DE19707664A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Steuerung oder Regelung der Temperatur von beheizten Flächen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Steue­ rung oder Regelung der Temperatur von wenigstens teilweise beheizten, insbesondere aus Glaskeramik bestehenden Flä­ chen.

Heizflächen aus Glaskeramik oder einem vergleichbaren Mate­ rial finden beispielsweise Verwendung als Wand- oder Dec­ kenstrahler, Wärmetauscher oder andere großflächige Behei­ zungseinrichtungen, die in beliebiger Weise beheizt werden können.

Auf diesen Flächen können nach dem heutigen Stand der Tech­ nik Leiterbahnen aufgebracht werden. Diese Leiterbahnen werden an einer beliebigen Stelle, vorzugsweise im Randbe­ reich mit Kontaktierungspunkten versehen, an die elektri­ sche Leitungen anschließbar sind.

Aufgabe der Erfindung ist es, mit Hilfe von auf die Fläche aufgebrachten Leiterbahnen die Temperatur der beheizten Flächen bzw. Teilflächen mit einer möglichst einfachen Vor­ richtung und einem daran angepaßten Verfahren zu messen und regeln oder zu steuern.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zur Steuerung oder Regelung der Temperatur von wenigstens teilweise be­ heizten, insbesondere aus Glaskeramik bestehenden Flächen gelöst, mit

• - mindestens einer Leiterschleife, von der mindestens ein Teilabschnitt als Leiterbahn auf, unter oder zwischen der Fläche angebracht ist, wobei mindestens die Teilabschnit­ te der Leiterschleife einen temperaturabhängigen ohmschen Widerstand aufweisen,
• - elektrischen Meßleitern die jeweils am Anfang und Ende eines Teilabschnitts der Leiterschleife angeschlossen sind,
• - Mitteln zur Messung des Spannungsabfalls an einem Teilab­ schnitt A und zur Steuerung oder Regelung der beheizten Flächen in Abhängigkeit vom Spannungsabfall an einem Teilabschnitt.

Die Teilabschnitte sind dabei jeweils einer beheizten Flä­ che so zugeordnet, daß sie möglichst unverfälscht von der Temperatur der beheizten Fläche beeinflußt werden. Dies wird insbesondere dann der Fall sein, wenn sie quer oder längs oder auch mäanderförmig zur beheizten Fläche geführt sind. Es ist aber auch denkbar, daß sie im Randbereich ei­ ner beheizten Fläche angeordnet sind und dann eben bei der Auswertung der Temperaturgradient entsprechend berücksich­ tigt wird.

Wenn nur die Teilabschnitte auf der Fläche als Leiterbahn aufgebracht sind, müssen diese am Randbereich der beheizten Fläche, also in der Nähe sehr hoher Temperatur kontaktiert werden, was sich möglicherweise ungünstig auf die Kontakt­ stellen auswirken könnte. Deshalb ist nach einer vorteil­ haften Ausbildung der Erfindung die gesamte Leiterschleife auf, unter oder zwischen der Fläche angebracht, so daß die Kontaktierungspunkte in Bereiche niedriger Temperatur ge­ legt werden können. Dies wird vorzugsweise aber nicht zwin­ gend im Randbereich einer beheizten Fläche sein.

Aus dem selben Grund ist es vorteilhaft, die elektrischen Meßleiter ebenfalls auf, unter oder zwischen der Fläche an­ zuordnen.

Nach einer vorteilhaften Ausbildung der Erfindung wird die Leiterschleife mit einer Konstantstromquelle versorgt. Da­ durch wird eine möglichst unverfälschte Spannungsmessung über die Meßleiter gewährleistet.

Die Meßleiter selbst müssen natürlich nicht aus dem selben Material wie die Leiterbahnen bestehen. Es wäre sogar vor­ teilhaft Meßleitungen bzw. Meßleiterbahnen zu verwenden, die im Gegensatz zur Leiterbahn des Teilabschnittes bzw. zur gesamten Leiterschleife nicht temperaturabhängig sind.

Die Konstantstromquelle sollte möglichst zyklisch polbar sein. Dadurch können Materialbeeinflussungen, die bei­ spielsweise bei Glaskeramik durch Ionenabwanderung entste­ hen können, vermieden werden. Würde die Leiterschleife nur mit Gleichstromkomponenten beaufschlagt, so könnte die Io­ nenabwanderung zur Zerstörung des Flächenmaterials führen.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausbildung der Erfindung kann die Leiterschleife so ausgelegt werden, daß sie bei einer definierten Größe eines Glas- bzw. Materialbruchs un­ terbricht. Dies kann durch Auswahl von geeigneten Abmessun­ gen der Leiterbahn geschehen und durch die Auswahl entspre­ chender Legierungen die beispielsweise unterschiedliche Elastizitätskonstanten aufweisen.

Besonders gute Meßergebnisse lassen sich mit einer Vorrich­ tung erzielen, bei der jeder beheizbaren Fläche eine Lei­ terschleife zugeordnet ist.

Die Vorrichtung sowie das damit ausführbare Verfahren zur Steuerung oder Regelung der Temperatur wird im folgenden anhand der Figuren beschrieben. Dabei zeigen

Fig. 1 bis 5 teilweise beheizbare Flächen,

Fig. 6 bis 8 verschiedene Kochstellen mit den temperatur­ abhängigen Leiterbahnen und den daran ange­ schlossenen Meßleitungen,

Fig. 9 eine Kochmulde mit einer Leiterschleife so­ wie den Meßleitungen und den Kontaktierungs­ stellen,

Fig. 10, 11 eine Kochmulde mit vier Leiterschleifen so­ wie den Meßleitungen und den Kontaktierungs­ stellen,

Fig. 12 eine Steuereinrichtung zur Durchführung des Verfahrens,

Fig. 13 eine Serienschaltung des Leiterbahnwiderstandes.

Die Fig. 1 bis 6 zeigen eine Kochmulde als beheizbare Flä­ che F die beispielsweise aus Glaskeramik bestehen kann. Die Kochmulde F kann über vier beheizbare Kochstellen KS be­ heizt werden. Die Kochstellen KS sind von einer als Leiter­ bahn auf die Kochmulde F aufgebrachten Leiterschleife L durchzogen.

Die Fig. 2 bis 5 zeigen unterschiedliche Ausführungen der Leiterbahn L auf der Kochmulde F. In Fig. 2 ist die Leiter­ schleife L mäanderförmig im Bereich der Kochstellen KS an­ geordnet. In Fig. 3 ist die Leiterschleife kreisförmig an­ geordnet, in Fig. 4 durchzieht die Leiterschleife L auch noch einen Bereich der Kochmulde innerhalb der Kochstellen und in Fig. 5 ist sie um die Kochstellen herum angeordnet.

Die Fig. 6 bis 8 zeigen unterschiedliche Kochstellen KS so­ wie die Zuordnung des Teilabschnittes A der Leiterschleife L zur jeweiligen Kochstelle KS.

In Fig. 6 ist die Leiterbahn der Leiterschleife L diametral zu einer normalen Kochstelle KS geführt. An den Rändern dieser Kochstelle KS ist die Leiterschleife L mit den Meß­ leitungen ML kontaktiert, so daß über die Meßleitungen der Spannungsabfall im Teilabschnitt A gemessen werden kann. Die Leiterschleife L ist dabei von einem Konstantstrom I durchflossen. Die Spannung U ist dabei abhängig vom Wider­ stand des Teilabschnittes A und dieser verändert sich wie­ derum mit der Temperatur der Kochstelle KS, bzw. des be­ heizten Teilabschnittes der Fläche F. Die Messung des Span­ nungsabfalls ist damit proportional zur mittleren Tempera­ tur entlang der Meßstrecke.

Zweikreiskochstellen bzw. Bräterzonen werden sinnvollerwei­ se am inneren Kochzonenrand kontaktiert.

Wie in Fig. 9 dargestellt, ergibt sich als Gesamtsystem ei­ ne Struktur mit einer im kühlen Bereich der Kochmulde ange­ ordneten zentralen Kontaktierungsstelle KP (gestrichelt um­ randet). Dieser kühle Bereich ist im Ausführungsbeispiel am Rand der Kochmulde F vorgesehen, er kann sich aber auch an einer anderen Stelle befinden.

Idealerweise ist wie in den Fig. 10, 11 dargestellt jeder Kochstelle KS eine eigene Leiterschleife L zugeordnet, die über eine eigene Konstantstromquelle versorgt wird. In die­ sem Fall wird zwar die Anzahl der Kontaktierungspunkte KP (die derzeit in der Herstellung noch relativ aufwendig sind) erhöht, die Meßergebnisse sind damit aber zuverlässi­ ger und vor allem wirkt sich die Unterbrechung einer Lei­ terschleife nicht auf die Meßergebnisse der anderen Koch­ stellen KS aus. Weiterhin ergibt sich ein Vorteil wenn die Leiterbahnen für kapazitive Messungen als kapazitiv arbei­ tender Sensor benutzt werden, weil durch die kürzeren Lei­ terbahnen Fehleinflüsse vermieden werden.

Eine Unterbrechung der Leiterschleife kann beispielsweise durch Glasbruch bzw. Materialbruch erfolgen. In diesem Fall muß mindestens die Kochstelle, in deren Nähe der Material­ bruch aufgetreten ist, abgeschaltet werden. Sicherheitshal­ ber wird dann aber die Leistungszufuhr zu allen Kochstellen der Kochmulde F unterbrochen, da ein Materialbruch dazu führen kann, daß beispielsweise Koch- oder andere Flüssig­ keit in den Bereich der Heizelemente vordringt und dadurch Gefahrensituationen entstehen können.

Die Leiterbahn L sowie die Meßleiterbahnen ML können für den Fall eines Glasbruches so ausgeführt sein, daß sie bei einer bestimmten definierten Größe des Glasbruches unter­ brechen. In diesem Fall würde die Spannung bis zu einem vorgebenen maximalen Wert ansteigen, bei dem die Leistungs­ zufuhr abgeschalten wird.

Um festzustellen, ob die Leiterschleife L oder eine der Meßleitungen ML unterbrochen ist, kann die Spannungsmessung nacheinander im Multiplexbetrieb oder auch gleichzeitig an zwei oder mehreren verschiedenen Teilabschnitten A vorge­ nommen werden. Ereicht bei beiden Teilabschnitten die Span­ nung U den vorgebenen maximalen Wert, so ist mit großer Wahrscheinlichkeit die Leiterschleife L unterbrochen. Diese Wahrscheinlichkeit steigt natürlich mit der Anzahl der Teilabschnitte A, an denen die Spannung den vorgegebenen maximalen Wert aufweist. Zur Eingrenzung der Beschädigung kann die meßtechnische Auswertung dadurch erweitert werden, daß nur bestimmte Heizkörper zugeschaltet werden und nur die diesen Heizkörpern zugeordneten Sensoren bzw. Teilab­ schnitte abgefragt werden.

Die Konstantstromversorgung dient der Reduzierung des Meß- und Schaltungsaufwandes. Um Materialbeeinflussungen der Glaskeramik durch Ionenabwanderung und damit die Zer­ störung der Glaskeramik bei Beaufschlagung mit Gleichstrom­ komponenten zu vermeiden, wird sinnvollerweise zyklisch ge­ polte Gleichspannung bzw. -strom verwendet.

Fig. 12 zeigt das Blockschaltbild einer Regeleinheit RE zur Durchführung des oder der Meßverfahrens und zur Regelung der beheizbaren Flächen.

Über die bereits aus Fig. 9 bekannte Kontaktierungsstelle KP wird die Leiterschleife L über die Anschlüsse a und b mit einem Konstantstrom I aus der Konstantstromquelle Q versorgt. Über die Kontaktierungspunkte 1, 1′ bis 5, 5′ über die der Zugriff auf die Meßleitungen ML gegeben ist, werden die Spannungswerte der Teilabschnitte A gemessen. Im Aus­ führungsbeispiel sind die Anschlüsse 1, 1′ bis 5, 5′ auf einen Multiplexer MP geführt (der Übersichtlichkeit halber ist nur das Leitungspaar zu den Kontaktierungpunkten 1, 1′ darge­ stellt) und können über diesen einzeln abgefragt werden. An den Multiplexer ist ein Analog/Digitalwandler angeschlos­ sen, über den die Signale der Datenverarbeitungsanlage DVA, die beispielsweise aus einer Zentralprozessoreinheit (CPU) zugeführt werden. An einen weiteren Eingang der Datenverar­ beitungsanlage DVA ist die Konstantstromquelle Q ange­ schlossen, so daß die Datenverarbeitungsanlage auch die Strom- und Spannungswerte der Konstantstromquelle I erfas­ sen sowie die Konstantstromquelle I steuern kann. Über ei­ nen dritten Eingang werden der Datenverarbeitungsanlage die vom Bediener vorgebbaren Sollwerte S zugeführt.

Die von der Datenverarbeitungsanlage DVA in Abhängigkeit von den gemessenen Spannungswerten und einer vorgebenen oder programmgesteuerten Kochtemperatur ermittelten Soll­ größen werden über die Regelstrecke RS auf ein Stellglied SG gegeben, das die Leistung für die Kochstellen KS (bzw. für die Heizelemente, die die Kochstellen KS beheizen, lie­ fert. Das Stellglied SG kann ein Relais oder Triac sein, über daß die Leistungszufuhr zu den Kochstellen KS getaktet oder stufenlos vorgenommen wird.

Das Meßverfahren kann wesentlich verfeinert werden, wenn auch die Ausgänge der Konstantstromquelle Q gemultiplext werden, d. h. nicht fest auf die Kontaktierungspunkte a und b geführt sind, sondern beliebig auch auf die Anschlüsse 1, 1′ bis 4, 4′ geführt werden können. Weiterhin kann der Mul­ tiplexer MP so ausgeführt sein, daß nicht nur immer die Paare der Meßleitungen 1, 1′, 2, 2 ′ usw. abgefragt werden kön­ nen, sondern daß auch beliebige Kombinationen der Meßlei­ tungen, beispielsweise 2, 3, abgefragt werden können. Damit lassen sich beliebige Kombinationen von Leiterschleifen und Meßleitungen meßtechnisch erfassen und vermessen, so daß beispielsweise auch die Teilabschnitte B, die außerhalb der Teilabschnitte A liegen (siehe Fig. 9) vermessen werden können und somit eine umfassende Vermessung der Temperatu­ ren usw. möglich ist. Dadurch kann beispielsweise der Be­ reich eines Glasbruches lokal eingegrenzt werden. Die Mög­ lichkeiten dieses Meßverfahrens werden anhand von Fig. 12 deutlich, bei der die Leiterbahnteilabschnitte A, B als Rei­ henschaltung von Widerständen mit den Anschlüssen a, b, 1, 1′ bis 4, 4′ dargestellt sind. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Anschlüsse 2, 3 der Meßleitungen mit der Konstant­ stromquelle Q verbunden, so daß über die Anschlüsse 2, 2′, 2′, 3 die Spannungswerte abgefragt werden können.

Durch die Eingrenzung der Schadensstellen, beispielsweise bei Glasbruch, ist es möglich, eine von der Schadensstelle weit entfernte Kochstelle weiter betriebsbereit zu lassen, so daß eine Teilbenutzung des Herdes bis zum Eintreffen des Kundendienstes noch möglich ist.

Selbstverständlich ist es im Schadensfall möglich, eine optische und/oder akustische Warnanzeige am Herd anzubrin­ gen, um den Benutzer zu warnen. Über ein Display oder Leuchtdioden könnte dann auch die Lokalität des Schadens mitgeteilt werden und ggf. der Benutzer aufgefordert wer­ den, den Kundendienst zu rufen.

Wie bereits oben erwähnt sind die Kontaktierungspunkte KP auf den Flächen, insbesondere auf Glaskeramik- oder Ceran­ kochfeldern relativ aufwendig und damit nicht besonders wirtschaftlich herstellbar. Eine besonders einfache Mög­ lichkeit eine solche Kontaktierung herzustellen besteht darin, die Leiterbahnen mechanisch unter Druck, beispiels­ weise durch Kontaktstifte usw. zu kontaktieren. Damit könn­ te auf die aufwendigen Kontaktierungspunkte KP verzichtet werden.

Bei Kochmulden könnte eine einfache Kontaktierung dadurch hergestellt werden, daß die Leiterbahnen ebenfalls bis an den Rand der Kochmulde oder in die Nähe des Randes der Kochmulde geführt werden. Die Kontaktierung könnte dann me­ chanisch über Kontaktstifte erfolgen. Die Vorrichtung, an der die Kontaktstifte befestigt sind und die die Anschluß­ stellen für die elektrischen Leitungen aufweist, könnte über den Rahmen bzw. zwischen dem die Kochmulde umgebenden Rahmen und der Kochmulde fixiert werden, so daß die notwen­ dige Stabilität dieser Kontaktierungsvorrichtung sicherge­ stellt wäre. Die Kontaktierungsvorrichtung würde dann zu­ sammen mit der Kochmulde eine Einheit bilden. Es ist aber auch denkbar die Kontaktierungsvorrichtung an einem zur Kochmulde gehörenden Herd selbst anzubringen oder unterhalb einer Küchenarbeitsplatte zu montieren. In diesem Fall wür­ de die Kochmulde durch ihr Eigengewicht auf die - bei­ spielsweise gefederten - Kontaktierungselemente drücken und so einen sicheren Kontakt herstellen.

Bei dieser Art der Kontaktierung kann die Glaskeramik bzw. das Material der Kochmulde mit einer Vielzahl nicht mitein­ ander in Verbindung stehender, beispielsweise parallel, kreis- oder mäanderförmig etc. angeordneter Leiterbahnen versehen sein. Durch die Kontaktierung von ausgewählten Leiterbahnen mittels Kontaktstiften, die gegebenenfalls elek­ trisch leitend miteinander verbunden werden können, können so beliebige, frei wählbare Stromkreise gebildet werden. Dies würde die Herstellung der mit Leiterbahnen versehenen Kochmulden standardisieren, so daß diese kostengünstiger hergestellt werden könnten.

Claims (10)

1. Vorrichtung zur Steuerung oder Regelung der Temperatur von wenigstens teilweise beheizten, insbesondere aus Glaskeramik bestehenden Flächen (F), mit

• 1.1 mindestens einer Leiterschleife (L), von der min­ destens ein Teilabschnitt (A) als Leiterbahn auf, unter oder zwischen der Fläche (F) angebracht ist, wobei mindestens die Teilabschnitte (A) der Lei­ terschleife (L) einen temperaturabhängigen ohmschen Widerstand aufweisen,
• 1.2 elektrischen Meßleitern (ML), die jeweils am An­ fang und Ende eines Teilabschnittes (A) der Lei­ terschleife (L) angeschlossen sind,
• 1.3 Mitteln (RE) zur Messung des Spannungsabfalls an einem Teilabschnitt (A) und zur Steuerung oder Re­ gelung der beheizten Flächen (KS) in Abhängigkeit vom Spannungsabfall an einem Teilabschnitt (A).

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die gesamte Leiter­ schleife (L) auf, unter oder zwischen der Fläche (F) angebracht ist.

3. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wo­ bei die elektrischen Meßleiter (ML) ebenfalls auf, un­ ter oder zwischen der Fläche (F) angeordnet sind.

4. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, mit einer Konstantspannungs- oder -stromquelle (I) zur Versorgung der stromdurchflossenen Leiterschleife (L).

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Konstantspan­ nungs- oder -stromquelle (I) zyklisch polbar ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wo­ bei die Leiterschleife (L) so ausgelegt ist, daß sie bei einer definierten Größe eines Glas- bzw. Material­ bruchs unterbricht.

7. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wo­ bei jeder beheizbaren Fläche eine Leiterschleife (L) zugeordnet ist.

8. Verfahren zur Steuerung oder Regelung der Temperatur von wenigstens teilweise beheizten, insbesondere aus Glaskeramik bestehenden Flächen (F), wobei

• 8.1 an mindestens einem stromdurchflossenen, tempera­ turabhängigen Teilabschnitt (A, B) einer Leiter­ schleife (L), der auf, unter oder zwischen der Fläche (F) angebracht und einer beheizten Teilflä­ che zugeordnet ist, wird die Spannung (U) gemes­ sen,
• 8.2 in Abhängigkeit von der gemessenen Spannung (U) wird die Leistungszufuhr der beheizten Flächen (F) nach vorgebbaren Werten eingestellt.

9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Leistungszufuhr zu den Heizelementen der beheizten Flächen (KS) abge­ schaltet wird, wenn an mindestens zwei beheizten Teil­ abschnitten (A) die Spannung einen vorgegebenen Wert übersteigt.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, wobei be­ liebige Leiterbahnen mit Konstantstrom oder -spannung beaufschlagbar sind und Meßwerte über beliebig vor­ gebbare Leiterbahnen ermittelt werden.