DE19638355C2 - Verfahren zur Ermittlung des Siede- und Kochpunktes eines in einem Gargefäß aufgenommenen Kochguts - Google Patents
Verfahren zur Ermittlung des Siede- und Kochpunktes eines in einem Gargefäß aufgenommenen KochgutsInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung des Siede-
und Kochpunkts einer in einem Gargefäß aufgenommenen Flüssigkeit
oder einem Gemenge aus Flüssigkeit und Kochgütern für die Rege
lung eines Kochvorganges in einem auf einer mit einer zumindest
steuerbaren Heizvorrichtung ausgestatteten Kochstelle stehenden
Gargefäß, wobei die bei einem Aufheizen des befüllten Gargefäßes
durch das Entstehen und Zerplatzen von Dampfblasen verursachten
Geräusche mit Hilfe mindestens eines schwingungsempfindlichen
Sensors erfaßt werden.
Die beispielsweise mit elektrischer Energie betriebenen Heizvor
richtungen herkömmlicher Kochfelder werden meist durch manuell
einstellbare, zeitlich getaktete Leistungsschalter angesteuert.
Es erfolgt hierbei keine Rückmeldung der tatsächlich vorhandenen
Temperatur der Kochzonen oder des Kochgutes. Der Benutzer ist
gezwungen, die Einstellung manuell ständig so nachzuführen, daß
ein gleichmäßiges Kochen erreicht wird. U. a. beim Kochen von Ge
müse oder Teigwaren ist es relativ schwierig, den Kochvorgang
ohne Überkochen aufrechtzuerhalten. Daher ist es oft erforder
lich, das Kochgut nur simmernd auf einer Temperatur unterhalb
des Kochpunkts zu halten.
Aus der DE 38 11 925 C1 ist eine Vorrichtung zum Regeln der
Heizleistung eines elektrischen Heizelements einer Kochplatte
bekannt. Bei dieser Vorrichtung ist in unmittelbarer Nähe zum
Kochgefäß ein Temperaturfühler angeordnet. Mit Hilfe der gemes
senen Temperatur wird durch Ein- und Ausschalten des Heiz
elements die Heizleistung geregelt. Eine derartige Vorrichtung
hat den Nachteil, daß die Siedetemperatur des Kochgutes, dessen
Hauptbestand Wasser ist, u. a. vom ortsüblichen Luftdruck abhän
gig ist. Da schon geringe Schwankungen des Luftdrucks eine Sie
detemperaturabweichung von mehreren Grad Celsius erreichen, ist
eine solche Temperaturregelung für einen gleichförmigen Kochvor
gang ohne Überkochen nur bedingt geeignet.
In der DE-GM 66 00 354 wird ein Kochpunktregler beschrieben,
der u. a. mit Hilfe einer am Gargefäß angeordneten Ultraschall
tonpfeife und einem Mikrofon den Kochpunkt ermittelt bzw. die
Energiezufuhr des Kochherdes steuert. Beim Gegenstand der
US 5,067,474 wird das Gargefäß auf dem Kochherd federn gela
gert. Die mechanischen Schwingungen während des Kochvorganges
werden detektiert. Das ausgewertete Sensorsignal wird zum Steu
ern der Energiezufuhr des Kochherdes verwendet.
Wünschenswert ist ein Verfahren, das sich an der Vorgehensweise
eines Benutzers bzw. Kochs orientiert. Der Benutzer kennt erfah
rungsgemäß das den bevorstehenden Kochpunkt ankündigende, cha
rakteristische Geräusch beim Auftreten der ersten Siedebläschen
am Boden des Kochgefäßes. Das bekannte, zischende Geräusch, das
sog. Blasensieden, entsteht durch lokales Überschreiten des tem
peraturabhängigen Dampfdrucks am Topfboden, resultierend in ört
lich an Blasenkeimen ausgelösten, kleinen Siedeverzügen. Kurze
Zeit später ändert sich das Geräusch beim Übergang zu einem
sprudelnden Kochen, wenn also die Blasen vom Topfboden abreißen,
aufsteigen und an der Flüssigkeitsoberfläche aufplatzen. Beim
Übergang vom Blasensieden zum sprudelnden Kochen ändert sich die
Amplitude und die spektrale Zusammensetzung des Geräusches.
Hierzu ist aus der DE 31 46 638 A1 eine gattungsbestimmende
Siedepunktregelung für Küchenherde bekannt. Das Meßglied für die
Regelstrecke ist ein Körperschallsensor, der z. B. unterhalb des
Kochgefäßes angeordnet ist und den beim Sieden erzeugten Körper
schall aufnimmt. Das elektrische Signal des Körperschallsensors
wird über eine Auswerteeinheit mit Verstärker- und Filterfunk
tion dem Heizelementregler zugeführt. Eine vergleichbare Rege
lung ist aus der DE 44 39 777 A1 bekannt. Dort ist der Sensor
zusammen mit einem Sender im Griff des Gargefäßes untergebracht.
Ein externer Empfänger leitet die empfangenen Signale an die
Auswerteeinheit weiter.
Mit diesem Verfahren kann für ein bestimmtes Kochgefäß mit einer
festgelegten Menge eines klar definierten Kochgutes und eine be
stimmte Kochstelle das Einsetzen des Siedens wiederholbar er
kannt werden. Sobald jedoch separat oder gemeinsam die Art
und/oder die Größe des Kochgefäßes mit oder ohne Deckel, die Be
füllung und/oder deren Viskosität, die Art und/oder die Größe
der Kochstelle geändert werden, kann das Sieden nicht mehr ein
deutig erkannt werden. Alle genannten Faktoren wirken je nach
Kombination schwingungsdämpfend oder anregend. Sie verändern
vielfältig das zur Identifikation des Siedens notwendige Ge
räusch. Ein Herausfiltern der vielen Störschwingungen ist mit
vertretbarem Aufwand nicht möglich.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher das Problem zugrunde, ein
Verfahren zu finden, bei einem Kochvorgang, unabhängig von
Kochort, Kochgutart, Kochgutmenge, Kochgefäß und Kochstelle, das
Einsetzen des Siedens bzw. Kochens präzise zu erkennen und Meß
signale zu generieren, die zuverlässig ein Stellglied zur Rege
lung einer Kochstellenheizung beeinflussen können.
Die Lösung des Problems wird dadurch erzielt, daß das beim
Kochvorgang entstehende Geräusch in einen unteren, nieder
frequenten und einen oberen, hochfrequenten Bereich aufgeteilt
wird, wobei in jedem Bereich entweder für die gesamte Band
breite oder für mehrere Frequenzen und/oder kleinere Fre
quenzbereiche aus dem Frequenzspektrum die Amplituden gemessen
werden. Jeweils aus den Amplituden des unteren und des oberen
Frequenzbereiches wird ein Mittelwert gebildet. Die beiden
errechneten Mittelwerte werden regelmäßig miteinander ver
glichen, wobei in der Phase des Blasensiedens der Mittelwert des
unteren Frequenzbereichs unterhalb des Mittelwerts des oberen
Frequenzbereichs liegt, während es sich in der Phase des spru
delnden Kochens umgekehrt verhält. In der Aufheizphase wird nach
dem Zeitpunkt, an dem der Mittelwert des unteren Frequenz
bereichs den Mittelwert des oberen Frequenzbereichs Übersteigt,
die Energiezufuhr für die Heizvorrichtung unterbrochen oder ge
drosselt, während in der Abkühlphase nach dem Zeitpunkt, an dem
der Mittelwert des oberen Frequenzbereichs den Mittelwert des
unteren Frequenzbereichs übersteigt, die Energiezufuhr wieder
aufgenommen oder erhöht wird.
Dieses Verfahren ist an die physikalischen Vorgänge während des
Siede- und Kochvorganges angepaßt und nutzt die Tatsache, daß
jeder Phase des Kochvorganges - abhängig vom wässrigen Kochgut -
ein typisches Geräusch zuzuordnen ist. Ab ca. 90°C, bezogen auf
Normaldruck, bildet sich ein typisches Siedegeräusch aus, das an
einem hochfrequenten Zischen und einem deutlichen Anstieg der
Gesamtlautstärke ab ca. 96°C erkennbar ist. Beim Übergang zum
sprudelnden Kochen überlagert sich dem bisherigen Geräusch die
durch die tieffrequentere Schwingung des Aufplatzens der an die
Oberfläche gestiegenen Dampfblasen. Das Platzen der Dampfblasen
regt zudem das Gargefäß zu niederfrequenten Vibrationen an. Der
hier beschriebene physikalische Vorgang ist weitgehend unab
hängig vom Kochort, der Art des wässrigen Kochguts, von der
Form, Größe, Art und Reinigungszustand des Gargefäßes und von
der Kochstelle. Letztere kann z. B. eine Halogenlampe, eine Heiz
spirale oder einen Gasbrenner als Heizvorrichtung haben.
Innerhalb der Aufteilung der beiden Frequenzbereiche liegt der
untere Frequenzbereich unterhalb von 1000 Hz, während der obere
Frequenzbereich darüber liegt. Hierbei kann zum einen der untere
Bereich zwischen 100 und 1000 Hz liegen und zum anderen der
obere Bereich zwischen 1000 und 5000 Hz. Die zu messenden Be
reiche müssen jedoch nicht aneinandergrenzen.
Ferner können innerhalb eines Frequenzbereiches die Amplituden
von 3 bis 10 Frequenzen oder Frequenzintervallen gemessen wer
den. Die zu messenden Frequenzen oder Frequenzintervalle werden
so gewählt, daß zumindest die für die Bauart der Kochstelle ty
pischen Störschwingungen ausgespart werden. Ein Frequenzinter
vall ist in der Regel ein Bruchteil einer Oktave.
Zur Erfassung der durch Erwärmung des Kochguts erzeugten Ge
räusche können ein oder mehrere Sensoren an der das Gargefäß
tragenden Vorrichtung der Kochstelle angeordnet sein. Der oder
die Sensoren sind dabei als Mikrofone und/oder Beschleunigungs
aufnehmer ausgebildet. Die das Gargefäß tragende Vorrichtung ist
beispielsweise eine Glaskeramikplatte, ein Gasbrennergestell
oder eine elektrische Heizplatte. Je nach Vorrichtung sind der
oder die Sensoren in, unter oder auf ihr angeordnet. Vorzugs
weise werden die Sensoren außerhalb oder am Rand der aufheiz
baren Kochzone montiert.
Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus dem nachfol
gend beschriebenen und schematisch dargestellten Ausführungs
beispiel.
Fig. 1 Kochstelle mit Gargefäß und schematischer Beschaltung.
Fig. 2 Schallspektrums-Diagramm für einen mittelgroßen
Edelstahltopf mit einer einlitrigen Wasserbefüllung.
Fig. 1 zeigt ein Glaskeramik-Elektrokochfeld (1) mit einem
Strahlungsheizkörper (2) und dessen Anschlüsse an eine Strom
quelle. Auf dem Kochfeld (1) steht ein Gargefäß (7). Unterhalb
dem Kochfeld (1) ist neben der Kochzone im Abstand von ca. 35 mm
vom Außenrand des Heizkörpers (2) eine Mikrofonkapsel (10) ange
ordnet. Die Mikrofonkapsel (10) ist an eine Baugruppe (11) für
die Signalverarbeitung und -auswertung angeschlossen. In dieser
Baugruppe werden die dem Schalldruck proportionalen Signalpegel
vorverstärkt einer Frequenzanalyseeinheit zugeführt. Die Fre
quenzauflösung beträgt beispielsweise eine 1/12 Oktave.
Die in den verschiedenen Erwärmungsphasen für mehrere Frequenzen
und/oder Frequenzintervalle oder den jeweiligen Frequenzbereich
über eine festgelegte Zeitspanne von beispielsweise 1 sec gemes
sen Pegel werden - ggf. über einen A/D-Wandler digitalisiert -
getrennt für den unteren und oberen Frequenzbereich erfaßt und
gemittelt,
so das
sich bezogen auf den unteren Frequenzbereich ein sog. unterer
Pegel und bezogen auf den oberen Frequenzbereich ein sog. oberer
Pegel ergibt. Beide Pegel werden während dem Aufheizen des Koch
gutes Überwacht. Der Aufheizvorgang wird dabei in drei Erwär
mungsphasen aufgeteilt. Die erste Phase ist die sog. Warmwasser
phase, deren obere Grenztemperatur mit 70°C definiert wird. Die
zweite Phase ist die sog. Simmerphase, in der das Kochgut heißer
als 90°C ist, jedoch die Siedetemperatur noch nicht erreicht
hat. Die dritte Phase ist die sog. Kochphase. In ihr hat das
Kochgut bzw. die das Kochgut aufnehmende Flüssigkeit die Siede-
bzw. Kochtemperatur erreicht.
In der Warmwasserphase liegen der untere und der obere Pegel je
weils für sich unter einem gemeinsamen Grenzpegel. Im Gegensatz
hierzu ergeben sich in den beiden heißeren Phasen Gesamtge
räuschpegel, die den doppelten Grenzpegelwert übersteigen, wobei
der Gesamtpegel im allgemeinen in der Simmerphase etwas höher
ist. Des weiteren ist in der Simmerphase der untere Pegel klei
ner als der obere Pegel. In der Kochphase ist es umgekehrt.
Die Verhältnisse der unteren und oberen Pegelwerte sowie der Ge
samtpegelwerte zu dem Grenzpegelwert und dessen Vielfache können
neben dem Vergleich der unteren und oberen Pegelwerte in den
drei Erwärmungsphasen zur Plausibilitätskontrolle herangezogen
werden.
Zur Ermittlung des jeweiligen unteren und oberen Pe
gels werden hierbei die einzelnen Meßwerte einer Filterung durch
zwei Bandpässe mit den Eckfrequenzen 100/1000 Hz und 1/5 kHz un
terzogen.
Zur Unterdrückung von Störungen durch Fremdschall wird neben dem
zeitlichen Mitteln der einzelnen Meßwerte eine zusätzliche Mit
telung und Auswertung von mehreren Zeitintervallen durchgeführt.
Erst wenn beispielsweise über 5 bis 10 Zeitintervalle die Bedin
gungen zum Erkennen des Übergangs vom Blasensieden zum sprudeln
den Kochen - ggf. einschließlich der Plausibilitätsprüfung über
den doppelten Grenzpegelwert - unverändert bleiben, wird ein Si
gnal für eine Steuereinheit (12) zur Regelung der Heizleistung
der Heizvorrichtung (2) generiert. Die gesamte Signalverarbei
tung wird analog oder digital mit Hilfe eines Microcontrollers
durchgeführt.
In der Steuereinheit (12) wird die Schalt- oder Regelinformation
mit der Leistungsvorwahl am Bedienungselement (3) verglichen und
entsprechend einem Leistungsschalter oder -regler (4) zur Be
stromung der Heizvorrichtung (2) zugeführt.
In Fig. 2 ist ein Schallspektrums-Diagramm dargestellt. Es
stellt jeweils ein Schallspektum für ein Blasensiede- und ein
Kochgeräusch von einem Liter Wasser in einem mittelgroßen
nicht mit einem Deckel abgedeckten Edelstahltopf dar.
Im Diagramm ist auf der Ordinate der Schalldruckpegel in "dB"
Über der Frequenz in "Hz" aufgetragen. Es sind zwei verschieden
dargestellte Kurven (21) und (31) zu erkennen. Die gestrichelte
Kurve (21) zeigt die Gesamtgeräuschpegel während des Blasensie
dens. Die durchgezogene Kurve (31) gibt den Pegelverlauf beim
sprudelnden Kochen wieder. Sowohl für den unteren Frequenz
bereich von 100-1000 Hz als auch für den oberen Bereich von
1000-5000 Hz sind für die Simmer- und Kochphasen die Bereichs
mittelwerte durch die parallel zur Abszisse verlaufenden Ge
radenabschnitte (23, 24) und (33, 34) dargestellt.
Dem Diagramm ist deutlich zu entnehmen, daß in der sog. Simmer
phase der mittlere Schalldruckpegel (24) im oberen Frequenz
bereich um ca. 12 dB höher liegt als der mittlere Schalldruck
pegel (23) im unteren Frequenzbereich. Dagegen liegt in der
Kochphase der mittlere Schalldruckpegel (33) im oberen Frequenz
bereich um ca. 5 dB niedriger als im unteren. Auch ist erkenn
bar, daß hier der Gesamtgeräuschpegel in der Simmerphase über
dem der Kochphase liegt.
1
Glaskeramik-Elektrokochfeld
2
Strahlungsheizkörper, Heizvorrichtung
3
Bedienungselement
4
Leistungsschalter oder -regler
7
Gargefäß, Topf
10
Mikrofonkapsel, Mikrofon
11
Baugruppe für die Signalverarbeitung und
-auswertung
12
Steuereinheit
21
Schallpegelspektrum für die Simmerphase
23
mittlerer Schalldruckpegel der Simmerphase im
unteren Frequenzbereich (100-1000 Hz)
24
mittlerer Schalldruckpegel der Simmerphase im
oberen Frequenzbereich (1000-5000 Hz)
31
Schallpegelspektrum für die Kochphase
33
mittlerer Schalldruckpegel der Kochphase im
unteren Frequenzbereich (100-1000 Hz)
34
mittlerer Schalldruckpegel der Kochphase im
oberen Frequenzbereich (1000-5000 Hz)
Claims (7)
1. Verfahren zur Ermittlung des Siede- und Kochpunkts einer in
einem Gargefäß aufgenommenen Flüssigkeit oder einem Gemenge aus
Flüssigkeit und Kochgütern für die Regelung eines Kochvorganges
in einem auf einer mit einer zumindest steuerbaren Heizvorrich
tung ausgestatteten Kochstelle stehenden Gargefäß, wobei die bei
einem Aufheizen des befüllten Gargefäßes durch das Entstehen und
Zerplatzen von Dampfblasen verursachten Geräusche mit Hilfe min
destens eines außerhalb des Gargefäßes angeordneten schwingungs
empfindlichen Sensors erfaßt werden,
dadurch gekennzeichnet,
- 1. - daß bei mehreren Frequenzen und/oder kleineren Frequenzinter vallen aus dem Frequenzspektrum des Geräusches, zugeteilt ei nem unteren, niederfrequenten und einem oberen, hochfrequenten Bereich, die Amplituden gemessen werden, oder
- 2. - daß bei einem Frequenzband aus dem Frequenzspektrum des Ge räusches, aufgeteilt in einen unteren und oberen Frequenz bereich, die Amplituden gemessen werden,
- 3. - daß jeweils aus den Amplituden des unteren und des oberen Fre quenzbereiches ein Mittelwert gebildet wird,
- 4. - daß die beiden errechneten Mittelwerte regelmäßig miteinander verglichen werden, wobei in der Phase des Blasensiedens der Mittelwert des unteren Frequenzbereichs unterhalb des Mittel werts des oberen Frequenzbereichs liegt, während es sich in der Phase des sprudelnden Kochens umgekehrt verhält,
- 5. - daß in der Aufheizphase nach dem Zeitpunkt, an dem der Mittel wert des unteren Frequenzbereichs den Mittelwert des oberen Frequenzbereichs übersteigt, die Energiezufuhr für die Heiz vorrichtung unterbrochen oder gedrosselt wird, während in der Abkühlphase nach dem Zeitpunkt, an dem der Mittelwert des oberen Frequenzbereichs den Mittelwert des unteren Frequenz bereichs übersteigt, die Energiezufuhr wieder aufgenommen oder erhöht wird.
2. Verfahren nach zumindest einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der untere Frequenzbereich unterhalb
von 1000 Hz liegt, während der obere Frequenzbereich darüber
liegt.
3. Verfahren nach zumindest einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb eines Frequenzbereiches
die Amplituden von 3 bis 10 Frequenzen oder Frequenzintervallen
gemessen werden.
4. Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeich
net, daß der oder die Sensoren (10) an der das Gargefäß (7) tra
genden Vorrichtung der Kochstelle (1) angeordnet sind.
5. Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeich
net, daß der oder die Sensoren (10) als Mikrofone und/oder Be
schleunigungsaufnehmer ausgebildet sind.
6. Verfahren nach zumindest einem der vorangegangen Ansprüche
mit einer Glaskeramikplatte als Kochstelle, dadurch gekennzeich
net, daß der oder die Sensoren (10) an der Unterseite der Glas
keramikplatte (1) angeordnet sind.
7. Verfahren gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der
oder die Sensoren (10) außerhalb der aufheizbaren Zone der Glas
keramikplatte (Kochzone) angeordnet sind.
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