EP1420613B1 - Verfahren und Vorrichtung zur thermischen Überwachung eines induktiv erwärmbaren Gargefässes - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur thermischen Überwachung eines induktiv erwärmbaren Gargefässes Download PDF

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EP1420613B1
EP1420613B1 EP03024314.1A EP03024314A EP1420613B1 EP 1420613 B1 EP1420613 B1 EP 1420613B1 EP 03024314 A EP03024314 A EP 03024314A EP 1420613 B1 EP1420613 B1 EP 1420613B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
frequency
cooking
cooking vessel
temperature
monitoring
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP03024314.1A
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English (en)
French (fr)
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EP1420613A3 (de
EP1420613A2 (de
Inventor
Martin Andersson
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Electrolux Home Products Corp NV
Original Assignee
Electrolux Home Products Corp NV
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Publication date
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Priority to EP10178369A priority patent/EP2271175B1/de
Publication of EP1420613A2 publication Critical patent/EP1420613A2/de
Publication of EP1420613A3 publication Critical patent/EP1420613A3/de
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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B6/00—Heating by electric, magnetic or electromagnetic fields
    • H05B6/02—Induction heating
    • H05B6/06—Control, e.g. of temperature, of power
    • H05B6/062—Control, e.g. of temperature, of power for cooking plates or the like
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B2213/00—Aspects relating both to resistive heating and to induction heating, covered by H05B3/00 and H05B6/00
    • H05B2213/07—Heating plates with temperature control means

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for thermal monitoring of an inductively heated cooking vessel.
  • Induction cooking surfaces have glass ceramic surfaces for receiving the cooking vessels and arranged below induction coils for their heating.
  • the induction coils an alternating current in the frequency range of about 15 kHz to 80 kHz, in particular about 20 kHz to 60 kHz supplied.
  • the resulting alternating fields generate eddy currents in ferromagnetic bottoms of the cooking vessels, which lead to heat generation.
  • Their monitoring is done by sensor systems that are complex and / or sluggish.
  • the EP 0 806 887 A1 discloses a method and apparatus for detecting the boiling point of food in an inductively heated container.
  • the temporal temperature profile is monitored by means of a separate temperature sensor and recognized as a cooking point a transmission point of the temperature curve of the temperature sensor or - in the absence of detection of the inflection point - that point at which the change in temperature of another temperature sensor falls below a predetermined value.
  • US 3,781,506 A is a cooking device for a method for inductive heating of dishes to a defined Temperature, wherein the cooking device an induction coil, which is used adjacent to the dish rack, means for providing an induction coil driving the AC, a circuit for measuring a predetermined parameter from which can be deduced to the dish temperature, and for controlling the AC power to a To achieve defined crockery tempature includes.
  • the invention has for its object to provide a method and apparatus for thermal monitoring of an inductively heated cooking vessel, which works simple and low in inertia.
  • the thermal monitoring of the inductively heatable cooking vessel takes place by monitoring the frequency (f) of the alternating current (I) causing the inductive heating.
  • the monitoring of the boiling or boiling of a food in the cooking vessel and / or on the empty cooking of the cooking vessel or the dry cooking of the food therein is carried out in particular as a monitoring on predetermined erratic Changes the first derivative (f '(t)) of the frequency-time curve (f (t)).
  • the alternating current (I) or the corresponding power (P) is reduced to a predetermined value if, during this monitoring, one or more changes have been determined which coincide with one or more predetermined changes.
  • the alternating current (I) or the corresponding power (P) is switched off if, during this monitoring, one or more changes have been determined which coincide with one or more predetermined changes.
  • the predetermined qualitative or sudden change (s) of the frequency-time curve (f (t)) are in particular in or immediately after the transition from the falling frequency curve (f (t)) in FIG the constant frequency curve (f (t)) and / or from the constant frequency curve (f (t)) in the falling frequency curve f (t).
  • the monitoring is carried out to absolute temperatures (T) by assigning predetermined frequencies (f) and / or frequency ratios (f / f-start) to predetermined temperatures (T) and / or vice versa.
  • the assignment of the frequencies (f) and / or frequency ratios (f / f-start) to the temperatures (T) preferably takes place as a function of predetermined properties, in particular material properties, the cooking vessel, which are predetermined in particular for use or queried by the user, for example, by specifying a selection list.
  • the assignment of the frequencies (f) and / or frequency ratios (f / f-start) to the temperatures (T) can also take place as a function of predetermined powers (P).
  • this also provides a method for monitoring and / or controlling the cooking process in an inductively heated cooking vessel, during which temperatures and / or temperature changes are detected and evaluated as frequencies and / or frequency changes of an alternating current causing the inductive heating to signalize and / or influence the temperature of the cooking vessel.
  • the third means have first memory means with which predetermined sudden changes of first derivatives (f '(t)) of frequency-time curves (f (t)) can be stored, which boil as reference data boiling or boiling in the cooking vessel and / or represent an empty cooking of the cooking vessel or a dry cooking of the food therein.
  • the third means may also have second storage means with which predetermined frequency-temperature profiles (f (T)) and / or frequency-ratio temperature profiles (f / f-start (T)) can be stored, in particular per cooking vessel property and / or capacity ,
  • input means are assigned to the third means with which the user can enter desired temperatures and / or programs, in particular cooking programs containing temperatures, and / or services and / or cooking vessels or their properties.
  • the third means have in particular computing means with which the frequencies determined with the second means and the data stored with the first and / or second storage means and the data inputted with the input means for alternating currents or corresponding ones. Services are chargeable, which influence the temperature of the cooking vessel according to the entered and / or stored data.
  • the influence of the temperature can in their predetermined reduction in determined boiling and / or determined Leerional. Dry cooking and / or in the setting or maintenance according to user data entered.
  • An inventive cooking appliance has at least one of the above-described devices.
  • the power of the cooking vessel receiving the cooking zone is regulated. For this it is necessary to measure the temperature in the cooking vessel. Normally, the user has to manually change the power level on the duty-controlled cooking zones in order to obtain a certain temperature in the cooking vessel.
  • the following describes a method and a device for measuring temperatures T or temperature changes in the bottom of a cooking vessel or cooking appliance 8 standing on an induction cooking zone K and for using the information for controlling the power P of the induction cooking zone K, so that automatic cooking functions become possible ,
  • the resonant circuit of the induction heating system consists of an inverter 5 and an induction coil 6, which is arranged under a cooking appliance or cookware 8 supporting surface 9, for example, a glass ceramic plate.
  • the bottom of the harness 8 is ferromagnetic. In it, heat is generated by eddy currents induced by the magnetic field of the induction coil 6.
  • This impedance Z is influenced by the temperature T in the dish bottom, in particular due to changes in the electromagnetic properties of the bottom material. It in turn influences the oscillation frequency f of the Inverter 5, which is finally used to measure the temperature T in the bottom of the dish.
  • the coil current I is measured by means of a current transformer 7. Its basic appearance shows Fig. 2 ,
  • the oscillation frequency f (20 to 60 kHz) is modulated with the rectified mains supply.
  • This signal leads to a frequency measuring circuit 3, which analyzes the signal and determines the oscillation frequency f.
  • the size of the mains voltage supply is measured by a voltage measurement circuit 10 and the information is passed to a control logic 2.
  • the control logic contains control algorithms A and ensures filtering of the signal if it is noisy.
  • Algorithm A calculates the appropriate power P for the cooking zone K to ensure the desired functionality, based on the information about the frequency f, the power supply U, and the user settings N entered by user interface (FIG. Fig. 3 ).
  • the operating frequency of the induction inverter 5 moves in particular in the range between 20 and 60 kHz, depending on the power level.
  • the frequency f ie, the inverse of the period of a cycle
  • the frequency f also varies over the rectified sinusoidal period (ie, over a period of 10 ms) by about 10%. Therefore, the frequency is measured when the mains voltage has its maximum.
  • a timer with a delay time of 5 ms which is triggered at the zero crossing of the mains voltage, triggers the frequency measurement after the delay time has elapsed.
  • Fig. 2 is the triggering of the timer with ZT and the triggering of the frequency measurement with FM, the time delay signal with ZV.
  • the signal of the current transformer 7 is sampled with an A / D converter and stored in a memory (500 samples in an interval of 666 ns gives 25-75 samples per period). It will be the period of the oscillations (6-20, depending on the frequency) is calculated, and in turn the center frequency. Effects of the frequency by changes in the mains power supply (by the mains power supply 4) can be corrected by measuring the voltage (by the voltage measuring device 10) and offsetting with empirically determined values or formulas. The corrected and / or uncorrected frequency is then used in the algorithms to signal temperatures.
  • a calibration curve f (T) is to be recorded. This is done by measuring the temperature T in the dish bottom (by means of separate temperature sensors) and registering the temperature T and the frequency f at a fixed power setting P. The measurement data can then be adjusted to an accepted accuracy using a curve fitting method, such as polynomial fitting. At the end of this section you get a relationship f (T) for a particular harness. However, since the frequency f depends on the power level P, all this has to be repeated for the other power levels to be used to finally have a relation f (T, P) stored in the control logic as a calibration curve (for a particular harness).
  • Fig. 4 shows a family of decreasing f (T) calibration curves for powers P1, P2, P3 and P4.
  • control logic associates the measured frequency f with a temperature T for a particular power level P. This then makes it possible to perform the desired functions according to the algorithms stored in the control logic perform.
  • This method requires identification of the harness 8 used.
  • the value f-rel for 250 ° C is about 0.83 for a broad index of pans that can be recommended to the user using this method.
  • the control algorithm A monitors the change of the frequency characteristic f (t) over the time t ( Fig. 5 ).
  • the first derivative f '(t) changes from a negative value to approximately zero, the bottom of the pot has reached a constant temperature, so that the time t, to which the food boils or boils, can be derived.
  • the power P or the current I in the induction coil 6 is reduced to a predetermined value. Notwithstanding this shows Fig.
  • a drop in frequency f occurs when, for example, water has escaped from the pot. This can be recognized as a sudden fall or a sudden change in the first derivative f '(t) or as a specific value of the first derivative f' (t), corresponding to a temperature rise in an empty pot.
  • the temperature T does not rise so fast.
  • the stable frequency level during boiling (cooking) can be used as a reference level to calibrate for 100 ° C.
  • the frequency drops and the power of the cooking zone is turned off at a certain relative value f1 with respect to 100 ° C. Notwithstanding this shows Fig.
  • a frequency curve f (t) can be assigned, which changes in the region of the boiling point its previously approximately linearly sloping course in a thereafter approximately constant course and in the range of empty or dry cooking its previously approximately constant course in a thereafter approximately linearly sloping course.
  • the temperature control could then be carried out, for example, as a thermostat function.
  • the power of the cooking zone can be set to two different levels P-high and P-low (for example P1 and P2), which are connected to two calibration curves f (T, P-high) and f (T, P-low).
  • the frequency f is then measured continuously and the temperature T derived from the calibration curves, depending on which power level is used. If the calculated temperature T-meas is greater than the set temperature T-set, the cooking zone is supplied with the lower power P-low. If T-meas is less than T-set, the cooking zone receives the higher power P-high ( Fig. 7 ). In this way, the pan or pot is kept at a significantly constant temperature level.
  • temperatures and / or temperature conditions and / or temperature changes and / or temperature profiles and / or their first derivatives can be assigned to frequencies and / or frequency relationships and / or frequency changes and / or their first derivatives and / or vice versa.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur thermischen Überwachung eines induktiv erwärmbaren Gargefäßes. Induktionskochflächen besitzen Glaskeramikflächen zur Aufnahme der Gargefäße und darunter angeordnete Induktionsspulen zu deren Erhitzung. Den Induktionsspulen wird ein Wechselstrom im Frequenzbereich von ca. 15 kHz bis 80 KHz, insbesondere ca. 20 kHz bis 60 kHz zugeführt. Die hierdurch entstehenden Wechselfelder erzeugen in ferromagnetischen Böden der Gargefäße Wirbelströme, die zu Wärmeentwicklung führen. Deren Überwachung erfolgt durch Sensorsysteme, die aufwendig und/oder träge sind.
  • Die EP 0 806 887 A1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erkennen des Kochpunktes von in einem induktiv erhitzten Behälter befindlichen Kochgut. Dabei wird mittels eines gesonderten Temperaturfühlers der zeitliche Temperaturverlauf verfolgt und als Kochpunkt ein Sendepunkt der Temperaturkurve des Temperaturfühlers erkannt oder - bei fehlende Erkennung des Wendepunktes - derjenige Punkt, bei dem die zeitliche Änderung der Temperatur eines weiteren Temperaturfühlers einen vorbestimmten Wert unterschreiten.
  • Aus US 3,781,506 A ist eine Kochvorrichtung für ein Verfahren zum induktiven Erwärmen von Geschirr auf eine definierte Temperatur bekannt, wobei die Kochvorrichtung eine Induktionsspule, die benachbart zur Geschirrauflage angebraucht ist, Mittel zur Bereitstellung eines die Induktionsspule ansteuernde Wechselstroms, eine Schaltung zur Messung eines vorbestimmten Parameters, von dem auf die Geschirrtemperatur zurückgeschlossen werden kann, und zur Steuerung des Wechselstroms, um eine definierte Geschirrtemporatur zu erzielen, umfasst.
  • Dokument US 6,469,282 B1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum thermalen Überwachen induktiv beheizbaren Kochgeschirrs. Dabei wird ein allmähliches Abflachen des Temperaturanstiegs vor dem Übergang in den Siedezustand sowie ein allmähliches Ansteigen des Temperaturanstiegs nach Übergang in den Siedezustand offenbart.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur thermischen Überwachung eines induktiv erwärmbaren Gargefäßes zu schaffen, die einfach und trägheitsarm arbeitet.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 11 gelöst. Vorteilhafte Ausbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Verfahrensseitig erfolgt die thermischen Überwachung des induktiv erwärmbaren Gargefäßes durch Überwachung der Frequenz (f) des die induktive Erwärmung bewirkenden Wechselstroms (I).
  • Die Überwachung auf das Sieden bzw. Aufkochen eines im Gargefäß befindlichen Gargutes und/oder auf das Leerkochen des Gargefäßes bzw. das Trockenkochen des darin befindlichen Gargutes erfolgt insbesondere als Überwachung auf vorbestimmte sprunghafte Änderungen der ersten Ableitung (f'(t)) des Frequenz-Zeit-Verlaufes (f(t)).
  • Die Vorteile sind folgende:
    • Die erfindungsgemäße thermische Überwachung (beispielsweise auf Überhitzungen) ist trägheitsarm. Während es gemäß dem Stand der Technik geschehen kann, dass eine Überhitzung des Gargefäßes oder sogar Feuer auftritt, bevor die Kochzone durch eine zu langsame Überwachungslösung abgeschaltet wird, reagiert die erfindungsgemäße Lösung viel schneller, d. h., sie liefert eine schnellere Antwort.
    • Die Temperatur wird erfindungsgemäß direkt im Boden des Gargefäßes nahe dem Gargut gemessen und ermittelt, während nach dem Stand der Technik eine Messung andernorts erfolgt und die Temperatur geschätzt wird.
    • Es ist kein separater Übertragungskanal für Messdaten vom Gargefäß zur Kochmulde erforderlich.
    • Es ist auch kein separater Sensor oder andere gesonderte Hardware erforderlich, da sie normalerweise schon in der Leistungskarte des Wechselrichters implementiert ist, d. h., die zusätzlichen Kosten sind sehr gering.
  • Die Überwachung auf das Sieden erfolgt insbesondere als Überwachung
    • auf eine vorbestimmte Änderung der ersten Ableitung (f'(t)) des Frequenz-Zeit-Verlaufes (f(t)) aus Richtung eines negativen Werts in Richtung eines Wertes von etwa Null und/oder
    • auf einen vorbestimmten Wert der ersten Ableitung (f'(t)) des Frequenz-Zeit-Verlaufes (f(t)) erfolgt.
  • Der Wechselstrom (I) bzw. die entsprechende Leistung (P) wird insbesondere auf einen vorbestimmten Wert reduziert, wenn bei dieser Überwachung eine oder mehrere Änderungen ermittelt wurden, die mit einer oder mehreren vorbestimmten Änderungen übereinstimmen.
  • Die Überwachung auf das Leer- bzw. Trockenkochen erfolgt insbesondere als Überwachung
    • auf eine vorbestimmte Änderung der ersteh Ableitung (f'(t)) des Frequenz-Zeit-Verlaufes (f(t)) aus Richtung eines Wertes von etwa Null in Richtung eines negativen Wertes und/oder
    • auf einen vorbestimmten Wert der ersten Ableitung (f'(t)) des Frequenz-Zeit-Verlaufes (f(t)) erfolgt.
  • Der Wechselstrom (I) bzw. die entsprechende Leistung (P) wird insbesondere abgeschaltet, wenn bei dieser Überwachung eine oder mehrere Änderungen ermittelt wurden, die mit einer oder mehreren vorbestimmten Änderungen übereinstimmen.
  • Die vorbestimmte(n) qualitative(n) bzw. sprunghafte(n) Änderung(en) des Frequenz-Zeit-Verlaufes (f(t)) liegen insbesondere im oder unmittelbar nach dem Übergang aus dem abfallenden Frequenzverlauf (f(t)) in den konstanten Frequenzverlauf (f(t)) und/oder aus dem konstanten Frequenzverlauf (f(t)) in den abfallenden Frequenzverlauf f(t).
  • Gemäß einer Ausbildung erfolgt die Überwachung auf absolute Temperaturen (T) durch Zuordnung vorbestimmter Frequenzen (f) und/oder Frequenzverhältnisse (f/f-start) zu vorbestimmten Temperaturen (T) und/oder umgekehrt.
  • Die Zuordnung der Frequenzen (f) und/oder Frequenzverhältnisse (f/f-start) zu den Temperaturen (T) erfolgt vorzugsweise in Abhängigkeit von vorbestimmten Eigenschaften, insbesondere Materialeigenschaften, des Gargefäßes, die insbesondere für die Nutzung vorgegeben oder vom Nutzer abgefragt werden, beispielesweise durch Vorgabe einer Auswahlliste. Die Zuordnung der Frequenzen (f) und/oder Frequenzverhältnisse (f/f-start) zu den Temperaturen (T) kann aber auch in Abhängigkeit von vorbestimmten Leistungen (P) erfolgen.
  • Die Temperatur des Gargefäßes wird insbesondere auf einen gewünschen Wert eingestellt bzw. auf einem gewünschten Wert gehalten, indem
    • die Frequenz (f) (kontinuierlich) überwacht wird,
    • der Frequenz (f) und/oder dem Frequenzverhältnis (f/f-start) in Abhängigkeit von dera aktuell zugeordneten Leistung (P) und dem aktuell zugeordneten Gargefäß (kontinuierlich) eine Tempenatur (T) zugeordnet wird,
    • die Abweichung zwischen der zugeordneten und der gewünschten Temperatur (T) (kontinuierlich) ermittelt wird und
    • entsprechend der Abweichung eine der zuordenbaren Leistungen ausgewählt wird.
  • Insgesamt steht damit auch ein Verfahren zur Überwachung und/oder Steuerung des Garprozesses in einem induktiv erwärmbaren Gargefäß zur Verfügung, bei dem während des Garens Temperaturen und/oder Temperaturänderungen als Frequenzen und/oder Frequenzänderungen eines die induktive Erwärmung bewirkenden Wechselstroms erfasst und ausgewertet werden, um die Temperatur des Gargefäßes zu signalisieren und/oder zu beeinflussen.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur thermischen Überwachung eines induktiv erwärmbaren Gargefäßes, insbesondere zur Durchführung des vorbeschriebenen Verfahrens, besitzt
    • erste Mittel zur Bereitstellung eines die induktive Erwärmung bewirkenden Wechselstroms,
    • zweite Mittel zur Vermittlung der vom Gargefäß beeinflussten Frequenz des Wechselstroms und
    • dritte Mittel zur Signalisierung und/oder Steuerung der Temperatur des Gargefäßes in Abhängigkeit von der Frequenz des Wechselstroms, wobei die dritten Mittel erste Speichermittel aufweisen, mit denen vorbestimmte sprunghafte Änderungen erster Ableitungen (f'(t)) von Frequenz-Zeit-Verläufen (f(t)) speicherbar sind, die als Referenzdaten ein Sieden bzw. Aufkochen eines im Gargefäß befindlichen Gargutes und/oder ein Leerkochen des Gargefäßes bzw. ein Trockenkochen des darin befind-lichen Gargutes repräsentieren.
  • Die dritten Mittel weisen erste Speichermittel auf, mit denen vorbestimmte sprunghafte Änderungen erster Ableitungen (f'(t)) von Frequenz-Zeit-Verläufen (f(t)) speicherbar sind, die als Referenzdaten ein Sieden bzw. Aufkochen eines im Gargefäß befindlichen Gargutes und/oder ein Leerkochen des Gargefäßes bzw. ein Trockenkochen des darin befindlichen Gargutes repräsentieren.
  • Die dritten Mittel können aber auch zweite Speichermittel aufweisen, mit denen vorbestimmte Frequenz-Temperatur-Verläufe (f(T)) und/oder Frequenzverhältnis-Temperaturverläufe (f/f-start(T)) speicherbar sind, insbesondere je Gargefäßeigenschaft und/oder Leistung.
  • Den dritten Mitteln sind insbesondere Eingabemittel zugeordnet, mit denen der Nutzer gewünschte Temperaturen und/oder Programme, insbesondere Temperaturen enthaltende Garprogramme, und/oder Leistungen und/oder Gargefäße bzw. deren Eigenschaften eingeben kann.
  • Schließlich weisen die dritten Mittel insbesondere Rechenmittel auf, mit denen die mit den zweiten Mitteln ermittelten Frequenzen und die mit den ersten und/oder zweiten Speichermitteln gespeicherten und die mit den Eingabemitteln eingegebenen Daten zur Wechselströmen bzw. entsprechenden. Leistungen verrechenbar sind, die die Temperatur des Gargefäßes entsprechend der eingegebenen und/oder gespeicherten Daten beeinflussen.
  • Die Beeinflussung der Temperatur kann in deren vorbestimmter Verringerung bei ermitteltem Sieden und/oder ermitteltem Leerbzw. Trockenkochen und/oder in deren Einstellung bzw. Aufrechterhaltung entsprechend eingegebener Nutzerdaten bestehen.
  • Ein erfindungagemäßes Kochgerät weist wenigstens eine der vorbeschriebenen Vorrichtungen auf.
  • Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:
    • Fig: 1 das Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Überwachung und/oder Steuerung der Temperatur in einem induktiv erwärmbaren Boden eines Gargefäßes, beispielsweise einer Pfanne, einer Friteuse oder eines Topfes,
    • Fig. 2 einen die induktive Erwärmung bewirkenden Wechselstrom und dessen Messung,
    • Fig. 3 ein Prinzip der Reglung,
    • Fig. 4 Frequenz-Temperatur-Kurven für unterschiedliche Leistungen,
    • Fig. 5 prinzipielle zeitliche Verläufe der Temperatur, der Frequenz und der ersten Ableitung der Frequenz beim Sieden eines im Gargefäß befindlichen Gargutes,
    • Fig. 6 prinzipielle zeitliche Verläufe der Temperatur, der Frequenz und der ersten Ableitung der Frequenz beim Leerkochen des Gargefäßes bzw. beim Trockenkochen eines im Gargefäß befindlichen Gargutes.
    • Fig. 7 ein Prinzip der Temperaturregelung einer Bratpfanne und dgl.
  • Um in einem Gargefäß oder einem Gargerät eine gewünschte Temperatur einzustellen, wird die Leistung der das Gargefäß aufnehmenden Kochzone geregelt. Hierfür ist es erforderlich, die Temperatur in dem Gargefäß zu messen. Normalerweise hat der Nutzer an leistungsgeregelten Kochzonen manuell das Leistungsniveau zu ändern, um im Gargefäß eine bestimmte Temperatur zu erhalten.
  • Im folgenden werden ein Verfahren und eine Vorrichtung beschrieben, um im Boden eines auf einer Induktionskochzone K stehenden Gargefäßes oder Gargerätes 8 Temperaturen T bzw. Temperaturänderungen zu messen und die Informationen zur Regelung der Leistung P der Induktionskochzone K zu nutzen, so dass automatische Kochfunktionen möglich werden.
  • Der Schwingkreis des Induktionsheizsystems gemäß Fig. 1 besteht aus einem Wechselrichter 5 und einer Induktionsspule 6, die unter einer ein Kochgerät bzw. Kochgeschirr 8 tragenden Oberfläche 9, beispielsweise einer Glaskeramikplatte, angeordnet ist. Der Boden des Geschirrs 8 ist ferromagnetisch ausgebildet. In ihm wird durch Wirbelströme, die durch das Magnetfeld der Induktionsspule 6 induziert, werden, Wärme erzeugt. Der Oszillationsstrom (Größe und Frequenz) durch die Induktionsspule unterliegt dem Einfluss verschiedener Elemente des Schwingkreises, deren eines die Impedanz (Z=R+jωL) des Systems Induktionsspule 6/Geschirr 8 ist. Diese Impedanz Z wird beeinflusst durch die Temperatur T im Geschirrboden, insbesondere aufgrund von Änderungen der elektromagnetischen Eigenschaften des Bodenmaterials. Sie beeinflusst wiederum die Schwingungsfrequenz f des Wechselrichters 5, was schließlich zur Messung der Temperatur T im Geschirrboden genutzt wird.
  • Der Spulenstrom I wird mittels eines Stromwandlers 7 gemessen. Sein prinzipielles Aussehen zeigt Fig. 2. Die Schwihgungsfrequenz f (20 bis 60 kHz) wird mit der gleichgerichteten Netzstromversorgung moduliert. Dieses Signal führt an eine Frequenzmess-Schaltung 3, die das Signal analysiert und die Schwingungsfrequenz f ermittelt. Die Größe der Netzspannungsversorgung wird durch eine Spannungsmessungsschaltung 10 gemessen und die Information an eine Steuerlogik 2 geführt. Die Steuerlogik enthält Regelalgorithmen A und sichert eine Filterung des Signals, falls dieses rauscht. Der Algorithmus A berechnet die geeignete Leistung P für die Kochzone K, um die gewünschte Funktonalität zu sichern, basierend auf den Informationen über die Frequenz f, die Spannungsversorgung U und die mittels Nutzerschnittstelle eingegebenen Nutzereinstellungen N (Fig. 3).
  • Die Betriebsfrequenz des Induktions-Wechselrichters 5 bewegt sich insbesondere im Bereich zwischen 20 und 60 kHz, abhängig vom Leistungsniveau. Die Frequenz f (d. h., die Umkehrung der Periodendauer eines Zyklus) variiert auch über die gleichgerichtete Sinuskurvenperiode (d. h., über eine Periode von 10 ms) mit etwa 10 %. Deshalb wird die Frequenz gemessen, wenn die Netzspannung ihr Maximum hat. Eine Zeitschaltung mit einer Verzögerungszeit von 5 ms, die im Nulldurchgang der Netzspannung ausgelöst wird, löst nach Ablauf der Verzögerungszeit die Frequenzmessung aus. In Fig. 2 ist die Auslösung der Zeitschaltung mit ZT und die Auslösung der Frequenzmessung mit FM gekennzeichnet, das Zeitverzögerungssignal mit ZV. Das Signal des Stromwandlers 7 wird mit einem A/D-Wandler abgetastet und in einem Speicher gespeichert (500 Abtastungen in einem Intervall von 666 ns ergeben 25-75 Abtastungen je Periode). Davon wird die Periodenzeit der Schwingungen (6-20, abhängig von der Frequenz) errechnet und davon wiederum die Mittenfrequenz. Beeinflussungen der Frequenz durch Änderungen in der Netzstromversorgung (durch die Netzstromversorgungseinrichtung 4) können durch Messung der Spannung (durch die Spannungsmesseinrichtung 10) und Verrechnung mit empirisch ermittelten Werten oder Formeln korrigiert werden. Die korrigierte und/oder unkorrigierte Frequenz wird dann in den Algorithmen benutzt, um Temperaturen zu signalisieren.
  • Um die Beziehung zwischen der Frequenz f und der Temperatur T zu erhalten, ist eine Kalibrierungskurve f(T) aufzunehmen bzw. zu registrieren. Dies erfolgt durch Messung der Temperatur T im Geschirrboden (mittels separater Temperatursensoren) und gleichzeitige Registrierung der Temperatur T und der Frequenz f bei einer festen Leistungseinstellung P. Die Messdaten lassen sich dann mit einer Kurvenanpassungsmethode, beispielsweise einer Polynomanpassung, an eine akzeptierte Genauigkeit anpassen. Am Ende dieses Abschnitts erhält man eine Beziehung f(T) für ein bestimmtes Geschirr. Da jedoch die Frequenz f vom Leistungsniveau P abhängt, ist all dies für die anderen zu nutzenden Leistungsniveaus zu wiederholen, um schließlich eine Beziehung f(T, P) zu haben, die in der Steuerlogik als Kalibrierungskurve (für ein bestimmtes Geschirr) gespeichert wird. Fig. 4 zeigt eine Schar abfallender f(T)-Kalibrierungskurven für Leistungen P1, P2, P3 und P4.
  • Wenn dieses Geschirr (Pfanne, Topf, Friteuse und dgl.) später benutzt wird, verbindet die Steuerlogik die gemessene Frequenz f mit einer Temperatur T für ein bestimmtes Leistungsniveau P. Dies Macht es dann möglich, die gewünschten Funktionen entsprechend der in der Steuerlogik gespeicherten Algorithmen durchzuführen.
  • Dieses Verfahren erfordert eine Identifikation des benutzen Geschirrs 8.
  • Es gibt Unterschiede zwischen verschiedenen Pfannen/Töpfen in bezug auf das f(T, P) -Verhalten, wobei sowohl das relative Niveau als auch der Anstieg bzw. die erste Ableitung f'(t) bei einer bestimmten Temperatur variieren kann.
  • Unter der Annahme, dass sich die Pfanne zu Beginn auf Raumtemperatur T-start befindet, der eine Startfrequenz f-start zungeordnet ist, wird der Messwert als relative Frequenz f-rel=f/f-start ausgedrückt, so dass sich die Abweichungen zwischen unterschiedlichen Pfannen aufgrund des relativen Frequenzniveaus vermeiden lassen. In jedem Fall liegt so beispielsweise der Wert f-rel für 250 °C bei ungefähr 0,83 für ein breites Register von Pfannen, die dem Nutzer bei Benutzung dieser Methode empfohlen werden kann.
  • Im folgenden werden die Steuer- bzw. Regelalgorithmen A beschrieben.
  • Um ein Sieden bzw. Aufkochen zu erkennen, ist es nicht notwendig, den absoluten Wert der Temperatur T zu kennen, d. h., eine Beziehung zwischen der Frequenz f und der Temperatur T zu haben. Der Steuer- bzw. Regelalgorithmus A überwacht die Änderung des Frequenzverlaufs f(t) über der Zeit t (Fig. 5). Wenn sich die erste Ableitung f'(t) von einem negativen Wert her zu etwa Null hin verändert, hat der Topfboden eine konstante Temperatur erreicht, so dass sich daraus die Zeit t, zu der das Gargut siedet bzw. aufkocht, ableiten lässt. In diesem Fall wird die Leistung P bzw. der Strom I in der Induktionsspule 6 auf einen vorbestimmten Wert reduziert. Unbeschadet dessen zeigt Fig. 5, dass einem Temperaturverlauf T(t), der im Bereich des Siedepunktes seinen zuvor etwa linear ansteigenden in einen danach etwa konstant bleibenden Verlauf ändert, ein Frequenzverlauf f(t), der im Bereich des Siedepunktes seinen zuvor etwa linear abfallenden in einen danach etwa konstant bleibenden Verlauf ändert, zuordenbar ist und umgekehrt.
  • Während des Leer- bzw. Trockenkochens (Fig. 6) tritt ein Abfall der Frequenz f auf, wenn beispielsweise Wasser aus dem Topf entwichen ist. Dies kann als plötzlicher Abfall bzw. eine plötzliche Änderung der ersten Ableitung f'(t) oder als bestimmter Wert der ersten Ableitung f'(t) erkannt werden, entsprechend einem Temperaturanstieg in einem leeren Topf. Für langsame Trockenkochprozesse (Gargut mit geringem oder mittleren Wassergehalt) steigt die Temperatur T nicht so schnell. Dann kann das stabile Frequenzniveau während des Siedens (Kochens) als Referenzniveau genutzt werden, um eine Kalibrierung bzgl. 100 °C vorzunehmen. Wenn das Wasser entwichen ist, fällt die Frequenz, und die Leistung der Kochzone wird bei einem bestimmten relativen Wert f1 in bezug auf 100 °C abgeschaltet. Unbeschadet dessen zeigt Fig. 6, dass einem Temperaturverlauf T(t), der im Bereich des Siedepunktes seinen Verlauf aus einem zuvor etwa linear ansteigenden in einen danach etwa konstanten Verlauf und im Bereich des Leer- bzw. Trockenkochens seinen zuvor konstanten Verlauf in einen danach etwa linear ansteigenden Verlauf ändert, ein Frequenzverlauf f(t) zuordenbar ist, der im Bereich des Siedepunktes seinen zuvor etwa linear abfallenden Verlauf in einen danach etwa konstanten Verlauf und im Bereich des leer- bzw. Trockenkochens seinen zuvor etwa konstanten Verlauf in einen danach etwa linear abfallenden Verlauf ändert. Sowohl im T(t) - Verlauf als auch im f(t) - Verlauf ist das schnelle Leer- bzw. Trockenkochen mit B1 und das langsame Leerbzw. Trockenkochen mit B2 gekennzeichnet. Im f'(t) - Verlauf gibt S die Spannweite f'(t) an, die mit dem Erhitzen eines leeren Topfes korrespondiert.
  • Beim Regeln der Temperatur einer Pfanne oder eines Topfes auf konstante Temperatur entsprechend einer Nutzereinstellung N (insbesondere genutzt für Bratpfannen, Braten und Frittieren in Öl) wird eine Anzahl von Leistungsniveaus benutzt. Gemäß dem zuvor Beschriebenen sind hierfür Kalibrierungskurven f(T, P) noch Fig. 4 für die zur Nutzung vorgesehenen Leistungsniveaus heranzuziehen.
  • Die Temperaturregelung könnte dann beispielsweise als Thermostatfunktion durchgeführt werden. Die Leistung der Kochzone kann auf zwei unterschiedliche Niveaus P-high und P-low gesetzt werden (beispielsweise P1 und P2), die mit zwei Kalibrierungskurven f(T, P-high) und f(T, P-low) verbunden sind. Die Frequenz f wird dann kontinuierlich gemessen und die Temperatur T aus den Kalibrierungskurven abgeleitet, abhängig davon, welches Leistungsniveau genutzt wird. Wenn die berechnete Temperatur T-meas größer ist als die eingestellte Temperatur T-set, wird der Kochzone die niedrigere Leistung P-low zugeführt. Ist T-meas kleiner als T-set, erhält die Kochzone die höhere Leistung P-high (Fig. 7). Auf diese Weise wird die Pfanne oder der Topf auf einem deutlich konstanten Temperaturniveau gehalten.
  • Insgesamt lassen sich zu Frequenzen und/oder Frequenzverhältnissen und/oder Frequenzänderungen und/oder Frequenzverläufen und/oder deren ersten Ableitungen Temperaturen und/oder Temperaturverhältnisse und/oder Temperaturänderungen und/oder Temperaturverläufe und/oder deren erste Ableitungen zuordnen und/umgekehrt.
  • Dem Nutzer stehen so auf erfindungsgemäße Weise Geräteeigenschaften zur Verfügung, die sowohl die Funktionalität als auch die Sicherheit positiv beeinflussen. Diese Merkmale sind allgemein :
    • Siedeerkennung:
      • Die Leistung wird trägheitsarm auf ein vorbestimmtes Niveau reduziert oder abgeschaltet, wenn der Inhalt des Gargefäßes siedet bzw. aufkocht. Die schnelle Siedeerkennung arbeitet auch als Überkochschutz.
    • - Leer- bzw. Trockenkocherkennung:
      • Die Leistung wird trägheitsarm abgeschaltet, wenn das Wasser aus dem Gargefäß entwichen und/oder die Temperatur des Gargefäßes zu hoch ist. Feuer und Gefäßschäden werden vermieden.
    • - Temperaturregelung:
      • Die Temperatur wird trägheitsarm auf einem einmal eingestellten konstanten Temperaturniveau gehalten, ohne dass der Nutzer nach der ersten Einstellung manuell eingreifen muss.
      • Dies lässt sich insbesondere nutzen, um
        • eine stabile Temperatur für das Braten zu erhalten,
        • eine stabile Temperatur während des Frittierens in Öl (bei beispielsweise etwa 180 °C) zu erhalten, was auch als Überhitzungsschutz wirkt, und
        • die Temperatur auf niedrigeren Niveaus zu begrenzen, um ein Anbrennen und Ankleben am Gefäßboden zu vermeiden.

Claims (17)

  1. Verfahren zur thermischen Überwachung eines induktiv erwärmbaren Gargefäßes durch Überwachung der vom Gargefäß beeinflussten Frequenz (f) des die induktive Erwärmung bewirkenden Wechselstroms (I),
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Überwachung auf das Sieden bzw. Aufkochen eines im Gargefäß befindlichen Gargutes und/oder auf das Leerkochen des Gargefäßes bzw. das Trockenkochen des darin befindlichen Gargutes als Überwachung auf vorbestimmte sprunghafte Änderungen der ersten Ableitung (f'(t)) des Frequenz-Zeit-Verlaufes (f(t)) erfolgt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Überwachung auf das Sieden bzw. Aufkochen als Überwachung
    - auf eine vorbestimmte Änderung der ersten Ableitung (f' (t)) des Frequenz-Zeit-Verlaufes (f(t)) aus Richtung eines negativen Wertes in Richtung eines Wertes von etwa Null erfolgt.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem der Wechselstrom (I) bzw. die entsprechende Leistung (P) auf einen vorbestimmten Wert reduziert wird, wenn bei der Überwachung eine oder mehrere Änderungen ermittelt wurden, die mit einer oder mehreren vorbestimmten Änderungen übereinstimmen.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Überwachung auf das Leer- bzw. Trockenkochen als Überwachung
    - auf eine vorbestimmte Änderung der ersten Ableitung (f'(t)) des Frequenz-Zeit-Verlaufes (f(t)) aus Richtung eines Wertes von etwa Null in Richtung eines negativen Wertes erfolgt.
  5. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem der Wechselstrom (I) bzw. die entsprechende Leistung (P) abgeschaltet wird, wenn bei der Überwachung eine oder mehrere Änderungen ermittelt wur-, den, die mit einer oder mehreren vorbestimmten Änderungen übereinstimmen.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Überwachung auf Temperaturen (T) durch Zuordnung vorbestimmter Frequenzen (f) und/oder Frequenzverhältnisse (f/f-start) zu vorbestimmten Temperaturen (T) erfolgt und/oder umgekehrt.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die Zuordnung der Frequenzen (f) und/oder Frequenzverhältnisse (f/f-start) zu den Temperaturen (T) in Abhängigkeit von vorbestimmten Eigenschaften, insbesondere Materialeigenschaften, des Gargefäßes erfolgt.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die Eigenschaften des Gargefäßes für die Nutzung vorgegeben oder vom Nutzer abgefragt werden, beispielsweise durch Vorgabe einer Auswahlliste.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, bei dem die Zuordnung der Frequenzen (f) und/oder Frequenzverhältnisse (f/f-start) zu den Temperaturen (T) in Abhängigkeit von vorbestimmten Leistungen (P) erfolgt.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, bei dem die Temperatur des Gargefäßes auf einen gewünschten Wert eingestellt bzw. auf einem gewünschten Wert gehalten wird, indem
    - die Frequenz (f) kontinuierlich überwacht wird,
    - der Frequenz (f) und/oder dem Frequenzverhältnis (f/fstart) in Abhängigkeit von der aktuell zugeordneten Leistung (P) und dem aktuell zugeordneten Gargefäß kontinuierlich eine Temperatur (T) zugeordnet wird,
    - die Abweichung zwischen der zugeordneten und der gewünschten Temperatur (T) kontinuierlich ermittelt wird und
    - entsprechend der Abweichung eine der zuordenbaren Leistungen ausgewählt wird.
  11. Vorrichtung zur thermischen Überwachung eines induktiv erwärmbaren Gargefäßes zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10, mit
    - ersten Mitteln (4, 5) zur Bereitstellung eines die induktive Erwärmung bewirkenden Wechselstroms (I),
    - zweiten Mitteln (3) zur Ermittlung der vom Gargefäß (8) beeinflussten Frequenz (f) des Wechselstroms (I) und
    - dritten Mitteln (2) zur Signalisierung und/oder Steuerung der Temperatur (T) des Gargefäßes (8) in Abhängigkeit von der Frequenz (f) des Wechselstroms (I),
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die dritten Mittel (2) erste Speichermittel aufweisen, mit denen vorbestimmte sprunghafte Änderungen erster Ableitungen (f'(t)) von Frequenz-Zeit-Verläufen (f(t)) speicherbar sind, die als Referenzdaten ein Sieden bzw. Aufkochen eines im Gargefäß (8) befindlichen Gargutes und/oder ein Leerkochen des Gargefäßes (8) bzw. ein Trockenkochen des darin befindlichen Gargutes repräsentieren.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 11, bei der die dritten Mittel (2) zweite Speichermittel aufweisen, mit denen vorbestimmte Frequenz-Temperatur-Verläufe (f(T)) und/oder Frequenzverhältnis-Temperaturverläufe (f/f-start(T)) speicherbar sind.
  13. Vorrichtung nach Anspruch 12, bei der die Frequenz-Temperatur-Verläufe (f(T)) und/oder Frequenzverhältnis-Temperatur-Verläufe (f/f-start(T)) je Gargefäßeigenschaft und/oder Leistung (P1, P2, P3, P4) speicherbar sind.
  14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, bei der den dritten (2) Mitteln Eingabemittel (1) zugeordnet sind, mit denen der Nutzer gewünschte Temperaturen (T) und/oder Programme, insbesondere Temperaturen (T) enthaltende Garprogramme, und/oder Leistungen (P) und/oder Gargefäße (8) bzw. deren Eigenschaften eingeben kann.
  15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, bei der die dritten Mittel (2) Rechenmittel aufweisen, mit denen die mit den zweiten Mitteln (3) ermittelten Frequenzen (f) und die mit den ersten und/oder zweiten Speichermitteln gespeicherten Daten und die mit den Eingabemitteln (1) eingegebenen Daten zu Wechselströmen (I) bzw. entsprechenden Leistungen (P) verrechenbar sind, die die Temperatur (T) des Gargefäßes (8) entsprechend der eingegebenen und/oder gespeicherten Daten beeinflussen.
  16. Vorrichtung nach Anspruch 15, bei der die Beeinflussung der Temperatur (T) in deren vorbestimmter Verringerung bei ermitteltem Sieden und/oder ermitteltem Leer- bzw. Trockenkochen und/oder in deren Einstellung bzw. Aufrechterhaltung entsprechend eingegebener Nutzerdaten besteht.
  17. Kochgerät mit wenigstens einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 16.
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