BRPI0904576A2 - método para controlar o sistema de aquecimento por indução de um dispositivo de cozimento - Google Patents
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Abstract
MéTODO PARA CONTROLAR O SISTEMA DE QUECIMENTO POR INDUçãO DE UM DISPOSITIVO DE COZIMENTO. A presente invenção refere-se a um método para controlar um istema de aquecimento indutivo de um fogão fornecido com uma bobina de ndução, particularmente para controlar em conexão com uma condição de uncionamento predeterminada, compreende avaliar o valor de energia ab- orvida pelo sistema, medir pelo menos uma temperatura indicativa do esta- o térmico de pelo menos um elemento do sistema de aquecimento, alimen- ar o valor de energia avaliado em um modelo de computação capaz de for- ecer um valor estimado de temperatura, comparar a temperatura medida om a temperatura estimada e ajustar o modelo de computador com base m tal comparaçao.
Description
Relatório Descritivo da Patente de invenção para "MÉTODOPARA CONTROLAR O SISTEMA DE AQUECIMENTO POR INDUÇÃO DEUM DISPOSITIVO DE COZIMENTO".
A presente invenção refere-se a um método para controlar o sis-tema de aquecimento por indução de um fogão fornecido com uma bobinade indução, particularmente para controlar em conexão com uma condiçãode funcionamento predeterminada.
Mais especificamente, a invenção refere-se a um método paraestimar a temperatura de um utensílio de cozimento colocado no fogão e atemperatura do alimento contido no mesmo, bem como a massa alimentícia.
Com o termo "sistema de aquecimento" entende-se somente abobina de indução, o circuito de acionamento da mesma e a placa de cerâ-mica vítrea ou similar, em que o utensílio de cozimento é colocado, mastambém o utensílio de cozimento propriamente dito, o conteúdo de alimentodo mesmo e qualquer elemento do sistema. Na verdade, nos sistemas deaquecimento por indução é quase impossível fazer uma distinção entre oelemento de aquecimento, em um lado, e o utensílio de cozimento, no outrolado, desde que o utensílio de cozimento propriamente dito seja uma parteativa do processo de aquecimento.
A necessidade crescente de desempenho de fogões em prepa-ração de alimentos é refletida na maneira que a tecnologia está mudando afim de satisfazer as exigências do consumidor.
As soluções técnicas relacionadas com a avaliação do derivadode temperatura de utensílio de cozimento ou "pote" são conhecidas da EP-A-1732357 e EP-A-1420613, mas nenhuma descreve uma estimativa quanti-tativa da temperatura do pote.
Informações sobre algoritmos referentes à estimativa de estado(Recursive Least Square, Filter Kalman, Extended Kalman Filter [EKF], etc.)estão disponíveis em literatura científica; nenhuma delas se refere a umaaplicação industrial focalizada em dispositivos de cozimento por indução.
É um objetivo da presente invenção fornecer um método de a-cordo com o qual a temperatura do pote/ou do alimento contido no mesmopode ser avaliada em uma maneira segura, particularmente com referência auma condição de aquecimento em que a temperatura tem que ser mantidasubstancialmente constante (condução de ebulição ou similar).
De acordo com a invenção, o objetivo acima é alcançado graçasaos aspectos listados nas reivindicações anexas.
O método de controle de acordo com a presente invenção é u-sado para estimar a temperatura do pote, panela ou chapa (no seguinte indi-cado simplesmente como "pote"), usado no fogão de indução, o estado ter-modinâmico do alimento dentro do pote (massa e temperatura/entalpia, en-tropia/energia interna/etc.) e a temperatura da bobina de indução pelo co-nhecimento de uma estimativa de energia absorvida pelo dispositivo e pelomenos uma informação de temperatura (vidro, bobina, pote, etc.).
Vale salientar que a energia estimada pode ser medida, assumi-da igual a uma referência predeterminada, ou estimada por uma ou maismedições elétricas.
Em geral, a segurança de estimativa (grosseiramente tal segu-rança poderia se assumida como uma função da diferença entre o valor reale o valor estimado) fica cada vez melhor quando o número de temperaturasmedidas aumenta.
A temperatura de pote estimada pode ser usada, por exemplo,para monitorar ou controlar a dita temperatura; a temperatura de alimentoestimado pode ser usada, por exemplo, para monitorar ou controlar a ditatemperatura ou fase de cozimento (como detecção de ebulição, controle deebulição, particularmente no caso em que o alimento é água ou um líquidosimilar). A massa alimentícia estimada poderia ser usada, por exemplo, paramonitorar ou controlar a fase de cozimento. A temperatura de bobina esti-mada poderia ser usada, por exemplo, para evitar danos.
Qualquer propósito do método de acordo com a invenção écompensar fatores diferentes de ruído que afetam a avaliação da temperatu-ra de pote ou do alimento contido no mesmo, e de sua massa também. Al-guns fatores de ruído que podem afetar tal estimativa são, por exemplo, atemperatura de pote/alimento inicial e massa alimentícia inicial, a flutuaçãode voltagem de grade elétrica, as tolerâncias/orientação dos componentes, ouso de potes diferentes e os movimentos possíveis do pote a partir de suaposição original.
Aspectos adicionais e vantagens de acordo com a presente in-venção tornar-se-ão mais claros a partir da descrição detalhada seguintecom referência aos desenhos anexos em que:
a figura 1 é uma vista esquemática de um fogão de indução;
a figura 2 é um esboço mostrando como funciona o modelo deacordo com a invenção;
a figura 3 é uma vista esquemática de uma implementação pos-sível do método de acordo com a invenção;
a figura 4 mostra dois diagramas comparando as temperaturasrelevantes reais (pote e água) e sua estimativa de acordo com a invenção;
a figura 5 é uma figura similar à figura 4 e se refere a uma com-paração entre a massa de água real e a estimativa da mesma de acordocom o método da invenção; e
a figura 6 e uma figura similar às figuras 4 e 5 e se refere a umacomparação entre o fluxo de massa real e a estimativa do mesmo.
Com referência à figura 2, uma estimativa da Energia P(t) ab-sorvida pelo dispositivo está disponível (isto é, a energia é medida, a energiaé assumida igual a uma referência, a energia é estimada com base em umaou mais medições elétricas). Uma (ou mais) medição de temperatura T1 (t) érealizada. Tal temperatura pode ser a temperatura da superfície de cerâmicavítrea (como indicado por referência T_vidro na figura 1), ou a temperaturada bobina de indução ou qualquer outra temperatura de um elemento do sis-tema de aquecimento de indução.
Um modelo matemático, baseado em um equilíbrio térmico totaldo sistema, provê pelo menos uma estimativa da temperatura (ou temperatu-ras) T1^), T2 (ή, T3 (ή,... do mesmo elemento para o qual a temperatura foi me-dida usando a estimativa de energia; o modelo pode também fornecer esti-mativa de outra variável de estado (entalpia, entropia, energia interna, etc.).
Qualquer tipo de algoritmo que ajusta em linha o modelo mate-mático em função da diferença entre a temperatura estimada e medida podeser usado, de acordo com a presente invenção.
O ajuste on-line do modelo representa uma maneira de compen-sar a incerteza do estado inicial - isto é se o modelo é baseado em equaçõesdiferenciais, o estado inicial da solução é exigido, mas poderia ser desco-nhecido; erros de medição (medição é normalmente afetada por ruídos); in-certezas de modelo (isto é, cada modelo é uma representação simplificadada realidade e assim é sempre afetado por "incertezas de modelo").
A capacidade em compensar este tipo de incertezas e erros vemde um modelo baseado na abordagem que combina o modelo e a ajuste domesmo por um retrocesso na diferença entre predição e medidas. Muitosalgoritmos estão disponíveis na literatura para fixar estes tipos de problemas(Recursive Least Square, Kalman Filter, Extended Kalman Filter [EKF], etc.).
Seguindo a abordagem geral acima, um exemplo possível deimplementação do método no caso em que o conteúdo do pote é água, émostrado na figura 3, de acordo com a qual o método é também capaz defornecer a estimativa de massa de água. Neste exemplo específico, o méto-do proposto funciona como segue.
A energia absorvida na bobina P(t) pela exigência do usuário éestimada (assumir p(t) = const.)\ as temperaturas do vidro e da bobinaTvidro (/), Thomna (í) são medidas; é usado o modelo matemático simplificadodescrito pelas equações diferenciais seguintes; a fim de completar o métodoproposto neste exemplo, o método EKF é usado como algoritmo de ajusteem linha.
As equações do modelo propostas para este exemplo são comosegue:
<formula>formula see original document page 5</formula>onde:
cBOBina Capacidade térmica equivalente da Bobina;
cv!dro Capacidade térmica equivalente do Vidro;
Cpote Capacidade térmica equivalente do Pote;
cw Capacidade térmica específica da água;
Tbobina Temperatura da bobina;
Tvidro Temperatura do vidro;
Tpote Temperatura do pote;
Tàgua Temperatura da água;
migua Massa de água;
P Energia ativa total absorvida na bobina;
hCA coeficiente de transferência de calor da bobina para ar multipli-
cado pela superfície relativa;hGA coeficiente de transferência de calor do vidro para ar multiplicado
pela superfície relativa;hPA coeficiente de transferência de calor do pote para ar multiplicado
pela superfície relativa;hWA coeficiente de transferência de calor da água para ar multiplica-
do pela superfície relativa;Zjgc coeficiente de transferência de calor do vidro para bobina multi-
plicado pela superfície relativa;hPG coeficiente de transferência de calor do pote para vidro multipli-
cado pela superfície relativa;hpw coeficiente de transferência de calor do pote para água multipli-
cado pela superfície relativa;Ptv (Tiv) tensão de superfície na temperatura Tw;
A(Pest) calor latente de evaporação de água na pressãoPeslHvs(fLr) entalpia de vapor saturado na pressão Pest;a(k) função sigmoide.
Este exemplo de modelo fornece uma estimativa de diferentestemperaturas de interesse (neste caso Tbohma (/), Tvidro (/),Tpote (/), Tdgua (/)), pelomenos uma das quais deve ser mensurável (Tbobina(t\Tvidro(t)), a estimativa damassa de água (mágua(t)), e usa a energia estimada absorvida na bobina(P(t)). Os mesmos resultados podem ser obtidos usando apenas outra tem-peratura medida in outros locais.
Portanto, de acordo com o exemplo acima, o esboço geral dafigura 2 é modificado como na figura 3, onde o elemento "K" representa aMatriz Kalman.
Para a estrutura experimental a requerente escolheu:
1 [kg] de água a 21 [°] Tágua(t = 0)=2l[°]
Pote em 21 [°] Tpote(/ = O)= 21[°]
As condições iniciais usadas pela requerente (no modelo) paratestar o método são como segue:
<formula>formula see original document page 7</formula>
Nas condições iniciais acima, a requerente dividiu em duas par-tes:
- a primeira é composta pela informação medida (Tbobina (t) TviCiro(t))em cada tempo, assim também no começo;
- a segunda, em vez disto, é composta por informação indisponí-vel: algumas suposições devem ser feitas introduzindo, como já foi dito, al-gum tipo de incertezas. A seguir ficará claro que o método é capaz de com-pensar esta falta de informação. Os valores foram escolhidos com o objetivode mostrar a capacidade do método proposto para compensar a diferençaentre as condições iniciais e a temperatura real e a massa de água do sis-tema no começo do processo.
Os resultados do algoritmo são mostrados nas figuras 4 a 6.
A presente invenção pode ser usada para aperfeiçoar os de-sempenhos de um fogão de indução, para fornecer mais informação sobre oestado da fase de cozimento e permitir novos aspectos de produto. Em par-ticular os principais benefícios são:
- a temperatura de pote estimada pode ser usada, por exemplo,para monitorar e controlar a dita temperatura;
- conhecendo o tipo de alimento, o modelo de computação é ca-paz de detectar uma condição de funcionamento ótimo predeterminado, porexemplo, a temperatura ótima para a reação de Maillard (se o alimento écarne ou similar);
- a temperatura de alimento estimada pode ser usada, por e-xemplo, para monitorar ou controlar a dita temperatura ou fase de cozimento(como detecção de ebulição ou controle de ebulição no caso do "alimento"ser "água" ou tipo similar de líquidos);
- a massa de alimento estimado pode ser usado, por exemplo,para monitorar ou controlar a fase de cozimento;
- a temperatura de bobina estimada pode ser usada, por exem-plo, para impedir danos à bobina de indução.
Mesmo se o método de controle de acordo com a presente in-venção é primariamente para aplicações em fogões ou similares, pode serusado em fornos de indução também.
Claims (12)
1. Método para controlar um sistema de aquecimento indutivo deum fogão fornecido com uma bobina de indução, particularmente para con-trolar em conexão com uma condição de funcionamento predeterminada,caracterizado pelo fato de que compreende avaliar o valor de energia absor-vida pelo sistema, medir pelo menos uma temperatura indicativa do estadotérmico de pelo menos um elemento do sistema de aquecimento, alimentar ovalor de energia avaliado em um modelo de computação capaz de fornecerum valor estimado de temperatura, comparar a temperatura medida com atemperatura estimada e ajustar o modelo de computador com base em talcomparação.
2. Método, de acordo com a reivindicação 1, em que o modelode computação é capaz de fornecer uma temperatura estimada do utensíliode cozimento colocado no fogão e/ou do alimento contido no mesmo.
3. Método, de acordo com a reivindicação 2, em que o alimentoé água ou líquido similar, em que a condição de funcionamento predetermi-nada é uma condição de ebulição.
4. Método, de acordo com a reivindicação 1, em que conhecen-do o tipo de alimento, o modelo de computação é capaz de detectar umacondição de funcionamento predeterminada.
5. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações pre-cedentes, em que o valor da energia absorvida pelo sistema é medida.
6. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, em que o valor da energia absorvida pelo sistema é assumido igual a umvalor de referência predeterminado.
7. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, em que o valor da energia absorvida pelo sistema é estimado com baseem uma ou mais medidas de parâmetros elétricos do sistema.
8. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações pre-cedentes, em que ele compensa pelo menos um dos seguintes: as incerte-zas de estado(s) inicial em temperaturas e massa, a variação de um utensí-lio de cozimento para outro, qualquer movimento do utensílio de cozimento,ruídos elétricos ou combinação dos mesmos.
9. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações pre-cedentes, em que estima pelo menos outro parâmetro do modelo de compu-tação diferente de temperatura.
10. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicaçõesprecedentes, em que o modelo de computação usa um ou mais valores me-didos elétricos para aperfeiçoar o controle de desempenhos.
11. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicaçõesprecedentes, em que o modelo de computação usa as equações seguintes:<formula>formula see original document page 10</formula>Capacidade térmica equivalente da Bobina;Capacidade térmica equivalente do Vidro;Capacidade térmica equivalente do Pote;Capacidade térmica específica da água;Temperatura da bobina;Temperatura do vidro;Temperatura do pote;Temperatura da água;Massa de água;Energia ativa total absorvida na bobina;coeficiente de transferência de calor da bobina para ar;coeficiente de transferência de calor do vidro para ar;coeficiente de transferência de calor do pote para ar;coeficiente de transferência de calor da água para ar;coeficiente de transferência de calor do vidro para bobina;coeficiente de transferência de calor do pote para vidro;coeficiente de transferência de calor do pote para água;tensão de superfície na temperatura Tw;calor latente de evaporação de água na pressão Pestentalpia de vapor saturado na pressão Pest;função sigmoide.
12. Dispositivo de cozimento compreendendo um sistema deaquecimento por indução com uma bobina de indução e um circuito de con-trole, caracterizado pelo fato de que o circuito de controle é adaptado paramedir pelo menos uma temperatura indicativa do estado térmico de pelomenos um elemento do sistema de aquecimento e compreende um modelode computação adaptado para ser alimentado com valor avaliado da energiaabsorvida pelo sistema, tal modelo de computação sendo adaptado parafornecer um valor de temperatura estimado e comparar tal valor com a tem-peratura medida a fim de ajustar o modelo de computação com base em talcomparação.
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