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Die
Erfindung betrifft eine Sensoreinrichtung zur Erfassung der Trübung
von Spülflotte mit einem optischen Sender und einem optischen
Empfänger, wobei die zu prüfende Spülflotte
zwischen dem Sender und dem Empfänger hindurchströmt.
Die Sensoreinrichtung umfasst eine elektronische Auswerteeinrichtung,
die dazu ausgebildet ist, vermittels des optischen Senders und des
Empfängers eine Referenzmessung zur Bestimmung eines Referenzmesswerts
durchzuführen, vermittels des optischen Senders und des
Empfängers eine Trübungsmessung der zu messenden
Spülflotte zur Bestimmung eines Prüfmesswerts
durchzuführen, den Referenzmesswert in Beziehung zu dem
Prüfmesswert zu setzen, und daraus einen Kennwert für
die festgestellte Trübung der Spülflotte zu ermitteln
und diesen als Messsignal abzugeben.
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Die
Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zur Erfassung der Trübung
von Spülflotte, insbesondere in einer Haushalt-Geschirrspülmaschine,
bei dem die zu prüfende Spülflotte zwischen einem
Sender und einem Empfänger hindurchströmt, wobei
eine Referenzmessung zur Bestimmung eines Referenzmesswerts durchgeführt
wird, eine Trübungsmessung der zu messenden Spülflotte
zur Bestimmung eines Prüfmesswerts durchgeführt
wird, der Referenzmesswert in Beziehung zu dem Prüfmesswert
gesetzt wird, und daraus ein Kennwert für die festgestellte
Trübung der Spülflotte ermittelt wird und dieser
als Messsignal abgegeben wird.
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Der
Einsatz solcher Sensoreinrichtungen, kurz genannt auch "Trübungssensoren",
ist vorteilhaft beim Betreiben von Waschmaschinen, Geschirrspülmaschinen
oder dergleichen. Durch die Feststellung der Trübung der
Wasch- oder Spülflotte kann bei wiederholten Wasch- oder
Spülgängen festgestellt werden, wann diese sauber
genug ist und daher ein Spülvorgang beendet werden kann.
Dadurch ist es möglich, die Zahl der Wasch- oder Spülvorgänge
oder die Dauer einzelner Teilprogrammschritte den tatsächlichen
Gegebenheiten bei einem mehr oder weniger stark verschmutzten Wasch-
oder Spülgut anzupassen und nicht die Spülgänge bzw.
Teilprogrammschritte unabhängig vom Verschmutzungsgrad
der Spülflotte auf die höchst zulässige
Verschmutzung festzulegen. Auf diese Weise trägt ein Trübungssensor
zu einer deutlichen Verringerung der Menge der erforderlichen Wasch-
oder Spülflotte bei. Gleichzeitig kann auch die Reinigungsmittelzugabe
auf den tatsächlichen, durch den Trübungssensor
gemessenen Verschmutzungsgrad abgestimmt werden. Dies bedeutet,
dass auch eine Einsparung an Reinigungssubstanzen möglich
ist.
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Grundsätzlich
sind Trübungssensoren bereits bekannt.
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Eine
gattungsgemäße Sensoreinrichtung zur Erfassung
der Trübung von Spülflotte mit einem optischen
Sender und einem optischen Empfänger, wobei die zu prüfende
Spülflotte zwischen dem Sender und dem Empfänger
hindurchströmt, ist aus der
DE 44 03 418 A1 bekannt. In dieser werden
durch Vornahme einer der eigentlichen Trübungsmessung vorgeschalteten
Referenzmessung zunächst die optischen Verhältnisse
im Messraum festgestellt. Dies bedeutet, es wird der Verschmutzungsgrad
des Trübungssensors und/oder der etwaige Verschmutzungsgrad
der Referenzflüssigkeit festgestellt. Dieser gemessene
Wert definiert die Verschmutzung im Messraum und wird als Basiswert
definiert. Der daraufhin erfolgende tatsächliche Messwert wird
(aufgrund der Messung der zu prüfenden verschmutzten Flüssigkeit)
in Beziehung zu dem Referenzwert gesetzt. Die sich ergebende Differenz
wird als die relative Verschmutzung oder Trübung als Messsignal
weiterverarbeitet.
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Zur
Durchführung der Referenz- und/oder der Prüfmessung
wird durch einen Digital-Analog-Wandler eine stufenweise ansteigende
Spannung an den optischen Sensor zur Erzeugung einer stufenweise
ansteigenden Helligkeit an diesen angelegt. Der Empfänger
gibt bei Erkennung eines ausreichend hellen Signals ein elektrisches
Signal an eine Auswerteeinrichtung ab, die daraufhin die Erzeugung
der Spannung für den Sender beendet und das Messsignal
erzeugt. In dem Moment, wo der Empfänger ein die trübe
Flüssigkeit durchdringendes, ausreichend helles Signal
erkennt, wird durch Erzeugung eines elektrischen Signals am Ausgang
des Empfängers die Erzeugung weiterer Spannungsstufen für
den optischen Sender beendet. Der in der Auswerteeinrichtung erreichte
Zählerstand wird "eingefroren" und dient als Maß für
die gemessene Trübung.
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Die
DE 101 11 006 A1 offenbart
ein Verfahren zum Abgleichen und zur Korrektur eines Trübungssensors
an sich ändernde Bedingungen am Messort, wobei im laufenden
Spülprogramm Kalibrier- oder Referenzwerte für
den Sensorabgleich und zur Korrektur des Trübungssensors
bei Trübungsmessungen der Spülflotte ermittelt
werden. Dabei werden mehrere Kalibrierwertmessungen innerhalb eines
Spülprogramms jeweils zu Zeitpunkten durchgeführt,
an denen sich mit hoher Wahrscheinlichkeit klares Wasser am Messort
des Trübungssensors befindet. Zur Trübungswert-Korrektur
wird der optimalste Referenzwert herangezogen, der aus der Mittelung
mehrerer Referenzwerte gewonnen wird, welche in mehreren Spülprogrammläufen
ermittelt wurden.
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Die
DE 103 56 279 A1 beschreibt
einen Sensorschalter zur Erfassung eines Trübungsgrades
einer Flüssigkeit, z. B. der Spülflüssigkeit
einer Geschirrspülmaschine. Dabei ist es jedoch lediglich
möglich, bestimmte Trübungsgrade zu detektieren,
welche durch die Ausgestaltung der Auswerteelektronik festgelegt sind.
Die Bestimmung eines absoluten Trübungsgrades ist nicht
möglich.
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Die
DE 101 19 932 A1 beschreibt
einen Transmissionssensor mit einer ersten und einer zweiten Messstrecke.
Ein Sender emittiert elektromagnetische Strahlung in beide Messstrecken.
Der ersten Messstrecke ist ein erster Empfänger zugeordnet
und der zweiten Messstrecke ist ein zweiter Empfänger zugeordnet.
Es wird eine Messwertkalibrierung durchgeführt, bei der
ein mit der Intensität der durch die erste Messstrecke
transmittierten Strahlung korrelierender erster Kalibrierwert und
ein mit der Intensität der durch die zweite Messstrecke
transmittierten Strahlung korrelierender zweiter Kalibrierwert ermittelt
werden. Bei der Bestimmung eines mit der Trübung des Fluids
korrelierenden Trübungswertes werden normierte Messwerte
verwendet. Hierfür werden zunächst ein mit der
Intensität der durch die erste Messstrecke transmittierten
Strahlung korrelierender erster Messwert sowie ein mit der Intensität
der durch die zweite Messstrecke transmittierten Strahlung korrelierender
zweiter Messwert ermittelt. Anschließend werden ein erster
normierter Messwert durch den Quotienten aus erstem Messwert und
erstem Kalibrierwert sowie ein zweiter normierter Messwert durch
den Quotienten aus zweitem Messwert und zweitem Kalibrierwert gebildet.
Der Trübungswert wird anhand dieser normierten Messwerte
bestimmt. Der bei der Messwertkalibrierung vorliegende Zustand des
Fluids wird als Referenzzustand definiert, so dass der bestimmte
Trübungswert die Abweichung von diesem Referenzzustand
angibt. Zweck dieser Vorgehensweise ist die Elimination von Einflüssen
von Schmutzablagerung am Sender und/oder an den Empfängern.
Ebenso werden Alterungserscheinungen von Sender und/oder Empfänger
neutralisiert. Ferner werden Leistungsschwankungen der verwendeten
Sender und Empfänger neutralisiert, die bei der Herstellung
auftreten können.
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1 zeigt
in einer schematischen Darstellung ein elektrisches Ersatzschaltbild
einer, z. B. in Haushalt-Geschirrspülmaschinen eingesetzten,
Sensoreinrichtung 1. Die Sensoreinrichtung 1 weist
einen Trübungssensor 2, der auch als "Aqua-Sensor"
bezeichnet wird, auf. Der Trübungssensor 2 umfasst
einen mit einer Versorgungsspannung Vcc gekoppelten optischen Sender 3 und
einen mit dem optischen Sender 3 gekoppelten Empfänger 4 in
Form eines Fototransistors. Bekanntermaßen hängt
die von dem Sender 3 abgegebene Lichtstärke von
dem durch diesen fließenden Strom ab. Zu diesem Zweck ist
eine mit dem Sender 3 gekoppelte Schaltung 5 vorgesehen,
welche über einen Ausgang 12 einer Ansteuer- und
Auswerteeinrichtung 11 ansteuerbar ist. Die Ansteuerung
des Senders 3 erfolgt mittels Pulsweitenmodulation, indem
ein Transistor 7 der Schaltung 5 den Sender 3 über
einen Widerstand 6 entsprechend seiner Ansteuerung mit
einem Bezugspotential verbindet. Je nach eingestelltem Tastverhältnis
ergibt sich ein mittlerer Strom durch den Sender 3, den
Widerstand 6 und den leitend geschalteten Transistor 7 in
Richtung Bezugspotential. Der als Fototransistor ausgebildete Empfänger 4 ist
mit seinem Emitter über einen, als Anti-Aliasing-Filter
ausgestalteten, Schaltungsblock 10 mit einem Eingang 13 der
Ansteuer- und Auswerteeinrichtung 11 gekoppelt. Aufgrund
der Ansteuerung des Senders 3 mit einem pulsweitenmodulierten
Signal liegt am Eingang des Schaltungsblocks 10 ein gepulster
Strom an. Durch den Schaltungsblock 10 wird der gepulste
Fotostrom in eine Gleichspannung Ua gewandelt.
Eine mögliche Ausführungsform des Schaltungsblocks 10 ist
in 2 dargestellt. Ein Widerstand 14 wandelt
den am Eingang anliegenden Strom in eine Spannung Ue um.
Die Ladungsspeicher 15 und 17 sowie der Widerstand 16 dienen
der Tiefpassfilterung des Eingangssignals. An dem Ladungsspeicher 17 kann
die Ausgangsspannung Ua abgegriffen werden,
welche der Ansteuer- und Auswerteeinrichtung 11 über ihren
Eingang 13 zu weiteren Auswertung zuführbar ist.
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Üblicherweise
weisen sowohl der Empfänger 4 als auch der Sender 3 der
Sensoreinrichtung 1 unterschiedliche Fertigungstoleranzen
auf, weswegen eine Kalibrierung der Sensoreinrichtung notwendig
ist. Zu diesem Zweck wird die Sensoreinrichtung zunächst
bei definierten Bedingungen betrieben, um einen Referenzmesswert
zu ermitteln. Dies erfolgt üblicherweise bei klarer Spülflotte
oder ohne das Vorhandensein von Spülflotte.
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Wird
die im Zusammenhang mit 1 beschriebene Sensoreinrichtung 1 bei
unterschiedlichem Tastverhältnissen betrieben, so ergibt
sich eine vom Tastverhältnis abhängige Ausgangsspannung
Ua, welche der Ansteuer- und Auswerteeinrichtung 11 zur
weiteren Verarbeitung übergeben wird. 3 zeigt
den Zusammenhang zwischen dem Puls-/Pausenverhältnis PWM
(Tastverhältnis) und der Spannung UAD (=
Ua), welche in der vorliegenden Figur bereits
A/D-gewandelt ist. Der Figur liegt dabei die Annahme zugrunde, dass
ein A/D-Wandler mit 8 Bit-Breite verwendet wird. Gleichfalls ist
das Tastverhältnis in digitaler Form dargestellt.
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Zur
Kalibrierung der Sensoreinrichtung wird der Sensor, ausgehend von
einem Tastverhältnis 0, mit einem größer
werdenden Tastverhältnis betrieben und gleichzeitig die Ausgangsspannung
Ua durch die Ansteuer- und Auswerteeinrichtung 11 überwacht.
Sobald die Spannung Ua, welche dem Maß einer
Trübung entspricht, innerhalb eines vorgegebenen Kalibrierfensters
(vgl. Bezugszeichen 100 in 3) gelegen
ist, wird der Kalibriervorgang abgebrochen und das bei der ermittelten
Spannung UAD (= Ua)
vorliegende Tastverhältnis für die weiteren Messvorgänge
abgespeichert. Dieses Vorgehen wird aus der 3 gut ersichtlich,
in welcher Messkurve MK1 den Verlauf der Spannung bzw. Trübung
in Abhängigkeit des Tastverhältnisses bei einer
Kalibrierung der Sensoreinrichtung wiedergibt. Wie aus der Figur
unschwer zu erkennen ist, weist die Messkurve MK1 einen linearen
Bereich und einen Sättigungsbereich auf. Die Messkurve
MK1 überkreuzt das Kalibrierfenster 100 in ihrem
Sättigungsbereich. Wie unschwer zu erkennen ist, kann die
Kalibrierung bei einer Spannung zwischen 160 und 190 Digits (vgl.
Bezugszeichen 103 und 104) zu einem Abbruch kommen.
Die zu den Spannungen 103, 104 zugehörigen
Tastverhältnisse 101, 102 sind in entsprechender
Weise eingezeichnet.
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Je
nachdem, wo innerhalb der Spannungsdifferenz 105 die Spannung
Ua zum Liegen kommt, können sich
somit von einander abweichende Tastverhältnisse ergeben,
weswegen die Kalibrierung eine gewisse Ungenauigkeit aufweist.
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In 3 sind
weitere Messkurven MK2, MK3, MK4, MK5, MK6, MK7 und MK8 eingezeichnet,
wobei diese in ihrem linearen Bereich eine zunehmende Trübung
aufweisen. Mit abnehmender Steigung nimmt dabei die Trübung
der gemessenen Spülflotte zu.
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Die
Ermittlung eines Referenzwertes bei klarer oder keiner Spülflotte
auf die beschriebene Weise hat damit zur Folge, dass die Sensoreinrichtung
mit einem verhältnismäßig geringen Tastverhältnis
für die weiteren Messungen bei verunreinigter Spülflotte
betrieben wird.
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Es
ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Sensoreinrichtung
und ein Verfahren zur Erfassung der Trübung von Spülflotte
anzugeben, welche eine sehr viel bessere Ermittlung des Trübungsgrades
von Flüssigkeit ergeben.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Sensoreinrichtung mit den Merkmalen des
Patentanspruches 1 sowie durch ein Verfahren zur Erfassung der.
Trübung von Spülflotte mit den Merkmalen des Patentanspruches
14 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus
den abhängigen Patentansprüchen.
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Wenn
nachfolgend von dem Begriff Spülflotte die Rede ist, ist
dies nicht einschränkend zu verstehen, sondern darunter
ist jede Art von Flüssigkeit zu verstehen.
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Eine
erfindungsgemäße Sensoreinrichtung zur Erfassung
der Trübung von Spülflotte weist einen optischen
Sender und einen optischen Empfänger auf, wobei die zu
prüfende Spülflotte zwischen dem Sender und dem
Empfänger hindurchströmt. Die Sensoreinrichtung
umfasst weiter eine elektronische Ansteuer- und Auswerteeinrichtung,
die dazu ausgebildet ist (a) vermittels des optischen Senders und
des Empfängers eine Referenzmessung zur Bestimmung eines
Referenzwerts durchzuführen, (b) vermittels des optischen
Senders und des Empfängers eine Trübungsmessung
der zu messenden Spülflotte zur Bestimmung eines Prüfmesswerts
durchzuführen, (c) den Referenzmesswert in Beziehung zu
dem Prüfmesswert zu setzen, und (d) daraus einen Kennwert
für die festgestellte Trübung der Spülflotte
zu ermitteln und diesen als Messsignal abzugeben. Die Sensoreinrichtung
ist dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung des Referenzmesswerts
und die Bestimmung des Prüfmesswerts die Ermittlung eines
Gradienten der Trübung umfassen.
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Der
Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass zwischen der Trübung
einer zu messenden Spülflotte und dem Gradienten der Trübung
ein lineares Verhältnis besteht. Diese Kenntnis macht sich
die Erfindung zunutze, indem zunächst der Gradient der
Trübung von klarer, unverschmutzter Spülflotte
als Referenzmesswert bestimmt wird. Anhand einer weiteren Bestimmung
des Gradienten der Trübung einer zu messenden "verschmutzten"
Spülflotte kann dann auf das Maß der Trübung
geschlossen werden. Die Erfindung ermöglicht dabei auf
einfache und präzise Weise die Ermittlung eines absoluten
Wertes der Trübung der zu messenden Spülflotte.
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Gemäß einer
Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Sensoreinrichtung ist die von dem Sender abgegebene Beleuchtungsstärke
von der Ansteuer- und Auswerteeinrichtung vermittels eines PWM-Signals (Pulsweitenmodulation)
einstellbar, wobei der Auswerteeinrichtung von dem Empfänger
in Abhängigkeit der empfangenen Beleuchtungsstärke
ein Spannungswert zur Ermittlung des die Trübung kennzeichnenden Kennwerts
zuführbar ist. Die Ansteuer- und Auswerteeinrichtung ist
weiter dazu ausgebildet, zur Gradientenermittlung eine Mehrzahl
an PWM-Signalen mit unterschiedlichen Tastverhältnissen
einzustellen, jeweils die bei den unterschiedlichen Tastverhältnissen
resultierenden Spannungswerte zu erfassen und aus der Mehrzahl der
erfassten Wertepaare den Gradienten der Trübung zu ermitteln.
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Die
Ansteuer- und Auswerteeinrichtung weist zu diesem Zweck einen Mikrocomputer
auf, der die Höhe des durch den Sender fließenden
Stroms mittels Pulsweitenmodulation bzw. des Tastverhältnisses
einstellt. Die Ansteuer- und Auswerteeinrichtung umfasst weiter
einen A/D-Wandler, mit dem die von dem Empfänger erzeugte
Spannung digitalisierbar und durch die Ansteuer- und Auswerteeinrichtung
weiterverarbeitbar ist. Diesem Vorgehen liegt die Erkenntnis zugrunde,
dass zwischen dem Tastverhältnis, mit dem der Sender der
Sensoreinrichtung angesteuert wird, und der von dem Empfänger
abgegebenen Spannung ebenfalls ein lineares Verhältnis
besteht.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform ist die Ansteuer- und Auswerteeinrichtung
dazu ausgebildet, für jedes der unterschiedlichen Tastverhältnisse
eine Mehrzahl an Messungen durchzuführen, in denen jeweils ein
Spannungswert ermittelt wird, wobei nach Mittelwertbildung sämtlicher
gemessener Spannungswerte der die Trübung kennzeichnende
Kennwert ermittelt und für die weitere Verarbeitung berücksichtigt
wird. Hierdurch lässt sich die Genauigkeit bei der Ermittlung
des Gradienten weiter erhöhen. Beispielsweise können
im Moment der Messung in der Messstrecke befindliche Partikel, welche
bei einer einzelnen Messung zu einem verfälschten Ergebnis
führen würden, kompensiert werden.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass durch die
Ansteuer- und Auswerteeinrichtung eine Prüfung vornehmbar
ist, ob sich der die Trübung kennzeichnende Kennwert noch
in einem linearen Arbeitsbereich der Sensoreinrichtung befindet.
Dabei ist die Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet, die Gradientenermittlung
vorzunehmen, wenn eine vorgegebene Bedingung erreicht ist. Dies
bedeutet, das Tastverhältnis wird im Rahmen einer Gradientenermittlung
so lange variiert, bis die Bedingung erreicht ist. Bevorzugt ist
die vorgegebene Bedingung ein vorgegebener Spannungswert. Dieser
ist vorzugsweise derart gewählt, dass er außerhalb
des Sättigungsbereichs des Arbeitsbereichs der Sensoreinrichtung
liegt, den linearen Arbeitsbereich jedoch so weit wie möglich
ausnutzt.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform wird zur Ermittlung des Gradienten
durch die Auswerteeinrichtung die Schrittweite des Tastverhältnisses
im linearen Bereich inkrementiert, wobei das Inkrement in Abhängigkeit
der gewünschten Messgenauigkeit einstellbar ist. Je kleiner
das Inkrement gewählt wird, desto mehr Zeit wird für
die Ermittlung des Gradienten der Trübung benötigt.
Umgekehrt kann die Zeitdauer zur Ermittlung des Gradienten durch
ein größeres Inkrement verkürzt werden.
In der Praxis hat sich ein Inkrement von 4% bewährt, das
heißt zum Durchlaufen des vollständigen Tastverhältnisses
von 0% bis 100% werden dann insgesamt 25 unterschiedliche Messungen
durchgeführt.
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Zur
Ermittlung des Gradienten wird die Summe der Messwerte zur Summe
der gemessenen Tastverhältnisse ins Verhältnis
gesetzt. Der Kennwert, der die Trübung kennzeichnet, wird
nach folgender Formel berechnet:
wobei turb die Trübung,
MG
der Messgradient, und
CG der Kalibriergradient ist.
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Während
der Referenzmesswert ohne Spülflotte oder bei klarer Spülflotte
ermittelt wird, ist gemäß einer weiteren Ausführungsform
vorgesehen, dass der Prüfmesswert in einem auf die Referenzmessung
folgenden Spülgang ermittelt wird.
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Der
optische Sender und der optische Empfänger arbeiten bevorzugt
auf Infrarotbasis.
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Die
erfindungsgemäße Sensoreinrichtung kann prinzipiell
zur Detektion der Trübung jeder beliebigen Flüssigkeit
verwendet werden. Insbesondere ist eine Verwendung in einer Geschirrspülmaschine
oder einer Waschmaschine vorgesehen, die insbesondere für
den Einsatz im Haushalt ausgebildet sind.
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Bei
einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Erfassung
der Trübung von Spülflotte, insbesondere in einer
Haushalts-Geschirrspülmaschine, bei dem die zu prüfende
Spülflotte zwischen einem Sender und einem Empfänger
hindurchströmt, sind folgende Schritte vorgesehen: (a)
es wird eine Referenzmessung zur Bestimmung eines Referenzmesswerts
durchgeführt; (b) es wird eine Trübungsmessung
der zu messenden Spülflotte zur Bestimmung eines Prüfmesswerts
durchgeführt; (c) der Referenzmesswert wird in Beziehung
zu dem Prüfmesswert gesetzt; (d) es wird daraus ein Kennwert
für die festgestellte Trübung der Spülflotte
ermittelt und dieser wird als Messsignal abgegeben. Erfindungsgemäß wird
als Referenzmesswert und als Prüfmesswert ein Gradient
der Trübung ermittelt.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren sind die gleichen
Vorteile verbunden, wie sie vorstehend in Verbindung mit der erfindungsgemäßen
Sensoreinrichtung beschrieben wurden.
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In
einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens wird die von dem Sender abgegebene Beleuchtungsstärke
von der Auswerteeinrichtung vermittels eines PWM-Signals eingestellt,
wobei der Auswerteeinrichtung von dem Empfänger in Abhängigkeit
der empfangenen Beleuchtungsstärke ein Spannungswert zur
Ermittlung des die Trübung kennzeichnenden Kennwerts zugeführt
wird. Die Auswerteeinrichtung stellt zur Gradientenermittlung eine
Mehrzahl an PWM-Signalen mit unterschiedlichen Tastverhältnissen
ein. Sie erfasst jeweils die bei unterschiedlichen Tastverhältnissen
resultierenden Spannungswerte und ermittelt aus der Mehrzahl der
erfassten Wertepaare den Gradienten der Trübung.
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In
einer weiteren Ausführungsform führt die Auswerteeinrichtung
für jedes der unterschiedlichen Tastverhältnisse
eine Mehrzahl an Messungen durch, in denen jeweils ein Spannungswert
ermittelt wird, wobei nach Mittelwertbildung sämtlicher
gemessener Spannungswerte der die Trübung kennzeichnende
Kennwert ermittelt und für die weitere Verarbeitung berücksichtigt
wird.
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Bevorzugt
wird durch die Auswerteeinrichtung geprüft, ob sich der
Messwert noch in einem linearen Arbeitsbereich der Sensoreinrichtung
befindet. Dabei wird die Gradientenermittlung vorgenommen, wenn
der Messwert eine vorgegebene Bedingung erreicht. Die vorgegebene
Bedingung ist gemäß einer weiteren Ausführung
ein vorgegebener Spannungswert. Dieser wird derart gewählt,
dass eine Ermittlung von Messwerten bei unterschiedlichen Tastverhältnissen
ausschließlich im linearen Arbeitsbereich der Sensoreinrichtung
stattfindet.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass zur Ermittlung
des Gradienten durch die Auswerteeinrichtung die Schrittweite des
Tastverhältnisses im linearen Bereich inkrementiert wird,
wobei das Inkrement in Abhängigkeit der gewünschten
Messgenauigkeit eingestellt wird.
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Zur
Ermittlung des Gradienten ist vorgesehen, die Summe der Messwerte
zur Summe der gemessenen Tastverhältnisse ins Verhältnis
zu setzen. Der die Trübung kennzeichnende Kennwert berechnet
sich nach der Formel:
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Eine
weitere Ausführungsform sieht vor, dass der Referenzmesswert
ohne Spülflotte oder bei klarer Spülflotte ermittelt
wird. Der Prüfmesswert wird in einem auf die Referenzmessung
folgenden Spülgang ermittelt.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren näher beschrieben.
Es zeigen:
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1 ein
elektrisches Ersatz-Schaltbild einer im Rahmen der Erfindung einsetzbaren
Sensoreinrichtung,
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2 ein
Ausführungsbeispiel eines Anti-Aliasing-Filters, das in
der Schaltung aus 1 zum Einsatz kommt,
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3 ein
Diagramm, das den Zusammenhang zwischen A/D-gewandelter Spannung
am Eingang einer Ansteuer- und Auswerteeinrichtung der Sensoreinrichtung
und Pulsbreite in Digits bei unterschiedlicher Trübung
zeigt,
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4 ein
Diagramm, das den Zusammenhang zwischen A/D-gewandelter Spannung
am Eingang der Ansteuer- und Auswerteeinrichtung und Tastverhältnis
darstellt,
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5 das
aus 4 bekannte Diagramm, anhand dessen die Ermittlung
des Gradienten einer bestimmten Trübung ersichtlich wird,
und
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6 ein
Diagramm, aus dem der Zusammenhang zwischen dem Gradienten der Trübung
und der Trübung der zu messenden Spülflotte ersichtlich
wird.
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1 zeigt
das bereits erläuterte Prinzip-Schaltbild der erfindungsgemäßen
Sensoreinrichtung 1. Der Trübungssensor 2 umfasst
eine zwischen dem Sender 3 und dem Empfänger 4 gebildete
Messstrecke. Der Trübungssensor 2 ist bevorzugt
gabelförmig aufgebaut, so dass im Zwischenbereich der Gabel
die zu überwachende Spülflotte hindurchströmen
kann. Der Sender 3, z. B. eine Infrarot-LED sendet Licht
aus, wobei von dem Empfänger 3, einem Fototransistor,
der Lichtanteil, der nicht von der Spülflotte bzw. vom
Schmutz gestreut und reflektiert worden ist, empfangen wird.
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Der
Sender 3 wird mittels der Schaltung 5 mit Hilfe
eines pulsweitenmodulierten (PWM)-Signals von der Ansteuer- und
Auswerteeinrichtung 11 angesteuert, um die Beleuchtungsstärke
zu steuern. Der Empfänger 4 treibt einen Fotostrom,
der von der empfangenen Beleuchtungsstärke abhängt.
Der Anti-Aliasing-Filter 10, der dazu dient, den gepulsten
Fotostrom in ein Gleichspannungssignal zu wandeln, generiert eine
Spannung Ua, welche dann durch die Ansteuer-
und Auswerteeinrichtung 11 ausgewertet wird. Diese bewertet
die Spannung Ua und fällt daraufhin
eine Trübungsentscheidung. Mit dieser Information ist ein
Spülprogramm individuell an die tatsächlichen
Gegebenheiten anpassbar.
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Der
Vorteil in der Verwendung eines Trübungssensors besteht
darin, dass Spülprogramme individuell an den tatsächlichen
Zustand der Spülflotte angepasst werden können.
Es kann auf Basis der Informationen der Sensoreinrichtung entschieden
werden, ob ein Austausch der Spülflotte notwendig ist.
Hierdurch kann die Wassermenge eines Spülganges erheblich
verringert werden. Ein Wassertausch erfolgt nur dann, wenn dies tatsächlich
erforderlich ist.
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3 zeigt
eine Kurvenschar, welche den Zusammenhang zwischen dem Puls-/Pausenverhältnis PWM
(Tastverhältnis) und der Spannung UAD (=
Ua) in Abhängigkeit verschiedener
Trübungen darstellt. Jede der Messkurven MK1, ..., MK8
weist einen linearen und einen Sättigungsbereich auf. Die
Steigung im linearen Bereich wird umso geringer, je größer
die Trübung der gemessenen Spülflotte ist. Messkurve
MK1 stellt dabei den Verlauf bei klarer Spülflüssigkeit
dar. In 3 dargestellt ist das einleitend
bereits beschriebene Kalibrierfenster 100, welches im Sättigungsbereich
der Messkurve MK1 liegt. Hierdurch entsteht, wie bereits erläutert, beim
Messvorgang des Referenzmesswerts in herkömmlicher Weise
einerseits eine hohe Messunsicherheit. In der Abbildung ist ein
Beispiel eingezeichnet, bei dem eine Messunschärfe von
ca. 30 Digits (vgl. Bezugszeichen 105) dargestellt ist.
Andererseits wird die Messung von weiteren Trübungen bei
geringen Tastverhältnissen (zwischen 60 und 90 Digits,
vgl. Bezugszeichen 101, 102) durchgeführt,
wodurch eine nur geringe Messdynamik ausgenutzt wird. Anhand der
Messkurve MK8 (starke Trübung) ist unschwer erkennbar,
dass die Messgenauigkeit und die Auflösung der Sensoreinrichtung
bei möglichst hohem Tastverhältnis jedoch besser sind.
Während sich z. B. bei einem Tastverhältnis von
90 Digits eine Auflösung von 20 Digits ergibt, beträgt
die Auflösung bei einem Tastverhältnis von 230
Digits bereits 60 Digits.
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Aufgrund
des linearen Zusammenhangs zwischen dem Tastverhältnis
und dem Messwert (UAD) kann eine Auswertung
der Trübung auf Basis eines Trübungsgradienten
vorgenommen werden, um die Vorteile wie die Erhöhung der
Messdynamik voll ausnutzen zu können.
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In 6 ist
der Zusammenhang zwischen dem Gradienten der Trübung (Gradient)
und der Trübung dargestellt. Dieser Zusammenhang ist linear,
das heißt der Trübungsgradient nimmt mit zunehmender
Trübung linear ab. Der Schnittpunkt der Kurve mit der horizontalen
Achse liegt bei 100% Trübung. Dieser Schnittpunkt ist bei
allen Trübungssensoren identisch. Der Gradient bei 0% Trübung
(Kalibriergradient CG) kann bei verschiedenen Trübungssensoren,
z. B. aufgrund von Fertigungstoleranzen der Halbleiter-Bauelemente,
variieren. Der Schnittpunkt der Kurve mit der y-Achse wird somit
durch die Güte des Trübungssensors bestimmt. Die Kurve,
die die Schnittpunkte der jeweiligen Achsen miteinander verbindet,
ist jedoch immer linear.
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Demgemäß besteht
das Vorgehen zur Ermittlung eines absoluten Trübungsgrades
einer zu messenden Spülflotte darin, zunächst
einen Kalibriergradienten CG bei 0% Trübung der Spülflotte
zu bestimmen, und im darauf folgenden Spülgang einen Messgradienten
MG zu ermitteln. Aus diesen beiden Werten kann der Trübungsgrad
turb der Spülflotte nach der Formel
ermittelt werden.
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Der
Gradient zwischen dem Tastverhältnis und der der Auswerteeinrichtung 11 zugeführten
Spannung Ua = UAD ist
ebenfalls proportional zur Trübung. Die Messkurven, welche
zur Ermittlung des Kalibriergradienten CG und des Messgradienten
MG verwendet werden, sind in 4 dargestellt.
Messkurve MK1 zeigt dabei den Verlauf bei 0% Trübung, Messkurve
MK2 den Verlauf bei getrübter Spülflotte. Die
Gradienten-Ermittlung erfolgt jeweils lediglich in einem linearen
Bereich der Messkurven. In der Figur ist ein Grenzwert eingezeichnet,
der bei 80% der Versorgungsspannung Vcc des Senders 3 (vgl. 1)
liegt. Überschreitet der Spannungswert Ua während
eines Messvorganges, in dem das Tastverhältnis in Inkrementen,
von 0 beginnend, erhöht wird, den Grenzwert, so wird die
Erhöhung des Tastverhältnisses abgebrochen und
eine Ermittlung des Gradienten anhand der bislang vorliegenden Messwerte
durchgeführt. Dabei ist, wie aus 4 unschwer
zu erkennen ist, mit zunehmender Trübung, das heißt
geringerem Gradienten, eine volle Ausnutzung des Tastverhältnisses
bis 100% möglich.
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Die
Vorgehensweise der Ermittlung des Gradienten wird anhand 5 erläutert.
In diesem Ausführungsbeispiel ist das Inkrement zur Erhöhung
des Tastverhältnisses beispielhaft auf 4% festgelegt. Entlang
der x-Achse sind insgesamt 6 Tastverhältnisse T1, ...,
T6 eingezeichnet, bei denen jeweils eine mehrfache Messung des Spannungswertes
erfolgt. Die mehrfache Messung bei jedem der Tastverhältnisse
T1, ..., T6 wird einer Mittelwertbildung unterzogen, wobei das Ergebnis
der Mittelwertbildung (UE1, UE2,
UE3, UE4) zur Bestimmung
des Gradienten CG bzw. MG herangezogen wird. Zur Ermittlung der
Gradienten CG und MG wird die Summe der Messwerte UE1,
UE2, ... zur Summe der Tastverhältnisse
T1, T2, ... ins Verhältnis gesetzt. Sind die Gradienten
CG und MG bestimmt, so kann der absolute Trübungsgrad durch
Gleichung 1 ermittelt werden.
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Die
erfindungsgemäße Sensoreinrichtung weist den Vorteil
auf, dass ein absoluter Trübungsgrad mit hoher Genauigkeit
bestimmbar ist. Hierdurch ist eine besonders gute Anpassung eines
Spülprogramms, z. B. in einer Geschirrspülmaschine
möglich, wodurch diese besonders ressourcen-schonend betrieben
werden kann.
-
- 1
- Sensoreinrichtung
- 2
- Trübungssensor
- 3
- Sender
- 4
- Empfänger
- 5
- Schaltung
- 6
- Widerstand
- 7
- Transistor
- 8
- Widerstand
- 9
- Widerstand
- 10
- Anti-Aliasing-Filter
- 11
- Ansteuer-
und Auswerteeinrichtung
- 12
- Ausgang
- 13
- Eingang
- 14
- Widerstand
- 15
- Ladungsspeicher
- 16
- Widerstand
- 17
- Ladungsspeicher
- 100
- Kalibrierfenster
- 101
- PWM-Wert
1
- 102
- PWM-Wert
2
- 103
- Spannung
- 104
- Spannung
- 105
- Spannungsdifferenz
- 106
- Grenzspannung
- CG
- Kalibriergradient
- MG
- Messgradient
- MK1
- Messkurve
(klare Flüssigkeit)
- MK2
- Messkurve
(getrübte Flüssigkeit)
- MK3
- Messkurve
(getrübte Flüssigkeit)
- MK4
- Messkurve
(getrübte Flüssigkeit)
- MK5
- Messkurve
(getrübte Flüssigkeit)
- MK6
- Messkurve
(getrübte Flüssigkeit)
- MK7
- Messkurve
(getrübte Flüssigkeit)
- MK8
- Messkurve
(getrübte Flüssigkeit)
- PWM
- -Tastverhältnis
- U
- Spannung
- UE1
- Spannung
- UE2
- Spannung
- UE3
- Spannung
- UE4
- Spannung
- 4
- Tastverhältnis
- T2
- Tastverhältnis
- T3
- Tastverhältnis
- T4
- Tastverhältnis
- T5
- Tastverhältnis
- T6
- Tastverhältnis
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 4403418
A1 [0005]
- - DE 10111006 A1 [0007]
- - DE 10356279 A1 [0008]
- - DE 10119932 A1 [0009]