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Die Erfindung betrifft eine Temperaturerfassungseinrichtung
für einen
elektrischen Strahlheizkörper
mit den Merkmalen des Oberbegriffs im Patentanspruch 1.
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Die automatische Ein- und Ausschaltung
einer Kochstelle in direkter Abhängigkeit
vom Aufstellen eines Kochgefäßes ist
ein seit langem verfolgtes Ziel. Die zu diesem Zweck vorgeschlagenen
Systeme beruhen auf den unterschiedlichsten Prinzipien, wobei meist
die Art und Anordnung des Sensors zur Erfassung der Positionierung
des Kochgefäßes entscheidend
ist. Bei den hier vorzugsweise betrachteten induktiven Systemen
ist der Sensor ein Teil eines induktiven, vorzugsweise mittels Schwingkreisverstimmung
arbeitenden Schwingkreises einer Steuerung und hat mindestens eine
Sensorschleife mit elektrisch leitfähigem Material, durch die eine
Induktivität
gebildet wird. Die Sensorschleife ist im Bereich wenigstens einer
von elektrischen Strahlungsheizelementen beheizbaren Heizzone derart
angeordnet, daß durch
ein Kochgerät,
das im Bereich der Heizzone aufgestellt wird, die die Induktivität der Sensorschleife
so verändert
wird, daß eine
angeschlossene Auswerteeinrichtung zwischen dem Vorhandensein und
dem Fehlen eines aufgestellten Kochgerätes unterscheiden kann. Ein
einfach und robust aufgebautes, derartiges Topferkennungssystem,
das besonders prägnante
Signale zur Steuerung der Strahlheizkörper liefert, ist in der
DE 196 03 845 offenbart. Eine
Temperaturerfassungseinrichtung für den dort gezeigten Strahlheizkörper umfaßt einen
Temperaturwächter
mit einem stabförmigen
Temperaturfühler, der
auf einen Temperaturwächterkontakt
zur Einhaltung einer zulässigen
Materialtemperatur an der Unterseite der Glaskeramik-Kochplatte
und auf einen Heißmelderkontakt
zur Signalisierung des Heißzustandes
des Heizkörpers
einwirkt. Der Stabfühler ragt
durch einen die Heizzone seitlich begrenzenden Isolierkörperrand
hindurch und verläuft
in einer Ebene oberhalb der Strahlungselemente unterhalb der Sensorschleife.
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Die
DE 195 26 091 A1 zeigt eine Spule mit einem
Spulenkern aus einem Material mit einer bestimmten Curie-Temperatur
für eine
Temperaturmessung. Die Spule ist Teil eines Schwingkreises, so dass
sich die temperaturabhängige Änderung
der Induktivität
in einer entsprechenden Änderung
der Schwingkreisfrequenz auswirkt. Durch die Auswertung dieser Frequenz
kann die Spule als Temperatursensor eingesetzt werden.
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Die
DE 198 13 996 A1 zeigt eine elektrisch leitende
Struktur, die mit einer Messeinrichtung verbunden ist. Sie kann
als Temperatur- oder Topferkennungssensor dienen. Über die Änderung
des ohmschen Widerstandes kann sie zur Temperaturerfassung herangezogen
werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,
für gattungsgemäße Strahlheizkörper eine
Temperaturerfassungseinrichtung zu schaffen, die besonders einfach
und kostengünstig
bereitstellbar ist.
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Diese Aufgabe wird durch eine Temperaturerfassungseinrichtung
mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen
sind in den abhängigen
Ansprüchen
angegeben, deren Wortlaut durch Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung
gemacht wird.
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Gemäß der Erfindung hat die Sensorschleife mindestens
einen Teilabschnitt, der funktionaler Bestandteil eines Temperatursignale
abgebenden Temperatursensors der Temperaturerfassungseinrichtung
ist, wobei die Temperatursignale bevorzugt elektrisch sind und/oder
elektrisch bzw. elektronisch auswertbar sind. Das Vorhandensein
einer für
die Topferkennung vorhandenen Sensorschleife wird also genutzt,
um mit Hilfe der Sensorschleife eine ausreichend temperaturgenaue
Temperaturerfassung sicherzustellen. Dabei wird ausgenutzt, daß sich die Sensorschleife
in der Regel im Bereich einer Heizzone sowie vorzugsweise auch in
unmittelbarer Nähe der
bzgl. ihrer Temperatur zu überwachenden
Kochplatte, insbesondere der Glaskeramikplatte, angeordnet ist.
Diese günstige
Positionierung der Sensorschleife bzw. ihres zur Temperaturerfassungseinrichtung
nutzbaren Teilabschnittes ermöglicht,
insbesondere in Verbindung mit zweckmäßig gewählten elektrischen und/oder
strukturellen Eigenschaften des Teilabschnitts bzw. der Sensorschleife,
die Integration einer wirksamen Temperaturerfassungseinrichtung
mit der Topferkennungssensorik. Auf gesondert angeordnete Temperaturerfassungseinrichtungen, wie
beispielsweise den oben erwähnten
Stabfühler, kann
daher verzichtet werden.
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Eine Weiterbildung zeichnet sich
dadurch aus, daß die
Sensorschleife die Heizzone zumindest teilweise mit mindestens einem Übergreifungsabschnitt übergreift,
wobei der als funktionaler Teil der Temperaturerfassungseinrichtung
genutzte Teilabschnitt vorzugsweise im Bereich des Übergreifungsabschnitts
liegt. Dadurch kann erreicht werden, daß sich der zur Temperaturerfassung
genutzte Teilabschnitt, vorzugsweise mit Abstand von einem die Heizzone
begrenzenden Isolierrand, direkt im Strahlungsbereich der Strahlungselemente
befindet. Dadurch ist eine besonders verzögerungsarme Temperaturerfassung
bzw. Temperaturänderungserfassung mit
ggf. nur kleinen Temperaturabweichungen möglich. Diese Anordnung bringt
auch für
die Topferkennungsfunktion Vorteile, da ein Topferkennungssignal gegenüber einem
im Randbereich des Heizkörpers umlaufenden
Sensor wesentlich aussagekräftiger
für die Überdeckung
der Heizzone und damit für
die Topferkennung prägnanter
wird. Die diesbezüglichen
Erläuterungen
in der Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene zweckmäßige Nutzungsmöglichkeiten der
Sensorschleife für
die Temperaturerfassung möglich.
Beispielsweise kann es so sein, daß die Temperaturerfassungseinrichtung
eine elektronische Einrichtung zur Auswertung von elektrischen Temperatursignalen
aufweist und daß diese
Einrichtung in signalleitender, elektrischer Verbindung mit dem
Teilabschnitt der Sensorschleife steht. Der Teilabschnitt kann hier
einen elektrisch aktiven Teil des Temperatursensors bilden, so daß temperaturabhängige elektrische
Eigenschaften des Teilabschnittes, ggf. in Verbindung mit temperaturabhängigen elektrischen Eigenschaften
benachbarter Abschnitte, zur Erzeugung von Temperatursignalen nutzbar
sind.
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Es ist auch möglich, daß die Sensorschleife mit mindestens
einem Schleifenabschnitt einen Teil eines als Thermoelement arbeitenden
Temperatursensors bildet. Eine angeschlossene Signalverarbeitung
ist dann zweckmäßig zur
Verarbeitung von Thermospannungen ausgebildet und kann jede hierfür geeignete
Form annehmen.
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Der Aufbau mindestens eines Thermoelementes
mit Hilfe der Sensorschleife oder eines ihrer Teilabschnitte kann
auf unterschiedliche Weisen erfolgen. Beispielsweise kann die Sensorschleife
einen ersten Schleifenabschnitt aus einem ersten elektrisch leitenden
Material und einen mit diesem kontaktierten zweiten Schleifenabschnitt
mit einem zweiten elektrisch leitenden Material aufweisen, wobei das
erste und das zweite Material unterschiedliche Kontaktpotentiale
in der elektrischen Spannungsreihe aufweisen. Die Kontaktstelle
liegt zweckmäßig im Bereich
eines vorzugsweise vorhandenen Übergreifungsabschnittes,
also wird unmittelbar von der Strahlungsenergie der Strahlheizkörper beaufschlagt.
Ein Vorteil dieser Variante ist ihr einfacher Aufbau, da neben der
Sensorschleife keine zusätzlichen
Elemente erforderlich sind. Die Thermospannung kann einfach an geeigneten
Punkten des die Sensorschleife umfassenden Schwingkreises abgegriffen
werden.
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Es ist auch möglich, daß zur Bildung eines Thermoelementes
mindestens ein vorzugsweise drahtförmiges Materialstück vorgesehen
ist, das aus einem elektrisch leitenden Material mit einem vom Material
des Schleifenabschnittes verschiedenen elektrischen Kontaktpotential
besteht und daß mit dem
Schleifenabschnitt im Bereich einer Kontaktstelle elektrisch leitend
verbunden, insbesondere mit diesem verschweißt ist. In diesem Fall wird
eine Elementseite des Thermoelementes durch den Schleifenabschnitt
selbst gebildet, während
das daran angebrachte, gesonderte Materialstück die andere Elementseite
bildet. Die Thermospannung ist dann zwischen dem Ende des Materialstückes und
einem Ende der Sensorschleife abgreifbar. Es ist auch möglich, zur
Bildung eines Thermoelementes mit zwei Kontaktbereichen zwei vorzugsweise
drahtförmige Materialstücke aus
elektrisch leitendem Material vorzusehen, die mit Abstand zueinander
mit einem Schleifenabschnitt im Bereich von Kontaktstellen elektrisch
leitend verbunden, insbesondere verschweißt sind, wobei die beiden Materialstücke aus Materialien
mit unterschiedlichem elektrischem Kontaktpotential bestehen. In
diesem Fall kann an den freien Enden der beiden Materialstücke eine
Thermospannung abgegriffen werden, die im wesentlichen allein durch
die unterschiedlichen Kontaktpotentiale dieser Materialien bestimmt
ist. Hier ist man in der Wahl des Materials für den Schleifenabschnitt weitgehend
frei.
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Die letztgenannten Varianten mit
gesonderten, unter Bildung von Kontaktstellen an der Sensorschleife
angebrachten, insbesondere mit dieser verschweißten Materialstücken bieten
den Vorteil, daß die
Sensorschliefe selbst recht einfach aufgebaut sein kann. Durch Anbringung
geeigneter, beispielsweise drahtförmiger Materialstücke z.B.
durch Punktverschweiflung können
auch existierende Systeme mit Topferkennungssensoren einfach und
kostengünstig
zur Bildung erfindungsgemäßer Temperaturerfassungseinrichtungen
nachgerüstet
werden.
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Es ist auch möglich, daß die Einrichtung zur Erfassung
und Auswertung von Temperatursignalen zur Abgabe mindestens eines
Meßimpulses
ausgebildet ist und eine Einrichtung zur Erfassung der Laufzeit
des Meßimpulses
durch die Sensorschleife oder durch ein der Sensorschleife zugeordnetes,
insbesondere durch die Sensorschleife getragenes, gesondertes Meßelement
aufweist. Hierbei wird ausgenutzt, daß die Laufzeit eines Meßimpulses
z.B. durch die Sensorschleife sich in der Regel durch die Erwärmung des
Sensors verlängert.
Diese Laufzeitveränderung
kann als Maß für die Temperatur
genutzt werden.
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Es ist erfindungsgemäß vorgesehen,
daß die Sensorschleife
bzw. ein geeigneter Teilabschnitt davon als Träger für mindestens ein elektrisch
aktives Element eines Temperatursensors ausgebildet ist. Die Tragefunktion
bedeutet vor allem, daß der
Teilabschnitt das elektrisch aktive Element des Temperatursensors
in einer für
die Temperaturerfassung günstigen
Position, beispielsweise mit Abstand von Isolierrand der Heizzone
oberhalb der Strahlheizelemente hält. Die Sensorschleife kann
ausschließlich diese
Tragefunktion haben oder aber zusätzlich zu einer anderen, beispielsweise
elektrischen Funktion genutzt werden.
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So ist es insbesondere möglich, daß die Sensorschleife
einen vorzugsweise rohrförmigen
Hohlkörper
aus temperaturbeständigem,
elektrisch leitfähigem
Material aufweist und daß in
einem Innenraum des Hohlkörpers
mindestens ein elektrisch aktives, vorzugsweise drahtförmiges Innenelement
des Temperatursensors angeordnet ist. Der Hohlkörper kann nicht nur als Träger für das innenliegende
Element dienen, sondern gleichzeitig auch als Schutz desselben gegen
mechanische Beschädigung
und/oder thermisch bedingte Eigenschaftsverschlechterungen. Beispielsweise
kann das Innenelement ein Element eines Thermoelementes, z.B. ein
Schenkel desselben, oder aber ein vollständiges Thermoelement (mit zwei
an einer Kontaktstelle verbundenen Elementen) sein. Das Drahtmaterial
zur Bildung eines Thermoelementes kann im Falle einer tragenden und
schützenden
Ummantelung wesentlich dünner und
damit kostengünstiger
sein als im Falle eines ggf. freitragend auszubildenden und/oder
offenliegenden Thermoelementes. Der vorzugsweise eigensteife bzw.
selbsttragende Hohlkörper,
beispielsweise ein Rohr aus einer Eisen-Nickel-Chrom-Legierung,
kann selbst elektrisch aktives Teil eines Thermoelementes sein,
indem das andere Teilelement in geeigneter Weise beispielsweise
durch Punktverschweißung
mit dem Hohlkörper
kontaktiert wird. Das Innenelement kann auch aus einem elektrisch
leitenden Materialstück
mit hohem positiven oder negativen Temperaturkoeffizienten des elektrischen
Widerstandes bestehen, um die eingangs erläuterte Widerstandsmessung zur
Temperaturerfassung zu nutzen. Zweckmäßig sind das Innenelement und
der Hohlkörper
bis auf den Bereich von ggf. gewünschten
Kontaktstellen elektrisch voneinander isoliert, indem beispielsweise das
Innenelement von einer keramischen Isoliermasse umgeben ist, die
den Innenraum des Hohlkörpers teilweise
oder ganz ausfüllt.
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Sofern die erfindungsgemäße Temperaturerfassungseinrichtung
zur kontinuierlichen Temperaturerfassung genutzt wird, können dadurch
beispielsweise herkömmliche
Stabregler o. dgl. ersetzt werden. Es ist auch möglich, eine Heißanzeigeeinrichtung
in Abhängigkeit
von der realen Temperatur der Kochplatte, insbesondere der Glaskeramikplatte,
anzusteuern und diese ggf. anzuzeigen. Generell können viele
Funktionen realisiert werden, bei denen die Erfassung einer aktuellen
Kochplattentemperatur von Bedeutung ist. Beispielsweise müssen Kochstufen
eines Kochgerätes
nicht mehr festen Einstellungen eines Einstellreglers zugeordnet
werden, sondern sie können,
wie bei sogenannten Automatikkochplatten, der aktuellen, durch die
Temperaturerfassungseinrichtung erfaßten Temperatur zugeordnet
werden, auf die geregelt wird. Auch kann eine Temperaturregelung
so ausgelegt werden, daß sie die
Funktion eines Ankochstoßes
automatisch steuert.
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Zum Aufbau erfindungsgemäßer Temperaturerfassungseinrichtungen
kann jede geeignete Sensorschleife einer Topferkennungseinrichtung
genutzt werden. Eine bevorzugte Ausführungsform, bei der die Sensorschleife
nur eine einzige Windung besitzt, die aus einem formstabilen, selbsttragenden, elektrisch
leitfähigem
Material besteht, wird im Zusammenhang mit den Ausführungsformen
näher erläutert. Sie
kann in Form eines massiven, starken Drahtes oder in Form eines
Rohres ausgebildet sein, dessen Innenraum zur Aufnahme von Elementen
der Temperaturerfassungseinrichtung genutzt werden kann. Durch eine
vorteilhafte Anordnung der Sensorschleife direkt unterhalb der Kochplatte
mit wesentlichem Abstand zu den Strahlungselementen kann sichergestellt
werden, daß die
an der Sensorschleife herrschende Temperatur bzgl. ihres Verlaufes und
ihres Absolutbetrages im wesentlichen derjenigen der Kochplatte
entspricht.
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Die Erfindung betrifft auch die Verwendung mindestens
eines Teilabschnittes einer Sensorschleife eines induktiven Sensors
zur Erkennung der Positionierung eines Kochgefäßes auf einer einen Strahlungsheizkörper überdeckenden
Kochplatte, insbesondere Glaskeramikplatte, als funktionaler Teil
eines Temperatursensors zur Erfassung der Temperatur der Kochplatte.
Dabei kann, wie erwähnt,
der Teilabschnitt bzw. die gesamte Sensorschleife elektrisch aktiv
sein oder, alternativ oder zusätzlich,
als Träger für mindestens
ein elektrisch aktives Element eines Temperatursensors dienen. Der
Vorteil besteht vor allem darin, daß die Sensorschleife bzw. der
Teilabschnitt für
eine Temperaturerfassung besonders günstig, insbesondere nahe einer
Glaskeramikplattenunterseite positionierbar ist und/oder daß ggf. auf gesonderte
Elemente zur Schaffung eines Temperatursensors verzichtet werden
kann, weil die Sensorschleife eine Doppelfunktion sowohl im Rahmen
eines elektrischen Temperatursensors, als auch im Rahmen eines induktiven
Sensors zu der Topferkennung ausfüllt.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung
sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher erläutert. In
den Zeichnungen zeigen:
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1 einen
zentralen Schnitt durch einen Strahlungsheizkörper unter einer Glaskeramikplatte mit
angedeuteten Kochgefäßen,
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2 eine
Draufsicht auf den Strahlungsheizkörper nach 1, wobei innerhalb einer durch ein Rohr
gebildeten Sensorschleife zwei Thermoelemente untergebracht sind,
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3 einen
schematischen Schnitt entlang der Linie III-III in 1,
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4 bis 7 schematische Darstellungen
von anderen Ausführungsformen,
die zur Temperaturmessung mittels Thermospannung ausgebildet sind,
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8 eine
schematische Draufsicht auf eine Ausführungsform, die zur Temperaturmessung
mittels Widerstandsbestimmung der Sensorschleife ausgebildet ist,
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9 eine
Ausführungsform
mit einem Thermoschalter zum Kurzschließen der Sensorschleife.
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Die 8 und 9 gehören nicht zur beanspruchten
Erfindung.
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Die 1 und 2 zeigen einen elektrischen Strahlungsheizkörper 11,
der unter einer Glaskeramikplatte 12 einer elektrischen
Kochmulde oder eines anderen Strahlungskochgerätes angeordnet ist. Er weist
einen flachen Blechteller 13 auf, dessen Boden 14 und
Rand 15 eine Bodenschicht 16 und einen Rand 17 aus
elektrisch und thermisch isolierendem und dämmendem, wärmebeständigen Isoliermaterial aufnehmen.
Es handelt sich dabei vorzugsweise um ein mikroporöses, aus
Schüttmaterial
gepreßtes
pyrogenes Kieselsäureaerogel.
Der Außenrand 17 ist wegen
verbesserter mechanischer Festigkeit gesondert hergestellt und besteht
aus einer gepreßten
bzw. nass geformten und dann nachgetrockneten Einheit mit keramischen
Fasern und Bindemitteln etc.
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Der Blechrand 15 reicht
nicht ganz bis an die Glaskeramikplatte 12 heran, wohl
aber der Isolierrand 17, der von unten an die Glaskeramikplatte
angedrückt
ist, indem der Heizkörper 11 durch
eine nicht dargestellte Andruckfeder nach oben gedrückt ist.
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Der Strahlungsheizkörper weist
zwei zueinander konzentrische Heizzonen 18, 19 auf,
die durch eine Zwischenwandung 20 voneinander abgegrenzt sind,
die jedoch nicht bis an die Glaskeramikplatte heranreicht.
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In beiden Heizzonen 18, 19 sind
elektrische Heizelemente 21 in Form von dünnen, wellenförmig verformten
Bändern
angeordnet, die aufrecht stehend auf der Oberfläche 22 des Isolierkörpers 16 stehend
angeordnet sind und die, im gezeigten Beispiel, im Isolierkörper mit
an ihrer Unterseite angeformten Füßen verankert sind, die infolge
der Wellung des Bandes eine Spatenform haben. Bei anderen Ausführungsformen
kann das gewellte Band auch geradkantig begrenzt und frei von Füßen sein.
Zur Verankerung kann die Oberseite des Isolierkörpers geeignete Profilierungen
mit erhabenen Abschnitten und Vertiefungen aufweisen, wobei das
Heizleiterband zur Verankerung in die erhabenen Abschnitte eingreifen
kann. Die Heizleiter bedecken die beiden Heizzonen 18, 19 gleichmäßig mit
Ausnahme einer unbeheizten Mittelzone 59, in der ein nach
oben gerichteter Vorsprung 43 des Isolierbodens 16 liegt.
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Dem Strahlungsheizkörper ist
ein aktiver Sensor zur Erkennung der Positionierung eines Kochgefäßes auf
der den Heizkörper 11 überdeckenden
Glaskeramikplatte 12 zugeordnet. Der Sensor ist ein Teil
eines induktiv mittels Schwingkreisverstimmung arbeitenden Schwingkreises
einer Steuerung 31 und besteht im wesentlichen aus einer
Sensorschleife 30, die eine Induktivität eines Schwingkreises 32 bildet,
der mit einer relativ hohen Frequenz von beispielsweise 1 MHz bis
5 MHz angeregt ist. Beim Aufsetzen eines Kochgefäßes ändert sich die Bedämpfung der
Sensorschleife 30 und damit die Frequenz des Schwingkreises 32.
Dies wird in der Steuerung 31 ausgewertet und in Abhängigkeit
davon werden mechanische oder elektronische Schalter 33, 33a in
der Steuerung angesteuert, die die Heizzonen 18, 19 zum
Betrieb einschalten.
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Zur Einstellung der jeweiligen freigegebenen Leistung
ist ein Energiesteuergerät 34 (oft
auch als Energieregler bezeichnet) vorgesehen, der über einen
Einstellknopf 35 auf eine bestimmte Leistung eingestellt
werden kann. Es kann auch ein Temperaturregler vorgesehen sein.
Bei der Regelung oder Steuerung handelt es sich meist um eine taktende
Leistungsfreigabe, d.h. um eine Aussetzregelung oder -steuerung.
Das Energiesteuergerät 34 kann
thermo-mechanisch, beispielsweise als Bimetallschalter, oder, bevorzugt,
als elektronisches Bauteil ausgebildet sein, das ggf. auch in die
Steuerung 31 integriert sein kann. Um Störeinflüsse vom
Schwingkreis 32 möglichst
fern zu halten, sollte die Leitung zwischen der eigentlichen Sensorschleife 30 und
den übrigen Elementen
des Schwingkreises so kurz wie möglich gehalten
werden. Auch eine Abschirmung der Leitungen ist möglich. Ggf.
könnte
der die eigentliche Kochgefäßerkennung
enthaltene Bauteil 36 der Steuerung auch gesondert von
der übrigen
Heizkörpersteuerung
getrennt räumlich
nahe am Strahlungsheizkörper 11 angeordnet
sein.
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Die Sensorschleife, die nur eine
einzige Windung aufweist, besteht im wesentlichen aus einem relativ
dicken Rohr mit einem Außendurchmesser zwischen
ca. 2 mm und ca. 4 mm. Der Rohrmantel 29 besteht aus wärmebeständigem und
nicht magnetisierbarem Material. Dies kann beispielsweise ein hochlegierter
Stahl, wie eine Eisen-Chrom-Nickel-Legierung sein. Geeignete Werkstoffe
sind z.B. ein Stahl mit der Werkstoffnummer 1.4876 oder
ein Heizleitermaterial mit der Werkstoff-Nummer 2.4869. Das relativ massive Mantelmaterial
sorgt für
Temperaturbeständigkeit
und Zunderbeständigkeit
der Sensorschleife. Die relativ dicke Ausführung, insbesondere in Verbindung
mit der zylindrischen Rohrform, schafft eine sehr steife Ausbildung
der Sensorschleife 30 und sorgt dafür, daß auch bei hohen thermischen
Beanspruchungen nicht mit einem Absinken auf die Heizelemente 21 zu
rechnen ist. Diese Gefahr ist auch deshalb gering, weil die Sensorschleife 30,
wie in 1 zu erkennen,
direkt unterhalb der Glaskeramikplatte 12 bzw. mit nur
sehr geringem Abstand von dieser und mit einem demgegenüber sehr
großen Abstand
zu den Heizelementen angeordnet ist.
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Bei der in 1 gezeigten Ausführungsform bildet die Sensorschleife 30 eine
einwindige Spule mit über
der äußeren Heizzone 19,
jedoch mit relativ großem
radialem Abstand vom Außenrand 17 verlaufenden äußeren Umfangsabschnitten 37 und,
wiederum mit radialem Abstand von der Zwischenwandung 20, über der
Heizzone 18 verlaufenden innerem Umfangsabschnitten 38.
Diese Umfangsabschnitte sind Kreisbogenabschnitte unterschiedlichen
Durchmessers, die durch Verbindungsabschnitte 39 miteinander
verbunden sind. Diese Verbindungsabschnitte verlaufen zwar im wesentlichen
radial, jedoch derart schräg,
daß die
Winkelsumme der äußeren und
inneren Umfangsabschnitte 37, 38 größer als
360° ist.
Die Draufsicht auf die Sensorschleife 30 zeigt die Grundform
eines dreiblättrigen
Kleeblattes mit einem relativ großen, nahezu einen Vollkreis
bildenden Mittelbereich und drei seitlichen "Blättern" in Form eines dreieckigen
Sektors oder Omegas. Je nach Größe und steuerungstechnischen
Erfordernissen können
mehr Umfangsabschnitts-Sektoren vorgesehen sein. An einem der Umfangsabschnitt-Sektoren 40 sind
Anschlüsse 41 in
Form nach außen
gerichteter, zueinander paralleler Abschnitte des Schleifenmaterials vorgesehen.
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Die gesamte Sensorschleife 30 ist
flach und aufgrund des relativ starken Materials selbsttragend und
formstabil. Sie liegt im vorliegenden Beispiel einerseits im Bereich
der Anschlüsse 41 in
flachen Vertiefungen des Isolierkörper-Außenrandes 17 und stützt sich
im übrigen
mit ihren Verbindungsabschnitten 39 auf der Zwischenwand 20 ab,
die nicht ganz bis an die Glaskeramikplatte heranreicht. Dadurch
ist die Sensorschleife anliegend oder mit geringem Abstand von der
Unterseite der Glaskeramikplatte 12 angeordnet und mit
einem Sicherheitsabstand oberhalb der Heizelemente 21.
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Es ist zu erkennen, daß die Sensorschleife, mit
Ausnahme der Anschlußabschnitte 41 sowie
der den Außenrand 17 bzw.
die Zwischenwand 20 kreuzenden, kurzen Abschnitte mit einem
wesentlichen Teil ihrer Länge
die mit Heizelementen 21 versehenen Bereiche des Strahlheizkörpers übergreift.
Diese Übergreifungsabschnitte
liegen in Sichtverbindung bzw. im direkten Strahlungsbereich der
Heizelemente, so daß die
thermische Ankopplung zwischen den Übergreifungsabschnitten und
den Heizelementen 21 besonders gut ist. Durch die unmittelbare
Nähe zur
Glaskeramikplatte 12 ist sichergestellt, daß die Temperatur
der Übergreifungsabschnitte
von der Temperatur der Glaskeramikplatte nur wenig abweicht. Diese
Umstände
können
für eine
temperaturgenaue Temperaturerfassung genutzt werden.
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Bei der Temperaturerfassungseinrichtung
für den
Strahlheizkörper 11 dient
die Sensorschleife 30 mit einem Teilabschnitt 50 als
funktionaler Bestandteil eines Temperatursensors 51, der
Temperatursignale in Form einer Thermospannung abgibt. Der Temperatursensor 51 ist
nach Art eines Mantelthermoelementes aufgebaut, bei dem der Teilabschnitt 50 der
Sensorschleife, der sich vom Anschlußbereich 41 bis zum
nächsten
inneren Umfangsabschnitt 38 erstreckt, eine schützende Ummantelung
um die elektrisch aktiven Komponenten des Thermoelementes bildet.
Als elektrisch aktive Komponenten sind zwei aus unterschiedlichen,
hochschmelzenden Meteallen bestehende Drähte 52, 53 vorgesehen,
deren im Bereich des Abschnitts 38 liegenden Enden unter Bildung
einer Kontaktstelle 54 miteinander verschweißt sind.
Die Drähte
sind innerhalb des Mantels 29 von Isoliermasse 55 umgeben,
die die Drähte 52, 53 gegeneinander
und gegenüber
dem Leitermaterial des Mantels 29 elektrisch isoliert und
mechanisch festhält.
Die der Kontaktstelle 54 gegenüberliegenden Enden sind mit
elektrischen Kontakten eines Temperaturwächters 24 verbunden.
Aufgrund der Tatsache, daß die
Thermoelementdrähte 52, 53 durch
den Mantel 29 geschützt
und von diesem mit Hilfe der Isoliermasse 55 getragen werden,
können die
Drähte
sehr dünn
sein, was bei kostspieligen Drahtmaterialien wie beispielsweise
Platin für
Draht 52 und Platin-Rodium für Draht 53 Kosten
spart. Auch andere Materialkombinationen, beispielsweise Nickel/Nickel-Chrom, sind möglich.
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Mit Hilfe des Thermoelementes 51 kann
ein in Form einer Thermospannung UT vorliegendes
kontinuierliches Temperatursignal erzeugt werden, aus dem die Temperatur
der Kontaktstelle 54 ableitbar und damit im wesentlichen
die Temperatur der inneren Heizzone 18 in unmittelbarer
Nähe der
Glaskeramikplatte bestimmbar ist. In analoger Weise ist es möglich, mit
Hilfe eines Thermoelementes 56, dessen Kontaktstelle 57 im Bereich
der äußeren Heizzone 19 liegt,
deren Temperatur zu bestimmen, indem ein entsprechendes Thermospannungssignal
UT dem Temperaturwächter 24 zugeführt wird.
Das mindestens eine als Thermospannung vorliegende Temperatursignal
kann durch eine geeignete, hier nicht näher erläuterte elektronische Signalverarbeitungseinrichtung,
die beispielsweise innerhalb eines Gehäuses des Temperaturwächters 24 angeordnet
sein kann, ausgewertet werden, um beispielsweise die Beheizung einer
Zone bei Überschreiten
einer vorgegebenen Temperatur abzuschalten oder bei Überschreiten
einer vorgegebenen, niedrigeren Temperatur, beispielsweise in der
Größenordnung
von ca. 70°C,
eine Heißanzeige
für die
entsprechende Temperaturzone zu aktivieren. Es ist auch möglich, das kontinuierlich
vorliegende Temperatursignal als Eingangssignal einer elektronischen
Temperaturregelung zu nutzen, um die Temperatur des Strahlheizkörpers, ggf.
zonenspezifisch, auf einen voreinstellbaren Wert einzuregeln.
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Anhand der 4 bis 7 werden
andere Möglichkeiten
erläutert,
unter Verwendung zumindest eines Teilabschnitts einer zu einer Topferkennungseinrichtung
gehörigen
Sensorschleife einen Temperatursensor aufzubauen, der bei einfachem
Aufbau eine zuverlässige
Temperaturmessung ermöglicht.
Während
bei der anhand 1 bis 3 gezeigten Ausführungsform
der in diesem Fall rohrförmige
Topferkennungssensor 30 im wesentlichen eine Trage- und Schutzfunktion
in Bezug auf die Temperaturmessung ausfüllt, ist bei den im folgenden
beschriebenen Ausführungsformen
die Sensorschleife zumindest in einem Teilabschnitt ein elektrisch
aktives Element eines elektrischen Temperatursensors, dessen Signale mit
elektronischen Mitteln auswertbar sind.
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Bei der Ausführungform nach 4 ist der Strahlheizkörper 60 als Einkreisheizkörper mit
einer von einem Isolierrand 61 umgebenen, kreisrunden Heizzone 62 ausgebildet.
Die Sensorschleife 63 hat die Form eines Quadrats mit auf
dem Rand 61 abgestützten
Ecken 64, wobei im Bereich einer der Ecken Anschlußabschnitte 65 zu
dem Bauteil 36 führen,
in dem die Elektronik für
die Topferkennung untergebracht ist. Die Sensorschleife 63 besteht
aus relativ dickem, massiven Runddraht mit einem Durchmesser zwischen
1 und 4 mm und ist aufgrund dieser Ausgestaltung selbsttragend und
formstabil. Bei dieser Ausführungsform
ist die Sensorschleife 63 aus zwei bzgl. ihres elektrischen
Kontaktpotentials unterschiedlichen Leitermaterialien aufgebaut.
Dabei stoßen
ein aus Nickelwerkstoff bestehender und sich über dreieinhalb Seitenlängen der
Sensorschleife erstreckender langer Abschnitt 66 und ein
entsprechend kürzerer
Abschnitt 67 aus Nickel-Chrom-Legierung im Bereich einer Schweiß-Kontaktstelle 68 aneinander.
Die Kontaktstelle liegt mit Abstand zum Rand 61 frei oberhalb
der (nicht gezeigten) Heizelemente direkt unterhalb der ebenfalls
nicht dargestellten Glaskeramikplatte und bildet somit einen optimal positionierten
Meßpunkt
zur Temperaturerfassung des Strahlheizkörpers. Das als Thermospannung
UT vorliegende Temperatursignal kann an
den Anschlußabschnitten 65 der
Sensorschleife abgegriffen und einer elektronischen Signalauswerteeinrichtung zugeführt werden.
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Die Sensorschleife 70 bei
der in 5 nur teilweise
gezeigten Ausführungsform
ist bzgl. Form, Dimensionierung und Anschluß an die Topferkennungselektronik 36 im
wesentlichen gleich derjenigen gemäß 4. Jedoch besteht hier die Sensorschleife 70 aus
einem einstückig
durchgehenden Drahtstück
aus wärmebeständigem,
hochlegiertem Stahl, beispielsweise aus einer Eisen-Chrom-Nickel-Legierung
(z.B. Chronifer III E). An die Sensorschleife 70 ist im
Bereich einer in einem Übergreifungsabschnitt
liegenden Kontaktstelle 71 ein Draht 72 aus einem
bzgl. des elektrischen Kontaktpotentials unterschiedlichen Metall,
z.B. Nickel, angeschweißt.
Bei dem hierdurch gebildeten Thermoelement zur Bestimmung der Temperatur
im Bereich der Kontaktstelle 71 bildet der Draht 72 eine
Elementseite des Thermoelementes, während die andere, elektrisch
aktive Elementseite durch den Teilabschnitt 73 der Sensorschleife
gebildet wird, der von den äußeren Anschlüssen der
Sensorschleife bis zur Kontaktstelle 71 verläuft. Außerhalb
der Heizzone ist am Teilabschnitt 73 ein Draht 74 angeschweißt, der
zweckmäßig aus
dem gleichen Material besteht wie der Draht 72. Als Thermospannung
UT zwischen den Drähten 72, 74 ist
ein Spannungssignal abgreifbar, das dem Temperaturunterschied zwischen
der (heißen)
Schweißstelle 71 und
der außen
liegenden, kalten Kontaktstelle 75 entspricht.
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Bei der Ausführungsform gemäß 6 ist die Drahtschleife
identisch mit der Sensorschleife 70 gemäß 5 ausgebildet und an die Auswerteelektronik 36 der
Topferkennung angeschlossen. Zur Bildung eines Thermoelementes sind
hier zwei Drähte 81, 82 vorgesehen,
die unter Bildung von mit geringem Abstand zueinander in einem Übergreifungsabschnitt
der Sensorschleife liegenden Kontaktstellen 83, 84 an
die Sensorschleife angeschweißt
und durch den Isolierrand hindurch nach außen zur Auswerteelektronik
der Temperaturerfassungseinrichtung geführt sind. Die Drähte 81, 82 bestehen
aus bzgl. des elektrischen Kontaktpotentials unterschiedlichen Materialien,
beispielsweise aus Nickel bzw. Nickel-Chrom. Da die Kontaktstellen 83, 84 eng
beieinander liegen und daher im wesentlichen die gleiche Temperatur
haben, tritt als auswertbare Thermospannung UT die
gleiche Spannung auf wie bei einem Ni-Cr-Ni-Thermoelement, dessen Kontaktstelle
im Bereich der Kontaktstellen 83, 84 liegt. Durch
die Anschweißung
an die Sensorschleife sorgt diese einerseits für eine günstige Positionierung des Meßbereichs 83, 84 nahe
der Glaskeramik platte im Bereich der Heizzone, und außerdem werden
die in die Heizzone ragenden Enden der Thermoelementdrähte durch
die Sensorschleife getragen, die mit dem zwischen den Kontaktstellen 83, 84 liegenden
Teilabschnitt auch ein elektrisch aktives Element des Temperatursensors
bildet.
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Bei der Ausführungsform gemäß 7 entspricht die Sensorschleife 70 bzgl.
Material, Form und Anordnung im wesentlichen der Sensorschleife 70 in 5. An dem in der Darstellung
linken Schenkel der Sensorschleife ist auf einem den Isolierrand durchgreifenden
Teilabschnitt 86 eine den Sensordraht umschließende, elektrisch
isolierende Isolierschicht 87, beispielsweise aus keramischem
Material aufgebracht. Diese wird von einer ebenfalls bevorzugt im
Dickschichtverfahren aufgebrachten Außenschicht 88 aus
elektrisch leitfähigem
Material umhüllt (Schnitt
A-A). Deren Länge
in Schleifenrichtung ist größer als
diejenige der Isolierumhüllung,
so daß in einem
Kontaktbereich 89 (Schnitt B-B) das Material der metallischen
Hülle 88 direkt
in Kontakt mit dem Material der Schleife 70 steht. Da die
Leitermaterialien von Sensorschleife 70 und Außenhülle 88 unterschiedliche
elektrische Kontaktpotentiale haben, ist zwischen diesen beiden
Elementen außerhalb
der Heizzone eine die Temperatur im Kontaktbereich 89 repräsentierende
Thermospannung UT abgreifbar, die der elektronischen Signalverarbeitungseinrichtung
der Temperaturerfassungseinrichtung zugeführt wird.
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Die Ausführungsform nach 8 nutzt eine Messung des
elektrischen Widerstandes entlang der die Heizzone übergreifenden
Sensorschleife 90 zur Erzeugung eines Temperatursignals.
Die aus einer Eisen-Chrom-Nickel-Legierung bestehende Drahtschleife
mit einer Länge
von ca. 1 m und einem Durchmesser von ca. 2,5 mm wird hierzu mittels
einer nicht gezeigten, z.B. im Bauteil 36 untergebrachten
Gleichstromquelle mit einem konstanten Meßstrom von ca. 0,5 Ampere beaufschlagt.
Die über
die Sensorschleife abfallende und beispielsweise an den Anschlüssen 91, 92 abgreifbare
Meßspannung
hängt nun
vom (temperaturabhängigen)
Widerstand des Materials ab, der im Beispielsfall bei Raumtemperatur
ca. 0,21 Ohm und bei 600°C
ca. 0,25 Ohm beträgt.
Diese Widerstandsänderung
in einer Größenordnung
von ca. 0,04 Ohm in diesem Temperaturbereich bzw. die entsprechende
Spannungsänderung wird
zur Temperaturmessung ausgenutzt. Ein Widerstandsthermometer könnte auch
dadurch geschaffen werden, daß die
in 1 bis 3 beispielhaft gezeigte rohrförmige Sensorschleife
von einem isolierten Widerstandsdraht durchzogen ist.
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Bei der Ausführungsform nach 9 ist an der Sensorschleife 70 mit
den z.B. in Zusammenhang mit 5 vorgenannten
Eigenschaften außerhalb
des Isolierrandes an einem Anschlußabschnitt 96 ein
thermomechanischer Schalter 95 in Form eines Bimetallschalters
mit gutem Wärmekontakt
zur Sensorschleife befestigt. Der Schalter ist so angeschlossen
und ausgelegt, daß in
einer geschlossenen Schalterstellung die Sensorschleife 70 durch elektrische
Verbindung der Anschlußabschnitte 96, 97 kurzgeschlossen
ist, während
in einer offenen Schalterstellung diese Anschlüsse voneinander getrennt sind.
Im Betrieb des Strahlheizkörpers
dient der mit kurzem Abstand zum Thermoschalter innerhalb des Isolierrandes
liegende Teilabschnitt 98 der Sensorschleife als wärmeaufnahmeelement,
von dem Wärme
durch diesen Teil der Sensorschleife nach außen zum Thermoschalter 95 geleitet
wird, der sich entsprechend erwärmt.
Bei einer durch Auslegung des Schalters vorgebbaren Schalttemperatur schließt der Schalter
die Sensorschleife kurz. Dadurch wird die Frequenzmessung der Topferkennungsschaltung 36 nur
noch die Kabelinduktivitäten erfassen,
nicht aber die (größere) Induktivität der quadratischen
Sensorschleife. Dies führt
zu einem schnellen Frequenzwechsel bei der Schalttemperatur, der über die
Auswertesoftware auswertbar ist. Ein derartiger, im Bereich einer
Schalttemperatur schaltender Schalter kann beispielsweise herkömmliche Stabregler
mit entsprechenden Temperaturwächtern ersetzen.
Die anderen Ausführungsformen
dagegen ermöglichen
eine kontinuierliche Temperaturerfassung, so daß diese Ausführungsformen
auch im Zusammenhang mit Temperaturregelungen nutzbringend einsetzbar
sind.