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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung einer Temperatur an einem Heizelement, wenn im Heizbetrieb des Heizelements ein Ableitstrom von einem Heizleiter durch eine Isolierschicht hin zu einem elektrisch leitfähigen Träger für den Heizleiter fließt. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Erfassung einer Temperatur an einem solchen Heizelement.
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Aus der
WO 2007/136268 A1 ist ein Heizelement bekannt mit einem elektrisch leitfähigen Träger, insbesondere aus Metall, der aus Sicherheitsgründen mit einer Masseleitung verbunden ist. Auf dem Träger befindet sich eine flächige Isolierschicht, auf der wiederum ein Heizleiter aufgebracht ist. Um eine Temperatur an dem Heizelement messen zu können ohne zusätzlichen Temperatursensor, der üblicherweise relativ klein ist und somit auch nur eine punktförmige Temperatur messen kann, ist hier vorgesehen, dass oberhalb des Heizleiters eine Dielektrikumsschicht aufgebracht ist, auf der wiederum eine Elektrode aufgebracht ist. Der elektrische Widerstand der Dielektrikumsschicht ist abhängig von ihrer Temperatur und wird mit steigender Temperatur geringer. Über die mindestens eine Elektrode kann der Strom gemessen werden, der durch die bei höherer Temperatur leitfähiger werdende Dielektrikumsschicht fließt. Daraus kann dann wiederum eine Temperatur bestimmt werden.
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Aus der
DE 102014206279 A1 ist es bekannt, an einer Heizvorrichtung für ein Hausgerät, insbesondere einem Backofen, eine an einem Heizelement anliegende Polung an einem Heizelement der Heizvorrichtung zu ermitteln. So kann ein Leckstrom erfasst werden, wodurch wiederum ein kritischer Zustand oder eine Temperatur an dem Heizelement ermittelt werden können.
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Aus der
DE 102010037769 A1 ist es bekannt, an einer Küchenmaschine mit einer Heizeinrichtung für ein in einem Gargefäß befindliches Gargut eine Wärmebeaufschlagung zu überwachen. Dabei wird eine Temperatur im Bodenbereich des Gargefäßes überwacht, beispielsweise mittels eines Heizflächen-Temperaturfühlers, der als PTC- oder NTC-Widerstand ausgebildet ist.
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AUFGABE UND LÖSUNG
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein eingangs genanntes Verfahren zur Erfassung einer Temperatur an einem Heizelement sowie eine dazu geeignete Vorrichtung zu schaffen, mit denen Probleme des Standes der Technik gelöst werden können und es insbesondere möglich ist, eine Temperatur an einem Heizelement einfach und genau zu erfassen und dabei insbesondere eine Betriebssicherheit des Heizelements nicht negativ zu beeinträchtigen.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 2. Vorteilhafte sowie bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der weiteren Ansprüche und werden im Folgenden näher erläutert. Dabei werden manche der Merkmale nur für das Verfahren oder nur für die Vorrichtung beschrieben. Sie sollen jedoch unabhängig davon sowohl für das Verfahren als auch für die Vorrichtung selbstständig und unabhängig voneinander gelten können. Der Wortlaut der Ansprüche wird durch ausdrückliche Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.
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Es ist vorgesehen, dass das Heizelement einen elektrischen leitfähigen Träger aufweist, an den eine Träger-Leitung geführt ist. Diese ist üblicherweise ein Masseanschluss aus Sicherheitsgründen und somit entspricht sie einer PE-Leitung oder einem Erdungsanschluss. Auf dem Träger ist eine flächige Isolierschicht ausgebildet, deren elektrischer Widerstand temperaturabhängig ist und mit steigender Temperatur geringer wird derart, dass dann im Heizbetrieb des Heizelements zuerst gar kein Ableitstrom bzw. nur ein minimaler Ableitstrom fließt, der nicht erfassbar ist, da keine Isolierung einen unendlich hohen Widerstand aufweist. Bei höherer Temperatur fließt dann ein ansteigender Ableitstrom zum Träger, wobei die Isolierschicht bevorzugt eine Dielektrikumsschicht ist. Der Ableitstrom ist dann aber absolut gesehen immer noch sehr gering, vorteilhaft im Bereich von unter 100 mA, insbesondere unter 10 mA. Dieser Effekt ist an sich bekannt aus dem Stand der Technik. Auf der Isolierschicht ist der Heizleiter aufgebracht, der beliebig ausgebildet sein kann. Er kann flächig sein oder länglich, es können auch mehrere unabhängig voneinander betreibbare Heizleiter vorgesehen sein. Über dem Heizleiter kann ggf. eine weitere Isolierschicht oder Schutzschicht aufgebracht sein, was aber für die Erfindung keine Rolle spielt. Des Weiteren ist eine Hin-Leitung an den Heizleiter vorgesehen sowie eine Rück-Leitung. Dies entspricht auch dem Stand der Technik. Zur vereinfachten Darstellung der Erfindung wird davon ausgegangen, dass durch die Hin-Leitung ein hinführender Versorgungsstrom an den Heizleiter fließt und durch die Rück-Leitung ein vom Heizleiter weg führender Versorgungsstrom, so dass der Heizleiter im Betrieb von dem Versorgungsstrom durchflossen wird und dies auf bekannte Art und Weise in Wärme umsetzt entsprechend seiner Heizfunktion.
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Des Weiteren ist ein Wicklungsträger vorgesehen, beispielsweise ein magnetisches Material bzw. Ferritmaterial, wobei sowohl die Hin-Leitung als auch die Rück-Leitung nahe an diesem Wicklungsträger geführt sind oder durch diesen Wicklungsträger geführt sind. Hauptsächlich und in jedem Fall dient der Wicklungsträger zur mechanischen bzw. konstruktiven Halterung oder Führung der Hin-Leitung und der Rück-Leitung. Die Führung der Hin-Leitung und der Rück-Leitung ist vorteilhaft symmetrisch, also gleichartig, nur eben mit gegensinnigem Stromfluss. Die Hin-Leitung und die Rück-Leitung sind derart am Wicklungsträger geführt oder daran befestigt oder aufgewickelt, dass für den Fall, dass über die Träger-Leitung kein Ableitstrom fließt, sich die jeweiligen Induktionswirkungen des Versorgungsstroms durch die jeweilige Leitung gegenseitig aufheben. Der hinführende Versorgungsstrom und der wegführende Versorgungstrom sind dann exakt gleich groß, da kein Ableitstrom fließt. Für den Fall, dass über die Träger-Leitung ein Ableitstrom fließt, sind der hinführende Versorgungsstrom und der wegführende Versorgungsstrom unterschiedlich groß und ihre jeweiligen Induktionswirkungen heben sich nicht auf, sondern induzieren leicht nachvollziehbar eine Spannung in der Sekundärwicklung. Dazu ist die Sekundärwicklung mehrfach um den Wicklungsträger gewickelt oder führt zumindest an diesem ähnlich vorbei wie dies auch für die Hin-Leitung und die Rück-Leitung gelten kann.
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Für das Verfahren zur Messung der Temperatur werden also das Heizelement bzw. der Heizleiter im Heizbetrieb betrieben, wobei dazu durch die Hin-Leitung ein hinführender Versorgungsstrom fließt, der einen durch die Rück-Leitung wegführenden Versorgungsstrom ergibt. Des Weiteren wird die Spannung erfasst, die in der Sekundärwicklung entsteht, und die ein Maß für den Ableitstrom ist, da nur eine durch den Ableitstrom entstehende Differenz der beiden Versorgungsströme für eine Induktionswirkung sorgt, die wiederum eine Spannung in die Sekundärwicklung induziert am Wicklungsträger. Aus dieser Spannung in der Sekundärwicklung kann aufgrund bekannter Zusammenhänge bzw. aufgrund der Temperaturabhängigkeit der Isolierschicht eine Temperatur am Heizleiter bzw. an der Isolierschicht selbst bestimmt oder berechnet werden. Vorteilhaft macht diese Bestimmung oder Berechnung eine Steuerung in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Messung einer Temperatur.
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Auf diese Art und Weise kann mit geringem zusätzlichem Bauaufwand, nämlich möglicherweise etwas verlängerten Leitungen und dem zusätzlichen Wicklungsträger, eine vorteilhafte und genaue Möglichkeit zur Messung einer Temperatur an einem Heizelement geschaffen werden, zumindest bei höheren Temperaturen. Durch die induktive Erfassung wird kein direkter elektrischer Kontakt benötigt. Des Weiteren muss auch nicht in die sicherheitsrelevante Träger-Leitung eingegriffen werden, die ja als Masseanschluss sehr wichtig ist für das Heizelement. Es brauchen auch keine zusätzlichen Komponenten wie weitere Dielektrikumsschichten oder Elektroden aufgebracht zu werden, was die Herstellung vereinfacht und eine Ausfallwahrscheinlichkeit senkt. In der genannten Steuerung der Vorrichtung können Werte hinterlegt sein für diese Spannung in der Sekundärwicklung, die mit bestimmten Temperaturen am Heizelement bzw. an der Isolierschicht korreliert sind, beispielsweise in einer Tabelle. Dies ist üblicherweise einfacher und genauer als eine Berechnung mit einer möglicherweise komplizierten Formel.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung weist der Wicklungsträger eine Ringform auf, wodurch besonders gut ein magnetischer Fluss erzeugt werden kann, wenn der Wicklungsträger magnetisch leitfähig ist, insbesondere ein Magnetkern oder Ferritkern ist. Ein Querschnitt eines ringförmigen Wicklungsträgers kann weitgehend beliebig sein, als vorteilhaft wird ein im Wesentlichen rechteckiger Querschnitt mit abgerundeten oder abgeschrägten Ecken angesehen.
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Wenn die Leitungen für den Versorgungsstrom, also die Hin-Leitung und die Rück-Leitung, mindestens einmal nahe an dem Wicklungsträger oder durch einen ringförmigen Wicklungsträger geführt sind, so kann dies schon ausreichen, eine jeweils ausreichende Induktionswirkung zu erzeugen. Für eine Verbesserung dieser Induktionswirkung kann vorgesehen sein, insbesondere um eine Differenz der hindurchfließenden Ströme besser messen zu können, wenn die Hin-Leitung und die Rück-Leitung jeweils mehrfach auf dem Wicklungsträger aufgewickelt sind. Hier können 2 bis maximal 20 Wicklungen vorgesehen sein, vorteilhaft etwa 4 bis 10 Wicklungen.
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Bevorzugt werden die Leitungen für den Versorgungsstrom am Wicklungsträger parallel zueinander geführt, insbesondere wenn sie nicht auf den Wicklungsträger aufgewickelt sind, sondern nur an diesem vorbeiführen oder durch diesen geführt sind im Falle eines ringförmigen Wicklungsträgers. Sie können relativ nahe zueinander verlaufen mit einem Abstand von weniger als 5 mm. Alternativ können sie aber auch beliebige Entfernungen zueinander entsprechend der Größe des Wicklungsträgers aufweisen, da es nicht darum geht, dass sich ihre jeweilige Induktionswirkung gegenseitig beeinflusst, sondern es um einen magnetischen Fluss geht, den sie im Wicklungsträger bewirken können, und der sich genau aufhebt, wenn die beiden Versorgungsströme in den beiden Leitungen exakt gleich groß sind.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung können die Leitungen für den Versorgungsstrom am ringförmigen Wicklungsträger spiegelbildlich zu einer Symmetrieebene geführt sein, die durch einen Mittelpunkt des Wicklungsträgers verläuft und die senkrecht zu einer Fläche steht, innerhalb derer der Wicklungsträger in seiner Ringform umläuft. Somit können die Leitungen auch schräg zueinander stehen, wichtig ist hier eben nur, dass sie jeweils im gleichen Winkel bzw. auf gleiche Art und Weise zum Wicklungsträger ausgerichtet sind.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Leitungen für den Versorgungsstrom mit gleichem Winkel und/oder Ausrichtung zum Wicklungsträger ausgebildet bzw. geführt sind. Sie können insbesondere auch am Wicklungsträger vorbeilaufen ohne darauf aufgewickelt zu sein.
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Für die Sekundärwicklung ist vorteilhaft vorgesehen, dass sie mit mehreren oder vielen Wicklungen auf den Wicklungsträger aufgewickelt ist. Dies sind vorteilhaft mehr als 50 Wicklungen, besonders vorteilhaft mehr als 200 Wicklungen. So kann das möglicherweise geringe Signal, das durch eine Differenz zwischen den Versorgungsströmen im Wicklungsträger induziert wird, verstärkt werden für eine vorteilhafte Auswertung.
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Alternativ kann die Sekundärwicklung um die Hin-Leitung und die Rück-Leitung gewickelt sein, vorteilhaft mit ebenso vielen Wicklungen wie zuvor genannt. Auch so kann das Magnetfeld der Ströme durch die Leitungen erfasst werden bzw. eine Differenz darin, die sich durch einen Ableitstrom ergeben könnte.
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Das Heizelement ist vorteilhaft ein Dickschichtheizelement, wobei der Heizleiter in Dickschichttechnik ausgebildet ist. Derartige Dickschicht-Heizleiter sind häufig auf Träger aus Metall aufgebracht mit einer dielektrischen Isolierschicht dazwischen. Diese kann zur Erfassung der Temperatur genutzt werden.
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Diese und weitere Merkmale gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu mehreren in Form von Unterkombinationen bei einer Ausführungsform der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige Ausführungen darstellen können, für die hier Schutz beansprucht wird. Die Unterteilung der Anmeldung in einzelne Abschnitte sowie Zwischen-Überschriften beschränken die unter diesen gemachten Aussagen nicht in ihrer Allgemeingültigkeit.
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Figurenliste
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen schematisch dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Messung eines Ableitstroms an einem Heizelement zur Bestimmung einer Temperatur mit Ferritkern und Sekundärwicklung daran und
- 2 eine Abwandlung des Aufbaus aus 1 mit mehreren spiegelbildlichen Windungen der Leitungen zum Anschluss des Heizelements um den Ferritkern.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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In der 1 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung dargestellt um eine Temperatur an einem Heizelement 11 erfassen und bestimmen zu können über einen Ableitstrom. Das Heizelement 11 weist dabei einen Träger 13 auf, der mit einer Träger-Leitung 14 an Masse angeschlossen ist. Dies ist eine für solche Träger von Heizelementen übliche Sicherheitsmaßnahme.
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Die obere Fläche des Trägers 13 ist mit einer Isolierschicht 16 bedeckt, die das weitere Aufbringen eines Heizleiters 18 darauf ermöglicht. Der Träger 13 kann nämlich metallisch bzw. vorteilhaft ein Stahl sein, beispielsweise für eine erhöhte Stabilität. Die Isolierschicht 16 ist zwar eigentlich elektrisch isolierend, ist hier aber so ausgebildet, dass sie einen temperaturabhängigen elektrischen Widerstand aufweist, der erst bei recht hohen Temperaturen von über 100°C leicht ansteigt, dabei aber einen relativ niedrigen Wert nicht überschreitet. Somit ist die Isolierwirkung selbst bei höheren Temperaturen und eigentlich bei jedem zulässigen Betriebszustand des Heizelements gegeben. Gleichzeitig kann jedoch bei Temperaturen von beispielsweise ab 200°C oder ab 300°C ein gewisser geringer Ableitstrom vom Heizleiter 18 über die Isolierschicht 16 an den Träger 13 fließen, der dann über die Träger-Leitung 14 an Masse geht, beispielsweise bis zu 10 mA. Diesen Ableitstrom direkt zu messen als Maß für eine Temperatur am Heizelement 11 wäre zwar wünschenswert, gleichzeitig ist ein Eingriff in eine Sicherheitsmaßnahme nicht ganz leicht und sollte stets gut bedacht sein.
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Oberhalb des Heizleiters 18 ist eine Deckschicht 21 als Schutzschicht aufgebracht, auch als elektrische Isolierung. An den Heizleiter 18 selbst sind links ein Heizleiteranschluss 19a und rechts ein Heizleiteranschluss 19b geführt, die hier symbolisch durch die Deckschicht 21 nach außen geführt sind zum elektrischen Anschluss. Ein konkreter und praxistauglicher Aufbau für ein solches Heizelement 11 ist leicht vorstellbar und für den Fachmann problemlos zu realisieren, insbesondere auch Art und Dicke der jeweiligen Schichten sowie ein möglicher Verlauf des Heizleiters 18.
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Vom Heizleiteranschluss 19a geht eine Hin-Leitung 25a zu einer Vorrichtung 23 zur Erfassung der Temperatur über den Ableitstrom. In ähnlicher Form geht davon eine Rück-Leitung 25b an den Heizleiteranschluss 19b.
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Die Hin-Leitung 25a und die Rück-Leitung 25b gehen genau einmal durch eine Öffnung 29 eines Ferritkerns 28 der Vorrichtung 23, und zwar möglichst auf gleichartige Weise bzw. spiegelsymmetrisch zu einer Ebene senkrecht zur Zeichenebene und parallel zu den beiden Leitungen 25a und 25b. Dann sind sie an eine Stromversorgung 27 angeschlossen, vorteilhaft eine steuerbare Stromversorgung, um damit eine Heizleistung beeinflussen zu können.
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Im unteren Bereich ist um den Ferritkern 28 eine Sekundärwicklung 31 gewickelt, die an eine Steuerung 33 angeschlossen ist. Für den Anschluss an die Steuerung 33 kann noch eine Zwischenschaltung vorgesehen sein, abhängig von der Ausgestaltung der Steuerung 33 bzw. eines entsprechenden Controllers davon.
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Aus der 1 ist zu ersehen, dass die Hin-Leitung 25a und die Rück-Leitung 25b keine Wicklung um den Ferritkern 28 aufweisen. Die Sekundärwicklung 31 ist hier nur symbolisch mit fünf Wicklungen dargestellt, in der Praxis sollten es deutlich mehr sein, beispielsweise sollten es mehr als 50 Wicklungen sein, insbesondere sogar mehr als 100 Wicklungen bis zu 200 Wicklungen. Eine Sekundärwicklung 31 kann auch im Wesentlichen über den gesamten Ferritkern 28 verteilt sein, vorteilhaft möglichst gleichmäßig.
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In der Praxis hat sich jedoch herausgestellt, dass selbst bei dieser Art der Führung von Hin-Leitung 25a und Rück-Leitung 25b eine Messung eines Differenzstroms ausreichend gut vorgenommen werden kann mittels der Sekundärwicklung 31. Ein solcher Differenzstrom entspricht dann dem Ableitstrom über die Träger-Leitung 14 an Masse. Wie zuvor ausführlich erläutert worden ist, kann die Steuerung 33 aus der Höhe dieses Differenzstroms bzw. aus der Höhe des sozusagen indirekt gemessenen Ableitstroms eine Temperatur am Heizelement 11 bestimmen. Dabei kann die Steuerung 33 auch berücksichtigen, ob die Sekundärwicklung 31 sozusagen sehr langsam und bei 0 beginnend einen Differenzstrom bzw. einen Ableitstrom misst, der dann eben durch ein relativ großflächige Erwärmung der Isolierschicht 16 mit beginnender elektrischer Leitfähigkeit hervorgerufen wird. Dann kann wirklich von einem direkten Zusammenhang zwischen Ableitstrom bzw. Differenzstrom und Temperatur am Heizelement 11 ausgegangen werden.
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Ein alternatives mögliches Verhalten könnte es noch sein, wenn die Isolierschicht 16 sozusagen punktförmig oder in einem sehr kleinen Bereich durch Überhitzung einen starken Anstieg ihrer elektrischen Leitfähigkeit erfährt und dann nur lokal ein Ableitstrom fließt. In diesem begrenzten lokalen Bereich liegt aber eine deutlich höhere Temperatur am Heizelement 11 bzw. an der Isolierschicht 16 und am Träger 13 sowie am Heizleiter 18 vor als im Gesamten bzw. über die gesamte Fläche gesehen. In einem solchen Fehlerfall, der das Heizelement 11 beschädigen oder sogar zerstören könnte, kann jedoch davon ausgegangen werden, dass dann der Ableitstrom noch weiter und vor allem auch schnell sowie stark ansteigt, was dann erkannt werden kann und somit auch als entsprechender Fehler bewertet werden kann. Dies kann dann ein sofortiges Abschalten des Heizelements 11 bewirken, was dann aber eine Art Notmaßnahme bzw. Sofortmaßnahme ist. Solche sogenannten Hotspots sind aber bekannt sowie mehrere Möglichkeiten, sie zu erkennen, gerade auch anhand von Ableitströmen, die durch eine Isolierschicht bzw. eine Dielektrikumsschicht an einem grundsätzlich ähnlichen Heizelement 11 fließen. Insofern braucht dies hier nicht weiter erläutert zu werden. Allgemein können aus einer erfolgten Temperaturmessung dann Rückschlüsse gezogen werden für das Erfassen von Fehlerzuständen wie auch ein langsames Verkalken des Heizelements 11, wenn der Träger 13 mit Wasser in Kontakt ist, das er aufheizen soll. Des Weiteren ist es auch möglich, ein Altern der Isolierschicht 16 festzustellen, wenn selbst direkt nach Beginn des Betriebs des Heizelements 11 bereits ein zumindest geringer Ableitstrom gemessen werden kann mit der Vorrichtung 23, die Steuerung 33 aber weiß, dass das Heizelement 11 noch nicht sehr warm sein kann oder auf Raumtemperatur ist bzw. die Temperatur eines zu erhitzenden Mediums aufweist. So können auch Alterungsvorgänge der Isolierschicht 16 erkannt werden.
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Zu dem Ferritkern 28 ist noch zu sagen, dass er nicht zwingend vorgesehen sein muss. Es ist grundsätzlich eben nur notwendig, dass die Hin-Leitung 25a und die Rückleitung 25b gegensinnig geführt sind und spiegelbildlich symmetrisch bzw. umgekehrt gleichmäßig verlaufen, so dass sie in einer daran angeordneten oder magnetisch damit verbundenen Sekundärwicklung eben eine Spannung induzieren, wenn die durch sie fließenden Ströme nicht exakt gleich sind. So könnte die Sekundärwicklung 31 prinzipiell auch über eine bestimmte Länge um die Hin-Leitung 25a und die Rück-Leitung 25b gewickelt sein, wenn diese parallel und nebeneinander geführt sind. Das Vorsehen eines allgemeinen Wicklungskerns vereinfacht natürlich die Herstellung. Das Vorsehen eines speziellen Ferrits, insbesondere als Ringkern, bündelt den magnetischen Fluss bzw. die erzeugten Magnetfelder und verstärkt deren Wirkung erheblich, wodurch ihre Erfassbarkeit signifikant erhöht wird.
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In der 2 ist eine Abwandlung einer Vorrichtung 123 zur Messung dargestellt. Diese weist zwar auch wieder einen Ferritkern 128 mit einer Öffnung 129 auf, an dem eine Sekundärwicklung 131 aufgewickelt ist. Hier ist allerdings dargestellt, wie sowohl die Hin-Leitung 125a eine Primärwicklung 126a mit dreieinhalb Windungen als auch die Rück-Leitung 125b eine Primärwicklung 126b mit dreieinhalb Windungen aufweisen. So kann leicht erkennbar die Messgenauigkeit verbessert werden.
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Vor allem das Erhöhen der Windungsanzahl bei der Sekundärwicklung 131 verstärkt einen gemessenen Differenzstrom und ist bei den verwendbaren Leiterquerschnitten auch sicherlich die einfachste Maßnahme. So kann ein Summenstromwandler erfindungsgemäß möglichst gut und möglichst genau eingesetzt werden.
