DE102010016860B4 - Verfahren zur Bestimmung einer Temperatur eines Mediums innerhalb eines Nahrungsmittelbehandlungsgeräts und Nahrungsmittelbehandlungsgerät - Google Patents

Abstract

Verfahren zur indirekten Bestimmung zumindest einer sich zumindest zeitweise zeitlich verändernden ersten Temperatur eines Mediums, in dem ein Wärmefluss von zumindest einem ersten Bereich eines Innenraumes eines Nahrungsmittelbehandlungsgerätes in zumindest einen zweiten Bereich des Innenraumes vorliegt, wobei mittels einer ersten Temperaturmesseinrichtung eine sich zumindest zeitweise zeitlich verändernde zweite Temperatur eines ersten Objektes, das thermisch mit dem Medium in dem zweiten Bereich gekoppelt ist, gemessen wird, mittels zumindest einer zweiten Temperaturmesseinrichtung eine dritte Temperatur des Mediums in dem ersten Bereich bestimmt wird und als die erste Temperatur die Temperatur des Mediums in einem dritten Bereich, dadurch bestimmt wird, dass eine Summe der zweiten Temperatur, multipliziert mit einer ersten Konstanten, und der dritten Temperatur, multipliziert mit einer zweiten Konstanten, bestimmt wird.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur indirekten Bestimmung zumindest einer sich zumindest zeitweise zeitlich ändernden ersten Temperatur eines Mediums innerhalb eines Nahrungsmittelbehandlungsgerätes, insbesondere Gargerätes, sowie ein Gargerät zur Durchführung dieses Verfahrens.
• Nahrungsmittelbehandlungsgeräte weisen eine Vielzahl von Innenräumen auf, in denen zumindest zeitweise ein Medium, insbesondere ein fluidales Medium, wie eine Flüssigkeit, ein Gas, ein Aerosol, Dampf und/oder eine Suspension, auch in unterschiedlichen Aggregatzuständen, vorhanden ist, insbesondere durch den Innenraum umgewälzt wird. Für die Durchführung eines Nahrungsmittelbehandlungsvorganges ist es hierbei wichtig, dass die Temperatur des Mediums innerhalb des Innenraumes an bestimmten Stellen bzw. bestimmten Bereichen des Innenraums genau bestimmt wird. Beispielsweise weisen die Innenräume Einlass- bzw. Auslassöffnungen, insbesondere für das fluidale Medium oder Komponenten derselben auf, wobei das zugeführte fluidale Medium zumeist eine von dem sich im Innenraum befindlichen fluidalen Medium unterschiedliche Temperatur aufweist.
• Um eine verlässliche Aussage über die Temperatur des, insbesondere fluidalen, Mediums in diesem Bereich des Innenraums treffen zu können, scheidet zumeist die Anordnung einer Temperaturmesseinrichtung in bestimmten Bereichen des Innenraumes zur direkten Erfassung der Temperatur des Mediums in diesem Bereich aus verschiedenen Gründen aus.
• So gibt es Bereiche in dem Innenraum, in denen die Strömung des Mediums zu groß ist, so dass es zu mechanischen Beschädigungen der Temperaturmesseinrichtung kommen kann. Durch die Anordnung der Temperaturmesseinrichtung könnte es auch zu ungewollten Verwirbelungen des Mediums bei einer Strömung des Mediums kommen. Auch könnte das Medium die Temperaturmesseinrichtung aufgrund seiner Agressivität angreifen bzw. es müsste ein verhältnismäßig großer Aufwand zum Schutz der Temperaturmesseinrichtung, beispielsweise durch Bereitstellung einer Umhüllung, betrieben werden, wobei entsprechende Umhüllungen dazu führen, dass der Temperatursensor eine größere Trägheit aufweist und so das Messergebnis verfälscht wird. Eine genaue Messung wird erst dann wieder möglich, wenn sich konstante Verhältnisse in dem Messbereich eingestellt haben. Dies führt zu nicht gewünschten Wartezeiten bei der Temperaturbestimmung. Ferner ist die Anordnung einer Temperaturmesseinrichtung innerhalb des Mediums konstruktiv aufwendig und damit kostenintensiv. Insbesondere um die Temperatur eines fluidalen Mediums messen zu können, müsste ein Thermoelement gas- bzw. flüssigkeitsdicht durch eine Wand des Innenraums geführt werden. Es müsste also ein Mantelthermoelement verwendet werden. Auch reicht meist der Bauraum in einem Innenraum eines Nahrungsmittelbehandlungsgeräts, insbesondere im Bereich einer Umwälzeinrichtung für das Medium, nicht aus, beispielsweise aufgrund von weiteren in diesem Bereich angeordneten Einbauten. Auch kann es durch eine Bewegung der Umwälzeinrichtung und einem Kontakt mit dem Thermoelement zu einer mechanischen Beschädigung des Thermoelements kommen.
• Die DE 10 2006 016 956 A1 beschreibt eine Vorrichtung zum Bestimmen thermischer Größen in einem Gargerät, wobei die Vorrichtung Folgendes aufweist: wenigstens ein Substrat, das innerhalb eines Wärmestroms im Gargerät angeordnet oder anbringbar ist, wenigstens zwei Temperatursensoren, die auf dem Substrat angebracht und entlang der Richtung des Wärmestroms im Gargerät ausgerichtet oder ausrichtbar sind, eine Erfassungseinrichtung, die mit den Temperatursensoren elektrisch gekoppelt und zum Erfassen der Temperaturdifferenz zwischen den an den Temperatursensoren auftretenden Temperaturen vorgesehen ist.
• Die DE 10 2007 039 027 A1 offenbart ein Verfahren zur Bestimmung der Kerntemperatur eines Garguts während eines Garprozesses in einem Gargerät, das mindestens einen in das Gargut zumindest teilweise einführbaren Temperatursensor, eine Recheneinheit und einen Speicher umfaßt, wobei während des Garprozesses das Gargut zumindest zeitweise von außen nach innen erwärmt wird, zumindest eine Temperatur mit Hilfe des Temperatursensors an wenigstens einer Stelle im Inneren des Garguts zu mindestens zwei Zeitpunkten oder kontinuierlich gemessen wird, und zur Bestimmung der Kerntemperatur aus den gemessenen Temperaturen eine Wärmeleitungsgleichung zumindest näherungsweise gelöst wird, wobei zumindest zwei Randbedingungen für die Lösung der Wärmeleitungsgleichung über eine Eingabeeinrichtung und/oder eine Einleseeinrichtung des Gargeräts und/oder eine Einleseeinrichtung eines mit dem Gargerät in Wirkverbindung stehenden Geräts vorgegeben und/oder durch Auswertung von Meßdaten wenigstens eines weiteren Sensors während des Garprozesses bestimmt und/oder durch aus vorherigen Garprozessen gewonnenen Erfahrungswerten festgelegt werden.
• Die DE 10 2005 055 773 A1 verweist auf ein Dampfgargerät zur Wärmebehandlung von Speisen, wobei das Dampfgargerät einen Garraum und eine Steuerung mit einer Auswerteeinheit und einem Speicher aufweist, wobei an dem Dampfgargerät eine Absorberfläche zur Kondensation von Dampf angeordnet ist, deren Temperatur mittels einer ersten Temperaturmesseinrichtung messbar und an die Auswerteeinheit übertragbar ist, wobei die Absorberfläche im Wesentlichen bündig mit der dem Garraum zugewandten Fläche der Garraumwand verläuft und über eine Wärmeleitvorrichtung mit einer außerhalb des Garraums angeordneten Kühlfläche in Wärmeübertragungsverbindung steht, wobei aus dem von der ersten Temperaturmesseinrichtung an die Auswerteeinrichtung übertragenen Messsignal in der Auswerteeinheit mittels eines in dem Speicher abgespeicherten Algorithmus oder einer darin abgespeicherten Wertetabelle die in dem Garraum vorhandene Dampfmenge ermittelbar ist.
• Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren bereitzustellen, welches die Bestimmung einer Temperatur eines, insbesondere fluidalen Mediums in einem Innenraum eines Nahrungsmittelbehandlungsgerätes ermöglicht, insbesondere um die Temperatur des Mediums in einem vorbestimmten Bereich innerhalb eines Innenraumes, ohne eine Beeinträchtigung einer Strömung des Mediums bzw. ohne, dass die Gefahr einer Beschädigung oder Zerstörung einer Temperaturmesseinrichtung gegeben ist, zu ermöglichen.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur indirekten Bestimmung zumindest einer sich zumindest zeitweise zeitlich verändernden ersten Temperatur eines Mediums, in dem ein Wärmefluss von zumindest einem ersten Bereich eines Innenraumes eines Nahrungsmittelbehandlungsgerätes in zumindest einen zweiten Bereich des Innenraumes vorliegt, wobei mittels einer ersten Temperaturmesseinrichtung eine sich zumindest zeitweise zeitlich verändernde zweite Temperatur eines ersten Objektes, das thermisch mit dem Medium in dem zweiten Bereich gekoppelt ist, gemessen wird, mittels zumindest einer zweiten Temperaturmesseinrichtung eine dritte Temperatur des Mediums in dem ersten Bereich bestimmt wird und als die erste Temperatur die Temperatur des Mediums in einem dritten Bereich dadurch bestimmt wird, dass eine Summe der zweiten Temperatur, multipliziert mit einer ersten Konstanten, und der dritten Temperatur, multipliziert mit einer zweiten Konstanten, bestimmt wird.
• Dabei kann ein erfindungsgemäßes Verfahren dadurch gekennzeichnet sein, dass der Wärmefluss durch einen Ungleichgewichtszustand in dem Medium, durch Konvektion des Mediums von dem ersten Bereich in den zweiten Bereich und/oder durch einen Temperaturgradienten in dem Medium zwischen dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich hervorgerufen wird und/oder der dritte Bereich in Bezug auf den Wärmefluss zwischen dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich liegt.
• Auch wird mit der Erfindung vorgeschlagen, dass die dritte Temperatur direkt bestimmt wird, insbesondere das Medium in dem ersten Bereich mit der zweiten Temperaturmesseinrichtung in thermischem Kontakt steht, oder die dritte Temperatur indirekt bestimmt wird, insbesondere die dritte Temperatur dadurch bestimmt wird, dass mittels der zweiten Temperaturmesseinrichtung die Temperatur eines zweiten Objektes, das thermisch mit dem fluidalen Medium in dem ersten Bereich gekoppelt ist, gemessen wird.
• Besonders bevorzugt ist, dass die erste Konstante und/oder die zweite Konstante aus einem Bereich von 0 bis 1, insbesondere die erste Konstante oder die zweite Konstante gleich null, ausgewählt wird und/oder die erste Konstante und die zweite Konstante so ausgewählt werden, dass die ihre Summe 1 beträgt, wobei die erste Konstante und/oder die zweite Konstante basierend auf zumindest einer Wärmekapazität und/oder zumindest eines Wärmewiderstandes des Mediums, des ersten Objektes, des zweiten Objektes, der ersten Temperaturmesseinrichtung und/oder der zweiten Temperaturmesseinrichtung, vorzugsweise empirisch und/oder experimentell, bestimmt wird bzw. werden.
• Schließlich wird durch das Verfahren vorgeschlagen, dass als dritte Temperatur eine im wesentlichen konstante Temperatur bestimmt wird, insbesondere die dritte Temperatur mittels einer Heizeinrichtung im wesentlichen auf einem konstanten Wert geregelt wird, oder als dritte Temperatur eine sich zumindest zeitweise zeitlich verändernde Temperatur bestimmt wird.
• Weiterhin liefert die Erfindung ein Nahrungsmittelbehandlungsgerät, umfassend zumindest einen Innenraum, zumindest eine erste Temperaturmesseinrichtung, zumindest eine zweite Temperaturmesseinrichtung und zumindest eine mit der ersten Temperaturmesseinrichtung und der zweiten Temperaturmesseinrichtung in Wirkverbindung stehende Steuereinrichtung, wobei die Steuereinrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet ist.
• Weiterhin wird mit der Erfindung vorgeschlagen, dass die erste Temperaturmesseinrichtung und/oder die zweite Temperaturmesseinrichtung zumindest ein Thermoelement, zumindest einen Temperatursensor, zumindest ein Thermometer, zumindest einen Thermistor und/oder zumindest einen temperaturabhängigen Widerstand umfasst bzw. umfassen.
• Dabei kann ein erfindungsgemäßes Nahrungsmittelbehandlungsgerät dadurch gekennzeichnet sein, dass das erste Objekt und/oder das zweite Objekt zumindest bereichsweise zumindest eine Seitenwand des Innenraumes umfasst.
• Besonders bevorzugt ist, dass der Innenraum zumindest einen Dampfkessel, zumindest ein Flüssigkeitsreservoir und/oder zumindest einen Nahrungsmittelbehandlungsraum umfasst.
• Weiterhin wird mit der Erfindung vorgeschlagen, dass das Nahrungsmittelbehandlungsgerät in Form eines Gargerätes, vorzugsweise eines Kombidämpfers, ausgebildet ist.
• Besonders ist schließlich bevorzugt, dass der erste Bereich zumindest teilweise von einem Garraum umfasst ist, insbesondere das zweite Objekt zumindest bereichsweise eine Garraumwand umfasst, der zweite Bereich zumindest teilweise von einem Lüfterraum umfasst ist, wobei insbesondere der Lüfterraum von dem Garraum zumindest bereichsweise durch zumindest ein Luftleitblech getrennt ist und/oder das erste Objekt zumindest bereichsweise eine Rückwand, einen Zuführstutzen, vorzugsweise zumindest eine Einlass- und/oder Auslassöffnung, insbesondere für das Medium und/oder zumindest eine Komponente des Mediums, und/oder einen Feuchtemessstutzen umfasst, und/oder der dritte Bereich benachbart zu zumindest einer Umwälzeinrichtung, der Einlass- und/oder Auslassöffnung, und/oder zumindest einer Heizeinrichtung, insbesondere zur Erhitzung des Mediums, angeordnet ist, vorzugsweise der dritte Bereich zumindest teilweise von einem Zwischenraum zwischen der Umwälzeinrichtung und der Rückwand umfasst ist.
• Der Erfindung liegt die überraschende Erkenntnis zugrunde, dass in einem Nahrungsmittelbehandlungsgerät, insbesondere einem Gargerät, ein, insbesondere fluidales, Medium und mit dem Medium in thermischem Kontakt stehende Objekte thermodynamisch als linear gekoppelte Systeme abstrahiert werden können und durch die Aufnahme von Temperaturwerten des Mediums in einem ersten Bereich bzw. eines mit dem Medium in diesem ersten Bereich in thermischem Kontakt stehenden (zweiten) Objekt und die Aufnahme einer Temperatur eines mit dem Medium in einem zweiten Bereich in thermischem Kontakt stehenden (ersten) Objektes die Bestimmung einer Temperatur des Mediums in einem vorbestimmten dritten Bereich, in dem eine Temperatur des Mediums nicht direkt gemessen werden kann bzw. nicht gemessen werden soll, um beispielsweise Verwirbelungen des Mediums zu vermeiden, oder weil eine dritte Messung in diesem Bereich zu einem hohen konstruktiven Aufwand führen würde bzw. der Bauraum für die Anordnung eines Thermoelements nicht ausreichen würde, erzielt werden kann. Insbesondere wurde festgestellt, dass bei einem derartigen System Änderungen der äußeren Randbedingungen sich so auf das Medium auswirken, dass der Temperaturverlauf eine Überlagerung von zeitabhängigen Exponentialfunktionen beschrieben werden kann. So kann in dem Medium beispielsweise ein Wärmefluss durch einen Ungleichgewichtszustand, der insbesondere durch Änderungen der äußeren Randbedingungen entstehen kann, hervorgerufen werden. Die Exponentialfunktion mit den kürzeren Zeitkonstanten beschreiben Relaxationsvorgänge innerhalb der einzelnen Systemkomponenten, wie den Objekten und/oder den Temperaturmesseinrichtungen, während die Exponentialfunktion mit der längsten Zeitkonstante eine Relaxation des Gesamtsystems an einen neuen Gleichgewichtszustand beschreibt. Durch die erfindungsgemäße Bildung eines gewichteten Mittelwerts aus dem zweiten Temperaturwert und dritten Temperaturwert ist so die Bestimmung des ersten Temperaturwerts möglich.
• Mit der Erfindung wird sich nun zu Nutze gemacht, dass herausgefunden wurde, dass bei in einem Nahrungsmittelbehandlungsgerät vorliegenden thermodynamisch gekoppelten Systemen innere Relaxationsvorgänge, die insbesondere durch einen Ungleichgewichtszustand in dem System hervorgerufen werden, vergleichsweise schnell abklingen bzw. abgeschlossen sind und eine zeitlich längste Exponentialfunktion die Temperatur aller Komponenten des linear gekoppelten Systems beschreiben, wenn sich die Komponenten in einen neuen Gleichgewichtszustand relaxieren. Bei Wärmeverteilungsproblemen kann man sich ferner zu Nutze machen, dass die das Gesamtsystem beschreibenden Differentialgleichungen keine Trägheitsterme aufweisen und so die Exponentialfunktionen reelwertig sind. Das Medium, insbesondere in dem ersten Bereich, dem zweiten Bereich und/oder dem dritten Bereich, das erste Objekt und/oder das zweite Objekt bilden ein zumindest näherungsweise lineares System. Lediglich die Amplituden der Exponentialfunktionen können sich je nach Art der Komponente, d. h. des Mediums bzw. der mit dem Medium in verschiedenen Bereichen in Kontakt stehenden Objekte unterscheiden. Diese Amplitudenverhältnisse bzw. die Asymptoten der Exponentialfunktionen können jedoch durch empirische Messungen bzw. durch Berechnungen bestimmt werden, so dass es ermöglicht wird, durch die Beobachtung von zwei Temperaturen des linear gekoppelten Systems auf eine gesuchte unbekannte Temperatur zu schließen bzw. diese zu bestimmen. Es wird also ausgenutzt, dass sich nach vergleichsweise kurzen Übergangsphasen ein Zustand einstellt, in denen die Temperaturen in dem System sich mit einer gemeinsamen Exponentialfunktion ihren jeweiligen neuen Gleichgewichtszuständen asymptotisch annähern. Dies ermöglicht es beispielsweise, dass auf ein hinsichtlich Kosten und konstruktivem Aufwand aufwendiges Thermoelement, welches durch eine Wand des Innenraums geführt werden muss, um direkt die Temperatur in dem Medium zu messen, verzichtet werden kann und ein vergleichsweise einfaches Thermoelement auf einer Außenseite der Wand zur Messung der Temperatur der mit dem Medium in Kontakt stehenden Wand angeordnet werden kann.
• Ein Beispiel für eine Änderung von äußeren Randbedingungen ist das Öffnen bzw. Schließen einer Einlassöffnung für das Medium in dem Innenraum, die beispielsweise in Abhängigkeit von der Temperatur des Mediums erfolgt. Bei Gargeräten wird häufig eine Umwälzeinrichtung, beispielsweise in Form eines Lüfterrades verwendet, um Garatmosphäre für eine Wärmeübertragung an ein Gargut umzuwälzen. Dabei wird der Nahrungsmittelbehandlungsraum zumeist durch ein Luftleitblech in einen Lüfterraum, in dem die Umwälzeinrichtung angeordnet ist, und einen Garraum, in dem das Gargut angeordnet wird, unterteilt. Hierbei bildet der Garraum einen ersten Bereich im Sinne der Erfindung und der Lüfterraum einen zweiten Bereich im Sinne der Erfindung. Es ist bekannt, um eine Bestimmung einer Feuchte, also des Wasserdampfanteils, der Garatmosphäre durchzuführen, eine Gasdichte der Garatmosphäre zu bestimmen, beispielsweise über die Bestimmung eines Differenzdrucks und einer Temperatur. Zur Bestimmung des Differenzdrucks wird ausgenutzt, dass zwischen der Umwälzeinrichtung, insbesondere dem Lüfterrad und einer Rückwand des Lüfterraums ein Wirbel erzeugt wird, in dem ein Differenzdruck vorherrscht. Um eine Bestimmung der Feuchte des Wasserdampfanteils in der Garatmosphäre durchführen zu können, sollte die Temperatur in der Garatmosphäre ebenfalls im Bereich dieses Wirbels gemessen werden. Im Bereich zwischen der Rückwand und der Umwälzeinrichtung ist ferner zumeist eine Einlassöffnung vorhanden, mittels der Umgebungsluft in den Nahrungsmittelbehandlungsraum eingelassen werden kann, insbesondere im Vergleich zur Garraumatmosphäre trockenere Luft, um eine Reduzierung der Feuchte vorzunehmen. Zumeist liegt die Temperatur der zugeführten Luft jedoch weit unterhalb der Temperatur der Garatmosphäre.
• Bei Zuführung eines Mediums mit einer geringeren Temperatur kommt es zu einer Abkühlung der Seitenwand des Innenraums im Bereich der Einlassöffnung, beispielsweise kann die Temperaturdifferenz mehrere hundert Grad Celsius betragen. So kann die Temperatur, die in diesem Bereich vorherrscht, deutlich unter der Temperatur des restlichen Mediums innerhalb des Innenraums liegen. Bei einer direkten Messung mittels eines Thermometers der Temperatur innerhalb des Mediums in diesem Bereich würde es aufgrund der Verwendung eines Mantelthermometers mehrere Minuten dauern, bis aufgrund der Verzögerung der Reaktion des Thermometers wieder eine Temperatur gemessen werden könnte, die nach Einstellung eines thermischen Gleichgewichts im wesentlichen der realen Temperatur des Mediums in diesem Bereich entspricht und beispielsweise eine verlässliche Steuerung der Einlassöffnung ermöglicht. Weiterhin hat die Anordnung einer Temperaturmesseinrichtung innerhalb des Mediums in diesem Bereich den Nachteil, dass besondere Vorkehrungen getroffen werden müssen, um eine Fehlfunktion der Temperaturmesseinrichtung zu vermeiden, welche aufgrund ihres konstruktiv komplizierten Aufbaus höhere Kosten erzeugen als eine Temperaturmesseinrichtung, die lediglich in thermischem Kontakt mit der Außenwand des Innenraumes stehen muss.
• In der zuvor beschriebenen Konstellation stellt der Garraum somit einen ersten Bereich dar, während der Bereich der Rückwand des Lüfterraums einen zweiten Bereich darstellt und der Bereich zwischen der Umwälzeinrichtung und der Rückwand, insbesondere die Rückwand selber, einen dritten Bereich im Sinne der Erfindung darstellt. Insbesondere zur Steuerung eines Garprozesses ist üblicherweise die Temperatur innerhalb des Garraums, d. h. die dritte Temperatur im ersten Bereich, bekannt, wird insbesondere über die zweite Temperaturmesseinrichtung aufgenommen. Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es darüber hinaus lediglich notwendig, dass eine erste Temperaturmesseinrichtung in thermischen Kontakt mit der Rückwand des Lüfterraums gebracht wird, insbesondere auf die Rückwand aufgeschweißt wird, um als die zweite Temperatur die Temperatur der Rückwand, die ein erstes Objekt im Sinne der Erfindung darstellt, zu bestimmen. Insbesondere im Vergleich zum Einsatz eines Mantelthermometers ist die Temperatur dieses ersten Objektes konstruktiv einfach messbar. Erfindungsgemäß wurde festgestellt, dass die über eine derartig angeordnete erste Temperaturmesseinrichtung gemessene zweite Temperatur einen zeitlichen Verlauf aufweist, der der Temperatur des Mediums in dem dritten bzw. Wirbelbereich folgt.
• Je nach Anordnung der Temperaturmesseinrichtung kann ansonsten empirisch bestimmt werden, welche der Temperaturmesseinrichtungen die Aufnahme eines Temperaturmesswertes ermöglicht, der, insbesondere in seinem zeitlichen Verlauf, der Temperatur des Mediums in dem vorbestimmten Bereich, in dem die erste Temperatur bestimmt werden soll, folgt, also ein vergleichbares exponentielles Verhalten wie die zu bestimmende erste Temperatur aufweist.
• Durch die Erfindung wird also ausgenutzt, dass bei einem Medium, welches sich innerhalb eines Innenraums eines Nahrungsmittelbehandlungsgerätes befindet, das Medium mit anderen Objekten, die insbesondere durch eine Seitenwand des Innenraums gebildet werden, thermisch gekoppelt ist, und zwar linear gekoppelt ist. Das heißt, dass ein Wärmestrom zwischen dem Medium und den Objekten bzw. innerhalb des Mediums selber linear von der Temperaturdifferenz zwischen den mit dem Medium in thermischen Kontakt stehenden Objekten bzw. der Temperaturdifferenz in dem Medium abhängt. Die Wärmeinhalte der Objekte und des Mediums und Wärmeflüsse in dem Medium hängen linear von diesen Temperaturen ab und durch die Bestimmung der Temperaturen mindestens zweier Objekte, die thermisch mit dem Medium in Kontakt stehen bzw. die Bestimmung einer Temperatur des Mediums in einem ersten Bereich und eines Objektes, welches in einem zweiten Bereich in thermischen Kontakt mit dem Medium steht, die indirekte Bestimmung einer Temperatur des Mediums in einem dritten Bereich, der insbesondere bezüglich des Wärmestromes zwischen den beiden Bereichen, zwischen den eine Temperaturdifferenz besteht, sich befindet, möglich wird. Hierbei ist beachtlich, dass die Wärmeleitfähigkeit und die spezifische Wärmekapazität der beteiligten Objekte temperaturunabhängige Konstanten sind.
• Bei der zuvor beschriebenen Temperaturbestimmung innerhalb eines Wirbels liegen insbesondere die Voraussetzungen vor, um ein lineares System anzunehmen. So sind grundsätzlich drei teilweise thermisch, mechanisch und/oder strömungstechnisch getrennte Teilsysteme identifizierbar, nämlich der Garraum, der Bereich der Rückwand des Lüfterraums und der Bereich des Wirbels, die durch die in den unterschiedlichen Bereichen vorliegenden unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten und/oder thermischen Leitfähigkeiten ausreichend voneinander abgegrenzte Teilsysteme darstellen, die allerdings linear miteinander gekoppelt sind. Linear heißt in diesem Zusammenhang, dass Temperaturänderungen zu den Änderungen des Wärmeinhalts des Mediums in den jeweiligen Bereichen proportional sind, also eine konstante Wärmekapazität vorliegt und das Wärmeflüsse proportional zu den tragenden Temperaturdifferenzen sind, d. h. die Wärmetransportkoeffizienten konstant sind.
• Grundsätzlich lässt sich eine gesuchte erste Temperatur T₂ (t) beschreiben durch $${\text{T}}_2\left(\text{t}\right)=\text{A}*{\text{T}}_1\left(\text{t}\right)+\text{B}*{\text{T}}_3\left(\text{t}\right)+\text{C}\text{,}$$

  

  wobei es sich bei der Temperatur T₁ (t) um eine Temperatur handelt, die in einem zweiten Bereich des Mediums, beispielsweise im Lüfterraum außerhalb des Wirbels, bestimmt wird oder eine Temperatur darstellt, die ein Objekt im zweiten Bereich, beispielsweise die Rückwand des Lüfterraums, die selber auch den zweiten Bereich darstellen kann, aufweist, das sich in diesem zweiten Bereich in thermischem Kontakt mit dem Medium befindet und die Temperatur T₃ (t) eine Temperatur darstellt, die das Medium in einem ersten Bereich, beispielsweise dem Garraum, oder ein mit dem Medium in dem ersten Bereich in thermischem Kontakt stehendes Objekt, beispielsweise eine Seitenwand des Garraums, aufweist und das Medium in einem dritten Bereich, beispielsweise im Bereich des Wirbels, die Temperatur T₂ (t) aufweist. Dabei sind vorzugsweise, wie zuvor beschrieben, der erste, der zweite und der dritte Bereich so angeordnet, dass der dritte Bereich, in dem die Temperatur T₂ zu bestimmen ist, hinsichtlich eines Wärmeflusses innerhalb des Mediums zwischen diesen Bereichen liegt. Die erste Konstante A und die zweite Konstante B als auch eine weitere Konstante C werden über empirische Versuche einmalig bestimmt und diese Formel ermöglicht es, dass die gesuchte Temperatur T₂ bereits nach Abschluss der schnelleren, inneren Relaxationsvorgänge innerhalb des Mediums bestimmt werden kann, ohne dass ein Gleichgewichtszustand des gesamten Systems abgewartet werden muss.
• Bei fluidalen Medien innerhalb eines Innenraums eines Gargerätes können zusätzliche Annahmen gemacht werden, nämlich, dass die Wärmekapazität des fluidalen Mediums vernachlässigbar klein ist und durch geeignete Wahl der Temperaturmessstellen kann der Bereich, in dem die gesuchte Temperatur indirekt bestimmt werden soll, in dem Wärmestrom zwischen dem ersten und zweiten Bereich angeordnet werden, so dass neben der Bedingung A + B = 1 auch die Bedingung 0 < A < 1 erfüllt ist.
• Als Objekte, die in einem linearen thermischen Kontakt zu dem Medium stehen, bieten sich, wie bereits erwähnt, beispielsweise Seitenwände des Innenraumes an. Diese weisen zumeist eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf und dies führt dazu, dass die inneren Relaxationsvorgänge in den Objekten schnell abklingen, so dass sich die Temperatur des Objektes mit einer gemeinsamen Exponentialfunktion gemeinsam mit der zu bestimmenden Temperatur an ihrem neuen Gleichgewichtswert asymptotisch angleichen. Insbesondere wird es somit möglich, dass eine Temperatur, die nicht konstant ist, und nicht oder nur mit einem erheblichen Aufwand gemessen werden kann, bestimmbar wird. Insbesondere wird eine Messung einer nicht konstanten Temperatur dadurch verfälscht, dass die gemessene Temperatur der korrekten Temperatur des Mediums meist zeitlich hinterherhinkt. Es wird somit möglich, dass die Temperatur auch in einem Bereich verlässlich gemessen werden kann, in dem sich noch keine konstanten Verhältnisse eingestellt haben.
• Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es nicht unbedingt notwendig, dass die erste und zweite Konstante durch empirische Messungen bestimmt wird. So hängen diese Konstanten von den thermischen Zeitkonstanten der einzelnen Komponenten, wie der Temperaturmesseinrichtung, des fluidalen Mediums bzw. Fluids im Bereich der jeweiligen Messeinrichtung bzw. dem Fluid selber ab. Insbesondere wenn man die Wärmekapazitäten des Mediums vernachlässigen kann, reduzieren sich die Zeitkonstanten auf der Abhängigkeit von den effektiven Wärmewiderständen der jeweiligen Komponenten, die möglicherweise bekannt sind. Diese lassen sich aber auch experimentell leicht bestimmen, zum Beispiel durch eine Beobachtung des thermischen Verhaltens bei konstanten Umgebungsbedingungen. Die Konstanten lassen sich darüber hinaus auch bestimmen, wenn sich ein stationärer Zustand einstellt, das heißt die jeweilige Temperatur ihren Endzustand erreicht hat.
• Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand der beigefügten Zeichnungen, die zwei Figuren umfassen, erläutert wird. Dabei zeigt
• 1 ein elektrisches Ersatzschaltbild eines linear gekoppelten Systems und
• 2 ein Diagramm, das den zeitlichen Verlauf verschiedener Temperaturen innerhalb eines Innenraums eines Nahrungsmittelbehandlungsgerätes, in dem ein fluidales Medium angeordnet ist, angibt.
• In 1 ist ein elektrisches Ersatzschaltbild eines linear gekoppelten Systems dargestellt, welches, wie erfindungsgemäß erkannt wurde, auf die in einem Gargerät vorhandenen Verhältnisse übertragbar ist. Bei der Übertragung entsprechen die elektrischen Widerstände 1, 3, 5, 7 Wärmewiderständen, während die elektrischen Kapazitäten 9, 11, 13 Wärmekapazitäten entsprechen und die elektrischen Potentiale U₁, U₂, U₃ Temperaturen T₁, T₂, T₃ entsprechen. Gerade diese Übertragung von an sich bekannten elektrischen linearen Systemen auf thermische Systeme, wie sie in einem Nahrungsmittelbehandlungsgerät vorhanden sind, bildet die Grundlage der Erfindung.
• Nachdem die inneren Relaxationsvorgänge in dem thermischen System hinreichend abgeklungen sind, lässt sich die gesuchte Temperatur T₂ (t) beschreiben durch: $${\text{T}}_2\left(\text{t}\right)=\text{A}*{\text{T}}_1\left(\text{t}\right)+\text{B}*{\text{T}}_3\left(\text{t}\right)+\text{C}$$

  

  wobei A, B und C reellwertig sind.
• Die Konstanten A, B und C müssen einmalig bestimmt werden, danach kann die gesuchte Temperatur T₂ nach Abschluss der schnelleren, inneren Relaxationsvorgänge bestimmt werden. Bei der Betrachtung des thermischen Systems in einem Gargerät sind zwei spezielle Rahmenbedingungen gegeben:
• 1) Die Wärmekapazität C₂ ist vernachlässigbar klein:
  • In diesem Fall gilt A + B = 1 und C = 0, so dass nur noch eine Konstante bestimmt werden muss. Es gilt Gleichung 2: $${\text{T}}_2\left(\text{t}\right)=\text{A}*{\text{T}}_1\left(\text{t}\right)+\left(1-\text{A}\right)*{\text{T}}_3\left(\text{t}\right)$$
    
• 2) Die gesuchte Temperatur T₂ liegt zusätzlich im Wärmestrom zwischen T₁ und T3:
  • Hier gilt Gleichung 2 mit der Bedingung 0 < A < 1. Dieser Fall ist für die Praxis besonders relevant, da es sich bei den Temperaturen T₁ und T₃ um Messwerte handelt, die mit Fehlern behaftet sind. Falls A > 1 würden sich Messfehler bei T₁ oder T₃ in ihrer Wirkung auf T₂ verstärken.
• In dem Diagramm der 2 ist der zeitliche Verlauf verschiedener Temperaturen innerhalb des Innenraums dargestellt. Ein erster Graph 101 kennzeichnet die Temperatur eines in dem Innenraum angeordneten Mediums in einem ersten Bereich. Diese erfährt einen abrupten Sprung von 100 °C auf 200 °C bei t = 0.
• Ein zweiter Graph, der das Bezugszeichen 103 trägt, beschreibt den (theoretischen) Temperaturwert, den das in dem Innenraum angeordnete Medium in einem dritten Bereich, in dem eine Temperatur des Mediums indirekt gemessen werden kann, bei einer Einstellung eines Gleichgewichtszustandes einnimmt.
• Ein dritter, mit dem Bezugszeichen 105 bezeichneter Graph beschreibt den zeitlichen Verlauf einer Temperatur eines in einem zweiten Bereich des Mediums angeordneten Objektes, welches über eine entsprechende Temperaturmesseinrichtung gemessen wird. Bei diesem Objekt handelt es sich vorzugsweise um eine Seitenwand des Innenraums, beispielsweise eine Rückwand eines Lüfterraums.
• Ein vierter, mit dem Bezugszeichen 107 bezeichneter Graph beschreibt den theoretischen zeitlichen Verlauf des Temperaturwertes, den das zweite Objekt bei Einstellung des Gleichgewichtszustandes einnehmen wird. Wie der Figur zu entnehmen ist, nähert sich der Graph 105 dem Graphen 107 asymptotisch an.
• Als fünfter Graph, der mit dem Bezugszeichen 111 bezeichnet ist, ist in der Figur der zeitliche Verlauf einer Temperatur des Mediums in einem dritten Bereich dargestellt. Der Graph 111 stellt eine direkte Messung der Temperatur in diesem Bereich dar, die zu Vergleichszwecken aufgenommen wurde.
• Schließlich ist in der Figur mit dem Bezugszeichen 109 die durch das erfindungsgemäße Verfahren bestimmte Temperatur dargestellt, also die indirekt bestimmte Temperatur des Mediums in dem dritten Bereich. Wie sich aus einem Vergleich des Verlaufs der Graphen 109 und 111 ergibt, bildet der Graph 109 den zeitlichen Verlauf der Temperatur im dritten Bereich, abgesehen von einer konstanten Abweichung, die durch eine Kalibrierung in einem Gleichgewichtszustand ausgeglichen werden kann und der Tatsache, dass die Steigung des realen Temperaturverlaufs des Garmediums zum Zeitpunkt t = 0 endlich und somit vom Verlauf des Graphs 101 abweicht, ab. Der Graph 109 ergibt sich rechnerisch aus einer Multiplikation der den Graphen 101 bildenden Temperaturwerte mit einer ersten Konstante und der Addition des Produkts der den Graphen 105 repräsentierenden Temperaturwerte mit einer zweiten Konstante.
• Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen als auch der Zeichnung beschriebenen Merkmale können sowohl alleine als auch in beliebiger Kombination wesentlich für die Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen sein.
• Bezugszeichen

1

Widerstand

3

Widerstand

5

Widerstand

7

Widerstand

9

Kapazität

11

Kapazität

13

Kapazität

101

Graph

103

Graph

105

Graph

107

Graph

109

Graph

111

Graph

Claims (11)

1. Verfahren zur indirekten Bestimmung zumindest einer sich zumindest zeitweise zeitlich verändernden ersten Temperatur eines Mediums, in dem ein Wärmefluss von zumindest einem ersten Bereich eines Innenraumes eines Nahrungsmittelbehandlungsgerätes in zumindest einen zweiten Bereich des Innenraumes vorliegt, wobei mittels einer ersten Temperaturmesseinrichtung eine sich zumindest zeitweise zeitlich verändernde zweite Temperatur eines ersten Objektes, das thermisch mit dem Medium in dem zweiten Bereich gekoppelt ist, gemessen wird, mittels zumindest einer zweiten Temperaturmesseinrichtung eine dritte Temperatur des Mediums in dem ersten Bereich bestimmt wird und als die erste Temperatur die Temperatur des Mediums in einem dritten Bereich, dadurch bestimmt wird, dass eine Summe der zweiten Temperatur, multipliziert mit einer ersten Konstanten, und der dritten Temperatur, multipliziert mit einer zweiten Konstanten, bestimmt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Medium ein fluidales Medium umfasst und/oder durch ein fluidales Medium gebildet ist, der Wärmefluss durch einen Ungleichgewichtszustand in dem Medium, durch Konvektion des Mediums von dem ersten Bereich in den zweiten Bereich und/oder durch einen Temperaturgradienten in dem Medium zwischen dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich hervorgerufen wird und/oder der dritte Bereich in Bezug auf den Wärmefluss zwischen dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich liegt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Temperatur direkt bestimmt wird, insbesondere das Medium in dem ersten Bereich mit der zweiten Temperaturmesseinrichtung in thermischem Kontakt steht, oder die dritte Temperatur indirekt bestimmt wird, insbesondere die dritte Temperatur dadurch bestimmt wird, dass mittels der zweiten Temperaturmesseinrichtung die Temperatur eines zweiten Objektes, das thermisch mit dem Medium in dem ersten Bereich gekoppelt ist, gemessen wird.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Konstante oder die zweite Konstante aus einem Bereich von 0 bis 1, insbesondere gleich 0, ausgewählt wird, und/oder die erste Konstante und die zweite Konstante so ausgewählt werden, dass ihre Summe 1 beträgt, wobei die erste Konstante und/oder die zweite Konstante basierend auf zumindest einer Wärmekapazität und/oder zumindest eines Wärmewiderstandes des Mediums, des ersten Objektes, des zweiten Objektes, der ersten Temperaturmesseinrichtung und/oder der zweiten Temperaturmesseinrichtung, vorzugsweise empirisch und/oder experimentell, bestimmt wird bzw. werden.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als dritte Temperatur eine im wesentlichen konstante Temperatur bestimmt wird, insbesondere die dritte Temperatur mittels einer Heizeinrichtung im wesentlichen auf einem konstanten Wert geregelt wird, oder als die dritte Temperatur eine sich zumindest zeitweise zeitlich verändernde Temperatur bestimmt wird.
6. Nahrungsmittelbehandlungsgerät, umfassend zumindest einen Innenraum, zumindest eine erste Temperaturmesseinrichtung, zumindest eine zweite Temperaturmesseinrichtung und zumindest eine mit der ersten Temperaturmesseinrichtung und der zweiten Temperaturmesseinrichtung in Wirkverbindung stehende Steuereinrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche eingerichtet ist.
7. Nahrungsmittelbehandlungsgerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Temperaturmesseinrichtung und/oder die zweite Temperaturmesseinrichtung, zumindest ein Thermoelement, zumindest einen Temperatursensor, zumindest ein Thermometer, zumindest einen Thermistor und/oder zumindest einen temperaturabhängigen Widerstand umfasst bzw. umfassen.
8. Nahrungsmittelbehandlungsgerät nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Objekt und/oder das zweite Objekt zumindest bereichsweise zumindest eine Seitenwand des Innenraumes umfasst.
9. Nahrungsmittelbehandlungsgerät nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenraum zumindest einen Dampfkessel, zumindest ein Flüssigkeitsreservoir und/oder zumindest einen Nahrungsmittelbehandlungsraum umfasst.
10. Nahrungsmittelbehandlungsgerät nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Nahrungsmittelbehandlungsgerät in Form eines Gargerätes, vorzugsweise eines Kombidämpfers, ausgebildet ist.
11. Nahrungsmittelbehandlungsgerät nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Bereich zumindest teilweise von einem Garraum umfasst ist, insbesondere das zweite Objekt zumindest bereichsweise eine Garraumwand umfasst, der zweite Bereich zumindest teilweise von einem Lüfterraum umfasst ist, wobei insbesondere der Lüfterraum von dem Garraum zumindest bereichsweise durch zumindest ein Luftleitblech getrennt ist und/oder das erste Objekt zumindest bereichsweise eine Rückwand, einen Zuführstutzen, vorzugsweise zumindest eine Einlass- und/oder Auslassöffnung, insbesondere für das Medium und/oder zumindest eine Komponente des Mediums, und/oder einen Feuchtemessstutzen umfasst, und/oder der dritte Bereich benachbart zu zumindest einer Umwälzeinrichtung, der Einlass- und/oder Auslassöffnung und/oder zumindest einer Heizeinrichtung, insbesondere zur Erhitzung des Mediums, angeordnet ist, vorzugsweise der dritte Bereich zumindest teilweise von einem Zwischenraum zwischen der Umwälzeinrichtung und der Rückwand umfasst ist.

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