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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Sensor zum Detektieren einer Spektralverteilung an einem Objekt gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Um Objekte zu detektieren bzw. zu unterscheiden, sind optische Sensoren bekannt, die auf dem Prinzip der Spektralanalyse beruhen. Hierbei wird ein Objekt mit einer Erregerstrahlung bestrahlt, so dass an dem Objekt ein Lumineszenz- bzw. Fluoreszenzeffekt sich ergibt, bei dem das Objekt oder an dem Objekt vorhandenen Pigmente durch die Erregerstrahlung angeregt werden, eine Remissionsstrahlung mit einer charakteristischen Spektralverteilung zu remittieren.
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Die remittierte Remissionsstrahlung wird von solch einem optischen Sensor erfasst und ausgewertet, so dass anhand der charakteristischen Spektralverteilung die Objekte erkannt bzw. unterschieden werden können.
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DE 602 23 684 T2 offenbart eine Analysevorrichtung zur laserinduzierten Fluoreszenzanalyse mit einer Anregungslichtquelle und einer Analyseröhre, wobei die Anregungslichtquelle die Analyseröhre quer zu einer Fließrichtung einer in der Röhre befindlichen Analyseflüssigkeit bestrahlt, so dass eine Fluoreszenzreaktion in wenigstens einer der zu detektierenden Substanzen induziert wird. Die emittierte Fluoreszenz wird an einem Ende der Analyseröhre mittels eines Photodetektors erfasst und einem Datenverarbeitungssystem zur Analyse übermittelt.
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In vielen Bereichen des täglichen Lebens, wie z. B. in der Nahrungsmittelindustrie oder im Medizinbereich, wo eine hohe hygienische Anforderung gefordert ist, ist z. B. ein gründliches Händewaschen mit einer entsprechenden Seife bzw. Waschlotion stets erforderlich, wobei eine Feststellung bzw. Überprüfung des gründlichen Händewaschens wünschenswert ist. Hierbei kann ein auf ein solches Messprinzip basierender Sensor Verwendung finden.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Sensor der eingangsgenannten Art derart zu verbessern, dass das Vorhandensein einer bestimmten Lumineszenz auf der Oberfläche eines bestimmten Objektes einfach detektierbar ist.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Sensor zum Detektieren einer Spektralverteilung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Durch die Führung des Lichtsignales in den Flüssigkeitsstrahl kann eine gezieltere Bestrahlung des Objekts und auch ein durch den Flüssigkeitsstrahl mehr gebündeltes Rücklichtsignal erreicht werden, wodurch die Remissionsstrahlung von dem Objekt energetisch höher ist als wenn das Rücklichtsignal in einem freien Raum remittiert würde. Weiterhin ist es vorteilhaft, dass der Sensor keine Messelemente aufweist, die direkt in der Flüssigkeit angeordnet sind. Hierbei kann vorteilhafterweise das Lichtsignal aus ultraviolettem sichtbarem oder infrarotem Licht bestehen. Insbesondere ist die Wellenlänge des Lichtsignales in Abhängigkeit von der optischen Eigenschaft des Flüssigkeitsstrahls auszuwählen. D. h. die Wellenlänge des Lichtsignales muss in einem Bereich der Lichtdurchlässigkeit des Flüssigkeitsstrahls liegen.
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Erfindungsgemäß wird unter Einkoppeln unter anderem verstanden, dass das vom Sender ausgesendete Lichtsignal durch die Ein- und Auskopplungseinheit in den Flüssigkeitsstrahl eingeleitet bzw. gelenkt wird, so dass sich das Lichtsignal in dem Flüssigkeitsstrahl fortbewegt. Auskoppeln bedeutet analog der umgekehrte Vorgang, bei dem das reflektierte Rücklichtsignal aus dem Flüssigkeitsstrahl austritt und in Richtung des Empfängers geleitet bzw. gelenkt wird. Ferner wird erfindungsgemäß unter Lichtsignal bzw. Rücklichtsignal ein zeitlich kontinuierliches oder diskontinuierliches Signal verstanden. Beim zeitlich diskontinuierlichen Signal wird das Signal in Form eines Lichtimpulses versendet und empfangen.
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Weiterhin ist gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel eine Strahlführungseinheit zum Bündeln des Flüssigkeitsstrahls vorgesehen, die ausgebildet ist, den Flüssigkeitsstrahl entlang einer vorgegebenen Strecke in einer vorgegebenen Richtung zu formen. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass der Flüssigkeitsstrahl seine Form über eine wesentlich größere Entfernung beibehält, bevor der Flüssigkeitsstrahl auseinander fällt. Somit können das Lichtsignal und das Rücklichtsignal länger in dem Flüssigkeitsstrahl geleitet werden.
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Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel besteht die Strahlführungseinheit aus einem Material, das für eine Wellenlänge des Lichtsignales undurchlässig ist, so dass das Lichtsignal und das Rücklichtsignal in dem Flüssigkeitsstrahl entlang der Strahlführungseinheit leitbar sind.
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Ferner weist gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel die Ein- und Auskopplungseinheit eine Verbindungseinheit auf, die die Ein- und Auskopplungseinheit mit einer Flüssigkeitsleitung, aus der die Flüssigkeit austritt, verbindet.
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Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Verbindungseinheit ausgebildet, den Flüssigkeitsstrahl zu leiten, und das Lichtsignal und das reflektierte Rücklichtsignal durchzulassen.
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Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Steuer- und Auswerteeinheit ausgebildet, ein erstes Referenzsignal zu erhalten, wenn das Lichtsignal die Reflexionseinheit passiert, und ein zweites Referenzsignal zu erhalten, wenn das Lichtsignal eine Austrittsöffnung der Strahlführungseinheit passiert. Dadurch stehen der Steuer- und Auswerteeinheit mehrere Signaldaten für die Auswertung zur Verfügung.
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Hierbei ist vorteilhafterweise die Steuer- und Auswerteeinheit ausgebildet, aus dem ersten Referenzsignal einen Startzeitpunkt für einen Messvorgang und aus dem zweiten Referenzsignal einen Referenzzeitpunkt für den Messvorgang zu bestimmen. Hieraus kann eine präzisere Auswertung durchgeführt werden. Ferner besteht in diesem Fall das Lichtsignal aus dem besagten Lichtimpuls.
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Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Steuer- und Auswerteeinheit mit einem Rotor verbunden, der durch die Flüssigkeit in der Flüssigkeitsleitung antreibbar ist.
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Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist eine Betriebsenergie des Sensors durch Drehung des Rotors, der einem Generator angehört, beziehbar. Dadurch kann der Sensor autonom durch die Fließenergie der Flüssigkeit mit Energie versorgt werden.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sowie weitere Vorteile der Erfindung sind den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Im Nachfolgenden werden vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Hierzu zeigt, teilweise schematisiert:
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1 eine schematische Darstellung einer beispielhaften Anwendung mit einem erfindungsgemäßen Sensor, und
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2 eine schematische Auswertung der Steuer- und Auswerteeinheit des erfindungsgemäßen Sensors.
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Die 1 zeigt schematisch eine beispielhafte Anwendung der Erfindung, bei der der erfindungsgemäße Sensor 1 an einer Flüssigkeitsleitung L, wie z. B. einer Wasserleitung, angeschlossen ist, aus der ein Flüssigkeitsstrahl 8, insbesondere in Form eines Wasserstrahls, austritt. Hierbei kann es sich um einen Wasserhahn eines Waschbeckens handeln, der in einem Vorraum zu einem Operationssaal vorgesehen ist. Die Erfindung ist hierbei nicht auf das nähererläuterte Anwendungsbeispiel beschränkt.
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Vor einem chirurgischen Eingriff muss sich das Personal seine Hände durch Händewaschen desinfizieren. Hierbei werden spezielle Seife bzw. Waschlotionen verwendet, die Pigmente mit lumineszierenden Eigenschaften beinhalten.
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Mit Öffnen des Wasserhahns fließt der Flüssigkeitsstrahl 8 bzw. der Wasserstrahl auf einem unter dem Flüssigkeitsstrahl 8 positionierbaren Objekt 4, das in diesem Fall aus den Händen des Personals gebildet ist.
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Um die Gründlichkeit des Händewaschens zu überwachen, ist an einer Austrittöffnung der Flüssigkeitsleitung L, d. h. am Wasserhahn, ein erfindungsgemäßer Sensor 1 zum Detektieren einer Spektralverteilung vorgesehen.
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Der Sensor 1 weist einen Lichtsender 2, einen Empfänger 3 und eine Steuer- und Auswerteeinheit 5 auf. Der Lichtsender 2 dient dazu, wenigstens ein Lichtsignal 2a in den Flüssigkeitsstrahl 8 auszusenden. Hierbei kann das Lichtsignal 2a aus ultraviolettem, sichtbarem oder infrarotem Licht bestehen. Die Wellenlänge des Lichtsignales 2a ist abhängig von der optischen Eigenschaft der Flüssigkeit Fl auszuwählen. D. h. die Wellenlänge des Lichtsignales 2a muss in einem Bereich der Lichtdurchlässigkeit des Flüssigkeitsstrahls 8 liegen.
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Ferner weist der Sensor 1 eine Ein- und Auskopplungseinheit 7 mit einer Verbindungseinheit 6 auf, wobei die Verbindungseinheit 6 die Ein- und Auskopplungseinheit 7 mit der Austrittsöffnung der Flüssigkeitsleitung L verbindet. Über die Ein- und Auskopplungseinheit 7 ist somit der Sensor 1 bei diesem Anwendungsbeispiel an dem Wasserhahn befestigt und in Richtung eines nicht dargestellten Waschbeckens gerichtet.
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Hierbei ist die Verbindungseinheit 6 auch dazu vorgesehen, die Flüssigkeit Fl aus der Flüssigkeitsleitung L in Form des Flüssigkeitsstrahls 8 ins Freie zu lenken, und das Lichtsignal 2a und das reflektierte Rücklichtsignal 2b durchzulassen.
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Wie in 1 dargestellt, fließt somit die Flüssigkeit Fl entlang der Flüssigkeitsleitung L in die Verbindungseinheit 6 des Sensors 1 und wird ins Freie, vorzugsweise in Richtung des Objekts 4, d. h. die Hände des Personals, gelenkt.
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Beim Auftreffen des Flüssigkeitsstrahls 8 auf das Objekt 4, entsteht lokal eine Verwirbelung der Flüssigkeit Fl, die sich wie eine Reflexionsfläche für das Lichtsignal 2a verhält. An dieser Reflexionsfläche oder an der Oberfläche des Objektes selbst reflektiert das Lichtsignal 2a und bildet ein reflektiertes Rücklichtsignal 2b, das sich erfindungsgemäß hauptsächlich in den Flüssigkeitsstrahl 8 fortbewegt und von dem Empfänger 3 detektierbar ist.
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Wird in diesem Anwendungsbeispiel keine Seife benutzt, dann trifft das Lichtsignal 2a auf die Oberfläche des Objektes 4, die aus der Haut der Hände gebildet ist. Da die Haut eines Menschen an sich keine lumineszierende Eigenschaft ausweist, findet kein Lumineszenz-Effekt an der Oberfläche des Objektes 4 statt, so dass der Sensor 1 keine Spektralverteilung detektiert.
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Ein Auswertungsergebnis, nämlich keine Spektralverteilung detektierbar und somit keine Seife vorhanden, kann mittels einer visuellen Anzeige, vorzugsweise einer roten LED-Leuchte, angezeigt werden.
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Eine Strahlführungseinheit 9 zum Bündeln des Flüssigkeitsstrahls 8 ist vorgesehen, wobei die Strahlführungseinheit 9 ausgebildet ist, den Flüssigkeitsstrahl 8 entlang einer vorgegebenen Strecke, d. h. entsprechend einer Länge der Strahlführungseinheit 9, in eine vorgegebene Richtung, vorzugsweise in direkte Richtung zu dem Objekt 4, zu führen. Dadurch ist der Flüssigkeitsstrahl 8 dazu gezwungen, seine Form über eine wesentlich größere Entfernung beizubehalten, bevor er auseinander fällt und verwirbelt.
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Vorteilhafterweise besteht die Strahlführungseinheit 9 aus einem Material, das für die Wellenlänge des Lichtsignales 2a undurchlässig ist, so dass das Lichtsignal 2a und das Rücklichtsignal 2b in dem Flüssigkeitsstrahl 8 entlang der Strahlführungseinheit 9 ohne Abschwächung leitbar sind. D. h. insbesondere, dass das Lichtsignal 2a und das Rücklichtsignal 2b nicht aus dem Flüssigkeitsstrahl 8 emittieren und somit an Intensität abschwächen können.
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Weiterhin weist die Ein- und Auskopplungseinheit 7 eine Reflexionseinheit 7a auf, die ausgebildet ist, das ausgesendete Lichtsignal 2a in Richtung des Flüssigkeitsstrahls 8 durchzulassen und das reflektierte Rücklichtsignal 2b in Richtung des Empfängers 3 umzulenken.
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Durch solch einen Aufbau der Ein- und Auskopplungseinheit 7, aber insbesondere des Sensors 1, sind keine messenden Sensorelemente in der Flüssigkeit Fl bzw. dem Flüssigkeitsstrahl 8 angeordnet, die als „Fremdkörper” in der Flüssigkeit Fl betrachtet werden können.
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Weiterhin stehen keine messenden Sensorelemente in direktem Kontakt mit der Flüssigkeit Fl, so dass einerseits eine Abnutzung des Sensors 1 verringert ist und andererseits eine Betriebsdauer des Sensors 1 erhöht ist.
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Wenn, wie in diesem Anwendungsbeispiel, das Personal die Seife oder die Waschlotion benutzt, erzeugt das Händewaschen Seifenschaum auf den Händen, d. h. auf der Oberfläche des Objektes 4.
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Trifft nun das in den Flüssigkeitsstrahl 8 geleitete Lichtsignal 2a auf die Oberfläche des Objektes 4, insbesondere auf den Seifenschaum, erregt das Lichtsignal 2a in dem Seifenschaum enthaltende Pigmente P, die lumineszierende Eigenschaft aufweisen, so dass ein angeregter Lumineszenz-Effekt auf der Oberfläche des Objektes 4 stattfindet.
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Dieser angeregte Lumineszenz-Effekt wird in Form einer Änderung eines Spektralbereiches des Rücklichtsignales 2b wiedergegeben.
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Hierbei wird erfindungsgemäß der Spektralbereich des Rücklichtsignales 2b durch die Steuer- und Auswerteeinheit 5 erfasst, die den erfassten Spektralbereich des Rücklichtsignales 2b mit einem Referenz-Spektralbereich vergleicht, um den durch Auftreffen des Lichtsignales 2a angeregten Lumineszenz-Effekt auf der Oberfläche des Objektes 4 zu bestimmen.
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Die Steuer- und Auswerteeinheit 5 erfasst eine Spektralverteilung, insbesondere einen veränderten Spektralbereich, auf der Oberfläche des Objektes 4 aufgrund des angeregten Lumineszenz-Effektes der Seifenpigmenten und bestimmt daraus das Vorhandensein von Seife. Hierbei bewirkt die erfindungsgemäße Führung des (Erreger-)Lichtsignales 2a und des Rücklichtsignales 2b mit seiner Spektralverteilung in den Flüssigkeitsstrahl 8 mittels der Ein- und Auskopplungseinheit 7 eine hohe energetische Intensität bzw. eine große Amplitude der Signale, so dass eine genaue Auswertung ausführbar ist.
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Das Auswerteergebnis kann vorzugsweise durch eine grüne LED-Leuchte angezeigt werden.
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Ferner kann die Steuer- und Auswerteeinheit 5 durch eine Differenz-Auswertung über die Amplitude des Rücklichtsignales 2b und damit des Lumineszenz-Effektes eine Menge an Seifenpigmenten in dem Seifenschaum detektieren und daraus auf die verwendete Menge an Seife folgern. Damit kann die Steuer- und Auswerteeinheit 5 gemäß einem Ampelsystem anhand der detektierten Menge an verwendeter Seife dem Personal signalisieren, ob der Händewaschvorgang ausreichend war oder nicht.
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D. h. durch eine rote LED-Leuchte wird keine verwendete Seife signalisiert, da kein angeregter Lumineszenz-Effekt feststellbar war. Eine gelbe LED-Leuchte signalisiert, dass keine ausreichende Menge an Seife verwendet wurde, da die Amplitude des angeregten Lumineszenz-Effektes aufgrund der geringen Menge an Pigmenten zu klein ist. Eine grüne LED-Leuchte signalisiert, dass beim Händewaschvorgang Seife verwendet wurde und die verwendete Menge, d. h. die gemessene Amplitude des angeregten Lumineszenz-Effektes, groß genug ist, um eine vorgegebene hygienische Vorgabe zu erfüllen.
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Der Messvorgang wird anhand der 2 schematisch dargelegt.
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Die Steuer- und Auswerteeinheit 5 veranlasst den Lichtsender 2 das Lichtsignal 2a auszusenden.
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Wenn das Lichtsignal 2a die Reflexionseinheit 7a passiert und in den Flüssigkeitsstrahl 8 eingekoppelt ist, erhält die Steuer- und Auswerteeinheit 5 ein erstes Referenzsignal S1, und wenn das Lichtsignal 2a eine zu dem Objekt 4 hin angeordnete Öffnung der Strahlführungseinheit 9 passiert, erhält die Steuer- und Auswerteeinheit 5 ein zweites Referenzsignal S2.
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Aus dem ersten Referenzsignal S1 bestimmt die Steuer- und Auswerteeinheit 5 einen Startzeitpunkt t0 für einen Messvorgang. Mit dem Startzeitpunkt t0 erfasst die Steuer- und Auswerteeinheit 5 die Intensität bzw. die Amplitude des Lichtsignales 2a.
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Aus dem zweiten Referenzsignal S2 bestimmt die Steuer- und Auswerteeinheit 5 einen Referenzzeitpunkt t1, an dem das Lichtsignal 2a bzw. der Flüssigkeitsstrahl 8 aus der Strahlführungseinheit 9 austritt. Die Intensität bzw. die Amplitude des Lichtsignales 2a zu diesem Referenzzeitpunkt t1 wird ebenfalls von der Steuer- und Auswerteeinheit 5 erfasst.
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Das Lichtsignal 2a reflektiert an der Oberfläche des Objektes 4, und das gebildete Rücklichtsignal 2b wird an der Reflexionseinheit 7a ausgekoppelt und zum Empfänger 3 abgelenkt und zu einem Zeitpunkt t2 von der Steuer- und Auswerteeinheit 5 erfasst. Die Intensität bzw. die Amplitude des Rücklichtsignales 2b zu dem Zeitpunkt t2 wird ebenfalls von der Steuer- und Auswerteeinheit 5 bestimmt.
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Anhand einer Differenz zwischen den Amplituden des Lichtsignales 2a und des Rücklichtsignales 2b zu den erfassten Zeitpunkten bestimmt die Steuer- und Auswerteeinheit 5 eine mögliche Änderung einer Spektralverteilung des Lichtsignales 2a bzw. des Rücklichtsignales 2b.
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Wenn lediglich der Flüssigkeitsstrahl 8 auf die Oberfläche des Objektes 4 trifft, so dass kein Lumineszenz-Effekt angeregt ist, detektiert die Steuer- und Auswerteeinheit 5, dass keine Seife vorhanden ist.
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Wenn Seife verwendet wurde, trifft der Flüssigkeitsstrahl 8 auf die Oberfläche des Objektes 4 mit Seifenschaum, so dass das Lichtsignal 2a bei den vorhandenen Pigmenten P einen Lumineszenz-Effekt anregt, der eine Änderung des Spektralbereiches des Rücklichtsignales 2b gegenüber des Spektralbereiches des Lichtsignales 2a bewirkt. Hieraus folgert die Steuer- und Auswerteeinheit 5, dass eine Spektralverteilung, insbesondere ein geänderter Spektralbereich des Lichtsignales 2a, vorhanden ist und somit Seife vorhanden ist.
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Vorteilhafterweise können die detektierten Zeitpunkte t0, t1, t2 und die gleichzeitig erfassten Intensitäten bzw. Amplitude dazu genutzt werden, Fehler bei der Messung zu kompensieren.
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Weiterhin ist vorteilhafterweise in der Flüssigkeitsleitung L ein Rotor R vorgesehen, der einem nicht dargestellten Generator angehört. Der Rotor R ist mit der Steuer- und Auswerteeinheit 5 verbunden.
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Die in der Flüssigkeitsleitung L fließende Flüssigkeit Fl treibt den Rotor R an, so dass Energie erzeugt wird. Die erzeugte Energie wird der Steuer- und Auswerteeinheit 5 des Sensors 1 zugeführt, so dass der Sensor 1 eine autonome Energieversorgung aufweist.
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Ferner kann mit der Bereitstellung der Energie über die Steuer- und Auswerteeinheit 5 der Betriebszustand des Sensors 1 aktiviert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Sensor
- 2
- Lichtsender
- 2a
- Lichtsignal
- 2b
- Rücklichtsignal
- 3
- Empfänger
- 4
- Objekt
- 5
- Steuer- und Auswerteeinheit
- 6
- Verbindungseinheit
- 7
- Ein- und Auskopplungseinheit
- 7a
- Reflexionseinheit
- 8
- Flüssigkeitsstrahl
- 9
- Strahlführungseinheit
- P
- Pigmente
- Fl
- Flüssigkeit
- L
- Leitung
- R
- Rotor
- S1, S2
- erstes und zweites Referenzsignal
- t0
- Startzeitpunkt
- t1, t2
- Referenzzeitpunkt
