DE10337543A1

DE10337543A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Messung der Temperatur einer Heizeinrichtung

Info

Publication number: DE10337543A1
Application number: DE2003137543
Authority: DE
Inventors: Gerd Knappe; Lutz Dr. Ose
Original assignee: EGO Elektro Geratebau GmbH
Current assignee: EGO Elektro Geratebau GmbH
Priority date: 2003-08-05
Filing date: 2003-08-05
Publication date: 2005-02-24

Abstract

Es werden eine Vorrichtung und ein zugehöriges Verfahren zur Messung der Temperatur einer Heizeinrichtung (13) für ein Kochfeld (11) mit einer Glaskeramikplatte (15) geschaffen. Sie weist einen Sensor (20) aus ferromagnetischem Material auf, nämlich einer FeCrAl-Legierung, der als langes gerades dünnes Rohr unter der Glaskeramikplatte (15) und über der Heizeinrichtung (13) verläuft. Die Curie-Temperatur der FeCrAl-Legierung des direkt stromdurchflossenen Sensors (20) ist derart gewählt, dass die Temperatur an der Unterseite der Glaskeramikplatte (15) einen vorgegebenen Grenzwert beträgt, wenn die Curie-Temperatur erreicht wird. Anhand des Curie-Sprungs wird der Grenzwert dann ermittelt.

Description

Anwendungsgebiet und Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Messung der Temperatur einer Heizeinrichtung, wobei ein Sensor aus ferromagnetischem Material verwendet wird.

Aus der DE 195 26 091 A1 ist es bekannt, für eine Temperaturbegrenzung einen Sensor mit einer Spule vorzusehen, in dessen Bereich ferromagnetisches Material angeordnet ist. Im Bereich Grenztemperatur des ferromagnetischen Materials, der sogenannten Curie-Temperatur, wird ein magnetischer Phasenübergang durchlaufen. Dadurch ändert sich die Induktivität der Spule stark, was ein Überschreiten der Grenztemperatur anzeigt. Dieses kann dann elektronisch ausgewertet werden.

Nachteilig bei dieser Lösung sowie bei dem sonstigen Stand der Technik ist, dass ein Sensor mit einer zusätzlichen Spule benötigt wird, was einen nicht unerheblichen Aufwand darstellt, bzw. aufgrund hoher Umgebungstemperaturen technisch nur schwer oder gar nicht realisierbar ist.

Aufgabe und Lösung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine eingangs genannte Vorrichtung sowie ein genanntes Verfahren zu schaffen, mit denen die Nachteile des Standes der Technik vermieden werden können und insbesondere eine Temperaturerfassung bei einer Heizeinrichtung einfach und sicher sowie genau möglich ist.

Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 11. Vorteilhafte sowie bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der weiteren Ansprüche und werden im folgenden näher erläutert. Der Wortlaut der Ansprüche wird durch ausdrückliche Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung weist einen langgestreckten Sensor auf, der aus ferromagnetischem Material besteht. Der Sensor verläuft im Heizbereich der Heizeinrichtung, vorteilhaft relativ nahe an der Heizeinrichtung. Er sollte jedoch näher an der temperaturmäßig zu überwachenden Oberfläche, wie z.B. der Glaskeramikplatte, verlaufen. Der Sensor bzw. das ferromagnetische Material weisen eine Curie-Temperatur auf, welche im Bereich einer Maximaltemperatur der Heizeinrichtung oder einer sonstigen zu messenden Temperatur der Heizeinrichtung liegt. Des weiteren ist der Sensor mit einer Auswertung, beispielsweise einer Auswerteschaltung, verbunden. Diese Auswertung ist dazu ausgebildet, die Curie-Temperatur des Sensors zu erfassen. Dazu wird mindestens eine elektrische Eigenschaft des Sensors gemessen, insbesondere seine Induktivität oder sein elektrischer Widerstand, vorteilhaft auch beides.

Im Rahmen der Erfindung hat sich nämlich gezeigt, dass der an sich früher bereits genutzte Effekt des Durchlaufens des magnetischen Pha senübergangs bei einem ferromagnetischen Material bei der Curie-Temperatur auch direkt an einem Sensor erfasst werden kann, wenn dieser sozusagen ein passiver Sensor ist. So kann der in der oben genannten DE 195 26 091 A1 beschriebene Umweg über eine weitere Spule, in deren magnetischem Feldbereich ein entsprechendes ferromagnetisches Material angeordnet ist, eingespart werden. Aufwand und Fehleranfälligkeit verringern sich dadurch beträchtlich. Je nach benötigter Genauigkeit kann auch eine ausreichend gute Messung durchgeführt werden. Der Bereich der Curie-Temperatur, an welchem sich die relative Permeabilität des ferromagnetischen Materials während des Phasenüberganges ändert, ist relativ eng begrenzt.

Grundsätzlich kann die Curie-Temperatur eines ferromagnetischen Materials in einem weiten Bereich gewählt werden. Vorteilhaft, insbesondere für den Einsatz zur Temperaturmessung bei einer Heizeinrichtung, beispielsweise bei einem Strahlungsheizkörper unter einer Glaskeramikplatte, liegt die Curie-Temperatur zwischen 150°C und 900°C. Besonders vorteilhaft liegt sie zwischen 400°C bis 600°C und 800°C, vorzugsweise bei 700°C. Dies ist, beispielsweise bei einem Einsatz unter einer Glaskeramikplatte, auch von deren erlaubter Maximaltemperatur sowie dem Abstand dazu abhängig.

Des weiteren ist es von Vorteil, wenn der Sensor hochtemperaturbeständig ist. Dazu kann er aus einer FeCrAl-Legierung bestehen. Der Aluminiumanteil dabei kann weniger als 6% betragen, vorteilhaft etwa 3% bis 4%. Ein solches Material weist viele Vorteile auf. Einerseits ist es ferromagnetisch. Des weiteren ist es gleichzeitig hochtemperaturbeständig.

Es kann vorgesehen sein, den Sensor zum eigenen Schutz oder aufgrund von Vorschriften der elektrischen Sicherheit in einer elektrisch isolierenden Hülle anzuordnen. Diese sollte rohrförmig sein, wobei ihre Form sowohl gerade als auch gebogen sein kann. Die Hülle besteht vor teilhaft aus einem keramischen Material oder Glas, beispielsweise auch Quarzglas.

Der Sensor kann langgestreckt und gerade sein, wobei er ein Draht oder ein Rohr sein kann. Vorteilhaft ist ein gleichbleibender Querschnitt, damit eine Temperaturmessung aufgrund lokaler Erhöhung an jeder Stelle, im wesentlichen sozusagen punktförmig, sowie integral über längere Bereiche hinweg erfolgen kann.

Im Betrieb wird der Sensor direkt mit Strom beaufschlagt. Vorteilhaft ist dies ein Wechselstrom mit Frequenzen zwischen 20 kHz und 150 kHz.

Eine eingangs genannte Vorrichtung bzw. ein derartiger Sensor kann in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden. Eine vorteilhafte Anwendung ist ein Einbau in ein Kochfeld mit mindestens einer Kochstelle, vorteilhaft vier Kochstellen oder mehr. Ein solches Kochfeld kann insbesondere mehrere Strahlungsheizkörper und eine Glaskeramikplatte aufweisen.

Neben der Aufgabe der Messung der Temperatur kann vorgesehen sein, dass mit dem Sensor die Funktion einer Topferkennung realisiert werden kann. Derartige Topferkennungssensoren sind beispielsweise aus der DE 19603845 A1 oder der DE 10135270 A1 bekannt. Hierfür ist eine entsprechende Topferkennungs-Auswertung vorgesehen, welche als Schaltung ausgeführt ist. Diese Topferkennungs-Auswerteschaltung kann auch gemeinsam mit einer Temperatur-Auswerteschaltung ausgeführt sein.

Einerseits ist es möglich, mit dem Sensor punktförmige und kleinere Bereiche einer Heizeinrichtung abzudecken. Andererseits ist es jedoch in Weiterbildung der Erfindung möglich, mit einem entsprechend langen und verlaufenden Sensor größere oder alle Bereiche eines oder mehre rer Heizelemente eines Strahlungsheizkörpers zu überdecken. In noch weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann es vorgesehen sein, mit einem solchen Sensor mehrere Strahlungsheizkörper eines Kochfeldes zu überdecken. So kann mit einem einzigen oder mehreren solcher Sensoren eine Temperaturüberwachung für ein gesamtes Kochfeld mit mehreren Kochstellen und entsprechenden Heizeinrichtungen, beispielsweise Strahlungsheizkörpern, geschaffen werden.

Da in vielen Fällen die Verwendung eines solchen Temperatursensors unter einer Glaskeramikplatte dazu dient, diese vor zu hoher Temperatur und daraus folgender Beschädigung zu schützen, ist es von Vorteil, den Sensor relativ nahe an der Unterseite der Glaskeramikplatte anzuordnen. Hier sollte jedoch vorgesehen sein, dass der Sensor ausreichend mechanisch gesichert ist gegen ein zu starkes Schlagen gegen die Unterseite des Kochfeldes bzw. der Glaskeramikplatte, beispielsweise bei sogenannten Fallprüfungen für fertige Kochfelder.

Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Sensor, dessen mögliche Eigenschaften vorstehend angeführt worden sind, mit Strom bzw. Wechselstrom beaufschlagt. Dabei werden mindestens eine elektrische Eigenschaft des Sensors, beispielsweise Induktivität oder elektrischer Widerstand, gemessen. Bei Erreichen der Curie-Temperatur wird aus dem Strom bzw. dem Stromverlauf, der sich entsprechend prägnant verändert, diese Temperatur bestimmt. Hierfür können beispielsweise verschiedene Steilheitswerte der Temperaturkurve als maßgeblich bestimmt werden, ebenso der anschließende Abfall.

Des weiteren ist es möglich, einen vorgenannten Sensor mit einem entsprechend angepassten Auswerteverfahren dazu zu verwenden, eine Topferkennungsfunktion bei einem Kochfeld zu realisieren. Dafür können verschiedene Auswertealgorithmen vorgesehen sein.

Es kann zur genaueren Bestimmung der Temperatur vorgesehen sein, verfälschende Einflüsse anderer ferritischer Teile oder ferromagnetischer Materialien im Umfeld des Sensors herauszurechnen, wenn diese bekannt sind. Dies gilt beispielsweise für das Material des Heizleiterbandes, welches ebenfalls eine FeCrAl-Legierung ist mit ferromagnetischen Eigenschaften. Entsprechende Korrekturwerte können in einem Speicher abgelegt sein.

Diese und weitere Merkmale gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu mehreren in Form von Unterkombinationen bei einer Ausführungsform der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige Ausführungen darstellen können, für die hier Schutz beansprucht wird.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird im folgenden näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
1 ein Funktionsaufbau eines Kochfeldes mit Heizeinrichtung und einem darüber verlaufenden Sensor samt Beschaltung und
2 Kurvenverläufe der Induktivität und des Widerstands des Sensors über der Temperatur.
Detaillierte Beschreibung des Ausführungsbeispiels
In 1 ist stark schematisiert ein Kochfeld 11 dargestellt. Darunter ist eine Heizeinrichtung 13 angeordnet mit Heizwirkung nach oben. Diese Heizeinrichtung 13 kann ein Strahlungsheizkörper sein, wie er beispielsweise in der DE 42 29 375 A1 beschrieben ist.
Des weiteren weist das Kochfeld 11 eine Glaskeramikplatte 15 auf, was ebenfalls einem üblichen Aufbau entspricht. Auf dem Kochfeld 11 steht über der Heizeinrichtung 13, welche eine Kochstelle bildet, ein Topf 18. Dieser wird durch die Heizeinrichtung 13 beheizt.
Bei Kochfeldern, insbesondere mit Glaskeramikplatten, besteht das Problem, dass die Glaskeramik keine Temperaturen über 600°C erreichen darf, in der Regel sogar noch etwas weniger. Dafür sind Übertemperatur-Sicherungen vorgesehen, meistens sogenannte Stabregler.
Bei der Erfindung wird nun ein Sensor 20 zwischen Heizeinrichtung 13 und Unterseite der Glaskeramikplatte 15 angeordnet. Vorteilhaft ist der Sensor 20 dabei näher an der Glaskeramikplatte 15 angeordnet. Es ist zu erkennen, dass der Sensor 20 mit einer Ansteuerung 22 und einer Auswertung 24 verbunden ist. Angesteuert werden kann er, wie dargestellt ist, indem er von einem Wechselstrom direkt durchflossen ist. Somit bildet er eine Art passives Sensorelement. Diese Signale werden von der Auswertung 24 ausgewertet. Wie angedeutet, kann die Auswertung 24 zumindest einen Mikrocontroller umfassen, vorteilhaft auch noch Speicher für Vergleichswerte und dergleichen. Eine Auswertung erfolgt vorteilhaft über Frequenzmessung, beispielsweise durch Einbinden des Sensors in einen Schwingkreis oder über Impedanz-Messung.
In dem Diagramm in 2 ist grob angenähert der Verlauf sowohl der Induktivität als auch des ohmschen Widerstandes des Sensors 20 über der Temperatur dargestellt. Diese Messungen wurden bei einer Frequenz von ungefähr 50 kHz durchgeführt. Der Sensor 20 besteht aus einer FeCrAl-Legierung, welche auch als Werkstoff 1.4770 bekannt ist. Die Legierung ist zum einen ferromagnetisch mit den zuvor bereits auf gezählten Eigenschaften. Des weiteren enthält sie 3% Aluminium, was weniger ist als bei sonst üblichen FeCrAl-Legierungen. Die ferromagnetischen Eigenschaften dieses Materials des Sensors 20 lassen sich an dem Diagramm in 2 ablesen. Dabei ist zu beachten, dass sich der ohmsche Widerstand, die Induktivität bzw. Impedanz, aufgrund der Änderung der sogenannten äquivalenten Eindringtiefe der elektromagnetischen Welle beim Skin-Effekt ergibt.
Es ist zu erkennen, wie mit steigender Temperatur die Induktivität zunimmt bis zu einem bestimmten Punkt, nämlich dem Curie-Punkt bzw. der Curie-Temperatur. Während der Anstieg relativ flach ist mit zunehmender Steigung nahe dem Curie-Punkt, ist der Abfall danach steiler. Ähnliches gilt auch für den ohmschen Widerstand. Es ist zu erkennen, wie bei einer entsprechenden Anpassung Absolutwerte der Messgrößen diese Kurven sehr ähnlich wären, insbesondere vom Steigungsverlauf her. Vor allem der etwas steilere Anstieg und der wesentlich steilere Abfall der Verläufe kurz vor und kurz nach der Curie-Temperatur eignen sich für eine relativ genaue Bestimmung der Temperatur anhand der bekannten Curie-Temperatur des speziellen Materials.
Im vorliegenden Beispiel liegt die Curie-Temperatur bei ungefähr 630°C. Bei bekannten geometrischen Abmessungen des Kochfeldes 11, insbesondere einem bekannten Abstand der Heizeinrichtung 13 zu der Unterseite der Glaskeramikplatte 15, den Betriebstemperaturen und der Maximaltemperatur der Glaskeramik, kann eine vorgegebene Grenztemperatur über den Abstand des Sensors 20 zur Heizeinrichtung 13 und Glaskeramikplatte 15 anhand dieser Curie-Temperatur sozusagen eingestellt werden. Dies bedeutet, dass von den Temperaturverhältnissen her die Grenztemperatur der Glaskeramikplatte erreicht wird bzw. noch nicht ganz erreicht wird, wenn der Sensor 20 seine Curie-Temperatur von etwa 630°C erreicht. Somit gibt es zwei Möglichkeiten, diesen Zusammenhang zu beeinflussen. Einerseits kann für den Sensor 20 ein Material mit einer bestimmten Curie-Temperatur ausgewählt werden. Des weiteren kann über den Abstand und den daraus resultierenden Temperaturabfall zwischen Heizeinrichtung 13 und Glaskeramikplatte 15 die bei Erreichen der Curie-Temperatur herrschende Temperatur der Glaskeramikplatte eingestellt werden.
Zur Ansteuerung und Auswertung braucht hier nicht viel erläutert zu werden. Geeignete Ansteuerungen und Auswertungen sowohl für eine Messung des ohmschen Widerstandes als auch für eine Messung der Induktivität sind bekannt und für den Fachmann einfach zu realisieren. Hierzu kann beispielsweise auch auf die aus der DE 195 26 091 bekannten Schaltung oder Schaltungsprinzipien zurückgegriffen werden.
Eine Befestigung des Sensors 20 kann je nachdem davon abhängig gemacht werden, in welcher Form er ausgeführt ist. Bei einer relativ eigenstabilen Ausführung kann er, ähnlich wie derzeit bekannte Stabregler, an der Heizeinrichtung 13 oder einem in der 1 nicht dargestellten Isolierrand befestigt sein. Dabei sollte beachtet werden, dass der Sensor nicht zu nahe an der Glaskeramikplatte verläuft, dass er an dieser anschlagen kann. Bei einer Ausführung als Draht wiederum ist diese Gefahr geringer.
Des weiteren ist es möglich, wie zuvor angesprochen worden ist, den Sensor 20 neben der Temperaturerkennungsfunktion auch für eine Topferkennung auszubilden. Mögliche Ausbildungen hierzu sind beispielsweise in der DE 101 35 270 beschrieben, auf welche diesbezüglich ausdrücklich Bezug genommen wird. Die Funktionen der Temperaturmessung einerseits und der Topferkennung andererseits können im Wechselbetrieb erfolgen.
Zusätzlich zu der in 1 dargestellten Ausführung eines Sensors 20, der sozusagen die Temperatur einer einzigen Heizeinrichtung 13 er fasst, sind Ausführungen denkbar, bei denen ein Sensor mehrere Heizeinrichtungen oder alle Heizeinrichtungen eines Kochfeldes überspannt und somit deren Temperatur misst. Dabei kann als Vorteil genutzt werden, dass der Sensor sowohl quasi punktweise über kleine Heizelemente oder Heizelementbereiche als auch integrierend über seine gesamte Länge Bereiche bzw. zugeordnete Heizeinrichtungen messen kann. In vielen Fällen wird eine derartige Temperaturmessung nicht hauptsächlich zu Regelvorgängen genutzt, sondern als Übertemperatursicherung, welche größere Schäden vor allem an einer Glaskeramikplatte vermeiden soll. Insofern sprechen in der Praxis diese Übertemperatursicherungen zwar häufig an, sind jedoch ansonsten an Regelungsvorgängen für die Heizeinrichtungen nicht hauptsächlich beteiligt. Dafür werden vorteilhaft andere Temperaturerfassungen verwendet.

Claims

Vorrichtung zur Messung der Temperatur einer Heizeinrichtung (13), insbesondere eines Strahlungsheizkörpers unter einer Glaskeramikplatte (15), mit einem Sensor (20) in langgestreckter Form aus ferromagnetischem Material, der im Wirkungsbereich der Heizeinrichtung verläuft, wobei der Sensor eine Curie-Temperatur im Bereich einer Maximaltemperatur der Heizeinrichtung aufweist und wobei der Sensor mit einer Auswerteschaltung (24) verbunden ist, die dazu ausgebildet ist, die Curie-Temperatur des Sensors zu erfassen über Messung einer elektrischen Eigenschaft des Sensors, insbesondere die Induktivität oder der elektrische Widerstand.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Curie-Temperatur des Sensors (20) zwischen 150°C und 900°C liegt, insbesondere zwischen 600°C und 800°C.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (20) hochtemperaturbeständig ist, wobei er vorzugsweise aus einer FeCrAl-Legierung besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die FeCrAl-Legierung weniger als 6 % Aluminium enthält, vorzugsweise etwa 3%.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Sensor (20) in einer elektrisch isolierenden Hülle befindet, die vorzugsweise rohrförmig ist und insbesondere aus einem Material der folgenden Gruppe besteht: Keramik, Glas oder Quarzglas.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (20) einen zylindrischen Querschnitt hat, insbesondere ein Draht oder ein Rohr ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (20) direkt stromdurchflossen ist, insbesondere von einem Wechselstrom durchflossen ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie zum Einbau in ein Kochfeld (11) mit mindestens einer Kochstelle ausgebildet ist, insbesondere mit einem Strahlungsheizkörper (13) und einer Glaskeramikplatte (15), wobei vorzugsweise die Vorrichtung zur Durchführung der Funktion einer Topferkennung ausgebildet ist und dafür mit einer entsprechenden Topferkennungs-Auswerteschaltung (24) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (20) mindestens größere Bereiche eines oder mehrerer Heizelemente eines Strahlungsheizkörpers (13) überdeckt, wobei er vorzugsweise die gesamte Kochfeldlänge überdeckt.
Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (20) in geringem Abstand zu der Unterseite des Kochfeldes (11), insbesondere der Glaskeramikplatte (15), angeordnet ist.
Verfahren zur Messung der Temperatur einer Heizeinrichtung, insbesondere eines Strahlungsheizkörpers (13) unter einer Glaskeramikplatte (15), mit einem Sensor (20) in langgestreckter Form aus ferromagnetischem Material, der im Wirkungsbereich der Heizeinrichtung verläuft, wobei der Sensor eine Curie-Temperatur im Bereich einer Maximaltemperatur der Heizeinrichtung aufweist, wobei an den Sensor ein Strom, insbesondere Wechselstrom, angelegt wird, wobei eine elektrische Eigenschaft des Sensors (20), insbesondere die Induktivität und/oder der elektrische Widerstand, gemessen werden und der Strom bei Erreichen der Curie-Temperatur zur Bestimmung der Temperatur verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (20) zur Realisierung einer Topferkennungsfunktion bei einem Kochfeld (11) verwendet wird und mit verschiedenen Auswertealgorithmen ausgewertet wird.