DE3138026C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung
zur Steuerung eines Magnetrons für Mikrowellenöfen mit den
in den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 und 2 angegebenen
Merkmalen. Ein solches Verfahren bzw. eine solche Vorrichtung
ist aus der FR-OS 24 50 024 bekannt.
Das Kochen mit herkömmlichen Gas- oder Elektroöfen ist relativ
unkompliziert, wenn man es mit dem Kochvorgang in einem
Mikrowellenofen vergleicht. Im allgemeinen müssen nur die
Temperatur und Zeit als Parameter berücksichtigt werden. Der
Ofen wird normalerweise auf eine bestimmte Temperatur vorgeheizt.
Anschließend wird das Kochgut während einer bestimmten
Zeitspanne in den Ofen verbracht, wobei die Zeitspanne
eine Funktion des Gewichts des Kochgutes sein kann. Ein
Truthahn wird beispielsweise bei einer Temperatur von etwa
180°C gekocht, wobei die Kochzeit etwa 20 Minuten pro Pfund
beträgt. Die Wärme wandert in einem herkömmlichen Brat- oder
Backofen von der Oberfläche des Kochgutes allmählich durch
Wärmeleitung nach innen, wodurch die Innentemperatur ansteigt
und die physikalischen Änderungen hervorgerufen werden,
die Bestandteil des Kochprozesses sind. Es ist ein typisches
Merkmal eines solchen Kochvorgangs, daß die Kochzeit
um so länger ist, je größer das Kochgut ist und je mehr es
wiegt. Ein Blick in die meisten Koch- und Rezeptbücher
zeigt, daß die Kochzeit eine von dem Gewicht des Kochgutes
linear abhängige Funktion ist.
Bekanntlich arbeiten Mikrowellenöfen nach einem anderen
Prinzip. Das in dem Ofenraum wirksame Mikrowellenfeld, das
keine Erhöhung der Lufttemperatur erwirkt, wird von dielektrischen
Materialien absorbiert und bewirkt eine innere Erwärmung
dieser Materialien. Aufgrund des für Mikrowellenöfen
geltenden anderen Kochprinzips ist die Bestimmung der Kochzeit
als eine von dem Gewicht linear abhängige Funktion nicht
praktikabel.
Bei einer aus der FR-OS 24 50 024 bekannten Vorrichtung zur
Steuerung eines Magnetrons für einen Mikrowellenofen befindet
sich in diesem eine Waage, welche eine Steuereinrichtung
zur Bestimmung der Einschaltzeit des Magnetrons in linearer
Abhängigkeit von dem Gewicht des Kochgutes beeinflußt.
Aus der DE-AS 26 22 308 und der DE-AS 27 06 367 ist es ferner
bekannt, die Energiezufuhr zum Ofenraum eines Mikrowellenofens
in Abhängigkeit von einem bestimmten augenblicklichen
Behandlungszustand des Gargutes oder Kochgutes zu
steuern. Bestimmte Behandlungs- und Erwärmungsaufgaben, etwa
das Erwärmen von Suppe, lassen sich mit diesen Vorrichtungen
nicht bewältigen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und
eine Vorrichtung zur Steuerung eines Magnetrons des Mikrowellenofens
anzugeben bzw. zu schaffen, derart, daß unter
Berücksichtigung des für Mikrowellenöfen geltenden, gegenüber
herkömmlichen Öfen anderen Kochprinzips eine genaue Bestimmung
der für eingegebenes Kochgut erforderlichen Kochzeit
ermöglicht wird.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung
zur Steuerung des Magnetrons eines Mikrowellenofens mit den
Merkmalen von Patentanspruch 1 bzw. 2 gelöst. Eine vorteilhafte
Weiterbildung der Vorrichtung gemäß der Erfindung ist
in Anspruch 3 gekennzeichnet.
Im folgenden seien Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand
der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 die Frontansicht eines Mikrowellenofens in teilweise
geschnittener Darstellung,
Fig. 2 eine Seitenansicht des Mikrowellenofens entsprechend
der Linie 2-2 von Fig. 1,
Fig. 3 eine Draufsicht des Mikrowellenofens entsprechend
der Linie 3-3 von Fig. 1,
Fig. 4 eine Einzelheit der in den Mikrowellenofen inkorporierten
Waage, nämlich das Federglied, die
Lichtquelle und den optischen Empfänger, in
einer von der Ausführung gemäß Fig. 1, 2 und 3
abweichenden Ausführungsform,
Fig. 5 ein Blockschaltbild eines Mikrowellenofens,
Fig. 6 eine Darstellung des Bedienungsfeldes des Mikrowellenofens
in einer gegenüber Fig. 1 vergrößerten
Darstellung,
Fig. 7 ein Flußdiagramm des Programms für den Mikrowellenofen,
Fig. 8 ein Operationsdiagramm des Mikrowellenofens unter
Verwendung des Flußdiagramms von Fig. 7,
Fig. 9 das in Verbindung mit dem Flußdiagramm von Fig. 7
verwendete Interruptschema,
Fig. 10 ein weiteres Ausführungsbeispiel des in
Fig. 5 verwendeten Mikroprozessors und der zugeordneten
Hardware,
Fig. 11 zeigt eine Seitenansicht der Waage bei einem
Mikrowellenofen mit bodenseitiger Energieeinspeisung,
Fig. 12 zeigt eine der Linie 12-12 von Fig. 11 entsprechende
Draufsicht des Mikrowellenofens gemäß Fig. 11.
Der in Fig. 1 in teilweise geschnittener Darstellung gezeigte
Mikrowellenofen besitzt einen Ofenraum 10, in
dem sich ein mit 12 bezeichnetes Kochgut befindet. Der
Ofenraum 10 besitzt eine Zugangsöffnung, die mittels
einer nicht dargestellten Tür verschließbar ist. Im
Rahmen der vorliegenden Beschreibung sollen bekannte
Komponenten wie beispielsweise die Dichtungskonstruktion
der Tür nicht näher erläutert werden. Die Mikrowellenenergie,
die vorzugsweise eine Frequenz von 2450 MHz hat,
wird von einem üblichen Magnetron 14 erzeugt, das über
einen Wellenleiter 15 an einen rotierbaren Primärstrahler
16 angekoppelt ist. Dieser erzeugt ein Strahlungsmuster,
das dadurch gekennzeichnet ist, daß ein
wesentlicher Teil der abgestrahlten Energie von dem
Kochgut 12 absorbiert wird, bevor sie von den Wänden des
Ofenraumes reflektiert wird. Der Primärstrahler 16 besitzt
Antennenelemente 16a, die in zwei Doppelfeldern
angeordnet sind. Die einzelnen Antennenelemente 16a
werden an einem Ende eingespeist und bilden jeweils
einen Halbwellenresonator. Sie sind jeweils an einem
als Trägerteil dienenden Leitungsstück 16b angebracht,
das senkrecht zu ihrer Längsausdehnung und zur oberen
Wandung des Ofenraums 10 verläuft. Parallel zueinander
verlaufende flache Mikrostreifenleiter 16c verbinden die
einzelnen Leiterstücke 16b mit einem zentralen Punkt 16d,
der sich auf der Rotationsachse befindet. An diesem Verbindungspunkt
16d ist eine zylindrische Antennensonde 9
an die Strahlerstruktur 16 angeschlossen. Die Antennensonde
9 besitzt eine kapazitive Kappe 7 und ist in
einem in dem Wellenleiter 15 gelegenen Kunststofflager
17 gelagert. In diesem Lager 17 sind die Antennensone 9
und damit der Strahler 16 drehbar gelagert, wobei die
Rotationsachse der Achse der Antennensonde 9 entspricht.
Die durch die Ausgangssonde 13 des Magnetrons 14 in
den Wellenleiter 15 eingespeiste Mikrowellenenergie
regt die Antennensonde 9 an. Über Letztere gelangt die
Mikrowellenenergie durch eine Öffnung 19 in der oberen
Wandung des Ofenraums, wobei die Antennensonde 9 als
Koaxialleiter wirkt. Die obere Wandung des Ofenraums 10
ist in der Weise ausgeformt, daß sie eine Art Gewölbe
27 mit flachem konischem Querschnitt bildet, das sich
von der Hauptebene der oberen Wandung nach außen wölbt
und somit eine zumindest annähernd kreisförmige Vertiefung
bildet, die den rotierenden Strahler zumindest
teilweise umgibt und eine möglichst gleichförmige Energieverteilung
in dem zu erhitzenden Kochgut 12 bewirkt. Das
genannte Gewölbe strahlt die von dem Kochgut reflektierte
Mikrowellenenergie in einen kreisförmigen Bereich in der
Mitte des Ofenraums zurück. Ein von einem zur Kühlung des
Magnetrons 14 dienenden (nicht dargestellten) Gebläse erzeugter
Luftstrom wird vorzugsweise so gelenkt, daß er
durch den Ofenraum 10 zirkuliert, um Kochdünste abzuführen.
Dieser Luftstrom wird in den Wellenleiter 15 gelenkt,
tritt durch Öffnungen 21 in der Wandung des Gewölbes
aus und bewirkt die Drehbewegung des Strahlers
16. Zu diesem Zweck sind an dem Strahler 16 Flügel 23
angebracht, die eine Angriffsfläche für den Luftstrom
bilden, so daß der Strahler 16 nach Art eines Windrades
rotiert. Die Flügel 23 sind aus verlustarmen Kunststoffmaterial
hergestellt. Es können auch andere Wege zur
Lenkung des Luftstroms auf die Flügel 23 vorgesehen sein.
Außerdem kann anstelle des Luftantriebs ein (nicht dargestellter)
Elektromotor für die Drehbewegung des Strahlers
16 vorgesehen sein. Ein für Mikrowellenenergie
durchlässiger Fettschirm 25 dient als Spritzschutz, der
den Mikrowellenstrahler von dem übrigen Ofenraum trennt.
Ein in Fig. 6 näher dargestelltes Bedienungsfeld 13 besitzt
ein Tastenfeld zur Eingabe von Eingabegrößen für
einen Mikroprozessor 32 (Fig. 5) sowie Anzeigeelemente,
über welche der Mikroprozessor den jeweiligen Betriebszustand
anzeigt. Als Tastenschalter und Anzeigeelemente
eignen sich herkömmliche Bauteile. Als Tastenschalter
werden vorzugsweise kapazitive Berührungsschalter verwendet.
Als Anzeigeelemente werden vorzugsweise digitale
Displays verwendet, die die Parameter, wie beispielsweise
die Zeit, sowie die über die Tastenschalter eingewählten
Werte in digitaler Form anzeigen. Die spezifischen Funktionen
des Bedienungsfeldes 30 werden weiter unten im
einzelnen beschrieben.
Unter dem Boden 18 des Ofenraums 10 befindet sich eine
Waage 20. Diese besitzt vier vertikale Tragstifte 22,
die durch in dem Boden des Ofenraums 10 im Bereich der
Ecken angebrachten Öffnungen 24 hindurchragen. Die Tragstifte
22 tragen eine Platte 26, die in den Ecken des
Ofenraums 10 etwa 2,5 cm über dem Boden 18 liegt. Die
Platte 26 ist vorzugsweise aus einem für Mikrowellen
durchlässigen Pyrexglas hergestellt. Die Mikrowellen
dringen durch das Glas, treffen auf den Boden des Ofenraums
auf und werden von unten in das Kochgut 12
reflektiert. Dadurch kann die Mikrowellenenergie von
allen Seiten in das Kochgut eindringen. Die Platte 26
bietet außerdem einen Schutz für das Magnetron, wenn
der Mikrowellenofen versehentlich eingeschaltet wird,
ohne daß sich in dem Ofenraum ein Kochgut befindet. Die
Platte 26 läßt sich zu Reinigungszwecken zwar aus dem
Ofenraum herausnehmen, sie sollte sich jedoch während
des Betriebs immer in dem Ofenraum befinden. Das Gewicht
der Platte 26, des Kochgutes 12 und gegebenenfalls in dem
Ofenraum vorhandener Teller oder Behälter wird über die
Tragstifte 22 auf die Waage 20 übertragen.
Es soll möglichst wenig Mikrowellenenergie durch die vier
Öffnungen 24 in die unter dem Ofenraum liegende Kammer 28
dringen, in der sich die Waage 20 befindet. Deshalb ist der
Umfang der vorzugsweise kreisförmigen Öffnungen 24 kleiner
als eine halbe Wellenlänge. Die Öffnungen 24 sind nur wenig
größer als die Stifte 22, die z. B. einen Durchmesser von
etwa 5 mm besitzen. Im Interesse einer möglichst genauen
Wägung ist es geboten, daß die Reibung, die ein Stift bei
der Auf- und Abwärtsbewegung in der zugeordneten Öffnung 24
erfährt, so gering wie möglich ist. Zu diesem Zweck sollen
die Toleranzen so gewählt sein, daß die Stifte genau konzentrisch
in den zugeordneten Öffnungen positioniert sind.
Außerdem soll Material mit niedrigem Reibungskoeffizienten
verwendet werden. Die Stifte sollen vorzugsweise aus einem
für Mikrowellen durchlässigen Material, beispielsweise aus
einem keramischen Werkstoff bestehen, so daß die Öffnungen
eine Mikrowellendrossel bilden. Wenn die Stifte aus Metall
bestünden, besäße die Konstruktion die Eigenschaften einer
Koaxialleitung, wobei die Oberfläche der Öffnung den Außenleiter
und der Stift den Innenleiter bilden. Auf diese Weise
würde Mikrowellenenergie durch die Öffnung geleitet, obwohl
die Größe des Außenleiters geringer ist als der Grenzlängenwelle
entspricht.
Die Waage umfaßt vier starre Hebelarme 36. An einem Ende jedes
dieser Hebelarme befindet sich ein Bügel 37 in Form
eines umgekehrten V, mit dem der Hebelarm in einem Schneidenlager
40 gelagert ist. An dem anderen Ende ist jeder
Hebelarm über einen halbkreisförmigen Lagerzapfen 41 an
einem zweiten Arm befestigt, so daß an
dem Verbindungspunkt der beiden Arme eine Vertikalbewegung
zwischen den an den entgegengesetzten Enden
liegenden Lagerstellen möglich ist. Die paarweise vorgesehenen
Hebelarme 36 liegen zueinander parallel, so
daß jedem Hebelarm eines Paares ein Arm in dem anderen
Paar entspricht. Die einander entsprechenden Hebelarme
sind durch eine senkrecht zu ihnen verlaufende Querstange
43 mit V-förmigem Profil starr miteinander verbunden.
In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel beträgt
die Länge der Hebelarme 36 etwa 18 cm, während die
Querstangen 43 eine Länge von etwa 36 cm besitzen und
im Abstand von etwa 2,5 cm von den Lagerstellen an den
Hebelarmen 36 befestigt sind. Diese Abmessungen sind
so gewählt, daß sich die Waage 20 in der Kammer 28
unterbringen läßt und die Tragstifte 22 durch die Öffnungen
24 an geeigneten Stellen in den Ofenraum 10 hineinragen.
Im Bereich eines der die Hebelarme miteinander
verbindenden Lagerzapfens 41 befindet sich ein elastisches
Glied 44, das der Abwärtsbewegung der Hebelarme entgegenwirkt.
Es besteht aus einem flexiblen Metallstreifen,
das freitragend an einem Block 46 befestigt ist.
An einem der Hebelarme ist in der Nähe der Lagerzapfenverbindung
ein senkrecht zu seiner Längsrichtung verlaufender
Stab 48 starr befestigt. Am Ende dieses Stabes
befindet sich eine Scheibe 50, die auf dem elastischen
Glied 44 ruht.
Das Gewicht der Platte 56 und der auf ihr liegenden Gegenstände
wird über die Tragstifte 22, die durch die in
dem Boden 18 angebrachten Öffnungen 24 in den Ofenraum
ragen, auf die Waage 20 übertragen. Die Stifte 22 sind
an rechteckigen Bügeln 52 befestigt, die die Aufwärtsbewegung
der Stifte in den Öffnungen 24 begrenzen. Die
rechteckigen Bügel 52 sind im Nachbarbereich der betreffenden
Hebelarme 36 an inneren Bodenpunkten der V-
förmigen Querstangen 43 starr befestigt. Die nach unten
wirkende Kraft wird unabhängig von ihrer Verteilung auf die
vier Tragstifte 52 in etwa gleichem Verhältnis über die
Querstangen und die Hebelarme auf das elastische Glied 44
der Waage 20 übertragen. Die Stange 48 kuppelt die Kraft von
den Hebelarmen über die Scheibe 50 auf das elastische Glied
44. Wenn das Gewicht und die entsprechende nach unten gerichtete
Kraft anwachsen, wird das elastische Glied 44
stärker gebogen. Das elastische Glied 44 entspricht einer
Feder. Die vertikale Position seines freien Endes ist daher
eine Funktion des auf die Tragstifte 22 wirkenden Gewichts.
Das freie Ende des elastischen Gliedes 44 ist nach unten
abgewinkelt und bildet ein Abschattungselement 57, das den
Querschnitt des Lichtstrahls, der auf eine lichtempfindliche
Einrichtung 56 gerichtet ist, steuernd beeinflußt. Wenn das
auf der Platte 26 befindliche Gewicht größer wird und das
freie Ende des elastischen Gliedes 44 dementsprechend weiter
nach unten gebogen wird, wird ein größerer Teil des Lichtstrahles
abgeschattet, so daß die durchschnittliche Helligkeit
auf der wirksamen Oberfläche der lichtempfindlichen
Einrichtung 56 geringer wird. Die lichtempfindliche Einrichtung
56 besteht vorzugsweise aus einem Fototransistor, der
eine analoge Spannung liefert, die eine Funktion des einfallenden
Lichtes ist. Die Quelle 58 des Lichtstrahles 54 kann
entweder eine Glühbirne sein, oder - wie in der Fig. 4 dargestellten
Ausführungsvarianten - eine Leuchtdiode. Zwischen
der Lichtquelle und der lichtempfindlichen Einrichtung kann
eine Linse angeordnet sein, mittels derer der Lichtstrahl
auf einen vergleichsweise kleinen Bereich fokussiert wird.
Dementsprechend ändert sich weniger die Größe der Fläche auf
welche das Licht auftritt, als vielmehr die Intensität
innerhalb des Bereiches.
In Fig. 4 ist eine Variante des elastischen Gliedes 44 und
der zugeordneten Bauteile dargestellt. Die vorzugsweise
von einer Leuchtdiode gebildete Lichtquelle 58 ist
an dem freien Ende des elastischen Gliedes 44 angebracht,
das selbst freitragend an dem Block 56 befestigt ist. Der
von der Lichtquelle 58 abgegebene Lichtstrahl 54 ist auf
die wirksame Oberfläche der lichtempfindlichen Einrichtung
56 gerichtet. Zwischen der Lichtquelle 58 und der
lichtempfindlichen Einrichtung 56 befindet sich ein Abschattungselement
57a. Wenn der Stab 48 über die Scheibe
50 eine nach unten gerichtete Kraft auf das elastische
Element 44 ausübt, wird ein wachsender Teil des Lichtstrahls
54 von dem Element 57a abgeschattet. Dementsprechend
verringert sich die am Ausgang der lichtempfindlichen
Einrichtung 56 auftretende analoge Spannung,
wenn das auf die Tragstifte 22 wirkende Gewicht größer
wird. Es kann auch ein Abschattungselement verwendet werden,
das den oberen Teil des auf die lichtempfindliche
Einrichtung gerichteten Lichtstrahls abschattet. In diesem
Fall wird der Lichtstrahl um so weiter nach unten
gerichtet, je größer das auf der Waage lastende Gewicht
ist. Dementsprechend vergrößert sich bei wachsendem Gewicht
die auf die lichtempfindliche Einrichtung auftreffende
Lichtmenge, da der Strahl zunehmend aus dem
Abschattungsbereich des Abschattungselements heraustritt.
Das hat zur Folge, daß die Ausgangsspannung der
lichtempfindlichen Einrichtung größer wird, wenn das auf
der Waage lastende Gewicht größer wird.
Die Waage 20 bildet eine Einrichtung zur Erzeugung einer
Eingangsgröße für den Mikroprozessor 32, die für das Gewicht
der in dem Ofenraum 10 vorhandenen Gegenstände
kennzeichnend ist. Ein wesentlicher Vorteil der vorangehend
beschriebenen Waage 20 besteht darin, daß sie sich
ohne wesentliche Änderungen in käuflichen Mikrowellenöfen
installieren läßt. Bei dem speziellen Mikrowellenofen,
in welchem die Waage eingebaut wurde, besaß die
Kammer 28 im mittleren Bereich eine Höhe von etwa 1 cm
und im Bereich der Ecken und Kanten eine Höhe von etwa
4 cm. Fig. 1 und 2 sind insoweit nicht maßstabgerecht
gezeichnet. Die Ecken und Kanten des Bodens 18 des Ofenraums
10 sind immer erhöht angeordnet, so daß ein auf
der Platte 26 liegendes Kochgut gegenüber der leitenden
Oberfläche des Bodens angehoben ist und die dielektrischen
Verluste sehr gering sind. Die Waage, deren Höhe etwa
2,5 cm beträgt, besitzt eine im wesentlichen rechteckförmige
Struktur, wobei sich im mittleren Bereich keine
Bauteile befinden, so daß sie im wesentlichen den Randbereich
der Kammer 28 ausfüllt, dessen Höhe etwa 4 cm beträgt;
da sich im mittleren Bereich der Waage keine Konstruktionsteile
befinden, kann sie auch bei solchen
Mikrowellenöfen verwendet werden, bei denen die Mikrowellenenergie
am Boden des Ofenraums eingespeist wird.
Ein entsprechendes Ausführungsbeispiel wird weiter unten
in Verbindung mit Fig. 11 und 12 näher beschrieben.
Fig. 5 zeigt das Blockschaltbild für einen Mikrowellenofen
gemäß der Erfindung. Die Waage 20 liefert an den
Mikroprozessor 32 ein Eingangssignal, das für das Gewicht
des in dem Ofenraum befindlichen Kochguts kennzeichnend
ist. Unter Verwendung der Gewichtsangabe des Kochguts erarbeitet
der Mikroprozessor zusammen mit anderen Eingangsparametern
das "Zeitprofil" der Leistung des Magnetrons
und steuert seinen Betrieb.
Die von der lichtempfindlichen Einrichtung der Waage 20
abgegebene analoge Spannung wird einem Multiplexer 60
zugeführt, der unter dem Steuereinfluß des Mikroprozessors
32 steht. Der Multiplexer 60 stellt für den Mikroprozessor
32 eine Wähleinrichtung dar, mit deren Hilfe jeweils
eine aus einer Mehrzahl von analogen Eingangsgrößen ausgewählt
wird, die einem Analog-Digitalwandler 62 zuzuführen
ist. In Letzterem wird die Eingangsgröße in ein
von dem Mikroprozessor 32 verarbeitbares digitales Signal
umgewandelt. Ein Beispiel für eine andere analoge Eingangsgröße
ist das von einem herkömmlichen Mikrowellen-Temperaturfühler
gelieferte Temperatursignal.
Ein Taktgenerator 64 liefert den Bezugstakt für den Mikroprozessor
32. Der Taktgenerator 64 beinhaltet ein Filter,
das mit dem Wechselstromnetz verbunden ist, sowie einen
Nulldurchgangsdetektor, dessen Ausgangssignal dem Mikroprozessor
zugeführt wird.
Ferner sind ein Tastenfeld 63 sowie Anzeigevorrichtungen 65
vorgesehen.
Fig. 6 zeigt das Bedienungsfeld 30 von Fig. 1 in vergrößerter
Darstellung. Dieses Bedienungsfeld beinhaltet Tasten und
Anzeigeelemente. Die Tasten sind - wie bereits erwähnt -
vorzugsweise als kapazitive Berührungsschalter bekannter Art
ausgebildet. Zwischen dem Tastenfeld und dem Mikroprozessor
befindet sich eine Schnittdarstellung üblicher Art, die
im folgenden auch als Interface bezeichnet wird. Derartige
Interface-Schaltungen sind durch handelsübliche Mikrowellenöfen
bekannt. Es ist ferner ein Interface vorgesehen, das
den Mikroprozessor 32 an die Anzeigevorrichtungen des Bedienungsfeldes
30 anpaßt. Das Tastenfeld umfaßt Berührungsschalter
69, die mit Zahlen 0 bis 9 beschriftet sind, sowie
weitere Tastschalter, die mit Bezeichnungen versehen sind,
welche ihre Funktion kennzeichnen: UHR, ZEITVORWAHL, BEHÄLTERGEWICHT,
AUFTAUEN, WÄRMEN, ERHITZEN, KOCHPROGRAMM, WENDEZEIT,
TEILLEISTUNG, ZEITGEBER. Ferner sind Tastenschalter 67
vorgesehen, die mit den Bezeichnungen START, STOP/RÜCKSTELLEN
und LICHT versehen sind. Die Anzeigevorrichtung beinhaltet
Digitalanzeigen 66, Betriebsanzeigelampen 68, die den
entsprechend beschrifteten Berührungsschaltern zugeordnet
sind, sowie eine Digitalanzeige 70, die dem
Tastenschalter mit der Funktion KOCHPROGRAMM zugeordnet
ist.
Die mit den Ziffern 0 bis 9 versehenen Berührungstasten
können in herkömmlicher Weise zur Eingabe von Daten in
den Mikroprozessor verwendet werden. Wenn der Mikrowellenofen
beispielsweise nicht in Gebrauch ist, zeigt die
Digitalanzeige 66 die Tageszeit an. Zur Änderung der Zeitanzeige
betätigt der Benutzer die Nummertasten entsprechend
der gewünschten Zeit. Diese Zeit wird in der Digitalanzeige
66 angezeigt. Wenn der Benutzer anschließend
die Taste UHR betätigt, wird die angezeigte Zeit in den
Mikroprozessor eingegeben und damit zur neuen Grundlage
für die angezeigte Tageszeit. Ein anderes Beispiel für
die Verwendung der Nummerntasten ist die Anzeige der Kochzeit.
Bei der Betätigung der Taste START zählt die angezeigte
Zeit rückwärts bis zum Ausschalten des Ofens. Durch
Betätigen der der Funktion AUFTAUEN zugeordneten Taste
steuert der Mikroprozessor das Magnetron in der Weise, daß
tiefgefrorene Lebensmittel von etwa minus 18°C auf beispielsweise
4°C erwärmt und damit aufgetaut werden. Durch
Betätigen der Taste mit der Funktion WÄRMEN steuert der
Mikroprozessor das Magnetron in der Weise, daß Lebensmittel
von beispielsweise 4°C auf beispielsweise 18°C
erwärmt werden. Der Tastenschalter mit der Funktion
ERHITZEN aktiviert den Mikroprozessor in der Weise, daß
das Magnetron eine im Mikrowellenofen befindliche Speise
von beispielsweise 18°C erhitzt. Bei Betätigung des
Tastenschalters für die Funktion KOCHPROGRAMM steuert
der Mikroprozessor das Magnetron in der Weise, daß das
im Ofenraum befindliche Kochgut während des Kochprozesses
die gewünschte Temperatur von beispielsweise
70°C beibehält oder auch auf eine höhere Temperatur erhitzt
wird. Mit anderen Worten die den Funktionen
ABTAUEN, WÄRMEN, ERHITZEN und KOCHPROGRAMM entsprechenden
Eingangsgrößen sind für die Anfangstemperatur der
Speisen kennzeichnend. Vor Kochbeginn kann ein für die
spezielle Speise geeignetes Kochprogramm gewählt werden,
indem eine Nummerntaste mit der entsprechenden Zahl gedrückt
und sodann die Taste KOCHPROGRAMM betätigt wird.
Das ausgewählte Programm wird in der Digitalanzeige 70
angezeigt. Bei der weiter unten beschriebenen Betriebsart
"gewichtsabhängiges Kochen" kann die Taste mit der
Funktion TEILLEISTUNG gedrückt werden, wobei die Funktion
"Temperatur halten" aktiviert wird, bei der der Leistungszyklus
des Magnetstroms verringert wird. Die Anzeigen
"1/2", "1/4" und "1/8" werden durch wiederholte
Betätigung der Taste TEILLEISTUNG während des herkömmlichen
Zeitkochbetriebs aktiviert. Die Taste ZEITVORWAHL
dient dazu, den Mikrowellenofen für eine spätere Zeit
zu programmieren. Die Funktion WENDEZEIT liefert ein
akustisches Signal und schaltet den Ofen aus, wenn das
Kochgut gewendet werden muß oder ein anderweitiger Eingriff
im Ofen vorzunehmen ist. Die Funktion ZEITGEBER
dient als rückwärtslaufende Uhr und veranlaßt Signalgabe
am Ende der vorgewählten Zeit. Der Tastknopf mit der
Bezeichnung START veranlaßt die Ausführung eines besonderen
ausgewählten Unterprogramms, durch welches das
Magnetron eingeschaltet wird. Der Knopf mit der Bezeichnung
STOP/RÜCKSTELLEN schaltet das Magnetron aus. Durch
Betätigung des Knopfes mit der Bezeichnung LICHT wird
eine (nicht dargestellte) Lampe zur Erleuchtung des Ofenraums
ein- und ausgeschaltet.
Die Verwendung von Mikroprozessoren zur Steuerung von
Mikrowellenöfen hat sich im vergangenen Jahrzehnt durchgesetzt.
Alle führenden Herstellerfirmen bieten mikroprozessorgesteuerte
Mikrowellenöfen an. Der Mikroprozessor
erhält seine Eingangsinformationen von einem Tastenfeld
sowie von Sensoren und liefert Ausgangssignale zur
Steuerung des Magnetrons und der Anzeigevorrichtung. Bei
dem in Fig. 5 dargestellten Blockschaltbild ist als
neuer Sensor eine Waage hinzugefügt, mittels derer das Gewicht
der in den Ofenraum eingebrachten Gegenstände abgewogen
wird. Die Auswahl eines geeigneten Mikroprozessors und
seine Programmierung zur Ausführung entsprechender Funktionen
ist dem einschlägigen Fachmann ohne weiteres möglich.
Die ersten mikroprozessorgesteuerten Öfen benutzen handelsübliche
Standardprozessoren in integrierter Schaltung. Das
Anwendungsprogramm war in einem Lesespeicher niedergelegt.
Diese Systeme benötigten im allgemeinen zahlreiche Eingabe-/
Ausgabekomponenten, die die Schnittstellen zwischen dem
Mikroprozessor und dem übrigen System bildeten. Diese
Schnittstellenkomponenten sind dem einschlägigen Fachmann
vertraut.
In der jüngeren Vergangenheit ist bei den Herstellern von
Mikrowellenöfen zunehmend der Trend zur Verwendung von kundenorientierten
integrierten Schaltungen zur Steuerung der
Mikrowellenöfen zu beachten.
Das große Liefervolumen dieser spezialisierten integrierten
Schaltungen versetzt die Bauelementehersteller in die Lage,
die bei der Umwandlung der Benutzerforderungen in konkrete
Schaltungen auftretenden Entwicklungskosten auf eine große
Zahl von integrierten Schaltungen zu verteilen und damit die
Kosten der einzelnen Einheiten zu verringern. Außerdem besteht
ein zunehmender Trend zur Integration von immer mehr
Funktionen in einer einzigen integrierten Schaltung auf Siliziumbasis,
so daß immer mehr diskrete Bauelemente und Interface-
Schaltungen, wie z. B. Treiberschaltungen für die
Segmente der Ziffernanzeigen, Analog-Digitalwandler, Multiplexer,
Nulldurchgangsdetektoren, Filter und Tastenfeld-
Schnittstellenschaltungen, entfallen.
Auf dem Hintergrund der vorangehenden Ausführungen sei noch
einmal Fig. 5 betrachtet: Der Mikroprozessor 32 ist bei dem
bevorzugten Ausführungsbeispiel eine kundenspezifische integrierte
Schaltung, wie sie von einer Vielzahl von Herstellern
elektronischer Bauelemente entwickelt
und in den Handel gebracht wurde. Die integrierte Schaltung
besitzt integrierte Interface-Funktionen. Auch der
Multiplexer 60 und der Analog-Digitalwandler 62 können
in die integrierte Schaltung des Mikroprozessors einbezogen
sein, so daß Analogsignale unmittelbar dem betreffenden
Halbleiterelement zugeführt werden können.
Ein abweichendes Ausführungsbeispiel des Mikroprozessors
32 wird weiter unten beschrieben.
Bei der Schaltung gemäß Fig. 5 empfängt der Mikroprozessor
32 Eingangssignal von der Waage 20 und der
Tastatur 63 des Bedienungsfeldes 30. Zusätzlich zu den
herkömmlichen Funktionen wie beispielsweise Kochen
während einer voreingestellten Zeit, Kochen mit vorgewählter
Leistung, Überwachung der Temperatur, Überwachung
und Anzeige der Zeit für einen notwendigen Eingriff,
führt der Mikroprozessor 32 eine neue Funktion
aus, die die Bedienung weiter erleichtert. Diese neue
Funktion besteht darin, daß der Mikroprozessor das Gewicht
des in den Kochraum eingebrachten Kochguts mit
der Anfangstemperatur des Kochguts verknüpft und daraus
die Kochzeit bestimmt.
In Fig. 7, 8 und 9 sind Flußdiagramme für eine entsprechende
Programmierung des Mikroprozessors 32 dargestellt.
Viele der herkömmlichen Funktionen, wie beispielsweise
Überwachung eines notwendigen Eingriffs,
sind in die folgenden Betrachtungen nicht einbezogen.
Ihre Berücksichtigung in dem Flußdiagramm und die
Programmierung von Mikroprozessoren aus Flußdiagrammen
allgemein ist jedoch dem einschlägigen Fachmann bekannt.
Zunächst sei Fig. 7 betrachtet: Nach dem EINSCHALTEN
der Stromversorgung findet ein RÜCKSTELLEN des Mikroprozessors
in einem definierten Anfangszustand statt.
Hierzu gehören verschiedene Löschprozeduren wie beispielsweise
eine Vorbereitung der Ausgangskanäle. Zum
BERECHNEN der Erhitzungszeiten dient folgende Gleichung:
Darin bedeuten HUS die Zahl der Wärmeeinheiten, FW das
Gewicht des Kochguts, DW das Gewicht des Tellers oder
Behälters, SHD die spezifische Wärme des Tellers oder
Behälters, OPL den Leistungspegel des Ofens, PLS die
Wahl des Leistungspegels und CF einen Kopplungsfaktor.
Der erste Ausdruck in der Gleichung für die Erhitzungszeit,
nämlich die Vorwahl der Wärmeeinheiten, ist beispielsweise
in Joule pro kg des Kochguts ausgedrückt.
Es hat sich herausgestellt, daß die pro Gewichtseinheit
des Kochguts erforderliche Anzahl von Wärmeeinheiten
teilweise eine Funktion des Temperaturbereichs ist, über
den das Kochgut erhitzt werden soll und in welchem
chemische und/oder physikalische Änderungen in dem Kochgut
stattfinden. Dieser Ausdruck der Gleichung wird
durch eine stark vereinfachte Eingabe des Benutzers über
das Tastenfeld bestimmt. Hierzu sei noch einmal auf
Fig. 6 Bezug genommen: Der Benutzer gibt die Anfangstemperatur
ein, indem er eine der folgenden Tasten betätigt:
Die Taste AUFTAUEN für tiefgekühlte Lebensmittel
mit einer Temperatur von beispielsweise minus
18°C, die Taste WÄRMEN für Lebensmittel mit einer
Temperatur von etwa 4°C, die im Innenraum eines normalen
Kühlschranks herrscht, die Taste ERHITZEN für
Lebensmittel mit Raumtemperatur (18°C). Durch Betätigen
von mehr als einer dieser Tasten wird für jede Funktion
ein getrennter Zyklus in Gang gesetzt und es findet
eine getrennte Berechnung nach der oben angegebenen Erhitzungszeitgleichung
für jeden Zyklus statt. Für den
Zyklus AUFTAUEN werden beispielsweise 50 Kcal/kg in
die Gleichung eingegeben, für den Zyklus WÄRMEN 15 Kcal/kg,
für den Zyklus ERHITZEN 50 Kcal/kg und für den Zyklus
KOCHEN in Abhängigkeit von dem durch die Tastenschalter
vorgewählten und in dem Tastenschalter KOCHPROGRAMM angezeigten
Programm 12 bis 125 Kcal/kg. Obwohl die für
KOCHEN in die Gleichung eingegebene Zahl der Wärmeeinheiten
die Erhitzungszeit für maximalen Leistungspegel
bestimmt, vergrößert sich diese Zeit um einen spezifischen
Faktor, wenn eine TEILLEISTUNG gewählt wird. Mit
anderen Worten, es wird die gleiche Anzahl von Wärmeeinheiten
für die jeweilige Kochaufgabe geliefert, diese
jedoch über eine größere Zeitspanne verteilt, um ein
zarteres Kochen oder Sieden zu erzielen.
Der zweite Ausdruck in der Gleichung für die Erhitzungszeit
ist die Summe aus dem Gewicht des Kochguts und dem
Gewicht des Tellers oder Behälters, wobei letzteres mit
seinem spezifischen Wärmewert multipliziert ist. Die Berücksichtigung
des Gewichts des Kochguts in der Gleichung
versteht sich von selbst; die Multiplikation der Gewichtseinheiten
(kg) mit den gewählten Wärmeeinheiten
(Kcal/kg) liefert im Zähler der Gleichung die Anzahl der
Wärmeeinheiten, die nach Division durch die Einheiten
(z. B. Kcal/min) des Zählers einen Quotient liefert, dessen
Einheit und die gewünschte Zeiteinheit, z. B. Minute ist.
Die Einbeziehung des Gewichts und der spezifischen Wärme
des Tellers oder Behälters dient zur Kompensierung eines
gewissen Wärmeanteils, der durch Wärmeleitung von dem
Kochgut auf den Teller oder Behälter übertragen wird.
Dem Kochgut muß mit anderen Worten mehr Wärme mitgeteilt
werden, als für sein eigenes Garen erforderlich wäre,
da ein Teil der Wärme durch Wärmeleitung an den Teller
oder Behälter verlorengeht. Zur Vereinfachung für den
Benutzer ist bei der Berechnung der Gleichung für die
Erhitzungszeit angenommen, daß die spezifische Wärme
des Tellers oder Behälters für die Zyklen WÄRMEN und
ERHITZEN, bei denen die Temperatur des Tellers oder Behälters
wegen der Wärmeleitung ansteigt, wenn sich die
Temperatur des Kochguts erhöht, den Wert 0,2 habe. Für
die Zyklen AUFTAUEN und KOCHEN ist die spezifische Wärme
des Tellers oder Behälters zu Null angenommen, so daß
das Produkt (DW)(SHD) in der Gleichung verschwindet. Bei
dem Zyklus AUFTAUEN sind die Wärmeeinheiten, die für die
Temperaturerhöhung des Tellers oder Behälters aufgewendet
werden gegenüber den für das Auftauen erforderlichen
Wärmeeinheiten vernachlässigbar. Bei dem Zyklus
KOCHEN, der bei etwa 70°C beginnt, findet keine merkliche
Temperaturerhöhung statt. Obwohl ein exakterer Ausdruck
für den Wärmeverlust des Kochguts (und dementsprechend
für die dazu erforderliche zusätzlich aufzubringende
Wärme) auch die spezifische Wärme des Kochguts
und die Temperatur der Gase in dem Ofenraum berücksichtigen
sollte, haben Versuche ergeben, daß die
Annahmen bei der Benutzung der Gleichung für die Erhitzungszeit
für einwandfreien Betrieb des Ofens ausreichen.
Wenn die Leuchtanzeige auf dem Tastenkopf für
das TELLERGEWICHT während des Betriebs eingeschaltet
ist, ist dies ein Zeichen dafür, daß das Tellergewicht
in dem Mikroprozessor gespeichert ist. Daher wird bei
Beginn eines neuen Kochprozesses mit einem neuen Teller
oder Behälter der Tastenknopf TELLERGEWICHT betätigt,
so daß die Leuchtanzeige erlischt. Dadurch wird das vorher
eingegebene Tellergewicht in dem Speicher des Mikroprozessors
gelöscht und die Waage auf den Wert Null
kalibriert. Das Tellergewicht kann anschließend wieder
in dem Mikroprozessor eingegeben werden, indem entweder
die entsprechenden Zahlentasten gedrückt werden,
(falls das Gewicht bekannt ist), oder indem der Teller
oder Behälter ohne Kochgut in den Ofen eingeführt wird,
wo er auf die Waage einwirkt. Durch eine zweite Betätigung
der Taste TELLERGEWICHT wird die darauf befindliche
Leuchtanzeige eingeschaltet und zeigt an, daß das
neue Tellergewicht in den Mikroprozessor eingegeben ist.
Zwischen dem auf die Waage 20 einwirkenden Gewicht und
der Analogspannung am Ausgang der lichtempfindlichen
Einrichtung 56 besteht vorzugsweise ein linearer Zusammenhang.
In diesem Fall kann ein linearer Analog-Digitalwandler
mit geeigneter "Skaleneinteilung" verwendet werden,
so daß der Mikroprozessor die Gewichtsinformation
unmittelbar z. B. in Kilogramm erhält. Falls die Analogspannung
nicht linear mit dem Gewicht zusammenhängt, beispielsweise
wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1
dem Gewicht umgekehrt proportional ist, kann dies in dem
Mikroprozessor auf irgendeine bekannte Weise, beispielsweise
durch Nachschlagetabellen kompensiert werden. Für
eine möglichst genaue Wägung kann es angebracht sein,
daß der Mikroprozessor während einer Wägezeitspanne eine
Mehrzahl von Signalproben aufnimmt, die hohen und niedrigen
Werte ausscheidet und einen Mittelwert der verbleibenden
Gewichtswerte bildet. Das Gewicht des Kochguts
wird von dem Mikroprozessor errechnet, indem er von dem
unmittelbar vor der Betätigung des Tastenknopfes START
ermittelten Gewicht das Gewicht des Tellers oder Behälters
nach Nullabgleich abzieht.
Der erste Ausdruck im Nenner der Gleichung für die Erhitzungszeit
ist der Leistungspegel des Ofens. In der
Berechnung des Mikroprozessors ist angenommen, daß dieser
Wert eine Konstante von 725 W oder 10,4 Kcal/min ist.
Für den tatsächlichen Betrieb liegt im allgemeinen ein
Fehler in dieser Annahme. Sogar bei Öfen des gleichen
Modells und Herstellers ändert sich dieser Wert über
einen Bereich von etwa 100 W von Exemplar zu Exemplar.
Es ist diese Ungleichmäßigkeit der Ausgangsleistung,
die die Hersteller von Fertiggerichten veranlaßt hat,
in den auf den Verpackungen angegebenen Kochanweisungen
für Mikrowellenöfen darauf hinzuweisen, daß die Bearbeitungszeiten
sich ändern können. Dies stimmt auch
dann, wenn die Eigenschaften der Lebensmittelprodukte
wohldefiniert sind und empirisch leicht bestimmt werden
können. Außerdem kann sich die Ausgangsleistung in
Abhängigkeit von der Versorgungsspannung ändern. Der
Fehler bei der Annahme von 725 W als Ausgangsleistung
kann durch die Bemühungen, die Öfen auf diesen Wert zu
normalisieren, verringert werden.
Der zweite Ausdruck in dem Nenner der Gleichung für die
Erhitzungszeit ist der Wert des Leistungspegels. Wenn
der Tastenknopf für TEILLEISTUNG bei der Wahl TEMPERATURHALTEN
nicht betätigt wurde, wird für den Ausdruck
PLS in der Gleichung für die Erhitzungszeit der Wert 1
verwendet. Wenn bei der Wahl TEMPERATURHALTEN der Knopf
für TEILLEISTUNG betätigt wurde, wird in die Gleichung
der Wert 0,3 zuzüglich 0,04 pro Pfund des Kochguts eingegeben.
Wenn das Kochgut beispielsweise 1 Pfund wiegt,
arbeitet das Magnetron mit 34% seiner vollen Leistung.
Wenn das Kochgut ein Gewicht von 2 Pfund hat, beträgt
die Ausgangsleistung 38% der vollen Leistung. Dies wird
durch Absenken des Lastzyklus des Magnetrons erreicht.
In der Vergangenheit hat man im allgemeinen angenommen,
daß so, wie gewisse Speisen konventionell besser bei
niedrigen als bei hohen Temperaturen gekocht werden, so
auch beim Garen mit Mikrowellen gewissen Speisen besser
mit niedrigerem Mikrowellenenergiepegel gegart werden.
Dementsprechend bieten die meisten Mikrowellenöfen viele
Wahlstellungen für den Leistungspegel. Als Teil der Entwicklung
des gewichtsabhängigen Kochprozesses wurde herausgefunden,
daß es außerordentlich wichtig ist, die
Gesamtzahl der für ein bestimmtes Kochgut erforderlichen
Wärmeeinheiten zu bestimmen und sie ihm sodann zuzuführen.
Die Geschwindigkeit, mit der die Mikrowellenenergie
an das Kochgut abgegeben wird, ist nicht so
kritisch. Der Merkmal TEMPERATURHALTEN sieht tatsächlich
nur eine Einstellung mit reduziertem Leistungspegel vor
und dieser ist eine Funktion des Kochgutgewichts. Im allgemeinen
wird die reduzierte Leistung der Einstellung
TEMPERATURHALTEN vorteilhaft bei Teilen verwendet, die
ein großes Volumen besitzen und bei denen das Eindringen
der Mikrowellenenergie bis zur Mitte des Teils dementsprechend
behindert ist. Dabei kann eine zusätzliche
Kochzeit erwünscht sein, die es erlaubt, daß die Wärme
im äußeren Bereich des Teils zur Mitte geleitet wird
und damit ein gleichmäßigeres Erhitzen und Garen bewirkt.
Es wurde herausgefunden, daß die am besten geeignete
Teilleistungseinstellung diejenige ist, die das
Kochgut auf einer Temperatur hält, die bei Teilen geringen
Gewichts etwa 30% der vollen Leistung entspricht.
Die zusätzlichen 4% pro Pfund in der obengenannten PLS-
Formel dient zur Kompensation bei größeren Kochgutteilen,
die eine größere Oberfläche und damit größere Wärmeverluste
haben, die zur Aufrechterhaltung der Temperatur
ausgeglichen werden müssen. Die Annahme, daß die Oberfläche
und die Größe eines Kochguts allgemein mit dem
Gewicht in Beziehung stehen, wurde empirisch nachgeprüft.
Der letzte Ausdruck in der Gleichung für die Erhitzungszeit
ist der Kopplungsfaktor. Nicht alle Mikrowellenenergie,
die von dem Magnetron ausgeht, gelangt in das
Kochgut. Ein Teil der Energie geht in dem System, beispielsweise
in den Wandungen, dem Wellenleiter und der
Platte der Waage verloren. Der Prozentteil der Gesamtleistung
(von beispielsweise 725 W), der in dem Kochgut
in Wärme verwandelt wird, ist teilweise eine Funktion
der Oberflächengröße des Kochguts und der Absorptionsfähigkeit.
Wenn beispielsweise eine Kartoffel eine Kochzeit
von 4 Minuten hat, ist die Kochzeit von zwei Kartoffeln
im allgemeinen weniger als das Doppelte, z. B.
8 Minuten. Dies liegt daran, daß ein um so größerer Prozentsatz
der Gesamtleistung von dem Kochgut absorbiert
wird, je größer die in den Ofenraum eingebrachte Beladung
ist. Es wurde herausgefunden, daß die Energieverteilung
in dem Kochgut unter Berücksichtigung der Verluste
näherungsweise durch folgende Formel ausgedrückt werden
kann:
Die Konstante K kann als der in Gewicht ausgedrückte Ofenverlust
betrachtet werden. Es wurde ihr der Wert 0,1 Pfund
zugeteilt. Wenn ein Kochgut also 0,1 Pfund wiegt, hat der
Kopplungsfaktor die Größe 0,5, d. h. daß die Erhitzungszeit
um den Faktor 2 verlängert werden muß. Wenn das Kochgut
hingegen 1,0 Pfund wiegt, wird die Erhitzungszeit nur um den
Faktor 1,1 verlängert. In Fig. 5 ist in dem Blocksymbol 32
für den Mikroprozessor ein Diagramm eingetragen, aus dem
hervorgeht, daß die Erhitzungszeit pro Gewichtseinheit mit
zunehmendem Gewicht abnimmt, weil die Mikrowellenenergie in
die größere Masse besser eingekoppelt wird.
Die vorangehende Diskussion der Formel für die Erhitzungszeit
ist von der Annahme ausgegangen, daß dem Mikroprozessor
bestimmte über das Tastenfeld eingegebene Werte, beispielsweise
über die Anfangstemperatur des Kochgutes, sowie von
den Sensoren stammende Eingaben, beispielsweise das Gewicht
des Kochgutes, zur Verfügung stehen. Die erforderliche Information,
die vor dem Beginn der Berechnung benötigt und
anschließend periodisch aktualisiert wird, wird in der in
Fig. 9 dargestellten Weise durch Programmunterbrechungen
(Interrupts) gewonnen. Bei den Durchgängen der 50-Hz-Versorgungspannung
und in den in der Mitte zwischen zwei Nulldurchgängen
liegenden Zeitpunkten, die durch eine Zeitverzögerung
von 10,0 µs angedeutet sind, wird das Programm des
Mikroprozessors jeweils unterbrochen. In diesen Zeitpunkten
veranlaßt der Mikroprozessor die Anzeige der Parameter, die
Aktivierung der Leuchtanzeigen,
die Abfrage des Tastenfeldes und die Auswahl des Analog-
Digitalkanals. Ferner werden in diesen Zeitpunkten die
vorhandenen Tastenfelddaten und die von der Waage erzeugten
Daten in dem Speicher des Mikroprozessors
aktualisiert.
Es sei nochmals das in Fig. 7 dargestellten Flußdiagramm
betrachtet: Nach der Berechnung der Gleichung für die
Erhitzungszeit für die spezifischen Betriebsparameter
findet eine mit AKTIVZUSTAND bezeichnete Programmverzweigung
statt. Der Aktivzustand ist in Fig. 8 definiert,
die die Beziehung zwischen den Ofenzuständen darstellt.
Nach dem Einschalten der Stromversorgung geht der Mikroprozessor
automatisch in einen RESET-Zustand, der weiter
oben anhand von Fig. 7 beschrieben wurde. Anschließend
geht der Mikroprozessor automatisch in den Ruhezustand,
in welchem die Gleichung für die Erhitzungszeit kontinuierlich
berechnet wird. Der Mikroprozessor verbleibt
in diesem Zustand, bis auf dem Bedienungsfeld 30 der
Knopf START gedrückt wird. Daraufhin geht der Mikroprozessor
in einen Aktivzustand über, in welchem er solange
verbleibt, bis entweder der Knopf STOP gedrückt
wird oder die Kochfunktion beendet ist. Falls der Knopf
STOP gedrückt wird, geht der Mikroprozessor in einen
Haltezustand, aus welchem er durch Betätigung des
Knopfes START in den Aktivzustand zurückgeführt wird
oder er kehrt in den RESET-Zustand zurück, wenn der
Knopf STOP zum zweiten Mal betätigt wird. Falls der
AKTIVZUSTAND nicht gegeben ist, wird die Berechnung der
Erhitzungszeit fortgesetzt. Falls hingegen der AKTIVZUSTAND
gegeben ist, wird zur nächsten Programmverzweigung
GEWICHTSABHÄNGIGE KOCHFUNKTIONEN? übergegangen.
Diese Funktionen, die bei der Beschreibung des Bedienungsfeldes
30 erläutert wurden, sind AUFTAUEN, WÄRMEN,
ERHITZEN und KOCHEN. Falls keine dieser Funktionen gewählt
wurde, der Prozessor aber noch aktiv ist, ist dies
ein Kennzeichen dafür, daß die Funktion ZEITABHÄNGIGES
KOCHEN ausgeführt werden soll. Wenn eine oder mehrere
der "gewichtsabhängigen" Funktionen gewählt wurden,
prüft das Programm zunächst, ob die Funktion AUFTAUEN?
markiert ist. Ist dies der Fall, steuert der Mikroprozessor
das Magnetron in der Weise, daß es zyklisch ein-
und ausgeschaltet wird, wobei die Zykluslastzeit eine
Funktion des Kochgutgewichts ist. Wie weiter oben beschrieben
wurde, erfordert die Funktion AUFTAUEN eine
Einschaltzeit des Magnetrons derart, daß 50 Kcal des
Kochguts geliefert werden. Der Leistungspegel beträgt
immer 100%. Falls das Kochgut weniger als 1,5 kg wiegt,
werden 50 Kcal pro kg geliefert, wobei vor der nächstfolgenden
Funktion eine äquivalente Ausschaltzeit eingeschoben
ist. Falls das Kochgut mehr als 1,5 jedoch
weniger als 5 kg wiegt, werden wiederum 50 Kcal pro kg
geliefert, wobei jedoch jeweils eine Vergrößerung um
12 Kcal pro kg stattfindet und die zwischenliegenden
Zeitintervalle der Zeit entsprechen, die für die Erzeugung
von 25 Kcal pro kg erforderlich sind. Falls das
Kochgut 5 kg oder mehr wiegt, wird in gleicher Weise
verfahren, wobei jedoch die Ausschaltzeitintervalle
der Zeit entsprechen, die zur Erzeugung von etwa 38 Kcal
pro kg erforderlich sind. Außerdem ist die Leuchtanzeige
für die Funktion AUFTAUEN auf dem Bedienungsfeld
30 eingeschaltet. Wie anhand von Fig. 9 erläutert wurde,
finden die jeweiligen Programmunterbrechungen (Interrupts)
bei den 50 Hz Nulldurchgängen und den in der Mitte
zwischen ihnen liegenden Zeitpunkten statt. Die Auftauzeit
wird rückwärts gezählt. Am Ende des Auftauzyklus
oder falls der Auftauzyklus nicht gewählt war, findet
die nächste Programmverzweigung WÄRMEN MARKIERT? statt.
Wenn dies der Fall ist, schaltet der Mikroprozessor das
Magnetron ein, läßt die betreffende Leuchtanzeige aufleuchten
und zählt bis zum Ende des Erwärmungszyklus
rückwärts. Am Ende des Erwärmungszyklus oder falls der
Erwärmungszyklus nicht markiert wurde, fragt der Mikroprozessor
ab, ob die Funktion ERHITZEN markiert ist.
Wenn dies der Fall ist, schaltet er das Magnetron und
die Leuchtanzeige für den Erhitzungszyklus ein und zählt
rückwärts bis zum Ende des Erhitzungszyklus. Am Ende
des Erhitzungszyklus oder falls dieser nicht gewählt
wurde, erfragt der Mikroprozessor, ob die Funktion
KOCHEN markiert ist. Wenn dies der Fall ist, schaltet der
Mikroprozessor das Magnetron sowie die Leuchtanzeige für
den Kochzyklus ein und zählt bis zum Ende des Kochzyklus
rückwärts. Nach Beendigung des Kochzyklus oder falls der
Kochzyklus nicht eingestellt ist, kehrt das Programm zu
dem Rückstell-Unterprogramm zurück.
Wie aus Fig. 5 erkennbar ist, steuert der Mikroprozessor
die Stromversorgung 71 für das Magnetron 14. Nach Beendigung
der Kochzeit steuert der Mikroprozessor die
Stromversorgung 71 in der Weise, daß das Magnetron 14
ausgeschaltet wird. Falls der Kochvorgang mit reduzierter
Leistung stattfindet, regelt der Mikroprozessor den Lastzyklus
des Magnetrons. Gleichzeitig liefert er auf dem
Display 65 eine visuelle Anzeige der Einschaltzeit des
Magnetrons und der gewählten Funktionen.
Die Erfindung stellt einen beträchtlichen Fortschritt
für das Kochen mit Mikrowellenenergie dar, da sie einen
bedeutenden Schritt in Richtung auf eine vereinfachte
"Einknopfbedienung" bildet. Viele Probleme, die mit der
Bestimmung der Kochparameter durch den Benutzer zusammenhängen,
sind damit aus dem Weg geräumt. Das Gewicht
des Kochguts, das durch die in dem Ofen vorhandene
Waage automatisch bestimmt wird, wird dem Mikroprozessor
zugeführt, der so programmiert ist, daß er
die geeignete Kochzeit errechnet, das Magnetron entsprechend
steuert und dem Benutzer den Betriebszustand
durch entsprechende Anzeigen zur Kenntnis bringt.
In Fig. 10 ist ein von der Schaltung gemäß Fig. 5 abweichendes
Ausführungsbeispiel dargestellt. Wie bereits früher beschrieben
wurde, ist es für kommerzielle Anwendungen wünschenswert,
die Mikroprozessorsteuerung durch eine kundenspezifische
integrierte Schaltung zu realisieren, die einen
Großteil der erforderlichen Schnittstellenfunktionen beinhaltet.
Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 10 zeigt einen
für allgemeine Zwecke bestimmten Mikroprozessor 100 mit
Hilfsschaltmitteln und Schnittstelleneinrichtungen, über die
er mit dem Bedienungsfeld des Mikrowellenofens, Sensoren und
der Magnetronsteuerung verbunden ist. Wie aus Fig. 10 hervorgeht,
ist der Mikroprozessor 100 mit einem Datenbus 102
verbunden, der acht Leitungen umfaßt, die mit den Pins verbunden
sind. Der Mikroprozessor 100 ist außerdem mit einem
Adressenbus 104 verbunden, der 16 Leitungen umfaßt, die mit
den Pins des Mikroprozessors 100 verbunden sind. Eine herkömmliche,
mit INIT bezeichnete Startschaltung 106, die mit
den Eingangs-Pins des Mikroprozessors 100 verbunden ist,
wird lediglich beim Einschalten der Stromversorgung verwendet.
Ein mit einem Quarz versehener Taktgenerator 108 ist an
die Pins 37 und 39 des Mikroprozessors angeschlossen. Die
Leitung 110 dient zur Übertragung des Generatortakts an die
peripheren Schnittstelleneinrichtungen 112 und 114, den Programmspeicher
116 und den Datenspeicher 118. Der Mikroprozessor
100 führt die gleichen Funktionen aus wie der in Verbindung
mit Fig. 5 beschriebene Mikroprozessor. Der Programmspeicher
116, der vorzugsweise als Lesespeicher ausgebildet
ist, speichert das Betriebsprogramm. Der Mikroprozessor
100 liefert Adressen an den Adressenbus 104
um aus dem Programmspeicher 116 und aus dem als Schreib/
Lese-Speicher ausgebildeten Datenspeicher 118 Daten abzurufen.
Der Mikroprozessor 100 liefert über einen Steuerbus
120 Schreibfreigabe- und andere Steuerimpulse an den Datenspeicher
118 bzw. die peripheren Schnittstelleneinrichtungen
112 und 114.
Die peripheren Schnittstelleneinrichtungen 112 und 114 erlauben
es dem Mikroprozessor 100, die Daten aus dem Tastenfeld
63 auszulesen, den Zustand der Sensoren und Schalter zu
testen, die Ergebnisse interner Operationen anzuzeigen und
das Magnetron zu steuern. Die peripheren Schnittstelleneinrichtungen
112 und 114 sind mit der Steuerleitung, der
Taktleitung, der Interruptleitung, dem Datenbus bzw. dem
Adressenbus verbunden. Die periphere Schnittstellenschaltung
112 bildet die Schnittstelle zu dem Bedienungsfeld 30 mit
dem Tastenfeld 63 und den Anzeigeeinrichtungen 65. Die für
den Mikroprozessor bestimmten Eingabegrößen des Tastenfeldes
63 werden mit Hilfe einer herkömmlichen Matrix-Abtasttechnik
abgetastet. Zu diesem Zweck besitzt das Tastenfeld 63 eine
Matrix von Schaltern, die als Kontakte oder kapazitive Berührungsschalter
ausgebildet sind. Für das in Fig. 6 dargestellte
Bedienungsfeld 30 genügt beispielsweise eine 4×6-
Matrix. Es wird jedoch eine größere Matrix beschrieben werden,
wobei angenommen wird, daß sie zusätzliche Funktionen
enthält, die hier nicht näher diskutiert sind. Die Ausgabesignale
werden sequentiell den Spalten der Matrix zugeführt,
die Zeilen werden abgetastet und dekodiert. Die Pins 10 bis
17 der Schnittstelleneinrichtung 12 sind mit acht Leitungen
124 verbunden, die zu einer Hochstrom-Ausgabepufferschaltung
126 und Segment-Ausgabeports 128 führen.
An den Ausgang der Hochstrom-Ausgabepufferschaltung 126
sind acht Leitungen 130 und 138 angeschlossen, die über
acht Verstärker 139 zu dem Tastenfeld 63 führen. Über die
Leitungen 130 bis 138 werden die aufeinanderfolgenden Spaltenabtastimpulse
geliefert. Die Zeilen der Schaltermatrix
des Tastenfeldes werden über Leitungen 140 abgetastet, die
mit den Pins der peripheren Schnittstellenschaltung 112 verbunden
sind. Durch Dekodierung der abgetasteten Daten ermittelt
der Mikroprozessor, welche Schalter der Matrix des
Tastenfeldes 63 geschlossen sind.
Die digitale Anzeigevorrichtung 75 wird mit Hilfe einer Einrichtung
in der Weise abgetastet, daß jede Ziffer für eine
kurze Zeitspanne, beispielsweise zwei Millisekunden, sequentiell
angesteuert wird. Die gesamte Anzeigevorrichtung wird
mit einer solchen Geschwindigkeit abgetastet, daß das Auge
keine störenden Flimmererscheinungen wahrnimmt. In die Leitungen
130 bis 138 sind Treiberschaltungen eingefügt, von
denen in Fig. 10 zwei Exemplare stellvertretend dargestellt
sind. Diese Treiberschaltungen bestehen aus einem Transistor
Q, Widerständen R1 und R2 von beispielsweise 1,5 Kiloohm
bzw. 1,0 Kiloohm, und sind an eine Versorgungsspannung Vcc
von beispielsweise +5 V angeschlossen. Diese aufeinanderfolgend
wirksam werdenden Treiberschaltungen bestimmen, welche
Ziffer der digitalen Anzeige 65 aktiviert wird. Die Segment-
Ausgabetorschaltung 128 bestimmt, welche Segmente einer
speziellen Ziffer eingeschaltet werden. Die Torschaltung 128
ist über Leitungen 142 bis 150, in die Widerstände R3 eingefügt
sind, mit der Anzeigevorrichtung 65 verbunden. Als Segment-
Ausgabetorschaltung 128 kann beispielsweise eine integrierte
Schaltung verwendet werden. Die periphere Schnittstelleneinrichtung
114 liefert an ihren Pins über (nicht
dargestellte) Leitungen Daten und Abtastimpulsen für den
time-sharing-Betrieb der Leitungen 124 und die Freigabesteuerung
der Torschaltung 128 und der Pufferschaltung 126.
Der Mikroprozessor 100 steuert die Ausgangsleistung des Magnetrons
73 über die periphere Schnittstelleneinrichtung 114. Diese liefert über die Leitung 160 Ausgangssignale zu einer
Hochstrom-Ausgangspufferschaltung 162. Zwei Ausgänge der
Pufferschaltung 162 sind mit Optokopplern 164 bzw. 166 verbunden.
In einer logischen 0 entsprechendes Signal mit niedrigem
Spannungspegel am Eingang eines Optokopplers bewirkt,
daß der Innenwiderstand an seinem Ausgang einem Kurzschluß
entspricht. Der Ausgang des Optokopplers 164 ist mit einem
Triac 169 verbunden. Dieses wird durch ein Steuersignal des
Optokopplers 164 gezündet und schaltet einen Heiztransformator
173 für das Magnetron 73 ein.
Ein weiterer Triac 169 ist an den Ausgang des Optokopplers
166 angeschlossen und wird durch ein von diesem erzeugten
Steuersignal gezündet. Dabei schaltet es eine Hochspannungs-
Stromversorgungseinrichtung 171 ein. Letztere enthält vorzugsweise
einen Regeltransformator. Der Heiztransformator
173 speist den Heizfaden des Magnetrons 73 während die Hochspannungs-
Stromversorgungseinrichtung 171 eine Spannung von
etwa 4000 V an die Anode des Magnetrons 73 anlegt.
Eine Vielzahl üblicher Schaltungsmerkmale wie beispielsweise
Gebläse, Sicherungen und Unterbrecher sind in Fig. 10 nicht
dargestellt. Die Leuchtdiode 117, die Bestandteil der Waage
20 ist, richtet ihren Lichtstrahl auf einen Fotodetektor
182. Die analoge Ausgangsspannung des Fotodetektors 182 ist
vorzugsweise dem Gewicht des in den Ofenraum angebrachten
Kochgutes direkt proportional. Die Analogspannung wird über
eine Leitung 184
einem Analog-Digitalwandler 186 zugeführt, der über
die periphere Schnittstelleneinrichtung 114 und die
Leitung 188 von dem Mikroprozessor 100 derart gesteuert
wird, daß er einen Ausgangsimpuls abgibt, dessen
Dauer durch die analoge Eingangsspannung bestimmt
ist. Die aus diesem Impuls abgeleitete Information
wird über die periphere Schnittstelleneinrichtung 114
auf dem Datenbus 102 dem Mikroprozessor 100 zugeführt.
Durch Abzählung der Impulsdauer bestimmt der Mikroprozessor
100 das auf der Waage lastende Gewicht.
Fig. 11 und 12 zeigen in Seitenansicht bzw. in Draufsicht
die in einen Mikrowellenofen mit bodenseitiger
Einspeisung der Mikrowellenenergie eingebaute Waage 20.
Der Ofen besitzt ein elektrisches Heizelement 200,
das im Bodenbereich des Ofenraums 202 angeordnet ist.
Die Mikrowellenenergie wird von einem Magnetron 204
geliefert, dessen Ausgangssonde 206 unmittelbar in
einen Bodenschacht 208 des Ofenraums hineinragt. Die
Mikrowellenergie wird von der Ausgangssonde 206 über
einen Richtstrahler 210 mit drei Antennenelementen 212
in den Ofenraum gekoppelt. Sie breitet sich durch eine
für Mikrowellen durchlässige Abdeckung 214 aus. Eine
Drosselkonstruktion 216 verhindert, daß Mikrowellenenergie
durch den Spalt zwischen den Seitenwänden des
Bodenschachts 208 und dem Boden des Hohlraums austritt.
Ein Gebläse 218 richtet einen Luftstrom auf die Kühlrippen
des Magnetrons 204, der anschließend über die
Leitung 220 durch Öffnungen 222 in den Bodenschacht 208
eintritt. Der durch die Öffnungen 222 hindurchtretende
Luftstrom greift an Flügeln 224 des Strahlers 210 an
und versetzt diesen in Drehbewegung. Die Waage 20 ist
in derselben Weise ausgebildet wie die in Fig. 1, 2 und
3 dargestellte Waage. Sie ruht auf Bügeln 230, die sich
von dem Boden des Ofenraums nach unten erstrecken. Da
die Waage 20 im wesentlichen rechteckförmig ausgebildet
ist und im mittleren Bereich keine Konstruktionsteile
aufweist, kann die Mikrowellenquelle in der Mitte des
Bodens angeordnet sein. Stifte 22 ragen durch in dem
Boden angebrachte Öffnungen und tragen die Platte 26.
Die Stifte 22 sind bei diesem Ausführungsbeispiel länger
als bei dem eingangs geschilderten Ausführungsbeispiel,
so daß sie das elektrische Heizelement 200 überragen.
Die Stifte 22 können auch mit Tragelementen für Gitterroste
versehen sein, so daß die Waage 20 eine Gewichtsanzeige
von auf diesen Gittern liegenden Speisen liefert.
Claims (4)
1. Verfahren zur Steuerung eines Magnetrons (14) für einen
Mikrowellenofen, bei welchem das in den Ofenraum des Mikrowellenofens
eingebrachte Kochgut abgewogen (20) wird, ein
aus dem Gewicht des Kochgutes abgeleitetes Signal erzeugt
und einer Steuereinrichtung (32) als Eingangssignal eingegeben
und die Einschaltzeit des Magnetrons (14) als Funktion
des genannten Eingangssignals von der Steuereinrichtung bestimmt
wird, dadurch gekennzeichnet, daß mittels eines
Mikroprozessors (32) der Steuereinrichtung (32) die Funktion
als nichtlineare Funktion errechnet wird , welche das Gewicht
des unbehandelten Kochgutes im Zähler und die Summe des Gewichtes,
des unbehandelten Kochgutes und einer die Ofenverluste
repräsentierenden Konstanten im Nenner aufweist.
2. Vorrichtung zur Steuerung eines Magnetrons (14) für einen
Mikrowellenofen
- - mit einem Ofenraum aus elektrisch leitfähigen Wandungen, in welchen das Magnetron Mikrowellenenergie einspeist, ferner,
- - mit einer Vorrichtung (20) zur Bestimmung des Gewichtes im Ofenraum befindlichen Kochgutes, sowie
- - mit einer Steuereinrichtung (32) zur Steuerung der Einschaltzeit des Magnetrons (14) in Abhängigkeit von dem Gewicht des im Ofenraum befindlichen Kochgutes,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Einschaltzeit des Magnetrons (14) als nichtlineare Funktion des Gewichtes des unbehandelten Kochgutes bestimmt ist,
daß die nichtlineare Funktion der Quotient aus dem Gewicht des unbehandelten Kochgutes und der Summe des Gewichtes des unbehandelten Kochgutes zuzüglich einer die Ofenverluste repräsentierenden Konstanten ist und
daß die Steuereinrichtung zur Bestimmung der Einschaltzeit des Magnetrons einen Mikroprozessor (20) enthält.
daß die Einschaltzeit des Magnetrons (14) als nichtlineare Funktion des Gewichtes des unbehandelten Kochgutes bestimmt ist,
daß die nichtlineare Funktion der Quotient aus dem Gewicht des unbehandelten Kochgutes und der Summe des Gewichtes des unbehandelten Kochgutes zuzüglich einer die Ofenverluste repräsentierenden Konstanten ist und
daß die Steuereinrichtung zur Bestimmung der Einschaltzeit des Magnetrons einen Mikroprozessor (20) enthält.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
die Konstante den Wert 0,05 kg hat.
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