NO173155B

NO173155B - COOKING CONDITION DETECTOR

Info

Publication number: NO173155B
Application number: NO902366A
Authority: NO
Inventors: Foster B Stulen; Douglas B Pape; William J Williams
Original assignee: Gas Res Inst
Priority date: 1987-11-30
Filing date: 1990-05-29
Publication date: 1993-07-26
Also published as: NO902366D0; NO173155C; NO902366L

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte for å styre et kokeredskap som har en oppvarmingsenhet som samvirker med et kar som inneholder en væske som er i stand til å koke, der nevnte oppvarmingsenhet reagerer på et tilbakekoblet styresignal ved å variere varmetilførselen til karet og der akustiske emisjoner som opptrer i den oppbevarte væske detekteres ved at elektriske signaler som er korrelert til nevnte akustiske forekomster, blir frembragt og tilført en eventuelt programmerbar prosesstyringsenhet som avgir nevnte styresignal til oppvarmingsenheten. Dessuten vedrører oppfinnelsen en detektor for bruk i kombinasjon med et kar som inneholder en væske som forventes å koke, der det er ønskelig å kjenne koketilstanden, innbefattende en transduser for å frembringe et elektrisk signal som er korrelert til akustiske emisjoner som opptrer i væsken, og en mottakerkrets for å motta nevnte transdusersignal. Ved oppfinnelsen særlig om hvorvidt et fluidum koker, og dersom det koker, detekteres tilstandene eller graden av koking. Ved oppfinnelsen overvåkes dessuten antallet og/eller amplituden av akustiske energi-emisjonsutbrudd som frembringes av væsken under eller ved starten av koking for å bestemme kokingstilstandene. The present invention relates to a method for controlling a cooking utensil which has a heating unit which cooperates with a vessel containing a liquid capable of boiling, where said heating unit responds to a feedback control signal by varying the heat supply to the vessel and where acoustic emissions which occurs in the stored liquid is detected by electrical signals which are correlated to said acoustic occurrences being produced and supplied to an optionally programmable process control unit which emits said control signal to the heating unit. Furthermore, the invention relates to a detector for use in combination with a vessel containing a liquid expected to boil, where it is desired to know the state of boiling, including a transducer to produce an electrical signal which is correlated to acoustic emissions occurring in the liquid, and a receiver circuit for receiving said transducer signal. In the invention, in particular, whether a fluid is boiling, and if it is boiling, the conditions or the degree of boiling are detected. The invention also monitors the number and/or amplitude of acoustic energy emission bursts produced by the liquid during or at the start of boiling to determine the boiling conditions.

Koking av væsker skjer i tallrike industrier innbefattende kjemisk behandling, elektrisk effektgenerering og matvarepreparering. Når varme tilføres overflaten av et kar som inneholder en væske, stiger temperaturen i væsken til metningstemperaturen eller koketemperaturen for væsken. Når væsken som et hele er noe under metningstemperaturen, kan et tynt lag av væske nær den oppvarmede overflaten stige over metningstemperaturen og initiere koking. Dampbobler vil dannes i væsken, men de kollapser når de beveger seg til den kjøligere del av væsken. Kokingsprosessen når væskemassen er under metningstemperaturen benevnes som "underkjølt koking". Med "småkoking" forstås den tilstand når en væske er ved eller på kanten av underkjølt koking. Når temperaturen av ialt vesentlig hele væsken når metningspunktet, vil dampbobler stige til væskeoverflaten. Denne prosess er benevnt "kjernedannende koking" eller mer vanlig "full koking" eller "rullende koking". Boiling of liquids occurs in numerous industries including chemical processing, electrical power generation and food preparation. When heat is applied to the surface of a vessel containing a liquid, the temperature of the liquid rises to the saturation temperature or boiling temperature of the liquid. When the liquid as a whole is slightly below the saturation temperature, a thin layer of liquid near the heated surface can rise above the saturation temperature and initiate boiling. Vapor bubbles will form in the liquid, but they collapse as they move to the cooler part of the liquid. The boiling process when the liquid mass is below the saturation temperature is called "subcooled boiling". "Low boiling" means the condition when a liquid is at or on the edge of subcooled boiling. When the temperature of essentially the entire liquid reaches the saturation point, vapor bubbles will rise to the liquid surface. This process is called "nucleating boiling" or more commonly "full boiling" or "rolling boiling".

I dampgenereringanlegg blir koketilstandene generelt bestemt ved å måle trykket og temperaturen av fluidumet og sammen-ligne målingene med standard driftsbetingelser for anlegget. I satskjemiske reaktorer blir koketUstandene ikke lett bestemt. Temperaturmåling alene er utilstrekkelig som en koketilstandsdetektor på grunn av at et fluidum ved dets metningstemperatur kan være kokende eller kondenserende. En trykkmåling kan ikke være tilgjengelig dersom produktgasser ventileres. En akustisk kokingsdetektor som kan bestemme tilstanden av koking uavhengig av temperatur og trykkmål inger ville være nyttig i disse reaktorer. In steam generation plants, the boiling conditions are generally determined by measuring the pressure and temperature of the fluid and comparing the measurements with standard operating conditions for the plant. In batch chemical reactors, the boiling conditions are not easily determined. Temperature measurement alone is insufficient as a boiling state detector because a fluid at its saturation temperature may be boiling or condensing. A pressure measurement cannot be available if product gases are vented. An acoustic boiling detector that can determine the state of boiling independently of temperature and pressure measurements would be useful in these reactors.

Vedrørende den spesielle anvendelse av kokeredskaper, er forskjellige anordninger og fremgangsmåter blitt foreslått for å detektere kokingstUstandene i silke redskaper. Disse anordninger innbefatter typisk et middel for å styre oppvarmningstakten for kokeredskapsoverflateenheter, slik som naturgassbrennere eller elektriske elementer, som reaksjon på en bestemt detektert kokingstilstand. I US patent nr. 3.828.164 foreslås eksempelvis detektering av dampen fra kokende vann, og å generere og sende et styresignal ved hjelp av radiobølger som reaksjon på deteksjon av den damp-genererende kokingstilstanden. Oppfinnelsen har den begrensning at en avføler må anbringes over kokekaret. Dette medfører et spesialisert lokk for kokekaret, med tilhørende kostnad og rengjøringsvanskeligheter. Dessuten kan det ved oppfinnelsen kun detekteres hvorvidt væsken som kokes frembringer damp. Det kan ikke detekteres når underkjølt koking er igang. Regarding the particular use of cooking utensils, various devices and methods have been proposed to detect cooking conditions in silk utensils. These devices typically include a means for controlling the heating rate of cooking utensil surface units, such as natural gas burners or electrical elements, in response to a particular detected cooking condition. In US patent no. 3,828,164 it is proposed, for example, to detect the steam from boiling water, and to generate and send a control signal using radio waves in response to detection of the steam-generating boiling state. The invention has the limitation that a sensor must be placed above the cooking vessel. This entails a specialized lid for the cooking vessel, with associated cost and cleaning difficulties. Moreover, with the invention, it can only be detected whether the liquid that is boiled produces steam. It cannot be detected when subcooled cooking is in progress.

US patent nr. 4.481.409 foreslår bruken av vektdeteksjon og beregning av vekttapshastighet for styring av oppvarmings-takten for en elektrisk overflateenhet i et kokeredskap. Denne kjente løsning tilveiebringer et middel kun for å trekke slutninger av kokingstilstanden fra vekttaphastig-heten, men avfølingsmetoden kan ikke virke på riktig måte dersom kokekaret dekkes av et lokk, hvilket hindrer den fordampende dampen fra å unnslippe. Dessuten er vekttapet ved en småkokingstilstand minimalt, og denne kjente løsning er ineffektiv for detektering av denne tilstand. US Patent No. 4,481,409 proposes the use of weight detection and weight loss rate calculation for controlling the heating rate of an electric surface unit in a cookware. This known solution provides a means only to infer the state of boiling from the rate of weight loss, but the sensing method cannot work properly if the cooking vessel is covered by a lid, which prevents the evaporating steam from escaping. Moreover, the weight loss in a simmering condition is minimal, and this known solution is ineffective for detecting this condition.

Fra britisk patentsøknad, publikasjon nr. 2.143.053 er det kjent en kokingsdetektor og regulator omfattende en piezoelektrisk transduser med en bølgeleder som er i kontakt med kokekarets bunn. Transduserens utgangssignal forsterkes og tilføres en mikroprosessor som styrer oppvarmingen. From British patent application, publication no. 2,143,053, there is known a boiling detector and regulator comprising a piezoelectric transducer with a waveguide which is in contact with the bottom of the cooking vessel. The transducer's output signal is amplified and fed to a microprocessor that controls the heating.

US patent 4.622.202 omhandler å benytte en akustisk transduser for å detektere kobling av natrium i en reaktor. US patent 4,622,202 deals with using an acoustic transducer to detect coupling of sodium in a reactor.

Dessuten er det fra US patent 4.140.021 kjent å bruke akustiske detektorer for å overvåke et superleder-system og med en anordning for å analysere de akustiske signalene. Moreover, it is known from US patent 4,140,021 to use acoustic detectors to monitor a superconductor system and with a device to analyze the acoustic signals.

Med foreliggende oppfinnelse tilsiktes at man ved hjelp av den innledningsvis nevnte fremgangsmåte og nevnte detektor skal kunne detektere termodynamiske tilstander slik som "ingen koking", "underkjølt koking", og "full koking". Detektoren, ifølge oppfinnelsen, som vi har oppfunnet kan anvendes til å informere en operatør om de eksisterende kokingstilstander, eller å aktivere et styresystem for å opprettholde eller endre kokingstilstandene. With the present invention, it is intended that by means of the initially mentioned method and said detector it should be possible to detect thermodynamic conditions such as "no boiling", "subcooled boiling" and "full boiling". The detector, according to the invention, which we have invented can be used to inform an operator about the existing boiling conditions, or to activate a control system to maintain or change the boiling conditions.

Den innledningsvis nevnte fremgangsmåte kjennetegnes, ifølge oppfinnelsen ved å identifisere grupper av akustiske emisjoner fra utbrudd av signalaktivitet som tilsvarer opptredener av uregelmessige, individuelle akustiske emisjonsutbrudd, The initially mentioned method is characterized, according to the invention, by identifying groups of acoustic emissions from bursts of signal activity that correspond to appearances of irregular, individual acoustic emission bursts,

å bestemme takten av de akustiske emisjonsutbrudd, to determine the rate of the acoustic emission bursts,

å klassifisere nevnte bestemte takt til et av forskjellige utgangssignaler, og classifying said particular beat into one of different output signals, and

å generere nevnte tilbakekoblede styresignal for kokeredskapets oppvarmingsenhet på basis av nevnte klassifiserte utgangssignaler, idet slike forskjellige tilbakekoblede styresignaler genereres som reaksjon på takten av individuelle, uregelmessige, akustiske utbrudd som indikerer forskjellige koketilstander for væsken. generating said feedback control signal for the cooking utensil heating unit on the basis of said classified output signals, such different feedback control signals being generated in response to the rate of individual, irregular, acoustic bursts indicating different boiling states of the liquid.

Den innledningsvis nevnte detektor kjennetegnes, ifølge oppfinnelsen, ved at nevnte mottakerkrets dessuten er innrettet til å identifisere grupper av akustiske emisjoner fra utbrudd av signalaktivitet som tilsvarer uregelmessige individuelle, akustiske emisjonsutbrudd, å bestemme takten av de akustiske emisjonsutbrudd, å klassifisere nevnte bestemte takt til et av forskjellige utgangssignaler, samt å generere nevnte forskjellige utgangssignaler som reaksjon på forskjellige detekterte grader av individuelle, uregelmessige, akustiske utbrudd som opptrer i væsken mens den befinner seg i nevnte kar. The initially mentioned detector is characterized, according to the invention, in that said receiver circuit is also arranged to identify groups of acoustic emissions from bursts of signal activity that correspond to irregular individual acoustic emission bursts, to determine the rate of the acoustic emission bursts, to classify said specific rate into a of different output signals, and generating said different output signals in response to different detected degrees of individual irregular acoustic bursts occurring in the liquid while in said vessel.

Ytterligere utførelsesformer av fremgangsmåten og detektoren vil fremgå av de etterfølgende patentkrav, samt av den etterfølgende beskrivelse med henvisning til de vedlagte tegninger. Fig. 1 er et funksjonsblokkskjema over en anordning anvendt for utøvelse av den foreliggende oppfinnelse. Fig. 2 illustrerer forskjellige akustiske og digitale logiske bølgeformer som kan utvikles under bruken av anordningen i fig. 1. Fig. 3 er en logisk tabell for den digitale logikk knyttet til anordningen i fig. 1. Fig. 4 er et funksjonsblokkskjema over en bestemt utførelses-form av den foreliggende oppfinnelse, hvor den anvendes med et styresystem for et kokeredskap. Further embodiments of the method and the detector will appear from the subsequent patent claims, as well as from the subsequent description with reference to the attached drawings. Fig. 1 is a functional block diagram of a device used for practicing the present invention. Fig. 2 illustrates various acoustic and digital logic waveforms that can be developed using the device of Fig. 1. Fig. 3 is a logic table for the digital logic associated with the device in fig. 1. Fig. 4 is a functional block diagram of a specific embodiment of the present invention, where it is used with a control system for a cooking utensil.

En foretrukket utførelsesform av oppfinnelsen er betegnet generelt som 10 i fig. 1 av tegningene. Som vist i den figuren blir en varmekildeenhet 12, i form av en natur-gassbrenner anvendt for å oppvarme en beholder 14 som inneholder væsken som er betegnet med 16. A preferred embodiment of the invention is designated generally as 10 in fig. 1 of the drawings. As shown in that figure, a heat source unit 12, in the form of a natural gas burner, is used to heat a container 14 containing the liquid denoted by 16.

En bølgeleder 20 av fast metall er anordnet til å danne kontakt med beholderens 14 underside og fortrinnsvis tvinges inn i det kontaktdannende forholdet ved hjelp av et fjærorgan som ikke er vist. Akustiske emisjoner fra væsken 16 ledes ved hjelp av bølgelederen 20 til en piezoelektrisk transduser 22 og omdannes til tilsvarende elektriske signaler. Hensikten med bølgelederen 20 er å beskytte transduseren 22 mot den høye temperaturen i beholderen 14. I tilfeller der transduser 22 kan motstå temperaturen i karet 14, er bølgelederen 20 ikke nødvendig. A waveguide 20 of solid metal is arranged to make contact with the underside of the container 14 and is preferably forced into the contact-forming relationship by means of a spring means which is not shown. Acoustic emissions from the liquid 16 are guided by means of the waveguide 20 to a piezoelectric transducer 22 and converted into corresponding electrical signals. The purpose of the waveguide 20 is to protect the transducer 22 against the high temperature in the container 14. In cases where the transducer 22 can withstand the temperature in the vessel 14, the waveguide 20 is not necessary.

De elektriske signaler fra funksjonselementet 22 ledes til forsterker og filter 24 forut for påfølgende behandling. Filterets passbånd velges til å utelukke lavfrekvent støy som frembringes av mekaniske forstyrrelser til beholderen 14. Passbåndet må strekke seg høyt nok til å innbefatte signalkomponentene som genereres ved koking. Det primære frekvensområdet for kokingssignalene avhenger av et antall av faktorer, innbefattende væskens 16 viskositet. Det er også viktig at filterets passbånd omfatter den primære frekvensen for transduserens respons overfor koking. Et frekvensområde lik 0,5 kHz - 500 kHz tilfredsstiller de fleste anvendelser, men et område av 5 kHz til 50 kHz foretrekkes dersom væsken 16 er vann. Signalene fra forsterker og filter 24 blir deretter behandlet. The electrical signals from the functional element 22 are led to the amplifier and filter 24 prior to subsequent processing. The filter's passband is chosen to exclude low-frequency noise produced by mechanical disturbances to the container 14. The passband must extend high enough to include the signal components generated by boiling. The primary frequency range of the boiling signals depends on a number of factors, including the viscosity of the liquid 16. It is also important that the filter's passband includes the primary frequency of the transducer's response to boiling. A frequency range equal to 0.5 kHz - 500 kHz satisfies most applications, but a range of 5 kHz to 50 kHz is preferred if the liquid 16 is water. The signals from amplifier and filter 24 are then processed.

Figur 2 illustrerer forskjellige bølgeformer knyttet til de akustiske emisjoner fra væsken 16 og med utmatingene fra logiske tidsstyrere 28 og 30 som kan anvendes for å skille de forskjellige typer av bølgeformer. Som vist i den nederste bølgeformen i fig.2, varierer de akustiske emisjoner fra væske 16 fra en ikke-kokingstilstand som er angitt med ingen akustisk emisjon detektert ved væske 16. En pulsprosess eller ekvivalent av underkjølt koking detekteres først av bølgelederen 20 og omdannes til et elektrisk signal på transduseren 22. Som vist i fig. 2 er den akustiske emisjon ved den pulsede prosess eller underkjølte kokingstilstand i form av vilkårlig adskilte individuelle aktivitetsutbrudd. Bølgeformen som dernest genereres ved væsken 16 og ledes til transduseren 22 og forsterkeren 24 er en kontinuerlig prosess som indikerer "rulling" eller "fullkoking", som har signal-topper som er samtlige over det indikerte terskelnivået. Figure 2 illustrates different waveforms associated with the acoustic emissions from the liquid 16 and with the outputs from logic timers 28 and 30 which can be used to distinguish the different types of waveforms. As shown in the bottom waveform in Fig.2, the acoustic emissions from liquid 16 vary from a non-boiling condition indicated by no acoustic emission detected at liquid 16. A pulse process or equivalent of subcooled boiling is first detected by the waveguide 20 and converted to an electrical signal on the transducer 22. As shown in fig. 2 is the acoustic emission at the pulsed process or subcooled boiling state in the form of arbitrarily separated individual bursts of activity. The waveform which is then generated by the fluid 16 and fed to the transducer 22 and the amplifier 24 is a continuous process indicating "rolling" or "full boiling", having signal peaks which are all above the indicated threshold level.

Hovedtrekket av den her beskrevne oppfinnelse er at to karakteristika for det akustisk utsendte signal fra væske 16 overvåkes for å skille mellom to kokingsfaser: underkjølt koking og full koking. Når en væske begynner å koke eller "småkoker", vil individuelle bobler dannes og frigis fra bunnen av beholderen og kollapser når de når kjøligere væske over bunnoverflaten. Slike forekomster detekteres som individuelle aktivitetsutbrudd. Når der er en full koking, vil antallet av bobler som dannes og kollapser bevirke signalet til å innta en kontinuerlig vilkårlig opptreden p.g.a. overlagringen av mange individuelle forekomster. The main feature of the invention described here is that two characteristics of the acoustically emitted signal from liquid 16 are monitored to distinguish between two boiling phases: subcooled boiling and full boiling. When a liquid begins to boil or "boil", individual bubbles will form and be released from the bottom of the container and collapse when they reach cooler liquid above the bottom surface. Such occurrences are detected as individual bursts of activity. When there is a full boil, the number of bubbles that form and collapse will cause the signal to take on a continuous random behavior due to the superimposition of many individual instances.

Når der ikke er noen koking, er utgangssignalnivået fra transduseren 22 ganske lavt og derfor kan en "ingen-koking" tilstand lett skilles fra en kokingstilstand. Omvendt vil mekaniske støt mot beholderen, slik som blanding med en skje, generere meget store signaler. Slike signaler kan skilles og under den perioden blir all behandling utsatt for å eliminere denne forstyrrelse. When there is no boiling, the output signal level from the transducer 22 is quite low and therefore a "no-boiling" condition can be easily distinguished from a boiling condition. Conversely, mechanical shocks to the container, such as mixing with a spoon, will generate very large signals. Such signals can be separated and during that period all processing is postponed to eliminate this interference.

Differensieringen mellom underkjølt koking og full koking er basert på delingen av et signal i en pulstransientprosess og en kontinuerlig prosess. The differentiation between subcooled boiling and full boiling is based on the division of a signal into a pulse transient process and a continuous process.

I situasjoner hvor innholdet i beholder 14 er på en full koking, er utmatingen fra en RMK (rot-middel-kvadrat)/DC omformer 48 et mål på takten eller graden av koking og kan anvendes til å foreta justeringer i kokingstakten bestemt av en mikroprosessoren 40. I situasjoner hvor innholdet i beholderen 14 er på en underkjølt koking, er takten av opptreden av akustiske forekomster (som bestemt av puls-tellerholdekrets 44 i den representative kretsen) et mål på takten eller graden av underkjølt koking. In situations where the contents of container 14 are at a full boil, the output from a RMK (root-mean-square)/DC converter 48 is a measure of the rate or degree of boiling and can be used to make adjustments in the rate of boiling as determined by a microprocessor 40. In situations where the contents of container 14 are at a subcooled boil, the rate of occurrence of acoustic occurrences (as determined by pulse counter holding circuit 44 in the representative circuit) is a measure of the rate or degree of subcooled boil.

Differensieringen mellom de forskjellige akustiske signal-tilstander og målet av nivået for kokingstilstanden kan påvirkes av et hvilket som helst antall av realiseringer, innbefattende digitale eller analoge elektroniske kretser. Realiseringen som gjør bruk av digitale elektroniske komponenter som er vist i fig. 1 og beskrevet her presenteres som en representativ realisering. The differentiation between the different acoustic signal states and the measurement of the level of the boiling state can be effected by any number of implementations, including digital or analog electronic circuits. The embodiment which makes use of digital electronic components shown in fig. 1 and described here is presented as a representative realization.

Utmatingen fra forsterker og filter 24 behandles på to måter. Den første måten utføres for å bestemme hvilken kokingstilstand som er tilstede. Den andre måten utføres valgfritt i tilfellet av underkjølt koking eller full koking, når det er ønskelig å måle kokingstakten. The output from amplifier and filter 24 is processed in two ways. The first way is performed to determine which boiling condition is present. The second way is carried out optionally in the case of subcooled boiling or full boiling, when it is desired to measure the rate of boiling.

Kokingstilstanden bestemmes ved å analysere de akustiske signaler som følger. Signalet fra forsterker og filter 24 forbindes med en terskeldetektor 26 og derfra til 50-mikrosekunds monostabil tidskrets 28. Tidskretsen 28 frembringer en puls av 50 mikrosekunds varighet som begynner hver gang terskeldetektoren 26 avføler at det elektriske signalet har krysset den forutbestemte terskelen. Dersom tidskretsen 28 trigges av terskeldetektor 26 en andre gang mens utmatingen fra tidskrets 28 fortsatt er sann (høy), vil så varigheten av pulsen bli utvidet. Dersom det akustiske signalet er nær kontinuerlig, slik at utmatingen fra terskeldetektoren 26 omfatter et antall av tett adskilte pulser, vil så utmatingen fra tidskretsen 28 være kontinuerlig sann. Responsen hos tidskretsen 28 overfor et representativt akustisk signal er vist som signal B i figur 2. Utgangssignalet fra tidskretsen 28 behandles på flere måter, innbefattende å gjøre bruk av en en-sekunds monostabil tidskrets 30. Tidskretsen 30 trigges av en positivt gående utgangssignalendring fra tidskretsen 28. Når utmatingen fra tidskretsen 28 endrer seg fra usann (lav) til sann (høy), frembringer tidskretsen 20 en puls av varighet minst ett sekund. Dersom tidskretsen 30 trigges på ny av tidskretsen 28 når utmatingen fra tidskretsen 30 er sann, vil så varigheten av utgangspulsen fra tidskretsen 30 bli utvidet. Men når utmatingen fra tidskretsen 28 forblir på vedvarende, vil tidskretsen 30 ikke bli trigget på ny og dens utmating vil gå til usann (lav) ett sekund etter den siste tilstands-endring hos tidskretsen 28. Responsen fra tidskretsen 30 overfor en representativ utmating fra tidskretsen 28 er vist som signal A i fig. 2. Tidskretsene 28 og 30 har fortrinnsvis form av monostabile (one-shot) anordninger som kan trigges på ny. The boiling state is determined by analyzing the acoustic signals that follow. The signal from amplifier and filter 24 is connected to a threshold detector 26 and from there to the 50-microsecond monostable timing circuit 28. The timing circuit 28 produces a pulse of 50 microsecond duration that begins each time the threshold detector 26 senses that the electrical signal has crossed the predetermined threshold. If the timing circuit 28 is triggered by threshold detector 26 a second time while the output from timing circuit 28 is still true (high), then the duration of the pulse will be extended. If the acoustic signal is nearly continuous, so that the output from the threshold detector 26 comprises a number of closely spaced pulses, then the output from the timing circuit 28 will be continuously true. The response of the timing circuit 28 to a representative acoustic signal is shown as signal B in Figure 2. The output signal from the timing circuit 28 is processed in several ways, including making use of a one-second monostable timing circuit 30. The timing circuit 30 is triggered by a positive-going output signal change from the timing circuit 28. When the output from timing circuit 28 changes from false (low) to true (high), timing circuit 20 produces a pulse of at least one second duration. If the timing circuit 30 is triggered again by the timing circuit 28 when the output from the timing circuit 30 is true, then the duration of the output pulse from the timing circuit 30 will be extended. However, when the output from the timer 28 remains on persistently, the timer 30 will not be re-triggered and its output will go false (low) one second after the last state change of the timer 28. The response of the timer 30 to a representative output from the timer 28 is shown as signal A in fig. 2. The timing circuits 28 and 30 are preferably in the form of monostable (one-shot) devices which can be triggered again.

Den logiske tabellen (sannhetstabellen) i fig. 3 viser hvorledes utmatingene fra tidskretsene 28 og 30 kan anvendes til å bestemme kokingstilstanden. Anordningen 20 innbefatter OG-porter 32 og 34 og inverterere 36 og 38 til å utføre den logikk som er angitt i fig.3. OG-port 32 behandler utgangssignalet fra tidskretsen 30 etter invertering i inverteren 36 og utgangssignalet fra tidskretsen 28 etter invertering i inverterer 38. Utgangssignalet fra OG-port 32 vil være sant (høyt) når begge signaler A og B er usanne (lave), hvilket indikerer en ikke-kokingstilstand i væske 16. OG-port 34 behandler utgangssignalet fra tidskrets 28 og utgangssignalet fra tidskrets 30, etter invertering på inverterer 36. Utgangssignalet fra OG-porten 34 vil være sant når signal B er sant, men signal A er usant, hvilket indikerer en full kokingstilstand. En underkjølt kokingstilstand indikeres når utmatingen fra tidskretsen 30 er sann, uansett tidskretsens 28 tilstand. The logic table (truth table) in fig. 3 shows how the outputs from the timing circuits 28 and 30 can be used to determine the boiling state. The device 20 includes AND gates 32 and 34 and inverters 36 and 38 to perform the logic indicated in Fig.3. AND gate 32 processes the output signal from timing circuit 30 after inversion in inverter 36 and the output signal from timing circuit 28 after inversion in inverter 38. The output signal from AND gate 32 will be true (high) when both signals A and B are false (low), which indicates a non-boiling condition in liquid 16. AND gate 34 processes the output signal from timing circuit 28 and the output signal from timing circuit 30, after inverting on inverter 36. The output signal from AND gate 34 will be true when signal B is true but signal A is false , indicating a full boiling state. A subcooled boiling state is indicated when the output from timer 30 is true, regardless of the state of timer 28.

Så snart det er blitt bestemt at væsken 16 koker og hvilken kokingstilstand (enten underkjølt eller full koking) er tilstede, kan det være ønskelig å behandle det akustiske signalet ytterligere for å bestemme graden av koking innenfor den detekterte tilstand. For underkjølt koking, foretas dette ved å måle frekvensen av opptreden av de diskrete akustiske emisjonsforekomster, og for full koking ved å måle rot-middel-kvadrat (RMK) amplituden av det kontinuerlige signalet. En representativ realisering som gjør bruk av digitale elektroniske komponenter til å utføre disse funksjoner er vist som del av fig. 1 og beskrevet nedenfor. Once it has been determined that the liquid 16 is boiling and which boiling condition (either subcooled or full boiling) is present, it may be desirable to further process the acoustic signal to determine the degree of boiling within the detected condition. For subcooled boiling, this is done by measuring the frequency of occurrence of the discrete acoustic emission occurrences, and for full boiling by measuring the root-mean-square (RMS) amplitude of the continuous signal. A representative realization that makes use of digital electronic components to perform these functions is shown as part of fig. 1 and described below.

Utgangen på tidskretsen 28 er koblet til en teller 42 og anvendt for utviklingen av et underkjølt koking-taktsignal i en datamaskin 40. Utgangen på den pulsintegrerende telleren 42 er koblet til en tellerholdekrets 44, og deretter er utgangen på holdekretsen 44 koblet til datamaskinen 40. En sample-intervall tidskrets 46 styres av en digital utmating fra datamaskinen 40 og fungerer til å låse den pulsintegrerende tellerens 42 verdi i tellerholdekretsen 44 og til å tilbakestille pulstelleren 42. Som senere omtalt, kan det være ønskelig å erklære den underkjølte kokingstilstanden til å være representert av en takt av ca. 1-10 energiutbrudd pr. sekund. The output of the timing circuit 28 is connected to a counter 42 and used for the development of a subcooled cooking clock signal in a computer 40. The output of the pulse integrating counter 42 is connected to a counter holding circuit 44, and then the output of the holding circuit 44 is connected to the computer 40. A sample-interval timing circuit 46 is controlled by a digital output from the computer 40 and functions to latch the value of the pulse integrating counter 42 in the counter hold circuit 44 and to reset the pulse counter 42. As discussed later, it may be desirable to declare the subcooled boiling state to be represented by a beat of approx. 1-10 bursts of energy per second.

Anordningen i fig. 1 innbefatter også en RMK-til-DC omformeren 48 hvis innmating er signalet fra forsterkeren 24. Omformeren 48 frembringer et utgangssignal som mates til datamaskinen 40 og er et mål på amplituden av den akustiske emisjonsomhylling som detekteres på beholderen 14 ved hjelp av bølgelederen 20. Som tidligere angitt kan utmatingen fra omformeren 48 anvendes til å regulere eller styre amplituden av "rullende" koketilstander som detekterer seg i beholder 14. The device in fig. 1 also includes an RMK-to-DC converter 48 whose input is the signal from the amplifier 24. The converter 48 produces an output signal which is fed to the computer 40 and is a measure of the amplitude of the acoustic emission envelope detected on the container 14 by means of the waveguide 20. As previously indicated, the output from the converter 48 can be used to regulate or control the amplitude of "rolling" boiling states that are detected in container 14.

Anordningen i fig. 1 innbefatter også alarm- og fremviser-anordninger som er betegnet som 50 og 52 slik det måtte være behov for der oppfinnelsen anvendes. The device in fig. 1 also includes alarm and display devices which are designated as 50 and 52 as may be needed where the invention is used.

Oppfinnelsen som er omtalt her kan finne anvendelse i et utall av utførelsesformer. Der er mange prosessindustrier hvor kjennskap til, eller styring av, kokingstilstander behøves. Det er allerede blitt nevnt at der ikke eksisterer noen tilfredsstillende anordninger for å detektere koking i visse kjemiske reaktorer. En bestemt anvendelse som er omtalt i detalj i dette patent er en kokeredskap med monitor og/eller styreenhet. The invention discussed here can be used in a number of embodiments. There are many process industries where knowledge of, or management of, boiling conditions is needed. It has already been mentioned that no satisfactory means exist for detecting boiling in certain chemical reactors. A specific application that is discussed in detail in this patent is a cooking utensil with a monitor and/or control unit.

Kokingstilstandsdetektoren kan anvendes med en kokeprogram-velger og en brennstoffstrøm eller effektnivåstyreinnretning for å forenkle eller automatisere kokeprosessen. Denne utførelsesform er vist i fig. 4, hvor væsken 16 er nå vann eller en viss annen væske som skal kokes, og beholder 14 er et kokekar. Bølgelederen 20 sender akustisk energi fra kokekaret 14, via overflateoppvarmningsenheten 12 til den akustiske transduseren 22 som er plassert innenfor koke-redskapet for å hindre dets forstyrrelse med ordinære kokeaktiviteter. Signalene fra transduseren 22 behandles av forsterker og filter 24 og fortolkes på den måte som er tidligere beskrevet av elektronisk krets 49. En realisering av denne ble vist i fig. 1. Informasjon om den foreliggende koketilstand føres til et styrepanel 60, hvor koketilstanden sammenlignes med det valgte programmet ved hjelp av opera-tøren. Kommandoer for å øke eller minske oppvarmningstakten gis etter behov til brennerstyrekrets 18, som i sin tur styrer takten som brennstoff eller effekt leveres til oppvarmingsenheten 12. The cooking state detector can be used with a cooking program selector and a fuel flow or power level control device to simplify or automate the cooking process. This embodiment is shown in fig. 4, where the liquid 16 is now water or some other liquid to be boiled, and container 14 is a cooking vessel. The waveguide 20 transmits acoustic energy from the cooking vessel 14, via the surface heating unit 12, to the acoustic transducer 22 which is placed within the cooking utensil to prevent its interference with ordinary cooking activities. The signals from the transducer 22 are processed by amplifier and filter 24 and interpreted in the manner previously described by electronic circuit 49. A realization of this was shown in fig. 1. Information about the present cooking condition is fed to a control panel 60, where the cooking condition is compared with the selected program with the help of the operator. Commands to increase or decrease the heating rate are given as needed to the burner control circuit 18, which in turn controls the rate at which fuel or power is delivered to the heating unit 12.

Der finnes mange typer av matvarer som kan kokes på overflaten av et kokeredskap og mange forskjellige situasjoner der kokingsdetektoren og styresystemet kan anvendes. En mulig operasjonsmodus vil bli anvendt for å dampe eksempelvis friske grønnsaker. For å koke disse produkter blir produktet og vannet anbragt sammen i et tildekket kokekar. Vannet oppvarmes til en full koking, og varmekilden senkes eller slås av for å tillate dampen i karet å koke produktet. Operatøren vil programmere kokeredskapets styreenhet til å tilføre varme ved en høy takt inntil en full koking detekteres for så å senke eller slå av varmekilden. En andre mulig operasjonsmodus kunne anvendes til å koke, eksempelvis visse supper og sauser som må bringes til full koking og så småkoke over en viss tid. Når operatørene velger dette program, vil varme først bli tilført ved en høy takt inntil en full kokingstilstand detekteres. Takten av brennstoff strøm eller effekt som leveres til varmeenheten vil så bli redusert for å tillate det kokende produktet å avkjøles til en småkokingstilstand. Deretter vil takten av brenn-stoffstrøm eller effektlevering kontinuerlig bli justert ved hjelp av styreenheten for å opprettholde en "småkokings" tilstand i kokingsproduktet, typisk angitt ved ca. 1-10 akustiske emisjonsforekomster pr. sekund. Dette bestemte program anvender to deteksjons- og styringsmodi: en diskret styring foretatt mens produktet initielt oppvarmes og styreenheten venter på et full-kokingssignal fra detektoren, og en lineær styringsmodus mens styreenheten søker å opprettholde en konstant takt av akustisk emisjonsforekomster under småkokingstrinnet. Denne andre operasjonsmodus kan også være gunstig for koking av produkter slik som oppdelte poteter som er utsatt for "å koke over". Dersom oppvarmningstakten reduseres når produktet først kommer til en full koking, vil produktet så fortsette å koke, men muligheten for å koke over vil i stor grad bli redusert. En tredje mulig operasjonsmodus kunne anvendes for å koke eksempelvis pasta, hvor vannet må bringes til en koking før maten anbringes i kokekaret. I denne operasjonsmodus vil varme bli tilført med en fast takt, og når en "full koking" tilstand detekteres, vil en hørbar eller visuell alarm bli aktivert for å varsle operatøren om at maten kan anbringes i kokekaret. There are many types of food that can be cooked on the surface of a cooking utensil and many different situations where the cooking detector and control system can be used. One possible operating mode will be used to steam, for example, fresh vegetables. To cook these products, the product and water are placed together in a covered cooking vessel. The water is heated to a full boil and the heat source is lowered or turned off to allow the steam in the vessel to cook the product. The operator will program the cookware's control unit to supply heat at a high rate until a full boil is detected and then lower or turn off the heat source. A second possible operating mode could be used to cook, for example certain soups and sauces which must be brought to a full boil and then simmered for a certain time. When operators select this program, heat will initially be supplied at a high rate until a full boil condition is detected. The rate of fuel flow or power delivered to the heating unit will then be reduced to allow the boiling product to cool to a simmering state. Thereafter, the rate of fuel flow or power delivery will be continuously adjusted using the control unit to maintain a "low boiling" state in the cooking product, typically indicated at approx. 1-10 acoustic emission occurrences per second. This particular program uses two detection and control modes: a discrete control performed while the product is initially heated and the controller waits for a full-boil signal from the detector, and a linear control mode while the controller seeks to maintain a constant rate of acoustic emission occurrences during the simmer stage. This second mode of operation can also be beneficial for cooking products such as split potatoes that are prone to "overcooking". If the heating rate is reduced when the product first comes to a full boil, the product will then continue to boil, but the possibility of boiling over will be greatly reduced. A third possible operating mode could be used to cook, for example, pasta, where the water must be brought to a boil before the food is placed in the cooking vessel. In this mode of operation, heat will be applied at a fixed rate, and when a "full boil" condition is detected, an audible or visual alarm will be activated to notify the operator that the food can be placed in the cooking vessel.

Disse eksempler illustrerer forskjellige måter som de flere funksjoner av koketilstandsdetektoren kan anvendes med et styresystem og en styrbar varmekilde for et kokeredskap for å forenkle og å automatisere disse kokingsoppgaver. Ettersom der finnes mange matvareprodukter som ikke er nevnt her, gjenstår det mange styreprogrammer hvor kokingstilstandsdetektoren kan anvendes og som ikke er beskrevet her. These examples illustrate various ways in which the multiple functions of the cooking condition detector can be used with a control system and a controllable heat source for a cooking utensil to simplify and automate these cooking tasks. As there are many food products that are not mentioned here, there remain many control programs where the cooking condition detector can be used and which are not described here.

Dessuten finnes der et stort antall av prosesser innenfor industrien der koking må overvåkes eller styres, og den foreliggende oppfinnelse kan finne anvendelse i mange av disse. I den spesielle anvendelse av koking som er omtalt her, slik som i de fleste kokingsanvendelser, blir kokingstakten styrt av takten som varme leveres til væsken. Der er imidlertid visse prosesser hvor koking bevirkes, ikke ved innføringen av varme til en væske, men ved tilførselen av et vakuum. Kokingstilstandsdetektoren kan også anvendes som en tilbakekoblingsavføler for et kokestyresystem hvor koketakten styres av trykk eller vakuum. Der er også visse eksotermiske kjemiske reaksjoner hvor koking av reaksjonsmidlene bevirkes av reaksjonsvarmen, hvis fremgang kan overvåkes av en akustisk kokingstilstandsdetektor. Moreover, there are a large number of processes within the industry where boiling must be monitored or controlled, and the present invention can find application in many of these. In the particular application of boiling discussed here, as in most boiling applications, the rate of boiling is controlled by the rate at which heat is delivered to the liquid. There are, however, certain processes where boiling is effected, not by the introduction of heat into a liquid, but by the application of a vacuum. The cooking condition detector can also be used as a feedback sensor for a cooking control system where the cooking rate is controlled by pressure or vacuum. There are also certain exothermic chemical reactions where boiling of the reactants is effected by the heat of reaction, the progress of which can be monitored by an acoustic boiling state detector.

Datamaskinen som er betegnet 40 i figur 1 og styresystemet som er betegnet 60 i figur 4 kan i praksis dele en felles mikroprosessorbrikke, eller kokingstilstands-avfølingskretsen som er betegnet 49 i fig. 4 og styresystemet 60 kan fremstil-les som en enkelt elektronisk krets. Funksjonene er blitt adskilt i blokkskjemaet i fig. 4 for å klargjøre presenta-sjonen og ikke for å begrense realiseringen av oppfinnelsen. The computer designated 40 in Figure 1 and the control system designated 60 in Figure 4 may in practice share a common microprocessor chip, or the boiling state sensing circuit designated 49 in FIG. 4 and the control system 60 can be produced as a single electronic circuit. The functions have been separated in the block diagram in fig. 4 to clarify the presentation and not to limit the realization of the invention.

Claims

1. Method for controlling a cooking utensil having a heating unit cooperating with a vessel containing a liquid capable of boiling, wherein said heating unit responds to a feedback control signal by varying the heat supply to the vessel and where acoustic emissions occurring in the stored liquid is detected by the fact that electrical signals that are correlated to said acoustic occurrences, , is produced and supplied to an optionally programmable process control unit which emits said control signal to the heating unit, characterized by identifying groups of acoustic emissions from bursts of signal activity that correspond to occurrences of irregular, individual acoustic emission bursts, to determine the rate of the acoustic emission bursts, classifying said particular beat into one of different output signals, and generating said feedback control signal for the cooking utensil heating unit on the basis of said classified output signals, such different feedback control signals being generated in response to the rate of individual, irregular, acoustic bursts indicating different boiling states of the liquid.

2. Method as stated in claim 1, characterized in that said feedback control signals are also generated in response to commands for a prescribed cooking program.

3. Method as stated in claim 1, characterized in that said different feedback control signals include a "no boiling" control signal, said "no boiling" control signal being generated when said acoustic emissions are detected with an average rate of less than approx. one group of acoustic emissions per second.

4. Method as stated in claim 1, characterized in that said different feedback control signals include a "subcooled cooking" control signal, said "subcooled cooking" control signal being generated when said acoustic emissions are detected with an average rate of approx. 1 to 10 groups of acoustic emissions per second.

5. Method as stated in claim 1, characterized in that said different feedback control signals include a "full boiling" control signal, said "full boiling" control signal being generated when said detected acoustic emissions overlap in time and occur at an average rate so that an occurrence cannot be distinguished from the next and the appearance of acoustic emissions appears as a continuous process.

6. Method as stated in claim 1, characterized in that said produced electrical signals are band-pass filtered to include only a specific frequency range, said specific frequency range extending from approx. 5 kHz to approx. 50 kHz.

7. Method as stated in claim 2, characterized in that the cooking program includes adding full heat using said heating unit to said cooking vessel until a "full boiling" condition is detected in said liquid, in order to reduce the heat supplied to said cooking vessel.

8. Method as stated in claim 2, characterized in that the cooking program includes adding full heat using said heating unit to said cooking vessel until a "full boiling" state is detected in said liquid, then reducing the heat supplied to said cooking vessel until a "subcooled boiling " condition is detected in said liquid, to then adjust the heat supply from said heating unit to maintain a "subcooled boiling" condition in said liquid.

9. Method as stated in claim 2, characterized in that the cooking program includes supplying heat at a moderate rate to said cooking vessel until a "subcooled boiling" or "low boiling" condition is detected, then adjusting the heat supply from said heating unit to maintain a "subcooled" or "low boiling" boiling state in said liquid.

10. Detector for use in combination with a vessel (14) containing a liquid (16) expected to boil, where it is desired to know the state of boiling, including a transducer (22) for producing an electrical signal correlated to acoustic emissions which occurs in the liquid, and a receiver circuit (24-28) for receiving said transducer signal, characterized in that said receiver circuit is also arranged to identify groups of acoustic emissions from bursts of signal activity corresponding to irregular individual acoustic emission bursts, to determine the rate of the acoustic emission bursts, classifying said particular rate into one of different output signals, and generating said different output signals in response to different detected degrees of individual irregular acoustic bursts occurring in said liquid while in said vessel.

11. Device as specified in claim 10, characterized in that the detector is connected to a process control unit which is connected to a heating unit to control the added heat to the vessel.

12. Device as stated in claim 10 or 11, characterized in that said receiver circuits are arranged to emit different output signals which include a "non-boiling" output signal, said "non-boiling" output signal being generated when said receiver circuit registers that the signal from said transducer indicates that there is an average of less than approx. one detected group of acoustic bursts per second that occurs in said liquid.

13. Device as specified in claim 10 or 11, characterized in that said receiver circuit is arranged to emit different output signals which include a "subcooled boiling" output signal, said "subcooled boiling" output signal being generated when said circuit registers that the signal from said transducer indicates that there is a plurality of, but discrete, identifiable groups of acoustic bursts that occur in said liquid with an average rate in the range from approx. 1-10 groups per second.

14. Device as stated in claim 13, characterized in that said circuit is designed to produce a "subcooled boiling" output signal which is approximately linearly proportional to the number of acoustic bursts per second. second occurring in said liquid, as determined from said transducer signal.

15. Device as stated in claim 10 or 11, characterized in that said receiver circuit is arranged to emit different output signals which include a "full boiling" output signal, said "full boiling" output signal being generated when said circuit registers that the signal from said transducer indicates overlapping individual arbitrary acoustic bursts occurring in said liquid continuously or almost continuously.

16. Device as stated in claim 15, characterized in that said "full boiling" output signal is approximately linearly proportional to the mean square amplitude of the signal from said transducer.

17. Device as specified in claim 10 or 11, characterized in that said circuit responds to the transducer's electrical signals which only occur in a frequency range from approx. 5 kHz to approx. 50 kHz.