DE19638355A1

DE19638355A1 - Verfahren zur Ermittlung des Siede- und Kochpunktes eines in einem Gargefäß aufgenommenen Kochguts

Info

Publication number: DE19638355A1
Application number: DE19638355A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dipl Ing Rothenberger; Martin Dr Ing Kornberger; Joachim Dr Ing Damrath
Original assignee: Gaggenau Werke Haus und Lufttechnik GmbH
Current assignee: BSH Hausgeraete GmbH
Priority date: 1996-09-19
Filing date: 1996-09-19
Publication date: 1998-04-02
Anticipated expiration: 2016-09-20
Also published as: DE19638355C2; EP0944293A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung des Siede- und Kochpunkts einer in einem Gargefäß aufgenommenen Flüssigkeit oder einem Gemenge aus Flüssigkeit und Kochgütern, insbesondere für die Regelung eines Kochvorganges in einem auf einer mit ei ner zumindest steuerbaren Heizvorrichtung ausgestatteten Koch stelle stehenden Gargefäß, wobei die bei einem Aufheizen des be füllten Gargefäßes durch das Entstehen und Zerplatzen von Dampf blasen verursachten Geräusche mit Hilfe mindestens eines schwin gungsempfindlichen Sensors erfaßt werden.

Die beispielsweise mit elektrischer Energie betriebenen Heizvor richtungen herkömmlicher Kochfelder werden meist durch manuell einstellbare, zeitlich getaktete Leistungsschalter angesteuert. Es erfolgt hierbei keine Rückmeldung der tatsächlich vorhandenen Temperatur der Kochzonen oder des Kochgutes. Der Benutzer ist gezwungen, die Einstellung manuell ständig so nachzuführen, daß ein gleichmäßiges Kochen erreicht wird. U.a. beim Kochen von Ge müse oder Teigwaren ist es relativ schwierig, den Kochvorgang ohne Überkochen aufrechtzuerhalten. Daher ist es oft erforder lich, das Kochgut nur simmernd auf einer Temperatur unterhalb des Kochpunkts zu halten.

Aus der DE 38 11 925 C1 ist eine Vorrichtung zum Regeln der Heizleistung eines elektrischen Heizelements einer Kochplatte bekannt. Bei dieser Vorrichtung ist in unmittelbarer Nähe zum Kochgefäß ein Temperaturfühler angeordnet. Mit Hilfe der gemes senen Temperatur wird durch Ein- und Ausschalten des Heiz elements die Heizleistung geregelt. Eine derartige Vorrichtung hat den Nachteil, daß die Siedetemperatur des Kochgutes, dessen Hauptbestand Wasser ist, u. a. vom ortsüblichen Luftdruck abhän gig ist. Da schon geringe Schwankungen des Luftdrucks eine Sie detemperaturabweichung von mehreren Grad Celsius erreichen, ist eine solche Temperaturregelung für einen gleichförmigen Kochvor gang ohne Oberkochen nur bedingt geeignet.

Wünschenswert ist ein Verfahren, das sich an der Vorgehensweise eines Benutzers bzw. Kochs orientiert. Der Benutzer kennt erfah rungsgemäß das den bevorstehenden Kochpunkt ankündigende, cha rakteristische Geräusch beim Auftreten der ersten Siedebläschen am Boden des Kochgefäßes. Das bekannte, zischende Geräusch, das sog. Blasensieden, entsteht durch lokales Oberschreiten des tem peraturabhängigen Dampfdrucks am Topfboden, resultierend in ört lich an Blasenkeimen ausgelösten, kleinen Siedeverzügen. Kurze Zeit später ändert sich das Geräusch beim Übergang zu einem sprudelnden Kochen, wenn also die Blasen vom Topfboden abreißen, aufsteigen und an der Flüssigkeitsoberfläche aufplatzen. Beim Übergang vom Blasensieden zum sprudelnden Kochen ändert sich die Amplitude und die spektrale Zusammensetzung des Geräusches.

Hierzu ist aus der DE 31 46 638 A1 eine Siedepunktregelung für Küchenherde bekannt. Das Meßglied für die Regelstrecke ist ein Körperschallsensor, der z. B. unterhalb des Kochgefäßes angeord net ist und den beim Sieden erzeugten Körperschall aufnimmt. Das elektrische Signal des Körperschallsensors wird über eine Aus werteeinheit mit Verstärker- und Filterfunktion dem Heizelement regler zugeführt.

Mit diesem Verfahren kann für ein bestimmtes Kochgefäß mit einer festgelegten Menge eines klar definierten Kochgutes und eine be stimmte Kochstelle das Einsetzen des Siedens wiederholbar er kannt werden. Sobald jedoch separat oder gemeinsam die Art und/oder die Größe des Kochgefäßes mit oder ohne Deckel, die Be füllung und/oder deren Viskosität, die Art und/oder die Größe der Kochstelle geändert werden, kann das Sieden nicht mehr ein deutig erkannt werden. Alle genannten Faktoren wirken je nach Kombination schwingungsdämpfend oder anregend. Sie verändern vielfältig das zur Identifikation des Siedens notwendige Ge räusch. Ein Herausfiltern der vielen Störschwingungen ist mit vertretbarem Aufwand nicht möglich.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher das Problem zugrunde, ein Verfahren zu finden, bei einem Kochvorgang, unabhängig von Kochort, Kochgutart, Kochgutmenge, Kochgefäß und Kochstelle, das Einsetzen des Siedens bzw. Kochens präzise zu erkennen und Meß signale zu generieren, die zuverlässig ein Stellglied zur Rege lung einer Kochstellenheizung beeinflussen können. Dabei sollen die aus dem Bereich des Standes der Technik bekannten Nachteile vermieden werden.

Die Lösung des Problems wird dadurch erzielt, daß das beim Koch vorgang entstehende Geräusch in einen nieder- und hochfrequenten Bereich aufgeteilt wird, wobei in jeden Bereich entweder für die gesamte Bandbreite oder für mehrere Frequenzen und/oder kleinere Frequenzbereiche aus dem Frequenzspektrum die Amplituden gemes sen werden. Jeweils aus den Amplituden des unteren und des obe ren Frequenzbereiches wird ein Mittelwert gebildet. Die beiden errechneten Mittelwerte werden regelmäßig miteinander ver glichen, wobei in der Phase des Blasensiedens der Mittelwert des unteren Frequenzbereichs unterhalb des Mittelwerts des oberen Frequenzbereichs liegt, während es sich in der Phase des spru delnden Kochens umgekehrt verhält. In der Aufheizphase wird nach dem Zeitpunkt, an dem der Mittelwert des unteren Frequenz bereichs den Mittelwert des oberen Frequenzbereichs übersteigt, die Energiezufuhr für die Heizvorrichtung unterbrochen oder ge drosselt, während in der Abkühlphase nach dem Zeitpunkt, an dem der Mittelwert des oberen Frequenzbereichs den Mittelwert des unteren Frequenzbereichs übersteigt, die Energiezufuhr wieder aufgenommen oder erhöht wird.

Dieses Verfahren ist an die physikalischen Vorgänge während des Siede- und Kochvorganges angepaßt und nutzt die Tatsache, daß jeder Phase des Kochvorganges - abhängig vom wäßrigen Kochgut - ein typisches Geräusch zuzuordnen ist. Ab ca. 90°C, bezogen auf Normaldruck, bildet sich ein typisches Siedegeräusch aus, das an einem hochfrequenten Zischen und einem deutlichen Anstieg der Gesamtlautstärke ab ca. 96°C erkennbar ist. Beim Übergang zum sprudelnden Kochen überlagert sich dem bisherigen Geräusch die durch die tieffrequentere Schwingung des Aufplatzens der an die Oberfläche gestiegenen Dampfblasen. Das Platzen der Dampfblasen regt zudem das Gargefäß zu niederfrequenten Vibrationen an. Der hier beschriebene physikalische Vorgang ist weitgehend unab hängig vom Kochort, der Art des wäßrigen Kochguts, von der Form, Größe, Art und Reinigungszustand des Gargefäßes und von der Kochstelle. Letztere kann z. B. eine Halogenlampe, eine Heiz spirale oder einen Gasbrenner als Heizvorrichtung haben.

Innerhalb der Aufteilung der beiden Frequenzbereiche liegt der untere Frequenzbereich unterhalb von 1000 Hz, während der obere Frequenzbereich darüber liegt. Hierbei kann zum einen der untere Bereich zwischen 100 und 1000 Hz liegen und zum anderen der obere Bereich zwischen 1000 und 5000 Hz. Die zu messenden Be reiche müssen jedoch nicht aneinandergrenzen.

Ferner können innerhalb eines Frequenzbereiches die Amplituden von 3 bis 10 Frequenzen oder Frequenzintervallen gemessen wer den. Die zu messenden Frequenzen oder Frequenzintervalle werden so gewählt, daß zumindest die für die Bauart der Kochstelle ty pischen Störschwingungen ausgespart werden. Ein Frequenzinter vall ist in der Regel ein Bruchteil einer Oktave.

Sowohl für den unteren als auch für den oberen Frequenzbereich werden die Mittelwerte der gemessenen Pegel gebildet, so daß sich bezogen auf den unteren Frequenzbereich ein sog. unterer Pegel und bezogen auf den oberen Frequenzbereich ein sog. oberer Pegel ergibt. Beide Pegel werden während dem Aufheizen des Koch gutes überwacht. Der Aufheizvorgang wird dabei in drei Erwär mungsphasen aufgeteilt. Die erste Phase ist die sog. Warmwasser phase, deren obere Grenztemperatur mit 70°C definiert wird. Die zweite Phase ist die sog. Simmerphase, in der das Kochgut heißer als 90°C ist, jedoch die Siedetemperatur noch nicht erreicht hat. Die dritte Phase ist die sog. Kochphase. In ihr hat das Kochgut bzw. die das Kochgut aufnehmende Flüssigkeit die Siede- bzw. Kochtemperatur erreicht.

In der Warmwasserphase liegen der untere und der obere Pegel je weils für sich unter einem gemeinsamen Grenzpegel. Im Gegensatz hierzu ergeben sich in den beiden heißeren Phasen Gesamtge räuschpegel, die den doppelten Grenzpegelwert übersteigen, wobei der Gesamtpegel im allgemeinen in der Simmerphase etwas höher ist. Des weiteren ist in der Simmerphase der untere Pegel klei ner als der obere Pegel. In der Kochphase ist es umgekehrt.

Die Verhältnisse der unteren und oberen Pegelwerte sowie der Ge samtpegelwerte zu dem Grenzpegelwert und dessen Vielfache können neben dem Vergleich der unteren und oberen Pegelwerte in den drei Erwärmungsphasen zur Plausibilitätskontrolle herangezogen werden.

Zur Erfassung der durch Erwärmung des Kochguts erzeugten Ge räusche können ein oder mehrere Sensoren an der das Gargefäß tragenden Vorrichtung der Kochstelle angeordnet sein. Der oder die Sensoren sind dabei als Mikrofone und/oder Beschleunigungs aufnehmer ausgebildet. Die das Gargefäß tragende Vorrichtung ist beispielsweise eine Glaskeramikplatte, ein Gasbrennergestell oder eine elektrische Heizplatte. Je nach Vorrichtung sind der oder die Sensoren in, unter oder auf ihr angeordnet. Vorzugs weise werden die Sensoren außerhalb oder am Rand der aufheiz baren Kochzone montiert.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus dem nachfol gend beschriebenen und schematisch dargestellten Ausführungs beispiel.

Fig. 1 Kochstelle mit Gargefäß und schematischer Beschaltung.

Fig. 2 Schallspektrums-Diagramm für einen mittelgroßen Edelstahltopf mit einer einlitrigen Wasserbefüllung.

Fig. 1 zeigt ein Glaskeramik-Elektrokochfeld (1) mit einem Strahlungsheizkörper (2) und dessen Anschlüsse an eine Strom quelle. Auf dem Kochfeld (1) steht ein Gargefäß (7). Unterhalb dem Kochfeld (1) ist neben der Kochzone im Abstand von ca. 35 mm vom Außenrand des Heizkörpers (2) eine Mikrofonkapsel (10) ange ordnet. Die Mikrofonkapsel (10) ist an eine Baugruppe (11) für die Signalverarbeitung und -auswertung angeschlossen. In dieser Baugruppe werden die dem Schalldruck proportionalen Signalpegel vorverstärkt einer Frequenzanalyseeinheit zugeführt. Die Fre quenzauflösung beträgt beispielsweise eine 1/12 Oktave.

Die in den verschiedenen Erwärmungsphasen für mehrere Frequenzen und/oder Frequenzintervalle oder den jeweiligen Frequenzbereich über eine festgelegte Zeitspanne von beispielsweise 1 sec gemes sen Pegel werden - ggf. über einen A/D-Wandler digitalisiert - getrennt für den unteren und oberen Frequenzbereich erfaßt und gemittelt. Zur Ermittlung des jeweiligen unteren und oberen Pe gels werden hierbei die einzelnen Meßwerte einer Filterung durch zwei Bandpässe mit den Eckfrequenzen 100/1000 Hz und 1/5 kHz un terzogen.

Zur Unterdrückung von Störungen durch Fremdschall wird neben dem zeitlichen Mitteln der einzelnen Meßwerte eine zusätzliche Mit telung und Auswertung von mehreren Zeitintervallen durchgeführt. Erst wenn beispielsweise über 5 bis 10 Zeitintervalle die Bedin gungen zum Erkennen des Übergangs vom Blasensieden zum sprudeln den Kochen - ggf. einschließlich der Plausibilitätsprüfung über den doppelten Grenzpegelwert - unverändert bleiben, wird ein Si gnal für eine Steuereinheit (12) zur Regelung der Heizleistung der Heizvorrichtung (2) generiert. Die gesamte Signalverarbei tung wird analog oder digital mit Hilfe eines Microcontrollers durchgeführt.

In der Steuereinheit (12) wird die Schalt- oder Regelinformation mit der Leistungsvorwahl am Bedienungselement (3) verglichen und entsprechend einem Leistungsschalter oder -regler (4) zur Be stromung der Heizvorrichtung (2) zugeführt.

In Fig. 2 ist ein Schallspektrums-Diagramm dargestellt. Es stellt jeweils ein Schallspektrum für ein Blasensiede- und ein Kochgeräusch von einem Liter Wasser in einem mittelgroßen nicht mit einem Deckel abgedeckten Edelstahltopf dar.

Im Diagramm ist auf der Ordinate der Schalldruckpegel in "dB" über der Frequenz in "Hz" aufgetragen. Es sind zwei verschieden dargestellte Kurven (21) und (31) zu erkennen. Die gestrichelte Kurve (21) zeigt die Gesamtgeräuschpegel während des Blasensie dens. Die durchgezogene Kurve (31) gibt den Pegelverlauf beim sprudelnden Kochen wieder. Sowohl für den unteren Frequenz bereich von 100-1000 Hz als auch für den oberen Bereich von 1000-5000 Hz sind für die Simmer- und Kochphasen die Bereichs mittelwerte durch die parallel zur Abszisse verlaufenden Ge radenabschnitte (23, 24) und (33, 34) dargestellt.

Dem Diagramm ist deutlich zu entnehmen, daß in der sog. Simmer phase der mittlere Schalldruckpegel (24) im oberen Frequenz bereich um ca. 12 dB höher liegt als der mittlere Schalldruck pegel (23) im unteren Frequenzbereich. Dagegen liegt in der Kochphase der mittlere Schalldruckpegel (33) im oberen Frequenz bereich um ca. 5 dB niedriger als im unteren. Auch ist erkenn bar, daß hier der Gesamtgeräuschpegel in der Simmerphase über dem der Kochphase liegt.

Bezugszeichenliste

Fig. 1
1 Glaskeramik-Elektrokochfeld
2 Strahlungsheizkörper, Heizvorrichtung
3 Bedienungselement
4 Leistungsschalter oder -regler
7 Gargefäß, Topf
10 Mikrofonkapsel, Mikrofon
11 Baugruppe für die Signalverarbeitung und -auswertung
12 Steuereinheit
Fig. 2
21 Schallpegelspektrum für die Simmerphase
23 mittlerer Schalldruckpegel der Simmerphase im unteren Frequenzbereich (100-1000 Hz)
24 mittlerer Schalldruckpegel der Simmerphase im oberen Frequenzbereich (1000-5000 Hz)
31 Schallpegelspektrum für die Kochphase
33 mittlerer Schalldruckpegel der Kochphase im unteren Frequenzbereich (100-1000 Hz)
34 mittlerer Schalldruckpegel der Kochphase im oberen Frequenzbereich (1000-5000 Hz)

Claims

1. Verfahren zur Ermittlung des Siede- und Kochpunkts einer in einem Gargefäß aufgenommenen Flüssigkeit oder einem Gemenge aus Flüssigkeit und Kochgütern, insbesondere für die Regelung eines Kochvorganges in einem auf einer mit einer zumindest steuerbaren Heizvorrichtung ausgestatteten Kochstelle stehenden Gargefäß, wobei die bei einem Aufheizen des befüllten Gargefäßes durch das Entstehen und Zerplatzen von Dampfblasen verursachten Geräusche mit Hilfe mindestens eines außerhalb des Gargefäßes angeordneten schwingungsempfindlichen Sensors erfaßt werden, dadurch gekenn zeichnet,

- daß aus dem im Bereich des Temperaturregelpunktes erfaßten Ge räusch-Frequenzspektrum ein begrenzter, oberer Frequenzbereich und ein davon zumindest teilweise abweichender, begrenzter un terer Frequenzbereich in je eine Auswertestrecke überführt wird,
- daß die Amplituden dieser beiden Frequenzbereiche ausgewertet werden,
- daß die beiden Auswerteergebnisse der Amplituden zueinander in ein Verhältnis gesetzt werden und
- daß bei Veränderung dieser Verhältnisbildung aufgrund von Ab nahme der Amplitudenstärke des unteren Frequenzbereichs und/oder Zunahme der Amplitudenstärke des oberen Frequenzbe reichs die Wärmezufuhr abgesenkt wird und bei Veränderung der Verhältnisbildung aufgrund von Zunahme der Amplitudenstärke des unteren Frequenzbereichs und/oder Abnahme der Amplitudenstärke des oberen Frequenzbereichs die Wärmezufuhr angehoben wird.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der schwingungsempfindliche Sensor (10) außerhalb des Gargefäßes (7) angeordnet ist.

3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

- daß bei mehreren Frequenzen und/oder kleineren Frequenzinter vallen oder einem Frequenzband aus dem Frequenzspektrum des Ge räusches, aufgeteilt in einen nieder- und hochfrequenten Be reich, die Amplituden gemessen werden,
- daß jeweils aus den Amplituden des unteren und des oberen Fre quenzbereiches ein Mittelwert gebildet wird,
- daß die beiden errechneten Mittelwerte regelmäßig miteinander verglichen werden, wobei in der Phase des Blasensiedens der Mittelwert des unteren Frequenzbereichs unterhalb des Mittel werts des oberen Frequenzbereichs liegt, während es sich in der Phase des sprudelnden Kochens umgekehrt verhält,
- daß in der Aufheizphase nach dem Zeitpunkt, an dem der Mittel wert des unteren Frequenzbereichs den Mittelwert des oberen Frequenzbereichs übersteigt, die Energiezufuhr für die Heizvor richtung unterbrochen oder gedrosselt wird, während in der Ab kühlphase nach dem Zeitpunkt, an dem der Mittelwert des oberen Frequenzbereichs den Mittelwert des unteren Frequenzbereichs übersteigt, die Energiezufuhr wieder aufgenommen oder erhöht wird.

4. Verfahren nach zumindest einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der untere Frequenzbereich unterhalb von 1000 Hz liegt, während der obere Frequenzbereich darüber liegt.

5. Verfahren nach zumindest einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb eines Frequenzbereiches die Amplituden von 3 bis 10 Frequenzen oder Frequenzintervallen gemessen werden.

6. Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeich net, daß der oder die Sensoren (10) an der das Gargefäß (7) tra genden Vorrichtung der Kochstelle (1) angeordnet sind.

7. Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeich net, daß der oder die Sensoren (10) als Mikrofone und/oder Be schleunigungsaufnehmer ausgebildet sind.

8. Verfahren nach zumindest einem der vorangegangen Ansprüche mit einer Glaskeramikplatte als Kochstelle, dadurch gekennzeich net, daß der oder die Sensoren (10) an der Unterseite der Glas keramikplatte (1) angeordnet sind.

9. Verfahren gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Sensoren (10) außerhalb der aufheizbaren Zone der Glas keramikplatte (Kochzone) angeordnet sind.