DE4415532C2

DE4415532C2 - Verfahren zur Erhitzung eines Gutes

Info

Publication number: DE4415532C2
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: 1996-09-26
Anticipated expiration: 2014-05-04
Also published as: DE4415532A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Erhitzung eines Gutes gemäß Patentanspruch 1.

Bei einer ungeregelten Erhitzungsvorrichtung handelt es sich um eine Steuerung. Der Anwender schätzt die erforderliche Wärmemenge und stellt die Energiezufuhr entsprechend ein. Die im System enthaltenen Energiespeicher machen das System träge und schwer einschätzbar. Bei einer Fehleinschätzung der erforderlichen Energiezufuhr 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 Energiezufuhr 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 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.

Das in DE 41 15 489 A1 beschriebene Verfahren interpoliert den mit Hilfe einer beweglichen Meßsonde am Gut gemessenen Kerntemperaturverlauf, um den optimalen Zeitpunkt zur Abschaltung der Energiezufuhr zu berechnen. Dabei wird vorausgesetzt, daß der Temperaturverlauf nach Abschalten der Energiezufuhr noch für einen Zeitraum von ca. 10 Minuten in gleicher Weise steigend sein Maximum erreicht. Das Verfahren geht davon aus, daß lediglich die Last variabel ist, nicht die Wärmeverluste. Bei der Regelung von Kochplatten ist jedoch beispielsweise ein signifikanter Unterschied feststellbar, ob ein Topf mit oder ohne geschlossenen Deckel erhitzt wird.

Der Einsatz eines Temperatursensorspießes ist außerdem bei der Herstellung, der Bedienung und der Pflege aufwendiger als ein fest eingebauter Sensor an der wärmeabgebenden Oberfläche.

Das in DE 35 30 401 A1 beschriebene Verfahren zur automatischen Regelung, das ohne eine Meßsonde zur Ermittlung der Temperatur des Gutes auskommt, basiert auf den spezifischen Eigenschaften von Wasser (Latenz) und ist daher nur zur Regelung eines Ankochvorgangs geeignet. Die Vorgabetemperatur ist hierbei zwangsläufig der Siedepunkt. Häufig ist jedoch das Erreichen des Siedepunktes nicht erwünscht, beispielsweise zum Schmelzen von Fett oder Pasteurisieren von Lebensmitteln. Dieses Verfahren optimiert nicht den Ankochvorgang auf kürzestmögliche Dauer und setzt voraus, daß der Anwender die angemessene Heizleistung abschätzt und dem Regler vorgibt.

Das in DE 37 36 005 A1 beschriebene Verfahren erkennt drei verschiedene Wärmekapazitäten des Gutes. Den drei Wärmekapazitäten ist jeweils eine Heizstufe zugeordnet. Eine geringe Last wird mit einer niedrigeren Energiezufuhr aufgeheizt. Das Verfahren optimiert also nicht den zeitlichen Verlauf des Anheizens, d. h. die Vorgabetemperatur wird nicht in der kürzestmöglichen Zeit erreicht.

Darüber hinaus wird bei diesem Verfahren die am Keramikkochfeld gemessene Temperatur konstant gehalten. In der Praxis gibt es jedoch einen deutlichen Temperaturunterschied zwischen Kochplatte und Kochgut im Inneren des Topfes. Laständerungen nach der Anheizphase, in der die Wärmekapazität identifiziert wurde, werden lediglich durch den Zweipunktregler ausgeregelt, haben jedoch keinen Einfluß auf die Wahl der Kochstufe. In der Praxis treten erhebliche Laständerungen u. a. durch Öffnen oder Schließen des Topfdeckels oder durch Hinzufügen von kaltem Wasser auf.

Das in DE 33 42 416 C1 beschriebene Verfahren ist auf das Erreichen und Einhalten des Siedepunktes bei Dampfdruckgefäßen ausgelegt. Eine andere Temperatur kann beim Anheizen nicht eingestellt werden. Die Zieltemperatur wird erst nach mehreren Einschaltintervallen erreicht. Die vom Anwender vorgegebene Temperatur bezieht sich auf das Kochgefäß, nicht auf das Gut. Auch bei diesem Verfahren wird nach Erreichen der Solltemperatur die Temperatur an der Meßstelle, nicht jedoch die Temperatur des Gutes konstant gehalten.

Bei der manuellen Steuerung der Kochplatte, ist es schwierig, den richtigen Abschaltzeitpunkt zu finden, da er von vielen Faktoren, in erster Linie von der Menge des Wassers und der Nudeln abhängt. Wird zu früh abgeschaltet, kommt das Wasser nicht zum Sieden. Wird dagegen zu spät abgeschaltet, kommt es zu unnötiger Dampfentwicklung, es wird Energie verschwendet und eventuell kocht das Wasser über. Häufig ist es bei zu spätem Abschalten sogar erforderlich, den Topf von der Kochplatte zu entfernen, um das Überkochen zu beenden. Dies beruht auf der Trägheit des Systems, die durch die Wärmekapazität der Kochplatte bedingt ist. Die in der Kochplatte gespeicherte Wärme wird dann ungenutzt an die Umgebungsluft abgegeben.

Aus der Schwierigkeit, das oben beschriebene Verfahren manuell durchzuführen, ergab sich die Aufgabe ein Verfahren zur Erhitzung eines Gutes weiterzubilden, das vom Anwender keinerlei Abschätzung von Systemparametern abverlangt.

Die Anforderung des Anwenders ist es in der Regel, das Gut in minimaler Zeit bei optimalem Energieaufwand auf eine bestimmte Temperatur zu erhitzen. Die einzige Vorgabegröße, die dabei nicht automatisch bestimmt werden kann, ist die Vorgabetemperatur. Sämtliche für die Regelung sonst noch erforderlichen Parameter wie Wärmekapazität des Gutes, Wärmeverluste der Erhitzungsvorrichtung und zuzuführende Energie können von der Automatik des Systems selbst ermittelt werden.

Es ergeben sich bei dem vorgestellten Verfahren vor allem folgende Vorteile:

1. Energiesparen (kein Wegnehmen des Topfes nötig)
2. Systemidentifikation (Automatisches anpassen an unterschiedliche Lasten sowie Lastschwankungen)
3. Kompensierung äußerer Einflüsse
4. Schutz vor Überhitzen im Leerlauf
5. Akzeptanz beim Benutzer durch einfache Bedienung.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 schematische Darstellung der Erhitzungsvorrichtung

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

Ermittlung der Systemparameter der Erhitzungsvorrichtung

Das Verfahren setzt voraus, daß die Übertragungsfunktion der Erhitzungsvorrichtung Pp(s) bekannt ist. Die Übertragungsfunktion kann für die jeweilige Bauart der Erhitzungsvorrichtung einmalig bei der Entwicklung ermittelt werden. Das Ergebnis dient danach als fest vorgegebener Wert bei der Durchführung der adaptiven Regelung zur Vereinfachung des Algorithmus.

Die folgende Formel (Gl. 1) beschreibt die Übertragungsfunktion des Guts Pg(s) im komplexen Frequenzbereich.

Regelung des Anheizvorgangs

Die Regelung erfolgt nach Fig. 2. Die Solltemperatur T_v(t) wird mit einem linearen Stellglied kontinuierlich eingestellt. Die Temperatur T_p(t) der Kochplatte wird gemessen. Die Energie ud(t), die mit dem Stellglied zugeführt wird, ist bekannt und muß daher nicht gemessen werden.

Die Energiezufuhr ist in Fig. 3 im Zeitintervall t_e < t = < t_a dargestellt.

Die folgende Formel (Gl. 2) beschreibt die Übertragungsfunktion Ps(s) der Erhitzungsvorrichtung mit dem Gut im komplexen Frequenzbereich.

Durch das Einsetzen von Tg(s) aus Formel (Gl. 1) in die Formel (Gl. 2) erhält man nach wenigen einfachen Rechenschritten die Formel (Gl. 3).

Die Differentialgleichung (Gl. 3) kann u. a. mit der Yule Walker Gleichung oder durch Variation der Konstanten iterativ gelöst werden.

Nachdem die Übertragungsfunktion des Systems Ps(s) identifiziert ist (siehe Fig. 2), d. h. die Übertragungsfunktionen der Kochplatte Pp(s) und des Gutes Pg(s) bekannt sind, kann der Temperaturverlauf des Gutes vorausberechnet werden (Gl. 4). Die Erhitzungsphase beginnt zum Zeitpunkt te (siehe Fig. 3 und Fig. 4) mit dem Einschalten der Energiezufuhr. Der Abschaltzeitpunkt ta wird so bestimmt, daß das zu erhitzende Gut die vorgegebene Temperatur Tv(t) erreicht, ohne sie zu überschreiten.

Nach dem Abschalten der Energiezufuhr erfolgt ein Temperatur-Ausgleich zwischen Kochplatte und Last, siehe Fig. 3 im Zeitraum t=7 Min - 9 Min. Die Temperatur des Gutes nimmt bis zur Vorgabetemperatur zu, während die Temperatur der Kochplatte abnimmt. Die Erhitzungsphase endet, wenn das Gut die Vorgabetemperatur erreicht hat.

Die Regelung nach der Konstanthaltephase erfolgt analog der Erhitzung beim Anheizen. Die Übertragungsfunktionen werden erneut ermittelt und Lastschwankungen werden berücksichtigt.

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

Die Energiezufuhr wird wieder eingeschaltet, wenn die vorausberechnete Temperatur des Gutes Tg(t) die Solltemperatur Tv(t) um einen bestimmten Wert (z. B. 2%) unterschreitet und die gemessene Temperatur an der wärmeabgebenden Oberfläche die vorausberechnete Temperatur Tp(t) nicht übersteigt. Durch die letztgenannte Bedingung soll verhindert werden, daß der Regelkreis bei einer Lastreduzierung übersteuert.

Die Energiezufuhr wird ebenfalls wieder eingeschaltet, wenn die tatsächlich an der wärmeabgebenden Oberfläche gemessene Temperatur die vorausberechnete Temperatur Tp um einen bestimmten Wert (z. B. 2%) unterschreitet. Dieser Fall tritt ein, wenn die Last sich vergrößert, beispielsweise durch Zufügen von Speisen oder Wasser in den Kochbehälter.

Für die Berechnung des Abschaltzeitpunktes gilt das Kapitel "Regelung während des Anheizvorgangs" entsprechend.

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. Das zu erhitzende Gut wird schonender behandelt. 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 der Regelung von Hand durchführt, entfällt.

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

Im folgenden sind die verwendeten Formelzeichen angegeben.

Pp(s) = Übertragungsfunktion der Erhitzungsvorrichtung
Pg(s) = Übertragungsfunktion des Gutes
Ps(s) = Übertragungsfunktion des Gutes und der Erhitzungsvorrichtung
Tv(t) = Führungsgröße (Solltemperatur)
Tp(t) = Ausgangsgröße (Temperatur der Kochplatte)
Tg(t) = Temperatur des Gutes
ud(t) = Stellgröße
te = Einschaltzeitpunkt
ta = Abschaltzeitpunkt

Claims

1. Verfahren zur Erhitzung eines Gutes unter Verwendung einer Erhitzungsvorrichtung mit vorbestimmter Übertragungsfunktion Pp(s) mit folgenden Verfahrensschritten:

a. Stufenloses Einstellen der Solltemperatur Tv.
b. Einschalten einer konstanten Energiezufuhr.
c. Messen der Temperatur Tp(t) an der Heizfläche mittels eines Temperatursensors.
d. Berechnung der Systemübertragungsfunktion Pg(s) aus der Übertragungsfunktion Pp(s) der Erhitzungsvorrichtung und dem Temperaturverlauf Tp(t) auf der Heizfläche.
e. Berechnung des Temperaturverlaufs des Gutes Tg(t), den er bei sofortigem Abschalten der Energiezufuhr nehmen würde.
f. Wiederholung der Schritte b-d, bis das Maximum des vorausberechneten Temperaturverlaufs des Gutes Tg(t) die Solltemperatur Tv erreicht.
g. Abschalten der Energiezufuhr.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Konstanthaltephase jeweils die Verfahrensschritte b-g wiederholt werden, wenn die vorausberechnete Temperatur des Gutes Tg(t) die Solltemperatur Tv(t) um einen bestimmten Wert unterschreitet.