DE4403418A1 - Sensoreinrichtung zur Erfassung der Trübung von Flüssigkeiten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Sensoreinrichtung zur Er­ fassung der Trübung von Flüssigkeiten mit einem opti­ schen Sender und einem zugeordneten optischen Empfän­ ger, wobei die zu prüfende Flüssigkeit zwischen diesen beiden Bauelementen hindurchströmt.

Der Einsatz solcher Sensoreinrichtungen, kurz genannt auch "Trübungssensoren", ist vorteilhaft beispielsweise bei Waschmaschinen, Geschirrspülmaschinen oder derglei­ chen. Durch Feststellung der Trübung des Spülwassers kann man bei wiederholten Spülgängen feststellen, wann das ablaufende Wasser sauber genug ist und daher der Spülvorgang beendet werden kann. Dadurch ist es mög­ lich, die Zahl der Spülvorgänge den tatsächlichen Gege­ benheiten bei einem mehr oder weniger stark verschmutz­ ten Waschgut anzupassen und nicht die Spülgänge unab­ hängig vom Verschmutzungsgrad auf die höchstzulässige Verschmutzung festzulegen. Auf diese Weise trägt ein Trübungssensor zu einer deutlichen Verringerung der Menge des erforderlichen Wasch- und Spülwassers bei. Gleichzeitig kann auch die Waschmittelzugabe auf den tatsächlichen, durch den Trübungssensor gemessenen Ver­ schmutzungsgrad abgestimmt werden. Dies bedeutet, daß auch eine Einsparung an Waschmittel möglich ist.

Grundsätzlich sind Trübungssensoren bereits bekannt. In dem DE-GM 92 13 279 ist beispielsweise ein solcher Trübungssensor beschrieben und die Maßnahmen angegeben, durch welche die Verschmutzung eines solchen Trübungs­ sensors an seinem Einsatzort möglichst gering gehalten werden können. Ausführungen zur Auswertung der Signale des Trübungssensors sind dort nicht gemacht. Der be­ schriebene Trübungssensor kann vorzugsweise im Infrarotbereich betrieben werden.

Die Erfindung befaßt sich nicht mit den Maßnahmen zur Verringerung der Verschmutzung eines solchen Trübungs­ sensors, sondern ihr ist die Aufgabe gestellt, die Aus­ wertung der Signale eines solchen Trübungssensors zu­ verlässig und weitgehend unabhängig vom Verschmutzungs­ grad des Trübungssensors vorzunehmen.

Die Lösung dieser Aufgabe geschieht durch eine elektro­ nische Auswerteeinrichtung, die bei Anforderung einer Messung zunächst vermittels optischer Sender und Emp­ fänger eine Referenzmessung ohne Flüssigkeit oder bei klarer Flüssigkeit durchführt, den gewonnenen Referenz­ meßwert als Basiswert definiert, anschließend die zu messende Flüssigkeit prüft und aus dem gewonnenen Prüf­ meßwert in Beziehung zum Referenzmeßwert ein Meßsignal als Kennwert für die festgestellte Trübung der Flüssig­ keit abgibt.

Die Erfindung geht also von dem Gedanken aus, durch Vornahme einer der eigentlichen Trübungsmessung vorge­ schalteten Referenzmessung zunächst die optischen Ver­ hältnisse im Meßraum festzustellen, d. h. den Verschmut­ zungsgrad des Trübungssensors, und/oder den etwaigen Verschmutzungsgrad der Referenzflüssigkeit. Dieser ge­ messene Wert für die Verschmutzung im Meßraum wird als Basiswert definiert. Der daraufhin erfolgende tatsäch­ liche Meßwert aufgrund der Messung der zu prüfenden, verschmutzten Flüssigkeit wird in Beziehung zu dem Re­ ferenzwert gesetzt und die sich ergebende Differenz als die relative Verschmutzung oder Trübung als Meßsignal weiterverarbeitet. Im Falle einer Waschmaschine würde dieses Meßsignal die Weiterführung oder die Beendigung eines Spülvorganges bewirken.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß die elektronische Auswerteeinrichtung einen Mikroprozessor und einen Digital-Analog-Wandler aufweist, welch letzterer zur Durchführung der Refe­ renz- und/oder der Prüfmessung eine stufenweise anstei­ gende Spannung an den optischen Sender zur Erzeugung einer stufenweise ansteigenden Helligkeit an diesem, anlegt und daß der Empfänger bei Erkennung eines aus­ reichend hellen Signals ein elektrisches Signal an die Auswerteeinrichtung abgibt, die daraufhin die Erzeugung der Spannung für den Sender beendet und das Meßsignal erzeugt. Die Nutzung einer stufenweise ansteigenden Helligkeit am optischen Sender weist den besonderen Vorteil auf, daß der Empfänger sehr feinstufig den Punkt erreicht, wo er ein die trübe Flüssigkeit durch­ dringendes, ausreichend helles Signal erkennt. Zu die­ sem Zeitpunkt wird durch Erzeugung eines elektrischen Signals am Ausgang des Empfängers die Erzeugung weite­ rer Spannungsstufen für den optischen Sender beendet. Der in der Auswerteeinrichtung erreichte Zählerstand, der korreliert ist mit der Zahl der erreichten Span­ nungsstufen, wird "eingefroren" und dient als Maß für die gemessene Trübung. Im Sinne der Erfindung wäre es auch möglich, die Zeitspanne, die zwischen dem Beginn und dem Ende der Spannungserzeugung für den optischen Sender vergangen ist, als Maß für die Trübung der ge­ messenen Flüssigkeit heranzuziehen. Ferner wäre es je­ doch auch möglich, die Höhe der erreichten Spannungs­ stufe als Maß für die gemessene Trübung zu verwenden.

Diese und andere vorteilhafte Weiterbildungen der Er­ findung sollen an einem Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung noch näher erläutert werden.

Es zeigen

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild der Sensoreinrich­ tung;

Fig. 2 den zeitlichen Verlauf der Spannungen am optischen Sender und am Empfänger;

Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel der Sensoreinrich­ tung;

Fig. 4 den zeitlichen Verlauf von Referenz- und Meßwert.

In Fig. 1 ist ein Mikrocomputer 1 dargestellt, dem an einem Ausgang ein D/A-Wandler 2 nachgeschaltet ist. Dieser D/A-Wandler erhält über den Pfad 3 ein durch einen 2⁷-Bit-Zähler im Mikrocomputer 1 erzeugtes, 7-Bit-breites Ausgangssignal zur Erzeugung eines 2⁷-stu­ figen, d. h. 127-stufigen Spannungsanstiegs. Dem D/A-Wandler 2 ist eine optische Strecke 4 mit einem opti­ schen Sender 5 und einem optischen Empfänger 6 nachge­ schaltet. Der optische Sender 5 ist als Infrarotdiode, der optische Empfänger 6 als infrarotempfindlicher Transistor ausgebildet. Dem Empfänger 6 nachgeschaltet ist ein Schmitt-Trigger 7 oder ein mit ähnlicher Funk­ tion arbeitendes Schwellwertelement, dessen Ausgang mit dem Mikrocomputer 1 verbunden ist. Der Mikrocomputer gibt am Ausgang 8 das Meßsignal aus, welches aus der Differenz des Referenzmeßwertes und des Prüfmeßwertes im Mikrocomputer errechnet wird und ein Maß für die re­ lative Trübung der gemessenen Flüssigkeit darstellt.

In Fig. 2 ist die Spannung an den Schaltungspunkten a und b der Fig. 1 in Abhängigkeit vom Zählerstand im Mikrocomputer dargestellt. Diese Spannungsverläufe gel­ ten im Prinzip sowohl für die Referenz- als auch für die Prüfmessung. Aus der Linie a ist erkennbar, daß an Punkt a eine stufenweise ansteigende Spannung ansteht, solange, bis der optische Empfänger 6 ein ausreichend helles Signal erkennt und am Schaltungspunkt b eine Spannung auftritt, die dazu führt, daß im Mikrocomputer 1 ein Inkrementieren des Zählers und damit die Ausgabe weiterer Impulse, über den Pfad 3 an den D/A-Wandler gestoppt wird. Bei der Referenzmessung, die entweder ohne durchströmende Flüssigkeit oder zumindest bei klarem Wasser erfolgt, ist davon auszugehen, daß be­ reits nach weniger Spannungsanstiegsstufen ein Signal am optischen Empfänger entsteht. Bei der eigentlichen Prüfmessung wird hingegen, je nach dem Trübungsgrad der zu messenden Flüssigkeit, ein solches Signal am Empfän­ ger 6 erst nach vielen Spannungsstufen entstehen. Dem 7-Bit-breiten Signal auf dem Pfad 3 sind bis zu 127 Spannungsstufen am optischen Sender 5 und damit bis zu 127 Helligkeitsstufen von dessen Lichtsignal zugeord­ net. Aufgrund dieser Feinstufigkeit kann die Trübung der Flüssigkeit sehr genau festgestellt werden. Der Zählerstand im Mikrocomputer 1 wird zu dem Zeitpunkt t₁ festgehalten, wenn der optische Empfänger 6 einen Im­ puls abgibt als Zeichen, daß er ein ausreichend helles Signal erkannt hat. Der erreichte Zählerstand ist ein Maß für die gemessene Trübung. Die Signale auf den Li­ nien a) und b) bleiben bestehen, bis der Mikrocomputer 1 wieder zurückgesetzt wird.

Der Aufbau der Anordnung ermöglicht es auch, den Ver­ schmutzungsgrad der Sensoreinrichtung, d. h. der opti­ schen Strecke 4, zu überprüfen, da der Zählerstand auch im Falle des Referenzsignales ein Maß ist für die dort vorhandene Verschmutzung. Übersteigt der Zählerstand in diesem Falle einen vorbestimmten Wert, so kann vom Mi­ krocomputer 1 ein Signal ausgegeben werden, das die Reinigung der optischen Strecke empfiehlt.

In Fig. 3 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Gleiche Baugruppen wie in Fig. 1 sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Aus dem Mikrocompu­ ter 1 führen insgesamt sieben Leitungen 3 heraus, wel­ che an sieben Widerstände 9 im D/A-Wandler 2 führen. Der Wert der Widerstände ist binär gewichtet. Die zwei­ ten Klemmen dieser Widerstände sind zusammengefaßt und führen an den einen Eingang eines Operationsverstärkers 10. Dessen Ausgang liegt am Schaltungspunkt a, an den wiederum ein Verstärker 11 für den optischen Sender 5 angeschlossen ist. Letzterer ist über einen Widerstand 12 mit Masse verbunden. Der Verbindungspunkt c zwischen dem optischen Sender 5 und dem Widerstand 12 liegt am zweiten Eingang des Operationsverstärkers 10.

Das dem optischen Empfänger 6 nachgeordnete Schwellwer­ telelement 7 besteht aus einem zweiten Operationsver­ stärker 13 sowie einem hier nicht näher zu erläuternden Widerstandsnetzwerk 14 zur Schwellwerterzeugung. Der Schaltungspunkt b am Ausgang des Schwellwertelementes 7 ist mit dem Eingang E₂ des Mikrocomputers 1 verbunden. Über den Eingang E₁ erhält der Mikrocomputer ein Signal R_x, welches das Anforderungssignal für die Durchführung einer Trübungsmessung, bestehend aus Referenz- und Prüfmessung, auslöst. Am Ausgang 8 des Mikrocomputers wird das Signal T_x ausgegeben, welches die Information über die Trübung der gemessenen Flüssigkeit enthält. Der zeitliche Verlauf der Signale R_x und T_x ist in Fig. 4 näher dargestellt.

An den "+"-Eingang des Operationsverstärkers 10 werden nacheinander von den verschiedenen Ausgängen des Mikro­ computers 1 über die verschiedenen Widerstände 9 an­ steigende Spannungen angelegt, die korreliert sind mit dem Zählerstand im Mikrocomputer. Jeweils bei Erreichen einer neuen Stufe steht die neue Spannung am Ausgang des Operationsverstärkers 10 und am Emitter des Transi­ stors 11, wodurch durch den optischen Sender 5 ein Strom fließt und diesen zur Abgabe eines Lichtsignales veranlaßt. Dieser Strom wird durch das Verhältnis der Werte des gerade angesteuerten Widerstandes 9 und dem Widerstand 12 bestimmt. Aufgrund des fließenden Stro­ mes steigt die Spannung am Verbindungspunkt c zwischen optischem Sender und Widerstand 12 an, solange, bis am "-"-Eingang des Operationsverstärkers 10 die gleiche Spannung liegt wie am "+"-Eingang. Wenn die nächsthö­ here Spannungsstufe am "+"-Eingang des Operationsver­ stärkers 10 erscheint, wiederholt sich das Spiel von neuem; das vom optischen Sender 5 ausgegebene Lichtsi­ gnal ist heller als das der vorhergehenden Stufe.

Sobald der optische Empfänger 6 ein ausreichendes Lichtsignal erkennt, schaltet er den Stromfluß durch, das Potential am "-"-Eingang des Operationsverstärkers 13 geht an Masse, am Ausgang des letzteren verschwindet das Potential, was am Eingang E₂ des Mikrocomputers 1 als Signal für das Ende der Trübungsmessung ausgewertet wird.

Das Signal R_x wird beispielsweise zu Beginn eines Spülzyklus in einer Waschmaschine oder Geschirrspülma­ schine von der Programmsteuereinheit ausgegeben und setzt dann den vorbeschriebenen Meßzyklus in Gang. In Fig. 4 ist die zeitliche Zuordnung der entsprechenden Impulse dargestellt.

Claims (5)

1. Sensoreinrichtung zur Erfassung der Trübung von Flüssig­ keiten mit einem optischen Sender und einem zugeordneten optischen Empfänger, wobei die zu prüfende Flüssigkeit zwischen diesen beiden Bauelementen hindurchströmt, gekennzeichnet durch eine elektronische Auswerteeinrich­ tung (1, 2), die bei Anforderung einer Messung zunächst vermittels optischer Sender (5) und Empfänger (6) eine Referenzmessung ohne Flüssigkeit oder bei klarer Flüs­ sigkeit durchführt, den gewonnenen Referenz-Meßwert als Basiswert definiert, anschließend die zu messende Flüs­ sigkeit prüft und aus dem gewonnenen Prüfmeßwert in Be­ ziehung zum Referenzmeßwert ein Meßsignal als Kennwert für die festgestellte Trübung der Flüssigkeit abgibt.

2. Sensoreinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Auswerteeinrichtung einen Mikro­ computer (1) und einen Digital-Analogwandler (2) auf­ weist, welch letzterer zur Durchführung der Referenz- und/oder der Prüfmessung eine stufenweise ansteigende Spannung an den optischen Sender (5) anlegt zur Erzeugung einer stufenweise ansteigenden Helligkeit an diesem und daß der Empfänger (6) bei Erkennung eines ausreichend hellen Signals ein elektrisches Signal an die Auswerteeinrichtung (1, 2) abgibt, die daraufhin die Erzeugung der Spannung für den optischen Sender (5) beendet und das Meßsignal erzeugt.

3. Sensoreinrichtung nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Sender (5) und der optische Empfänger (6) auf Infrarotbasis arbeiten.

4. Sensoreinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Digital-Analogwandler (2) einen Operationsver­ stärker (10) aufweist, der an der Basis eines im Strom­ kreis des optischen Senders (5), z. B. Photodiode, ange­ ordneten Steuertransistors (11) liegt und zur Regelung des Stromflusses durch den optischen Sender (5) dient.

5. Sensoreinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem optischen Empfänger (Phototransistor) (6) ein Schwellwertelement (7) nachgeordnet ist, welches mit der elektronischen Auswerteeinrichtung (1, 2) verbunden ist und ein Signal abgibt, wenn der optische Empfänger ein ausreichend helles Signal erkennt.