ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЧАЙНИК

Заявленное техническое решение относится к предметам домашнего обихода, точнее - к кухонной посуде для кипячения воды, а именно - к чайникам.
Известны различные виды чайников.
Известные чайники (SU 1659003, 1991; SU 1797482, 1993; SU 1801044, 1993) содержат емкость для воды (корпус) и ручку для переноски и наклона. Чайник содержит также крышку, носик для слива воды и днище. Корпус чайника чаще всего изготавливают из металла: алюминия, нержавеющей стали или из стали, покрытой эмалью. Такой чайник можно устанавливать на нагревательный элемент электрической плиты или на источник тепла (газ, огонь).
Известны также электрические чайники (RU 2156103, 2000; RU 2284140, 2006), которые содержат нагревательный элемент. Корпус электрического чайника изготавливают из нержавеющей стали, стекла, керамики или пластмассы. В электрических чайниках корпус чаще всего установлен на выполненной из термоизоляционного материала подставке, в которой обычно расположен токоподвод к нагревательному элементу.
Одним из существенных недостатков большинства электрических чайников является то, что в них отсутствует блокировка включения пустого (без воды) чайника и (или) отсутствует автоматическое выключение чайника после закипания воды. При отсутствии блокировки и автоматического выключения возможно повреждение чайника и существует опасность возникновения пожара или получения травмы пользователем. Для предотвращения этого в электрических чайниках устанавливается на днище термореле, которое при перегреве днища срабатывает и выключает нагреватель (RU 2284140, 2006). Для отключения нагревателя после закипания воды в электрических чайниках устанавливается паропровод, подающий пар из-под крышки чайника в основание к термореле нагревателя (RU 2284140, 2006).
В современных электрических чайниках для определения количества воды корпус чайника делается прозрачным весь, либо имеет прозрачное окно, либо в корпус чайника устанавливается (или к корпусу чайника прикрепляется вертикально) водомерная трубка, которая связана с основным объемом чайника, как сообщающиеся сосуды (RU 2284140, 2006; GB 2337194, 1999; GB 2332522, 1999; FR 2766692, 1999).
В чайниках с водомерной трубкой (стеклом) обеспечивается возможность определения количества налитой воды, однако они имеют недостатки. Во-первых, существенно увеличивается трудоемкость изготовления чайника, так как металлический корпус приходится разрезать для установки водомерного стекла или трубки. Во-вторых, трудно обеспечить герметичность металлического чайника в месте соединения корпуса с водомерным стеклом (трубкой) из-за различий температурных коэффициентов расширения металла и стекла (пластмассы) в рабочем диапазоне температур (10-100)° С.
При выполнении корпуса электрического чайника целиком или частично из стекла, последнее должно быть жаропрочным, и иметь специальный состав, который при высокой температуре не выделяет в питьевую воду ароматических или вредных для организма человека веществ и обладает высокой механической прочностью. В результате, электрические чайники из стекла, при одинаковом с металлическими полезном объеме, имеют повышенную травмоопасность, большие габариты и вес.
Известны чайники, в которых для определения количества воды устанавливают датчик силы (RU 2405412, 2010). Достоинством таких чайников является простота конструкции и гарантированная герметичность, обусловленная отсутствием водомерного стекла. В таких чайниках датчик силы устанавливают на ручке или между ручкой и корпусом, а количество воды оценивают по механическому или по электронному индикатору.
Недостатком таких чайников с датчиками силы является то, что для определения количества воды чайник необходимо брать за ручку и поднимать, т.к. в стоящем на подставке чайнике количество воды не определяется.
Известен электрический чайник с блокировкой включения нагревателя при отсутствии воды (GB 2320672, 1998). Этот чайник имеет металлический корпус с носиком и крышкой, в котором расположен нагреватель и одна часть разъема (токоподвода). Корпус устанавливается на подставку, которая содержит ответную часть разъема (токоподвода), микроконтроллер и подключенные к нему по входу и по выходу через электронные устройства четыре термореле, три датчика веса, реле, элементы включения и выключения чайника. Чайник содержит также датчик кипения, выполненный в виде генератора звука, расположенного в носике, и приемника звука (микрофона), расположенного в основании и подключенного к входу микроконтроллера. Датчик веса выполнен в виде двух контактов, один из которых закреплен на подставке, а второй - на подвижной части плоской пружины, взаимодействующей через термореле с днищем. Контакты замыкаются, когда в чайнике налито заранее заданное минимальное количество воды. Водомерное стекло в чайнике отсутствует, поэтому общее количество воды не определяется.
Недостатком этого чайника является трудоемкость изготовления сложного по конструкции чайника, содержащего большое количество датчиков, и прежде всего - громоздкий датчик кипения воды, генератор звука которого установлен в носик чайника, а микрофон - в основание. Кроме того, три контактных датчика веса чайника предназначены только для блокировки включения нагревателя при отсутствии воды: при любом весе меньше минимального - контакты разомкнуты, при любом весе больше минимального - контакты замкнуты. Кроме того в чайнике отсутствует индикация количества воды.
Из известных технических решений наиболее близкий по назначению и технической сущности к заявляемому является электрический чайник (RU 2462975, 2012), содержащий основание, корпус с днищем, установленный на основании, причем часть днища выполнена с возможностью смещения и (или) прогиба под силой тяжести воды, токоподвод, нагреватель, микроконтроллер, к выходу которого подключено реле, коммутирующая цепь которого включена между токоподводом и нагревателем, и подключенные ко входу микроконтроллера элемент включения, датчик кипения и датчик силы, силовоспринимающие элементы которого установлены с возможностью взаимодействия с основанием и с днищем.
Недостатком этого чайника является сложная конструкция днища (с возможностью смещения и (или) прогиба под силой тяжести воды) чайника.
Задача, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, заключается в уменьшении трудоемкости изготовления чайника (вплоть до использования любых хорошо технологически отработанных видов корпусов чайников), расширение его функциональных возможностей (индикация температуры, индикация объема жидкости в разных желаемых единицах измерения (литрах, процентах от полного объема, мнемонических полосках, числе чайных чашек), наличие режима подогрева воды до заранее запрограммированной температуры, наличие режима поддержания заранее запрограммированной температуры воды).
Поставленная задача достигается за счет того, что электрический чайник содержит корпус с днищем, подставку, токоподвод, нагреватель, блок питания, микроконтроллер, к выходу которого подключено реле, коммутирующая цепь которого включена между токоподводом и нагревателем, подключенные к входам микроконтроллера кнопка включения, кнопка подогрева, кнопка термостатирования, датчик температуры и датчики силы, а также подключенные к выходам микроконтроллера индикатор температуры и индикатор объема.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является уменьшение трудоемкости изготовления электрического чайника, благодаря тому, что в нем может быть использован корпус из любого прозрачного или непрозрачного материала (стекло, металл, пластмасса, керамика), поскольку датчики силы размещены не в корпусе или днище, а в подставке.
Кроме того, согласно заявляемому техническому решению расширяются функциональные возможности электрического чайника, благодаря тому, что в нем имеются датчик и индикатор температуры, и индикатор объема жидкости, который, по желанию пользователя, отображает количество воды в чайнике в разных единицах измерения: литрах (0-1,5), процентах от полного объема (0-100), мнемонических полосках, числе чайных чашек (0-1-2..-8).
Кроме того, согласно заявляемому техническому решению расширяются функциональные возможности электрического чайника, благодаря тому, что в нем имеется режим подогрева воды до заранее запрограммированной температуры и режим поддержания заранее запрограммированной температуры воды (термостатирование).
Сущность заявляемого технического решения поясняется графическими материалами фиг.1, фиг.2 и фиг.3. На фиг.1 изображен продольный разрез электрического чайника, на фиг.2 - вид на панель управления и индикации, а на фиг.3 изображена структурная схема чайника.
На фиг.1-3 приняты следующие обозначения:
1 - корпус;
2 - днище;
3 - токоподвод корпуса;
4 - нагревательный элемент;
5 - шток датчика силы;
6 - датчик силы;
7 - токоподвод подставки;
8 - реле;
9 - микроконтроллер;
10 - подставка;
11 - шток датчика силы;
12 - датчик силы;
13 - блок питания;
14 - датчик температуры;
15 - пружина;
16 - индикатор температуры воды;
17 - кнопка-индикатор включение/выключение/программирование;
18 - кнопка-индикатор подогрев/программирование;
19 - кнопка-индикатор термостат/программирование;
20 - индикатор количества воды.
На фиг.1 показано, что электрический чайник содержит корпус 1 с днищем 2 и нагревательным элементом 4, соединенным с токоподводом 3, который в свою очередь входит в ответную часть токоподвода 7, закрепленного на подставке 10. Нагревательный элемент 4 может быть размещен на металлическом днище 2 по-разному: снизу, сверху или над ним. На подставке 10 размещены три (расположенные по окружности со взаимным сдвигом 120°) датчика силы 6 (12,…), взаимодействующие с днищем 2 через штоки 5 (11, …), которые для уменьшения теплопередачи на датчики силы выполнены из термоизоляционного материала. Кроме того на подставке 10 размещен датчик температуры 14, который для хорошего контакта с днищем, прижимается к днищу 2 пружиной 15. Внутри подставки 10 расположены также микроконтроллер 9, реле 8 и блок питания 13. Реле 8 может быть электромеханическим или полупроводниковым (твердотельным).
На подставке (фиг.2) расположен указатель температуры воды 16 и указатель количества воды 20, причем они могут быть выполнены в виде индикаторных полос или в виде цифрового индикатора светодиодного или жидкокристаллического типа. Кроме этого на подставке расположены три кнопки, совмещенные со световыми индикаторами: кнопка включения-выключения 17, кнопка подогрева 18, кнопка термостатирования 19, каждая из которых используется еще и в режиме программирования режимов работы чайника.
На схеме фиг.3 изображены связи между элементами чайника: выходы датчика температуры 14, датчиков силы 6 (12, …) и кнопок-индикаторов 17 (включения-выключения), 18 (подогрева), 19 (термостатирования) подключены к входам микроконтроллера 9. К выходам микроконтроллера 9 подключены индикатор количества воды 20, индикатор температуры 16 и управляющий вход реле 8, коммутирующая цепь которого включена между токоотводом 7, 3 и нагревательным элементом 4.
Работа электрического чайника осуществляется после установки его на подставку и подключения к электрической сети через ответную часть токоподвода 7, расположенную на подставке. Блок питания 13 обеспечивает вторичными напряжениями датчики, индикаторы, микроконтроллер и реле.
Работа электрического чайника основана на том, что действие силы тяжести воды, налитой в корпус 1, передается через штоки 5 (11, …) на датчики 6 (12, …) силы во всем требуемом диапазоне величин и частот. Три датчика силы будут воспринимать давление чайника на подставку всегда правильно, вне зависимости от неточности установки чайника на подставку. Для этого датчики силы расположены в подставке по окружности с интервалом 120°.
Датчики силы включены между собой последовательно и выполнены в виде преобразователя любой величины силы от нуля до максимальной в заданном диапазоне, которая для чайника составляет обычно 1,5-2,0 кг.
Суммарный сигнал (ток, или напряжения, в зависимости от типа датчика) с выхода датчиков силы поступает на вход микроконтроллера 9. Микроконтроллер 9 содержит на этом входе аналого-цифровой преобразователь (АЦП), если датчики силы аналоговые, который формирует цифровой код в соответствии с величиной сигнала датчиков силы. В микроконтроллере 9 проводится усреднение цифрового кода и его преобразование, в зависимости от желаемого режима отображения степени заполнения чайника, результат подается на индикатор количества воды 20. Кроме этого производится цифровая фильтрация кода АЦП, что позволяет выделить переменную низкочастотную составляющую, которая появляется при закипании воды. При превышении величины переменной составляющей записанного в микропроцессоре порога формируется команда на реле для выключения нагревательного элемента.
Для включения чайника необходимо нажать кратковременно один раз кнопку включения-выключения 17, при этом на вход микроконтроллера 9 подается команда «Включение», кнопка включения-выключения подсвечивается, сигнализируя о работе чайника в режиме кипячения. При повторном кратковременном нажатии на кнопку включения-выключения 17 в микроконтроллер 9 подается команда «Выключение», подсветка снимается. По команде «Включение» сигнал управления нагревателем 4 через реле 8 формируется в микроконтроллере 9 с учетом кода датчиков силы. Если количество воды в чайнике отображается нулевым кодом (т.е. чайник пустой), то на управляющий вход реле 8 управляющее напряжение не подается и нагреватель 4 не включается. Тем самым блокируется включение нагревателя 4 при отсутствии воды, т.е. исключена возможность повреждения чайника, возникновения пожара или травмы пользователя. Если количество воды в чайнике отображается кодом, отличным от нулевого (т.е. в чайнике есть вода), то с выхода микроконтроллера 9 на реле 8 поступает управляющее на-пряжение. Реле 8 через коммутирующую цепь подключает нагреватель 4 к сети через токоподвод 7, 3 и происходит нагрев воды.
Когда вода в чайнике закипит, с выхода микроконтроллера 9 поступает сиг-нал на выключение реле 8 и нагреватель 4 отключается от сети. Происходит это в предлагаемом чайнике потому, что во время кипения из воды начинается интенсивный выход газовых пузырьков. Датчики силы, наряду с постоянной силой, регистрируют переменную составляющую, которая в микроконтроллере 9 выявляется и на основании чего подается сигнал выключения реле 8 и отключения от сети нагревателя 4.
В результате, в предлагаемом чайнике обеспечивается не только контролируемое по количеству воды включение, но и автоматическое выключение нагревателя 4 после закипания воды благодаря тому, что сигналы с датчиков силы используются для обнаружения факта кипения.
При необходимости выключить чайник вручную можно в любой момент нагревания воды нажать на кнопку включения-выключения 17.
Сигнал с датчика температуры поступает на микроконтроллер, что используется для управления режимами работы чайника и для индикации температуры воды.
Кроме предотвращения аварийных режимов работы, сигналы с датчиков силы используются для отображения количества воды в чайнике. Переключение режима отображения производится одновременным кратковременным нажатием на кнопки подогрева и термостатирования, при этом в правой части индикатора количества жидкости по кругу изменяется отображаемая величина: «л» (литры), «%» (проценты), «ч» (число чашек).
Вычисление отображаемого значения происходит по следующим формулам:
л
0
1
V=(А-А)∗K,
%
0
1
2
V=E(100∗(A-A)∗K/K),
ч
0
1
3
V=E((A-A)∗K/K),
л
где V - индикация количества воды в литрах,
%
V - индикация количества воды в процентах от полного чайника,
ч
V - индикация количества воды в числе чашек,
А - цифровой код, соответствующий текущему количеству воды (пропорционален сигналам с датчиков силы),
0
А - цифровой код, соответствующий пустому чайнику,
1
K - метрологическая величина, переводящая единицу цифрового кода в величину объема (определяется используемыми датчиками, эта величина записана в микроконтроллер),
Е - операция выделения целой части числа, например Е(2,123)=2,
2
К - цифровой код, соответствующий максимальному количеству воды (определяется используемыми датчиками, эта величина записывается в микроконтроллер при программировании кнопкой-индикатором включения/выключения),
3
К - цифровой код, соответствующий количеству воды в одной чашке (определяется используемыми датчиками, эта величина записывается в микроконтроллер при программировании кнопкой-индикатором включения / выключения).
0
2
3
Программирование кнопкой-индикатором включения / выключения 17 происходит следующим образом. При отображении индикатором количества жидкости  20 символа «л» (литры) длительное нажатие на кнопку 17 (чайник должен быть пустым) приводит к записи в микроконтроллер 9 цифрового кода, соответствующего пустому чайнику (А). При отображении индикатором количества жидкости 20 символа «%» (проценты) длительное нажатие на кнопку 17 (чайник должен быть заполнен водой до максимальной отметки) приводит к записи в микро-контроллер цифрового кода, соответствующего полному чайнику (K). При отображении индикатором количества жидкости 20 символа «ч» (число чашек) длительное нажатие на кнопку 17 (в чайник необходимо налить одну чашку воды) приводит к записи в микроконтроллер цифрового кода, соответствующего объему одной чашки (K).
Программирование кнопкой-индикатором подогрева 18 происходит следующим образом. Длительное нажатие на кнопку подогрева 18 приводит к миганию индикатора температуры 16, причем каждое последующее кратковременное нажатие на кнопку подогрева 18 изменяет показания индикатора температуры 16 на 5°С (от 20°С до 90°С, причем следующее после 90°С нажатие приведет к переходу на 20°С). Выход из режима программирования кнопкой-индикатором подогрева 18 происходит нажатием на нее длительное время, мигание индикатора температуры 16 прекращается.
Программирование кнопкой-индикатором термостатирования 19 происходит следующим образом. Длительное нажатие на кнопку термостатирования 19 приводит к миганию индикатора температуры 16, причем каждое последующее кратковременное нажатие на кнопку термостатирования 19 изменяет показания индикатора 16 на 5°С (от 20°С до 90°С, причем следующее после 90°С нажатие приведет к переходу на 20°С). Выход из режима программирования кнопкой-индикатором термостатирования 19 происходит нажатием на нее длительное время, мигание индикатора температуры 16 прекращается.
При необходимости подогреть воду необходимо кратковременно нажать кнопку-индикатор подогрева 18, при этом индикатором температуры 16 на 5 секунд отобразится предварительно записанное значение температуры, до которой будет производиться подогрев, а затем, если температура воды ниже этой величины, то включится подсветка кнопки-индикатора подогрева 18 и микроконтроллер 9 подаст сигнал включения реле 8 нагревательного элемента 4, который будет нагревать воду, при этом на индикаторе температуры 16 будет отображаться текущая температура. При достижении необходимой температуры нагревательный элемент 4 отключится по команде микроконтроллера 9 и подсвет кнопки-индикатора 18 подогрева снимется. Преждевременное отключение режима подог-рева производится повторным кратковременным нажатием кнопки подогрева 18.
При необходимости поддерживать температуру воды необходимо кратко-временно нажать кнопку-индикатор термостатирования 19, при этом индикатором температуры 16 на 5 секунд отобразится предварительно записанное значение температуры термостатирования, а затем, если температура меньше этой величины, то включится подсветка кнопки-индикатора подогрева 19 и микроконтроллер 9 подаст сигнал включения реле 8 нагревательного элемента 4, который будет нагревать воду, при этом на индикаторе температуры 16 будет отображаться текущая температура. При достижении необходимой температуры нагревательный элемент 4 отключится по команде микроконтроллера 9 и затем включится, если температура понизится. Отключение режима термостатирования производится повторным кратковременным нажатием кнопки термостатирования 19.
Технический результат состоит в том, что электрический чайник имеет простой и технологичный корпус, все элементы, определяющие потребительские свойства чайника, расположены в подставке, а кроме того чайник имеет расширенные функциональные возможности за счет наличия режима подогрева воды до заранее запрограммированной температуры, режима поддержания заранее запрограммированной температуры воды, а также расширенные функциональные возможности за счет отображения объема воды по желанию пользователя в разных единицах измерения: литрах, процентах от полного объема, числе чайных чашек.