DE19831688C1

DE19831688C1 - Optischer Sensor

Info

Publication number: DE19831688C1
Application number: DE19831688A
Authority: DE
Inventors: Christian Loch; Gerhard Kersten; Clemens Jung
Original assignee: Whirlpool Corp
Current assignee: Whirlpool Corp
Priority date: 1998-07-15
Filing date: 1998-07-15
Publication date: 2000-04-06
Anticipated expiration: 2018-07-16
Also published as: ES2310422T3; US6509558B1; DE69939508D1; EP0972486A1; EP0972486B1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen optischen Sensor zum Messen der Eigenschaft eines gasförmigen oder flüssigen Mediums, insbesondere der Trübung einer Wasch- oder Spülflüssigkeit in einer Wasch- oder Spülmaschine, mit mindestens einer Strahlungsquelle, einem Strahlungsempfänger sowie einem lichtdurchlässigen Sensorkörper mit einer optischen Grenzfläche, der je nach Art des außerhalb der Grenzfläche des Sensorkörpers befindlichen Mediums die auf ihn gerichtete Strahlung mehr oder weniger zum Strahlungsempfänger durchläßt und/oder reflektiert, was am Strahlungsempfänger zu unterschiedlichen, die Reflexionseigenschaft und die Brechungszahlverhältnisse an der Grenzfläche kennzeichnenden Meßsignalen führt. Durch getrennte Erfassung der Transparenz und der Reflexion des Mediums werden eindeutige Meßsignale für eine Prozeßsteuerung einer Wasch- oder Spülmaschine erhalten.

Description

Die Erfindung betrifft einen optischen Sensor zum Messen der Eigenschaft eines gasförmigen oder flüssigen Mediums, insbesondere der Trübung und des Schaumanteils einer Wasch- oder Spülflüssigkeit in einer Wasch- oder Spül maschine, mit mindestens einer ersten Strahlungsquelle, einem Strahlungs empfänger und einem lichtdurchlässigen Sensorkörper mit einer optischen Grenzfläche, wobei die erste Strahlungsquelle einen breiten Lichtstrahl erzeugt, von dem ein Teil unter und ein Teil über dem kritischen Winkel für Totalreflexion auf die Grenzfläche des Sensorkörpers fällt und der Strahlungsempfänger nach Wasser, Luft oder Schaum als Medium unterscheidbare Messsignale abgibt.

Ein optischer Sensor dieser Art ist durch die DE 42 42 927 A1 bekannt. Dieser bekannte Sensor weist eine einzige Strahlungsquelle und einen einzigen Strah lungsempfänger auf und die unterschiedlichen Meßsignale beruhen auf einer Kombination der physikalischen Effekte von Reflexion und Veränderung des Brechungszahlverhältnisses an der Grenzfläche des linsenförmigen Sensorkör pers. Die Meßsignale lassen eine Unterscheidung in Schaum, Luft und Flüs sigkeit außerhalb des Sensorkörpers zu. Dabei wird durch das Meßsignal nur in die Anwesenheit von Wasser, Luft oder Schaum unterschieden. Um eine ein deutige Aussage über die Trübung der Wasch- oder Spülflüssigkeit in einer Wasch- oder Spülmaschine treffen zu können, reicht dieser optische Sensor nicht aus, denn bei mehr oder weniger verschmutzter Flüssigkeit wird ein im wesentlichen gleiches Meßsignal erhalten. Da für den Prozeßablauf in einer Wasch- oder Spülmaschine unterschiedliche Verschmutzung des Wassers das eindeutige Kriterium über den Fortgang des Prozesses und damit die sensor gesteuerte Veränderung des Programmes ist, kann mit dem bekannten Sensor keine optimale Prozeßsteuerung erstellt werden.

Aus der DE 43 42 272 A1 ist eine Messanodnung bekannt, mit der die Kom bination der Messgrößen Trübung und Schaumanteil eines Mediums ohne Sen sorkörper gemessen werden kann.

Schließlich zeigt die DE 195 21 326 A1 einen Trübungssensor für eine auto matische Wasch- oder Geschirrspülmaschine mit Temperaturkompensation.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen optischen Sensor der eingangs erwähnten Art zu schaffen, mit dem eindeutig unterscheidbare Meßsignale für den Trübungsgrad eines flüssigen Mediums in einer Wasch- oder Spülmaschine abgeleitet werden können, die für eine Prozeßsteuerung verwendbar sind.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, dass eine zusätzliche Strahlungsquelle zur Erfassung der Transparenz des Mediums eine Strahlung durch das Medium und den Sensorkörper hindurch auf den Strahlungsempfän ger richtet und dass der Strahlungsempfänger die von den beiden im Zeitmulti plex betriebenen Strahlungsquellen ausgelösten, die Transparenz und die Reflexion des Mediums kennzeichnenden Meßsignale zeitlich nacheinander abgibt.

Durch die Erfassung der Transparenz des Mediums wird auch dessen Trübungs grad gemessen, so dass je nach Verschmutzung unterschiedliche, für eine Prozeßsteuerung verwendbare Meßsignale erhalten werden. Im ersten Fall wird durch den Zeitmultiplexbetrieb lediglich eine weitere Strahlungsquelle benötigt, während im zweiten Fall mit zusätzlichem Strahlungsempfänger eine Parallel aussage über die Reflexions- und Transparenzeigenschaft des Mediums erhalten wird. Gegenüber dem bekannten optischen Sensor kann daher bei der Anwe senheit von Wasser als Medium gleichzeitig noch in verschiedene Verschmut zungsgrade des Mediums unterschieden werden, was gerade für die Prozeß steuerung, d. h. die Veränderung der Programme, von wesentlichem Vorteil ist, um den Prozeß nach Zeit, Temperatur, Wasser und Energie zu optimieren und an unterschiedliche Gegebenheiten anzupassen.

Um eindeutige Meßsignale bei der Transparenzmessung zu erhalten, ist nach einer Ausgestaltung vorgesehen, dass die Strahlungsquelle zur Messung der Transparenz des Mediums die Strahlung quer zur Flußrichtung des Mediums durch dieses leitet.

Ist die Anordnung so, dass der linsenförmig ausgebildete Sensorkörper mit der Grenzfläche dem Medium zugekehrt ist und einen Teil eines nichtdurchlässigen Sensorgehäuses bildet, das selbst einen Teil des vom Medium durchflossenen Kanals bildet, und daß der Sensorkörper zumindest mit der Grenzfläche in den Kanal ragt, dann wird zudem in die Anwesenheit von Luft oder Schaum unter schieden.

Für den konstruktiven Aufbau des optischen Sensors ist vorgesehen, daß das Sensorgehäuse die Strahlungsquellen und die Strahlungsempfänger aufnimmt, wobei die zur Erfassung der Reflexion des Mediums vorgesehene Strahlungs quelle und der einzige Strahlungsempfänger der Grenzfläche des Sensorkörpers abgekehrt am Sensorkörper angeordnet sind, während die zur Erfassung der Transparenz des Mediums vorgesehene Strahlungsquelle und der eventuell dafür vorgesehene zusätzliche Strahlungsempfänger im Bereich außerhalb des Sensor körpers im Sensorgehäuse oder im Kanal angeordnet sind.

Ist für die Erfassung der Transparenz und der Reflexion des Mediums nur ein einziger Strahlungsempfänger vorgesehen, dann kann zur Erfassung der Trans parenz die Ausgestaltung des optischen Sensors so gewählt sein, daß das Sen sorgehäuse neben dem Sensorkörper eine in den Kanal und das Medium ragen de Kammer aufweist, in der die zur Erfassung der Transparenz des Mediums vorgesehene Strahlungsquelle eingesetzt ist und ihre Strahlung durch das Medium hindurch auf die Grenzfläche des Sensorkörpers richtet, oder daß das Sensorgehäuse neben dem Sensorkörper einen in das Medium und den Kanal ragenden Lichtleiter bildet, der die von der Strahlungsquelle zur Erfassung der Transparenz des Mediums ausgehende Strahlung umlenkt und durch das Me dium hindurch auf die Grenzfläche des Sensorkörpers richtet.

Die Anordnung kann weiterhin auch so ausgeführt sein, daß die zur Erfassung der Transparenz des Mediums vorgesehene Strahlungsquelle auf der dem Sen sorkörper gegenüberliegenden Seite des Kanals angeordnet ist und daß die von dieser Strahlungsquelle ausgehende Strahlung durch den Sensorkörper hindurch auf den einzigen Strahlungsempfänger gerichtet ist.

Die Strahlungsquellen werden am einfachsten durch Leuchtdioden und die Strahlungsempfänger durch Fototransistoren realisiert.

Die Erfindung wird anhand von drei in den Zeichnungen dargestellten Aus führungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 im Schnitt einen optischen Sensor, in eine das Medium führende Leitung eingebaut,

Fig. 2 im Schnitt einen der Fig. 1 äquivalenten optischen Sensor mit anderer Führung der zur Erfassung der Transparenz erzeugten Strahlung und

Fig. 3 im Schnitt ein drittes Ausführungsbeispiel mit der bekannten Reflexionsmessung, jedoch mit andersartiger Transparenzmessung.

Der das Medium 11, z. B. die Wasch- oder Spülflüssigkeit führende Kanal 10 ist eine Schlauchleitung einer Wasch- oder Spülmaschine, in der die Wasch- oder Spülflüssigkeit im Umwälzbetrieb zirkulieren kann. Der Kanal 10 bildet mit den Flanschen 12 eine Aufnahme 13 für ein Sensorgehäuse 20 aus lichtdurchlässi gem Material. Ein Teil des Sensorgehäuses 20 ist als linsenförmiger Sensor körper 21 mit der Grenzfläche 22 ausgebildet, der in den Kanal 10 ragt. Der Grenzfläche 22 gegenüberliegend sind an der geraden Fläche des Sensorkörpers 21 eine Strahlungsquelle LED2 in Form einer Leuchtdiode und ein Strahlungs empfänger FT in Form eines Fototransistors angeordnet. Wird die Strahlungs quelle LED2 in Betrieb genommen, dann erzeugt sie einen breiten Lichtstrahl 17, der je nach Brechungszahlfaktor an der Grenzfläche 22 und/oder der Reflexion an Schaumbläschen 30 zum Strahlungsempfänger FT mehr oder weniger zu rückgelangt, wie die Strahlung 18 erkennen läßt. In diesem Falle arbeitet der optische Sensor wie der aus der DE 42 42 927 A1 bekannte Sensor und gibt nach Wasser, Luft oder Schaum unterscheidbare Meßsignale.

Mit dem mit dem Bezugszeichen 11 versehenen Pfeil ist in Fig. 1 die Fließ richtung des Mediums 11 erkennbar. Das Sensorgehäuse 20 bildet neben dem Sensorkörper 21 eine Kammer 23, die ebenfalls in den Kanal 10 ragt und eine zusätzliche Strahlungsquelle LED1 zur Erfassung der Transparenz des Mediums 11 aufnimmt. Die Leuchtdiode ist dabei so eingesetzt, daß ihre Strahlung 15 quer zur Flußrichtung das Medium 11 passiert und auf die Grenzfläche 22 auftritt. Die Strahlung 15 wird durch den Trübungsgrad, d. h. die Ver schmutzung des Mediums 11 mehr oder weniger geschwächt, so daß nur ein Teil 16 an der Grenzfläche 22 reflektiert und dem Strahlungsempfänger FT zugeführt wird. Der reflektierte Anteil 16 der Strahlung 15 nimmt mit zunehmendem Verschmutzungsgrad des Mediums 11 ab, so daß in diesem Fall der Strahlungsempfänger FT ein vom Trübungsgrad abhängiges Meßsignal ab gibt. Damit die Transparenz und die Reflexion des Mediums unabhängig voneinander gemessen werden, werden die Strahlungsquellen LED1 und LED2 im Zeitmultiplex betrieben, was zu einer zeitlich nacheinander erfolgenden Abgabe entsprechender Meßsignale am einzigen Strahlungsempfänger FT führt. Es ist selbstverständlich, auch unter Beachtung der Strahlungrichtung der zusätzlichen Strahlungsquelle LED1 zur Erfassung der Transparenz einen zusätzlichen (nicht dargestellten) Strahlungsempfänger zuzuordnen, um parallel und gleichzeitig Meßsignale für Transparenz und Reflexion des Mediums 11 zu erhalten.

Wie Fig. 2 zeigt, kann das Sensorgehäuse 20 neben dem Sensorkörper 21 auch einen Lichtleiter 24 bilden, der die von der zusätzlichen Strahlungsquelle LED1 ausgehende Strahlung 19 umlenkt und durch das Medium 11 hindurch auf die Grenzfläche 22 des Sensorkörpers 21 richtet, wobei der reflektierte Teil 16 wieder zum einzigen Strahlungsempfänger FT oder zu einem zusätzlichen Strah lungsempfänger außerhalb des Bereiches des Sensorkörpers 21 gelangt. Es kann auch bei diesem optischen Sensor ein Zeitmultiplex- oder Parallelbetrieb für die Erfassung der Transparenz und der Reflexion des Mediums 11 gearbeitet werden.

Schließlich kann die zusätzliche Strahlungsquelle LED1 auch in die dem Sensor körper 21 gegenüberliegende Kammer 25 des Kanals 10 eingebaut werden, wenn die Strahlung 15 quer zur Flußrichtung des Mediums 11 ausgerichtet wird. Die Strahlung 15 kann durch den Sensorkörper 21 hindurch direkt zu dem einzigen Strahlungsempfänger FT gelangen. Dazu ist jedoch wieder im Zeitmulti plex mit den Strahlungsquellen LED1 und LED2 zu arbeiten. Die Kammer 25 ist dabei mit einer lichtdurchlässigen Abdeckung 27 zum Medium 11 hin abzu decken. Der Sensorkörper 21 deckt selbst die Kammer 26 mit der Strahlungs quelle LED2 und dem einzigen Strahlungsempfänger FT ab.

Claims

1. Optischer Sensor zum Messen der Eigenschaft eines gasförmigen oder flüssigen Mediums, insbesondere der Trübung und des Schaumanteils einer Wasch- oder Spülflüssigkeit in einer Wasch- oder Spülmaschine, mit mindestens einer ersten Strahlungsquelle, einem Strahlungsempfänger und einem lichtdurchlässigen Sensorkörper mit einer optischen Grenz fläche, wobei die erste Strahlungsquelle einen breiten Lichtstrahl erzeugt, von dem ein Teil unter und ein Teil über dem kritischen Winkel für Totalreflexion auf die Grenzfläche des Sensorkörpers fällt und der Strahlungsempfänger nach Wasser, Luft oder Schaum als Medium unter scheidbare Messsignale abgibt, dadurch gekennzeichnet,
dass eine zusätzliche Strahlungsquelle (LED1) zur Erfassung der Trans parenz des Mediums (11) eine Strahlung (15) durch das Medium (11) und den Sensorkörper (21) hindurch auf den Strahlungsempfänger (FT) richtet und
dass der Strahlungsempfänger (FT) die von den beiden im Zeitmultiplex betriebenen Strahlungsquellen (LED1, LED2) ausgelösten, die Transpa renz und die Reflexion des Mediums (11) kennzeichnenden Meßsignale zeitlich nacheinander abgibt.

2. Optischer Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle (LED1) zur Messung der Transparenz des Me diums (11) die Strahlung (15) quer zur Flußrichtung des Mediums (11) durch dieses leitet.

3. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
dass der linsenförmig ausgebildete Sensorkörper (21) mit der Grenzfläche (22) dem Medium (11) zugekehrt ist und einen Teil eines lichtdurch lässigen Sensorgehäuses (20) bildet, das selbst einen Teil des vom Medium (11) durchflossenen Kanals (10) bildet, und
dass der Sensorkörper (21) zumindest mit der Grenzfläche (22) in den Kanal (10) ragt.

4. Optischer Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorgehäuse (20) die Strahlungsquellen (LED1, LED2) und die Strahlungsempfänger (FT) aufnimmt, wobei die zur Erfassung der Re flexion des Mediums (11) vorgesehene Strahlungsquelle (LED2) und der einzige Strahlungsempfänger (FT) der Grenzfläche (22) des Sensorkörpers (21) abgekehrt am Sensorkörper (21) angeordnet sind, während die zur Erfassung der Transparenz des Mediums (11) vorgesehene Strahlungs quelle (LED1) und der eventuell dafür vorgesehene zusätzliche Strah lungsempfänger im Bereich außerhalb des Sensorkörpers (21) im Sensor gehäuse (20) oder im Kanal (10) angeordnet sind.

5. Optischer Sensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorgehäuse (20) neben dem Sensorkörper (21) eine in den Kanal (10) und das Medium (11) ragende Kammer (23) aufweist, in der die zur Erfassung der Transparenz des Mediums (11) vorgesehene Strah lungsquelle (LED1) eingesetzt ist und ihre Strahlung (15) durch das Medium (11) hindurch auf die Grenzfläche (22) des Sensorkörpers (21) richtet (Fig. 1).

6. Optischer Sensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorgehäuse (20) neben dem Sensorkörper (21) einen in das Medium (11) und den Kanal (10) ragenden Lichtleiter (24) bildet, der die von der Strahlungsquelle (LED1) zur Erfassung der Transparenz des Me diums (11) ausgehende Strahlung (19) umlenkt und durch das Medium (11) hindurch auf die Grenzfläche (22) des Sensorkörpers (21) richtet (Fig. 2).

7. Optischer Sensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
dass die zur Erfassung der Transparenz des Mediums (11) vorgesehene Strahlungsquelle (LED1) auf der dem Sensorkörper (21) gegenüber liegenden Seite des Kanals (10) angeordnet ist und
dass die von dieser Strahlungsquelle (LED1) ausgehende Strahlung (15) durch den Sensorkörper (21) hindurch auf den einzigen Strahlungs empfänger (FT) gerichtet ist (Fig. 3).

8. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Strahlungsquellen (LED1, LED2) Leuchtdioden und als Strah lungsempfänger (FT) ein Fototransistor verwendet sind.