DE102004047756A1

DE102004047756A1 - Temperatursensorvorrichtung

Info

Publication number: DE102004047756A1
Application number: DE102004047756A
Authority: DE
Inventors: Eric Klemp; Gernot Dr. Schimetta; Wolfgang Schnell; Jörg ZAPF
Original assignee: BSH Bosch und Siemens Hausgeraete GmbH
Current assignee: BSH Hausgeraete GmbH
Priority date: 2004-09-30
Filing date: 2004-09-30
Publication date: 2006-04-06
Anticipated expiration: 2024-10-01
Also published as: DE102004047756B4; WO2006035005A1

Abstract

Die Erfindung geht aus von einer Temperatursensorvorrichtung mit einer Temperatursonde (10) und mit einer Temperatursensoreinheit (12) zum Erfassen von wenigstens einer Temperaturinformation, die von zumindest zwei Innentemperaturen in verschiedenen Bereichen eines Garguts (14) abhängig ist. DOLLAR A Um eine gattungsgemäße Temperatursensorvorrichtung mit einer einfach zu reinigenden und zudem kostengünstigen und robusten Temperatursonde (10) bereitzustellen, wird vorgeschlagen, dass die Temperatursensoreinheit (12) eine passive Kommunikationseinheit (40) zur drahtlosen Übermittlung der Temperaturinformation umfasst.

Description

Die Erfindung geht aus von einer Temperatursensorvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus der DE 199 45 021 C2 ist eine Temperatursensorvorrichtung mit einer Temperatursonde bekannt, die eine Temperatursensoreinheit zum Erfassen von Temperaturinformationen umfasst, die von mehreren Innentemperaturen in verschiedenen Bereichen des Garguts abhängig ist. Die Temperatursensorvorrichtung extrapoliert aus dem zeitlichen Verlauf und aus einem räumlichen Verlauf der erfassten Innentemperaturen eine Kerntemperatur des Garguts. Die Kerntemperatur stellt eine Temperaturinformation dar, die von mehreren erfassten Innentemperaturen in verschiedenen Bereichen des Garguts abhängig ist. Die Kerntemperatur wird über ein Kommunikationskabel an eine zentrale Steuereinheit eines die Temperatursensorvorrichtung umfassenden Gargeräts übermittelt.

Die Aufgabe der Erfindung besteht insbesondere darin, eine gattungsgemäße Temperatursensorvorrichtung mit einer Temperatursonde bereitzustellen, die leicht zu reinigen ist und zudem kostengünstig und robust ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst, während vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung den Unteransprüchen entnommen werden können.

Die Erfindung geht aus von einer Temperatursensorvorrichtung mit einer Temperatursonde und mit einer Temperatursensoreinheit zum Erfassen von wenigstens einer Temperaturinformation, die von zumindest zwei Innentemperaturen in verschiedenen Bereichen eines Garguts abhängig ist.

Es wird vorgeschlagen, dass die Temperatursensoreinheit eine passive Kommunikationseinheit zur drahtlosen Übermittlung der Temperaturinformation umfasst. Dadurch kann eine Temperatursensoreinheit mit einer einfach zu reinigenden Temperatursonde erreicht werden, die zudem kostengünstig und robust ist. Auf ein schwierig zu reinigendes Kommunikationskabel, das zudem starkem Verschleiß ausgesetzt ist, kann vorteilhaft verzich tet werden. Insbesondere kann die Temperatursonde zur Reinigung von einem Gargerät entfernt werden.

Unter „vorgesehen" soll in diesem Zusammenhang auch „ausgelegt" und „ausgestattet" verstanden werden. Durch ein Erfassen von zumindest zwei, verschiedenen Bereichen des Garguts zugeordneten Innentemperaturen kann die Temperaturinformation vorteilhaft eine Gradienteninformation enthalten, so dass eine Extrapolation der Innentemperatur auf Bereiche des Garguts, deren Innentemperatur nicht unmittelbar erfasst wird, ermöglicht werden kann.

In einer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Temperatursensoreinheit zum Erfassen von wenigstens einer Temperaturinformation vorgesehen ist, die von zumindest drei Innentemperaturen in drei verschiedenen Bereichen des Garguts abhängig ist. Dadurch kann vorteilhaft ein Extremum der Innentemperatur, beispielsweise ein Minimum, bestimmbar sein. Es kann beispielsweise ein parabelförmiger Temperaturverlauf angenommen werden und aus den Innentemperaturwerten eine Kerntemperatur in einem Scheitelpunkt der Parabel bestimmbar sein.

Eine externe Energieversorgung kann vereinfacht und stabilisiert werden, wenn die Temperatursonde eine Energiespeichereinheit aufweist, die zumindest kurzfristig Energie zu speichern vermag. Es sind auch Ausgestaltungen der Erfindung denkbar, in denen die Temperatursonde einen an der Temperatursonde anliegenden Temperaturgradienten im Sinne einer Wärmekraftmaschine zur Erzeugung von Energie nutzt. Auch der Einsatz von Solarzellen zur Energieversorgung der Temperatursonde ist denkbar.

Eine besonders gut von außen anregbare Energiespeichereinheit ist erreichbar, wenn die Energiespeichereinheit zum Speichern von Schwingungsenergie vorgesehen ist. Dabei kann die Schwingungsenergie in der Form von mechanischer Schwingungsenergie vorliegen, beispielsweise in einer federnd gelagerten Masse, oder in elektromagnetischer Form, beispielsweise als schwingende Ladungsdichte in einem angeregten elektromagnetischen Schwingkreis.

Eine hinsichtlich ihrer Frequenz besonders präzise bestimmbare Schwingungsenergie kann erreicht werden, wenn die Energiespeichereinheit zumindest einen Schwingquarz umfasst.

Eine Zuordnung von Frequenzen zu den erfassten Innentemperaturen ist erreichbar, wenn die Temperatursonde eine Energiespeichereinheit zum Speichern von Schwingungsenergie in zumindest zwei verschiedenen Frequenzen aufweist. Dadurch kann eine vorteilhaft große Menge von Temperaturinformation in der Schwingungsenergie gespeichert werden, und der Energiespeicher ist vorteilhaft als Informationsspeicher nutzbar. Dabei kann eine räumliche Kodierung erreicht werden, wenn durch die Temperatursonde jedem Bereich des Garguts, dessen Innentemperatur erfasst wird, eine charakteristische Frequenz zugeordnet ist.

Eine separate Übersetzung der erfassten Innentemperaturen in eine kodierende Frequenz kann vermieden werden, wenn zumindest eine Frequenz der Schwingungsenergie der Einergiespeichereinheit temperaturabhängig ist. Dabei sind auch Ausgestaltungen der Erfindung denkbar, in denen die Temperatur in einer Modulationsfrequenz, die einer temperaturunabhängigen Trägerfrequenz überlagert ist, gespeichert ist.

Ein bequemes Einführen der Temperatursonde in das Gargut ohne eine großräumige Beschädigung des Garguts ist erreichbar, wenn die Temperatursonde zumindest einen spießförmigen Fortsatz aufweist. Dabei kann ein unmittelbares Erfassen der Innentemperaturen ermöglicht werden, eine Verfälschung der Temperaturinformation durch lange Übertragungswege vermieden werden und Bauraum eingespart werden, wenn die Temperatursensoreinheit in den spießförmigen Fortsatz integriert ist. Es sind auch Temperatursonden mit gabelartigen Fortsätzen denkbar, die zur Messung der Innentemperaturen des Garguts im Bereich der Gabelzacken vorgesehen sind.

Eine kostensparende Bauweise und ein zumindest weitgehend von Wrasen und/oder Flüssigkeiten aus dem Gargut abgeschirmter Innenraum des spießförmigen Fortsatzes ist erreichbar, wenn die Temperatursonde eine Versiegelungsvorrichtung zum Versiegeln des spießförmigen Fortsatzes umfasst.

Eine gute Übereinstimmung einer erfassten Temperatur mit einer tatsächlichen Innentemperatur des Garguts kann erreicht werden, wenn die Temperatursensorvorrichtung zumindest ein Wärmekontaktmittel zum Herstellen eines Wärmekontakts zwischen dem Gargut und der Temperatursensoreinheit aufweist. Als Wärmekontaktmittel soll ein Mittel bezeichnet werden, dessen Wärmeleitfähigkeit eine Wärmeleitfähigkeit von Luft übersteigt.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.

Es zeigen:
1 ein Gargerät mit einer Temperatursensorvorrichtung,
2 eine Temperatursonde der Temperatursensorvorrichtung aus 1 in einer Schnittdarstellung,
3 einen Ausschnitt einer Temperatursonde einer alternativen Temperatursensorvorrichtung und
4 einen Ausschnitt einer Temperatursonde einer weiteren alternativen Temperatursensorvorrichtung.
1 zeigt ein als Backofen mit einer Mikrowellenfunktionalität ausgebildetes Gargerät 42a mit einer Temperatursensorvorrichtung. Die Temperatursensorvorrichtung umfasst eine Temperatursonde 10a mit einem Griff 24a und mit einem spießförmigen Fortsatz 18a. Eine Temperatursensoreinheit 12a, die zum Erfassen von Innentemperaturen in drei verschiedenen Bereichen eines Garguts 14a vorgesehen ist, ist in die Temperatursonde 10a integriert. Eine Kommunikationseinheit umfasst eine passive Induktionseinheit 40a (2) mit mehreren, in den Griff 24a integrierten Induktivitäten und eine aktive Sende- und Empfangseinheit 26a für Mikrowellen, die in eine Muffel des Gargeräts 42a integriert ist und die zum Auslesen der von der Temperatursensoreinheit 12a erfassten Innentemperatur geeignet ist.
2 zeigt die Temperatursonde 10a in einer Längsschnittdarstellung. Der Fortsatz 18a ist als Metallrohr aus einem rostfreien Edelstahl ausgebildet, dessen vordere, zur Einführung in das Gargut 14a vorgesehene Spitze 28a luftdicht verschweißt und angeschliffen ist. Eine Wandstärke des Fortsatzes 18a beträgt 0,2 mm und ist unter der Vorgabe hinreichender Stabilität möglichst dünn gewählt, so dass eine Wärmekapazität des Edelstahlrohrs eine Temperaturmessung möglichst wenig beeinflusst. Je nach Härte des ausgewählten Materials und dem Anwendungsbereich der Temperatursensorvorrichtung kann die Wandstärke des Edelstahlrohrs zwischen 0,15 und 0,3 mm betragen.
Ein der Spitze 28a entgegengesetztes Ende 30a des Fortsatzes 18a ist durch eine Glaslotdurchführung 32a abgedichtet, so dass ein während eines Herstellungsprozesses erzeugtes Vakuum in einem Innenraum des spießförmigen Fortsatzes 18a Bestand hat. Die Glaslotdurchführung 32a bildet daher eine Versiegelungsvorrichtung 20a. In einer Ausgestaltung der Erfindung ist der Innenraum mit einem Edelgas, beispielsweise mit Argon, gefüllt und weist einen definierten Unterdruck auf. Beim Anbringen der Glaslotdurchführung 32a wird durch die Wahl eines geeigneten Schweißverfahrens und ggf. durch eine selektive Kühlung des Fortsatzes 18a sichergestellt, dass ein im Innenraum des Fortsatzes 18a angeordneter und im Folgenden näher beschriebener Schaltungsträger 34a nicht überhitzt und dass der Fortsatz 18a nur im Bereich der Glaslotdurchführung 32a selektiv erwärmt wird.
Der Schaltungsträger 34a umfasst im Nutzen aufgebrachte, hier nicht explizit dargestellte Leiterbahnen und drei Schwingquarze 16a, 16a', 16a'', die zum Schwingen in jeweils einer definierten Resonanzfrequenz vorgesehen sind und dadurch als Energiespeichereinheiten zum Speichern von Schwingungsenergie geeignet sind. Der Schaltungsträger 34a ist aus einer kostengünstigen Dickschichtkeramik gefertigt.
Jeder der Schwingquarze 16a, 16a', 16a'' weist durch eine individuelle Abmessung eine charakteristische Eigenfrequenz auf und ist mittels eines hochtemperaturtauglichen, leitfähigen Klebstoffs mit dem Schaltungsträger 34a verklebt. Der leitfähige und hochtemperaturtaugliche Klebstoff ist in einem Schablonendruckverfahren auf den Schaltungsträger 34a aufgebracht. Dabei sind auch Ausgestaltungen der Erfindung denkbar, in denen ein Drahtbondverfahren oder ein Lötverfahren, beispielsweise mit goldhaltigen Lotpasten, zum Einsatz kommt. Es kann eine Gold-Indium- oder Gold-Germanium-Lotpaste im Schablonendruck aufgebracht werden, und die Drahtbonden können anschließend umschmolzen werden. Ferner ist es denkbar, dass die Bestückung des Schaltungsträgers 34a in mehreren Durchgängen erfolgt und Pintransverfahren zum Auftrag des Klebstoffes oder des Lots zum Einsatz kommen.
Im Herstellungsprozess wird der Schaltungsträger 34a mit dem leitfähigen Klebstoff bedruckt und mit den Schwingquarzen 16a, 16a', 16a'' ausgestattet. Anschließend werden die Bauteile in einem Lasertrimmverfahren abgestimmt, wobei die Resonanzfrequenzen der Schwingquarze 16a 16a', 16a'' gestimmt werden und auch Leiterbahnen und Pads abgestimmt werden können. Die im Nutzen gefertigten Schaltungsträger 34a werden vereinzelt und mittels eines Baugruppenträgers 22a aus Blech geschützt und in den Fortsatz 18a eingeführt, so dass die Schwingquarze 16a, 16a', 16a'' äquidistant und spielfrei im Innern des Fortsatzes 18a angeordnet sind.
Der Baugruppenträger 22a dient als Wärmekontaktmittel und stellt einen Wärmekontakt zwischen den Schwingquarzen 16a, 16a', 16a'' und verschiedenen Bereichen einer Außenfläche des Fortsatzes 18a her. Im Betrieb kommen diese Bereiche mit verschiedenen Bereichen des Garguts 14a in Kontakt, und die Innentemperatur des Garguts 14a in den entsprechenden Bereichen überträgt sich über die Außenfläche des Fortsatzes 18a auf die Schwingquarze 16a, 16a', 16a''. Dadurch ist jedem Bereich im Innern des Garguts 14a, dessen Temperatur erfasst wird, eine Frequenz zugeordnet, und zwar die Eigenfrequenz des im entsprechenden Bereich angeordneten Schwingquarzes 16a, 16a', 16a''.
Durch die Glaslotdurchführung 32a sind die Schwingquarze 16a, 16a', 16a'' über Drähte elektrisch leitend mit einer im Griff 24a der Temperatursonde 10a angeordneten Induktionseinheit 40a verbunden, die zusammen mit den Schwingquarzen eine passive Kommunikationseinheit bildet. Jeder der Schwingquarze 16a, 16a', 16a'' ist in einen unabhängigen elektromagnetischen Schwingkreis integriert, dessen Eigenfrequenz durch das Schwingungsverhalten des jeweiligen Schwingquarzes 16a, 16a', 16a'' modifiziert ist.
In der Herstellung wird nach dem Einführen des Baugruppenträgers 22a in den Fortsatz 18a und dem Versiegeln des Fortsatzes 18a durch die Glaslotdurchführung 32a eine Verbindung zwischen den Schwingquarzen 16a, 16a', 16a'' und der Induktionseinheit 40a bzw. einer Antenne im Griff 24a hergestellt und die Induktionseinheit 40a und das Ende 30a des Fortsatzes 18a werden mit einem hochtemperaturtauglichen Kunststoff umhüllt. Eine besonders dichte Umhüllung in einem kostengünstigen Verfahren kann durch Anwendung eines Spritzgussverfahrens erreicht werden.
Zum Anregen der Schwingquarze 16a, 16a', 16a'' emittiert die Sende- und Empfangseinheit 26a ein Mikrowellensignal mit einer Trägerfrequenz von 2,45 GHz in den Innenraum des Gargeräts 42a. Das Signal wird von einer in den Griff 24a der Temperatursonde 10a integrierten Antenne empfangen und mittels einer Diode in ein niederfrequentes Signal umgewandelt, das die Schwingquarze 16a, 16a', 16a'' bzw. die Schwingkreise zu Eigenschwingungen anregt.
Die Frequenzen der Eigenschwingungen der Schwingquarze 16a, 16a', 16a'' weisen eine im Wesentlichen lineare Temperaturabhängigkeit auf. Das von der Antenne emittierte Signal ist daher mit drei verschiedenen, jeweils einem Schwingquarz 16a, 16a', 16a'' zugeordneten Frequenzen moduliert. Die Sende- und Empfangseinheit 26a empfängt das von der Antenne emittierte, temperaturabhängige Signal und extrahiert mittels einer Analyseeinheit die Frequenzen der Schwingquarze 16a, 16a', 16a'', denen durch eine in einer Speichereinheit der Sende- und Empfangseinheit 26a gespeicherte Zuordnungstabelle jeweils eine Temperatur zugeordnet ist. Die Temperaturen bilden Temperaturinformationen, die von den Innentemperaturen des Garguts 14a in den Bereichen der Schwingquarze 16a, 16a', 16a'' abhängig sind.
Eine Recheneinheit der Sende- und Empfangseinheit 26a berechnet aus den Temperaturen einen parabelförmigen Temperaturverlauf entlang des Fortsatzes 18a, der einen tatsächlichen Temperaturverlauf entlang des Fortsatzes 18a näherungsweise beschreibt. Anstatt einer parabelförmigen Testfunktion ist auch der Einsatz eines anderen, dem Fachmann als sinnvoll erscheinenden Verlaufs einer von drei Temperaturwerten bestimmten Testfunktion denkbar. Ferner sind Ausgestaltungen der Erfindung denkbar, in denen die Temperatursensorvorrichtung die Innentemperaturen des Garguts 14a in mehr als drei Bereichen erfasst und entsprechend Testfunktionen mit mehr als drei freien Parametern zum Einsatz kommen.
Aus dem näherungsweise bestimmten parabelförmigen Temperaturverlauf extrahiert die Recheneinheit schließlich eine Minimaltemperatur im Scheitelpunkt der Parabel, die von einer zentralen Steuereinheit des Gargeräts 42a zum Steuern und/oder Regeln eines Garprozesses nutzbar ist. Die Minimaltemperatur wird dabei als Maß für eine Kerntemperatur des Garguts 14a herangezogen.
Es ist denkbar, dass eine Vorverarbeitung der Temperaturinformationen bereits in der Temperatursonde 10a stattfindet. Dies kann beispielsweise durch eine Verknüpfung der den Schwingquarzen 16a, 16a', 16a'' zugeordneten Schwingkreise oder durch eine effektive Mittelung der Temperaturen durch einen verschiedene Bereiche des Fortsatzes 18a verknüpfenden Wärmeleiter erreicht werden.
Die 3 und 4 zeigen weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung. In der Beschreibung soll im Wesentlichen auf Unterschiede zu dem in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel eingegangen werden. Bezüglich gleich bleibender Merkmale wird auf die Beschreibung zu den 1 und 2 verwiesen. Analoge Merkmale werden mit gleichen Bezugszeichen versehen, wobei zur Unterscheidung der Ausführungsbeispiele Buchstaben b und c beigefügt sind.
3 zeigt einen Bereich einer Spitze 28b eines Fortsatzes 18b einer Temperatursonde 10b einer alternativen Temperatursensorvorrichtung. Die Spitze 28b besteht aus einem stopfenartigen Verschlussteil, das mit einem Edelstahlrohr des Fortsatzes 18b verschweißt ist. Die Schweißnaht wird im Herstellungsprozess entgratet. Im Herstellungsprozess wird zunächst die Glaslotdurchführung 32b angebracht und erst nachträglich ein Schaltungsträger 34b eingeführt. Der Fortsatz 18b wird anschließend durch das Verschlussteil versiegelt, das daher in diesem Ausführungsbeispiel eine Versiegelungsvorrichtung 20b bildet. Dieses Verfahren bietet den Vorteil, dass auf eine selektive, räumlich begrenzte Erwärmung des Fortsatzes 18b beim Anbringen der Glaslotdurchführung 32b verzichtet werden kann.
4 zeigt einen Bereich eines Endes 30c eines Fortsatzes 18c einer Temperatursonde 10c einer weiteren alternativen Temperatursensorvorrichtung. Das Ende 30c ist mit einer vorgefertigten, in einer Hülse 36c gefassten Glaslotdurchführung 32c versiegelt. Die Hülse 36c ist mittels Elektronenstrahl- oder Laserschweißen mit einem Edelstahlrohr des Fortsatzes 18c gasdicht verbunden.

10: Temperatursonde
12: Temperatursensoreinheit
14: Gargut
16: Energiespeichereinheit
18: Fortsatz
20: Versiegelungsvorrichtung
22: Baugruppenträger
24: Griff
26: Sende- und Empfangseinheit
28: Spitze
30: Ende
32: Glaslotdurchführung
34: Schaltungsträger
36: Hülse
40: Induktionseinheit
42: Gargerät

Claims

Temperatursensorvorrichtung mit einer Temperatursonde (10) und mit einer Temperatursensoreinheit (12) zum Erfassen von wenigstens einer Temperaturinformation, die von zumindest zwei Innentemperaturen in verschiedenen Bereichen eines Garguts (14) abhängig ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatursensoreinheit (12) eine passive Kommunikationseinheit (40) zur drahtlosen Übermittlung der Temperaturinformation umfasst.
Temperatursensorvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatursensoreinheit (12) zum Erfassen von wenigstens einer Temperaturinformation vorgesehen ist, die von zumindest drei Innentemperaturen in drei verschiedenen Bereichen eines Garguts (14) abhängig ist.
Temperatursensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatursonde (10) eine Energiespeichereinheit aufweist.
Temperatursensorvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiespeichereinheit zum Speichern von Schwingungsenergie vorgesehen ist.
Temperatursensorvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiespeichereinheit zumindest einen Schwingquarz (16, 16', 16'') umfasst.
Temperatursensorvorrichtung zumindest nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiespeichereinheit zum Speichern von Schwingungsenergie in zumindest zwei verschiedenen Frequenzen vorgesehen ist.
Temperatursensorvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Temperatursonde (10) jedem Bereich des Garguts (14), dessen Innentemperatur erfasst wird, eine Frequenz zugeordnet ist.
Temperatursensorvorrichtung zumindest nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Frequenz der Schwingungsenergie der Energiespeichereinheit temperaturabhängig ist.
Temperatursensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatursonde (10) zumindest einen spießförmigen Fortsatz (18) aufweist.
Temperatursensorvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatursensoreinheit (12) in den spießförmigen Fortsatz (18) integriert ist.
Temperatursensorvorrichtung zumindest nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch eine Versiegelungsvorrichtung (20) zum Versiegeln des spießförmigen Fortsatzes (18).
Temperatursensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zumindest ein Wärmekontaktmittel (22) zum Herstellen eines Wärmekontakts zwischen dem Gargut (14) und der Temperatursensoreinheit (12).