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Die
Erfindung betrifft ein Lebensmittelzubereitungsgerät, insbesondere
Gargeschirr, mit einem Transmitter und einem Energieaufnehmer zur
Stromversorgung des Transmitters sowie eine Betriebsvorrichtung
zum Betrieb des Lebensmittelzubereitungsgeräts.
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EP 0 098 491 A2 offenbart
eine Fernmesseinrichtung, die wenigstens eine Abfragestation und wenigstens
eine Messstation aufweist, die mit wenigstens einem Informationssender
bzw. einem Modulator und mit einem Informationsempfänger
sowie jeweils einer Antenne ausgerüstet sind. Die Messstation
ist zur Ausführung der Messungen mit einer Meßeinrichtung
versehen. Dabei ist die Abfragestation mit einem Energiesender ausgerüstet,
der die für die Messstation erforderliche Energie aussendet.
Die Messstation weist einen Energieempfänger auf, dem ein
Gleichrichter nachgeschaltet ist, der für die gesamte Strom-
bzw. Spannungsversorgung der Messstation vorgesehen ist. Sollen
mehrere Meßstationen gleichzeitig ihre Meßwerte
an eine Abfragestation übermitteln, so ist jede Messstation
mit einem zusätzlichen Speicher versehen, der einen speziellen Öffnungscode
enthält. Die angesprochene Messstation gibt ihre Information
nur dann ab, wenn der von der Abfragestation gesendete Öffnungscode
mit dem im Speicher enthaltenen Öffnungscode übereinstimmt. Die
Messstation kann einen Mikrocomputer aufweisen, der zu einer Signalverarbeitungs-
und Steuereinheit der Messstation gehört. Vom Mikrocomputer aufbereitete
Meßdaten gelangen über seinen Ausgang in Form
eines Steuersignals zum Modulator, der dem Mikrocomputer nachgeschaltet
ist, und welcher mit der Antenne in Verbindung steht. Der Modulator verändert
entsprechend dem ihm zugeführten Signal den Widerstand
der Antenne. Die Messstation kann in einem Knopf eines Deckels eines
Garbehältnisses untergebracht sein.
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Möglichkeit
zur leistungsfähigen, flexiblen und ausfallsicheren Kommunikation
eines Lebensmittelzubereitungsgeräts mit einem zu seinem
Betrieb eingerichteten Betriebsgerät bereitzustellen.
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Diese
Aufgabe wird mittels eines Lebensmittelzubereitungsgeräts
und einer Betriebsvorrichtung zum Betrieb des Lebensmittelzubereitungsgeräts
gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind insbesondere
den abhängigen Ansprüchen entnehmbar.
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Das
Lebensmittelzubereitungsgerät weist mindestens einen Transmitter
zum drahtlosen Übermitteln von Daten auf. Dabei wird unter
einem Transmitter ganz allgemein eine Sendeeinrichtung für
den Zugang zu einem Übertragungskanal zu einer externen
Einheit ver standen. Das Lebensmittelzubereitungsgerät weist
ferner mindestens eine integrierte Schaltung zur Verarbeitung von
Daten und zur Ausgabe von Daten an den Transmitter beruhend auf
der Verarbeitung auf. Die integrierte Schaltung kann also Daten
verarbeiten, z. B. einlesen, verändern, verknüpfen,
zwischenspeichern, formatieren usw., und diese Daten oder daraus
abgeleitete Daten an den Transmitter zur Übertragung an
eine externe Einheit ausgeben. Zu verarbeitende Daten können
von einer anderen Einheit, z. B. einem Sensor, angelieferte Daten
sein oder auch in oder an der integrierten Schaltung gespeicherte
Daten sein, z. B. eine Kennung oder Eigenschaft des Lebensmittelzubereitungsgeräts.
Der Transmitter des Lebensmittelzubereitungsgeräts wird
nicht batteriebetrieben, sondern bezieht seine Energie im Wesentlichen
aus einem elektromagnetischen Anregungsfeld. Dazu weist das Lebensmittelzubereitungsgerät
mindestens einen Energieaufnehmer zur kontinuierlichen Aufnahme
von Energie aus dem elektromagnetischen Anregungsfeld auf. Aus dem
elektromagnetischen Anregungsfeld aufgenommene Energie kann einerseits
zur Leistungsversorgung des Gargeräts (Betrieb eines Heizelements
usw.) verwendet werden und wird andererseits zur Speisung mindestens
der integrierten Schaltung und des Transmitters, und ggf. noch anderer
Niedervoltkomponenten, verwendet. Dazu kann dem Energieaufnehmer
ein Schaltregler nachgeschaltet sein, welcher aus der Leistungsversorgung ausgekoppelte
Energie auf einen zum Betreiben der Niedervoltkomponenten geeigneten
Spannungspegel gleichrichtet. In anderen Worten können
das Lebensmittelzubereitungsgerät als auch die integrierte Schaltung
und der Transmitter mittels des Energieaufnehmers zu deren Betrieb
gespeist werden.
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Der
integrierten Schaltung kann so dauerhaft eine hohe elektrische Leistung
zur Verfügung gestellt werden, was den Einsatz besonders
leistungsfähiger und vergleichsweise preiswerter elektronischer
Komponenten ermöglicht. Zum Schutz vor kurzen Leistungsunterbrechungen
können Energiespeicher vorhanden sein, z. B. leistungsstarke
Kondensatoren wie Goldcaps. Durch die Verwendung einer leistungsfähigen
integrierten Schaltung kann der Umfang der übermittelten
Daten wesentlich höher sein als beispielsweise bei RFID(Funkmarken)-Systemen ohne
eigene Spannungsversorgung oder auch bei Niedrigenergieelektroniken.
Auch können Daten flexibel verarbeitet werden. Beispielsweise
ermöglicht die Verwendung einer leistungsfähigen
integrierten Schaltung ein intelligentes Power-Management der Betriebsverrichtung
in Abhängigkeit von Lebensmittelzubereitungsgerät-
und Prozessparametern der aufgesetzten Geräte, z. B. eine
Leistungsverteilung auf mehrere Energieübertragungsbereiche
(z. B. Kochzonen) in Abhängigkeit einer maximalen Leistungsaufnahme
der aufgesetzten Geräte. Ferner sind elektronische Bauteile
für höhere Temperaturen erhältlich als
RFIDs, was eine Zuverlässigkeit erhöht.
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Die
integrierte Schaltung kann als eine analoge integrierte Schaltung,
als eine digitale integrierte Schaltung oder als eine gemischte
analoge und digitale integrierte Schaltung (”Mixed Signal-IC”)
ausgestaltet sein. Die integrierte Schaltung kann beispielsweise
als ASIC, DSP, FPGA, oder Microcontroller ausgestaltet sein. Die
integrierte Schaltung kann einen Datenspeicher aufweisen und/oder
mit einem Datenspeicher verbunden sein, z. B. einem EEPROM.
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Die
Art des Energieaufnehmers ist grundsätzlich nicht beschränkt.
Vorzugsweise kann der Energieaufnehmer eine Spule mit entsprechenden
Leistungswindungen aufweisen, insbesondere zum Abgriff von Energie
aus einem elektromagnetischen Anregungsfeld in Form eines magnetischen
Wechselfelds. Durch die Verwendung einer Spule als Energieaufnehmer
kann das Lebensmittelzubereitungsgerät insbesondere zur
induktiven oder transformatorischen Energieübertragung
(Energieübertragung zwischen zwei Induktoren mittels eines
magnetischen Wechselfelds) verwendet werden, bei der das elektromagnetische
Anregungsfeld mittels einer externen Primärspule erzeugt
wird. Das Prinzip der transformatorischen Energieübertragung
ist beispielsweise in
DE
10 2006 017 800 A1 beschrieben.
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Der
Transmitter kann zumindest teilweise in die integrierte Schaltung
integriert sein. Dadurch wird eine besonders kompakte Bauweise erreicht.
Alternativ ist der Transmitter ein von der integrierten Schaltung
unterschiedliches Bauelement.
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Der
Transmitter kann einen Modulator und eine dem Modulator nachgeschaltete
Antenne aufweisen. Bei einem solchen Aufbau des Transmitters mag
beispielsweise der Modulator in die integrierte Schaltung integriert
sein, die Antenne jedoch nicht.
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Der
Modulator kann die Datensignale mittels einer Amplitudenumtastung
(”Amplutide Shift Keying”; ASK) auf ein Trägersignal
zur drahtlosen Übertragung des modulierten Trägersignals über
die Antenne aufmodulieren. Als eine besonders einfache Form der
Amplitudenumtastung kann ein sog. ”On-Off Keying” (OOK)
verwendet werden, es können aber auch mehrere Amplitudenwerte
(Stufen) gewählt werden. Andere mögliche, vorzugsweise
digitale, Modulationsarten können beispielsweise eine Frequenzumtastung
(”Frequency Shift Keying”; FSK, z. B. in Form
einer ”Gaussian Minimum Shift Keying”, GMSK) und
eine Phasenumtastung (”Phase Shift Keying; PSK, z. B. in
Form einer binären Phasenmodulation, BPSK, oder einer Quadraturamplitudenmodulation,
QPSK) umfassen. Auch können Mehrträgerverfahren
wie Orthogonal Frequency Division Multiplex, OFDM, oder Coded Orthogonal
Frequency Division Multiplex, COFDM, verwendet werden.
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Die
Datenübertragung geschieht vorteilhafterweise mit einem
hochfrequenten Trägersignal, wobei ein Frequenzunterschied
zwischen dem Trägersignal und einer Frequenz des elektromagnetischen Anregungsfelds
zur Speisung des Lebensmittelzubereitungsgeräts so gewählt
ist, dass sich die Frequenzen von Energieübertragung (Leistungsübertragung) und
Signalübertragung nicht gegenseitig stören. Dies geschieht
vorteilhafterweise unter Berücksichtigung eines Störspektrums
der Energieübertragung. Die Leistungsübertragung
bewegt sich vorzugsweise in einem Bereich zwischen 0 kW und 4 kW.
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Die
Antenne kann insbesondere bei einer transformatorischen Energieübertragung
als spulenartige Windung(en) ausgeführt sein, da dort bereits die
Betriebsvorrichtung und das Lebensmittelzubereitungsgerät
für eine induktive Kopplung über entsprechende
Spulen eingerichtet sind und bereits einen ausreichend geringen
Abstand aufweisen. Die Signalübertragung kann über
die gleichen Windungen übertragen werden, über
welche auch die Leistung übertragen wird, z. B. von einer
Sekundärspule zur Primärspule bei unidirektionaler
Datenübertragung und zwischen den beiden Spulen bei bidirektionaler
Datenübertragung. Dadurch kann auf eine gesonderte Antenne
verzichtet werden. Zur verringerten Störungsanfälligkeit
kann die Signalübertragung über induktiv gekoppelte
Signalwindungen in Betriebsgerät und Lebensmittelzubereitungsgerät durchgeführt
werden, welche von den Leistungswindungen zur Leistungsübertragung
getrennt ausgeführt sind. Die Signalwindung(en) kann oder
können insbesondere auf einer Ebene mit den Leistungswindungen
angeordnet sein kann, z. B. die Leistungswindungen außenseitig
umlaufend. Allgemein kann die Datenübertragung aber auch über
andere Weisen geschehen, z. B. über eine Funkluftstrecke,
einen optischen Datenübertragungskanal, einen IR-Datenübertragungskanal
und so weiter.
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Als
Trägerfrequenz kann vorteilhafterweise der Prozessortakt
der integrierten Schaltung dienen.
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Das
Lebensmittelzubereitungsgerät kann lediglich mit einem
Transmitter ausgestattet sein, was den Aufbau des Lebensmittelzubereitungsgeräts
vereinfacht und die Kosten verringert (Vereinfachung der Elektronik
des Lebensmittelzubereitungsgeräts). Die Kommunikation
ist dann unidirektional vom Lebensmittelzubereitungsgerät
zur Betriebsvorrichtung (Basisstation) ausgeführt.
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Zur
besonders flexiblen Gargutbehandlung kann das Lebensmittelzubereitungsgerät
aber auch eine Empfängerfunktion aufweisen. Die Kommunikation
kann dann bidirektional zwi schen Lebensmittelzubereitungsgerät
und Betriebsvorrichtung erfolgen. Das Lebensmittelzubereitungsgerät
kann mit einem gesonderten Receiver (Empfänger) ausgestattet sein.
Der Receiver kann dann einen einer Empfangsantenne nach geschalteten
Demodulator aufweisen, wobei der Demodulator auch in die integrierte
Schaltung integriert sein kann. Zur Einsparung von Bauelementen
kann der Transmitter vorteilhafterweise als ein Transceiver (Sender/Empfänger)
ausgestaltet sein. Der Transceiver kann ein einer Sendeempfangsantenne
nachgeschaltetes Modem aufweisen, wobei das Modem auch in die integrierte
Schaltung integriert sein kann. Im Lebensmittelzubereitungsgerät
können die empfangenen Daten von der integrierten Schaltung
verarbeitet werden.
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Die
Datenübertragung vom Lebensmittelzubereitungsgerät
zur Betriebsvorrichtung kann bei bidirektionalen Datenübertragung
beispielsweise zyklisch und/oder auf Anforderung der Betriebsvorrichtung
initiiert werden, bei unidirektionaler Datenübertragung
jedoch nicht auf Anforderung. Bei bidirektionaler Datenübertragung
können auch einige Daten (z. B. Messdaten oder Gerätestatusdaten)
zyklisch und andere Daten (z. B. Identifizierungsdaten) auf Anforderung
vom Lebensmittelzubereitungsgerät übertragen werden.
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Zur
bidirektionalen Kommunikation können sowohl an der Betriebsvorrichtung
als auch am Lebensmittelzubereitungsgerät Modems vorhanden sein.
Bei einer bidirektionalen Kommunikation genügen ein Modulator
am Lebensmittelzubereitungsgerät und ein Demodulator an
der Betriebsvorrichtung.
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Der
Datenaustausch kann sowohl im Vollduplexbetrieb als auch im Halbduplexbetrieb
erfolgen.
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Das
Lebensmittelzubereitungsgerät kann ferner mindestens eine
Sensoreinheit zum Abfühlen mindestens einer physikalischen
Messgröße aufweisen, wobei die mindestens eine
integrierte Schaltung zur Verarbeitung von Sensordaten der mindestens einen
Sensoreinheit und zur Ausgabe von Daten an den Transmitter beruhend
auf dieser Verarbeitung eingerichtet ist. Als physikalischen Messgröße
kann insbesondere eine Messgröße abgefühlt
werden, welche zur Einstellung oder Regelung eines Garprozesses
dient, wie eine Garguttemperatur, ein Druck (z. B. bei einem Schnellkochtopf),
eine Feuchte, ein Füllstand und so weiter. Durch eine Übermittlung
der physikalischen Messgröße(n) wird eine entsprechende
Temperaturregelung, Druckregelung, Feuchteregelung usw. ermöglicht.
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Aber
auch andere Daten können von der integrierten Schaltung über
den Transmitter nach Außen ausgegeben werden, wie Identifizierungsdaten zur
Identifizierung des aufge setzten Geräts und/oder Gerätestatusdaten über
einen Gerätestatus. Die Identifizierungsdaten können
beispielsweise Information über einen Gerätetyp
(z. B. Topf, Pfanne, kleines Hausgerät), eine Systemzugehörigkeit
(z. B. zu einer bestimmten Gerätereihe), eine Bauart, eine
Art und Anzahl von Sensoren, Regelparameter, Materialeigenschaften
(z. B. eine Wärmeleitfähigkeit eines Gargeschirrbodens),
Koeffizienten (z. B. PID-Koeffizienten für eine PID-Regelung)
usw. des Lebensmittelzubereitungsgeräts umfassen. Die Gerätestatusdaten
können beispielsweise Information über ein Vorhandensein
eines Geräts, einen Ein/Aus-Zustand, eine Leistungsaufnahme,
eine Zentrierung des Lebensmittelzubereitungsgeräts bezüglich
eines Energieübertragungsbereichs (Kochzone o. ä.)
und so weiter enthalten. So kann beispielsweise die Information über
die Zentrierung des Lebensmittelzubereitungsgeräts eine
Nachregelung der Energieübertragung bei nicht zentriertem
Topf ermöglichen oder zur effizienten Energieübertragung
(Anpassung der Parameter des elektromagnetischen Anregungsfelds)
verwendet werden. Auch ist eine Anpassung der Leistungsregelung
an ein aufgesetztes Lebensmittelzubereitungsgerät in Abhängigkeit
von den Identifizierungsdaten (Eigenschaften des Lebensmittelzubereitungsgeräts
usw.) und/oder Gerätestatusdaten möglich. Mittels
der Identifizierungsdaten kann auch eine Bedienoberfläche
des Betriebsgeräts individuell an das Lebensmittelzubereitungsgerät
angepasst werden.
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Allgemein
können durch die übertragenen Daten, insbesondere
die Messdaten, Lebensmittelzustände erkannt werden, wie
Garzustände bei einem Gargeschirr oder ein Ende einer Lebensmittelzubereitung
bei einem Toaster (Toast fertig) oder einer Kaffeemaschine (Kaffee
durchgelaufen) usw. Auch wird durch die Datenübertragung
eine Durchführung von Garprogrammen für unterschiedliche Nahrungsmittel
ermöglicht.
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Das
Lebensmittelzubereitungsgerät kann ferner eine Eigentemperaturbestimmungseinheit zum
Bestimmen einer Eigentemperatur der integrierten Schaltung aufweisen.
Die integrierte Schaltung kann insbesondere zur Verarbeitung von
Eigentemperaturdaten und zur Ausgabe von Daten an den Transmitter
beruhend auf der Verarbeitung der Eigentemperaturdaten eingerichtet
sein. Dadurch können zum Betrieb der integrierten Schaltung
schädliche Temperaturwerte frühzeitig erkannt
und in der Folge vermieden werden.
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Zur
Abfühlung einer Eigentemperatur der integrierten Schaltung
kann die Eigentemperaturbestimmungseinheit einen (Eigen)-Temperatursensor aufweisen.
Dieser kann außerhalb der integrierten Schaltung angeordnet
sein, z. B. in einem zur Bestimmung der Eigentemperatur repräsentativen Raumbereich
(beispielsweise an einer Oberfläche der integrierten Schaltung
oder in einiger Entfernung davon), und mit der integrierten Schal tung
verbundenen sein. Alternativ oder zusätzlich kann die Eigentemperaturbestimmungseinheit
in der integrierten Schaltung integriert sein; dabei braucht der
Eigentemperatursensor kein separater Sensor zu sein, sondern kann
die Temperatur beispielsweise auch indirekt ermitteln, z. B. über
eine temperaturabhängige Laufzeitbestimmung, Spannungspegelbestimmung, Widerstandswertbestimmung,
Taktratenbestimmung usw.). Allgemein wird unter einer Eigentemperaturbestimmungseinheit
eine Einheit verstanden, welche in der Lage ist, aus einer abgefühlten
Primärgröße (Spannung, Widerstand usw.)
auf die Eigentemperatur zu schließen.
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Die
Verarbeitung der Eigentemperaturdaten kann in der integrierten Schaltung,
im Betriebgerät oder teilweise in der integrierten Schaltung
und teilweise im Betriebgerät geschehen. So kann insbesondere
die integrierte Schaltung die Eigentemperaturdaten zur Übertragung
an das Betriebsgerät verarbeiten, z. B. formatieren, während
das Betriebsgerät die Eigentemperaturdaten zur Steuerung
des Lebensmittelzubereitungsgeräts verwendet.
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Die
Verarbeitung der Eigentemperaturdaten kann einen Vergleich der Eigentemperatur
mit mindestens einem Eigentemperaturschwellwert umfassen. Der Eigentemperaturschwellwert
kann beispielsweise vorbestimmt sein und in einem mit der integrierten
Schaltung verbundenen oder darin integrierten Speicher abgelegt
sein. Abhängig von der Tatsache, dass ein Eigentemperaturschwellwert
erreicht oder überschritten worden ist und ggf., welcher von
mehreren Eigentemperaturschwellwerten erreicht oder überschritten
worden ist, kann eine Warnung ausgegeben werden, das Anregungsfeld
gezielt geschwächt werden und im Extremfall sogar ausgeschaltet
werden.
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Insbesondere
kann die Eigentemperatur mit mehreren Eigentemperaturschwellwerten
verglichen werden, und es können je nach Höhe
des Schwellwerts unterschiedliche Handlungen durchgeführt werden.
So kann beispielsweise für den Fall, dass die Verarbeitung
der Eigentemperaturdaten in dem Betriebsgerät erfolgt,
dann, wenn der vom Lebensmittelzubereitungsgerät übermittelte
Wert der Eigentemperatur einen ersten, niedrigeren Eigentemperaturschwellwert
von unten kommend erreicht oder überschreitet, die Betriebsvorrichtung
ein akustisches und/oder optisches Warnsignal ausgeben, das einem Bediener
den kritischen Zustand anzeigt und ihn zu einer Gegenhandlung veranlassen
kann. So kann das Erreichen oder Überschreiten des ersten,
niedrigeren Eigentemperaturschwellwerts ein Hinweis auf einen niedrigen
Wasserstand eines Gargeschirrs sein ('drohendes Leerkochen'), worauf
der Bediener beispielsweise mit einem Nachfüllen von Wasser
des Gargeschirrs reagieren kann. Zusätzlich zum Warnsignal
veranlasst die Betriebs vorrichtung, dass das elektromagnetische
Anregungsfeld um beispielsweise 25% verringert wird, um eine baldige Überhitzung und
ein Unterbrechen des Garablaufs zu verhindern. Erreicht oder überschreitet
der Wert der Eigentemperatur einen zweiten, höheren Eigentemperaturschwellwert
(z. B. nach einem längeren Leerkochen), schaltet die Betriebsvorrichtung
das Anregungsfeld ab, um eine Schädigung des integrierten
Schaltkreises (und ggf. anderer temperaturempfindlicher Komponenten)
zu verhindern.
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Auch
können verschiedenen Eigentemperaturschwellwerten verschiedenen
Verringerungsstufen (z. B. eine Verringerung um 5%, 10%, 25% usw.) der
Stärke des Anregungsfelds zugeordnet sein. Dabei kann die
Verringerung insbesondere um so stärker ausfallen, je höher
der erreichte oder überschrittene Eigentemperaturschwellwert
ist.
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Allgemein
können bestimmte Reaktionen bei einer Verringerung der
Eigentemperatur auch wieder rückgängig gemacht
werden, z. B. kann bei Erreichen des niedrigeren Schwellwerts das
Warnsignal ausgeschaltet werden und/oder es kann wieder eine höhere
Stärke, z. B. die volle Stärke, des Anregungsfelds eingestellt
werden.
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Für
den Fall, dass die Verarbeitung der Eigentemperaturdaten in der
integrierten Schaltung erfolgt, kann dann, wenn die Eigentemperatur
den Eigentemperaturschwellwert erreicht oder überschreitet,
die integrierte Schaltung an den Transmitter ein entsprechendes
Eigentemperaturschwellwert-Überschreitungssignal ausgeben.
Ein solches Eigentemperaturschwellwert-Überschreitungssignal
kann ein Warnsignal, ein Herunterregelungssignal zum Verringern
des elektromagnetischen Anregungsfelds und/oder ein Abschaltsignal
zum Abschalten des elektromagnetischen Anregungsfelds umfassen.
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Das
Lebensmittelzubereitungsgerät kann insbesondere als Gargeschirr
ausgebildet sein, z. B. als Topf, Pfanne usw.
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Die
Betriebsvorrichtung ist zum Betrieb eines solchen Lebensmittelzubereitungsgeräts
eingerichtet und weist dazu mindestens ein Anregungsfelderzeugungsmittel,
insbesondere Spule ('Primärspule') zur induktiven oder
transformatorischen Energieübertragung, auf, um ein elektromagnetisches
Anregungsfeld, insbesondere magnetisches Wechselfeld, zu erzeugen.
Die Betriebsvorrichtung weist einen Receiver auf, der zum Empfang
von Daten vom Transmitter des Lebensmittelzubereitungsgeräts
eingerichtet ist. Die Betriebsvorrichtung weist auch eine Steuereinheit
zum Einstellen einer Stärke des elektromagnetischen Anregungsfelds
auf der Grundlage der empfangenen Daten auf.
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Die
Steuereinheit kann dazu eingerichtet sein, bei Empfang von Eigentemperaturdaten
einen Vergleich der Eigentemperatur mit mindestens einem Eigentemperaturschwellwert
durchzuführen.
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Die
Betriebsvorrichtung kann dann, wenn die Eigentemperatur einen Eigentemperaturschwellwert erreicht
oder überschreitet, ein Warnsignal geben und/oder eine
Stärke des elektromagnetischen Anregungsfelds verringern,
einschließlich abschalten.
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Die
Betriebsvorrichtung kann eine Stärke des elektromagnetischen
Anregungsfelds in Abhängigkeit von einer Höhe
eines von mehreren Eigentemperaturschwellwerten verringern.
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Die
Steuereinheit kann aber auch dazu eingerichtet sein, bei Empfang
eines Eigentemperaturschwellwert-Überschreitungssignals
entsprechend zu reagieren. Die Steuereinheit kann insbesondere (a)
bei Empfang eines Warnsignals vom Lebensmittelzubereitungsgerät
eine optische und/oder akustische Warnung ausgeben, (b) bei Empfang
eines Herunterregelungssignals das elektromagnetische Anregungsfelds
verringern, insbesondere herunterregeln, und/oder (c) bei Empfang
eines Abschaltsignals das elektromagnetische Anregungsfelds abschalten. Die
Steuereinheit kann somit einer drohenden Überhitzung der
integrierten Schaltung entgegenwirken.
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Zur
Vermeidung einer Erwärmung des Aufsatzgeräts wird
es bevorzugt, wenn zur Datenkommunikation eine Leistung von nicht
mehr als 10 Watt verbraucht wird, speziell nicht mehr als 5 Watt,
insbesondere nicht mehr als 3 Watt. Dabei kann die Leistung auch
zum Betrieb einer Elektronik des Aufsatzgeräts benötigt
werden, welche die Signalspule als Antenne verwendet.
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Zur
Unterdrückung eines Übersprechens zwischen einem
Leistungssignal und einem Datensignal wird es bevorzugt, wenn eine
minimale Frequenz des Leistungssignals oder des Datensignals mindestens
zehn mal höher ist als eine maximale Frequenz des Datensignals
bzw. des Leistungssignals. Das Datensignal kann vorzugsweise eine
Frequenz im MHz-Bereich oder höher aufweisen, vorzugsweise
in einem Bereich ab einer Frequenz von 4 MHz oder z. B. eine Frequenz
im Frequenzbereich zwischen 4 MHz und 32 MHz.
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Das
Leistungssignal weist vorteilhafterweise eine Frequenz von nicht
mehr als 400 KHz auf, insbesondere eine Frequenz im Frequenzbereich
zwischen 100 KHz und 400 KHz.
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Alternativ
oder zusätzlich können Datensignale bei Frequenzen übertragen
werden, die unterhalb des Frequenzbands für die Leistungsübertragung
liegen.
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Zur
Vermeidung einer Erwärmung des Aufsatzgeräts wird
es bevorzugt, wenn zur Datenkommunikation eine Leistung von nicht
mehr als 10 Watt verbraucht wird, speziell nicht mehr als 5 Watt,
insbesondere nicht mehr als 3 Watt. Dabei kann die Leistung auch
zum Betrieb einer Elektronik des Aufsatzgeräts benötigt
werden, welche die Signalspule als Antenne verwendet.
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Ein
Verfahren zum Betreiben eines solchen Lebensmittelzubereitungsgeräts
kann beispielsweise die folgenden Schritte aufweisen: Überwachen
einer Eigentemperatur (mittels der integrierten Schaltung des Lebensmittelzubereitungsgeräts
und/oder mittels der Betriebsvorrichtung) und, falls die Eigentemperatur
einen vorbestimmten Eigentemperaturschwellwert erreicht oder überschreitet,
Ausgeben eines Warnsignals und/oder Herunterregeln (ggf. einschließlich
Abschalten) des elektromagnetischen Anregungsfelds.
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In
den folgenden Figuren wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels
schematisch genauer beschrieben. Dabei können zur besseren Übersichtlichkeit
gleiche oder gleichwirkende Elemente mit gleichen Bezugszeichen
versehen sein.
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1 zeigt
ein System aus einem Betriebsgerät zum Betreiben eines
Gargeschirrs mittels transformatorischer Energieübertragung
und einem darauf angeordneten Topf als Gargeschirr;
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2 zeigt
eine Skizze einer vereinfachten Regelstruktur des Systems aus 1.
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1 zeigt
ein intelligentes Gargeschirr 101, das als ”elektrischer
Topf” ausgebildet ist und einen elektrischen Verbraucher
darstellt. Das Gargeschirr 101 weist einen Grundkörper 102 mit
einem Deckel und Griffen sowie einen als Antriebseinheit ausgebildeten
Energieaufnehmer 114 auf. Das Gargeschirr 101 ist
auf einer Oberfläche einer Arbeitsplatte 105 eines
Betriebsgeräts 106 zum Betrieb des Gargeschirrs 101 angeordnet.
Unter der Arbeitsplatte 105 ist eine Energieübertragungseinheit 107 montiert. Diese
weist ein Gehäuse 108 mit einem Betätigungselement 109 zum
Ein- und Ausschalten der Energieübertragungseinheit 107 auf.
Ferner umfasst die Energieübertragungseinheit 107 ein
als Primärwicklung ausgebildetes Anregungsfelderzeugungsmittel 111 und
eine Stromerzeugungseinheit 112 zur Versorgung des Anregungsfelderzeugungsmittels 111 mit einem
Wechselstrom. Die Stromerzeugungseinheit 112 ist in diesem
Ausführungsbeispiel als Wechselrichter ausgebildet. Das
als Primärwicklung ausgebildete Anregungsfelderzeugungsmittel 111 ist
in Form einer Spiralwicklung gewickelt. Beim Betrieb der Energieübertragungseinheit 107 und
des Topfes 101 wird das Anregungsfelderzeugungsmittel 111 mit dem
Wechselstrom gespeist und erzeugt ein als magnetisches Wechselfeld
ausgebildetes Anregungsfeld. Mittels eines Feldflusses dieses Anregungsfelds überträgt
das Anregungsfelderzeugungsmittel 111 durch Induktion Energie
an den Energieaufnehmer 114, welcher in einem auf der Oberfläche
der Arbeitsplatte 105 gezeichneten Energieübertragungsbereich 113 angeordnet
ist. Der Energieaufnehmer 114 ist als Sekundärwicklung
ausgebildet, die in Form einer Spiralwicklung gewickelt ist. Der
Energieübertragungsbereich 113 ist mittels einer
Linie 115 auf der Arbeitsplatte 105 eingezeichnet.
Im Energieaufnehmer 114 wird durch den Anregungsfeldfluss
eine Sekundärspannung induziert, die als Betriebsspannung für
einen Betrieb des Gargeschirrs 101 genutzt wird. Das Gargeschirr 101 kann
vom Übertragungsbereich 113 entfernt werden, wodurch
der Energieaufnehmer 114 vom Anregungsfelderzeugungsmittel 111 getrennt
wird. In den Übertragungsbereich 113 können dann
weitere elektrische Verbraucher gebracht werden, wie z. B. eine
Kaffeemaschine, ein Mixer, ein Ladegerät, eine Friteuse,
ein Toaster, ein Wasserkocher usw. (auch als 'Haushaltskleingeräte'
bezeichnet), die jeweils einen Energieaufnehmer aufweisen und von
einem drahtlosem Zusammenwirken des jeweiligen Energieaufnehmers
mit dem Anregungsfelderzeugungsmittel 111 eine Betriebsenergie
beziehen.
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In
der Arbeitsplatte 105 ist ferner ein Bedienfeld in Form
eines berührungsempfindlichen Bildschirms 104 eingelassen,
auf dem Anzeigeelemente und Betätigungselemente frei programmierbar
sind. Der berührungsempfindliche Bildschirm 104 kann beispielsweise
ein Flüssigkristall- oder LED-Bildschirm sein, der von
einer berührungsempfindlichen Folie, z. B. einer ITO-Folie,
abgedeckt ist. Dadurch kann eine große Zahl unterschiedlicher
Betätigungselemente wie Taster, Zirkularslider, Linearslider
im Wesentlichen beliebig auf dem Bedienfeld dargestellt werden,
was eine sehr flexible Bedienerführung erlaubt.
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Das
Gargeschirr 101 ist mit einer integrierten Schaltung 116 zur
Verarbeitung von Daten und zur Ausgabe von Daten an einen Transmitter
ausgerüstet. An einen Eingang der integrierten Schaltung 116 ist
ein Temperatursensor (Eigentemperatursensor) 117 zur Bestimmung
einer Eigentemperatur der integrierten Schaltung 116 angeschlossen.
Die integrierte Schaltung 116 fühlt den Eigentemperatursensor 117 zyklisch
ab, verarbeitete die abgefühlten Eigentemperatursignale
in eine vorbestimmte Daten- und Protokollstruktur und übermittelt
die so verarbeiteten Eigentemperaturdaten an einen Transmitter.
Der Transmitter verfügt über einen nicht eingezeichneten Modulator
und eine nachgeschaltete Sendeantenne. Als Sendeantenne dient hier
die Sekundärwicklung 114 zur Leistungs übertragung.
Die von der Sekundärwicklung 114 ausgestrahlten
Datensignale werden von der auch als Empfangsantenne des Betriebsgeräts 106 dienenden
Primärwicklung 111 aufgenommen, in einem nicht
eingezeichneten Demodulator des Betriebsgeräts 106 demoduliert
und an eine Steuereinheit 110 des Betriebsgeräts 106 weitergeleitet.
Unter anderem mittels der Eigentemperaturdaten steuert die Steuereinheit
(”Herdelektronik”) 110, die hier einen
Mikrocontroller umfasst, die Stromerzeugungseinheit 112.
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Dann,
wenn der übermittelte Wert der Eigentemperatur einen ersten,
niedrigeren Eigentemperaturschwellwert von unten kommend erreicht
oder überschreitet, gibt die Steuereinheit 110 ein
akustisches und optisches Warnsignal aus, das einem Bediener einen
kritischen Zustand anzeigt und ihn zu einer Gegenhandlung veranlassen
kann. So kann das Erreichen oder Überschreiten des ersten
Eigentemperaturschwellwerts ein Hinweis auf einen niedrigen Wasserstand
sein ('drohendes Leerkochen'), worauf der Bediener beispielsweise
mit einem Nachfüllen von Wasser, einer Herunterschaltung
einer Leistungsstufe oder einem Abnehmen des Gargeschirrs reagieren
kann. Zusätzlich zum Warnsignal veranlasst die Steuereinheit 110,
dass das elektromagnetische Anregungsfeld um beispielsweise 25%
verringert wird (”Verringerungsstufe”), um eine
baldige Überhitzung und ein Unterbrechen des Garablaufs zu
verhindern. Erreicht oder überschreitet der Wert der Eigentemperatur
einen zweiten, höheren Eigentemperaturschwellwert (z. B.
nach einem längeren Leerkochen), schaltet die Steuereinheit 110 die Stromerzeugungseinheit 112 und
damit das Anregungsfeld ab, um eine Schädigung des integrierten Schaltkreises
(und ggf. anderer temperaturempfindlicher Komponenten) zu verhindern.
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2 zeigt
eine Skizze einer vereinfachten Regelstruktur eines Systems aus
einem intelligenten Gargeschirr 201 und einem Betriebsgerät 206.
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Das
intelligente Gargeschirr 201 ist als Topf ausgebildet,
bei dem in einen Grundkörper 202, der durch einen
Topfboden 220 nach unten abgeschlossen wird, Gargut 221 eingefüllt
werden kann. An einer Unterseite des Topfbodens 220 verläuft
eine Heizbahn 222 in Form einer verschlungenen Widerstandsdickschicht-Bahn,
welche bei einer Bestromung aufgeheizt wird und so den Topfboden 220 zur Erwärmung
des Garguts 221 aufwärmt. Zu ihrer Stromversorgung
ist die Heizbahn 222 mit einem Energieaufnehmer 214 in
Form einer spiralförmig ausgebildeten Sekundärwindung
verbunden und stellt deren Last dar. Vom Energieaufnehmer 214 wird auch
eine elektrische Leistung zur Versorgung einer Topfelektronik 223 abgezweigt.
Dazu weist die Topfelektronik 223 einen Schaltregler 224 auf,
welcher die vom Energieaufnehmer 214 ausgegebene Leistungswechselspannung
in eine Niedervoltgleichspannung umwandelt. Mittels der Niedervoltgleichspannung
werden die übrigen Teile der Topfelektronik 223 betrieben,
von denen hier eine analoge Messelektronik 225, eine integrierte
Schaltung 216 und ein Modulator 226 eingezeichnet
sind. Mittels der analogen Messelektronik 225 werden Messsignale verschiedener
Sensoren des Gargeschirrs 201 abgefühlt und digitalisiert.
Zur einfacheren Darstellung sind hier lediglich drei an der Unterseite
des Topfbodens 220 angebrachte Temperatursensoren 227 eingezeichnet,
jedoch können auch andere Sensoren mit der analogen Messelektronik 225 verbunden sein,
z. B. Drucksensoren oder Feuchtesensoren. Ferner ist direkt an einem
Messeingang der analogen Messelektronik 225 ein Eigentemperatursensor 217 vorhanden.
Dieser misst somit die Temperatur im Bereich dieses Messeingangs
der analogen Messelektronik 225; da die Topfelektronik 223 vergleichsweise kompakt
auf einer gemeinsamen Platine (o. Abb.) untergebracht ist, wird
die Temperatur an diesem Messeingang als auch repräsentativ
für die Temperatur an der integrierten Schaltung 216 angesehen.
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Die
analoge Messelektronik 225 ist ausgangsseitig mit einer
Eingangsseite der integrierten Schaltung 216 verbunden,
so dass Temperaturdaten von der analogen Messelektronik 225 an
die integrierte Schaltung 216 zur folgenden Verarbeitung weitergeleitet
werden. Zur Verarbeitung der von der Messelektronik 225 analog übermittelten
Temperaturdaten weist die integrierte Schaltung 216 einen A/D-Wandler
(o. Abb.) auf. In der integrierten Schaltung 216 werden
die von der analogen Messelektronik 225 gelieferten digitalen ”Rohdaten” in
ein zur Kommunikation mit dem Betriebsgerät 206 kompatibles
Format umformatiert. Insbesondere werden Rohdaten in ein vorbestimmtes
Datenformat und Protokollformat umgewandelt. Die formatierten Messdaten werden
von der integrierten Schaltung 216 dann zyklisch, z. B.
alle 10 ms, an den Modulator 226 weitergeleitet, wo sie
auf ein Trägersignal aufmoduliert werden, um danach vom
Modulator 226 über eine Antenne 228 an
das Betriebsgerät 206 übermittelt zu
werden. Die Antenne 228 ist hier als eine parallel zum Topfboden 220 verlaufende
Signalwindung ausgestaltet. Es können aber auch andere
Messdaten von der integrierten Schaltung 216 verarbeitet
und an den Modulator 226 weitergeleitet werden, wie ein
Messsignal einer sekundärseitigen Leistungsspannung. Es können
zudem auch andere Daten von der integrierten Schaltung 216 verarbeitet
und an den Modulator 226 weitergeleitet werden, wie Identifizierungsdaten (Identcode
usw.) und Gerätestatusdaten, und zwar zyklisch oder – bei
einer bidirektionalen Kommunikation – auf Abfrage. Das
Betriebsgerät 206 weist eine Empfangsantenne 229 auf,
die ebenfalls als Signalwindung ausgestaltet ist, welche im Wesentlichen
der Signalwindung der Sendeantenne 228 des Gargeschirrs 201 gegenüberliegt.
Die Empfangsantenne 229 empfängt das von der Sendeantenne 228 ausgestrahlte
modulierte Trägersignal und leitet es an einen Demodulator 230 weiter,
in welchem die auf das Trägersignal aufmodulierten Daten
extrahiert und wieder als lesbare digitale Daten ausgegeben werden.
Somit liegen nun sowohl die von der analogen Messelektronik 225 abgefühlten
Daten als auch von der integrierten Schaltung 216 mitgelieferten
Identifizierungsdaten oder Gerätestatusdaten im Betriebsgerät
vor. Diese Daten werden in einer Steuereinheit (”Herdelektronik”) 210 weiterverarbeitet
und zum Betrieb des Gargeschirrs 201 ausgewertet.
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So
können die von dem Gargeschirr 201 ausgesandten
Temperaturdaten, einschließlich der Eigentemperaturmessdaten,
in Form von Widerstandswerten der verwendeten Temperatursensoren vorliegen,
falls diese als Widerstandstemperatursensoren ausgestaltet sind.
Daraus kann in der Steuereinheit 210 mittels Nachschlagens
entsprechender Widerstands/Temperatur-Kennlinien in einer Nachschlagetabelle
die Ist-Temperatur an der Unterseite des Topfbodens 220 bestimmt
werden und daraus die Garguttemperatur abgeleitet werden. Beispielsweise
kann die Temperatur an der Unterseite des Topfbodens 220 mit
der Garguttemperatur gleichgesetzt werden, oder es kann ein empirisch
bestimmter Temperaturunterschied hinzugefügt werden, welcher auch
von der Höhe der gemessenen Temperatur abhängig
sein kann. Die Steuereinheit 210 erhält auch Eingaben
von einem Bedienfeld 204, beispielsweise über
eine Soll-Garguttemperatur für eine Temperaturregelung.
Dazu hat ein Bediener vorher die Soll-Garguttemperatur am Bedienfeld 204 direkt
oder über ein Kochprogramm eingestellt. Vom Bedienfeld 204 können – unbemerkt
vom Bediener – auch weitere Regelgrößen
wie PID-Koeffizienten an die Steuereinheit mitgeschickt werden.
In der Steuereinheit 210 kann im Fall einer Temperaturregelung
eine Regelabweichung zwischen Soll-Garguttemperatur und Ist-Garguttemperatur
bestimmt werden, als auch eine Stellgröße des
Regelkreises, woraus wiederum eine Steuerspannung zur Steuerung
einer Stromerzeugungseinheit 212 in Form einer Leistungselektronik
berechnet und ausgegeben wird. Die Steuerspannung liegt hier in
einem Bereich zwischen 0 V (ausgeschaltet) und 4 V (maximal). Dazu
ist zwischen der Steuereinheit 210 und der Stromerzeugungseinheit 212 ein
Digital/Analog-Wandler 231 eingefügt. Mittels der
Stromerzeugungseinheit 212 wird ein Anregungsfelderzeugungsmittel 211 in
Form einer spiralförmig ausgeführten Leistungswindung
betrieben, wie schon bezüglich 1 ausgeführt
worden ist. Die Stromerzeugungseinheit 212 erzeugt dazu
eine an dem Anregungsfelderzeugungsmittel 211 anliegende Leistungswechselspannung,
hier beispielsweise zwischen 10 VAC und 230 VAC bei einer Frequenz
zwischen 400 KHz und 100 KHz. Das Anregungsfelderzeugungsmittel 211 erzeugt
als Anregungsfeld ein magnetisches Wechselfeld, welches wiederum
vom Energieaufnehmer 214 aufgenommen wird. In anderen Worten
ergibt sich zwischen dem Anregungsfelderzeugungsmittel 211 und
dem Energieaufnehmer 214 ein auf Induktion beruhender Energieübertrag.
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Die
Steuereinheit 210 vergleicht ferner den übermittelten
Wert der Eigentemperatur mit mindestens einem Eigentemperaturschwellwert,
wie bereits oben genauer beschrieben. Abhängig davon, ob
einer der Eigentemperaturschwellwerte erreicht oder überschritten
worden ist und ggf., welcher von mehreren Eigentemperaturschwellwerten
erreicht oder überschritten worden ist, kann eine Warnung
ausgegeben werden oder das vom Anregungsfelderzeugungsmittel 211 erzeugte
Anregungsfeld durch eine Verringerung einer Steuerspannung zur Stromerzeugungseinheit 212 gezielt
geschwächt und im Extremfall sogar ausgeschaltet werden.
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Ist
das Gargeschirr 201 auf dem Betriebsgerät 206 aufgesetzt,
beispielsweise auf die in 1 dargestellte
Arbeitsplatte 105 kann Energie vom Betriebsgerät 206 auf
das Gargeschirr 201 und Datensignale vom Gargeschirr 201 auf
das Betriebsgerät 206 übertragen werden.
Aufgrund der transformatorischen oder induktiven Kopplung zwischen
Anregungsfelderzeugungsmittel 211 und Energieaufnehmer 214 ist
die Energieübertragung jedoch nur in einem Nahfeld des
Anregungsfelderzeugungsmittels 211 zum Betrieb des Gargeschirrs 201 möglich.
Typische maximale Abstände zwischen Betriebsgerät 206 und
Gargeschirr 201 betragen 3 bis 10 cm. Wird das Gargeschirr 201 weiter
von dem Anregungsfelderzeugungsmittel 211 entfernt, reicht
die übertragene Leistung nicht mehr zum Betrieb des Gargeschirrs 201 aus.
Dann reicht die übertragene Energie auch nicht mehr zum
Betrieb der Topfelektronik, welche sodann ihren Betrieb einstellt.
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Bei
einer Annäherung des Gargeschirrs 201 an ein Betriebsgerät 206 kann
dieses wieder in das Nahfeld des Anregungsfelderzeugungsmittels 211 eintreten
und somit wieder mit Energie versorgt werden. In diesem Fall sendet
die Topelektronik 223 wieder Signale aus, welche vom Betriebsgerät 206 erkannt
werden.
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Selbstverständlich
ist die vorliegende Erfindung nicht auf das gezeigte Ausführungsbeispiel
beschränkt.
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So
kann auch eine bidirektionale Kommunikation zwischen Gargeschirr
und Betriebsvorrichtung vorliegen. Ein von der Betriebsvorrichtung
betreibbares Gerät ist nicht auf ein Gargeschirr eingeschränkt, sondern
kann jedes andere elektrisch betreibbare Lebensmittelzubereitungsgerät
umfassen, wie ein Haushaltskleingerät.
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- 101
- Gargeschirr
- 102
- Grundkörper
- 104
- Bedienfeld
- 105
- Arbeitsplatte
- 106
- Betriebsgerät
- 107
- Energieübertragungseinheit
- 108
- Gehäuse
- 109
- Betätigungselement
- 110
- Steuereinheit
- 111
- Anregungsfelderzeugungsmittel
- 112
- Stromerzeugungseinheit
- 113
- Energieübertragungsbereich
- 114
- Energieaufnehmer
- 115
- Linie
- 116
- integrierte
Schaltung
- 117
- Eigentemperatursensor
- 201
- Gargeschirr
- 202
- Grundkörper
- 206
- Betriebsgerät
- 210
- Steuereinheit
- 211
- Anregungsfelderzeugungsmittel
- 212
- Stromerzeugungseinheit
- 214
- Energieaufnehmer
- 216
- integrierte
Schaltung
- 217
- Eigentemperatursensor
- 220
- Topfboden
- 221
- Gargut
- 222
- Heizbahn
- 223
- Topfelektronik
- 224
- Schaltregler
- 225
- analoge
Messelektronik
- 226
- Modulator
- 227
- Temperatursensor
- 228
- Sendeantenne
- 229
- Empfangsantenne
- 230
- Demodulator
- 231
- D/A-Wandler
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 0098491
A2 [0002]
- - DE 102006017800 A1 [0008]