DE19603845A1 - Elektrischer Strahlungsheizkörper mit einem aktiven Sensor zur Kochgefäßerkennung - Google Patents
Elektrischer Strahlungsheizkörper mit einem aktiven Sensor zur KochgefäßerkennungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen elektrischen Strahlungsheizkör
per 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 mechani
sche, kapazitive, optische, resistive und induktive Sensoren
vorgeschlagen. Bei induktiven Sensoren sind sowohl Spulen mit
mehreren Windungen als auch mit nur einer Windung vorgeschla
gen 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 Heizelemen
ten 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 Systemes in die
Praxis scheitert an dem großen Aufwand und vor allem der
erforderlichen großen Bauhöhe zur Unterbringung des Magnet
feldgebers.
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, bzgl. einer scharfen Signalerzeu
gung und -erkennung weniger geeignet.
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 zumin
dest teilweise übergreifend angeordnet. Dadurch wird gegen
über 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 Kochgefäß
größe besonders genau erkannt werden würde, weil die Signal
größe in Form der relativen Frequenzverschiebung im Randbe
reich 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 ganz schma
len Randbereich, der überhaupt ein auswertbares Signale
liefert.
Überhaupt muß bei derartigen Strahlungsheizkörpern berück
sichtigt 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
heiter herum ausbilden kann.
Durch die Anordnung der Sensorschleife im Bereich der Heiz
zone 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 ordnungsge
mäßer 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 Sensor
schleife im unmittelbaren Bereich der Heizzone, d. h. unmit
telbar 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 temperatur
beständigen 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 Kochgefäßpo
sition 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 unterschied
lichen Umfangsbereichen im wesentlichen in Umfangsrichtung
verlaufende Schleifenabschnitte, die durch radiale Verbin
dungsabschnitte 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 Durchmesserstu
fen 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 beliebi
gen 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 Iso
lierrand 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.
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 Ausfüh
rungsform der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht
sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige Ausführun
gen darstellen können, für die hier Schutz beansprucht wird.
Die Unterteilung der Anmeldung in einzelne Abschnitte sowie
Zwischen-Überschriften beschränken die unter diesen gemachten
Aussagen nicht in ihrer Allgemeingültigkeit.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen
dargestellt und wird im folgenden näher erläutert. In den
Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 einen zentralen Schnitt durch einen Strah
lungsheizkörper unter einer Glaskeramikplatte
mit angedeuteten Kochgefäßen,
Fig. 2 eine Draufsicht auf den Strahlungsheizkörper
nach Fig. 1,
Fig. 3 eine Diagramm über den Frequenzgang bei einem
Zweikreisheizkörper,
Fig. 4 eine Draufsicht auf eine Variante eines
Strahlungsheizkörpers,
Fig. 5-10 Draufsichten auf weitere Varianten in schema
tischer Darstellung und
Fig. 11 eine Frequenzgang-Diagramm eines Sensors für
einen Einkreisheizkörper (Fig. 5 bis 7).
Die Fig. 1 und 2 zeigen einen elektrischen Strahlungsheizkör
per 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 Schüttmate
rial 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 Binde
mitteln etc.
Der Blechrand 15 reicht nicht ganz bis an die Glaskeramik
platte 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 angeord
net, die aufrechtstehend auf der Oberfläche 22 des Isolier
körpers 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 gerich
teter Vorsprung 43 des Isolierbodens 16 liegt.
Fig. 2 zeigt die Anordnung der Heizelemente in mäanderförmi
gen Ringbahnen. Sie sind über Heizelementanschlüsse 23 an
einem Temperaturwächter 24 und einem gesonderten Anschluß
stein 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 Tempe
raturwächter-/Kontakt zur Einhaltung einer zulässigen Maxi
maltemperatur 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 Heiz
elementen freien Gasse 28.
Der Heizkörper weist einen Sensor in Form einer Schleife 30
auf, der Teil einer Steuerung 31 zur Erkennung der Positio
nierung 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 Be
dämpfung der Sensorschleife 30 und damit die Frequenz des
Schwingkreises 32. Dies wird in der Steuerung 31 ausgewertet
und in Abhängigkeit davon werden mechanische oder elektro
nische 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 Leistungs
freigabe, 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 inte
griert 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 Topferkennungs
sensor 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 Zunderbe
ständigkeit 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 Über
zug. 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 Fig. 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 Fig. 2 Kreisbogenabschnitte
unterschiedlichen Durchmessers, die durch Verbindungsab
schnitte 39 miteinander verbunden sind. Diese Verbindungsab
schnitte verlaufen zwar im wesentlichen radial, jedoch derart
schräg, daß die Winkelsumme der äußeren und inneren Umfangs
abschnitte 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 Um
fangsabschnitts-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 selbst
tragend und formstabil. Sie liegt im vorliegenden Beispiel
einerseits im Bereich der Anschlüsse 41 in flachen Ver
tiefungen des Isolierkörper-Außenrandes 17 und stützt sich im
übrigen mit ihren Verbindungsabschnitten 39 auf der Zwischen
wand 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 Kolli
sion 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 Fig. 2 einen Zweikreisheizkörper mit zwei konzentri
schen Heizzonen 18, 19 zeigt, ist in Fig. 4 ein Zweikreis
heizkörper 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. viertel
mondförmige 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 Isolierkör
perbodens 16 aufliegt.
Die für diesen Strahlungsheizkörper vorgesehene Sensorschlei
fe 30 ist aus gleichem Material hergestellt wie die nach den
Fig. 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-Au
ßenrandes 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 Durch
messer.
Im Bereich des Schnittpunktes der Längsmittellinie 44 mit der
Zwischenwand 20, d. h. an der den Anschlüssen gegenüberliegen
den 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 wesent
lichen 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 insge
samt 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 Fig. 5 bis 10 schematisch gezeigten Sensor
schleifen-Formen entspricht die nach Fig. 9 etwa der nach
Fig. 2, jedoch mit geraden Umfangsabschnitten 37, 38 statt
der in Fig. 2 gezeigten bogenförmigen Ausführung. Auch sind
hier die Umfangsabschnitte 39 weitgehend radial gerichtet und
nicht so stark rückgreifend wie in Fig. 2. Diese Ausführungs
form hat einen wegen der Abweichung von der theoretischen
Idealform des Kreises (bzw. der Topfform) etwas geringere
Ausprägung der Signalstufen als Fig. 2, ist jedoch einfacher
herzustellen.
Die Ausführungen nach den Fig. 5 bis 7 sind für Einkreis
heizkörper gedacht, d. h. Heizkörper, die nur eine zusammen
hängende und stets gemeinsam betriebene Heizzone 18 haben.
Die Sensorschleife 30 in Fig. 5 hat die Form eines Quadrates
mit auf dem Rand 17 abgestützten Ecken 46. Der Fühler 46 des
Temperaturwächters 24 ragt im wesentlichen diagonal über das
vom Sensor abgegrenzte Feld.
In Fig. 6 ist eine Ausführung entsprechend Fig. 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 Temperaturfühlers
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 ausrei
chenden elektrischen Abständen beiträgt.
Fig. 7 zeigt eine besonders bevorzugte Ausführung der Sensor
schleife 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.
Fig. 8 zeigt eine Sensorschleife 30 für einen Zweikreisheiz
körper, die im Bereich der Trennwand 20 zwischen Hauptheiz
zone 18 und der sie umgebenden Zusatzheizzone 19 liegt. Die
im wesentlichen quadratische Ausführung ähnlich Fig. 5 der
Schleife ist wesentlich kleiner und reicht mit den Außenecken
in den Bereich der Zusatzheizzone, während die Umfangsab
schnitte 38a das äußere der Hauptheizzone 18 überstreichen.
Fig. 10 zeigt eine Ausführung für einen Zweikreisheizkörper,
der im Gegensatz zu den anderen Heizkörpern, die im wesent
lichen aus einer einwindigen Schleife bestanden, eine Doppel
schleife 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 vonei
nander verlaufende Umfangsabschnitte aufweisen, jedoch
elektrisch je eine einwindige Schleife bilden. Die innere der
beiden Schleifen liegt, wie in Fig. 8 beschrieben, auf der
Zwischenwand 20 auf, während die äußere Schleife entsprechend
Fig. 5 mit ihren Ecken auf dem Außenrand 80 aufliegt. Die
relative gestaltfeste, aber elastische Ausbildung der Sensor
schleife ermöglicht es auch sie z. B. durch Einschnappen in
Ausnehmungen des Randes sicher festzulegen. Auch eine Festle
gung durch Einstecken in das Isoliermaterial, z. B. durch
angeschweißte Stifte, ist möglich.
Das Verfahren, nach dem die Topferkennung arbeitet, wird
anhand der Fig. 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 Kochge
fäßerkennung 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
Patentanmeldung 0 442 275 A2 Bezug genommen.
Dementsprechend wird um den Draht der Sensorschleife 30 herum
ein elektromagnetisches Wechselfeld erzeugt, dessen Eigen
schaften 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 Topferkennungs
bauteil 36 ausgewertet und führt bei Erreichen eines vorein
gestellten Schwellwertes zu einer Einschaltung eines oder
beider Schalter 33, 33a, so daß nun die Heizelemente 21
entsprechend stromdurchflossen und beheizt werden.
Das Diagramm in Fig. 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 Fig. 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 aufge
setzter großer Topf 51a (s. Fig. 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 (ver
schobener) Topf (siehe doppelt strichpunktierte Linie 51b in
Fig. 2) bereits zu einer unerwünschten Einschaltung führen.
Die in Fig. 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 Topfdurchmes
ser für die Zentralheizzone angibt, das Signal schnell
abfallen sollte.
Es ist zu erkennen, daß die von der Sensorschleife 30 erzeug
te Kurve 56 sich dieser theoretischen Idealkurve 53 annähert,
indem sie zwar generell einen weitgehend linearen Verlauf
hat, also die Signalgröße dem überdeckten Durchmesser weitge
hend proportional ist, sie jedoch der Stufenform der Ideal
kurve 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 Fig. 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 Schalt
punkt 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
Fig. 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 hauptsäch
lich die inneren Umfangsabschnitte 38. Daraus ergibt sich
eine Signalhöhe, die etwa im Bereich der ersten Stufe 55 im
Diagramm Fig. 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 Umfangsab
schnitte und die Verbindungsabschnitte 39 überdeckt, so daß
sich eine stärkere Signaländerung ergibt. Die aus Fig. 3 zu
erkennende Stufigkeit ergibt sich durch die Lage der Umfangs
abschnitte 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 temperatur
gesteuert und unter der Überwachung des Temperaturwächters
24, der die Glaskeramikplatte vor Überhitzung schützt.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 4 ist die Funktion ver
gleichbar, 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 Fig. 5 bis 7 gezeigten Einkreisheizkörper
mit einer Heizzone 18 ist der Signalverlauf wie in Fig. 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 Schalt
punkt 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 beson
ders 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 Behei
zungen auslösen. Es wird mit einem Sensor eine echte Kochge
fäß-Größenerkennung möglich. Es wäre, wenn auch mit größerem
Bauaufwand, auch möglich, dies z. B. bei Zweikreis-Heizkör
pern, 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 Fig. 3 und 11 gezeigte Stufen- oder Sprung
charakteristik hat.
Claims (15)
1. Elektrischer Strahlungsheizkörper (11) mit einem aktiven
Sensor zur Erkennung der Positionierung eines Kochge
fäßes (51) auf einer den Heizkörper (11) überdeckenden
Kochplatte (12), insbesondere einer Glaskeramikplatte,
wobei der Sensor Teil eines induktiv, vorzugsweise
mittels Schwingkreisverstimmung arbeitenden Schwingkrei
ses (32) einer Steuerung (31) ist und als Schleife (30)
aus elektrisch leitfähigem Material im Bereich wenig
stens einer von elektrischen Strahlungsheizelementen
(21) beheizten Heizzone (18, 19) und diese zumindest
teilweise übergreifend angeordnet ist.
2. Strahlungsheizkörper nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Sensorschleife (30) nur eine oder ggf.
wenige Windungen aufweist.
3. Strahlungsheizkörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die Sensorschleife (30) eine von
einer Konzentrizität zur Heizzone (18, 19) abweichende
Form hat.
4. Strahlungsheizkörper nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorschlei
fe (30) mit Abstand vom Außenrand und/oder einer unbe
heizten Mittelzone (59) des Heizkörpers (11) verläuft
und im Bereich der Heizzone (18, 19) eine in radialer
Richtung prägnante Unterschiede aufweisende Magnetfeld
verteilung aufweist.
5. Strahlungsheizkörper nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorschlei
fe (30) und die Steuerung (31) zur Kochgefäß-Größener
kennung ausgebildet ist.
6. Strahlungsheizkörper nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorschlei
fe (30) in radialem Abstand voneinander unterschiedliche
Wirkbereiche aufweist, vorzugsweise im wesentlichen in
Umfangsrichtung verlaufende Schleifenabschnitte (37,
38), die ggf. durch mehrere radial gerichtete Verbin
dungsabschnitte (39) miteinander verbunden sind.
7. Strahlungsheizkörper nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine gemeinsame
Sensorschleife (13) für die Erkennung der Zuordnung
eines Kochgefäßes (51) vorgegebener Bodenabmessungen zu
einer oder wenigstens einer weiteren Heizzone (18, 19)
des Heizkörpers (Zweikreisheizkörper) vorgesehen ist.
8. Strahlungsheizkörper nach Anspruch 6 oder 7, dadurch
gekennzeichnet, daß die unterschiedlichen Wirkbereiche
zur Erkennung unterschiedlicher Kochgefäß- Bodenabmess
ungen in unterschiedlichen Heizzonen (18, 19) des Heiz
körpers (Zweikreisheizkörper) gelegen sind und die
Steuerung (31) zur Verarbeitung der Sensorsignale der
Wirkbereiche zur differenzierten Einschaltung der
unterschiedlichen Heizzonen (18, 19) ausgebildet ist.
9. Strahlungsheizkörper nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor eine
Kennlinie (56) "Frequenzhub/diametrale Überdeckung durch
das Kochgefäß" aufweist, die einer Stufenform angenähert
ist.
10. Strahlungsheizkörper nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorschlei
fe (30) aus gestaltfestem, selbsttragendem und tempera
turbeständigem Leitermaterial, vorzugsweise massivem,
starkem Draht besteht, der insbesondere unisoliert ist.
11. Strahlungsheizkörper nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorschlei
fe (30) aus einem mehrschichtigen Material besteht, z. B.
einem Rohr aus temperaturbeständigem, zunderfestem
Material mit einer Füllung aus gut leitfähigem Material,
wie Kupfer oder mit einem elektrisch gut leitenden
und/oder temperaturbeständigen Überzug versehen ist.
12. Strahlungsheizkörper nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorschlei
fe (30) sich auf einem aus Isoliermaterial bestehendem
Außenrand (17) und/oder einem unterschiedliche Heizzonen
(18, 19) abgrenzenden Zwischenrand (20) abstützt, wobei
vorzugsweise radiale Verbindungsabschnitte (39) und/oder
nach außen gerichtete Abbiegungen (46, 48) der Sensor
schleife (30) Auflagerabschnitte bilden.
13. Strahlungsheizkörper nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorschlei
fe (30) eine Kreis- oder Mehreckform mit Umfangsab
schnittssektoren (40) in Form omegaförmiger Ausbucht
ungen aufweist.
14. Strahlungsheizkörper nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorschlei
fe (30) aus nicht magnetisierbarem Material wie einem
hochlegierten Stahl, z. B. einer Eisen-Chrom-Nickel-Le
gierung besteht.
15. Strahlungsheizkörper nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorschlei
fe (30) dicht unterhalb der Kochplatte (12), ggf. über
einem Fühler (26) eines Temperaturwächters (24) oder in
gleicher Ebene mit ihm mit wesentlichem Abstand von den
Heizelementen (21) angeordnet ist.
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