ОЦЕНИВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ Российский патент 2015 года по МПК G01K7/42 

Настоящее изобретение относится к способу оценивания температуры. Конкретнее, настоящее изобретение относится к оцениванию температуры на основе энергии, подведенной к нагревательному элементу во время операции нагревания.

Широкий диапазон кухонных принадлежностей включает в себя нагревательные элементы, например чайники, пароварки, рисоварки, кухонные комбайны, подогреватели супа и так далее. В таких принадлежностях обычно желательно точно регулировать температуру, до которой нагревается пища, чтобы гарантировать, что она ни недоварена, ни переварена. С этой целью нагревательные приборы обычно снабжаются датчиком температуры, чтобы контролировать температуру нагревательного элемента. Подвод энергии к нагревательному элементу управляется, чтобы поддерживать эту температуру в заранее установленном диапазоне.

Фиг. 1 иллюстрирует традиционную систему для нагревания пищи. Система содержит варочную поверхность 101, под которой располагается нагревательный элемент 102. Датчик 103 температуры выполнен с возможностью контроля температуры нагревательного элемента 102. Система дополнительно содержит источник 104 питания для подвода электрической энергии к нагревательному элементу 102 и блок 105 управления для считывания температуры с датчика 103 температуры и отображения температуры на дисплее 106. Материал 108, который нужно нагреть (то есть продукт питания, который нужно приготовить), содержится в сосуде 107, который нагревается нагревательным элементом 102.

Дополнительный датчик 109 температуры предоставляется на внутренней поверхности сосуда 107. Этот дополнительный датчик 109 температуры подключается к метке RFID (не показана), которая передает информацию о текущей температуре продукта 108 питания блоку 105 управления посредством беспроводного информационного соединения 110. Блок управления может затем отобразить текущую температуру продукта 108 питания на дисплее 106, чтобы позволить пользователю контролировать текущую температуру продукта 108 питания. Однако стоимость и сложность системы увеличивается из-за необходимости предоставлять дополнительный датчик 109 температуры и соединение 110 с блоком 105 управления.

US 2008/0237215 A1 раскрывает способ управления кухонным устройством, в котором рабочий цикл источника тепла увеличивается, когда присутствует нагрузка, и уменьшается, когда нагрузка отсутствует. DE 19609116 A1 раскрывает способ приготовления пищи, в котором измеряется внутренняя температура пищи. US 2010/0012645 A1 раскрывает термощуп для использования в духовке, причем щуп включает в себя передатчик и термогенератор для питания передатчика.

Настоящее изобретение направлено на устранение недостатков, присущих известным компоновкам.

В соответствии с настоящим изобретением предоставляются способ оценивания температуры нагреваемого материала по п. 1 и устройство для оценивания температуры нагреваемого материала по п. 9.

В соответствии с настоящим изобретением предоставляется способ оценивания температуры нагреваемого материала, причем способ содержит: подведение электрической энергии к нагревательному элементу в зависимости от измеренной температуры, вычисление скорости, с которой величина подведенной электрической энергии изменяется со временем, сравнение вычисленной скорости с множеством известных значений, чтобы определить значение параметра, относящегося к тепловым свойствам нагреваемого материала, и вычисление предполагаемой температуры на основе определенного значения упомянутого параметра.

Подведение электрической энергии к нагревательному элементу может содержать многократное включение и выключение подведенной энергии в зависимости от измеренной температуры.

Способ может дополнительно содержать применение фильтра скользящего среднего к записанным данным о подведенной электрической энергии перед вычислением скорости, с которой величина подведенной электрической энергии изменяется со временем.

Предполагаемая температура может вычисляться на основе уравнения

где T - предполагаемая температура, T₀ - начальная температура, T_f - заданная температура, t - истекшее время с начала нагревания и B - параметр, относящийся к тепловым свойствам нагреваемого материала.

Измеренная температура может быть температурой нагревательного элемента или граничного слоя между нагревательным элементом и сосудом, содержащим нагреваемый материал, например, варочной поверхности.

Подведение электрической энергии к нагревательному элементу может содержать подведение электрической энергии, чтобы поддерживать значение измеренной температуры в заранее установленном диапазоне температуры.

Способ может дополнительно содержать обнаружение падения температуры нагреваемого материала путем обнаружения изменения в вычисленной скорости, с которой величина подведенной электрической энергии изменяется со временем.

Способ может дополнительно содержать пересчет предполагаемой температуры после обнаружения падения температуры на основе записанных данных о подведенной электрической энергии до и после падения температуры.

В соответствии с настоящим изобретением также предоставляется устройство для оценивания температуры нагреваемого материала, причем устройство содержит сосуд, выполненный с возможностью вмещения материала, который нужно нагреть, нагревательный элемент, источник питания, выполненный с возможностью подведения электрической энергии к нагревательному элементу, датчик температуры, выполненный с возможностью измерения температуры, и блок управления, выполненный с возможностью управления подведением электрической энергии к нагревательному элементу в зависимости от измеренной температуры, где блок управления содержит первый вычислитель, выполненный с возможностью вычисления скорости, с которой величина подведенной электрической энергии изменяется со временем, компаратор, выполненный с возможностью сравнения вычисленной скорости с множеством известных значений, чтобы определить значение параметра, относящегося к тепловым свойствам нагреваемого материала, и дополнительный вычислитель, выполненный с возможностью вычисления предполагаемой температуры на основе определенного значения упомянутого параметра.

Устройство может дополнительно содержать блок переключения, подключенный между источником питания и нагревательным элементом, причем блок переключения переключается между включенным состоянием, в котором электрическая энергия подводится к нагревательному элементу, и выключенным состоянием, в котором электрическая энергия не подводится к нагревательному элементу, где блок управления может быть выполнен с возможностью многократного переключения блока переключения между включенным и выключенным состояниями в зависимости от измеренной температуры.

Блок управления дополнительно может быть выполнен с возможностью применения фильтра скользящего среднего к записанным данным о подведенной электрической энергии перед вычислением скорости, с которой величина подведенной электрической энергии изменяется со временем.

Датчик температуры может располагаться в непосредственной близости от нагревательного элемента, чтобы измерять температуру нагревательного элемента или граничного слоя между нагревательным элементом и сосудом, например варочной поверхности.

Блок управления может быть выполнен с возможностью подведения электрической энергии к нагревательному элементу, чтобы поддерживать значение измеренной температуры в заранее установленном диапазоне температуры.

Блок управления может быть выполнен с возможностью обнаружения падения температуры нагреваемого материала путем обнаружения изменения в вычисленной скорости, с которой величина подведенной электрической энергии изменяется со временем.

Блок управления дополнительно может быть выполнен с возможностью пересчета предполагаемой температуры после обнаружения падения температуры на основе записанных данных о подведенной электрической энергии до и после падения температуры.

Теперь будут описываться варианты осуществления настоящего изобретения путем отсылки к прилагаемым чертежам, на которых:

фиг. 1 схематически иллюстрирует традиционную систему для измерения температуры нагретого материала;

фиг. 2 иллюстрирует систему в соответствии с вариантом осуществления изобретения;

фиг. 3 - диаграмма, иллюстрирующая графики температуры во времени для нагревательного элемента и нагреваемого материала в соответствии с вариантом осуществления изобретения;

фиг. 4 - диаграмма, иллюстрирующая энергию, подведенную к нагревательному элементу во время операции нагревания, проиллюстрированной на фиг. 3;

фиг. 5 - диаграмма, иллюстрирующая кривые фильтрованной энергии для разных объемов нагретого материала в соответствии с вариантом осуществления изобретения;

фиг. 6 - диаграмма, иллюстрирующая кривые предполагаемой температуры и фактической температуры во времени в соответствии с вариантом осуществления изобретения;

фиг. 7 - блок-схема алгоритма, иллюстрирующая способ оценивания температуры нагретого материала в соответствии с вариантом осуществления изобретения;

фиг. 8 иллюстрирует падение температуры во время операции нагревания в соответствии с вариантом осуществления изобретения;

фиг. 9 - диаграмма, иллюстрирующая энергию, подведенную к нагревательному элементу во время операции нагревания, проиллюстрированной на фиг. 8;

фиг. 10 - диаграмма, иллюстрирующая кривую фильтрованной энергии для операции нагревания, проиллюстрированной на фиг. 8;

фиг. 11 схематически иллюстрирует систему в соответствии с вариантом осуществления изобретения;

фиг. 12 схематически иллюстрирует систему в соответствии с вариантом осуществления изобретения и

фиг. 13 схематически иллюстрирует систему в соответствии с вариантом осуществления изобретения.

Ссылаясь теперь на фиг. 2, иллюстрируется система в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения. Система содержит поверхность 201 нагрева, нагревательный элемент 202, датчик 203 температуры, источник 204 питания, блок 205 управления и дисплей 206. Сосуд 207 размещается соприкасающимся с поверхностью 201 нагрева, чтобы нагревать содержимое 208 сосуда 207. В настоящем варианте осуществления содержимое 208 содержит жидкость, но в других вариантах осуществления содержимое может содержать твердое тело или смесь жидкостей и твердых тел.

Система дополнительно содержит блок 209 переключения, подключенный между источником 204 питания и нагревательным элементом 202. Блок 205 управления выполнен с возможностью управления блоком 209 переключения для периодического прерывания подведения энергии к нагревательному элементу 202 в соответствии с температурой, считанной датчиком 203 температуры. В результате предоставления энергии с перерывами таким способом температура нагревательного элемента 202 может поддерживаться в нужном диапазоне температуры. Также можно предотвратить температурный выброс, который мог бы привести к горению материала в непосредственной близости от нагревательного элемента. Позже эта методика будет описываться подробнее.

В отличие от традиционной системы, проиллюстрированной на фиг. 1, в настоящем варианте осуществления отсутствует датчик температуры, выполненный с возможностью непосредственного считывания температуры содержимого 208. Вместо этого предоставляется запоминающее устройство 210 для хранения информации о корреляции между кривыми тепловой мощности и тепловыми свойствами содержимого 208. Блок 205 управления выполнен с возможностью контроля энергии, предоставленной нагревательному элементу 202 во время нагревания, и использования этой информации в сочетании с информацией, сохраненной в запоминающем устройстве 210, для оценивания значения параметра, описывающего тепловые свойства содержимого 208. Блок 205 управления тогда способен вычислить предполагаемую текущую температуру содержимого 208 и отобразить эту предполагаемую текущую температуру на дисплее 206.

Поэтому в настоящем варианте осуществления блок 205 управления способен получать текущую температуру нагреваемого содержимого 208 без необходимости предоставления дополнительного датчика температуры в непосредственном контакте с содержимым 208. Кроме того, в вариантах осуществления, где сосуд предоставляется в виде отдельного элемента от элемента, вмещающего нагревательный элемент и другие компоненты, беспроводным соединением между сосудом и блоком управления можно пренебречь.

Способ, с помощью которого блок 205 управления может вычислять предполагаемую текущую температуру содержимого 208, сейчас будет описываться со ссылкой на фиг. с 3 по 6.

Ссылаясь на фиг. 3, показана диаграмма, иллюстрирующая кривые температуры во времени для нагревательного элемента и нагреваемого материала в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения. Первая кривая 301 показывает температуру, обнаруженную датчиком температуры, помещенным в непосредственной близости от нагревательного элемента (см. датчик 203 температуры из фиг. 2). Эта температура многократно поднимается и падает в результате периодического подведения энергии к нагревательному элементу, поскольку блок управления включает или выключает подведенную энергию в соответствии с измеренной температурой нагревательного элемента.

Вторая кривая 302 показывает температуру содержимого сосуда, который нагревается нагревательным элементом. Эта кривая предоставляется для сравнения и получается во время процедуры калибровки посредством дополнительного датчика температуры, который размещается в непосредственном контакте с нагреваемым материалом. Во время обычной операции нагревания этим дополнительным датчиком температуры можно пренебречь (см. фиг. 2, на которой никакой датчик температуры не выполнен с возможностью непосредственного измерения температуры содержимого 208).

Как показано на фиг. 3, нагреваемый материал (см. вторую кривую 302) остается при температуре ниже, чем нагревательный элемент (см. первую кривую 301), и изменяет температуру гораздо медленнее, чем нагревательный элемент. Поэтому невозможно вычислить температуру нагретого материала непосредственно из известной температуры нагревательного элемента. Однако пользователь может больше интересоваться знанием текущей температуры нагретого материала (например, продукта питания, такого как суп, рис, паста и т.д.), чем самого нагревательного элемента. Варианты осуществления настоящего изобретения позволяют оценить текущую температуру нагретого материала путем контроля энергии, подведенной к нагревательному элементу, которая будет меняться в зависимости от тепловых свойств нагретого материала.

Ссылаясь теперь на фиг. 4, показана диаграмма, иллюстрирующая энергию, подведенную к нагревательному элементу во время операции нагревания, проиллюстрированной на фиг. 3. Как показано на фиг. 4, энергия подводится периодически, так как блок переключения многократно включается и выключается с помощью блока управления (см. фиг. 2). Точнее говоря, блок управления выполнен с возможностью подведения энергии короткими импульсами, чтобы быстро нагреть нагревательный элемент, причем следующий импульс подводится, как только измеренная температура нагревательного элемента опускается до некоторого уровня. Во время начальных стадий нагревания необходимо подводить относительно большую величину энергии, поскольку материал, который нужно нагреть, имеет низкую температуру. Поэтому на этой стадии применяются импульсы с относительно большой длительностью. Кроме того, во время начального нагревания сосуд и содержимое холодные по сравнению с нагревательным элементом. Поэтому температура нагревательного элемента падает быстро, когда энергия не подводится, так как энергия быстро передается сосуду и содержимому. Это приводит к подаче импульсов с высокой частотой во время начальных стадий нагревания.

Когда содержимое приближается к нужной целевой температуре (около 50 °C в настоящем варианте осуществления), содержимое и нагревательный элемент близки по температуре, и поэтому тепло отводится от нагревательного элемента медленнее. Поэтому меньше энергии необходимо для поддержания температуры нагревательного элемента в некотором диапазоне температуры. Поэтому, когда содержимое приближается к целевой температуре, длительность и частота импульсов уменьшается.

Из вышеприведенного описания можно понять, что скорость, с которой энергия подводится к нагревательному элементу во время нагревания, будет меняться в зависимости от тепловой инерции нагреваемого материала. Например, материал с высокой удельной теплоемкостью и низкой теплопроводностью потребует больше энергии для нагрева до определенной температуры, чем материал с низкой удельной теплоемкостью и высокой теплопроводностью.

Ссылаясь теперь на фиг. 5, показана диаграмма, иллюстрирующая кривые фильтрованной энергии для разных объемов нагретого материала в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения. Кривая фильтрованной энергии может быть получена путем применения фильтра скользящего среднего к данным о подведенной энергии, например, показанным на фиг. 4. Скользящее среднее также может называться плавающим средним. В настоящем варианте осуществления скользящее среднее вычисляется для каждой точки на кривой (то есть каждого момента времени) путем получения среднего значения всех точек в пределах некоторого расстояния от текущей точки. Специалист осведомлен о различных способах для применения фильтра скользящего среднего, и поэтому подробное описание будет пропущено, чтобы сохранить краткость.

Применение фильтра скользящего среднего обладает эффектом сглаживания кривой энергии, показанной на фиг. 4, и существенного устранения периодических флуктуаций. Кривые фильтрованной энергии из фиг. 5 поэтому предоставляют четкое указание того, как величина энергии, подведенной к нагревательному элементу, уменьшается со временем, когда нагретый материал приближается к целевой температуре.

Как отмечалось выше, скорость, с которой уменьшается величина подведенной энергии, будет зависеть от тепловой инерции нагреваемого материала. Тепловая инерция принимает во внимание такие факторы, как объем материала, удельная теплоемкость и теплопроводность. Например, больший объем воды будет иметь более высокую тепловую инерцию, чем меньший объем, поскольку больше энергии необходимо для нагрева большего объема до любой заданной температуры. На фиг. 5 первая кривая 501 фильтрованной энергии соответствует энергии, подведенной во время нагревания 1,0 литра воды, вторая кривая 502 фильтрованной энергии соответствует энергии, подведенной во время нагревания 0,5 литра воды, и третья кривая 503 фильтрованной энергии соответствует энергии, подведенной во время нагревания 0,2 литра воды. Каждую кривую можно подогнать к прямой линии, как показано пунктирными линиями на фиг. 5, чтобы вычислить градиент. В настоящем варианте осуществления третья кривая 503 имеет самый высокий (то есть самый отрицательный) градиент, поскольку быстрее нагреть 0,2 литра воды, чем 0,5 литра или 1 литр, и поэтому подведенная энергия уменьшается быстрее.

Любой заданный тип и/или объем материала можно охарактеризовать тепловым параметром B, который описывает тепловую инерцию того материала. Значение B может зависеть не только от нагреваемого материала, но также от других факторов, например, тепловых свойств сосуда, содержащего в себе материал. Наряду с демонстрацией характеристического значения теплового параметра B конкретный материал может демонстрировать характеристический градиент на кривой фильтрованной энергии (см. фиг. 5). Поэтому можно выполнить процесс калибровки, в котором получаются эталонные значения для разных выборок для теплового параметра B и градиента фильтрованной энергии. В вариантах осуществления настоящего изобретения эти эталонные значения могут храниться в справочной таблице в энергонезависимом запоминающем устройстве (см. запоминающее устройство 210 из фиг. 2).

Ссылаясь теперь на фиг. 6, показана диаграмма, которая иллюстрирует кривые предполагаемой температуры и фактической температуры во времени в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения. Первая кривая 601 (сплошная линия) иллюстрирует измеренные данные для фактической температуры нагреваемого материала, тогда как вторая кривая 602 (штрихпунктирная линия) иллюстрирует данные предполагаемой температуры, полученные в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения. Кривую 602 предполагаемой температуры можно получить с помощью блока управления, который контролирует энергию, подведенную к нагревательному элементу во время операции нагревания, применяет фильтр скользящего среднего к данным подведенной энергии, вычисляет градиент кривой фильтрованной энергии и обращается к справочной таблице, сохраненной в запоминающем устройстве, чтобы получить значение теплового параметра B, ассоциированное с вычисленным градиентом. В настоящем варианте осуществления, как только получается значение для теплового параметра B, предполагаемую температуру T в заданный момент t (то есть момент после начала операции нагревания) можно получить с использованием уравнения

где T₀ - начальная температура, а T_f - целевая температура (которая может устанавливаться пользователем).

В настоящем варианте осуществления начальная температура T₀ является температурой, измеренной датчиком температуры в начале операции нагревания, то есть в t=0. В t=0 нагревательный элемент еще не включен и холодный. В результате температура нагревательного элемента не влияет значительно на измеренную температуру в t=0. Измеренная начальная температура поэтому может точно соответствовать фактической температуре содержимого, так как датчик температуры выполнен с возможностью хорошего теплового контакта с содержимым, а также нагревательным элементом.

Однако в других вариантах осуществления настоящего изобретения этап измерения начальной температуры можно пропустить. Например, некоторые варианты осуществления настоящего изобретения могут быть предназначены для использования с конкретным типом материала, который обычно хранится при определенной температуре. В таких случаях блок управления может быть выполнен с возможностью предположения, что начальная температура соответствует этой определенной температуре. Например, если система предназначена для нагрева пищи из замороженной, то начальная температура может предполагаться равной -17°C. Если система предназначена для нагрева охлажденной пищи, обычно хранящейся в холодильнике, то начальная температура может предполагаться равной 2°C. Если система предназначена для нагрева пищи, обычно хранящейся при комнатной температуре, то начальная температура может предполагаться равной 20°C.

Как показано на фиг. 6, предполагаемая температура нагреваемого материала показывает хорошее соответствие с фактической (то есть измеренной) температурой в любой точке. Небольшое расхождение на начальной стадии нагревания обусловлено алгоритмом перерегулирования, применяемым блоком управления для управления нагревательным элементом в настоящем варианте осуществления.

Во время процесса калибровки значения B могут определяться опытным путем для каждого типа и/или объема материала. В частности, во время калибровки кривую нагревания можно получить путем непосредственного измерения температуры материала. Используя вышеприведенное уравнение, можно определить значение B, которое обеспечивает максимальное соответствие кривой фактической измеренной температуры.

В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения блок управления может быть выполнен с возможностью ожидания, пока не записано заранее установленное количество замеров, перед вычислением предполагаемой температуры. Это может гарантировать, что предполагаемая температура вычисляется с нужной степенью точности. В качестве примера блок управления может ожидать, пока не записано несколько сотен замеров.

В настоящем варианте осуществления блок управления выполнен с возможностью записи данных о подведенной энергии с частотой дискретизации в 5 Гц, то есть каждые 0,2 с блок управления записывает уровень, на котором энергия подводится к нагревательному элементу. Блок управления дополнительно выполнен с возможностью начала вычисления предполагаемой температуры после приблизительно трех циклов включения/выключения нагревательного элемента. Как показано на фиг. 3 и 4, в настоящем варианте осуществления эти циклы имеют период приблизительно в 25 с, означая, что блок управления ожидает, пока не записано приблизительно 375 замеров, перед вычислением предполагаемой температуры. Блок управления затем пересчитывает предполагаемую температуру с равными интервалами, чтобы регулярно предоставлять обновленную оценку температуры пользователю.

Однако в других вариантах осуществления настоящего изобретения блок управления может быть выполнен с возможностью только вычисления предполагаемой температуры в ответ на запрос пользователя для отображения предполагаемой температуры. В качестве альтернативы другие варианты осуществления настоящего изобретения могут вообще не отображать предполагаемую температуру пользователю, но вместо этого могут автоматически изменять операцию нагревания на основе предполагаемой температуры, например, используя контур обратной связи для поддержания предполагаемой температуры в постоянном значении.

Ссылаясь теперь на фиг. 7, показана блок-схема алгоритма, иллюстрирующая способ оценивания температуры нагретого материала в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения. Начиная с этапа S701, система начинает операцию нагревания, чтобы нагреть продукт питания до нужной температуры. Далее, переходя к этапу S702, система контролирует энергию, подведенную к нагревательному элементу. В настоящем варианте осуществления контроль подведенной энергии содержит периодическую запись уровня, на котором энергия подводится в настоящее время к нагревательному элементу. В результате записи множества значений за некоторый период времени система накапливает некий набор данных, который иллюстрирует то, как подведенная энергия меняется со временем.

Далее на этапе S703 система обрабатывает записанные данные о подведенной энергии, чтобы вычислить скорость, с которой подведенная энергия изменяется со временем. В настоящем варианте осуществления этот этап содержит применение фильтра скользящего среднего к записанным данным, чтобы значительно сгладить большие флуктуации, когда питание циклически включается/отключается. После применения фильтра скользящего среднего система вычисляет градиент прямой линии, которая предлагает максимальное соответствие кривой фильтрованной энергии (см. фиг. 5).

Далее на этапе S704 система запрашивает справочную таблицу, сохраненную в запоминающем устройстве, чтобы найти значение теплового параметра B, которое соответствует скорости, вычисленной на этапе S703. В конечном счете на этапе S705 система использует это извлеченное значение B для вычисления предполагаемой текущей температуры нагреваемого материала. Система может затем отобразить пользователю эту предполагаемую температуру. В некоторых вариантах осуществления, в дополнение или вместо отображения предполагаемой температуры предполагаемая температура может использоваться для регулирования управления нагревательным элементом, чтобы точно поддерживать нагретый материал при нужной температуре.

Ссылаясь теперь на фиг. 8, показана диаграмма, иллюстрирующая падение температуры во время операции нагревания в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения. Операция нагревания во многом аналогична описанной ранее в отношении фиг. 3 и 4, и поэтому подробное описание будет пропущено, чтобы сохранить краткость. Вкратце, фиг. 8 иллюстрирует первую кривую 801, показывающую температуру нагревательного элемента во время операции нагревания, и вторую кривую 802, показывающую измеренную температуру нагреваемого материала.

В настоящем варианте осуществления примерно на 500-й секунде температура нагреваемого материала внезапно уменьшается примерно на 5°C. Это обусловлено добавлением более холодного материала в сосуд для нагревания. Кроме того, как показано на фиг. 8, невозможно обнаружить это падение температуры просто путем контроля температуры нагревательного элемента (см. первую кривую 801), поскольку добавление холодного материала имеет небольшое влияние или никакого влияния на температуру нагревательного элемента. Однако соответствующее уменьшение температуры нагретого материала можно обнаружить путем контроля энергии, подведенной к нагревательному элементу, что сейчас будет описываться со ссылкой на фиг. 9 и 10.

Фиг. 9 иллюстрирует энергию, подведенную к нагревательному элементу во время операции нагревания, проиллюстрированной на фиг. 8. Пунктирная линия примерно на 500-й секунде указывает момент, в который дополнительный более холодный материал добавляется к нагреваемому материалу. Так как это приводит к увеличению массы материала, который нужно нагреть, а также общему уменьшению температуры, становится необходимым подвести больше энергии, чтобы привести материал обратно к целевой температуре и поддерживать его при целевой температуре. Поэтому после добавления более холодного материала примерно на 500-й секунде последует соответствующее увеличение частоты повторения импульсов у энергии, подведенной к нагревательному элементу.

Фиг. 10 иллюстрирует кривую фильтрованной энергии для операции нагревания, проиллюстрированной на фиг. 8, полученную путем применения фильтра скользящего среднего к данным, показанным на фиг. 9. Имеется значительное увеличение сигнала фильтрованной энергии после добавления более холодного материала примерно на 500-й секунде. Поэтому система способна обнаружить падение температуры и управлять дисплеем для указания пользователю этого падения температуры, даже если датчик температуры, предоставленный для управления нагревательным элементом, недостаточно чувствителен для непосредственного обнаружения падения температуры.

После обнаружения падения температуры система может пересчитать предполагаемую температуру. В настоящем варианте осуществления блок управления выполнен с возможностью ожидания, пока не завершится один цикл включения/выключения источника питания, после того, как обнаружено падение температуры. В этот момент фильтр скользящего среднего применяется к данным до и после момента, в который было обнаружено падение температуры, и предполагаемая температура вычисляется на основе результирующей кривой фильтрованной энергии.

Поэтому, хотя блок управления может ждать несколько циклов включения/выключения в начале операции нагревания перед вычислением предполагаемой температуры, когда обнаруживается падение температуры, обновленную температуру можно вычислить быстрее. Причина в том, что доступны данные о подведенной энергии перед падением температуры, тогда как никакие такие данные не доступны до начала операции нагревания.

В качестве примера блок управления может быть выполнен с возможностью вычисления новой предполагаемой температуры вскоре после падения температуры путем предположения, что значение теплового параметра B остается без изменений до падения температуры. Когда накапливается больше данных, блок управления может пересчитать градиент после падения температуры (например, после 3 циклов включения/выключения вслед за падением температуры) и найти обновленное значение теплового параметра B.

Ссылаясь теперь на фиг. 11, система 1100 схематически иллюстрируется в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения. Для ясности на фиг. 11 элементы, например блок управления, источник питания, дисплей, запоминающее устройство и блок переключения (см. фиг. 2), иллюстрируются в виде единого блока 1105 управления. Система 1100 содержит корпус 1101, который формируется с выемкой для вмещения сосуда 1102, содержащего в себя продукт 1103 питания, который нужно приготовить. В настоящем варианте осуществления сосуд 1102 формируется отдельно от корпуса 1101, так что сосуд можно убирать, например, чтобы позволить легко опорожнять и чистить сосуд. Однако в других вариантах осуществления сосуд может формироваться неотъемлемым от корпуса. Система, например, проиллюстрированная на фиг. 11, может давать преимущество в том, что корпус 1101 может быть приспособлен только к вмещению определенного сосуда 1102. Таким образом, можно гарантировать, что один и тот же сосуд 1102 всегда используется во время операции нагревания, и поэтому систему можно точно откалибровать под этот конкретный сосуд 1102. Следовательно, можно повысить точность, с которой может вычисляться текущая температура нагреваемого материала (то есть продукта 1103 питания), поскольку тепловые свойства сосуда могут быть практически постоянными, и поэтому любое изменение градиента кривой фильтрованной энергии (см. фиг. 5) можно приписать продукту 1103 питания.

Ссылаясь теперь на фиг. 12, иллюстрируется система в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения. В настоящем варианте осуществления поверхность 1201 нагрева системы выполнена в виде варочной поверхности, например электрической конфорки, а сосуд 1207 выполнен в виде кастрюли. Эта система может допускать использование ряда разных сосудов. Так как измеренный градиент кривой фильтрованной энергии (см. фиг. 5) может зависеть от тепловых свойств сосуда, а также нагреваемого материала, в некоторых вариантах осуществления система может ограничиваться использованием с сосудами из конкретного диапазона кухонной утвари, в котором разные сосуды выполнены имеющими аналогичные тепловые свойства.

Ссылаясь теперь на фиг. 13, иллюстрируется система в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения. Система аналогична проиллюстрированной на фиг. 12, но отличается тем, что сосуд 1307 содержит метку 1302 RFID для передачи информации о сосуде 1307 в блок 1305 управления по беспроводному информационному соединению 1303. Эта система может подходить для использования с множеством разных сосудов, имеющих существенно разные тепловые свойства. Метка 1302 RFID может хранить информацию для идентификации конкретного сосуда 1307 или для предоставления особой информации о тепловых свойствах сосуда 1307. Блок 1305 управления может принимать эту информацию от метки 1302 RFID и интерпретировать измеренный градиент кривой фильтрованной энергии (см. фиг. 5) на основе принятой информации. Например, во время конфигурации системы справочная таблица может снабжаться множеством данных, соответствующих разным классам сосуда, при этом метка 1302 RFID предоставляет информацию, идентифицирующую класс, к которому принадлежит конкретный сосуд 1302. Блок 1305 управления тогда может быть выполнен с возможностью поиска в конкретном разделе справочной таблицы, соответствующем идентифицированному классу.

Эта система может дать преимущество в том, что даже когда используются сосуды с существенно разными тепловыми свойствами, система по-прежнему может быть способна точно вычислять предполагаемую текущую температуру нагреваемого материала путем приема информации, которая может использоваться для идентификации конкретного используемого сосуда. Хотя в настоящем примере эта информация хранится в метке RFID, специалист примет во внимание, что могут использоваться другие компоновки. Например, сосуд 1307 и поверхность нагрева могут снабжаться контактами металлических поверхностей для образования прямого проводного соединения между блоком 1305 управления и запоминающим устройством в сосуде 1307.

Хотя выше описаны некоторые варианты осуществления настоящего изобретения, специалисту будет понятно, что возможны многие изменения и модификации, находясь при этом в рамках объема изобретения, который задан формулой изобретения.

Например, описаны варианты осуществления настоящего изобретения, в которых нагревательный элемент управляется путем многократного включения или выключения соединения с источником питания в соответствии с измеренной температурой нагревательного элемента. Однако в других вариантах осуществления может использоваться регулируемый источник питания, и в этом случае блоком переключения можно пренебречь, и блок управления может управлять источником питания напрямую. В таких вариантах осуществления может присутствовать возможность вычисления градиента непосредственно из кривой подведенной энергии во времени, и поэтому этапом применения фильтра скользящего среднего можно пренебречь. Кроме того, не нужно ждать несколько циклов включения-выключения и применять фильтр скользящего среднего для формирования гладкой кривой, из которой может вычисляться градиент. Поэтому может присутствовать возможность вычисления предполагаемой температуры раньше в операции нагревания и быстрее после падения температуры по сравнению с вариантами осуществления, в которых используется импульсный источник питания.

Более того, описаны варианты осуществления настоящего изобретения, в которых датчик температуры предоставляется в непосредственной близости от нагревательного элемента, чтобы измерять температуру нагревательного элемента. Однако в других вариантах осуществления датчик температуры может сам не измерять напрямую температуру нагревательного элемента. Например, датчик температуры может измерять температуру, которая немного меньше температуры нагревательного элемента, когда датчик температуры отделяется от нагревательного элемента воздушным зазором. При условии, что температура считывается в аналогичном месте во время калибровки и во время обычного использования, такие отличия могут учитываться и могут не влиять неблагоприятно на точность, с которой оценивается температура.

Кроме того, хотя варианты осуществления настоящего изобретения описаны в отношении кухонных принадлежностей, в других вариантах осуществления нагретый материал может быть не продуктом питания. Например, вариант осуществления настоящего изобретения может быть выполнен в виде вапоризатора для лица, в котором нагретый материал выполнен в виде воды. Вообще, варианты осуществления настоящего изобретения могут позволить оценивать температуру любого нагретого материала.

Использование глагола "содержат" и его однокоренных слов не исключает наличия элементов помимо изложенных в формуле изобретения или в описании. Использование единственного числа при описании элемента или этапа не исключает наличия множества таких элементов или этапов. Чертежи и описание нужно рассматривать только в качестве пояснительных, и они не ограничивают предмет изобретения. Никакой знак ссылки в формуле изобретения не следует толковать как ограничивающий объем.

Изобретение относится к области термометрии и может быть использовано для оценивания температуры нагреваемого материала. Способ содержит подведение электрической энергии к нагревательному элементу в зависимости от измеренной температуры, вычисление скорости, с которой величина подведенной электрической энергии изменяется со временем, сравнение вычисленной скорости с множеством известных значений, чтобы определить значение параметра, относящегося к тепловым свойствам нагреваемого материала, и вычисление предполагаемой температуры на основе определенного значения упомянутого параметра. В некоторых вариантах осуществления способ может дополнительно содержать обнаружение падения температуры нагреваемого материала путем обнаружения изменения в вычисленной скорости, с которой величина подведенной электрической энергии изменяется со временем. Технический результат - повышение точности определения температуры нагреваемого материала. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 13 ил.

1. Способ оценивания температуры нагреваемого материала, содержащий этапы, на которых:
подводят электрическую энергию к нагревательному элементу в зависимости от измеренной температуры;
вычисляют скорость, с которой величина подведенной электрической энергии изменяется со временем;
сравнивают вычисленную скорость с множеством известных значений скорости, чтобы определить значение параметра, относящегося к тепловым свойствам нагреваемого материала, причем известные значения скорости хранятся вместе с соответствующими известными значениями параметра в запоминающем устройстве; и
вычисляют предполагаемую температуру на основе определенного значения упомянутого параметра.

2. Способ по п.1, в котором этап, на котором подводят электрическую энергию к нагревательному элементу, содержит этап, на котором многократно включают и выключают подведенную энергию в зависимости от измеренной температуры.

3. Способ по п.2, дополнительно содержащий этап, на котором применяют фильтр скользящего среднего к записанным данным о подведенной электрической энергии перед вычислением скорости, с которой величина подведенной электрической энергии изменяется со временем.

4. Способ по любому из пп.1-3, в котором предполагаемая температура вычисляется на основе уравнения

где Т - предполагаемая температура, Т₀ - начальная температура, T_f - заданная температура, t - истекшее время с начала нагревания и В - параметр, относящийся к тепловым свойствам нагреваемого материала.

5. Способ по п.1, в котором измеренная температура является температурой нагревательного элемента или граничного слоя между нагревательным элементом и сосудом, содержащим нагреваемый материал, например варочной поверхности.

6. Способ по п.1, в котором этап, на котором подводят электрическую энергию к нагревательному элементу, содержит этап, на котором подводят электрическую энергию для того, чтобы поддерживать значение измеренной температуры в заранее определенном диапазоне температуры.

7. Способ по п.1, дополнительно содержащий этап, на котором обнаруживают падение температуры нагреваемого материала путем обнаружения изменения в вычисленной скорости, с которой величина подведенной электрической энергии изменяется со временем.

8. Способ по п.7, дополнительно содержащий этап, на котором пересчитывают предполагаемую температуру после обнаружения падения температуры на основе записанных данных о подведенной электрической энергии до и после падения температуры.

9. Устройство для оценивания температуры нагреваемого материала (208; 1103), содержащее:
сосуд (207; 1102), выполненный с возможностью вмещения материала, который нужно нагреть;
нагревательный элемент (202);
источник питания (204), выполненный с возможностью подведения электрической энергии к нагревательному элементу;
датчик температуры (203), выполненный с возможностью измерения температуры;
запоминающее устройство (210); и
блок управления (205), выполненный с возможностью управления подведением электрической энергии к нагревательному элементу в зависимости от измеренной температуры,
где блок управления содержит:
первый вычислитель, выполненный с возможностью вычисления скорости, с которой величина подведенной электрической энергии изменяется со временем;
компаратор, выполненный с возможностью сравнения вычисленной скорости с множеством известных значений скорости, чтобы определить значение параметра, относящегося к тепловым свойствам нагреваемого материала, причем известные значения скорости хранятся вместе с соответствующими известными значениями параметра в запоминающем устройстве; и
дополнительный вычислитель, выполненный с возможностью вычисления предполагаемой температуры на основе определенного значения упомянутого параметра.

10. Устройство по п.9, дополнительно содержащее:
блок переключения (209), подключенный между источником питания и нагревательным элементом, причем блок переключения переключается между включенным состоянием, в котором электрическая энергия подводится к нагревательному элементу, и выключенным состоянием, в котором электрическая энергия не подводится к нагревательному элементу,
где блок управления выполнен с возможностью многократного переключения блока переключения между включенным и выключенным состояниями в зависимости от измеренной температуры.

11. Устройство по п.10, в котором блок управления выполнен с возможностью применения фильтра скользящего среднего к записанным данным о подведенной электрической энергии перед вычислением скорости, с которой величина подведенной электрической энергии изменяется со временем.

12. Устройство по любому из пп.9-11, в котором датчик температуры располагается в непосредственной близости от нагревательного элемента, чтобы измерять температуру нагревательного элемента или граничного слоя (201) между нагревательным элементом и сосудом, например варочной поверхности.

13. Устройство по п.9, в котором блок управления выполнен с возможностью подведения электрической энергии к нагревательному элементу, чтобы поддерживать значение измеренной температуры в заранее определенном диапазоне температуры.

14. Устройство по п.9, в котором блок управления выполнен с возможностью обнаружения падения температуры нагреваемого материала путем обнаружения изменения в вычисленной скорости, с которой величина подведенной электрической энергии изменяется со временем.

15. Устройство по п.14, в котором блок управления выполнен с возможностью пересчета предполагаемой температуры после обнаружения падения температуры на основе записанных данных о подведенной электрической энергии до и после падения температуры.