技术领域
[0001] 本
发明涉及根据在
食品加工期间所测量的参数对厨房设备的操作进行自动控制的领域。
背景技术
[0002] 在制作奶油、面团、蛋白
泡沫和需要进行搅拌或揉捏的类似产品的加工过程中，非常重要的是在恰当的时刻停止该加工过程以便避免过度加工，该过度加工能够导致产品无法使用（例如奶油转变成黄油）。这在准备打发鲜奶油时是尤其重要的。该加工过程应该在恰当的时刻停止，此时奶油（泡沫）具有合适的稳固性并且还未转变成为黄油。对于蛋白，这种转变并不如此关键，但是仍然通过在恰当的时刻停止搅打能够避免蛋白泡沫成为片状。
[0003] 许多厨房器具（例如厨房用机器、食品处理器、搅拌器、专用器具）用于制备奶油、面团、蛋白泡沫和需要进行搅拌或揉捏的类似产品。有几个已知的厨房器具适于自动地停止食物的加工过程。在US 5,539,288（EP 0555902 B1）中，对拍打器轴上的机械转矩进行测量。随着奶油的稳固性的提高，用以使拍打器运动的转矩也随之提高。另一个类似的方式是测量由拍打器轴中的转矩的增加而导致的所消耗的
电能的提高。两个这样的解决方案呈现在US 5,539,288和JP 2001095408中。
[0004] 关于揉捏面团的解决方案是更有进展的并且能够在
专利申请中找到。在US 4,747,690中，提供了用于控制面包面团的品质的装置和方法。通过使用诸如应变仪、
温度计、称重设备和pH仪之类的仪器，它们测量面包面团的温度、重量和pH值以及在搅拌器上所产生的应
力。测得的数据与预先储存的数据进行比较并且对揉捏的过程作出修正，而且能够对关于揉捏的持续时间和结束作出决策。
[0005] 在US 5,556,198中，用于混合和揉捏面包面团的多用途
电子食品混合器具能够感测到何时面团被揉捏恰当并且自动地将其自身关掉。在对面团进行揉捏期间通过监测供应到该器具的
电机的功率来监测此电机上的负荷，并且当负荷增加一段时期之后，该电机上的负荷开始减小时停止该电机。
[0006] 在US 6,656,515中，提出了一种用于在混合器中控制面团材料的混合的方法。以特定的时间间隔对供应到混合器的功率的量进行测量并且对涉及所供应的功率的量的数据进行储存。基于所储存的数据，识别出供应到混合器的功率的量的下降，并且在该下降被识别出后，混合器以预定的时段对面团材料进行混合。
[0007] 已知的方法能够使用各种类型的
截止阀值来自动地停止加工过程，包括在奶油搅打时探测转矩的导数的阀值以及在面团揉捏时探测所使用的功率的下降。然而，所使用的材料以及它们的温度与其他参数显著地不同。因此，在加工过程的整个时间期间，在没有对参数进行更精细控制的情况下探测停止加工过程的最佳时间点是非常困难的。一种评估参数的范围以触发停止的方法（其将考虑重要的参数随时间的发展变化）对于更精确地把握自动停止的时间点将是有益的。
发明内容
[0008] 所要解决的问题
[0009] 本发明基本的目的是对厨房设备的操作的自动停止的过程提供改进。
[0010] 根据本发明的解决方案
[0011] 为了实现本发明基本的目的，本发明提供一种根据
权利要求1所述的用于食品材料的加工的厨房设备。
从属权利要求描述了有利的
实施例，其能够由它们自身实施或组合起来实施。
[0012] 根据本发明的一个方面，一种用于食品材料的加工的厨房设备包括至少一个机动化驱动工具、一个或多个连接工具以及用户控制工具，所述一个或多个连接工具用于各种附件的连接，所述用户控制工具用于控制所述厨房设备的操作，其中，所述厨房设备还包括感测模
块、计算模块以及决策模块，所述感测模块适于实时感测取决于所述厨房设备的功率消耗的参数，所述计算模块适于收集并处理从所述感测模块获取的数据，所述决策模块能够在来自所述计算模块的参数处于预定范围内时的时间点自动地停止所述厨房设备的操作，所述预定范围根据加工期间的测量结果进行调整。所述计算模块使用由所述感测模块收集的实时数据以便利用移动平均对趋势进行评估。由所述计算模块计算的移动平均被传输到所述决策模块，所述决策模块能够使用这些移动平均来决策何时将机器的操作停止。该决策不仅取决于从所述计算模块接收的数据，而且取决于由用户在
用户界面关于加工类型和量（可能是来自厨房设备中的其他
传感器的数据，例如重量和温度）而设定的初始程序，并且最终取决于所计算的参数自身的时间
进程。用于各种加工类型的
算法能够相应地调整发生停止时的范围。
[0013] 本发明的目的通过如下方式实现：通过引入计算模块额外的计算能力（例如二阶导数）以及动态地调整决策模块触发自动停止功能时的范围，来改进厨房设备的操作的自动停止的过程。
[0014] 本发明的实施例
[0015] 根据一个优选的实施例，所述取决于厨房设备的功率消耗的参数是
电流消耗、施加到连接工具的轴的转矩、关于所选择的速度和工作用具的旋转速度的直接测量结果，等等。重要的是在参数中选择一个来监测食品的加工，所选择的参数直接取决于用于加工材料的力。由于奶油搅打、蛋白搅打、揉捏以及类似操作的加工导致所加工的食品的物理参数发生改变，这些改变导致施加到厨房机器的所需的力发生改变并且能够用于决定加工达到其应该停止的阶段的时间点。
[0016] 在另一个优选的实施例中，从感测模块获取的数据的所述处理包括计算从所述感测模块获取的数据的二阶导数的移动平均。移动平均被优选地使用，原因是由于所加工的食品在加工期间被不均匀地加工或不均匀地分布，所以来自感测模块的
信号具有显著的点对点的变化性。此外，工作用具在一些情况下的旋转显著地慢于
数据采集率，其导致信号的周期性振荡。另外，信号还会由于功率网路的变化、电机特性以及其他而变化。为了尽可能早地确定在所加工的食品中发生特定物理过程时的时间点，通常有益的是使用一阶或二阶导数。例如，在所搅打的奶油中，探测所使用的功率的最大值可能过于晚了，因为在决策模块探测到该时间点之前，奶油可能已经开始转变成为黄油。因此，使用二阶导数并且结果使得决策的时间点早了一些。
[0017] 此外，决策模块仅在预定的运行时间已经过去之后才作出关于停止厨房设备的决策，以避免对厨房设备在食品加工的第一阶段中的功率消耗的变化所造成的假象作出反应。因为通常在加工的第一阶段中，作为材料还没有均匀混合的事实的结果，厨房机器所施加的力的变化是非常多变的，所以收集来自感测模块的信号以便允许后续对决策参数进行调整，但是决策模块或者在预定的时间内忽视这些信号或者忽视这些信号直到探测到期望的信号特征，这取决于在用户界面上所选择的和所执行的加工。
[0018] 另外，所述模块
定位在厨房设备内，使得感测模块连续地接收来自厨房设备的数据，这些数据被传输到计算模块，该计算模块计算导数和移动平均并且能够相应地调整预定的参数范围，并且决策模块接收这些数据，将它们与参数范围比较并且能够将所得到的停止机制传输到厨房设备内的控制机制，其随后停止操作。重要的是，所述模块能够接收来自用户界面的信息以识别所执行的加工（还可能接收量的范围以及其他信息），接收厨房设备所使用的当前的力的连续的信息，计算并调整变量和范围，作出何时停止加工的决策，以及能够将这个决策传输到用于停止厨房设备的机构。
[0019] 还可想到的是，所述模块（感测、计算、决策）可以是单个中央处理单元的一部分。这致使空间得到节省、成本得到节省并且还防止
软件冲突。
[0020] 在优选的实施例中，用户控制工具适于允许用户在所加工的食品的各种量或所制备的产品的种类之间选择，例如，所搅打的奶油的稳固度，其导致触发决策模块的参数的调整。这允许决策模块使用协议中的一种，针对用户对加工类型进行的各种可能的选择而预先确定所述协议。
[0021] 在另一个实施例中，厨房设备适于在奶油搅打的加工中执行自动停止功能。奶油搅打是最常见的用途之一并且其尤其需要在奶油开始转变成为黄油之前停止搅打。
[0022] 在进一步的实施例中，厨房设备适于在搅打蛋白的加工中执行自动停止功能。
[0023] 在另一个进一步的实施例中，厨房设备适于在揉捏的加工中执行自动停止功能。
[0024] 有利的实施例和进展是从属权利要求的主题，其能够单独使用或与彼此结合使用。
附图说明
[0025] 图1是间隔p为10秒的移动平均趋势线和相应的对于每一秒的首项系数k；
[0026] 图2是奶油的搅打期间负荷变化的示例（上图）和搅打期间趋势线首项系数的预测（下图）；
[0027] 图3是蛋白的搅打期间负荷变化的示例（上图）和搅打期间趋势线首项系数的预测（下图）；
[0028] 图4是面包面团的揉捏期间负荷变化的示例（上图）和揉捏期间趋势线首项系数的预测（下图）。
具体实施方式
[0029] 对厨房机器所使用的力或涉及该力的参数中的一个进行的测量能够用于监测在厨房机器的碗内的食品的加工状态。这样的参数包括转矩、电流测量结果、旋转速度等等。转矩能够被直接测量或更常见地通过由用于驱动厨房设备的电机产生的电流改变牵引来测量。用于观测信号的改变的常见方法之一是使用其一阶导数。使用导数来预测负荷变化的问题在于其考虑了过短的时间间隔并且因此对信号中的噪声过于敏感。这就是如果信号没有被显著地平滑，那么这个方法对于用于预测信号的趋势为什么是不足够具有鲁棒性的原因。
[0030] 移动平均是更具有鲁棒性的方法。使用越短的间隔来计算移动平均，则能够对信号中越快速的改变进行预测。如果时间间隔增大，则能够预测长期的趋势，而同时略去较短的
波动。这就是为什么间隔的长度必须被调整成我们想要去预报的加工和事件的类型。
[0031] 如果移动平均顺序地增大，则其示出增大的趋势。问题是如果趋势上升，那么如何作出自动的决策，该趋势有多强或该趋
势能持续多长时间。这就是为什么相较于仅计算确定的移动间隔p上的平均值，更好的是计算在该间隔上的一阶多项式或者拟合直线（y=k*x[l,i+p]+n）。首项系数k的符号和大小能够用于对某些事件进行可靠且具有鲁棒性的预报。如果期望对动态事件进行探测，则在较短的间隔上对趋势线进行拟合，而通过使用较长时期对长期趋势进行预测。而且，该预测仅基于信号的形状而不是其幅度。
[0032] 在图1中，以30秒长的信号y来呈现出趋势线（黑色的线）的用法。对于每一秒，分别绘出每条线的首项系数k。能够看出k在开始阶段示出了信号的增大速率。在信号的最大倾斜度处，k达到其峰值并且随后逐步地减小，其表明信号将变平缓。如果k下降到零之下，那么信号值正在减小。还能够看出的是趋势线方法为滞后预测（under predicts），因为信号已经在减小而k值仍然为正。这能够通过缩短趋势线的间隔来减小，但另一方面将减小预测的鲁棒性，因为对改变的敏感性也将增加。这就是为什么对于我们想要预报的过程需要确定最佳的间隔长度。
[0033] 在图2中，呈现出用于搅打奶油的计算和决策步骤。这是快速到中等长的过程，其在不同的厨房机器上并且取决于奶油的种类和量能够以最大搅打速度持续从30秒到高达6分钟的时间。搅打过程使空气混合入奶油，因此使其更加稳固并且使体积增大。这导致在厨房设备上的增大的力负荷。虽然各种种类的奶油有区别，但是搅打过程对于所有是相同的。这就是为什么尽管搅打时间具有不同的长度，但是在每种情况下负荷增加的方式（或负荷信号的形状）是相同或相似的。
[0034] 为了对何时停止搅打加工作出精确的决策，第一优先考虑的是防止过度拍打，即制成黄油。第二优先考虑的是不过早地停止搅打。如图2所示，在开始阶段，存在一段时间没有作出决策，因为打开厨房设备所引起的波动过大以及需要推动
流体进入运动状态时的惯性影响。在负荷稳定之后，决策能够被作出。通过使用阀值首项系数k来确定停止时间点，该阀值首项系数k由经验确定，取决于机械类型以及由用户选择的或者可能地由厨房设备内的传感器（例如重量传感器，NIR传感器等）探测到的所搅打的奶油的量。该点位于负荷正在增加的斜坡上，在此处奶油从终端用户看来具有恰当的稠度。为了确定，在k大于阀值达至少一秒之后停止该机器。最大负荷点从经验看不能用于预测，因为在那时奶油已经过于硬了并且接近转变成黄油。而且更艰难的是在奶油开始向黄油转变之前可靠地预测出该点。
[0035] 为了安全起见，对于奶油难以搅打或量非常小的某些情况，引入额外的
定时器，因为负荷没有充分地增大以便达到所需的阀值。对于该定时器，搅打时间的长度由经验确定并且仅作为备用在意外情况下使用。如果直到那时奶油仍没有搅打，还有可能是使用了坏的奶油或没有正确设定厨房设备。
[0036] 在图3中，呈现出用于蛋白搅打的计算和决策步骤。这是中等长的过程，其在普通厨房设备上取决于蛋白的量花费3到5分钟的时间。该搅打过程类似于奶油搅打，将空气包括进来并且蛋白的体积增大。这以增大的负荷显示出。相比奶油（其如果过度拍打将成为黄油），蛋白不是这样并且因此在一定时间后负荷变稳定。停止搅打加工的决策点是达到特定阀值的时候。在达到阀值数秒后，决策模块停止搅打。因为蛋白的搅打相比奶油的情况产生更少的负荷，不是每次都达到该阀值。这就是为什么需要第二动态规则。该第二动态规则探测最大系数kmax，并且如果在达到kmax之后的一定时间之后，kmax和k(t)之间的差大于预定的值Δ，那么搅打加工将停止，因为负荷已经稳定。
[0037] 如同奶油的情况，对于涉及到更小的量的情况，引入额外的定时器，因为负荷没有充分地增大以便达到所需的阀值或者被第二规则探测到。该定时器的长度由经验决定但是通常达到5分钟，然而其可以取决于处理器的类型长一点或短一点。如果蛋白没有搅打，那么通常蛋的品质存在问题或没有正确设定厨房设备。
[0038] 在图3中，呈现出用于面包面团的揉捏的计算和决策步骤。对于揉捏面团，趋势线间隔是较长的，因为在揉捏阶段负荷显著地变化。较大的间隔平滑掉由钩式揉捏（hook kneading）引起的大的变化并且因此使得预报更加可靠。另一方面，这增大了探测的滞后程度，但是在这种加工类型中其影响不是那么大，因为面团的改变不是那么迅速并且不是那么关键。
[0039] 探测何时面包已经制成的探测方法确定何时负荷为最大并且仅仅当钩在几乎所有时间均与面团
接触时才工作。大多数专业揉捏机器都是这种情况。在厨房机器的情况中，因为机器的设计的原因这是难于实现的。这引起所探测的负荷因为接触问题而不是因为面团的改变而变化。另一方面，当一团面团形成在钩周围时，存在明显的特征，即机器上的负荷显著的稳定化。这就是为什么通过对何时该负荷稳定化进行探测，或者如图4中所示对负荷停止增大后何时系数k落到0之下进行探测来确定决策点。为了实现可靠的决策，如果在达到该点之后k小于0达预定的秒数，则厨房设备停止。这还适用于干的面团成分和
水之间的比率不正确的情况。如果水比所需要的更少，则面团将不会形成并且负荷将稳定化。于是用户必须在之后添加更多以完成加工。而且如果水过多，则面团将是软且粘的，并且负荷也将稳定化。通常添加更多的面粉将有助于完成加工。
[0040] 如奶油的情况那样，对于涉及到较小的量的情况（搅拌钩难以将所有材料聚集），引入额外的定时器，因为负荷没有充分地改变以被之前提到的规则探测到。这个定时器的长度由经验决定但是通常达到10分钟，然而其可以取决于处理器的类型长一点或短一点。
