DD217879A1

DD217879A1 - Braeunungssensor

Info

Publication number: DD217879A1
Application number: DD83253579A
Authority: DD
Inventors: Klaus Koerner; Joachim Puder; Joachim Tilgner; Petra Buettner
Original assignee: Adw Ddr
Priority date: 1983-08-01
Filing date: 1983-08-01
Publication date: 1985-01-23
Also published as: DE3424585A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf das Erzeugen von Braeungut. Ziel der Erfindung ist es, mit hoher Zuverlaessigkeit den Braeunungsgrad von Braeungut bei geringem Aufwand zu bestimmen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Braeunungssensor zu entwickeln, der es ermoeglicht, einen reproduzierbaren, unabhaengig von der Beschaffenheit des Braeungutes wahlweise einstellbaren gewuenschten Braeunungsgrad zu erzeugen. Erfindungsgemaess wird das bei einem Braeunungssensor dadurch erreicht, dass ein thermisch isolierter Sensorkopf aus einem ersten Messelement mit Schwarzkoerperoberflaeche und einem zweiten Messelement mit reflektierender Oberflaeche, denen je ein Regelkreis zur Temperaturstabilisierung zugeschaltet ist, besteht, dass der Sensorkopf derartig in oder in der Naehe der Austrittspupille einer Spiegeloptik angeordnet ist, dass das erste Messelement ueber ein Fenster in gutem optischen Kontakt mit dem Braeungut steht und das zweite Messelement gegen die Strahlungsemission des Braeungutes abgeschirmt angeordnet ist. Die Erfindung kann in Toastern oder in Grillgeraeten angewendet werden. Figur

Description

Titel der Erfindung Bräunungssensor

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf das Erzeugen von Bräungut, zum Beispiel Brot oder Grillgut in Toastern oder in Grillgeräten*

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

In der DE—AS 1 515 o42 wird ein temperaturgesteuer^er Toaster mit einer rohrförmigen Strahlungsleiteinrichtung beschrieben, die die vom Brot ausgestrahlte Wärme auf ein Fühlelement unter Verwendung eines Konvexspiegels lenkt« Das Fühlelement ist gegen die Heizerstrahlung abgeschirmt. Die rohrförmige Strahlungsleiteinrichtung ist schwenkbar ausgebildet» Als Fühlelement kann ein Thermistor, Thermoelement bzw,¹ Bimetallschalter verwendet werden. Zur Ausschaltung von Umwelteinflüssen und Störgrößen wird ein Kompensationsfühlelement eingesetzt« Indem sich das schwenkbare Rohr in Meßstellung sehr dicht an der Brotoberfläche befindet, wird der betrachtete Brotabschnitt nicht mehr vom elektrischen Heizer durch Strahlung beheizt. Die Folge ist eine Auskühlung der beobachteten Stelle der Brotoberfläche. Damit wird nur eine geringe Strahlungsleistung gemessen, die keine repräsentativen

Aussagen über den Brätmtmgsgrad zuläßt.' So können zum Beispiel Löcher in einer Brotscheibe dia Messung verfälschen, und damit erhält das Bräungut nicht den gewünschten Bräu— nungsgrad· Die erfaßten Energiemengen sind gering und lassen sich nicht immer eindeutig auswerten. Da der Zeitpunkt des Braunwerdens zunächst unbekannt ist, muß gegebenenfalls, das schwenkbare Rohr mehrfach in Meßstellung gebracht werden· Dies erfordert eine Schwenkvorrichtung mit selbsttätiger Steuerung· Die Lage des Toastgutes selbst zum schwenkbaren Rohr hängt von dessen Form (Dicke, Krümmung) ab und beeinflußt die Meßgenauigkeit sehr stark negativ« Die Schwenkeinrichtung müßte also auch noch bezüglich des Abstandes zum Brot gesteuert werden· Ein weiterer Nachteil dieser Lösung ist, daß die Wärmestrahlung erst nach mehrfacher Reflexion über einen sphärischen Kon- ^vexspiegel auf das Fühlelement gelangt, was zusätzliche Energieverluste mit sich bringt· Die Fokussierung der Strahlungsenergie in Asialrichtung längs der Leiteinrichtung auf das Fühlelement bedeutet, daß von einer ohnehin kleinen Fläche nur die Strahlung eines kleinen Raumwinkels ausgenutzt wird·' Der dieser Messung zugrunde liegende Lichtleitwert ist sehr geT±xis und läßt keine eindeutige Information über den Bräunungsgrad zu.

Es ist ebenfalls bekannt, den Bräunungsgrad von Bräungut mit sichtbarem Licht unter Verwendung einer Lichtquelle, zweier Lichtempfänger und mit einer elektronischen Schaltung zu bestimmen (z.¹ B·' DE 2 125 ^23). Dabei ist der Aufwand, besonders für die Elektronik, ebenso wie die Baugröße sehr hoch*' Problematisch bei derartigen Messungen ist, daß der Unterschied zwischen ungebrauntem und schwach gebräuntem Bräungut nur schwer erkennbar ist·' Beim Toasten von verschiedenen Brotsorten ist im allgemeinen die Vergleichsfläche des Licht empfange rs auszutauschen, was den Bedienkomfort derartiger Toaster wesentlich verringert,'

Weitere Prinzipien zur Steuerung von Toastern basieren auf Zeitschaltern (z» B· DE-PS 2 052 607), die durch temperaturabhängige Widerstände und elektronische Steuerschal-

unabhängig

tungen weitgehend von Umwelteinflussen arbeiten» Dabei wird ein hoher Elektronikaafwand getrieben und der Zustand des Braungutes bleibt völlig unberücksichtigt»

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, mit hoher Zuverlässigkeit den Bräunungsgrad von Bräungut bei geringem Aufwand zu bestimmen«

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Bräunungsgradsensor zu entwickeln, der es ermöglicht, einen reproduzierbaren, unabhängig von der Beschaffenheit des Bräungutes wahlweise einstellbaren gewünschten Bräunungsgrad zu erzeugen«

Erfindungsgemäß wird das bei einem Bräunungssensor mit einem Sensorkopf zur Erfassung der Strahlungsemission von Bräungut, der gegen die IR-Strahlung zur Erwärmung des Bräungutes abgeschirmt angeordnet ist und dem ein Schwellwertschalter zur Abschaltung dieser IR-Strahlung zugeordnet ist, dadurch erreicht, daß der thermisch isolierte Sensorkopf aus einem ersten Meßelement mit Schwarzkörper— oberfläche und einem zweiten Meß element mit reflektierender Oberfläche, denen je ein Regelkreis zur Temperatur- ' stabilisierung zugeschaltet ist, besteht» Dabei ist der Sensorkopf derartig in der Austrittspupille einer Spiegeloptik angeordnet, daß das erste Meßelement mit Schwarz— körperoberfläche über ein, die Spiegeloptik verschließendes, die kurzwellige IR-Strahlung im wesentlichen reflektierendes und die langwellige IR-Strahlung im wesentlichen durchlassendes Fenster in gutem optischen Kontakt mit dem Bräungut steht und das zweite Meßelement mit reflektierender Oberfläche gegen die Strahlungsemission des Bräungutes abgeschirmt angeordnet ist. Die beiden Meßelemente sind voneinander thermisch isoliert angeordnet« Die beiden Rückseiten der beiden Meßelemente des Sensor—

kopfes liegen thermisch isoliert aneinander» Der thermisch isolierte Sensorkopf ist vorzugsweise unterhalb des Bräungutes positioniert· Für die Herstellung der Meßelemente des Sensorkopfes können Bimetallstreifen verwendet werden.'

Von einem Heizstrahler wird zur Erwärmung des Bräungutes Strahlung ausgesandt«' Die vom Bräungut abgegebene Emissions strahlung gelangt durch das Fenster, das nur für langwellige IR-Strahlung durchlässig ist, über eine Spieigeloptik auf einen Sensorkopf· Der Sensorkopf befindet sich in der Spiegeloptik, die als Ellipsoidspiegel ausgebildet sein kann, und ist in der Austrittspupille der Spiegeloptik angeordnet. Vor dem Fenster in Richtung zum Bräungut ist , eine auswechselbare Folie als Krümelschutz angeordnetV

Durch eine Regelung wird das erste Meßelemerit mit Schwarzkörperoberfläche (£~0,9 VVV Ο ^{attf> die} Referenztemperatur Λ- gebracht und bei -^ -. gehalten. Das zweite Meßelement mit reflektierender Oberfläche (£~0 VVV 0,i), das der gleichen Konvektion und Wärmeleitung wie das erste Meßelement ausgesetzt ist, befindet sich in unmittelbarer Uähe des ersten Meßelementes und wird ebenfalls auf der Referenztemperatur ν _R durch eine zweite Regelung gehalten·' Beim ersten Meßelement, das der Strahlungsemission des Bräungutes ausgesetzt ist, beträgt das Produkt aus Absorptionskoeffizient έ und Raumwinkel Q, nahezu 2 Tf , während es beim zweiten als Referenzelement wirkenden Meß— element etwa Null beträgt. Die definierte thermische Abschirmung der Meßelemente erfolgt durch das Aufhängen an dünnen Drähten bzw.* Folien geringer Wärmeleitfähigkeit.' Die Dimensionierung der Aufhängung wird so ausgeführt_f daß die Energie P zum Aufrechterhalten der Temperatur n?^ die Änderung der auf das erste Meßelement eingestrahlten Energie Δ P deutlich übersteigt,' Der ¥ärmetransport /zwischen den Meßelementen wird durch Wärmeaustausch (Wärmeleitung, Konvektion und Strahlung) so bestimmt, daß der thermische Ausgleich zwischen den Meßelementen schon er-

folgt ist, bevor nach Einlegen eines neuen Bräungutes das neue Bräungut zu bräunen beginnt.' Zur besseren Entkopplung der IR-Strahlung der IR-Heizelemente von der IR-Strahlung des Bräungutes können Blenden angeordnet oder bestimmte Bereiche der Spiegeloptik unverspiegelt sein« Der Sensorkopf kann auch derartig ausgebildet sein, daß nur ein Meßelement mit Schwarzkörperoberfläche in gutem optischen Kontakt zum Bräungut mit einem Gehäuse umgeben, angeordnet ist, das einen eigenen Temperaturregelkreis mit einer niedrigeren Temperatur als das Meßelement aufweist· Die zum Halten der Referenztemperatur ^X_n belt

nötigte Leistung P für das erste Meßelement verringert sich mit der durch die Strahlungsemission des Bräungutes hervorgerufenen Erwärmung um den Betrag Δ P » Die be—₍ nötigte Leistung J? für das zweite Meßelement mit reflektierender Oberfläche wird vergleichsweise wenig verringert« Die Referenzteraperatur if ~. ist stets derartig festgelegt, daß die Leistung zum Halten der Temperatur stets größer ist als die maximale £·Ε·η»Ήτimgat.»4«-fc-iyng,' Durch Differenzbildung P. - P wird die Leistungsdifferenz Δ P ermittelt und in eine äquivalente Größe umgewandelt.' Durch den Schwellwertschalter wird beim Erreichen eines Schwellwertes für Δ P ein Schaltvorgang bewirkt« Die Strahlungsemission des Bräungutes im Infraroten hat dann eine bestimmte Strahlungsdichte erreicht, die einem gewünschten Bräunungsgrad des Bräungutes entspricht« Die Sehaltschwelle des Schwellwertschalters fearm vor Beginn des Bräunungsprozesses je nach Art des Bräungutes und gewünschtem Bräunungsgrad eingestellt werden.' Andererseits ist es auch möglich, durch eine Bündelbe— grenzung mit optischen Blenden zwischen Bräungut und Sensorkopf die Strahlungsdichte zu beeinflussen und die Schaltschwelle des Schwellwertschalters konstant zu lassen«'

Dadurch, daß der Sensorkopf in der Austrittspupille des optischen Systems angeordnet ist, wird ein integrales Messen der Strahlungsemission des Bräungutes im IR-Bereich

über eine relativ große Fläche des Bräungutes ermöglicht, so daß Größe und Lage des Bräungutes von geringem Einfluß sind·' Durch die Verwendung eines elliptischen Zylinderspiegels als optisches System wird durch eine einmalige Reflexion ein großer Teil der Bräungutflache unter einem relativ großen Raumwinkel erfaßt." Eintritts- und Austrittspupille des elliptischen Zylinderspiegels sind rechteckförmig ausgebildet. Bei Verwendung eines ebenfalls rechteckförmigen Sensorkopfes kann ein sehr großer Raumwinkel der Strahlung von der Bräungutoberfläche erfaßt a/erden.

Konvektion, Wärmeleitung und Wärmestrahlung des Heizers zur Erwärmung des Bräungutes beeinflussen wegen der räumlichen Trennung von Heizer und Sensorkopf die Emissionsmessung nur in vernachlässigbar geringem Maße. Mit der Erfassung der Strahlungsleistung der Emission des Bräungutes im langwelligen IR-Bereich ist es möglich, Bräungut unterschiedlicher Art mit gewünschtem Bräunungsgrad reproduzierbar herzustellen.

Ausfuhrungsbeispiel >

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden*

Die Figur zeigt einen Bräunungssensor, der in einem Toaster zum Erkennen des Bräunungs grades von Brot dient.' Eine zu toastende Brotscheibe 1 wird in einem V-förmigen Brotkorb 8 zwischen die IR-Heizelemente 2 zur Erwärmung und damit zur Erzeugung des gewünschten Bräunungsgrades eingeschoben. Zuvor wurde am Schwellwertschalter der gewünschte Bräunungsgrad entsprechend dem individuellen Geschmack vorgewählt« Mit Beginn des Bräunvorganges durch Einschalten der IR-Heizelemente 2 erfolgt eine 'Strahlungsemission im TR-Bereich durch die Brotscheibe 1, die sich in Abhängigkeit vom Bräunungsgrad ändert.' Diese Emissionsstrahlung fällt auf ein unterhalb von Brotscheibe 1 und IR-Heizelementen 2 positioniertes Fenster 5

mit Krume!schutzfolie 14, die auswechselbar vor¹ dem Fenster 5 angeordnet ist« Das Fenster 5 ist nur für langwellige IR-Strahlung (6 um - 25 um) durchlässig und verschließt den Raum, der durch einen Ellipsoidspiegel 3 _t mit Kühlrippen 13 eine verspiegelte Halterung 6 und eine thermische Superisolation k gebildet wird und sich parallel zur Brotscheibe 1 und IR-Heizelementen 2 erstreckt."

In der Austrittspupille des Ellipsoidspiegel 3 Sensorkopf 7» bestehend aus einem ersten Meßelement 11 mit Schwarzkörperoberfläche und einem zweiten Meßelement 12 mit reflektierender Oberfläche, mittels Baltestegen 9 positioniert·' Beide Meßelemente sind in gleicher Weise der Wärmeleitung, der Wärmestrahlung und der Konvektion der Umgebung ausgesetzt. Die Schwarzkörperober— fläche des ersten Meßelementes 11, die zur Erfassung der IRf-Strahltingsemission der Brotscheibe 1 dient, steht über ein Fenster 5 in gutem optischem Kontakt mit der Seitenfläche der Brotscheibe, während die reflektierende Oberfläche des zweiten Meßelementes 12 gegen diese Strahlungsemission abgeschaltet (z« B« an der Rückseite des ersten Meßelementes 11 angeordnet) ist« Über die in bekannter Weise aufgebauten entsprechenden Regelkreise (nicht dargestellt), werden die Meßelemente 11, 12 auf einer bestimmten Referenztemperatur -v „ gehalten* Die Refe— renztemperatur ^ ._, und die Geometrie der Meßstellen sind so gewählt, daß die Leistung zum Halten der Temperatur V« stets größer ist als die maximale Strahlungsleistung. Durch die mit fortschreitendem Toastvorgang zunehmende Strah— lungsemission der Brotscheibe, die auf die Schwarzkörperoberfläch« trifft, wird die benötigte Leistung zum Halten des ersten Meßelementes 11 auf der Referenztemperatur .?/ _R geringer. Die für das zweite Meßelement benötigte Leistung verringert sich vergleichsweise weniger.' Die ermittelte Leistungsdifferenz wird in eine Widerstandsänderung Δ -o der-MTC- bzw» PTC—Widerstände umgewandelt, wobei sich eine zur Referenztemperatur i/ - sehr kleine, vernachlässigbare Temperaturdifferenz einstellt, und dann

einem Schwellwertschalter zugeführt, der bei Erreichen eines Schwellwertes die IR-Heizelemente 2 abschaltet. Größe und Lage der Brotscheibe sind Von geringem Einfluß, da der Sensorkopf in der Austrittspupille des Ellipsoid— spiegeis angeordnet ist« Die Messung der Strahlungsemission erfolgt integral über etwa 50 % der Brotscheibenoberfläche ♦ .,Vorhandene Löcher im Brot haben ebenfalls einen geringen Einfluß, da ihr Anteil an der Gesamtfläche gering ist und die Strahlungsemission schräg erfaßt wird« Im Toaster sind für jede der zwei Brotseiten je ein Sensorkopf 7 in Ellipsoidspiegel^ 3 angeordnet, um eine unterschiedliche Beschaffenheit der beiden Seiten einer Brotscheibe 1 (z« B» Brotkanten) beim Toastvor— gang zu berücksichtigen und auch unter derartigen Bedingungen den gewünschten Bräunungsgrad auf beiden Seiten zu erreichen*

Claims

Erfindungsanspruch:

. Bräunungssensor m±t einem Sensorkopf zur Erfassung der Strahlungsemission von Bräungut, der gegen die IR-Strahlung zur Erwärmung des Bräungutes abgeschirmt angeordnet ist und dem ein Schwellwertschalter zur Abschaltung dieser TR-Strahlung zugeordnet ist, gekennzeichnet dadurch, daß der thermisch isolierte Sensor— kopf (7) aus einem ersten Meßelement (11) mit Schwarz— körperoberfläche und einem zweiten Meßelement (12) mit reflektierender Oberfläche, denen je ein Regelkreis zur Temperaturstabilisierung zugeordnet ist, besteht, wobei die beiden Meßelemente (11), (12) des Sensorkopfes (7) voneinander thermisch isoliert angeordnet sind, daß der Sensorkopf (7) derartig in oder in der Nähe der Austrittspupille einer Spiegeloptik angeordnet ist, daß das erste Meßelement (11) mit Schwarzkörperobe rf lache über ein, die Spiegeloptik verschließendes, die kurzwellige IR-Strahlung reflektierendes und langwellige IR-Strahlung durchlassendes Fenster (5) in gutem optischem Kontakt mit dem Bräungut steht und das zweite Meßelement (12) mit reflektierender Oberfläche gegen die Strahlungsemission des Bräungutes abgeschirmt angeordnet ist.'

2» Bräunungssensor mit einem Sensorkopf zur Erfassung der Strahlungsemission von Bräungut, der gegen die IR-Strahlung zur Erwärmung des Bräungutes abgeschirmt angeordnet ist und dem ein Schwellwertschalter zur Abschaltung dieser IR-Strahlung zugeordnet ist, gekennzeichnet dadurch, daß ,im Sensorkopf (7) nur ein Meß— element (11) mit Schwarzkörperoberfläche tmd in gutem optischem Kontakt zum Braungut angeordnet und mit -einem Gehäuse umgeben ist, und daß das Gehäuse einen eigenen Temperaturregelkreis mit einer niedrigeren Temperatur als das Meßelement aufweist«

3· Bräunungssensor nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Rückseiten der beiden Meßelemente (11, 12) voneinander thermisch isoliert aneinander liegen.

4«' Bräunungssensor nach Punkt 1 oder 2 und 3> gekennzeichnet dadurch, daß als Spiegeioptik ein elliptischer Zylinderspiegel angeordnet ist. ,

5# Braunungssensor nach Punkt 1 oder 2 und 3 und 4, gekennzeichnet dadurch, daß zum Bräungut vor dem Fenster (5) eine auswechselbare Folie als Krümelschutz angeordnet ist»

6V Braunungssensor nach Punkt 1 oder 2 und 3 bis 5, ge_r kennzeichnet dadurch, daß zwischen Bräungut (1) und Sensorkopf (7) optische Blenden zur Beeinflussung der Strahlungsdichte angeordnet sind»

7· Braunungssensor nach Punkt 1 oder 2 und 3 his 6, gekennzeichnet dadurch, daß der thermisch isolierte Sensorkopf (7) unterhalb des Bräungutes (1) positioniert ist.

8# Braunungs s ens or nach Punkt 1 und 3 bis 7, gekenn— '' zeichnet dadurch, daß für die Herstellung der Meßele— piente (11, 12) des Sensorkopfes (7) Bimetallstreifen verwendet werden.'

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen