[0001] Die Erfindung betrifft einen Trübungssensor zur Erkennung von Trübungen in der Spülflüssigkeit
einer Geschirrspülmaschine, wobei der Sensor mit mehreren Sendekanälen für Licht mit
unterschiedlichen Lichtwellenlängen und mehreren Empfangskanälen ausgebildet ist,
die unter verschiedenen Winkeln relativ zu den Sendekanälen kreisringförmig um ein
die Spülflüssigkeit führendes transparentes Leitrohr herum angeordnet sind, wobei
ein Empfangskanal für Durchlicht gegenüber dem Sendekanal ausgerichtet und ein weiterer
Empfangskanal für einen 90°-Streulichtempfang um 90° versetzt angeordnet ist.
[0002] Aus der DE 41 22 988 A1 ist ein Trübungssensor für eine Geschirrspülmaschine bekannt,
welcher mit einem oder mehreren Sendekanälen für Licht unterschiedlicher Lichtwellenlängen
und/oder einem oder mehreren Empfangskanälen für Durchlicht und Streulicht ausgebildet
ist, wobei die Empfangskanäle jeweils unter einem bestimmten Winkel zum Lichtsender
an einem Durchflussrohr herum ausgerichtet sind. Nach einem ersten Beispiel arbeitet
ein Sendekanal auf zwei Empfangskanäle, von denen der eine Empfangskanal dem Sendekanal
direkt gegenüber liegt und das durchgehende Licht misst, während der andere Kanal
das Streulicht misst. Der Sensor liefert somit zwei separate Signale, anhand dieser
ein nachgeschalteter Rechner einen Quotienten-Ausgang berechnet, aus dem ein entsprechender
Trübungswert abgeleitet werden kann. Entsprechend einem zweiten Beispiel wird umgekehrt
ein Empfangskanal von zwei winkelgleich zu einer Geraden untereinander angeordneten
Sendekanäle bedient, von denen der eine langwelliges infrarotes Licht und der andere
Kanal z. B. grünes Licht mit kürzerer Wellenlänge sendet. Die Menge an empfangenem
roten Licht und die Menge des empfangenen Anteils von grünem Licht werden gemessen
und daraus der Trübungswert bestimmt. Aufgrund der Wellenlängendifferenz wird die
Beziehung Rotanteil zu Grünanteil ins Verhältnis gesetzt, wobei beide Werte vermindert
werden, wenn die Dichte der Schmutzpartikel erhöht wird. Bleibt die Dichte konstant,
ist die Menge des empfangenen Lichtes, insbesondere bei rotem Licht, klein, wenn große
Teilchen bzw. Schmutzreste im Spülwasser schwimmen. Wenn die Größe der Schmutzpartikel
klein ist, wie bei Öl, Milch oder dergl. emulgierenden Substanzen, ist die Menge des
empfangenen Lichtes größer. Aus diesen Erkenntnissen und durch einen entsprechenden
Wertevergleich durch den auswertenden Rechner ist die Spülwassertrübung bzw. die Dichte
der Schmutzpartikel und deren Teilchengröße annähernd abschätzbar. Ein abgeschätztes
Ergebnis ist jedoch für einen wirksamen Spülprogrammlauf nicht ausreichend.
[0003] Aus der DE 198 06 559 A1 ist ein Verfahren und eine entsprechende Anordnung zur Behandlung
von Geschirr in Geschirrspülmaschinen bekannt, bei dem genauere Daten über die Verschmutzungsanteile
dadurch gewonnen werden, dass in die zu erfassende Strahlungsmenge auch das Streulicht
gewertet wird, welches um exakt 90° versetzt gegenüber dem emittierten Licht des Sendekanals
das Durchflussrohr durchdringt. Für eine optimale Bestimmung der Verschmutzung von
Spülflüssigkeit, insbesondere der Analyse einer Kombianschmutzung (Partikelart und
Trübung) reicht auch diese Methode nicht aus. Auch hier soll die Erfindung Abhilfe
schaffen.
[0004] Erfindungsgemäß wird dieses Problem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den
nachfolgenden Unteransprüchen.
[0005] Die mit der Erfindung erreichbaren Vorteile sind insbesondere darin zu sehen, dass
durch Einbeziehung aller möglichen Streulicht- und auch Lichtpolarisationskomponenten
bei der Trübungsmessung eine exaktere Bestimmung der Spülwasserverunreinigung, insbesondere
auch eine Analyse von Kombianschmutzungen nach Art und Bestandteilen der Verunreinigungen
(sog. "Fingerprints") durchführbar ist, so dass ein Spülprogrammlauf hinsichtlich
Wasserwechsel, Reinigerzugabe, Programmlaufzeit, Temperatureinstellungen usw. optimiert
werden kann.
[0006] Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen rein schematisch dargestellt
und werden nachfolgend näher beschrieben. Es zeigt
- Figur 1
- einen Trübungssensor in der Draufsicht in schematischer Darstellung mit Licht-Sendekanälen
und zugeordneten Licht-Empfangskanälen sowie mit einem Polarisationsfilter, nach einem
ersten Ausführungsbeispiel,
- Figur 2
- den Trübungssensor gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel,
- Figur 3
- einen Trübungssensor im Strömungsweg einer Spülflüssigkeit, gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel
als Konstruktionsvariante zu Fig. 1 und 2, in schematischer Darstellung.
[0007] Eine nicht gezeigte elektronisch programmgesteuerte Geschirrspülmaschine, deren anwählbare
Spülprogramme jeweils Programmabschnitte, wie Vorspülen, Reinigen, Zwischenspülen,
Klarspülen und Trocknen aufweisen, wobei je nach festgestelltem Verschmutzungsgrad
des geladenen Geschirrs bzw. der im Umlauf befindlichen Spülflüssigkeit Vorspül- und/oder
Zwischenspülgänge aus- oder zusätzlich eingesteuert und Temperaturen und Haltezeiten
angepasst werden können, weist einen optischen Sensor in Form eines Trübungssensors
(1) auf, welcher mit der Programmsteuerung bzw. dem Mikrocomputer des Gerätes verbunden
zu vorgegebenen Zeitpunkten in den vorerwähnten Programmabschnitten jeweils die Trübung
der Spülflüssigkeit feststellt und den ermittelten Verschmutzungsgraden entsprechende
Mess-Signale liefert. Abhängig von den an den Rechner gegebenen Signalen wird Einfluss
auf die Programmsteuerung genommen.
[0008] Der eingesetzte Trübungssensor (1) arbeitet nach dem Lichtschrankenprinzip und besteht
aus einem transparenten Leitrohr für die zu sensierende Spülflüssigkeit. Im rechten
Winkel zum Leitrohr (2) bzw. zur strömenden Flüssigkeit ist eine optische Messstrecke
(4) bestehend aus einem optischen Sender (5), wie Leuchtdiode, Lampe oder dergl. und
aus optischen Empfängern (6), wie Fototransistoren oder dergl. aufgebaut. Ausgewertet
wird die durch die Trübung verursachte Dämpfung des Lichtes innerhalb der Messstrecken
(4), wobei durch die erfindungsgemäße Einbeziehung sämtlicher Streulichtkomponenten
mit/ohne Polarisation des Streulichtes bei der Trübungsmessung eine exakte Bestimmung
der Spülwasserverunreinigung, insbesondere aber eine Analyse von Kombianschmutzungen
(sog. "Fingerprints" oder bestimmte typische Verschmutzungen bzw. Schmutzpartikel)
nach Art und Bestandteilen der Verunreinigungen durchführbar ist. Dadurch ist der
Spülprogrammlauf hinsichtlich Wasserwechsel, Reinigerzugabe, Programmlaufzeit, Temperatureinstellungen
usw. optimierbar. Hierzu sind auch die Licht-Sendekanäle sowie zugeordnete Licht-Empfangskanäle
des Trübungssensors (1) zueinander entsprechend auszurichten, wie der nachfolgenden
Beschreibung zu entnehmen ist.
[0009] Gemäß Fig. 1 ist beim Trübungssensor (1) zur Erkennung von Trübungen in der Spülflüssigkeit
der optische Sender (5) mit mehreren Sendekanälen (5a, 5b) für Licht mit unterschiedlichen
Lichtwellenlängen (λ
1, λ
2 oder allg. λ
x) und mit mehreren Empfangskanälen (6a bis 6d) ausgebildet. Die einzelnen Empfangskanäle
(6a bis 6d) sind unter verschiedenen Winkeln relativ zu den Sendekanälen (5a, 5b)
kreisförmig um das die Spülflüssigkeit (3) führende transparente Leitrohr (2) herum
angeordnet. Dabei liegt ein Empfangskanal (6a) für Durchlicht dem Licht-Sendekanal
(5; 5a, 5b) direkt gegenüber, während ein weiterer Empfangskanal (6b) für einen 90°-Streulichtempfang
zum Licht-Sendekanal (5) um 90° versetzt ausgerichtet ist. Erfindungsgemäß ist mindestens
einem der Licht-Sendekanäle (5a, 5b) ein weiterer Empfangskanal (6c) für den Empfang
von Streulicht von vorzugsweise kleiner als 45° zugeordnet. Einem weiterhin vorgesehenen
und mit (6d) bezeichneten Empfangskanal für Streulichtempfang von 90°, welchem der
andere Streulicht-Empfangskanal (6b) direkt gegenüberliegt, ist ein Licht-Polarisationsfilter
(7) zugeordnet. Das Filter kann auch jedem anderen Empfangskanal (6) und/oder den
Sendekanälen (5) zugeordnet werden. Das Polarisationsfilter (7) polarisiert die erfassten
Lichtstrahlen linear, elliptisch oder zirkular.
[0010] Der Trübungssensor (1) arbeitet wie erwähnt mit zwei Sendekanälen (5a und 5b), die
vorzugsweise kurzwelliges blaues Licht λ
1 (blaue LED) und langwelliges infrarotes Licht λ
2 (rote LED) emittieren. Die beiden Lichtsendekanäle (5a, 5b) des optischen Senders
(5) sind vorzugsweise untereinanderliegend am Leitrohr (2) angeordnet. Der besseren
Übersicht halber ist in den Fig. 1, 2 jedoch nur eine Sende-LED des optischen Senders
(5) gezeigt und den vorerwähnten vier Licht-Empfängerkanälen (6a bis 6d) zugeordnet.
[0011] Die Signale des Trübungsmessers (1) werden vom nicht dargestellten Mikroprozessor
des Haushaltgerätes ausgewertet (u. a. Nullpunktabgleich), der insbesondere die Quotienten
Durchlicht (λ
1) : Durchlicht (λ
2) oder D(λ
1) : D(λ
2)
und
Streulicht (λ
1) : Durchlicht (λ
1) oder S(λ
1) : D(λ
1)
und
Streulicht (λ
1) : Durchlicht (λ
2) oder S(λ
1) : D(λ
2)
bildet. Dabei bedeuten S(λ
x) = abgeglichenes Spannungssignal im Streulichtkanal und D(λ
x) = abgeglichenes Spannungssignal im Durchlichtkanal in Abhängigkeit der Lichtwellenlänge
(LED-Farbe). S(λ
1) kennzeichnet das Spannungssignal der blauen LED und S(λ
2) das Signal der roten (infraroten) LED. λ
x beinhaltet λ
1 oder λ
2.
[0012] Des weiteren können alle weiteren denkbaren Kombinationen ausgewertet werden. Bezüglich
der Konzentrationsänderung müssen die Signale S(λ
x) und D(λ
x) als konzentrationsunabhängige Funktionskoeffizienten linearisiert werden. Zur Identifikation
von spezifischen Anschmutzungen in realen aus mehreren Anschmutzungen zusammengesetzten
Signalen sind weitere mathematische Verfahren (z. B. Addition, Subtraktion, Faltung,
Integralrechnung, Differentialrechnung usw.) anzuwenden. Weiterhin können die Methoden
der Signal- und Systemtheorie sowie der Statistik (z. B. Klassifizierung) zum Einsatz
kommen oder auch die Autokorrelation. Mit Hilfe dieser mathematischen Methoden können
insbesondere die durch die verschiedenen Anschmutzungen typischen Signalverläufe analysiert
werden.
[0013] Gemäß Fig. 2 ist erfindungsgemäß der Trübungssensor (1) mit mindestens einem Licht-Sendekanal
(5a) und drei Licht-Empfangskanälen für Durchlicht (6a), 25°-Streulicht (6c) (Vorwärtsstreuung)
und 90°-Streulicht (6b) ausgebildet. Bei dieser Ausführung des Trübungssensors (1)
werden die Primärlichtstrahlen polarisiert. Dafür ist das Polarisationsfilter (7)
im Strahlengang des Sendekanals (5) angeordnet. Es hat sich gezeigt, dass mit dieser
Variante geringe Konzentrationen (z. B. Milch) gut erkannt werden können. Bei der
Auswertung kommen wieder die zuvor beschriebenen mathematischen Verfahren zur Anwendung.
Das Polarisationsfilter (7) kann wieder linear, elliptisch oder zirkular polarisieren.
Sowohl bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 als auch bei dem Beispiel nach Fig.
2, oder auch nach Fig. 3, kann das gewählte statische Polarisationsfilter (7) in Form
einer Spiegel-Optik auch durch einen elektrisch betriebenen Polarisationsdreher mit
einem optischen Drehwinkel von 0° bis 90° ersetzt oder als Alternativlösung vorgesehen
werden. Durch ein derartiges "Polarisationsfilter" könnte auf einfache Art und Weise
die Polarisationsrichtung stufenlos eingestellt werden.
[0014] Die Fig. 3 stellt eine Konstruktionsvariante zu den Fig. 1 und 2 dar, wobei das Leitrohr
(2) für die zu sensierende Spülflüssigkeit (3) im wesentlichen quer zu den Licht-Sendekanälen
(5a, 5b) und Empfangskanälen (6a bis 6c) angeordnet ist. Lichtsender (5) und Empfänger
(6) liegen dabei in der selben Ebene, in welcher sich auch die die Messstrecken (4)
kennzeichnenden Streukegel (8) der emittierten, reflektierten und polarisierten Lichtstrahlen
der Dioden ausbreiten. Den beiden Licht-Sendekanälen (5a, 5b) für blaues und rotes
Licht liegt der für Durchlicht sensible Licht-Empfangskanal (6a) gegenüber, während
der Licht-Empfangskanal (6b) für 90°-Streulicht in Strömungsrichtung der Spülflüssigkeit
und der dritte Licht-Empfangskanal (6c) für Streulicht (Vorwärtsstreuung) gleich oder
weniger als 45°, vorzugsweise 25°, um diesen Winkel versetzt den Licht-Sendekanälen
(5a, 5b) gegenüberliegt. Vor den beiden Licht-Sendekanälen (5a, 5b) ist das Polarisationsfilter
(7) bzw. der elektrisch betriebene Polarisationsdreher angeordnet.
[0015] Eine weitere Variante zu den gezeigten und beschriebenen Beispielen könnte auch in
einem Einsatz mehrerer selektiver Trübungssensoren (1) gesehen werden, wobei beispielsweise
ein Trübungssensor für die Erkennung nur von Partikeln und ein anderer Trübungssensor
hingegen für die Erkennung von Emulsionen, beispielsweise von Milchresten oder dergl.
im Spülwasser zuständig ist. Auch wäre eine Trübungsmessung nach dem Reflektionsprinzip
denkbar, wobei eine Änderung des Brechungsindex von Wasser oder Störungen durch Partikel
an der Spülwasseroberfläche bei Spülflüssigkeit-Verunreinigungen zu einem guten Ergebnis
führen dürfte.
[0016] Mit den beschriebenen Anordnungen lassen sich unter Anwendung der angeführten Rechenoperationen,
insbesondere durch die Quotientenbildung der mit der Spülflüssigkeit strömenden Partikel
nach Art und Größe durch Vergleich mit im Rechner "eingespeicherten" Werten und auch
sog. "Fingerprints", die symptomatisch für spezielle Kombianschmutzungen sind, mittels
eines geeigneten Mikrocontrollers "erkennen". Durch den Einsatz des erfindungsgemäß
auf die Erfassung von Streulicht und Polarisationslicht ausgebildeten Trübungssensors
(1) lässt sich ein Spülprogrammlauf hinsichtlich Wasserwechsel, Reinigerzugabe, Programmlaufzeit,
Temperatureinstellungen usw. vorteilhaft optimieren.
1. Trübungssensor (1) zur Erkennung von Trübungen in der Spülflüssigkeit einer Geschirrspülmaschine,
wobei der Sensor (1) mit mehreren Sendekanälen (5; 5a, 5b) für Licht mit unterschiedlichen
Lichtwellenlängen und mehreren Empfangskanälen (6a bis 6d) ausgebildet ist, die unter
verschiedenen Winkeln relativ zu den Sendekanälen (5; 5a, 5b) kreisringförmig um ein
die Spülflüssigkeit führendes transparentes Leitrohr (2) herum angeordnet sind, wobei
ein Empfangskanal (6; 6a) für Durchlicht gegenüber dem Sendekanal (5; 5a, 5b) ausgerichtet
und ein weiterer Empfangskanal (6b) für einen 90°-Streulichtempfang um 90° versetzt
angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass mindestens einem der Sendekanäle (5a, 5b) ein weiterer Empfangskanal (6a bis 6d)
für den Empfang von Streulicht von 45° oder kleiner und mindestens einem der Streulicht-Empfangskanäle
(6a bis 6d) und/oder dem Sendekanal (5) ein Filter (7) zur Lichtpolarisation zugeordnet
ist.
2. Trübungssensor nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass zur Lichtpolarisation ein statisches Polarisationsfilter (7) vorgesehen ist.
3. Trübungssensor nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass zur Lichtpolarisation ein elektrisch betriebener Polarisationsdreher mit einem optischen
Drehwinkel von 0° bis 90° vorgesehen ist.
4. Trübungssensor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass die von den Polarisationsfiltern (7) erfassten Lichtstrahlen linear, elliptisch oder
zirkular polarisiert werden.
5. Trübungssensor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Filter (7) zur Polarisation der Primärlichtstrahlen im Strahlengang der Sendekanäle
(5) angeordnet sind.
6. Trübungssensor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass bei den kreisringförmig um das die Spülflüssigkeit (3) führende transparente Leitrohr
(2) herum angeordneten Sendekanälen (5a, 5b) für Licht mit unterschiedlichen Lichtwellenlängen
(λ1, λ2) und bei den unter verschiedenen Winkeln relativ zu den Sendekanälen (5a, 5b) vorgesehenen
Empfangskanälen (6a bis 6d) die Anordnung der optischen Empfänger (6) so getroffen
ist, dass der Empfangskanal (6a) für Durchlicht den Licht-Sendekanälen (5; 5a, 5b)
direkt gegenüberliegt, während dem Empfangskanal (6b) für einen 90°-Streulichtempfang
entsprechend ein zweiter Empfangskanal (6d) für polarisiertes Streulicht von 90° direkt
gegenüberliegt, dem das Polarisationsfilter (7) vorgeschaltet ist, und wobei den Licht-Sendekanälen
(5a, 5b) ein weiterer Empfangskanal (5c) für den Empfang von Streulicht von vorzugsweise
kleiner als 45° zugeordnet ist.
7. Trübungssensor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass den Licht-Sendekanälen (5) ein Licht-Empfangskanal (6c) für den Empfang von Streulicht
von vorzugsweise 25° am Leitrohr (2) zugeordnet ist, und dass das Polarisationsfilter
(7) im Primärstrahlengang der Licht-Sendekanäle (5a, 5b) angeordnet ist.
8. Trübungssensor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass zur Partikelerkennung und deren Auswertung ein von den Signalen des Trübungssensors
(1) beaufschlagter Mikroprozessor oder Mikrocontroller vorgesehen ist, welcher insbesondere
die Quotienten
Durchlicht (λ1) : Durchlicht (λ2) oder D(λ1): D(λ2)
und
Streulicht (λ1) : Durchlicht (λ1) oder S(λ1) : D(λ1)
und
Streulicht (λ1) : Durchlicht (λ2) oder S(λ1) : D(λ2)
bildet, wobei D(λx) und S(λx) abgeglichene Spannungssignale im Durchlichtkanal und Spannungssignale im Streulichtkanal
(Streulicht =/< 45°, 90°, 90°pol) in Abhängigkeit der jeweiligen Lichtwellenlänge
(LED-Farbe blau oder rot) darstellen, und dass zur Identifikation von spezifischen
Anschmutzungen ("Fingerprints") die ermittelten Werte mathematischen Rechenverfahren,
wie Addition, Subtraktion, Faltung, Integral- oder Differentialrechnung und dergl.
unterzogen werden.
9. Trübungssensor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass mehrere Trübungssensoren (1), die jeweils für bestimmte Spülflüssigkeit-Verschmutzungen
sensibel sind, in Kombination miteinander vorgesehen sind.