ES2309132T3 - Sistema de deteccion de recipientes de cocina y metodo que utiliza dicho sistema. - Google Patents
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Abstract
Un sistema para detectar la presencia de un utensilio de cocina sobre una placa de cocción, que comprende medios de detección (12, 14, 22) posicionados bajo la superficie de cocción, cuya impedancia cambia como consecuencia de la presencia de dicho utensilio de cocina sobre la placa, caracterizado porque tales medios de detección comprenden un circuito electrónico (10, 16, 18, 20, 22, 24) destinado a evaluar parámetros de la impedancia compleja o impedancia mutua (P) y a usarlos con el fin de generar una señal indicativa de la presencia del utensilio de cocina.
Description
Sistema de detección de recipientes de cocina y
método que utiliza dicho sistema.
La presente invención se refiere a un sistema
para detectar la presencia de un utensilio de cocina sobre una
placa de cocción, que comprende medios de detección cuya impedancia
cambia en función de la presencia o ausencia de dicho utensilio de
cocina sobre la placa. El sistema de acuerdo con la invención es
particularmente útil para uso con un sistema de detección de
utensilios de cocina sobre una placa de cocción eléctrica
vitrocerámica.
Los sistemas de detección de recipientes de
cocina conocidos pueden dividirse en cuatro categorías principales:
ópticos, mecánicos, electrónicos capacitivos y electrónicos
inductivos. La última categoría (a la que pertenece la presente
invención) puede dividirse, adicionalmente, en dos subcategorías:
sistemas por inducción convencionales, como se describe en el
documento EP-A-553425, y sistemas
por inducción cruzada (o inducción mutua), como se describe en el
documento EP-A-1206164.
Los sistemas inductivos convencionales se basan
en una bobina detectora, posicionada dentro de la placa y conectada
con un circuito oscilante electrónico, cuya frecuencia o amplitud de
oscilación cambia cuando un utensilio de cocina de metal es
posicionado sobre la placa.
Los sistemas de inducción cruzada se basan en la
idea de alimentar una señal de radiofrecuencia a una primera
bobina, detectar la señal acoplada en otra bobina receptora
posicionada en la proximidad de la superficie de cocción, y
determinar la variación de la intensidad de acoplamiento causada por
la presencia o ausencia del utensilio de cocina.
Los parámetros principales cuya variación puede
influir en las señales de salida de los sistemas inductivos de
detección de recipientes de cocina son el diseño geométrico, la
frecuencia de la señal alimentada, las propiedades magnéticas de
los materiales que constituyen las bobinas y las propiedades
magnéticas de los materiales que constituyen la estructura cercana
al sistema de detección.
El documento
DE-A-3711589 describe una técnica
para elementos de calentamiento individuales en los que tanto la
bobina emisora como la bobina receptora sean diferentes de la bobina
de calentamiento. El documento
EP-A-1087641 describe una
configuración sustancialmente similar a la del documento
DE-A-3711589, con algunas pequeñas
diferencias en el modo en que las bobinas de emisión y recepción se
conectan eléctricamente entre ellas. El documento
EP-A-1206164 describe un método para
usar la propia bobina de calentamiento, también, como emisora de
campo electromagnético, y, por esta razón, es particularmente
adecuado para detectar utensilios de cocina sobre placas de cocción
con elementos de calentamiento distribuidos de manera discreta, como
se describe en el documento
IT-A-MI2000A000926.
Sustancialmente, todos los métodos inductivos
generan una señal de salida caracterizada por errores grandes
causados por la variación de las características magnéticas del
elemento calentador con la temperatura. Dicha variación puede ser,
en algunos casos, del mismo orden de magnitud que la variación
inducida por la presencia/ausencia del utensilio de cocina. Ello
puede dar lugar a un funcionamiento poco fiable de los sistemas de
detección actuales.
Es bien conocido que el fenómeno físico
principal que se encuentra detrás de la variación consiste en la
superación de la temperatura de Curie de la aleación del
calentador, es decir, la temperatura por encima de la cual la
permeabilidad magnética (\mu_{r}) del material cae bruscamente
desde valores típicos hasta algunas décimas por encima de la
unidad. Pero para temperaturas inferiores a la temperatura de Curie,
también, los efectos de los cambios de temperatura pueden afectar
en gran medida a la fiabilidad de la señal relacionada con la
presencia/ausencia de un utensilio de cocina.
Todos los sistemas de detección de recipientes
de cocina conocidos son similares en el sentido de que todos se
basan en el tratamiento de una única magnitud eléctrica,
relacionada, directa o indirectamente, con una magnitud física -la
impedancia o la impedancia mutua- que se describe realmente mediante
un número complejo (es decir, que presenta dos componentes).
El documento
US-A-5900174 describe un método
algorítmico para eliminar la variación de la señal de salida
inducida por la temperatura conociendo los tiempos de conmutación de
control de potencia. Dichos métodos presentan la desventaja de
poder aplicarse solamente con métodos de control de
conexión/desconexión (por tanto, no son aplicables a controles de
alimentación continuos o casi continuos). Además, dicho método
conocido sólo permite compensar la variación brusca causada cuando
se supera la temperatura de Curie y no las variaciones suaves
experimentadas a temperaturas inferiores a dicha temperatura.
El documento
US-A-3676772 describe un sistema de
detección de intrusión metálica que comprende una bobina
transmisora y una bobina receptora.
Un objeto de la presente invención consiste en
superar o minimizar el problema de la deriva, inducida por la
temperatura, de señales de detección de recipientes experimentada en
sistemas inductivos de detección de recipientes de cocina.
\newpage
De acuerdo con la presente invención, se
proporciona una circuitería especial y un método para tratar los
parámetros de las señales de impedancia compleja generadas por el
sistema de detección, que, simultáneamente, minimizan la influencia
de la temperatura en la señal de detección de un recipiente y
mejoran la intensidad de la información de presencia del mismo, y
que permiten mejorar, en general, el comportamiento, la fiabilidad
y la precisión. El sistema y el método descritos en la presente
invención presentan la ventaja adicional de poder proporcionar
información del tipo de metal del utensilio de cocina.
Los solicitantes han descubierto, de manera
sorprendente, que al usar una circuitería de detección que pueda
detectar no sólo el desplazamiento de amplitud o frecuencia inducido
en el circuito de detección por la variación de impedancia causada
por la presencia o ausencia de un utensilio de cocina, sino la
magnitud y el ángulo de fase de la impedancia compleja o impedancia
mutua de la bobina o las bobinas de detección, la influencia de la
temperatura en la señal de detección de recipiente es
sustancialmente insignificante. De acuerdo con la invención, dicha
impedancia compleja o impedancia mutua es tratada de manera
analógica o digital, con el fin de obtener una magnitud nueva,
correlacionada en gran medida con la presencia del utensilio de
cocina y de manera insignificante con la temperatura.
Las dos señales generadas por la circuitería de
detección son tratadas mediante un algoritmo específico que, al
combinar matemáticamente las dos señales, permite obtener una
tercera señal menos influida por la temperatura y mucho más
relacionada con la presencia real de recipiente que la señal
obtenida mediante los sistemas conocidos de detección de
recipientes de cocina.
La invención resultará más evidente a partir de
la descripción de sus realizaciones preferidas, ofrecidas en lo que
sigue a modo de ejemplo no limitativo e ilustrada mediante los
dibujos adjuntos, en los que:
- la figura 1 es un diagrama de bloques de un
sistema de detección de recipientes de acuerdo con la invención,
con una configuración de inducción cruzada;
- la figura 2 es un ejemplo del modo en que la
impedancia compleja (mutua) se muestra en el plano complejo;
- la figura 3 es un diagrama de bloques de un
sistema de detección de recipientes de acuerdo con una segunda
realización de la invención, con una configuración de inducción
mutua;
- la figura 4 es un diagrama que muestra la
diferencia entre la señal de detección de un recipiente mediante un
sistema de acuerdo con la técnica anterior, y la señal (compensada)
de detección de un recipiente del sistema de acuerdo con la
invención;
- la figura 5 es un modelo general,
simplificado, de sistemas de detección de recipientes por inducción
mutua;
- la figura 6 es un modelo general,
simplificado, de un sistema inductivo de detección de
recipientes;
- la figura 7 es un conjunto de diagramas que
muestran las señales de detección de un recipiente de acuerdo con
un método de la técnica anterior y de acuerdo con la presente
invención; y
- la figura 8 es una vista del plano complejo de
impedancia mutua que muestra diferentes trayectorias de la señal de
impedancia.
\vskip1.000000\baselineskip
La figura 1 muestra una primera realización del
sistema de detección de recipientes de cocina de acuerdo con la
invención, prevista del modo siguiente. Una señal de corriente
alterna (CA) es alimentada a un convertidor 10 tensión/corriente.
Dicha CA se aplica a un elemento 12 de calentamiento, o, en una
disposición alternativa, a una bobina separada. Hay un circuito 14,
hecho de material conductivo, posicionado por encima del elemento o
bobina 12 de calentamiento, con el fin de recibir parte del campo
generado por la primera bobina 12. La tensión inducida en la bobina
receptora 14 se amplifica, primero, mediante una etapa 16 de
amplificación de bajo nivel de ruido (ARB), y, luego, se desmodula
de modo sincronizado por medio de un par de amplificadores 18 y 20
de producto. Uno de tales amplificadores, indicado mediante la
referencia 20, es alimentado mediante una señal sincronizada, y en
fase, con la corriente alimentada a la bobina emisora 12, mientras
que el otro se alimenta con una señal, también sincronizada, pero
desfasada en 90º. A continuación, ambas señales son filtradas por
paso de bajos para eliminar artefactos de producto de frecuencia
elevada. Podemos denominar a la primera señal "la señal en
fase" o P_{I}, y a la segunda señal "la señal en
cuadratura" o P_{Q}.
En la figura 3 se muestra una segunda
realización, para configuraciones "inductivas", es decir,
topologías en las que solamente haya un único circuito de
detección. Una señal de CA es alimentada a un convertidor 10
tensión/corriente. Dicha CA se aplica a un elemento conductivo 22 de
impedancia Z, posicionado en la proximidad del elemento de
calentamiento. La tensión inducida en el elemento de calentamiento
22 es amplificada mediante la etapa 24, pudiendo denominarse al
módulo y a la fase de la señal del amplificador 24 P_{I} y
P_{Q} (señal en fase y señal en cuadratura), al igual que
en la primera realización.
\newpage
Con el fin de que pueda entenderse mejor la
invención, se definen las magnitudes siguientes, mostradas
parcialmente en la figura 2:
En las que:
P representa la medición compleja
genérica de la impedancia o impedancia mutua,
\angleP representa la fase (referida a
la corriente alimentada) de la señal recibida,
|P| representa la magnitud (referida
a la corriente alimentada) de la señal recibida,
P_{0} representa la medición sin
utensilio de cocina y placa fría,
P_{1} representa la medición con
utensilio de cocina y placa fría,
P_{0T} representa la medición sin
utensilio de cocina y placa caliente,
P_{1T} representa la medición con
utensilio de cocina y placa caliente,
P_{\Delta} representa la variación de
medición genérica con respecto a.
\vskip1.000000\baselineskip
La figura 2 muestra un ejemplo típico de lo que
sucede realmente: el cambio de la magnitud de la impedancia
compleja (mutua) causado por el utensilio de cocina es similar al
cambio causado por el aumento de temperatura del elemento de
calentamiento. Por otro lado, el desfase presenta un comportamiento
significativamente diferente, incluso, en algunos casos, un signo
diferente. Este comportamiento puede verse, también, en la figura 8,
en la que se muestran trayectorias diferentes en el plano complejo
de la impedancia mutua causadas por la presencia de recipiente y
por las derivas térmicas: como puede verse con facilidad, a pesar de
que la magnitud de las trayectorias es similar cuando se compara la
presencia de un recipiente de acero con las derivas térmicas, la
"dirección" de las trayectorias por la deriva térmica y por la
presencia/ausencia del recipiente de acero es completamente
diferente.
En otros términos, al considerar la magnitud y
la fase simultáneamente, puede obtenerse una estimación muy
mejorada acerca de la presencia real del utensilio de cocina sobre
la superficie.
De acuerdo con la figura 8, resulta claro que
los parámetros de la impedancia compleja pueden usarse no solamente
para detectar la presencia de utensilios de cocina, sino, también,
para proporcionar al sistema de control electrónico de la placa de
cocción una indicación acerca del tipo de utensilio de cocina
posicionado sobre la placa, y, en particular, del material del
mismo, con el fin de ajustar el proceso de calentamiento en
consecuencia.
Con la información conjunta de los dos
parámetros de la impedancia compleja, es decir, magnitud y fase, es
fácil determinar, merced a métodos de optimización clásicos, un
estimador correlacionado en gran medida con la presencia del
utensilio de cocina, y, por otro lado, influido en medida muy
pequeña por la variación de la temperatura de funcionamiento de la
placa. Una forma general posible de tal estimador podría ser:
en la que k_{1} y
k_{2} son constantes adecuadas obtenidas mediante técnicas
de minimización de errores estándar aplicadas a datos
experimentales reales. Aunque, sin duda, son posibles formas más
complejas de estimadores la propuesta puede proporcionar, en casi
todos los casos, una compensación de temperatura buena con una
complejidad de cálculo reducida, tanto con realizaciones analógicas
como
digitales.
La razón por la que la señal combinada, o
estimador, está mucho menos influida por la temperatura y mucho más
relacionada con la presencia real del recipiente puede entenderse,
también, a través del examen del modelo simplificado de los
fenómenos físicos mostrado en la figura 6, en el caso de los métodos
por inducción, y, en la figura 5, en el de los métodos por
inducción cruzada. De acuerdo con ambos métodos inductivos, la
presencia de recipiente influye en la inductancia y, también, en la
resistencia de la bobina receptora; lo mismo ocurre con la
temperatura del elemento de calentamiento.
En la figura 7, el diagrama superior muestra el
modo en que la señal de detección de recipiente se reduce por la
presencia de un recipiente, de acuerdo con un sistema de detección
de la técnica anterior. En el eje X se representa el tiempo (en
segundos) y en el eje Y el porcentaje de reducción de la señal.
Mediante las referencias 1, 2 y 3 se muestra el modo en que la
señal cambia cuando un utensilio de cocina de aluminio, acero o
acero ferrítico, respectivamente, se posiciona sobre la placa y se
retira de ella, mientras que con las referencias 4 y 5 se muestra
el modo en que la señal cambia como consecuencia de los cambios de
temperatura del calentador, y del encendido o apagado del mismo. En
el diagrama superior de la figura 7 puede verse que el cambio de la
magnitud de la señal de detección de recipiente puede ser inferior
al cambio de la señal causada por el cambio de temperatura, o
deriva térmica. El diagrama central de la figura 7 muestra, para los
mismos utensilios de cocina usados en el diagrama superior, el modo
en que la señal de detección de recipiente cambia de acuerdo con la
invención: el cambio es siempre mucho mayor que cualquier
perturbación producida los cambios de temperatura o derivas
térmicas.
Ello se muestra, también, mediante el diagrama
4, que ilustra una comparación entre las señales de un sistema
antiguo y del sistema de acuerdo con la invención, para niveles de
potencia diferentes del elemento de calentamiento (crecientes de
izquierda a derecha en relación con el eje X) y para utensilios de
cocina diferentes, como se ha precisado en lo que antecede. Está
claro que incluso al aumentar la potencia (y, por tanto, la
temperatura) de los elementos de calentamiento, mediante el sistema
de acuerdo con la invención siempre habrá una diferencia grande
entre las señales con o sin utensilio de cocina sobre la placa.
El sistema de acuerdo con la invención es útil
no sólo para detectar la presencia de un recipiente, sino, también,
para detectar dónde está posicionado, cuando exista una pluralidad
de resistores, distribuidos en formación a modo de matriz, por
debajo de la superficie de calentamiento resistivo sobre la que el
utensilio pueda posicionarse de manera aleatoria. Con esta solución
técnica peculiar la fiabilidad y la precisión del sistema de
detección es importante no sólo para el encendido/apagado automático
de las pequeñas células de calentamiento, en función de la
presencia del utensilio de cocina, sino, también, para activar
solamente las células de calentamiento que se encuentren debajo del
utensilio de cocina posicionado de manera aleatoria.
Claims (9)
1. Un sistema para detectar la presencia de un
utensilio de cocina sobre una placa de cocción, que comprende
medios de detección (12, 14, 22) posicionados bajo la superficie de
cocción, cuya impedancia cambia como consecuencia de la presencia
de dicho utensilio de cocina sobre la placa, caracterizado
porque tales medios de detección comprenden un circuito electrónico
(10, 16, 18, 20, 22, 24) destinado a evaluar parámetros de la
impedancia compleja o impedancia mutua (P) y a usarlos con el fin
de generar una señal indicativa de la presencia del utensilio de
cocina.
2. Un sistema de acuerdo con la reivindicación
1, caracterizado porque una bobina detectora (22) está
posicionada por debajo de la superficie de cocción de la placa y
está destinada a ser alimentada con corriente alterna, estando
previsto dicho circuito electrónico (10, 24) con el fin de medir los
parámetros de la impedancia compleja (P) de dicha bobina detectora
(22).
3. Un sistema de acuerdo con la reivindicación
1, caracterizado porque están previstas una bobina emisora
(12) y una bobina receptora (14), estando destinado dicho circuito
electrónico (10, 16, 18, 20) a medir los parámetros de la
impedancia compleja (P) cruzada entre la bobina emisora (12) y la
bobina receptora (14).
4. Un sistema de acuerdo con la reivindicación
3, caracterizado porque la bobina emisora (12) es, también,
el elemento de calentamiento de la placa de cocción.
5. Un sistema de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, caracterizado porque los
parámetros de la impedancia compleja (P) son la magnitud de la
señal recibida y su fase.
6. Un sistema de acuerdo con la reivindicación
5, caracterizado porque la señal indicativa de la presencia
del utensilio de cocina es como sigue:
en la que |P_{\Delta}|
representa la magnitud de la diferencia entre las señales recibidas,
\angleP_{\Delta} representa la diferencia de fase de las
señales recibidas, y k_{1} y k_{2} representan
constantes
experimentales.
7. Método para detectar la presencia de un
utensilio de cocina en un placa de cocción sobre la base de un
cambio de impedancia (P) de un elemento conductivo posicionado en
la proximidad del elemento de calentamiento, caracterizado
porque se evalúan y usan los parámetros de la impedancia compleja o
impedancia mutua (P) con el fin de proporcionar una señal
indicativa de la presencia del utensilio de cocina.
8. Método de acuerdo con la reivindicación 7,
caracterizado porque se miden la magnitud y la fase de la
impedancia compleja (P).
9. Método de acuerdo con la reivindicación 8,
caracterizado porque la magnitud y la fase de la impedancia
compleja (P) se combinan entre sí con el fin de proporcionar dicha
señal indicativa de la presencia del utensilio de cocina.
Applications Claiming Priority (1)
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