WO2011055279A1 - Kochfeld mit wenigstens einem temperatursensor - Google Patents

Kochfeld mit wenigstens einem temperatursensor Download PDF

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WO2011055279A1
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cookware
cookware element
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Jesus Acero Acero
Rafael Alonso Esteban
Jose Ignacio Artigas Maestre
Claudio Carretero Chamarro
Carlos Franco Gutierrez
Sergio Llorente Gil
David Paesa García
Carlos Sagües Blázquiz
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BSH Hausgeraete GmbH
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BSH Bosch und Siemens Hausgeraete GmbH
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    • H05B1/02—Automatic switching arrangements specially adapted to apparatus ; Control of heating devices
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    • H05B6/02—Induction heating
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    • H05B2213/05—Heating plates with pan detection means

Definitions

  • the invention relates to a hob with at least one temperature sensor according to the preamble of claim 1.
  • the hob is an induction hob and the temperature sensor measures temperature-dependent oscillatory circuit parameters such as the frequency, the phase angle, the attenuation or a conductance of a resonant circuit comprising a heating inductor of the hob.
  • the resonant circuit parameters are influenced by the mutual induction produced by the cookware element.
  • the temperature dependence of the material properties of the cookware element is transferred to a temperature dependence of the resonant circuit parameters.
  • a control unit determines from these resonant circuit parameters the temperature of the cooking utensil element.
  • Difficulties are the calibration of such a temperature measurement, which depends strongly on the magnetic properties of the cookware element.
  • characteristic sections of the temperature profile such as the achievement of a boiling point, for calibrating the temperature measurement.
  • infrared sensors to determine cookware temperature.
  • the intensity of heat radiation received by an infrared sensor and emitted by a cooking pot increases with the temperature of the cooking pot.
  • Such infrared sensors therefore provide a signal dependent on the temperature of the cookware element.
  • the absolute value of the signal is critically dependent on the emissivity of the surface of the cookware.
  • Black bodies radiate heat, as is known, stronger than, for example, shiny metallic bodies.
  • a standardized surface of the cooking utensil elements or a complex calibration process is necessary for each cookware element.
  • a cooktop with temperature sensors or temperature sensors is known. Indirect temperature measurement takes place via a printed conductor surface applied to the glass ceramic cooking surface, which can measure the specific resistance of the glass ceramic and can exploit the temperature dependence of the specific resistance.
  • the temperature of the cooking utensil element is measured indirectly.
  • the indirect measurement of the cookware temperature above or below the glass ceramic cover plate mounted NTC elements has the disadvantage of a comparatively long reaction time.
  • the glass ceramic plate is heated only by the thermal contact with the inductively heated cookware element.
  • the temperature profile of the glass-ceramic plate and thus the temperature profile detected by the temperature sensors in contact with the glass-ceramic plate is therefore greatly delayed with respect to the temperature profile of the cookware element.
  • a precise control of the cookware temperature requires a quick feedback about the actual cookware temperature.
  • the invention is in particular the object of equipping a hob with a sensor arrangement that allows a regulation of the cookware temperature with little delay.
  • the object is achieved in particular by a hob with the features of claim 1.
  • Advantageous embodiments and modifications of the invention will become apparent from the dependent claims.
  • the invention is particularly based on a hob with a cover plate, at least one temperature sensor for measuring the temperature of a cookware element on the cover plate and with a control unit for determining the temperature of the cooking utensil element.
  • thermocouple for measuring at least one temperature-dependent parameter of the cookware element.
  • the temperature sensor can measure the temperature of the cookware element directly, for example by direct thermal contact, or indirectly, for example by measuring the temperature of a hob cover plate.
  • the further sensor is designed to measure at least one magnetic material property of the cookware element.
  • the sensor or the control unit which evaluates the sensor signals, can exploit the temperature dependence of the susceptibility or the specific resistance of the metallic, ferromagnetic material of the cookware element.
  • the further sensor is an infrared sensor for measuring infrared radiation, which is radiated from a wall of the cookware element.
  • the infrared sensor may be integrated, for example, in a tower projecting beyond a cooking surface, which tower may in particular also be designed to be retractable.
  • the cookware element may comprise a surface area with known emission properties. For this purpose, a sticker can be applied.
  • the temperature sensor may be configured as an NTC element, which in direct thermal contact with the underside of the hob cover plate for setting up the Cookware items is available. Furthermore, it is conceivable to engage the NTC element in a bore of the cover plate and / or to provide it with a metal element integrated in such a bore, which enables better heat conduction between the bottom of the cookware element and the temperature sensor.
  • the advantages of the invention come into play particularly when the cooktop is an induction cooktop. While in radiation cooktops the temperature profile of the pot bottom can be delayed with respect to the temperature profile of the region of the cover plate arranged below the bottom of the pot, this delay is reversed in induction hobs since the heat is generated in the pot bottom itself and not below the cover plate.
  • a heating inductor for inductive heating of the cooking utensil element can be advantageously used as the further sensor for measuring the magnetic properties of the cooking utensil element.
  • the inductance or an impedance of the heating inductor is influenced by the material properties of the heating element heated by the heating inductor, since the heating inductor and the cookware element form an interacting overall system. So far, it has been known to derive the material properties of the cookware element from resonant circuit parameters of a resonant circuit comprising the heating inductor and the cookware element in order, for example, to calculate the power consumption of the cookware element. However, the temperature dependence of these material properties was not taken into account in such cases. Of course, it is conceivable to provide a separate inductive sensor in addition to the heating inductor to determine the magnetic material properties of the cookware element.
  • the measurement of the magnetic material properties can be carried out in particular in a phase in which an amplitude of the heating current is smaller than a predetermined threshold value.
  • Suitable phases are found in an environment of a zero crossing of a supply voltage of the hob, since there the amplitude of the heating Electricity is very small anyway.
  • a suitable time window may include, for example, the period 1 ms before and / or after the zero crossing of the supply voltage.
  • control unit interrupt the heating operation for measuring the magnetic material property of the cookware element during at least one half-wave of a supply voltage.
  • a supply voltage of 50 Hz the duration of a half-wave is 10 ms, which is sufficient for measuring the magnetic properties.
  • suitable magnetic properties for example, the susceptibility, a specific resistance and / or a magnetizability of the ferromagnetic bottom of the cookware element can be measured.
  • FIG. 2 shows a circuit diagram of a hob according to an alternative embodiment of the invention with a separate from the heating inductor magnetic sensor
  • FIG. 3 shows the time profiles of a heating power, a signal of the magnetic sensor and a signal of the temperature sensor and the actual temperature of the cookware element in an arrangement according to FIG. 1 or 2, FIG.
  • Fig. 4 shows a hob with an infrared sensor
  • Fig. 5 shows schematically a temperature and power curve of
  • Fig. 6 illustrates time slots for magnetic temperature determination
  • Fig. 7 shows a time window for the magnetic determination of the cookware temperature according to an alternative embodiment of the invention.
  • 1 shows an induction hob with a heating coil 10 and a temperature sensor 12 arranged in the center of the heating coil 10, which rests on the underside of a cover plate 14 of the cooking hob.
  • the cover plate 14 is made of glass or glass ceramic. Between the formed as NTC element temperature sensor 12 and the cover plate 14, a good heat conducting contact is made, for example by a thermal paste.
  • the heating coil 10 is operated by a power electronics module 16, which in turn is controlled by a control unit 18.
  • the control unit 18 controls inverters of the power electronics module 16, which are not explicitly shown here, in such a way that a high-frequency alternating current with an amplitude of 100 to 200 V and a frequency of the order of magnitude is heated in order to heat a cooking utensil element 20 placed in the region of the heating coil 10 on the cover plate 14 40 to 100 KHz, the heating coil 10 flows through.
  • the heating coil 10 generates a correspondingly high-frequency alternating magnetic field when it is flowed through by the high-frequency heating current.
  • the alternating magnetic field induces eddy currents in the bottom of the cookware element 20 so that it heats up.
  • the heat generated in the bottom of the cookware element 20 is transferred from the cookware element 20 to the cover plate 14, the temperature of which can then be measured by the temperature sensor 12.
  • the temperature of the cover plate 14 is equalized in the area covered by the cookware element 20 after a certain reaction time to the temperature of the cooking utensil element 20 at.
  • the inductive coupling between the cookware element 20 and the heating coil 10 causes the impedance of the overall system formed by the heating coil 10 and the cookware element 20 to deviate from the impedance of the heating coil 10 operated in isolation without the cookware element 20 being set up.
  • the impedance of the heating coil 10 is influenced in particular by the mutual inductance of the cooking utensil element 20 and by the leakage currents in the bottom of the cooking utensil element 20. Since the latter variables are temperature-dependent, the impedance of the overall system consisting of the heating coil 10 and the cookware element 20 also shows a temperature dependence.
  • Ro is the resistance at a reference temperature To
  • I_o is the inductance of the reference temperature To.
  • the constants A and K are proportionality constants.
  • the resistance R and the inductance of the whole system can be determined from the real and imaginary part of the impedance, which in turn can be determined from the comparison of the input and output currents of the system.
  • the temperature can be determined from the measured values R, L.
  • the temperature of the bottom of the cooking utensil element 20 can be determined virtually instantaneously and directly.
  • the control unit 18 measures the magnetic material properties of the cookware element 20 by means of the heating coil 10, which is used as the magnetic sensor 10, by measuring the impedance, which can also be effected, for example, by measuring the resonance frequency. To For example, the control unit 18 generates low-amplitude measurement currents in the heating coil 10. The amplitude may be less than 10 V, for example, to avoid non-linear effects.
  • the control unit 18 determines the temperature of the cooking utensil element 20 as a function of both the temperature of the cooking utensil element 20 measured by the temperature sensor 12 and the magnetic material properties of the cookware element 20 measured by the sensor 10 or the heating coil 20. The measured value detected by the temperature sensor 12 is corrected in particular depending on the temperature value calculated from the material properties of the cookware element 20.
  • the control unit 18 may, for example, detect rapid changes in the temperature of the cookware element 20 and add differential values to the measured value detected by the temperature sensor 12 or subtract a difference value from the temperature value in order to take account of the delayed reaction time of the temperature sensor 12. Even if the parameters of the equations given above are not completely known, so that the absolute values of the temperature alone can not be determined from the measurements of the magnetic sensor 10, the temperature can be estimated in a very precise and responsive manner.
  • the parameters of the linear dependence of the magnetic properties on the temperature can be determined in stationary phases of the heating operation, in which the magnetic sensor 10 has measured a constant for a long time temperature of the cookware element 20, so that of a completed matching the measured by the temperature sensor 12th Measuring temperature to the actual temperature of the cookware element 20 can be assumed.
  • Fig. 2 shows an alternative embodiment of the invention with a separate from the heating coil 10 magnetic sensor 22 in the form of a measuring coil.
  • the sensor 22 is read out via a measuring circuit 24, which transmits the measured values, for example the impedance, to the control unit 18.
  • FIG. 3 schematically shows the course of a heating power 26 of a heating coil 10 according to FIG. 1 as a continuous line, an impedance 28 detected by a magnetic sensor 10 or 22, an actual temperature 30 of the cooking utensil element 20 and It can be seen that the impedance 28 reacts much faster to the actual temperature 30 of the cookware element 20, while the temperature detected by the temperature sensor 12 does not adjust to the actual temperature 30 until there is a great deal of delay.
  • the impedance 28 detected by the heating coil 10 or the separate sensor 22 therefore provides valuable information about the short-term course of the temperature of the cooking utensil 20.
  • the temperature determined by the magnetic sensor 10 or 22 can be used in particular for controlling a heating operation of the hob.
  • the cookware element 20 can thereby be kept safely at a constant temperature. Control oscillations can be avoided.
  • Fig. 4 shows a further alternative embodiment of the invention, in which the sensor 22 is formed as an infrared sensor, which is arranged in a retractable tower 38 and can directly measure the temperature of a wall of the cookware element 20.
  • 5 shows schematically the course of the actual temperature 30, with the temperature 32 measured by the temperature sensor 12, the temperature 28 determined from the impedance, the heating power 26 and a setpoint temperature.
  • a short power pulse is generated, which raises the temperature sharply.
  • the temperature 32 measured by the temperature sensor 12 follows the actual temperature greatly delayed. From the delay time and the rising curve, the dynamic parameters of the cookware element 20 can be determined. If these parameters are known, the height and duration of a second power pulse that is necessary to reach the setpoint temperature 34 can be calculated. In Fig. 1, this second pulse starts at about 180 seconds and lasts for about 50 seconds. announce. It can be seen that the actual temperature 30 is approaching the target temperature 34 very rapidly, while the temperature 32 measured by the temperature sensor again follows a strongly delayed course.
  • the temperature 28 measured by the sensor 10 or 22 can be used to control the actual temperature to the temperature reached after the pulse, which corresponds approximately to the setpoint temperature. Corrections may be made depending on the temperature detected by the temperature sensor 32.
  • Fig. 6 shows schematically the course of the heating current in the heating coil 10 over time.
  • the sinusoidal envelope has a frequency of 50 Hz and corresponds to the rectified line frequency, as is used by the inverters of the power electronics module 16 to generate the heating currents.
  • the amplitude of the heating current is sufficiently small to make a reliable impedance measurement.
  • These time windows 36 can therefore be used for impedance measurement.
  • a sufficiently large time window can be generated in the exemplary embodiment according to FIG. 7 in that the heating current is interrupted.
  • the heating current can be interrupted during a half-wave of the supply voltage, so that a time window 36 with the length of about 20 ms is formed. In this time window 36, a reliable impedance measurement can be made.

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Abstract

Die Erfindung geht aus von einem Kochfeld mit einer Abdeckplatte (14), wenigstens einem Temperatursensor (12) zum Messen einer Bodentemperatur eines Kochgeschirrelements (20) an der Abdeckplatte (14) und mit einer Steuereinheit (18) zum Bestimmen der Temperatur des Kochgeschirrelements (20). Um ein Kochfeld mit einer Sensoranordnung auszustatten, die eine Regelung der Kochgeschirrtemperatur mit geringer Verzögerung erlaubt, wird vorgeschlagen, wenigstens einen weiteren Sensor (10, 22) zum Messen wenigstens einer temperaturabhängigen Kenngröße (28) des Kochgeschirrelements (20) vorzusehen.

Description

Kochfeld mit wenigstens einem Temperatursensor
Die Erfindung betrifft ein Kochfeld mit wenigstens einem Temperatursensor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 .
Aus der EP 1 378 807 B1 ist es bekannt, die Temperatur eines metallischen Kochgefäßes mit einem Temperatursensor zu erfassen. Das Kochfeld ist ein Induktionskochfeld und der Temperatursensor misst temperaturabhängige Schwingkreisparameter wie beispielsweise die Frequenz, den Phasenwinkel, die Dämpfung oder einen Leitwert eines Schwingkrei- ses, der einen Heizinduktor des Kochfelds umfasst. Die Schwingkreisparameter werden durch die von dem Kochgeschirrelement erzeugte Gegeninduktion beeinflusst. Die Temperaturabhängigkeit der Materialeigenschaften des Kochgeschirrelements überträgt sich auf eine Temperaturabhängigkeit der Schwingkreisparameter. Eine Steuereinheit ermittelt aus diesen Schwingkreisparametern die Temperatur des Kochgeschirrelements.
Schwierigkeiten bereitet die Kalibrierung einer solchen Temperaturmessung, die stark von den magnetischen Eigenschaften des Kochgeschirrelements abhängt. In dem Dokument EP 1 378 807 B1 wird vorgeschlagen, charakteristische Abschnitte des Temperaturverlaufs, wie beispielsweise das Erreichen eines Siedepunkts, zum Kalibrieren der Tempera- turmessung zu verwenden.
Ferner ist es bekannt, zur Bestimmung der Kochgeschirrtemperatur Infrarotsensoren zu verwenden. Die Intensität der von einem Infrarotsensor aufgenommenen und von einem Kochtopf abgestrahlten Wärmestrahlung wächst mit der Temperatur des Kochtopfs. Der- artige Infrarotsensoren liefern daher ein von der Temperatur des Kochgeschirrelements abhängiges Signal. Der absolute Wert des Signals hängt jedoch maßgeblich von der Emissivität der Oberfläche des Kochgeschirrs ab. Schwarze Körper strahlen Wärme bekanntlich stärker ab als beispielsweise metallisch glänzende Körper. Zum Bestimmen des Absolutwerts der Temperatur ist daher entweder eine normierte Oberfläche der Kochge- schirrelemente oder ein aufwendiger Kalibrierungsvorgang für jedes Kochgeschirrelement notwendig. Aus der EP 658 067 A1 ist ein Kochfeld mit Temperaturfühlern oder Temperatursensoren bekannt. Eine indirekte Temperaturmessung erfolgt über eine auf der Glaskeramik- Kochfläche aufgebrachte Leiterbahn, welche den spezifischen Widerstand der Glaskeramik messen kann und die Temperaturabhängigkeit des spezifischen Widerstands ausnut- zen kann.
Durch die Messung der Temperatur der Glaskeramik wird mittelbar die Temperatur des Kochgeschirrelements gemessen. Die mittelbare Messung der Kochgeschirrtemperatur über in oder unter der Glaskeramikabdeckplatte angebrachte NTC-Elemente hat den Nachteil einer vergleichsweise langen Reaktionszeit. Insbesondere in Induktionskochfeldern, in denen die Wärme nicht durch die Glaskeramikplatte übertragen wird, erwärmt sich die Glaskeramikplatte nur durch den Wärmekontakt mit dem induktiv beheizten Kochgeschirrelement. Der Temperaturverlauf der Glaskeramikplatte und damit der von mit der Glaskeramikplatte in Kontakt stehenden Temperatursensoren erfasste Temperaturverlauf ist daher gegenüber dem Temperaturverlauf des Kochgeschirrelements stark verzögert. Eine präzise Regelung der Kochgeschirrtemperatur setzt jedoch eine schnelle Rückmeldung über die tatsächliche Kochgeschirrtemperatur voraus.
Andererseits ermöglicht die magnetische oder optische Erfassung der Kochgeschirrtemperatur zwar schnelle Reaktionszeiten, gleichzeitig ist die Messung aufgrund der für jedes Kochgeschirrelement unterschiedlichen Materialeigenschaften ungenau und/oder erfordert eine aufwendige Kalibrierung.
Der Erfindung liegt insbesondere die Aufgabe zugrunde, ein Kochfeld mit einer Sensoranordnung auszustatten, die eine Regelung der Kochgeschirrtemperatur mit geringer Verzögerung erlaubt. Die Aufgabe wird insbesondere durch ein Kochfeld mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Die Erfindung geht insbesondere aus von einem Kochfeld mit einer Abdeckplatte, wenigstens einem Temperatursensor zum Messen der Temperatur eines Kochgeschirrelements an der Abdeckplatte und mit einer Steuereinheit zum Bestimmen der Temperatur des Kochgeschirrelements.
Es wird vorgeschlagen, das Kochfeld mit wenigstens einem weiteren Sensor zum Messen wenigstens einer temperaturabhängigen Kenngröße des Kochgeschirrelements auszustatten. Durch die Verwendung eines präzisen Temperatursensors, beispielsweise eines NTC-Elements oder eines Thermoelements mit langsamer Reaktionszeit zusammen mit einem Sensor mit extrem schneller Reaktionszeit können die Nachteile beider Messmethoden ausgeglichen werden, so dass eine Temperaturmessung ermöglicht werden kann, die sowohl präzise als auch verzögerungsarm ist.
Der Temperatursensor kann die Temperatur des Kochgeschirrelements unmittelbar, bei- spielsweise durch direkten Wärmekontakt, oder mittelbar, beispielsweise durch die Messung der Temperatur einer Kochfeld-Abdeckplatte, messen.
Eine besonders gut reproduzierbare und schnelle Messung der Temperatur des Kochgeschirrelements kann realisiert werden, wenn der weitere Sensor zum Messen wenigstens einer magnetischen Materialeigenschaft des Kochgeschirrelements ausgebildet ist. Der Sensor bzw. die Steuereinheit, die die Sensorsignale auswertet, kann die Temperaturabhängigkeit der Suszeptibilität oder des spezifischen Widerstands des metallischen, ferro- magnetischen Materials des Kochgeschirrelements ausnutzen. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der weitere Sensor ein Infrarotsensor zum Messen von Infrarotstrahlung, die von einer Wand des Kochgeschirrelements abgestrahlt wird. Der Infrarotsensor kann beispielsweise in einen über eine Kochfläche hinausragenden Turm integriert sein, der insbesondere auch versenkbar ausgestaltet sein kann. Das Kochgeschirrelement kann einen Oberflächenbereich mit be- kannten Emissionseigenschaften umfassen. Dazu kann ein Aufkleber aufgebracht werden.
Ferner kann der Temperatursensor als NTC-Element ausgestaltet sein, das in unmittelbarem Wärmekontakt mit der Unterseite der Kochfeld-Abdeckplatte zum Aufstellen des Kochgeschirrelements steht. Ferner ist es denkbar, das NTC-Element in eine Bohrung der Abdeckplatte einzulassen und/oder mit einem in eine solche Bohrung integrierten Metallelement zu versehen, das eine bessere Wärmeleitung zwischen dem Boden des Kochgeschirrelements und dem Temperatursensor ermöglicht.
Wegen der verzögerten und teilweise auch unvollständigen Wärmeübertragung zwischen dem Kochgeschirrelement und der Abdeckplatte kommen die Vorteile der Erfindung insbesondere dann zum Tragen, wenn das Kochfeld ein Induktionskochfeld ist. Während in Strahlungskochfeldern der Temperaturverlauf des Topfbodens gegenüber dem Tempera- turverlauf des unter dem Topfboden angeordneten Bereichs der Abdeckplatte verzögert sein kann, kehrt sich diese Verzögerung in Induktionskochfeldern um, da die Wärme im Topfboden selbst und nicht unterhalb der Abdeckplatte erzeugt wird.
In Induktionskochfeldern kann vorteilhaft ein Heizinduktor zum induktiven Heizen des Kochgeschirrelements als der weitere Sensor zum Messen der magnetischen Eigenschaften des Kochgeschirrelements genutzt werden. Die Induktivität bzw. eine Impedanz des Heizinduktors wird durch die Materialeigenschaften des von dem Heizinduktor beheizten Kochgeschirrelements beeinflusst, da der Heizinduktor und das Kochgeschirrelement ein wechselwirkendes Gesamtsystem bilden. Bisher war es bekannt, die Materialeigenschaf- ten des Kochgeschirrelements aus Schwingkreisparametern eines den Heizinduktor und das Kochgeschirrelement umfassenden Schwingkreises herzuleiten, um beispielsweise die Leistungsaufnahme des Kochgeschirrelements zu berechnen. Die Temperaturabhängigkeit dieser Materialeigenschaften wurde in solchen Fällen jedoch nicht berücksichtigt. Selbstverständlich ist es denkbar, einen separaten induktiven Sensor zusätzlich zu dem Heizinduktor vorzusehen, um die magnetischen Materialeigenschaften des Kochgeschirrelements zu bestimmen.
Die Messung der magnetischen Materialeigenschaften kann insbesondere in einer Phase erfolgen, in welcher eine Amplitude des Heizstroms kleiner als ein vorgegebener Schwellenwert ist. Dadurch können nichtlineare Effekte in der Messung der Materialeigenschaften vermieden werden. Geeignete Phasen finden sich in einer Umgebung eines Nulldurchgangs einer Versorgungsspannung des Kochfelds, da dort die Amplitude des Heiz- Stroms ohnehin sehr klein ist. Ein geeignetes Zeitfenster kann beispielsweise den Zeitraum 1 ms vor und/oder nach dem Nulldurchgang der Versorgungsspannung umfassen.
Ferner wird vorgeschlagen, dass die Steuereinheit den Heizbetrieb zum Messen der magnetischen Materialeigenschaft des Kochgeschirrelements während wenigstens einer Halbwelle einer Versorgungsspannung unterbricht. Bei einer Versorgungsspannung von 50 Hz beträgt die Dauer einer Halbwelle 10 ms, was zum Messen der magnetischen Eigenschaften ausreichend ist. Als geeignete magnetische Eigenschaften können beispielsweise die Suszeptibilität, ein spezifischer Widerstand und/oder eine Magnetisierbarkeit des ferromagnetischen Bodens des Kochgeschirrelements gemessen werden.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Figurenbeschreibung. In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen. Es zeigen:
Fig ein Kochfeld mit einem Heizinduktor, einem Temperatursensor und
einem Kochgeschirrelement in einer schematischen Darstellung,
Fig 2 ein Schaltbild eines Kochfelds nach einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung mit einem von dem Heizinduktor getrennten magnetischen Sensor,
Fig 3 die zeitlichen Verläufe einer Heizleistung, eines Signals des magnetischen Sensors und eines Signals des Temperatursensors sowie der tatsächlichen Temperatur des Kochgeschirrelements in einer Anordnung nach Fig. 1 oder 2,
Fig 4 ein Kochfeld mit einem Infrarot-Sensor, Fig. 5 zeigt schematisch einen Temperatur- und Leistungsverlauf des
Kochgeschirrrelements während eines Garvorgangs mit vorgelagerter Erkennung der Topfparameter,
Fig. 6 illustriert Zeitfenster zur magnetischen Temperaturbestimmung des
Kochgeschirrelements während eines Heizvorgangs, und
Fig. 7 zeigt ein Zeitfenster zur magnetischen Bestimmung der Kochgeschirrtemperatur nach einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung. Fig. 1 zeigt ein Induktionskochfeld mit einer Heizspule 10 und einem im Zentrum der Heizspule 10 angeordneten Temperatursensor 12, das an der Unterseite einer Abdeckplatte 14 des Kochfelds anliegt. Die Abdeckplatte 14 ist aus Glas oder Glaskeramik hergestellt. Zwischen dem als NTC-Element ausgebildeten Temperatursensor 12 und der Abdeckplatte 14 wird ein gut wärmeleitender Kontakt hergestellt, beispielsweise durch eine Wärmeleitpaste.
Die Heizspule 10 wird durch eine Leistungselektronik-Baugruppe 16 betrieben, die ihrerseits von einer Steuereinheit 18 gesteuert wird. Die Steuereinheit 18 steuert hier nicht explizit dargestellte Wechselrichter der Leistungselektronik-Baugruppe 16 derart, dass zum Beheizen eines im Bereich der Heizspule 10 auf die Abdeckplatte 14 aufgestellten Kochgeschirrelements 20 ein hochfrequenter Wechselstrom mit einer Amplitude von 100 bis 200 V und einer Frequenz in einer Größenordnung von 40 bis 100 KHz die Heizspule 10 durchfließt. Die Heizspule 10 erzeugt ein ent- sprechend hochfrequentes Wechselmagnetfeld, wenn sie von dem hochfrequenten Heizstrom durchflössen wird. Das Wechselmagnetfeld induziert Wirbelströme in dem Boden des Kochgeschirrelements 20, so dass sich dieser erwärmt. Die in dem Boden des Kochgeschirrelements 20 erzeugte Wärme überträgt sich von dem Kochgeschirrelement 20 auf die Abdeckplatte 14, deren Temperatur dann von dem Temperatursensor 12 gemessen werden kann. Die Temperatur der Abdeckplatte 14 gleicht sich in dem von dem Kochgeschirrelement 20 überdeckten Bereich nach einer gewissen Reaktionszeit an die Temperatur des Kochgeschirrelements 20 an. Die induktive Kopplung zwischen dem Kochgeschirrelement 20 und der Heizspule 10 führt dazu, dass die Impedanz des von der Heizspule 10 und dem Kochgeschirrelement 20 gebildeten Gesamtsystems von der Impedanz der isoliert betriebenen Heizspule 10 ohne aufgestelltes Kochgeschirrelement 20 abweicht. Die Impedanz der Heizspule 10 wird ins- besondere durch die Gegeninduktivität des Kochgeschirrelements 20 und durch die Verlustströme im Boden des Kochgeschirrelements 20 beeinflusst. Da die letztgenannten Größen temperaturabhängig sind, zeigt auch die Impedanz des aus der Heizspule 10 und dem Kochgeschirrelement 20 bestehenden Gesamtsystems eine Temperaturabhängigkeit.
Die Temperaturabhängigkeit in dem für Kochvorgänge interessanten Bereich von 0 °C bis 100 ° C lässt sich in guter Näherung linear approximieren. Gleiches gilt für den effektiven Widerstand des Gesamtsystems. Näherungsweise kann der Widerstand R und die Induktivität L durch die folgenden Formeln beschrieben werden:
R = Ro + A x (T - To)
L = L0 + K x (T - To)
Dabei ist Ro der Widerstand bei einer Referenztemperatur To, und l_o ist die Induktivität der Referenztemperatur To. Die Konstanten A und K sind Proportionalitätskonstanten.
Der Widerstand R und die Induktivität des Gesamtsystems können aus dem Real- und Imaginärteil der Impedanz bestimmt werden, die ihrerseits aus dem Vergleich der Eingangs- und Ausgangsströme des Systems bestimmt werden kann.
Sind die Parameter in den oben genannten Gleichungen bekannt, lässt sich damit aus den Messwerten R, L die Temperatur bestimmen.
Durch eine derartige Temperaturbestimmung kann praktisch verzögerungsfrei und unmit- telbar die Temperatur des Bodens des Kochgeschirrelements 20 bestimmt werden.
In dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel misst die Steuereinheit 18 durch die Messung der Impedanz, die beispielsweise auch durch die Messung der Resonanzfrequenz erfolgen kann, die magnetischen Materialeigenschaften des Kochgeschirrele- ments 20 mittels der Heizspule 10, die als magnetischer Sensor 10 verwendet wird. Dazu erzeugt die Steuereinheit 18 Messströme mit geringer Amplitude in der Heizspule 10. Die Amplitude kann beispielsweise weniger als 10 V betragen, um nichtlineare Effekte zu vermeiden. Die Steuereinheit 18 bestimmt die Temperatur des Kochgeschirrelements 20 abhängig von sowohl der von dem Temperatursensor 12 gemessenen Temperatur des Kochgeschirrelements 20 als auch abhängig von den von dem Sensor 10, bzw. der Heizspule gemessenen magnetischen Materialeigenschaften des Kochgeschirrelements 20. Der von dem Temperatursensor 12 erfasste Messwert wird insbesondere abhängig von dem aus den Materialeigenschaften des Kochgeschirrelements 20 berechneten Temperaturwert korrigiert.
Die Steuereinheit 18 kann beispielsweise schnelle Änderungen der Temperatur des Kochgeschirrelements 20 detektieren und zu dem von dem Temperatursensor 12 erfass- ten Messwert Differenzwerte addieren bzw. von dem Temperaturwert einen Differenzwert abziehen, um der verzögerten Reaktionszeit des Temperatursensors 12 Rechnung zu tragen. Auch wenn die Parameter der oben angegebenen Gleichungen nicht vollständig bekannt sind, so dass die Absolutwerte der Temperatur allein aus den Messwerten des magnetischen Sensors 10 nicht ermittelt werden können, kann so die Temperatur in einer sehr präzisen und reaktionsschnellen Weise abgeschätzt werden. Die Parameter der linearen Abhängigkeit der magnetischen Eigenschaften von der Temperatur können in stationären Phasen des Heizbetriebs ermittelt werden, in denen der magnetische Sensor 10 eine über längere Zeit konstante Temperatur des Kochgeschirrelements 20 gemessen hat, so dass von einem abgeschlossenen Angleichen der vom dem Temperatursensor 12 gemessenen Messtemperatur an die tatsächliche Temperatur des Kochgeschirrelements 20 ausgegangen werden kann.
Fig. 2 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem von der Heizspule 10 getrennten magnetischen Sensor 22 in der Form einer Messspule. Der Sensor 22 wird über einen Mess-Schaltkreis 24 ausgelesen, der die Messwerte, beispielsweise die Impedanz, an die Steuereinheit 18 überträgt.
Fig. 3 zeigt schematisch den Verlauf einer Heizleistung 26 einer Heizspule 10 gemäß Fig. 1 als durchgehende Linie, einer von einem magnetischen Sensor 10 bzw. 22 erfass- ten Impedanz 28, einer tatsächlichen Temperatur 30 des Kochgeschirrelements 20 und einer von dem Temperatursensor 12 gemessenen Temperatur 32. Es ist erkennbar, dass die Impedanz 28 sehr viel schneller auf die tatsächliche Temperatur 30 des Kochgeschirrelements 20 reagiert, während die von dem Temperatursensor 12 erfasste Temperatur sich erst mit starker Verzögerung an die tatsächliche Temperatur 30 angleicht. Die von der Heizspule 10 bzw. dem separaten Sensor 22 erfasste Impedanz 28 liefert daher wertvolle Informationen über den kurzfristigen Verlauf der Temperatur des Kochgeschirrelements 20. Die von dem magnetischen Sensor 10 bzw. 22 bestimmte Temperatur kann insbesondere zum Regeln eines Heizbetriebs des Kochfelds verwendet werden. Das Kochgeschirrelement 20 kann dadurch sicher auf einer konstanten Temperatur gehalten werden. Regelschwingungen können vermieden werden.
Ferner ist es möglich, aus einem extrem schnellen Anstieg der Temperatur des Kochgeschirrelements 20 zu schließen, dass dieses wahrscheinlich leer ist, so dass der Heizbetrieb eingestellt werden kann, um Schäden zu vermeiden. Durch die unabhängige Be- Stimmung der Temperatur des Kochgeschirrelements 20 und der Abdeckplatte 14 kann ferner ein zwischen dem Kochgeschirrelement 20 und dem Temperatursensor 12 in dem Material der Abdeckplatte 14 anliegender Temperaturgradient bestimmt werden und gegebenenfalls durch eine Notabschaltung beschränkt werden. Fig. 4 zeigt eine weitere alternative Ausgestaltung der Erfindung, in welcher der Sensor 22 als Infrarot-Sensor ausgebildet ist, der in einem versenkbaren Turm 38 angeordnet ist und der unmittelbar die Temperatur einer Wand des Kochgeschirrelements 20 messen kann. Fig. 5 zeigt schematisch den Verlauf der tatsächlichen Temperatur 30, mit der von dem Temperatursensor 12 gemessenen Temperatur 32, der aus der Impedanz bestimmten Temperatur 28, der Heizleistung 26 sowie eine Solltemperatur.
In einer kurzen Anfangsphase wird ein kurzer Leistungspuls erzeugt, der die Temperatur scharf ansteigen lässt. Die von dem Temperatursensor 12 gemessene Temperatur 32 folgt der tatsächlichen Temperatur stark verzögert. Aus der Verzögerungszeit und der steigenden Kurve können die dynamischen Parameter des Kochgeschirrelements 20 bestimmt werden. Sind diese Parameter bekannt, kann die Höhe und Dauer eines zweiten Leistungspulses berechnet werden, die zum Erreichen der Solltemperatur 34 notwendig ist. In Fig. 1 startet dieser zweite Puls bei ca. 180 Sekunden und dauert über ca. 50 Se- künden an. Es ist erkennbar, dass die tatsächliche Temperatur 30 sich sehr schnell der Solltemperatur 34 nähert, während die von dem Temperatursensor gemessene Temperatur 32 wiederum stark verzögert folgt. Die von dem Sensor 10 bzw. 22 gemessene Temperatur 28 kann dazu benutzt werden, die tatsächliche Temperatur auf den nach dem Puls erreichte Temperatur zu regeln, die ungefähr der Solltemperatur entspricht. Korrekturen können abhängig von der von dem Temperatursensor erfassten Temperatur 32 vorgenommen werden.
Fig. 6 zeigt schematisch den Verlauf des Heizstroms in der Heizspule 10 über der Zeit. Die sinusoidale Einhüllende hat eine Frequenz von 50 Hz und entspricht der gleichgerichteten Netzfrequenz, wie von den Wechselrichtern der Leistungselektronikbaugruppe 16 zur Erzeugung der Heizströme genutzt wird. In den Nulldurchgängen dieser Einhüllenden ist die Amplitude des Heizstroms hinreichend klein, um eine zuverlässige Impedanzmessung vorzunehmen. Diese Zeitfenster 36 können daher zur Impedanzmessung benutzt werden.
Falls diese Zeitfenster zu kurz sind, kann in dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 7 ein hinreichend großes Zeitfenster dadurch erzeugt werden, dass der Heizstrom unterbrochen wird. Beispielsweise kann der Heizstrom während einer Halbwelle der Versorgungsspannung unterbrochen werden, so dass ein Zeitfenster 36 mit der Länge von ca. 20 ms entsteht. In diesem Zeitfenster 36 kann eine zuverlässige Impedanzmessung vorgenommen werden.
Bezugszeichen
10 Heizspule
12 Temperatursensor
14 Abdeckplatte
16 Leistungselektronik-
Baugruppe
18 Steuereinheit
20 Kochgeschirrelement
22 magnetischer Sensor
24 Mess-Schaltkreis
26 Heizleistung
28 Impedanz
30 Tatsächliche Temperatur
32 vom Temperatursensor gemessene Temperatur
34 Solltemperatur
36 Zeitfenster
38 Turm

Claims

Patentansprüche
Kochfeld mit einer Abdeckplatte (14), wenigstens einem Temperatursensor (12) zum Messen einer Bodentemperatur eines Kochgeschirrelements (20) an der Abdeckplatte (14) und mit einer Steuereinheit (18) zum Bestimmen der Temperatur des Kochgeschirrelements (20), gekennzeichnet durch wenigstens einen weiteren Sensor (10, 22) zum Messen wenigstens einer temperaturabhängigen Kenngröße (28) des Kochgeschirrelements (20).
Kochfeld nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Sensor (10, 22) zum Messen wenigstens einer magnetischen Materialeigenschaft des Kochgeschirrelements (20) ausgelegt ist.
Kochfeld nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (18) dazu ausgelegt ist, eine Veränderung der magnetischen Materialeigenschaft des Kochgeschirrelements (20) zu bestimmen und zum Bestimmen der Temperatur des Kochgeschirrelements (20) zu nutzen.
Kochfeld nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine weitere Sensor (10, 22) ein Infrarotsensor zum Messen von Infrarotstrahlung ist, die von einer Wand des Kochgeschirrelements (20) abgestrahlt wird.
Kochfeld nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Infrarotsensor (22) in einen über eine Kochfläche hinaus ragenden Turm (38) integriert ist.
Kochfeld nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Turm (38) versenkbar ist.
Kochfeld nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperatursensor (12) ein NTC-Element ist.
8. Kochfeld nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperatursensor (12) in unmittelbarem Wärmekontakt mit der Unterseite einer Kochfeld- Abdeckplatte (14) zum Aufstellen des Kochgeschirrelements (20) steht.
9. Kochfeld nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kochfeld ein Induktionskochfeld ist.
10. Kochfeld nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Sensor (10) ein Heizinduktor (10) zum induktiven Heizen des Kochgeschirrelements (20) ist.
1 1 . Kochfeld nach einem der vorhergehenden Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (18) mit dem weiteren Sensor (10, 22) die magnetische Materialeigenschaft des Kochgeschirrelements in einem Zeitfenster (36) misst, in welcher eine Amplitude eines Heizstroms kleiner als ein vorgegebener Schwellenwert ist.
12. Kochfeld nach einem der Ansprüche 9 - 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die
Steuereinheit (18) die magnetische Materialeigenschaft des Kochgeschirrelements (20) in der zeitlichen Umgebung eines Nulldurchgangs der Versorgungsspannung misst.
13. Kochfeld nach einem der Ansprüche 9 - 12, dadurch gekennzeichnet, dass die
Steuereinheit (18) den Heizbetrieb zum Messen der magnetischen Materialeigenschaft des Kochgeschirrelements (20) während wenigstens einer Halbwelle einer Versorgungsspannung unterbricht.
14. Verfahren zum Betreiben eines Kochfelds mit einer Abdeckplatte (14), wobei mit wenigstens einem Temperatursensor (12) eine Bodentemperatur eines Kochgeschirrelements (20) bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Temperatur des Kochgeschirrelements (20) wenigstens eine weitere temperaturabhängige Kenngröße (28) des Kochgeschirrelements mittels eines weiteren Sensors bestimmt wird.
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