EP0953690B1

EP0953690B1 - Verfahren zur Erzeugung eines elektrischen Signals, Sensoreinrichtung zur Durchführung des Verfahrens und Verwendung der Sensoreinrichtung

Info

Publication number: EP0953690B1
Application number: EP99103872A
Authority: EP
Inventors: Edo Lang; Roland Obrist
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1998-04-27
Filing date: 1999-03-01
Publication date: 2001-12-19
Anticipated expiration: 2019-03-01
Also published as: JPH11343653A; TR199900882A2; AU2374199A; US6535134B2; ES2170552T3; NZ335350A; EP0953690A1; AU751688B2; DE59900571D1; DK0953690T3; ATE211209T1; TR199900882A3; US20010035826A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, eine Sensoreinrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach dem Oberbegriff des Anspruchs 6 und die Verwendung einer solchen Sensoreinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 11.

Für die Spülung von Urinalschüsseln in öffentlichen Toilettenanlagen werden vorzugsweise Spüleinrichtungen benutzt, welche selbsttätig wirken. Darunter werden Spüleinrichtungen verstanden, die entweder in gewissen Zeitabständen Spülungen durchführen, unabhängig davon, ob die Schüsseln benutzt worden sind oder nicht, oder Spülanlagen, bei denen die Spülung aufgrund irgendeines beispielsweise mechanischen oder elektrischen Signals in Gang gesetzt wird, das bei der Benutzung der Schüsseln erzeugt wird.

In der EP 0 675 234 A1 wird eine mittels eines Temperatursensors gesteuerte automatische Spülvorrichtung offenbart.

Die DE-PS 813 968 beschreibt ein Verfahren zur Erzeugung eines Signals durch eine Sensoreinrichtung in Funktion einer Änderung in einem mit einem Fluid gefüllten Raum von einer Passivphase zu einer Aktivphase, wobei ein Sensorelement den zeitlichen Wärmeübergang zwischen dem Sensorelement und dem Fluid ermittelt. Als Sensorelement wird ein unter Spannung stehender NTC-Widerstand verwendet, der in der Passivphase von einem schwachen Passivstrom durchflossen wird, der den Widerstand nicht nennenswert erwärmt. In der Aktivphase fällt die Kühlwirkung der Flüssigkeit weg, so dass sich der Widerstand aufheizt und ein Aktivstrom fließt, der zur Erzeugung eines Signals dient.

Der Nachteil der Spüleinrichtungen, die in zeitlichen Abständen wirken, besteht darin, dass bei intensivem Gebrauch der Schüsseln diese zu selten gespült werden, was zu mangelnder Hygiene und Geruchsimmissionen führt, während bei geringem Gebrauch der Schüsseln auch Spülvorgänge ablaufen, ohne dass die Schüsseln gebraucht werden, was eine Verschwendung von Wasser bedeutet. Ausserdem laufen periodisch erfolgende Spülvorgänge auch ab, während die Schüsseln gerade benutzt werden, was für den Benutzer, insbesondere bei Klosettschüsseln, unangenehm sein kann.

Spüleinrichtungen, die durch von Sensoren bei Gebrauch der Schüsseln erzeugte Signalen in Gang gesetzt werden, vermeiden den Nachteil von zu seltenen, zu häufigen oder zeitlich unerwünschten Spülvorgängen. Am häufigsten werden Systeme mit Lichtschranken verwendet, bei denen ein auf einen optischen Sensor fallender Strahl durch den Benutzer reflektiert wird, worauf dann sofort oder nach dem Wegtreten des Benutzers aus dem Bereich des Strahls die Spüleinrichtung in Gang gesetzt wird. Die Nachteile solcher und anderer sensorgesteuerter Spüleinrichtungen bestehen vor allem darin, dass die frei sichtbaren Sensorvorrichtungen häufig schlecht oder gar nicht funktionieren, weil sie absichtlich oder unabsichtlich gestört oder zerstört werden, und dass durch im Bereich des Strahls befindliche Personen auch dann Spülungen ausgelöst werden, wenn die Schüssel gar nicht benutzt wird.

Zusätzlich besteht, sowohl bei periodisch wirkenden wie auch bei steuerbaren Spüleinrichtungen, die Gefahr von Wasserschäden durch überlaufende Schüsseln, weil die Spülvorgänge auch bei verstopften Abläufen der Schüssel weiterhin ablaufen.

Die Erfindung hat somit die Aufgabe, die erwähnten Nachteile zu vermeiden und ein Verfahren vorzuschlagen, bei welchem elektrische Signale zum Aktivieren der Spülungen erzeugt werden, wobei die Gefahr von überlaufbedingten bzw. durch Ablaufverstopfungen bedingten Wasserschäden vermieden wird.

Im weiteren hat die Erfindung die Aufgabe, eine nach dem neuen Verfahren wirkende Sensoreinrichtung zu schaffen, deren Herstellung und Montage einfach und preisgünstig sind und die störungsarm bzw. annähernd wartungsfrei funktioniert.

Ausserdem hat die Erfindung die Aufgabe, die Verwendung einer solchen Einrichtung vorzuschlagen.

Diese Aufgabe wird gelöst

für das Verfahren durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1,
für die Einrichtung durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 6, und
für die Verwendung der Einrichtung durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 11.

Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemässen Verfahrens sowie der erfindungsgemässen Einrichtung und der erfindungsgemässen Verwendung sind durch die jeweiligen abhängigen Patentansprüche definiert.

Das Prinzip der Erfindung besteht darin, in Abhängigkeit von einer Spannungsänderung ein elektrisches Signal zu erzeugen; die sich ändernde Spannung lässt sich bei einem unter Spannung liegenden Sensorelement abgreifen. Das Sensorelement besteht im wesentlichen aus einem Material mit temperaturabhängiger elektrischer Leitfähigkeit, das sich in einem mit Fluid gefüllten Raum befindet. In einer Passivphase, das heisst, wenn kein elektrisches Signal erzeugt werden und daher die Spannung konstant bleiben soll, wird dieses Sensorelement konstant beheizt oder gekühlt, wobei es auf eine Passivtemperatur gebracht wird, die jedenfalls ausserhalb des Temperaturbereichs des Fluids in der darauffolgenden Aktivphase und im allgemeinen auch ausserhalb des Temperaturbereichs des Fluids in der Passivphase liegt. Dies hat zur Folge, dass in der Passivphase ein Wärmetransfer entweder vom Sensorelement zum Fluid oder vom Fluid zum Sensorelement stattfindet, der nach einer gewissen Zeit stationär ist. Tritt nun im mit Fluid gefüllten Raum in der Umgebung des Sensorelementes eine Änderung ein, welche den Wärmetransfer erhöht, so ändert sich infolge der mehr oder weniger aufgenommenen oder abgegebenen Wärmemenge pro Zeit die Temperatur des Elementes, da dieses ja nicht auf eine konstante Temperatur sondern mit konstanter Leistung beheizt oder gekühlt wird. Unter einer solchen Änderung im fluidgefüllten Raum soll im Rahmen der vorliegen Erfindung nicht nur eine Änderung der Temperatur des Fluides sondern auch eine Änderung der chemischen Beschaffenheit und damit der Wärmeaufnahmekapazität des Fluides - mit anderen Worten, ein Ersatz des im Ruhezustand vorhandenen Fluides durch ein anderes Fluid - und/oder eine Änderung des Aggregatszustandes des Fluides und/oder eine Änderung der Strömungsgeschwindigkeit des Fluides und/oder eine Niveauänderung eines flüssigen Fluides verstanden werden. Die zeitlich vom Fluid aufgenommene Wärmemenge hängt bekanntlich nicht nur ab von der Temperaturdifferenz zwischen dem Element und dem Fluid, sondern auch von der Kapazität des Fluids, Wärme aufzunehmen, im wesentlichen also von der chemischen Natur und vom Aggregatszustand des Fluids, sowie von der Strömungsgeschwindigkeit des Fluids, wobei eine rasche Strömung den Wärmetransfer infolge der dabei auftretenden Konvektion erhöht. Mit der Änderung beginnt die Aktivphase; das heisst, dass sich wie schon erwähnt der Wärmetransfer zwischen dem Sensorelement und dem Fluid infolge der Änderung im fluidgefüllten Raum ändert, was eine Änderung der Temperatur des Sensorelementes und dadurch eine Änderung der Ausgangsspannung zur Folge hat. Die letztere dient unmittelbar oder mittelbar als Signal, zu dessen Erzeugung das neue Verfahren bzw. die neue Sensoreinrichtung dient.

Eine bevorzugte Verwendung der neuen Sensoreinrichtung ist die automatisierte Spülung von Urinal- und Klosettschüsseln. Hierbei werden selbst bei verstopftem Ablauf Wasserschäden durch Überlaufen vermieden. Ist nämlich der Abfluss der Urinal- oder Klosettschüssel verstopft, so ist selbsttätig dafür gesorgt, dass keine Änderung in der vom Element abgegebenen Wärmemenge und damit keine Erwärmung bzw. Abkühlung des Elementes, keine Änderung der Ausgangsspannung und kein weiterer Spülvorgang mehr stattfindet. Im weiteren wird nur dann eine Spülung ausgelöst, wenn die Urinal- oder Klosettschüssel tatsächlich benutzt wird.

Die Montage der neuen Sensoreinrichtung, beispielsweise in bestehende Urinalschüsseln, ist einfach, ebenso lassen sich die Sensoreinrichtung oder ggfs. Teile davon bei Ausfällen leicht ersetzen.

Die Sensoreinrichtung bzw. das Sensorelement kann gleichzeitig mit der Herstellung einer Wandung integral in diese eingegossen werden; er ist dann allerdings im allgemeinen nicht austauschbar, so dass diese Konzeption nur für Sensorelemente mit sehr hoher Standzeit und sehr geringer Defektanfälligkeit in Frage kommt. Die Probleme der Standzeit bzw. Defektanfälligkeit fallen weg, wenn statt der Sensoreinrichtung selbst lediglich eine Halterungsvorrichtung für dasselbe integral in der Wandung vorgesehen wird, in welcher eine austauschbare Sensoreinrichtung befestigt werden kann.

Die Sensoreinrichtung bzw. das Sensorelement lassen sich an verschiedenen Orten montieren. Befestigungsstellen können vor oder nach der Geruchssperre, an einer unteren, einer seitlichen oder hängend an einer oberen Begrenzungsfläche vorgesehen sein, wobei das letztere den Vorteil hat, dass die Gefahr einer den sensierenden Bereich abdeckenden Schmutzhaube geringer ist. Es ist in jedem Falle besonders günstig, wenn das Sensorelement mit seinem sensierenden Bereich nicht in einer Vertiefung der Wandung sondern bündig mit der Wand oder leicht ins Innere vorstehend angeordnet ist, so dass er vom Spülwasser wirklich umspült wird. Damit wird in effizienter Weise die Bildung eines Sumpfes aus Urinablagerungen und/oder anderen Verschmutzungen verhindert.

Besonders günstig ist es, die Sensoreinrichtung bzw. das Sensorelement an einer Stelle zu montieren, die den Benutzern nicht zugänglich ist Damit vermeidet man eine willkürliche oder ggfs. auch unwillkürliche Beschädigung. Insbesondere in öffentlichen Bedürfnisanstalten verhindert man so, dass die Sensoreinrichtung bzw. das Sensorelement und damit die Spüleinrichtung Vandalenakten zum Opfer fallen.

Bisher wurde hauptsächlich von einer Verwendung der neuen Einrichtung an Urinalschüsseln gesprochen. Selbstverständlich lässt sich eine solche Sensoreinrichtung aber auch anderweitig verwenden, im Sanitärbereich nicht nur in Klosettschüsseln sondern auch in Ausgüssen verschiedenster Art. Auch ausserhalb des Sanitärbereiches kann die Sensoreinrichtung in verschiedensten Anwendungen zum Einsatz kommen, beispielsweise als Leck-Detektor für flüssige Medien, z.B. Öl-Auffangwannen, als Mindest-Füllstandsdetektor, insbesondere im Bereich der Aquaristik, als Schutz von Pumpen gegen deren Trockenlauf, als Alternative zu Schwimmern zur Pegelmessung von Flüssigkeiten sowie als Ersatz von Quecksilberschaltern. Es wird darauf hingewiesen, dass sich die Sensoreinrichtung auch in Fällen eignet, in denen feuergefährliche und explosive Fluide im Spiel sind.

Bei Klosettschüsseln muss verhindert werden, dass ein sitzender bzw. kauernder Benutzer in unerwünschter Weise benetzt wird, wenn die Spülung in Gang gesetzt wird. Zu diesem Zweck kann beispielsweise die Spülung zeitlich verzögert werden; eine andere Möglichkeit ist es, die Spülung sofort in Gang zu setzten, wobei die Klosettschüssel so geformt sein muss, dass der Benutzer nicht benetzt wird, wodurch Geruchsimmissionen minimalisiert werden; schliesslich lässt sich die Einrichtung auch in Kombination mit einer selbsttätigen Einrichtung, wie sie beispielsweise unter der Markenbezeichnung 'Klosomat' bekannt ist, verwenden.

Die Einrichtung weist vorteilhaft einen Regler auf, mit welchem - wenn möglich einstellbar - das zeitliche Spülverhalten beeinflusst werden kann. So ist es beispielsweise bei Urinalschüsseln günstig, sofort bei Beginn der Benutzung in der Art einer Vorspülung eine Benetzung derjenigen Wandung durchzuführen, auf welche der Urinstrahl trifft: damit kann eine Reflexion und Versprühung des Strahls verhindert und ein problemloses Abfliessen längs der durch die Vorspülung benetzten Wandung gewährleistet werden. Um eine zu lange spülfreie Zeit zu verhindern, ist es auch vorteilhaft, in gewissen zeitlichen Abständen eine Spülung einzuleiten, selbst wenn die Schüssel seit der vorhergehenden Spülung nie benutzt wurde. Eine solche Spülung kann ggfs. auch mit einer erhöhten Spülwassermenge erfolgen und gewissermassen zur periodische Reinigungsspülung dienen oder den Geruchsverschluss gewährleisten. Zur Erhöhung des hygienischen Standards bzw. zur Vermeidung von Geruchsbelästigung kann dem Spülwasser für eine Reinigungsspülung auch ein Reinigungsmittel bzw. Desinfektans oder desodorierndes Mittel beigegeben werden.

Das Signal weist vorteilhaft ein Stärke auf, die keiner weiteren oder mindestens keiner bedeutenden Verstärkung mehr bedarf.

Die Reaktion des Sensorelementes auf veränderte Umgebungsgegebenheiten, welche die Änderung der Klemmenspannung zur Folge hat, geschieht um so rascher, je schneller die erforderliche Temperaturänderung im NTC- bzw. PTC-Widerstand vor sich geht. Um dies zu erreichen, ist es vorteilhaft, wenn die Masse gering und die Temperaturdifferenz zwischen Ruhetemperatur und Initierungstemperatur gross ist. Eine geringe Masse ist auch deshalb günstig, weil sie die zur Beheizung bzw. Kühlung notwendige Energie vermindert; eine grosse Temperaturdifferenz hingegen hat im Prinzip zur Folge, dass der Energiebedarf für ihre Beheizung oder Kühlung verhältnismässig hoch ist, doch fällt dies wegen der absolut gesehen geringen benötigten Heiz- oder Kühlenergie nicht allzusehr ins Gewicht.

Die Sensoreinrichtung selbst ist einfach in der Herstellung und preisgünstig. Sie kann so hergestellt werden, dass sie weder von Urin noch von Chemikalien wie beispielsweise starken Reinigungsmitteln angegriffen wird. Wie schon erwähnt, eignet sie sich auch zum Kontakt mit Explosions- und feuergefährlichen Stoffen, da durch das elektrische Signal kein das bzw. die Fluide berührender Funken entsteht.

Die Beheizung oder Kühlung des Sensorelementes, dessen elektrischer Widerstand temperaturabhängig ist, erfolgt indirekt. Bei indirekter Beheizung bzw. Kühlung wird ein Heiz- bzw. Kühlelement beheizt bzw. gekühlt, welches seinerseits durch Wärmeleitung, Konvektion und/oder Strahlung das Element beheizt. Die Wärmeleitung zwischen dem Heizwiderstand und dem Sensorelement wird vorzugsweise gefördert durch ein die beiden verbindendes Material mit guter Wärmeleitung. Dieses Material kann auch den gesamten freien Raum des Gehäuses füllen.

Im allgemeinen werden das Sensorelement und das separate Heiz- bzw.- Kühlelement sowie die Verkabelung in einem Sensorgehäuse angeordnet, welches aus einem Material besteht, das gegen die Fluide, mit welchen es in Berührung gelangt, unempfindlich ist, und das hermetisch verschlossen ist. Geeignete Materialien sind Glas, Kunststoffe wie beispielsweise Teflon und gegen die jeweiligen Fluide resistente Metalle.

Es ist ferner möglich, das Sensorelement und das Gehäuse integral auszugestalten, wobei das Element gewissermassen gehäuseförmig ausgebildet wird und nur die Verkabelung und ggfs., das heisst bei indirekter Beheizung bzw. Kühlung, auch das Heiz- bzw. Kühlelement aufzunehmen hat.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen der Erfindung und mit Bezug auf die Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1: Ein erstes Ausführungsbeispiels einer Sensoreinrichtung, mit vier Leitungen;
Fig. 2: ein zweites Ausführungsbeispiel einer Sensoreinrichtung, mit drei Leitungen;
Fig. 3: ein drittes Ausführungsbeispiel der Sensoreinrichtung, mit durch die Vergussmasse gefüllter Küvette;
Fig. 4: ein viertes Ausführungsbeispiel der Sensoreinrichtung, ohne Küvette;
Fig. 5: ein fünftes Ausführungsbeispiel der Sensoreinrichtung, mit zwei Heizelementen;
Fig. 6: ein Siphon mit Sensoreinrichtungen in verschiedenen Einbaupositionen;
Fig. 7: das Siphon der Fig. 6 mit Sensoreinrichtungen in weiteren Einbaupositionen;
Fig. 8A, 8B: ein weiteres Siphon mit Sensoreinrichtungen in verschiedenen Einbaupositionen, in einem Vertikalschnitt bzw. in einer seitlichen Ansicht;
Fig. 9A, 9B: das Siphon der Fig. 8A, 8B mit Sensoreinrichtungen in weiteren Einbaupositionen, in einem Vertikalschnitt bzw. in einer seitlichen Ansicht;
Fig. 10: ein Ablaufrohr einer Sanitäranlage, mit Sensoreinrichtungen in verschiedenen Einbaupositionen;
Fig. 11: eine Urinalschüssel mit Sensoreinrichtungen in verschiedenen Einbaupositionen;
Fig. 12A: einen Behälter für Flüssigkeiten mit einer Sensoreinrichtung zur Überwachung eines ersten Extremalpegelstandes;
Fig. 12B: einen Behälter für Flüssigkeiten mit einer Sensoreinrichtung zur Überwachung eines anderen Extremalpegelstandes;
Fig. 13: einen Tank in einer Auffangwanne mit einer Sensoreinrichtung zum Detektieren einer Leckage;
Fig. 14: eine Pumpe mit Sensorelementen in verschiedenen Einbaupositionen zur Detektierung und Verhinderung des Trockenlaufens;
Fig. 15: ein Aquariumsbehälter mit einem Reservebehälter, mit einer Sensoreinrichtung als Niveauwächter;
Fig. 16, 17, 18: drei Beispiele der Verwendung von jeweils mehreren Sensoreinrichtungen als Ersatz für Quecksilberschalter;
Fig. 19: ein Schema einer im Zusammenhang mit der Sensoreinrichtung geeigneten Schaltung;
Fig. 20A: ein Diagramm zur schematischen Darstellung des Verlaufes des Ausgangssignals über der Zeit;
Fig. 20B: ein weiteres Diagramm zur Darstellung des Verlaufs der Ausgangsspannung über der Zeit; bei millimeterweisem Eintauchen des Sensors in Wasser;
Fig. 21: eine Tabelle mit Messresultaten, welche das Verhalten von zwei unterschiedlichen Sensoreinrichtungen zeigt; und
Fig. 22A, 22B: Diagramme mit Messresultaten zur Darstellung des Verhaltens der Sensoreinrichtungen gemäss Fig. 3 bzw. 4.

Fig. 1 zeigt eine Sensoreinrichtung 10 mit einem Sensorelement 12 mit Leitungen 14A, 14B, welches unter Spannung steht, sowie ein Heizelement in Form eines Heizwiderstandes 16, welches über Leitungen 18A, 18B an eine nicht dargestellte Strom- oder Spannungsquelle angeschlossenen ist und zum Beheizen des Sensorelementes 12 dient. Das Sensorelelment 12 besteht aus einem Widerstand mit temperaturabhängiger Leitfähigkeit, im vorliegenden Fall aus einem NTC-Widerstand. Das Sensorelement 12, das Heizelement 16 und ein weiter unten beschriebenes Gehäuse 20 sind durch eine thermisch leitende Masse bzw. Leitpaste 22 verbunden; das Sensorelement 12 ist also indirekt beheizt. Die Sensoreinrichtung 10 umfasst ferner das schon erwähnte Gehäuse 20, welches aus einer Küvette 20A und einem Deckel 20C besteht, durch welchen das Sensorelement 12, das Heizelement 16, die Leitpaste 22 und die Leitungen 14A, 14B, 18A, 18B umschlossen werden, wobei die Leitungen 14A, 14B, 18A, 18B durch eine Hülse 20B des Deckels 20C geführt sind.

Fig. 2 zeigt eine weitere Sensoreinrichtung 10, die sich von der Sensoreinrichtung gemäss Fig. 1 nur dadurch unterscheidet, dass anstelle der Leitungen 14A und 18A nur eine Leitung 19A vorgesehen ist. Der Vorteil dieser Sensoreinrichtung besteht darin, dass sie konstruktiv etwas einfacher aufgebaut ist als die Sensoreinrichtung gemäss Fig. 1, da nur die drei Leitungsverbindungen 19A, 14B, 18B vorhanden sind, anderseits aber infolge der gegenseitigen Beeinflussung durch die gemeinsame Leitung 19A in ihrer Wirkungsweise weniger präzis ist.

Fig. 3 zeigt eine Sensoreinrichtung 10 mit einem Sensorelement 12, einem Heizwiderstand 16, den Leitungen 14A, 14B, 18A, 18B und der Küvette 20A. Die Leitpaste 22 befindet sich hier nicht nur im Bereich des Heizwiderstandes 14, des Sensorelementes 12 und des Bodens der Küvette 20A sondern sie füllt, als Vergussmasse, den gesamte freien Raum der Küvette 20A und ersetzt auch den Deckel 20C, wobei die Hülse 20B mit eingegossen ist.

In Fig. 4 ist eine vereinfachte Ausführung der Sensoreinrichtung 10 dargestellt, welche sich vom Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 3 dadurch unterscheidet, dass sie keine Küvette 20A aufweist. Die Leitpaste bzw. Vergussmasse 22 ersetzt hier nicht nur den Deckel 20C wie bei der Ausführung gemäss Fig. 3 sondern auch die Küvette 20A, wobei die Hülse 20B wiederum mit eingegossen ist.

Fig. 5 zeigt eine weitere Variante der Sensoreinrichtung 10, bei welcher die Küvette 20A vollständig mit der Vergussmasse 22 gefüllt ist. Bei dieser Sensoreinrichtung 10 sind ein Sensorelement 12 und zwei Heizelemente 16A, 16B vorgesehen, welche in einer Kaskadenschaltung angeordnet sind. Es wäre auch möglich, die Sensoreinrichtung mit mehreren Heizelementen bzw. mehreren Sensorelementen zu versehen.

Bei allen Sensorelementen der Fig. 1 bis 5 erfolgt der Wärmetransfer vom Heizelement zum Sensorelement durch Wärmeleitung via die Leitpaste bzw. die wärmeleitende Masse 22. Dieser Wärmetransfer könnte aber auch anders, beispielsweise durch Strahlung, erfolgen.

Es ist offensichtlich, dass die mit den Fluiden, also beispielsweise im Sanitärbereich mit Luft, Wasser, Urin, Reinigungsmitteln, in anderen Anwendungen Erdölprodukte und Chemikalien verschiedenster Art, in Berührung kommenden Teile, insbesondere die Küvette 20A und ggfs. die Hülse 20B, der Deckel 20C sowie die wärmeleitende Masse 22 aus Werkstoffen hergestellt sein müssen, welche durch die Fluide nicht angegriffen werden. Für die Küvette eignen sich unter anderem Glas, Kunststoffe oder resistente Metalle.

Die Fig. 6, 7, sowie 8A, 8B und 9A,9B zeigen verschiedene Möglichkeiten des Einbaus eines Sensorelements 10, beispielsweise eines der in den Fig. 1 bis 5 dargestellten Sensorelemente, im Ablaufbereich einer Sanitärinstallation, beispielsweise einer Urinalschüssel.

In Fig. 6 und in Fig. 7 ist der Querschnitt einer konventionellen Geruchsperre bzw. eines Siphons 30 dargestellt, wobei im montierten Zustand das obere Ende 32 mit einer nicht dargestellten Urinalschüssel und das untere Ende 34 mit einer nicht dargestellten Abwasserleitung verbunden ist. Der Wasserstand während der Passivphasen, das heisst, wenn die Urinalschüssel nicht benutzt wird, ist mit p bezeichnet, in der Aktivphase mit a. In den Siphons 30 sind verschiedene Sensoreinrichtung 10 dargestellt, jedoch nur, um mögliche Einbaupositionen aufzuzeigen, da in Wirklichkeit jeweils nur eine Sensoreinrichtung vorhanden ist.

Fig. 6 zeigt Sensoreinrichtungen 10 in Einbaupositionen, in welchen das die Sensoreinrichtung umgebende Fluid in den Passivphasen aus der Umgebungsluft besteht, während sie in den Aktivphasen im wesentlichen aus Wasser mit einer geringen Urinbeimischung besteht. Die Änderung des Fluids besteht hier darin, dass erstens das gasförmige Fluid, nämlich die Umgebungsluft, durch das flüssige Fluid, nämlich im wesentlichen das Wasser, ersetzt wird, wodurch sich der Wärmetransfer stark erhöht, da der thermische Übergangswiderstand beträchtlich abfällt, dass zweitens die Temperatur des Wassers tiefer ist als die durch das Sensorelement während der Passivphase beheizte Umgebungsluft und dass drittens das Wasser strömt, während die Umgebungsluft praktisch unbewegt war. Diese drei Tatsachen haben den Effekt, dass in der Aktivphase eine zeitlich grössere Wärmemenge von der Sensoreinrichtung bzw. vom Sensorelement an die Umgebung abgegeben wird, so dass die Temperatur des Sensorelementes sinkt und sich dadurch seine elektrische Leitfähigkeit ändert, wobei die Änderung der elektrischen Leitfähigkeit in ein elektrisches Signal umgesetzt wird, welches die Spülung verursacht. Vorzugsweise erfolgt die Spülung erst dann, wenn die Benutzung der Urinalschüssel beendigt ist.

Fig. 7 zeigt zwei Möglichkeiten für den Einbau des Sensorelements 10, dessen Umgebung hier nicht erst in der Aktivphase sondern zum Teil schon in der Passivphase durch ein flüssiges Fluid, nämlich Wasser mit Urinbeimischung bzw. nur Wasser gebildet ist. Die Änderung, die bei Beginn der Aktivphase eintritt, beinhaltet also hier zum Teil die Änderung der Temperatur des Fluids und die Änderung der Geschwindigkeit des Fluids, aber nur zum Teil den Ersatz gasförmigen Fluids durch flüssiges Fluid. Auch hier sinkt der thermische Übergangswiderstand bei Beginn der Aktivphase.

In den Fig. 8A, 8B sowie 9A, 9B ist ein Absaugsiphon 36 dargestellt, mit einem oberen Ende 38, das im montierten Zustand mit dem Ablauf einer nicht dargestellten Sanitärinstallation wie beispielsweise einer Urinalschüssel und mit einem unteren Ende 40, das im montierten Zustand mit einer nicht dargestellten Abwasserleitung verbunden ist. Die möglichen Wasserstände sind wie bei den Fig. 6 und 7 mit p bzw. p und a bezeichnet.

Fig. 8A zeigt Sensorelemente 10, die - analog zur Fig. 6 - so eingebaut sind, dass sie in den Passivphasen von ruhender Luft, in der Aktivphase von strömendem Wasser umgeben sind. Fig. 9A zeigt Sensorelemente 10, die - analog zur Fig. 7 - so eingebaut sind, dass sie in den Passivphasen von ruhendem Wasser, in den Aktivphasen von strömendem Wasser umgeben sind.

Gemäss Fig. 10 können die Sensoreinrichtungen auch stromabwärts des Siphons, also im Bereich eines Siphon-Abflussrohres 42, angeordnet sein, dessen oberes Ende 44 an den hier nicht dargestellten Siphon anschliesst und dessen unteres Ende 46 die Kanalisation bildet. In Fig. 10 sind nicht nur verschiedene Einbaupositionen für die Sensoreinrichtungen 10 dargestellt, sondern es wird auch gezeigt, dass die Sensoreinrichtungen 10 nicht pfropfenförmig sondern auch ringförmig ausgebildet sein können.

In Fig. 11 ist eine Urinalschüssel 50 dargestellt, die mit ihrem unteren Ende in einen vereinfacht dargestellten Siphon 52 mündet. Auch hier sind mehrere Sensoreinrichtungen 10 in verschiedenen möglichen Einbaupositionen dargestellt. Hängend eingebaute Sensoreinrichtungen haben den Vorteil, dass sich über ihnen keine Schmutzkappe, zum Beispiel aus Urinstein, Haaren, kleinen Papierrestchen etc. bildet, welche eine ordnungsgemässe Funktion verhindert. Während die Sensoreinrichtungen 10 in den Innenraum der Urinalschüssel 50 ragen, sind die Sensoreinrichtungen 10.1 vollständig von der Wandung der Urinalschüssel, die beipielsweise aus Keramik besteht, umschlossen. In der Passivphase wie auch in der Aktivphase besteht also die Umgebung der Sensoreinrichtung hier aus einem festen und ruhendem Material. Die Änderung, die in der Umgebung der Sensoreinrichtung beim Übergang von einer Passivphase zu einer Aktivphase vor sich geht, besteht also ausschliesslich darin, dass die Temperatur sinkt. Eine Änderung der Wärmeleitung und damit des Wärmetransfers infolge Änderung des die Sensoreinrichtung umgebenden Stoffes oder eine Änderung der Strömungsgeschwindigkeit in der Umgebung der Sensoreinrichtung kommen bei den Sensoreinrichtungen 10.1 natürlich nur in abgeschwächter Form vor.

Während die Fig. 6 bis 11 stets die Verwendung der Sensoreinrichtung in einer Sanitärinstallation wie beispielsweise einer Urinal- oder Klosettschüssel betrafen, zeigen die Fig. 12 bis 15 die Verwendung der neuen Sensorelemente zu anderen Zwecken.

In Fig. 12A ist eine Sensoreinrichtung 10 zur Überwachung eines Mindestpegelstandes min in einem Behälter 52 angeordnet, der eine Flüssigkeit 53 enthält. Als Passivphase kann hierbei der Zeitraum betrachtet werden, in welchem der tatsächliche Pegelstand p oberhalb des Mindestpegelstandes min liegt; in der Passivphase befindet sich somit die Sensoreinrichtung - wie in Fig. 12 dargestellt - in der Flüssigkeit 53. Unter Aktivphase ist zu verstehen, dass der tatsächliche Pegelstand p unter den minimalen Pegelstand min sinkt, so dass die Sensoreinrichtung 10 sich nicht mehr in einem flüssigen sondern in einem gasförmigen Fluid befindet. Der Wärmetransfer wird in diesem Fall beim Übergang in die Aktivphase reduziert. Das sich letzlich daraus ergebende Signal bewirkt, dass dem Behälter 52 solange neu Flüssigkeit 53 zugeführt wird, bis der tatsächliche Pegelstand p wieder über dem Minimalpegelstand min liegt. Die Sensoreinrichtung kann wie dargestellt im Inneren des Behälters 52, im Inneren der Wandung des Behälters 52 oder ggfs. am Äusseren der Wandung des Behälters 52 angeordnet sein.

In entsprechender Weise kann gemäss Fig. 12B die Sensoreinrichtung 10 auch als Überfüllsicherung benutzt werden. Hierbei befindet sich die Sensoreinrichtung 10 in der Passivphase, wenn der tatsächliche Pegelstand p unterhalb eines Maximalpegelstandes liegt; die Einbauposition wird so gewählt, dass sich die Sensoreinrichtung in der Passivphase in der Luft befindet, während sie beim Eintritt in die Aktivphase durch den Anstieg des Pegelstandes auf max. in die Flüssigkeit eintaucht.

Bei der Überwachung sowohl eines Minimalpegelstandes wie auch bei der Überwachung eines Maximalpegelstandes kann die Sensoreinrichtung auch höhenverstellbar im Behälter angebracht werden.

Fig. 13 zeigt die Verwendung der neuen Sensoreinrichtung 10 zur Überwachung eines Behälters wie beispielsweise einer beispielsweise einen Heizöltank 54 umgebenden Wanne 56 auf Leckage. Die Sensoreinrichtung 10 befindet sich hier in der Passivphase in Luft und in der Aktivphase in Heizöl.

In Fig. 14 ist die Verwendung einer Sensoreinrichtung 10 zur Verhinderung des Trockenlaufs einer Pumpe 58 dargestellt. Die Sensoreinrichtung 10 kann in verschiedenen Positionen eingebaut werden. Sie befindet sich in der Passivphase in Flüssigkeit und gelangt beim Beginn der Aktivphase in Luft. Mit dem aus dieser Änderung resultierenden Signal kann entweder die Pumpe 58 ausgeschaltet oder der Pumpe 58 weitere Flüssigkeit zugeführt werden.

Fig. 15 stellt die Verwendung der neuen Sensoreinrichtung 10 in der Aquaristik dar. Dabei wird der Pegelstand p durch die in der Passivphase ins Wasser eines Aquariumsgefässes 60 getauchte Sensoreinrichtung 10 sensiert. Bei Unterschreitung eines Minimalpegelstandes min ist die Sensoreinrichtung 10 nicht mehr im Wasser sondern in der Luft; in dieser Aktivphase wird dem Aquariumsgefäss 60 aus einem Reservebehälter 62 zusätzliches, im allgemeinen zweckdienlich aufbereitetes, Wasser zugeführt. Durch diese Anordnung wird erreicht, dass das Wassemiveau sehr präzis konstant gehalten werden kann, was im vorliegenden Fall von ausschlaggebender Bedeutung ist, da dadurch harte, verkrustete Kalkränder vermieden werden.

Die Fig. 16, 17, 18 zeigen, wie mit der neuen Sensoreinrichtung Winkelschalter als Ersatz für Quecksilberschalter geschaffen werden können. Im Gegensatz zu allen übrigen Darstellungen, in welchen pro Anordnung jeweils nur eine Sensoreinrichtung vorgesehen ist, auch wenn zur Erläuterung möglicher Einbaupositionen teilweise mehrere Sensoreinrichtungen dargestellt sind, werden jedem der dargestellten Winkelschalter tatsächlich mehrere der neuen Sensoreinrichtungen verwendet.

Für einen sinnvollen und erfolgreichen Verwendung der neuen Sensoreinrichtung Ist es in vielen Einsatzbereichen von grosser Bedeutung, dass seine Reaktionszeiten gering sind. Angestrebt werden beispielsweise im Sanitärberelch kurze Reaktionszeiten In der Grössenordnung von höchstens einigen Sekunden und eine genügende Amplitude des erzeugten Signals. Zur Verhinderung eines Integrationsverhaltens im dynamischen Betrieb sollte zudem das Reaktionsverhalten beim Übergang von der Passiv- zur Aktivphase symmetrisch zum Übergang von der Aktiv- zur Passivphase sein. Schliesslich ist es Im Sinne eines ökologischen Betriebes auch wünschenswert, dass der Energieverbrauch gering ist. Zum Erreichen der soeben beschriebenen Eigenschaften hat sich beispielsweise das in Fig. 19 dargestellte Schaltungsprinzip bewährt.

Fig. 19 bezieht sich auf eine Serisoreinrichtung 10 mit Indirekter Beheizung des Sensorelementes. Dargestellt sind das Sensorelelement 12, das Heizelement 16, die Küvette 20A, ggfs. einschliesslich des Deckels, und die wärmeleitende Vergussmasse 22. Die Küvette 20A kann auch aus elektrisch leitendem Material hergestellt und beheizt sein, wodurch sich die Anordnung des Heizelementes 16 erübrigt. Ferner sind ein elektronischer Schalter 15 und ein Vorwiderstand 17 angeordnet, deren Lage sich aus Fig. 19 ergeben. Die Heizspannung ist mit Uq bezeichnet. Mit Uω ist das Ausgangssignal bezeichnet, also dasjenige Signal, zu dessen Emittierung die neue Sensoreinrichtung 10 verwendet wird.

Eine indirekte Beheizung des Sensorelementes 12 bietet gegenüber einer direkten Beheizung des Sensorelementes 12 mittels einer Konstantstromquelle mehrere Vorteile, die im folgenden beschrieben werden. Die Indirekte Beheizung ermöglicht einen Schaltbetrieb des Heizelementes 16 zur Beheizung des Sensorelementes 12. Eine kurzfristige höhere, eigentlich kurzfristig zu hohe, Belastung des Heizelementes 16, beispielsweise mit 1.2 W anstelle von 0.4 W, ist möglich und ergibt kürzere Reaktionszeiten und ein günstigeres Verhalten der Amplitude des Ausgangssignals Uω. Der Energieverbrauch wird bei kurzen Reaktionszeiten minimal, und auch der zusätzliche Schaltungsaufwand wird minimal. Ein eventuelles Integrationsverhalten des Ausgangssignals Uω bei dynamischem Betrieb wird kompensiert. Mit der indirekten Beheizung des Sensorelementes 12 durch das Heizelement 16 erreicht man, dass das Ausgangssignal Uω nicht durch variierende Eigenerwärmung beeinflusst wird. Der einzige Nachteil der indirekten Beheizung besteht darin, dass mindestens die drei Leitungen 14B, 18B, 19A oder vorteilhafterweise sogar die vier Leitungen 14A, 14B, 18A, 18B zum Anschliessen des Sensorelementes 12 und des Heizelementes 16 notwendig sind.

Aus dem Diagramm der Fig. 20A ist der zeitliche Verlauf der Ausgangsspannung Uω ersichtlich. Dabei sind mit AF die Arbeitspunkte in liquiden Fluiden, mit AG die Arbeitspunkte in gasförmigen Fluiden bezeichnet. Der elektronische Schalter 15, dargestellt in Fig. 19, öffnet bei Über- bzw. Unterschreiten einer vorgegebenen Spannungsschwelle des Ausgangssignals Uω. Mit Hilfe des elektronischen Schalters 15 lässt sich der Arbeitspunkt bei AG1 in einem Kurvenbereich mit grosser Steilheit festlegen, woraus kurze Reaktionszeiten resultieren. Ohne elektronischen Schalter liegt der Arbeitspunkt bei AG2, also in einem bedeutend flacheren Kurvenbereich, so dass die Reaktionszeit länger ist. Ferner lässt sich mittels des elektronischen Schalters 15 der Arbeitspunkt AF2 bei unterschiedlichen Temperaturen der die Sensoreinrichtung 10 umgebenden gasförmigen Fluide festlegen.

Das Diagramm der Fig. 20B zeigt den Verlauf der Ausgangsspannung Uω in Funktion der Eintauchtiefe d der Sensoreinrichtung 10 in Wasser, und zwar beim millimeterweisem Vergrössern der Eintauchtiefe d.

Die in Fig. 21 dargestellte Tabelle enthält Einzelheiten bezüglich des Verhaltens der in den Fig. 3 und 4 dargestellten Sensoreinrichtungen, wobei sich die beiden vorderen Kolonnen der Tabelle auf Fig. 3, die beiden hinteren Kolonnen der Tabelle auf Fig. 4 beziehen.

Messresultate, welche die Wirkungsweise der neuen Sensoreinrichtung dokumentieren, sind in den Diagrammen der Fig. 22A und 22B dargestellt, wobei sich Fig. 22A auf die Sensoreinrichtung gemäss Fig. 3 und Fig. 22B auf die Sensoreinrichtung der Fig. 4 bezieht.

Claims

Verfahren zur Erzeugung eines elektrischen Signals durch eine Sensoreinrichtung (10) in Funktion einer Änderung in einem mit einem Fluid gefüllten Raum von einer Passivphase zu einer Aktivphase, wobei ein Sensorelement (12) der Sensoreinrichtung (10) den zeitlichen Wärmeübergang zwischen dem Sensorelement (12) und dem Fluid ermittelt, dadurch gekennzeichnet,

dass das eine temperaturabhängige elektrische Leitfähigkeit aufweisende unter Spannung liegende Sensorelement (12) mit festgelegter Heizleistung indirekt mittels einer Heiz- oder Kühlvorrichtung (16) auf eine Temperatur gebracht wird, die ausserhalb des Bereiches der Temperaturen des Fluids liegt,

dass in der Passivphase das Fluid in der Umgebung des Sensorelementes (12) durch einen Wärmetransfer zwischen dem Sensorelement (12) und dessen Umgebung auf eine mindestens annähernd konstante Passivtemperatur gebracht und die Sensoreinrichtung (10) eine mindestens annähernd konstante Passiv-Ausgangsspannung liefert,

dass in der Aktivphase durch die Änderung im mit Fluid gefüllten Raum eine Änderung des Wärmetransfers zwischen dem Sensorelement (12) und dessen Umgebung stattfindet und die Sensoreinrichtung (10) eine Aktiv-Ausgangsspannung liefert,

wobei bei Überschreitung einer festgelegten Differenz zwischen der Passivspannung und der Aktivspannung das Signal erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung des Zustandes des Fluides eine Änderung seiner chemischen Natur und/oder seines Aggregatszustandes und/oder seiner Temperatur ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid vor der Änderung ein Gas, beispielsweise Luft, und nach der Änderung eine Flüssigkeit, beispielsweise Wasser, ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement auf eine Temperatur oberhalb des Temperaturbereichs des Fluids beheizt oder auf eine Temperatur unterhalb des Temperaturbereichs des Fluids gekühlt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (12) eine mit steigender Temperatur steigende oder sinkende elektrische Leitfähigkeit besitzt.
Sensoreinrichtung (10) zur Durchführung des Verfahrens nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,

dass sie ein Sensorelement (12) aus einem Material mit temperaturabhängiger elektrischer Leitfähigkeit besitzt, welches dazu bestimmt ist, die Temperatur seiner mit Fluid gefüllten Umgebung zu ermitteln,

dass sie eine Wärmetransfereinrichtung (16, 22) zur indirekten Beheizung oder Kühlung des Sensorelements (12) besitzt, um das Sensorelement (12) auf eine Temperatur zu bringen, welche ausserhalb des Temperaturbereichs des Fluids liegt,

dass das Sensorelement (12) unter einer Spannung liegt, und

dass sie eine Einrichtung zum Ermitteln einer Ausgangsspannung (Uω) des Sensorelementes (12) besitzt.
Sensoreinrichtung (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetransfereinrichtung eine Heiz- oder Kühlvorrichtung (16) ist.
Sensoreinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Behälter, vorzugsweise eine Küvette (20A) und einen dichtenden Deckel (20C), umfasst, in welchem das Sensorelement (12) und die Heiz- oder Kühlvorrrichtung (16) angeordnet sind.
Sensoreinrichtung (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (12) von einer wärmeleitenden Masse (22) umgeben ist.
Sensoreinrichtung (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Heiz- oder Kühlvorrichtung (16) einen Schalter (15) aufweist, der bei Überbzw. Unterschreitung einer gegebenen Spannungsschwelle der Ausgangsspannung (U_ω) des Sensorelements (12) selbsttätig öffnet, um dadurch den Arbeitspunkt des Sensorelements (12) zu kürzeren Reaktionszeiten zu verschieben.
Verwendung der Sensoreinrichtung (10) nach mindestens einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangssignal (Uω) zur Aktivierung einer Einrichtung, insbesondere einer Spüleinrichtung einer Sanitäreinrichtung oder einer Niveauregelung, beispielsweise einer Aquaristikeinrichtung, dient.
Verwendung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die zapfen- oder ringförmig ausgebildete Sensoreinrichtung (10) innerhalb einer Urinal- oder Klosettschüssel oder im Ablaufkanal vor oder nach der Geruchsperre angeordnet ist.