DE2650856A1

DE2650856A1 - Verfahren und vorrichtung zum ueberwachen des temperaturanstiegs in einem material in einem mikrowellenherd

Info

Publication number: DE2650856A1
Application number: DE19762650856
Authority: DE
Inventors: John E Gerling; Gene E Tallmadge
Original assignee: Chemetron Corp
Current assignee: Chemetron Corp
Priority date: 1975-11-07
Filing date: 1976-11-06
Publication date: 1977-05-18
Also published as: US4009359A; GB1532077A; SE7612382L; JPS5284546A; CA1059217A; SE413217B

Description

DH -INS DlFL.-INQ M. SC- DII^L.-PHYB. DH. Oll»t-.-*HYS.

HÖGER - STELLRECHT - GRiESSBACH - HAECKER

PATENTANWiLTt IN S .'jTTOART

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k - 163
S.November 1976

Chemetron Corporation 111 East Wacker Drive Chicago, Illinois_r V.St.A.

Verfahren und Vorrichtung zum Überwachen des Temperaturanstiegs in einem Material in einem Mikrowellenherd

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen des Temperaturanstiegs in einem Material, welches in einem Mikrowellenherd erwärmt wird, dem elektromagnetische Energie zugeführt wird, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

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Es wurden bereits verschiedene Verfahren und Vorrichtungen vorgeschlagen, mit deren Hilfe das Zeitintervall ermittelt werden kann, für welches ein Mikrowellenherd in Betrieb sein muss, um in einem darin befindlichen Material, beispielsweise in einer Lebensmittelportion, die sich in den Ofen befindet, eine gewünschte Temperatur zu erzeugen.

Beispielsweise besteht die übliche Praxis darin, eine Zeituhr zu. verwenden, welche von einer Bedienungsperson entsprechend den Erfahrungen derselben mit einem bestimmten Nahrungsmittel eingestellt wird. Dies führt häufig zu Fehlern, da die von einer bestimmten Nahrungsmittelcharge absorbierte Energie in Abhängigkeit von der Beschaffenheit, der Menge und der Anfangstemperatur des Nahrungsmittels schwankt. Die genannten Faktoren sind aber durch die Bedienungsperson schwer zu bestimmen. Man hat daher versucht, das Ausmass des Temperaturanstiegs in dem Nahrungsmittel auf verschiedene Weise anzunähern, beispielsweise durch Verwendung eines besonderen analogen Elementes, welches etwa mit der gleichen Geschwindigkeit aufgeheizt wird, wie das Nahrungsmittel und folglich eine Anzeige der Temperatur liefern kann, welche das Nahrungsmittel zu einem bestimmten Zeitpunkt erreicht hat. Ein Beispiel für ein derartiges System ist in der US-PS 3 854 022 beschrieben, wo in eine Nahrungsmittelaufnahme ein Ferritelement eingebracht wird, v/elches so ausgewählt ist, dass seine Curie-Temperatur der gewünschten Endtemperatur des Nahrungsmittels entspricht, so dass das Ferritelement seine magnetischen Eigenschaften beim Erreichen der Curie-Temperatur verliert. Dies wird mittels geeigneter Schaltungen zum Abschalten des Mikrowellenherds-ausgewertet. Bei anderen Systemen wird die Temperatur des Nahrungs-

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mittels direkt mit einem Pyrometer gemessen. Ferner misst man die Temperatur einer besonderen Probe von ähnlicher oder vergleichbarer Art. In anderen Fällen wird die Lufttemperatur oder die Menge des von dem Nahrungsmittel freigesetzten Wasserdampfes ermittelt. Schliesslich wurde auch bereits vorgeschlagen / einen Temperaturmesser unmittelbar in dem Nahrungsmittel anzubringen. Diese Systeme arbeiten alle im wesentlichen nach dem Prinzip, dass die Temperatur des Nahrungsmittels direkt ermittelt wird oder dass eine Materialeigenschaft gemessen wird, die der Temperatur des Nahrungsmittels analog ist. Alle diese Systeme leiden jedoch unter gewissen Nachteilen. Die Verwendung von Temperaturmessern hat sich nicht nur als teuer erweisen, sondern auch als etwas unzuverlässig, während das direkte Einsetzen eines Thermoelements unpraktisch ist, insbesondere dort, wo ein wiederholter Einsatz des Mikrowellenherds erforderlich ist. Der Einsatz von analogen Einrichtungen bzw. Elementen, die permanent in dem Mikrowellenherd installiert sind, führt zu einer thermischen Hysterese, da die Gefahr besteht, dass die analoge Einrichtung nicht bei jedem Heizzyklus bei der gleichen Anfangstemperatur beginnt. Die Verwendung eines analogen Ferritelements funktioniert dann, wenn die zu erwärmenden Nahrungsmittelchargen die gleiche Anfangstemperatur besitzen wie das Ferritmaterial, wie dies bei verschiedenen kommerziellen Einrichtungen erreicht werden kann, beispielsweise in Krankenhäusern, in Bordküchen usw. Im allgemeinen Betrieb und insbesondere dort, wo verschiedene Arten und Mengen von Nahrungsmitteln in einem Selbstverkäufer aufgewärmt werden sollen, führt jedoch die Notwendigkeit, für jeden Ileizzyklus ein analoges Element vorzusehen, das die gleiche Temperatur besitzt wie die zu erwärmenden Nahrungsmittel, zu beträcht-

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lichen Nachteilen und Kosten. Es besteht daher ein Bedürfnis nach einem neuen und verbesserten System zur Überwachung von Mikrowellenherden zum Aufwärmen von Speisen.

In der vorliegenden 7mmeldung wird als Beispiel insbesondere die Erwärmung von Nahrungsmitteln bzw. Speisen erläutert. Die Modellvorstellungen und BJrläuterungen sind dabei besonders auf das Problem des Aufwärmens zuvor zubereiteter Speisen gerichtet. Ausserdem wird an einigen Stellen mit einer vorgegebenen Wassermenge anstelle einer entsprechenden Nahrungsmittelmenge gearbeitet. Es versteht sich jedoch, dass in der vorliegenden Anmeldung die Hinweise auf Nahrungsmittel (oder Wasser) nur als Beispiel zur Erläuterung der speziellen Überlegungen und Versuchsbedingungen zu verstehen sind und dass das erfindungsgemässe Verfahren grundsätzlich bei allen Materialien angewandt werden kann, welche in einem Mikrowellenherd aufgewärmt werden können. Ausserdem soll die Bezeichnung - Erwärmen nicht nur die Fälle erfassen, in denen ein Aufwärmen der genannten Materialien erfolgt, sondern auch diejenigen Falle, in denen diese Materialien gekocht v/erden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Überwachen eines Mikrowellenherds anzugeben, mit dem bzw. mit der die Nachteile der vorbekannten Systeme, welche oben erläutert wurden, vermieden werden. Insbesondere liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein überwachungsverfahren anzugeben, mit dessen Hilfe die Menge der in dem Mikrowellenherd befindlichen Materialien bei der Regelung der Heizdauer automatisch berücksichtigt wird. Dabei wird gleichzeitig angestrebt, dass man auf ein zu dem zu erwärmenden

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Material analoges Element verzichten kann.

Die gestellte Aufgabe wird durch ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art gelöst, welches gemäss der Erfindung durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet ist: Man misst die restliche Feldstärke des elektromagnetischen Feldes in dem
Herd an einer Stelle ausserhalb des Materials bzw. im Abstand von demselben, man verringert den gemessenen Wert der Feldstärke um einen ausreichenden Betrag, um einen Referenzwert zu erhalten, der dem Null-Bezugspegel bei maximaler Füllung des Herdes nahekommt, man ermittelt eine Anfangstemperatur
des in den Herd eingebrachten Materials, man wählt eine gewünscl· te Endtemperatur dieses Materials, man vergleicht die Änfangs- und die Endtemperatur, um ein der Temperaturdifferenz entsprechendes Bedarfssignal zu erzeugen, man integriert den verringerten, gemessenen Wert der Feldstärke mit einem Integrationsfaktor , welcher der Energieabsorption des Materials in dem Herd entspricht, um ein Integrationssignal zu erzeugen, welches mit der Zeit und entsprechend dem Temperaturanstieg in dem Material ansteigt, man vergleicht das Integrationssignal mit dem Bedarfssignal und man schaltet die Energiezufuhr für den Herd ab, wenn der Wert des Integrationssignals den Wert des Bedarfssignals erreicht.

Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemässen Verfahrens
besteht darin, dass durch Messung des elektromagnetischen
Feldes im Inneren des Mikrowellenherds Art und Menge des zu erwärmenden Materials automatisch berücksichtigt und zur Bestimmung des Zeitintervalls ausgewertet werden, welches erforderlich ist, um das Material bzw. die Speise auf die ge-

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wünschte Temperatur zu erwärmen.

Ein weiterer Vorteil von Verfahren und Vorrichtung gemäss der Erfindung besteht darin, dass mit elektronischen Schaltungen gearbeitet werden kann.

Es ist auch ein Vorteil der Erfindung, dass eine automatische Abschaltung des Mikrowellenherds erreicht werden kann, wenn sich in diesem kein zu erwärmendes Material befindet und/oder wenn eine vorgegebene Einschaltdauer überschritten wird.

Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn bei einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens der Benutzer die Möglichkeit hat, die Anfangstemperatur der zu erwärmenden Speise und die gewünschte Endtemperatur über Wählscheiben einzugeben, wobei das erfindungsgemässe System dann die zu erwärmende Speisemenge automatisch berücksichtigt, um die Erwärmung auf die gewünschte Endtemperatur herbeizuführen.

Für das Verständnis der vorliegenden Erfindung ist es erforderlich, zunächst gewisse grundsätzliche Überlegungen anzustellen, welche die Arbeitsweise von Mikrowellenherden betreffen, die Betriebsbedingungen derartiger Herde zu analysieren und die Möglichkeiten einer Korrelation gewisser Eigenschaften zu prüfen, um aus Messungen des elektromagnetischen Feldes im Herd unmittelbar die Menge der zu erwärmenden Speise oder dergleichen zu bestimmen und damit die Voraussetzung für die Regelung des Zeitintervalls zu schaffen, welches für die Aufheizung der

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Speisen auf die gewünschte Endtemperatur erforderlich ist.

Die theoretischen Grundlagen von Verfahren und Vorrichtung gemäss der Erfindung sowie ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens werden nachstehend im einzelnen in Verbindung mit einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein vereinfachtes elektrisches Ersatzschaltbild eines Mikrowellenherdes;

Fig. 2 eine graphische Darstellung der Energieabsorption in Abhängigkeit von der Menge des aufzuwärmenden Materials in einem Mikrowellenherd;

Fig. 3 eine graphische Darstellung der elektromagnetischen Feldstärke in Abhängigkeit von der Menge des in dem Herd befindlichen, zu erwärmenden Materials;

Fig. 4 eine graphische Darstellung der elektromagnetischen Feldstärke im Herd über der dem Herd zugeführten Leistung sowie eine errechnete Näherungskurve für diese Funktion und

Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Mikrowellenherdes und einer zugeordneten elektrischen Regelschaltung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens.

Das elektromagnetische Feld in einem Mikrowellenherd weist verschiedene Schwingungsmoden auf. Insgesamt kann der Mikrowellen-

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herd als eine Leistungsquelle P_ aufgefasst werden, welche gemäss Fig. 1 - mehrere parallel geschaltete Widerstände mit einer konstanten Leistung speist. Jedes die Leistungsquelle belastende Element ist als getrennter Widerstand dargestellt. Im einzelnen werden folgende Widerstände unterschieden: ein Verlustwiderstand R_n, welcher die Verluste in den Wänden des Heizraums, in Rollen, in Schwingungsstörern und in anderen Elementen des Heizraums berücksichtigt; ein Reflexionswiderstand R_R, welcher die reflektierte Leistung berücksichtigt; ein Absorptionswiderstand R„_T, welcher die Leistung berücksichtigt, welche, wenn überhaupt, in Abschlusswiderständen oder dergleichen verlorengeht; ein Nutzlastwiderstand R_T, welcher die dem zum erwärmenden Material zugeführte Nutzleistung berücksichtigt und welcher aus zwei Serienwiderständen R_x. und R(v) besteht, wobei der Serienwiderstand R(ν) denjenigen Anteil des Nutzlastwiderstandes R₁. darstellt, der von der Menge

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des aufzuwärmenden Materials abhängig ist. Die Annahme, dass der nachstehend als Mengenwiderstand bezeichnete Serienwiderstand R(ν) der Menge des zu erwärmenden Materials umgekehrt proportional ist, ist zulässig, so dass der Mengenwiderstand R(v) normiert und gleich 1/v gesetzt werden kann, wobei ν das Volumen des zu erwärmenden Materials ist, welches als äquivalente Wassermenge in Litern angegeben wird. Die Annahme des Serienwiderstandes R_v ist erforderlich, da bei einem sehr grossen Volumen ν der Mengenwiderstand R(v) im Vergleich zu den verbleibenden Parallelwiderständen so klein würde, dass sich rechnerisch eine Annäherung an einen Wirkungsgrad von 100% ergeben würde. Dies ist jedoch aus vielen Gründen nicht realistisch, beispielsweise weil die Mikrowellen bei einem grossen Körper aus zu erwärmendem Material nur eine endliche Eindring-

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tiefe besitzen. Der Serienwiderstand R„ ist also bei jedem

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realistischen Modell erforderlich, um einen asymptotisch anzunähernden oberen Grenzwert für den Wirkungsgrad im Heizraura zu schaffen. Im Hinblick auf das Ersatzschaltbild gemäss Fig. können die Widerstände R_L, R_ und R zu einem Widerstand R_g zusammengefasst werden, der parallel zu den Serienwiderständen R„ und R(v) bzw. 1/v liegt.

Die relativen Werte der erwähnten Widerstände können experimentell ermittelt werden. Es ist bequem, das schematische Modell hinsichtlich der Menge auf eine Wassermenge in Litern zu normieren, wie dies in der nachfolgenden Beschreibung geschieht. Die Menge des zu erwärmenden Materials ν ist also als äquivalente Wassermenge in Litern angegeben. In der Praxis liegt die Menge ν bei den üblichen Mikrowellenherden, die zum Aufwärmen verwendet werden, zwischen O (keine Beschickung) und einem Maximalwert von etwa einem (1) Liter Wasser.

Der Wirkungsgrad 'η ist als das Verhältnis der von der Nutzlast R_T = R-, + 1/v absorbierten Energie zur Gesamtenergie am Eingang des Hohlraums definiert. Es gilt also:

^Rs

(1)

Aus (1) ergibt sich, dass <η = O, wenn ν = O und dass bei ν-*· oo folgender Grenzwert erreicht wird:

^Rs

R_s + R_K (La)

- 10 -

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In (1) stehen zwei Unbekannte, nämlich R_g und R_R. Die normierten Werte dieser Widerstände können abgeleitet werden, wenn der Wirkungsgrad für zwei verschiedene Werte von ν gemessen wird. ,

Mit den Indizes 1 und 2 für die bekannten Grossen beim ersten bzw. zweiten Versuch ergeben sich folgende Zusammenhänge:

^RS und (2)

R_s + R_K

R_c

Aus (2) und (3) ergibt sich durch Auflösung nach R„ und R_x, folgendes:

±1 Π - \ 2⁾ " --i ⁽¹ ~Va^]

^V1 _^V2 " Ohm (4)

^rk -

ί- 2 «· 1

R = 1 (R_K + Vv₁) ₌ 2 (R_K + 1/v₂) (5)

^s 1 - η ι _ γι

¹ -1 ' -2

Die erzeugte Leistung P_G ist bekannt, so dass die Spannung V. für eine gegebene Belastung anhand des Ersatzschaltbildes ge-

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mass Fig. 1 berechnet werden kann, wobei sich folgende Gleichung ergibt:

R_S(R_K

1/2

(6)

Der Wert der Spannung V₁ ist insofern wichtig, als er eine Grosse darstellt, welche der Feldstärke E. (V/m) proportional ist, die bei einer bestimmten Spannung V. in dem Hohlraum vorhanden ist. Unter Verwendung der Gleichung (1) ist es nun möglich, eine theoretische Kurve des Wirkungsgrades für jedes Volumen der Last, d.h. des zu erwärmenden Materials, aufzuzeichnen. Es hat sich gezeigt, dass die in entsprechender Weise aufgezeichneten Versuchsergebnisse, welche in den Heizräumen von Mikrowellenherden ermittelt wurden, sehr dicht bei der Kurve liegen, welche aufgrund der obigen Gleichungen aufgezeichnet wurde.

Wenn die eingekoppelte Leistung P₁. pro Volumeneinheit wie folgt definiert wird:

(7)

dann ergibt sich:

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k — 163 λληλοι

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P_L = (7.a)

ν (Rg + R_K) +1

In den Fig. 2 und 3 ist der Verlauf von P und E entsprechend den Gleichungen (7) bzw. (6) dargestellt. Man erkennt, dass die eingekoppelte Leistung P_ gegen 0 geht, wenn die Last bzw. das Volumen des zu erwärmenden Materials zunimmt, während die elektrische Feldstärke E im Inneren des Heizraums sich einem endlichen Wert nähert.

Es soll nun gezeigt werden, dass der gemessene Wert der Feldstärke E so eingestellt werden kann, dass er ungefähr dem Wert der eingekoppelten Leistung P.. folgt, so dass mit Hilfe eines Ε-Feld-Sensors eine elektrische Schaltung derart angesteuert werden kann, dass sie ein solches Zeitintegral des Ε-Feldes entwickelt, dass der Wert j> P_L dt von 0 bis t (Joules eingekoppelt/l) ein fester Wert wird, welcher von Änderungen von ν oder P_ß unabhängig ist. Zur weiteren Erläuterung dieser Zusammenhänge wird auf Fig. 4 verwiesen, wo die gegenseitige Abhängigkeit von E und P_T für typische Werte

Xj

eines Mikrowellenofens dargestellt ist, bei dem folgende Betriebsparameter vorlagen:

P = 1 kW

R₅ - 5,333 Ohm

R_K = 1,333 Ohm

Bei.diesen Werten ergibt sich gemäss Gleichung (7) für die in

die Last eingekoppelte Energie P_T _ 1000 χ 5,333 .

1 + v(5,333 + 1 ,333)

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Ausserdem würden sich mit Hilfe der Gleichung (6) die entsprechenden Werte für V bzw. E errechnen.

Die mit Hilfe der Gleichungen (6) und (7) errechneten Werte sind in der folgenden Tabelle zusammengefasst:

	Tabelle	I
V	^PL	V(Sb* E)
	5333
0	4571	73,03
0,025	4000	68,74
0,05	3200	65,36'
0,1	2667	60,26
0,15	2286	56,62
0,2	1778	53,78
0,3	1455	49,94
0,4	1066,7	47,23
0,6	842,1	43,90
0,8	695,7	41,69
1,0	40,21

Man erkennt, dass die Last zwischen ν = 1 1 und einem Grenzwert von ν =0 liegt. Man erkennt ferner, dass sich das E-FeId ziemlich stetig längs einer Kurve 10 verändert, welche mit hoher Genauigkeit durch eine gestrichelt eingezeichnete Gerade 12 angenähert wird. Die vorstehenden Ausführungen machen folgendes deutlich; da bei einem vorgegebenen Material, welches erwärmt werden soll und welches eine vorgegebene spezifische Wärme hat, ist es bei vorgegebener Anfangstemperatur T₁ und beliebigem Volumen möglich, die für das Aufwärmen auf eine gewünschte Temperatur T₂ erforderliche Zeit durch Lösung der

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folgenden Integralgleichung zu ermitteln:

T - T = a J. (E (t ,ν) - b)dt (8)

In dieser Gleichung sind alle Variablen, die sich auf die Last in dem Herd, die Menge des zu erwärmenden Materials und die dem Herd zugeführte Leistung beziehen, sowie sämtliche übrigen Variablen durch die Variable E(t,v) erfasst, (welche der Stärke des elektromagnetischen Feldes im Heizraum an einer Stelle entspricht, die sich im Abstand von dem zu erwärmenden Material befindet). Weiter ist der Integrationsfaktor a eine Proportionalitätskonstante, welche die vorhandene Feldstärke mit der gewünschten Temperaturdifferenz Δ T verknüpft und der Berücksichtigung von Änderungen des Charakters der Last dient. Schllesslich wird die Konstante b entsprechend der Bedingung der minimalen Last im Herd festgelegt. Die Werte von a und b können experimentell ermittelt und dann dauernd beibehalten werden. Die gemessene Information hinsichtlich der elektromagnetischen Feldstärke und anderer Betriebsbedingungen, welche gemäss der verallgemeinerten Gleichung (8) in der Funktion E(t,v) Berücksichtigung findet, kann durch Vergleich mit einem vorgegebenen Bedarfswert T₃-T₁ zur Lösung der Integralgleichung hinsichtlich, der Grenze t verwendet werden.

Der Bedarfswert T - T₁ bzw. die gewünschte Temperaturdifferenz A T kann elektronisch, durch eine Spannungsdifferenz nachgebildet werden, während die Grosse der Funktion E(t,v) durch einen geeigneten Messkopf ermittelt werden kann, dessen Messsignal nach Integration mit dem Bedarfssignal verglichen wird.

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Wenn dann der Grenzwert t erreicht ist, dient ein Komparator dazu, Leistungsrelais zur Abschaltung des Mikrowellenherdes zu betätigen.

Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass das Verfahren und die Vorrichtung zur Steuerung der Menge der elektromagnetischen Energie, die einer Last in einem Mikrowellenherd zugeführt wird, erfindungsgemäss dadurch gekennzeichnet sind, dass die dem Herd zugeführte elektromagnetische Energie ein Feld erzeugt, welches eine Stärke besitzt, die entweder elektrisch oder magnetisch an einer Stelle gemessen wird, die sich im Abstand von der Last bzw. fern von dieser befindet. Es werden wählbare kompensierende Variable a und b eingeführt und die gemessene Feldstärke wird um den Faktor b reduziert, um hinsichtlich einer bekannten Maximallast eine Kompensation zu erzielen, bei der selbst das Vorhandensein eines Feldes nicht ausreicht, um irgendeinen merklichen Einfluss auf die Last zu erzeugen. Danach wird die Feldstärke als Funktion der Zeit ausgewertet und mit einer Geschwindigkeit a integriert. Das Ergebnis ist direkt mit der Energie verknüpft, welche der Last pro Mengeneinheit zugeführt wird und ist damit ein Mass für den Temperaturanstieg in der Last. Eine geeignete Einrichtung zum Ableiten einer Spannung erzeugt auf elektronische Weise ein Signal, welches die Anfangstemperatur und die gewünschte Endtemperatur der Last darstellt. Diese Differenz wird mit dem integrierten und kompensierten Ergebnis des FeIdmessystems verglichen und wenn sich dann gemäss Gleichung (8) herausstellt, dass die Ergebnisse gleich sind, schaltet ein geeigneter Schaltkreis die dem Mikrowellenherd zugeführte Leistung ab. Die Einzelheiten einer Schaltung,mit der die vor-

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stehend beschriebenen Ergebnisse erreicht werden, werden nachstehend anhand der Fig. 5 erläutert.

Fig. 5 zeigt einen Mikrowellenherd 20 beliebiger Bauart, der beispielsweise ein Mikrowellenherd sein kann, wie er von der Firma Litton Industries, Inc., Minneapolis, Minnesota, USA unter der Modellbezeichnung Nr. 70/40 vertrieben wird. Dieser Herd besitzt eine Türe 22, durch welche der Heizraum mit einem zu erwärmenden Material, beispielsweise einer Speise, beschickt werden kann. An der Vorderseite des Herdes ist ein Einschalter 24 vorgesehen sowie eine erste Kontrollampe 26, welche anzeigt, ob dem Herd Mikrowellenenergie zugeführt wird und eine zweite Kontrollampe 28, welche eingeschaltet wird, wenn die Schaltung bereit ist, dem Herd Mikrowellenenergie zuzuführen. Gemäss der Erfindung ist der Herd 20 mit einem Messkopf 30 ausgerüstet, welcher das elektromagnetische Feld im Abstand von der Last misst und beispielsweise als Messchleife am Ende eines Koaxialkabels ausgebildet sein kann. Der Messkopf 30 ist in einem bekannten Koaxialfitting 32 montiert. Der Messkopf 30 steht aus dem Koaxialfitting 32 in der Nähe einer Öffnung 34 in der Wand des Herdes vor, wie dies die Zeichnung zeigt. Der Messkopf 30 erzeugt auf einer übertragungsleitung 38 ein Signal, welches der Stärke des elektromagnetischen Feldes in dem Herd proportional ist. Dieses Signal wird über eine Video-Detektordiode CR-1 dem einen Eingang 40 eines filternden Verstärkers zugeführt, welcher aus einem integrierten Operationsverstärker IC-1A mit einem Kondensator C-1 im Rückkopplungszweig besteht. Zwischen dem Eingang 40 und Bezugspotential liegt dabei noch ein Widerstand R 4. Der Operationsverstärker IC-1A dient mit seinen zugeordneten Bauteilen dazu, das Ausgangssignal des

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Messkopfes 30 zu verstärken und zu filtern, um eine überlastung nachfolgender Stufen zu vermeiden. Im wesentlichen dient der Operationsverstärker IC-1A als aktives Filter zum Glätten des Ausgangssignals des Messkopfes 30. Ein zweiter Eingang 42 des Operationsverstärkers IC-1A ist mit dem Abgriff eines Potentiometers R 67 verbunden, welches zwischen Bezugspotential und negativer Speisespannung (-15) liegt. An dem Potentiometer R 67 kann der Wert b gemäss Gleichung (8) eingestellt werden. Die Zeitkonstante der filternden Verstärkerstufe wird durch den Kondensator C 1 und einen dazu parallelgeschalteten Widerstand R 3 bestimmt sowie durch die Gesamtverstärkung dieser Stufe. Die Verstärkerstufe ist so ausgebildet, dass die Welligkeit des Ausgangssignals des Messkopfes 3O auf etwa 1% des Anfangswertes verringert wird. Hierdurch wird es möglich, dass die nachfolgende Stufe auch bei Spitzenwerten des Ausgangssignals des Messkopfes 30 innerhalb praktisch realisierbarer Grenzen arbeitet.

Das Ausgangssignal· der filternden Verstärkerstufe wird dem Eingang eines Integrators mit einem Operationsverstärker IC-2 über einen veränderlichen Widerstand R 8 zugeführt. Mit Hilfe des Widerstandes R 8 wird die Geschwindigkeit bzw. die Verstärkung des Operationsverstärkers IC-2 geregelt und damit der Wert des Integrationsfaktors a in der Gleichung (8). Der Widerstand R 8 wird entsprechend der Art des in den Mikrowellenherd einzubringenden Materials eingestellt, wobei der einzustellende Wert experimentell ermittelt wird. Wie oben dargelegt, bleibt der Wert des Widerstandes R 8, wenn er einmal bestimmt ist, konstant, vorausgesetzt, dass in dem Ofen

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Materialien bzw. Speisen ähnlicher Art und vergleichbarer spezifischer Wärme erwärmt v/erden. Dies gilt speziell für das Wiederaufwärmen von zuvor gekühlten Speisen, beispielsweise von Speisen in einem Automaten mit einem Kühlabteil.

Das Ausgangssignal das Integrators läuft von einem vorgegebenen Bezugswert bei O Volt zu einem anderen Wert, der vom Zeitintegral des Eingangssignals abhängig ist. Das Ausgangssignal des Integrators liegt am einen Eingang eines Komparators in Form eines Operationsverstärkers IC-3, an dessen zweitem Eingang ein Bedarfssignal anliegt, dessen Erzeugung nachstehend noch erläutert wird. Das Ausgangssignal des Operationsverstärkers IC-3 kann nur zwei Werte einnehmen, die dem Zustand "ein" oder "aus" entsprechen, von denen in der Praxis beispielsweise die Spannungen O Volt und +5 Volt zugeordnet sind. Wie aus der nachstehenden Beschreibung noch deutlich werden wird, hat das Ausgangssignal des Operationsverstärkers IC-3 zunächst eine Spannung von +5 Volt und bleibt auf diesem Wert bis das integrierte Ausgangssignal des Operationsverstärkers IC-2 den vorgegebenen Bezugspegel erreicht, woraufhin das Ausgangssignal des Komparators auf O Volt umgeschaltet wird. Beim Umschalten auf O Volt ("aus"-Zustand) wird ein Transistor Q 1 durch entsprechende Ansteuerung seiner Basis gesperrt, wodurch das Abfallen eines Leistungsrelais 50 bewirkt wird, das seinerseits eine Leistungsquelle 52 ausschaltet, beispielsweise ein Magnetron des Mikrowellenherdes.

Das Bezugs- bzw. Bedarfssignal für den Komparator bildet die Temperaturdifferenz Λ T = T₂ - T. nach und wird von einem Operationsverstärker IC-IB erzeugt, der die Differenz der Ein-

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gangsSpannungen an seinen beiden Eingängen 60,62 bildet. Diese beiden Eingänge 60,62 sind mit den Abgriffen von Potentiometern R 22 und R 24 verbunden. Wie die einleitenden Ausführungen gezeigt haben, ist es zulässig, das Bedarfssignal durch eine lineare Funktion anzunähern, so dass lineare Potentiometer R-22 und R 24 verwendet werden können, welche mittels geeignet geeichter Wählscheiben-Zähler 64,66 verstellt werden können, in welche die Anfangstemperatur und die Endtemperatur direkt in Temperaturgraden eingegeben werden können. Beim Ausführungsbeispiel sind die Wählscheiben-Zähler 64,66 frei zugänglich. Bei gewissen Anwendungen, beispielsweise bei Selbstverkäufern, aus denen aufgewärmte Speisen verkauft werden, können sowohl die Anfangstemperatur als auch die Endtemperatur fest vorgegeben sein, so dass einstellbare Widerstände ohne zugehörige Wählscheiben-Zähler ausreichend sind. In anderen Fällen kann es jedoch wie beim Ausführungsbeispiel erwünscht sein, dass dem Benutzer die beschriebenen Einstelleinrichtungen zur Verfügung stehen. Es ist ein besonderer Vorteil der vorliegenden Erfindung, dass Einrichtungen mit linearer Skala, wie z.B. die Wählscheiben-Zähler 64 und 66 sowie lineare Potentiometer R 22, R 24 als Einstelleinrichtungen verwendet werden können. Der Operationsverstärker IC-1B arbeitet als Differenzverstärker mit zwei Eingängen, die aus stabilen Bezugsspannungsquellen gespeist werden und besitzt die Verstärkung 1. Wenn die Eingangsspannungen gleich sind, dann ist das Ausgangssignal des DifferenzVerstärkers IC-1B eine Spannung von O Volt. Wenn jedoch die Einstellung der gewünschten Endtemperatur, die an dem Potentiometer R 22 vorgenommen wird, in Richtung auf die Spannung von +15 Volt angehoben wird, dann wird die Ausgangsspannung des Differenzverstärkers IC-1B schrittweise zu einem

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Wert verschoben, der negativer ist als die Spannung von O Volt. Das Ausgangssignal des Differenzverstärkers ist also zwischen O und -5 Volt veränderbar und dient als veränderliche Bezugsspannung für den Komparator IC-3.

In Weiterbildung der Erfindung sind Abschalteinrichtungen vorgesehen, welche feststellen, wenn sich kein Material in dem Herd befindet und diesen abschalten, um eine Lichtbogenbildung oder andere mögliche Schäden zu vermeiden, wenn der Herd leer ist. Diese Abschalteinrichtungen bestehen aus einer Zenerdiode CR 7, welche in der Basiszuleitung eines Transistors Q 2 liegt. Sobald die Eingangsspannung einen vorgegebenen Pegel übersteigt, der durch die Zenerdiode CR 7 vorgegeben ist, schaltet diese durch und steuert den Transistor Q 2 leitend. An der Basis des Transistors Q 2 wird also eine positive Spannung angelegt, wodurch dieser Transistor eingeschaltet wird und wodurch ferner der Transistor Q 1 abgeschaltet wird, so dass das Leistungsrelais 50 für die Leistungsquelle 52 abfällt.

In Weiterbildung der Erfindung sind ferner überwachungseinrichtungen vorgesehen, welche feststellen, ob bei einem kontinuierlichen Betrieb des Mikrowellenofens ein vorgegebenes Zeitintervall überschritten wird. Ein derartiges Zeitintervall kann beispielsweise beim Aufwärmen von Speisen in der Grössenordnung von 10 bis 12 Minuten liegen. Die überwachungseinrichtungen weisen eine integrierte Schaltung IC-4 auf, welche als Zeitgeber dient und während des vorgegebenen Zeitintervalls ein "hohes" Ausgangssignal S erzeugt. Dieses Zeitintervall ist ausreichend lang gewählt, um einen der Heizzyklen durchzuführen, für die der Herd eingerichtet ist. Am Ende des Zeitintervalls

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fällt die Ausgangsspannung auf O Volt ab, wodurch der Transistor Q 1 gesperrt und die Leistungsquelle 52 für den Herd abgeschaltet wird.

Die Anfangsbedingungen werden mit Hilfe einer Reihe von Relais eingestellt, welche nachstehend beschrieben werden. Im einzelnen ist ein Relaiskontakt K 2A vorgesehen, welcher den integrierenden Kondensator C 2 des Integrators IC-2 überbrückt. Dieser Kontakt ist normalerweise geschlossen, öffnet jedoch bei Eintreffen eines Startsignals und ermöglicht damit dem Integrator den Beginn eines Integrationsvorganges, ausgehend von einem Bezugswert O. Ein weiterer Relaiskontakt K-2B ist mit dem Zeitgeber IC-4 verbunden und normalerweise offen. Dieser Relaiskontakt schliesst, wenn die Hochspannungs-Leistungsquelle 52 eingeschaltet wird und startet damit den Zeitgeber. Ein dritter Relaiskontakt K 2C ist normalerweise offen und schliesst am Beginn eines Arbeitszyklus des Zeitgebers, wodurch eine Verbindung zwischen dem Ausgang des letzteren und der Basis des Transistors Q 1 geschlossen wird. Ein weiterer Relaiskontakt K 1B ist normalerweise geschlossen und mit dem Ausgang des Zeitgebers IC-4 verbunden. Der Relaiskontakt K IB dient dazu, das Ausgangssignal S des Zeitgebers abzuleiten, wenn am Ausgang des Komparators IC-3 ein Spannungssprung auftritt oder wenn die Hochspannung aus irgendeinem Grund unterbrochen wird. Bei der Erläuterung der Schaltung gemäss Fig. 5 wurde auf eine Reihe von Baugruppen nicht näher eingegangen, da ihr Einsatz bzw. ihre Wirkungsweise für den Fachmann ohne weiteres auf der Hand liegen. Vorzugsweise werden für die wesentlichen Baugruppen der Schaltung gemäss Fig. 5 folgende handelsübliche Bauelemente verwendet:

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IC 1 RC 4558 DN Raytheon

IC 2 LM 307 N Raytheon

IC 3 LM 311 N Raytheon

IC 4 NE 555 V Signetics

K 1 62R2 - 12DC Sigma

K 2 68R3 - 120AC - SCO Sigma

K 10 68R3 - 120AC - SCO Sigma

Q 1 2N39O4 Motorola

Q 2 2N39O4 Motorola

Nachstehend soll nunmehr eine Versuchsreihe besprochen werden, welche mit einer erfindungsgemässen Vorrichtung durchgeführt wurde, wobei mit einer Tasse aus Polyurethan gearbeitet wurde, die ein Fassungsvermögen von 0,3 1 besass, die unterschiedlich hoch mit Wasser gefüllt wurde und die in der Mitte des Heizraums des Mikrowellenherdes angeordnet wurde, wobei die Potentiometer R 67 und R 8 geeignet eingestellt wurden. Es wurden die folgenden Ergebnisse erhalten, bei denen die Anfangstemperatur T- entsprechend einer Temperaturmessung an dem in den Ofen gestellten Wasser mit Hilfe des Wählscheiben-Zählers 64 eingestellt wurden. Die Endtemperatur T„ wurde jeweils an dem Wählscheiben-Zähler 64 eingestellt und entsprach der gewünschten Endtemperatur. Die Temperatur T war die gemessene Endtemperatur des Wassers, welche nach Abschalten des Ofens durch eine Temperaturmessung ermittelt wurde. Man sieht, dass die gemessenen Endtemperaturen ziemlich nahe bei der gewünschten Endtemperatur liegen. Damit ist nachgewiesen, dass das erfindungsgemässe Verfahren und die Vorrichtung zu seiner Durchführung, wie sie oben beschrieben wurden, auf zuverlässige Weise ein Vorausbestimmen einer gewünschten Endtemperatur ermöglichen. Die erforderlichen Einrichtungen sind dabei einfach, arbeiten direkt, sind weitgehend gegen Bedienungsfehler ge-

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schützt und sorgen automatisch für eine Berücksichtigung von Änderungen der Menge des aufzuwärmenden Materials, welches in den Herd eingebracht wird. Ausserdem ist es möglich, Änderungen der spezifischen Wärme des zu erwärmenden Materials in einem breiten Bereich durch eine entsprechende Voreinstellung zu berücksichtigen.

Die Versuchsergebnisse sind in der nachfolgenden Tabelle zusammengefasst :

T 0,05 1 0,1 1 0,25 1 ¹ 23,1°C 23,8°C 24,1°C

T₂ 60 °C 60 °C 60 °C

^Tgem ⁵⁹'⁴°^C 62,1⁰C 57,3⁰C

Aus der vorstehenden Beschreibung wird für den Fachmann ohne weiteres deutlich, dass ausgehend von dem beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiel zahlreiche Abwandlungen möglich sind. Beispielsweise kann das erfindungsgemässe Verfahren dahingehend modifiziert werden, dass anstelle eines einzigen Aufwärmschrittes ein Aufwärmzyklus mit mehreren Schritten durchgeführt wird, in dessen Verlauf die Leistung immer wieder ein- und ausgeschaltet wird, um zwischendurch einen Temperaturausgleich zu erzielen, wie dies beispielsweise in der oben erwähnten US-PS 3,854,022 beschrieben ist. Ferner können anstelle des beschriebenen Messkopfes mit einer Schleife zur Ermittlung der Feldstärke im Heizraum andere Typen von Sensoren

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verwendet werden, mit deren Hilfe die Feldstärke feststellbar ist, vorausgesetzt, dass ihr Ausgangssignal in ein elektrisches Signal umgesetzt werden kann.

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Leerse 11 e

Claims

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Patentansprüche :

Verfahren zum überwachen des Temperaturanstiegs in einem Material, welches in einem Mikrowellenherd erwärmt wird, dem elektromagnetische Energie zugeführt wird, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: Man misst die restliche Feldstärke des elektromagnet!- . sehen Feldes in dem Herd an einer Stelle ausserhalb des Materials bzw. im Abstand von demselben; man verringert den gemessenen Wert der Feldstärke um einen ausreichenden Betrag um einen Referenzwert zu erhalten, der dem Null-Bezugspegel bei maximaler Füllung des Herdes nahekommt; man ermittelt eine Anfangstemperatur (T..) des in den Herd eingebrachten Materials; man wählt eine gewünschte Endtemperatur (T-) dieses Materials; man vergleicht die Anfangs- und die Endtemperatur, um ein der Temperaturdifferenz (Λ T) entsprechendes Bedarf ssignal zu erzeugen; man integriert den verringerten gemessenen Wert der Feldstärke mit einem Integrationsfaktor, welcher der Energieabsorption des Materials in dem Herd entspricht, um ein Integrationssignal zu erhalten, welches mit der Zeit und entsprechend dem Temperaturanstieg in dem Material ansteigt; man vergleicht das Integrationssignal mit dem Bedarfssignal und man schaltet die Energiezufuhr für den Herd ab, wenn der Wert des Integrationssignals den Wert des Bedarfssignals erreicht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Integration und der Vergleich nach folgender

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Gleichung durchgeführt werden:

T-T = a5^fc [E(t,v) - b] dt

^z O

wobei T₃-T₁ = Δ T, wobei a = der Integrationsfaktor ist, welcher der Energieabsorption in dem in dem Herd befindlichen Material entspricht, und wobei t = die • jeweilige Betriebsdauer des Herdes ist.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Messeinrichtungen (Messkopf 30) zum Messen der restlichen Feldstärke des elektromagnetischen Feldes in dem Mikrowellenherd im Abstand von dem aufzuwärmenden Material vorgesehen sind, dass Reduziereinrichtungen (R 8) zum Reduzieren der gemessenen Feldstärke um einen ausreichend grossen Betrag vorgesehen sind, um einen Referenzwert zu erhalten, der dem Null-Bezugspegel bei maximaler Füllung des Herdes nahekommt, dass Einstelleinrichtungen (64,22) zum Einstellen einer Anfangstemperatur (T₁) des in den Herd eingebrachten Materials vorgesehen sind, dass Wähleinrichtungen (66,24) zum Vorwählen einer gewünschten Endtemperatur (T₂) des in den Herd eingebrachten Materials vorgesehen sind, dass Differenzbildungseinrichtungen (IC-1B) vorgesehen sind, um ein der Temperaturdifferenz (ΔΤ) entsprechendes Bedarfssignal zu erzeugen, dass Integrationseinrichtungen (IC-2, C 2) zum Integrieren des verringerten gemessenen Wertes der Feldstärke mit einem Integrationsfaktor vorgesehen sind,

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welcher der Energieabsorption des Materials in dem Herd entspricht, um ein Integrationssignal zu erzeugen, welches mit der Zeit und entsprechend dem Temperaturanstieg in dem Material ansteigt, und dass Vergleichseinrichtungen (IC-3) vorgesehen sind, mit deren Hilfe das Bedarfssignal und das Integrationssignal vergleichbar und die Leistungsquelle (52) für den Herd abschaltbar ist, wenn das Integrationssignal den Wert des Bedarfssignals erreicht.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass Abschalteinrichtungen (CR 7, Q 2) vorgesehen sind, mit deren Hilfe die Leistungsquelle (52) abschaltbar ist, wenn sich in dem Herd kein aufzuwärmendes Material befindet.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zeitgeber (IC-4) vorgesehen ist, mit dessen Hilfe ein Zeitintervall vorgebbar ist, an dessen Ende die Leistungsquelle (52) für den Herd unabhängig vom Ansprechen der Vergleichseinrichtungen (IC-3) abschaltbar ist.

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