DE4242927A1 - Optischer Sensor - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen optischen Sensor mit einem Lichtsender und einem Lichtempfänger und mit einem lichtdurchlässigen Sensorkörper mit optischer Grenzfläche, die von dem Sender erzeugtes Licht je nach Art eines außerhalb der Grenzfläche befindlichen Mediums entweder ganz, teilweise oder überhaupt nicht durchläßt.

Ein derartiger Sensor ist z. B. durch die EP-A-0 430 111 bekannt geworden und dient zur Erkennung von Flüssigkeiten. Der bekannte Sensor erzeugt ein Signal, wenn er mit seiner optischen Grenzfläche mit dem Flüssigkeitsspiegel in Berührung kommt. Da der Brechungsindex der Flüssigkeit ein anderer ist als der der umgebenden Luft, ändern sich die Reflexionseigenschaften der optischen Grenzfläche für das in den Sensorkörper eingekoppelte Licht. Dabei ist die Anordnung so getroffen, daß die optische Grenzfläche das Licht total reflektiert, wenn sie sich außerhalb der Flüssigkeit befindet, während beim Eintauchen in die Flüssigkeit das Licht ganz oder teilweise passiert. Dieses eindeutige Kriterium kann somit zur Feststellung ausgenutzt werden, ob Flüssigkeit oder Luft sich vor der empfindlichen Fläche des Sensors befindet. Der bekannte Sensor beruht also auf dem optischen Prinzip der totalen, inneren Reflexion und arbeitet mit der Veränderung des Transmissionsgrades beim Übergang zwischen der Optik und dem vor der Optik befindlichen Medium.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den eingangs genannten Sensor derart zu verbessern, daß eine eindeutige Unterscheidung zwischen Schaum, Luft und Flüssigkeit ermöglicht wird.

Diese Aufgabe wird bei einem Sensor der eingangs genannten Art durch eine derartige Anordnung und Ausbildung gelöst, daß für den Übergang Sensorkörper (Optik)-Luft ein Teil des von der Lichtquelle erzeugten Lichtstrahles zum Empfänger reflektiert und der andere Teil transmittiert wird. Eine derartige Ausbildung hat zur Folge, daß beim Übergang Optik-Wasser durch die Veränderung des Brechungszahlverhältnisses der reflektierte Lichtanteil erheblich reduziert wird, so daß der Lichtempfänger praktisch kein Signal mehr erhält. Dies ist ein Anzeichen dafür, daß als Medium vor dem Sensor Wasser vorhanden ist. Befindet sich dagegen im Raum außerhalb der Optik als Medium Schaum, so wirken beim Übergang Optik-Schaum die Schaumkugeln als zusätzliche Reflektoren, die einen Teil des transmittierten Lichtes wieder zum Empfänger reflektieren. Durch diese Reflexion wird damit die vom Empfänger erhaltene Lichtmenge weit über das beim Übergang Optik-Luft erhaltene Maß hinaus erhöht. Auf diese Weise lassen sich eindeutig Luft, Wasser und Schaum durch Erzeugung entsprechender Signale unterscheiden. Die Erfindung, mit deren Hilfe eine Unterscheidung von Schaum, Luft und Flüssigkeit ermöglicht wird, beruht somit auf einer Kombination der physikalischen Effekte von Reflexion und Veränderung des Brechungszahlverhältnisses an Grenzflächen.

In der Zeichnung ist in den Fig. 1 bis 4 ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes gemäß der Erfindung schematisch dargestellt.

Fig. 1 zeigt den mechanischen Aufbau eines erfindungsgemäßen Sensors mit einer Schaltung,

Fig. 2 zeigt gesondert die Schaltung,

Fig. 3 zeigt ein Diagramm zur Erkennung von Schaum, Luft und Wasser, und

Fig. 4 zeigt schematisch den Einsatz von Sensoren bei einer Trommelwaschmaschine.

Gemäß Fig. 1 enthält der optische Sensor eine Infrarot-Reflexlichtschranke 10 (LED/Phototransistor-Diode) mit einer vorgesetzten Optik 11 aus z. B. Glas oder Kunststoff. Die Optik 11 bildet eine gekrümmte, lichtdurchlässige optische Grenzfläche 11a. Als Lichtsender 12 dient eine Infrarot-Lichtquelle mit einer lichtemittierenden Diode 13, und als Lichtempfänger 14 dient ein Phototransistor 15. Die entsprechende elektrische Schaltung ist in Fig. 2 gesondert dargestellt. Mit 16 sind zugehörige Widerstände und mit 17 ist ein Spannungsmesser bezeichnet.

Im Normalzustand befindet sich jenseits der Optik 11 Luft 18. Die Optik 11 ist gemäß der Erfindung so ausgebildet, daß ein halbdurchlässiger Zustand für das vom Sender 12 ausgesandte Licht 19 beim Übergang von der Optik 11 zur Luft 18 erreicht wird. Dieser halbdurchlässige Zwischenzustand wird gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung z. B. durch Verwendung eines breiten Lichtstrahles 19 erreicht, der auf eine gebogene Grenzfläche 11a trifft. Dabei liegt immer ein Teil des Lichtstrahles 19 geringfügig über und ein anderer Teil geringfügig unter dem sogenannten kritischen Winkel, der für eine Totalreflexion maßgebend ist.

Infolge des genannten halbdurchlässigen Zustandes wird auf den Empfänger 14 nur ein Teil 20 des von dem Sender 12 emittierten breiten Lichtstrahles 19 reflektiert, der Rest 21 wird durch die Grenzfläche 11a transmittiert und geht dem Empfänger 14 verloren.

Sobald der optische Sensor in Wasser eintaucht, erfolgt ein Übergang Optik-Wasser, wobei durch die Veränderung des Brechungszahlverhältnisses nunmehr der auf den Empfänger 14 reflektierte Anteil des ausgesandten Lichtstrahles 19 ganz erheblich reduziert wird, so daß der Empfänger 14 praktisch kein Signal mehr enthält.

Sobald jedoch im Strahlungsbereich des transmittierten Lichtes 21 Schaumkugeln 22 vorhanden sind (siehe Fig. 1), wirken diese Schaumkugeln 22 als zusätzliche Reflektoren, die einen Anteil 23 des transmittierten Lichtes 21 zum Empfänger 14 zurück reflektieren. Dadurch erhöht sich die vom Empfänger 14 erhaltene Lichtmenge weit über das beim Übergang Optik 11 - Luft 18 erhaltene Maß hinaus. Somit lassen sich auf einfache und zuverlässige Weise eindeutig sowohl Luft, Wasser als auch Schaum erkennen.

Fig. 3 zeigt schematisch Ausgangsspannungen U₁, U₂ und U₃ für die Erkennung von Schaum, Luft und Wasser. Die geringste Spannungshöhe U₁ ist ein Zeichen für Vorhandensein von Schaum, die mittlere Spannungshöhe U₂ ist ein Zeichen für Vorhandensein von Luft, und die größte Spannungshöhe U₃ ist ein Zeichen für Vorhandensein von Wasser. Die dargestellte unterschiedliche Variationsbreite der Ausgangsspannungen ergibt sich durch unterschiedliche Benetzungszustände der Sensoroberfläche.

Der erfindungsgemäße optische Sensor bietet somit folgende Vorteile:

• - Unterscheidung zwischen Wasser (Flüssigkeit), Schaum und Luft (Gasen),
• - einfach und preiswert herstellbar,
• - durch das Ausnutzen von Transmission an der Grenzfläche 11a und Reflexion an den Schaumkugeln 22 zum Erkennen von zwei unterschiedlichen Zuständen ist eine klare Trennung zwischen Schaum und Wasser möglich,
• - wegen der großen Spannungsdifferenzen zwischen den einzelnen Zuständen genügt eine sehr einfache Auswerteelektronik,
• - die Toleranzanforderungen an den mechanischen Aufbau sind gering.

Fig. 4 zeigt schematisch einen Laugenbehälter 24 einer Waschmaschine mit einer drehbar im Laugenbehälter angeordneten Trommel 25. Mit 26 sind zwei optische Sensoren zur Erkennung von Wasser und Schaum dargestellt.

Claims (2)

1. Optischer Sensor mit einem Lichtsensor (12, 13) und einem Lichtempfänger (14, 15) und mit einem lichtdurchlässigen Sensorkörper (11) mit optischer Grenzfläche (11a), die von dem Sender (12, 13) erzeugtes Licht (19) je nach Art eines außerhalb der Grenzfläche (11a) befindlichen Mediums entweder ganz, teilweise oder überhaupt nicht durchläßt, gekennzeichnet durch eine solche Ausbildung, daß für den Übergang Sensorkörper (11) - Luft (18) ein Teil (20) des von der Lichtquelle (12, 13) erzeugten Lichtstrahles (19) zum Empfänger (14, 15) reflektiert und der andere Teil (21) transmittiert wird.

2. Optischer Sensor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung einer gebogenen optischen Grenzfläche (11a) und eines von der Lichtquelle (12, 13) erzeugten, relativ breiten Lichtstrahles.