DE102013112860B3

DE102013112860B3 - Detektor zur Erkennung einer Verschmutzung sowie Verfahren zur Detektion von Schmutz

Info

Publication number: DE102013112860B3
Application number: DE102013112860.2A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Hernschier; Jörg Waschull
Original assignee: Institut fuer Luft und Kaeltetechnik Gemeinnuetzige GmbH
Current assignee: Institut fuer Luft und Kaeltetechnik Gemeinnuetzige GmbH
Priority date: 2013-11-21
Filing date: 2013-11-21
Publication date: 2014-10-02
Anticipated expiration: 2033-11-22

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Detektor (1) zur Erkennung einer Verschmutzung auf einer äußeren Abdeckungsoberfläche (2.1) des Detektors sowie ein Verfahren zur Detektion von Schmutz mit diesem Detektor (1). Der Detektor (1) umfasst ein kapazitives Sensorelement (7) zur Detektion von Wasser auf der äußeren Abdeckungsoberfläche (2.1), sowie mindestens zwei optische Sensorelemente (4) zur Detektion eines lichtreflektierenden Belags (6). Außerdem umfasst der Detektor (1) eine mit den Sensorelementen (4, 7) verbundene Auswerteeinheit (9), die derart konfiguriert ist, dass aus mit den Sensorelementen (4, 7) durchgeführten Messungen zwischen einer Bedeckung der Detektorabdeckung (2) mit Schmutz und Wasser unterscheidbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Detektor zur Erkennung einer Verschmutzung auf einer äußeren Oberfläche eines Detektorgehäuses sowie ein Verfahren zur Detektion von Schmutz mit diesem Detektor.
Es gibt derzeit eine Vielzahl von Möglichkeiten, um Schmutz, welcher auf einer glatten Oberfläche abgelagert wird, zu erfassen. Nach dem Stand der Technik gibt es zum Beispiel zur Verschmutzungserkennung für Glasscheiben optische Verfahren, die nach dem Prinzip der Totalreflexion arbeiten. Dazu wird ein Lichtstrahl in die Glasscheibe eingekoppelt. Aufgrund der unterschiedlichen Brechungsindices von Luft und Glas läuft der Lichtstrahl wie in einem Wellenleiter in der Glasscheibe entlang, bis er wieder ausgekoppelt und von einer Fotozelle registriert wird. Ist die Glasscheibe verschmutzt, so wird ein Großteil des Lichtes auf dem Weg zur Fotozelle aus dem Glas ausgekoppelt, sodass nur noch eine sehr geringe Lichtmenge die Fotozelle erreicht. Allerdings hat Wasser auf der Glasscheibe denselben Effekt, sodass eine Unterscheidung Schmutz/Wasser nicht möglich ist. Zusätzlich führen bereits kleinste, punktuelle Verschmutzungen, welche auf der Glasscheibe oberhalb des Lichtpfads abgelagert sind, zu einer Reduktion der in der Fotozelle registrierten Lichtintensität.
Beispielsweise im Bereich von Solaranlagen ist jedoch eine sichere Verschmutzungsdetektion mit Unterscheidung von verschmutzten und nassen Solarmodulen erstrebenswert. Denn die Reinigung der Solarmodule ist nur dann nötig, wenn nicht Regen, sondern eine großflächige Verschmutzung ihrer Oberfläche die Sonnenlichtausbeute mindert. Manchmal ist es aber auch vorteilhaft, bei einer Verschmutzung die Reinigung nur bei Regen mit dem dann anfallenden Regenwasser durchzuführen.
Nach dem Stand der Technik sind Verschmutzungsdetektoren für Solaranlagen bekannt. So beschreibt die JP S59150484 A ein automatisches Solarzellenreinigungssystem, das über einen optischen Sensor verfügt, der nach dem oben beschriebenen Prinzip der Totalreflexion eine Verschmutzung der Solarzellenoberfläche detektiert, wobei prinzipgemäß keine Unterscheidung von Schmutz und Regen möglich ist.
Die CN 202638810 U beschreibt eine automatische Reinigungseinrichtung mit Staubdetektor für eine Solaranlage. Der Detektor besteht aus einem Lichtsensor, einem Temperatursensor und einer Auswerteeinheit, welche aus den Daten der beiden Sensoren einen Sollwert für die Stromerzeugung der Solarzellen bestimmt. Liegt der Istwert unter dem Sollwert, so wird ein Reinigungsvorgang initiiert. Diese Methode erfordert allerdings die Berücksichtigung von klimatischen Bedingungen oder baulichen Eigenarten der Solaranlage. Eine mögliche Degradation der Solarzellen findet ebenso keine Berücksichtigung. Außerdem muss der Lichtsensor vor Verschmutzung geschützt oder selbst regelmäßig gereinigt werden.
In CN 201662606 U wird eine Vorrichtung zur Detektion nachlassender Energieerzeugung von Solarmodulen beschrieben. Die generierte Spannung wird als Funktion der Zeit aufgezeichnet und die so erhaltene Kurve mit einem Mikrocontroller bewertet. Wenn der Mikrocontroller die Erzeugungseffizienz als zu gering einstuft, wird ein Signal ausgegeben. Allerdings können hier bereits wetterbedingte Schwankungen zu einer Falschmeldung führen.
US 20130048026 A1 (und ebenso US 8323421 B2 ) beschreibt eine Vorrichtung zur Detektion nachlassender Transparenz bei Solarmodul-Glasscheiben. Ein Umgebungslichtsensor misst die Helligkeit des Tageslichts und ein Sensor hinter der Glasscheibe misst das transmittierte Licht. Aus der Differenz der beiden Messwerte wird ein Maß für die Verschmutzung abgeleitet. Aber auch hier darf der Umgebungslichtsensor weder verschmutzen noch abgeschattet werden.
WO 2012089485 A1 beschreibt ein mit einem Schmutzsensor ausgestattetes Fotovoltaikmodul. Der Schmutzsensor misst nach dem Prinzip eines Rauchmelders die Extinktion eines Lichtstrahls. Dazu emittiert eine an der Außenseite des Sensors angebrachte Lichtquelle einen Lichtstrahl durch eine transparente Sammelfläche in Richtung einer auf der Innenseite des Sensors angeordneten Fotozelle. Die Sammelfläche wird parallel zum Solarmodul montiert und staubt mit diesem ein. Unterschreitet der gemessene Lichtstrom aufgrund der durch den abgelagerten Staub bewirkten Extinktion einen Schwellenwert, so erzeugt der Schmutzsensor ein Signal. Prinzipbedingt kann aber bereits Regen, Nebel oder Rauch ein Signal auslösen.
Im Gegensatz zum Stand der Technik wäre es wünschenswert, einen Verschmutzungsdetektor für Solaranlagen zu haben, der nicht an eine spezielle Anlage oder Anlagenform gebunden ist und ohne komplexe Berechnungen eine zuverlässige Detektion von Schmutz und Regen ermöglicht, wobei zwischen Schmutz und Regen unterscheidbar ist. Außerdem sollte der Detektor aus wenigen, handelsüblichen Bauteilen aufbaubar und kostengünstig herstellbar sein.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Detektor zur Erkennung einer Verschmutzung bereitzustellen, welcher eine durch äußere Einflüsse auf einer planaren Oberfläche abgelagerte Bedeckung erkennt, wobei zwischen Wasser und einer lichtundurchlässigen Ablagerung unterschieden wird. Eine solche lichtundurchlässige Ablagerung kann beispielsweise Schmutz, Sand oder Schnee sein. Wenn im Folgenden nur noch die Begriffe Schmutz bzw. Verschmutzung verwendet werden, so schließt das jede andere Art von lichtundurchlässiger Ablagerung, wie z.B. Schnee, mit ein.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Detektor zur Erkennung einer Verschmutzung gemäß Patentanspruch 1 und einem Verfahren zur Erkennung einer Verschmutzung gemäß Patentanspruch 9 gelöst; zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindungen befinden sich in den Unteransprüchen 2 bis 8 sowie 10.
Nach Maßgabe der Erfindung weist der Detektor zur Erkennung einer Verschmutzung eine planare Abdeckung, auf deren innerer Oberfläche mindestens ein optisches Sensorelement und ein kapazitives Element angeordnet sind, und eine mit den Sensorelementen verbundene Auswerteeinheit auf, die auch über eine Datenschnittstelle verfügt. Die Abdeckung ist im Bereich des sichtbaren Lichts und des nahen Infrarot transparent. Die Detektion von Schmutz, welcher sich auf der äußeren Oberfläche der Abdeckung ansammeln kann, erfolgt mit den optischen Elementen, umfassend einen Lichtemitter und einen Lichtempfänger, die beide vorzugsweise im Infrarotbereich arbeiten. Beispielsweise können hier handelsübliche Reflexlichtschranken eingesetzt werden. Der Lichtemitter koppelt einen Lichtstrahl in einem Winkel von 45° bis 89° zur Innenfläche in die transparente, planare Abdeckung ein. Der Lichtstrahl läuft von innen nach außen durch die Abdeckung und wird an ihrer außenliegenden Oberfläche transmittiert oder reflektiert. Der reflektierte Anteil des Lichtstrahls wird an der Innenseite der Abdeckung wieder ausgekoppelt und seine Restintensität von der Fotozelle gemessen. Bei Verschmutzung der äußeren Abdeckungsoberfläche wird ein großer Anteil des emittierten Lichtstrahls in die Fotozelle reflektiert. Befindet sich auf der Oberfläche nur Luft als Medium, so verlässt ein großer Anteil des Lichts die Abdeckung durch die äußere Oberfläche; der Anteil des reflektierten Lichtes kann somit bis auf Null reduziert sein, wodurch der Auswerteeinheit signalisiert wird, dass die äußere Oberfläche der Abdeckung unbedeckt ist. Allerdings erzeugt nicht nur eine Verschmutzung, sondern ebenso ein dünner Wasserfilm eine verstärkte Reflexion, sodass hier keine Unterscheidung zwischen Wasser und Schmutz erfolgt. Auch ein einzelner Regentropfen oder eine punktuelle Verschmutzung auf der Abdeckung genau an der Stelle oberhalb des optischen Sensors führt zu einem Reflexionssignal. Um hier eine fälschliche Verschmutzungsmeldung zu vermeiden, wird zur Kontrolle mindestens ein weiteres optisches Sensorelement eingesetzt, welches in einem von der Dektorgröße bestimmten Abstand, beispielsweise von einigen Zentimetern, zum ersten optischen Sensor an der inneren Oberfläche der Abdeckung angeordnet ist. Erst wenn alle optischen Sensoren eine Bedeckung signalisieren, ist eine großflächige Oberflächenbedeckung wahrscheinlich.
Um nun zwischen Wasser und lichtreflektierendem Schmutz unterscheiden zu können, enthält der Detektor neben den optischen Sensorelementen auch ein kapazitives Sensorelement. Dieser kapazitive Sensor umfasst zwei elektrisch voneinander isolierte Elektroden, die an der inneren Abdeckungsoberfläche angebracht sind. Diese Elektroden bilden zusammen mit einem Dielektrikum, welches aus der Abdeckung und dem auf der äußeren Abdeckungsoberfläche vorhandenen Medium gebildet ist, einen Kondensator. Befindet sich auf der Abdeckung eine polare Flüssigkeit, wie beispielsweise Wasser, so besitzt das Dielektikum eine große Dielektrizitätskonstante und der Kondensator eine entsprechend große Kapazität. Ist nur Luft vorhanden oder Schmutz auf der äußeren Oberfläche abgelagert, so ist die Kapazität des Kondensators im Vergleich zu einer Wasserbedeckung klein.
Das kapazitive Sensorelement erfasst eine Änderung der elektrischen Kapazität seines Kondensators, wie sie beispielsweise durch einen Wasserfilm auf der Glasoberfläche verursacht wird. Da ein trockener Schmutzfilm eine ungleich kleinere Änderung der Kapazität bezogen auf eine saubere Oberfläche hervorruft, kann mit dem kapazitiven Sensor Wasser auf der Glasoberfläche mit großer Sicherheit detektiert werden.
Die Auswerteeinheit des Detektors ist derart konfiguriert, dass sie nur dann eine Messung der Oberflächenverschmutzung mittels der optischen Sensorelemente vornimmt, wenn das kapazitive Sensorelement eine trockene Oberfläche registriert. Auf diese Weise kann eine Verfälschung der Messung aufgrund von Nässe, wie beispielsweise Regen, ausgeschlossen werden.
Der Vorteil eines derart aufgebauten Detektors zur Erkennung einer Verschmutzung besteht darin, dass aufgrund der zwei nach unterschiedlichen Funktionsprinzipien arbeitenden Sensorelemente eine sichere Detektion einer Verschmutzung möglich ist, wobei eine Oberflächenbedeckung mit Wasser kein Warnsignal auslöst. Die Verwendung von optischen Sensorelementen, die mit nur einer einzelnen Reflexion an der äußeren Abdeckungsoberfläche und nicht nach dem bekannten Prinzip der Totalreflexion arbeiten, verringert das Risiko, dass eine einzelne und lokal sehr begrenzte Verschmutzung, welche sich auf der Abdeckungsoberfläche an einer Stelle exakt über dem Weg des Lichtstrahls angelagert hat, eine großflächige Verschmutzung vortäuscht. Weiterhin erlaubt der Einsatz von mindestens zwei, räumlich voneinander getrennten optischen Sensorelementen, dass örtlich eng begrenzte Verschmutzungen als solche erkennbar sind.
Eine Ausgestaltungsvariante des erfindungsgemäßen Detektors sieht vor, dass die optischen Sensorelemente handelsübliche Reflexlichtschranken mit einer Sendediode als Lichtemitter sind, die im nahen Infrarotbereich arbeiten.
Die aus Messungen mit den optischen Sensorelementen bestimmten reflektierten Anteile des emittierten Lichts, und damit ein möglicher Bedeckungsgrad der Detektorabdeckung, können in vorteilhafter Weise über die Datenschnittstelle der Auswerteeinheit ausgegeben werden. Ebenso kann der mit dem kapazitiven Sensorelement erfasste Nässegrad der Abdeckungsoberfläche über die Datenschnittstelle ausgegeben werden. Diese Datenschnittstelle kann beispielsweise eine serielle Schnittstelle nach dem RS-485 oder RS-232-Standard sein. Alternativ könnte der Detektor noch ein Funkmodul umfassen, mit dem auch eine Übermittlung der Daten über Funk, beispielsweise über Bluetooth, möglich sein kann.
Die Erfindung kann weiter derart ausgebildet sein, dass die Auswerteeinheit Messungen zeitgesteuert durchführt. Um Störeinflüsse durch das Tageslicht zu vermeiden, erfolgt die Detektion einer möglichen Verschmutzung vorzugsweise nachts. Dazu ist die Auswerteeinheit derart konfiguriert, dass die von den Fotoempfängern der optischen Elemente registrierten Lichtintensitäten bei ausgeschaltetem Lichtemitter ausgelesen werden. Der auf diese Art ermittelte Intensitätswert wird mit einem in der Auswerteeinheit hinterlegten Schwellenwert verglichen. Dieser Schwellenwert definiert eine Tag-Nacht-Grenze. Nur wenn die gemessenen Intensitäten von allen Fotozellen unter diesem Schwellenwert liegen, ist die Umgebungshelligkeit soweit abgesenkt, dass vom Vorliegen einer Nachtzeit auszugehen ist.
Bei einer weiteren Ausgestaltungsform des erfindungsgemäßen Detektors zur Erkennung einer Verschmutzung ist in der Auswerteeinheit eine Formel für eine Bestimmung der Ist-Temperatur hinterlegt. Bei dieser Ausgestaltungsvariante ist der Lichtemitter der optischen Sensorelemente eine lichtemittierende Halbleiter-Diode, beispielsweise eine Leucht- oder Laserdiode. Typischerweise zeigen Diodenkennlinien eine Temperaturabhängigkeit. In erster Näherung erhält man für die Diodenspannung bei konstantem Strom eine lineare Temperaturabhängigkeit im relevanten Temperaturbereich um 300 K. Durch Anlegen eines vorgegebenen elektrischen Stroms und Messung der an der Diode anliegenden Spannung ist mit Hilfe der hinterlegten Formel somit ohne großen Rechenaufwand die Ist-Temperatur der Sendediode bestimmbar.
Mit Kenntnis der Temperatur kann beispielsweise eine Korrektur der aus dem kapazitiven Element ausgelesenen Kapazitätsmesswerte oder eine Unterscheidung zwischen Sommer und Winter erfolgen.
Gemäß einer Ausführungsform kann der Detektor als eine eigenständige und autark funktionierende Vorrichtung ausgebildet sein. Dazu verfügt er über eine eigene Energieversorgung, wobei alle Komponenten des Detektors in einem wetterfesten Gehäuse untergebracht sind. Die Energieversorgung kann beispielsweise Solarzellen, die an der inneren Oberfläche der Abdeckung angebracht sein können, einen DC/DC-Wandler sowie einen Energiespeicher, wie beispielsweise einen Kondensator oder einen Akkumulator, umfassen. Die Zustände „sauber„ und „schmutzig“ werden am Detektor von außen sichtbar, z.B. über an einer Außenseite des Gehäuses angebrachte LEDs, angezeigt. Die Ausgabe eines elektrischen Signals über die Datenschnittstelle des Detektors bleibt davon unberührt.
Der erfindungsgemäße Detektor kann weiter so ausgebildet sein, dass die Abdeckung mit einer Dichtung derart in das Gehäuse eingebracht ist, dass die Dichtung einen über die äußere Abdeckungsfläche erhabenen Rand ausbildet. Somit kann die Dichtung wie der Rahmen von gerahmten Solarmodulen als ein Schmutzfänger wirken, sodass beispielsweise vom Wind auf die äußere Abdeckungsoberfläche transportierter Staub oder Sand auf der Abdeckung liegen bleibt und nicht wieder fortgeblasen wird.
Außerdem kann vorgesehen sein, dass die beiden Kondensatorelektroden des kapazitiven Elementes als kammartige Strukturen ausgebildet sind. Dazu kann an den beiden Längsseiten der inneren Abdeckungsoberfläche je eine elektrische Leiterbahn angebracht sein, von denen im rechten Winkel Querbahnen abgehen, die sich bis fast zur gegenüberliegenden längsseitigen Leiterbahn erstrecken können. Diese Querbahnen sind gleichmäßig zueinander beabstandet, wobei jeweils jede zweite mit derselben längsseitigen Leiterbahn verbunden ist. Somit greifen die beiden kammartigen Elektroden ineinander.
Der Vorteil dieser kammartigen Elektrodenstruktur besteht darin, dass aufgrund der großen Fläche einerseits eine größere Differenz in den Kapazitätswerten zwischen nasser und trockener Abdeckungsoberfläche besteht, und andererseits ein einzelner Wassertropfen auf der Oberfläche noch kein Signal auslöst.
Alle Ausgestaltungsvarianten des vorstehend beschriebenen Detektors können zur Überwachung der Verschmutzung in einer Solaranlage, beispielsweise der Solarmodule, Solarkollektoren oder Reflektoren, eingesetzt werden.
Bei einer Verwendung des erfindungsgemäßen Detektors zur Erkennung einer Verschmutzung z.B. auf dem Solarmodul einer Solaranlage ist der Detektor neben dem Solarmodul anzubringen. Hierbei ist der Detektor so auszurichten, dass die äußere Abdeckungsoberfläche in einer Ebene parallel zum Solarmodul zu liegen kommt und, ebenso wie das Solarmodul, zur Sonne hin ausgerichtet ist. Somit unterliegt die äußere Abdeckungsoberfläche denselben Wetterbedingungen wie das Solarmodul, und verschmutzt in gleicher Weise. Wenn der Detektor eine Verschmutzung signalisiert, dann müssen beide, Detektorabdeckung und Solarmodul, gereinigt werden.
Ein Vorteil der Verwendung des Detektors in einer Solaranlage ist, dass anlagenspezifische Anpassungen des Verschmutzungsdetektors an die zu überwachende Solaranlage nicht durchgeführt werden müssen. Ein weiterer Vorteil ist, dass der Detektor ohne großen Montageaufwand an jeder Anlage nachgerüstet werden kann, da er als eine eigenständige und autark arbeitende Einheit ausführbar ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren betrifft einen Detektor zur Erkennung einer Verschmutzung gemäß einer der vorstehend erläuterten Ausführungsformen.
Die zuerst durchzuführenden Schritte des Verfahrens umfassen eine Festlegung von Schwellenwerten:

– eines Intensitäts-Schwellenwertes für einen aus den optischen Sensorelementen bei abgeschaltetem Lichtemitter, beispielsweise einer Sendediode, ausgelesenen Nullpunkts-Intensitätsmesswerts zur Unterscheidung von Tag und Nacht;
– eines Intensitätsdifferenz-Schwellenwertes für eine mit den optischen Sensorelementen bei eingeschaltetem Lichtemitter, beispielsweise einer Sendediode, ermittelten Lichtintensitäten abzüglich des jeweiligen Nullpunkts-Intensitätsmesswertes zur Unterscheidung von sauberer und bedeckter Abdeckungsfläche; und
– eines Kapazitäts-Schwellenwertes für einen aus dem kapazitiven Sensorelement ausgelesenen Kapazitätsmesswert zur Unterscheidung von nasser und trockener Abdeckungsoberfläche.

Der nächste Schritt aktiviert die Bereitschaftsanzeige des Detektors. Das kann z.B. das Einschalten einer auf einer der Gehäuseaußenseiten angeordneten, grünen Leuchtdiode und/oder die Ausgabe eines Signals über die Schnittstelle der Auswerteeinheit sein.
Anschließend werden in einer Schleife folgende Schritte abgearbeitet:

– Auslesen des Nullpunkts-Intensitätsmesswertes für jedes optische Sensorelement bei ausgeschaltetem Lichtemitter. Dies wird, beispielsweise im Stundenrhythmus, solange wiederholt, bis die Nullpunkts-Intensitätsmesswerte aller optischen Sensorelemente unterhalb des vorher festgelegten Intensitäts-Schwellenwertes liegen.
– Erfassen eines Kapazitätsmesswertes vom kapazitiven Sensorelement, indem beispielsweise der Kondensator des Elements für eine vorgegebene Zeitdauer mit einem elektrischen Strom beaufschlagt und im Anschluss daran die am Kondensator anliegende Spannung gemessen wird, wobei aus der Spannung und dem Integral des Stromes über der Zeit die Kapazität berechnet wird.
– Vergleichen des Kapazitätsmesswertes mit dem Kapazitäts-Schwellenwert.
– Falls der Kapazitätsmesswert unterhalb des Kapazitäts-Schwellenwertes liegt, erfolgt ein Auslesen eines Intensitätsmesswertes für jedes optische Sensorelement mit eingeschaltetem Lichtemitter. Nach Abzug des jeweiligen Nullpunkts-Intensitätsmesswertes werden die so berechneten Intensitätsdifferenzwerte mit dem Intensitätsdifferenz-Schwellenwert verglichen.
– Falls nach einer Messung mit dem kapazitiven und den optischen Sensorelementen der Kapazitätsmesswert kleiner als der Kapazitäts-Schwellenwert und für alle optischen Sensorelemente der berechnete Intensitätsdifferenzwert größer als der Intensitätsdifferenz-Schwellenwert ist, dann wird, falls die Bereitschaftsanzeige aktiv ist, in eine Warnanzeige, beispielsweise von einer grünen auf eine rote LED, umgeschaltet.
– Das Umschalten von Warnanzeige in Bereitschaftsanzeige erfolgt nur, wenn nach einer Messung mit dem kapazitiven und den optischen Sensorelementen der Kapazitätsmesswert kleiner als der Kapazitäts-Schwellenwert und für mindestens einen optischen Sensorelement der berechnete Intensitätsdifferenzwert kleiner als der Intensitätsdifferenz-Schwellenwert ist.

Ein wesentlicher Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, dass Messungen der Bedeckung mit den optischen Sensorelementen nur dann durchgeführt werden, wenn das kapazitive Sensorelement eine trockene Abdeckungsoberfläche meldet. Außerdem sind keine komplexen, computer- und datenbankgestützten Rechenverfahren notwendig.
In einer Ausgestaltungsform des Verfahrens kann zusätzlich eine Bestimmung der Temperatur im Detektor durchgeführt werden, wenn der Lichtemitter der optischen Sensorelemente als lichtemittierende Halbleiter-Diode ausgebildet ist. Dies geschieht durch Anlegen eines vorher festgelegten Stroms an die Halbleiter-Diode und Messung der Diodenspannung. Über einen durch die Diodenparameter festgelegten Faktor kann die aktuelle Temperatur aus der Differenz der gemessenen Spannung zu einem Sollwert der Spannung bei Raumtemperatur berechnet werden. Die auf diese Weise bestimmte Temperatur kann beispielsweise zur Korrektur eines aus dem kapazitiven Sensorelement ausgelesenen Kapazitätsmesswertes verwendet werden, falls dieser einer Temperaturabhängigkeit unterliegt. Die Erfindung wird im Folgenden anhand von einem Ausführungsbeispiel des Detektors zur Erkennung einer Verschmutzung und einer Figur näher erläutert. Hierbei zeigt die Figur in schematischer Darstellung einen erfindungsgemäßen Detektor.
Der Detektor 1 zur Erkennung einer Verschmutzung weist eine planare Abdeckung 2 mit einer äußeren 2.1 und einer inneren Oberfläche 2.2 auf, an der zwei optische Sensorelemente 4, bestehend aus einer Sendediode 4.1 und einem Fotoempfänger 4.2, und ein kapazitives Sensorelement 7, umfassend zwei Elektroden 7.1 und 7.2, angeordnet sind. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist in der Figur nur ein optisches Sensorelement 4 dargestellt, tatsächlich symbolisiert dieses jedoch zwei optische Sensorelemente. Diese Sensorelemente 4 und 7 sind mit einem Steuergerät 9 verbunden, das die Sensorelemente ansteuern und die mit den Sensorelementen erfassten Daten verarbeiten kann. Das Steuergerät 9 weist weiterhin eine Schnittstelle 10 auf, über die Daten übertragen werden können. Den Strom zum Betreiben der Auswerteeinheit 9 sowie der Sensorelemente 4 und 7 liefert eine autarke Energieversorgung 13, umfassend ein Solarmodul 13.1, einen DC/DC-Wandler 13.2 und einen Kondensator 13.3. Alle diese Komponenten sind in einem abgeschlossenen und gegen die Witterung abgedichteten Gehäuse 14 angeordnet, wobei die Abdeckung 2 mittels einer Dichtung 15 in dem Gehäuse 14 fixiert ist. Die Dichtung 15 ist derart gestaltet, dass sie einen über die äußere Abdeckungsfläche 2.1 erhabenen Rand bildet. An der Unterseite des Gehäuses 14 sind außerdem eine grüne LED 17 und eine rote LED 18 angebracht, die von der Auswerteelektronik der Auswerteeinheit in Abhängigkeit von den Messergebnissen angesteuert werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines gemäß 1 veranschaulichten Detektors 1 ist wie folgt vorgesehenen:
Zu Beginn des Verfahrens steuert die Auswerteelektronik der Auswerteeinheit 9 die grüne LED 17 an, sodass diese blinkt. Außerdem werden ein der Lichtintensität in der Dämmerung entsprechender Intensitätsschwellenwert, ein Intensitätsdifferenz-Schwellenwert für diejenige Lichtintensität, die von einer Verschmutzung 6 der Oberfläche 2.1 reflektiert wird und ein eine nasse Oberfläche 2.1 charakterisierender Kapazitäts-Schwellenwert vorgegeben.
Die Auswerteeinheit 9 liest die von dem Fotoempfänger 4.2 registrierte Lichtintensität bei ausgeschalteter Sendediode 4.1. Wenn dieser Wert unter dem vorgegebenen Intensitätsschwellenwert für die Helligkeit in der Dämmerung liegt, so führt die Auswerteeinheit 9 eine Kapazitätsmessung mit dem kapazitiven Sensorelement 7 durch. Falls die äußere Abdeckungsfläche 2.1 nass ist, so liegt der gemessene Kapazitätswert über dem vorgegebenen Kapazitäts-Schwellenwert. In diesem Fall wartet die Auswerteeinheit etwa 3 Minute, bevor ein neuer Messzyklus gestartet wird. Falls jedoch die äußere Abdeckungsfläche 2.1 trocken ist, so liegt der gemessene Kapazitätswert unter dem vorgegebenen Kapazitäts-Schwellenwert. In diesem Fall steuert die Auswerteeinheit 9 die Sendediode 4.1 gepulst an. Die Fotozelle 4.2 registriert die Lichtintensität während der Lichtpulse und in den Pausen dazwischen. Aus diesen Werten bildet die Auswerteeinheit 9 die Differenz. Befindet sich auf der äußeren Abdeckungsoberfläche 2.1 eine Verschmutzung 6, so wird ein Großteil des von der Sendediode 4.1 emittierten Lichts an der Verschmutzung 6 in Richtung des Fotoempfängers 4.2 reflektiert. In diesem Fall registriert die Auswerteeinheit eine große Differenz der Lichtintensitäten während eines Lichtpulses und der Pause zwischen zwei Pulsen. Falls diese Differenz (für alle beiden optischen Sensorelemente 4) größer als der vorgegebene Intensitätsdifferenz-Schwellenwert ist, so wird über die Auswerteelektronik die rote LED 18 aktiviert. Gleichzeitig wird über die Datenschnittstelle 10 ein Warnsignal ausgegeben.
Die rote LED 18 bleibt solange aktiviert, bis die Auswerteeinheit 9 bei einer Messung mit einem optischen Sensorelement 4 eine Intensitätsdifferenz unterhalb des vorgegebenen Intensitätsdifferenz-Schwellenwerts registriert. In diesem Fall wird von der roten LED 18 auf die grüne LED 17 umgeschaltet, und über die Datenschnittstelle 10 wird anstelle des Warnsignals ein Bereitschaftssignal ausgegeben.
Bezugszeichenliste

1: Detektor
2: Abdeckung des Detektors
2.1: innere Oberfläche der Abdeckung
2.2: äußere Oberfläche der Abdeckung
4: optisches Sensorelement
4.1: Sendediode
4.2: Fotoempfänger
6: Verschmutzung
7: kapazitives Sensorelement
7.1: erste Elektrode
7.2: zweite Elektrode
9: Auswerteeinheit
10: Schnittstelle für Signal- oder Datenübermittelung
13: Energieversorgung
13.1: Solarzelle
13.2: DC/DC-Wandler
13.3: Kondensator
14: Gehäuse
15: Dichtung
17: grüne LED für Bereitschaft
18: rote LED für Alarm

Claims

Detektor (1) zur Erkennung einer Verschmutzung, aufweisend eine Abdeckung (2), die aus einem im sichtbaren und infraroten Wellenlängenbereich transparenten, elektrisch isolierenden Material ist, wobei die Abdeckung (2) eine äußere und eine innere Oberfläche (2.1, 2.2) aufweist, mindestens drei, an der inneren Abdeckungsoberfläche angeordnete Sensoren (4, 7), wobei ein erster und ein zweiter der mindestens drei Sensoren zueinander beabstandete optische Elemente (4) sind, jeweils umfassend einen Lichtemitter (4.1) in Form einer lichtemittierenden Halbleiter-Diode und eine Fotoempfänger (4.2), die derart angeordnet sind, dass ein von dem Lichtemitter (4.1) in Richtung der äußeren Abdeckungsoberfläche (2.1) emittierter Lichtstrahl von einem Belag (6) auf der äußeren Abdeckungsoberfläche in Richtung der Fotoempfänger (4.2) reflektiert wird, wobei die Intensität des reflektierten Lichts von dieser als ein Intensitätsmesswert erfassbar ist, und ein dritter der mindestens drei Sensoren ein kapazitives Element (7) ist, umfassend zwei elektrisch voneinander isoliert an der inneren Abdeckungsoberfläche (2.2) angeordnete Elektroden (7.1, 7.2) unter Ausbildung eines Kondensators, dessen Kapazität durch Wasser auf der äußeren Abdeckungsoberfläche beeinflussbar ist, und eine mit den Sensoren (4, 7) verbundene Auswerteeinheit (9), die derart konfiguriert ist, dass mit ihr Messwerte aus den mindestens drei Sensoren (4, 7) unabhängig voneinander auslesbar sind, wobei es als Vorliegen einer Verschmutzung der äußeren Abdeckungsoberfläche (2.1) gewertet wird und ein optisches und elektrisches Warnsignal ausgegeben wird, wenn ein vom kapazitiven Sensor (7) ausgelesener Kapazitätsmesswert unterhalb eines vorgegebenen Kapazitätsschwellenwertes ist und gleichzeitig die Differenzen der von den optischen Sensoren (4) ausgelesenen Intensitätsmesswerte von Nullpunkts-Intensitätsmesswerten, welche mittels der Fotoempfänger (4.2) bei ausgeschaltetem Lichtemitter (4.1) messbar sind, oberhalb eines vorgegebenen Schwellenwertes für die Intensitätsdifferenz sind.
Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (9) derart konfiguriert ist, dass Messungen mit den mindestens drei Sensoren zeitgesteuert durchführbar sind, wobei eine Zeitsteuerung als Nachtbetrieb bei Unterschreiten eines vorgegebenen Intensitätsschwellenwertes der mit den Fotoempfängern (4.2) bei ausgeschaltetem Lichtemitter (4.1) gemessenen Intensitätswerte definiert ist.
Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bestimmung einer Ist-Temperatur der Lichtemitter (4.1) mittels Messungen einer Flussspannung der lichtemittierenden Halbleiter-Dioden und einer in der Auswerteeinheit (9) hinterlegten Formel zu Temperaturabhängigkeit der Diodenkennlinie durchführbar ist.
Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckung (2) des Detektors (1) in eine der Wände eines wetterfesten Gehäuses (14) integriert ist, in dem die Sensoren (4, 7), die Auswerteeinheit (9) und eine autarke Stromversorgung (13), umfassend auf der inneren Abdeckungsoberfläche (2.2) angeordnete Solarzellen (13.1), einen DC/DC-Wandler (13.2) und einen Energiespeicher (13.3), angeordnet sind.
Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckung (2) in das Gehäuse (14) mit einer Dichtung (15) eingebracht ist, die eine über die äußere Abdeckungsoberfläche (2.1) erhabene Umrandung der Abdeckung (2) bildet.
Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein mit der Auswerteeinheit (9) verbundener, optischer Signalgeber (17, 18) an einer Außenseite des Gehäuses (14) angebracht ist.
Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das kapazitive Element (7) zwei flächig ausgebildete Elektroden (7.1, 7.2) mit kammartiger Struktur aus je einer sich über eine gesamte Längsseite der Abdeckungsoberfläche (2.2) erstreckenden Leiterbahn mit senkrecht davon abgehenden, gleichmäßig zueinander beabstandeten Querstegen aufweist, wobei die beiden kammartigen Strukturen ineinander greifen.
Detektor zur Erkennung einer Verschmutzung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet dass er mit einer Solaranlage verbunden ist.
Verfahren zur Detektion von Schmutz auf einer äußeren Abdeckungsoberfläche (2.1) eines Detektors (1) zur Erkennung einer Verschmutzung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: – Vorgeben eines Intensitäts-Schwellenwertes für einen aus dem optischen Sensor (4) bei abgeschaltetem Lichtemitter (4.1) ausgelesenen Nullpunkts-Intensitätsmesswert, durch den eine Grenze zwischen Tag und Nacht charakterisiert wird; – Vorgeben eines Intensitätsdifferenz-Schwellenwertes für eine Differenz von aus dem optischen Sensor (4) ausgelesenen Intensitätsmesswerten, durch den eine Grenze zwischen zwei Messwertbereichen für eine mit Schmutz und/oder Wasser bedeckte und eine unbedeckte Abdeckungsoberfläche (2.1) charakterisiert wird; – Vorgeben eines Kapazitäts-Schwellenwertes für einen aus dem kapazitiven Sensor (7) ausgelesenen Kapazitätsmesswert, durch den eine Grenze zwischen je einem Messwertbereich für eine nasse und eine trockene Abdeckungsoberfläche (2.1) charakterisiert wird; – Einschalten eines optischen und elektrischen Bereitschaftssignals, nachdem der Intensitäts-Schwellenwert, der Intensitätsdifferenz-Schwellenwert und der Kapazitäts-Schwellenwert vorgegeben worden sind; – Auslesen je eines Nullpunkts-Intensitätsmesswertes von den zwei optischen Sensoren (4) bei ausgeschalteten Lichtemittern (4.1); – Auslesen eines Kapazitätsmesswertes vom kapazitiven Sensor (7), wenn beide Nullpunkts-Intensitätsmesswerte unterhalb des Intensitäts-Schwellenwertes sind; – Auslesen je eines Intensitätsmesswertes von den zwei optischen Sensoren (4), wenn der vom kapazitiven Sensor (7) ausgelesene Kapazitätsmesswert unterhalb des vorgegebenen Kapazitäts-Schwellenwertes ist und Bilden einer Intensitätsdifferenz für jeden optischen Sensor (4) gemäß einer Formel Intensitätsmesswert minus Nullpunkts-Intensitätsmesswert; – Umschalten des optischen und elektrischen Bereitschaftssignals auf ein optisches und elektrisches Warnsignal, falls entweder der vom kapazitiven Sensor (7) ausgelesene Kapazitätsmesswert den vorgegebenen Kapazitäts-Schwellenwert unterschreitet und gleichzeitig beide mit den optischen Sensoren (4) ermittelten Intensitätsdifferenzen oberhalb des vorgegebenen Intensitätsdifferenz-Schwellenwertes sind, oder falls der vom kapazitiven Sensor (7) ausgelesene Kapazitätsmesswert unterhalb des vorgegebenen Kapazitäts-Schwellenwertes ist und beide mit den optischen Sensoren (4) ermittelten Intensitätsdifferenzen den vorgegebenen Intensitätsdifferenz-Schwellenwert überschreiten; und – Umschalten des optischen und elektrischen Warnsignals auf das Bereitschaftssignal, falls mindestens eine der mit den optischen Sensoren (4) ermittelten Intensitätsdifferenzen den vorgegebenen Intensitätsdifferenz-Schwellenwert unterschreitet.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Ist-Temperatur der Lichtemitter (4.1) und einer in der Auswerteeinheit (9) hinterlegten temperaturabhängigen Korrekturfunktion für den kapazitiven Sensor (7) der ausgelesene Kapazitätsmesswert bezüglich der Temperatur korrigiert wird.