DE3424585A1

DE3424585A1 - Braeunungssensor

Info

Publication number: DE3424585A1
Application number: DE19843424585
Authority: DE
Inventors: Petra Dipl.-Phys. DDR 1193 Berlin Büttner; Klaus Dipl.-Ing. DDR 1156 Berlin Körner; Joachim Dipl.-Ing. Dr. DDR 1195 Berlin Puder; Joachim Dipl.-Phys. Dr. DDR 1020 Berlin Tilgner
Original assignee: DRESDEN ELEKTROHAUSHALTGERAETE
Current assignee: DRESDEN ELEKTROHAUSHALTGERAETE
Priority date: 1983-08-01
Filing date: 1984-07-04
Publication date: 1985-02-14
Also published as: DD217879A1

Description

TITEL DER ERFINDUNG
Bräunungssensor ANWENDUNGSGEBIET DER ERFINDUNG Die Erfindung bezieht sich auf das Erzeugen von Bräungut, zum Beispiel Brot oder Grillgut in Toastern oder in Grillgeräten.
CHARAKTERISTIK DER BEKANNTEN TECHNISCHEN LÖSUNGEN In der DE-AS 1 515 042 wird ein temperaturgesteuerter Toaster mit einer rohrförmigen Strahlungsleitejnrichtung beschrieben, die die vom Brot ausgestrahlte Wärme auf ein Fühlelement unter Verwendung eines Konvexspiegels lenkt.
Das Fühlelement ist gegen die Heizerstrahlung abgeschirmt.
Die rohrförmige Strahlungsleiteinrichtung ist schwenkbar ausgebildet. Als FUhlelement kann ein Thermistor, Thermoelement bzw. Bimetallschalter verwendet werden. Zur Ausschaltung von Umwelteinflüssen und StUrgrdßen wird ein Kompensationsfuhlelement eingesetzt. Indem sich das schwenkbare Rohr in MeXBtellung sehr dicht an der Brotoberfläche befindet, wird der betrachtete Brotabsohnitt nicht mehr vom elektrischen Heizer durch Strahlung beheizt. Die Folge ist eine Auskühlung der beobachteten Stelle der Brotoberfläche. Damit wird nur eine geringe Strahlungsleistung gemessen, die keine repräsentativen Aussagen über den Bräunungsgrad zuläßt. So können zum Beispiel Löcher in einer Brotscheibe die Messung verfälschen, und damit erhält das Bräungut nicht den gewünschten Bräunungsgrad. Die erfaßten Energiemengen sind gering und lassen sich nicht immer eindeutig auswerten. Da der Zeitpunkt des Braunwerdens zunächst unbekannt ist. muß gegebenenfalls das schwenkbare Rohr mehrfach in Meßstellung gebracht werden. Dies erfordert eine Schwenkvorrichtung mit selbsttätiger Steuerung. Die Lage des Toastgutes selbst zum schwenkbaren Rohr hängt von dessen Form (Dicke, Krümmung) ab und beeinflußt die Meßgenauigkeit sehr stark negativ. Die Schwenkeinriohtung müßte also auch noch bezugleich des Abstandes zum Brot gesteuert werden. Ein weiterer Nachteil dieser Lösung ist, daß die Wärmestrahlung erst nach mehrfacher Reflexion über einen sphärischen Konvexspiegel auf das Fühlelement gelangt, was zusätzliche Energieverluste mit sich bringt. Die Fokussierung der Strahlungsenergie in Axialrichtung längs der Leiteinrichtung auf das Fühlelement bedeutet, daß von einer ohnehin kleinen Fläche nur die Strahlung eines kleinen Raumwinkels ausgenutzt wird. Der dieser Messung zugrunde liegende Lichtleitwert ist sehr gering und läßt keine eindeutige Information huber den Bräunungsgrad zu.
Es ist ebenfalls bekannt, den Bräunungsgrad von Bräungut mit sichtbarem Licht unter Verwendung einer Lichtquelle, zweier Lichtempfänger und mit einer elektronischen Schaltung zu bestimmen (z. B. DE 2 125 423). Dabei ist der Aufwand, besonders für die Elektronik. ebenso wie die Baugröße sehr hoch. Problematisch bei derartigen Messungen ist, daß der Unterschied zwischen ungebräuntem und schwach gebräuntem Bräungut nur schwer erkennbar ist. Beim Toasten von verschiedenen Brotsorten ist im allgemeinen die Vergleichsfläche des Lichtempfängers auszutauschen, was den Bedienkomfort derartiger Toaster wesentlich verringert.
Weitere Prinzipien zur Steuerung von Toastern basieren auf Zeitschaltern (z. B. DE-PS 2 052 607), die durch temperaturabhängige Widerstände und elektronische Steuersohaltungen weitgehend unabhängig von Umwelteinflüssen arbeiten. Dabei wird ein hoher Elektronikaufwand getrieben. und der Zustand des Bsäungutes bleibt völlig unberüeksichtigt.
ZIEL DER ERFINDUNG Ziel der Erfindung ist es, mit hoher Zuverlässigkeit den Bräunungsgrad von Bräungut bei geringem Aufwand zu bestimmen.
DARLEGUNG DES WESENS DER ERFINDUNG Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Bräunungsgradsensor zu entwickeln, der es ermöglicht, einen reproduzierbaren, unabhängig von der Beschaffenheit des Bräungutes wahlweise einstellbaren gewünschten Bräunungsgrad zu erzeugen.
Erfindungsgemäß wird das bei einem Bräunungssensor mit einem Sensorkopf zur Erfassung der Strahlungsemission von Bräungut der gegen die IR-Strahlung zur Erwärmung des Bsäungutes abgeschirmt angeordnet ist und dem ein Schwellwertschalter zur Abschaltung dieser IR-Strahlung zugeordnet ist, dadurch erreicht, daß der thermisch isolierte Sensorkopf aus einem ersten Meßelement mit Schwarzkörperoberfläche und einem zweiten Meßelement mit reflektierender Oberfläche, denen Je ein Regelkreis zur Temperaturstabilisierung zugeschaltet ist, besteht. Dabei ist der Sensorkopf derartig in der Austrittspupille einer Spiegeloptik angeordnet. daß das erste Meßelement mit Schwarzkörperoberfläche Uber ein, die Spiegeloptik verschließendes, die kurzwellige IR-Strahlung im wesentlichen reflektierendes und die langwellige IR-Strahlung im wesentlichen durchlassendes Fenster in gutem optischen Kontakt mit dem Bräungut steht und das zweite Meßelement mit reflektierender Oberfläche gegen die Strahlungsemission des Bräungutes abgeschirmt angeordnet ist. Die beiden Meßelemente sind voneinander thermisch isoliert angeordnet.
Die beiden Rückseiten der beiden Meßelemente des Sensorkopfes liegen thermisch isoliert aneinander. Der therwisch isolierte Sensorkopf ist vorzugsweise unterhalb des Bräungutes positioniert. Für die Herstellung der Meßelemente des Sensorkopfes können Bimetallstreifen verwendet werden.
Von einem Heizstrahler wird zur Erwärmung des Bräungutes Strahlung ausgesandt Die vom Bräungut abgegebene Emissionsstrahlung gelangt durch das Fenster, das nur für innwellige IR-Strahlung durchlässig ist, über eine Spiegeloptik auf einen Sensorkopf. Der Sensorkopf befindet sich in der Spiegeloptik, die als Ellipsoidspiegel ausgebildet sein kann, und ist in der Austrittspupille der Spiegeloptik angeordnet. Vor dem Fenster in Richtung zum Bräungut ist eine auswechselbare Folie als Krümel schutz angeordnet.
Durch eine Regelung wird das erste Meßelement mit Schwarzkörperoberfläche (t~0,9 ... 1) auf die Referenztemperatur #R gebracht und bei #R gehalten. Das zweite Meßelement mit reflektierender Oberfläche (#~0 ... 0,1), das der gleichen Konvektion und Wärmeleitung wie das erste Meßelement ausgesetzt ist, befindet sich in unmittelbarer Nähe des ersten ießelementes und wird ebenfalls auf der Referenztemperatur <tR durch eine zweite Regelung gehalten. Beim ersten Meßelement, das der Strahlungsemission des Bräungutes ausgesetzt ist, beträgt das Produkt aus Absorptionskoeffizient t und Raumwinkel g nahezu 2 # , während es beim zweiten als Referenzelement wirkenden Meßelement etwa Null beträgt. Die definierte thermische Abschirmang der Neßelemente erfolgt durch das Aufhängen an dünnen Drähten bzw. Folien geringer Wärmeleitfähigkeit.
Die Dimensionierung der Aufhängung wird so ausgeführt, daß die Energie P zum Aufrechterhalten der Temperatur #R die Änderung der auf das erste Neßelement eingestrahlten Energie A P1 deutlich übersteigt. Der Wärmetransport zwischen den Meßelementen wird durch Wärmeaustausch (W§rmeleitung, Konvektion und Strahlung) so bestimmt, daß der thermische Ausgleich zwischen den Meßelementen schon erfolgt ist. bevor nach Einlegen eines neuen Bräungutes das neue Bräungut zu bräunen beginnt. Zur besseren Entkopplung der IR-Strahlung der IR-Heizelemente von der IR-Strahlung des Bräungutes können Blenden angeordnet oder bestimmte Bereiche der Spiegeloptik unverspiegelt sein.
Der Sensorkopf kann auch derartig ausgebildet sein, daß nur ein Meßelement mit Schwarzkörperaberfläche in gutem optischen Kontakt zum Bräungut mit einem Gehäuse umgeben, angeordnet ist, das einen eigenen Temperaturregelkreis mit einer niedrigeren Temperatur als das Meßelement aufweist. Die zum Halten der Referenztemperatur #R benötigte Leistung P1 für das erste Meßelement verringert sich mit der durch die Strahlungsemission des Bräungutes hervorgerufenen Erwärmung um den Betrag # A P1. Die benötigte Leistung P2 für das zweite Meßelement mit reflektierender Oberfläche wird vergleichsweise wenig verringert. Die Referenztemperatur #R ist stets derartig festgelegt, daß die Leistung zum Halten der Temperatur stets größer ist als die maximale Strahlungsleistung.
Durch Differenzbildung P2 - P1 wird die Leistungsdifferenz #P1 ermittelt und in eine äquivalente Größe umgewandelt. Durch den Schweliwertschalter wird beim Erreichen eines Schwellwertes für ¢k P1 ein Schaltvorgang bewirkt. Die Strahlungsemission des Bräungutes im Infraroten hat dann eine bestimmte Strahlungsdichte erreicht, die einem gewünschten Bräunungsgrad des Bräungutes entspricht. Die Schaltschwelle des Schwellwertschalters kann vor Beginn des Bräunungsprozesses Je nach Art des Bräungutes und gewünschtem Bräunungsgrad eingestellt werden.
Andererseits ist es auch möglich, durch eine BUndelbegrenzung mit optischen Blenden zwischen Bräungut und Sensorkopf die Strahlungsdichte zu beeinflussen und die Schaltschwelle des Schwellwertschalters konstant zu lassen.
Dadurch, daß der Sensorkopf in der Austrittspupille des optischen Systems angeordnet ist, wird ein integrales Messen der Strahlungsemission des Bräungutes im IR-Bereich über eine relativ große Fläche des Bräungutes ermdglicht, so daß Größe und Lage des Bräungutes von geringem Einfluß sind. Durch die Verwendung eines elliptischen Zylinderspiegels als optisches System wird durch eine einmalige Reflexion ein großer Teil der Bräungutfläche unter einem relativ großen Raumwinkel erfaßt. Eintritts- und Austrittspupille des elliptischen Zylinderspiegels sind rechtechförmig ausgebildet. Bei Verwendung eines ebenfalls rechteokförmigen Sensorkopfes kann ein sehr großer Raumwinkel der Strahlung von der Bräungutoberfläche erfaßt werden.
Konvektion, Wärmeleitung und Wärmestrahlung des Heizers zur Erwärmung des Bräungutes beeinflussen wegen der rAumlichen Trennung von Heizer und Sensorkopf die Emissionsmessung nur in vernachlässigbar geringem Maße.
Mit der Erfassung der Strahlungsleistung der Emission des Brkungutes im langwelligen IR-Bereich ist es möglich, Bräungut unterschiedlicher Art mit gewünschtem BrSunungsgrad reproduzierbar herzustellen.
AUSFÜHRUNGSBEISPIEL Die Erfindung soll nachstehend an einem AusfUhrungsbeispiel näher erläutert werden.
Die Figur zeigt einen Bräunungssensor, der in einem Toaster zum Erkennen des Bräunungsgrades von Brot dient.
Eine zu toastende Brotscheibe 1 wird in einem V-förmigen Brotkorb 8 zwischen die IR-Heizelemente 2 zur Erwärmung und damit zur Erzeugung des gewünschten Bräunungsgrades eingeschoben. Zuvor wurde am Schwellwertschalter der gewünschte Bräunungsgrad entsprechend dem individuellen Geschmack vorgewählt. Mit Beginn des Bräunvorganges durch Einschalten der IR-Heizelemente 2 erfolgt eine Strahlungsemission im IR-Bereich durch die Brotscheibe 1, die sich in Abhängigkeit vom Bräunungsgrad ändert. Diese Emissionsstrahlung fällt auf ein unterhalb von Brot scheibe 1 und IR-Heizelementen 2 positioniertes Fenster 5 mit Krümelschutzfolie 14, die auswechselbar vor dem Fenester 5 angeordnet ist. Da Fenster 5 ist nur für langwellige IR-Strahlung (6 um - 25 um) durchlässig und verschließt den Raum, der durch einen Ellipsoidspiegel 3, mit Kühlrippen 13 eine verspiegelte Halterung 6 und eine thermische Superisolation 4 gebildet wird und sich parallel zur Brotscheibe 1 und IR-Heizelementen 2 erstreckt.
In der Austrittspupille des Ellipsoidspiegels 3 ist ein Sensorkopf 7, bestehend aus einem ersten Meßelement 11 mit Schwarzkörperoberfläche und einem zweiten Meßelement 12 mit reflektierender Oberfläche, mittels Haltestegen 9 positioniert. Beide Meßelemente sind in gleicher Weise der Wärmeleistung, der Wärmestrahlung und der Konvektion der Umgebung ausgesetzt. Die Schwarzkörperoberfläche des ersten Meßelementes 11, die zur Erfassung der IR-Strahlungsemission der Brotsoheibe 1 dient, steht über ein Fenster 5 in gutem optischen Kontakt mit der Seitenfläche der Brotscheibe, während die reflektierende Oberfläche des zweiten Meßelementes 12 gegen diese Strahlungsemission abgeschaltet (z. B. an der Rüekseite des ersten Meßelementes 11 angeordnet) ist. über die in bekannter Weise aufgebauten entsprechenden Regelkreise (nicht dargestellt), werden die Meßelemente 11, 12 auf einer bestimmten Referenztemperatur #R gehalten. Die Referenztemperatur #R und die Geometrie der Meßstellen sind so gewählt, daß die Leistung zum Halten der Temperatur zur stets grdßer ist als die maximale Strahlungsleistung. Durch die mit fortschreitendem Toastvorgang zunehmende Strahlungsemission der Brotsoheibe, die auf die Sohwarzkdrperoberfläche trifft, wird die benötigte Leistung zum Halten des ersten Meßelementes 11 auf Referenztemperatur #R geringer. Die für das zweite Meßelement benötigte Leistung verringert sich vergleichsweise weniger. Die ermittelte Leistungsdifferenz wird in eine Widerstandsänderung # R der NTC- bzw. PTC-Widerstände umgewandelt, wobei sich eine zur Referenztemperatur #R sehr kleine, vernachlässigbare Temperaturdifferenz einstellt, und dann einem Schwellwertschalter zugeführt, der bei Erreichen eines Schwellwertea die IR-Heizelemente 2 abschaltet.
Größe und Lage der Brotscheibe sind von geringem Einfluß, da der Sensorkopf in der Austrittspupille des Ellipsoidspiegels angeordnet ist. Die Messung der Strahlungsemission erfolgt integral über etwa 50 % der Brotseheibenoberfläche. Vorhandene Löcher im Brot haben ebenfalls einen geringen Einfluß, da ihr Anteil an der Gesamtfläche gering ist und die Strahlungsemisßion schräg erfaßt wird. Im Toaster sind fttr Jede der zwei Brotseiten je ein Sensorkopf 7 in Ellipsoidspiegeln 3 angeordnet, um eine unterschiedliche Beschaffenheit der beiden Seiten einer Brotscheibe 1 (z. B. Brotkanten) beim Toastvorgang zu berücksichtigen und auch unter derartigen Bedingungen den gewünschten Bräunungsgrad auf beiden Seiten zu erreichen.
AUFSTELLUNG DER VERWENDETEN BEZUGSZEICHEN 1 - Brotecheibo 2 - Ir-Heizelemente 3 - Ellipeoidspiegel 4 - Superisolation 5 - Fenster 6 - Halterung 7 - Sensorkopf 8 - Brotkorb 9 - Haltestege 11 - Meßelement mit Schwarzkörperoberfläche 12 - Meßelement mit reflektierender Oberfläche 13 - Kühlrippen 14 - Krü.elechutzfolie

Claims

ERFINDUNGSANSPRUCH 1. Bräunungssensor mit einem Sensorkopf zur Erfassung der Strahlungsemission von Bräungut, der gegen die IR-Strahlung zur Erwärmung des Bräungutes abgeschirmt angeordnet ist und dem ein Schwellwertschalter zur Abschaltung dieser IR-Strahlung zugeordnet ist, gekennzeichnet dadurch, daß der thermisch isolierte Sensorkopf (7) aus einem ersten Meßelement (11) mit Schwarzkrperoberfläche und einem zweiten Meßelement (12) mit reflektierender Oberfläche, denen Je ein Regelkreis zur Temperaturstabilisierung zugeordnet ist, besteht, wobei die beiden Meßelemente (11), (12) des Sensorkopfes (7) voneinander thermisch isoliert angeordnet sind, daß der Sensorkopf (7) derartig in oder in der Nähe der Austrittspupille einer Spiegeloptik angeordnet ist, daß das erste Meßelement (11) mit Schwarzkörperoberfläche Uber ein, die Spiegeloptik verschließendes, die kurzwellige IR-Strahlung reflektierendes und langwellige IR-Strahlung durchlassendes Fenster (5) in gutem optischem Kontakt mit dem Bräungut steht und das zweite Meßelement (12) mit reflektierender Oberfläche gegen die Strahlungsemission des Bräungutes abgeschirmt angeordnet ist.
2. Bräunungssensor mit einem Sensorkopf zur Erfassung der Strahlungsemission von Bräungut, der gegen die IR-Strahlung zur Erwärmung des Bräungutes abgeschirmt angeordnet ist und dem ein Schwellwertsehalter zur Abschaltung dieser IR-Strahlung zugeordnet ist, gekennzeichnet dadurch, daß im Sensorkopf (7) nur ein Meßelement (11) mit Schwarzkörperoberfläche und in gutem optischem Kontakt zum Bräungut angeordnet und mit einem Gehäuse umgeben ist, und daß das Gehäuse einen eigenen Temperaturregelkreis mit einer niedrigeren Temperatur als das Meßelement aufweist.
3. Bräunungssensor nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die RUckseiten der beiden Meßelemente (11, 12) voneinander thermisch isoliert aneinander liegen.
4. Bräunungssensor nach Punkt 1 oder 2 und 3, gekennzeichnet dadurch, daß als Spiegeloptik ein elliptischer Zylinderspiegel angeordnet ist.
5. Bräunungssensor nach Punkt 1 oder 2 und 3 und 4, gekennzeichnet dadurch, daß zum Bräungut vor dem Fenster (5) eine auswechselbare Folie als Krümel schutz (14) angeordnet ist.
6. Bräunungssensor nach Punkt 1 oder 2 und 3 bis 5, gekennzeichnet dadurch daß zwischen Bräungut (1) und Sensorkopf (7) optische Blenden zur Beeinflussung der Strahlungsdichte angeordnet sind.
7. Bräunüngssensor nach Punkt 1 oder 2 und 3 bis 6, gekennzeichnet dadurch daß der thermisch isolierte Sensorkopf (7) unterhalb des Bräungutes (1) positioniert ist.
8. Bräunungssensor nach Punkt 1 und 3 bis 7, gekennzeichnet dadurch, daß für die Herstellung der Meßelemente (11, 12) des Sensorkopfes (7) Bimetallstreifen verwendet werden.