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Technischer
Bereich
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Die
Erfindung betrifft die elektrische Kochplatte einer Glaskeramik-Kochmulde
mit verschiedenen Heizkörpern,
das Erfassen eines Metallgegenstands durch Erzeugung eines hochfrequenzen
Magnetfeldes im induktiven Stromkreis eines jeden Heizkörpers und
einen elektronischen Steuerstromkreis zum Messen und Auswerten der
sich ergebenden Spannungssignale.
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Bisheriger
Stand der Technik
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Die
Steuerung der elektrischen Glaskeramikkochplatte ermöglicht eine
bessere Verteilung der Leistung unter mehrere Heizkörpern der
Platte sowie einen sparsameren Stromverbrauch, wenn die Spannung
automatisch in Anwesenheit eines Topfes eingeschaltet bzw. in Abhängigkeit
der vom Topf abgedeckten Fläche
des Heizkörpers
eingestellt.
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Das
Dokument US-A-5296684 beschreibt eine Sensorvorrichtung zum Erfassen
eines Metalltopfes auf der Glaskeramikplatte mit mehreren, voneinander
unabhängigen
Heizkörpern,
umfassend eine Sensor-Leitungswindung, die sich über die Zone jedes Heizkörpers erstreckt
und Bestandteil der einzelnen Sensor-Schwingkreise ist, einen Teilschaltkreis
zur Erzeugung wenigstens eines hochfrequenzen Stroms, der auf die
einzelnen empfindlichen Leitungswindungen aufgebracht wird und ein
Magnetfeld erzeugt, das durch die Nähe eines auf dem Heizkörper stehenden
Topfes beeinträchtigt
wird, einen weiteren Teilschaltkreises, der über einen Mikroprozessor gesteuert wird
und zum Messen und Auswerten der sich ergebenden Veränderung
der Frequenz des Ausgangssignals an den Enden der Leitungswindung
dient, die eine Folge der Veränderung
eines elektrischen Merkmals des Resonanzkreises in Abhängigkeit
von der vom Topf abgedeckten Fläche
ist, einen Teilschaltkreises zur Umwandlung des Ausgangssignals
in ein auswertbares Signal und zum Vergleich dieses Signals mit
einem Referenzwert, der durch die jedem Sensor-Schaltkreis eigene
Resonanzfrequenz erhalten wird.
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Aus
dem Dokument EP-A-0553425 ist eine Vorrichtung und ein Verfahren
zur Erfassung der Anwesenheit eines Topfes auf einer Glaskeramik-Kochplatte
bekannt, welche Mittel umfasst, um in einer unter der Glaskeramikplatte
angeordneten Leitungswindung ein Magnetfeld zu erzeugen und die
Heizwiderstände
abzudecken, sowie Mittel zur Verstärkung und Gleichrichtung des
Messwerts des erzeugten Spannungssignals, einen elektronischen Schaltkreis zur
Auswertung der Spannungsveränderung
an den Enden der Leitungswindung infolge der Anwesenheit eines auf
der beheizten Zone vorhandenen Metalltopfes und zum Ein- und Ausschalten
der Spannungssteuerung des Heizkörpers
enthält,
die vom Vergleich der jeweiligen Referenzwerte, hoch und tief, der
Spannung abhängig
ist, welche unter den für die
entsprechende Topfegrösse
vorgegebenen Voraussetzungen erhalten werden.
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Das
Dokument US-4334135 zeigt einen Sensorvorrichtung zum Erfassen eines
Topfes auf einer Glaskeramikplatte mit einer Sensorwindung, die sich über den
Bereich eines Heizkörpers
erstreckt und einen Schaltkreis zur Anpassung des von den Enden
der Windung erhaltenen Spannungssignals, einen Schaltkreis zur Erzeugung
eines Referenzsignals und einen Vergleicher des gemessenen Signals und
des Referenzsignals besitzt, wobei das Referenzsignal einen bestimmten
Wert zwischen den Spannungswerten, die an beiden Enden der Sensorwindung
in Abwesenheit eines Topfes und in Anwesenheit eines denselben vollständig abdeckenden Topfes
gemessen wurden, aufweist.
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Beschreibung der Erfindung
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Gegenstand
der Erfindung ist ein Sensorvorrichtung mit einem elektronischen
Steuerstromkreis und einem induktiven Sensor zur Erfassung eines Metalltopfes
auf der beheizten Zone einer Elektrokochplatte, wie in Anspruch
1 definiert.
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Durch
die Erfindung werden die Probleme gelöst, die darin bestehen, die
Einfachheit, Wirtschaftlichkeit und Genauigkeit des Erfassungs-Schaltkreises
und des Sensors zu verbessern, denn letzterer umfasst eine einzige,
in ihrer Gestaltung einfache Leitungswindlung, die über jedem Heizkörper der
Kochplatte angeordnet wird; das Magnetfeld zur Erfassung wird von
der eigentlichen Sensorwindung erzeugt und der hochfrequenze elektrischen
Strom zur Erzeugung des Magnetfeldes stammt von einem Mikrokontroller,
der dem Erzeugungsstromkreis Impulsfolgen entnimmt, um elektromagnetischen
Störungen
im Versorgungsnetz vorzubeugen. Die Messung der Nähe des Metalltopfes
erfolgt über
die Veränderung
der Spannung an den Enden der Windung, ohne Beeinflussung durch
die Länge
der Anschlusskabel, und beruht auf induzierten Eddy-Strömen im Topf,
welche zur Verringerung der Induktivität der Sensorwindung führen. Der
Sensor umfasst eine einzige, in ihrer Gestaltung einfache Leitungswindung,
die über
jedem Heizkörper
der Kochplatte angeordnet wird und genau unter dem Topf ein Magnetfeld
erzeugt, auf das sich der vom Topf abgedeckte Bereich der Windung
auswirkt. Da sich der Sensor-Schaltkreis unter dem Bedienungsfeld
der Arbeitsfläche
des Küchenherdes
befindet, bewirken die Differenzen der Luftfeuchtigkeit und Raumtemperatur,
die zwischen 0°C
und 125°C schwankt,
bei den Messung gelegentlich Abweichungen des Messergebnisses.
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Eins
der Ziele, das die Erfindung verfolgt, ist die Messung mit niederfrequenzen
Signalen, um die Teile des Messkreises des Sensors zu vereinfachen. Bei
einer ersten Ausführung
der Sensorvorrichtung wird das während
der Messung erhaltene Signal verstärkt und dann gleichgerichtet,
um vor der Auswertung seine Einhüllende
zu entnehmen. Bei einer zweiten Ausführung der Sensorvorrichtung
wird durch Gleichrichtung der Messsignale und Referenzssignale eine
spätere
Differenzverstärkung
in niederfrequenze Signale erreicht, womit zum Vergleich hohe Werte
für die
Eingangsspannung in den Mikrokontroller erhalten werden.
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Ein
durch die Erfindung zusätzlich
verfolgtes Ziel besteht darin, dem Einfluss der Eigenimpedanz des
Sensors auf das Messergebnis vorzubeugen, womit sich die Empfindlichkeit
des Sensorkreises erhöht,
auf welche sich die Länge
der Versorgungskabel der Sensorwindung und ausserdem die Raumtemperatur
der Sensorvorrichtung auswirken.
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Die
Raumtemperatur in der Nähe
der Sensorvorrichtung, der gerade unter dem Bedienungsfeld der Kochplatte
des Küchenherdes
angeordnet wird, kann bei verschiedenen Messungen zwischen null
Grad und 125°C
schwanken.
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Bei
einer ersten erfindungsmässigen
Ausführung
wird in den Stromkreis zur Auswertung des Messwertes ein Teilkreis
zum Ausgleich der Abweichungen der Messungen eingebaut, die normalerweise
infolge der Luftfeuchtigkeits- und Raumtemperaturdifferenzen auftreten.
Die Messpannung wird zwischen den beiden Enden der Windung entnommen,
ohne dass die Versorgungskabel Einfluss darauf hätten.
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Bei
einer zweiten erfindungsmässigen
Ausführung
wird zumindest ein Referenzsignal verwendet, das unter normalen
Temperatur- und Feuchtigkeitsbedingungen während der Erfassung über einen zusätzlichen
Induktionskreis in der Sensorvorrichtung erzeugt wird, dessen Impedanz
für alle
Heizkörper
repräsentativ
ist. Dadurch werden eine Verbesserung der Empfindlichkeit und Auflösung des
für die Erfassung
des Topfes repräsentativen
elektrischen Messwerts und eine Vereinfachung der elektrischen Verkabelung
des Herdes erzielt, denn für
die Erzeugung des Magnetfeld in der Sensorwindung und für dessen
Messung wird nur ein einziges Versorgungskabel eingesetzt, und das
Signal der Messpannung wird dem freien Ende des einzigen Kabels
entnommen.
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Ein
verhältnismässiger numerischer
Wert eines jeden Heizkörpers
wird in einem Mikrokontroller zum Vergleich mit einem bei der Messung
erhaltenen Nummernwert gespeichert. Der numerische Grenzwert für die Betätigung der
Heizleistung wurde an Hand von Versuchen mit einem Topf geeigneter Grösse für die erfasste
Zone des Heizkörpers
bestimmt. Den numerischen Messwert der einzelnen Heizkörper erhält man mit
Hilfe einer Berechnung, welche das gemessene Spannungssignal mit
mindestens einem ausgegebenen Referenzsignal vergleicht.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 entspricht
einem Schaltbild einer ersten erfindungsmässigen Ausführung der Sensorvorrichtung
zur Erfassung der Anwesenheit eines Topfes auf einer Glaskeramikplatte.
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2 zeigt
ein Schaltbild einer zweiten erfindungsmässigen Ausführung der Sensorvorrichtung zur
Erfassung der Anwesenheit eines Topfes auf einer Glaskeramikplatte.
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3a) entspricht einer graphischen Darstellung des
durch die Sensorvorrichtung in 1 erzeugten
hochfrequenten Impulses.
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3b) zeigt ein Diagramm des Stroms über jede
Sensorwindung der Sensorvorrichtung gemäss 1.
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4a) und 4b) zeigen
zwei Diagramme des für
die Messung im Stromkreis der 1 erhaltenen
elektrischen Signals, jeweils verstärkt und gleichgerichtet.
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5a) und 5b) zeigen
zwei Diagramme des für
die Messung im Stromkreis der 2 erhaltenen
Spannungssignale, jeweils hoch- bzw. niederfrequenz.
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6 entspricht
einem Diagramm, das das Ergebnis der von der Sensorvorrichtung gem. 1 durchgeführten Messung
in Abhängigkeit
vom Topfdurchmesser.
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7 zeigt
eine graphische Darstellung des Endergebnisses der Auswertung des
in der Sensorvorrichtung gemäss 1 erhaltenen
Messwerts.
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Ausführliche
Beschreibung der bevorzugten Ausführungen
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Unter
Bezugnahme auf die 1, 3, 4, 6,
wird in 1 eine erste Ausführung der
Sensorvorrichtung 1 zur Erfassung der Anwensenheit eines
Metalltopfes 2 auf jedem einzelnen der vier Heizkörper F1–F4 der
elektrischen Kochplatte einer Glaskeramik-Kochmulde dargestellt.
Diese umfasst:
einen Mikroprozessor 4 für die Steuerung
des Schaltkreises, der rechteckige Impulsfolgen 5 (in 3)
der Periode 1/Fp und vorzugsweise der Frequenz 1–10 Mhz liefert, einen Generator 6, 7 zur
Erzeugung eines Sinusstroms Ig gleicher Frequenz;
eine Leitungswindung
E1–E4
runder oder viereckiger Form, die über jedem Heizkörper F1–F4 angeordnet wird
und zwei Windungsenden 8 aufweist, welche den Strom Ig
empfangen und ein Magnetfeld erzeugen, das die Glaskeramikplatte
zum Topf 2 hin durchquert;
einen Stromkreis 9–12 zur
Messung der Spannung Vs zwischen den beiden Enden 8 der
Sensorwindung in Kooperation mit dem Mikroprozessor 4;
einen
Stromkreis 7, 71 , 9 zur
Berichtigung des Ergebnisses der Messung in Abhängigkeit von der Raumtemperatur
Ta des Stromkreises 1, zusammen mit dem Mikroprozessor 4,
und einen Teilkreis 14, 15, der die Stromversorgung
der einzelnen Heizkörper
bewirkt.
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Ein
zu erfassender Topf 2 hat z.B. einen Durchmesser D = 200
mm; die Sensorwindung E1–E4
des geeigneten Heizkörpers
F1–F4
ist viereckig mit einer Seitenlänge
von 135 mm.
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Der
den Strom Ig erzeugende Stromkreis 4, 6, 7 umfasst
einen Verstärker 6 sowie
einen Oberwellenfilter 7; der Strom Ig mit einer Amplitude
von z.B. 5 mA wird zu jeder Sensorwindung E1–E4 geführt, und zwar über einen
mit derselben in Reihe geschalteten Widerstand, der in Bezug auf
die Impedanz der Sensorwindung E1–E4 einen hohen Wert sowie
ein Kabelpaar 16 aufweist, dessen Kabel miteinander verflochten
sind.
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Der
Auswertungsstromkreis 4, 9–12 umfasst einen
Wahlschalter 9, der einen der Heizkörper F1–F4 auswählt, jeweils in einer Multiplexsequenz, die
von einer Leitung 12 gesteuert wird, welche vom Mikroprozessor 4 kommt
und mit einer Leitung 10 für die Übertragung des Spannungssignals
Vs (in 4a) verbunden ist, die sich
zwischen den beiden Enden 8 der einzelnen Sensorwindungen
E1–E4
befindet und die Impedanz der Versorgungskabel 16 ausschliesst,
um die Anwesenheit des Topfes 2 festzustellen, sowie einen
Verstärker 11' für die von
den einzelnen Sensorwindungen E1–E4 übertragenen Spitzenwerte der
Spannung Vs. Die verstärkte
Spannung wird zum Mikroprozessor 4 geführt und dort gleichgerichtet,
um seine Umhüllende
Vsa (4b) zu erhalten, deren Wert unmittelbar
mit einem im Mikroprozessor 4 registrierten, den einzelnen
Sensorwindungen E1–E4
entsprechenden Referenzwert Vr (6) verglichen
wird, den man bei völliger
Abwesenheit des Topfes 2 vorbestimmt.
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Eine
mit einem Topf 2 (6) und der
vorstehend erwähnten
Sensorwindung E1–E4
durchgeführte
Messung gibt einen relativen Wert von Vsa/Vr = 2/3, der der Erfassung
in dem Moment entspricht, in welchem der Topf die Zone des Heizkörpers F1–F4 vollkommen
abdeckt, während
die Mindestempfindlichkeit einer Abdeckung von dieser Zone durch
den Topf 2 von 40% entspricht und überschritten werden muss, um
eine bemerkenswerte Veränderung
des Koeffizienten Vsa/Vr zu verzeichnen.
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Der
Teilkreis 7, 71, 9 zur Berichtigung des Messwertes
der Raumtemperatur erhält
von einem Ausgang Sr des Filters 7 des Stromgenerators
ein Referenzsignal 7, das vom Wahlschalter 9 des
Auswertungskreises zum Selbstausgleich über den Mikroprozessor 4 in
einer Sequenz mit den von jeder Sensorwindung E1–E4 übertragenen Signalen der Messspannung
Vs empfangen wird.
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Der
Teilkreis 14, 15 zur Einstellung ist über eine
Leitung 14 zur Übertragung
des Schaltsignals und ein Relé zur
jeweiligen Versorgung der Heizkörper
F1–F4
mit einem Ausgang Sa des Mikroprozessors 4 verbunden, wenn
zum Beispiel festgestellt wird, dass ein Topf die Hälfte der
Heizkörperzone
abdeckt.
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Unter
Bezugnahme auf die 2, 3, 5, 7 wird
in 2 eine zweite Ausführung der Sensorvorrichtung 1A zur
Erfassung eines Topfes 2 dargestellt. Diese umfasst:
einen
Mikroprozessor 4, der den Stromkreis 1 steuert und
rechteckige Impulsfolgen (3) mit der
Periode 1/Fp und der Frequenz 1–10
MHz liefert;
einen Generator 6, 7 für den Sinusstrom
Ig gleicher Frequenz (5b);
eine
Leitungswindung E1–E4
runder oder viereckiger Form, die über jedem Heizkörper F1–F4 angeordnet wird,
den Strom 1a leitet und ein Magnetfeld erzeugt, das die
Glaskeramikplatte zum Topf 2 hin durchquert;
einen
Stromkreis 4, 9–13' zur Auswertung des an jeder Sensorwindung
E1–E4,
inbegriffen das gemeinsame Versorgungskabel 16, gemessenen
Spannungssignals Vs (5a) in Zusammenarbeit
mit dem Mikrokontroller 4;
und einen Stromkreis 14, 15 zur
Betätigung
des Sensors zwecks Erregung der einzelnen Heizkörper F1–F4 in Abhängigkeit des Ergebnisses Vm
der Auswertung und des Vergleichs (5b und 7)
des gemessenen Wertes.
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Der
Stromkreis 4, 6, 7 zur Erzeugung des Stroms
Ig mit einer Amplitude von z.B. 5 mA enthält einen Verstärker 6 und
einen Oberwellenfilter 7, um den Strom den einzelnen Sensorwindungen
E1–E4 sowie
einem zusätzlichen
induktiven Referenzstromkreis 17 zuzuführen. Jede einzelne Sensorwindung E1–E4 und
der induktive Referenzstromkreis werden über einen (in den Zeichnungen
nicht dargestellten) individuellen Widerstand mit einem, in Bezug
auf die Impedanz der Sensorwindung E1–E4, hohen Wert versorgt.
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Jede
Sensorwindung E1–E4
weist zwei Windungsenden auf, von denen das eine unmittelbar ohne
Leitungskabel mit der Masse "G" des Stromkreises
verbunden ist, während
das andere den Strom Ig über
ein einziges Versorgungskabel 16, das an einem Punkt 8 zur
Entnahme des Spannungssignals Vs für die Messung, das über die
Leitung 10 der einzelnen Heizkörper F1–F4 zum Auswertungskreis 9–13 übertragen
wird, mit dem Generator 6, 7 verbunden ist. Gleichzeitig
sendet der Mikrokontroller 4, in Zusammenwirkung mit dem
Stromerzeugungskreis 6, 7, über den induktiven Referenzkreis 17 ein minimales
Referenzsignal Vrl und ein maximales Referenzsignal VrO (5a). Unter normalen Raumtemperaturbedingungen,
ca. 105°C,
und jeweils extremen Abdekungsbedingungen der Heizkörper F1–F4, Abwesenheit eines
Topfes – maximale
Impedanz – und
vollständiger
Abdeckung – minimale
Impedanz –,
sind diese Signale für
alle Heizkörper F1–F4 dieselben.
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Der
Auswertungskreis 4, 9–13' umfasst einen Stromkreis 9 für die Auswahl
der Heizkörper F1–F4, einen
Stromkreis 11 für
die Gleichrichtung der jeweils umgewandelten und vom Gleichrichter 11 kommenden
Signale Vs', Vr0' und Vrl' (5b).
Bei dem angewandten Prozess zur Auswertung des Messwerts (5b und 7) handelt
es sich um folgenden: Der Wahlschalter 9 schaltet den Messwert Vs
eines jeden Heizkörpers
F1–F4 über jede
Entnahmeleitung 10 der einzelnen Sensorwindungen E1–E4 nacheinander
in einer Folge um, die durch eine vom Mikrokontroller 4 abgehende
Leitung 12 gesteuert wird. In derselben Folge werden, neben
den Leitungen 10, die beiden Leitungen 10-0 und 10-1 für die Übertragung
der jeweiligen Referenzsignale Vr0 und Vrl umgeschaltet. Der Gleichrichtungs 11 empfängt vom
Wahlschalter 9 fortlaufend Impulsfolgen der einzelnen Signale
Vs (1–4),
Vr, V0 mit hoher Frequenz und einer Periode von 1/Fp (2a), und verwandelt sie mit Hilfe der
jeweiligen Umhüllenden
maximaler Amplitude in niederfrequenze Signale Vs', Vr0' und Vrl' (5b).
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Der
Verstärker 11' empfängt vom
Gleichrichter 11, über
die Leitung 13, das maximale Referenzsignal Vr0' mit einer Frequenz
von 1/Ft und, über
die Leitung 13',
das gleichgerichtete Messsignal Vs' der einzelnen Heizkörper F1–F4 sowie das gleichgerichtete
minimale Referenzsignal Vrl' der
Frequenz 1/6 Ft, denn alle diese Signale müssen fortlaufend dem Referenzsignal
Vr0' entnommen werden.
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Vom
Differentialverstärker 11' werden fortlaufend
von jeder Impulsfolge 1/Ft zwei verstärkte Differenzwerte Vm und
Vrr (5b) erhalten, bei denen es sich
um die Differenzspannungen der Umhüllenden der Signale jedes Messwerts
Vs' und um des minimalen
Referenzsignale Vrl' in
Bezug auf das maximale Referenzsignal Vrl' handelt, die danach über eine
Leitung 18 zum Eingang "Vin" des Mikrokontrollers 4 geführt werden.
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Ausgehend
von diesen Differenzwerten Vm und Vrr wird die Quote Mf1–Mf4 jedes
einzelnen Heizkörpers
F1–F4,
also Mf = Vm/Vrr, berechnet, welche einer Beziehung zwischen dem
Differenzwert Vm des gemessenen Wertes und dem Differenzwert Vrr
der beiden Referenzen (Vr0'–Vrl') entspricht, womit
verhindert wird, dass die Raumtemperatur das Ergebnis des darauf
folgenden Vergleichs zur Umschaltung des Betätigungselements 14, 15 beeinträchtigt.
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Im
Fall des Beispiels des Topfes 2 und der Sensorwindung E1–E4 der
vorstehend genannten Abmessungen erhält man, ausgehend von vorherigen
Versuchen mit diesem Topf, der den geeignetsten Durchmesser D aufweist,
sowie mit kleineren Töpfen,
z.B. mit einem Durchmesser von 50% bis 80% des geeigneten Durchmessers,
einen numerischen Wert R1–R4
für jeden
Heizkörper
F1–F4
mit dem der zuvor berechnete Wert Mf1–Mf4 zwecks Einstellung der
Leistung verglichen wird.