DE10063692C2

DE10063692C2 - Method and device for measuring and monitoring heating-related changes in substances in an oven

Info

Publication number: DE10063692C2
Application number: DE2000163692
Authority: DE
Inventors: Martin Vossiek; Patric Heide; Martin Wagner
Original assignee: BSH Bosch und Siemens Hausgeraete GmbH
Current assignee: BSH Hausgeraete GmbH
Priority date: 2000-12-20
Filing date: 2000-12-20
Publication date: 2003-03-06
Anticipated expiration: 2020-12-21
Also published as: DE10063692A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen und Überwachen von erwärmungsbedingten Veränderungen von Substanzen, die in einem Backofen in Gefäßen aufgeheizt werden, gemäß dem Oberbegriff der Ansprüche 1 und 7.The invention relates to a method and a device for measuring and monitoring of changes in substances caused by heating in an oven Vessels are heated according to the preamble of claims 1 and 7.

Bei üblichen Backöfen wird der Backprozess aufgrund von Erfahrungswerten über eine Zeituhr gesteuert oder über eine subjektive, visuelle Beobachtung überwacht. Diese Me thoden sind unsicher, da sie z. B. den Einfluss des Feuchtigkeitsgehalts auf den Garpro zess und die Gestaltänderungen des Kuchenteigs während des Garprozesses nicht er fassen können; außerdem erfordert diese Methode die Anwesenheit der Bedienperson. Für eine sichere Beurteilung und für eine Automatisierung des Backprozesses ist eine kontinuierliche Überwachung desselben nach objektiven Kriterien erforderlich.In conventional ovens, the baking process is based on experience based on a Clock controlled or monitored via a subjective, visual observation. This me methods are uncertain because they B. the influence of moisture content on the Garpro zess and the shape changes of the cake batter during the cooking process not he can grasp; this method also requires the presence of the operator. For a safe assessment and for automation of the baking process is one continuous monitoring of the same is required according to objective criteria.

Aus der DE 198 31 635 A1 ist ein gattungsgemäßer Backofen bekannt, in dem ein Abstands sensor vorgesehen ist. Der Abstandssensor ist als ein Ultraschallsensor ausgebildet, der nach dem Prinzip der Laufzeitmessung von Ultraschallsignalen arbeitet. Der Abstands sensor erfasst eine vertikale Dicke im zentralen Bereich eines ausgewählten Teiglings.From DE 198 31 635 A1 a generic oven is known in which a distance sensor is provided. The distance sensor is designed as an ultrasonic sensor that works on the principle of the transit time measurement of ultrasonic signals. The distance sensor detects a vertical thickness in the central area of a selected dough piece.

Aus der DE 42 07 459 C2 ist ein Mikrowellenherd mit einer Vorrichtung zur Sensierung der Leistungsdichte des elektromagnetischen Feldes außerhalb des Garguts bekannt. Gemäß der EP 0497 546 B1 wird ein Volumen des in der Garkammer enthaltenen Nahrungsmittels automatisch bestimmt. Auf der Grundlage des Ergebnisses der Bestimmung des Nah rungsmittelvolumens wird der Erhitzungsvorgang gesteuert. Aus der JP 2000 338 237 ist ein Radarsystem zur Abstandsmessung bei Kraftfahrzeugen gezeigt.DE 42 07 459 C2 describes a microwave oven with a device for sensing the Power density of the electromagnetic field outside the food is known. According to EP 0497 546 B1 describes a volume of the food contained in the cooking chamber automatically determined. Based on the result of the determination of the near volume of the heating process is controlled. From JP 2000 338 237 a radar system for distance measurement in motor vehicles is shown.

In der DE 690 17 441 T2 ist ein Hochfrequenzheizgerät zum Auftauen von tiefgefrorenen Lebensmitteln beschrieben. Bei diesem wird der Effekt ausgenutzt, dass der von den Le bensmitteln nicht absorbierte und zum Teil reflektierte Teil der Hochfrequenzstrahlung Aussagen über den Zustand der Lebensmittel und die daraus folgende optimale Auftau zeit erlaubt. Bei diesem Hochfrequenzheizgerät wird demnach der Rest der zum Auftauen eingesetzten Strahlungsenergie als Maß des Auftauzustands und als Steuergröße für die Auftauzeit verwendet. Nachteilig an diesem Hochfrequenzheizgerät ist, dass es nur eine pauschale Aussage über den Auftauzustand der Lebensmittel, jedoch keine Angabe über deren beim Erhitzungsprozess sich ändernde Gestalt bietet.DE 690 17 441 T2 describes a high-frequency heating device for thawing frozen foods Described foods. This uses the effect that the Le Part of the radio frequency radiation which is not absorbed and partly reflected Statements about the condition of the food and the resulting optimal defrosting time allowed. With this high-frequency heater, the rest of the thawing Radiation energy used as a measure of the thawing state and as a control variable for the Defrosting time used. The disadvantage of this high-frequency heater is that there is only one general statement about the thawing of the food, but no information about whose shape changes during the heating process.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, für einen Backofen ein Verfahren und eine Vorrich tung zu schaffen, wodurch eine Kontrolle von Gestalt und Feuchtigkeitsgehalt des Gargu tes während des Garprozesses möglich ist.It is therefore an object of the invention, a method and a Vorrich for an oven to create a control of the shape and moisture content of the Gargu tes is possible during the cooking process.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Verfahrensanspruchs 1 und durch die Merkma le des Vorrichtungsanspruchs 7 gelöst. Generelle Vorteile des Radarprinzips bzw. der Mikrowellen-Sensorik bestehen darin, dass es sich um ein robustes, gegen Verschmut zung, Temperatur- und Dampfbildung unempfindliches und insbesondere um ein berüh rungslos arbeitendes, das Gargut und den Garvorgang in keiner Weise beeinflussendes Messprinzip handelt.The object is achieved by the features of method claim 1 and by the features of device claim 7 . General advantages of the radar principle or the microwave sensor system are that it is a robust measuring principle that is insensitive to pollution, temperature and steam formation and, in particular, is a non-contact measuring principle that does not affect the food and the cooking process in any way.

Mit Hilfe des Radarprinzips können Substanzeigenschaften (z. B. der Feuchtigkeitsgehalt und die Dielektrizitätskonstante eines Kuchenteigs) bestimmt und zeitlich verfolgt werden. Je nach Messfrequenz und Art der Substanz dringen Mikrowellen mehr oder weniger tief in das Gargut ein. Mit Mikrowellensensoren können daher neben Aussagen über die Gar gutoberfläche auch solche über die innere Beschaffenheit des Gargutes während des Garvorganges gewonnen werden. Da die Backöfen, speziell die Mikrowellenöfen nahezu hochfrequenzdicht sind, bestehen wahrscheinlich keine funktionstechnischen Zulas sungsprobleme.With the help of the radar principle, substance properties (e.g. the moisture content and the dielectric constant of a cake batter) are determined and tracked over time. Depending on the measurement frequency and the type of substance, microwaves penetrate more or less deeply into the food. Microwave sensors can therefore, in addition to statements about the cooking good surface also those about the internal quality of the food to be cooked during the Cooking process can be obtained. Because the ovens, especially the microwave ovens, almost are radio frequency-tight, there are probably no functional approvals sungsprobleme.

Durch Versuche hat sich als vorteilhaft herausgestellt, dass die Messung mit einem Signal einer bevorzugten Sweep-Bandbreite von 8,5 GHz im Frequenzbereich von 15 bis 80 GHz, vorzugsweise von 18 bis 26,5 GHz erfolgt.Experiments have shown that measuring with one signal is advantageous a preferred sweep bandwidth of 8.5 GHz in the frequency range from 15 to 80 GHz, preferably from 18 to 26.5 GHz.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung, in der ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt ist.Further features of the invention result from the following description and the drawing, in which an embodiment of the invention is shown schematically.

Es zeigen:Show it:

Fig. 1 einen Backofen mit zwei Radarantenne und einem Backblech mit einer Kuchenform; Figure 1 shows an oven with two radar antennas and a baking sheet with a cake pan.

Fig. 2 eine Darstellung des seitlichen Verlaufs der Amplitude eines Radarechos über der Entfernung eines Kuchens von den Radarantennen. Fig. 2 is a representation of the lateral profile of the amplitude of a radar echo over the distance of a cake from the radar antennas.

In Fig. 1 ist ein Backofen 1 mit einer Backraum 2 dargestellt, in dessen oberen Bereich eine Halterung 3 für Radarantennen 4 angeordnet ist. Die Radarantennen 4 sind über Hochfrequenzkabel 5 mit einem Netzwerkanalysator 6 verbunden und auf den Boden 13 des Backofens gerichtet.In Fig. 1, an oven 1 is shown with a baking chamber 2, a holder 3 is arranged for radar antennas 4 in the upper region thereof. The radar antennas 4 are connected to a network analyzer 6 via high-frequency cables 5 and are aimed at the bottom 13 of the oven.

An den Seitenwänden 7 sind Backblecheinschübe 8 vorgesehen, in die Backbleche 9 einschiebbar sind. In Fig. 1 ist das Backblech 9 auf dem untersten der Backblecheinschü be 8 angeordnet. Auf dem Backblech 9 befindet sich eine Backform 10 mit einem Back formrand 11. In der Backform 10 ist eine Kuchenoberfläche 12 angedeutet. Der Abstand zwischen den Radarantennen 4 und dem Backformrand 11 beträgt 11,3 cm, der zwischen Radarantennen 4 und Backblech 9 17,8 cm.Baking tray inserts 8 are provided on the side walls 7 , into which baking trays 9 can be inserted. In Fig. 1, the baking sheet 9 is arranged on the bottom of the baking tray 8 be. On the baking sheet 9 there is a baking pan 10 with a baking mold rim 11 . A cake surface 12 is indicated in the baking mold 10 . The distance between the radar antennas 4 and the baking dish rim 11 is 11.3 cm, that between radar antennas 4 and baking sheet 9 is 17.8 cm.

In Fig. 2 ist der zeitliche Verlauf der Amplitude eines Radarechos über die Entfernung zwischen einem im Backrohr befindlichen Kuchen und den Radarantennen 4 dargestellt.In FIG. 2, the time course of the amplitude is displayed a radar echoes over the distance between an in-oven cake and the radar antennas 4.

Die FMCW-Radarmessung erfolgte im Frequenzbereich von 18 bis 26,5 GHz. Vor der Messung wurde der Ofen auf eine Temperatur von 175°C vorgeheizt und diese Tempera tur während des Backvorganges beibehalten (Umluftbetrieb). Über einen Zeitraum von etwa 120 Minuten wurden in regelmäßigen Abständen Messwerte aufgenommen. Dabei wurden getrennt voneinander die Reflexionsamplitude des Bleches und die Reflexions amplitude des aufgehenden Kuchens aufgezeichnet. Die Messergebnisse für diesen Ku chen sind in Fig. 2 dargestellt. Zu erkennen ist einerseits die zeitliche Änderung der Amp litude, die charakteristisch zum Ende des Backvorganges stark abnimmt. Andererseits ist das "Aufgehen des Teiges bis zu einer maximalen Höhe anhand des abnehmenden Ab standes zu den Radarantennen 4 sichtbar. Als senkrechte Linien sind die Positionen des Backblechs 9 und des Backformrandes 11 mit eingezeichnet. Der Zeitpunkt, zu dem der Kuchen fertig gebacken war, wurde im Bereich t von ungefähr 79 Minuten festgestellt, so dass der in diesem Zeitbereich zu beobachtende Knick der gemessenen Kennlinie als Klassifikator für den fertig gebackenen Zustand erscheint. Die danach folgende Änderung der Position des gemessenen Echos resultiert nicht aus einem "Zusammenfallen" des Kuchens, vielmehr ist davon auszugehen, dass die Kuchenoberfläche entsprechend tro cken wird und die Reflexionen in den weiter innen liegenden, noch feuchten Bereichen des Kuchens entstehen.The FMCW radar measurement was carried out in the frequency range from 18 to 26.5 GHz. Before the measurement, the oven was preheated to a temperature of 175 ° C and this temperature was maintained during the baking process (recirculation mode). Measured values were recorded at regular intervals over a period of about 120 minutes. The reflection amplitude of the sheet and the reflection amplitude of the rising cake were recorded separately. The measurement results for this Ku chen are shown in Fig. 2. On the one hand, one can see the change in the amp amplitude over time, which characteristically decreases sharply at the end of the baking process. On the other hand, the "rising of the dough up to a maximum height is visible from the decreasing distance from the radar antennas 4. The positions of the baking sheet 9 and the baking mold rim 11 are also drawn in as vertical lines. The time at which the cake was baked, was determined in the area t of approximately 79 minutes, so that the kink of the measured characteristic curve to be observed in this time area appears as a classifier for the baked state. The subsequent change in the position of the measured echo does not result from a "collapse" of the cake, on the contrary, it can be assumed that the cake surface will dry accordingly and that the reflections will arise in the inner, still moist areas of the cake.

Der Amplitudeneinbruch zu Beginn des Backvorganges ist auch charakteristisch und rührt vermutlich daher, dass zunächst die Oberfläche des im Innern noch kalten Kuchens an der heißen Luft im Ofen austrocknet und daher die Mikrowellen tiefer in den Kuchen eindringen und die Reflexion dadurch gedämpft wird. Erst bei Durchwärmung der gesamten Backware verdunstet deren Feuchtigkeit und befeuchtet die Oberfläche wieder. Wenn sich ein quasi "eingeschwungender Zustand" eingestellt hat, backt der Teig langsam aus (der gerade Bereich der Kurve) und am Ende des eigentlichen Backvorganges setzt wie derum eine Austrocknung der Oberfläche (und nun natürlich auch gesamten Teiges) ein.The drop in amplitude at the beginning of the baking process is also characteristic and stirring presumably because the surface of the cake, which is still cold inside, first the hot air in the oven dries out and therefore the microwaves penetrate deeper into the cake and dampens the reflection. Only when the entire is warmed up Baked goods evaporate their moisture and moisturize the surface again. If the dough is slowly baking (the straight area of the curve) and at the end of the actual baking process sets how therefore a drying out of the surface (and now of course also entire dough).

Die vorgestellten Messungen zeigen, dass aus dem Messsignalverlauf Rückschlüsse auf den Backvorgang und den Zustand eines Kuchens gezogen werden können. Als Mess frequenz ist das Frequenzband um 24 GHz gut geeignet. Höhere Frequenzen sind wegen ihrer geringeren Eindringtiefe für dünnschichtige Speisen interessant, tiefere Frequenzen dann, wenn höhere Eindringtiefe erwünscht ist. Denkbar ist ebenfalls eine Kombination verschiedener Messfrequenzen, um mehr Messinformationen zu bekommen.The measurements presented show that conclusions can be drawn from the measurement signal curve the baking process and the condition of a cake can be drawn. As a measurement frequency is the 24 GHz frequency band well suited. Higher frequencies are due their lower penetration depth is interesting for thin-layer dishes, lower frequencies when greater depth of penetration is desired. A combination is also conceivable different measurement frequencies to get more measurement information.

Um zu einem Radarechoprofil zu gelangen, können die bekannten Puls- oder FM- Radarprinzipien verwendet werden. Die maßgeblichen Parameter von derartigen Radar antennen ergeben sich aus den geometrischen Randbedingungen bei der Messung in Backöfen und den daraus resultierenden Anforderungen an die Strukturauflösung.To get a radar echo profile, the known pulse or FM Radar principles are used. The key parameters of such radar antennas result from the geometric boundary conditions when measuring in Ovens and the resulting structural resolution requirements.

Die Strukturauflösung beschreibt die Fähigkeit eines Radarsensors, zwei in Ausbreitungs richtung des Messsignals dicht hintereinander liegende (axiale Auflösung) bzw. zwei senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Messsignals nebeneinander liegende (laterale Auflösung) ideale Reflektoren als getrennte Objekte wiederzugeben.The structure resolution describes the ability of one radar sensor, two in spread Direction of the measurement signal close to each other (axial resolution) or two perpendicular to the direction of propagation of the measurement signal (lateral Resolution) ideal reflectors as separate objects.

Die axiale Auflösung δ_ax einer Radarantenne wird maßgeblich durch ihre Messbandbreite Δf festgelegt. Mit der Lichtgeschwindigkeit c gilt der folgende Zusammenhang:
The axial resolution δ _{ax of} a radar antenna is largely determined by its measuring bandwidth Δf. The following relationship applies to the speed of light c:

Die laterale Auflösung hängt maßgeblich von der Aperturgröße und der Mittenfrequenz ab.The lateral resolution depends largely on the aperture size and the center frequency from.

Die Nahbereichsgrenze beschreibt die minimale Distanz zwischen Radarantenne und Reflektor, ab der ein genauer Entfernungswert detektiert werden kann. Erst außerhalb dieses genannten Bereiches können sinnvolle Messwerte bestimmt werden. Da Störun gen durch andere überlappende Echos, beispielsweise Systemreflexionen an Radaran tenne oder Mehrfachechos verursacht werden, wird die Nahbereichsgrenze direkt durch die Strukturauflösung festgelegt. The short-range limit describes the minimum distance between the radar antenna and Reflector from which an exact distance value can be detected. Only outside This range can be used to determine useful measured values. Because Störun due to other overlapping echoes, for example system reflections on radar tenne or multiple echoes are caused, the close range limit is directly through the structure resolution.

Die Orts- bzw. Winkelselektivität einer Radarantenne wird durch das Antennen- Richtdiagramm bestimmt. Je größer das Verhältnis von Antennenapertur (entspricht unge fähr der Fläche der Antenne) zur Radarwellenlänge ist, desto schmaler wird das Richtdia gramm bzw. desto höher ist die Richtwirkung (Orts- bzw. Winkelselektivität) der Radaran tenne. Durch eine höhere Richtwirkung der Radarantenne verbessert sich die Störfestig keit der Radarmessung, da das Radarsignal besser auf das Messobjekt focussiert wird. Für richtscharfe Radarantennen ist es im Prinzip wünschenswert, möglichst hochfrequen te Radare zu realisieren. Die Größe einer für eine bestimmte Richtwirkung benötigten Radarantenne ist umgekehrt proportional zur Radarfrequenz, d. h., bei Wahl einer hohen Radarfrequenz werden nur kleine Radarantennen benötigt.The location or angle selectivity of a radar antenna is determined by the antenna Directional diagram determined. The larger the ratio of the antenna aperture (corresponds to the area of the antenna) to the radar wavelength, the narrower the directional slide grams or the higher the directivity (location or angle selectivity) of the radaran antenna. The immunity to interference is improved by a higher directivity of the radar antenna speed of the radar measurement, since the radar signal is better focused on the measurement object. In principle, it is desirable for radio radar antennas to be as high as possible realizing radars. The size of one needed for a particular directionality Radar antenna is inversely proportional to the radar frequency, i. that is, when choosing a high one Radar frequency, only small radar antennas are required.

Beim Puls-Echo-Radar wird die Laufzeit T_i eines kurzen Mikrowellenpulses vom Radarge rät zum Reflektor und zurück gemessen. Aus der Laufzeit lässt sich bei bekannter Aus breitungsgeschwindigkeit c (bei Mikrowellen = c = 3.10⁸ m/s) direkt die Reflektorentfer nung d_i gemäß der folgenden Formel bestimmen:
With pulse-echo radar, the transit time T _{i of} a short microwave pulse is measured from the radar device to the reflector and back. With the known propagation speed c (for microwaves = c = 3.10 ⁸ m / s), the reflector distance d _i can be determined directly from the transit time using the following formula:

d_i = 0,5.c.T_i.d _i = 0.5.cT _i .

Die erreichbare Auflösung ist proportional zur Länge der gesendeten Impulse. Für eine Auflösung von 5 cm werden Pulse mit einer Dauer von ca. 0,1 ns notwendig.The resolution that can be achieved is proportional to the length of the transmitted pulses. For one With a resolution of 5 cm, pulses with a duration of approx. 0.1 ns are necessary.

Alle Verfahren, die auf einer Modulation der Sendefrequenz basieren, können unter der Bedingung, dass die Änderung der Sendefrequenz innerhalb des Signal-Laufzeitintervalls (also der Laufzeit des Signals vom Sender zum Reflektor und zurück) vernachlässigbar klein ist, auf eine gemeinsame, einfache Theorie zurückgeführt werden. Zu dieser Gruppe von Verfahren gehören beispielsweise die klassischen FMCW-Prinzipien, bei denen die Frequenz kontinuierlich und zumeist linear innerhalb einer Bandbreite durchgestimmt wird (Frequenz-Sweep) sowie alle Ausführungsformen des Stepped-Frequency-Verfahrens, bei dem sequentiell verschiedene diskrete Sendesignalfrequenzen eingestellt werden.All methods based on a modulation of the transmission frequency can be found under the Condition that the change in the transmission frequency within the signal transit time interval (i.e. the transit time of the signal from the transmitter to the reflector and back) is negligible is small, can be traced back to a common, simple theory. To this group Processes include, for example, the classic FMCW principles, in which the Frequency is tuned continuously and mostly linearly within a bandwidth (Frequency sweep) and all embodiments of the stepped frequency method, in which different discrete transmission signal frequencies are set sequentially.

Beim FMCW-Radar ergibt jedes reflektierte Teilsignal im Messsignal eine Sinuskompo nente mit konstanter Frequenz der Formel:
With FMCW radar, each reflected partial signal in the measurement signal results in a sine component with a constant frequency of the formula:

s₀(t) = a_i.sinus(2.π.f_i.t).
s ₀ (t) = a _i .sine (2.π.f _i .t).

Die Frequenz f_i der Teilsignale ist proportional zur Entfernung d_i der zugehörigen Reflekto ren, die Amplitude a_i wird durch die Eigenschaften des Reflektors (z. B. Fläche, Oberflä chenstruktur, Reflexionskoeffizient) bestimmt. Befinden sich mehrere Reflektoren im Er fassungsbereich der Radarantenne, so ergibt sich als Messsignal eine entsprechende Überlagerung mehrerer Sinussignale. Die Entfernung des jeweiligen Teilreflektors und die zugehörige Frequenz sind wie folgt verknüpft:
The frequency f _{i of} the partial signals is proportional to the distance d _{i of} the associated reflectors, the amplitude a _i is determined by the properties of the reflector (e.g. surface, surface structure, reflection coefficient). If there are several reflectors in the detection area of the radar antenna, a corresponding superimposition of several sinusoidal signals results as the measurement signal. The distance of the respective partial reflector and the associated frequency are linked as follows:

wobei c die Wellenausbreitungsgeschwindigkeit (Lichtgeschwindigkeit), T die Sweep- Dauer und Δf die Sweep-Bandbreite bezeichnen. Dieser einfache lineare Zusammenhang zwischen der Misch-Signalfrequenz und der Signallaufzeit ergibt sich jedoch nur, wenn der Sweep exakt linear erfolgt. Jede Nicht-Linearität führt zu einer Verzerrung der Mess größen. Darüber hinaus müssen sowohl die Bandbreite als auch die Sweep-Dauer be kannt sein.where c is the speed of wave propagation (speed of light), T is the sweep Duration and Δf denote the sweep bandwidth. This simple linear relationship between the mixed signal frequency and the signal delay, however, results only if the sweep is exactly linear. Any non-linearity will distort the measurement sizes. In addition, both the bandwidth and the sweep duration must be be known.

Die Aufgabe der Signalverarbeitung besteht bei einem FMCW-Radar also darin, die Pa rameter der Sinusteilsignale, also deren Amplitude und Frequenz, zu bestimmen. Die gängigste Methode zur Berechnung der Signalfrequenzen bei FMCW-Systemen ist die Fouriertransformation (FT), die bei zeitdiskreten Signalen in aller Regel mit dem schnellen Fouriertransformationsalgorithmus (FFT) durchgeführt wird. Der prinzipielle Vorteil der Fouriertransformation besteht darin, dass sichergestellt ist, dass der Algorithmus für alle Eingangssignale konvergiert und das Ergebnis die Frequenzanteile per Definition korrekt wiedergibt, also physikalisch sinnvoll ist. Die maßgebliche Einschränkung ergibt sich durch die begrenzte zeitliche Länge realer Messsignale und durch deren zeit- und ampli tuden-diskrete Verarbeitung. Die endliche zeitliche Apertur T bewirkt eine begrenzte Fre quenzauflösung (Fresnell-Auflösung) δ_f = 1 : T und Störungen durch Fenstereffekte. Die Fenstereffekte können durch Verwendung von Fensterfunktionen, mit denen das Mess signal gewichtet wird, verringert werden. Je nach Fensterfunktion bewirkt dies jedoch eine Verschlechterung der Auflösung um den Faktor 1 bis 2. Die Auflösung δ_ax eines FMCW- Radars mit FFT-Auswertung beträgt etwa:
The task of signal processing in an FMCW radar is therefore to determine the parameters of the partial sine signals, that is to say their amplitude and frequency. The most common method for calculating the signal frequencies in FMCW systems is the Fourier transform (FT), which is usually carried out with the fast Fourier transform algorithm (FFT) for discrete-time signals. The basic advantage of the Fourier transform is that it ensures that the algorithm converges for all input signals and that the result correctly reproduces the frequency components by definition, that is, it makes physical sense. The significant limitation results from the limited time length of real measurement signals and their time and amplitude discrete processing. The finite temporal aperture T causes a limited frequency resolution (Fresnell resolution) δ _f = 1: T and disturbances due to window effects. The window effects can be reduced by using window functions with which the measurement signal is weighted. Depending on the window function, however, this causes the resolution to deteriorate by a factor of 1 to 2. The resolution δ _{ax of} an FMCW radar with FFT evaluation is approximately:

In der Praxis muss allerdings berücksichtigt werden, dass die angegebene Auflösungs grenze nur eine theoretischen Wert darstellt, der für zwei nahezu gleichgroße Echos und nur bei moderatem Signal-zu-Rauschverhältnis gilt. Unterscheiden sich die Amplituden der benachbarten Signalanteile sehr stark oder liegt ein schlechtes Signal-zu- Rauschverhältnis vor, verschlechtert sich die Separierbarkeit merklich.In practice, however, it must be taken into account that the specified resolution limit represents only a theoretical value for two almost equally sized echoes and only applies in the case of a moderate signal-to-noise ratio. The amplitudes differ of the neighboring signal components is very strong or there is a poor signal Noise ratio before, the separability deteriorates noticeably.

Für die Auswertung der Radarsignale ist es wichtig, dass der zeitliche Verlauf von Lauf zeit, Amplitude und Reflexionsfaktor des Radarsignals gemessen und interpretiert bzw. klassifiziert wird, wobei insbesondere die Messwerte des Reflexionsfaktors unter Berück sichtigung von Informationen über das Gargut und von solchen, die aus angelernten Testmessungen oder aus einem trainierbaren Klassifikator, z. B. aus einem mit Lerndaten trainierten neuronalen Netz stammen, ausgewertet werden.For the evaluation of the radar signals, it is important that the time course of the run time, amplitude and reflection factor of the radar signal measured and interpreted or is classified, taking into account in particular the measured values of the reflection factor Viewing information about the food to be cooked and information that has been learned Test measurements or from a trainable classifier, e.g. B. from one with learning data trained neural network originate, are evaluated.

Der Reflexionsfaktor eines Materials wird üblicherweise durch das Verhältnis von reflek tierter zu einfallender Leistungsdichte definiert. Der Reflexionsfaktor hängt neben der O berflächenstruktur des Materials maßgeblich von dessen elektrischen Eigenschaften ab. Für eine ebene Flüssigkeitsoberfläche kann deren Reflexionsfaktor R wie folgt angegeben werden:
The reflection factor of a material is usually defined by the ratio of reflected to incident power density. In addition to the surface structure of the material, the reflection factor depends largely on its electrical properties. For a flat liquid surface, its reflection factor R can be given as follows:

wobei ε_r als Dielektrizitätskonstante bezeichnet wird. Die Dielektrizitätskonstante eines Materials wird z. B. von dessen chemisch/physikalischen Eigenschaften, seiner Tempera tur und zudem von der Messfrequenz beeinflusst. Der Reflexionsfaktor von körnigen Ma terialien hängt darüber hinaus von deren Korngröße ab. Sind die Strukturen deutlich grö ßer als eine Wellenlänge, so verhalten sie sich wie einzelne kleinere Reflektoren. Das Messsignal besteht folglich aus einer Überlagerung der Signalanteile. Liegt die Struktur große im Bereich der Wellenlänge, so findet eine fast vollständige Absorption statt, und es ist praktisch kein Reflexionssignal zu messen. Sehr fein strukturierte Oberflächen mit ei ner Strukturgröße deutlich unterhalb der Wellenlänge wirken wie eine Flüssigkeit. Einen merklichen Einfluss auf das Reflexionsverhalten hat natürlich auch die Menge der im Ma terial eingeschlossenen Luft.where ε _{r is} referred to as the dielectric constant. The dielectric constant of a material is e.g. B. influenced by its chemical / physical properties, its tempera ture and also by the measurement frequency. The reflection factor of granular materials also depends on their grain size. If the structures are clearly larger than a wavelength, they behave like individual smaller reflectors. The measurement signal consequently consists of a superposition of the signal components. If the structure is large in the wavelength range, there is almost complete absorption and practically no reflection signal can be measured. Very finely structured surfaces with a structure size well below the wavelength act like a liquid. Of course, the amount of air trapped in the material also has a noticeable influence on the reflection behavior.

Die Ausführungen zeigen, dass die Messung des Reflexionsfaktors nicht ohne weiteres zu einer konkreten Aussage über eine spezifische Eigenschaft eines Materials herangezogen werden kann, da eine Vielzahl von Einflussfaktoren wirkt. Erst durch Einbeziehung von Vorinformationen, z. B. über die Art des Gargutes, oder durch eine Auswertung von zeitlichen Veränderungen des Reflexionsfaktors, können aussagekräftige Resultate abgeleitet werden. Die Aufgabe der Signalverarbeitung besteht also bei einem Mikrowellensensor zur Gargutüberwachung insbesondere darin, die Messwerte und deren zeitlichen Verlauf zu interpretieren bzw. zu klassifizieren. Je nach Aufgabe ist der Klassifikator mehr oder weniger komplex. Um komplexe Messaufgaben lösen zu können, ist es günstig, die aktu ellen Messdaten mit eingelernten Testmessungen zu vergleichen oder aber einen trai nierbaren Klassifikator, wie z. B. ein neuronales Netz, mit Lerndaten zu trainieren.The explanations show that the measurement of the reflection factor is not easy a concrete statement about a specific property of a material can be, since a variety of influencing factors act. Only by including Preliminary information, e.g. B. on the type of food to be cooked, or by an evaluation of temporal Changes in the reflection factor, meaningful results can be derived become. The task of signal processing is therefore with a microwave sensor for monitoring the food in particular, the measured values and their chronological course interpret or classify. Depending on the task, the classifier is more or less complex. In order to be able to solve complex measuring tasks, it is convenient to update the compare the measured data with the learned test measurements or a trai nable classifier, such as. B. a neural network to train with learning data.

Mindestens eine Radarantenne sendet ein Maßsignal in Richtung des interessierenden Objekts (Gargut, Gargutablage wie z. B. Backblech oder Backrost) aus. Das Signal wird am Objekt, je nach Beschaffenheit des Objektes ganz oder teilweise reflektiert und wieder von mindestens einer Radarantenne empfangen. Die Eigenschaften des Messsignals, wie z. B. Frequenz, Amplitude und Phase, lassen dann Rückschlüsse auf Lage und Beschaf fenheit des Objektes zu. Entscheidend für eine aussagekräftige Messung ist, dass die detektierten Reflexionseigenschaften räumlich (d. h. konkreten Objekten) zugeordnet wer den können. Die räumliche Zuordnung von Reflexionseigenschaften kann im Prinzip auch als Bildgebung bezeichnet werden. In seitlicher (lateraler) Richtung erfolgt die Zuordnung durch die Verwendung richtscharfer Radarantennen, die nur einen definierten Winkelbe reich erfassen. In Tiefenrichtung (axial) erfolgt die Zuordnung durch Auswerten der Lauf zeit des Messsignals. Das Empfangssignal wird üblicherweise als ein Echoprofil darge stellt, welches die Reflexionsbedingungen in Abhängigkeit von der Entfernung darstellt. Die Einschubhöhe bzw. die Höhe des Gargutes ist aus dem Echoprofil (bzw. dem Echo profilen mehrerer nebeneinander angeordneter Radarantennen) ableitbar. Die Separier barkeit verschiedener Reflexionsanteile wird durch die Strukturauflösung bestimmt. In Tiefenrichtung wird die Strukturauflösung (also hier die Breite der skizzierten Peaks) durch die Bandbreite des Messsignals festgelegt, in lateraler Richtung durch die Anzahl und die Richtschärfe der verwendeten Radarantennen.At least one radar antenna sends a measurement signal in the direction of the person of interest Object (food to be cooked, food storage such as a baking sheet or baking rack). The signal will on the object, depending on the nature of the object fully or partially reflected and again received by at least one radar antenna. The properties of the measurement signal, such as z. B. frequency, amplitude and phase, then draw conclusions about location and procurement object. It is crucial for a meaningful measurement that the detected reflection properties spatially (i.e. concrete objects) who that can. In principle, the spatial assignment of reflection properties can also be called imaging. The assignment is made in the lateral direction through the use of razor-sharp radar antennas that only have a defined angle capture richly. In the depth direction (axial), the assignment is made by evaluating the barrel time of the measurement signal. The received signal is typically presented as an echo profile which represents the reflection conditions as a function of the distance. The insertion height or the height of the food is from the echo profile (or the echo profiles of several radar antennas arranged side by side). The separator Ability of different reflection components is determined by the structure resolution. In The depth of the structure resolution (here the width of the outlined peaks) determined by the bandwidth of the measurement signal, in the lateral direction by the number and the directional sharpness of the radar antennas used.

Wegen der speziellen Messbedingungen im Backofen (starke Reflexionen an den Metall wänden und sehr kleiner Reflexionsraum) kann davon ausgegangen werden, dass berüh rungslose Messungen bei nur einer festen Frequenz in aller Regel wenig praktikabel sind, da mit einem monofrequenten Radar keinerlei Auflösung in Tiefenrichtung realisierbar ist. Die Reflexionen von Gargut, mögliche Mehrfachreflexionen oder Reflexionen an den Wänden könnten somit nicht zuverlässig getrennt und ausgewertet werden.Because of the special measuring conditions in the oven (strong reflections on the metal walls and very small reflection space) it can be assumed that touch continuous measurements at only one fixed frequency are generally not practicable, since no resolution in the depth direction can be achieved with a monofrequency radar. The reflections from the food, possible multiple reflections or reflections from the Walls could not be reliably separated and evaluated.

Im Gegensatz zu den beschriebenen Reflexionsmessungen wären auch so genannte Transmissionsmessungen, bei denen das Objekt durchstrahlt wird, denkbar. In konventionellen Backöfen, bei denen häufig metallische (also nicht mikrowellendurchlässige) Gar gefäße verwendet werden und bei stark reflektierenden Medien (z. B. Gargüter mit hohem Wasseranteil) sind Transmissionsmessungen jedoch nicht praktikabel. Speziell in Mikro wellenöfen, in denen ja ohnehin keine metallischen Gefäße verwendet werden dürfen, könnten Transmissionsmessungen, insbesondere bei der Bestimmung von Garguteigen schaften, interessant sein.In contrast to the described reflection measurements, there would also be so-called Transmission measurements in which the object is irradiated are conceivable. In conventional Ovens in which metallic (i.e. not microwave-permeable) cooking vessels are used and for highly reflective media (e.g. food with high However, transmission measurements are not practical. Especially in micro wave ovens, in which no metallic vessels are allowed to be used anyway, could be transmission measurements, especially when determining the quality of the food to be cooked be interesting.

Die Reflexions- und Transmissionseigenschaften eines Materials hängen im Wesentlichen von seinen dielektrischen Eigenschaften ab. Je niedriger die Dielektrizitätskonstante eines Materials ist, desto schwächer reflektiert und desto besser transmittiert es Mikrowellen. Maßgeblichen Einfluss auf die Dielektrizitätskonstante eines Gargutes haben sein Feuch tigkeitsgehalt und seine Temperatur. Ändern sich die dielektrischen Eigenschaften eines Gargutes während des Garvorganges, z. B. aufgrund von Austrocknungs- oder chemi schen Vorgängen oder Temperaturänderungen, ist dies durch ein verändertes Reflexions- und Transmissionsverhalten erkennbar. Aufgrund dieser Effekte gelingt es, den Garvor gang mit Hilfe von Mikrowellensensoren zu monitorisieren.The reflection and transmission properties of a material essentially depend on its dielectric properties. The lower the dielectric constant of one Material, the less reflected it is and the better it transmits microwaves. Its moisture has a significant influence on the dielectric constant of a food activity content and its temperature. The dielectric properties of a change Food to be cooked during the cooking process, e.g. B. due to dehydration or chemi processes or temperature changes, this is due to a changed reflection and transmission behavior recognizable. Because of these effects, the Garvor succeeds monitor with the help of microwave sensors.

Die für die vorliegende Anwendung notwendige Auflösung lässt sich aus den geometri schen Randbedingungen, wie z. B. dem Abstand der Einschübe, dem minimalen Abstand vom Gargut/Gargefäß zu den Radarantennen sowie aus der minimalen Höhe des Back gutes (falls Backgut und Backgutauflage von einer Radarantenne zugleich erfasst wer den) ableiten. Will man etwa eine für die Anwendung günstige Auflösung von ca. 4 cm erreichen, ist hierzu eine Sweep-Bandbreite von ca. 8 GHz notwendig.The resolution required for the present application can be derived from the geometri boundary conditions such. B. the distance between the bays, the minimum distance from the food to be cooked to the radar antennas and from the minimum height of the baking pan good (if baked goods and baked goods support are detected by a radar antenna at the same time derive the). If you want a resolution of approx. 4 cm that is favorable for the application a sweep bandwidth of approx. 8 GHz is necessary.

Diese außerordentlich große Brandbreite stellt hohe Anforderungen an die verwendete Hardware. Darüber hinaus wird hierdurch die mögliche Messfrequenz weitgehend festge legt. Die relative Bandbreite (d. h. die Bandbreite durch Mittenfrequenz) einer Radaranten ne ist in aller Regel begrenzt und kann 10 bis 30% kaum übersteigen. Messfrequenzen unterhalb 24 GHz sind daher für die vorliegende Anwendung wenig geeignet. Mit zuneh mender Frequenz erhöhen sich jedoch die Kosten und verschlechtern sich die Verfügbar keit der Hochfrequenzkomponenten, so dass Frequenzen über 80 GHz zur Zeit ebenfalls nicht praktikabel sind. Das Frequenzband zwischen 15 GHz und 80 GHz erscheint daher für die gegebene Applikation am besten geeignet.This extraordinarily large fire range places high demands on the used one Hardware. In addition, the possible measurement frequency is largely determined in this way sets. The relative bandwidth (i.e. the bandwidth by center frequency) of a radar ne is generally limited and can hardly exceed 10 to 30%. measuring frequencies below 24 GHz are therefore not very suitable for the present application. With increasing As the frequency increases, however, the costs increase and the availability deteriorates high-frequency components, so that frequencies above 80 GHz at the same time are not practical. The frequency band between 15 GHz and 80 GHz therefore appears best suited for the given application.

Claims

1. A method of controlling a cooking process of a food to be arranged in an oven ( 1 ), the internal nature of which, such as the liquid content or the dielectric constant, changes during the cooking process, characterized in that, using the radar principle, the internal quality of the food to be cooked ( 1 ) is determined and tracked in time, and that the cooking process is controlled as a function of a change in the internal composition over time.

2. The method according to claim 1, characterized in that it is in the Gar is good about cake batter, which is measured during the entire baking process becomes.

3. The method according to claim 2, characterized in that the measurement with the help a frequency-modulated radar (FM radar), in particular a frequency mod continuous wave radar (FMCW radar).

4. The method according to claim 3, characterized in that the time course measured by transit time, amplitude and reflection factor of the radar signal and in interpreted and / or classified.

5. The method according to claim 4, characterized in that the measured values of the Reflection factor taking into account information about the food get ranked.

6. The method according to claim 5, characterized in that the information from learned test measurements or from a trainable classifier, in particular which come from a neural network trained with learning data.

7. Oven with a device for controlling a cooking process of a food item arranged in the oven ( 1 ), the internal nature of which, such as the liquid content or the dielectric constant, changes during the cooking process, characterized in that in the upper region of the oven ( 1 ) dir sharp, on a floor ( 13 ) of the oven ( 10 ) directed radar antennas ( 4 ) are arranged to determine a change over time of the internal nature of the food to be cooked, and that the device as a function of the time change of the internal nature of the food to be cooked controls.

8. The device according to claim 7, characterized in that the radar antennas ( 4 ) via high-frequency cable ( 5 ) are connected to a network analyzer ( 6 ).