DE102022100639A1

DE102022100639A1 - Verfahren zum Bestimmen einer Gargutstärke sowie Gargerät

Info

Publication number: DE102022100639A1
Application number: DE102022100639.5A
Authority: DE
Inventors: auf Antrag nicht genannt. Erfinder
Original assignee: Topinox SARL
Current assignee: Topinox SARL
Priority date: 2022-01-12
Filing date: 2022-01-12
Publication date: 2023-07-13

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer Gargutstärke, insbesondere Garguthöhe, von einem in einem Garraum (14) befindlichen Gargut (12) mit den folgenden Schritten:S1. Starten eines Garvorgangs des Garguts (12) zu einem Zeitpunkt t0, um das Gargut (12) im Garraum (14) zu garen;S2. Einspeisen von elektromagnetischer Strahlung in den mit dem Gargut (12) beladenen Garraum (14) über einen definierten Frequenzbereich;S3. Erfassen einer frequenzabhängigen Hochfrequenzeigenschaft des beladenen Garraums (14) über den definierten Frequenzbereich zu einem ersten Zeitpunkt t1;S4. Bestimmen eines Eindringvolumens und/oder einer Eindringtiefe (26) der elektromagnetischen Strahlung in das Gargut (12) anhand der erfassten Hochfrequenzeigenschaft zum ersten Zeitpunkt t1;S5. Erfassen einer frequenzabhängigen Hochfrequenzeigenschaft des beladenen Garraums (14) über den definierten Frequenzbereich zu einem zweiten Zeitpunkt t2, welcher nach dem ersten Zeitpunkt t1liegt;S6. Bestimmen eines Eindringvolumens oder einer Eindringtiefe (26) der elektromagnetischen Strahlung in das Gargut (12) anhand der erfassten Hochfrequenzeigenschaft zum zweiten Zeitpunkt t2; undS7. Bestimmen der Gargutstärke des Garguts (12) aus einem Verhältnis der Eindringvolumina bzw. Eindringtiefen (26) zu den Zeitpunkten t1und t2.Ferner betrifft die Erfindung ein Gargerät (10).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer Gargutstärke, insbesondere Garguthöhe, eines in einem Garraum befindlichen Garguts. Ferner betrifft die Erfindung ein Gargerät.
In Profi- bzw. Großküchen kommen Gargeräte zum Einsatz, die ein in einem Garraum des Gargeräts befindliches Gargut in unterschiedlicher Weise garen können. Neben den klassischen Verfahren, die mittels Heißluft und/oder Dampf das Gargut garen, werden bei modernen Gargeräten häufig auch Mikrowellenquellen eingesetzt, die das Gargut mittels elektromagnetischer Strahlung erwärmen. Als Mikrowellenquellen können Magnetrons sowie Halbleiterbauteile zum Einsatz kommen.
Die Mikrowellenquellen, insbesondere die durch Halbleiterbauteile ausgebildeten Mikrowellenquellen („Solid State Microwave Generator“ (SSMG)), können neben der Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung zum Garen auch dafür eingesetzt werden, Informationen bezüglich des im Garraum befindlichen Garguts und/oder Garzubehörs zu erfassen. Zu diesem Zweck können beispielsweise mittels der Halbleiterbauteile ein- und auslaufende Wellen, insbesondere an den Einspeisepunkten des Garraums, gemessen und daraus die eingebrachte Leistung sowie die Hochfrequenzeigenschaften des Garraums bestimmt werden. Aus den Hochfrequenzeigenschaften können wiederum unter anderem bestimmte Garguteigenschaften und/oder Garraumbeladungsmengen bestimmt werden.
Die bisher bekannten Verfahren und Geräte bieten jedoch keine Möglichkeit oder nur sehr eingeschränkte Möglichkeiten, die Gargutstärke, insbesondere Garguthöhe, von Gargütern in einem Garraum zu bestimmen.
Die Kenntnis dieser Parameter ist jedoch wünschenswert, um Garrezepte anwendungsindividuell anzupassen und so ein besseres Garergebnis erzielen zu können.
Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine einfache und kostengünstige Möglichkeit bereitzustellen, eine Gargutstärke bzw. Garguthöhe eines in einem Garraum befindlichen Garguts zu bestimmen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Bestimmen einer Gargutstärke, insbesondere Garguthöhe, von einem in einem Garraum befindlichen Gargut mit den folgenden Schritten:

S1. Starten eines Garvorgangs des Garguts zu einem Zeitpunkt t₀, um das Gargut im Garraum zu garen;
S2. Einspeisen von elektromagnetischer Strahlung in den mit dem Gargut beladenen Garraum über einen definierten Frequenzbereich;
S3. Erfassen einer frequenzabhängigen Hochfrequenzeigenschaft des beladenen Garraums über den definierten Frequenzbereich zu einem ersten Zeitpunkt t₁;
S4. Bestimmen eines Eindringvolumens und/oder einer Eindringtiefe der elektromagnetischen Strahlung in das Gargut anhand der erfassten Hochfrequenzeigenschaft zum ersten Zeitpunkt t₁;
S5. Erfassen einer frequenzabhängigen Hochfrequenzeigenschaft des beladenen Garraums über den definierten Frequenzbereich zu einem zweiten Zeitpunkt t₂, welcher nach dem ersten Zeitpunkt t₁ liegt;
S6. Bestimmen eines Eindringvolumens oder einer Eindringtiefe der elektromagnetischen Strahlung in das Gargut anhand der erfassten Hochfrequenzeigenschaft zum zweiten Zeitpunkt t₂; und
S7. Bestimmen der Gargutstärke des Garguts aus einem Verhältnis der Eindringvolumina bzw. Eindringtiefen zu den Zeitpunkten t₁ und t₂.

Der Grundgedanke der Erfindung ist es, einfach und kostengünstig zu bestimmende Hochfrequenzeigenschaften zu zwei verschiedenen Zeitpunkten zu ermitteln und daraus Rückschlüsse auf Veränderungen des Garguts an bzw. nahe dessen Oberfläche zu ziehen.
Der Kern des Garguts kann dabei als ein Kältepol angesehen werden. Je dünner ein Produkt ist, desto kleiner ist der Kältepol im Inneren und desto schneller wird die Oberfläche bzw. Randschicht des Garguts warm. Infolgedessen verändern sich auch die Materialparameter, insbesondere die dielektrischen Eigenschaften und mit ihnen die Eindringtiefe bzw. das Eindringvolumen elektromagnetischer Strahlung in das Gargut.
Bei dickeren Gargütern ist der Kältepol dagegen vergleichsweise groß und die Materialparameter der Randschichten verändern sich bei gleichem Garraumklima weniger schnell.
Die Materialparameterveränderungen im Gargut zwischen den Zeitpunkten t₁ und t₂ können über die Hochfrequenzeigenschaften des Garraums erfasst und ausgewertet werden.
Ist das Garraumklima bekannt kann dann mithilfe dieser Information auf die Garguthöhe, bzw. Gargutstärke geschlossen werden.
Die jeweilige Hochfrequenzeigenschaft kann dabei ein Verhältnis der elektromagnetischen Wellen, insbesondere der Amplituden elektromagnetischer Wellen, sein, die an den Einspeisepunkten des Garraums ein- bzw. auslaufen, beispielsweise an Antennen, die zum Einspeisen der elektromagnetischen Energie vorgesehen sind. Auch kann die Hochfrequenzeigenschaft ein Verhältnis der Phasen der ein- bzw. auslaufenden elektromagnetischen Wellen sein. Insbesondere kann die Hochfrequenzeigenschaft ein Streuparameter S sein.
Die entsprechenden elektromagnetischen Wellen, die erfasst werden, werden auch als vorwärtslaufende elektromagnetische Wellen bzw. als rücklaufende elektromagnetische Wellen bezeichnet.
Anhand der entsprechenden Hochfrequenzeigenschaft kann dann beispielsweise eine entsprechende Garraumeigenschaft Q für den Garraum bestimmt werden.
Die Bestimmung der Garraumeigenschaft Q aufgrund einer erfassten Hochfrequenzeigenschaft, insbesondere eines Streuparameters, ist beispielsweise in der DE 10 2019 127 620 A1 beschrieben, worauf verwiesen wird.
Insbesondere kann eine Garraumeigenschaft Q ein Maß für eine dielektrische Last im Garraum und/oder eine Garraumgüte sein, also die Güte des mit Gargut beladenen Garraums. Die dielektrische Last bzw. Garraumgüte des beladenen Garraums hängt dabei stark von dem im Garraum befindlichen Gargut und dessen Materialeigenschaften zum jeweiligen Zeitpunkt ab.
Aus den Garraumeigenschaften Q kann zu den verschiedenen Zeitpunkten wiederum mittels aus der Literatur bekannter Methoden auf die vom Gargut absorbierte Leistung und/oder die Eindringtiefe bzw. das Eindringvolumen der Strahlung in das Gargut geschlossen werden.
In einem finalen Schritt S7 des Verfahrens werden die Eindringtiefen bzw. Eindringvolumen der elektromagnetischen Strahlung in das Gargut zu den Zeitpunkten t₁ und t₂ ausgewertet und so auf kostengünstige und auf technisch einfache Weise Informationen über die Gargutstärke bzw. die Garguthöhe erhalten. Das Auswerten kann dadurch erfolgen, dass ein Verhältnis gebildet wird und/oder experimentell ermittelte und/oder abgespeicherte Werte mit den erhaltenen Werten verglichen werden.
In einer bevorzugten Variante des Verfahrens wird die Gargutstärke in Schritt S7 in Abhängigkeit eines Garraumklimas, insbesondere einer Garraumtemperatur, bestimmt. Neben dem Gargutmaterial und der Gargutgeometrie bestimmt auch das Garraumklima maßgeblich, wie schnell sich die Garguteigenschaften an der Oberfläche bzw. in der Randschicht des Garguts verändern. Bei höheren Garraumtemperaturen fällt die Änderung der Materialparameter und mit ihr die Änderung der Eindringtiefe bzw. des Eindringvolumens der elektromagnetischen Strahlen zwischen den Zeitpunkten t₁ und t₂ regelmäßig stärker aus als bei niedrigeren Garraumtemperaturen. Durch Berücksichtigung des Garraumklimas als Einflussgröße in Schritt S7 kann somit die Genauigkeit des Verfahrens verbessert werden.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist die in den Schritten S3 und S5 jeweils bestimmte Hochfrequenzeigenschaft ein Streuparameter S.
Streuparameter S sind grundsätzlich verhältnismäßig einfach zu bestimmen, nämlich mittels ein- bzw. auslaufender elektromagnetischer Wellen. Zudem werden die Streuparameter ohnehin bei vielen modernen Gargeräten mit Mikrowellenquelle standardmäßig zu Regelungszwecken erfasst.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann vorgesehen sein, in einem Zwischenschritt eine Garraumeigenschaft Q zu bestimmen. Insbesondere kann die Garraumeigenschaft Q eine dielektrische Eigenschaft der Beladung des Garraums charakterisieren, die das eingebrachte Gargut und/oder Garzubehör hat.
Die Garraumeigenschaft Q kann insbesondere durch Ableiten der in den Schritten S3 bzw. S5 erfassten Hochfrequenzeigenschaften nach der Frequenz und Integrieren der Ableitungsergebnisse berechnet sein. Hierdurch kann, im Vergleich zur Bestimmung der Garraumeigenschaften anhand statistischer Methoden oder mittels künstlicher Intelligenz, der Berechnungsaufwand und/oder die Berechnungszeit reduziert werden.
Bei der Integration handelt es sich insbesondere um eine numerische Integration der nach der Frequenz abgeleiteten Hochfrequenzeigenschaft, also deren Funktion. Dies kann mittels der Trapezregel erfolgen. Über die numerische Integration lässt sich das Schwingungsverhalten der Hochfrequenzeigenschaft auf eine reelle Zahl abbilden, die somit als deterministisches Maß verwendet werden kann.
Allgemein lässt sich die jeweilige Garraumeigenschaft des Garraums dadurch bestimmen, dass eine Betragsfunktion der nach der Frequenz abgeleiteten Funktion der Hochfrequenzeigenschaft gebildet wird, um eine Funktion des Betrags der nach der Frequenz abgeleiteten Funktion der Hochfrequenzeigenschaft zu erhalten, die integriert wird, insbesondere wobei der Betrag der nach der Frequenz abgeleitete Funktion numerisch integriert wird.
Besonders bevorzugt kann das gesamte Verfahren auch rein deterministisch sein, was bedeutet, dass es gänzlich ohne statistische und/oder stochastische Auswertungsschritte auskommt. Folglich ist das Verfahren entsprechend schnell und mit geringem Auswertungs- bzw. Berechnungsaufwand ausführbar. Die benötigte Rechenleistung lässt sich also reduzieren.
Insbesondere ist denkbar, dass das Eindringvolumen bzw. die Eindringtiefe in dem bzw. den Schritten S4 und/oder S6 anhand der Garraumeigenschaft Q bestimmt wird oder dieser entspricht.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Garraumeigenschaften für einen mit Gargut beladenen Garraum und/oder das Verhältnis der Eindringvolumina bzw. Eindringtiefen während eines Garvorganges kontinuierlich und/oder in regelmäßigen Zeitabständen bestimmt werden. Auf dieses Weise kann ein Garfortschritt verfolgt werden.
Mit anderen Worten ist ein Echtzeit-Monitoring möglich, sodass direkt auf Veränderungen der Absorptionseigenschaften des Garguts reagiert werden kann.
Gemäß einem weiteren Aspekt des Verfahrens wird die in Schritt S2 in den Garraum eingespeiste elektromagnetische Strahlung ausschließlich zum Bestimmen der Hochfrequenzeigenschaften des beladenen Garraums eingesetzt. Insofern kann die Leistung der eingebrachten elektromagnetischen Strahlung, insbesondere Mikrowellenstrahlung, eine Größe haben, die für das Garen des Garguts ungeeignet ist, da sie zu gering ist. Eine derartige Leistung wird auch als Sensorleistung bezeichnet, die ausschließlich zum Sensieren genutzt wird.
Zum Garen des Garguts können auch klassische Techniken wie Konvektion verwendet werden. Es ist beispielsweise möglich, in den beladenen Garraum eine Mikrowellenstrahlung einzuspeisen, um während eines konvektionsgetriebenen Garvorganges die Veränderung der Hochfrequenzeigenschaften des beladenen Garraums anhand des erfindungsgemäßen Verfahrens zu bestimmen bzw. zu überwachen. Mit anderen Worten wird die Mikrowellenstrahlung dann ausschließlich zum Sensieren genutzt.
Grundsätzlich kann aber auch vorgesehen sein, dass elektromagnetische Strahlung, insbesondere Mikrowellenstrahlung, zum Garen des Garguts genutzt wird, beispielsweise unterstützend zu klassischen Techniken oder sogar als ausschließliche Energiezufuhr zum Garen des Garguts.
Eine entsprechende Mikrowellenquelle kann zwischen einem Sensorbetrieb und einem Heizbetrieb hin- und herschalten, insbesondere wobei der Sensorbetrieb beispielsweise periodisch erfolgt, um eine Veränderung des Garguts periodisch zu erfassen.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung sieht vor, dass die Stärke des Garguts in Schritt S7 anhand einer gargutcharakteristischen Normkurve bestimmt wird. Insbesondere kann die Normkurve experimentell und/oder durch Maschinenlernen bestimmt sein und/oder einen Zusammenhang der Gargutstärke mit einem Verhältnis der Eindringvolumina bzw. Eindringtiefen zu den Zeitpunkten t₁ und t₂ charakterisieren. Es ist auch denkbar, dass zum Zwecke der Normkurvenerstellung und/oder -auswertung in Schritt S7 eine Mustererkennung, insbesondere eine künstliche Intelligenz, eingesetzt wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Startzeitpunkt t₀ und der erste Zeitpunkt t₁ identisch sind. Mit anderen Worten kann die Hochfrequenzeigenschaft des beladenen Garraums zu Beginn des Garprozesses bestimmt werden. Insbesondere kann das Bestimmen der Hochfrequenzeigenschaft mit dem Beginn des Garprozesses automatisch, also ohne Nutzereingabe, erfolgen.
Alternativ oder zusätzlich kann die Hochfrequenzeigenschaft aber auch vor Beginn des Garprozesses oder während des Garprozesses bestimmt werden.
In einer weiteren Ausführungsvariante des Verfahrens ist vorgesehen, dass zwischen den Zeitpunkten t₁ und t₂ eine vorgegebene Zeitspanne liegt, die bevorzugt größer als 50 Sekunden ist, besonders bevorzugt größer als 100 Sekunden ist und/oder die bevorzugt kleiner als 500 Sekunden ist, besonders bevorzugt kleiner als 250 Sekunden ist.
Es hat sich gezeigt, dass eine solche Zeitspanne bei typischen Garvorgängen hinreichend groß ist, um sicherzustellen, dass sich während der Zeitspanne garvorgangsbedingte Materialveränderungen im Gargut ergeben, die erfasst und ausgewertet werden können, um die Gargutstärke zu charakterisieren.
Ferner wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch ein Gargerät mit einem Garraum, wenigstens einem Mikrowellenmodul, das ausgebildet und eingerichtet ist, elektromagnetische Strahlung in den Garraum einzuspeisen, und einer Steuer- und/oder Auswerteeinheit, die ausgebildet und eingerichtet ist, ein Computerprogramm mit Programmcodemitteln zum Durchführen eines Verfahrens der zuvor beschriebenen Art auszuführen.
Die Vorteile und Eigenschaften, die vorstehend zum Verfahren beschrieben wurden, gelten selbstverständlich auch für das erfindungsgemäße Gargerät in entsprechender Weise.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung sowie aus den Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:

- 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Gargeräts, beladen mit einem Gargut;
- 2 ein Diagramm, das den Temperaturverlauf an der Oberfläche eines Garguts in Abhängigkeit einer Garzeit für verschiedene Gargutgrößen und Garraumklimas zeigt;
- 3 ein Diagramm, das das Eindringvolumen der elektromagnetischen Strahlung in das Gargut normiert auf das Eindringvolumen zum Garstartzeitpunkt über der Garzeit für verschiedene Gargutgrößen bei einem ersten Garraumklima zeigt;
- 4 ein Diagramm, das das Eindringvolumen der elektromagnetischen Strahlung in das Gargut normiert auf das Eindringvolumen zum Garstartzeitpunkt über der Garzeit für verschiedene Gargutgrößen bei einem zweiten Garraumklima zeigt;
- 5 ein Diagramm, das das Eindringvolumen der elektromagnetischen Strahlung in das Gargut normiert auf das Eindringvolumen zum Garstartzeitpunkt über der Garzeit für verschiedene Gargutgrößen bei einem dritten Garraumklima zeigt; und
- 6 ein Diagramm, das eine Garguthöhe des Garguts über das Eindringvolumen der elektromagnetischen Strahlung in das Gargut zu einem Garzeitpunkt normiert auf das Eindringvolumen zum Garstartzeitpunkt für verschiedene Gargutgrößen und Garraumklimas zeigt.

In 1 ist ein Gargerät 10 zum Bestimmen einer Gargutstärke, insbesondere Garguthöhe, eines Garguts 12 gezeigt. Das Gargerät 10 weist einen Garraum 14 und wenigstens ein oder mehrere Mikrowellenmodule 16 auf. Zur Vereinfachung ist in 1 lediglich ein Mikrowellenmodul 16 dargestellt.
Das wenigstens eine Mikrowellenmodul 16 umfasst eine Halbleiter-Mikrowellenquelle („Solid State Microwave Generator“ (SSMG)) und ist dazu ausgebildet und eingerichtet, Mikrowellenstrahlen in den Garraum 14 einzuspeisen. Die Mikrowellenstrahlen können dabei eine Frequenz aufweisen, die dazu geeignet ist, ein im Garraum 14 befindliches Gargut 12 zu erwärmen. Beispielsweise beträgt die Frequenz zwischen 2,1 GHz und 2,8 GHz, insbesondere bei ca. 2,4 GHz bzw. 2,45 GHz.
Zum Einspeisen in den Garraum 14 kann das wenigstens eine Mikrowellenmodul 16 beispielsweise mit einer Antenne und einem Richtkoppler (nicht gezeigt) ausgestattet sein. Es können aber auch pro Mikrowellenmodul 16 mehrere Antennen und Richtkoppler vorgesehen sein.
Die Richtkoppler - sei es diejenigen des einen Mikrowellenmoduls 16 oder die der mehreren Mikrowellenmodule 16 - ermöglichen eine getrennte Messung der an den jeweiligen Einspeisepunkten ein- und auslaufenden elektromagnetischen Wellen, indem diese zumindest teilweise mittels der Richtkoppler entsprechend getrennt voneinander ausgekoppelt werden.
Zudem kann das jeweilige Mikrowellenmodul 16 weitere Komponenten bzw. Bauteile umfassen, beispielsweise einen Modulator, einen Verstärker, einen Demodulator und/oder einen Regler (nicht gezeigt).
Im Ausführungsbeispiel ist das Gargerät 10 ein Kombigerät, welches neben dem wenigstens einen Mikrowellenmodul 16 über verschiedene weitere Baugruppen zum Garen eines Garguts verfügt, insbesondere eine Heißluftquelle 18 und eine Infrarotstrahlungsquelle 20. Selbstverständlich ist dies nicht einschränkend zu verstehen. Es sind auch erfindungsgemäße Gargeräte 10 denkbar, die neben dem wenigstens einen Mikrowellenmodul 16 keine oder beliebig viele weitere Baugruppen zum Garen des Garguts aufweisen können.
Ferner umfasst das Gargerät 10 eine Steuer- und/oder Auswerteeinheit 22, die mit dem wenigstens einen Mikrowellenmodul 16 verbunden ist. Die von den Richtkopplern getrennt voneinander ausgekoppelten ein- und auslaufenden elektromagnetischen Wellen werden an die Steuer- und/oder Auswerteeinheit 22 zur Auswertung weitergeleitet.
Des Weiteren weist das in 1 gezeigte Gargerät 10 einen Speicher 24 auf, in welchem ein Computerprogramm mit Programmcodemitteln abgelegt ist. Wenn das Computerprogramm durch eine Prozessoreinheit (nicht gezeigt) des Gargeräts 10 ausgeführt wird, veranlasst es die Steuer- und/oder Auswerteeinheit 22 dazu, ein Verfahren zum Bestimmen einer Gargutstärke, insbesondere Garguthöhe eines im Garraum 14 befindlichen Garguts 12 durchzuführen. Dieses Verfahren wird nachfolgend näher beschrieben.
Die Prozessoreinheit kann durch die Steuer- und/oder Auswerteeinheit 22 selbst ausgebildet sein bzw. kann die Steuer- und/oder Auswerteeinheit 22 die Prozessoreinheit aufweisen, sodass das Computerprogramm durch die Steuer- und/oder Auswerteeinheit 22 ausgeführt wird.
Zu Verfahrensbeginn wird ein Gargut 12 in den Garraum 14 des Gargerätes 10 eingebracht oder befindet sich bereits in diesem.
In einem ersten Schritt S1 des Verfahrens wird ein Garvorgang des Garguts 12 zu einem Startzeitpunkt t₀ gestartet. Mit dem Startzeitpunkt beginnt der Garvorgang.
Das Garen kann im Ausführungsbeispiel mittels Mikrowellen, Heißluft oder Infrarotstrahlung oder einer Kombination dieser Technologien erfolgen.
In einem zweiten Schritt S2 des Verfahrens wird mittels der Mikrowellenmodule 16 Mikrowellenstrahlung in den mit dem Gargut 12 beladenen Garraum 14 über einen definierten Frequenzbereich eingespeist.
Es ist denkbar, dass die in den Garraum 14 eingespeiste Mikrowellenstrahlung ausschließlich zum Bestimmen von Hochfrequenzeigenschaften und nicht zu Garzwecken eingesetzt wird, also lediglich zum Sensieren verwendet wird. Auch wenn dies nicht den bevorzugten Anwendungsfall abbildet, ergeben sich hierdurch größere Freiheiten bei der Auswahl der Strahlungsquelle.
In einem dritten Verfahrensschritt S3 wird zu einem ersten Zeitpunkt t₁ eine frequenzabhängige Hochfrequenzeigenschaft des beladenen Garraums 14 über den Frequenzbereich ermittelt.
Die Zeitpunkte t₀ und t₁ können dabei identisch sein. Es ist beispielsweise denkbar, dass die Hochfrequenzeigenschaft mit dem Beginn des Garprozesses automatisch bestimmt wird. Alternativ ist aber auch vorstellbar, dass das Bestimmen der Hochfrequenzeigenschaft zu einem beliebigen Zeitpunkt vor oder während es Garprozesses durch einen Nutzer initiiert wird.
Bei der frequenzabhängigen Hochfrequenzeigenschaft kann es sich insbesondere um zumindest einen Streuparameter S handeln, der an den Antennen erfasst wird. Zur Bestimmung des zumindest einen Streuparameters S können die vorlaufenden elektromagnetischen Wellen und die rücklaufenden elektromagnetischen Wellen mittels der zugeordneten Richtkoppler entsprechend ausgekoppelt werden.
In einem optionalen Zwischenschritt des Verfahrens kann die Steuer- und/oder Auswerteinheit 22 anhand der frequenzabhängigen Hochfrequenzeigenschaft eine Garraumeigenschaft Q bestimmen.
Die Garraumeigenschaft Q kann durch Ableiten der in den Schritten S3 erfassten Hochfrequenzeigenschaften nach der Frequenz und Integrieren der Ableitungsergebnisse berechnet sein.
Das Ableiten ermöglicht hierbei insbesondere eine Auswertung des Änderungsverhaltens der Hochfrequenzeigenschaft nach der Frequenz, oder bildlich ausgedrückt, von Steigungen in einer Auftragung der Hochfrequenzeigenschaft (im Ausführungsbeispiel S) über der Frequenz, also einer Funktion, die die Hochfrequenzeigenschaft in Abhängigkeit der Frequenz beschreibt.
Durch das anschließende numerische Integrieren kann das Änderungsverhalten der Hochfrequenzeigenschaft nach der Frequenz in einem oder mehreren charakteristischen Werten zusammengefasst werden, insbesondere in Form reeller Zahlen. Im Ausführungsbeispiel ergibt sich hierdurch ein deterministisches Maß für die Garraumeigenschaft Q des beladenen Garraums 14.
Insbesondere ist denkbar, dass die Garraumeigenschaft Q eine dielektrische Beladung des Garraums 14 charakterisiert. Diese wiederum ist im Ausführungsbeispiel maßgeblich von der Absorption elektromagnetischer Strahlung im Gargut 12 abhängig.
In einem vierten Verfahrensschritt S4 berechnet die Steuer- und/oder Auswerteeinheit 22 ein Eindringvolumen und/oder eine Eindringtiefe 26 der elektromagnetischen Strahlung in das Gargut 12 anhand der zum ersten Zeitpunkt t₁ erfassten Hochfrequenzeigenschaft.
Es ist denkbar, dass das Eindringvolumen und/oder eine Eindringtiefe 26 direkt aus der erfassten Hochfrequenzeigenschaft, im Ausführungsbeispiel dem Streuparameter S, abgeleitet wird.
Alternativ oder zusätzlich kann auch die im Zwischenschritt bestimmte Garraumeigenschaft Q ausgewertet werden, um das Eindringvolumen und/oder eine Eindringtiefe 26 in das Gargut 12 zu bestimmen.
Nachdem ein Wert für die Eindringtiefe bzw. das Eindringvolumen 26 bestimmt ist, wird das Gargut 12 im Ausführungsbeispiel eine vorgegebene Zeitspanne gegart bzw. weitergegart, bis ein Zeitpunkt t₂ erreicht ist.
Im Ausführungsbeispiel beträgt die Zeitspanne 120 Sekunden. Selbstverständlich ist dies nur exemplarisch zu verstehen. Je nach Anwendungsfall können auch kürzere oder längere Zeitspannen vorgesehen sein.
Zeitspannen von mehr als 50 Sekunden, insbesondere mehr als 100 Sekunden, sind hierbei bevorzugt, um sicherzustellen, dass es bis zum zweiten Zeitpunkt t₂ tatsächlich zu einer messbaren Gargutveränderung kommt.
Ferner ist denkbar, dass die Zeitspanne kleiner als 500 Sekunden, bevorzugt sogar kleiner als 250 Sekunden ist, um die Gargutstärke möglichst schnell ermitteln zu können. Es ist nicht notwendig abzuwarten, bis das Gargut 12 vollständig durchgegart ist, bevor die weiteren Verfahrensschritte durchgeführt werden.
Das Garen während der Zeitspanne kann, wie oben beschrieben, mittels Mikrowellenstrahlen und/oder einer der benannten weiteren Gartechnologien des als Kombigerät ausgebildeten Gargerätes erfolgen.
Durch das Garen kommt es im Ausführungsbeispiel zu einem Anstieg der Oberflächentemperatur des Garguts 12, welche insbesondere von der Gargutstärke sowie dem Garraumklima abhängt.
2 zeigt schematisch simulierte Temperaturen an der Oberfläche eines Garguts 12 in Abhängigkeit einer Garzeit für verschiedene Gargutstärken und Garraumklimas.
Die verschiedenen Garraumklimas sind dabei mit Klammern markiert. Die obere Klammer 28 steht für ein Klima, bei dem im Garraum 14 eine Temperatur von 250 °C vorliegt. Die mittlere Klammer 30 steht für eine Garraumtemperatur von 210 °C und untere Klammer 32 für eine Garraumtemperatur von 210 °C.
Je wärmer das Garraumklima ist, desto schneller erwärmt sich die Oberfläche des Garguts 12.
Die durchgezogenen Graphen 34 symbolisieren jeweils ein Gargut 12 mit geringer Produkthöhe, die fein gestrichelten Graphen 36 ein Gargut 12 mittlerer Produkthöhe und die grob gestrichelten Graphen 38 ein Gargut 12, welches eine vergleichsweise große Produkthöhe aufweist.
Aus 2 ist ersichtlich, dass sich große Gargüter 12 bei gleichem Garraumklima langsamer erwärmen als kleine. Dies liegt insbesondere daran, dass große Gargüter 12 in ihrem Zentrum über einen vergleichsweise großen Kältepol verfügen.
Folglich kommt es bei größeren Gargütern 12 bei gleicher Garzeit und gleichem Garraumklima auch zu einer vergleichsweise geringeren Gargutveränderung an der Oberfläche. Beispielsweise fällt bei gleicher Garzeit eine Antau- oder Anbacktiefe oder eine Krustenbildung geringer aus als bei einem kleineren Gargut 12.
Die von der Gargutstärke abhängigen Materialveränderungen an der Gargutoberfläche wiederum wirken sich auf die Eindringtiefe bzw. das Eindringvolumen 26 von elektromagnetischen Strahlen in das Gargut 12 aus und können somit erfasst und ausgewertet werden.
In einem fünften Schritt S5 des Verfahrens wird zu diesem Zweck zum zweiten Zeitpunkt t₂, also nachdem sich eine Materialveränderung an der Gargutoberfläche ergeben hat, erneut eine frequenzabhängige Hochfrequenzeigenschaft des beladenen Garraums 14 über einen definierten Frequenzbereich erfasst.
Dazu werden mittels der Mikrowellenmodule 16 zum Zeitpunkt t₂ Mikrowellenstrahlen in den Garraum 14 über den definierten Frequenzbereich eingespeist.
In Analogie zu Verfahrensschritt S3 kann es sich bei der erfassten Hochfrequenzeigenschaft um zumindest einen Streuparameter S handeln.
Vorzugsweise ist der in Schritt S5 genutzte Frequenzbereich identisch zu dem aus Schritt S3. Hierdurch ergibt sich eine gute Vergleichbarkeit.
Es kann auch vorgesehen sein, dass das Einspeisen der Mikrowellenstrahlung und das Erfassen der Hochfrequenzeigenschaft nicht nur zu den Zeitpunkten t₁ und t₂ erfolgt. Es ist insbesondere denkbar, dass während des gesamten Garprozesses kontinuierlich oder in regelmäßigen Zeitabständen, also periodisch, Mikrowellen in den Garraum 14 eingespeist und Hochfrequenzeigenschaften des Garraums 14 erfasst werden.
Dadurch ist auch ein Echtzeit-Monitoring möglich, sodass direkt auf Veränderungen der Absorptionseigenschaften des Garguts 12 reagiert werden kann. Dies kann zur Regelung eines Garprozess genutzt werden.
In einem sechsten Verfahrensschritt S6 bestimmt die Steuer- und/oder Auswerteeinheit 22 das zum Zeitpunkt t₂ vorliegende Eindringvolumen bzw. die Eindringtiefe 26 der elektromagnetischen Strahlung in das Gargut 12 anhand der erfassten Hochfrequenzeigenschaft.
Analog zu Schritt S4 kann dies direkt oder über eine in einem Zwischenschritt bestimmte Garraumeigenschaft Q geschehen.
In einem abschließenden siebten Schritt S7 ermittelt die Steuer- und/oder Auswerteeinheit 22 eine Gargutstärke aus den Eindringvolumina bzw. Eindringtiefen 26 zu den Zeitpunkten t₁ und t₂.
Dazu bildet Steuer- und/oder Auswerteeinheit 22 zunächst ein Verhältnis des Eindringvolumens bzw. der Eindringtiefe 26 zum Zeitpunkt t₂ mit dem Eindringvolumen bzw. der Eindringtiefe 26 zum Zeitpunkt t₁.
Wie oben beschrieben, entspricht im Ausführungsbeispiel der Zeitpunkt t₁ beispielsweise dem Startzeitpunkt t₀. Mit anderen Worten wird also das Eindringvolumen bzw. die Eindringtiefe 26 zum Zeitpunkt t₂ normiert auf den Startzeitpunkt t₀.
3 zeigt in einem Diagramm simulierte Verläufe des auf den Startzeitpunkt t₀ normierten Eindringvolumens 26 der elektromagnetischen Strahlung in das Gargut 12 über die Garzeit für verschiedene Gargutgrößen bei einer Garraumtemperatur von 170 °C.
Analog zur 2 symbolisiert der durchgezogene Graph 34 ein Gargut 12 mit geringer Produkthöhe, der fein gestrichelte Graph 36 ein Gargut 12 mittlerer Produkthöhe und der grob gestrichelte Graph 38 ein Gargut 12, welches eine vergleichsweise große Produkthöhe aufweist.
Ebenfalls eingezeichnet ist eine vertikale und gestrichelte Linie, welche für eine Garzeit von 120 Sekunden steht.
Wie oben bereits erläutert, entspricht dies der Zeitspanne, die zwischen den beiden für die Auswertung herangezogenen Zeitpunkten t₁ und t₂ liegt.
Aus 3 ist ersichtlich, dass nach 120 Sekunden Garzeit ein zur Auswertung hinreichend großer Unterschied zwischen den normierten Eindringvolumina 26 unterschiedlich großer Gargüter 12 vorliegt.
Die 4 und 5 zeigen ebenfalls simulierte Verläufe des auf den Startzeitpunkt normierten Eindringvolumens 26 über der Garzeit. In 4 wurde in der Simulation eine Garraumtemperatur von 210 °C angenommen, wogegen in 5 eine Temperatur von 250 °C angenommen wurde.
Aus einem Vergleich der 3, 4 und 5 ist ersichtlich, dass die Veränderung des Eindringvolumens 26 elektromagnetischer Strahlung in das Gargut 12 mit der Garzeit stark von der Garraumtemperatur abhängt.
Zum Ermitteln der Gargutstärke vergleicht die Steuer- und/oder Auswerteeinheit 22 den ermittelten Wert für das normierte Eindringvolumen 26 zum Zeitpunkt t₂ (also für eine Garzeit von 120 Sekunden) mit einer im Speicher 24 abgelegten Normkurve 40.
Es ist insbesondere denkbar, dass für unterschiedliche Garraumklimas verschiedene Normkurven 40 zur Verfügung stehen, von denen je nach Anwendung eine passende ausgewählt wird.
Die Normkurven 40 können beispielsweise vor Beginn des Verfahrens experimentell und/oder durch Maschinenlernen bestimmt worden sein. Insbesondere können die Normkurven 40 auch aus Simulationsergebnissen, wie in den 3 bis 5 dargestellt, abgeleitet sein.
6 zeigt ein Diagramm einer Garguthöhe über dem normierten Eindringvolumen 26. Im Diagramm sind drei verschiedene Normkurven 40 eingezeichnet.
Die als „x“ dargestellten Datenpunkte 42 und die dazugehörige Normkurve 40 wurden mittels einer Simulation für eine Garraumtemperatur von 170 °C ermittelt. Die als Kreis dargestellten Datenpunkte 44 stehen für eine Garraumtemperatur von 210 °C und die als Vierecke dargestellten Datenpunkte 46 für eine Garraumtemperatur von 250 °C.
Die Steuer- und/oder Auswerteeinheit 22 kann also je nach Garraumklima die passende Normkurve 40 auswählen und für das vorliegende normierte Eindringvolumen 26 die Gargutstärke schnell und auf technisch einfache Weise ermitteln.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102019127620 A1 [0016]

Claims

Verfahren zum Bestimmen einer Gargutstärke, insbesondere Garguthöhe, von einem in einem Garraum (14) befindlichen Gargut (12) mit den folgenden Schritten: S1. Starten eines Garvorgangs des Garguts (12) zu einem Zeitpunkt t₀, um das Gargut (12) im Garraum (14) zu garen; S2. Einspeisen von elektromagnetischer Strahlung in den mit dem Gargut (12) beladenen Garraum (14) über einen definierten Frequenzbereich; S3. Erfassen einer frequenzabhängigen Hochfrequenzeigenschaft des beladenen Garraums (14) über den definierten Frequenzbereich zu einem ersten Zeitpunkt t₁; S4. Bestimmen eines Eindringvolumens und/oder einer Eindringtiefe (26) der elektromagnetischen Strahlung in das Gargut (12) anhand der erfassten Hochfrequenzeigenschaft zum ersten Zeitpunkt t₁; S5. Erfassen einer frequenzabhängigen Hochfrequenzeigenschaft des beladenen Garraums (14) über den definierten Frequenzbereich zu einem zweiten Zeitpunkt t₂, welcher nach dem ersten Zeitpunkt t₁ liegt; S6. Bestimmen eines Eindringvolumens oder einer Eindringtiefe (26) der elektromagnetischen Strahlung in das Gargut (12) anhand der erfassten Hochfrequenzeigenschaft zum zweiten Zeitpunkt t₂; und S7. Bestimmen der Gargutstärke des Garguts (12) aus einem Verhältnis der Eindringvolumina bzw. Eindringtiefen (26) zu den Zeitpunkten t₁ und t₂.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bestimmen der Gargutstärke in Schritt S7 in Abhängigkeit eines Garraumklimas, insbesondere einer Garraumtemperatur, erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die in den Schritten S3 und S5 jeweils bestimmte Hochfrequenzeigenschaft ein Streuparameter S ist.
Verfahren nach Anspruch einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Zwischenschritt eine Garraumeigenschaft Q durch Ableiten zumindest einer der in den Schritten S3 und S5 erfassten Hochfrequenzeigenschaften nach der Frequenz und Integrieren der Ableitungsergebnisse berechnet wird, wobei die Garraumeigenschaft Q eine dielektrische Beladungen des Garraums (14) charakterisiert und wobei das Eindringvolumen bzw. die Eindringtiefe (26) in dem bzw. den Schritten S4 und/oder S6 anhand der Garraumeigenschaft Q bestimmt wird oder dieser entspricht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochfrequenzeigenschaft und/oder das Verhältnis der Eindringvolumina bzw. Eindringtiefen (26) während eines Garvorganges kontinuierlich und/oder in regelmäßigen Zeitabständen bestimmt wird bzw. werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die in Schritt S2 in den Garraum (14) eingespeiste elektromagnetische Strahlung ausschließlich zum Bestimmen von Hochfrequenzeigenschaften eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gargutstärke in Schritt S7 anhand einer gargutcharakteristischen Normkurve (40) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Startzeitpunkt t₀ und der erste Zeitpunkt t₁ identisch sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwischen den Zeitpunkten t₁ und t₂ eine vorgegebene Zeitspanne liegt, die bevorzugt größer als 50 Sekunden ist, besonders bevorzugt größer als 100 Sekunden ist und/oder die bevorzugt kleiner als 500 Sekunden ist, besonders bevorzugt kleiner als 250 Sekunden ist.
Gargerät mit einem Garraum (14), wenigstens einem Mikrowellenmodul (16), das ausgebildet und eingerichtet ist, elektromagnetische Strahlung in den Garraum (14) einzuspeisen, und einer Steuer- und/oder Auswertereinheit (22), die ausgebildet und eingerichtet ist, ein Computerprogramm mit Programmcodemitteln zum Durchführen eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 auszuführen.