ITTO20080266A1 - Sensore per liquidi - Google Patents

Description

Descrizione dell'Invenzione Industriale dal titolo:

“SENSORE PER LIQUIDI”

RIASSUNTO

La presente invenzione riguarda un sensore ed un sistema per rilevare la presenza di liquidi. Il sensore comprende un circuito oscillatore la cui uscita assume alternativamente un valore logico basso ed un valore logico alto, e due coppie di elettrodi (EL1, EL2) atte ad essere immerse in liquidi.

Le coppie di elettrodi sono collegate all’oscillatore in modo tale che la durata (t1,t2) del valore logico alto e del valore logico basso dipende dall’impedenza presente ai capi di una rispettiva coppia di elettrodi (EL1, EL2).

DESCRIZIONE

La presente invenzione si riferisce ad un sensore per rilevare la presenza di liquidi secondo il preambolo della rivendicazione 1.

La presente invenzione trova particolare applicazione al settore degli elettrodomestici, ad esempio una lavabiancheria o una lavasciuga o una lavastoviglie, laddove sia necessario utilizzare un sensore per rilevare la presenza o le caratteristiche di liquidi.

Più particolarmente, la presente invenzione trova applicazione nelle macchine lavabiancheria o lavastoviglie note agli esperti del settore degli elettrodomestici con la denominazione “a lunga carica”, nelle quali è previsto un serbatoio per gli agenti di lavaggio (e.g. detersivi, ammorbidenti, brillantanti); in queste macchine, ad ogni trattamento predeterminate dosi di tali agenti di lavaggio devono essere riversati dal serbatoio nella camera di lavaggio.

In queste macchine si rende quindi necessario rilevare la presenza degli agenti di lavaggio all’interno del serbatoio in modo da segnalare all’utente l’eventuale necessità di caricare gli agenti di lavaggio.

E’ noto che per rilevare la presenza di un liquido si possono utilizzare sensori di tipo ottico che rilevano un’attenuazione di un fascio luminoso che attraversa il liquido.

Questo tipo di sensori tuttavia non è in grado di funzionare con tutti i tipi di detersivi che, come noto, possono avere densità e colori diversi.

E’ anche noto che per rilevare i liquidi si possono utilizzare sensori di tipo capacitivo, i quali misurano una capacità del liquido tra due elettrodi.

Anche quest’ultimo tipo di sensori tuttavia non fornisce sempre misure affidabili nel caso in cui il liquido sia un detersivo o un ammorbidente. Questo tipo di liquidi è molto vischioso e quindi tende ad aderire agli elettrodi formando una pellicola che rimane tra gli stessi alterando così la misura del sensore: anche se il serbatoio che contiene il liquido è vuoto, il sensore continua infatti a rilevare la presenza di liquido per effetto della pellicola presente tra gli elettrodi.

Un altro tipo di sensori che possono essere utilizzati per rilevare la presenza di liquidi sono i sensori di conducibilità, che rilevano la resistenza del liquido in cui sono immersi gli elettrodi.

Pur funzionando bene in alcune applicazioni, gli attuali sensori soffrono alcuni problemi nel caso in cui debbano essere utilizzati in serbatoi dove un liquido, in particolare un agente di lavaggio, può essere mantenuto per lungo tempo.

Un primo problema è legato ad un fenomeno di elettrolisi: per rilevare la conducibilità di un liquido, il sensore applica una differenza di tensione ai capi degli elettrodi e rileva la corrente che passa; al termine della rilevazione la differenza di tensione viene rimossa. Se tuttavia il sensore viene utilizzato per rilevare la presenza di un detersivo o di un ammorbidente, al termine della rilevazione gli elettrodi tendono a rimanere polarizzati; questo ha il duplice effetto che gli elettrodi tendono ad usurarsi e che il liquido tende a depositarsi sugli elettrodi formando delle incrostazioni che hanno un effetto negativo sulle successive misure.

Un secondo problema è legato al fatto che se si vogliono rilevare una pluralità di liquidi in diversi serbatoi è necessario utilizzare una molteplicità di sensori ognuno dotato dei propri elettrodi e della propria uscita ed ognuno richiedendo un proprio circuito di pilotaggio.

Questo ha l’effetto di moltiplicare i costi e la complessità del sistema di rilevazione dei liquidi.

Scopo della presente invenzione è quello di risolvere i problemi sopra indicati delle soluzioni note di sensori per liquidi.

In particolare, è scopo principale della presente invenzione quello di risolvere il problema della complessità del sistema di rilevazione dei liquidi.

Questi ed ulteriori scopi sono raggiunti mediante un sensore ed un sistema per la rilevazione di liquidi incorporante le caratteristiche delle rivendicazioni allegate, le quali formano parte integrante della presente descrizione.

L’idea generale alla base della presente invenzione consiste nel realizzare un sensore per rilevare la presenza di liquidi, comprendente un circuito oscillatore la cui uscita assume alternativamente un valore logico basso ed un valore logico alto, ed in cui la durata del valore logico alto e del valore logico basso dipende dall’impedenza presente ai capi di due rispettive coppie di elettrodi destinate ad essere immerse nello stesso liquido in due differenti posizioni oppure in due liquidi distinti.

In questo modo si sfrutta la capacità dell’oscillatore di oscillare tra due livelli per gestire due coppie di elettrodi: rilevando la durata del livello logico basso e del livello logico alto è infatti possibile rilevare la presenza di un liquido in corrispondenza della posizione in cui si trova ciascuna coppia di elettrodi. Inoltre questo tipo di sensore risulta particolarmente vantaggioso come sensore di livello di un liquido presente in un serbatoio, posizionando ogni coppia di elettrodi in corrispondenza di un livello che si desidera rilevare (ad esempio, qualora si utilizzino due coppie di elettrodi, tali due coppie possono essere posizionate in corrispondenza dei due livelli considerati rispettivamente il livello massimo e il livello minimo del liquido nel serbatoio). Quando gli elettrodi sono immersi in un liquido, in particolare acqua o un detersivo o un ammorbidente, la resistenza risulta nettamente minore rispetto al caso in cui gli elettrodi si trovino in aria, quindi la durata del segnale d’uscita risulta molto diversa nei due casi.

Vantaggiosamente, poi, il sensore viene provvisto di un circuito di pilotaggio in grado di spegnere l’oscillatore portandone l’uscita al valore logico basso e azzerando qualsiasi differenza di potenziale che si trovi ai capi degli elettrodi. In questo modo viene preservata la durata degli elettrodi, nonché evitata un’eventuale degradazione del liquido per l’occorrenza di fenomeni di elettrolisi.

In questo caso è inoltre possibile collegare una pluralità di uguali sensori alla stessa uscita, riducendo così il numero di uscite e la complessità del sistema. Un’ unità di controllo attiva selettivamente i vari sensori, in modo tale da leggere sulla stessa linea d’uscita i valori di uno qualsiasi dei sensori; ciò risulta particolarmente vantaggioso nel caso in cui si vogliano misurare più di due livelli di uno stesso serbatoio o di una pluralità di serbatoi.

Per superare i problemi legati a fenomeni elettrolitici che determinano una polarizzazione degli elettrodi e un conseguente stato di blocco dell’oscillatore, il sensore viene vantaggiosamente provvisto di un circuito di depolarizzazione che permette di scaricare gli elettrodi ad ogni transizione dell’uscita tra i due valori logici alto e basso.

Vantaggiosamente, tale circuito di depolarizzazione viene comandato dallo stesso oscillatore, vantaggiosamente senza quindi bisogno di componenti attivi.

Posizionando poi gli elettrodi all’interno di una campana, ad esempio integrata in un tappo del serbatoio di un elettrodomestico in cui sono posti degli agenti di lavaggio, questa permette di mantenere parte degli elettrodi asciutta anche quando l’intera campana viene immersa in un liquido. In questo modo si limita il deposito di liquido sugli elettrodi e si preserva la durata e il funzionamento del sensore.

Vantaggiosamente, per ridurre ulteriormente il problema dei depositi di liquidi sugli elettrodi che modificano la lettura del sensore, la porzione degli elettrodi che non deve esser immersa viene ricoperta da un materiale isolante, in particolare plastica. In questo modo se anche il liquido si attacca alla plastica la lettura dell’elettrodo non viene modificata dalla resistenza del liquido attaccato alla plastica.

In un’ulteriore forma di realizzazione vantaggiosa, il sensore viene provvisto di un optoisolatore che viene posto sull’ingresso di pilotaggio e/o sull’uscita dell’oscillatore in modo tale da isolare gli elettrodi dalle linee di pilotaggio e dell’uscita.

Questo accorgimento risulta particolarmente vantaggioso nel caso degli elettrodomestici, dove l’unità di controllo collegata al sensore deve anche pilotare dei carichi che sono alimentati in alta tensione (ad es. 110VAC o 230VAC) e vi è quindi il rischio che in caso di guasti l’alta tensione arrivi agli elettrodi, compromettendo gravemente la sicurezza elettrica dell’elettrodomestico.

Ulteriori scopi e vantaggi della presente invenzione appariranno maggiormente chiari dalla descrizione che segue e dai disegni annessi, forniti a puro titolo esemplificativo e non limitativo, in cui:

la figura 1 mostra lo schema elettrico di un sensore secondo una prima forma di realizzazione della presente invenzione;

la figura 2 mostra lo schema elettrico di un sensore secondo una seconda forma di realizzazione della presente invenzione;

le figure 3a-3d mostrano il segnale d’uscita di un sensore secondo la presente invenzione nel caso di presenza o meno di liquidi;

la figura 4 mostra lo schema elettrico di un sensore secondo una terza forma di realizzazione della presente invenzione;

la figura 5 mostra lo schema elettrico di un sensore secondo una quarta forma di realizzazione della presente invenzione;

la figura 6 mostra lo schema elettrico di un sistema per rilevare liquidi che comprende una pluralità di sensori secondo la presente invenzione;

la figura 7 mostra lo schema elettrico di un sistema per rilevare liquidi che comprende due sensori secondo una quinta forma di realizzazione della presente invenzione;

le figure 8 e 9 sono due viste di un tappo in cui sono inseriti gli elettrodi di un sensore;

Nel proseguo della descrizione mezzi identici o equivalenti verranno indicati con il medesimo numero o nome di riferimento. Va inoltre premesso che tutti i valori riportati nella corrente descrizione ed indicativi del dimensionamento dei componenti (ad esempio le capacità dei condensatori, le resistenze dei resistori, e così via) hanno puramente valore illustrativo di particolari forme realizzative della presente invenzione e non devono quindi in alcun modo essere interpretati in modo limitativo.

Gli esempi qui di seguito riportati hanno scopo esemplificativo e non limitativo, sensori secondo la presente invenzione possono essere realizzati anche combinando caratteristiche prese singolarmente dai diversi esempi realizzativi qui di seguito descritti, in modo da adattare il sensore alle proprie esigenze utilizzando funzioni o caratteristiche descritte con riferimento ai diversi esempi della descrizione che segue.

ESEMPIO 1

Con riferimento alla figura 1 viene mostrato lo schema elettrico di base di un sensore secondo una prima forma di realizzazione della presente invenzione. Il sensore è costituito essenzialmente da un oscillatore realizzato utilizzando un amplificatore operazionale 1 (ad esempio un amplificatore LM358) in una configurazione tipo “comparatore”.

Tale configurazione prevede, come noto, due rami di retroazione tra gli ingressi dell’operazionale e l’uscita.

Nell’esempio di figura 1, l’operazionale viene collegato tra una massa (presa a 0V) ed un’alimentazione continua presa pari a VCC=5V.

Il primo ramo di retroazione, che va dall’uscita OUT verso l’ingresso positivo 2 dell’operazionale, è costituito da una rete resistiva R9-R10-R11 il cui scopo è quello di fissare una soglia di commutazione dell’uscita OUT.

In questo esempio, R9, R10 ed R11 hanno valore pari a 10KΩ.

Il secondo ramo di retroazione è invece costituito da un circuito RC (indicato genericamente con 3) che collega l’uscita OUT con l’ingresso negativo 4 dell’operazionale 1.

Il periodo di oscillazione del segnale d’uscita VOUTdipende dalla costante di tempo fissata dal ramo di retroazione che comprende il circuito RC.

Il sensore è provvisto di due coppie di elettrodi EL1 ed EL2 che possono essere immerse in liquidi; a tale scopo gli elettrodi possono essere costituiti da barrette metalliche insolubili, ad esempio di acciaio inox.

Quando gli elettrodi sono tenuti in aria, essi appaiono come un circuito aperto ed il periodo di oscillazione è definito solamente dal circuito RC indicato con il numero di riferimento 3.

Quando una o entrambe le coppie di elettrodi sono immerse in un liquido, questo permette un incremento della corrente nel circuito RC: il liquido in tale caso si comporta come un’impedenza posta tra la coppia di elettrodi; questa impedenza influisce sul periodo di oscillazione del segnale d’uscita VOUT.

Il circuito RC è realizzato in modo tale che ad ogni livello logico del segnale d’uscita, corrisponda solo una coppia di elettrodi, dato che solo tale coppia contribuisce in modo sostanziale all’impedenza del ramo di retroazione per tale livello logico del segnale di uscita.

In questo modo, la durata del valore logico alto e del valore logico basso del segnale VOUTdipende dall’impedenza presente ai capi di una rispettiva coppia di elettrodi EL2, EL1.

Misurando la durata del valore logico alto e del valore logico basso è quindi possibile sapere se la coppia di elettrodi associata al rispettivo valore logico è immersa in un liquido o si trova in aria.

ESEMPIO 2

Nell’esempio di figura 2, il circuito RC è costituito da un condensatore C2 (di 4,7µF), e da un circuito 5 di depolarizzazione degli elettrodi. Un ulteriore condensatore C1 (di 100 nF) è applicato al circuito RC per sopprimere eventuali disturbi sul circuito di ingresso.

Il circuito 5 di depolarizzazione è collegato tra l’uscita OUT e l’ingresso 4 dell’operazionale 1 ed è costituito da due sottocircuiti comprendenti ciascuno una resistenza (R2, R4) ed un diodo in parallelo (D1, D2).

I due sottocircuiti sono connessi in serie con i diodi collegati con il catodo in comune; in questo modo i due diodi conducono ognuno su un diverso livello logico dell’uscita Vout.

Ogni coppia di elettrodi EL1 ed EL2 è collegata in parallelo ad un rispettivo sottocircuito del circuito di depolarizzazione, quindi in parallelo ad un rispettivo diodo e ad una rispettiva resistenza.

I diodi D1 e D2 sono posizionati in modo tale da essere polarizzati in inversa, e quindi non condurre, quando la rispettiva coppia di elettrodi (EL1, EL2) in parallelo deve contribuire all’impedenza del ramo di feedback che va dall’uscita all’ingresso negativo dell’oscillatore.

Nell’esempio di figura 2 questa configurazione degli elettrodi fa sì che le due coppie di elettrodi abbiano un elettrodo (EL1B ed EL2A) collegato allo stesso nodo che funge anche da nodo di collegamento dei due sottocircuiti del circuito di depolarizzazione 5.

Gli altri elettrodi (EL1A ed EL2B) sono invece collegati ai rispettivi sottocircuiti mediante una resistenza piccola (R1, R7 di 100Ω) che serve a limitare la corrente sugli elettrodi per evitare di saturare l’uscita dell’amplificatore.

Questa soluzione appare preferibile nel caso si vogliano rilevare liquidi con elevata conducibilità, quali un detersivo o un ammorbidente.

Tale resistenza può essere omessa, ma in questo caso è preferibile prendere opportuni accorgimenti per non avere distorsione del segnale d’uscita.

Il circuito di depolarizzazione 5 permette di ottenere, sulla medesima uscita OUT del sensore, un segnale con il quale è possibile rilevare contemporaneamente la presenza di liquidi sia mediante la coppia di elettrodi EL1 sia mediante la coppia di elettrodi EL2.

In particolare tale circuito permette di associare il tempo di carica del condensatore C2 agli elettrodi EL2 e il tempo di scarica di C2 agli elettrodi EL1.

Per rendere possibile questa condizione, ciascuna coppia di elettrodi sarà inevitabilmente attraversata da una corrente impulsiva ma continua e quindi ogni singolo elettrodo sarà sempre polarizzato nello stesso modo: elettrodo EL1A carico positivamente, elettrodo EL1B carico negativamente, elettrodo EL2A carico positivamente, elettrodo EL2B carico negativamente.

Nel caso in cui il sensore viene utilizzato per rilevare agenti di lavaggio, quali detersivi ed ammorbidenti, e in generale per rilevare sostanze liquide (e.g. acqua) con molecole polari, gli elettrodi risultano immersi in un elettrolita (il cui comportamento non è assimilabile a quello di una resistenza ideale); quanto sopra comporta quindi una polarizzazione irreversibile degli elettrodi, impedendo di fatto dopo il primo ciclo di carica di C2 (per elettrodi EL2) e scarica di C2 ( per elettrodi EL1), un ulteriore transito di corrente (condizione essenziale per mantenere attivo l’oscillatore).

Qui di seguito si descrive la dinamica di funzionamento del circuito di figura 2 nel caso di elettrodi immersi in un elettrolita.

Fase di carica

Supponendo che l’uscita dell’amplificatore in un certo istante sia al valore logico alto (Vout=Vcc), si ha una corrente che transitando sul diodo D1 e sulla coppia di elettrodi EL2, andrà a caricare il condensatore C2. In questa fase l’elettrodo EL2A si polarizzerà con un potenziale positivo rispetto all’elettrodo EL2B.

Nell’ istante in cui il potenziale ai capi di C2 diventa superiore alla soglia imposta sull’ingresso non invertente 2 dell’operazionale tramite le resistenze R9-R10-R11, l’uscita dell’amplificatore passa al valore logico basso, assumerà cioè un valore pari a Vout= 0V, dopo di che ha inizio la fase di scarica.

La durata della fase di carica del condensatore C2 (corrispondente alla durata del valore logico alto dell’uscita) dipende quindi dall’impedenza vista ai capi degli elettrodi EL2.

Fase di scarica

In questa fase, si genera una corrente che dal polo positivo del condensatore C2 (circolando in senso opposto rispetto a quella della fase di carica), attraversa il diodo D2, gli elettrodi EL1 per poi richiudersi verso massa tramite l’uscita dell’amplificatore (che come detto sopra ha un potenziale Vout = 0V).

La durata della fase di scarica del condensatore C2 (corrispondente alla durata del valore logico basso dell’uscita) dipende quindi dall’impedenza vista ai capi degli elettrodi EL1 per effetto del liquido in cui sono immersi. Per effetto della corrente di scarica, il diodo D2 ha una polarizzazione diretta e ai suoi capi si ritrova una differenza di potenziale pari a circa 0,7V. Essendo D2 collegato in parallelo con gli elettrodi EL2 (rispettivamente il catodo con l’elettrodo EL2A e l’anodo con l’elettodo EL2B), il diodo D2 impone sugli elettrodi EL2 una polarità inversa rispetto a quella assunta nella precedente fase di carica.

Da questo momento in poi gli elettrodi EL2 (con l’elettrodo EL2A negativo e l’elettrodo EL2B positivo), possono considerarsi “depolarizzati”, e quindi pronti per essere di nuovo attraversati dalla successiva corrente di carica, e dare così la possibilità all’oscillatore di ciclare.

In questa fase l’elettrodo EL1B si polarizza con un potenziale positivo rispetto all’elettrodo EL1A.

Nuova fase di carica

Durante la successiva fase di carica di C2, gli elettrodi EL1 vengono depolarizzati.

In questa fase, infatti, il diodo D1 (percorso dalla corrente di carica) subisce una polarizzazione diretta e ai suoi capi cade una differenza di potenziale di circa 0,7V. Essendo tali terminali collegati sostanzialmente in parallelo con gli elettrodi EL1 (rispettivamente l’anodo con l’elettrodo EL1A e il catodo con l’elettrodo EL1B), il diodo D1 impone sugli elettrodi una polarità inversa rispetto a quella assunta nella precedente fase di scarica. Da questo momento in poi gli elettrodi EL1 (con l’elettrodo EL1A positivo e l’elettrodo EL1B negativo), sono pronti per essere di nuovo attraversati dalla successiva corrente di scarica e quindi dare la possibilità all’oscillatore di ciclare.

Nel caso in cui gli elettrodi sono in aria, cioè in assenza di un liquido, le resistenze R2 ed R4 hanno la funzione di garantire la conduzione nel circuito, durante il ciclo di scarica e carica del condensatore C2. Queste due resistenze determinano quindi la durata delle rispettive transizioni di carica e scarica (rilevabili sull’uscita del sensore), quando si è in condizione di assenza di liquido.

Nelle figure 3a-3d viene mostrato il segnale d’uscita dell’operazionale 1 (non considerando eventuali operazioni di inversione del segnale che possono essere eseguite a valle dell’operazionale 1) nei diversi casi in cui gli elettrodi EL1 ed EL2 sono immersi o meno in un liquido.

In figura 3a entrambi gli elettrodi sono immersi in un liquido, in figura 3b entrambi gli elettrodi sono in aria, in figura 3c gli elettrodi EL1 sono immersi in un liquido e gli elettrodi EL2 sono in aria, in figura 3d gli elettrodi EL2 sono immersi in un liquido e gli elettrodi EL1 sono in aria.

Poiché la resistenza del liquido in cui sono immersi gli elettrodi è nettamente inferiore a quella dell’aria (condizione di circuito aperto, resistenza teoricamente infinita), quando gli elettrodi sono immersi nel liquido il periodo di oscillazione è più piccolo.

Dalle figure 3a-3d, si osserva infatti come il segnale d’uscita VOUTassume valore logico alto (VOUT=VCC=5V) per un tempo maggiore quando gli elettrodi EL2 sono in aria, così come il segnale d’uscita VOUTassume valore logico basso (VOUT=GND=0V) per un tempo maggiore quando gli elettrodi EL1 sono in aria.

Si osserva infatti che in figura 3a, la durata t1del valore logico basso e la durata t2del valore logico alto risultano inferiori rispetto al caso di elettrodi in aria (figura 3b).

Nelle figure 3a-3d si è considerato che il liquido in cui sono, di volta in volta, immersi gli elettrodi EL1 ed EL2 è sempre lo stesso, quindi le durate t1e t2dei rispettivi valori logici basso e alto sono uguali nel caso in cui gli elettrodi siano immersi nel liquido.

Liquidi diversi con conducibilità elettriche diverse generano durate dei valori logici del segnale d’uscita diversi, tuttavia per determinare se una coppia di elettrodi è immersa nel liquido è sufficiente verificare se la durata del corrispondente livello logico è inferiore ad un valore prefissato corrispondente alla durata che si avrebbe in condizioni di elettrodi in aria. ESEMPIO 3

Nell’esempio di figura 4, il sensore è provvisto di un circuito 6 per lo spegnimento del sensore.

Il circuito 6 è costituito essenzialmente da un transistor BJT Q2 in configurazione emitter comune, il cui collettore è collegato all’ingresso non invertente 2 dell’operazionale.

Sulla base di Q2 viene ricevuto, mediante le resistenze R12 ed R13 (entrambe di 4,7kΩ), il segnale di pilotaggio.

Lo spegnimento del sensore viene effettuato mantenendo un segnale di pilotaggio alto sull’ingresso di pilotaggio 7 e conseguentemente sulla base del transistor Q2.

Per effetto di questo segnale di pilotaggio, l’ingresso 2 dell’amplificatore operazionale 1 viene forzato a massa e conseguentemente anche la tensione di uscita dell’amplificatore scende fino al potenziale di massa (0V). Essendo Vout =0V non esiste più differenza di potenziale tra gli elettrodi (in quanto essi si trovano tra Vout dell’amplificatore e il positivo del condensatore C2 che di fatto rimane scarico), di conseguenza cessa anche la corrente tra i terminali.

Il sensore risulta quindi spento nel senso che non oscilla più e quindi non rileva più alcun dato attraverso gli elettrodi.

Questa funzione permette di impedire che periodi prolungati di attivazione degli elettrodi (anche anni), possano generare fenomeni di tipo elettrolitico che a lungo termine possano deteriorare il liquido (ad es. detersivo o ammorbidente), e gli elettrodi stessi. Questa funzione, inoltre, diminuisce sensibilmente il consumo di corrente dall’alimentatore. Con questa funzione, quindi, è possibile tenere attivi gli elettrodi solo per il tempo necessario per la rilevazione della presenza di liquido.

Per essere sicuri che il sensore resti spento, nell’esempio di figura 4 viene prevista una resistenza R5 (di 470kΩ) collegata tra l’alimentazione (5V) e l’ingresso invertente 4 dell’operazionale 1. Questa resistenza fa sì che l’ingresso 4 resti ad un potenziale molto basso, ad es. 200mV, ma comunque superiore rispetto a quello dell’ingresso non invertente 2, assicurando così che l’uscita OUT resti bassa e gli elettrodi non siano percorsi da corrente. ESEMPIO 4

Nell’esempio di figura 5, il sensore di figura 4 viene provvisto anche di un circuito d’uscita 8 che ha lo scopo di “squadrare” il segnale di uscita dell’amplificatore operazionale 1, che potrebbe essere parzialmente distorto soprattutto nel caso in cui si voglia rilevare la presenza di agenti di lavaggio quali detersivi o ammorbidenti. Questi presentano infatti un’alta conducibilità e di conseguenza si possono avere correnti che saturano l’amplificatore.

Nell’esempio di figura 5 il circuito d’uscita 8 è costituito essenzialmente da un transistor BJT (Q1), in configurazione emitter comune, la cui base è collegata all’uscita OUT dell’operazionale 1 attraverso una coppia di resistenze R6 (di 8,2kΩ) ed R8 (di 4,7kΩ) ed un diodo D3 (la cui presenza è comunque del tutto opzionale nella forma di realizzazione rappresentata in figura 5) che impedisce che correnti prelevate dal circuito d’uscita vadano ad alterare il funzionamento dell’oscillatore.

Nonostante nell’esempio di figura 5 il circuito d’uscita sia stato aggiunto ad un sensore del tipo di figura 4, il medesimo circuito d’uscita può essere utilizzato su un qualsiasi sensore secondo la presente invenzione.

ESEMPIO 5

Nell’esempio di figura 6 la funzione di spegnimento viene sfruttata per rendere modulare un sistema di rilevazione di liquidi.

Si supponga ad esempio che vi sia l’esigenza di rilevare la presenza di 2N liquidi, o di rilevare 2N livelli di un serbatoio.

Anziché utilizzare N sensori con N uscite, i sensori vengono collegati in modo modulare con le uscite dei rispettivi oscillatori collegate ad uno stesso nodo.

Nell’esempio di figura 6 i sensori sono del tipo descritto sopra con riferimento alla figura 5, tuttavia nulla esclude di utilizzare altri tipi di sensori secondo la presente invenzione.

Il sistema comprende un unico stadio d’uscita 8 collegato tra il nodo d’uscita che riceve le uscite degli oscillatori ed una linea d’uscita lOUT.

In tal caso, la presenza del diodo D3 nello stadio di uscita 8 è necessaria, onde evitare interferenze tra i vari sensori collegati in modo modulare. Un’unità di controllo 9 (ad esempio un microcontrollore di un elettrodomestico) che deve ricevere informazioni dalle 2N coppie di elettrodi, viene collegata alla linea d’uscita lOUTdel sistema ed attiva selettivamente uno degli N sensori in modo da leggere sulla linea d’uscita il segnale d’uscita del sensore attivato.

In altre parole, l’unità di controllo spegne N−1 sensori, vantaggiosamente inviando loro un segnale di pilotaggio alto, su delle rispettive linee di pilotaggio lPILOTe lascia acceso solamente il sensore desiderato.

Questa soluzione permette vantaggiosamente di ottenere un risparmio di componenti, e di pin di ingresso da parte dell’unità di controllo 9 che deve ricevere informazioni dalle 2N coppie di elettrodi.

ESEMPIO 6

Nell’esempio di figura 7 viene mostrata una ulteriore variante della presente invenzione.

In figura 7 viene mostrato un sistema di rilevamento costituito da una coppia di sensori collegati alla stessa uscita attraverso un unico circuito d’uscita. Gli ingressi di pilotaggio e l’uscita sono isolati mediante un optoisolatore 10. Nell’esempio di figura 7 l’optoisolatore, ad esempio del tipo 4N35, permette di svolgere, oltre alla funzione di isolamento, anche quella di circuito di pilotaggio, pertanto potrebbe non essere necessario prevedere un ulteriore stadio con il transistor Q2 e le resistenze R12 ed R13 come in figura 4.

Indipendentemente da quanto mostrato in figura 7, è chiaro che l’optoisolatore può essere utilizzato anche con i sensori degli esempi descritti sopra con riferimento alle figure 1-6.

In generale, è quindi vantaggioso che il sensore comprenda almeno un optoisolatore atto a separarlo galvanicamente da almeno una linea, ad esempio una linea per il pilotaggio del sensore o una linea per la trasmissione del segnale d’uscita del sensore (tale accorgimento legato alla sicurezza elettrica dell’elettrodomestico è da adottare soprattutto quando la suddetta linea per il pilotaggio o la suddetta linea per la trasmissione sono collegati alla linea di alimentazione ad alta tensione).

Nell’esempio di figura 7, gli optoisolatori 10 sono di tipo 4N35 e comprendono internamente un fotodiodo accoppiato ad un fotoricevitore costituito da un transistor BJT.

Nei circuiti di pilotaggio, la giunzione base emettitore del BJT viene utilizzata come ricevitore, quindi la base del BJT ricevente viene collegata a massa attraverso una resistenza R15 da 100 kΩ, l’emettitore è collegato a massa, mentre il collettore viene collegato all’ingresso non invertente dell’operazionale 1.

Negli optoisolatori 10 collegati alla linea di pilotaggio, l’anodo del fotodiodo è collegato alla linea di pilotaggio tramite una resistenza R14 da 390Ω, in modo tale da trasmettere all’oscillatore il segnale di pilotaggio quando presente.

Nel circuito di uscita, la giunzione base emettitore del BJT viene utilizzata come ricevitore, quindi la base del BJT ricevente viene collegata a massa attraverso una resistenza R18 da 100 kΩ, l’emettitore è collegato a massa, mentre il collettore, accoppiato ad una resistenza R16 da 2200 Ω, costituisce l’uscita del sensore.

Nell’optoisolatore collegato alla linea d’uscita, l’anodo del fotodiodo è collegato mediante una resistenza R17 da 390Ω all’alimentazione, in modo tale da garantire continuità di collegamento tra transistor Q1 e linea d’uscita.

APPLICAZIONI

Un’applicazione preferita del sensore secondo la presente invenzione, è quella di sensore di livello, ad esempio per rilevare se un liquido raggiunge un certo livello in un serbatoio.

A questo fine si deve posizionare all’interno del serbatoio e all’altezza del livello che si vuole rilevare, almeno una coppia di elettrodi del sensore. Successivamente si va a leggere il segnale d’uscita e si confronta la durata del valore logico del segnale d’uscita associato alla coppia di elettrodi con un valore di riferimento (come spiegato con riferimento alla figura 3).

Grazie a questo confronto si determina se la coppia di elettrodi è immersa in un liquido o nell’aria, e si determina così se nel serbatoio è presente un liquido che arriva al livello della coppia di elettrodi.

Per questo tipo di applicazione, ma non solo, risulta particolarmente vantaggioso inserire gli elettrodi all’interno del sensore in una campana, facendoli sporge dalla base di questa soltanto di un breve tratto.

Quando si inseriscono verticalmente gli elettrodi nel serbatoio, la campana trattiene al suo interno dell’aria impedendo l’ingresso del liquido; questo permette di mantenere asciutta la parte di elettrodi che si trova all’interno del corpo della campana.

Vantaggiosamente, almeno una porzione degli elettrodi che resta all’interno della campana è ricoperta da un materiale isolante, in particolare plastica. In questo modo, se mai del liquido dovesse entrare nella campana, perché gli elettrodi vengano cortocircuitati dal liquido è necessario che vi sia una pellicola continua di liquido che aderisce sia sulla parte di plastica sia sulla parte metallica.

Perché vi sia cortocircuito, tale pellicola deve quindi essere più lunga rispetto al caso in cui gli elettrodi non siano parzialmente coperti di materiale isolante (in questo caso infatti la pellicola dovrebbe essere lunga solo quanto la distanza tra gli elettrodi).

Ciò va a vantaggio dell’affidabilità del sensore perchè maggiore è la lunghezza che deve avere la pellicola, più è difficile che si depositi una pellicola continua di liquido e minore è la perdita di affidabilità dato che la resistenza che si interpone tra gli elettrodi è maggiore.

Vantaggiosamente, poi, la campana può essere integrata in un tappo 11 del serbatoio come mostrato nelle figure 8 e 9.

Il tappo 11 comprende un corpo 12 a campana attraversato longitudinalmente da una coppia di elettrodi 13 (ad esempio gli elettrodi EL1); questi sono costituiti da due barrette di acciaio che attraversano due camicie di plastica 14 che ricoprono gli elettrodi all’interno della campana.

All’esterno della campana gli elettrodi sono scoperti.

Gli elettrodi 13 sono collegati mediante dei conduttori 15 ad una scheda (non mostrata in figura) dove è montato il resto del sensore.

Poiché ogni sensore secondo l’invenzione è grado di gestire due coppie di elettrodi, ogni sensore può essere associato ad una coppia di tappi, così si potranno rilevare due livelli di uno stesso serbatoio, o due livelli di serbatoi diversi.

Alternativamente, all’interno di uno stesso tappo possono essere inserite due o più coppie di elettrodi, così da utilizzare uno stesso tappo per misurare due livelli di uno stesso serbatoio. A questo fine gli elettrodi devono sporgere dalla base della campana di una diversa lunghezza, in modo tale da andare a misurare a diverse profondità e rilevare quindi la presenza di liquido a due diversi livelli.

La presente invenzione trova una vantaggiosa applicazione su una lavabiancheria del tipo a lunga carica (in inglese “long fill”) dotata di un sensore secondo la presente invenzione.

La lavabiancheria del tipo a lunga carica è provvista di due serbatoi, uno per il detersivo ed uno per l’ammorbidente, in cui i rispettivi agenti di lavaggio vengono stoccati per essere dispensati durante diversi cicli di lavaggio.

Per entrambi i serbatoi vi è preferibilmente una doppia rilevazione di livello: quota massima, in corrispondenza della quale l’unità di controllo segnala all'utente che la macchina è equipaggiata per eseguire il numero predeterminato di cicli di lavaggio senza bisogno di ulteriore caricamento, e quota minima, in corrispondenza della quale l’unità di controllo segnala all'utente la necessità di provvedere al caricamento, tale quota minima corrispondendo preferibilmente ad una quantità di riserva (ossia utilizzabile per un limitato numero di cicli di lavaggio) di liquido all’interno del serbatoio.

Per poter rilevare i livelli di minimo e di massimo dei due serbatoi, la lavabiancheria è provvista di un sistema di rilevamento liquidi come in figura 7. Ogni serbatoio può essere provvisto di due tappi 11 del tipo descritto sopra con riferimento alle figure 8 e 9, in cui ogni tappo comprende una coppia di elettrodi di un sensore in collegamento con l’unità di controllo dell’elettrodomestico.

E’ chiaro ora che gli esempi di realizzazione sopra descritti sono forniti a puro titolo esemplificativo e non limitativo, e che molte altre varianti sono possibili per la persona esperta del ramo.

Ad esempio, i circuiti elettronici possono essere realizzati su una o più schede tra loro collegate ed essere realizzati con componenti e mezzi equivalenti, ad esempio nonostante gli esempi di realizzazione sopra descritta prevedono l’uso di transistori BJT, è chiaro che anche transistori ad effetto di campo possono essere utilizzati.

Inoltre è chiaro che la presente invenzione trova applicazione preferita e vantaggiosa al settore degli elettrodomestici, ad esempio alle lavatrici di tipo a lunga carica, o “long fill” (dotate di almeno un serbatoio per conservare gli agenti di lavaggio), tuttavia il sensore secondo la presente invenzione può essere utilizzato anche in altri settori della tecnica.

Infine, il sensore secondo la presente invenzione può essere utilizzato non solo per rilevare la presenza di un liquido, ma anche per determinare il tipo di liquido.

Poiché, come detto sopra, la durata di un livello logico del segnale d’uscita dipende dalle caratteristiche di conducibilità elettrica del liquido, rilevando la durata del livello logico è teoricamente possibile determinare il liquido in cui sono immersi gli elettrodi, o quantomeno distinguere tra più classi di liquidi o prodotti.

Ad esempio, esperimenti condotti hanno dimostrato che detersivi ed ammorbidenti presentano una conducibilità che differisce per un ordine di grandezza, quindi la durata del segnale logico d’uscita differisce nel caso che si rilevi un detersivo o un ammorbidente. In questo caso, la macchina, tramite i propri mezzi di interfaccia, può informare l’utente circa un eventuale erroneo caricamento di uno dei serbatoi.

Dimensionando opportunamente l’oscillatore e l’unità di controllo che riceve il segnale d’uscita del sensore, quest’ultima può essere in grado di distinguere se il liquido in cui sono immersi gli elettrodi è un detersivo o un ammorbidente.

A tal fine l’unità di controllo comprende un’area di memoria con una look-up table in cui a diverse categorie di liquidi sono associate diverse durate o intervalli di durata del valore logico d’uscita.

L’unità di controllo confronta quindi la durata di un livello logico del segnale d’uscita con una pluralità di valori di riferimento (ad es. contenuti nella lookup table), in modo tale da determinare il tipo di liquido rilevato in funzione della durata misurata del livello logico.

Claims (17)

1. RIVENDICAZIONI 1. Sensore per rilevare la presenza di liquidi, caratterizzato dal fatto di comprendere: un circuito oscillatore la cui uscita assume alternativamente un valore logico basso ed un valore logico alto, e due coppie di elettrodi (EL1, EL2) atte ad essere immerse in liquidi, in cui dette coppie di elettrodi sono collegate a detto oscillatore in modo tale che la durata (t1,t2) di detto valore logico alto e di detto valore logico basso dipende dall’impedenza presente ai capi di una rispettiva coppia di elettrodi (EL1, EL2).
2. 2. Sensore secondo la rivendicazione 1, in cui detto oscillatore comprende un amplificatore operazionale (1), in cui dette due coppie di elettrodi (EL1, EL2) sono collegate tra l’uscita (OUT) ed un primo ingresso (4) di detto amplificatore operazionale (1) attraverso un circuito di depolarizzazione (5), in cui per un dato valore logico in uscita all’operazionale (1) detto circuito di depolarizzazione (3) è atto ad invertire, rispetto al caso in cui l’altro valore logico è presente in uscita, la polarità della coppia di elettrodi che non contribuisce a determinare la durata di detto dato valore logico in uscita.
3. 3. Sensore secondo la rivendicazione 2, in cui detto circuito di depolarizzazione (5) comprende due sottocircuiti comprendenti ognuno una resistenza (R2,R4) ed un diodo (D1,D2) in parallelo, ed in cui detti sottocircuiti sono collegati in serie con i diodi (D1,D2) collegati in modo tale da condurre ognuno su un diverso livello logico.
4. 4. Sensore secondo la rivendicazione 3, in cui ogni coppia di elettrodi (EL1, EL2) è collegata ad un rispettivo sottocircuito di detti due sottocircuiti, ed in cui i diodi (D1,D2) di detti sottocircuiti sono posizionati in modo tale da non condurre quando la rispettiva coppia di elettrodi (EL1, EL2) determina la durata del valore logico in uscita.
5. 5. Sensore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, ulteriormente comprendente un circuito di pilotaggio (6) atto a spegnere l’oscillatore fissandone l’uscita (OUT) al valore logico basso.
6. 6. Sensore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, ulteriormente comprendente uno stadio d’uscita (8) atto a squadrare il segnale di uscita di detto sensore.
7. 7. Sensore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, ulteriormente comprendente almeno un optoisolatore atto a separare galvanicamente detto sensore da almeno una linea, in particolare una linea per il pilotaggio del sensore o una linea per la trasmissione del segnale d’uscita del sensore.
8. 8. Sensore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui almeno una di dette coppie di elettrodi è inserita all’interno di una campana e sporge rispetto alla base di detta campana.
9. 9. Sensore secondo la rivendicazione 8, in cui almeno una porzione degli elettrodi che resta all’interno della campana è ricoperta da un materiale isolante, in particolare plastica.
10. 10. Sensore secondo la rivendicazione 8 o 9, in cui detta campana è compresa in un tappo.
11. 11. Sistema di rilevamento liquidi caratterizzato dal fatto di comprendere almeno un sensore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 10 ed un’unità di controllo (9) atta a ricevere un segnale d’uscita di detto sensore, ed a confrontare la durata di un livello logico di detto segnale d’uscita con almeno un valore di riferimento.
12. 12. Sistema secondo la rivendicazione 11, in cui detta unità di controllo è atta a confrontare detta durata di un livello logico del segnale d’uscita con una pluralità di valori di riferimento, in modo tale da determinare il tipo di liquido rilevato in funzione di detta durata di un livello logico del segnale d’uscita.
13. 13. Sistema secondo la rivendicazione 11 o 12, in cui detto sistema comprende una pluralità di sensori secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 10, ed in cui le uscite degli oscillatori di detta pluralità di sensori sono collegate ad un nodo d’uscita.
14. 14. Sistema di rilevamento liquidi secondo la rivendicazione 13, in cui detta unità di controllo (9) è operativamente connessa a detto nodo d’uscita ed è atta ad attivare selettivamente un sensore di detta pluralità in modo da leggere il segnale d’uscita del sensore attivato.
15. 15. Sistema di rilevamento secondo la rivendicazione 13 o 14, ulteriormente comprendente uno stadio d’uscita collegato tra detto nodo d’uscita ed una linea d’uscita.
16. 16. Elettrodomestico, in particolare lavabiancheria o lavasciuga o lavastoviglie, caratterizzato dal fatto di comprendere un sensore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 10 o un sistema di rilevamento liquidi secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 11 a 15.
17. 17. Metodo per rilevare il livello di un liquido in un serbatoio, caratterizzato dal fatto di: - posizionare all’interno di detto serbatoio almeno una coppia di elettrodi di un sensore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 10, - leggere il segnale d’uscita di detto sensore, - confrontare la durata del valore logico del segnale d’uscita associato a detta coppia di elettrodi con un valore di riferimento, - determinare da detto confronto se detta coppia di elettrodi è immersa in un liquido o nell’aria, così da determinare se nel serbatoio è presente un liquido che arriva al livello di detta coppia di elettrodi.