申请(专利)号： CN201910564114.1
专利权人： 胡耿;
名称：及时测量自身温度的容器
摘要：
本发明涉及及时测量自身温度的容器，属温度测量技术领域。在本发明中容器壁自身即为温度传感元件的一部分，因此容器壁温度(也就是容器的温度)的变化可以得到及时测量。温度传感器元件的另一部分可以是低膨胀系数的材料制成的丝材如石英丝等，它穿过焊接在容器壁上的细管并保持一定张力因而紧贴管壁。温度变化时，石英丝与容器及管壁的热膨胀系数不同因而发生相对移动，测量这个移动量便可测知容器壁(也即是容器)的温度，这个移动也可以转换成容栅式位移传感器的动栅的移动，从而实现测温。也可把容器壁直接作为热电偶的一极而把另一极直接焊在容器壁上。热电偶显示的温度即容器的温度。石英丝可用零膨胀或低膨胀或定膨胀合金取代。
及时测量自身温度的容器
技术领域：
本发明涉及及时测量容器温度的技术，属温度测量技术领域。
技术背景：
一般容器，在需要测量温度时，都会附加上热电偶、热敏电阻、温度计等温度传感装置。但在某些情况下，如用作炊事锅具，这些附加的装置不便于使用，且往往难以做到无滞后的适时测量。对此，有人提出了简洁的无滞后的测量容器温度的方法，如源自法国的中国专利CN99812078.2，它是在锅具内壁的特定部位用特定的材料涂覆出图案，该图案随温度变化会改变颜色，从而达到适时指示锅体温度的目的。这种方法的好处是十分简便且能及时测量。因为图案就在锅体内表面的适当位置，图案的温度就是锅底的温度。缺点是靠彩色变化显示温度十分粗略，只能通过肉眼观察图案色彩变化知晓锅体温度大致达到某一域值以防止锅体温度过热。而且涂覆在锅体内表面，在使用时难免受损，寿命有限。
发明内容：
本发明的目的是设计出简易、耐用、精确、及时地测量自身温度的容器(尤其是炊事用锅具)。
本发明的基本构思是把被测容器本身作为感温元件的一部分，既简化了构造又消除了测量滞后的问题。
本发明的主要内容有3项。第1项是使用热电偶来测量容器(例如炊事用锅)的温度。热电偶的一级是金属锅体本身，另一极则直接焊接到锅体的适当位置，两者形成热电偶。此热电偶的温差电动势和接触电位差精确地指示出锅体温度，且基本上没有滞后问题。
第2项发明内容是：沿着待测温容器焊接上一圈(或一段、或一圈以上的)细管2(或刻出沟槽24)，在其中嵌入石英细丝7。石英细丝7的一端与容器的壁或容器壁的延伸部分固定连接，另一端则连接到一个滑动块9上，弹簧8压迫滑动块9使石英丝7处于被拉伸或压缩状态，从而紧贴细管2或沟槽24的壁。一旦容器温度发生变化，容器与石英丝7热膨胀系数的差异导致两者之间发生相对移动，此移动被传动机构传给指针，从而显示温度。因为固体温度变化与它的冷缩热胀是同时发生的，所以用这种方法测量容器温度变化也是没有滞后的。石英丝也可用殷钢等零膨胀合金或低膨胀合金来代替，也可用硼硅玻璃丝代替石英丝。
第3项发明的内容是：把滑动块9用作容栅位移传感器的动栅，直接把石英丝7与锅体相对移动的量变成数字信号进行处理，这也是一种无滞后的温度测量。
按照本发明制成的容器，可以方便、及时、较精确地测量自身温度。如果制成炊事用锅，可使操作者迅速掌握“火候”成为烹饪高手，更可从根本上解决“粘锅”问题。这对改善生活、保障健康、节约能源有重要作用。在今后的人工智能时代，这一发明也将是智能容器(包括炊事锅具)的重要组成部分。
附图说明
图1为本发明的第一个实施例的立体图。
图2为此实施例的侧视图。(该侧视图中去除了把手3的一个侧壁以便观察)
图3为此实施例的顶视图。(上盖6和刻度盘5未画出)
图4表示石英丝7直接埋入锅体1的沟槽24之中。
图5所示为石英丝7与锅体1连接固定的两种接头。
图6所示为带有两个突起的传动轮10。
图7所示为在轴心附近带有两个小孔的试示温指针。利用这两个小孔，可把它装配到传动轮10顶端的两个小立柱上。
图8所示为可带动传动轮10的滑动块9。
图9所示为带有两个弹簧片的小轮12。
图10所示为另一种滑动块9’。它带有齿条而不是凹槽。齿条与传动齿轮17啮合。
图11所示为的传动齿轮17被安装在上盖6’上，它是一大一小两个齿轮组成的复合齿轮。其中的小齿轮与滑动块9’的齿条啮合，大齿轮与齿轮18啮合。齿轮18的轴上固定着示温指针4’。
图12表示传动齿轮17配有保证它的重复精度的弹簧8’。
图13所示为另一实施例。热电偶的一级与锅体焊接固定，而容器自身则是此热电偶的另一极。
图14所示为本发明第一个实施例的装配图。
图15所示为本发明第一个实施例的另一种形式。
图16所示为，张应力导向管29’的局部放大图。
具体实施方式
第一个是实施例
参见图1及图2。在炊用锅的外表面适当部位焊接相同材质的细金属管2。此管的一端延伸到把手3内。细管2内有石英丝7穿过。石英丝7的一端通过固定头15与炊事用锅外壁固定在一起。
参见图3，石英丝7，从金属细管2穿之后，再穿过弹簧8和滑动块9及固定块11。在穿过了石英丝7的滑动块9的孔内涂覆上环氧树脂，然后通过滑动块9对弹簧8施压，使其产生一定的压缩形变。环氧树脂固化之后，去除对滑动块9所施之力。由于滑动块9已经与孔中的石英丝7粘接，一旦压力撤除，弹簧8的弹力就通过滑动块9施加到石英丝7上，使石英丝7与细管2的管壁贴紧，并保持一定的张应力。固定块11的功能，除了对其孔中滑动的石英丝起导向作用，还可用来使石英丝7形成压应力从而紧贴管壁。这只需要把弹簧8放在滑动块9与固定块11之间，事先在滑动块9的孔中以及固定块11和它下面的滑槽22日之间涂上环氧树脂，并用专门卡具把滑动块9暂时固定在滑槽22内。然后通过固定块11压缩弹簧8，在弹簧8处于压缩状态下等候环氧树脂固化。环氧树脂固化后，固定块11一被固定在滑槽22内，滑动块9在除去固定卡具后可在滑槽22内滑动。此时弹簧8的弹力使石英丝紧贴细管2的管壁，并保持一定的压应力。它的与滑动快9粘接的一端可自由伸缩，另一端则通过固定头15或15’与锅体1固定。当石英丝7处于拉应力状态时，固定头15如图5<a>所示，当它处于压应力状态时固定头15’如图5<b>所示。石英丝7无论是处于哪种受力状态，他都会紧贴管壁，它与锅体总有相当长度的并行部分。由于两者的膨胀系数不同且一端相互固定，一旦温度变化冷缩热胀，两者的自由端一定发生相对移动。与石英丝7粘接在一起的滑动块9必会随之在滑漕22内移动。测量这个移动量便会知道锅体冷缩热胀的程度。由于锅体与石英丝的热膨胀系数，都是温度的单值函数，又由于它们的冷缩热胀与温度变化同步，通过测量滑动块9的移动量可即时测得锅体的冷缩热胀程度，也就及时测得了锅体的温度。
滑动块9位移量的测量方法：参见图3和图14，传动轮10的弯头的突起深入到滑动块9的凹槽内，并始终与凹槽的一个侧壁接触。滑动块9移动此突起随之移动并带动传动轮10旋转，与传动轮10同轴装配到一起的指针4同时旋转，旋转角度标示出锅体1的温度。
图10和图11表示另一种测量滑动块位移量并由此测出锅体温度的方法：滑动块9’与滑动块9的区别是，用齿条代替了凹槽，传动齿轮17取代了传动轮10，它的旋转轴14’不是固定在把手3上而是固定在上盖板6’上。传动轮17由一大一小两个齿轮复合组成。小齿轮与滑动块9’侧面的齿条啮合，而与此小齿轮同轴的大齿轮与另一小齿轮18啮合，小齿轮18的轴穿过上盖板6’上的轴孔与指针4’连成一体。通过这种齿轮组合，把滑动块9’的位移变成指针4’的旋转，并放大了旋转角度。
锅体1的温度有升有降，滑动块9或9’的位移方向也往复变化。为保证温度指示的重复性，除了保证石英丝7紧贴管壁外，无论是传动轮10深入滑动块9凹槽的弯头突起，还是与滑动块9’齿条啮合的传动齿轮17，都必须始终只与凹槽或齿条一侧接触而且一刻不能分离。齿轮17与齿轮18之间的接触状态也是如此。
为保证传动轮10弯头突起始终接触滑动块9凹槽的一个侧壁，带有两个簧片的小转轮12被安装在转轴的13上转轴13则固定在把手3上。转轮12的一个簧片顶住传动轮10的直头突起，另一簧片则顶住把手3的侧壁。两个簧片的弹力，压迫传动轮10的弯头突起始终与滑动块9凹槽的同一侧壁接触。在使用带有齿条的滑动块9’的情况下，只需要把齿轮17的转轴14’套上一个扭力弹簧8’。此弹簧的一端嵌入齿轮17，另一端嵌入盖板6’。(参见图12)弹簧8’使齿轮17与滑动块9’的齿条啮合后受到一个扭矩，在此扭矩作用下，齿条和齿轮17始终以同一侧的齿面相互接触而且须臾不分离。为了同样的目的，齿轮18的转轴上，同样装配扭力弹簧8’。
参见图2、图11、图14，环状的刻度盘5，镶嵌在上盖板6或6’的凹槽内。凹槽的侧面微倾与底面夹角略小于90度。刻度盘5周边与底面的夹角与此夹角相同。刻度盘5呈圆环状，上端面沿圆周方向有刻度，沿此刻度盘的径向开有一狭缝，使其可沿圆周方向伸缩，它一旦被压入上盖板6或6’的凹槽内，便难以自行脱出，但可以在凹槽内旋转以调整零点。
应指出的是，细管2可以用在锅体1上的沟槽来代替，如图四所示，只要在锅体1的适当位置，刻出宽度略大于石英丝7直径的沟槽24，把石英丝嵌入其中，然后用金属条23盖住槽口，并把它与锅体焊接成一体即。，(参见图4)当然，石英丝7从锅体上引出部分仍需穿过焊接在其出口处的金属细管。沟槽可刻于容器内壁也可以刻于外壁，如果石英丝只绕容器一圈，则沟槽宽度比石英丝略宽即可，如果是石英丝要在沟槽内盘旋一圈以上，沟槽须相应增大宽度。
在上面的实施例中，石英丝7需经小曲率半径弯曲进入把手3。因此是石英丝不能太粗，一般以140微米左右为宜。
锅体1工作时，由于石英丝7与细管2的管壁间的摩擦力以及弯曲处石英丝与细管或沟槽之间间隙发生变化，会造成温度指示的误差，为此石英丝7需具备一定的应力以贴紧细管或沟槽的内壁，使石英丝与管壁或沟槽之间的位移仅仅沿着轴线方向发生。
解决问题的另一方法是尽量减少石英丝弯曲次数，尤其是避免小曲率半径的弯曲。使石英丝7与细管沿大圆周并行，从而与管壁实现最理想贴合。这个圆周可以和锅体同轴，也可以有一夹角使圆周呈椭圆形以延长并行长度，提高测量灵敏度和精度。为此，用滑动板30，(参见图15)取代滑动块9，将滑动板30置于把手3下面的锅体附近，它与石英丝7和滑动套管31用耐高温环氧树脂粘接在一起。滑动板30向上延伸，其弯头深入把手3内与复合齿轮17的小齿轮啮合。(参见图11)复合齿轮的大齿轮与齿轮18啮合，从而把滑动板30的微小位移变为指针4’的大角度旋转，比较精确地指示锅体温度。为保持重复精度，滑动板30的齿条对与它啮合的齿轮17应保持适当压力。为此在滑动板30的中部开有一矩形孔，(参见图15)在孔的中间焊上旋转轴32，转轴32上套有小轮33，滑动板30弯头上的齿条与齿轮17啮合后，弯头受到的反作用力把滑动板30推向容器，使小轮33压在容器外壁上。这使滑动板30的齿条对齿轮17保持一定压力，小轮33可绕轴旋转，基本上消除了它与容器壁之间的摩擦力。
在上述结构中，石英丝7呈圆环状，可事先制作好后，顺着细管2或沟槽24的开口导入，因而可以有较粗的直。可以粗到400～500微米，甚至更粗，石英丝也可用硼硅玻璃丝或低膨胀合金丝如殷瓦合金丝代替。石英丝变粗的好处是在工作时非轴向的相对移动更小，而与管壁间的摩擦力可以忽略不计。
在图15中，29是焊接在锅体1上的导向管，它的一端带有螺纹，通过螺纹与螺钉25及弹簧26和垫片27，可对石英丝7，(也可以是鹏硅玻璃丝，或因瓦合金等低膨胀合金或定膨胀合金丝)施压，使其具有压应力。中空的滑动杆31，与滑动套管28和即28’滑配。石英丝7(或硼硅玻璃丝或因瓦合金等低膨胀合金定膨胀合金丝)与滑动杆31及滑动板30，用耐高温的环氧树脂粘接成整体。石英丝7，穿过与锅体焊接在一起的细管2或沟槽24直抵其封口末端，见图15<b>。
图16表示导向管29’，可对管中的丝材施加张应力。如果采用的是殷瓦合金丝7’，可在它的自由端攻出螺纹，旋动罗帽34通过垫片27压紧弹簧26，便可使另一端已固定在锅体以上的它具有张应力。殷瓦合金丝7’的另一端事先套有如图5<a>所示的固定头。装配时，把它由细管2或沟槽24的末端导入，当它从细管2或沟槽24的另一端伸出时，陆续在他上面套上，右滑动套管28和滑动杆31以及左滑动套管28’。再使它伸进导管29’，并拧上专用螺帽32。适当紧螺帽，使合金丝具备张应力，最后用耐高温环氧树脂分别把滑动杆31与金属丝以及两个活动套管28’及28与导管29’和细管2粘牢。如果使用石英丝或硼硅玻璃丝，就要把专用螺帽34变成套管套在石英丝或硼硅玻璃丝上，事先在粘接部位涂上耐高温环氧树脂，套上套管以后，以适当的力通过套管压缩弹簧26，待环氧树脂固化后除去这个压力，弹簧26的弹力使石英丝或硼硅玻璃丝具有张应力。应强调的是，无论是石英丝7，低膨胀合金是丝7’还是硼硅玻璃丝，都可以围着锅体旋绕一周，或一周以上，并可使自己盘旋的中轴线和锅体中轴线保持一个角度，这样做的目的都是为了加长，低膨胀丝和锅体的并行长度，并选择最佳测温区域，从而提高测温的灵敏度和精度，为减少低膨胀丝材与细管2或沟槽24之间的摩擦力，可在它们的接触面上涂覆石墨，二硫化钼之类的粉末润滑剂。
假设在锅具的适当位置刻出一圈沟槽24，并在沟槽中嵌入石英丝7。构槽24的直径为220mm则石英丝7与锅体1并行长度为220×π＝691.2mm，若锅体的膨胀系数，α＝18×10-6/℃，石英丝7的膨胀系数，为α＝0.56×10-6/℃，两者膨胀系数之差为Δα＝17.44×10-6/℃，每一度温度变化石英丝与锅体之间的相对移动是17.44×691.2＝12.1×10-3mm，这就是温度每变化一度，滑动块9或9’的位移量。如果传动轮10的弯头突起的臂长(从它与滑动块9的触点到旋转中心的距离)为1.5毫米，指针4的臂长(从指针尖端到旋转中心)为30毫米，则锅体的温度每变化一度，指针端的位移量为12.1×10-3×30÷1.5＝0.24mm。若锅体温度变化的范围为300度，则指针端头沿圆周移动的长度为300×0.24＝72.3mm，已知此圆周总长度为2π×30＝188.5mm，故在温度范围内指针最大偏转角为360°×72÷188.5＝137.5°。如果想进一步方便观察，可采用前述事例中齿轮传动的方式，扩大此偏转角，如果把齿轮传动比扩大到40倍，则指针最大旋转角扩大到137.5×2＝275°。此时每一度温度变化时对应的指针4’针尖的移动距离是0.24×2＝0.48毫米。指针长度，传动比等参数，可随需要情况而定，这也是本发明的优点之一，宽容度很大。
本发明的基本构思是把容器(如锅具)壁作为温度传感器的一部分，从而可以无滞后的测量到容器壁的温度。按照这个构思还可以有两个实施方案：
可以把实施例中的滑动块9用做容栅式位移传感器的动栅。位移传感器感知滑动块9的位移量由此适时测出容器壁也就是容器的温度。
直接把容器(如锅具)壁作为热电偶的一级，而把热电偶的另一极焊接到容器壁的适当部位，通过测量此热电偶的电位差，便可测知容器壁以及容器的温度。这种测量也无滞后。具体实施方式见图13。图中1为锅体，19为陶瓷套管，20为与锅体1形成热电偶的金属丝。它的一端焊接在锅体上。21为与锅体1相焊接的保护套管，选择一种与锅体金属有较大接触电位差和温差电动势的金属丝如镍铝丝20，把它与用镍络不锈钢制造的锅体焊接，焊点在锅体适当部位的凹坑内，金属丝20，被套上绝缘用的氧化铝陶瓷套管19，陶瓷管外面套有保护套管21，它的一端焊接到锅体上，镍铝丝20在套管21的保护下延伸到锅体的把手内，由把手内的常规的电子电路检测，进行数据处理显示温度传输。
第1个是实施例不需要电池，因而绝对安全，且实施成本极低。后两个实施例成本略高而且需要用电池，这引发出安全防护问题，但好处是，通过无滞后测温和数字化处理和通讯，可以实现智能化，便于人机互动。
在某些情况下，可使用高膨胀丝材如铝丝、铜丝来达到测量容器温度的效果。只要它们与容器的膨胀系数相差足够大即可。一般这种丝材的成本更低，制作起来更容易，但存在着测量滞后的问题。所以选用铜材和铝材是因为它们导热性能好，滞后相对小些。因为他们的导热性能好，需注意隔绝容器内壁以外的对它们的热传导。从而测出它们与容器壁间的膨胀差异，也就是测量出容器本身的温度。