DE102004037606A1

DE102004037606A1 - Verfahren und Anordnung zur Bestimmung des Verlaufes von Back- oder Kochvorgängen durch zumindest einen Gassensor

Info

Publication number: DE102004037606A1
Application number: DE200410037606
Authority: DE
Inventors: Maximilian Fleischer; Uwe Dr. Lampe; Hans Prof. Meixner; Roland Dr. Pohle; Elfriede Dr. Simon
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2004-08-03
Filing date: 2004-08-03
Publication date: 2006-03-16

Abstract

Verfahren und Anordnung zur Bestimmung des Verlaufs von Back-, Brat- und Kochvorgängen mit oder ohne Treibmittel enthaltendem Back-, Brat- und Kochgut, wobei in der das Back-, Brat- und Kochgut umgebenden Atmosphäre als Leitgas Kohlendioxidgehalt CO¶2¶ und/oder NH¶3¶ und/oder Feuchte mittels Gassensoren gemessen wird, wobei die Sensoren mindestens eine gassensitive Schicht aufweisen, die bei vorhandenem Zielgas ein Messsignal aufgrund einer Änderung der Austrittsarbeit, des Widerstandes, der Kapazität oder der IR-Absorption generieren.

Description

Verfahren und Anordnung zur Bestimmung des Verlaufes von Back- oder Kochvorgängen durch zumindest einen Gassensor Die Erfindung betrifft die Überwachung von Back-, Koch- oder Bratvorgängen zur Ermittlung von Prozessvariablen, insbesondere zur Ermittlung des Prozessabschlusses.

Die Zubereitung von Lebensmitteln in Öfen in Form von Back-, Koch- oder Bratvorgängen stellt einen allgegenwärtigen Prozeß dar. Bisher wird die Kontrolle dieses Prozesses dem Wissen der Hausfrau oder des Hausmanns bzw. des Kochs überlassen. Eine Automatisierung derartiger Prozesse wäre für den gewerblichen Bereich eine wünschenswerte Steigerung der Effizienz und für den privaten Bereich eine deutliche Steigerung des Komforts. Die Tendenz zu höherwertigen Prozessen ist auch in Zusammenhang mit Hausgeräten zu spüren, was beispielsweise an dem Einsatz von optischen Thermometern bei neuen Herden sichtbar wird, durch die die Temperatur eines Kochtopfes gemessen werden kann.

Für die Bestimmung des Zeitpunktes zu dem ein Backvorgang genau abgeschlossen ist, gibt es derzeit keine verfügbare Lösung, die von Umgebungsparametern und Erfahrungswerten unabhängig ist.

Es gibt mobile Brotbackautomaten die den Backendpunkt über die Temperatur und die Zeit bestimmen. Diese sind mit verschiedenen Backoptionen ausgestattet, um verschiedene Brotsorten zu backen. Diese Backoptionen sind Erfahrungswerte die vorher definiert und untersucht werden müssen. Durch Veränderung der Backmischung oder des Backvolumens können sich diese Parameter wiederum verändern und so das Ergebnis des Backvorganges nachteilig beeinflussen, welches hinsichtlich der Merkmale – nicht vollständiges Durchbacken des Backgutes, – zu braune Oberfläche, – Austrocknung des Backgutes usw.

nicht optimiert sein kann. Bei großtechnischen Backanlagen wird neben der Temperatur und der Zeit auch die Feuchtigkeit im Backofen bestimmt, da sich damit auch die Konsistenz des Backgutes und die Backzeit verändern. Auch hier kann das Ende des Backvorganges nicht exakt bestimmt werden und wird lediglich durch Erfahrungswerte bezüglich Zeit und Temperatur sowie durch optische Beobachtungen, wann eine gewünschte Bräunung vorliegt, und manuelle Kontrollen, wie beispielsweise Einstechen mit einer Nadel in das Backgut, zur Kontrolle, ob das Innere des Backgutes durchgebacken ist, bestimmt.

Im Rahmen eines Verbundprojektes in der Mikrosystemtechnik ist untersucht worden, ob generell Koch- und Bratvorgänge vergleichbar dem Vorgehen eines Menschen durch Beobachtung des Geruchs überwacht werden können (siehe [1]). Dazu wurden die Geruchsstoffe, welche durch flüchtige Kohlenwasserstoffe dargestellt sind, mittels Gassensoren auf der Basis halbleitender Metalloxide detektiert. Nachdem aber die Menge dieser Kohlenwasserstoffe generell mit der Zubereitungsdauer sowie der Menge des Garguts variiert, ist mit diesem Vorgehen der Garzeitpunkt kaum verlässlich zu bestimmen. Zusätzlich variiert die Menge der Kohlenwasserstoffe stark mit der Art der zu garenden Substanz und stellt daher keine aussagefähige Größe über den Stand des Back- oder Garprozesses dar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Automatisierung von Back-, Koch- oder Bratvorgängen zu beschreiben, indem der Verlauf derselben bestimmt wird. Weiterhin soll eine Anordnung zur Durchführung bereitgestellt werden.

Die Lösung dieser Aufgaben geschieht durch die jeweiligen Merkmalskombinationen der Ansprüche 1, 2, 10 oder 11.

Der Backvorgang in großtechnischen Ofenanlagen, im Back- oder Bratrohr des Haushaltsofens oder in der Mikrowellenanlage soll automatisiert werden. Dazu wird der Vorgang des Backens mit Hilfe der aus der zu behandelnden Substanz austretenden Gase detektiert und durch Veränderung der Gaszusammensetzung und der Gaskonzentration der Endpunkt des Backvorgangs bestimmt. Es werden im Gegensatz zu bisherigen Ansätzen Kombinationen aus der Detektion mindestens eines ausgewählten Leitgases mit einer Sensorik zur Detektion dieser Leitgase angegeben.

Die Erfindung basiert auf dem Einsatz von kostengünstigen Gassensoren, die eine Sensorbasis in Form von Feldeffekttransistoren zur Aufnahme und Auswertung von Signalen bei Austrittsarbeitsänderungen an gassensitiven Schichten aufweisen oder die Änderungen des Widerstandes oder der Kapazität an gassensitiven Schichten bei Anwesenheit eines Zielgases oder auf eine optische Signalauslesung mittels Infrarot-Absorptionsmessung aufweisen.

Das bei bestimmten Prozessen wie Backvorgängen auftretende Kohlendioxid CO₂ kann als Leitgas detektiert werden. Zusätzlich kann eine Erfassung von Ammoniak NH₃ vorgenommen werden und eine Auswertung der Konzentrationen von CO₂ und NH₃ oder des Quotienten von beiden erfolgen.

Ein Back-, Brat- oder Kochvorgang muss also nicht direkt durch die im Prozess gelieferten vielfältigen Aromastoffe beschrieben und überwacht werden. Hinsichtlich der Brat- und Kochvorgänge ermöglicht auch eine Bestimmung der im Prozessraum vorhandenen Feuchte als charakteristische Größe eine Prozesskontrolle.

Die Ermittlung des Feuchtegehaltes bietet außerdem beim Backvorgang die Möglichkeit, die Prozesskontrolle zu verbessern. Andererseits ist der Feuchtegehalt ein Maß für die Erwärmung der Substanz und wird während des gesamten Vorgangs ein monoton ansteigendes Signal ergeben. Diese Information kann mit dem Signal des Backtreibmittelgases verknüpft werden, um eine noch verlässlichere Kontrolle des Prozeßendzeitpunktes zu erhalten und insbesondere weitere Informationen zur genaueren Abstimmung beispielsweise für einen zweistufigen Abschaltmodus zu generieren.

Im Folgenden werden anhand von schematischen Figuren Ausführungsbeispiele beschrieben.
1 zeigt den Konzentrationsverlauf von CO₂ beim Backen eines Hefezopfes bzw. eines Kastenkuchens,
2 zeigt die Position der CO₂ und NH₃ und Feuchte Gassensoren im Backrohr oder in einem Bypass, die wahlweise mit einem Filter oder einem Filtersystem ausgestattet sind,
3 zeigt ein Schema eines ,suspended Gate FET' (Feldeffekttransistor) mit sensitiver Schicht für beispielsweise Kohlendioxid CO₂ oder/und Ammoniak NH₃,
4 zeigt ein mehrstufiges Filter.
Alle Backvorgänge basieren auf der Umsetzung von Backtreibmitteln. Dies sind Stoffe oder Kombinationen von Stoffen, die Gase freisetzen und dadurch das Volumen eines Teigs während des Backvorganges vergrößern. Die dadurch entstehenden Gasblasen verleihen dem Backgut auch die gewünschte Form und Lockerheit. Die Freisetzung des Gases, in der Regel Kohlendioxid CO₂ erfolgt entweder durch Hitze oder auch durch Säure.
Als Backtreibmittel werden verwendet:

– chemische Lockerungsmittel, wie Natron, eine Kombination aus Natriumbikarbonat und Weinsäure, Hirschhornsalz, Ammoniumsalze der Kohlensäure oder Pottasche K₂CO₃.
– biologische Treibmittel, wie Hefe oder Sauerteig.

Der grundlegende Vorteil hierbei besteht in der Tatsache, dass aus dem Backtreibmittel mindestens ein definiertes Gas freigesetzt wird. Im Gegensatz zu den Aromagasen, die im Laufe eines Garvorgangs auftreten, weisen diese bekannten Gase wie Kohlendioxid eine eindeutige Maximumfunktion auf, siehe 1. Backtreibmittel sind so konzeptioniert, dass sie zeitlich vor dem Ende des Garprozesses eine starke Gasentfaltung zeigen, die anschließend zurückgeht.
All diese Treibmittel setzen beim Backvorgang letztendlich CO₂ oder auch NH₃ frei. Für die Bestimmung des Endpunktes des Backvorganges wird deshalb CO₂ vorzugsweise als Leitgas oder wahlweise zusätzlich NH₃ verwendet. Auch NH₃ kann als Leitgas verwendet werden. Die Konzentration der Gase wird mittels eingesetzter Gassensoren ermittelt. Anhand der CO₂ Konzentration kann schließlich unabhängig von den Faktoren Zeit und Temperatur und Feuchte der Zustand des Backgutes und der Backendpunkt ermittelt werden. Der Backvorgang kann dann automatisch beendet werden.
Durch die Kombination von

– Chemosensoren die auf der Basis von Austrittsarbeitsänderung ΔΦ oder von Widerstands- oder von Kapazitätsänderungen oder von Infrarot Absorptionsänderungen beruhen, mit der
– Verwendung einer chemosensitiven Rezeptorschicht zur Detektion von Kohlendioxid oder/und Ammoniak und/oder Feuchte in Luft

3 stellt einen schematischen Gassensor in Form eines suspended Gate FET (field effect transistor) mit sensitiver Schicht für CO₂ und/oder Ammoniak NH₃ dar.
Die Entwicklung eines Gassensors, dessen Signal mittels Austrittsarbeitsänderung ausgelesen wird bietet eine Möglichkeit einen bei Raumtemperatur betreibbaren Sensor zur CO₂-Detektion zu realisieren, welcher zudem, mit einer geringen elektrischen Betriebsleistung betrieben werden kann.
Diese Austrittsarbeitsgassensoren können mit unterschiedlichen Varianten eines FET ausgestaltetet sein wie einem suspended gate FET (siehe 3), mit einem CCFET (capacative coupled FET) oder mit einem FGFET (floating gate FET), Mit Hilfe dieser beiden Gassensoren wird die CO₂ Konzentration und/oder die NH₃ Konzentration im Backrohr während des Hackvorgangs detektiert um damit den Endpunkt des Backvorgangs zu bestimmen. Die Konzentration des CO₂ Gases und des NH₃ Gases ändert sich im Verlauf eines Backvorganges abhängig vom Backgut innerhalb eines definierten Zeitfensters. Zu Beginn des Backvorganges entspricht das CO₂ – NH₃_ Konzentrationsverhältnis im Backrohr dem in der normalen Umgebungsluft. Nach einer bestimmten Zeit kann in einem gewissen Zeitfenster, welches vom Backgut abhängig ist, das Austreten von CO₂/NH₃-Gasen aus dem Backgut durch einen Konzentrationsanstieg im Backrohr detektiert werden. Es wird ein Konzentrationsmaximum erreicht werden und danach wird der Wert wieder auf den CO₂/NH₃-Normalwert zurückfallen, wie in 1, worin ein Anwendungsbeispiel für CO₂ im Backrohr dargestellt ist.
Die Gassensoren werden entweder direkt im Backrohr eingesetzt oder in einer gasdurchgängigen Bypassschleife die direkt mit dem Backrohr verbunden ist. Diese Bypassschleife ermöglicht die Darstellung einer nicht verschmutzten Messgasatmosphäre und vereinfacht die Maßnahmen zur Einhaltung konstanter Messtemperaturen, siehe 2.
Weiterhin kann ein Filtersystem vorgesehen sein, das zwischen Garraum und Sensor angebracht ist, um den Sensor vor Verschmutzungen durch Fette und Öle usw. zu schützen, die als Aerosol in der Backatmosphäre vorhanden sind.
In Verbindung mit 4 wird eine Lösung angegeben, die sowohl eine große Beaufschlagung mit Fetten aushält ohne die Zielgasdurchlässigkeit zu verlieren, die gleichzeitig auch eine sehr weitgehende Entfernung störender Aerosole gewährleistet.
Hierzu wird ein mindestens zweistufiges Filter verwendet. Dem Backraum zugewendet wird als erstes ein sehr großmaschiges Filter, beispielsweise ein Flies wie es in Dunstabzugshauben verwendet wird, auf Basis eines Polymers oder einer Zellulose verwendet, welches die Mehrheit der Aerosole entfernt, aufgrund der Grobmaschigkeit sich jedoch nicht zusetzt. Als weitere Stufe wird dann ein sehr feinporiges Filter, wie mit dicht gewebter stoffähnlicher Struktur, ein Sintermetall oder eine poröse Membran aus einem Polymer z.B. Teflon verwendet. Dieses wird nicht zugesetzt, da die Mehrheit der Aerosole bereits van der ersten Filterstufe entfernt werden, gewährleistet durch die Feinporigkeit ist jedoch eine sehr weitgehende Entfernung der Aerosole.
Ein derartiges Filter kann betrieben werden, indem das Gas nur durch Diffusion hindurchgelangt. Im Sinne einer schnellen/kurzen Ansprechzeit ist es jedoch vorteilhaft, dass über dem Filter ein Druckgradient erzeugt wird, der einen aktiven Gastransport bedingt. Durch einfache konstruktive Maßnahmen im Herd kann dieser Druckgradient mittels der ohnehin vorhandenen Luftströmung durch das Umluftgebläse erzeugt werden.
Anhand der ermittelten CO₂ und/oder NH₃ Konzentration im Backrohr wird ein Backvorgang automatisch beendet: Dies geschieht entweder durch einen Einschrittmodus mit Abschalten des Backrohres bei Erreichen eines Sollwertes, oder durch einen Zweischrittmodus mit bei erreichen eines Sollwertes anfänglicher Reduzierung der Temperatur und anschließendem Abschalten der Energiezufuhr des Backrohres, Eine Auswahl kann in Abhängigkeit vom Backgut eingestellt werden.
Ein weitere, für die zu überwachenden Prozesse, charakteristische Größe ist der Feuchtegehalt, Falls bereits ein definiertes Leitgas vorliegt, kann die Prozeßkontrolle zur sicheren Detektion noch einen weiteren Gassensor aufweisen, wie einen FET mit feuchtesensitiver Schicht. Der Feuchtegehalt ist ein Maß für die Erwärmung des Gargutes, so dass sich während des Garvorgangs ein monoton ansteigendes Signal ergibt. Diese Information kann selbständig verarbeitet werden oder mit dem Signal des Backtreibmittelgases verknüpft werden, um eine noch verlässlichere Kontrolle des Garendzeitpunktes und insbesondere weitere Informationen zur genaueren Abstimmung des Zweischrittmodus wie oben erwähnt zu ermöglichen.
Vorteile der Erfindung sind insbesondere:

– Genaue Bestimmung des Backendpunktes und somit die Automatisierung des Backvorganges,
– Verbesserung der Backqualität,
– Verringerung des Energieverbrauchs beim Backen durch optimale Steuerung der Heizleistung des Backrohres,
– Zentrale Steuerung des Backvorgangs mittels digitaler Datenübertragung,
– Relativ geringe Anforderungen an die Sensorik, da eine Relativmessung ausreicht, wodurch kein absolut nullpunkstabiler Sensor benötigt wird und eine kostengünstige Bauform verwendet werden kann.

Zu Beginn des Backvorganges liegt die CO₂ Konzentration im Bereich der normalen Luft bei 300 – 400 ppm. Während des Backvorgangs steigt die CO₂ Konzentration erst langsam an und erreicht nach einer bestimmten Zeit ein Maximum, das etwa um den Faktor 3-10 höher liegt als der Ausgangswert. Das Maximum sowie die Zeit, zu der das Maximum erreicht wird sind vom Backgut abhängig. Bei einer bestimmten Zeit t nach t_max ist der Backendpunkt erreicht, der wiederum vom Backgut abhängig seien kann und der Backvorgang wird beendet.
Entsprechend 2 befinden sich die Gassensoren direkt im Backrohr in der Nähe des Backgutes oder wahlweise in einer Bypassschleife die vom Gas aus dem Backrohr durchströmt wird. Diese Bypassschleife kann, bei einer hohen Verschmutzungsgefahr, wie z.B, durch Fette, mit einem Filter oder einer Kombination von Filtern ausgestattet sein. Dieser erweiterte Aufbau ist gerade für Backrohre geeignet, die auch für Brat- und Kochvorgänge benutzt werden.
Literatur:

[1]: U. Sillman, T. Krümpelmann, H. Rothenbach Back- und Bratprozesse, 11. ITG/GMA Fachtagung, Proceedingband, Ludwigsburg 2002.

Claims

Verfahren zur Bestimmung des Verlaufs von Backvorgängen mit Treibmittel enthaltendem Backgut, wobei in der das Backgut umgebenden Atmosphäre als Leitgas der Kohlendioxidgehalt CO₂ mittels Gassensoren gemessen wird, die mindestens eine gassensitive Schicht aufweisen, die bei vorhandenem Zielgas ein Messsignal aufgrund einer Änderung der Austrittsarbeit, des Widerstandes oder der Kapazität oder der IR Absorption generieren,
Verfahren zur Bestimmung des Verlaufs von Brat- oder Kochvorgängen, wobei in der die zu bratende oder zu kochende Substanz umgebenden Atmosphäre als Leitgas der Ammoniakgehalt mittels Gassensoren gemessen wird, die mindestens eine gassensitive Schicht aufweisen, die bei vorhandenem Zielgas ein Messsignal aufgrund einer Änderung der Austrittsarbeit, des Widerstandes oder der Kapazität oder der IR Absorption generieren.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem zusätzlich zur Messung des Kohlendioxidgehaltes die Ammoniakkonzentration erfasst wird und der Zustand des Backvorgangs anhand der Kohlendioxidkonzentration, der Ammoniakkonzentration oder einer funktionalen Verknüpfung daraus ermittelt werden kann.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem als Verknüpfung die gewichtete Summe oder das Produkt der Kohlendioxid- und Ammoniakkonzentration verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei dem zusätzlich zur Detektion eines oder mehrerer Leitgase der Feuchtegehalt zur Kontrolle des Backvorganges gemessen und verarbeitet wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem der zeitabhängige Konzentrationsverlauf eines Leitgases ein ausgeprägtes Maximum oder Minimum aufweist, welches zum Verlauf des Prozesses ausgewertet werden kann.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem anhand des zeitlichen Konzentrationsverlaufs eines oder mehrerer Leitgase der Abschluss eines Back-, Koch- oder Bratvorgangs ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem bei Erreichen eines Sollwertes zur Beendigung des Prozesses eine sofortige Abschaltung der Energieversorgung vorgenommen wird oder die Abschaltung nach einer anfänglichen Absenkung der Prozesstemperatur geschieht.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem bei Erreichen eines Sollwertes zur Beendigung des Prozesses ein akustisches und/oder optisches Signal erzeugt wird.
Verwendung eines Gassensors mit einer auf ein Leitgas sensitiven Schicht, wobei als Sensorsignal die Änderung der Austrittsarbeit an der sensitiven Schicht mittels FET ausgelesen wird.
Anordnung zur Ausführung eines Verfahrens entsprechend einem der Ansprüche 1 bis 9, bei der mindestens ein Gassensor nach dem Prinzip der Austrittsarbeitsmessung, der Widerstandsmessung oder der Kapazitätsmessung oder der IR Absorptionsmessung in einem Prozessraum zum Backen, Braten oder Kochen vorhanden ist und Signale zur Zustandsbestimmung des Prozesses liefert.
Anordnung nach Anspruch 11, bei der mindestens ein Gassensor in einem Prozessraum zum Backen, Braten oder Kochen mit einem Filter oder einer Kombination von Filtern ausgestattet ist.
Anordnung nach Anspruch 11 oder 12, bei der mindestens ein Gassensor in einer mit dem Prozessraum in Verbindung stehenden Bypassschleife angeordnet ist.
Anordnung nach Anspruch 13, bei der die Bypassschleife mit einem Filter oder einer Kombination von Filtern ausgestattet ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, bei dem ein mindestens zweistufiges Filtersystem vorgesehen ist, wobei auf der Seite des Garguts erst ein grobporiger Filter und dann ein feinporiger Filter vorgesehen ist.
Anordnung nach Anspruch 15, bei dem ein mehrstufiges Filtersystem vorgesehen ist, wobei beginnend auf der Seite des Backraumes oder Garguts in Richtung auf die Seite des Sensors jeweils feinporigere Filter verwendet werden.
Anordnung nach einem der Ansprüche 12 oder 14 bis 16, bei dem das grobporige Filter aus einem fliesähnlichen Gewebe aus Polymeren bzw. Zellulose besteht.
Anordnung nach einem der Ansprüche 12 oder 14 bis 17, bei dem das grobporige Filter aus einen ein- oder mehrlagigen grob-gewebten Material aus Polymeren bzw. Zellulose besteht.
Anordnung nach einem der Ansprüche 12 oder 14 bis 18, bei dem das feinporige Filter aus einer porösen Polymermenbran, z.B. auf Teflonbasis besteht.
Anordnung nach einem der Ansprüche 11 bis 19, bei dem das feinporige Filter aus einem Sintermetall besteht.