DE102012112855A1

DE102012112855A1 - Gargerätmesseinheit mit mehreren Sensoren und Verfahren zur Ermittlung einer physikalischen Messgröße

Info

Publication number: DE102012112855A1
Application number: DE201210112855
Authority: DE
Inventors: Thomas Schreiner
Original assignee: Rational AG
Current assignee: Rational AG
Priority date: 2012-12-21
Filing date: 2012-12-21
Publication date: 2014-06-26
Anticipated expiration: 2032-12-22
Also published as: DE102012112855B4

Abstract

Eine Gargerätmesseinheit hat mehrere Sensoren (20) zum Messen einer physikalischen Größe im Gargerät (14), die über wenigstens eine gemeinsame elektrische Leitung (16) mit einer Steuereinheit (12) eines Gargeräts (14) verbindbar und die jeweils elektrisch an die gemeinsame elektrische Leitung (16) angeschlossen sind. Jeder Sensor (20) weist jeweils wenigstens ein passives elektrisches Bauteil auf, das auf von der Steuereinheit (12) ausgesandte Abfragesignale Messsignale abgibt. Das passive Bauteil ist individualisiert und so ausgelegt, dass durch die von der Steuereinheit (12) ausgesandten Abfragesignale die Identität jedes Sensors (20) feststellbar ist. Bei einem Verfahren zur Ermittlung einer physikalischen Messgröße durch mehrere Sensoren (20) in einer Gargerätmesseinheit (10) sendet die ebenfalls an die gemeinsame elektrische Leitung (16) angeschlossene Steuereinheit (12) ein Abfragesignal entlang der gemeinsamen elektrischen Leitung (16), das in dem wenigstens einen passiven elektrischen Bauteil jedes Sensors (20) verarbeitet wird. Das so erzeugte Messsignal wird von der Steuereinheit (12) empfangen und ausgewertet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Gargerätmesseinheit mit mehreren Sensoren und ein Verfahren zur Ermittlung einer physikalischen Messgröße in einem Gargerät.
Es gibt beispielsweise Kerntemperaturfühler für Gargeräte, die entlang des in das Gargut einzusteckenden Endes des Temperaturfühlers mehrere Sensoren aufweisen, sodass die Temperaturverteilung innerhalb des Garguts erfasst werden kann. Bislang ist jeder dieser Sensoren über eine eigene elektrische Leitung, die aus dem Temperaturfühler herausgeführt ist, direkt mit einer Steuereinheit verbunden, wobei für jeden einzelnen Sensor im Temperaturfühler ein eigener Stromkreis mit einem eigenen Leitungspaar gebildet ist.
In der DE 10 2010 063 712 A1 ist eine Vereinfachung vorgeschlagen. Mehrere Sensoren werden an ein Bussystem angeschlossen und insgesamt mit einem einzigen zweiadrigen Kabel mit der Steuereinheit verbunden. Jeder der Sensoren muss hierzu allerdings ein aktives elektronisches Bauteil aufweisen, in dem eine Adresse des Sensors gespeichert ist, anhand derer der Sensor durch ein bekanntes binäres Abfrageverfahren von der Steuereinheit identifiziert werden kann. Eine derartige Verschaltung von Bauteilen in Form eines Feldbusses ist in der Mikroelektronik weitverbreitet und wird häufig genutzt. Problematisch bei der Verwendung in Kerntemperaturfühlern ist jedoch, dass derartige aktive elektronische Bauelemente nur eine geringe Temperaturtoleranz aufweisen. Insbesondere können sie nicht die beispielsweise im Garraum eines Gargeräts selbst herrschenden Temperaturen von bis zu 400°C überstehen. Diese Temperaturempfindlichkeit schränkt daher die Verwendung des in dieser Schrift beschriebenen Temperaturfühlers stark ein. Hinzu kommt noch der Nachteil, dass aktive elektronische Bauteile nach wie vor teuer sind.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine vereinfachte, aber dennoch temperaturstabile Gargerätmesseinheit, beispielsweise einen Temperaturfühler, insbesondere einen Kerntemperaturfühler, sowie ein einfaches Verfahren zum Ermitteln einer physikalischen Messgröße im Gargerät zu schaffen.
Dies wird erreicht bei einer Gargerätmesseinheit zum Messen einer physikalischen Größe im Gargerät, mit mehreren Sensoren, die über wenigstens eine gemeinsame elektrische Leitung mit einer Steuereinheit eines Gargeräts verbindbar und die jeweils elektrisch an die Leitung angeschlossen sind. Jeder Sensor weist jeweils wenigstens ein passives elektrisches Bauteil auf, das auf von der Steuereinheit ausgesandte Abfragesignale Messsignale abgibt. Das passive Bauteil ist individualisiert und so ausgelegt, dass durch die von der Steuereinheit ausgesandten Abfragesignale die Identität jedes Sensors feststellbar ist.
In der erfindungsgemäßen Gargerätmesseinheit ist sozusagen ein passives bzw. analoges Feldbussystem verwirklicht. Wie in einem bekannten digitalen Feldbussystem werden alle Sensoren an gemeinsame Steuerleitungen angeschlossen, und die Abfrage- und Messsignale von und zu allen Sensoren laufen vorzugsweise jeweils über dieselben Steuerleitungen. Die einzelnen Sensoren sind vorteilhaft parallel oder auch seriell miteinander vernetzt, sodass eine Verbindung zwischen den Sensoren geschaffen ist, bei der ein von der Steuereinheit ausgesendetes Abfragesignal prinzipiell jeden Sensor erreichen kann.
Das passive elektrische Bauelement des Sensors generiert vorzugsweise einen Messwert, der vorteilhaft die zu messende physikalische Größe wiedergibt und der bevorzugt in das an die Steuereinheit zurückgegebene Messsignal einfließt.
Ein passives elektrisches Bauteil kann aus nur einem einzigen oder auch aus mehreren passiven elektrischen Bauelementen bestehen. Das oder die passiven elektrischen Bauelemente zusammen können ein Signal erzeugen oder verändern, sodass ein auf das Abfragesignal antwortendes Messsignal erkennbar und auswertbar ist.
Das passive elektrische Bauelement, das zur Individualisierung und zur Identifikation des jeweiligen Sensors dient, kann auch gleichzeitig den Messwert des Sensors liefern, wie im Folgenden noch erläutert wird. Es ist jedoch genauso gut möglich, ein weiteres passives Bauelement zur Messung der zu messenden physikalischen Größe einzusetzen.
Selbstverständlich sind in der Steuereinheit normale, bekannte Elektronikbauelemente und integrierte Schaltungen enthalten, und auch die Generierung der Abfragesignale sowie die Auswertung der Messsignale erfolgen auf bekanntem Weg. Die Gargerätmesseinheit, die die Sensoren selbst enthält und die beispielsweise als Kerntemperaturfühler ausgebildet ist, der hohen Temperaturen ausgesetzt sein kann, kommt hingegen vollständig ohne aktive elektronische Elemente und insbesondere ohne integrierte Schaltungen aus.
Als passive Bauelemente werden hier unter anderem, aber nicht abschließend, Widerstände, Induktivitäten, Kapazitäten, Wellenleiter, Schwingkreise, Frequenzfilter, Oberflächenwellenelemente, Hochfrequenzreflektoren, Hochfrequenzwiderstände und ähnliche bekannte Bauelemente bezeichnet, allgemein Bauelemente, die nicht selbst aktiv ein elektrisches Signal aussenden und die auch ansonsten keine aktiven elektronischen Elemente wie etwa Speicherbausteine oder andere integrierte Schaltungen enthalten.
Derartige passive elektrische Bauelemente sind weit weniger temperaturanfällig als aktive Bauelemente. Dies hat den großen Vorteil, dass die Gargerätmesseinheit z.B. in einem Hochtemperaturbereich, also etwa dem Garraum des Gargeräts, platziert werden kann, obwohl sie sowohl die Mittel zur Identifikation des Sensors wie auch die eigentlichen Sensoren selbst enthält.
Zugleich ist die Zahl der Leitungen auf wenige gemeinsame elektrische Leitungen reduziert, sodass sich trotz einer ausreichenden Anzahl von Sensoren in der Gargerätmesseinheit z.B. der Durchmesser des Temperaturfühlers verringern lässt.
Mit der Erfindung lässt sich also eine sehr kompakte, robuste Gargerätmesseinheit realisieren, die zudem kostengünstig zu fertigen ist und sehr langlebig ist, da die passiven elektrischen Bauteile günstiger sind als aktive Elektronik und auch eine längere Lebensdauer haben.
Vorteilhaft erfolgt eine rein analoge Anregung des oder der passiven elektronischen Bauteile und eine rein analoge Erzeugung des Messsignals, in dem die Identität des Sensors und/oder der vom Sensor ermittelte Messwert jeden Sensors codiert sind und das an die Steuereinheit zurückgegeben wird.
In der Gargerätmesseinheit kann eine Vielzahl von Sensoren enthalten sein, vorzugsweise zwei bis zehn Sensoren.
Die Sensoren sind vorzugsweise in einem einzigen Temperaturfühler, insbesondere einem Kerntemperaturfühler, aufgenommen und vorzugsweise in einer Reihe beginnend an dem freien Ende des Temperaturfühlers angeordnet.
Es ist auch möglich, mehrere Gruppen von Sensoren z.B. in getrennten Temperaturfühlern vorzusehen, die, falls dies günstiger ist, jeweils über ein eigenes Bussystem mit der Steuereinheit verbunden sein können.
Natürlich ist es auch möglich, Gruppen von Sensoren auf mehrere, durch die gemeinsame elektrische Leitung verbundene Temperaturfühler aufzuteilen.
Bevorzugt ist wenigstens einer der Sensoren ein Temperatursensor. Hierzu bieten sich beispielsweise SAW-Elemente oder temperaturabhängige Widerstände an. Es wäre auch möglich, andere Sensoren, zum Beispiel zur Feuchtemessung, auf dieselbe Weise in einem analogen Feldbussystem anzuordnen.
Die gemeinsame elektrische Leitung weist vorzugsweise wenigstens zwei parallele Leitungsstränge auf. Es können beispielsweise getrennte Leitungsstränge zur Stromversorgung, zur Übermittlung des Abfragesignals zur Anregung der passiven elektrischen Bauteile, zum Datentransfer zurück zur Steuereinheit und zur Erdung vorgesehen sein. Es ist aber auch möglich, mit lediglich zwei parallelen Leitungssträngen in der gemeinsamen elektrischen Leitung auszukommen.
Die Verwendung mehrerer Leitungsstränge in der gemeinsamen elektrischen Leitung kann z.B. sinnvoll sein, wenn mehrere Sensoren genau zeitgleich ausgelesen werden sollen oder wenn gleichzeitig an einer gemeinsamen elektrischen Leitung in einer Gargerätmesseinheit Sensoren unterschiedlicher Typen eingesetzt werden sollen.
Die gemeinsame elektrische Leitung kann nach Art eines Koaxialkabels aufgebaut sein, wobei insbesondere einer der Leitungsstränge eine geerdete äußere Leitung bilden kann. Diese Leitung kann z.B. die Abschirmung des Koaxialkabels darstellen. Besonders vorteilhaft ist es jedoch, die metallische Außenhülle eines Temperaturfühlers selbst als geerdete Leitung einzusetzen. Auf diese Weise kann ein weiterer Leitungsstrang im Inneren des Temperaturfühlers eingespart werden.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist jedem der Sensoren eine unterschiedliche vorbestimmte Frequenz zugeordnet, und der Sensor ist über diese Frequenz eindeutig identifizierbar.
Der Sensor enthält in einer Variante einen Schwingkreis, wobei die Eigenfrequenz der Schwingkreise der unterschiedlichen Sensoren verschieden gewählt ist. Die Eigenfrequenz entspricht der dem jeweiligen Sensor zugeordneten Frequenz. Der Schwingkreis kann sowohl zur Identifikation des Sensors als auch zur Erzeugung des Messsignals verwendet werden.
Bei einer Anregung durch ein Hochfrequenzsignal kann auch die Leitungsgeometrie in der Zuleitung bzw. im Sensor selbst den Schwingkreis bilden.
In einer anderen Variante weist jeder der Sensoren ein Frequenzfilter auf, beispielsweise ein Bandpassfilter, wobei die Durchlassfrequenz dann die zugeordnete Frequenz ist.
Sendet die Steuereinheit das Abfragesignal in einer bestimmten Frequenz, so wird in beiden Varianten nur ein einziger der Sensoren in ausreichender Stärke angeregt, nämlich derjenige, der einen Schwingkreis mit der passenden Eigenfrequenz aufweist oder dessen Frequenzfilter die Anregungsfrequenz durchlässt.
Der Sensor ist hier vorzugsweise so ausgelegt, dass die zugeordnete Frequenz durch die vom Sensor zu messende physikalische Größe verändert wird. Wird beispielsweise bei einem Schwingkreis eine temperaturabhängige Induktivität oder Kapazität oder ein temperaturabhängiger Widerstand eingesetzt, so kann sich bei Änderung der Temperatur die Resonanzfrequenz des Schwingkreises verschieben.
Zusätzlich oder alternativ lässt sich auch eine Änderung des Gütefaktors des Schwingkreises erfassen, etwa, wenn die zugeordnete Frequenz einer Resonanzfrequenz eines Schwingkreises im Sensor entspricht, da sich eine temperaturbedingte Änderung der Kapazität, der Induktivität und/oder des Widerstands auch in der Güte des Resonanzpeaks niederschlägt.
Auch eine Änderung der Phasenverschiebung gegenüber dem anregenden Abfragesignal oder Veränderungen der Stromstärke bzw. der Spannung könnten zur Codierung des Messsignals genutzt werden.
Derartige Veränderungen lassen sich alle in der Steuereinheit auswerten und in einen Temperaturwert umsetzen.
In allen Fällen ist der jeweilige Sensor eindeutig bestimmbar, da vorzugsweise bei der Anregung mit einer bestimmten Frequenz nur ein einziger der Sensoren der Gargerätmesseinheit ein Messsignal zur Steuereinheit zurücksendet.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist jedem der Sensoren eine unterschiedliche vorbestimmte Signal-Laufzeitverzögerung zugeordnet, und der Sensor ist über diese Signal-Laufzeitverzögerung eindeutig identifizierbar. Durch die Zeitdifferenz zwischen der Aussendung des Abfragesignals und dem Eingang des Messsignals lässt sich bei diesem Ausführungsbeispiel der Sensor identifizieren.
Vorzugsweise ist der Sensor bei dieser Ausführungsform so ausgelegt, dass die vorbestimmte zugeordnete Signallaufzeitverzögerung durch die vom Sensor zu messende physikalische Größe verändert wird. Auf diese Weise lässt sich im durch die Laufzeitverzögerung gebildeten Messsignal sowohl die Identität des Sensors als auch der eigentliche Messwert der physikalischen Größe codieren.
Bei den beiden gerade beschriebenen Ausführungsformen beträgt die Veränderung der Frequenz bzw. der Laufzeitverzögerung durch die zu messende Größe jeweils nur einen kleinen Bruchteil des eigentlichen Wertes der vorbestimmten Frequenz bzw. Laufzeitverzögerung, sodass eine gute Unterscheidbarkeit der einzelnen Sensoren gewährt bleibt.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind die Sensoren so ausgelegt, dass jeder der Sensoren für eine durch die gemeinsame elektrische Leitung verlaufende elektromagnetische Welle einen vorbestimmten Impedanzsprung verursacht und die so erzeugten Reflektionssignale zur Identifikation der einzelnen Sensoren verwendet werden. Über den Laufzeitunterschied der hintereinander entlang der gemeinsamen elektrischen Leitung in bekannten unterschiedlichen Abständen angeordneten einzelnen Sensoren lässt sich der jeweilige Sensor identifizieren.
Es ist auch möglich, als Abfrage- und Anregungssignal einen Wellenpuls durch die gemeinsame elektrische Leitung zu senden. Diese Technik zur Erzeugung eines Reflektionssignals ist auch bekannt als Kabelradar bzw. Zeitbereichsreflektometrie.
Hier kann der Sensor so ausgelegt sein, dass die Intensität des durch den vorbestimmten zugeordneten Impedanzsprung erzeugten Reflektionssignals durch die vom Sensor zu messende physikalische Größe beeinflusst wird. In diesem Fall erfolgt die Identifikation des Sensors über die Zeitspanne bis zur Ankunft des reflektierten Signals, und die Amplitude des erhaltenen reflektierten Signals kann den Messwert des Sensors, beispielsweise einen Temperaturwert, wiedergeben.
Wenigstens einer der Sensoren kann ein SAW-Element(Oberflächenwellenelement) aufweisen. Derartige SAW-Elemente werden, beispielsweise zur Temperaturmessung eingesetzt, da sich die Laufzeit des Signals durch das SAW-Element mit verändernder Temperatur ändert. Ein derartiges SAW-Element kann beispielsweise zusammen mit einem Frequenzfilter, einem Schwingkreis oder auch als laufzeitverzögerndes Element eingesetzt werden.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Ermittlung einer physikalischen Messgröße durch mehrere Sensoren in einer Gargerätmesseinheit, insbesondere einer erfindungsgemäßen Gargerätmesseinheit, wie sie gerade beschrieben wurde. Alle Sensoren sind an wenigstens eine gemeinsame elektrische Leitung angeschlossen, und eine ebenfalls an die gemeinsame elektrische Leitung angeschlossene Steuereinheit sendet ein Abfragesignal entlang der elektrischen Leitung, das in wenigstens einem passiven elektrischen Bauteil jedes Sensors verarbeitet wird, wobei ein Messsignal erzeugt wird, das den Sensor identifiziert und den vom jeweiligen Sensor ermittelten Messwert enthält und das von der Steuereinheit empfangen und ausgewertet wird.
Zum Anregen und Auslesen eines Sensors kann die Steuereinheit gezielt einen Puls einer vorbestimmten Frequenz entlang der gemeinsamen elektrischen Leitung senden, beispielsweise wenn, wie oben beschrieben, die Sensoren durch eine vorbestimmte eigene Frequenz identifizierbar sind.
Es ist auch möglich, dass die Steuereinheit zum Anregen und Auslesen aller Sensoren gleichzeitig einen Puls mit vielen vorbestimmten Frequenzen, beispielsweise eine Breitbandanregung, entlang der gemeinsamen elektrischen Leitung sendet.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand mehrerer Ausführungsbeispiele und mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Gargerätmesseinheit, angeschlossen an eine Steuereinheit eines Gargeräts;
2 eine schematische Darstellung der Verschaltung mehrerer Sensoren einer erfindungsgemäßen Gargerätmesseinheit gemäß einer ersten Ausführungsform;
3 eine schematische Verschaltung mehrerer Sensoren einer erfindungsgemäßen Gargerätmesseinheit gemäß einer zweiten Ausführungsform;
4 eine schematische Verschaltung mehrerer Sensoren einer erfindungsgemäßen Gargerätmesseinheit gemäß einer dritten Ausführungsform;
5 eine schematische Verschaltung mehrerer Sensoren einer erfindungsgemäßen Gargerätmesseinheit gemäß einer vierten Ausführungsform; und
6 eine schematische Verschaltung mehrerer Sensoren einer erfindungsgemäßen Gargerätmesseinheit gemäß einer Variante der vierten Ausführungsform.
1 zeigt eine erfindungsgemäße Gargerätmesseinheit 10, die mit einer Steuereinheit 12 eines symbolisch dargestellten Gargeräts 14 fest oder steckbar verbunden ist. Die elektrische Verbindung erfolgt über eine elektrische Leitung 16. Die Gargerätmesseinheit 10 ist in diesem Beispiel ein Kerntemperaturfühler, der in einem lang gestreckten, metallischen, stabförmigen Gehäuse 18 mehrere einzelne, hintereinander angeordnete Sensoren 20 aufweist. Ein Ende des Gehäuses 18 wird zur Erfassung der Kerntemperatur in ein Gargut hineingesteckt. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind in 2 nicht alle der Sensoren 20 mit einem Bezugszeichen versehen, und die Gargerätmesseinheit 10 ist im Verhältnis zum Gargerät 14 und dessen Garraum übergroß dargestellt.
Die elektrische Leitung 16 bildet eine gemeinsame elektrische Leitung, mit der alle Sensoren 20 verbunden sind.
Die Länge Δl der gemeinsamen elektrischen Leitung 16 zwischen den jeweiligen Sensoren 20 und der Steuereinheit 12 ist für jeden der Sensoren 20 bekannt und für einige der unten beschriebenen Ausführungsformen in der Steuereinheit 12 abgelegt.
Die Steuereinheit 12 ist in einer Variante so ausgebildet, dass mehrere Gargerätmesseinheiten 10 parallel angeschlossen werden können, wobei jede der Gargerätmesseinheiten 10 eine Gruppe von Sensoren 20 aufweist, die innerhalb des Kerntemperaturfühlers hintereinander und elektrisch parallel an eine gemeinsame elektrische Leitung 16 angeschlossen sind. Jede der Gargerätmesseinheiten wird in diesem Fall separat von der Steuereinheit 12 angesprochen.
In einer anderen Variante ist die Steuereinheit 12 so ausgebildet, dass mehrere Gargerätmesseinheiten 10 mit jeweils einer Gruppe von Sensoren 20 an eine einzige gemeinsame elektrische Leitung 16 angeschlossen sind, wobei alle Sensoren 20 parallel mit der gemeinsamen elektrischen Leitung 16 verbunden sind. In diesem Fall werden alle Gargerätmesseinheiten 10 gleichzeitig von der Steuereinheit 12 angesprochen.
Jeder der Sensoren 20 misst eine physikalische Größe, beispielsweise die Temperatur oder die Feuchte. Im Folgenden wird bei der Beschreibung der einzelnen Ausführungsformen jeweils von Temperatursensoren ausgegangen. Selbstverständlich lässt sich das erfindungsgemäße Prinzip aber auch auf andere physikalische Größen übertragen.
Bei den dargestellten Ausführungsformen sind jeweils alle Sensoren 20 einer Gargerätmesseinheit 10 in einem Gehäuse 18 von ihrem Funktionsprinzip und ihrem Messprinzip her identisch aufgebaut. Es wäre jedoch auch möglich, unterschiedliche Sensortypen in einer Gargerätmesseinheit 10 zu kombinieren.
Jeder der Sensoren 20 weist ein passives elektrisches Bauteil auf, das so individualisiert ist, dass es den Sensor 20 in der in der Gargerätmesseinheit 10 verbauten Gruppe von Sensoren 20 eindeutig identifizierbar macht.
Unter einem passiven elektrischen Bauteil wird wie oben erwähnt in diesem Zusammenhang ein Bauteil verstanden, das nicht selbst aktiv ein elektrisches Signal aussendet und das auch ansonsten keine aktiven elektronischen Elemente wie etwa Speicherbausteine oder integrierte Schaltungen enthält.
Alle Sensoren 20 sind parallel hintereinander an die gemeinsame elektrische Leitung 16 elektrisch angeschlossen. Die Gruppe der Sensoren 20 an der gemeinsamen elektrischen Leitung 16 bildet eine Art passiven bzw. analogen Feldbus, bei dem die Abfrage der Sensoridentität sowie des vom jeweiligen Sensor 20 ermittelten Messwerts auf rein analoge Art geschieht. Die im Folgenden beschriebenen Ausführungsformen zeigen Beispiele für derartige passive Feldbussysteme.
2 zeigt eine Gruppe von Sensoren 20 einer ersten Ausführungsform einer Gargerätmesseinheit 10, die wie in 1 gezeigt in einem Gehäuse 18 angeordnet sind und über die gemeinsame elektrische Leitung 16 mit der Steuereinheit 12 verbunden sind. Die gemeinsame elektrische Leitung 16 besteht hier aus zwei parallel verlaufenden elektrischen Leitungssträngen 16a, 16b, die jeweils mit sämtlichen der Sensoren 20 verbunden sind. In der 2 sind sechs Sensoren 20 nebeneinander an die gemeinsame elektrische Leitung 16 angeschlossen, es könnten aber auch mehr oder weniger Sensoren 20 vorgesehen sein.
In allen hier gezeigten Ausführungsformen sind die Leitungsstränge 16a, 16b durchgehend ausgebildet, und die Sensoren 20 sind z.B. über kurze Zuleitungen an die Leitungsstränge 16a, 16b angeschlossen.
Einer der Leitungsstränge 16a, 16b kann beispielsweise als Signalleitung dienen, während der andere eine Erdleitung ist.
In einer Variante, die durch die gestrichelten Linien angedeutet ist, sind weitere parallel zu den Leitungssträngen 16a, 16b verlaufende elektrische Leitungsstränge 16c, 16d vorgesehen, die ebenfalls Teil der gemeinsamen elektrischen Leitung 16 sind und ebenfalls mit sämtlichen der Sensoren 20 verbunden sind. Mit mehr als zwei Leitungssträngen ist es beispielsweise möglich, eine eigene Leitung zur Anregung durch das Abfragesignal und eine eigene Leitung zum Empfang des Messsignals der Sensoren 20 vorzusehen, was die Auswertung erleichtert. Da jedoch das Platzangebot im Inneren eines Kerntemperaturfühlers begrenzt ist, ist es vorteilhaft, die Zahl der Leitungsstränge möglichst gering zu halten.
Die einzelnen Leitungsstränge 16a, 16b der gemeinsamen elektrischen Leitung 16 sind hier in Form eines Koaxialkabels ausgelegt, wobei der oder die inneren Leitungsstränge als Datenleitung ausgebildet sind und das Abfrage- beziehungsweise Messsignal von und zur Steuereinheit 12 leiten und der äußere Leitungsstrang als Erdleitung ausgebildet ist. Der äußere Leitungsstrang kann durch eine Abschirmung des Kabels gebildet sein, im Bereich des Gehäuses 18 ist er in einer bevorzugten Ausführungsform durch die metallische Außenhülle des Temperaturfühlers selbst gebildet.
Jeder der Sensoren 20 weist in diesem Beispiel ein Oberflächenwellenelement (SAW-Element) auf, das eine individuelle, vorbestimmte und unterschiedliche Eigenfrequenz f₁ bis f₆ besitzt. Durch ein von der Steuereinheit 12 entlang der gemeinsamen elektrischen Leitung 16 ausgegebenes Abfragesignal, das eine bestimmte Frequenz aufweist, wird nur derjenige der Sensoren 20 angeregt, dessen vorbestimmte Frequenz mit der Anregungsfrequenz übereinstimmt. Auf diese Weise ist der Sensor 20 eindeutig identifiziert, und es ist sichergestellt, dass das Messsignal von einem einzigen, genau bekannten Sensor 20 der Gruppe von Sensoren 20 stammt.
Wird also beispielsweise ein Impuls der Frequenz f₃ von der Steuereinheit 12 entlang der gemeinsamen elektrischen Leitung 16 ausgesandt, so wird der in 2 dritte Sensor von links, der die Eigenfrequenz f₃ hat, antworten, während von sämtlichen anderen Sensoren 20 kein Antwortsignal zurück zur Steuereinheit 12 kommt.
Gleichzeitig wird vom Sensor 20 der Messwert der zu messenden physikalischen Größe bestimmt. Dieser aktuelle Messwert ist im an die Steuereinheit 12 zurückgemeldeten Messsignal codiert.
In dieser Ausführungsform ist es möglich, temperaturveränderliche SAW-Elemente zu verwenden, deren Frequenz sich beispielsweise mit der Temperatur leicht verschiebt. Durch das Maß der Frequenzverschiebung im Messsignal gegenüber der Frequenz des Abfragesignals ist die Temperatur des Sensors 20 eindeutig bestimmbar. Das Messsignal kann also beispielsweise die Frequenz f₃ + Δf₃ aufweisen.
Wichtig ist hierbei natürlich, dass die Frequenzverschiebung verglichen mit dem Abstand der vorbestimmten Frequenzen f₁ bis f₆ der einzelnen Sensoren 20 der Gruppe von Sensoren 20 so gering ist, dass die jeweiligen Sensoren 20 aufgrund ihrer Frequenz eindeutig identifizierbar bleiben.
Es ist auch möglich, einen breitbandigen Anregungspuls von der Steuereinheit 12 auszusenden, der sämtliche Frequenzen f₁ bis f₆ aller Sensoren 20 gleichzeitig enthält, sodass sämtliche Sensoren 20 gleichzeitig angeregt werden. Die Antwort der Sensoren 20, die die Steuereinheit 12 beispielsweise über einen zusätzlichen Leitungsstrang 16c der gemeinsamen elektrischen Leitung 16 empfängt, besteht in einer Mischung der Frequenzen f₁ + Δf₁ bis f₆ + Δf₆, da die jeweiligen vorbestimmten Frequenzen aufgrund der temperaturabhängigen Frequenzverschiebung der einzelnen Sensoren 20 um einen geringen Betrag Δf₁ bis Δf₆ verschoben sind. Indem in der Steuereinheit 12 das empfangene Messsignal in seine Frequenzbestandteile aufgeteilt wird, können die Frequenzunterschiede Δf₁ bis Δf₆ herausgefiltert werden und darüber die Temperatur jedes der Sensoren 20 bestimmt werden.
3 zeigt eine Gruppe von Sensoren 20 einer ähnlich aufgebauten Gargerätmesseinheit, wobei auch hier alle Sensoren 20 als SAW-Elemente ausgebildet sind. In diesem Fall ist jedoch nicht die Anregungsfrequenz der einzelnen Sensoren 20 unterschiedlich, sondern der durch die SAW-Elemente generierte Laufzeitunterschied t₁ bis t₆ unterscheidet sich je nach Sensor 20. Diese Laufzeitunterschiede t₁ bis t₆ sind vorbekannt und in der Steuereinheit 12 abgelegt, sodass eine eindeutige Zuordnung zwischen einem der Laufzeitunterschiede t₁ bis t₆ und dem jeweiligen Sensor 20 gegeben ist.
Bei der Anregung der Sensoren 20 durch ein von der Steuereinheit 12 ausgesandtes Abfragesignal benötigen die Signale unterschiedlich lange, entsprechend den Laufzeitunterschieden t₁ bis t₆, um die SAW-Elemente der Sensoren 20 zu passieren. Entsprechend kommen die Messsignale zeitverzögert an der Steuereinheit 12 an, sodass eindeutig erkannt werden kann, welches Messsignal von welchem der Sensoren 20 stammt.
Auch hier wird der Messwert direkt in das Antwortsignal hinein codiert, indem SAW-Elemente mit temperaturbedingt veränderlichen Laufzeiten verwendet werden. Die aufgrund der Temperatur des Sensors entstehende zusätzliche Laufzeitverzögerung Δt₁ bis Δt₆ kann mit den bekannten Laufzeitunterschieden t₁ bis t₆ aus dem empfangenen Messsignal herausgerechnet werden und als Maß für die Temperaturen der einzelnen Sensoren 20 herangezogen werden. Auch hier gilt, dass die temperaturbedingten Laufzeitunterschiede Δt₁ bis Δt₆ deutlich kleiner sind als die zur Identifikation verwendeten Laufzeitunterschiede t₁ bis t₆, sodass stets getrennte Signale von den einzelnen Sensoren 20 in der Steuereinheit 12 empfangen werden können.
4 zeigt eine weitere Ausführungsform mit einer Gruppe von Sensoren 20 einer erfindungsgemäßen Gargerätmesseinheit, die wiederum parallel mit einer gemeinsamen elektrischen Leitung 16, die hier wieder aus zwei parallelen elektrischen Leitungssträngen 16a, 16b besteht, verbunden sind.
In diesem Fall besteht jeder der Sensoren 20 aus zwei passiven Bauelementen. Ein erstes passives Bauelement 22 dient der Erzeugung eines temperaturabhängigen Signals. Ein zweites passives Bauelement 24 dient der Identifikation des spezifischen Sensors 20.
Das erste passive elektrische Bauelement 22 ist hier ein temperaturabhängiger Widerstand.
Im gezeigten Beispiel ist das zweite passive Bauelement 24 als Frequenzfilter, insbesondere als Bandpassfilter, ausgebildet, der jeweils eine spezifische Frequenz f₁ bis f₆ zum ersten passiven Bauelement 22 durchlässt.
Wie in der Beschreibung des ersten Ausführungsbeispiel erläutert, erfolgt die Abfrage durch ein Abfragesignal einer bestimmten Frequenz beziehungsweise durch einen Puls, der die spezifische Frequenz enthält, und das Messignal hat die Grundfrequenz f₁ bis f₆ des jeweiligen Sensors 20. Das temperaturempfindliche erste passive elektrische Bauteil 22 verändert das Signal, beispielsweise durch eine Verschiebung der Frequenz oder durch eine Modulation der Amplitude des Messsignals, wobei aus dieser Veränderung in der Steuereinheit 12 der aktuelle Messwert des jeweiligen Sensors 20 errechnet werden kann.
5 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel, bei dem die einzelnen Sensoren 20, die mit den einzelnen Leitungssträngen 16a, 16b der gemeinsamen elektrischen Leitung 16 verbunden sind, jeweils als Parallel-Schwingkreis ausgebildet sind. Jeder der Schwingkreise weist eine eigene Eigenfrequenz f₁ bis f₃ auf, die jeweils eindeutig und unterschiedlich ist. In diesem Beispiel sind aus Platzgründen nur drei Sensoren 20 dargestellt, auch hier könnten weniger oder mehr Sensoren 20 vorgesehen sein.
Teil jedes der Schwingkreise ist neben einer Induktivität und einer Kapazität ein temperaturveränderlicher Widerstand, der die Eigenfrequenz f₁ bis f₃ des jeweiligen Schwingkreises des jeweiligen Sensors 20 verändert. Bei Anregung mit der spezifischen Frequenz f₁ bis f₃, entweder einzeln oder in einem Breitbandpuls wie oben beschrieben, enthält das Antwortsignal eine Frequenzverschiebung, die in der Steuereinheit 12 detektiert werden kann und zur Anzeige eines entsprechenden Temperatursignals der jeweiligen Sensoren 20 herangezogen werden kann.
Natürlich kann anstelle des oder zusätzlich zum temperaturabhängigen Widerstand auch eine temperaturabhängige Kapazität und/oder Induktivität verwendet werden. Dies bietet sich beispielsweise bei der Verwendung von Reihen-Schwingkreisen wie in 6 dargestellt an.
Auch die Güte der Resonanz des jeweiligen angeregten Schwingkreises ist bei der Verwendung von temperaturbedingt veränderlichen Kapazitäten, Induktivitäten und/oder Widerständen temperaturabhängig. Durch ein Abfragesignal mit einem geeigneten Frequenzverlauf lässt sich die Güte des Resonanzpeaks des jeweiligen Schwingkreises und damit die aktuelle Temperatur des durch diesen gebildeten Sensors 20 ermitteln.
In einer weiteren, nicht dargestellten Ausführungsform erfolgt die Abfrage nach Art der bekannten Zeitbereichsreflektometrie (auch Kabelradar genannt). Die gemeinsame elektrische Leitung ist als Wellenleiter ausgebildet, und das Abfragesignal wird in Form einer geeigneten elektromagnetischen Welle, vorzugsweise in Form eines Hochfrequenzpulses, in die gemeinsame elektrische Leitung gesandt.
Die Sensoren sind so ausgebildet, dass sie jeweils einen Teil einer durch die gemeinsame elektrische Leitung verlaufenden elektromagnetischen Welle reflektieren. Jeder der Sensoren verursacht einen Impedanzsprung, sodass ein Reflektionssignal erzeugt wird. Die Laufzeitunterschiede Δt der Reflektionen zusammen mit den bekannten Positionen der Sensoren, die entlang der gemeinsamen elektrischen Leitung an vorbestimmten, bekannten Längenpositionen Δl angeordnet sind, erlaubt eine eindeutige Zuordnung eines Reflektionssignals zu einem Sensor.
Der Sensor ist auch hier so ausgelegt, dass er ein passives temperaturempfindliches Bauteil aufweist, das das Reflektionssignal eindeutig beeinflusst, sodass aus dem Eingangszeitpunkt des Reflektionssignals sowie z.B. dessen Amplitude eindeutig auf den jeweiligen Sensor und dessen derzeitige Temperatur geschlossen werden kann.
Sämtliche Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen können im Ermessen des Fachmanns frei miteinander kombiniert oder gegeneinander ausgetauscht werden, dies gilt insbesondere für die Anzahl der verwendeten Leitungsstränge.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010063712 A1 [0003]

Claims

Gargerätmesseinheit mit mehreren Sensoren (20), die über wenigstens eine gemeinsame elektrische Leitung (16) mit einer Steuereinheit (12) eines Gargeräts (14) verbindbar und die jeweils elektrisch an die gemeinsame elektrische Leitung (16) angeschlossen sind, zum Messen einer physikalischen Größe im Gargerät (14), wobei jeder Sensor (20) jeweils wenigstens ein passives elektrisches Bauteil aufweist, das auf von der Steuereinheit (12) ausgesandte Abfragesignale Messsignale abgibt und das passive Bauteil individualisiert und so ausgelegt ist, dass durch die von der Steuereinheit (12) ausgesandten Abfragesignale die Identität jedes Sensors (20) feststellbar ist.
Gargerätmesseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Sensor (20) wenigstens ein passives elektrisches Bauteil aufweist, dass einen Messwert generiert.
Gargerätmesseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (20) in einem einzigen Temperaturfühler, insbesondere einem Kerntemperaturfühler, aufgenommen sind.
Gargerätmesseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gemeinsame elektrische Leitung (16) wenigstens zwei parallele Leitungsstränge (16a–16d) aufweist.
Gargerätmesseinheit nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass einer der Leitungsstränge (16a–d) Teil eines Koaxialkabels ist, insbesondere eine geerdete äußere Leitung.
Gargerätmesseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jedem der Sensoren (20) eine unterschiedliche vorbestimmte Frequenz (f) zugeordnet ist und der Sensor (20) über diese Frequenz (f) eindeutig identifizierbar ist.
Gargerätmesseinheit nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (20) so ausgelegt ist, dass die zugeordnete Frequenz (f) und/oder, wenn die zugeordnete Frequenz einer Resonanzfrequenz eines Schwingkreises im Sensor entspricht, ein Gütefaktor des Schwingkreises durch die vom Sensor (20) zu messende physikalische Größe verändert wird.
Gargerätmesseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass jedem der Sensoren (20) eine unterschiedliche vorbestimmte Signal-Laufzeitverzögerung (t) zugeordnet ist und der Sensor (20) über diese Signal-Laufzeitverzögerung (t) eindeutig identifizierbar ist.
Gargerätmesseinheit nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (20) so ausgelegt ist, dass die vorbestimmte zugeordnete Signal-Laufzeitverzögerung (t) durch die vom Sensor zu messende physikalische Größe verändert wird.
Gargerätmesseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (20) so ausgelegt sind, dass jeder der Sensoren (20) für eine durch die gemeinsame elektrische Leitung (16) verlaufende elektromagnetische Welle einen vorbestimmten Impedanzsprung verursacht und die so erzeugten Reflektionssignale zur Identifikation der einzelnen Sensoren (20) verwendet werden.
Gargerätmesseinheit nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (20) so ausgelegt ist, dass die Intensität des durch den vorbestimmten zugeordneten Impedanzsprung erzeugten Reflektionssignals durch die vom Sensor (20) zu messende physikalische Größe beeinflusst wird.
Gargerätmesseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der Sensoren (20) ein SAW-Element aufweist.
Gargerätmesseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der Sensoren (20) einen in den Sensor (20) integrierten Schwingkreis aufweist.
Verfahren zur Ermittlung einer physikalischen Messgröße durch mehrere Sensoren (20) in einer Gargerätmesseinheit (10), wobei die Sensoren (20) alle an wenigstens eine gemeinsame elektrische Leitung (16) angeschlossen sind und eine ebenfalls an die gemeinsame elektrische Leitung (16) angeschlossene Steuereinheit (12) ein Abfragesignal entlang der gemeinsamen elektrischen Leitung (16) sendet, das in wenigstens einem passiven elektrischen Bauteil jedes Sensors (20) verarbeitet wird, sodass ein Messsignal erzeugt wird, das den Sensor identifiziert und den vom jeweiligen Sensor ermittelten Messwert enthält und das von der Steuereinheit (12) empfangen und ausgewertet wird.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (12) zum Auslesen eines Sensors (20) gezielt einen Puls einer vorbestimmten Frequenz (f) oder gleichzeitig einen Puls mit vielen vorbestimmten Frequenzen entlang der gemeinsamen elektrischen Leitung (16) sendet.