DE102004047758B4

DE102004047758B4 - Temperatursensorvorrichtung

Info

Publication number: DE102004047758B4
Application number: DE102004047758A
Authority: DE
Inventors: Eric Klemp; Leonard Reindl; Wolfgang Schnell
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: 2011-09-15
Anticipated expiration: 2024-10-01
Also published as: DE102004047758A1; WO2006034998A1

Abstract

Temperatursensorvorrichtung mit einer Temperatursonde (10) zum Einbringen in ein Gargut (14), die zum drahtlosen Messen einer Innentemperatur des Garguts (14) vorgesehen ist, und die eine Energiespeichereinheit (12) und eine Kommunikationseinheit (20) zum Kommunizieren mit einem mit zumindest einer temperaturabhängigen Frequenz modulierten Signal umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiespeichereinheit (12) zum Speichern einer Schwingungsenergie in zumindest zwei temperaturabhängigen Frequenzen vorgesehen ist und dass die Kommunikationseinheit (20) zum Kommunizieren eines Mikrowellensignals vorgesehen ist.

Description

Die Erfindung geht aus von einer Temperatursensorvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und von einem Gargerät nach dem Oberbegriff des Anspruchs 8.
Aus der DE 29 35 271 C2 ist eine Temperatursensorvorrichtung mit einer Temperatursonde zum Einbringen in ein Gargut bekannt. Die Temperatursonde ist zum Messen einer Innentemperatur des Garguts vorgesehen und umfasst dazu einen spießförmigen Fortsatz und eine als elektromagnetischer Schwingkreis ausgebildete Energiespeichereinheit zum kurzzeitigen Speichern einer Schwingungsenergie in der Temperatursonde. Dadurch kann eine energetisch autonome und insbesondere batterielose Temperatursonde erreicht werden. Ein in die Energiespeichereinheit integrierter Schwingquarz weist eine temperaturabhängige Eigenfrequenz auf. Daher ist auch eine Eigenfrequenz der Energiespeichereinheit temperaturabhängig. Eine Anregung der Energiespeichereinheit erfolgt durch eine induktive Kopplung von außen.
Aus der DE 199 45 021 C2 ist ein Verfahren zum Steuern eines Garprozesses bekannt. Dabei werden mehrere Temperaturwerte in verschiedenen Einstecktiefen in einem Gargut über einen Garprozessfühler erfasst.
Der Erfindung liegt insbesondere die Aufgabe zugrunde, eine Temperatursensorvorrichtung mit einer gattungsgemäßen Temperatursonde bereitzustellen, die ein sicheres Bestimmen einer Kerntemperatur eines Garguts zulässt.
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 zum Einbringen in ein Gargut, die zum drahtlosen Messen einer Innentemperatur des Garguts vorgesehen ist und die eine Energiespeichereinheit und eine Kommunikationseinheit zum Kommunizieren eines mit zumindest einer temperaturabhängigen Frequenz modulierten Signals umfasst.
Es wird vorgeschlagen, dass die Energiespeichereinheit zum Speichern einer Schwingungsenergie in zumindest zwei temperaturabhängigen Frequenzen vorgesehen ist. Dadurch kann eine in einer ersten Frequenz enthaltene Temperaturinformation komplettiert werden, und eine Kerntemperatur eines Garguts kann sicher bestimmt werden. Dabei kann die zweite Frequenz durch Redundanz zur Reduktion eines Messfehlers beitragen, oder es kann durch einen Vergleich der Frequenzen eine Information über einen räumlichen Verlauf einer Innentemperatur eines Garguts gewonnen werden, beispielsweise über einen Temperaturgradienten.
Auf raumgreifende Antennen kann vorteilhaft verzichtet werden, da die Kommunikationseinheit zum Kommunizieren eines Mikrowellensignals vorgesehen ist. Dabei kann die Kommunikationseinheit besonders vorteilhaft mittels eines Mikrowellengenerators eines die Temperatursensorvorrichtung umfassenden Gargeräts kommunizieren, der zudem vorteilhaft zu Heizzwecken einsetzbar sein kann.
Unter „vorgesehen” soll in diesem Zusammenhang auch „ausgelegt” und „ausgestattet” verstanden werden. Eine Vorrichtung soll als „zum Speichern einer Schwingungsenergie vorgesehen” gelten, wenn eine einer Dämpfungskonstante der Vorrichtung zugeordnete Zerfallszeit länger als zumindest eine Periode der die Schwingungsenergie speichernden Schwingungen ist.
Ein Einblick in einen räumlichen Verlauf der Innentemperatur kann mit Hilfe der Temperatursonde gewonnen werden, wenn die temperaturabhängigen Frequenzen jeweils einem Bereich der Temperatursonde zugeordnet sind. Können mit Hilfe der Temperatursonde Innentemperaturen in zwei disjunkten Bereichen des Garguts bzw. der Temperatursonde bestimmt werden, können vorteilhaft Informationen über einen Temperaturgradienten gewonnen werden. Können die Innentemperaturen in zumindest drei Bereichen bestimmt werden, kann ein Extremum des Innentemperaturverlaufs extrapolativ bestimmbar sein. Es sind jedoch auch Ausgestaltungen der Erfindung denkbar, in denen das Erfassen der Innentemperatur in verschiedenen Bereichen lediglich der räumlichen Mittelung der erfassten Temperatur dient.
Ferner wird vorgeschlagen, dass zumindest eine Frequenz im Wesentlichen linear von der Temperatur abhängt. Dadurch lässt sich die Temperatursensorvorrichtung durch Kenntnis der Frequenz bei lediglich zwei Referenztemperaturen vorteilhaft extrapolieren. Als „im Wesentlichen linear” soll hier eine Abhängigkeit bezeichnet werden, die zumindest innerhalb einer Messtoleranz einer linearen Abhängigkeit entspricht.
Umfasst die Energiespeichereinheit zumindest einen Schwingquarz, kann eine besonders dämpfungsarme, kostengünstige und robuste Energiespeichereinheit mit hoher Güte erreicht werden, die eine exakte Frequenzbestimmung zulässt. Durch eine geeignete Wahl eines Schnittwinkels relativ zu den Kristallebenen des Quarzes kann eine im relevanten Temperaturbereich zwischen 100°C und 300°C im Wesentlichen lineare Temperaturabhängigkeit der Frequenz des Quarzes erreicht werden. Ein vollständiger Verzicht auf elektronische Bauteile in der Energiespeichereinheit kann erreicht werden, wenn die Energiespeichereinheit zumindest ein mechanisch schwingfähiges System umfasst. Dabei kann das schwingfähige System beispielsweise durch eine schwingende Saite, ein Torsionspendel, eine schwingende Membran, ein einseitig eingespanntes schwingendes Blättchen oder durch eine andere, dem Fachmann als sinnvoll erscheinende schwingfähige Einheit gegeben sein. Es sind zudem Ausgestaltungen der Erfindung denkbar, in denen ein temperaturabhängiges Dämpfungsverhalten des mechanisch oder elektromechanisch schwingfähigen Systems erfassbar und zur Temperaturbestimmung nutzbar ist.
Eine vorteilhaft klein bauende Temperatursonde ist erreichbar, wenn die Temperatursonde ein Griffelement umfasst, das zur Aufnahme der Kommunikationseinheit vorgesehen ist.
Eine Verfälschung eines Temperaturmessergebnisses durch eine Verschmutzung und/oder Beschädigung der Energiespeichereinheit kann vorteilhaft vermieden werden, wenn die Temperatursonde einen versiegelten Innenraum zur Aufnahme der Energiespeichereinheit aufweist.
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, die eine Temperatursonde umfasst,
2 die Temperatursonde aus 1 in einer Schnittdarstellung,
3 eine alternative Temperatursonde mit einem mechanisch schwingfähigen System.
1 zeigt ein Gargerät 26a mit einer Temperatursensorvorrichtung zum Erfassen einer Innentemperatur eines Garguts 14a. Die Temperatursensorvorrichtung weist eine Auswerteinheit 28a auf, die eine Temperaturinformation von einer Temperatursonde 10a erfasst, mit der die Auswerteinheit 28a drahtlos kommuniziert. Die Auswerteinheit 28a verarbeitet die Temperaturinformation und nutzt sie zum Regeln eines Garprozesses des Garguts 14a. In verschiedenen Betriebsmodi des Gargeräts 26a wird die Temperaturinformation dabei in unterschiedlicher Weise genutzt. In einem ersten Betriebsmodus beendet die Auswerteinheit 28a den Garprozess, wenn die Innentemperatur des Garguts 14a einen vorgegebenen Minimalwert erreicht. In einem weiteren Betriebsmodus verändert die Auswerteinheit 28a eine vorgegebene Programmdauer eines Garprogramms abhängig von einem räumlichen und von einem zeitlichen Gradienten der Innentemperatur. In einem weiteren Betriebsmodus stellt die Auswerteinheit die Innentemperatur auf einer Anzeigeeinheit des Gargeräts 26a dar.
Die Temperatursonde 10a enthält drei Energiespeichereinheiten 12a–12a'', die als elektromagnetische Schwingkreise mit Schwingquarzen 16a–16a'' ausgebildet sind und jeweils eine Induktivität und eine parallel zum Schwingquarz 16a–16a'' geschaltete Kapazität aufweisen. Eine Güte der Schwingquarze 16a–16a'' beträgt einige Hundert. Die Induktivitäten und die Kapazitäten der Energiespeichereinheiten 12a–12a'' sind in einem Griffelement 22a der Temperatursonde 10a angeordnet, während die Schwingquarze 16a–16a'' auf einem Schaltungsträger 30a verklebt sind, auf dem Leiterbahnen aufgedruckt sind. Zum Verkleben der Schwingquarze 16a–16a'' auf dem Schaltungsträger 30a kommt ein leitfähiger, temperaturunempfindlicher Klebstoff zum Einsatz.
Der Schaltungsträger 30a ist in einem mit Edelgas unter Unterdruck gefüllten, versiegelten Innenraum 24a eines Edelstahlrohrs angeordnet, das einen spießförmigen Fortsatz 36a der Temperatursonde 10a bildet, der während einer Benutzung in ein Inneres des Garguts 14a eingeführt ist.
Im Griffelement 22a ist zudem eine Antenne 32a angeordnet, die ein Mikrowellensignal empfängt, das von der Auswerteinheit 28a mit Hilfe eines Mikrowellengenerators 34a des Gargeräts 26a erzeugt ist. Das Mikrowellensignal umfasst ein breites Spektrum von Frequenzen und wird über Dioden in die Energiespeichereinheiten 12a–12a'' eingekoppelt, die dadurch zum Schwingen in ihrer jeweiligen Eigenfrequenz angeregt werden. Die Antenne 32a bildet zusammen mit den Dioden eine Kommunikationseinheit 20a der Temperatursonde 10a. Die Schwingungen der Energiespeichereinheiten 12a–12a'' modulieren ein von der Antenne 32a erzeugtes Signal mit der jeweiligen Eigenfrequenz. Das modulierte Signal stellt ein Echo des von der Auswerteinheit 28a erzeugten Mikrowellensignals dar, wird von der Auswerteinheit 28a erfasst und von einer in der Auswerteinheit 28a integrierten programmierbaren Recheneinheit mittels eines Fast-Fourier-Transform-Algorithmus in sein Frequenzspektrum zerlegt. Die Auswerteinheit 28a bestimmt aus dem Spektrum die Eigenfrequenzen der Energiespeichereinheiten 12a–12a'' und aus diesen mit Hilfe von in einer Speichereinheit der Auswerteinheit 28a gespeicherten Zuordnungstabellen die Temperaturen der Schwingquarze 16a–16a''. Die Frequenzen der Schwingquarze 16a–16a'' bzw. der Energiespeichereinheiten 12a–12a'' hängen im Wesentlichen, d. h. bis auf Abweichungen innerhalb einer Messgenauigkeit der Temperatursensorvorrichtung, linear von der Innentemperatur des Garguts 14a im Bereich des jeweiligen Schwingquarzes 16a–16a'' ab.
Die Auswerteinheit 28a legt rechnerisch durch die drei erfassten Innentemperaturen eine Parabel, die einen Temperaturverlauf im Innern des Garguts 14a entlang des Fortsatzes 36a näherungsweise beschreibt. Anschließend bestimmt die Auswerteinheit 28a die Temperatur in. einem Scheitelpunkt der Parabel, die als Kerntemperatur des Garguts 14a zum Steuern eines Garprozesses nutzbar ist.
3 zeigt eine alternative Temperatursonde 10b. Die Beschreibung soll sich im Wesentlichen auf Unterschiede zu der in den 1 und 2 dargestellten Temperatursonde 10b beschränken, wobei im Hinblick auf gleich bleibende Merkmale auf die Beschreibung zu den 1 und 2 verwiesen werden kann. Analoge Merkmale sind dabei mit gleichen Bezugszeichen versehen, wobei zur Unterscheidung die Buchstaben „a” und „b” hinzugefügt sind. 3 zeigt eine Temperatursonde 10b mit vier mechanischen Energiespeichereinheiten 12b–12b''', die Schwingdrähte 38b–38b''' umfassen, die ein mechanisch schwingfähiges System bilden. Die Schwingdrähte 38b–38b''' sind in verschiedenen Bereichen entlang eines spießförmigen Fortsatzes 36b der Temperatursonde 10b aufgehängt und reichen bis in ein Griffelement 22b der Temperatursonde 10b hinein, wobei am Übergang zwischen dem Fortsatz 36b und dem Griffelement 22b ein Steg 40b angeordnet ist, an dem die Schwingdrähte 38b–38b''' anliegen. Oberhalb des Stegs 40b, im Innern des Griffelements 22b, weisen die Schwingdrähte 38b–38b''' einen 6,2 cm langen, frei schwingenden, antennenartigen Abschnitt auf, in den ein Mikrowellensignal einer Auswerteinheit 28b eines die Temperatursonde 10b umfassenden Gargeräts 26b eingekoppelt werden kann. Angeregt durch Schallwellen aus der Umgebung schwingen die oberen Abschnitte der Schwingdrähte 38b–38b''' jeweils in ihrer Eigenfrequenz, die von einer Spannung des jeweiligen Schwingdrahts 38b–38b''' abhängig ist. Die Spannung hängt durch eine Temperaturausdehnung des Schwingdrahts 38b–38b''' insbesondere von einer Temperatur im Bereich der Aufhängung des Schwingdrahts 38b–38b''' im Fortsatz 36b ab.
Ein Anteil des von der Auswerteinheit 28b erzeugten Mikrowellensignals wird von den antennenartigen Abschnitten der Schwingdrähte 38b–38b''' absorbiert und/oder emittiert. Dabei hängt die Absorptionsrate durch eine durch die Schwingung des jeweiligen Abschnitts bedingte Dopplerverschiebung von einer Schwingungsgeschwindigkeit des Schwingdrahts ab, so dass ein von der Auswerteinheit 28b empfangenes Signal mit den Schwingungsfrequenzen der oberen Abschnitte der Schwingdrähte 38b–38b''' moduliert ist.
Die Auswerteinheit 28b analysiert das Signal und berechnet aus den drei erfassten, temperaturabhängigen Frequenzen einen Temperaturverlauf im Innern eines Garguts 14b, in welches der Fortsatz 36b der Temperatursonde 10b eingeführt ist.
Bezugszeichenliste

10: Temperatursonde
12: Energiespeichereinheit
14: Gargut
16: Schwingquarz
20: Kommunikationseinheit
22: Griffelement
24: Innenraum
26: Gargerät
28: Auswerteinheit
30: Schaltungsträger
32: Antenne
34: Mikrowellengenerator
36: Fortsatz
38: Schwingdraht
40: Steg

Claims

Temperatursensorvorrichtung mit einer Temperatursonde (10) zum Einbringen in ein Gargut (14), die zum drahtlosen Messen einer Innentemperatur des Garguts (14) vorgesehen ist, und die eine Energiespeichereinheit (12) und eine Kommunikationseinheit (20) zum Kommunizieren mit einem mit zumindest einer temperaturabhängigen Frequenz modulierten Signal umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiespeichereinheit (12) zum Speichern einer Schwingungsenergie in zumindest zwei temperaturabhängigen Frequenzen vorgesehen ist und dass die Kommunikationseinheit (20) zum Kommunizieren eines Mikrowellensignals vorgesehen ist.
Temperatursensorvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die temperaturabhängigen Frequenzen jeweils, einem Bereich der Temperatursonde (10) zugeordnet sind.
Temperatursensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der temperaturabhängigen Frequenzen Wesentlichen linear von der Temperatur abhängt.
Temperatursensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiespeichereinheit (12) zumindest einen Schwingquarz (16) umfasst.
Temperatursensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiespeichereinheit (12) zumindest ein mechanisch schwingfähiges System (38–38''') umfasst.
Temperatursensorvorrichtung zumindest nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Griffelement (22) der Temperatursonde (10), das zur Aufnahme der Kommunikationseinheit (20) vorgesehen ist.
Temperatursensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatursonde (10) einen versiegelten Innenraum (24) zur Aufnahme der Energiespeichereinheit (12) aufweist.
Gargerät mit einer Temperatursensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.