DE4242927B4

DE4242927B4 - Optischer Sensor

Info

Publication number: DE4242927B4
Application number: DE4242927A
Authority: DE
Inventors: Michael Laue; Christian Loch
Original assignee: Bauknecht Hausgeraete GmbH
Current assignee: Bauknecht Hausgeraete GmbH
Priority date: 1992-12-18
Filing date: 1992-12-18
Publication date: 2004-03-18
Anticipated expiration: 2012-12-19
Also published as: DE4242927A1

Abstract

Optischer Sensor mit einem Lichtsender (12, 13), einem Lichtempfänger (14, 15) und einem lichtdurchlässigen Sensorkörper (11) mit einer optischen Grenzfläche (11a), die von dem Lichtsender (12, 13) erzeugtes und dem Sensorkörper (11) zugeführtes Licht (19) je nach Art des außerhalb der Grenzfläche (11a) befindlichen Mediums Licht dem Lichtempfänger (14, 15) zuführt, wobei die vom Lichtempfänger (14, 15) empfangene Lichtmenge die Art des Mediums kennzeichnet,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Grenzfläche (11a) derart gekrümmt ist und der Lichtsender (12, 13) einen derart breiten Lichtstrahl (19) erzeugt, dass bei Luft als Medium ein Teil des Lichtstrahls durch zweimalige Reflexion an der Grenzfläche zum Lichtempfänger (14, 15) reflektiert wird und der andere Teil des Lichtstrahls in das Medium transmittiert wird,
dass der Lichtempfänger (14, 15) die an der Grenzfläche (11a) zweimal reflektierte und aus dem Sensorkörper (11) austretende Lichtmenge empfängt, dass bei Wasser als Medium nur eine erheblich reduzierte Lichtmenge im Ver gleich zu der Lichtmenge bei Luft als Medium zum Lichtempfänger (14, 15) reflektiert wird, und
dass bei Wasser mit Schaumkugeln (22) als Medium zusätzlich ein Teil des transmittierten Lichtstrahles an den Schaumkugeln (22) reflektiert und über den Sensorkörper (11) zum Lichtempfänger (14, 15) zurückgeleitet wird.

Description

Die Erfindung betrifft einen optischen Sensor mit einem Lichtsender, einem Lichtempfänger und einem lichtdurchlässigen Sensorkörper mit einer optischen Grenzfläche, die von dem Lichtsender erzeugtes und dem Sensorkörper zugeführtes Licht je nach Art des außerhalb der Grenzfläche befindlichen Mediums Licht dem Lichtempfänger zuführt, wobei die vom Lichtempfänger empfangene Lichtmenge die Art des Mediums kennzeichnet.

Ein derartiger optischer Sensor ist aus der DE-OS 24 24 387 bekannt. Bei diesem bekannten optischen Sensor wird der Brechungsindex der Grenzfläche des Sensorkörpers ausgenützt, welcher sich je nach Art des Mediums außerhalb der Grenzfläche des Sensorkörpers ändert. Der transmittierte Lichtstrahl wird an der Grenzfläche so gebrochen, dass er bei Wasser als Medium so abgelenkt wird, dass er nach dem Weg durch den das Medium aufnehmenden Raum auf den Lichtempfänger trifft. Bei Luft als Medium wird der transmittierte Lichtstrahl so abgelenkt, dass er nicht mehr zum Lichtempfänger gelangt. Der Lichtempfänger ist durch Empfang und Nichtempfang von Licht in der Lage, zwei Medien eindeutig zu unterscheiden. Es ist jedoch nicht möglich, zusätzlich noch zu unterscheiden, ob das Medium Wasser Schaumkugeln aufweist oder von diesen frei ist, was insbesondere bei Waschmaschinen oder Geschirrspülmaschinen ein wichtiges Unterscheidungskriterium für den Wasch- oder Spülvorgang ist.

Ein optischer Sensor zur Erkennung von Flüssigkeiten ist auch aus der EP-A 0 430 111 bekannt. Dieser bekannte Sensor erzeugt ein Signal, wenn er mit seiner optischen Grenzfläche mit dem Flüssigkeitsspiegel in Berührung kommt. Da der Brechungsindex der Flüssigkeit ein anderer ist als der der umgebenden Luft, ändern sich die Reflexionseigenschaften der optischen Grenzfläche für das in den Sensorkörper eingekoppelte Licht. Dabei ist die Anordnung so getroffen, dass die optische Grenzfläche das Licht total reflektiert, wenn sie sich außerhalb der Flüssigkeit befindet, während beim Eintauchen in die Flüssigkeit das Licht ganz oder teilweise passiert. Dieses eindeutige Kriterium kann somit zur Feststellung ausgenutzt werden, ob Flüssigkeit oder Luft sich vor der empfindlichen Fläche des Sensors befindet. Der bekannte Sensor beruht also auf dem optischen Prinzip der totalen, inneren Reflexion und arbeitet mit er Veränderung des Transmissionsgrade beim Übergang zwischen der Optik und dem vor der Optik befindlichen Medium.

Ähnliche optische Sensoren sind auch aus der US 4,659,218 , der US 4,468,567 , der DE 87 00 553 U1 und der US 4,087,959 bekannt, die alle wohl das Vorhandensein von Flüssigkeit feststellen können, wobei sowohl die Re flexion als auch die Transmission des vom Lichtsender erzeugten Lichtstrahls am Sensorkörper ausgenützt wird. Es ist jedoch nicht möglich, mit diesen optischen Sensoren zu unterscheiden, ob die festgestellte Flüssigkeit mit oder ohne Schaumbläschen belastet ist.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen optischen Sensor der eingangs erwähnten Art derart zu verbessern, dass eine eindeutige Unterscheidung zwischen Schaum, Luft und Flüssigkeit ermöglicht wird.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, dass die Grenzfläche derart gekrümmt ist und der Lichtsender einen derart breiten Lichtstrahl erzeugt, dass bei Luft als Medium ein Teil des Lichtstrahls durch zweimalige Reflexion an der Grenzfläche zum Lichtempfänger reflektiert wird und der andere Teil des Lichtstrahls in das Medium transmittiert wird, dass der Lichtempfänger die an der Grenzfläche zweimal reflektierte und aus dem Sensorkörper austretende Lichtmenge empfängt, dass bei Wasser als Medium nur eine erheblich reduzierte Lichtmenge im Vergleich zu der Lichtmenge bei Luft als Medium zum Lichtempfänger reflektiert wird, und dass bei Wasser mit Schaumkugeln als Medium zusätzlich ein Teil des transmittierten Lichtstrahles an den Schaumkugeln reflektiert und über den Sensorkörper zum Lichtempfänger zurückgeleitet wird.

Die gekrümmte Grenzfläche und der breite Lichtstrahl ist erforderlich, um an der Grenzfläche des Sensorkörpers keine Totalreflexion zu erhalten. Bei dem auf die gekrümmte Grenzfläche treffenden Lichtstrahl liegt immer ein Teil geringfügig unter und ein weiterer Teil des Lichtstrahles geringfügig über dem sogenannten kritischen Winkel, der für eine Totalreflexion maßgebend ist. Für die drei unterschiedlichen Medien ergeben sich am Lichtempfänger eindeutig unterscheid bare Lichtmengen, die zur Kennzeichnung der drei verschiedenen Medien außerhalb der Grenzfläche des Sensorkörpers herangezogen werden können. Dabei wird lediglich das an der Grenzfläche reflektierte und über den Sensorkörper dem Lichtempfänger zugeführte Licht ausgewertet.

In der Zeichnung ist in den 1 bis 4 ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes gemäß der Erfindung schematisch dargestellt.
1 zeigt den mechanischen Aufbau eines erfindungsgemäßen Sensors mit einer Schaltung,
2 zeigt gesondert die Schaltung,
3 zeigt ein Diagramm zur Erkennung von Schaum, Luft und Wasser, und
4 zeigt schematisch den Einsatz von Sensoren bei einer Trommelwaschmaschine.
Gemäß 1 enthält der optische Sensor eine Infrarot-Reflexlichtschranke 10 (LED/Phototransistor-Diode) mit einer vorgesetzten Optik 11 aus z.B. Glas oder Kunststoff. Die Optik 11 bildet eine gekrümmte, lichtdurchlässige optische Grenzfläche 11a. Als Lichtsender 12 dient eine Infrarot-Lichtquelle mit einer lichtemittierenden Diode 13, und als Lichtempfänger 14 dient ein Phototransistor 15. Die entsprechende elektrische Schaltung ist in 2 gesondert dargestellt. Mit 16 sind zugehörige Widerstände und mit 17 ist ein Spannungsmesser bezeichnet.
Im Normalzustand befindet sich jenseits der Optik 11 Luft 18. Die Optik 11 ist gemäß der Erfindung so ausgebildet, daß ein halbdurchlässiger Zustand für das vom Sender 12 ausgesandte Licht 19 beim Übergang von der Optik 11 zur Luft 18 erreicht wird. Dieser halbdurchlässige Zwischenzustand wird gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung z.B. durch Verwendung eines breiten Lichtstrahles 19 erreicht, der auf eine gebogene Grenzfläche 11a trifft. Dabei liegt immer ein Teil des Lichtstrahles 19 geringfügig über und ein anderer Teil geringfügig unter dem sogenannten kritischen Winkel, der für eine Totalreflexion maßgebend ist.
Infolge des genannten halbdurchlässigen Zustandes wird auf den Empfänger 14 nur ein Teil 20 des von dem Sender 12 emittierten breiten Lichtstrahles 19 reflektiert, der Rest 21 wird durch die Grenzfläche 11a transmittiert und geht dem Empfänger 14 verloren.
Sobald der optische Sensor in Wasser eintaucht, erfolgt ein Übergang Optik – Wasser, wobei durch die Veränderung des Brechungszahlverhältnisses nunmehr der auf den Empfänger 14 reflektierte Anteil des ausgesandten Lichtstrahles 19 ganz erheblich reduziert wird, so daß der Empfänger 14 praktisch kein Signal mehr enthält.
Sobald jedoch im Strahlungsbereich des transmittierten Lichtes 21 Schaumkugeln 22 vorhanden sind (siehe 1), wirken diese Schaumkugeln 22 als zusätzliche Reflektoren, die einen Anteil 23 des transmittierten Lichtes 21 zum Empfänger 14 zurück reflektieren. Dadurch erhöht sich die vom Empfänger 14 erhaltene Lichtmenge weit über das beim Übergang Optik 11 – Luft 18 erhaltene Maß hinaus. Somit lassen sich auf einfache und zuverlässige Weise eindeutig sowohl Luft, Wasser als auch Schaum erkennen.
3 zeigt schematisch Ausgangsspannungen U₁, U₂ und U₃ für die Erkennung von Schaum, Luft und Wasser. Die geringste Spannungshöhe U₁ ist ein Zeichen für Vorhandensein von Schaum, die mittlere Spannungshöhe U₂ ist ein Zeichen für Vorhandensein von Luft, und die größte Spannungshöhe U₃ ist ein Zeichen für Vorhandensein von Wasser. Die dargestellte unterschiedliche Variationsmbreite der Ausgangsspannungen ergibt sich durch unterschiedliche Benetzungszustände der Sensoroberfläche.
Der erfindungsgemäße optische Sensor bietet somit folgende Vorteile:

– Unterscheidung zwischen Wasser (Flüssigkeit), Schaum und Luft (Gasen),
– einfach und preiswert herstellbar,
– durch das Ausnutzen von Transmission an der Grenzfläche 11a und Reflexion an den Schaumkugeln 22 zum Erkennen von zwei unterschiedlichen Zuständen ist eine klare Trennung zwischen Schaum und Wasser möglich,
– wegen der großen Spannungsdifferenzen zwischen den einzelnen Zuständen genügt eine sehr einfache Auswerteelektronik,
– die Toleranzanforderungen an den mechanischen Aufbau sind gering.

4 zeigt schematisch einen Laugenbehälter 24 einer Waschmaschine mit einer drehbar im Laugenbehälter angeordneten Trommel 25. Mit 26 sind zwei optische Sensoren zur Erkennung von Wasser und Schaum dargestellt.

Claims

Optischer Sensor mit einem Lichtsender (12, 13), einem Lichtempfänger (14, 15) und einem lichtdurchlässigen Sensorkörper (11) mit einer optischen Grenzfläche (11a), die von dem Lichtsender (12, 13) erzeugtes und dem Sensorkörper (11) zugeführtes Licht (19) je nach Art des außerhalb der Grenzfläche (11a) befindlichen Mediums Licht dem Lichtempfänger (14, 15) zuführt, wobei die vom Lichtempfänger (14, 15) empfangene Lichtmenge die Art des Mediums kennzeichnet, dadurch gekennzeichnet, dass die Grenzfläche (11a) derart gekrümmt ist und der Lichtsender (12, 13) einen derart breiten Lichtstrahl (19) erzeugt, dass bei Luft als Medium ein Teil des Lichtstrahls durch zweimalige Reflexion an der Grenzfläche zum Lichtempfänger (14, 15) reflektiert wird und der andere Teil des Lichtstrahls in das Medium transmittiert wird, dass der Lichtempfänger (14, 15) die an der Grenzfläche (11a) zweimal reflektierte und aus dem Sensorkörper (11) austretende Lichtmenge empfängt, dass bei Wasser als Medium nur eine erheblich reduzierte Lichtmenge im Ver gleich zu der Lichtmenge bei Luft als Medium zum Lichtempfänger (14, 15) reflektiert wird, und dass bei Wasser mit Schaumkugeln (22) als Medium zusätzlich ein Teil des transmittierten Lichtstrahles an den Schaumkugeln (22) reflektiert und über den Sensorkörper (11) zum Lichtempfänger (14, 15) zurückgeleitet wird.