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Elektrischer Kochendwasserbereiter
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Die Erfindung betrifft einen elektrischen Kochendwasserbereiter mit
einer Einstelleinrichtung zur Vorwahl einer gewünschten Wasser-Solltemperatur, mit
einem Temperaturfühler zur Messung der jeweiligen Wassertemperatur, mit einer Abschalteinrichtung
zur Abschaltung des elektrischen Heizkörpers bei Erreichen der Soll temperatur und
mit einer Einrichtung zur Erfassung des hochzustandes, die beim Kochen die Abschalteinrichtung
betätigt.
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Bei einem bekannten Kochendwasserbereiter erfaßt ein Haupt-Temperaturfühler
die Wassertemperatur unten im Speicherbehälter. Ein Riifs-Temperaturfühler ist an
dem Überlaufrohr angeordnet. Beide Temperaturfühler sind mit einer Flüssigkeit gefüllt,
deren Volumen sich bei Temperaturerhöhung vergrößert. Dies wird für die Betätigung
der Abschalteinrichtung ausgewertet. Ist die Elustelleinrichtung auf "Sochen" gestellt,
dann tritt, wenn die
Kochtemperatur erreicht ist, Wasserdampf durch
das Überlaufrohr. Dadurch wird zusätzlich zum Haupt-Temperaturfühler auch der Hilfs-Temperaturfühler
erwärmt, so daß dann der Heizkörper abgeschaltet wird. Die Verwendung von zwei Fühlern
ist nachteilig, da sich dabei der Temperaturmeßfehler verdoppelt. Außerdem führen
Kalkablagerungen zu fehlerhafter Temperaturmessung, Darüber hinaus ist die Kochtemperatur
wegen ihrer Abhängigkeit vom Luftdruck nicht genau erfaßbar. Als nachteilig hat
sich auch erwiesen, daß die genannten Kühler auch von der Schaltraumtemperatur und
der Umgebungstemperatur abhängig sind, Aufgabe der Erfindung ist es, einen Kochendwasserbereiter
der eingangs genannten Art vorzuschlagen, der mit nur einem Temperaturfühler arbeitet.
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Erfindungsgemäß ist obige Aufgabe bei einem Kochendwasserbereiter
der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß eine den Temperaturfühler umfassende
elektrische Schaltstufe einen temperaturproportionalen Spannungsverlauf erzeugt,
daß eine Vergleichsschaltung diesen Spannungsverlauf mit einer an der Einstelleinrichtung
eingestellten Spannung vergleicht, daß eine Differenzierschaltung den Spannungsverlauf
überwacht und ein Abschaltsignal abgibt, wenn der Spannungsverlauf konstant bleibt,
und daß dieses Abschaltsignal die Abschalteinrichtung schaltet.
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Die Erfindung macht sich die physikalische Tatsache
zunutze,
daß sich die Temperatur kochenden Wassers nicht weiter erhöht und sich dementsprechend
die temperaturproportionale Spannung beim Kochen nicht ändert. Die Differenzierschaltung
spricht hierauf unabhängig vo Luftdruck an. Es ist nur ein einziger Temperaturfühler
nötig. Dieser muß nicht besonders auf die Kochtemperatur ausgelegt sein. Durch Kalkablagerungen
oder die Umgebungstemperatur wird die Kochpunktabschaltung nicht beeinträchtigt.
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In Ausgestaltung der Erfindung ist vor das Differenzierglied ein Verzögerungsglied
geschaltet, das den temperaturproportionalen Spannungsverlauf zeitverschiebt.
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Dadurch ist erreicht, daß das Differenzierglied erst anspricht, wenn
das Wasser schon einige Zeit, beispielsweise 10 bis 20 s, kocht. Dies ist erwünscht,
um sicherzustellen, daß der gesamte Wassorinhalt beim Abschalten kocht.
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Im Regelfalle sollen Kochendwasserbereiter nicht von selbst wieder
einschalten, wenn die gewünschte Vorwahltemperatur einmal erreicht worden ist. Ein
Wiedereinschalten ist nur manuell möglich. In Weiterbildung der Erfindung weist
die Einstelleinrichtung ein Festglied auf, das bei einer einer sehr niedrigen Temperatur
entsprechenden temperaturproportionalen Spannung eine Vorspannung erzeugt, durch
die die Abschalteinrichtung eingeschaltet wird. Dadurch ist auf einfache Weise eine
Frostschutzfunktion gegeben. Wenn auch Kochendwasserbereiter weniger frostgefährdet
sind, da sie bei Nichtge
brauch meist leer sind, kann es dennoch
vorkommen, daß Wasser im Kochendwasserbereiter belassen wird. Das Festglied ist
beispielsweise so ausgelegt, daß es bei einer Wassertemperatur von 50C einschaltet
und kurz danach wieder abschaltet.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben ich aus
der folgenden Beschreibung eines AusfUhningsbeispiels. in der Zeichnung zeigen:
figur 1 einen Kochendwasserbereiter mit Blockschaltbild einer Steuerschaltung, Figur
2 ein Schaltbild der Steuerschaltung, Figur 3 ein Temperatur-Spannungsdiagramm und
Figur 4 ein weiteres Spannungsdiagramm.
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in einem behälter 1 eines Kochendwasserbereiters sind ein Temperaturffihler
2 und ein elektrischer Heizkörper 3 angeordnfet. Die wassertechnische Anschlußarmatur
ist in Figur 1 nicht dargestellt. Sie ist bekannt. Der Kochendwasserbereiter weist
ein Überlaufrohr 4 auf.
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Der Temperaturfühler 2 liegt an einer Schaltstufe 5.
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An deren ausgang 5' steht eine temperaturproportionale Spannung an.
!>er Schaltstufe 5 ist ein Zeitverzögerungs
glied 6 nachgeschaltet,
dessen Ausgang 6' an eine ümkehrstufe 7 und ein Differenzierglied 8 angeschlo.msen
ist.
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Der Ausgang 8' des Differenziergliedes 8 ist an eine Einstelleinrichtung
9 angeschlossen, die zur Einstellung einer gewünschten Solltemperatur einen Drehknopf
10 und zur Einschaltung des Heizkörpers 3 einen Tastschalter 11 aufweist. Der Ausgang
9' der Einstelleinrichtung 9 liegt an einer Vergleichsschaltung 12, an der auch
der Ausgang 7' der XJmkehrstufe 7 liegt. Der Ausgang 12' der Vergleichsschaltung
12 ist an eine Abschalteinrichtung 13 angeschlossen, welche mit dem Heizkörper 3
verbunden ist, Der Temperaturfühler 2 ist von einem NTC-Widerstand R1 gebildet,
der an einem Spannungsteiler aus den Widerständen R2 und R3 der Schaltstufe 5 liegt.
Der NTTC-Widerstand R1 und die Spannungsverhältnisse sind so gewählt, daß bei einem
Anstieg der Temperatur im Behälter 1 von OOC auf 1000C die Spannung am Ausgang 5'
linear abfällt.
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Das Zeitverzögerungsglied 6 weist ein RC-C-lied aus einem Widerstand
114 und einem Kondensator C1 sowie einen Impedanzwandler lC1 auf, der von einem
Operationsverstärker gebildet ist. Dessen Ausgang 6' ist über einen Widerstand R5
an den invertierenden eingang eines 0peraionsverstärkers IC2 angeschlossen, der
die Umlçehrstufe 7 bildet. Sein anderer Eingang ist mit einem
Spannungsteiler
aus den Widerständen 116 und R7 beschaltet . Zwischen seinem Ausgang und seinem
invertierenden Eingang ist ein Rückkopplungswiderstand R8 vorgesehen.
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Am Ausgang 6' liegt die Reihenschaltung eines Widerstands R9, einer
Diode D1 und eines Kondensators C2, dem ein widerstand R10 parallelgeschaltet ist.
Der Kondensator C2 liegt am invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers T(«3.
Dessen positiver Eingang ist mit einem Spannungsteiler aus Widerständen R11 und
Ri2 verbunden. Dem Widerstand R12 ist ein Widerstand R12' parallelgeschaltet, zu
dem eine auftrennbare Drahtbrücke S1 in Reihe geschaltet ist. Ein Rückkopplungswiderstand
R13 verbindet den Ausgang des Operationsverstärkers 103 mit dem invertierenden Eingang.
Diese Schaltung bildet das Differenzierglied 8.
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Die Einstelleinrichtung 9 weist ein Potentiometer P auf, das mittels
des Drehknopfes 10 verstellbar ist. Dem Potentiometer 1) sind Widerstände R14, R15
und R16 in Reihe geschaltet. Parallel zu der Reihenschaltung des Widerstands R15,
des Potentiometers P und dos Widerstands Ri6 liegt eine Zenerdiode Z1 zwischen dem
Widerstand R15 und R14, der an den Ausgang 8' des Differenziergliedes 8 angeschlossen
ist. Die Einstelleinrichtung 9 weist weiterhin eine Reihenschaltung einer Zenerdiode
Z2, eines Schaltkontakts S2 des Tastschalters 11 und eine Diode D2 auf.
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Ein Operationsverstärker IC4 bildet die Vergleichsschaltung
12.
Sein invertierender Eingang ist an den Ausgang 7' des Operat-ionsverstärkers IC2
angeschlossen.
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Sein anderer Eingang liegt an dem Abgriff des Potentiometers P. Zwischen
diesem und dem Ausgang 12' liegt die Reihenschaltung aus der Diode 1)2, dem Taster
S2 und der Zenerdiode Z2.
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Ein Schalttransistor T der Abschalteinrichtung 13 liegt mit seiner
Basis über einen Widerstand 17 an dem Ausgang 12' des Operationsverstärkers IC,
Der Emitter ist mit einem elektronischen Schalter S3 verbunden, der den Heizkörper
3 schaltet. Parallel. zur Reihenschaltung cter Basis-Emitterstrecke des Transistors
T und des Schalters S3 liegt ein Widerstand 1118.
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Die beschriebene Schaltung liegt an einer Gleichspannung von beispielsweise
20 V. Der Heizkörper 3 liegt am Wechselstromnetz, Die Funktionsweise der beschriebenen
Schaltung ist etwa folgende: a) Ist in den Behälter 1 Kaltwasser eingelassen, wird
der Drehknopf 10 auf eine gewünschte Sollüemperatur, beispielsweise 500C, eingestellt,
Danach wird der Tastschalter 11 betätigt, wobei der Schaltkontakt 52 kurz öffnet.
Am Abgriff des Potentiometers P liegt im Beispielsfalle (bei einer Einstellung von
500C) eine Spannung U5a (vgl. Figur 4) von etwa 7 V an. T)ie Vergleichsschaltung
104 ist durchgeschaltet. Der
Transistor T ist leitend, so daß der
Heizkörper 3 stromdurchflossen ist, Die Temperatur T am Temperaturfühler 2 steigt
an (vgl. Figur 3). Im Zuge des Temperaturanstiegs fällt die Spannung U1 am Ausgang
6' ab. Die Spannung U2 am Ausgang 7' steigt von 2 V in Richtung auf 12 V an, Das
Verzögerungsglied 6 bewirkt, daß der Anstieg der Spannung U2 gegenüber dem der Temperatur
T um die Zeit t1 versetzt ist. Die Verzögerungszeit beträgt beispielsweise 10 bis
20 s (vgl.. Figur 3). Hat die Spannung U2 einen Wert von im Beispielsfalle 7 V erreicht,
dann schaltet der Operationsverstärker IC4 ab, weil die Spannung U2 an seinem invertierenden
Eingang gleich ist bzw. größer wird als die Spannung U5a an seinem anderen Eingang.
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Der Transistor T sperrt und der Schalter S3 schaltet den Heizkörper
3 ab.
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b) Beim Abschalten des Operationsverstärkers 104 und bei geschlossenem
Kontakt S2 stellt sich an dem nicht invertierenden Eingang bzw. am Potentiometerabgriff
eine Spannung von 2 bis 3 V ein. Diese Spannung ist so niedrig, daß der Operationsverstärker
IC1t bei üblichen Kaltwassertemperaturen nicht von selbst wieder einschaltet.
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Durch Öffnen des Schaltkontakts S jedoch, bei Betätigung des Tastschalters
11 ist ein manuelles Wiedereinschalten schnell möglich. Denn beim Öffnen des Schaltkontakts
S2 wird die Spannung des Potentiometerabgriffs am Operationsverst-irker Ic4 wirksam.
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c) Sinkt die Temperatur T auf einen Wert von etwa 500, bei dem ein
Rinfri.eren des Wassers zu befürchten ist,
dann liegt der entsprechende
Wert der Spannung U2 bei etwa 2 bis 3 V. Sobald dieser Wert kleiner ist als die
Spannung von 2 bis 3 V, die über die Diode D2, den Schaltkontakt S2 und die Zenerdiode
Z2 an den nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 104 gelegt wird,
schaltet dieser den Transistor T durch, so daß der Heizkörper 3 eingeschaltet wird
bis die Spannung U2 die am nicht invertierenden Eingang anliegende Spannung U5a'
übersteigt (vgl. Figur 4). Dadurch ist eine Frostschutzsicherung gegeben, ohne daß
die gewünschte Funktion des nicht selbstndigen Wiedereinschaltens des Heizkörpers
3 nach Erreichen einer Solltemperatur gestört ist.
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d) Wird der Drehknopf 10 in die Stellung Kochen gebracht, dann liegt
am Abgriff eine Spannung U5b von 12 V an (vgl. Figur 4). Wenn der Kochendwasserbereiter
in einer Gegend bzw. Höhenlage installiert ist, bei der Wasser bei 1000C kocht,
wird die Spannung TJ2 auf 1 ^ V hochgelaufen sein, wenn 1000C erreicht sind und
das Wasser während der Verzögerungszeit tl gekocht hat (vgl. Figur 3). Der Operationsverstärker
104 schaltet dann in der beschriebenen Weise ab.
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Wenn der Kochendwasserbereiter in einer Gegen<i ins talliert ist,
in der Wasser schon bei einer Temperatur von unter 1000C, beispielsweise bei 980C
kocht, dann erfolgt ebenfalls beim Kochen ein Abschalten. Hierfür dient das Differenzierglied
8. Solange die Spannung U1 am Ausgang 6' ansteht, wird der Kondensator (:2 über
den
Ausgang 8', den Widerstand R13, sowie über die Diode D1 und
den Widerstand 119 und den Ausgang des Operationsverstärkers 101 geladen. Am Ausgang
8' liegt dabei die Betriebsspannung von 20 V (vgl. U3 in Figur 4). Am nicht invertierenden
Eingang des Operationsverstärkers IC3 liegt eine Spannung von beispielsweise 14,5
V an, wenn die Brücke S1 nicht unterbrochen ist. Sobald sich die Spannung U1 am
Ausgang 6' nicht weiter verkleinert, was dann der Fall ist, wenn sich seit der Zeit
tl zuvor die Temperatur nicht ändert, fließt auf den Kondensator C2 kein weiterer
ladestrom. Dadurch schaltet der Ausgang 8' des Operationsverstärkers IC3 auf - im
Beispielsfalle -14,5 V um (vgl. Figur 4).
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Die Zenerdiode Z1 hält die Spannung U4 zwischen den Widerständen R14
und R15 auf 15 V, solange die Spannung U3 am Ausgang 8' 20 V beträgt. Sinkt die
Spannung U3 auf 14,5 V, dann beträgt auch die Spannung U4 14,5 V.
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Solange die Spannung U4 15 V beträgt, beträgt die Spannung U5b des
auf "Kochen" eingestellten Potentiomeyers P 12 V. Sinkt die Spannung u4 auf 14,5
V ab, dann sinkt dementsprechend auch die Spannung U5b auf einen niedrigeren Wert,
im Beispielsfalle 11,5 V, was einer fiktiven Erniedrigung der eingestellten Solltemperatur
im Beispielsfalle um 5 K, also auf 95°C entspricht. Dementsprechend schaltet der
Operationsverstärker 104 den Heizkörper 3 ab, sobald das Wasser bei einer Temperatur
von iiber 950C für die Zeit tl gekocht hat.
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Dadurch, daß die fiktive Solltemperaturerniedrigung durch das Schalten
des Differenziergliedes 8 nur 5 K beträgt, ist erreicht, daß sich nach einem "Kochen"
des Wassers der Kochendwasserbereiter wieder sehr schnell manuell einschalten läßt,
nämlich dann, wenn die Wassertemperatur unter 9500 abgesunken ist. Sollte der Kochendwasserbereiter
in höhenlagen zurn Einsatz kommen, in denen Wasser bereits unter 9500 kocht, dann
wird die Brücke S1 beim Installieren des Kochendwasserbereiters unterbrochen. Dementsprechend
ergibt sich dann eine Erniedrigung der an dem nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers
IC3 anstehenden Spannung Wird die Spannung beispielsweise auf 14 V gesenkt, dann
schaltet der Heizkörper 3 ab, wenn das Wasser über 90°C kocht. Durch die Wahl. der
am nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 103 anstehenden Spannung
lhßt sich die Schaltung einerseits so auslegen, daß ein schnelles Wiedereinschalten
nach einem Rocllvorgang möglich und das Gerät in allen IIöhenlagen einsetzbar ist.
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Außerdem ist erreicht, daß der Kochendwasserbereiter nach einem Kochvorgang
nicht von selbst wieder einschaltet.
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e) Wird, nachdem das Aufheizen eingefüllten Wassers läuft, Kaltwasser
nachgefüllt, dann wird dadurch der kontinuierliche Temperaturanstieg unterbrochen.
Die Diode D1 und der Widerstand R10 stellen sicher, daß dabei ein Lades-trom über
den Kondensator C2 fließt, so daß nicht ein "Kochen" vorgetäuscht wird.
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