ФУНКЦИЯ АВТОМАТИЧЕСКОЙ ОСТАНОВКИ В КУХОННОМ УСТРОЙСТВЕ
FUNCTION OF AUTOMATIC STOP IN KITCHEN DEVICE

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к области автоматического управления работой кухонного устройства в соответствии с параметрами, измеренными во время обработки пищевых продуктов.
Уровень техники
В процессе взбивания сливок или яичного белка, замешивания теста и изготовления иных подобных продуктов, требующих взбивания или замешивания, очень важно остановить обработку в нужный момент, чтобы избежать избыточной обработки, которая может привести к получению ненужного продукта (например, к превращению сливок в масло). Это особенно важно при изготовлении взбитых сливок. Обработку необходимо остановить в нужный момент, когда взбитые сливки обладают надлежащей крепостью консистенции и еще не превращаются в масло. Для яичного белка этот переход не настолько критичен, но, тем не менее, остановив взбивание в нужный момент, можно избежать образования хлопьев взбитого яичного белка.
Многие кухонные устройства, например кухонные машины, кухонные комбайны, погружные миксеры, специализированные приборы, используют для взбивания сливок или яичного белка, замешивания теста и изготовления иных подобных продуктов, требующих взбивания или замешивания. В уровне техники известно несколько кухонных устройств, способных автоматически останавливать обработку пищевых продуктов. В патентном документе US 5,539,288 (ЕР 0 555 902 В1) предложено измерять механический крутящий момент на валу мешалки. Поскольку крепость консистенции взбиваемых сливок увеличивается, для перемещения мешалки необходимо увеличение крутящего момента. Другой аналогичный метод заключается в измерении увеличения потребляемой электроэнергии вследствие увеличения крутящего момента на валу мешалки. Два таких решения описаны в патентных документах US 5,539,288 и JP 2001095408.
В уровне техники известно больше решений для замешивания теста, которые можно найти в патентных заявках. В патентном документе US 4,747,690 раскрыто устройство и способ управления качеством теста. Это устройство посредством инструментов, в частности тензодатчика, термометра, весов и рН-метра, измеряет температуру, вес и значение рН теста, а также механическое сопротивление, действующее на мешалку. Измеренные данные сравнивают с ранее сохраненными данными и на основании полученного результата осуществляют корректировку процесса замешивания, также может быть принято решение о продолжительности и окончании замешивания.
В патентном документе US 5,556,198 раскрыт многофункциональный электрический миксер, предназначенный для смешивания пищевых продуктов и замешивания теста. Это устройство способно определять момент, когда тесто надлежащим образом замешено, и автоматически выключаться. Нагрузку на двигатель устройства во время замешивания теста контролирют путем отслеживания мощности, потребляемой таким двигателем. Двигатель останавливается, когда нагрузка на него начинает уменьшаться после периода увеличения нагрузки.
В патентном документе US 6,656,515 предложен способ управления смешиванием ингредиентов теста в миксере. Мощность, потребляемую миксером, измеряют через определенные интервалы времени, сохраняя данные, относящиеся к потребляемой мощности. На основании сохраненных данных определяют снижение мощности, потребляемой миксером. Миксер смешивает ингредиенты теста в течение предварительно заданного периода времени после обнаружения уменьшения потребления мощности.
Известные способы позволяют автоматически останавливать обработку, детектируя пороговые значения отключения различных типов, в частности пороговое значение производной крутящего момента при взбивании сливок и уменьшение потребляемой мощности при замешивании теста. Тем не менее, на практике используемые ингредиенты, а также их температура и другие параметры существенно различаются. Поэтому очень трудно определить оптимальный момент остановки обработки, не используя усложненную проверку параметров в течение всего времени обработки. Метод анализа диапазона параметров для инициирования остановки обработки, который будет учитывать изменение важных параметров в зависимости от времени, будет полезен для более точного определения момента автоматической остановки.
Раскрытие сущности изобретения
Задачей настоящего изобретения является усовершенствование процесса автоматической остановки работы кухонного устройства.
Задача изобретения решена кухонным устройством для обработки пищевых ингредиентов с признаками, раскрытыми в пункте 1 формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления, которые могут быть реализованы сами по себе или в сочетании друг с другом, раскрыты в зависимых пунктах формулы.
Согласно аспекту изобретения, кухонное устройство для обработки пищевых ингредиентов содержит по меньшей мере моторизованное приводное средство, одно или несколько соединительных средств для подключения различных насадок и пользовательский блок управления для управления работой кухонного устройства, причем кухонное устройство также содержит измерительный модуль, выполненный с возможностью измерения в реальном времени параметра, зависящего от потребляемой кухонным устройством мощности, вычислительный модуль, выполненный с возможностью сбора и обработки данных, полученных от указанного измерительного модуля, и модуль принятия решения, выполненный с возможностью автоматической остановки работы кухонного устройства в тот момент, когда параметры, найденные указанным вычислительным модулем, оказываются в пределах предварительно заданного диапазона, регулируемого в соответствии с измерениями во время обработки. Данные, полученные измерительным модулем в реальном времени, использует вычислительный модуль для вычисления тренда по методу скользящего среднего значения. Скользящие средние значения, рассчитанные вычислительным модулем, передаются в модуль принятия решения, выполненный с возможностью использования этих данных для принятия решения о времени остановки работы устройства. Это решение зависит не только от данных, полученных вычислительным модулем, но и от параметров, исходно запрограммированных пользователем в интерфейсе пользователя в зависимости от типа обработки и количества ингредиентов, а также данных, которые могут быть предоставлены другими датчиками кухонного устройства, например веса и температуры, и, наконец, от динамики изменения самих расчетных параметров. Алгоритмы, используемые для различных видов обработки, построены с возможностью регулирования диапазонов остановки обработки.
Задача изобретения решена путем усовершенствования процесса автоматической остановки работы кухонного устройства за счет введения дополнительных вычислительных возможностей вычислительного модуля (например, второй производной) и динамического регулирования диапазонов, в которых модуль принятия решения инициирует функцию автоматической остановки.
В предпочтительном варианте осуществления указанный параметр, зависящий от потребляемой кухонным устройством мощности, представляет собой потребляемый ток, крутящий момент, приложенный к валу соединительного средства, непосредственно измеренную частоту вращения с учетом выбранной скорости и рабочего инструмента и т.п. Важно выбрать один из параметров для отслеживания обработки пищевых продуктов, непосредственно зависящий от усилия, приложенного для обработки ингредиентов. Поскольку процессы взбивания сливок и яичного белка, замешивания теста и т.п. приводят к изменению физических параметров обработанных пищевых продуктов, результатом становится изменение необходимого усилия, прикладываемого к кухонному устройству, что может быть использовано для определения момента достижения процессом этапа, на котором он должен быть остановлен.
В следующем предпочтительном варианте осуществления упомянутая обработка данных, полученных от измерительного модуля, содержит вычисление скользящего среднего значения второй производной данных, полученных от упомянутого измерительного модуля. Скользящее среднее значение предпочтительно используют в качестве сигнала от измерительных модулей, который значительно различается в разные моменты времени в связи с неравномерностью обработки пищевых продуктов или неравномерностью распределения пищевых продуктов в процессе обработки. Кроме того, рабочий инструмент в некоторых случаях вращается значительно медленнее скорости сбора данных, что приводит к циклическим колебаниям сигнала. Кроме того, сигнал может также меняться из-за нестабильности электросети, особенностей двигателя и других причин. Часто бывает разумно использовать первую и вторую производную для максимально раннего определения некоторых физических процессов, происходящих в обрабатываемых пищевых продуктах. Например, в случае взбитых сливок распознавание максимальной потребляемой мощности может происходить слишком поздно, так как сливки уже могут начать превращаться в масло до того, как этот момент будет определен модулем принятия решения. Поэтому используют вторую производную, благодаря чему итоговый момент принятия решения наступает немного раньше.
Кроме того, модуль принятия решения принимает решение об остановке кухонного устройства только по истечении предварительно заданного времени работы, чтобы избежать реакции на помехи, образующиеся вследствие колебаний потребляемой кухонным устройством мощности на первом этапе обработки пищевых продуктов. Так как зачастую усилие, развиваемое кухонным устройством на первом этапе обработки, колеблется в широком диапазоне вследствие того, что ингредиенты еще не представляют собой однородную смесь, сигналы от измерительного модуля собирают для того, чтобы впоследствии откорректировать параметры принятия решения. При этом модуль принятия решения не учитывает эти сигналы в течение предварительно заданного времени или до распознавания сигнала с нужными характеристиками в зависимости от выполняемого процесса, выбранного в интерфейсе пользователя.
Кроме того, указанные модули расположены внутри кухонного устройства таким образом, что обеспечена возможность непрерывного приема данных измерительным устройством от кухонного устройства, передачи этих данных в вычислительный модуль, вычисляющий производные и скользящие средние значения и выполненный с возможностью соответствующей регулировки предварительно заданных диапазонов параметров, приема этих данных модулем принятия решения, сравнения их с диапазонами параметров и передачи полученного алгоритма остановки на управляющий механизм внутри кухонного устройства, которое затем останавливает свою работу. Важно, чтобы указанные модули имели возможность получать информацию от интерфейса пользователя для определения выполняемого процесса, также, возможно, количества и другой информации. Это позволит непрерывно получать информацию о текущем усилии, развиваемом кухонным устройством, вычислять и корректировать переменные и диапазоны, принимать решение о времени остановки обработки и передавать это решение на механизм остановки кухонного устройства.
Также возможен вариант, в котором указанные модули (измерительный, вычислительный, принятия решения) могут быть частями единого центрального процессорного блока. Это позволяет уменьшить занимаемое пространство, снизить затраты и предотвратить конфликты программного обеспечения.
В предпочтительном варианте осуществления пользовательский блок управления выполнен с возможностью выбора пользователем различных количеств обрабатываемых пищевых продуктов или видов готового продукта, например крепости консистенции взбитых сливок, что дает возможность корректировки параметров, инициирующих модуль принятия решения. Благодаря этому модуль принятия решения может использовать один из протоколов, предварительно заданных для различных возможных вариантов вида обработки, выбранных пользователем.
В другом варианте осуществления кухонное устройство выполнено с возможностью инициирования автоматической остановки в процессе взбивания сливок. Взбивание сливок - один из наиболее распространенных видов использования. Оно должно быть остановлено до того, как сливки начнут превращаться в масло.
В следующем варианте осуществления кухонное устройство выполнено с возможностью инициирования автоматической остановки в процессе взбивания яичного белка.
В следующем варианте осуществления кухонное устройство выполнено с возможностью инициирования автоматической остановки в процессе замешивания теста.
Предпочтительные варианты осуществления изобретения, которые могут быть реализованы по отдельности или в сочетании друг с другом, раскрыты в зависимых пунктах формулы изобретения.
Краткое описание чертежей
Фигура 1: линия тренда скользящего среднего значения для интервала р=10 секунд и соответствующий старший коэффициент k для каждой секунды.
Фигура 2: пример изменения нагрузки во время взбивания сливок (вверху) и предполагаемая линия тренда старшего коэффициента во время взбивания (внизу).
Фигура 3: пример изменения нагрузки во время взбивания яичного белка (вверху) и предполагаемая линия тренда старшего коэффициента во время взбивания (внизу).
Фигура 4: пример изменения нагрузки во время замешивания теста (вверху) и предполагаемая линия тренда старшего коэффициента во время замешивания теста (внизу).
Осуществление изобретения
Измерения усилия, развиваемого кухонным устройством, или одного из связанных с ним параметров можно использовать для отслеживания этапов обработки пищевых продуктов в чаше кухонного устройства. К таким параметрам относятся крутящий момент, измерения тока, частота вращения и тому подобное. Крутящий момент может быть измерен непосредственно или, что используют чаще, посредством изменения электрического тока, потребляемого электродвигателем, приводящим в действие кухонное устройство. Один из распространенных методов контроля изменения сигнала заключается в использовании его первой производной. Сложность использования производной для прогнозирования изменения нагрузки заключается в том, что производная учитывает слишком короткий промежуток времени и, тем самым, чрезмерно чувствительна к шуму в составе сигнала. Поэтому данный метод, если сигнал не подвергся значительному сглаживанию, не является достаточно надежным для прогнозирования тренда сигнала.
Скользящие средние значения являются более надежным методом. Чем короче интервал, используемый для расчета скользящего среднего значения, тем быстрее удается спрогнозировать изменения сигнала. При увеличении интервала времени можно спрогнозировать долгосрочные тренды, в то время как более короткие колебания будут пропущены. Поэтому продолжительность интервала следует скорректировать с учетом типа процесса и прогнозируемых событий.
[l,i+p]
Последовательное увеличение скользящего среднего значения указывает на восходящий тренд. Задача заключается в автоматическом определении восхождения тренда, скорости этого восхождения или его продолжительности. Поэтому, в отличие от простого вычисления среднего значения в определенном скользящем интервале p, разумнее вычислить 1-ю степень полинома для этого интервала или найти приближение в виде функции (y=k*х+n). Знак и величину старшего коэффициента k можно использовать для надежного и достоверного прогнозирования определенных событий. Если необходимо динамическое обнаружение событий, линию тренда строят на более коротком интервале, в то время как долгосрочные тренды составляют с использованием более длительного интервала. Кроме того, прогноз учитывает только форму сигнала, но не его величину.
На фигуре 1 представлено использование линий тренда (черные линии) для сигнала у длительностью 30 секунд. Старший коэффициент k каждой линии показан отдельно для каждой секунды. Можно заметить, что k в начале указывает на возрастание сигнала. При максимальном уклоне сигнал k достигает своего пика, после чего постепенно уменьшается, что указывает на будущее выравнивание сигнала. При опускании ниже нуля значение сигнала уменьшается. Также можно заметить, что метод тренда дает заниженные прогнозы, так как значения сигнала уже снизились, в то время как значение k остается положительным. Этот эффект можно уменьшить за счет сокращения интервала тренда, но с другой стороны, это приводит к снижению достоверности прогнозов, так как чувствительность к изменениям также увеличится. Поэтому для прогнозируемого процесса необходимо найти оптимальный интервал.
На фигуре 2 представлены этапы расчета и принятия решения для взбивания сливок. Этот процесс имеет малую или среднюю продолжительность и, в зависимости от типа кухонного устройства, а также от вида и количества сливок, может длиться от 30 секунд до 6 минут при максимальной скорости взбивания. В процессе взбивания в сливки входит воздух, что приводит к увеличению крепости консистенции сливок и увеличению их объема. В результате увеличивается нагрузка на кухонное устройство. Хотя различные виды сливок отличаются, процесс взбивания одинаков для любых видов. Поэтому, несмотря на различную длительность взбивания, график возрастания нагрузки (или форма сигнала нагрузки) будет одинаковым или подобным в каждом случае.
Для принятия верного решения о времени остановки процесса взбивания в первую очередь ориентируются на предотвращение чрезмерного взбивания, то есть превращения в масло. Второе по важности условие - исключение преждевременной остановки взбивания. В начале, как показано на фигуре 2, существует интервал, в котором не принимают никаких решений вследствие слишком больших колебаний, вызываемых включением кухонного устройства и инерционными воздействиями, обусловленными приведением жидкости в движение. После стабилизации нагрузки можно принимать решения. Момент остановки определяют, используя пороговое значение старшего коэффициента k, определяемое эмпирически в зависимости от типа устройства и количества взбитых сливок, выбранного пользователем или, возможно, распознанного датчиками внутри кухонного устройства (например, датчиками веса, датчиками ближней инфракрасной области и т.п.). Этот момент расположен на наклонном участке с возрастающей нагрузкой, при этом сливки имеют правильную консистенцию с точки зрения пользователя. Для уверенности устройство останавливают после того, как k превысит пороговое значение по меньшей мере на одну секунду. Как показывает опыт, момент максимальной нагрузки не подходит для прогнозирования, потому что в этот момент сливки уже слишком крепкой консистенции и близки к превращению в масло. Кроме того, трудно надежно предсказать этот момент до того, как сливки начнут превращаться в масло.
Для подстраховки вводят дополнительный таймер на тот случай, если определенные сливки окажутся трудно взбиваемыми, или количество сливок будет очень малым, вследствие чего нагрузка не увеличится достаточно для достижения требуемого порогового значения. Продолжительность взбивания для данного таймера определяют эмпирически и используют только в исключительных случаях в качестве резерва. Если сливки не удается взбить до этого момента, существует вероятность, что взяты плохие сливки, или кухонное устройство настроено неправильно.
max
max
max
На фигуре 3 представлены этапы расчета и принятия решения для взбивания яичного белка. Этот процесс имеет среднюю продолжительность и на обычных кухонных устройствах, в зависимости от количества яичных белков, может занимать от 3 до 5 минут. Процесс взбивания, подобно взбиванию сливок, вводит воздух в яичный белок, в результате чего его объем увеличивается. Это отражается в виде увеличения нагрузки. В отличие от сливок, яичный белок в случае чрезмерного взбивания не превращается в масло, вследствие чего нагрузка через определенное время стабилизируется. Моментом принятия решения об остановке процесса взбивания считают достижение определенного порогового значения. Через несколько секунд после достижения порогового значения модуль принятия решения останавливает взбивание. Поскольку взбивание яичного белка связано с меньшей нагрузкой по сравнению со сливками, этого порогового значения достигают не всегда. Поэтому необходимо второе динамическое правило. Оно определяет максимальный коэффициент k, и если по истечении определенного времени после достижения k разность между k и k(t) превысит предварительно заданное значение Δ то процесс взбивания будет остановлен при стабилизации нагрузки.
Как и в случае взбивания сливок вводят дополнительный таймер на тот случай, если обрабатывают малое количество яичного белка, так что нагрузка не увеличивается достаточно для достижения требуемого порогового значения или обнаружения посредством второго правила. Продолжительность для этого таймера определяют эмпирически, и она обычно составляет до 5 минут, однако может быть больше или меньше в зависимости от типа обрабатывающего устройства. Если яичный белок не взбивается, то причина, как правило, заключается в качестве яиц или неправильной настройке кухонного устройства.
На фигуре 4 представлены этапы расчета и принятия решения для замешивания теста. Для замешивания теста используют более длительный интервал тренда, потому что нагрузка изменяется в широком диапазоне на этапе замешивания. Увеличенный интервал сглаживает большие изменения, вызванные замешивающим крюком, и, тем самым, повышает достоверность прогноза. С другой стороны, это увеличивает отставание обнаружения, но в процессе данного типа это не так важно, потому что изменения в тесте происходят не настолько быстро и не имеют критического характера.
Методы обнаружения, распознающие образование теста, определяют момент, когда нагрузка максимальна и работают, только если крюк почти все время находится в контакте с тестом. Это верно для большинства профессиональных тестомесильных машин. В случае кухонных устройств такое распознавание труднодостижимо вследствие конструкции устройства. Поэтому детектируемая нагрузка значительно меняется вследствие наличия или отсутствия контакта, а не вследствие изменений в тесте. С другой стороны, существует значительная вероятность того, что нагрузка на устройство существенно стабилизируется после формирования массы теста вокруг крюка. Поэтому момент принятия решения определяют обнаружением стабилизации нагрузки или, как показано на фигуре 4, падением коэффициента k ниже нуля после того, как нагрузка перестанет увеличиваться. Для повышения точности принятия решения кухонное устройство останавливается после того, как k будет меньше нуля в течение предварительно заданного количества секунд после достижения этого момента. Это также справедливо для случаев, в которых выбрано неправильное соотношение между сухими компонентами теста и водой. Если воды взято меньше, чем нужно, тесто не формируется, а нагрузка стабилизируется. Затем пользователь должен добавить воду для завершения процесса. Если воды слишком много, тесто станет мягким и липким, и нагрузка также стабилизируется. Обычно добавление муки помогает завершить процесс.
Как и в случае взбивания сливок, вводят дополнительный таймер на тот случай, если взято меньшее количество (недостаточное для того, чтобы замешивающий крюк смог собрать все ингредиенты), так как нагрузка не изменяется достаточно для распознавания по вышеупомянутому правилу. Продолжительность для этого таймера определяют эмпирически, и она составляет, как правило, до 10 минут, однако может иметь большее или меньшее значение в зависимости от типа обрабатывающего устройства.