DE19828052A1 - Einrichtung zur Temperaturbegrenzung eines Glaskeramikkochfelds - Google Patents

Abstract

Einrichtung zur Temperaturschutzbegrenzung bei Glaskeramikkochfeldern mit einer Kochfeldsteuerung (10), die den Heizstrom zu den einzelnen Kochstellen jeweils über eine Impulsbreitensteuerung (11, 12) mit Taktrelais steuert, wobei ein Zusatzmodul (20) mit einer Signalverarbeitungsschaltung (21) mit Temperatursensoren (33, 34) verbunden ist und an eine Signalauswerteschaltung (13) der Kochfeldsteuerung (10) Temperatursignale liefert, wobei weiter die Signalauswerteschaltung (13) die Temperatursignale ständig mit einem Maximaltemperaturwert vergleicht und bei dessen Erreichen durch Öffnen des Taktrelais die Heizstromzufuhr zu der betreffenden Kochstelle sperrt, und wobei die Signalauswerteschaltung (21) des Zusatzmoduls (20) ihrerseits überwacht, ob die Kochstellentemperatur nach Erreichen des Maximaltemperaturwerts noch weiter ansteigt und, falls dies der Fall ist, ein im Heizstromkreis der Kochfeldsteuerung vorgeschaltetes Hauptrelais (23) öffnet.

Description

Glaskeramiken von Kochfeldern unterliegen einem temperaturab­ hängigen Alterungsprozeß, der sich negativ auf die Struktur der Glaskeramik auswirkt. Dies führt gegen Ende der Lebens­ zeit einer Glaskeramik durch thermische Verzerrungen zum Bruch des Kochfelds.

Um eine Lebenszeit von Glaskeramikkochfeldern von ca. 10 Jahren im normalen Gebrauchsfall gewährleisten zu können, muß dafür gesorgt werden, daß die maximale Temperatur der Glas­ keramik im Bereich der Strahlungsheizkörper auf etwa 600°C begrenzt wird.

Bei herkömmlichen, mechanischen sowie auch elektronischen Kochfeldsteuerungen erfolgt lediglich eine grobe Einstellung der Heizkörpertemperatur über eine Impulsbreitensteuerung des Heizstroms. Eine direkte Erfassung der Temperatur der Glaske­ ramik findet bei solchen herkömmlichen Kochfeldsteuerungen nicht statt. Vielmehr sind jedem Heizelement der Kochstelle einfache mechanische Temperaturbegrenzer, sogenannte Stabreg­ ler, zugeordnet, die eine Erhitzung der Kochzone über etwa 600°C verhindern sollen. Solche Stabregler bilden mechanische Temperaturfühler und bestehen aus einem die Temperatur auf­ nehmenden Ausdehnungsstab, der aufgrund seiner temperaturab­ hängigen Wärmedehnung bei Überschreiten einer bestimmten Ma­ ximaltemperatur einen mechanischen Schaltkontakt betätigt, der in den Lastkreis der Stromversorgung des Heizelements eingeschleift ist. Bei einer Überschreitung der Maximaltem­ peratur in der Kochzone wird also über diesen stabreglerbe­ tätigten Schaltkontakt die Stromversorgung des Heizelements solange unterbrochen, bis die Kochstellentemperatur wieder eine zulässige Temperatur erreicht und der Stabregler dann durch weniger große Wärmedehnung des Ausdehnungsstabs den Schaltkontakt wieder schließen läßt. Diese Art der Temperaturbegrenzung ist allgemein gebräuchlich, und auf diese Weise arbeitende Temperaturschutzbegrenzungs­ einrichtungen bei Glaskeramikkochfeldern sind beispielsweise in der DE-OS 25 15 905, der DE-OS 30 07 037, der DE-OS 34 10 442 , der DE-OS 34 23 085, der DE-OS 39 13 289 und der DE-OS 39 31 763 , u. a. beschrieben.

Ein wesentlicher Nachteil solcher Temperaturbegrenzungsein­ richtungen liegt darin, daß sie recht ungenau und mit großer Toleranzbreite arbeiten. Dies beruht schon auf der sich kon­ struktiv ergebenden, relativ großen räumlichen Distanz zwi­ schen der Glaskeramikplatte und dem Stabregler. Der Stabreg­ ler erfaßt dadurch mit seinem Ausdehnungsstab immer eine vom wahren Temperaturwert der Glaskeramik erheblich abweichende Temperatur. Aus Sicherheitsgründen muß deshalb die höchstzu­ lässige Glaskeramiktemperatur verhältnismäßig niedrig ange­ setzt werden.

Aus der EP-0 786 923 A2 ist eine Temperaturbegrenzungsein­ richtung für ein Glaskeramikkochfeld bekannt, bei welcher statt des herkömmlichen mechanischen Temperaturfühlers in Form eines Stabreglers mit einem mit der Wärmedehnung arbei­ tenden Ausdehnungsstab ein elektronischer Temperaturfühler vorgesehen ist, der an der Glaskeramikplatte deren Temperatur mißt, und bei welcher der mechanische Schaltkontakt des her­ kömmlichen Stabreglers durch ein Relais oder ein Leistungs­ halbleiter-Schaltelement ersetzt ist, das durch das Ausgangs­ signal des elektronischen Temperaturfühlers gesteuert wird.

Damit wird zwar zweifelsohne gegenüber den herkömmlichen Stabreglern eine unmittelbarere Temperaturerfassung an der Glaskeramikplatte und damit eine genauere Temperaturmessung und eine feinfühligere Temperaturschutzbegrenzung ermöglicht.

Jedoch kann auch diese bekannte Temperaturschutzbegrenzung im Hinblick auf den vom VDE nunmehr geforderten Sicherheits­ standard nicht befriedigen, der zwei voneinander unabhängige Sicherheitsmodule fordert, die sich gegenseitig überwachen können und damit ein hohes Maß an Sicherheit gewährleisten.

Bei den herkömmlichen Stabreglern tritt das Sicherheitspro­ blem nicht in der Weise auf, wie das bei einer Temperatur­ schutzbegrenzung mit Hilfe eines elektronischen Temperatur­ fühlers und eines elektronischen Schaltelements der Fall ist, denn sowohl der Temperaturfühler als auch das Schaltelement können versagen oder es kann eine Leitungsunterbrechung, bei­ spielsweise in der Signalleitung vom Temperaturfühler, auf­ treten. Ein derartiges Problem tritt bei dem rein mechanisch- physikalisch arbeitenden Dehnungsstab eines Stabreglers nicht auf, der bei entsprechender Erhitzung den mechanischen Schaltkontakt öffnet. Dort sind Fehlfunktionen allenfalls in der Weise denkbar, daß der Schaltkontakt in der Offenstellung hängenbleibt oder der Kontakt bricht, was aber dann in jedem Fall eine bleibende Unterbrechung des Heizstroms zur Folge hätte und deshalb kein Sicherheitsrisiko darstellt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine zuver­ lässig und genau arbeitende Temperaturschutzbegrenzung eines Glaskeramikkochfelds zu schaffen, die neben einer genauen Temperaturerfassung und betriebssicheren Temperaturbegren­ zungsfunktion auch dem geforderten Sicherheitsstandard ent­ spricht.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im Anspruch 1 angegebene und nach den Unteransprüchen weiter ausgestal­ tete Temperaturschutzbegrenzungseinrichtung gelöst.

Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung wird die Temperatur durch Sensoren direkt an der Glaskeramik erfaßt, so daß stets wahre Temperaturwerte zur Verfügung stehen und sowohl Tempe­ raturanstieg als auch Temperaturabfall jeweils genau und ver­ zögerungsfrei meßbar sind. Die Temperaturbegrenzungsfunktion erfolgt durch Auswertung der Sensorsignale über die Kochfeld­ steuerung, nämlich das Taktrelais, das im Wege der Impuls­ breitensteuerung den Heizstrom zu der jeweiligen Kochstelle steuert. In einem Zusatzmodul findet parallel eine Tempera­ turüberwachung anhand der Sensorsignale sowie eine Plausibi­ litätsüberwachung statt, und, wenn die Kochfeldsteuerung feh­ lerhaft arbeiten sollte, oder wenn ein Temperaturanstieg an einer Kochstelle über den die Temperaturbegrenzung auslösen­ den Temperaturwert weiter stattfindet, schaltet der Zusatz­ modul ein Hauptrelais ab, welches im Heizstromkreis der Koch­ feldsteuerung vorgeschaltet ist. Ebenso kontrolliert die Kochfeldsteuerung die Funktion des Zusatzmoduls ständig und unterbricht den Heizstrom zu einer Kochstelle, falls die Übermittlung von Temperatursignalen vom Zusatzmodul unterbro­ chen sein sollte oder die übermittelten Signale nicht plausi­ bel erscheinen. Damit findet eine ständige gegenseitige Kon­ trolle von Kochfeldsteuerung und Zusatzmodul statt, so daß die Anforderung an zwei voneinander unabhängig arbeitende Si­ cherheitsmodule, die sich gegenseitig überwachen, sicherge­ stellt ist und das geforderte hohe Maß an Sicherheit gewähr­ leistet ist, um auch bei Störungen im einen oder anderen der beiden Module Kochfeldsteuerung und Zusatzmodul oder bei Fehlfunktion eines Sensors, eines elektronischen Schaltele­ ments, einer Leitungsunterbrechung usw. die Sicherheitsab­ schaltung der betreffenden Kochstelle zuverlässig auszulösen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der anliegenden Zeichnung in Form eines Blockschaltbilds schematisch darge­ stellt und wird im folgenden mehr im einzelnen erläutert.

Die in der Zeichnung dargestellte Temperaturschutzbegren­ zungseinrichtung besteht aus zwei elektronischen Modulen, nämlich einer an sich bekannten Kochfeldsteuerung 10, wie sie beispielsweise aus der DE 44 19 866 A1 hervorgeht, und einem Zusatzmodul 20 zur Topferkennung/Temperaturmessung, das aus dem Kochfeld über Sensoren erhältliche Informationen über auf dem Kochfeld 30 aufgestellte Töpfe und Temperatur der Glas­ keramik erfaßt und verarbeitet.

Das Kochfeld 30 ist aus Gründen der Vereinfachung mit ledig­ lich zwei Kochstellen mit jeweils einem Heizelement 31 bzw. 32 dargestellt. Auch ist pro Kochstelle jeweils nur ein Tem­ peratursensor 33 bzw. 34 dargestellt, obwohl natürlich jeder Kochstelle mehrere Temperatursensoren und auch mindestens ein (nicht dargestellter) Sensor zur Topferkennung zugeordnet sein kann, und die dargestellten Temperatursensoren 33 und 34 sind aus Gründen der Übersichtlichkeit der Darstellung je­ weils neben das Heizelement 31 bzw. 32 der betreffenden Koch­ stelle gezeichnet, ohne daß dies etwas über die tatsächliche räumliche Anordnung aussagen soll.

Die in der Zeichnung nicht näher dargestellte Kochfeldsteue­ rung 10 kann demnach aus einer Steuereinheit mit einer der Anzahl der Kochstellen auf dem Kochfeld entsprechenden Anzahl von Untereinheiten zum Aktivieren und zur Temperaturvorwahl der jeweiligen Kochstelle bestehen, über welche die elektri­ sche Ansteuerung der jeweiligen Kochstelle erfolgt. Darge­ stellt in der Zeichnung ist jeweils nur die jeweils einer Kochstelle zugeordnete Taktrelais-Impulsbreitensteuerung 11 bzw. 12 in Form eines Blocks, der in die Heizstromleitung zu dem betreffenden Kochfeldheizelement 31 bzw. 32 eingeschaltet ist.

Der Zusatzmodul 20 enthält einen Mikrocontroller 3, der die Sensorsignale auswertet und für die Temperaturmessung in Tem­ peraturwerte bzw. für die Topferkennung in Statussignale um­ wandelt. Diese Informationen stellt der Zusatzmodul 20 der Kochfeldsteuerung 10 über eine Kommunikationsschnittstelle 22 zur Verfügung.

Die Kochfeldsteuerung 10 erhält mit der Information über die Temperatur der Glaskeramik die Möglichkeit, mit dem jeweils ohnehin in der Kochstufensteuerung für jede Kochstelle vor­ handenen Taktrelais zusätzlich die Funktion eines Tempera­ turbegrenzers zu erfüllen. Das Taktrelais (Blöcke 11, 12), das in den Leistungskreis des jeweiligen Kochstellenheiz­ elements 31, 32 eingeschleift ist, dient an sich der Impulsbreitensteuerung bei der Stromversorgung des Heiz­ elements der betreffenden Kochstelle. Durch Halten des Taktrelais im ständig geöffneten Zustand kann die Kochstelle bei einem Überschreiten der Maximaltemperatur von der Stromversorgung abgetrennt werden.

Zur Bewerkstelligung dieser Temperaturbegrenzerfunktion ent­ hält die Kochfeldsteuerung 10 eine Signalauswerteschaltung 13, die mit der Kommunikationsschnittstelle 22 des Zusatz­ moduls 20 verbunden ist. Die Signalauswerteschaltung 13 fragt die Temperatur der einzelnen Kochstellen über die Kommunika­ tionsschnittstelle 22 zyklisch ab, und aufgrund dieser Ab­ frage übermittelt jeweils der Zusatzmodul 20 diese Infor­ mation über die Kommunikationsschnittstelle 22 an die Koch­ feldsteuerung 10. In der Signalauswerteschaltung 13 der Koch­ feldsteuerung 10 wird die gemessene und übermittelte Ist-Tem­ peratur jeder Kochstelle permanent mit der maximal zulässigen Kochstellentemperatur verglichen. Bei einem Überschreiten der Maximaltemperatur an einer Kochstelle steuert die Signalaus­ werteschaltung 13 den der jeweiligen Kochstelle zugeordneten Block 11 bzw. 12 an und bewirkt, daß die dieser Kochstelle zugeordnete Impulsbreitensteuerung das Taktrelais ständig in der Offenstellung hält und so das betreffende Heizelement 31 bzw. 32 vom Speisestrom abgetrennt ist. Auf diese Weise über­ nimmt das Taktrelais neben der Impulsbreitensteuerung unter dem Einfluß der Signalauswerteschaltung 13 auch noch die Funktion eines Temperaturbegrenzers für die jeweilige Koch­ stelle.

Damit ist allerdings noch nicht die geforderte Sicherheit er­ füllt. Sollte ein Taktrelais verkleben bzw. in der Offenstel­ lung hängenbleiben, könnte die Kochstelle außer durch Entfer­ nen der Gerätesicherung in der Hausinstallation nicht mehr abgeschaltet werden.

Um dieses Problem zu lösen, ist im Zusatzmodul 20 eine zweite Schutzabschaltungsmöglichkeit realisiert. Sie springt ein, wenn eine der gemessenen Temperaturen weiter über die maximal zulässige Temperatur ansteigt.

Dazu enthält der Zusatzmodul 20 einen Lastteil 23 mit mindes­ tens einem Hauptrelais, über welches der Speisestrom für die Heizkörper der Kochstellen vom Netzanschluß N zur Kochfeld­ steuerung gelangt. Es kann ein einziges Hauptrelais für das gesamte Kochfeld oder jeweils ein Hauptrelais für jede Koch­ stelle oder eine Gruppe von Kochstellen vorgesehen sein. Auf dieses mindestens eine Hauptrelais hat nur der Zusatzmodul 20 Zugriff.

Um diese Schutzabschaltungsfunktion wahrzunehmen, führt der Mikrocontroller 21 unabhängig von dem in der Signalauswerte­ schaltung 13 der Kochfeldsteuerung 10 durchgeführten Ver­ gleich, ob die für jede Kochstelle gemessene Temperatur un­ terhalb der zulässigen Maximaltemperatur liegt, einen eigenen Vergleich der gemessenen Temperatur mit einem etwas höheren Schwellenwert durch, um zu überprüfen, ob die gemessene Tem­ peratur nach Erreichen der Maximaltemperatur etwa noch weiter ansteigt. Sollte dies der Fall sein, würde das signalisieren, daß die Temperaturbegrenzerfunktion von der Kochfeldsteuerung 10 nicht ordnungsgemäß wahrgenommen wird. Steigt also eine der gemessenen Temperaturen weiter über die maximal zulässige Temperatur an, spricht bei Erreichen des vorgegebenen Schwel­ lenwerts eine Auslöseschaltung 24 an, die mit dem Lastteil 23 verbunden ist und das jeweilige Hauptrelais betätigt und öff­ net und damit den Speisestrom schon vorderhalb der Impuls­ breitensteuerung der Kochfeldsteuerung 10 vom Netz abtrennt.

Ein Abschalten des oder der Hauptrelais wird ebenfalls über die Auslöseschaltung 24 ausgelöst, wenn der Mikrocontroller 21, der auch ständig eine Plausibilitätskontrolle der bei ihm einlaufenden Meßdaten von den Sensoren, z. B. 33, 34, durch­ führt, schwere Fehler in den Meßergebnissen feststellt, wie beispielsweise große Temperatursprünge im Sekundenbereich, fehlende Temperatursignale usw., die auf Sensorbruch, Lei­ tungsstörungen usw. hindeuten können.

Auf diese Weise überwacht der Zusatzmodul 20 sowohl die rich­ tige Funktion der Sensoren als auch die richtige Funktion der Kochfeldsteuerung 10, soweit diese die Temperaturbegrenzer­ funktion wahrnimmt.

Umgekehrt überwacht die Kochfeldsteuerung 10 über die Signal­ auswerteschaltung 13 ihrerseits die Funktion des Zusatzmoduls 20. Wird beispielsweise in der Kochfeldsteuerung festge­ stellt, daß der Mikrocontroller 21 des Zusatzmoduls nicht mehr korrekt arbeitet, sperrt die Kochfeldsteuerung die Takt­ relais (Blöcke 11, 12) aller Heizelemente 31, 32 und trennt die Heizelemente dadurch vom Speisestrom ab. Ereignisse, die von Signalauswerteschaltung 13 der Kochfeldsteuerung 10 als Fehlfunktion des Zusatzmoduls 20 interpretiert werden, sind beispielsweise ein Abbrechen der Kommunikation zwischen bei­ den Modulen, oder der Empfang unplausibler Informationen, beispielsweise Temperatursignale einer nicht im Betrieb be­ findlichen Kochstelle, oder sehr schnelle Temperatursprünge. Die Kochfeldsteuerung sperrt dann die Taktrelais aller Heiz­ elemente in der Offenstellung, da dann mangels brauchbarer Temperaturinformationen keine Temperaturbegrenzerfunktion mehr möglich ist.

Bei der erfindungsgemäßen Temperaturschutzsbegrenzungsein­ richtung kann daher auf die mechanischen Stabregler im Heiz­ element verzichtet werden, ohne daß die Sicherheit beein­ trächtigt wird. Die erfindungsgemäße Temperaturschutzbegren­ zungseinrichtung erfüllt die Schutzbegrenzungsfunktion bei genauerer Temperaturerfassung über Sensoren direkt am Glas­ keramikkochfeld durch die beiden sich gegenseitig kontrollie­ renden Module Kochfeldsteuerung und Zusatzmodul mit doppelter Sicherheit.

Claims (5)

1. Einrichtung zur Temperaturschutzbegrenzung eines Glas­ keramik-Kochfelds (30) mit einer Kochfeldsteuerung (10), die den Heizstrom zum Heizelement (31, 32) jeder Kochstelle ent­ sprechend einer jeweiligen Heizstufenvorgabe über eine Impulsbreitensteuerung (11, 12) mittels eines in die Heiz­ stromleitung geschalteten Taktrelais steuert, und mit am Glaskeramik-Kochfeld angeordneten, den einzelnen Kochstellen zugeordneten Sensoren (33, 34) zur Temperaturerfassung, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

• a) Der Kochfeldsteuerung (10) ist ein Zusatzmodul (20) zugeordnet, der eine Signalverarbeitungsschaltung (21) enthält, die mit den Sensoren (33, 34) verbunden ist und die Sensorausgangssignale in Temperatursignale umsetzt,
• b) die Kochfeldsteuerung (10) enthält eine Signalauswerte­ schaltung (13), welche die Temperatursignale von der Signalverarbeitungsschaltung (21) des Zusatzmoduls (20) empfängt und jeweils mit einem Maximaltemperaturwert ver­ gleicht,
• c) die Signalauswerteschaltung (13) der Kochfeldsteue­ rung (10) bewirkt das Sperren des Taktrelais (11, 12) in der Heizstromleitung zum Heizelement (31, 32) der betreffenden Kochstelle in der Offenstellung, wenn und solange ein Temperatursignal für die betreffende Koch­ stelle den Maximaltemperaturwert erreicht,
• d) die Signalverarbeitungsschaltung (21) des Zusatzmoduls vergleicht die gemessenen Temperaturwerte ihrerseits mit einem etwas oberhalb des Maximaltemperaturwerts liegenden Schwellenwert,
• e) die Signalverarbeitungsschaltung (21) bewirkt, wenn ein einer Kochstelle zugeordneter Temperaturwert den Schwel­ lenwert erreicht, das Öffnen eines der Kochfeldsteue­ rung (10) in der Heizstromleitung vorgeschalteten Haupt­ relais (23).

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalauswerteschaltung (13) der Kochfeldsteuerung (10) die Temperatursignale zyklisch über eine der Signalverarbei­ tungsschaltung (21) des Zusatzmoduls (20) zugeordnete Kommu­ nikationsschnittstelle (22) abfragt.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Signalauswerteschaltung (13) der Kochfeldsteue­ rung (10) außerdem die Plausibilität der von der Signalaus­ werteschaltung (21) übermittelten Temperatursignale überprüft und auch bei einer Kommunikationsunterbrechung mit der Signalverarbeitungsschaltung (21) oder bei Plausibilitäts­ fehlern, wie beispielsweise der Signalisierung schneller Temperatursprünge das Sperren der Taktrelais in der Heiz­ stromleitung aller Kochstellen in der Offenstellung bewirkt.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Signalverarbeitungsschaltung (21) des Zusatzmoduls (20) eine Auslöseschaltung (24) zugeordnet ist, die, wenn ein Temperatursignal den Schwellenwert erreicht, das Hauptrelais (23) öffnet.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß für die Heizstromleitung jedes Heiz­ elements (31, 32) oder für Heizelementgruppen jeweils ein eigenes Hauptrelais (23) vorgesehen ist.