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Die
Erfindung betrifft eine Wasserenthärtungsvorrichtung, insbesondere
für Haushaltsgeräte, wie
zum Beispiel Geschirrspüler,
Waschmaschinen und dergleichen, in Übereinstimmung mit dem Oberbegriff
des begleitenden Hauptanspruchs. Insbesondere betrifft die Erfindung
ein elektronisches System für
Messungen der elektrischen Leitfähigkeit
zum Verwenden in der Wasserenthärtungsvorrichtung.
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Moderne
Waschgeräte,
insbesondere Geschirrspüler,
verwenden einen Wasserenthärter,
um das Calcium aus dem eintretenden Wasser zu entfernen, um das
Ablagern von Kalk auf den Artikeln, die zu waschen sind, oder auf
den elektrischen Wasserheizelementen mit allmählicher Verringerung ihrer
Effizienz bis zum Bruch zu vermeiden.
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Die
Wasserenthärter
umfassen ein Kationenaustauschharz, das jedoch nach einer mehr oder minder
kurzen Zeit seines Gebrauchs (in Abhängigkeit von der Wasserhärte) abgereichert
ist und daher mittels herkömmlichen
Küchensalzes
regeneriert werden muss.
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Verschiedene
Verfahren werden derzeit verwendet, um zu bestimmen, wann das Harz
zu regenerieren ist. Ein erstes Verfahren misst die Menge an verbrauchtem
Wasser (wobei diese Messung entweder empirisch auf der Basis der
Maschinenmerkmale oder durch einen Durchflussmesser und das Verstreichen
der Zeit erfolgt). Wenn die Wassermenge einen vorausbestimmten Wert
erreicht, wird das Harz regeneriert. Dieses Verfahren muss insofern
verfeinert werden, als der Benutzer in der Lage ist, Daten hinsichtlich
des verwendeten Wassers einzugeben. Ein weiteres Verfahren regeneriert
das Kationenaustauschharz nach jedem Waschzyklus. DOS 1642488 erwähnt ein
weiteres Verfahren und beschreibt eine Prüfvorrichtung für den Wasserenthärter, die
mit Sensoren versehen ist, die aus zwei Paaren von Elektroden in
einer Brückenanordnung
bestehen, die Leitfähigkeitsmessungen
durchführen
und Daten bereitstellen, die nützlich
sind, um zu bestimmen, wann das Regenerieren stattzufinden hat.
Mindestens ein Paar von Elektroden ist in einer Harzpatrone angeordnet,
die stromabwärts
der Enthärtersäule positioniert
ist.
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EP-A2-900765
betrifft ein Verfahren, das das des oben stehenden DOS in Erinnerung
ruft und eine Wasserenthärtungsvorrichtung
beschreibt, bei der die Kenntnis des Zustands des Ionenaustauschharzes
durch Messungen der elektrischen Leitfähigkeit sowohl an dem Harz
als auch an dem eintretenden und austretenden Wasser erzielt wird.
Diese Messungen werden wieder durch Elektroden erworben, die an
verschiedenen Stellen der Enthärtersäule positioniert
sind. Die Leitfähigkeit
des Wassers, das in die Säule
eintritt, und des Wassers, das die Säule verlässt, wird gemessen. Andere
Elektroden zum Messen der Leitfähigkeit
des Harzes plus Wasser werden ebenfalls bereitgestellt. Ein Durchflussmesser
für das
eintretende Wasser, ein Verteiler und ein Regenerierungssalzbehälter, die
an die Säule
angeschlossen werden können,
werden ebenfalls bereitgestellt. Ein elektronischer Schaltkreis,
der nur erwähnt
und dargestellt wird, steuert das Regenerieren durch Betätigen von
Ventilmitteln und Bewertungsdaten, die von den oben genannten Elektroden,
dem Durchflussmesser und einem Temperatursensor her empfangen werden.
Sinusförmiger
Wechselstrom wird für
die Messungen der Leitfähigkeit
verwendet, mit dem Ergebnis, dass die Verkabelung des Teils in Zusammenhang
mit dem Bestimmen und der ursprünglichen
Handhabung der Leitfähigkeitswerte zwischen
Elektroden besonders komplex und kostspielig ist (insbesondere aufgrund
der Erfordernis, zusätzliche
Bauteile zur Sinuswellenregenerierung und Aufbereitung des Signals
zu verwenden, das aus den Messelektroden stammt, bestehend aus einem Verstärker, einem
Spitzensensor und einem Tiefpassfilter). Relativ hohe Spannungen
können
auch zwischen den Elektroden auftreten, so dass Elektrolyseerscheinungen
mit ihrer Folgekorrosion entstehen.
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Die
Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren
bereitzustellen, um den Zustand des Wasserenthärters zu bestimmen, das wirtschaftlich
ist (insbesondere angesichts des massiven Ausmaßes der Herstellung von Spülern, die
Wasserenthärter
verwenden), präzis
ist und keine Spannungen verursacht, die an Elektroden anzulegen
sind, die deren Korrosionsbeständigkeit
und daher ihre Lebensdauer beeinträchtigen könnten, während sie es dem Benutzer trotzdem
erlauben, Wasser, Regenerierungssalz und Harz zu sparen, ohne die
Wasserhärte
kennen zu müssen.
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Diese
und weitere Aufgaben, die sich deutlicher aus der folgenden detaillierten
Beschreibung ergeben, werden durch die Vorrichtung in Übereinstimmung
mit den Lehren der anliegenden Ansprüche erzielt.
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Die
Erfindung wird dank der folgenden Beschreibung einer bevorzugten
Ausführungsform
anhand eines nicht einschränkenden
Beispiels besser verstanden, das in den begleitenden Zeichnungen dargestellt
ist, in welchen:
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1 schematisch
einen Teil eines Elektrohaushaltsgeräts zeigt, der die Wasserenthärtungsvorrichtung
und das Steuersystem zur Leitfähigkeitsmessung
gemäß der vorliegenden
Erfindung enthält,
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2 ein
Blockschaltbild des elektronischen Messschaltkreises in Zusammenhang
mit der Wasserenthärtungsvorrichtung
zeigt,
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3 schematisch
einen Teil des Schaltkreises der 2 zeigt
und dazu dient, die Funktionsweise des Systems auf der Grundlage
eines Beispiels zu klären,
und
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4 schematisch
ein Blockdiagramm des Haushaltsgeräts und der Wasserenthärtungsvorrichtung
zeigt.
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Unter
Bezugnahme auf die Figuren und insbesondere zuerst 1,
zeigt das Bezugszeichen 1 einen Leitungswassereinlass an,
umfassend ein Einlassventil 2, das von einem Hauptsteuerschaltkreis 3, der
zu einem Spüler
(zum Beispiel einem Geschirrspüler)
gehört
und mit dem Benutzer eine Schnittstelle hat, um diesen Letzteren
zu befähigen,
das gewünschte
Waschprogramm einzustellen, gesteuert wird.
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Ein
Durchflussmesser 4 ist stromabwärts des Ventils 2 gegenwärtig, um
seine gemessenen Daten an den Hauptsteuerschaltkreis 3 zu übertragen.
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Das
Wasser läuft
von dem Durchflussmesser 4 in einen Verteiler 5,
der innen in zwei Fächer
unterteilt ist, die durch einen Überfluss
verbunden sind, wobei eines von ihnen mit einem Behälter 6 verbunden
ist, um ein Regenerierungssalz aufzunehmen (für das unten beschriebene Kationenaustauschharz),
und in dem die Salzlösung
gebildet wird.
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Der
Behälter 6 kommuniziert
mit der Säule 7 des
Kationenaustauschharzes über
ein Ventil 8, das von dem Hauptsteuerschaltkreis 3 gesteuert
wird.
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Das
andere Fach des Verteilers 5 ist mit der Säule 7 des
Kationenaustauschharzes verbunden, das einen Auslass für enthärtetes Wasser
aufweist, wobei dieses Wasser für
den Gebrauch in den Spüler läuft.
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Erfindungsgemäß sind mehrere
Elektroden (aus korrosionsfestem Werkstoff), in der 1 insgesamt
fünf, in
der Säule 7 vorgesehen,
welche in die Säule
durch deren Wand eindringen.
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Die
fünf Elektroden
sind in 1 mit den Buchstaben A, B, C,
D, E gekennzeichnet, und ihre Aufgabe ist die folgende:
- – Elektrode
A: Elektrode zum Aktivieren des Signals zum Messen der Leitfähigkeit
des Wassers, das in die Säule
eintritt (das heißt
Hauptleitungswasser), angezeigt durch RSW.
- – Elektrode
B: Elektrode zum Zurücksenden
des Signals zum Messen der Leitfähigkeit
des Wassers, das in die Säule
eintritt (Erdleiter).
- – Elektrode
C: Elektrode zum Zurücksenden
des Signals zum Messen der transversalen Leitfähigkeit und oberen Leitfähigkeit
des Kationenaustauschharzes (Erdleiter).
- – Elektrode
D: Elektrode zum Aktivieren des Signals zum Messen der oberen Leitfähigkeit
des Kationenaustauschharzes, angezeigt als RSO.
- – Elektrode
E: Elektrode zum Aktivieren des Signals zum Messen der transversalen
Leitfähigkeit des
Kationenaustauschharzes, angezeigt als RSG.
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Die
Leitfähigkeit
des Leitungswassers (RSW) wird durch die Elektroden A und B bestimmt und
wird dann verarbeitet, um die relative Härte zu erzielen (gegeben durch
die Korrelation zwischen den zwei Mengen).
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Die
obere Leitfähigkeit
(RSO) des Kationenaustauschharzes wird durch die Elektroden D und
C bestimmt.
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Die
transversale Leitfähigkeit
(RSQ) des Kationenaustauschharzes wird durch die Elektroden E und
C bestimmt.
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Die
Parameter RSO und RSQ liefern Hinweise auf den Zustand des Abreicherns
der Harze (der ununterbrochene Fluss des Leitungswassers durch die
Säule 7 verursacht
das allmähliche
Ablagern von Kalzium- und Magnesiumionen auf dem Kationenaustauschharz).
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Der
Zustand der Harzabreicherung und die Information über die
Härte des
eintretenden Wassers identifizieren gemeinsam das Erfordernis, den
Regenerierungsprozess des Kationenaustauschharzes zu starten. Dieser
Prozess wird durch den Hauptsteuerschaltkreis mit Öffnen des
Ventils 8 gesteuert.
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Die
entsprechenden Elektroden sind mit einem elektronischen Messschaltkreis 10 (versehen mit
einem Controller 11) verbunden, der mit dem Hauptsteuerschaltkreis
des Elektrohaushaltsgeräts dialogiert.
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Der
Mikrocontroller, der in dem Messschaltkreis 10 verwendet
wird, muss mit einem Analog-Digitalwandler mit mindestens sieben
Eingängen
und mindestens acht Eingangs/Ausgangskontakten für allgemeinen Gebrauch versehen
sein.
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Zwei
Typen von Mikrocontrollern, die diese Merkmale haben, sind der MC68HC908JK3
von Motorola und der STLITEX von ST.
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In 1 ist
die Zusammenarbeit zwischen Elektroden durch gestrichelte und gepunktete
Linienwege angegeben durch RSW, ESO und RSQ identifiziert.
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In 2 ist
der Hauptsteuerschaltkreis 3 links von der Trennungslinie
K und der elektronische Messschaltkreis 10 rechts davon
in Bezug auf seine Bauteile gemeinsam mit den Durchlässen in
Blockform gezeigt (hier ausgedrückt
als Impedanz aber in der einfacheren folgenden Beschreibung als
Widerstand betrachtet, um die Beschreibung in Zusammenhang mit den
Wegen RSW, RSO, RSQ zu erleichtern).
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Unter
Bezugnahme auf 2 umfasst der Messschaltkreis 10 einen
isolierten Gleichstrom/GLeichstromversorgungs/Umwandler der Klasse
II angezeigt durch 11, angeschlossen an den Hauptsteuerschaltkreis 3 und
zum Speisen eines Mikrocontrollers 12 mit einem eingebauten
Analog-Digitalwandler 30.
Der Mikroprozessor dialogiert mit dem Hauptsteuerschaltkreis über ein
Paar Fotokoppler 13, um eine Isolation der Klasse II sicherzustellen.
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Die
Stifte des Mikrocontrollers 12 sind mit dem Präfix μ identifiziert
verbunden mit einem Zahlensuffix (zum Beispiel μ5, μ6 usw.). Die Elektrode B und
die Elektrode C die jeweils den gemeinsamen Signalrücklauf zum
Messen der Leitfähigkeit
des eintretenden Wassers (RSW) und den gemeinsamen Signalrücklauf für das Messen
der oberen (RSO) und transversale Leitfähigkeit (RSQ) des Harzes darstellen,
sind auf dem Messschaltkreis 10 kurz geschlossen und mit
dem Stift μ17
des Mikrocontrollers verbunden. Die Stifte μ5, μ6, μ7 sind jeweils über Begrenzungswiderstände R8,
R9 und R10 mit den Blöcken 14, 15 und 16 verbunden,
die wie erwähnt
die verschiedenen Widerstände
(Impedanzen) der Wege zwischen Elektroden a, b, c darstellen. Die
Elektroden A, B, C, D, E der 1 sind ebenfalls
gezeigt. Die Stifte μ11, μ12, μ13 sind jeweils
mit den Leitungen verbunden, die sich von R8 zu dem Block 16,
von R9 zu dem Block 15 und von R10 zu dem Block 14 erstrecken.
Die Blöcke 14, 15 und 16 sind
alle mit dem Stift μ17
(Erdleiter) und mit den Widerständen R18,
R19, R20 verbunden. R18, R19 und R20 stellen Referenzwiderstände verschiedener
Widerstandswerte dar. Jeder dieser Widerstände ist mit zwei getrennten
Stiften des Mikrocontrollers verbunden, insbesondere R18 mit μ23 und μ24, R19 mit μ22 und μ25 und R20
mit μ21
und μ26.
Beispielhaft können diese
die Werte 20 Ohm, 600 Ohm und 2400 Ohm haben. Durch entsprechendes
Auswählen
dieser (mittels des Mikrocontrollers 12) kann die Spannung an
den Elektroden A, B, C, D, E dazu gebracht werden, innerhalb der
Sicherheitsgrenzen zu bleiben, um ihre Korrosionsbeständigkeit
nicht zu beeinträchtigen.
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Zur
weiteren Klärung
wird nun auf 3 Bezug genommen.
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Auf
der Grundlage dieser Figur wird der Messprozess für den (elektrischen) „Widerstand" 16 des Leitungswassers,
das in die Wasserenthärtersäule 7 eintritt,
mit der Beteiligung des Widerstands R18 analysiert. Die Aufgabe
besteht darin, den unbekannten Wert dieses Widerstands R16 zu bestimmen.
Zu bemerken ist, dass eine ähnliche
Analyse auch gilt, wenn der Widerstand R19 oder R20 selektiv beteiligt wird
(mittels des Mikrocontrollers 12), wobei die Stifte μ25 und μ26 an Stelle
des Stifts μ24
beteiligt sind.
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Wenn
der (ebenfalls unbekannte) Widerstand 15 oder 14 zu messen ist,
wird der Stift μ5
konzeptgemäß durch
den Stift μ6
oder μ7
ersetzt.
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In
dem Beispiel der 3 werden der Stift μ5 und der
Stift μ24
mit zwei im Wesentlichen Rechteckwellen P und Q jeweils versetzt
um 180° aktiviert
(50 % Arbeitszyklus mit Frequenz zwischen 1 KHz und 10 KHz). Alle
anderen Stifte werden (durch den Mikrocontroller 12) auf
den hohem Impedanzzustand forciert. Zu bemerken ist, dass, wenn
R14 und R15 zum Messen an der Reihe sind (gesteuert von dem Mikrocontroller 12),
diese Rechteckwellen an diese Widerstände angelegt werden, wobei
die Rechteckwellen in Opposition zu denen des Stifts μ26 sind.
Die Spannungen in A und B (die jeweils von VA und VB angezeigt werden)
werden an den Stiften μ13
und μ17
gemessen. Die Niederspannung (Vo) des Mikrocontrollers 12 wird
an Stift μ23
gemessen.
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Wenn
die Spannung an dem Stift μ5
hoch und an dem Stift μ24
niedrig ist, fließt
ein Strom Ix in die in 3 angezeigte Richtung. Unter
Berücksichtigung
der hohen Impedanz der Stifte von μ11 zu μ23 (welche die des Analog-Digitalkonverters 30 sind) kann
Folgendes geschrieben werden: Ix = (VB – VO)/R18 (1)
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Der
(unbekannte) Widerstandswert 16 (in Zusammenhang mit der Härte des
Leitungswassers) wird aus der folgenden Gleichung erzielt: Widerstand 16 = (VA – VB)/Ix (2)wobei die
entsprechende Ersetzung Folgendes ergibt: Widerstand
16 = R18[(VA – VB)/(VB – VO)]
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Der
unbekannte Widerstandswert 16 wird daher von dem Mikrocontroller 12 bestimmt.
Ebenso werden mit den oben genannten Ersetzungen die Widerstände in Zusammenhang
mit den Blöcken 14 und 15 bestimmt.
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Es
ist jedoch möglich,
dass während
der Spannungsmessung an den Elektroden (zum Beispiel VA – VB) unerwünscht hohe
Werte erreicht werden, so dass Elektrolyseeffekte an den betreffenden Elektroden
erzeugt werden (die ihre Unversehrtheit in Frage stellen). Erfindungsgemäß finden
die Messungen der Leitfähigkeit
so statt, dass dieser Nachteil vermieden wird, nämlich durch Auswählen der
Referenzwiderstände
R18, R19, R20 derart, dass die Spannung innerhalb von Sicherheitslimits
gehalten wird.
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Das
Messen beginnt durch Auswählen
des Referenzwiderstands R18, R19 und R20, der den maximalen Wert
hat und setzt mit dem Referenzwiderstand in der oben genannten Art
und Weise fort (Gleichungen 1, 2 und 3). Wenn der unbekannte Widerstand (14,
15, 16), der so berechnet wird, die gleiche Größenordnung hat wie der maximale
Referenzwiderstand (zum Beispiel R18), wird die erfolgte Messung
in entsprechender Form an den Hauptssteuerschaltkreis 3 über die
Fotokoppler 13 übertragen,
indem, wenn der Referenzwiderstand des Zwischenwerts (zum Beispiel
R19) verwendet worden wäre,
er einen nicht akzeptablen Spannungsabfall zwischen Elektroden ergeben
hätte.
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Wenn
jedoch die Größenordnung
unterschiedlich ist (das heißt
unbekannter Widerstandswert << maximaler angenommener
Referenzwiderstand) wird der unbekannte Widerstandswert unter Verwenden
des Widerstands des Zwischenwerts (zum Beispiel R19) berechnet.
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Wenn
in dieser Situation Bedingungen analog zu den vorhergehenden wieder
auftreten, das heißt,
wenn der berechnete unbekannte Widerstandswert die gleiche Größenordnung
hat wie der Wert des Zwischenreferenzwiderstands, geht die dem berechneten
unbekannten Widerstandswert entsprechende Information wieder zu
dem Hauptelektronikschaltkreis; wenn der berechnete unbekannte Widerstandswert
jedoch eine andere Größenordnung
hat als der Wert des Zwischenwiderstands, wird der unbekannte Widerstandswert
durch Annehmen des minimalen Widerstandswerts (zum Beispiel R20) berechnet.
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4 zeigt
in einer unmittelbar verständlichen
Art und Weise (aufgrund der dort gezeigten Vollständigkeit
von Informationen) das relative Flussdiagramm sowohl der Sequenz
der Betriebsschritte des Hauptsteuerschaltkreises 3, als
auch die Sequenz der Betriebsschritte des Messschaltkreises zusammen
mit der Logik der gegenseitigen Verbindungen zwischen den zwei Sequenzen.
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Mit
den Daten, die ihm von dem elektronischen Messschaltkreis 10 zugeführt werden,
verarbeitet der Hauptsteuerschaltkreis 3 unter Verwenden von
Daten, die in seinem eigenen Speicher gespeichert sind, die Zeiten
und Modi, die am Steuern des Regenerierens der Kationenaustauschharzsäule 9 beteiligt
sind. Auf der Grundlage der gespeicherten Daten kann er auch den
laufenden Zustand des Harzes erstellen und gegebenenfalls anzeigen.
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Zu
bemerken ist, dass die Messungen in Zusammenhang mit laufenden Werten
des unbekannten Werts sehr kurz sind (zum Beispiel 4 bis 10 Perioden
der angelegten Spannungen) und vorzugsweise (siehe 4)
vor dem aktuellen Waschzyklus durchgeführt werden.