DE68912265T2

DE68912265T2 - Frost- und Taufühler.

Info

Publication number: DE68912265T2
Application number: DE89119344T
Authority: DE
Inventors: Akira Kumada; Michihiro Murata; Eiichi Takata
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1988-10-20
Filing date: 1989-10-18
Publication date: 1994-05-11
Anticipated expiration: 2009-10-19
Also published as: US4981369A; EP0538910A3; DE68929021D1; EP0364982B1; EP0538910A2; DE68929021T2; DE68912265D1; EP0364982A2; EP0364982A3; EP0538910B1; US5000579A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Frost- und Taufühler (Sensor) für den Gebrauch in einem Entfroster eines Kühlschranks, eines Klimatisators und verschiedener anderer Industriegeräte.
Es ist bekannt, daß unter bestimmten Umständen die Oberfläche eines Wärmeaustauschers in einem Kühlschrank, einem Klimatisator oder einem ähnlichen Gerät mit Frost und Eis bedeckt sein kann. Ein weiterer Betrieb des mit Frost und Eis bedeckten Wärmeaustauschers würde merkbar den Wirkungsgrad verringern, was unwirtschaftlich ist und gelegentlich zu einem Ausfall oder Fehlverhalten des Geräts führen kann.
Demzufolge wurden verschiedene Versuche unternommen, um das Auftreten von Frost und Tau nachweisen zu können. In einigen der vorgeschlagenen Detektorvorrichtungen wurde ein Resonator verwendet, in anderen wurde die Veränderung der Dielektrizitätskonstante eines Elementes aufgrund der Entstehung von Frost oder Tau ausgenützt, wiederum andere Detektorvorrichtungen waren optischer Art.
Aus der Druckschrift GB 2 181 255 ist bekannt, daß der Temperaturunterschied zwischen zwei Thermistoren festgestellt werden kann, um einen Wasser- oder Dampfgehalt der Luft nachweisen zu können. Dabei wird einer der Thermistoren erwärmt, während der anderer Thermistor nicht erwärmt wird. Die Messung des Wasser- oder Dampfgehalts wird durch Feststellung des Unterschieds der beiden Ausgangssignale der Thermistoren durchgeführt, wobei die Meßempfindlichkeit durch die Änderung der Temperatur des erwärmten Thermistors eingestellt werden kann. Somit hängen also die Meßeigenschaften vom Abstand zwischen den veränderbaren Widerstandwerten des ersten und zweiten Thermistors ab.
Die Druckschrift US 4,063,447 offenbart eine Brückenschaltung mit zwei Thermistoren zur Temperaturmessung. Ein Referenzthermistor wird einem konstanten Fluß eines Trägergases ausgesetzt, während ein Meßthermistor dem Trägergas, das ein zu analysierendes Gas enthält, ausgesetzt ist. Um eine einwandfreie Messung durchführen zu können, muß die Brückenschaltung entsprechend ihrer Komponenten abgeglichen werden, d.h. daß Temperaturschwankungen ausgeglichen werden müssen. Zu diesem Zweck sind in zwei entsprechenden Zweigen der Brückenschaltung zwei einstellbare Stromquellen angeordnet, durch die der Brückenstrom automatisch abgeglichen werden kann. Somit wird in Zeitintervallen, in denen keine Messung vorgenommen wird, ein Ausgangssignal der Brückenschaltung zur Steuerung der Stromquellen verwendet, um die Brückenschaltung wieder abzugleichen.
Des weiteren zeigen Fig. 7 bis 10 der beigefügten Zeichnung zwei bekannte Sensoren, in denen jeweils ein Resonator verwendet wird. Mit Hilfe des einen Sensors wird eine Änderung der Resonanzfrequenz eines Resonators, und mit Hilfe des anderen eine Änderung der Amplitude eines Resonators festgestellt.
Fig. 7 zeigt einen piezo-elektrischen Resonator 14, der mit einer elastischen Halterung 12 auf der Oberseite eines Rohrgehäuses 10 angebracht ist. Ein paar Elektroden 16a, 16b sind an dem Resonator 14 angebracht, jeweils eine an jeder Seite, und ein Paar Ausgangsanschlüsse 18a bzw. 18b führen von den Elektroden 16a bzw 16b weg.
Fig. 8 zeigt ein Schaltbild des Sensors gemäß Fig. 7. Dabei wird das Ausgangssignal des Resonators 14 einerseits über einen Widerstand R bzw. andererseits über einen Verstärker 20 (AMP), der das Ausgangssignal verstärkt, an einen Resonanzfrequenz- Diskriminator 22 angelegt. Dann wird das Ausgangssignal des Diskriminators 22 nach außen weitergegeben. Während des Betriebs verändert sich beim Auftreten von Frost oder Tau die Resonanzfrequenz des Resonators 14 in Abhängigkeit von der entstandenen Menge an Frost oder Tau. Übersteigt die Änderung der Resonanzfrequenz einen bestimmten Wert, so entscheidet der Sensor, daß der Resonator 14 mit Frost oder Tau bedeckt ist.
Mit Hilfe des Sensors gemäß Fig. 9 wird das Auftreten von Frost oder Tau aufgrund der Änderung der Amplitude eines Resonators 114 festgestellt. Der Aufbau dieses Sensors entspricht im wesentlichen dem des Sensors gemäß Fig. 7. Das Ausgangssignal des Resonators 114 wird jedoch gemäß Fig. 10 an einen Schwingungsfrequenz-Diskriminator 124 angelegt. Bei diesem Sensor wird durch das Entstehen von Frost oder Tau auf der Oberfläche des Resonators 114 die Schwingung des Resonators 114 in Abhängigkeit vom Gewicht des niedergeschlagenen Frosts oder Taus eingeschränkt. Somit entscheidet der Sensor, daß die Oberfläche des Resonators 114 mit Frost oder Tau bedeckt ist, wenn die Änderung der Schwingungsamplitude einen bestimmten Wert überschreitet.
Fig. 11 bis 13 zeigen Diagramme verschiedener Signalverläufe des oszillierenden Ausgangssignals des piezo-elektrischen Resonators 114 und des ermittelten Ausgangssignals der in den Fig. 7 bis 10 gezeigten Sensoren.
Im einzelnen zeigt Fig. 11 einen Signalverlauf dem oszillierenden Ausgangssignals des Sensors gemäß Fig. 7 und 8; dabei verdoppelt sich gleichzeitig mit dem Entstehen von Frost die Resonanzfrequenz zum Zeitpunkt t&sub1;. Fig. 12 zeigt einen weiteren Signalverlauf des oszillierenden Ausgangssignals des Sensors gemäß Fig. 9 und 10. Es ist offensichtlich, daß gleichzeitig mit dem Entstehen von Frost oder Tau zum Zeitpunkt t&sub1; die Amplitude des Ausgangssignals des Resonators 114 verringert wird.
Wurde auf diese Weise eine Änderung der Schwingungsfrequenz oder -amplitude festgestellt, so wird vom Sensor ein Signal ausgegeben, das mitteilt, daß Frost oder Tau auf dem Resonator 14, 114 entdeckt worden ist. Daraufhin wird im allgemeinen ein Entfroster oder ein Entfeuchter betrieben.
Fig. 14 bis 16 zeigen einen weiteren bekannten Sensor, der das Vorhandensein von Frost und Tau durch die Änderung der Dielektrizitätskonstante feststellt. Fig. 14 bzw. 15 zeigt die innere Struktur bzw. Außenansicht des Sensors. Die Oberfläche eines isolierenden Substrats, auf dem ein Paar kammartige Elektroden 226, 226 angebracht ist, ist mit einer Widerstandsschicht 230 überzogen. Fig. 16 zeigt eine Erfassungsschaltung des Sensors. Dabei versorgt eine Wechselspannung einer Wechselsignalquelle 134 eine Erfassungseinheit 232, die gemäß Fig. 14 und 15 aufgebaut ist, und das Ausgangssignal der Erfassungseinheit 232 ist an eine Impedanz- Erfassungsschaltung 236 angelegt, wobei deren Ausgangsanschluß mit einem nicht gezeigten Entfroster oder Entfeuchter verbunden ist.
Bei dieser bekannten Anordnung verändert sich bei Auftreten von Frost oder Tau auf der Erfassungseinheit 232 der Wechselstromwiderstand (Impedanz) zwischen den beiden kammartigen Elektroden 226, 226. Stellt die Impedanzerfassungsschaltung 236 diese Änderung der Impedanz fest, so entscheidet sie daraufhin, daß die Oberfläche der Erfassungseinheit 232 mit Frost oder Tau bedeckt ist.
Fig. 17 und 18 zeigen einen bekannten optischen Sensor.
Im einzelnen zeigt Fig. 17 den prinzipiellen Betrieb des aus einem licht-emittierenden Element 338 und einen licht- empfangenden Element bestehenden Sensors. Das Licht des licht- emittierenden Elements 338 wird von einer Reflexionsoberfläche 342 reflektiert und trifft auf das licht-empfangende Element 340. Entsteht auf der Reflexionsoberfläche Frost oder Tau, so wird der Brechungsindex des Lichts des licht-emittierenden Elements 338 oder der Einfallswinkel des auf das licht- empfangende Element 340 treffenden Lichts verändert, wodurch die Beleuchtung des licht-empfangenden Elements 340 verringert wird. Wird eine derartige Veränderung der Beleuchtungsstärke festgestellt, so entscheidet der Sensor, daß die Reflexionsoberfläche mit Frost oder Tau bedeckt ist.
Fig. 18 zeigt den prinzipiellen Betrieb eines Sensors, der eine licht-emittierende Diode (LED) 438 und eine das Licht der LED 438 empfangende Photodiode 440 umfaßt. Wird die Lichtstrecke zwischen der LED 438 und der Photodiode 440 von Frost oder Tau bedeckt, so ändert sich die Belichtung der Photodiode. Wird der Wert der Änderung der Belichtungsstärke mit einem Vergleichswert in einen Pegel-Diskriminator 444 verglichen und darauhin festgestellt, daß die Änderung den Vergleichswert überschreitet, so wird vom Pegel-Diskriminator 444 mitgeteilt, daß die Lichtstrecke zwischen der LED 438 und der Photodiode 440 zumindest teilweise von niedergeschlagenen Frost oder Tau blockiert ist.
Die genannten Anordnungen weisen jedoch folgende unvermeidbare Probleme auf, wodurch ein angemessener Nutzen nicht gegeben ist.
Jeder der bekannten Sensoren gemäß Fig. 7 bis 10, in denen ein piezo-elektrischer Resonator verwendet wird, neigt aufgrund von Staub oder anderen auf dem Resonator befindlichen Fremdkörpern oder aufgrund von extern oder intern auf den Resonator des Sensors ausgeübten Vibrationen zu Fehlbetrieb.
In den bekannten Sensoren gemäß Fig. 14 bis 18, die einerseits die Veränderung der Dielektrizitätskonstante ausnützen bzw. andererseits ein optisches Verfahren anwenden, ist es zur Aufrechterhaltung einer bestimmten Erfassungsgenauigkeit notwendig, daß die Vorrichtungen in regelmäßigen Zeitabschnitten gewartet werden, teils, weil es schwierig ist, die Erfassungeinheit auf eine kompakte Größe zu verkleinern, teils, weil die Schaltungsstruktur zu komplex ist. Dementsprechend ist es nicht nur schwierig, die Reproduzierbarkeit zu garantieren, sondern auch, die Produktionskosten zu senken.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Frost- und Tausensor bereitzustellen, der kompakt und daher billig herzustellen ist und der sowohl exzellente Erfassungsgenauigkeit als auch exzellente Reproduzierbarkeit aufweist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Frost- und Tausensor, bestehend aus einen ersten und zweiten wärmeempfindlichen Widerstand, die nebeneinander angeordnet sind und deren Widerstandswerte sich in Abhängigkeit von der Temperaturveränderung der beiden wärmeempfindlichen Widerstände verändern, eine Stromquelle zum Schaffen eines Temperaturunterschieds zwischen den wärmeempfindlichen Widerständen, die eine wärmeerzeugende Stromquelle zum Anlegen eines wärmeerzeugenden Stroms an den zweiten wärmeempfindlichen Widerstand enthält, der aufgrund dem angelegten wärmeerzeugenden Strom selbst Wärme erzeugen kann, und eine arithmetische Schaltung zum Holen einer Temperatur eines entsprechenden Widerstands des Paars wärmeempfindliche Widerstände als eine dem Widerstandswert des entsprechenden wärmeempfindlichen Widerstandes entsprechende Ausgangsspannung, gekennzeichnet durch die Stromquelle, die des weiteren eine Referenzstromquelle enthält zum Anlegen eines Referenzstroms an den ersten wärmeempfindlichen Widerstand, der aufgrund des an ihn angelegten Referenzstroms selbst Wärme erzeugen kann, wobei der Temperaturanstieg des ersten wärmeempfindlichen Widerstands gegenüber dem Temperaturanstieg des zweiten wärmeempfindlichen Widerstands aufgrund des Wärmeerzeugenden Stroms unwesentlich ist, die arithmetische Schaltung, die ein Frost-und-Tau-Signal gemäß der Differenzspannung zwischen den Ausgangsspannungen des Paars wärmeempfindliche Widerstände erzeugt, wobei das Frost- und-Tau-Signal bei der Annahme ausgegeben wird, daß die wärmeempfindlichen Widerstände mit Frost oder Tau bedeckt sind, wenn die Temperatur des zweiten wärmeempfindlichen Widerstands, an den der wärmeerzeugende Strom angelegt wird, sinkt, und die arithmetische Schaltung, die einen Gefrierpunkterfasser zum Vergleichen der Ausgangsspannung des ersten wärmeempfindlichen Widerstands gemäß dem Referenzstrom mit einem bestimmten Gefriepunkt-Vergleichswert enthält, um festzustellen, ob eine Umgebungstemperatur des ersten wärmeempfindlichen Widerstands unterhalb dem Gefrierpunkt liegt.
Bei diesem ersten Ausführungsbeispiel wird unter Kontakt mit der Umgebungsluft ein wärmeempfindlicher Widerstand (der zweite), der mit einem Strom einer wärmeerzeugenden Stromquelle versorgt wird, auf einer höheren Temperatur gehalten als der andere wärmeempfindliche Widerstand (der erste), der mit einem Strom normalerweise einer Referenzstromquelle versorgt wird.
Entsteht Frost oder Tau auf diesen beiden benachbart angeordneten wärmeempfindlichen Widerständen, so kommt es zu einer Wärmeabstrahlung über den enstandenen Frost oder Tau desjenigen wärmeempfindlichen Widerstands, der aufgrund des relativ großen Stromes der wärmeerzeugenden Stromquelle auf einer hohen Temperatur gehalten wird, da sowohl Festkörper (Frost) als auch Flüssigkeiten (Tau) eine höhere Wärmeleitfähigkeit als Gase (Luft) besitzen. Dadurch sinkt die Temperatur des einen wärmeempfindlichen Widerstands, wodurch ein Temperaturunterschied gegenüber dem anderen wärmeempfindlichen Widerstand, der aufgrund eines Stromes einer Referenzstromquelle auf einer größtenteils konstanten Temperatur gehalten wird, verringert wird.
Die arithmetische Schaltung berechnet den hervorgerufenen Temperaturunterschied zwischen den beiden wärmeempfindlichen Widerständen. Erfüllt der Wert dieses Temperaturunterschieds bestimmte Bedingungen, so entscheidet die arithmetische Schaltung, daß die Oberflächen der wärmeempfindlichen Widerstände mit Frost oder Tau bedeckt sind und gibt ein Frost- und-Tau-Signal aus.
Die arithmetische Schaltung kann eine Komparatorschaltung beinhalten, die beispielsweise aus zwei Komparatoren besteht. Einer der Komparatoren vergleicht die entsprechenden Ausgangssignale der wärmeempfindlichen Widerstände miteinander, während der andere Komparator das Ausgangssignal des einen Komparators mit einem Vergleichswert vergleicht.
Des weiteren ist die arithmetische Schaltung mit einer Gefrierpunkterfassungsschaltung ausgestattet, um das Ausgangssignal des anderen wärmeempfindlichen Widerstandes gemäß dem Referenzstrom mit einem bestimmten Gefrierpunkt-Vergleichswert zum Nachweis von Frost oder Tau zu vergleichen. Die arithmetische Schaltung kann mit einem Diskriminator ausgestattet sein, um das Ausgangssignal der Komparatorschaltung mit dem Ausgangssignal der Gefrierpunkterfassungs schaltung zu vergleichen.
Das Frost-und-Tau-Signal kann über eine Ausgangsschaltung, die das Signal verstärkt, ausgegeben werden. Der Sensor kann eine Welle, um darauf den einzelnen wärmeempfindlichen Widerstand zu befestigen, und einen Untersatz zur Aufnahme der Welle umfassen.
Die arithmetische Schaltung sollte keinesfalls nur auf den analogen Typ begrenzt sein. Daher kann in einem zweiten Ausführungsbeispiel das Ausgangssignal des einzelnen wärmeempfindlichen Widerstands durch einen A/D-Wandler von einer analogen in eine digitale Form umgewandelt werden, anschließend kann ein Temperaturunterschied durch einen Mikroprozessor (u-CPU) berechnet werden, und schließlich kann ein auf dem arithmetischen Ergebnis basierendes Frost-und-Tau- Signal ausgegeben werden.
Der einzelne wärmeempfindliche Widerstand kann ein Thermistor oder ein Widerstand aus Platin oder Nickel sein.
Zusammengefaßt kann erfindungsgemäß eine Fehlfunktion aufgrund von Staub oder anderen Fremdkörpern auf der Oberfläche einer Erfassungseinheit auf ein Minimum verringert werden, da der Nachweis von Frost oder Tau aufgrund von Temperatur geschieht. Da wärmeempfindliche Widerstände verwendet werden, die klein und billig sind, kann ein Frost- und Tausensor geschaffen werden, der mit verringerten Kosten hergstellt werden kann und leistungsfähiger ist.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine Perspektivteilansicht eines erfindungsgemäßen Frost- und Tausensors, bei dem zwei wärmeempfindliche Widerstände zueinander benachbart angeordnet sind,
Fig. 2 ein Schaltbild des Sensors gemäß einem ersten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel,
Fig. 3 einen charakteristischen Kurvenverlauf, der die allgemeine Beziehung zwischen der Temperatur und dem Widerstand eines wärmeempfindlichen Widerstands wiedergibt,
Fig. 4 einen charakteristischen Kurvenverlauf, der die Beziehung zwischen der Temperatur bzw. dem Temperaturunterschied und dem Widerstand wiedergibt, wenn kein Frost oder Tau in der Umgebung der wärmeempfindlichen Widerstände im ersten Ausführungsbeispiel vorhanden ist,
Fig. 5 einen charakteristischen Kurvenverlauf ähnlich zu Fig. 4, der die typische Beziehung zwischen der Temperatur bzw. dem Temperaturunterschied und dem Widerstand wiedergibt, wenn Frost oder Tau auf den wärmeempfindlichen Widerständen vorhanden ist,
Fig. 6 ein Blockschaltbild eines abgeänderten Sensors gemäß einem zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel,
Fig. 7 eine Querschnittansicht eines bekannten Sensors zum Nachweis von Frost oder Tau durch die Änderung der Schwingungsfrequenz eines piezo-elektrischen Resonators,
Fig. 8 ein Schaltbild des Sensors gemäß Fig. 7,
Fig. 9 eine Ansicht ähnlich zu Fig. 7, die einen anderen bekannten Sensor zum Nachweis von Frost oder Tau durch die Änderung der Schwingungsamplitude eines piezo-elektrisohen Resonators darstellt,
Fig. 10 ein Schaltbild des Sensors gemäß Fig. 9,
Fig. 11 einen Wellenverlauf des oszillierenden Ausgangssignals des Sensors gemäß Fig. 7,
Fig. 12 einen Wellenverlauf ähnlich zu Fig. 11, der das oszillierende Ausgangssignal des Sensors gemäß Fig. 9 darstellt,
Fig. 13 einen Verlauf des Erfassungsausgangssignals gemäß Fig. 11 und 12, wodurch Vorhandensein/Abwesenheit von Frost oder Tau dargestellt wird,
Fig 14 eine Draufsicht eines weiteren bekannten Sensors, bei dein Frost oder Tau durch eine Änderung der Dielektrizitätkonstanten nachgewiesen wird,
Fig. 15 eine Perspektivansicht des Sensors gemäß Fig. 14,
Fig 16 ein Blockdiagramm einer Schaltung gemäß Fig. 14, und
Fig. 17 und 18 schematische Darstellungen zweier anderer bekannter Sensoren, die den Aufbau und die prinzipielle Funktion des bekannten Sensors zeigen, bei dem Frost oder Tau durch die Änderung der auf eine Photodiode auftreffenden Lichtstärke eines LED-Lichts nachgewiesen wird.
Nachfolgend werden erfindungsgemäße Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Dabei wird hierbei als wärmeempfindlicher Widerstand ein Thermistor verwendet.
Fig. 1 zeigt einen Teil eines Frost- und Tausensors (im folgenden als "Sensor" bezeichnet) gemäß einem ersten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel.
Bei dem Sensor gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel kann aufgrund eines hervorgerufenen Temperaturunterschieds zwischen einem Paar wärmeempfindliche Widerstände über das Vorhandensein von Frost oder Tau entschieden werden. Im dargestellten Beispiel umfaßt der Sensor ein Paar parallel zueinander angeordnete wärmeempfindliche Widerstände 548, 550. Diese beiden wärmeempfindlichen Widerstände 548, 550 werden von einem Paar Wellen 552a und 552b bzw. 552c und 552d getragen, die zwischen den gegenüberliegenden Seiten eines Untersatzes 546 mit einem konstanten Abstand zueinander angeordnet sind. In diesem Ausführungsbeispiel wird ein Thermistor mit einem Widerstand von 5kX bei einer B-Konstante von 3350 und 25ºC für jeden der wärmeempfindlichen Widerstände 548, 550 verwendet. Die Wärmestrahlung des Thermistors beträgt 2mW/ C in der Luft und 50mW/ºC in Eis. Außerdem beträgt bei 0ºC der Widerstand des Thermistors 14kX.
Fig. 2 zeigt die vollständige Schaltung des erfindungsgemäßen Sensors, wobei die wärmeempfindlichen Widerstände 548, 550 auf der einen Seite geerdet sind und von einer Stromquelle Ps&sub1; an die wärmeempfindlichen Widerstände 548, 550 Ströme über ein Paar einstellbare Konstantstromschaltungen 554 bzw. 556, durch die verschiedene Ausgangsströme eingestellt werden, angelegt werden.
Diese beiden einstellbaren Konstantstromschaltungen 554, 556 bilden zusammen eine Stromquelle 558.
Die wärmeempfindlichen Widerstände 548, 550 und die Stromquelle 558 sind mit einer arithmetischen Schaltung 560 verbunden, die ein Frost-und-Tau-Signal nach der oben beschriebenen Weise ausgibt.
Die entsprechenden Ausgänge der einstellbaren Konstantstromschaltungen 554, 556 sind mit einem Operationsverstärker 562 verbunden, der den Wert des Temperaturunterschieds zwischen den wärmeempfindlichen Widerständen 548, 550 berechnet. Der berechnete Wert des Temperaturunterschieds wird an einen Eingangsanschluß eines Komparators 564 angelegt, wobei eine Entscheidung getroffen wird, ob der Temperaturunterschied unterhalb einer Gleichstrom- Referenzspannung Vref2 liegt.
Währenddessen überwacht der Komparator 566 die Temperatur des wärmeempfindlichen Widerstands 548 und vergleicht den überwachten Temperaturwert mit einer Referenzgleichspannung Vref1, um festzustellen, ob der überwachte Temperaturwert unterhalb einem Referenzwert liegt.
Durch diesen Vergleich kann alleine das Entstehen von Frost nachgewiesen werden, d.h. abgesehen vom Entstehen von Tau, wenn die Referenzspannung Vref1 auf einen der Temperatur 0ºC entsprechenden Wert festgesetzt ist.
Jeder der beiden Komparatoren 564, 566 gibt nur dann ein Ausgangssignal aus, wenn entweder der Temperaturunterschied oder der überwachte Temperaturwert unter einem Referenzwert liegt. Im dargestellten Beispiel ist das Ausgangssignal logisch negativ; ein Basisstrom fließt zu einem Transistor Q&sub2;, der Bestandteil einer Ausgangsschaltung 570 ist, wobei der Transistor nur dann leitend ist, wenn beide Ausgänge übereinstimmen.
Ein Transistor Q&sub1; wird nur dann ausgeschaltet, wenn die beiden Ausgänge übereinstimmen. Zu diesem Zeitpunkt wird eine Spannung einer Stromquelle Ps&sub2; an den Transistor Q&sub2; über Widerstände R7, R8 angelegt, um den Transistor Q&sub2; einzuschalten. Ist dieser Transistor Q&sub2; eingeschaltet, so wird ein Open-Kollektor-Signal ausgegeben, was Aufschluß über die Existenz von Frost oder Tau gibt.
Im folgenden wird die Funktionsweise des Sensors gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben.
Gewöhnlich besitzt ein wärmeempfindlicher Widerstand eine Temperatur-Widerstand-Charakteristik gemäß Fig. 3; Temperatur und Widerstand sind im Grunde genommen umgekehrt proportional zueinander.
In Fig. 2 wird an den einen wärmeempfindlichen Widerstand 548 ein schwacher Gleichstrom (d.h. ein Referenzstrom) iA von einer Stromquelle Ps&sub1; über die einstellbare Konstantstromschaltung 554 angelegt, so daß ein Temperaturanstieg aufgrund der Selbsterwärmung vernachlässigbar ist. An den anderen wärmeempfindlichen Widerstand 550 wird ein anderer Gleichstrom (d.h. ein wärmeerzeugender Strom) iB von der gemeinsamen Stromquelle über die einstellbare Konstantstromschaltung 556 angelegt, so daß ein Temperaturanstieg konstant ist. Angenommen, daß der Temperaturanstieg des wärmeempfindlichen Widerstands 550 ΔT ist, so wird in diesem Fall dieses ΔT durch die vom wärmeempfindlichen Widerstand 550 verbrauchte Menge an elektrischer Leistung und durch die vom selben wärmeempfindlichen Widerstand abgestrahlte Menge an Wärmeenergie (Qr) bestimmt.
Fig. 4 zeigt die Beziehung zwischen einer Umgebungstemperatur und einer Temperatur eines wärmeempfindlichen Widerstands bzw. zwischen einer Umgebungstemperatur und einem Temperaturunterschied der wärmeempfindlichen Widerstände 548, 550, wenn die wärmeempfindlichen Widerstände 548, 550 von Luft umgeben sind, d.h. wenn weder Frost noch Tau die wärmeempfindlichen Widerstände 548, 550 umgeben.
Es ist bekannt, daß die Wärmestrahlungsmenge eines wärmeempfindlichen Widerstands stark davon abhängt, ob der wärmeempfindliche Widerstand in einem Gas, einem Festkörper oder einer Flüssigkeit angeordnet ist, da die Wärmeleitfähigkeit eines Festkörpers doppelt so groß ist wie die von Gas.
Werden nun die entsprechenden Temperaturwerte der beiden wärmeempfindlichen Widerstände 548, 550 miteinander in der Luft verglichen, so beträgt die Temperatur des einen wärmeempfindlichen Widerstands 548 T&sub0;+ΔTa und die Temperatur des anderen wärmeempfindlichen Widerstands 550 T&sub0;+ΔTb. Daher ist der Temperaturunterschied ΔTb-ΔTa. Hierbei steht T&sub0; für die Lufttemperatur
Sind andererseits die beiden wärmeempfindlichen Widerstände 548, 550 in Wasser oder Eis (Frost) angeordnet, so sind ihre entsprechenden Temperaturen T&sub1;'+ΔTa' bzw. T&sub1;'+ΔTb'. Daher beträgt der Temperaturunterschied ΔTb'-ΔTa'.
Da die Wärmeleitfähigkeit von Wasser oder Eis größer als die von Luft ist, gilt jedoch ΔTakaΔTa' und ΔTbkaΔTb'. Demzufolge ist, wie Fig. 5 zeigt, die Temperatur ΔTb-ΔTa verglichen mit ΔTb'-ΔTa' groß genug.
Wenn der Temperaturunterschied zwischen den beiden wärmeempfindlichen Widerständen 548, 550 unter eine bestimmte Grenze sinkt, kann dies als Zeichen gewertet werden, daß die Oberfläche der wärmeempfindlichen Widerstände 548, 550 mit Frost oder Tau bedeckt sind.
In Fig. 2 erfasst der Operationsverstärker 562 die entsprechenden Temperaturwerte der beiden wärmeempfindlichen Widerstände 548, 550, um einen Temperaturunterschied zwischen diesen Werten zu ermitteln; der Wert des Temperaturunterschieds wird anschließend an einen Eingangsanschluß des Komparators 564 angelegt.
An den anderen Eingangsanschluß des Komparators 564 wird eine Referenzspannung Vref2 eingeprägt, die dem Temperaturunterschied zwischen den beiden wärmeempfindlichen Widerständen 548, 550 entspricht, wenn die wärmeempfindlichen Widerstände 548, 550 weder von Frost noch von Tau umgeben sind. Der Komparator 564 unterscheidet somit, ob das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 562 unterhalb der Referenzspannung Vref2 liegt.
Erfindungsgemäß ist ΔTb-ΔTa immer noch gering, wenn die Oberfläche eines wärmeempfindlichen Widerstands mit Wasser (Tau) statt Eis (Frost) bedeckt ist. Um Frost und Tau getrennt voneinander nachweisen zu können, kann daher ein Komparator 566 verwendet werden, um eine Umgebungstemperatur T&sub0; mit Hilfe der Temperatur eines wärmeempfindlichen Widerstands 548 zu überwachen, die ziemlich genau der Umgebungstemperatur T&sub0; entspricht, da die Größe des an den wärmeempfindlichen Widerstand 548 angelegten Stroms sehr gering ist.
An den anderen Eingangsanschluß des Komparators 566 wird eine Referenzspannung Vref1, die dem Gefrierpunkt von Wasser entspricht, von der Gleichstromquelle eingeprägt. Wenn das dem überwachten Temperaturwert des wärmeempfindlichen Widerstands 548 entsprechende Eingangssignal kleiner als ein Referenzspannungssignal ist, kann dies als Hinweis darauf gewertet werden, daß die Oberfläche des wärmeempfindlichen Widerstands 548 mit Frost, und nicht mit Wasser bedeckt ist.
Ist das ermittelte Signal beider Komparatoren 564, 566 kleiner als der Referenzwert, so wird ein logisch negatives Ausgangssignal ausgegeben, um eine logische UND-Verknüpfung mittels einem Paar Dioden D1, D2 durchzuführen, die gemeinsam einen Diskriminator 568 bilden.
Nur wenn die Ausgangssignale der beiden Komparatoren 564, 566 übereinstimmen, wird der Transistor Q&sub1; ausgeschaltet, um den Stromfluß von der Stromquelle Ps2 nach Masse zu unterbrechen.
Demzufolge wird eine Spannung von der Stromquelle Ps&sub2; über die Widerstände R&sub7;, R&sub8; an die Basis des Transistors Q&sub2; eingeprägt, wodurch der Transistor Q&sub2; eingeschaltet wird, um beispielsweise an eine nicht gezeigte Entfroster-Steuerschaltung ein Ausgangssignal auszugeben, das das Vorhandensein von Frost mitteilt. Dieses Ausgangssignal bedeutet: "die Umgebungstemperatur (d.h. die Temperatur des Thermistors 12) liegt unter 0ºC und die Oberfläche des wärmeempfindlichen Widerstands ist mit Eis (Frost) bedeckt".
Der Temperaturunterschied ΔTb-ΔTa verändert sich abhängig vom Zustand des den wärmeempfindlichen Widerstand bedeckenden Eises. Durch selektives Verändern der Referenzspannung des Komparators 564 ist es möglich, das Vorhandensein von Eis (Frost) mit größter Empfindlichkeit zu erfassen.
Falls eine Unterscheidung zwischen Frost und Tau nicht notwendig ist, kann auf den Komparator 566 und die Dioden D1, D2 verzichtet werden.
In den vorhergehenden Ausführungsbeispielen wurde ein Thermistor für jeden wärmeempfindlichen Widerstand verwendet. Die Erfindung ist jedoch keinesfalls auf diese Ausführungsform beschränkt. Der wärmeempfindliche Widerstand kann beispielsweise ein Widerstand aus Platin oder Nickel sein, vorausgesetzt daß der Temperaturkoeffizient dieses Widerstands positiv ist.
Des weiteren kann eine Steuerschaltung, bestehend aus einer Zeitgeberschaltung oder einem Mikrocomputer, der arithmetischen Schaltung hinzugefügt werden.
In den dargestellten Ausführungsbeispielen ist die arithmetische Schaltung aus einem einzelnen Operationsverstärker, einem Paar Komparatoren und Transistoren aufgebaut. Alternativ kann die Ausgangsspannung des wärmeempfindlichen Widerstands an einen A/D-Wandler angelegt und anschließend in Form digitaler Daten arithmetischen Operationen durch einen Mikroprozessor unterzogen werden.
Fig. 6 zeigt ein Blockschaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels mit einem derartigen Aufbau. In diesem Ausführungsbeispiel besteht eine abgeänderte arithmetische Schaltung 660 aus einem A/D-Wandler 672 zur Umwandlung der Ausgangsströme der beiden wärmeempfindlichen Widerstände 548, 550 von der analogen in die digitale Form, einem Mikroprozessor 674 zur Berechnung eines Temperaturunterschieds zwischen den wärmeempfindlichen Widerständen 648, 650 aus den vom A/D- Wandler 672 ausgegebenen digitalen Daten, und einer Ausgangsschaltung 670 zur Ausgabe eines auf dem Ausgangssignal des Mikroprozessors 674 basierenden Frost-und-Tau-Signals. Die Anordnung dieses Ausführungsbeispiels liefert dieselben Ergebnisse wie das erste Ausführungsbeispiel.
Zusammengefaßt kann das Auftreten einer Fehlerfassung aufgrund einer externen Krafteinwirkung oder einer Vibration auf ein Minimum verringert werden, teils, weil ein Paar wärmeempfindliche Widerstände als Frost- und Tauerfassungsvorrichtung verwendet wird, und teils, weil die Veränderung eines Temperaturunterschieds zwischen den wärmeempfindlichen Widerständen als Parameter für die arithmetische Operation verwendet wird. Somit wird ein billiger Frost- und Tausensor garantiert, der große Zuverlässigkeit und angemessene mechanische Stabilität aufweist.

Claims

1. Frost- und Tausensor, bestehend aus

a) einen ersten (548; 648) und zweiten (550; 650) wärmeempfindlichen Widerstand, die nebeneinander angeordnet sind und deren Widerstandswerte sich in Abhängigkeit ihrer Temperatur verändern,

b) eine Stromquelle (558; 658) zur Erzeugung eines Temperaturunterschieds zwischen den wärmeempfindlichen Widerständen (548, 550; 648, 650), die eine wärmeerzeugende Stromquelle (556; 656) zum Anlegen eines wärmeerzeugenden Stroms (iB) an den zweiten wärmeempfindlichen Widerstand (550; 650) enthält, der aufgrund dem angelegten wärmeerzeugenden Strom (iB) selbst Wärme erzeugen kann, und

c) eine arithmetische Schaltung (560; 660) zum Abrufen einer Temperatur eines entsprechenden Widerstands des Paars wärmeempfindlicher Widerstände (548, 550; 648, 650) in Form einer dem Widerstandswert des entsprechenden wärmeempfindlichen Widerstands (548, 550; 648, 650) entsprechende Ausgangsspannung,

dadurch gekennzeichnet, daß

d) die Stromquelle (558; 658) des weiteren eine Referenzstromquelle (554; 654) enthält zum Anlegen eines Referenzstroms (iA) an den ersten wärmeempfindlichen Widerstand (548; 648),

e) der erste wärmeempfindliche Widerstand (548; 648) aufgrund des an ihn angelegten Referenzstroms (iA) selbst Wärme erzeugen kann, wobei der Temperaturanstieg des ersten wärmeempfindlichen Widerstands (548; 648) gegenüber dem Temperaturanstieg des zweiten wärmeempfindlichen Widerstands (550; 650) aufgrund des wärmeerzeugenden Stroms (iB) unwesentlich ist,

f) die arithmetische Schaltung (560; 660) ein Frost-und-Tau- Signal gemäß der Differenzspannung zwischen den Ausgangsspannungen des Paars wärmeempfindliche Widerstände (548, 550; 648, 650) erzeugt, wobei das Frost-und-Tau-Signal bei der Annahme ausgegeben wird, daß die wärmeempfindlichen Widerstände (548, 550; 648, 650) mit Frost oder Tau bedeckt sind, wenn die Temperatur des zweiten wärmeempfindlichen Widerstands (550; 650), an den der wärmeerzeugende Strom (iB) angelegt wird, sinkt, und

g) die arithmetische Schaltung (560; 660) eine Gefrierpunkterfassungsschaltung (566; 674) zum Vergleich der Ausgangsspannung des ersten wärmeempfindlichen Widerstands (548; 648) gemäß dem Referenzstrom (iA) mit einem bestimmten Gefriepunkt-Referenzwert (Vref1) enthält, um festzustellen, ob eine Umgebungstemperatur (TA) des ersten wärmeempfindlichen Widerstands (548; 648) unterhalb dem Gefrierpunkt liegt.

2. Frost- und Tausensor nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß

die arithmetische Schaltung (560) eine Komparatorschaltung (562, 564) zum Feststellen eines Unterschieds zwischen den entsprechenden Ausgangssignalen der wärmeempfindlichen Widerstände (548, 550) und zum Vergleich des Unterschieds mit einem Referenzwert (Vref2) beinhaltet.

3. Frost- und Tausensor nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet, daß

die Komparatorschaltung (562, 564) einen ersten Komparator (562) beinhaltet zum Vergleich der entsprechenden Ausgangssignale der wärmeempfindlichen Widerstände (548, 550) miteinander, um den Unterschied zwischen den beiden Ausgangssignalen zu erfassen, und einen zweiten Komparator (564) zum Vergleich des Ausgangssignals des ersten Komparators (562) mit dem Referenzwert (Vref 2).

4. Frost- und Tausensor nach den Ansprüchen 2 oder 3,

dadurch gekennzeichnet, daß

die arithmetische Schaltung (560) einen Diskriminator (568) zum Vergleich des Ausgangssignals der Komparatorschaltung (562, 564) mit dem Ausgangssignal der Gefrierpunkt Erfassungsschaltung (566; 674) beinhaltet, um festzustellen, ob die wärmeempfindlichen Widerstände (548, 550) mit Frost bedeckt sind, wenn die Umgebungstemperatur (TA) der wärmeempfindlichen Widerstände (548, 550) unterhalb dem Gefrierpunkt liegt.

5. Frost- und Tausensor nach Anspruch 4,

dadurch gekennzeichnet, daß

die arithmetische Schaltung (560) eine Ausgangsschaltung (570) zur Verstärkung des Ausgangssignals (OUTPUT) des Diskriminators (568) und zur Ausgabe des verstärkten Ausgangssignals (OUTPUT) beinhaltet.

6. Frost- und Tausensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

gekennzeichnet durch

ein Paar Wellen (552a, 552b, 552c, 552d), die die entsprechenden wärmeempfindlichen Widerstände (548, 550; 648, 650) tragen, und einen Untersatz (546) zur Aufnahme der Wellen.

7. Frost- und Tausensor nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß

die arithmetische Schaltung einen A/D-Wandler (672) beinhaltet zur Umwandlung der Ausgangsspannung jedes der wärmeempfindlichen Widerstände (548, 550; 648, 650) in digitale Daten, einen Mikroprozessor (674) zur Durchführung einer bestimmten arithmetischen Operation mit den vom A/D-Wandler (672) ausgegebenen digitalen Daten, um einen Temperaturunterschied zwischen den wärmeempfindlichen Widerständen (548, 550; 648, 650) zu bestimmen, und eine Ausgangsschaltung (670) zur Erzeugung und Ausgabe eines Frost- und-Tau-Signals (OUTPUT) gemäß dem arithmetischen Ergebnis des Mikroprozessors (674).

8. Frost- und Tausensor nach jedem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, daß

jeder der wärmeempfindlichen Widerstände (548, 550; 648, 650) ein Thermistor ist.

9. Frost- und Tausensor nach jedem der Ansprüche 1 bis 7,

dadurch gekennzeichnet, daß

jeder der wärmeempfindlichen Widerstände (548, 550; 648, 650) ein Widerstand aus Platin oder Nickel ist.