DE10119973A1 - Trübungssensor zur Erkennung von Trübungen in der Spülflüssigkeit einer Geschirrspülmaschine - Google Patents

Abstract

Der Gegenstand der Erfindung betrifft einen Sensor zur Erkennung von Trübungen in der Spülflüssigkeit einer Geschirrspülmaschine, wobei der Sensor mit mehreren Sendekanälen für Licht mit unterschiedlichen Lichtwellenlängen und mehreren Empfangskanäle ausgebildet ist, die unter verschiedenen Winkeln relativ zu den Sendekanälen kreisringförmig um ein die Spülflüssigkeit führendes transparentes Leitrohr herum angeordnet sind, und wobei ein Empfangskanal für Durchlicht gegenüber dem Sendekanal ausgerichtet und ein weiterer Empfangskanal für einen 90 DEG -Streulichtempfang um 90 DEG vesetzt angeordnet ist. Nach der Erfindung ist mindestens einem der Sendekanäle ein weiterer Empfangskanal für den Empfang von Streulicht von 45 DEG oder kleiner und mindestens einem der Streulicht-Empfangskanäle und/oder dem Sendekanal ein Filter zur Lichtpolarisation zugeordnet. Durch Einbeziehung aller möglichen Streulicht- und auch Lichtpolarisationskomponenten bei der Trübungsmessung ist eine optimale Bestimmung der Spülwasserverunreinigung, insbesondere auch eine Analyse von Kombianschmutzungen nach Art und Bestandteilen der Verunreinigungen (sog. "Fingerprints") durchführbar.

Description

Die Erfindung betrifft einen Trübungssensor zur Erkennung von Trübungen in der Spülflüssig­ keit 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 Durch­ licht gegenüber dem Sendekanal ausgerichtet und ein weiterer Empfangskanal für einen 90°- Streulichtempfang um 90° versetzt angeordnet ist.

Aus der DE 41 22 988 A1 ist ein Trübungssensor für eine Geschirrspülmaschine bekannt, wel­ cher 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 gegen­ über 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 kürze­ rer Wellenlänge sendet. Die Menge an empfangenem roten Licht und die Menge des empfan­ genen 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 ro­ tem Licht, klein, wenn große Teilchen bzw. Schmutzreste im Spülwasser schwimmen. Wenn die Größe der Schmutzpartikel klein ist, wie bei Öl, Milch oder dergl. emulgierenden Substan­ zen, ist die Menge des empfangenen Lichtes größer. Aus diesen Erkenntnissen und durch ei­ nen entsprechenden Wertevergleich durch den auswertenden Rechner ist die Spülwassertrü­ bung bzw. die Dichte der Schmutzpartikel und deren Teilchengröße annähernd abschätzbar. Ein abgeschätztes Ergebnis ist jedoch für einen wirksamen Spülprogrammlauf nicht ausrei­ chend.

Aus der DE 198 06 559 A1 ist ein Verfahren und eine entsprechende Anordnung zur Behand­ lung von Geschirr in Geschirrspülmaschinen bekannt, bei dem genauere Daten über die Ver­ schmutzungsanteile 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 Ver­ schmutzung von Spülflüssigkeit, insbesondere der Analyse einer Kombianschmutzung (Partikelart und Trübung) reicht auch diese Methode nicht aus. Auch hier soll die Erfindung Ab­ hilfe schaffen.

Erfindungsgemäß wird dieses Problem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vor­ teilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den nachfol­ genden Unteransprüchen.

Die mit der Erfindung erreichbaren Vorteile sind insbesondere darin zu sehen, dass durch Ein­ beziehung aller möglichen Streulicht- und auch Lichtpolarisationskomponenten bei der Trü­ bungsmessung 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 Wasserwech­ sel, Reinigerzugabe, Programmlaufzeit, Temperatureinstellungen usw. optimiert werden kann.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen rein schematisch dargestellt und werden nachfolgend näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 einen Trübungssensor in der Draufsicht in schematischer Darstellung mit Licht- Sendekanälen und zugeordneten Licht-Empfangskanälen sowie mit einem Pola­ risationsfilter, nach einem ersten Ausführungsbeispiel,

Fig. 2 den Trübungssensor gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel,

Fig. 3 einen Trübungssensor im Strömungsweg einer Spülflüssigkeit, gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel als Konstruktionsvariante zu Fig. 1 und 2, in sche­ matischer Darstellung.

Eine nicht gezeigte elektronisch programmgesteuerte Geschirrspülmaschine, deren anwählbare Spülprogramme jeweils Programmabschnitte, wie Vorspülen, Reinigen, Zwischenspülen, Klar­ spülen und Trocknen aufweisen, wobei je nach festgestelltem Verschmutzungsgrad des gela­ denen Geschirrs bzw. der im Umlauf befindlichen Spülflüssigkeit Vorspül- und/oder Zwischen­ spülgänge 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 Spülfflüs­ sigkeit feststellt und den ermittelten Verschmutzungsgraden entsprechende Mess-Signale lie­ fert. Abhängig von den an den Rechner gegebenen Signalen wird Einfluss auf die Programm­ steuerung genommen.

Der eingesetzte Trübüngssensor (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 Empfän­ gern (6), wie Fototransistoren oder dergl. aufgebaut. Ausgewertet wird die durch die Trübung verursachte Dämpfung des Lichtes innerhalb der Messstrecken (4), wobei durch die erfin­ dungsgemäße Einbeziehung sämtlicher Streulichtkomponenten mit/ohne Polarisation des Streulichtes bei der Trübungsmessung eine exakte Bestimmung der Spülwasserverunreini­ gung, 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 Wasser­ wechsel, Reinigerzugabe, Programmlaufzeit, Temperatureinstellungen usw. optimierbar. Hierzu sind auch die Licht-Sendekanäle sowie zugeordnete Licht-Empfangskanäle des Trübungssen­ sors (1) zueinander entsprechend auszurichten, wie der nachfolgenden Beschreibung zu ent­ nehmen ist.

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, λ₂ oder allg. λ_x) und mit mehreren Empfangskanälen (6a bis 6d) ausge­ bildet. 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. Erfindungs­ gemäß 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°, wel­ chem der andere Streulicht-Empfangskanal (6b) direkt gegenüberliegt, ist ein Licht-Polarisa­ tionsfilter (7) zugeordnet. Das Filter kann auch jedem anderen Empfangskanal (6) und/oder den Sendekanälen (5) zugeordnet werden. Das Polarisationsfilter (7) polarisiert die erfassten Licht­ strahlen linear, elliptisch oder zirkular.

Der Trübungssensor (1) arbeitet wie erwähnt mit zwei Sendekanälen (5a und 5b), die vorzugs­ weise kurzwelliges blaues Licht λ₁ (blaue LED) und langwelliges infrarotes Licht λ₂ (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.

Die Signale des Trübungsmessers (1) werden vom nicht dargestellten Mikroprozessor des Haushaltgerätes ausgewertet (u. a. Nullpunktabgleich), der 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. Dabei bedeuten S(λ_x) = abgeglichenes Spannungssignal im Streulichtkanal und D(λ_x)= abgeglichenes Spannungssignal im Durchlichtkanal in Abhängigkeit der Lichtwellenlänge (LED- Farbe). S(λ₁) kennzeichnet das Spannungssignal der blauen LED und S(λ₂) das Signal der ro­ ten (infraroten) LED. λ_x beinhaltet λ₁ oder λ₂.

Des weiteren können alle weiteren denkbaren Kombinationen ausgewertet werden. Bezüglich der Konzentrationsänderung müssen die Signale S(λ_x) und D(λ_x) als konzentrationsunab­ hängige Funktionskoeffizienten linearisiert werden. Zur Identifikation von spezifischen An­ schmutzungen in realen aus mehreren Anschmutzungen zusammengesetzten Signalen sind weitere mathematische Verfahren (z. B. Addition, Subtraktion, Faltung, Integralrechnung, Diffe­ rentialrechnung usw.) anzuwenden. Weiterhin können die Methoden der Signal- und System­ theorie sowie der Statistik (z. B. Klassifizierung) zum Einsatz kommen oder auch die Autokor­ relation. Mit Hilfe dieser mathematischen Methoden können insbesondere die durch die ver­ schiedenen Anschmutzungen typischen Signalverläufe analysiert werden.

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 Trübungs­ sensors (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 Polarisati­ onsfilter (7) kann wieder linear, elliptisch oder zirkular polarisieren. Sowohl bei dem Ausfüh­ rungsbeispiel 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° er­ setzt oder als Alternativlösung vorgesehen werden. Durch ein derartiges "Polarisationsfilter" könnte auf einfache Art und Weise die Polarisationsrichtung stufenlos eingestellt werden.

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 ausbrei­ ten. 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 ange­ ordnet.

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 Spül­ wasseroberfläche bei Spülflüssigkeit-Verunreinigungen zu einem guten Ergebnis führen dürfte.

Mit den beschriebenen Anordnungen lassen sich unter Anwendung der angeführten Rechen­ operationen, 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, Tempe­ ratureinstellungen usw. vorteilhaft optimieren.

Claims (9)

1. Trübungssensor zur Erkennung von Trübungen in der Spülflüssigkeit einer Geschirrspülma­ schine, wobei der Sensor mit mehreren Sendekanälen für Licht mit unterschiedlichen Licht­ wellenlängen und mehreren Empfangskanälen ausgebildet ist, die unter verschiedenen Win­ keln relativ zu den Sendekanälen kreisringförmig um ein die Spülflüssigkeit führendes trans­ parentes Leitrohr herum angeordnet sind, wobei ein Empfangskanal für Durchlicht gegen­ über dem Sendekanal ausgerichtet und ein weiterer Empfangskanal für einen 90°-Streu­ lichtempfang 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 Lichtwellen­ längen (λ_1, 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°-Streulicht­ empfang entsprechend ein zweiter Empfangskanal (6d) für polarisiertes Streulicht von 90° direkt gegenüberliegt, dem das Polarisationsfilter (7) vorgeschaltet ist, und wobei den Licht- Sendekanälsn (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 Streu­ licht 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 Trübungssen­ sors (1) beaufschlagter Mikroprozessor oder Mikrocontroller vorgesehen ist, welcher insbe­ sondere 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(λ_x) und S(λ_x) abgeglichene Spannungssignale im Durchlichtkanal und Span­ nungssignale im Streulichtkanal (Streulicht = /< 45°, 90°, 90°pol) in Abhängigkeit der jeweili­ gen Lichtwellenlänge (LED-Farbe blau oder rot) darstellen, und dass zur Identifikation von spezifischen Anschmutzungen ("Fingerprints") die ermittelten Werte mathematischen Re­ chenverfahren, 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.