EP1351555A2 - Einrichtung zur Zustandserfassung an einer Platte oder Wand eines Haushaltsgerätes - Google Patents

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EP1351555A2
EP1351555A2 EP03007210A EP03007210A EP1351555A2 EP 1351555 A2 EP1351555 A2 EP 1351555A2 EP 03007210 A EP03007210 A EP 03007210A EP 03007210 A EP03007210 A EP 03007210A EP 1351555 A2 EP1351555 A2 EP 1351555A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
sound wave
wall
plate
temperature
sound
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP03007210A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1351555A3 (de
Inventor
Erwin Potthof
Gerhard Prof. Dr. Lindner
Irene Dipl.-Ing. Jacob
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Diehl AKO Stiftung and Co KG
Original Assignee
Diehl AKO Stiftung and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Diehl AKO Stiftung and Co KG filed Critical Diehl AKO Stiftung and Co KG
Publication of EP1351555A2 publication Critical patent/EP1351555A2/de
Publication of EP1351555A3 publication Critical patent/EP1351555A3/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B3/00—Ohmic-resistance heating
    • H05B3/68—Heating arrangements specially adapted for cooking plates or analogous hot-plates
    • H05B3/74—Non-metallic plates, e.g. vitroceramic, ceramic or glassceramic hobs, also including power or control circuits
    • H05B3/746—Protection, e.g. overheat cutoff, hot plate indicator
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B2213/00—Aspects relating both to resistive heating and to induction heating, covered by H05B3/00 and H05B6/00
    • H05B2213/07—Heating plates with temperature control means

Definitions

  • the invention relates to a device for condition detection on a Plate or a wall of a household appliance, in particular Kitchen appliance, especially kitchen stoves.
  • the object of the invention is a device for temperature detection to propose the type mentioned at the outset with which the Temperature detection is simplified and improved.
  • the above object is characterized by the features of characterizing part of claim 1 solved.
  • This Changes can be made by measuring the transit time of preferably pulsed signals, the phase shift, the amplitude change or a resonance detuning.
  • the detectable state is in particular the temperature and / or exposure to the plate or wall, for example dirt, overflowed Cookware, a break or a finger touch on the plate or wall.
  • the decor is simple on the plate or wall mountable.
  • the area whose condition is to be recorded is on easy to narrow down.
  • the setup can be done with simple Components can be realized.
  • the sound waves can be Rayleigh waves or Lamb waves. This the two types of sound waves differ in their spatial distribution structure. Rayleigh waves plant on the Surface continues. Vibrations of the thickness of the Lamb waves occur Plate or wall on.
  • Temperature detection has the advantage of temperature detection very close to the bottom of the saucepan that the device is installed Hotplate not affected, no special pots are necessary and there is no shading of the cooking zone.
  • the device can be used for heating elements and / or Control the display elements of the device, especially kitchen stoves.
  • the evaluation circuit preferably detects the temperature-dependent changing phase shift or phase position of the sound waves.
  • the tuning is detuned depending on the temperature.
  • the evaluation circuit adjusts the sound wave frequency so that the Resonance state is maintained.
  • the necessary measure of Frequency change corresponds to the respective temperature change.
  • the evaluation circuit can also change the amplitude of the Record sound waves. This means additional operating states recognizable.
  • each other spaced first and second places there is between each other spaced first and second places a measuring section.
  • a measuring section there is between each other spaced first and second places a measuring section.
  • Two options are provided for each measuring section. In one case (see Fig.1, Fig.2, Fig.3, Fig.5, Fig.6, Fig.7) is in the first position Sound wave transmitter 1 and in the second place Sound wave receiver 2 arranged. Both can use piezo elements 1 ', 2' work as transmitting or receiving elements.
  • the A transmission circuit 1 ′′ is assigned to sound wave transmitter 1 Sound wave transmitter 2 is assigned a receiving circuit 2 ".
  • a sound wave reflective element 3 arranged in the other case (see Fig. 4, Fig. 8) is one of Transmitting mode can be switched over to receiving mode intermittently Sound wave transmitter 1 and in the second place a sound wave reflective element 3 arranged.
  • the sound wave reflecting Element 3 can be applied to the plate or wall by a in particular, printed, stripes exist, which is such a defect forms that impinging sound waves are reflected.
  • Such Defined defect can also be formed or molded the plate or wall. Such a defect also forms possible breakage of the plate.
  • the working frequency of the sound wave transmitter 1 is, for example about 1 MHz.
  • the sound waves of the sound wave transmitter 1 plant in or on the Slab or wall away. Depending on the temperature of the plate or wall - and the length of the measuring section - the phase position of the changes Sound waves.
  • Evaluation circuit 4 which the phase position of the transmitted Sound waves compared with the phase position of the received sound waves and evaluates the resulting difference.
  • the phase difference forms a measure of the respective temperature or Temperature change.
  • it can also be provided that to tune the system to resonance and at a temperature-related detuning of the resonance Readjust the sound wave frequency to the resonance state.
  • the size the frequency change required is a measure of the Temperature change.
  • a control circuit 5 is assigned to the evaluation circuit 4 controls heating elements 6 and / or display elements 7 of the device (cf. Fig.2, Fig.5).
  • the sound wave transmitter 1 is in one underlying corner area of an oven wall 8 and the Sound wave receiver 2 diagonally opposite in an overhead Area of the oven wall 8 arranged. Both are different Outside 9 attached.
  • the piezo elements 1 ', 2' of the Sound wave transmitter 1 and sound wave receiver 2 not directly on the Fixed oven wall 8, but with this over spacers 10 connected.
  • the piezo elements are glued to the spacers 10.
  • the spacers 10 are connected to the oven wall 8.
  • the spacers 10 consist of a bad heat-conducting, but reverberant material, for example ceramic.
  • the Spacers 10 are used to control the temperature at the piezo elements to reduce far that their maximum permissible operating temperature is not exceeded.
  • the inside 11 of the oven wall 8 limits the baking space.
  • the measuring section extends diagonally over the oven wall 8. This means that the temperature in a large area of the oven wall 8 and not only on one Single point is recorded. The temperature recorded in this way forms a safe one Measure of the temperature actually prevailing in the interior of the oven. If necessary, the temperature detection can be described in the Way on several walls, including the bottom wall and the Ceiling wall take place, with the transmitter 1 on one wall and on one other wall of the receiver 2 can be arranged.
  • FIG. 3 there is an upper one on the oven wall 8 Measuring section with a sound wave transmitter 1a and a Sound wave receiver 2a and a lower measuring section with a Sound wave transmitter 1b and a sound wave receiver 2b provided.
  • the upper measuring section records the top heat in the oven.
  • the lower measuring section records the bottom heat in the oven.
  • the distribution of Top heat and bottom heat can be varied during the baking process.
  • the embodiment according to FIG. 4 corresponds to the detection of the Top heat and the bottom heat of the embodiment according to Figure 3.
  • sound waves are reflective elements 3a, 3b arranged on the inside of the oven wall 8.
  • the sound wave transmitter 1a, 1b are intermittent via the transmitter circuit from Transmission mode switched to reception mode.
  • the Sound wave reflecting element 3 can also from the edge of the Oven wall 8 can be formed itself.
  • the measuring section can also be in two or more walls of the Oven run. Then one of the walls is the Sound wave transmitter 1 and on another oven wall 8 Sound wave receiver 2 or the sound wave reflecting element 3 arranged.
  • Figures 5 to 8 show the device with a glass ceramic plate 12 of a kitchen stove, which has several cooking zones 13.
  • everybody Cooking zone 13 is at least one heating element 6 for a cookware K assigned.
  • the sound wave transmitter 1 and diagonally opposite the cooking zone 13 is the Sound wave receiver 2 (see Fig. 5, Fig. 6, Fig. 7) or a sound wave reflective element 3 or more sound waves reflective Elements 3 (see Fig. 8) arranged.
  • the temperature of the respective cooking zone 13 and thus the temperature of the cookware K is detected.
  • the changes according to the temperature of the cooking zone 13 Phase position of the received sound waves. As described, the Phase position compared, including the above Resonance tuning and frequency adjustment via the Evaluation circuit 4 and the transmitter circuit can be done.
  • the Electric heating element 6 is used by the control circuit 5 accordingly the determined temperature controlled.
  • a single sound wave transmitter 1 is provided. This related to each of the four cooking zones 13 are opposite in corner areas the glass ceramic plate 12 arranged sound wave receiver 2.
  • the Sound wave transmitter 1 and the sound wave receiver 2 are on the Bottom 15 of the glass ceramic plate 12 arranged (see Fig. 5).
  • FIG. 7 is similar to that according to FIG. 6, but only with two cooking zones 13 sound wave receivers 2 are provided.
  • each sound wave transmitter 1 is each switchable from transmit mode to receive mode in the Corner areas of the glass ceramic plate 12 next to the cooking zones 13 arranged.
  • sound waves reflecting elements 3 on the Bottom 15 of the glass ceramic plate 12 is provided, each of the four sound wave transmitters 1 outgoing sound waves back to this reflect.
  • the sound wave reflecting elements 3 can by strips printed on the top of the glass ceramic plate 12 be educated. It can reflect the sound waves of the four Sound wave transmitter 1 back to the respective sound wave transmitter 1 only suitably shaped element reflecting sound waves 3 suffice.
  • the sound wave reflecting element 3 or Elements 3 reflecting sound waves can be made of a hard Ceramics consist of an impurity reflecting the sound waves at the Forms top of the glass ceramic plate 12.
  • the amplitude compare the transmitted and received sound waves it is also possible to change the amplitude compare the transmitted and received sound waves.
  • the amplitude of the sound waves is damped, for example by overflowed cookware or by touching a switching zone. Events or states can be compared with the amplitude evaluate on the hotplate 12 and to control functions of the Device.
  • the evaluation circuit 4 To determine the presence or absence of a cookware can the evaluation circuit 4 the rate of increase Cooking zone temperature in relation to that on the appliance for a cooking zone 13 Determine the heating power set. The slew rate, the Temperature gradient is larger when there is no cookware on the Cooking zone 13 stands as if there were cookware on the cooking zone 13 stands.
  • the evaluation circuit 4 or the control circuit 5 By implementing an appropriate algorithm in the evaluation circuit 4 or the control circuit 5, which in practice are formed by a microprocessor or microcontroller, it is possible to switch off or reduce the heating output if none Cookware is on the cooking zone 13. It becomes a dangerous one Operating state avoided.
  • the device By measuring the temperature rise during manufacture or The device is put into operation for the first time when it is fully energized Heating elements 14 for each cooking zone 13 - without cookware - the Temperature rise determined. Then turns on in the cooking mode Put cookware with food on the cooking zone 13, then the Characteristic curve of the temperature curve flatter than in the initial measurement or the value saved from it. Depending on this The difference may be the required heat-up temperature or the Parboiling power can be controlled.
  • the device can be "trembling” via the evaluation circuit 4 Evaluate (trembling) the sound signal amplitude. This effect occurs, briefly before the food comes to a boil. He is familiar with the Noise connected. This creates in the cookware Sound waves that overlap the sound waves of the plate or wall. This phenomenon can be determined by evaluating the amplitude or Frequency of the "trembling" of the received sound signal can be detected.
  • the parboiling process can be designed as follows:
  • the parboil time will end at the latest when one of the respective Continuous cooking level has been assigned to the specific cooking time.
  • the Cooking time is ended prematurely when the by the Temperature rise gradients determined a shorter period of time pretends.
  • the boil-up period is ended prematurely even when that is over the "trembling" signal determined before the other criteria occurs.
  • the device described also makes it possible to remove the residual heat the cooking zone 13 to be taken into account.
  • the temperature measurement of the Cooking zone 13 on the phase shift allows at Entry of a new setting variable by the user, which is still energy to be supplied taking into account the range of To control cooking zone 13 still existing heat content. It can also the heating time by an amount dependent on the residual heat can be reduced.
  • the device described is also suitable for recognizing a Overflow of cookware from the cookware onto the cooking zone 13. If cookware overflows, the sound signal is damped in such a way that the sound signal amplitude is reduced. Thereupon is then over the Evaluation circuit 4 and the control circuit 5 on the heating power reset or switched off an uncritical value. It can it should be provided that when the cooking zone 13 is done, the heating element 14 with the previous heating power or a reduced heating power is switched on again by the Continue cooking.
  • the device described can also be a state of the art the technology of conventional electromechanical temperature limiters there is no need to protect the glass ceramic plate 12 from overheating.
  • the Evaluation circuit 4 with control circuit 5 is programmed for this purpose, that before the critical glass ceramic temperature is reached Heating power is reduced or switched off.
  • the described device also enables the following safety function: Fires always occur when operating kitchen stoves because fat in the cookware overheats and ignites itself.
  • the flash point of cooking oils and fats is around 280 ° C.
  • the self-ignition of cooking oils and cooking fats occurs at around 370 ° C.
  • the temperature of the cooking zone 13 can be limited to a value below the autoignition temperature of cooking oils and cooking fats. If the limit value is exceeded for a certain time, the heating output is switched off or at least reduced.
  • the device described is also suitable as a warning indicator for hot Cooking zones 13. It determines the warning signal from the phase shift the sound waves.
  • the Evaluation circuit 4 and the control circuit 5 are programmable in such a way that either the cooking zone affected by the break or all Cooking zones can be switched off.

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Abstract

Bei einer Einrichtung zur Zustandserfassung an einer Platte oder einer Wand eines Haushaltgerätes, insbesondere Küchengerätes, soll die Zustandserfassung vereinfacht und verbessert werden. Hierfür überträgt an wenigstens einer ersten Stelle der Platte 12 oder Wand 8 ein Schallwellensender 1 Schallwellen auf die Platte 12 oder die Wand 8. An einer vom Schallwellensender 1 entfernten zweiten Stelle der Platte 12 oder der Wand 8 ist ein Schallwellenempfänger 2 oder ein Schallwellen reflektierendes Element 3 angeordnet, wobei wenigstens ein Parameter der Schallwellen durch den zwischen der ersten Stelle und der zweiten Stelle herrschenden Zustand beeinflusst wird. Eine Auswerteschaltung 4 wertet die zustandsbedingte Beeinflussung der Schallwellen aus.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Zustandserfassung an einer Platte oder einer Wand eines Haushaltgerätes, insbesondere Küchengerätes, speziell Küchenherdes.
Bei Kochplatten eines Küchenherdes soll die Temperatur des Kochgutes erfasst werden, ohne dass Temperaturfühler in das Kochgut eingebracht werden müssen. Bei den bekannten Einzelkochplatten aus Gusseisen ist eine mittig angeordnete Temperaturmessdose vorgesehen, an der der Boden des Kochtopfes anliegt. Für Glaskeramik-Kochfelder ist diese Lösung nicht praktikabel. Denn sie würde Durchbrechungen der Glaskeramikplatte bedingen. Solche Durchbrechungen sind fertigungstechnisch nur schwer herstellbar und abdichtbar. Sie würden darüber hinaus die bei Glaskeramikplatten wesentliche einfache Pflege beeinträchtigen.
Es ist zur Temperaturerfassung des Kochgutes auch eine Infrarot-Messeinrichtung bekannt, die die Oberfläche des Kochtopfes abtastet. Dabei sind besondere Gestaltungen des Kochtopfes nötig, um für die Temperaturmessung einen geeigneten Emissionsfaktor zu erreichen.
Bei Glaskeramikplatten ist es zur Temperaturerfassung bekannt, auf die Unterseite der Glaskeramikplatte elektrische Leiter aufzudrucken, mittels denen die temperaturabhängige elektrische Widerstandsänderung des Glaskeramikmaterials erfasst werden kann. Geeignete Materialien für die elektrischen Leiterstreifen sind aufwändig aufzubringen und teuer. Die Leiterstreifen sind auch schwer mit weiterführenden elektrischen Leitungen kontaktierbar. Die Leiterstreifen sind direkter Hitze des jeweiligen Heizkörpers ausgesetzt und sie schatten einen Teil der Wärmestrahlung ab, der an sich auf den Kochtopfboden fallen sollte. Da die Glaskeramik beim Beheizen niederohmig wird, muss die Schaltung der Leiterstreifen vom elektrischen Netz getrennt sein.
Bei Backöfen ist es bekannt, in einer Ecke einer Wand des Backofens einen Temperatursensor anzuordnen. Ein solcher Sensor erfasst die Temperatur nur punktuell. Er erfasst nicht die in der Mitte des Backofeninnenraumes herrschende Temperatur. Deshalb müssen bei der Entwicklung des Backofens zeitraubende und kostenintensive Versuche gefahren werden, um zu ermitteln, welche Temperatur am Temperatursensor welcher Temperatur im Innern des Backofens entspricht. Solche Versuche sind insbesondere auch deshalb aufwändig, weil für jede Betriebsart, wie Oberhitzenbetrieb und/oder Unterhitzenbetrieb oder Heißluftbetrieb, das Verhältnis der Temperaturen anders ist. Nach Ermittlung der zwischen der Messstelle und dem Backofeninnenraum bestehenden Temperaturverhältnisse (Temperatur-Offset) muss der mit dem Temperatursensor, beispielsweise Kapillarrohrfühler, verbundene mechanische Regler entsprechend justiert werden, um in allen Betriebsarten ein ausreichend gutes Backergebnis zu erzielen. In der Praxis kommt es dann oft dazu, dass der zunächst vorgesehene Anbringungsort des Temperatursensors ungeeignet ist und dementsprechend geändert werden muss, wonach alle Versuche erneut durchgeführt werden müssen.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung zur Temperaturerfassung der eingangs genannten Art vorzuschlagen, mit der die Temperaturerfassung vereinfacht und verbessert ist.
Erfindungsgemäß ist obige Aufgabe durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst.
Dabei wird die Erkenntnis ausgenutzt, dass sich in Abhängigkeit vom Zustand auf der Übertragungsstrecke der Schallwellen an einer Platte oder Wand sich in ihr oder auf ihr fortpflanzende Schallwellen, insbesondere hinsichtlich ihrer Ausbreitungscharakteristik, ändern. Diese Änderungen lassen sich durch Messung der Laufzeit von vorzugsweise gepulsten Signalen, der Phasenverschiebung, der Amplitudenänderung oder einer Resonanzverstimmung messen. Der erfassbare Zustand ist insbesondere die Temperatur und/oder eine Beaufschlagung der Platte oder Wand, beispielsweise eine Verschmutzung, übergelaufenes Kochgut, ein Bruch oder eine Fingerberührung der Platte oder Wand. Die Einrichtung ist mit einfachen Mitteln an der Platte oder Wand anbringbar. Der Bereich, dessen Zustand erfasst werden soll, ist auf einfache Weise eingrenzbar. Die Einrichtung kann mit einfachen Bauelementen realisiert werden.
Die Schallwellen können Rayleigh-Wellen oder Lamb-Wellen sein. Diese beiden Schallwellentypen unterscheiden sich hinsichtlich ihrer räumlichen Ausbreitungsstruktur. Rayleigh-Wellen pflanzen sich auf der Oberfläche fort. Bei Lamb-Wellen treten Schwingungen der Dicke der Platte oder Wand auf.
Bei dem Einsatz der Einrichtung an Kochplatten zur Temperaturerfassung besteht der Vorteil, dass die Temperaturerfassung sehr nahe am Kochtopfboden erfolgt, dass die Einrichtung die Kochplatte nicht beeinträchtigt, keine besonderen Kochtöpfe nötig sind und keine Beschattung der Kochzone erfolgt.
Bei dem Einsatz der Einrichtung bei Backöfen ist günstig, dass die Temperatur in einem großen Wandbereich erfasst werden kann. Dadurch erübrigen sich aufwändige Justagemaßnahmen.
Mittels der Einrichtung lassen sich Heizelemente und/oder Anzeigeelemente des Geräts, insbesondere Küchenherds, steuern.
Vorzugsweise erfasst die Auswerteschaltung die sich temperaturabhängig ändernde Phasenverschiebung bzw. Phasenlage der Schallwellen. In Ausgestaltung der Erfindung sind die Schallwellen auf Resonanz abgestimmt, wobei sich die Abstimmung temperaturabhängig verstimmt. Die Auswerteschaltung regelt die Schallwellenfrequenz so nach, dass der Resonanzzustand erhalten bleibt. Das hierfür nötige Maß der Frequenzänderung entspricht der jeweiligen Temperaturänderung.
Die Auswerteschaltung kann auch die Änderung der Amplitude der Schallwellen erfassen. Damit sind zusätzliche Betriebszustände erkennbar.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung und den Unteransprüchen. In der Zeichnung zeigen:
  • Figur 1 eine Ansicht der Einrichtung an einer Wand eines Backofens mit einer Schallmessstrecke,
  • Figur 2 eine Ansicht der Wand,
  • Figur 3 eine Ansicht der Wand mit zwei Messstrecken in unterschiedlichen Höhen,
  • Figur 4 eine Alternative zu Figur 3,
  • Figur 5 die Schallmesseinrichtung an einer Glaskeramik-Kochplatte in Seitenansicht,
  • Figur 6 eine Aufsicht einer Glaskeramik-Kochplatte mit einem zentralen Schallwellensender,
  • Figur 7 eine Figur 6 ähnliche Glaskeramikplatte und
  • Figur 8 die Einrichtung an einer Glaskeramikplatte, wobei vier Schallwellensender vorgesehen sind.
    • Bei den Ausführungsbeispielen besteht zwischen voneinander beabstandeten ersten und zweiten Stellen eine Messstrecke. Für die jeweilige Messstrecke sind zwei Möglichkeiten vorgesehen. Im einen Fall (vgl. Fig.1, Fig.2, Fig.3, Fig.5, Fig.6, Fig.7) ist an der ersten Stelle ein Schallwellensender 1 und an der zweiten Stelle ein Schallwellenempfänger 2 angeordnet. Beide können mit Piezoelementen 1',2' als Sende- bzw. Empfangselemente arbeiten. Dem Schallwellensender 1 ist eine Sendeschaltung 1" zugeordnet. Dem Schallwellensender 2 ist eine Empfangsschaltung 2" zugeordnet.
    Im andern Fall (vgl. Fig.4, Fig.8) ist an der ersten Stelle ein von Sendebetrieb auf Empfangsbetrieb intermittierend umschaltbarer Schallwellensender 1 und an der zweiten Stelle ein Schallwellen reflektierendes Element 3 angeordnet. Das Schallwellen reflektierende Element 3 kann von einem auf die Platte oder Wand aufgebrachten, insbesondere aufgedruckten, Streifen bestehen, der eine Störstelle derart bildet, dass auftreffende Schallwellen reflektiert werden. Eine solche definierte Störstelle kann auch durch eine Ausformung oder Einformung der Platte oder Wand gebildet sein. Eine solche Störstelle bildet auch ein etwaiger Bruch der Platte.
    Die Arbeitsfrequenz des Schallwellensenders 1 beträgt beispielsweise etwa 1 MHz.
    Die Schallwellen des Schallwellensenders 1 pflanzen sich in oder auf der Platte oder Wand fort. Je nach der Temperatur der Platte oder Wand - und der Länge der Messstrecke - ändert sich dabei die Phasenlage der Schallwellen.
    Um die Änderung der Phasenlage zu erfassen, ist eine elektronische Auswerteschaltung 4 vorgesehen, die die Phasenlage der gesendeten Schallwellen mit der Phasenlage der empfangenen Schallwellen vergleicht und die sich ergebende Differenz auswertet. Die Phasenlagendifferenz bildet ein Maß für die jeweilige Temperatur bzw. die Temperaturänderung. Bei der Auswertung kann auch vorgesehen sein, das System auf Resonanz abzustimmen und bei einer temperaturbedingten Verstimmung der Resonanz die Schallwellenfrequenz auf den Resonanzzustand nachzuregeln. Die Größe der dabei nötigen Frequenzänderung ist ein Maß für die Temperaturänderung.
    Der Auswerteschaltung 4 ist eine Steuerschaltung 5 zugeordnet Diese steuert Heizelemente 6 und/oder Anzeigeelemente 7 des Geräts (vgl. Fig.2, Fig.5).
    Bei der Gestaltung nach Figur 1 sind der Schallwellensender 1 in einem untenliegenden Eckbereich einer Backofenwand 8 und der Schallwellenempfänger 2 diagonal gegenüber in einem obenliegenden Bereich der Backofenwand 8 angeordnet. Beide sind an deren Außenseite 9 befestigt. Dabei sind die Piezoelemente 1',2' des Schallwellensenders 1 und Schallwellenempfängers 2 nicht direkt an der Backofenwand 8 befestigt, sondern mit dieser über Distanzstücke 10 verbunden. Die Piezoelemente sind auf die Distanzstücke 10 geklebt. Die Distanzstücke 10 sind mit der Backofenwand 8 verbunden. Vorzugsweise bestehen die Distanzstücke 10 aus einem schlecht wärmeleitenden, aber schallharten Material, beispielsweise Keramik. Die Distanzstücke 10 dienen dazu, die Temperatur an den Piezoelementen so weit zu reduzieren, dass deren maximal zulässige Betriebstemperatur nicht überschritten wird. Die Innenseite 11 der Backofenwand 8 begrenzt den Backraum.
    Bei der Anordnung nach Figur 1 erstreckt sich die Messstrecke diagonal über die Backofenwand 8. Damit ist erreicht, dass die Temperatur in einem großen Bereich der Backofenwand 8 und nicht nur an einer Einzelstelle erfasst wird. Die so erfasste Temperatur bildet ein sicheres Maß für die im Backofeninnenraum tatsächlich herrschende Temperatur. Im Bedarfsfall kann die Temperaturerfassung in der beschriebenen Weise auch an mehreren Wänden, auch an der Bodenwand und der Deckenwand erfolgen, wobei an einer Wand der Sender 1 und an einer anderen Wand der Empfänger 2 angeordnet sein kann.
    Bei der Ausführung nach Figur 3 sind an der Backofenwand 8 eine obere Messstrecke mit einem Schallwellensender 1a und einem Schallwellenempfänger 2a sowie eine untere Messstrecke mit einem Schallwellensender 1b und einem Schallwellenempfänger 2b vorgesehen. Die obere Messstrecke erfasst die im Backofen herrschende Oberhitze. Die untere Messstrecke erfasst die im Backofen herrschende Unterhitze. Dem Messergebnis entsprechend kann gezielt die Verteilung von Oberhitze und Unterhitze während des Backvorgangs variiert werden.
    Die Ausführung nach Figur 4 entspricht bezüglich der Erfassung der Oberhitze und der Unterhitze der Ausführung nach Figur 3. Bei der Ausführung nach Figur 4 sind keine separaten Schallwellenempfänger vorgesehen. An deren Stellen sind Schallwellen reflektierende Elemente 3a,3b innen an der Backofenwand 8 angeordnet. Die Schallwellensender 1a,1b werden intermittierend über die Senderschaltung von Sendebetrieb auf Empfangsbetrieb umgeschaltet. Dabei wertet der Schallwellensender 1a bzw. 1b im Empfangsbetrieb jeweils das von dem Schallwellen reflektierenden Element 3a bzw. 3b reflektierte Schallsignal aus. Dadurch ist nur ein Piezoelement je Messstrecke nötig. Das Schallwellen reflektierende Element 3 kann auch vom Rand der Backofenwand 8 selbst gebildet sein.
    Damit bei der Anordnung nach Figur 4 die reflektierten Signale nur vom richtigen Schallwellensender ausgewertet werden, ist es möglich, die Sendesignale der Schallwellensender 1a und 1b unverwechselbar zu modulieren. Dies kann beispielsweise durch Pulsmodulation erfolgen. Es ist auch möglich, die Schallwellensender 1a und 1b wechselweise zu betreiben. In diesem Fall arbeitet dann der Schallwellensender 1a weder im Sendebetrieb noch im Empfangsbetrieb, wenn der Schallwellensender 1b arbeitet und umgekehrt.
    Die Messstrecke kann auch in zwei oder mehreren Wänden des Backofens verlaufen. Dafür ist dann an einer der Wände der Schallwellensender 1 und an einer anderen Backofenwand 8 der Schallwellenempfänger 2 bzw. das Schallwellen reflektierende Element 3 angeordnet.
    Die Figuren 5 bis 8 zeigen die Einrichtung bei einer Glaskeramikplatte 12 eines Küchenherdes, die mehrere Kochzonen 13 aufweist. Jeder Kochzone 13 ist wenigstens ein Heizelement 6 für ein Kochgeschirr K zugeordnet. Neben der Kochzone 13 ist der Schallwellensender 1 und diagonal gegenüber neben der Kochzone 13 ist der Schallwellenempfänger 2 (vgl. Fig.5, Fig.6, Fig.7) oder ein Schallwellen reflektierendes Element 3 oder mehrere Schallwellen reflektierende Elemente 3 (vgl. Fig.8) angeordnet. In der zwischen den Schallwellensendern 1 und den Schallwellenempfängern 2 bzw. den Schallwellensendern 1 und den Schallwellen reflektierenden Elementen 3 bestehenden Messstrecke wird die Temperatur der jeweiligen Kochzone 13 und damit die Temperatur des Kochgeschirrs K erfasst. Entsprechend der Temperatur der Kochzone 13 ändert sich die Phasenlage der empfangenen Schallwellen. Wie beschrieben wird die Phasenlage verglichen, wobei auch die oben genannte Resonanzabstimmung und Frequenznachregelung über die Auswerteschaltung 4 und die Senderschaltung erfolgen kann. Das elektrische Heizelement 6 wird von der Steuerschaltung 5 entsprechend der ermittelten Temperatur gesteuert.
    Bei der Ausführung nach Figur 6 ist in der Mitte zwischen den vier Kochzonen 13 ein einziger Schallwellensender 1 vorgesehen. Diesem bezogen auf jede der vier Kochzonen 13 gegenüber sind in Eckbereichen der Glaskeramikplatte 12 Schallwellenempfänger 2 angeordnet. Der Schallwellensender 1 und die Schallwellenempfänger 2 sind an der Unterseite 15 der Glaskeramikplatte 12 angeordnet (vgl. Fig.5).
    Die Ausführung nach Figur 7 gleicht der nach Figur 6, wobei jedoch nur bei zwei Kochzonen 13 Schallwellenempfänger 2 vorgesehen sind.
    Bei der Gestaltung nach Figur 8 sind vier Schallwellensender 1, die jeweils von Sendebetrieb auf Empfangsbetrieb umschaltbar sind, in den Eckbereichen der Glaskeramikplatte 12 neben den Kochzonen 13 angeordnet. In der Mitte der Glaskeramikplatte 12, zwischen den Kochzonen 13, sind Schallwellen reflektierende Elemente 3 an der Unterseite 15 der Glaskeramikplatte 12 vorgesehen, die jeweils von den vier Schallwellensendern 1 ausgehende Schallwellen auf diese zurück reflektieren. Die Schallwellen reflektierenden Elemente 3 können durch auf die Oberseite der Glaskeramikplatte 12 aufgedruckte Streifen gebildet sein. Es kann zur Reflektion der Schallwellen der vier Schallwellensender 1 auf den jeweiligen Schallwellensender 1 zurück ein einziges geeignet figuriertes Schallwellen reflektierende Element 3 genügen. Das Schallwellen reflektierende Element 3 bzw. die Schallwellen reflektierenden Elemente 3 können aus einer harten Keramik bestehen, die eine Schallwellen reflektierende Störstelle an der Oberseite der Glaskeramikplatte 12 bildet.
    Bei der beschriebenen Einrichtung ist es auch möglich, die Amplitude der gesendeten und empfangenen Schallwellen zu vergleichen. Die Amplitude der Schallwellen wird gedämpft, beispielsweise durch übergelaufenes Kochgut oder durch eine Berührung einer Schaltzone. Durch den Amplitudenvergleich lassen sich Ereignisse bzw. Zustände auf der Kochplatte 12 auswerten und zur Steuerung von Funktionen des Geräts verwenden.
    Mit der beschriebenen Einrichtung sind verschiedene Ereignisse erkennbar und angepasste Funktionen des Geräts steuerbar.
    Zur Ermittlung der Anwesenheit oder Abwesenheit eines Kochgeschirrs kann die Auswerteschaltung 4 die Anstiegsgeschwindigkeit der Kochzonentemperatur in Beziehung zur am Gerät für eine Kochzone 13 eingestellten Heizleistung ermitteln. Die Anstiegsgeschwindigkeit, der Temperaturgradient, ist größer, wenn kein Kochgeschirr auf der Kochzone 13 steht, als dann, wenn ein Kochgeschirr auf der Kochzone 13 steht. Durch Implementierung eines entsprechenden Algorithmusses in die Auswerteschaltung 4 bzw. die Steuerschaltung 5, die in der Praxis von einem Mikroprozessor oder Mikrocontroller gebildet sind, ist es möglich, die Heizleistung abzuschalten oder zu reduzieren, wenn kein Kochgeschirr auf der Kochzone 13 steht. Damit wird ein gefährlicher Betriebszustand vermieden.
    Bei bekannten Systemen zur Ankochsteuerung wird einer einstellbaren Fortkochleistung der Heizelemente 6 eine feste Zeitdauer für das Ankochen zugeordnet. Beispielsweise wird bei üblichen Kochherden einer Fortkochstufe "3" eine Ankochdauer von 4,8 min. und bei einer Fortkochstufe "4" eine Ankochdauer von 6,5 min. fest zugeordnet. Diese starre Zuordnung setzt voraus, dass der Nutzer aus seiner Erfahrung die richtigen Einstellwerte bei gegebener Kombination von Kochtopf und dessen Füllmenge herausgefunden hat. Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung ist es möglich, die Ankochfunktion zu verbessern, indem der Verlauf des Temperaturanstiegs der jeweiligen Kochzone 13 durch die Auswertung des Schallsignals ermittelt wird.
    Durch eine Temperaturanstiegsmessung bei der Herstellung oder Erstinbetriebnahme des Geräts wird bei voller Energiezufuhr zu den Heizelementen 14 für jede Kochzone 13 - ohne Kochgeschirr - der Temperaturanstieg ermittelt. Wird dann im Kochbetrieb ein Kochgeschirr mit Kochgut auf die Kochzone 13 gestellt, dann wird die Kennlinie des Temperaturverlaufs flacher als bei der Anfangsmessung bzw. dem daraus gespeicherten Wert. In Abhängigkeit von dieser Differenz kann der erforderliche Ankochs-Wärmebedarf bzw. die Ankochleistung gesteuert werden.
    Die Einrichtung kann über die Auswerteschaltung 4 ein "trembling" (Zittern) der Schallsignalamplitude auswerten. Dieser Effekt tritt, kurz bevor das Kochgut zum Sieden kommt, auf. Er ist mit der bekannten Geräuschentwicklung verbunden. Im Kochgeschirr entstehen dabei Schallwellen, die sich den Schallwellen der Platte oder Wand überlagern. Diese Erscheinung kann durch Auswertung der Amplitude oder Frequenz des "trembling" des empfangenen Schallsignals erfasst werden. Damit lässt sich das Ankochverfahren folgendermaßen gestalten:
    Die Ankochzeit wird spätestens dann beendet, wenn eine der jeweiligen Fortkochstufe fest zugeordnete Ankoch-Zeitdauer überschritten ist. Die Ankochzeit wird dann vorzeitig beendet, wenn der durch den Temperaturanstiegsgradienten ermittelte Wert eine kürzere Zeitdauer vorgibt. Die Ankochzeit wird auch dann vorzeitig beendet, wenn das aus dem "trembling" ermittelte Signal noch vor den anderen Kriterien auftritt.
    Durch die beschriebene Einrichtung ist es auch möglich, die Restwärme der Kochzone 13 zu berücksichtigen. Die Temperaturmessung der Kochzone 13 über die Phasenverschiebung ermöglicht es, bei der Eingabe einer neuen Einstellgröße durch den Benutzer, die noch zuzuführende Energie unter Berücksichtigung des im Bereich der Kochzone 13 noch bestehenden Wärmeinhalts zu steuern. Dabei kann auch die Ankochzeit um einen von der Restwärme abhängigen Betrag vermindert werden.
    Mittels der Einrichtung kann auch das Leerkochen eines Kochgeschirrs erkannt werden. Ist die Flüssigkeit des Kochgutes im Kochgeschirr verdampft, erfolgt ein deutlicher Temperaturanstieg an der Kochzone 13. Dieses kann zu einer Reduzierung oder Abschaltung der Heizleistung ausgewertet werden.
    Die beschriebene Einrichtung eignet sich auch zum Erkennen eines Überlaufens von Kochgut aus dem Kochgeschirr auf die Kochzone 13. Läuft Kochgut über, dann wird das Schallsignal derart gedämpft, dass sich die Schallsignalamplitude reduziert. Daraufhin wird dann über die Auswerteschaltung 4 und die Steuerschaltung 5 die Heizleistung auf einen unkritischen Wert zurückgestellt oder abgeschaltet. Es kann vorgesehen sein, dass, wenn danach eine Abkühlung der Kochzone 13 erfolgt ist, das Heizelement 14 mit der vorherigen Heizleistung oder einer reduzierten Heizleistung wieder eingeschaltet wird, um den Kochvorgang fortzuführen.
    Durch die beschriebene Einrichtung kann sich auch ein nach dem Stand der Technik üblicher elektromechanischer Temperaturbegrenzer erübrigen, der die Glaskeramikplatte 12 vor Überhitzung schützt. Die Auswerteschaltung 4 mit Steuerschaltung 5 wird dafür so programmiert, dass vor Erreichen der kritischen Glaskeramiktemperatur die Heizleistung reduziert oder abgeschaltet wird.
    Vorteilhaft ist bei der beschriebenen Temperaturmessung, dass die für die Glaskeramikplatte 12 kritische Temperatur näher als beim Stand der Technik angefahren werden kann, wodurch die mögliche Ankochzeit reduziert wird, weil während der Ankochzeit mit hoher Heizleistung gearbeitet werden kann.
    Die beschriebene Einrichtung ermöglicht auch die folgende Sicherheitsfunktion:
    Beim Betrieb von Küchenherden entstehen immer wieder Brände, weil sich Fett im Kochgeschirr überhitzt und selbst entzündet. Der Flammpunkt von Speiseölen und Speisefetten liegt bei ca. 280°C. Die Selbstentzündung von Speiseölen und Speisefetten erfolgt bei etwa 370°C. Bei der beschriebenen Einrichtung kann die Temperatur der Kochzone 13 auf einen Wert unterhalb der Selbstentzündungstemperatur von Speiseölen und Speisefetten begrenzt werden. Wird der Begrenzungswert für eine gewisse Zeit überschritten, dann wird die Heizleistung abgeschaltet oder wenigstens reduziert.
    Die beschriebene Einrichtung eignet sich auch als Warnanzeige für heiße Kochzonen 13. Sie ermittelt das Warnsignal aus der Phasenverschiebung der Schallwellen.
    Günstig bei der beschriebenen Einrichtung und für ihre Funktion ist, dass die Temperatur der Glaskeramik auf der Oberfläche der Glaskeramikplatte 12 an der Kontaktstelle zum Kochgeschirr bzw. Kochtopf K gemessen und die dortige Temperatur zur Steuerung der Funktionen ausgewertet wird. Durch die Temperaturmessung über ein Schallsignal wird die Temperatur der Glaskeramikplatte 12 in den Kochzonen 13 genauer erfasst als dies beim Stand der Technik der Fall ist.
    Durch die beschriebene Einrichtung ist es auch möglich, eine Sicherheitsabschaltung bei einem Bruch der Glaskeramikplatte 12 einzuleiten, weil ein Bruch die Schallübertragung unterbricht. Die Auswerteschaltung 4 und die Steuerschaltung 5 sind so programmierbar, dass entweder die vom Bruch betroffene Kochzone oder alle Kochzonen abgeschaltet werden.
    Das Anzeigeelement 7 kann notwendige Informationen über die Einstellungen und den Betriebszustand geben, was bei einem Mikrocontroller oder Mikroprozessor über Schnittstellen erfolgt. Solche Schnittstellen sind insbesondere Ausgänge:
  • zur Ansteuerung von Signalmitteln,
  • zur Anzeige des eingestellten Temperatursollwerts der Kochstelle,
  • zur Anzeige des Zustandes "Ankochbetrieb",
  • zur Anzeige des Zustandes "Sicherheitsbegrenzung ist aktiv",
  • zur Anzeige des Zustandes "Temperatursollwert ist erreicht",
  • zur Anzeige des Zustandes "Restwärmeniveau",
  • Ausgänge für die Ausgabe akustischer Signalisierungen der vorgenannten Zustände,
  • Ausgänge für die Ausgabe von Textinformationen über die vorgenannten Zustände,
  • Ausgänge für die Ausgabe von sprachlichen Informationen über die vorgenannten Zustände, insbesondere einer sprachlichen Ausgabe der "Vorsicht-heiß"-Informationen bei heißer Kochzone.
    • Die bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen erläuterten Teilmerkmale lassen sich auch bei anderen der geschilderten Ausführungsbeispiele verwenden. Es ist je nach den Einsatzbedingungen günstig, die oben bei den Figuren 1 bis 8 beschriebenen Einzelmerkmale je einzeln oder mehrfach zu kombinieren.

    Claims (12)

    1. Einrichtung zur Zustandserfassung an einer Platte oder einer Wand eines Haushaltgerätes, insbesondere Küchengerätes, speziell Küchenherdes,
      dadurch gekennzeichnet, dass an wenigstens einer ersten Stelle der Platte (12) oder der Wand (8) ein Schallwellensender (1) Schallwellen auf die Platte (12) oder die Wand (8) überträgt und dass an einer vom Schallwellensender (1) entfernten zweiten Stelle der Platte (12) oder der Wand (8) ein Schallwellenempfänger (2) oder ein Schallwellen reflektierendes Element (3) angeordnet ist, wobei wenigstens ein Parameter der Schallwellen durch einen auf dem Übertragungsweg der Schallwellen zwischen der ersten Stelle und der zweiten Stelle herrschenden Zustand beeinflusst wird, und dass eine Auswerteschaltung (4) die zustandsbedingte Beeinflussung des Parameters der Schallwellen zur Auslösung eines Steuervorgangs und/oder einer Anzeige auswertet.
    2. Einrichtung nach Anspruch 1,
      dadurch gekennzeichnet, dass der Zustand die Temperatur oder eine Beaufschlagung der Oberfläche der Platte (12) oder Wand (8) ist oder der Parameter die Laufzeit oder die Phasenlage, die Resonanzverstimmung oder die Amplitude der, insbesondere gepulsten, Schallwellensignale ist.
    3. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
      dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteschaltung (4) wenigstens ein Heizelement (6) und/oder wenigstens ein Anzeigeelement (7) des Haushaltgeräts steuert.
    4. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
      dadurch gekennzeichnet, dass die Schallwellen auf Resonanz abgestimmt sind, wobei sich die Abstimmung zustandsabhängig, insbesondere temperaturabhängig, verstimmt, und dass die Auswerteschaltung (4) die Schallwellenfrequenz so nachregelt, dass der Resonanzzustand erhalten bleibt, wobei die Größe der Frequenznachregelung als Maß für den herrschenden Zustand, insbesondere die Temperatur, ausgewertet wird.
    5. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
      dadurch gekennzeichnet, dass der Schallwellensender (1) intermittierend von Sendebetrieb auf Empfangsbetrieb umschaltbar ist, wobei er im Empfangsbetrieb das von dem Schallwellen reflektierenden Element (3) kommende Schallwellensignal erfasst.
    6. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
      dadurch gekennzeichnet, dass, wenn ein oder mehrere Schallwellensender (1) und Schallwellenempfänger (2) oder Schallwellen reflektierende Elemente (3) an der Platte (12) oder Wand (8) vorgesehen sind, das Schallwellensignal zur Erkennung der unterschiedlichen Schallwellenstrecken moduliert ist.
    7. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
      dadurch gekennzeichnet, dass die Wand eine Backofenwand (8) ist und der Schallwellensender (1) sowie der Schallwellenempfänger (2) außen bzw. das Schallwellen reflektierende Element (3) innen an der Backofenwand (8) angeordnet ist,
      wobei vorzugsweise der Schallwellensender (1) und der Schallwellenempfänger (2) oder das Schallwellen reflektierende Element (3) in unterschiedlichen Höhen der Backofenwand (8) angeordnet sind.
    8. Einrichtung nach Anspruch 7,
      dadurch gekennzeichnet, dass zur separaten Erfassung der im Backofen herrschenden Oberhitze und Unterhitze oben und unten an der Backofenwand (8) je ein Schallwellensender (1,1') und ein Schallwellenempfänger (2,2') oder ein Schallwellen reflektierendes Element (3,3') angeordnet ist.
    9. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6,
      dadurch gekennzeichnet, dass die Platte eine Kochplatte (12), insbesondere Glaskeramikplatte, mit mehreren Kochzonen (13) ist und dass der oder die Schallwellensender (1) und der oder die Schallwellenempfänger (2) unten bzw. das Schallwellen reflektierende Element (3) oder die Schallwellen reflektierenden Elemente oben an der Kochplatte (12) angeordnet sind,
      wobei vorzugsweise in der Mitte zwischen mehreren Kochzonen (13) ein Schallwellensender (1) und in einem oder mehreren der Eckbereiche der Kochplatte (12) Schallwellenempfänger (2) oder Schallwellen reflektierende Elemente (3) angeordnet sind und zwischen dem gemeinsamen Schallwellensender (1) und je einem der Schallwellenempfänger (2) oder Schallwellen reflektierenden Elemente (3) je eine Kochzone (13) liegt
      oder in zwei oder mehreren Eckbereichen der Kochplatte (12) je ein Schallwellensender (1) angeordnet ist und in der Mitte zwischen den Kochzonen (13) ein oder mehrere Schallwellenempfänger (2) oder Schallwellen reflektierende Elemente (3) angeordnet sind.
    10. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
      dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteschaltung (4) die Anstiegsgeschwindigkeit der Temperatur der Kochzone (13) derart auswertet, dass die Anwesenheit oder Abwesenheit eines Kochgeschirrs und/oder das Leerkochen des Kochgeschirrs erfasst wird und/oder ein Ankochen und/oder Fortkochen gesteuert wird,
      und/oder dass die Auswerteschaltung (4) die Temperatur der Kochzone (13) derart auswertet, dass die Wärme erfasst wird und/oder eine Temperaturbegrenzungsfunktion und/oder eine Sicherheitstemperaturbegrenzung erreicht wird und/oder eine Warnanzeige bei heisser Kochzone (13) ausgelöst wird.
    11. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
      dadurch gekennzeichnet, dass der Schallwellensender (1) und/oder der Schallwellenempfänger (2) ein Piezoelement aufweist
      und/oder dass das Schallwellen reflektierende Element (3) von einer auf die Platte (12) oder Wand (8) aufgebrachten, insbesondere aufgedruckten Schicht oder einer Einformung oder Ausformung, besteht.
    12. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
      dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteschaltung (4) einen in einem Kochgeschirr beginnenden Siedevorgang auswertet
      und/oder dass die Auswerteschaltung (4) einen Überlauf von Kochgut auf die Platte (12) auswertet
      und/oder dass die Auswerteschaltung (4) einen Bruch der Platte (12) auswertet.
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