EP2153698B1

EP2153698B1 - Verfahren zur kochfeldsteuerung und kochfeld zur durchführung des verfahrens

Info

Publication number: EP2153698B1
Application number: EP08758993A
Authority: EP
Inventors: Holger Ernst; Uwe Femmer; Sonja Heitmann; Thomas KRÜMPELMANN
Original assignee: Miele und Cie KG
Current assignee: Miele und Cie KG
Priority date: 2007-06-05
Filing date: 2008-06-04
Publication date: 2010-08-25
Anticipated expiration: 2028-06-04
Also published as: US20100181302A1; ATE479316T1; EP2153698A1; WO2008148529A1; US8581159B2; DE502008001220D1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kochfeldsteuerung, mit einer Kochfeldplatte, insbesondere aus Glaskeramik, mit wenigstens einer Kochzone, die mittels einer in der Einbaulage des Kochfelds unterhalb der Kochfeldplatte angeordneten Induktions-Heizeinrichtung beheizbar ist, mit einer elektrischen Steuerung mit Verarbeitungseinheit und Speicher und mit unterhalb der Kochfeldplatte im Bereich eines zur Umgebung hin begrenzten Messfleckes angeordneten Wärmesensoreinheiten, wobei mit der ersten Wärmesensoreinheit im Wesentlichen ein im Bereich der Kochzone allein von der Kochfeldplatte und mit der zweiten und dritten Wärmesensoreinheit im Wesentlichen ein im Bereich der Kochzone von der Kochfeldplatte und einem darauf abgestellten Kochgeschirr nach unten ausgehender Wärmestrom detektiert wird, sowie mit einer Lichtquelle zur Durchführung einer Reflexionsmessung über wenigstens einen Wärmesensor zur Bestimmung des Emissionsgrades ε_Kochgeschirr des Kochgeschirrbodens eines auf der Kochfeldplatte abgestellten Kochgeschirrs sowie ein Kochfeld zur Durchführung des Verfahrens.
Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise aus der DE 10 2004 002 058 B3 bekannt. Das bekannte Verfahren steuert einen Kochprozess bei einem Kochfeld, mit einer Kochfeldplatte, insbesondere aus Glaskeramik, die senkrecht zu deren Hauptausdehnungsrichtungen eine durch eine flächige Ober- und Unterseite begrenzte Materialstärke s aufweist, mit wenigstens einer Kochzone, die mittels einer in der Einbaulage des Kochfelds unterhalb der Kochfeldplatte angeordneten Heizeinrichtung beheizbar ist, mit einer elektrischen Steuerung zur Steuerung der Heizleistung der Heizeinrichtung und mit unterhalb der Kochfeldplatte angeordneten Wärmesensoreinheiten.
Um die Heizleistung der Heizeinrichtung unter Berücksichtigung des Einflusses eines auf die Kochzone abgestellten Kochgeschirrs regeln zu können, schlägt das bekannte Verfahren vor, dass mit der ersten Wärmesensoreinheit im Wesentlichen ein im Bereich der Kochzone allein von der Kochfeldplatte und mit der zweiten und dritten Wärmesensoreinheit im Wesentlichen ein im Bereich der Kochzone von der Kochfeldplatte und einem darauf abgestellten Kochgeschirr nach unten ausgehender Wärmestrom detektiert wird. Die Wärmesensoreinheiten sind auf der Unterseite der Kochfeldplatte im Bereich eines begrenzten Messfleckes angeordnet, der zur Umgebung beispielsweise durch einen Messschacht bzw. Hohlleiter begrenzt ist. In Abhängigkeit der Ausgangssignale der Wärmesensoreinheiten wird die Kochgeschirrbodentemperatur T_Kochgeschirr ermittelt und in der elektrischen Steuerungseinrichtung mit Verarbeitungseinheit und Speicher zur Steuerung bzw. Regelung der Heizleistung der Heizeinrichtung ausgewertet.
Gemäß dem bekannten Verfahren ist es nicht unbedingt erforderlich, hierfür den Emissionsgrad des Kochgeschirrbodens ε_Kochgeschirr zu kennen. Die Berücksichtigung des Emissionsgrad des Kochgeschirrbodens würde jedoch zu einem genaueren Messergebnis der Kochgeschirrbodentemperatur T_Kochgeschirr führen. In der DE 10 2004 002 058 B3 wird zur Bestimmung von ε_Kochgeschirr deshalb vorgeschlagen, eine Reflexionsmessung durchzuführen. Dieses Verfahren führt zu genaueren Messergebnissen zur Bestimmung der Kochgeschirrbodentemperatur, wenn der Transmissionskoeffizient der Kochfeldplatte bekannt ist und konstant bleibt. Im bestimmungsgemäßen Gebrauch der Kochfeldplatte ist jedoch der Transmissionskoeffizient der Kochfeldplatte durch Verschmutzung veränderbar. Bei einer verschmutzten Kochfeldplatte ist die Transmission verringert, was zu einer fehlerhaften Bestimmung von ε_Kochgeschirr führt. Damit wird auch das Messergebnis der Kochgeschirrbodentemperatur verfälscht.
Der Erfindung stellt sich somit das Problem ein Verfahren zur Kochfeldsteuerung anzugeben, bei dem die Kochgeschirrtemperatur unter Berücksichtigung des Einflusses des Emissionsgrades des Kochgeschirrs und des Transmissionsgrades der Kochfeldplatte möglichst exakt ermittelbar und für die Kochfeldsteuerung hinsichtlich der Steuerung der Leistung der Induktionsbeheizung auszuwerten ist.
Der Erfindung stellt sich darüber hinaus das Problem ein Kochfeld zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens anzugeben.
Erfindungsgemäß wird dieses Problem durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie ein Kochfeld mit den Merkmalen des Anspruch 2 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgenden Unteransprüchen.
Die mit der Erfindung erreichbaren Vorteile bestehen insbesondere in der verbesserten Genauigkeit der Steuerung eines Kochprozesses bei einem Kochfeld. Dies wird durch eine verbesserte Genauigkeit der Bestimmung der an dem Kochgeschirrboden und damit dem Kochgeschirr tatsächlich vorhandenen Temperatur T_Kochgeschirr unter Berücksichtigung des Einflusses des Emissionsgrades des Kochgeschirrs sowie des durch Verunreinigungen der Kochfeldplatte veränderten Transmissionskoeffizienten erreicht.
Der Emissionsgrad des Kochgeschirrs wird zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorzugsweise messtechnisch über die zweite Wärmesensoreinheit mittels einer Reflexionsmessung des von einer Lichtquelle ausgehenden und gegen den Kochgeschirrboden gerichteten Lichtstrahls erfasst. Grundsätzlich ist es auch möglich, hierzu eine weitere Wärmesensoreinheit zu verwenden.
Es ist ebenfallsmöglich, den Emissionsgrad des Kochgeschirrs bzw. des Kochgeschirrbodens ε_Kochgeschirr vorzugeben und dabei auf einen üblichen Mittelwert, beispielsweise ε_Kochgeschirr= 0,5, festzulegen und als Speicherwert in der Steuerung zu hinterlegen.
Der Transmissionskoeffizient der Kochfeldplatte ist als Wert bekannt und in der Steuerung als Speicherwert hinterlegt. Der Einfluss einer evtl. durch Verschmutzung der Kochfeldplatte herbeigeführten Veränderung des Transmissionskoeffizienten wird durch die oben beschriebene Reflexionsmessung und Bestimmung des Emissionsgrades des Kochgeschirrs bzw. des Kochgeschirrbodens ε_Kochgeschirr ebenfalls berücksichtigt.
Die Kochgeschirrbodentemperatur T_Kochgeschirr wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren während der Garphase aus dem Verhältniswert der beiden Ausgangssignale der zweiten und der dritten Wärmesensoreinheit sowie einem Korrekturwert aus dem Ausgangssignal der ersten Wärmesensoreinheit ermittelt.
Grundsätzlich sind die Wärmesensoreinheiten nach Art, Anordnung und Messbereich in weiten geeigneten Grenzen wählbar. Deshalb ist es möglich, dass mit der ersten Wärmesensoreinheit beispielsweise nur der mittels Wärmeleitung von der Kochfeldplatte nach unten ausgehende Teil des Wärmestroms, beispielsweise mittels eines Berührungs-Temperaturfühlers, erfasst wird. Vorteilhafterweise ist es vorgesehen, dass die Wärmesensoreinheiten, insbesondere die zweite und dritte Wärmesensoreinheit, als ein Pyrometer ausgebildet sind. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die zweite und dritte Wärmesensoreinheit als Baueinheit zu einem einzigen Verhältnispyrometer zusammengefasst sind.
Eine hohe Messgenauigkeit wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren dadurch erreicht, dass die Kochfeldplatte im Bereich des Messflecks mittels der Zusatzheizung aufgeheizt wird und durch die über die erste Wärmesensoreinheit gemessene Temperatur auf T_Soll regelbar ist. Auf diese Weise ist gewährleistet, dass die Temperatur der Kochfeldplatte im Bereich des Messflecks etwa auf T_Soll gehalten wird. Der Wert für T_Soll entspricht einem angenommenen Wert für die Temperatur des Kochgeschirrs bzw. der Kochzone, der nach der Aufheizphase erreicht werden soll. Der Messfleck ist vorzugsweise im Zentrum der Kochzone vorgesehen. Eine dezentrale Anordnung des Messfecks, z.B. im Randbereich der Kochzone, ist ebenfalls möglich.
Die Zusatzheizung zur direkten Beheizung der Kochfeldplatte ist im Bereich des Messflecks in wärmeleitendem Kontakt mit deren Unterseite an dem Kochfeld angeordnet ist. Hierdurch ist der Wärmeübergang von der Zusatzheizung zu der Kochfeldplatte verbessert, so dass die Aufheizphase durch die Aufheizung der Kochfeldplatte im Bereich des Messflecks auf T_Soll nicht in ungewünschter Weise verlängert wird.
Im Bereich des Messflecks begrenzt ein Wellenleiter, insbesondere Hohlleiter, den Strahlenweg zwischen der Kochfeldplatte und den als Pyrometer ausgebildeten Wärmesensoreinheiten zur Umgebung hin. Auf diese Weise ist zum einen sichergestellt, dass die von der Kochfeldplatte und dem Kochgeschirr abgestrahlte Wärmestrahlung weitgehend verlustfrei zu den Wärmesensoreinheiten gelangt. Zum anderen wird Störstrahlung aus der Umgebung weitgehend abgeschirmt, so dass die Messergebnisse dadurch nicht in ungewünschter Weise beeinflusst werden.
Eine andere vorteilhafte und zu der vorgenannten Ausführungsform alternative Weiterbildung sieht vor, dass eine reflektierende Halbschale, insbesondere Ulbrichtkugel, den Strahlenweg zwischen der Kochfeldplatte und den als Pyrometer ausgebildeten Wärmesensoreinheiten zur Umgebung hin begrenzt, wobei die reflektierende Halbschale Durchbrüche für die vorgenannten Wärmesensoreinheiten aufweist. Im Vergleich zu der vorgenannten Ausführungsform ist die Mehrfachreflexion der von der Kochfeldplatte und dem Kochgeschirrboden in Richtung der vorgenannten Wärmesensoreinheiten ausgestrahlten Wärmestrahlung weiter erhöht, so dass die Eingangssignale der Wärmesensoreinheiten verstärkt werden, was zu einer verbesserten Signalqualität führt.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen rein schematisch dargestellt und wird nachfolgend näher beschrieben. Es zeigt

Figur 1: ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kochfelds in einer Seitenansicht,
Figur 2: ein Diagramm, das den Transmissiongrad T_KF-PI einer Kochfeldplatte des Koch- felds aus Fig. 1 in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ der elektromagnetischen Strahlung zeigt,
Figur 3: ein Diagramm, das die Korrelation zwischen der berechneten und der tatsäch- lichen Kochgeschirrbodentemperatur T_KG zeigt,
Figur 4: ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kochfelds in ähn- licher Darstellung wie in Fig. 1.

Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kochfelds. Das Kochfeld weist eine als Glaskeramikplatte ausgebildete Kochfeldplatte 1 auf, mit einer senkrecht zu deren Hauptausdehnungsrichtungen durch eine flächige Ober- und Unterseite 1.1 und 1.2 begrenzte Materialstärke s, mit wenigstens einer Kochzone 2, die mittels einer in der Einbaulage des Kochfelds unterhalb der Kochfeldplatte 1 angeordneten Induktions-Heizeinrichtung 3 beheizbar ist. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel handelt es sich um ein Kochfeld mit insgesamt vier Kochzonen 2, von denen in der Zeichnung lediglich eine einzige Kochzone 2 dargestellt und erläutert ist. Die nachfolgenden Ausführungen gelten jedoch gleichermaßen für die übrigen, nicht dargestellten Kochzonen 2 des Kochfelds. Unterhalb der Kochfeldplatte 1 ist eine Sensorbaueinheit 4 angeordnet, die eine erste, zweite und dritte Wärmesensoreinheit 4.1, 4.2, 4.3 umfasst, wobei die drei Wärmesensoreinheiten 4.1 bis 4.3 hier jeweils als Pyrometer ausgebildet sind. Die zweite und die dritte Wärmesensoreinheit 4.2, 4.3 bilden zusammen ein an sich bekanntes Quotientenpyrometer. Die Sensorbaueinheit 4 ist vorzugsweise im Zentrum der Kochzone 2 unterhalb der Kochfeldplatte 1 angeordnet. Dieser Bereich wird als Messfleck 5 bezeichnet. Eine dezentrale Anordnung der Sensorbaueinheit 4 bzw. des Messfecks, z.B. im Randbereich der Kochzone, ist ebenfalls möglich.
Die erste Wärmesensoreinheit 4.1 ist zur Messung des im Bereich der Kochzone 2 im Wesentlichen allein von der Kochfeldplatte 1 nach unten ausgehenden Wärmestroms ausgebildet, während die zweite und dritte Wärmesensoreinheit 4.2, 4.3 jeweils zur Messung des im Bereich der Kochzone 2 im Wesentlichen von der Kochfeldplatte 1 und von einem darauf abgestellten Kochgeschirr 6 nach unten ausgehenden Wärmestroms ausgebildet sind, was nachfolgend näher erläutert wird. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Messbereich der ersten Wärmesensoreinheit 4.1 auf die Messung von Wärmestrahlung in einem ersten Wellenlängenbereich x, hier etwa 5 bis etwa 6 µm, begrenzt. Der Messbereich der zweiten und der dritten Wärmesensoreinheit 4.2, 4.3 ist auf die Messung von Wärmestrahlung in einem zweiten und einem dritten Wellenlängenbereich y und z, hier etwa 3 µm bis etwa 3,6 µm und etwa 3,7 µm bis etwa 4,2 µm, begrenzt. Für die Funktion des Quotientenpyrometers mit den Wärmesensoreinheiten 4.2 und 4.3 ist es wichtig, dass sich der zweite und der dritte Wellenlängenbereich y und z voneinander unterscheiden und gleichzeitig nah beieinander liegen. Ferner sollten die beiden Wellenlängenbereiche y und z derart groß gewählt werden, dass die Eingangssignale der Wärmesensoreinheiten 4.2 und 4.3 für die weitere Verarbeitung genügend groß sind. Deshalb decken beide Wellenlängenbereiche y und z nicht nur Wellenlängen ab, für die der Transmissionsgrad der Kochfeldplatte 1 möglichst groß ist, was aus der nachfolgend noch näher erläuterten Fig. 2 deutlich erkennbar ist.
Wird abweichend von dem vorgenannten Ausführungsbeispiel eine bezüglich des Transmissionsgrads inhomogene Kochfeldplatte 1 verwendet, ist es ausreichend, dass die Kochfeldplatte 1 im Bereich der Kochzone 2 wenigstens in dem Erfassungsbereich der ersten Wärmesensoreinheit 4.1 einen möglichst geringen und in dem Erfassungsbereich der zweiten und dritten Wärmesensoreinheit 4.2, 4.3 einen möglichst hohen Transmissionsgrad für Wärmestrahlung aufweist.
Die Wärmesensoreinheiten 4.1 bis 4.3 der Sensorbaueinheit 4 und die Induktions-Heizeinrichtung 3 sind mit einer elektrischen Steuerung 7, die eine Verarbeitungseinheit 7.1 und einen Speicher 7.2 aufweist, in Signalübertragungsverbindung. Die Signalübertragungsverbindung ist in Fig. 1 durch einen gestrichelten Doppelpfeil 8 symbolisiert.
Um die Heizleistung der Heizeinrichtung 3 des erfindungsgemäßen Kochfelds möglichst genau steuern oder regeln zu können, ist es erforderlich, die Temperatur des auf der Kochzone 2 abgestellten Kochgeschirrs 6 zu ermitteln, was nachfolgend noch näher erläutert wird. Da die Wärmestrahlung des Kochgeschirrbodens 6.1 jedoch auch von dessen Emissionsgrad ε_Kochgeschirr abhängig ist, ist es deshalb ebenfalls erforderlich, den Emissionsgrad des Kochgeschirrbodens 6.1 ε_Kochgeschirr vorzugeben und in dem Speicher 7.2 abzuspeichern oder während des Kochvorgangs zu messen und für eine Verarbeitung in der Verarbeitungseinheit 7.1 zur Verfügung zu stellen. Grundsätzlich ist es möglich, hierzu eine weitere Wärmesensoreinheit zu verwenden. Alternativ wird in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel hierfür die zweite Wärmesensoreinheit 4.2 verwendet. Das erfindungsgemäße Kochfeld weist zu diesem Zweck ferner eine Lichtquelle 9 auf. Die Bestimmung des Emissionsgrades ε_Kochgeschirr des auf der Kochzone 2 abgestellten Kochgeschirrs 6 bzw. Kochgeschirrbodens 6.1 erfolgt vorzugsweise mittels einer Reflexionsmessung.
Um den Einfluss von direkter und indirekter Störstrahlung auf die Ausgangssignale der Wärmesensoreinheiten 4.1 bis 4.3 zu verringern und gleichzeitig die an die Wärmesensoreinheiten 4.1 bis 4.3 abgestrahlte Wärmestrahlung mittels Mehrfachreflexion zu verstärken, weist das erste Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kochfelds einen von innen mit einer die Wärmestrahlung reflektierenden Beschichtung, beispielsweise einer Goldschicht, verspiegelten und als Hohlleiter ausgebildeten Wellenleiter 10 auf. Der Wellenleiter 10 (Hohlleiter) begrenzt den Strahlengang zwischen der Kochfeldplatte 1 und den als Pyrometer ausgebildeten Wärmesensoreinheiten 4.1 bis 4.3 zur Umgebung hin. Die von der Kochfeldplatte 1 und dem Kochgeschirr 6 abgestrahlte Wärmestrahlung ist in Fig. 1 durch Pfeile symbolisiert. Es handelt sich dabei lediglich um eine symbolische Darstellung, da der tatsächliche Strahlengang aufgrund der auftretenden Mehrfachreflexion viel komplexer ist.
Im Bereich des Messfleckes 5 ist eine Zusatzheizung 11, z.B. ein Widerstandsheizkörper, angeordnet. Die Zusatzheizung 11 ist zwecks wärmeleitenden Kontakts mit der Kochfeldplatte 1 direkt an deren Unterseite 1.2 angeordnet. Auf diese Weise ist die direkte Beheizung der Kochfeldplatte 1 im Bereich des Messfleckes 5 durch die Zusatzheizung 11 besonders effektiv gestaltet. Zur Regelung der Zusatzheizung 11 ist diese mit der elektrischen Steuerung 7 ebenfalls signalübertragend verbunden. Die Zusatzheizung 11 kann ais ringförmig ausgebildetes Bauelement den Bereich des Messfleckes 5 umschließen (siehe Figur 1). Es ist auch möglich, die Zusatzheizung innerhalb des Messfleckes 5 anzuordnen (nicht dargestellt).
In Fig. 2 ist ein Diagramm dargestellt, dass den Transmissionsgrad T_{Kochfeldplatte}, abgekürzt T_KF-PI, eines erfindungsgemäßen Kochfelds in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ der elektromagnetischen Strahlung am Beispiel der als Glaskeramikplatte ausgebildeten Kochfeldplatte 1 des vorliegenden Ausführungsbeispiels zeigt. Wie bereits anhand von Fig. 1 erläutert, sind die Messbereiche der Wärmesensoreinheiten 4.1 bis 4.3 auf den Transmissionsgrad T_{Kochfeldplatte} der für das erfindungsgemäße Kochfeld verwendeten Kochfeldplatte 1 derart abgestimmt, dass der Messbereich der ersten Wärmesensoreinheit 4.1 auf einen ersten Wellenlängenbereich x begrenzt ist, für den die Kochfeldplatte 1 einen Transmissionsgrad von weniger als 20 %, insbesondere annähernd 0% ist. Der Messbereich der zweiten und dritten Wärmesensoreinheit 4.2, 4.3 ist auf einen zweiten und dritten Wellenlängenbereich y und z begrenzt, für den die Kochfeldplatte 1 einen möglichst hohen Transmissionsgrad T_{Kochfeldplatte} aufweist und gleichzeitig die bereits oben erläuterten Bedingungen für den Einsatz eines Quotientenpyrometers erfüllt sind.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachfolgend anhand der Fig. 1 bis 4 näher erläutert:

In der Verarbeitungseinheit 7.1 wird auf an sich bekannte Weise aus den Ausgangssignalen der beiden Wärmesensoreinheiten 4.2, 4.3 fortlaufend oder in vorher festgelegten zeitlichen Abständen ein Verhältniswert gebildet. Um die Genauigkeit der Steuerung oder Regelung der Heizleistung bei dem erfindungsgemäßen Kochfeld zu verbessern, ist es erforderlich, den Emissionsgrad des Kochgeschirrs 6 bzw. des Kochgeschirrbodens 6.1 ε_Kochgeschirr zu berücksichtigen.

Deshalb wird der aus den Ausgangssignalen der Wärmesensoreinheiten 4.2 und 4.3 ermittelte Verhältniswert in der Verarbeitungseinheit 7.1 wie folgt weiter verarbeitet:

Die von den Wärmesensoreinheiten 4.2 und 4.3, also dem Quotientenpyrometer, empfangene Wärmestrahlung M setzt sich aus drei Strahlungsanteilen zusammen, nämlich aus Anteil a, der Wärmestrahlung der Kochfeldplatte 1, Anteil b, der Wärmestrahlung vom Kochgeschirrboden 6.1 und Anteil c, der Wärmestrahlung von der Kochfeldplatte 1, die an dem Kochgeschirrboden 6.1 reflektiert und durch die Kochfeldplatte 1 in Richtung der Wärmesensoreinheiten 4.2, 4.3 transmittiert wird.

Demnach ergibt sich der Verhältniswert wie folgt: $V = \frac{M_{4.2}}{M_{4.3}} = \frac{M^{Anteil a} 4.2 + M^{Anteil b} 4.2 + M^{Anteil c} 4.2}{M^{Anteil a} 4.3 + M^{Anteil b} 4.3 + M^{Anteil c} 4.3}$

mit V= Verhältniswert, M= spezifische Wärmestrahlung.
Die Abhängigkeiten der einzelnen Strahlungsanteile von der Temperatur der Kochfeldplatte 1 T_{Kochfeldplatte}, dem Emissionsgrad des Kochgeschirrbodens 6.1 ε_Kochgeschirr und dem Emissionsgrad ε_{Kochfeldplatte} sowie dem Transmissionsgrad T_{Kochfeldplatte} der Kochfeldplatte 1 sind aus der nachfolgenden Gleichung ersichtlich, wobei F allgemein für eine mathematische Funktion steht. $V = \frac{F^{Anteil a} 4.2 (ε_{KF - Pl}, T_{KF - Pl}) + F^{Anteil b} 4.2 (ε_{KG}, T_{KG}, τ_{KF - Pl}) + F^{Anteil c} 4.2 (ε_{KF - Pl}, T_{KF - Pl}, ε_{KG}, τ_{KF - Pl})}{F^{Anteil a} 4.3 (ε_{KF - Pl}, T_{KF - Pl}) + F^{Anteil b} 4.3 (ε_{KG}, T_{KG}, τ_{KF - Pl}) + F^{Anteil c} 4.3 (ε_{KF - Pl}, T_{KF - Pl}, ε_{KG}, τ_{KF - Pl})}$
In der Gleichung wurden die Indizes aus Gründen der Übersichtlichkeit abgekürzt, nämlich Kochgeschirr mit KG und Kochfeldplatte mit KF-PI. Hierbei sei angemerkt, dass bei dem Anteil c der Reflexionsgrad= 1-Emissionsgrad ist, da der Transmissionsgrad des Kochgeschirrbodens näherungsweise gleich 0 gesetzt werden kann.
Nach einer Umformung der Gleichung (2) ergibt sich $V = \frac{ε_{KF - Pl} \cdot F^{* Anteil a} 4.2 (T_{KF - Pl}) + ε_{KG} \cdot τ_{KF - Pl} \cdot F^{* Anteil b} 4.2 (T_{KG}) + F^{Anteil c} 4.2 (ε_{KF - Pl}, T_{KF - Pl}, ε_{KG}, τ_{KF - Pl})}{ε_{KF - Pl} \cdot F^{* Anteil a} 4.3 (T_{KF - Pl}) + ε_{KG} \cdot τ_{KF - Pl} \cdot F^{* Anteil b} 4.3 (T_{KG}) + F^{Anteil c} 4.2 (ε_{KF - Pl}, T_{KF - Pl}, ε_{KG}, τ_{KF - Pl})}$

mit F*= aufgrund des Herausziehens der multiplikativen Faktoren geänderte Funktion. Hierbei ist zu beachten, dass aus der von Anteil c abhängigen Funktion F^Anteil für beide Wärmesensoreinheiten 4.2 und 4.3, Index 4.2 und 4.3, aufgrund der auftretenden Mehrfachreflexionen ε_Kochgeschirr, ε_{Kochfeldplatte} und T_{Kochfeldplatte} nicht aus der Klammer herausgezogen werden können.
Der Emissionsgrad ε_{Kochfeldplatte} und der Transmissionsgrad T_{Kohfeldplatte} der Kochfeldplatte 1 sind bekannt und sind in dem Speicher 7.2 für die weitere Verarbeitung des Vergleichswertes V hinterlegt. Die Temperatur der Kochfeldplatte 1 T_{Kochfeldplatte} wird während des Kochprozesses fortlaufend oder in vorher festgelegten Zeitabständen mittels der Wärmesensoreinheit 4.1 gemessen und liegt so ebenfalls für die weitere Verarbeitung des Vergleichswertes V vor. Gleiches gilt für den Emissionsgrad des Kochgeschirrbodens 6.1 ε_Kochgeschirr, der auf die oben erläuterte Weise ermittelt wird. Somit bleibt als einzige Unbekannte die Temperatur des Kochgeschirrbodens 6.1 T_Kochgeschirr übrig und kann somit berechnet werden.
Bei einer sauberen Kochfeldplatte 1, also wenn auf der Oberseite 1.1 keine Verschmutzungen vorhanden sind, ergibt sich der in Fig. 3 als Linie k dargestellte Zusammenhang zwischen der berechneten und der tatsächlichen Kochgeschirrbodentemperatur T_Kochgeschirr. Beide Temperaturen stimmen im Wesentlichen überein. Bei einer verschmutzten Oberseite 1.1, was im Betriebsfall immer vorkommen kann, wird der aus der an sich bekannten und bereits erläuterten Reflexionsmessung ermittelte Emissionsgrad des Kochgeschirrbodens 6.1 ε_Kochgeschirr durch die Abweichungen in den Eigenschaften der Kochfeldplatte 1, nämlich Emissionsgrad E_{Kochfeldplatte} und Transmissionsgrad T_{Kochfeldplatte}, verfälscht und entspricht somit nicht dem tatsächlichen Wert. Deshalb ergibt sich für die meisten Anwendungsfälle, also bei denen die Oberseite 1.1 der Kochfeldplatte 1 im Bereich der Kochzone 2 verschmutzt ist, eine gewisse Streuung des berechneten Wertes für die Kochgeschirrbodentemperatur T_Kochgeschirr. Siehe hierzu die Linien m, die den Streubereich begrenzen. Der Einfluss eines verfälschten Wertes für den Emissionsgrad des Kochgeschirrbodens 14.1 wird durch die Beheizung der Kochfeldplatte im Bereich des Messfleckes minimiert. Die Abweichungen zwischen dem berechneten Wert und dem tatsächlichen Wert für die Kochgeschirrbodentemperatur T_Kochgeschirr liegt deshalb in einer akzeptablen Größenordnung, so dass die Heizleistung der Heizeinrichtung 3 eines erfindungsgemäßen Kochfelds mit hoher Qualität und Reproduzierbarkeit gesteuert oder geregelt werden kann.
In einer einfacheren Ausführungsform, in der auf eine automatische Ermittlung des Emissionsgrades des Kochgeschirrbodens 6.1 ε_Kochgeschirr verzichtet wird, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, diesen analog zu dem Emissionsgrad ε_{Kochfeldplatte} und dem Transmissionsgrad T_{Kochfeldplatte} der Kochfeldplatte 1 vorher festzulegen, abzuspeichern und für die weitere Verarbeitung des Verhältniswerts V in der oben erläuterten Weise zu verwenden. Hierfür wird ein mittlerer Emissionsgrad des Kochgeschirrbodens 6.1 ε_Kochgeschirr, beispielsweise 0,5, gewählt. Auf diese Weise sind die Abweichungen bei Kochgeschirr mit einem geringeren oder einem höheren Emissionsgrad ε_Kochgeschirr nicht zu groß. Siehe hierzu beispielhaft die Linien o in Fig. 3.
Die nachfolgend genannten Alternativen und weiteren Ausführungsbeispiele zu dem oben genannten ersten Ausführungsbeispiel sind nur soweit erläutert, wie sich diese von dem ersten Ausführungsbeispiel unterscheiden.
Fig. 4 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel, bei dem anstelle eines als Hohlleiter ausgebildeten Wellenleiters 10 ein als Ulbrichtkugel ausgebildete, reflektierende Halbschale 12 verwendet wird. Aus Gründen der Übersicht wurde hier die vorhandene Heizeinrichtung 3, die Zusatzheizung 11 sowie die elektrische Steuerung 7 nicht dargestellt und der Bereich der Sensorbaueinheit 4 des Kochfelds stark vergrößert dargestellt. Die reflektierende Halbschale 12 weist Öffnungen 12.1, so dass der Strahlenweg zwischen der Kochfeldplatte 1 und dem Kochgeschirrboden 6.1 und den Wärmesensoreinheiten 4.1 bis 4.3 sowie der Lichtquelle 9 nicht in ungewünschter Weise blockiert ist. Die verwendete Ulbrichtkugel 12 weist eine innere Oberfläche 12.2 mit einem hohen Reflexionsgrad auf. Alternativ zu der Ulbrichtkugel 12 sind auch andere dem Fachmann bekannte und geeignete Formen einer reflektierenden Halbschale, beispielsweise ein Paraboloid-Ausschnitt, denkbar.
Während der Aufheizphase bei dem auf die o.g. Weise ausgebildeten Kochfeld wird das Kochgeschirr 6 mittels der Induktions-Heizeinrichtung 3 auf die gewünschte Temperatur aufgeheizt. Die Kochfeldplatte 1 wird im Bereich des Messfleckes 5 der Kochzone 2 durch die Zusatzheizung 11 auf T_soll aufgeheizt. Der Wert für T_Soll entspricht einem angenommenen Wert für die Temperatur des Kochgeschirrs, der nach der Aufheizphase erreicht werden soll. Die Überwachung von T_Soll erfolgt über den Wärmesensor 4.1. Am Boden des Kochgeschirrs 6 wird durch das Aufheizen mittels Induktionsheizung 3 eine Temperatur erreicht, die annähernd im Bereich von T_Soll liegt. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Kochfeldplatte 1 somit im Bereich des Messfleckes 5 auf einer annähernd gleichen Temperatur wie die für das Kochgeschirr 6 aufgeheizt und gehalten. Dadurch ist es möglich, die Kochfeldplatte 1 und das Kochgeschirr 6 messtechnisch näherungsweise als einen einzigen strahlenden Körper zu behandeln.
Dadurch ist die an sich bekannte Quotientenpyrometer-Temperaturmessung bei dem erfindungsgemäßen Kochfeld mit einer hohen Messgenauigkeit einzusetzen, da auch der mittels Reflexionsmessung bestimmte Emissionsgrad für das Kochgeschirr in der Berechnung für die Temperatur des Kochgeschirrbodens 6.1 mit berücksichtigt wird. Somit kann während einer auf die Aufheizphase folgenden Garphase, in der T_Soll mittels Temperaturregelungen sowohl für das Kochgeschirr 6 wie auch für die Kochfeldplatte 1 im Wesentlichen konstant gehalten wird, die Temperatur des Kochgeschirrbodens 6.1 T_Kochgeschirr aus dem o.g. Verhältniswert Vermittelt werden.
Nach Umstellung der Gleichung (1) ergibt sich: $T_{KG} = f (\frac{M_{4.2}}{M_{4.2}})$
mit T_Kochgeschirr= Temperatur des Kochgeschirrbodens 6.1 und f= allgemeine Abkürzung für eine Funktion. In der Gleichung wurde der Index aus Gründen der Übersichtlichkeit abgekürzt, nämlich Kochgeschirr mit KG.
Nach dem Erreichen von T_Kochgeschirr für die Kochzone 2 sowie T_Soll im Bereich des Messfleckes 5 wird die Kochgeschirrbodentemperatur T_Kochgeschirr in einer auf die Aufheizphase folgenden Garphase, beispielsweise einer Fortkochphase, allein in Abhängigkeit der Ausgangssignale der zweiten und dritten Wärmesensoreinheit 4.2 und 4.3 ermittelt. Dies ist unter der Voraussetzung möglich, dass die Temperatur im Bereich des Messfleckes 5 auf T_Soll = konstant gehalten wird. Dabei wird der aktuelle Verhältniswert V mit vorher festgelegten und in dem Speicher 7.2 abgespeicherten Referenzwerten für unterschiedliche Temperaturen T_Soll für das Kochgeschirr 6 verglichen. Ist der aktuelle Verhältniswert V geringer als der für T_Soll abgespeicherte Referenzwert, also die Kochgeschirrtemperatur zu niedrig, wird das Kochgeschirr 6 mittels der Induktions-Heizeinrichtung 3 weiter beheizt, bis T_KG=T_Soll ist. Ein solcher Fall könnte beispielsweise eintreten, wenn der Benutzer während eines Kochvorgangs zusätzliches, kaltes Wasser in das Kochgeschirr 6 einfüllt. Sollte der aktuelle Verhältniswert V größer als der Referenzwert sein, also die Kochgeschirrtemperatur zu hoch, wird die Heizleistung der Induktions-Heizeinrichtung 3 entsprechend reduziert. Die Kochfeldplatte 1 wird währenddessen im Bereich des Messfleckes 5 auf T_Soll gehalten. Anstelle Sollwerte für die Temperatur der Kochfeldplatte 1 /des Kochgeschirrs 6 T_Soll und Referenzwerte in einer Tabelle zu hinterlegen und abzuspeichern wäre auch die Hinterlegung einer mathematischen Formel denkbar.
Das erfindungsgemäße Kochfeld sowie das erfindungsgemäße Verfahren zur Kochfeldsteuerung kann in vielfältigster Weise angewendet werden und ausgebildet sein. So sind viele Kochfeldfunktionen denkbar, bei denen die Kochgeschirrtemperatur und/oder deren Steuerung/Regelung erforderlich oder vorteilhaft ist. Beispielsweise kann ein Überkochschutz realisiert sein, bei dem durch die vorgenannte Steuerung oder Regelung ein Überkochen wirksam verhindert ist. Gleiches gilt für das Einhalten einer auf das Gargut abgestimmten optimalen Brattemperatur. Ein Tastendruck genügt um den Koch- oder Bratvorgang zu starten. Der Benutzer wird bei Erreichen des Ankochzeitpunktes oder bei Erreichen der gewünschten Pfannentemperatur beispielsweise durch akustische und/oder optische Signale informiert und kann daher während des Koch- oder Bratvorgangs seine Aufmerksamkeit anderen Dingen im Haushalt zuwenden. Auch lässt sich durch die Kenntnis der Kochgeschirrtemperatur oder davon abhängiger Größen, wie beispielsweise deren Steigung oder deren zeitlicher Verlauf, eine Verkürzung der Aufheiz- und Garzeitdauer bei gleichzeitig verbessertem Schutz der Kochfeidplatte vor Überhitzung realisieren. Hierdurch ist beispielsweise sichergestellt, dass es zu keiner Beschädigung der Kochfeldplatte und evtl. benachbarter Küchenmöbel sowie des Kochgeschirrs selbst kommt. Dies könnte der Fall sein, wenn das Kochgeschirr leergekocht bzw. leer ist oder in dem Kochgeschirr befindliches Fett zu stark erhitzt würde. Somit lässt sich eine sogenannte Speed-Funktion realisieren, also die Möglichkeit, die Heizleistung während der Aufheizphase auf das individuelle Kochgeschirr und die darin befindliche Last, beispielsweise ein Fleischstück oder zu kochendes Wasser, anzupassen. Bei Kochgeschirr mit einer schlechteren Wärmeaufnahme und/oder mit einer großen Last wird die Kochzone dann während der Aufheizphase automatisch mit einer größeren mittleren Heizleistung beheizt als bei Kochgeschirr mit einer besseren Wärmeaufnahme und/oder einer kleineren Last. Ebenso ist es durch die Steuerung/Regelung der Heizleistung der Kochgeschirrbeheizung, also der Heizeinrichtung, direkt in Abhängigkeit der Kochgeschirrtemperatur möglich, den Schutz vor Leerkochen, Überkochen oder dergleichen durch eine automatische Sicherheitsabschaltung bei Erreichen einer vorher festgelegten Abschalttemperatur für das Kochgeschirr zu verbessern. Durch die direkte Abhängigkeit von der Kochgeschirrtemperatur ist die erforderliche Sicherheit gewährleistet, ohne dass dabei bei bestimmten Kochgeschirr, beispielsweise Kochgeschirr mit einer guten Wärmeaufnahme, die Heizleistung zu früh und damit unnötig reduziert wird. Hierdurch kann also die Aufheizphase verkürzt werden, ohne dass dabei die Sicherheit in ungewünschter Weise beeinflusst wird.
Ferner lässt sich eine sogenannte Hold-Funktion realisieren, bei der auf einen Tastendruck oder dergleichen des Benutzers die augenblickliche Kochgeschirrtemperatur für den weiteren Koch- oder Bratprozess automatisch beibehalten wird. Gleiches gilt für eine sogenannte Warmhaltefunktion, bei der auf die Eingabe des Benutzers hin die mittlere Heizleistung der betreffenden Kochzone automatisch auf einen vorher festgelegten Wert reduziert wird. Denkbar ist hier auch, dass die Kochgeschirrtemperatur auf einen vorher festgelegten, niedrigeren Wert, beispielsweise 30°C, geregelt wird. Dies hat gegenüber den bereits auf dem Markt verfügbaren Lösungen den Vorteil, dass nicht die Temperatur an der Unterseite der Kochfeldplatte, sondern die Temperatur des Kochgeschirrbodens für die Steuerung/Regelung der Heizleistung verwendet wird. Auf diese Weise können die an sich bekannte Hold-Funktion und Warmhaltefunktion bezüglich der Reaktionszeit der Steuerung/Regelung, beispielsweise bei einer Änderung in der Last durch Einfüllen von kaltem Wasser oder das Einlegen von einem großen Stück Fleisch in das Kochgeschirr, verbessert werden. Entsprechend der Vielfalt der Anwendungsmöglichkeiten ergeben sich auch sehr unterschiedliche Solltemperaturen für die Kochfeldplatte und das Kochgeschirr T_Soll.

Claims

Verfahren zur Kochfeldsteuerung, mit einer Kochfeldplatte (1), insbesondere aus Glaskeramik, mit wenigstens einer Kochzone (2), die mittels einer in der Einbaulage des Kochfelds unterhalb der Kochfeldplatte (1) angeordneten Induktions-Heizeinrichtung (3) beheizbar ist, mit einer elektrischen Steuerung (7) mit Verarbeitungseinheit (7.1) und Speicher (7.2) und mit unterhalb der Kochfeldplatte (1) im Bereich eines zur Umgebung hin begrenzten Messfleckes (5) angeordneten Wärmesensoreinheiten (4.1, 4.2, 4.3), wobei mit der ersten Wärmesensoreinheit (4.1) im Wesentlichen ein im Bereich der Kochzone (2) allein von der Kochfeldplatte (2) und mit der zweiten und dritten Wärmesensoreinheit (4.2, 4.3) im Wesentlichen ein im Bereich der Kochzone (2) von der Kochfeldplatte (1) und einem darauf abgestellten Kochgeschirr (6) nach unten ausgehender Wärmestrom detektiert wird, sowie mit einer Lichtquelle (9) zur Durchführung einer Reflexionsmessung über wenigstens einen Wärmesensor zur Bestimmung des Emissionsgrades (ε_Kochgeschirr des Kochgeschirrbodens (6.1) eines auf der Kochfeldplatte (1) abgestellten Kochgeschirrs (6),
dadurch gekennzeichnet,
dass
- die Kochfeldplatte (1) im Bereich der Kochzone (2) während einer Aufheizphase, in der das Kochgeschirr (6) durch die Induktions-Heizeinrichtung (3) aufgeheizt wird, auf eine vorher festgelegte Solltemperatur T_Kochgeschirr aufgeheizt wird,

- der Wert für den Emissionsgrad ε_Kochgeschirr des Kochgeschirrbodens im Speicher (7.2) hinterlegt wird,

- der Bereich des Messfleckes (5) durch eine Zusatzheizung (11) auf T_Soll aufgeheizt wird, wobei T_Soll wenigstens annähernd dem Solltemperaturwert für das Kochgeschirr T_Kochgeschirr entspricht
und dass nach dem Erreichen von T_Soll für den Messfleck (5) sowie T_Kochgeschirr für die Kochzone (2) in einer auf die Aufheizphase folgenden Garphase in der elektrischen Steuerung (7) aus den Ausgangssignalen der zweiten und der dritten Wärmesensoreinheit (4.2, 4.3) ein Verhältniswert gebildet wird, aus dem mittels der durch die erste Wärmesensoreinheit (4.1) an der Kochfeldplattenunterseite (1.2) gemessenen Temperatur T_{Kochfeldplatte} sowie dem Wert für den Emissionsgrad ε_Kochgeschirr des Kochgeschirrbodens die tatsächliche Kochgeschirrbodentemperatur T_Kochgeschirr ermittelt und in Abhängigkeit davon die Heizleistung der Heizeinrichtung (3) gesteuert oder geregelt wird.
Kochfeld zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 1, mit einer Kochfeldplatte (1), insbesondere aus Glaskeramik, die senkrecht zu deren Hauptausdehnungsrichtungen eine durch eine flächige Ober- und Unterseite (1.1, 1.2) begrenzte Materialstärke s aufweist, mit wenigstens einer Kochzone (2), die mittels einer in der Einbaulage des Kochfelds unterhalb der Kochfeldplatte (1) angeordneten Induktions-Heizeinrichtung (3) beheizbar ist, mit unterhalb der Kochfeldplatte (1) im Bereich eines zur Umgebung begrenzten Messfleckes angeordneten Wärmesensoreinheiten (4.1, 4.2, 4.3) sowie einer Lichtquelle (9) und mit einer elektrischen Steuerung (7) mit Verarbeitungseinheit (7.1) und Speicher (7.2), in der in Abhängigkeit der Ausgangssignale der Wärmesensoreinheiten (4.1, 4.2, 4.3) die Kochgeschirrbodentemperatur T_Kochgeschirr ermittelbar und damit die Heizleistung der Heizeinrichtung (3) steuer- oder regelbar ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Bereich des Messfleckes (5) mittels einer Zusatzheizung (11) beheizbar ist, wobei die Heizleistung der Zusatzheizung (11) über die elektrische Steuerung (7) steuer- oder regelbar ist.
Kochfeld nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Zusatzheizung (11) zur direkten Beheizung der Kochfeldplatte (1) in wärmeleitenden Kontakt mit der Unterseite (1.2) des Kochfeldes angeordnet ist.
Kochfeld nach einem der Ansprüche 4 oder 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass ein Wellenleiter (10), insbesondere Hohlleiter, den Strahlenweg zwischen der Kochfeldplatte (1) und den als Pyrometer ausgebildeten Wärmesensoreinheiten (4.1, 4.2, 4.3) und/oder einer Lichtquelle (9) zur Bestrahlung der Unterseite (1.2) der Kochfeldplatte (1) zur Umgebung hin begrenzt.
Kochfeld nach einem der Ansprüche 4 oder 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine reflektierende Halbschale (12), insbesondere Ulbrichtkugel, den Strahlenweg zwischen der Kochfeldplatte (1) und den als Pyrometer ausgebildeten Wärmesensoreinheiten (4.1, 4.2, 4.3) und/oder einer Lichtquelle (9) zur Bestrahlung der Unterseite (1.2) der Kochfeldplatte (1) zur Umgebung hin begrenzt, wobei die reflektierende Halbschale (12) Durchbrüche (12.1) für die Wärmesensoreinheiten (4.1, 4.2, 4.3) und/oder die Lichtquelle (9) aufweist.