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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Kochstelle mit einer Vorrichtung
zum Erkennen einer räumlichen
Annäherung
elektrisch leitender Gegenstände.
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Aus
dem Stand der Technik sind unterschiedliche Verfahren und Vorrichtungen
zum Erkennen einer räumlichen
Annäherung
von elektrisch leitenden Gegenständen
sowie zur Verwendung als Kochgefäßerkennungssysteme
be kannt.
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Aus
den Druckschriften
DE
196 46 826 A1 und
DE
197 07 664 A1 ist ein Sensorsystem bekannt, mit dem sowohl
Temperatur – als
auch Kapazitätsmessungen
an der Kochstelle aus Glaskeramik möglich sind. Das Verfahren erlaubt
eine temperaturkompensierte Topferkennung. Bei der Kapazitätsmessung
des eingesetzten Kapazitätssensors
können Änderungen
durch Aufstellen des Kochtopfes auf die Kochstelle erzielt werden,
wobei Messverfälschungen
durch den Temperaturgang der Sensorkapazitäten kompensiert sind. Unmittelbar
unterhalb der Kochstelle sind die Kapazitätssensoren angebracht und als
Leiterbahn ausgebildet. Ein Leiterbahnsensor und eine Messleitung
sind von zwei kreissegmentförmigen,
inneren Ringelektroden und zwei kreissegmentförmigen, äußeren Ringelektroden umgeben.
Der Leiterbahnsensor sowie auch die übrigen Sensoren bestehen aus
einem elektrisch leitfähigen Werkstoff.
Die Messleitung kann ebenfalls als Leiterbahnsensor ausgebildet
sein. Die Kapazitätsmessungen
zur Topferkennung und zur Bestimmung der Topfgröße und der Topfstellung werden
zwischen dem Leiterbahnsensor und der Messleitung zu den beiden
inneren Ringelektroden einerseits und zwischen dem Leiterbahnsensor
und der Messleitung zu den beiden äußeren Ringelektroden andererseits durchgeführt. Die
Elektroden bilden einen Kondensator, dessen Kapazität von der
Elektrodenfläche,
dem mittleren Abstand der Elektroden sowie vom Werkstoff zwischen
den Elektroden abhängig
ist. Mit der gemessenen Kapazität
wird ein LC-Schwingkreis betrieben, der im Leerlauf mit einer Frequenz
von ca. 2 MHz schwingt. Beim Aufstellen eines Topfes ändert sich
die Dielektrizitätskonstante
auf einen höheren Wert;
dadurch sinkt die LC-Oszillatorfrequenz. Diese Frequenzminderung
wird zur Topferkennung herangezogen.
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Weiter
offenbart die deutsche Offenlegungsschrift
DE 30 02 623 A1 den Einsatz
von induktiven und kapazitiven Annäherungsschaltern in Glaskeramikkochfeldern
zur Erkennung des Kochgeschirrs. Die
DE
30 02 623 offenbart jedoch keine konkrete Ausführung für einen
induktiven Annäherungsschalter.
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Eine
konkrete Realisierung eines induktiven Annäherungsschalters ist aus der
deutschen Patentschrift
DE
197 00 753 A1 bekannt. Die
DE
197 00 753 offenbart ein Erkennungssystem mit zweischleifigen induktiven
Sensoren, wobei die erste Schleife des Sensors zum Erzeugen eines
magnetischen Prüf-Wechselfeldes und
die zweite Schleife zum Erfassen des von der ersten Schleife erzeugten
Magnetfeldes dient. Ein wesentlicher Nachteil des Erkennungssystems
gemäß
DE 197 00 753 besteht darin, dass
die Topferkennungssignale durch den Temperatureinfluss auf die Sensoren
verändert
werden, was wegen der hohen Temperaturen von bis zu 600°C zu einer
nachteiligen Ungenauigkeit der Erkennungsfunktion führen kann.
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Einen
anderen Lösungsweg
bieten einschleifige induktive Geschirr- bzw. Topferkennungssysteme.
Solche Systeme sind zum Beispiel aus
DE 38 04 170 A1 ,
US 5 424 512 ,
DE 40 04 129 A1 ,
EP 0 849 976 A1 bekannt,
wobei die techni- sche Realisierung der zugehörigen Sensorschleifen in den
Druckschriften
DE 40
39 501 A1 ,
DE
40 38 017 A1 ,
DE
195 27 825 A1 und
DE
196 03 845 A1 vorgeschlagen wird. Allen oben genannten
Systemen ist gemeinsam, dass das Detektieren der räumlichen
Annäherung anhand
der Messung einer Frequenzänderung
erfolgt. Diese Methode besitzt eine geringe Auflösung. Die nach dieser Methode
gebauten Systeme reagieren darüberhinaus
störanfällig auf
geringste Änderungen
der Sensorgüte
und auf Veränderungen
der Umgebungstemperatur der Elektronik.
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Aus
dem Gebiet der Metalldetektoren und der induktiven Näherungsschalter
(Elektor Verlag, Gangelt, 1977: 300 Schaltungen, 10. Auflage, Seite 214,
Nr. 265) ist es bekannt, dass eine einfache Auswertungsschaltung
darin besteht, eine induktiv wirkende Sensorschleife in einen Oszillatorschwingkreis einzubauen,
dessen Resonanzfrequenz durch die Sensoränderung bestimmt wird.
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Aus
US 5 424 512 sind weiterhin
ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erkennen des Vorhandenseins
eines Kochgefäßes auf
einer Glaskeramikkochplatte bekannt, wobei eine Sensorspule in Verbindung
mit einem Colpitts-Oszillator
betrieben wird. Der Colpitts-Oszillator ist nach in der Fachliteratur herrschender
Meinung (vgl. etwa Tietze/Schenk „Halbleiterschaltungstechnik", Springer Verlag,
ISBN 3-540-56184-6, 10. Auflage, Kapitel 15.1.4 auf Seite 463) mit
einer LC-Parallel-Beschaltung zu versehen. In dem Erkennungssystem
gemäß
US 5 424 512 wird auf „Topf" oder „kein Topf" detektiert. Die
US 5 424 512 lässt offen,
ob die im Erkennungssystem eingesetzte Sensorspule einen Teil des
Oszillatorschwingkreises darstellt. Weiterhin geht aus der Beschreibung
der
US 5 424 512 nicht
hervor, welche Funktionsprinzipien für die Erkennung angewandt werden. Darüber hinaus
ist die in
US 5 424 512 beschriebene Elektronik
sehr aufwändig
aufgebaut und damit sehr teuer.
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In
der europäischen
Patentschrift
EP 0
469 189 A2 wird vorgeschlagen, die Sensorspule, die als Luftspule
unterhalb des Glaskeramikkochfeldes ausgebildet ist, in einen Oszillator-Schwingkreis
einzubauen. Von einer Frequenzänderung
wird ein Erkennungssignal für
das Vorhandensein des Topfes abgeleitet. Ein ähnliches System wird in der
deutschen Offenlegungsschrift
DE 40 04 129 A1 vorgeschlagen, wobei der
Sensor Teil eines Schwingkreises ist, dessen Schwingfrequenz sich
in Abhängigkeit
von der Beeinflussung der Sensorinduktivität ändert.
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Ein
wesentlicher Nachteil beider Verfahren gemäß
EP 0 469 189 A2 und
DE 40 04 129 A1 besteht
darin, dass eine Verringerung der Induktivität L um z.B. 10% durch einen
aufgesetzten Topf eine Erhöhung
der Frequenz um lediglich 5,4% zur Folge hat, was zu einer erheblichen
Beeinträchtigung
des Auflösungsvermögens des
Erkennungsverfahrens führt.
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Während in
der
EP 469 189 also eine Luftspule
unterhalb der Glaskeramik vorgesehen ist, liegt in der
EP 442 275 A2 eine induktive
Schleife in der Heizisolierung des Kochfelds. In der
EP 788 293 A2 ist eine Schleife
aus Runddraht beschrieben. In dieser Sensorschleife hat der Runddraht
einen Durchmesser zwischen 1 und 4 mm, vorzugsweise etwa 2 mm, und
besteht aus einem wärmebeständigen und
nicht magnetisierbaren Material (Stahl). Zur Erzielung eines kleinen
Erdungswiderstands (vorzugsweise kleiner als 0,1 Ohm) und zur Erzielung des
hierfür
erforderlichen sehr geringen ohmschen Widerstands des Sensors wird
dieser Runddraht entsprechend dick ausgeführt. Als weitere Materialien (außer der
Stahl-Legierung) werden auch Kupfer mit einem hochleitfähigen Überzug aus
Silber oder ein Heizleitermaterial mit der Werkstoffnummer 2.4869 diskutiert.
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In
der
DE 100 33 361
A1 ist ein induktiver Sensor als denkbar bezeichnet, der
als eine Induktivitätsmatrix
aufgebaut ist. Dazu wird in jedem Kreuzungspunkt der Matrix eine
vorzugsweise mäanderförmige oder
eine spiralförmige
Wicklung aufgebracht. Dies kann durch eine Technologie geschehen,
bei der das leitfähige
Material aus Draht besteht oder als Leitpaste in einem Siebdruckprozess
aufgebracht wird oder als leitfähiges
Polymer ausgebildet ist (die als Leiterbahnen ausgebildeten Leiter
der Matrix können
galvanisch aufgebracht sein). Hierdurch bekommt der Kreuzungspunkt
eine zusätzliche
Induktivität;
durch Anlegen einer Hochfrequenzspannung werden die Induktivitätsänderungen
bzw. die Wirbelstromverluste wirksam. Um die Empfindlichkeit des
Kreuzungspunktes zu erhöhen,
ist es zweckmäßig, den
Kreuzungspunkt als Schwingkreis auszugestalten. Abgesehen davon,
dass die Ausbildung jedes Matrixkreuzungspunktes als Schwingkreis
sehr aufwändig
ist, ist das induktive Element nicht direkt unterhalb der Glaskeramik
aufgebracht.
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Aus
der
DE 100 23 179
A1 ist ein induktiver Sensor bekannt, der auf dem Prinzip
der Dämpfung eines
Schwingkreises in Folge von Wirbelstromverlusten in Metallen, die
sich im magnetischen Streufeld einer vielwindigen Sensorspule befinden,
beruht. Außerdem
wird dort die Schrift
DE
197 00 753 A zitiert, deren Sensoren aus je einer einwindigen
Spule für
einen Sender und einen Empfänger
bestehen, die kreisförmig
konzentrisch in der Kochzone angeordnet sind. Dabei können die
Spulen als auf einer Tragplatte, insbesondere einer Glaskeramik-Kochplatte, aufgebrachte
Leiterbahnen ausgebildet sein. Ferner sind aus dieser Schrift Temperatursensoren
bekannt, die direkt auf der Glaskeramik aufgebracht sind und eine Änderung
des elektrischen Widerstands messen. Die Trennung der mit denselben
Sensoren erfassten Signale für
Topferkennung und Temperaturmessung erfolgt durch Verwendung und
Auskoppelung von Wechselspannungen unterschiedlicher Frequenzen.
So wird die Topferkennung mit 10 MHz bis 17 MHz betrieben. Das transformatorische
Wirkungsprinzip erfordert eine Senderschleife und eine Empfängerschleife.
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Aus
der
DE 40 04 450 A1 ist
ein induktiver Nährungsschalter
bekannt, mit einer von einem einstellbaren Oszillator gespeisten
Induktionsspule und einem der Induktionsspule näherbaren Betätigungsorgan.
Die Induktionsspule ist Teil eines Resonanzkreises, an den eine
mindestens einen Amplitudendetektor aufweisende Auswerteschaltung
angeschlossen ist. Dieser Resonanzkreis bildet eine Serienresonanz.
Im Betätigungsorgan
ist ein weiterer Resonanzkreis (Parallelresonanz) mit der gleichen
Resonanzfrequenz angeordnet. Die Induktivitäten der beiden Resonanzkreise
sind magnetisch gekoppelt.
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Aus
der
DE 36 00 055 A ist
ein Verfahren zur Messung des Abstandes eines Ortungsobjekts mit magnetischen
Eigenschaften bekannt. Die Messung erfolgt mit Hilfe eine induktiven
Abstandsdetektors. Der Abstandsdetektor wird mit einem Signal gespeist,
das einen dreieckförmigen
Wellenverlauf aufweist. Eine Störung
dieser Signalform ist das Maß für den Abstand.
Zur Erzeugung des Signals speist ein Oszillator einen Serienresonanzkreis.
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Schließlich ist
aus der
DE 196 30
769 A1 ein kapazitives Messverfahren zur Positionserfassung bekannt,
dessen Messkondensator Teil eines Serienschwingkreises mit einer
festen Induktivität
ist. Bei Ansteuerung des Resonanzkreises mit einem Generator fester
Frequenz kann die veränderliche
Impedanz gemessen werden; alternativ kann – als frequenzbestimmendes
Element eines VCO – eine
Veränderung
der Resonanzfrequenz gemessen werden. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel
wird die Kapazität
des Messkondensators nach dem Gyratorprinzip in eine Induktivität umgesetzt,
die unter Hinzunahme einer zweiten Kapazität den Serienschwingkreis bildet.
Wenn die zweite Kapazität
fest ist, kann wiederum eine veränderliche
Resonanzfrequenz gemessen werden. Alternativ kann der zweite Kondensator
eine (von einem Mikrorechner einstellbare) Kapazitätsdiode
sein, so dass durch Nachstimmung des zweiten Kondensators der Serienschwingkreis
auch bei konstanter Frequenz betrieben werden kann. In diesem Fall
ist die Steuerspannung der Kapazitätsdiode das Maß für die Positionserfassung,
die im hier offenbarten Zusammenhang eine kapazitive Anwesenheitsüberwachung
einer Person in einem Fahrzeug ist.
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Beim
Aufbau von Parallelresonanzoszillatoren wird im Stand der Technik
davon ausgegangen, dass die ohmsche Komponente des Widerstands einer
Sensorschleife, wie in Patentschrift
DE 199 30 830 A1 beschrieben, vernachlässigt werden
kann. Dies ist in der Praxis jedoch nicht der Fall. Bei Verwendung
von kostengünstigen,
temperaturstabilen und damit langlebigen Materialien haben Sensorschleifen
einen temperaturbeeinflussten Widerstand, der für den Einsatzfall als Sensor
in einem Kochherd nicht unerheblich ist. Die frei im Strahlheizkörper liegenden
Sensorschleifen erreichen oft Temperaturen von bis zu 600°C.
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Um
den Verdrahtungsaufwand zu reduzieren, ist es vorteilhaft, die Sensorschleifen
nicht wie im Stand der Technik auf dem oder im Heizkörper zu montieren,
sondern aus leitfähigem
Material als Beschichtung direkt auf der Glaskeramikunterseite aufzubringen.
Hierzu wird auf einen Prospekt der Firma Schott „CERAN® Innovation
Sensor mit Multifunktion" verwiesen.
So ausgebildete Sensoren haben im Stand der Technik den Nachteil,
dass sie je nach Beschichtungsmaterial, Schleifendurchmesser und
Leiterbreite einen zu hohen Widerstand aufweisen, der sich dann
noch mit der Temperatur ändert.
Nach der Spezifikation der Firma Schott hat eine beschichtete Leiterbahn
(die Sensorstruktur besteht aus in Kohlenstoff eingelagerten Goldpartikeln,
Schichtdicke 9 μ,
Schichtbreite 2 mm) typischerweise einen längenspezifischen Widerstand
von 60 Ohm/m. Für
einen Topferkennungssensor wird eine Leiterbahnschleife/Leiterschleife
benötigt,
deren Länge
etwa einem Topfumfang von 40 cm entspricht. Daraus ergibt sich für den ohmschen
Widerstand der Sensorschleife ein Wert von etwa 24 Ohm. Dieser ohnehin
zu hohe Wert unterliegt erheblichen Schwankungen durch hohe Herstellungstoleranzen
und durch die im Betrieb auftretenden Temperaturänderungen. Diese Widerstandsänderungen
führen
insbesondere bei einem Paralleloszillator zu einer nicht unerheblichen
Frequenzverschiebung und damit zu einer negativen Beeinflussung
der Funktion des Sensors. Für
die oben beschriebenen bekannten Funktionsprinzipien sind die bekannten
Beschichtungssensoren daher nicht verwendbar.
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Ein
weiterer Nachteil der oben beschriebenen Schaltungen ist der hohe
Aufwand, der zusätzlich
betrieben werden muss, um die Elektroniken temperaturstabil zu machen.
Wenn Hochfrequenzverstärker
eingesetzt werden, ist eine Temperaturkompensation nur mit einem
erheblichen Aufwand an Energie oder an zusätzlichen Schaltungskomponenten
möglich.
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Das
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Kochstelle mit einer
Vorrichtung zum Erkennen einer räumlichen
Annäherung
elektrisch leitender Gegenstände
vorzustellen, mittels eines in einem elektrischen Schwingkreis eingebauten
induktiv wirkenden Sensors, wobei die Vorrichtung eine temperaturbedingte
Veränderung
des ohmschen Widerstandes des Sensors ohne zusätzlichen Aufwand berücksichtigt.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Kochstelle mit den Merkmalen gemäß Anspruch
1 oder 2 gelöst.
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Die
Erfindung wird anhand von in den 1 bis 4 dargestellten
bevorzugten Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Diese
Figuren zeigen:
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1 ein
Blockdiagramm einer bevorzugten Form des erfindungsgemäßen Erkennungssystems mit
einem induktiv wirkenden Sensor,
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2 ein
Blockdiagramm einer bevorzugten Form des erfindungsgemäßen Erken-nungssystems mit
mehreren induktiv wirkenden Sensoren;
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3 ein
Blockdiagramm einer modifizierten Form des Erkennungssystems gemäß 2;
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4 ein
Blockdiagramm einer weiteren Form des erfindungsgemäßen Erkennungssystems mit
einem induktiv wirkenden Beschichtungssensor in einem Parallelresonanzoszillator.
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1 zeigt
eine Blockdiagramm einer bevorzugten Form des erfindungsgemäßen Erkennungssystems
mit einem induktiv wirkenden Sensor. Eine erste, z.B. Hochfrequenz-Spannungs-
oder Stromquelle 3 erzeugt ein periodisches, z.B. ein sinusförmiges elektrisches
Signal, wobei das Signal eine feste Fre quenz f (z.B. in den Bereichen
der Hochfrequenz zwischen 3–30
MHz oder der VHF-Frequenz zwischen 30–300 MHZ nach DIN40015) aufweisen kann.
Bei den VHF-Frequenzen werden die Elektronikbauteile jedoch teuer.
Am Ausgang der Quelle 3 wird ein Oszillator-Schwingkreis 10 angeschlossen. Der
Oszillator-Schwingkreis 10 ist als Reihenresonanzkreis
ausgeführt
und kann z.B. aus einem Widerstand R, einer Kapazitätsdiode 2 und
einem induktiv wirkenden Sensor 1 bestehen. Die Kapazitätsdiode 2 kann
auch eine normale Diode sein, da auch die normale Diode ihre Sperrschichtkapazität in Abhängigkeit
von der angelegten Spannung ändert.
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Der
Sensor
1 wird dabei als Leiterbahn/Leiter in Form einer
induktiv wirkenden Schleife ausgeführt, wobei die induktiv wirkende
Schleife auch mehrere Windungen besitzen kann. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel
hat die induktiv wirkende Schleife nur eine Windung und wird durch
eine Beschichtung auf der Unterseite des Glaskeramikkochfelds gebildet. Eine
bevorzugte Grundrissgeometrie der Sensorschleife
1 entnimmt
der Fachmann aus dem Patent
US
6 184 501 , das sich im Besitz der gleichen Anmelderin befindet.
Wichtig ist, dass bei der vorliegenden Erfindung nur diejenigen
geometrischen Beschichtungsstrukturen benötigt werden, die in der
US 6 184 501 als Sensorschleifen
bezeichnet werden, während
die dort als Antriebsschleifen bezeichneten Strukturen bei der vorliegenden
Erfindung nicht benötigt
werden. Diese erhebliche Vereinfachung der Beschichtungsstruktur
rührt daher,
dass die vorliegende Erfindung als Auswerteprinzip die Verstimmung
eines elektrischen LC-Schwingkreises
heranzieht, anstatt nach Art eines Transformators die magnetische
Kopplung zweier Induktivitäten
auszuwerten. Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung ist also, dass
eine Schleife direkt unterhalb (oder auch innerhalb) der Glaskeramik
angeordnet und mit einem Schwingkreis kombiniert ist.
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Der
Grundriss der Sensorschleife
36,
38,
44 gemäss
2 der
US 6 184 501 eignet sich
für ein einteiliges
Kochfeld. Dieser Sensor ist auf der Unterseite der Glaskeramik durch
eine Siebdrucktechnik aufgebracht. Das Material wird anschließend eingebrannt,
um die erforderliche Haftung an der Glaskeramik zu erzielen. Die
elektrische Leitfähigkeit
wird durch den Gehalt an Goldpartikeln (oder eines anderen Edelmetalls)
in einem Kohlenstoffsubstrat bestimmt. Durch einen weiteren Prozess,
sogenanntes Aufgalvanisieren, lässt
sich die Schichtdicke der Sensorstruktur, die einige Mikrometer
beträgt,
erhöhen
und der ohmsche Widerstand bei Bedarf erniedrigen. Durch den nass-chemischen
Prozess des Aufgalvanisierens wird beispielsweise Gold an den schon
vorhandenen Sensorstrukturen abgeschieden und die Schichtdicke selektiv
dort erhöht,
wo es nötig ist.
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In
dieser Technologie werden die ohmschen Eigenschaften der Beschichtung
durch den sogenannten spezifischen Wirkstand angegeben, bei dem es
sich um einen längenspezifischen
Widerstand handelt. Bei einer bekannten Glaskeramik der Firma Schott,
die mit einer Sensorstruktur bedruckt ist, ist dieser spezifische
Widerstand mit 60 Ohm/m angegeben. Allerdings erlaubt es die bekannte
Technologie nicht, den spezifischen Widerstand genau zu realisieren,
d.h. es ist mit hohen Fertigungstoleranzen zu rechnen. Eine induktive
Sensorschleife auf dieser Basis, also auf der Basis eines relativ
hohen und ungenauen Werts des spezifischen Widerstands, wird bei
dem erfindungsgemäßen Erkennungssystem durch
eine Ausbildung des elektrischen Schwingkreises als resonanzkompensierter
Reihenschwingkreis berücksichtigt.
Eine Modellrechnung für
den parasitären
ohmschen Widerstand der Sensorschleife 1 ergibt in diesem
Fall einen Wert von etwa 27 Ohm, der für den resonanzkompensierten
Reihenschwingkreis unschädlich
ist (Modellrechnung: Der spezifische Widerstand der Beschichtung
beträgt
bei einer Leiterbahnbreite von 2–3 mm und bei einer Schichtdicke von
einigen Mikrometern etwa 60 Ohm/m; die Sensorschleife hat für einen
Topfdurchmesser von 145 mm eine Länge von etwa 455 mm; dies ergibt
einen parasitären
ohmschen Widerstand von 60 Ohm/m mal 0,455 m ist gleich etwa 27
Ohm.)
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Der
Grundriss der inneren Sensorschleife
60,
64,
70 und
der äußeren Sensorschleife
62,
64,
76 gemäß der
3 der
US 6 184 501 eignet sich
für ein zweiteiliges
Kochfeld mit einer inneren Heizzone und einer äußeren Heizzone. Für die Herstellung
der Sensorschleifen gilt das oben Gesagte; insbesondere nimmt der
parasitäre
ohmsche Widerstand der inneren Sensorschleife entsprechend dem kleineren Topfdurchmesser
ab. Ebenfalls für
ein zweiteiliges Kochfeld eignet sich der Grundriss der inneren
Sensorschleife
116,
114 und der äußeren Sensorschleife gemäß der
6 der
US
6 184 501 .
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Wenn
der induktive Beschichtungssensor erfindungsgemäß mit einem Parallelresonanzkreis kombiniert
wird, so wird sein parasitärer
ohmscher Widerstand auf einen Wert von etwa 6 bis 8 Ohm, vorzugsweise
weniger als 3 Ohm, herabgedrückt. Hierfür sieht
die Erfindung verschiedene technologische Maßnahmen vor, die einzeln oder
in Verbindung miteinander eingesetzt werden können. Die Breite der Leiterbahn
kann beispielsweise von 2 bis 3 mm auf etwa 4 mm aufgeweitet werden.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
wird der spezifische Widerstand durch das genannte Aufgalvanisieren
von Gold (oder eines anderen Edelmetalls) herabgesetzt. In Frage
kommen alternativ auch verbesserte Beschichtungsmaterialien, die
bei konventionellen Beschichtungsdicken (also ohne Aufgalvanisieren)
einen spezifischen Widerstand von etwa 15 Ohm/Meter erreichen. Gleichzeitig
kann der Parallelresonanzkreis, in dem die Sensorschleife als induktives
Element wirkt, mit einer höheren
Resonanzfrequenz arbeiten. Beispielsweise kann das erste, periodische Signal
eine von etwa 2 MHz auf etwa 30 MHz erhöhte Betriebsfrequenz aufweisen,
so dass die induktive Komponente größer als die ohmsche Komponente wird.
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Der
Serienresonanzkreis gemäß 1 kann über einen
Kondensator C1 von der Spannungsquelle 3 gleichspannungsentkoppelt
werden. Die über
der Kapazitätsdiode 2 und
der Sensorschleife 1 anliegende Spannung wird über einen
weiteren Kondensator C2 von dem Gleichspannungsanteil befreit und kann
mit einer Vorrichtung zum Verstärken
der Amplitude des entnommenen Signals, z.B. mit einem Verstärker 5,
verstärkt
werden. Vom Hochfrequenzsignal wird die Amplitude gemessen. Eine
Vorrichtung zum Ermitteln des Amplitudenverlaufs bzw. einer Vorzeichenumkehr,
die z.B. in Form eines Differenzierers 6 ausgeführt werden
kann, ermittelt die Umkehr (von „+" über „0" nach „–„ und umgekehrt)
der Amplitude des Signals während
der Zeit und verstärkt
sie, um sie dann an einen Mikroprozessor 4 weiterzugeben.
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Die
Schaltung funktioniert wie folgt. Die erste Signalquelle 3 läuft immer
auf der temperaturstabilen Frequenz f. Die Resonanzfrequenz fr des
Serienresonanzkreises 10 bestehend aus einem Widerstand R,
einer Kapazitätsdiode 2 und
einer induktiv wirkenden Sensorschleife 1 kann durch einen
aufgestellten elektrisch leitenden Gegenstand, etwa durch einen Kochtopf
oder eine Bratpfanne, sowie durch eine weitere Stellgröße, etwa
durch eine Vorspannung U, variiert werden. Die Kapazitätsdiode 2 wirkt
dabei als Kondensator, dessen Größe von der
Vorspannung U abhängig
ist, wobei die Vorspannung U wiederum von einer zweiten Quelle elektrischer
Signale (unabhängig
von der ersten Quelle 3) vorgegeben werden kann. Diese
zweite Quelle der elektrischen Signale kann z.B. in Verbindung mit
dem Mikroprozessor 4 ausgeführt werden.
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Wird
nun ohne einen aufgestellten Topf die Kapazitätsdiode 2 mit einer
Dreiecks- oder Sägezahnschwingung
(oder auch mit einem abklingenden RC-Spannungsverlauf), jedenfalls mit einem
Spannungssignal sehr niedriger Frequenz bzw. mit einer Quasi-Gleichspannung
vorgespannt, so wird bei einer bestimmten Vorspannung Um die Resonanzfrequenz
fr des Serienresonanzkreises identisch mit der ersten Quelle 3 sein.
Dabei erreicht die Spannungsamplitude des Hochfrequenzanteils, der über der
Kapazitätsdiode 2 und über der
induktiv wirkenden Sensorschleife 1 liegt, ein Minimum.
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Die
Vorspannung U wird bei einem Dreiecksignal linear von 0V bis zu
einer maximalen Spannung Umax erhöht. Von 0V bis Um sinkt die
Amplitude des Signals in dem Oszillator-Schwingkreis 10 bis zu
einem Punkt, in dem die Serienresonanz fr sich der Frequenz f der
Quelle 3 stark annähert
bzw. angleicht. Steigert man die Vorspannung U nach Um weiter, so
erhöht
sich die Amplitude des Signals in dem Oszillator-Schwingkreis 10 wieder.
Im Minimum findet also eine Vorzeichenumkehr der Amplitudenänderung
statt. Diese wird durch die Vorrichtung 6 ermittelt und
als Impulssprung an den INT-Eingang des Mikroprozessors 4 weitergegeben.
Der Mikroprozessor 4 speichert den Wert Um, an dem der
Impulssprung auftritt.
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Wird
nun ein Topf aufgesetzt, ändert
sich die Induktivität
der Sensorschleife 1 (sie wird durch die Wirbelstromverluste
im metallischen Topfboden kleiner) und damit auch die Resonanzfrequenz
fr (sie wird höher).
Beim nächsten
Dreieckvorspannungssignal wird das Amplitudenminimum bei einer geringeren
Spannung Ut erreicht. Die Spannungsdifferenz Um – Ut ist – einen etwa linearen Spannungs-Kapazitätsverlauf
der Kapazitätsdiode 2 vorausgesetztdirekt
proportional zur Änderung
der Induktivität
der Sensorschleife 1. Damit kann von der Änderung
der Spannung U linear auf die Änderung
des Sensorinduktivitätwertes
geschlossen werden.
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Bei
der Auswahl der Kapazitätsdiode 2 ist darauf
zu achten, dass ihr einstellbarer Kapazitätsbereich so groß ist, dass
die Resonanzfrequenz fr bei Sensorschleifen mit einem großen Durchmesser (großer Induktivität L) und
einem kleinem Durchmesser (geringer Induktivität L) immer noch die Frequenz der
Quelle 3 erreicht. Falls nötig, kann der Bereich durch
Parallelschalten einer Festkapazität erhöht werden. Denkbar ist weiterhin
eine Messbereichserweiterung durch Zuschalten einer Parallelkapazität mittels
eines MOSFETs oder eines Analogmultiplexers oder mittels eines Hochfrequenztransistors,
z.B. BFS17 oder ähnliches.
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Ein
erheblicher Vorteil der Schaltung nach 1 besteht
in der Messgenauigkeit des Systems über den erforderlichen Elektroniktemperaturbereich von –20 bis
105° C.
Selbst wenn sich die Verstärkungsfaktoren
des Verstärkers
5 um +/– 20%
verändern,
so geht in die Messung nur die Vorzeichenumkehr der Amplitudenänderung
ein, die stets bei der Resonanzfrequenz fr erfolgt.
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Ändert sich
der parasitäre
ohmsche Widerstand der Sensorspule 1 temperaturbedingt,
so hat das anders als beim Parallelkreis (vgl. das Ausführungsbeispiel
gemäss 4)
bei dem Serienresonanzkreis keinen Einfluss auf die Resonanzfrequenz. Nach
einem Lehrbuch (Tietze/Schenk „Halbleiterschaltungstechnik", Springer Verlag,
ISBN 3-540-56184-6, 10. Auflage, Kapitel 2.7 auf Seite 22) ist die
Resonanzfrequenz eines Serienresonanzkreises stabil und hängt exakt
nur von Kapazitäts-
(C) und Induktivitätwerten
(L) des Serienresonanzkreises ab.
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Einzig
auf die Kapazitätsdiode
hat die Temperatur einen störenden
Einfluss. Die Kapazität ändert sich
bis zu 3%. Dies kann ausgeglichen werden, wenn in den Spannungspfad
eine Diode in Flussrichtung geschaltet wird, deren Kniespannung
einen Temperaturgang aufweist, der über eine höhere Vorspannung U die Kapazitätsveränderung
kompensiert.
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Das
von der zweiten Quelle 4 vorgegebene elektrische Vorspannungssignal
U muss nicht unbedingt ein im strengen Sinne periodisches Signal
sein, bei dem alle Zyklen des Signals die gleiche Form bzw. die
gleiche Dauer, Amplitude und den Zeit-Spannungsverlauf aufweisen.
Es genügt,
wenn das Vorspannungssignal U ein wiederholbares elektrisches Signal
mit einem vorbestimmten Zeit-Spannungsverlauf (z.B. mit einem abklingenden RC-Zeit-Spannungsverlauf)
ist. Um den Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. des Mikroprozessors 4 zu
optimieren, ist es auch denkbar, in den Intervallen zwischen einzelnen
Wiederholungen des zweiten elektrischen Signals eine Pause ohne
elektrische Signale einzulegen. Die Optimierung kann u.a. dadurch
erfolgen, dass der Mikroprozessor 4 in den Pausen zwischen
einzelnen Wiederholungen auch zu anderen Zwecken (etwa zur Steuerung
weiterer Vorrichtungen) eingesetzt werden kann.
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Zum
Anschluss mehrerer Sensorschleifen 11, 12, 13, 14 kann
ein niedrigohmiger Analogmultiplexer S1 eingebaut werden, der ermöglicht,
je nach vorgegebener Adresse Adr eine der Sensorspulen 11, 12, 13, 14 mit
dem Resonanzkreis zu verbinden, wie dies in 2 gezeigt
ist. Statt eines Analogmultiplexers oder statt Hochfrequenztransistoren
ist auch der Einsatz von MOS-FETs
möglich.
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Mit
diesem Aufbau kann eine Referenzmessung zur Eliminierung des Temperatureinflusses
auf die Kapazitätsdiode 2 durchgeführt werden.
Dabei wird statt der Sensorspule 14 in 2 eine
feste Induktivität
eingebaut, die temperaturstabil ist. Ändert sich die Kapazität der Diode 2,
so ändert
sich im Betrieb auch die Stellgröße U für diese
feste Induktivität. Diese
temperaturbedingte Änderung
kann dann von den Werten der übrigen
Sensorspulen 11, 12 und 13 abgezogen
und der Temperatureinfluss damit kompensiert werden. Verwendet man
statt des Analogmultiplexers Hochfrequenztransistoren, dann können die
feste Induktivität
und eine Sensorinduktivität gleichzeitig
parallel in den Sensorkreis eingeschaltet werden. Es ergibt sich
eine Verringerung der effektiv im Stromkreis wirkenden Gesamtinduktivität, wodurch
eine Anpassung der Vorrichtung an Sensoren mit größerer Induktivität erreicht
werden kann.
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Die Änderung
des ohmschen Beiwertes R14(T) der Sensorspule 14 kann darüber hinaus
zur Bestimmung der Temperatur herangezogen werden. Dafür kann die
in 2 gezeigte Schaltung modifiziert werden (wie in 3 gezeigt).
Die Widerstände R11(T),
R12(T), R13(T)... R14(T) bezeichnen dabei den ohmschen Widerstand
der Schleifen 11, 12, 13 und 14.
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Bei
abgeschalteter Signalquelle 3 wird von der Stromquelle 33 ein
Gleichstrom I eingeprägt,
der in die über
S1 und Adr angewählte
Sensorschleife 14 gegen die Masse GND fließt. Über dem
temperaturabhängigen
Widerstandsbeiwert der Sensorschleife R14(T) ruft der Gleichstrom
einen Spannungsabfall UR14(T) hervor. Für Gleichstrom
beträgt
der Spannungsabfall über
der Induktivitätskomponente
14 0V. Damit kann über
einen Schalter S2 der Spannungsabfall für den mit Adr vorgegebenen
Sensor nach dem Vier- oder Dreidrahtmessverfahren hochohmig abgegriffen
werden, mit einem Verstärker 55 verstärkt und
an den Mikroprozessor 4 als Analogwert weitergeleitet werden.
Der Mikroprozessor 4 berechnet aus dem beim Basisabgleich
gespeicherten 25° C-Messwert
und dem aktuellen Messwert mittels der bekannten spezifischen Temperaturkoeffizienten
die aktuelle Sensorschleifentemperatur T.
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In
dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel der Erfindung
ist der induktiv wirkende Beschichtungssensor als Teil eines Parallelresonanzkreises
ausgebildet. Der Sensor ist als leitfähige Schicht auf der Ober-
oder Unterseite der Glaskeramik aufgebracht. Die Kontaktierung kann über Federkontakte
oder über
leitfähig
angeklebte Folienleitungen oder über
angelötete
Breitbandleitungen geschehen. Bekannte Leiterbahnen werden auf der
Unterseite der Glaskeramik aufgebracht und haben üblicherweise
eine Breite von 2 mm und eine Länge
von ca. 1 m, was auf einen elektrischen Widerstand zwischen 40 und
200 Ohm hinausläuft.
Die Güte
der bekannten Sensoren ist daher sehr gering. Mit Beschichtungssensoren
wurden deshalb bisher nur aufwändige
Funktionsprinzipien wie das Prinzip der induktiven Kopplung angewandt.
Der erfindungsgemäße Reihenresonanzkreis
nach den 1 bis 3 schafft
hier Abhilfe.
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Neue
Beschichtungsmaterialien und neue Beschichtungstechniken erlauben
es nun auch, den Widerstand der Beschichtungsleiterbahnen erheblich zu
re duzieren. Es ist möglich,
bei einer Breite von 2 mm und einer Länge von 1 m nun Widerstände von maximal
3 Ohm zu realisieren. Derartige Sensorschleifen können direkt
an die Auswerteelektronik angeschlossen werden, das heißt direkt
auch in einem Parallelresonanzkreis verwendet werden. Die Topferkennung
wird bei dieser Variante über
eine Änderung
der Oszillatorfrequenz verwirklicht.
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L
(Pot) stellt in 4 eine Sensorschleife dar, deren
Induktivität
durch einen aufgestellten Topf verringert wird und damit in dem
LC-Oszillatorkreis die Frequenz beeinflusst. CS ist beispielsweise
eine feste Kapazität
hoher Güte.
Auch hier berechnet sich die Resonanzfrequenz nach fr ≌ ½ × Π × √[L × C]. Wird
der Topf auf die induktive Sensorschleife abgestellt, so verringert
sich durch die Wirbelstromverluste im Topfboden die Induktivität L der
Schleife. Dies führt
zu einer Erhöhung
der Resonanzfrequenz fr an der Basis des Transistors Q1. Dann kann über einen Zweipunktregler
oberhalb der Grenzfrequenz fg das Freigabesignal für die Energiezufuhr
des Heizkörpers
erzeugt werden.