CN109792810B - 电磁烹饪装置及控制烹饪的方法 - Google Patents

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Abstract

电磁烹饪装置及控制烹饪的方法。提供了一种电磁烹饪装置，其具有控制器和被配置为将电磁辐射引入封闭腔室中以加热食物负载的多个射频馈源。控制器被配置为：(a)使得在预定时间段内从多个射频馈源中的每一个以指定频率和相移产生射频激励；(b)在预定时间段内：测量并分析多个射频馈源处的反向功率以计算效率，确定效率的变化系数，并监视变化系数以识别出食物负载的特性的可能的改变；并且(c)重复执行步骤(a)和步骤(b)，直到基于变化系数的改变识别出食物负载的特性的可能的改变。特性可以是食物负载的体积。

Description

电磁烹饪装置及控制烹饪的方法
技术领域
本装置总体上涉及一种用于电磁烹饪的方法和装置，更具体地，涉及一种用于确定和控制微波炉内的谐振模式的方法和装置。
背景技术
传统的微波炉通过介电加热的过程烹饪食物，其中高频交变电磁场分布在整个封闭腔室中。射频频谱的子带(在2.45GHz或其附近的微波频率)主要通过吸收水中的能量而引起介电加热。
为了在常规微波中产生微波频率辐射，施加到高压变压器的电压产生高压功率，其施加到产生微波频率辐射的磁控管。然后，微波通过波导传输到包含食物的封闭腔室。在具有单个非相干源(例如磁控管)的封闭腔室中烹饪食物可能导致食物的非均匀加热。为了更均匀地加热食物，微波炉除其它之外还包括机械解决方案，例如微波搅拌器和用于旋转食物的转盘。普通的基于磁控管的微波源不是窄带的并且不可调谐(即以随时间变化且不可选择的频率发射微波)。作为这种普通的基于磁控管的微波源的替代物，可调谐并相干的固态源可以包括在微波炉中。
发明内容
根据一个方面，提供了一种电磁烹饪装置，其包括：放置食物负载的封闭腔室；多个射频馈源，所述多个射频馈源被配置为将电磁辐射引入封闭腔室中以加热和制备食物负载，所述多个射频馈源被配置为允许测量多个射频馈源处的正向功率和反向功率；以及控制器。控制器被配置为：(a)使得在预定时间段内以指定频率和相移从多个射频馈源中的每一个产生射频激励；(b)在预定时间段内：测量并分析多个射频馈源处的反向功率以计算效率，确定效率的变化系数，并且监视变化系数以识别出食物负载的特性的可能的改变；以及(c)重复执行步骤(a)和步骤(b)，直到基于烹饪周期内变化系数的改变识别出食物负载的特性的可能的改变，其中，射频激励在其它预定时间段根据加热策略处于不同的频率和/或相移。
根据另一方面，提供了一种用于控制电磁烹饪装置中的烹饪的方法，该电磁烹饪装置具有放置食物负载的封闭腔室和被配置为将电磁辐射引入封闭腔室中以加热和制备食物负载的多个射频馈源，所述多个射频馈源被配置为允许测量所述多个射频馈源处的正向功率和反向功率。该方法包括：(a)使得在预定时间段内以指定频率和相移从多个射频馈源中的每一个产生射频激励；(b)在预定时间段内：测量并分析多个射频馈源处的反向功率以计算效率，确定效率的变化系数，并且监视变化系数以识别出食物负载的特性的可能的改变；以及(c)重复执行步骤(a)和步骤(b)，直到基于烹饪周期内变化系数的改变识别出食物负载的特性的可能的改变，其中，射频激励在其它预定时间段根据加热策略处于不同的频率和/或相移。
根据又一方面，提供了一种电磁烹饪装置，其包括放置食物负载的封闭腔室；多个射频馈源，所述多个射频馈源被配置为将电磁辐射引入封闭腔室中以加热和制备食物负载，所述多个射频馈源被配置为允许测量所述多个射频馈源处的正向功率和反向功率；以及控制器。该控制器被配置为：(a)使所述多个射频馈源在预定时间段内以指定的频率、振幅和相移产生射频激励；(b)在预定时间段内：测量并分析多个射频馈源处的反向功率以计算效率，确定效率的变化系数，并且监视变化系数以识别出食物负载的体积的可能的改变；以及(c)重复执行步骤(a)和步骤(b)，直到基于烹饪周期内变化系数的改变识别出食物负载的体积的改变。
附图说明
在附图中：
图1是根据本文描述的各个方面的具有多个相干射频馈源的电磁烹饪装置的框图；
图2是图1的射频信号发生器的框图；
图3是示出根据本文描述的各个方面的联接到波导的高功率射频放大器的示意图；
图4是示出根据本文描述的各个方面的用于高功率射频放大器的集成循环器的截面图；
图5是示出图1的集成循环器的顶视图；
图6是示出根据本文描述的各个方面的联接到具有集成测量系统的波导的高功率射频放大器的示意图；
图7是示出根据本文描述的各个方面的联接到具有包括反射计的集成测量系统的波导的高功率射频放大器的示意图；
图8是示出用于控制高功率放大器的输出功率的二进制控制程序的流程图；
图9是示出根据本文描述的各个方面的联接到两个射频波导的谐振腔室的示意图；
图10是示出图8的谐振腔室的同相和反相激励的效率对频率的图示；
图11是示出根据本文描述的各个方面的用于确定谐振腔室的谐振模式的分析方法的特征的示意图；
图12是示出根据本文描述的各个方面的用于表征谐振腔室的谐振模式的方法的特征的示意图；
图13A和图13B是示出根据本文描述的各个方面的用于定位和分类位于谐振腔室内的食物的方法的特征的示意图；
图14是示出图8的谐振腔室的同相激励的效率对频率的图示，其示出了品质因数(品质因数)；
图15是示出根据本文描述的各个方面的用于表征谐振腔室的不平衡谐振模式的方法的特征的示意图；
图16是示出根据本文描述的各个方面的用于表征谐振腔室的平衡谐振模式的方法的特征的示意图；
图17是示出根据本文描述的各个方面的利用射频辐射激励封闭腔室的方法的流程图；
图18是示出根据本文描述的各个方面的用于当存在非中心食物负载时表征谐振腔室的不平衡谐振模式的方法的特征的示意图；
图19是示出了根据本文描述的各个方面的用于当存在非中心食物负载时表征谐振腔室的平衡谐振模式的方法的特征的示意图；
图20是两种对称的一个示例的相位对效率曲线的图示；
图21是两种对称的另一示例的相位对效率曲线的图示；
图22是示出加热策略合成的开环调节的框图；
图23是示出加热策略合成的闭环调节的框图；
图24是展示加热腔室的效率响应和电子搅拌操作的搅拌路径的相位和频率图示；
图25A是其中烹饪器具包括两个端口的封闭腔室中的食物负载的一个示例的效率图；
图25B是其中烹饪器具包括四个端口的封闭腔室中的食物负载的一个示例的效率图；
图26A是其中系统大部分是对称的并且大部分谐振没有旋转的示例的效率图；
图26B是其中系统大部分是不对称的并且大部分谐振被旋转的示例的效率图；
图27是示出根据本文描述的各个方面的利用射频辐射激励封闭腔室的替代方法的流程图；
图28是示出烹饪腔室内的谐振模式的光谱模态识别方法的流程图；
图29A是展示具有偶对称性的相移的加热腔室的示意图；
图29B是展示具有奇对称性的相移的加热腔室的示意图；
图30是示出自适应滤波的示例的图形图示；
图31是示出使用效率的变化系数监视食物负载的方法的流程图；
图32A示出了在平静阶段、弱沸腾状态和强沸腾状态期间在烹饪腔室中加热的液体的效率的样本数据；
图32B示出了根据图32A所示的效率确定的变化系数的样本数据；
图33是示出基于图32B所示的效率的变化系数和阈值来加热液体的方法的流程图；
图34是示出基于图32B所示的效率的变化系数和掩模来加热液体的替代方法的流程图；
图35示出了在烹饪腔室中加热的牛奶的效率的变化系数的样本数据；
图36是示出基于效率的变化系数和表示用户指定温度的阈值来加热牛奶的方法的流程图；
图37是示出基于谐振变化和效率的变化系数来融化食物负载的方法的流程图；
图38示出了在烹饪腔室中加热的酱汁的效率的变化系数的样本数据；
图39是示出基于效率的变化系数和表示酱汁的沸腾状态的阈值来加热酱汁的方法的流程图；
图40示出了在烹饪腔室中爆裂的爆米花的效率的变化系数的样本数据；
图41和图42是示出基于效率的变化系数和表示爆米花的爆裂状态的阈值来爆裂爆米花的方法的流程图；
图43是示出使用品质因数监视食物负载的方法的流程图；
图44A是展示基于面包的食物负载的相对介电常数的图示；
图44B是展示基于面包的食物负载的损耗因数的图示；
图44C是展示基于面包的食物负载的品质因数的图示；
图45A是展示基于马铃薯的食物负载的相对介电常数的图示；
图45B是展示基于马铃薯的食物负载的损耗因数的图示；
图45C是展示基于马铃薯的食物负载的品质因数的图示；
图46A是展示基于肉的食物负载的相对介电常数的图示；
图46B是展示基于肉的食物负载的损耗因数的图示；
图46C是展示基于肉的食物负载的品质因数的图示；以及
图47是根据本公开的基于品质因数来识别煮熟程度的方法的流程图。
具体实施方式
应当理解，在附图中示出并且在以下说明书中描述的特定装置和过程仅是在所附权利要求中限定的发明构思的示例性实施方式。因此，除非权利要求另有明确说明，否则与本文公开的实施方式相关的其它物理特性不应被认为是限制性的。
固态射频(RF)烹饪器具通过将电磁辐射引入封闭腔室来加热和制备食物。在封闭腔室中的不同位置处的多个射频馈源在进行辐射时产生动态电磁波图案。为了控制封闭腔室中的波图案的形状，多个射频馈源可以辐射具有单独受控的电磁特性的波，以保持封闭腔室内的相干性(即固定的干涉图案)。例如，各射频馈源可以发送相对于其它馈源不同的频率、相位和/或振幅。其它电磁特性在射频馈源之间可以是共同的。例如，各射频馈源可在共同但可变的频率下进行发送。虽然以下实施方式是针对其中射频馈源引导电磁辐射以加热封闭腔室中的物体的烹饪器具，但是应理解，本文所描述的方法和从其导出的发明概念不限于此。所涵盖的概念和方法适用于其中电磁辐射被引导到封闭腔室以作用在封闭腔室内物体上的任何射频装置。示例性装置包括烤箱、干燥器、蒸汽机等。
图1示出了根据一个实施方式的具有多个相干射频馈源26A-26D的电磁烹饪装置10的框图。如图1所示，电磁烹饪装置10包括电源12、控制器14、射频信号发生器16、人机接口28和联接到多个射频馈源26A-26D的多个高功率射频放大器18A-18D。多个射频馈源26A-26D分别将来自多个高功率射频放大器18A-18D中的一个的射频功率转移到封闭腔室20中。
电源12将来自市电的电力提供至控制器14、射频信号发生器16、人机接口28和多个高功率射频放大器18A-18D。电源12将市电转换为其供电的每个装置所需的功率电平。电源12可以传递可变的输出电压电平。例如，电源12可以输出以0.5伏步长选择性地控制的电压电平。以这种方式，电源12可以被配置为通常向高功率射频放大器18A-18D的每一个提供28伏直流电，但是可以提供更低的电压，诸如15伏直流电，以使射频输出功率电平降低期望的电平。
控制器14可以包括在电磁烹饪装置10中，该控制器14可以在工作上与电磁烹饪装置10的各种组件相联接以实现烹饪周期。控制器14还可以在工作上与用于接收用户选择的输入以及将信息传送给用户的控制面板或人机接口28相联接。人机接口28可以包括诸如刻度盘、灯、开关、触摸屏元件以及显示器的操作控制装置，使得用户能够向控制器14输入诸如烹饪周期的命令以及接收信息。人机接口28可以包括一个或更多个元件，这些元件可以相对于彼此集中或分散。控制器14还可以选择由电源12提供的电压电平。
控制器14可以设置有存储器和中央处理单元(CPU)，并且可以优选地在微控制器中实现。存储器可用于在完成烹饪周期时存储可由CPU执行的控制软件。例如，存储器可以存储一个或更多个预编程的烹饪周期，其可以由用户选择并且由电磁烹饪装置10完成。控制器14还可以从一个或更多个传感器接收输入。可与控制器14可通信地联接的传感器的非限制性示例包括射频工程领域中用于测量射频功率电平的已知的峰值电平检测器和用于测量封闭腔室或者一个或更多个高功率射频放大器18A-18D的温度的温度传感器。
基于由人机接口28提供的用户输入和包括来自多个高功率射频放大器18A-18D的前向和后向(或反射)功率幅度的数据(在图1中由从高功率射频放大器18A-18D的每一个穿过射频信号发生器16到控制器14的路径表示)，控制器14可以确定针对烹饪策略并且计算射频信号发生器16的设定。这样，控制器14的主要功能之一是致动电磁烹饪装置10以执行用户所启动的烹饪周期。然后，射频信号发生器16如下文所述然后可以基于控制器14所指示的设定生成多个射频波形，即，每个高功率射频放大器18A-18D一个。
每个联接到射频馈源26A-26D中的一个的高功率射频放大器18A-18D分别基于由射频信号发生器16提供的低功率射频信号输出高功率射频信号。输入到高功率射频放大器18A-18D中的每一个的低功率射频信号可以通过将由电源12提供的直流电力变换成高功率射频信号来放大。在一个非限制性示例中，各高功率射频放大器18A-18D可以被配置为输出范围从50瓦到250瓦的射频信号。取决于实现方式，各高功率放大器的最大输出瓦数可以大于或小于250瓦。各高功率射频放大器18A-18D可以包括假性负载以吸收过多的射频反射。
多个射频馈源26A-26D将来自多个高功率射频放大器18A-18D的功率转移到封闭腔室20。多个射频馈源26A-26D可以以空间上分开但固定的物理位置联接到封闭腔室20。多个射频馈源26A-26D可以经由设计用于射频信号的低功率损耗传播的波导结构来实现。在一个非限制性示例中，微波工程中已知的金属矩形波导能够将射频功率从高功率射频放大器18A-18D引导到封闭腔室20，功率衰减大约为0.03分贝每米。
附加地，射频馈源26A-26D中的每一个可以包括用于测量放大器输出端处的前向和后向功率电平或相位的幅度的感测能力。所测得的后向功率表示由于高功率射频放大器18A-18D与封闭腔室20之间的阻抗不匹配而返回到高功率射频放大器18A-18D的功率电平。除了向控制器14和射频信号发生器16提供反馈以部分地实现烹饪策略之外，后向功率电平还可以表示可能损坏高功率射频放大器18A-18D的过量反射功率。
随着高功率射频放大器18A-18D中的每一个处的后向功率电平的确定，高功率射频放大器18A-18D处(包括在假负载处)的温度感测可以提供确定后向功率电平是否已超过预定阈值所需的数据。如果超过阈值，则包括电源12、控制器14、射频信号发生器16、或高功率射频放大器18A-18D的射频发送链中的任何控制元件都可以确定高功率射频放大器18A-18D可以切换到较低功率电平或完全关闭。例如，如果后向功率电平或感测到的温度太高并持续几毫秒，则各高功率射频放大器18A-18D可以自动关闭。另选地，电源12可以切断供应给高功率射频放大器18A-18D的直流电力。
通过在其中插入可选的分隔器24，封闭腔室20可以选择性地包括子空腔室22A-22B。封闭腔室20可以(在至少一侧上)包括屏蔽门以允许用户进入封闭腔室20的内部来放置和取回食物或可选的分隔器24。
射频馈源26A-26D中的每一个发送的带宽可以包括范围从2.4GHz到2.5GHz的频率。射频馈源26A-26D可以被配置为发送其它射频频带。例如，2.4GHz和2.5GHz之间的频率带宽是构成工业、科学和医疗(ISM)无线电频带的若干频带之一。预期其它射频频带的发送并且可包括由频率定义的ISM频带中包含的非限制性示例：13.553MHz至13.567MHz、26.957MHz至27.283MHz、902MHz至928MHz、5.725GHz至5.875GHz以及24GHz至24.250GHz。
现在参照图2，其示出了射频信号发生器16的框图。射频信号发生器16包括依次联接并且全部由射频控制器32指导的频率发生器30、相位发生器34和振幅发生器38。这样，要从射频信号发生器16输出到高功率放大器的实际频率、相位和振幅可以通过射频控制器32编程，优选地实现为数字控制接口。射频信号发生器16可以与烹饪控制器14物理地分离，或可以物理地安装到控制器14上或集成到控制器14中。射频信号发生器16优选实现为定制集成电路。
如图2所示，射频信号发生器16输出共享共同但可变的频率(例如，范围从2.4Ghz到2.5GHz)的四个射频通道40A-40D，但是可为每个射频通道40A-40D设定相位和振幅。本文所述配置是示例性的，而不应被视为限制性的。例如，射频信号发生器16可以被配置为输出更多或更少的通道，并且可以包括用于根据实现来为每个通道输出独特的可变频率的能力。
如前所述，射频信号发生器16可以从电源12获得电力并输入来自控制器14的一个或更多个控制信号。附加输入可以包括由高功率射频放大器18A-18D确定的前向和后向功率电平。基于这些输入，射频控制器32可以选择频率并向频率发生器30发信号以输出表示所选择的频率的信号。如图2中表示频率发生器30的框中图示的，所选择的频率确定其频率范围跨一组离散频率的正弦信号。在一个非限制示例中，范围从2.4GHz到2.5GHz的可选带宽可以以1MHz的分辨率离散化，以允许101个独特的频率选择。
在频率发生器30之后，将信号按照输出通道划分并将其引导至相位发生器34。可以为每个通道指派一独特相位，即，正弦函数的初始角。如图2中表示每个通道相位发生器36A-36D的框中图示的，射频信号针对通道所选择的相位的范围可以跨一组离散角。在一个非限制示例中，可选相位(覆盖半个振荡周期或180度)可以以10度的分辨率离散化，以允许每个通道19个独特相位选择。
在相位发生器34之后，每个通道的射频信号可以被引导至振幅发生器38。射频控制器32可以指派每个通道(在图2中以共同频率和独特相位示出的)以在通道40A-40D中输出一独特振幅。如图2中表示每个通道振幅发生器的框中图示的，射频信号的所选择振幅的范围可以跨一组离散振幅(或功率电平)。在一个非限制示例中，可选振幅可以在0到23分贝的范围内以0.5分贝的分辨率离散化，以允许每个通道47个独特振幅选择。
根据实现，每个通道40A-40D的振幅可以通过几种方法之一来控制。例如，针对每个通道控制振幅发生器38的电源电压可以导致来自射频信号发生器16的针对每个通道40A-40D的输出振幅，其与针对相应高功率射频放大器18A-18D的所需射频信号输出成正比。另选地，每通道输出可以被编码为脉冲宽度调制信号，其中振幅电平由脉冲宽度调制信号的占空比编码。又一另选例是协调电源12的每通道输出，以改变提供给每个高功率射频放大器18A-18D的电源电压，来控制向封闭腔室20发送的射频信号的最终振幅。
如上所述，电磁烹饪装置10可以在多个射频馈源26A-26D处将受控量的功率递送到封闭腔室20中。而且，通过保持对从每个射频馈源26A-26D递送的功率的振幅、频率以及相位的控制，电磁烹饪装置10可以相干地控制递送到封闭腔室20中的功率。相干射频源以受控的方式递送功率以利用电磁波的干扰特性。即，在所限定空间区域和持续时间内，相干射频源可以产生固定的干涉图案，以使电场按相加方式分布。因此，干涉图案可以增加以产生其振幅大于任何射频源(即，相长干涉)或小于任何射频源(即，相消干涉)的电磁场分布。
射频源的协调和工作环境的表征(即，封闭腔室和其内的内容物)可以使得能够实现对电磁烹饪的相干控制并最大化射频功率与封闭腔室20中的物体的耦合。到工作环境中的有效传输可能需要校准射频发生过程。如上所述，在电磁加热系统中，功率电平可以由许多组件控制，包括从电源12输出的电压、可变增益放大器级(包括高功率射频放大器18A-18D和振幅发生器38两者)上的增益、频率发生器30的调谐频率等。影响输出功率电平的其它因素包括组件的年龄、组件间相互作用以及组件温度。
现在参照图3，其示出了根据本文描述的各个方面的联接到波导110的高功率射频放大器18的示意图。高功率射频放大器18包括经由引导结构102联接到循环器104的一个或更多个放大级100。循环器104通过引导结构106联接到波导激励器108。高功率射频放大器18通过波导激励器108电联接到波导110，并且通过电磁垫圈112机械联接。
高功率射频放大器18被配置为使得多个放大级100互连以对从放大器输入端到放大器输出端的射频信号进行放大。放大级100包括被配置为转换输入电压的小变化以产生输出电压的大变化的一个或更多个晶体管。依据电路的配置，放大级100可以产生电流增益或电压增益或两者。
放大级100的输出端经由引导结构102联接到循环器104。引导结构102可以是能够承载高功率射频信号的任何电连接器，包括但不限于印刷在印刷电路板的介电基板上的微带。循环器104是无源多端口组件，其将射频信号从一个端口传输到下一个端口，其中端口是循环器104上用于将射频信号从一个组件联结到另一个组件的点。在高功率射频放大器18中，循环器104用作保护装置以将放大级100与当失配负载反映功率时可能发生的有害影响相隔离。
循环器104经由引导结构106联接到波导激励器108。高功率射频放大器18在其输出端终止于波导激励器108。波导激励器108将电磁能从适于在高功率射频放大器18内传输的第一模式转换为适于在波导110内传输的第二模式。以此方式，波导110用作射频馈源26A-26D以将经放大的电磁信号从高功率放大器传输到微波腔室。
电磁垫圈112提供高功率射频放大器18与波导110之间的安全连接，并且包围波导激励器108的位于高功率射频放大器18与波导110之间的部分。电磁垫圈112可由一种或更多种用于确保高功率射频放大器18与波导110之间的连接并在射频下提供电磁屏蔽的材料形成。此类材料可以包括但不限于填充有导电颗粒(例如银或镍)的硅基成分。
提供终止高功率射频放大器18的输出的波导激励器108减少了通常在经由常规连接器联接的微波装置的接合处引起的电磁损耗。也就是说，常规微波装置经由同轴连接器(例如BNC或N型连接器)互连，由于连接器的附加路径长度以及在同轴连接器的联接处的损耗而引起射频损耗。电磁垫圈112通过屏蔽波导激励器108以及提供高功率射频放大器18与波导110之间的联接的机械支撑来提高波导激励器108的效率。
现在参照图4，其示出了根据本文描述的各个方面的循环器104的截面侧视图。如上所述，循环器104经由引导结构102联接到放大级的输出端。循环器104包括安装到金属基板120的层压件122。
垂直于层压件122轴向对准的两个铁氧体磁体126、128通过夹子130固定到层压件122。铁氧体磁体126、128可以是适合于循环器设计的任何形状，包括但不限于盘状。
引导结构102可以包括印刷在层压件122上的微带。层压件122是电介质基板，其可以包括适于提供印刷电路板的绝缘层的任何材料，包括但不限于FR-2材料或FR-4材料。层压件122定位在金属基板120上，金属基板120为循环器104提供机械支撑。另外，金属基板120用作散热片堆并传播由循环器104产生的热量。金属基板120包括用于容纳下铁氧体磁体128的凹穴124。
在循环器104的制造期间，下铁氧体磁体128被放置在金属基板120的凹穴124中。层压件122和微带引导结构应用于金属基板120。上铁氧体磁体126放置在下铁氧体磁体128上方并且通过夹子130固定到层压件122。
图5是示出了图4的集成循环器的顶视图。如上所述，循环器104包括作为其磁路的一部分的印刷电路板的层压件122以及联接到放大级(参见图3中的元件100)的输出端的微带引导结构102。以此方式，循环器104不包括在制造过程中需要焊接连接的输入引脚或输出引脚。常规焊接接头可能使高功率放大器暴露出可靠性问题，因为焊接工艺可能导致冷点或不良联接。因此，循环器104不是焊接在高功率放大器中的常规分立组件。相反，循环器104直接集成为高功率放大器的组件。
为了使得放大级100的末端处的输出功率电平达到期望的设定点电平，射频信号发生器(参见图1中的元件16)可以依赖于信号形式的反馈，所述信号表示传输到封闭腔室(参见图1中的元件20)的射频信号的前向和后向功率电平或相对相位。因此，除了用于输出相对于输入射频信号功率被放大的射频信号的放大组件之外，传统的高功率放大器还可以包括用于输出表示由放大组件发送和接收的射频功率的信号的测量组件。然而，通过将这种测量组件集成在高功率放大器内，高功率放大器的输出级会遭受电损耗，该电损耗可能会降低输出到诸如波导的射频馈源(参见图1中的元件26A-26D)的射频信号的功率和保真度。
现在参照图6，其示出了根据本文描述的各个方面的联接到具有集成测量系统150的波导110的高功率射频放大器18的示意图。集成测量系统150包括联接到电子组件154的探针天线152。探针天线152包括位于波导110内的部分，其将波导110内的射频电磁波转换成模拟电功率信号。探针天线152可以是用于测量波导内的射频电磁波的任何类型的天线，包括但不限于偶极天线。
电子组件154联接到探针天线152并且可以包括模数转换器(ADC)，使得输出信号是数字的并且容易被输入到诸如射频信号发生器(参见图1中的元件16)、控制器(参见图1中的元件14)或射频控制器(参见图1中的元件32)的装置。电子组件154可以是用于测量射频信号的任何组件，包括但不限于射频对数功率检测器，其提供相对于所检测到的波导110内的射频功率电平为对数线性的直流输出电压。
测量系统可以包括用于进一步表征通过波导110传送的射频传输的附加组件。现在参照图7，其示出了根据本文描述的各个方面的联接到具有包括反射计164的集成测量系统160的波导110的高功率射频放大器18的示意图。集成测量系统160包括联接到反射计164的探针天线162。探针天线162包括位于波导110内的部分，其将波导110内的射频电磁波转换成模拟电功率信号。探针天线162可以是用于测量波导内的射频电磁波的任何类型的天线，包括但不限于偶极天线。
反射计164可以包括用于测量射频信号的相位的任何组件，包括但不限于包含匹配的校准检测器的定向联接器或定向成测量在波导110内的两个方向上流动的电功率的一对单检测器联接器。以此方式，集成测量系统160可以根据功率和相位来表征射频传输，并且可以用于形成如在散射矩阵或S参数中体现的网络化描述。在一个非限制性实现方式中，反射计164是六端口反射计，其被配置为测量波导内的前向和后向射频辐射的相位。
反射计164联接到探针天线162并且可以包括模数转换器(ADC)，使得表示波导110或散射矩阵内的射频电磁波的相位或功率的输出信号是数字的并且容易被输入到诸如射频信号发生器(参见图1中的元件16)、控制器(参见图1中的元件14)或射频控制器(参见图1中的元件32)的装置。
电磁烹饪装置10可以利用一种或更多种控制方法来调节功率电平以达到期望的设定点电平。这样的过程可能会面对传统控制方案不容易解决的挑战。例如，为了最小化烹饪时间，装置10可以尝试尽快达到最大功率电平或设定点电平。然而，如果超过最大功率电平，则高功率射频放大器18A-18D可能损坏。由于这个原因，该系统可以实现防止可能延长烹饪时间的过阻尼的控制方案，同时还保护电路和硬件不超过最大功率电平。
参照图8，其示出了用于控制装置10的输出功率电平的方法600的流程图。在一些实施方式中，用于产生射频馈源26A-26D、226A-226D的功率的振幅通常可以由与电源12和/或振幅发生器38通信的控制器14控制。另外，控制器14可操作以检测经由测量系统(例如测量系统150、160)从高功率射频放大器18A-18D中的每一个输出的功率电平。因此，在步骤602中开始加热过程时，控制器14可以将高功率射频放大器18A-18D中的一个或更多个的输出功率电平PO设定为所期望的或目标输出功率PT。另外，控制器14可以监视所测得的功率Px。在步骤604中，控制器14还可以通过控制射频控制器32来控制或更新射频馈源18A-18D之间的相移。在整个方法600中，控制器14可以从测量系统接收用于传送所测得的功率Px的信号。以此方式，装置10可以提供闭环反馈以确保快速实现并且维持目标输出功率PT。
如前所述，如果功率电平超出最大功率电平Pmax或额定功率电平，则高功率射频放大器18A-18D可能被损坏。因此，在步骤606中，控制器14可以将所测得的功率Px与最大功率电平Pmax进行比较。如果超出了最大功率电平Pmax，则控制器14可以接着执行步骤608，并且通过最大功率调节Pmax_decrease来减小输出功率PO的设置。最大功率调节可以是可由控制器14施加以调节来自高功率射频放大器18A-18D的输出功率PO的多个功率调节电平中的一个。其它功率调节电平以及功率调节电平之间的关系在以下描述中进一步论述。控制器可以通过控制电源12和/或振幅发生器38来调节输出功率PO。
在步骤606中，如果所测得的功率电平Px小于最大功率电平Pmax，则该方法可以接着执行步骤610以设定或更新目标功率PT。在步骤612中，控制器14可以将所测得的功率电平Px与目标功率PT进行比较以确定功率差ΔP。接着在步骤614，控制器14可以确定功率差ΔP的正负，从而相应地确定输出功率PO是否需要增大或减小。如果功率差ΔP大于零，则在步骤616至624中，控制器14可以将功率差ΔP与多个调节阈值进行比较，并且使输出功率PO减小一个功率调节电平。如果功率差ΔP小于零，则在步骤626至634中，控制器14可以将功率差ΔP与多个调节阈值进行比较，并且使输出功率PO增加一个功率调节电平。以此方式，装置10可以有效地补偿所测得的功率电平Px与目标功率PT之差，而不要求控制器14的显著处理能力。
如果在步骤614中功率差ΔP大于零，则控制器14可以接着执行步骤616，以将功率差绝对值|ΔP|与低功率减小阈值进行比较。在步骤618中，如果功率差绝对值|ΔP|小于低功率减小阈值，则控制器14可以将输出功率电平PO维持在当前设置。如果功率差绝对值|ΔP|大于低功率减小阈值，则控制器14可以接着执行步骤620以将功率差绝对值|ΔP|与高功率减小阈值进行比较。在步骤620中，如果功率差绝对值|ΔP|大于高功率减小阈值，则控制器14可以接着执行步骤622以使输出功率电平PO减小一个快速减小功率调节电平Pfast_decrease。在步骤620中，如果功率差绝对值|ΔP|小于高功率减小阈值，则控制器14可以接着执行步骤624以使输出功率电平PO减小一个缓慢减小功率调节电平Pslow_decrease。快速减小功率调节电平Pfast_decrease在量值上可以大于缓慢减小功率调节电平Pslow_decrease。以此方式，控制器14可以使输出功率电平PO快速或缓慢地改变以提供装置10的所期望的系统响应。在步骤618、622和624中的任一步骤之后，控制器14可以返回到步骤602。
如果在步骤614中功率差ΔP小于零，则控制器14可以接着执行步骤626，以将功率差绝对值|ΔP|与低功率增加阈值进行比较。在步骤628中，如果功率差绝对值|ΔP|小于低功率增加阈值，则控制器14可以将输出功率电平PO维持在当前设置。如果功率差绝对值|ΔP|大于低功率增加阈值，则控制器14可以接着执行步骤630以将功率差绝对值|ΔP|与高功率增加阈值进行比较。在步骤630中，如果功率差绝对值|ΔP|大于高功率增加阈值，则控制器14可以接着执行步骤632以使输出功率电平PO增加一个快速增加功率调节电平Pfast_increase。在步骤630中，如果功率差绝对值|ΔP|小于高功率增加阈值，则控制器14可以接着执行步骤634以使输出功率电平PO增加一个缓慢增加功率调节电平Pslow_increase。快速增加功率调节电平Pfast_increase可以在量值上大于缓慢增加功率调节电平Pslow_increase。控制器14可以使输出功率电平PO快速或缓慢地改变以提供装置10的所期望的系统响应。在步骤628、632和634中的任一步骤之后，控制器14可以返回到步骤602。
如本文所论述的，方法600可以提供将要由多个功率调节电平进行调节的输出功率电平PO。与目标功率电平PT和最大功率电平Pmax相比，不同的功率调节电平可以提供将要以与输出功率电平PO的特定状态相称的幅度进行调节的输出功率电平PO。例如，本文讨论的功率调节电平之间的关系可以如下：Pmax_decrease>Pfast_increase>Pslow_increase，并且Pmax_decrease>Pfast_decrease>Pslow_decrease。另外，高功率增加阈值和高功率减小阈值可以对应于比低功率增加阈值和低功率减小阈值更大的值。因此，本文中所论述的多个功率调节电平和功率电平阈值中的每一个都可以经过调节以适合于各种应用，从而提供装置10的所期望的响应。
通过根据功率和相位测量结果或散射矩阵来表征所传送的射频传输，具有固态射频源的电磁烹饪装置(参见图1中的元件10)可以通过控制用于确定其中的加热方式的谐振模式或驻波的联结因数精确地激励封闭腔室(参见图1中的元件20)。也即是说，固态电磁烹饪装置可以通过经由射频源的启动将特定谐振模式联结到微波腔室来激活期望的加热方式，其中加热方式由谐振模式的模量确定。谐振模式是腔室尺寸、食物负载类型、食物负载布置以及多个相干射频源的激励条件(例如，源之间的工作频率和相移等)的函数。电磁烹饪装置可以被配置为控制固态射频源以选择谐振模式的联结因数，从而激活随时间变化的特定加热方式或加热方式序列。与特定谐振模式相关的加热方式可以确定烹饪过程的均匀性或不均匀性。然而，因为谐振模式是食物负载类型和布置、腔室尺寸以及激励条件的函数，所以不可能具有谐振模式及其临界频率的先验知识。
因此，电磁烹饪装置可以被配置为原位(in-situ)确定封闭腔室内的谐振模式。现在参照图9，其示出了根据本文描述的各个方面的联接到实施为波导的两个射频馈源226A、226B的谐振腔室222的示意图。射频馈源226A、226B从其各自的高功率放大器(参见图1中的元件18A、18B)向封闭腔室222传输功率。射频馈源226A、226B可以在空间上分离但固定的物理位置处联接到封闭腔室222。射频馈源226A、226B可以以选定的频率和相位向封闭腔室222传送射频传输，其中射频传输之间的相移或差异直接与受激励谐振模式的对称类别有关。例如以同相关系(即相移＝0°)激活射频源可以激活偶对称模式而以反相关系(即相移＝180°)激活射频源可以激活奇对称模式。对称类别决定了微波炉中的加热方式，如下文所述。尽管给出了以同相关系(即相移＝0°)激活射频源可以激活偶对称模式而以反相关系(即相移＝180°)激活射频源可以激活奇对称模式的示例，但根据系统的硬件总体结构可以采用其它相移。
在工作中，电磁烹饪装置确定用于要在腔室222内激励的谐振模式的对称类型(例如偶对称或奇对称)的集合。电磁烹饪装置被配置为针对一组工作频率来激励腔室222并且存储针对各频率测得的效率。效率由有用功率输出除以消耗的总电功率确定，可以根据正向功率减去反向功率的结果与正向功率之比来进行测量，如下式所示：
Figure GDA0003052260470000161
电磁烹饪装置被配置为将效率图存储在存储器中以用于激励的对称类别。
现在参照图10，其示出了谐振腔室的同相激励228和反相激励230的效率对频率的图示。在该非限制性说明性示例中，电磁烹饪装置被配置为针对各工作频率进行两组激励并且获得两个效率测量结果。
现在参照图11，其示出了根据本文描述的各个方面的用于确定腔室的谐振模式的分析方法的特征的示意图。电磁烹饪装置可以通过将响应建模为通带RLC电路来分析所记录的效率图(针对同相激励228示出)，以识别已经为特定对称类别激励的极点的临界频率(即谐振模式的谐振频率)。为此目的，作为控制器(参见图1中的元件14)或射频控制器(参见图2中的元件32)的物理或逻辑子组件，处理器250可以被配置为识别效率函数的局部最大值。处理器250可以实现用于确定效率图的极点的临界频率的任何算法，包括但不限于向量拟合、幅值向量拟合等。以此方式，处理器250可以确定各对称平面的谐振频率的列表。
另外，处理器250可以基于各个确定的极点的相对带宽来确定品质因数(Q因数)。处理器250可以基于品质因数的估计来确定位于腔室内的食物的存在。例如，如果处理器250确定所选择的谐振模式具有低品质因数，例如等于或小于7，则处理器250可以确定封闭腔室中受激励模式具有局部或全局最大值的部分包含食物。类似地，如果处理器250确定所选择的谐振模式具有诸如大于1000的高品质因数，则处理器250可以确定封闭腔室中受激励模式具有局部或全局最大值的部分不具有食物。处理器250可以基于品质因数的估计对位于腔室内的食物的类型进行分类。例如，冷冻食物具有约300的品质因数，水具有约7的品质因数，金属物体具有约1000的品质因数。对于各个确定的极点，处理器250可以将用于激励该模式的谐振频率与用于确定将由该模式加热的食物的类型的品质因数相关联。确定品质因数的其它好处描述如下。
现在参照图12，其示出了根据本文描述的各个方面的表征腔室的谐振模式的方法的特征的示意图。在射频馈源226A、226B的同相激励228的前述示例中建模，其中电磁烹饪装置的处理器确定表示腔室222中可激励的谐振模式的一组极点252，所确定的极点252A-252C分别对应于腔室222内的加热方式260A-260C。回想一下，加热方式由谐振模式的模量确定。各加热方式260A-260C具有空间图案，该空间图案具有表示均匀加热的轮廓。虽然在图12中采用轮廓的二元组进行描绘，但实际的加热方式包括表示连续加热水平的许多轮廓。为了便于理解，单个轮廓水平表示加热方式的最热区域，并且示出谐振模式的偶对称和奇对称。
现在参照图13A和图13B，其示出了根据本文描述的各个方面的用于定位和分类位于谐振腔室222内的食物300A、300B的方法的特征的示意图。发起反相相位激励(如图13A所示)之后，电磁烹饪装置可以在腔室222中产生偶对称的加热方式360A，其中最大加热轮廓302不会出现在腔室222的中心。因为食物300A的大部分312位于加热方式360A的最小部分内，并且只有食物300A的小部分310位于加热方式360A的最大部分内，所以腔室反射比来自食物300A的电磁响应更加显著，导致较低的效率。相反，因为食物300B的大部分314位于加热方式360B的最大部分内，并且只有食物300B的小部分316位于用于同相激励(图13B)的加热方式360B的最小部分内，所以腔室反射被最小化，并且效率高于在偶对称激励期间确定的效率。因此，电磁烹饪装置可以通过比较同相激励和反相激励之间的效率来确定食物是否位于腔室222中心。也就是说，具有同相激励的较高效率表示食物不位于腔室222的中心，而具有反相激励的较高效率表示食物位于腔室222的中心。以此方式，电磁烹饪装置可以被配置为基于偶对称的已激活谐振模式的效率来确定食物位于微波腔室222的中心，或基于奇对称的已激活谐振模式的效率来确定食物位于远离微波腔室222的中心。
另外，处理器可以被配置为根据谐振模式的效率和对称类别来进一步分析品质因数，以检测和定位腔室222中的一种以上类型的食物。处理器可以被配置为对所识别出的谐振模式的子集的品质因数求平均，以根据其在微波腔室222内的位置对食物300A、300B的部分310、314进行分类。例如，处理器可以对偶对称模式的品质因数求平均，以确定位于与偶对称加热方式360A的最大加热轮廓302相交的食物300A的部分310中的食物的类型。类似地，处理器可以对奇对称模式的品质因数求平均，以确定位于与奇对称加热方式360B的最大加热轮廓304相交的食物300B的部分314中的食物的类型。
烹饪应用通常需要几百瓦范围内的功率电平，因为微波炉中磁控管加热源的非常常见的功率预算在800W-1000W的范围内。然而，并非所有应用都需要这样高的功率电平。例如，应用可能需要低至80W的较低功率电平以确保均匀加热和/或受控过程。此外，如果使用太高的功率电平，则一些烹饪过程被破坏或损害(即烹饪过程的质量随着功率电平的增加而降低)。这样的过程的一个示例是黄油或巧克力的融化。另一个示例是面包发酵，其中一定时间内不能超出适合酵母生长的温度。
固态源的使用允许对封闭腔室20、222的精确激励，即精确联结到特定加热方式所对应的某些谐振模式。如上所述，谐振模式是腔室尺寸、食物负载类型和位移、激励条件(即在使用多个相干源的情况下，源之间的工作频率和相移)的函数。另一方面，对于传统的非相干磁控管源，由于工作频率是固定的并且不存在相移关系，所以这样的联结较不可控。为了利用固态源的增加的可控性，期望控制谐振模式的联结因数，以实现特定加热方式和/或与特定谐振模式相关的随时间变化的加热方式的特定序列，从而实现增加的均匀性和/或受控的不均匀性。这种受控的不均匀性可用于分区烹饪应用，其中电场(即加热方式的源)对于左侧或封闭腔室20、222的另一部分不平衡。因为谐振模式是食物负载及其位移、腔室尺寸和激励条件的函数，所以不可能具有谐振模式及其临界频率的先验知识。因此，在不具有所有这些信息(例如，在人机接口28处接收用户输入或具有诸如相机的附加传感器以检测封闭腔室20的负载条件及其所有特性)的情况下，不可能确定针对特定组的腔室尺寸/食物负载类型及其位移和激励条件来激励哪些谐振模式。同样，需要这些信息以具有关于加热方式的信息并且相应地使用所述信息。
这里描述的实施方式涉及一种使用将要在封闭腔室20、222中激活(即源向其传输能量)的预分类谐振模式以获得食物负载的均匀或不均匀加热的方法。这种技术可以称为光谱模态控制，因为它建立在吸收光谱与谐振模式之间的连接上。该理论确保均匀加热方式、中心主导加热方式或不平衡方式。该理论源于这样的观察，即在封闭腔室20、222中，源与谐振模式之间的联结是工作频率的函数，因为这种谐振模式仅存在于特定的离散频率(谐振频率、临界频率或所谓的模式特征值)中。微波腔室可以表示为寻找共享相同频率响应的等效电路的电路。鉴于此电路(类似滤波器)表示，谐振模式可以表示为以其临界频率为中心并且具有与其品质因数成反比的频带的通带滤波器。品质因数与损耗(发生在负载中的介电损耗以及来自在金属中产生的表面电流的金属损耗)相关。封闭腔室20、222的通带表示在图14中示出。这种谐振模式相对于工作频率的联结可以被认为是与激励的频率/时间因数相关的联结因数。
源与谐振封闭腔室20、222的模式的联结是它们之间的激励位移和相位关系(当使用多个相干源时)相对于封闭腔室20、222的函数。该第二联结因数可以被认为与激励的"空间"因数相关。所施加的相移直接与所传输的谐振模式的对称类别有关。以图9所示的封闭腔室222为例，以同相关系激活源可以激活偶对称模式，而以反相关系激活源可以激活奇对称模式。这种行为在图13A和图13B中示出，其中图13A表示反相关系而图13B表示同相关系。可以考虑两个源所位于的两个平面之间的相位关系(即上述两类对称施加在封闭腔室222上的自然相移)来进行解释。例如，各谐振模式(其构成封闭腔室20的所谓自由响应)将特定边界条件施加在腔室壁(即源的放置之处)上。如果通过波导获得封闭腔室20、222的激励(这对于微波炉10是非常常见的情况)，则波导应当被放置在该位置中，并且在它们之间具有与它们被设计去激励的谐振模式相匹配的相移。在这种情况下，当被激励(所谓的强制响应)时，封闭腔室20、222将呈现与激励所针对的谐振模式将具有的电磁场配置相对应的电磁场配置。通过这样的考虑，可以获得临界频率与对称类别(光谱模态识别)的映射。此外，可以测量或估计各所识别出的谐振模式的联结效率。
提供图15以示出封闭腔室222中的不平衡激励和所得到的加热方式的示例。提供图16以示出封闭腔室222中的平衡激励和所得到的加热方式的示例。
下面是示出根据其对称进行分类并且提供其临界频率和效率的谐振模式的列表。所示的值是出于示例的目的。
对称1(偶对称，平均效率＝79％)
模式1(频率＝2.40GHz，效率＝70％)
模式2(频率＝2.41GHz，效率＝95％)
模式3(频率＝2.45GHz，效率＝80％)
模式4(频率＝2.50GHz，效率＝72％)
对称2(奇对称，平均效率＝79％)
模式1(频率＝2.40GHz，效率＝69％)
模式2(频率＝2.41GHz，效率＝78％)
模式3(频率＝2.45GHz，效率＝90％)
控制器14可以被配置为执行在封闭腔室20、222中激活预分类谐振模式序列的方法(400)，以利用来自如图17所示的多个射频馈源26A-26D、226A-226B的射频辐射来控制其中的加热方式。多个射频馈源26A-26D、226A-226B将射频辐射传送到封闭腔室20、222中，并在多个射频馈源26A-26D、226A-226B处测量正向和反向功率。该方法包括以下步骤：部分地基于位于封闭腔室20、222中的负载来选择与将要传递到封闭腔室20、222中的各对称平面的能量的量相对应的加热目标(步骤402)；检测不对称并且找出最佳旋转面(步骤404)；基于加热目标生成加热策略以确定所期望的加热方式，该加热策略具有对应于期望的加热方式的将要在封闭腔室20、222中激励的选定的谐振模式序列(步骤406)；利用对应于所选定的谐振模式序列中的每个谐振模式的频率集合的选定的相量集合来激励封闭腔室20、222(步骤408)，以创建加热方式；以及基于射频馈源26A-26D、226A-226B处的正向和反向功率测量结果来监视所创建的加热方式，以使用闭环调节来基于所期望的加热方式和所创建的被监视的加热方式来选择性地修改进入封闭腔室20、222中的谐振模式序列(步骤410)。
加热目标是根据封闭腔室20、222中的对称平面指定的能量设定点。换句话说，加热目标是微波炉10被配置为传送到每个对称平面的能量的量。此外，可以根据对称平面之间的比率来指定目标设定点。例如，对于偶对称平面和奇对称平面，目标设定点可以被设定为2：1的比率，其中偶对称平面被设定为接收两倍于奇对称平面接收的能量的量。根据食物负载和烹饪周期要求来配置加热目标。例如，平衡加热目标可被配置用于再热循环。在另一示例中，当两个单独的食物负载(例如两个小的玻璃容器)相对于微波炉10的左半部和右半部上的腔室中心以对称方式放置时，加热目标可被配置用于偶对称的加热方式。
光谱模态理论确保同相和反相的源产生相对于腔室20、222的中心对称的特定加热方式。因此，这些加热方式适合于管理中心食物负载，但是可能非常易受位移的影响，如图18中突出显示的那样，其中由于两种方式的交叠，大部分能量被注入食物负载的右侧。
要点在于，非中心食物负载在对称平面中引起旋转，这导致系统烤箱负载失去其对称性质。因此，可以补偿这种不期望的情形，即识别实际对称平面的旋转并且将其应用于射频馈源26A-26D、226A-226B，从而改变它们的相位关系，如图19所示，其中α和β是射频馈源26A-26D、226A-226B之间的δ(delta)相。
可以利用该方法通过仅将射频馈源相移应用于适当的对称平面来管理3D位移，即在宽度轴(已经在图18中描绘)、高度轴和深度轴上的位移。
在步骤402中选择加热目标的结果是与一个特定谐振模式联结的用于各个射频馈源26A-26D、226A-226B的一组频率-相移激励。所应用的相移是各对称类别特定的相移，即各类对称施加在腔室20、222上的自然相移。然后，这些谐振模式可以称为"未旋转"或"标称"谐振模式。下面描述识别不对称和寻找最佳旋转平面(步骤404)的方式。
所选的未旋转谐振模式是指对称理想情形，因此它们对于不对称情形可能是次优的。这种不对称情形可以由食物负载的位置引起，或者由系统本身引起(例如射频激励被馈送到腔室中的方式的不对称)。在识别未旋转谐振模式之后，控制器14检查它们是否适合于实际系统，以找出补偿最终不对称并因此提供优化谐振模式的最佳旋转。在一些情况下，一些未旋转谐振模式可能变成不需要旋转来进行效率优化。因此，并非所有优化谐振模式都被旋转。步骤402由不同的子步骤组成：(1)相量激励；(2)激励分析；(3)谐振模式旋转；以及(4)使用功率和相位传感器(矢量)代替功率传感器(标量)。
对于第一子步骤(相量激励子步骤(1))，在选择了标称相量之后，可以通过作用于相移并保持该谐振模式的频率锁定来识别用于待分析的各谐振模式的一组激励。具体地，对于各未旋转谐振模式，控制器14产生具有相同频率(标称模式)和相移组合的一组激励。相位集合可以先验地定义、在运行时静态地定义或者甚至根据不同的参数适配。此外，相位轴可以包括分析范围内的所有相移或仅仅几个样本，从而以牺牲近似值为代价节省计算时间。相移不是任意定义的，因为如果旋转得太靠近另一个对称平面，则与特定的对称平面相关的激励可能与该另一个对称平面联结。因此，控制器14对相位轴设置适当的限制是有利的。
所选启动可以与它们的效率一起存储，其可以计算为：
效率＝(输入功率之和-反射功率之和)/(输入功率之和)。
对于各个对称类别的每个模式，存储图示相量/效率，即如果腔室具有两个端口，其中两个端口具有两种可能的类别并且已经为每种类别选择了两个模式，则将执行四组激励，每组激励具有定义的所有相移，从而获得待进一步分析的四组效率测量结果。在图20中示出了可视示例，其中对于各谐振模式，控制器14执行以下操作：
对于对称1，两个端口的相量ψ均为abs(ψ)＝1，
Figure GDA0003052260470000221
其中
Figure GDA0003052260470000222
-22.5°,0°,22.5°,67.5°}；以及
对于对称2，相量ψ均为
Figure GDA0003052260470000223
其中对于端口1，
Figure GDA0003052260470000224
-22.5°,0°,22.5°,67.5°}，对于端口2，
Figure GDA0003052260470000225
然后在第二子步骤(激励分析子步骤(2))中分析所记录的效率图，以找出用于优化效率的相移，因为理论上，效率对相位曲线应该遵循正弦趋势并且在系统的实际对称平面上具有最大值(对于对称平面其为0°)。
依据在前一阶段所作的选择，可以采用不同的策略以绘制效率对相位曲线。如果已经考虑了所有的相位轴，则足以扫描激励并找出具有最高效率的激励。否则，可以应用插值算法(线性、样条等)或者甚至定义利用关于曲线趋势(LSQ、线性回归等)的先验知识的模型。在图21中示出了可视示例。
还值得注意的是，由于轴的旋转是射频馈源26A-26D、226A-226B中的每一对之间的相移的组合，并且因此将一个源/源相位关系锁定到一个值会对所有其它关系产生影响，所以在一个相位方向上的最大检测与所有其它相位方向相关。因此，相移的最佳组合不等于针对每个方向单独取得的最佳相移的组合。
这导致了(nport-1)维函数的优化问题，因此对于4端口微波炉10，必须在3维平面中搜索最大值。
例如，给定4端口微波炉10和由四个元件[-pi/4–pi/8+pi/8+pi/4]构成的待扫描的相位轴，端口之间的相移的所有可能组合如下(假设一个相位作为参考，因此该相位不变)：
(nport-1)nphi＝34＝81
因此，虽然在2端口微波炉10中仅有一个效率-相位曲线要研究，但是在更复杂的系统中，找出实际最佳旋转所需的激励和感测的数量可能显著增加。
例如，对于三端口系统：
Figure GDA0003052260470000226
Figure GDA0003052260470000227
Figure GDA0003052260470000231
前一等式中的"自由"相移(即所要控制的量)的数量为三个，而控制变量仅仅为两个。这源于以下事实：给定第一端口和第二端口
Figure GDA0003052260470000232
之间的相移以及第一端口和第三端口
Figure GDA0003052260470000233
之间的相移，最后的相移
Figure GDA0003052260470000234
不是控制变量，而是满足前两个等式。这意味着控制变量的数量小于待控制变量的数量，并且一次优化一个因数是不可能进行最佳控制的。
可以使用不同的方法来找出解决方案，例如：
·解决完整问题；
·用启发式函数逼近完整问题；
·分别考虑所有子问题并且组合结果(如图21所示)；或
·只考虑一个子问题或子问题(相对于特定标准最有意义的子问题)的子集，并精确地或甚至近似地解决它/它们。
一旦找出了最佳旋转平面，就根据第三子步骤(谐振模式旋转子步骤(3))相应地改变谐振模式。通过协调来自所有对称平面的信息，可以使在腔室中可用的全体谐振模式按对称类别分类。
在子步骤(3)之后，在第四子步骤(功率和相位传感器使用子步骤(4))中使用相位传感器来采集系统的S矩阵(散射矩阵)。散射矩阵使得可以在不实际地激励系统的情况下执行光谱模态激励。可以改为应用以下等式：
Sx＝y
其中，S是系统的散射矩阵，x是输入相量，y是输出相量，且输入功率和反射功率计算如下：
输入功率＝x*conj(x)
输出功率＝y*conj(y)
其中，conj表示复共轭。
如上所述，效率可以计算如下：
效率＝(输入功率之和-反射功率之和)/(输入功率之和)。
在检测到不对称并且找出最佳旋转平面(步骤404)从而找出优化谐振模式之后，控制器14生成加热策略(步骤406)以利用优化谐振模式。对于给定的加热策略，所选优化谐振模式序列存储在与控制器14相关联的存储器中。微波炉10将被配置为通过应用射频信道40A-40D的适当相移和工作频率来执行所选序列，以激活列表中存在的优化谐振模式并在封闭腔室20、222中将能量联结到这些优化谐振模式。每个优化谐振模式可以被激活特定的持续时间。例如，每个模式可以被激励相同的持续时间，或者在另一示例中，每个模式可以被激励与实验确定的模式的效率成反比的持续时间。此外，优化模式序列可包括所有优化谐振模式或仅与加热目标比成正比的子集。在目标比为2：1的较早示例的基础上，相对于属于第二对称平面的谐振模式的数量，优化模式序列可以包括数量两倍于它的属于第一对称平面的谐振模式。属于某一对称的谐振模式可以与属于另一对称的谐振模式交织，从而在可能不利地影响加热性能的过长时间内不应用相同的加热方式。在另一示例中，可以选择优化模式序列，使得能够选择属于第一对称的模式的逆效率之和以及属于第二对称的模式的逆效率之和，以满足比率目标能量。在另一示例中，微波炉10可以通过调节用于射频信道40A-40D的功率输出来实现能量目标设定点。总之上述示例表示设置并随后应用加热策略的开环操作。开环算法的示例在图22中描绘。
可以以这样的方式来选择在加热策略中确定的加热方式序列，以执行本文中称为"电子搅拌"的操作。"电子搅拌"是加热方式序列，其导致加热方式的平滑变化，使得一个施加的启动和下一个启动之间的空间相关性高。信号发生器16可以是小信号发生器，并且被设置为使得频率和相移以如下方式随时间平滑地改变，即使得由这种激励引起的加热方式也平滑地改变。图24示出了电子搅拌的示例，其示出了在各种相位和频率指数下的效率。如图24中叠加的各种线所示，加热方式序列遵循在效率图中识别出的谐振模式(A和B)之间的多个路径(P)。因此，不是仅在产生谐振模式(A和B)的激励之间交替激励，而是在谐振模式(A和B)之间产生各种中间激励。尽管在图24中路径(P)是线性的，但路径可以是步进的,、插值的或遵循特定的路线。这样的设置可以基于特定硬件实现方式和/或频率/相位域中检测到的谐振图的变化而变化。不管所选路径如何，控制方案可以尝试通过从第一检测谐振(例如A)移动到第二检测谐振(例如B)来引起加热方式的平滑改变。
可以通过产生具有特定频率和相移的激励来遍历电子搅拌中的每个路径。例如，路径的开始谐振模式和结束谐振模式的频率和相位可以用于识别相移和频移序列，以遍历两个谐振模式之间的路径。如果路径是线性的并且激励是步进的，则各个激励的相移可以通过将起点(第一谐振模式)的相位与终点(第二谐振模式)的相位之差除以将会在两个模式之间产生的步数或激励次数来计算。类似地，各个激励的频移可以通过将起点(第一谐振模式)的频率与终点(第二谐振模式)的频率之差除以将会在两个模式之间产生的步数或激励次数来计算。
变化的速度(即搅拌路线的速度)可以根据具体食物类型和/或烹饪周期阶段而改变。除了指定控制信号的相位和频率之外，控制器14还可以在遍历路径(P)时控制控制信号的频率和相位的变化率。以此方式，可以利用沿着路径(P)的变化率或行进速率来控制搅拌速度。这样的速度可以基于烹饪周期类型和/或食物负载类型而变化，以改进烹饪操作。例如，对于一段除霜循环，当食物负载冻结时，搅拌路线的速度可以更快，而当食物负载开始解冻时，搅拌路线的速度可以更慢。下面，进一步描述控制器14可以确定解冻过程已经开始的方式。
通过提供这种电子搅拌，由于增强的加热方式多样性(即同时联结到一个以上的谐振)，可更均匀地执行烹饪。此外，由于所选特定搅拌路线和所选激励导致的连续加热方式的高空间相关性，食物负载的边缘可以被均匀地辐射。这允许烹饪过程的边缘管理，由此边缘的加热部分随时间交替，以使加热部分暂停并与食物负载的较冷部分换热，从而避免边缘烧焦。
因此，电子搅拌提供了类似于机械解决方案(即搅拌器或转盘)提供的加热策略的加热策略。这尤其提供了增强的除霜性能。如本文中所述，模式可以对应于每个射频信号的频率和相位，以及对应的射频馈源(例如射频馈源26A-26D、226A-226B)。例如，第一射频信号和第二射频信号可以由射频控制器32响应于来自控制器14的指令而生成，以在包括频率和相移的模式下激活射频馈源。响应于指令，第一射频信号可以被设置为在相对于第二射频信号的定时的频率和相移下工作。另外，第二射频信号可以被设置为在相对于第一射频信号的定时的频率和相移下工作。以此方式，控制器14可以在烹饪腔室20中诱发电磁辐射，以实现所需的频率和相位，从而提供本文中所论述的电子搅拌。
更具体地，为了执行上述电子搅拌，控制器14可以被配置为控制谐振腔室的扫描操作。扫描操作可以包括在射频馈源(例如射频馈源26A-26D、226A-226B)之间发射多个频率和相应的相移。当发射多个频率时，控制器14可以测量烹饪腔室20中的反射功率的效率。如参照图28进一步讨论的，控制器14可操作以在频域和相域中对烹饪腔室20的整个效率响应进行映射和/或插值。
基于测量结果或效率插值结果，控制器14可以检测具有特定食物负载的烹饪腔室20的多个谐振频率。谐振模式可以对应于烹饪腔室20的临界频率或谐振频率。例如，射频馈源的谐振频率可以对应于包括第一相位和第一频率的第一谐振模式，以及包括第二相位和第二频率的第二谐振模式。控制器14可以选择第一谐振模式和第二谐振模式作为搅拌路线的路径点或起点和终点。以此方式，控制器14可操作以将限定搅拌路线的路径确定为第一模式与第二模式之间的多个中间模式。
利用在第一谐振模式和第二谐振模式之间识别出的搅拌路线，控制器可以通过控制沿着中间模式提供给高功率射频放大器18A-18D的射频信号来控制电子搅拌过程。为了控制搅拌路线，控制器14可以顺序地激活多个高功率放大器(例如高功率射频放大器18A-18D)，以沿着中间模式将相应的射频馈源发射到烹饪腔室中。以此方式，控制器14可以以由中间模式限定的频率和相移顺序地激励烹饪腔室20。控制器14可以递增地调节频率和相移，以平滑地调节射频信号之间的频率和相移，从而遍历两个谐振模式之间的路径。
控制器14可以进一步调节从一个中间模式到下一个中间模式的变化率，以控制搅拌速率。可以基于用于特定食物类型或烹饪过程的一个或更多个用户设置和/或自动设置来调节改变速率。例如，控制器14可以控制搅拌速率，以保持射频馈源的频率和相位设置以每个模式约0.1秒至约4秒的速率变化，或者使沿着搅拌路线的每个频率和/或相位变化与此类似。对于除霜操作，搅拌速率可以为每个模式约0.05秒至0.5秒。对于快速加热操作期间的典型食物负载，搅拌速率可以为每个模式约0.5秒至1秒。最后对于一些特定的食品，可以应用每个模式1秒至3秒的较低搅拌速率。在特定示例中，对于土豆或土豆泥的加热设定，搅拌速率可为每个模式约2秒至3秒。
回头参照图17，在步骤406中生成加热策略之后，控制器14通过射频馈源26A-26D、226A-226B利用对应于所选加热方式序列中的每个加热方式的频率集合的所选相量集合来激励封闭腔室20、222(步骤408)。
在工作中，为了确定表示为总输入功率减去总反射功率的净功率平衡，控制器14可以通过使用集成放大器功率测量系统150来实现闭环调节(步骤410)，以检测传送到负载的能量或诸如效率的所传送能量的替代表示。能量测量结果可以相对于当前对称平面集成在累加器中。控制器14以特定的时间间隔，使用闭环调节来重新平衡受激励模式的启动序列，以增加或减少特定对称平面的启动次数，从而更好地实现所需的能量目标设定点。在另一示例中，控制器14可以使用闭环调节来针对特定对称平面或特定模式调节施加到封闭腔室20、222的功率。闭环算法的示例在图24中示出。注意，在该示例中，在重新平衡之后，第一对称平面中的优化谐振模式的数量减少1。控制器14还可以监视能量(或替代表示)，以获得关于所应用的旋转轴的反馈。
图25A是其中烹饪器具包括两个端口的封闭腔室中的食物负载的一个示例的效率图。图25B是其中烹饪器具包括四个端口的封闭腔室中的食物负载的一个示例的效率图。因此，这些效率图是两个不同状态的频率/相位表示。在每个图中，谐振模式相对于它们所处的对称平面用正方形/三角形来标记。图25B所示的交叉标记描绘了由于某种原因(例如因为太接近另一个谐振模式)算法已经滤波的谐振模式。
图26A示出了频域/相域中的效率图的示例，其中系统大部分是对称的，并且大部分谐振在0°(第一对称平面)和180°(第二对称平面)附近。这些谐振不需要被旋转。在该示例中，使用标称轴(第一标称轴：0°、第二标称轴：180°)获得最高效率(联结)。图26B示出了频域/相域中的效率图的示例，其中系统是不对称的，并且大部分谐振不在0°(第一对称平面)和180°(第二对称平面)附近。这些谐振可能进行旋转。在该示例中，将特定旋转施加到每一极点获得最高效率(联结)。如果使用标称轴(第一标称轴：0°、第二标称轴：180°)，将获得较低的效率。
下面参照图27讨论上述方法的替代方案。此处，控制器14可以被配置为执行在封闭腔室20、222中激活预分类谐振模式序列的方法(500)，以利用来自图27中所示的多个射频馈源26A-26D、226A-226B的射频辐射来控制其中的加热方式。多个射频馈源26A-26D、226A-226B将射频辐射传送到封闭腔室20、222中，并且在多个射频馈源26A-26D、226A-226B处测量正向和反向功率。该方法包括以下步骤：检测不对称并且找出最佳旋转平面(步骤502)；部分地基于位于封闭腔室20、222中的负载，选择与要传递到封闭腔室20、222中的每个对称平面的能量的量相对应的加热目标(步骤504)；基于加热目标生成加热策略以确定期望的加热方式，该加热策略具有对应于期望的加热方式的将要传送到封闭腔室20、222中的所选谐振模式序列(步骤506)；利用对应于所选谐振模式序列中的每个谐振模式的频率集合的所选相量集合来激励封闭腔室20、222(步骤508)，以创建加热方式；以及基于射频馈源26A-26D、226A-226B处的正向和反向功率测量结果来监视所创建的加热方式，以使用闭环调节基于所期望的加热方式和所创建的被监视的加热方式来选择性地修改进入封闭腔室20、222中的谐振模式序列(步骤510)。
在方法500中，检测不对称并找出最佳旋转平面(步骤502)以及选择加热目标(步骤504)的步骤以与上文关于图17描述的方法400中的步骤相反的顺序执行。此外，这两个步骤的细节是不同的。具体地，在步骤402中，在不对称检测步骤502中而不是在加热目标选择步骤504中执行第一子步骤(相量激励子步骤(1))、第二子步骤(激励分析子步骤(2))和第三子步骤(谐振模式旋转子步骤(3))。为了找出最佳旋转，控制器14产生一组预选的激励以找出表示未旋转谐振模式的频率，然后在接近于表示谐振模式的那些频率的小区域中产生激励，同时移动相位并测量所得效率。如果某频率下的特定相位导致效率的增加，则优化谐振模式是相移谐振模式，并且旋转是相移。因此，在步骤502的子步骤(1)中，控制器14首先利用多个预先选择的频率来激励腔室，以识别未旋转谐振模式，然后通过作用于多个相移并且保持该谐振模式的频率锁定来识别待分析的各未旋转谐振模式的一组激励。具体地，对于各个未旋转谐振模式，控制器14产生具有相同频率(标称模式)和相移组合的一组激励。相位集合可以先验地定义、在运行时静态地定义或者甚至根据不同的参数适配。此外，相位轴可以包括分析范围内的所有相移或仅仅几个样本，从而以牺牲近似值为代价节省计算时间。相移不是任意定义的，因为如果旋转得太靠近另一个对称平面，则与特定的对称平面相关的激励可能与该另一个对称平面联结。因此，控制器14对相位轴设置适当的限制是有利的。
所选启动可以与它们的效率一起存储。对于各个对称类别的每个模式，存储图示相量/效率，即如果腔室具有两个端口，其中两个端口具有两种可能的类别并且已经为每种类别选择了两个模式，则将执行四组激励，每组激励具有定义的所有相移，从而获得待进一步分析的四组效率测量结果。
然后在第二子步骤(激励分析子步骤(2))中分析所记录的效率图，以找出用于优化效率的相移，因为理论上，效率对相位曲线应该遵循正弦趋势并且在系统的实际对称平面上具有最大值。
一旦找出了最佳旋转平面，就根据第三子步骤(谐振模式旋转子步骤(3))相应地改变谐振模式。通过协调来自所有对称平面的信息，可以使在腔室中可用的全体谐振模式按对称类别分类。以上针对图17描述了子步骤(1)-(3)的附加细节。
然后，在步骤504中，部分地基于位于封闭腔室中的食物负载，选择与要传递到封闭腔室中的每个对称平面的能量的量相对应的加热目标，其中加热目标包括在前一步骤502中利用所选旋转而进行旋转的多个谐振模式。因此，步骤502包括上述步骤402的子步骤(4)。当选择加热目标时，控制器14还被配置为根据食物负载和烹饪周期要求来选择加热目标。
在步骤504之后，控制器14执行步骤506-510，其对应于图17的步骤406-410。只要这些步骤相同，就不提供步骤506-510的细节。相反，以上步骤406-410的描述通过引用结合于此。
参照图28，现在描述烹饪腔室20内的谐振模式的光谱模态识别的方法700。电磁烹饪装置10可以在输出信号的频率和相移的范围上映射谐振峰值。重要的是，针对每个电磁烹饪装置10和食物负载进行测量，因为谐振图可以在整个烹饪操作中基于食物负载和加热腔室20的变化而变化。通常，控制器14可以通过完成频率扫描来检测谐振图(步骤702)，由此根据可在电磁烹饪装置10中进行激励的对称，向腔室20施加各种频率和预定相移的激励。在步骤702期间，应将高功率射频放大器18A-18D的输出功率减小到安全水平(即低到足以确保即使在发生高反射时也不会损坏)。
参照图29A和图29B，其示出了包括四个波导入口端口(射频馈源26A-26D、226A-226D)的烹饪腔室20的实施方式。对于步骤702，控制器14可以被配置为将不同控制信号提供到四个对应放大器18A-18D中的每一个，使得可以存在三个相移，其可以施加到从射频馈源26A-26D、226A-226D发射的辐射。因此，控制器14可以控制激励对称，可以用于测量电磁烹饪装置10对特定食物负载的响应。例如，对于四端口系统，相位可以是[0,0,0]°、[0,45,45]°、[0,90,90]°、[0,180,180]°等等。可选地，对于步骤702，控制器14可以测试所有的相移矢量，以建立详细的谐振图，其在每个给定的频移点/相移点采集效率。
可选地，控制器14还可以在步骤704中利用低通滤波器在给定固定相移的频率跨度上对所测量的效率进行滤波。另选地，可以利用自适应滤波器在给定固定相移的频率跨度上对所测量的效率进行滤波。自适应滤波器可以具有由放大器18A-18D中的每一个提供的所测量的不平衡功率分布给出的权重。通过对结果进行滤波，可以去除来自放大器18A-18D的注入功率的峰值。以此方式，可以从结果中去除与装置10的谐振不相对应的伪峰值。在图30中示出了自适应滤波的示例。
在一些实施方式中，如步骤706所示，控制器14可以利用数字或数学模型对包括食物负载的烹饪腔室20进行建模。该模型可以将具有食物负载的烹饪腔室20的效率与射频馈源26A-26D、226A-226D的工作频率相关联。例如，对于每个轴，该模型可以将射频馈源26A-26D、226A-226D的系统效率η和每个信道的反射ρ与旋转角γ(端口之间的相移矢量)相关联。该关系表示为等式1和等式2。
η(f，γ)＝η1(f)cos(γ)+η2(f)sin(γ)+η3(f) (等式1)
ρ(f，γ)＝ρ1(f)cos(γ)+ρ2(f)sin(γ)+ρ3(f) (等式2)
等式1和等式2还可以用等式3中示出的一般形式来表示。
x(f，γ)＝xic1(f)cos(γ)+xic2(f)sin(γ)+xic3(f) (等式3)
因此，烹饪腔室20的模型可以包括多个未知的插值参数。这些插值参数可对应于三个变量：xic1(f)、xic2(f)、xic3(f)。由于每个频率有三个参数，所以为了能够转变烹饪腔室20的模型而采样的效率的最小数量等于3。例如，对于给定频率f，控制器14可以以等于[0,120°,240°]的相移来激励电磁烹饪装置10。然后，这些效率可以由测量系统测量，以记录三种效率(例如85°、70°、69°)，如下所示：
85％＝η1(f)cos(0)+η2(f)sin(0)+η3(f)
70％＝η1(f)cos(120)+η2(f)sin(120)+η3(f)
69％＝η1(f)cos(240)+η2(f)sin(240)+η3(f)
以此方式，控制器14可以基于步骤708所示的所测量的效率接着计算作为数字模型的系数的多个插值参数。因此，插值参数可以对应于：η1(f)、η2(f)、η3(f)。
利用插值参数，如步骤710所示，控制器14可以估计包括与用于引起所测量的效率的相移不同的附加相移的效率结果。在一些实施方式中，控制器14可以利用系统的模型对系统的操作范围内的所有可能相移的全部空间进行插值。也就是说，控制器14可以在射频馈源26A-26D、226A-226D的基本上所有的工作频率和相移上针对每个食物负载对用于烹饪腔室20的电磁烹饪装置10的效率响应进行建模。
如本文中所述，所公开的插值方法可提供用于控制器14，以测量仅三个或四个频率和相位模式的效率响应。利用所测量的效率，控制器14可以基于系统的插值系数(包括尚未测试的系数)对结果进行插值以获得所有其它相移的效率响应。插值系数可以存储在存储器中。在此配置中，控制器14可以测试仅几个输入信号的反射信号的响应，以推断加热腔室20在频域/相域中的全部效率。谐振图的示例在图25A、图25B和图26A、图26B中示出。图25A、图25B和图26A、图26B的谐振图以正方形和三角形示出了多个谐振峰值。正方形表示具有偶对称的峰值，三角形表示具有奇对称的峰值。
在步骤712中，控制器14可以将电磁烹饪装置10的谐振与谐振图中的局部最大值相关联。如本文中所述，系统的谐振可以对应于展示系统的临界或谐振频率的谐振模式。控制器14可以将模式存储在存储器中，并且在一些实施方式中，可以利用与模式相关联的相移和频率来控制提供到烹饪腔室20中的射频馈源。以此方式，控制器可以识别和控制烹饪腔室20内的电磁能的分布。
在步骤714中，可以基于相移中的奇频分布、偶频分布或奇偶组合频率分布对电磁烹饪装置10的谐振图进行分类。也就是说，所施加的相移与所联结的谐振模式的对称类别直接有关。例如，图29A中的相移可以对应于偶对称。图29B中的相移可以证明反相关系中的源激活奇对称模式。谐振的这种分类可以根据它们的绝对相位进行(即如果它们在90°-270°之间，则分类为第二对称平面，如果小于90°或大于270°，则分类为第一对称平面)。以此方式，控制器14可以监视来自射频馈源26A-26D、226A-226D中的每一个的反射信号以识别加热腔室20的谐振图的样本数据。
以上关于图28所描述的方法可以概括如下。控制器14可以控制与第一射频信号和第二射频信号相对应的射频馈源。射频信号可以在电磁烹饪装置10的操作范围内并且由控制器14以第一射频信号与第二射频信号之间的多个相移来控制。另外，控制器14可以控制放大器18以放大射频信号，从而在烹饪腔室20中产生射频馈源。控制器14可以进一步针对多个相移测量由射频馈源引发的腔室中的反射信号的多个效率，并且估计腔室20的频率响应的效率结果。效率结果可以包括针对烹饪装置的操作范围估计的附加相移。在该示例中，附加相移与用于产生RF馈源的多个相移不同。
除了效率之外，控制器14可以另外监视射频馈源26A-26D、226A-226D中的每一个的最大反射功率信号以识别放大器18A-18D中的每一个维持本文所述的操作模式中的每一个的操作的能力。例如，基于反射的功率信号，控制器14可以识别射频馈源26A-26D、226A-226D的各个单独信道的最大反射。以此方式，控制器14可以将提供到放大器18A-18D的驱动功率与对应于放大器18A-18D中的每一个的最大反射信号进行比较，以确定放大器18A-18D中的每一个是否可操作，从而维持所期望的频率和功率下的操作。因此，控制器14可以验证放大器18A-18D的操作被保留以在整个操作期间维持放大器18A-18D的系统模型。控制器14还可以被配置为基于包括多个插值参数的数字模型来估计效率结果。基于针对反射信号所测量的多个效率计算数字模型的插值参数。在一些实施方式中，控制器可以在烹饪过程期间更新烹饪腔室20的插值参数。为了更新插值参数，控制器14可以测量反射信号的附加效率并重新计算插值参数，以考虑加热食物负载可能导致的效率响应的改变。
上述的光谱模态识别方法的益处包括能够检测系统的效率响应和谐振图、当对系统施加不一致的功率时(高功率射频放大器18A-18D过冲、功率的粗略调节)能够获得更好的噪声抑制、减少的感测识别时间及其导致的更高的有效功率(由于在步骤702期间高功率射频放大器18A-D的输出功率降低到安全水平)。可选地，随机存取存储器可用于存储系统的"快照(snapshot)"以通知用户、测量或量化快照随时间的变化。另一选项是使用诸如矢量拟合或其它拟合技术的技术来按照品质因数和谐振(临界)频率对谐振进行分类。
当电磁烹饪装置的射频系统对于给定射频激励(对于多端口系统为设定频率和设定相移)稳定时，反射功率是恒定的。只要反射功率与效率成反比，则当射频系统对于给定激励稳定时，效率也保持恒定。然而，如果射频系统不稳定，则反射功率以及效率随时间以噪声方式变化。射频系统中的不稳定性越强，反射功率中的振荡越大。这种不稳定性的原因可能是随着烹饪周期的进行食物负载特性的变化。如下面进一步解释的，食物负载特性的这种变化可以是体积上的。因此，通过监视反射功率或效率在整个烹饪周期中的变化，可以检测食物负载的体积的变化。检测食物负载的体积变化或检测食物负载的特性的其它变化的能力在控制以下特定过程中是有利的：爆爆米花、加热牛奶、使液体沸腾以及融化诸如巧克力或黄油的食物。另一个优点是这种能力可用于检测并因此防止食物负载在烹饪腔室中飞溅。下面将在与每个过程相关的单独标题下进一步讨论这些具体示例。
在诸如上述的具有多个射频馈源26A-26D、226A-226D的多端口系统中，输入相量(即频率、振幅、相移)的任何变化将影响效率。因此，当用于烹饪周期的加热策略涉及在整个循环中改变输入相量时，不能简单地监视表示整个烹饪周期中的效率的数值来检测食物负载的特性的变化，因为效率的变化可能由相量的变化而不是食物负载的变化引起。因此，效率的变化系数的时间变化可用于隔离由食物负载特性的变化引起的效率变化，而不是由输入相量的变化引起的效率变化。
因此，可以提供电磁烹饪装置10，其包括其中放置食物负载的封闭腔室20、控制器14和被配置为将电磁辐射引入封闭腔室中以加热和制备食物负载的多个射频馈源26A-26D、226A-226D，多个射频馈源26A-26D、226A-226D被配置为允许在多个射频馈源处进行正向功率和反向功率的测量。控制器14可以被配置为执行图31所示的方法720的步骤。具体地，控制器14可以控制系统，使得其根据如上所述的加热策略在预定时间段(例如0.5秒至4.0秒)内从多个射频馈源26A-26D、226A-226D生成指定频率和相移的射频激励(步骤722)。接下来，在预定时间段内(或在整个激励持续时间内)，控制器14测量并分析多个射频馈源26A-26D、226A-226D处的反向功率以计算效率(以上述方式)(步骤724)，确定效率的变化系数(步骤726和728)，并且监视变化系数以识别食物负载的特性的可能变化(步骤730)。效率的变化系数的确定可以如下进行：确定预定时间段内的效率的平均值和标准偏差(std)(步骤726)并且根据平均值和标准偏差计算变化系数(步骤728)。在步骤728中，可以将变化系数计算为(标准偏差/平均值)。接下来，在步骤732中，控制器14基于烹饪周期内变化系数的变化确定是否在食物负载的特性中识别出可能的变化，直到该变化达到某个指定阈值(例如指定的体积变化)的时间点为止。注意，满足步骤732所需的食物负载特性的指定变化程度将根据食物负载的类型而改变，这将从下面描述的示例中显而易见。如果没有识别出食物负载特性的这种变化，则控制器14重复步骤722-732，直到识别出这种变化为止。注意，在重复步骤722时，可以根据加热策略使用不同的输入相量。因此，在执行方法720时，控制器14重新计算平均值和标准偏差，并由此重新计算每个不同的输入相量激励的持续时间的变化系数。以此方式，跨越所有不同射频激励有效地归一化平均值和标准偏差，并且无论由输入相量的变化引起的效率变化如何，平均值和标准偏差都是可比较的。
一旦控制器14在步骤730和732中识别出食物负载的特性的变化达到指定阈值(例如，体积的指定变化)，控制器14就执行步骤734，其中控制器14可以停止烹饪周期或者改变烹饪控制参数(例如包括输入相量的振幅、频率和/或相移的加热策略)，并且继续执行步骤722-732，直到发生另一个变化为止，该另一个变化可能触发加热策略的又一个变化或停止烹饪周期。同样，在步骤734中采取的具体动作将取决于食物负载的类型和用于该类型食物负载的对应烹饪周期和加热策略。
因为关注的是随时间变化的变化率而不是绝对水平，所以通过计算效率的变化系数，食物负载的特性变化的识别对于相对效率水平不敏感。这使得能够在不同振幅、频率和相移的不同激励之间进行比较。
如上所述，一旦变化系数的改变识别出食物负载的特性变化达到指定程度，就可以停止或改变烹饪过程。可选地，可以重复频率扫描以重新映射谐振模式。
尽管本文提供了使用效率的变化系数的示例，但是可以使用其它度量来确定食物负载的特性变化。这些其它度量可以测量叠加到效率上的"噪声"的量，其中可以跨所有输入相量对噪声进行归一化。这些度量可以区分变化的类型或系统不稳定性。一种方法可以是对所测量的反向功率或所计算出的效率执行快速傅里叶变换(FFT)，以专注于由食物负载变化引起的高频内容，因为由输入相量的变化引起的变化由于输入相量以0.5秒到4.0秒的增量变化而呈现在低频内容中。应当注意，在每个单独射频激励的整个持续时间内连续地计算效率，并且受监视的变化不在秒域中，而是在不到一秒的域中，使得可以在任何一个激励期间检测食物负载的变化。
已经描述了可以计算变化系数的方式，现在描述若干应用。
A.自动检测沸腾
参照图32A和图32B，其示出了在烹饪腔室20中加热了一段时间的液体的效率(图32A)和对应的效率的变化系数(图32B)的样本数据。出于说明的目的，示出了在液体的平静阶段、弱沸腾状态和强沸腾状态中的每一个期间的效率和对应的变化系数。通过计算效率的变化系数并且监视信号特性，控制器14可操作以检测与液体体积中的振荡成比例的反射功率中的振荡。尤其是，效率的变化系数与液体的沸腾水平成比例。也就是说，沸腾程度越大，效率的变化系数越大。基于这些特性，控制器14可以检测液体的加热状态，其可以包括沸腾开始时间、弱沸腾状态和强沸腾状态。
控制器14可以通过执行图33中所示的加热方法740来控制液体的加热，其中控制器14首先在可以对应于初始加热时间段的平静阶段测量效率的变化系数(步骤742)。例如，平静阶段可以包括如图32B所示的预定时间段。可以利用在平静阶段所测得的效率的变化系数来定义表示强沸腾状态的阈值(例如图32B中的阈值743)(步骤744)。在一些实施方式中，可以在定义阈值之前将在平静阶段所测得的效率的变化系数存储到存储器。另选地，阈值可以由存储到存储器的预定值来定义。例如，可以通过测量平静阶段或其中的时间段(例如前20秒)的变化系数的平均值并且将该平均值乘以常数(例如3)来确定阈值。因此，应当理解，在一些实施方式中，阈值可以对应于在平静阶段的时间段所测得的效率的变化系数的平均值与预定乘数之间的乘积。
一旦定义了阈值，控制器14就监视效率的变化系数(步骤746)，并且如果效率的变化系数大于或等于阈值达预定时间段(步骤748)，则确定液体处于强沸腾状态，并且作为响应，控制器14调节放大器18A-18D的功率电平(例如改变占空比、输入功率等)(步骤750)。否则，控制器14确定液体处于弱沸腾状态，并且继续监视效率的变化系数(步骤746)，直到满足在步骤748指定的条件。关于步骤750，调节可以包括维持或增加功率电平以将液体保持在强沸腾状态，降低功率电平以将液体保持在强沸腾状态附近，或者使液体返回到弱沸腾状态，或者通过停用放大器18A-18D来完全停止液体的加热。此外，对功率电平的调节可以限于由控制器14设置的时间段。可选地，一旦满足在步骤748中指定的条件，或者换句话说，控制器14检测到液体已经达到强沸腾状态，则控制器14可以向人机接口28或者诸如智能电话的移动装置输出通知(步骤752)。作为响应，如果需要，用户可以(经由人机接口28或移动装置)向控制器14提供输入，以接受在步骤750中描述的调节，或进行其它调节。
控制器14可以附加地或另选地通过执行图34所示的加热方法760来控制液体的加热，其中控制器14首先测量平静阶段的效率的变化系数(步骤762)。可以利用在平静阶段所测得的效率的变化系数来定义表示强沸腾状态的掩模(例如图32B中的掩模763)(步骤764)。在一些实施方式中，可以在定义掩模之前将在平静阶段所测得的效率的变化系数存储到存储器。另选地，可以通过存储到存储器的预定函数来定义掩模。预期的是，掩模可以表示为上升的线性、指数或对数函数。一旦定义了掩模，控制器14就监视效率的变化系数(步骤766)，并且如果效率的变化系数匹配于掩模达预定时间段(步骤768)，则控制器14确定液体处于强沸腾状态，并且作为响应，调节放大器18A-18D的功率电平(步骤770)。否则，控制器14确定液体处于弱沸腾状态，并且继续监视效率的变化系数(步骤746)，直到满足步骤768中指定的条件。关于步骤770，调节可以包括维持功率电平、增大功率电平、降低功率电平或者完全停止液体的加热。可选地，一旦满足步骤768中指定的条件，或者换句话说，控制器14检测到液体已经达到强沸腾状态，则控制器14可以向人机接口28或者诸如智能电话的移动装置输出通知(步骤772)。作为响应，如果需要，用户可以(经由人机接口28或移动装置)向控制器14提供输入，以接受在步骤770中进行的调节，或进行其它调节。
应当理解，用户可以选择使用人机接口28或移动装置来实现方法740、760中的哪个方法。有利地，上述方法740、760极大地改善了能量消耗，并且使得用户能够获得液体的最佳沸腾水平和温度，而不必输入液体的任何特定特性，例如质量或体积。同样，电磁烹饪装置10能够实现方法740、760，而不必检测液体的具体质量或体积。
B.自动加热牛奶
参照图35，其示出了在烹饪腔室20中加热了一段时间的特定液体(即牛奶)的效率的变化系数(度量输出)的样本数据。从牛奶得出的变化系数表明了基于与蛋白质变性和其它化学变化相关的介电常数相对于温度升高的急剧变化，在约37℃、50℃和85℃下，反射功率发生变化。这些化学反应导致电磁烹饪装置10的谐振中的频移和品质因数改变。各个变化对应于牛奶的状态，牛奶的状态可由控制器14检测并与所测得的谐振移位结合使用以估计牛奶的温度并控制自动加热功能。也就是说，控制器14可以间接地检测牛奶的温度，并且响应于牛奶温度(低于37℃、在37℃和50℃之间、在50℃和85℃之间以及大于85℃)来控制牛奶的加热状态。以此方式，控制器14可以基于用户指定的温度输入自动地将牛奶制备到特定温度或范围。这样的特征对于将牛奶加热到用于幼儿或婴儿的适合温度是特别有益的。
控制器14可以通过执行图36所示的方法780来控制牛奶的加热，其中控制器14首先在可以对应于初始加热时间段的平静阶段测量效率的变化系数(步骤782)。例如，可以利用在平静阶段所测得的效率的变化系数来定义表示由用户经由人机接口28或移动装置指定的温度的阈值(步骤784)。在一些实施方式中，可以在定义阈值之前将在平静阶段测得的效率的变化系数存储到存储器。一旦定义了阈值，控制器14就结合谐振移位来监视效率的变化系数(步骤786)，并且如果效率的变化系数大于或等于阈值(步骤788)，则控制器14调节放大器18A-18D的功率电平(步骤790)。在一个特定示例中，控制器14可以将牛奶维持在用户指定的温度(例如"保温"功能)或完全停止牛奶的加热。可选地，一旦满足步骤788中指定的条件，或者换句话说，控制器14估计牛奶已经达到由用户指定的温度，则控制器14可以向人机接口28和/或诸如智能电话的移动装置输出通知(步骤792)。作为响应，如果需要，用户可以(经由人机接口28或移动装置)向控制器14提供输入，以接受步骤790中描述的调节，或进行其它调节。
有利地，上述方法780极大地改善了能量消耗，并且使用户能够获得最佳的牛奶温度，而不必输入牛奶的任何特定特性，例如质量或体积。同样，电磁烹饪装置10能够实现方法780，而不必检测牛奶的具体质量或体积。
C.自动融化黄油和巧克力
电磁烹饪装置10还可以用于准确融化黄油和巧克力，而不会使融化的液体过热。控制器14可以通过执行图37所示的方法800来控制诸如黄油或巧克力的食物负载的融化，其中控制器14首先扫描腔室20以使用光谱模态识别来测量谐振，并且生成可以被存储到存储器中的合成谐振图(步骤802)。此外，控制器14可以在可以对应于初始加热时间段和初始体积的平静阶段测量效率的变化系数(步骤804)。接下来，控制器14在预定时间段之后和/或当检测到效率的变化系数的改变时有条件地重复谐振的测量(步骤806)。例如，控制器14可以将在平静阶段之后的效率的变化系数的一个或更多个改变识别为食物负载的体积改变。对于巧克力、黄油和类似物质，体积的改变对应于融化开始时形状和稠度的改变。然后，控制器14可以确定谐振图之间的变化是否满足表示融化条件(即食物负载正在融化)的阈值条件(步骤808)。如果不满足，则在返回到步骤806之前，控制器14控制放大器18A-18D(例如以预定量的能量)向腔室20施加功率(步骤810)。否则，一旦在步骤808中满足阈值条件，控制器14就调节放大器18A-18D的功率电平(步骤812)。在一个特定示例中，如果谐振随时间的变化率降到预定阈值以下，则控制器14确定满足了步骤808中指定的条件。作为响应，控制器14停止食物负载的加热。在一些实施方式中，一旦预定量的能量已经被施加到食物负载，控制器14将停止加热过程。在一些控制方案中，预期的是控制器14还可以根据食物负载的状态来调节电磁烹饪装置10的功率电平。可选地，一旦满足步骤808中指定的条件，或者换句话说，控制器14检测到食物负载已经融化，则控制器14可以向人机接口28或诸如智能电话的移动装置输出通知(步骤814)。作为响应，如果需要，用户可以(经由人机接口28或移动装置)向控制器14提供输入，以接受在步骤812中描述的调节，或进行其它调节。
通过使用方法800在融化过程中控制电磁烹饪装置10，可以自动地实现完全融化或软化而不会出现焦糊部分。另外，用户不需要输入待融化的食物负载的质量或体积。此外，一旦已经实现融化，就由于自动停止而节省了能量。
D.液体、酱汁和混合负载的自动飞溅控制
现在参照图38，其示出了在烹饪腔室20中加热了一段时间的液体的效率的变化系数(度量输出)的样本数据。例如，液体可以对应于酱汁。在一些实施方式中，液体可以是混合负载(即，既具有液体成分又具有固体成分的食物负载)的一部分。
控制器14可以使用图39所示的方法820控制液体或至少部分液化的食物负载的加热，其中控制器14首先测量可以对应于初始加热时间段的平静阶段(例如图38中的起点)的效率的变化系数(步骤822)。可以利用平静阶段的效率的变化系数来定义表示沸腾状态的阈值(例如图38中的阈值823)(步骤824)。在一些实施方式中，可以在定义阈值之前将在平静阶段所测得的效率的变化系数存储到存储器。另选地，阈值可以由存储到存储器的预定值来定义。一旦定义了阈值，控制器14就监视效率的变化系数(步骤826)，并且如果效率的变化系数大于或等于阈值(步骤828)，则控制器14调节放大器18A-18D的功率电平(例如改变占空比、输入功率等)。(步骤830)。否则，控制器14继续监视效率的变化系数(步骤826)，直到满足在步骤828中指定的条件。关于步骤830，调节可以包括减小功率电平直到效率的变化系数减小预定量，随后在预定时间量内增大功率电平，或者直到效率的变化系数满足步骤828中指定的条件(例如达到阈值)。以此方式，在避免飞溅的同时加热液体。只要满足步骤828中指定的条件，就可以连续地重复步骤828和830，或者可以在经过预定时间段之后停止液体的加热。可选地，一旦满足在步骤828中指定的条件，或者换句话说，控制器14检测到液体已经达到沸腾状态，则控制器14可以向人机接口28或诸如智能电话的移动装置输出通知(步骤832)。作为响应，如果需要，用户可以(经由人机接口28或移动装置)向控制器14提供输入，以接受在步骤830中描述的调节，或进行其它调节。
E.自动爆玉米花
现在参照图40，其示出了在腔室20中爆了一段时间的玉米花的效率的变化系数(度量输出)的样本数据。从结果来看，效率的变化系数与爆裂的玉米粒随时间变化的频率成比例。此外，一旦爆裂开始，效率的变化系数会受玉米花袋中体积突增的影响。因此，通过监视效率的变化系数，控制器14可以基于随时间爆裂的玉米粒的频率或定时来控制玉米花的爆裂。响应于爆裂的效率的变化系数的变化可以与玉米花袋中的玉米粒的体积和分布的变化相关联。如下面将更详细地描述的，控制器14可以基于检测到爆裂的开始和爆裂的完成阈值来控制玉米花的爆裂。
控制器14可以通过使用图41中所示的方法840来控制玉米花的爆裂过程，其中控制器14首先测量在可以对应于初始爆裂时间段(例如图39中的起点)的平静阶段的效率的变化系数(步骤842)。可以利用在平静阶段所测得的效率的变化系数来定义表示玉米花的爆裂状态的阈值(例如图40中的阈值843)(步骤844)。在一些实施方式中，可以在定义阈值之前，将在平静阶段所测得的效率的变化系数存储到存储器。另选地，阈值可以由存储到存储器的预定值来定义。一旦定义了阈值，控制器14就监视效率的变化系数(步骤846)，并且如果效率的变化系数大于或等于阈值达预定时间段(步骤848)，则控制器14调节放大器18A-18D的功率电平(例如改变占空比、输入功率等)(步骤850)。否则，控制器14继续监视效率的变化系数(步骤846)，直到满足在步骤848中指定的条件。关于步骤850，调节可以包括调节(例如维持或降低)放大器18A-18D的功率电平，并且还可以包括分配时间限制。可选地，一旦满足在步骤848中指定的条件，或者换句话说，控制器14检测到玉米花处于爆裂状态，则控制器14可以向人机接口28或诸如智能电话的移动装置输出通知(步骤852)。作为响应，如果需要，用户可(经由人机接口28或移动装置)向控制器14提供输入，以接受针对步骤850所描述的调节，或进行其它调节。
在方法840完成之后，可以响应于效率的变化系数低于阈值达预定时间量而检测爆裂过程的结束。如图42所示，方法860始于控制器14测量效率的变化系数(步骤862)。控制器14监视效率的变化系数(步骤864)，并且如果效率的变化系数下降到方法840的步骤844中定义的阈值以下达预定时间段(步骤866)，则控制器14调节(例如降低)功率电平并且还可以分配结束爆裂过程的时限(步骤868)。另选地，控制器14可以立即停止爆裂过程。否则，控制器14继续监视效率的变化系数(步骤864)，直到满足步骤866中指定的条件。可选地，一旦满足步骤866中指定的条件，或者换句话说，控制器14检测到玉米花的爆裂已经完成或者接近完成，则控制器14可以向人机接口28或者诸如智能电话的移动装置输出通知(步骤870)。作为响应，如果需要，用户可以(经由人机接口28或移动装置)向控制器14提供输入，以接受在步骤868中描述的调节，或对功率电平和/或时限进行其它调节。
有利地，上述方法840和860使得电磁烹饪装置10能够自动地爆玉米花而不会烧焦或未充分地爆玉米花。此外，通过允许用户对功率电平和/或时限进行调节，用户可以根据他或她的喜好微调自动爆裂特征。
现在参照图43描述检测电磁烹饪装置10的品质因数的变化的方法。电磁烹饪装置10可以对应于可以局部建模为等效于RLC电路的线性无源时不变系统的射频(RF)系统。这样的建模可以对应于导纳的福斯特(Foster)表示。电路等效物可以对应于电阻器/电感器/电容器(RLC)等效物，其基于烹饪腔室14的尺寸、馈送系统(例如射频馈源26A-26D、226A-226D定位)、食物负载类型(材料和温度)以及食物负载大小和位移而变化。随着食物负载被加热，谐振(RLC电路)移位并且品质因数由于其与等效RLC电路的关系而变化。品质因数的等式如等式4所示。
Figure GDA0003052260470000401
电磁烹饪装置10可以进一步被配置为通过监视反射信号来扫描烹饪腔室20，从而根据光谱模态理论对系统响应进行建模。
例如，基于来自射频馈源26A-26D、226A-226D的反射信号，可以识别电磁烹饪装置10的介电常数ε。另外，电磁烹饪装置10的损耗因数可以计算为虚介电常数分量ε″和无损介电常数分量ε′之间的比值，其中无损介电常数分量是自由空间介电常数与相对介电常数的乘积。损耗因数的等式如等式5所示。
Figure GDA0003052260470000402
基于损耗因数，品质因数可以计算为损耗因数的倒数，如等式6所示。
Figure GDA0003052260470000403
以此方式，控制器14可操作以基于来自射频馈源的反射信号来计算品质因数。描述谐振腔室建模方法的进一步细节在Kurokawa,K.,ed.的An Introduction to theTheory of Microwave Circuits(出版：Academic Press，2012年)中有所论述，其全部内容通过引用并入本文。
因此，基于来自射频馈源的反射信号，控制器14可以识别腔室20的各种光谱模态特性。以此方式，电磁烹饪装置10可以确定且存储极点(即谐振频率)，并在频域/相域中映射烹饪腔室20的品质因数。电磁烹饪装置10可以最初在烹饪操作开始时扫描和映射品质因数。电磁烹饪装置10可以在预定量的时间之后或者当检测到反射图案的变化时进一步重复扫描和映射品质因数。
通过比较品质因数随时间的变化，电磁烹饪装置10可以操作以量化由于食物负载的变化(例如介电加热引起的温升)而引起的电磁烹饪装置10中的变化量。以此方式，系统可以检测食物负载针对一个或更多个自动烹饪功能的各种变化。
参照图43，提供了一种用于控制电磁烹饪装置10中的烹饪的方法900，该电磁烹饪装置10具有其中放置食物负载的封闭腔室20和被配置为将电磁辐射引入封闭腔室20以加热和制备食物负载的多个射频馈源26A-26D、226A-226D，多个射频馈源26A-26D、226A-226D被配置为允许在多个射频馈源26A-26D、226A-226D处进行正向功率和反向功率的测量。该方法可以由控制器14执行，并且包括：选择对应于待输送至位于封闭腔室20中的食物负载的能量的量的加热目标(步骤902)；基于加热目标生成加热策略以确定期望的加热方式序列，加热策略具有对应于期望的加热方式序列的用于将能量传递到封闭腔室20中的选定谐振模式序列(步骤904)；使射频馈源26A-26D、226A-226D输出选定频率、选定相位值和选定功率电平的射频信号，从而利用对应于选定谐振模式序列中的每个谐振模式的频率集合的选定相量集合来激励封闭腔室，以创建加热方式(步骤906)；基于射频馈源26A-26D、226A-226D处的正向功率和反向功率测量结果来监视所创建的加热方式，以使用光谱模态识别来测量封闭腔室中的谐振，并且在频域和相域中存储效率图，其中控制器识别与所识别的每个谐振模式相关联的谐振模式和品质因数(步骤908)；确定是否检测到至少一个品质因数的指定变化(步骤910)；以及当识别出至少一个品质因数的指定变化时，采用所生成的加热策略来停止食物负载的烹饪(步骤912)，否则根据加热策略继续激励腔室并且在步骤906-910中监视品质因数。
品质因数的指定变化可以是品质因数变为表示解冻完成的品质因数。具体地，品质因数的指定变化可以是品质因数变为约等于8。应当注意，冰的品质因数约为300，而水的品质因数约为8。因此，已经解冻的食物负载将具有约8的品质因数。因此，通过监视品质因数，电磁烹饪装置10可以实现自动除霜功能而不需要用户输入食物类型或食物质量。
此外，通过监视品质因数，电磁烹饪装置10可以自动确定何时完成食物负载的烹饪。在这种情况下，品质因数的指定变化是品质因数变为表示烹饪完成的品质因数。可以通过用户经由人机接口28输入食物类型的标识来确定表示烹饪完成的品质因数。然后，控制器14可以选择加热目标并且基于食物负载的该标识生成加热策略。此外，控制器可以选择预先存储的效率图，其示出了对应于所识别出的食物负载的类型的完全烹饪食物负载的谐振模式，在预先存储的效率图中识别谐振模式的品质因数，并且将烹饪过程中存储的效率图与预先存储的效率图进行比较，从而确定至少一个品质因数何时变为从预先存储的效率图识别的表示烹饪完成的品质因数。
现在参照图44A至图46C，其示出了展示多个食物类型的相对介电常数、损耗因数和品质因数的图示。首先参照图44A、图44B和图44C，其示出了基于面包或谷物的食物负载的实验结果。实验结果包括相对于面包的温度的图44A中的相对介电常数、图44B中的损耗因数以及图44C中的面包的品质因数。各图示可以展示可以用于识别面包的煮熟程度或烹饪水平的各种性质的指示。如本文中所述，煮熟程度或烹饪水平可以对应于可以表示在烹饪腔室20中完成将食物负载加热到期望水平的温度。因此，在各种实施方式中，控制器14可以独立于经过的烹饪时间并且独立于食物负载的起始温度来确定烹饪温度或者制备程度或煮熟程度。
根据图44A、图44B和图44C中一个或更多个所示的结果，控制器14可以通过食物负载的化学变化或物理变化的形式来识别煮熟程度。参照图44C，品质因数在约25℃至45℃的温度范围内维持相对一致的变化。然后，在47℃至53℃的温度之间，品质因数迅速变化。因此，通过监视食物负载的品质因数，控制器14可以识别出超过预定变化阈值的品质因数的变化。更具体地，控制器14可以监视品质因数以识别在第一变化922期间品质因数超过预定变化阈值的减小。在这种情况下，响应于食物负载包括面包的指示，控制器可以监视品质因数可能在预定时间段内发生的品质因数从约1.05到0.85的减小或者超过减小阈值至少0.1的变化。
因为品质因数在第一变化922期间比在烹饪过程的其它时间段期间变化更快，所以控制器14可以识别出超过面包的预定阈值的品质因数的变化率的增加。因此，控制器14可以一致地识别面包中的第一变化922，并且响应于第一变化922的检测自动停止或调节烹饪周期。在关于面包的该具体示例中，第一变化922可以对应于面包的酵母的第一气体生长。因此，响应于识别出第一变化922，控制器可以识别出面包的酵母的第一气体生长并且调节或停止烹饪周期。
注意，图44A至图46C中记录的具体温度可以是近似值。因此，具体的温度范围(例如第一范围922)和本文所述的其它范围可仅与酵母的第一气体生长和本文所述的由控制器14检测到的其它物理和/或化学变化相对应的已知温度大致相同。然而，这种明显的误差仅证明了利用品质因数来检测食物负载的变化的强度，而没有在实验结果中证明该误差。换句话说，控制器14可以监视品质因数，以相对于利用温度探针(比如用于采集图44A至图46C中的实验结果的温度探针)更精确地检测食物负载的物理和/或化学结构的变化。此外，虽然参照具体食物和温度进行了论述，但是本公开可以提供对各种食物负载的各种性质和组成成分的自动检测。
仍然参照图44C，控制器还可以识别出品质因数的第二变化924。更具体地，控制器14可以监视品质因数，以识别在第二变化922期间品质因数超过预定变化阈值的增加。在这种情况下，响应于食物负载包括面包的指示，控制器可以首先监视品质因数的第一变化922。接下来，控制器可以监视第二变化924的食物负载，或可能在预定时间段内发生的品质因数从约0.8到1或从0.9到0.98的增加(表示品质因数的增加超过增加阈值至少0.1)。对于面包，第二变化924可以对应于在约66℃-71℃的测量温度上同时发生的酶学效应和淀粉糊化。此外，响应于第二变化924的识别，控制器可以自动停止或调节烹饪周期。
现在参照图45A、图45B和图45C，其示出了基于牛肉或肉类的食物负载的实验结果。实验结果包括相对于牛肉温度的图45A中的相对介电常数、图45B中的损耗因数以及图45C中的牛肉品质因数。每个图示可展示可用于识别牛肉的煮熟程度或烹饪水平的各种性质的指示。根据图45A、图45B和图45C中的一个或更多个所展示的结果，控制器14可以通过食物负载的化学变化或物理变化的形式识别煮熟程度。
参照图45C，品质因数在约20℃至80℃的温度范围内维持相对一致的变化。然后，在80℃和90℃的温度之间，品质因数迅速变化。因此，通过监视食物负载的品质因数，控制器14可以识别出超过预定变化阈值的品质因数的变化。更具体地，控制器14可以监视品质因数以识别出在第三变化932期间品质因数超过预定变化阈值的增加。在这种情况下，响应于食物负载包括牛肉的指示，控制器可以监视品质因数可能在预定时间段内发生的品质因数从约0.6到1.1的增加或者超过增加阈值至少0.4的变化。以此方式，控制器可以独立于牛肉的初始温度并且也独立于烹饪牛肉所经过的总烹饪时间来检测牛肉的煮熟程度。
因为品质因数在第三变化932期间比在烹饪过程的其它时间段期间变化更快，所以控制器14可以识别出超过牛肉的预定阈值的品质因数的变化率的增加。因此，控制器14可以一致地识别出牛肉中的第三变化932，并且响应于第三变化932的检测自动停止或调节烹饪周期。在关于牛肉的该具体示例中，第三变化932可以对应于牛肉的蛋白质变性。因此，响应于识别出第三变化932，控制器14可以识别出肉类的蛋白质变性并且调节或停止烹饪周期。
现在参照图46A、图46B和图46C，其示出了土豆或含有土豆淀粉的食物负载的实验结果。实验结果包括相对于土豆温度的图46A中的相对介电常数、图46B中的损耗因数以及图46C中的土豆品质因数。各图示可展示可用于识别土豆的煮熟程度或烹饪水平的各种性质的指示。根据图46A、图46B和图46C中的一个或更多个所展示的结果，控制器14可以通过食物负载的化学变化或物理变化的形式识别煮熟程度。
参照图46C，品质因数在约20℃至60℃的温度范围内以逐渐减小的形式维持相对一致的变化。然后，在60℃和65℃的温度之间，品质因数改变方向并且增加。因此，通过监视食物负载的品质因数，控制器14可以识别出超过预定变化阈值的品质因数的变化，或品质因数的变化率或变化方向的变化。更具体地，控制器14可以监视品质因数以识别出在第四变化942期间品质因数超过预定变化阈值的增加。在这种情况下，响应于食物负载包括土豆的指示，控制器14可以监视品质因数可能在预定时间段内发生的品质因数从约1.4到1.7的增加或者超过增加阈值至少0.2的变化。以此方式，控制器14可以独立于土豆的初始温度并且也独立于烹饪土豆所经过的总烹饪时间来检测土豆的煮熟程度。
因为在第四变化942期间，品质因数的趋势在方向和速率上改变，所以控制器14可以识别出超过土豆的预定阈值的品质因数的变化率的增加。因此，控制器14可以一致地识别出土豆的第四变化932，并且响应于第四变化942的检测自动停止或调节烹饪周期。在关于土豆的该具体示例中，第四变化942可以对应于土豆淀粉的淀粉糊化。因此，响应于识别出第四变化942，控制器14可以识别出土豆淀粉的淀粉糊化并且调节或停止烹饪周期。
现在参照图47，进一步详细讨论了基于计算出的品质因数来识别食物负载的煮熟程度的方法950。该方法950可以从在步骤952中控制射频信号的频率和相位开始。在步骤954中，控制器14可以控制高功率射频放大器18A-18D以产生至少第一射频馈源和第二射频馈源，并且在烹饪腔室20中发射射频馈源。在步骤956中，控制器14可以另外接收食物负载的食物类型的指示。基于食物类型，控制器14可以从存储器识别出对应于食物类型的煮熟程度或烹饪水平的品质因数阈值或预定变化阈值。一旦烹饪过程已经开始，则在步骤958中，控制器14就可以测量来自烹饪腔室20的至少一个反射信号并且基于反射信号计算品质因数。反射信号可对应于腔室14中的正向和反向(或反射)功率量值的指示。
根据品质因数的计算，在步骤960中，控制器14可以监视品质因数以识别出超过预定变化阈值的品质因数的变化。虽然通常被描述为预定变化阈值，但预定变化阈值可对应于预定变化率、变化率的预定方向(增加或减小)和/或相对于品质因数的当前方向、趋势或变化率的预定变化或变化序列。参照图44A至图46C讨论了检测变化率的速率和方向(增加或减少)的一些示例。如果品质因数的变化没有超过预定阈值，则方法950可返回步骤958。如果品质因数的变化超过预定阈值，则控制器14可识别出食物负载已经达到基于步骤956中指示的特定食物类型识别出的完成水平或煮熟程度条件。以此方式，控制器14可操作以独立于食物负载的初始温度并且也独立于烹饪食物负载所经过的总烹饪时间来检测食物负载的煮熟程度。
尽管上述方法被描述为由控制器14执行，但所有或部分方法可由射频控制器32或任何其它控制器、微处理器、微控制器、逻辑电路或编程门阵列单独或组合地执行。
为了本公开的目的，术语“联接”或“联结”通常指两个部件(电气的或机械的)彼此直接或间接联接。这种联接可以是本质上静止或本质上可移动的。这种联接可以利用两个部件(电气的或机械的)和任意附加中间构件来实现，其中，任意附加中间构件与另一附加中间构件或两个部件整体形成为单个一体主体。这种联接可以是本质上永久性的或者可以是本质上可拆卸或可释放的，除非另有说明。
还应注意的是，在示例性实施方式中所示出的装置的元件的构造和布置仅为说明性的。尽管在本公开中仅详细描述了本发明的少数实施方式，但是阅读本公开的本领域技术人员将容易理解，在没有实质背离本主题的新颖教导和优点的情况下，很多修改均是可能的(诸如各种元件的大小、尺寸、结构、形状和比例、参数值、安装布置、材料的使用、颜色、方向等方面的变化)。例如，示出为整体形成的元件可以由多个零件构成，或者示出为多个零件的元件可以整体形成，接口的操作可以颠倒或者以其它方式改变，系统的结构和/或构件或连接器或其它元件的长度或宽度可以改变，在元件之间提供的调整位置的性质或数量可以改变。应注意的是，系统的元件和/或组件可以由各种提供足够强度或耐久性的任意材料构成，并且可以为各种颜色、质地和组合的任意形式。因此，所有这些修改均旨在被涵盖在本发明的范围之内。在不脱离本发明的精神的情况下，可以在所期望的和其它示例性实施方式的设计、操作条件和布置上作出其它替换、修改、变化和省略。
应了解的是，所描述的过程中的任何描述的过程或步骤均可与其它公开的过程或步骤结合，以形成本装置范围之内的结构。本文所公开的示例性结构和过程是出于说明的目的，不应被理解为限制性的。
还应了解的是，在不背离本装置的构思的情况下，可以对上述结构和方法做出变型和修改，并且还应了解的是，所附权利要求旨在涵盖这种构思，除非这些权利要求按其表述另有明确说明。
以上描述仅被认为是所例示的实施方式的描述。本领域技术人员以及制造或使用该装置的人员将想到该装置的修改。因此，应当理解，附图中示出的和上面描述的实施方式仅用于说明的目的，并不旨在限制装置的范围，该装置的范围由根据专利法的原则(包括等同原则)解释的所附权利要求限定。

Claims (20)

1.一种电磁烹饪装置，所述电磁烹饪装置包括：
放置食物负载的封闭腔室；
多个射频馈源，所述多个射频馈源被配置为将电磁辐射引入所述封闭腔室中以加热和制备所述食物负载，所述多个射频馈源被配置为允许测量所述多个射频馈源处的正向功率和反向功率；以及
控制器，所述控制器被配置为：
(a)使得在预定时间段内从所述多个射频馈源中的每一个以指定的频率和相移产生射频激励；
(b)在所述预定时间段期间：测量并分析所述多个射频馈源处的所述反向功率以计算效率，确定所述效率的变化系数，并监视所述变化系数以识别所述食物负载的特性的可能的改变；并且
(c)重复执行步骤(a)和步骤(b)，直到基于烹饪周期内所述变化系数的改变识别出所述食物负载的特性的可能的改变为止，其中，所述射频激励在其它预定时间段根据加热策略处于不同的频率和/或相移。
2.根据权利要求1所述的电磁烹饪装置，其中，所述控制器基于所述预定时间段期间所述效率的标准偏差来确定变化系数。
3.根据权利要求1所述的电磁烹饪装置，其中，所述控制器通过以下方式确定变化系数：
确定所述预定时间段期间所述效率的平均值和标准偏差；并且
基于所述平均值和所述标准偏差计算所述效率的变化系数。
4.根据权利要求3所述的电磁烹饪装置，其中，所述控制器通过将所述标准偏差除以所述平均值来计算所述效率的变化系数。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的电磁烹饪装置，其中，所述控制器监视所述变化系数以识别所述食物负载的体积的可能的改变。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的电磁烹饪装置，其中，在步骤(c)中，控制器重复执行步骤(a)和步骤(b)，直到识别出所述食物负载的体积的特定改变为止。
7.根据权利要求6所述的电磁烹饪装置，其中，当识别出所述食物负载的体积的特定改变时，所述控制器停止所述烹饪周期。
8.根据权利要求6所述的电磁烹饪装置，其中，当识别出所述食物负载的体积的特定改变时，所述控制器改变加热策略并且继续所述烹饪周期。
9.一种控制电磁烹饪装置中的烹饪的方法，所述电磁烹饪装置具有放置食物负载的封闭腔室和被配置为将电磁辐射引入所述封闭腔室中以加热和制备所述食物负载的多个射频馈源，所述多个射频馈源被配置为允许测量所述多个射频馈源处的正向功率和反向功率，所述方法包括：
(a)使得在预定时间段内从所述多个射频馈源中的每一个以指定的频率和相移产生射频激励；
(b)在所述预定时间段期间：测量并分析所述多个射频馈源处的所述反向功率以计算效率，确定所述效率的变化系数，并监视所述变化系数以识别所述食物负载的体积的可能的改变；以及
(c)重复执行步骤(a)和步骤(b)，直到基于烹饪周期内所述变化系数的改变识别出所述食物负载的体积的改变，其中，所述射频激励在其它预定时间段根据加热策略处于不同的频率和/或相移。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，基于所述预定时间段期间所述效率的标准偏差来确定所述变化系数。
11.根据权利要求9所述的方法，其中，通过以下方式确定所述变化系数：
确定所述预定时间段期间所述效率的平均值和标准偏差；并且
基于所述平均值和所述标准偏差计算所述效率的变化系数。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，通过将所述标准偏差除以所述平均值来计算所述效率的变化系数。
13.根据权利要求9至12中任一项所述的方法，其中，监视所述变化系数以识别所述食物负载的体积的可能的改变。
14.根据权利要求9至12中任一项所述的方法，其中，在步骤(c)中，重复执行步骤(a)和步骤(b)，直到识别出所述食物负载的体积的特定改变。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，当识别出所述食物负载的体积的特定改变时，停止所述烹饪周期。
16.根据权利要求14所述的方法，其中，当识别出所述食物负载的体积的特定改变时，选择新的加热策略并且继续所述烹饪周期。
17.一种电磁烹饪装置，所述电磁烹饪装置包括：
放置食物负载的封闭腔室；
多个射频馈源，所述多个射频馈源被配置为将电磁辐射引入所述封闭腔室中以加热和制备所述食物负载，所述多个射频馈源被配置为允许测量所述多个射频馈源处的正向功率和反向功率；以及
控制器，所述控制器被配置为：
(a)使所述多个射频馈源在预定时间段内以指定的频率、振幅和相移产生射频激励；
(b)在预定时间段期间：测量并分析所述多个射频馈源处的所述反向功率以计算效率，确定所述效率的变化系数，并监视所述变化系数以识别所述食物负载的体积的可能的改变；并且
(c)重复执行步骤(a)和步骤(b)，直到基于烹饪周期内所述变化系数的改变识别出所述食物负载的体积的改变。
18.根据权利要求17所述的电磁烹饪装置，其中，在重复步骤(a)和步骤(b)时，所述射频激励在其它预定时间段根据加热策略处于不同的频率和/或相移。
19.根据权利要求17或18所述的电磁烹饪装置，其中，所述控制器基于所述预定时间段期间所述效率的标准偏差来确定变化系数。
20.根据权利要求17或18所述的电磁烹饪装置，其中，所述控制器通过以下方式确定变化系数：
确定所述预定时间段期间所述效率的平均值和标准偏差；并且
基于所述平均值和所述标准偏差计算所述效率的变化系数。
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