输送式烤炉的输送器速度控制系统 【技术领域】
本发明总体上涉及输送式烤炉领域，更具体地说，涉及的输送式烤炉包括控制系统，该控制系统用于控制输送器移动食品经过烤炉的速度。
背景技术
输送式烤炉通常包括炉壳、炉壳内的热源、和用于移动食品经过烤炉的输送器，由此通过热源来加热或烘烤食品。与其他类型的烤炉相比，使用循环输送器来输送食品经过烤炉通常能增加输送式烤炉的处理能力。食品被加热的程度取决于输送式烤炉内的温度和食品被加热的时间周期(为输送器速度的函数)。因此，为了控制加热程度，输送式烤炉通常设计成通过操作人员的控制来调节烤炉温度或输送器速度。
已知有不同类型的输送式烤炉。例如，通常使用输送式烤箱来烘烤食品，例如面包、小圆面包、硬面包圈、松饼和华夫饼。例如，由HatcoCorporation of Wisconsin制造的整套输送式电烤箱。这些输送式烤箱具有立式的和卧式的，包括烤箱外壳、安装在烤箱外壳内的电热元件、和用于移动靠近加热元件的食品以便烘烤食品的循环输送器。食品可以直接放置到卧式烤箱的输送器上，或者放置在立式或卧式烤箱的食品保持架内。食品通过外壳上地开口手动装载，通过循环输送器进行移动，在经过加热元件时被烘烤，最后卸载到外壳底部的食品接收盘内。
其他类型的食品加工输送式烤炉包括，例如，输送式匹萨炉、微波炉和烟道炉。但是，输送式烤炉还可以用于加热食品以外的产品。例如，可以使用输送式烤炉来固化橡胶板或者干燥打印材料上的油墨。对于各种类型的输送式烤炉，加热程度的控制通常是通过改变烤炉温度或输送器速度来完成的。尽管下面的说明书集中在输送式烤箱，术语“输送式烤炉”还包括其他类型的输送式烤炉。
在一些使用输送器速度模拟控制系统的输送式烤炉中，输送器速度由操作人员使用与二极管并联的可变电阻元件(例如可变电阻器)来控制。可变电阻器-二极管形成速度控制电路的一部分，该电路控制着AC电机通过齿轮驱动输送器的速度。烘烤程度通过适度调节可变电阻器来设定。增加电阻使得速度控制电路降低输送器速度，从而增加烘烤程度。相反，减小可变电阻器的电阻能使输送器速度增加，从而降低烘烤程度。操作人员可通过调节可变电阻器的设置来适度加热或烘烤食品。具有这种速度控制电路的输送式烤箱的一个例子是由Hatco Corp制造的TK-105E烤炉。
通过某些输送式烤炉来加热食品的程度依赖于烤炉中电热元件的状态。例如，在Hatco Corp.制造的TK-105E烤炉中，一组元件被一直供电，而第二组元件则通过温度控制开关(例如恒温器)进行切换。第二组元件在烤炉温度超过恒温器的阀值温度设置时关闭，当温度下降到阀值以下时打开。因此，烤炉温度被调整在恒温器的阀值设置上下。
尽管具有控制电路控制输送器速度和加热元件，这种输送式烤炉在某些条件下无法控制食品被加热的程度。例如，假设适当调节速度控制电路来烘烤给定载荷的食品。然后假设加入更大载荷的食品。载荷的增加会使得温度降低，然后恒温器会使得附加的加热元件被打开。一段时间之后，附加元件提供补充热量来补偿更大载荷。但附加元件或许需要相当长的时间才能热起来。例如，在这种烤炉中通常使用带金属外壳的电热元件，这种元件需要3-4分钟才能达到他们的工作温度。在这段时间，加工的食品接收到的热能不足，从而欠火候。
可以通过提高附加加热元件的功率或者使用恒温器打开更多加热元件来解决这个问题。但这些方法具有下面一些缺陷。首先，提高额定功率或者增加附加加热元件会增加烤炉成本。其次，额外的功率会导致食品过热或被烤焦。再次，增加输送式烤炉的功率要求会增加运行成本。
因此，有益的做法是提供一种改进的速度控制系统用于输送式烤炉，以调节由载荷引起的烤炉温度的变化。在不需要使用附加加热元件的情况下调节由载荷引起的温度变化也是有益的，其中附加的加热元件会使用过多的能量，会过度加热食品或其他产品，并且会对烤炉中的温度敏感型控制元件产生不利影响。提供这样一种输送器速度控制系统也是有益的，该系统感应烤炉温度，并通过减慢输送器响应稳定状态下的烤炉温度的下降，而不需要手动输入以便延长被加工食品的加热时间。还有一种有益的做法是提供一种简化的输送器速度控制系统，该系统降低了复杂性、减少了成本并增加了可靠性。因此，提供一种具有这些特征中的一个或多个的用于输送式烤炉的改进型速度控制系统是有益的。
【发明内容】
本发明涉及控制系统，用于控制电机驱动输送器来移动物品经过输送式烤炉的速度。该系统包括：用于感应输送式烤炉在靠近输送器的物品加热区的温度的温度传感器，和根据转移到移动经过输送式烤炉的物品中的所需热量来选定速度设置的速度调节输入。该系统还包括控制器，它具有温度数据储存能力和可编程逻辑能力。控制器从温度传感器接收输入信号，并从速度调节输入以及在某些情况下从电机速度传感器接收输入信号，以便对存储的温度数据和输入信号进行运行，根据输送式烤炉温度变化提供输出信号来控制电机速度。
本发明还涉及一种输送式烤炉，它包括炉壳、安装在炉壳内的多个加热元件、和输送器。输送器用于移动物品经过靠近加热元件的炉壳，使物品暴露于加热元件。一台AC电机与输送器机械连接，根据炉壳内的温度以不同的速度来移动输送器；速度调节输入装置给电机提供初始化速度设置。
温度感应装置根据炉壳内的温度产生温度信号。控制器与速度调节输入装置、电机、和温度感应装置连接，当检测温度下降到稳定状态下的烤炉温度之下时降低输送器速度，当检测温度接近稳定状态下的烤炉温度时增大输送器速度。
本发明还涉及一种控制方法，用于控制电机驱动输送器移动物品经过输送式烤炉的速度。该方法包括如下步骤：设置操作人员可调节的输入给控制器，控制器用于提供输出信号以便针对给定载荷的物品以所需速度驱动电机；检测输送式烤炉内的温度；根据检测温度的变化来确定物品载荷何时已经发生变化；以及通过改变控制器对电机的输出信号来补偿载荷变化，有效地改变操作人员可调节的输入，从而改变输送器的速度来补偿载荷变化。
【附图说明】
通过结合附图阅读下面的详细说明将更加全面地理解本发明，在附图中相同的标记数字表示相同部件，其中：
图1是根据本发明的一种典型实施方式的输送式烤炉的立体图，该烤炉包括炉壳和输送器，输送器用于移动靠近炉壳内的加热元件的架子；
图2是图1中根据本发明的一种典型实施方式的烤炉的侧视图；
图3是根据本发明的一种典型实施方式的输送式烤炉的控制系统的框图；
图4是根据本发明的一种典型实施方式的输送式烤炉的加热元件控制的框图；
图5是根据一种可替换实施方式的适于使用上述控制系统的另一种输送式烤炉的立体图。
【具体实施方式】
参照图1和2，一种典型的输送式烘烤炉10包括炉壳12。炉壳12具有绝热前壁14，在前壁14上具有开口16，食品通过开口16送入到食品保持架20中。炉壳12的上面、侧面和背面都是绝热的。架子20与一对传动链22连接，该传动链22移动架子进入到烤炉10内的烘烤区。链条22由旋转链轮24支撑，旋转链轮24通过屏蔽磁极式AC电源齿轮电机的驱动轴(未示出)来驱动。可以在电机和链轮24之间设置离合器和齿轮组件(未示出)以顺时针方向驱动输送器，如图2所示。架子20包括裸线框架，在经过烤炉10移动时用于固定产品。
操作中，食品18可以通过开口16插入而固定在架子20中。架子20通过输送器经由烤炉10的烘烤区移动。食品到达输送器的底部时从架子20中下落到倾斜壁26上，然后被导入接收盘28中而取出。
电热元件30安装在炉壳12内并靠近链条22，从而使得架子20中的食品18暴露在由元件30发出的热量(例如通过对流或辐射)中。元件30的配置取决于实际应用，但元件30优选配置成两部分，在输送器的每侧设置一部分，从而在食品18经由烤炉10移动时能加热食品18的两侧。元件30可以是带金属外壳的电热元件，但其他类型的加热元件(例如石英管加热器)也可以使用。元件30在打开后通常需要很长的时间周期才能达到他们的运行温度。元件30的运行可以通过如图4所示的加热器控制系统40来控制，该系统包括可手动选定的加热器输入调节器42(例如与计时器44对接的旋钮)，提供从0到100％范围内的通电时间需要以在计时器44工作周期的一部分使元件30通电。加热器调节输入42优选与电位器对接，电位器将可调节信号提供给微处理器56，微处理器56在整个调节范围内以线性关系将相应的输出信号提供给计时器44。在特别优选的实施方式中，加热器调节输入42可以设置成一个方向的全程旋转为计时器44提供0通电时间需要，加热器调节输入42沿相反方向的全程旋转为计时器44提供100％通电时间需要。计时器44可以与输出继电器46直接接触，用于开关元件30的电源。在特别优选的实施方式中，计时器44和继电器46以5秒的工作周期控制元件30的电源，从而使得元件30在由加热器调节输入42的位置所选定的通电时间需要内通电，然后在5秒工作周期的剩余部分断电。例如，如果加热器调节输入42设定的位置对应50％，则计时器44和继电器46将使元件30在连续周期内轮流通电2.5秒和断电2.5秒。如果加热器调节输入42设定的位置对应60％，则计时器44和继电器46将使元件30在连续周期内轮流通电3秒和断电2秒。随着加热器调节输入42的设定值变大，元件30通电的时间变长，从而能以对应的线性方式增加元件用于加热食品18的热量强度。在特别优选的实施方式中，可以提供两组加热器控制器，每组元件使用一个，使得每组元件30都可以独立地被控制，从而在加热各种各样的食品时提供更大的灵活性。例如，如果食品18是小圆面包，则面向小圆面包切割面的一组元件30可以较长的通电时间需要运行以便相应增加加热强度，而面向小圆面包非切割面的元件可以较短的通电时间需要运行以便相应降低加热强度。在可替换的实施方式中，根据待加热食品的特征，可以选定或编程使用工作周期不是5秒的计时器并根据使用的加热元件类型调节到最佳性能。
食品18通过烤炉10进行加热或烘烤的程度取决于输送器的速度，并且还取决于打开哪个元件30以及他们的功率设置。用户可以使用图示为旋钮54的速度调节输入来调节输送器的速度。为特定的烤炉选定元件30的开/关和额定功率配置。在某些烤炉中，用户根据加热食品18的类型选定不同配置。输送器的速度控制在下面进行描述。烤炉10还可以配备手动前移旋钮36以便手动前移输送器。
这里描述的输送式烤炉除了下述的速度控制系统之外，与Hatco Corp.of Wisconsin制造的TK-100和TK-105E输送式烤箱相似。这些控制系统还能够用于其他典型的输送式烤炉中，这些烤炉具有电机驱动的输送器用于靠近一个或多个加热元件携带食品或其他产品，例如图5所示的TQ-300、由Hatco Corp.制造的TQ-700系列输送式烤箱、或者由其他供应商制造的类似烤炉。这些控制系统能够用在加热其他类型食品的输送式烤炉中(例如输送式匹萨烤炉)，或者用在加热非食品的输送式烤炉中(例如用于固化橡胶或干燥油墨的烤炉)。
参照图3，在一种现有的输送式烤炉中，根据一种典型实施方式，输送器的速度由速度控制系统50控制。电机60驱动输送器的速度由输送器速度控制系统50确定。速度控制系统50包括温度传感器52(例如热电偶、电阻温度检测器，等等)。温度传感器52优选是一种K型热电偶，但也可以是使用其他双金属材料的热电偶。作为选择，温度传感器可以是1000欧姆或100欧姆的铂类型电阻温度检测器，在环境温度到650华氏温度范围内具有合适的精度。控制系统50还包括速度调节输入54，优选为与电位器对接的旋钮，使得当旋钮位于其行程一端时提供最小的电机速度信号，当旋钮位于其行程另一端时提供最大的速度信号。作为选择，速度调节输入可以是与可变电阻器对接的滑动钮。电机60用于驱动输送器，优选为电动、交流(AC)、屏蔽、电极式齿轮电机。这种类型的电机通常是根据速度输入调节器54提供的设置仅以一种速度工作，而不具有反馈，即电机速度不必与速度输入调节器设置的范围成线性关系。为了允许电机60以降低的速度运行并提供速度控制的线性调节，控制系统50包括能提供反馈信号64的电机速度传感器62如测速计，但优选为霍耳效应传感器，用于监视和反馈电机速度信息给控制系统50，以便当改变速度调节输入54的设置时提供闭环的线性速度控制。优选采用线性速度调节，从而使得速度调节输入54的均匀增加能相应地导致电机速度的均匀改变。但在可替换的实施方式中，可以省略电机速度传感器，电机速度的改变与速度调节输入的改变之间可以是非线性关系，而采用非线性控制技术和/或试探法。
微处理器56通过使用现有触发三极管58调整(正弦波类型的)AC波形来控制电机60速度，使得供应给电机60的AC波形每次越过0电压时便会产生零交叉中断。微处理器56中编程的算法将微处理器输入信号与每个波形循环的零交叉中断进行比较，并控制触发三极管58来增加或降低电机的电源电压(和对应功率)。算法包括完整的电压表和降低的电压循环模式。一种典型的图形提供4个完整的电压循环，并跟着2个降低的电压循环，使电机60以某个降低的速度进行运行。根据其他所需的降低电机速度开发其他模式。在一种可替换的实施方式中，电机速度可以通过相位控制法进行控制，该方法使用触发三极管，在每个50或60赫兹波形的半周期部分完全中断供给电机的电压。波形的零电压部分的长度可以通过调整电位器来控制，当电压被中断越长，电机运行越慢。
参照图3，微处理器56优选接收来自速度调节输入54、温度传感器52和传感器62的输入信号，并提供输出信号来控制电机60的速度。根据其他可替换的实施方式，微处理器还包括附加输入来优化控制系统的操作，例如计时器和有关运行中加热元件数量的信息。在正常运行时，加热或烘烤食品的程度通过传统方式手动调节速度调节输入54来控制。控制系统50提供批量补偿模式，当温度传感器52检测到稳定状态下的烤炉温度下降时，该模式可以不考虑速度调节输入54提供的电机速度信号。微处理器50通过平均在合适的时间周期内正常运行的烤炉温度来计算稳定状态下的烤炉温度，时间周期优选为5分钟。微处理器56包括存储器，用于存储针对各种速度调节输入选定计算出的稳定状态下的烤炉温度作为参考，这些温度可以是厂家设置的，或者是在用户操作的过程中产生和存储的。微处理器56将对应所选速度调节输入计算或存储的稳定状态下的烤炉温度与即时烤炉温度作连续比较。当即时烤炉温度下降到稳定状态下的烤炉温度之下的预选大小的华氏或摄氏温度时(例如新增加了待加热的食品)，微处理器56则中断稳定状态下的温度计算，并改变输出信号来降低电机60的速度，该速度的降低与温度的下降成比例。当食品温度从环境温度开始升高时，烤炉温度会随之升高。当烤炉温度接近稳定状态下的烤炉温度时，微处理器会发送相应增大的输出信号来增加电机速度，直到电机速度达到由速度调节输入54指示的现有选定的速度设置，然后重新计算稳定状态下的烤炉温度。当在批量补偿过程中运行微处理器时，微处理器会相应地响应速度调节输入的改变，其中批量补偿通过使用存储器中存储的稳定状态下的烤炉温度产生，该温度最接近地对应选定的速度调节输入。如果加热器的调节发生改变，则可以对微处理器编程来停止批量补偿模式运行直到计算出新的稳定状态下的温度。
在特别优选的实施方式中，由微处理器56所提供的与温度下降成比例的电机速度的降低是用户可编程的或厂家可编程的，从而当烤炉温度从稳定状态下的烤炉温度所下降的程度在10到30华氏温度范围之内时，微处理器提供输出信号，使对应选定的速度调节输入设置(即选定速度)的电机速度降低选定速度的10％。当烤炉温度从稳定状态下的烤炉温度所下降的程度在30到50华氏温度范围之内时，微处理器提供输出信号，使对应选定的速度调节输入设置的电机速度降低选定速度的30％。当烤炉温度从稳定状态下的烤炉温度所下降的程度大于50华氏温度时，微处理器提供输出信号，使对应选定的速度调节输入设置的电机速度降低选定速度的50％。在可替换的实施方式中，微处理器可以设计成使得与烤炉温度的下降成比例的电机速度的降低可以根据任何合适的速度对温度的关系进行设置，从而提供响应控制系统，以便在改变烤炉温度的条件下提供均匀加热的食品。
微处理器56还可以设计成提供备用的运行模式来减少加热元件的功率消耗，以及当不用烤炉来加热食品时在时间周期内能保存能量。在备用的运行模式中，在通电条件(即“打开”)与断电条件(即“关闭”)之间的加热元件周期和指示器(例如闪光灯或LED显示器)可以用于为备用模式状态的操作者提供指示。加热元件通电和断电的时间可以是用户可编程的或者厂家可编程的。微处理器56可以与选择开关对接，例如双列直插式组装(DIP)开关或其他合适的开关元件，用于提供用于备用模式的手动和自动控制能力。在手动备用模式中，选择开关越过微处理器56中的自动模式，允许操作人员使用分离开关直接选择进入备用模式，该分离开关在正常模式与备用模式之间进行操作。在自动备用模式中，选择开关越过手动模式，微处理器将自动进入备用模式，此时，稳定状态下的烤炉温度的偏差在编程的时间周期内保持在预设温度范围之内。
在特别优选的实施方式中，微处理器56制造在玻璃纤维材料制成的板上且保形涂敷有Underwriters Laboratory认定的材料。微处理器优选能够经受70摄氏度和95％相对湿度的运行环境条件，位于炉壳内免受加热元件影响的区域内，并通过传统的炉壳冷却风扇的气流进行冷却。微处理器还优选地免遭电压峰值瞬态引起的永久性损害，但可以提供电压瞬态之后的自动复位功能，而不会丢失任何数据或在操作中发生任何很明显的变化。
值得强调的是在优选的或其他典型的实施方式中所示的烤炉控制系统中的元件的结构和配置仅仅是说明性的。尽管在公开文本中仅仅具体描述了本发明的几种实施方式，但本领域的技术人员阅读了公开内容之后将会很容易理解许多修改都是可以的(例如算法、温度范围、输送器速度、微处理器接口、烤炉尺寸和食品装载方向、各种元件的尺寸、结构、形状和比例、参数值、元件在烤炉结构中的安装配置、互换关系、使用的材料、过程、方向等等的变化)，而不会在本质上背离权利要求中叙述的主题的教导和优点。因此，所有这些修改都将包括在由附属的权利要求所限定的本发明的范围之内。任何过程或方法步骤的顺序或排列也可以改变或根据其他实施方式进行重新排列。在权利要求中，任何装置加功能的特征都是用于覆盖执行所述功能的结构，而不仅仅是结构等同物，而且还是等同结构。其他一些替换、修改、改变和省略也可以在优选的和其他典型实施方式中的设计、运行条件和配置中作出，而不会背离如附属权利要求所表达的本发明的范围。