DE10143841A1

DE10143841A1 - Gargerät mit Feuchtemesseinrichtung und Verfahren zur Feuchtemessung in einem Gargerät

Info

Publication number: DE10143841A1
Application number: DE2001143841
Authority: DE
Inventors: Peter Helm
Original assignee: MKN Maschinenfabrik Kurt Neubauer GmbH and Co KG
Current assignee: MKN Maschinenfabrik Kurt Neubauer GmbH and Co KG
Priority date: 2001-09-06
Filing date: 2001-09-06
Publication date: 2003-04-03
Anticipated expiration: 2021-09-07
Also published as: DE10143841B4

Abstract

Ein Gargerät besitzt einen Garraum (11), eine Temperaturmesseinrichtung (23) sowie eine Feuchtemesseinrichtung (30) zur Messung der Feuchte der Garatmosphäre in dem Garraum (11). Die Feuchtemesseinrichtung (30) ist mit einem Schall- oder Ultraschallsender (31) und einem Schall- oder Ultraschallempfänger (32) sowie einer Laufzeiterfassungseinrichtung (35) ausgerüstet und ist mit der Temperaturmesseinrichtung (23) verbunden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Gargerät mit einem Garraum und einer Temperaturmesseinrichtung sowie einer Feuchtemesseinrichtung zur Messung der Feuchte der Garatmosphäre in dem Garraum. Sie betrifft außerdem ein Verfahren zur Feuchtemessung der Feuchte der Garatmosphäre in einem Garraum eines Gargerätes.
Bei Umluftherden, Heißluftdämpfern, Heißluftgeräten, Mikrowellengeräten oder einer Kombination dieser und ähnlicher Geräte ist es für die Anwendung und die Qualität des Garvorganges vorteilhaft, wenn nicht nur die im Garraum befindliche Temperatur, sondern auch andere Größen bekannt sind. Verschiedentlich, beispielsweise in der EP 0 386 862 B1, ist schon vorgeschlagen worden, die Feuchtigkeit zu messen und gegebenenfalls außerdem nach einer Sollwertvorgabe zu regeln.
Hierzu sind unterschiedliche Methoden zur Bestimmung des Wasserdampfanteils einer Garatmosphäre eines Ofens vorgeschlagen worden. So wird nach einem Vorschlag in der DE 200 13 489 U1 die Stromaufnahme des Lüftermotors benutzt, um daraus auf den Wasserdampfgehalt im Garraum eines Umluftofens zu schließen. In der EP 0 517 433 B1 wird eine Einrichtung zur Messung der Dichte in einem Heizgerät mittels eines Gasfühlers beschrieben, der dann elektrische Signale erzeugen soll.
In der DE 41 41 768 A1 wird die Feuchte in einem Mikrowellenherd erfasst, indem elektromagnetische Strahlung insbesondere im sichtbaren oder im kurzwelligen Infrarotbereich eingesetzt wird, bei der dann die Absorptionsbanden des Wassermoleküls einen entsprechenden Effekt haben. Bei einem Vorschlag in der EP 0 701 388 B1 wird die Sauerstoffkonzentration gemessen, um Rückschlüsse auf die Feuchtigkeit zu ziehen. Als Messfühler wird dabei insbesondere eine Zirkoniumoxidzelle eingesetzt, deren eine Seite nach außen und deren andere Seite nach innen in den Kochraum gerichtet ist.
Die DE 42 06 845 C2 beschreibt ein weiteres Verfahren, das die Feuchtigkeit misst. Aufgrund thermodynamischer und praktischer Voraussetzungen kann mit diesem Verfahren die Feuchtigkeit, vor allem in den Extrembereichen, verhältnismäßig ungenau bestimmt werden. Des Weiteren ist eine aufwändige und zu wiederholende Kalibrierung erforderlich.
Allen Konzeptionen ist gemeinsam, dass recht aufwändige und/oder anfällige Einrichtungen eingesetzt werden müssen. Dies ist insbesondere deshalb von Nachteil, weil die Geräte nicht von technischen Experten im Labor benutzt werden sollen, die mit der Wartung, Pflege und gegebenenfalls Reparatur oder überhaupt Fehlererkennung vertraut sind, sondern durchaus auch von technischen Laien, die diese Gargeräte einfach für ihren eigentlichen Bestimmungszweck, nämlich das Zubereiten von Speisen, benutzen möchten, und zwar ohne Wartung über mehrere Jahre hinweg. Damit ist bereits der Einsatz von Messeinrichtungen kritisch, die bei Verschmutzungen funktionsunfähig werden oder zu Fehlern neigen.
Dabei ist zu berücksichtigen, dass relativ hohe Temperaturen von ca. 100°C bis 300°C sowie durch die Garvorgänge auch starke Verunreinigungen und Verschmutzungen der Garräume auftreten können. Auch wenn Benutzer diese sicher im Regelfall reinigen, wäre eine Funktionsstörung bei Restschmutz ein erhebliches Problem.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein praxisgerechtes Messverfahren und entsprechendes Gargerät vorzuschlagen, um den Wasserdampfgehalt beziehungsweise die Feuchte einer Garatmosphäre festzustellen.
Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Gargerät dadurch gelöst, dass die Feuchtemesseinrichtung mit einem Schall- oder Ultraschallsender und einem Schall- oder Ultraschallempfänger sowie einer Laufzeiterfassungseinrichtung ausgerüstet und sie mit der Temperaturmesseinrichtung verbunden ist. Bei einem Verfahren wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die Schallgeschwindigkeit und die Temperatur in der Garatmosphäre festgestellt und daraus auf die Feuchte geschlossen wird.
Mittels weiterer bevorzugt vorzusehender Einrichtungen, mit denen Dampf erhöht beziehungsweise reduziert wird, kann ein Regelkreis aufgebaut werden, um den Wasserdampfgehalt im Garraum nach einer Sollwertvorgabe zu regeln.
Dieses erfindungsgemäße Verfahren macht sich ebenso wie das in der DE 42 06 845 C2 vorgeschlagene einen physikalischen Effekt zu Nutze, nämlich die Dichteunterschiede zwischen trockener Luft und einer reinen Wasserdampfatmosphäre (ca. 1,2 kg/m³ zu 0,88 kg/m³), arbeitet allerdings auf einem ganz anderen Weg.
Die Schallgeschwindigkeit eines Mediums ist von dessen Dichte abhängig. Man kann also umgekehrt mit einer Schallgeschwindigkeitsmessung die Dichte eines Gases oder eines Gasgemisches bestimmen. Dieser physikalische Effekt als solcher ist bekannt und wird zum Beispiel genutzt, um eine korrekte Schutzgaszusammensetzung bei Schweißvorgängen zu messen.
Die Erfindung dagegen besteht nun darin, diesen Effekt zu einem völlig anderen Zweck einzusetzen und mittels einer Schallgeschwindigkeitsmessung die Dichte der Garatmosphäre während des Garvorganges festzustellen und daraus den Anteil an Wasserdampf und damit die Feuchte der Garatmosphäre zu bestimmen. Bei dieser Anwendung wird berücksichtigt, dass die unterschiedliche Gartemperatur (typischerweise zwischen 100°C und 300°C) ebenfalls die Dichte der Garatmosphäre verändert. Daher wird auch die ohnehin in jedem Gargerät vorhandene Temperaturmessung bei der Vorgehensweise mit eingesetzt, was dementsprechend auch nicht zu zusätzlichem apparativen Aufwand führt.
Zur Erläuterung des Effektes sei hier kurz auf die physikalischen Zusammenhänge eingegangen. Allgemein gilt:
Dabei ist c die Schallgeschwindigkeit (in m/s), p ist der Luftdruck (in Pa) und δ die Dichte (in kg/m³). χ ist der materialabhängige Adiabatenexponent c_p/c_v und nimmt bei Luft in der typischen Zusammensetzung aus N₂, O₂ und Ar den Wert 1,4 annimmt.
Mit der allgemeinen Beziehung δ = p/RT, wobei R die Gaskonstante und T die Temperatur darstellt, kann man Gleichung I umformen zu:
Diese Gleichung II lässt sich auflösen nach:
Die Temperatur T der Garatmosphäre ist bei Gargeräten ohnehin eine der wichtigsten Daten und wird stets gemessen. Auf sie kann daher problemlos zurückgegriffen werden.
Die mittlere Gaskonstante eines Gasgemisches aus zwei Gasen, hier also aus Luft und aus Wasserdampf, ist definiert durch:
Diese Gleichung kann man umformen zu:
Die linke Seite der Gleichung entspricht dem gesuchten Massenverhältnis Wasserdampf zu trockener Luft, das zugleich eine Angabe für die Feuchte oder Feuchtigkeit der Luft darstellt. Die Parameter R_{trockene Luft} und R_Wasserdampf sind bekannt und R_Atmosphäre erhält man aus der Messung der Schallgeschwindigkeit c und einsetzen in Gleichung III.
Bei der Betrachtung wird zunächst zum leichteren Verständnis von einem konstanten Wert χ ausgegangen. Der Wert ist aber von der Gasart (Atomanzahl des Moleküls) abhängig und liegt bei Wasserdampf bei 1,33. Bei der realen Garatmosphäre mit einer Mischung aus trockener Luft und Wasserdampf wird folglich χ abhängig vom Wasserdampfgehalt zwischen 1,33 und 1,4 variieren. Dieser geringfügige Fehler in den Randwerten kann näherungsweise akzeptiert werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird auch diese Randbedingung noch berücksichtigt. Dies geschieht dadurch, dass durch ein Iterationsverfahren χ genauer bestimmt wird. Dabei wird der Feuchtegehalt mit einer Annahme von χ berechnet und aufgrund des Ergebnisses eine neues χ berechnet (lineare Interpolation zwischen 1,33 und 1,4 je nach berechnetem Wasserdampfgehalt). Wenn sich der berechnete Wert von χ nicht mehr ändert (Genauigkeitsgrenzwert), wird die Iteration beendet.
Der Vorteil der Erfindung liegt darin, dass die Schallgeschwindigkeit relativ einfach und genau bestimmt werden kann, und zwar ohne anfällige oder komplizierte Messinstrumente, ohne Wartung und auch über eine sehr lange Benutzungszeit hinweg.
Dazu können in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung Ultraschallsender beziehungsweise Mikrofone und -Ultraschallempfänger beziehungsweise Detektoren dienen. Dazu wird eine Laufzeitmesseinrichtung (also im Grunde eine vereinfachte Uhr) eingesetzt, die die Signallaufzeit über einen definierten und stets gleichen Weg ermittelt. Durch Teilung von zurückgelegter, bekannter Wegstrecke und Laufzeit wird die Schallgeschwindigkeit in der Atmosphäre ermittelt.
Vorzugsweise sind Ultraschallquelle und Detektor das gleiche Bauteil, man spricht von einem Multiplexbetrieb. Mit solchen Bauteilen werden üblicherweise Entfernungen gemessen, dabei wird dann die Schallgeschwindigkeit als konstant oder bekannt vorausgesetzt. Bei der vorliegenden Erfindung dagegen ist die Messstrecke bekannt und die Schallgeschwindigkeit ist die zu messende Größe.
Die Qualität der von den Detektoren aufgefangenen Signale ist unerheblich, da ausschließlich der Zeitpunkt des Auffangens beziehungsweise der Zeitunterschied von Senden und Empfangen relevant ist. Das bedeutet, auch bei völlig verschmutztem Innenraum des Gargerätes leidet die Funktionsfähigkeit nicht. Mehrfachreflektionen sind ebenfalls kein Problem, da es nur auf den Zeitpunkt des Empfangs des ersten zurückreflektierten Signals ankommt; die Messstrecke wird dabei entsprechend gelegt.
Anders als bei quantitativen Bestimmungen, wie sie im Stand der Technik beispielsweise durch Messung der Stromaufnahme oder der Sauerstoffkonzentration stattfinden, gibt es erfindungsgemäß auch keine Messungenauigkeiten oder Fehler durch verschmutzte Sensoren. Selbst dann, wenn nur Bruchteile des ausgestrahlten Signals nach Durchlaufen der Messstrecke empfangen werden, ist immer noch eine exakte Zeitbestimmung und damit auch eine präzise Errechnung der Schallgeschwindigkeit, der Dichte und somit der Feuchte möglich.
Zur zusätzlichen Absicherung könnte das Ultraschallsignal noch eine bestimmte Signalfolge, gewissermaßen also eine "Melodie", erhalten. Diese könnte auch bei extremer Abschwächung über die Messstrecke noch problemlos erkannt und beispielsweise von externen Störungen unterschieden werden.
Die stärkere Absorption von Schall- oder Ultraschallwellen durch Wasserdampf im Vergleich zu trockener Luft stellt ebenfalls kein Problem dar: Auch das würde nur zu einem schwächeren Signal führen, die Zeitmessung und damit die Messung der Schallgeschwindigkeit bleibt von diesem Nebeneffekt unbeeinträchtigt und erfolgt nach den oben ausgeführten Gesetzmäßigkeiten.
Es ist auch möglich, die Messstrecke aus dem eigentlichen Garraum mit dem Gargut in einen abseits liegenden Raum zu verlegen, beispielsweise in ein Messrohr, das mit dem Garraum atmosphärisch verbunden ist.
Im Folgenden wird anhand der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Gargerätes.
Einen schematischen Aufbau eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Gargerätes zeigt Fig. 1. Ein Gehäuse 10 enthält einen Garraum 11, der mit einer Garatmosphäre während des Garvorganges angefüllt ist. Diese Garatmosphäre besteht in erster Linie aus den für Luft typischen und im Verhältnis zueinander im wesentlichen konstanten Anteilen an Stickstoff (N₂), Sauerstoff (O₂) und Argon (Ar) und einem schwankenden, vom Garvorgang und dem Gargut beeinflussten und hier besonders interessierenden Anteil an Wasserdampf (H₂O).
Der Garraum ist von außen durch einen Türbereich 12 zugänglich, der auch ein Fenster aufweisen kann, das für den Benutzer eine optische Verfolgung des Fortschrittes des Garvorganges ermöglicht.
Er ist mit den für den Garvorgang und die Behandlung und Handhabung des Gargutes erforderlichen beziehungsweise sinnvollen Elementen ausgerüstet, die hier nur teilweise und schematisch angedeutet sind. Dazu gehören zum Beispiel ein Heizkörper 20, ein Gargutträgerblech 21, ein Lüfterrad 22, eine Temperaturmesseinrichtung 23 und unter anderem auch ein Luftleitblech 25.
Außerdem ist auch eine Feuchtemesseinrichtung 30 vorgesehen. Diese enthält in der dargestellten Ausführungsform ein piezokeramisches Bauteil, das gleichzeitig einen kombinierten Ultraschallsender 31 und -empfänger 32 unterstützt.
Der Sender 31 erzeugt dabei einen Ultraschallimpuls, der von einer Reflektionsfläche 33 reflektiert wird. Die Reflektionsfläche 33 ist hier auf einer vom Gargut abgewandten Seite des Luftleitbleches 25 angeordnet. Der zurückkommende Impuls erzeugt im Empfänger 32 eine Kraft auf das Piezoelement, das als Reaktion einen Spannungsimpuls liefert.
Eine nachgeschaltete Laufzeiterfassungseinrichtung 35 ermittelt die Zeitdifferenz zwischen Aussenden des Impulses und dem Empfang desselben. Das Ergebnis wird an eine nachgeschaltete Elektronik 40 übermittelt und von dort ein Steuersignal an die Gerätesteuerung 41 weitergegeben. Auch die Temperaturmesseinrichtung 23 ist mit der nachgeschalteten Elektronik 40 verbunden.
In der Elektronik 40 werden die Messwerte, also die Temperatur T und die Laufzeit, verknüpft mit den bekannten festen Größen wie beispielsweise der Länge der Messstrecke und den oben bereits erörterten Materialkonstanten.
Das Ergebnis kann dann als Ansteuerung der Gerätesteuerung dienen. Durch Vergleich mit der Sollwertgröße wird ein entsprechender Aktor betätigt, um nach der Sollwertvorgabe zu regeln.
Es ist im Grunde nicht wesentlich für die Erfindung, wo die Elektronik 40 angeordnet ist, ob es sich um ein einteiliges Bauteil handelt oder ob die einzelnen Berechnungen der Schallgeschwindigkeit beziehungsweise Laufzeit in unterschiedlichen Bereichen erfolgen. Beispielsweise kann die Elektronik 40 auch ein Teil der Sensor- oder der Geräteelektronik sein und die Berechnung bereits dort stattfinden, ohne dass noch separate Leitungen verlegt werden müssen.
Des Weiteren kann die Bestimmung der Schallgeschwindigkeit im Garraum oder in einem Messraum (zum Beispiel Messrohr) stattfinden, der mit dem Garraum verbunden ist.
Die Schallgeschwindigkeit kann aber auch mit einem niederfrequenten Signal oder auch mit einem Schallimpuls gemessen werden. Entscheidend ist, dass die Laufzeit eines Schallimpulses oder Signals festgestellt wird. Mit Hilfe der bekannten, zurückgelegten Wegstrecke kann die Schallgeschwindigkeit der Garatmosphäre bestimmt werden.
Diverse Möglichkeiten der Realisierung der Signale bieten sich an (Schalldruckverlauf, Stärke des Signals, Dauer, Impulsanzahl und Frequenz). Die geeignete Wahl kann durch Kostengesichtspunkte oder auch andere Überlegungen beeinflusst werden, beispielsweise weiter Informationen, die zu anderen Zwecken übermittelt werden sollen. Durch geeignete Wahl der Signale kann jedoch die Messgenauigkeit erhöht und die Restfehlerwahrscheinlichkeit reduziert werden. Bezugszeichenliste 10 Gehäuse
11 Garraum
12 Türbereich
20 Heizkörper
21 Gargutträgerblech
22 Lüfterrad
23 Temperaturmesseinrichtung
25 Luftleitblech
30 Feuchtemesseinrichtung
31 Schall- oder Ultraschallsender
32 Schall- oder Ultraschallempfänger
33 Reflektionsfläche
35 Laufzeiterfassungseinrichtung
40 elektronische Schaltung
41 Gerätesteuerung

Claims

1. Gargerät mit einem Garraum (11) und einer Temperaturmesseinrichtung (23) sowie einer Feuchtemesseinrichtung (30) zur Messung der Feuchte der Garatmosphäre in dem Garraum (11), dadurch gekennzeichnet, dass die Feuchtemesseinrichtung (30) mit einem Schall- oder Ultraschallsender (31) und einem Schall- oder Ultraschallempfänger (32) sowie einer Laufzeiterfassungseinrichtung (35) ausgerüstet und sie mit der Temperaturmesseinrichtung (23) verbunden ist.

2. Gargerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sender (31) und der Empfänger (32) durch eine gemeinsame Piezokeramik gebildet wird.

3. Gargerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufzeiterfassungseinrichtung (35) mit dem Eingang einer elektronischen Schaltung (40) verbunden ist, wobei ein Ausgang der Schaltung (40) mit einer Gerätesteuerung (41) zur Beeinflussung der Feuchte im Garraum (11) verbunden ist.

4. Verfahren zur Feuchtemessung der Feuchte der Garatmosphäre in einem Garraum (11) eines Gargerätes, dadurch gekennzeichnet, dass die Schallgeschwindigkeit und die Temperatur in der Garatmosphäre festgestellt und daraus auf die Feuchte geschlossen wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Feststellung der Schallgeschwindigkeit durch eine Messung in dem Garraum (11) oder in einem damit verbundenen Messraum, insbesondere einem Messrohr, stattfindet.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Feststellung der Schallgeschwindigkeit durch Senden und anschließendes Empfangen eines Schall-, Ultraschall- oder niederfrequenten akustischen Signals und Feststellung der Laufzeit vom Sendezeitpunkt bis zum Empfangszeitpunkt bei bekannter Streckenlänge erfolgt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Bestimmung der Feuchte aus der Schallgeschwindigkeit der Wert des Adiabatenexponenten χ (c_p/c_v) iterativ ermittelt wird.