分析水体正结冰时通过该水体传播的声波

摘要

一种方法，包括：(i)检测当水体正在结构上结冰时通过该水体传播的声波，因此产生检测到的声波；(ii)从检测到的声波提取(a)检测到的声波的频率分量和(b)频率分量的幅度；以及(iii)当幅度超过阈值时，从结构移除水体。

说明书

著作权声明

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技术领域

本公开涉及一种制冰机，更具体地，涉及对正通过制冰机中的水体传 播的声波的分析。该分析识别水体何时结冰，使得可以从制冰机收获作为 冰的水体。该分析还诊断制冰机中的设备的操作。

背景技术

本章节中描述的方法是可以实行的方法，但不一定是先前已经构想出 或者实行的方法。因此，除非另外指出，否则本章节中描述的方法对于本 申请中的权利要求而言可以不是现有技术，并且不会因包括在本章节中而 被承认为现有技术。

为了制冰机的高效操作，期望在已经完全形成冰之后就立刻移除冰， 这也被称为收获冰。这样的冰收获允许引入新的水体，使得可以形成新的 冰体，从而使得制冰机的使用最大化。

一种用于识别冰的准备就绪以用于收获的技术是监控当水体正结冰 时通过该水体传播的机械振动的幅度。在幅度超过预定阈值的时间点，假 设水体充分结冰，并且因此被收获。

该现有技术仅使用设置阈值以上的幅度变化来检测冰形成。该技术具 有如下缺陷：它不能区分机械振动的各种可能的源，并且因此，不能确定 变化起因于制冰机的声学特征变化还是周围噪声环境中的伪声学特征。因 此，现有技术不一定在最佳时间开始收获，并且因此，制冰机可能在低于 最佳效率水平处操作。

发明内容

提供了一种方法，其包括：(i)检测当水体正在结构上结冰时通过该 水体传播的声波，因此产生检测到的声波；(ii)从检测到的声波中提取(a) 检测到的声波的频率分量和(b)频率分量的幅度；以及(iii)当幅度超 过阈值时，从结构中移除水体。

还提供了一种方法，其包括：(a)检测当水体正在制冰机中的结构上 结冰时通过该水体传播的声波，因此产生检测到的声波；(b)分析检测到 的声波以产生检测到的声波的谱；(c)确定谱是否包括谱特征，因此产生 确定结果，其中当制冰机中的设备操作时，出现谱特征；以及(d)基于 确定结果，发出警报。

附图说明

图1是在制冰机中实现的系统的功能框图。

图2是图1的系统中的控制板的功能框图。

图3A和3B一起是在图2的控制板上实现的冰感测处理的流程图。

图4是在图2的控制板上实现的系统诊断处理的流程图。

图5是执行图2的冰感测处理和图3的系统诊断处理的操作的系统框 图。

在每个图中，利用相同的附图标记表示不止一个图的共同的部件或特 征。

具体实施方式

图1是在制冰机中实现的系统(这里被称为系统100)的功能框图。 系统100使用快速傅里叶变换(FFT)算法，对来自冰厚度传感器的声学 信号执行各种数字信号处理操作，用于提高冰检测的可靠性并且用于提供 关于制冰机的增强的系统诊断。

系统100包括蒸发器102、压缩机104、水泵106、控制板130以及 收获螺线管(Harvest solenoid)160。蒸发器102包括传感器110。控制 板130包括麦克风140、处理模块145以及继电器150。这里使用术语“模 块”表示可实施为独立部件、电路或者实施为多个从属部件的集成配置的 功能操作。

系统100通过包括预冷阶段、结冰阶段、收获阶段以及清除阶段的制 冰周期运行。

蒸发器102是用于在其上形成冰的结构。水泵106抽取液态水115并 且使其循环，从而水115在蒸发器102上流动并且汇集为水体，即正在结 冰成固态(即冰)的水103(在图1中，由虚线表示)。

蒸发器102具有螺旋管(未示出)，冷气或者热气是通过该螺旋管传 递(route)的。压缩机104便于冷气通过螺旋管传递。当冷气通过螺旋 管传递时，水103结冰，因此在蒸发器102上形成为冰。实际上，水115 在蒸发器102上层叠，并且逐渐结冰，使得水103形成为冰块。在水103 形成为冰之后，热气通过螺旋管传递，因此对蒸发器102加热并且使冰略 微熔化，使得可以移除冰，并且更具体地说，移除呈冰的形式的水103。

蒸发器102还可包括网格(未示出)，其用于容纳水103并以立方体 的形状、或者任何其他期望的形状形成水103。

压缩机104在操作期间发出机械振动105，并且泵106在操作期间发 出机械振动107。机械振动105和机械振动107的每个通过系统100中的 物理结构并且通过水103作为声波108传播。因此，声波108可包括来自 机械振动105和机械振动107之一或两者的贡献。

传感器110(例如，具有腔的隔膜)是检测声波108的检测器，因此 产生检测到的声波117。传感器110可位于例如蒸发器102的表面上，或 者位于它可以接收并检测声波108的任何位置处。声波导管120(例如， 塑料管)将来自传感器110的检测到的声波117耦合到麦克风140。麦克 风140将检测到的声波117转换成模拟电信号122。处理模块145接收模 拟电信号122，将其转换成数字信号，并且对其进行分析，因此有效地分 析检测到的声波117。

处理模块145基于它对检测到的声波117的分析，确定水103是否已 经形成冰，并且如果是，则发出信号124以从蒸发器102中移除作为冰的 水103。更特别地，当处理模块145确定水103已经形成冰，则处理模块 145将信号124发到继电器150，其依次发出使螺线管160通电的致动信 号155。使螺线管160通电引起热气通过蒸发器102的螺旋管传递，其使 得水103略微熔化并且变得脱离蒸发器102。冰的移除也被称为收获。

如上文提到的，声波108可包括来自机械振动105和机械振动107 之一或两者的贡献。因此，机械振动105或机械振动107之一可以是声波 108的源，并且因此，可以是用于由处理模块145执行分析的检测到的声 波117的源。

机械振动105和机械振动107的每个是唯一的，并且因此，对于压缩 机104和设备106的每个，提供了唯一的谱特征。处理模块145分析检测 到的声波117，并且得出关于压缩机104和泵106的操作的一些结论。例 如，处理模块145借助于与系统100的其他部件的通信了解系统100正操 作于哪个制冰阶段，并且还了解压缩机104何时应该开启以及压缩机104 何时应该关闭。因此，处理模块145基于它对检测到的声波117的分析， 还确定压缩机104是否在其适当的时间开启或关闭。如果处理模块145 确定压缩机104没有正确地操作，则处理模块145发出警报信号165。警 报信号165可以显现为例如用户界面(在图1中未示出)上的故障指示符。 处理模块145对于泵106的操作进行类似的确定，并且警报信号165指示 泵106的操作状况。

图2是控制板130的功能框图，并且示出了处理模块145的另外的细 节。处理模块145包括微控制器205和数字信号处理模块210。

如上文提到的，处理模块145接收来自麦克风140的模拟电信号122。 微控制器205包括用于对模拟电信号122进行放大和滤波的模拟电路(未 示出)，以及将模拟电信号122转换成数字信号208的模数转换器(A/D) (未示出)。因此，数字信号208是检测到的声波117的数字表示。数字 信号处理模块210接收数字信号208并且根据这里指定为冰感测处理215 和系统诊断处理220的方法来处理数字信号208。

根据冰感测处理215，数字信号处理模块210分析数字信号208以确 定水103是否已经形成为冰，并且如果是，则将信号124发到继电器150， 其相应地发出致动信号155。以下参照图3A和3B更详细地描述冰感测 处理215。

根据系统诊断处理220，数字信号处理模块210分析数字信号208， 以得出关于压缩机104和泵106的操作的结论，并且如果必要，发出警报 信号165。以下参照图4更详细地描述系统诊断处理220。

图3A和3B一起是冰感测处理215的流程图。如上文提及的，根据 冰感测处理215，数字信号处理模块210分析数字信号208以确定水103 是否已经形成为冰。冰感测处理215从步骤310开始。

在步骤310中，系统100开始它的结冰阶段。因此，水115层叠在蒸 发器102上，并且水103正在结冰。传感器110检测声波108，因此产生 检测到的声波117，并且麦克风140将检测到的声波117转换成模拟电信 号122。冰感测处理215从步骤310前进到步骤320。

在步骤320中，微控制器205中的A/D以某个取样频率(例如，2.5 千赫兹(kHz))对模拟电信号122进行取样，并且将模拟电信号122转 换成数字信号208。检测到的声波117是时域信号。数字信号208是检测 到的声波117的数字表示，并且因此也是时域信号。冰感测处理215从步 骤320前进到步骤330。

在步骤330中，数字信号处理模块210将数字信号208从时域信号变 换成频域信号。更具体地，数字信号处理模块210对数字信号208执行 FFT。FFT确定检测到的声波117的频率分量和它们各自的幅度。例如， 数字信号处理模块210执行256点FFT，并且将频率分量和它们各自的 幅度保存到FFT阵列332。冰感测处理215从步骤330前进到步骤340。

在步骤340中，数字信号处理模块210从FFT阵列332中提取一个 或多个关注频率分量和它们各自的幅度。例如，数字信号处理模块210 提取基频分量、基频分量的二次谐波和基频分量的三次谐波，以及关于基 频、二次谐波和三次谐波中的每个的幅度。基频将是例如机械振动105 的基频或者机械振动107的基频。冰感测处理215从步骤340前进到步骤 350。

机械振动105的基频和机械振动107的基频可以是压缩机104和泵 106的固有性质，并且因此是预先已知的。否则，可以通过观察获得这些 基频，或者可以在冰感测处理215的学习模式期间获得这些基频。例如， 为了学习机械振动105的基频，数字信号处理模块210借助于与系统100 的其他部件的通信，将(a)关闭压缩机104，并且估计检测到的声波117 的第一谱，并且随后(b)开启压缩机104，并且再次估计检测到的声波 117的第二谱。机械振动105的基频将呈现为第二谱中而非第一谱中的主 频分量。可替选地，不同于数字信号处理模块210控制压缩机104的开/ 关状态，系统100可以进入常规操作模式并且向数字信号处理模块210 通知压缩机104何时开或关。

在接下来的两个步骤中，在结冰阶段的早期部分中，例如在最初的两 分钟内，在水130已形成为冰块之前，数字信号处理模块210获得关注频 率的环境声级。

在步骤350中，数字信号处理模块210考虑结冰阶段是否处于其早期 部分。如果结冰阶段处于其早期部分，则冰感测处理215从步骤350前进 到步骤354。如果结冰阶段未处于其早期部分，则冰感测处理215从步骤 350分支到步骤360。

在结冰阶段处于其早期部分时执行的步骤354中，数字信号处理模块 210将关注频率分量以及它们的幅度存储在阈值阵列352中。冰感测处理 215从步骤354循环回到步骤320。

通过循环回到步骤320，并且历经步骤330、340、350和354而前进， 关注频率的环境声级被重复捕获并且存储在阈值阵列352中。

在结冰阶段未处于其早期部分时执行的步骤360中，针对具有阈值阵 列352中的幅度的关注频率中的每个，数字信号处理模块210计算平均幅 度。数字信号处理模块210向该平均幅度添加裕度，例如3分贝(dB)， 因此产生了合成阈值，并且将该合成阈值存储到阈值寄存器362中。阈值 寄存器362因此将保存关于每个关注频率的合成阈值。冰感测处理215 从步骤360前进到步骤370。

在步骤370中，随着水103继续结冰，数字信号处理模块210捕获和 处理检测到的声波117的实时样本。更具体地，数字信号处理模块210从 检测到的声波117中提取关注频率分量以及它们各自的幅度。出于较好的 信噪比(SNR)，并且因此出于较好的数据完整性的目的，考虑在某一时 段上的平均实时幅度，例如在一秒的时间间隔上获得的五个FFT幅值的 平均值。冰感测处理215从步骤370前进到步骤380。

在步骤380中，数字信号处理模块210将关注的实时频率分量的幅度 与阈值寄存器362中的它们的相应的幅度比较。进行该比较的原因在于， 当水103充分形成为冰块时，关注频率的实时幅度将显著大于形成冰之前 的它们的实时幅度。

在步骤380中，如果没有实时幅度大于阈值寄存器362中的其相应的 幅度，则数字信号处理模块210推断水103仍未充分结冰，并且数字信号 处理模块210循环回到步骤370。

在步骤380中，如果关于任何关注频率分量的实时幅度大于阈值寄存 器362中的其相应的幅度，则数字信号处理模块210推断水103充分结冰， 并且数字信号处理模块210前进到步骤390。

仍然参照步骤380，尽管前进到步骤390被描述为在如下情况中发生： 对于任何关注频率分量，实时幅度大于阈值寄存器362中的其相应的幅 度，但是测试可以基于某一其他最小数目的关注频率分量的实时幅度大于 阈值寄存器362中的其相应的幅度。例如，测试可以需要三个关注频率分 量中的至少两个的实时幅度大于阈值寄存器362中的其相应的幅度。

在步骤390中，数字信号处理模块210向继电器150发出信号124， 其相应地发出使螺线管160通电的致动信号155。使螺线管160通电导致 从蒸发器102收获(即移除)具有冰的形式的水130。

图4是系统诊断处理220的流程图。如上文提及的，根据系统诊断处 理220，数字信号处理模块210分析数字信号208以得出关于压缩机104 和泵106的操作的结论，并且如果必要，发出警报信号165。简言之，数 字信号处理模块210估计系统100中的设备的声学特征以确定是否在适当 的时间使设备通电。下文描述了关于压缩机104和泵106的操作的系统诊 断处理220。然而，系统诊断处理220可以用于估计系统100中的生成机 械振动的任何设备(例如，倾泻阀、收获螺线管和进水口)的操作。系统 诊断处理220从步骤410开始。

在步骤410中，系统诊断处理220开始操作。系统诊断处理220从步 骤410前进到步骤420。

在步骤420中，数字信号处理模块210操作于学习模式，其中数字信 号处理模块210分析并记录压缩机104和泵106产生的机械振动。例如， 借助于与系统100的其他部件的通信，数字信号处理模块210使压缩机 104通电或者得知压缩机104的通电。压缩机104生成在声波108中显现 的并且由传感器110检测到的机械振动105，以产生检测到的声波117。 数字信号处理模块210分析检测到的声波117以获得压缩机104的谱特 征，即频率分量和幅度。数字信号处理模块210以类似方式获得泵106 的谱特征。数字信号处理模块210将关于压缩机104和泵106中的每个的 谱特征存储在谱特征阵列425中。系统诊断处理220从步骤420前进到步 骤430。

在步骤430中，当系统100通过其正常制冰周期(即，预冷、结冰、 收获以及清除)运行时，数字信号处理模块210执行FFT并且观察声学 数据。更具体地，数字信号处理模块210分析检测到的声波117以产生其 谱。数字信号处理模块210将该谱存储在谱阵列432中。系统诊断处理 220从步骤430前进到步骤435。

在步骤435中，数字信号处理模块210考虑制冰周期的阶段，以及压 缩机104或泵106是否应被通电。就是说，数字信号处理模块210借助于 与系统100的其他部件的通信，了解压缩机104或泵106是否应被通电。 如果压缩机104或泵106不应被通电，则系统诊断处理220循环回到步骤 430。如果压缩机104或泵106应被通电，则系统诊断处理220前进到步 骤440。

在步骤440中，数字信号处理模块210确定来自步骤430的谱是否包 括应被通电的设备，即压缩机104或泵106的谱特征。例如，假设压缩机 104应被通电。因此，数字信号处理模块210确定谱阵列432是否包括谱 特征阵列425中存储的压缩机104的谱特征。系统诊断处理220从步骤 440前进到步骤450。

在步骤450中，如果谱阵列432包括例如压缩机104的正被考虑的设 备的谱特征，则数字信号处理模块210推断系统100正进行适当的操作， 并且因此系统诊断处理220循环回到步骤430。如果谱阵列432不包括正 被考虑的设备的谱特征，则数字信号处理模块210推断系统100未进行适 当的操作，并且因此系统诊断处理220前进到步骤460。

仍然参照步骤450，想到谱特征阵列425包含关于压缩机104和泵106 中的每个的谱特征。因此，数字信号处理模块210能够确定检测到的声信 号117是否包括机械振动105和机械振动107之一或两者。这还使得系统 诊断处理220能够区分来自压缩机104和泵106的谱贡献，并且确定压缩 机104和泵106之一或两者是否开启，并且因此诊断压缩机104和泵106 之一或两者的操作。此外，数字信号处理模块210甚至可以在检测到的声 信号117包括噪声或者来自系统100中的其他设备的谱贡献的情况中进行 这些确定。

在步骤460中，系统诊断处理220发出警报信号165。

上文将数字信号处理模块210描述为针对如下情况发出警报信号 165：预期所考虑的设备将开启，但是谱阵列432不包括所考虑的设备的 谱特征。然而，系统诊断处理220可以被配置为，数字信号处理模块210 在如下情况中发出警报信号165：预期设备将关闭，并且因此，谱不应包 括设备的谱特征，然而谱阵列432却仍包括该设备的谱特征。该情形可能 在例如系统100未能关闭设备或者设备被困于其开启状态的情况中发生。

回顾上文，系统100包括检测器，即传感器110，以及处理器，即处 理模块145。传感器110检测当水103正在制冰机中的结构(即蒸发器102) 上结冰时通过水体(即水103)传播的声波108，因此产生检测到的声波 117。

处理模块145：从检测到的声波117提取(a)其频率分量，和(b) 该频率分量的幅度；并且当该幅度超过阈值时发出信号，即信号124，以 从蒸发器102移除水103。

处理模块145还：分析检测到的声波117以产生其谱；确定该谱是否 包括谱特征，因此产生确定结果，其中当制冰机中的例如压缩机104的设 备正在操作时出现该谱特征；并且基于该确定结果发出警报，即警报信号 165。

检测到的声波117是时域信号。处理模块145为了提取频率分量和上 述幅度：将该时域信号变换为频域信号；并且从该频域信号获得频率分量 和上述幅度。

此外在系统100中，将上述幅度与其比较的阈值可以被视为第一阈 值，并且因此，处理模块145：还从检测到的声波117提取(a)频率分 量的谐波，和(b)谐波的幅度；并且当(i)上述幅度超过第一阈值且(ii) 谐波的幅度超过第二阈值时向继电器150发出信号124。

上文在处理模块145在控制板130上实现的情况下描述了系统100。 因此，处理模块145或者任何其部件，以及特别地，数字信号处理模块 210，可以在硬件(例如，电子电路)或固件或者它们的组合中实现。此 外，数字信号处理模块210可以在软件中实现，并且在与系统100中的其 他部件通信的计算机上运行。

图5是数字信号处理模块210的计算机实现的实施例(其在下文中被 称为500)的框图。系统500包括计算机505，其依次包括处理器515和 存储器520。系统500与系统100中的其他部件通信。

处理器515是响应并且执行指令的由逻辑电路配置的电子设备。

存储器520是通过计算机程序编码的计算机可读介质。在这一点上， 存储器520存储数据以及可由处理器515读取和执行的用于控制处理器 515的操作的指令。存储器520可以在随机存取存储器(RAM)、硬盘、 只读存储器(ROM)、闪速存储器或者它们的组合中实现。存储器520的 部件之一是程序模块525。

程序模块525包含用于控制处理器515执行这里描述的方法的指令。 就是说，来自程序模块525的指令在被处理器515读取时使处理器515执 行冰感测处理215和系统诊断处理220的操作。

尽管这里将程序模块525描述为安装在存储器520中，并且因此在软 件中实现，但是其也可以在任何硬件(例如，电子电路)、固件、软件或 者它们的组合中实现。

处理器515输出这里描述的方法的执行结果，例如基于警报信号165 的发出的故障指示符。可替选地，处理器515可以经由网络(未示出)将 输出引导至远程设备(未示出)。

尽管程序模块525被表示为已加载到存储器520中，但是其也可以配 置在存储介质535上，用于随后加载到存储器520中。存储介质535也是 在其上存储程序模块525的计算机可读介质。存储介质535的示例包括软 盘、致密盘、磁带、只读存储器、光存储介质、通用串行总线(USB)闪 速驱动器、数字多用途光盘或者zip驱动器。可替选地，存储介质535可 以是位于远程存储系统上并且经由网络(未示出)耦合到计算机505的随 机存取存储器或者其他类型的电子存储设备。

这里描述的技术是示例性的，并且不应被解释为意味着对本公开的任 何特别限制。应理解，本领域的技术人员可以设计各种替选、组合以及修 改。例如，系统100可包括用于检测水103的各种位置的声波108的多个 传感器110，并且与这里描述的处理相关联的步骤可以以任何顺序执行， 例如，步骤435和430的顺序可以反转，除非步骤本身另外指明或规定了 顺序。再者，虽然声波108在这里被描述为得自压缩机105或泵107的机 械振动，但是系统100可以包括特殊用途的设备，其生成用于由处理模块 145进行分析的特定的振动。本公开旨在涵盖落入所附权利要求的范围内 的所有这样的替选、修改以及变化。

术语“包括”或“包含”要被解释为指明所叙述的特征、整体、步骤 或部件的存在，而非排除一个或多个其他特征、整体、步骤或部件或者它 们的组的存在。