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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur berührungslosen Steuerung eines
Garvorgangs bei einem Gargerät
und ein Gargerät
zur Durchführung des
Verfahrens.
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Beispielsweise
ist ein gattungsgemäßes Verfahren
zur Steuerung des Garvorgangs bei einem Gargerät aus der
DE 29 35 862 A1 bereits
bekannt. Zur Durchführung
des bekannten Verfahrens gibt die Druckschrift ein Gargerät mit einem
Garraum, einen Sensor zur Erfassung einer Gaskonzentration in dem Garraum
und eine elektrische oder elektronische Steuerung an, die eine Auswerteschaltung
und einen Speicher aufweist und mit dem Sensor in Signalübertragungsverbindung
steht. Ferner weist das bekannte Gargerät mit der Steuerung in Signalübertragungsverbindung
stehende Wählschalter
und eine Heizquelle zur Beheizung des Garraums auf.
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Das
bekannte Verfahren ist wie folgt: Während des Garvorgangs wird
das als Ausgangsspannung ausgebildete Ausgangssignal des Sensors
in der Auswerteschaltung mit einer vorher festgelegten und in dem
Speicher abgespeicherten Vergleichs- bzw. Teilspannung verglichen.
Die für
den konkreten Garvorgang relevante Vergleichs- bzw. Teilspannung wird
durch das Betätigen
eines Wählschalters
des Gargeräts
vorher eingestellt. Sobald die Ausgangsspannung den Wert der relevanten
Vergleichs- bzw. Teilspannung erreicht hat, gibt die Auswerteschaltung
ein weiteres Ausgangssignal an einen als Steuerschaltung ausgebildeten
Rest der elektrischen bzw. elektronischen Steuerung ab, die daraufhin durch
Abschaltung der Heizquelle den Garvorgang beendet. Ein Nachteil
des bekannten Verfahrens ist, das es beispielsweise durch die Anzahl
von Wählschaltern
lediglich auf eine begrenzte Anzahl von Gargütern mit voneinander verschiedenen
Gardauern anwendbar ist.
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Der
Erfindung stellt sich somit das Problem ein Verfahren zur berührungslosen
Steuerung eines Garvorgangs anzugeben, das auf eine Vielzahl von Gargütern mit
voneinander verschiedenen Gardauern anwendbar ist.
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Erfindungsgemäß wird dieses
Problem durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs
1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben
sich aus den nachfolgenden Unteransprüchen.
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Die
mit der Erfindung erreichbaren Vorteile bestehen neben der Schaffung
eines Verfahrens zur berührungslosen
Steuerung eines Garvorgangs, das auf eine Vielzahl von Gargütern mit
voneinander verschiedenen Gardauern anwendbar ist, insbesondere darin,
dass das erfindungsgemäße Verfahren
einfacher realisierbar ist, da kein Vergleich zwischen dem Ausgangssignal
des Sensors und einem vorher festgelegten und abgespeicherten Referenzsignal
erforderlich ist. Hierdurch ist auch die Auswerteschaltung und damit
die elektrische oder elektronische Steuerung hinsichtlich der Schaltungstechnik
vereinfacht. Dies gilt insbesondere für alle Backvorgänge. Wie sich
durch Versuche herausgestellt hat, ist beispielsweise das Garzeitende
bei Backvorgängen
durch das erfindungsgemäße Verfahren
unabhängig
von Art, Form und Menge des Teigs bestimmbar. Damit ist die Bereitstellung
und Verwertung von zusätzlichen
Gargutinformationen nicht erforderlich, was auch den Bedienkomfort
für den
Benutzer verbessert. Darüber
hinaus ist das erfindungsgemäße Verfahren
unabhängig
von Garrezept, Betriebsart und Ofentemperatur anwendbar.
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Eine
vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lehre sieht vor, dass die
Konzentration eines Atmosphärengases,
mit Ausnahme von Kohlendioxid, durch den Sensor erfasst wird. Auf
diese Weise ist die Genauigkeit und die Wiederholbarkeit der mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren
ermittelten Messwerte und damit des erfindungsgemäßen Verfahrens
weiter verbessert, da die Menge an einem Atmosphärengas während des gesamten Garvorgangs
ausreichend groß ist,
um eine zuverlässige Messung
zu gewährleisten.
Aufgrund deren hoher Konzentration in der Atmosphäre sind
hier insbesondere Sauerstoff und Stickstoff zu nennen.
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Grundsätzlich ist
die auszulösende
Gargerätfunktion
in Art und Umfang in weiten geeigneten Grenzen wählbar. Zweckmäßigerweise
wird als Gargerätfunktion
das automatische Abschalten einer Heizquelle zur Beheizung des Garraums
und/oder ein Garzeitendesignal ausgelöst.
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Eine
weitere vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lehre
sieht vor, dass nach dem erstmaligen Erreichen des Extremwerts der
ersten Ableitung der Gaskonzentration nach der Zeit die Restgardauer
in Abhängigkeit
des Ausgangssignals des Sensors extrapoliert und auf einem Anzeigeelement
des Gargeräts
zur Anzeige gebracht wird. Hierdurch ist der Komfort für den Benutzer
ohne zusätzliche
Bauteile und damit kostengünstig
weiter verbessert.
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Grundsätzlich ist
es möglich,
dass der Extremwert ein Minimalwert oder ein Maximalwert ist. Zweckmäßigerweise
ist der Extremwert als Maximalwert ausgebildet.
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Eine
besonders vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lehre
sieht vor, dass das Ausgangssignal des Sensors in der Auswerteschaltung
erst nach Ablauf einer vorher festgelegten Vorlaufzeit nach dem
Beginn des Garvorgangs verarbeitet wird. Hierdurch ist gewährleistet,
dass Störungen des
Ausgangssignals während
eines Anfangszeitraums nach dem Beginn des Garvorgangs sich nicht in
ungewünschter
Weise auf die Verarbeitung des Ausgangssignals auswirken können.
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Der
Erfindung liegt ferner das Problem zugrunde, ein Gargerät zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens
anzugeben.
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Erfindungsgemäß wird dieses
Problem durch die im Anspruch 7 angegebene Lehre gelöst.
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Vorteilhafte
und zweckmäßige Weiterbildungen
der Lehre des Anspruchs 7 sind in den Ansprüchen 8 bis 10 angegeben.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in den Zeichnungen rein schematisch dargestellt
und wird nachfolgend näher
beschrieben. Es zeigt
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1 ein Temperatur-Zeit-Diagramm
zu dem erfindungsgemäßen Verfahren
und
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2 einen zeitlichen Verlauf
der Funktion f(1–O2) bzw. der ersten
Ableitung der Funktion f nach der Zeit, f'.
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Ein
nicht dargestelltes erfindungsgemäßes Gargerät ist als Elektroherd ausgebildet.
Das Gargerät
weist einen durch eine Tür
verschließbaren
Garraum, einen als Sauerstoffsensor ausgebildeten Sensor zur Erfassung
einer Gaskonzentration in dem Garraum und eine elektronische Steuerung
auf, die eine Auswerteschaltung mit einem Zeitglied und einen Speicher
enthält
und mit dem Sauerstoffsensor und einer als Widerstandsbeheizung
ausgebildeten Heizquelle zur Beheizung des Garraums in Signalübertragungsverbindung
steht. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel
wurde ein amperometrisch betriebener Festkörperelektrolyt-Sensor auf Zirkonoxidbasis
verwendet.
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Der
Garraum des erfindungsgemäßen Gargeräts wird
während
des Betriebs, wie üblich,
mit Umgebungsluft durchspült.
Dabei wird Umgebungsluft mittels eines in dem Gargerät angeordneten
Gebläses
durch Lufteinlassöffnungen
angesaugt und Wrasen über
einen Wrasenkanal aus dem Garraum abgesaugt. Hierbei ist das Volumen
der durch den Garraum gesaugten Umgebungsluft in jedem Fall deutlich
größer als
das Volumen der während
des Garvorgangs von dem Gargut abgegebenen Gase. Somit wird durch
den Sensor eine momentane Gaskonzentration detektiert, da die durch
den Garvorgang entstehenden Gase durch das Gebläse fortlaufend abgesaugt und
damit aus dem Garraum entfernt werden. Es kommt nicht zu einer Aufkonzentration dieser
Gase in dem Garraum.
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Das
erfindungsgemäße Gargerät kann wahlweise
mit oder ohne Katalysator ausgerüstet
sein, wobei der Katalysator auf dem Fachmann bekannte Weise in dem
Wrasenkanal angeordnet ist. Handelt es sich um ein Gargerät mit Katalysator
ist es grundsätzlich
vorteilhaft, den Sensor in Strömungsrichtung nach
dem Katalysator anzuordnen, da das an die Auswerteschaltung weitergeleitete
Ausgangssignal des Sensors auf diese Weise verstärkt wird. Dies ist der Fall,
weil die aus dem Gargut entweichenden und oxidierbaren Gasmoleküle durch
die Einwirkung des Katalysators oxidieren und so die Anzahl der
Gasmoleküle,
die die Atmosphärengase
verdrängen,
nach dem Katalysator ansteigt. Dabei wird Sauerstoff verbraucht.
Wird, wie in diesem Ausführungsbeispiel, ein
Sauerstoffsensor verwendet, so wird die Sauerstoffkonzentration
in stärkerem
Maße verringert
als bei einem Einbau in Strömungsrichtung
vor dem Katalysator. Werden Sensoren eingesetzt, die Gase detektieren,
die bei dem Garvorgang entstehen und von dem Gargut abgegeben werden,
wird deren Ausgangssignal aufgrund der Zunahme der Anzahl der Gasmoleküle ebenfalls
verstärkt.
Dadurch wird zum einen die Auswertung des Ausgangssignals und damit
die Steuerung des Garvorgangs weiter verbessert. Zum anderen ist
es möglich,
einen weniger empfindlichen und damit kostengünstigeren Sensor zu verwenden.
Ferner sind bei dem Ausführungsbeispiel
ebenfalls mit der Steuerung in Signalübertragungsverbindung stehende
Bedien- und Anzeigeelemente vorgesehen. Die Bedien- und Anzeigelemente dienen
beispielsweise dazu, die auszulösende
Gargerätfunktion,
wie beispielsweise "Schnellabkühlen", durch das automatische
Einschalten des Gebläses bzw.
die automatische Erhöhung
der Gebläsedrehzahl,
oder "Warmhalten", durch die automatische
Reduzierung der Heizleistung der Heizquelle, manuell festzulegen.
Denkbar ist auch, das dies über
die Anwahl eines in einem Speicher des Gargeräts abgespeicherten Rezepts
automatisch erfolgt.
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In 1 ist ein Temperatur-Zeit-Diagramm zu
dem erfindungsgemäßen Verfahren
mit zwei beispielhaften Temperaturverläufen für Backvorgänge gezeigt. Es ist jeweils
der Temperaturverlauf der niedrigsten Temperatur im Teig, also die
Kerntemperatur, dargestellt. Die Kurve a zeigt den Temperaturverlauf
bei einem auf einem Backblech ausgebreiteten Teig und die Kurve
b zeigt den Temperaturverlauf bei einem in einer Kuchenform befindlichen
Teig.
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Der
Teig auf dem Backblech und der Teig in der Kuchenform werden in
den Garraum eingebracht und die Tür wird geschlossen. Bei beiden
Proben handelt es sich um frisch zubereiteten Teig, so dass der
Teig jeweils Raumtemperatur, also etwa 20°C hat. Wird der Backvorgang
mittels des Bedienelements gestartet, also die Heizquelle eingeschaltet, steigt
die Temperatur in dem Teig auf dem Backblech schneller auf eine
Maximaltemperatur als die Temperatur des Teigs in der Kuchenform,
siehe Kurven a, b. Die Maximaltemperatur ist bei allen Backvorgängen etwa
98°C. Sobald
die Maximaltemperatur erreicht ist, ist der Backvorgang beendet
und die Heizquelle kann manuell vom Benutzer oder mittels der Steuerung
automatisch abgeschaltet werden.
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In
Versuchen wurde festgestellt, das die Gasabgabe der aus dem Gargut
entweichenden Gase und die Feuchtigkeitsabgabe bei der Maximaltemperatur,
also bei Beendigung des Backvorgangs, maximal ist. Danach sinkt
die Gasabgabe bzw. die Feuchtigkeitsabgabe aus dem Gargut wieder
ab, weil die chemischen Reaktionen in dem Gargut während des Garvorgangs
abgeschlossen sind und/oder weil das Gargut im weiteren zeitlichen
Verlauf trockener wird und deshalb auch weniger Wasserdampf aus dem
Gargut austritt.
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Ein
gutes Backergebnis ist beispielsweise erzielbar, wenn die Heizquelle
abgeschaltet wird, sobald die Gaskonzentration, bei dem Ausführungsbeispiel
die Sauerstoffkonzentration, in dem Garraum nach dem Beginn des
Garvorgangs und dem damit verbundenen Aufheizen des Garguts einen
Extremwert erreicht hat oder die erste Ableitung der Gaskonzentration
nach der Zeit nach dem erstmaligen Erreichen eines Extremwerts gleich
Null geworden ist. Bei der Verwendung eines Sauerstoffsensors würde der Extremwert
als Minimum ausgebildet sein, da der zu Beginn des Garvorgangs in
dem Garraum befindliche Sauerstoff während des Garvorgangs zum einen
von aus dem Gargut entweichenden Gasen und Feuchtigkeit verdrängt und
zum anderen bei dem Garvorgang durch chemische Reaktionen verbraucht
wird. Abweichend hiervon würde
bei der Messung von aus dem Gargut entweichenden Gasen der Extremwert als
Maximum ausgebildet sein. Gleiches gilt für die aus dem Gargut entweichende
Feuchtigkeit, also den Wasserdampf.
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Für die Verarbeitung
in der Auswerteschaltung ist es zweckmäßig, dass hierfür nur positive Werte
verwendet werden. Dies ist auf einfache Weise durch die Verwendung
der Funktion f(1– O2) anstelle der
Originalfunktion g(O2) ermöglicht,
siehe 2. Gleiches gilt
für die
erste Ableitung der Funktion f nach der Zeit f'.
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2 zeigt einen beispielhaften
zeitlichen Verlauf der Funktion f(1–O2) bzw.
der ersten Ableitung der Funktion f nach der Zeit, f'.
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Zu
Beginn des Garvorgangs, also bei t=0, hat die Funktion feinen Anfangswert,
der nur von der Sauerstoffkonzentration in der Umgebung abhängig ist.
Während
des Garvorgangs sinkt die Sauerstoffkonzentration, wie oben bereits
beschrieben, so dass der Wert von f steigt. Die Funktion f durchläuft dabei einen
Wendepunkt, also in dem das Maximum der Steigung von f durchschritten
wird, und steigt bis zu einem Maximalwert weiter an. Der diesem
Maximalwert zugeordnete Zeitpunkt tEnde ist
gleich dem Garzeitendezeitpunkt. Die vorher festgelegte Gargerätfunktion
wird ausgelöst.
Der weitere Verlauf von f ist für
das erfindungsgemäße Verfahren
zur Steuerung des Garvorgangs nicht mehr relevant.
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Hierbei
ist zu beachten, dass die Formulierungen Extremwert und Maximal-
bzw. Minimalwert nicht streng mathematisch zu verstehen sind. Bei
der vorliegenden Erfindung ist darunter ebenfalls ein Plateau zu
verstehen, also wenn die Gaskonzentration für eine Zeitdauer auf dem höchsten bzw.
niedrigsten Wert konstant bleibt.
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Wird
anstelle der Funktion f deren erste zeitliche Ableitung f zur Steuerung
des Garvorgangs verwendet, so ergibt sich der ebenfalls in 2 gezeigte beispielhafte
Kurvenverlauf f'.
Zu Beginn des Garvorgangs ist f'=0.
Während
des Garvorgangs steigt der Wert von f' und erreicht zu dem Zeitpunkt, an dem
f den Wendepunkt durchläuft
einen Maximalwert. Während
der Garvorgang weiter fortschreitet nimmt der Wert von f' wieder ab und erreicht
zu dem Zeitpunkt den Wert Null zu dem f den Maximalwert erreicht.
Somit ist der Garvorgang bei f'=0
beendet, also der Garzeitendezeitpunkt tEnde erreicht
und die Gargerätfunktion
wird ausgelöst.
Der weitere Verlauf von f' ist
für die
Steuerung des Garvorgangs nicht mehr relevant. Ein Vorteil bei der
Verwendung von f anstelle von f besteht darin, dass nach dem Durchlaufen
des Maximums für
f' die Restgarzeit
in Abhängigkeit
des Ausgangssignals des Sensors mit einer hohen Genauigkeit und
Reproduzierbarkeit in der Auswerteschaltung extrapoliert und auf
dem Anzeigeelement angezeigt werden kann, da der Zeitpunkt, zu dem
der Wert von f maximal wird, weit vor dem Garzeitendezeitpunkt tEnde liegt. Anstelle der Anzeige ist beispielsweise
auch das Auslösen
eines akustischen Signals denkbar.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
ist der Garzeitendezeitpunkt tEnde der Zeitpunkt,
bei dem das Gargut in dessen Kern fertig gegart ist. Beispielsweise
ist die Oberflächenbräune des
Garguts von der gewählten
Garraumtemperatur abhängig.
Gibt der Benutzer über
die Bedien- und
Anzeigeelemente eine hohe Garraumtemperatur ein bzw. wird diese durch
die Anwahl eines Rezepts für
den Garvorgang automatisch festgelegt, so wird die Oberflächenbräune des
Garguts zum Garzeitendezeitpunkt tEnde stärker sein
als bei einer niedrigeren Garraumtemperatur.
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Eine
andere mögliche
Ausführungsform sieht
vor, dass das Ausgangssignal des Sensors in der Auswerteschaltung
erst nach Ablauf einer vorher festgelegten Vorlaufzeit nach dem
Beginn des Garvorgangs verarbeitet wird. Hierdurch ist gewährleistet,
dass Störungen
des Ausgangssignals während eines
Anfangszeitraums nach dem Beginn des Garvorgangs sich nicht in ungewünschter
Weise auf die Verarbeitung des Ausgangssignals auswirken können. Beispielsweise
können
Störungen
des Ausgangssignals durch Schnellaufheizen, also ein Aufheizen mit
der maximalen Heizleistung, oder durch das Einschalten eines Umluftgebläses bedingt
sein. Die Folge sind lokale Extremwerte, also lokale Minimal- und
Maximalwerte. Dabei kann die Zeitdauer für die Vorlaufzeit beispielsweise
durch Versuche ermittelt und festgelegt werden.
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Die
Verarbeitung des Ausgangssignals des Sensors in der elektronischen
Steuerung für
die letztgenannte Alternative ist nachfolgend näher erläutert:
Die Heizquelle
des Gargeräts
ist ausgeschaltet und eine Kuchenform mit dem Teig ist in den Garraum eingestellt.
Die Tür
ist geschlossen. Das Ausgangssignal des Sauerstoffsensors, beispielsweise
eine von der Sauerstoffkonzentration in der Umgebung abhängige elektrische
Spannung, wird über
eine elektrische Leitung an die Auswerteschaltung der elektronischen
Steuerung übermittelt.
Dem Ausgangssignal wird mittels des Zeitglieds der Auswerteschaltung eine
Zeitinformation zugeordnet. Das aus Ausgangssignal und Zeitinformation
gebildete Wertepaar wird anschließend zur weiteren Verwendung
in der Auswerteschaltung in dem Speicher abgespeichert. Da sich
das Ausgangssignal des Sauerstoffsensors in Abhängigkeit von der Zeit noch
nicht geändert
hat, ist f=0. Nachdem die Heizquelle des Gargeräts mittels des Bedienelements
eingeschaltet worden ist, also die Heizquelle mittels der elektronischen
Steuerung mit einer elektrischen Netzspannung elektrisch leitend
verbunden worden ist, erwärmt
sich der Garraum und damit auch der darin befindliche Teig.
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Während des
Garvorgangs, steigt die Konzentration an Gasen, die aus dem Gargut
entweichen an, so dass die Sauerstoffkonzentration und damit das
elektrische Ausgangssignal verringert wird. Analoges gilt für den aus
dem Gargut entweichenden Wasserdampf. Dadurch erhöht sich
der in der Auswerteschaltung erzeugte Wert für f bis auf einen Maximalwert.
Dies wird durch den fortlaufenden Vergleich der abgespeicherten
Wertepaare mit dem aktuell in der Auswerteschaltung gebildeten Wertepaar durch
die elektronische Steuerung automatisch erkannt. Danach fällt der
Wert von f wieder ab. Die hierbei von dem Sauerstoffsensor an die
Auswerteschaltung übermittelten
Ausgangssignale werden zur Extrapolation der Restgardauer durch
die Auswerteschaltung und deren Anzeige auf dem Anzeigeelement verwendet.
Dabei wird der weitere Verlauf von f mittels einer vorher festgelegten
und in dem Speicher abgespeicherten Näherungsfunktion, beispielsweise der
Geradengleichung, und dem aktuellen Ausgangssignal fortlaufend extrapoliert
und die Zeitdauer bis zum Erreichen der Bedingung f'=0, also die Restgardauer,
bestimmt. Ist die Bedingung f'=0
tatsächlich
erfüllt,
wird die Heizquelle mittels der elektronischen Steuerung abgeschaltet
und ein Garzeitendesignal auf dem Anzeigeelement angezeigt.
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Abweichend
von dem vorliegenden Ausführungsbeispiel
können
auch Konzentrationen von durch den Garvorgang erzeugten Gasen oder
von anderen Atmosphärengasen,
mit Ausnahme von Kohlendioxid, verwendet werden. Einen Sonderfall bildet
hierbei Wasserdampf, da Wasserdampf in der Atmosphäre vorhanden
ist und darüber
hinaus bei allen Backvorgängen
erzeugt bzw. freigesetzt wird. Ferner ist neben oder alternativ
zu dem Abschalten der Heizquelle auch das Auslösen anderer Gargerätfunktionen
denkbar. Beispielsweise kann das Erreichen des Garzeitendes auf
dem Anzeigeelement des Gargeräts
angezeigt werden und/oder die Heizleistung der Heizquelle derart
verringert werden, dass in dem Garraum eine Warmhaltetemperatur
herrscht. Ferner ist auch das Auslösen eines Schnellabkühlens des
Garraums bzw. des Garguts denkbar.
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Die
Erfindung ist nicht auf die vorgenannten Ausführungen bzw. auf Backvorgänge beschränkt. Beispielsweise
ist das erfindungsgemäße Verfahren und
das Gargerät
zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
für die
Steuerung des Garvorgangs bei Fleisch oder Gemüse geeignet. Darüber hinaus
ist das erfindungsgemäße Verfahren
nicht auf eine Auswahl von Rezepten, Betriebsarten oder Ofentemperaturen
beschränkt.