СПОСОБ И ПРИБОР ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ТЕПЛОВОЙ ОБРАБОТКИ ПИЩИ
METHOD AND APPARATUS FOR CONTROLLING FOOD HEAT TREATMENT

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящая технология относится к области управления тепловой обработкой, в частности, к способу управления процессом тепловой обработки пищи, по меньшей мере, на основании обнаружения степени готовности пищи. Технология относится также к прибору, устройству для тепловой обработки и машиночитаемому носителю данных для осуществления способа.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В настоящее время управление тепловой обработкой пищи дома полагается либо на ручное управление пользователем во время тепловой обработки, либо на предварительно установленные параметры, введенные пользователем перед тепловой обработкой, например, тип пищи, время тепловой обработки, температура и т.п. В первом случае, ошибки пользователя могут «испортить» пищу, например, сделать ее пережаренной. Во втором случае ручной ввод создает неудобства и по-прежнему зависит от опыта, а, кроме того, неоптимальные результаты тепловой обработки часто встречаются вследствие значительного расхождения между реальной пищей и «усредненной» моделью пищи, используемой в бытовой электроплите.
Готовность пищи во многом связана с температурой в ее сердцевине. В настоящее время, данную температуру контролируют инвазивно во время тепловой обработки посредством вставки игловидного термометра в пищу. Способ обнаружения готовности пищи является деструктивным и, более того, дает только информацию о температуре в конкретной части пищи, которая не может точно представлять общую температуру в пище. Кроме того, игла в кухонной машине будет осложнять очистку машины. При этом чтобы исключить серьезное повреждение пищи, часто применяют очень тонкую иглу. Поэтому такая игла подвержена излому или изгибу, что влияет на ее применение. Кроме того, конструкция машины будет усложняться с добавлением иглы, что также повышает производственную себестоимость кухонной машины.
Заявка US2013/0306626 A1 описывает системы, приборы и способы тепловой обработки пищи с использованием радиочастоты.
Заявка US2013/0080098 A1 описывает устройство и способ для подведения электромагнитной энергии в радиочастотном диапазоне для определения или обнаружения состояния обработки обрабатываемого объекта.
Заявка US2013/0092680 описывает печь, включающую в себя варочную камеру, выполненную с возможностью приема пищевого продукта, содержащую первый и второй источники энергии, и пользовательский интерфейс, выполненный с возможностью отображения информации, связанной с процессами тепловой обработки. Печь может использовать данные обратной связи по поглощению радиочастотного спектра.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей настоящего изобретения является решение или смягчение по меньшей мере одной из вышеупомянутых проблем.
Первый аспект настоящего изобретения представляет собой способ управления процессом тепловой обработки пищи. Способ содержит получение состояния белка в пище во время нагревания пищи, при этом состояние белка является степенью денатурирования белка; определение степени готовности пищи на основании состояния белка; и управление процессом тепловой обработки пищи на основании определенной степени готовности. Кроме того, способ содержит испускание множества радиочастотных сигналов в пищу неинвазивным образом и прием множества сигналов отражения или сигналов пропускания радиочастотных сигналов от пищи. Сигналы отражения являются частью радиочастотных сигналов, которые отражаются от пищи, и сигналы пропускания являются частью радиочастотных сигналов, которые проходят сквозь пищу. Затем, способ содержит получение состояния белка на основании упомянутого множества радиочастотных сигналов и упомянутого множества сигналов отражения или сигналов пропускания.
Белок является хорошим показателем, представляющим фактическое состояние пищи в процессе тепловой обработки, так как белок является важным ингредиентом пищи (например, мяса), при этом состояние белка пищи во многом зависит от готовности пищи в процессе тепловой обработки. Фактическим показателем степени готовности является денатурирование белка, т.е. химическое состояние белка, которое может обеспечить более прямую и точную информацию о состоянии пищи на основании установленной связи между степенью готовности и степенью денатурирования белка.
Преимущества способа реализуются в следующих аспектах. В соответствии с первым аспектом предлагаемый способ дает автоматическое решение тепловой обработки по сравнению с традиционными способами, которые нуждаются в пользовательском вводе целевых времени/температуры. В этом способе от пользователя требуется только установить целевую степень готовности пищи, без ввода других параметров тепловой обработки, например, температуры, времени тепловой обработки и т.п., которые не просто понять среднему пользователю. В результате, способ минимизирует вмешательство пользователя во время тепловой обработки. В соответствии со вторым аспектом создается возможность высокоточного управления тепловой обработкой благодаря прямому указанию на состояние белка во время тепловой обработки. Температура является традиционным показателем процесса тепловой обработки. Она является причиной изменения состояния ингредиентов, но не является прямым показателем состояния пищи. В некоторых случаях при применении соли, разных составах мяса, разных личных предпочтений и разных типах мяса, температура не может давать точную информацию о готовности. Напротив, в данном способе в качестве показателя готовности пищи предлагается состояние белка, что способствует более своевременному и точному обнаружению готовности пищи.
Посредством применения проникающего сигнала, например, радиочастотного сигнала, при получении состояния белка пищи, готовность пищи может быть определена неинвазивным способом. Таким образом, целостность пищи не будет нарушаться, что улучшает зрительное восприятие при пробе пищи на вкус.
Необязательно, упомянутое множество радиочастотных сигналов может иметь одинаковую частоту. По существу, способ может содержать испускание упомянутого множества радиочастотных сигналов в пищу в разные моменты времени во время нагревания пищи; получение состояние белка на основании диэлектрических свойств пищи, при этом диэлектрические свойства определяют на основании фаз или амплитуд радиочастотных сигналов и упомянутого множества сигналов отражения или сигналов пропускания; и определение степени готовности пищи на основании диэлектрических свойств в течение времени.
Изменение диэлектрического свойства пищи характеризуется поэтапным снижением и повышением, связанным со степенями готовности пищи, что делает определение степени готовности пищи не зависящим от абсолютного измеренного значения и, тем самым, защищает определение степени готовности от возмущающих факторов, например, исходного состояния пищи, изменчивости состава пищи. Это является очевидным преимуществом по сравнению с измерением температуры (монотонно повышающейся) или потери влаги (монотонно уменьшающейся).
Необязательно, упомянутое множество радиочастотных сигналов может иметь по меньшей мере две частоты. По существу, способ может содержать испускание упомянутого множества радиочастотных сигналов в пищу; выделение параметров, указывающих состояние белка в пище на основании упомянутого множества радиочастотных сигналов и упомянутого множества сигналов отражения или сигналов пропускания; и определение степени готовности пищи по выделенным параметрам.
Введение многочастотной информации делает восприятие более надежным по отношению к различным возмущающим факторам, включая погрешность измерения, электронный шум и изменение пищи. Поэтому можно точно определять готовность пищи.
Вторым аспектом настоящего изобретения является прибор, выполненный с возможностью управления процессом тепловой обработки пищи. Прибор содержит излучающий блок, приемный блок, блок получения, блок определения и блок управления. Излучающий блок выполнен с возможностью испускания множества радиочастотных сигналов в пищу неинвазивным образом. Приемный блок выполнен с возможностью приема из пищи множества сигналов отражения или сигналов пропускания радиочастотных сигналов. Сигналы отражения являются частью радиочастотных сигналов, которые отражаются из внутренней области пищи. Сигналы пропускания являются частью радиочастотных сигналов, которые проходят сквозь пищу. Блок получения выполнен с возможностью получения состояния белка в пище во время нагревания пищи на основании упомянутого множества радиочастотных сигналов и упомянутого множества сигналов отражения или сигналов пропускания, при этом состояние белка является степенью денатурирования белка. Блок определения выполнен с возможностью определения степени готовности пищи на основании состояния белка; и блок управления выполнен с возможностью управления процессом тепловой обработки пищи на основании определенной степени готовности.
Третьим аспектом настоящего изобретения является устройство для тепловой обработки пищи. Устройство для тепловой обработки пищи содержит прибор, выполненный с возможностью обнаружения готовности пищи как описано выше.
Четвертым аспектом настоящего раскрытия является машиночитаемый носитель данных, хранящий команды. При выполнении в приборе, команды заставляют прибор осуществлять этапы способа, как описано выше.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Далее приведено описание технологии на примере вариантов осуществления со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг. 1 схематически иллюстрирует блок-схему последовательности операций способа управления процессом приготовления пищи в соответствии с вариантом осуществления;
Фиг. 2 схематически иллюстрирует блок-схему последовательности операций способа управления процессом тепловой обработки пищи в соответствии с вариантом осуществления;
Фиг. 3 представляет собой примерный график, схематически иллюстрирующий температурную зависимость диэлектрического свойства пищи;
Фиг. 4 представляет собой примерный график, схематически иллюстрирующий повторяемость того, что диэлектрическое свойство пищи имеет зависимость от температуры;
Фиг. 5 представляет собой примерный график, схематически иллюстрирующий определение готовности пищи с помощью алгоритма взятия производной;
Фиг. 6 представляет собой блок-схему прибора, выполненного с возможностью управления процессом тепловой обработки пищи в соответствии с вариантом осуществления;
Фиг. 7 представляет собой блок-схему прибора, выполненного с возможностью управления процессом тепловой обработки пищи в соответствии с вариантом осуществления;
Фиг. 8 схематически иллюстрирует схемы расположения группы радиочастотных чувствительных элементов в соответствии с вариантом осуществления;
Фиг. 9 схематически иллюстрирует пример настройки взвешивания, эффективного для матрицы РЧ иллюстрирует схемы расположения группы радиочастотных чувствительных элементов при определении степени готовности пищи; и
Фиг. 10 схематически иллюстрирует схемы расположения РЧ чувствительных элементов в устройстве для тепловой обработки пищи в соответствии с вариантом осуществления.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Варианты осуществления по настоящему изобретению будут подробно описаны в дальнейшем со ссылкой на прилагаемые чертежи. Однако, варианты осуществления по настоящему изобретению могут быть реализованы в многих различных формах и не подлежат толкованию в смысле ограничения объема охраны прилагаемой формулы изобретения. Элементы чертежей не обязательно выполнены в масштабе друг относительно друга. Одинаковые позиции относятся к одинаковым элементам на всех чертежах.
Терминология, используемая в настоящем описании, имеет целью только описание конкретных вариантов осуществления и не предназначена для ограничения. В контексте настоящего изобретения, признаки единственного числа предполагают включение в себя также множественных форм, если контекст прямо не указывает на иное. Дополнительно следует понимать, что термины «содержит», «содержащий», «включает в себя» и/или «включающий в себя», при использовании в настоящем описании, указывают на наличие заявленных признаков, целых чисел, этапов, операций, элементов и/или компонентов, но не препятствует наличию или добавлению одного или более других признаков, целых чисел, этапов, операций, элементов, компонентов и/или их групп.
Если не указано иное, то все термины (включая технические и научные термины), используемые в настоящем описании, имеют такое же значение, которое является общеизвестным. Дополнительно следует понимать, что термины, используемые в настоящем описании, следует интерпретировать, как имеющие значение, которое согласуется с их значением в контексте настоящего описания и соответствующей области техники, и не подлежат интерпретации в идеализированном или слишком формальном смысле, если в таком смысле прямо не определяются в настоящем описании.
Настоящая технология описана ниже со ссылкой на блок-схемы и/или блок-схемы последовательности операций, иллюстрирующие способы, приборы (системы) и/или компьютерную программу в соответствии с настоящими вариантами осуществления. Следует понимать, что блоки в блок-схемах и/или блок-схемах последовательностей операций, а также комбинации блоков в блок-схемах и/или блок-схемах последовательностей операций могут быть реализованы командами компьютерной программы. Эти команды компьютерной программы могут подаваться в процессор, контроллер или блок управления универсального компьютера, компьютера специального назначения и/или другого программируемого устройства обработки данных для создания машины, так что команды, которые исполняются посредством процессора компьютера и/или другого программируемого устройства обработки данных, создают средство для реализации функций/действий, указанных в блоке или блоках блок-схем и/или блок-схем последовательностей операций.
Соответственно, настоящую технологию можно осуществить в форме аппаратного и/или программного обеспечения (включая микропрограммное обеспечение, резидентное программное обеспечение, микрокод и т.п.). Кроме того, настоящая технология может быть реализована в форме компьютерной программы на используемом компьютером или машиночитаемом носителе данных, содержащем используемый компьютером или машиночитаемый программный код, реализованный на носителе для использования системой выполнения команд или в связи с данной системой. В контексте настоящего документа, используемый компьютером или машиночитаемый носитель данных может быть любым носителем, который может содержать, хранить или обладать способностью передачи программы для использования системой, прибором или устройством выполнения команд или в связи с данными системой, аппаратом или устройством.
Варианты осуществления по настоящему изобретению описаны ниже со ссылкой на чертежи.
Если взять для примера тепловую обработку бифштекса, то в качестве показателя готовности бифштекса можно использовать температуру в сердцевине. Как показано в нижеприведенной таблице, готовность бифштекса подразделяется на множество степеней готовности. Отдельные степени готовности соответствуют соответствующим температурным диапазонам.
Степень готовности
Описание
Температурный диапазон
Очень слабо прожаренный или прогретый
очень красный и холодный
46-49°C
С кровью
холодный красный центр; мягкий
52-55°C
Слабо прожаренный
теплый красный центр; жестче
55-60°C
Среднепрожаренный
розовый и жесткий
60-65°C
Хорошо прожаренный
розоватый в центре
65-69°C
Полностью прожаренный
серо-коричневый по всей массе; жесткий
71-100°C
Пережаренный
темный по всей массе; твердый
>100°C
Однако температура является всего лишь физическим показателем пищи во время тепловой обработки, а фактическим показателем степени готовности является денатурирование белка, т.е. химическое состояние белка, которое может обеспечивать более прямую и точную информацию о состоянии пищи на основании установленной связи между степенью готовности и степенью денатурирования белка, называемой состоянием белка.
Фиг. 1 схематически иллюстрирует высокоуровневую блок-схему последовательности операций способа управления процессом тепловой обработки пищи в соответствии с одним вариантом осуществления.
На этапе 110 способа получают состояние белка в пище во время нагревания пищи. В данном случае, пищей называют любой вид пищи, которая содержит белок в качестве одного из главных ингредиентов, например, говядину, свинину, яйцо и т.п. Для объяснения ниже используют бифштекс, чтобы на примере описать варианты осуществления по настоящему изобретению.
Существует четыре различных степени структуры белка. В третичной структуре пространственное расположение достигается, когда линейная белковая цепь с вторичными структурными сегментами дополнительно сворачивается в компактную трехмерную (3D) форму. Белок свертывается сам по себе так, что гидрофобные элементы белка оказываются в глубине структуры, и гидрофильные элементы оканчиваются снаружи. Некоторые молекулы воды в пище связываются на поверхности белка гидрофильными элементами, например, с помощью водородной связи. Во время нагревания пищи происходит денатурирование белка. В частности, третичная структура разрушается, что приводит к разрыву гидрофильных связей, и связанная вода становится свободной водой. Кроме того, денатурирование сопровождается высвобождением ионов кальция и магния.
Как выяснилось, в процессе денатурирования белка связанная вода становится свободной водой, и высвобождаются ионы. Данные два фактора в совокупности значительно изменяют диэлектрическое свойство пищи. Процесс денатурирования белка может быть обнаружен путем измерения изменения диэлектрического свойства пищи. Другими словами, состояние белка может быть отображено диэлектрическими характеристиками пищи.
Состояние белка пищи получают неинвазивным способом. В частности, способ содержит испускание радиочастотного (РЧ) сигнала в пищу, и данный сигнал может проникать в пищу на достаточную глубину (например, несколько сантиметров) для обнаружения состояния белка. Состояние белка пищи может быть получено измерением поглощения РЧ сигнала, указывающего на диэлектрическое поведение пищи, что будет подробно описано в дальнейшем.
На этапе 120 способа определяют степень готовности пищи (по меньшей мере, частично) по состоянию белка. В частности, степень готовности пищи может быть определена на основании установленной связи между степенью готовности и состоянием белка. При этом состояние белка может быть отражено различными способами, например, с помощью диаграммы изменения диэлектрического свойства, спектральных характеристик РЧ сигналов, указывающих на диэлектрическое свойство пищи, как поясняется в дальнейшем. Например, способ может содержать поиск по базе данных степени готовности, соответствующей диаграмме изменения диэлектрического свойства (например, форме кривой), которая показывает состояние белка. В другом примере, способ может содержать использование спектральных характеристик РЧ сигналов, указывающих на диэлектрическое свойство пищи, чтобы прогнозировать степень готовности пищи. Реализация этих вариантов осуществления будет подробно описана в дальнейшем.
На этапе 130 способа управляют процессом тепловой обработки пищи (по меньшей мере, частично) на основании определенной степени готовности. Например, если определенная степень готовности идентична целевой степени готовности, способ может прекратить процесс тепловой обработки пищи и сигнализировать акустически или визуально пользователю о необходимости извлечения пищи из устройства для тепловой обработки пищи. Если определенная степень готовности приближается к целевой степени готовности, то способ может предусматривать настройку параметров тепловой обработки пищи прибора/устройства для приготовления пищи, в том числе, значения мощности нагрева, рабочего цикла и длительности времени тепловой обработки, чтобы, в конечном счете, достигнуть целевой степени готовности без пережаривания.
Преимущества способа реализуются в следующих аспектах. В соответствии с первым аспектом предложенный способ предлагает более удобное решение тепловой обработки по сравнению с традиционными способами, в которых требуется пользовательский ввод целевых времени/температуры. В данном способе от пользователя требуется только установка целевой степени готовности пищи, без ввода других параметров тепловой обработки, например, температуры, времени тепловой обработки и т.п., которые не просто понять среднему пользователю. В результате, данный способ минимизирует вмешательство пользователя во время тепловой обработки. В соответствии со вторым аспектом создается возможность высокоточного управления тепловой обработкой благодаря прямому указанию на состояние белка во время тепловой обработки. Температура является традиционным показателем для процесса тепловой обработки. Температура является причиной изменения состояния ингредиентов, но не является прямым показателем состояния пищи. В некоторых случаях при применении соли, при разных составах мяса, разных личных предпочтений и разных типах мяса, температура не может давать точную информацию о готовности. Напротив, в данном способе, в качестве показателя готовности пищи предлагается состояние белка, что способствует более своевременному и точному определению готовности пищи.
Кроме того, кондуктивное нагревание пищи, например, поджаривание, выпекание и приготовление на гриле, включает в себя процесс теплопередачи от поверхности пищи вовнутрь, что создает, в результате, отрицательный градиент температуры к центру пищи. Температуру сердцевины пищи можно использовать для указания на готовность пищи. Для получения температуры сердцевины пищи в пищу можно вставить температурный датчик (например, термопару или терморезистор), чтобы измерять температуру сердцевины. Данный метод зондирования является инвазивным и может нарушать целостность пищи. Следовательно, желательно, чтобы готовность пищи можно было определять неинвазивно, что возможно при использовании проникающего сигнала, например, радиочастотного сигнала, при получении состояния белка пищи.
Как упоминалось выше, состояние белка пищи во время нагревания пищи может отображаться диэлектрическими характеристиками пищи. Диэлектрические характеристики пищи определяются несколькими диэлектрическими механизмами. Для радиочастот основными механизмами являются ориентация диполей и ионная проводимость. При низких радиочастотах, основной вклад вносит ионная проводимость. При высоких радиочастотах, большее значение имеет ориентация диполей, то есть полярная молекула может подстраивать свое направление соответственно внешнему электрическому полю. На средних радиочастотах, действуют оба механизма. Частотная зависимость диэлектрического свойства пищи является основой для зондирования состояния белка пищи с помощью радиочастотных сигналов. Далее, процесс получения состояния белка с помощью РЧ сигнала и определения посредством этого готовности пищи неинвазивным способом будет описан со ссылкой на фиг. 2.
Как показано на фиг. 2, способ может содержать испускание множества радиочастотных сигналов в пищу неинвазивным образом, непрерывно или дискретно, во время нагревания пищи на этапе 101 и приема множества сигналов отражения или сигналов пропускания радиочастотных сигналов из пищи на этапе 105. Сигналы отражения являются частью радиочастотных сигналов, которые отражаются от внутренней области пищи. Сигналы пропускания являются частью радиочастотных сигналов, которые проходят сквозь пищу. Необязательно, сигналы отражения могут быть отражены с разных глубин пищи. По существу, сигналы отражения могут показывать поглощение энергии РЧ сигналов на разной глубине пищи, что будет способствовать получению более точного состояния белка пищи. В таком случае способ может содержать получение состояния белка на основании упомянутого множества радиочастотных сигналов и упомянутого множества сигналов отражения или сигналов пропускания на этапе 110. В частности, возможные следующие реализации способа:
РЕАЛИЗАЦИЯ I
Способ может содержать испускание множества радиочастотных сигналов в пищу в разные моменты времени в течение нагревания пищи и прием соответствующих сигналов отражения или сигналов пропускания. Эти радиочастотные сигналы имеют одинаковую частоту. Причина для испускания упомянутого множества радиочастотных сигналов в пищу в разные моменты времени в течение нагревания пищи поясняется ниже.
Во время денатурирования белка, связанная вода становится свободной водой, и высвобождаются ионы. Данные два фактора в совокупности значительно изменяют диэлектрическое свойство пищи. Следовательно, процесс денатурирования белка может быть обнаружен путем измерения изменения диэлектрического свойства пищи. В частности, в начальной стадии тепловой обработки (до денатурирования белка), повышение подвижности ионов с повышением температуры может приводить к усилению поглощения энергии радиочастоты. Во время денатурирования белка, увеличивающееся количество свободной воды и высвобожденных ионов значительно ускоряет поглощение энергии РЧ. На последующей стадии денатурирования, испарение воды уменьшает количество свободной воды и поэтому снижает подвижность ионов, что приводит к ослаблению поглощения РЧ энергии. По существу, изменение диэлектрического свойства пищи можно представить по изменению поглощения РЧ энергии во время нагревания пищи. Другими словами, диэлектрическое свойство пищи можно представить поглощением РЧ энергии, которое можно численно выразить такими параметрами рассеяния, как S11 и S12, диэлектрической постоянной или показателем диэлектрических потерь.
Поскольку состояние белка может указано диэлектрическими характеристиками, т.е. изменением диэлектрического свойства во время нагревания пищи, то, чтобы получить состояние белка, способ может содержать вычисление диэлектрических свойств в течение времени по фазам и/или амплитудам испускаемых радиочастотных сигналов и упомянутого множества сигналов отражения или сигналов пропускания на этапе 110. Например, диэлектрическое свойство может быть представлено параметром S11, который вычисляется как отношение фазы и/или амплитуды испускаемого РЧ сигнала и фазы и/или амплитуды соответствующего РЧ сигнала отражения. В другом примере диэлектрическое свойство может быть представлено параметром S12, который вычисляется как отношение фазы и/или амплитуды испускаемого РЧ сигнала и фазы и/или амплитуды соответствующего РЧ сигнала пропускания.
Затем, способ может содержать определение степени готовности пищи на основании полученных диэлектрических свойств на этапе 120. Например, способ может использовать полученные диэлектрические свойства для формирования кривой, которая изображает изменение диэлектрического свойства со временем, и затем сопоставлять форму кривой с соответствующими предварительно заданными кривыми, показывающими отдельную степень готовности, чтобы получить степень готовности, указываемую кривой.
Установление соответствия между предварительно заданными кривыми и отдельной степенью готовности показано на фиг. 3. Фиг. 3 является примерной диаграммой, схематически иллюстрирующей температурную зависимость диэлектрического свойства бифштекса. Как показано, горизонтальная ось представляет собой температуру в градусах Цельсия, вертикальная ось представляет собой амплитуду S11 в децибелах. Выбраны две частоты, представляющие случаи низкой частоты и высокой частоты. Верхняя кривая соответствует 1 МГц, и нижняя кривая соответствует 0,5 ГГц. Изменение диэлектрического свойства в бифштексе можно разбить на три стадии. На стадии I (18-40°C) снижение S11 обусловлено, в основном, повышением подвижности ионов, которая повышается с повышением температуры. На стадии II (40-55°C) температура достигает зоны денатурирования, и S11, в основном, снижается потому, что связанная вода переходит в свободную воду, и денатурирование миозина сопровождалось высвобождением ионов кальция и магния. На стадии III (55-70°C) S11 снова повышается потому, что подвижность ионов снижается вследствие испарения воды. Как показано, форма кривой, показывающей изменение диэлектрического свойства, зависит от температуры, при этом степень готовности бифштекса соответствует соответствующим температурным диапазоном. Например, «слабо прожаренный» соответствует диапазону 55-60°C, «среднепрожаренный» соответствует диапазону 60-65°C, и «хорошо прожаренный» соответствует диапазону 65-69°C. Следовательно, устанавливаются соответствия между формой кривой, показывающей изменение диэлектрического свойства, и степенью готовности.
Далее, чтобы доказать повторяемость изменения диэлектрического свойства, зависящего от температуры, приготовили и подогрели бифштексы трех разных типов. Результаты представлены на фиг. 4. Для точного сравнения кривых кривые нормировали в интервале [0, 1]. Верхняя фигура представляет результаты при 1 МГц, и нижняя фигура представляет результаты при 0,5 ГГц. Показаны сходные профили (т.е. стадии I-III), и показано, что кривые имеют очевидную повторяемость.
Как показано, форма кривой, указывающей на изменение диэлектрического свойства пищи, характеризуется поэтапным снижением и повышением, соответствующим степеням готовности пищи, что делает определение степени готовности пищи не зависящим от абсолютного измеренного значения и, тем самым, защищает определение степени готовности от возмущающих факторов, например, исходного состояния пищи, изменчивости состава пищи. Это является очевидным преимуществом по сравнению с измерением температуры (монотонно повышающейся) или потери влаги (монотонно уменьшающейся).
РЕАЛИЗАЦИЯ II
После получения диэлектрических свойств, как описано для реализации I, способ может также содержать установку функции, обозначаемой f(t), на основании полученных диэлектрических свойств. Функция f(t) отображает зависимость диэлектрических свойств от времени. От f(t) берется производная, которая нормируется по f(t), в результате чего выводится функция g(t), которая может иметь следующий вид:
.
По существу, способ может содержать вычисление значения g(t) в текущий момент времени и затем сравнение вычисленного значения с предварительно заданными пороговыми диапазонами, указывающими отдельные степени готовности. Таким образом, можно определить степень, показываемую вычисленным значением.
Ниже, процесс определения предварительно заданных пороговых диапазонов, показывающих отдельные степени готовности, описан со ссылкой на фиг. 5. При использовании бифштекса для примера множество образцов бифштекса используются при обучении пороговым значениям. Данные бифштексы изменяются по типу, качеству, размеру и толщине. Для каждого из бифштексов записывают изменение диэлектрического свойства во время нагревания, в результате чего можно записать соответствующую f(t) и, следовательно, g(t), как показано на фиг. 5. При этом степень готовности будет отмечена по кривой g(t), и данная степень готовности может быть измерена инвазивным способом (например, термопарой) или обеспечена профессиональным поваром. Таким образом, для данного образца идентифицируют пороговые диапазоны, показывающие отдельные степени готовности. Например, пороговый диапазон для степени i готовности можно обозначить как . По существу, полученный пороговый диапазон для степени i готовности можно вычислить усреднением идентифицированного порогового диапазона для данной степени готовности упомянутых образцов.
РЕАЛИЗАЦИЯ III
Степень готовности пищи можно прогнозировать по спектральным характеристикам РЧ сигналов на множестве частот. В частности, спектральные характеристики РЧ сигналов на множестве частот, полученные в конкретный момент времени, можно использовать в комбинации для прогнозирования степени готовности пищи в конкретный момент времени.
В варианте осуществления для определения степени готовности пищи в текущей момент времени, способ может содержать испускание множества радиочастотных сигналов в пищу. Эти РЧ сигналы имеют по меньшей мере две частоты, которые могут испускаться одновременно или последовательно через короткий временной интервал вблизи текущего момента времени.
Затем способ может содержать прием соответствующих сигналов отражения или сигналов пропускания и выделение параметров, указывающих состояние белка в пище на основании упомянутого множества испускаемых радиочастотных сигналов и упомянутого множества сигналов отражения или сигналов пропускания. Параметры касаются спектральных характеристик РЧ сигналов, включая, но без ограничения, амплитуду и/или фазу испускаемых радиочастотных сигналов на разных частотах; амплитуду и/или фазу сигналов отражения или сигналов пропускания на разных частотах; параметры рассеяния испускаемых радиочастотных сигналов, например, S11 и S12; информацию о производных испускаемых РЧ сигналов, сигналов отражения или сигналов пропускания; морфологическую информацию о данных РЧ сигналах на множестве частот, например, отношение амплитуд/энергий РЧ сигналов на высокой частоте и низкой частоте.
После выделения параметров способ может содержать определение степени готовности пищи по выделенным параметрам. Например, способ может содержать ввод параметров в качестве прогностических переменных величин в прогностическую модель готовности, и прогностическая модель может прогнозировать степень готовности по прогностическим переменным величинам. В данном случае, прогностическую модель можно установить с использованием методов интеллектуального анализа данных, которые включают в себя байесовскую сеть, дерево/случайный лес принятия решений, нейронную сеть, метод k ближайших соседей (k-NN) и т.п. Например, будет осуществляться обучение большому числу образцов, попарно связывающих параметры (или признаки), выделенные из испускаемых РЧ сигналов, сигналов отражения или сигналов пропускания (обозначенных ) и степень готовности (обозначенную C), с использованием метода k-NN, чтобы построить прогностическую модель готовности.
Введение многочастотной информации повышает надежность восприятия по отношению к различным возмущающим факторам, включая погрешность измерения, электронный шум и изменение пищи. Поэтому можно точно определять готовность пищи.
Фиг. 6 представляет блок-схему прибора, выполненного с возможностью управления процессом тепловой обработки пищи в соответствии с одним вариантом осуществления. Как показано на фиг. 6, прибор 600 включает в себя блок 610 получения, блок 620 определения и блок 630 управления. Прибор 600 может работать автономно. Он может быть также частично или полностью встроенным в устройство для тепловой обработки. Далее приведено описание функций приведенных элементов со ссылкой на фиг. 6.
Блок 610 определения в приборе 600 получает состояние белка в пище во время нагревания пищи. В данном случае, пищей называют любой вид пищи, который содержит белок в качестве одного из главных ингредиентов, например, говядину, свинину, яйцо и т.п.
Состояние белка пищи получают неинвазивно. В частности, прибор 600 может испускать проникающий сигнал, например, радиочастотные волны, в пищу, и упомянутый проникающий сигнал может проникать в пищу на достаточную глубину (например, несколько сантиметров) для обнаружения состояния белка. Следовательно, блок 610 получения может получать состояние белка пищи посредством измерения поглощения радиочастот, отражающего диэлектрические характеристики пищи, что подробно описано ниже.
Блок 620 определения в приборе 600 определяет степень готовности пищи (по меньшей мере, частично) по состоянию белка. В частности, степень готовности пищи можно определять на основании установленной связи между степенью готовности и состоянием белка. В данном случае, состояние белка может быть указано по-разному, например, диаграммой изменения диэлектрического свойства, спектральными характеристиками РЧ сигналов, представляющими диэлектрическое свойство в пище, как поясняется в дальнейшем. Например, блок 620 определения может просматривать базу данных для поиска степени готовности, соответствующей диаграмме изменения диэлектрического свойства (например, кривой линии), которая указывает состояние белка. В другом примере, блок 620 определения может использовать спектральные характеристики РЧ сигналов, представляющие диэлектрическое свойство пищи, чтобы прогнозировать степень готовности пищи. Реализация данных вариантов осуществления подробно поясняется в дальнейшем.
Блок 630 управления в приборе 600 управляет процессом тепловой обработки пищи (по меньшей мере, частично) на основании определенной степени готовности. Например, если определенная степень готовности идентична целевой степени готовности, блок 630 управления может прекратить процесс тепловой обработки и сигнализировать акустически или визуально пользователю о необходимости извлечения пищи из устройства для тепловой обработки. Если определенная степень готовности приближается к целевой степени готовности, то блок 630 управления может настроить параметры устройства для тепловой обработки, в том числе, значение мощности нагрева, рабочий цикл и длительность времени тепловой обработки, чтобы, в конечном счете, достигнуть целевой степени готовности без пережаривания.
Преимущества варианта осуществления реализуются в следующих аспектах. В соответствии с первым аспектом предлагается решение автоматической тепловой обработки в отличие от традиционных способов, в которых требуется пользовательский ввод целевых времени/температуры. В данном варианте осуществления от пользователя требуется только установка целевой степени готовности пищи без ввода других параметров тепловой обработки, например, температуры, времени тепловой обработки и т.п., которые не просто понять среднему пользователю. В результате, данный вариант осуществления минимизирует вмешательство пользователя во время тепловой обработки. В соответствии со вторым аспектом создается возможность высокоточного управления тепловой обработкой благодаря прямому указанию на состояние белка во время тепловой обработки. Температура является традиционным показателем для процесса тепловой обработки. Температура является причиной изменения состояния ингредиентов, но не является прямым показателем состояния пищи. В некоторых случаях, при применении соли, при разных составах мяса, разных личных предпочтений и разных типах мяса, температура не может давать точную информацию о готовности. Напротив, в данном варианте осуществления, в качестве показателя готовности пищи предлагается состояние белка, что способствует более своевременному и точному определению готовности пищи.
Кроме того, кондуктивное нагревание пищи, например, поджаривание, выпекание и приготовление на гриле, включает в себя процесс теплопередачи от поверхности внутрь пищи, что создает, в результате, отрицательный градиент температуры к центру пищи. Вследствие этого, температуру сердцевины пищи традиционно используют для указания на готовность пищи. Для получения температуры сердцевины пищи, в пищу часто вставляют температурный датчик (например, термопару или терморезистор), чтобы измерять температуру сердцевины. Данный метод зондирования является инвазивным и может нарушать целостность пищи. Следовательно, желательно, чтобы готовность пищи можно было определять неинвазивно, что возможно при использовании проникающего сигнала, например, радиочастотного сигнала, при получении состояния белка пищи.
Для достижения приведенной цели прибор 600 содержит излучающий блок 601 и приемный блок 605, как показано на фиг. 7.
Излучающий блок 601 в приборе 600 испускает множество радиочастотных сигналов в пищу неинвазивным образом. Например, излучающий блок 601 может быть разомкнутым коаксиальным сенсором. Сенсор может контактировать с пищей при испускании РЧ сигнала. В качестве альтернативы сенсор может не контактировать с пищей во время испускания РЧ сигнала, если испускаемый РЧ сигнал может проникать в пищу на глубину, достаточную для обнаружения состояния белка.
Приемный блок 605 может соответственно принимать множество сигналов отражения или сигналов пропускания радиочастотных сигналов из пищи. Сигналы отражения являются частью радиочастотных сигналов, которые отражаются от внутренней области пищи. Сигналы пропускания являются частью радиочастотных сигналов, которые проходят сквозь пищу. Необязательно, сигналы отражения могут отражаться с разных глубин пищи. По существу, сигналы отражения могут показывать поглощение энергии РЧ сигналов на разной глубине пищи, что будет способствовать получению более точного состояния белка пищи.
Когда приемный блок 605 выполнен с возможностью приема сигналов отражения, его можно размещать с той же стороны пищи. В таком случае, приемный блок 605 и блок 601 получения можно объединить в один элемент. В качестве дополнения или альтернативы, когда приемный блок 605 будет выполнен с возможностью приема сигнала пропускания, данный блок будет размещен с другой стороны пищи, противоположно излучающему блоку 601.
Затем блок 610 получения может получать состояние белка на основании упомянутого множества радиочастотных сигналов, испускаемых излучающим блоком 601, и упомянутого множества сигналов отражения или сигналов пропускания, принятых приемным блоком 605.
Данные блоки в приборе 600 могут работать совместно нижеописанным образом для определения степени готовности пищи:
РЕАЛИЗАЦИЯ I
Излучающий блок 601 может испускать множество радиочастотных сигналов в пищу в разные моменты времени в течение нагревания пищи и приемный блок 605 может принимать соответствующие сигналы отражения или сигналы пропускания. Эти РЧ сигналы имеют одинаковую частоту. РЧ сигналы могут испускаться и приниматься непрерывно или с перерывами во время нагревания пищи.
Для получения состояния белка блок 610 получения может вычислять диэлектрические свойства с течением времени по фазам и/или амплитудам испускаемых радиочастотных сигналов и упомянутому множеству сигналов отражения или сигналов пропускания. Например, диэлектрическое свойство можно представить параметром S11, который вычисляется как отношение фазы и/или амплитуды испускаемого РЧ сигнала и фазы и/или амплитуды соответствующего РЧ сигнала отражения. В другом примере диэлектрическое свойство может быть представлено параметром S12, который вычисляется как отношение фазы и/или амплитуды испускаемого РЧ сигнала и фазы и/или амплитуды соответствующего РЧ сигнала пропускания.
Блок 620 определения может определять степень готовности пищи на основании полученных диэлектрических свойств. Например, способ может использовать полученные диэлектрические свойства для формирования кривой, которая изображает изменение диэлектрического свойства со временем, и затем сопоставлять форму кривой с соответствующими предварительно заданными кривыми, показывающими отдельную степень готовности, чтобы получить степень готовности, указываемую кривой.
Как упоминалось выше, форма кривой, показывающей изменение диэлектрического свойства в пище, характеризуется поэтапным снижением и повышением, соответствующим степеням готовности пищи, что делает определение степени готовности пищи не зависящим от абсолютного измеренного значения и, тем самым, защищает определение степени готовности от возмущающих факторов.
РЕАЛИЗАЦИЯ II
После получения диэлектрических свойств, как описано для реализации I, блок 610 получения может также устанавливать функцию, обозначенную как f(t), на основании полученных диэлектрических свойств. Функция f(t) является функцией диэлектрических свойств от времени. От f(t) берется производная, которая затем нормируется по f(t), в результате чего выводится функция g(t), которая может иметь следующий вид:
.
По существу, блок получения может вычислять значение g(t) в текущий момент времени, и затем блок определения может сравнивать вычисленное значение с предварительно заданными пороговыми диапазонами, показывающими отдельные степени готовности. Таким образом, можно определить степень, указываемую вычисленным значением.
РЕАЛИЗАЦИЯ III
Излучающий блок 601 может испускать множество радиочастотных сигналов в пищу. Данные РЧ сигналы имеют по меньшей мере две частоты, которые могут быть множеством отдельных значений частоты, полосой частот или их комбинацией. Они могут испускаться одновременно или последовательно через короткий временной интервал. Затем приемный блок 605 может принимать соответствующие сигналы отражения или сигналы пропускания.
Блок 610 получения может выделять параметры, указывающие состояние белка в пище на основании упомянутого множества испускаемых радиочастотных сигналов и упомянутого множества сигналов отражения или сигналов пропускания. Параметры касаются спектральных характеристик диэлектрического свойства пищи, включая, но без ограничения, амплитуду и/или фазу испускаемых радиочастотных сигналов на разных частотах; амплитуду и/или фазу сигналов отражения или сигналов пропускания на разных частотах; параметры рассеяния испускаемых радиочастотных сигналов, например, S11 и S12; информацию о производных испускаемых РЧ сигналов, сигналов отражения или сигналов пропускания; и морфологическую информацию о данных РЧ сигналах на множестве частот, например, отношение амплитуд/энергий РЧ сигналов на высокой частоте и низкой частоте.
Блок 620 определения может определять степень готовности пищи на основании выделенных параметров. Например, блок 620 определения может вводить параметры в качестве прогностических переменных величин в прогностическую модель готовности, и прогностическая модель может прогнозировать степень готовности по прогностическим переменным величинам. В данном случае, прогностическую модель можно устанавливать с использованием вышеописанных методов интеллектуального анализа данных.
Введение многочастотной информации повышает надежность восприятия по отношению к различным возмущающим факторам, включая погрешность измерения, электронный шум и изменчивости пищи. Поэтому можно точно определять готовность пищи.
Кроме того, как известно, кондуктивное нагревание пищи включает в себя процесс теплопередачи от поверхности внутрь пищи. Следовательно, может случиться, что, когда сердцевина достигает требуемой степени готовности, другие части, в частности, части в углах и ближе к краю, пережариваются. Степень пережаривания повышается с увеличением размера и толщины бифштекса. Пережаривание происходит при неправильной форме пищи или неравномерном распределении состава пищи. В данных случаях, хотя сердцевина прожаривается до надлежащей степени готовности, пере- или недожаривание других частей может испортить общий вкус и вкусовые ощущения (жесткость, меньшую сочность и т.п.). Таким образом, желательно, чтобы общую степень готовности пищи можно было определить путем учета пространственной неравномерности пищи.
Для достижения приведенной цели прибор 600 может содержать множество пар из излучающего блока 601 и приемного блока 605, каждая из которых может испускать множество радиочастотных сигналов в разные части пищи и принимать соответствующие сигналы отражения или сигналы пропускания из пищи. Например, упомянутое множество пар из излучающего блока 601 и приемного блока 605 является матрицей разомкнутых коаксиальных сенсоров. Сенсоры могут быть расположены в одной плоскости или на поверхности со специальной кривизной, как показано на фиг. 8. Если сенсор контактирует с пищей во время работы, то криволинейная поверхность может способствовать лучшему контакту и, следовательно, более высокому отношению сигнала к шуму (SNR) при детектировании. Сенсоры могут располагаться эквидистантно или по специальной схеме, при необходимости.
Блок 610 получения может получать состояния белка в разных частях пищи на основании радиочастотных сигналов и упомянутого множества сигналов отражения или сигналов пропускания для отдельных частей.
Затем блок 630 определения может определять степени готовности разных частей пищи на основании соответствующих состояний белка и вычислять степень готовности пищи посредством взвешивания степеней готовности разных частей пищи. Общая степень готовности пищи может быть, в общем, описана нижеприведенной функцией:
,
где  означает общую степень готовности, и  означает степень готовности отдельных частей пищи.
Например,  можно вычислить по следующей формуле:
, (1)
где  означает весовой коэффициент степени  готовности,  означает округление до целого числа, ближайшего к . В примере с жаркой бифштекса, для выполнения математических операций, степени  готовности присваивают целочисленные значения от 1 до 5, которые определяются следующим образом: {1=«с кровью», 2=«слабо прожаренный», 3=«среднепрожаренный», 4=«хорошо прожаренный», 5=«полностью прожаренный»}.
Установка весового коэффициента  основана на соответствии локальной степени готовности общей степени готовности. Готовность сердцевины имеет наибольшее значение, так как ее по традиции используют в качестве критерия определения, и поэтому весовой коэффициент может быть установлен максимальным. В общем смысле, значимость степени готовности снижается при удалении от сердцевины к углам и краям. Поэтому, значение  можно соответственно устанавливать в нисходящем порядке.
Пример установки значения весового коэффициента приведен на фиг. 4. В предположении, что степени готовности, определяемые девятью сенсорами равны:
центральный сенсор: «среднепрожаренный»=3;
краевой сенсор: «хорошо прожаренный»=4;
угловой сенсор: «полностью прожаренный»=5.
То общая готовность, вычисленная по формуле (1) равна:
,
т.е. хорошо прожаренный. Данный пример показывает, что общая готовность лучше определяется как «хорошо прожаренный», несмотря на готовность «среднепрожаренный» в центре, при учете фактической степени готовности четырех относительно больших краевых зон.
Степени готовности от отдельных сенсоров могут быть даны дробными значениями, чтобы допускать более высокое «разрешение» степени готовности при промежуточном вычислении, например, 3,5 для состояния между «среднепрожаренный» и «хорошо прожаренный».
Настоящее изобретение предлагает также устройство для тепловой обработки, содержащее прибор, выполненный с возможностью вышеописанного управления процессом тепловой обработки пищи. Излучающий блок и приемный блок в приборе могут быть расположены в устройстве для тепловой обработки подходящим способом, например, на крышке устройства для тепловой обработки, на дне устройства для тепловой обработки и т.д.
Например, схемы расположения излучающего блока и приемного блока в устройстве для тепловой обработки показаны на фиг. 10. Излучающий блок и приемный блок показаны мелкими черными квадратами. Ингредиенты пищи показаны заштрихованным прямоугольником.
На фиг. 10(a), как излучающий блок, так и приемный блок размещены на крышке (L) устройства для тепловой обработки. Приемный блок может принимать сигналы отражения. Они не находятся в контакте с пищей во время работы.
На фиг. 10(b), как излучающий блок, так и приемный блок размещены на дне (B) устройства для тепловой обработки, т.е. под пищей. Они находятся в контакте с пищей во время работы.
На фиг. 10(c) один из излучающего блока и приемного блока размещен на дне устройства для тепловой обработки, а другой размещен на крышке устройства для тепловой обработки. Приемный блок может принимать сигналы пропускания.
На фиг. 10(d) схема расположения подобна схеме расположения с фиг. 10(c), за исключением того, что как излучающий блок, так и приемный блок находятся в контакте с пищей во время работы.
На фиг. 10(e) излучающий блок и приемный блок размещены на дну у боковой стенки (SW) устройства для тепловой обработки противоположно друг другу. По существу, пища размещается между излучающим блоком и приемным блоком. Излучающий блок испускает РЧ сигналы в пищу сбоку от пищи, и приемный блок принимает РЧ сигналы пропускания, распространяющиеся сквозь пищу, с другой стороны пищи.
В качестве альтернативы, излучающий блок и приемный блок могут размещаться в середине боковой стенки устройства для тепловой обработки, противоположно друг другу, как показано на фиг. 10(f). В данном случае, РЧ сигналы, испускаемые излучающим блоком, будут проходить по касательной к пище, и рассеянные сигналы будут приниматься приемным блоком. Данное решение применимо, в частности, к пище, толщина которой слишком велика для пропускания РЧ сигналов.
В то время как варианты осуществления представлены на чертежах и описаны, специалистам в данной области техники будет очевидно, что могут быть сделаны различных изменения и модификаций, элементы приведенных вариантов осуществления могут быть заменены любыми эквивалентами без выхода за пределы объема представленной технологии. Кроме того, многие модификации могут быть выполнены соответственно конкретным обстоятельствам и изложенным здесь принципам, без выхода за пределы существа изобретения. Поэтому предполагается, что настоящие варианты осуществления не ограничены конкретной формой, раскрытой в качестве предполагаемого лучшего варианта осуществления настоящей технологии, но что настоящие варианты осуществления включают в себя все варианты осуществления, находящиеся в пределах объема охраны прилагаемой формулы изобретения.