EP0294872B1

EP0294872B1 - Four à micro-ondes détectant la fin de décongélation d'un produit

Info

Publication number: EP0294872B1
Application number: EP88201084A
Authority: EP
Inventors: Michel Steers; Gilles Delmas; Jean-Pierre Hazan
Original assignee: Laboratoires dElectronique Philips SAS; Philips Gloeilampenfabrieken NV; Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Laboratoires dElectronique Philips SAS; Koninklijke Philips NV
Priority date: 1987-06-02
Filing date: 1988-05-31
Publication date: 1993-04-07
Anticipated expiration: 2008-05-31
Also published as: US4870235A; FR2616211B1; DE3880017D1; JPS6450385A; FR2616211A1; EP0294872A1

Description

L'invention concerne un four à micro-ondes comprenant une source micro-ondes et un capteur placé dans le four à proximité d'un produit à traiter, l'énergie micro-ondes absorbée se répartissant entre le capteur et le produit en provoquant leur élévation de température, la température du capteur étant mesurée par un organe de mesure, des moyens pour calculer au moins une vitesse d'échauffement du capteur.
Les fours à micro-ondes sont maintenant couramment employés pour décongeler et réchauffer des aliments préalablement placés dans un congélateur. Cette décongélation s'effectue généralement par une méthode empirique : l'utilisateur détermine un poids approximatif de l'aliment à décongeler et en déduit un temps lui aussi approximatif pendant lequel doit fonctionner son four à microondes. Il s'ensuit une décongélation plus ou moins complète, voire un commencement de cuisson. D'autre part il est connu dans la littérature que l'eau, constituant essentiel de la plupart des aliments, absorbe très différemment les micro-ondes vers 2,45 GHz selon que sa température est inférieure ou supérieure à 0°C. En dessous de 0°C la glace est très sensiblement transparente aux micro-ondes, par contre pour une température supérieure à 0°C l'eau absorbe très fortement les micro-ondes. Ce phénomène est dû aux variations de pertes diélectriques de l'eau en fonction de la température. Le document FR 2 571 830 décrit un four à micro-ondes muni d'une charge-étalon placée dans le four à côté des aliments à traiter. La charge-étalon absorbe l'énergie micro-onde selon une répartition s'effectuant en fonction des charges constituées par la charge-étalon et la charge des aliments à traiter.
Il est ainsi possible, à partir de l'échauffement de la charge-étalon, de connaître la quantité d'aliments se trouvant dans le four et de déterminer automatiquement le temps de cuisson. D'après ce document la vitesse d'échauffement de la charge-étalon serait pratiquement indépendante de la température du capteur.
Bien que l'opération de décongélation soit nommée, aucun moyen n'est révélé qui permette de suivre et de contrôler cette transition délicate qui concerne le passage pour l'élément d'un état congelé en état décongelé.
Le problème technique posé par l'invention est donc de suivre l'évolution de la température du produit à décongeler et de déterminer la fin de la décongélation afin de pouvoir opérer l'étape suivante.
La solution de ce problème technique consiste en ce que lesdits moyens pour calculer une vitesse d'échauffement du capteur comprennent un dispositif de calcul et de contrôle qui, en vue de déterminer la fin de la décongélation du produit, comporte des moyens pour calculer les valeurs de la dérivée seconde de la courbe d'élévation de la température du capteur en fonction du temps, pour comparer lesdites valeurs à une valeur prédéterminée et pour agir sur le fonctionnement du four en fin de décongélation lorsque lesdites valeurs de la dérivée seconde sont inférieures à ladite valeur prédéterminée.
Dans cette situation le dispositif de calcul et de contrôle agit sur le fonctionnement du four en fin de décongélation lorsque les valeurs de la dérivée seconde sont inférieures à une valeur prédéterminée. Le four peut ainsi être programmé soit manuellement, soit automatiquement pour une étape de cuisson subséquente, ou être arrêté si seule l'étape de décongélation était prévue.
Dans un four à micro-ondes l'élévation de température d'une charge en fonction du temps suit une loi du type calorimétrique :

$Δϑ = P.Δt/mc$

où Δϑ est la variation de température pendant l'écart de temps Δt pour une masse m d'un corps de chaleur spécifique c.
P est la puissance micro-onde disponible dans le four.
Il a été vérifié expérimentalement que cette loi se vérifie lorsque cette masse est séparée en deux masses m₁ et m₂ tel que $m = m₁+m₂$
.
La loi devient alors :

$(1) m₁Δϑ₁ + m₂Δϑ₂ = mΔ$
ϑ

Δϑ₁ et Δϑ₂ sont alors respectivement les élévations de température des deux masses m₁ et m₂ et Δϑ serait l'élévation de température de la masse m si elle avait été soumise aux micro-ondes dans le four dans les mêmes conditions que les masses m₁ et m₂, en particulier pendant le même temps de chauffage. Cette loi se vérifie encore lorsque deux masses de chaleurs spécifiques différentes sont introduites dans le four :

$(2) m₁c₁Δϑ₁ + m₂c₂Δϑ₂ = mcΔϑ.$
De ces lois il s'ensuit que si deux charges sont introduites en même temps dans un four à micro-ondes, la puissance totale disponible se répartie dans les deux charges pour élever la température de chaque charge d'une valeur de température inversement proportionnelle à leur masse et à leur capacité calorifique. Ainsi si les caractéristiques thermodynamiques de l'une des charges sont connues la variation de température du capteur de décongélation sera dépendante de la présence et de l'état thermodynamique du produit à décongeler. Le capteur doit présenter des paramètres thermodynamiques déterminés et stables.
Mais la loi représentée par les relations (1) ou (2) concerne des substances pour lesquelles l'absorption des micro-ondes est la même. Si cela n'est pas le cas, les élévations de température de la substance de masse m₁ et de la substance de masse m₂ vont être modifiées en conséquence. En particulier, et c'est la situation exploitée par l'invention, lorsque l'une des substances est de la glace, son coefficient d'absorption est très faible. L'énergie micro-onde sera donc absorbée principalement par le capteur lui-même qui, lui, est prévu pour avoir un coefficient d'absorption suffisant. Le passage par la substance de l'état de glace à l'état d'eau va faire que la substance va progressivement absorber de plus en plus d'énergie micro-onde donc s'échauffer de plus en plus. L'énergie absorbée par le capteur va elle diminuer progressivement. Ainsi l'évolution de la température du capteur va permettre de suivre l'évolution de la température du produit en cours de décongélation placé à proximité. La vitesse d'échauffement du capteur ne sera alors pas pratiquement indépendante de sa température comme l'indique le document FR 2 571 830 mais au contraire sera révélatrice du changement d'état thermodynamique de la substance du produit.
L'élévation de température du capteur dépendra de l'état du produit à décongeler. En particulier si le produit qui par sa nature contient beaucoup d'eau sort du congélateur à une température avoisinant -20°C, il n'absorbera que très faiblement les micro-ondes. Par suite toute la puissance disponible dans le four à micro-ondes sera utilisée pour élever la température du capteur. Dès que le processus de décongélation du produit est engagé celui-ci absorbera de plus en plus la puissance micro-onde et par suite l'élévation de température du capteur sera moins rapide. La pente (dérivée première) de la courbe d'élévation de température du capteur en fonction du temps va donc constamment décroître jusqu'à ce que toute la glace présente dans le produit à décongeler soit complètement transformée en eau. Par la suite conformément à la loi calorimétrique d'élévation de température dans un four à micro-ondes en fonction du temps, l'élévation de température du produit sera une fonction linéaire du temps si les caractéristiques thermodynamiques du produit ne varient pas.
Pour déterminer la température du capteur l'organe de mesure de la température délivre un signal électrique dont les variations en fonction du temps sont déterminées par un dispositif de calcul et de contrôle. Ces variations sont traitées par le dispositif de calcul qui compare lesdites variations en fonction du temps à des instants successifs. Il détermine ainsi les valeurs de la dérivée seconde de la courbe représentant l'évolution dans le temps de la température du capteur mesurée par l'organe de mesure. Le dispositif intervient ensuite pour contrôler le cycle de fonctionnement de la source micro-ondes lorsque deux valeurs successives desdites variations sont sensiblement égales, c'est-à-dire lorsque les valeurs de la dérivée seconde sont inférieures à une valeur prédéterminée.
La présence du capteur rend inutile le commutateur de variations d'énergie du four. Il suffit en effet de faire fonctionner le four au début avec un taux de répétition d'émission des ondes faible et de mesurer alors la pente (dérivée première) de la courbe d'élévation de température du capteur en fonction du temps. Si cette pente est décroîssante (avec une valeur absolue de la dérivée seconde supérieure à la valeur prédéterminée) le produit présent dans le four est en cours de décongélation. Si cette pente est faible (avec une valeur absolue de la dérivée seconde inférieure à la valeur prédéterminée) le four peut automatiquement augmenter son cycle d'émission des micro-ondes car le produit présent dans le four est déjà décongelé et est donc seulement à réchauffer.
Le critère d'arrêt de la fonction décongélation doit tenir compte du fait que si le produit à décongeler est essentiellement composé de glace, la dérivée seconde peut être constante et par suite ressembler à celle d'un produit déjà décongelé. La distinction se fait alors par la valeur de cette dérivée seconde :

si elle est sensiblement égale à celle du capteur seul, le produit présent dans le four est congelé,
si elle est nettement inférieure, le produit présent dans le four est donc décongelé.

Lorsqu'il est nécessaire d'avoir une très bonne sensibilité de détection au début de la décongélation, il est possible d'utiliser comme substance un liquide dont la capacité calorifique et/ou l'absorption hyperfréquence diminue très fortement avec la température, de l'huile par exemple. Dans ces conditions lorsque le produit sera encore congelé, la température du liquide s'élèvera très rapidement et dès que la décongélation débutera il y aura apparition d'un palier très net sur la courbe d'évolution de la température du capteur en fonction du temps. Ce phénomène s'explique par la très forte diminution du produit mcΔϑ du capteur. Il est également envisageable d'utiliser plusieurs capteurs aux caractéristiques thermodynamiques différentes.
Le produit à décongeler étant généralement formé d'une grande partie de glace, la substance du capteur de décongélation doit présenter des pertes supérieures aux pertes diélectriques de la glace.
La substance du capteur peut être un liquide tel que l'eau,l'huile ou un solide massif ou déposé sur un support non absorbant. Elle peut être placée dans un boîtier qui laisse passer les micro-ondes.
Le capteur de décongélation peut être amovible ou solidaire du four à micro-ondes. Lorsqu'il est amovible il peut aisément être retiré pour être nettoyé et positionné dans un endroit quelconque de la cavité. Il peut également être solidaire du four et faire partie intégrante du four lui-même. Dans ce cas il peut être constitué d'une substance liquide qui circule dans une canalisation, l'organe de mesure des variations de température déterminant l'écart de température entre l'entrée et la sortie de la canalisation. La circulation peut être assurée par une pompe.
L'invention sera mieux comprise à l'aide des figures suivantes données à titre d'exemples non limitatifs et qui représentent :

figure 1a : les courbes de variations de température d'un capteur de masse m₁ = 100 grammes et d'un produit de masse m₂ formés tous deux d'eau à l'état liquide en fonction de la masse m₂.
figure 1b : les courbes de variations montrant la concordance des mesures expérimentales de température effectuées sur une masse m₁+m₂ et celles déduites du calcul de l'équation 1.
figure 2a : les courbes de la température et des variations de la température en fonction du temps d'un capteur d'eau placé à côté d'un produit à décongeler formé d'une masse de glace au cours de la décongélation de la masse de glace.
figure 2b : une courbe analogue à celle de la figure 2a représentant la fin de décongélation d'un produit mais avec un pas de calcul plus fin pour la mesure des dérivées première et seconde.
figure 3 : une représentation schématique d'un capteur.
figure 4a, figure 4b, figure 4c : trois représentations schématiques d'un four à micro-ondes utilisant différents capteurs.
figure 5 : un schéma électrique selon l'invention pour la mise en oeuvre du contrôle du fonctionnement de la source micro-ondes à partir des mesures effectuées par le capteur afin de contrôler la décongélation.

La figure 1a représente les variations de la température 10 d'un capteur formé d'une masse m₁ de 100 grammes d'eau et les variations de la température 11 d'un produit formé d'une masse m₂ d'eau placés tous deux dans un four à micro-ondes pour des températures au-dessus de la température ambiante et ceci pendant une durée déterminée en fonction de la masse m₂. Lorsque la masse m₂ croît l'élévation de température des deux masses décroît. La masse m₁ du capteur subit une élévation de température supérieure à celle subit par la masse m₂ plus élevée.
La figure 1b représente les variations de la température 12 d'une masse de m₁+m₂ grammes d'eau. La courbe 13 est formée des points obtenus en calculant à partir de l'équation 1 l'élévation que subirait une masse de m₁+m₂ grammes d'eau. On constate que les deux courbes se superposent. Ceci permet de mettre en évidence que l'énergie micro-onde dissipée sous forme thermique se répartie dans les deux charges pour élever leur température de manière inversement proportionnelle à leur masse et à leur chaleur spécifique. L'élévation de température du capteur va donc permettre de suivre l'élévation de température du produit situé à proximité et en particulier de suivre les étapes de décongélation.
La figure 2a indique les variations de la température 21 en fonction du temps d'un capteur formé d'eau au cours de la décongélation d'une masse de 200 grammes de glace. La pente (dérivée première) de la courbe 21 est représentée par la courbe 22. La pente de la courbe 22 (la dérivée seconde de la courbe 21) est représentée par la courbe 25. On constate qu'au moment du départ cette dérivée première présente en valeur absolue une valeur élevée qui décroît d'abord lentement puis assez rapidement enfin pour se stabiliser. Cette stabilisation va être prise pour décider de la fin de décongélation et utilisée par le dispositif de calcul et de contrôle. La dérivée seconde 25, présentée ici sous la forme de segments de droite, commence par croître puis décroître, en valeur absolue, au cours de l'étape de décongélation. Lorsque celle-ci est terminée, la dérivée seconde présente une faible valeur. Lorsque cette valeur devient inférieure à une valeur prédéterminée, le dispositif de calcul et de contrôle peut intervenir pour positionner le four pour une opération nouvelle : cuisson, réchauffage lent, arrêt, etc...
La figure 2b représente une courbe analogue à celle de la figure 2a. Les déterminations des dérivées première et seconde sont effectuées avec un pas de calcul plus fin. La courbe 1 représente la variation de température du capteur. La courbe 2 représente la dérivée première de la courbe 1. La courbe 3 représente la dérivée seconde de la courbe 1. Les zéros des échelles pour les courbes 2 et 3 sont indiqués sur la partie droite.
La figure 3 représente un exemple non limitatif de réalisation d'un capteur de décongélation 30. Elle représente une substance 31 qui peut absorber des micro-ondes, la substance étant en contact avec un organe de mesure 32 de sa température. Celui-ci peut être formé d'un thermocouple, d'une thermistance, d'un détecteur à semiconducteur ou de tout autre élément de mesure de température. Il est relié à l'extérieur par les connexions 33. La substance 31 peut être liquide. Elle est alors placée dans un boîtier 34 ou un récipient. La substance 31 peut être solide. Elle peut être ou non placée dans un boîtier 34. La substance peut aussi être déposée sur un support n'absorbant pas ou peu les micro-ondes.
La substance liquide peut être l'eau, l'huile ou tout autre liquide ayant des pertes diélectriques suffisantes pour assurer un échauffement exploitable du capteur.
La substance solide peut être une ferrite, un solide contenant en partie des ions métalliques ou tout autre solide ayant des pertes suffisantes pour assurer un échauffement exploitable du capteur.
La figure 4a représente un four à micro-ondes 40 muni d'un capteur de décongélation 30. Il est placé à côté du produit à décongeler 41. Une source micro-ondes 42 émet des micro-ondes qui sont captées par le produit 41 et le capteur 30. La mesure de température effectuée sur le capteur 30 est transmise à un dispositif de calcul et de contrôle 43 qui agit sur la source micro-onde pour modifier son fonctionnement.
La figure 4b représente un autre four à micro-ondes dans lequel le capteur de décongélation est constitué par la substance 31 qui est séparée de l'organe de mesure de température 32. Celui-ci est constitué d'un détecteur de rayonnement lumineux infrarouge de type pyroélectrique. Il détermine ainsi à distance la température de la substance 31. La mesure est elle-même transmise au dispositif de calcul et de contrôle 43 qui agit sur la source micro-onde 42.
La figure 4c représente un autre four à micro-ondes 40 dans lequel le capteur est constitué d'une canalisation renfermant un liquide, une partie étant située dans la cavité du four. La circulation peut être assurée par une pompe 45. L'organe de mesure de température prélève les températures à l'entrée et à la sortie de la portion de canalisation située dans la cavité et délivre ses données au dispositif de calcul et de contrôle 43 qui agit sur la source micro-onde 42.
La figure 5 représente un schéma électrique pour la mise en oeuvre du contrôle du fonctionnement de la source micro-onde à partir des mesures effectuées par les capteurs. Les signaux électriques issus du capteur 30 pénêtrent dans le dispositif de calcul et de contrôle 43. Selon un exemple de réalisation, il est formé d'un convertisseur A/N 51 réuni à un micro-processeur 52 muni d'une mémoire 53. Il opère avec une horloge de fonctionnement 54. Le micro-processeur 52 va effectuer les déterminations de variations de pente du signal électrique reçu et stocker les valeurs dans la mémoire 53. La valeur à l'instant t est comparée à celle déterminée à l'instant t-1, et lorsque les deux valeurs successives sont sensiblement égales, le microprocesseur intervient sur l'alimentation 55 du magnétron 56 qui constitue la source micro-ondes. Une alarme 57 peut avertir du déroulement des opérations.
Le mécanisme de fonctionnement est le suivant. La température du capteur est convertie en un signal électrique qui est transformé en un signal numérique par l'intermédiaire d'un convertisseur analogique numérique. Ce signal est par la suite mémorisé par une mémoire RAM et traité par le micro-processeur. Le traitement consiste, dans le cas de la décongélation, à mesurer la température à intervalle de temps fixe et à comparer les différentes mesures entre elles afin de déterminer une pente (dérivée première) de la courbe d'élévation de température du capteur en fonction du temps puis à déterminer l'évolution (dérivée seconde) de ladite pente. A titre d'exemple, au cours d'une décongélation complète, un point de mesure peut être pris toutes les deux secondes, et une mesure de la pente de l'élévation de température peut se faire tous les 100 points par une méthode comme la méthode des moindres carrés. Une telle mesure montre alors une variation de pente en fonction du temps dont les caractéristiques peuvent être les suivantes dans le cas d'un corps contenant beaucoup d'eau.

Dans le premier temps la charge est congelée. L'élévation de température du capteur est rapide et suit une courbe qui serait celle si le capteur était seul. Dans ces conditions la pente mesurée par la méthode des moindres carrés est sensiblement une droite sensiblement parallèle à l'axe des temps.
Ensuite, la charge commence à décongeler. L'élévation de température du capteur est moins rapide. La courbe de la pente en fonction du temps présente alors une dérivée négative.
Lorsque la charge est complètement décongelée, l'élévation de température du capteur redevient monotone avec une pente inférieure à la pente au début de l'expérience si aucun autre changement d'état n'intervient, ébullition par exemple. Ce phénomène se révèle sur la courbe des moindres carrés par une stabilisation de la courbe qui se retrouve parallèle à l'axe des temps. C'est cette nouvelle stabilisation qui est reconnue par le micro-processeur comme une fin de décongélation. Le micro-processeur peut alors par l'intermédiaire d'interfaces entrée/sortie adéquates arrêter la source de rayonnement micro-ondes et éventuellement prévenir l'utilisateur ou démarrer une phase de réchauffement.

Claims

Four à micro-ondes (40) comprenant une source micro-ondes (42) et un capteur (30) placé dans le four à proximité d'un produit (41) à traiter, l'énergie micro-onde absorbée se répartissant entre le capteur (30) et le produit (41) en provoquant leur élévation de température, la température du capteur étant mesurée par un organe de mesure (32), des moyens pour calculer au moins une vitesse d'échauffement du capteur, caractérisé en ce que lesdits moyens comprennent un dispositif de calcul et de contrôle (43) qui, en vue de déterminer la fin de la décongélation du produit (41), comporte des moyens (51, 52, 53, 54) pour calculer les valeurs de la dérivée seconde (3,25) de la courbe d'élévation de la température (1,21) du capteur (30) en fonction du temps, pour comparer (52, 53, 54) lesdites valeurs à une valeur prédéterminée et pour agir (52, 54) sur le fonctionnement du four en fin de décongélation lorsque lesdites valeurs de la dérivée seconde sont inférieures à ladite valeur prédéterminée.
Four à micro-ondes selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif de calcul et de contrôle (43) comprend un convertisseur analogique numérique, réuni à un microprocesseur muni d'une mémoire.
Four à micro-ondes selon une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le capteur (30) comprend un matériau solide absorbant les micro-ondes.
Four à micro-ondes selon une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le capteur (30) comprend un matériau liquide absorbant les micro-ondes.
Four à micro-ondes selon la revendication 4, caractérisé en ce que le liquide circule dans une canalisation (44), l'organe de mesure (32) des variations de température déterminant l'écart de température entre l'entrée et la sortie de la canalisation.
Four à micro-ondes selon une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'organe de mesure (32) des élévations de température est une thermistance, un thermocouple ou un détecteur à semiconducteur.
Four à micro-ondes selon une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que l'organe de mesure (32) des élévations de température est constitué d'un détecteur de rayonnement lumineux infrarouge de type pyroélectrique.