EP1001226A2 - Ultraschall-Sensor für eine Dunstabzugshaube - Google Patents

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EP1001226A2
EP1001226A2 EP99122361A EP99122361A EP1001226A2 EP 1001226 A2 EP1001226 A2 EP 1001226A2 EP 99122361 A EP99122361 A EP 99122361A EP 99122361 A EP99122361 A EP 99122361A EP 1001226 A2 EP1001226 A2 EP 1001226A2
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ultrasonic sensor
sensor according
monitoring circuit
sensor
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    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • B06B1/0207—Driving circuits
    • B06B1/0223—Driving circuits for generating signals continuous in time
    • B06B1/0238—Driving circuits for generating signals continuous in time of a single frequency, e.g. a sine-wave
    • B06B1/0246—Driving circuits for generating signals continuous in time of a single frequency, e.g. a sine-wave with a feedback signal
    • B06B1/0261—Driving circuits for generating signals continuous in time of a single frequency, e.g. a sine-wave with a feedback signal taken from a transducer or electrode connected to the driving transducer
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24C—DOMESTIC STOVES OR RANGES ; DETAILS OF DOMESTIC STOVES OR RANGES, OF GENERAL APPLICATION
    • F24C15/00—Details
    • F24C15/20—Removing cooking fumes
    • F24C15/2021—Arrangement or mounting of control or safety systems

Definitions

  • the invention relates to an ultrasonic sensor for an extractor hood with automatic adjustment of the temperature and aging drift, whereby the ultrasonic sensor, consisting of transmitter and receiver, from the food to the cooker hood ascending vapors are monitored and being the ultrasonic sensor has a system-specific resonance frequency.
  • the invention proposes the features characterized in claim 1.
  • the essence of the invention is, therefore, that the monitoring circuit operates the ultrasound sensor at predetermined time intervals in succession with different frequencies in a frequency range close to the resonance frequency and thereby detects the occurring amplitudes to the maximum.
  • a frequency of the sensor is assigned to each such maximum and an average frequency f (q) is determined from several such individual frequencies, which is initially used as the new resonance frequency f (o). This applies until a new attempt to reconcile is made.
  • Each such attempt is carried out for a very short time so as not to disturb the ongoing operation of the ultrasonic sensor when monitoring the vapor.
  • the frequency of the attempts is determined empirically.
  • the monitoring circuit when traversing the frequency band the occurring Determines frequency values assigned to maximum amplitudes and stores that the monitoring circuit from the frequency distribution of the respective maximum amplitudes and thus the associated frequency values in a statistical calculation process the standard deviation and the center frequency f (q) are calculated and that they use this frequency as the resonance frequency f (o) for the operation of the sensor used until the next detected change in the center frequency f (q).
  • This statistically calculated center frequency corresponds to the above-mentioned average frequency and in the best case is the same as the one originally specified Resonance frequency f (o), but it is at least in the vicinity.
  • the standard deviation and the center frequency f (q) are stored at a predetermined frequency distance from the resonance frequency f (o) lie, such as ⁇ 1 kHz, ⁇ 2 kHz.
  • a particularly useful development of the invention provides that the ultrasonic sensor Transmitter and receiver in one housing that contains it alternately works in the transmitting and receiving mode and the vapors in the reflection process scans.
  • the monitoring circuit has a microcontroller as an essential component on, on the one hand the control of the fan of the extractor hood and on the other initiates the automatic drift compensation. This automatic comparison also enables the compensation of the temperature drift in the same test cycle, so that no special effort is required for this.
  • a microcontroller 1 with a microcomputer 1a is located at an output A1 a control circuit 2 for controlling the fan motor 8 of an extractor hood.
  • the speed of the motor 8 does not depend on that of one shown heated food controlled rising vapors. The requirement which speed is assigned to which amount of ascending vapors the control circuit 2 from the microcomputer 1a.
  • the microcontroller 1 has an oscillator 3 at an output A2 and this one Sensor control 4 downstream.
  • the output signal of the oscillator 3 is on an input E1 of the microcontroller 1 is returned and enables there Measurement of the output frequency on the oscillator.
  • the sensor control 4 receives via a second input, which is located at the output A3 of the microcontroller 1 Switching signal, which switches between transmission and reception mode downstream ultrasound sensor 5 performs.
  • This ultrasonic sensor is in an extractor hood installed at a suitable location and gropes in the reflection process the vapors 6 rising from a food not shown above the reflector 6a. In this ultrasonic sensor 5 there are a transmitter 5a and a Installed receiver 5b, which is operated by the sensor control 4 can be switched on alternately.
  • the signal of the receiver 5b the so-called echo signal, originated from the Reflection on the vapor 6 is given to the input of an amplifier 7, which is connected to an input E2 of the microcontroller 1. Via an exit A4 of the microcontroller 1, the signal amplification at the amplifier 7 is set.
  • FIG. 2 shows the resonance curve f (o) of an ultrasound sensor 5.
  • the typical resonance frequency of such a sensor is 200 kHz.
  • this resonance curve can move towards lower or higher Shift frequencies. Compensate for this shift and the ultrasonic sensor 5 must always be operated with the currently given resonance frequency Core problem of the invention.
  • This deviation from the resonance frequency f (o) is determined briefly again and again in a cyclical sequence during the operation of the Ultrasonic sensor when monitoring the vapor.
  • the Control frequency for the ultrasonic sensor by adjusting the oscillator 3 in a repeated passage through the frequency range below and above the Changed resonance frequency.
  • the oscillator is increasingly in Detuned towards lower and then towards higher frequencies than the resonance frequency.
  • the amplitude maximum of the echo signal is in each case measured via the amplifier 7. This process is repeated several times. The number of amplitude maxima, which are measured at -1 kHz or +1 kHz, will be saved. The same applies to the frequency -2 kHz or +2 kHz to the resonance frequency.
  • the new center frequency f (q) is calculated according to a statistical one Evaluation procedure via the calculation of the standard deviation.
  • This statistical evaluation is as a possible way of calculating this Center frequency.
  • the invention is not based on the use of this calculation method limited.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Ultraschall-Sensor für eine Dunstabzugshaube, wobei der Sensor den vom Kochgut zur Dunstabzugshaube aufsteigenden Wrasen überwacht. Es erfolgt ein automatischer Abgleich der Temperatur- und Alterungsdrift des Sensors. Zu diesem Zwecke wird zyklisch während des laufenden Betriebs des Sensors eine Überprüfung der Resonanzfrequenz vorgenommen, wobei deren Verschiebung erkannt, durch ein statistisches Berechnungsverfahren die neue Resonanzfrequenz festgestellt und für den weiteren Betrieb des Sensors verwendet wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Ultraschall-Sensor für eine Dunstabzugshaube mit automatischem Abgleich der Temperatur- und Alterungsdrift, wobei der Ultraschall-Sensor, bestehend aus Sender und Empfänger, den vom Kochgut zur Dunstabzugshaube aufsteigenden Wrasen überwacht und wobei der Ultraschall-Sensor eine systemspezifische Resonanzfrequenz aufweist.
Aus der EP 0 443 141 B1 ist es bekannt, Ultraschall-Sensoren zur Steuerung des Lüfters bei Dunstabzugshauben zu verwenden. Man macht sich hierbei die Erkenntnis zu Nutze, daß der aufsteigende Dunst die Amplitude des Ultraschallsignals verändert und zwar um so stärker, je stärker die Wrasenbildung ist. Bei Ultraschall-Sensoren ist es bekannt, die Temperaturdrift automatisch abzugleichen, es gab jedoch bisher keine Hinweise, wie man die Alterungsdrift des Sensors während des laufenden Betriebs des Ultraschall-Sensors abgleicht. Die Alterungsdrift führt zu einer Veränderung der Resonanzfrequenz des Sensors und muß deshalb überwacht werden. Bisher ist der notwendige Abgleich nur bei einer luftberuhigten Signalstrecke möglich, es war bisher auch eine strenge Zuordnung von Sensor und zugehöriger Elektronik erforderlich, da der Abgleich im allgemeinen nicht in eingebautem Zustand stattfinden konnte.
Es war nun Aufgabe der Erfindung, diese Nachteile zu vermeiden und einen Ultraschall-Sensor mit einer Überwachungsschaltung vorzuschlagen, der einen automatischen Abgleich der Alterungsdrift während des laufenden Betriebs des Sensors ermöglicht.
Zu diesem Zweck schlägt die Erfindung die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale vor.
Die Erfindung besteht somit in ihrem Wesen darin, daß die Überwachungsschaltung den Ultraschall-Sensor in vorbestimmten Zeitabständen nacheinander mit unterschiedlichen Frequenzen in einem Frequenzbereich nahe der Resonanzfrequenz betreibt und dabei die auftretenden Amplituden maximal feststellt. Jedem solchen Maximum ist eine Frequenz des Sensors zugeordnet und man ermittelt aus mehreren solcher Einzelfrequenzen eine Durchschnittsfrequenz f (q) welche man zunächst als neue Resonanzfrequenz f (o) verwendet. Dies gilt so lange, bis ein erneuter Abgleichversuch unternommen wird. Jeder derartige Versuch erfolgt sehr kurzzeitig, um den laufenden Betrieb des Ultraschall-Sensors bei der Überwachung des Wrasens nicht zu stören. Die Häufigkeit der Versuche wird empirisch festgelegt.
In bevorzugter weiterer Ausbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Überwachungsschaltung beim Durchfahren des Frequenzbandes die den auftretenden Maximalamplituden zugeordneten Frequenzwerte feststellt und abspeichert, daß die Überwachungsschaltung aus der Häufigkeitsverteilung der jeweiligen Maximalamplituden und damit der zugehörigen Frequenzwerte in einem statistischen Berechnungsverfahren die Standardabweichung und die Mittenfrequenz f (q) errechnet und daß sie diese Frequenz als Resonanzfrequenz f(o) für den Betrieb des Sensors bis zur nächsten festgestellten Änderung der Mittenfrequenz f (q) verwendet. Diese statistisch errechnete Mittenfrequenz entspricht der vorerwähnten Durchschnittsfrequenz und ist im günstigsten Fall gleich der ursprünglich vorgegebenen Resonanzfrequenz f(o), sie liegt jedoch zumindest in deren Nähe.
In weiterer bevorzugter Ausbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß zur Ermittlung der Standardabweichung und der Mittenfrequenz f(q) nur jene Frequenzwerte gespeichert werden, die in einem vorgegebenen Frequenzabstand zu der Resonanzfrequenz f(o) liegen, wie zum Beispiel ± 1 kHz, ± 2 kHz.
Eine besonders zweckmäßige Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß der Ultraschall-Sensor Sender und Empfänger in einem Gehäuse enthält, daß er abwechselnd im Sende- und im Empfangsbetrieb arbeitet und dabei den Wrasen im Reflexionsverfahren abtastet.
Die Überwachungsschaltung weist als wesentliches Bauteil einen Mikrokontroller auf, der zum einen die Steuerung des Lüfters der Dunstabzugshaube und zum anderen den automatischen Driftabgleich veranlaßt. Dieser automatische Abgleich ermöglicht auch die Kompensation der Temperaturdrift im gleichen Prüfzyklus, so daß für diesen kein gesonderter Aufwand betrieben werden muß.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels noch näher erläutert werden.
Es zeigen:
Figur 1
ein Blockschaltbild der Überwachungsschaltung;
Figur 2
die Resonanzkurve eines Ultraschallsensors;
Figur 3
die Häufigkeit von gemessenen Einzelfrequenzwerten an vorgegebenen Stellen im Umgebungsbereich der Resonanzfrequenz.
An einem Mikrokontroller 1 mit einem Mikrocomputer 1a liegt an einem Ausgang A1 eine Steuerschaltung 2 zur Ansteuerung des Lüftermotors 8 einer Dunstabzugshaube. Die Drehzahl des Motors 8 wird abhängig von dem von einem nicht dargestellten beheizten Kochgut aufsteigenden Wrasen gesteuert. Die Vorgabe, welche Drehzahl welcher Menge an aufsteigendem Wrasen zugeordnet wird, erhält die Steuerschaltung 2 von dem Mikrocomputer 1a.
Dem Mikrokontroller 1 ist an einem Ausgang A2 ein Oszillator 3 und diesem eine Sensoransteuerung 4 nachgeordnet. Das Ausgangssignal des Oszillators 3 ist an einen Eingang E1 des Mikrokontrollers 1 zurückgeführt und ermöglicht dort die Messung der Ausgangsfrequenz am Oszillator. Die Sensoransteuerung 4 erhält über einen zweiten Eingang, der am Ausgang A3 des Mikrokontrollers 1 liegt, ein Schaltsignal, welches die Umschaltung zwischen Sende- und Empfangsbetrieb eines nachgeschalteten Ultraschall-Sensor 5 vornimmt. Dieser Ultraschallsensor ist in einer Dunstabzugshaube an passender Stelle eingebaut und tastet im Reflexionsverfahren den von einem nicht dargestellten Kochgut aufsteigenden Wrasen 6 über den Reflektor 6a ab. In diesem Ultraschallsensor 5 sind ein Sender 5a und ein Empfänger 5b eingebaut, welche in ihrem Betrieb von der Sensoransteuerung 4 abwechselnd eingeschaltet werden.
Das Signal des Empfängers 5b, das sogenannte Echosignal, entstanden aus der Reflexion am Wrasen 6, wird an den Eingang eines Verstärkers 7 gegeben, welcher an einem Eingang E2 des Mikrokontrollers 1 angeschlossen ist. Über einen Ausgang A4 des Mikrokontrollers 1 wird die Signalverstärkung am Verstärker 7 eingestellt.
In Figur 2 ist die Resonanzkurve f (o) eines Ultraschall-Sensors 5 dargestellt. Die typische Resonanzfrequenz eines derartigen Sensors beträgt 200 kHz. Durch die vorerwähnte Drift, ausgelöst durch Temperaturänderungen oder durch Alterung des Sensors, kann diese Resonanzkurve sich in Richtung niedrigerer oder höherer Frequenzen verschieben. Diese Verschiebung auszugleichen und den Ultraschall-Sensor 5 immer mit der gerade gegebenen Resonanzfrequenz zu betreiben ist Kernproblem der Erfindung.
Die Feststellung dieser Abweichung von der Resonanzfrequenz f (o) geschieht kurzzeitig immer wieder in einem zyklischen Ablauf während des Betriebes des Ultraschall-Sensors bei der Überwachung des Wrasens. Zu diesem Zweck wird die Ansteuerfrequenz für den Ultraschall-Sensor durch Verstellung des Oszillators 3 in einem mehrmaligen Durchfahren des Frequenzbereichs unterhalb und oberhalb der Resonanzfrequenz geändert. Zu diesem Zwecke wird der Oszillator zunehmend in Richtung niedrigerer und anschließend in Richtung höherer Frequenzen verstimmt als die Resonanzfrequenz. Dabei wird jeweils das Amplitudenmaximum des Echosignals über den Verstärker 7 gemessen. Dieser Vorgang wird mehrmals wiederholt. Die Zahl der Amplitudenmaxima, welche -1 kHz bzw. +1 kHz gemessen werden, wird gespeichert. Gleiches gilt für die Frequenz -2 kHz bzw. +2 kHz zur Resonanzfrequenz. Auf diese Weise erhält man eine Zahl von ein oder mehreren Frequenzwerten, welche Amplitudenmaxima zugeordnet sind. Wäre die Zahl für Messungen oberhalb und unterhalb der Resonanzfrequenz gleich, so würde auch die neue Mittenfrequenz genau der ursprünglichen Resonanzfrequenz entsprechen. Ist dies jedoch nicht der Fall, so verschiebt sich bei der statistischen Auswertung dieser Zahl die Mittenfrequenz in jene Richtung, wo die größere Zahl von Einzelwerten gemessen wurde. Die Mittenfrequenz f (q) unterscheidet sich somit etwas von der ursprünglichen Resonanzfrequenz f (o). Diese Frequenz f (q) wird als neue Resonanzfrequenz des Ultraschall-Sensors definiert und der Oszillator 3 wird bis zu dem nächsten Abgleichversuch als neue Resonanzfrequenz f(o) verwendet.
Die Berechnung der neuen Mittenfrequenz f (q) erfolgt nach einem statistischen Auswertungsverfahren über die Berechnung der Standardabweichung. Die Art dieser statistischen Auswertung ist als ein möglicher Weg der Errechnung dieser Mittenfrequenz anzusehen. Die Erfindung ist nicht auf die Verwendung dieses Berechnungsverfahrens beschränkt.

Claims (8)

  1. Ultraschall-Sensor für eine Dunstabzugshaube mit automatischem Abgleich der Temperatur- und Alterungsdrift, wobei der Ultraschall-Sensor, bestehend aus Sender und Empfänger den vom Kochgut zur Dunstabzugshaube aufsteigenden Wrasen überwacht, und wobei der Ultraschall-Sensor eine systemspezifische Resonanzfrequenz aufweist,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß eine elektronische Überwachungsschaltung (ÜS) vorhanden ist, welche während des Betriebs des Ultraschall-Sensors (5) in vorbestimmbaren Zeitabständen das Frequenzband der Sendesignale im Bereich um die Resonanzfrequenz f (o) nach beiden Seiten durchfährt ("wobbelt"), die Maximalamplituden der auftretenden Empfangssignale mißt, dabei aus den diesen zugeordneten Frequenzen eine Durchschnittsfrequenz f (q) bildet und diese Frequenz f (q) als Resonanzfrequenz f (o) für den Sensor bis zur nächsten festgestellten Änderung der Frequenz f(q) verwendet.
  2. Ultraschall-Sensor nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Überwachungsschaltung (ÜS) beim Durchfahren des Frequenzbandes die den auftretenden Maximalamplituden zugeordneten Frequenzwerte feststellt und abspeichert und daß die Überwachungsschaltung (ÜS) aus der Häufigkeitsverteilung (Glockenkurve) der jeweiligen Maximalamplituden und damit der zugehörigen Frequenzwerte in einem statistischen Berechnungsverfahren die Standardabweichung und die Mittenfrequenz f (q) errechnet und daß sie diese Frequenz als Resonanzfrequenz für den Betrieb des Sensors bis zur nächsten festgestellten Änderung der Mittenfrequenz f(q) verwendet.
  3. Ultraschall-Sensor nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß zur Ermittlung der Standardabweichung und der Mittenfrequenz f (q) nur jene Frequenzwerte gespeichert werden, die in einem vorgegebenen Frequenzabstand zu der Resonanzfrequenz f(o) liegen, wie z. B. ± 1 kHz, ± 2 kHz.
  4. Ultraschall-Sensor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Überwachungsschaltung (ÜS) zyklisch für jeweils kurze Zeit den Driftabgleich vornimmt und in der übrigen Zeit die Überwachung des Wrasens (6) durchführt.
  5. Ultraschall-Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß er Sender (5a) und Empfänger (5b) in einem Gehäuse enthält, daß er abwechselnd im Sende- und im Empfangsbetrieb arbeitet und dabei den Wrasen (6) über den Reflektor (6a) im Reflexionsverfahren abtastet.
  6. Ultraschall-Sensor nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Überwachungsschaltung (ÜS) einen Mikrocontroller oder ASIC (1) aufweist, der zum einen die Steuerung des Lüftens der Dunstabzugshaube und zum anderen den automatischen Driftabgleich veranlaßt.
  7. Ultraschall-Sensor nach Anspruch 6,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß dem Mikrocontroller (1) ein einstellbarer Oszillator (3), eine Sensoransteuerungsschaltung (4) und der Ultraschall-Sensor (5) nachgeordnet sind und daß der letztere sein Empfangssignal an einem A/D-Wandler im Mikrocontroller (1) abgibt.
  8. Ultraschall-Sensor nach Anspruch 7,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß Oszillator (3) und Sensoransteuerschaltung (4) Teil des Mikrocontrollers sind.
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