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        稱重傳感器在電壓力鍋上的應(yīng)用研究——精確控壓技術(shù)探討

        2014-07-09 12:51:18龔盛鵬
        家電科技 2014年5期

        龔盛鵬

        (廣東洛貝電子科技有限公司 廣東 523808)

        1 引言

        隨著人們生活水平的提高,對(duì)烹飪技術(shù)的要求也隨之提高。人們不再單純滿足于美味可口的食物,對(duì)食物在烹飪后的營(yíng)養(yǎng)成分也提出了相應(yīng)的要求。怎樣才能保證食物在烹飪過(guò)程中最大限度地保留住營(yíng)養(yǎng)成分呢?人們從烹飪時(shí)的火候(溫度)、時(shí)間、壓力等多方面入手,結(jié)合各種食物的特性,分別總結(jié)出了不同食物在烹飪過(guò)程中的最佳火候、時(shí)間、壓力等烹飪參數(shù)特性。

        近些年家電技術(shù)的發(fā)展,給這種要求的實(shí)現(xiàn)帶來(lái)了可能,特別是電壓力鍋技術(shù)的不斷革新,給烹飪也帶來(lái)了一種全新的烹飪方法——壓力。然而,在實(shí)際過(guò)程中,不同食物的營(yíng)養(yǎng)成分在不同的壓力情況下的反應(yīng)不盡相同。食物中有些營(yíng)養(yǎng)成分在烹飪中被高溫高壓所破壞;有些營(yíng)養(yǎng)成分在一定的壓力下,并不能全部釋放。為了解決這一情況,現(xiàn)有些電壓力在設(shè)計(jì)中,采用多個(gè)壓力開(kāi)關(guān)組合[1],實(shí)現(xiàn)了分段壓力調(diào)節(jié)控制,也即是將原電壓力鍋上的單一烹飪壓力,分成高、中、低等不同的壓力階段,來(lái)解決并滿足不同食物在烹飪中所需壓力不同的這一問(wèn)題。這一技術(shù)雖解決了部分食物的合理烹飪壓力,但因壓力開(kāi)關(guān)是機(jī)械性的控制裝置,因此,也不能從根本上滿足各種食物的烹飪要求。

        為解決這一根本性的烹飪技術(shù)要求,還是需要在電壓力鍋上實(shí)現(xiàn)無(wú)極調(diào)壓技術(shù)——即人們?cè)谟秒妷毫﹀伵腼儠r(shí),可設(shè)定自己所需的任何壓力值。要在電壓力鍋上實(shí)現(xiàn)這一技術(shù),可采用壓力傳感器結(jié)合家電控制技術(shù),實(shí)現(xiàn)起來(lái)不難,但壓力傳感器現(xiàn)多用于航空航天及軍工或工業(yè)產(chǎn)品上,一只壓力傳感器至少上百元的成本,應(yīng)用于電壓力鍋上,在成本上不夠?qū)嶋H。怎樣才能找到一種方法或技術(shù)實(shí)現(xiàn)電壓力鍋的無(wú)極調(diào)壓技術(shù),且成本低廉,便于生產(chǎn)呢?本文以稱重傳感器的特性,通過(guò)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),結(jié)合家電控制技術(shù),較好的解決了這一問(wèn)題。

        圖1 惠斯頓電橋原理

        圖2 橋式重力傳感器

        圖3 設(shè)計(jì)方案一結(jié)構(gòu)圖

        2 稱重傳感器的稱重原理[2][3]及用于電壓力鍋測(cè)量壓力的原理

        稱重傳感器是使用地點(diǎn)的重力加速度(g)和空氣浮力(f)的影響后,通過(guò)把其中一種被測(cè)量(質(zhì)量)轉(zhuǎn)換成另外一種被測(cè)量(輸出)來(lái)測(cè)量質(zhì)量的力傳感器。以金屬材料為轉(zhuǎn)換元件的電阻應(yīng)變計(jì),其轉(zhuǎn)換原理是基于金屬電阻絲的電阻——應(yīng)變效應(yīng)。所謂應(yīng)變效應(yīng)是指金屬導(dǎo)體(電阻絲)的電阻值隨變形(伸長(zhǎng)或縮短)而發(fā)生改變的一種物理現(xiàn)象。

        稱重傳感器的工作原理:

        (1)兩個(gè)典型的力學(xué)模型

        當(dāng)F>0時(shí),R1、R3被拉伸,阻值增大;R2、R4被壓縮,阻值減小。

        (2)惠斯頓電橋

        在應(yīng)變計(jì)的電測(cè)技術(shù)中,應(yīng)用最廣泛的測(cè)量電路是惠斯通電橋電路。測(cè)量電橋由于具有靈敏度高、測(cè)量范圍寬、電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精度高、容易實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償?shù)葍?yōu)點(diǎn),因此能很好地滿足應(yīng)變測(cè)量的要求。

        電橋根據(jù)電源的性質(zhì)分直流電橋和交流電橋兩種,當(dāng)Ui為直流時(shí)該電橋?yàn)橹绷麟姌?。電橋電路如圖1所示,它的四個(gè)橋臂由R1、R2、R3、R4組成,當(dāng)橋臂電阻的阻值發(fā)生變化時(shí),電橋的輸出電壓也隨著發(fā)生變化。通過(guò)電壓信號(hào)的變化大小,從而稱出物體重量。

        稱重傳感器根據(jù)其形狀和用途不同,有很多種形式,本文所用的是一種一端用于裝配固定形成懸臂梁的橋式重力傳感器。如圖2。

        基于稱重傳感器的這種工作原理,應(yīng)用于電壓力鍋上來(lái)測(cè)量鍋內(nèi)壓力(實(shí)際上應(yīng)是壓強(qiáng))的基本原理就是:鍋內(nèi)加熱產(chǎn)生氣體壓強(qiáng),經(jīng)機(jī)構(gòu)作用于傳感器上,使傳感器產(chǎn)生力學(xué)形變,進(jìn)而引起電阻應(yīng)變,最后經(jīng)中央處理器將應(yīng)變信號(hào)轉(zhuǎn)化成或換算成壓強(qiáng),再輸出。

        稱重傳感器獲得重力信號(hào)不外乎有兩種形式:一是用一種轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu),將鍋內(nèi)壓強(qiáng)轉(zhuǎn)化為力,這個(gè)力再作用于傳感器上;另一種是通過(guò)外鍋的彈性位移,作用于傳感器上,以通過(guò)電路轉(zhuǎn)化,最后把壓力顯示出來(lái)。

        3 稱重傳感器應(yīng)用于電壓力鍋上測(cè)量壓力的兩種設(shè)計(jì)方案

        3.1 設(shè)計(jì)方案一

        電壓力鍋在烹飪時(shí),內(nèi)部形成一個(gè)密封的烹飪空間,空間內(nèi)的壓力(壓強(qiáng))直接作用于食物,因此,關(guān)鍵是將這壓力精確地反映出來(lái)。本方案采用鍋內(nèi)壓力作用于活動(dòng)頂桿,活動(dòng)頂桿將力作用于傳感器,經(jīng)中央處理器,最后將處理后的信號(hào)還原成壓力顯示出來(lái)。

        具體結(jié)構(gòu)如圖3和圖4所示,包括有:鍋蓋、鍋體、加熱器和主控制單元。鍋蓋包括外蓋、內(nèi)襯蓋、和不銹鋼蓋。在不銹鋼蓋上開(kāi)設(shè)有通孔用于固定螺母活塞套,螺母活塞套底部上有密封溝槽,密封溝槽中放置有O型密封圈,螺母活塞套裝于鍋蓋上后起密封作用。螺母活塞套外徑上有螺紋,穿過(guò)不銹鋼蓋上的通孔后,與鎖緊螺母相連,從而將螺母活塞套固定在不銹鋼蓋上。螺母活塞套為一中空結(jié)構(gòu),活動(dòng)頂桿裝配其中,與螺母活塞套過(guò)渡配合。活動(dòng)頂桿上設(shè)有環(huán)形密封圈,與螺母活塞套內(nèi)腔密封,防止漏氣。這樣,活動(dòng)頂桿就可在螺母活塞套內(nèi)腔中自由活動(dòng),活動(dòng)頂桿與螺母活塞套內(nèi)腔就如同活塞與氣缸一樣。

        稱重傳感器固定在不銹鋼蓋或內(nèi)襯蓋或外蓋這些不會(huì)發(fā)生位移的剛體上,受力端下方與活動(dòng)頂桿頂部相接觸。鍋內(nèi)的壓強(qiáng)作用于活動(dòng)頂桿的底端面,產(chǎn)生向上的推力,推動(dòng)活動(dòng)頂桿向上運(yùn)動(dòng),將力傳遞給稱重傳感器。

        其測(cè)量原理如下:鍋內(nèi)產(chǎn)生壓強(qiáng)P,作用于活動(dòng)頂桿的底端面,活動(dòng)頂桿的底端面面積為S,因此,活動(dòng)頂桿獲得向上的推力為F1=PS。因活動(dòng)頂桿自身重量以及與內(nèi)腔的摩擦力為恒定值,為準(zhǔn)確反應(yīng)鍋內(nèi)實(shí)際壓強(qiáng),故可在實(shí)際程序中加入傳感器受力的系統(tǒng)誤差,此值設(shè)為F’。電壓力鍋起壓工作時(shí),當(dāng)中央處理器獲得的傳感器受力信號(hào)大于一起始定值F0(相當(dāng)小,起決于傳感器的最小應(yīng)變值和電路中的放大信號(hào))時(shí),系統(tǒng)自動(dòng)修正傳感器的受力值為F1+F’,即傳感器獲得推力為F1+F’,傳感器獲得推力后,產(chǎn)生應(yīng)變電信號(hào),經(jīng)中央處理器處理后,反向?qū)㈦娦盘?hào)轉(zhuǎn)換成壓強(qiáng)輸出,其應(yīng)用公式為P=(F1+F’)/S。因此,顯示或輸出的壓強(qiáng)實(shí)際值為P=(F1+F’)/S。當(dāng)最后程序結(jié)束,卸壓至鍋內(nèi)壓強(qiáng)為零時(shí),中央處理器獲得傳感器的受力信號(hào)等于或小于起始值F0時(shí),系統(tǒng)即不考慮F’,即獲得的力為0,所輸出的顯示壓力也為0,與鍋的實(shí)際壓力相等。因此,中央處理器輸出的壓強(qiáng)值能準(zhǔn)確地反應(yīng)鍋內(nèi)實(shí)際的壓強(qiáng)值。

        圖4 設(shè)計(jì)方案一中A部分結(jié)構(gòu)放大圖

        圖5 設(shè)計(jì)方案二結(jié)構(gòu)圖

        圖6 設(shè)計(jì)方案二中A部分結(jié)構(gòu)放大圖

        電壓力鍋工作時(shí),中央處理器輸出的壓強(qiáng)值時(shí)時(shí)與用戶所設(shè)定的壓強(qiáng)值比較。當(dāng)輸出的壓強(qiáng)值P等于或大于用戶預(yù)設(shè)的壓強(qiáng)值時(shí),系統(tǒng)停止加熱;當(dāng)輸出的壓強(qiáng)值P小于預(yù)設(shè)值時(shí)啟動(dòng)加熱器加熱。壓力開(kāi)關(guān)在此設(shè)計(jì)中,僅作為一道安全屏障,當(dāng)且僅當(dāng)程序或內(nèi)部原器件失效后,壓力持續(xù)升高,壓力開(kāi)關(guān)斷開(kāi),以切斷電源。因此,可精確實(shí)現(xiàn)對(duì)鍋內(nèi)壓力的控制,以期達(dá)到無(wú)極調(diào)壓,滿足不同食物烹飪所需的不同壓力的目的。

        采用該控制方法,將硬件固有的系統(tǒng)誤差在數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)中予以校正,既有效提高了控制的精確性,同時(shí)也避免了采用結(jié)構(gòu)上或者電路上的矯偏措施所帶來(lái)的成本增加、故障點(diǎn)增加的問(wèn)題,既保證了壓力控制的精度,也保證了結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單,使電壓力鍋具有良好的可靠性。

        3.2 設(shè)計(jì)方案二

        將稱重傳感器固定在底部,如外罩底部或底座上,稱重傳感器與外罩底部固設(shè)的傳力銷(xiāo)釘或發(fā)熱盤(pán)上的傳力柱相接觸。當(dāng)鍋內(nèi)產(chǎn)生壓力,作用于發(fā)熱盤(pán),發(fā)熱盤(pán)將壓力作用于外罩上,使外罩產(chǎn)生彈性形變,這樣,外罩底部下移,將力傳給稱重傳感器,傳感器將獲得的信號(hào)傳送給中央處理器。同方案一的原理一樣,實(shí)現(xiàn)精確控壓。結(jié)構(gòu)如圖5、圖6所示。

        與方案一比較,因方案二將稱重傳感器下置,傳感器所受力除來(lái)自鍋內(nèi)的壓力外,還受鍋內(nèi)食物多少(重量)及溫度的影響,系統(tǒng)誤差較大,且不是一個(gè)恒定值,稱重傳感器所測(cè)定出的重量與實(shí)際偏差較大,不能準(zhǔn)確地反映鍋內(nèi)實(shí)際壓強(qiáng)值,因此,只能粗略反映鍋內(nèi)壓力大小。但方案一在設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)充分考慮氣密性及系統(tǒng)誤差。

        4 精確控壓的其他方案

        隨著技術(shù)的發(fā)展,電壓力鍋精確控壓涌現(xiàn)出多種技術(shù),以滿足人們生活水平不斷提高的要求。

        人們利用可變電容[3],以位移大小改變電容量大小的原理,將電壓力鍋內(nèi)產(chǎn)生壓強(qiáng)引起的彈性形變轉(zhuǎn)換成位移,再將這位移作用在可變電容上,以改變電容中第一級(jí)板與第二極板的距離的大小來(lái)改變電容的大小,以產(chǎn)生變化的電信號(hào),最后將變化的電信號(hào)還原成壓力,以期來(lái)實(shí)現(xiàn)或反映電壓力鍋工作時(shí),鍋內(nèi)的實(shí)際壓力。

        類似原理還可利用電磁線圈與鐵芯所組成的電感變化法來(lái)實(shí)現(xiàn)精確控壓。電壓力鍋內(nèi)產(chǎn)生的壓強(qiáng),引起的彈性形變,經(jīng)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)與電磁線圈中的鐵芯相連,鐵芯在線圈中可自由伸縮,電磁線圈固定在電壓力鍋的不動(dòng)剛體上。這樣,電壓力鍋的彈性形變所引起的位移,時(shí)時(shí)帶動(dòng)鐵芯發(fā)生位移,使伸進(jìn)電磁線圈中的鐵芯長(zhǎng)度不一,從而引起電磁線圈的電感量隨位移的大小變化而變化,產(chǎn)生變化的電信號(hào)。以位移的大小,變化的不同的電感,來(lái)反映鍋內(nèi)的壓力,以達(dá)到精確控壓的目的。

        以上幾種方案,以電壓力鍋彈性形變所引起的位移大小,經(jīng)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)或測(cè)試裝置來(lái)反應(yīng)鍋內(nèi)壓力的實(shí)際大小,在原理上基本可以實(shí)現(xiàn)。但受材料,溫度,生產(chǎn)裝配工藝的一致性等多方面影響,所存在的系統(tǒng)誤差相當(dāng)大,且還受偶然誤差的影響。因此,很難真實(shí)精確地反映出鍋內(nèi)的實(shí)際壓力,在應(yīng)用上還需進(jìn)一步完善。

        5 結(jié)語(yǔ)

        本文剖析了幾種實(shí)現(xiàn)精確控壓的技術(shù),希望能給同行起到“拋磚引玉”的作用,期待這一技術(shù)早日能成為一種主流技術(shù)!

        [1]中國(guó)專利:CN201020678973.8

        [2]王琦.電阻應(yīng)變式稱重傳感器的設(shè)計(jì).木材加工機(jī)械.2005年第3期

        [3]王傳文.稱重傳感器的工作原理及故障檢測(cè).化學(xué)分析計(jì)量,2002年,第11卷,第4期

        [4]中國(guó)專利:CN 200720158958.9,CN 200910015149.6

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