DE4022844C1 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erkennen und Anzeigen eines anomalen
thermischen Belastungszustandes einer Heizfläche aus Glaskeramik
oder einem vergleichbaren Material, insbesondere einer Glaskeramikkochfläche,
sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens bei
einem Kochfeld mit Glaskeramikkochfläche.
Heizflächen aus Glaskeramik oder einem vergleichbaren Material finden
beispielsweise Verwendung als Wand- oder Deckenstrahler, Wärmetauscher
oder andere großflächige Beheizungseinrichtungen, die in beliebiger Weise
beheizt werden können.
Von besonderem Interesse sind heutzutage elektrische oder gasbeheizte
Kochfelder oder Einzelkochstellen, deren Heizfläche aus Glaskeramik besteht.
Kochfelder dieser Art sind allgemein bekannt und schon vielfach in
der Patentliteratur beschrieben worden. Die Beheizung der Heizzonen dieser
Kochfelder erfolgt dabei mittels unterhalb der Glaskeramikkochfläche
angeordneter Heizelemente, z. B. elektrisch betriebener Kontaktheizelemente,
Strahlungsheizelemente oder Gasbrenner. Weiterhin sind noch Induktionskochfelder
bekannt.
Bei den bekannten Haushaltskochfeldern wird die Heizleistung für die Heizelemente
durch Vorgabe vom Benutzer fest eingestellt oder durch ein wählbares
Zeitprogramm elektronisch, elektromechanisch oder, bei Gasherden
über Ventile, rein mechanisch gesteuert. Entsprechende Steuerungen sind
beispielsweise in der DE 36 39 186 A1 beschrieben.
Es ist bekannt, Kochzonen (ohne Beschränkung der Allgemeinheit wird im
Zusammenhang mit Glaskeramikkochflächen nachfolgend der Begriff Kochzone
statt Heizzone verwendet) eines Glaskeramikkochfeldes, die einen größeren
Durchmesser aufweisen, zum Beispiel um Töpfe mit größerem Durchmesser
und/oder unrunder, beispielsweise ovaler, Bodenfläche zu erhitzen, mit
mehreren Heizelementen zu beheizen. Es ist auch bekannt, neben den ständig
in Betrieb befindlichen Dauerheizelementen sog. Zuschaltheizelemente einzusetzen,
die nur in der Ankochphase mit Leistung beaufschlagt werden, um
eine beschleunigte Aufheizung der Kochzone zu erzielen. Die geometrische
Anordnung der Heizelemente unterhalb einer Heizzone ist dabei üblicherweise
an die Geometrie des Kochgeschirrs angepaßt.
So wird zum Beispiel in der DE 33 14 501 A1 eine Heizplatte mit zwei
zueinander konzentrischen Heizkreisen beschrieben, bei welcher der äußere
Heizkreis als Zuschaltheizelement ausgelegt ist.
Die DE 34 06 604 C1 betrifft eine Heizeinrichtung, bei der die Kochzone
mittels Hoch- und Normaltemperaturstrahlungsheizelementen beheizt wird.
Die Heizelemente sind dabei so angeordnet, daß die Kochzone in zwei zueinander
konzentrische Zonen aufgeteilt ist, wobei die innere Zone ausschließlich
durch die vorzugsweise als Zuschaltheizelemente in der
Ankochphase einsetzbaren Hochtemperaturstrahlungsheizelemente beheizbar
ist und die äußere Zone durch die Normaltemperaturstrahlungsheizelemente.
Eine vergleichbare Anordnung von mehreren Strahlungsheizelementen im Bereich
einer Kochzone ist auch in der US 46 39 579 zu finden.
Eine Heizeinrichtung mit einem Gasbrenner, der zwei unabhängig voneinander
mit Gas beaufschlagbare Brennerkammern aufweist, die z. B. zueinander konzentrische
Zonen im Kochzonenbereich begrenzen können, wird in der US
40 83 355 beschrieben.
Bei den üblicherweise eingesetzten Glaskeramiken sind die maximalen Betriebstemperaturen
auf 700°C zu begrenzen. Um Überhitzungen der Glaskeramikheizfläche
zu vermeiden, werden daher in der Regel sogenannte
Schutztemperaturbegrenzer, z. B. ein zwischen den Heizelementen und der
Glaskeramikfläche angeordneter Stabausdehnungsschalter, eingesetzt, die
üblicherweise bei Überschreiten einer bestimmten Grenztemperatur das
Heizelement ganz abschalten oder in seiner Leistung vermindern. Nach
Durchlaufen einer Hysteresis wird die volle Heizleistung wieder eingeschaltet.
Aus der DE 33 14 501 A1 ist beispielsweise ein Stabausdehnungsschalter
bekannt, der entsprechend bei zwei unterschiedlichen Temperaturen
schaltet.
Aus der DE-PS 21 39 828 ist bekannt, daß Glas,
Glaskeramik oder ähnliche Materialien eine von der Temperatur abhängige
elektrische Leitfähigkeit besitzen, so daß daraus durch Aufbringen von
Leiterbahnen, z. B. aus Edelmetallen, Temperaturmeßwiderstände mit steiler
Widerstands-Temperatur-Kennlinie, ähnlich den Kennlinien der bekannten NTC-Widerstände,
hergestellt werden können.
Diese Art von Temperatursensoren werden gemäß der DE 37 44 372 A1 in Verbindung
mit entsprechender Beschaltung dazu benutzt, den o. g. Schutztemperaturbegrenzer
vollkommen zu ersetzen. Dazu werden in jeder Kochzone jeweils
zwei zueinander parallele Leiterbahnen, die jeweils einen streifenförmigen
Glaskeramikwiderstand begrenzen, längs eines halben Durchmessers auf die
Glaskeramikkochfläche aufgebracht.
Die Praxis hat gezeigt, daß anomale thermische Belastungen bei Glaskeramikkochflächen
ihre Ursache meist in der Verwendung schlechten Kochgeschirrs
oder in Fehlbedienungen haben.
So tritt z. B. bei Kochgeschirr mit unebener Auflagefläche ein örtlich
unterschiedlicher Wärmeentzug in der Kochzone auf. Durch Unachtsamkeit
kann leerkochendes Geschirr noch höhere Temperatur/Zeit-Belastungen für
die Glaskeramik verursachen. Weitere Extrembelastungen verursachen Töpfe
mit zu kleinen Durchmessern sowie versehentlich versetzt, d. h. nicht
zentrisch aufgestellte Töpfe. In diesen Fällen wird die Kochzone in den
vom Topf nicht abgedeckten Bereichen überhitzt. Die Oberflächentemperatur
der Glaskeramik kann in solchen Fällen erheblich über den im Leerlauf,
d. h. ohne Topf, gemessenen Temperaturen liegen. Temperaturerhöhungen von
bis zu 200 K über der Oberflächentemperatur im Leerlauf sind möglich.
Diese anomalen thermischen Belastungen im Bereich der Kochzonen können
sich im Laufe der Zeit zu hohen Temperatur/Zeit-Belastungen aufaddieren
und die Zerstörung der Kochflächen zur Folge haben. Extrem hohe Temperaturen
können das aufgesetzte Kochgeschirr und auch die Glaskeramikkochfläche
beschädigen. Topfemaille kann beispielsweise bei versehentlich
leerkochendem Stahlemailgeschirr anschmelzen. Ebenso kann leerkochendes
Aluminiumgeschirr durch schmelzendes Aluminium die Glaskeramikoberfläche
beschädigen.
Da in der Praxis sowohl schlechtes bzw. ungeeignetes Kochgeschirr verwendet
wird als auch die o. g. Fehlbedienungen vorkommen, muß die maximale
Oberflächentemperatur im Leerlauf begrenzt werden. Aus dem gleichen Grund
ist die spezifische Leistungsdichte der Heizelemente, bezogen auf die
Fläche der beheizten Zone, auf derzeit ca. 7 Watt/cm² begrenzt.
Die bekannten Vorrichtungen zur Temperaturüberwachung und -begrenzung haben
den Nachteil, daß, sobald Überhitzungen im Bereich des Temperatursensors
detektiert werden, die Leistungszufuhr für die Heizelemente in der
gesamten Kochzone unterbrochen oder vermindert wird. Dies führt zu erheblich
längeren Ankochzeiten, obwohl, wie z. B. im Falle einer Fehlstellung
des Kochgeschirrs, die Ursache für den anomalen thermischen Belastungszustand
durch den Benutzer leicht behoben werden könnte.
Die Aufgabe der Erfindung ist, ein Verfahren zum Erkennen und Anzeigen
eines anomalen thermischen Belastungszustands bei einer Heizfläche aus
Glaskeramik oder einem vergleichbaren Material zu finden, welches nicht
nur ein Erkennen und Anzeigen eines Belastungszustandes als solchen,
sondern auch von dessen Ursache ermöglicht. Insbesondere soll das Verfahren
auf Kochfelder mit Glaskeramikkochflächen anwendbar sein.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung
zur Durchführung des Verfahrens bei einem Kochfeld mit Glaskeramikkochfläche
bereitzustellen.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs
1. Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens bei einem Kochfeld mit Glaskeramikkochfläche ist
im Patentanspruch 6 beschrieben.
Die Erfindung macht sich die Tatsache zunutze, daß je nach Verwendung einer
Heizfläche bestimmte Ursachen für anomale thermische Belastungszustände,
z. B. typische Fehlbedienungen, immer wieder vorkommen. Für solche
bekannten Belastungsfälle ist die sich in der Heizfläche einstellende Temperaturverteilung,
d. h. insbesondere die örtliche Lage von Überhitzungen,
leicht vorhersagbar.
Dies läßt sich in einfacher Weise am Beispiel der am meisten interessierenden
Verwendung einer Heizfläche als Kochfläche bei einem Kochfeld
demonstrieren.
Da sowohl die Heizzonen, d. h. die Kochzonen, einer Kochfläche als auch die
Auflageflächen des Kochgeschirrs üblicherweise kreisförmige Geometrie aufweisen,
treten bei den eingangs erwähnten, für Kochfelder typischen
Belastungsfällen, wie z. B. Topffehlstellung, schlechte Topfqualität usw.,
wie im folgenden noch ausgeführt wird, Überhitzungen der Kochfläche jeweils
nur in einem inneren oder nur in einem äußeren Bereich der Kochzone,
oder aber in beiden Bereichen gemeinsam auf.
So wird z. B. bei einer Fehlstellung des Topfes sowie bei einem Topf mit
nach außen gewölbten Auflageflächen oder bei einem zu kleinen Topf
nur ein äußerer ringförmiger Randbereich
der Kochzone oder nur ein Segment dieses Bereichs überhitzt.
Ein nach innen gewölbter Topfboden führt zu einer
Überhitzung des Mittenbereichs der Kochzone, während leergekochtes
Kochgeschirr oder fehlendes Kochgeschirr die Überhitzung der gesamten
Kochzone zur Folge haben.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht daher vor, mittels mehrerer, voneinander
unabhängiger, im Bereich der Heizzone angeordneter Temperatursensoren
die für einen bestimmten anomalen thermischen Belastungszustand
charakteristische Temperaturverteilung in der Heizfläche zu bestimmen und
mittels geeigneter Betriebszustandsanzeigen und/oder optischer und/oder
akustischer Warneinrichtungen anzuzeigen.
Die Verarbeitung der Temperaturmeßsignale zu Steuersignalen für die Anzeige-
und/oder Warneinrichtungen erfolgt mit Hilfe an sich bekannter elektronischer
Schaltungen, bevorzugt Komparatorschaltungen, welche den Temperaturmeßwert
eines Sensors mit einer vorgegebenen Schwellentemperatur
vergleichen und bei Überschreiten der Schwellentemperatur, d. h., wenn eine
lokale Überhitzung detektiert wird, ein Steuersignal für die Anzeige- und
Warneinrichtungen erzeugen.
Im einfachsten Fall ist jedem Sensor genau eine optische oder akustische
Anzeigeeinrichtung zugeordnet, die dem Benutzer lokale Überhitzungen in
dem von dem Sensor überwachten Teilbereich der Heizzone anzeigt. Aus der
Kombination der Temperaturmeßsignale aller Sensoren kann der Benutzer dann
auf die Temperaturverteilung im gesamten Heizzonenbereich und somit auf
die mögliche Ursache für die anomale thermische Belastung schließen.
Bevorzugt werden jedoch den Komparatorschaltungen Logikschaltungen
nachgeordnet, welche so ausgelegt sind, daß sie durch Vergleich der
von den einzelnen Temperatursensoren gelieferten und über die Komparatorschaltungen
ausgewerteten Meßsignale die Temperaturverteilung im Heizzonenbereich
selbständig erkennen und einem bekannten anomalen thermischen
Belastungszustand zuordnen.
Voneinander unabhängige Temperatursensoren im Sinne dieser Erfindung
können beispielsweise elektromechanisch arbeitende Temperaturfühler mit
mehreren voneinander unabhängigen Schaltkontakten, wie zum Beispiel die
bekannten Stabausdehnungsschalter, zum Beispiel in Form von Kapillaren mit
Salzschmelzenfüllung, mit mehreren, jedoch wenigstens zwei voneinander
unabhängigen Schaltkontakten sein. Dabei sollte vorteilhafterweise der
Schaltkontakt, der die maximale Oberflächentemperatur begrenzt, bei einer
Temperatur ansprechen, die wenigstens 10 K über den Schalttemperaturen der
übrigen Schaltkontakte liegt, mit deren Hilfe die Leistungsreduzierung
vorgenommen wird.
Als Temperatursensoren können auch Wärmeleitstäbe oder -bleche oder
dergleichen verwendet werden, an die außerhalb des Heizkörpers bzw. der
beheizten Zone der eigentliche Temperatursensor angekoppelt ist.
Bei Kochfeldern mit Kochzonen mit im wesentlichen kreisförmigen Geometrien
lassen sich mit Hilfe von Stabausdehnungsschaltern, die längs eines Halb-
oder Durchmessers der Kochzone angeordnet sind, die meisten der bekannten
anomalen Belastungsfälle, nämlich solche, die zu einer radialsymmetrischen
Temperaturverteilung im Kochzonenbereich führen, vollständig erfassen.
Lokal auftretende Temperaturspitzen können damit jedoch nicht detektiert
werden. Zudem ist die Temperaturüberwachung nur indirekt möglich, da der
Stabausdehnungsschalter keinen direkten Kontakt zur Glaskeramikunterseite
besitzt, da er nur im Raum zwischen Heizquelle und Glaskeramikunterseite
angeordnet ist.
Eine flächendeckende Temperaturüberwachung läßt sich beispielsweise mit
Hilfe von Temperatursensoren, die aus rasterartig im Bereich der Heizzone
angeordneten Thermoelementen oder anderen hierfür geeigneten Temperaturfühlern
bestehen, erreichen. Um einen ausreichenden thermischen Kontakt zur
Heizfläche zu gewährleisten, müssen diese an die Heizfläche angedrückt
werden. Ebenso lassen sich solche Temperatursensoren in die Heizfläche
integrieren. So können beispielsweise Thermoelemente in die Heizfläche
eingelassen oder eingewalzt werden.
Insbesondere sind die aus der DE-PS 21 39 828 bekannten, in die Heizflächen
integrierten Temperatursensoren, welche aus von jeweils zwei parallel
geführten Leiterbahnen begrenzten Glaskeramiktemperaturmeßwiderständen bestehen,
geeignet, wobei die Leiterbahnen mittels Siebdruck oder anderer
Methoden in geeigneter Anordnung auf die Glaskeramikunterseite aufgebracht
und anschließend eingebrannt werden. Der sehr stark temperaturabhängige
elektrische Widerstand der zwischen den Leiterbahnen eingegrenzten
Glaskeramik stellt dabei den eigentlichen Temperaturmeßwiderstand dar.
Mit dieser Methode lassen sich auf einfache Art großflächige Temperatursensoren
realisieren, die eine flächendeckende Temperaturüberwachung
zulassen. Damit lassen sich beispielsweise auch großflächige Wärmestrahler
und Wärmetauscher mit Heizflächen aus Glaskeramik, Glas oder ähnlichen Materialien
überwachen.
Die geometrische Anordnung der Leiterbahnen im Bereich einer Heizzone wird
zweckmäßigerweise an die geometrische Anordnung der Heizelemente sowie an
die erwartete Temperaturverteilung bei bekannten anomalen thermischen
Belastungsfällen angepaßt.
Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile liegen insbesondere darin, daß
durch Unachtsamkeit verursachte Betriebszustände mit dem oben beschriebenen
System erkannt und dem Benutzer angezeigt werden. Die Sicherheit wird
dadurch entscheidend verbessert. Zusätzlich wird ein Energieeinspareffekt
dadurch erzielt, daß dem Benutzer frühzeitig Betriebszustände angezeigt
werden, bei denen der Wirkungsgrad des Kochsystems, z. B. durch Verwendung
schlechter Topfqualitäten oder nicht an die Heizelementgröße angepaßter
Topfgrößen, gering ist.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Figuren näher erläutert.
Es zeigt
Fig. 1 in einer schematischen Darstellung eine Vorrichtung zur
Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei einem
Haushaltskochfeld mit Glaskeramikkochfläche, wobei zwei ringförmige,
zueinander konzentrisch angeordnete Temperatursensoren
den Mitten- und den Randbereich einer Kochzone
überwachen;
Fig. 2 die Vorrichtung aus Fig. 1 in einer Längsschnittdarstellung;
Fig. 3 zur Verdeutlichung der Funktionsweise eines Glaskeramiktemperaturmeßwiderstandes
in einer schematischen Darstellung
einen vergrößerten Ausschnitt aus einer Anordnung aus zwei
parallel verlaufenden Leiterbahnen mit dazwischenliegendem
Glaskeramikwiderstand;
Fig. 4a eine schematische Schaltungsanordnung für die Temperatursensoren
aus Fig. 1 zur Einstellung des Temperaturbereichs mit
größter Meßempfindlichkeit;
Fig. 4b eine an sich bekannte Komparatorschaltung zur Auswertung der
von den Temperatursensoren gelieferten Temperaturmeßsignale
mit nachgeschaltetem Inverter zum Anzeigen anomaler Temperaturen;
Fig. 5 die Temperaturmeßsignale für die bei Glaskeramikkochflächen
am häufigsten auftretenden anomalen thermischen Belastungszustände
und die entsprechenden Betriebszustandsanzeigen;
Fig. 6 eine mögliche Logikschaltung zum selbständigen Erkennen und
Anzeigen eines anomalen thermischen Belastungszustandes.
Die Fig. 1 und 2 zeigen beispielhaft eine bevorzugte Vorrichtung zur
Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei einem Haushaltskochfeld
mit Glaskeramikkochfläche.
Innerhalb einer Kochzone 1 mit kreisförmiger Geometrie sind auf der
Glaskeramikunterseite zwei Paare von Leiterbahnen 2, z. B. aus Gold, angeordnet.
Diese begrenzen jeweils streifenförmige
Temperaturmeßwiderstände. In den
Fig. 1 und 2 ist eine Kochzone mit einem unterhalb der Glaskeramikplatte
3 angeordneten, an sich bekannten Zweikreisheizelement 4a dargestellt
mit einem Innenkreis 5a und einem Außenkreis 5b.
Die Art der Beheizung, d. h. die Art der Heizelemente, deren Anzahl und geometrische
Anordnung im Bereich der Kochzone, ist jedoch für die Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens unerheblich.
Man erkennt in den Figuren, daß die Führung der Leiterbahnen 2 in der
Kochzone 1 so gewählt ist, daß im Mittenbereich und im Randbereich jeweils
ein ringförmiger Temperatursensor angeordnet ist, wobei die Anschlußbereiche
6 der Leiterbahnen 2 zum Schutz gegen
Temperaturbelastungen außerhalb der Kochzone 1 angeordnet sind.
Aufgrund der einfachen Geometrie der Temperaturverteilung in der Kochzone
bei einem der bekannten anomalen thermischen Belastungszustände reicht es
in der Regel aus, den gesamten Kochzonenbereich mit nur jeweils einem Temperatursensor
in einem äußeren und einem inneren Bereich der Kochzone zu
überwachen, da es zum Erkennen des Belastungszustandes nur auf die Temperaturdifferenz
zwischen dem Rand- und dem Mittenbereich der Kochzone ankommt.
Da aber z. B. bei einer Topffehlstellung lokale Überhitzungen nur in
einem Segment des Randbereichs auftreten können, muß sichergestellt sein,
daß alle für einen Belastungsfall wesentlichen Stellen von der Temperatursensoranordnung
erfaßt werden. Dies ist bei den in den Figuren dargestellten
ringförmigen Leiterbahnenanordnungen in einfacher Weise gewährleistet.
Es kann jedoch auch vorteilhaft sein, im Bereich einer Kochzone mehrere
ringförmige, zueinander konzentrische Temperatursensoren so anzuordnen,
daß auch Temperaturspitzen, z. B. über Heizwendelschleifen oder, bei Gasbeheizung,
über Flammenspitzen detektiert und angezeigt werden können. Diese
Temperaturspitzen müssen erfaßt werden, da sonst an diesen Stellen die
Heizfläche beschädigt werden kann.
Die Leiterbahnen 2 decken nur einen geringen Teil der Kochzone ab. Bevorzugt
sind Leiterbahnbreiten von <3 mm. Im vorliegenden Fall sind die
Leiterbahnen 1-2 mm breit, so daß die Gesamtfläche der Leiterbahnen in bezug
auf die Fläche der beheizten Zone klein ist. Eine Beeinflussung des
Gesamtwärmeflusses wird dadurch minimiert. Der Flächenwiderstand dieser
Leiterbahnschichten ist 50 mΩ bei Schichtdicken unter 1 µm.
Man erhält so zwei voneinander unabhängige Temperatursensoren, die die
beiden Bereiche der Kochzone getrennt überwachen. Analog zu der oben beschriebenen
Anordnung werden für andere nichtrunde Kochzonen den jeweiligen
Umrissen bzw. Geometrien angepaßte Leiterbahnanordnungen gewählt, mit
denen die einzelnen Kochzonenbereiche getrennt überwacht werden können.
Die parallel geführten Leiterbahnen 2 innerhalb der Kochzone 1 begrenzen
schmale kreis- oder linienförmige Temperaturmeßzonen, in denen das von
den Leiterbahnen eingegrenzte Glaskeramikvolumen als temperaturabhängiger
Widerstand dient. Die elektrische Leitung der Glaskeramik beruht, wie bei
Gläsern, auf der Ionenleitung. Die Abhängigkeit wird durch das Gesetz von
Rasch und Hinrichsen beschrieben.
R = a·exp (b/T) (Gl. 1)
R ist der spezifische Widerstand der Glaskeramik in Ohm · cm bei der absoluten
Temperatur T in Kelvin.
a und b sind von der Geometrie der Leiterbahnen und von der Glaskeramik
abhängige Konstanten (a in Ohm · cm und b in K).
Der Temperaturkoeffizient dieser Meßwiderstände ist negativ. Er ist stark
temperaturabhängig und beträgt z. B. für Glaskeramiken des Systems SiO₂-Al₂O₃-Li₂O
bei 300°C 3,3%/K.
Der elektrische Gesamtwiderstand einer solchen Anordnung setzt sich aus
beliebig vielen parallel geschalteten differentiellen Widerständen mit negativem
Temperaturkoeffizienten zusammen und läßt sich durch die nachfolgende
Gleichung ausdrücken:
1/R = 1/R₁ (T) + 1/R₂ (T) + . . . + 1/Ri (T) + . . . 1/Rn (T) (Gl. 2)
Der temperaturabhängige Widerstand jedes differentiellen Widerstands
Ri(T) läßt sich durch die nachfolgende Gleichung ausdrücken
Ri (Ti) = li/Ai · a · exp (b/Ti) (Gl. 3)
worin li die Länge in cm und Ai die Querschnittsfläche in cm² eines jeden
differentiellen Glaskeramikwiderstands darstellen. Die Konstanten a und b
sind von der Geometrie der Leiterbahnen und von der Glaskeramik abhängige
Konstanten (a in Ohm · cm und b in Kelvin). Ti ist die absolute Temperatur
eines jeden differentiellen Widerstands in Kelvin.
Der elektrische Gesamtwiderstand wird durch den kleinsten Widerstand an
der Stelle der höchsten Temperatur der Sensorzonen bestimmt, woraus eine
automatische Anzeige der Maximaltemperatur in der jeweiligen Sensorzone
resultiert. Lokal auftretende hohe Temperaturen bewirken, daß ein oder
mehrere differentielle Widerstände im Verhältnis zu den anderen differentiellen
Widerständen, die in kälteren Zonen liegen, niederohmig werden, so
daß der Gesamtwiderstand eines Sensors nach Gl. 2 sehr klein wird.
Fig. 3 zeigt zur Verdeutlichung schematisch einen Ausschnitt von den gegenüber
liegenden Leiterbahnen 2. Die dazwischen eingegrenzte Glaskeramik
läßt sich als Parallelschaltung vieler temperaturabhängiger
differentieller Widerstände auffassen.
Bei niedrigen Temperaturen besitzt diese Anordnung gemäß den Gln. 2 und 3
einen sehr hohen Widerstand. Bei höheren Temperaturen, beispielsweise den
typischen Temperaturen, die im Leerlauf gemessen werden, nimmt der Widerstand
um mehrere Größenordnungen ab. Ebenso nimmt der Widerstand erheblich
ab, wenn nur in einem kleinen Bereich der Glaskeramik hohe Temperaturen
auftreten, z. B. beim versetzten Topf. Ein Temperaturausgleich zwischen benachbarten
Zonen, die unterschiedliche Temperaturen besitzen, findet aufgrund
der geringen Wärmeleitung bei Glas, Glaskeramik oder ähnlichem
Material mit einem λ von typisch kleiner 2 W/mK kaum statt.
Die Umsetzung der temperaturabhängigen Leitfähigkeitsänderung der Glaskeramik
in ein Meßsignal läßt sich in einem mit Wechselspannung versorgten
Spannungsteiler realisieren, in dem ein Widerstand durch den temperaturabhängigen
Widerstand der Sensorflächen gebildet wird. Die Festwiderstände
des Spannungsteilers müssen, abhängig von der Sensorgeometrie, so gewählt
werden, daß bei Temperaturen, die die zulässige Temperatur/Zeit-Belastung
überschreiten, für die Weiterverarbeitung ausreichende Signaländerungen am
Spannungsteiler abgegriffen werden können. Der Temperaturbereich, in dem
der größte Signalhub auftritt, kann durch Anpassen der Festwiderstände geändert
werden. Die Festwiderstände dienen gleichzeitig der Strombegrenzung.
Die Wechselspannung ist erforderlich, um Polarisationseffekte der Glaskeramik
und die damit verbundene elektrochemische Zersetzung aufgrund der
Ionenwanderung zu vermeiden. Bevorzugt werden für die anliegende Wechselspannung
Frequenzen, die im Bereich zwischen 50 Hz und 1000 Hz liegen.
Fig. 4 zeigt schematisch die Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung,
wobei jeweils ein Spannungsteiler 7 für jeden Temperatursensor dargestellt
ist. Beide Spannungsteiler werden von einer Wechselspannungsquelle
8, hier als Transformator dargestellt, versorgt. Damit ist sichergestellt,
daß die Glaskeramik, hier als temperaturabhängiger Widerstand 9
dargestellt, nicht von Gleichstrom durchflossen wird. Die beiden Festwiderstände
10a und 10b wurden so gewählt, daß eine große Signaländerung
im Bereich von 500 bis 600°C auftritt. Dieser Temperaturbereich ist charakteristisch
für die in der Praxis vorkommenden Oberflächentemperaturen
innerhalb der Kochzonen 1 von Glaskeramikkochfeldern.
Über eine Gleichrichterschaltung wird das am Spannungsteiler anstehende
Wechselspannungssignal A, B gleichrichtet und einer elektronischen
Schaltung zugeführt. Dies sind bevorzugt Operationsverstärker, die als
Komparatoren geschaltet sind. Es können aber auch andere aus der Elektronik
bekannte Schaltungen und Bauelemente, wie µ-Prozessoren oder dergleichen,
verwendet werden.
Die von den Sensoren gelieferten Signale werden in diesen Schaltungen derart
verarbeitet, daß an deren Ausgang ein Signal zur Verfügung steht, mit
dem sich Anzeigen und/oder Warneinrichtungen steuern lassen.
In der Anordnung in Fig. 4b wird das am Spannungsteiler 7 abgegriffene
Signal über eine Gleichrichterschaltung 11 dem einen Eingang eines als
Komparator geschalteten Operationsverstärkers 12 zugeführt. Der Komparator
hat die Aufgabe, das von der Sensoranordnung stammende temperaturabhängige
Signal Ua, Ui mit einem fest eingestellten Spannungswert, der
Schwellenspannung Us in Fig. 4b zu vergleichen. Liegt die Spannung vom
Sensor über der Schwellenspannung, was in der vorliegenden Anordnung bei
verhältnismäßigen niedrigen Temperaturen der Fall wäre, z. B. bei Verwendung
guten Geschirrs, wird der Ausgang des Komparators durchgeschaltet. Dieser ist
über einen Inverter 13 mit der Anzeige bzw. der Warneinrichtung
17 verbunden. Durch Invertieren des vom Komparator kommenden
Signals unterbleibt ein Ansprechen der Warneinrichtung.
Bei Unterschreiten der Schwellenspannung mit zunehmender Temperatur schaltet
der Ausgang des Komparators 12 auf negatives Potential. Durch Invertieren
dieses Signals wird die optische und/oder akustische
Warneinrichtung geschaltet.
Für die Praxis hat dies folgende Auswirkungen:
Bei Verwendung guten Geschirrs bleibt die Oberflächentemperatur der Glaskeramik
sowohl im Außenbereich als auch im Innenbereich unterhalb einer
der Schwellenspannung entsprechenden Temperatur. Die Ausgänge der beiden
Komparatoren besitzen ein positives Potential.
Bei schlechtem Kochgeschirr mit eingezogenem Boden erhitzt sich die Glaskeramik
unter dem Topfboden aufgrund des schlechten Wärmeentzugs im Mittenbereich
der Kochzone wesentlich stärker als im Randbereich, da im
Randbereich die Glaskeramik in Kontakt mit dem Topfboden steht. Demzufolge hat
der Ausgang des dem Mittenbereich zugeordneten Komparators negatives,
der Ausgang des dem Randbereich zugeordneten Komparators positives
Potential. Danach wird eine Überhitzung im Mittenbereich angezeigt.
Bei den ebenfalls möglichen Belastungsfällen "nach außen gewölbter Topfboden",
"versetzter Topf" oder "zu kleiner Topf" erhitzt sich der Randbereich
der Kochzone stärker als der Mittenbereich, so daß sich die oben
beschriebenen Verhältnisse gerade umkehren.
Für den Fall, daß ein Topf leerkocht, steigt die Temperatur der Glaskeramik
im Mitten- und Randbereich stark an. In diesem Fall weisen beide
Komparatorausgänge positives Potential auf. Die Überhitzung der gesamten
Kochzone wird detektiert.
In Fig. 5 sind die Betriebszustände und deren Auswirkung auf die Schaltung
aus den Fig. 4a und 4b tabellarisch zusammengestellt.
Mit den Sensorsignalen läßt sich auf recht einfache Weise, wie in Fig. 6
schematisch dargestellt, eine Logikschaltung 16 realisieren, mit der
eine Topfqualitätserkennung ermöglicht wird. Geeignete Logikschaltungen
können beispielsweise aus NOR- oder NAND-Gattern und/oder µ-Prozessoren
aufgebaut sein.
Ebenso lassen sich die durch Unachtsamkeit und Fehlbedienung hervorgerufenen
Betriebszustände mit einer solchen Logikschaltung detektieren und
dem Benutzer optisch oder akustisch anzeigen (Warneinrichtung 17). Ein Takten der Anzeigen
wird vermieden, wenn beispielsweise über einen Flip-Flop 18 die Betriebszustandsanzeige
gespeichert wird. Beim Ausschalten des Heizelements
können die Betriebszustandsanzeigen über eine geeignete Resetschaltung 19 zurückgesetzt
werden.
Claims (10)
1. Verfahren zum Erkennen und Anzeigen eines anomalen thermischen Belastungszustandes
einer Heizfläche aus Glaskeramik oder einem vergleichbaren
Material, insbesondere einer Glaskeramikkochfläche,
dadurch gekennzeichnet,
daß man mittels mehrerer, voneinander unabhängiger, im Bereich einer
Heizzone angeordneter Temperatursensoren die für einen bestimmten
anomalen thermischen Belastungszustand charakteristische Temperaturverteilung
in der Heizfläche bestimmt und mittels Betriebszustandsanzeigen
und/oder optischer und/oder akustischer Warneinrichtungen
anzeigt.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß man die von den einzelnen Temperatursensoren gelieferten Temperaturmeßsignale
an sich bekannten Komparatorschaltungen zuführt, welche
nur bei Überschreiten einer vorgegebenen Schwellentemperatur aus dem
Temperaturmeßsignal ein Steuersignal für die Anzeige- und Warneinrichtungen
erzeugen.
3. Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß man die von den Komparatorschaltungen erzeugten Signale
Logikschaltungen zuführt, die einer gemessenen Temperaturverteilung
im Heizzonenbereich selbständig einen bestimmten anomalen
thermischen Belastungszustand zuordnen.
4. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß man bei einer Glaskeramikkochfläche die Temperatur im Mitten- und
Randbereich der Kochzone getrennt mißt.
5. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß man als für die Temperatur der Heizfläche relevante Größe in an
sich bekannter Weise den temperaturabhängigen elektrischen Widerstand
des Heizflächenmaterials bestimmt.
6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der
Ansprüche 1 bis 5 bei einem Kochfeld mit Glaskeramikkochfläche,
gekennzeichnet durch
- - wenigstens einen Temperatursensor im Randbereich der Kochzone,
- - wenigstens einen weiteren Temperatursensor im Mittenbereich der
Kochzone,
wobei die Temperatursensoren im Randbereich und im Mittenbereich voneinander unabhängig sind und so angeordnet sind, daß jeweils alle für einen Belastungsfall wesentlichen Stellen in der Kochzone erfaßt sind, - - an sich bekannte elektronische Schaltungen zur Auswertung der Temperaturmeßsignale sowie
- - Betriebszustandsanzeigen und/oder optische und/oder akustische Warneinrichtungen zur Anzeige des mit den Temperatursensoren ermittelten Betriebszustandes.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß die elektronischen Schaltungen an sich bekannte Komparatorschaltungen
sind.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß den Komparatorschaltungen Logikschaltungen nachgeordnet
sind, die einer gemessenen Temperaturverteilung selbständig einen bekannten
anomalen thermischen Belastungszustand zuordnen.
9. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 6 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Temperatursensoren zueinander konzentrische schmale ringförmige
Bereiche in der Kochzone abdecken.
10. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 6 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Temperatursensoren an sich bekannte, in der Heizfläche durch
parallel geführte Leiterbahnen abgegrenzte und kontaktierte Glaskeramiktemperaturmeßwiderstände
sind.
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