DE10063694A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Messen von Lage und Form von Ablagen eines Backofens - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen von Lage und Form von einem in einem Backofen (1) in unterschiedlichen Höhenlagen anbringbaren Ablagen für Gargut, insbesondere Kuchenteig. Die Ungenauigkeit und Unsicherheit einer manuellen Messung wird dadurch vermieden, dass die Messung mit Hilfe des Radarprinzips durchgeführt wird, wobei im oberen Bereich des Backofens (1) richtscharfe, auf den Boden (11) desselben gerichtete Radarantennen (4) vorgesehen sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen von Lage und Form von in einem Backofen in unterschiedlichen Höhenlagen anbringbaren Ablagen für Gargut, insbesondere Kuchenteig, nach dem Oberbegriff der Ansprüche 1 und 5.

Bei üblichen Backöfen wird die Lage bzw. die Richtigkeit der Lage von Backblechen oder Backrosten und von evtl. darauf befindlichen leeren oder gefüllten Gefäßen und/oder Gargut mittels in Augenscheinnahme durch die verglaste oder geöffnete Ofentür festgestellt. Insbesondere für einen automatisierten Backprozess ist jedoch eine maschinelle Erkennung von Lage und/oder Form der Backbleche und Backroste erforderlich.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum maschinellen Messen von Lage und/oder Form von Ablagen zu schaffen, die in einem Backofen in Einschübe unterschiedlicher Höhe, ggf. mit Gefäßen einschiebbar sind.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale des Verfahrensanspruchs 1 und durch die Merkmale des Vorrichtungsanspruchs 5 gelöst.

Generelle Vorteile des Radarprinzips bzw. der Mikrowellensensorik bestehen darin, dass es sich um ein robustes, gegen Verschmutzung, Temperatur- und Dampfbildung unempfindliches und insbesondere um ein berührungslos arbeitendes Messprinzip handelt, das das zu vermessende Teil in keiner Weise beeinflusst.

Mit Hilfe des Radarprinzips können die Entfernung eines Backblechs oder eines Backrostes von der Radarantenne gemessen und beispielsweise der Unterschied zwischen einem Backblech und einem Backrost sowie zwischen leerem und gefülltem Gefäß bzw. Ablage erkannt werden.

Da die Lage der Ablage während des Garprozesses unverändert bleibt, genügt es, wenn die Messung als Einzelmessung und vorzugsweise vor dem Garprozess erfolgt.

Von Vorteil ist, dass die Messung mit Hilfe eines frequenzmodulierten Radars (FM- Radar), insbesondere eines frequenzmodulierten Continuous-Wave-Radars (FMCW- Radar) erfolgt.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung, in der ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt ist.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Backofen mit einer Radarantenne und einem Backblech sowie einem Backrost;

Fig. 2 ein Signalecho eines in Einschubhöhe d4 befindlichen Backblechs;

Fig. 2a ein Signalecho eines in Einschubhöhe d4 befindlichen Backrosts und des Bodens.

In einem Backraum 2 eines Backofens 1 ist an einer deckenseitig befestigten Halterung 3 eine Radarantenne 4 befestigt. Die Antenne 4 ist über ein Hochfrequenzkabel 5 mit einer Signalverarbeitungseinheit 6 verbunden. In Seitenwänden des Backraums sind in verschiedenen Höhen Einschubelemente 8 vorgesehen, in denen ein Backblech 9 oder ein Backrost 10 gehaltert werden können.

Die Erkennung der Einschubhöhe des Backbleches, das in an sich bekannter Weise im wesentlichen plattenförmig ausgebildet ist, bzw. Backrostes, der in an sich bekannter Weise im wesentlichen gitterförmig ausgebildet ist, und die Unterscheidung zwischen beiden erfolgt durch eine FMCW-Abstandsmessung und einer Betrachtung von Anzahl und Position der Signalechos. Die Radarantenne 4 ist an der Halterung 3 derart angebracht, dass sie senkrecht von oben auf das Backblech 9 bzw. den Backrost 10 strahlt. Die zwischen Backrost 10 und Backblech 9 abweichenden Entfernungswerte ergeben sich durch die verschiedenen Positionen der reflektierenden Flächen des Backbleches 9 bzw. des Backrostes 10 innerhalb des jeweiligen Einschubs. Durch die Verwendung einer Messantenne mit stärkerer Richtwirkung für die Messung mit dem Backrost weist das diesbezügliche Signal 10 (Fig. 2a) trotz geringer Signalreflexion eine höhere Amplitude auf als das Signal 10 (Fig. 2) des Backbleches.

Die Messungen erfolgten mit einem Signal der Bandbreite 8,5 GHz (18 GHz bis 26,5 GHz). Die Fig. 2, 2a zeigen die Ergebnisse. In Fig. 2 sind die Fourierspektren (linearer Maßstab) der Messsignale bei der Einschubhöhe d4 des Backblechs 9 in Abhängigkeit des Abstandes von der Radarantenne 4 dargestellt. Die eingezeichneten senkrechten Linien geben die erwarteten Positionen d3 bis d7 der zu den entsprechenden Einschüben gehörenden Signalechos an. Die Entfernung 0 cm entspricht der Position der Radarantenne 4. Es zeigt sich, dass die Position d4 des Backblechs 9 exakt und zuverlässig detektiert werden kann.

In Fig. 2a ist entsprechend das gemessene Spektrum und die erwartete Signalechoposition für die Einschubhöhe d4 des Backrostes 10 dargestellt. Aus diesem Spektrum ist ersichtlich, dass auch die Position des Backrostes 10 zuverlässig detektiert werden kann. Im Gegensatz zur Messung mit dem Backblech 9 ist hier jedoch noch ein weiteres deutliches Echo im Spektrum sichtbar, das von der Reflexion am Garraumboden 11 herrührt. Diese Information kann zusätzlich zur Entscheidung genutzt werden, ob ein Backblech 9 oder ein Backrost 10 eingeschoben ist bzw. ob sich auf dem Backrost Gargut befindet. Aufgrund der unterschiedlichen Positionen der reflektierenden Flächen beim Backrost 10 und beim Backblech 9 (Differenz ca. 1,1 cm) könnte eine Unterscheidung zwischen beiden auch anhand ihrer Entfernung zur Radarantenne erfolgen. Die Genauigkeit der realisierten Abstandsmessung liegt im Millimeterbereich.

Um zu einem Radarechoprofil zu gelangen, können die bekannten Puls- oder FM- Radarprinzipien verwendet werden. Die maßgeblichen Parameter von derartigen Radarantennen ergeben sich aus den geometrischen Randbedingungen bei der Messung in Backöfen und den daraus resultierenden Anforderungen an die Strukturauflösung.

Die Strukturauflösung beschreibt die Fähigkeit eines Radarsensors, zwei in Ausbreitungsrichtung des Messsignals dicht hintereinander liegende (axiale Auflösung) bzw. zwei senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Messsignals nebeneinander liegende (laterale Auflösung), ideale Reflektoren als getrennte Objekte wiederzugeben.

Die axiale Auflösung δ_ax einer Radarantenne wird maßgeblich durch ihre messbare Breite Δf festgelegt. Mit der Lichtgeschwindigkeit c gilt der folgende Zusammenhang:

Die laterale Auflösung hängt maßgeblich von der Aperturgröße und der Mittenfrequenz ab.

Die Nahbereichsgrenze beschreibt die minimale Distanz zwischen Radarantenne und Reflektor, ab der ein genauer Entfernungswert detektiert werden kann. Erst außerhalb dieser genannten Bereiche können sinnvolle Messwerte bestimmt werden. Da Störungen durch andere überlappende Echos, beispielsweise Systemreflexionen an der Radarantenne oder Mehrfachechos, verursacht werden, wird die Nahbereichsgrenze direkt durch die Strukturauflösung festgelegt.

Die Orts- bzw. Winkelselektivität eines Radarsensors wird durch das Antennen- Richtdiagramm bestimmt. Je größer das Verhältnis von Antennenapertur (entspricht ungefähr der Fläche der Antenne) zur Radarwellenlänge ist, desto schmaler wird das Richtdiagramm bzw. desto höher ist die Richtwirkung (Orts- bzw. Winkelselektivität) der Radarantenne. Durch eine höhere Richtwirkung der Radarantenne verbessert sich die Störfestigkeit der Radarmessung, da das Radarsignal besser auf das Messobjekt focussiert wird. Für richtscharfe Radarantennen ist es im Prinzip wünschenswert, möglichst hochfrequente Radare zu realisieren. Die Größe einer für eine bestimmte Richtwirkung benötigten Radarantenne ist umgekehrt proportional zur Radarfrequenz, d. h., bei Wahl einer hohen Radarfrequenz werden nur kleine Radarantennen benötigt.

Beim Puls-Echo-Radar wird die Laufzeit T_i eines kurzen Mikrowellenpulses vom Radargerät zum Reflektor und zurück gemessen. Aus der Laufzeit lässt sich bei bekannter Ausbreitungsgeschwindigkeit c (bei Mikrowellen = c = 3 × 10⁸ m/s), direkt die Reflektorentfernung d_i gemäß der folgenden Formel bestimmen.

d_i = 0,5 × c × T_i.

Die erreichbare Auflösung ist proportional zur Länge der gesendeten Impulse. Für eine Auflösung von 5 cm werden Pulse mit einer Dauer von ca. 0,1 ns notwendig.

Alle Verfahren, die auf einer Modulation der Sendefrequenz basieren, können unter der Bedingung, dass die Änderung der Sendefrequenz innerhalb des Signal-Laufzeitintervalls (also der Laufzeit des Signals vom Sender zum Reflektor und zurück) vernachlässigbar klein ist, auf eine gemeinsame, einfache Theorie zurückgeführt werden. Zu dieser Gruppe von Verfahren gehören beispielsweise die klassischen FMCW-Prinzipien, bei denen die Frequenz kontinuierlich und zumeist linear innerhalb einer Bandbreite durchgestimmt wird (Frequenz-Sweep) sowie alle Ausführungsformen des Stepped-Frequency-Verfahrens, bei dem sequentiell verschiedene diskrete Sendesignalfrequenzen eingestellt werden.

Beim FMCW-Radar ergibt jedes reflektierte Teilsignal im Messsignal eine Sinuskomponente mit konstanter Frequenz der Formel:

s₀(t) = a_i × sinus(2 × π × f_i × t).

Die Frequenz f_i der Teilsignale ist proportional zur Entfernung d_i der zugehörigen Reflektoren, die Amplitude a_i wird durch die Eigenschaften des Reflektors (z. B. Fläche, Oberflächenstruktur, Reflexionskoeffizient) bestimmt. Befinden sich mehrere Reflektoren im Erfassungsbereich der Radarantenne, so ergibt sich als Messsignal eine entsprechende Überlagerung mehrerer Sinussignale. Die Entfernung des jeweiligen Teilreflektors und die zugehörige Frequenz sind wie folgt verknüpft:

wobei c die Wellenausbreitungsgeschwindigkeit (Lichtgeschwindigkeit), T die Sweep- Dauer und Δf die Sweep-Bandbreite bezeichnen. Dieser einfache lineare Zusammenhang zwischen der Mischsignalfrequenz und der Signallaufzeit ergibt sich jedoch nur, wenn der Sweep exakt linear erfolgt. Jede Nicht-Linearität führt zu einer Verzerrung der Messgrößen. Darüber hinaus müssen sowohl die Bandbreite als auch die Sweep-Dauer bekannt sein.

Die Aufgabe der Signalverarbeitung besteht bei einem FMCW-Radar also darin, die Parameter der Sinusteilsignale, also deren Amplitude und Frequenz, zu bestimmen. Die gängigste Methode zur Berechnung der Signalfrequenzen bei FMCW-Systemen ist die Fouriertransformation (FT), die bei zeitdiskreten Signalen in aller Regel mit dem schnellen Fouriertransformationsalgorithmus (FFT) durchgeführt wird. Der prinzipielle Vorteil der Fouriertransformation besteht darin, dass sichergestellt ist, dass der Algorithmus für alle Eingangssignale konvergiert und das Ergebnis die Frequenzanteile per Definition korrekt wiedergibt, also physikalisch sinnvoll ist. Die maßgebliche Einschränkung ergibt sich durch die begrenzte zeitliche Länge realer Messsignale und durch deren Zeit- und amplitudendiskrete Verarbeitung. Die endliche zeitliche Apertur T bewirkt eine begrenzte Frequenzauflösung (Fresnell-Auflösung) δf = 1/T und Störungen durch Fenstereffekte. Die Fenstereffekte können durch Verwendung von Fensterfunktionen, mit denen das Messsignal gewichtet wird, verringert werden. Je nach Fensterfunktion bewirkt dies jedoch eine Verschlechterung der Auflösung um den Faktor 1 bis 2. Die Auflösung δ_ax eines FMCW-Radars mit FFT-Auswertung beträgt etwa:

In der Praxis muss allerdings berücksichtigt werden, dass die angegebene Auflösungsgrenze nur einen theoretischen Wert darstellt, der für zwei nahezu gleich große Echos und nur bei moderatem Signal-zu-Rauschverhältnis gilt. Unterscheiden sich die Amplituden der benachbarten Signalanteile sehr stark oder liegt ein schlechtes Signal­ zu-Rauschverhältnis vor, verschlechtert sich die Separierbarkeit merklich.

Dadurch, dass zur Bestimmung von Lage und Form der Ablagen nur die Laufzeit des reflektierten Radarsignals und die Anzahl der Radarechos ausgewertet werden, hält sich der dazu erforderliche Aufwand in Grenzen.

Mindestens eine Radarantenne sendet ein Messsignal in Richtung des interessierenden Objektes (Gargut, Gargutablage wie z. B. Backblech oder Backrost) aus. Das Signal wird am Objekt, je nach Beschaffenheit des Objektes ganz oder teilweise reflektiert und wieder von mindestens einer Radarantenne empfangen. Die Eigenschaften des Messsignals, wie z. B. Frequenz, Amplitude und Phase, lassen dann Rückschlüsse auf Lage und Beschaffenheit des Objektes zu. Entscheidend für eine aussagekräftige Messung ist, dass die detektierten Reflexionseigenschaften räumlich (d. h. konkreten Objekten) zugeordnet werden können. Die räumliche Zuordnung von Reflexionseigenschaften kann im Prinzip auch als Bildgeber bezeichnet werden. In seitlicher (lateraler) Richtung erfolgt die Zuordnung durch die Verwendung richtscharfer Antennen, die nur einen definierten Winkelbereich erfassen. In Tiefenrichtung (axial) erfolgt die Zuordnung durch Auswerten der Laufzeit des Messsignals. Das Empfangssignal wird üblicherweise als ein Echoprofil dargestellt, welches die Reflexionsbedingungen in Abhängigkeit von der Entfernung darstellt. Die Einschubhöhe bzw. die Höhe des Gargutes ist aus dem Echoprofil (bzw. den Echoprofilen mehrerer nebeneinander angeordneter Radarantennen) ableitbar. Die Separierbarkeit verschiedener Reflexionsanteile wird durch die sog. Strukturauflösung bestimmt.

Alternativ zu richtscharfen Radarantennen, mit denen die Objektszene quasi linienweise abgetastet wird, können auch so genannte synthetische Aperturverfahren angewendet werden. Hierbei werden Empfangssignale breitstrahlender Radarantennen algorithmisch verarbeitet.

Wegen der speziellen Messbedingungen im Backofen (Reflexionen an den Metallwänden und sehr kleiner Reflexionsraum) kann davon ausgegangen werden, dass berührungslose Messungen bei nur einer festen Frequenz in aller Regel wenig praktikabel sind, da mit einem monofrequenten Radar keinerlei Auflösung in Tiefenrichtung realisierbar ist.

Durch Versuche hat sich herausgestellt, dass die Messung mit einem Signal einer bevorzugten Sweep-Bandbreite von 8,5 GHz im Frequenzbereich von 15 bis 80 GHz, vorzugsweise von 18 bis 26,5 GHz erfolgt. Die für die vorliegende Anwendung notwendige Auflösung lässt sich aus den geometrischen Randbedingungen, wie z. B. dem Abstand der Einschübe, dem minimalen Abstand von Gargut oder Gargefäß zu den Radarantennen sowie aus der minimalen Höhe des Backgutes (falls Backgut und Backgutablage von einer Radarantenne zugleich erfasst werden) ableiten. Will man etwa eine für die Anwendung günstige Auflösung von ca. 4 cm erreichen, ist hierzu eine Sweep-Bandbreite von ca. 8 GHz notwendig.

Diese außerordentlich große Brandbreite stellt hohe Anforderungen an die verwendete Hardware. Darüber hinaus wird hierdurch die mögliche Messfrequenz weitgehend festgelegt. Die relative Bandbreite (d. h. die Bandbreite durch Mittenfrequenz) einer Radarantenne ist in aller Regel begrenzt und kann 10 bis 30% übersteigen. Messfrequenzen unterhalb 24 GHz sind daher für die vorliegende Anwendung wenig geeignet. Mit zunehmender Frequenz erhöhen sich jedoch die Kosten und verschlechtert sich die Verfügbarkeit der Hochfrequenzkomponenten, so dass Frequenzen über 80 GHz zur Zeit ebenfalls nicht praktikabel sind. Das Frequenzband zwischen 15 GHz und 80 GHz erscheint daher für die gegebene Applikation am besten geeignet.

Eine Typisierung des verwendeten Gargefäßes ist nur mit sehr großem Aufwand möglich. Es müssten viele Radarantennen im Backraum verteilt und deren Signale entsprechend verarbeitet und/oder synthetische Aperturverfahren angewendet werden.

Claims (7)

1. Verfahren zum Messen von Lage und/oder Form von einer in einem Backofen (1) in unterschiedlicher Höhenlage anbringbaren Ablage für Gargut, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung mit Hilfe von Radarstrahlen durchgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung als Einzelmessung und vorzugsweise vor dem Garprozess erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung mit Hilfe eines frequenzmodulierten Radars (FM-Radar), insbesondere eines frequenzmodulierten Continuous-Wave-Radars (FMCW-Radar) erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung von Lage und/oder Form der Ablage die Laufzeit der reflektierten Radarsignale und die Anzahl der Radarechos ausgewertet werden.

5. Vorrichtung zum Messen von Lage und/oder Form von einer in einem Backofen (1) in unterschiedlicher Höhenlage anbringbaren Ablage für Gargut, dadurch gekennzeichnet, dass im oberen Bereich des Backofens (1) richtscharfe, auf den Boden (11) desselben gerichtete Radarantennen (4) vorgesehen sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Radarantennen (4) über Hochfrequenzkabel (5) mit einem Netzwerkanalysator (6) verbunden sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung mit einem Signal einer bevorzugten Sweep-Bandbreite von 8,5 GHz im Frequenzbereich von 15 bis 80 GHz, vorzugsweise von 18 bis 26,5 GHz erfolgt.