保溫狀態，保持以滿功率的1％輸出，并且水溫每降低0.05℃則功率增加滿功率的1％。

采用以上技術方案，本發明取得了以下技術效果：本發明提供的電熱壺的加熱控制系統，采用變頻手段控制加熱器的加熱功率，使用信號采集器測定當前交流電的頻率，并傳輸給處理器，處理器發出對應的控制信號給控制器使其電控開關適時關閉從而斷開電源輸入，分段截止電源輸入，實現變頻。當水溫接近并低于沸點溫度幾度時，降低加熱器的功率輸出，水溫越接近沸點溫度則加熱器功率越低，直至沸點出現，因此沸騰的時候水翻滾的幅度非常低，幾乎不翻滾，出現的是蝦眼水，即使電熱壺盛水非常滿也不會翻滾溢出，大大改善了電熱壺的安全使用性能，而且水壺燒開水時也可以一次盛裝更多的水。當溫度達到沸點時，電熱壺進入保溫狀態，加熱器以微小的功率輸出電熱壺進行保溫，并根據冷卻情況，通過變頻手段調節加熱器的輸出功率，實現沸點恒溫。當溫度高于沸點時，電熱壺進入干燒狀態，此時處理器命令控制器切斷電源輸入從而加熱器停止工作功率為零，避免水壺干燒損壞。

本發明的電熱壺的加熱控制方法，根據探測到的水溫分時段以不同的加熱功率進行燒水，先是以滿功率進行快速加熱，然后在接近沸騰的一小段時間開始減小加熱功率，并在即將沸騰的時候維持微小的加熱功率直至達到沸點，這樣前期可以以更大的功率快速加熱，后續慢火煮開避免水汽飛濺，電熱壺內注水量水位可以更高，燒水速度也可以更快。此加熱控制方法能夠變頻控制加熱功率實現快速加熱、緩慢沸騰、平和煮開，煮水燒開速度更快并避免水開激烈沸騰同時提升電熱壺的煮水容量。

附圖說明

圖1為本發明電熱壺的加熱控制系統的電路構造原理圖。

圖2是本發明電熱壺的加熱控制方法的溫度功率圖。

具體實施方式

下面對本發明的實施方式進行具體描述。

如圖1所示，本發明一種電熱壺的加熱控制系統，其包括與輸入交流電源電連接的加熱器13、與加熱器13并聯的整流變壓器12、與整流變壓器12的輸出端串聯形成單回路的處理器11、接入輸入交流電源其中一相并將頻率信號傳輸至處理器的信號采集器18、用于檢測電熱壺內水溫并將溫度信號傳輸至處理器的測溫儀15、與所述處理器11電連接的控制器21，所述控制器21設電控開關于所述加熱器13的其中一個電源輸入端；所述處理器11根據所述測溫儀15檢測到的溫度運算后輸出信號給所述控制器21使其控制所述加熱器13的加熱功率。電熱壺的加熱控制系統，采用變頻加熱的方式，使用信號采集器18測定當前交流電的頻率，并傳輸給處理器11，處理器11發出對應的控制信號給控制器21使其電控開關適時關閉從而斷開電源輸入，分段截止電源輸入，實現變頻，即一個時間段內截取一定數量的正弦波，截停另外一部分，使得輸入的頻率改變，功率改變。采用變頻手段控制加熱器的加熱功率，使用信號采集器測定當前交流電的頻率，并傳輸給處理器，處理器發出對應的控制信號給控制器使其電控開關適時關閉從而斷開電源輸入，分段截止電源輸入，實現變頻。當水溫接近并低于沸點溫度幾度時，降低加熱器的功率輸出，水溫越接近沸點溫度則加熱器功率越低，直至沸點出現，因此沸騰的時候水翻滾的幅度非常低，幾乎不翻滾，出現的是蝦眼水，即使電熱壺盛水非常滿也不會翻滾溢出，大大改善了電熱壺的安全使用性能，而且水壺燒開水時也可以一次盛裝更多的水。當溫度達到沸點時，電熱壺進入保溫狀態，加熱器以微小的功率輸出電熱壺進行保溫，并根據冷卻情況，通過變頻手段調節加熱器的輸出功率，實現沸點恒溫。當溫度高于沸點時，電熱壺進入干燒狀態，此時處理器命令控制器切斷電源輸入從而加熱器停止工作功率為零，避免水壺干燒損壞。

更佳地，所述信號采集器18包括接入交流電源一相的兩個依次串聯連接后接地的分壓電阻、與兩個分壓電阻之間的結點電導通連接并與所述處理器11電信號導通連接的采集三極管Q1。所述采集三極管Q1為NPN型。所述信號采集器18包括接入交流電源一相的兩個依次串聯連接后接地的分壓電阻、基極與兩個分壓電阻R1、R2之間的結點電導通連接的采集三極管Q1，采集三極管Q1的集電極與所述處理器11連接，發射極接地。所述信號采集器18包括采集三極管Q1、分壓電阻R1和分壓電阻R2，分壓電阻R1和分壓電阻R2依次串聯連接后接地連接，所述采集三極管Q1的基極與所述分壓電阻R1和分壓電阻R2之間的結點通過導線電導通連接，該結點是信號采集點，具有電壓低而安全的特性，避免電壓擊穿三極管，集電極與所述處理器11連接，發射極接地。分壓電阻R1和分壓電阻R2起到分壓的作用，保護采集三極管Q1，并且不會損壞處理器11。所述信號采集器也可是頻率測定儀，其頻率信號傳輸至處理器11。

更佳地，所述測溫儀15包括探溫頭16、過渡電阻R3和接地電容C1，所述接地電容C1、過渡電阻R3和探溫頭16依次串聯連接后與整流變壓器12一個輸出端電連接，整流變壓器為探溫頭16提供電源，探溫頭16與過渡電阻R3的結點導通接入處理器11的信號腳并連接有另一端接地的保護電容C2，安全測溫的同時將信號反饋至處理器11，作為輸出控制功率命令的判斷依據。探溫頭16設有熱敏電阻。此電路連接結構使探溫頭16可以探測電熱壺內的水溫，同時使用接地電容C1來濾波和抗干擾，確保探溫頭16所測到的溫度信息可以安全穩定地反饋到處理器11中。

更佳地，所述電控開關是可控硅22，所述控制器21包括指令三極管Q2、可控硅22和保護電阻，所述可控硅22串聯連接于所述加熱器13的一個電源輸入端，所述指令三極管Q2與所述整流變壓器12連接導入電源并與所述處理器11連接導入指令信號源且又與保護電阻R4串聯連接后與所述可控硅22的控制極電導通連接。所述指令三極管Q2的基極與所述處理器連接、集電極與保護電阻R4串聯連接后與所述可控硅22的控制極連接、發射極與所述整流變壓器12連接。可控硅的主電極與所述加熱器串聯接入交流電源的電路中。處理器11的控制信號輸出給控制器21，其中的指令三極管Q2傳遞指令控制可控硅22的通斷，實現對交流電源輸入的導通和截止，從而在正常頻率輸入的交流電中截停部分正弦波，即通過的電源頻率發生改變，形成廣義的變頻，最終使得加熱器的輸出功率改變。可控硅22的通斷間隔時間可以自定，從而可以降低其通斷頻率，延長其使用壽命。

更佳地，該系統還包括分別串聯于所述加熱器13兩個電源輸入端的常閉溫度開關S1和常閉溫度開關S2，所述常閉溫度開關S1、所述加熱器、所述常閉溫度開關S2依次串聯連接，常閉溫度開關S1和常閉溫度開關S2實現過溫保護，起到防干燒的作用。所以，常閉溫度開關也稱為過溫保護開關。

另外該系統還包括以及顯示屏模組25和鍵輸入模組26，所述顯示屏模組25和所述鍵輸入模組26均與所述處理器11通信連接，使用者可以直觀地獲取指定信息，如溫度等，也可以通過按鍵操作控制電熱壺的運行狀態。

同時參考圖2所示，本發明還可以采用了以下方法控制燒水過程：

一種電熱壺的加熱控制方法，使用上述任意一項技術方案所述的電熱壺的加熱控制系統，所述控制方法包括以下步驟：使用測溫儀15檢測水溫并傳輸溫度信號給處理器11；處理器11根據測溫儀15檢測到的當前水溫所處的溫度區間輸出控制信號給控制器21使其控制加熱器13的加熱功率，按水溫由低至高分為恒功率段、減功率段、微功率段，各段加熱器以遞減的功率輸出進行分段減火加熱；水溫處于恒功率段時，加熱器以滿功率P持續運行；水溫處于減功率段時，加熱器13的輸出功率以沸點零功率為終值均勻降低或有級步降，加熱器的當前輸出功率與滿功率的差值ΔP與溫度升高值ΔT成正比；水溫處于微功率段時，加熱器13的輸出功率維持恒定。電熱壺的加熱控制方法，根據探測到的水溫分時段以不同的加熱功率進行燒水，先是以滿功率進行快速加熱，然后在接近沸騰的一小段時間開始減小加熱功率，并在即將沸騰的時候維持微小的加熱功率直至達到沸點，這樣前期可以以更大的功率快速加熱，實現越接近沸點功率越小，能夠做到合理升溫，提高加熱效率。后續慢火煮開避免水汽飛濺，電熱壺內注水量水位可以更高，燒水速度也可以更快。此加熱控制方法能夠變頻控制加熱功率實現快速加熱、緩慢沸騰、平和煮開，煮水燒開速度更快并避免水開激烈沸騰同時提升電熱壺的煮水容量。

更佳地，信號采集器18的頻率信號輸送到處理器11，處理器11以定量多個或設定量多個交流電周期為計算周期，根據加熱器的輸出功率需求，處理器11發送指令給控制器21使其在一個計算周期時間內通過電控開關按比例關閉一定數量個交流電周期。即預先采集并測定輸入交流電源的實時頻率，不以交流電一個正弦波為周期，而是選取一定數量個交流電周期，即選取多個正弦波作為一個計算周期，再通過控制器21的斷開動作截止一定比例的正弦波，實現對輸入功率的控制，達到對加熱器13的功率控制。

更佳地，以定量100個交流電周期為計算周期，所述電控開關為可控硅，便于計算并以合理的節奏控制可控硅的通與斷，保護可控硅的使用延長其壽命。以50Hz的交流電頻率來計算，則100個交流電周期為2秒，具體精確度另論，便于運算和控制。當然也可以選擇其他數量個交流電周期作為計算周期。

更佳地，在比沸點低5℃時開始，水溫每升高1℃加熱器輸出功率對應降低20％P，此為減功率段的溫度與輸出功率的關系，也是處理器輸出信號控制的運算依據，是一個具體的實施例，也可以選取更長或更短的溫度段進行減功率控制，避免后續激烈沸騰。在微功率段也就是即將沸騰而未激烈沸騰的時候，一般選擇在比沸點低0.5℃時開始，加熱器輸出功率保持10％P持續加熱直至沸點，以比較低的功率加熱沸騰，避免水激烈沸騰撲出，使得燒水容量可以更大，更加安全，也更加節電節能。

更佳地，電熱壺每次使用接通交流電的首次燒水過程中，檢測到溫度達到自然最低水沸點時，開始按溫度梯度檢測溫度持續的時間，若持續時間達到前一個溫度梯度持續時間間隔的2倍以上，則該溫度為沸點溫度，將其記錄為沸點溫度。自然最低水沸點是自然條件下不施加壓力的情況下在任何活動領域的低氣壓條件下最低可能沸點，一般設為85℃左右，在電熱壺中預設定。每次接入電源的首次煮水過程都進行沸點檢測并儲存，以適應不同氣壓狀態下不同沸點的確定，以此沸點倒數推算功率變化的起始溫度，以適應寬氣壓的情況，不同沸點都可以做到相同的沸騰狀態，不激烈沸騰不干燒。

更佳地，電熱壺內水溫達到沸點后，進入保溫狀態，保持以滿功率的1％輸出，并且水溫每降低0.05℃功率增加滿功率的1％。沸騰后維持微小的功率對水壺內的水進行保溫，實現沸點恒溫。

處理器根據檢測到的當前水溫所處的溫度區間控制功率輸出模塊改變加熱器的加熱功率的實施方式是：測溫儀持續檢測當前水溫；如果當前水溫未超出拐點溫度(設定比沸點低5℃或其他溫度值)，處理器控制加熱器持續滿負荷功率加熱，此時段處于恒功率段，或者是滿功率段，是滿功率恒功率加熱的時間段；如果當前水溫超出拐點溫度且未超過緩點溫度(比沸點低0.5℃或其他設定溫度值)，處理器通過控制器時加熱器的加熱功率降低，功率有級定差降低，每次降低18％P或其他比例值，P為滿功率值，此時段處于減功率段，或者是降功率段；如果當前水溫高于緩點溫度且低于沸點溫度，控制加熱器的加熱功率變為小于或等于10％P，P為滿功率值，此時處于微功率段。后續進行保溫，如果當前溫度等于沸點溫度，控制加熱器的加熱功率變為小于或等于1％P，持續采集溫度值，如果當前溫度大于緩點溫度且小于沸點溫度，處理器控制加熱器的加熱功率升高，功率有級定差升高，差級值可設定為滿功率的1％；若當前溫度高于沸點溫度，此時切斷加熱器的功率輸入，以免干燒。

具體過程可參看圖2，圖2為本實施方式電熱壺從加熱到保溫的溫度功率狀態圖。其中，A點常溫的水開始加熱，B點溫度為拐點溫度，一般依據沸點為100℃而拐點溫度設為95℃，C點為緩點溫度，一般設為99.5℃，D點溫度為沸點溫度，即AB段為恒功率段，BC段圍減功率段，CD段為微功率段，D后段為保溫段。如果測定沸點溫度不是100℃，則拐點溫度、緩點溫度自動調整。水加熱過程先是滿負荷功率快速加熱，到一定溫度接近沸點時開始降功率加熱，在非常接近沸點時以微小功率煮水使其沸騰，過程中防止水激烈沸騰，避免激烈翻滾，使電熱水壺中的水不易溢出，從而可以在燒水過程一次容納更多的水量。

以上所揭露的僅為本發明的優選實施例而已，當然不能以此來限定本發明之權利范圍，因此依本發明申請專利范圍所作的等同變化，仍屬本發明所涵蓋的范圍。