EP0951805A1 - Kochfeld mit einer nichtmetallischen kochplatte - Google Patents

Kochfeld mit einer nichtmetallischen kochplatte

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Publication number
EP0951805A1
EP0951805A1 EP98903007A EP98903007A EP0951805A1 EP 0951805 A1 EP0951805 A1 EP 0951805A1 EP 98903007 A EP98903007 A EP 98903007A EP 98903007 A EP98903007 A EP 98903007A EP 0951805 A1 EP0951805 A1 EP 0951805A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
measuring
pot
coil
cooking zone
sensor
Prior art date
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Granted
Application number
EP98903007A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP0951805B1 (de
Inventor
Andreas Borrmann
Dieter Munkes
Kurt Schaupert
Harry Engelmann
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.)
Schott AG
Original Assignee
Carl Zeiss AG
Schott Glaswerke AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Carl Zeiss AG, Schott Glaswerke AG filed Critical Carl Zeiss AG
Publication of EP0951805A1 publication Critical patent/EP0951805A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP0951805B1 publication Critical patent/EP0951805B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24C—DOMESTIC STOVES OR RANGES ; DETAILS OF DOMESTIC STOVES OR RANGES, OF GENERAL APPLICATION
    • F24C15/00—Details
    • F24C15/10—Tops, e.g. hot plates; Rings
    • F24C15/102—Tops, e.g. hot plates; Rings electrically heated
    • F24C15/106—Tops, e.g. hot plates; Rings electrically heated electric circuits
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B3/00—Ohmic-resistance heating
    • H05B3/68—Heating arrangements specially adapted for cooking plates or analogous hot-plates
    • H05B3/74—Non-metallic plates, e.g. vitroceramic, ceramic or glassceramic hobs, also including power or control circuits
    • H05B3/746—Protection, e.g. overheat cutoff, hot plate indicator
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B2213/00—Aspects relating both to resistive heating and to induction heating, covered by H05B3/00 and H05B6/00
    • H05B2213/05—Heating plates with pan detection means

Definitions

  • the invention relates to a hob with a non-metallic hotplate, in particular a glass ceramic hotplate, which has at least one cooking zone to which an electric heating unit is assigned, and with a device for detecting the presence and / or size of metallic pots on the cooking zone, the has a sensor arranged in the region of the cooking zone and an evaluation device connected to the sensor.
  • a cooktop with a switching device for supplying energy to the heating device is known from Austrian Patent No. 238 331.
  • the switching device releases the energy supply to the heating device when the saucepan is placed on it and interrupts the energy supply when the saucepan is removed.
  • the pot is recognized on the cooking surface by means of a proximity switch, which is not specified in the publication.
  • Pot detection systems with inductive sensors are known from DE-A-37 11 589 and DE-A 37 33 108.
  • the known inductive proximity switches are based on the principle of damping an oscillating circuit as a result of eddy current losses in metals which are located in the magnetic stray field of the sensor coil. It is disadvantageous that the coil must have a large number of turns in order to achieve sufficient sensitivity.
  • changes in the electrical properties of the coil material at the high temperatures which occur in the cooking zones of the cooking surface lead to a temperature response of the measurement signal which is of the order of the signals caused by the placement or removal of the pots. To avoid measurement errors due to temperature changes, it is known to evaluate signal change speeds. A relatively complex temperature compensation can then be omitted.
  • EP-A 0 442 275 and EP-A 0 469 189 describe such pot detection systems with an inductive sensor in the form of a coil which is part of an oscillating circuit.
  • an inductive sensor in the form of a coil which is part of an oscillating circuit.
  • the different signal change speed is detected, which clearly differs from the signal change speed as a result of temperature changes when the pots are set up or removed. It is disadvantageous, however, that the above systems must be permanently in standby mode, since the pots can only be recognized when they are set up or removed. However, a static pot detection is not possible.
  • Capacitive sensors for pot detection are known from WO 90/07851 and EP 0 429 120. These sensors are disadvantageous in that only small useful signals that are difficult to evaluate are obtained and the systems are susceptible to interference from electromagnetic influences. In addition, the measurement signals can be influenced by non-metallic materials such as hands, wet wipes, etc. From US-A-4, 334, 135, a pan detection system for an inductively heated glass ceramic cooktop has become known, in which a receiving coil is arranged above the induction heating coil, which detects the changes in the magnetic field by means of a set-up pot.
  • Heating coils for induction devices generally use ferritic parts to guide the field; these are arranged below the induction heating coil. Without the pot set up, the circle is not closed and the field must pass through the airspace. If a pot is set up, the field is guided and reinforced in the ferritic material. The receiving coil lying in the space between the induction heating coil and the pot is detected by this amplified field and emits an amplified signal.
  • the principle of operation of the known device is the magnetic circuit closed by the pot and the magnetic flux thereby increased, i.e. in the known case there is an increase in the signal when the pot is set up.
  • the known pan detection system is therefore disadvantageously limited to induction-heated cooking zones.
  • the invention has for its object to provide a device which allows detection of all kinds of metallic pots on a cooking zone of a non-metallic hotplate, which has other than induction heated cooking zones, with great security and with simple means, even with different pot configurations.
  • the senor has at least one primary measuring coil for generating an alternating magnetic test field and at least one secondary measuring coil which are arranged in one plane in such a way that the secondary measuring coil is separated from the alternating magnetic test field the measuring primary coil is penetrated, the evaluation device monitoring the voltage induced in the measuring secondary coil and detecting a change in the induction voltage as a result of the eddy currents occurring in a pot to detect the presence and / or size of the pot.
  • the pot detection in the device according to the invention is based on the effect of conductive materials on the transformer coupling of two coils.
  • the sensor has at least one primary coil for generating an alternating magnetic field and a secondary coil which is arranged such that the alternating magnetic field of the primary coil passes through it.
  • the magnetic field generates an eddy current in the metal pot, which in turn generates a magnetic field that counteracts its cause, which leads to a decrease in the voltage induced in the secondary coil.
  • the pot size or pot shape can also be determined.
  • the change in the induction voltage is largely independent of the ferromagnetic properties of the pot, in particular the bottom of the pot. Rather, conductivity is the decisive influencing factor.
  • pot materials such as stainless steel, iron, copper and aluminum differ significantly in their ferromagnetic behavior, detection of both the presence of a pot and the size of the pot is possible with great reliability.
  • metallic conductive materials e.g. Hands, damp cloths etc. that are brought into the alternating magnetic field cannot lead to malfunctions.
  • Metallic pots are not only understood to mean those pots which consist entirely of metallic material, but also pots which contain metallic parts. Because to recognize a pot it is sufficient if at least some parts of it are conductive.
  • the metallic pots that are brought into the alternating magnetic field can, depending on the geometric arrangement of the primary and secondary coils, lead to an increase or decrease in the total voltage induced in the secondary coil. Both effects can be detected by the evaluation device and used to detect the presence and / or the size of the pots.
  • the sensor allows a static pot detection, ie the sensor detects when you switch on whether there is a pot on the cooking zone or how big the pot is.
  • the evaluation of signal change speeds is not necessary. It is sufficient to compare the induction voltage with a reference voltage which is characteristic of the presence of a pot or of the pot size.
  • the evaluation unit in which the change in the induction voltage for pot detection is detected, has a comparator.
  • the comparator compares a signal which is proportional to the voltage induced in the secondary coil with a threshold value which is characteristic of the presence of the pot, so that the presence of the pot can be concluded when the threshold value is reached.
  • a comparator can be provided which compares the signal with threshold values characteristic of pots of different sizes.
  • the alternating magnetic field can also be generated with several primary coils.
  • primary coils assigned to the individual cooking zones can be connected in series.
  • Different pot sizes can be identified with increased accuracy if a secondary coil is provided for each pot size that is to be recognized, to which a comparator with a threshold value characteristic for the respective pot size is assigned.
  • the individual coils can be designed independently of one another in such a way that a particularly significant change in the induction voltage can be recorded for the respective pot size.
  • the coils of the sensor are arranged in one plane.
  • the coils are designed as conductor tracks, which are applied to a support plate, preferably on the underside of the glass ceramic cooktop. Since sufficient sensitivity is also achieved with coils that have only one turn, the conductor tracks can be designed in the form of loops. This arrangement has the advantage that contacting in the central region of the coil, which is preferably within the cooking zone, is not necessary.
  • the primary and secondary coils can be arranged such that the area spanned by the conductor loop of the primary coil lies within the area spanned by the conductor loop of the secondary coil or the area spanned by the secondary coil lies within the area spanned by the primary coil. Arrangements are also possible in which the primary and secondary coils lie next to one another and do not include a common area. The only decisive factor is that the secondary coil is penetrated by the alternating magnetic field of the primary coil.
  • the temperature dependency of the sensor which is due to a change in the resistance of the primary coil as a result of the temperature increase during cooking, is advantageously compensated for by a constant excitation current. Therefore, the evaluation can be done with fixed, i.e. thresholds independent of the temperature.
  • Fig. 1 shows the block diagram of a preferred embodiment of a
  • Fig. 2 shows the block diagram of a preferred embodiment of a
  • Fig. 3 shows the block diagram of another embodiment of the
  • FIG. 4 shows another embodiment of the coil arrangement of the
  • 5a shows the field profile in the coil arrangement according to FIG. 4, the pot being removed from the hotplate and
  • 5b shows the course of the field in the embodiment according to FIG. 4, the pot being placed on the hotplate.
  • the glass ceramic cooktops of the known cookers have several cooking zones.
  • the device for pan detection has a sensor 3 indicated in the area of the cooking zone 2, an AC voltage generator 4, an evaluation unit 5 and a control or switching unit 6 for the heating unit 7 of the cooking zone.
  • the sensor 3 consists of an annular primary coil 8 with the connections 8a, 8b and an annular secondary coil 9 with the connections 9a, 9b.
  • the two coils 8, 9 are designed as conductor tracks, which are applied to the underside of the cooking surface within the cooking zone, the primary coil 8 being enclosed by the secondary coil 9.
  • the secondary coil it is also possible for the secondary coil to be enclosed by the primary coil.
  • the alternating voltage generator 4 has an alternating voltage source 10 which is connected to the primary winding 11a of a transformer 11, to the secondary winding 11b of which the primary coil 8 of the sensor 3 is connected.
  • the evaluation unit 5 also has a transformer 12 for mass-free coupling, the primary winding 12a of which is connected in parallel to the secondary coil 9 of the sensor 3.
  • a rectifier 13 is connected to the secondary winding 12b of the transformer 12 via two signal lines 22 and is connected to a comparator 15 via two further signal lines 14.
  • the control or switching unit 6 has a relay 16a, via the switching contact 16b of which the energy supply to the heating unit 7 is interrupted.
  • the relay is connected to the signal output of the comparator 15 via two signal lines 17.
  • the primary coil 8 of the sensor 3 is flowed through by a high-frequency alternating current, so that an alternating magnetic field passing through the secondary coil 9 is generated.
  • the AC voltage induced in the secondary coil 9 is tapped via the transformer 12 of the evaluation unit 5 and rectified in the rectifier 13.
  • the reduction in the induction voltage is determined in the comparator 15, which compares the voltage with a threshold value which is characteristic of the presence of a pot. If the threshold value is undershot, a control voltage is present at the signal output of the comparator 15, so that the switch contact 16b of the control or switching unit 6 is closed and the heating unit 7 is activated. When the pot is removed from the cooking surface, the induction voltage lies above the threshold value, so that the switch contact 16b is interrupted and the heating unit 7 is deactivated.
  • FIG. 2 shows a further embodiment of the device, those parts which correspond to the parts of the exemplary embodiment described in FIG. 1 being provided with the same reference symbols. The embodiment according to FIG.
  • the comparator 15 ' is designed as a threshold switch with two threshold values, the first threshold value being greater than the second threshold value.
  • the second signal output of the comparator 15 ' is connected via the control lines 17' to the relay 16a 'of a second control and switching unit 6' for a second heating unit 7 'of the cooking zone, which is activated when the switching contact 16b' is closed.
  • the induction voltage of the secondary coil 9 is above the two threshold values, so that the switch contacts 16b and 16b 'are opened and both heating units 7, 7' are deactivated. If a pot with a small diameter is placed so that the induction voltage is below the first but above the second threshold value, only the first heating circuit is activated by closing the first switch contact 16b. The second heating circuit is switched on by closing the second switching contact 16b 'when a pot with a larger diameter is placed, so that the induction voltage is below the first and second threshold values.
  • Fig. 3 shows an alternative embodiment of the device for the detection of the presence and size of pots, wherein the parts which correspond to the parts of the 1 and 2 correspond to the exemplary embodiments described, are provided with the same reference numerals.
  • the embodiment according to FIG. 3 like the exemplary embodiment according to FIG. 2, is intended for the cooking zone of a stove which is divided into two areas and is heated by two switchable heating units. 3 differs from the embodiment 1 in that a separate secondary coil with its own evaluation unit is provided for each pot size.
  • the two heating areas are indicated by dashed lines 18, 19.
  • the primary coil 8 and the secondary coil 9 are arranged in the inner heating region 18, the secondary coil 9 being enclosed by the primary coil 8.
  • the second annular secondary coil 20 is arranged in the outer heating area 19. This encloses the primary coil 8 and the first secondary coil 9 and is also penetrated by the alternating magnetic field of the primary coil 8.
  • the device In addition to the evaluation unit 5 and control and switching unit 6 of the first secondary coil 9, the device also has the second evaluation unit 5 ′′ and control and switching unit 6 ′′ of the same structure, which comprises the transformer 12 ′′, the rectifier 13 ′′, the comparator 15 ′′ and the relay 16a "with the switching contact 16b", which switches the energy supply to the heating unit 7 "of the outer heating circuit on or off.
  • the second evaluation unit 5 ′′ and control and switching unit 6 ′′ of the same structure which comprises the transformer 12 ′′, the rectifier 13 ′′, the comparator 15 ′′ and the relay 16a "with the switching contact 16b", which switches the energy supply to the heating unit 7 "of the outer heating circuit on or off.
  • the induction voltages of the first and second secondary coils 9, 20 are above the two threshold values, so that the switch contacts 16b and 16b "are opened and both heating units 7, 7" are deactivated. If a pot is placed that covers only the inner area 18 of the cooking zone 2, only the first heating circuit is activated by closing the first switching contact 16b. The second The heating circuit is switched on by closing the second switching contact 16b "when the pot also covers the outer cooking zone 19.
  • FIG. 4 shows a geometrical arrangement of the conductor tracks of primary and secondary coils 8 ', 9', in which the placement of a pot on the cooking zone 2 of the glass ceramic hotplate 1 leads to an increase in the voltage induced in the secondary coil 9 '.
  • the primary coil 8 ' has an annular conductor track which runs within the cooking zone 2.
  • the secondary coil 9 ' is enclosed by the primary coil 8'.
  • the secondary coil 9 ' is composed of two parts which run around the center of the primary coil 8' over a circumferential angle of approximately 330 ° and are short-circuited at their ends.
  • FIG. 5a shows the field profile of the exemplary embodiment described with reference to FIG. 4, a pot not being placed on the hotplate 1.
  • a snapshot is shown for clarification.
  • the field lines of the alternating magnetic field, which is generated by the primary coil 8 ', are provided with the reference numerals 24.
  • the self-contained field lines 24 run inside and outside the area spanned by the conductor track of the secondary coil 9 '.
  • the metal base 26 of which has a smaller outside diameter than the inside diameter of the secondary coil 9 ' this leads to an increase in the voltage induced in the secondary coil 9'.
  • Due to the alternating magnetic field 24 of the primary coil 8 ' eddy currents are induced in the metal base 26 of the pot, which produce a magnetic field which counteracts the magnetic field.
  • the magnetic field lines of the resulting opposing field are provided with the reference symbol 25 in FIG. 5b.
  • the alternating magnetic field 24 of the primary coil 8 ' is weakened by the resulting opposing field 25.
  • the field 25 caused by the eddy current in the bottom of the pot contributes to an increase in the alternating magnetic field 24 of the primary coil 8', so that the voltage induced in the secondary coil 9 'is increased.
  • the resulting opposing field again leads to a reduction in the alternating magnetic field in the enclosed area of the secondary coil, so that the induction voltage of the secondary coil is reduced when a pot is set up.

Description

Kochfeld mit einer nichtmetallischen Kochplatte
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Kochfeld mit einer nichtmetallischen Kochplatte, insbesondere einer Glaskeramik-Kochplatte, die mindestens eine Kochzone aufweist, der eine elektrische Heizeinheit zugeordnet ist, und mit einer Vorrichtung zur Erkennung des Vorhandenseins und/oder der Größe von metallischen Töpfen auf der Kochzone, die einen im Bereich der Kochzone angeordneten Meßfühler und eine mit dem Meßfühler in Verbindung stehenden Auswerteeinrichtung aufweist.
Ein Kochfeld mit einer Schalteinrichtung für die Energiezufuhr der Heizeinrichtung ist aus der österreichischen Patentschrift Nr. 238 331 bekannt. Die Schalteinrichtung gibt die Energiezufuhr zur Heizeinrichtung beim Aufsetzen des Kochtopfes frei und unterbricht die Energiezufuhr beim Abnehmen des Topfes. Die Erkennung des Topfes auf der Kochfläche erfolgt mittels eines Näherungsschalters, der in der Druckschrift nicht näher spezifiziert ist.
Die DE-A 35 33 997 und DE-A 33 27 622 beschreiben Topferkennungssysteme mit optischen Fühlern. Topferkennungssysteme mit induktiven Fühlern sind aus der DE-A-37 11 589 und DE-A 37 33 108 bekannt. Die bekannten induktiven Näherungsschalter beruhen auf dem Prinzip der Dämpfung eines Schwingkreises infolge von Wirbelstromverlusten in Metallen, die sich im magnetischen Streufeld der Sensorspule befinden. Nachteilig ist, daß die Spule eine Vielzahl von Windungen aufweisen muß, um eine ausreichende Empfindlichkeit zu erzielen. Darüber hinaus führen Veränderungen der elektrischen Eigenschaften des Spulenmaterials bei den hohen Temperaturen, die in den Kochzonen der Kochfläche auftreten, zu einem Temperaturgang des Meßsignals, der in der Größenordnung der durch das Aufstellen oder Wegnehmen der Töpfe verursachten Signale liegt. Zur Vermeidung von Meßfehlern aufgrund von Temperaturänderungen ist es bekannt, Signaländerungsgeschwindigkeiten auszuwerten. Eine relativ aufwendige Temperaturkompensation kann dann entfallen.
Die EP-A 0 442 275 und EP-A 0 469 189 beschreiben derartige Topferkennungssysteme mit einem induktiven Sensor in Form einer Spule, die Teil eines Schwingkreises ist. Um die Signaländerung beim Aufstellen bzw. Wegnehmen der Töpfe von der Signaländerung unterscheiden zu können, die auf Temperaturänderungen zurückzuführen ist, wird die unterschiedliche Signaländerungsgeschwindigkeit erfaßt, die sich beim Aufstellen bzw. Wegnehmen der Töpfe deutlich von der Signaländerungsgeschwindigkeit infolge von Temperaturänderungen unterscheidet. Nachteilig ist aber, daß sich die obigen Systeme permanent im Bereitschaftsmodus befinden müssen, da die Töpfe nur beim Aufstellen oder Wegnehmen erkannt werden können. Eine statische Topferkennung ist hingegen nicht möglich.
Kapazitive Sensoren zur Topferkennung sind aus der WO 90/07851 und EP 0 429 120 bekannt. Diese Sensoren sind insofern nachteilig, als nur kleine, schwer auswertbare Nutzsignale gewonnen werden und die Systeme störanfällig gegen elektromagnetische Einflüsse sind. Darüber hinaus können die Meßsignale durch nichtmetallische Materialien, wie z.B. Hände, feuchte Tücher etc. beeinflußt werden. Durch die US-A-4, 334, 135 ist ein Topferkennungssystem für ein induktiv beheiztes Glaskeramik-Kochfeld bekannt geworden, bei dem oberhalb der Induktionsheizspule eine Empfangsspule angeordnet ist, die die Änderungen des magnetischen Feldes durch einen aufgestellten Topf erfaßt.
Heizspulen für Induktionsgeräte nutzen generell ferritische Teile zur Führung des Feldes; diese sind unterhalb der Induktions-Heizspule angeordnet. Ohne aufgestellten Topf ist der Kreis nicht geschlossen und das Feld muß durch den Luftraum gehen. Wird ein Topf aufgestellt, wird das Feld im ferritischen Material geführt und verstärkt. Die im Raum zwischen Induktions-Heizspule und Topf liegende Empfangsspule wird von diesem verstärkten Feld erfaßt und gibt ein verstärktes Signal ab.
Das Wirkungsprinzip der bekannten Vorrichtung ist der durch den Topf geschlossene magnetische Kreis und der hierdurch vergrößerte magnetische Fluß, d.h. im bekannten Fall entsteht eine Zunahme des Signals beim Aufstellen des Topfes.
Prinzipbedingt funktioniert der Effekt nur mit ferromagnetischem Geschirr, d.h. nicht bei Geschirr aus Edelstahl, Aluminium oder Kupfer, was aber für Induktionsgeräte keine Einschränkung bedeutet, da diese sowieso nur mit diesem Geschirr betrieben werden können. Entscheidend für die Funktion ist die relative Permeabilität des Topfmateriales.
Das bekannte Topferkennungssystem ist daher mit Nachteil auf induktiv beheizte Kochzonen beschränkt.
Ferner sind im bekannten Fall zur Erkennung von verschobenem Geschirr mit Nachteil zwei gegeneinander geschaltete Spulen nötig. Die Erkennung von unterschiedlich großem Geschirr zur Steuerung eines Zweikreis-Heizkörpers ist im bekannten Fall nicht vorgesehen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, die eine Erkennung von metallischen Töpfen aller Art auf einer Kochzone einer nichtmetallischen Kochplatte, die andere als induktiv beheizte Kochzonen aufweist, mit großer Sicherheit und mit einfachen Mitteln erlaubt, auch bei unterschiedlichen Topfkonstellationen.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß dadurch, daß der Meßfühler mindestens eine Meß-Primärspule zur Erzeugung eines magnetischen Prüf- Wechselfeldes und mindestens eine Meß-Sekundärspule aufweist, die in einer Ebene derart angeordnet sind, daß die Meß- Sekundärspule von dem magnetischen Prüf- Wechselfeld der Meß-Primärspule durchsetzt wird, wobei die Auswerteinrichtung, die in der Meß-Sekundärspule induzierte Spannung überwacht und eine Veränderung der Induktionsspannung infolge der in einem Topf auftretenden Wirbelströme zur Erkennung des Vorhandenseins und/oder der Größe des Topfes erfaßt.
Die Topferkennung beruht bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung auf der Auswirkung leitender Materialien auf die transformatorische Kopplung zweier Spulen. Der Meßfühler weist mindestens eine Primärspule zur Erzeugung eines magnetischen Wechselfeldes und eine Sekundärspule auf, die derart angeordnet ist, daß diese von dem magnetischen Wechselfeld der Primärspule durchsetzt wird. Das Magnetfeld erzeugt in dem Metalltopf einen Wirbelstrom, der wiederum ein seiner Ursache entgegenwirkendes magnetisches Feld erzeugt, welches zu einer Abnahme der in der Sekundärspule induzierten Spannung führt.
Da die Höhe der Induktionsspannung von der Größe bzw. der Form des Topfes abhängig ist, kann auch die Topfgröße bzw. Topfform ermittelt werden.
Zur Erkennung von verschobenen Töpfen ist mit Vorteil nur eine Spule nötig. Zur Erkennung von unterschiedlich großem Geschirr zur Steuerung eines Zweikreis-Heizkörpers werden zwei Empfangs-Spulen vorgesehen oder die unterschiedliche Verringerung des Signals ausgenutzt.
Die Veränderung der Induktionsspannung ist weitgehend unabhängig von den ferromagnetischen Eigenschaften des Topfes, insbesondere des Topfbodens. Vielmehr ist die Leitfähigkeit die entscheidende Einflußgröße. Obwohl Topfmaterialien wie Edelstahl, Eisen, Kupfer und Aluminium sich deutlich in ihrem ferromagnetischen Verhalten unterscheiden, ist dennoch eine Erkennung sowohl des Vorhandenseins eines Topfes als auch der Größe des Topfes mit großer Zuverlässigkeit möglich. Andere als metallisch leitende Materialien, wie z.B. Hände, feuchte Tücher etc. , die in das magnetische Wechselfeld gebracht werden, können nicht zu Fehlfunktionen führen.
Unter metallischen Töpfen werden nicht nur diejenigen Töpfe verstanden, die vollständig aus metallischem Material bestehen, sondern auch Töpfe, die metallische Teile enthalten. Denn zur Erkennung eines Topfes reicht es aus, wenn zumindest einige Teile desselben leitfähig sind.
Die metallischen Töpfe, die in das magnetische Wechselfeld gebracht werden, können je nach der geometrischen Anordnung der Primär- und Sekundärspule zu einer Erhöhung oder Verringerung der insgesamt in der Sekundärspule induzierten Spannung führen. Beide Effekte können von der Auswerteinrichtung erfaßt und zur Erkennung des Vorhandenseins und/oder der Größe der Töpfe herangezogen werden.
Der Meßfühler erlaubt eine statische Töpferkennung, d.h. schon beim Einschalten erkennt der Meßfühler, ob sich ein Topf auf der Kochzone befindet bzw. wie groß der Topf ist. Die Auswertung von Signaländerungsgeschwindigkeiten ist nicht erforderlich. Es genügt der Vergleich der Induktionsspannung mit einer für das Vorhandensein eines Topfes bzw. für die Topfgröße charakteristischen Referenzspannung. In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Auswerteinheit, in der die Veränderung der Induktionsspannung zur Topferkennung erfaßt wird, einen Komparator auf. Der Komparator vergleicht ein Signal, das der in der Sekundärspule induzierten Spannung proportional ist, mit einem für das Vorhandensein des Topfes charakteristischen Schwellwert, so daß beim Erreichen des Schwellwertes auf das Vorhandensein des Topfes geschlossen werden kann. Zur Erkennung unterschiedlicher Topfgrößen kann ein Komparator vorgesehen sein, der das Signal mit für Töpfe unterschiedlicher Größe charakteristischen Schwellwerten vergleicht.
Für die Erkennung des Vorhandenseins eines Topfes und/oder der Topfgröße ist grundsätzlich nur eine Primärspule und eine Sekundärspule erforderlich. Das magnetische Wechselfeld kann aber auch mit mehreren Primäspulen erzeugt werden. So können beispielsweise den einzelnen Kochzonen zugeordnete Primärspulen in Reihe geschaltet werden.
Mit einer erhöhten Genauigkeit kann die Erkennung unterschiedlicher Topfgrößen erfolgen, wenn für jede Topfgröße, die erkannt werden soll, eine Sekundärspule vorgesehen ist, der jeweils ein Komparator mit einem für die jeweilige Topfgröße charakteristischen Schwell wert zugeordnet ist. Die einzelnen Spulen lassen sich unabhängig voneinander derart ausbilden, daß bei der jeweiligen Topfgröße eine besonders signifikante Veränderung der Induktionsspannung zu verzeichnen ist.
Die Spulen des Meßfühlers sind, als Luftspulen ausgebildet, in einer Ebene angeordnet. In bevorzugter Ausgestaltung sind die Spulen als Leiterbahnen ausgebildet, die auf einer Tragplatte, vorzugsweise auf der Unterseite der Glaskeramikkochfläche, aufgebracht sind. Da eine ausreichende Empfindlichkeit auch mit Spulen erzielt wird, die nur eine Windung aufweisen, können die Leiterbahnen in Form von Schleifen ausgebildet sein. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß eine Kontaktierung im Mittenbereich der Spule, der vorzugsweise innerhalb der Kochzone liegt, nicht erforderlich ist. Die Primär- und Sekundärspule können derart angeordnet sein, daß die von der Leiterschleife der Primärspule aufgespannte Fläche innerhalb der von der Leiterschleife der Sekundärspule aufgespannten Fläche liegt oder die von der Sekundärspule aufgespannte Fläche innerhalb der von der Primärspule aufgespannten Fläche liegt. Weiterhin sind Anordnungen möglich, bei denen Primär- und Sekundärspulen nebeneinanderliegen und keine gemeinsame Fläche einschließen. Allein entscheidend ist, daß die Sekundärspule von dem magnetischen Wechselfeld der Primärspule durchsetzt wird.
Die Kompensation der Temperaturabhängigkeit des Meßfühlers, die auf eine Änderung des Widerstandes der Primärspule infolge der Temperaturerhöhung beim Kochen zurückzuführen ist, erfolgt vorteilhafterweise durch einen konstanten Erregerstrom. Daher kann die Auswertung mit festen, d.h. von der Temperatur unabhängigen Schwellwerten erfolgen.
Im folgenden werden vier Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 das Blockschaltbild einer bevorzugten Ausführungsform einer
Vorrichtung zur Erkennung des Vorhandenseins eines Topfes auf der Kochzone eines Herdes mit einer Glaskeramikkochfläche,
Fig. 2 das Blockschaltbild einer bevorzugten Ausführungsform einer
Vorrichtung, die sowohl die Erkennung des Vorhandenseins eines Topfes als auch der Größe des Topfes erlaubt und
Fig. 3 das Blockschaltbild einer weiteren Ausführungsform der
Vorrichtung zur Erkennung des Vorhandenseins und der Größe eines Topfes, Fig. 4 eine weitere Ausführungsform der Spulenanordnung der
Vorrichtung,
Fig. 5a den Feldverlauf bei der Spulenanordnung gemäß Fig. 4, wobei der Topf von der Kochplatte abgenommen ist und
Fig. 5b den Feldverlauf bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4, wobei der Topf auf die Kochplatte aufgestellt ist.
Die Glaskeramikkochflächen der bekannten Herde weisen mehrere Kochzonen auf. Eine der Kochzonen der in Fig. 1 nur andeutungsweise dargestellten Glaskeramikkochfläche 1 ist in gestrichelter Linie 2 angedeutet.
Die Vorrichtung zur Topferkennung weist einen im Bereich der Kochzone 2 angedeuteten Meßfühler 3, einen Wechselspannungsgenerator 4, eine Auswerteinheit 5 und eine Steuer- oder Schalteinheit 6 für die Heizeinheit 7 der Kochzone auf.
Der Meßfühler 3 besteht aus einer kreisringförmigen Primärspule 8 mit den Anschlüssen 8a, 8b und einer kreisringförmigen Sekundärspule 9 mit den Anschlüssen 9a, 9b. Die beiden Spulen 8, 9 sind als Leiterbahnen ausgebildet, die auf der Unterseite der Kochfläche innerhalb der Kochzone aufgebracht sind, wobei die Primärspule 8 von der Sekundärspule 9 umschlossen wird. Alternativ ist es aber auch möglich, daß die Sekundärspule von der Primärspule umschlossen wird.
Der Wechselspannungsgenerator 4 weist eine Wechselspannungsquelle 10 auf, die mit der Primärwicklung 11a eines Transformators 11 verbunden ist, an dessen Sekundärwicklung 11b die Primärspule 8 des Meßfühlers 3 angeschlossen ist. Die Auswerteinheit 5 weist ebenfalls einen Transformator 12 zur massefreien Kopplung auf, dessen Primärwicklung 12a parallel zu der Sekundärspule 9 des Meßfühlers 3 geschaltet ist. An der Sekundärwicklung 12b des Transformators 12 ist über zwei Signalleitungen 22 ein Gleichrichter 13 angeschlossen, der über zwei weitere Signalleitungen 14 mit einem Komparator 15 verbunden ist.
Die Steuer- oder Schalteinheit 6 weist ein Relais 16a auf, über dessen Schaltkontakt 16b die Energiezufuhr zu der Heizeinheit 7 unterbrochen wird. Das Relais ist über zwei Signalleitungen 17 mit dem Signalsausgang des Komparators 15 verbunden.
Während des Betriebs wird die Primärspule 8 des Meßfühlers 3 von einem hochfrequenten Wechselstrom durchflössen, so daß ein die Sekundärspule 9 durchsetzendes magnetisches Wechselfeld erzeugt wird. Die in der Sekundärspule 9 induzierte Wechselspannung wird über den Transformator 12 der Auswerteinheit 5 abgegriffen und in dem Gleichrichter 13 gleichgerichtet.
Wird auf die Kochfläche ein metallischer Topf aufgesetzt, so führt dies zu einer Veränderung der Induktionsspannung infolge der in dem metallischen Material des Topfes erzeugten Wirbelströmen, die ein dem magnetischen Wechselfeld entgegenwirkendes Magnetfeld erzeugen.
Die Verringerung der Induktionsspannung wird in dem Komparator 15 festgestellt, der die Spannung mit einem für das Vorhandensein eines Topfes charakteristischen Schwellwert vergleicht. Bei Unterschreiten des Schwellwertes liegt an dem Signalausgang des Komparators 15 eine Steuerspannung, so daß der Schaltkontakt 16b der Steuer- oder Schalteinheit 6 geschlossen und die Heizeinheit 7 aktiviert wird. Wenn der Topf von der Kochfläche abgenommen wird, liegt die Induktionsspannung oberhalb des Schwellwertes, so daß der Schaltkontakt 16b unterbrochen und die Heizeinheit 7 deaktiviert wird. Fig. 2 zeigt eine weitere Ausführungsform der Vorrichtung, wobei diejenigen Teile, die den Teilen des in Fig. 1 beschriebenen Ausführungsbeispiels entsprechen, mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind. Die Ausführungsform gemäß Fig. 2 erlaubt nicht nur die Erkennung des Vorhandenseins eines Topfes auf der Kochzone eines Herdes, sondern auch- die Feststellung der Topfgröße. Hierzu ist der Komparator 15' als Schwellwertschalter mit zwei Schwellwerten ausgebildet, wobei der erste Schwellwert größer als der zweite Schwellwert ist. Der zweite Signalausgang des Komparators 15' ist über die Steuerleitungen 17' mit dem Relais 16a' einer zweiten Steuer- und Schalteinheit 6' für eine zweite Heizeinheit 7' der Kochzone verbunden, die beim Schließen des Schaltkontaktes 16b' aktiviert wird.
Wenn auf der Kochzone 2 kein Topf abgestellt ist, liegt die Induktionsspannung der Sekundärspule 9 oberhalb der beiden Schwellwerte, so daß die Schaltkontakte 16b und 16b' geöffnet und beide Heizeinheiten 7, 7' deaktiviert sind. Wird ein Topf mit einem kleinen Durchmesser aufgesetzt, so daß die Induktionsspannung unterhalb des ersten aber oberhalb des zweiten Schwellwertes liegt, so wird nur der erste Heizkreis durch Schließen des ersten Schaltkontaktes 16b aktiviert. Der zweite Heizkreis wird durch Schließen des zweiten Schaltkontaktes 16b' dann zugeschaltet, wenn ein Topf mit einem größeren Durchmesser aufgesetzt wird, so daß die Induktionsspannung unterhalb des ersten und zweiten Schwellwertes liegt.
Fig. 3 zeigt eine alternative Ausführungsform der Vorrichtung zur Erkennung des Vorhandenseins und der Größe von Töpfen, wobei diejenigen Teile, die den Teilen der in den Fign. 1 und 2 beschriebenen Ausführungsbeispielen entsprechen, mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind. Die Ausführungsform gemäß Fig. 3 ist wie das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 für die Kochzone eines Herdes bestimmt, der in zwei Bereiche unterteilt ist und von zwei zuschaltbaren Heizeinheiten beheizt wird. Das Ausfuhrungsbeispiel gemäß Fig. 3 unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß Fig. 1 dadurch, daß für jede Topfgröße eine eigene Sekundärspule mit einer eigenen Auswerteinheit vorgesehen ist.
In Fig. 3 sind die beiden Heizbereiche durch gestrichelte Linien 18, 19 angedeutet. Die Primärspule 8 und die Sekundärspule 9 sind in dem inneren Heizbereich 18 angeordnet, wobei die Sekundärspule 9 von der Primärspule 8 umschlossen wird. Die zweite kreisringförmige Sekundärspule 20 ist in dem äußeren Heizbereich 19 angeordnet. Diese umschließt die Primärspule 8 und die erste Sekundärspule 9 und wird ebenfalls von dem magnetischen Wechselfeld der Primärspule 8 durchsetzt.
Die Vorrichtung weist neben der Auswerteinheit 5 und Steuer- und Schalteinheit 6 der ersten Sekundärspule 9 noch die zweite Auswerteinheit 5" und Steuer- und Schalteinheit 6" gleichen Aufbaus auf, die den Transformator 12", den Gleichrichter 13" , den Komparator 15" sowie das Relais 16a" mit dem Schaltkontakt 16b" umfaßt, der die Energiezufuhr zu der Heizeinheit 7" des äußeren Heizkreises ein- bzw. ausschaltet.
Während der Komparator 15 der ersten Auswerteinheit 5 die in der ersten Sekundärspule 9 induzierte Spannung mit einem ersten Schwellwert vergleicht, die für eine den inneren Heizbereich 18 abdeckenden Topf charakteristisch ist, erfolgt in dem zweiten Komparator 15" der zweiten Auswerteinheit 5" ein Vergleich mit einem Schwellwert, der für einen Topf mit einem größeren Durchmesser charakteristisch ist.
Wenn auf der Kochzone 2 kein Topf abgestellt ist, liegen die Induktionsspannungen der ersten und zweiten Sekundärspule 9, 20 oberhalb der beiden Schwellwerte, so daß die Schaltkontakte 16b und 16b" geöffnet und beide Heizeinheiten 7, 7" deaktiviert sind. Wird ein Topf aufgesetzt, der nur den inneren Bereich 18 der Kochzone 2 abdeckt, so wird nur der erste Heizkreis durch Schließen des ersten Schaltkontakts 16b aktiviert. Der zweite Heizkreis wird durch Schließen des zweiten Schaltkontaktes 16b" dann zugeschaltet, wenn der Topf auch die äußere Kochzone 19 abdeckt.
Fig. 4 zeigt eine geometrische Anordnung der Leiterbahnen von Primär- und Sekundärspule 8', 9', bei der das Aufstellen eines Topfes auf die Kochzone 2 der Glaskeramikkochplatte 1 zu einer Vergrößerung der in der Sekundärspule 9' induzierten Spannung führt. Die Primärspule 8' weist eine kreisringförmige Leiterbahn auf, die innerhalb der Kochzone 2 verläuft. Die Sekundärspule 9' wird von der Primärspule 8' umschlossen. Die Sekundärspule 9' setzt sich aus zwei um den Mittelpunkt der Primärspule 8' über einen Umfangswinkel von ca. 330° verlaufenden Teilstücken zusammen, die an ihren Enden kurzgeschlossen sind.
Fig. 5a zeigt den Feldverlauf des unter Bezugnahme auf Fig. 4 beschriebenen Ausführungsbeispiels, wobei ein Topf auf die Kochplatte 1 nicht aufgesetzt ist. Zur Verdeutlichung ist eine Momentaufnahme dargestellt. Die Feldlinien des magnetischen Wechselfeldes, das von der Primärspule 8' erzeugt wird, sind mit den Bezugszeichen 24 versehen. Die in sich geschlossenen Feldlinien 24 verlaufen innerhalb und außerhalb der von der Leiterbahn der Sekundärspule 9' aufspannten Fläche.
Wenn auf die Kochplatte 1 ein Kochtopf aufgestellt wird, dessen metallischer Boden 26 einen geringeren Außendurchmesser als der Innendurchmesser der Sekundärspule 9' hat, führt dies zu einer Vergrößerung der in der Sekundärspule 9' induzierten Spannung. Aufgrund des magnetischen Wechselfeldes 24 der Primärspule 8' werden in dem Metallboden 26 des Topfes Wirbelströme induziert, die ein dem magnetischen Feld entgegenwirkendes Magnetfeld erzeugen. Die magnetischen Feldlinien des resultierenden Gegenfeldes sind in Fig. 5b mit dem Bezugszeichen 25 versehen. Im Bereich des Metallbodens wird das magnetische Wechselfeld 24 der Primärspule 8' durch das resultierende Gegenfeld 25 geschwächt. Im umschlossenen Bereich der Sekundärspule 9' trägt hingegen das vom Wirbelstrom im Topfboden verursachte Feld 25 zu einer Verstärkung des magnetischen Wechselfeldes 24 der Primärspule 8' bei, so daß die in der Sekundärspule 9' induzierte Spannung vergrößert wird. Bei zunehmender Topfgröße, d.h. der Durchmesser des Topfes ist größer als der Außendurchmesser der Sekundärspule, führt das resultierende Gegenfeld allerdings wieder zu einer Verringerung des magnetischen Wechselfeldes im umschlossenen Bereich der Sekundärspule, so daß beim Aufstellen eines Topfes die Induktionsspannung der Sekundärspule verringert wird.

Claims

Neue Patentansprüche
1. Kochfeld mit einer nichtmetallischen Kochplatte (1), insbesondere einer Glaskeramik-Kochplatte, die mindestens eine Kochzone (2) aufweist, der eine elektrische Heizeinheit (7, 7') zugeordnet ist, und mit einer Vorrichtung zur Erkennung des Vorhandenseins und/oder der Größe von metallischen Töpfen auf der Kochzone (2), die einen im Bereich der Kochzone (2) angeordneten Meßfühler (3) und eine mit dem Meßfühler in Verbindung stehenden Auswerteinrichtung (5, 5') aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßfühler (3) mindestens eine Meß-Primärspule (8) zur Erzeugung eines magnetischen Prüf- Wechselfeldes und mindestens eine Meß-Sekundärspule (9) aufweist, die in einer Ebene derart angeordnet sind, daß die Meß-Sekundärspule (9) von dem magnetischen Prüf- Wechselfeld der Meß-Primärspule (8) durchsetzt wird, wobei die Auswerteinrichtung (5, 5'), die in der Meß- Sekundärspule (9) induzierte Spannung überwacht und eine Veränderung der Induktionsspannung infolge der in einem Topf auftretenden Wirbelströme zur Erkennung des Vorhandenseins und/oder der Größe des Topfes erfaßt.
2. Kochfeld nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteinrichtung (5, 5') einen Komparator (15) aufweist, der ein Signal, das der in der Meß-Sekundärspule (9) induzierten Spannung proportional ist, mit einem für das Vorhandensein eines Topfes charakteristischen Schwellwert vergleicht.
3. Kochfeld nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteinrichtung (5, 5') einen Komparator (15') aufweist, der ein Signal, das der in der Meß-Sekundärspule (9) induzierten Spannung proportional ist. mit für Topfe unterschiedlicher Große charakteristischen Schwellwerten vergleicht
Kochfeld nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß der Meßfühler (3) mehrere von dem magnetischen Prüf- Wechselfeld der Meß-Pπmarspule durchsetzte Meß-Sekundarspulen (9, 20) aufweist, wobei den einzelnen Meß-Sekundarspulen zugeordnete Komparatoren (15, 15") vorgesehen sind, von denen jeder Komparator jeweils ein Signal, das der in der zugeordneten Meß-Sekundarspule induzierten Spannung proportional ist, mit einem für die Große eines Topfes charakteristischen Schwellwert vergleicht
Kochfeld nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet daß die Meß-Spulen (8, 9) des Meßfühlers (3) als auf einer Tragplatte, insbesondere der Glaskeramik-Kochplatte, aufgebrachte Leiterbahnen ausgebildet sind
Kochfeld nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterbahnen des Meßfühlers (3) als Leiterschleifen (8, 9) ausgebildet
Kochfeld nach Anspruch 6. dadurch gekennzeichnet, daß die von der Leiterschleife der Meß-Pπmarspule (8) aufgespannte Flache innerhalb oder außerhalb der von der Leiterschleife der Meß-Senkundarspule (9) aufgespannten Flache hegt
Kochfeld nach Anspruch 6 oder 7 dadurch gekennzeichnet, daß die
Leiterschleife der Meß-Pπmarspule (8) und/oder der Meß- Sekundarspule (9) aus zwei dicht nebeneinander verlaufenden und an ihren Enden kurzgeschlossenen Teilstucken zusammengesetzt ist
9. Kochfeld nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein die Meß-Primärspule (8) des Meßfühlers (3) speisender Wechselspannungsgenerator (10) vorgesehen ist, wobei der Wechselspannungsgenerator und die Auswerteinrichtung (5, 5') massefrei an die Spulen (8, 9) gekoppelt sind.
10. Kochfeld nach einem der Ansprüche 1 bis 9. dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuer- oder Schalteinrichtung (6, 6') vorgesehen ist, die mit der Heizeinheit (7, 7') und der Auswerteeinrichtung (5, 5') derart verbunden ist, daß die Heizeinheit (7, 7') bei leerer Kochzone (2) deaktivierbar ist.
11. Kochfeld nach einem der Ansprüche 1 - 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kochzone (2) als Mehrkreiskochzone für unterschiedliche Topfgrößen mit mehreren zuschaltbaren Heizeinheiten (7, 7') für die einzelnen Kochbereiche ausgebildet ist, und daß eine Steuer- oder Schalteinrichtung (6, 6') vorgesehen ist, die mit den Heizeinheiten (7, 7') und der Auswerteeinrichtung (5, 5') derart verbunden ist, daß die Heizkreise (7, 7') der einzelnen Kochbereiche in Abhängigkeit von der Topfgröße aktivierbar oder deaktivierbar sind.
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