СИСТЕМА И СПОСОБ ДЛЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ПИЩИ
FOOD PREPARATION SYSTEM AND METHOD

В большинстве кухонь имеется множество приборов и устройств для приготовления пищи. Например, на кухне может иметься тостер, кофеварка, миксер, блендер, кухонный комбайн и плита. Большинство этих устройств имеет или может иметь электрическое питание.
Часто эти устройства используются в различных местах, расположенных по всей кухне. Электрические приборы должны быть расположены вблизи розеток. Хотя с эргономической точки зрения наиболее выгодно, если эти приборы используются около плиты, шнуры для этих приборов необходимо, как правило, держать на расстоянии от рабочей поверхности плиты.
Кроме того, шнуры этих приборов также делают использование этих приборов менее удобным и простым. Например, шнур для миксера должен позволять повару использовать миксер в различных положениях. Если шнур слишком длинен, он создает помехи на кухне и сокращает место на кухонной столешнице, доступное для приготовления пищи.
Плита создает иные проблемы для эргономичной работы на кухне. Вообще говоря, верхнюю поверхность плиты можно использовать только для приготовления пищи. Таким образом, некоторую часть пространства на столешнице использовать нельзя.
У некоторых варочных поверхностей имеется нагревательный элемент под теплопроводящим материалом. Хотя это позволяет получить дополнительное место на столешнице, теплопроводящий материал все-таки создает некоторую изоляцию, снижая тем самым эффективность плиты. Некоторые повара считают, что такую столешницу сложно использовать из-за нагревания проводящего материала.
Поэтому весьма желательно создать улучшенный способ подачи питания к различным приборам.
Система для приготовления пищи включает в себя бесконтактную систему передачи энергии для передачи энергии кухонному прибору. Система связи позволяет передавать информацию о кухонном приборе, помещенном вблизи бесконтактной системы передачи энергии, системе управления. Система управления может посылать информацию кухонному прибору. Бесконтактная система передачи энергии может быть индуктивной системой энергопитания.
При помощи информации, поступающей от прибора, система управления может определять количество энергии, которую требуется передать прибору, чтобы прибор обеспечил требуемый результат. Например, если кухонный прибор является сковородой и требуется нагреть сковороду до 250°F, система управления рассчитывает, какая энергия требуется для нагревания сковороды до требуемой температуры, а также время, требуемое для достижения требуемой температуры. Если в сковороде имеется температурный датчик, то сковорода предоставит системе управления сведения о температуре, тем самым обеспечивая систему управления с обратной связью.
В другом варианте выполнения в случае, если в приборе отсутствует система связи, тип прибора можно определить по частотной характеристике прибора. Частотная характеристика представляет собой график количества энергии, переданной прибору, при различных рабочих частотах системой бесконтактной передачи энергии. Для создания частотной характеристики систему бесконтактной передачи энергии включают на многих различных частотах. Для каждой частоты определяется энергия, переданная прибору. Каждый прибор имеет уникальную частотную характеристику, что позволяет точно идентифицировать прибор. После идентификации информация, относящаяся к работе прибора, извлекается из базы данных, содержащей множество различных приборов.
Если бы прибор имел систему связи, то информация о работе прибора подавалась бы системе управления посредством передачи информации от прибора к системе управления. В альтернативном варианте прибор может предоставлять системе управления идентификатор, и затем система управления извлекает из памяти информацию, относящуюся к работе прибора.
Система приготовления пищи может быть соединена с сетью, позволяя пользователю осуществлять управление системой приготовления пищи из удаленного места. Тогда пользователь может осуществлять точное управление различными приборами, используемыми в системе приготовления пищи.
Система приготовления пищи может также включать в себя средство выравнивания, такое как магнит, для поддержания прибора в приемлемом положении относительно бесконтактной системы питания.
С указанной системой приготовления пищи можно использовать различные приборы. Например, прибор может включать в себя пользовательский интерфейс для программирования работы прибора и системы управления. Такой прибор включает в себя контейнер для пищевых продуктов, систему связи и устройство пользовательского ввода. Пользователь программирует работу прибора, вводя определенную информацию, относящуюся к приготовлению пищи, такую как температура и время, либо пользователь может выбрать заранее составленную программу для графика приготовления пищи.
После ввода указанной информации прибор, помещенный вблизи бесконтактной системы питания, передает системе управления информацию, относящуюся к графику приготовления пищи. Затем система управления осуществляет питание прибора в соответствии с графиком.
Поскольку энергия передается прибору посредством бесконтактной системы питания, кухонный прибор и система управления могут быть герметично помещены в один блок. После этого прибор можно целиком погружать в воду или помещать в посудомоечную машину, не боясь повредить систему управления или соединение с источником питания.
С системой приготовления пищи можно также использовать менее сложный прибор, такой как тостер. Тостер содержит нагревательные элементы, которые индуктивно нагреваются бесконтактной системой питания. Передачу информации о тостере системе управления обеспечивает передатчик.
Эти и другие задачи, преимущества и признаки изобретения могут быть лучше поняты и оценены при обращении к подробному описанию чертежей.
На фиг.1 приведена система приготовления пищи.
На фиг.2 приведен вид сверху системы приготовления пищи.
На фиг.3 приведен прибор с индуктивным питанием.
На фиг.4 приведено активное устройство для приготовления пищи.
На фиг.5 приведен альтернативный вариант выполнения активного устройства для приготовления пищи.
На фиг.6 приведен тостер с индуктивным питанием.
На фиг.6А приведен независимый вторичный нагреватель для устройства для приготовления пищи.
На фиг.7 приведен интерфейсный блок для индуктивного прибора для приготовления пищи.
На фиг.8 приведен способ управления индуктивной системой для приготовления пищи.
На фиг.9 приведена частотная характеристика для прибора с индуктивным питанием.
На фиг.10 приведена схема состояний для индуктивной системы приготовления пищи.
На фиг.11 приведен алгоритм управления для системы.
На фиг.1 приведена система 8 приготовления пищи для использования на кухне. К антеннам 12, 14, 16 присоединен интерфейс 10 связи. Как показано на чертеже, непосредственно с антеннами 12, 14, 16 соединена система 10 связи. Система 10 связи может быть беспроводной системой, использующей Bluetooth 802.11b, 802.11g или любой другой находящийся в собственности или открытый протокол беспроводной связи. К первичным обмоткам 18, 20, 22 присоединен источник 17 питания.
Источник 17 питания предпочтительно является адаптивным индуктивным источником питания, таким как описанный в патенте США 6 825 620, выданном 30 ноября 2004 г. Kuennen и др., содержание которого полностью включено в настоящий документ посредством ссылки. Первичные обмотки 18, 20, 22 индуктивно связаны с кухонной посудой 24, 26, 28 для подачи энергии к посуде.
Кухонная посуда 24, 26, 28 питается от источника 17 питания, действующего совместно с первичными обмотками 18, 20, 22. Столешница 30 может быть выполнена из любого материала, обычно используемого для кухонных столешниц, такого как Formica или гранит. При необходимости может использоваться изолирующий слой 32 для обеспечения тепловой и электрической изоляции кухонной посуды 24, 26, 28 от столешницы 30. Пользовательский интерфейс 34 позволяет пользователю вводить и просматривать информацию от контроллера 36 для управления работой системы 8 приготовления пищи.
Столешница 30 или изолирующий 32 слой может включать в себя средства 43, 45, 47 выравнивания, содержащие в свою очередь электрические или постоянные магниты, расположенные вблизи центра каждой первичной обмотки 18, 20, 22. Приборы 24, 26, 28 могут включать в себя постоянные магниты, расположенные вблизи центра каждой соответствующей вторичной обмотки и ориентированные таким образом, что вторичные магниты служат для выравнивания центра вторичной обмотки приборов 24, 26, 28 с центром первичной обмотки 18, 20, 22. В альтернативном варианте средство 43, 44, 45 выравнивания может состоять из визуального индикатора, такого как цветное пятно, зарубка, выступ, стрелка или углубление.
Контроллер 36 включает в себя процессор 38 и память 39. Процессор 38 может быть микропроцессором, таким как PIC30F3011 от компании Microchip, Inc, Чандлер, штат Аризона.
Система 37 измерения питания может быть интегральной схемой однофазного переменного тока, такой как CS5460A от компании Cirrus Logic, Остин, штат Техас. Система 37 измерения питания измеряет входное напряжение и ток от внешнего источника питания. Контроллер 36 периодически опрашивает систему 37 измерения питания для определения мощности, тока и напряжения, подаваемых системе 8 приготовления пищи.
Контроллер 36 также контролирует любые устройства, питающиеся от системы 8 приготовления пищи, а также управляет работой источника 18 питания. Контроллер 36 также контролирует ток, подаваемый к первичным обмоткам 18, 20, 22.
Контроллер 36 также обеспечивает аварийное отключение. Если ток, поставляемый к любой из первичных обмоток 18, 20, 22, превышает пороговый ток, то мощность, подаваемая к первичным обмоткам, уменьшается или отключается.
Интерфейс 10 связи может быть также соединен с сетью 27 и тем самым с персональным компьютером 29. Пользователь может использовать персональный компьютер 29 для получения доступа к управлению системой 8 приготовления пищи 8.
Из-за возможности наличия сильного электромагнитного поля контроллер 36 контролирует беспроводной выход интерфейса 10 связи. Если частота на выходе выходит за пределы правильной частотной области, беспроводная связь отключается. Через некоторый промежуток времени контроллер 36 вновь пытается установить линию беспроводной связи с каким-либо прибором.
На фиг.2 приведен вид сверху системы 8 приготовления пищи, изображенной на фиг.1. Температурные датчики 40, 42, 44 выдают системе 34 управления информацию о температуре поверхности. Клавиатура 46 и дисплей 48 позволяют пользователю просматривать информацию о кухонной посуде 24, 26, 28. Кроме того, клавиатура 46 позволяет пользователю посылать команды системе 8 приготовления пищи. Магниты 43, 45, 47 помогают выравнивать прибор относительно обмоток 18, 20, 22.
На фиг.3 приведено пассивное нагревательное устройство для использования с системой 8 приготовления пищи. Устройства для использования с системой 8 приготовления пищи в целом распадаются на три категории: пассивные нагревательные устройства; активные нагревательные устройства и электромеханические устройства, такие как блендеры, миксеры, электрические консервные ножи и другие электрические приборы.
Примером пассивного нагревательного прибора служит сковорода 50. Помещенная вблизи сковороды 50 первичная обмотка системы 8 приготовления пищи при ее возбуждении создает циркулирующие токи в основании сковороды 50 и, таким образом, нагревает основание сковороды 50.
Контроллер 36 может идентифицировать сковороду 50 по характерной резонансной частоте сковороды 50. Было обнаружено, что каждая нагрузка имеет немного отличающуюся частотную характеристику. Процессор 38 может использовать информацию о частотной характеристике для извлечения информации о сковороде или любом другом предмете посуды. Например, процессор 38 может предоставить пользователю информацию об изготовителе сковороды и различные требования, предъявляемые к режимам нагревания сковороды.
Память 39 может включать в себя информацию о характеристиках сковороды 50, относящихся к приготовлению пищи. Например, память 39 может содержать кривые нагрева для сковороды 50, определяющие ток, который требуется подать на первичную обмотку для нагревания сковороды 50 до определенной температуры. Эта функция позволяет пользователю программировать требуемую температуру для сковороды 50. Затем контроллер 36 определяет наиболее эффективный способ доведения сковороды 50 до требуемой температуры, а также для поддержания сковороды 50 при требуемой температуре. Такая последовательность может быть сопряжена с подачей к сковороде 50 энергии при различных уровнях тока и различных частотах в течение некоторого промежутка времени.
Температурный датчик может передавать контроллеру 36 дополнительные данные, чтобы таким образом обеспечить очень точное управление температурой сковороды 50. Пользователь может ввести рецепт или последовательность температуры/времени при помощи клавиатуры 46 и дисплея 48 и тем самым обеспечивать изменение энергии, подаваемой к сковороде 50, в соответствии с циклом приготовления пищи.
Вместо обнаружения резонансной частоты сковороды 50 для идентификации сковороды 50 сковорода 50 может содержать RFID-метку 52. RFID-метка 52 содержит информацию, идентифицирующую сковороду 50. RFID-метка 52 может включать в себя идентификатор. Процессор 38 ищет в памяти 39 информацию о сковороде 50. RFID-метка 52 может содержать определенную информацию относительно требований к нагреванию сковороды 50. Если RFID-метка 52 содержит определенную информацию относительно требований к нагреванию сковороды 50, то эта информация будет непосредственно использоваться процессором 38 для управления нагреванием сковороды 50. RFID-меткой 52 может быть приемоответчик, передатчик WiFi или любое другое устройство для передачи информации контроллеру 36.
На фиг.4 приведено устройство 58 для приготовления пищи. Контейнер 60 с пищей помещают над нагревающей массой 62 или на нагревающую массу 62. Нагревающая масса 62 расположена вблизи или на столешнице 64. Блок 70 управления устройством включает в себя дисплей 66 и клавиатуру 68. Клавиатура 68 может представлять собой набор выключателей или кнопок. Блок 70 управления устройством позволяет контролировать и управлять температурой внутри контейнера 60 с пищей. Например, дисплей 66 может показывать температуру внутри контейнера 60 с пищей. Приемопередатчик 72 обеспечивает двустороннюю связь между блоком 70 управления устройством и контроллером 74 посредством интерфейса 76 связи. Вблизи столешницы 64 расположена антенна 78 для облегчения связи между приемопередатчиком 72 и интерфейсом 76 связи. Температурный датчик 81 предоставляет информацию о температуре поверхности столешницы 64.
В процессе работы пользователь при помощи блока 70 управления устройством вводит требуемую температуру или температурный график для контейнера 60 с пищей. Затем блок управления 70 устройством при помощи приемопередатчика 72 посылает контроллеру 74 информацию о требуемой температуре и текущей температуре контейнера 60. Контроллер 74 регулирует мощность, подаваемую источником 82 питания на первичную обмотку, обеспечивая тем самым точное управление температурой внутри контейнера 60 с пищей.
Возможны различные модификации активного устройства 58 для приготовления пищи. На фиг.5 приведен один такой вариант устройства 58 для приготовления пищи. У противня 83 имеется пищевая область 85. В пределах пищевой области 85 можно помещать пищу для нагревания. Нагревающая масса расположена ниже пищевой области 85. Дисплей 84 может показывать дату, время, прошедшее время и температуру в пределах пищевой области 85. Блок 86 управления устройством состоит из простого переключателя типа «выше-ниже» для увеличения или уменьшения температуры в пределах пищевой области 85.
Противень 83 может быть полностью герметизирован влагостойким материалом, что позволяет для очистки противня 83 полностью погружать его в воду. Кроме того, герметизирующий материал может позволять помещать противень 83 в духовой шкаф или другое устройство для выпекания.
На фиг.6 приведен тостер для использования с системой 8 приготовления пищи. Боковые стенки 90, 92 содержат два теплопроводящих элемента 94, 96. Нагревательный элемент 93 принимает энергию от первичной обмотки и начинает нагреваться, что приводит к нагреванию теплопроводящих элементов 94, 96. Переключатель 98 позволяет выбирать степень поджаристости хлеба посредством таймера 100. Таймер 100 устанавливается на заданный промежуток времени. После истечения времени, установленного в таймере 100, приемопередатчик 102 посылает сигнал для отключения первичной обмотки.
На фиг.6А приведен независимый вторичный нагреватель 110 для системы, используемой с системой 8 приготовления пищи. Независимый вторичный нагреватель 110 позволяет использовать с системой 8 приготовления пищи немагнитные кастрюли и сковороды.
Независимый вторичный нагреватель 110 включает в себя вторичную секцию 112 и взвешивающую секцию 114. Вторичная секция 112 нагревается от первичной обмотки системы 8 приготовления пищи и, таким образом, может нагревать стеклянную или другую неметаллическую посуду. Взвешивающая секция используется для определения веса предметов, помещенных на независимый вторичный нагреватель 110. Независимый вторичный нагреватель 110 может включать в себя приемопередатчик для отправки информации к системе 8 приготовления пищи и приема информации от нее.
На фиг.7 приведен интерфейсный блок 130 для индуктивного прибора для приготовления пищи. Интерфейсный блок 130 включает в себя процессор 132, память 134, устройство 136 ввода, индуктивную вторичную 138 обмотку, приемопередатчик 140 и дисплей 142. Интерфейсный блок 130 может быть установлен на индуктивном приборе для приготовления пищи или может быть выполнен в виде составной части индуктивного прибора для приготовления пищи.
Устройство 136 ввода позволяет пользователю вводить параметры работы индуктивного прибора для приготовления пищи, такие как требуемая температура или скорость двигателя. Устройство 136 ввода может представлять собой клавиатуру, наборный диск, переключатель или любой другой механизм, обеспечивающий ввод и управление индуктивным прибором для приготовления пищи.
Память 134 содержит идентификатор для прибора для приготовления пищи, а также параметры работы. Процессор 132 посредством приемопередатчика 140 передает процессору 38 команды и информацию, чтобы процессор 38 мог управлять мощностью, подаваемой к соответствующей первичной обмотке. Процессор 132 контролирует фактическое напряжение и заданное напряжение на вторичной обмотке и запрашивает изменения частоты. Наблюдение за напряжением на вторичной обмотке осуществляется с частотой приблизительно 500 тысяч отсчетов в секунду. Частота отсчетов может быть больше или меньше 500 тысяч отсчетов в секунду.
Память 134 может также содержать информацию о режиме устройства для приготовления пищи, например о режиме нагревания. Так, процессор 132 может дать команду процессору 38 предоставить достаточную мощностью для быстрого нагрева прибора для приготовления пищи и затем снизить мощность, подаваемую к устройству для приготовления пищи, когда температура прибора для приготовления пищи достигнет требуемой температуры.
Для передачи информации процессору 38 приемопередатчик 140 может использовать RFID, Bluetooth, WiFi или любой другой способ беспроводной связи. Процессор 132 может быть микроконтроллером PIC30F3010, также изготавливаемым компанией Microchip, Inc, Чандлер, штат Аризона.
На фиг.8 приведен способ управления индуктивной системой приготовления пищи.
Индуктивная система 8 приготовления пищи периодически возбуждает каждую неиспользуемую первичную обмотку. Этап 200. Первичная обмотка предпочтительно возбуждается на зондирующей частоте. Зондирующая частота предпочтительно не является резонансной частотой какого-либо индуктивного прибора.
Затем система определяет, обнаружила ли зондирующая частота нагрузку. Этап 202. Если нагрузка не обнаружена, продолжается процесс периодической подачи питания на зондирующей частоте.
Если имеется нагрузка и если система использует адаптивный индуктивный источник питания, частота работы адаптивного индуктивного источника питания смещается с зондирующей частоты, тем самым указывая контроллеру 36 на наличие нагрузки. При обнаружении нагрузки контроллер непрерывно возбуждает соответствующую первичную обмотку на начальной частоте. Этап 204.
Начальная частота может совпадать с зондирующей частотой или может быть другой частотой. Возбуждение первичной обмотки на начальной частоте обеспечивает достаточную мощность для питания любой системы связи, имеющейся на приборе для приготовления пищи, обеспечивая питанием индуктивную вторичную обмотку 138 и тем самым приемопередатчик 140. Когда на приемопередатчик 140 подается питание, он начинает передавать информацию.
Индуктивная система 8 приготовления пищи затем проверяет наличие ответа от индуктивного прибора 130. Этап 206.
Если ответ не поступает, индуктивная система 8 приготовления пищи проводит анализ характеристик устройства. Этап 208. Анализ характеристик может представлять собой возбуждение первичной обмотки на множестве частот для получения частотной характеристики. Частотная характеристика приведена на фиг.9.
Для создания частотной характеристики изменяют частоту источника питания во всем частотном диапазоне. Затем определяется выходное напряжение при каждой частоте. Каждый тип прибора имеет уникальную частотную характеристику. Таким образом, если определить частотную характеристику, можно определить тип прибора, помещенного вблизи системы для приготовления пищи.
Обратимся вновь к фиг.8. После получения характеристики прибора система определяет, соответствует ли устройство какому-либо известному устройству. Этап 210. Если характеристика соответствует какому-либо известному устройству, извлекается идентификатор для того устройства. Этап 214.
Если характеристика никакому устройству не соответствует, система работает в ручном режиме. Этап 211. Ручной режим позволяет пользователю вручную регулировать мощность, подаваемую к прибору, при помощи пользовательского интерфейса 34.
Если поступил ответ, то устанавливается линия связи. Этап 212. Затем получают идентификатор прибора. Этап 214.
Получают параметры работы устройства. Этап 216. Затем система питания включается в соответствии с параметрами работы. Этап 218.
На фиг.10 приведена диаграмма состояний для контроллера 36 для одной из первичных обмоток 18, 20, 22, когда используется индуктивный прибор с интерфейсом связи. В состоянии S_Probe_Inactive 170 (зондирование неактивно) промежуток между зондированиями не истек. Отсутствует известная нагрузка и отсутствует связь с внешним устройством. Поэтому катушка не возбуждается. В состоянии S_Probe_Wait 172 (ожидание зондирования) интервал между зондированиями истек. Отсутствует известная нагрузка, обмотка не возбуждается и отсутствует связь.
Состояние S_Probe_Active 174 (зондирование активно) имеет место в процессе зондирования. Контроллер 36 определяет, имеется ли нагрузка. Обмотка возбуждается на зондирующей частоте. При помощи интерфейса 10 направляется запрос какому-либо устройству. Если ответ не поступает, система возвращается в состояние S_Probe_Inactive 170. Если ответ поступил, то система переходит в состояние S_Feedback 178 (обратная связь) (см. временную задержку 176).
В состоянии S_Feedback 178 обнаруживается и идентифицируется нагрузка. Обмотка возбуждается с переменной частотой при помощи контура обратной связи. Линия связи периодически предоставляет контроллеру 36 информацию обратной связи.
Как показывает временная задержка 180, если ответ на сообщение не получен в состоянии S_Feedback 178, то система возвращается в состояние S_Probe_Inactive 170.
target
out
out
target
out
На фиг.11 приведен алгоритм управления для системы. Все задачи, кроме указанных в рамке 200, выполняются процессором 132. Заданное напряжение V сравнивается с V. Вычисляется изменение частоты (Δf) и посылается контроллеру 36. Контроллер 36 изменяет ведущую частоту, что приводит к другому наведенному напряжению V(t). Затем оно подается на первоначальный вход для замыкания системы обратной связи. Небольшие отличия между V и V можно игнорировать.
Начальная первичная частота может быть любой частотой. Однако было обнаружено, что удовлетворительные результаты получаются при использовании зондирующей частоты. Одной подходящей частотой является частота 80 кГц. Если вновь обратиться к фиг.9, то можно видеть, что изменение частоты вызывает изменение напряжения, наведенного во вторичной обмотке.
Прежде чем осуществить изменение частоты, в частоту вносится небольшая корректировка, чтобы определить, является ли наклон зависимости напряжения от частоты положительным или отрицательным. Наклон указывает, следует ли для изменения выходного напряжения увеличить или уменьшить частоту. Например, как показано на фиг.9, если начальная частота первичной обмотки составляет 50 кГц, то увеличение частоты увеличивает выходное напряжение, а уменьшение частоты уменьшает выходное напряжение. Однако если начальная частота первичной обмотки составляет 80 кГц, то уменьшение частоты приводит к увеличению выходного напряжения, а увеличение частоты приводит к уменьшению выходного напряжения.
В некоторых случаях определенный индуктивный прибор может иметь частотный провал. Частотный провал - это минимальное значение, при котором выходное напряжение нельзя уменьшить ни увеличением, ни уменьшением частоты. В этой ситуации после заданного числа попыток изменить напряжение частота первичной обмотки сдвигается на заданную величину к новой частоте. Заданная величина смещения частоты достаточна для выведения рабочей частоты из частотного провала.
В целом связь между контроллером 36 и какой-либо кухонной посудой инициируется контроллером 74, посылающим запросы. Кухонная посуда отвечает на запросы. В альтернативном варианте кухонная посуда может осуществлять широковещательную передачу информации контроллеру 74.
Вышеприведенное описание относится к предпочтительному варианту выполнения. Могут быть внесены различные модификации и изменения без отступления от сущности и более широких аспектов изобретения, определяемых прилагаемой формулой, которую следует толковать в соответствии с принципами патентного права, в том числе теории эквивалентов. Упоминание в формуле элементов в единственном числе не означает, что элемент ограничен единственным числом.