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Die Erfindung betrifft ein Kochfeld mit mindestens einem unterhalb einer Kochfeldplatte angeordneten Infrarot- Sensor zu einer Messung einer Intensität von Infrarotlicht, welches von einem auf der Kochfeldplatte aufgestellten Kochgeschirrelement abgestrahlt wird, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, ein Verfahren zur Ermittlung von Temperaturmesswerten eines auf einer Kochfeldplatte eines Kochfelds aufgestellten Kochgeschirrelements nach dem Oberbegriff des Anspruchs 8, sowie ein Verfahren zur Temperaturregelung eines auf einem Kochfeld aufgestellten Kochgeschirrelements nach dem Oberbegriff des Anspruchs 9.
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Beim Zubereiten von verzehrbaren Zubereitungsgut und somit Lebensmitteln, werden diese im Allgemeinen in ein Zubereitungsbehältnis, beispielsweise ein Kochgeschirrelement, wie eine Pfanne oder einen Topf, eingebracht und darin zubereitet. Ein Zubereitungsbehälter wird dabei üblicherweise auf einer Zubereitungszone, insbesondere einer Kochzone, eines Zubereitungsfeldes, insbesondere eines Kochfeldes, abgestellt. In modernen Kochfeldern kommen Sensoren zum Einsatz, welche wesentliche Informationen zu Eigenschaften des zuzubereitenden Gutes im Kochgeschirr bzw. zu wesentlichen Betriebszuständen des Kochfeldes oder der Kochgeschirrelemente erfassen.
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Zur Erfassung der Temperatur eines Kochgeschirrelements ist eine möglichst genaue Temperaturmessung nötig. Eine solche Temperaturmessung dient beispielsweise dazu eine Energiezufuhr abzuschalten, wenn sich das Zubereitungsgut überhitzt oder die Temperatur des Zubereitungsguts zu regeln, wobei diese Regelung vorzugsweise eine Genauigkeit erreichen soll, die dem Kunden einen spürbaren Gewinn an Bedienkomfort bringt.
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Für Induktionskochfelder ist es bekannt, eine Temperatur eines Bodens eines Kochgeschirrelements mittels eines unterhalb einer Kochfeldplatte angeordneten Temperatursensors zu ermitteln, wobei üblicherweise jeweils mindestens ein Temperatursensor einer der Kochzonen zugeordnet ist. Die Temperatursensoren sind in aller Regel als Infrarot-Sensoren augebildet, die zu einer Messung einer Intensität von Infrarotlicht/Wärmestrahlung vorgesehen sind.
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Ein Problem besteht darin, dass ein in einem Kochfeld angeordneter Temperatursensor durch die umgebenden Bauteile erhitzt wird und die Temperaturmessergebnisse für den Boden des Kochgeschirrs dadurch verfälscht werden. Bei Infrarot-Sensoren entsteht durch die umgebende Wärme außerdem ein sogenannter Dunkelstrom, welcher die Temperaturmessergebnisse zusätzlich verzerrt.
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Es sind bereits Induktionskochfelder mit zumindest einem Infrarotsensor zur Messung einer Intensität von Infrarotlicht bekannt, welche mit Kühlelementen zu einer Kühlung von elektronischen Komponenten des Infrarotsensors ausgebildet sind.
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Der Erfindung liegt insbesondere die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Kochfeld mit mindestens einem unterhalb einer Kochfeldplatte angeordneten Temperatursensor zum Messen der Temperatur eines auf der Kochfeldplatte aufgestellten Kochgeschirrelements zu schaffen, bei welchem die Genauigkeit der Temperaturmessung weiter erhöht ist.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein Kochfeld, ein Verfahren zur Ermittlung von Temperaturmesswerten eines auf einer Kochfeldplatte eines Kochfelds aufgestellten Kochgeschirrelements, sowie ein Verfahren zur Temperaturregelung eines auf einem Kochfeld aufgestellten Kochgeschirrelements mit den Merkmalen der Patentansprüche 1, 8 und 9. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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Die Erfindung geht aus von einem Kochfeld mit mindestens einem unterhalb einer Kochfeldplatte angeordneten Infrarot-Sensor zu einer Messung einer Intensität von Infrarotlicht, welches von einem auf der Kochfeldplatte aufgestellten Kochgeschirrelement abgestrahlt wird.
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Es wird vorgeschlagen, dass ein dem Infrarot-Sensor vorgeschaltetes Schaltelement zur optischen Modulation des abgestrahlten Infrarotlichts und ein Filter zur zumindest teilweisen Unterdrückung eines von dem Infrarot-Sensor bereitgestellten Temperaturmesssignals von Störsignalanteilen vorgesehen sind. Unter einem „Infrarotsensor“ soll insbesondere ein Sensor verstanden werden, der dazu vorgesehen ist, eine Messung einer Intensität von Infrarotlicht vorzunehmen und insbesondere eine Wellenlänge und/oder eine Frequenz eines Intensitätsmaximums des Infrarotlichts zu bestimmen. Unter „Infrarotlicht“ soll insbesondere elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge zwischen 7,8 × 10–7 m und 1 × 10–3 m, entsprechend einem Frequenzbereich von 3 × 1011 Hz und 4 × 1014 Hz, verstanden werden. Insbesondere soll eine Wärmestrahlung eines Kochgeschirrelements und/oder eines Zubereitungsguts unter Infrarotlicht verstanden werden. Unter einem Filter soll insbesondere eine elektrische Schaltung zur Abschwächung oder Unterdrückung unerwünschter Signalanteile verstanden werden.
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In vorteilhafter Weise wird durch den vorgeschlagenen Aufbau der sogenannte Dunkelstrom von dem Temperaturmesssignal getrennt, so dass in dem Ausgangssignal des Filters der Anteil des verfälschenden Dunkelstroms in dem Temperaturmesssignal entfernt ist. Somit wird durch die Erfindung eine durch die Umgebungstemperatur hervorgerufene Offset Spannung in dem Infrarot Sensor effizient gefiltert und damit die Qualität der Messung verbessert. Zudem werden durch die Erfindung weitere, die Messergebnisse verfälschende Effekte, wie beispielsweise ein Hintergrundrauschen oder externe Interferenzen, weitestgehend reduziert. Hierzu wird das abgestrahlte Infrarotlicht durch ein Schaltelement mit der Frequenz eines Referenzsignals moduliert und das modulierte Infrarotlicht dem Infrarot-Sensor zugeführt. Das Temperaturmesssignal des Infrarot-Sensors wird dem Filter zugeführt.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Schaltelement zur optischen Modulation als ein Chopper ausgebildet. Unter einem „Chopper“ soll eine Einrichtung zur Modulierung von Licht in seiner Intensität rechteckig zwischen 0 % und 100 %. Meist ist ein solcher Chopper als eine rotierende Sektorblende zur Intensitätsmodulation ausgebildet. Ähnliche Modulationen können durch rotierende Spiegel, Winkelspiegel oder Prismen erreicht werden.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Schaltelement zur optischen Modulation als mindestens eine Blende zur Intensitätsmodulation ausgebildet. Das Schaltelement weist vorzugsweise eine oder mehrere rotierende oder pendelnde Blenden auf. Diese sind beispielsweise in Form eines rotierenden Flügelrades, ähnlich einem Lüfterrad, oder in Form eines Pendels ausgestaltet. Das Licht wird dadurch in seiner Intensität rechteckig zwischen 0 % und 100 % moduliert.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist ein Referenzsignalgenerator zur Generierung eines im Wesentlichen zeitlich periodischen Referenzsignals vorgesehen, welcher als Taktgeber für das Schaltelement zur optischen Modulation ausgebildet ist.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Filter als ein Bandpassfilter ausgebildet. Der Bandpassfilter arbeitet vorzugsweise mit einer Frequenz des zeitlich periodischen Referenzsignals.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Filter als ein Lock-in Verstärker ausgbildet. Unter einem „Lock-in Verstärker“ soll insbesondere ein Verstärker zur Messung eines schwachen elektrischen Wechselsignals verstanden werden, das mit einem in Frequenz und Phase bekannten Referenzsignal moduliert ist. Ein Lock-in-Verstärker umfasst üblicherweise die folgenden Funktionselemente: Einen Signaleingang für das zu modulierende Messsignal, einen Signaleingang für das sinusförmige (manchmal auch rechteckförmige) Referenzsignal, einen Eingangsverstärker für den Signaleingang, einen Phasenverschieber für die Anpassung zwischen Referenz- und Messsignal, einen Mischer (Multiplizierer), der das Eingangssignal mit dem Referenzsignal multipliziert, und einen Tiefpass, um eine zeitliche Mittelung über mehrere Signalperioden durchzuführen. Die beiden Eingangssignale werden im Mischer miteinander multipliziert und anschließend in einem Tiefpass integriert. Der Lock-in-Verstärker berechnet also die Kreuzkorrelation zwischen dem Mess- und dem Referenzsignal für eine feste Phasenverschiebung. Die Kreuzkorrelation für Signale unterschiedlicher Frequenz ist Null. Ist daher die Frequenz des Referenzsignals von der des Messsignals verschieden, liefert der Lock-in Verstärker kein Ausgangssignal. Für gleiche Frequenzen liefert die Kreuzkorrelation einen endlichen Wert und der Lock-in damit ein endliches Ausgangssignal. Als Ausgangssignal stellt der Lock-in-Verstärker im Regelfall eine Gleichspannung zur Verfügung.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der Referenzsignalgenerator dem Schaltelement und dem Lock-in Verstärker zugeschaltet.
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Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Ermittlung von Temperaturmesswerten eines auf einer Kochfeldplatte eines erfindungsgemäßen Kochfelds aufgestellten Kochgeschirrelements mittels einer Messung einer Intensität von durch das Kochgeschirrelement abgestrahlten Infrarotlichts durch einen Infrarot-Sensor.
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Es wird vorgeschlagen, dass das abgestrahlte Infrarotlicht durch ein Schaltelement optisch moduliert wird und das modulierte Infrarotlicht dem Infrarot-Sensor zugeführt wird. Störsignalanteile des von dem Infrarot-Sensor bereitgestellten Temperaturmesssignals werden durch einen Filter zumindest teilweise unterdrückt. Die Temperaturmesswerte werden aus dem gefilterten Temperaturmesssignal ermittelt.
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Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Temperaturregelung eines auf einem Kochfeld aufgestellten Kochgeschirrelements, bei dem die Temperaturregelung mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Ermittlung von Temperaturmesswerten durchgeführt wird.
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Weitere Vorteile und kennzeichnende Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Figurenbeschreibung. Die Figurenbeschreibung, die Zeichnungen und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in einer Kombination, die lediglich Ausführungsbeispiele der Erfindung darstellen. Der Fachmann wird erkennen, dass auch weitere Teilkombinationen der dargestellten und beschriebenen Merkmale zur Ausnutzung des in den Patentansprüchen beschriebenen Erfindungsgedankens verwendbar sind. Es zeigen:
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1 ein Kochfeld mit einer schematisch dargestellten Anordnung zur Ermittlung einer jeweiligen Temperatur von Kochgeschirrelementen,
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2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Schaltung zur Ermittlung einer Temperatur eines Kochgeschirrelements.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Induktionskochfelds 10 mit einer Kochfeldplatte 12 mit zwei Kochzonen, auf denen Garbehälter 30 aufgestellt sind. Im Bereich der Kochzonen sind unterhalb der Kochfeldplatte 12 zwei als Induktionsspulen ausgeführte elektrische Heizelemente 16, 17 angeordnet, mittels deren in den Garbehältern 30 enthaltenes Gargut erwärmt wird. Zu einer geeigneten Steuerung eines Erwärmungsprozesses der Garbehälter 30 durch eine Steuer- und/Regeleinheit 26 wird eine Temperaturüberwachung mittels einer Messung einer Intensität von abgegebenem Infrarotlicht der Garbehälter 30 durch einen Infrarotsensor 22 durchgeführt. Hierzu ist in jeder Kochzone eine als 15mm durchmessender kreiszylinderförmiger Bereich aus einem für Infrarotlicht transparenten Material ausgeführte Messstelle 14 ausgebildet, durch die Infrarotlicht durch die Kochfeldplatte 12 hindurchtritt und zu dem Infrarotsensor 22 umgeleitet wird.
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Das von dem Garbehälter 30 ausgesandte und an der Messstelle 14 durch die Kochfeldplatte 12 durchtretende Infrarotlicht wird mittels optischer Umlenkelemente 18, 19 zu dem Infrarotsensor 22 umgelenkt. Die optischen Umlenkelemente 18, 19 sind als optische Fasern ausgeführt, in denen das Infrarotlicht durch innere Totalreflexion geleitet wird.
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Der Infrarotsensor 22 ist in Bezug zur Kochfeldplatte 12 zentral angeordnet, um Infrarotlicht von mehreren Messstellen 14 gleichermaßen gut empfangen zu können. Ferner wird durch die Position des Infrarotsensors 22 ein geringer Wärmeeintrag in den Infrarotsensor 22 erreicht, wodurch auf Kühlelemente zu einer Kühlung der Elektronik des Infrarotsensors 22 verzichtet werden kann.
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Zwischen dem Infrarotsensor 22 und den optischen Umlenkelementen 18, 19 ist eine Multiplex-Einheit 20 angeordnet, die dazu vorgesehen ist, Signale von mehreren Messstellen 14 im zeitlichen Wechsel über eine gemeinsame Leitung an den Infrarotsensor 22 weiterzuleiten. Die Multiplex-Einheit 20 ist hierzu als Umschalteinheit ausgebildet, welche in einem Zeitabstand von 600 ms zwischen von unterschiedlichen Messstellen 14 stammenden Signalen von Infrarotlicht umschaltet und das entsprechende Signal an den Infrarotsensor 22 weiterleitet. Die Multiplex-Einheit 20 kann grundsätzlich Signale von einer Vielzahl von verschiedenen Messstellen 14 im zeitlichen Wechsel an den Infrarotsensor 22 weiterleiten. Zu einer vorteilhaften Steuerung des Erwärmungsprozesses der Garbehälter 30 durch die Steuer- und Regeleinheit 26 empfiehlt es sich, über die Multiplex-Einheit 20 Signale von maximal fünf verschiedenen Messstellen 14 zu einem Infrarotsensor 22 über eine gemeinsame Leitung weiterzuleiten.
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Dem Infrarotsensor vorgeschaltet ist ein Schaltelement 30 zur erfindungsgemäßen optischen Modulation des Infrarotlichts. Der Infrarotsensor 22 ist von einem Halbleitersensor aus Indiumgalliumarsenid gebildet und darauf ausgelegt, insbesondere Intensitäten von Infrarotlicht in einem Wellenlängenbereich zwischen 1,2 µm und 2,4 µm zu messen. In dem Infrarotsensor 22 wird die Intensität des eintreffenden, modulierten Infrarotlichts gemessen, wobei eine Messung innerhalb einer Messdauer von 100 ms abgeschlossen ist, und Messdaten der Intensität als ein elektrisches Signal mit einer zu der Intensität des Infrarotlichts proportionalen Amplitude ausgegeben werden. Über eine Datenverbindung 28 ist der Infrarotsensor 22 mit einer in eine Steuer- und Regeleinheit 26 integrierten zentralen Auswerteeinheit 24 verbunden. In der zentralen Auswerteeinheit 24 wird das Temperaturmesssignal erfindungsgemäß verstärkt und eine Temperaturbestimmung aus dem verstärkten Temperaturmesssignal des Infrarotsensors 22 vorgenommen.
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Die Temperaturbestimmung wird durch eine Berechnung der entsprechenden Temperatur in einer Recheneinheit der Steuer- und Regeleinheit 26 vorgesehen. Alternativ kann die Temperaturbestimmung durch einen Vergleich der Temeratursmessignaldaten des Infrarotsensors 22 mit Referenzdaten in der zentralen Auswerteeinheit 24 durchgeführt werden. Die Steuer- und Regeleinheit 26 steuert aufgrund der ermittelten Temperaturmesswerte das elektrische Heizelement 16, 17 der der entsprechenden Messstelle 14 zugeordneten Kochzone derart an, dass eine von einem Benutzer über eine nicht dargestellte Bedieneinheit für die Kochzone angeforderte Heizleistung zur Verfügung gestellt wird.
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2 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Schaltung zur Ermittlung einer Temperatur eines Kochgeschirrelements. Zur besseren Übersichtlichkeit sind in den 1 und 2 gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen. Das Kochgeschirrelement 30 ist auf einer Kochfeldplatte 12 mit einer Kochzone aufgestellt. Im Bereich der Kochzone ist unterhalb der Kochfeldplatte 12 ein als Induktionsspule ausgeführtes elektrisches Heizelement 17 angeordnet, mittels dessen in dem Kochgeschirrelement 30 enthaltenes Gargut erwärmt wird.
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In der Kochzone ist eine aus einem für Infrarotlicht transparenten Material ausgeführte Messstelle 14 ausgebildet, durch die Infrarotlicht durch die Kochfeldplatte 12 hindurchtritt und mittels optischer Umlenkelemente 19 zu einem optischen Modulator 32 umgeleitet. In diesem Ausführungsbeispiel ist der optische Modulator 32 als eine rotierende Sektorblende ausgeführt, bei der das Infrarotlicht in seiner Intensität rechteckig zwischen 0% und 100% moduliert wird. Die Modulationsfrequenz wird dabei durch das Wechselsignal eines Signalgenerators 38 vorgegeben, welcher den optischen Modulator 32 ansteuert.
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Das modulierte Infrarotlicht wird dem Infrarot-Sensor 22 zugeführt. Das Temperaturmesssignal am Ausgang des Infrarot-Sensors 22 wird über einen Signalverstärker 34 verstärkt und schließlich dem Lock-in Verstärker 36 zugeführt. Zudem ist der Signalgenerator 38 mit dem Lock-in Verstärker 36 verbunden und stellt diesem ein Referenzsignal zur Verfügung.
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Das verstärkte Temperaturmesssignal am Ausgang des Lock-in Verstärkers 36 ist im Wesentlichen ein Gleichsignal ohne einen durch den Dunkelstrom des Infrarot-Sensors 22 verursachten Anteil. Aus dem verstärkten Temperaturmesssignal werden schließlich die Temperaturmesswerte für die jeweilige Kochzone ermittelt.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Induktionskochfeld
- 12
- Kochfeldplatte
- 14
- Messstelle
- 16
- Elektrisches Heizelement
- 17
- Elektrisches Heizelement
- 18
- Optisches Umlenkelement
- 19
- Optisches Umlenkelement
- 20
- Multiplex-Einheit
- 22
- Infrarotsensor
- 24
- Zentrale Auswerteeinheit
- 26
- Steuer- und Regeleinheit
- 28
- Datenverbindung
- 30
- Garbehälter
- 32
- Schaltelement zur optischen Modulation
- 34
- Signalverstärker
- 36
- Lock-in Verstärker
- 38
- Signalgenerator
