A novel approach for the temperature estimation of the pot in induction cooktops by means of electrical measurements.

The work of this thesis is based on the research for a new and innovative approach to measure and control the temperature of a pot in an induction cooktop, and it serves as the starting point for a R&D project at inovaLab, where I conducted a six-month internship. Currently, there are various approaches to control pot temperature, some of which involve purchasing separate auxiliary devices that are prone to malfunctions, so they often require maintenance. We believe that in this sector there is market space for something innovative and more complete, that could change the way we approach cooking, shifting from power levels to direct pot temperature control. Our goal is to achieve a flexible method, that allow us to accomplish what we have just mentioned, without modifying the existing cooktop architecture. Therefore, the idea behind this thesis is to integrate smart devices within the induction cooktop to estimate the pot's temperature through electrical measurements. The work conducted involves at first a study of the state of art in this sector, and then experimental tests where we measured the impedance at the terminals of the inductor under different conditions, such as using pots of varying diameters and temperatures, with the objective of understanding which electrical parameters are most affected by these variations. The subsequent part utilizes an analytical model to identify the inductor's parameters, both related to its geometry and operation, that can amplify these variations. This aim is to size an inductive sensor to be integrated into the cooktop in addition to the main heating inductor. The sensor needs to be associated with a measurement circuit to be integrated into the induction cooktop. The study regarding this is still in the development phase as I am writing this thesis, so we will just describe the hypothesis we are considering. In the final chapter, we will present how we want to use the inductive sensor in our approach of estimation and control of the pot temperature: it will be used for "pot detection" (a function already present in any induction cooktop), but also to recognize what pot we are using from a database, using artificial intelligence and machine learning algorithms. Additionally, as mentioned earlier, it will be used to estimate the pot temperature by performing appropriate impedance measurements at fixed intervals during the cooktop's operation. The ultimate goal is to have a user interface that is no longer based on power levels but allows the user to input the target pot temperature, and this will be possible because we are able to perform a feedback control on it through the temperature estimates obtained with the inductive sensor.

Il lavoro di questa tesi si basa sulla ricerca di un approccio nuovo e innovativo per avere una misura e un controllo della temperatura della pentola in un piano cottura ad induzione, e rappresenta la base di partenza di un progetto di ricerca e sviluppo di inovaLab, azienda presso cui ho svolto un’attività di stage della durata di sei mesi. Al giorno d’oggi esistono diversi approcci che consentono di controllare la temperatura della pentola, alcuni di essi utilizzano dispositivi ausiliari da acquistare separatamente e che possono essere facilmente soggetti a malfunzionamenti, richiedendo quindi manutenzione. Noi riteniamo ci sia spazio sul mercato per qualcosa di più completo e innovativo che possa cambiare il modo in cui ci approcciamo alla cucina, non più pensando in termini di livelli di potenza, ma direttamente in termini di temperatura della pentola. Quello che desideriamo ottenere è un metodo flessibile che ci consenta di fare ciò che abbiamo descritto sopra, senza però andare a modificare l’architettura del piano cottura già esistente. Pertanto, l'idea su cui si basa questa tesi è quella di integrare all’interno del piano ad induzione dei dispositivi intelligenti che consentano di stimare la temperatura della pentola tramite misure elettriche. Il lavoro svolto prevede inizialmente uno studio dello stato dell’arte per quanto riguarda il controllo della temperatura nei piani ad induzione, passando successivamente all’analisi di prove sperimentali in cui è stata misurata l'impedenza ai capi dell'induttore in diverse condizioni, cioè con pentole di diverso diametro e variandone la loro temperatura, con l’obiettivo di capire quali parametri elettrici risentissero maggiormente di queste variazioni. La parte successiva, invece, sfrutta un modello analitico per osservare quali parametri dell'induttore, sia legati alla sua geometria che al suo funzionamento, possono andare ad amplificare queste variazioni, con lo scopo di dimensionare un sensore induttivo da integrare nel piano in aggiunta all’induttore utilizzato per il trasferimento di potenza. Il sensore sarà associato ad un circuito di misura che dovrà essere anch’esso integrato nel piano; lo studio a riguardo è ancora in fase di sviluppo nel momento in cui sto scrivendo la tesi, quindi verranno descritte le ipotesi che si stanno prendendo in considerazione. Nell’ultimo capitolo verrà infine descritto come abbiamo intenzione di sfruttare il sensore induttivo nel nostro approccio di stima e controllo della temperatura. Questo verrà utilizzato sia per il cosiddetto “pot detection” (funzione già presente in qualsiasi piano ad induzione), per il riconoscimento della pentola che stiamo utilizzando tra quelle presenti in un database, utilizzando algoritmi di intelligenza artificiale e machine learning, e, come accennato in precedenza, per la stima della temperatura della pentola eseguendo, durante il funzionamento del piano, ad intervalli di tempo fissati, le opportune misure di impedenza. L’obiettivo finale è quello di avere una user interface non più basata sui livelli di potenza, ma che consenta all’utente di inserire la temperatura target della pentola, ed eseguire un controllo in retroazione utilizzando le stime di temperatura ottenute tramite il sensore induttivo.