DD225828A1

DD225828A1 - DRY PROTECTION FOR ELECTRONICALLY CONTROLLED LIQUID HEATERS

Info

Publication number: DD225828A1
Application number: DD25910284A
Authority: DD
Inventors: Reiner Weissbach; Dieter Benedikt
Original assignee: Soernewitz Elektrowaerme Veb
Priority date: 1984-01-02
Filing date: 1984-01-02
Publication date: 1985-08-07

Abstract

Trockengeh-Schutzschaltung fuer elektronisch geregelte Fluessigkeitsheizgeraete mit dem Ziel, bei einfacher Schaltungsstruktur die Verzoegerungszeit beim Ansprechen auf ein Minimum zu senken. Es wird die Aufgabe geloest, die Zerstoerung oder Beschaedigung der Geraete bei Trockenlauf zu verhindern, indem durch Auswertung der Aenderungsgeschwindigkeit der Temperatur eine hinreichend niedrige Abschalttemperatur erzielt wird. Die Loesung erfolgt mittels eines Thermistors als Temperaturfuehler und einem angeschlossenen Differenzierglied, an dessen Ausgang eine Diode und parallel dazu ein Komparator geschaltet sind. Der Komparator vergleicht das Ausgangspotential des Differenzierglieds mit einer Referenzspannung und wirkt auf ein mit dem Heizstromkreis verbundenes Stellglied. Die Diode dient der Reduzierung von Verzoegerungszeiten beim Ansprechen des Differenziergliedes. Die Anwendung der Erfindung erfolgt in Kochendwasserbereitern, Heisswasserspeichern, Fluessigkeitsheizkoerpern mit elektrischer Heizung, Kaffee- und Teeautomaten und aehnlichen Geraeten. FigurDry-out protection circuit for electronically controlled liquid heating appliances with the aim to reduce the delay time when responding to a minimum with a simple circuit structure. It is the task solved to prevent the destruction or damage to the devices during dry running by a sufficiently low shutdown temperature is achieved by evaluating the rate of change of the temperature. The solution is carried out by means of a thermistor as Temperaturfuehler and a connected differentiator, at the output of a diode and parallel to a comparator are connected. The comparator compares the output potential of the differentiating element with a reference voltage and acts on an actuator connected to the heating circuit. The diode is used to reduce Verzoegerungszeiten when addressing the differentiating. The application of the invention takes place in boiling water heaters, hot water storage, Fluessigkeitsheizkoerpern with electric heating, coffee and tea machines and similar devices. figure

Description

Field of application of the invention

Die Erfindung betrifft das Gebiet der elektrischen Heizung, insbesondere das Gebiet der Bereitung heißer Flüssigkeiten. Die Anwendung der Erfindung kann in Kochendwasserbereitern, Heißwasserspeichern, Flüssigkeitsheizkörpern, Kaffee-und Teeautomaten und ähnlichen Geräten erfolgen.The invention relates to the field of electric heating, in particular the field of preparation of hot liquids. The application of the invention can be made in boilers, hot water storage, liquid radiators, coffee and tea machines and similar devices.

Characteristic of the known technical solutions

Es sind Lösungen bekannt, die den Trockenlauf von Flüssigkeitsheizgeräten verhindern. Dahingehend wurden bisher zwei Wege beschritten. Einmal erfolgt eine Begrenzung der an einer geeigneten Stelle des Heizgerätes auftretenden Temperatur auf einen Maximalwert. Die dazu gebräuchlichen Mittel sind Auslöseübertemperatursicherungen, Bi-Metallschalter oder elektronische Begrenzer, die bei Erreichen der Maximaltemperatur die Stromzufuhr zur Heizeinrichtung unterbrechen. Nachteilig an diesem Prinzip ist, das sowohl die Heizeinrichtung als auch zur Wärmespeicherung geeignete Elemente der Geräte an sich zu einer Nachheizung neigen können, die dann zu einer Zerstörung oder Beschädigung von Materialien führt, die nur begrenzt hitzeresistent sind. Solche Materialien werden aber gerade für Dichtungen und Isolationen eingesetzt. Zweitens wird ein Trockenlauf der Heizung dadurch vermieden, daß Einschaltsperren vorgesehen werden, die auf das NichtVorhandensein des zu erwärmenden Mediums ansprechen. Dazu dienen Schwimmer, die mit Schaltern gekoppelt sind, oder, falls es sich um Medien handelt, die elektrisch leitfähig sind. Elektroden, die in das Medium eintauchen. Der Nachteil dieser Variante besteht in einem hohen, weil zusätzlichen, gerätetechnischen Aufwand. Unreinheiten der zu erwärmenden Medien wirken sich auf die Funktionssicherheit aus, indem einerseits die veränderte Dichte den Auftrieb des Schwimmers und andererseits der veränderte Leitwert die Schwellenspannung zwischen den Elektroden beeinflussen. Ein weiteres Prinzip einer Trockengeh-Schutzschaltung ist in dem DD-WP ... (Patentanmeldung WP H 02 H/2429045) beschrieben. Eine elektronische Schaltungsanordnung wertet die Änderungsgeschwindigkeit der Temperatur aus, die an dem Heizelement auftritt. Es wird ein Thermistor verwendet, der in eine Widerstandsbrücke geschaltet ist und in gutem Wärmekontakt mit dem Heizelement steht. Bei Änderung der Temperatur des Heizelements ändert sich der Spannungsabfall über dem Thermistor. Die Änderung des Spannungsabfalls am Thermistor wird mittels eines Differenziergliedes in einen zweiten Spannungsabfall umgesetzt, dereinem Komparator zugeführt wird, der außerdeman eine Referenzspannungsquelle angeschlossen ist. Bei schneller Änderung des Spannungsabfalls über dem Thermistor, die auf einen schnellen Temperaturanstieg zurückzuführen ist, erreicht der Spannungsabfall am Differenziergiied den Wert der Referenzspannung und der Komparator kippt. Der Ausgang des Komparators beeinflußt das Stellglied für das Heizelement, woraufhin der Stromfluß durch das Heizelement unterbrochen wird. Die an den Komparator gelegte Referenzspannung und/oder die Dimensionierung des Differenziergliedes gestatten, auftretende Nachheizung zu berücksichtigen, indem die praktische Abschalttemperatur entsprechend niedrig festgelegt wird.There are known solutions that prevent the dry running of liquid heaters. To this end, two paths have been taken so far. Once there is a limitation of the occurring at a suitable location of the heater temperature to a maximum value. The means used for this are tripping over-temperature fuses, bi-metal switches or electronic limiters, which interrupt the power supply to the heating device when the maximum temperature is reached. A disadvantage of this principle is that both the heater and suitable for heat storage elements of the devices can tend to afterheating, which then leads to destruction or damage of materials that are only limited heat resistance. However, such materials are currently used for seals and insulation. Second, dry running of the heater is avoided by providing switch-on barriers that respond to the absence of the medium to be heated. These are floats, which are coupled with switches, or, in the case of media, which are electrically conductive. Electrodes that dip into the medium. The disadvantage of this variant is a high, because additional, equipment technical effort. Impurities in the media to be heated have an effect on functional reliability, on the one hand because the changed density influences the buoyancy of the float and, on the other hand, the changed conductance influences the threshold voltage between the electrodes. Another principle of a dry-circuit protection circuit is described in the DD-WP ... (Patent Application WP H 02 H / 2429045). Electronic circuitry evaluates the rate of change of temperature that occurs at the heating element. A thermistor is used which is connected in a resistance bridge and in good thermal contact with the heating element. As the temperature of the heating element changes, the voltage drop across the thermistor changes. The change in the voltage drop across the thermistor is converted by means of a differentiator into a second voltage drop which is fed to a comparator which is also connected to a reference voltage source. With rapid change in the voltage drop across the thermistor due to a rapid increase in temperature, the voltage drop across the differentiator reaches the value of the reference voltage and the comparator tilts. The output of the comparator affects the actuator for the heating element, whereupon the current flow through the heating element is interrupted. The reference voltage applied to the comparator and / or the dimensioning of the differentiating element allow to consider occurring after-heating by setting the practical switch-off temperature correspondingly low.

Der Nachteil der beschriebenen Trockengeh-Schutzschaltung besteht darin, daß im Falle eines Trockenganges nach Ablassen von kalter Flüssigkeit unzulässig große Verzögerungszeiten hinsichtlich des Ansprechens der Schaltungsanordnung auftreten. Die Verzögerungszeiten beruhen auf derTrägheitdes Differenziergliedes, das aus einer Widerstands-Kondensator-Kombination besteht.The disadvantage of the dry-running protection circuit described is that, in the case of a drying path after discharge of cold liquid, inadmissibly large delay times with regard to the response of the circuit arrangement occur. The delay times are based on the inertia of the differentiator consisting of a resistor-capacitor combination.

Object of the invention

Die Erfindung bezweckt, unter Beibehaltung der einfachen Schaltungsstruktur die Verzögerungszeit beim Ansprechen einer Trockengeh-Schutzschaltung auf ein Minimum zu senken.The invention aims to minimize the delay time in response to a dry-circuit protection while maintaining the simple circuit structure.

Darlegung des Wesens der Erfindung — -Presentation of the essence of the invention - -

Es ist Aufgabe der Erfindung, Flüssigkeitsheizgeräte vor Beschädigung oder Zerstörung bei Trockenlauf zu schützen, indem durch Auswertung der Änderung der Temperatur in der Zeit eine hinreichend niedrige Abschalttemperatur der Heizung in jedem Fall, insbesondere bei Trockenlauf nach Ablassen kalter Flüssigkeit erzielt wird. Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit einer Trockengeh-Schutzschaltung, die neben einem temperaturabhängigen Widerstand ein dazu in Reihe geschaltetes Differenzierglied, das vorzugsweise aus einem Kondensator und einem ohmschen Widerstand besteht, und einen an das Differenzierglied angeschlossenen Komparator, der mit einem auf das Heizelement wirkenden Steilglied verbunden ist, sowie eine Diode enthält, die parallel zu dem Komparatoreingang an den Ausgang des Differenziergliedes angeschlossen ist.It is an object of the invention to protect liquid heaters from damage or destruction during dry running by a sufficiently low shutdown temperature of the heater in each case, especially in dry running after draining cold liquid is achieved by evaluating the change in temperature. The object is achieved according to the invention with a Trockengeh-protection circuit, which in addition to a temperature-dependent resistor to a series-connected differentiating element, which preferably consists of a capacitor and a resistor, and a comparator connected to the comparator, which acts with a force acting on the heating element Steep member is connected, and a diode includes, which is connected in parallel to the comparator input to the output of the differentiating.

Ausgeschaltet wird die Erfindung dadurch, daß die Diode in Sperrichtung und gegen Massepotential geschaltet ist. Der Komparator verfügt über zwei Eingänge. Der erste ist mit dem Ausgang des Differenziergliedes und der Diode, der zweite mit einer Referenzspannungsquelle verbunden.The invention is turned off in that the diode is connected in the reverse direction and against ground potential. The comparator has two inputs. The first is connected to the output of the differentiator and the diode, the second to a reference voltage source.

Als temperaturabhängiger Widerstand dient vorzugsweise der gleiche, der die Meßstelle für die eigentliche Regelung der Heizung realisiert, so daß die Trockengeh-Schutzschaltung vorteilhafterweise der Regelschaltung parallel geschaltet ist. Das findet seinen Ausdruck auch darin, daß der Komparatorausgang und der Ausgang der Regelelektronik mittels einer Wired-OR-Verknüpfung auf das Stellglied geführt sind. Als Stellglied kommen Relais, Thyristor, Triac usw. in Frage. Es ist jedoch möglich, die Trockengeh-Schutzschaltung vöilig unabhängig von der Regelschaltung auszuführen. Wesentlich ist allerdings, daß der temperaturabhängige Widerstand guten Wärmekontakt zu dem Heizelement hat, wobei der Widerstand sowohl positive als auch negative Temperaturcharakteristik aufweisen kann.As a temperature-dependent resistor is preferably the same, which realizes the measuring point for the actual control of the heating, so that the Trockengeh protection circuit advantageously the control circuit is connected in parallel. This finds its expression in the fact that the comparator output and the output of the control electronics are guided by means of a wired-OR connection to the actuator. As actuator come relay, thyristor, triac, etc. in question. However, it is possible to execute the dry-out protection circuit completely independently of the control circuit. It is essential, however, that the temperature-dependent resistor has good thermal contact with the heating element, wherein the resistor may have both positive and negative temperature characteristics.

-J- 4.ΌΖ) 1U£ I -J- 4.ΌΖ) 1U £ I

Wird die in dem Heizgerät befindliche Flüssigkeit erwärmt, ändert sich der Widerstandswert des temperaturabhängigen Widerstands und damit der Wert der abfallenden Spannung langsam. Der differenzierte Spannungswert erreicht den Wert der Referenzspannung nicht. Wird die erhitzte Flüssigkeit entnommen und dafür kalte Flüssigkeit aufgefüllt, nimmt der temperaturabhängige Widerstand schnell seinen Ausgangswert an. Dabei wird das Ausgangspotential des Differenziergliedes wegen des Entladevorganges am Kondensator auf einen negativen Wert umgepolt. Tritt nun der Fall ein, daß die kalte Flüssigkeit abgelassen und das Gerät dennoch in Betrieb genommen wird, kommt es zum Trockenlauf. Dadurch wird der Kondensator des Differenziergliedes schnell aufgeladen, das Ausgangspotential des Differenziergliedes wird positiv. Auf Grund des schnellen Aufladens ist die differenzierte Spannung groß genug, um den Wert der Referenzspannung zu erreichen, so daß der Komparator schaltet und das Stellglied auslöst, woraufhin der Stromfluß durch das Heizelement unterbrochen wirdWhen the liquid in the heater is heated, the resistance value of the temperature dependent resistor and thus the value of the decreasing voltage changes slowly. The differentiated voltage value does not reach the value of the reference voltage. If the heated liquid is removed and filled with cold liquid, the temperature-dependent resistance quickly assumes its initial value. In this case, the output potential of the differentiating element is reversed because of the discharge process on the capacitor to a negative value. If it happens that the cold liquid is drained and the device is still put into operation, it will run dry. As a result, the capacitor of the differentiating is quickly charged, the output potential of the differentiating becomes positive. Due to the rapid charging, the differentiated voltage is high enough to reach the value of the reference voltage, so that the comparator switches and triggers the actuator, whereupon the current flow through the heating element is interrupted

Mittels der an den Ausgang des Differenziergliedes geschalteten Diode wird das negative Ausgangspotential des Differenziergliedes auf den Wert der Diodenflußspannung begrenzt und dadurch die Umpolverzögerung auf einen Wert reduziert, der keinen Einfluß auf die Nachheiztemperatur ausübt. By means of the diode connected to the output of the differentiating element, the negative output potential of the differentiating element is limited to the value of the Diodenflußspannung and thereby reduces Umpolverzögerung to a value which exerts no influence on the Nachheiztemperatur.

Wegen der Begrenzung des negativen Ausgangspotentials auf den Wert der Diodenflußspannung ist es vorteilhaft, eine Diode mit möglichst geringer Flußspannung einzusetzen, um den Vorteil der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zu maximieren.Because of the limitation of the negative output potential on the value of the diode voltage, it is advantageous to use a diode with the lowest possible forward voltage in order to maximize the advantage of the circuit arrangement according to the invention.

Ausführungsbeispielembodiment

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand einer Zeichnung eingehend erläutert. Die Zeichnung zeigtA preferred embodiment of the invention will be explained in detail below with reference to a drawing. The drawing shows

das Prinzip der Regel- und derTrockengeh-Schutzschaltung eines Kochendwasserbereitersthe principle of the regulating and drying protection circuit of a water heater

Ein Thermistor R1 ist mit ohmschen Widerständen R2, R3 und R4zu einer Brücke geschaltet. Die Betriebsspannung ist an den Thermistor R1 und den ohmschen Widerstand R3 angeschlossen. Die Brückenspannung wird zwischen dem Thermistor R1 und dem ohmschen Widerstand R2 einerseits und den ohmschen Widerständen R3 und R4 abgegriffenA thermistor R1 is connected to ohmic resistors R2, R3 and R4 in a bridge. The operating voltage is connected to the thermistor R1 and the resistor R3. The bridge voltage is tapped between the thermistor R1 and the ohmic resistor R2 on the one hand and the ohmic resistors R3 and R4

Die Abgriffe der Brückenspannung sind mit einem ersten Komparator K1 verbunden, dessen Ausgang auf ein Stellglied S geführt ist. Das Stellglied S ist mittels eines Relais realisiert. Der Arbeitskreis des Relais S ist in den Heizstromkreis geschaltet. Da der Thermistor R1 im Wärkekontakt zu dem nicht dargestellten Heizelement steht, ist damit der Heizstromkreis geschlossen, der die Temperatur des Heizelements einstellt. Der zwischen dem Thermistor R1 und dem ohmschen Widerstand R2 liegende Abgriff der Brückenspannung ist weiterhin auf ein Differenzierglied DG geführt, das aus der Verschaltung eines Kondensators C und eines ohmschen Widerstands R5 besteht. Der Ausgang des Differenziergliedes DG ist mit einem ersten Eingang eines zweiten Komparators K2 und der Katode einer Diode D verbunden. Der zweite Eingang des zweiten Komparators K2 ist an eine Referenzspannungsquelle UR angeschlossen, die Anode der Diode D liegt auf Bezugspotential. The taps of the bridge voltage are connected to a first comparator K1 whose output is fed to an actuator S. The actuator S is realized by means of a relay. The working group of the relay S is connected in the heating circuit. Since the thermistor R1 is in heat contact with the heating element, not shown, so that the heating circuit is closed, which adjusts the temperature of the heating element. The lying between the thermistor R1 and the resistor R2 tap the bridge voltage is further passed to a differentiating DG, which consists of the interconnection of a capacitor C and an ohmic resistor R5. The output of the differentiating element DG is connected to a first input of a second comparator K2 and the cathode of a diode D. The second input of the second comparator K2 is connected to a reference voltage source UR, the anode of the diode D is at reference potential.

Der Ausgang des zweiten Komparators K2 ist mit dem Ausgang des ersten Komparators K1 gekoppelt und somit ebenfalls an das Relais 8 geschaltet. Dadurch ist ein zweiter Regelkreis entstanden, der die Änderungsgeschwindigkeit der Temperatur auswertet und als Trockengeh-Schutzschaltung eingesetzt ist.The output of the second comparator K2 is coupled to the output of the first comparator K1 and thus also connected to the relay 8. As a result, a second control loop has arisen, which evaluates the rate of change of the temperature and is used as a dry-circuit protection circuit.

Der Heizungsregelkreis benutzt die Verstimmung der Brückenspannung bei Änderung der Temperatur, die durch die Veränderung des Widerstandswertes des Thermistors R1 entsteht und den Komparator K1 ansteuert, der bei gleichem Potential an beiden Eingängen des Relais 8 schaltet, so daß der Heizstromkreis unterbrochen wird. Die Trockengeh-Schutzschaltung wertet den Spannungsabfall über dem Thermistor R1 innerhalb der Brücke aus. Die zeitliche Änderung dieses Spannungsabfalls, Sie proportional der zeitlichen Änderung der Temperatur des Heizelements ist, wird mittels des Differenzierglieds DG in einen Spannungsverlauf umgewandelt. Dieser Spannungsveriauf wird durch den Komparator K2 mit einem Referenzspannungswert Ur verglichen. Erreicht die Spannung am Ausgang des Differenzierglieds DG den Wert der Referenzspannung U_R, schaltet der Komparator K2 das Relais, so daß auch bei einer großen Änderungsgeschwindigkeit der Temperatur der Heißstromkreis unterbrochen wird. Große Änderungsgeschwindigkeiten der Temperatur treten auf, wenn das Gerät aufgeheizt wird, ohne daß Wasser vorhanden ist.The heating control circuit uses the detuning of the bridge voltage when the temperature changes due to the change in the resistance of the thermistor R1 and drives the comparator K1, which switches at the same potential at both inputs of the relay 8, so that the heating circuit is interrupted. The dry-out protection circuit evaluates the voltage drop across the thermistor R1 within the bridge. The temporal change of this voltage drop, which is proportional to the temporal change of the temperature of the heating element is converted by means of the differentiating DG in a voltage waveform. This Spannungsveriauf is compared by the comparator K2 with a reference voltage value Ur. When the voltage at the output of the differentiator DG reaches the value of the reference voltage U _R , the comparator K2 switches the relay, so that the hot circuit is interrupted even at a large rate of change of the temperature. High rates of change of temperature occur when the device is heated without water being present.

Enthält der Kochendwasserbereiter kochendes Wasser, ist der Thermistor R1 niederohmig und der Kondensator C des Differenziergliedes DG auf annähernd den Wert der Betriebsspannung U₈ aufgeladen. Wird das kochende Wasser abgelassen und dafür kaltes Wasser aufgefüllt, erhöht sich der Widerstandswert des Thermistors R1 rasch. Der Kondensator C entlädt sich langsam, wobei die Spannung am Ausgang des Differenziergliedes DG negativ wird. Wird auch das kalte Wasser abgelassen, das Gerät aber in Betrieb genommen, kommt es zum Trockenlauf, wobei der Kondensator C schnell aufgeladen wird. Die Ausgangsspannung des Differenzierglieds DG erreicht einen großen positiven Wert, der bei Erreichen des Wertes der Referenzspannung U_R den Komparator K2 kippen läßt. Um die Zeit für die am Ausgang des Differenziergliedes DG auftretenden Umpolvorgänge, die auf Laden und Entladen des Kondensators C beruhen und zu einem unzulässig hohen Anstieg der Nachheiztemperatur führen können, zu verkürzen, wird parallel zum Ausgang des Differenziergliedes DG die Diode D verwendet. Durch die Diode D wird die negative Entladespannung des Kondensators C am Ausgang des Differenziergliedes DG auf den Wert der Flußspannung der Diode D begrenzt. Die Diodenflußspannung aber ist so gering, daß die Entladezeit vernachlässigbar kurz und damit die Nachheiztemperatur hinreichend klein wird. Dadurch wird ein umfassender Trockengehschutz des Kochendwasserbereiters gesichert.If the boiling water heater contains boiling water, the thermistor R1 is low-resistance and the capacitor C of the differentiating element DG is charged to approximately the value of the operating voltage U ₈ . When the boiling water is drained and cold water is added, the resistance of the thermistor R1 increases rapidly. The capacitor C discharges slowly, the voltage at the output of the differentiating element DG is negative. If the cold water is drained, but the device is put into operation, it comes to dry running, the capacitor C is charged quickly. The output voltage of the differentiating element DG reaches a large positive value, which _causes the comparator K2 to tilt when the value of the reference voltage U _{R is} reached. In order to shorten the time for the Umpolvorgänge occurring at the output of the differentiating DG, which are based on charging and discharging of the capacitor C and can lead to an inadmissibly high increase in Nachheiztemperatur, the diode D is used parallel to the output of the differentiating DG. By the diode D, the negative discharge voltage of the capacitor C at the output of the differentiating DG is limited to the value of the forward voltage of the diode D. But the Diodenflußspannung but is so low that the discharge time is negligible and thus the Nachheiztemperatur is sufficiently small. This ensures a comprehensive dry protection of the boiler.

Claims

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Invention claims:

Dry running protection circuit for electronically controlled liquid heating devices with a temperature-dependent resistor, a differentiating element for evaluating the change in temperature in time and a comparator connected to the comparator, which is connected to an actuator acting on the heating element, characterized in that parallel to the comparator input a diode (D) is connected to the output of the differentiating (DG).

2. dry-protection circuit according to point X _1, characterized in that the diode (D) is connected in the reverse direction and against ground potential.

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