[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Zubereiten von Lebensmitteln, die in einer
in einem Kochgefäß enthaltenen Flüssigkeit gekocht werden, mittels einer Induktionsheizeinrichtung
und eine Induktionsheizeinrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
[0002] Bei Induktionsheizeinrichtungen wird mittels einer Induktionsheizspule ein magnetisches
Wechselfeld erzeugt, welches in einem zu beheizenden Kochgefäß mit einem Boden aus
ferromagnetischem Material Wirbelströme induziert und Ummagnetisierungsverluste bewirkt,
wodurch das Kochgefäß erhitzt wird.
[0003] Die Induktionsheizspule ist Bestandteil eines Schwingkreises, der die Induktionsheizspule
und einen oder mehrere Kondensatoren umfasst. Die Induktionsheizspule ist üblicherweise
als flächige, spiralförmig gewickelte Spule mit zugehörigen Ferrit-Kernen ausgeführt
und beispielsweise unter einer Glaskeramikoberfläche eines Induktionskochfelds angeordnet.
Die Induktionsheizspule bildet hierbei in Verbindung mit dem zu beheizenden Kochgeschirr
einen induktiven und einen resistiven Teil des Schwingkreises.
[0004] Zur Ansteuerung bzw. Anregung des Schwingkreises wird zunächst eine niederfrequente
Netzwechselspannung mit einer Netzfrequenz von beispielsweise 50Hz bzw. 60Hz gleichgerichtet
und anschließend mittels Halbleiterschaltern in ein Anregungs- bzw. Ansteuersignal
höherer Frequenz umgesetzt. Das Anregungssignal bzw. die Ansteuerspannung ist üblicherweise
eine Rechteckspannung mit einer Frequenz in einem Bereich von 20kHz bis 50kHz. Eine
Schaltung zur Erzeugung des Anregungssignals wird auch als (Frequenz-)Umrichter bezeichnet.
[0005] Zum Einstellen einer Heizleistungseinspeisung in das Kochgefäß in Abhängigkeit von
einem eingestellten Heizleistungssollwert sind unterschiedliche Verfahren bekannt.
[0006] Bei einem ersten Verfahren wird eine Frequenz des Anregungssignals bzw. der rechteckförmigen
Spannung in Abhängigkeit von der abzugebenden bzw. einzuspeisenden Heizleistung bzw.
vom gewünschten Leistungsumsatz verändert. Dieses Verfahren zur Einstellung der Heizleistungsabgabe
macht von der Tatsache Gebrauch, dass bei einer Anregung des Schwingkreises mit dessen
Resonanzfrequenz eine maximale Heizleistungsabgabe erfolgt. Je größer die Differenz
zwischen der Frequenz des Anregungssignals und der Resonanzfrequenz des Schwingkreises
wird, desto kleiner wird die abgegebene Heizleistung.
[0007] Wenn die Induktionsheizeinrichtung jedoch mehrere Schwingkreise aufweist, beispielsweise,
wenn die Induktionsheizeinrichtung ein Induktionskochfeld mit unterschiedlichen Induktionskochstellen
bildet, und unterschiedliche Heizleistungen für die Schwingkreise eingestellt sind,
können durch Überlagerung der unterschiedlichen Frequenzen der Anregungssignale Schwebungen
verursacht werden, die zu störenden Geräuschen führen können.
[0008] Ein Verfahren zur Heizleistungseinstellung, welches Störgeräusche aufgrund derartiger
Schwebungen vermeidet, ist eine Pulsweitenmodulation des Anregungssignals bei konstanter
Erregerfrequenz, bei dem ein Effektivwert einer Heizleistung mittels Veränderung der
Pulsbreite des Anregungssignals eingestellt wird. Bei einer derartigen Effektivwertsteuerung
durch Veränderung der Pulsbreite bei konstanter Erregerfrequenz entstehen jedoch hohe
Ein- und Ausschaltströme in den Halbleiterschaltern, wodurch ein breitbandiges und
energiereiches Störspektrum verursacht wird.
[0009] Häufig ist es wünschenswert, eine Temperatur eines derart induktiv erwärmten Kochgefäßbodens
zu bestimmen, um beispielsweise spezifische zeitliche Erwärmungsprofile erzeugen zu
können, einen Siedepunkt zu ermitteln und/oder automatische Kochfunktionen zu ermöglichen.
[0010] Die
DE 10 2009 047 185 A1 offenbart ein Verfahren und eine Induktionsheizeinrichtung, bei denen temperaturabhängige
ferromagnetische Eigenschaften des Kochgefäßbodens mit hoher Auflösung gemessen und
zur Bestimmung der Temperatur des Kochgefäßbodens ausgewertet werden.
[0011] Der Verlauf der Temperatur des Kochgefäßbodens beim Ankochen von in Wasser schwimmenden
Lebensmitteln, beispielsweise Reis, verhält sich anders als beim Ankochen mit reinem
Wasser. Dadurch, dass der Topfboden nicht vollflächig mit Wasser sondern zu einem
großen Teil mit dem Lebensmittel bedeckt ist, wird die Konvektion im Wasser behindert.
Dies erschwert die Siedepunkterkennung erheblich.
[0012] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Zubereiten von Lebensmitteln,
die in einer in einem Kochgefäß enthaltenen Flüssigkeit gekocht werden, mittels einer
Induktionsheizeinrichtung und eine Induktionsheizeinrichtung zur Durchführung des
Verfahrens zur Verfügung zu stellen, die, insbesondere basierend auf dem in der
DE 10 2009 047 185 A1 offenbarten Messprinzip, ein zuverlässiges temperaturgesteuertes bzw. temperaturgeregeltes
Kochen ermöglichen, insbesondere durch zuverlässiges Ermitteln eines Siedepunkts.
[0013] Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs
1 und eine Induktionsheizeinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 6.
[0014] Das Verfahren dient zum Zubereiten von Lebensmitteln, beispielsweise Reis, die in
einer in einem Kochgefäß enthaltenen Flüssigkeit, beispielsweise Wasser, Brühe, etc.,
gekocht werden, mittels einer Induktionsheizeinrichtung, die einen Schwingkreis mit
einer Induktionsheizspule umfasst.
[0015] Bei dem Verfahren wird fortlaufend bzw. periodisch ein Parameterwert des Schwingkreises
ermittelt, insbesondere eine Eigenresonanzfrequenz des Schwingkreises bzw. eine zur
Eigenresonanzfrequenz gehörenden Periodendauer. Der Parameter ist von einer Temperatur
des Kochgefäßes, insbesondere des Kochgefäßbodens, abhängig.
[0016] Während einer Aufheizphase wird der Schwingkreis mit einer hochfrequenten Rechteckspannung
beaufschlagt. Dies dient zur Heizleistungseinspeisung in das Kochgefäß, insbesondere
in den Kochgefäßboden, mit einem vorgebbaren Heizleistungssollwert.
[0017] Der Heizleistungssollwert wird periodisch verändert. Innerhalb einer jeweiligen Periode
der Heizleistungssollwertveränderung wird der Heizleistungssollwert während einer
ersten Dauer, beispielsweise ca. 48 Sekunden, auf einen ersten Wert eingestellt. Während
einer verbleibenden Dauer, d.h. Periodendauer der Heizleistungssollwertveränderung
minus erste Dauer, beispielsweise 12 Sekunden, wird der Heizleistungssollwert auf
einen zweiten, kleineren Wert eingestellt.
[0018] Die Periodendauer der Heizleistungssollwertveränderung kann beispielsweise 60 Sekunden
betragen. Die Periodendauer kann konstant oder veränderlich sein.
[0019] Eine Änderung des Parameterwerts wird innerhalb der Periode der Heizleistungssollwertveränderung,
insbesondere während der verbleibenden Dauer innerhalb der Periode der Heizleistungssollwertveränderung
bei kleinerem Sollwert, ermittelt.
[0020] Die ermittelte Änderung des Parameterwerts wird zum Ermitteln des Siedepunkts der
Flüssigkeit ausgewertet.
[0021] Die Aufheizphase wird beendet, wenn der Siedepunkt ermittelt worden ist.
[0022] In einer Weiterbildung wird beim Auswerten der ermittelten Änderung des Parameterwerts
ein Siedepunkt dann ermittelt, wenn die Änderung des Parameterwerts ein vorgegebenes
Maß unterschreitet.
[0023] In einer Weiterbildung wird nach dem Beenden der Aufheizphase eine Fortkochphase
durchgeführt, mit den Schritten: Beaufschlagen des Schwingkreises mit der hochfrequenten
Rechteckspannung mit einem Heizleistungssollwert, der insbesondere 5 % bis 50 %, bevorzugt
10 % bis 20%, eines maximalen Heizleistungssollwerts entspricht, Überwachen, ob sich
der Parameterwert innerhalb einer Überwachungsdauer um mehr als ein vorgegebenes Maß
verändert, und wenn sich der Parameterwert innerhalb der Überwachungsdauer um mehr
als das vorgegebene Maß verändert, Beenden der Fortkochphase.
[0024] In einer Weiterbildung wird nach dem Ermitteln des Siedepunkts, insbesondere unmittelbar
nach dem Ermitteln des Siedepunkts, ein momentaner Parameterwert gespeichert und nach
dem Beenden der Fortkochphase eine Warmhaltephase durchgeführt, mit den Schritten:
Regeln des Parameterwerts auf einen Parametersollwert, der in Abhängigkeit von dem
gespeicherten Parameterwert bestimmt wird, beispielsweise durch Subtraktion eines
vorgegebenen Offsetwerts.
[0025] In einer Weiterbildung wird nach dem Ermitteln des Siedepunkts, insbesondere unmittelbar
nach dem Ermitteln des Siedepunkts, ein momentaner Parameterwert gespeichert und nach
dem Beenden der Aufheizphase eine Fortkochphase durchgeführt. Die Fortkochphase weist
folgende Schritte auf: Regeln des Parameterwerts auf einen Parametersollwert, der
in Abhängigkeit von dem gespeicherten Parameterwert bestimmt wird, Überwachen einer
für die Regelung aufzuwendenden Heizleistung und wenn die aufzuwendende Heizleistung
ein vorgegebenes Maß unterschreitet, Beenden der Fortkochphase. An die Fortkochphase
kann sich eine Warmhaltephase anschließen.
[0026] Die Induktionsheizeinrichtung weist auf: einen Schwingkreis mit einer Induktionsheizspule
und eine Steuereinrichtung, die dazu ausgebildet ist, das oben genannte Verfahren
durchzuführen.
[0027] Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben,
die bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung darstellen. Hierbei zeigt schematisch:
- Fig. 1
- eine Induktionsheizeinrichtung mit einem Schwingkreis, der eine Induktionsheizspule
aufweist, und einer Steuereinrichtung und
- Fig. 2
- zeitliche Verläufe eines Heizleistungssollwerts der in Fig. 1 gezeigten Induktionsheizvorrichtung
und einer Periodendauer einer eigenresonanten Schwingung des Schwingkreises.
[0028] Fig. 1 zeigt schematisch eine Induktionsheizeinrichtung 9 mit einem Schwingkreis
4, der eine Induktionsheizspule 1 und Kondensatoren 2 und 3 aufweist, und einem Leistungsteil
7, der gesteuert von einer Steuereinrichtung 8 herkömmlich eine niederfrequente Netzwechselspannung
UN mit einer Netzfrequenz von beispielsweise 50Hz gleichgerichtet und anschließend
mittels nicht dargestellter Halbleiterschaltern in eine Rechteckspannung UR mit einer
Frequenz in einem Bereich von 20kHz bis 50kHz umsetzt, wobei der Schwingkreis 4 bzw.
dessen Induktionsheizspule 1 mit der Rechteckspannung UR beaufschlagt wird, um Heizleistung
in einen ferromagnetischen Boden eines Kochgefäß 5 einzuspeisen, wobei sich in dem
Kochgefäß Wasser 6 befindet, in das Reis 10 in einem Verhältnis 2:1 eigebracht ist.
[0029] Die Kondensatoren 2 und 3 sind herkömmlich in Serie zwischen Pole UZK+ und UZK- einer
Zwischenkreisspannung eingeschleift, wobei ein Verbindungsknoten der Kondensatoren
2 und 3 mit einem Anschluss der Induktionsheizspule 1 verbunden ist.
[0030] Die Induktionsheizeinrichtung 9 weist nicht näher dargestellte Messmittel auf, die
ein fortlaufendes bzw. periodisches Ermitteln eines Parameterwerts des Schwingkreises
4 in Form einer Periodendauer Tp (siehe Fig. 2) einer eigenresonanten Schwingung des
Schwingkreises 4 ermöglichen, wobei die Periodendauer Tp von der Temperatur des Kochgefäßbodens
abhängig ist, d.h. bei zunehmender Temperatur ebenfalls zunimmt, da mit steigender
Temperatur des Kochgefäßbodens die wirksame Induktivität zunimmt, so dass die Resonanzfrequenz
abnimmt und entsprechend die Periodendauer zunimmt. Die Periodendauer Tp kann beispielsweise
mittels eines Timers eines Mikrocontrollers bestimmt werden.
[0031] Zum Aufbau und der grundsätzlichen Funktion der Messmittel, des Messverfahrens und
der Heizleistungseinstellung sei auch auf die
DE 10 2009 047 185 A1 verwiesen, die hiermit insoweit durch Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht
wird, um Wiederholungen zu vermeiden.
[0032] Fig. 2 zeigt zeitliche Verläufe eines Heizleistungssollwerts SW in 0,5 % einer Nenn-Heizleistung
der in Fig. 1 gezeigten Induktionsheizvorrichtung 9 und der Periodendauer Tp einer
eigenresonanten Schwingung des Schwingkreises 4.
[0033] Die Steuereinrichtung 8 ermittelt fortlaufend bzw. periodisch die Periodendauer Tp
einer eigenresonanten Schwingung des Schwingkreises 4, wobei hierzu kurzzeitig die
Heizleistungszufuhr unterbrochen und auf einen eigenresonanten Betrieb des Schwingkreises
4 umgeschaltet wird. Aufgrund der geringen zeitlichen Auflösung sind diese Phasen
in Fig. 2 nicht dargestellt.
[0034] In einem Zeitintervall I, das eine Aufheizphase bzw. eine Ankochphase bildet, wird
der Schwingkreis 4 zur Heizleistungseinspeisung in den Kochgefäßboden mit einer hochfrequenten
Rechteckspannung UR beaufschlagt, wobei sich der zugehörige Heizleistungssollwert
SW periodisch ändert. Während einer ersten Dauer, beispielsweise 48 Sekunden, innerhalb
einer jeweiligen Periode P wird ein erster Wert, beispielsweise entsprechend 100 %
der Nenn-Heizleistung, eingestellt und während einer verbleibenden Dauer, beispielsweise
12 Sekunden, wird ein zweiter, kleineren Wert eingestellt, beispielsweise entsprechend
10 % der Nenn-Heizleistung.
[0035] Die Steuereinrichtung 8 ermittelt innerhalb der Periode P eine Änderung der Periodendauer
Tp, insbesondere während dem der kleinere Sollwert eingestellt ist, und bestimmt einen
Siedepunkt dann, wenn die Änderung der Periodendauer Tp ein vorgegebenes Maß unterschreitet.
[0036] Dies ist am Ende des Ankoch-Zeitintervalls I der Fall, wobei nach dem Beenden des
Ankoch-Zeitintervalls I eine Fortkochphase II durchgeführt wird. Während der Fortkochphase
II beträgt der Heizleistungssollwert ca. 10 % bis 20 % eines maximalen Heizleistungssollwerts.
Es wird überwacht, ob sich die Periodendauer Tp innerhalb einer Überwachungsdauer,
beispielsweise 10 Sekunden, um mehr als ein vorgegebenes Maß verändert, was beispielsweise
dadurch verursacht werden kann, dass nachdem das Wasser 6 vom Reis 10 aufgenommen
wurde bzw. verdampft ist, die Bodentemperatur verhältnismäßig rasch ansteigt.
[0037] Die Fortkochphase II wird daraufhin beendet und es schließt sich eine Warmhaltephase
III an, während der die Periodendauer Tp auf einen Sollwert geregelt wird, der in
Abhängigkeit von einer sich unmittelbar nach dem Ermitteln des Siedepunkts einstellenden
Periodendauer Tp bestimmt wird, indem von diesem Wert ein vorgegebener Offsetwert
abgezogen wird.
[0038] Anstelle der dargestellten Fortkoch- und Warmhaltephase II bzw. III kann zum Fortkochen
bzw. Warmhalten auch folgendermaßen verfahren werden. Unmittelbar nach dem Ermitteln
des Siedepunkts wird eine Periodendauer Tp als Sollwert gespeichert. Die Periodendauer
Tp wird dann auf diesen Sollwert geregelt. Die zur Regelung aufzuwendende Heizleistung
wird überwacht und falls die aufzuwendende Heizleistung ein vorgegebenes Maß unterschreitet,
wird die Fortkochphase beendet. An die Fortkochphase kann sich eine Warmhaltephase
anschließen. Reis 10 kann nach dem so genannten Quellverfahren zubereitet werden.
Dazu wird eine Menge Reis 10 mit einer Menge Wasser 6, z.B. im Verhältnis 1:2, zum
Kochen gebracht und so lange gegart, bis das Wasser 6 vollständig vom Reis 10 aufgenommen
bzw. verdampft ist. Dabei wird die Fortkochleistung so eingestellt, dass sehr wenig
Wasser verdampft. Mit dem oben beschriebenen Kochsystem 9 ist dieser Vorgang sehr
einfach zu automatisieren.
[0039] Der Prozess kann in 3 Phasen gegliedert werden: Aufheizen, Garen und Garende erkennen.
Ein Garprogramm, das die drei Phasen abbildet, benötigt die Funktionen Ankochen mit
Siedepunkterkennung, Fortkochen mit Temperaturüberwachung und Garendeerkennung.
[0040] Der Verlauf der Bodentemperatur beim Ankochen mit Reis oder anderen in Wasser schwimmenden
Lebensmitteln verhält sich anders als beim Ankochen mit reinem Wasser. Dadurch, dass
der Topfboden nicht vollflächig mit Wasser sondern zu einem großen Teil mit dem Lebensmittel
bedeckt ist, wird die Konvektion im Wasser behindert.
[0041] Zur Siedepunkterkennung wird die Heizleistung periodisch, beispielsweise jede Minute,
für beispielsweise 12 Sekunden reduziert und der Temperaturverlauf bzw. der Verlauf
der stellvertretenden Periodendauer Tp am Topfboden gemessen. Die Amplitude der Temperaturänderung
durch die Leistungsvariation nimmt mit zunehmender Wassertemperatur ab um nach Erreichen
des Siedepunktes einen konstanten Wert anzunehmen. Diese Eigenschaft kann zur Erkennung
des Siedezustandes verwendet werden.
[0042] Nach dem Erkennen des Siedezustandes wird die Leistung auf Fortkochleistung, beispielsweise
10 % bis 20 % der Nennleistung, reduziert und laufend die Temperatur überwacht. Nachdem
das Wasser vom Reis aufgenommen wurde bzw. verdampft ist, steigt die Bodentemperatur
verhältnismäßig rasch an. Dieser Anstieg wird erkannt und es kann einem Benutzer ein
Fertigsignal gegeben werden.
[0043] Gleichzeitig kann auch auf Warmhalten mit einer geregelten Temperatur unterhalb des
Siedepunktes umgeschaltet werden. Da der Siedepunkt als Referenztemperatur bzw. dessen
Entsprechung in Form der Periodendauer Tp vom vorhergegangenen Garprozess bekannt
ist, kann mit Hilfe eines negativen Offsets die Solltemperatur auf eine geeignete
Warmhaltetemperatur, beispielsweise 80-90°C, gesetzt und darauf geregelt werden.
[0044] Es versteht sich, dass anstelle des Parameterwerts des Schwingkreises in Form der
Periodendauer Tp auch andere/zusätzliche Parameterwerte verwendet werden können, beispielsweise,
eine Amplitude einer Schwingkreisspannung, eine Spannung über der Induktionsheizspule,
eine Amplitude eines Schwingkreisstroms und/oder eine Phasenverschiebung zwischen
der Schwingkreisspannung und dem Schwingkreisstrom.
[0045] Es versteht sich weiter, dass die Erfindung auch im Kontext eines Parallelschwingkreises
oder eines Serienschwingkreises mit Vollbrückenansteuerung Anwendung finden kann.
1. Verfahren zum Zubereiten von Lebensmitteln (10), die in einer in einem Kochgefäß (5)
enthaltenen Flüssigkeit (6) gekocht werden, mittels einer Induktionsheizeinrichtung
(9), wobei die Induktionsheizeinrichtung einen Schwingkreis (4) mit einer Induktionsheizspule
(1) umfasst, mit den Schritten:
- fortlaufendes Ermitteln eines Parameterwerts des Schwingkreises, insbesondere einer
Periodendauer (Tp) einer eigenresonanten Schwingung des Schwingkreises, der von einer
Temperatur des Kochgefäßes, insbesondere des Kochgefäßbodens, abhängig ist, und
- während einer Aufheizphase (I):
- Beaufschlagen des Schwingkreises mit einer hochfrequenten Rechteckspannung (UR)
zur Heizleistungseinspeisung in das Kochgefäß, insbesondere in den Kochgefäßboden,
mit einem Heizleistungssollwert (SW), wobei der Heizleistungssollwert periodisch verändert
wird, wobei innerhalb einer Periode (P) der Heizleistungssollwert während einer ersten
Dauer auf einen ersten Wert eingestellt wird und während einer verbleibenden Dauer
auf einen zweiten, kleineren Wert eingestellt wird,
- Ermitteln einer Änderung des Parameterwerts innerhalb der Periode,
- Auswerten der ermittelten Änderung des Parameterwerts zum Ermitteln des Siedepunkts
der Flüssigkeit und
- wenn der Siedepunkt ermittelt worden ist, Beenden der Aufheizphase.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beim Auswerten der ermittelten Änderung des Parameterwerts ein Siedepunkt dann ermittelt
wird, wenn die Änderung des Parameterwerts ein vorgegebenes Maß unterschreitet.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Beenden der Aufheizphase eine Fortkochphase (II) durchgeführt wird, mit
den Schritten:
- Beaufschlagen des Schwingkreises mit der hochfrequenten Rechteckspannung mit einem
Heizleistungssollwert, der insbesondere 5 % bis 50 % eines maximalen Heizleistungssollwerts
entspricht,
- Überwachen, ob sich der Parameterwert innerhalb einer Überwachungsdauer um mehr
als ein vorgegebenes Maß verändert, und
- wenn sich der Parameterwert innerhalb der Überwachungsdauer um mehr als das vorgegebene
Maß verändert, Beenden der Fortkochphase.
4. Verfahren nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
- nach dem Ermitteln des Siedepunkts ein momentaner Parameterwert gespeichert wird
und
- nach dem Beenden der Fortkochphase eine Warmhaltephase (III) durchgeführt wird,
mit den Schritten:
- Regeln des Parameterwerts auf einen Parametersollwert, der in Abhängigkeit von dem
gespeicherten Parameterwert bestimmt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
- nach dem Ermitteln des Siedepunkts ein momentaner Parameterwert gespeichert wird
und
- nach dem Beenden der Aufheizphase eine Fortkochphase durchgeführt wird, mit den
Schritten:
- Regeln des Parameterwerts auf einen Parametersollwert, der in Abhängigkeit von dem
gespeicherten Parameterwert bestimmt wird,
- Überwachen einer für die Regelung aufzuwendenden Heizleistung und
- wenn die aufzuwendende Heizleistung ein vorgegebenes Maß unterschreitet, Beenden
der Fortkochphase.
6. Induktionsheizeinrichtung (9) mit
- einem Schwingkreis (4) mit einer Induktionsheizspule (1) und
- einer Steuereinrichtung (8), die dazu ausgebildet ist, das Verfahren nach einem
der Ansprüche 1 bis 5 durchzuführen.