DE102007031480B4

DE102007031480B4 - Sensoreinrichtung und Verfahren zur Erfassung der Trübung von Spülflotte

Info

Publication number: DE102007031480B4
Application number: DE102007031480A
Authority: DE
Inventors: Michael Fauth; Reinhard Hering; Bernd KRÄNZLE
Original assignee: BSH Bosch und Siemens Hausgeraete GmbH
Current assignee: BSH Hausgeraete GmbH
Priority date: 2007-07-06
Filing date: 2007-07-06
Publication date: 2009-05-14
Anticipated expiration: 2027-07-07
Also published as: KR20100033526A; DE102007031480A1; US8441646B2; WO2009007268A1; EP2165183A1; CN101688833B; CN101688833A; RU2010102005A; US20100195091A1; RU2468357C2

Abstract

Sensoreinrichtung (1) zur Erfassung der Trübung von Spülflotte, insbesondere in einer Haushalt-Geschirrspülmaschine, mit einem optischen Sender (3) und einem optischen Empfänger (4), wobei die zu prüfende Spülflotte zwischen dem Sender (3) und dem Empfänger (4) hindurchströmt, und mit einer elektronischen Ansteuer- und Auswerteeinrichtung (11), die dazu ausgebildet ist,
(a) vermittels des optischen Senders und des Empfängers eine Referenzmessung zur Bestimmung eines Referenzmesswerts (CG) durchzuführen,
(b) vermittels des optischen Senders und des Empfängers eine Trübungsmessung der zu messenden Spülflotte zur Bestimmung eines Prüfmesswerts (MG) durchzuführen,
(c) den Referenzmesswert (CG) in Beziehung zu dem Prüfmesswert (MG) zu setzen, und
(d) daraus einen Kennwert (turb) für die festgestellte Trübung der Spülflotte zu ermitteln und diesen als Messsignal abzugeben,
dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung des Referenzmesswerts und die Bestimmung des Prüfmesswerts die Ermittlung eines Gradienten der Trübung umfassen.

Description

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.
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.
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.
Grundsätzlich sind Trübungssensoren bereits bekannt.
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.
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.
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.
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.
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.
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 U_a gewandelt. Eine mögliche Ausführungsform des Schaltungsblocks 10 ist in 2 dargestellt. Ein Widerstand 14 wandelt den am Eingang anliegenden Strom in eine Spannung U_e um. Die Ladungsspeicher 15 und 17 sowie der Widerstand 16 dienen der Tiefpassfilterung des Eingangssignals. An dem Ladungsspeicher 17 kann die Ausgangsspannung U_a abgegriffen werden, welche der Ansteuer- und Auswerteeinrichtung 11 über ihren Eingang 13 zu weiteren Auswertung zuführbar ist.
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.
Wird die im Zusammenhang mit 1 beschriebene Sensoreinrichtung 1 bei unterschiedlichen Tastverhältnissen betrieben, so ergibt sich eine vom Tastverhältnis abhängige Ausgangsspannung U_a, welche der Ansteuer- und Auswerteeinrichtung 11 zur weiteren Verarbeitung übergeben wird. 3 zeigt den Zusammenhang zwischen dem Puls-/Pausenverhältnis PWM (Tastverhältnis) und der Spannung U_AD (= U_a), 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.
Zur Kalibrierung der Sensoreinrichtung wird der Sensor, ausgehend von einem Tastverhältnis 0, mit einem größer werdenden Tastverhältnis betrieben und gleichzeitig die Ausgangsspannung U_a durch die Ansteuer- und Auswerteeinrichtung 11 überwacht. Sobald die Spannung U_a, 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 U_AD (= U_a) 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.
Je nachdem, wo innerhalb der Spannungsdifferenz 105 die Spannung U_a zum Liegen kommt, können sich somit von einander abweichende Tastverhältnisse ergeben, weswegen die Kalibrierung eine gewisse Ungenauigkeit aufweist.
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.
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.
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.
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.
Wenn nachfolgend von dem Begriff Spülflotte die Rede ist, ist dies nicht einschränkend zu verstehen, sondern darunter ist jede Art von Flüssigkeit zu verstehen.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.

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.
Der optische Sender und der optische Empfänger arbeiten bevorzugt auf Infrarotbasis.
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.
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.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sind die gleichen Vorteile verbunden, wie sie vorstehend in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung beschrieben wurden.
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.
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.
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.
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.
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:
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.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren näher beschrieben. Es zeigen:
1 ein elektrisches Ersatz-Schaltbild einer im Rahmen der Erfindung einsetzbaren Sensoreinrichtung,
2 ein Ausführungsbeispiel eines Anti-Aliasing-Filters, das in der Schaltung aus 1 zum Einsatz kommt,
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,
4 ein Diagramm, das den Zusammenhang zwischen A/D-gewandelter Spannung am Eingang der Ansteuer- und Auswerteeinrichtung und Tastverhältnis darstellt,
5 das aus 4 bekannte Diagramm, anhand dessen die Ermittlung des Gradienten einer bestimmten Trübung ersichtlich wird, und
6 ein Diagramm, aus dem der Zusammenhang zwischen dem Gradienten der Trübung und der Trübung der zu messenden Spülflotte ersichtlich wird.
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.
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 U_a, welche dann durch die Ansteuer- und Auswerteeinrichtung 11 ausgewertet wird. Diese bewertet die Spannung U_a und fällt daraufhin eine Trübungsentscheidung. Mit dieser Information ist ein Spülprogramm individuell an die tatsächlichen Gegebenheiten anpassbar.
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.
3 zeigt eine Kurvenschar, welche den Zusammenhang zwischen dem Puls-/Pausenverhältnis PWM (Tastverhältnis) und der Spannung U_AD (= U_a) 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.
Aufgrund des linearen Zusammenhangs zwischen dem Tastverhältnis und dem Messwert (U_AD) kann eine Auswertung der Trübung auf Basis eines Trübungsgradienten vorgenommen werden, um die Vorteile wie die Erhöhung der Messdynamik voll ausnutzen zu können.
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.
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.
Der Gradient zwischen dem Tastverhältnis und der der Auswerteeinrichtung 11 zugeführten Spannung U_a = U_AD 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 V_cc des Senders 3 (vgl. 1) liegt. Überschreitet der Spannungswert U_a 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.
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 (U_E1, U_E2, U_E3, U_E4) zur Bestimmung des Gradienten CG bzw. MG herangezogen wird. Zur Ermittlung der Gradienten CG und MG wird die Summe der Messwerte U_E1, U_E2, ... 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.
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
U_E1: Spannung
U_E2: Spannung
U_E3: Spannung
U_E4: Spannung
4: Tastverhältnis
T2: Tastverhältnis
T3: Tastverhältnis
T4: Tastverhältnis
T5: Tastverhältnis
T6: Tastverhältnis

Claims

Sensoreinrichtung (1) zur Erfassung der Trübung von Spülflotte, insbesondere in einer Haushalt-Geschirrspülmaschine, mit einem optischen Sender (3) und einem optischen Empfänger (4), wobei die zu prüfende Spülflotte zwischen dem Sender (3) und dem Empfänger (4) hindurchströmt, und mit einer elektronischen Ansteuer- und Auswerteeinrichtung (11), die dazu ausgebildet ist, (a) vermittels des optischen Senders und des Empfängers eine Referenzmessung zur Bestimmung eines Referenzmesswerts (CG) durchzuführen, (b) vermittels des optischen Senders und des Empfängers eine Trübungsmessung der zu messenden Spülflotte zur Bestimmung eines Prüfmesswerts (MG) durchzuführen, (c) den Referenzmesswert (CG) in Beziehung zu dem Prüfmesswert (MG) zu setzen, und (d) daraus einen Kennwert (turb) für die festgestellte Trübung der Spülflotte zu ermitteln und diesen als Messsignal abzugeben, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung des Referenzmesswerts und die Bestimmung des Prüfmesswerts die Ermittlung eines Gradienten der Trübung umfassen.
Sensoreinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die von dem Sender (3) abgegebene Beleuchtungsstärke von der Ansteuer- und Auswerteeinrichtung (11) vermittels eines pulsweitenmodulierten Signals einstellbar ist, wobei der Ansteuer- und Auswerteeinrichtung (11) von dem Empfänger (4) in Abhängigkeit der empfangenen Beleuchtungsstärke ein Spannungswert zur Ermittlung des die Trübung kennzeichnenden Kennwerts (turb) zuführbar ist, und die Ansteuer- und Auswerteeinrichtung (11) dazu ausgebildet ist, zur Gradientenermittlung eine Mehrzahl an pulsweitenmodulierten Signalen mit unterschiedlichen Tastverhältnissen einzustellen, jeweils die bei den unterschiedlichen Tastverhältnissen resultierenden Spannungswerte zu erfassen und aus der der Mehrzahl der erfassten Wertepaare den Gradienten der Trübung zu ermitteln.
Sensoreinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuer- und Auswerteeinrichtung (11) dazu ausgebildet ist, 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 (turb) ermittelt und für die weitere Verarbeitung berücksichtigt wird.
Sensoreinrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Ansteuer- und Auswerteeinrichtung (11) eine Prüfung vornehmbar ist, ob sich der die Trübung kennzeichnende Kennwert (turb) noch in einem linearen Arbeitsbereich der Sensoreinrichtung (1) befindet.
Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuer- und Auswerteeinrichtung (11) dazu ausgebildet ist, die Gradientenermittlung vorzunehmen, wenn eine vorgegebene Bedingung erreicht ist.
Sensoreinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgegebene Bedingung ein vorgegebener Spannungswert ist.
Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung des Gradienten durch die Ansteuer- und Auswerteeinrichtung (11) die Schrittweite des Tastverhältnisses im linearen Bereich inkrementiert wird, wobei das Inkrement in Abhängigkeit der gewünschten Messgenauigkeit einstellbar ist.
Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung des Gradienten die Summe der Messwerte zur Summe der gemessenen Tastverhältnisse ins Verhältnis gesetzt wird.
Sensoreinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Kennwert nach folgender Formel berechnet:
Sensoreinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Referenzmesswert (CG) ohne Spülflotte oder bei klarer Spülflotte ermittelt wird.
Sensoreinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Prüfmesswert (MG) in einem auf die Referenzmessung folgenden Spülgang ermittelt wird.
Sensoreinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Sender (3) und der optische Empfänger (4) auf Infrarotbasis arbeiten.
Verwendung einer Sensoreinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche in einer Geschirrspülmaschine oder einer Waschmaschine, die insbesondere für den Einsatz im Haushalt ausgebildet sind.
Verfahren zur Erfassung der Trübung von Spülflotte, insbesondere in einer Haushalt-Geschirrspülmaschine, bei dem die zu prüfende Spülflotte zwischen einem Sender (3) und einem Empfänger (4) hindurchströmt, wobei (a) eine Referenzmessung zur Bestimmung eines Referenzmesswerts (CG) durchgeführt wird, (b) eine Trübungsmessung der zu messenden Spülflotte zur Bestimmung eines Prüfmesswerts (MG) durchgeführt wird, (c) der Referenzmesswert (CG) in Beziehung zu dem Prüfmesswert (MG) gesetzt wird, und (d) daraus ein Kennwert (turb) für die festgestellte Trübung der Spülflotte ermittelt wird und dieser als Messsignal abgegeben wird, dadurch gekennzeichnet, dass als Referenzmesswert und als Prüfmesswert ein Gradient der Trübung ermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die von dem Sender (3) abgegebene Beleuchtungsstärke von einer Ansteuer- und Auswerteeinrichtung (11) vermittels eines pulsweitenmodulierten Signals eingestellt wird, wobei der Ansteuer- und Auswerteeinrichtung (11) von dem Empfänger (4) in Abhängigkeit der empfangenen Beleuchtungsstärke ein Spannungswert zur Ermittlung des die Trübung kennzeichnenden Kennwerts (turb) zugeführt wird, und die Ansteuer- und Auswerteeinrichtung (11) zur Gradientenermittlung eine Mehrzahl an pulsweitenmodulierten Signalen mit unterschiedlichen Tastverhältnissen einstellt, jeweils die bei den unterschiedlichen Tastverhältnissen resultierenden Spannungswerte erfasst, und aus der Mehrzahl der erfassten Wertepaare den Gradienten der Trübung ermittelt.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuer- und Auswerteeinrichtung (11) für jedes der unterschiedlichen Tastverhältnisse eine Mehrzahl an Messungen durchführt, in denen jeweils ein Spannungswert ermittelt wird, wobei nach Mittelwertbildung sämtlicher gemessener Spannungswerte der die Trübung kennzeichnende Kennwert (turb) ermittelt und für die weitere Verarbeitung berücksichtigt wird.
Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Ansteuer- und Auswerteeinrichtung (11) geprüft wird, ob sich der Messwert noch in einem linearen Arbeitsbereich der Sensoreinrichtung (1) befindet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Gradientenermittlung vorgenommen wird, wenn der Messwert eine vorgegebene Bedingung erreicht.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgegebene Bedingung ein vorgegebener Spannungswert ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung des Gradienten durch die Ansteuer- und Auswerteeinrichtung (11) die Schrittweite des Tastverhältnisses im linearen Bereich inkrementiert wird, wobei das Inkrement in Abhängigkeit der gewünschten Messgenauigkeit eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung des Gradienten die Summe der Messwerte zur Summe der gemessenen Tastverhältnisse ins Verhältnis gesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Kennwert nach folgender Formel berechnet:
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Referenzmesswert ohne Spülflotte oder bei klarer Spülflotte ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Prüfmesswert in einem auf die Referenzmessung folgenden Spülgang ermittelt wird.