用開源硬體和溫度感測器燒烤出美味羊肉串

作者: Maurizio di Paolo Emilio, EE Times Europe

用傳統方式燒烤羊肉串是一個極其費力的嚴格烹調過程。那麼是否可以採用電動馬達裝置來烹調,使其同樣實現完美的燒烤風味呢?本文提出了一種採用感測器系統和馬達控制的自動化流程,讓你輕鬆烹調出美味羊肉串…

‘Arrosticini’(羊肉串)是義大利阿布魯佐(Abruzzo)地區的主要美食。據說這種典型的田園傳統菜肴是在上世紀初由饑餓的牧羊人發明,在他們趕著羊群去新鮮牧場的季節性遷徙中,有時會在途中宰殺一隻老綿羊,將肉切成小塊串在木棍上,然後用火烤著吃。

為了烹調出美味的羊肉串需要仔細控制烹調的溫度和時間,以及均勻的熱度分配。傳統的方法是在fornacella木炭烤肉架上燒烤。按照純粹主義者的說法,電炊具會損害羊肉串的傳統風味(還有廚師的自尊心)。但是,用傳統方式燒烤羊肉串是一個極其費力的嚴格烹調過程。那麼是否可以採用電動馬達裝置來烹調,使其同樣實現完美的燒烤風味呢?

本文提出了一種透過自動化流程烹調完美羊肉串的方法,它採用了感測器系統和馬達控制。這種簡單的反饋系統可以實現很多解決方案,所採用的元件包括溫度感測器、溫度顯示螢幕,再加上馬達控制。

簡介

烤肉時首先要考慮的是將內部溫度提高到所需的溫度,同時保持整個烹飪過程恒定。假設有一整盤初始溫度為To的肉串,開始烹調時,肉串表面與烤肉架表面接觸時的溫度為Tg。在這種簡單條件下,任意時間t和肉串任意深度z的溫度可以透過以下公式得出:

其中D是肉串的熱擴散率(或熱擴散係數),erfc是互補誤差函數(其近似值可以在特定表格中找到)。

在數學中,誤差函數(也稱為高斯[Gauss]誤差函數)是一個特殊函數,應用於概率、統計和偏導數微分方程中。它可定義為:

該函數對每個實數x有效。可以透過開發泰勒級數(Taylor series)誤差函數並積分整個實軸以取得erfc表中的值。

1:不同感測器的溫度隨時間的變化。溫度從初始值開始,達到最大值,然後保持在一定的容差範圍內。

其目的是透過控制溫度以備妥燃料,使溫度隨時間保持恒定。我們獲得的分佈曲線如圖1所示。熱擴散率(測量單位:mm2/s)是材料的特定屬性,表現出非穩態導熱性。其數值描述了材料對溫度變化的反應速度。熱擴散率是求解非穩態熱傳導的傅立葉(Fourier)方程式之先決條件。求解模型方程式,可以確定烤肉串達到所需溫度T(z, t)需要的時間:

這個方程式唯一棘手的部分是找到erfc值。當然,我們會處理<1的值。表1列出了一些可能的溫差值。

表1:erfc值。

通常羊肉串中的肉都切成大約1公分(取決於肉的類型)的厚度,並串在約25公分長的烤肉叉上。肉塊的位置從木叉頂端向下大約佔木叉的一半,將肉串放在烤肉架上,一半裸露的木叉伸出烤肉架邊緣,廚師可以轉動它們,均勻地烹飪肉串的四個面(圖2)。

圖2:羊肉串放置在烤具上,距離炭火約7至15cm (可調整)。這些基本設置可根據要烹飪的羊肉串數量進行調整。

在為肉串除霜之後以及燒烤之前,廚師會用吸水紙將水分吸乾,並等待其溫度達到大約室溫。每一面的燒烤時間約為1-2分鐘(該時間與炭火溫度及炭火與羊肉串的相對距離有關)。

設計

該專案需要用到溫度感測器,以控制羊肉串和炭火的溫度。肉串的最佳溫度將決定烹飪的程度,因此有必要在設計階段評估其間的溫度差異。整個設計的硬體結構包括:

  • 一塊Arduino開發板
  • 溫度感測器
  • 一個顯示螢幕,用於顯示炭火和羊肉串的溫度。這兩者的溫度必然不會相同;操作人員必須控制炭火溫度,使其與起始溫度相同。
  • 一台風扇,用以確保加熱均勻,即均勻地燒烤。在此情況下,上述模型將給出一個將通風考慮在內的乘積係數。根據程式,可以在需要的時候打開風扇,例如當炭火和肉串之間的溫度差開始出現偏離時。
  • 一個I2C顯示螢幕,用於顯示溫度和肉串燒烤的控制文本。
  • 兩台步進或直流(DC)馬達:一個用來轉動羊肉串,另一個用來將其滑出烤肉架。這兩台馬達的速度必須同步。另外,不期望的溫度變化將會降低馬達速度,因而必須使燒烤過程保持最佳狀態。

這裡所使用的溫度感測器為PT100感測器,它常見於工業設置環境中(例如實驗室)的溫度測量。這些感測器的標稱電阻根據IEC 751標準建立,在0℃的溫度條件下為100Ω。由於採用了熱阻,PT100可以在–200℃至850℃的寬溫度範圍內穩定且持久地運作,並保持出色的精度和互換性(圖3)。

圖3: 帶調節電路的Arduino開發板和PT100感測器。

調節功能由一個簡單易用的電阻數位轉換器MAX31865進行,這種轉換器針對PT100等鉑電阻溫度偵測器(RTD)進行了最佳化。另外透過一個外部電阻設置RTD的靈敏度,並利用一個精密的delta-sigma ADC將RTD電阻與參考電阻的比率轉換為數位形式。透過可在整合式開發環境(IDE)中建置的工具庫,Arduino可以輕鬆實現這些功能。無刷直流(BLDC)馬達具有很高的效率,但最重要的是其出色的扭矩和速度值,使其得到廣泛的應用。BLDC馬達的設計宗旨在於最佳化轉矩或旋轉力的大小,這與磁體和線圈繞組有關。磁鐵中的極對數越多,馬達扭矩就越大。

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