AT523420B1

AT523420B1 - Nicht-invasive druckmessung

Info

Publication number: AT523420B1
Application number: ATA50368/2020A
Authority: AT
Inventors: Praher Dipl Ing Dr Techn Bernhard; Mitterlehner MSc Thomas
Original assignee: Johannes Kepler Univ Linz
Priority date: 2020-04-29
Filing date: 2020-04-29
Publication date: 2021-08-15
Also published as: AT523420A4; DE102021107596A1

Abstract

Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird ein Ultraschall-Transducer auf einem Druckgehäuse dauerhaft oder temporär befestigt, und während des zu überwachenden Prozesses werden Ultraschallpulse von außen in die Gehäusewand eingekoppelt und in Richtung des innerhalb des Druckgehäuses befindlichen und dort verarbeiteten Mediums abgestrahlt. Je nach Anwendung und Umgebungsbedingungen werden verschieden physikalische Effekte genutzt, um quantitative oder qualitative Drücke oder Druckveränderungen zu bestimmen.

Description

Beschreibung

TECHNISCHES GEBIET

[0001] Die vorliegende Beschreibung betrifft die qualitative und quantitative Messung von Drücken von Fluiden innerhalb von Druckgehäusen mittels Ultraschallmessungen.

HINTERGRUND

[0002] Eine häufige Aufgabe der Prozessmesstechnik ist die Ermittlung von Drücken bei der Verarbeitung von flüssigen Medien (z.B. Kunststoffschmelzen, Metallschmelzen, Lebensmittel). Unter den vielen Verarbeitungsmöglichkeiten können hier z.B.: Aufschmelzen, Homogenisieren, Gießen, chemische Reaktionen oder Mischen genannt werden. Das Gehäuse, in dem sich das unter Druck stehende, flüssige Medium befindet wird üblicherweise als Druckgehäuse (pressurized housing) bezeichnet.

[0003] Ein in der Verarbeitung flüssiger Medien sehr häufig eingesetzter Sensor zur Druckmessung basiert auf piezoresistiven Elementen. Diese Elemente sind hinter einer Messmembran angebracht, welche direkt mit dem Medium in Kontakt steht und bei Druck verformt wird. Bei derartigen Sensoren ist eine Bohrung durch die Wand des Druckgehäuses zu dem Verarbeitungsraum des Mediums notwendig. Bei hohen Drücken (wie z.B. in der Kunststoffverarbeitung) müssen diese Druckfühlerbohrungen mit sehr hohen Toleranzen gefertigt werden, um Undichtheiten zu vermeiden. Des Weiteren kann es bei abrasiven Medien dazu kommen, dass die mit dem Medium in Kontakt stehende Membran verschleißt und es dadurch zu deutlichen Fehlern in der Druckmessung kommen kann. Ein weiterer Nachteil ist die Temperaturabhängigkeit des Sensorelementes, die dazu führen kann, dass eine Temperaturmessung an der Messmembran und Berücksichtigung des Temperatureinflusses in der Messelektronik der Sensoreinheit nötig ist.

[0004] Für hochdynamische Druckmessungen bei extremen Umgebungsbedingungen, wie z.B. bei Gießprozessen in der Kunststoffindustrie, haben sich sogenannte piezoelektrische Drucksensoren etabliert. Mittels eines Kolbens oder einer Membran, welche mit dem Medium in Kontakt steht, wird eine Kraft auf einen Piezo-Kristall übertragen und bei diesem eine druckabhängige Ladungstrennung erzeugt (piezoelektrischer Effekt). Die sehr geringen Ladungen werden durch sogenannte Ladungsverstärker in Spannungen oder Ströme gewandelt, die für eine Nachverarbeitung besser geeignet sind. Piezoelektrische Sensoren sind wenig temperaturempfindlich und besitzen eine hohe Messdynamik. Nachteilig ist die Tatsache, dass es hochisolierte Verbindungskabel benötigt, um Ladungsverluste zu minimieren. Aufgrund der Ladungsverluste sind zudem nur dynamische und keine statischen Druckmessungen möglich. Wenn solche Sensoren in Gießprozessen eingesetzt werden, ist auf dem Formteil immer ein Sensorabdruck sichtbar, was für viele Produkte inakzeptabel ist.

[0005] Weitere Sensorprinzipien zur Druckmessung basieren z.B. auf kapazitiven, induktiven, optischen oder ultraschallbasierten Elementen zur Messung von druck- bzw. kraftproportionalen Wegänderungen von Membranen oder Kolben. Auch hier sind in aller Regel Bohrungen zur Einführung einer Messsonde nötig.

[0006] Es sind auch Messverfahren zur Druckmessung ohne direkten Kontakt mit dem Messmedium bekannt. Beispielsweise kann das Gehäuse, in dem sich das unter Druck stehende Medium befindet, an einer Stelle durch einen Schlitz geschwächt und die Schlitzweite, welche sich durch eine Ausdehnung des Gehäuses bei einer Druckerhöhung ändert, bestimmt werden, um den Druck im Medium zu ermitteln. Ein derartiger mechanischer Eingriff in das Druckgehäuse ist in vielen Fällen nicht erwünscht oder (bei hohen Mediendrücken) nicht möglich, um die mechanische Stabilität des Gehäuses sicherzustellen.

[0007] Die Erfinder haben es sich zur Aufgabe gemacht, ein verbessertes kontaktloses Verfahren zur Druckmessung zu realisieren.

ZUSAMMENFASSUNG

[0008] Die genannte Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß Patentanspruch 1 sowie das Verfahren gemäß Anspruch 9 gelöst. Verschiedene Ausführungsformen und Weiterentwicklungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.

[0009] Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird die genannte Aufgabe dadurch gelöst, dass ein Ultraschall-Transducer auf einem Druckgehäuse dauerhaft oder temporär befestigt wird und (während des zu überwachenden Prozesses) Ultraschallpulse von außen in die Gehäusewand eingekoppelt und in Richtung des innerhalb des Druckgehäuses befindlichen und dort verarbeiteten Mediums abgestrahlt werden. Je nach Anwendung und Umgebungsbedingungen werden verschieden physikalische Effekte genützt, um quantitative oder qualitative Drücke oder Druckveränderungen zu bestimmen.

[0010] Beispielsweise können Ultraschallpulse, die von der Grenzfläche zwischen Druckgehäuse und Medium (oder zwischen Druckgehäuse und weiteren mechanischen Strukturen im Druckgehäuse) reflektiert wurden, mit einem Ultraschall-Transducer empfangen werden. In einer geeigneten Auswerteeinheit kann z.B. die Amplitude des Pulses bestimmt werden, wobei gewisse Parameter (Amplitude, insbesondere Spitzenwert, Momentanamplitude zu einem bestimmten Zeitpunkt, etc.) der ausgewerteten Pulse Rückschlüsse auf den Druck- oder Druckänderungen erlauben. Das heißt, für jeden der empfangenen reflektierten Ultraschallpulse wird mindestens ein Amplitudenwert ermittelt und basierend auf den ermittelten Amplitudenwerten können Messwerte ermittelt werden, die den Verlauf des Druckes in dem Medium über der Zeit repräsentieren.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

[0011] Nachfolgend werden verschiedene Ausführungsbeispiele anhand von Abbildungen näher erläutert. Die Darstellungen sind nicht zwangsläufig maßstabsgetreu und die Ausführungsbeispiele sind nicht nur auf die dargestellten Aspekte beschränkt. Vielmehr wird darauf Wert gelegt, die den Ausführungsbeispielen zugrundeliegenden Prinzipien darzustellen.

[0012] Figur 1a illustriert einen exemplarischen Aufbau für eine Druckmessung unter den Bedingungen, dass die Temperaturen des Druckgehäuses und des unter Druck stehenden Mediums nahezu identisch sind und die Temperaturen sich während der Verarbeitung des Mediums nicht nennenswert ändern.

[0013] Figur 1b _ illustriert anhand von Zeitdiagrammen den Druck im Medium und den gemessenen relativen Reflexionskoeffizienten.

[0014] Figur 2a zeigt in Diagrammform den nahezu linearen Zusammenhang zwischen Reflexionskoeffizienten und Mediendruck bei der exemplarischen Paarung Druckgehäuse=Stahl und Medium=PE-HD (Polyethylen hoher Dichte).

[0015] Figur 20 zeigt in Diagrammform die theoretische Sensorkennlinie bei der Beispielpaarung aus Fig. 2a (Stahl und PE-HD).

[0016] Figur 3a illustriert ein Beispiel eines Aufbaus für eine Druckmessung unter den Bedingungen, dass die Temperaturen des Druckgehäuses und des unter Druck stehenden Mediums zu Beginn der Verarbeitung stark unterschiedlich sind (z.B. bei Gießprozessen), wobei eine zusätzliche Materialschicht zwischen Druckgehäuse und Medium angeordnet ist.

[0017] Figur 3b illustriert anhand eines schematischen Diagramms die einfallenden, die reflektierten und die transmittierten Ultraschallsignale an der Grenzschicht zwischen dem Druckgehäuse und der weiteren Materialschicht ohne Mediendruck.

[0018] Figur 3c illustriert anhand eines schematischen Diagramms die einfallenden, die reflektierten und die transmittierten Ultraschallsignale an der Grenzschicht zwischen dem Druckgehäuse und der weiteren Materialschicht mit Mediendruck.

[0019] Figur 4 enthält exemplarische Zeitdiagramme des Mediendrucks und der korrespondierenden Amplitude des reflektierten Ultraschallsignals für den Fall, dass das Druckgehäuse zu Beginn der Verarbeitung eine deutlich geringere Temperatur als das Medium hat.

[0020] Figur5 illustriert anhand von exemplarischen Diagrammen die Ultraschallsignalamplituden am Start und Ende eines Gießprozesses und deren Verläufe bei intakter und fehlerhafter Temperierung des Druckgehäuses.

[0021] Figur 6a enthält eine Illustration einer Druckmessung unter den Bedingungen, dass die Temperaturen des Druckgehäuses und des Mediums zu Beginn der Verarbeitung stark unterschiedlich sind (z.B. bei Gießprozessen) unter Ausnutzung des Effekts von Oberflächenfehlern an der Grenzschicht des Druckgehäuses.

[0022] Figur 6b illustriert anhand eines schematischen Diagramms die einfallenden, die reflektierten und die transmittierten Ultraschallsignale an der Grenzschicht des Druckgehäuses und des Mediums unter Ausnutzung des Effekts von Oberflächenfehlern an der Grenzschicht des Druckgehäuses.

[0023] Figur 7a zeigt ein exemplarisches Zeitdiagramm des empfangenen Ultraschallpulses und illustriert den zeitlichen Bereich für die Detektion von Laufzeitänderungen jener Anteile von Reflexionen an Oberflächenfehlern an der Grenzschicht des Druckgehäuses.

[0024] Figur 7b zeigt ein exemplarisches Zeitdiagramm der Ultraschallpulse bei zwei verschiedenen Mediendrücken und deren Auswertung.

[0025] Figur8 illustriert anhand eines exemplarischen Diagramms den messbaren Einfluss des Druckes in einem Spritzgießprozess.

[0026] Figur9 illustriert ein Beispiel des hier beschriebenen Messverfahrens anhand eines Flussdiagramms.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG

[0027] Bevor auf die Abbildungen näher eingegangen wird, werden zunächst einige allgemeine, exemplarische Aspekte der hier beschriebenen Ausführungsbeispiele erläutert. Gemäß den hier beschriebenen Ausführungsbeispielen werden mittels eines an ein Druckgehäuse (temporär oder dauerhaft) angekoppelten Ultraschall-Transducers wiederholt kurze Ultraschallpulse erzeugt. Die Ultraschallpulse laufen durch das Druckgehäuse hindurch und werden an der Grenzfläche zwischen dem Druckgehäuse und dem darin befindlichen Medium reflektiert und mittels des Ultraschall-Transducers in elektrische Signale umgewandelt. Alternativ kann die Reflexion zwischen dem Druckgehäuse und einer weiteren Materialschicht zwischen dem Druckgehäuse und dem Medium stattfinden. In manchen Ausführungsbeispielen kann die Reflexion auch von Oberflächenfehlern an der Grenzfläche des Druckgehäuses abhängen.

[0028] Um Drücke und/oder Druckverläufe (d.h. Druckveränderungen im Laufe der Zeit) während eines Verarbeitungsprozesses des im Druckgehäuse befindlichen flüssigen Mediums qualitativ oder quantitativ zu bestimmen, kann die Amplitude der elektrischen Signale, welche die reflektierten Ultraschallpulse repräsentieren, ausgewertet werden. Das Druckgehäuse besteht üblicherweise aus Metall (z.B. Stahl), kann aber auch aus jedem anderen schallleitenden Material gefertigt sein. Derartige Druckgehäuse, in welchen ein flüssiges Medium verarbeitet wird, findet man z.B. in Kunststoff-Extruder, Kunststoff-Spritzgießmaschinen, Kunststoff-Spritzgießwerkzeugen, Metall-Druckguss-Werkzeugen etc.

[0029] Eine mögliche Ausführung ist in Fig. 1a dargestellt. Der Ultraschall-Transducer 1 wird an das Druckgehäuse 2 angekoppelt. Dieser Ultraschall-Transducer 1 wird auf an sich bekannte Weise elektrisch (z.B. mit einem Burst-Signal) angeregt und erzeugt einen akustischen Puls 3 der durch das Material des Druckgehäuses 2 läuft. Dies kann z.B. mittels der Sensorelektronik 20 bewerkstelligt werden. An der Grenzfläche 4 zwischen dem Druckgehäuse 2 und dem darin

befindlichen, zu verarbeitenden Medium 5 wird ein Teil des akustischen Pulses 3 reflektiert (reflektierter Puls 7). Die nicht reflektierte Schallleistung wird ins Medium 5 hinein transmittiert (transmittierter Puls 6) und dort absorbiert. Der Reflexionsanteil ist durch den sogenannten Reflexionskoeffizienten

R — DUS,Refl | (1)

DPUS,Ein

gegeben. Wobei pus,ein den Schalldruck des auf die Grenzfläche 4 einfallenden Pulses 3 und Pus,reiı den Schalldruck des von der Grenzfläche 4 reflektierten Pulses 7 bezeichnet. Der Schalldruck pus,trans des ins Medium transmittierten Puls 6 berechnet sich gemäß

Pus,Trans = (1— R)Pus, Ein - (2)

[0030] Die beschriebene Anordnung aus Fig. 1a kann für die quantitative Druckmessung verwendet werden. Das im Folgenden beschriebene Ausführungsbeispiel basiert auf der Annahme, dass die Temperatur To des Druckgehäuses 2 ungefähr gleich der Temperatur Tm des Mediums 5 ist, und dass die Temperaturen To und Tm an der Messposition während des Prozesses auch relativ konstant bleiben, d.h. sich nur um wenige Grad Celsius ändern. Solche Voraussetzungen findet man näherungsweise z.B. in Plastifiziereinheiten von Kunststoff-Spritzgießmaschinen und Kunststoff-Extrudern, in Heißkanälen von Spritzgießwerkzeugen zur Thermoplastverarbeitung oder in Kaltkanälen von Spritzgießwerkzeugen zur Elastomerverarbeitung.

[0031] Fig. 1b zeigt beispielhaft den zeitlichen Verlauf des Drucks im Medium 5 (Mediendruck) und des relativen Reflexionskoeffizienten. Dieser relative Reflexionskoeffizient ist gegeben durch

Ayusrefilt) (3)

R = Rel Auspefi(tref)

wobei Aus,rei(t) die Amplitude des elektrischen Signals darstellt, welches den vom UltraschallTransducer 1 empfangenen reflektierten Pulses 7 repräsentiert und welche proportional zum Schalldruck pus,rein des reflektierten Pulses 7 ist. Die Normierung erfolgt auf einen Zeitpunkt trer mit bekannten Druck Pre: (Referenzdruck). Dies wird in aller Regel der Umgebungsdruck sein. Es kann jedoch, z.B. am Beginn eines Prozessschrittes auch jeder andere definierte Druck sein. Vor allem für die Materialpaarung Stahl/Kunststoffschmelze kann (z.B. experimentell) gezeigt werden, dass zwischen dem messtechnisch ermittelbaren relativen Reflexionskoeffizienten Rreı und dem Mediendruck Pw(t) ein einfacher linearer Zusammenhang

Py() = Pref +(1-)k (4)

RRei

besteht, wobei k eine vom verarbeitenden Medium abhängige Konstante darstellt. Diese Konstante kann entweder durch Kalibrationsmessungen oder durch Berechnungen (basierend auf einem mathematisch/physikalischen Modell) ermittelt werden.

[0032] Der Reflexionskoeffizient R kann mit

—_ Zp-ZMm _ SLDPD7CLMPM (5) Zp+Zm CLDPD+CLMPM

rechnerisch ermittelt werden, wobei Zp die akustische Impedanz des Druckgehäuses 2, Zw die akustische Impedanz des Mediums 5, cı,p die longitudinale Schallgeschwindigkeit im Druckgehäuse 2, Cı,m die longitudinale Schallgeschwindigkeit im Medium 5, po die Dichte im Druckgehäuse 2 und pm die Dichte im Medium 5 bezeichnen. Die akustische Impedanz berechnet sich aus dem Produkt der longitudinalen Schallgeschwindigkeit und der Dichte des jeweiligen Materials. Da die Schallgeschwindigkeit und Dichte im flüssigen Medium direkt vom Druck abhängig ist und die akustische Impedanz des Druckgehäuses 2 nahezu konstant ist, kann somit auf den Druck im Medium 5 zurückgeschlossen werden.

[0033] In Fig. 2a ist der mittels Gleichung 5 berechnete Reflexionskoeffizient für die Materialpaarung Stahl und Kunststoffschmelze aus PE-HD (Polyethylen hoher Dichte, auch als HDPE bezeichnet) bei einer Temperatur von 190°C und im Druckbereich 50 bis 150 bar dargestellt. Es ist ersichtlich, dass der Reflexionskoeffizient R dem Druck Py nahezu linear folgt. Über diesen

Zusammenhang wurde beispielhaft für (Pre=50 bar, Tm=190°C) die Konstante k rechnerisch so bestimmt, dass der Fehler bei Verwendung der Gleichung (4) (nach bestimmten Kriterien) minimiert wird. Beispielsweise kann die Konstante k mittels linearer Regression bestimmt werden. Für das aktuelle Beispiel erhält man in diesem Fall k=-12580. Fig 2b. zeigt den mittels der Gleichung (4) für k= -12580 ermittelten Zusammenhang zwischen dem approximierten Drucks Py,approx. UNd den tatsächlichen Druck Pu. Der maximale relative Linearitätsfehler (im Vergleich zum idealen Druck Pyıdea) beträgt in diesen Fall etwa 2.5 %, was für viele Prozesse in der Kunststoffindustrie eine akzeptable Abweichung darstellt.

[0034] Eine weitere mögliche Ausführung zur ultraschallbasierten Druckmessung ist in Fig. 3a illustriert. Diese Ausführung eignet sich für Prozesse, in denen die Temperatur To des Druckgehäuses 2 deutlich geringer oder deutlich größer ist als die Temperatur Tm des Mediums 5 zu Prozessbeginn. Solche Bedingungen sind typisch für Gießprozesse, wo das Druckgehäuse 2 als Gießform ausgeführt ist und am Beginn des Gießprozesses das flüssige Medium 5 eingebracht wird und entsprechend ausgeformt wird. Ein Beispiel für die Bedingung To << Tm ist der Spritzgußprozess von Thermoplasten. Hier wird der Kunststoffschmelze (d.h. dem Medium 5) vom temperierten Spritzgießwerkzeug (d.h. dem Druckgehäuse 2) Wärme entzogen, und die Kunststoffschmelze somit abgekühlt und ausgeformt. Ein Beispiel für die Bedingung To >> Tm ist der Flüssigsilikonspritzguss, bei dem das Silikon (Medium 5) in die heiße Spritzgießform (Druckgehäuse 2) eingespritzt wird und dort ausvulkanisiert. Da in diesen Anwendungen neben den Prozessdrücken Pım auch starke zeitliche Anderungen der Medientemperatur Tm auftreten können (aufheizen oder abkühlen), kann das zuvor beschriebene Ausführungsbeispiel nicht ohne Weiteres für die Druckmessung verwendet werden, da auch die Temperatur in der Regel einen starken Einfluss auf die Dichte und Schallgeschwindigkeit und somit auf den Reflexionskoeffizienten hat. Die Annahme einer konstanten Temperatur würde das Ergebnis stark verfälschen.

[0035] Um die beschriebene Temperaturabhängigkeit zu umgehen, wird eine mechanische Hilfsstruktur (Materialschicht 10) zwischen dem Druckgehäuse 2 und dem Medium 5 eingebracht. In Fig. 3a wird der Ultraschall-Transducer 1 an das Druckgehäuse 2 angekoppelt wie in dem vorherigen Beispiel aus Fig. 1. Dieser Ultraschall-Transducer 1 wird auf an sich bekannte Weise elektrisch angeregt (z.B. mittels eines Burst-Signals) und erzeugt einen akustischen Puls 3 der durch das Material des Druckgehäuses 2 hindurch läuft. Anders als beim vorherigen Beispiel aus Fig. 1 ist zwischen dem Medium 5 und dem Druckgehäuse 2 die Materialschicht 10 vorhanden. Diese Materialschicht 10 kann mechanisch (z.B. mittels Schrauben oder Kleben), chemisch oder physikalisch (z.B. mittels CVD- oder PVD-Verfahren) an der Innenoberfläche des Druckgehäuses 2 befestigt sein. Auch andere Techniken können geeignet sein, um die Materialschicht 10 zu realisieren. Die Materialschicht 10 kann lokal an der Messposition oder auch großflächig auf die Innenoberfläche des Druckgehäuses 2 aufgebracht werden und beispielsweise aus demselben Material bestehen wie das Druckgehäuse selbst. Kommt es nun zu einer Druckveränderung im Medium 5, beeinflusst diese die Höhe des reflektierten Anteils 12 und des transmittierten Anteils 11 des einfallenden Ultraschall-Pulses 3 an der Grenzschicht 9 zwischen dem Druckgehäuse 2 und der Materialschicht 10.

[0036] In Fig. 3b ist die Kontaktfläche zwischen dem Druckgehäuse 2 und der Materialschicht 10 in einer schematischen Darstellung als Grenzschicht 9a stark vergrößert dargestellt. In der Darstellung aus Fig. 3a wird angenommen, dass der Druck im Medium 5 (Druck über Umgebungsdruck) relativ gering ist und es so zu einer relativ geringen Kontaktkraft zwischen dem Druckgehäuse 2 und der Materialschicht 10 kommt. Abhängig von den Oberflächenrauigkeiten werden vermehrt einzelne Anteile 3a des einfallenden Ultraschallpuls 3 reflektiert, wobei die zugehörigen reflektierten Anteile mit 12a bezeichnet sind. Der reflektierte Puls 12 ist die Summe (Superposition) dieser reflektierten Anteile 12a. Der in die Materialschicht 10 transmittierte Puls 11 setzt sich aus den einzelnen Anteilen 11a zusammen. Wird nun der Druck im Medium erhöht, kommt es zu einer Erhöhung der Flächenpressung durch die Krafteinwirkung F zwischen dem Druckgehäuse 2 und der Materialschicht 10. Dies führt dazu, dass - wie in der Grenzschicht 9b in Fig. 3c illustriert - wegen elastischer Verformungen des Oberflächenreliefs in der Grenzschicht 9b die effektive Kontaktaktfläche erhöht wird. Mehr Anteile 3a des einfallenden Pulses 3 können über die

Grenzfläche 9b transmittiert werden. Die korrespondierenden transmittierten Anteile 11a summieren sich zu Puls 11. Der Schalldruck und somit die gemessene Amplitude des reflektierte Pulses 12, welcher sich aus den reflektierten Anteilen 12a zusammensetzt, werden somit verringert.

[0037] Mittels Kalibriermessungen können mit einer derartigen Anordnung nicht nur qualitative, sondern auch quantitative Druckmessungen durchgeführt werden. Oft reicht es jedoch aus, den qualitativen Verlauf zu überwachen, beispielsweise zu ermitteln, ob der Druckverlauf bei Spritzgießprozessen über alle Zyklen gleichbleibt. Signifikante Veränderungen könnten ein Hinweis auf einen Fehler sein.

[0038] Fig. 4 illustriert den typischen Druckverlauf Pı(t) eines Thermoplast-Spritzgießprozesses und die korrespondierende Amplitude Aus,reiı des von der Grenzschicht 9 reflektierten Pulses. Die oben beschriebene Minderung der Amplitude durch die Erhöhung des Druckes wird durch einen zweiten Effekt überlagert: Durch die Erhöhung der Temperatur im Druckgehäuse 2 (im vorliegenden Beispiel ein gekühltes Spritgießwerkzeug aus Stahl), welches dem eingespritzten Kunststoff rasch Wärme entzieht, kommt es zu einer Erhöhung der akustischen Dämpfung und somit zu einer weiteren Verminderung der gemessenen Amplitude. In aller Regel verläuft diese Minderung der Amplitude aufgrund der Temperaturerhöhung sehr linear und kann dementsprechend einfach herausgerechnet werden. Im Zuge der Prozessüberwachung können neben der Überwachung (Monitoring) des Druckverlaufes, basierend auf der gemessenen Amplitude des reflektierten Pulses, wichtige Informationen über das thermische Verhalten des gekühlten Spritzgießwerkzeuges gewonnen werden, indem man die Amplitude des reflektierten Pulses beim Start des Einspritzprozesses Asıar und nach der Entformung des Bauteils Aenae betrachtet.

[0039] In Fig. 5 ist anhand von Diagrammen ein Beispiel der oben beschriebenen Überwachung des thermischen Zustandes eines gekühlten Spritzgießwerkzeuges dargestellt. In den Diagrammen in Fig. 5 sind die Amplituden der reflektierten Pulse (vgl. Fig. 3, Puls 12) beim Start des Einspritzprozesses Asıarı und nach der Entformung des Bauteils Aendge als Funktion der Zyklusnummer dargestellt. Sie verändern sich mit der Temperatur des Werkzeugstahls. Zu Beginn kommt es zu einem Einschwingprozess (in diesem Beispiel 3 Zyklen). Sind danach die Anfangstemperaturen und Endtemperaturen und somit die gemessenen Amplituden Asıarı UNd Aende kOonstant, ist der Prozess thermisch eingeschwungen und die Temperierung der Spritzgussform (z.B. mittels Wasserkühlung) arbeitet korrekt. Bei einer defekten Kühlung vermindern sich die Amplituden mit jedem Zyklus und Asıar nähert sich Azne Immer mehr an, da keine effektive Kühlung stattfindet.

[0040] Für Prozesse, in denen die Druckgehäusetemperatur TD deutlich geringer oder größer als die Medientemperatur TM zu Prozessbeginn (z.B. Gießprozesse) ist und in denen es nicht möglich oder erwünscht ist, eine weitere Materialschicht zwischen Druckgehäuse und Medium einzubringen (vgl. Fig.3a, Schicht 10), können mittels der Anordnung aus Fig. 6a Druckmessungen durchgeführt werden.

[0041] In dem Beispiel aus Fig. 6a wird der Ultraschall-Transducer 1 an das Druckgehäuse 2 angekoppelt. Dieser Ultraschall-Transducer 1 wird in an sich bekannter Weise elektrisch angeregt (z.B. mittels eines Burst-Signals) und erzeugt einen akustischen Puls 3, der durch das Material des Druckgehäuses hindurch läuft. An der Grenzfläche 13 zwischen dem Druckgehäuse 2 und dem darin befindlichen, zu verarbeitenden Medium 5 wird ein Teil des akustischen Pulses reflektiert (reflektierter Puls 14) und der übrige Teil in das Medium 5 transmittiert (transmittierter Puls 11). Allerdings wird nun nicht der Druck über den Reflexionskoeffizienten mittels der Amplitude des reflektierten Pulses 14 berechnet, da es hier neben der Druckabhängigkeit auch eine starke Abhängigkeit des Reflexionskoeffizienten R von der sich schnell ändernden Temperatur To im Medium gibt.

[0042] In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird die Kraft (bzw. der Druck), die das Medium 5 auf das Material des Druckkörpers 2 ausübt, bestimmt, indem die Anderung der Laufzeit des reflektierten Ultraschallpulses 14 ausgewertet wird. Diese Laufzeitänderung des Ultraschalls im Material des Druckgehäuses 2 wird durch eine elastische, reversible Stauchung des Materials

zwischen der Grenzschicht zwischen Medium 5 und Druckgehäuse 2 und dem Transducer 1 hervorgerufen. Zusätzlich kann der akusto-elastische Effekt (durch Spannungsänderung im Material) eine Laufzeitänderung hervorrufen. Da diese Laufzeitänderung in (wenig elastischen) metallischen Druckgehäusen nur sehr gering ist - nämlich im Nano- und Pikosekunden-Bereich - kann die im Folgenden beschriebene Methode zur Druckmessung verwendet werden, wobei druckabhängige Laufzeitänderungen mittels Messungen der Amplitude ermittelt werden.

[0043] In Fig. 6b ist die Kontaktfläche zwischen dem Druckgehäuse 2 und dem Medium 5 in einer schematischen Darstellung als Grenzschicht 13a stark vergrößert dargestellt. Spanabhebend (z.B. mittels abrasiver Techniken) bearbeitete Oberflächen zeigen in der Oberflächenzone d (wenige Mikrometer tief) verschiedene Veränderungen wie z.B. Verfestigungen, Aufbau von Eigenspannungen und Gefügeinhomogenitäten. Diese Oberflächenfehler 15 können Informationen über den Druckverlauf im Medium 5 liefern, indem die Ultraschall-Reflexionen an dieser mit den Oberflächenfehlern 15 behafteten Grenzfläche ausgewertet werden. Diese Reflexionen 14a sind nicht im direkten Kontakt mit dem Medium 5 (die Defekte sind zu klein als dass dazwischen das Medium eindringen könnte) und überlagern sich mit den Reflexionen der tatsächlichen Grenzschicht. Die einzelnen Anteile 3a des Pulses 3 werden hauptsächlich an der Grenzfläche zwischen Druckgehäuse 2 und Kunststoffschmelze (Medium 5) gemäß Gleichung 3 reflektiert bzw. als Puls 11 bestehend aus seinen Anteilen 11a transmittiert. Kommt es wie im Bereich 16 an Oberflächendefekten 15 zu Reflexionen, überlagern sich diese Anteile mit sehr geringem Schalldruck mit den restlichen Reflexionen. Prinzipiell können diese Reflexionen an den Oberflächendefekten 15 nicht direkt getrennt werden von Reflexionen an der Gehäuse-Medium Grenzschicht. Da die Reflexionen an den Oberflächendefekten 15 (z.B. im Bereich 16) den anderen Reflexionen (an der tatsächlichen Grenzschicht) zeitlich im Piko- bis Nanosekunden-Bereich vorauseilen, ist es dennoch möglich, Information über diese Reflexionen an den Oberflächendefekten 15 zu erlangen: Im vorderen Bereich des gemessenen reflektierten Pulses 14 (Überlagerung aller Einzelreflexionen) sind Anteile dieser Reflexionen messbar.

[0044] Fig. 7a illustriert schematisch die Auswertung eines empfangenen reflektierten Pulses Aus,refi(t). Im vorderen Bereich (in Fig. 7 durch einen Kreis hervorgehoben) - beim ersten Anstieg (Onset) der Amplitude - sind die Reflexionsanteile aufgrund der Oberflächendefekte 15 (z.B. aus dem Bereich 16, siehe Fig. 6b) erkennbar und auch detektierbar. Da in diesem vorderen Bereich kein bzw. ein sehr geringer Einfluss der Temperatur- und Druckänderungen im Medium auf das signal besteht, kann hier eine Laufzeitänderung im Material des Druckkörpers detektiert werden. Fig. 7b ist eine vergrößerte Darstellung des in aus Fig. 7a markierten vorderen Bereichs des empfangenen Ultraschallpulses.

[0045] Der (relativ zum Triggerzeitpunkt des ausgesendeten Pulses 3) feststehende Messzeitpunkt tmess Wird durch entsprechendes systemdesign in den ersten Anstieg (Onset) des Signals Sus,ren(t) gelegt. Da es dort keinen Einfluss des Reflexionskoeffizienten gibt, kann der Signalwert Sus,ref(tmess) ZUM Messzeitpunkt tmess direkt für die Messung der Laufzeitänderung im Druckkörper durch eine Druckänderung im Medium verwendet werden. In Fig. 7b ist der empfangene Ultraschallpuls für einen Druck PM,1 dargestellt. Der korrespondierende Signalwert zum Messzeitpunkt tmess SEI Sus,pef(tmess,Pıu,1). Wird jetzt der Druck z.B. auf einen Druck Pıv,2 im Medium 5 erhöht (d.h. Pu2>Pu1), kommt es zu einer Verkürzung der Ultraschalllaufzeit. Diese kann durch Messung des Signalwertes Sus,prefi(tmess,Pm,2) Zum Zeitpunkt tmess detektiert werden (für einen späteren Puls). Die Laufzeiterhöhung führt zu Aus,refi(tmess,Pm,2) > Aus Ref(tmess,Pın.4)-

[0046] In Fig. 8 sind derart ermittelte Messdaten aus einem Spritzgießwerkzeug für verschieden Drücke dargestellt. Deutlich sind die unterschiedlichen Druckverläufe erkennbar, die z.B. wieder für die Uberwachung des Spritzgießprozesses verwendet werden können. Wie in dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel kommt es, aufgrund der Erwärmung des Werkzeugstahls, wieder zu einer gleichzeitigen - nahezu linearen - Abnahme des Signals, was jedoch leicht rechnerisch kompensiert werden kann, sofern eine zusätzliche Temperaturmessung vorgenommen wird.

[0047] Im Folgenden werden einige Aspekte der hier beschriebenen Messverfahren zusammengefasst. Es handelt sich dabei lediglich um eine exemplarische, keine vollständige Auflistung von

technischen Merkmalen. Ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur nicht-invasiven Druckmessung ist in dem Flussdiagramm in Fig. 9 dargestellt. Demnach umfasst das Messverfahren, das Einkoppeln (Fig. 9, Schritt S1) einer Sequenz von Ultraschallpulsen (vgl. Fig. 1a, 3a, und 6a, gesendeter Ultraschallpuls 3) in eine Gehäusewand eines Gehäuses (z.B. eine Gussform), in dem sich ein unter Druck stehendes Medium (z.B. eine Kunststoffschmelze) befindet. Zu diesem Zweck wird ein außen am Gehäuse montierter Ultraschall-Transducer verwendet (vgl. Fig. 1a, 3a, und 6a, gesendeter Ultraschall-Transducer 1). Das Verfahren umfasst weiter das Empfangen (Fig. 9, Schritt S2) einer korrespondierenden Sequenz von Ultraschallpulsen (vgl. Fig. 1a, 3a, und 6a,‚reflektierte Pulse 7, 12 und 14), die an einer Innenoberfläche der Gehäusewand reflektiert wurden, sowie das Ermitteln eines Amplitudenwertes für jeden der empfangenen reflektierten Ultraschallpulse (Fig. 9, Schritt S3). Basierend auf den ermittelten Amplitudenwerten werden Messwerte ermittelt, die den Druck, insbesondere den Verlauf des Druckes in dem Medium über der Zeit repräsentieren (Fig. 9, Schritt S4).

[0048] In manchen Ausführungsbeispielen steht die Innenoberfläche der Gehäusewand direkt mit dem Medium in Kontakt (vgl. Fig. 1 und auch Fig. 6), und die reflektierten Ultraschallpulse entstehen durch Reflexionen an der Grenzfläche zwischen der Innenoberfläche der Gehäusewand und dem Medium. In anderen Ausführungsbeispielen ist zumindest ein (lokal abgegrenzter) Bereich der Innenoberfläche der Gehäusewand mit einer Materialschicht beschichtet (vgl. Fig. 3), die zwischen dem Medium und der Innenoberfläche der Gehäusewand liegt, und die reflektierten Ultraschallpulse entstehen durch Reflexionen an der Grenzfläche zwischen der Innenoberfläche der Gehäusewand und der Materialschicht. Die zusätzliche Materialschicht kann aus dem gleichen Material bestehen wie das Druckgehäuse. Sie wird beispielsweise durch eine dünne Metallplatte gebildet, die an der Innenfläche der Gehäusewand montiert ist (z.B. mittels Schrauben).

[0049] In einem Ausführungsbeispiel haben während der Durchführung des Messverfahrens die Gehäusewand und das Medium annähernd die gleiche Temperatur (vgl. Fig. 1a, To = Tm) und diese bleibt annähernd konstant. Das Medium kann in direktem Kontakt mit der Innenoberfläche der Gehäusewand stehen. In diesem Ausführungsbeispiel wird der erwähnte Amplitudenwert ermittelt, indem für jeden der empfangenen reflektierten Ultraschallpulse eine Einhüllende ermittelt wird und der Spitzenwert der Einhüllenden als Amplitudenwert verwendet und ggf. weiterverarbeitet wird. Der Amplitudenwert kann in diesem Fall z.B. berechnet werden, indem die Differenz zwischen der Maximalamplitude und der Minimalamplitude eines empfangenen Ultraschallpulses berechnet wird (Peak-to-Peak-Wert). Zu einem praktisch äquivalenten Ergebnis gelangt man, wenn der empfangene Ultraschallpuls gleichgerichtet und gefiltert wird. Die erwähnte Filterung kann auch eine Integration des gleichgerichteten oder quadrierten Signals über die Pulsdauer beinhalten. Die konkrete Ermittlung des gesuchten Amplitudenwert spielt eigentlich keine Rolle, sofern er immer auf die gleiche Weise ermittelt wird. In der Regel repräsentiert in diesem Ausführungsbeispiel der Amplitudenwert in irgendeiner Weise den Spitzenwert und damit auch die Maximalleistung des empfangenen Ultraschallpulses.

[0050] In einem Ausführungsbeispiel ist wie erwähnt eine zusätzliche Materialschicht zwischen der Innenoberfläche der Gehäusewand und dem Medium angeordnet. Das Ermitteln der Amplitudenwerte kann auf die gleiche Weise erfolgen wie zuvor beschrieben (Amplitudenwert repräsentiert Spitzenwert der Einhüllenden des empfangenen Pulses). Anders als in dem vorherigen Beispiel sind die Temperaturen To und Tym nicht konstant, und das Ermitteln der Messwerte umfasst das Korrigieren der Amplitudenwerte durch Kompensieren (d.h. Herausrechnen) eines von einer Temperaturveränderung abhängigen Anteils in den ermittelten Amplitudenwerten. Der von einer Temperaturveränderung abhängige Anteil kann aus dem gemessenen Signal heraus geschätzt werden oder unter Verwendung von Temperatur-messungen ermittelt werden.

[0051] In einem weiteren Ausführungsbeispiel repräsentiert der Amplitudenwert nicht den Spitzenwert des empfangenen Ultraschallpulses, sondern es werden die Momentan-amplituden der Jeweils reflektierten Ultraschallpulse zu bestimmten Zeitpunkten (vgl. Fig. 7, Zeitpunkt tmess) relativ zum Start der jeweiligen in die Gehäusewand eingekoppelten Ultraschallpulse ermittelt.

[0052] In vielen Anwendungen wird eine Normierung der ermittelten Amplitudenwerte sinnvoll

sein. Die Normierung kann auf jenen Amplitudenwert erfolgen, der bei fehlendem Medium ermittelt wird. Die normierten (relativen) Amplitudenwerte können auch als Reflexionsfaktoren Rıei Interpretiert werden. Alternativ erfolgt die Normierung auf jenen Amplitudenwert, der mit einem unter definiertem Referenzdruck stehenden Medium ermittelt wird (vgl. Fig. 1b). Das Ermitteln der Messwerte (aus den zuvor bestimmten Amplitudenwerten) kann auch das Umrechnen der ermittelten Amplitudenwerte in korrespondierende Druckwerte umfassen, wobei bei dem Umrechnen mittels bei definierten Drücken durchgeführten Kalibiermessungen ermittelte Kalibrierdaten verwendet werden.

[0053] Eine wichtige Anwendung ist die Überwachung von (Spritz- und Druck-) Gießverfahren. In diesen Fällen ist das Druckgehäuse die Gussform. In einem Beispiel wird die Differenz von Messwerten (vgl. Fig. 5, Astart, AenDe), die zu einem ersten Zeitpunkt und einem zweiten, späteren Zeitpunkt während desselben Gießvorgangs ermittelt wurden, ausgewertet, wobei basierend auf der Differenz eine unzureichende Kühlung der Gussform detektiert werden kann. Der erste Zeitpunkt kann am Anfang des Gießvorgangs liegen und der zweite Zeitpunkt am Ende desselben Gießvorgangs.

[0054] Gemäß einem weiteren Beispiel werden die während eines ersten Gießvorgangs ermittelten Messwerte mit korrespondierenden, während eines zweiten, später durchgeführten Gießvorgangs ermittelten Messwerte verglichen, um eventuell vorhandene Abweichungen zu erkennen. Der erste Gießvorgangs kann ein Referenzprozess sein, von dem man weiß, dass er in Ordnung ist und den gewünschten Spezifikationen entspricht. Der zweite Gießvorgang kann dann als fehlerhaft detektiert werden, wenn eine Abweichung erkannt wird. Auch die Dauer, für die der gewünschte Prozessdruck anliegt kann aus den Messwerten ermittelt werden. Sämtliche der hier beschriebenen Verfahrensschritte können z.B. mittels der Sensorelektronik 20 (siehe Fig. 1a) durchgeführt werden. Diese kann bei komplexeren Prozessüberwachungssystemen auch einen Computer umfassen, der die für die Durchführung einzelner Verfahrensschritte benötigten Berechnungen durchführt.

Claims

Patentansprüche

1. Messverfahren, das folgendes umfasst:

Einkoppeln einer Sequenz von Ultraschallpulsen (3) in eine Gehäusewand eines Gehäuses (2), in dem sich ein unter Druck stehendes Medium (5) befindet, mittels eines außen am Gehäuse (2) montierten Ultraschall-Transducers (1);

Empfangen einer Sequenz von Ultraschallpulsen (7; 12; 14), die an einer Innenoberfläche der Gehäusewand reflektiert wurden;

Ermitteln eines Amplitudenwertes für jeden der empfangenen reflektierten Ultraschallpulse (7; 12; 14);

Ermitteln von Messwerten, die einen Verlauf des Druckes in dem Medium (5) über der Zeit repräsentieren, basierend auf den ermittelten Amplitudenwerten.

2, Messverfahren gemäß Anspruch 1,

wobei die Innenoberfläche der Gehäusewand direkt mit dem Medium (5) in Kontakt steht und die reflektierten Ultraschallpulse (7; 14) durch Reflexionen an der Grenzfläche zwischen der Innenoberfläche der Gehäusewand und dem Medium (5) entstehen, oder

wobei zumindest ein Bereich der Innenoberfläche der Gehäusewand mit einer Materialschicht (10) beschichtet ist, die zwischen dem Medium (5) und der Innenoberfläche der Gehäusewand liegt, und die reflektierten Ultraschallpulse (12) durch Reflexionen an der Grenzfläche zwischen der Innenoberfläche der Gehäusewand und der Materialschicht (10) entstehen.

3. Messverfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Innenoberfläche der Gehäusewand direkt mit dem Medium (5) in Kontakt steht; und wobei das Ermitteln der Amplitudenwerte das Ermitteln einer Einhüllenden für jeden der empfangenen reflektierten Ultraschallpulse (7; 12; 14) umfasst, wobei der Amplitudenwert einen Spitzenwert der Einhüllenden repräsentiert.

4. Messverfahren gemäß Anspruch 3 wobei während der Durchführung des Messverfahrens die Gehäusewand und das Medium (5) annähernd die gleiche Temperatur aufweisen (To, Twm) und diese annähernd konstant bleibt.

5. Messverfahren gemäß Anspruch 1,

wobei zumindest ein Bereich der Innenoberfläche der Gehäusewand mit einer Materialschicht (10) beschichtet ist, die zwischen dem Medium (5) und der Innenoberfläche der Gehäusewand liegt; und

wobei das Ermitteln der Amplitudenwerte das Ermitteln einer Einhüllenden für jeden der empfangenen reflektierten Ultraschallpulse (12) umfasst, wobei der Amplitudenwert einen Spitzenwert der Einhüllenden repräsentiert; und

wobei das Ermitteln der Messwerte umfasst: das Korrigieren der Amplitudenwerte durch Kompensieren eines von einer Temperaturveränderung abhängigen Anteils in den ermittelten Amplitudenwerten; wobei die korrigierten Amplitudenwerte den Verlauf des Druckes in dem Medium (5) über der Zeit repräsentieren.

6. Messverfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Innenoberfläche der Gehäusewand direkt mit dem Medium (5) in Kontakt steht; und wobei das Ermitteln der Amplitudenwerte das Ermitteln der Momentamplituden der jeweils reflektierten Ultraschallpulse (14) zu einem bestimmten Zeitpunkt (tmess) relativ zum Start des jeweiligen in die Gehäusewand eingekoppelten Ultraschallpulses (3) umfasst.

7. Messverfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die ermittelten Amplitudenwerte normiert werden auf einen Amplitudenwert, der bei fehlendem Medium (5) oder mit einem unter definiertem Referenzdruck stehenden Medium (5) ermittelt wird.

8. Messverfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Ermitteln von Messwerten das Umrechnen der ermittelten Amplitudenwerte in korrespondierende Druckwerte umfasst, wobei bei dem Umrechnen mittels bei definierten Drücken durchgeführten Kalibiermessungen ermittelte Kalibrierdaten verwendet werden.

9. Verfahren zum Überwachen eines Gießprozesses, bei dem in einer Gussform ein flüssiges Medium (5) eingebracht wird, wobei das Verfahren für jeden einzelnen Gießvorgang umfasst:

Einkoppeln einer Sequenz von Ultraschallpulsen (3) in eine Gehäusewand der Gussform (2) mittels eines außen am Gehäuse (2) montierten Ultraschall-Transducers (1);

Ermitteln von Messwerten, die einen Verlauf des Druckes des in der Gussform befindlichen Mediums (5) über der Zeit repräsentieren, basierend auf den ermittelten Amplitudenwerten.

10. Verfahren gemäß Anspruch 9, das weiter aufweist:

Analysieren der Differenz von Messwerten (AsTtart, Aenoe), die zu einem ersten Zeitpunkt und einem zweiten, späteren Zeitpunkt während desselben Gießvorgangs ermittelt wurden; und

Detektieren einer unzureichenden Kühlung der Gussform basierend auf der Differenz.

11. Verfahren gemäß Anspruch 9 oder 10, das weiter aufweist:

Vergleichen der während eines ersten Gießvorgangs ermittelten Messwerte mit korrespondierenden, während eines zweiten, später durchgeführten Gießvorgangs ermittelten Messwerte, im Hinblick auf Abweichungen;

Detektieren des zweiten Gießvorgangs als fehlerhaft abhängig von einer Abweichung zwischen den während des ersten Gießvorgangs ermittelten Messwerten und den korrespondierenden während des zweiten Gießvorgangs ermittelten Messwerten.

12. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei anhand der Messwerte eine Dauer ermittelt wird, für die der Prozessdruck einen bestimmten Wert hat oder in einem bestimmten Druckintervall liegt.

Hierzu 9 Blatt Zeichnungen