專利名稱：用于控制飲料自動售貨機例如咖啡機內(nèi)的杯子填充的設備和方法
技術領域：
本發(fā)明的領域?qū)儆陲嬃献詣邮圬洐C例如咖啡機或類似設備。
背景技術：
一些飲料自動售貨機使用容納有待提取或溶解的成分的膠嚢；對于其 它機器，成分被存儲在機器內(nèi)并自動地定量供給，或者在制M料時添加。
大多數(shù)咖啡機具有包含用于液體通常是水的泵的填充裝置，該泵從水 源抽吸冷的或通過加熱裝置例如加熱電阻器、加熱塊等加熱的液體。
通常以多種不同的方式控制在容器例如杯子或玻璃杯內(nèi)的飲料的填充。
在一些模式中，對填充的控制可通過在控制器內(nèi)存儲多個填充程序來 完成，該控制器本身經(jīng)由繼電器控制泵的起動時間并停止泵，其缺陷源于 這樣一個事實，即根據(jù)機器的狀態(tài)例如水垢的程度，實際傳送的體積可發(fā) 生很大變化。結(jié)果，填充控制通常使用流量計并通過控制單元完成，該控 制單元對位于流體供應回路上的流量計上記錄的脈沖數(shù)進行倒計數(shù)。但是， 缺陷在于必須提供一系列依賴于將被傳送的不同體積的數(shù)量的操作M。
例如，在傳統(tǒng)咖啡機中，"ristretto"按鈕用于超小杯咖啡(25mL )， "espresso" 按鈕用于小杯咖啡(40mL)，而"long"掩組用于大杯咖啡(110mL)。 對于不習慣使用該機器的用戶來說有很容易發(fā)生混淆的危險；這通常會導 致輸送過濃的咖啡或者咖啡從杯中溢出。另一個缺陷源自對于根據(jù)所選擇 的膠嚢或飲料的類型可能希望中等體積的用戶缺少靈活性。流量計還可能 缺少精度或者其精度由于其表面上建立的刻度而受損。另一個缺陷源自這
樣的事實，即流量計的控制沒有考慮所產(chǎn)生的泡沫的量；對于泡沫非常多
的產(chǎn)品這會導致泡沫溢出。
另一種模式在于通過按鈕、操縱桿或一些其它的操作裝置實現(xiàn)泵的手 動起動和停止。換句話說，用戶僅負責暫停飲料向杯子內(nèi)的流動。但是，
這會導致一些缺陷。 一個缺陷是在飲料流動期間用戶必須專心；否則系統(tǒng) 繼續(xù)輸送飲料，因此溢出的危險會非常普遍。另一個缺陷起因于此手動控 制不精確這一事實。用戶然后在再次填充時會遇到困難，尤其是當飲料會 產(chǎn)生或多或少的泡沫時用戶往往希望再次填充；這會在用液體填充杯子的 控制中欺騙用戶。
另一種更加復雜且實現(xiàn)起來更加昂貴的控制模式包括成分的包裝部分 (例如膠嚢)上的識別裝置例如條形碼，該識別裝置向機器傳遞指令以便 調(diào)整將被輸送的體積。同樣，此系統(tǒng)使用記錄的程序起動泵，并獲取源于 流量計的數(shù)據(jù)。
專利申請WO 97/25634涉及一種用于使用輻射能三角測量的概念檢測 目標例如容器在目標窗口內(nèi)的位置的方法和設備。這種設^^吏用第一對和 第二對發(fā)射器和接收器，并使用三角計算來檢測容器的存在。這種設備并 不適合于檢測容器內(nèi)的飲料的液面。
專利US 4458735涉及一種用于自動地控制將飲料例如"奶昔 (milkshake)"輸送到由透明紙或泡沫材料制成的容器中的設備。該容器 放置在輻射源的下方，該輻射源使光射線指向容器的邊緣；該射線通過容 器并通過位于容器的相對側(cè)上的輻射檢測器檢測。將檢測器接收到的信號 與信號值等級比較，并且當被削弱的信號下降到低于信號值等級時停止輸 送。這種設備由于檢測入射信號然后進行比較的方式而尤其是對于咖啡容 器沒有足夠的檢測精度。此外，此設備不適合于半透明容器，最后，該設 備不能選擇填充位置，
因此，本發(fā)明的目的是通過提供一種用于控制容器的填充的設備來解 決飲料自動售貨機尤其是咖啡機的缺陷，該設備易于使用、可靠，簡化了 用戶對機器的操作并且適合于所使用的所有容量的容器。本發(fā)明還尤其可 應用于這樣的產(chǎn)品，該產(chǎn)品通過控制包括生成的泡沫層的產(chǎn)品的填充來生
成泡沫。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明涉及一種用于控制通過飲料自動售貨機向容器填充液體
的設備，該設備包括用于用液體填充容器的裝置；起作用以便命令填充裝 置停止的控制裝置。該設備還包括用于標記容器內(nèi)的液體填充液面的可視 (視覺)標記裝置，朝向容器發(fā)射信號的裝置；接收入射信號的裝置，該 裝置接收從容器返回的入射信號?？刂蒲b置可構(gòu)造成通過基于入射信號測 量代表容器內(nèi)的填充液面的至少一個變量來處理該入射信號，并且當所迷 變量達到或超過某一預定閾值時命令填充裝置停止。
在本發(fā)明的上下文內(nèi)，術語"超過"根據(jù)所監(jiān)控的變量表示向上或向 下的變化。
根據(jù)一個實施例，此變量可以是通過一連串的光電接收器測量的入射 光線的位移。已經(jīng)證明對位移的控制尤其精確，并且特別是受外部因素例 如蒸汽、容器顏色、飲料特性(液體/泡沫)等變化的影響較少。
還可結(jié)合考慮一些變量以便提高檢測精度。例如，檢測可同時涉;sj^ 射光線的位移以及此光線的強度。具體地，可在例如設置成至少一排的多 個光電接收器上檢測入射信號的強度的變化。因此，通過多個光電接收器 可檢測到的位移以及至少一個該光電接收器上的信號強度的組合變化使得 可確保檢測以及填充裝置對停止命令的響應更精確。
優(yōu)選地，接收器裝置放置成接收來自容器內(nèi)側(cè)的入射光線。因此，不 管容器的特性如何、特別是即使對于不透明的容器，仍可精確地檢測。
在本發(fā)明的上下文中，強度變化應理解為是光強度本身的變化，或者 是代表或記錄此光強度的改變的電或圖像(例如像素)或光子信號的變化。
因此，根據(jù)本發(fā)明的設備根據(jù)用戶想要使用的容器提供用戶希望的填 充液面的可視標記。用戶因此可對選擇的填充液面進行目測檢查，如果必 要的話，可在發(fā)現(xiàn)其不合適時修改填充液面。 一旦已經(jīng)進行了液面標記， 則可自動停止填充而用戶不必擔心由他自己來實現(xiàn)此停止。因此，填充的 停止不依賴于預先編程的時間或源于流量計的脈沖的倒數(shù)，而是根據(jù)代表 液體填充液面的至少一個變量來進行。換句話說，在每個循環(huán)期間都可確 保填充精度。
優(yōu)選地，可視標記裝置可移動以便根據(jù)希望的填充液面改變信號的位 置。優(yōu)選地，標記、發(fā)射和接收裝置可作為一個整體位移，以便不管標記 的位置如何都可確保保持發(fā)射和接收條件。
可視標記的裝置可表現(xiàn)為光發(fā)射例如指向容器內(nèi)并由光電發(fā)射器模塊 生成的光線。這種系統(tǒng)的優(yōu)點是其緊湊并且可實現(xiàn)高標記精度，尤其是在 光電發(fā)射器模塊產(chǎn)生很大的光強度并包括聚焦光線的裝置時。優(yōu)選的裝置 包括激光器類型的強光源。光電發(fā)射器模塊的優(yōu)點還在于它和標記模塊一 起用作信號發(fā)射裝置。因此，光電發(fā)射器模塊與光電接收器模塊相關聯(lián)， 該光電接收器模塊接收由于被發(fā)射到容器的標記壁上的信號的反射和/或 當液體在容器內(nèi)升高時液體表面的反射而產(chǎn)生的入射信號。
因此，信號發(fā)射裝置是用于生成肉眼可見的光線的光電發(fā)射器模塊。 可視標記的裝置是光電發(fā)射器模塊生成的光線在容器內(nèi)形成的光點。所述 光點定位成標記所述容器內(nèi)的希望的飲料液面.接收裝置是構(gòu)造成檢測從 容器返回的入射光線的光電接收器模塊?？刂蒲b置構(gòu)造成測量光電接收器 模塊接收到的入射光線的強度和/或位置的變化。所述控制裝置還構(gòu)造成當
時命令:真充孟置停止。這^系統(tǒng)的優(yōu)點是它尤其在確i的變量與入射信號 的位置的變化相關時特別精確，
特別地，當液體或泡沫達到光點時，光點移動到液體或泡沫的表面上； 結(jié)果，該位移導致返回接收模塊的入射光線的角度改變。即使很小的變化 也可被控制裝置檢測到，并且導致填充裝置停止。
才艮據(jù)優(yōu)選模式，光電接收器模塊包括具有至少一排光電二極管的照相
機；所述排被定向為接收入射光線以便在所述排上通過一個或多個光電二 極管檢測所述光線的位置的改變。照相機的優(yōu)點主要在于不僅能夠讀取與 光線強度有關的變化而且能夠讀取與入射光線的位置有關的變化。特別地，
與可導致設備故障的各種外部因素例如容器的顏色、容器附近的周圍蒸汽、 外部亮度等相關的填充條件可影響光線的強度。入射光線的位置的變化受 與這些外部因素相關的填充條件的變化影響較少。具有離散的光敏元件的 照相機的優(yōu)點源于測量精度，該測量精度依賴于光電二極管或生成的像素 的數(shù)量。因此，可實現(xiàn)高達一個像素的精度一一通過內(nèi)插虛擬像素可實現(xiàn)
高達半個像素的精度；這使得當在照相機上檢測到的光線的位置僅改變很 小的量時填充裝置就立即停止。
關于所迷排光電二極管的定位，所述排光電二極管優(yōu)選地定向成與光 電發(fā)射器生成的光線在相同的平面內(nèi)，并且與所述光線成一非零度角。這 種定向使得可使用具有單排光電二極管的照相機，這通過確保入射光線僅 沿此排移動實現(xiàn)。當然，除了共面之外的發(fā)射和接收模塊的相對位置將需 要使用具有多排光電二極管的照相機；這也是可行的但是需要更復雜的信 號處理。
照相機優(yōu)選地與位于其前面的光學鏡片相關聯(lián)，以便使得可以將照相 機的鏡頭視角聚焦成更接近光點的區(qū)域。在更具體的模式中，照相機還具 有其自身的控制裝置、信號測量和處理裝置，這使得其可在該排光電二極 管上產(chǎn)生差分強度分布(強度分布還被稱為"差分圖像向量")。與此差 分圖像向量相關的變化此后可由適合于該設備的控制單元檢測到。
根據(jù)本發(fā)明的一個具體方面，該設備包括控制裝置，該控制裝置構(gòu)造
成
畫確定入射光線在所述排上的相對初始位置，該位置對應于初始光點 在容器內(nèi)的位置；
-檢測入射光線在所述排上的位置的變化，該位置變化對應于由容器
內(nèi)液體的升高所引起的光點位置的改變；
-按照預定的公差閾值，才艮據(jù)所述位置的變化命令填充裝置停止。 在更具體的方式中，控制裝置測量光電二極管上的入射光線的強度。 這些測量使得可獲得在該排光電二極管上的強度分布(所謂的"圖像向 量")，這然后使得可確定到達例如該排內(nèi)的一個特定光電二極管的最大
強度的點。液體的升高使得光點到照相機的距離發(fā)生變化，這通過在該排 光電二極管上的散射轉(zhuǎn)化成入射光線的變化，并因此轉(zhuǎn)化成強度分布或圖 像向量的改變。圖像向量的此改變可對應于多個變化，包括例如最大強度 的點(或像素)在該排上一一例如從一個光電二極管到另一個相鄰光電二 極管一一的位移。
可測量和檢測其它更顯著的改變，例如圖像向量的斜率(slope)的變 化和/或在此斜率上內(nèi)插的子像素的變化，這使得與圖像向量的分布圖的改 變相比可提高檢測的精度。這些變量的確定可通過光電接收器模塊(照相 機)本身的電子器件完成，并且可通過控制單元監(jiān)控與這些變量相關的改 變。例如，可測量位于圖像向量的強度的平均值上方的像素和位于圖像向 量的強度的所述平均值下方的像素之間的斜率。此斜率在循環(huán)開始時被記 錄為參考變量，然后由光電接收器模塊反復計算。當斜率由于入射光線的 位置改變而改變時，此變化可被控制單元檢測到并且當此變化達到或超過 給定閾值時，該控制單元作用于用于停止填充的裝置。另一個可能的變量 是在位于圖像向量強度的平均值的兩側(cè)上的兩個像素之間的所迷斜率上內(nèi) 插的虛擬子像素的強度值。同樣，光電接收器模塊重復確定此虛擬子像素 的強度值；并且此值的改變通過控制單元監(jiān)控。當然，本領域的技術人員 可考慮與圖像向量相關并與提高檢測的精度和/或可靠性有關的其它變量。
優(yōu)選地，控制裝置構(gòu)造成控制從光電發(fā)射器模塊的光線的發(fā)射，該光 電發(fā)射器模塊以脈沖信號模式發(fā)射，從而光電接收器模塊的接收信號可通 過差分測量處理，該差分測量是通過計算在光信號發(fā)射期間光電接收器模 塊產(chǎn)生的圖^^向量與在光電發(fā)射器模塊的兩次光信號發(fā)射之間光電接收器 模塊產(chǎn)生的圖像向量之間的差值來確定入射光線的位置。
換句話說，設備根據(jù)差分測量模式操作，以便消除由外部條件例如周 圍光線、容器上的顏色和圖案的變化或者其它可能的千擾因素導致的噪聲 電平。在差分測量模式下，控制單元計算兩個強度變化(或圖像向量)一一 一個是存在光線時的強度，另一個是光線消失時的強度一一之間的差值； 此差值導致消除了強度的與光信號本身無關的部分或"噪聲"。這導致不
管外部條件如何設備均具有更好的精度和可靠性。
根據(jù)本發(fā)明的設備還包括一操作部件，該操作部件在每個填充循環(huán)開
始時至少命令
-啟動用液體填充容器的裝置；
-初始化通過控制單元對容器內(nèi)的填充的控制過程。
為了允許用戶調(diào)節(jié)容器內(nèi)的填充液面，光電發(fā)射器模塊構(gòu)造成能夠移 動，以^f更根據(jù)所選擇的填充液面改變光點的位置。
優(yōu)選地，光電發(fā)射器模塊和光電接收器模塊可共同移動通過一定的角 扇形。它們可^f皮手動移動，或者通過輔助裝置例如電動機移動。
當然，在可選方案中，信號發(fā)射和接收裝置可被固定，并且容器的位 置可改變以便用戶可以根據(jù)其需求可視地標記液面。為此，該設備可具有 移動容器的可動裝置，該裝置使得可根據(jù)容器內(nèi)希望的液面移動容器。
在可能的可選方案中，可視標記裝置可以是機械的。它例如可以是可 沿標尺滑動的可移動機械指針；該指針在容器外部指示希望的液面。
在機械類型的標記裝置的情況下，信號發(fā)射和接收裝置優(yōu)選地是超聲 波類型的。
在此情況下，該設^fe選地包括
信號發(fā)射器裝置，該信號發(fā)射器裝置是朝向容器內(nèi)的液體表面的超聲 波的發(fā)生器；
信號接收器裝置，該信號接收器裝置是液體表面反射的超聲波的接收
器；
代表希望的液面的可視標記的裝置，其建立液體表面和波接收器之間 的理論距離的閾值；
控制裝置，該控制裝置在填充期間測量液體和接收器之間的實際距離， 并且當實際距離達到或超過對應于標記裝置標記的液面位置的理論距離閾 值時命令填充裝置停止。
本發(fā)明還涉及一種用于在飲料自動售貨機分配飲料期間控制容器的填 充的方法，其特征在于，該方法包括
-對容器內(nèi)希望的液面進行可視標記；
-朝向容器發(fā)射信號；
-接收來自容器的入射信號；
-監(jiān)控與入射信號有關并且代表容器內(nèi)達到的液面的變量；以及 -當該變量達到或超過預定閾值時命令停止容器的填充。 在優(yōu)選模式中，通過使光線指向容器內(nèi)的希望的液面的位置實現(xiàn)可視 標記；
通過發(fā)射所述光線實現(xiàn)信號發(fā)射；
通過以非零度角接收入射光線實現(xiàn)信號接收；
通過使用照相機測量入射光線的位移實現(xiàn)對至少一個變量的監(jiān)控；
當光線的位移達到或超過所述入射光線的某一預定位移閾值時命*止。
在更具體的模式下，所迷變量對應于與照相機的至少一排光電二極管 產(chǎn)生的差分強度分布相關的^lt,


從附圖中可以更好地理解本發(fā)明并且可顯示另外的特性，在附圖中 圖1示出具有根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選模式的用于控制杯子填充的設備的咖 啡機；
圖2示出圖1的i殳備的功能圖3示出在沒有液體或泡沫時的標記位置和具有液體或泡沫表面的位 置之間的根據(jù)本發(fā)明的設備的操作原理的詳細視圖4示出用于確定通過光電接收器模塊尤其通過照相機處理的入射光 線的變量的算法的示例；
圖5示出用于基于圖4的算法確定的變量通過該設備的控制系統(tǒng)進行
控制的算法的示例；
圖6為在一組光電二極管上產(chǎn)生的對應于本發(fā)明設備的光點的強度分 布的差值("差分圖像向量")的示例；
圖7是具有4艮據(jù)第二實施例的控制設備的咖啡機的圖示； 圖8示出圖7的i殳備的功能圖。
具體實施例方式
參照圖1，示出標號為1的咖啡機，該咖啡機配備有用于監(jiān)控杯子的 填充的光電設備2，該光電設備圍繞水平軸線I可旋轉(zhuǎn)地安裝以便設備可 定向成根據(jù)機器上存在的杯子的高度對準標記。如本身已知的，該設備與 其相關聯(lián)的示例性咖啡機包括體部10,該體部包括用于生成咖啡飲料或類 似飲料的必要元件。在這些元件中通常可發(fā)現(xiàn)流管11、用于提取(內(nèi)部) 膠嚢內(nèi)容納的一定量的成分的提M塊、用于向提,塊提供加壓液體的 (內(nèi)部)液泵、用于向液泵提供加熱液體的(內(nèi)部)熱水器、用于將膠嚢 插入提W^塊的機構(gòu)12、杯子保持器和液體收集托盤13、以及電流源14。
控制設備2使得能夠檢測在飲料從流管11流出之后杯子3內(nèi)的飲料的 液面，并且可例如通過停止膠嚢提取過程一一通常通過使向提取模塊給料 的液泵停止運轉(zhuǎn)一一來暫停用飲料填充杯子。
控制設備包括用于發(fā)射高強度光線的模塊20和用于接^射光線21 的模塊。發(fā)射模塊優(yōu)選地放置在接收模塊下方，以便即使對于大尺寸的容 器仍可確保較好的信號返回角。發(fā)射模塊20生成例如通過準直儀22聚焦 的光線40，該準直儀能夠?qū)⒐饩€作為小尺寸、例如大約l-2mm或更大的 點41指引到杯子的內(nèi)表面上。點的大小還依賴于容器的材料反射光線的能 力。例如，白瓷容器將形成比黑色杯子更g的光點.
強度足夠的光源優(yōu)選地是激光器或基于產(chǎn)生光子發(fā)射的燈或一些其它 的光電子部件的光發(fā)射器(例如LED)。該模塊還包括可將沖擊容器的光 線縮小為較小的點的聚焦裝置。在激光器的情況下，激光器被選擇為在可 被能夠檢測激光器的入射光線42的接收模塊讀取的波長范圍、尤其是在大 約650nm的可見光范圍內(nèi)發(fā)射?？蛇m合于本發(fā)明的設備的激光器模塊可以 是由Conrad Electronic出售的編號為OLSH-703P的具有可變焦距的二極 管激光器類型。
用于接收射線的模塊優(yōu)選地是電子照相機。其包括一排光電二極管
23,該排光電二極管被定向成與發(fā)射的激光射線在相同的垂直平面中，但 是有角度地偏離該發(fā)射的射線。每個光電二極管是在入射光線到達時產(chǎn)生 電流的半導體。所產(chǎn)生的電流的強度依賴于光線在該排光電二極管上的漫 射，通常入射光線的中心在光電二極管上實現(xiàn)最大的電流強度。該排光電 二極管23包括例如至少20個、優(yōu)選地至少50個、最優(yōu)選地100-200個與 放大電路和像素數(shù)據(jù)支持函數(shù)相關聯(lián)的光電二極管。像素的數(shù)量、間隔和 大小決定相機的精度并因此決定所檢測到的入射光線的移動上的公差精 度。通常，像素的數(shù)量越大，分辨率越好。像素例如中心到中心地間隔大 約80-85微米。適合于該設備的照相機是由TAOS, Plano， Texas, USA 在市場上銷售的商標為TAOS且編號為TSL 1401R的照相機。
照相機21必須與放置在照相機前面的光學透鏡24相關聯(lián)，以便將照 相機的鏡頭視角聚焦在光點的區(qū)域上。還有利地以這種方式與過濾器相關 聯(lián)，即允許特定波長的射線通過并阻止不希望的波長下的射線通過。例如， 非常熱的液體可產(chǎn)生接近紅外線的輻射，因此肉眼是不可見的，該輻射必 須被過濾掉以便避免照相機飽和和/或測量誤差。因此，不透紅外線的過濾 器消除了這些輻射并僅保留由光發(fā)射裝置發(fā)射的那些射線。
如圖2所示，該控制設備包括一控制單元5，通常為一微控制器，其 本身已知為通常具有微處理器、輸入和輸出部分(1/0)、程序存儲器和用 于變量數(shù)據(jù)的存儲器。
微控制器的輸入端聯(lián)接到用于接收啟動填充循環(huán)用輸入信號的掩組類 型的操作按鈕60或等同物。根據(jù)本發(fā)明的一個有利方面，單個操作^&足 夠用于為不同大小例如25、 40和110mL的杯子以及不同類型的飲料啟動 循環(huán)。微控制器具有連接到激光發(fā)射模塊20的MOS類型的輸出端以便向 激光器發(fā)送脈沖模式的信號。激光發(fā)射模塊因此產(chǎn)生頻率為大約50-500Hz 的光脈動。脈沖模式是優(yōu)選的，因為其可改進入射信號的處理，并且可將 信號的有用部分與例如由于杯子的特性(顏色、形狀、圖案)、蒸汽、環(huán) 境亮度等被外部條件擾亂的部分區(qū)分開。
接收模塊或照相機21連接到微控制器5的輸入端。照相機生成的信號 是模擬類型的，因為其包括光強度的值，該信號然后通過集成在微控制器 電路內(nèi)的A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字模式。信號產(chǎn)生在光電二極管上的電場強 度的分布，其形式為由到達該排光電二極管的入射光線產(chǎn)生的強度峰值。 通過微控制器分析此信號，該微控制器確定產(chǎn)生最大電場強度的光電二極 管或像素。在脈沖激光模式下，微控制器的處理單元在給定頻率下以差分 模式計算，以便能夠通過對兩個強度測量值求差來確定最大強度； 一次測 量在激光器開啟時執(zhí)行，另一次測量在激光器關閉時執(zhí)行。
在微控制器的另 一個MOS類型的輸出端， 一信號^L良送到繼電器7， 該繼電器命令填充裝置即例如活塞泵8的電啟動。應指出，填充裝置可包 括各種裝置，例如液體傳送裝置、旁路和/或停止裝置。其可以是泵、門、 閥或這些裝置的組合。泵可以是活塞泵、隔膜泵、蠕動泵或一些其它泵。
下面將結(jié)合圖2和3說明設備的工作方式。用戶將他的杯子穩(wěn)定M 置在供應區(qū)；即放置在管11下方的支承件13的表面上。當激光器開啟時， 用戶可將激光射線定向為標記對應于希望的填充液面的杯子的內(nèi)緣。激光 射線的定向可按不同方式進行。 一種優(yōu)選方式是使模塊20、 21圍繞軸線I 共同旋轉(zhuǎn)來共同地定位，以便根據(jù)希望的液面在杯子內(nèi)垂直地升高或降4氐 射線。標記顯示為杯子內(nèi)的高強度的小光點。 一旦已實現(xiàn)標記，則按下操 作按鈕60使得可以開始新的填充循環(huán)。微控制器然后向繼電器7發(fā)送啟動 信號，該繼電器開啟泵8。然后開始用于制備(例如提取或煮泡)々大料的 過程。
如圖3所示，發(fā)射的射線40在杯子的內(nèi)表面30上生成光點。光點41 在杯子的內(nèi)表面30上的位置朝向接收模塊21——在此情況下為線性照相 機一一返回入射光線42,例如，入射光線42和發(fā)射光線40形成依賴于反 射面的幾何形狀的角度A。入射光線42在照相機上的沖擊位置41然后以 圖像向量的形式由微控制器存儲。微控制器確定哪個光電二極管產(chǎn)生最大 的電場強度；例如No.l到No.128的一排光電二極管中的光電二極管No.64。 當填充物到達杯子內(nèi)時，光點向上并朝杯子43的內(nèi)側(cè)移動。由液體和/或
泡沫的表面31反射的點43以與角度A不同的角度B產(chǎn)生新的入射光線 44。當產(chǎn)生泡沫時，是泡沫的上表面用作反射面。通過線性照相機21檢測 新的入射光線44;這被表示為產(chǎn)生最大電能強度的光電二極管或光電二極 管組的改變；該改變對應于圖像向量的改變。例如，相鄰的光電二極管No. 65現(xiàn)在產(chǎn)生最大電場強度；測量該強度并使之與此像素數(shù)相關聯(lián)。由于所 有的光電二極管均在同一個時間間隔內(nèi)被測量，因此可獲得"圖像向量" 形式的強度分布。當位置測量的^^差超過某一個預定的閾值一一在此情況 下#"示為圖像向量中的一個或多個變量的變化一—時，微控制器發(fā)送信 號以打開繼電器；這使泵停止運轉(zhuǎn)并暫停杯子的填充。填充即到杯子內(nèi)的 實際液體流的實際停止依賴于各種因素，即尤其是由微控制器確定的圖像 向量的變量的公差，以及最終流入容納成分的膠囊以及流管內(nèi)的液體體積。 因此，重要的是限定最低的可能公差，以便限制光點被液體或泡沫表面反 射的時刻與液體不再從機器流出的時刻之間的差值。
下面將參照圖4-6更詳細地說明信號檢測和分析的優(yōu)選但非限制性的 原理。
圖4示出用于獲取差分模式中的圖像向量并確定與這些圖像向量相關 的相關變量的算法的重復循環(huán)。此循環(huán)通常由照相機本身的系統(tǒng)獨立地實 現(xiàn)。連續(xù)地捕獲每個采樣圖像，然后在沒有光束的情況下進行采樣。在第 一步驟100中，根據(jù)所有像素的檢測到的最大值的平均值自動調(diào)節(jié)積分時 間、即照相機的像素的電容充電所需的時間，允許像素接收光通量的時間 被選擇為使得沒有像素飽和。此積分值獨立于讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果的頻率。射線 的閃光頻率還依賴于積分時間的值。
使用兩個連續(xù)的圖像來提取有用信息。因此，第二步驟200在于獲取 在激光器處于開啟模式時的圖像向量以及在激光器處于關閉模式時的圖像 向量。該圖像向量更精確地說是對應于像素排產(chǎn)生的強度的分布的強度值 的表。
在下一步驟300中，照相機計算對應于以前獲取的兩個圖像向量之間 的差值的差分圖像向量。這產(chǎn)生檢測所需的數(shù)據(jù)。
圖6中示出示例性的差分圖像向量。然后由該向量確定一些強度值。 確定的第一個值是表示為像素數(shù)并在步驟400中確定的最大強度(或峰值) 450的位置。該位置對應于反射光點的中心，其對應于一個或多個4象素。 接下來，在下面的步驟500中確定第二個值，該值是表示為斜率410形式 的品質(zhì)因數(shù)。為此，照相機搜索低于在測試510期間的平均值的像素440。 此平均值簡單地通過(最大值-最小值)/2來計算。 一旦已檢測到此像素 440，則在步驟520中照相機確定位于平均值430上方的第一個像素450。 然后在步驟530中通過照相機提取出斜率410，該斜率是位于平均值的線 的兩側(cè)的像素440和450的邊緣之間的連接線。此后，在步驟600中借助 于此斜率內(nèi)插虛擬像素(或子像素)460。此虛擬中間像素還用于液面檢測 計算；這可提高檢測精確性并同時保持相同的分辨率。確定差分圖像向量 和相關變量的循環(huán)由照相機在循環(huán)內(nèi)更新和重復。
圖5示出控制單元5基于在圖4的循環(huán)期間確定并由照相機傳遞給控 制單元的數(shù)據(jù)和變量所執(zhí)行的控制循環(huán)。照相機持久地預備好差分圖像向 量，并且設備處于備用模式(步驟IIO)。然后用戶致動按鈕(步驟120) 以便開始飲料的提取循環(huán)；換句話說，啟動泵8并且一判斷(test)可確定 開始或暫停在進行中的提取循環(huán)(步驟130-140)。在檢測過程開始時，最 大強度的像素的位置、子像素和斜率是存儲的作為基準的變量(步驟150 )。 如圖4所示，照相機在數(shù)據(jù)采集循環(huán)中獲得這些變量，在提取期間，系統(tǒng) 以規(guī)則的時間間隔(例如每50ms)讀取由照相機發(fā)出的信息(步驟160)， 并執(zhí)行與基準的比較的判斷(步驟170)。此判斷是計算并監(jiān)控例如最大 值的位置、斜率的改變以及子像素的值。然后，當一個或多個變量相對于 基準值的變化達到或超過預定的公差閾值時，控制單元5通過作用在繼電 器7上來停止提取(步驟180)。
因此，應當理解，對于相同的分辨率，通過控制與由到達該排光電二 極管的入射光線產(chǎn)生的強度分布中的改變相關的一些M(強度最大值的 位置、子像素和斜率)的變化提高了精確性。
應理解，檢測方法可以簡化，并且可僅在于測量并比較最大強度的值
而不進行子像素的內(nèi)插也不進行斜率計算；此時僅在最大強度從一個二極 管改變到另 一個二極管時才檢測填充液面。
圖7和8示出根據(jù)超聲波傳播原理工作的本發(fā)明的設備的第二種可能 模式。設備2B包括超聲波發(fā)射器20B,該發(fā)射器垂直于杯子3的放置區(qū)域 垂直地設置以便產(chǎn)生朝向液體表面31的波40B。用于接收來自杯子內(nèi)的液 體表面的反射波42B的超聲波接收器21B垂直于杯子的放置區(qū)域垂直地設 置。該接收器例如在相對于流管11的相對側(cè)上水平地稍微偏離發(fā)射器。在 放置區(qū)域的一側(cè)并且盡可能靠近杯子設置有機械標記系統(tǒng)9，以便用戶可 借助于可相對于標尺刻度91垂直移動的可視標記游標90來標記希望的液 面。
與前面的模式相反，在外部進行標記。當然應理解，機械標記也可用 激光類型的標記器或光指針等代替，以標記杯子表面的內(nèi)部或外部。
圖8示出與控制單元50 —起進行操作的原理。游標系統(tǒng)9與可變電阻 器92相關聯(lián)，該可變電阻器使得可改變控制器發(fā)出的電壓，根據(jù)標尺刻度 上光標的位置恢復可變電壓測量。通過校準，電壓值對應于液體表面和波 接收器之間的預定的理論距離。此理論距離本身對應于通過可視標記游標 90指示的可視液面。
^JC射器20B在輸出模式下與控制單元耦合，以便當a 60被致動 時從該控制單元接收信號。在輸入模式下，波接收器告知控制單元其與液 體表面隔開的實際距離的改變。當液體達到或超it^應于理論距離值的液 面時，控制單元輸出用于切斷繼電器7的信號以4更暫停向泵8的供電.
本發(fā)明可包括在本領域的技術人員的(知識)范圍內(nèi)的其它變型和組 合，而不會由此背離由下文的權利要求所限定的本發(fā)明的框架。
權利要求
1.用于控制通過飲料自動售貨機(1)向容器(3)填充液體的設備，所述設備包括用于用液體填充容器的裝置(8)；起作用以便命令填充裝置停止的控制裝置(21，5，50)；其特征在于，該設備包括用于標記容器內(nèi)的液體填充液面的可視標記裝置(20，40，41，9)；朝向容器發(fā)射信號的裝置(20，22，40，20B，40B)；接收入射信號的裝置(21，23，24，21B)，該裝置接收從容器返回的入射信號(42，42B)；并且控制裝置(21，5，50)構(gòu)造成以便-通過基于入射信號(42，44，42B)測量代表容器內(nèi)的填充液面的至少一個變量來處理該入射信號，并且-當該變量達到或超過某一預定閾值時命令填充裝置(8)停止。
2. 根據(jù)權利要求l的設備，其特征在于，液面的可視標記裝置是光 發(fā)射裝置(20， 40， 41， 43)或機械裝置(9， 90, 91)。
3. 根據(jù)權利要求2的設備，其特征在于，用光進行標記的裝置(20， 40， 41)在容器的內(nèi)壁(30)上標記位置。
4. 4艮據(jù)權利要求3的設備，其特征在于，標記裝置產(chǎn)生光點(41) 形式的標記。
5. 根據(jù)權利要求2的設備，其特征在于，標記裝置(9， 90， 91) 在容器外部給出液面指示。
6. 根據(jù)權利要求l-5中的一項的設備，其特征在于，發(fā)射信號的裝 置和接收信號的裝置是光類型的信號裝置(20, 21)。
7. 根據(jù)權利要求1或2的設備，其特征在于，發(fā)射信號的裝置和接 收信號的裝置是基于超聲波的信號裝置(20B， 21B)。
8. 根據(jù)權利要求l-6中的任一項的設備，其特征在于，所迷至少一 個變量是由一連串光電接收器測量的光入射信號的位移。
9. 根據(jù)權利要求8的設備，其特征在于，信號發(fā)射裝置是用于生成 可見光線(40)的光電發(fā)射器模塊(20);可視標記裝置是由光電發(fā)射器模塊生成的光線在容器中形成的光點 (41);該光點定位成標記所述容器內(nèi)的希望的飲料液面；接收裝置是構(gòu)造成檢測從容器返回的入射光線(42)的光電接收器模 塊(21);以及控制裝置構(gòu)造成測量光電接收器模塊接收到的入射光線(42, 44)的 位置的變化；控制裝置還構(gòu)造成當入射光線信號的位置已達到一預定位置 的變化的閾值時命令填充裝置停止。
10. 根據(jù)權利要求9的設備，其特征在于，光電接收器模塊包括具有 至少一排光敏性光電二極管(23)的照相機(21);所述排被定向為接收 入射光線(42， 44)以便在所述排上通過一個或多個光電二極管檢測光線 位置的變化。
11. 根據(jù)權利要求10的設備，其特征在于，所述排光電二極管(23) 定向成與光電發(fā)射器生成的光線在相同的平面內(nèi)，并且與所述光線成一非 零度角。
12. 根據(jù)權利要求9-11中的一項的設備，其特征在于，光電發(fā)射器模 塊是激光器或基于燈或一些其它光電子部件(LED)的光發(fā)射器，并且包 括聚焦裝置(22 )。
13. 根據(jù)權利要求9-12中的任一項的設備，其特征在于，控制裝置 (21， 5)構(gòu)造成-確定入射光線(42)在所述排(23)上的相對初始位置，該位置對 應于初始光點(41)在容器內(nèi)的位置；-檢測入射光線(44)在所述排上的位置的變化，該位置變化對應于 由容器內(nèi)液體的升高所引起的光點(43)的位置的改變；-按照預定的公差闊值，根據(jù)所述位置的變化命令填充裝置(8)停止。
14. 根據(jù)權利要求9-13中的任一項的設備，其特征在于，控制裝置 (21， 5)構(gòu)造成還檢測接收器模塊上的強度的變化，并且根據(jù)測得的強度的變化操作填充裝置(8)。
15. 根據(jù)權利要求9-14中的任一項的設備，其特征在于，通過測量并 然后比較該排光電二極管產(chǎn)生的強度的分布("圖像向量")并檢測與該 圖像向量相關的至少一個變量的改變來檢測入射光線(42 )的位置的變化。
16. 根據(jù)權利要求15的設備，其特征在于，控制裝置(21， 5)構(gòu)造 成控制從光電發(fā)射器模塊的光線的發(fā)射，該光電發(fā)射器模塊以脈沖信號模 式發(fā)射，從而光電接收器模塊(21)的接收信號可通過差分測量處理，該 差分測量是通過計算在光信號發(fā)射期間光電接收器模塊(21)產(chǎn)生的圖像 向量與在光電發(fā)射器模塊(20 )的兩次光信號發(fā)射之間光電接收器模塊(21) 產(chǎn)生的圖像向量之間的差值來確定入射光線的位置。
17. 根據(jù)權利要求9-16中的任一項的設備，其特征在于，所述設備包 括操作部件(60)，該操作部件在每個填充循環(huán)開始時至少命令-啟動用液體填充容器(3)的裝置(8);-初始化通過控制裝置的控制單元(5)進行的填充控制過程。
18. 根據(jù)權利要求9-17中的任一項的設備，其特征在于，光電發(fā)射器 模塊(20， 22)構(gòu)造成能夠移動，以便能夠根據(jù)容器內(nèi)所選擇的填充液面 改變光點的位置。
19. 根據(jù)權利要求18的設備，其特征在于，光電發(fā)射器模塊(20) 和光電接收器模塊(21)可共同移動。
20. 根據(jù)權利要求19的設備，其特征在于，光電發(fā)射器模塊(20) 和光電接收器模塊(21)可移動通過一定的角扇形。
21. 根據(jù)權利要求l、 2、 5和7中的任一項的設備，其特征在于， 信號發(fā)射器裝置是朝向容器內(nèi)的液體表面的超聲波的發(fā)生器(20B); 信號接收器裝置是液體表面反射的超聲波的接收器(21B); 代表希望的液面的可視標記裝置(9)建立液體表面和波接收器之間的理論距離的閾值；控制裝置(50)在填充期間測量液體和接收器之間的實際距離，并且 當實際距離達到或超過對應于標記裝置(9)標記的液面位置的理論距離閾 值時命令填充裝置(8)停止。
22. 用于控制通過々大料自動售貨機(1)向容器(3)填充液體的i殳備， 所述設備包括用于用液體填充容器的裝置(8); 起作用以便命令填充裝置停止的控制裝置(21， 5， 50); 其特征在于，該設備包括用于標記容器內(nèi)的液體填充液面的可視標記裝置(20， 40， 41， 9);朝向容器發(fā)射信號的裝置(20， 22， 40， 20B, 40B);接收入射信號的裝置(21， 23， 24， 21B)，該裝置接收從容器返回 的入射信號(42， 42B);并且所述可視標記裝置、發(fā)射器裝置和接收器裝置一同移動，以侵/f吏得可 改變?nèi)萜鲀?nèi)的填充液面的標記。
23. 根據(jù)權利要求22的用于控制容器的填充的設備，其特征在于， 可視標記裝置、發(fā)射器裝置和接收器裝置可以手動或自動方式移動通過一 扇形弧。
24. 用于在飲料自動售貨機分配飲料期間控制容器的填充的方法，其 特征在于，所述方法包括陽對容器內(nèi)的液體填充液面進行可視標記；-朝向容器發(fā)射信號；-接收來自容器的入射信號；-監(jiān)控與入射信號有關并且代表容器內(nèi)達到的液面的變量；以及 -當該變量達到或超過預定閾值時命令停止容器的填充。
25. 根據(jù)權利要求24的方法，其特征在于， 通過使光線指向容器內(nèi)的希望的液面的位置實現(xiàn)可視標記； 通過發(fā)射所述光線實現(xiàn)信號發(fā)射；通過以非零度角接收入射光線實現(xiàn)信號接收；通過使用照相機測量入射光線的位移實現(xiàn)對至少一個變量的監(jiān)控； 當與入射光線的位置相關的所述變量的變化達到某一預定閣值變化時 命令停止。
全文摘要
用于控制通過飲料自動售貨機(1)向容器(3)填充液體的設備，該設備包括用于標記容器內(nèi)的液體填充液面的可視標記裝置(20，40，41)；朝向容器發(fā)射信號的裝置(20，40)；接收入射信號的裝置(21)，該裝置接收從容器返回的入射信號；和構(gòu)造成根據(jù)入射信號的變化命令填充停止的控制裝置。
文檔編號A47J31/52GK101115674SQ200580048047
公開日2008年1月30日 申請日期2005年11月15日 優(yōu)先權日2004年12月14日
發(fā)明者A·克賴普, G·泰里安, M·奧贊, R·皮蓋, X·格萊皮恩 申請人:雀巢技術公司