EP2826335B1 - Schmiegsames wärmegerät - Google Patents

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EP2826335B1
EP2826335B1 EP12712081.4A EP12712081A EP2826335B1 EP 2826335 B1 EP2826335 B1 EP 2826335B1 EP 12712081 A EP12712081 A EP 12712081A EP 2826335 B1 EP2826335 B1 EP 2826335B1
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EP
European Patent Office
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heating
conductor
oscillator
sensor
rho
Prior art date
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Active
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EP12712081.4A
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English (en)
French (fr)
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EP2826335A1 (de
Inventor
Ralf KÖHLER
Ernst Merk
Thomas WILDERMUTH
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.)
Beurer GmbH
Original Assignee
Beurer GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Beurer GmbH filed Critical Beurer GmbH
Publication of EP2826335A1 publication Critical patent/EP2826335A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP2826335B1 publication Critical patent/EP2826335B1/de
Active 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
    • H05B3/40—Heating elements having the shape of rods or tubes
    • H05B3/54—Heating elements having the shape of rods or tubes flexible
    • H05B3/56—Heating cables
    • 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
    • H05B1/00—Details of electric heating devices
    • H05B1/02—Automatic switching arrangements specially adapted to apparatus ; Control of heating devices
    • H05B1/0227—Applications
    • H05B1/0252—Domestic applications
    • 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
    • H05B2203/00—Aspects relating to Ohmic resistive heating covered by group H05B3/00
    • H05B2203/019—Heaters using heating elements having a negative temperature coefficient
    • 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
    • H05B2203/00—Aspects relating to Ohmic resistive heating covered by group H05B3/00
    • H05B2203/02—Heaters using heating elements having a positive temperature coefficient

Definitions

  • the invention relates to a flexible heat device with a operated via a control device flexible electrical heating device having at least one flexible support connected to a flexible heating element, which has a lying in a heating circuit and a heat conductor separated therefrom via an intermediate insulation flexible sensor conductor, with a dampable oscillator which is included in the control device and connected to the sensor conductor, the output signal of which is variable as a function of various functional states of the heating device detected by the sensor conductor, and an evaluation device by means of which error states can be detected from the output signal.
  • Such a flexible heat device is in the DE 10 2008 006 017 B4 specified.
  • a preferably designed as a heating cord heating element is embedded in a flexible carrier, which has a heating conductor and a sensor conductor and an intermediate, electrically insulating intermediate layer and an outer insulating layer.
  • the heating conductor and the sensor conductor are connected to a control device with which, on the one hand, the heating operation can be controlled or is controllable and on the other hand, the regulatory function of the heater is monitored.
  • the control device has at least one in the heating circuit, in which the heating element is located, arranged on the circuit breaker, which is controllable according to the desired heat output in compliance with safety criteria.
  • the sensor conductor is connected to a damped oscillator circuit whose output signal is processed in terms of the functional states in an evaluation device.
  • the output signal of the oscillator changes in particular also as a function of different functional states of the intermediate insulation between the sensor conductor and the heating conductor, which constitutes an essential sensor element and advantageously has a negative temperature response of its resistance value (NTC behavior), wherein the temperature dependence is preferably exponential.
  • NTC behavior negative temperature response of its resistance value
  • the intermediate insulation can be formed by melting, ie irreversible or irreparable, so that mainly short circuits can be detected safely. It can also be formed (for usual temperatures to be detected) not melting. If only the resistance change without melting through is used to switch off the heating device, a faulty functional state can be reversibly corrected.
  • the sensor conductor and / or the heating conductor has or have temperature-dependent resistance behavior, in particular a positive temperature characteristic of the resistance value (PTC behavior).
  • PTC behavior a positive temperature characteristic of the resistance value
  • this monitoring system comprising the oscillator circuit, a variety of functional states can be detected and distinguished, wherein the output signal of the oscillator can undergo different signal changes depending on the functional state, such as amplitude change, phase change, change of a pulse-pause ratio, which can be evaluated by means of the evaluation individually or in various combinations for determining the functional state of the heating device.
  • flexible heaters are subject to various influences, such. As aging, frequent washing, improper use, component tolerances and the like., Which also affect the signal changes of the oscillator and can lead to difficulties in the evaluation of conditions of the heater or lack of reliability of the assessments made and related misinterpretations.
  • control device is designed in a special way for the generation and evaluation of a phase shift. Even in this case, cases may occur in which error detection and evaluation is difficult.
  • heating element is also designed as a heating cord with a heating conductor, a sensor conductor and a NTC intermediate insulation to z.
  • the heating conductor and the sensor conductor can have a positive temperature response of their resistance value (PTC behavior) in order to control the heating power based thereon.
  • the US 4,205,223 A shows a pliable heating device with a flexible heating element having a heating conductor and a sensor conductor and is connected to an over-temperature monitoring arrangement.
  • This has a voltage sensing network with resistors connected in series with the sensor conductor and between a neutral conductor and a live conductor are connected.
  • the voltage detection network is connected via further resistors to a peak detector with a diode.
  • the GB 2 138 600 A also has a pliable heating device with a temperature-sensitive sensor to the content.
  • the WO 2004/107814 A1 shows another flexible heating device with an electric heater and a control device having a monitoring device.
  • a timing circuit is provided, by means of which the heating operation can be reduced or switched off in a defined manner.
  • the invention has for its object to provide a pliable warming device of the type mentioned, in which error conditions as reliably as possible detected and different functional states are as accurately as possible distinguishable.
  • the sensor conductor on the one hand to increase the discrimination of the variable depending on the various functional states output signal of the oscillator via a connected to the sensor conductor in series impedance arrangement of at least one ohmic, capacitive and / or inductive sensor resistance to the heating element and on the other hand via a ohmic current limiting resistor is connected to the oscillator, wherein the current limiting resistor is designed to limit the current supplied to the oscillator in the range of microamps to milliamps.
  • the said arrangement of the sensor resistor can be designed resistive, capacitive or inductive can, inter alia, caused by the intermediate isolation influences on the output signal of the oscillator in this much more clearly than in previous versions and can be seen with higher sensitivity or discrimination and thus increased reliability.
  • the sensor resistance allows optimum matching between the heating device and the control device, whereby the detected current by means of the current limiting resistor on the one hand to a value advantageous for the operation of the heater and the other for the signal generation via the oscillator and the evaluation of the output signal in the evaluation device tunable is.
  • Different heaters can be accurately adjusted using different sensor resistors and / or current limiting resistors for operation with the same control device with little effort.
  • An embodiment which is advantageous for the detection of different functional states consists in that the intermediate insulation has an NTC resistance characteristic with an ohmic resistance exponentially decreasing as a function of the temperature or a PTC resistance characteristic with an ohmic resistance which increases as a function of the temperature.
  • control device has a control device designed as an integrated circuit and that at least part of the oscillator is formed by the integrated circuit.
  • This can be, for example, in the integrated circuit such.
  • B. a microcontroller already use existing circuit components for the construction of the oscillator.
  • B. software settings of the oscillator such as basic frequency, pulse-pause ratio, basic amplitude and similar parameters for the setting of the oscillator programmatically use.
  • a further advantageous adaptation possibility between the oscillator and the heating device results from the fact that the oscillator has an externally connected to the integrated circuit external oscillator resistor.
  • a further advantageous embodiment of the heating device is that a fundamental frequency of the oscillator can be predetermined by means of the control device.
  • the fundamental frequency is defined, for example, when the heating device is not connected or when the heating device is connected under a predetermined standard condition.
  • the evaluation device is also supplied with a measuring signal tapped in the heating circuit and that the evaluation device is designed to determine fault conditions as a function of both the output signal of the oscillator and the measuring signal tapped in the heating circuit, particularly diverse evaluation possibilities arise, such as eg. B. a distinction between a fraction of the sensor conductor and an unplugged plug / coupling unit of the heater.
  • the measurement signal is a tapped at a measuring resistor of the heating circuit current measurement signal, which is also used in the control device for controlling or regulating the heating power under control of a arranged in the heating circuit switching device.
  • An advantageous embodiment of the heating device is that the sensor resistance and / or the current limiting resistor is arranged on the flexible support or in a detachable divider mounted on this connector / coupling unit. Is the sensor resistance and / or the current limiting resistor disposed in the part of the plug / coupling unit separable from the carrier, the sensor resistor and / or the current limiting resistor is / are removed before washing and not exposed to the washing process. The connection between the two parts of the plug / coupling unit is done for this purpose z. B. via a four-pin connector.
  • an advantageous for the signal generation in the oscillator and evaluation of the oscillator signal in the evaluation device is that the ohmic resistance of the sensor resistance in the range between one-hundredth and the simple of the ohmic resistance of the intact interim insulation at their room temperature is, for example, between one twentieth or one Twelfth and half.
  • a further advantageous embodiment of the heating device is that the heating conductor, the sensor conductor and the intermediate insulation lying between these parts of a heating cord, which is provided on its outer side with an outer insulation.
  • the heating conductor and / or the sensor conductor has a temperature-dependent ohmic resistance behavior, wherein the temperature response of the resistance value of one of the conductors or both Conductor with increasing temperature is positive (PTC behavior) or negative (NTC behavior).
  • control device is designed to distinguish between irreparable and repairable fault conditions and that a controllable by the control device protective element is present, with which the control device and / or the heater when detecting an irreparable fault condition in an irreversible dormant state can be brought.
  • control device has a display device with which different operating states and / or error states can be displayed. These measures can also contribute to increased safety.
  • the measures contribute to the fact that the control device has a memory device in which default values and / or evaluation programs are stored.
  • Fig. 1 shows a schematic representation of a pliable heat device with a flexible heater 10 and a control device for controlling the heating operation and for monitoring functional states of the heater including fault conditions, wherein individual circuit parts are shown as blocks.
  • the flexible, flexible heater 10 such as a thermal blanket, a heat blanket or a heating pad, has a flexible, pliable support 15, in which a flexible heating element with a heating element Rhi, a sensor conductor Rho and a disposed between these, electrically effective intermediate insulation ZW is embedded.
  • the control device in which the heating element is integrated, has one via an electrical line arrangement with the heater 10 via various electrical Components connected control device 30, which is connected to one for controlling or regulating the heating power to a heating conductor Rhi comprehensive heating circuit 100 and the other to monitor operating conditions of the heater 10 to the sensor conductor Rho. Furthermore, the control device 30 via different inputs or outputs with further, in Fig.
  • a control unit 40 with switches and / or buttons for selecting settings by a user
  • a display unit 50 for visual, audible and / or tactile representation of information for the user or a maintenance person
  • a power supply unit 70 for the Control device 30 and optionally further components
  • a zero crossing detection circuit 80 for a supply voltage or mains voltage
  • a reference voltage generating circuit 85 for providing a defined reference voltage
  • an oscillator 60 to which the sensor conductor Rho is connected, and which, on the other hand, is connected to an evaluation device 301 likewise embodied in the control device 30, with which the output signal of the oscillator 60 can be processed or evaluated, is integrated into the control device 30.
  • the oscillator has an oscillator part 601 formed by components within the control device 30 and an external part arranged outside the control device 30, namely in the present case an ohmic oscillator resistor R18.
  • Various embodiments of oscillators are in the aforementioned DE 10 2008 006 017 B4 shown. According to the embodiment Fig. 1 are used for the construction of such components, which in the built-up as an integrated circuit controller 30 such.
  • Basic control parameters of the oscillator 60 can be specified by software or programs in the controller, such. B. a fundamental frequency, a fundamental amplitude and / or a waveform (rectangle, sine, triangle, duty cycle or the like.), These basic parameters are based on a defined state of the flexible heater, such. B. with not connected heater 10 or when connected, located in a defined ground state heater 10 refer, which defined standard conditions for setting the basic parameters are given.
  • the oscillator 60 is connected via a resistor R17 to one end of the sensor conductor Rho, while the other end of the sensor conductor Rho is connected via a sensor resistor RS to an end portion of the heating conductor Rhi.
  • the sensor resistance RS is parallel to the intermediate insulation ZW of the heating element and in series via the sensor conductor Rho and the current limiting resistor R17 to the oscillator 60 and in the present case it is connected to the oscillator resistor R18.
  • the oscillator signal is dependent on the state of the heating element and changes with its electrical values, in particular with temperature change but also with other state changes, such. Breakage, short circuit, aging.
  • the current limiting resistor R17 is located outside of a connection point C of the flexible heater 10, while the sensor resistance RS on the flexible support 15 is located near a connection point A of the heating conductor Rhi.
  • Other positions can also be selected, namely the arrangement of the current limiting resistor R17 on the flexible carrier 15 or the arrangement of the sensor resistor RS outside the flexible carrier 15.
  • both resistors RS, R17 can be arranged on or outside the carrier 15.
  • the sensor resistor RS and / or the current limiting resistor R17 can be used in FIG be fixed to the support 15 fixed part of the plug / coupling unit or in the removable, lying outside of the flexible support 15 part of the plug / coupling unit.
  • sensor resistance RS or current limiting resistor R17 is / these are z. B. removed during washing and protected from negative influences.
  • the heating circuit 100 For controlling or controlling the heating power is in the heating circuit 100, which has the heating element Rhi, connected to the control device 30 and controllable by this switching device 20.
  • a measuring resistor R24 lying therein further a measuring current tapped and the controller 30 are supplied via circuit parts.
  • a fuse F1 melting at excessive current In a power cord, there is a fuse F1 melting at excessive current.
  • an overvoltage protection can be formed as an additional safety measure between the power supply lines N, L1 with a varistor VDR.
  • Fig. 2 shows as an embodiment of a heating element 16, a heating cord with a central core KE, on which the heating conductor Rhi is spirally wound.
  • the heating conductor Rhi On the core KE with the heating conductor Rhi concentric intermediate insulation ZW is applied, on which the sensor conductor Rho is also wound spirally.
  • the intermediate insulation ZW and the sensor conductor Rho are outwardly surrounded by an outer insulation AU.
  • the inner conductor is the heating conductor Rhi and the outer conductor is the sensor conductor Rho.
  • the inner conductor may be the sensor conductor and the outer conductor the heating conductor.
  • the resistance value of the heating conductor Rhi and the sensor conductor Rho has a positive temperature coefficient (PTC behavior), so that the ohmic resistance value increases with increasing temperature, while the ohmic resistance value of the intermediate insulation ZW has a negative temperature coefficient (NTC behavior) , so that their resistance increases with increasing temperature z. B. decreases exponentially.
  • PTC behavior positive temperature coefficient
  • NTC behavior negative temperature coefficient
  • the heating conductor Rhi and / or the sensor conductor Rho NTC behavior and the intermediate insulation ZW may have PTC behavior.
  • the other remaining combinations of the temperature behavior (PTC, NTC behavior) can also be used.
  • the respective temperature-dependent resistance behavior can be used as a sensor signal.
  • the structure also results in a capacitive and an inductive resistance, wherein the intermediate insulation ZW forms a dielectric and, as in this context also common, can be spoken of a dielectric resistance.
  • the ohmic resistance of the intermediate insulation ZW can in turn be dependent on the frequency of the alternating current in AC operation.
  • the capacitive resistance or the inductive resistance depends on the winding density (number of turns per length) of the heating conductor Rhi and the sensor conductor Rho.
  • the cross-sectional area and / or cross-sectional shape of the heating conductor Rhi and the sensor conductor Rho can be chosen differently, which not only their resistance can vary, but can also achieve different ohmic, capacitive and inductive resistance values of the heating element.
  • the core KE is designed as Lahnlitze.
  • Lahnlitzenleiter, z. B. high-strength polyester as the base material and a selectable web have the advantage that they are low impedance and have favorable EMC / EMF values.
  • the intermediate insulation ZW is essential for the detection of punctured areas of excessive temperature of the heating element (hot spot detection) and has in the primary temperature detection range of 120 to 160 ° C, for. B. melting properties, so that between the heating element Rhi and the sensor conductor Rho a low-resistance electrical connection, such as short circuit, is formed and thus an overheat protection detector is formed. Or the intermediate insulation ZW has non-melting properties even at the higher temperature ranges to be detected, in which case the low resistance values of the intermediate insulation ZW caused by the exponential temperature dependence are used for the monitoring function. Suitable materials for the intermediate insulation ZW are z.
  • PVC polyethylene
  • PES polyethylene
  • PA polyethylene
  • POM polyethylene
  • TPU polyethylene
  • PEEK PPP
  • PPS PSU
  • PEI with or without glass or.
  • Carbon fiber reinforcement non-melting polyimides or the like. Filling materials and additives are used to achieve the temperature-dependent resistance or conductivity behavior.
  • the structure and function of the sensor conductor Rho and the heating conductor Rhi may be substantially equal and interchangeable.
  • the current carrying capacity of both conductors may also be different, in particular, the sensor conductor Rho has lower current carrying capacity.
  • Fig. 3 shows the embodiment after Fig. 1 a detailed embodiment.
  • a capacitive or inductive sensor resistor CS or LS may be present instead of or in combination with the ohmic sensor resistor RS.
  • the capacitive or inductive sensor resistor CS LS optionally in combination with the ohmic sensor resistor RS can additionally distinguish frequency-dependent properties of the heating element, it is advantageous if 60 different adjusted fundamental frequencies can be preset by the controller 30 for the oscillator.
  • the basic frequencies can be specified depending on various flexible heating devices, such as heating pads or electric blankets of different construction or different heating power, the setting of the most favorable basic frequency or waveform can be automatically specified depending on the detected heater.
  • a different basic parameter set can be specified for a detection measurement than for detecting a conductor break or short circuit or for checking the functionality of the oscillator 60 itself or another circuit component, such as, for example.
  • the ohmic, capacitive and / or inductive sensor resistance RS, CS or LS can be matched exactly to the properties of the heating device 10, so that when changes in the electrical properties of the heating element by means of the oscillator 60 and the evaluation device 301, the region of highest sensitivity is obtained, with which the respective functional state can be detected.
  • the value of the ohmic sensor resistance RS is selected in the range between one twentieth and the simple ohmic resistance of the intact intermediate insulation ZW at room temperature, z. B. between one-twelfth and half of the same. If the ohmic resistance value of the intermediate insulation ZW in the cold state (at room temperature) is between 1 M ⁇ and 5 M ⁇ , for example, a resistance value between 100 k ⁇ and 1 M ⁇ is selected for the ohmic sensor resistance RS.
  • the current limiting resistor R17 connected to the external oscillator resistor R18, which is connected to the end of the sensor conductor Rho facing away from the sensor resistor RS or CS or LS, is selected such that the current flowing into the oscillator 60 from the sensor conductor Rho is set to values in ⁇ A range is limited to mA range.
  • the sensor conductor Rho and the oscillator 60 are little loaded and also arise advantageous evaluable influences on the oscillator output signal, as has been shown in studies of the inventors.
  • the changes in the amplitude, the waveform or the frequency of the oscillator output signal can be evaluated individually or in combination with one another in the evaluation device 301.
  • the evaluation of several detected signals for a functional state can, for. B done by statistical methods, such. Averaging, wherein the obtained average of several measurements is compared to a stored or a calculated threshold. The number of Measurements also of the size of the deviation between the measurements, z. As a standard deviation or pairwise deviation can be determined.
  • a software is advantageously stored in the control device 30, which can also be configured subsequently changeable with regard to the evaluation algorithms and parameters.
  • a further advantageous embodiment consists in that also the measuring signal tapped in the heating circuit 100, which serves to control or regulate the heating power, is supplied to the evaluation device 301 and is included by the latter together with the oscillator output signal for the determination of the respective functional state , In this way, when changing over the sensor conductor Rho the oscillator 60 signal supplied z. B., whether this is due to a breakage of the heating conductor Rhi, since in this case no current flows through the heating conductor Rhi and thus no voltage drop or measuring current to the measuring resistor R24, while on the other hand receive a current via the sensor conductor Rho becomes.
  • the sensor conductor Rho If the sensor conductor Rho is broken, no or only a small current (depending on the distance of the break point of the relevant connection point C) supplied to the oscillator 60, while on the heating conductor Rhi a respective heating current flows and thus a measuring current at the measuring resistor R24 are tapped can. If the connecting device of the heating device is faulty or not plugged in or if both the heating conductor Rhi and the sensor conductor Rho are broken, no current is detected either in the sensor conductor Rho or in the heating conductor Rhi. The oscillator output signal corresponds to that of an unconnected heating device 10.
  • both the positive half-wave of the supply voltage and the negative half-wave of the supply voltage can be evaluated be, with a separate evaluation of the positive and negative half-wave is possible.
  • This has the advantage that functional states or error states, which have an effect on a half-wave in particular, can be evaluated separately or without influence on the other half-wave via the output signal of the oscillator 60.
  • the switching device 20 is equipped with a drive circuit which causes a dynamic actuation of the or in the heating circuit 100 lying switching elements, namely in the present case via the capacitor C11 and the resistor R15.
  • the dynamic control of the triac formed switching element T2 has the advantage that in case of failure of the control device 30 triggering can not take place by the static error state, since a multiple trigger frequency compared to the mains frequency for triac control is required.
  • the capacitive reactance Xc of the capacitor C11 determines the resulting triac firing control currents.
  • the switching element is a power position by pulse width modulation (PWM) possible.
  • PWM pulse width modulation
  • switching elements and thyristors switching transistors, MOSFETs, IGBTs, relays or the like. In combination with each other into consideration.
  • the switching device 20 has a redundant switching unit 201 with a heating element T1 likewise located in the heating circuit 100, which may have the same structure as the aforementioned switching element T2.
  • the switching element of the redundant switching unit 201 is dynamically controlled in the present case, namely via the resistor R13 and the capacitor C5, wherein additionally a stabilizing Zener diode ZD2 and a resistor R16 are present, which is connected to the drive line between the control device 30 and the switching element T2.
  • the redundant switching unit 210 gives a additional switch-off possibility of the heating circuit 100 in the event of a failure of the first switching element T2.
  • control unit 40 comprises various manual input elements, such as key, switching and / or slide elements S2, S3 and additional circuit elements R27, R40, R41, R42.
  • the display unit 50 includes a plurality of display elements in the form of LEDs LED and other circuit elements with which they are connected to the control device 30. Through the display unit 50, functional states including error conditions can be displayed to a user or a maintenance person. In addition, switching stages for the heating power can be displayed.
  • the power supply unit 70 comprises a capacitive electronic power supply C8 with discharge resistor R19 and voltage stabilization by R1, D2, D7, D8, C1 and a Zener diode ZD1.
  • the zero crossing detection circuit 80 is used for zero voltage ignition of the switching elements T1 and T2, in particular in the case of triacs, and includes the resistor R2, the transistor Q3 and the diode D6.
  • the reference voltage generating circuit or detection of the reference voltage from the current mains voltage has the diode D1, resistors R3, R8 and a capacitor C2. Furthermore, the embodiment according to Fig. 3 a protection circuit 200 with the overcurrent fuse F1 and the (optional) overvoltage protection with the varistor VDR1.
  • the switching element T1 is connected in parallel with the heater to the mains terminal to switch an additional current path through a resistor RP to generate an overcurrent that irreversibly triggers the line-side fuse F1.
  • the control line of the switching element T1 can be connected to the measuring resistor R24 of the heating circuit 100 via a resistor R22.
  • the respective terminal of the control device 30, for example, designed as a microprocessor, at the same time for detecting the measurement signal in the heating circuit 100 and for driving the switching element T1 can be used, whereby a reduced number of terminals is required.
  • a control unit may provide the same control currents, for example, with higher frequency digital square wave signals for the triac T1, while the usual 50 or 60 Hz signals would normally not suffice as the ignition current.
  • the limited by the resistor R22 measurement signals of the PTC heating circuit 100 are suppressed (signal overlay), which are no longer needed at this time. However, if further signal inputs or signal outputs are present, the path for the measuring signal and the triggering of the triac T1 can also be carried out separately.
  • Fig. 6 shows a variant of the in Fig. 5 shown embodiment.
  • the resistor RP in the power supply line with a thermal resistors R4 and R5 thermally coupled thermal fuse TSI1 is arranged.
  • the thermal resistors R4 and R5 as a result of their thermal coupling with the temperature fuse TSI1, undergo their melting and thus a time-delayed irreversible triggering of a device shutdown in the event of a fault.
  • the control of the switching element T1 of the control device 30 is carried out in particular then if z. B. on the output signal of the oscillator 60, an error condition is detected, similar to the embodiment according to Fig. 5 ,
  • the heating device has, on the one hand, a monitoring system with differentiated detection of functional states, in particular fault conditions, and, on the other hand, in combination with the monitoring device, different control devices, via which targeted and rapid detection of detected functional states, in particular the fault conditions, by controlling resp Reduction of heating power or shutdown of the heater, mainly the heater can be responded. Also, in this context, a control of the display unit 50 is possible. In an advantageous embodiment, significant error conditions can also be stored.
  • the monitoring device also includes plausibility checks, for which purpose signals detected in the control circuit or control circuit can additionally be supplied to the evaluation device 301, such as, for example, B. the tapped in the heating circuit 100 measurement signal or signals of the zero crossing detection circuit 80, a power frequency detection (50 or 60 Hz) of the reference voltage generating circuit 85 and / or the supply voltage. Warnings can be generated and displayed as soon as errors occur.
  • the current flowing through the intermediate insulation ZW accordingly increases rapidly in relation to the current component flowing via the ohmic sensor resistor RS, resulting in a correspondingly sensitive signal change the oscillator 60 results.
  • the heating power can, however, due to the PTC temperature behavior the heating conductor Rhi be controlled exactly. In this way, targeted control or regulation can reliably be carried out in the event of a fault, even before a serious fault condition occurs which would necessitate a complete shutdown of the device and possibly irreversible safety shutdown.
  • An accurate response to functional conditions and possibly fault conditions can be made by signal filtering the oscillator output signal by means of hardware or software filters or by means of programs in order to eliminate interference signals and to obtain a high accuracy of the signals for the evaluation. This avoids unnecessary error shutdowns.
  • mains frequency 50/60 Hz
  • an adaptation of the basic parameters of the oscillator can be made, whereby initially the mains frequency is detected automatically.
  • any effects of the frequency on the ohmic, capacitive and / or inductive resistance behavior of the intermediate insulation ZW can be taken into account.
  • Another possibility for adaptation consists of the external resistor R18 of the oscillator 60.
  • the low currents through the current limiting resistor R17 lead in addition to a favorable signal detection by the control device 30 to a low load of the sensor conductor Rho, which also a long aging resistance and low corrosion is effected. At the same time there is also the advantage of a low material requirement for the conductor.
  • the reference voltage is first checked by the reference voltage generating circuit 85 during operation of the heating device, then the signals of the sensor branch are checked for fault conditions or plausibility and only then takes place, as far as permissible, the switching on of the heating power, optionally measured and tested heating temperature signals become.
  • the oscillator 60 runs without an attached heating device 10 or if the heating conductor Rhi and the sensor conductor Rho are interrupted, the highest dynamically changing measuring voltage generally results in the output signal of the oscillator, since no damping takes place, provided that the oscillator 60 has no error.
  • the resistance value of the sensor resistance RS predominates. If different sensor resistances (RS, CS or LS) are selected for different heating devices, then the type of heating device or heating device can be determined, for example by comparison with a temperature measurement in the heating branch. Falling or rising temperatures at the sensor conductor Rho, for example, when executed with PTC behavior, can be registered by changing the damping of the oscillator output signal. In this case, a range monitoring of the temperature is possible.
  • a hot spot measurement is performed with switched off heating power.
  • the control device for limiting or lowering the temperature or for switching off the device, the shutdown can be reversible or irreversible.
  • fault information can be provided to maintenance personnel be filed.
  • indications on the display unit are possible.
  • suitable interventions in the control or regulation of the heating power are possible, such.
  • An interruption of the sensor conductor Rho can be detected by a change of the damped oscillator output signal. This error condition is determined by comparison z. B. possible with a temperature detection of the heating conductor Rhi PTC behavior.
  • the functional test in redundant switching unit 210 is carried out by mutual switching on and off of the switch elements with verification of the heating current in the heating circuit 100 or including the oscillator output signal.
  • characteristic output signals of the oscillator 60 can be detected in known sensor resistors RS, CS, LS, which may also be in combination with one another or with batteries or rechargeable batteries, in order to determine the type of heating device 10 to close and identify this. In case of incorrect combinations of the control device and heating device 10, the device operation can be prevented or an error display can be generated.
  • the sensor branch can be used via the oscillator output signal with regard to the properties of the sensor conductor Rho (eg PTC behavior) for temperature control signals for controlling the switch device in the heating circuit 100.
  • Rho eg PTC behavior
  • a control or regulation of the heating power and condition monitoring or fault monitoring can be made zone-dependent within the heater when Kordelabsacrificinge the heating element are more or less closely laid or more heating circuits are formed.
  • the control device can be provided with a memory unit which stores fixed and / or dynamic program, parameter values or reference values of the attenuatable (controllable) oscillator, calibration data, device reference data, setpoints, limit values and the like.
  • the calibration data contain z. As correction values for the mains voltage frequency, tolerances of the sensor conductor Rho or the heating conductor Rhi, the fundamental frequency (s) of the oscillator 60, voltage tolerances and the like.
  • the zero-crossing signals of the control device can be used for the detection of the mains frequency and, where appropriate, for the adaptation of the signals of the attenuatable oscillator as well as for the avoidance of radio interference and possibly to a timer synchronization.
  • the zero-crossing triggering of the switching elements T1, T2, in particular triacs is derived from the zero-crossing signals.
  • the zero-crossing signals can also be taken into account in the evaluation device 301 in the event of changes in connection with the hot-spot detection since the intermediate insulation ZW can have a possible frequency-dependent change.
  • the zero-crossing detection circuit 80 which in the embodiments shown comprises the resistor R2, transistor Q3 and diode D6, can also consist only of a series resistor.
  • the typical power frequency discrimination 50/60 Hz is determined by comparison with the (optionally quartz stabilized) clock frequency of an oscillator or an optional signal transmitter of a real time clock module or fixed or variable charge times of software-based RC components or the like.

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  • Control Of Resistance Heating (AREA)

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein schmiegsames Wärmegerät mit einer über eine Steuerungsvorrichtung betriebenen flexiblen elektrischen Heizvorrichtung, die mindestens ein mit einem flexiblen Träger verbundenes flexibles Heizelement aufweist, welches einen in einem Heizkreis liegenden Heizleiter und einen von diesem über eine Zwischenisolation getrennten flexiblen Sensorleiter aufweist, mit einem in der Steuerungsvorrichtung enthaltenen, an den Sensorleiter angeschlossenen bedämpfbaren Oszillator, dessen Ausgangssignal in Abhängigkeit von mittels des Sensorleiters erfassten verschiedenen Funktionszuständen der Heizvorrichtung variabel ist, und mit einer Auswerteeinrichtung, mittels deren Fehlerzustände aus dem Ausgangssignal erfassbar sind.
  • Ein derartiges schmiegsames Wärmegerät ist in der DE 10 2008 006 017 B4 angegeben. Bei diesem bekannten Wärmegerät, wie Wärmezudecke, Heizkissen, Wärmeunterbett, ist in einem schmiegsamen Träger ein vorzugsweise als Heizkordel ausgebildetes Heizelement eingebettet, das einen Heizleiter und einen Sensorleiter und eine dazwischen liegende, elektrisch isolierende Zwischenschicht und eine äußere Isolationsschicht aufweist. Der Heizleiter und der Sensorleiter sind an eine Steuerungsvorrichtung angeschlossen, mit der zum einen der Heizbetrieb steuerbar oder regelbar ist und zum anderen die vorschriftsmäßige Funktion des Wärmegerätes überwacht wird. Zur Steuerung bzw. Regelung der Heizleistung weist die Steuerungsvorrichtung mindestens einen in dem Heizkreis, in dem auch der Heizleiter liegt, angeordneten Leistungsschalter auf, der entsprechend der gewünschten Heizleistung unter Einhaltung von Sicherheitskriterien steuerbar ist. Zum Erfassen von Funktionszuständen, insbesondere auch Fehlerzuständen des Wärmegeräts, ist der Sensorleiter an eine bedämpfbare Oszillatorschaltung angeschlossen, deren Ausgangssignal hinsichtlich der Funktionszustände in einer Auswerteeinrichtung verarbeitet wird. Das Ausgangssignal des Oszillators ändert sich dabei insbesondere auch in Abhängigkeit von unterschiedlichen Funktionszuständen der Zwischenisolation zwischen dem Sensorleiter und dem Heizleiter, die ein wesentliches Sensorelement darstellt und vorteilhafterweise einen negativen Temperaturgang ihres Widerstandswerts (NTC-Verhalten) besitzt, wobei die Temperaturabhängigkeit vorzugsweise exponentiell ist. Über die Zwischenisolation können z. B. Stellen übermäßiger Erwärmung des Heizelements, sogenannte Hot-Spots, festgestellt werden. Die Zwischenisolation kann durchschmelzend, d. h. irreversibel bzw. irreparabel ausgebildet sein, womit hauptsächlich Kurzschlüsse sicher erfasst werden können. Sie kann auch (für übliche zu detektierende Temperaturen) nicht schmelzend ausgebildet sein. Wird lediglich die Widerstandsänderung ohne Durchschmelzen genutzt, um das Wärmegerät abzuschalten, ist ein fehlerhafter Funktionszustand reversibel behebbar.
  • Weitere Auswertemöglichkeiten und Steuerungsmöglichkeiten werden dadurch erreicht, dass auch der Sensorleiter und/oder der Heizleiter temperaturabhängiges Widerstandsverhalten, insbesondere einen positiven Temperaturgang des Widerstandswerts (PTC-Verhalten), aufweist bzw. aufweisen. Mit diesem die Oszillatorschaltung umfassenden Überwachungssystem lassen sich vielfältige Funktionszustände feststellen und unterscheiden, wobei das Ausgangssignal des Oszillators je nach Funktionszustand unterschiedliche Signaländerungen erfahren kann, wie Amplitudenänderung, Phasenänderung, Änderung eines Puls-Pausen-Verhältnisses, die mittels der Auswerteeinrichtung einzeln oder in verschiedener Kombination zum Ermitteln des Funktionszustandes des Wärmegerätes bewertet werden können. Allerdings unterliegen schmiegsame Wärmegeräte vielfältigen Einflüssen, wie z. B. Alterung, häufiges Waschen, unsachgemäßer Gebrauch, Bauteiletoleranzen und dgl., die sich auch in den Signaländerungen des Oszillators auswirken und zu Schwierigkeiten bei der Bewertung von Zuständen des Wärmegeräts bzw. mangelnder Zuverlässigkeit der getroffenen Bewertungen und damit zusammenhängenden Fehlinterpretationen führen können.
  • Bei einem in der WO 2005/118202 A2 gezeigten weiteren schmiegsamen Wärmegerät ist die Steuervorrichtung in besonderer Weise zur Erzeugung und Auswertung einer Phasenverschiebung ausgebildet. Auch dabei können Fälle auftreten, in denen eine Fehlererkennung und Auswertung schwierig ist.
  • Ein weiteres schmiegsames Wärmegerät zeigt die US 2011/259872 A1 , wobei das Heizelement ebenfalls als Heizkordel mit einem Heizleiter, einem Sensorleiter und einer NTC-Zwischenisolation ausgebildet ist, um z. B. Fehlerzustände zu erkennen und erforderlichenfalls eine Abschaltung des Wärmegeräts vorzunehmen. Auch hierbei können der Heizleiter und der Sensorleiter einen positiven Temperaturgang ihres Widerstandswerts (PTC-Verhalten) aufweisen, um darauf basierend die Heizleistung zu steuern.
  • Die US 4,205,223 A zeigt ein schmiegsames Wärmegerät mit einem flexiblen Heizelement, das einen Heizleiter und einen Sensorleiter aufweist und an eine Übertemperaturüberwachungsanordnung angeschlossen ist. Diese weist ein Spannungserfassungsnetzwerk mit Widerständen auf, welche mit dem Sensorleiter in Reihe geschaltet sind und zwischen einem Neutralleiter und einem spannungsführen Leiter angeschlossen sind. Das Spannungserfassungsnetzwerk ist über weitere Widerstände an einen Spitzenwertdetektor mit einer Diode angeschlossen.
  • Die GB 2 138 600 A hat ebenfalls ein schmiegsames Wärmegerät mit einem temperaturempfindlichen Sensor zum Inhalt.
  • Die WO 2004/107814 A1 zeigt ein weiteres schmiegsames Wärmegerät mit einer elektrischen Heizvorrichtung und einer Steuerungsvorrichtung, die eine Überwachungseinrichtung aufweist. Hierbei ist eine Zeitsteuerschaltung vorgesehen, mittels deren der Heizbetrieb definiert herabsetzbar oder abschaltbar ist.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein schmiegsames Wärmegerät der eingangs genannten Art bereitzustellen, bei dem Fehlerzustände möglichst zuverlässig erfassbar und verschiedene Funktionszustände möglichst genau unterscheidbar sind.
  • Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Hierbei ist vorgesehen, dass der Sensorleiter einerseits zur Erhöhung der Unterscheidungsfähigkeit des in Abhängigkeit von den verschiedenen Funktionszuständen variablen Ausgangssignals des Oszillators über eine zu dem Sensorleiter in Reihe geschaltete Impedanzanordnung aus mindestens einem ohmschen, kapazitiven und/oder induktiven Sensorwiderstand an den Heizleiter und andererseits über einen ohmschen Strombegrenzungswiderstand an den Oszillator angeschlossen ist, wobei der Strombegrenzungswiderstand zur Begrenzung des dem Oszillator zugeführten Stroms im Bereich von Mikroampere bis Milliampere ausgelegt ist.
  • In Untersuchungen der Erfinder hat sich gezeigt, dass durch die genannte Anordnung des Sensorwiderstandes, der ohmsch, kapazitiv oder induktiv ausgeführt sein kann, unter anderem die durch die Zwischenisolation bewirkten Einflüsse auf das Ausgangssignal des Oszillators sich in diesem wesentlich deutlicher als bei bisherigen Ausführungen zeigen und mit höherer Empfindlichkeit bzw. Unterscheidungsfähigkeit und damit erhöhter Zuverlässigkeit erkennbar sind. Dabei ermöglicht der Sensorwiderstand eine optimale Anpassung zwischen der Heizvorrichtung und der Steuerungsvorrichtung, wobei der erfasste Strom mittels des Strombegrenzungswiderstandes zum einen auf einen für den Betrieb der Heizvorrichtung und zum anderen für die Signalerzeugung über den Oszillator und die Auswertung des Ausgangssignals in der Auswerteeinrichtung vorteilhaften Wert abstimmbar ist. Unterschiedliche Heizvorrichtungen können unter Einsatz unterschiedlicher Sensorwiderstände und/oder Strombegrenzungswiderstände zum Betrieb mit der gleichen Steuerungsvorrichtung mit wenig Aufwand exakt angepasst werden.
  • Eine für die Erfassung verschiedener Funktionszustände vorteilhafte Ausgestaltung besteht darin, dass die Zwischenisolation eine NTC-Widerstandscharakteristik mit sich in Abhängigkeit von der Temperatur exponentiell verringerndem ohmschen Widerstand oder eine PTC-Widerstandscharakteristik mit in Abhängigkeit von der Temperatur zunehmendem ohmschen Widerstand aufweist.
  • Für den Aufbau und die Funktion ergeben sich des Weiteren Vorteile dadurch, dass die Steuerungsvorrichtung eine als integrierte Schaltung ausgebildete Steuereinrichtung aufweist und dass zumindest ein Teil des Oszillators von der integrierten Schaltung gebildet ist. Hierbei lassen sich beispielsweise in der integrierten Schaltung, wie z. B. einem Mikrocontroller, ohnehin vorhandene Schaltungskomponenten für den Aufbau des Oszillators verwenden. Auch lassen sich z. B. softwaremäßige Einstellmöglichkeiten des Oszillators, wie Grundfrequenz, Puls-Pausen-Verhältnis, Grundamplitude und ähnliche Parameter für die Einstellung des Oszillators programmtechnisch nutzen.
  • Eine weitere vorteilhafte Anpassungsmöglichkeit zwischen dem Oszillator und der Heizvorrichtung ergibt sich dadurch, dass der Oszillator einen an die integrierte Schaltung außen angeschlossenen, externen Oszillatorwiderstand aufweist.
  • Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Wärmegeräts besteht darin, dass eine Grundfrequenz des Oszillators mittels der Steuereinrichtung vorgebbar ist. Dabei ist die Grundfrequenz beispielsweise bei nicht angeschlossener Heizvorrichtung oder bei angeschlossener Heizvorrichtung unter einer vorgegebenen Standardbedingung definiert.
  • Ist vorgesehen, dass der Auswerteeinrichtung auch ein in dem Heizkreis abgegriffenes Messsignal zugeführt ist und dass die Auswerteeinrichtung zum Ermitteln von Fehlerzuständen in Abhängigkeit sowohl des Ausgangssignals des Oszillators als auch des in dem Heizkreis abgegriffenen Messsignals ausgebildet ist, ergeben sich besonders vielfältige Auswertungsmöglichkeiten, wie z. B. eine Unterscheidung zwischen einem Bruch des Sensorleiters und einer nicht gesteckten Stecker-/Kupplungseinheit des Wärmegeräts.
  • Hierbei sind für den Aufbau und die Funktion die Maßnahmen von Vorteil, dass das Messsignal ein an einem Messwiderstand des Heizkreises abgegriffenes Strom-Messsignal ist, das in der Steuereinrichtung auch zum Steuern oder Regeln der Heizleistung unter Ansteuerung einer in dem Heizkreis angeordneten Schaltvorrichtung genutzt ist.
  • Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Wärmegeräts besteht darin, dass der Sensorwiderstand und/oder der Strombegrenzungswiderstand auf dem flexiblen Träger oder in einem lösbaren Teiler einer an diesem angebrachten Stecker-/Kupplungseinheit angeordnet ist. Ist der Sensorwiderstand und/oder der Strombegrenzungswiderstand in dem von dem Träger trennbaren Teil der Stecker-/Kupplungseinheit angeordnet, wird/werden der Sensorwiderstand und/oder der Strombegrenzungswiderstand vor dem Waschen entfernt und dem Waschprozess nicht ausgesetzt. Der Anschluss zwischen den beiden Teilen der Stecker-/Kupplungseinheit erfolgt für diesen Zweck z. B. über eine vierpolige Steckverbindung.
  • Eine für die Signalerzeugung in dem Oszillator und Auswertung des Oszillatorsignals in der Auswerteeinrichtung vorteilhafte Ausbildung besteht darin, dass der ohmsche Widerstandswert des Sensorwiderstandes im Bereich zwischen einem Hundertstel und dem Einfachen des ohmschen Widerstandswertes der intakten Zwischenisolation bei deren Raumtemperatur liegt, beispielsweise zwischen einem Zwanzigstel oder einem Zwölftel und der Hälfte.
  • Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Wärmegeräts besteht darin, dass der Heizleiter, der Sensorleiter und die zwischen diesen liegende Zwischenisolation Teile einer Heizkordel sind, die auf ihrer Außenseite mit einer Außenisolation versehen ist.
  • Für die Steuerung bzw. Regelung der Heizleistung und/oder die Unterscheidung verschiedener Funktionszustände einschließlich Fehlerzuständen vorteilhafte weitere Ausgestaltung besteht darin, dass der Heizleiter und/oder der Sensorleiter ein temperaturabhängiges ohmsches Widerstandsverhalten aufweist bzw. aufweisen, wobei der Temperaturgang des Widerstandswertes eines der Leiter oder beider Leiter mit zunehmender Temperatur positiv (PTC-Verhalten) oder (NTC-Verhalten) negativ ist.
  • Eine für den Betrieb und die Sicherheit weitere vorteilhafte Ausgestaltung besteht darin, dass die Steuerungsvorrichtung zum Unterscheiden zwischen irreparablen und reparablen Fehlerzuständen ausgebildet ist und dass ein von der Steuerungsvorrichtung ansteuerbares Schutzelement vorhanden ist, mit dem die Steuerungsvorrichtung und/oder die Heizvorrichtung bei Feststellen eines irreparablen Fehlerzustandes in einen irreversiblen funktionslosen Zustand bringbar ist.
  • Die Bedienung und Wartung werden dadurch begünstigt, dass die Steuerungsvorrichtung eine Anzeigevorrichtung aufweist, mit der unterschiedliche Betriebszustände und/oder Fehlerzustände anzeigbar sind. Diese Maßnahmen können auch zur erhöhten Sicherheit beitragen.
  • Zur Funktionssicherheit tragen ferner die Maßnahmen bei, dass ein Ansteuerkreis für den Heizkreis zur dynamischen Ansteuerung ausgebildet ist.
  • Zur Vielfalt der Anpassungsmöglichkeiten zwischen Steuerungsvorrichtung und Heizvorrichtung sowie der Auswertemöglichkeiten von Funktions- bzw. Fehlerzuständen tragen die Maßnahmen bei, dass die Steuerungsvorrichtung eine Speichereinrichtung aufweist, in der Vorgabewerte und/oder Auswerteprogramme gespeichert sind.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
    • Fig. 1
    ein erstes Ausführungsbeispiel zum Aufbau eines schmiegsamen Wärmegerätes mit Steuerungsvorrichtung in einer teilweisen Blockdarstellung,
    Fig. 2
    einen Ausschnitt eines als Heizkordel ausgebildeten Heizelements,
    Fig. 3
    eine detailliertere Darstellung einer Steuerungsvorrichtung des schmiegsamen Wärmegerätes nach Fig. 1,
    Fig. 4
    ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein schmiegsames Wärmegerät mit detaillierter Darstellung einer abgewandelten Steuerungsvorrichtung,
    Fig. 5
    ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein schmiegsames Wärmegerät in detaillierter Darstellung einer anderen abgewandelten Steuerungsvorrichtung und
    Fig. 6
    ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein schmiegsames Wärmegerät in detaillierter Darstellung einer noch anderen abgewandelten Steuerungsvorrichtung.
  • Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines schmiegsamen Wärmegerätes mit einer flexiblen Heizvorrichtung 10 und einer Steuervorrichtung zum Steuern bzw. Regeln des Heizbetriebs und zur Überwachung von Funktionszuständen des Wärmegeräts einschließlich Fehlerzuständen, wobei einzelne Schaltungsteile als Blöcke dargestellt sind.
  • Die flexible, schmiegsame Heizvorrichtung 10, wie z. B. eine Wärmedecke, ein Wärmeunterbett oder ein Heizkissen, weist einen flexiblen, schmiegsamen Träger 15 auf, in dem ein flexibles Heizelement mit einem Heizleiter Rhi, einem Sensorleiter Rho und einer zwischen diesen angeordneten, elektrisch wirksamen Zwischenisolation ZW eingebettet ist.
  • Die Steuervorrichtung, in die das Heizelement eingebunden ist, weist eine über eine elektrische Leitungsanordnung mit der Heizvorrichtung 10 über verschiedene elektrische Bauelemente verbundene Steuereinrichtung 30 auf, die zum einen zum Steuern oder Regeln der Heizleistung an einen den Heizleiter Rhi umfassenden Heizkreis 100 und zum anderen zum Überwachen von Funktionszuständen der Heizvorrichtung 10 an den Sensorleiter Rho angeschlossen ist. Ferner ist die Steuereinrichtung 30 über verschiedene Eingänge bzw. Ausgänge mit weiteren, in Fig. 1 als Blöcke dargestellten Schaltungsteilen verbunden, nämlich einer Bedieneinheit 40 mit Schaltern und/oder Tastern zum Wählen von Einstellungen durch einen Benutzer, einer Anzeigeeinheit 50 zur optischen, akustischen und/oder taktilen Darstellung von Informationen für den Benutzer oder eine Wartungsperson, einer Spannungsversorgungseinheit 70 für die Steuereinrichtung 30 und gegebenenfalls weitere Komponenten, einer Nulldurchgangserfassungsschaltung 80 für eine Versorgungsspannung bzw. Netzspannung, einer Referenzspannungserzeugungsschaltung 85 zur Bereitstellung einer definierten Bezugsspannung und einer Rücksetzeinheit 90.
  • Ferner ist in die Steuereinrichtung 30 zumindest teilweise ein Oszillator 60 integriert, an den der Sensorleiter Rho angeschlossen ist und der andererseits mit einer ebenfalls in der Steuereinrichtung 30 ausgebildeten Auswerteeinrichtung 301 verbunden ist, mit dem das Ausgangssignal des Oszillators 60 verarbeitbar bzw. auswertbar ist. Der Oszillator weist bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel einen von Komponenten innerhalb der Steuereinrichtung 30 gebildeten Oszillatorteil 601 und einen außerhalb der Steuereinrichtung 30 angeordneten externen Teil, nämlich vorliegend einen ohmschen Oszillatorwiderstand R18 auf. Verschiedene Ausführungsbeispiele von Oszillatoren sind in der eingangs genannten DE 10 2008 006 017 B4 gezeigt. Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 werden für den Aufbau derartige Komponenten genutzt, die in der als integrierte Schaltung aufgebauten Steuereinrichtung 30, wie z. B. einem Mikrocontroller, von Hause aus enthalten sind. Grundlegende Steuerparameter des Oszillators 60 können dabei mittels Software bzw. Programmen in der Steuereinrichtung vorgegeben werden, wie z. B. eine Grundfrequenz, eine Grundamplitude und/oder eine Kurvenform (Rechteck, Sinus, Dreieck, Tastverhältnis oder dgl.), wobei diese Grundparameter sich auf einen definierten Zustand des schmiegsamen Wärmegeräts, wie z. B. bei nicht angeschlossener Heizvorrichtung 10 oder bei angeschlossener, in einem definierten Grundzustand befindlicher Heizvorrichtung 10 beziehen, womit definierte Standardbedingungen für die Einstellung der Grundparameter gegeben sind.
  • Der Oszillator 60 ist über einen Vorwiderstand R17 an das eine Ende des Sensorleiters Rho angeschlossen, während das andere Ende des Sensorleiters Rho über einen Sensorwiderstand RS an einen Endabschnitt des Heizleiters Rhi angeschlossen ist. Somit liegt der Sensorwiderstand RS parallel zu der Zwischenisolation ZW des Heizelements und in Reihe über den Sensorleiter Rho und den Strombegrenzungswiderstand R17 an dem Oszillator 60 und wobei er vorliegend an den Oszillatorwiderstand R18 angeschlossen ist. Somit ist das Oszillatorsignal von dem Zustand des Heizelements abhängig und ändert sich mit dessen elektrischen Werten, insbesondere bei Temperaturänderung aber auch bei anderen Zustandsänderungen, wie z. B. Bruch, Kurzschluss, Alterung.
  • Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel liegt der Strombegrenzungswiderstand R17 außerhalb eines Anschlusspunktes C der flexiblen Heizvorrichtung 10, während der Sensorwiderstand RS auf dem flexiblen Träger 15 nahe einem Anschlusspunkt A des Heizleiters Rhi liegt. Auch andere Positionierungen können gewählt werden, nämlich die Anordnung des Strombegrenzungswiderstandes R17 auf dem flexiblen Träger 15 oder die Anordnung des Sensorwiderstandes RS außerhalb des flexiblen Trägers 15. Alternativ können beide Widerstände RS, R17 auf dem oder außerhalb des Trägers 15 angeordnet sein. Ist zum Anschluss der Heizvorrichtung 10 anstelle einer festen Verbindung, wie sie auch möglich ist, eine Stecker-/Kupplungseinheit verwendet, können der Sensorwiderstand RS und/oder der Strombegrenzungswiderstand R17 in dem auf dem Träger 15 fixierten Teil der Stecker-/Kupplungseinheit oder in dem abnehmbaren, außerhalb des flexiblen Trägers 15 liegenden Teils der Stecker-/Kupplungseinheit angeordnet sein. Bei in dem abnehmbaren Teil angeordnetem Sensorwiderstand RS bzw. Strombegrenzungswiderstand R17 ist/sind diese/dieser z. B. beim Waschen abgenommen und vor negativen Einflüssen geschützt. Für die Anordnung in dem getrennten Teil der Stecker-/Kupplungseinheit ist diese z. B. vierpolig aufgebaut.
  • Zum Steuern bzw. Regeln der Heizleistung liegt in dem Heizkreis 100, der den Heizleiter Rhi aufweist, eine mit der Steuereinrichtung 30 verbundene und von dieser steuerbare Schaltvorrichtung 20. Zum Regeln der Heizleistung kann von dem Heizkreis 100 an einem darin weiterhin liegenden Messwiderstand R24 ein Messstrom abgegriffen und der Steuereinrichtung 30 über Schaltungsteile zugeführt werden. In einer Netzanschlussleitung liegt eine bei übermäßigem Strom schmelzende Sicherung F1. Ferner kann als zusätzliche Sicherheitsmaßnahme zwischen den Netzanschlussleitungen N, L1 mit einem Varistor VDR ein Überspannungsschutz gebildet sein.
  • Fig. 2 zeigt als ein Ausführungsbeispiel für ein Heizelement 16 eine Heizkordel mit einem zentralen Kern KE, auf den der Heizleiter Rhi spiralförmig aufgewickelt ist. Auf den Kern KE mit dem Heizleiter Rhi ist konzentrisch die Zwischenisolation ZW aufgebracht, auf der der Sensorleiter Rho ebenfalls spiralförmig aufgewickelt ist. Die Zwischenisolation ZW und der Sensorleiter Rho sind nach außen von einer Außenisolation AU umgeben. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist der innere Leiter der Heizleiter Rhi und der äußere Leiter der Sensorleiter Rho. Alternativ kann der innere Leiter der Sensorleiter und der äußere Leiter der Heizleiter sein.
  • Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel besitzt der Widerstandswert des Heizleiters Rhi und des Sensorleiters Rho einen positiven Temperaturkoeffizienten (PTC-Verhalten), so dass sich mit steigender Temperatur der ohmsche Widerstandswert erhöht, während der ohmsche Widerstandswert der Zwischenisolation ZW einen negativen Temperaturkoeffizienten (NTC-Verhalten) besitzt, so dass sich deren Widerstandswert mit zunehmender Temperatur z. B. exponentiell verringert. Alternativ können jedoch der Heizleiter Rhi und/oder der Sensorleiter Rho NTC-Verhalten und die Zwischenisolation ZW PTC-Verhalten aufweisen. Als weitere alternative Ausgestaltungen können auch die anderen verbleibenden Kombinationen des Temperaturverhaltens (PTC-, NTC-Verhalten) zur Anwendung kommen. Das jeweilige temperaturabhängige Widerstandsverhalten kann als Sensorsignal genutzt werden. Der Aufbau ergibt auch einen kapazitiven und einen induktiven Widerstand, wobei die Zwischenisolation ZW ein Dielektrikum bildet und, wie in diesem Zusammenhang auch üblich, von einem dielektrischen Widerstand gesprochen werden kann. Der ohmsche Widerstand der Zwischenisolation ZW kann seinerseits bei Wechselstrombetrieb von der Frequenz des Wechselstroms abhängig sein. Der kapazitive Widerstand bzw. der induktive Widerstand ist abhängig von der Wickeldichte (Anzahl der Windungen pro Länge) des Heizleiters Rhi und des Sensorleiters Rho. Außerdem können die Querschnittsfläche und/oder Querschnittsform des Heizleiters Rhi bzw. des Sensorleiters Rho unterschiedlich gewählt werden, womit sich nicht nur deren Widerstand variieren lässt, sondern auch unterschiedliche ohmsche, kapazitive und induktive Widerstandswerte des Heizelements insgesamt erzielen lassen. Eine weitere Ausgestaltungsmöglichkeit der Heizkordel besteht darin, dass der Kern KE als Lahnlitze ausgebildet ist. Derartige Lahnlitzenleiter, z. B. aus hoch festem Polyester als Basismaterial und aus einem wählbaren Gespinst haben den Vorteil, dass sie niederohmig sind und günstige EMV-/EMF-Werte besitzen.
  • Die Zwischenisolation ZW dient wesentlich zum Erkennen von punktuellen Bereichen übermäßiger Temperatur des Heizelements (Hot-Spot-Erkennung) und besitzt in dem primären Temperaturerfassungsbereich von üblich 120 bis 160° C z. B. Schmelzeigenschaften, so dass zwischen dem Heizleiter Rhi und dem Sensorleiter Rho eine niederohmige elektrische Verbindung, beispielsweise Kurzschluss, entsteht und damit ein Überhitzungsschutzdetektor gebildet ist. Oder die Zwischenisolation ZW besitzt auch bei den zu detektierenden höheren Temperaturbereichen nicht schmelzende Eigenschaften, wobei dann die durch die exponentielle Temperaturabhängigkeit hervorgerufenen geringen Widerstandswerte der Zwischenisolation ZW für die Überwachungsfunktion genutzt werden. Geeignete Materialien für die Zwischenisolation ZW sind z. B. PVC (bei niedriger oder bei hoher Temperatur schmelzend), Polyethylen (PE), PES, PA, POM, TPU, PEEK, PPP, PPS, PSU, PEI mit oder ohne Glas-bzw. Kohlefaserverstärkung, nicht schmelzende Polyimide oder dgl. Zum Erreichen des temperaturabhängigen Widerstands- bzw. Leitfähigkeitsverhaltens werden Füllmaterialien und Additive eingesetzt.
  • Der Aufbau und die Funktion des Sensorleiters Rho und des Heizleiters Rhi können sich im Wesentlichen entsprechen und gegeneinander austauschbar sein. Die Stromtragfähigkeit beider Leiter kann auch unterschiedlich sein, wobei insbesondere der Sensorleiter Rho niedrigere Stromtragfähigkeit besitzt.
  • Mit den verschiedenen wählbaren Eigenschaften der Heizkordel lassen sich viele verschiedenartige Funktionszustände der Heizvorrichtung in Verbindung mit der Steuerungsvorrichtung erfassen, da dadurch die elektrischen Eigenschaften des Heizelementes unterschiedlich beeinflusst werden.
  • Alternativ ist als Heizelement auch eine flächige Ausbildung desselben mit flachem Heizleiter Rhi und Sensorleiter Rho und dazwischen liegender Zwischenisolation ZW anwendbar.
  • Fig. 3 zeigt zu dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ein detailliertes Ausführungsbeispiel. Demnach kann anstelle des oder in Kombination mit dem ohmschen Sensorwiderstand RS ein kapazitiver oder induktiver Sensorwiderstand CS bzw. LS vorhanden sein. Mittels des kapazitiven bzw. induktiven Sensorwiderstandes CS, LS gegebenenfalls in Kombination mit dem ohmschen Sensorwiderstand RS lassen sich zusätzlich frequenzabhängige Eigenschaften des Heizelements unterscheiden, wobei es vorteilhaft ist, wenn sich mittels der Steuereinrichtung 30 für den Oszillator 60 verschiedene angepasste Grundfrequenzen voreinstellen lassen. Die Grundfrequenzen können dabei in Abhängigkeit von verschiedenen flexiblen Heizvorrichtungen, wie Heizkissen oder Heizdecken unterschiedlichen Aufbaus bzw. unterschiedlicher Heizleistung, vorgegeben werden, wobei die Einstellung der jeweils günstigsten Grundfrequenz oder auch Kurvenform automatisch in Abhängigkeit von der erkannten Heizvorrichtung vorgebbar sein kann. Eine weitere Ausgestaltung besteht darin, dass für die Erfassung unterschiedlicher Funktionszustände unterschiedliche Grundparameter (wie Frequenz, Kurvenform, Amplitude) vorgebbar sind. Damit entstehen weitere vorteilhafte Detektionsmöglichkeiten. Beispielsweise kann zum Erfassen unterschiedlicher Alterungszustände ein anderer Grundparametersatz für eine Detektionsmessung vorgegeben werden als zum Erfassen eines Leiterbruchs oder Kurzschlusses oder zum Überprüfen der Funktionstüchtigkeit des Oszillators 60 selbst oder einer anderen Schaltungskomponente, wie z. B. der Schaltvorrichtung 20 in dem Heizkreis 100.
  • Des Weiteren lässt sich der ohmsche, kapazitive und/oder induktive Sensorwiderstand RS, CS bzw. LS exakt auf die Eigenschaften der Heizvorrichtung 10 abstimmen, so dass bei Änderungen der elektrischen Eigenschaften des Heizelements mittels des Oszillators 60 und der Auswerteeinrichtung 301 der Bereich höchster Empfindlichkeit erhalten wird, mit dem der jeweilige Funktionszustand erfassbar ist. Beispielsweise ist der Wert des ohmschen Sensorwiderstandes RS im Bereich zwischen einem Zwanzigstel und dem einfachen ohmschen Widerstandswert der intakten Zwischenisolation ZW bei Raumtemperatur gewählt, z. B. zwischen einem Zwölftel und der Hälfte desselben. Liegt bei einem Heizgerät also beispielhaft der ohmsche Widerstandswert der Zwischenisolation ZW im Kaltzustand (bei Raumtemperatur) zwischen 1 MΩ und 5 MΩ, so wird beispielsweise ein Widerstandswert zwischen 100 kΩ und 1 MΩ für den ohmschen Sensorwiderstand RS gewählt.
  • Ferner wird der an dem von dem Sensorwiderstand RS bzw. CS oder LS abgewandten Ende des Sensorleiters Rho angeschlossene Strombegrenzungswiderstand R17, der an den externen Oszillatorwiderstand R18 angeschlossen ist, so gewählt, dass der in den Oszillator 60 von dem Sensorleiter Rho fließende Strom auf Werte im µA-Bereich bis mA-Bereich begrenzt ist. Damit werden der Sensorleiter Rho sowie der Oszillator 60 wenig belastet und zudem ergeben sich vorteilhaft auswertbare Einflüsse auf das Oszillator-Ausgangssignal, wie sich in Untersuchungen der Erfinder gezeigt hat. Hierbei können die Änderungen in der Amplitude, der Kurvenform oder der Frequenz des Oszillator-Ausgangssignals jeweils für sich oder kombiniert miteinander in der Auswerteeinrichtung 301 ausgewertet werden.
  • Sind Signaländerungen des Oszillator-Ausgangssignals nicht eindeutig bewertbar, können Wiederholungsmessungen durchgeführt werden, um die Zuverlässigkeit der Bewertung zu erhöhen. Die Auswertung mehrerer erfasster Signale für einen Funktionszustand kann z. B mittels statistischer Methoden erfolgen, wie z. B. Mittelwertbildung, wobei der erhaltene Mittelwert mehrerer Messungen mit einem gespeicherten oder einem errechneten Schwellenwert verglichen wird. Dabei kann die Anzahl der Messungen auch von der Größe der Abweichung zwischen den Messungen, z. B. einer Standardabweichung oder paarweisen Abweichung, ermittelt werden. Für die Auswertung des Oszillator-Ausgangssignals ist vorteilhaft in der Steuereinrichtung 30 eine Software hinterlegt, die hinsichtlich der Auswertealgorithmen und Parameter auch nachträglich noch änderbar ausgestaltet sein kann.
  • Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung besteht darin, dass auch das in dem Heizkreis 100 abgegriffene Messsignal, das der Steuerung bzw. Regelung der Heizleistung dient, der Auswerteeinrichtung 301 zugeführt wird und mittels dieser zusammen mit dem Oszillator-Ausgangssignal für die Ermittlung des jeweiligen Funktionszustandes mit einbezogen wird. Auf diese Weise kann bei Änderung des über den Sensorleiter Rho dem Oszillator 60 zugeführten Signals z. B. erkannt werden, ob dieses von einem Bruch des Heizleiters Rhi herrührt, da in diesem Falle durch den Heizleiter Rhi kein Strom fließt und somit auch kein Spannungsabfall bzw. Messstrom an den Messwiderstand R24 vorliegt, während andererseits aber über den Sensorleiter Rho ein Strom erhalten wird. Ist der Sensorleiter Rho gebrochen, wird kein oder lediglich ein geringer Strom (abhängig von der Entfernung der Bruchstelle von dem betreffenden Anschlusspunkt C) dem Oszillator 60 zugeführt, während über den Heizleiter Rhi ein betreffender Heizstrom fließt und somit ein Messstrom an dem Messwiderstand R24 abgegriffen werden kann. Bei fehlerhaft bzw. nicht gesteckter Anschlusskupplung des Wärmegeräts oder bei Bruch sowohl des Heizleiters Rhi als auch des Sensorleiters Rho wird weder in dem Sensorleiter Rho noch in dem Heizleiter Rhi ein Strom festgestellt. Das Oszillator-Ausgangssignal entspricht dem einer nicht angeschlossenen Heizvorrichtung 10.
  • Vorteilhaft ist ein Wechselspannungsbetrieb der flexiblen Heizvorrichtung 10. Dabei können bei dem vorliegenden Aufbau sowohl die positive Halbwelle der Versorgungsspannung als auch die negative Halbwelle der Versorgungsspannung ausgewertet werden, wobei eine getrennte Auswertung der positiven und negativen Halbwelle möglich ist. Dies hat den Vorteil, dass Funktionszustände bzw. Fehlerzustände, die sich insbesondere auf eine Halbwelle auswirken, getrennt bzw. ohne Einfluss auf die andere Halbwelle über das Ausgangssignal des Oszillators 60 bewertet werden können.
  • Wie Fig. 3 zeigt, ist die Schaltvorrichtung 20 mit einer Ansteuerschaltung ausgestattet, die eine dynamische Ansteuerung des oder der in dem Heizkreis 100 liegenden Schaltelemente bewirkt, nämlich vorliegend über den Kondensator C11 und den Widerstand R15. Die dynamische Ansteuerung des als Triac ausgebildeten Schaltelements T2 hat den Vorteil, dass bei Ausfall der Steuereinrichtung 30 eine Triggerung durch dessen statischen Fehlerzustand nicht stattfinden kann, da eine mehrfache Triggerfrequenz gegenüber der Netzfrequenz zur Triac-Ansteuerung erforderlich ist.
  • Der kapazitive Blindwiderstand Xc des Kondensators C11 bestimmt die resultierenden Triac-Zündsteuerströme. Mittels des Schaltelements ist eine Leistungsstellung durch Pulsweitenmodulation (PWM) möglich. Als Schaltelemente kommen auch Thyristoren, Schalttransistoren, MOSFETs, IGBTs, Relais oder dgl. auch in Kombination miteinander in Betracht.
  • Wie Fig. 3 weiter zeigt, weist die Schaltvorrichtung 20 eine redundante Schalteinheit 201 mit einem ebenfalls in dem Heizkreis 100 liegenden Heizelement T1 auf, das den gleichen Aufbau haben kann, wie das vorstehend genannte Schaltelement T2. Auch das Schaltelement der redundanten Schalteinheit 201 wird vorliegend dynamisch, nämlich über den Widerstand R13 und den Kondensator C5 angesteuert, wobei zusätzlich eine stabilisierende Zenerdiode ZD2 und ein Widerstand R16 vorhanden sind, der an die Ansteuerleitung zwischen der Steuereinrichtung 30 und dem Schaltelement T2 angeschlossen ist. Die redundante Schalteinheit 210 ergibt eine zusätzliche Abschaltmöglichkeit des Heizkreises 100 im Falle eines Ausfalls des ersten Schaltelements T2.
  • Wie Fig. 3 weiter zeigt, umfasst die Bedieneinheit 40 verschiedene Handeingabeelemente, wie Tasten-, Schalt- und/oder Schieberelemente S2, S3 sowie zusätzliche Schaltungselemente R27, R40, R41, R42. Die Anzeigeeinheit 50 umfasst mehrere Anzeigeelemente in Form von Leuchtdioden LED sowie weitere Schaltungselemente, mit denen diese an die Steuereinrichtung 30 angeschlossen sind. Über die Anzeigeeinheit 50 können Funktionszustände einschließlich Fehlerzuständen einem Benutzer oder einer Wartungsperson angezeigt werden. Außerdem können Schaltstufen für die Heizleistung angezeigt werden. Die Spannungsversorgungseinheit 70 umfasst eine kapazitive Elektronikstromversorgung C8 mit Entladewiderstand R19 und Spannungsstabilisierung durch R1, D2, D7, D8, C1 und eine Zenerdiode ZD1. Die Nulldurchgangserfassungsschaltung 80 dient zur Nullspannungszündung der Schaltelemente T1 und T2, insbesondere im Falle von Triacs, und umfasst den Widerstand R2, den Transistor Q3 und die Diode D6. Die Referenzspannungserzeugungsschaltung bzw. Erfassung der Referenzspannung aus der aktuellen Netzspannung weist die Diode D1, Widerstände R3, R8 und einen Kondensator C2 auf. Ferner umfasst das Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 eine Schutzschaltung 200 mit der Überstromsicherung F1 und den (optionalen) Überspannungsschutz mit dem Varistor VDR1.
  • Bei dem in Fig. 4 gezeigten Ausführungsbeispiel ist gegenüber dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 die Erfassung eines Messsignals in dem Heizkreis 100 zur Heizleitertemperaturerfassung weggelassen.
  • Bei dem in Fig. 5 gezeigten Ausführungsbeispiel ist gegenüber dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 eine aktive Sicherheitsabschaltung des zweiten Schaltelements T1 vorhanden. Anstelle der reversiblen redundanten Lastabschaltung mittels der Schaltelemente T1 und T2 nach Fig. 3 ist bei diesem Ausführungsbeispiel das Schaltelement T1 parallel zu der Heizvorrichtung an den Netzanschluss angeschlossen, um einen zusätzlichen Strompfad über einen Widerstand RP zu schalten, um einen Überstrom zu erzeugen, der die netzeingangsseitige Schmelzsicherung F1 irreversibel zum Auslösen bringt. Optional kann dabei die Ansteuerleitung des Schaltelements T1 über einen Widerstand R22 an den Messwiderstand R24 des Heizkreises 100 angeschlossen sein. Damit kann der betreffende Anschluss der Steuereinrichtung 30, beispielsweise ausgebildet als Mikroprozessor, gleichzeitig zur Erfassung des Messsignals in dem Heizkreis 100 und für die Ansteuerung des Schaltelements T1 genutzt werden, womit eine verringerte Anzahl von Anschlüssen benötigt wird. Über den gemeinsamen Anschluss der Steuereinrichtung 30 kann eine Regelsteuereinheit derselben Steuerströme beispielsweise mit digitalen Rechtecksignalen mit höherer Frequenz für den Triac T1 bereitstellen, während die üblichen 50 bzw. 60 Hz Signale normalerweise nicht als Zündstrom ausreichen würden. Dabei werden die mittels des Widerstands R22 begrenzten Messsignale des PTC-Heizkreises 100 unterdrückt (Signalüberlagerung), die zu diesem Zeitpunkt nicht mehr benötigt werden. Sind jedoch weitere Signalein- bzw. Signalausgänge vorhanden, können der Pfad für das Messsignal und die Ansteuerung des Triacs T1 auch getrennt ausgeführt werden.
  • Fig. 6 zeigt eine Variante zu dem in Fig. 5 gezeigten Ausführungsbeispiel. Hierbei ist anstelle des Widerstandes RP in der Netzzuleitung eine mit Heizwiderständen R4 und R5 thermisch gekoppelte Temperatursicherung TSI1 angeordnet. Im Fehlerfall erfolgt über die Heizwiderstände R4 und R5 durch ihre thermische Kopplung mit der Temperatursicherung TSI1 deren Durchschmelzen und damit eine zeitverzögerte irreversible Auslösung einer Geräteabschaltung im Fehlerfall. Auch hierbei erfolgt die Ansteuerung des Schaltelements T1 von der Steuereinrichtung 30 aus insbesondere dann, wenn z. B. über das Ausgangssignal des Oszillators 60 ein Fehlerzustand festgestellt wird, ähnlich wie auch bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 5.
  • Wie vorstehend gezeigt, weist das Wärmegerät zum einen ein Überwachungssystem mit differenzierter Erfassung von Funktionszuständen, insbesondere Fehlerzuständen, und zum anderen, in Kombination mit der Überwachungsvorrichtung, unterschiedliche Ansteuerungsvorrichtungen auf, über die gezielt und schnell auf erfasste Funktionszustände, insbesondere die Fehlerzustände, durch Steuern bzw. Reduzierung der Heizleistung oder Abschaltung des Wärmegerätes, vornehmlich der Heizvorrichtung reagiert werden kann. Auch ist in diesem Zusammenhang eine Ansteuerung der Anzeigeeinheit 50 möglich. Bei einer vorteilhaften Ausbildung können wesentliche Fehlerzustände auch gespeichert werden.
  • Die Überwachungsvorrichtung beinhaltet neben der Überwachung von Fehlerzuständen auch Plausibilitätsüberprüfungen, wozu auch im Steuerkreis oder Regelkreis erfasste Signale zusätzlich der Auswerteeinrichtung 301 zugeführt werden können, wie z. B. das in dem Heizkreis 100 abgegriffene Messsignal oder auch Signale der Nulldurchgangserfassungsschaltung 80, einer Netzfrequenzerfassung (50 bzw. 60 Hz) der Referenzspannungserzeugungsschaltung 85 und/oder der Versorgungsspannung. Bereits bei sich anbahnenden Fehlern können Warnhinweise erzeugt und angezeigt werden.
  • Mittels des exponentiell schnell abnehmenden ohmschen Widerstands der Zwischenisolation ZW mit der Temperatur bei Ausführung mit NTC-Verhalten wird der dadurch über die Zwischenisolation ZW fließende Strom im Verhältnis zu dem über den ohmschen Sensorwiderstand RS fließenden Stromanteil entsprechend schnell größer, womit sich eine entsprechend empfindliche Signaländerung an dem Oszillator 60 ergibt. Die Heizleistung kann indes in Folge des PTC-Temperaturverhaltens des Heizleiters Rhi exakt gesteuert werden. Damit lässt sich eine gezielte Steuerung bzw. Regelung im Fehlerfalle zuverlässig durchführen, bereits bevor ein gravierender Fehlerzustand eintritt, der eine vollständige Geräteabschaltung und gegebenenfalls irreversible Sicherheitsabschaltung notwendig machen würde. Ein genaues Ansprechen auf Funktionszustände und gegebenenfalls Fehlerzustände kann durch Signalfilterung des Oszillator-Ausgangssignals mittels Hard-/ oder Softwarefilter oder mittels Programmen vorgenommen werden, um Störsignale zu beseitigen und eine hohe Genauigkeit der Signale für die Auswertung zu erhalten. Damit werden unnötige Fehlerabschaltungen vermieden. Bei Betrieb mit unterschiedlicher Netzfrequenz (50/60 Hz) kann eine Anpassung der Grundparameter des Oszillators vorgenommen werden, wobei zunächst automatisch die Netzfrequenz erfasst wird. Damit können auch evtl. Auswirkungen der Frequenz auf das ohmsche, kapazitive und/oder induktive Widerstandsverhalten der Zwischenisolation ZW berücksichtigt werden. Eine weitere Anpassungsmöglichkeit besteht durch den externen Widerstand R18 des Oszillators 60.
  • Die geringen Ströme durch den Strombegrenzungswiderstand R17 führen neben einer günstigen Signalerfassung durch die Steuereinrichtung 30 auch zu einer geringen Belastung des Sensorleiters Rho, womit auch eine lange Alterungsbeständigkeit und geringe Korrosionsbildung bewirkt wird. Gleichzeitig ergibt sich auch der Vorteil eines geringen Materialbedarfs für den Leiter.
  • Das Wärmegerät mit dem vorstehend beschriebenen Überwachungssystem lässt neben der Erfassung der Funktionszustände, insbesondere Fehlerzustände, auch Plausibilitätsüberprüfungen zu. Verschiedene Maßnahmen bestehen in:
    • Gerätetyperkennung (darf die Heizvorrichtung 10 an der Steuervorrichtung bzw. Bedieneinheit betrieben werden);
    • ist das Wärmegerät mittels der Steckkupplung richtig an die Versorgungsspannung angesteckt bzw. liegt eine Unterbrechung vor;
    • liegt eine Unterbrechung im Sensorzweig mit dem Sensorleiter Rho vor;
    • bei Vorhandensein einer Schnellanheizung kann diese ab einer festgelegten Heiztemperatur (von ca. > als 33° C) oder bei Erkennung einer Hot-Spot-Übertemperatur (von z. B. über 80° C) unterdrückt werden;
    • bei Erkennen eines Fehlers kann der Heizkreis unterbrochen werden;
    • bei Kurzschluss zwischen Heizleiter Rhi und Sensorleiter Rho kann dieser z. B. über den erhöhten Sensorstrom erkannt und eine Abschaltung des Gerätes vorgenommen werden;
    • über den Sensorzweig und den Heizkreis 100 können Temperatursignale erfasst und Bereichswerte überwacht werden;
    • Fehler des Oszillators 60 können durch Plausibilitätsüberprüfungen in dem Sensorzweig festgestellt werden;
    • durch Vergleich von Signalen des Heizkreises 100 und des Sensorzweigs über den Oszillator 60 kann ein fehlerhafter Messwiderstand R24 festgestellt werden;
    • eine Kalibrierung kann überwacht und mittels Messungen im Sensorzweig und Heizkreis 100 festgestellt werden;
    • Überwachungen können im 50 Hz und 60 Hz-Netzbetrieb durchgeführt werden;
    • eine Überwachung über den Sensorzweig ist während der positiven und negativen Netzhalbwellen möglich;
    • eine Überwachung des Netzspannungsbereichs ist möglich;
    • unter Nutzung des Sensorzweigs in Verbindung mit dem Heizkreis 100 ist auch eine Überwachung der redundanten Schalteinheit 210 des Heizkreises 100 möglich.
  • Aus Sicherheitsgründen wird beim Betrieb des Wärmegeräts in der Regel zuerst die Referenzspannung über die Referenzspannungserzeugungsschaltung 85 überprüft, anschließend werden die Signale des Sensorzweigs auf Fehlerzustände bzw. Plausibilität geprüft und erst danach erfolgt, soweit zulässig, die Einschaltung der Heizleistung, wobei gegebenenfalls Heiztemperatursignale gemessen und geprüft werden.
  • Läuft der Oszillator 60 ohne angesteckte Heizvorrichtung 10 bzw. bei Unterbrechung des Heizleiters Rhi und des Sensorleiters Rho, ergibt sich in der Regel die höchste dynamisch wechselnde Messspannung in dem Ausgangssignal des Oszillators, da keine Bedämpfung stattfindet, sofern der Oszillator 60 keinen Fehler aufweist.
  • Bei Heizbeginn (Raumtemperatur) wirkt vorwiegend der Widerstandswert des Sensorwiderstandes RS. Bei Wahl unterschiedlicher Sensorwiderstände (RS, CS oder LS) für verschiedene Heizvorrichtungen kann dann der Typ des Wärmegeräts bzw. der Heizvorrichtung festgestellt werden, beispielsweise durch Vergleich mit einer Temperaturmessung im Heizungszweig. Fallende bzw. steigende Temperaturen am Sensorleiter Rho, beispielsweise bei Ausführung mit PTC-Verhalten, können durch Änderungen der Bedämpfung des Oszillator-Ausgangssignals registriert werden. Dabei ist eine Bereichsüberwachung der Temperatur möglich.
  • Bei Hot-Spot-Fehlern ändert sich die Belastung des bedämpfbaren Oszillators 60 infolge Vorliegens nichtlinearer Signale übermäßig und gibt Hinweise auf diesen Fehlerfall. Vorteilhaft wird eine Hot-Spot-Messung bei abgeschalteter Heizleistung durchgeführt. Anhand der erhaltenen Messwerte erfolgt ein Eingriff in die Steuervorrichtung zum Begrenzen bzw. Absenken der Temperatur oder zur Abschaltung des Gerätes, wobei die Abschaltung reversibel oder irreversibel erfolgen kann. Bei Ausführung mit einer Speichereinheit können für Wartungspersonen Fehlerinformationen abgelegt werden. Auch sind Hinweise auf der Anzeigeeinheit möglich. Ferner sind bei weniger gravierenden Fehlerzuständen geeignete Eingriffe in die Steuerung bzw. Regelung der Heizleistung möglich, wie z. B. zeitweise Absenkung der Leistungszuführung, Abschaltung kritischer Flächenbereiche des Wärmegeräts bei Ausbildung mit mehreren Heizkreisen, um das Wärmegerät weniger zu beanspruchen bzw. einen Alterungsprozess zu verlangsamen.
  • Eine Unterbrechung des Sensorleiters Rho kann an einer Änderung des bedämpfen Oszillator-Ausgangssignals erkannt werden. Dieser Fehlerzustand wird durch Vergleich z. B. mit einer Temperaturerfassung des Heizleiters Rhi mit PTC-Verhalten möglich.
  • Die Funktionsprüfung bei redundanter Schalteinheit 210 erfolgt durch wechselseitiges Ein- und Ausschaltung der Schalterelemente mit Überprüfung des Heizstroms in dem Heizkreis 100 bzw. unter Einbeziehung des Oszillator-Ausgangssignals.
  • Mittels definierter Änderung der Frequenz des Oszillators 60 mittels der Steuereinrichtung 30 können bei bekannten Sensorwiderständen RS, CS, LS, die auch in Kombination miteinander oder mit Batterien bzw. Akkus vorliegen können, charakteristische Ausgangssignale des Oszillators 60 festgestellt werden, um auf den Typ der Heizvorrichtung 10 zu schließen und diesen zu identifizieren. Bei falschen Kombinationen vom Steuervorrichtung und Heizvorrichtung 10 kann der Gerätebetrieb verhindert bzw. eine Fehleranzeige erzeugt werden.
  • Wird in dem Heizkreis 100 kein Messsignal abgegriffen, kann der Sensorzweig über das Oszillator-Ausgangssignal hinsichtlich der Eigenschaften des Sensorleiters Rho (z. B. PTC-Verhalten) für Temperaturregelsignale zur Ansteuerung der Schaltervorrichtung im Heizkreis 100 genutzt werden.
  • Eine Steuerung bzw. Regelung der Heizleistung und auch Zustandsüberwachung bzw. Fehlerüberwachung kann zonenabhängig innerhalb der Heizvorrichtung vorgenommen werden, wenn Kordelabschnitte des Heizelements mehr oder wenig eng verlegt sind oder mehrere Heizkreise gebildet sind.
  • Die Steuervorrichtung kann mit einer Speichereinheit versehen sein, die fest und/oder dynamisch Programm-, Parameterwerte bzw. Referenzwerte des bedämpfbaren (steuerbaren) Oszillators, Kalibrierdaten, Gerätereferenzdaten, Sollwerte, Grenzwerte und dgl. speichert. Die Kalibrierdaten enthalten z. B. Korrekturwerte für die Netzspannungsfrequenz, Toleranzen des Sensorleiters Rho bzw. des Heizleiters Rhi, die Grundfrequenz(en) des Oszillators 60, Spannungstoleranzen und dgl..
  • Die Nulldurchgangssignale der Steuerungsvorrichtung können für die Erkennung der Netzfrequenz und gegebenenfalls zur Anpassung der Signale des bedämpfbaren Oszillators sowie zur Vermeidung von Funkstörungen und gegebenenfalls zu einer Zeitgebersynchronisierung genutzt werden. Auch wird von den Nulldurchgangssignalen die Nulldurchgangstriggerung der Schaltelemente T1, T2, insbesondere Triacs, abgeleitet. Auch können die Nulldurchgangssignale bei Änderungen im Zusammenhang mit der Hot-Spot-Erfassung in der Auswerteeinrichtung 301 berücksichtigt werden, da die Zwischenisolation ZW eine mögliche frequenzabhängige Änderung aufweisen kann. Vereinfacht kann die Nulldurchgangserfassungsschaltung 80, die bei den gezeigten Ausführungsbeispielen den Widerstand R2, Transistor Q3 und Diode D6 umfasst, auch nur aus einem Netzvorwiderstand bestehen. Die typische Netzfrequenzunterscheidung 50/60 Hz wird durch Vergleich mit der (optional Quarz stabilisierten) Taktfrequenz eines Oszillators oder eines optionalen Signalgebers eines Echtzeituhrenbausteins oder fixen oder variablen Ladungszeiten von RC-Komponenten auf Softwarebasis oder dgl. ermittelt.

Claims (15)

  1. Schmiegsames Wärmegerät mit einer über eine Steuerungsvorrichtung betriebenen flexiblen elektrischen Heizvorrichtung (10), die mindestens ein mit einem flexiblen Träger (15) verbundenes flexibles Heizelement (16) aufweist, welches einen in einem Heizkreis (100) liegenden Heizleiter (Rhi) und einen von diesem über eine Zwischenisolation (ZW) getrennten flexiblen Sensorleiter (Rho) aufweist, mit einem in der Steuerungsvorrichtung enthaltenen, an den Sensorleiter (Rho) angeschlossenen bedämpfbaren Oszillator (60), dessen Ausgangssignal in Abhängigkeit von mittels des Sensorleiters (Rho) erfassten verschiedenen Funktionszuständen der Heizvorrichtung (10) variabel ist, und mit einer Auswerteeinrichtung (301), mittels deren Fehlerzustände aus dem Ausgangssignal erfassbar sind,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Sensorleiter (Rho) einerseits zur Erhöhung der Unterscheidungsfähigkeit des in Abhängigkeit von den verschiedenen Funktionszuständen variablen Ausgangssignals des Oszillators (60) über eine zu dem Sensorleiter (Rho) in Reihe geschaltete Impedanzanordnung aus mindestens einem ohmschen (RS), kapazitiven (CS) und/oder induktiven (LS) Sensorwiderstand (RS) an den Heizleiter (Rhi) und andererseits über einen ohmschen Strombegrenzungswiderstand (R17) an den Oszillator (60) angeschlossen ist, wobei der Strombegrenzungswiderstand (R17) zur Begrenzung des dem Oszillator (60) zugeführten Stroms im Bereich von Mikroampere bis Milliampere ausgelegt ist.
  2. Wärmegerät nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Zwischenisolation (ZW) eine NTC-Widerstandscharakteristik mit sich in Abhängigkeit von der Temperatur exponentiell verringerndem ohmschen Widerstand oder eine PTC-Widerstandscharakteristik mit in Abhängigkeit von der Temperatur zunehmendem ohmschen Widerstand aufweist.
  3. Wärmegerät nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Steuerungsvorrichtung eine als integrierte Schaltung ausgebildete Steuereinrichtung (30) aufweist und
    dass zumindest ein Teil (601) des Oszillators (60) von der integrierten Schaltung gebildet ist.
  4. Wärmegerät nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Oszillator (60) einen an die integrierte Schaltung außen angeschlossenen, externen Oszillatorwiderstand (18) aufweist.
  5. Wärmegerät nach Anspruch 3 oder 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass eine Grundfrequenz des Oszillators (20) mittels der Steuereinrichtung (30) vorgebbar ist.
  6. Wärmegerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Auswerteeinrichtung (301) auch ein in dem Heizkreis (100) abgegriffenes Messsignal zugeführt ist und
    dass die Auswerteeinrichtung (301) zum Ermitteln von Fehlerzuständen in Abhängigkeit sowohl des Ausgangssignals des Oszillators (60) als auch des in dem Heizkreis (100) abgegriffenen Messsignals ausgebildet ist.
  7. Wärmegerät nach Anspruch 6,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Messsignal ein an einem Messwiderstand (R24) des Heizkreises (100) abgegriffenes Strom-Messsignal ist, das in der Steuereinrichtung (30) auch zum Steuern oder Regeln der Heizleistung unter Ansteuerung einer in dem Heizkreis (100) angeordneten Schaltvorrichtung (20) genutzt ist.
  8. Wärmegerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Sensorwiderstand (RS) und/oder der Strombegrenzungswiderstand (R17) auf dem flexiblen Träger (15) oder in einem lösbaren Teil einer an diesem angebrachten Stecker-/Kupplungseinheit angeordnet ist/sind.
  9. Wärmegerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der ohmsche Widerstandswert des Sensorwiderstandes (RS) im Bereich zwischen einem Hundertstel oder Zwanzigstel und dem Einfachen des ohmschen Widerstandswertes der intakten Zwischenisolation (ZW) bei deren Raumtemperatur liegt.
  10. Wärmegerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Heizleiter (Rhi), der Sensorleiter (Rho) und die zwischen diesen liegende Zwischenisolation (ZW) Teile einer Heizkordel sind, die auf ihrer Außenseite mit einer Außenisolation versehen ist.
  11. Wärmegerät nach Anspruch 9,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Heizleiter (Rhi) und/oder der Sensorleiter (Rho) ein temperaturabhängiges ohmsches Widerstandsverhalten aufweist/aufweisen, wobei der Temperaturgang des Widerstandswertes eines der Leiter oder beider Leiter (Rhi, Rho) mit zunehmender Temperatur positiv oder negativ ist.
  12. Wärmegerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Steuerungsvorrichtung zum Unterscheiden zwischen irreparablen und reparablen Fehlerzuständen ausgebildet ist und
    dass ein von der Steuerungsvorrichtung ansteuerbares Schutzelement vorhanden ist, mit dem die Steuerungsvorrichtung und/oder die Heizvorrichtung bei Feststellen eines irreparablen Fehlerzustandes in einen irreversiblen funktionslosen Zustand bringbar ist.
  13. Wärmegerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Steuerungsvorrichtung eine Anzeigevorrichtung aufweist, mit der unterschiedliche Betriebszustände und/oder Fehlerzustände anzeigbar sind.
  14. Wärmegerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass ein Ansteuerkreis für den Heizkreis (100) zur dynamischen Ansteuerung ausgebildet ist.
  15. Wärmegerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Steuerungsvorrichtung eine Speichereinrichtung aufweist, in der Vorgabewerte und/oder Auswerteprogramme gespeichert sind.
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