Vorrichtung zur Steuerung der Erwärmung von Nahrungsmitteln
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Steuerung der elektrischen
Energieversorgung des Inhalts eines Kochtopfes auf einer Kochmulde.
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Es sind Ausführungsformen bekannt, die basieren auf der Messung der Temperatur der
Topfunterseite über eine Sensorplatte, die mittels einer Feder gegen die Unterseite des
Topfes gedrückt ist, woraufhin der Sensor in einer Weise, die aus vielen Möglichkeiten
ausgewählt ist, die Energieversorgung steuert, bis eine vorgewählte Temperatur erreicht
wurde, woraufhin ein Schalten zwischen Energieversorgung und Trennung stattfindet, um
die Temperatur konstant zu halten. Diese kann z. B. in der Gegend des Siedepunkts des
Inhalts liegen. Diese Ausführungsform hat insbesondere für Kochplatten traditionellen Typs,
d. h. massive oder spiralförmige, den Vorteil, daß sie in der Mitte der Kochplatte
positioniert werden kann und daher nicht im Weg ist. Die Nachteile davon könnten sein, daß
die gemessene Temperatur durch die Kochplatte selbst beeinflußt werden kann, jedoch
existiert in der Praxis zwischen der Kochplatte und dem Sensor ein größerer
Wärmeleitungswiderstand als zwischen dem Sensor und der Topfunterseite, an der er durch
den Federdruck ruht, was alle nachteiligen Einflüsse vermindert. Für Kochplatten
moderneren Typs, beispielsweise Keramik, Halogen oder Induktion, die eine plane
Kochmuldenoberfläche aufweisen, ist es ein ausgesprochener Nachteil, daß Vertiefungen
ausgebildet werden müssen, in die die Sensoren einzupassen sind, und in der Praxis werden
solche Ausführungsformen nicht mit dieser Art von Kochmulden verwendet.
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Weiterhin sind Komponenten bekannt, die in Verbindung mit der direkten Energiesteuerung
ein Modell für die Wärmeübertragung zwischen der Kochplatte und dem Inhalt eines Topfes
bilden. In ihrer einfachsten Form sind diese als "Semmerstat" (registrierte Marke) bekannt,
die einen thermostatischen Draht mit einer wohl definierten Wärmeübertragung aufweisen,
in Verbindung mit einem Knopf, der intermittierend die volle Leistung an- und ausschaltet.
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Dies muß jedoch für jeden Topf und jede Kochplatte manuell eingestellt werden, und es hat
daher keine Auswirkungen, daß die elektromechanische Ausführungsform durch eine
elektronische Lösung ersetzt wurde.
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Weiterhin sind thermometrische Lösungen bekannt, in denen ein Fernthermometer mit der
Kochmulde über ein Kabel zum Übermitteln der Signale von dem Thermometer zu der
elektrischen Steuerschaltung verbunden ist. Dies liefert eine Steuerung der
Energieversorgung, die vom Standpunkt der Temperatur aus ideal ist, weil es nur die
thermische Zeitkonstante aufgrund der Wärmeversorgung und des Topfes ist, die die
Geschwindigkeit der Steuerung beeinflußt, aber im praktischen Gebrauch in einer
Kochmulde ist es eine Konstruktion, die nicht geeignet ist. Dies wird insbesondere durch die
Tatsache verursacht, daß es unmöglich ist, einen dichtsitzenden Deckel zu benutzen, daß der
Thermometersensor Geschmack von Topf zu Topf übertragen kann, und daß es schwierig
sein kann, die Anzahl der Fernthermometer zu verfolgen, wenn es ein Thermometer pro
Kochplatte gibt.
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Aus der US 5 059 902 ist es bekannt, eine Anzahl von Variablen zu messen, unter diesen die
Temperatur, unter Benutzung der Erzeugung eines Magnetfelds mittels eines Gleichstroms
durch eine Spule, und Messen der Abfallzeit dieses Feldes, wenn der Gleichstrom
unterbrochen wird. Die Spannung, die in einer Aufnahmespule durch das abfallende Feld
induziert wird, wird gemessen. Die vorgeschlagenen Anwendungen sind für sehr hohe
Temperaturen wie beim Gießen von Eisen und seinen Legierungen.
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Es ist das Ziel der Erfindung, eine Konstruktion zur Steuerung der elektrischen
Energieversorgung des Inhalts eines Topfes bereitzustellen, die die beschriebenen Nachteile
vermeidet, und die eine große Flexibilität dahingehend erlaubt, welche Kochplatten mit
einer solchen Möglichkeit auszustatten sind.
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Dies wird erreicht durch eine Konstruktion nach der Erfindung, wie sie in Anspruch 1
definiert ist.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform nutzt dieselbe Spule, um das magnetische Feld zu
erzeugen und den Zerfall des magnetischen Felds in einer folgenden Meßphase zu
detektieren.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform nutzt gutleitende Teile des Topfes als Spule,
deren Energiedispersion als Folge des Zerfalls des magnetischen Feldes durch Meßfühler,
die in oder unter der Oberfläche der Kochmulde angeordnet sind, detektiert wird. Eine
weitere vorteilhafte Ausführungsform nutzt einen abgedichteten Resonanzkreis, der in den
Inhalt des Topfes gebracht wird, umfassend eine Spule und einen Kondensator, dessen
Widerstand, Kapazität oder Selbstinduktion temperaturabhängig ist, und dessen
Energiedispersion als Folge des Zerfalls des magnetischen Gleichfeldes durch Meßfühler,
die in oder unter der Oberfläche der Kochmulde angeordnet sind, detektiert wird.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform nutzt mehrere Schritte in einem
Temperaturmeßverfahren, in dem ein Topf mit einem wohl bekannten Inhalt in einer
Kalibrierungsphase während der Durchführung eines Standardmeßzyklus eine
Kernzeichnung des Topfes ergibt, die gespeichert wird, woraufhin dieser Wert die
nachfolgenden Benutzungen desselben Topfes zum Heizen des Topfinhalts als
Korrekturreferenz benutzt wird.
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Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, daß ein magnetisches Feld, das mittels eines
Gleichstromes in einer stationären Spule mit einer festen und gleichförmigen Geometrie
erzeugt worden ist, nach dem Wegfall des Stroms in Abhängigkeit derjenigen
Komponenten, die von dem magnetischen Feld beeinflußt worden sind, zerfallen wird. Es ist
dann von untergeordneter Bedeutung, ob die Frequenz der gedämpften Oszillation dediktiert
wird, oder die Zeitkonstante des Zerfalls des Feldes selbst, gemessen als induzierte
Spannung in einer stationären Spule. Wichtig für den Erhalt eines Steuersignals für eine
Energieversorgung ist, daß es einen Einfluß auf den Zerfall gibt, der direkt mit der
Temperatur des Inhalts des Topfes in Beziehung steht.
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Im Falle einer gedämpften Oszillation wird in der Praxis ein Resonanzkreis sein, der durch
die Versorgung mit einem Gleichfeld energetisiert wurde, d. h. er hat Energie absorbiert, die
mit der Frequenz des Resonanzkreises abfließt. Im Falle des Zerfalls eines Feldes wird es in
der Praxis die Selbstinduktion und der interne Widerstand des Topfs selbst sein, der den
Zerfall bestimmt, und es wird in diesem Fall hauptsächlich der temperaturabhängige
spezifische Widerstand sein, der die Geschwindigkeit beeinflußt, mit der der Topf die
gespeicherte magnetische Energie abgibt. Es ist offensichtlich, daß im Fall, daß ein breiter
Frequenzbereich betrachtet wird, Hochfrequenzphänomene kurzer Dauer auftreten, die
durch die Existenz von Kapazitäten im Zusammenhang mit dem Topf verursacht werden,
aber deren Einfluß ist so klein, daß sie von einem Standpunkt der Messung aus als parasitär
betrachtet werden können.
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Bei der Benutzung der Erfindung ist der Mechanismus als solcher, mit dem der Inhalt des
Topfes Energie zugeführt wird, völlig irrelevant, aber es ist offensichtlich, daß bestimmte
Vorteile erreicht werden können in Verbindung mit einer intermittierenden Verbindung mit
einer Energiequelle, dadurch, daß die Meßphase geeignet mit einer Phase, während der dem
Topfinhalt keine Energie zugeführt wird, synchronisiert wird.
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Die Erfindung wird im folgenden ausführlich beschrieben mit Bezug auf die Zeichnungen,
worin
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Fig. I eine allgemeine Anordnung mit einer Kochplatte, einer Übertragungs-
/Empfangsspule, und einem Topf mit der notwendigen Elektronik zeigt;
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Fig. 2 Verläufe des Zerfalls des magnetischen Feldes, das kurzzeitig durch Teile des
Topfes gespeichert ist, zeigt;
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Fig. 3 Verläufe des Zerfalls des magnetischen Feldes, das kurzzeitig durch eine
temperaturempfindliche Einheit gespeichert wird, die in dem Inhalt des Topfes
angeordnet ist, zeigt;
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Fig. 4 eine schematische Anordnung zur Messung der Zeitkonstante des Zerfalls zeigt;
und
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Fig. 5 eine schematische Darstellung der Durchführung der Selbstkalibierung ist.
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Fig. 1 zeigt eine Kochmuldenoberplatte 1, bevorzugt aus einem temperaturstabilen, aber
nichtmetallischen Material, auf der ein Topf 2 mit Inhalt 3 angeordnet ist. Zur Deutlichkeit
zeigt eine dickere Linie an, daß der Topf eine wohl definierte Konduktanz hat, insbesondere
nahe der Unterseite 4. Direkt unterhalb der Oberplatte ist ein Heizelement 5 angebracht, das
den Topf und damit den Inhalt heizt. Das Heizelement umgebend ist eine äußere Spule 6
konzentrisch zu dem Topf angebracht, die ein magnetisches Feld durch den Topf und eine
dazu konzentrische innere Spule 7, die als Detektorspule für das magnetische Feld benutzt
wird, aufbauen kann. In den Inhalt des Topfes ist ein gerundeter Körper 8 eingebracht, der
einen Resonanzkreis mit einer Spule enthält, die mit beiden der stationären Spulen
gekoppelt sein kann. Die Spulen 6, 7 und das Heizelement 5 sind mit einer Steuereinheit 9
verbunden, die allgemein ein elektrisches Signal in Abhängigkeit von der Temperatur des
Topfinhaltes erzeugt, und die die Stromversorgung des Heizelementes in deren
Abhängigkeit steuert, um eine Temperatur zu erhalten, die durch Einwirken auf die
Steuereinheit am Eingang 10 geregelt wird.
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Der Meßvorgang startet damit, daß ein Stromerzeuger 11 über einen gesteuerten Schalter 12
mit der äußeren Spule verbunden wird, der ein konstanter Strom eingeprägt wird, bis ein
konstantes magnetisches Feld aufgebaut ist, was erreicht sein wird nach einer Anzahl von
Zeitkonstanten, bestimmt durch die Selbstinduktionen und Kapazitäten und internen
Widerstände in der Spule und im Topf. Dann wird der Strom durch die Spule abgeschaltet,
und nach einer kurzen Wartezeit, die das Abklingen von Hochfrequenzphänomenen erlaubt,
wird der Zerfall der induzierten Spannung in der Detektorspule gemessen. Anstelle einer
direkten Messung der Zeitkonstante kann es vorteilhaft sein, das Signal nach dem
Überschreiten eines geeigneten Referenzpegels zu integrieren.
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Die Anordnung von Fig. 1 kann entweder mit dem erwähnten gerundeten Körper benutzt
werden, oder mit einem Topf, der eine wohl definierte Leitfähigkeit besitzt, nie jedoch mit
beiden Teilen gleichzeitig. Im Fall, daß ein gerundeter Körper gemessen wird, kann
entweder die Resonanzfrequenz, oder die Abnahme der Oszillation gemessen werden.
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Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, nur eine Spule sowohl zum Aufbau des Feldes und
zur Messung des Feldes zu benutzen, dadurch, daß es nur notwendig ist, daß eine geeignete
zeitliche Einteilung der Verbindungen zur Steuereinheit vorgenommen wird.
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In Fig. 2 ist der grundsätzliche Verlauf des Zerfalls eines magnetischen Feldes in einer
Meßphase nach einer Aufladphase gezeigt. Bei a) ist der Zeitabschnitt gezeigt, in der der
Schalter die Spule mit der Stromquelle verbindet, und bei b) die entstehende Spannung V
über der Spule 7. Nach einer Zeit ta, die zum aktiven Zusammenbruch der Feldbeiträge von
der Spule genutzt wird (entweder mittels eines kontrollierten Stromes durch die Spule 6,
oder mittels eines kontrollierten Stroms in Verbindung mit dem Schalten einer einzelnen
Spule vorn Aufbau zur Messung), ist ersichtlich, daß die induzierte Spannung in der Spule
von dem negativen Wert mit einer bestimmten Zeitkonstante gegen Null ansteigt. Da sich
die Spannungen über einen sehr großen Bereich ändern, ist es vorteilhaft, den Verlauf in
einer logarithmischen Skala darzustellen, wie in c), wo auch zu sehen ist, daß der
exponentielle Zerfall geradlinig wird. Verläufe für Temperaturen von etwa 20ºC und etwa
100ºC sind gezeigt, und es ist zu sehen, daß die Spannung bei 100ºC wegen des höheren
Widerstandes schneller zerfällt. Ein niedrigerer Widerstand würde es dem Strom in dem
Topf erlauben, für eine längere Zeit zu fließen.
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Verschiedene Faktoren beeinflussen die Genauigkeit der Energiesteuerung: Die Zeitdauer,
über die das magnetische Feld dem Topf zugeführt wurde und dessen Wert, die
Geschwindigkeit, mit der das magnetische Feld aktiv beseitigt wird, die Anordnung des
Topfes relativ zu der Spule, und offensichtlich Interferenzrauschen und thermisches
Rauschen. All diese Faktoren zeigen, daß die genauesten Messungen erhalten würden durch
Integration, und durch Gleichsetzung der Integrationsperiode mit einer vollständigen Periode
der Hauptfrequenz, wodurch Rauschen, das synchron mit der Hauptfrequenz ist,
ausgeschal
tet wird. Es ist offensichtlich, daß moderne digitale Signalverarbeitung eine effiziente
Steuerung der Leistung ermöglicht, mit Korrekturen für die verschiedenen äußeren
Einflüsse, ohne die verschiedenen Tricks, die hier in Verbindung mit analoger
Signalverarbeitung gezeigt sind. Bei der digitalen Signalverarbeitung ist es wichtig, daß das
Fenster in Bezug auf die Rauschpulse korrekt plaziert ist, und daß die Abtastfrequenz hoch
genug ist, daß Hochfrequenzvorgänge aktiv unterdrückt werden können und nicht nur durch
Filtern in Anti-Aliesing-Filtern.
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Fig. 3 zeigt den grundsätzlichen Verlauf der Oszillation, die erhalten wird, wenn das
magnetische Feld zerfällt, wenn der Resonanzkreis in dem gerundeten Körper benutzt wird.
Eine Messung der Spiztenwerte als Funktion der Zeit ergibt die logarithmische Abnahme
und damit die Zeitkonstante des Zerfalls des Feldes.
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Fig. 4 zeigt eine Schaltung zur Messung der Zeitkonstante unter Benutzung zweifacher
Integration in einem iterativen Verfahren. Die Messung basiert auf der Beobachtung, daß,
wenn das Verhältnis der Integrale genau e (die Basis des natürlichen Logarithmus) ist, die
Zeitverschiebung zwischen den Startzeiten der Integrationen genau der gesuchten
Zeitkonstante entspricht. An den Meßpunkten die mit den Nummern 0 bis 5 in a) bezeichnet
sind, stellen sich Spannungen wie in b) gezeigt ein. In c) ist gezeigt, wie der
selbstkompensierende Wert für die Zeitkonstante aus den benutzten Integralen erhalten wird.
Die Zeitverzögerung, die gleich ist der Zeitkonstante, wird erhalten nach Einregelung der
gezeigten DELAY-Einheit nach Durchführung einer Anzahl von Integrationszyklen, die erst
aufhört, wenn die Differenz zwischen den Integralen gleich Null ist.
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Fig. 5 zeigt, wie es möglich ist, daß die Kochmulde erkennt, welcher Topf aus einer Anzahl
von möglichen Töpfen tatsächlich in Benutzung ist, um eine Verbindung zwischen den
Messungen der Zeitkonstanten und der Temperaturen der Inhalte, die diese darstellen,
herzustellen. Es ist daher eine Frage des Speicherns einer Charakteristik für jeden Topf.
Dabei wird die Vorrichtung selbst eine korrekte Steuerung der Leistung sicherstellen, um
eine gegebene gewählte Temperatur für den Inhalt eines Topfes zu erhalten. Die eigentliche
Messung der Zeitkonstante wird in der Einheit 13 durchgeführt, die durch die Steuereinheit
9 gesteuert wird, wie auch der Stromerzeuger 11. Die gemessene Zeitkonstante wird im
gewöhnlichen Betrieb zum Steuern der Energieversorgung mittels der Einheiten 15 und 16
benutzt, weil ein Schalter 14 sich in der gewöhnlichen Lage befindet. Im Fall, daß der
Schalter mit der Einheit 17 verbunden ist, trägt dies Kalibrierdaten ein, die bestehen aus
Daten für eine Zeitkonstante und einem Datum von der Einheit 15, die die
Energieversorgung anzeigen. Diese Daten werden benutzt, um die Steuerdaten von der
Einheit 13 in der Einheit 18 zu modifizieren, jedesmal, wenn die Leistung für den erkannten
Topf während des gewöhnlichen Betriebs gesteuert werden soll. Im Fall, daß eine
Steuerfunktion von der Steuereinheit 9 mit dem Schalter 14 eingerichtet wird, kann eine
Kontrollmessung des benutzten Topfes während der Vorbereitung von Nahrungsmittel
wiederholte Male ausgeführt werden.
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In der gezeigten Ausführungsform ist es zumindest verlangt, daß ein leerer Topf bei
Zimmertemperatur auf die Kochmulde gesetzt wurde, was einen Punkt auf der
Charakteristik ergibt. Wenn man annimmt, daß der Benutzer akzeptiert, daß die
Kalibrierphase mit einer gewissen Sorgfalt ausgeführt werden muß, stellt sich ein Verfahren
in der Praxis so dar, daß ein gegebener Topf mit einem Inhalt von einem Liter Wasser auf die
Vorrichtung gestellt wird und durch Zuführung von Energie gekocht wird, bis die
Temperatur und damit die gemessene Zeitkonstante einen konstanten Wert erreicht hat. In
Kenntnis der zugeführten Leistung ist es möglich, eine Kalibrierungskurve zu erhalten und
zu speichern. Solch eine Arbeitsweise ist am besten für eine digitale Ausführungsform der
Vorrichtung geeignet. Es ist jedoch auch möglich, einige der Phänomene höherer Frequenz
für die Charakterisierung zu nutzen, die demzufolge von kürzerer Dauer sind, aber die
gewählte Methode wird davon abhängen, daß die erhöhten Anforderungen an
Datensainmlung und digitale Signalverarbeitung geschickt ausgewogen werden.
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Es ist offensichtlich, daß die gezeigte Ausführungsform nur eine von vielen möglichen
Verfahren darstellt. Es gibt daher verschiedene Anforderungen an die Benutzerbeteiligung.
Es kann bespielsweise verlangt sein, daß der Benutzer einen mit "Neuer Topf' bezeichneten
Knopf drückt, wie es auch als vernünftig bezeichnet werden muß, einen "Zurücksetzen"-
Knopf zu haben, für den Fall, daß der Besitzer einer Topfgarnitur, deren Charakteristiken
gespeichert worden sind, die Kochmulde verläßt und die Töpfe mit sich nimmt.