DE102015225457A1

DE102015225457A1 - Sensorvorrichtung zum Bestimmen zumindest einer Eigenschaft einer Flüssigkeit, wasserführendes Haushaltsgerät mit der Sensorvorrichtung sowie Verfahren zum Bestimmen zumindest einer Eigenschaft einer Flüssigkeit

Info

Publication number: DE102015225457A1
Application number: DE102015225457.7A
Authority: DE
Inventors: Oleh Fedorych; Kai Paintner
Original assignee: BSH Hausgeraete GmbH
Current assignee: BSH Hausgeraete GmbH
Priority date: 2015-12-16
Filing date: 2015-12-16
Publication date: 2017-06-22
Anticipated expiration: 2035-12-17
Also published as: DE102015225457B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung zum Bestimmen zumindest einer Eigenschaft einer Flüssigkeit, mit einer Lichtquelle zum Abstrahlen eines Lichtstrahls, welcher dazu geeignet ist, vorbestimmte Nanopartikel zur Abstrahlung eines Photolumineszenz-Spektrums anzuregen, einer Vielzahl der vorbestimmten Nanopartikel, einem Medium zum Fixieren der Vielzahl der vorbestimmten Nanopartikel, welches in direkten Kontakt mit der Flüssigkeit bringbar ist, und einem Detektor, welcher relativ zu dem Medium derart angeordnet ist, dass er zum Detektieren des von den Nanopartikeln abgestrahlten Photolumineszenz-Spektrums eingerichtet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung zum Bestimmen zumindest einer Eigenschaft einer Flüssigkeit, ein wasserführendes Haushaltsgerät mit der Sensorvorrichtung sowie ein Verfahren zum Bestimmen zumindest einer Eigenschaft einer Flüssigkeit.
Flüssigkeiten kommen in vielen herkömmlichen Geräten zum Einsatz, sei es als Spülflüssigkeit, als Schmierstoff, als Treibstoff oder um eine sonstige Funktion zu erfüllen. Diese Flüssigkeiten besitzen inhärente Eigenschaften, die beispielsweise ein Maß für die Qualität der Flüssigkeit sind. Unter diesen Eigenschaften sind insbesondere auch in der Flüssigkeit gelöste Moleküle zu sehen.
Im Falle von Wasser befinden sich häufig Ionen in dem Wasser, welche eine wichtige Rolle spielen können. Dabei sind insbesondere Wasserstoffionen, Calciumionen und Magnesiumionen zu nennen. So ist beispielsweise der pH-Wert des Wassers eine Funktion der Wasserstoffionenkonzentration. Weiterhin ist die Wasserhärte über die Calciumionenkonzentration und/oder die Magnesiumionenkonzentration bestimmt.
Herkömmliche wasserführende Haushaltsgeräte, wie eine Geschirrspülmaschine oder eine Waschmaschine, verwenden über die Hausanschlussleitung zugeführtes Leitungswasser. Die Wasserhärte des Leitungswassers hängt von verschiedenen Faktoren, wie der Wasseraufbereitung sowie den geologischen Gegebenheiten, ab. Die Wasserhärte des Leitungswassers kann zeitlichen Schwankungen unterliegen und sich sogar innerhalb eines Tages verändern.
Die Wasserhärte kann einen negativen Einfluss auf wasserführende Haushaltsgeräte haben. Sie kann beispielsweise dazu führen, dass Waschmittel und/oder Spülmittel eine reduzierte Wirksamkeit aufweisen. Für ein zufriedenstellendes Ergebnis eines Waschvorgangs und/oder eines Spülvorgangs muss die Menge des Waschmittels und/oder des Spülmittels gemäß der Wasserhärte angepasst werden. Da jedoch häufig nur sehr grobe und veraltete Werte für die Wasserhärte des Leitungswassers vorliegen, muss in diesen Fällen von dem höchsten Wert innerhalb eines qualitativen Wertebereichs (weich, mittel, hart) ausgegangen werden, was zu einer Verschwendung von Waschmittel und/oder Spülmittel führen kann. Dies kann sich sowohl ökonomisch als auch ökologisch auswirken. Die Wasserhärte kann auch ein Verkalken von Haushaltsgeräten bewirken, was die Lebensdauer der Haushaltsgeräte stark reduzieren kann. Neben der Wasserhärte kann auch der pH-Wert des Leitungswassers eine wichtige Rolle für derartige Haushaltsgeräte spielen.
Es gibt technische Möglichkeiten, die Wasserhärte zu reduzieren, um so die negativen Effekte zu eliminieren. Ebenfalls kann der pH-Wert des Leitungswassers durch entsprechende Maßnahmen in einen gewünschten Bereich gebracht werden.
Dies setzt jedoch voraus, dass die Wasserhärte und/oder der pH-Wert des Leitungswassers bekannt sind.
Eine Möglichkeit zur Bestimmung der Wasserhärte ist eine spektrale Methode, wobei eine dünne Schicht in Abhängigkeit der Konzentration von Calciumionen und/oder Magnesiumionen ihre Farbe verändert. Dokument US 8,147,758 B2 beschreibt ein Beispiel einer entsprechenden Vorrichtung. Dokument US 3,652,861 A beschreibt eine weitere Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Bestimmen der Wasserhärte. Dokument US 3,729,263 A zeigt eine weitere Vorrichtung zum Bestimmen der Wasserhärte mittels eines spektralen Verfahrens. Dokument DE 10 2012 011 195 A1 beschreibt eine weitere solche Vorrichtung. Dokument DE 10 2004 015 387 A1 zeigt eine weitere alternative Vorrichtung zum Bestimmen der Wasserhärte.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, durch die Messung der Leitfähigkeit des Leitungswassers auf die im Leitungswasser enthaltenen Ionen zu schließen. Da hierbei jedoch jegliche Ionen die Leitfähigkeit beeinflussen, also auch solche, welche die Wasserhärte nicht betreffen, ist die Methode nicht genau.
Eine weitere Möglichkeit basiert auf einer Abhängigkeit der Transmission eines Lichtstrahls durch ein vorgegebenes Volumen eines Gemisches des Leitungswassers, welches eine unbekannte Konzentration von Calciumionen und/oder Magnesiumionen enthält, mit einem Farbindikator. Bei dieser Methode muss das vorgegebene Volumen des Leitungswassers manuell mit dem Indikator titriert werden. Darüber hinaus ist die Methode problembehaftet, da der Lichtstrahl bei der Transmission durch das Gemisch in Abhängigkeit der Wellenlänge unterschiedlich gebrochen wird. Dies führt dazu, dass aufwendige optische Vorrichtungen verwendet werden müssen, um eine Bestimmung zu ermöglichen.
Andere Flüssigkeiten, insbesondere Schmierstoffe, wie Öle, zeigen beispielsweise eine gebrauchsabhängige Alterung, wobei sich die Qualität der Flüssigkeit mit zunehmender Alterung verschlechtert. Bei der Alterung kann sich beispielsweise die chemische Struktur der Flüssigkeit ändern. Somit kann eine veränderte chemische Struktur ein Indikator für die Qualität der Flüssigkeit sein.
Vor diesem Hintergrund besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, das Bestimmen einer Eigenschaft einer Flüssigkeit, wie die Ionenkonzentration einer vorgegebenen Ionensorte, zu verbessern.
Gemäß einem ersten Aspekt wird eine Sensorvorrichtung zum Bestimmen zumindest einer Eigenschaft einer Flüssigkeit vorgeschlagen. Die Sensorvorrichtung umfasst eine Lichtquelle zum Abstrahlen eines Lichtstrahls, welcher dazu geeignet ist, vorbestimmte Nanopartikel zur Abstrahlung eines Photolumineszenz-Spektrums anzuregen. Weiterhin umfasst die Sensorvorrichtung eine Vielzahl der vorbestimmten Nanopartikel, ein Medium zum Fixieren der Vielzahl der vorbestimmten Nanopartikel, welches in direkten Kontakt mit der Flüssigkeit bringbar ist, und einen Detektor, welcher relativ zu dem Medium derart angeordnet ist, dass er zum Detektieren des von den Nanopartikeln abgestrahlten Photolumineszenz-Spektrums eingerichtet ist.
Das detektierte Photolumineszenz-Spektrum ermöglicht vorteilhafterweise die Bestimmung zumindest einer Eigenschaft einer Flüssigkeit. Die Flüssigkeit ist insbesondere Wasser. Die zumindest eine Eigenschaft ist insbesondere eine Ionenkonzentration, beispielsweise eine Wasserstoffionenkonzentration, eine Calciumionenkonzentration und/oder eine Magnesiumionenkonzentration. Über die Wasserstoffionenkonzentration ist insbesondere auch der pH-Wert der Flüssigkeit bestimmbar.
Gemäß einer ersten Ausführungsform umfasst die Sensorvorrichtung eine Bestimmungseinheit, welche dazu eingerichtet ist, die zumindest eine Eigenschaft der Flüssigkeit mittels des von dem Detektor detektierten Photolumineszenz-Spektrums zu bestimmen.
Die Bestimmungseinheit kann hardwaretechnisch und/oder auch softwaretechnisch implementiert sein. Bei einer hardwaretechnischen Implementierung kann die Bestimmungseinheit als Vorrichtung oder als Teil einer Vorrichtung, zum Beispiel als Computer oder als Mikroprozessor ausgebildet sein. Bei einer softwaretechnischen Implementierung kann die Bestimmungseinheit als Computerprogrammprodukt, als eine Funktion, als eine Routine, als Teil eines Programmcodes oder als ausführbares Objekt ausgebildet sein. Dies ermöglicht vorteilhafterweise eine einfache Reprogrammierung der für den Betrieb der Sensorvorrichtung benötigten Betriebsdaten.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Sensorvorrichtung ist das Medium in der Flüssigkeit durch Aufnahme einer Quellflüssigkeit quellbar, wobei die Quellflüssigkeit eine Zusammensetzung in Abhängigkeit der zumindest einen Eigenschaft der Flüssigkeit aufweist.
Das Medium erfüllt hierbei eine Doppelfunktion. Erstens dient es zur Fixierung der Nanopartikel in der Flüssigkeit, und zweitens ist es dazu geeignet, die Nanopartikel in einen direkten Kontakt mit zumindest der Quellflüssigkeit zu bringen, wobei die Quellflüssigkeit in ihrer Zusammensetzung in eindeutiger Weise von der zumindest einen Eigenschaft der Flüssigkeit abhängt. Die Gesamtheit aus dem Medium und den von dem Medium fixierten Nanopartikeln wird auch Nanokomposit genannt. Ein derartiges quellbares Medium kann beispielsweise als Polymernetzwerk ausgebildet sein. Ein quellbares Medium wird in diesem Zusammenhang auch Gel genannt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Vielzahl der vorbestimmten Nanopartikel in direkten Kontakt mit der Quellflüssigkeit bringbar und zur Abstrahlung des Photolumineszenz-Spektrums in Abhängigkeit der Zusammensetzung der Quellflüssigkeit geeignet.
Dies ermöglicht vorteilhafterweise, dass die Nanopartikel mit in der Quellflüssigkeit enthaltenen Molekülen reagieren können. Dies sind zum Beispiel Calciumionen, die an die Nanopartikel anbinden können. Dies kann zu einer Änderung des von den Nanoartikeln abgestrahlten Photolumineszenz-Spektrums führen. Mittels der Detektion eines derart veränderten Photolumineszenz-Spektrums kann somit vorteilhafterweise auf die Zusammensetzung der Quellflüssigkeit und daher ebenfalls auf die zumindest eine Eigenschaft der Flüssigkeit geschlossen werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die Sensorvorrichtung einen Kondensator, welcher dazu geeignet ist, ein elektrisches Feld am Ort des Mediums und der das Medium umgebenden Flüssigkeit zu erzeugen.
Das elektrische Feld kann zu einer ortsabhängigen Änderung des pH-Werts und mithin der Wasserstoffionenkonzentration führen. Die Anbindung von zum Beispiel Calciumionen an die Nanopartikel kann eine Funktion des pH-Werts sein. Daher kann mittels des elektrischen Feldes vorteilhafterweise die Anbindung von Calciumionen an die Nanopartikel gesteuert, insbesondere auch rückgängig gemacht werden, wobei sich die Calciumionen von den Nanopartikeln ablösen. Die Nanopartikel können somit in ihren Ausgangszustand zurückgeführt werden. Dies ermöglicht eine erneute Messung der zumindest einen Eigenschaft der Flüssigkeit. Unter einer Messung wird hierbei verstanden, dass die zumindest eine Eigenschaft der Flüssigkeit mittels der vorgeschlagenen Sensorvorrichtung bestimmt wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Sensorvorrichtung eine Steuerungsvorrichtung auf, welche dazu eingerichtet ist, das Abstrahlen des Lichtstrahls durch die Lichtquelle, das Detektieren des Photolumineszenz-Spektrums durch den Detektor, das Bestimmen der zumindest einen Eigenschaft der Flüssigkeit durch die Bestimmungseinheit, ein Speichern der zumindest einen Eigenschaft der Flüssigkeit auf einem Speichermedium, ein Ausgeben der zumindest einen Eigenschaft der Flüssigkeit mittels einer Ausgabevorrichtung und/oder ein Ansteuern des Kondensators zur Erzeugung des elektrischen Feldes an dem Ort des Mediums und der das Medium umgebenden Flüssigkeit zu veranlassen.
Die Steuerungseinrichtung ermöglicht damit vorteilhafterweise einen vollautomatischen Betrieb der Sensorvorrichtung. Die Steuerungseinrichtung kann dabei vorteilhafterweise sowohl für den Betrieb der Sensorvorrichtung als auch für den Betrieb eines die Sensorvorrichtung umfassenden technischen Gerätes, insbesondere eines Haushaltsgerätes, verwendet werden.
Die Steuerungseinrichtung kann beispielsweise auch eine Eingabevorrichtung und Eingabemittel umfassen, womit die Sensorvorrichtung von einem Benutzer gesteuert werden kann. Die Eingabemittel können z.B. über Tasten an dem Haushaltsgerät realisiert sein oder auch durch einen berührungsempfindlichen Bildschirm.
Die Ausgabevorrichtung umfasst z.B. ein Display, insbesondere einen berührungsempfindlichen Bildschirm, eine drahtgebundene und/oder drahtlose Datenverbindung, und/oder einen Lautsprecher. Über eine Datenverbindung kann die zumindest eine Eigenschaft der Flüssigkeit auf ein externes Gerät, z.B. ein Personal Computer, Laptop, PDA und/oder Smartphone übertragen werden. Dies ist besonders benutzerfreundlich, da ein Benutzer somit nicht das technische Gerät aufsuchen muss, um die gewünschten Informationen zu erhalten. Insbesondere können hierbei auch entsprechende Informationen von mehreren technischen Geräten an einer zentralen Einheit abgerufen werden. Zudem kann die Datenverbindung dazu verwendet werden, weitere aktuelle Statusangaben über das technische Gerät zu übertragen, wie eventuell vorliegende Wartungs- und/oder Fehlerinformationen, allgemeine Statusinformationen, zum Beispiel eine verbleibende Zeit bis zu einem Programmende eines Geschirrspülprogramms einer Geschirrspülmaschine, und dergleichen mehr. Dies hat den weiteren Vorteil, dass ein Benutzer oder auch Servicetechniker komfortabel an einer zentralen Einheit alle Informationen zu dem Haushaltsgerät betrachten und analysieren kann. Weiterhin können mittels der Datenverbindung weitere Eingabemittel, die beispielsweise von einem externen Gerät bereitgestellt werden, eingebunden werden. Somit kann die Steuerungseinrichtung auch von dem externen Gerät gesteuert werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Sensorvorrichtung ist die Flüssigkeit Wasser und die zumindest eine Eigenschaft der Flüssigkeit ist eine Ionenkonzentration, wie eine Wasserstoffionenkonzentration, eine Calciumionenkonzentration oder eine Magnesiumionenkonzentration.
Damit ist die Sensorvorrichtung insbesondere zur Bestimmung der Wasserhärte von Leitungswasser und/oder des pH-Wertes eingerichtet.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Sensorvorrichtung umfasst das Medium ein Hydrogel und/oder die Nanopartikel umfassen Gold-Nanopartikel, Kohlenstoff-Nanopartikel, Titan-Nanopartikel und/oder Titanoxid-Nanopartikel.
Unter einem Hydrogel wird ein Medium verstanden, welches in Wasser quellbar ist. Nanopartikel, auch Nanokristalle oder Quantenpunkte genannt, sind Partikel mit einer Größe im Bereich von Nanometern, zum Beispiel bis zu 10 nm, bis zu 20 nm, oder auch bis zu 50 nm.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die Lichtquelle einen Laser, eine Leuchtdiode, eine Kompaktleuchtstofflampe, eine Halogenlampe, eine Metalldampflampe und/oder eine Gasentladungslampe.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die Lichtquelle eine Optik, welche zur Bereitstellung des Lichtstrahls eingerichtet ist.
Die Verwendung einer Optik ermöglicht es vorteilhafterweise, einen Lichtstrahl bereitzustellen, der bestimmte Anforderungen erfüllt. Diese bestimmten Anforderungen können beispielsweise eine schmale spektrale Intensitätsverteilung, insbesondere eine monochromatische Intensitätsverteilung, eine geeignete Wellenlänge des Maximums der spektralen Intensitätsverteilung, eine geeignete Kollimation des Lichtstrahls und/oder eine geeignete Intensität sein. Unter einer schmalen spektralen Intensitätsverteilung wird hierbei verstanden, dass die Halbwertsbreite der Intensitätsverteilung beispielsweise weniger als 10 nm, weniger als 25 nm, weniger als 50 nm oder auch weniger als 100 nm beträgt. Die Halbwertsbreite bezeichnet einen spektralen Bereich, in dem das Maximum der Intensitätsverteilung liegt und der durch eine obere und eine untere Grenzwellenlänge begrenzt ist. Die obere und die untere Grenzwellenlänge werden dabei so festgelegt, dass die Intensität bei der oberen und der unteren Grenzwellenlänge auf die Hälfte des Maximums abgesunken ist. Die geeignete Wellenlänge des Maximums der spektralen Intensitätsverteilung wird insbesondere durch eine benötigte Energie zur Anregung der Nanopartikel zur Abstrahlung eines Photolumineszenz-Spektrums bestimmt. Unter einer geeigneten Kollimation des Lichtstrahls wird verstanden, dass dieser sich auf einer vorgegebenen Wegstrecke maximal um einen vorgegebenen Wert aufweitet. Die vorgegebene Wegstrecke kann beispielsweise 10 cm betragen und der vorgegebene Wert beispielsweise 10% des ursprünglichen Durchmessers des Lichtstrahls. Unter einer geeigneten Intensität wird verstanden, dass diese ausreicht, um eine Anzahl der Nanopartikel zur Abstrahlung eines Photolumineszenz-Spektrums derart anzuregen, dass das Photolumineszenz-Spektrum eine von dem Detektor detektierbare Intensität aufweist. Die Optik umfasst insbesondere eine Anzahl von Linsen und/oder Spiegeln und/oder Filtern.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst der Detektor einen CCD-Sensor, einen CMOS-Sensor, eine Photodiode und/oder ein Photodiodenarray.
Dies ermöglicht vorteilhafterweise eine einfache Detektion des spektralen Photolumineszenz-Spektrums und damit eine Bestimmung der zumindest einen Eigenschaft der Flüssigkeit mittels der Bestimmungseinheit.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die Sensorvorrichtung einen Behälter zur Aufnahme der Flüssigkeit. Dabei weist der Behälter zumindest ein Fenster auf, welches zur Transmission des Lichtstrahls und/oder des Photolumineszenz-Spektrums geeignet ist, wobei das Medium umfassend die Vielzahl der vorbestimmten Nanopartikel derart in dem Behälter angeordnet ist, dass der durch das Fenster transmittierte Lichtstrahl zur Anregung der Nanopartikel zur Abstrahlung des Photolumineszenz-Spektrums geeignet ist, und das von den Nanopartikeln abgestrahlte und durch das Fenster transmittierte Photolumineszenz-Spektrum von dem Detektor detektierbar ist.
Diese Ausführungsform ermöglicht es vorteilhafterweise, die Sensorvorrichtung in einen Flüssigkeitskreislauf zu integrieren. Ein solcher Flüssigkeitskreislauf ist beispielsweise die Leitungswasserzuführung für ein wasserführendes Haushaltsgerät. Somit kann zum Beispiel zu einem von einem Benutzer wählbaren Zeitpunkt, zum Beispiel vor dem Starten eines Spülprogramms einer Geschirrspülmaschine, die zumindest eine bestimmte Eigenschaft der Flüssigkeit bestimmt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Sensorvorrichtung ist das Medium als ein Lichtleiter ausgebildet. Der Lichtleiter umfasst ein Lichtleiter-Medium, die Vielzahl der Nanopartikel und ein Substrat, welches an seiner Oberfläche Ankermoleküle zur Anbindung der Nanopartikel an die Oberfläche aufweist. Die Lichtquelle und der Lichtleiter sind derart zueinander angeordnet, dass der Lichtstrahl an einem ersten Ende des Lichtleiters in dieses einkoppelbar ist. Der Lichtleiter ist weiterhin dazu geeignet, den eingekoppelten Lichtstrahl so zu leiten, dass dieser zur Anregung der Nanopartikel zur Abstrahlung des Photolumineszenz-Spektrums geeignet ist, und das abgestrahlte Photolumineszenz-Spektrum so zu leiten, dass dieses an einem zweiten Ende des Lichtleiters auskoppelbar ist. Der Lichtleiter und der Detektor sind derart zueinander angeordnet, dass das ausgekoppelte Photolumineszenz-Spektrum durch den Detektor detektierbar ist.
Diese Ausführungsform bietet den Vorteil eines offenen Aufbaus, womit sie besonders für eine mobile Anwendung der Sensorvorrichtung geeignet ist. Darüber hinaus weist diese Ausführungsform den Vorteil auf, dass das Photolumineszenz-Spektrum, welches von den Nanopartikeln abgestrahlt wird, zu dem Detektor geleitet wird und dadurch in einer hohen Intensität verfügbar gemacht wird. Dies begünstigt ein gutes Signal-Rausch-Verhältnis.
Das Lichtleiter-Medium kann beispielsweise als Polymernetzwerk, insbesondere als Gel, ausgebildet sein.
Das Substrat kann beispielsweise eine Glasfaser umfassen. Das Substrat erfüllt insbesondere die Funktion, dem Lichtleiter eine mechanische Stabilität zu geben sowie Ankermoleküle für die Anbindung der Nanopartikel bereitzustellen. Alternativ sind die Nanopartikel in dem Nanokomposit fixiert, wobei dann das Nanokomposit auf der Oberfläche des Substrats haftet. Insbesondere erfüllt das Nanokomposit dann auch die Funktion des Lichtleiter-Mediums.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die Sensorvorrichtung ein tragbares Gehäuse, in welchem die Lichtquelle, das Medium umfassend die Vielzahl der vorbestimmten Nanopartikel und der Detektor integriert sind, und welches für die Zuführung und Abführung der Flüssigkeit eingerichtet ist.
In dieser Ausführungsform kann die Sensorvorrichtung in vorteilhafterweise an mehreren Orten, zum Beispiel für mehrere wasserführende Haushaltsgeräte, eingesetzt werden.
Gemäß einem zweiten Aspekt wird ein wasserführendes Haushaltsgerät, insbesondere eine Geschirrspülmaschine, mit einer wie oben erläuterten Sensorvorrichtung vorgeschlagen.
Das wasserführende Haushaltsgerät kann auch eine Waschmaschine, ein Wäschetrockner, eine Kaffeemaschine, ein Wasserkocher oder ein Dampfgarer sein.
Gemäß einem dritten Aspekt wird ein Verfahren zum Bestimmen zumindest einer Eigenschaft einer Flüssigkeit vorgeschlagen. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte: Fixieren einer Vielzahl von vorbestimmten Nanopartikeln, welche zur Abstrahlung eines Photolumineszenz-Spektrums bei Anregung durch einen Lichtstrahl geeignet sind, in der Flüssigkeit, Abstrahlen eines Lichtstrahls auf die Vielzahl der in der Flüssigkeit fixierten Nanopartikel derart, dass die Vielzahl der in der Flüssigkeit fixierten Nanopartikel zur Abstrahlung des Photolumineszenz-Spektrums durch den Lichtstrahl angeregt werden, und Detektieren des von der Vielzahl von Nanopartikel abgestrahlten Photolumineszenz-Spektrums.
Die für die vorgeschlagene Vorrichtung beschriebenen Ausführungsformen und Merkmale gelten für das vorgeschlagene Verfahren entsprechend.
Weitere mögliche Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale oder Ausführungsformen. Dabei wird der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der Erfindung hinzufügen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Aspekte der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiele der Erfindung. Im Weiteren wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigelegten Figuren näher erläutert.
1 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels einer Sensorvorrichtung;
2 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Sensorvorrichtung;
3 zeigt eine schematische Darstellung eines Quellvorgangs eines quellbaren Nanokomposits in einer Flüssigkeit;
4 zeigt eine schematische Darstellung eines von einem Kondensator erzeugten elektrischen Feldes;
5 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines dritten Ausführungsbeispiels einer Sensorvorrichtung;
6 zeigt einen Detailausschnitt eines Ausführungsbeispiels des Mediums der 5;
7 zeigt einen Querschnitt eines Ausführungsbeispiels des Mediums der 5;
8 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines Gehäuses umfassend eine Ausführungsform der Sensorvorrichtung nach einer der 1, 2 oder 5;
9 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines wasserführenden Haushaltsgeräts mit einer Ausführungsform der Sensorvorrichtung nach einer der 1, 2 oder 5; und
10 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Bestimmung zumindest einer Eigenschaft einer Flüssigkeit.
In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit denselben Bezugszeichen versehen worden, sofern nichts anderes angegeben ist.
1 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels einer Sensorvorrichtung 1.
Die Sensorvorrichtung 1 umfasst eine Lichtquelle 3, einen Behälter 15, ein Nanokomposit 20 umfassend ein Medium 7 sowie eine Vielzahl an vorbestimmten Nanopartikeln 5 und einen Detektor 8.
Die Lichtquelle 3 ist dazu eingerichtet, einen Lichtstrahl 4 mit geeigneten Eigenschaften bereitzustellen. Hierzu kann die Lichtquelle 3 eine Lichterzeugungsvorrichtung (nicht gezeigt) sowie eine Optik (nicht gezeigt) umfassen. Die Optik kann weiterhin eine Anzahl von Linsen, Spiegeln und/oder Filtern umfassen. Geeignete Eigenschaften des Lichtstrahls 4 sind beispielsweise eine schmale spektrale Intensitätsverteilung, insbesondere eine monochromatische Intensitätsverteilung, eine geeignete Wellenlänge des Maximums der spektralen Intensitätsverteilung, eine geeignete Kollimation des Lichtstrahls 4 und/oder eine geeignete Intensität. Unter einer schmalen spektralen Intensitätsverteilung wird hierbei verstanden, dass die Halbwertsbreite der Intensitätsverteilung beispielsweise weniger als 10 nm, weniger als 25 nm, weniger als 50 nm oder auch weniger als 100 nm beträgt. Die Halbwertsbreite bezeichnet einen spektralen Bereich, in dem das Maximum der Intensitätsverteilung liegt und der durch eine obere und eine untere Grenzwellenlänge begrenzt ist. Die obere und die untere Grenzwellenlänge werden dabei so festgelegt, dass die Intensität bei der oberen und der unteren Grenzwellenlänge auf die Hälfte des Maximums abgesunken ist. Die geeignete Wellenlänge des Maximums der spektralen Intensitätsverteilung wird insbesondere durch eine benötigte Energie zur Anregung der Nanopartikel 5 zur Abstrahlung eines Photolumineszenz-Spektrums 6 bestimmt. Unter einer geeigneten Kollimation des Lichtstrahls 4 wird verstanden, dass dieser sich auf einer vorgegebenen Wegstrecke maximal um einen vorgegebenen Wert aufweitet. Die vorgegebene Wegstrecke kann beispielsweise 10 cm betragen und der vorgegebene Wert beispielsweise 10% des ursprünglichen Durchmessers des Lichtstrahls 4. Unter einer geeigneten Intensität wird verstanden, dass diese ausreicht, um eine Anzahl der Nanopartikel 5 zur Abstrahlung eines Photolumineszenz-Spektrums 6 anzuregen derart, dass das Photolumineszenz-Spektrum 6 eine von dem Detektor 8 detektierbare Intensität aufweist.
Der Behälter 15 ist dazu eingerichtet, eine Flüssigkeit 2 aufzunehmen. Hierzu ist der Behälter 15 im Beispiel der 1 mittels einer Zuführleitung 101 und einer Auslassleitung 102 an einen Flüssigkeitskreislauf (nicht dargestellt) angeschlossen. Der Behälter 15 umfasst ferner zwei Fenster 16, welcher dazu geeignet sind, zumindest den Lichtstrahl 4 und/oder das Photolumineszenz-Spektrum 6 zu transmittieren. Die Fenster 16 sind insbesondere relativ zu dem Lichtstrahl 4 und/oder dem Photolumineszenz-Spektrum 6 so angeordnet, dass eine Ausbreitungsrichtung des Lichtstrahls 4 und/oder des Photolumineszenz-Spektrums 6 senkrecht auf eine Grenzfläche der Fenster 16 fällt. Der Behälter 15 hat beispielsweise einen quadratischen, einen rechteckigen und/oder einen runden Querschnitt. Der Behälter 15, die Fenster 16 sowie die Zuführleitung 101 und die Auslassleitung 102 sind aus einem geeigneten Material gefertigt. Unter einem geeigneten Material wird hierbei verstanden, dass dieses Material bestimmte Anforderungen an die Verarbeitbarkeit, Gewicht, Stabilität, Preis und/oder chemische Resistenz erfüllt. Das Material kann insbesondere auch ein Komposit aus verschiedenen Materialien sein und/oder eine Schichtstruktur oder eine andere Mikro- und/oder Makrostruktur aufweisen.
Das Nanokomposit 20 umfasst das Medium 7 sowie die Vielzahl der vorbestimmten Nanopartikel 5. Das Nanokomposit 20 ist in geeigneter Weise, beispielsweise mittels eines Rahmens und/oder einer Halterung (nicht gezeigt) in dem Behälter 15 derart positioniert und fixiert, dass der Lichtstrahl 4 in das Nanokomposit 20 eindringen kann und die Nanopartikel 5 zur Abstrahlung des Photolumineszenz-Spektrums 6 anregen kann, und dass das Photolumineszenz-Spektrum 6 durch das Fenster 16 transmittiert und von dem Detektor 8 detektiert werden kann. Außerdem kann das Nanokomposit 20 in direkten Kontakt mit der Flüssigkeit 2 gebracht werden.
Das Medium 7 ist insbesondere dazu geeignet, die Nanopartikel 5 derart zu fixieren, dass diese nicht ausgewaschen werden. Das Medium 7 ist beispielweise als Polymer-Netzwerk und/oder als Gel ausgebildet, beispielsweise als Polyethylenglykol-Netzwerk. Unter einem Gel wird verstanden, dass das Medium 7 dazu geeignet ist, eine Quellflüssigkeit 10 (siehe 3) derart aufzunehmen, dass die Quellflüssigkeit 10 eine Zusammensetzung in Abhängigkeit der zumindest einen Eigenschaft der Flüssigkeit 2 aufweist. Weiterhin können die mittels des Mediums 7 fixierten Nanopartikel 5 in direkten Kontakt mit der Quellflüssigkeit 10 gebracht werden. Die Zusammensetzung der Quellflüssigkeit 10 wird durch die Eigenschaften der Flüssigkeit 2 und/oder des Mediums 7 bestimmt. Beispielsweise kann eine Ionenkonzentration von 10% bezogen auf die Masse in der Flüssigkeit 2 in einer Zusammensetzung der Quellflüssigkeit 10 mit einer Ionenkonzentration der gleichen Ionensorte von 20% bezogen auf die Masse resultieren.
Die Nanopartikel 5 sind dazu geeignet, durch den Lichtstrahl 4 zum Abstrahlen eines Photolumineszenz-Spektrums 6 angeregt zu werden. Die Nanopartikel 5 sind Partikel mit einem Durchmesser von bis zu 5 nm, bis zu 10 nm, bis zu 25 nm oder auch bis zu 50 nm. Die Nanopartikel 5 haben vorzugsweise eine sphärische Form, können aber auch andere Formen aufweisen. Die benötigte Anregungsenergie der Nanopartikel 5 zur Abstrahlung eines Photolumineszenz-Spektrums 6 hängt zumindest vom Material als auch von der Größe der Nanopartikel 5 ab. Die Nanopartikel 5 können in direkten Kontakt mit der Quellflüssigkeit 10 gebracht werden. Dabei können die Nanopartikel 5 mit in der Quellflüssigkeit 10 enthalten Partikeln, insbesondere darin gelösten Ionen, reagieren. Zum Beispiel können Calciumionen an die Nanopartikel 5 binden. Das von den Nanopartikeln 5 abgestrahlte Photolumineszenz-Spektrum 6 zeigt dabei eine Abhängigkeit von an die Nanopartikel 5 gebundenen Teilchen. Das Photolumineszenz-Spektrum 6 kann mit geeigneten Parametern charakterisiert werden. Geeignete Parameter sind insbesondere ein Intensitätsmaximum und/oder eine Halbwertsbreite des Photolumineszenz-Spektrums 6. Beispielsweise liegt das Intensitätsmaximum eines ersten Photolumineszenz-Spektrums 6 von reinen Nanopartikeln 5 bei einer Wellenlänge von 530 nm und das Intensitätsmaximum eines zweiten Photolumineszenz-Spektrums 6 von Nanopartikeln 5 mit einer Anzahl von an diese gebundenen Calciumionen bei einer Wellenlänge von 700 nm. Darüber hinaus kann die Halbwertsbreite des ersten Photolumineszenz-Spektrums 6 im Vergleich mit der Halbwertsbreite des zweiten Photolumineszenz-Spektrums 6 verändert sein. Insbesondere hängen die Parameter des Photolumineszenz-Spektrums 6 in charakteristischer Weise von der Konzentration und/oder der Sorte der Ionen und/oder auch von weiteren Eigenschaften der Quellflüssigkeit 10 ab. Es lässt sich daher aus einer Messung dieser und/oder weiterer Parameter des Photolumineszenz-Spektrums 6 auf die zumindest eine Eigenschaft der Flüssigkeit 2 schließen. Unter einer Messung wird hierbei verstanden, dass die Nanopartikel 5 mittels des Lichtstrahls 4 zur Abstrahlung eines Photolumineszenz-Spektrums 6 angeregt werden und dieses von dem Detektor 8 detektiert wird. Die oben genannten Zahlenwerte sind nur Beispiele und können sich von tatsächlich auftretenden Werten unterscheiden.
Der Detektor 8 ist dazu eingerichtet, das Photolumineszenz-Spektrum 6 zu detektieren. Dazu ist der Detektor 8 insbesondere geeignet, die spektrale Intensitätsverteilung des Photolumineszenz-Spektrums 6 zu detektieren. Der Detektor 8 weist weiterhin eine geeignete Empfindlichkeit auf. Unter einer geeigneten Empfindlichkeit wird hierbei insbesondere verstanden, dass der Detektor 8 dazu eingerichtet ist, die Intensität des Photolumineszenz-Spektrums 6 mit einer vorgegebenen spektralen Auflösung, beispielsweise 5 nm, derart zu detektieren, dass in dem gesamten detektierten Photolumineszenz-Spektrum 6 die für die Bestimmung der zumindest einen Eigenschaft der Flüssigkeit 2 benötigten Parameter enthalten sind. Das heißt insbesondere, dass die Halbwertsbreite und/oder die Wellenlänge der maximalen Intensität des Photolumineszenz-Spektrums 6 bestimmbar sind. Der Detektor 8 ist dabei beispielsweise als CCD-Sensor, als CMOS-Sensor oder als ein weiteres lichtempfindliches Bauteil, insbesondere als Photodiode oder ein Array von Photodioden, ausgebildet.
Des Weiteren weist die Sensorvorrichtung 1 der 1 einen Kondensator 11, eine Bestimmungseinheit 9, eine Steuerungsvorrichtung 12, ein Speichermedium 13 sowie eine Ausgabevorrichtung 14 auf.
Der Kondensator 11 kann über elektrische Leitungen mit einer Spannungsquelle U verbunden werden. Der Kondensator 11 ist derart angeordnet, dass er ein elektrisches Feld E (siehe 4) im Bereich des Nanokomposits 20 sowie der umgebenden Flüssigkeit 2 erzeugen kann. Die Elektroden des Kondensators 11 sind dabei derart ausgebildet, dass sich der Lichtstrahl 4 und/oder das Photolumineszenz-Spektrum 6 ungehindert im Sinne einer Messung ausbreiten können. Wenn an den Kondensator 11 mittels der Spannungsquelle U eine elektrische Spannung angelegt wird, bildet sich ein elektrisches Feld E aus. Dieses elektrische Feld E beeinflusst die in der Flüssigkeit 2 und/oder in der Quellflüssigkeit 10 gelösten Ionen. Insbesondere kann hierdurch eine Wasserstoffionenkonzentration, und mithin ein pH-Wert, so beeinflusst werden, dass diese an unterschiedlichen Orten in dem elektrischen Feld E unterschiedliche Werte annimmt. Da die Bindung von Ionen an die Nanopartikel 5 auch eine Funktion des pH-Wertes sein kann, kann hiermit vorteilhafterweise erreicht werden, dass bereits angebundene Ionen sich wieder ablösen. Somit können die Nanopartikel 5 in ihren Grundzustand versetzt werden. Der Grundzustand beschreibt hierbei den Zustand ohne angebundene Ionen.
Die Bestimmungseinheit 9 ist dazu eingerichtet, mittels des von dem Detektor 8 detektierten Photolumineszenz-Spektrums 6 die zumindest eine Eigenschaft der Flüssigkeit 2 zu bestimmen. Hierfür verfügt die Bestimmungseinheit 9 über alle dazu benötigten Informationen, die Betriebsdaten. Diese umfassen insbesondere die Abhängigkeit der Zusammensetzung der Quellflüssigkeit 10 von der zumindest einen Eigenschaft der Flüssigkeit 2 sowie die Abhängigkeit des Photolumineszenz-Spektrums 6 von der Zusammensetzung der Quellflüssigkeit 10.
Die Steuerungsvorrichtung 12 ist dazu eingerichtet, die weiteren Komponenten der Sensorvorrichtung 1 anzusteuern. Dieses Ansteuern erfolgt insbesondere derart, dass die zumindest eine Eigenschaft der Flüssigkeit 2 bestimmt wird. Das Ansteuern umfasst dabei ein Anschalten der Lichtquelle 3 zum Abstrahlen des Lichtstrahls 4, ein Detektieren des durch das Fenster 16 transmittierten Photolumineszenz-Spektrums 6 mittels des Detektors 8, ein Bestimmen der zumindest einen Eigenschaft der Flüssigkeit 2 mittels der Bestimmungseinheit 9 sowie ein Speichern der zumindest einen Eigenschaft der Flüssigkeit 2 mittels des Speichermediums 13 und/oder ein Ausgeben der zumindest einen Eigenschaft der Flüssigkeit 2 mittels der Ausgabevorrichtung 14.
Die Steuerungsvorrichtung 12 kann hardwaretechnisch und/oder auch softwaretechnisch implementiert sein. Bei einer hardwaretechnischen Implementierung kann die Steuerungseinrichtung 12 als Vorrichtung oder als Teil einer Vorrichtung, zum Beispiel als Computer oder als Mikroprozessor ausgebildet sein. Bei einer softwaretechnischen Implementierung kann die Steuerungsvorrichtung 12 als Computerprogrammprodukt, als eine Funktion, als eine Routine, als Teil eines Programmcodes oder als ausführbares Objekt ausgebildet sein.
Das Speichermedium 13 ist bevorzugt als permanenter Massenspeicher, beispielsweise als Magnetspeicher oder als Flashspeicher, ausgeführt und ist dazu geeignet, eine Mehrzahl an Messwerten dauerhaft abzuspeichern, auf Abruf bereitzustellen und auch wieder zu löschen. Ein Messwert bezeichnet dabei beispielsweise das Ergebnis der Bestimmung der zumindest einen Eigenschaft der Flüssigkeit 2.
Die Ausgabevorrichtung 14 ist dazu eingerichtet, einen Messwert auszugeben. Dies kann z.B. durch eine akustische Ausgabe stattfinden, wobei die Ausgabevorrichtung 14 dann einen Lautsprecher umfasst. Die Ausgabe kann auch mittels einer Anzeige des Messwertes auf einem Bildschirm, insbesondere einem berührungsempfindlichen Bildschirm, oder auf einer alternativen Anzeige, beispielsweise einer Digitalanzeige oder einem Zeigermessinstrument, erfolgen.
Insbesondere umfasst die Ausgabevorrichtung 14 dabei auch Ausgabemittel, um Daten, wie Messwerte, zu übertragen. Die Ausgabemittel sind dabei beispielsweise als kabelgebundene oder kabellose Schnittstelle ausgeführt. Kabelgebundene Schnittstellen sind beispielsweise USB, Firewire, LAN, RS-232. Kabellose Schnittstellen umfassen WLAN, Bluetooth, Funk, RFID.
2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Sensorvorrichtung 1. Die Sensorvorrichtung 1 der 2 umfasst eine Lichtquelle 3, einen Behälter 15 zur Aufnahme einer Flüssigkeit 2, eine Zuführleitung 101 sowie eine Auslassleitung 102 zum Anschluss der Sensorvorrichtung 1 an einen Flüssigkeitskreislauf (nicht gezeigt), einen Kondensator 11, der mittels elektrischer Leitungen mit einer Spannungsquelle U verbunden werden kann, und einen Detektor 8. Der Behälter 15 umfasst ein Fenster 16, welches geeignet ist, einen Lichtstrahl 4 sowie ein von einer Vielzahl an vorbestimmten Nanopartikeln 5 abgestrahltes Photolumineszenz-Spektrum 6 zu transmittieren. In dem Behälter 15 ist ebenfalls ein Nanokomposit 20 umfassend ein Medium 7 und die von dem Medium 7 fixierte Vielzahl der vorbestimmten Nanopartikel 5 angeordnet. Die Sensorvorrichtung 1 des Ausführungsbeispiels der 2 kann auch eine Bestimmungseinheit 9, eine Steuerungsvorrichtung 12, ein Speichermedium 13 und/oder eine Ausgabevorrichtung 14 umfassen, welche aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt sind.
Darüber hinaus zeigt das Ausführungsbeispiel der 2 einen Strahlteiler 201, welcher dazu geeignet ist, einen gewissen Anteil einer einfallenden Intensität zu reflektieren, während der verbleibende Anteil der einfallenden Intensität transmittiert wird. Der gewisse Anteil kann beispielsweise 10% betragen.
Die gezeigte Ausführungsform ist vorteilhafterweise besonders kompakt fertigbar.
In 3 ist eine schematische Darstellung eines Quellvorgangs eines quellbaren Nanokomposits 20 in einer Flüssigkeit 2 gezeigt. Hierbei ist einerseits ein quellbares Nanokomposit 20 umfassend das quellbare Medium 7 mit einer von dem Medium 7 fixierten Vielzahl von vorbestimmten Nanopartikeln 5 in einem Zustand A gezeigt. Der Zustand A entspricht dabei dem ungequollenen Nanokomposit 20. Mittels in Kontakt bringen des quellbaren Nanokomposits 20 mit einer Flüssigkeit 2, dargestellt durch den Pfeil in der 3, geht das Nanokomposit 20 in einen gequollen Zustand B über. Dabei quillt das Nanokomposit 20 unter Aufnahme einer Quellflüssigkeit 10 auf. Die Quellflüssigkeit 10 entspringt der Flüssigkeit 2 und hat eine von den Eigenschaften der Flüssigkeit 2 abhängige Zusammensetzung. Im gequollenen Zustand B umfasst das Nanokomposit 20 somit das Medium 7, die Quellflüssigkeit 10 sowie die Vielzahl der vorbestimmten Nanopartikel 5.
4 zeigt eine schematische Darstellung eines von dem Kondensator 11 erzeugten elektrischen Feldes E. Der Kondensator 11 ist an eine Spannungsquelle U angeschlossen und umfasst zwei einander gegenüberliegende Elektroden. In einem Raum zwischen den Elektroden ist ein Nanokomposit 20 umfassend ein Medium 7 mit einer von dem Medium 7 fixierten Vielzahl an vorbestimmten Nanopartikeln 5 sowie eine Flüssigkeit 2 angeordnet. In Abhängigkeit einer von der Spannungsquelle U bereitgestellten Ausgangsspannung bildet sich insbesondere zwischen den Elektroden des Kondensators 11 ein elektrisches Feld E aus. Die Feldstärke des elektrischen Feldes E ist dabei eine Funktion des Ortes, insbesondere des Abstands von den Elektroden. Sich in dem Zwischenraum befindliche geladene Partikel, beispielsweise Ionen, erfahren aufgrund des elektrischen Feldes E eine Kraft. Insbesondere werden Wasserstoffionen, welche eine positive Ladung tragen, zu der Elektrode mit negativem Potential (Anode) hingezogen, was zu einem relativen Überschuss an Wasserstoffionen in einem Bereich vor der Anode führt. Dementsprechend ist ein pH-Wert in diesem Bereich abgesenkt. Eine Ansteuerung der Spannungsquelle U, beispielsweise durch eine Steuerungseinrichtung 12 (siehe 1), lässt sich somit zu Einstellung des pH-Wertes an einem Ort in dem Zwischenraum der Elektroden verwenden.
5 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines dritten Ausführungsbeispiels einer Sensorvorrichtung 1 umfassend eine Lichtquelle 3, ein Medium 7 sowie einen Detektor 8. Im Beispiel der 5 ist das Medium 7 als ein Lichtleiter ausgebildet, welcher ein Lichtleiter-Medium 21, eine von dem Lichtleiter-Medium 21 fixierte Vielzahl an vorbestimmten Nanopartikeln 5 sowie ein Substrat 17 umfasst.
Der Lichtleiter 7 ist derart ausgebildet und angeordnet, dass ein Lichtstrahl 4 mittels eines ersten Endes 501 in diesen eingekoppelt werden kann. Der Lichtleiter 7 der 5 besitzt die vorteilhafte Eigenschaft, Leitungseigenschaft genannt, den eingekoppelten Lichtstrahl 4 mittels Totalreflexion derart zu leiten, dass der Lichtstrahl 4 ausschließlich über das erste Ende 501 und/oder über ein zweites Ende 502 aus dem Lichtleiter 7 austreten kann. Darüber hinaus hat der Lichtleiter 7 die vorteilhafte Eigenschaft, ein von den Nanopartikeln 5 abgestrahltes Photolumineszenz-Spektrum 6 ebenfalls so zu leiten, das dieses ausschließlich über das erste Ende 501 und/oder über das zweite Ende 502 aus dem Lichtleiter 7 austreten kann. In dem Ausführungsbeispiel der 5 ist das zweite Ende 502 des Lichtleiters 7 derart angeordnet, dass ein mittels des zweiten Endes 502 aus dem Lichtleiter 7 ausgekoppeltes Photolumineszenz-Spektrum 6 auf den Detektor 8 fällt und somit von diesem detektierbar ist. Die Leitungseigenschaft des Lichtleiters 7 ist eine Funktion der Brechungsindizes des Lichtleiter-Mediums 21, eines den Lichtleiter 7 umgebenden Mediums (nicht dargestellt), zum Beispiel die Flüssigkeit 2, sowie des Einfallswinkels eines Lichtstrahls 4 auf eine Grenzfläche zwischen dem Lichtleiter 7 und dem diesen umgebenden Medium.
Das Lichtleiter-Medium 21 kann beispielsweise als ein Polymer-Netzwerk ausgebildet sein. Weiterhin kann das Lichtleiter-Medium 21 als ein Gel, insbesondere Hydrogel, ausgebildet sein. Das Lichtleiter-Medium 21 kann darüber hinaus als ein Nanokomposit 20 ausgebildet sein.
Das in dem Lichtleiter 7 enthaltene Substrat 17 ist insbesondere dazu geeignet, dem Lichtleiter 7 eine mechanische Stabilität zu geben. Das Substrat 17 kann beispielsweise eine Glasfaser, eine Faser, einen Draht und/oder ein Kompositmaterial umfassen. Die mechanische Stabilität ermöglicht vorteilhaft, dass der Lichtleiter 7 eine vorgegebene Form im Laufe der Zeit beibehält und auch nach mechanischer Belastung noch funktionstüchtig ist. Außerdem ist das Substrat 17 dazu geeignet, an einer Oberfläche 18 (siehe 6, 7) Ankermoleküle 19 (siehe 6, 7) bereitzustellen, welche beispielsweise die Nanopartikel 5 anbinden können. Darüber hinaus ermöglicht das Substrat 17 vorteilhafterweise, das Lichtleiter-Medium 21 zu fixieren, beispielsweise indem das Lichtleiter-Medium 21 an der Oberfläche 18 des Substrates 17 anhaftet.
6 zeigt einen Detailausschnitt eines Ausführungsbeispiels des Lichtleiters 7 der 5 umfassend ein Lichtleiter-Medium 21, ein Substrat 17, welches eine Oberfläche 18 umfasst, sowie eine Vielzahl an vorbestimmten Nanopartikeln 5, wobei die Nanopartikel 5 mittels Ankermolekülen 19 an die Oberfläche 18 des Substrats 17 angebunden sind.
7 zeigt einen Querschnitt eines Ausführungsbeispiels des Lichtleiters 7 der 5 umfassend ein Lichtleiter-Medium 21, ein Substrat 17 mit einer Oberfläche 18, an der Oberfläche 18 vorhandene Ankermoleküle 19 sowie eine Vielzahl an vorbestimmten Nanopartikeln 5.
8 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines Gehäuses 801 umfassend eine Ausführungsform der Sensorvorrichtung 1 nach einer der 1, 2 oder 5 sowie einen Handgriff 802.
Das Gehäuse 801 ist so gestaltet, dass die darin untergebrachte Sensorvorrichtung 1 mobil eingesetzt werden kann.
9 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines wasserführenden Haushaltsgeräts 901 mit einer Ausführungsform der Sensorvorrichtung 1 nach einer der 1, 2 oder 5. Das wasserführende Haushaltsgerät 901 ist beispielsweise eine Geschirrspülmaschine, eine Waschmaschine, ein Wäschetrockner, eine Kaffeemaschine, ein Wasserkocher und/oder ein Dampfgarer.
10 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Bestimmung zumindest einer Eigenschaft einer Flüssigkeit 2.
In Verfahrensschritt 1001 wird eine Vielzahl von vorbestimmten Nanopartikeln 5, welche zur Abstrahlung eines Photolumineszenz-Spektrums 6 bei Anregung durch einen Lichtstrahl 4 geeignet sind, in der Flüssigkeit 2 fixiert.
In Verfahrensschritt 1002 wird ein Lichtstrahl 4 auf die Vielzahl der in der Flüssigkeit 2 fixierten Nanopartikel 5 derart abgestrahlt, dass die Vielzahl der in der Flüssigkeit 2 fixierten Nanopartikel 5 zur Abstrahlung eines Photolumineszenz-Spektrums 6 durch den Lichtstrahl 4 angeregt werden.
In Verfahrensschritt 1003 wird das von der Vielzahl von Nanopartikeln 5 abgestrahlte Photolumineszenz-Spektrum 6 detektiert.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben wurde, ist sie vielfältig modifizierbar.
Bezugszeichenliste

1: Sensorvorrichtung
2: Flüssigkeit
3: Lichtquelle
4: Lichtstrahl
5: Nanopartikel
6: Photolumineszenz-Spektrum
7: Medium
8: Detektor
9: Bestimmungseinheit
10: Quellflüssigkeit
11: Kondensator
12: Steuerungsvorrichtung
13: Speichermedium
14: Ausgabevorrichtung
15: Behälter
16: Fenster
17: Substrat
18: Oberfläche
19: Ankermoleküle
20: Nanokomposit
21: Lichtleiter-Medium
101: Zuführleitung
102: Auslassleitung
201: Strahlteiler
501: erstes Ende
502: zweites Ende
801: tragbares Gehäuse
802: Handgriff
901: wasserführendes Haushaltsgerät
1001: Verfahrensschritt
1002: Verfahrensschritt
1003: Verfahrensschritt
A: Zustand
B: Zustand
E: elektrisches Feld
U: Spannungsquelle

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 8147758 B2 [0008]
US 3652861 A [0008]
US 3729263 A [0008]
DE 102012011195 A1 [0008]
DE 102004015387 A1 [0008]

Claims

Sensorvorrichtung (1) zum Bestimmen zumindest einer Eigenschaft einer Flüssigkeit (2), mit einer Lichtquelle (3) zum Abstrahlen eines Lichtstrahls (4), welcher dazu geeignet ist, vorbestimmte Nanopartikel (5) zur Abstrahlung eines Photolumineszenz-Spektrums (6) anzuregen, einer Vielzahl der vorbestimmten Nanopartikel (5), einem Medium (7) zum Fixieren der Vielzahl der vorbestimmten Nanopartikel (5), welches in direkten Kontakt mit der Flüssigkeit (2) bringbar ist, und einem Detektor (8), welcher relativ zu dem Medium (7) derart angeordnet ist, dass er zum Detektieren des von den Nanopartikeln (5) abgestrahlten Photolumineszenz-Spektrums (6) eingerichtet ist.
Sensorvorrichtung (1) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Bestimmungseinheit (9), welche dazu eingerichtet ist, die zumindest eine Eigenschaft der Flüssigkeit (2) mittels des von dem Detektor (8) detektierten Photolumineszenz-Spektrums (6) zu bestimmen.
Sensorvorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Medium (7) in der Flüssigkeit (2) durch Aufnahme einer Quellflüssigkeit (10) quellbar ist, wobei die Quellflüssigkeit (10) eine Zusammensetzung in Abhängigkeit der zumindest einen Eigenschaft der Flüssigkeit (2) aufweist.
Sensorvorrichtung (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl der vorbestimmten Nanopartikel (5) in direkten Kontakt mit der Quellflüssigkeit (10) bringbar ist und zur Abstrahlung des Photolumineszenz-Spektrums (6) in Abhängigkeit der Zusammensetzung der Quellflüssigkeit (10) geeignet ist.
Sensorvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorvorrichtung (1) einen Kondensator (11) umfasst, welcher dazu geeignet ist, ein elektrisches Feld (E) am Ort des Mediums (7) und der das Medium (7) umgebenden Flüssigkeit (2) zu erzeugen.
Sensorvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorvorrichtung (1) eine Steuerungsvorrichtung (12) umfasst, welche dazu eingerichtet ist, das Abstrahlen des Lichtstrahls (4) durch die Lichtquelle (3), das Detektieren des Photolumineszenz-Spektrums (6) durch den Detektor (8), das Bestimmen der zumindest einen Eigenschaft der Flüssigkeit (2) durch die Bestimmungseinheit (9), ein Speichern der zumindest einen Eigenschaft der Flüssigkeit (2) auf einem Speichermedium (13), ein Ausgeben der zumindest einen Eigenschaft der Flüssigkeit (2) mittels einer Ausgabevorrichtung (14) und/oder ein Ansteuern des Kondensators (11) zur Erzeugung des elektrischen Feldes (E) an dem Ort des Mediums (7) und der das Medium (7) umgebenden Flüssigkeit (2) zu veranlassen.
Sensorvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1–6, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit (2) Wasser ist und dass die zumindest eine Eigenschaft der Flüssigkeit (2) eine Ionenkonzentration, insbesondere eine Wasserstoffionenkonzentration, eine Calciumionenkonzentration und/oder eine Magnesiumionenkonzentration ist.
Sensorvorrichtung (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Medium (7) ein Hydrogel umfasst und/oder dass die Nanopartikel (5) Gold-Nanopartikel, Kohlenstoff-Nanopartikel, Titan-Nanopartikel und/oder Titanoxid-Nanopartikel umfassen.
Sensorvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1–8, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (3) einen Laser, eine Leuchtdiode, eine Kompaktleuchtstofflampe, eine Halogenlampe, eine Metalldampflampe und/oder eine Gasentladungslampe umfasst und/oder eine Optik umfasst, welche zur Bereitstellung des Lichtstrahls (4) eingerichtet ist.
Sensorvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1–9, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor (8) einen CCD-Sensor, einen CMOS-Sensor und/oder ein Photodiodenarray umfasst.
Sensorvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1–10, gekennzeichnet durch einen Behälter (15) zur Aufnahme der Flüssigkeit (2), wobei der Behälter (15) zumindest ein Fenster (16) aufweist, welches zur Transmission des Lichtstrahls (4) und/oder des Photolumineszenz-Spektrums (6) geeignet ist, wobei das Medium (7) umfassend die Vielzahl der vorbestimmten Nanopartikel (5) derart in dem Behälter (15) angeordnet ist, dass der durch das Fenster (16) transmittierte Lichtstrahl (4) zur Anregung der Nanopartikel (5) zur Abstrahlung des Photolumineszenz-Spektrums (6) geeignet ist, und dass das von den Nanopartikeln (5) abgestrahlte und durch das Fenster (16) transmittierte Photolumineszenz-Spektrum (6) von dem Detektor (8) detektierbar ist.
Sensorvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1–10, wobei das Medium (7) als ein Lichtleiter ausgebildet ist, umfassend ein Lichtleiter-Medium (21), die Vielzahl von Nanopartikeln (5) und ein Substrat (17), welches an einer Oberfläche (18) Ankermoleküle (19) zur Anbindung der Nanopartikel (5) an die Oberfläche (18) aufweist, wobei die Lichtquelle (3) und der Lichtleiter derart zueinander angeordnet sind, dass der Lichtstrahl (4) an einem ersten Ende (501) des Lichtleiters in diesen einkoppelbar ist, der Lichtleiter dazu geeignet ist, den eingekoppelten Lichtstrahl (4) so zu leiten, dass dieser zur Anregung der Nanopartikel (5) zur Abstrahlung des Photolumineszenz-Spektrums (6) geeignet ist, und das abgestrahlte Photolumineszenz-Spektrum (6) so zu leiten, dass dieses (6) an einem zweiten Ende (502) des Lichtleiters auskoppelbar ist, und der Lichtleiter und der Detektor (8) derart zueinander angeordnet sind, dass das ausgekoppelte Photolumineszenz-Spektrum (6) durch den Detektor (8) detektierbar ist.
Sensorvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1–12, wobei die Sensorvorrichtung (1) ein tragbares Gehäuse (801) aufweist, in welchem die Lichtquelle (3), das Medium (7) umfassend die Vielzahl der vorbestimmten Nanopartikel (5) und der Detektor (8) integriert sind, und welches für die Zuführung und Abführung der Flüssigkeit (2) eingerichtet ist.
Wasserführendes Haushaltsgerät (901), insbesondere Geschirrspülmaschine, mit einer Sensorvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1–12.
Verfahren zum Bestimmen zumindest einer Eigenschaft einer Flüssigkeit (2), mit: Fixieren (1001) einer Vielzahl von vorbestimmten Nanopartikeln (5), welche zur Abstrahlung eines Photolumineszenz-Spektrums (6) bei Anregung durch einen Lichtstrahl (4) geeignet sind, in der Flüssigkeit (2), Abstrahlen (1002) des Lichtstrahls (4) auf die Vielzahl der in der Flüssigkeit (2) fixierten Nanopartikel (5) derart, dass die Vielzahl der in der Flüssigkeit (2) fixierten Nanopartikel (5) zur Abstrahlung des Photolumineszenz-Spektrums (6) durch den Lichtstrahl (4) angeregt werden, und Detektieren (1003) des von der Vielzahl von Nanopartikeln (5) abgestrahlten Photolumineszenz-Spektrums (6).