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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kontrolle der Salzkonzentration in einer Haushaltsmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. 3.
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In Haushaltsmaschinen wie Waschmaschinen oder Geschirrspülern werden häufig Wasserenthärtungssysteme eingesetzt, die mit einem Ionentauscher arbeiten, durch den das zu enthärtende Rohwasser geleitet wird. Vor allem in Geschirrspülern ist eine Wasserenthärtung nahezu unumgänglich, um Rückstände und Ablagerungen auf dem gespülten Geschirr zu vermeiden.
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Ein derartiger Ionentauscher weist eine gewisse Beladungskapazität auf, d. h. ab einer bestimmten Beladung ist er nicht mehr in der Lage, das Rohwasser zu enthärten. In diesem Fall ist ein Regenerationsvorgang mit einer Sole erforderlich, der beispielsweise in regelmäßigen Zeitabständen oder abhängig von verschiedenen Messparametern durchgeführt wird.
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Die Sole selbst wird durch Einleiten von Wasser in einen Salzbehälter erzeugt, so dass sie bei ausreichendem Salzvorrat stets gesättigt ist. Ist der Salzvorrat verbraucht, so sinkt naturgemäß auch die Konzentration der Sole ab, wodurch wiederum die mit der Sole durchgeführte Regeneration beeintrachtigt wird. Eine Kontrolle der Solekonzentration ist daher erforderlich, um das Nachfüllen von Regeneriersalz, z. B. durch eine Bedienperson aufgrund einer optischen Anzeige, zu veranlassen.
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In handelsublichen Geschirrspülern wird hierzu ein Schwimmer in der Sole vorgesehen, der eine genau vorgegebene Dichte aufweist und einen Permanentmagneten umfasst. Das Schwimmverhalten dieses Schwimmers ist abhängig von der Konzentration der umgebenden Sole, wobei die Position des Schwimmers aufgrund des darin eingeschlossenen Permanentmagneten mit Hilfe eines Reedschalters erfasst wird.
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Bei der Ausführung gemäß dem Stand der Technik ist insbesondere der Schwimmer sehr aufwendig in der Herstellung, da zum einen der Permanentmagnet dicht ummantelt werden und zum anderen die Dichte des Schwimmers möglichst genau festgelegt werden muss. Die Dichteeichung des Schwimmers verursacht insbesondere in der Qualitätssicherung einen nicht zu unterschätzenden Aufwand.
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Darüber hinaus ist aus der Druckschrift
DE 29 11 366 A1 eine Vorrichtung zur Kontrolle der Sole-Konzentration mit einem Durchlichtverfahren bekannt.
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Weiterhin ist die Prüfung der Dichte von flüssigen Medien, insbesondere von Kühlflüssigkeiten von Verbrennungsmotoren oder Säuren in elektrischen Akkumulatoren, mit Hilfe eines Röhrchens gemäß der
DE 19 79 367 U bereits offenbart.
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Gemäß der
DE 41 03 873 A1 ist zudem ein Gerät zur Erfassung der Alkoholkonzentration in flüssigen Brennstoffen für Motorfahrzeuge bekannt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, demgegenüber eine Vorrichtung vorzuschlagen, die eine Kontrolle der Solekonzentration mit deutlich weniger Aufwand ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird ausgehend von einer Vorrichtung der einleitend genannten Art durch die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1 oder 3 gelöst.
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Durch die in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen sind vorteilhafte Ausführungen und Weiterbildungen möglich.
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Gemäß einer ersten Variante der Erfindung kann die Position eines Schwimmers detektiert werden, der jedoch wesentlich einfacher im Vergleich mit dem bisherigen Stand der Technik ausgebildet werden kann. So kann der Schwimmer beispielsweise als Spritzgussteil aus einem Kunststoff vorgegebener Dichte gefertigt werden. Hierdurch ergibt sich eine erhebliche Kostensenkung.
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Gemäß einer zweiten Variante der Erfindung umfasst der Wandabschnitt wenigstens eine an der Behälterinnenseite angeordnete, zur Strahlrichtung schrägwinklige Grenzfläche. Mit einer solchen schrägwinkligen Grenzfläche lassen sich durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung Änderungen im Brechungsindex im Innern des Behälters erfassen. Der Winkel wird hierbei vorzugsweise so gewählt, dass er größer ist als der von den Brechzahlen der Wand und der Sole abhängige Grenzwinkel der Totalreflexion. Vergleichsweise geringe Umlenkungen der Strahlung an dieser inneren Grenzfläche, z. B. aufgrund einer Variation der Solekonzentration, können hierbei zu einer seitlichen Abweichung im Bereich des Empfängers führen. Diese Abweichung kann als Messsignal erfasst werden.
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Darüber hinaus kann mit einer erfindungsgemäßen Kontrollvorrichtung auch eine unmittelbare Aussage über die Solekonzentration getroffen werden, da der Brechungsindex von der Salzkonzentration einer Lösung abhängt.
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Weiterhin ist es mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung auch möglich, festzustellen, ob sich noch ungelöstes Salz im Salzvorratsbehälter befindet, was wiederum ein Indiz dafür ist, dass die entsprechende Salzlösung gesättigt ist.
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In einer Weiterbildung der Erfindung wird der Behälter mit einem Wandabschnitt ausgestattet, der für die verwendete Strahlung durchlässig ist. Auf diese Weise kann die zugehörige Sensoreinheit außerhalb des Behälters angebracht werden, so dass der Sensor nicht mit der Sole in Berührung kommt und somit keinerlei Dichtprobleme auftreten können.
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In einer vorteilhaften Ausfuhrungsform der Erfindung wird eine Ausformung im Behälter vorgesehen, durch die der Strahlengang verlaufen kann und an der die Sende- und Empfangseinheit gut anzubringen ist. Als Ausformung kommen beispielsweise Auswölbungen, Ausbuchtungen oder dergleichen in Betracht. Entsprechende Ausformungen sind vergleichsweise einfach bei der Formung des Solebehälters herstellbar.
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Insbesondere kann eine solche Ausformung derart ausgebildet werden, dass Standardkomponenten, wie z. B. handelsübliche Sende- und Empfangseinheiten bzw. Lichtschranken oder dergleichen, verwendbar sind.
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In einer besonderen Ausführungsform wird die Sende- und Empfangseinheit in einem Eckbereich des Behälters angebracht, so dass der Strahlengang quer durch diesen Eckbereich verläuft. Sofern bereits ein entsprechender Behälter mit im Wesentlichen eckiger, insbesondere viereckiger, Kontur vorgesehen ist, so kann gegebenenfalls die erfindungsgemäße Kontrolleinheit auch nachgerüstet werden. Bei der Erstausrüstung bietet diese Ausführungsform darüber hinaus den Vorteil, dass bereits vorhandene Serienbehälter verwendbar sind.
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Weiterhin ist es denkbar, dass bei entsprechend starker Wandstärke in der Wand eine Ausnehmung vorgesehen wird, die dem Innenraum zugehörig ist und dementsprechend mit Sole gefüllt wird. Durch eine solche Ausnehmung oder Kavität in dem Wandabschnitt kann dann der Strahlengang der erfindungsgemäßen Vorrichtung verlaufen.
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Vorteilhafterweise sind wenigstens zwei Abschnitte der Ausformung oder Ausnehmung in der Behälterwand unter einem geeigneten Winkel angeordnet. Durch zwei unter einem Winkel zueinander stehende Grenzflächen herrschen definierte Randbedingungen für den Strahlengang. Der Winkel ist hierbei so zu wählen, dass eine Anordnung des Senders und des Empfängers möglich ist, bei der der Strahlengang in gewünschter Weise auf den Empfänger trifft. Dies wird vorteilhafterweise so eingestellt, dass ein Empfangssignal bei gewünschter Solekonzentration erhältlich ist. Die genaue Geometrie dieser Wandabschnitte ist von Bedeutung, wenn unmittelbar über die Brechkraft der Sole Rückschlüsse auf die Konzentration gezogen werden sollen.
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Vorteilhafterweise wird der Behälter insgesamt im Wesentlichen aus einem für die Strahlung wenigstens teilweise durchlässigen Material gefertigt, so dass eine aufwendige Ausbildung von Fenstern entfallen kann.
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Grundsätzlich sind für eine erfindungsgemäße Kontrollvorrichtung alle Wellenlängenbereiche, insbesondere im sichtbaren Bereich geeignet. Vorteilhafterweise wird jedoch die elektromagnetische Strahlung im Bereich der Infrarotstrahlung ausgewählt. Hierdurch ist die erfindungsgemäße Kontrollvorrichtung weitgehend unempfindlich gegenüber Störungen durch das Tageslicht. Infrarotdioden für den Sender sowie Infrarot-Fototransistoren für den Empfänger sind zudem als handelsübliche Standardkomponenten erhältlich.
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Insbesondere bei Messung der Soledichte mit einem Schwimmer oder aber auch des Füllstands von nicht gelöstem Salz empfiehlt es sich, den Sender und den Empfänger so anzuordnen, dass der Strahlengang einen im Wesentlichen horizontalen Verlauf hat. Auf diese Weise ist es unerheblich, wo genau im Verlauf des Strahlengangs sich ein Schwimmer auf und ab bewegt bzw. wo das Maximum des Salzstandes sich befindet. Der Strahlengang wird stets auf gleicher Höhe zuverlässig vom Schwimmer unterbrochen bzw. unabhängig vom Ort durch die höchste Salzerhebung, die vom Strahlengang getroffen wird.
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Für den Fall der unmittelbaren Konzentrationsmessung über die Brechungsindizes der Sole bei unterschiedlichen Konzentrationen wird, wie bereits oben angedeutet, der Winkel zwischen Sender und Empfänger so eingestellt, dass ein Signal bei der gewünschten Konzentration erhältlich ist. Darüber hinaus kann in einer Weiterführung dieser Ausführungsform auch eine Anordnung mit zwei oder mit mehreren Empfängern vorgesehen werden, die je nach Ablenkung durch unterschiedliche Brechungsindizes von der Strahlung getroffen werden und dementsprechend ein konzentrationsabhängiges Signal abgeben. In diesem Fall sind die verschiedenen Empfänger unter verschiedenen Winkeln angeordnet.
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Zwei oder mehrere Empfänger können jedoch auch von Vorteil sein, um nicht nur einen Grenzwert der Konzentration bei der Messung mit Hilfe eines Schwimmers oder des Füllstands nicht gelösten Salzes zu bestimmen, sondern auch um den zeitlichen Verlauf des Salzverbrauchs bzw. der Konzentrationsänderung der Sole zu erfassen. Hierfür werden die verschiedenen Empfänger auf unterschiedlicher Höhe angebracht, wobei entweder eine entsprechende Anzahl von Sendern verwendet wird oder aber die vom Sender emittierte Strahlung entsprechend aufgeteilt auf unterschiedlichen Höhenniveaus in den Behälter eingestrahlt wird.
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Da bei Haushaltsmaschinen wie Geschirrspülern der Verdrahtungsaufwand bereits eine nicht zu unterschätzende Rolle in der Fertigung spielt, wird in einer Weiterbildung der Erfindung eine elektronische Schaltung für den Betrieb der Kontrolleinheit verwendet, die lediglich zwei Anschlüsse benötigt. Hierzu werden in einer besonderen Ausführungsform der Sender und der Empfänger parallel in demselben Stromkreis zwischen nur zwei Anschlüssen geschaltet, wobei ein abhängig vom Zustand des Empfängers die Spannung und/oder den Strom zwischen den Anschlüssen beeinflussendes Bauelement vorgesehen ist.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand der Figuren näher erläutert.
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Es zeigen
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1 einen Querschnitt durch eine erste Ausführungsform der Erfindung,
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2 einen Längsschnitt durch eine zweite Ausführungsform der Erfindung und
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3 einen teilweise dargestellten Querschnitt einer dritten Ausführungsform der Erfindung.
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1 zeigt einen Salzbehälter 1, der mit einer Ausformung 2 versehen ist, die ein ringsegmentförmiges Querschnittsprofil aufweist. Im Innern der Ausformung 2 ist ein Schwimmer 3 senkrecht zur Darstellungsebene beweglich untergebracht. Ein Sender 4 und ein Empfänger 5 befinden sich beidseits der Ausformung 2 und sind so angeordnet, dass die gestrichelt dargestellte Strahlung 6 bei nicht unterbrochenem Strahlengang in den Empfänger 5 trifft.
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In der dargestellten Ausführungsform ist der Salzbehälter 1 aus einem für die verwendete Strahlung, beispielsweise Infrarotlicht, durchlässigen Material ausgebildet.
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Der Salzbehälter 1 ist zumindest im Bereich des Senders 4 und des Empfängers 5 transparent für die verwendete Strahlung. Dies kann entweder über entsprechende nicht näher dargestellte Fenster oder durch geeignete Materialauswahl bei der Fertigung des Salzbehälters 1 erreicht werden.
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Der Schwimmer 3 wird so ausgebildet, dass er die auftreffende Strahlung des Senders 4 absorbiert, reflektiert oder ablenkt, so dass die Strahlung nicht am Empfänger 5 ankommen kann, wenn sich der Schwimmer 3 auf Höhe des Strahlengangs befindet.
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Der Schwimmer 3 ist weiterhin mit einer genau definierten Dichte versehen. Da der Schwimmer massiv ausgebildet werden kann, ist dies durch entsprechende Materialauswahl möglich. Aufwendige Eichungen, die im Falle von Lufteinschlüssen oder dergleichen zur Herstellung der richtigen Dichte gemäß dem Stand der Technik vorgenommen werden müssen, sind nicht erforderlich. Darüber hinaus ist es nicht erforderlich, irgendwelche Schaltelemente wie beispielsweise Permanentmagnete oder dergleichen dicht im Schwimmer 3 einzuschließen.
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Die Dichte des Schwimmers 3 wird so eingestellt, dass bei Unterschreiten einer gewünschten Solekonzentration der Schwimmer 3 in den Strahlengang zwischen Sender 4 und Empfänger 5 gelangt, so dass ein Nachfüllen von Salz veranlasst werden kann.
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2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung. In diesem Fall ist ein schmaler Salzbehälter 7 in seinem unteren Bereich mit einem Sender 8 sowie einem Empfänger 9 versehen. Auch hier ist der Behälter 7 im Bereich des Senders 8 bzw. Empfängers 9 durch Einarbeitung entsprechender Fenster oder geeignete Materialauswahl transparent für die verwendete Strahlung. In dieser Ausführungsform wird der gesamte Behälter 7 durchleuchtet, wobei nicht gelöstes Salz 10 den Strahlengang zwischen Sender 8 und Empfänger 9 unterbricht. Sobald so viel Salz gelöst ist, dass der Strahlengang 11 zwischen dem Sender 8 und dem Empfänger 9 nicht mehr durch ungelöstes Salz 10 unterbrochen wird, ist hierdurch ein Signal erhältlich, mit dem das Nachfüllen von Salz veranlasst werden kann.
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3 zeigt eine besondere Ausführungsform der Erfindung, bei der ein Sender 12 so angeordnet ist, dass er unter einem Winkel α auf die Wandung 13 eines Salzbehälters trifft. Der Strahlengang 14, der in einen Empfänger 15 trifft, ist mit einer durchgezogenen Linie gekennzeichnet. Mit gestrichelten Linien ist ein Strahlengang 16 markiert, der neben dem Empfänger verläuft.
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Der Winkel α wird so gewählt, dass keine Totalreflexion beim Durchtritt durch die Wandung 13 des Salzbehälters erfolgen kann. Beim Eintritt in die Wandung wird der Strahlengang gebrochen und verläuft anschließend durch den Innenraum 17 des zugehörigen Salzbehälters. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die optischen Dichten der Wandung 13 und der im Behälter befindlichen Sole nahezu gleich, so dass an der inneren Grenzfläche 18 keine spürbare Brechung stattfindet.
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Der Strahlengang 16 steht für den Fall, dass die Strahlung des Senders 12 auf einen Bereich höherer Solekonzentration trifft, wodurch sich die Brechzahl der Sole verändert. Es besteht innerhalb einer Sole bei Konzentrationsschwankungen ein sogenannter Gradientenindex, aufgrund dessen elektromagnetische Strahlung abgelenkt werden kann. Der Strahlengang 16 verfehlt somit den Empfänger 15.
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Strichpunktiert ist ein weiterer Strahlengang 19 dargestellt, der für eine gegenüber dem Verlauf des Strahlengangs 14 homogene, jedoch höhere Solekonzentration steht. In diesem Fall findet eine deutlichere Brechung an der Grenzfläche 18 statt, so dass wiederum der Empfänger 15 verfehlt wird.
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Die Darstellungen der verschiedenen Strahlengänge gemäß 3 sind vereinfachte Darstellungen, die lediglich zur Veranschaulichung der erfindungsgemäßen Nutzung unterschiedlicher Brechungsindizes von Solen unterschiedlicher Konzentration dient. Die genaue Geometrie der Anordnung von Sender 12 und Empfänger 15 sind im jeweiligen Verwendungsfall anzupassen.
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4 zeigt beispielsweise eine Ausführungsform, bei der der Sender 20 unter dem erforderlichen Winkel α zur Behälterwandung 21 steht. Die Wandung 21 ist mit einem Bogen 22 versehen, so dass der Austrittsbereich 23 rechtwinklig zum Strahlengang 24 bei einer gewünschten Konzentration steht. Die Anpassung der geometrischen Anordnung des Senders 21 und des Empfängers 25 vereinfacht sich hierdurch, indem der Winkel α so eingestellt wird, dass bei Erreichen einer gewünschten Konzentration der Empfänger 25 getroffen wird.
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Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele begrenzt. Wesentlich bei der Erfindung ist der allen Ausführungsbeispielen gemeinsame Umstand, dass die bisherige Ausführungen gemäß dem Stand der Technik, bei der ein Permanentmagnet in einen Schwimmer integriert wurde, nicht mehr erforderlich ist. Die dargestellten Bauweisen sind erheblich einfacher und kostengünstiger zu fertigen. Insbesondere können herkömmliche Lichtschranken, vorzugsweise tageslichtunempfindliche IR-Lichtschranken verwendet werden, die kostengünstig auf dem Markt erhältlich sind. Da derartige Lichtschranken zudem für weitere Verwendungszwecke, beispielsweise zur Füllstandsmessung in Dosiervorrichtungen oder in Sensoren zur Erfassung des Beladungszustandes von Ionentauschern verwendbar sind, lassen sich über größere Stückzahlen weitere Kostensenkungen bewerkstelligen. Darüber hinaus kann bei Verwendung mehrerer solcher Sensorsysteme eine gemeinsame Auswerteeinheit, beispielsweise unter Zwischenschaltung eines Multiplexers, Verwendung finden, wodurch wiederum der Aufwand für die gesamte Haushaltsmaschine reduziert wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Salzbehälter
- 2
- Ausformung
- 3
- Schwimmer
- 4
- Sender
- 5
- Empfänger
- 6
- Strahlung
- 7
- Salzbehälter
- 8
- Sender
- 9
- Empfänger
- 10
- Salz
- 11
- Strahlengang
- 12
- Sender
- 13
- Wandung
- 14
- Strahlengang
- 15
- Empfänger
- 16
- Strahlengang
- 17
- Innenraum
- 18
- Grenzfläche
- 19
- Strahlengang
- 20
- Sender
- 21
- Bogen
- 23
- Austrittsbereich
- 24
- Strahlengang
- 25
- Empfänger
