在电水壶中加热水的方法 【技术领域】
本发明涉及一种根据权利要求1的特征，在电水壶中加热水的方法。
背景技术
在现有技术中，在水壶中加热水的方法是已知的。
例如，根据欧洲专利申请EP 0 380 369 A1，在加热水的过程中，测量温度随时间的变化。在温度随时间的变化下降或达到零时识别出达到沸腾温度的点。当达到沸点时，除非补充额外的能量，否则水不会再继续加热，因为在此温度下，在水中发生相变，即从液态到气态的变化。补充的能量被用于满足水中相变潜在的热能需求。
在上述方法中，温度相对时间的变化用于推测水何时达到沸点，为了检测，将温度随时间的变化与一阈值加以比较，当达到某个值低于该等于零的阈值时，水就达到了沸点。在此，并不考虑实际系统温度与温度传感器的测量温度之间地差异。这意味着要达到一预定的系统温度的情况下，常常发生过度加热(overshooting)。
而且，这种方法与一缺点密不可分，这个缺点是，使用这种方法的情况下，只能采用符合非常严格的测量精度要求的温度传感器。具体而言，必须采用能够迅速对温度变化作出反应的灵敏的传感器系统。不仅如此，为了满足这些要求，温度传感器必须与水直接接触，以便在水到达沸点的确切时刻尽快得到相应的传感器信号。而且，此方法在各个读数过程中非常容易产生温度传感器的绝对误差，因为在这种方法中，非常接近零的温度升高值起着关键作用。
最后，在欧洲专利申请EP 0 704 186 A1中，已知一种方法，用于调节酿造饮料用的机器中的电壶中的水温。在此机器中，首先在敞开的电水壶中加热水，直到到达沸点。在此过程中，到达沸点是因为水从起始温度Ti被加热到温度Thigh，在该温度下，处于正常环境条件下的水确实不会沸腾。为达此效果，确定从起始温度Ti到温度Thigh的加热过程中温度对时间的变化dT/dt。这是因为，当达到温度Thigh时，根据100℃与Thigh之间的差以及根据温度随时间的变化dT/dt来确定时间THeiz，而且，当水达到温度Thigh时，在THeiz时还继续加热。温度Thigh约为75℃。但是，此方法也没有考虑到读数误差，即，在温度传感器测得的温度与实际系统温度之间的差。对极端工作状态则完全没有考虑。
【发明内容】
本发明的技术目的是，提供一种在包含加热元件的电水壶中加热水的方法，这种方法克服了现有技术的缺点。根据本发明的方法意在防止出现实际系统温度高于预定目标温度的加热过度情况，所述过度加热是关闭加热系统太迟的结果。即使在电水壶内充水量不同而且起始温度和目标温度相差很小的情况下，也要达到此目的。
通过具有权利要求1中特征的方法来达到此技术目的。有利的实施例和本发明的改进在从属实施例中说明。
特别是，在加热热容量的过程中，根据本发明的方法防止了由于切断加热太迟导致的加热过度。而且，根据本发明的方法考虑到开始加热的时间点与能够检测到传感器的温度升高的时刻之间的时间延迟，尽管注水量的不同以及目标温度与起始温度之间的差值不同，根据本发明的方法使得能够重新达到预定的目标温度。
预设的目标温度可以低于沸腾温度。例如，使用在此之前已经煮沸过的水或矿泉水来准备婴儿食品的情况。另一个例子是，使用在此之前已经煮沸过的水或矿泉水来准备绿茶。
确切地说，当使用曾煮沸过的水时，在目标温度与起始温度之间可能只有很小的差别。而且，这意味着开始温度既可高于环境温度也可低于环境温度。
如果水的注入高度较低，因此系统的热容量就较低，且如果温度传感器反应较慢，即在长延迟时间阶段Δttot内，预定温度Tziel与起始温度Tstart之间被测量的温度差ΔTSZ可能不足以用于没有过加热的整个热输出过程所要执行的加热过程。在此情况下，将温度差ΔTSZ定为ΔTklein。在此情况下，以减小的加热输出来执行根据纯计算获得参数的受控加热过程，且在预先计算的时间段后停止所述的受控加热过程。
或者，即，如果预定目标温度与测得起始温度之间的温度差ΔTSZ大于温度差ΔTklein，则执行经调节的加热过程。这意味着温度传感器检测温度并与预定的目标温度进行比较。在此过程中，温度传感器的惯性以及系统的热容量都在计算中考虑到。当在温度传感器中达到低于系统预定目标温度Tziel的最终温度Tend时，加热过程结束。
作为以上的结果，在系统中温度平衡之后，在预定容差范围内精确地达到了目标温度，而没有过度加热。因此，准备水所需的时间明显缩短。而且，节省了热输出量并因此节省了电能，否则这些电能就会被无谓地使用在加热过程中。通过将该方法分为两种可选择的实施过程，即，一种过程是在目标温度与起始温度之间有小差距，另一种过程是在目标温度与其实温度之间有较大差距，从而保证即使在边界状态下也能安全工作。
根据权利要求2的方法的有利实施例的特征可以用下述等式表不：
Csys＝Pel·Δt/ΔT。
在上述等式中，Csys表示系统的热容量，而Pel表示以供电电能形式的热输出量，ΔT为温度差，Δt为时间长度。
在根据权利要求2加热液体的方法中，加热元件仅仅经受很短时间的加热量输出，因此，即使在加水量最小的情况下，也不会达到温度Tend。在短促的通电阶段之后，加热元件就被断电一段预定的等待时间Δtwait。选择时间Δtwait从而使液体中的热平衡过程完成。
根据权利要求3的加热液体的方法的有利改进，描述了ΔTklein的一种可能的定义。或者，也可以为ΔTklein指定固定限定值。
具有权利要求4中特征的方法的一个有利实施例，考虑到了系统中的热平衡过程以及温度传感器的惰性。其中，Tend为温度传感器最终测得的温度，在该最终温度下，通过电子调节器结束加热过程。
在根据权利要求5的有利改进中，反应触发温度Ttrig决定于温度传感器的灵敏度。在此申请文件中，反应触发温度Ttrig指第一可测量温度，它不同于起始温度Tstart，且ΔTtrig为起始温度Tstart与反应触发温度Ttrig之间的差。
具有权利要求6的特征的方法的有利实施例，能够将温度曲线的变化率对于时间进行线性插值。
在具有权利要求7到11的特征的加热液体的方法的有利实施例中，加热过程是根据第一可选方案说明的。或者说，在这些实施例中，当ΔTSZ等于ΔTklein时，可调加热执行得更为精确。
具有权利要求12到15的特征的该方法的有利实施例，说明了根据第二可选方案的加热过程，即，通过电子调节进行可调加热。
在具有权利要求12的特征的加热液体方法的有利实施例中，T’end代表系统的实际温度，该温度出现在目标温度TZiel附近的预定容差范围内。
根据权利要求12的有利改进具有权利要求13的特征。在此实施例中，时间长度Δtsample可以变化。以这种方式确定采样率。
根据权利要求13的加热液体的方法的一个有利实施例，具有权利要求14的特征。在此实施例中，可以对若干梯度值做加权和平均。
最后，根据权利要求14的方法的一个有利实施例具有权利要求15的特征。在此实施例中，温度T’end处于Tziel附近的预定容差范围内。而且，能够确定由电子调节器在该时刻结束加热过程的温度Tend。举例来说，可以以线性方式进行外推。
【附图说明】
本发明的其他实施例和优点将参考附图在具体实施方式中加以说明。以下为示出的附图：
图1：电水壶实施例的透视图，该电水壶适于实施本发明的方法；
图2：流程图，示意性示出本发明的方法，该方法用于加热图1的电水壶中的液体；
图3：曲线图，示出在不采用本发明的方法的情况下，温度T对时间间隔t的典型变化率；以及
图4：曲线图，示出在采用本发明的方法的情况下，温度T对时间间隔t的变化率。
【具体实施方式】
图1示出适于实现本发明的方法的电水壶1的一个有利实施例的透视图，该实施例用于加热液体。电水壶1包含壶体部分2，优选地由保温的热塑料材料或不锈钢制成。在壶体部分2下面的是基本为圆柱形的壶底座4，其容纳着含有若干加热单元的加热元件，以及一个电子调节器(两者均未示出)。
设置在壶底座4下侧的是一碟形底板3，其包括一圆形底部区域。底板3包含电线12以及感应接口(未示出)，感应接口设置在底板3的中心，用于无接触的电流传输。电水壶1能够完全从底板3上提起。
在略呈截头圆锥形的细长电水壶1的上端，设置壶盖9，在该壶盖一侧露出倒水壶嘴11用于倾倒液体。在与倒水壶嘴11相对的壶盖9的侧面是选择开关10，用于手动预选目标温度。操作者可以通过旋转选择开关10选择以温度刻度表示的目标温度。
在选择开关10的后面，设置开/关按钮7。此开/关按钮7用于将通往加热元件的电流接通或切断。为便于单手拇指操作，开/关按钮7以人体工程学方式安置在手柄8的顶端，手柄8设置在电壶体部分2的侧面。
手柄8通过长杆13与壶体部分2的外壁相连。所述杆13主要沿电水壶1的整个高度延伸，即，沿着壶体部分2以及壶底座4延伸。而且，该长杆用作电缆引导装置，用于引导将开/关按钮7和选择开关10连接到在壶底座4中的电子调节器(未示出)的电缆。
而且，在相对手柄偏离约90°的壶体部分2的纵向方向具有透明塑料制成的注水高度指示器6。注水高度指示器具有水平线，用于显示液体的各个注水高度。特别是，在注水高度指示器6上显示出最低和最高注水高度。
在液体的最低注水高度标记以下，在杆13中有-温度传感器5。这保证了即使在最低注水高度下，也能准确记录水温。温度传感器记录液体的起始温度Tstart，以所述起始温度作为对应于环境温度的基准。温度传感器也记录在加热过程中测得的温度。
图2示出一流程图，示意性示出根据本发明的方法，该方法用于加热根据图1的电水壶中的液体。在手工预选了目标温度，且接通/断开开关打开之后，加热过程将根据以下步骤全自动地进行：
1.测量起始温度TStart。通过设置在壶体部分中或壶体部分上的温度传感器进行测量。测量温度所需的时间由温度传感器的敏感度决定。
2.确定系统热容量Csys。在此过程中，热容量以公式Csys＝Pel·Δt/ΔT来计算。为此，加热元件仅在一小段时间内经受热输出，因此，即使在注水量最低的情况下，也不会达到温度Tend。在短促的通电状态之后，加热元件就被断电一段预定的等待时间Δtwait。选择时间Δtwait从而完成液体的热平衡过程。
3.由预选目标温度TZiel和测得的起始温度TStart计算温度差ΔTSZ。第二和第三步骤可以有所变化。
4.如果温度差ΔTSZ与温度差ΔTklein相等，则以减小的功率Pred对电水壶加热一段计算出的时间ΔTred；或
5.如果温度差ΔTSZ大于温度差ΔTklein，则以调节方式加热电水壶，其中，调节器计算温度Tend，该温度可在温度传感器测得，从而当达到所述温度Tend时，停止加热过程。
图3示出一曲线图，该图示出不使用本发明的方法的情况下，在电水壶内温度T对于时间t的典型变化率。时间t投射在横坐标上，并将电水壶通电的时间点表示为tein，电水壶断电的时间电表示为toff。
投射在纵座标轴上的有：温度T，具体为测得的起始温度Tstart以及所选的目标温度TZiel。
在该曲线图本身中，将电水壶中的实际温度变化率表示为曲线a，而将温度传感器测得的温度变化率表示为b。在温度传感器测得的温度变化率只能在延迟时间段Δttot后获得。
可以通过以下公式近似计算实际温度变化率：
(TKessel-Tstart)＝(Pel·(t-tein)/Csys)。
在上述公式中，TKessel代表壶体部分的实际温度，Tstart为起始温度，Pel为供给的电加热输出，Csys为系统的热容量，tein为电器通电的时间点，t为进行测量的时间点。
图3的曲线图清晰地示出，由于系统中惯性和温度传感器中惯性的结果，目标温度只能在一定延迟后测得。然而，在测量曲线b与目标温度线TZiel相交时，壶体部分实际上已经获得了多于所需的能量。系统过度加热，如曲线a所示。
图4示出一曲线图，该图以举例方式示出，使用根据本发明的方法时，电水壶中温度T对时间t的变化率。
投射在纵轴上的有：温度T，具体是测得的起始温度Tstart以及选择的目标温度TZiel。起始温度Tstart与选择的目标温度TZiel之间的温度差示为ΔTSZ。
电水壶中的实际温度变化率，即，实际温度，由a表示，如图3中所示。温度传感器测得的温度变化率由曲线b表示。
还示出了延迟时间Δttot，即，从开启电水壶的时刻ton，到温度传感器记录到第一个可测量的温度增长，即记录到反应触发温度Ttrig的时刻。
在电水壶可调加热的过程中，电子调节器开启加热元件，并测量温度传感器处的温度变化达到至少一个反应触发温度ΔTtrig所用的时间长度Δttot。
从Δttot结束时起，在ΔTsample的时间段内，在开始处和ΔTsample时间段结束后测量温度差ΔT12，其中，温度增加的变化率mT可以由ΔTsample和ΔT12确定。这之后，可以由mT和Δttot推算出温度T’end。
在时间点tend之后对变化率mT的测量仅仅是出于更好地表达的目的。
在时间点Tend处，电水壶被关闭。同时，在此时刻，温度传感器还未来得及测得所选的目标温度TZiel，在此时间点处，电子调节器已经计算出变化率mT，并确定了延迟时间Δttot，从而推算出系统中的温度变化率。