DE102004033115A1 - A method for controlling the temperature of a cooker heating system has an inductive temperature variable coil heating element and control system monitoring the specific resonant frequency - Google Patents

A method for controlling the temperature of a cooker heating system has an inductive temperature variable coil heating element and control system monitoring the specific resonant frequency Download PDF

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Abstract

The hot plate (2) has a ferromagnetic pot base (1) and a helically wound resistance wire heater coil (8) in parallel with a capacitor (11) forming a resonant circuit the specific frequency of which varies with the temperature which is monitored by a control unit (9) and switch (10).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung und Regelung der Temperatur des ferromagnetischen Bodens eines Kochgeschirrs, der mittels eines Kochheizkörpers durch eine nichtmetallische Kochfläche hindurch beheizt wird.The The invention relates to a method and a device for measuring and controlling the temperature of the ferromagnetic bottom of a cookware, the by means of a cooking radiator is heated by a non-metallic cooking surface.

In der US 3781506 wurde bereits 1972/73 ein Induktionsherd beschrieben, wonach aus den Leistungs-Parametern des Induktionsgenerators im Betrieb auf die Temperatur des Kochgeschirrbodens geschlossen werden sollte. Diese Anordnung ist niemals verwirklicht worden, weil aus dem Netz und den Bauteilen des Induktionsgenerators so viele Störfaktoren in die Messung eingehen, dass eine genügend genaue Bestimmung der durch Temperaturänderungen bedingten Änderungen der Eigenschaftswerte des Kochgeschirrbodens allein nicht möglich war. Für Strahlungs-Heizkörper wäre das Verfahren überhaupt nicht anwendbar.In the US 3781506 an induction cooker was already described in 1972/73, according to which the temperature parameters of the induction generator should be inferred from the power parameters of the induction generator during operation. This arrangement has never been realized because of the network and the components of the induction generator so many disturbing factors are included in the measurement that a sufficiently accurate determination of the temperature changes due to the property values of the cookware was not alone possible. For radiant heaters, the process would not apply at all.

In der EP 0858722 wurden diese Probleme 1995/96 dadurch umgangen, dass die Messung der Kochgeschirrboden-Temperatur mit einer von dem Kochheizkörper unabhängigen, unter der Kochfläche angeordneten Antenne durchgeführt wird. Solche Geräte sind inzwischen als Induktionskochstellen auf dem Markt. Diese Technik ist auch bei Strahlungs-Kochheizkörpern anwendbar.In the EP 0858722 these problems were circumvented in 1995/96 by carrying out the measurement of the temperature of the bottom of the cookware with a cooking element arranged underneath the cooking surface and independent of the cooking element. Such devices are now available as induction cookers on the market. This technique is also applicable to radiant hotplates.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die zur US 3781 506 genannten Probleme zu umgehen und trotzdem ohne Antenne auszukommen. Sie ist dadurch gekennzeichnet, dass zur Messung die Kochleistung kurzzeitig abgeschaltet, und während der Schaltpause die Eigenfrequenz eines Schwingkreises gemessen wird, der aus einem Kondensator und dem Kochheizkörper besteht. Da diese Eigenfrequenz im Hochfrequenzbereich liegt, muss die Schaltpause nur Bruchteile einer Sekunde betragen, verzögert also den Aufheizvorgang des Kochgeschirrs nur unwesentlich. Da die Induktivität des Kochheizkörpers, die neben der Kapazität des Kondensators die Eigenfrequenz bestimmt, von der sich mit der Temperatur ändernden Permeabilität des nahe über dem Kochheizkörper liegenden Kochgeschirrbodens abhängt, kann aus der Eigenfrequenz direkt auf die Temperatur des Kochgeschirrbodens geschlossen und die Kochleistung zur thermostatischen Regelung entsprechend in bekannter Weise gesteuert werden.The invention is based, which the US 3781 506 to circumvent the problems mentioned and still get along without an antenna. It is characterized in that the cooking power switched off for a short time, and during the switching pause, the natural frequency of a resonant circuit is measured, which consists of a condenser and the cooking element. Since this natural frequency is in the high frequency range, the switching pause must be only fractions of a second, so slowed the heating process of the cookware only insignificantly. Since the inductance of the cooking radiator, which determines the natural frequency in addition to the capacitance of the capacitor depends on the temperature-changing permeability of the lying close above the cooking element cookware, can be closed directly from the natural frequency to the temperature of the cooker and the cooking power for thermostatic control be controlled accordingly in a known manner.

Während der kurzen Schaltpause kann dem Schwingkreis zur Messung der Eigenfrequenz ein Schwingungsband mit zeitlich ansteigender oder abfallender Frequenz, zum Beispiel durch einen Wobbler, aufgeprägt werden, bis der Schwingkreis in Resonanz kommt. Die Resonanzfrequenz ist dann die Eigenfrequenz des Schwingkreises.During the short switching pause can the resonant circuit for measuring the natural frequency a vibration band with a time-increasing or decreasing frequency, For example, by a wobbler, be imprinted until the resonant circuit comes in resonance. The resonance frequency is then the natural frequency of the resonant circuit.

Es ist aber auch möglich, beim Abschalten der Kochleistung aus der Abklingkurve das Schwingkreises bezw. der in ihm gespeicherten Energie (z.B. durch Messung der Zeitspanne zwischen zwei Nulldurchgängen der Eigenschwingung) dessen Eigenfrequenz zu bestimmen.It but it is also possible when switching off the cooking power from the decay curve, the resonant circuit BEZW. the energy stored in it (e.g., by measuring the period of time between two zero crossings the natural vibration) whose natural frequency to determine.

Auch andere, zum Stand der Technik gehörende Verfahren zur Messung der Eigenfrequenz des Schwingkreises können im Rahmen der Erfindung zur Anwendung kommen.Also other prior art methods of measurement The natural frequency of the resonant circuit can in the invention for Application come.

Das Verfahren nach der Erfindung kann sowohl in Induktions-Kochherden als auch in Kochherden mit Strahlungsheizkörperr angewendet werden.The Method according to the invention can be used both in induction cookers as well as in cookers with radiant heaters.

Bei Verwendung einer Induktionsspule als Kochheizkörper ist der zur Ausübung des Verfahrens nach der Erfingung erforderliche Kondensator als Kommutierungskondensator normalerweise ohnehin vorhanden. Es muss lediglich darauf geachtet werden, dass ein Kondensator guter Qualität verwendet wird, dessen Kapazität durch die an seinem Einsatzort auftretenden Temperaturschwankungen nicht nennenswert beeinflusst wird. Es können auch zwei parallel geschaltete Kondensatoren eingesetzt werden, von denen einer einen positiven, der andere einen negativen Temperatur-Koeffizienten mit gleichem Betrag aufweist, sodass sich beide bezüglich ihrer Temperaturabhängigkeit kompensieren. So wird erreicht, dass die Eigenfrequenz und da mit die gemessene Temperatur nicht durch einen Temperaturgang des Kondensators verfälscht wird. Weiter ist es wichtig, dass unter der Induktionsspule normalerweise angeordnete Ferritplatten, die der Lenkung der Induktionsstrahlung nach oben in den Kochgeschirrboden dienen, eine konstante, von den dort auftretenden Temperaturschwankungen weitgehend unabhängige Permeabilität aufweisen, um auch diesen möglichen Störeinfluss auf die Eigenfrequenz des Schwingkreises auszuschliessen. Ferner sollten sich im Nahbereich der Induktionsspule auch keine anderen Metallteile befinden, deren Eigenschaftswerte in störendem Masse von dar Temperatur abhängen. Solche Störeinflüsse können zum Beispiel von der unteren Abdeckung einer Herdmulde ausgehen, wenn diese aus Stahlblech (und nicht aus Aluminium oder temperaturfestem Kunststoff) besteht. Auch ein aus Stahlblech bestehendes Backofengehäuse kann stören, wenn sein Abstand zur Induktionsspule nicht wesentlich grösser ist als der zwischen Induktionsspule und Kochgeschirrboden.at Use of an induction coil as a cooking radiator is the one to exercise the Method required after the Erfingung capacitor as Kommutierungskondensator usually available anyway. It just has to pay attention be that a capacitor of good quality is used, its capacity through The occurring at its site temperature fluctuations are not significant being affected. It can also two parallel connected capacitors are used, one of which has a positive, the other a negative temperature coefficient with the same amount, so that both respect their temperature dependence compensate. This ensures that the natural frequency and there with the measured temperature is not due to a temperature gradient of the capacitor falsified becomes. Next, it is important that under the induction coil normally arranged ferrite plates, which guide the induction radiation Serve upwards in the cookware tray, a constant, of the have temperature fluctuations that are largely independent of permeability, around this possible too interference effect to exclude to the natural frequency of the resonant circuit. Further should be in the vicinity of the induction coil and no other Metal parts are located whose property values are disturbing depend on the temperature. Such Disturbances can for Example emanating from the bottom cover of a hob, if These are made of sheet steel (and not made of aluminum or temperature resistant Plastic). Even an existing steel plate oven housing can interfere, if its distance from the induction coil is not significantly greater as that between induction coil and cookware bottom.

Bei Verwendung eines Strahlungsheizkörpers als Kochheizkörper muss sein Heizdraht anstelle der meist gewählten mäanderförmigen Anordnung als Spirale ausgebildet sein, ähnlich wie dies bei Induktionsspulen stets der Fall ist. Nur dann kann ein elektromagnetisches Messfeld vom Strahlungsheizkörper zum Kochgeschirrboden hin aufgebaut werden. Um Messfehler zu vermeiden, sollte der Heizdraht aus nicht ferromagnetischem Material bestehen, und auch in seinem Nahbereich sollten sich ausser dem Kochgeschirrboden keine anderen Metallgegenstände befinden, deren Eigenschaftswerte in störendem Masse von der Temperatur abhängen. Um Probleme bei dem häufigen Abschalten zu vermeiden und für die Messung der Eigenfrequenz stets die gleiche Startposition zu gewährleisten, wird durch eine Spezialschaltung die Kochleistung stets im Strom-Nulldurchgang abgeschaltet. Entsprechendes kann zum Einschalten im Spannungs-Nulldurchgang vorgesehen werden. Der erfindungsgemässe Kodensator liegt parallel zu dem mit Netzfrequenz (z.B. 50 Hz) betriebenen Strahlungsheizkörper. Seine Kapazität ist so zu bemessen, dass einerseits sein Blindstrom bei Netzfrequenz klein gegenüber dem Wirkstrom im Strahlungsheizkörper ist, sodass er im Normalbetrieb praktisch keine Rolle spielt. Andererseits soll die Kapazität so bemessen sein, dass der Kondensator zusammen mit dem Strahlungsheizkörper einen Hochfrequenzschwingkreis bildet, der z. B. Eigenfrequenzen in der Grössenordnung von um die 100 kHz hat.When using a radiant heater as a stove radiator must be heating wire le be the most selected meandering arrangement formed as a spiral, similar to that is always the case with induction coils. Only then can an electromagnetic measuring field be built up from the radiant heater to the bottom of the cookware. In order to avoid measurement errors, the heating wire should be made of non-ferromagnetic material, and also in its vicinity, there should be no other metal objects other than the bottom of the cookware, the property values of which depend to a great extent on the temperature. To avoid problems with the frequent shutdown and always ensure the same starting position for the measurement of the natural frequency, the cooking power is always switched off in the current zero crossing by a special circuit. The same can be provided for switching on in the voltage zero crossing. The inventive Kodensator is parallel to the operated at mains frequency (eg 50 Hz) radiant heater. Its capacity is to be dimensioned so that on the one hand its reactive current at mains frequency is small compared to the active current in the radiant heater, so that it plays virtually no role in normal operation. On the other hand, the capacity should be such that the capacitor forms a high-frequency resonant circuit together with the radiant heater, the z. B. has natural frequencies of the order of about 100 kHz.

In den 1 und 2 sind zwei Vorrichtungsbeispiele zur Ausübung des erfindungsgemässen Verfahrens als Blockschaltbilder dargestellt.In the 1 and 2 two device examples for the practice of the inventive method are shown as block diagrams.

In beiden Figuren steht das Kochgeschirr mit seinem ferromagnetischen Boden 1 auf der nichtmetallischen Kochfläche 2.In both figures, the cookware stands with its ferromagnetic bottom 1 on the non-metallic cooking surface 2 ,

In 1 befindet sich dicht unter der Kochfläche 2 eine Induktionsspule 3 als Kochheizkörper. Sie wird in bekannter Weise aus einer Gleichstromquelle, deren Leistung von einem nicht dargestellten Netzgleichrichter geliefert wird, über den stark vereinfacht dargestellten Induktionsgenerator 4, der normalerweise im Bereich von ca. 20-30 kHz von dem Leistungsregler 5 gesteuert wird, mit der Kochleistung über den Kommutierungskondensator 6 versorgt. Am Leistungsregler 5 kann von Hand oder durch ein Kochprogramm die gewünschte Temperatur des Kochgeschirrbodens 1 eingestellt werden. Der Leistungsregler 5 schaltet die Kochleistung periodisch, z.B. alle 10 Sekunden, für kurze Zeit ab und aktiviert gleichzeitig das Messsystem 7, wie durch den linken Funktionspfeil angedeutet. Das Messsystem 7 kann entweder als Wobbler ausgebildet sein und die Eigenfrequenz des von Induktionsspule 3 und Kondensator 6 gebildeten Schwingkreises durch Resonanz messen. Oder es kann zwecks Bestimmung der Eigenfrequenz zur Messung der Zeitspanne zwischen zwei Nulldurchgängen der Abklingkurve des Schwingkreises nach dem Abschalten ausgelegt sein. Auch andere bekannte Verfahren zur Eigenfrequenzbestimmung können in dem Messsystem 7 zur Anwendung kommen. Mit der Eigenfrequenz ist die momentane Temperatur des Kochgeschirrbodens 1, der zuvor in bekannter, nicht dargestellter Weise kalibriert wurde, dem Messsystem 7 bekannt. Es meldet diese isttemperatur, wie durch den rechten Funktionspfeil angedeutet, an den Leistungsregler 5, der sie mit der eingestellten Solltemperatur vergleicht, entsprechend nachregelt und die korri gierte Induktionsleistung wieder einschaltet. Dieser ganze Vorgang dauert nur den Bruchteil einer Sekunde.In 1 is located just below the cooking surface 2 an induction coil 3 as a stove radiator. It is in a known manner from a DC power source whose power is supplied by a mains rectifier, not shown, via the induction generator shown greatly simplified 4 which is usually in the range of about 20-30 kHz from the power regulator 5 is controlled, with the cooking power through the commutation capacitor 6 provided. On the power controller 5 Can by hand or by a cooking program, the desired temperature of the cookware 1 be set. The power controller 5 switches off the cooking power periodically, eg every 10 seconds, for a short time and at the same time activates the measuring system 7 as indicated by the left function arrow. The measuring system 7 can either be designed as a wobbler and the natural frequency of the induction coil 3 and capacitor 6 resonant circuit formed by resonance measure. Or it can be designed for the purpose of determining the natural frequency for measuring the time interval between two zero crossings of the decay curve of the resonant circuit after switching off. Other known methods for eigenfrequency determination can also be used in the measuring system 7 come into use. With the natural frequency is the current temperature of the cookware tray 1 , which has previously been calibrated in a known, not shown, the measuring system 7 known. It reports this isttemperatur, as indicated by the right function arrow, to the power regulator 5 , which compares them with the set temperature setpoint, corrects accordingly and turns on the corrected induction power again. This whole process takes only a fraction of a second.

In 2 befindet sich dicht unter der Kochfläche 2 ein Strahlungsheizkörper 8, dessen Heizdraht als Spirale ausgebildet ist und damit auch eine Induktivität darstellt. Dies ist in der 2 dadurch angedeutet, dass er einerseits als ohmscher Widerstand gezeichnet, andererseits darin ein gewundener Draht dargestellt ist. Der Heizdraht besteht aus nichtferromagnetischem Material, da sich sonst seine Eigeninduktivität mit der Temperatur ändern und die Messung der Temperatur des Kochgeschirrbodens 1 stören würde. Der Strahlungsheizkörper 8 wird über den Leistungsregler 9 mit dem Schaltkontakt 10 direkt an das Wechselspannungsnetz (zumeist 50 Hz) angeschlossen. Selbstverständlich kann anstelle des mechanischen Schaltkontaktes 10 auch ein elektronischer, kontaktloser Schalter eingesetzt werden. Zur Bildung des erfindungsgemässen Schwingkreises ist der Kondensator 11 parallel zum Strahlungsheizkörper 8 angeordnet. Seine Kapazität ist so dimensioniert, dass die Eigenfrequenz des von Strahlungsheizkörper 8 und Kondensator 11 gebildeten Schwingkreises in der für solche Messungen üblichen Grössenordnung um die 100 kHz und damit um drei bis vier Grössenordnungen über der Netzfrequenz liegt. Er bildet damit für die Netzfrequenz einen sehr grossen kapazitiven Widerstand, über den ein nur ganz geringer, vernachlässigbarer Blindstrom fliesst. Die Funktion des Messsystems 12 in Verbindung mit dem Leistungsregler 9 entspricht im Übrigen der zu 1 geschilderten des Messsystems 7 in Verbindung mit dem Leistungsregler 5. Zusätzlich sind die Nullstrom-Baugruppe 13 und die Nullspannungs-Baugruppe 14 vorgesehen, die bewirken, dass der Leistungsregler 9 den Schaltkontakt 10 nur im Strom-Nulldurchgang öffnet und nur im Spannungs-Nulldurchgang schliesst. So werden unnötige Belastungen das Schaltkontaktes 10 vermieden und zur Messung der Eigenfrequenz stets die gleiche Startposition gewährleistet.In 2 is located just below the cooking surface 2 a radiant heater 8th whose heating wire is formed as a spiral and thus also represents an inductance. This is in the 2 indicated that he drawn on the one hand as an ohmic resistance, on the other hand, a tortuous wire is shown. The heating wire is made of non-ferromagnetic material, otherwise its self-inductance will change with temperature and the temperature of the bottom of the cookware will change 1 would disturb. The radiant heater 8th is about the power regulator 9 with the switching contact 10 directly connected to the AC mains (usually 50 Hz). Of course, instead of the mechanical switching contact 10 also an electronic, contactless switch can be used. For the formation of the inventive resonant circuit is the capacitor 11 parallel to the radiant heater 8th arranged. Its capacity is dimensioned so that the natural frequency of radiant heater 8th and capacitor 11 formed resonant circuit in the usual order for such measurements order of 100 kHz and thus by three to four orders of magnitude above the mains frequency. It thus forms a very large capacitive resistance for the line frequency, over which only a very small, negligible reactive current flows. The function of the measuring system 12 in conjunction with the power controller 9 By the way, the same applies to 1 described the measuring system 7 in conjunction with the power controller 5 , In addition, the zero-current module 13 and the zero voltage assembly 14 provided that cause the power regulator 9 the switching contact 10 only opens in current zero crossing and closes only in voltage zero crossing. So unnecessary loads are the switching contact 10 avoided and always guaranteed the same starting position for measuring the natural frequency.

Claims (5)

Verfahren zur Messung und Regelung der Temperatur des ferromagnetischen Bodens (1) eines Kochgeschirrs, der mittels eines Kochheizkörpers (3) bezw. (8) durch eine nichtmetallische Kochfläche (2) hindurch beheizt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Messung die Kochleistung kurzzeitig abgeschaltet und während der Schaltpause die Eigenfrequenz eines Schwingkreises gemessen wird, der aus einem Kondensator (6) bezw. (11) und dem Kochheizkörper (3) bezw. (8) besteht.Method for measuring and controlling the temperature of the ferromagnetic soil ( 1 ) one Cookware which is heated by means of a cooking radiator ( 3 ) bezw. ( 8th ) through a non-metallic cooking surface ( 2 ) is heated through, characterized in that for measuring the cooking power is switched off for a short time and during the switching pause, the natural frequency of a resonant circuit is measured, which consists of a capacitor ( 6 ) bezw. ( 11 ) and the cooking radiator ( 3 ) bezw. ( 8th ) consists. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass während der Schaltpause dem Schwingkreis zur Messung der Eigenfrequenz ein Schwingungsband mit zeitlich ansteigender oder abfallender Frequenz aufgeprägt wird, bis der Schwingkreis in Resonanz kommt.Method according to claim 1, characterized in that that while the switching pause the resonant circuit for measuring the natural frequency of a vibration band imprinted with increasing or decreasing frequency, until the resonant circuit comes into resonance. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beim Abschalten der Kochleistung aus der Abklingkurve des Schwingkreises dessen Eigenfrequenz bestimmt wird.Method according to claim 1, characterized in that that when switching off the cooking power from the decay curve of the resonant circuit whose natural frequency is determined. Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass bei Verwendung einer Induktionsspule (3) als Kochheizkörper unter der Induktionsspule (3) angeordnete Ferritplatten eine konstante, von den dort auftretenden Temperaturschwankungen weitgehend unabhängige Permeabilität aufweisen, und dass sich im Nahbereich der Induktionsspule (3) ausser dem Kochgeschirrboden (1) und den Ferritplatten keine anderen Metallgegenstände befinden, deren Eigenschaftswerte in störendem Masse von der Temperatur abhängen.Device for carrying out the method according to one of claims 1-3, characterized in that when using an induction coil ( 3 ) as a cooking element under the induction coil ( 3 ) arranged ferrite plates have a constant, largely independent of the temperature fluctuations occurring there permeability, and that in the vicinity of the induction coil ( 3 ) except the cookware tray ( 1 ) and the ferrite plates are no other metal objects whose property values are disturbingly dependent on the temperature. Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-3 dadurch gekennzeichnet, dass bei Verwendung eines Strahlungsheizkörpers (8) als Kochheizkörper sein Heizdraht als Spirale ausgebildet ist und aus nichtferromagnetischem Material besteht, dass sich in seinem Nahbereich ausser dem Kochgeschirrboden (1) keine anderen Metallgegenstände befinden, deren Eigenschaftswerte in störendem Masse von der Temperatur abhängen, dass Spezialschaltungen (13), (14) vorhanden sind, welche die Kochleistung zur Messung im Strom-Nulldurchgang (13) abschalten und im Spannungs-Nulldurchgang (14) wieder einschalten, und dass parallel zum Strahlungsheizkörper (8) ein Kondensator (11) liegt, dessen Kapazität so bemessen ist, dass einerseits sein Blindstrom bei Netzfrequenz klein gegenüber dem Wirkstrom im Kochheizkörper (8) ist, und er andererseits mit dem Kochheizkörper (8) einen Hochfrequenzschwingkreis bildet.Device for carrying out the method according to one of claims 1-3, characterized in that when using a radiant heater ( 8th ) is formed as a cooking radiator his heating wire as a spiral and consists of non-ferromagnetic material that in his vicinity except the cookware bottom ( 1 ) are no other metal objects whose property values are disturbingly dependent on the temperature that special circuits ( 13 ) 14 ), which determine the cooking power for measurement in the current zero crossing ( 13 ) and in voltage zero crossing ( 14 ) and that parallel to the radiant heater ( 8th ) a capacitor ( 11 ), whose capacity is such that on the one hand its reactive current at mains frequency small compared to the active current in the cooking radiator ( 8th ), and he on the other hand with the cooking radiator ( 8th ) forms a high frequency resonant circuit.
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