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Die
Erfindung bezieht sich auf ein schmiegsames Wärmegerät
mit einer elektrischen Heizvorrichtung, die mindestens einen mit
einem flexiblen Träger verbundenen flexiblen Heizleiter
und mindestens einen von diesem mittels einer Zwischenisolation
getrennten Sensorleiter zum Überwachen ihrer Funktion aufweist,
mit einer Erfassungsschaltung, die auf von dem Sensorleiter abgegriffene
Sensorsignale anspricht, und mit einer Steuereinrichtung zum Steuern
oder Regeln der von der Heizvorrichtung erzeugten Temperatur und
Auswerten von mittels der Erfassungsschaltung bereitgestellten Signalen
in einer Auswerteeinrichtung.
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Ein
schmiegsames Wärmegerät dieser Art ist in der
WO 03/077397 A1 angegeben.
Hierbei ist eine elektrische Heizleiteranordnung in einem flexiblen
Heizkörper integriert, wobei zwischen einem ersten und
einem zweiten Leiter der Heizleiteranordnung eine Zwischenisolation
mit bei ansteigender Temperatur abnehmender Widerstandscharakteristik (NTC-Verhalten)
angeordnet ist. Eine Ansteuerschaltung ist zum Abgreifen eines von
der Temperatur der Isolation abhängigen elektrischen Überwachungssignals
an einen auf eine Widerstandsveränderung der Isolation
ansprechenden Abschnitt des Heizkreises gekoppelt und spricht auf
eine Überschreitung einer Schwelle durch das Überwachungssignal
an, um den Heizstrom durch Ansteuern eines Steuerglieds zu unterbrechen.
Ferner ist ein Sicherheitssystem vorgesehen, das eine Temperatursicherung
beinhaltet, die bei durch die Isolationsschicht fließendem
Strom anspricht, da in diesem Falle eine am Ende zwischen den beiden
Heizleitern liegende Diode überbrückt wird und
somit auch die andere Halbwelle der versorgenden Wechselspannung
zum Aufwärmen der Temperatursicherung beiträgt.
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In
der
DE 102 00 974
C2 ist eine Steuereinrichtung für eine Heizvorrichtung
mit flexiblem Heizkörper angegeben, bei der die Heiztemperatur über einen
Regelkreis auf einem gewünschten Wert gehalten wird.
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In
der
EP 1 491 071 B1 ist
eine weitere Heizvorrichtung mit flexiblem Heizkörper gezeigt,
bei der ebenfalls eine Steuereinrichtung für die Heiztemperatur
vorgesehen ist und außerdem ein zusätzliches ansteuerbares
Steuerglied in Reihe zu einem ersten ansteuerbaren Steuerglied im
Heizkreis liegt.
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In
der
EP 1 604 548 B1 ist
ein Heizgerät mit einem schmiegsamen Wärmeteil
gezeigt, bei dem eine Steuervorrichtung für die Temperaturregulierung und
Funktionsüberwachung mit einer Sollwertbereitstellungsschaltung
vorgesehen ist. Die Überwachungsschaltung weist eine Überwachungseinheit zur Überwachung
des Isolationszustandes der zwischen den beiden Heizleitern befindlichen
Isolation auf.
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Ein
schmiegsames Wärmegerät mit flexiblem Heizkörper,
bei dem ebenfalls ein Sicherheitssystem mit Temperatursicherung
vorhanden ist, die in Abhängigkeit des Widerstandes der
Zwischenisolation zwischen zwei Heizleitern arbeitet, ist auch in der
EP 0 562 850 A2 gezeigt.
Auch hierbei wird eine Netzhalbwelle zum Heizen verwendet und mit
der anderen wird der sich mit der Temperatur ändernde Widerstand
der Zwischenisolation detektiert.
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Die
EP 0 910 227 A zeigt
ein schmiegsames Wärmegerät, bei dem ein Sicherheitssystem
auf der Fortpflanzung eines Kurzschlusses entlang dem Heizleiter
basiert, bis genügend Überstrom fließt
und eine Gerätestromsicherung irreversibel ausgelöst wird.
Das Abschalten des Gerätes im Fehlerfall kann bei diesem
Aufbau viel Zeit beanspruchen.
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Bei
den genannten schmiegsamen Wärmegeräten besteht
ein Nachteil darin, dass eine schnelle, nicht leistungserhöhende
Sicherheitsabschaltung schwer erreichbar ist, so dass derartige
Systeme z. B. für Anwendungen mit begrenzten Energiekapazitäten,
wie z. B. beim Betrieb an Schutzkleinspannungen keine befriedigende
Sicherheit bieten. Beispielsweise wird bei bekannten Systemen mit
Ausnutzung der zweiten Halbwelle der versorgenden Wechselspannung
zum Abschalten mindestens eine Zeit von 30 Sekunden und eine Leistungserhöhung
um ca. 10% benötigt.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein schmiegsames Wärmegerät
der eingangs genannten Art bereit zu stellen, das eine verbesserte Funktionsüberwachung
bietet und mit dem eine höhere Sicherheit erreichbar ist.
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Diese
Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
Hierbei ist vorgesehen, dass der mindestens eine Sensorleiter als
ein eine Signaländerung hervorrufendes Bauteil in die Erfassungsschaltung
eingebunden ist. Mit der Einbindung des Sensorleiters in die Erfassungsschaltung
in der Weise, dass die Signaländerung, beispielsweise eine Wechselspannungscharakteristik
einer in der Erfassungsschaltung vorliegenden Wechselspannung ein Signal
aus Gleich- und Wechselspan nungsanteilen oder entsprechende Stromsignale
hervorgerufen wird, lässt sich die Funktion der Heizvorrichtung
mit hoher Genauigkeit erkennen und z. B. für eine Sicherheitsabschaltung
bzw. reversible oder irreversible Unterbrechung des Heizstroms nutzen.
Die Erfassungsschaltung spricht schnell und auf geringe Signaländerungen
an, so dass sie insbesondere auch für einen Betrieb eines
schmiegsamen Wärmegerätes mit Kleinspannung oder
Gleichspannung bzw. daraus gebildeter Wechselspannung oder Kombination
aus Wechsel- und Gleichspannung vorteilhaft geeignet ist. Das von
der Erfassungsschaltung bereitgestellte Signal kann dabei eine aus
der Wechselspannungscharakteristik hergeleitete Information enthalten.
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Die
Erfassungsschaltung kann dabei zum Erfassen verschiedener Signaländerungen
unterschiedlich aufgebaut sein. Beispielsweise ist vorgesehen, dass
die Signaländerung eine Frequenzänderung, eine
Amplitudenänderung, eine Phasenänderung, ein Verhältnis
von Einzeit zu Auszeit oder eine Kombination mindestens zweier dieser
Charakteristiken umfasst.
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Verschiedene
Ausgestaltungsvarianten des Wärmegerätes für
eine sichere Erfassung der Signaländerung, beispielsweise
Wechselspannungscharakteristik, bestehen darin, dass die Erfassungsschaltung
als bedämpfbarer steuerbarer Oszillator, als Multivibrator,
als Integrator, als Resonator oder als Phasenschieberanordnung insbesondere
im Ringmodus aufgebaut ist. Dabei kann die Erfassungsschaltung ganz
oder teilweise als integrierte Schaltung (ASIC, FPGA, Microcontroller
oder dgl.) aufgebaut sein. Dabei können am Eingang ein
oder mehrere Signale anliegen, die logisch bzw. porgrammtechnisch
verarbeitet und an einem oder mehreren Ausgängen ausgegeben
werden können.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Wärmegerätes
besteht darin, dass die Zwischenisolation temperaturabhängiges
Widerstandsverhalten und/oder ein temperaturabhängiges
Verhalten des Dielektrikums aufweist, wobei die Temperaturabhän gigkeit
einen negativen oder positiven Temperaturkoeffizienten besitzt.
Dieser Aufbau ist z. B. günstig für eine Lokalisierung
von überhitzten Stellen des Wärmegerätes.
Weist die Zwischenisolation Frequenzabhängigkeit auf, lässt
sich auch eine davon abhängige Signaländerung
auswerten.
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Alternativ
oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass der Heizleiter
und/oder der Sensorleiter temperaturabhängiges Widerstandsverhalten
aufweist, wobei die Temperaturabhängigkeit einen negativen
oder positiven Temperaturkoeffizienten besitzt. Diese Ausführung
ist insbesondere für eine Gesamtüberwachung vorteilhaft.
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Verschiedene
weitere vorteilhafte Ausgestaltungen bestehen darin, dass die Heizvorrichtung
als Wärme erzeugendes Heizelement eine Heizkordel mit koaxialer
Anordnung von Heizleiter und Sensorleiter aufweist oder eine Schichtstruktur
von Heizleiter und Sensorleiter mit der zwischengefügten
Zwischenisolation aufweist. Eine solche Schichtstruktur mit Heizleiter,
Sensorleiter und Zwischenisolation kann auch mehrfach vorhanden
sein.
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Eine
detaillierte Aussage zum Zustand des Wärmegerätes
wird ferner dadurch erreicht, dass mit der Auswerteeinrichtung ein
punktuelles Auftreten einer Übertemperatur auf der Grundlage
einer Widerstandsänderung der Zwischenisolation und/oder
ein Kurzschluss zwischen Heizleiter und Sensorleiter auf der Grundlage
eines Durchschmelzens der Zwischenisolation feststellbar ist/sind.
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Zu
einem vorteilhaften Aufbau mit zweckmäßigen Steuerungsmöglichkeiten
tragen des Weiteren die Maßnahmen bei, dass in einem den
mindestens einen Heizleiter enthaltenden Heizkreis mindestens ein
mittels der Steuereinrichtung steuerbarer Lastschalter zum Steuern
oder Regeln der Heizleistung und/oder zum Abschalten bei Fehlfunktion
der Heizvorrichtung angeordnet ist.
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Eine
für den mobilen Betrieb vorteilhafte Ausbildung ergibt
sich dadurch, dass als elektrische Energieversorgung eine Gleichspannungsquelle
(wie Auto-, Bootsbatterie oder Akku) oder Wechselspannungsquelle
(wie z. B. der unstabilisierte Ausgang eines Netztrafos oder Schaltnetzteils)
vorgesehen ist.
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Eine
weitere Ausgestaltung mit günstigen Steuerungsmöglichkeiten
besteht darin, dass zwischen der Gleichspannungsquelle und der Heizvorrichtung
ein DC/AC-Wechselrichter angeordnet ist, über den die Heizvorrichtung
mit Wechselspannung betrieben wird.
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Zu
einer sicheren Funktionsfähigkeit auf lange Sicht tragen
die Maßnahmen bei, dass eine an den Sensorleiter angelegte
Wechselspannung eine um mindestens den Faktor zwei höhere
oder niedrigere Frequenz besitzt als die an dem Heizleiter liegende
Versorgungsspannung, um durch Spannungsänderung zwischen
Sensorleiter und Heizleiter einen Korrosionsschutz zu erzeugen.
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Die
Steuerungsmöglichkeiten des Wärmegerätes
werden ferner dadurch begünstigt, dass die Steuereinrichtung
zur Steuerung oder Regelung der Temperatur einen Stromsensor für
den durch den Heizleiter fließenden Heizstrom aufweist.
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Die
Ausgestaltung kann auch so ausgeführt sein, dass aus einer
Erfassungsschaltung eine einfache oder redundante Sicherheitsschaltung
angesprochen wird.
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Erweiterte
Aussagen zum Zustand des Heizgerätes werden dadurch erreicht,
dass die Auswerteeinrichtung so ausgebildet ist, dass mit ihr auch
eine Alterung der Heizvorrichtung aufgrund alterungsabhängiger
Widerstandswerte und/oder Kapazitätswerte und/oder damit
zusammenhängender Fehlerarten auf der Basis der von der
Erfassungsschaltung bereitgestellten Signale feststellbar ist/sind.
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Für
den Nutzer sind ferner die Merkmale von Vorteil, dass an die Steuereinrichtung
eine von ihr angesteuerte Wartungs-, Diagnose- und/oder Fehleranzeige
angeschlossen ist.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
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1 einen
Aufbau eines schmiegsamen Wärmegerätes mit wesentlichen
Komponenten in Blockdarstellung,
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2 eine
schematische Darstellung eines Heizelementes mit Anschlussanordnung,
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3 ein
erstes Ausführungsbeispiel einer Erfassungsschaltung in
Form eines Oszillators,
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4 ein
zweites Ausführungsbeispiel einer Erfassungsschaltung in
Form eines Oszillators,
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5 ein
Ausführungsbeispiel für den Anschluss einer Erfassungsschaltung
an einen Sensorleiter eines Heizelementes und Anschluss einer Steuereinrichtung,
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6 ein
weiteres Ausführungsbeispiel zum Anschluss einer Erfassungsschaltung
an das Heizelement und Anschluss einer Steuereinrichtung und
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7 eine
detailliertere Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines
Wärmegerätes mit Steuereinrichtung und Erfassungsschaltung.
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1 zeigt
in einer Blockdarstellung den Anschluss eines Heizelementes 10 mit
Heizleiter 11 und Sensorleiter 12 sowie Zwischenisolation 13 an
eine Erfassungsschaltung 20 für den Zustand bzw.
die Funktion des schmiegsamen Wärmegerätes sowie an
eine Steuereinrichtung 30. Das Heizelement 10, beispielsweise
eine Heizkordel mit koaxial angeordnetem Innenleiter und davon mittels
der Zwischenisolation 13 elektrisch isoliertem Außenleiter,
wobei der Innenleiter oder der Außenleiter als Heizleiter 11 bzw.
Sensorleiter 12 fungieren können, ist auf einem flexiblen
Träger, wie z. B. einer Decke oder einem Kissen oder einem
Bezug aufgenommen bzw. in diesen integriert. Alternativ kann das
Heizelement mit dem Heizleiter 11 und dem Sensorleiter 12 sowie
der Zwischenisolation 13 auch flächig in Schichten
ausgeführt sein. Der Sensorleiter 12 ist an die
Erfassungsschaltung 20 angeschlossen und kann zudem mit
der Steuereinrichtung 30 in Verbindung stehen, während
die Steuereinrichtung 30 auch für die Steuerung
der Heizleistung über mindestens einen in einem Heizkreis
liegenden Lastschalter 40 und gegebenenfalls weiteren Lastschalter 41 dient,
wobei der Strom durch den Heizleiter 11 durch Öffnen
des Lastschalters 40 bzw. des weiteren Lastschalters 41 unterbrochen
und durch Schließen eingeschaltet werden kann. Der weitere
Lastschalter 41 stellt ein redundantes Bauteil dar und
liegt z. B. über eine redundante Schutzeinrichtung 42 an
der Steuereinrichtung 30. Die gegebenenfalls vorhandene,
redundante Schutzeinrichtung 42 ist auch mit der Erfassungsschaltung 20 verbunden.
Zum Abgriff des Heizstroms kann für Steuerungs- oder Regelungszwecke
in dem Heizkreis ferner ein Stormsensor 44 angeordnet sein.
Zur Versorgung des Heizelementes 10 ist eine Spannungsversorgung 50,
die beispielsweise als Gleichspannungsversorgung ausgebildet ist,
vorhanden. Zusätzlich kann eine Akku-Einheit 51 zur
Versorgung vorgesehen sein, wobei die Versorgung über eine
Verwaltungseinrichtung 52 geeignet gesteuert werden kann.
Soll das Heizelement 10 bzw. der darin vorhandene Heizleiter 11 nicht
unmittelbar mittels der Gleichspannung versorgt werden, ist zwischen
einem oder beiden Anschlüssen des Heizelementes 10 und
der Spannungsversorgung ein DC/AC-Wechselrichter 43 bzw. 53 angeordnet.
Ferner ist an die Steuereinrichtung 30 eine Bedien-/Anzeigeeinheit 35 angeschlossen,
um den Benutzer oder Wartungspersonal über den Zustand
des Wärmegerätes zu informieren.
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Ein
Ausgestaltungsbeispiel besteht dabei darin, dass während
der Heiz-/Sensormessperioden der oder die Sensorleiter 12 parallel,
in Reihe oder mit einseitiger Verbindung mit gleicher oder entgegen gesetzter
Polung bezüglich des Heizleiters 11 geschaltet
wird, werden. Ein Vorteil der Parallelschaltung ist eine niedrige
Gesamtheizleiterimpedanz (woraus sich eine Materialeinsparung ergibt).
Ein Vorteil der Reihenschaltung ist eine Spannungsdifferenz zwischen
Heiz- und Sensorleiter mit Ableitung eines NTC-/PTC-Temperatursignals
für die Erfassungsschaltung oder Polarisierung der NTC-
bzw. PTC-Zwischenisolation z. B. für einen Korrosionsschutz
der Leiter-/Sensoroberflächen.
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2 zeigt
eine schematische Darstellung des Heizelementes 10 mit
Heizleiter 11 und Sensorleiter 12 sowie der Zwischenisolation 13.
Der Sensorleiter 12 ist über einen oder zwei Anschlüsse
A1 an die Erfassungsschaltung 20 angeschlossen, wobei der
Sensorleiter 12 einen Temperatursensor TS bildet. Zwischen
den beiden Anschlüssen kann auch eine Verbindung hergestellt
sein, wie die gestrichelte Linie zeigt. Zur Steuerung des Heizelementes
ist dieses über Anschlüsse A2 an die Steuereinrichtung 30 bzw.
den oder die Lastschalter 40, 41 angeschlossen.
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3 zeigt
ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfassungsschaltung 20,
ausgebildet als Oszillator. Der Temperatursensor TS nach 2 (ausgefülltes
Quadrat) kann an verschiedenen Stellen der Oszillatorschaltung angeordnet
sein. Die Oszillatorschaltung weist zwei Verstärkerschaltkreise 21, 22 in Form
hintereinander geschalteter Operationsverstärker auf, wobei
am Ausgang des Operationsverstärkers 22 ein Signal über
einen Ausgang A3 zur Weiterleitung an die Steuereinrichtung 30 bzw.
an eine in dieser vorhandene Auswerteeinrichtung bereitgestellt
wird. Dabei wird das bereit gestellte Signal über einen
Kondensator C1 ausgekoppelt. Der Ausgang des zweiten Verstärkerschaltkreises 22 ist über
Widerstände RX1, R1 auf den Eingang des ersten Verstärkerschaltkreises 21 rückgekoppelt,
wobei zwischen dem Ausgang des ersten Verstärkerschaltkreises 21 und
dem Eingang des zweiten Verstärkerschaltkreises 22 eine
Verbindung zur Rückkopplung über einen Kondensator
CX1 hergestellt ist.
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4 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfassungsschaltung 20 in
Form eines Oszillators mit einem Schmitt-Trigger 23, wobei
der Rückkopplungszweig verschieden ausgebildet sein kann und
verschiedene Rückkopplungszweige über Anschlüsse
X1, X2 angeschlossen werden können. In einem ersten Ausführungsbeispiel
liegt im Rückkopplungszweig lediglich ein Widerstand RX2,
während bei dem anderen Ausführungsbeispiel eine
Parallelschaltung aus Widerstandsanordnung mit in einer Richtung
gepolter Diode RX3/RX4/D1 und Widerstandsanordnung mit in entgegen
gesetzter Richtung gepolter Diode RX5/RX6/D2 vorhanden ist. Der
Eingang des Schmitt-Triggers 23 liegt außerdem über
einen Kondensator CX2 an Masse, während das Ausgangssignal über
einen Kondensator C2 an einem Ausgangsanschluss A3 abgenommen wird.
Der Temperatursensor TS kann wiederum unterschiedlich angeordnet
sein.
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5 zeigt
ein Beispiel für einen Anschluss des Heizelementes 10 an
die Steuereinrichtung 30 und die Erfassungsschaltung 20,
wobei die Erfassungsschaltung als Oszillator mit Schmitt-Trigger 23 ausgebildet
ist. Der Sensorleiter 12 liegt am Eingang des Oszillators,
während der Heizleiter 10 an der Spannungsversorgung 50 über
steuerbare Schalter S1 bzw. S2 liegt, die mittels der Steuereinrichtung 30 in
Form einer Auswerte-/Regel-/Steuereinheit entsprechend der gewünschten
Heizleistung ansteuerbar sind. Das Ausgangssignal der Erfassungsschaltung 20 liegt
ebenfalls an der Steuereinrichtung 30. Das Ausführungsbeispiel
nach 5 arbeitet vorwiegend mit kapazitiver Sensorsignaländerung.
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Ähnlich
wie bei dem Ausführungsbeispiel nach 5 ist
auch bei dem in 6 gezeigten Ausführungsbeispiel
das Heizelement 10 an die Erfassungsschaltung 20 und
die Steuereinrichtung 30 sowie die Spannungsversorgung 50 angeschlossen. Hierbei
ist zudem der Ausgang der Oszillatorschaltung mit dem Heizkreis über
einen Widerstand R1 verbunden. Die Ausführung nach 6 arbeitet
vorwiegend mit resistiver Signaländerung.
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7 zeigt
ein Ausführungsbeispiel des schmiegsamen Wärmegerätes
z. B. in Form einer Autoheizdecke, die mittels einer 12 V-Versorgungsspannung
betrieben wird. Auch hierbei ist das Heizelement 10 mit
dem Heizleiter 11 an die Steuereinrichtung 30 über
die steuerbaren Schalter S1, S2 angeschlossen, während
der Sensorleiter 12 an der Erfassungsschaltung 20 in
Form des Oszillators liegt.
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Nachfolgend
werden nähere Ausführungen zum Aufbau und zur
Wirkungsweise des schmiegsamen Wärmegerätes gemacht.
Eine wesentliche Systemkomponente ist die das Sensorsignal aufnehmende
Erfassungsschaltung 20, insbesondere in Form einer Oszillatorschaltung,
nachfolgend kurz als Oszillator bezeichnet, die mit der Heizkörper-Sensorik
zur Funktionsüberwachung und Betriebssicherheit zusammenwirkt.
Die Heizkörper-Sensorik mit dem Sensorleiter 12 ist
mit dem Heizelement 10 flächig oder z. B. mäanderförmig
auf einem flexiblen Träger angeordnet und wirkt über
die gesamte Länge des Heizelementes 10 bzw. der
Heizfläche und ist zur Detektion von Stellen übermäßiger
Wärmeentwicklung (Hot-Spot-Temperaturen) und/oder über
die Länge bzw. Fläche integrierte Temperaturmessung
ausgebildet. Zur Aufnahme des von der Oszillatorschaltung bereitgestellten
Signals ist an diese eine Auswerteeinrichtung mit einer oder mehreren
(gegebenenfalls redundanten) Auswerteschaltungen angeschlossen, die
beispielsweise einen Teil der Steuereinrichtung 30 bildet
bzw. mit dieser zusammen arbeitet, so dass die Heizung und/oder
andere Lasten in Sekunden oder Sekundenbruchteilen geregelt, gesteuert
oder abgeschaltet wird/werden.
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Für
die Hot-Spot-Temperaturerkennung an dem Heizkörper mit
dem Heizelement 10 gibt es im Wesentlichen zwei Ausführungen,
nämlich zum einen ein reversibles System, das aufgrund
eines NTC-/ oder PTC-Zwischenisolationssensors einen Geräteausfall
verhindert, und zum anderen ein nicht reversibles System, das auf
Basis des Durchschmelzens der Zwischenisolation 13 zwischen
zwei oder auch mehr Leitern arbeitet und zum vollständigen Ausfall
der Heizvorrichtung bzw. des Wärmegerätes führt.
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Darüber
hinaus können weitere Sensoren für die Betriebssicherheit
vorgesehen sein, deren Sensor-Ausgangssignale von der Erfassungsschaltung 20 aufgenommen
werden, wie z. B. im Zusammenhang mit einer Motor-Überhitzungseinrichtung
einer Massagematte oder dgl.
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Insbesondere
bei speziellen Geräten für den Außenbereich,
wie z. B. Akku-Heizkissen, können insbesondere durch Polarisierung
oder andere nachteilige dielektrische Einflüsse ungünstige
Betriebsbedingungen auftreten. Die negativen Eigenschaften können
vor allem bei Gleichspannungs-Versorgungen und/oder asymmetrisch
belasteten Energiequellen z. B. an dem NTC-/ oder PTC-Sensorsystem
die Funktion beeinträchtigen. Derartige negative Einflüsse
werden bei vorliegendem Wärmegerät z. B. durch das
Vorschalten eines Wechselrichters 43, 53 zumindest
weitgehend vermieden.
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Als
vorteilhafte, gegebenenfalls durch optionale Maßnahmen
erreichte Eigenschaften der Erfindung sind des Weiteren zu nennen:
- a) Betrieb an einer DC-Schutzkleinspannung ohne
zusätzliche Hilfsspannung(en),
- b) vereinfachte Schaltungsredundanz durch eine nur einmal vorhandene
Oszillatorschaltung für ein dynamisches, frequenzbehaftetes
Sensorsignal,
- c) Schaltungsredundanz bei einmaligem Sensorbruch durch Doppelkontaktierung
mittels 4-poligem oder 3-poligem Festanschluss oder einer entsprechend
viel-poligen Steckkupplung,
- d) Erkennung eines Sensorausfalls, z. B. einer Unterbrechung
einer Sensorleitung,
- e) Erkennung eines Kurzschlusses in der Anschlussleitung des
Heizkörpers bzw. Heizelementes 10,
- f) Schutz vor Funkenbildung und Brandgefahr bei Heizleiterbruch
und hohen Strömen,
- g) Schutz bei Bruch stromführender Geräteleitungen,
- h) einfache punktuelle Lokalisierung von Stellen erhöhter
Temperatur (Hot-Spot-Temperaturerkennung) z. B. mit Anzeige des
kritischen Bereichs,
- i) Lokalisierung einer Sensor-Alterung bzw. eines Sensor-Alterungsbereichs
mit einer Anzeige mangelnder Betriebssicherheit,
- j) Kalibrierung des Temperatursensors (z. B. Dämpfung
der Oszillatorfrequenz) durch einmalige oder stetige Anpassung,
- k) erhöhte Schaltungsintegration bei Nutzung handelsüblicher
Oszillatorbausteine mit analogem oder digitalem Aufbau zum Bilden
eines bedämpfbaren Oszillators,
- l) Erkennung eines Ausfalls der Erfassungsschaltung 20 bzw.
des Oszillators,
- m) Hinzufügung weiterer Sensoren im Sicherheitssystem,
insbesondere der Erfassungsschaltung 20 bzw. dem Oszillator,
- n) Nutzung des NTC-Sensorsignals alternativ als Temperatursignal
für eine Temperaturregelung (z. B. auf Basis einer Oszillatorfrequenz)
und optional ergänzend eines Hot-Spot-Sensorsignals.
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Ferner
sind Funktionen wie Abschaltung durch Zeitgeber, Programmsteuerungen
für die Heizung (z. B. schnelles Anheizen durch Boost-Betrieb und
dgl.), analoge bzw. digitale Bedien- und Anzeigeeinheit und/oder
Massagefunktionen denkbar. Auch diese Funktionen und zusätzlichen
Maßnahmen können mit der Steuereinrichtung 30 verknüpft werden,
die auch als Sicherheits- oder Regeleinrichtung sowie Auswerteeinrichtung
für weitere Signale ausgebildet sein kann.
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Die
Erfassungsschaltung 20 kann als steuerbarer Oszillator,
Multivibrator, Integrator, Resonator, Phasenschieberanordnung mit
mehreren Phasenschiebern im Ringmode oder dgl. ausgeführt
sein.
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Im
Normalfall erzeugt die z. B. in den 3 oder 4 gezeigte
Erfassungsschaltung 20 in Form eines bedämpfbaren
Oszillators ein dynamisches Ausgangssignal, das z. B. kapazitiv
entkoppelt und einer Spitzenwertgleichrichtung (in der Auswerteschaltung)
unterzogen wird, um ein gültiges Heizsignal festzustellen.
Im Temperaturregel-/Steuerfall oder bei Auftreten einer Hot-Spot-Temperatur
wird in Folge der Widerstands- und/oder Kapazitätsänderung
in Abhängigkeit von dem NTC- bzw. PTC-Verhalten der Oszillator
durch das statische Signal entsprechend stark beeinflusst, so dass
sich z. B. die Frequenz oder die Ein-Auszeiten des Signals in ihrer
Periodendauer und/oder in ihrem Verhältnis ändern,
bis in einem Kurzschlussfall (bei schmelzender Zwischenisolation)
nur noch ein statisches Ausgangssignal am Ausgang des Oszillators
vorliegt. Dies führt über die Auswerteeinrichtung
zu einer (z. B. redundanten) Unterbrechung des Heizstromes. In 1 sind
redundante Schaltungsblöcke mit Strichpunkt-Linien dargestellt.
Beispielsweise arbeitet die Temperatursteuerung bzw. Temperaturregelung
und/oder das Sicherheitssystem mit einem reversiblen Überhitzungsschutz.
Bei einem System mit schmelzender Zwischenisolation ist der Heizkörper
im Kurzschlussfall zwischen Heiz- und Sensorleiter irreversibel
zerstört. In diesem Fall gibt es in der Regel am Oszillator
nur die zwei Zustände Oszillatorfrequenz vorhanden oder
nicht vorhanden.
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Diese
Art der Temperatursteuerschaltung bzw. Temperaturregelschaltung
und/oder Sicherheitsschaltung ist aufgrund der (nahezu) leistungslosen
schnellen Abschaltung des Heizelementes 10 sehr vorteilhaft,
da die Energiequelle, wie z. B. die Akku-Einheit 51, zu
praktisch 100% für den Heizbetrieb nutzbar ist. Da in Folge
Unipolarisation der DC-Betriebsspannung oder bei extremen Umgebungsbedingungen
Korrosionserscheinungen auftreten können, die zur Beeinträchtigung
der Kontaktübergänge in den Leitern des Heizelementes
und der Sensorsignale führen können, sind Maßnahmen
vorgesehen, die derartige negative Einflüsse unterbinden.
Dazu wird der Sensorleiter 12 spannungsmäßig in
Folge der Ankopplung an den Oszillator stetig gegenüber
der (fast) festen DC-Spannung des Heizleiters 11 umgeschaltet
oder es wird optional am Versorgungseingang, beispielsweise auch
nur im hochstromigen Lastbereich, eine Wechselrichterschaltung (insbesondere
getaktete Halb-/Vollbrückenschaltung oder dgl.) angeordnet.
Die Wechselrichterfrequenz wird dabei so gewählt, dass
sie mindestens um den Faktor 2 niedriger oder höher ist
als die des bedämpfbaren Oszillators. Dadurch ist es möglich,
in der Auswerteeinrichtung durch eine einfache oder komplexe Frequenzfilterung
(z. B. mit Band-/Hoch-/Tiefpass digitale Filterung, wie z. B. FIR-,
IIR-Filter oder dgl. oder Kombinationen daraus) das Sensorsignal
bzw. Sicherheitssignal zu extrahieren. Hierfür können
passive oder aktive Filter verwendet werden.
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Beispielsweise
beinhaltet das Wärmegerät gemäß dem
in 7 gezeigten Stromlaufplan einer Autoheizdecke
bereits bei einer DC-Versorgungsspannung einen vereinfachten Korrosionsschutz
für den Heizleiter 11 und/oder Sensorleiter 12.
In Folge des Hystere-Schaltpegels des bedämpfbaren Oszillators
wird das Spannungssignal am Sensorleiter 12 stetig gegenüber
der Spannung am Heizleiter verändert, es sei denn, es liegt
eine zu starke Bedämpfung des Oszillators bzw. ein Kurzschluss
zwischen dem Heizleiter 11 und Sensorleiter 12 vor.
Die Verhinderung der Korrosionsbildung an den Oberflächen
des Heiz- und Sensorleiters 11, 12 hat den Vorteil,
dass der NTC-Hot-Spot-Sensor seine Kennwerte über eine
lange Alterungszeit (Gerätelebensdauer) relativ konstant
beibehält. Wie bei Versuchen festgestellt wurde, wirkt
der NTC-Hot-Spot-Sensor bei Wechselspannungsbetrieb wie ein temperaturabhängiger exponentieller
dielektrischer Widerstand mit hohem kapazitivem Anteil und bei Gleichspannungsbetrieb eher
wie ein nichtlinearer ohmscher Widerstand. Dabei sind die Sensorsignale
im Wechselspannungsbetrieb ausgeprägter und langzeitstabiler.
Zu beachten ist allerdings, dass bei Wechselspannungs- bzw. Wechselstrombetrieb
eine Frequenz größer ca. 1 Hz gewählt
wird, da ansonsten Korrosion kaum verhindert werden kann.
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Als
Ausführungsbeispiel für ein Heizelement 10 sei
ein Heizelement mit koaxial zueinander angeordnetem Heizleiter 11 und
Sensorleiter 12 genannt, zwischen denen die Zwischenisolation 13 angeordnet
ist, wobei auf dem äußeren der beiden Leiter eine Außenisolation
aufgebracht ist. Bei einer derartigen koaxialen Ausführung
können unterschiedliche Verlegearten zur Anwendung kommen,
wie die bereits genannte mäanderförmige Verlegung
und/oder eine Verlegung mit paralleler Zu- und Rückführung.
Eine derartige Verlegung hat z. B. den Vorteil, dass sich bei unsachgemäßem
Gebrauch und dabei entstehender Faltenbildung mit übereinander
gelagerten Abschnitten von Heiz- und Sensorleiter Sensorsignale
bzw. Kurzschlusssignale ergeben, die sich leistungsreduzierend auf
die Heizfläche und den Benutzer auswirken, wodurch die
Gefahr einer zu starken Erwärmung herabgesetzt wird. Verschiedene
Ausbildungen bestehen dabei darin, dass der Heizleiter 11 und/oder
der Sensorleiter 12 wiederum aus einem oder aber aus mehreren
Leitern zusammengesetzt sind. Bei einer weiteren Ausgestaltung können
auch mehrere Zwischenisolationen oder weitere Sensorleiter vorgesehen
sein. Auch ist es denkbar, verschiedene Aufbauten in einem Heizkörper
zusammenzuschalten und zu betreiben. Der oder die Heizleiter 11 und/oder
Sensorleiter 12 weisen optional einen NTC- oder PTC-Widerstandsverlauf
auf. Damit können integrierende Flächentemperatursensoren
gebildet werden, die in der Regel lineare Signale abgeben. Solche
Leiterwiderstandswerte lassen sich relativ einfach und mit hoher
Genauigkeit herstellen. Diese können z. B. für
eine Temperaturregelfunktion bzw. Temperatursteuerfunktion für
eine Stromsensorik gegebenenfalls mit Shunt genutzt werden.
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Als
schmelzende Zwischenisolation kommt ein schmelzender Bereich von
ca. 100°C bis 200°C in Betracht, wobei im einfachsten
Fall keine NTC-/ bzw. PTC-Hot-Spot-Sensorik vorgesehen ist. Ein
derartiges irreversibles Sicherheitssystem basiert darauf, dass
in Folge von Hot-Spot-Temperaturen die Zwischenisolation schmilzt
und eine elektrische Verbindung zwischen Sensorleiter und Heizleiter
entsteht, welche zur Bedämpfung des nachgeschalteten Oszillators
führt und über die anschließende Auswerteschaltung
eine Sicherheitsabschaltung bewirkt. Der Schmelztemperaturbereich
wird vorwiegend durch das eingesetzte Isolationsmaterial bestimmt,
wie beispielsweise Polyethylen, (niederschmelzendes) PVC, Polyamid
usw.
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Eine
NTC- bzw. PTC-Hot-Spot-Sensorik ergibt, wie erwähnt, ein
reversibles Sicherheitssystem, das auf einer Zwischenisolation mit
NTC-/ bzw. PTC-Widerstandsverlauf beruht. Unter Temperatureinfluss ändert
sich der Widerstandswert in der Regel exponentiell, so dass bei
lokalen Hot-Spot-Temperaturen ein messbares Signal am Oszillatorausgang
für die Auswerteeinrichtung bereit steht. Die NTC-/ bzw. PTC-Zwischenisolation
unterliegt jedoch größeren Toleranzen und Alterungserscheinungen,
so dass sich dessen Sensorsignale für eine dauerhafte und zuverlässige
Temperaturregelung bzw. Temperatursteuerung nur eingeschränkt
eignen.
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In
der Praxis ist es daher von Vorteil, verschiedene Kombinationen
für die Temperaturregel-/Steuereinheit mit Hot-Spot-Temperaturerkennung
zu wählen, wobei mindestens ein Leiterwiderstand mit annähernd
linearem NTC- bzw. PTC-Leiterwiderstand und in der Regel ein exponentieller
NTC-/ bzw. PTC-Hot-Spot-Zwischenisolationswiderstand vorhanden sind.
Bei einer Autoheizdecke mit 12 V-Energieversorgung besteht eine
vorteilhafte Ausführung darin, dass diese eine NTC-Hot-Spot-Zwischenisolationssensorik
mit niedriger Schmelztemperatur (low melt) für ein redundantes
Sicherheitssystem aufweist. Wird ein sehr hoher Sicherheitsstandard
gefordert oder ist es wahrscheinlich, dass ein Wärmegerät
unter extremsten Bedingungen sehr kleine Flächen mit Hot-Spot-Temperaturen
aufweisen kann, so wird zusätz lich zu der NTC-/ bzw. PTC-Zwischenisolationssensorik
auch die Schmelztemperatur der Zwischenisolation herabgesetzt, so dass
bei Unterschreiten einer festgelegten Hot-Spot-Fläche ein
Kurzschluss entstehen kann, der zur irreversiblen Sicherheitsabschaltung
des Gerätes führt. Bei größeren
Flächen mit Hot-Spot-Temperatur greift jedoch in der Regel
zuerst die NTC-/ bzw. PTC-Zwischenisolationssensorik ein, die dann über
den Oszillator und die Auswerteeinrichtung zu einer Temperaturbegrenzung
bzw. Temperaturregelung und/oder Abschaltung des Heizkörpers
bzw. Wärmegeräts führt. Im Heizelement 10 wird
dadurch ein Kurzschluss vermieden und das Wärmegerät kann
nach Beseitigung des Hot-Spots wieder betrieben werden.
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Die
Außenisolation des Heizelementes 10 ist je nach
Geräteanforderung und Spannungsfestigkeit ausgeführt.
Im einfachsten Fall wird gänzlich auf die Isolation verzichtet.
Ansonsten wird vorwiegend ein Material verwendet, das höher
schmelzend ist als die Zwischenisolation 13, um im Fehlerfall
(z. B. Hot-Spot) die elektrische Spannungsfestigkeit und Außenisolation
zu gewährleisten. Die Schmelztemperatur der Außenisolation
wird üblicherweise mindestens 30°C höher
als die der Zwischenisolation gewählt.
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In
den 3 und 4 sind verschiedene Beispiele
für den Anschluss des oder der Temperatursensoren TS in
der Oszillatorschaltung an typischen Anschlusspunkten gezeigt. Dabei
ergeben sich je nach Anschlussstelle unterschiedliche Sicherheitsfunktionen,
beispielsweise für den Fall, dass der Oszillator selbst
fehlerhaft sein sollte.
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Gemäß 4 kann
auch die Empfindlichkeit der Bedämpfung (Diodenzweige D1/D2)
polarisiert unterschiedlich dimensioniert werden, wodurch ein Teilbereich
der Flächenheizung auf geringere Hot-Spot-Temperaturen
hin überwacht werden kann oder die Spannungsaussteuerbereiche
des Oszillators kompensiert werden können.
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Bei
einer symmetrischen Oszillatorspannung an der NTC-/ bzw. PTC-Zwischenisolation 13 kann durch
entsprechende Auswertung (beispielsweise Speicherzeitwerte) der
lokale Fehlerort bei Hot-Spots in Folge des Puls-Pausen-Verhältnisses
lokalisiert werden. Im Normalfall beträgt die Pulseinzeit
und Pulsauszeit je 50% einer Periode. Ändert sich jedoch das
Widerstandsverhältnis in einem Flächenabschnitt
des Heizelementes, verschiebt sich das Puls-Ein-/-Ausverhältnis
auf beispielsweise 30/70%, wodurch Rückschlüsse
auf den Teilbereich gezogen werden können. Eine durch die
Bedämpfung hervorgerufene Beeinflussung der Gesamtperiodendauer ist
dabei zu berücksichtigen. Mittels einer der Auswerteeinrichtung
nachgeschalteten bzw. an die Steuereinrichtung 30 angeschlossenen
Anzeigeeinheit 35 kann der Hot-Spot-Bereich angezeigt bzw.
signalisiert werden.
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Die
Ausgangssignale der Erfassungsschaltung 20 bzw. des Oszillators
können auch für einen Rückschluss auf
die Alterung bzw. Fehler herangezogen werden, die durch die NTC-/
bzw. PTC-Zwischenisolation 13 hervorgerufen werden. Damit
ist es auch möglich, für die Alterung bzw. Fehler
eine Wartungs-/Diagnose-/ bzw. Fehleranzeige für einen
Benutzer oder Wartungspersonal zu erzeugen. Im einfachsten Fall
kann eine Plausibilitätsprüfung durchgeführt
werden, indem eine Startoszillatorfrequenz in einem unbeheizten
Zustand mit einer oder zwei Referenzwerten verglichen wird und eine
Gut-Schlechtanzeige erfolgt. Besteht eine Temperaturdifferenz, die
z. B. durch Messung des Widerstandes des ersten oder zweiten Leiters
verursacht wird, kann von Zeit zu Zeit die alterungsbeeinflusste
Grundoszillatorfrequenz gemessen werden und bei Grenzwertüberschreitung
bzw. -unterschreitung kann eine Fehleranzeige erzeugt werden. Gleichzeitig
kann die Aktivierung der Sicherheitsabschaltung stattfinden. Wird
von Beginn an keine Oszillatorfrequenz festgestellt, handelt es
sich in der Regel um eine Unterbrechung in dem Sensorleiter 12,
einen Kurzschluss des Heizleiters 11, des Anschlusskabels
oder einen Elektronikausfall. Um Rückschlüsse
auf eine intakte Oszillatorschaltung und Anschluss einer Stecker-/Kupplungseinheit
zu erhalten, ist es vorteilhaft, die Kapazität des Heizelementes 10 und
einen Oszilla torkondensator aufeinander abzustimmen, so dass eindeutige
Frequenzsignale für die Fehler- und Betriebsarten abgeleitet
werden können. Als weiterer Schutzmechanismus kann vorgesehen
sein, dass nach einer bestimmten Betriebszeit (von z. B. 1000 Betriebsstunden)
aufgrund einer Sensoralterung, allgemeiner Materialalterung oder üblichen
Verschleißes ein weiterer Betrieb des Gerätes
unterbunden wird. Auch kann der Benutzer über die Anzeige
angewiesen werden, das Wärmegerät auf mögliche
Schäden, Verschleiß oder unsachgemäßen
Gebrauch zu untersuchen, wobei auch bestimmte Fehlerarten anzeigbar
sein können.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausgestaltung besteht darin, dass durch Anschluss
des oder der Sensorleiter 12 und der NTC-/ bzw. PTC-Zwischenisolation
an einen Oszillator Frequenzsignale geliefert werden, die in einem
bestimmten Frequenzfenster liegen und die üblichen Gebrauchstemperaturen Wiederspiegeln.
Die annähernd lineare temperaturabhängige Leiterwiderstandsänderung
eignet sich dabei für eine flächige (Grenz-)Temperaturregelung und
wird durch die Hot-Spot-Temperatursignale oder einen Kurzschluss überlagert,
so dass stets ein sicherer Betriebszustand gewahrt wird bzw. eingehalten
werden kann. Der Schaltungsaufwand lässt sich dadurch weiter
optimieren.
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Wird
der Heizkörper mit Wechselspannung betrieben, so wird die
Oszillatorfrequenz der Sicherheitseinrichtung vorteilhaft so gewählt,
dass durch eine einfache Frequenzfilterung in der Auswerteeinrichtung
das oder die Temperatursignale möglichst einfach zu trennen
sind. Hierfür ist ein Frequenzunterschied von mindestens
1:2 Perioden von Vorteil. Alternativ kann vorgesehen sein, dass
der bedämpfbare Oszillator durch eine Versorgungswechselspannung
synchronisiert wird und vom Synchronisierungszeitpunkt an eine Verschiebung
der Ausgangssignale durch eine Differenzmessung festgestellt wird.
Damit lassen sich ebenfalls Temperatureinflüsse erfassen
bzw. lässt sich die Auswertegenauigkeit des bzw. der Messsignale
erhöhen.
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Eine
andere Ausgestaltung der Erfassungsschaltung 20 und weiteren
Schaltungskomponenten besteht darin, dass der Oszillator nicht frequenzabhängig,
sondern amplitudenabhängig oder frequenz- und amplitudenabhängig
arbeitet, um z. B. im Hot-Spot-Temperaturbereich eine höhere
oder niedrigere Signalauflösung zu erreichen und/oder gleichzeitig
den Einfluss einer Oszillatorbedämpfung je nach Anwendungsfall
zu variieren.
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Bei
einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass ein regel-/ bzw.
steuerbarer Oszillator (VCO) eingesetzt wird, wodurch beispielsweise
in Temperatur-/Frequenzabhängigkeit ein höheres NTC-Hot-Spot-Sensorsignal
erhalten wird.
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Zur
Verbesserung des EMV-Verhaltens des Oszillators kann die Eingangsbedämpfung
der NTC-/ bzw. PTC-Sensorik niederohmiger ausgelegt werden. Dazu
ist es möglich, einen Widerstand und/oder Kondensator ohne
nennenswerten Temperaturgang zwischen die beiden Leiter zu schalten,
der dann als Parallelwiderstand und/oder Parallelkondensator zu dem
NTC-Sensorwiderstand bzw. der Sensorkapazität wirkt.
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Bei
den in den 5 und 6 gezeigten Ausführungsbeispielen
ist insbesondere auch die resistive bzw. kapazitive Koppelung des
Heizelementes 10 mit dem bedämpfbaren Oszillator
dargestellt. Eine Besonderheit bilden die beiden Lastschalter S1 und
S2, die das NTC-Heizelement 10 einpolig oder allpolig von
der Spannungsversorgung 50 trennen, um danach die Bedämpfung
des Oszillators oder einen Kurzschluss am Oszillatorausgang zu detektieren.
Durch Zuführen des von der Oszillatorschaltung bereit gestellten
Signals an die Auswerte-/Regel-/Steuereinheit bzw. Steuereinrichtung 30 wird entschieden,
ob ein weiterer Heizvorgang, Messvorgang oder eine (redundante)
Sicherheitsabschaltung (mittels der Schalter S1 und/oder S2) eingeleitet
wird. Die Spannungsversorgung 50 kann aus einer DC- oder
AC-Versorgungsspannung bestehen. Die Lastschalter S1 und S2 können
je nach Ver sorgungsspannung DC oder AC auch als Gleich-/Wechselrichter
oder dgl. fungieren und aus mechanischen, elektronischen, integrierten
oder ähnlichen Komponenten bestehen.
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An
die Steuereinrichtung 50 lassen sich weitere Sensoren,
(bedämpfbare) Oszillatoren oder zusätzliche Sicherheitseinrichtungen
oder Auswerteeinheiten anschließen. Bei Verwendung eines AC/DC
(DC/DC)-Adapters für die Stromversorgung aus anderen Versorgungseinheiten
kann bzw. können auch diese Einheit(en) eine Schaltungskomponente
beinhalten, die durch eine Verbindung oder Kommunikation mit der
Auswerte-, Regel-/Steuereinheit entsprechende Aufgaben übernehmen
kann. Beispielsweise kann bei einem Gerät aus Netzteil, Schnurschalter
und Heizkörper mit Sensorik bei Hot-Spot-Detektion oder
Heiz-/Sensorleiterkurzschluss von der Auswerteeinheit des Schalters über einen
Steuerleitungseingang des Netzteils (AC-/DC-Adpater) die Versorgungsspannung
des Netzteils und somit die des Wärmegerätes abgeschaltet
werden. Auch damit besteht eine Einsparmöglichkeit bei
der Anzahl der Lastschalter.
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Die
Auswerteeinrichtung bzw. Auswerteeinheiten z. B. bei dem Ausführungsbeispiel
nach 1 können vielfältig ausgeführt
sein. Vorteilhaft sind dabei Schaltungen in Analog- und Digitalausführung, insbesondere
auf Basis von Operationsverstärkern, Komparatoren, ICs,
ASICs, ein Satz von Mikrocontrollern, Polymerschaltkreise und dgl.
Mit einer derartigen Auswerteeinrichtung können die von
der Erfassungsschaltung 20 bzw. dem oder den bedämpfbaren
Oszillatoren bereit gestellten Signale empfangen und verarbeitet
werden, wobei die Auswertung bzw. Verarbeitung nach vorgegebenen
Funktionen oder einer vorgenommenen Programmierung erfolgen kann.
Dabei können Funktionen wie schnelles Anheizen, Abschaltung
durch Zeitgeber, einfache Bedien- und Anzeigefunktionen auch symbolisch
oder graphisch von Fehler-, Warn-, Wartungs- und/oder Programmfunktonen
beinhaltet sein. Durch einen unidrektionalen Rückzweig
auf die Oszillatorschaltung bzw. Sicherheitseinheit kann die Auswerteeinrichtung
auch auf weitere (redundante) Schaltungsteile Einfluss nehmen. Dabei
kann die Ausführung so sein, dass z. B. bei Sensorbrucherkennung
immer auch der zweite oder ein weiterer Lastschalter abgeschaltet
wird. Zur Energieversorgung des Wärmegeräts kann
eine Gleichspannungsversorgung oder Wechselspannungsversorgung z.
B. mit einem Anschluss an ein Versorgungsnetz, einem Stecker- oder
Schaltnetzteil, einem Wechselrichter, Akkus, Solareinheiten oder
anderen erneuerbaren Energien, auf der Basis von Wasserstofftechnik
oder dgl. verwendet werden. Zur Anpassung der Elektronik gegebenenfalls
mit Ladeteil und zur Versorgung ist vorteilhaft die Verwaltungseinrichtung 52 vorgesehen.
Die Stromsensorik mit mindestens einem Stromsensor 44 ist
vorteilhaft so ausgebildet, dass eine Temperaturänderung
des Heizleiters 11 und/oder des Sensorleiters 12 oder auch
weiterer Leiter erfasst werden kann und als Signal für
eine Temperaturregelung in Abhängigkeit einer Bedienereingabe
genutzt wird. Die Stromsensorik kann auch dazu dienen, Heizstromunterbrechungen
in Folge von Brüchen im Heizleiter 11, anderen Leitungen,
festen oder trennbaren Kontakten und Verbindungen oder dgl. zu erkennen
und eine zeitliche Unterbrechung (Begrenzerfunktion) oder Abschaltung
des oder der Lastschalter S1, S2 zu bewirken.
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Ein
typischer Aufbau eines Heizelementes besteht aus einer Doppelkordel
mit oder ohne NTC-/ bzw. PTC-Sensorik. Dabei ist ein Kern- bzw.
Trägerfaden mit innerem Leiter (erstem Leiter) vorgesehen, beispielsweise
gemäß einem Lahnleiter-Aufbau.
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Der
erste Leiter kann dabei als Heizleiter 11 oder als Sensorleiter 12 (für
die Zwischenisolation 13) herangezogen werden. Dabei kann
er optional als PTC-/ bzw. NTC-Leiter ausgeführt sein,
um das oder die Sensorsignal(e) bereit zu stellen. Der Vorteil des
Lahnleiters ist, dass der Widerstand pro Meter sehr niederohmig
ausgeführt werden kann bei sehr hoher Flexibilität
und dass gegenüber einer Spiralwicklungsausführung
die elektromagnetischen Felder reduziert sind. Die Zwischenisolation
kann schmelzend oder nichtschmelzend für irreversible Hot-Spot-Sensorik
aus Polyethylen, niedrigschmelzendem PVC, Polyamid usw. ausgeführt
sein und optional NTC-/ bzw. PTC-Verhalten für eine reversible Hot-Spot-Sensorik
aufweisen. Je nach Material der Zwischenisolierung kann ein schmelzender
oder nichtschmelzender Effekt eingestellt werden. Der äußere
bzw. zweite Leiter kann als Heizleiter 11 oder Sensorleiter 12 (für
die Zwischenisolation 13) verwendet werden. Er kann optional
als PTC-/ bzw. NTC-Leiter ausgeführt sein, um das oder
die Sensorsignal(e) bereit zu stellen. Optional kann auch der äußere
Leiter als Heizleiter 11 und der innere Leiter als Sensorleiter 12 ausgeführt
sein.
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Bei
dem in 7 gezeigten Ausführungsbeispiel des Wärmegerätes
beispielsweise einer 12 V-Autoheizdecke, ist in einen flexiblen
Träger mindestens ein flexibles Heizelement in Form einer NTC-Heizkordel
mit Heiz- und Sensorleiter integriert. Zum Abtrennen der elektronischen
Regel-/Steuereinheit mit integriertem Sicherheitssystem (Zwischenschalter)
ist eine Kupplungseinheit vorgesehen. Der Zwischenschalter weist
z. B. sechs Schaltstufen auf und beinhaltet z. B. eine automatische
Zeitgeber-Abschaltung nach beispielsweise 3 Stunden. Eine LED-Anzeige
zeigt stetig den Betriebszustand (z. B. durch Blinken) an. Mit der
Zeitgeberabschaltung kann schnell blinkend ein Fehlerzustand angezeigt werden,
wie beispielsweise nicht angesteckter Heizkörper, Heizleiterbruch
oder anderer Elektronikfehler. Die Heizdecke kann an einen Zigarettenanzünder
im Fahrzeug an 12 V-Gleichspannung oder mit einem separaten 100-/230
V AC-/DC-Netzadapter betrieben werden.
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Die
Schaltungsblöcke bei dem Ausführungsbeispiel nach 7 umfassen
verschiedene Schaltungsbereiche, nämlich einen Bereich
zur Kleinspannungsbildung und Stabilisierung (ZD1), ein Heizelement
mit Heizleiter und NTC-Sensorelement sowie einen bedämpfbaren
Oszillator, eine Auswerteeinrichtung bzw. Auswerteeinheit für
Normal-, Hot-Spot-Betrieb oder Kurzschluss, eine Einrichtung mit
Heizungs-/Sensorleiter mit Unterbrechung des Heizbetriebs mittels
Lastschalter (S1, S2), eine Eingriffsteuerung zur Lastabschaltung
S2 durch eine zweite redundante Auswerte-, Regel-, Steuer-, Bedien-
und Anzeigeeinheit mittels Mikrocontroller, wobei nach einer Lastabschaltung
zyklisch im Minutenbereich eine erneute Prüfung auf Abschaltung
durchgeführt werden kann, eine Heizleiterbrucherkennung oder
eine Erkennungsschaltung für nicht angesteckten Heizkörper
mit Abschaltung der redundanten Lastschalter S1, S2 mittels Mikrocontroller
und zyklischer Fehlerabfrage z. B. im Minutenbereich mit Wiedereinschaltung
der Lastschalter S1, S2, eine sechsstufige Leistungsstellung mit
Boostfunktion zum schnellen Anheizen sowie eine redundante Zeitgeberabschaltung
für die beiden Lastschalter S1, S2, eine Anzeigeeinheit
bestehend aus Mikrocontroller und Leuchtdiode und optional eine
Wartungs-, Diagnose- und/oder erweiterte Fehleranzeige.
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Zwischen
Heizkörper und der/den Regel- bzw. Steuereinheit(en) können
verschiedene Verbindungsarten mittels Kabel, Funk, Infrarotstrahlung, akustischer Übertragung
oder Kombination daraus eingesetzt werden. Bei Kabelverbindung erfolgt
der Festanschluss z. B. mittels Steckkupplung im Kabel (zwei oder
mehrpolig), Steckkupplung auf dem Heizkörper oder Steckkupplung
an der Regel- bzw. Steuereinheit. Bei drahtloser Verbindung kann
die Datenübertragung normiert oder unnormiert erfolgen.
Auch eine Übertragung mittels Bus ist möglich.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - WO 03/077397
A1 [0002]
- - DE 10200974 C2 [0003]
- - EP 1491071 B1 [0004]
- - EP 1604548 B1 [0005]
- - EP 0562850 A2 [0006]
- - EP 0910227 A [0007]