устройство и способ для контроля наполнения чашки в торговых автоматах напитками, таких, как кофейный автомат

Формула изобретения

1. Устройство для контроля наполнения тары жидкостью торговым автоматом, разливающим напитки, включающее:

средство наполнения тары жидкостью;

средство управления средством наполнения, работающее так, чтобы выдавать команду остановки средства наполнения;

средство визуальной маркировки для отметки уровня наполнения тары жидкостью;

средство выдачи сигнала по направлению к таре для создания падающего сигнала и

средство приема падающего сигнала, которое принимает падающий сигнал, возвращающийся от тары;

причем средство управления выполняется с возможностью обрабатывать падающий сигнал путем измерения на основе этого сигнала, по меньшей мере, одной переменной, отображающей уровень наполнения в таре, и

выдавать команду остановки средства наполнения, когда указанная переменная достигает или превышает определенный предварительно заданный порог;

причем средство визуальной маркировки уровня устанавливается для указания видимой пользователю отметки на стороне тары, при этом видимая пользователю отметка на таре соответствует желательному уровню наполнения тары жидкостью; средство управления устанавливается так, чтобы останавливать средство наполнения, когда жидкость достигает желательного уровня, заданного средством визуальной маркировки, а средство визуальной маркировки выполняется с возможностью настраиваться пользователем путем смещения по стороне тары видимой пользователю отметки и соответствующего уровня наполнения в измененное положение, соответствующее выбранному пользователем уровню наполнения.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что средство визуальной маркировки уровня является светоизлучающим средством или механическим средством.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что средство визуальной маркировки отмечает положение на внутренней стенке тары.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что средство визуальной маркировки выдает отметку в форме светового пятна на внутренней стенке тары.

5. Устройство по п.2, отличающееся тем, что средство визуальной маркировки обеспечивает индикацию уровня снаружи тары.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что сигнал средства выдачи сигнала и сигнал, получаемый средством приема сигнала, являются световыми сигналами, а падающий сигнал измеряется контрольным средством.

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что средство выдачи сигнала и средство приема сигнала являются средствами, которые работают с ультразвуковыми сигналами.

8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что средство приема сигнала представляет собой ряд фотоэлектрических приемников и, по меньшей мере, одна переменная является смещением светового падающего сигнала, измеренного приемниками.

9. Устройство по п.8, отличающееся тем, что:

средство выдачи сигнала является модулем выдачи светового луча для формирования светового луча в видимом диапазоне;

средство визуальной маркировки является световым пятном на таре от светового луча, сформированного модулем выдачи светового луча; указанное пятно располагается так, чтобы отметить желательный уровень напитка в указанной таре;

средство приема является модулем приема света, выполненным с возможностью распознавать падающий луч, возвращающийся от тары; и

средство управления выполняется с возможностью измерять изменение положения падающего луча, принимаемого модулем приема света, а также останавливать подачу жидкости средством наполнения, когда положение сигнала от падающего луча достигает порога отклонения от предварительно заданного положения.

10. Устройство по п.9, отличающееся тем, что:

средство управления содержит микропроцессор, а модуль приема света содержит телекамеру, по меньшей мере, с одним рядом светочувствительных фотодиодов;

указанный ряд ориентируется так, чтобы принимать падающий луч таким образом, что изменение в положении указанного луча обнаруживается в указанном ряде одним или более фотодиодами.

11. Устройство по п.10, отличающееся тем, что телекамера ориентирует ряд фотодиодов в той же плоскости, что и световой луч, формируемый модулем выдачи светового луча, и под ненулевым углом относительно указанного луча.

12. Устройство по п.9, отличающееся тем, что модуль выдачи света является лазером или светоизлучающим диодом, установленным на лампе или оптоэлектронном компоненте, и содержит средство фокусировки.

13. Устройство по п.9, отличающееся тем, что:

средство управления содержит микропроцессор, выполненный таким, чтобы:

определять относительное начальное положение падающего луча на указанный ряд, соответствующее положению исходного светового пятна на таре;

обнаруживать изменение в положении падающего луча на указанный ряд, соответствующее изменению положения светового пятна, вызванному подъемом жидкости в таре;

выдавать команду остановки средства наполнения в зависимости от отклонения указанного положения в соответствии с предварительно заданным порогом допустимого отклонения.

14. Устройство по п.9, отличающееся тем, что средство управления содержит микропроцессор, выполненный таким, что также обнаруживает изменение интенсивности в модуле приема и управляет средством наполнения в зависимости от изменения измеряемой интенсивности.

15. Устройство по п.9, отличающееся тем, что средство управления содержит микропроцессор, который обнаруживает изменения положения падающего луча при измерении и затем сравнивает распределение интенсивности («вектор изображения»), выданное рядом фотодиодов, и обнаруживает изменение, по меньшей мере, одной переменной, относящейся к этому вектору изображения.

16. Устройство по п.15, отличающееся тем, что средство управления выполнено с возможностью контролировать выход светового луча из модуля выдачи света, который излучает в импульсном режиме, для того, чтобы принятый сигнал в модуле приема света мог обрабатываться посредством разностных измерений, состоящих в определении положения падающего луча путем получения разности между вектором изображения, полученного модулем приема света во время выдачи светового сигнала, и вектором изображения, полученного модулем приема света между двумя импульсами светового сигнала от модуля выдачи света.

17. Устройство по п.9, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит исполнительный элемент, который в начале каждого цикла наполнения управляет, по меньшей мере:

активацией средства наполнения тары жидкостью;

инициализацией средства управления для наполнения с помощью блока управления.

18. Устройство по п.9, отличающееся тем, что модуль выдачи света выполняется с возможностью перемещаться для того, чтобы быть в состоянии изменять положение светового пятна в зависимости от выбранного уровня наполнения тары.

19. Устройство по п.18, отличающееся тем, что модули выдачи света и приема света являются перемещаемыми вместе в определенном угловом секторе.

20. Устройство по п.7, отличающееся тем, что:

средство выдачи сигнала является генератором ультразвуковых волн, направленных к поверхности жидкости в таре;

средство приема сигнала является приемником волн, отраженных от поверхности жидкости;

средство визуальной маркировки, отображающее желательный уровень, устанавливает порог теоретического расстояния между поверхностью жидкости и приемником волн;

средство управления измеряет действительное расстояние между жидкостью и приемником в процессе наполнения и выдает команду остановки средства наполнения, когда действительное расстояние достигает или превышает порог теоретического расстояния, соответствующего положению уровня, отмеченного средством маркировки.

21. Устройство по п.1, отличающееся тем, что средства визуальной маркировки, выдачи сигнала и приема сигнала являются перемещаемыми совместно, обеспечивая возможность изменять маркировку уровня наполнения тары.

22. Устройство по п.21, отличающееся тем, что средства визуальной маркировки, выдачи сигнала и приема сигнала являются перемещаемыми по угловой дуге ручным или автоматическим способом.

23. Устройство по п.2, отличающееся тем, что средство визуальной маркировки представляет собой визуальный маркировочный курсор, перемещающийся вертикально шкале.

24. Устройство по п.3, отличающееся тем, что средство визуальной маркировки представляет собой визуальный маркировочный курсор, перемещающийся вертикально шкале.

25. Способ контроля наполнения тары жидкостью во время раздачи напитков торговым автоматом, разливающим напитки, отличающийся тем, что он включает:

визуальную отметку желательного уровня наполнения тары жидкостью;

выдачу сигнала по направлению к таре для формирования падающего сигнала;

прием падающего сигнала, возвращающегося от тары;

измерение на основе падающего сигнала переменной, относящейся к падающему сигналу и отображающей действительный уровень жидкости, достигнутый в таре; и

выдачу команды на остановку наполнения тары, когда указанная переменная достигает или превышает предварительно заданный порог.

26. Способ по п.25, отличающийся тем, что:

визуальная маркировка осуществляется указанием светового луча на положение желательного уровня в таре;

выдача сигнала осуществляется выдачей светового луча, который формирует падающий луч;

прием сигнала осуществляется приемом падающего луча под ненулевым углом;

измерение, по меньшей мере, одной переменной осуществляется измерением смещения падающего луча с помощью телекамеры и

выдача команды остановки, когда отклонение указанной переменной, относящейся к положению падающего луча, достигает определенного предварительно заданного порога.

Описание изобретения к патенту

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретения относится к торговым автоматам напитками, таким как кофейные автоматы или подобные устройства.

Уровень техники

Некоторые торговые автоматы напитками используют капсулы, содержащие ингредиенты, подлежащие извлечению или растворению; для других автоматов ингредиенты хранятся и дозируются автоматически в устройстве, или добавляются во время приготовления напитка.

Большинство кофейных автоматов имеют средство наполнения, включающее насос для жидкости, обычно воды, который закачивает жидкость из источника воды, которая является холодной или нагревается с помощью средства нагрева, такого как нагревающий резистор, термоэлемент или что-либо подобное.

Налив напитка в приемную тару, такую как чашка или стакан, обычно контролируется несколькими различными способами.

В некоторых способах контроль наполнения может осуществляться выполнением нескольких программ наполнения, хранимых в контроллере, который сам управляет временем активации насоса и отключает насос с помощью реле. Недостаток этого способа возникает из того факта, что в зависимости от состояния автомата, например уровня осадка, действительно поставляемые объемы могут значительно отличаться. Как следствие, контроль наполнения обычно осуществляется с использованием расходомера и с помощью блока управления, который производит обратный отсчет числа импульсов, записанных расходомером, расположенным в цепи подачи жидкости. Однако недостаток состоит в том, что необходимо предусмотреть ряд рабочих кнопок, в зависимости от числа различных предоставляемых объемов. Например, в обычном кофейном автомате требуется кнопка «ристретто» для очень маленьких доз кофе (25 мл), «эспрессо» - для маленьких доз кофе (40 мл) и «обычный» - для больших доз кофе (110 мл). Здесь имеется большой риск путаницы для пользователя, непривычного к автомату, обычно это ведет к выдаче слишком крепкого кофе или к выливанию жидкости из чашки. Другой недостаток возникает из-за отсутствия гибкости в отношении пользователя, желающего промежуточную дозу, в зависимости от типа сосуда или выбранного напитка. Расходомер может также быть недостаточно точным, или его точность может быть повреждена за счет осадка, отложившегося на его поверхности. Другой недостаток возникает из-за того, что управление расходомером не учитывает количество образованной пены, это может вести к выливанию пены для очень пенистых напитков.

Другой способ состоит в обеспечении ручной активации и деактивации насоса посредством кнопки, рычага или какого-либо другого рабочего средства. Иначе говоря, только пользователь ответственен за остановку потока жидкости в чашку. Однако при этом возникают определенные проблемы. Одна из них состоит в том, что пользователь должен оставаться внимательным во время налива напитка, без этого, система продолжает выдавать напиток: риск выливания из чашки является достаточно большим. Другой недостаток состоит в том, что такой ручной контроль неточен. Пользователь может столкнуться с трудностями при наливе желательного объема, особенно, если напиток производится с достаточным количеством пены; это может вводить пользователя в заблуждение при контроле наполнения чашки жидкостью.

Еще один способ контроля, являющийся более сложным или более дорогостоящим при внедрении, состоит в средстве распознавания упакованной порции ингредиентов (например, капсулы), например, с помощью штрих-кода, который передает автомату инструкции, специфические для выдаваемого объема. Таким же образом, эта система работает при запуске насоса, используя записанные программы, и при приеме данных, исходящих от расходомера.

Патентная заявка WO 97/25634 относится к способу и устройству для определения положения объекта, такого как сосуд в заданном окне, используя идею триангуляции лучистой энергии. Такое устройство использует первую пару и вторую пару излучателей и приемников и использует вычисления триангуляции для обнаружения наличия сосуда. Для обнаружения уровня напитка в приемной таре это устройство непригодно.

Патент США US 4458735 относится к устройству для автоматического контроля выдачи напитков, таких как «молочный коктейль», в сосуд, сделанный из полупрозрачной бумаги или пластика. Тара расположена под источником света, который направляет луч света на край сосуда, такой луч проходит через сосуд и улавливается детектором света, расположенным на противоположном крае сосуда. Сигнал, принятый детектором, сравнивается с уровнем значения сигнала, и когда ослабленный сигнал падает ниже уровня значения сигнала, выдача прекращается. Такое устройство не дает достаточной точности обнаружения, в частности, для кофейных сосудов, из-за способа, посредством которого падающий сигнал обнаруживается и затем сравнивается. Кроме того, это устройство не подходит для полупрозрачной тары. И, наконец, это устройство не позволяет выбирать уровень заполнения.

Раскрытие изобретения

Целью настоящего изобретения является избавление от недостатков торговых автоматов напитками, в частности, кофейных автоматов, путем разработки устройства для контроля наполнения тары. Это устройство должно быть простым в эксплуатации, надежным, упрощающим использование машины пользователем и приспосабливающимся к любым объемам используемой тары. Изобретение также особым образом применяется к продуктам, которые образуют пену, посредством контроля наполнения продукта, включающего слой образующейся пены.

Изобретение, таким образом, относится к устройству для контроля наполнения тары жидкостью посредством торгового автомата для напитков, включающему средство наполнения тары жидкостью; средство управления, действующее так, что оно выдает команду остановки средства наполнения. Оно также включает средство визуальной маркировки для отметки уровня наполнения тары жидкостью; средство выдачи сигнала в направлении тары; средство приема падающего сигнала, которое принимает падающий сигнал, возвращающийся от приемной тары. Средство управления может быть скомпоновано так, чтобы обрабатывать падающий сигнал путем измерения на основе этого сигнала, по меньшей мере, одной переменной, отображающей уровень заполнения тары, и выдавать команду остановки средства наполнения, когда указанная переменная достигает или превышает определенный заранее установленный порог.

В контексте данного изобретения термин «превышает» означает выход за пределы либо вверх, либо вниз, в зависимости от наблюдаемой переменной.

Согласно одному варианту осуществления такой переменной может быть смещение падающего луча, измеренное рядом фотоэлектронных приемников. Оказывается, что контроль смещения является особенно точным и, в особенности, менее подверженным колебаниям при воздействии внешних факторов, таких как пар, цвет тары, природа напитка (пена/жидкость), и т.п.

Несколько переменных можно также рассматривать в комбинации, чтобы улучшить точность обнаружения. Например, обнаружение может быть в одно и то же время связано со смещением падающего луча и связано с интенсивностью этого луча. В частности, изменения интенсивности падающего сигнала могут быть обнаружены на нескольких фотоэлектрических приемниках, расположенных, например, по меньшей мере, в одном ряду. Так, совместное изменение как смещения, обнаруживаемого несколькими фотоэлектрическими приемниками, так и интенсивности сигнала, по меньшей мере, в одном из фотоэлектрических приемников делает возможной гарантию лучшей точности обнаружения, и, таким образом, своевременной команды остановки средства наполнения.

Предпочтительно, средство приема размещается таким образом, чтобы получать падающий луч, приходящий изнутри тары. В этом случае, обнаружение может проводиться точным способом, независимо от природы тары, в частности, даже для непрозрачной тары.

В контексте изобретения изменение интенсивности понимается как изменение интенсивности самого света либо электрического или изобразительного (например, пиксельного) или светового сигнала, представляющего или фиксирующего изменение этой интенсивности света.

Таким образом, устройство согласно изобретению предоставляет возможность визуальной маркировки желательного уровня наполнения пользователем в зависимости от тары, которую он хочет использовать. Следовательно, пользователь может провести визуальное обследование выбранного уровня наполнения и, если необходимо, изменить уровень наполнения. После того, как маркировка уровня была однажды проведена, остановка наполнения осуществляется автоматически, без всякого вмешательства со стороны пользователя. То есть остановка наполнения не связана с предварительно запрограммированным временем или обратным отсчетом импульсов, исходящих от расходомера, но зависит, по меньшей мере, от одной переменной, отображающей уровень наполнения жидкостью. Другими словами, точность наполнения обеспечивается в каждом цикле.

Предпочтительно, средство визуальной маркировки является перемещаемым таким образом, что позиция маркировки изменяется в зависимости от желаемого уровня наполнения. Предпочтительно средство маркировки, средство выдачи сигнала и средство приема сигнала являются перемещаемыми вместе, как одно целое, с тем, чтобы гарантировать поддержание условий выдачи и приема сигнала независимо от положения маркировки.

Средство визуальной маркировки может быть осуществлено выдачей света, такой как световой луч, указывающий внутрь заполняемой тары и созданный модулем выдачи света. Преимущество такой системы, в том, что она компактна и обеспечивает высокую точность маркировки, особенно когда модуль выдачи света выдает свет значительной интенсивности и включает средство фокусировки светового луча. Предпочтительное средство включает интенсивный источник света типа лазера. Преимущество модуля выдачи света также связано с его использованием, в сочетании с маркировкой, как средства выдачи сигнала. Таким образом, модуль выдачи света связан с модулем приема света, который принимает падающий сигнал, являющийся результатом отражения сигнала, посланного на маркированную стенку тары и/или поверхности жидкости, когда жидкость поднимается в таре.

Таким образом, средство выдачи сигнала является модулем выдачи света для формирования луча света, видимого невооруженным глазом. Средство визуальной маркировки - это световое пятно в таре от луча света, сформированного модулем выдачи света. Указанное пятно располагается так, чтобы отметить желаемый уровень напитка в указанной таре. Средство приема является модулем приема света, скомпонованным таким образом, чтобы обнаруживать падающий луч, возвращающийся из тары. Средство управления компонуется так, чтобы измерять изменение интенсивности и/или положения падающего луча, принятого модулем приема света. Указанное средство управления скомпоновано также для выдачи команды остановки средства наполнения, когда интенсивность и/или положение сигнала от падающего луча достигли порога отклонения заранее определенной интенсивности или положения. Преимущество такой системы состоит в том, что она особенно точна, в частности, когда используемая переменная относится к изменению положения падающего сигнала.

Более конкретно, когда жидкость или пена достигает светового пятна, последнее перемещается на жидкость или пену; это смещение вызывает, как следствие, изменение в угле падающего луча, возвращающегося на модуль приема. Даже очень маленькое изменение может быть обнаружено средством управления и ведет к остановке средства наполнения.

В соответствии с предпочтительным способом модуль приема света включает телекамеру, по меньшей мере, с одним рядом фотодиодов, указанный ряд направлен так, чтобы принимать падающий луч таким образом, что изменение положения указанного луча обнаруживается на указанном ряде одним или более фотодиодов. Преимущество телекамеры, по существу, относится к способности считывать изменение, относящееся не только к интенсивности луча, но также и к положению падающего луча. А именно, на интенсивность светового луча могут влиять условия наполнения, связанные с различными внешними факторами, такими как цвет тары, окружающий пар вокруг тары, посторонняя яркость и тому подобное, это может вызвать неправильное срабатывание устройства. Изменение положения падающего луча, по своей сущности, менее подвержено изменениям условий наполнения, связанных с этими внешними факторами. Преимущество телекамеры с дискретными фоточувствительными элементами возникает из-за точности измерений, которая зависит от числа имеющихся фотодиодов или пикселей. Таким образом, делается возможной точность до пикселя или до полупикселя посредством интерполяции виртуального пикселя, это позволяет немедленно останавливать средство наполнения, когда положение луча, определяемое телекамерой, изменяется даже на очень маленькую величину.

Что касается расположения, указанный ряд фотодиодов предпочтительно располагается в той же плоскости, что и луч света, формируемый источником света, и под ненулевым углом относительно указанного луча. Такое расположение делает возможным использование телекамеры с единственным рядом фотодиодов для гарантированного обнаружения смещения падающего луча этим единственным рядом. Конечно, относительное расположение модулей передачи и приема, отличное от копланарного, должно требовать использования телекамеры с несколькими рядами фотодиодов, такой вариант также возможен, но с более сложной обработкой сигнала.

Телекамера предпочтительно объединена с оптикой, помещенной перед ней, чтобы сделать возможной фокусировку угла телекамеры, ближе к области светового пятна. В другом отличительном способе телекамера имеет также собственные средства управления, измерения и обработки сигнала, позволяющие ей формировать разностное распределение интенсивности на ряде фотодиодов (распределение интенсивности также называют «разностный вектор изображения»). Изменения, связанные с этим разностным вектором изображения, могут быть впоследствии обнаружены блоком управления, специфическим для устройства.

В соответствии с отличительной особенностью данного изобретения, устройство включает средство управления, которое скомпоновано так, чтобы:

- определять относительное начальное положение падающего луча в указанном ряде, соответствующее положению исходного светового пятна в таре;

- обнаруживать изменение в положении падающего луча в указанном ряде, соответствующее положению светового пятна, полученного при подъеме жидкости в таре;

- выдавать команду остановки средства наполнения в зависимости от изменения указанного положения, в соответствии с предварительно определенным порогом допустимого отклонения.

По другой отличительной особенности средство управления совершает измерения интенсивности падающего луча на фотодиодах. Эти измерения делают возможным получение распределения интенсивности (так называемого «вектора изображения») на ряде фотодиодов, которое делает возможным определение точки максимальной интенсивности, попадающей, например, на один конкретный светодиод в ряде. Подъем жидкости производит изменение расстояния от светового пятна до телекамеры, которое преобразуется в изменение падающего луча посредством рассеяния по ряду фотодиодов и, таким образом, в изменение распределения интенсивности или вектора изображения. Это изменение вектора изображения может соответствовать определенным изменениям, включающим, например, смещение точки (или пикселя) максимальной интенсивности в ряде, например, от одного фотодиода к другому, соседнему с ним.

Другие более важные изменения могут быть измерены и обнаружены, делая возможным улучшение точности обнаружения, по сравнению с изменением профиля вектора изображения, такие как, например, изменение наклона вектора изображения и/или изменение подпикселей, интерполированных над этим наклоном. Определение этих переменных может быть выполнено электроникой самого модуля приема света (телекамеры), и изменение, относящееся к этим переменным, может отслеживаться блоком управления. Например, наклон может измеряться между пикселем, расположенным выше среднего значения интенсивности вектора изображения, и пикселем, расположенным ниже указанного среднего значения интенсивности вектора изображения. Этот наклон фиксируется как ссылочная переменная в начале цикла, и затем неоднократно повторно вычисляется модулем приема света. Когда наклон изменяется за счет изменения положения падающего луча, это изменение обнаруживается блоком управления, и когда это изменение достигает или превышает заданный порог, устройство управления воздействует на средство наполнения для его остановки. Другой возможной переменной может являться значение интенсивности виртуального подпикселя, интерполированного в указанном наклоне между двумя пикселями на разных сторонах от среднего значения интенсивности вектора изображения. Аналогичным образом, модуль приема света неоднократно определяет значение интенсивности этого виртуального подпикселя, и изменение этого значения отслеживается устройством управления. Конечно, специалисты в данной области техники могут указать и другие переменные, связанные с вектором изображения, которые являются релевантными для улучшения точности и/или надежности обнаружения.

Предпочтительно, средство управления скомпоновано так, чтобы контролировать выход светового луча из модуля выдачи света, который выдает свет в импульсном режиме для того, чтобы принятый сигнал из модуля приема света мог обрабатываться посредством разностных измерений, состоящих в определении положения падающего луча путем получения разности между вектором изображения, полученным модулем приема света во время наличия светового сигнала, и вектором изображения, полученным модулем приема света между двумя импульсами светового сигнала в модуле выдачи света.

Другими словами, устройство работает в соответствии со способом разностных измерений, чтобы исключить уровни шума, которые могут возникнуть из-за изменений во внешних условиях, таких как, изменения окружающего света, цветов и узоров на таре или другие возможные возмущающие факторы. В разностном способе измерений блок управления берет разность между двумя распределениями интенсивности (или векторами изображения), одно - при наличии светового луча, другое - в отсутствии светового луча; эта разность ведет к исключению части интенсивности или «шума», который не связан с самим световым сигналом. Это приводит к лучшей точности и большей надежности устройства, независимо от внешних условий.

Устройство согласно изобретению также включает кнопку запуска, которая в начале каждого цикла наполнения управляет, по меньшей мере:

- активацией средства наполнения тары жидкостью;

- инициализацией процесса контроля наполнения тары с помощью блока управления.

Для того чтобы сделать возможной регулировку пользователем уровня наполнения тары, модуль излучения света скомпонован способным к перемещению таким образом, чтобы изменять положение светового пятна в зависимости от выбранного уровня наполнения.

Предпочтительно, модули выдачи света и приема света являются перемещаемыми вместе на определенный угловой сектор. Они могут перемещаться вручную или с помощью вспомогательного средства, такого как электродвигатель.

Конечно, в качестве альтернативы, средства выдачи и приема сигнала могут быть фиксированными, а положение тары - переменным, чтобы позволить пользователю визуально отмечать уровень в соответствии с его требованиями. Для осуществления этого, следует принять меры, чтобы устройство имело средство перемещения тары, давая возможность перемещать тару в зависимости от желаемого уровня в таре.

В качестве возможной альтернативы средство визуальной маркировки может быть механическим. Например, это может быть перемещаемый механический курсор, который может передвигаться вдоль линейки; курсор, дающий указание уровня вне тары, как желательного уровня жидкости.

В случае средства маркировки механического типа средства передачи и приема сигнала предпочтительно являются ультразвуковыми по своей природе.

В этом случае, устройство предпочтительно включает:

средство генератора сигнала, которое является генератором ультразвуковых волн, направленных к поверхности жидкости в таре;

средство приема сигнала, которое является приемником ультразвуковых волн, отраженных поверхностью жидкости;

средство визуальной маркировки, отображающее желательный уровень, устанавливает порог теоретического расстояния между поверхностью жидкости и приемником волн;

средство контроля для измерения действительного расстояния между поверхностью жидкости и приемником в процессе наполнения и для выдачи команды остановки средства наполнения, когда действительное расстояние достигает или превышает порог теоретического расстояния, соответствующего положению уровня, отмеченного средством маркировки.

Изобретение также относится к способу для контроля наполнения тары во время раздачи напитков торговым автоматом напитками, отличающемуся тем, что он включает:

- визуальную маркировку желательного уровня жидкости в таре;

- выдачу сигнала по направлению к таре;

- прием падающего сигнала, приходящего от тары;

- слежение за переменной, относящейся к падающему сигналу и отображающей уровень жидкости, достигнутый в таре; и

- выдачу команды на остановку наполнения тары, когда указанная переменная достигает или превышает предварительно определенный порог.

В предпочтительном способе визуальная маркировка осуществляется наведением светового луча на положение желательного уровня в таре;

выдача сигнала осуществляется выдачей указанного светового луча;

прием сигнала осуществляется приемом падающего луча под ненулевым углом;

слежение, по меньшей мере, за одной переменной осуществляется измерением смещения падающего луча с помощью телекамеры;

команда остановки выдается, когда смещение падающего луча достигает или превышает определенный предварительно заданный порог смещения указанного падающего луча.

В другом отличительном способе указанная переменная соответствует параметру, относящемуся к разностному распределению интенсивности, выданному, по меньшей мере, одним рядом фотодиодов телекамеры.

Краткое описание чертежей

Изобретение будет лучше понято, и его дополнительные отличительные особенности будут выясняться (20, 40) из прилагаемых фигур, на которых:

фиг.1 - кофейный автомат, оборудованный устройством для контроля наполнения чашки в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения;

фиг.2 - функциональная схема устройства, показанного на фиг.1;

фиг.3 - подробная иллюстрация принципа действий устройства в соответствии с изобретением; показаны ситуация положения отметки в таре без жидкости или пены и ситуация с отражением сигнала от поверхности жидкости или пены;

фиг.4 - пример алгоритма для определения переменных падающего луча, обрабатываемого модулем приема света, в частности телекамерой;

фиг.5 - пример алгоритма для контроля с помощью системы управления устройства на основе переменных, определенных алгоритмом, показанным на фиг.4;

фиг.6 - пример разностного распределения интенсивности, выданного группой фотодиодов в соответствии со световым пятном для устройства по данному изобретению («разностный вектор изображения»);

фиг.7 - схематичный вид кофейного автомата, оборудованного устройством контроля, согласно второму варианту осуществления;

фиг.8 - функциональная схема устройства, показанного на фиг.7.

Осуществление изобретения

На фиг.1 показан кофейный автомат 1, снабженный оптоэлектронным устройством 2 для контроля наполнения чашки, данное устройство способно вращаться вокруг горизонтальной оси I, давая возможность ориентировать устройство так, чтобы отметка уровня наполнения устанавливалась в зависимости от высоты чашки, представленной автомату. Как известно по существу, типичный кофейный автомат, к которому присоединяется устройство, содержит корпус 10, включающий существенные элементы для изготовления напитка типа кофе или чего-либо подобного. Среди таких элементов обычно присутствуют выходное отверстие 11, модуль извлечения для извлечения порции ингредиента (ингредиентов), содержащейся во (внутренней) капсуле, (внутренний) водяной насос для подачи жидкости в модуль извлечения под давлением, (внутренний) нагреватель воды для обеспечения насоса нагретой жидкостью, механизм 12 для вставки капсулы в модуль извлечения, держатель чашки и поднос 13 для сбора жидкости и источник 14 электрического тока.

Устройство 2 контроля делает возможным определение уровня напитка в чашке 3, после ее наполнения из выходного отверстия 11, и делает возможным остановку наполнения чашки напитком, например, останавливая процедуру извлечения из капсулы, обычно отключая водяной насос, который подает воду в модуль извлечения.

Устройство контроля содержит модуль 20 выдачи светового луча высокой интенсивности и модуль 21 приема падающего светового луча. Модуль выдачи предпочтительно располагается ниже модуля приема, чтобы обеспечить лучший угол возврата сигнала даже для тары большого размера. Модуль 20 выдачи формирует световой луч 40, сфокусированный, например, коллиматором 22, и способен направлять указанный луч на внутреннюю поверхность чашки в виде светового пятна 41 маленького размера, например, порядка 1-2 мм или больше. Размер пятна также зависит от способности материала тары отражать свет. Например, тара из белого фарфора имеет тенденцию формировать более рассеянное световое пятно, чем чашка черного цвета.

Источник света достаточной интенсивности предпочтительно является лазером или излучателем света, основанном на лампе или каком-либо другом оптоэлектронном компоненте, производящем эмиссию фотонов (например, светоизлучающем диоде). Модуль также содержит средство фокусировки, позволяющее сократить световой луч, поражающий тару до относительного малого пятна. В случае лазера, если лазер выбирается для излучения в диапазоне длин волн, который может быть считан модулем приема, способным обнаружить падающий луч 42 лазера, в особенности, в видимом световом диапазоне порядка 650 нм. В качестве лазерного модуля, подходящего для устройства по изобретению, может, например, использоваться диодный лазер с переменным фокусным расстоянием, поставляемый на рынок фирмой Conrad Electronic под ссылочным номером OLSH-703P.

Модуль приема луча предпочтительно является телекамерой. Она содержит ряд 23 фотодиодов, который расположен в той же вертикальной плоскости, что и излучаемый лазерный луч, но смещен по углу относительно исходящего луча. Каждый фотодиод является транзистором, который генерирует электрический ток, когда падающий свет достигает его. Сила порожденного тока зависит от рассеяния светового луча по ряду, фотодиод, на который попадает центр падающего луча, генерирует, в принципе, ток максимальной силы. Ряд 23 фотодиодов состоит, например, по меньшей мере, из 20, предпочтительно, по меньшей мере, из 50, а лучше всего из 100-200 фотодиодов, связанных с сетью усиления и функцией поддержки данных пикселя. Число пикселей, расстояние между ними и размер пикселя определяют точность телекамеры, и, тем самым, точность допуска на обнаруживаемое движение падающего луча. Как правило, чем больше число пикселей, тем лучше разрешение. Расстояние между пикселями, например, может составлять приблизительно 80-85 микрон между центрами. Подходящей телекамерой для устройства может, например, являться телекамера, поставляемая под ссылочным номером TSL 1401R и под торговой маркой TAOS, Piano, Texas, USA.

Телекамера 21 должна быть связана с оптической линзой 24, расположенной перед телекамерой, чтобы сфокусировать угол телекамеры на область светового пятна. Фильтр также может быть преимущественно присоединен таким образом, чтобы пропускать лучи определенных длин волн и предотвратить прохождение лучей с нежелательными длинами волн. Например, очень горячие напитки могут образовывать излучение, близкое к инфракрасному диапазону, и, следовательно, невидимое невооруженным глазом, которое необходимо отфильтровать, чтобы избежать насыщения телекамеры и/или ошибок измерения. Поэтому фильтр, не пропускающий инфракрасные волны, уничтожает эти излучения и остается только излучение, выдаваемое средством излучения света.

Как показано на фиг.2, устройство включает блок 5 управления, как правило, микроконтроллер, который, как известно по существу, обычно оборудован микропроцессором, средствами ввода и вывода, памятью для программ и памятью для переменных данных.

Вход микроконтроллера связан с кнопкой 60 запуска типа пусковой кнопки или ее эквивалентом для приема входного сигнала о начале цикла наполнения. В соответствии с преимуществом данного изобретения единственной кнопки запуска достаточно для начала цикла с различными размерами чашек, например 25, 40 и 110 мл, и различными типами напитков. Микроконтроллер имеет выход, использующий МОП-технологию, к модулю 20 выдачи лазерного луча для посылки сигналов в импульсном режиме. Модуль выдачи лазерного луча формирует световые импульсы на частоте в диапазоне 50-500 Гц. Импульсный режим является предпочтительным, так как он позволяет улучшить обработку падающего сигнала и различать полезные части сигнала от частей, вызванных возмущающими внешними условиями, например, возникающих из-за особенностей чашки (цвета, форма, узоры), пара, окружающей яркости и т.п.

Модуль 21 приема или телекамера соединен к входу микроконтроллера 5. Сигнал, формируемый телекамерой аналогового типа, так как он содержит значения интенсивности света, затем он преобразуется в цифровую форму аналого-цифровым преобразователем, интегрированным в цепь микроконтроллера. Сигнал формирует распределение электрической интенсивности на фотодиодах, в форме пика интенсивности, созданного падающим лучом, воздействующим на ряд фотодиодов. Этот сигнал анализируется микроконтроллером, который определяет фотодиоды или пиксели, выдающие максимальную электрическую интенсивность. В импульсном режиме лазера обрабатывающий блок микроконтроллера проводит вычисления с заданной частотой по разностному способу, чтобы определить максимальную интенсивность, находя разность двух измерений; одно - выполненное, когда лазер включен, другое - когда лазер выключен.

На другом выходе микроконтроллера, использующем МОП-технологию, сигнал отправляется к реле 7, которое управляет электрической активацией средства наполнения, а именно, например, поршневым насосом. Следует заметить, что средство наполнения может включать различные вспомогательные средства, такие как средство транспортировки жидкости, средство обхода и/или средство остановки. Оно может являться насосом, шлюзом (шлюзами), клапаном (клапанами) или их комбинацией. В качестве насоса может использоваться поршневой насос, диафрагменный насос, шланговый насос или некоторые другие типы насоса.

Способ работы устройства будет описан с использованием фиг.2 и 3. Пользователь ставит свою чашку в устойчивую позицию в зоне обслуживания, то есть помещает ее на поверхность опорной стойки под выходным отверстием 11. Когда лазер включен, пользователь может направить лазерный луч таким образом, чтобы отметить внутренний край чашки, соответствующий уровню наполнения, который он желает. Ориентация лазерного луча может осуществляться различными способами. Предпочтительный способ - поворачивать модули 20, 21 вместе путем вращения вокруг оси I, так чтобы поднять или опустить луч в чашке по вертикали, в соответствии с желательным уровнем. Отметка проявляется как маленькое световое пятно высокой интенсивности внутри чашки. После того как маркировка была выполнена, нажатие кнопки 60 запуска позволяет начать новый цикл наполнения. Затем микроконтроллер отправляет сигнал активации к реле 7, которое включает насос 8. Затем может начаться процедура приготовления напитка (например, извлечение или заваривание).

Как показано на фиг.3, выданный луч 40 создает световое пятно на внутренней поверхности 30 чашки. Положение 41 светового пятна на внутренней поверхности 30 чашки возвращает падающий луч 42 к модулю 21 приема, в данном примере к линейной телекамере. Падающий луч 42 и выданный луч 40 образуют угол А, зависящий от геометрии поверхности отражения. Положение столкновения падающего луча 42 с телекамерой затем запоминается микроконтроллером в форме вектора изображения. Микроконтроллер определяет, какой из фотодиодов выдает максимальную электрическую интенсивность; например, фотодиод № 64 в ряду фотодиодов от № 1 до № 128. Когда наполнение в чашке достигнуто, световое пятно движется вверх и внутрь чашки 43. Пятно 43, отражаемое поверхностью 31 жидкости и или пены, создает новый падающий луч 44 с углом В, отличным от А. Когда образуется пена, отражающей поверхностью является верхняя поверхность пены. Новый падающий луч 44 улавливается линейной телекамерой 21; это проявляется как изменение номера фотодиода или группы фотодиодов, выдающих максимальную электрическую интенсивность; такое изменение ведет к изменению вектора изображения. Например, соседний фотодиод № 65 сейчас выдает максимальную электрическую интенсивность, его интенсивность измеряется и ассоциируется с этим номером пикселя. Так как все фотодиоды измеряются в один и тот же временной промежуток, распределение интенсивности достигается в форме «вектора изображения». Когда изменение положения превышает некоторый предварительно определенный порог, в этом примере выражающийся как изменение одной или более переменных в векторе изображения, микроконтроллер отсылает сигнал открыть реле, это отключает насос и останавливает наполнение чашки. Действительная остановка наполнения, как и действительный поток жидкости в чашку, зависит от различных факторов, а именно, допуска, определенного микроконтроллером на переменную или переменные вектора изображения, и объема жидкости, вытекающего при завершении потока в капсулу с ингредиентами и в выходное отверстие. Следовательно, может оказаться важным определение минимального возможного допуска, чтобы ограничить разницу между моментом, когда световой луч отражается поверхностью жидкости или пены, и моментом, когда жидкость больше не течет из автомата.

Предпочтительный, но не ограничивающий, принцип регистрации и анализа сигнала будет сейчас описан более подробно со ссылками на фиг.4-6.

На фиг.4 показан повторяющийся цикл алгоритма для получения векторов изображения по разностному способу и определения релевантных переменных, относящихся к этим векторам изображений. Этот цикл обычно выполняется независимо системой самой телекамеры. Каждое отдельное изображение фиксируется сначала со светом лучом, а затем без него. На первом шаге 100 время интеграции, необходимое для зарядки конденсаторов пикселей телекамеры, регулируется автоматически в зависимости среднего значения всех пикселей, в соответствии с обнаруженным максимумом. Это время, в течение которого пикселям разрешено принимать световой поток, выбирается таким образом, чтобы ни один пиксель не насыщался. Время интеграции зависит от частоты, на которой считывается результат изменения. Частота импульсов луча также зависит от значения времени интеграции.

Два последовательных изображения используются для извлечения полезной информации. Поэтому, второй шаг 200 состоит из получения вектора изображения, когда лазер включен, и вектора изображения, когда лазер выключен. Более точно, вектор изображения представляет собой таблицу значений интенсивности, соответствующих распределению интенсивности, сформированному рядом пикселей.

На следующем шаге 300 телекамера вычисляет разностный вектор изображения, соответствующий разнице между двумя векторами изображения, полученными ранее. Это дает данные, необходимые для обнаружения.

Типичный разностный вектор изображения показан на фиг.6. Затем из этого вектора определяются несколько характеристик интенсивности. Первая определяемая характеристика представляет собой положение максимума интенсивности (или пик) 450, выраженное как номер (номера) пикселя и определяется на шаге 400. Она соответствует положению центра отраженного светового пятна и охватывает один или более пикселей. Затем на следующем шаге 500 мы определяем вторую характеристику, которая является показателем качества, выраженным в форме наклона 410. Чтобы сделать это, телекамера ищет пиксель 440 ниже среднего значения во время проверки на шаге 510. Это среднее значение 430 вычисляется по простой формуле: (максимальное значение + минимальное значение)/2. После того, как пиксель 440 был обнаружен, телекамера определяет первый пиксель 450, расположенный над средним значением 430 в шаге 520. Наклон 410 затем извлекается телекамерой на шаге 530, как соединительная линия между краями пикселей 440 и 450, расположенная на обеих сторонах линии средних значений. После этого, виртуальный пиксель (или подпиксель) 460 интерполируется на шаге 600 с помощью этого наклона. Этот виртуальный промежуточный пиксель также используется в вычислениях по обнаружению уровня; это делает возможным улучшение точности обнаружения, сохраняя то же разрешение. Цикл определения разностного вектора изображения завершается, и релевантные переменные обновляются. Весь этот процесс повторяется телекамерой в цикле.

На фиг.5 показан цикл управления, выполняемый блоком 5 управления, на основе данных и переменных, установленных во время цикла, показанного на фиг.4, и переданных телекамерой устройству управления. Телекамера постоянно подготавливает разностный вектор изображения, и устройство находится в режиме ожидания (шаг 110). Затем кнопка активируется пользователем (шаг 120), чтобы начать цикл извлечения для напитка. Иначе говоря, активируется насос 8, и тест может подтвердить начало или прекращение действующего цикла извлечения (шаги 130-140). В начале процедуры обнаружения, положение пикселей максимальной интенсивности, подпикселя и наклона являются хранимыми переменными, берущимися по ссылке (шаг 150). Эти переменные получаются в цикле сбора данных телекамерой, как показано на фиг.4. Во время извлечения через регулярные интервалы (например, каждые 50 мс) система выполняет чтение информации, исходящей из телекамеры (шаг 160), и выполняет тесты сравнения со ссылочными переменными (шаг 170). Тесты заключаются в вычислении и отслеживании, например, положения максимума, изменений в наклоне и в значении подпикселя. Затем устройство 5 управления останавливает извлечение, воздействуя на реле 7, когда отклонение одной или более переменных от ссылочных значений достигает или превышает предварительно определенный порог допустимого отклонения (шаг 180).

Следует понимать, что точность увеличивается для одинакового разрешения при контроле изменений нескольких параметров (положение максимума интенсивности, подпиксель и наклон), связанных с изменениями в распределении интенсивности, производимом падающим лучом, атакующим ряд фотодиодов.

Следует понимать, что метод обнаружения может быть упрощен и может просто состоять из измерения и сравнения только значений максимума интенсивности без интерполяции подпикселей и вычисления наклона; обнаружение уровня наполнения, в этом случае происходит только, когда максимум интенсивности переходит от одного диода к другому.

На фиг.7 и 8 показан второй возможный вариант осуществления устройства по данному изобретению, который работает в соответствии с принципом распространения звуковых волн. Устройство 2В включает генератор 20В ультразвуковых волн, расположенный строго вертикально над зоной размещения чашки 3, для формирования волн 40В, направленных к поверхности 31 жидкости. Приемник 21В ультразвуковых волн для приема приходящих волн 42В, отраженных от поверхности жидкости в чашке расположен строго вертикально в зоне размещения чашки. Приемник слегка смещен горизонтально относительно генератора, например на другую сторону от выходного отверстия 11. Механическая система 9 маркировки размещается в стороне от зоны размещения чашки, но как можно ближе к чашке, чтобы позволить пользователю отмечать желательный уровень с помощью курсора 90 визуальной маркировки, способного перемещаться на вертикальной шкале 91 линейки.

В противоположность предыдущему варианту осуществления маркировка производится снаружи. Конечно, понятно, что механическая маркировка может также быть заменена отметкой или световым указателем лазерного типа или ему подобным; отметка может находиться на внутренней или внешней поверхности чашки.

На фиг.8 показан принцип работы вместе с блоком управления 50. Механическая система 9 маркировки связана с потенциометром 92, что дает возможность изменять электрическое напряжение, выдаваемое контроллером, который возвращает переменную величину напряжения в зависимости от положения курсора на шкале линейки. Посредством калибровки значение напряжения ставится в соответствие с предварительно определенным теоретическим расстоянием между поверхностью жидкости и приемником волн. Это теоретическое расстояние соответствует визуальному уровню, указанному курсором 90 визуальной маркировки.

Генератор 20В ультразвуковых волн соединен с блоком управления по выходу таким образом, чтобы получать от него сигнал, когда активируется кнопка 60 запуска. В режиме ввода приемник волн информирует блок управления об изменениях действительного расстояния, отделяющего приемник волн от поверхности жидкости. Когда жидкость достигает или превосходит уровень, соответствующий теоретическому значению расстояния, блок управления выдает сигнал для закрытия реле 7 с тем, чтобы прекратить питание насоса 8.

Изобретение может включать другие варианты и сочетания в пределах объема, понятного специалистам в данной области техники, не выходя за рамки изобретения, определенные следующей ниже формулой изобретения.