專利名稱：用于估算烤箱室內部的空氣濕度的設備和方法
技術領域：
本發明涉及如權利要求1所述的用于估算烤箱室內部的空氣濕度的設備。進一步地，本發明涉及如權利要求7所述的用于估算烤箱室內部的空氣濕度的方法。特別地，本發明涉及用于估算電烤箱的烤箱室內部的空氣濕度的設備和方法。
背景技術：
在烹飪過程中，烤箱室內部的溫度是最為重要的參數。另一個重要的參數是烤箱室內部的空氣濕度。普通的濕度傳感器只適合于最高200°C的溫度。然而，在傳統的烤箱中，烹飪過程中的溫度可能為250°C。在熱解凈化期間，溫度可能會更高。用于估算空間內濕度的另一方法是檢測穿過該空間的聲波或超聲波的速度。聲波或超聲波的速度取決于濕度和溫度，而不取決于環境壓力。因為烤箱室中的溫度已知，濕度可以由聲波或超聲波的速度決定。文獻US 5，689，060公開了用于熱炊具的濕度測量裝置。測量穿過參考空氣接收的聲波和穿過被測空氣接收的聲波之間的相位差。然而，相位差不能超過波長的1/4。因此，聲波的頻率必須為4kHz左右。頻率為4kHz的聲波是可以聽見的，使得使用者會聽到聲
曰O在文獻EP 0174627B1中，公開了使用超聲波的氣體濃度測量儀器。特別地，氣體濃度測量儀器用于測量二氧化碳的濃度。測量儀器包括超聲發射器和接收器。然而，這種測量儀器不適用于高溫。文獻DE 10143841A1公開了具有測量濕度的裝置的烤箱。所述裝置包括聲波或超聲波發射器、聲波或超聲波接收器、溫度傳感器和用于測量聲波或超聲波的行進時間的裝置。根據行進時間，可以計算聲波或超聲波的速度。可以通過溫度以及聲波或超聲波的速度來估算濕度。
發明內容
本發明的目的是提供以提高的精度估算烤箱室內部的空氣濕度的設備和方法，其中，所述設備和方法的復雜性相對較低。本發明的目的通過如權利要求1所述的設備實現。根據本發明，通過使用具有至少兩個不同頻率的超聲波來估算烤箱室內部的空氣濕度的設備包括至少一個用于產生超聲波的超聲發射器，至少一個用于接收超聲波的超聲接收器，至少一個相位檢測裝置，用于檢測超聲接收器處的超聲波相對于超聲發射器處具有相同頻率的同一超聲波的相位，至少一個計算單元，用于根據具有兩個不同頻率的超聲波的相位和頻率計算超聲波的速度，
至少一個溫度傳感器，用于檢測烤箱室內的溫度，和至少一個估算單元，用于根據烤箱室內的溫度和超聲波的速度估算烤箱室內的濕度。本發明的要旨是使用兩個不同的頻率。這允許通過兩個頻率和兩個相應的相位計算超聲波的速度。濕度可以根據速度和溫度進行估算。估算的比濕度(specific humidity) 的最大誤差為大約9%。在本發明的優選實施例中，超聲發射器和/或超聲接收器布置在烤箱室的相對壁部上或內部。這允許超聲發射器和超聲接收器之間的距離盡可能大。特別地，超聲發射器和/或超聲接收器布置在烤箱室側壁的前部或后部。在這些位置，超聲發射器和超聲接收器之間始終存在直接連接。另外，溫度傳感器可以布置在超聲發射器和超聲接收器之間。因此，溫度和超聲波的速度涉及相同的區域。優選地，計算單元根據超聲發射器和超聲接收器之間的距離計算速度。超聲發射器和超聲接收器之間的距離是給定的尺寸而無需測量。 根據本發明的優選實施例，所述設備用于電烤箱。本發明的目的還通過如權利要求7所述的方法進一步實現。根據本發明，用于估算烤箱室內的空氣濕度的方法包括如下步驟產生具有至少兩個不同頻率的超聲波，接收具有至少兩個不同頻率的超聲波，檢測超聲接收器處具有第一頻率的超聲波相對于超聲發射器處具有第一頻率的同一超聲波的相位，檢測超聲接收器處具有第二頻率的超聲波相對于超聲發射器處具有第二頻率的同一超聲波的相位，根據具有這兩個不同頻率的超聲波的相位和頻率計算超聲波的速度，檢測烤箱室內的溫度，和根據溫度和超聲波的速度估算烤箱室內的濕度。本發明的要旨是使用兩個不同的頻率。這允許通過兩個頻率和兩個相應的相位計算超聲波的速度。濕度可以根據速度和溫度進行估算。估算的比濕度的最大誤差為大約9%。在本發明的優選實施例中，第一頻率略大于由超聲發射器和超聲接收器所形成的超聲換能器的諧振頻率，第二頻率略小于該諧振頻率。這有助于提高本發明方法的精度。另外，通過超聲發射器和超聲接收器之間的距離可以估算超聲波的速度。超聲發射器和超聲接收器之間的距離是給定的尺寸而無需測量。特別地，超聲波的速度通過進行估算，其中，如果仍〉內， 則Δρ = φχ-φ2，如果釣< φ2，則Δρ =釣-灼+2π。因此，Δ識的值在任何情況下都是正的。如果L < [Vfflin/ (f「f2+ Δ ( Δ f)) - Δ L]，則上述公式有效，其中Vfflin = 331m/s是最小可能聲速， A(Af)是f\-f2的可能變化量，Δ L是L的可能變化量。另外，是第一頻率，f2是第二頻率，仍是與第一頻率相對應的相位，內是與第二頻率f2相對應的相位，L是超聲發射器和超聲接收器之間的距離。
優選地，在超聲發射器和超聲接收器之間的空間內檢測溫度。因此，所測溫度和所計算的超聲波速度涉及相同的區域。例如，頻率通過使預定時鐘頻率分頻產生。特別地，頻率由共用發生器產生。估算的濕度可用于烹飪程序以便優化烹飪過程。最終，提供了計算機程序產品。所述計算機程序產品儲存在計算機可用介質中，包括用于使計算機執行如上所述方法的計算機可讀程序裝置。所附權利要求書闡述了被視作本發明特征的新穎性和創造性特征。
下面將參考附圖進一步詳細描述本發明，其中圖1顯示了根據本發明優選實施例的超聲換能器的頻譜的示意圖；圖2顯示了根據本發明該優選實施例的超聲發射器和超聲接收器之間的具有不同波長的兩個超聲波的示意圖；圖3顯示了根據本發明第一實施例的烤箱室的內部空間的前部透視圖的示意圖；圖4顯示了根據本發明第二實施例的烤箱室的內部空間的前部透視圖的示意圖； 和圖5顯示了根據本發明所述優選實施例的超聲波速度與比濕度的關系的示意圖。
具體實施例方式圖1顯示了根據本發明優選實施例的超聲換能器的頻譜的示意圖。該頻譜包括在諧振頻率f(|處的峰值。第一頻率和第二頻率f2用于測量超聲波的速度。第一頻率&和第二頻率4圍繞諧振頻率fo。第一頻率4略大于諧振頻率fo。第二頻率4略小于諧振頻率 f"oo圖2顯示了根據本發明該優選實施例的超聲發射器10和超聲接收器12之間的具有不同波長入工和λ 2的兩個超聲波的示意圖。超聲發射器10和超聲接收器12形成超聲換能器。第一超聲波具有第一頻率和第一波長λ 10第二超聲波具有第二頻率f2和第二波長λ 2。超聲發射器10和超聲接收器12之間的距離為L。距離L和第一波長λ工之間的關系為
Ε = ηι·λι+φι·λι 1{2π)其中，Ii1是距離L內的完整的第一波長λ i的數量，仍是超聲接收器12處的第一超聲波相對于超聲發射器10處的第一超聲波的相位。同樣，距離L和第二波長λ 2之間的關系為
1 = η2·λ2+φ2·λ21(2π)其中，η2是距離L內的完整的第二波長λ 2的數量，外是超聲接收器12處的第二超聲波相對于超聲發射器10處的第二超聲波的相位。第一頻率f\和第二頻率f2可以由具有給定時鐘頻率f。的共用頻率發生器產生。第一頻率和第二頻率f2通過用時鐘頻率f。分別除以除數N1和隊獲得，fl = fc/Nl，f2 = fc/N2超聲波的合成速度為
ν = (2π·Σ·Α )/Αφ其中，頻率差Af = frf2 = fc/Nrfc/N2 > 0必須為正并且必須滿足附加條件(side condition)L < Vmin/[Af+A (Af)J-AL如果滿足所述附加條件，則相位仍和內永遠不會彼此相等。因此，Δ^值始終為正。 其中，L是超聲發射器10和超聲接收器12之間的距離，AL是L的變化范圍，Δρ是相位差， Vmin是超聲波的最小可能速度，Δ (Af)是頻率差Af的變化范圍。如果釣 > 灼，則相位差Δρ為Δρ =釣-灼。否貝1J，如果釣 <灼，則相位差Δρ為 Αφ = φι-φ2+ 2π。頻率差Δ f的變化范圍Δ ( Δ f)為A (Af) = fc . δ fc/Nrfc · δ fc/N2其中，δ f。是時鐘頻率f。的相對誤差。對于溫度T = 0°C，壓力P = Iatm的干燥空氣而言，超聲波的最小可能速度Vmin為 Vmin = 331. 244m/s。通過采用實際值，SP，fc= 20MHz, δ fc = 0. 5%, AL = SmmjN1 = 497 和 N2 = 503， 則超聲發射器10和超聲接收器12之間的距離L必須為L < 684mm。超聲波的速度取決于溫度和濕度，公式為F = ^{[( + Χν)·Ζ·Κ·Τν[(5 + Χν)·ΜΑ·(\-Χν·(\-ΜνΙΜΑ))-\}其中，T為溫度，ΜΑ為干燥空氣的摩爾量，MV為水蒸氣的摩爾量，R為摩爾理想氣體常數，Z為壓縮系數。常數的數值為Ma = 0. 029kg/mol,Mv = 0. 018kg/mol,R = 8. 315J/(mol · k)。壓縮系數Z取決于溫度T，摩爾分數Xv和壓力P。然而，在這種情況下，壓縮系數Z 大約為1。空氣中的水蒸汽的摩爾分數Xv由比濕度SH決定Xv = (Ma · SH)/[Mv+(Ma-Mv) · SH]比濕度SH限定為SH = (mv ‘ 100% )/(mA_mv)其中，mv是水蒸汽部分的重量，mA是干燥空氣部分的重量。所述水蒸汽部分和所述干燥空氣部分形成充滿同一體積的真正的空氣-蒸汽混合物。對于實際精度Δ V士6. 27m/s, AT±5°C，ΔP士300mm/Hg，在最壞情況下，比濕度的絕對誤差為Δ SH士 9%。如果比濕度SH、溫度T和壓力P已知，則相對濕度可以計算如下RH = (P · Ma · SH · 100% )/{Pvs(T) · [Mv+ (Ma-Mv) · SH]}
其中Pvs⑴是給定溫度T下水的飽和蒸汽壓力。圖3顯示了根據本發明第一實施例的烤箱室14的內部空間的前部透視圖的示意圖。烤箱室14由頂壁16、底壁18、左側壁20、右側壁22和后壁M界定。后壁M包括具有扇葉28的風扇26。多個側部柵格30成對布置在側壁20和22的內側上。每對側部柵格30均布置在相同高度上。側部柵格30沿著側壁20和22的內側水平地延伸。成對的側部柵格30被設置用來支撐托盤或烤架。在該實施例中，超聲發射器10布置在左側壁20的前部。超聲發射器10布置在兩個最下方側部柵格30之間。按照類似的方式，超聲接收器12布置在右側壁22的前部、兩個最下方側部柵格30之間，使得超聲發射器10和超聲接收器12對稱布置。超聲發射器10和超聲接收器12位于如下位置在所述位置處，它們之間的空間內沒有任何物品。因此，超聲波從超聲發射器10向超聲接收器12的傳播是不受干擾的。超聲發射器10和超聲接收器12之間是直接的幾何連接。超聲發射器10和超聲接收器12之間的距離L等于烤箱室14的內部寬度。烤箱室14的內部寬度的典型值為L = 440mm。所述典型內部寬度L = 440mm幸運地滿足上述附加條件L < 684mm。圖4顯示了根據本發明第二實施例的烤箱室14的內部空間的前部透視圖的示意圖。烤箱室14由頂壁16、底壁18、左側壁20、右側壁22和后壁M界定。后壁M包括具有扇葉28的風扇26。多個側部柵格30成對布置在側壁20和22的內側上。每對側部柵格30均布置在相同高度上。側部柵格30沿著側壁20和22的內側水平地延伸。成對的側部柵格30被設置用來支撐托盤或烤架。在該實施例中，超聲發射器10布置在左側壁20的后部。超聲發射器10布置在兩個上方側部柵格30之間。按照類似的方式，超聲接收器12布置在右側壁22的后部、兩個上方側部柵格30之間，使得超聲發射器10和超聲接收器12對稱布置。同樣，在該實施例中，超聲發射器10和超聲接收器12位于如下位置在所述位置處，它們之間的空間內沒有任何物品。因此，超聲波從超聲發射器10向超聲接收器12的傳播是不受干擾的。超聲發射器10和超聲接收器12之間同樣存在直接的幾何連接。溫度傳感器32布置在后壁24。所述溫度傳感器32位于超聲發射器10和超聲接收器12之間的區域中。因此，可以在與估算超聲波速度的區域相同的區域內檢測溫度。因為濕度的計算是以實際溫度值為基礎，這種布置方式有助于提高濕度的計算精度。同樣，在該實施例中，超聲發射器10和超聲接收器12之間的距離L等于烤箱室14 的內部寬度。典型值為L = 440mm，其幸運地滿足上述附加條件L < 684mm。圖5顯示了根據本發明優選實施例的超聲波速度V與比濕度SH的關系的示意圖。該圖顯示了針對三個不同壓力P = O. 5atm, P=L Oatm和P = 1. 5atm以及四個不同溫度T = 100°C、T = 200°C、T = 300°C和T = 400°C的十二個函數關系。壓力P = 0. 5atm由點線表示,壓力P=I. Oatm由實線表示,壓力P=I. 5atm由短劃線表示。對于高濕度值而言，超聲波的速度隨著壓力降低而略有增加。另外，對于所有濕度值而言，超聲波速度隨著溫度增加而明顯增大。
利用圖5所示函數關系，通過獲知超聲波速度V和烤箱室內溫度T，可以對濕度SH 進行精確估算。基于上述理論表達式通過校準可以提高估算濕度的精度。對于烤箱內高達350°C 的所有可能溫度而言，校準應當在0%到100%的整個濕度范圍內執行。特別地，如果超聲波不形成窄束，使得超聲波可能在烤箱室的內壁16、18、20、22和M處反射，則校準是有利的。這時，超聲接收器12將接收來自超聲發射器10的直接超聲波和反射超聲波。反射超聲波將導致估算超聲波速度時的誤差。所述誤差可以通過上述校準進行補償。 本發明允許估算整個腔室內的平均濕度，而非傳感器周圍的任何局部濕度。本發明允許非常快速的濕度估算。若干重復測量和隨后的平均值計算可以提高精度。具有足夠的溫度和化學耐受性能的合適的超聲發射器10和超聲接收器12是能夠獲得的。超聲發射器10和超聲接收器12可用于其它目的。例如，可以檢測敞開的烤箱門。 另外，可以檢測烤箱室14裝填與否。本發明還可以嵌入到計算機程序產品中，其包括能夠執行本文所述方法的所有特征。另外，當加載于計算機系統中時，所述計算機程序產品能夠執行這些方法。盡管已經參考附圖對本發明的說明性實施例進行了描述，但應當理解，本發明不局限于這些具體的實施例；在不脫離本發明范圍或精神的情況下，本領域技術人員可以進行各種其它改變或改進。所有這些改變和改進落入由所附權利要求限定的本發明的范圍之
內。
附圖標記列表
10超聲發射器
12超聲接收器
14烤箱室
16頂壁
18底壁
20左側壁
22右側壁
24后壁
26風扇
28扇葉
30側部柵格
32溫度傳感器
fo諧振頻率
fl第一頻率
f2第二頻率
fc時鐘頻率
N1第一頻率的除數
N2第二頻率f2的除數
Affi和f2之間的頻率差
Δ (Af)
X1
K
L
AL
Πι
η2
頻率差的變化量第一波長第二波長
發射器10和接收器12之間的距離距離L的變化量完整的第一波長X1的數量完整的第二波長λ2的數量
權利要求
1.一種通過使用具有至少兩個不同頻率(f\，f2)的超聲波來估算烤箱室(14)內的空氣濕度的設備，其中，所述設備包括至少一個用于產生超聲波的超聲發射器(10)， 至少一個用于接收超聲波的超聲接收器(12)，至少一個相位檢測裝置，用于檢測超聲接收器(1 處的超聲波相對于超聲發射器 (10)處具有相同頻率(f1; f2)的同一超聲波的相位(仍，φ2 )，至少一個計算單元，用于根據具有兩個不同頻率(f\，f2)的超聲波的相位(φ。 φ2 ) 和頻率(f” f2)計算超聲波的速度(V)，至少一個溫度傳感器(32)，用于檢測烤箱室(14)內的溫度(T)，和至少一個估算單元，用于根據烤箱室(14)內的溫度(T)和超聲波的速度(V)估算烤箱室(14)內的濕度。
2.如權利要求1所述的設備，其特征在于，所述超聲發射器(10)和/或超聲接收器 (12)布置在烤箱室(14)的相對壁(20，22)處或內部。
3.如權利要求1或2所述的設備，其特征在于，所述超聲發射器(10)和/或超聲接收器(1 布置在烤箱室(14)的側壁00，22)的前部或后部。
4.如在先權利要求中任意一項所述的設備，其特征在于，所述溫度傳感器(3 布置在所述超聲發射器(10)和超聲接收器(1 之間。
5.如在先權利要求中任意一項所述的設備，其特征在于，所述計算單元根據超聲發射器(10)和超聲接收器(1 之間的距離(L)計算所述速度(V)。
6.如在先權利要求中任意一項所述的設備，其特征在于，所述設備用于電烤箱。
7.一種用于估算烤箱室內的空氣濕度的方法，其中，所述方法包括如下步驟 產生具有至少兩個不同頻率(f1; f2)的超聲波，接收所述具有至少兩個不同頻率(f” f2)的超聲波，檢測超聲接收器(1 處具有第一頻率(f\)的超聲波相對于超聲發射器(10)處具有第一頻率(fi)的同一超聲波的相位((P1 ) 檢測超聲接收器(1 處具有第二頻率(f2)的超聲波相對于超聲發射器(10)處具有第二頻率α·2)的同一超聲波的相位(φ )，根據具有這兩個不同頻率(f1; f2)的超聲波的相位(0，φ2 )和頻率(f1; f2)計算超聲波的速度(V)，檢測烤箱室(14)內的溫度(T)，和根據溫度⑴和超聲波的速度(V)估算烤箱室(14)內的濕度。
8.如權利要求7所述的方法，其特征在于，第一頻率(f\)略大于由超聲發射器(10)和超聲接收器(1 所形成的超聲換能器的諧振頻率(&)，第二頻率( )略小于該諧振頻率。
9.如權利要求7或8所述的方法，其特征在于，通過超聲發射器(10)和超聲接收器 (12)之間的距離(L)估算超聲波的速度(V)0
10.如權利要求7-9中任意一項所述的方法，其特征在于，超聲波的速度(V)通過 Γ = (2;γ·Ζ·^-:Γ2))/Δ爐進行估算，其中，如果妁 >灼，則Δ爐=妁-灼，如果仍 <灼’則^φ = φλ-φ^2π，并且其中，是所述第一頻率，f2是所述第二頻率，約是與第一頻率對應的相位，外是與第二頻率f2對應的相位，L是超聲發射器(10)和超聲接收器(1 之間的距離。
11.如權利要求7-10中任意一項所述的方法，其特征在于，在超聲發射器(10)和超聲接收器(12)之間的空間內檢測溫度(T)。
12.如權利要求7-11中任意一項所述的方法，其特征在于，頻率(f\，f2)通過對預定時鐘頻率(f。)分頻產生。
13.如權利要求7-12中任意一項所述的方法，其特征在于，頻率(f1;f2)由共用發生器產生。
14.如權利要求7-13中任意一項所述的方法，其特征在于，估算的濕度用于烹飪程序以便優化烹飪過程。
15.一種儲存在計算機可用介質中的計算機程序產品，其包括用于使計算機實現如前述權利要求7-14中任意一項所述方法的計算機可讀程序裝置。
全文摘要
本發明涉及通過使用具有至少兩個不同頻率(f1，f2)的超聲波來估算烤箱室(14)中的空氣濕度的設備。所述設備包括至少一個用于產生超聲波的超聲發射器(10)，至少一個用于接收超聲波的超聲接收器(12)，和至少一個相位檢測裝置，用于檢測超聲接收器(12)處的超聲波相對于超聲發射器(10)處具有相同頻率(f1，f2)的同一超聲波的相位所述設備還包括至少一個計算單元，用于根據具有兩個不同頻率(f1，f2)的超聲波的相位和頻率(f1，f2)計算超聲波的速度(V)，至少一個溫度傳感器(32)，用于檢測烤箱室(14)內的溫度(T)，和至少一個估算單元，用于根據溫度(T)和超聲波的速度(V)估算烤箱室(14)中的濕度。另外，本發明涉及用于估算烤箱室(14)中的空氣濕度的相應方法。
文檔編號G01N29/22GK102317769SQ201080007827
公開日2012年1月11日 申請日期2010年2月18日 優先權日2009年2月19日
發明者R·焦爾達諾, S·阿古達耶夫, V·格拉西莫夫 申請人:伊萊克斯家用產品股份有限公司