CN112204395A - 包括粒子检测设备的烹饪系统以及烹饪方法 - Google Patents

Abstract

一种烹饪系统组合了食物烹饪单元和粒子检测系统。通过导出至少两个尺寸范围内的粒子浓度之间的比率，可标识特定粒子，并且然后可控制食物烹饪单元以减少或消除那些粒子的生成。

Description

包括粒子检测设备的烹饪系统以及烹饪方法

技术领域

本发明涉及烹饪设备和烹饪方法。

背景技术

众所周知，监测诸如颗粒污染物的污染水平是期望的。已知各种感测装置，它们例如提供低于一定尺寸的粒子的粒子浓度水平。例如，已知基于光学散射的光学粒子感测方法。

工业、家庭、汽车和卡车排放出空气污染物的复杂混合物，这些空气污染物中的很多空气污染物对健康有害。在所有的这些污染物中，细颗粒物质对人体健康的影响最大。大多数细颗粒物质来自燃料燃烧，燃料燃烧既来自诸如车辆之类的移动源，又来自诸如发电厂、工业、家庭或生物体燃烧之类的固定源。

本发明特别地涉及由烹饪(即，生物体燃烧)造成的特定污染物。众所周知，烹饪产生不期望的气味和粒子，并且使用排气风扇来驱除这些气味和粒子。

细颗粒物质与广泛的急性病和慢性病相关联，诸如肺癌、慢性阻塞性肺疾病(COPD)和心血管疾病。在全球范围内，据估计造成约25％的肺癌死亡、8％的COPD死亡以及约15％的缺血性心脏病和中风。颗粒物质污染是环境健康问题，颗粒物质污染不仅在室外而且在室内影响全世界的人们。

然而，并非所有颗粒物都是同样不健康的。例如，由波浪作用在海洋上形成的盐雾是完全无害的。造成危害的尤其是来自燃烧的细粒子，并且这些细粒子可例如由烹饪操作造成的生物体燃烧所致。因此，需要获得关于这些粒子的附加信息，并且如果可能的话，减少有害粒子的生成。烹饪中有害粒子的生成还指示通过烹饪过程在食物本身中形成有害化合物。

已知的是，污染物的粒子尺寸和粒子尺寸分布两者都可用于标识污染物，并且因此标识污染的原因或来源。

空气污染粒子监测器给出了依据PM2.5或PM10的指示。这些空气污染粒子监测器估计悬浮在空气中的高达2.5μm或10μm的粒子的总重量。这些数字是高度相关的，因为空气质量标准和空气质量规范基于这样的数字。然而，这些数字并未给出关于存在的粒子类型的信息，更不用说这些粒子对健康的影响或这些粒子的起源。

因此，需要一种系统，该系统能够表征粒子，特别地使得能够标识可能带来健康危险或可指示本身带来健康危险(特别地，由烹饪操作造成)的其他物质的特定粒子类型。

发明内容

本发明由权利要求限定。

根据按照本发明的方面的示例，提供了一种烹饪系统，包括：

食物烹饪单元；以及

用于检测粒子的粒子检测系统，该粒子检测系统包括：

粒子感测单元，用于确定至少两个尺寸范围内的粒子浓度；以及

控制器，用于处理粒子浓度，

其中控制器适于：

确定所述至少两个尺寸范围内的粒子浓度之间的一个或多个比率；以及

响应于所确定的一个或多个比率，提供用于控制食物烹饪单元的输出。

当检测到食物烧焦时，该烹饪系统利用自动控制功能。这种食物烧焦产生特性粒子密度轮廓，可以基于不同尺寸范围内存在的粒子之间的比率来检测该特性粒子密度轮廓。以这种方式，可以通过更改烹饪过程来防止这些粒子的有害作用。这些粒子的存在还指示食物中形成的有害物质(诸如，丙烯酰胺和多环芳烃)的存在。通过更改烹饪过程，可以使食物中的这些化合物的浓度降到最低。

已发现粒子浓度比率的使用在检测由食物烧焦造成的特定粒子方面比通过检测绝对粒子水平要有效得多，因为这些绝对水平可与许多未知变量(诸如，感测单元和烹饪单元之间的距离)相关联。

特别地，较小粒子的增加的(相对)普遍程度指示高温和烧焦。

该比率例如在两种不同尺寸(以及大约为该尺寸的小范围)的浓度之间，但是替代地，它可基于PM值(即，高达给定尺寸阈值的所有粒子的浓度)来获得。

控制器可适于控制食物烹饪单元以停止烹饪或更改烹饪单元温度设置。因此，烹饪过程可适于减少或停止有害粒子的生成。

控制器可还适于响应于所确定的一个或多个比率，提供用于控制空气净化器的操作的输出。

作为附加措施，可响应于该检测来控制空气净化器，例如将其接通或驱动到增加的风扇速度。

粒子检测系统然后可包括空气净化器的部分。因此，在空气净化器和烹饪单元之间存在控制链路，从而为烹饪单元提供自动化安全控制特征。

第一阈值尺寸例如是0.3μm或0.5μm，和/或第二阈值尺寸例如是1.0μm或2.5μm。因此，可能的比率的示例是0.3μm至1.0μm、或0.3μm至2.5μm、或0.5μm至1.0μm、或0.5μm至2.5μm。当然，这些仅是示例，并且可测量最佳地使得能够标识目标粒子的任何期望的比率。

食物烹饪单元可包括空气炸锅或烤箱。这些是可生成并释放细颗粒物质的食物烹饪单元的两个示例。

粒子检测系统可包括：

光学传感器，该光学传感器生成传感器信号，其中传感器信号或对传感器信号的分析可通过应用阈值设置而被控制，其中该阈值设置指示由传感器信号捕获的粒子尺寸检测范围；以及

控制器，

其中控制器适于：至少应用不同的第一阈值设置和第二阈值设置，以用于确定所述至少两个尺寸范围内的粒子浓度；以及适于接收对应的第一光学传感器读数和第二光学传感器读数。

可以以低成本实施光学感测方法。

本发明还提供一种控制食物烹饪单元的方法，该方法包括：

操作食物烹饪单元以开始烹饪；

确定至少两个尺寸范围内的粒子浓度；

确定所述至少两个尺寸范围内的粒子浓度之间的一个或多个比率；以及

响应于所确定的一个或多个比率，控制食物烹饪单元。

该方法提供对烹饪单元的自动化控制以减少或防止不期望的颗粒物质的生成。

控制食物烹饪单元可包括停止烹饪或更改烹饪单元温度设置。

该方法还可包括：响应于所确定的一个或多个比率，控制空气净化器的操作。因此，该方法采取措施来降低已经释放的颗粒物质的浓度以及减少或消除该颗粒物质在未来的生成。

粒子检测系统然后可包括空气净化器的部分，使得存在集成式烹饪和空气净化方法。

第一阈值尺寸可以是0.3μm或0.5μm，和/或第二阈值尺寸可以是1.0μm或2.5μm。

食物烹饪可包括空气炸制或烘烤。

本发明可至少部分地以软件实施。

附图说明

现将参考附图来详细描述本发明的示例，在附图中：

图1示出了烹饪系统；

图2示出了可在烹饪系统中采用的粒子传感器的示例；

图3示出了在空气炸锅的炸制过程期间的所记录的PM 2.5粒子浓度；

图4示出了针对与图3相同的过程在0.5μm粒子和1.0μm粒子之间的浓度比率的图；以及

图5示出了控制食物烹饪单元的方法。

具体实施方式

本发明提供了一种烹饪系统，其组合了食物烹饪单元和粒子检测系统。通过导出至少两个尺寸范围内的粒子浓度之间的比率，可标识特定粒子，并且然后可控制食物烹饪单元，以减少或消除那些粒子的生成。粒子本身可能是有害的和/或它们可指示所烹饪的食物中有害物质的生成。

图1示出了烹饪系统1，其包括食物烹饪单元2和用于检测粒子的粒子检测系统3。粒子检测系统3具有粒子感测单元4以及控制器5，粒子感测单元4用于确定至少两个尺寸范围内的粒子浓度，控制器5用于处理粒子浓度。

食物烹饪单元2包括食物腔室或区域6、加热器7和控制器8。该控制器使得通常既能够手动地又能够以自动化方式电子地设置烹饪温度。

控制器5确定至少两个尺寸范围内的粒子浓度之间的一个或多个比率。这用于标识特定粒子。作为响应，提供了输出以用于控制食物烹饪单元2停止烹饪抑或更改烹饪单元温度设置。

粒子检测系统3可以是烹饪单元的部分。然而，在所示的示例中，它是空气净化器9的部分。这意味着粒子检测也可用于控制空气净化器的操作。空气净化器和烹饪单元然后优选地位于同一个一般位置中(例如，在厨房中)。

食物烹饪单元2例如包括空气炸锅或烤箱。这些既能够使食物烧焦，并且因此又能够释放不期望的颗粒物质。

光学感测系统可用于获得粒子浓度。

图2示出了可采用的粒子传感器的示例。存在从流动通道13的入口11到流动通道13的出口12的流体(气体)流10。流动通道13由在入口11和出口12之间具有一定长度的导管形成。粒子穿过由用于提供光的光源14照射的区域，光通过粒子而散射以生成散射光。当不存在粒子时，来自光源14的光不直接传递到检测器，并且为此，检测器与光源路径成一定角度，如图2中示意性地示出。散射光由光检测器16检测到。准直仪14'将来自光源14的入射光聚焦到小的测量区15中，例如在该测量区中任何时刻都仅存在一个粒子以实现单个粒子检测。

因此，传感器提供粒子计数以及单个粒子计径(sizing)。

图2中示意性地示出的流控制装置22用于诱导流通过粒子传感器。它可包括风扇或加热器以形成对流热流。在使用加热的系统中，所得浮力造成空气流向检测器的顶部，从而携带粒子通过流动通道。在这样的情况下，流动通道可竖直向上。

光源将向着流动通道13的一侧，并且光检测器16在相对侧上。备选设计可利用光的反射。光源可以是激光二极管(例如，脉冲激光)或红外LED。

粒子在限定流动通道13的导管的透明部分处在测量区15中被照射，这些透明部分允许光穿过导管。导管可以是被放置在具有电子设备的印刷电路板上的壳体的部分，所述电子设备用以将由于粒子所致的信号转换成计数。直接朝向光电二极管光检测器的入射光的泄漏被降到最低，该泄漏将给出背景信号。

光检测器16包括光电二极管传感器18和聚焦透镜20，在聚焦透镜处检测到散射光，由此生成光检测器信号。控制器24控制流控制装置和光源的操作。

为进行粒子计径，可将检测器信号放大并与阈值电压进行比较。该阈值被实施为施加到比较器的阈值电压，该比较器控制传感器系统的粒子尺寸灵敏度。

超过某个粒子尺寸，峰值高度就足以通过阈值。因此，该阈值实施带通滤波功能。对脉冲进行计数以实施粒子计数，并测量脉冲长度以提供粒子计径。对于大的一组检测脉冲，例如使用低脉冲占用时间(LPO％)的量度。

因此，存在两个基本输出。一个是简单的粒子计数，它是超过阈值设置的检测峰值的数量的计数。另一个是模拟信号的振幅，该振幅与粒子尺寸成比例。

为了检测粒子流，可使用传感器来执行尺寸区间化(binning)。被提供给比较器的阈值电压为模拟信号设置界限限制。例如，1V阈值意味着高于1V的所有信号都将被注册为检测信号，因此对应于生成高于1V的模拟信号的所有粒子尺寸。同样，2V阈值提高了界限，以便仅允许较大尺寸的粒子生成输出。

为简单起见，1V阈值电压可对应于针对1μm直径和超过1μm直径的粒子所生成的信号，而如2V的阈值可对应于2μm直径和超过2μm直径的粒子。为了生成特定粒子尺寸范围(也称为‘尺寸区间’)的粒子计数信息，对于在1μm和2μm之间的粒子尺寸范围，在这些阈值电压下生成的信号的数量被减去。

因此，光学散射传感器可用于以模拟方式测量单个粒子尺寸，或者用于以更数字的方式将粒子尺寸记录到区间中。然后，可获得那些区间中的浓度水平。

这种类型的光学粒子传感器的设计和操作的进一步细节对于本领域技术人员将是众所周知的。

本发明基于使用粒子浓度比率来标识粒子的类型并相应地控制烹饪。特别地，小粒子浓度与大粒子浓度的比率给出了关于存在的粒子类型的信息。

在正常烹饪(诸如，炸制或烘烤)期间，粒子被排出，但是当食物开始烧焦时，数量不成比例的小粒子被排出。只看绝对数是没有帮助的，因为它取决于食物的量、测量装置和炊具之间的距离、房间的通风水平等。

图3示出了在空气炸锅的炸制过程期间的所记录的PM 2.5粒子浓度。y轴标绘粒子浓度，并且x轴标绘时间(任意单位)。当接通空气炸锅时以及当在预期温度下炸制食物时，PM 2.5水平缓慢上升。例如，在时间A，在没有食物内容物的情况下，空气炸锅处于170摄氏度。当温度升高(达到食物可变得被烧焦的值)时，PM 2.5排放急剧上升。例如，在时间B，空气炸锅处于200摄氏度。即使没有食物存在，浓度也上升。

在时间C，在添加了食物的情况下，空气炸锅处于170摄氏度。在时间D，在添加了食物的情况下，空气炸锅处于200摄氏度。

在时间E，烹饪完成，并且空气炸锅被切断。浓度水平持续下降到时间F。

然而，浓度水平自身不能用作危险颗粒物质水平的指标，因为它们取决于食物的量、测量装置和空气炸锅之间的距离、房间的通风水平等。而且，在过程结束时(在时间F)，PM 2.5水平是低的。然而，仍然存在大量的小的危险粒子，但由于它们的重量轻，它们并未显现在PM 2.5值中。

在食物烧焦期间，比大粒子多的小粒子被排出。因此，当将0.5μm粒子的数目除以1μm粒子的数目时，只有在食物变得太热时才观察到峰值。该峰值是一个比率，因此不取决于食物的量、测量装置和空气炸锅之间的距离、房间的通风水平等。

图4示出了浓度比率(在0.5μm粒子和1.0μm粒子之间)的图。它示出了与图3相同的时间点。

浓度比率提供了有害粒子的存在的好得多的指标。作为响应，当粒子比率增加到超过某个值(例如，在图4的示例中为15)时，空气炸锅可以自动关断或设置到较低的温度。

此外，在过程结束时(时间F)，浓度比率仍然是高的，这指示小燃烧粒子的持续危险的水平，而经典的PM 2.5值是低的。

也可以使用其他比率，例如0.3μm/1μm、或0.3μm/2.5μm、或0.5μm/2.5μm。

更先进的光学传感器(诸如，自混合干涉传感器)能够给出下至较小尺寸(诸如，0.1μm)的信息。粒子传感器的灵敏度范围越大，检测特定粒子类型的能力就越大。

图5示出了控制食物烹饪单元的方法，该方法包括以下步骤：

在步骤50中，操作食物烹饪单元以开始烹饪；

在步骤52中，确定至少两个尺寸范围内的粒子浓度；

在步骤54中，确定至少两个尺寸范围内的粒子浓度之间的一个或多个比率；以及

响应于所确定的一个或多个比率，在步骤56中，控制食物烹饪单元。

该方法还可包括：在步骤58中，控制空气净化器的操作。

本发明对于检测已在烹饪单元(诸如，烤箱或空气炸锅)中被烧焦的检测食物是令人感兴趣的。当然，它也可被应用于诸如烤炉之类的其他烹饪单元。

如上文讨论的，实施例利用控制器5。可以利用软件和/或硬件以众多方式来实施该控制器，以执行所需的各种功能。控制器可使用微处理器，该微处理器使用软件(例如，微代码)进行编程，以执行所需的功能。然而，控制器可在采用或不采用微处理器的情况下实施，并且还可被实施为用以执行一些功能的专用硬件和用以执行其他功能的处理器(例如，一个或多个编程的微处理器和相关联的电路)的组合。

可在本公开的各种实施例中采用的控制器部件的示例包括但不限于常规的微处理器、专用集成电路(ASIC)和现场可编程门阵列(FPGA)。

在各种实施方式中，处理器或控制器可与一种或多种存储介质(诸如，易失性和非易失性计算机存储器，诸如RAM、PROM、EPROM和EEPROM)相关联。存储介质可利用一个或多个程序进行编码，所述程序在一个或多个处理器和/或控制器上执行时执行所需的功能。各种存储介质可被固定在处理器或控制器内，或者可以是可运输的，使得存储于其上的所述一个或多个程序可以被加载到处理器或控制器中。

以上示例基于确定不同尺寸下的不同浓度之间的比率。基本上，这给出了粒子分布的粗略量度。通过监测更多的比率可获得不太粗略的量度。然而，使用一组一个或多个比率避免了需要完整的浓度分布分析。然而，可分析任何数量的比率，因此分析可接近完整的浓度分布的信息，这可通过查找最佳拟合函数或通过使用查找表来解释。

尺寸范围可具有各种不同的宽度，针对该尺寸范围获得浓度水平。例如，尺寸范围可以是针对最低粒子尺寸，传感器对于该最低粒子尺寸是敏感的直至阈值(例如，0.1μm至0.5μm)，或者它可以是围绕感兴趣的尺寸的狭窄尺寸范围，诸如Xμm±10％或Xμm±10％，例如0.5μm±0.05μm或1μm±0.1μm。将看出，各种不同的比率能够给出粒子分布函数的粗略量度，这足以检测何时发生烧焦。

通过研究附图、公开内容和所附权利要求，本领域技术人员在实践所要求保护的发明时，可以理解和实现所公开的实施例的其他变型。在权利要求中，词语“包括”不排除其他要素或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。在互不相同的从属权利要求中叙述某些措施的仅有事实并不指示不能有利地使用这些措施的组合。权利要求中的任何附图标记均不应被解释为限制范围。

Claims (15)

1.一种烹饪系统(1)，包括：

食物烹饪单元(2)；以及

用于检测粒子的粒子检测系统(3)，所述粒子检测系统(3)包括：

粒子感测单元(4)，用于确定至少两个尺寸范围内的粒子浓度；以及

控制器(5)，用于处理所述粒子浓度，

其中所述控制器适于：

确定所述至少两个尺寸范围内的所述粒子浓度之间的一个或多个比率；以及

响应于所确定的所述一个或多个比率，提供用于控制所述食物烹饪单元(2)的输出。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述控制器(5)适于控制所述食物烹饪单元以停止烹饪或更改烹饪单元温度设置。

3.根据权利要求1或2所述的系统，其中所述控制器(5)还适于：响应于所确定的所述一个或多个比率，提供用于控制空气净化器的操作的输出。

4.根据权利要求3所述的系统，其中所述粒子检测系统包括所述空气净化器的部分。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的系统，其中第一阈值尺寸是0.3μm或0.5μm，和/或第二阈值尺寸是1.0μm或2.5μm。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的系统，其中所述食物烹饪单元(2)包括空气炸锅或烤箱。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的系统，其中所述粒子检测系统包括：

光学传感器(16)，所述光学传感器生成传感器信号，其中所述传感器信号或对所述传感器信号的分析能够通过应用阈值设置而被控制，其中所述阈值设置指示由所述传感器信号捕获的粒子尺寸检测范围；以及

控制器(24)，

其中所述控制器(24)适于至少应用不同的第一阈值设置和第二阈值设置，以用于确定所述至少两个尺寸范围内的所述粒子浓度；以及适于接收对应的第一光学传感器读数和第二光学传感器读数。

8.一种控制食物烹饪单元的方法，包括：

(50)操作所述食物烹饪单元以开始烹饪；

(52)确定至少两个尺寸范围内的粒子浓度；

(54)确定所述至少两个尺寸范围内的所述粒子浓度之间的一个或多个比率；以及

响应于所确定的所述一个或多个比率，(56)控制所述食物烹饪单元。

9.根据权利要求8所述的方法，其中(56)控制所述食物烹饪单元包括：停止烹饪或更改烹饪单元温度设置。

10.根据权利要求8或9所述的方法，包括：响应于所确定的所述一个或多个比率，(58)控制空气净化器的操作。

11.根据权利要求10所述的方法，其中所述粒子检测系统包括所述空气净化器的部分。

12.根据权利要求8至11中任一项所述的方法，其中第一阈值尺寸是0.3μm或0.5μm，和/或第二阈值尺寸是1.0μm或2.5μm。

13.根据权利要求8至12中任一项所述的方法，其中所述食物烹饪包括空气炸制或烘烤。

14.根据权利要求8至13中任一项所述的方法，其中确定粒子浓度包括：

当生成光学传感器信号时，至少应用不同的第一阈值设置和第二阈值设置，其中所述阈值设置指示由所述光学传感器信号捕获的粒子尺寸检测范围，由此确定所述至少两个尺寸范围内的所述粒子浓度。

15.一种计算机程序，包括计算机代码部件，所述计算机代码部件适于在运行于计算机上时实施根据权利要求8至14中任一项所述的方法。

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