DE10206760A1 - Vorrichtung zur Partikel- und/oder Blasendetektion mittels Ultraschall - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Partikel- und/oder Blasendetektion mittels Ultraschall in einem Fluid mit einer fluidführenden Meßstrecke (41), zumindest einem an der Meßstrecke angeordneten Ultraschallwandler (10, 12; 21, 23) zum Aussenden und Empfangen von Ultraschallwellen und einer Auswerteschaltung (30) zum Erfassen von Partikeln und/oder Blasen durch Auswertung des von einem Partikel und/oder einer Blase reflektierten und empfangenen Ultraschallsignals, wobei die Auswerteschaltung (30) eine Hüllkurvenerzeugungseinrichtung (43) und einen Peakdetektor (44, 45) zum Erfassen eines Signalpeaks in der Hüllkurve aufweist. Erfindungsgemäß umfaßt der Peakdetektor einen Schwellwertvergleicher mit zumindest einem veränderbaren Schwellwert (S¶1¶, A, B, C).

Description

• Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Partikel- und/oder Blasendetektion mittels Ultraschall an einer fluidführenden Meßstrecke, mit zumindest einem Ultraschallwandler zum Aussenden und Empfangen von Ultraschallwellen sowie einer Auswerteschaltung zum Erfassen von Partikel- und/oder Blasenreflektionssignalen.
• Aus der DE 34 21 176 C2 ist eine Vorrichtung zur Blasendetektion mittels Ultraschall bekannt. Dabei sind an der Außenwand eines fluiddurchströmten Rohres zwei Ultraschallwandler angeordnet, von denen ein erster Ultraschallwandler eine Ultraschallwelle aussendet und ein zweiter, unter einem Winkel angeordneter Ultraschallwandler Reflektionen der vom ersten Ultraschallwandler ausgesendeten Ultraschallwelle registriert. Vom ersten Ultraschallwandler wird die Ultraschallwelle gepulst ausgesendet, während der zweite Ultraschallwandler einen ersten Reflektionsimpuls von einer vorhandenen Blase detektiert und zusätzlich zeitlich versetzt die von der Rückwand des Rohres zurücklaufende Ultraschallwelle registriert. Das von der Rückwand des Rohres reflektierte Ultraschallsignal wird zur Normierung eines Reflektionssignals von einer Luftblase verwendet. Durch die Normierung des von einer Blase reflektierten Impulses mittels des rückwandreflektierten Signals wird erreicht, daß Änderungen in der Ankopplung des ersten oder zweiten Ultraschallwandlers an das Rohr herausgerechnet werden. Somit ist die Vorrichtung unempfindlich gegen Änderungen der akustischen Kopplung. Durch den Impulsbetrieb ist es notwendig, daß in einem Zeitfenster das Ultraschallsignal ausgesendet und in einem darauffolgenden Zeitfenster die Reflektionen nacheinander registriert werden. Das Signal wird daher nicht kontinuierlich gemessen, so daß in bestimmten Zeitfenstern keine Erfassung von Luftblasen erfolgen kann. Durch Reflektionen an größeren Luftblasen, deren Reflektion im Vergleich zu Partikeln wesentlich höher ist, können jedoch Mehrfachreflektionen zwischen Luftblase und Wand auftreten, die ein verfälschtes Hintergrundsignal liefern. Durch die Normierung mit einem verfälschten Hintergrundsignal können sich jedoch Artefakte bei der Luftblasenerkennung ergeben. Treten neben den Luftblasen noch zusätzlich Partikel oder eine Vielzahl von unschädlichen, kleinen Luftblasen auf, so kann durch die Überlagerung der reflektierten Signale von vielen Teilchen bzw. Luftblasen eine Reflektionsamplitude erreicht werden, die vermeintlich einer großen Luftblase entspricht. In diesem Fall führt die Normierung nicht unbedingt zum Erfolg, da das transmittierte und an der Rückwand zum zweiten Ultraschallwandler reflektierte Ultraschallsignal durch die Vielzahl der Partikel bzw. Luftblasen nicht merklich abgeschwächt wird.
• Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Partikel- und/oder Blasendetektion bzw. eine medienführende Arbeitsmaschine mit einer solchen Meßvorrichtung vorzusehen, die eine hohe Nachweisempfindlichkeit gegenüber Partikel- und/oder Blasen aufweisen und an veränderte Bedingungen des Fluids anpaßbar sind.
• Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. 16 gelöst.
• Bei der Vorrichtung gemäß Anspruch 1 werden Partikel- und/oder Blasen mittels Ultraschall in einem Fluid innerhalb einer Meßstrecke gemessen, wobei zumindest ein Ultraschallwandler zum Aussenden und Empfangen von Ultraschallwellen an der Meßstrecke angeordnet ist und das an einem Partikel und/oder einer Blase reflektierte Ultraschallsignal durch eine Auswerteschaltung erfaßt wird. Die Auswerteschaltung weist eine Hüllkurvenerzeugungseinrichtung auf, die aus dem hochfrequenten Ultraschallsignal die Einhüllende der Amplitude herausfiltert und diese Hüllkurve einem Peakdetektor zum Erfassen von Peaks in der Hüllkurve zuführt. Der Peakdetektor weist einen Schwellwertvergleicher mit zumindest einem veränderbaren Schwellwert auf.
• Durch die Anpaßbarkeit des Schwellwerts ist es möglich, eine Blasen- und/oder Partikeldetektion an sich verändernde Bedingungen des Fluids oder äußere Einflüsse, wie zum Beispiel die Betriebsbedingungen einer Arbeitsmaschine, anzupassen. Sollen beispielsweise Luftblasen in einem Lack kontrolliert werden, der einer Sprühanlage zugeführt wird, so hängt die absolute Höhe des insgesamt reflektierten Ultrallschallsignals von der Art des Lacks ab. Bei Lack für eine Metallic-Lackierung sind beispielsweise Partikel im Lack vorhanden, so daß diese ein gleichmäßiges Hintergrundsignal erzeugen, welches möglicherweise den Schwellwert zur Luftblasendetektion bereits überschreitet. Soll in der gleichen Anlage ein Lack ohne Partikel verarbeitet werden, so muß zur Detektion einer Luftblase der gleichen Größe der Schwellwert abgesenkt werden. Durch die Änderbarkeit des Schwellwerts läßt sich eine Anpassung an die veränderten Betriebsparameter erreichen. Ein weiteres Beispiel ist die Luftblasendetektion in einem Hydrauliksystem, bei dem Luftblasen bei kaltem Hydrauliköl einen sehr geringen Durchmesser aufweisen und daher ein kleines Signal erzeugen, während bei bereits erhitztem Öl eine Luftblase mit dem der gleichen Luftmenge ein wesentlich größeres Luftvolumen einnimmt, obwohl beide Luftblasen trotz unterschiedlicher Größe einen gleichen Defekt der Anlage bewirken könnten.
• Vorteilhaft wird der veränderbare Schwellwert im Peakdetektor mittels einer veränderbaren Spannung eingestellt, so daß zum Beispiel durch Anlegen einer äußeren, veränderbaren Spannung der Schwellwert bei Bedarf dynamisch angepaßt werden kann. Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung wird der Schwellwert in Abhängigkeit eines gemittelten Hintergrundsignals des reflektierten Signals verändert. Damit wird eine automatische Korrektur des absoluten Schwellwerts bei einem zeitlich veränderbaren Hintergrundsignal automatisch angepaßt. Wird beispielsweise ein anderer Lack verwendet, so paßt sich der Schwellwert aufgrund des an Partikeln im Lack gestreuten Signals automatisch an eine mittlere Partikelkonzentration an. Beim Hydrauliköl erfolgt bei einer zunehmenden Verschmutzung des Hydrauliköls durch Rußteilchen oder dergleichen automatisch eine Anpassung, so daß Luftblasen noch sicher erkannt werden können, während eine ständige Abschaltung der Hydraulikanlage aufgrund von zunehmender Verunreinigung in einem tolerierbaren Maß vermieden wird. Vorteilhaft wird die automatische Anpassung des Schwellwerts in Form eines gemittelten Hintergrundsignals durch ein maximal zulässiges Hintergrundsignal begrenzt.
• Durch eine Klassifiziereinrichtung werden die erfaßten Peaks der Hüllkurvenamplitude in Abhängigkeit von deren Peakeigenschaft verschiedenen Klassen zugewiesen. Damit wird es möglich, anhand der Peaks eine Unterscheidung nach Partikelanzahl, Größe und/oder Art des reflektierenden Teilchens bzw. Gasblase vorzunehmen. Vorzugsweise wird hier die Höhe, die Breite der Peaks (z. B. bei einer bestimmten Amplitude) und/oder die Fläche der einzelnen Peaks verwendet, um eine solche Klassifikation vorzunehmen.
• Bei einer ganz besonders vorteilhaften Ausgestaltung sind beim Schwellwertvergleicher zumindest zwei Schwellwerte einstellbar und die Klassifiziereinrichtung weist die Peaks ihrer Klasse in Abhängigkeit von diesen einstellbaren Schwellwerten zu. Damit wird es ermöglicht, das Klassifizierungs- Schema mittels der einstellbaren Schwellwerte zu verändern, so daß die Klassifizierung an veränderbare Parameter des Fluids oder der Arbeitsmaschine anpaßbar sind, oder daß vom Nutzer die Kriterien festgelegt werden können, nach denen klassifiziert wird.
• Durch Zählen der durch den Peakdetektor erfaßten Peaks wird es ermöglicht, mittels der Meßvorrichtung eine Statistik zu erstellen. Die Statistik kann beispielsweise als Qualitätskriterium für einen verwendeten Lack oder für die Funktion einer Arbeitsmaschine ausgewertet werden. Zählt die Zähleinrichtung die Peaks für einen einzelnen, mehrere oder alle, der durch die Klassifiziereinrichtung klassifizierten Peaks, so kann die Qualitätserfassung bzw. Statistik anhand der durch das Klassifizierschema vorgegebenen Kriterien gezielt erfolgen. Durch eine Mittelwerteinrichtung wird ein zeitlicher Mittelwert der erfaßten Peaks erstellt, so daß zum Beispiel ein mittleres Hintergrundsignal ersichtlich ist oder die mittlere Blasenzahl, die durch die Meßvorrichtung hindurchströmt. Vorteilhaft wird auch hier die Mittelwertbildung in Abhängigkeit der Peakklasse ausgeführt, so daß eine Unterscheidung nach den Klassifizierungskriterien ermöglicht wird.
• Vorteilhaft wird aus dem oder den gebildeten Mittelwerten in einer Berechnungseinrichtung ein abgeleiteter Wert gebildet. Beispielsweise kann durch Multiplikation des Mittelwerts mit einem fließgeschwindigkeitsabhängigen Faktor des Fluids eine mittlere Partikel- und/oder Blasendichte des Fluids errechnet und beispielsweise angezeigt werden.
• Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung werden zwei Ultraschallwandler eingesetzt, wobei der eine das Meßsignal aussendet und der andere das reflektierte Signal empfängt. Dadurch wird ein kontinuierlicher Meßbetrieb der Vorrichtung ermöglicht, so daß keine Totzeiten bei der Erfassung vorhanden sind. Stehen zusätzlich die Senderichtung und die Empfangsrichtung unter einem Winkel zueinander, so wird vermieden, daß der empfangende Ultraschallwandler ein direktes Signal vom Sender empfängt. Spannen die Sende- und Empfangsrichtung eine Ebene auf, die einen Winkel ungleich 90 Grad zur Strömungsrichtung einnimmt, so treffen auch Wandreflektionen von der Meßstrecke nicht auf den empfangenden Ultraschallwandler.
• Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung strahlt der aussendende Ultraschallwandler mit einer Komponente der Strahlrichtung entgegen der Strömungsrichtung des Fluids ab. Dadurch wird ein Reflektionssignal auch in dem Fall erhalten, in dem zum Beispiel nach einem Riss einer Fluidleitung die Leitung trockenläuft und so kein Reflektionssignal von der Rückseite der Luftblase auftreten kann.
• Ist einer oder sind beide Ultraschallwandler mittels eines Schalleitkörpers an eine Begrenzungswand des Strömungskanals angekoppelt, wobei der Schalleitkörper eine Anlagefläche entsprechend der Form des Strömungskanals aufweist, so wird aufgrund der Schallbrechung ein besonders großer Bereich innerhalb des Strömungskanals mit dem gesendeten Ultraschall bestrahlt bzw. von dem Empfangstrichter des empfangenden Ultraschallwandlers erfaßt. Dadurch wird besonders im Falle der Ankopplung beider Ultraschallwandler mit einem derart ausgebildeten Schalleitkörper an einem Strömungskanal mit gekrümmter Außenwand (z. B. rund, oval) eine großvolumige Erfassung des Fluids ermöglicht. Dies ist besonders dann vorteilhaft, wenn bei geringer Partikel- oder Blasendichte eine besonders sichere Erfassung von Partikeln oder Blasen über den ganzen Querschnitt des Strömungskanals gewährleistet sein soll.
• Bei einer anderen Ausführungsform ist dagegen der Ultraschallwandler mittels eines Schalleitkörpers mit dem Fluid verbunden und die dem Ultraschallwandler gegenüberliegende Stirnfläche ist senkrecht zur Ultraschallausbreitungsrichtung ausgebildet. Dadurch wird der Ultraschallstrahl vom sendenden Ultraschallwandler geradlinig und ohne Brechung ins Medium gekoppelt, was einen engen Ultraschallkegel ermöglicht. Auch der Empfangskegel des empfangenden Ultraschallwandlers ist bei einer solchen Anordnung schmal ausgebildet, so daß das zu detektierende Meßvolumen eng begrenzt ist und hoch aufgelöst wird. Diese Anordnung ist bei Fluiden von Vorteil, bei denen die Partikel- bzw. Luftblasendichte sehr hoch ist und so aufgrund des begrenzten Meßvolumens im Strömungskanal eine gute Einzelauflösung einzelner Reflektionspeaks ermöglicht wird.
• Bei der medienführenden Arbeitsmaschine gemäß Anspruch 16 kommt eine Vorrichtung gemäß der obigen Ausgestaltungen zum Einsatz, wobei zumindest ein Schwellwert in Abhängigkeit von einem Betriebsparameter der Arbeitsmaschine einstellbar ist. Hiermit wird zum Beispiel (wie oben beschrieben) eine Anpassung an die Temperatur des strömenden Fluids bzw. Mediums vorgenommen, so daß eine Peakdetektion in Abhängigkeit dieses Parameters erfolgt. Beispielsweise ändert sich die Gaslöslichkeit des Fluids in Abhängigkeit der Temperatur oder das Volumen der Gasblasen. Auch die Mitnahme von Rußpartikeln oder sonstigen Teilchen wird im Laufe des Betriebs und somit der Erwärmung der Arbeitsmaschine erhöht, beispielsweise die Mitnahme von Verunreinigung aus einem Ölsumpf, wobei die Verunreinigung an sich noch unter einem tolerierbaren Schwellwert liegen.
• Anhand von Zeichnungen werden Ausführungsformen der Erfindung erläutert. Es zeigen:
• Fig. 1A eine schematische Querschnittsansicht einer Ultraschallmeßanordnung gemäß einer ersten Ausführungsform,
• Fig. 1B eine schematische Querschnittsansicht der Anordnung von Fig. 1A in der senkrechten Schnittebene,
• Fig. 2A und Fig. 2B schematische Querschnittsansichten einer Ultraschallmeßanordnung gemäß einer zweiten Ausführungsform,
• Fig. 3 ein Blockschaltbild der elektronischen und elektroakustischen Komponenten für eine Anordnung von Fig. 1A oder 2A,
• Fig. 4 eine Unterscheidung von Reflektionspeaks anhand von Schwellwerten,
• Fig. 5 ein Klassifikationsschema für Signalpeaks und
• Fig. 6 Signalpeaks bei Überlagerung von mehreren Ultraschallreflektionen oder bei verschiedenen Reflektoren.
• Die Fig. 1A und 1B zeigen schematische Querschnitssansichten einer ersten Meßanordnung 1 zur Messung einer Ultraschallreflektion in einem Medium 15 längs und senkrecht zur Strömungsrichtung. Bei der ersten Meßanordnung 1 ist ein Ultraschallwandler 10 auf einem Schalleitkörper 11 aufgeklebt, wobei der Ultraschallwandler beispielsweise ein piezokeramisches Element ist. Der Schalleitkörper 11 ist wiederum auf die Außenwand eines Rohrs 14 aufgeklebt. Die vom Ultraschallwandler erzeugten Ultraschallschwingungen werden vom Schalleitkörper 11 weitergeleitet und über die Rohrwand 14 in das Medium 15 abgestrahlt. Die Strömungsrichtung des Mediums 15 ist durch den dünnen Pfeil angedeutet. Wie in Fig. 1B dargestellt, wird der Ultraschall an den Grenzflächen der Rohrwand gebrochen, so daß der Ultraschallstrahl mit zunehmendem Abstand von der Berührungsfläche zwischen Rohr und Schalleitkörper 11 aufgeweitet wird. Die Schallrichtung steht unter einem Winkel zur Rohrachse und hat eine Komponente entgegen der Strömungsrichtung des Mediums 15. Gegenüberliegend zum Ultraschallwandler 10 und Schalleitkörper 11 ist ein weiterer Ultraschallwandler 12 und Schalleitkörper 13 angeordnet, die entsprechend dem Ultraschallwandler 10 und dem Schalleitkörper 11 ausgebildet sind. Die Empfangsrichtung 17 des unteren Ultraschallwandlers 12 kreuzt sich mit der Abstrahlrichtung 16 des oberen Ultraschallwandlers 12, wobei Reflektionen des ausgesendeten Ultraschallstrahls 16 an der Rohrwand 14 vom empfangenden Ultraschallwandler 12 wegreflektiert werden. Wie in Fig. 1B dargestellt, ist der Empfangskegel zum Empfang des Empfangsstrahls 17 ebenfalls durch Brechung an der Wand des Rohres 14 aufgeweitet, so daß das Schnittvolumen zwischen bestrahltem Volumen und Reflektionsempfangsvolumen den Rohrquerschnitt fast vollständig ausfüllt. Hält sich eine Luftblase 18 oder ein Partikel in dem erfaßten Meßvolumen auf, so wird die Reflektion des Ultraschallstrahls 16 an der Luftblase 18 als Empfangsstrahl 17 zum Ultraschallwandler 12 geleitet.
• Die Fig. 2A und 2B zeigen eine zweite Ausführungsform einer zweiten Meßanordnung 20, bei der ein Ultraschallwandler 21 über einen Schalleitkörper 23 den Ultraschall unmittelbar in ein Medium 28 einkoppelt. Durch den senkrechten Durchtritt des Ultraschalls vom Schalleitkörper 22 in das Medium 28 wird der gesendete Ultraschallstrahl 26 nicht gebrochen, so daß sich ein enger bestrahlter Kegel ergibt. Zum Empfangen eines reflektierten Empfangsstrahls 27 sind ein Ultraschallwandler 23 und ein Schalleitkörper 24 entsprechend dem Ultraschallwandler 21 und dem Schalleitkörper 22 diesen gegenüberliegend angeordnet, so daß auch der Empfangskegel wie in Fig. 2B gestrichelt dargestellt, sehr schmal ist. Das detektierende Volumen, welches sich als Schnittvolumen des Sendekegels und des Empfangskegels ergibt, ist hierbei relativ eng, so daß nur ein Teil des durch das Rohr 25 strömenden Mediums 28 mit der zweiten Meßanordnung 20 erfaßt wird.
• Fig. 3 zeigt das Blockschaltbild der Meßanordnung und Auswerteschaltung 30 zur Auswertung der Reflektionssignale. Aus Kostengründen und zur Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit ist die Auswerteschaltung 30 vorzugsweise aus analog-elektronischen Komponenten aufgebaut. An den Ultraschallwandler 10 oder 21 wird von einem Ultraschallgenerator 40 ein Ultraschallsignal angelegt. Die Ultraschallwelle wird vom Medium 15 oder 28 durch die Meßstrecke 41 übertragen und vom Ultraschallwandler 12 bzw. 23 empfangen. Das empfangene Ultraschallsignal vom Wandler 12, 23 wird in einem Verstärker 42 verstärkt und in einen Hüllkurvengenerator 43 eingegeben. Der Hüllkurvengenerator 43 ist beispielsweise ein Amplitudendemodulator, der einen hintereinander geschalteten Gleichrichter und Tiefpaß umfaßt. Dadurch wird die Amplitudenhüllkurve S_M des Ultraschallsignals gebildet. Anstelle von analog-elektronischen Komponenten kann die Auswerteschaltung 30 auch einen Signalprozessor (DSP) umfassen mit dem die Auswertung durchgeführt wird. Dabei kann dann dem Signalprozessor der Verstärker 42 und der Hüllkurvengenerator 43 sowie ein A/D-Wandler zum Digitaliserien des Hüllkurvensignals vorgeschaltet sein.
• Bei der Auswerteschaltung 30 wird das Hüllkurvensignal einem Komparator 44 und einem Diskriminator 45 zugeleitet. Der Komparator 44 vergleicht das Amplitudensignal S_M der Hüllkurve mit einem Schwellwert S~, der durch eine Eingabeeinrichtung 46 einstellbar ist.
• Bei einer weiteren Ausführungsform empfängt ein Mittelwertbildner 43a ebenfalls das Signal S_M vom Hüllkurvengenerator 43 und bildet daraus den Mittelwert S_H des Hintergrundsignals. Der maximale Wert des Hintergrundsignals H_max wird ebenfalls einstellbar über die Eingabeeinrichtung 46 vorgegeben, so daß das gemittelte Hintergrundsignal auf diesen maximalen Wert festgelegt ist. Dies begrenzt das maximale Ansteigen des Hintergrundsignals S_H, falls im gemessenen Signal S_M die Peakdichte sehr hoch ist. Bei dieser Ausführungsform spricht der Komparator 44 erst dann an, wenn das Hüllkurvensignal S_M größer der Summe des ersten Schwellwerts S₁ und des Hintergrundsignals S_H ist: S_M ≥ S₁ + S_H. Bei Überschreiten des Schwellwerts S₁ oder S₁ + S_H wird ein Signal vom Komparator 44 an eine Ein- /Ausgabeeinheit 49 und eine Anzeigeeinrichtung 48 ausgegeben. Die Ein- /Ausgabeeinheit 49 leitet das Schwellwertsüberschreitungssignal über eine Schnittstelle und eine Kommunikationsverbindung an eine Steuereinrichtung 50 einer Arbeitsmaschine, um diese beispielsweise abzustellen. Bei der Ein- /Ausgabeeinheit 49 wird das Überschreiten des Schwellwerts beispielsweise mittels einer roten Leuchte angezeigt.
• Der Diskriminator 45 empfängt von der Einstelleinrichtung 46 die drei einstellbaren Schwellwerte A, B, C und vergleicht das Hüllkurvensignal S_M mit diesen Schwellwerten. Wahlweise wird auch hier das Hintergrundsignal S_H beim Schwellwertvergleich berücksichtigt, indem entweder das Hintergrundsignal S_H vom Hüllkurvensignal S_M abgezogen oder das Hintergrundsignal S_H jeweils zu den Schwellwerten A, B, C hinzuaddiert wird. Das Ereignis einer Schwellwertüberschreitung wird separat in Abhängigkeit des Schwellwertes A, B oder C an einen Ereigniszähler/Mittelwertbildner 47 weitergegeben. Das Ereignis des Überschreitens des nächsthöheren Schwellwerts setzt ggf. das kurz vorher stattfindende Ereignis des Ansprechens beim geringeren Schwellwerts zurück. Beispielsweise wird durch den Peak P₁ in Fig. 4 nur das Schwellwertereignis B ausgelöst, obwohl kurz vorher bereits der Schwellwert A überschritten wurde. Beim Peak P₂ wird lediglich das Ereignis der Schwellwertüberschreitung C ausgelöst, obwohl zunächst die Schwellwerte A und B überschritten wurden. Somit wird gewährleistet, daß jeder Peak im Hüllkurvensignal S_M lediglich als ein Peak erfaßt wird. Im Ereigniszähler 47 werden die Ereignisse des Überschreitens eines der Schwellwerte separat gezählt, z. B. durch einen digitalen Zähler oder durch ein Integrationsglied. Diese werden dann getrennt nach Ereignis A, B oder C zur Anzeigeeinrichtung 48 übertragen und dort getrennt nach Ereignis dargestellt. Zusätzlich wird im Ereigniszähler 47 durch einen Mittelwertbildner (beispielsweise ein Differenzierglied) der Mittelwert der Ereignisse getrennt nach Schwellwertklasse gebildet, so daß die Anzeigeeinrichtung 48 die pro Schwellwertklasse A, B oder C erfaßte, mittlere Peakzahl anzeigt. Die Peakgesamtzahl oder der Mittelwert hiervon wird ebenfalls zur Ein- /Ausgabeeinheit 49 übertragen, von wo sie zur Steuereinrichtung 50 übermittelt werden kann.
• Bei einer weiteren Ausgestaltung ist im Diskriminator 45 zusätzlich ein Zeitzähler 45a integriert, der bei Überschreiten einer bestimmten Amplitude des Hüllkurvensignals S_M die Peakbreite mißt. Der Zeitzähler ist beispielsweise ein Integrierglied, das einen festen Spannungswert integriert. In den Fig. 4 und 6 wird die Zeitmessung bei Überschreiten des Schwellwerts A gestartet und bei Unterschreiten des Schwellwerts A gestoppt. Damit lassen sich durch den Zeitzähler 45a die Peakbreiten ΔT₁ für den Peak P₁ und ΔT₂ des Peaks P₂ erfassen und ebenfalls an den Ereigniszähler 47 übermitteln. Durch die zusätzliche Erfassung der Peakbreite mittels des Zeitzählers 45a sind im Ereigniszähler 47 die Peaks des Hüllkurvensignals S_M nicht nur eindimensional in Abhängigkeit des Überschreitens eines der Schwellwerte A, B, C erfaßbar, sondern zweidimensional klassifizierbar in Abhängigkeit vom Ereignis des Überschreitens eines der Schwellwerte A, B, C und der Breite des Peaks, wie dies in Fig. 5 als Klassiermatrix dargestellt ist. Dabei wird der von dem Zeitzähler 45a erfaßte Zeitwert T als Entsprechung für die Peakbreite durch Vergleich mit den Einstellbaren Schwellwerten T₁, T₂ und T₃ nach drei Klassen klassifiziert, wobei für die erste Klasse T₁ ≤ T < T₂, die zweite Klasse T₂ ≤ T < T₃ und die dritte Klasse T₃ ≤ T gilt.
• Durch die zweidimensionale Klassifizierung der Peaks des einhüllenden Signals S_M wird eine weitere Differenzierung nach der Art oder Größe des reflektionsauslösenden Partikels oder der reflektionsauslösenden Blase ermöglicht. In Fig. 6 ist dargestellt, wie eine solche differenzierte Klassifizierung auf verschiedene Teilchen zurückgeführt werden kann. Die Peaks P₃ und P₄ sind Überlagerungssignale von zwei gleichzeitig im Meßvolumen vorhanden, gleich großen Partikeln. Jeder dieser Partikel löst ein Reflektionssignal P₀ aus. Beim Peak P₃ liegen diese zeitlich versetzt zueinander, so daß die Höhe der Amplitude den Schwellwert B zwar nicht überschreitet, aber der zeitliche Schwellwert T₂ für die Peakbreite überschritten wurde. Beim Peak P₄ wird durch die zeitgleiche Überlagerung zweier Reflektionssignale von gleich großen Partikeln der Schwellwert B in der Amplitude überschritten, während die Breite des Peaks noch unterhalb T₂ liegt. Der Peak P₃ würde im Klassifizierschema von Fig. 5 als Klasse (A, T₂) klassifiziert und der Peak P₄ als Klasse (B, T₁). Eine Luftblase ergibt dagegen das in Fig. 6 mit P₅ bezeichnete Reflektionssignal, das sowohl den Schwellwert C als auch den Schwellwert T₃ überschreitet und im Klassifizierschema als Ereignis der Klasse (C, T₃) gezählt würde.
• Sind bei einem zu messenden Fluid die zu erwartenden Peaks und deren verursachende Partikel bzw. Blasen bekannt, so läßt sich durch Einstellen der Schwellwerte A, B, C und T₁, T₂, T₃ ein gewünschtes Klassifizierschema einstellen, welches dann einen Hinweis auf die im Medium vorhandenen Teilchen oder Blasen gibt. Bei dem Beispiel von Fig. 6 sind in dem Fluid erwünschte Partikel mit einer relativ engen Größenverteilung vorhanden, die sich statistisch gesehen teilweise überlagern können, wie durch die Peaks P₃ und P₄ angedeutet. Weiterhin sollen Verunreinigungen (P₁) und Luftblasen (Peak P₂, P₅) erfaßt werden. Damit lassen sich den Klassen von Fig. 5 die folgenden, wahrscheinlichen Ursachen für die Peakereignisse zuweisen:
  Einzelpeak-Klasse P₁: (A, T₁);
  Doppelpeak-Klasse P₃, P₄: (B, T₁), (A, T₂);
  Dreifachpeak-Klasse: (A, T₃), (C, T₁);
  Verunreinigungs-Klasse P₁: (B, T₂), (C, T₂), (B, T₃);
  Luftblasen-Klasse P₂, P₅: (C, T₃).
• Wird dabei vor der Peakklassifizierung das Hintergrundsignal S_H vom einhüllenden Signal S_M abgezogen, so wird bei allmählicher Anreicherung von sehr vielen kleineren Partikeln oder Störungen bis zu einem tolerierbaren Maß verhindert, daß sich die Klassifikationsgrenzen verschieben. Wird weiterhin im Ereigniszähler 47 eine Mittelwertbildung der einzelnen Klassen vorgenommen, so kann das Einhalten von (Dichte-)Grenzwerten bei den erwünschten Partikeln (Einzelpeak, Doppelpeak) kontrolliert werden, während beispielsweise bei Vorliegen einer Luftblase (Klasse (C, T₃)) von dem Ereigniszähler 47 ein Warnsignal zur Ein-/Ausgabeeinheit 49 und von dort zur Steuereinrichtung 50 einer Arbeitsmaschine ausgegeben wird. Gleichzeitig wird das Ereignis der Luftblase an der Anzeigeeinrichtung 48 angezeigt.
• Durch Anlegen von veränderbaren Steuerspannungen oder vorzugsweise durch Übertragung von digitalen Werten von der Maschinensteuerung 50 zur Ein-/Ausgabeeinheit 49 (oder lediglich einer hier nicht dargestellten Eingabeeinrichtung) werden die Schwellwerte T₁, T₂, T₃ und S₁ oder eines Teils der Schwellwerte durch die Maschinensteuerung 50 vorgegeben. Wird beispielsweise in einem zu überwachenden Hydrauliksystem die Ölsorte geändert, so ändert sich in der Regel auch die Schallleitfähigkeit bzw. Dämpfung des zu messenden Mediums. Die kritische Größe einer mit dem Schwellwert S₁ zu erfassenden Luftblase bleibt zwar unverändert, aber aufgrund der unterschiedlichen Dämpfung verschiedener Ölsorten ändert sich die Amplitude des empfangenen Reflektionssignals. Daher wird durch die Maschinenzentrale der Wechsel der Ölsorte erfaßt (z. B. durch eine Leitfähigkeitsmessung oder ein Viskosimeter) oder manuell eingegeben und aufgrund dieser Information ändert die Maschinenzentrale die Vorgabe für den Schwellwert S₁. Analog kann die Maschinenzentrale die Schwellwerte T₁, T₂ und T₃ ändern, wenn eine andere Klassifikation und Überwachung erforderlich ist. Ist die Maschine, bei der das Medium zu überwachen ist, beispielsweise eine Kunststoff-Spritzmaschine, so kann durch Änderung der Schwellwerte eine Anpassung an unterschiedliche Qualitätsanforderungen bei den Spritzgußteilen erreicht werden (z. B. Menge und/oder Größe der Luft- und/oder Fremdstoffeinschlüße).
• Bei einer weiteren Ausführung kann für die vom Zeitzähler 45a erfaßte Zeit (entsprechend der Amplitudenbreite) ein Kalibrierungsfaktor von der Maschinenzentrale vorgegeben werden. Durch diesen wird beispielsweise berücksichtigt, wenn sich die Strömungsgeschwindigkeit in der Meßstrecke aufgrund einer Änderung der Förderleistung erniedrigt oder erhöht. Anhand der Normierung mittels des Kalibrierungsfaktors wird dann bei der Klassifizierung berücksichtigt, daß die Peakbreite von der Strömungsgeschwindigkeit des Mediums abhängig ist.

Claims (17)

1. Vorrichtung zur Partikel- und/oder Blasendetektion mittels Ultraschall in einem Fluid (15, 28) mit einer fluidführenden Meßstrecke (41), zumindest einem an der Meßstrecke angeordneten Ultraschallwandler (10, 12; 21, 23) zum Aussenden und Empfangen von Ultraschallwellen und einer Auswerteschaltung (30) zum Erfassen von Partikeln und/oder Blasen (18) durch Auswertung des von einem Partikel und/oder einer Blase reflektierten und empfangenen Ultraschallsignals, wobei die Auswerteschaltung (30) eine Hüllkurvenerzeugungseinrichtung (43) zum Erzeugen eines Hüllkurvensignals (S_H) des empfangenen Ultraschallsignals und einen Peakdetektor (44, 45, 47) zum Erfassen eines Signalpeaks (P0-P5) des Hüllkurvensignals aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Peakdetektor einen Schwellwertvergleicher (44, 45) mit zumindest einem veränderbaren Schwellwert (S1, a, b, c) aufweist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein veränderbarer Schwellwert (S1, a, b, c) mittels einer veränderbaren Spannung einstellbar ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwellwert (S1, a, b, c) in Abhängigkeit eines gemittelten Hintergrundsignals (S_H) veränderbar ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, gekennzeichnet durch eine Klassifiziereinrichtung (47) zum Zuweisen der erfaßten Peaks (P0-P5) in Abhängigkeit von den Peakeigenschaften zu verschiedenen Klassen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Klassifiziereinrichtung (47) die erfaßten Peaks (P0-P5) anhand deren Amplitudenhöhe (Ampl), Amplitudenbreite (t) und/oder Fläche verschiedenen Klassen zuweist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwellwertvergleicher (45) zumindest zwei einstellbare Schwellwerte (a, b, c) aufweist, wobei durch die Klassifiziereinrichtung (47) die erfaßten Peaks (P0-P5) in Abhängigkeit des Ergebnisses des Schwellwertvergleichers einer von zumindest zwei Klassen zuweisbar sind.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Zähleinrichtung (47) zum Zählen der durch den Peakdetektor (45, 47) erfaßten Peaks.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7 in Rückbezug auf Anspruch 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Zähleinrichtung (47) die erfaßten und klassifizierten Peaks (P0-P5) separat für jede Klasse zählbar sind.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Mittelwerteinrichtung (47) zur zeitlichen Mittelwertbildung der durch den Peakdetektor (45, 47) erfaßten Peakanzahl.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9 in Rückbezug auf Anspruch 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Mittelwerteinrichtung (47) die Mittelwertbildung in Abhängigkeit der Peakklasse ausführbar ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, gekennzeichnet durch eine Berechnungseinrichtung (47) zum Berechnen einer Partikel- und/oder Blasendichte aus dem gebildeten Mittelwert unter Verwendung von vorgegebenen und/oder vorgebbaren Umrechnungsfaktoren.

12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an der Meßstrecke (41) ein erster sendender und ein zweiter empfangender Ultraschallwandler (10, 12; 21, 23) derart angeordnet sind, daß die Ausbreitungsrichtung des vom ersten Ultraschallwandler (10; 21) ausgesendeten Ultraschallstrahls (16, 26) und die Richtung (17, 27) der reflektierten und vom zweiten Ultraschallwandler (12; 23) empfangen Ultraschallsignals unter einem Winkel zueinander stehen.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßstrecke (41) in einem Strömungskanal (14, 25) für das Fluid (15, 28) angeordnet ist und der erste Ultraschallwandler (10; 21) die Ultraschallwelle unter einem Winkel entgegen der Strömungsrichtung des Fluids abstrahlt.

14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einer der beiden Ultraschallwandler (10, 12) mittels eines Schalleitkörpers (11, 13) an eine Begrenzungswand des Strömungskanals (14) angekoppelt ist, wobei der Schalleitkörper eine Anlagefläche aufweist, deren Form der äußeren Form eines Abschnitts des Strömungskanals angepaßt ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 12, 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungskanal zumindest eine Seitenöffnung aufweist und zumindest einer der beiden Ultraschallwandler (21, 23) die Ultraschallwelle mittels eines durch die Öffnung geführten Schalleitkörpers (22, 24) unmittelbar in das Fluid (28) einkoppelt, wobei die dem Ultraschallwandler (21, 23) gegenüberliegende Stirnfläche(n) des Schalleitkörpers senkrecht zur Ultraschallausbreitungsrichtung steht.

16. Fluidführende Arbeitsmaschine mit einer Vorrichtung zur Partikel- und/oder Blasendetektion in einem Fluid (15, 28) mittels Ultraschall nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der zumindest ein Schwellwert (S1, a, b, c) in Abhängigkeit von einem Betriebsparameter der Arbeitsmaschine veränderbar ist.

17. Arbeitsmaschine nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Betriebsparameter die Betriebstemperatur der Arbeitsmaschine und/oder des Fluids (15, 28) ist.