DE19631703A1 - Optischer Sensor - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen optischen Sensor, der zur Detektion von
optischen Signalen in einer Umgebung konzipiert ist, mit denen die Bestandteile
des Sensors zum einen nicht in Kontakt kommen sollen und der gegenüber den
Eigenschaften des umgebenden Mediums, wie z. B. der Temperatur, chemi
scher Aggressivität etc., weitgehend geschützt sein soll.
Ein solches Medium stellt beispielsweise die Waschlauge einer Waschmaschine
oder die Spüllauge einer Spülmaschine dar.
In den genannten Geräten werden optische Sensoren zur Trübungsbestimmung
der Wasch- bzw. Spüllauge verwendet. Aus den detektierten Signalen, d. h. aus
der gemessenen Trübung der Lauge können Rückschlüsse für den weiteren
Wasch- bzw. Spülvorgang, insbesondere über die Notwendigkeit der Zufuhr von
Frischwasser, dem Reinheitsgrad der Wäsche bzw. des Geschirrs etc., gezogen
werden.
Die Trübungsbestimmung einer Waschlauge durch einen optischen Sensor er
folgt in der Regel in Durchlicht- bzw. Extinktionsmessung. Mit dem nachfolgend
beschriebenen optischen Sensor ist aber auch eine Streulichtmessung möglich.
Bei der Durchlicht- bzw. Extinktionsmessung wird das von einem Sender emit
tierte und durch die Waschlauge gedämpfte Licht von einem Empfänger detek
tiert. Zur Dämpfung des transmittierten Lichtes tragen vornehmlich Streu- und
Absorbtionsprozesse der in der Waschlauge gelösten bzw. dispergierten Sub
stanzen bei. Für den Einsatz von Sendereinheiten im nahen infraroten Bereich
zeigt sich, daß Einfärbungen der Lauge in der Regel gegen die Trübung durch
das Waschmittel zu vernachlässigen sind.
Aufgabe der Erfindung ist es einen optischen Sensor zu schaffen, der gegen
äußere Einflüsse weitgehend geschützt ist.
Diese Aufgabe wird mit einem optischen Sensor gelöst, der aus einem Sende-
und Empfangsteil besteht, wobei mindestens der Sende- oder Empfangsteil ein
Mittel zur Lichtemission bzw. Detektion aufweist, das in einen Hohlraum einge
bracht ist, der mit einem kollimierenden bzw. fokussierenden Gegenstand abge
schlossen ist.
Nach einer vorteilhaften Ausbildung der Erfindung ist der kollimierende bzw. fo
kussierende Gegenstand kugelförmig ausgebildet. Ein kugelförmiger optischer
Gegenstand stellt die ökonomischste und einfachste Form einer kollimierenden
bzw. fokussierenden Linse dar. Er läßt sich außerdem montagetechnisch ein
fach und dicht gegenüber einem zu detektierenden Medium abschließen.
Eine weitere vorteilhafte Ausbildung der Erfindung ist dadurch gegeben, daß der
Hohlraum durch ein Rohr gebildet ist. Mittels eines dünnen Rohres lassen sich
die Mittel zur Lichtemission bzw. -detektion besonders gut aufnehmen und ab
schirmen und durch entsprechende Rohrverlegung an die gewünschte Meßstelle
bringen.
Als Mittel zur Lichtemission ist ein Lichtwellenleiter besonders geeignet, insbe
sondere läßt sich ein Lichtwellenleiter einfach in ein dünnes Rohr einbringen.
Ein optimaler Wirkungsgrad des Sensors läßt sich dann erreichen, wenn der
Lichtwellenleiter beabstandet zum kugelförmigen Gegenstand angeordnet ist.
Die Mittel zur Lichtemission bzw. -detektion müssen nicht zwangsläufig einen
Lichtwellenleiter aufweisen, sondern könnten direkt eine Leuchtdiode beinhalten,
die vor dem kollimierenden optischen Gegenstand, beispielsweise einer Glasku
gel, angeordnet sind. Dabei müßten dann die elektrischen Anschlüsse dieser
Fotodiode durch den Hohlraum, beispielsweise durch das Rohr, nach außen
geführt werden. Dies ist aber insofern nachteilig als die Fotodioden sich im vom
Medium umspülten bzw. umgebenen Hohlraum befinden und somit Temperatur
schwankungen oder anderen Einflüssen mehr ausgesetzt sind, als wenn sie sich
außerhalb des zu vermessenden Mediums befänden.
Dieser Nachteil wird nach einer besonders vorteilhaften Ausbildung dadurch
Vermieden, daß der Hohlraum des Sende- und Empfangsteils so mit einem
Flansch verbunden ist, daß Sende- und Empfangsteil anschlußseitig zugänglich
sind und der Sensor mittels des Flansches dicht in ein zu detektierendes Medi
um einbringbar ist. Bei dieser Ausführungsform können dann die Leuchtdioden
oder allgemein die Mittel, die die optischen Signale in elektrische umwandeln
und umgekehrt, außerhalb des Raumes in dem sich das zu detektierende Medi
um befindet, angeordnet werden und sind damit absolut getrennt von Einflüssen
die durch das Medium hervorgerufen werden. Für ein Haushaltsgerät wie einen
Waschautomaten oder einen Geschirrspülautomaten bedeutet dies, daß sich die
Wandlereinheiten außerhalb des Bottichs, beispielsweise in den übrigen Steu
ereinheiten des Gerätes integrieren lassen. Die Zuleitung kann mittels der Licht
wellenleiter über einen Anschluß in den Bottich eingebracht werden. Die Licht
wellenleiter können außerhalb des Bottichs bereits in einem Rohr oder auch frei
verlegt werden.
Als Anschluß kann dabei ein gesonderter Anschluß für den Sensor beispielswei
se über eine Schraubverbindung oder eine andere mediumdichte Verbindung
vorgesehen werden. Besonders vorteilhaft lassen sich die Mittel zur Lichtemissi
on bzw. -detektion mittels eines Rohres über den Flansch eines Heizstabes ei
nes Wasch- oder Geschirrspülautomaten in den Bottich einbringen, so daß le
diglich der Flansch des Heizstabes entsprechend ausgebildet sein muß, jedoch
keine besondere zusätzliche Öffnung im Bottich vorgesehen werden muß.
Als besonders vorteilhaft zur Messung des Zustands eines Mediums erweist sich
eine Sensoranordnung mit mindestens zwei optischen Sensoren. Diese beiden
Sensoren können aus einem Sende- und zwei Empfangsteilen oder einem
Empfangs- und zwei Sendeteilen oder jeweils aus einem Sende- und Emp
fangsteil gebildet werden. Alle diese Variationen ermöglichen beispielsweise die
Bildung von unterschiedlich langen Meßstrecken.
Wenn die Sensoranordnung so ausgebildet ist, daß mindestens zwei Sensoren
unterschiedlich lange Meßstrecken aufweisen, lassen sich Alterungs-, Ver
schmutzungs-, restliche Temperatur- und mögliche sonstige, die Leistung des
Sensors beeinträchtigende Einflüsse in der Sensoranordnung kompensieren.
Außerdem können zwei Sensoren so miteinander verbunden werden, daß sie
sich gegenseitig mechanisch stabilisieren.
Werden die Sensoren mit unterschiedlichen Wellenlängen betrieben, von denen
mindestens eine im sichtbaren Spektralbereich liegt, so lassen sich damit auch
unterschiedliche Färbungen des Mediums detektieren.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausbildung der Erfindung kann ein Sendeteil
verwendet werden, das mit unterschiedlichen Wellenlängen betrieben werden
kann. Damit lassen sich mit nur einem Sensor die Färbungen des Mediums de
tektieren.
Wie bereits erwähnt, ist die Integration des optischen Sensors in einen Heizstab
eines Haushaltsgerätes besonders vorteilhaft. Dies trifft aber nicht nur auf den
durch die bisherigen Merkmale definierten Sensor, sondern ganz allgemein auf
einen Sensor zur Trübungsmessung, unabhängig von seinem jeweiligen Aufbau,
zu.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung
beschrieben.
Dabei zeigen:
Fig. 1 ein Mittel zur Lichtemission S,
Fig. 2 eine optische Meßstrecke bestehend aus einem
Mittel zur Lichtemission S und einem Mittel
zur Lichtdetektion E,
Fig. 3 einen optischen Sensor, der in einem Heizstab
integriert ist, und
Fig. 4 einen optischen Sensor mit zwei Meßstrecken
Fig. 1 zeigt ein Mittel zur Lichtemission, das in einem Hohlraum HR, der bei
spielsweise durch ein Rohr gebildet sein kann, eingebracht ist. Als Mittel zur
Lichtemission dient ein - teilweise dargestellter - Lichtwellenleiter LW. Das Ende
des Lichtwellenleiters LW ist im Abstand d zu einem kollimierenden bzw. fokus
sierenden optischen Gegenstand angeordnet. Dieser Gegenstand ist im Ausfüh
rungsbeispiel eine Glaskugel GK.
Das Lichtbündel L verläßt die Lichtleitfaser LF unter einem Öffnungswinkel phi,
wird durch die Glaskugel GK kollimiert und trifft als paralleles Lichtbündel auf
das zu detektierende Medium. Der Durchmesser und die Lage der Glaskugel GK
ist auf die numerische Apertur des Lichtwellenleiters abzustimmen. Die Mittel
bzw. Berechnungsmethoden dafür sind dem Fachmann hinlänglich bekannt. Der
Abstand zwischen der Glaskugel GK oder genauer zwischen objektseitiger
Hauptebene der Kugeloptik und der Faser LF soll dabei der objektseitigen
Brennweite der Kugeloptik entsprechen. Die numerische Apertur der Faser ist so
zu wählen, daß bei diesem Abstand die Kugel möglichst vollständig ausgeleuch
tet ist.
Fig. 2 zeigt einen Teil einer optischen Sensoranordnung mit jeweils einem Mittel
zur Lichtemission als Sender S und einem Mittel zur Lichtdetektion als Empfän
ger E. Dabei ist der Empfänger E konstruktiv in gleicher Weise aufgebaut wie
der Sender S. Die Glaskugel GK dient beim Empfänger E zur Fokussierung des
parallel auftreffenden Lichtbündels L. Dieser konstruktiv gleiche Aufbau des
Empfängers ist jedoch nicht zwingend, der Hohlraum HR des Empfängers
könnte beispielsweise auch ein Rechteck sein oder in ein bereits vorhandenes
Gehäuse eines Waschbottichs oder eines Spülbehälters integriert werden; der
Lichtwellenleiter LW könnte durch ein anderes Mittel, beispielsweise durch eine
Leuchtdiode etc., ersetzt werden. Die Meßstrecke befindet sich zwischen den
beiden Glaskugeln GK des Senders und Empfängers.
Fig. 3 zeigt einen optischen Sensor mit einem Sende- und Empfangsteil S, E,
der in einen Heizstab eines Hausgeräts, beispielsweise einer Waschmaschine
oder einer Geschirrspülmaschine, eingesetzt werden kann. Der Heizstab besteht
aus einem Flansch FL, der eine Dichtung D für den wasser- bzw. laugendichten
Abschluß des Bottichs oder Spülbehälter aufweist. Über den Flansch werden die
- hier nur teilweise gezeigten - Heizstäbe HS in den Bottich eingebracht.
Zur Einbringung des Senders S und des Empfängers E des optischen Sensors
ist der Flansch FL zur Aufnahme eines Metallrohres MR ausgebildet. Die Licht
wellenleiter LW können somit von außen in das bzw. die Metallrohre des Sen
ders S und des Empfängers E eingebracht werden. Das Metallrohr MR des
Senders S und des Empfängers E sind jeweils mit Glaskugeln GK abgeschlos
sen. Zwischen den Glaskugeln GK befindet sich die Meßstrecke m. Von der Au
ßenseite, d. h. von der dem Heizstab und dem Sensor abgewandten Seite des
Flansches FL, werden die Lichtwellenleiter LW zu einer Leiterplatte LP geführt
und dort an die Wandlereinheiten, d. h. an eine Senderdiode SD und eine
Empfängerdiode ED, angeschlossen.
Die Senderdiode SD und die Empfängerdiode ED weisen eingangs- bzw. aus
gangsseitig elektrische Anschlüsse A auf. Auf der Leiterplatte sind - gestrichelt
dargestellt - weitere Sender- und Empfangsdioden vorgesehen, da zur Detektion
der Trübung der Wasch- bzw. Spüllauge auch eine Sensoranordnung mit meh
reren optischen Sensoren verwendet werden kann.
Eine Sensoranordnung mit zwei optischen Sensoren ist in Fig. 4 dargestellt. Im
Gegensatz zur Darstellung gemäß Fig. 3 sind in Fig. 4 die Sende- und Emp
fangsmittel nicht über den Heizstabflansch sondern über einen gesonderten
Gewindeflansch GF angeschlossen. Wie deutlich zu sehen ist, ist die Meßstrec
ke m1 kürzer als die Meßstrecke m2. Durch die unterschiedlichen Längen der
Meßstrecken lassen sich beispielsweise Alterungsprozesse der Sensoren kom
pensieren. Die Anordnung mit den zwei Meßstrecken m1, m2 hat gleichzeitig
den Vorteil, daß die Röhrchen, in denen die Sende- und Empfangseinheiten
untergebracht sind, miteinander beispielsweise durch Klebung oder durch Löten
verbunden werden können, so daß sie sich gegenseitig stabilisieren und die
Meßstrecken m1, m2 axial aufeinander ausgerichtet bleiben.
Claims (12)
1. Optischer Sensor mit einem Sende-(S) und Empfangsteil (E), wobei min
destens der Sende-(S) oder der Empfangsteil (E) ein Mittel zur Lichte
mission bzw.
-detektion (LW) aufweist, das in einen Hohlraum (HR) eingebracht ist, der
mit einem kollimierenden bzw. fokussierenden optischen Gegenstand
(GK) abgeschlossen ist.
2. Sensor nach Anspruch 1, wobei der kollimierende bzw. fokussierende
Gegenstand kugelförmig ist.
3. Sensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Hohlraum
(HR) durch ein Rohr gebildet ist.
4. Sensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Mittel zur
Lichtemission bzw. -detektion ein Lichtwellenleiter (LW) ist.
5. Sensor nach Anspruch 4, wobei der Lichtwellenleiter (LW) im Abstand (d)
zum kugelförmigen Gegenstand angeordnet ist.
6. Sensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der jeweilige
Hohlraum (HR) des Sende- und Empfangsteils so mit einem Flansch (FL)
verbunden ist, daß Sende-(S) und Empfangsteil (E) anschlußseitig zu
gänglich sind und der Sensor mittels des Flansches (FL) dicht in ein zu
detektierendes Medium einbringbar ist.
7. Sensor nach Anspruch 6, wobei der Sende-(S) und Empfangsteil (E) über
den Flansch (FL) eines Heizstabes (HS) eines Wasch- oder Geschirr
spülautomaten nach außen zugänglich sind.
8. Sensoranordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche mit minde
stens zwei optischen Sensoren.
9. Sensoranordnung nach Anspruch 8, wobei die Sensoren unterschiedlich
lange Meßstrecken aufweisen.
10. Sensoranordnung nach Anspruch 8 oder 9, wobei mindestens zwei Sen
soren mit unterschiedlicher Wellenlänge betrieben werden.
11. Sensoranordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche wobei min
destens ein Sendeteil mit unterschiedlichen Wellenlängen betrieben wird.
12. Sensor, vorzugsweise ein optischer Sensor, zur Messung der Trübung
einer Wasch- oder Spülflüssigkeit in einem Haushaltsgerät, wobei der
Sensor in den Heizstabflansch integriert ist oder über den Heizstabflansch
eingebracht ist.
Priority Applications (3)
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ID=7801912
Family Applications (1)
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Legal Events
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