DE4415532A1

DE4415532A1 - Adaptiv geregelte Erhitzungsvorrichtung

Info

Publication number: DE4415532A1
Application number: DE19944415532
Authority: DE
Inventors: Reiner Dipl Ing Kuehn; Oliver Dipl Ing Speks
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1994-05-03
Filing date: 1994-05-03
Publication date: 1995-11-09
Anticipated expiration: 2014-05-04
Also published as: DE4415532C2

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf die Erhitzung von Gegenständen (z. B. Kochtopf mit Nahrungsmitteln), nachfolgend "Gut" genannt, auf einer Erhitzungsvorrichtung. Das Gut erreicht die Vorgabetemperatur in minimaler Zeit, ohne sie zu überschreiten.

Stand der Technik

Bei einer ungeregelten Erhitzungsvorrichtung handelt es sich um eine Steuerung. Der Anwender schätzt die erforderliche Wärmemenge und stellt die Leistungszufuhr entsprechend ein. Die im System enthaltenen Energiespeicher machen das System träge und schwer einschätzbar. Bei einer Fehleinschätzung der erforderlichen Leistungszufuhr wird die gewünschte Temperatur über- oder unterschritten.

Die geregelte Erhitzungsvorrichtung mit Temperaturfühler hält die Temperatur an der Stelle, an der der Temperaturfühler angebracht ist, konstant. Die spezifischen thermodynamischen Eigenschaften des Gutes werden nicht automatisch berücksichtigt. Der Anwender muß eingreifen, um den Erhitzungs- und Konstanthaltevorgang zu optimieren.

Die geregelte Erhitzungsvorrichtung mit Erhitzungsautomatik erhitzt zunächst mit voller Leistung und drosselt danach die Energiezufuhr für die Konstanthaltephase. Auf diese Weise wird der Erhitzungsvorgang gegenüber dem einfachen Zweipunktregler beschleunigt. Der Anwender muß jedoch die thermodynamischen Eigenschaften des Gutes schätzen und den Regler entsprechend einstellen.

Die oben beschriebenen Vorgehensweisen beruhen darauf, daß der Mensch als Optimaler Regler [Literatur 1] die Zeit zum Anheizen selbst aus der durch den täglichen Gebrauch der Erhitzungsvorrichtung gewonnenen Erfahrung heraus schätzt. Aufgrund dessen muß der Anwender das Verhalten jeder verwendeten Erhitzungsvorrichtung in Verbindung mit unterschiedlichem Gut zunächst erlernen.

Offenbarung der Erfindung

Die Erfindung beschäftigt sich daher mit der Schaffung einer Erhitzungsvorrichtung, bei der die Einflüsse der thermodynamischen Eigenschaften des Gutes und der veränderlichen Faktoren wie äußere Lufttemperatur, Anfangstemperatur des Gutes und Anfangstemperatur der Erhitzungsvorrichtung automatisch berücksichtigt werden.

Eine Ausführungsform der Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung am Beispiel einer Kochplatte beschrieben.

Kurzbeschreibung der Abbildungen

Fig. 1 schematische Darstellung der Erhitzungsvorrichtung

1 Erhitzungsvorrichtung
2 Bedienungselement zur Eingabe der Vorgabetemperatur von 0°C bis 150°C
3 Temperatursensor an der Kochplatte
4 Gut (Nahrungsmittel und Behälter)
5 Elektronischer Regler
6 Stellglied (Leistungszufuhr der Kochplatte)

Fig. 2 Schematische Darstellung des Regelkreises

Fig. 3 Erhitzung einer Kochplatte mit leerem Behälter

1. Temperatur der Kochplatte (obere Kurve)
2. Temperatur im Inneren des Topfes (untere Kurve)

Fig. 4 Erhitzung der Kochplatte mit vollem Behälter

Beste Ausführung der Erfindung

Im folgenden sind die verwendeten Formelzeichen angegeben.
P_p(s) = Übertragungsfunktion der Erhitzungsvorrichtung
P_g(s)= Übertragungsfunktion des Gutes
P_s(s) Übertragungsfunktion des Gutes und der Erhitzungs vorrichtung
T_v (t) = Führungsgröße (Vorgabetemperatur) [0°]
T_p(t)= Ausgangsgröße (Temperatur der Kochplatte) [°C]
T_g(t)= Temperatur des Gutes [0°]
e(t) = Regelabweichung [00]
z(t) = Störung der Ausgangsgröße [°C]
u_d(t)= Stellgröße [0°]
n = Index für die Leistungszufuhrphasen
t_en = Einschaltzeitpunkt (n=0, 1, 2, . . .)
t_an = Ausschaltzeitpunkt (n=0, 1, 2, . . .)

Die Regelung erfolgt nach der Schaltung in Fig. 1.

Die Vorgabetemperatur T_v(t) wird mit einem linearen Stellglied kontinuierlich eingestellt.

Die Temperatur T_p(t) der Kochplatte wird gemessen.

Die zugeführte Leistung u_d(t), die mit dem Stellglied zugeführt wird, ist bekannt und muß daher nicht gemessen werden.

Die Parameter des Systems P_s(s) werden indentifiziert über der Messung der Temperatur an der Kochplatte T_p(t).

1. Leistungszufuhr: für t_en < t = < t_an; ohne Gut im Leerlauf

Für diese Bedingung ist P_g(s)=0 und P_s(s)=P_p(s). Die folgende Formel (Gl. 5) beschreibt die Übertragungsfunktion der Erhitzungsvorrichtung P_p(s) im komplexen Frequenzbereich. Die Parameter werden im Leerlaufbetrieb für die jeweilige Erhitzungsvorrichtung spezifisch ermittelt.

2. Leistungszufuhr: für t_en < t = < t_an: mit Gut

Die folgende Formel (Gl. 6) beschreibt die Übertragungsfunktion der Erhitzungsvorrichtung mit dem Gut P_s(s) im komplexen Frequenzbereich.

Die Parameter werden im Betrieb mit einem Gut als Last für die jeweilige Erhitzungsvorrichtung spezifisch ermittelt.

Mit der Formel (Gl. 3) wird die Übertragungsfunktion der Last P_g(s) berechnet.

T_g(s) = P_g(s) _* T_p(s) [Gl. 7]

Die Differentialgleichung (Gl. 1), (Gl. 2) kann u. a. mit der Yule Walker Gleichung oder durch Variation der Konstanten iterativ gelöst werden.

Die Erhitzungsphase beginnt zum Zeitpunkt t_e0=0 mit dem Einschalten [Gl. 8] der Energiezufuhr. Der Abschaltzeitpunkt t_a0 wird so bestimmt, daß das zu erhitzende Gut die vorgegebene Temperatur erreicht, ohne sie zu überschreiten.

Nach dem Abschalten [Gl. 9] der Energiezufuhr erfolgt ein Temperatur-Ausgleich zwischen Kochplatte und Last. Die Temperatur des Gutes nimmt bis zum Vorgabewert zu, während die Temperatur der Kochplatte abnimmt. Die Erhitzungsphase endet, wenn das Gut die Vorgabetemperatur erreicht hat.

Thermische Verluste führen danach zur Abnahme der Temperatur des Gutes und müssen durch erneute Energiezufuhr ausgeglichen werden.

Zwischen den Zeitpunkten t_en und t_an wird jeweils Energie zugeführt [Gl. 8]. t_en ist der Zeitpunkt, zu dem die Temperatur der Erhitzungsvorrichtung die Vorgabetemperatur um einen festgesetzten Wert unterschreitet. Der Zeitpunkt t_an wird jeweils so bestimmt daß die zu erhitzende Last die vorgegebene Temperatur zuzüglich einem festgesetzten Wert erreicht, ohne sie zu überschreiten. Nach dem Abschalten sinkt die Temperatur erneut durch thermische Verluste [Gl. 9]. Dieser Vorgang wiederholt sich zyklisch während der Konstanthaltephase. Auf diese Weise hält das Gut im Mittel die Vorgabetemperatur.

1. Leistungszufuhr: für t_en < t = < t_an

u_d(t)= u_d(t_en) + const _* (t-t_en) [Gl. 8]

2. Keine Leistungszufuhr: für t_an < t = < t_{e n+1}

u_d(t) = 0 [Gl. 9]

Gewerbliche Anwendbarkeit

Aus der vorstehenden Beschreibung geht hervor, daß wesentliche Eigenschaften einer Erhitzungsvorrichtung verbessert worden sind.

Die Dauer der Erhitzungsphase wird reduziert. Dies führt zur Einsparung von Energie und Arbeitszeit.

Eine Erhitzung des Gutes mit einer höheren Temperatur als der gewünschten wird ausgeschlossen. Ein unkontrolliertes Aufheizen im Leerlauf, das bei herkömmlicher Regelung zur Zerstörung der Erhitzungsvorrichtung führt und einen Brand auslöst, ist unterbunden.

Die Einarbeitungszeit, bis der Anwender das Verhalten der Erhitzungsvorrichtung kennt und durch kontinuierliche Beobachtung die Regelung von Hand durchführt, entfällt.

Das Verhalten ist allgemein einsetzbar und mit Standard- Bauelementen (u.A. Temperturfühler, Mikrocontroller und Digital/Analogwandler) realisierbar.

Literatur

[1] Johannsen, Gunnar:
Der Mensch im Regelkreis - Lineare Modelle,
Forschungsinstitut für Anthropotechnik Meckenheim,
A. Oldenburg Verlag München Wien 1977, Seite 155
[2] J.F. Böhme:
Ruhr-Universität Bochum SS 1988
Skript der Vorlesung Signaltheorie
Yule-Walker-Gleichung Seite STh 5.9.

Claims

1. Adaptiv geregelte Erhitzungsvorrichtung mit einem Temperaturfühler zum Messen der Temperatur an der wärmeabgebenden Oberfläche, gekennzeichnet durch:

- ein Bedienungselement zur stufenlosen Einstellung der Vorgabetemperatur über den gesamten Regelbereich,
- ein Rechenmodul (z. B. Mikrocomputer) das ständig den Maximalwert der Temperatur prädiziert, die das Gut bei sofortigem Abschalten der Energiezufuhr erreichen würde,
- einen Regler, der die Energiezufuhr unterbricht, wenn die vom Rechenmodul prädizierte Maximaltemperatur des Gutes größer oder gleich dem am Bedienungselement eingestellte Vorgabetemperatur ist und die Energie zufuhr in Betrieb setzt, wenn die an der Oberfläche des wärmeabgebenden Körpers gemessene Temperatur einen in Abhängigkeit von der Vorgabetemperatur festge setzten Wert unterschreitet.

2. Rechenmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

- daß es die mit dem Temperaturfühler während der Aufwärmphase gemessenen Werte verwendet, um die Lastparameter des Gutes zu ermitteln.
- daß es die dem System zugeführte Energie berechnet,
- daß es anhand der Lastparameter ständig schätzt, welche Temperatur das Gut mit der dem System bereits zugeführten Energie maximal erreichen kann.