DE19626203A1 - Optischer Sensor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen optischen Sensor zum Messen von Eigenschaften eines gasförmigen oder flüssigen Mediums, insbesondere der Trübung einer Wasch- oder Spülflüssigkeit in Wasch- oder Spülmaschinen, mit einem von dem zu untersuchenden Medium füllbaren und/oder durchströmbaren Behältnis, in das eine von wenigstens einer Strahlungsquelle emittierte Strahlung einstrahlbar ist, die mittels wenigstens eines strahlungsempfindlichen Detektors detektierbar ist.

Ein optischer Sensor der eingangs beschriebenen Art ist beispielsweise aus der DE 43 36 520 A1 bekannt. Derartige Sensoren sind vielfältigst einsetzbar, sie können beispielsweise außer in Wasch- bzw. Spülmaschinen auch zu medizinischen Analysezwecken, beispielsweise von Blut oder Urin, verwendet werden, ferner ist auch ein Einsatz für diverse chemische und/oder physikalische Analyseverfahren denkbar. Bei dem in der DE 43 36 520 A1 beschriebenen Sensor wird mittels einer Strahlungsquelle in ein Behältnis, in dem sich die zu untersuchende Flüssigkeit befindet, eine Strahlung eingebracht, die das darin befindliche Medium durchsetzt und gegenüberliegend aus dem Behältnis austritt und von einem Strahlungsdetektor gemessen wird. Anhand der gemessenen Intensität können Rückschlüsse auf die Qualität des darin befindlichen Mediums, in diesem Beispiel der Trübung des Waschwassers, gezogen werden. Bei dem dort beschriebenen Sensor wird lediglich eine Transmissionsmessung durchgeführt, d. h., der Strahlungsdetektor detektiert lediglich die direkt durch das Medium transmittierenden Strahlen. Dies ist aber dahingehend nachteilig, als insbesondere schwache Trübungen nicht hinreichend erkannt werden, da die Transmissionsstrahlung bei lediglich schwacher Trübung keine hinreichende Intensitätsänderung erfährt und so kein für eine exakte Analyse aussagekräftiges Signal detektierbar ist.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen optischen Sensor der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß auch ein schwacher Trübungsgrad sicher detektiert werden kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einem optischen Sensor mit den eingangs genannten Merkmalen erfindungsgemäß vorgesehen, daß die Oberfläche des Behältnisses, die mit dem Medium in Berührung tritt, zumindest in Teilbereichen spiegelnd ausgebildet ist.

Der erfindungsgemäße Sensor ist also an der Oberfläche, die dem Medium zugewandt ist, spiegelnd bzw. reflektierend ausgebildet, was beispielsweise durch eine geeignete Beschichtung od. dgl. ohne weiteres realisiert werden kann. Wird nun Strahlung in das Behältnis, in dem sich das Medium befindet, eingebracht, so wandert diese durch das Medium und erfährt dort teilweise vom Medium bedingte Strahlbrechungen, zum anderen wandern die Lichtstrahlen ohnehin nicht geradlinig in Richtung des Auskoppelpunktes zum Strahlungsdetektor. Infolge der Verspiegelung aber werden diese an die Behältniswandung treffenden Strahlen reflektiert, so daß eine Vielfachstreuung eintritt. Die kreuz und quer durch das Behältnis reflektierten Strahlen erhöhen folglich die mögliche auf den Strahlungsdetektor auftreffbare Lichtmenge, so daß beispielsweise bei reinem Medium eine sehr hohe Intensität gemessen wird, die sehr deutlich abnimmt, wenn auch nur eine schwache Trübung eintritt infolge der Absorption vornehmlich der reflektierten Strahlung.

Auf Basis der Erfindung kann vorgesehen sein, daß die Strahlungsquelle und der Strahlungsdetektor direkt an dem Behältnis angeordnet sind. Insbesondere bei Wasch- oder Spülmaschinen, die infolge der dort bewegten Mechanik teilweise starken Vibrationen unterworfen sind, hat es sich als zweckmäßig erwiesen, wenn erfindungsgemäß die Strahlungsquelle und/oder der Strahlungsdetektor außerhalb des Behältnisses angeordnet ist, und daß zum Einkoppeln und/oder Auskoppeln der Strahlung am Behältnis angeordnete, mit der Strahlungsquelle oder dem Strahlungsdetektor verbundene Strahlungsleiter vorgesehen sind. Hierbei wird also von einer an dazu geeigneter Stelle des ggf. vibrierenden Geräts angeordneten Strahlungsquelle die Strahlung mittels des Strahlungsleiters, beispielsweise einem Lichtleiter wie Glasfasern oder Glasfaserbündel, eingekoppelt, und andererseits mittels eines Strahlungsleiters, der einem Strahlungsdetektor zugeordnet ist und der in erfindungsgemäßer Ausgestaltung als Leiterbündel, insbesondere Glasfaserbündel, ausgebildet sein kann, ausgekoppelt, so daß also die Strahlungsquelle und der -detektor geschützt sind. Auch mögliche temperaturbedingte Probleme der in der Regel temperaturempfindlichen Strahlungsquelle bzw. des -detektors werden vorteilhaft vermieden.

Als zweckmäßig hat es sich in dem Fall, daß die Strahlungsquelle und/oder der Strahlungsdetektor extern vom Behältnis angeordnet sind und Strahlungsleiter vorgesehen sind, erwiesen, wenn zum Einkoppeln und/oder Auskoppeln der Strahlung am Behältnis Kopplungselemente, vorzugsweise Prismen, an denen die Strahlungsleiter angeschlossen sind, angeordnet sind. Insbesondere mit den Prismen ist es möglich, eine definierte Umlenkung der ein- oder ausgekoppelten Strahlung zu erreichen, so daß das Strah­ lungsleiterende nicht senkrecht zum Behältnis angeordnet sein muß, sondern eine entsprechend einfachere Leiterführung infolge der möglichen Strahlumlenkung möglich ist, was insbesondere aus bautechnischem Gesichtspunkt von Vorteil ist.

Zur Verbesserung der Messung hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn, wie erfindungsgemäß ferner vorgesehen ist, wenigstens zwei Strahlungsdetektoren vorgesehen sind, wobei diese oder ggf. die ihnen zugeordneten Strahlungsleiter, über welche die Strahlung ausgekoppelt wird, in im wesentlichen gleichmäßiger Verteilung am Behältnis angeordnet sind. Bei dieser erfindungsgemäßen Realisation ist es möglich, anhand zweier Messungen mehrere Meßwerte zu erhalten, die eine wesentlich exaktere Analyse zulassen. Dabei kann in weiterer Erfindungsausgestaltung vorgesehen sein, daß der erste Strahlungsdetektor zur Transmissi­ onsmessung und der zweite Strahlungsdetektor zur Reflexionsmessung dient, wobei der erste Strahlungsdetektor oder ggf. der Strahlungsleiter dem Ort der Einstrahlung gegenüberliegend und der zweite Strahlungsdetektor oder ggf. der Strahlungsleiter in einem Winkel, vorzugsweise 90°, bezüglich des Einstrahlorts, also bezüglich der zwischen dem Einstrahlort und dem gegenüberliegenden ersten Strahlungsdetektor verlaufenden Achse, angeordnet ist. Bei dieser erfindungsgemäßen Ausführungsform dient also der gegenüberliegende Strahlungsdetektor allein der Transmissionsmessung, der zweite Strahlungsdetektor allein der Reflexionsmessung, so daß zwei Signale detektiert werden, die selbständig kennzeichnend und analysierbar sind.

In weiterer Erfindungsausgestaltung kann vorgesehen sein, daß dem Strahlungsdetektor ein optisches Filterelement vorgeschaltet ist, beispielsweise ein Farb-, Bandpaß- oder Interferenzfilter.

Bei der Strahlungsquelle kann es sich erfindungsgemäß um eine solche handeln, die eine monochromatische Strahlung emittiert, oder um eine Strahlungsquelle, die eine breitbandige Strahlung, also beispielsweise weißes Licht, emittiert. Dabei hat es sich als zweckmäßig erwiesen, wenn die emittierte Strahlung in einen Bereich zwischen 400 nm bis 900 nm, vorzugsweise zwischen 500 nm und 800 nm liegt, was sowohl für die monochromatische als auch die breitbandige Strahlung emittierende Quelle gilt.

Ein weiteres Problem bei bisher bekannten optischen Sensoren ist, daß es nur sehr schwierig möglich ist, die Art des Schmutzes, der die Trübung verursacht, festzustellen. Um dies bei dem erfindungsgemäßen Sensor, bei dem infolge der durch die Verspiegelung realisierten Vielfachstreuung ohnehin eine wesentlich bessere und exakter analysierbare Messung realisiert ist, auch eine Differenzierung hinsichtlich der Schmutzart zu ermöglichen, ist in weiterer Erfindungsausgestaltung vorgesehen, daß zwei Strahlungsquellen vorgesehen sind, die jeweils eine monochromatische Strahlung emittieren, wobei die jeweiligen Strahlungen verschiedener Wellenlänge sind, vorzugsweise 500 nm und 800 nm betragen. Bei dieser erfindungsgemäßen Ausführungsform sind also zwei eine unterschiedliche Strahlung emittierende Quellen vorgesehen, die entweder gleichzeitig oder intermittierend geschaltet in das Behältnis eingestrahlt wird. Abhängig von der Schmutzart und -größe zeigen die einzelnen Partikel ein unterschiedliches spektrales Absorptionsverhalten bezüglich der eingestrahlten Wellenlängen, was im Rahmen der Auswertung exakte Rückschlüsse auf die Schmutzart zuläßt.

In weiterer Erfindungsausgestaltung kann vorgesehen sein, daß der oder die Strahlungsdetektoren eine erhöhte Empfindlichkeit in vorbestimmten Wellenlängenbereichen aufweisen, vorzugsweise bei 500 nm und 800 nm. Diese spezifischen Strahlungsdetektoren können sowohl bei der Ausführungsform mit zwei monochromatischen Strahlungsquellen eingesetzt werden, jedoch läßt sich mit diesen empfindlichkeitsspezifischen Detektoren auch dann, wenn eine breitbandige Strahlungsquelle zum Einsatz kommt, eine wellenlängenspezifische Detektion durchführen, die ebenfalls das wellenlängenspezifische Absorptionsverhalten des Schmutzes ermitteln läßt. Damit läßt sich auch in diesem Fall, also ohne Verwendung zweier monochromatischer Strahlungsquellen, eine Schmutzarterkennung basierend auf einer spektralen Absorptionsanalyse erreichen.

Im Rahmen der Erfindung kann vorgesehen sein, daß das Behältnis eine Küvette mit einer diese durchsetzenden, von dem Medium durchströmbaren Durchbrechung ist, wobei in weiterer Ausgestaltung die Küvette und/oder die Durchbre­ chung querschnittlich im wesentlichen zylindrisch ist, wobei insbesondere bei zylindrischer Durchbrechung ein weitgehend definiertes Strömungsverhalten des Mediums in der Küvette möglich ist.

Neben dem optischen Sensor selbst betrifft die Erfindung die Verwendung eines optischen Sensors wie beschrieben zur Bestimmung des Trübungsgrads einer Wasch- oder Spülflüssigkeit einer Wasch- oder Spülmaschine.

Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Messen von Eigenschaften eines sich innerhalb eines Behältnisses befindlichen gasförmigen oder flüssigen Mediums, bei dem eine von wenigstens einer Strahlungsquelle emittierte Strahlung in das das Medium enthaltende Behältnis eingestrahlt wird, die nach Durchquerung des Mediums von wenigstens einem Strahlungsdetektor detektiert wird, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß mittels des Strahlungsdetektors sowohl die transmittierte als auch die innerhalb des Mediums und/oder an der Behälterwandung reflektierte Strahlung gemessen wird.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den im folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine Teilansicht des Laugenbehälterbodens einer Wasch- oder Spülmaschine mit eingesetztem optischen Sensor,

Fig. 2 eine Schnittansicht durch den optischen Sensor aus Fig. 1,

Fig. 3 eine perspektivische Teilansicht eines mit einer Bypass-Leitung verbundenen optischen Sensors, und

Fig. 4 einen Schnitt durch den optischen Sensor aus Fig. 3.

Fig. 1 zeigt einen optischen Sensor 1, der an einem nur ausschnittsweise dargestellten Laugenbehälterboden 2 einer Wasch- oder Spülmaschine in einer entsprechend ausgebildeten, nicht näher gezeigten Bodendurchbrechung angebracht ist. Der optische Sensor 1 besteht aus einem im wesentlichen querschnittlich zylindrischen Behältnis 3, das eine ebenfalls im wesentlichen zylindrische, senkrecht zur Behälterlängsachse verlaufende Durchbrechung 4 aufweist. Von unten werden dem Behältnis 2 drei Strahlungsleiter 5 zugeführt, die, wie bezüglich Fig. 2 beschrieben wird, zum Ein- und Auskoppeln einer Strahlung dient.

Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch den optischen Sensor 1 aus Fig. 1. Wie dort gezeigt, sind die Strahlungsleiter 5 in entsprechenden Bohrungen 6 des Behältnisses 3 geführt und verlaufen im wesentlichen parallel zueinander. Die Strahlungsleiter 5a und 5c enden aber im Unterschied zum Strahlungsleiter 5b nicht unmittelbar an der Durchbrechung, die nach Art einer Küvette ausgebildet ist, sondern an Kopplungselementen 7, die die Form eines Prismas aufweisen. Diese Kopplungselemente 7 sind am Behältnis 3 in entsprechenden Ausnehmungen 8 gehaltert und enden mit ihrer Fläche 9 direkt an der Durchbrechung. Die zu der Fläche 9 senkrecht verlaufende Fläche 10 der Einkopplungselemente 7 ist mit dem Strahlungsleiter 5a bzw. 5c verbunden. Mittels dieser Kopplungselemente 7 ist es möglich, die einem Strahlungsleiter zuzuführende Strahlung bzw. die von diesem einzubringende Strahlung umzulenken.

Bei dem in Fig. 2 gezeigten optischen Sensor dient beispielsweise der Strahlungsleiter 5a zum Einbringen einer Strahlung in die Durchbrechung 4, in der sich das zu untersuchende Medium, bezogen auf Fig. 1 eine Wasch- oder Spülflüssigkeit, die, da die Durchbrechung 4 beidseitig offen ist, durch diese hindurchströmt, befindet. Der Strahlungsleiter 5a ist zu diesem Zweck mit einer nicht dargestellten Strahlungsquelle verbunden. Das mittels des Strahlungsleiters 5a geführte Licht wird mittels des Kopplungselementes 7 in die küvettenartige Durchbrechung 4 eingestrahlt. Die Innenwandung 11 der Küvette ist bei diesem Beispiel vollständig verspiegelt ausgebildet. Dies führt dazu, daß die eingebrachte Strahlung zum einen transmittierend zum gegenüberliegenden Einkoppelelement 7 läuft und dort in entsprechend umgekehrter Weise ausgekoppelt und dem Strahlungsleiter 5c, an dem ein separater Strahlungsdetektor, der nicht dargestellt ist, angeschlossen ist, zugeführt wird. Der Teil der Strahlung, der nicht direkt auf die gegenüberliegende Fläche 9 des Kopplungselementes 7 trifft, beispielsweise weil sie von Trübungsteilchen des in der Durchbrechung 4 befindlichen Mediums gebeugt wird oder aber weil sie ohnehin von dem dem Strahlungsleiter 5a zugeordneten Kopplungselement 7 in einer nicht direkt auf das gegenüberliegende Kopplungselement 7 gerichteten Richtung abgestrahlt wird, wird an der verspiegelten Oberfläche 11 reflektiert. Abhängig vom Auftreffwinkel dieser Strahlen auf die verspiegelte Oberfläche werden diese in willkürlichen Winkeln innerhalb der Durchbrechung 4 mehrfach reflektiert. Ein Teil dieser vielfach reflektierten Strahlung tritt in das dem Strahlungsleiter 5c zugeordnete Kopplungselement 7 ein. Ein anderer Teil der Reflexionsstrahlung aber tritt in den Strahlungsleiter 5b, der ebenfalls direkt an der Durchbrechung 4 angekoppelt ist, ein. Dieser ist bezüglich der zwischen den Kopplungselementen 7 verlaufenden Achse senkrecht dazu angeordnet. Mit dem Strahlungsleiter 5b wird also nur Reflexionsstrahlung ausgekoppelt. Auch diesem Strahlungsleiter ist ein Strahlungsdetektor nachgeordnet. Infolge der Verspiegelung der Oberfläche ist es also möglich, eine Intensitätsmessung sowohl basierend auf der Transmission als auch eine lediglich auf der Reflexionsstrahlung basierende Messung durchführen zu können.

Fig. 3 zeigt eine zweite Ausführungsform eines optischen Sensors. Auch dieser optische Sensor 12 weist ein in gleicher Weise gestaltetes Behältnis 13 mit einer entsprechenden küvettenartigen Durchbrechung 14 auf, wobei auch hier die Oberfläche 15 der Durchbrechungswandung verspiegelt ausgebildet ist. Der optische Sensor 12 ist bei dieser Ausführung aber nicht direkt in dem Gerät angeordnet, sondern an eine Bypass-Leitung 16 angeschlossen, wie dies beispielsweise erforderlich ist, um medizinische Analysen einer Blut- oder Urinprobe oder andere physikalische oder chemische Analysen durchzuführen, bei denen das zu analysierende Medium dem Sensor erst zugeführt werden muß.

Wie Fig. 4 zu entnehmen ist, sind auch hier drei Strahlungsleiter 17 vorgesehen, wobei auch hier der Strahlungsleiter 17a zum Einbringen der Strahlung in die küvettenartige Durchbrechung 14 dient, der Strahlungsleiter 17c zum Auskoppeln im wesentlichen der Transmissionsstrahlung und der Strahlungsleiter 17b zum Auskoppeln der reinen Reflexionsstrahlung dient. Bei diesem Beispiel jedoch sind die Strahlungsleiter 17 nicht an einer Seite in das Behältnis 13 eingeführt, sondern münden jeweils senkrecht an die Durchbrechung. Die bezüglich der Ausführungsform gemäß Fig. 1 und 2 beschriebenen Kopplungselemente 7 sind bei dieser Ausführungsform also nicht erforderlich. Infolge der Verspiegelung der Oberfläche 15 ist auch hier basierend auf dem Effekt der Vielfachstreuung eine Transmissions- und eine Reflexionsmessung mit den beschriebenen Vorteilen sowohl im Hinblick auf die Bestimmung des Trübungsgrades als auch die Analyse der Schmutzart möglich.

Claims (17)

1. Optischer Sensor zum Messen von Eigenschaften eines gasförmigen oder flüssigen Mediums, insbesondere der Trübung einer Wasch- oder Spülflüssigkeit in Wasch- oder Spülmaschinen, mit einem von dem zu untersuchenden Medium füllbaren und/oder durchströmbaren Behältnis, in das eine von wenigstens einer Strahlungsquelle emittierte Strahlung einstrahlbar ist, die mittels wenigstens eines strahlungsempfindlichen Detektors detektierbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche (11, 15) des Behältnisses (3, 14, 13, 14), die mit dem Medium in Berührung tritt, spiegelnd bzw. reflektierend ausgebildet ist.

2. Optischer Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte Oberfläche (11, 15) verspiegelt ist.

3. Optischer Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle und der Strahlungsdetektor direkt an dem Behältnis angeordnet ist.

4. Optischer Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle und/oder der Strahlungsdetektor außerhalb des Behältnisses angeordnet ist, und daß zum Einkoppeln und/oder Auskoppeln der Strahlung am Behältnis (3, 13) angeordnete, mit der Strahlungsquelle oder dem Strahlungsdetektor verbundene Strahlungsleiter (5, 5a, 5b, 5c, 17, 17a, 17b, 17c) vorgesehen sind.

5. Optischer Sensor nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei Strahlungsdetektoren vorgesehen sind, und daß die Strahlungsdetektoren oder die ihnen zugeordneten Strahlungsleiter (5b, 5c, 17b, 17c) in im wesentlichen gleichmäßiger Verteilung am Behältnis (3, 13) angeordnet sind.

6. Optischer Sensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Strahlungsdetektor zur Transmissionsmessung und der zweite Strahlungsdetektor zur Reflexionsmessung dient, wobei der erste Strahlungsdetektor oder gegebenenfalls der Strahlungsleiter (5c, 17c) dem Ort der Einstrahlung gegenüberliegend und der zweite Strahlungsdetektor oder gegebenenfalls der Strahlungsleiter (5b, 17b) in einem Winkel, vorzugsweise 90°, bezüglich des Einstrahlorts angeordnet ist.

7. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die dem, gegebenenfalls den Strahlungsdetektoren zugeordneten Strahlungsleiter als Leiterbündel, insbesondere Glasfaserbündel ausgebildet sind.

8. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zum Einkoppeln und/oder Auskoppeln der Strahlung am Behältnis Kopplungselemente (7), vorzugsweise Prismen, an denen die Strahlungsleiter (5a, 5c) angeschlossen sind, angeordnet sind.

9. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß dem Strahlungsdetektor ein optisches Filterelement vorgeschaltet ist.

10. Optischer Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle eine monochromatische Strahlung oder eine breitbandige Strahlung emittierende Strahlungsquelle ist.

11. Optischer Sensor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenlänge der emittierten Strahlung in einem Bereich zwischen 400 nm bis 900 nm, vorzugsweise zwischen 500 nm und 800 nm liegt.

12. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Strahlungsquellen vorgesehen sind, die jeweils eine monochromatische Strahlung emittieren, wobei die jeweiligen Strahlungen verschiedener Wellenlänge sind, vorzugsweise 500 nm und 800 nm betragen.

13. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Strahlungsdetektoren eine erhöhte Empfindlichkeit in vorbestimmten Wellenlängenbereichen aufweisen, vorzugsweise bei 500 nm und 800 nm.

14. Optischer Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Behältnis (3, 13) eine Küvette mit einer diese durchsetzenden, von dem Medium durchströmbaren Durchbrechung (4, 14) ist.

15. Optischer Sensor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Küvette und/oder die Durchbrechung (4, 14) querschnittlich im wesentlichen zylindrisch ist.

16. Verwendung eines optischen Sensors nach einem der vorangehenden Ansprüche zur Bestimmung des Trübungsgrads einer Wasch- oder Spülflüssigkeit einer Wasch- oder Spülmaschine.

17. Verfahren zum Messen von Eigenschaften eines sich innerhalb eines Behältnisses befindlichen gasförmigen oder flüssigen Mediums, bei dem eine von wenigstens einer Strahlungsquelle emittierte Strahlung in das das Medium enthaltende Behältnis eingestrahlt wird, die nach durchqueren des Mediums von wenigstens einem Strahlungsdetektor detektiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß mittels des Strahlungsdetektors sowohl die transmittierte als auch die innerhalb des Mediums und/oder an der Behälterwandung reflektierte Strahlung gemessen wird.