DE19707664C5

DE19707664C5 - Vorrichtung und Verfahren zur Steuerung oder Regelung der Temperatur von beheizten Flächen

Info

Publication number: DE19707664C5
Application number: DE1997107664
Authority: DE
Inventors: Jürgen Dipl.-Ing. Leikam; Jürgen Dipl.-Ing. Luther
Original assignee: AEG Hausgeraete GmbH
Current assignee: Electrolux Rothenburg GmbH Factory and Development
Priority date: 1996-03-02
Filing date: 1997-02-26
Publication date: 2006-06-29
Anticipated expiration: 2017-02-27
Also published as: DE19758873B4; DE19707664C2; DE19707664C9; DE19707664A1

Abstract

Vorrichtung zur Steuerung oder Regelung der Temperatur einer teilweise beheizten, insbesondere aus Glaskeramik bestehenden, Fläche (F) mit mehreren Kochstellen (KS), mit
1.1 einer Leiterschleife (L), die als Leiterbahn auf oder unter der Fläche (F) angebracht ist und mehrere, jeweils einer Kochstelle (KS) zugeordnete Teilabschnitte (A) mit jeweils einem temperaturabhängigen ohmschen Widerstand aufweist,
1.2 elektrischen Messleitern (NIL), die jeweils am Anfang und Ende eines zugehörigen temperaturabhängigen Teilabschnittes (A) der Leiterschleife (L) angeschlossen sind, und
1.3 Mitteln (RE) zur Messung des Spannungsabfalls an den Teilabschnitten (A) und zur Steuerung oder Regelung der Kochstellen in Abhängigkeit vom Spannungsabfall an dem zugehörigen Teilabschnitt (A) der Leiterschleife.
1.4 wobei die Kontaktierungspunkte (1, 1' bis 5, 5'), über die der Zugriff auf die Messleiter (ML) gegeben ist und die Spannungsweite der Teilabschnitte (A) gemessen werden, auf einen Multiplexer (MP) geführt sind und über diesen einzeln abgefragt werden können, so dass auch Teilabschnitte...

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Steuerung oder Regelung der Temperatur einer wenigstens teilweise beheizten, insbesondere aus Glaskeramik bestehenden Fläche.
Heizflächen aus Glaskeramik oder einem vergleichbaren Material finden beispielsweise Verwendung als Wand- oder Deckenstrahler, Wärmetauscher oder andere großflächige Beheizungseinrichtungen, die in beliebiger Weise beheizt werden können.
Auf diesen Flächen können nach dem heutigen Stand der Technik Leiterbahnen aufgebracht werden. Diese Leiterbahnen werden an einer beliebigen Stelle, vorzugsweise im Randbereich mit Kontaktierungspunkten versehen, an die elektrische Leitungen anschließbar sind.
Ein bekannter Sensor zur Steuerung der Temperatur einer Glaskeramikkochfläche gemäß DE 40 22 845 C2 ist aus zwei parallel geführten Dünn- und/oder Dickschichtwiderständen aufgebaut, die mit der zwischenliegenden Glaskeramik einen Kettenleiter bilden, wobei einer der beiden streifenförmigen Widerstände an seinen beiden Enden mit. Anschlußkontakten versehen ist. Eine entsprechende Anordnung mit zwei parallelen Leiterbahnen, die an ihren Enden kontaktiert sind, zeigt die DE 43 36 752 A1 . In der DE 37 36 005 A1 ist eine Steuereinheit für die elektronische Temperaturregelung einer Kochstelle beschrieben, bei der ein Temperatursensor in Vierleitertechnik mit einer Auswerteelektronik verbunden ist. Aus der US 4 237 368 ist ein Temperatursensor für Glaskeramikkochflächen bekannt, der den Widerstand der Glaskeramik nutzt.
Aufgabe der Erfindung ist es, mit Hilfe von auf die Fläche aufgebrachten Leiterbahnen die Temperatur der beheizten Flächen bzw. Teilflächen mit einer möglichst einfachen Vorrichtung und einem daran angepaßten Verfahren zu messen und regeln oder zu steuern.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 6 gelöst.
Die Teilabschnitte sind dabei jeweils einer beheizten Fläche so zugeordnet, daß sie möglichst unverfälscht von der Temperatur der beheizten Fläche beeinflußt werden. Dies wird insbesondere dann der Fall sein, wenn sie quer oder längs oder auch mäanderförmig zur beheizten Fläche geführt sind. Es ist aber auch denkbar, daß sie im Randbereich einer beheizten Fläche angeordnet sind und dann eben bei der Auswertung der Temperaturgradient entsprechend berücksichtigt wird.
Wenn nur die Teilabschnitte auf der Fläche als Leiterbahn aufgebracht sind, müssen diese am Randbereich der beheizten Fläche, also in der Nähe sehr hoher Temperatur kontaktiert werden, was sich möglicherweise ungünstig auf die Kontaktstellen auswirken könnte. Deshalb ist die gesamte Leiterschleife auf, oder unter der Fläche angebracht, so daß die Kontaktierungspunkte in Bereiche niedriger Temperatur gelegt werden können. Dies wird vorzugsweise aber nicht zwingend im Randbereich einer beheizten Fläche sein.
Aus dem selben Grund ist es vorteilhaft, die elektrischen Meßleiter ebenfalls auf, oder unter der Fläche anzuordnen.
Nach einer vorteilhaften Ausbildung der Erfindung wird die Leiterschleife mit einer Konstantstromquelle versorgt. Dadurch wird eine möglichst unverfälschte Spannungsmessung über die Meßleiter gewährleistet.
Die Meßleiter selbst müssen natürlich nicht aus dem selben Material wie die Leiterbahnen bestehen. Es wäre sogar vorteilhaft Meßleitungen bzw. Meßleiterbahnen zu verwenden, die im Gegensatz zur Leiterbahn des Teilabschnittes bzw. zur gesamten Leiterschleife nicht temperaturabhängig sind.
Die Konstantstromquelle sollte möglichst zyklisch polbar sein. Dadurch können Materialbeeinflussungen, die beispielsweise bei Glaskeramik durch Ionenabwanderung entstehen können, vermieden werden. Würde die Leiterschleife nur mit Gleichstromkomponenten beaufschlagt, so könnte die Ionenabwanderung zur Zerstörung des Flächenmaterials führen.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausbildung der Erfindung kann die Leiterschleife so ausgelegt werden, daß sie bei einer definierten Größe eines Glas- bzw. Materialbruchs unterbricht. Dies kann durch Auswahl von geeigneten Abmessungen der Leiterbahn geschehen und durch die Auswahl entsprechender Legierungen die beispielsweise unterschiedliche Elastizitätskonstanten aufweisen.
Die Vorrichtung sowie das damit ausführbare Verfahren zur Steuerung oder Regelung der Temperatur wird im folgenden anhand der Figuren beschrieben. Dabei zeigen
1 bis 5 teilweise beheizbare Flächen,
6 bis 8 verschiedene Kochstellen mit den temperaturabhängigen Leiterbahnen und den daran angeschlossenen Meßleitungen,
9 eine Kochmulde mit einer Leiterschleife sowie den Meßleitungen und den Kontaktierungsstellen,
10 eine Steuereinrichtung zur Durchführung des Verfahrens,
11 eine Serienschaltung des Leiterbahnwiderstandes
Die 1 bis 6 zeigen eine Kochmulde als beheizbare Fläche F die beispielsweise aus Glaskeramik bestehen kann. Die Kochmulde F kann über vier beheizbare Kochstellen KS beheizt werden. Die Kochstellen KS sind von einer als Leiterbahn auf die Kochmulde F aufgebrachten Leiterschleife L durchzogen.
Die 2 bis 5 zeigen unterschiedliche Ausführungen der Leiterbahn L auf der Kochmulde F. In 2 ist die Leiterschleife L mäanderförmig im Bereich der Kochstellen KS angeordnet. In 3 ist die Leiterschleife kreisförmig angeordnet, in 4 durchzieht die Leiterschleife L auch noch einen Bereich der Kochmulde innerhalb der Kochstellen und in 5 ist sie um die Kochstellen herum angeordnet.
Die 6 bis 8 zeigen unterschiedliche Kochstellen KS sowie die Zuordnung des Teilabschnittes A der Leiterschleife L zur jeweiligen Kochstelle KS.
In 6 ist die Leiterbahn der Leiterschleife L dia metral zu einer normalen Kochstelle KS geführt. An den Rändern dieser Kochstelle KS ist die Leiterschleife L mit den Meßleitungen ML kontaktiert, so daß über die Meßleitungen der Spannungsabfall im Teilabschnitt A gemessen werden kann. Die Leiterschleife L ist dabei von einem Konstantstrom I durchflossen. Die Spannung U ist dabei abhängig vom Widerstand des Teilabschnittes A und dieser verändert sich wiederum mit der Temperatur der Kochstelle KS, bzw. des beheizten Teilabschnittes der Fläche F Die Messung des Spannungsabfalls ist damit proportional zur mittleren Temperatur entlang der Meßstrecke.
Zweikreiskochstellen bzw. Bräterzonen werden sinnvollerweise am inneren Kochzonerand kontaktiert.
Wie in 9 dargestellt, ergibt sich als Gesamtsystem eine Struktur mit einer im kühlen Bereich der Kochmulde angeordneten zentralen Kontaktierungsstelle KP (gestrichelt umrandet). Dieser kühle Bereich ist im Ausführungsbeispiel am Rand der Kochmulde F vorgesehen, er kann sich aber auch an einer anderen Stelle befinden.
Eine Unterbrechung der Leiterschleife kann beispielsweise durch Glasbruch bzw. Materialbruch erfolgen. In diesem Fall muß mindestens die Kochstelle, in deren Nähe der Materialbruch aufgetreten ist, abgeschaltet werden. Sicherheitshalber wird dann aber die Leistungszufuhr zu allen Kochstellen der Kochmulde F unterbrochen, da ein Materialbruch dazu führen kann, daß beispielsweise Koch- oder andere Flüssigkeit in den Bereich der Heizelemente vordringt und dadurch Gefahrensituationen entstehen können.
Die Leiterbahn L sowie die Meßleiterbahnen ML können für den Fall eines Glasbruches so ausgeführt sein, daß sie bei einer bestimmten definierten Größe des Glasbruches unterbrechen. In diesem Fall würde die Spannung bis zu einem vorgebenen maximalen Wert ansteigen, bei dem die Leistungszufuhr abgeschalten wird.
Um festzustellen, ob die Leiterschleife L oder eine der Meßleitungen ML unterbrochen ist, kann die Spannungsmessung nacheinander im Muliplexbetrieb oder auch gleichzeitig an zwei oder mehreren verschiedenen Teilabschnitten A vorgenommen werden. Ereicht bei beiden Teilabschnitten die Spannung U den vorgebenen maximalen Wert, so ist mit großer Wahrscheinlichkeit die Leiterschleife L unterbrochen. Diese Wahrscheinlichkeit steigt natürlich mit der Anzahl der Teilabschnitte A, an denen die Spannung den vorgegebenen maximalen Wert aufweist. Zur Eingrenzung der Beschädigung kann die meßtechnische Auswertung dadurch erweitert werden, daß nur bestimmte Heizkörper zugeschaltet werden und nur die diesen Heizkörpern zugeordneten Sensoren bzw. Teilabschnitte abgefragt werden.
Die Konstantstromversorgung dient der Reduzierung des Meß- und Schaltungsaufwandes. Um Materialbeeinflussungen der Glaskeramik durch Ionenabwanderung und damit die Zerstörung der Glaskeramik bei Beaufschlagung mit Gleichstromkomponenten zu vermeiden, wird sinnvollerweise zyklisch gepolte Gleichspannung bzw. -strom verwendet.
10 zeigt das Blockschaltbild einer Regeleinheit RE zur Durchführung des oder der Meßverfahrens und zur Regelung der beheizbaren Flächen.
Über die bereits aus 9 bekannte Kontaktierungsstelle KP wird die Leiterschleife L über die Anschlüsse a und b mit einem Konstantstrom I aus der Konstantstromquelle Q versorgt. Über die Kontaktierungspunkte 1, 1' bis 5, 5' über die der Zugriff auf die Meßleitungen ML gegeben ist, werden die Spannungswerte der Teilabschnitte A gemessen. Im Ausführungsbeispiel sind die Anschlüsse 1, 1' bis 5, 5' auf einen Multiplexer MP geführt (der Übersichtlichkeit halber ist nur das Leitungspaar zu den Kontaktierungpunkten 1, 1' dargestellt) und können über diesen einzeln abgefragt werden. An den Multiplexer ist ein Analog/Digitalwandler angeschlossen, über den die Signale der Datenverarbeitungsanlage DVA, die beispielsweise aus einer Zentralprozessoreinheit (CPU) zugeführt werden. An einen weiteren Eingang der Datenverarbeitungsanlage DVA ist die Konstantstromquelle Q angeschlossen, so daß die Datenverarbeitungsanlage auch die Strom- und Spannungswerte der Konstantstromquelle I erfassen sowie die Konstantstromquelle I steuern kann. Über einen dritten Eingang werden der Datenverarbeitungsanlage die vom Bediener vorgebbaren Sollwerte S zugeführt.
Die von der Datenverarbeitungsanlage DVA in Abhängigkeit von den gemessenen Spannungswerten und einer vorgebenen oder programmgesteuerten Kochtemperatur ermittelten Sollgrößen werden über die Regelstrecke RS auf ein Stellglied SG gegeben, das die Leistung für die Kochstellen KS (bzw. für die Heizelemente, die die Kochstellen KS beheizen, liefert. Das Stellglied SG kann ein Relais oder Triac sein, über daß die Leistungszufuhr zu den Kochstellen KS getaktet oder stufenlos vorgenommen wird.
Das Meßverfahren kann wesentlich verfeinert werden, wenn auch die Ausgänge der Konstantstromquelle Q gemultiplext werden, d. h. nicht fest auf die Kontaktierungspunkte a und b geführt sind, sondern beliebig auch auf die Anschlüsse 1, 1' bis 4, 4' geführt werden können. Weiterhin kann der Multiplexer MP so ausgeführt sein, daß nicht nur immer die Paare der Meßleitungen 1, 1', 2, 2' usw. abgefragt werden können, sondern daß auch beliebige Kombinationen der Meßleitungen, beispielsweise 2, 3, abgefragt werden können. Damit lassen sich beliebige Kombinationen von Leiterschleifen und Meßleitungen meßtechnisch erfassen und vermessen, so daß beispielsweise auch die Teilabschnitte B, die außerhalb der Teilabschnitte A liegen (siehe 9) vermessen werden können und somit eine umfassende Vermessung der Temperaturen usw. möglich ist. Dadurch kann beispielsweise der Bereich eines Glasbruches lokal eingegrenzt werden. Die Möglichkeiten dieses Meßverfahrens werden anhand von 11 deutlich, bei der die Leiterbahnteilabschnitte A, B als Reihenschaltung von Widerständen mit den Anschlüssen a, b, 1, 1' bis 4, 4' dargestellt sind. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Anschlüsse 2, 3 der Meßleitungen mit der Konstantstromquelle Q verbunden, so daß über die Anschlüsse 2, 2', 2', 3 die Spannungswerte abgefragt werden können.
Durch die Eingrenzung der Schadensstellen, beispielsweise bei Glasbruch, ist es möglich, eine von der Schadensstelle weit entfernte Kochstelle weiter betriebsbereit zu lassen, so daß eine Teilbenutzung des Herdes bis zum Eintreffen des Kundendienstes noch möglich ist.
Selbstverständlich ist es im Schadensfall möglich, eine optische und/oder akkustische Warnanzeige am Herd anzubringen, um den Benutzer zu warnen. Über ein Display oder Leuchtdioden könnte dann auch die Lokalität des Scha dens mitgeteilt werden und ggf. der Benutzer aufgefordert werden, den Kundendienst zu rufen.
Wie bereits oben erwähnt sind die Kontaktierungspunkte KP auf den Flächen, insbesondere auf Glaskeramik- oder Cerankochfeldern relativ aufwendig und damit nicht besonders wirtschaftlich herstellbar. Eine besonders einfache Möglichkeit eine solche Kontaktierung herzustellen besteht darin, die Leiterbahnen mechanisch unter Druck, beispielsweise durch Kontaktstifte usw. zu kontaktieren. Damit könnte auf die aufwendigen Kontaktierungspunkte KP verzichtet werden.
Bei Kochmulden könnte eine einfache Kontaktierung dadurch hergestellt werden, daß die Leiterbahnen ebenfalls bis an den Rand der Kochmulde oder in die Nähe des Randes der Kochmulde geführt werden. Die Kontaktierung könnte dann mechanisch über Kontaktstifte erfolgen. Die Vorrichtung, an der die Kontaktstifte befestigt sind und die die Anschlußstellen für die elektrischen Leitungen aufweist, könnte über den Rahmen bzw. zwischen dem die Kochmulde umgebenden Rahmen und der Kochmulde fixiert werden, so daß die notwendige Stabilität dieser Kontaktierungsvorrichtung sichergestellt wäre. Die Kontaktierungsvorrichtung würde dann zusammen mit der Kochmulde eine Einheit bilden. Es ist aber auch denkbar die Kontaktierungsvorrichtung an einem zur Kochmulde gehörenden Herd selbst anzubringen oder unterhalb einer Küchenarbeitsplatte zu montieren. In diesem Fall würde die Kochmulde durch ihr Eigengewicht auf die – beispielsweise gefederten – Kontaktierungselemente drücken und so einen sicheren Kontakt herstellen.
Bei dieser Art der Kontaktierung kann die Glaskeramik bzw. das Material der Kochmulde mit einer Vielzahl nicht miteinander in Verbindung stehender, beispielsweise parallel, kreis- oder mäanderförmig etc. angeordneter Leiterbahnen versehen sein. Durch die Kontaktierung von ausgewählten Leiterbahnen mittels Kontaktstiften, die gegebenfalls elektrisch leitend miteinander verbunden werden können, können so beliebige, frei wählbare Stromkreise gebildet werden. Dies würde die Herstellung der mit Leiterbahnen versehenen Kochmulden standardisieren, so daß diese kostengünstiger hergestellt werden könnten.

Claims

Vorrichtung zur Steuerung oder Regelung der Temperatur einer teilweise beheizten, insbesondere aus Glaskeramik bestehenden, Fläche (F) mit mehreren Kochstellen (KS), mit 1.1 einer Leiterschleife (L), die als Leiterbahn auf oder unter der Fläche (F) angebracht ist und mehrere, jeweils einer Kochstelle (KS) zugeordnete Teilabschnitte (A) mit jeweils einem temperaturabhängigen ohmschen Widerstand aufweist, 1.2 elektrischen Messleitern (NIL), die jeweils am Anfang und Ende eines zugehörigen temperaturabhängigen Teilabschnittes (A) der Leiterschleife (L) angeschlossen sind, und 1.3 Mitteln (RE) zur Messung des Spannungsabfalls an den Teilabschnitten (A) und zur Steuerung oder Regelung der Kochstellen in Abhängigkeit vom Spannungsabfall an dem zugehörigen Teilabschnitt (A) der Leiterschleife. 1.4 wobei die Kontaktierungspunkte (1, 1' bis 5, 5'), über die der Zugriff auf die Messleiter (ML) gegeben ist und die Spannungsweite der Teilabschnitte (A) gemessen werden, auf einen Multiplexer (MP) geführt sind und über diesen einzeln abgefragt werden können, so dass auch Teilabschnitte (B) der Leiterschleife (L), die außerhalb der den Kochstellen zugeordneten Teilabschnitte (A) liegen, vermessen werden können.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die elektrischen Messleiter (ML) ebenfalls auf oder unter der Fläche (F) angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, mit einer Konstantspannungs- oder -stromquelle (I) zur Versorgung der stromdurchflossenen Leiterschleife (L).
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Konstantspannungs- oder -stromquelle (I) zyklisch polbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Leiterschleife (L) so ausgelegt ist, dass sie bei einer definierten Größe eines Glas- bzw. Materialbruchs unterbricht.
Verfahren zur Steuerung oder Regelung der Temperatur einer teilweise beheizten, insbesondere aus Glaskeramik bestehenden, Fläche (F) mit mehreren Kochstellen (KS), mit 6.1 einer Leiterschleife (L), die als Leiterbahn auf oder unter der Fläche (F) angebracht ist und mehrere, jeweils einer Kochstelle (KS) zugeordnete Teilabschnitte (A) mit jeweils einem temperaturabhängigen ohmschen Widerstand aufweist, 6.2 elektrischen Messleitern (ML), die jeweils am Anfang und Ende eines stromdurchflossenen, temperaturabhängigen Teilabschnittes (A) der Leiterschleife (L) angeschlossen sind, wobei 6.3 an dem stromdurchflossenen, temperaturabhängigen Teilabschnitt (A, B) der Leiterschleife (L), der einer Kochstelle zugeordnet ist, die Spannung (U) gemessen wird und 6.4 in Abhängigkeit von der gemessenen Spannung (U) die Leistungszufuhr der Kochstellen nach vorgebbaren Werten eingestellt wird. 6.5 wobei die Kontaktierungspunkte (1, 1' bis 5, 5'), über die der Zugriff auf die Messleiter (ML) gegeben ist und die Spannungsweite der Teilabschnitte (A) gemessen werden, auf einen Multiplexer (MP) geführt sind und über diesen einzeln abgefragt werden können, so dass auch Teilabschnitte (B) der Leiterschleife (L), die außerhalb der den Kochstellen zugeordneten Teilabschnitte (A) liegen, vermessen werden können.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Leistungszufuhr zu den Heizelementen der beheizten Fläche abgeschaltet wird, wenn an mindestens zwei beheizten Teilabschnitten (A) die Spannung einen vorgegebenen Wert übersteigt.