DE102015104523A1 - Method for controlling a microwave cooking appliance and microwave cooking appliance - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Mikrowellen-Gargeräts (2) mit den folgenden Schritten: einer erste Antenne (16; 101) und mindestens einer zweiten Antenne (15) wird Mikrowellenstrahlung zugeführt, die von einem Halbleiterverstärker (10, 11) stammt und von den Antennen (16, 15) in einen Garraum (3) des Gargeräts (2) eingestrahlt wird. Ein rücklaufendes Signal, das vom Garraum (2) in die Antenne (16, 15) eingekoppelt wurde, wird erfasst. Die Phasenlage der Mikrowellenstrahlung der beiden Antennen (16, 15) relativ zueinander wird so gesteuert, dass die Leistung des rücklaufenden Signals minimiert ist. Die Erfindung betrifft auch ein Gargerät mit einem Mikrowellengenerator (25), mindestens einem Halbleiterverstärker (10, 11), mindestens zwei Antennen (16, 15), die Mikrowellenstrahlung in den Garraum (3) einkoppeln können, mindestens einem Phasenschieber (20), der mindestens einer der Antennen (16, 15) zugeordnet ist, und einer Steuerung (30), die mit dem Phasenschieber (20) gekoppelt ist, um die Phasenlage des an eine der Antennen (16, 15) gelieferten Signals relativ zur Phasenlage des an eine andere Antenne (16, 15) gelieferten Signals zu variieren.The invention relates to a method for controlling a microwave cooking appliance (2) with the following steps: a first antenna (16, 101) and at least one second antenna (15) are supplied with microwave radiation originating from a semiconductor amplifier (10, 11) and from the antennas (16, 15) in a cooking chamber (3) of the cooking appliance (2) is irradiated. A returning signal which has been coupled from the cooking chamber (2) into the antenna (16, 15) is detected. The phase angle of the microwave radiation of the two antennas (16, 15) relative to each other is controlled so that the power of the returning signal is minimized. The invention also relates to a cooking appliance with a microwave generator (25), at least one semiconductor amplifier (10, 11), at least two antennas (16, 15), which can couple microwave radiation into the cooking chamber (3), at least one phase shifter (20) at least one of the antennas (16, 15) is associated, and a controller (30) which is coupled to the phase shifter (20) to the phase angle of the signal supplied to one of the antennas (16, 15) relative to the phase position of the at other antenna (16, 15) supplied signal to vary.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Mikrowellen-Gargeräts sowie ein Mikrowellen-Gargerät. Die Erfindung betrifft dabei insbesondere Mikrowellen-Gargeräte für den professionellen Einsatz, wie sie in Kantinen, Restaurants und der Großgastronomie verwendet werden.The invention relates to a method for controlling a microwave cooking appliance and a microwave cooking appliance. The invention particularly relates to microwave cooking appliances for professional use, as used in canteens, restaurants and large catering.
Es ist seit Langem bekannt, dass Nahrungsmittel mit Mikrowellenstrahlung gegart werden können. Meist wird die Mikrowellenstrahlung mittels eines Magnetrons erzeugt. It has long been known that food can be cooked with microwave radiation. Most of the microwave radiation is generated by means of a magnetron.
Es ist mittlerweile auch bekannt, dass Mikrowellenstrahlung zum Garen von Nahrungsmitteln dadurch erzeugt werden kann, dass ein von einem Mikrowellengenerator bereitgestelltes Hochfrequenzsignal von einem Halbleiterverstärker verstärkt wird. Das Ausgangssignal des Halbleiterverstärkers kann über eine oder mehrere Antennen in einen Garraum des Gargeräts eingekoppelt werden. It is now also known that microwave radiation for cooking food can be produced by amplifying a high frequency signal provided by a microwave generator from a semiconductor amplifier. The output signal of the semiconductor amplifier can be coupled via one or more antennas in a cooking chamber of the cooking appliance.
Ein Beispiel für ein solches Gargerät, bei dem die Halbleitertechnologie verwendet wird, findet sich in der
Dieser Ansatz ist aufgrund der Größe des Garraums in einem professionellen Gargerät, beispielsweise einem Combi-Dämpfer, kaum einsetzbar. Kleinste Änderungen der Garraumgeometrie z.B. durch Zubehör, führen zu unvorhersehbaren Änderungen der Feldverteilung im Garraum und erschweren daher die Nutzung der Messsignale erheblich.This approach is due to the size of the cooking chamber in a professional cooking appliance, such as a combi-damper, hardly usable. Smallest changes in the cooking space geometry, e.g. with accessories, lead to unpredictable changes in the field distribution in the oven and therefore complicate the use of the measurement signals considerably.
In der
Allerdings beschränkt sich die Anpassung an Reflektionen aus dem Garraum auf eine Anpassung der Leitungsimpedanz oder eines Anpassungsnetzwerks, das aus schaltbaren Spulen und/oder Kondensatoren besteht. However, the adaptation to reflections from the cooking chamber is limited to an adaptation of the line impedance or a matching network, which consists of switchable coils and / or capacitors.
In der
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Garen mit Mikrowellen sowie ein Mikrowellen-Gargerät zu schaffen, mit denen der Wirkungsgrad eines Mikrowellen-Garprozesses optimiert werden kann.The object of the invention is to provide a method for cooking with microwaves and a microwave cooking appliance, with which the efficiency of a microwave cooking process can be optimized.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß ein Verfahren zur Steuerung eines Mikrowellengargeräts mit den folgenden Schritten vorgesehen: Einer ersten und mindestens einer zweiten Antenne wird Mikrowellenstrahlung zugeführt, die von einem Halbleiterverstärker stammt und von den Antennen in einen Garraum des Gargeräts eingestrahlt wird. Dann wird ein rücklaufendes Signal, das vom Garraum in die Antenne eingekoppelt wurde, erfasst. Anschließend wird die Phasenlage der Mikrowellenstrahlung der beiden Antennen relativ zueinander so gesteuert, dass die Leistung des rücklaufenden Signals minimiert ist. Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß auch ein Gargerät mit einem Mikrowellengenerator vorgesehen, mindestens einem Halbleiterverstärker und vorzugsweise mindestens zwei Halbleiterverstärkern, mindestens zwei Antennen, die Mikrowellenstrahlung in den Garraum einkoppeln können, mindestens einem Phasenschieber, der mindestens einer der Antennen zugeordnet ist, und einer Steuerung, die mit dem Phasenschieber gekoppelt ist, um die Phasenlage des an eine der Antennen gelieferten Signals relativ zur Phasenlage des an eine andere Antenne gelieferten Signals zu variieren. To achieve this object, a method for controlling a Mikrowellengargeräts is provided according to the invention with the following steps: A first and at least one second antenna microwave radiation is supplied, which originates from a semiconductor amplifier and is radiated by the antennas in a cooking chamber of the cooking appliance. Then a return signal, which was coupled from the oven into the antenna, detected. Subsequently, the phase position of the microwave radiation of the two antennas is controlled relative to each other so that the power of the returning signal is minimized. To achieve this object, the invention also provides a cooking appliance with a microwave generator, at least one semiconductor amplifier and preferably at least two semiconductor amplifiers, at least two antennas that can couple microwave radiation into the oven, at least one phase shifter associated with at least one of the antennas, and a controller coupled to the phase shifter for varying the phase angle of the signal provided to one of the antennas relative to the phase angle of the signal provided to another antenna.
Die Erfindung beruht auf dem Grundgedanken, die Leistung des rücklaufenden Signals als Indikator für den Wirkungsgrad des Mikrowellen-Garprozesses zu verwenden. Die Leistung des rücklaufenden Signals kann dabei mit geringem Aufwand durch Ändern der Phasenlage der (mindestens) zwei Hochfrequenz-Signale geändert werden, die von den beiden Antennen in den Garraum eingekoppelt werden. Hierfür können vergleichsweise einfach aufgebaute elektronische Komponenten und leicht zugängliche Messwerte genutzt werden, sodass die erfindungsgemäße Lösung zuverlässig und kostengünstig ist und die mehreren Antennen in Echtzeit steuern und optimieren kann. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass mit Signalen gearbeitet werden kann, die für alle Antennen dieselbe Frequenz haben. Somit ist es möglich, einen einzigen Mikrowellengenerator zu verwenden, dessen Signal dann mehreren Halbleiterverstärkern zugeführt wird, denen jeweils eine Antenne zugeordnet ist. Insgesamt kann somit mit geringem Aufwand die in den Garraum bzw. das sich dort befindende Gargut eingekoppelte Gesamtleistung maximiert werden. Weiterhin kann die in das Gargut eingekoppelte Leistung dynamisch an das jeweils zu garende Gargut angepasst werden.The invention is based on the idea to use the power of the returning signal as an indicator of the efficiency of the microwave cooking process. The power of the returning signal can be changed with little effort by changing the phase of the (at least) two high-frequency signals that are coupled from the two antennas in the oven. For this purpose, comparatively simply constructed electronic components and easily accessible measured values can be used, so that the inventive solution is reliable and cost-effective and can control and optimize the multiple antennas in real time. Another advantage is that you can work with signals that have the same frequency for all antennas. Thus, it is possible to use a single microwave generator whose signal is then fed to a plurality of semiconductor amplifiers, each associated with an antenna. Overall, the total power coupled into the cooking chamber or the cooking product located there can thus be maximized with little effort. Furthermore, the power coupled into the food can be dynamically adapted to the food to be cooked in each case.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Phasenlage der Mikrowellenstrahlung, die einer ersten Antenne zugeführt wird, als konstant angenommen wird und die Phasenlage der Mikrowellenstrahlung, die einer zweiten Antenne zugeführt wird, relativ zur Phasenlage der der ersten Antenne zugeführten Mikrowellenstrahlung variiert wird. Hierdurch verringert sich der Steuerungs- und Regelungsaufwand. According to a preferred embodiment of the invention, it is provided that the phase position of the microwave radiation which is supplied to a first antenna is assumed to be constant and the phase position of the microwave radiation which is supplied to a second antenna is varied relative to the phase position of the microwave radiation supplied to the first antenna , This reduces the control and regulation effort.
Um die Leistung des rückwärtslaufenden Signals einer Antenne zu erfassen, ist vorzugsweise ein Richtkoppler zwischen dem Halbleiterverstärker und der Antenne vorgesehen. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass der Richtkoppler an einen Detektor angeschlossen ist, der wiederum an die Steuerung angeschlossen ist. Dies ermöglicht es, die Leistung des rücklaufenden Signals mit geringem Aufwand zu bestimmen.In order to detect the power of the backward-running signal of an antenna, a directional coupler is preferably provided between the semiconductor amplifier and the antenna. Furthermore, it can be provided that the directional coupler is connected to a detector, which in turn is connected to the controller. This makes it possible to determine the power of the returning signal with little effort.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind mehrere Antennen vorgesehen, die auf unterschiedlichen, räumlich definierten Niveaus in den Garraum einstrahlen. Bei den definierten räumlichen Niveaus handelt es sich insbesondere um solche Niveaus, die durch die Einschubebenen beispielsweise eines Einhängegestells vorgegeben sind. Somit kann jeder Einschubebene eine Antenne (oder auch ein Paar von Antennen) spezifisch zugeordnet werden, sodass die Mikrowellenstrahlung, die von der Antenne (oder den Antennen) eines betrachteten Niveaus eingestrahlt wird, hauptsächlich auf das Gargut oder die Gargüter fällt, das bzw. die sich in der entsprechenden Einschubebene befindet bzw. befinden. Hierdurch können gezielt bestimmte Gargüter stärker als andere gegart werden. According to a preferred embodiment of the invention, a plurality of antennas are provided, which radiate at different, spatially defined levels in the cooking chamber. The defined spatial levels are, in particular, those levels which are predetermined by the insertion levels of, for example, a suspension rack. Thus, each shelf level can be specifically assigned an antenna (or even a pair of antennas) so that the microwave radiation radiated from the antenna (or antennas) of a considered level mainly falls on the food or items to be cooked is located in the corresponding shelf level or are. As a result, specific food items can be cooked more vigorously than others.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass Amplitude und Phasenlage eines vorwärtslaufenden Signals einer Antenne, die einem nicht zu erwärmenden Gargut im Garraum zugeordnet ist, so angepasst werden, dass die rückwärtslaufenden Signale dieser Antenne minimal sind. Dies ermöglicht es, die unbeabsichtigte Kopplung zwischen einer Antenne, die zum gezielten Erwärmen eines bestimmten Garguts verwendet wird, und einem nicht zu erwärmenden Gargut zu minimieren. According to one embodiment of the invention can be provided that the amplitude and phase of a forward-running signal of an antenna, which is assigned to a not to be heated food in the oven, are adjusted so that the backward-running signals of this antenna are minimal. This makes it possible to minimize the unintentional coupling between an antenna, which is used for targeted heating of a particular food, and a food not to be heated.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Steuerung mindestens einen PID-Regler enthält. Mit diesem kann mit geringem Aufwand sehr zuverlässig die Phasenlage der Hochfrequenz-Signale in der gewünschten Weise geregelt werden.According to one embodiment of the invention, it is provided that the controller contains at least one PID controller. With this can be controlled with little effort very reliable, the phase position of the high-frequency signals in the desired manner.
Die Erfindung wird nach folgend anhand zweier Ausführungsbeispiele beschrieben, die in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind. In diesen zeigen: The invention will be described below with reference to two embodiments, which are illustrated in the accompanying drawings. In these show:
In
Es kann sich dabei um einen sogenannten Kombidämpfer handeln, der einen Garraum
Es ist aber nicht zwingend erforderlich, dass das Gargerät
Hierzu ist eine schematisch dargestellte Mikrowellen-Garbaugruppe
Die Antenne
Es ist ein zweiter Halbleiterverstärker
Die Halbleiterverstärker
Bei der Übertragung des Mikrowellensignals von der ersten Antenne
Ein Mikrowellensignal, das vom Halbleiterverstärker
Das rückwärts laufende Signal wird am Detektor
Im laufenden Betrieb ändert sich die Phase der Signale nur langsam (Größenordnung von wenigen Sekunden), so dass der Phasenschieber
Nachfolgend wird dies für den in
Das vorwärts laufende Signal vom ersten Halbleiterverstärker
Betriebspunkt des Verstärkers, Frequenz oder Temperatur beeinflusst wird, vom vorwärtslaufende Signal an der ersten Antenne unterscheidet. Operating point of the amplifier, frequency or temperature is affected, different from the forward-running signal at the first antenna.
Das vorwärts laufende Signal an der zweiten Antenne
Die Streuparameter (engl. „S-Parameter“) beschreiben das Verhältnis des vom Garraum reflektierten Signals an der ersten Antenne (S11) und des übertragenen Signals von der zweiten auf die erste Antenne (S12). The scattering parameters ("S parameters") describe the ratio of the signal reflected by the cooking chamber to the first antenna (S 11 ) and the transmitted signal from the second to the first antenna (S 12 ).
Das rückwärtslaufende Signal der ersten Antenne
Wichtig ist dabei, dass die Streuparameter Eigenschaften des Garraums sind und von dessen geometrischen Aufbau sowie vom Gargut und von den Antennen und deren Anbindung an die Verstärker abhängt. It is important that the scattering parameters are properties of the cooking chamber and depends on its geometric structure as well as the food to be cooked and the antennas and their connection to the amplifier.
Der Detektor
Hierbei bedeutet * die Konjugate der komplexen Zahl. Where * is the conjugate of the complex number.
Diese Leistung ist der Anteil der verfügbaren Leistung aus den Halbleiterverstärkern, der nicht an die Last (insbesondere das Gargut
Somit kann durch Änderung der Phasendifferenz die an das Gargut
Das Prinzip lässt sich auf eine beliebige Anzahl von Signalen und Antennen übertragen, solange die relative Phase der jeweiligen Signale von der Steuereinheit durch Steuerung von Phasenschieber geändert werden kann. Es können also abweichend von der Darstellung in den
Wenn mehr als 2 Antennen verwendet werden, ergibt sich eine mehrdimensionale Optimierungsaufgabe, um die rückwärtslaufende Leistung an den Antennen mittels Steuerung der Phase gezielt zu minimieren. Dies wird anhand des in
In
Weiterhin sind mehrere Antennen
Zwischen jedem Halbleiterverstärker
Das vorwärts laufende Signal an Antenne Nummer „m“ wird mit
Der unbekannte Phasenversatz der jeweiligen Signale, der im ersten Beispiel als θ bezeichnet wurde, kann der Einfachheit halber in diesem Beispiel in den Streuparameter übernommen werden. Zum Beispiel wird für die Signalübertragung von Antenne m auf Antenne n eine Änderung der Übertragungsstreuparameter S21 mit folgender Anpassung ausgedrückt: The unknown phase offset of the respective signals, which was designated as θ in the first example, can be included in the scatter parameter for the sake of simplicity in this example. For example, for the signal transmission from antenna m to antenna n, a change in the transmission scattering parameter S 21 is expressed with the following adaptation:
Das rückwärtslaufende Signal, das an der ersten Antenne
Da das vorwärtslaufende Signal an der ersten Antenne als Bezug für alle Phasenversätze genommen wird, wird ϕ1 = 0° gesetzt. Die Anzahl der Antennen ist N. Die Detektor
Eine Optimierung des Wirkungsgrades zielt darauf, diese Verlustleistung zu minimieren. Unter der Annahme, dass die gesendete Leistung an allen Antennen gleich ist, wird durch die Minimierung dieser Summe mittels der Phasenschieber der Wirkungsgrad für den Garprozess maximiert.An optimization of the efficiency aims to minimize this power loss. Assuming that the transmitted power is the same across all antennas, minimizing this sum by means of the phase shifters maximizes cooking efficiency.
Mit dem Verfahren und dem Gargerät lässt sich aber nicht nur der Wirkungsgrad des Garprozesses insgesamt maximieren. Es ist auch möglich, eine teilweise selektive Erwärmung zu realisieren, indem die rückwärtslaufende Leistung gezielt an den Antennen minimiert wird, die in direkter Nähe des zu erwärmenden Garguts befinden. Dieser Ansatz eignet sich besonders für einen größeren Garraum
In diesem Fall bezieht sich die „Größe“ des Garraums auf die Wellenlänge der Mikrowellenenergie. Zum Beispiel ist die Wellenlänge bei 2,45 GHz 12,2 cm. Ein großer Garraum wäre dann 3 × 3 × 3 Wellenlängen und hätte, bei dieser Frequenz, ein Volumen von 50 Litern. Ein quadratischer Garraum dieser Größe würde über 200 Moden ermöglichen.In this case, the "size" of the cooking chamber refers to the wavelength of the microwave energy. For example, at 2.45 GHz, the wavelength is 12.2 cm. A large cooking chamber would then be 3 × 3 × 3 wavelengths and would, at this frequency, have a volume of 50 liters. A square cooking space of this size would allow over 200 modes.
Anhand von
Es soll hier gezielt ein Gargut
Das Gargut
Im Falle einer Schlitzantenne, Hornantenne oder offenen Hohlleiter ist die Abstrahlung vorwiegend normal zur Wand des Garraums
Die Signale aus anderen Antennen
Die Antennen
Genaue Angaben zur Leistung und Garzeit sind vom Gargut und vom Garprozess abhängig. Eine typische Mikrowellenleistung für gezielte Erwärmung liegt zwischen 100 Watt und 300 Watt bei einer Frequenz von 2,45 GHz. Detailed information on performance and cooking time depends on the food to be cooked and the cooking process. A typical microwave power for targeted heating is between 100 watts and 300 watts at a frequency of 2.45 GHz.
Die Phasendifferenz zwischen den Signalen von den Antennen
Ein Anteil der Energie aus den Antennen
Die Amplitude und Phase der vorwärtslaufende Signale an den beiden Antennen
Auf ähnlicher Art und Weise kann auch die Bestrahlung von anderem, sich im Garraum
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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