-
ANWENDUNGSGEBIET UND STAND
DER TECHNIK
-
Die
Erfindung betrifft einen elektrischen Strahlungsheizkörper mit
einem aktiven Sensor zur Erkennung der Positionierung eines Kochgefäßes auf
einer den Heizkörper überdeckenden
Kochplatte, insbesondere einer Glaskeramikplatte.
-
Die
automatische Ein- und Ausschaltung einer Kochstelle in direkter
Abhängigkeit
vom Aufstellen eines Kochgefäßes ist
ein seit langem verfolgtes Ziel, das jedoch bisher nur unvollständig, mit
großem technischen
Aufwand und nicht mit der nötigen
Zuverlässigkeit
gelöst
werden konnte, weswegen solche Systeme in der Praxis noch wenig
eingeführt sind.
-
Die
zu diesem Zwecke vorgeschlagenen Systeme beruhen auf den unterschiedlichsten
Prinzipien, wobei meist die Art und Anordnung des Sensors entscheidend
ist. So wurden mechanische, kapazitive, optische, resistive und
induktive Sensoren vorgeschlagen. Bei induktiven Sensoren sind sowohl Spulen
mit mehreren Windungen als auch mit nur einer Windung vorgeschlagen
worden. Diese Spulen sind entweder kreisförmig und konzentrisch zur jeweiligen
Kochzone angeordnet oder umrahmen diese im Fall unrund geformter
Kochzonen. Dabei befinden sich diese Spulen üblicherweise im Bereich der Randisolation.
(Siehe
EP 490 289 B1 und
EP 442 275 A2 )
-
Die
erwähnte
einwindige Topferkennungsschleife ist aus der
DE 37 11 589 A1 bekannt
geworden. Es handelt sich dabei um eine passive Kurzschlussschleife,
die zwischen den Heizelementen und einer Glaskeramikplatte angeordnet
ist. Sie wird von einem unterhalb der Heizelemente angeordneten
Magnetfeldgeber fremd beaufschlagt. Durch periodisches Kurzschließen und
eine entsprechende Bedämpfungsmessung
wird die Auswerteschaltung beaufschlagt. Die Einführung eines
solchen Systems in die Praxis scheitert an dem großen Aufwand
und vor allem der erforderlichen großen Bauhöhe zur Unterbringung des Magnetfeldgebers.
-
Die
DE 37 33 108 C1 zeigt
einen Strahlungsheizkörper
mit einem weiteren Sensor in Schleifenform, der allerdings als Beschichtung
an der Unterseite einer Glaskeramikfläche angeordnet ist und nicht
hitzebeständig
ist. Deswegen ist eine Sensorschutzschicht darüber vorgesehen.
-
Die
erwähnten
vielwindigen Spulen im Außenrandbereich
(oder in einer unbeheizten Mittelzone bereiten thermische Probleme
und sind, wie gemäß der Erfindung
erkannt wurde und wie später noch
erläutert
wird, bezüglich
einer scharfen Signalerzeugung und -erkennung weniger geeignet.
-
AUFGABE UND LÖSUNG
-
Aufgabe
der Erfindung ist es, einen Strahlungsheizkörper mit einem aktiven Sensor
zu schaffen, der bei einfachem und robustem Sensoraufbau ein möglichst
prägnantes
Signal zur Steuerung des Heizkörpers
liefert.
-
Diese
Aufgabe wird durch den Anspruch 1 gelöst.
-
Der
Sensor, der Teil eines induktiv, vorzugsweise mittels Schwingkreisverstimmung
arbeitenden Schwingkreises einer Steuerung ist, ist als Schleife aus
elektrisch leitfähigem
Material im Bereich der Heizzone umlaufend und diese zumindest teilweise übergreifend
angeordnet. Dadurch wird gegenüber einem
im Randbereich des Heizkörpers
umlaufenden Sensor das Signal wesentlich aussagekräftiger für die Überdeckung
der Heizzone und damit für
die Erkennung prägnanter.
Dies ist insofern ungewöhnlich, als
man annehmen sollte, daß durch
einen am Rand angeordneten Sensor die zugehörige Kochgefäßgröße besonders
genau erkannt werden würde,
weil die Signalgröße in Form
der relativen Frequenzverschiebung im Randbereich besonders groß ist und
dann stark (parabolisch) zur Mitte hin abfällt. Das Problem ist hier jedoch,
daß, wie
festgestellt wurde, eine solche Randspule kaum zwischen einem relativ
kleinen Topf, der noch eine Einschaltung bewirken soll, und einem
großen,
jedoch zur Heizfläche
verschobenen Topf unterscheiden kann, der keine Einschaltung bewirken
soll. Außerdem
ergab sich bei den Randspulen stets ein Problem aufgrund der Tatsache,
daß Strahlungsheizkörper üblicherweise
in einem Blechteller angeordnet sind, dessen Boden und vor allem dessen
Rand den Schwingkreis stark bedämpft.
Das Feld erstreckt sich also auf einen ganzschmalen Randbereich,
der überhaupt
ein auswertbares Signal liefert.
-
Überhaupt
muß bei
derartigen Strahlungsheizkörpern
berücksichtigt
werden, daß auch
der Boden des Blechtellers eine Dämpfung des Magnetfeldes bewirkt,
so daß sich
dieses nur relativ kleinräumig
als Schlauch um den eigentlichen Sensor-Leiter herum ausbilden kann.
-
Durch
die Anordnung der Sensorschleife im Bereich der Heizzone kann eine
möglichst
große Überdeckung
des Sensors in dem Bereich erzielt werden, bei dem der Topf eine
Einschaltung bewirken soll, und eine möglichst geringe Überdeckung
in dem Bereich, in dem das betreffende Heizelement ausgeschaltet
sein soll. Daher bringt auch ein kleiner Topf bei ordnungsgemäßer zentrischer
Anordnung ein großes
Signal, während
ein verschobener Topf nur ein davon deutlich zu unterscheidendes
kleines Signal liefert. Die Sensorschleife sollte also ihren wirksamen
Durchmesser im Bereich des Mindestdurchmessers haben, vorteilhaft
etwas darüber,
und zwar um den Bereich des Magnetfeld-”Schlauches”. Infolge des Abstandes zum
Außenrand
findet keine nennenswerte Bedämpfung
durch diesen statt, die sozusagen einen Topf vortäuschen würde. Dadurch
ist es auch möglich,
mit einer nur eine oder ggf. nur wenige Windungen aufweisenden Sensorschleife
auszukommen, während
früher
meist die Anordnung einer Spule mit vielen Windungen für nötig gehalten
wurde, um ein ausreichend großes
Signal in Form einer Frequenzverschiebung im Meß-Schwingkreis zu erhalten.
-
Die
Erfindung ermöglicht
es daher vorteilhaft, die Sensorschleife im unmittelbaren Bereich
der Heizzone, d. h. unmittelbar der Strahlungswärme ausgesetzt anzuordnen,
weil bei einer solchen Spule mit einer oder nur geringen Windungen
mit Luftabstand dazwischen eine Isolation nicht nötig ist.
Sie kann aus einem gestaltfesten, selbsttragenden und temperaturbeständigen Leitmaterial,
vorzugsweise massivem, starkem Draht bestehen. Als Werkstoff kommt
ein Material wie ein hochlegierter Stahl, z. B. eine FeCrNi-Legierung
in Frage. Die Ausbildung aus nicht-ferromagnetischem Material ist
deswegen zweckmäßig, weil
bei einem ferromagnetischem Material in Folge der auftretenden hohen
Temperatur der Curiepunkt überschritten
werden würde
und die in diesem Punkt sich ändernden
magnetischen Eigenschaften zu einem Signal führen würden, das von der gewünschten
Ermittlung einer Kochgefäßposition völlig unabhängig ist
und daher das Ergebnis verfäl schen
würde.
-
Die
Sensorschleife und die Steuerung kann vorteilhaft zur Kochgefäß-Größenerkennung
ausgebildet sein. Zu diesem Zweck kann die Sensorschleife in radialem
Abstand voneinander unterschiedliche Wirkbereiche aufweisen, z.
B. in unterschiedlichen Umfangsbereichen im wesentlichen in Umfangsrichtung
verlaufende Schleifenabschnitte, die durch radiale Verbindungsabschnitte
miteinander verbunden sind. Dabei kann sich beispielsweise eine
Sensorschleife mit einer Kreis- oder Mehreckform mit Omega-förmigen Ausbuchtungen
ergeben. Diese Kleeblattform ist als besonders wirkungsvoll erkannt
worden.
-
Da
bei den vorliegenden Gegebenheiten die Signalgröße im wesentlichen dem Überdeckungsgrad
der Sensorschleife durch ein Kochgefäß entspricht, hat die Kennlinie ”Frequenzhub/diametrale Überdeckung
durch das Kochgefäß” im Gegensatz zu
dem parabolischen Verlauf einen stufigen Verlauf mit einem mehr
zum Inneren der Heizzone verschobenen steilen Abschnitt, der bei
Zweikreis-Heizkörpern
zwei Durchmesserstufen haben kann. Auf diese Weise kann der Signalverlauf
stärker
der Idealform angepaßt
werden. Diese wäre
beim Heizkörper
mit nur einer Heizzone ein flacher Signalverlauf im Randbereich,
ein möglichst
steiler Abfall im Bereich des Durchmessers eines kleinstmöglichen
Topfes, der noch zu einer Einschaltung führen soll, und dann ein flacher,
möglichst
tiefer Verlauf bis zur Heizzonenmitte hin.
-
Bei
einem Zweikreisheizkörper,
bei dem in Abhängigkeit
von der Kochgefäßgröße entweder
nur die eine (mittlere) oder beide Heizzonen eingeschaltet werden
sollen, kann durch die zwei Wirkbereiche aufweisende Form nur eines
Sensors ein sehr prägnanter
Signalverlauf mit zwei angenäherten
Stufen erzielt werden, der zu einer differenzierten Einschaltung
der beiden Heizzonen ausgewertet werden kann.
-
Die
robuste, selbsttragende Sensorschleife kann bei beliebigen Heizkörperkonfigurationen
leicht angeordnet werden. Diese haben meist einen Außenrand
aus Isoliermaterial und bei Zweikreisheizkörpern ggf. eine Zwischenwand.
Auf diesem kann die Sensorschleife aufliegen, wofür darin
Ausnehmungen vorgesehen sein können,
um eine Anlage von Sensor und Isolierrand an der Platte oder einen gewissen,
jedoch nur geringen Abstand dazu herzustellen. Auch bei vorliegenden
Heizkörpergestaltungen
ist eine nachträgliche
Ausrüstung
mit einer Topferkennung möglich.
-
Es
hat sich gezeigt, dass durch die Form, Art und Anordnung der Sensorschleife
das bei bisherigen Sensoren dieser Art sehr schlechte Signal/Rauschverhältnis wesentlich
verbessert werden kann.
-
Die
Unterteilung der Anmeldung in einzelne Abschnitte sowie Zwischen-Überschriften
beschränken
die unter diesen gemachten Aussagen nicht in ihrer Allgemeingültigkeit.
-
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
-
Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher erläutert. In
den Zeichnungen zeigen:
-
1 einen
zentralen Schnitt durch einen Strahlungsheizkörper unter einer Glaskeramikplatte mit
angedeuteten Kochgefäßen,
-
2 eine
Draufsicht auf den Strahlungsheizkörper nach 1,
-
3 eine
Diagramm über
den Frequenzgang bei einem. Zweikreisheizkörper,
-
4 eine
Draufsicht auf eine Variante eines Strahlungsheizkörpers,
-
5–10 Draufsichten
auf weitere Varianten in schematischer Darstellung und
-
11 eine
Frequenzgang-Diagramm eines Sensors für einen Einkreisheizkörper (5 bis 7).
-
BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
-
Die 1 und 2 zeigen
einen elektrischen Strahlungsheizkörper 11, der unter
einer Glaskeramikplatte 12 einer elektri schen 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 dämmen dem wärmebeständigem 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. naßgeform ten und dann nachgetrockneten
keramischen Faser mit Bindemitteln etc.
-
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.
-
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.
-
In
beiden Heizzonen 18, 19 sind elektrische Heizelemente 21 in
Form von dünnen,
wellenförmig verformten
Bändern
angeordnet, die aufrechtstehend auf der Oberfläche 22 des Isolierkörpers 16 stehend angeordnet
sind und in diesem mit an ihrer Unterseite ausgeformten Füßen verankert
sind, die infolge der Wellung des Bandes eine Spatenform haben.
Sie 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.
-
2 zeigt
die Anordnung der Heizelemente in mäanderförmigen Ringbahnen. Sie sind über Heizelementanschlüsse 23 an
einem Temperaturwächter 24 und
einem gesonderten Anschlußstein 25 so geschaltet,
daß die äußere Heizzone 19 der
bei Betrieb des Heizkörpers
ständig
eingeschalteten Heizzone 18 wahlweise zugeschaltet werden
kann. Der Temperaturwächter 24 weist
einen stabförmigen Fühler 26 auf,
der auf einen Temperaturwächter-/Kontakt
zur Einhaltung einer zulässigen
Maximaltemperatur an der Glaskeramikunterseite und einen Heiß melderkontakt
zur Signalisierung des Heißzustandes
des Heizkörpers
in einem Temperaturwächterkopf 27 einwirkt.
Der Fühler 26 ragt
durch den Isolierkörperrand 17 und
durch die Zwischenwand 20 hindurch und verläuft in einer
Ebene oberhalb der Heizelemente 21, jedoch größtenteils
in einer von Heizelementen freien Gasse 28.
-
Der
Heizkörper
weist einen Sensor in Form einer Schleife 30 auf, der Teil
einer Steuerung 31 zur Erkennung der Positionierung eines
Kochgefäßes auf
der den Heizkörper überdecken
den Kochplatte 12 ist. Die Sensorschleife 30 bildet
eine Induktivität eines
Schwingkreises 32, 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.
-
Zur
Einstellung der jeweiligen freigegebenen Leistung ist ferner 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,
d. h. 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 zuhalten, 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.
-
Die
Sensorschleife 30 besteht aus einem relativ dicken Runddraht
mit einem Durchmesser zwischen 1 und 4 Millimetern, vorzugsweise
etwa 2 Millimetern, aus einem wärmebeständigen und
nicht magnetisierbaren Material. Dies kann beispielsweise ein hochlegierter
Stahl wie eine Eisen-Chrom-Nickel-Legierung sein. Geeignete Werkstoffe
sind z. B. ein Stahl mit der Werkstoff-Nr. 1.4876 oder ein Heizleitermaterial
mit der Werkstoff-Nr. 2.4869.
-
Der
Sensor kann einseitig geerdet sein. Zur Erzielung eines geringen
Erdungswiderstandes (vorzugsweise kleiner als 0,1 Ohm), und dem
hierfür
erforderlichen sehr geringen ohmschen Widerstand des Sensors, kann
dieser entsprechend dick ausgeführt
werden. Für
ihre Funktion als Topferkennungssensor mit Hochfrequenzbeaufschlagung
ist allerdings wegen des Skin-Effektes nur ihre Oberfläche wirksam,
so daß sie
auch als Rohr ausgebildet sein könnte.
Wegen des geringen ohmschen Widerstandes könnte dieses dann auch mit Kupfer
oder einem anderen hochleitenden Material gefüllt sein, während das Mantelmaterial für Temperaturbeständigkeit
und Zunderbeständigkeit
sorgt. Besonders vorteilhaft ist eine Ausführung mit einem elektrisch
hochleitfähigen galvanischen Überzug,
z. B. aus Silber, oder eine Ausführung
aus gut leitendem Vollmaterial mit z. B. galvanischem, zunderbeständigem Überzug.
Die sehr steife Ausbildung der Sensorschleife 30 sorgt dafür, daß auch bei
hohen thermischen Beanspruchungen nicht mit einem Absinken auf die
Heizelemente 21 zu rechnen ist.
-
Wegen
der Form der Sensorschleife 30 wird auf die Zeichnungen
Bezug genommen. In 2 bildet die Sensorschleife
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 inneren Umfangsabschnitten 38.
-
Diese
Umfangsabschnitte sind in 2 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 ist
als 360°.
Die Draufsicht auf die Sensorschleife 30 hat die Grundform
eines dreiblättrigen
Kleeblattes mit einem relativ großen, nahezu einen Vollkreis
bildenden Mittelbereich und drei seitlichen ”Blättern” in Form eines dreieckigen
Sektors oder Omega. Je nach Größe und steuerungstechnischen
Erfordernissen können
auch 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.
-
Die
gesamte Sensorschleife 30 mit der beschriebenen Form 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.
Es ist zu erkennen, daß der
Fühler 26 des
Temperaturwächters
infolge der dargestellten Anordnung die Sensorschleife nur einmal
unterquert, und zwar im Bereich eines inneren Umfangsabschnittes 38.
In diesem Bereich läuft
er auch in der Gasse 28, so daß er ohne Gefahr einer Kollision
mit den Heizelementen 21 etwas tiefer gelegt werden könnte. Es
ist auch möglich,
je einen der Anschlüsse 41 auf
einer Seite des Temperaturfühlers 26 herauszuführen, so
daß jede
Kreuzung Fühler/Schleife
vermieden wird. Fühler
und Schleife können
dann in gleicher Ebene liegen. Dadurch wird der die Bauhöhe des Strahlungsheizkörpers bestimmende
Raum 42 zwischen dem die Heizelemente 21 tragenden
Boden 16 und der Glaskeramikplatte 12 ideal genutzt und
die Abstände
für die
Hochspannungsprüfung können eingehalten
werden.
-
Während 2 einen
Zweikreisheizkörper mit
zwei konzentrischen Heizzonen 18, 19 zeigt, ist
in 4 ein Zweikreisheizkörper mit insgesamt länglich ovaler
Form dargestellt. Dieser Strahlungsheizkörper 11 hat beim übrigen gleichem
Grundaufbau eine kreisrunde Hauptheizzone 18, an die sich
einseitig, durch eine Zwischenwand 20 abgegrenzt, eine
Zusatzheizzone 19 anschließt, die eine halb- bzw. viertelmondförmige Gestalt
hat. Ein Temperaturwächter 24 ist
schräg
an der Hauptheizzone 18 vorgesehen und sein Fühler 26 ragt radial
nur etwa bis zu deren Mitte, wo er auf einem mittleren Vorsprung 43 in
der unbeheizten Mittelzone 59 des Isolierkörperbodens 16 aufliegt.
-
Die
für diesen
Strahlungsheizkörper
vorgesehene Sensorschleife 30 ist aus gleichem Material hergestellt
wie die nach den 1 und 2. Sie hat die
Form eines Viereckes, das aus geradlinigen Umfangsabschnitten besteht,
die im Bereich der Längsmittellinie 44 des
Heizkörpers
parallel hinausgeführte Anschlüsse 41 bilden.
Die im Bereich der Quermittellinie 45 der Hauptheizzone 18 liegenden
Ecken 46 des Viereckes liegen in entsprechenden flachen
Vertiefungen 47 des Isolierkörper--Außenrandes 17,
jedoch innerhalb des Blechschalenrandes 15. Die Umfangsabschnitte 38 verlaufen
also in Form von Sehnen mit einem deutlichen Abstand vom Außenrand über große Flächenabschnitte
des Heizkörpers
hinweg und haben somit einen im Bereich der Heizzone 18 liegenden
wirksamen Durchmesser.
-
Im
Bereich des Schnittpunktes der Längsmittellinie 44 mit
der Zwischenwand 20, d. h. an der den Anschlüssen gegenüberliegenden
Ecke des Viereckes ist mit einer starken Biegung nach außen je ein Verbindungsabschnitt 39 angeschlossen,
der bis zu Außenecken 48 reicht,
die, wie die Ecken 46, auf dem Isolierkörperaußenrand 17 in entsprechenden Vertiefungen
aufliegen. Sie sind durch einen im Ausführungsbeispiel geraden Abschnitt 37a miteinander verbunden,
der im wesentlichen zentral zur Zusatzheizzone 19 diese überquert
und quer zur Längsmittellinie 44 verläuft. Dieser
Abschnitt könnte
auch entsprechend der Halbmondform der Zusatzheizzone 19 gerundet
sein. Die Sensorschleife 30 liegt also an insgesamt sieben
Stellen auf dem Isolierkörper
auf, und zwar an den Ecken 46 und 48, an den Anschlüssen 41 und,
mit ihren Innenecken 49 zwischen den Vierecksschenkeln 38a und
den Verbindungsabschnitten 39, auf der Zwischenwand 20.
Ihre Grundform ist etwa die eines stilisierten Fisches.
-
Von
den in den 5 bis 10 schematisch
gezeigten Sensorschleifen-Formen entspricht die nach 9 etwa
der nach 2, jedoch mit geraden Umfangsabschnitten 37, 38 statt
der in 2 gezeigten bogenförmigen Ausführung. Auch sind hier die Umfangsabschnitte 39 weitgehend
radial gerichtet und nicht so stark rückgreifend wie in 2.
Diese Ausführungsform
hat einen wegen der Abweichung von der theoretischen Idealform des
Kreises (bzw. der Topfform) etwas geringere Ausprägung der
Signalstufen als 2, ist jedoch einfacher herzustellen.
-
Die
Ausführungen
nach den 5 bis 7 sind für Einkreisheizkörper gedacht,
d. h. Heizkörper, die
nur eine zusammenhängende
und stets gemeinsam betriebene Heizzone 18 haben. Die Sensorschleife 30 in 5 hat
die Form eines Quadrates mit auf dem Rand 17 abgestützten Ecken 46.
Der Fühler 26 des
Temperaturwächters 24 ragt
im wesentlichen diagonal über
das vom Sensor abgegrenzte Feld.
-
In 6 ist
eine Ausführung
entsprechend 5 gezeigt, bei der jedoch der
Fühler 26 des
Temperaturwächters 24 zu
beiden Seiten von geraden Abschnitten der Sensorschleife 30 flankiert
wird. Hinter dem freien Ende des Temperaturfühlens 26 sind diese
miteinander verbunden. Dadurch ist es möglich, den Temperaturfühler und
die Sensorschleife in der gleichen Ebene zu führen, was zur Verringerung der
Bauhöhe
bei ausreichenden elektrischen Abständen beiträgt.
-
7 zeigt
eine besonders bevorzugte Ausführung
der Sensorschleife 30, die, mit Abstand zum Rand 17 verlaufende,
nahezu einen Vollkreis bildende Umfangsabschnitte 37 aufweist,
die lediglich durch die parallel zueinander herausgeführten Anschlüsse 41 und
katzenohrenförmig
nach außen
gerichtete Ecken 46a unterbrochen sind, die für die notwendige
Auflage auf dem Außenrand 17 sorgen.
-
8 zeigt
eine Sensorschleife 30 für einen Zweikreisheizkörper, die
im Bereich der Trennwand 20 zwischen Hauptheizzone 18 und
der sie umgebenden Zusatzheizzone 19 liegt. Die im wesentlichen quadratische
Ausführung ähnlich 5 der
Schleife ist wesentlich kleiner und reicht mit den Außenecken in
den Bereich der Zusatzheizzone, während die Umfangsabschnitte 38a das äußere der
Hauptheizzone 18 überstreichen.
-
10 zeigt
eine Ausführung
für einen
Zweikreisheizkörper,
der im Gegensatz zu den anderen Heizkörpern, die im wesentlichen
aus einer einwindigen Schleife bestanden, eine Doppelschleife bildet, die
jedoch parallel geschaltet ist. Die Form ist die zweier ineinander
liegender Quadrate, die beide an die gleichen Anschlüsse 41 angeschlossen
sind und lediglich zur Vergrößerung ihrer
Flächenüberdeckung
im Abstand voneinander verlaufende Umfangsabschnitte aufweisen,
jedoch elektrisch je eine einwindige Schleife bilden. Die innere
der beiden Schleifen liegt, wie in 8 beschrieben,
auf der Zwischenwand 20 auf, während die äußere Schleife entsprechend 5 mit
ihren Ecken auf dem Außenrand 80 aufliegt.
Die relativ gestaltfeste, aber elastische Ausbildung der Sensorschleife
ermöglicht
es auch sie z. B. durch Einschnappen in Ausnehmungen des Randes
sicher festzulegen. Auch eine Festlegung durch Einstecken in das
Isoliermaterial, z. B. durch angeschweißte Stifte, ist möglich.
-
FUNKTION
-
Das
Verfahren, nach dem die Topferkennung arbeitet, wird anhand der 1 bis 3 beschrieben.
-
Wenn
der Strahlungsheizkörper
11 in
Betrieb genommen werden soll, wird am Einstellknopf
35 die gewünschte Leistungsstufe
eingestellt und damit auch die Steuerung
31 einschließlich der
Kochgefäßerkennung
36 in
Betrieb genommen. Diese Kochgefäßerkennung
arbeitet induktiv, d. h. der Schwingkreis
32 wird mit einer
relativ hohen Frequenz zwischen 1 MHz und 5 MHz erregt und die nachfolgend in
ihrem Ergebnis beschriebene Auswertung der Topferkennung ist in
an sich bekannter Weise aufgebaut. Wegen Einzelheiten wird dazu
auf die europäische Patentveröffentlichung
EP 0442 275 A2 Bezug
genommen.
-
Dementsprechend
wird um den Draht der Sensorschleife 30 herum ein elektromagnetisches Wechselfeld
erzeugt, dessen Eigenschaften die Frequenz des Schwingkreises mitbestimmt.
-
Wird
jetzt ein Kochgefäß 51 auf
die Platte 12 gestellt, so wird dieses Magnetfeld verändert, d.
h. die Sensorschleife wird bedämpft,
wodurch sich die Frequenz des Schwingkreises 32 ändert. Diese
Frequenzänderung
wird in dem Topferkennungsbauteil 36 ausgewertet und führt bei
Erreichen eines voreingestellten Schwellwertes zu einer Einschaltung
eines oder beider Schalter 33, 33a, so daß nun die
Heizelemente 21 entsprechend stromdurchflossen und beheizt
werden.
-
Das
Diagramm in 3 zeigt den relativen Frequenzgang
df über
den Durchmesser, d. h. die Frequenzveränderung df in Prozent der maximalen Frequenzveränderung
bei der Messung in Abhängigkeit
von der Durchmesser-Überdeckung
der Kochplatte und damit der Sensorschleife durch ein Kochgefäß. Unter
dem Diagramm ist zur Veranschaulichung der Querschnitt des Heizkörpers 11 entsprechend 1 angedeutet.
-
Das
Diagramm zeigt folgendes: bei der Verwendung einer herkömmlichen
Sensorspule, die im Rand 17 angeordnet ist, würde sich
der als strichpunktierte Linie 52 gezeigte Verlauf der
Frequenzänderung über den
Durchmesser ergeben. Der über den
Umfang aufaddierte Signalwert wäre
praktisch proportional der Überdeckung
der Umfangslinie. Ein genau zentrisch aufgesetzter großer Topf 51a (s. 1)
würde also
ein gutes Signal ergeben, jedoch ein etwas kleinerer Topf trotz
genau zentrischer Überdeckung
kein vernünftig
verwertbares Signal. Würde man
nun die Schaltschwelle beispielsweise wesentlich unter 50% der Gesamtsignalgröße setzen,
so würde
einerseits das Signalrauschen, das bei derartigen Sensoren und ihrer
Anordnung relativ groß ist, eine
Schaltung unzuverlässig
machen und zum anderen könnte
dann ein exzentrischer (verschobener) Topf (siehe doppelt strichpunktierte
Linie 51b in 2) bereits zu einer unerwünschten
Einschaltung führen.
-
Die
in 3 mit einer durchgezogenen Linie dargestellte
Idealkurve hat zwei Stufen, nämlich
die obere Stufe 54, die dem großen, beide Heizzonen 18, 19 überdeckenden
Topf 51a entspricht und die Einschaltung beider Heizzonen 18, 19 bewirken
soll und eine untere Stufe 55, beispielsweise bei 50% der
Frequenzdifferenz df. Im Bereich dieser Stufe, die dem Durchmesser
des kleinen Topfes 51 entspricht, sollte nur die zentrale
Hauptheizzone 18 allein eingeschaltet sein, während am
linken Ende der Stufe 55, die den minimalen Topfdurchmesser
für die
Zentralheizzone angibt, das Signal schnell abfallen sollte.
-
Es
ist zu erkennen, daß die
von der Sensorschleife 30 erzeugte Kurve 56 sich
dieser theoretischen Idealkurve 53 annähert, indem sie zwar generell
einen weitgehend linearen Verlauf hat, also die Signalgröße dem überdeckten
Durchmesser weitgehend proportional ist, sie jedoch der Stufenform
der Idealkurve angenäherte
Stufen enthält.
Dadurch wird es möglich,
mit nur einem Sensor zuverlässig
große von
kleinen Töpfen
zu unterscheiden und vor allem auch eine Unterscheidung zwischen
einem verschoben aufgesetzten Topf, der eine Einschaltung bewirken
soll, und einem kleinen Topf zu erreichen, der die mittlere Hauptheizzone
in Gang setzen soll.
-
Im
Diagramm 3 sind die Umschaltpunkt 57, 58 gezeigt.
Bei Punkt 57 (Signalhöhe
S1) soll nur die mittlere Heizzone 18 eingeschaltet werden
und bis zum Schaltpunkt 58 eingeschaltet bleiben (Schalter 33 ”EIN”). Beim
Schaltpunkt 58 (Signalgröße S2) wird dann die äußere Heizzone 19 zugeschaltet
(beide Schalter 33 und 33a ”EIN”). Mit anderen Worten: der
Schaltpunkt 58 symbolisiert die kleinste Größe des großen Topfes 51a,
der mit beiden Heizzonen arbeiten soll, während der Schaltpunkt 57 die
kleinste Größe eines
Topfes 51 anzeigt, die überhaupt
noch zu einer Einschaltung führen
soll.
-
Es
ist vor allem zu erkennen, daß im
Bereich der Schaltpunkte 57, 58 die Steigung der
Signalkurve 56 relativ groß ist, so daß eine zuverlässige Schaltung
auch unter Berücksichtigung
von Störfaktoren möglich ist.
Gleichzeitig sieht man, daß dies
bei der Kurve 52 einer konventionellen Sensorspule nicht möglich wäre.
-
In
bezug auf die Sensorspule geschieht folgendes: Bei dem in 1 dargestellten
Kochgefäß 51 handelt
es sich um einen Topf, dessen Durchmesser dem der zentralen Hauptheizzone 18 entspricht. Er überdeckt
den Bereich der Heizzone 18 und den entsprechenden Bereich
der Sensorschleife 30, also hauptsächlich die inneren Umfangsabschnitte 38. Daraus
ergibt sich eine Signalhöhe,
die etwa im Bereich der ersten Stufe 55 im Diagramm 3 liegt. Dieses
Signal liegt also zwischen dem dort angegebenen Signalwerten S1
und S2, so daß nur
die zentrale Hauptheizzone 18 eingeschaltet wird.
-
Beim
Aufsetzen des größeren Topfes 51a werden
zusätzlich
zu den inneren Umfangsabschnitten 38 auch die äußeren Umfangsabschnitte
und die Verbindungsabschnitte 39 überdeckt, so daß sich eine
stärkere
Signaländerung
ergibt. Die aus 3 zu erkennende Stufigkeit ergibt
sich durch die Lage der Umfangsabschnitte 37, 38,
die bei ihrer Überdeckung
eine relativ scharfe Signaländerung
ergeben, während
dazwischen die relativ flachen Kurvenabschnitte entsprechend den
Stufen 54, 55 der Idealkurve liegen.
-
Der
Kochbetrieb verläuft
im übrigen
ohne jede Beeinflussung durch die Topferkennung entweder leistungs-
oder temperaturgesteuert und unter der Überwachung des Temperaturwächters 24,
der die Glaskeramikplatte vor Überhitzung
schützt.
-
Bei
der Ausführungsform
nach 4 ist die Funktion vergleichbar, nur daß statt
der konzentrischen Anordnung die Nebeneinanderanordnung der Heizzonen
und ihre Überdeckung
durch ein entsprechend rundes oder langgestrecktes Kochgefäß (ovaler
Bräter)
entweder nur die Hauptheizzone 18 oder zusätzlich die
Zusatzheizzone 19 eingeschaltet wird. Auch dort entsteht
eine gewisse Stufigkeit durch die Anordnung der einzelnen Abschnitte
der Sensorschleife. Vor allem wird aber durch den stufigen Signalverlauf
die Möglichkeit
gegeben, durchmesserabhängig
zu schalten.
-
Bei
einem in den 5 bis 7 gezeigten Einkreisheizkörper mit
einer Heizzone 18 ist der Signalverlauf wie in 11 gezeigt.
Dort enthält
die Idealkurve nur eine Stufe 54 und auch dort ist der
Signalverlauf 56 der Sensorspule 30 nach der Erfindung diesem
Idealverlauf weitgehend angepaßt,
so daß sich
am Schaltpunkt 58 (kleinstmöglicher Topf) ein steiler Signalverlauf
für die
Ein- und Ausschaltung ergibt. Bei der Kurve 52 einer herkömmlichen
Sensorspule würde
der Schaltpunkt in einem Bereich so kleiner Signalgrößen liegen,
daß keine
zuverlässige Schaltung
möglich
wäre.
-
Es
wird also durch die Erfindung ein Strahlungsheizkörper mit
einem Topferkennungssensor geschaffen, der nicht nur besonders einfach,
robust und nachrüstbar
ist, sondern der auch ein scharfes und für die Schaltung in einem weiten
Bereich nutzbares Signal liefert. Vor allem können dadurch mehrere Wirkbereiche
für die
Topferkennung geschaffen werden, so daß Töpfe unterschiedlichen Durchmessers
unterschiedliche Beheizungen auslösen. Es wird mit einem Sensor
eine echte Kochgefäß-Größenerkennung
möglich.
Es wäre,
wenn auch mit größerem Bauaufwand,
auch möglich,
dies z. B. bei Zweikreis-Heizkörpern,
mit zwei Sensoren nach der Erfindung zu erreichen, wobei sich gegenüber einer Anordnung
zweier herkömmlicher
Sensoren im Außen-
und Zwischenrand sowohl bauliche als auch vor allem funktionelle
Vorteile ergeben.
-
Durch
die Anordnung im Bereich der Heizzone selbst ergibt sich ein über den
Durchmesser mit zur Schaltung brauchbaren Änderungen versehenes Ergebnis,
das in grober Annäherung
als linearisiert bezeichnet werden kann, jedoch vorteilhaft die
in den Diagrammen 3 und 11 gezeigte
Stufen- oder Sprungcharakteristik hat.