DE19646826A1

DE19646826A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Temperaturmessung und Topferkennung an Kochstellen

Info

Publication number: DE19646826A1
Application number: DE19646826A
Authority: DE
Inventors: Juergen Dipl Ing Luther
Original assignee: AEG Hausgeraete GmbH
Current assignee: Electrolux Rothenburg GmbH Factory and Development
Priority date: 1996-02-22
Filing date: 1996-11-13
Publication date: 1997-08-28
Anticipated expiration: 2016-11-14
Also published as: DE19646826C5; DE19646826C2

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Temperaturmessung und Topferkennung an Kochstellen mit den Merkmalen des Oberbegriffs der Ansprüche 1 und 6.

Zur Temperaturmessung an der Kochstelle bzw. zur Messung der Glaskeramiktemperatur sind an der Glaskeramik geeignete Sen soren angebracht. Bei einem aus der DE 43 36 752 A1 bekannten Sensorsystem überqueren zwei als Leiterbahnen ausgebildete Sensoren die Kochstelle. Je nach Größe der Querschnittsfläche des Kochtopfes wird jedoch der elektrische Widerstand der Leiterbahn in unerwünschter Weise verändert. Diese Verände rung tritt dann auf, wenn zuerst große Kochtöpfe mit Zuschal tung eines äußeren Heizkreises benutzt werden und anschlie ßend mit kleineren Kochtöpfen und einem zugeschalteten inne ren Heizkreis weitergearbeitet wird. Fehlerhafte Temperatur messungen sind die Folge.

Zur Topferkennung muß ebenfalls die Temperatur der Glaskera mikplatte gemessen werden. Dazu ist es außerdem bekannt, in duktive Sensoren zu verwenden. Dies hat jedoch den Nachteil, daß Glastöpfe nicht erkannt werden können. Herkömmliche dyna misch-kapazitive Topferkennungsverfahren werten eine schnelle Kapazitätsänderung, wie sie z. B. beim Aufsetzen oder Herun terziehen eines Kochtopfes von der Kochstelle auftreten, aus. Langsam aufgesetzte oder heruntergezogene Kochtöpfe können damit jedoch nicht detektiert werden. Außerdem können bei diesem Topferkennungsverfahren nach dem Einschalten einer noch warmen Kochmulde bereits aufgesetzte Kochtöpfe nicht er kannt werden. Darüberhinaus muß die Elektronik dieser Kochmulde bis zum vollständigen Abkühlen mit Strom versorgt werden, damit nach erneutem Einschalten der Kochtopf erkannt werden kann. Dies bedeutet aber, daß die Elektronik zusätz liche Komponenten enthalten muß, welche die Elektronik nach dem Abkühlen stromlos schalten. Die Gefahr einer fehlerhaften Arbeitsweise des Kochfeldes ist deshalb groß.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde bei einem Kochfeld zuverlässige und genaue Temperaturmessungen und Topferkennun gen durchzuführen. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche 1 und 6 gelöst.

Anspruch 1 gewährleistet eine von unterschiedlichen Topfgrö ßen unabhängige Temperaturerfassung bzw. Temperaturmessung der Glaskeramikplatte. Hierzu sind von dem erfindungsgemäßen Leiterbahnsensor zwei Meßanschlüsse abgezweigt, wobei die beiden Abzweigpunkte einen Leitungsabschnitt begrenzen, wel cher sich bevorzugt innerhalb des zentralen Flächenbereichs der wirksamen Heizfläche einer Kochstelle befindet. Dieser Leitungsabschnitt ist deshalb sowohl bei kleinen als auch bei großen Kochtöpfen zuverlässig abgedeckt, so daß eine von un terschiedlichen Topfgrößen unabhängige Temperaturerfassung erfolgt.

Vorzugsweise wird der erfindungsgemäße Leiterbahnsensor zur Bestimmung der Durchschnittstemperatur unmittelbar unterhalb der Glaskeramikplatte verwendet bzw. auf deren Unterseite aufgebracht. Durch Integration des Temperaturverlaufs entlang der Leiterbahn wird die Durchschnittstemperatur ermittelt.

Anspruch 2 schafft einen Sensor mit zwei Elektroden, zwischen denen der elektrische Widerstand der Glaskeramikplatte gemes sen wird. Mit einem derartigen Sensor wird die heißeste Tem peratur der Glaskeramikplatte ermittelt. Hierbei hat der er findungsgemäße Leiterbahnsensor eine Doppelfunktion, indem er sowohl die Ermittlung der Durchschnittstemperatur als auch der heißesten Temperatur ermöglicht.

Die Ansprüche 3 und 4 betreffen bevorzugte Ausführungsformen von Sensoren bzw. Elektroden zur Schaffung eines geeigneten Sensorsystems für Glaskeramikplatten.

Die Maßnahme nach Anspruch 5 gewährleistet ebenfalls, daß der zur Temperaturerfassung vorgesehene zentrale Leitungsab schnitt des erfindungsgemäßen Leiterbahnsensors innerhalb des inneren Heizkreises bzw. der inneren Meßstruktur der Koch stelle einliegt.

Die Maßnahmen der Ansprüche 6 bis 8 ermöglichen eine tempera turkompensierte Topferkennung. Bei der Kapazitätsmessung des eingesetzten kapazitiven Sensors können Änderungen nur noch durch Aufstellen des Kochtopfes auf die Kochstelle erzielt werden. Meßverfälschungen durch den Temperaturgang der Sen sorkapazität sind erfindungsgemäß nicht möglich. Vorteilhaft an dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es außerdem, daß die Aufnahme des Temperaturgangs der Sensorkapazität und die Um wandlung des Temperaturganges in eine Korrekturfunktion sowie dessen Abspeicherung nur einmalig durchgeführt werden müssen. Das einmalig errechnete und abgespeicherte Korrekturpolynom kann für alle Kochmulden mit dem gleichen Glaskeramikwerk stoff übernommen werden. Eine Neubestimmung der Korrektur funktion muß nur dann erfolgen, wenn andere Glaskeramikwerk stoffe und andere Sensorstrukturen eingesetzt werden oder evtl. bei Alterung des Werkstoffes.

Vorteilhaft erfolgt die Temperaturmessung zur Topferkennung mit dem Sensorsystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5. Die Temperaturmessung kann jedoch auch mit einem ande ren geeigneten Sensorsystem erfolgen.

Die Erfindung wird anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 die Draufsicht auf eine schematisch dargestellte Kochstelle mit Temperatur- und Kapazitätssensoren,

Fig. 2 den Temperaturgang einer Sensorkapazität und

Fig. 3 den Frequenzverlauf eines LC-Schwingkreises mit der
Sensorkapazität gemäß Fig. 2.

Das in Fig. 1 dargestellte Sensorsystem basiert auf einem aus DE 43 36 752 A1 bekannten Glaskeramikkochfeld mit Temperatur- und Kapazitätssensoren. Mit Hilfe des Sensorsystems gemäß Fig. 1 sind sowohl Temperatur- als auch Kapazitätsmessungen an der Kochstelle 1 aus Glaskeramik möglich. Ein erster Sen sor 2 ist als Leiterbahn ausgebildet und überquert die wirk same Heizfläche der Kochstelle 1. Zwischen den beiden äußeren Anschlußenden 3 des Leiterbahnsensors 2 ist ein elektrischer Widerstand meßbar. Erfindungsgemäß sind von dem Leiterbahn sensor 2 zwei Meßanschlüsse 4 abgezweigt. Die beiden Abzweig punkte 5 begrenzen einen von den äußeren Anschlußenden 3 ab gewandten, zentralen Leitungsabschnitt 6 der Leiterbahn, wel cher ausschließlich im zentralen Flächenbereich 7 der wirksa men Heizfläche der Kochstelle 1 einliegt.

Der Leiterbahnsensor 2 sowie auch die übrigen, noch zu be schreibenden Sensoren bestehen aus einem elektrisch leitfähi gen Werkstoff mit hohem Temperaturkoeffizienten. Der Leiter bahnsensor 2 wird zur Bestimmung der Durchschnittstemperatur unterhalb der Glaskeramikplatte verwendet. Zur Temperaturbe stimmung wird mit Hilfe der beiden Anschlußenden 3 und der beiden Meßanschlüsse 4 des Leiterbahnsensors 2 eine sogenann te 4-Drahtmessung durchgeführt. Zwischen den beiden Anschlu ßenden 3 wird ein Meßstrom eingespeist. Der durch diesen Meß strom im Leitungsabschnitt 6 der Leiterbahn hervorgerufene Spannungsabfall wird an den beiden Meßanschlüssen 4 gemessen. Aus diesem Spannungsabfall und dem Meßstrom wird der Wider stand und damit die Temperatur des Leitungsabschnittes 6 be stimmt.

Der Leiterbahnsensor 2 ist mit Parallelabstand zu einer eben falls leiterbahnförmigen Meßleitung 8 angeordnet. Die Meßlei tung 8 weist zwei äußere Anschlußenden 9 auf und ist unmit telbar unterhalb oder innerhalb der Glaskeramik angebracht. Der Leiterbahnsensor 2 und die Meßleitung 8 sind als zwei Elektroden wirksam, zwischen denen der elektrische Widerstand der Glaskeramik gemessen wird. Dieser Widerstand zeigt eine große Temperaturabhängigkeit auf und dient zur direkten Tem peraturbestimmung der Glaskeramik. In einer weiteren, hier nicht dargestellten Ausführungsform weist auch die Meßlei tung 8 zwei Meßanschlüsse 4 auf und wirkt dann wie der erfin dungsgemäße Leiterbahnsensor 2.

Der Leiterbahnsensor 2 und die Meßleitung 8 sind von zwei kreissegmentförmigen, sich zu einer gedachten Ringlinie er gänzenden Elektroden 10a, 10b beidseitig flankiert. Diese beiden Elektroden bilden zwei innere Ringelektroden 10a, 10b, welche von zwei kreissegmentförmigen, äußeren Ringelektro den 11a, 11b konzentrisch umgeben sind. Die Ringelektro den 10a, 10b, 11a, 11b werden zur Kapazitätsmessung verwendet, um ein Aufsetzen des Kochtopfes auf die Kochstelle 1 zu er kennen und um die Stellung und Größe eines Kochtopfes auf der Kochstelle 1 zu bestimmen. Für die Kapazitätsmessungen weisen die Ringelektroden 10a, 10b, 11a, 11b ensprechende Elektrodenan schlüsse 12a, 12b, 13a, 13b auf. Die inneren Ringelektro den 10a, 10b ergänzen sich zu einer gedachten Ringlinie der art, daß die beiden Abzweigpunkte 5 geringfügig innerhalb dieser Ringlinie liegen.

Die Kapazitätsmessungen zur Topferkennung und zur Bestimmung der Topfgröße und -stellung werden zwischen dem Leiterbahn sensor 2 und der Meßleitung 8 zu den beiden inneren Ringelek troden 10a, 10b und zu den beiden äußeren Ringelektro den 11a, 11b durchgeführt. Die Elektroden bilden einen Konden sator, dessen Kapazität C von der Elektrodenfläche A, dem mittleren Abstand d der Elektroden sowie vom Werkstoff (Dielektrizitätszahl ε_r ) zwischen den Elektroden abhängig ist.

Selbstverständlich können die Kapazitätsmessungen zur Topfer kennung auch mit anderen als den vorbeschriebenen Elektroden und Sensoren durchgeführt werden.

Mit der gemessenen Kapazität C wird ein LC-Schwingkreis be trieben, der im Leerlauf, d. h. ohne auf die Kochstelle 1 auf gestelltem Topf mit einer Frequenz f = 1/2 Π LC von ca. 2MHz schwingt. Beim Aufstellen eines Topfes ändert sich die Elek trizitätszahl ε_r auf einen um ca. 10% höheren Wert. Dadurch sinkt die LC-Oszillatorfrequenz von 2 MHz auf ca. 1.8 MHz. Diese Frequenzverminderung wird zur Topferkennung herangezo gen. Bei dem vorgenannten Beispiel wird ein fester Frequenz schwellwert von z. B. 1.9 MHz definiert. Folglich wird bei ei ner Frequenz unterhalb dieses Frequenzschwellwertes davon ausgegangen, daß sich ein Topf auf der Kochstelle 1 befindet. Dieser feste Schwellwertmechanismus funktioniert jedoch nur bei konstanter Glaskeramiktemperatur, da die Dielektrizitäts zahl ε_r der Glaskeramik und damit der Kapazitätswert von der Glaskeramiktemperatur abhängig ist. Entlang des Einsatztempe raturbereiches der Glaskeramik von ca. 20-580°C ändert sich der Kapazitätswert nämlich um über 40% (Fig. 2). Folglich er gibt sich der in Fig. 3 dargestellte temperaturbedingte Fre quenzverlauf des LC-Schwingkreises. Damit ist klar, daß die Frequenzänderung durch den Temperatureinfluß um ein ca. 4- faches höher ist als durch das Aufstellen eines Kochtopfes. Mit herkömmlichen Mitteln ist deshalb eine Topferkennung mit festen Temperaturschwellwerten nicht möglich.

Mit dem erfindungsgemäßen und nachfolgend beschriebenen Ver fahren ist eine temperaturkompensierte Topferkennung möglich. Zunächst wird der Temperaturgang der Sensorkapazität (Fig. 2) und somit der Frequenzverlauf gemäß obiger Formel für den LC- Schwingkreis (Fig. 3) aufgenommen. Dem Frequenzverlauf wird ein Korrekturpolynom P, z. B. ein Polynom 3. Grades zugeord net: P(T) = c1 _* T³+ c2 _* T² + c3 _* T + c4. Mit anderen Wor ten werden die entsprechenden Koffizienten c1-c4 des Korrek turpolynoms P errechnet und abgespeichert. Dieser Vorgang muß nur einmalig durchgeführt werden. Eine Neubestimmung des Kor rekturpolynoms P muß nur dann erfolgen, wenn andere Glaskera mikwerkstoffe oder andere Sensorstrukturen eingesetzt werden.

Daraufhin werden z. B. mit Hilfe des Leiterbahnsensors 2 und/oder der Meßleitung 8 die Temperatur T der Glaskeramik gemessen. Gleichzeitig wird z. B. mit Hilfe der obengenannten Kapazitätssensoren 10a, 10b, 11a, 11b die LC-Schwingfrequenz f gemessen. Die Meßtemperatur T wird in das Korrekturpolynom P(T) eingesetzt und daraus der Korrekturwert w errechnet. Der Frequenzmeßwert f wird durch den Korrekturwert w dividiert. Das Ergebnis ist ein temperaturkompensierter Frequenzmeßwert, dessen Änderung nur noch durch Aufstellen eines Kochtopfes erzielt werden kann. Erfindungsgemäß ist folglich eine tempe raturkompensierte Topferkennung mit fest definierten Fre quenzschwellwerten geschaffen. Sinkt der temperaturkompen sierte Frequenzmeßwert analog dem obigen Beispiel unter 1.9 MHz, kann eindeutig auf einen auf die Kochstelle 1 aufgesetz ten Kochtopf geschlossen und Heizenergie zugeführt werden.

Eine weitere Möglichkeit zur temperaturkompensierten Topfer kennung besteht darin, den definierten Frequenzschwellwert mit dem Korrekturwert w zu multiplizieren und den errechneten Wert mit der gemessenen LC-Schwingfrequenz (= Frequenzmeßwert f) zu vergleichen.

Bezugszeichenliste

1 Kochstelle
2 Leiterbahnsensor
3 Anschlußende
4 Meßanschluß
5 Abzweigpunkt
6 Leitungsabschnitt
7 Flächenbereich
8 Meßleitung
9 Anschlußende
10a, 10b innere Ringelektrode
11a, 11b äußere Ringelektrode
12a, 12b Elektrodenanschluß
13a, 13b Elektrodenanschluß
c1, c2, c3, c4 Koeffizient
P Korrekturpolynom
w Korrekturwert
T Meßtemperatur
f Frequenzmeßwert
C Meßkapazität
ε_r Dielektrizitätszahl

Claims

1. Vorrichtung zur Temperaturmessung einer Kochstelle (1) aus Glaskeramik und/oder zur Erkennung eines auf der Kochstel le (1) beheizten Kochtopfes, mit mindestens einem an der Kochstelle (1), insbesondere unmittelbar unterhalb der Kochstelle (1) angebrachten Sensor (2),

- der als Leiterbahn ausgebildet ist und
- zwischen dessen beiden äußeren Anschlußenden (3) ein temperaturabhängiger elektrischer Widerstand meßbar ist, dadurch gekennzeichnet,
- daß von der Leiterbahn zwei Meßanschlüsse (4) abgezweigt sind und
- daß die beiden Abzweigpunkte (5) einen von den äußeren Anschlußenden (3) abgewandten, zentralen Leitungsab schnitt (6) der Leiterbahn zur Temperaturmessung be grenzen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

- daß der Leiterbahnsensor (2) mit Parallelabstand zu ei ner leiterbahnförmigen, unterhalb oder innerhalb der Kochstelle (1) angebrachten Meßleitung (8) mit zwei äuße ren Anschlußenden (9) angeordnet ist und
- daß zwischen dem als erste Elektrode wirksamen Leiter bahnsensor (2) und der als zweite Elektrode wirksamen Meßleitung (8) der elektrische Widerstand der Glaskeramik zur Temperaturmessung erfaßbar ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßleitung (8) als Leiterbahnsensor (2) ausgebil det ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,

- daß der Leiterbahnsensor (2) und gegebenenfalls die Meß leitung (8) zur Kapazitätsmessung von zwei kreissegment förmigen, sich zu einer gedachten Ringlinie ergänzenden Elektroden (10a, 10b) beidseitig flankiert sind und
- daß die beiden Elektroden als innere Ringelektro den (10a, 10b) von zwei kreissegmentförmigen, äußeren Rin gelektroden (11a, 11b) konzentrisch umgeben sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Abzweigpunkte (5) des Leiterbahnsensors (2) auf oder innerhalb der gedachten Ringlinie liegen.

6. Verfahren zur Erkennung eines auf einer Kochstelle (1) aus Glaskeramik beheizbaren Kochtopfes mit einem an der Koch stelle (1) angebrachten kapazitiven Sen sor (10a, 10b, 11a, 11b), einem Schwingkreis und mit einem Temperatursensor, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

a) Der Frequenzgang der Sensorkapazität in Abhängigkeit von der Temperatur wird ermittelt und
b) Der Temperaturgang des Schwingkreises entsprechend den ermittelten Werten kompensiert wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte,

a) Der Frequenzverlauf (t) der Sensorkapazität in Abhän gigkeit von der Temperatur wird ermittelt und in eine temperaturabhängige Korrekturfunktion, insbesondere ein Korrekturpolynom (P) n-ten Grades mit n+1 Koeffizienten (c1-c4) umgewandelt, wobei die Korrekturfunktion bzw. deren Koeffizienten (c1-c4) abgespeichert werden,
b) die Temperatur (T) der Kochstelle (1) und die Kapazität (C) des Sensors werden gleichzeitig gemessen,
c) die Meßtemperatur (T) wird in das Korrekturpolynom (P) eingesetzt und daraus ein Korrekturwert (w) berechnet,
d) der Korrekturwert (w) wird entweder mit der Meßkapazi tät (C) zu einem temperaturkompensierten Meßwert ma thematisch verknüpft oder mit einem zur Topferkennung definierten Schwellwert zu einem temperaturkompensier ten Schwellwert mathematisch verknüpft und
e) zur Topferkennung wird entweder der temperaturkompen sierte Meßwert mit dem definierten Schwellwert vergli chen oder die Meßkapazität (C) mit dem temperaturkom pensierten Schwellwert verglichen.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

a) Der Temperaturgang der Sensorkapazität wird in einen temperaturabhängigen Frequenzgang eines LC- Schwingkreises umgewandelt,
b) das Korrekturpolynom (P) wird aus dem Frequenzgang be rechnet,
c) die Meßkapazität (C) des Sensors wird in die Schwing frequenz (f) des LC-Schwingkreises umgewandelt und
d) der Korrekturwert (w) wird entweder mit der Schwingfre quenz (f) zu einem temperaturkompensierten Frequenzmeß wert verknüpft oder mit einem definierten Frequenz schwellwert zu einem temperaturkompensierten Frequenz schwellwert verknüpft.