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Die
Erfindung geht aus von einer Vorrichtung mit einer Sensoranordnung
zum Bestimmen einer Position eines metallischen Gegenstands nach
dem Oberbegriff des Anspruchs 1, von einem Induktionsherd nach dem
Oberbegriff des Anspruchs 10 und von einem Verfahren zum Bestimmen
einer Position eines metallischen Gegenstands nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 11.
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Aus
der
US 4,334,135 ist
eine Vorrichtung mit einer Sensoranordnung zum Bestimmen einer radialen
Versetzung eines metallischen Gegenstands aus einem Zentrum auf
einer diamagnetischen Fläche,
und zwar auf einer Kochfeldfläche,
bekannt. Die Sensoranordnung umfasst neben einer zum induktiven
Heizen des Gegenstands vorgesehenen Primärspule eine schleifenartige
Sekundärspule,
die in zwei verschiedenen Radien das Zentrum der Primärspule umläuft.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht insbesondere darin, eine gattungsgemäße Vorrichtung
mit einer Sensoreinheit bereitzustellen, die zum präzisen Bestimmen
einer Position eines metallischen Gegenstands auf einer geradlinigen
Richtung bzw. Koordinate vorgesehen ist. Eine weitere Aufgabe der
Erfindung besteht darin, einen Einfluss einer Größe des metallischen Gegenstands
auf eine Präzision
der Positionsbestimmung zu reduzieren.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
Merkmale der Patentansprüche
1, 10 und 11 gelöst,
während
vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung den
Unteransprüchen entnommen
werden können.
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Die
Erfindung geht aus von einer Vorrichtung mit einer Sensoranordnung
zum Bestimmen einer Position eines metallischen Gegenstands, insbesondere
eines Kochtopfs, auf einer diamagnetischen Oberfläche, wobei
die Sensoranordnung wenigstens eine Primärspule zum Erzeugen eines Magnetfelds umfasst.
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Es
wird vorgeschlagen, dass die Sensoranordnung wenigstens ein Paar
von im Bereich der Primärspule
in einer parallel zu der Oberfläche
verlaufenden ersten Richtung versetzt angeordneten Sekundärspulen
zum Detektieren des Magnetfelds umfasst. Die in den Sekundärspulen
induzierten Spannungen hängen
auf unterschiedliche Weise von der Position des metallischen Gegenstands
bzw. von einer Projektion dieser Position auf die erste Richtung ab.
Aus dem Vergleich der induzierten Spannungen miteinander und/oder
mit einer Referenzspannung kann die Position entlang der Richtung
präzise
bestimmt werden. Durch das Bilden einer Differenz beider induzierter
Spannungen kann vorteilhaft ein Einfluss einer Größe des metallischen
Gegenstands aus der Positionsbestimmung eliminiert werden.
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Das
oszillierende Magnetfeld muss durch den metallischen Gegenstand
bzw. durch dessen Lage merklich modifiziert sein, um eine umkehrbar eindeutige
Zuordnung zwischen der Position und den induzierten Spannungen zu
ermöglichen.
Die Sekundärspulen
sind dann besonders empfindlich, wenn sie möglichst nahe an der Oberfläche angeordnet sind.
Ein geringer Abstand zwischen der Oberfläche bzw. einer Rückseite
des die Oberfläche
bildenden Bauteils kann dann besonders klein ausgestaltet sein,
wenn die Sekundärspulen
parallel zu der Oberfläche
angeordnet sind. Analoges gilt für
die Primärspule.
Eine besonders empfindliche Sensoranordnung kann durch eine Anordnung
der Sekundärspulen
zwischen der Primärspule
und der Oberfläche
erreicht werden. Durch einen Vergleich beider induzierter Spannungen
kann eine kontinuierliche Messgröße gewonnen
werden, aus der eine Positionsbestimmung möglich ist, die sich im Vergleich
zu Tastsensoren oder optischen Sensoren durch eine deutlich erhöhte Präzision auszeichnet.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
kann im Prinzip zur Positionsbestimmung jedes metallischen Gegenstands
genutzt werden. Wegen der Energieeinsparungspotenziale kann die
Vorrichtung aber mit besonderem Gewinn zur Positionsbestimmung eines Kochtopfs
auf einer diamagnetischen Oberfläche, insbesondere
auf einem Kochfeld, genutzt werden.
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In
einer Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Sekundärspulen
antiparallel ausgerichtet sind. Dadurch kann erreicht werden, dass
sich die im Fall einer zentrischen Anordnung des metallischen Gegenstands
ergebenden induzierten Spannungen in den Sekundärspulen gegenseitig zumindest
teilweise kompensieren. Dadurch kann eine besonders empfindliche
Messung ermöglicht werden.
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Ein
separates Auslesen der induzierten Spannungen beider Sekundärspulen
kann kostensparend entfallen, wenn die Sekundärspulen in antiparalleler Weise
in Reihe geschaltet sind. Der Begriff „antiparallel" bezeichnet hier
den Flächenvektor
der von den Sekundärspulen
umschlossenen Fläche
unter Berücksichtigung
des Umlaufsinns der Sekundärspulen.
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Eine
vollständige
Kompensation der induzierten Spannungen bei gleichem Magnetfeld
kann erreicht werden, wenn die beiden Sekundärspulen die gleiche Induktivität aufweisen.
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Umschließen die
beiden Sekundärspulen
jeweils eine Fläche
von gleicher Größe in unterschiedlichen
Richtungen, kann ein durch unterschiedliche Geometrien der beiden
Sekundärspulen
bedingter Messfehler vermieden werden. Ein Einfluss einer Form und
einer Größe des metallischen
Gegenstands wirkt sich insbesondere im Fall von form- und flächengleichen
Sekundärspulen
in gleicher Weise auf beide Sekundärspulen aus, so dass ein solcher Einfluss
in einfacher Weise durch Differenz- und/oder Quotientenbildung eliminiert
werden kann.
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Durch
ein weiteres Paar von im Bereich der Primärspule in einer parallel zu
der Oberfläche
verlaufenden zweiten Richtung versetzt angeordneten Sekundärspulen
zum Detektieren des Magnetfelds kann die Position in der zweiten
Richtung bestimmt werden. Sind die erste Richtung und die zweite
Richtung linear unabhängig,
kann eine präzise
und einfache zweidimensionale Positionsbestimmung erreicht werden.
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Ein
Einfluss von Gegeninduktivitäten
kann vermieden werden und eine besonders einfache Positionsbestimmung
in einem rechtwinkligen Koordinatensystem kann erreicht werden,
wenn die zweite Richtung zumindest im Wesentlichen senkrecht zu der
ersten Richtung verläuft.
Als „im
Wesentlichen senkrecht" zueinander
sollen zwei Richtungen bezeichnet werden, die um 80–100° voneinander
abweichen.
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Eine
separate Heizspule bzw. eine separate Primärspule kann eingespart werden,
wenn die Primärspule
zum induktiven Heizen des metallischen Gegenstands vorgesehen ist.
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Eine
unerwünschte
und/oder unvorteilhafte Position des metallischen Gegenstands kann
dem Bediener unmittelbar und selbsttätig von der Vorrichtung angezeigt
werden, wenn die Vorrichtung eine Signaleinheit zum Erzeugen eines
Warnsignals abhängig
von der detektierten Position umfasst. Die Signaleinheit kann beispielsweise
als optische oder akustische Signaleinheit ausgebildet sein, wobei
im ersten Fall die Signaleinheit kostensparend eine Leuchtdiode
umfassen kann. Alternativ wäre
es natürlich
denkbar, dass eine Signaleinheit aktiv ist, solange die Position
des metallischen Gegenstands innerhalb eines Sollbereichs liegt.
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Ferner
betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Bestimmen einer Position
eines metallischen Gegenstands, insbesondere eines Kochtopfs, auf
einer diamagnetischen Oberfläche,
wobei durch wenigstens eine Primärspule
ein Magnetfeld erzeugt wird.
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Es
wird vorgeschlagen, dass das Magnetfeld durch wenigstens ein Paar
von im Bereich der Primärspule
in einer parallel zu der Oberfläche
verlaufenden ersten Richtung versetzt angeordneten Sekundärspulen
detektiert wird und die durch das Magnetfeld induzierten Spannungen
der Primärspulen zum
Bestimmen der Position verglichen werden. Dadurch kann eine präzise, von
einer Größe und Form des
metallischen Gegenstands weitgehend unabhängige Positionsbestimmung erreicht
werden.
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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.
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Es
zeigen:
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1 einen
Induktionsherd mit einer Sensoranordnung zum Bestimmen einer Position
eines Kochtopfs,
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2 eine
schematische Darstellung der Sensoranordnung und des Kochtopfs in
einer Seitenansicht,
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3 die
Sensoranordnung und den Kochtopf aus 2 in einer
Draufsicht,
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4 die
Sensoranordnung aus 2 mit einem exzentrisch angeordneten
Kochtopf,
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5 eine
Spannung der Sensoranordnung und eine Spannung einer Primärspule bei
einer ersten Position des Kochtopfs,
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6 die
Spannung der Sensoranordnung und die Spannung der Primärspule bei
einer zweiten Position des Kochtops und
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7 eine
alternative Sensoranordnung mit zwei Paaren von Sekundärspulen
in einer Draufsicht.
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1 zeigt
einen Induktionsherd 42 mit vier Kochfeldern 44–50.
Unter jedem Kochfeld 44–50 ist eine gleichartige
Sensoranordnung 10 angeordnet, wobei in 1 nur
eine erste, unter einem ersten Kochfeld 44 angeordnete
Sensoranordnung 10 angedeutet ist. Hinsichtlich der weiteren
Sensoranordnungen wird auf die Beschreibung zu der ersten Sensoranordnung 10 verwiesen.
Eine horizontal ausgerichtete Oberfläche 14 des Induktionsherds 42 ist
von einer Glaskeramikscheibe 58 gebildet, die von einer Rückseite
mit Markierungen zum Visualisieren der Kochfelder 44–50 bedruckt
ist.
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Die
Sensoranordnung 10 dient der Bestimmung einer Position
X eines auf dem Kochfeld 44 angeordneten Kochtopfs bzw.
metallischen Gegenstands 12 (2). Die
Sensoranordnung 10 umfasst neben einer als Induktor ausgebildeten
Primärspule 16,
die zum Heizen eines auf dem Kochfeld 44 angeordneten metallischen
Gegenstands 12 nutzbar ist, ein Paar von Sekundärspulen 24, 26.
Die Sekundärspulen 24, 26 sind
im Bereich der Primärspule 16 in einer
parallel zu der Oberfläche 14 und
parallel zu einer Vorderkante 52 des Induktionsherds 42 verlaufenden
ersten Richtung 20 versetzt angeordnet und dienen der Detektion
eines von der Primärspule 16 erzeugten
und durch den metallischen Gegenstand 12 modifizierten,
mit einer Frequenz oszillierenden Magnetfelds 18. Dazu
sind die Sekundärspulen 24, 26 sehr
flach und spiralförmig
gewickelt, so dass sie in einer möglichst dünnen Zwischenschicht zwischen der
Primärspule 16 und
der Glaskeramikscheibe 58 Platz finden.
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Die
Wicklungen der Sekundärspulen 24, 26 haben
einen entgegengesetzten Umlaufsinn, so dass die Sekundärspulen 24, 26 antiparallel
ausgerichtet sind. Zudem sind die Sekundärspulen 24, 26 in
antiparalleler Weise in Reihe geschaltet. Dazu ist ein Ende der
Wicklung der ersten Sekundärspule 24 mit einem
Anfang der Wicklung der zweiten Sekundärspule 26 verbunden,
so dass ein Strom die beiden Sekundärspulen 24, 26 im
umgekehrten Umlaufsinn durchfließt. Beide Sekundärspulen 24, 26 weisen
die gleiche Zahl von Windungen auf und die Wicklung umschließt eine
gleiche, kreisförmige
Fläche 28, 30, so dass
die beiden Sekundärspulen 24, 26 die
eine betragsgleiche Induktivität
haben. Die Windungen umschließen
wegen des entgegengesetzten Umlaufsinns der Wicklungen die kreisförmigen Flächen 28, 30 der
Sekundärspulen 24, 26 in
unterschiedlichen Richtungen 32, 34.
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Durch
die Reihenschaltung werden die in den einzelnen Sekundärspulen 24, 26 induzierten Spannungen
implizit verglichen, da wegen der umgekehrten Vorzeichen eine Differenz
gebildet wird. In einer alternativen, aber aufwändigeren Ausgestaltung der
Erfindung wäre
es denkbar, die Spannungen der einzelnen Sekundärspulen 24, 26 unabhängig voneinander
abzugreifen und einen Vergleich zwischen den Spannungen numerisch
durchzuführen.
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Die
Sekundärspulen 24, 26 sind
bezüglich
eines Zentrums 54 der Primärspule 16 spiegelsymmetrisch
angeordnet, so dass das von der Primärspule 16 erzeugte
oszillierende Magnetfeld 18 in der Fläche 28, 30 der
Sekundärspulen 24, 26 betragsgleich ist,
wenn kein metallischer Gegenstand 12 auf der Oberfläche 14 die
Symmetrie des oszillierenden Magnetfelds 18 stört. Durch
das betragsgleiche Magnetfeld 18 und die entgegengesetzten
Induktivitäten
sind die von dem oszillierend veränderlichen magnetischen Fluss
des Magnetfelds 18 in den Sekundärspulen 24, 26 induzierten
Spannungen betragsgleich und entgegengesetzt. Die Symmetrie des
Magnetfelds 18 ist immer dann gestört, wenn der metallische Gegenstand 12 exzentrisch
auf dem Kochfeld 44 angeordnet ist (4). Die
Asymmetrie des Magnetfelds 18 bewirkt eine Abweichung der
Beträge
der in den Sekundärspulen 24, 26 induzierten
Spannungen voneinander. Diese Abweichung wird von der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zum Bestimmen der Position X genutzt.
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Eine
Auswerteinheit 56 greift eine von dem Magnetfeld 18 in
beiden Sekundärspulen 24, 26 induzierte
Spannung V zwischen einem Eingang der ersten Sekundärspule 24 und
einem Ausgang der zweiten Sekundärspule 26 ab
und bestimmt die Position X bzw. die Koordinate des metallischen
Gegenstands 12 bezüglich
der Richtung 20 abhängig
von der abgegriffenen induzierten Spannung V.
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Sind
die induzierten Spannungen der einzelnem Sekundärspulen 24, 26 betragsgleich
und entgegengesetzt, so ist die abgegriffene Spannung V gleich null,
da sich die induzierten Spannungen der einzelnen Sekundärspulen 24, 26 gegenseitig
aufheben (3).
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4 zeigt
eine exzentrische Position X des metallischen Gegenstands 12,
durch welche die Symmetrie des Magnetfelds 18 gebrochen
ist. Der metallische Gegenstand 12 ist in der Richtung 20 einer
rechten Sekundärspule 24 verschoben,
mit der Folge, dass eine Amplitude eines magnetischen Flusses durch
die rechte Sekundärspule 24 größer ist als
die Amplitude des magnetischen Flusses durch die linke Sekundärspule 26.
Gleiches gilt für
die jeweils in den Sekundärspulen 24, 26 induzierten Spannungen,
so dass diese in der Summe von null verschieden sind. Die abgegriffene
Spannung V variiert daher näherungsweise
linear mit der Position X bzw. der Koordinate des metallischen Gegenstands 12.
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Neben
der Amplitude der abgegriffenen Spannung V bestimmt die Auswerteinheit 56 auch eine
Phase der abgegriffenen Spannung V. Ist diese gleichphasig mit einer
an der Primärspule 16 anliegenden
Spannung VP, so ist der metallische Gegenstand 12 in
der Richtung 20 der ersten Sekundärspule 24 verschoben.
Eine solche Situation ist in 5 dargestellt.
Ist die abgegriffene Spannung V zu der Spannung VP an
der Primärspule 16 gegenphasig,
so ist der metallische Gegenstand 12 in der Richtung der
zweiten Sekundärspule 26 verschoben.
Eine solche Situation ist in 6 dargestellt.
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Die
Auswerteinheit 56 ist mit einer als Leuchtdiode ausgebildeten
Signaleinheit 40 verbunden, die neben dem Kochfeld 44 unter
der Oberfläche 14 angeordnet
ist. Übersteigt
die abgegriffene Spannung V einen Schwellenwert, so aktiviert die Auswerteinheit 56 die
Signaleinheit 40, um dem Bediener eine zu große Abweichung
der detektierten Position X von der zentralen Position X = 0 zu
visualisieren.
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7 zeigt
eine alternative Sensoranordnung 10 mit einem weiteren
Paar von im Bereich der Primärspule 16 in
einer parallel zu der Oberfläche 14 verlaufenden
zweiten Richtung 22 versetzt angeordneten Sekundärspulen 36, 38 zum
Detektieren des Magnetfelds 18. Das zweite Paar ist bis
auf eine Drehung um 90° baugleich
zu dem ersten Paar von Sekundärspulen 24, 26.
Bezüglich
der konstruktiven Ausgestaltung der beiden Paare von Sekundärspulen 24, 26, 36, 38 wird
auf die Beschreibung zu den 1–4 verwiesen.
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Die
zweite Richtung 22 verläuft
senkrecht zu der ersten Richtung 20 und die Auswerteinheit 56 greift
die in den beiden Paaren von Sekundärspulen 24, 26 induzierten
Spannungen V1, V2 unabhängig voneinander
ab. Gemäß dem oben
beschriebenen Verfahren kann die Auswerteinheit 56 aus
der vom ersten Paar von Sekundärspulen 24, 26 abgegriffenen Spannung
V1 einen Wert der Koordinate der Position
X eines metallischen Gegenstands 12 in einer ersten Richtung 20 bestimmen.
Aus der von dem zweiten Paar von Sekundärspulen 36, 38 abgegriffenen
Spannung V2 kann die Auswerteinheit 56 analog einen
Wert der Koordinate der Position Y eines metallischen Gegenstands 12 in
der zweiten Richtung 22 bestimmen. Die Werte beider Koordinaten
beschreiben die Position X, Y des metallischen Gegenstands 12 in
den beiden Dimensionen der Oberfläche 14.
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- 10
- Sensoranordnung
- 12
- Gegenstand
- 14
- Oberfläche
- 16
- Primärspule
- 18
- Magnetfeld
- 20
- Richtung
- 22
- Richtung
- 24
- Sekundärspule
- 26
- Sekundärspule
- 28
- Fläche
- 30
- Fläche
- 32
- Richtung
- 34
- Richtung
- 36
- Sekundärspule
- 38
- Sekundärspule
- 40
- Signaleinheit
- 42
- Induktionsherd
- 44
- Kochfeld
- 46
- Kochfeld
- 48
- Kochfeld
- 50
- Kochfeld
- 52
- Vorderkante
- 54
- Zentrum
- 56
- Auswerteinheit
- 58
- Glaskeramikscheibe
- X
- Position
- Y
- Position
- V
- Spannung
- V1
- Spannung
- V2
- Spannung
- VP
- Spannung