УСТРОЙСТВО ДЛЯ НАГРЕВА И/ИЛИ КИПЯЧЕНИЯ ЖИДКОСТИ Российский патент 2005 года по МПК G01N25/08 H05B1/02 

Изобретение относится к исследованию жидкости при изменении температуры или давления и может применяться, например, в бытовых электронагревательных приборах при нагреве и кипячении воды, с целью управления этими процессами и предотвращения перегрева нагревательных элементов.

Устройства такого назначения известны, в частности, из патентов РФ №2036526, №2065604, №2086168, опубликованной заявки РФ №96109473, в которых определяют закипание жидкости по температуре или уровню шума.

Наиболее близким аналогом по совокупности общих признаков можно считать устройство по опубликованной заявке РФ №96109473, Н 05 В 1/02, Н 01 Н 37/00, 1998. Оно содержит сосуд для жидкости (воды), нагревательный элемент и систему (орган) управления нагревательным элементом, имеющую первичный преобразователь и исполнительный орган (механизм). Первичный преобразователь выполнен в виде температурного датчика, расположенного в специально сконструированном замкнутом месте устройства, сообщенном с сосудом для жидкости. Одновременно первичный преобразователь выполняет функции исполнительного органа. При закипании вода вытесняется из замкнутого места образующимся паром. Выпаривание воды в замкнутом месте и увеличение температуры поверхности нагревательного элемента приводят к срабатыванию органа управления и выключению нагревательного элемента. Таким образом, в устройстве контролируется закипание воды по температуре. Этим предотвращается перегрев нагревательных элементов.

Существенными недостатками рассмотренного устройства являются зависимость от внешнего давления и, как следствие, от высоты над уровнем моря, невозможность использования открытых и проточных сосудов, затрудненная работа при низких температурах, невозможность определения кипения на ранних стадиях. К недостаткам устройства необходимо также отнести невозможность определения момента закипания различных по своей природе жидкостей, влияние химического состава жидкостей на определение закипания и сложность устройства. Отмеченные недостатки ограничивают применение такого устройства.

Изобретение направлено на создание устройства для нагрева и/или кипячения жидкости, простого в реализации и обеспечивающего надежную работу при различных условиях.

Технический результат, который создается изобретением, состоит в расширении возможностей устройства за счет исключения зависимости от внешнего давления, температуры, формы и размеров сосуда и других факторов среды, при обеспечении его безаварийной работы, а также за счет определения не только момента закипания, но и контроля процесса нагрева и/или кипения различных по своей природе жидкостей.

Для достижения этого технического результата в устройстве первичный преобразователь системы управления нагревательным элементом представляет собой расположенный в заданном месте сосуда или нагревательного элемента датчик измерения физической величины, характеризующей свойство жидкости, например, электрической проводимости, диэлектрической проницаемости, ультразвуковых или высокочастотных колебаний.

Расширение возможностей патентуемого устройства объясняется тем, что благодаря указанным датчикам обеспечивается прямой контроль физических величин, характеризующих непосредственно свойства жидкости, значения которых изменяются при появлении в жидкости пара, имеющего отличающиеся от жидкости свойства, и при отсутствии жидкости. Путем выбора необходимых датчиков, измеряющих выбранную физическую величину, удобно и просто использовать устройство в различных условиях.

Возможен контроль процессов нагрева и/или кипения по измерению иных физических величин, характеризующих свойства жидкости, чем перечисленные в п.1 формулы. К ним относятся магнитная проницаемость, плотность, вязкость, инфракрасное и ультрафиолетовое излучения и т.д. Выбор конкретной физической величины зависит от конструктивных особенностей проектируемого устройства и от экономических показателей.

Расположение указанного датчика в заданном месте сосуда или нагревательного элемента, в отличие от его расположения в прототипе, упрощает устройство и повышает его компактность. Заданное место расположения датчика зависит от конкретных требований, предъявляемых к устройству, и определяется при его конструкторской проработке.

Согласно п.2 формулы система управления нагревательным элементом содержит дополнительные один или несколько указанных первичных преобразователей, что расширяет возможности исследования процессов нагрева или кипения жидкости.

Система управления нагревательным элементом может содержать один или несколько датчиков измерения температуры, расположенных в заданном месте нагревательного элемента и/или сосуда для жидкости (п.3 формулы). Измерение температуры расширяет возможности устройства, так как появляется возможность изучения взаимосвязи физических величин, характеризующих свойство жидкости, с температурой жидкости, определяющей параметры системы жидкость - пар.

В соответствии с п.4 формулы нагревательный элемент выполнен погружным, что значительно расширяет сферы применения устройства. Это стало достижимым благодаря расположению в заданном месте нагревательного элемента или сосуда датчика измерения физической величины, характеризующей свойство жидкости, который реагирует на изменение значения этой физической величины при образовании паровой фазы или при отсутствии жидкости.

Безаварийная работа патентуемого устройства достигается средством защиты нагревательного элемента от превышения заданной температуры и потребляемого тока, установленным непосредственно в контакте с нагревательным элементом (п.5 формулы). Применение в качестве средства защиты нагревательного элемента, в частности, термопредохранителей фирмы NEC, устанавливаемых на нагревательный элемент через электроизоляционную теплопроводящую прокладку, например, НОМАКОН, позволяет свести к минимуму выбег температуры, неизбежно возникающий при аварийном разогреве нагревательного элемента после его отключения средством защиты.

Использование современных электронных компонентов с применением печатного монтажа позволяет монтировать систему управления нагревательным элементом на нагревательном элементе (п.6 формулы), что обеспечивает компактность, легкую заменяемость и хорошую ремонтопригодность устройства.

Согласно п.7 формулы сосуд для жидкости может быть выполнен проточным, что в отличие от прототипа не влияет на контроль процессов нагрева и кипения, поскольку течение жидкости в сосуде не влияет на измеряемые изменения значения свойства жидкости. При возникновении пара или отсутствии жидкости устройство определяет возникающие отличия значений физических свойств жидкости.

Предложение поясняется иллюстрациями, где на фиг.1 показан общий вид патентуемого устройства с электрической блок-схемой - электробытовой нагревательный прибор для нагрева и/или кипячения воды; на фиг.2 показан общий вид устройства с погружным нагревательным элементом; на фиг.3 показан общий вид устройства с проточным сосудом для жидкости.

Патентуемое устройство содержит сосуд 1 для жидкости 2 со съемной крышкой 3, установленный в сосуде нагревательный элемент 4 и смонтированную на нагревательном элементе посредством платы 5 систему управления нагревательным элементом. Эта система имеет один или несколько первичных преобразователей и исполнительный орган 6. Каждый первичный преобразователь представляет собой расположенный в заданном месте сосуда 1 или нагревательного элемента 4 датчик измерения физической величины, характеризующей свойство жидкости. Устройство, показанное на фиг.1, имеет датчик 7 измерения электрической проводимости, расположенный на нагревательном элементе, датчик 8 измерения диэлектрической проницаемости, расположенный аналогично, датчик 9 ультразвуковых и высокочастотных колебаний, расположенный на стенке сосуда, и излучатель 10 ультразвуковых и высокочастотных колебаний.

Устройство, показанное на фиг.2, имеет датчик 8 измерения диэлектрической проницаемости, расположенный на нагревательном элементе. В устройстве, показанном на фиг.3, имеется датчик 7 электрической проводимости, расположенный на стенке сосуда, датчик 9 ультразвуковых и высокочастотных колебаний с излучателем 10, расположенный на стенке сосуда. Система управления нагревательным элементом содержит датчики измерения температуры 11, расположенные в заданном месте нагревательного элемента (фиг.1 и фиг.3) или сосуда (фиг.1 и фиг.2).

Как показано на фиг.2, нагревательный элемент 4 выполнен погружным, то есть полностью погружен в нагреваемую жидкость и имеет держатель 12.

Патентуемое устройство снабжено средством защиты 13 нагревательного элемента от превышения заданной температуры и потребляемого тока. Средство защиты 13 установлено в контакте с нагревательным элементом посредством платы 5 через электроизоляционную теплопроводящую прокладку (на чертеже не показана).

Сосуд 1 может быть проточным, например, в виде трубы, как показано на фиг.3.

Электрическая блок-схема устройства кроме указанных датчиков 7, 8, 9 и исполнительного органа 6 включает генератор электрических колебаний 14, компаратор 15 постоянной и компаратор 16 переменной составляющей электрического сигнала, а также дифференцирующую цепь 17.

Патентуемое устройство работает следующим образом.

Для упрощения рассмотрим работу устройства при измерении только одной какой-либо физической величины, характеризующей свойство жидкости. Так, согласно фиг.1 принимаем во внимание измерения электрической проводимости жидкости при нагревании. В сосуд 1 заливают жидкость (воду) 2, исполнительный орган б включает нагревательный элемент 4. Одновременно включается генератор 14 электрических колебаний, который питает датчик 7 измерения электрической проводимости. Электрический сигнал от датчика 7, пропорциональный величине электрической проводимости, поступает на компаратор 15 постоянной составляющей электрического сигнала и через дифференцирующую цепь 17 на компаратор 16 переменной составляющей электрического сигнала.

При наличии в сосуде 1 жидкости постоянная составляющая сигнала электрической проводимости имеет отличное от нуля значение, и компаратор 15 постоянной составляющей находится в определенном состоянии, разрешая работу нагревательного элемента 4. Последний передает тепловую энергию жидкости 2.

При нагреве жидкости и отсутствии кипения уровень переменной составляющей в сигнале, выделяемом дифференцирующей цепью 17, ничтожен, а постоянная составляющая сигнала через дифференцирующую цепь на компаратор 16 переменной составляющей не поступает и компаратор 16 находится в исходном состоянии. При возникновении кипения в электрическом сигнале появляется переменная составляющая, обусловленная колебаниями паров воды и соответствующим возникновением колебательной составляющей электрической проводимости. Появление переменной составляющей сигнала влечет за собой выделение дифференцирующей цепью 17 изменений уровня в сигнале, поступающем на вход компаратора 16 переменной составляющей, который при превышении задаваемого опорного уровня срабатывает и запрещает работу нагревательного элемента.

Исполнительный орган 6 отключает нагревательный элемент 4.

При выкипании жидкости из сосуда или отсутствии в нем жидкости в момент включения исполнительным органом 6 нагревательного элемента 4 постоянная составляющая сигнала электрической проводимости имеет близкое к нулю значение и компаратор 15 постоянной составляющей находится в состоянии, запрещающем исполнительному органу включить нагревательный элемент 4.

При использовании погружного нагревательного элемента (фиг.2) установленный датчик 8 диэлектрической проницаемости позволяет отслеживать наличие или отсутствие жидкости в сосуде, отключать посредством системы управления при закипании жидкости в сосуде нагревательный элемент 4 и не допускать его перегрева при выкипании жидкости, с предотвращением включения нагревательного элемента при отсутствии в сосуде жидкости.

При проточном сосуде (фиг.3) установленные датчики 7, 9 электрической проводимости и ультразвуковых и высокочастотных колебаний измеряют значения этих физических величин и, сравнивая полученные значения переменной и постоянной составляющей электрического сигнала с заданными пороговыми величинами, позволяют осуществлять посредством системы управления контроль за нагревательным элементом при закипании жидкости и не допускать перегрев нагревательного элемента и его включение при отсутствии жидкости 3 в сосуде 1.

Таким образом, патентуемое устройство позволяет управлять нагревательным элементом при закипании жидкости в сосуде, не допускает перегрева нагревательного элемента при выкипании жидкости и предотвращает работу устройства при отсутствии в сосуде жидкости. Устройство применимо к различным по природе жидкостям, позволяет исключить влияние температуры, давления, среды, формы и размеров используемого в устройстве сосуда, отличается стабильностью в работе, обладает помехозащищенностью и имеет простое аппаратурное и схемотехническое решение.

Устройство (У) относится к исследованию жидкости (Ж) при изменении температуры или давления и может применяться в бытовых электронагревательных приборах. У содержит сосуд (С) для Ж, нагревательный элемент (НЭ) и систему управления НЭ. Система управления (СУ) имеет первичный преобразователь и исполнительный орган. Новым является выполнение первичного преобразователя в виде расположенного в заданном месте С или НЭ датчика (Д) измерения физической величины, характеризующей свойство Ж, например, электрической проводимости, диэлектрической проницаемости. СУ может содержать дополнительные указанные первичные преобразователи, а также датчики измерения температуры НЭ. У может иметь средство защиты НЭ от превышения температуры и потребляемого тока, установленное в контакте с НЭ. СУ смонтировано на НЭ. В У сосуд может быть выполнен проточным, а НЭ - погружным. Отличия расширяют возможности У путем исключения зависимости от давления, температуры, формы и размеров сосуда, а также увеличивают диапазон исследуемых жидкостей и глубину этих исследований. 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство для нагрева и/или кипячения жидкости, содержащее сосуд для жидкости, нагревательный элемент и систему управления нагревательным элементом, срабатывающую при превышении задаваемого опорного уровня, контролирующую работу нагревательного элемента и содержащую первичный преобразователь, выполненный в виде датчика, и исполнительный орган, который управляет нагревательным элементом, отличающееся тем, что в качестве датчика используется датчик измерения физической величины, характеризующей свойство жидкости, например, электрической проводимости или диэлектрической проницаемости.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что система управления нагревательным элементом содержит несколько указанных первичных преобразователей.3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что система управления нагревательным элементом содержит один или несколько датчиков измерения температуры, расположенных в заданном месте нагревательного элемента и/или сосуда для жидкости.4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно снабжено средством защиты нагревательного элемента от превышения заданной температуры и потребляемого тока, установленным в контакте с нагревательным элементом.5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что система управления нагревательным элементом смонтирована на нагревательном элементе.6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что сосуд для жидкости выполнен проточным.