DE68920550T2 - Pyroelektrischer Fühlerapparat. - Google Patents

Description

GEBIET DER ERFINDUNG UND STAND DER TECHNIK 1. GEBIET DER ERFINDUNG
• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Verbesserung bei einer pyroelektrischen Fühlvorrichtung, die zum Messen bzw. Fühlen von einem heißen Dampfstrom unter Verwendung eines pyroelektrischen Elements vorgesehen ist.
2. BESCHREIBUNG DES STANDES DER TECHNIK
• Bisher waren die Signalmeßschaltkreise des pyroelektrischen Elements z. B. wie in Fig. 1 gezeigt aufgebaut. Fig. 1 zeigt ein Beispiel eines bekannten Mikrowellenofens, in dem das pyroelektrische Element in einem Schaltkreis verwendet wird, um eine Speise 8 in dem Mikrowellenofen wiederzuerwärmen. Fig. 1 ist eine schematische Schnittdarstellung, die den Aufbau des Mikrowellenofens zeigt, wobei in einem Metallgehäuse 13 des Mikrowellenofens ein Magneton 3 auf einer Heizkammer 2 angebracht ist. Die Heizkammer 2 weist in sich einen Drehtisch 5 zum Aufnehmen einer Speise 8 auf, wobei der Drehtisch durch einen Motor 6 gedreht wird. Ein Gebläse 4', das durch einen Gebläsemotor 4 angetrieben wird, ist vorgesehen zum Ausblasen von Luft, um das Magneton 3 zu kühlen, und die durch das Magneton erhitzte Luft wird in die Heizkammer 2 derartig eingelassen, daß die Oberfläche der Speise 8 effektiv erhitzt wird. Dampf von der erhitzten Speise 8 wird durch ein Abgasrohr 10 nach außen abgegeben, und ein kleiner Teil des Dampfes wird durch ein Einlaßrohr 11 durch die Wirkung des Gebläses 4' eingesaugt. Das Einlaßrohr 11 weist in sich ein pyroelektrisches Element 1 auf, so daß der Teil des Dampfes in der eingesaugten Luft die aktive Oberfläche des an dem Einlaßrohr angebrachten pyroelektrischen Elements berührt. Das pyroelektrische Element weist ein dünnes ferroelektrisches keramisches Material auf einerMetallplatte auf, so daß seine elektrische Oberflächenpolarisation durch eine lokale thermische Änderung aufgrund des Flusses heißen Dampfes auf seiner Oberfläche geändert wird.
• Fig. 2a und Fig. 2b zeigen das Prinzip des Messens von Dampf durch das pyroelektrische Element 1. Das pyroelektrische Element 1 wird hergestellt, indem ein dünner ferroelektrischer Film, der Bleititanat und Zirkonia oder eine ähnliche Keramik als Grundmaterial aufweist, auf einer Metallplatte vorgesehen wird und in einem starken elektrischen Feld behandelt wird, um eine Polarisation auszubilden. In einem stabilen Zustand, wo kein Dampf kommt und die Fühlfläche des pyroelektrischen Elements eine Raumtemperatur (TºC) aufweist, wie in Fig. 2a gezeigt, fließt kein Strom durch ein Amperemeter 15, da die Ladungen auf der polarisierten Oberfläche und die Streuladungen 14 in der Luft eine elektrische Neutralisierung bewirkt. Wenn heißer Dampf von der Speise kommt und mit einer Meßfläche des pyroelektrischen Elements 1 in Kontakt gerät, gibt der heiße Dampf nachfolgende lokale thermische Änderungen ΔTºC zu der Fühlfläche des pyroelektrischen Elements, wie in Fig. 2b gezeigt. Die Fühlfläche des pyroelektrischen Elements 1 kann solchen schnellen Änderungen der lokalen Temperatur nicht folgen, und dementsprechend erfährt die Oberfläche des Elements ein Ungleichgewicht der elektrischen Ladung, wodurch ein Strom aus einer Impulsfolge erzeugt wird. Der Strom wird durch das Amperemeter gemessen, und der Strom wird der pyroelektrische Strom genannt. Gemäß Fig. 3 zeigt eine Prüfung der Frequenzkomponenten der Impulsströme, die durch den pyroelektrischen Sensor erzeugt werden, daß eine Signaländerung von 40dB in einem Niederfrequenzbereich (0 bis 4 Hz-Band) erzeugt wird, wenn vom Kochen erzeugter Dampf den Sensor berührt. Linie A in Fig. 3 zeigt den Sensorausgangswert unter normalen Bedingungen, wohingegen Linie B die Ausgangsspannung zeigt, wenn der Sensor mit Dampf in Kontakt kommt.
• In dem konventionellen Schaltkreisaufbau der pyroelektrischen Meßvorrichtung nach Fig. 4 zum Messen des Signals des pyroelektrischen Elements 1 ist ein Lastwiderstand 16 parallel zu beiden Enden des pyroelektrischen Sensors 1 geschaltet, und durch einen Kopplungsschalter, der aus einem Kopplungskondensator 17 und einem Widerstand 18 besteht, wird das Signal des pyroelektrischen Elements 1 zu einem Tiefpaßfilter 19 und weiter zu einem Verstärker 20 geführt. Das verstärkte Signal wird dann durch eine Diode 21 gleichgerichtet und durch einen Glättungsschaltkreis 22 geglättet. Dann wird der geglättete Ausgangswert zu einem Steuerschaltkreis 12 geführt, der einen Vergleichsschaltkreis 23 zum Vergleichen des Eingangspegels des geglätteten Gleichspannungssignals mit einem Referenzpegel aufweist. Der Ausgang des Steuerschaltkreises 12, der auf dem Ausgang des Vergleichsschaltkreises 23 basiert, wird zu einer zu steuernden Lastmaschine 13 gegeben, so daß, wenn der Eingang zu dem Steuerschaltkreis 12 einen vorbestimmten Pegel überschreitet, ein Unterbrecherschalter aktiviert wird, so daß die Oszillation des Magnetrons gestoppt wird.
• Fig. 5 zeigt ein Zeitdiagramm der von dem Glättungsschaltkreis 22 kommenden Eingangsspannung zu dem Steuerschaltkreis 12, wobei die senkrechten gepunkteten Linien A ursprüngliche Ausgangsimpulse des pyroelektrischen Sensors 1 und eine feste Linienkurve B den Ausgang des Glättungsschaltkreises 22 zeigt. Der konventionelle Mikrowellenofen ist derartig aufgebaut, daß der Steuerschaltkreis 12 die Oszillation des Magnetrons 3 stoppt, wenn der Ausgangssignalpegel des Glättungsschaltkreises 22 den vorbestimmten Referenzpegel 23 überschreitet, so daß eine Überhitzung der Nahrung vermieden wird.
• Die obengenannte konventionelle Vorrichtung hat jedoch ein Problem dahingehend, daß ein starker mechanischer Schock, wie er zum Beispiel durch Schließen einer Tür des Mikrowellenofens erzeugt wird, oft bewirkt, daß das pyroelektrische Element 1 einen starken elektrischen Impuls erzeugt, der durch eine mechanische Spannung des pyroelektrischen Elements hervorgerufen wird, wie in Fig. 6 gezeigt, wobei ein Impuls C dem Auftreten des Türschocks entspricht. Ein derartiger starker elektrischer Impuls in dem Ausgang wird unzweifelhaft bewirken, daß der Steuerschaltkreis den lastunterbrechenden Schalter betätigt und irrtümlicherweise die Oszillation des Magnetrons stoppt. Das heißt, der Schaltkreis des konventionellen pyroelektrischen Sensors hat ein Problem eines fehlerhaften Betriebs bei mechanischem Schock.
• Die EP-A-0 198 430 zeigt eine Heizvorrichtung, in der ein Sensor einer piezoelektrischen Einrichtung in einem Abgasdurchgang zum Messen einer Wärmebedingung eines Objektes wie z. B. einer Speise in einer Mikrowellenheizkammer vorgesehen ist. Das Ausgangssignal von dem Sensor der piezoelektrischen Einrichtung wird derartig verarbeitet, daß nur gewisse Frequenzkomponenten niedriger als diejenige einer kommerziellen Wechselstromversorgung verstärkt und dann mit dem Grenzwert verglichen werden.
AUFGABE UND ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
• Um das obengenannte Problem des Fehlbetriebs als Dampfmeßelement zu lösen, hat die pyroelektrische Fühlvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung einen verbesserten Aufbau. Die pyroelektrische Fühlvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 definiert. Die Merkmale des Oberbegriffs des Anspruchs 1 entsprechen dem Stand der Technik, der in den Figuren 1 bis 5 gezeigt ist und der bereits oben beschrieben wurde.
• Die pyroelektrische Meßvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung kann aufgrund eines hohen Signal-zu- Rausch-Verhältnisses eine genaue und zuverlässige Signalmessung durchführen, da verhindert wird, daß Rauschausgangssignale von kurzer Breite, die durch einen mechanischen Schock oder elektrischen Schock erzeugt werden, das Laststopp-Signal erzeugen, indem die Eigenschaften des pyroelektrischen Meßsignals von Dampf mit niedrigen Frequenzkomponenten vorteilhaft genutzt werden.
• Weiterhin ermöglicht die pyroelektrische Meßvorrichtung der vorliegenden Erfindung eine genaue Messung von Dampf ohne irgendeine Verzögerung, die bei dem konventionellen analogen Schaltkreis unter Verwendung des Kondensatorglättungsschaltkreises vorhanden war. Somit ist eine sehr schnelle Erzeugung des Laststoppsignals aufgrund der Verwendung des Digitalschaltkreises möglich.
• Durch den obengenannten Aufbau gibt die pyroelektrische Kühlvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ein Ausgangssignal nur bei einer Messung von Dampf aus, wobei Rauschen aufgrund mechanischen Schocks, der auf die Meßvorrichtung eingegeben wird, abgetrennt wird.
• Während die neuen Merkmale der Erfindung insbesondere in den beiliegenden Ansprüchen beschrieben werden, wird die Erfindung sowohl in ihrem Aufbau als auch in ihrem Inhalt besser verstanden werden zusammen mit anderen Zielen und Merkmalen aus der folgenden detaillierten Beschreibung im Zusammenhang mit den Zeichnungen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
• Fig. 1 ist eine schematische Längsansicht, die einen Aufbau eines bekannten elektrischen Ofens zeigt, in dem die pyroelektrische Meßvorrichtung sowohl der konventionellen als auch der vorliegenden Erfindung vorgesehen sind.
• Fig. 2a und 2b zeigen schematische Schaltkreisdiagramme zum Erklären des Betriebsprinzips des pyroelektrischen Fühlelements.
• Fig. 3 ist ein Frequenzspektrumdiagramm, das Frequenzkomponenten von elektrischen Ausgangswerten eines pyroelektrischen Elements in Kontakt mit Dampf zeigt.
• Fig. 4 ist ein Schaltkreisdiagramm der konventionellen pyroelektrischen Meßvorrichtung.
• Fig. 5 ist ein Zeitdiagramm einer geglätteten Ausgangsspannung eines pyroelektrischen Elements bei gewöhnlichem Betrieb.
• Fig. 6 ist ein Zeitdiagramm einer geglätteten Ausgangsspannung eines pyroelektrischen Elements bei Beaufschlagung mit einem mechanischen Schock.
• Fig. 7 ist ein Schaltkreisdiagramm einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
• Die Figuren 8a, 8b und 8c sind Wellenformen von Ausgangssignalen der geglätteten pyroelektrischen Elemente in verschiedenen Zuständen.
• Fig. 9 ist ein Zeitdiagramm von Signalen von verschiedenen Teilen des Schaltkreises von Fig. 7.
• Fig. 10 ist ein Flußdiagramm, das einen Algorithmus des Steuerteils 12 des Schaltkreises von Fig. 7 zeigt.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
• Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird mit Bezug auf Fig. 7 und die folgenden Figuren beschrieben. Fig. 7 ist ein Schaltkreisdiagramm der bevorzugten Ausführungsform, in der ein Lastwiderstand 16 parallel über beide Enden des pyroelektrischen Sensors 1 geschaltet ist, und durch einen Kopplungsschaltkreis, der aus einem Kopplungskondensator 17 und einem Widerstand 18 besteht, wird das Signal des pyroelektrischen Elementes 1 zu einem Tiefpaßfilter 19 und weiter zu einem Verstärker 20 geführt. Der verstärkte Ausgang des Verstärkers 20 wird durch eine Diode 21 gleichgerichtet und zu einem Lastwiderstand 25 ohne Glättung durch einen Glättungsschaltkreis weitergegeben. Ein Strom einer kommerziellen Versorgungsquelle 26 wird über einen Transformator 27 zu einem Impulsgenerator 28 geführt, der einen Taktimpulszug erzeugt, der synchron ist mit dem Strom aus der kommerziellen Leitungsquelle. Der Steuerschaltkreis 12 weist auf: einen A-D-Umwandler zum Umwandeln der Zeiten und Pegel der Impulse des Eingangssignals von einer Gleichrichterdiode 21 zu dem Steuerteil 12 in Digitalsignale; eine Signalbreitenmeßeinrichtung 30 zum Messen einer Zeitdauer von aufeinanderfolgenden Impulsen von Pegeln oberhalb eines vorbestimmten Referenzpegels und Ausgeben eines Digitalausgangssignals entsprechend der Zeitdauer von au feinander folgenden Impulsen (Breite des Eingangsimpulses); und einen Komparator 31, der die digitalen Impulsbreitendaten der Signalbreitenmeßeinrichtung 30 mit vorbestimmten Referenzbreitendaten vergleicht.
• Als nächstes wird ein Prinzip des Betriebs der Ausführungsform von Fig. 7 mit Bezug auf die in den Figuren 8a, 8b und 8c gezeigten Zeitdiagrammen beschrieben. Unter dem Ausgangssignal des pyroelektrischen Elementes 1 sind im wesentlichen drei Arten von Ausgangssignalen, nämlich ein durch einen mechanischen Schock, wie z. B. dem Öffnen oder Schliessen des Mikrowellenofens, erzeugter Ausgangswert, wie durch Bezugszeichen 32 von Fig. 8a gezeigt, ein anderer Ausgangswert, der erzeugt wird durch Herausziehen eines elektrischen Steckers aus einer Steckdose, die mit dem Mikrowellenofen eine gemeinsame Versorgungsleitung hat, wie er durch Bezugszeichen 33 in Fig. 8b gezeigt wird, und ein weiterer Ausgangswert, der erzeugt wird, indem der Dampf zu der Fühlfläche des pyroelektrischen Sensors gelangt, wie durch Bezugszeichen 34 in Fig. 8c gezeigt. Die Linien 24 in den Figuren 8a, 8b und 8c zeigen Referenzpegel. Durch Vergleichen dieser drei Arten von Ausgangswerten wird festgestellt, daß der letzte Ausgangswert, der durch den Dampf erzeugt wird, in seiner Impulsbreite sich stark von den anderen beiden Arten von Ausgangswerten unterscheidet. Das heißt, der durch den Dampf erzeugte Ausgangswert hat eine große Breite von etwa 500 Millisekunden oder länger, während die durch den mechanischen Schock erzeugten elektrischen Rauschsignale nur etwa 20 Millisekunden Breite und die durch Herausziehen des elektrischen Steckers erzeugten elektrischen Rauschsignale etwa 50 Millisekunden Breite haben.
• Dementsprechend wird der obengenannte Unterschied des elektrischen Ausgangswertes dazu verwendet, das durch Dampf erzeugte Signal auszuwählen und ein laststeuerndes Signal in dem Schaltkreis von Fig. 7 zu erzeugen.
• Der Betrieb des Schaltkreises der Ausführungsform von Fig. 7 wird mit Bezug auf die elektrischen Wellenformen, die in Fig. 9 gezeigt sind, zusammen mit dem Steuerflußdiagramm von Fig. 10 beschrieben.
• Das Ausgangssignal 34 aus Fig. 8c von dem pyroelektrischen Element 1 wird durch den A-D-Umwandler 29 bei in der Wellenform SP von Fig. 9 gezeigten Sammlungszeiten ts unter Verwendung von Taktimpulsen 36 in der Wellenform CL von Fig. 9 gemessen. Und der digitalgewandelte Ausgang des A-D-Umwandlers 29 wird durch die Signalbreitenmeßeinrichtung 30 in dem Steuerteil 12 von Fig. 7 überprüft, wobei geprüft wird, daß, wenn Signale oberhalb eines vorbestimmten Pegels 24 viermal oder öfter von Sammlungszeiten gemessen werden, "ein Zählsignal" zu dem Komparator 31 eingegeben wird. Die Sammlungszeiten ts von 37 in der Wellenform SP von Fig. 9 werden bei jeder fallenden Flanke des Synchronisationssignals 36, das aus dem Strom 35 einer herkömmlichen Leistungsquelle in der Wellenform AC von Fig. 9 (Schritt 37) erzeugt wird, ausgegeben. Ein Ausgangspegel des Signals von dem Gleichrichter 21 zu dem A-D-Umwandler wird gemessen (Schritt 38). Als nächstes wird der gemessene Ausgangspegel mit einem Referenzpegel verglichen und es wird geprüft, ob er oberhalb eines vorbestimmten Pegels liegt (38'). Danach wird, wenn der Ausgangspegel oberhalb des vorbestimmten Pegels liegt, die Länge oder Zeitdauer der Fortsetzung des Ausgangswertes dahingehend untersucht, ob die Länge vier Sammlungszeiten (4 ts) oder länger andauert (Schritt 39). Und wenn die Zeit des Fortdauerns vier Sammlungszeiten oder länger ist, führt der Zähler in dem Komparator 31 des Steuerteils 12 eine Zählung durch (Schritt 40). Und der gezählte Wert wird dahingehend untersucht, ob er gleich einem vorbestimmten Zählwert (z. B. 10 Zähleinheiten, die einer Zeitdauer von etwa 500 Millisekunden entsprechen) ist oder nicht (Schritt 41). Wenn der gezählte Wert den vorbestimmten Zählwert erreicht, wird ein Laststoppsignal ausgegeben (Schritt 42). Mit anderen Worten, wenn das Eingangssignal zu dem Steuerteil 12 kürzer ist als die vorbestimmte Zeitdauer von 4 ts, wie durch Bezugszeichen 43 oder 44 in der Wellenform PE von Fig. 9 gezeigt, zählt der Zähler in dem Komparator 31 nicht, und somit gibt der Komparator 31 des Steuerteils 12 nicht länger das Laststoppsignal aus.
• Neben der obengenannten Ausführungsform, in der das Laststoppsignal erzeugt wird, wenn der Ausgangswert von dem pyroelektrischen Element länger andauert als eine vorbestimmte Zeitdauer, z. B. vier Sammlungszeiten oder mehr, sind andere modifizierte Arten des Überprüfens des Ausgangswertes des pyroelektrischen Elementes möglich. Bei einer solchen modifizierten Weise wird das Ausgangssignal oberhalb eines vorbestimmten Pegels (Spannung) ausgewählt und eine Zeitdauer der Fortsetzung des gewählten Ausgangswertes, der oberhalb des Referenzpegels liegt, wird mittels einer Zeiteinrichtung oder dergleichen untersucht.

Claims (3)

1. Eine pyroelektrische Fühlvorrichtung, die aufweist: ein pyroelektrisches Element (1), das eine Folge von Impulsen ausgibt, wenn Dampf seine Fühl- bzw. Meßfläche berührt,

eine Tiefpaßfiltereinrichtung (19) zum Filtern eines ausgewählten Modus einer Folge von Impulsen, und eine Detektiereinrichtung (29) zum Detektieren bzw. Wahrnehmen gefilterter Impulse, die oberhalb eines vorbestimmten Pegels (24) liegen,

dadurch gekennzeichnet, daß

die Detektiereinrichtung (29) dazu vorgesehen ist, die gefilterten Impulse durch Sammeln mit vorbestimmten Sammlungszeiten zu detektieren bzw. wahrzunehmen,

eine Folgenzeitdauerdetektiereinrichtung (30) vorgesehen ist zum Messen bzw. Detektieren einer Zeitdauer bzw. Periode zwischen aufeindanderfolgenden Impulsen, die von der Detektiereinrichtung (29) als oberhalb des vorbestimmten Pegels liegend detektiert worden sind, und

eine Vergleichseinrichtung (31) vorgesehen ist zum Vergleichen einer von der Folgenzeitdauerdetektiereinrichtung detektierten Zeitdauer bzw. Periode mit einer vorbestimmten Referenzzeitdauer und Ausgeben eines Steuerausgangssignals, wenn die detektierte Zeitdauer länger als die Referenzzeitdauer ist.

2. Eine pyroelektrische Meß- bzw. Fühlvorrichtung nach Anspruch 1, wobei

die vorbestimmte Sammelzeit durch Taktimpulse (36) definiert ist, die von einem Wechselstrom einer herkömmlichen Leistungsquelle (26) erzeugt worden sind.

3. Eine pyroelektrische Meß- bzw. Fühlvorrichtung nach Anspruch 1, wobei

die vorbestimmte Referenzzeitdauer im wesentlichen 500 msec ist.