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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Detektionsvorrichtung, ein Haushaltsgerät mit einer solchen Detektionsvorrichtung und ein Verfahren zum Detektieren von durch unvollständige Verbrennung organischer Stoffe entstandenen Schadstoffen in Luft im Haushalt.
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Bei Kochvorgängen oder durch Brände im Haushalt, beispielsweise Schwelbrände, kann es zum Auftreten von gasförmigen Verbindungen kommen, die teilweise gesundheitsschädlich sind. Insbesondere entstehen diese Verbindungen bei unvollständiger Verbrennung organischer Verbindungen. Diese gasförmigen Verbindungen gehören der auch als flüchtige organische Verbindungen (volatile organische Verbindungen (VOCs)) bezeichnten Gruppe an. Die durch unvollständige Verbrennung organischer Verbindungen gasförmigen Verbindungen sind für den Menschen teilweise gesundheitsschädlich und werden daher auch als Schadstoffe bezeichnet. Beispiele solcher durch unvollständige Verbrennung organischer Verbindungen entstehender gasförmiger Verbindungen sind Aldehyde sowie ringförmige Kohlenwasserstoffe. Ein Auftreten solcher Schadstoffe kann somit als Hinweis für eine unvollständige Verbrennung dienen.
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Um beim Auftreten solcher Schadstoffe geeignete Maßnahmen beispielsweise bei Kochvorgängen treffen zu können, ist in der
WO 2013/001417 A1 ein Verfahren zum Betreiben eines Hausgerätes beschrieben, bei dem bei einem Zubereitungsvorgang aufgrund der Erhitzung eines Mediums entstehende chemische Stoffe detektierbar sind. Es wird eine Detektoreinrichtung verwendet, bei der das Absorptionsverhalten der entstehenden chemischen Stoffe für elektromagnetische Strahlungen als optische Eigenschaft verwendet wird. Diese optische Eigenschaft wird mittels eines optischen Sensors ermittelt.
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Ein Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, dass beispielsweise bei Kochvorgängen in den entstehenden Dünsten und Wrasen auch Partikel vorliegen, wie beispielsweise Wassertropfen, Fetttropfen oder feste Partikel. Bei einem optischen Detektionsverfahren für Schadstoffe, wie beispielsweise VOCs, können diese Partikel das Detektionsergebnis verfälschen oder eine Detektion unmöglich machen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher eine Lösung zu schaffen, mittels derer auf einfache Weise unerwünschte Gase, wie beispielsweise Brandgase, zuverlässig detektiert werden können.
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Gemäß einem ersten Aspekt wird die Aufgabe gelöst durch ein Detektionsvorrichtung für den Haushalt zum Detektieren von durch unvollständige Verbrennung organischer Stoffe entstandenen Schadstoffen in Luft, wobei die Detektionsvorrichtung zumindest einen optischen Sensor und zumindest eine Lichtquelle aufweist. Die Detektionsvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle eine UV-Lichtquelle ist und die Detektionsvorrichtung zum selektiven Detektieren von Schadstoffen ausgelegt ist.
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Die Detektionsvorrichtung dient erfindungsgemäß für den Haushalt. Hierbei kann durch die Detektionsvorrichtung die Raumluft eines Raumes, wie beispielsweise der Küche oder die Abluft eines Dunstabzuges überwacht werden.
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Die Detektionsvorrichtung weist erfindungsgemäß mindestens eine Lichtquelle auf. Die Lichtquelle ist eine UV-Lichtquelle. Vorzugsweise wird als Lichtquelle eine LED (Light Emitting Diode) verwendet.
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Die durch unvollständige Verbrennung organischer Stoffe entstandenen Schadstoffe, die mittels der Detektionsvorrichtung detektiert werden, sind vorzugsweise Brandgase, wie beispielsweise Aldehyde und ringförmige Kohlenwasserstoffe, wie beispielsweise Benzol oder Phenol. Die Detektionsvorrichtung ist erfindungsgemäß zum selektiven Detektieren von Schadstoffen ausgelegt. Insbesondere können erfindungsgemäß vorzugsweise durch Versuche, insbesondere massenspektrometrische Versuche Gasspezies beziehungsweise deren Absorptionsverhalten als Marker identifiziert werden. Diese Gasspezies entstehen bei einer unvollständigen Verbrennung von organischen Substanzen und werden als schädlich, insbesondere gesundheitsschädlich, eingestuft. Durch ein vorheriges Festlegen oder identifizieren von Markern kann bei der selektiven Detektion gezielt das Auftreten entsprechender Gasspezies beziehungsweise der entsprechenden Marker überwacht werden und damit die kritischen Gasspezies von der Vielzahl weiterer VOCs, die auch beim unkritischen Kochen entstehen unterschieden werden. Indem zusätzlich als Lichtquelle eine UV-Lichtquelle verwendet wird, können gegenüber Messungen im Infrarotbereich die Vorteile der hohen spezifischen Absorptionsquerschnitte der relevanten Moleküle im UV-Bereich sowie eine geringe Querempfindlichkeit gegenüber Feuchtigkeit oder Kohlendioxid genutzt werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Detektionsvorrichtung mindestens einen Partikelsensor auf. Der Partikelsensor kann beispielsweise einen Streulichtsensor darstellen. Durch Verwendung eines zusätzlichen Partikelsensors kann der Einfluss von streuenden Partikeln und absorbierenden Gasmolekülen getrennt werden. Somit kann die Detektion zuverlässig auch beispielsweise an Dünsten und Wrasen durchgeführt werden, die beim Kochen auftreten und in der Regel Öltropfen oder Wassertropfen als Partikel beinhalten.
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Zusätzlich zu dem Partikelsensor kann erfindungsgemäß auch ein Referenzsensor vorgesehen sein, durch den eventuelle Grundliniendrifts der Lichtquelle erfasst werden können. Eine mögliche Ausführungsform des Referenzsensors und dessen Anordnung wird später genauer beschrieben.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Detektionsvorrichtung mindestens zwei optische Sensoren, die in unterschiedlichen Winkeln zu der optischen Achse der mindestens einen Lichtquelle liegen.
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Diese Sensoren können auch als Messdetektoren bezeichnet werden. Vorzugsweise dienen die optischen Sensoren zur Erfassung der Lichtintensität. Mindestens einer der Sensoren, der im Folgenden als erster Sensor bezeichnet wird, ist hierbei so angeordnet, dass durch diesen die Intensität erfasst wird, die von der Intensität des von der Lichtquelle ausgegebenen Lichts bei mindestens einer Wellenlänge nach dem Passieren einer Messstrecke verbleibt. Durch Vergleich der gemessenen Intensität an dem Sensor mit der von der Lichtquelle ausgegebenen Intensität kann die Absorption von Stoffen beziehungsweise Spezies in der Messstrecke bestimmt werden. Hierbei wird insbesondere die Absorption in vorgegebenen Wellenlängenbereichen berücksichtigt. Dieser erste Sensor liegt vorzugsweise in der optischen Achse der Lichtquelle. Der Abstand zwischen diesem Sensor und der mindestens einen Lichtquelle in der Richtung der optischen Achse bildet die Messstrecke der Detektionsvorrichtung. Durch die Sensoren, die in einem unterschiedlichen Winkel zur optischen Achse z stehen, wird die Lichtleistung vermessen.
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Vorzugsweise sind mindestens zwei optische Sensoren in der Detektionsvorrichtung vorgesehen. Die mindestens zwei optischen Sensoren liegen hierbei in unterschiedlichen Winkeln zu der optischen Achse. Dies bedeutet, dass die unterschiedlichen Sensoren Licht, das in unterschiedlichen Richtungen ausgegeben wird, erfassen können. Der oben beschriebene erste Sensor liegt in der optischen Achse der Lichtquelle und kann daher das entlang der optischen Achse durch die Messstrecke verlaufende Licht erfassen und insbesondere dessen Intensität in zumindest einem Wellenlängenbereich messen. Der Winkel zwischen der optischen Achse der Lichtquelle und der Erfassungsrichtung des Sensors ist daher Null. Der mindestens eine weitere optische Sensor wird hingegen zu der optischen Achse der Lichtquelle in einem anderen Winkel angeordnet. Insbesondere liegt zwischen der optischen Achse der Lichtquelle und der Erfassungsrichtung des weiteren Sensors ein Winkel von größer 0°, beispielsweise ein Winkel von 15°, 30° oder 90°. Der mindestens eine weitere Sensor kann einen Streulichtsensor darstellen oder einen Referenzsensor.
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Die mindestens eine Lichtquelle und die mindestens zwei optischen Sensoren werden im Folgenden auch als optoelektrionisch Komponenten bezeichnet.
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Indem die mindestens zwei Sensoren in unterschiedlichen Winkeln zu der optischen Achse der Lichtquelle angeordnet sind, kann zum einen die Absorption von Lichtwellen an gasförmigen Verbindungen durch Messung der Intensität des Lichts an dem ersten Sensor detektiert werden. Zum anderen kann gleichzeitig die durch in der Luft vorliegende Partikel erzeugte Streuung des Lichts erfasst werden. An dem ersten Sensor wird beim Vorliegen von Partikeln in der Messstrecke nämlich nur noch das durch die Absorption und die Streuung abgeschwächte Licht beziehungsweise dessen Intensität detektiert. Indem über einen zweiten Sensor zudem die Intensität des gestreuten Lichts erfasst werden kann, kann dieses bei der Bestimmung der tatsächlichen Absorption berücksichtigt werden und das Ergebnis der Absorptionsbestimmung daher verbessert werden.
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Die Streuung des Lichts an Partikeln, die in der Messstrecke vorliegen kann beispielsweise durch eine Messung der Lichtintensität senkrecht zu der optischen Achse erfasst werden. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform liegt daher ein erster optischer Sensor in der optischen Achse der Lichtquelle und mindestens ein zweiter optischer Sensor liegt senkrecht zu der optischen Achse.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform stellt mindestens ein weiterer Sensor, der zusätzlich zu dem ersten Sensor vorgesehen ist, einen Referenzsensor dar. Dieser liegt vorzugsweise in der Nähe der Lichtquelle in einem Winkel von größer 0° zu der optischen Achse der Lichtquelle. Indem ein weiterer Sensor in der Nähe der Lichtquelle vorgesehen ist, kann an diesem Sensor das Licht gemessen werden, das noch keine oder nur eine geringe Wechselwirkung mit in der Messstrecke vorhandenen Partikeln oder gasförmigen Verbindungen hatte. Mittels des Referenzsensors können etwaige Änderungen an der Lichtquelle, wie beispielsweise Grundliniendrifts, ermittelt beziehungsweise erkannt werden. Insbesondere kann durch einen solchen Referenzsensor beispielsweise die zeitliche Verringerung der Ausgangsleistung der Lichtquelle aufgrund von Alterung oder eine kurzfristige Fluktuation an der Lichtquelle erkannt werden. Diese Änderungen können bei der Bestimmung der Absorption berücksichtigt werden und damit kann das Ergebnis der Detektion verbessert werden.
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Das Licht von der Lichtquelle kann zu dem Referenzsensor beispielsweise durch geeignete Auslegung der Ausgangsoptik der Lichtquelle geleitet werden. Vorzugsweise wird bei der Ausführungsform, bei der ein Referenzsensor vorgesehen ist, in der Detektionsvorrichtung ein Strahlenteiler vorgesehen. Dieser leitet vorzugsweise einen Teil des Lichtes von der Lichtquelle vor einer Messstrecke oder am Beginn der Messstrecke in eine Richtung von mehr als 0° zu der optischen Achse. Der in dieser Richtung vorgesehene Referenzsensor erfasst somit die tatsächlich von der Lichtquelle ausgegebene Lichtintensität.
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Um das Detektieren der Schadstoffe zu vereinfachen und ein selektives Detektieren zu ermöglichen, wird erfindungsgemäß vorzugsweise die Erfassung in einem Wellenlängenbereich vorgenommen, in dem die Absorption von Gruppen von VOCs, z.B. Aldehyde und ringförmige Kohlenwasserstoffe wie Benzol und Phenol, am größten ist. Das Vorliegen dieser Gruppen kann als Marker für eine unvollständige Verbrennung von organischen Verbindungen dienen. Diese Schadstoffe, die zum Teil gesundheitsschädlich sind, entstehen zum Beispiel beim Anbrennen / zu heißen Braten von Lebensmitteln oder auch bei (Schwel-)Bränden. Es hat sich herausgestellt, dass die Absorption von Licht im Bereich 200nm bis 300nm auf ein Vorliegen solcher unvollständig verbrannten organischen Substanzen hinweist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform gibt daher mindestens eine Lichtquelle Licht einer Wellenlänge von 200 bis 300nm, vorzugsweise von 250nm aus. Die Lichtquelle, insbesondere LED weist somit eine Peakwellenlänge von 200 bis 300nm und vorzugsweise 250nm auf. Alternativ oder zusätzlich ist zumindest einer der optischen Sensoren zum Detektieren von Licht einer Wellenlänge von 200 bis 300nm, vorzugsweise 250nm, ausgelegt. Es wurde herausgefunden, dass beim Anbrennen von Lebensmitteln in einer Pfanne eine deutliche Absorptionsbande um 250nm auftritt. Dies konnte durch UV/VIS-spektrometrische Messungen ermittelt werden. Da es bei einem solchen Verlauf eines Kochvorgangs zur Bildung von unvollständig verbrannten organischen Substanzen kommt, wurde diese Wellenlänge als Marker für diese Verbindungen gewählt. Es ist daher nicht notwendig gezielt die Absorption einzelner Verbindungen zu bestimmen. Vielmehr kann eine erhöhte Absorption in dem Bereich von 200nm bis 300nm, insbesondere bei 250nm, als Vorliegen von unvollständig verbrannten organischen Substanzen gewertet werden. Wird eine Lichtquelle verwendet, die Licht in diesem Wellenbereich ausgibt, kann das Erkennen der Absorption und damit das Vorliegen von unvollständig verbrannten organischen Substanzen weiter vereinfacht und das Ergebnis weiter verbessert werden.
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Alternativ kann statt einer Lichtquelle, die Licht in diesem Bereich ausgibt, auch ein Sensor verwendet werden, der gezielt Licht in dem Bereich dieser Wellenlängen detektiert.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Detektionsvorrichtung mehrere Lichtquellen auf, die Licht unterschiedlicher Wellenlänge ausgeben. Insbesondere werden die Lichtquellen so gewählt, dass diese um eine selektierte Wellenlänge liegende Wellenlängen ausgeben. Hierdurch können bei der Bestimmung der Absorption mehrere Stützstellen verwendet werden, die die Zuverlässigkeit der Bestimmung der Absorption und die Reduktion von Quereinflüssen gewährleisten. Beispielsweise können zusätzlich zu einer Lichtquelle, die Licht bei einer Wellenlänge von 250nm ausgibt, zwei weitere Lichtquellen, beispielsweise LEDs, verwendet werden, die jeweils Licht bei 225nm beziehungsweise 275nm ausgeben. Sind mehrere Lichtquellen vorgesehen, so wird die Messstrecke vorzugsweise durch die mehreren Lichtquellen nacheinander beleuchtet.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Detektionsvorrichtung eine Auswertungseinheit auf, die zumindest mit dem mindestens einen Sensor verbunden ist. Bei der Auswertung kann damit zumindest das durch Absorption und Streuung geschwächte Licht und das Streulicht berücksichtigt werden. Durch Verarbeitung dieser beiden Messwerte kann in der Auswertungseinheit die tatsächliche Absorption bestimmt werden. Ist zudem ein Referenzsensor vorgesehen, so kann durch Verarbeitung des von diesem erfassten Licht, beziehungsweise der erfassten Lichtintensität, als Ausgangslichtintensität das Auswertungsergebnis weiter verbessert werden.
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Gemäß einer Ausführungsform weist die Detektionsvorrichtung eine Steuereinheit auf, die mit der Auswertungseinheit verbunden ist. Bei dieser Ausführungsform kann die Detektionsvorrichtung eine autarke Vorrichtung darstellen. Die Steuereinheit kann hierbei beispielsweise eine Warnvorrichtung der Detektionsvorrichtung ansteuern, mittels derer der Bewohner des Raumes oder Benutzer eines Haushaltsgerätes auf das Vorliegen von Brandgasen hingewiesen wird. Zusätzlich oder alternativ kann die Steuereinheit aber auch so ausgelegt sein, dass diese ein Haushaltsgerät ansteuert. Insbesondere in einer Küche kann die Steuereinheit beispielsweise mit einem Herd verbunden sein und diesen beim Erkennen des Vorliegens von schädlichen volatilen organischen Verbindungen so steuern, dass die Heizleistung des Herdes oder einer Kochzone reduziert oder abgeschaltet wird. Zusätzlich oder alternativ kann die Steuereinheit beispielsweise mit einer Dunstabzugshaube verbunden sein und beim Erkennen des Vorliegens von schädlichen volatilen organischen Verbindungen in der Raumluft, die Lüfterstufe erhöht werden.
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Alternativ kann die Auswertungseinheit der Detektionsvorrichtung auch einen Ausgang zur Verbindung mit einer Steuereinheit eines Haushaltsgerätes aufweisen. In diesem Fall kann durch die Detektionsvorrichtung lediglich ein Signal an die Steuereinheit des Haushaltsgerätes über die Verbindung übermittelt werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Haushaltsgerät, das zumindest eine erfindungsgemäße Detektionseinheit aufweist.
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Vorteile und Merkmale, die bezüglich der Detektionsvorrichtung beschrieben werden, gelten entsprechend auch für das erfindungsgemäße Haushaltsgerät und umgekehrt.
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Die Detektionsvorrichtung kann an dem Haushaltsgerät angeordnet sein oder zumindest teilweise in das Haushaltsgerät integriert sein. Insbesondere können die optoelektrischen Komponenten, insbesondere die Sensoren und die Lichtquelle(n) jeweils in Gehäusen aufgenommen sein, die jeweils beispielsweise eine Schutzscheibe aufweisen. Diese optoelektrischen Komponenten können in einem weiteren Gehäuse gemeinsam aufgenommen sein, das einen entsprechende Einlass und Auslass für Luft aufweist, die ein Durchströmen des Gehäuses mit der zu untersuchenden Luft erlauben. Das Gehäuse der Detektionsvorrichtung kann in dem Haushaltsgerät aufgenommen sein.
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Alternativ ist es aber auch möglich die einzelnen optoelektrischen Komponenten separat an einem Haushaltsgerät anzubringen und elektrisch miteinander zu verbinden. Beispielsweise können die Lichtquelle und die Sensoren an geeigneten Positionen einer Ansaugöffnung einer Dunstabzugshaube angeordnet sein und die Messstrecke der Detektionsvorrichtung somit die Ansaugöffnung der Dunstabzugshaube sein. Eine Auswerteeinheit oder Steuereinheit der Detektionsvorrichtung kann in dem Haushaltsgerät integriert sein. Hierbei kann eine bereits in dem Haushaltsgerät vorgesehene Auswerteeinheit oder Steuereinheit als eine Einheit der Detektionsvorrichtung verwendet werden.
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Das erfindungsgemäße Haushaltsgerät kann beispielsweise eine Dunstabzugshaube, einen Herd oder eine Warnanlage sein.
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Stellt das erfindungsgemäße Haushaltsgerät eine Dunstabzugshaube dar, kann die Detektionsvorrichtung zumindest teilweise in Strömungsrichtung vor einem Fettfilter der Dunstabzugshaube angeordnet sein. Insbesondere können die optoelektrischen Komponenten, insbesondere die Sensoren und die Lichtquelle(n) der Detektionseinheit gemäß der vorliegenden Erfindung vor dem Fettfilter angeordnet sein, da durch die erfindungsgemäße Anordnung der Sensoren eine eventuell auftretende Streuung an Partikeln, wie Fetttropfen, die vor dem Fettfilter noch in der Luft enthalten sind, das Detektionsergebnis nicht negativ beeinflusst.
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Alternativ ist es aber auch möglich die Detektionsvorrichtung in Strömungsrichtung nach dem Fettfilter der Dunstabzugshaube in der Dunstabzugshaube anzuordnen. Hierbei kann die Detektionsvorrichtung in einem Dunstabzugsgehäuse der Dunstabzugshaube angeordnet sein. Alternativ kann die Detektionsvorrichtung aber auch in einem Abluftrohr der Dunstabzugshaube liegen, das heißt in dieser angeordnet sein.
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Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Detektieren von durch unvollständige Verbrennung organischer Stoffe entstandenen Schadstoffen in Luft in einem Haushalt mit einer erfindungsgemäßen Detektionsvorrichtung. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die Intensität von Licht von der mindestens einen Lichtquelle nach dem Passieren einer Messstrecke gemessen wird, die Intensität des in der Messstrecke abgegebene Streulichts gemessen wird und die gemessene Intensität am Ende der Messstrecke durch die gemessene Intensität des Streulichts bereinigt wird. Durch diese Bereinigung kann der Wert der Absorption von Gasmolekülen in der Messstrecke zuverlässig ermittelt werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird bei dem Verfahren von mindestens einer Lichtquelle Licht zumindest entlang der optischen Achse der Lichtquelle über eine Messstrecke ausgegeben, mindestens ein erster Sensor misst die Intensität des durch Streuung und Absorption in der Messstrecke geschwächten Lichts zumindest einer Wellenlänge, mindestens ein zweiter Sensor, der zu der optischen Achse in einem Winkel von größer 0° liegt, misst die Intensität des Streulichts zumindest dieser Wellenlänge und die Absorption zumindest einer Wellenlänge wird durch Bereinigung der Werte des ersten Sensors durch die Werte des zweiten Sensors ermittelt und auf der Basis der Absorption der mindestens einen Wellenlänge wird das Vorliegen von durch unvollständige Verbrennung organischer Stoffe entstandenen Schadstoffen erkannt.
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Die Bereinigung der Messwerte erfolgt durch gemeinsames Verarbeiten der Messwerte der Sensoren. Insbesondere können die Messwerte des zweiten Sensors mit den Messwerten des ersten Sensors aufaddiert werden. Hierdurch wird der Verlust an Lichtintensität einer Wellenlänge, die durch Streuung aufgetreten ist, ausgeglichen. Die daraus resultierende Intensität stellt somit die Intensität der Wellenlänge dar, die gegebenenfalls durch Absorption verringert ist. Von der von der Lichtquelle ausgegebenen Intensität dieser Wellenlänge wird die durch Absorption verringerte Intensität abgezogen und dadurch ein Wert für die Absorption erhalten. Die so bestimmte Absorption kann mit dem Vorliegen mindestens einen durch unvollständige Verbrennung organischer Stoffe entstandenen Schadstoffes korreliert werden. Diese Korrelation kann durch Vergleich mit vorgegebenen Werten der Absorption und Wellenlänge erfolgen. Alternativ kann die Korrelation aber auch durch Einstellen einer bestimmten Wellenlänge an der Lichtquelle erfolgen. In diesem Fall ist das Verfahren weiter vereinfacht, da hierbei lediglich die ermittelte Absorption der Wellenlänge mit vorgegebenen Schwellwerten verglichen werden muss.
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Die Erfindung wird im Folgenden erneut unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
- 1: eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Detektionseinheit;
- 2: eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Haushaltsgerätes mit Detektionseinheit;
- 3: eine schematische Darstellung der Komponenten einer erfindungsgemäßen Detektionseinheit; und
- 4: eine schematische Darstellung von Absorptionsspektren bei unterschiedlichen Temperaturen.
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In 1 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Detektionseinheit 2 gezeigt. Die Detektionseinheit 2 umfasst in der dargestellten Ausführungsform eine Lichtquelle 21, die beispielsweise eine LED (Light Emitting Diode) sein kann. In der 1 sind schematisch mehrere Lichtquellen 21 gezeigt, die vorzugsweise Licht mit unterschiedlichen Wellenlängen ausgeben. In der optischen Achse z der Lichtquelle 21 ist in einem Abstand zu der Lichtquelle 21 ein erster Sensor 22 angeordnet. Der Abstand zwischen der Lichtquelle 21 und dem ersten Sensor 22 wird als Messstrecke M bezeichnet. Sind mehrere Lichtquellen 21 vorgesehen, so wird die Messstrecke vorzugsweise nacheinander durch die einzelnen Lichtquellen 21 beleuchtet. Senkrecht zu der optischen Achse z der Lichtquelle 21 ist entlang der Messstrecke M, das heißt zwischen der Lichtquelle 21 und dem ersten Sensor 22 ein zweiter Sensor 23 angeordnet. Dieser zweite Sensor 23 liegt senkrecht zu der optischen Achse z zu dieser seitlich versetzt. Zudem ist in der Nähe der Lichtquelle 21, das heißt vor dem Beginn der Messstrecke M oder am Anfang der Messstrecke M ein Strahlteiler 25 vorgesehen, der in der optischen Achse z der Lichtquelle 21 liegt. Zu der Lichtquelle 21 benachbart ist ein weiterer Sensor, der einen Referenzsensor 24 darstellt, angeordnet. Der Referenzsensor 24 ist senkrecht zu der optischen Achse z der Lichtquelle 21 angeordnet und so ausgerichtet, dass Licht von dem Strahlteiler 25 zu dem Referenzsensor 24 gelangen kann.
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Die Funktion der Detektionseinheit 2 nach 1 wird unter Bezugnahme auf die 1 und 3 nun anhand eines Beispiels beschrieben. Von der Lichtquelle 21 wird Licht insbesondere entlang der optischen Achse z ausgegeben. Das so ausgegebene Licht erreicht den Strahlteiler 25 und wird an diesem aufgeteilt. Ein Teil, vorzugsweise ein geringer Teil, der ausgestrahlten Strahlungswellen wird an dem Strahlteiler 25 umgelenkt und gelangt zu dem Referenzsensor 24. Die weiteren Strahlungswellen erreichen in der Richtung der optischen Achse z den ersten Sensor 22.
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Liegt in der Messstrecke M zwischen der Lichtquelle 21 und dem ersten Sensor ein Aerosol A vor, so wird ein Teil der von der Lichtquelle 21 ausgestrahlten Wellen von den in dem Aerosol A vorliegenden gasförmigen chemischen Verbindungen absorbiert. Je nach Zusammensetzung der gasförmigen chemischen Verbindung werden Lichtwellen unterschiedlicher Wellenlänge absorbiert. An dem Sensor 22 wird die durch die Absorption geschwächten Lichtwellen gemessen.
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Insbesondere in Dünsten und Wrasen, die beim Kochen entstehen, oder in Aerosolen, die bei Bränden entstehen, liegen außer gasförmigen Verbindungen auch flüssige oder feste Partikel vor. Lichtwellen, die durch die Messstrecke M passieren, werden daher zumindest teilweise an diesen Partikeln absorbiert und/oder gestreut. Das an dem Sensor 22 erfasste geschwächte Licht kann daher zusätzlich zur Absorption auch durch Streuung geschwächt sein.
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Bei der erfindungsgemäßen Detektionseinheit 2 ist daher vorzugsweise mindestens ein zweiter Sensor 23 vorgesehen, der zu der optischen Achse z senkrecht ausgerichtet ist. Über den zweiten Sensor 23 können somit Lichtwellen, die an den Partikeln gestreut wurden, erfasst werden beziehungsweise deren Intensität gemessen werden. Durch Messung dieses Streulichts kann die Anwesenheit der Partikel erkannt werden.
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Das so erfasste Streulicht kann bei der Auswertung der an dem ersten Sensor 22 detektierten Intensität zur Bestimmung der Absorption in dem Aerosol berücksichtigt werden und so die Detektion verbessert werden.
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Um auch etwaige Grundliniendrifts berücksichtigen zu können, werden bei der Auswertung der detektierten Absorption auch die Sensorsignale des Referenzsensors 24 verarbeitet. Insbesondere kann die von der Lichtquelle 21 oder von Lichtquellen erwartete Intensität mit der an dem Referenzsensor 24 detektierten Intensität verglichen werden und bei Abweichung die Intensität der Lichtquelle 21 durch den Wert der durch den Referenzsensor 24 erfassten Intensität ersetzt werden.
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Wie sich aus 3 ergibt, können in einer Auswertungseinheit 26 somit die von den Sensoren 22, 23 und 24 gemessenen Werte sowie die für die Lichtquelle 21 angegebenen Werte miteinander verarbeitet werden. Hierdurch kann insbesondere eine Absorption in einem vorgegebenen Wellenlängenbereich detektiert werden. Aufgrund dieser Detektion, das heißt wenn das Vorliegen von durch unvollständige Verbrennung organischer Stoffe entstandener Schadstoffe erkannt wird, kann eine Steuereinheit 27 angesteuert werden, über die eine Funktion eines Haushaltsgerätes 28 oder eine Ausgabeeinheit 29 angesteuert werden kann. Die Funktion des Haushaltsgerätes 28 kann beispielsweise eine Kochzone eines Herdes oder ein Gebläse einer Dunstabzugshaube sein. Die Ausgabeeinheit 29 kann beispielsweise ein Warnlicht oder ein akustisches Warnsignal ausgeben.
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In 2 ist eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Haushaltsgerätes 1 gezeigt. Das Haushaltsgerät 1 stellt in der gezeigten Ausführungsform eine Dunstabzugshaube dar. Die Dunstabzugshaube umfasst ein Gerätegehäuse 10. In dem Gerätegehäuse 10 ist ein Gebläse 13 angeordnet, über das Luft in das Gerätegehäuse 10 eingesaugt werden kann. Die Ansaugöffnung 11 der Dunstabzugshaube ist durch einen Fettfilter 12 abgedeckt, durch den Partikel aus der anströmenden Luft herausgefiltert werden können. An das Gebläse 13 schließt sich in der gezeigten Ausführungsform ein Abluftkanal 14 an, über den Luft aus der Dunstabzugshaube in den Küchenraum zurückgeführt oder aus dem Gebäude in die Umgebung abgegeben werden kann.
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In der 2 sind drei verschiedene mögliche Positionen einer erfindungsgemäßen Detektionsvorrichtung 2 gezeigt. In der unteren Position liegt die Detektionsvorrichtung 2 oder liegen zumindest die Lichtquelle 21 und die Sensoren 22, 23, 24 in Strömungsrichtung vor dem Fettfilter 12. In der mittleren Position liegt die Detektionsvorrichtung 2 oder liegen zumindest die Lichtquelle 21 und die Sensoren 22, 23, 24 in Strömungsrichtung nach dem Fettfilter 12 innerhalb des Gerätegehäuses 10. In der oberen Position liegt die Detektionsvorrichtung 2 oder liegen zumindest die Lichtquelle 21 und die Sensoren 22, 23, 24 in Strömungsrichtung nach dem Fettfilter 12 und innerhalb des Abluftkanals 14.
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In der 4 sind Absorptionsspektren bei unterschiedlichen Temperaturen gezeigt. Diese sind beispielhafte UV/VIS-Absorptionsspektren von Gasen / Aerosol über einer Pfanne mit Lebensmitteln in Öl bei unterschiedlichen Temperaturen. Oberhalb einer Temperatur von etwa 200°C wird eine deutliche Absorptionsbande bei etwa 250nm beobachtet, die Produkten einer unvollständigen Verbrennung organischer Substanzen zugeschrieben wird. Zudem kommt es zu einer breitbandigen Erhöhung der Absorption über das gesamte Spektrum, die durch Öltröpfchen in der Luft oder andere Partikel verursacht wird.
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Mit der vorliegenden Erfindung wird eine vorzugsweise UV-LED basierte Detektion geschaffen, mittels derer Brandgase beispielsweise an Dunstabzugshauben, die auch als Küchenabzugshauben bezeichnet werden können, oder in Brandmeldern erkannt werden können.
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Die Erfindung kommt insbesondere aufgrund der zunehmenden Automatisierung in Haushalten zum Tragen. Beispielsweise steigt nämlich aufgrund des sogenannten „Smart-Home“ Ansatzes der Bedarf nach aussagekräftigen Sensorsignalen zur Kontrolle / Regelung der Luftgüte und für Sicherheitsfunktionen.
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Gegenüber metalloxid-basierten kleinen und kostengünstigen Detektoren, die in letzter Zeit zunehmend zur Luftgütemessung in Wohnräumen oder auch der Abluft verwendet werden, weist die Erfindung eine Reihe von Vorteilen auf. Die bekannten Detektoren reagieren recht unspezifisch auf verschiedenste Gase, insbesondere volatile organische Verbindungen (VOCs). Dies macht eine Kalibrierung des Detektionssignals auf die subjektive Luftgüte schwierig, kann zu häufigen Falschmeldungen führen und ist zum Beispiel im Umfeld von Küchen, in denen auch viele unschädliche VOCs präsent sind, impraktikabel. Mit der vorliegenden Erfindung kann hingegen eine hohe Signalqualität und selektive Detektion von schädlichen VOCs realisiert werden.
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Zudem ist bei der vorliegenden Erfindung eine einfache Messdatenverwertung möglich, wobei diese keine Spektralanalyse erfordert.
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Zudem sind durch die Verwendung von LEDs im UV und insbesondere UVC Bereich geringere Querempfindlichkeiten gegenüber beispielsweise Feuchte und CO2 als bei infrarotem Spektralbereich gegeben.
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Insbesondere kann mit der vorliegenden Erfindung eine selektive Detektion von Brandgasen, wie Aldehyden und ringförmigen Kohlenwasserstoffen in Ab- oder Raumluft auf einfache Weise sichergestellt werden. Mit dem Detektionsergebnis können dann zum Beispiel Dunstabzugshauben und Herde gesteuert werden oder es können Warnhinweise an Bewohner abgegeben werden.
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Insbesondere wird bei der vorliegenden Erfindung ist eine UV-optische Detektionseinheit zur selektiven Messung von Gasen wie Aldehyden oder ringförmigen Kohlenwasserstoffen, die bei der Verbrennung / beim Anbrennen von organischen Verbindungen entstehen, verwendet. Diese Funktion in Kombination mit dem durch einen beispielsweise als Streulichtsensor integrierten Partikelsensor führt dazu, dass mit der Erfindung eine fehlerarmen Steuerung von Lüftungssystem oder Warnanlagen ermöglicht wird.
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Ein Vorteil der UV-optischen Messung gemäß der vorliegenden Erfindung ist die selektive Erkennung von Gasspezies, die beispielsweise in massenspektrometrischen Versuchen als (gesundheitsschädliche) Marker für eine unvollständige Verbrennung von organischen Substanzen identifiziert wurden oder anderweitig festgelegt wurden. Insbesondere können diese Substanzen von der Vielzahl anderer VOCs, die auch beim unkritischen Kochen entstehen, getrennt werden, was zum Beispiel mit den häufig verwendeten Metalloxiddetektoren nicht möglich ist. Ein Vorteil der Erfindung gegenüber Messungen im Infrarotbereich sind hohe spezifische Absorptionsquerschnitte der relevanten Moleküle im UV-Bereich sowie eine geringe Querempfindlichkeit gegenüber Feuchtigkeit und CO2.
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Vorzugsweise wird die Messstrecke der Detektionsvorrichtung durch mindestens eine Lichtquelle beleuchtet. Durch die Sensoren, die in einem unterschiedlichen Winkel zur optischen Achse der Lichtquelle stehen, wird die Lichtleistung vermessen. So detektiert zum Beispiel ein den Lichtquellen gegenüberstehender Messdetektor das um Streuung und Absorption an Gasmolekülen und Teilchen abgeschwächte Licht, während ein Messdetektor um 90° verdreht dazu nur das Streulicht misst. Auf diese Weise kann der Einfluss von streuenden Partikeln und absorbierenden Gasmolekülen getrennt werden. Zur Berücksichtigung von etwaigen Grundliniendrifts durch z.B. eine zeitliche Verringerung der LED-Ausgangsleistung oder kurzfristige Fluktuationen kann ein zusätzlicher Referenzdetektor verwendet werden, der ohne/mit vorheriger Wechselwirkung des Lichts mit dem Messgas/Aerosol beleuchtet wird. Dazu kann ein Strahlteiler verwendet werden.
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Vorzugsweise werden für die Verwendung der beschriebenen Detektionsvorrichtung in Abzugshauben oder Brandmeldern geeigneter Wellenlängen gewählt, um die für die Verbrennungsprozesse spezifischen Spezies und deren Absorptionsbanden vermessen zu können. Hierzu können anhand von UV-Absorptionsspektren per Massenspektroskopie bestimmte Marker-Versuche durchgeführt werden, bei denen ein Anbrennen von Lebensmitteln in einer Pfanne UV/VIS-spektrometrisch vermessen wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Haushaltsgerät
- 10
- Gerätegehäuse
- 11
- Ansaugöffnung
- 12
- Fettfilter
- 13
- Gebläse
- 14
- Abluftkanal
- 2
- Detektionsvorrichtung
- 20
- Gehäuse
- 21
- Lichtquelle
- 22
- Sensor
- 23
- Sensor
- 24
- Referenzsensor
- 25
- Strahlteiler
- 26
- Auswertungseinheit
- 27
- Steuereinheit
- 28
- Funktion Haushaltsgerät
- 29
- Ausgabeeinheit
- Z
- Optische Achse
- M
- Messstrecke
- S
- Streulicht
- A
- Aerosol
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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