DE3511144C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Sensoreinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine derartige Sensoreinrichtng ist bereits aus Hengsten­ berg, Sturm, Winkler "Messen und Regeln in der Chemischen Technik", 2 Auflage, Springer-Verlag Berlin/Göttingen/Hei­ delberg, 1964, Seiten 568 bis 573 bekannt. Diese Sensorein­ richtung enthält

• - zwei elektrisch in Reihhe geschaltete Sensoelemente mit temperaturabhängigen Kennwerten, die jedoch gegenüber son­ stigen Umgebungsbedingungen nur sehr geringfügig schwanken und von denen das eine Sensorelement den sich verändernden Umgebungsbedingungen ausgesetzt ist, während das andere Sensorelement vor den sich verändernden Umgebungsbedingun­ gen geschützt ist,
• - eine mit den Sensorelementen elektrisch in Reihe geschal­ tete Stromversorgungseinrichtung zur Lieferung eines Stroms zu den Sensorelementen und
• - eine mit den Sensorelementen verbundene Detektorschal­ tung, die Änderungen der Ausgangssignale der Sensorelemente erfaßt. Maßnahmen zur Thermostatisierung der Sensorelemente über elektrisch beheizte Heizelemente sind nicht getroffen.

Derartige Maßnahmenn sind jedoch allgemein aus Jentzsch, Otte: "Detektoren in der Gas-Chromatographie: Methoden der Analyse in der Chemie, Band 14, Akademische Verlagsgesell­ schaft, Frankfurt a. Main, 1970, Seiten 123 bis 125 be­ kannt. Beispielsweise ist ein Prinzipschaltbild eines pro­ portional regelnden Thermostaten in Bild 4.1.1-28 gezeigt. Zu dem Thermostaten gehören eine Brückenschaltung mit einem Ist-Wert- und einem Soll-Wertgeber, ein Differenzverstär­ ker, eine Trägereinrichtung, ein Triac oder Thyristor sowie ein Heizwiderstand. Die Schaltung ist so aufgebaut, daß der Heizkreis mit dem Heizwiderstand vom Meßkreis entkoppelt ist. Der durch den Meßkreis (Istwertgeber, Sollwertgeber) fließende Strom wird also nicht unmittelbar zur Temperatur­ regelung des Istwertgebers herangezogen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Sensorein­ richtung der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß mit Hilfe einfacher schaltungstechnischer Maßnahmen der zur Reihenschaltung der Sensorelemente geführte Strom unmittel­ bar zur Thermostatisierung der Sensorelemente herangezogen werden kann.

Die Lösung der gestellten Aufgabe ist im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegeben. Vorteilhafte Ausge­ staltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu ent­ nehmen.

Die Sensoreinrichtung nach der Erfindung zeichnet sich da­ durch aus, daß

• - die Sensorelemente durch zwei elektrisch in Reihe ge­ schaltete Heizelemente in Abhängigkeit der Größe des von der Stromversorgungseinrichtung empfangenen Stroms erwärm­ bar sind,
• - im Leitungsweg zwischen der Stromversorgungseinrichtung und den Sensorelementen ein Transistor zur Veränderung des von der Stromversorgungseinrichtung gelieferten Stroms angeordnet ist, und daß
• - eine Differenzverstärkereinrichtung vorhanden ist, deren Ausgang mit der Basis des Transistors, deren Eingang mit einer Referenzspannungsquelle und deren anderer Eingang mit dem Leitungsbereich zwischen dem Transistor und den Sensor­ elementen verbunden sind.

Vorzugsweise können die Heizelemente durch die Sensorele­ mente selbst gebildet sein.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist eine Brückenschaltung vorhanden, in deren ersten beiden Zweigen jeweils ein Widerstand liegt, wobei die Abgrif­ fe einerseits zwischen gleichen Elementen der Brückenschal­ tung jeweils über einen Widerstand mit jeweils einem Ein­ gang eines Operationsverstärkers und andererseits zwischen ungleichen Elementen der Brückenschaltung mit dem Transis­ tor bzw. mit Erde verbunden sind.

Durch die Sensoreinrichtung nach der Erfindung wird er­ reicht, daß die Oberflächentemperatur der Sensorelemente auf einem konstanten Pegel gehalten werden kann, und zwar durch eine geeignete Steuerung eines durch die Sensorele­ mente hindurchfließenden Stroms. Unterschiedlich tempera­ turabhängige Eigenschaften der Sensorelemente können auf diese Weise kompensiert werden, so daß nur noch der Einfluß der sich verändernden Umgebungsbedingung bzw. Umgebungs­ feuchtigkeit auf das eine Sensorelement detektiert wird.

Die Zeichnung stellt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dar. Es zeigt

Fig. 1 eine vereinfachte perspektivische Ansicht eines Mikrowellenherdes mit einer Sensoreinrichtung nach der Erfindung,

Fig. 2 ein Schaltbild der Sensorein­ richtung nach Fig. 1 und

Fig. 3 eine graphische Darstellung, die zur Erläuterung des Zusammenhanges zwischen dem Anstieg der Um­ gebungstemperatur während eines Kochvorganges und einem von der Sensoreinrichtung erzeugten Ausgangssignal dient.

In der Fig. 1 ist eine vereinfacht dargestellte Perspektiv­ ansicht eines Mikrowellenherdes 1 mit einer Sensor­ einrichtung nach der Erfindung gezeigt. Eine Kochkammer 2 besitzt eine erste Heizeinrichtung 4, beispielsweise ein Magnetstrom zur Erzeugung von Mikrowellen, und zwei weitere Heizeinrichtungen 5 und 6. Sowohl durch die erste Heizeinrichtung 4 als auch durch die weiteren Heizeinrichtungen 5 und 6 können Nahrungsmittel innerhalb der Kochkammer 2 erwärmt werden. Eine zu der Sensoreinrichtung gehörender Absolutfeuchte- Sensor 8 mißt die Temperatur und die Feuchtigkeit in der Kochkammer 2 und ist beispielsweise in einem Dampfaus­ laßkanal 9 angeordnet. Durch ein Gebläse 10 wird ein Luft­ strom zur Kühlung der ersten Heizeinrichtung 4 erzeugt.

Eine mit dem Absolutfeuchte-Sensor 8 verbundene elektrische Schaltung ist in Fig. 2 gezeigt. Eine Brückenschaltung 11 besitzt zwei den Absolutfeuchte- Sensor 8 bildende Thermistoren 12 und 13, die als Sensorelemente dienen. Diese Thermistoren 12 und 13 erzeugen jeweils Wärme, wenn ein Strom durch sie hindurchfließt. Der erste Thermistor 12 ist ein sogenannter offener Thermistor, der direkt mit der Dampf- bzw. Gasatmosphäre aus der Kochkammer 2 in Kontakt steht. Der zweite Thermistor 13 befindet sich innerhalb einer abgeschlossenen Kammer mit trockener Atmosphäre (nicht dargestellt), so daß sein Ausgangssignal nicht durch Änderungen der Feuchtig­ keit innerhalb der Dampfatmosphäre aus der Kochkammer 2 beeinflußt wird. Die Thermistoren 12 und 13 werden auf einer Temperatur gehalten, die etwa zwischen 200°C und 300°C liegt. Hierzu trägt einerseits die Temperatur der Dampf­ atmosphäre bei, während andererseits durch die Thermistoren 12 und 13 Wärme selbst erzeugt wird. Die Brückenbildung 11 besitzt weiterhin Widerstände 14 und 15 (Impedanzelemente). Die Leitung 16 zwischen dem Themistor 12 und dem Widerstand 14 ist mit einer Stromsteuerschaltung 17 verbunden. Die Leitung 18 zwischen dem Thermistor 13 und dem Widerstand 15 ist dagegen ge­ erdet. Der Leitungsbereich 19 zwischen den Thermistoren 12 und 13 liegt über einen Widerstand 21 an einem ersten Eingang (-) eines Operationsverstärkers 23, während der Leitungsbereich 20 zwischen den Widerständen 14 und 15 über einen Widerstand 22 mit dem zweiten Eingang (+) des Operationsverstärkers 23 verbunden ist. Der Operationsverstärker 23 selbst besteht aus einer Ver­ stärkerschaltung 23 b, zu der ein Verstärkungswiderstand 23 a parallel liegt. Dieser befindet sich zwischen dem ersten Eingang der Verstärkerschaltung 23 b (Minuseingang) und dem Ausgang 24 der Verstärkerschaltung 23 b.

Im folgenden wird der Aufbau der Stromsteuerschaltung 17 näher erläutert. Die Kathode einer Zenerdiode D ist über einen Schutzwiderstand R 1 mit einer Anschlußklemme 25 verbunden, an die eine Versorgungsspannung anlegbar ist. Die Anode der Zenerdiode D ist geerdet. Der Leitungsbereich zwischen der Kathode der Zenerdiode D und dem Schutzwiderstand R 1 ist mit dem positiven Eingang eines Verstärkers 30 über einen Verstärkungswiderstand R 2 verbunden, während der positive Eingang gleichzeitig über einen Widerstand R 3 geerdet ist. Der Ausgang des Verstärkers 30 ist mit dem positiven Eingang eines weiteren Verstärkers 31 über einen Schutzwiderstand R 4 verbunden. Der negatvie Eingang des Verstärkers 31 ist mit dem Emitter eines Transistors T über einen Schutz­ widerstand R 5 verbunden. Der Ausgang des Verstärkers 31 ist mit der Basis dieses Transistors T über einen Schutz­ widerstand R 7 verbunden. Der Transistor T ist ein PNP- Transistor. Der Emitter des Transistors T liegt weiterhin über einen Strommeßwiderstand R 6 an der Anschlußklemme 25. Sein Kollektor ist mit dem Leitungsbereich 16 der Brücken­ schaltung 11 verbunden, der zwischen dem Thermistor 12 und dem Widerstand 14 liegt. Andererseits ist dieser Leitungsbereich 16 mit dem negativen Eingang des Verstärkers 30 über einen Verstärkungswiderstand R 8 ver­ bunden. Der Ausgang des Verstärkers 30 wird an seinen negativen Eingang über den Verstärkungswiderstand R 9 zurückgeführt.

Nachfolgend wird die Wirkungsweise der Schaltung nach Fig. 2 und die der Thermistoren 12 und 13 näher erläutert.

Zunächst sei angenommen, daß die Thermistoren 12 und 13 und die Widerstände 14 und 15 identische Widerstandswerte besitzen. Darüber hinaus soll eine Spannung V 0 an der aus den Thermistoren 12 und 13 sowie den Widerständen 14 und 15 gebildeten Parallelschaltung liegen. Ist keine Feuchtigkeit vorhanden, so wird sowohl am Widerstand 15 als auch am Thermistor 13 die Spannung V 0/2 anliegen. Enthält die von der Kochkammer 2 kommende Atmosphäre dagegen Feuchtigkeit, so ändert sich die Spannung am Thermistor 13. Die Spannung am Widerstand 15 bleibt dagegen unverändert. Genauer gesagt verringert sich zunächst die Oberflächen­ temperatur des Thermistors 12 in Abhängigkeit der Feuchtigkeit der aus der Kochkammer 2 kommenden Atmosphäre, so daß der Widerstand des Thermistors 12 steigt. Das bedeutet, daß auch die Spannung am Thermistor 12 steigt. Die Spannung am Thermistor 13 ändert sich daher ebenfalls in Abhängigkeit der Feuchtigkeit, so daß diese durch Bildung der Differenz der Spannungen am Thyristor 13 und am Widerstand 15 ermittelt werden kann.

Im folgenden wird die Arbeitsweise der Sensoreinrichtung auch unter Bezugsnahme auf Fig. 1 erläutert.

Steigt die Temperatur in der Kochkammer 2 an, so ver­ mindert sich die Widerstandswerte der Thermistoren 12 und 13. Die Spannung über der aus den Thermistoren 12 und 13 bestehenden Reihenschaltung wird also kleiner als bei Normaltemperatur. Diese reduzierte Spannung über der genannen Reihenschaltung aus den Thermistoren 12 und 13 wird über den Verstärkungswiderstand R 8 zum negativen Eingang des Verstärkers 30 übertragen. Dies hat zur Folge, daß die Potentialdifferenz zwischen dem positiven und dem negativen Eingang des Verstärkers 30 ansteigt.

Der Verstärker 30 liefert daher ein Ausgangssignal an den positiven Eingang des Verstärkers 31 er den Schutzwiderstand R 4, das größe ist als bei Normal­ temperatur. Nach Erhalt dieser vergrößerten Ausgangs­ signalspannung des Verstärkers 30 liefert der Ver­ stärker 31 ebenfalls eine Ausgangssignalspannung zur Basis des Transistors T über den Schutzwiderstand R 7, die größe ist als bei Normaltemperatur. Der PNP- Transistor T wird daher so angesteuert, daß der durch ihn und durch die Brückenschaltung 11 fließende Strom verringert wird. Die durch die Transistoren 12 und 13 aufgrund des Stromflusses erzeugte Wärme verringert sich daher ebenfalls. Dies bewirkt ein Ansteigen der Widerstands­ werte der Thermistoren 12 und 13. Da der durch die Brückenschaltung 11 fließende Strom abnimmt, tritt am Strommeßwiderstand R 6 nur ein sehr kleiner Spannungs­ abfall auf, durch den schließlich das Potential am negativen Eingang des Verstärkers 31 angehoben wird. Im vorliegenden Fall wird das Potential am negativen Eingang des Verstärkers 31 durch Zufuhr eines bestimmten Stromes stabilisiert, der durch den Wert des Strommeßwiderstandes R 6, die Zenerdiode D und den Verstärker 30 vorbestimmt ist.

Fällt im umgekehrten Fall die Temperatur innerhalb der Kochkammer 2, so laufen alle oben beschriebenen Vorgänge in der umgekehrten Richtung ab. Der durch die Brücken­ schaltung 11 fließende Strom steigt also an und bewirkt, daß durch die Thermistoren 12 und 13 eine größere Wärme erzeugt wird. Mit anderen Worten hängt also die Zunahme oder Abnahme des Stromes in bezug auf die Temperatur innerhalb der Kochkammer 2 von der Wärmekapazität der Thermistoren 12 und 13 ab. Steigt also die Temperatur innerhalb der Kochkammer 2 an, und nimmt daher der Widerstandswert der Thermistoren 12 und 13 ab, so verringert sich der durch die Thermistoren 12 und 13 fließende Strom. Während des Kochvorgangs ändert sich die Temperatur der durch den Abluftkanal 9 geleiteten Koch- bzw. Dampf­ atmosphäre von Normaltemperatur auf über 100°C. Un­ mittelbar nachdem der Kochvorgang mit Hilfe der weiteren bzw. zweiten Heizeinrichtung 5, 6 beendet ist, ereicht die Temperatur in der Koch- bzw. Dampfatmosphäre normalerweise 200°C. Wird sofort danach die erste Heizeinrichtung 4 aktiviert, so nimmt die Temperatur der Koch- bzw. Dampfatmosphäre wieder in Richtung auf die Normaltemperatur ab. Ist in der Koch- bzw. Dampf­ atmosphäre Feuchtigkeit vorhanden, so wird sich Wasser an der Oberfläche des Thermistors 12 anlagern. Aufgrund der latenten Wärme des Wassers wird daher die Temperatur des Thermistors 12 verringert, wenn das Wasser verdunstet. Allerdings ist diese Temperaturänderung des Thermistors 12 aufgrund der latenten Wärme nur sehr geringfügig. Ver­ glichen mit den Temperaturschwankungen der Koch- bzw. Dampfatmosphäre, die 100°C und mehr betragen können, sind die Temperaturschwankungen aufgrund der latenten Wärme auf ungefähr 1°C beschränkt. Wie bereits oben be­ schrieben, reagiert die Stromsteuerschaltung 17 auf Temperaturänderungen der Thermistoren 12 und 13 in einer vorbestimmten Weise. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist diese Stromsteuerschaltung 17 so ausgebildet, daß sie ein lineares Temperaturverhalten aufweist bzw. die Temperatur sich linear ändert. An der Ausgangsklemme 24 der Sensoreinrichtung nach Figur liegt dann ein Referenzausgangssignal an, wenn die Dampf- bzw. Gas­ atmosphäre vollständig trocken ist. Abweichungen vom Referenzausgangssignal entsprechen daher einem bestimmten Feuchtigkeitsbetrag in der Dampf- bzw. Gas- oder Koch­ kammeratmosphäre. Durch die Stromsteuerschaltung 17 werden große Temperaturschwankungen der Thermistoren 12 und 13, die aufgrund der in der Dampf- bzw. Kochkammeratmosphäre vorhandenen Feuchtigkeit hervorgerufen werden, verhindert. Da die Widerstandswerte der Thermistoren 12 und 13 durch die Feuchte in der Dampf- bzw. Kochkammeratmosphäre beeinflußt werden, selbst wenn die Temperaturschwankungen der Thermistoren 12 und 13 nur geringfügig sind, können selbst kleinste Änderungen in den elektrischen Signalen, die durch die Feuchtigkeit hervorgerufen werden, an der Ausgangsklemme 24 der Sensoreinrichtung erhalten werden.

Die Fig. 3 zeigt das Ausgangsverhalten der Sensoreinrichtung bei steigender Temperatur. Ist keine Feuchtigkeit in der Koch- bzw. Dampfatmosphäre vorhanden, so bleibt das Ausgangssignal an der Ausgangsklemme 24 konstant, auch wenn die Heizzeit relativ groß ist. Bei der Sensoreinrichtung wird jedoch der variable Temperaturbereich der Thermistoren auf nicht mehr als 1°C beschränkt. Das bedeutet, daß die Temperatur auf der Oberfläche der Thermistoren praktisch konstant bleibt, während gleichzeitig Schwankungen der temperaturabhängigen Eigen­ schaften der Thermistoren nur sehr gering sind. Die Feuchte in der Dampf- bzw. Kochatmosphäre kann daher genau gemessen werden.

Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel der Sensor­ einrichtung wurde angenommen, daß beide Thermistoren 12 und 13 identische Widerstandswerte besitzen. Die Feuchtigkeit in der Dampf- bzw. Kochatmosphäre kann aber auch dann genau gemessen werden, wenn die Widerstandswerte beider Thermistoren voneinander verschieden sind. Auch ist es nicht unbedingt erforderlich, eine Brückenschaltung mit Widerständen zur genauen Bestimmung der Referenzspannung zu verwenden. Es können ebenso gut die Thermistoren 12 und 13 allein, oder mit anderen Schaltungselementen ver­ bunden, verwendet werden, so daß bei Vorhandensein von Feuchtigkeit in der Koch- bzw. Dampfatmosphäre die sich verändernden Eigenschaften der Thermistoren detektiert werden können. Die leitfähigen Elemente der Thermistoren im oben beschriebenen Ausführungsbeispiel können neben ihre primären Aufgabe, nämlich ein be­ stimmtes Ausgangssignal in Abhängigkeit der vorhandenen Umgebungsbedingung zu erzeugen, auch zur Heizung der Thermistoren verwendet werden. Die Umgebungsbedingung der Thermistoren wird beispielsweise durch die Koch- bzw. Dampfatmosphäre bestimmt, die unterschiedliche Temperaturen und Feuchten annehmen kann.

Selbstverständlich können auch Sensorelemente vorgesehen sein, die mit separaten bzw. unabhängigen Heizeinrichtungen elektrisch in Reihe geschaltet sind, um den Stromfluß in die Heizeinrichtungen steuern zu können. Bei der oben­ genannten Sensoreinrichtung werden die Thermistoren als Sensorelemente selbst verwendet. Die Thermistoren können allerdings auch durch geeignete andere Sensorelemente ersetzt sein.

Claims (4)

1. Sensoreinrichtung, mit

• - zwei elektrisch in Reihe geschalteten Sensorelementen (12, 13) mit tem­ peraturabhängigen Kennwerten, die jedoch gegenüber sonstigen Umgebungsbe­ dingungen nur sehr geringfügig schwanken, und von denen das eine Sensorele­ ment (12) den sich verändernden Umgebungsbedingungen ausgesetzt ist, wäh­ rend das andere Sensorelement (13) vor den sich verändernden Umgebungsbe­ dingungen geschützt ist,
• - einer mit den Sensorelementen (12, 13) elektrisch in Reihe geschalteten Stromversorgungseinrichtung (25) zur Lieferung eines Stromes zu den Sensorele­ menten (12, 13) und
• - einer mit den Sensorelementen (12, 13) verbundenen Detektorschaltung (14, 15, 21-24), die Änderungen der Ausgangssignale der Sensorelemente (12, 13) erfaßt,

dadurch gekennzeichnet, daß

• - die Sensorelemente (12, 13) durch zwei elektrisch in Reihe geschaltete Heizelemente in Abhängigkeit der Größe des von der Stromversorgungseinrich­ tung (25) empfangenen Stromes erwärmbar sind,
• - im Leitungszweig zwischen der Stromversorgungseinrichtung (25) und den Sensorelementen (12, 13) ein Transistor (T) zur Veränderung des von der Stromversorgungseinrichtung (25) gelieferten Stromes angeordnet ist, und daß
• - eine Differenzverstärkereinrichtung (30, 31) vorhanden ist, deren Ausgang mit der Basis des Transistors (T), deren einer Eingang mit einer Referenzspan­ nungsquelle (R 1, R 2, D) und deren anderer Eingang mit dem Leitungsbereich zwi­ schen dem Transistor (T) und den Sensorelementen (12, 13) verbunden sind.

2. Sensoreinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizelemente durch die Sensorelemente (12, 13) selbst gebildet sind.

3. Sensoreinrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Brü­ ckenschaltung (11), in deren ersten beiden Zweigen jeweils ein Sensorelement (12, 13) und in deren zweiten beiden Zweigen jeweils ein Widerstand (14, 15) liegt, wobei die Abgriffe einerseits zwischen gleichen Elementen (12, 13 bzw. 14, 15) der Brückenschaltung (11) jeweils über einen Widerstand (21, 22) mit jeweils einem Eingang eines Operationsverstärkers (23) und andererseits zwischen ungleichen Elementen (12, 14 bzw. 13, 15) der Brückenschaltung mit dem Transistor (T) bzw. mit Erde verbunden sind.