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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zur Auswertung von durch Messung gewonnener Werte in der Art eines
Signals nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Viele auszuwertende Meßgrößen sind
mit Störungen überlagert.
Bei einer wichtigen Gruppe von Messungen besteht die auszuwertende
Meßgröße aus einer
Grundgröße, die
von Störungen
immer nur in einer Richtung vergrößert oder verkleinert wird. Beispiele
hierfür
sind physikalische Größen wie
Trübung
oder Hintergrundstrahlungen.
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Bei der Trübung mißt man mit einer Lichtschranke
das durch das Fluid transmittierte Licht und somit die Lichtschwächung durch
trübe Medien.
Störungen,
wie beispielsweise Luftblasen oder ungelöste feste Partikel, verringern
das Meßsignal
der Grundtrübung
aus gelösten
oder dispergierten Stoffen. Die Störgrößen wirken somit nur in Richtung
der Signalverringerung für
das transmittierte Licht. Solche Trübungssensoren werden in Waschmaschinen, Geschirrspülmaschinen
o. dgl. verwendet, um Wasser, Waschmittel o. dgl. zur Änderung
des Zustandes der Waschlauge zuzugeben.
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Bei der Hintergrundstrahlung treten
kurzzeitige zusätzliche
Strahlungen auf, die die Meßgröße nach
oben verändern.
Hier wirken die Störgrößen lediglich
in Richtung der Signalvergrößerung.
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Gewünscht ist, nur die Grundgröße ohne
die sporadische Änderungen
zu messen, damit entsprechende Vorgänge in Abhängigkeit von der Grundgröße genauer
gesteuert werden können.
Die Störungen beeinträchtigen
jedoch die Auswertegenauigkeit beträchtlich, so daß das Grundsignal
ohne die sporadischen Störungen
gewonnen werden sollte.
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Die für diesen Zweck oft verwendete
Signalmittelung über
mehrere Meßwerte
verbessert die Genauigkeit der Messung nur geringfügig, da
die Störungen
in den Wert voll hinein gerechnet werden. Mittelung ist nur sinnvoll,
wenn die Störungen
möglichst symmetrisch
zum Meßwert
auftreten. Ein weiterhin verwendetes Verfahren ist die Tief- oder
Hochpaßfilterung
des Meßsignals.
Hier werden alle Signale, die über
oder unter einer vorgegebenen Eckfrequenz liegen, gedämpft beziehungsweise
ausgefiltert. Der Nachteil dieser Lösung ist, daß die vorgegebene
Eckfrequenz die präzise
Verfolgung des Grundsignals behindert, sobald es sich schneller
oder langsamer als die Eckfrequenz des Filters verändert. Wird
die Eckfrequenz dagegen in reichlichem Abstand von der eventuell
zu erwartenden Grundsignaländerung gelegt,
werden wieder alle aktuellen Störungen
bis zur Eckfrequenz durchgelassen.
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Die bisher verwendeten Verfahren
sind in diesen Fällen
zur Gewinnung eines störungsfreien Grundsignals
somit nicht geeignet.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein
Verfahren anzugeben, um aus einem Signalgemisch mit nur in einer
Richtung wirkenden Störgrößen das
unverfälschte
Grundsignal zu gewinnen.
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Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Verfahren
durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Beim erfindungsgemäßen Verfahren
werden nur die in jeweils einer Richtung bezüglich der Störung liegenden
lokalen Extremwerte herangezogen. Somit werden die von Störungen unverfälschten Grundwerte
in der Art eines Grundsignals gewonnen. Neben den Grundwerten lassen
sich dann, falls gewünscht,
auch die davon abgetrennte Störsignale
ermitteln. Insbesondere werden also je nach Charakter des gestörten Grundsignals
nur die lokalen Signalminima, falls die Störungen zur Vergrößerung der
Meßwerte
führen,
beziehungsweise die lokalen Signalmaxima, falls die Störungen zur
Verkleinerung der Meßwerte
führen,
des Signalgemisches bewertet. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung
sind Gegenstand der Unteransprüche.
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In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
können
die gewonnenen Grundwerte dann wiederum zu einem kontinuierlichem Ausgangssignal
gewandelt werden. Dies ist vor allem dann zweckmäßig, wenn das Eingangssignal
ebenfalls von kontinuierlicher An ist, beispielsweise für die Steuerung
und/oder Regelung eines kontinuierlichen ablaufenden Prozesses.
Die Wandelung kann beispielsweise mittels Interpolation erfolgen.
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Besonders voreilhaft ist die Anwendung
des erfindungsgemäßen Verfahrens,
wenn das Ausgangssignal als Parameter für eine Steuerung und/oder Regelung
verwendet wird. Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet stellt dabei die
Steuerung und/oder Regelung von Haushaltsgeräten dar, und zwar insbesondere
die Verwendung des Ausgangssignals zur Steuerung, Dosierung oder
Austausch der Waschlauge in einer Wasch- oder Geschirrspülmaschine.
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In einfacher An und Weise und damit
kostengünstig
läßt sich
das kontinuierliche Eingangssignal des Sensors mittels eines A/D-Wandlers
entsprechend einer Abtastrate in Meßwerte umwandeln. Die entsprechend
dem erfindungsgemäßen Verfahren aus
diesen Meßwerten
gewonnenen Grundwerte können
dann mittels eines D/A-Wandlers wiederum in das kontinuierliche
Ausgangssignal zurückgewandelt
werden.
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Eine einfach ausgestaltete Vorrichtung
zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens umfaßt einen
Spitzenwertdetektor, der aus dem Signalgemisch des Meßsignals
innerhalb eines Grenzbereichs die maximale Amplitude ermittelt.
Der Spitzenwertdetektor übergibt
die maximale Amplitude anschließend
an einen Ausgabespeicher zur Bildung des Grundsignals. Sollen die
lokalen Maxima durch den Spitzenwertdetektor berücksichtigt werden, so bleibt
das Ein- und Ausgangssignal des Spitzenwertdetektors unvervändert. Sollen
jedoch die lokalen Minima zur Auswertung herangezogen werden, so
bietet es sich in einfacher An und Weise an, das Ein- und Ausgangssignal
des Spitzendetektors mittels eines Inverters zu verändern.
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Besonders kostengünstig ist auch die Verwendung
eines Mikroprozessors zur Auswertung des Meßsignals sowie zur Erzeugung
des Grundsignals. Darüberhinaus
kann der Mikroprozessor dann noch gleichzeitig für weitere Auswertungen, beispielsweise
zur Analyse von Änderungsgradienten
oder Grenzbedingungen des Signals, verwendet werden.
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Desweiteren gibt die Erfindung auch
eine kostengünstig
zu realisierende Schaltungsanordnung in der Art eines Sensorschalters
an, die zur Erzeugung eines digitalen Ausgangssignals bei Erreichen
eines vorgewählten,
von Störungen
unverfälschten
Grundwertes dient. Die Schaltungsanordnung weist einen ein analoges
Signal liefernden Signalaufnehmer für die Meßwerte auf. Weiter besitzt die
Schaltungsanordnung einen Schwellwertdetektor zur Erkennung eines
vorgewählten
Pegels des analogen Signals sowie ein Zeitglied zur Messung einer voreingestellten
Zeitdauer. Der Schwellwertdetektor und das Zeitglied wirken derart
zusammen, daß das Ausgangssignal
dann erzeugt wird, wenn der vorgewählte Pegel während der
gesamten voreingestellten Zeitdauer am Schwellwertdetektor über- oder
unterschritten wird.
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In weiterer einfacher Ausgestaltung
der Schaltungsanordnung kann der Schwellwertdetektor bei Erreichen
des vorgewählten
Pegels seine Ausgangspolarität
vom Ausgangszustand in einen invertierten Zustand umschalten. Die
Ausgangspolarität wird
erst dann wieder in den Ausgangszustand zurückgeschaltet, wenn der vorgewählte Pegel
nicht mehr erreicht wird. Das Ausgangssignal wird bei Überschreiten
der voreingestellten Zeitdauer des Zeitgliedes dann erzeugt, wenn
die Ausgangspolarität
während
der gesamten voreingestellten Zeitdauer im invertierten Zustand
ist.
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In einer kostengünstigen Realisierung, beispielsweise
für einfache
Hausgeräte,
weist das Zeitglied einen über
einen Widerstand am Ausgang eines ersten Pegeldetektors als Schwellwertdetektor
gegen Masse angeschlossenen Kondensator auf. Der Kondensator wird
bei Anliegen eines Schaltsignals des ersten Pegeldetektors je nach
Polarität
aufgeladen und bei Abfall des Schaltsignals über eine parallel zum Ladewiderstand
geschaltete Diode wieder entladen. Alternativ kann der Kondensator
bei Anliegen eines Schaltsignals des ersten Pegeldetektors je nach
Polarität
entladen und bei Abfall des Schaltsignals wieder aufgeladen werden.
Weiter weist das Zeitglied einen am Kondensator angekoppelten zweiten
Pegeldetektor auf, der bei Erreichen eines vorgewählten Pegels
des Ladekondensators seinen Ausgangspegel umkehrt. Die Funktion
des so aufgebauten Sensorschalters besteht darin, mit dem ersten Pegeldetektor
den zu detektierenden Signalpegel zu detektieren und mit dem zweiten
Pegeldetektor über die
durch die Ladekapazität
und den seriellen Widerstand bestimmte Aufladespannung des Kondensators
die Zeit festzulegen, wie lange der erste Pegeldetektor geschaltet
sein muss, damit Störungen
auf den Detektionsvorgang keinen Einfluss mehr haben und das Erreichen
des vorgewählten
Meßsignalpegels
als digitales Signal an den Ausgang gemeldet wird.
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Sollen beispielsweise unterschiedliche
Trübungsgrade
des Fluids detektierbar sein, so kann der Sensorschalter mehrere
Kanäle
mit je einem Schwellwertdetektor sowie einem Zeitglied aufweisen.
Dadurch lassen sich mehrere unterschiedliche Pegel detektieren.
Weiterhin ist es zweckmäßig, wenn
beim Sensorschalter der Pegel für
den Schwellwertdetektor und/oder die Zeitdauer des Zeitgliedes von
außen
anwendungsspezifisch einstellbar ist.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile
bestehen insbesondere darin, daß das
ungestörte Grundsignal
in einfacher Art und Weise bestimmt werden kann. So gestattet die
Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens
auf den Trübungssensor einer
Wasch- oder Geschirrspülmaschine
zu beliebigen Zeitpunkten die Grundtrübung genau abzufragen und daraus
punktgenaue Reaktionen für
die Steuerung und/oder Regelung der Wasch- oder Geschirrspülmaschine
abzuleiten. Damit werden weitere Verbesserungen des Wasch- und/oder Spülergebnisses bei
gleichzeitigen Einsparungen an Wasser-, Energie- und Zeitbedarf
sowie gegebenenfalls das Einsparen von zusätzlichen Spülgängen ermöglicht. Darüber hinaus läßt sich
neben der Grundtrübung auch
der Anteil an ungelösten
Partikeln ermitteln, so daß der
Wasch- oder Spülvorgang
noch genauer zu steuern ist.
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Der erfindungsgemäße Sensorschalter erfordert
keine aufwendige und damit teure Anschluss- und Auswerteelektronik.
Solche Sensorschalter können
auch an Einfachsteuerungen von Billiggeräten angeschlossen werden, denn
sie geben direkte Steuersignale ab und brauchen keine Zusatzelektroniken. Deshalb
läßt sich
dieser in kostensensitiven Anwendungen, wie beispielsweise im Hausgerätebereich
innerhalb des unteren Preissegments, einsetzen, um auch dort die
Leistungs- und Verbrauchsparameter zu verbessern.
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Insbesondere können mit Hilfe der Erfindung nunmehr
auch Sensoren, die die Konzentration messen, beispielsweise Trübungssensoren
für die
Spül- und
Waschsteuerung, in der Art eines Schalters ausgestaltet sein. Der
Zusatzaufwand im Sensorinneren beträgt ein Doppel-IC, also ein
kleiner Schaltkreis, sowie je einen Kondensator, eine Diode und
einige Widerstände
pro detektierten Sensorpegel. Ein Wasch- und Spülsensor, also mit zwei zu detektierenden
Trübungspegeln,
erfordert zum üblichen
Aufwand eines Trübungssensors
lediglich einen Schaltkreis, zwei Kondensatoren, zwei Dioden und
acht Widerstände.
Ein solcher Trübungsschalter
spart jedoch im Steuergerät
zwei A/D-Wandler und eine hohe Prozessorleistung ein. Desweiteren
erübrigt sich
spezifisches Know-how zum Prozess in der Auswertesoftware. Dadurch
kann die erfindungsgemäße Sensortechnologie
den Billiggeräten
zu neuen Gebrauchswerten, wie sie sonst nur teure Geräte bieten, verhelfen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung
sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben.
Es zeigen
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1 den
Trübungsverlauf
der Lauge beim Waschen in einer Geschirrspülmaschine, wobei die Maxima
von jeweils zwei aufeinander folgenden Eingangswerten ermittelt
werden,
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2 den
Trübungsverlauf
der Lauge beim Waschen in einer Geschirrspülmaschine, wobei die Maxima
von jeweils fünf
aufeinander folgenden Eingangswerten ermittelt werden,
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3 ein
Blockschaltbild für
eine Vorrichtung zur Durchführung
des Auswertungsverfahrens,
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4 ein
Blockschaltbild für
einen Sensorschalter gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel,
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5 ein
detailliertes Schaltbild für
die Schaltungsanordnung des Sensorschalters entsprechend der 4,
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6 den
Trübungsverlauf
der Lauge beim Waschvorgang sowie das daraus resultierende Ausgangssignal
des Sensorschalters, wobei die Auswertung ohne Zeitbegrenzung vorgenommen
ist, und
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7 den
Trübungsverlauf
der Lauge beim Waschvorgang sowie das daraus resultierende Ausgangssignal
des Sensorschalters, wobei die Auswertung mit Zeitbegrenzung vorgenommen
ist.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Auswertung
von durch Messung gewonnener Werte, bei denen es sich um das kontinuierliche
Eingangssignal eines Sensors handelt, wird nachfolgend am Beispiel eines
Trübungssensors
in einer Geschirrspülmaschine
näher erläutert.
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Bei dieser Anwendung verwendet man
eine Durchlicht-Lichtschranke, durch die die Waschlauge kontinuierlich
hindurch geleitet wird. Das zur Steuerung der Maschine auszuwertende
Grundsignal aus gelösten
und dispergierten Stoffen wird durch Störgrößen, die von ungelösten Partikeln
und Luftblasen stammen, gemindert. Die Meßwerte werden damit von Störungen im
wesentlichen nur in eine Richtung verändert, und zwar verkleinert.
Wie groß die
der Grundtrübung überlagerten
Störungen
sind, hängt von
vielen zufälligen
Faktoren ab, unter anderem von der An und Menge der Verschmutzungen
und des Spülmittels,
sowie vom Schaumanteil in der Flüssigkeit.
Die Gerätesteuerung
fragt nach vorgegebenen Zeitpunkten den Trübungswert ab und steuert damit den
weiteren Ablauf des Wasch- und/oder Spülprozesses, beispielsweise
indem die Waschlauge ausgetauscht oder Waschmittel entsprechend
zudosiert wird.
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Der theoretische monotone Anstieg
der Grundtrübung
beim Waschprozeß ist
in 1 und 2 zu erkennen, und zwar ist vorliegend
als gestrichelte Kurve 1 die monoton abfallende Intensität für das Durchlicht
dargestellt. Je näher
die aus den aufbereiteten Werten bestehende Kurve dieser theoretisch exakten
Kurve 1 kommt, umso genauer spiegelt sie die Grundtrübung wieder.
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Das Meßsignal, wie es ungefiltert
vom Sensor während
eines Waschganges mit einer vorgegebenen Abtastrate vom A/D-Wandler
eingelesen wird, ist in 1 und 2 als gepunktete Kurve 2 gezeigt. Wie
man anhand der Kurve 2 sieht, ist die Abfrage der Trübung über die
volle Schwankungsbreite der überlagerten
Störungen
sehr ungenau. Damit kann auch die Steuerung der Geschirrspülmaschine
nicht genau sein. Diese unscharfe Steuerung erfordert für ausreichende
Spülergebnisse
größere Sicherheitsreserven.
Diese vergrößern wiederum
den Wasser-, Energie- und Zeitbedarf der Geschirrspülmaschine.
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Die mit durchgehender Linie gezeichneten Kurven 3 und 4 in 1 und 2 sind entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren
gewonnen, indem die Signalmaxima von jeweils mehreren aufeinander
folgenden Meßwerten
ermittelt sind. So sind bei der Kurve 3 gemäß 1 die Maxima von jeweils zwei
aufeinander folgenden Werten, bei der Kurve 4 gemäß 2 die Maxima von jeweils
fünf aufeinander
folgenden Werten einbezogen. Wie man sieht, kommen die Kurven 3 und 4 umso
näher der
theoretischen Grundtrübung
gemäß Kurve 1,
je mehr Meßwerte
zur Ermittlung eines Maximums herangezogen werden. In der Praxis
wird man daher die Trübung
mit noch wesentlich mehr Meßwerten
pro Zeiteinheit erfassen. Führt
man die Auswertung bei jedem Meßwert
dynamisch über
eine große
Zahl von davor liegenden Meßwerten
aus, erhält
man eine gut angenäherte
Reproduktion der Grundtrübung
gemäß Kurve 1.
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Verlaufen die Störungen in die andere Richtung,
also werden die Grundwerte entsprechend dem auszuwertenden Grundsignal
durch die Störung
gesteigert, so werden zur Gewinnung der von Störungen unverfälschten
Grundwerte dementsprechend die negativen Signalminima herangezogen.
Verallgemeinernd läßt sich
somit sagen, daß zur
Gewinnung der von Störungen
unverfälschten
Grundwerte nur die in jeweils einer Richtung bezüglich der Störung liegenden
Extremwerte herangezogen werden. Die gewonnenen Grundwerte können, falls
gewünscht, wiederum
mittels eines D/A-Wandlers zu einem kontinuierlichem Ausgangssignal,
beispielsweise indem ein Interpolationsverfahren verwendet wird,
zurückgewandelt
werden.
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Die Realisierung der vorgeschlagenen
Signalauswertung ist als Blockdiagramm in 3 näher dargestellt.
Das mit Störungen
behaftete Meßsignal 5 wird
als Eingangssignal einem Spitzenwertdetektor 6 zugeführt. Der
Spitzenwertdetektor 6 wird von der Prozeßsteuerung 7 in
der Geschirrspülmaschine
mit einem Grenzsignal 8 angesteuert, so daß der Spitzenwertdetektor 6 aus
dem Signalgemisch des Meßsignals 5 innerhalb
des vom Grenzsignal 8 vorgegebenen Grenzbereichs die maximale
Amplitude ermittelt. Bei Erreichen der vom Grenzsignal 8 festgesetzten
Grenze übergibt
der Spitzenwertdetektor 6 die ermittelte maximale Amplitude
einem Ausgabespeicher 9. Aus diesen maximalen Amplituden
im Ausgabespeicher 9 wird das bereinigte Meßsignal 10,
das das Grundsignal approximiert, als Ausgangssignal gebildet. Soweit
die lokalen Maxima zu ermitteln sind, bleibt dabei das Ein- und
Ausgangssignal des Spitzenwertdetektors 6 unverändert, während zur
Ermittlung der lokalen Minima das Ein- und Ausgangssignal des Spitzenwertdetektors 6 mittels
eines Inverters dementsprechend invertiert wird.
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Der Grenzbereich kann aus einem Zeitintervall
bestehen, innerhalb dessen die jeweils größte auftretende Amplitude vom
Spitzenwertdetektor 6 ermittelt und zum Ausgabespeicher 9 übergeben
wird. Es kann jedoch auch die Anzahl der Peaks im Meßsignal 5 vorgegeben
werden, aus denen die größte Amplitude
ermittelt wird, was oben bereits näher beschrieben ist. Letzteres
hat den Vorteil, daß man
keinen Zeitgeber benötigt.
Außerdem
ist man mit dieser Signalglättung
unabhängig
von der Änderungsfrequenz
des Grundsignals. Die Vorgabe des Grenzbereichs beeinflußt den Grad
der Glättung
des Signals, aber auch den Grad der Unterdrückung von Änderungen des Grundsignals.
In bestimmten Fällen
kann es vorteilhaft sein, auch den Grenzwert des Grenzbereichs prozeßabhängig zu ändern.
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Ein weitere Realisierung des vorgeschlagenen
Verfahrens läßt sich
auch unter Verwendung eines nicht weiter gezeigten Mikroprozessors
beziehungsweise Mikrocontrollers durchführen. Das Meßsignal
wird vom Mikroprozessor eingelesen und dann mit einem entsprechenden
Auswerteprogramm in der oben beschriebenen Weise analysiert und
bearbeitet. Neben eventuellen Kostenvorteilen bietet ein Mikroprozessor
die Möglichkeit, ohne
größeren Zusatzaufwand
weitere Analysen des Meßsignals,
beispielsweise im Hinblick auf Änderungsgradienten oder
Grenzbedingungen, zu vorzunehmen.
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Die Auswertung von Sensorsignalen
erfolgt üblicherweise
in einem Steuergerät,
das abhängig von
den Messgrößen die
in der Software hinterlegten Aktionen ausführt. Dazu benötigt die
Steuersoftware das Know-how für
den zugrundeliegenden Prozeß. Die
Sensoren dienen lediglich als Geber der Eingangssignale, die über Steckverbinder
und Kabel zum Steuergerät
gelangen. Es gibt jedoch Fälle,
in denen die Steuerung so einfach aufgebaut ist, dass sie die Sensorsignale
nicht auch noch auswerten und den Prozess danach zielgerichtet steuern
kann. Typische Beispiele sind Billiggeräte, deren Steuerung nach fest
vorgegebenen Programmen abläuft.
Diese Geräte
sind nicht für
die Verarbeitung von Sensorsignalen ausgelegt. Eine Erweiterung
zur Verarbeitung von Sensorsignalen erfordert daher eine neue, wesentlich
aufwendigere Steuerung. Um hier Abhilfe zu schaffen, können Sensorschalter
eingesetzt weden, in denen das Know-how für den Prozeß und die Meßgrößenverarbeitung
integriert sind, so daß der
Steuerung lediglich digitale Steuersignale für darin ohnehin vorgesehene
Einzelaktionen übermittelt
werden. Ein derartiger Sensorschalter 11 für die Auswertung von
Meßwerten
mit einseitig wirkenden Störsignalen ist
als weiteres Ausführungsbeispiel
in 4 als Block-Schaltbild
gezeigt.
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Die Klasse solcher Sensorschalter 11 wertet Signale
aus, deren Grundgröße im Prozeß monoton steigt
oder fällt
und deren Störungen
immer nur in der gleichen Richtung wirken. Eine Störung bedeutet hierbei
eine kurzzeitige Änderung
des Meßsignals, nach
deren Ende wieder das Grundsignal anliegt. Beispielsweise wird bei
der Trübung
einer Waschflüssigkeit
das Ausgangssignal eines Trübungssensors aus
der Grundtrübung
aus gelösten
Partikeln bestehen und mit zunehmender Waschdauer monoton steigen,
um später
auf hohem Niveau zu verbleiben, wenn der Waschvorgang beendet und/oder
das Aufnahmevermögen
der Lösung
erschöpft
ist. Das Trübungssignal
wird durch Störungen
aufgrund von Luftblasen und Schaum in der Meßstrecke kurzzeitig immer nur
nach scheinbar größeren Trübungen hin, also
in Richtung der Änderung
der Grundtrübung, verändert. Wertet
man jeweils lediglich die minimalen Trübungswerte aus, wie oben erläutert, kann
man die Störungen
herausfiltern und erhält
somit ein Signal für
die Grundtrübung.
Für diese
Klasse von Sensoranwendungen ist das nachfolgend erläuterte Arbeitsprinzip
eines Sensorschalters 11 geeignet, bei dem bei Erreichen
eines Grenzwertes ein digitales Steuersignal abgegeben wird.
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Der Sensorschalter 11 besitzt
neben dem Messwertaufnehmer 12 noch zwei Zusatzteile. Das analoge
Meßsignal 5 gelangt
als erstes zu einem das erste Zusatzteil bildenden Schwellwertdetektor 13, der
bei Über-
oder Unterschreiten des Meßpegels zwei
unterschiedliche digitale Ausgangspegel liefert. Infolge der Störungen,
die dem Grundsignal überlagert
sind, würde
der Schwellwertdetektor 13 jedoch je nach Hysterese mehr
oder weniger Störungen
mitdetektieren, wie anhand des Ausgangssignals 15' in 6 zu sehen ist. Man erhält so an
sich kein definiertes Ausgangsschaltsignal 15' von ausreichender Genauigkeit.
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Um die Wirkung der Störungen auszuschalten,
wird als zweiter Zusatzteil ein Zeitmesser 14 eingesetzt,
wobei das Zeitglied 14 mit einem Zeitlimit die Störungen ausfiltert.
Erst wenn das Meßsignal 5 so lange
die eingestellte Schwelle über-
oder untersteigt, dass man den Einfluss von Störungen als Ursache für das Umschaltens
des Ausgangspegels am Schwellwertdetektor 13 ausschließen kann,
wird das Schaltsignal 15 zum Ausgang des Sensorschalters 11 weitergeleitet,
wie anhand des Schaltsignals 15 in 7 zu sehen ist.
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Je nach untersuchtem Prozeß muß man ein optimales
Zeitlimit ermitteln. Ein zu kurzes Zeitlimit läßt Störungen als Schaltursache zu,
ein zu langes Zeitlimit macht das Erkennen des gewählten Meßsignalpegels
zu träge
und kann die Steuergeschwindigkeit behindern.
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Wie näher in 5 anhand des Schaltbildes der Schaltungsanordnung
für den
Sensorschalter 11 zu sehen ist, kann der Schwellwertdetektor 13 mit
einem Komparator 16 realisiert werden, der die Meßspannung
mit einer Vergleichsspannung vergleicht. Der Zeitmesser 14 kann
mit einem Zähler,
der die Anzahl zeitlich gleich langer Impulse zählt, realisiert werden. Eine
bevorzugte Lösung
für den
Zeitmesser 14 besteht aus einem RC-Glied 18, 19 und einem
zusätzlichem
Komparator 17. Dabei wird der Kondensator 18 vom
Ausgang des ersten Komparators 16 aufgeladen und bei Abfall
des Signals des Komparators 16 wird der Kondensator 18 über eine
gegenpolig über
den Ladewiderstand angeschlossene LED immer wieder entladen. Erst
wenn der Komparatorimpuls länger
als eine vorgewählte Zeit
am RC-Glied 18, 19 ansteht, beispielsweise beim
Erreichen von 50% der Zeitkonstante der Kondensatoraufladung, schaltet
der folgende zweite Komparator 17 den Ausgang des Sensorschalters 11 durch.
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Die erfindungsgemäßen Sensorschalter 11 bestehen
zum einen aus den für
einen Trübungssensor
an sich nötigen
Teilen, wie Gehäuse,
Leiterplatte mit LED sowie Fototransistor, und Deckel mit Steckerwanne.
Für die
Schaltfunktion des Sensorschalters 11 kommen auf der Leiterplatte
lediglich ein Zweifach-Operationsverstärker 16, 17,
ein RC-Glied 18, 19,
eine Diode 20 und mehrere Widerstände R dazu. Die Spannungsstabilisierung
kann mit einer Zener-Diode und einem Widerstand realisiert werden.
Die Schaltschwelle des ersten Komparators 16 kann beispielsweise
bei der Endprüfung
des Sensorschalters 11 mittels Laserabgleich, der zum Abgleich der
LED-Helligkeit und der Empfindlichkeit des Fototransistors ohnehin
vorgesehen sein kann, genau eingestellt und die Bauteiltoleranzen
so in weiten Grenzen ausgeglichen werden.
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Bei einer anderen Ausführung, mit
denen zur Waschsteuerung für
die unterschiedlichen Wäschen und
Füllmengen
unterschiedliche Grenztrübungen detektiert
werden sollen, übermittelt
das Steuergerät dem
Sensor die Vergleichsspannung für
den ersten Komparator 16. Damit ist die Steuerung vom laufenden
Einlesen des aktuellen Trübungswertes,
sowie dem Herausfiltern der Störungen
entlastet. Das Ermitteln der ersten Schwellwertspannung kann in
diesem Fall jedoch auch im Sensorschalter 11 selbst erfolgen,
wenn von der Steuerung je nach Waschprogramm ein entsprechender
Widerstand in eine Sensorzuleitung geschaltet wird. Das kann auch
ohne Steuerung rein mechanisch mit dem Wahlschalter für die gewünschte Wäscheart
erfolgen.
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Bei einer weiteren Ausführung zur
Waschsteuerung hat der Trübungssensor
zwei Detektionskanäle.
Ein Kanal überwacht
die Trübung
beim Waschen und ein weiterer Kanal überwacht die Trübung beim
Spülen.
Da die Aufgaben der Trübungsüberwachung
beim Waschen und Spülen
entgegengesetzt sind, wertet die Steuerung die beiden Ausgangsleitungen
des Trübungsschalters
entsprechend dem Programmabschnitt unterschiedlich aus.
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In einer weiteren Ausführung schließlich wertet
die Steuerung nicht das Erreichen des Trübungspegels selbst aus, sondern
die Zeit, die zwischen dem Erreichen von zwei unterschiedlichen
Trübungspegeln
vergeht. Mit diesem Trübungsgradienten kann
die Steuerung entsprechend dem Verlauf der Lösungsgeschwindigkeit nach einer
e-Funktion die voraussichtliche Zeit ermitteln, die bis zur Sättigung der
Trübung
vergehen wird und damit die erforderliche Wasch- oder Spülzeit vorhersagen.
Aus dem Trübungsgradienten
kann auch auf die Schmutzmenge und damit auf die nötig werdende
Anzahl Spülgänge geschlossen
werden.
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Die Erfindung ist nicht auf das beschriebene und
dargestellte Ausführungsbeispiel
beschränkt. Sie
umfaßt
vielmehr auch alle fachmännischen
Weiterbildungen im Rahmen der durch die Patentansprüche definierten
Erfindung. So kann das erfindungsgemäße Auswerteverfahren nicht
nur zur Steuerung der Waschlauge in einer Wasch- oder Geschirrspülmaschine
verwendet werden, sondern kann analog auf alle Fälle angewandt werden, bei denen
ein Meßsignal
von Störungen überlagert
ist, die es im wesentlichen nur in eine Richtung vergrößern oder
verkleinern, insbesondere also wenn die Störungen in Richtung der Änderung
der Messgröße wirken.
Solche Zusammenhänge
kann man außer
bei der Trübung auch
bei zahlreichen anderen physikalischen Vorgängen beobachten, bei denen
Stoffe gelöst
oder angereichert werden, oder bei denen chemische Reaktionen mit Änderung
der Konzentrationen der Bestandteile stattfinden.
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- 1
- Kurve
gemäß Grundtrübung
- 2
- Kurve
gemäß Meßsignal
- 3
- Kurve
gemäß Auswertung
von zwei Maxima
- 4
- Kurve
gemäß Auswertung
von fünf
Maxima
- 5
- Meßsignal
/ Signal
- 6
- Spitzenwertdetektor
- 7
- Prozeßsteuerung
- 8
- Grenzsignal
- 9
- Ausgabespeicher
- 10
- bereinigtes
Meßsignal
- 11
- Sensorschalter
- 12
- Meßwertaufnehmer
/ Signalaufnehmer
- 13
- Schwellwertdetektor
- 14
- Zeitmesser
/ Zeitglied
- 15,15'
- Ausgangssignal
/ Schaltsignal
- 16
- (erster)
Komparator / Operationsverstärker
/ Pegeldetektor
- 17
- (zweiter)
Komparator / Operationsverstärker
/ Pegeldetektor
- 18
- Kondensator
(von RC-Glied)
- 19
- Widerstand
(von RC-Glied)
- 20
- Diode
- R:
- Widerstand