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Anwendungsgebiet
und Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft ein Kochgerät
mit einer Einrichtung zur Erfassung der Temperatur des Kochgeschirrs
an seiner Außenseite
sowie ein Verfahren zu dieser Erfassung der Temperatur.
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Es
ist beispielsweise aus der
EP
690 659 A bekannt, über
einen IR-Sensor die Temperatur an der Außenseite eines Kochgeschirrs
abzufragen. Aus dieser Temperatur an der Außenseite des Kochgeschirrs
kann auf die Temperatur des Kochgeschirrs bzw. eines darin befindlichen
Gargutes geschlossen werden. Dadurch ist ein sogenanntes temperaturgesteuertes
oder automatisches Kochen möglich.
Der IR-Sensor ist dabei nach oben ausfahrbar am hinteren Rand eines
Kochfeldes angeordnet und misst über
eine Luftstrecke hinweg die Wärmestrahlung, welche
von dem Kochgeschirr ausgeht. Daraus wird die Temperatur berechnet.
Hierbei besteht jedoch das Problem, dass an der Stelle an dem Kochgeschirr,
an welcher die Wärmestrahlung
gemessen wird, möglichst
definierte Eigenschaften vorliegen sollten, da ansonsten die Temperaturbe stimmung über schwankende
Werte der Abstrahlungseigenschaften ungenau werden kann. Es ist
zwar vorgeschlagen worden, hier durch das Anbringen von Folien odgl.
diese definierten Eigenschaften zu schaffen. Dies ist aber aufwendig
und muss für
jedes Kochgeschirr einzeln vorgenommen werden. Des weiteren besteht
die Gefahr, dass derartige Folien im Lauf der Zeit ihre Eigenschaften
verlieren oder ändern,
was Messungen verfälschen
kann.
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Aufgabe und
Lösung
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Gelöst wird
diese Aufgabe durch ein Kochgerät
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen
des Anspruchs 7. Vorteilhafte sowie bevorzugte Ausgestaltungen der
Erfindung sind Gegenstand der weiteren Ansprüche und werden im folgenden
näher erläutert. Der
Wortlaut der Ansprüche
wird dabei durch ausdrückliche Bezugnahme
zum Inhalt der Beschreibung gemacht. Die Merkmale, die bezüglich des
Kochgeräts
geschildert werden, gelten in ihrer Allgemeinheit auch für das Verfahren.
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Erfindungsgemäß weist
das Kochgerät,
welches bevorzugt ein Kochfeld ist, einen Träger sowie eine Heizeinrichtung
für das
Kochgeschirr auf. Vorteilhaft kann das Kochgeschirr auf dem Träger abgestellt
werden. Des weiteren ist eine Temperaturerfassungseinrichtung vorgesehen,
welche an einer Stelle an der Außenseite des Kochgeschirrs
die Temperatur erfasst bzw. abfragt. Diese Einrichtung weist wenigstens
ein Quotienten-Pyrometer auf, welches auf das Kochgeschirr bzw.
eine bestimmte Stelle gerichtet ist. Des weiteren weist die Einrichtung
eine Steuerung auf, mit welcher die Temperatur des Kochgeschirrs bestimmt
werden kann unter Verwendung der Signale bzw. Informationen, die
das Quotienten-Pyrometer liefert. Die Steuerung ist mit einem Speicher
verbunden bzw. weist einen solchen auf. In diesem sind Daten abgelegt,
welche zur Verarbeitung der Signale bzw. zur Bestimmung der Tempe ratur
verwendet werden. Insbesondere sind dies physikalische Daten oder
abgespeicherte Messkurven, worauf nachfolgend noch näher eingegangen
wird.
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Der
Vorteil der Verwendung eines Quotienten-Pyrometers liegt darin,
dass in einem für
die Messung interessierenden oder zu erwartenden Temperaturbereich
in zwei sehr nahe beieinander liegenden Wellenlängenbereichen die Intensität der Wärmestrahlung
gemessen wird und daraus der Quotient bestimmt wird. Dabei wird
davon ausgegangen, dass sich der Verlauf der Strahlungsintensität in diesem Wellenlängenbereich
gemäß dem Planck'schen Strahlungsgesetz
mit einer Geraden annähern
lässt. Durch
Bildung des Quotienten kann die Steigung dieser Geraden ermittelt
werden. Die Kurven der Planck'schen
Strahlungsintensität über der
Wellenlänge
sind bekannt und weisen einen Verlauf auf, der für die Temperatur charakteristisch
ist. Sie sind also unterschiedlich mit jeweils einer eigenen, bestimmten
Steigung bei jeder Wellenlänge.
Die Kurven sind beispielsweise in den Speicher eingespeichert. So kann
aus der Steigung dieser Geraden die betreffende Kurve und somit
die Temperatur bestimmt werden. Durch die Bildung des Quotienten
bzw. die Annäherung
der Kurven als Gerade wird die Größe des Emissionsgrades der
Oberfläche
des Kochgeschirrs ebenso wie eine mögliche Dämpfung durch sonstige Gegebenheiten
im Messweg vernachlässigbar.
Ein solcher Fehler würde
bei beiden Messungen gleich groß sein
und sich insofern aufheben, als bei den absoluten Werten der Strahlungsintensität geringere
als tatsächlich
herauskommen. Die Gerade liegt damit absolut gesehen niedriger als
es der eigentlichen Strahlungsintensität des Kochgeschirrs entspricht. Von
der Steigung her entspricht sie dieser jedoch. Selbstverständlich sollte
darauf geachtet werden, dass ein Wellenlängenbereich verwendet wird,
in welchem die Unterscheidbarkeit der verschiedenen Temperaturkurven
anhand ihrer Steigung gut möglich ist.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es möglich, dass der Träger für das Kochgeschirr eine
Platte aus zumindest teilweise strahlungsdurchlässigem Material ist. Hier bieten
sich glasartige Materialien an, insbesondere Hartglas oder Glaskeramik.
Vor allem für
Kochfelder hat sich Glaskeramik durchgesetzt, kann jedoch auch als
Träger
oder Wandung in einem Backofen verwendet werden. So ist die Temperaturmessung
in entsprechender Weise durch Glaskeramik oder ein ähnliches
Material hindurch auch bei einem Backofen möglich.
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Auf
der vorgenannten Platte steht das Kochgeschirr, wobei vorteilhaft
die Heizeinrichtung darunter angeordnet ist. Vor allem bei einem
Kochfeld kann es eine sogenannte Strahlungsheizung oder eine Induktionsheizung
sein. Besonders vorteilhaft ist bei einer vorgenannten Ausbildung
das Quotienten-Pyrometer unterhalb der Platte angeordnet und auf
das Kochgeschirr bzw. die vorgenannte Stelle gerichtet, an welcher
die Temperatur erfasst werden soll. Üblicherweise ist dieses die
Unterseite des Kochgeschirrs. Abhängig von der Art des Kochgeschirrs kann
vorgesehen sein, entweder einen zentralen Bereich oder einen umlaufenden
Bereich auszuwählen, an
dem die Temperaturerfassung erfolgen soll.
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Das
Quotienten-Pyrometer kann zwischen Platte und Heizeinrichtung angeordnet
sein, wobei es eine thermische Isolierung aufweisen sollte, falls
es im Heizbereich der Heizeinrichtung liegt. Es kann auch neben
der Heizeinrichtung angeordnet sein und schräg auf eine Stelle darüber gerichtet
sein. Ebenso kann es durch einen Durchgang in der Heizeinrichtung
gerichtet sein.
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Um
Einflüsse
der Platte bzw. der Glaskeramik auf die gemessene Strahlungsintensität möglichst
zu reduzieren oder sogar auszuschließen, ist es von Vorteil, das
Quotienten-Pyrometer auf einen Wellenlängenbereich einzustellen, in
welchem der Transmissionsgrad der Platte sehr groß ist und
möglichst
gegen eins tendiert. Dabei ist es selbstverständlich empfehlenswert, es auf
den zu erwartenden bzw. zu messenden Temperaturbereich abzustellen,
bei einem Kochfeld in etwa 80°C
bis 300°C. Beispielsweise
für Glaskeramik
bietet sich hier ein Wellenlängenbereich
von etwa 2,5 μm
an, da hier üblicherweise
eine maximale Transmission möglich
ist.
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Bei
einer bevorzugten Ausführung
der Erfindung kann ein zweites Quotienten-Pyrometer vorgesehen sein,
mit welchem die Temperatur der Platte erfasst wird, auf dem das
Kochgeschirr steht. Dies wird gemacht mit dem Ziel, die durch die
Erwärmung der
Platte selbst entstehende Wärmestrahlung
auszuschließen,
damit sie die Intensitätsmessung
mit dem ersten Quotienten-Pyrometer nicht verfälschen kann. Dazu wird das
zweite Quotienten-Pyrometer auf einen Wellenlängen-Bereich eingestellt, in
dem der Transmissionsgrad der Platte relativ gering ist oder sogar
gegen null tendiert. Bei den vorgenannten Materialien wie Glaskeramik
bietet sich hier ein Wellenlängenbereich
unter 0,5 μm
an. Der Ablauf des entsprechenden Verfahrens wird nachfolgend noch erläutert.
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Wie
zuvor angesprochen worden ist, können in
dem Speicher Daten abgespeichert sein, insbesondere auch sozusagen
Kurven der Strahlungsintensität über der
Wellenlänge
für verschiedene
Temperaturen. Zumindest sollte dies für den Wellenlängenbereich
vorliegen, auf den das erste Quotienten-Pyrometer eingestellt ist.
Vorteilhaft sind zur Verwendung des zweiten Quotienten-Pyrometers
diese Daten auch für
dessen Wellenlängenbereich
vorhanden.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
wird mit dem ersten Quotienten-Pyrometer
in dem Wellenlängenbereich
von etwa 2,5 μm
gemessen, was insbesondere bei einer Messung durch Glaskeramik hindurch
vorteilhaft ist. Ein Messverfahren kann beispielsweise so ablaufen,
dass mit dem ersten Quotienten-Pyrometer eine gesamte Strahlungsintensität von Kochgeschirr
und Platte zusammen erfasst wird. Mit dem zweiten Quotienten-Pyrometer
wird die Strahlungsintensität
lediglich der Platte erfasst. Die Wellenlängenbereiche werden so gewählt, dass
die Transmission der Platte jeweils einerseits möglichst hoch ist und andererseits
nahezu bei null liegt. Über abgespeicherte
Daten wird die Temperatur der Platte berechnet und entweder über diesen
Schritt oder direkt aus der gemessenen Strahlungsintensität der Platte
die Strahlungsintensität
der Platte bei derjenigen Wellenlänge berechnet, bei welcher
das erste Quotienten-Pyrometer misst. Somit wird der Anteil bestimmt
im Wellenlängenbereich
des ersten Quotienten-Pyrometers, der auf die Strahlung der Platte zurückgeht.
Dieser Anteil wird von der insgesamt gemessenen Strahlungsintensität abgezogen,
welche das erste Quotienten-Pyrometer
ermittelt hat. Von dem erhaltenen Wert ausgehend kann die Temperatur
ermittelt werden, welche dann an der Außenseite des Kochgeschirrs
anliegt.
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Somit
kann mit diesem Verfahren sowohl der Vorteil der Messung mit einem
Quotienten-Pyrometer genutzt werden als auch durch die Durchführung der beiden
Messungen mit zwei Quotienten-Pyrometern ein störender oder verfälschender
Einfluss der Glaskeramik, durch welche hindurch gemessen wird, reduziert
werden.
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Diese
und weitere Merkmale gehen außer aus
den Ansprüchen
auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die
einzelnen Merkmale jeweils für
sich allein oder zu mehreren in Form von Unterkombinationen bei
einer Ausführungsform der
Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte
sowie für
sich schutzfähige
Ausführungen
darstellen können,
für die
hier Schutz beansprucht wird. Die Unterteilung der Anmeldung in einzelne
Abschnitte sowie Zwischen-Überschriften beschränken die
unter diesen gemachten Aussagen nicht in ihrer Allgemeingültigkeit.
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Kurbeschreibung
der Zeichnungen
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in den Zeichnungen schematisch dargestellt und
wird im folgenden näher
erläutert.
In den Zeichnungen zeigen:
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1 eine
schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Kochfeldes mit zwei Quotienten-Pyrometern,
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2 die
Kurven der Strahlungsintensität über der
Wellenlänge
gemäß dem Planck'schen Strahlungsgesetz
für verschiedene
Temperaturen und
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3 eine
Kurve der Transmission über
der Wellenlänge
für Glaskeramik.
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Detaillierte
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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In 1 ist
ein Kochfeld 11 dargestellt, bei welchem auf einer Glaskeramikplatte 13 ein
Kochgeschirr 15 aufgestellt ist. Das Kochgeschirr 15 ist
ein sogenannter Kochtopf und enthält ein Kochgut 16, beispielsweise
Suppe oder zu kochende Kartoffeln.
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Unterhalb
der Glaskeramikplatte 13 ist, wie beispielsweise bei einem üblichen
Kochfeld mit Strahlungsbeheizung, eine Heizeinrichtung 18 angeordnet.
Diese ist gemäß einer üblichen
Strahlungsheizung ausgebildet. Die erzeugte Wärmestrahlung ist nach oben
in Richtung auf das Kochgeschirr 15 zu gerichtet und durchdringt
die Glaskeramikplatte 13 mit einem wesentlichen Anteil.
Dieser erreicht die Unterseite des Kochgeschirrs 15 und
heizt dieses auf.
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Zwei
Quotienten-Pyrometer 20a und 20b sind in einem
Bereich an der Unterseite der Glaskeramikplatte 13 angeordnet
samt Abschirmung 21. Die Abschirmung 21 schützt die
Quotienten-Pyrometer 20a und 20b ge gen unerwünschte Fremdstrahlung von
der Seite sowie von der Heizeinrichtung 18. So kann auch
eine möglicherweise
schädliche Überhitzung
der Quotienten-Pyrometer 20a und 20b vermieden
werden, da die Temperatur kurz oberhalb der Heizeinrichtung 18 bis
zu 700 oder 800°C
betragen kann. Alternativ sind Quotienten-Pyrometer 20' dargestellt,
die links neben der Heizeinrichtung 18 angeordnet sind.
Sie sind schräg
auf dieselbe Stelle gerichtet wie die Quotienten-Pyrometer 20a und 20b. Damit
wäre das
Problem einer möglichen
unerwünschten
Beeinflussung oder Beschädigung
durch die Heizeinrichtung 18 selbst gelöst. Des weiteren sind sie von
oben für
einen Benutzer nicht sichtbar und schirmen auch nicht einen Teil
der Heizeinrichtung 18 gegen das Kochgeschirr 15 ab.
Mit einer schräg
zueinander vorgesehenen Anordnung der Quotienten-Pyrometer 20a und 20b ist
es auch möglich,
diese im wesentlichen auf genau einen Punkt an der Glaskeramikplatte
zu richten. So können
beide Messungen tatsächlich
für dieselbe
Stelle vorgenommen werden.
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Als
eine weitere Alternative sind die Quotienten-Pyrometer 20'' dargestellt, die unter der Heizeinrichtung 18 angeordnet
sind. Ihre Wirkungsrichtung ist durch die Heizeinrichtung 18 bzw.
einen entsprechenden Durchgang hindurch. Hier reicht unter Umständen schon
eine kleine Öffnung.
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Das
linke Quotienten-Pyrometer 20a ist auf eine Wellenlänge eingestellt,
bei welcher die Transmission der Glaskeramikplatte 13 möglichst
groß ist. Nach
dem Schaubild aus 2 trifft dies für eine Wellenlänge von
etwa 2,5 μm
zu. Strahlung mit dieser Wellenlänge
geht zu mehr als 80% durch die Glaskeramikplatte 13 hindurch.
Dies ist durch die symbolische Wärmestrahlung
in 1 angedeutet, welche von der Unterseite des Kochgeschirrs 14 ausgehend
durch die Glaskeramikplatte 13 hindurch auf das linke Quotienten-Pyrometer 20a treffen.
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Das
rechte Quotienten-Pyrometer 20b ist auf eine Wellenlänge eingestellt,
bei welcher die Transmission der Glaskeramikplatte möglichst
gering bzw. gleich null ist. Dies ist beispielsweise der Fall bei
einer Wellenlänge
von 0,5 μm,
auf welche das Quotienten-Pyrometer 20b eingestellt ist.
Durch die ebenfalls eingezeichnete symbolische Wärmestrahlung ist zu erkennen,
dass lediglich von der Unterseite der Glaskeramikplatte 13 ausgehende
Wärmestrahlung
auf das Quotienten-Pyrometer 20b fällt.
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Die
beiden Quotienten-Pyrometer 20a und 20b sind mit
einer Steuerung 24 verbunden. Die Steuerung 24 wiederum
ist mit einem Speicher 26 verbunden sowie einem Schalter 28,
mit dem die Energiezufuhr zur Heizeinrichtung 18 gesteuert
werden kann. Des weiteren ist zu der Steuerung 24 vor allem zu
bemerken, dass sie eine Auswertung der Daten der Quotienten-Pyrometer 20a und 20b ermöglicht. Deswegen
kann sie allgemein auch als Auswertung angesehen werden.
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Funktion
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Zum
theoretischen Verständnis
wird auf die Kurven der Planck'schen
Strahlungsintensität
E über der
Wellenlänge λ gemäß 2 verwiesen.
Daraus ist zu entnehmen, dass die Kurven der Strahlungsintensität bei einer
bestimmten Temperatur über
der Wellenlänge λ einen charakteristischen
Verlauf haben. Die Kurven sind angegeben für unterschiedliche Temperaturen
des abstrahlenden Körpers,
und zwar von 300K bei der untersten Kurve bis 700K bei der obersten
Kurve. Die durchgezogenen Kurven gehen jeweils in 100K-Schritten
von unten nach oben. Die beiden gestrichelt dargestellten Kurven
stellen 50K-Schritte dar, so dass für Temperaturen von 300K, 350K,
400K, 450K, 600K und 700K Kurven eingezeichnet sind.
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Bei
dem vorgenannten Wellenlängenbereich von
2,5 μm,
in welchem die Kurven in etwa eine maximale Steigungsänderung
aufweisen, weisen sie zusätzlich
eine jeweils gut voneinander unterscheidbare Steigung auf. Die Steigungen
bei einer Wellenlänge
von 2,5 μm
sind für
die unterste und die oberste Kurve durch die strichpunktierten Tangenten
eingezeichnet. Dies bedeutet, dass bei der Wellenlänge 2,5 μm oder sehr
nahe daran jede Kurve der Strahlungsintensität durch eine Gerade angenähert werden
kann und diese Geraden bei jeder Kurve deutlich unterscheidbar sind.
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Kann
bei unbekannter Temperatur durch Messung oder Berechnung für eine Intensität die Steigung
dieser Gerade ermittelt werden, so kann daraus die Temperatur bestimmt
werden. Dies wird, wie nachfolgend erläutert wird, zur Temperaturbestimmung
herangezogen.
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Das
grundlegende Funktionsprinzip eines Quotienten-Pyrometers ist dem
Fachmann zum einen ausreichend bekannt und zum andern eingangs skizziert
worden. Weitere Erläuterungen
hierzu sind nicht notwendig. Das linke Quotienten-Pyrometer 20a ist
auf den Wellenlängenbereich
von 2,5 μm
eingestellt und misst die gesamte Strahlungsintensität bei zwei
Wellenlängen
um 2,5 μm
herum, welche beispielsweise nur etwa 10 bis 100 nm auseinander
liegen. Durch die Quotientenbildung, welche von dem Quotienten-Pyrometer 20a selber
oder der Steuerung 24 vorgenommen werden kann, können zwei
etwas voneinander beabstandete Werte für die Intensität E für zwei nahe
beieinander liegenden Wellenlängen
ermittelt werden. Diese definieren eine Gerade, welche einer der
strichpunktierten Geraden und somit Tangenten gemäß 2 entspricht.
Damit kann also näherungsweise
die Temperatur bestimmt werden.
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Allerdings
ist bei dieser gemessenen Strahlungsintensität zu beachten, dass sowohl
der heiße Boden
des Kochgeschirrs 115 nach unten abstrahlt als auch die
erhitzte Glaskeramikplatte 13 selber. Gewünscht ist
aber nur die Intensität
des Kochgeschirrs. Einerseits kann über in dem Speicher 26 abgespeicherte
Korrekturdaten der Anteil der Glaskeramikplatte 13 aus
Erfahrungswerten für
bestimmte Temperaturen herausgerechnet werden. Alternativ wird das
zweite Quotienten-Pyrometer 20b verwendet, wie nachfolgend
beschrieben wird.
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Das
zweite Quotienten-Pyrometer 20b ist auf eine Wellenlänge von
etwa 0,5 μm
eingestellt. Nach der 3 wird, mit dem grundsätzlichen
Verfahren der Quotientenbildung wie vorstehend beschrieben, die
Intensität
und somit Temperatur lediglich der Glaskeramikplatte 13 in
einem räumlichen
Bereich nahe des ersten Quotienten-Pyrometers 20a gemessen.
Ist daraus die Temperatur der Glaskeramikplatte 13 bekannt,
kann wiederum gemäß dem Diagramm aus 2 ermittelt
werden, welche Strahlungsintensität die Glaskeramikplatte 13 bei
der Wellenlänge von
2,5 μm aufweist.
Diese Strahlungsintensität
der Glaskeramikplatte 13 kann von der durch das Quotienten-Pyrometer 20a gemessenen
Gesamtstrahlungsintensität
abgezogen werden, so dass die Strahlungsintensität ermittelt werden kann, welche ausschließlich auf
das Kochgeschirr 15 zurückgeht. Anhand
dieser kann wiederum die Temperatur des Kochgeschirrs 15 bestimmt
werden durch Verwendung der Kurven aus 2.
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In
Abhängigkeit
von der ermittelten Temperatur an der Unterseite des Kochgeschirrs 15 kann,
beispielsweise wiederum durch in dem Speicher 26 abgespeicherte
Erfahrungswerte, auf die Temperatur des Kochguts 16 geschlossen
werden. Sie ist üblicherweise
einige wenige K niedriger. Soll beispielsweise ein sogenanntes Kochprogramm
verwendet werden mit zeitlicher Regelung der Temperatur nach vorgegebenen
Werten, kann die Steuerung 24 direkt über den Schalter 28 die
Energiezufuhr zur Heizeinrichtung 18 und somit die Erwärmung des
Kochguts 16 steuern. Alternativ kann die Steuerung bzw.
Auswertung 24 mit einer Gesamtsteuerung für das Kochgeld 11 verbunden
sein oder sogar darin integriert sein und so die Energiezufuhr zur
Heizeinrichtung 18 beeinflussen.
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Ein
weiterer Vorteil eines unter der Glaskeramikplatte 13 angebrachten
Quotienten-Pyrometers 20 liegt darin, dass es vor Verschmutzung
oder Beschädigung
geschützt
ist. Des weiteren ist es starr und unbeweglich angeordnet, was vom
Aufbau her sehr einfach ist.