JP6126217B2 - 媒質内の粒子を測定するためのセンサ及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、媒質を通過させて測定するための毛細管が貫通する、光を透過する測定セル、光検出器及び磁気検出器を備えた、汚染された媒質内の粒子を測定するセンサに関する。

粒子を検知するために、その特有な形態と物質特性に基づき粒子を分別している。粒子としては、その粒子を含む媒質である物質を除く、局所的な検出領域（監視空間）内に有る全ての物質構成成分であると定義される。この場合、不変的な液体の形又は気体の形、或いは真空の形で粒子を媒質内に含むことができる。この媒質は、検出時に使用される準交番静磁界又は準交番電磁界を通すのに十分な透過度の均一な物質から構成される。

この場合、検出領域内に離散的に存在する粒子の磁気特性を検知するための交番磁界の印加と同時に、有利には、大きさと形状を特定するための光波帯域内の交番電磁界の印加によって、関心を寄せている大きさ範囲内の磁気的に活性な粒子を検知している。それに必要な交番磁界をコイルによって発生している。磁気的に活性な粒子と相互作用する磁界の検出は、例えば、コイル、ホール効果検出器等の好適な検出器により行なわれる。静磁界を印加することも、基本的に可能である。しかし、その場合、それにより粒子に向かって加わる力によって、粒子が検出領域内に保持されて、システム全体を乱す可能性が有ることが欠点である。更に、その方法では、強磁性粒子しか検出できない。非鉄金属の透磁率は、それを静磁界に晒した際に利用可能な信号強度を得るには小さ過ぎる。従って、その検知は、交流による動的な誘導と、それにより引き起こされる、それを原因とする交番磁界に対する反作用とに基づいている。従って、その変化形態は、粒子を取り巻く媒質が固定的な凝集状態（例えば、鉱物、鉱石等）を有する用途に関して以前から考慮されていた。

実際に得られる試料の大部分は、分析機器の能力が不十分なために計測することができなかった。それは、常に出来る限りプリズム形状である監視空間の単純な実現形態のせいである。その場合、薄い平坦な「カーテン形状」と縦列形状の丸い又は正方形の横断面とに区別することができる。この不十分な検出可能性の原因は、比較的大きな、多くの場合測定領域の１００％までの放物線形状の特性曲線と測定体積のフロー横断面と比べて大きな監視空間体積であり、そのことは、粒子濃度の上昇時、特に、粒子が小さい時に早い時期に同時計数してしまうこととなる。同時計数は、複数の単一粒子が同時に監視空間内に滞留し、それらが信号の発生に寄与した場合に起こる。それに対しては、従来技術による方法では、出来る限り薄い既知の粒子濃度にまで流体を混合することにより、センサが再び機能する範囲に粒子濃度が低下するまで、調査すべき懸濁液を薄めることにより対処している。その方法は、非常に負担がかかり、更に、実験室での研究にのみ適しており、基本的に固定的に取り付けられたセンサによるオンライン測定には使用できない。

そのような理由からも、現在、例えば、ＩＳＯ４４０６やＩＳＯ１６２３２で規定されている通りの粒子濃度の範囲全体に適用できる粒子センサは提供されていない。

特に、長く用いられている流体では、油が劣化した生成物の成分が増加する。その結果、流体フローが最早十分に光を通さなくなり、そのため、強度損失を最早補償できない程、不透明度が増大する可能性が有る。それは、特に、口径食を用いた、そのため、大きな光損失を甘受する監視空間のモデル化を行なっているセンサの場合に不利に作用する。その外、更に、その後の大きな増幅によって、その光損失を補償することが必要であり、そのことは、又もや実現可能な信号対雑音比に、そのため、粒子の大きさの検出下限及び周波数範囲内の帯域幅に不利に作用する。周波数帯域幅の低下と共に、それに比例して測定体積内の流体の実現可能な流速の低下が起こり、それは、副次的に詰まるまでの汚れに対する弱さを高めてしまう形で不利に作用する。

汚染物質の性質（例えば、金属、被金属又は空気の区別）に関する汚染の高度な分析は、コンパクトで小型化された、大量使用に関して価格に見合うセンサの形で利用できない。実際の多くの場合のように、粒子物質（例えば、水晶、空気、煤等）に関して不均質な粒子分布が存在する場合、設備に無害な構成成分が存在するのに警報限界を上回るか、或いはそれと逆に有害な粒子が存在するのに、警報限界に達せず、それぞれ不利な結果となる。

一方で粒子物質の組成を区別できず、他方でＳＩ単位に関する校正器を「経験上」追跡できないことから、所定の用途において致命的な誤った測定が生じている。そのような不利な結果の外に、その結果起こる設備又は機械に生じた汚染の誤った評価が決まり切った用途又は大量生産用途に使える資格をセンサに与えるのに大きな制限を加えている。

設備の動作を技術的に監視する場合、例えば、多くの場合作用形態が不確実なフロー分割器、流量制御器、逆止め弁、空気溶解区間などの追加の機能部品を用いて、センサに関する流体パラメータのそれに対応する条件設定を行うことがしばしば必要である。その正しい機能形態を全ての動作条件下で保証することができず、そのことは、誤った結果又は誤った測定を引き起こし、最悪の場合、直ちにそうであると検知されず、それに応じて監視すべき設備に関して不利な結果となる。

高圧ポートで動作させる分析機器では、その機器の流体出口をタンク配管と接続しなければならないか、或いはそれが無い場合、流出する流体を受け入れ、その後排出しなければならない。多くの場合、流体サイクルに直接戻すことは、内部圧力部品の圧力が安定していないために行われていない。

センサ内の大きな淀んだ体積は、次の通り、様々な問題を引き起こす。

ａ）従来のセンサ及び装置の流体に気泡を溶解させてしまう圧力接続部又は前段配管の大きな体積は、それぞれ以前の試料との汚染及び遅い混合により測定結果を誤らせ、それにより表示が遅くなる。

ｂ）他方、圧力衝撃や変動する体積流量などの動作条件が変化した場合に、センサの流体フローに突如起こって、誤った測定値により幻の警報を起動させることが有る「汚れの巣」がそこに生じる可能性が有る。

ｃ）大きな体積は、安定した測定値を得るためには、大量の試料と中間洗浄プロセスを必要とする。

特許文献１には、光学、磁気及び誘電式センサを測定セル内に配置した、オイル体積内の粒子数を計測する方法及びセンサ装置が記載されている。その光学センサは、透過光を定量化する単純なフォトアイソレータである。

特許文献２により、光学センサ及び／又は磁気センサを使用することができる、汚染された媒質内の粒子を測定するセンサが周知である。そのセンサの具体的な構成は示されていない。粒子に作用する差動交番磁界は規定されていない。

特許文献３により、磁気センサも使用可能である、媒質内での磁気粒子の凝集を計測する方法が周知である。そのセンサの具体的な構成は示されていない。粒子に作用する差動交番磁界は規定されていない。

この周知の従来技術は、その時々の感度が同じ時間に同じ場所で最大となるように監視空間が一致しないか、或いは重なり合わないセンサしか記載していない。従って、全ての検出可能な特性をそれぞれ離散的な粒子に対応付けることができない。

センサ内に統合されたパッキンと流体により濡らされた別の材料は、使用する全ての流体に対して安定していない。それは、顧客と製造業者に対して等しく、形式の変化形態とそれに対応した在庫を必要とする物流とを数倍に増大させるとともに、それに応じて資本の債務を数倍に拡大させることを強いることとなる。

最も重要な流体パラメータを測定するためには、多数の離散的な個別センサ（測定量毎に一つのセンサ）が必要であり、それらのセンサは、流体技術的に条件設定して、圧力ブロックと相互接続しなければならないだけでなく、更に、電気的にもソフトウェア的にも互いに組み合わせなければならない。そのためには、エレクトロニクス機器の領域にも追加の部品とソフトウェアが必要である。流体技術的に条件設定すべき様々な形式のセンサを使用する場合、相互接続によって、大きな投資が必要となる。そのため、市場に出回っているセンサは、例えば、
中級及び下級の価格クラスのプラスチック射出機械、
移動式圧力及び海事用途のためのディーゼルエンジン、
商業車及び高級乗用車のための自動変速機、
ポンプ、比例弁、シリンダ等の圧力部品、
ガスタービン、
などの既に周知の大量用途に対しては高過ぎる。

測定手段として必要な、センサの定期的な校正は、ユーザに大きな問題となる。

ａ）センサの校正がＳＩ単位で追跡できない、
ｂ）関連する校正方法が非常に高価で不正確で（取外し、再取付け及び運搬に加えて、７時間までの）時間がかかる、
ｃ）校正機器が負担のかかる設備であり、高度に熟練した専門家による絶え間ない制御及び保守を必要とする。

所定の時間間隔でセンサを再校正する必要があることは、面倒で時間がかかり、同じく測定技術の普及に逆行する。顧客は、基本的に校正自体を行なうことができない。小さい機能範囲は、ユーザに部分的に複数の業者からの様々な部品を統合することを強いる。その場合、ユーザには、互いに適合しない問題が起こった場合のシステムの責任範囲の問題と、その結果起こる保証の引き受けとが発生する。

国際特許公開第２００７／１２１８７９号明細書 米国特許公開第２０１０／０２９７７８０号明細書 米国特許公開第２０１０／００３３１５８号明細書 ドイツ特許第８１３７０９３号明細書

本発明の課題は、従来技術の前記の欠点を回避した、媒質内の粒子を測定する装置及び方法を開示することである。

本課題は、請求項１に記載の装置及び請求項１８に記載の方法によって解決される。

本発明の有利な実施形態は、従属請求項に記載されている。

本発明による汚染された媒質内の粒子を測定するセンサは、光を透過する測定セルを有し、媒質を通過させて測定する毛細管が、その測定セルを貫通している。少なくとも一つの光検出器と磁気検出器が測定セルに配置されている。この場合、測定セルは、円筒形状であり、毛細管は、その中を同軸に延びている。毛細管の中央には、監視空間が有り、光学レンズシステムが、一つの光源と少なくとも一つの光検出器に対して、その監視空間に焦点を合わせている。測定セルのシャフト上には、同軸の交番磁界を発生させて検出する、磁気検出器を構成する差動コイルが有る。これらのコイルは、交番磁界が監視空間の中心で相殺されるように駆動される。

この測定セルは、有利には、ガラスから、耐圧形態で構成されている。流体技術的に有利に構成された毛細管の体積は、妨害されない層流と僅かに数ｍｍ^３の最小限の体積を考慮して、監視空間の周辺領域の前及び周辺領域内の成分の移行域で横断面が急激に変化しない丸い横断面を有する。それによって、センサの大きな体積流量と速い応答速度が実現される。この場合、同軸の毛細管内の丸い横断面は、典型的には、１〜２ｍｍであるが、用途に応じて、より大きな、或いはより小さなサイズとすることもできる。そのため、監視空間もそれと同じ大きさとなる。

測定セルは、円筒形の筐体内に同軸に収容されており、媒質が正面側の開口部を通って毛細管内に流入し、毛細管の終端で筐体の円筒壁に対して直角に流路を通って流出する。この筐体は、有利には、圧力機器の標準的な穴に差し込むことが可能なように構成される。

本来のセンサ部品が問題無く筐体と同軸の方向を向くことが可能であるか、それどころか必要であるので、この構造形状は、基本的な条件として、例えば、圧力センサや温度センサなどの多くのセンサと類似する一方、従来技術の対応する解決策は、筐体の主軸と同軸としなければならない流体の軸（ｘ軸）が比較的長い光軸（ｚ軸）と交差するため、極端に大きなサイズとなるので、この実施構成と基本的に相反する。そのため、光軸の長さが、電子部品及び機械部品に必要な構造空間及び全体的な直径の増大と共に絶対的な厚さが同じく増加する十分な耐圧性の筐体壁に加えて、実現可能な最小限の直径に関する主要な要因となる。別の制限要因は、流体圧力が高い場合に、それに対応した毛細管とセンサの非耐圧部品との耐圧形態の、そのため厚く透過形態の仕切り部を配備する必要が有ることである。

この流体の入口領域及び出口領域をパッキンで仕切った円筒形状は、同心に配置された入口と逆側の終端に、固定する役割を果たす雄ネジ部を配備されており、そこには、取付空間にねじ込んだ場合のストッパ及び深さ制限部としての役割を果たす、主軸に対して直立した平坦な面が当接する。このストッパ面の領域には、センサを取り付けた取付空間を外側に対して密閉するパッキンを収容するのに適した形に構成された、ネジ部の無い切込みが設けられている。別の有利な実施形態では、相応のシールリングを収容する役割を果たすリング形状の窪みが、このストッパ面に同心に設けられている。別の実施形態では、このストッパ面は、センサを取り付けた際に取付空間の平坦な対向面に対して直に密閉部品無しに確実な密閉を実現する刃先を形成する頭部の角の尖った形態であるリング形状の隆起部を備えている。

このストッパ面には、取付空間内への力に基づくセンサの取り付けを行なうための駆動部が繋がっている。本発明による解決策の有利な実施形態では、この駆動部は、規則的な多角形、有利には、六角形の横断面を有する。

特に省スペースなサイズが問題となる別の有利な実施形態では、この駆動部は、円筒形の外郭表面に設けられた噛合部の形で軸方向に構成される。そのため、噛合部の深さが浅いにも関わらず、軸方向に差し込むことが可能な、それに対応した対抗輪郭を形成した工具を用いて、力に基づき形状を合わせて取り付けるための大きな回転トルクを伝達することができる。

センサの最も外側の終端には、駆動部の後に、有利には、周知の提案に基づき構成された、固定接続されたケーブルの形、或いは有利には、プラグとしての、取り外し可能な接続部の形の電気端子が有る。

任意選択として、有利な実施形態では、非球体のレンズ面を用いて、市販の単色又は多色ＬＥＤから放出された光線を軸と平行な方向に向けるとともに、他端で円錐形の回転対称のプリズムを用いて、出射光を側方に偏向させる光ガイド部として構成された光学表示部が配備される。

流体技術的に機能する構成部品の内部接続は、本発明では、連続したリング形状の切刃を頭部に有する、有利には、金属製（さもなければ、それ以外の材料から成る）詰め物をそれに対応する雌ねじを有する、外面の領域に、この詰め物の円錐形の頭部よりも頂角が大きな円錐形の窪みを設けたネジ穴にねじ込むことによって、外側に向かって開いた側と繋がる、穴を通して設けられたオイル流路を用いて行なわれる。

代替えの実施形態では、このネジ穴も、円錐形の窪みとネジ山の間の移行領域に、ネジ穴の直径に等しい最小限の直径で円筒形に掘られており、そのため、衝突体積も同じく取り除かれて、前記と同じ原理により気密密閉部を作り出す刃先シール部が得られる。

この詰め物を完全にねじ込むことによって、リング形状の切刃の周囲全体が穴の窪みの内側円錐部と接触し、回転トルクが規定可能な最大値に上昇した後、この詰め物の頭部と円錐形の窪みの間に気密な金属製接続部が出来上がり、それにより、穴が固く閉鎖される。有利な実施形態では、六角ソケット受口、多角形の輪郭等が設けられた穴からの詰め物の押し出しが行なわれ、それにより、詰め物を同一平面内に取り付けることが可能である。別の有利な実施形態では、駆動部材が、円錐形のねじ頭部を有する先が細くなった栓と接続されるか、或いは材料特有の剪断強度と関連したサイズ設定により規定可能な最大回転トルクに到達した際に剪断し、それにより接続部を取り外しできないようにする部材から制作される。そのような従来技術（特許文献４）による密閉詰め物の解決策は、ボルトのネジ山が詰め物の円錐部の直前又は中に終止し、そのため、所定の最大回転トルクに到達したにも関わらず確実な密閉を妨げる材料の衝突が起こり、そのため、これらの詰め物を更にシーリング材又は接着剤で密閉して保護しなければならない。しかし、これらの接着剤は、気密ではなく、劣化と様々な媒質に対する不安定さに晒され、そのため、これらの問題は、本発明による解決策により排除される。

媒質の状態を決定するために、毛細管内の媒質の圧力と温度も評価される。そのために、穴を介して毛細管と接続された、毛細管内の媒質の圧力を測定する圧力測定器が配備される。この圧力測定器は、抵抗線歪ゲージ又はそれと同等の物で構成することができる。温度測定器が、この粒子測定装置に統合される。

本発明による装置では、光源により電磁波を発生する。この場合、その波長は、離散的な粒子の大きさを検出できる下限を決定する。明らかにその波長以内の粒子に対して本発明を使用するために、検出器は、検出器により生じたレイリー線をそれぞれ検出するのに相応しい、光源の光学的な主軸に対する角度で配置される。有利な実施形態では、そのような配置は、個々のセンサが、有利には、一列（１Ｄ）又は複数列（２Ｄ）で半導体チップ上に平面的に配置された、所謂センサ配列によって実現される。これらの検出器は、有利には、光電半導体、例えば、光源と同じ波長領域に感度を有する発光ダイオードから構成される。同様に、有利には、光源は、例えば、光を放出する半導体ダイオードなどの光電半導体である。それは、非干渉性の光も干渉性の光も放出することができる。

光源の光を放出する面の余剰の領域は、相応に構成されたシェードで覆われている。このシェードは、光源の波長に関して光源に向かって反射するように構成され、それにより、半導体内の光強度が上昇される。それによって、光子の一部だけが直接吸収され、その結果シェードの出口で光強度が上昇される。シェードの有利な実施形態では、シェードは、直に半導体上に取り付けられて、更に、散乱光が低減されるように、他方の側に光を吸収する層を塗布される。

本発明の基礎となる光ビーム成形は、理想的には、僅かに一つの波長、即ち、例えば、１μｍの幅の線の直線形状の横断面を出発点としている。この場合、そのような直線の幅よりも小さい粒子に関して、最大信号振幅Ｓ＝ａｄ^２の式が成り立つ。より大きな粒子に関しては、線形的な関係が成り立つ。

その結果、直径１μｍの最も小さい粒子を仮定した場合、直線的な特性曲線領域だけを活用することによって、少なくとも６０ｄＢの測定範囲が得られる。そのため、１〜１，０００μｍ、即ち、従来のセンサの３０倍広い測定範囲となる。

それと同時に、直線形状の監視空間の輪郭は、その体積を最小化し、そのことは、離散的に評価可能な粒子密度を著しく向上させる。

別の実施形態では、監視空間は、光軸の方向に関して被写界深度を低下させ、像平面内においてｙ軸の方向に関して座標零点の領域内で同時計数密度を改善するように、有利には、双曲線形状に括れている。

別の実施形態では、監視空間の横断面は、最小幅の長方形である。この横断面は、フロー方向に対して直角に毛細管を広範囲に覆い、フロー方向に対して出来る限り狭いことを特徴とする。この場合、横断面は、少なくとも、光強度が一定の領域が最早優勢でなく、僅かにエッジ効果だけが作用する程、即ち、不均一な場が生じる程狭くすべきである。それは、双曲線領域から直線領域への特性曲線の早期の移行を意味する。本発明では、それは、有利には、当該の波長λの最大幅で、フロー方向における監視空間内への光源の鋭い深度の投影によって実現される。

この監視空間は、送信光学系及び／又は受信光学系の被写界深度の目的通りの活用によってセグメント化することができ、その場合、セグメント化用シェードが、それぞれ同じ光軸上に配置される。それにより、評価密度が一層向上される。この場合、監視空間は、前述した通り、直線形状に照明され、受信光学系の光軸は、垂直方向（即ち、フロー方向）を向いている。そのために、有利には、監視空間の奥行きを低減することによって、拡大された投影が行なわれ、シェードを用いて、監視空間の奥行きが設定される（大きなシェード開口部＝監視空間の浅い奥行き）。光学系の結像側では、一つの検出器部品が、レンズ面（セグメント）内の各レンズ領域に対応している。

投影によって生じる陰影の面積全体は、信号形状のその後の積分によって容易に計算することができ、それに応じて、時間軸を拡大縮小しなければならない。そのために、好適な方法及び／又は好適な装置により、単位時間当りの貫流量を定め、それから、粒子の速度を計算し、それに基づき、時間と長さの所要の相関を作成することができる。

更に、測定範囲の明らかな改善のために、積分によって、測定信号が実質的に無限の長さ、即ち、繊維形状の粒子を検知して表すことができる。それによって、所定の等価直径に関する測定範囲の動特性が一層向上される。

センサ信号の評価部は、サンプルアンドホールド回路を有する、信号を安定化させる積分器を備えている。それは、粒子が監視空間を通過しない場合にのみ、制御に関する実際値が測定されるとの作用を奏する。それは、さもなければ従来の簡単な積分器による制御形態における光強度の広範囲の上昇と、それによる大きな粒子密度での信号振幅の劣化とを防止し、それらは、さもなければ全般的な信号上昇と、それによる測定範囲のシフトとを引き起こす。

この校正は、使用される光線と交番磁界の両方を透過する支持体上に、大きさの範囲と形状において、検出すべき粒子と比較用サイズ（同じ面積の比較用円、同じ体積の比較用球）に対応する微細構造をリソグラフィ手法で設けた追跡可能な標準器と、調整のために監視空間内の特徴的なフィールドパラメータを検出することが可能な幾つかの制御構造とを用いて行なわれる。この実際の校正は、構造を有する校正用標準器の監視空間に渡る並進運動及び／又は回転運動によって行なわれ、正確に定義された相互作用を発生させ、その相互作用により、それによって発生した電気センサ信号を校正することが可能である。

画像センサを統合した別の実施形態では、標準器の基板上に、光強度の分布に関して監視空間を計測するための一列又は複数列の画像センサ構造が設けられる。ナノレベルの位置決めによって、ピクセルサイズを大きく下回る分解能ステップが実現される。この場合、特に、隣接するピクセルの差分信号を評価することによって、ピクセル間の移行境界領域を活用している。

任意選択として、校正用標準器の先端には、形状を一致させた形で毛細管を弾力的に密閉するとともに、前進運動によって、毛細管内、特に、監視空間内に有る確定されていない媒質を押し退ける機械部品が取り付けられる。任意選択として、この校正機器によって、高純度の媒質が追跡される。それにより、校正プロセスが、場合によっては存在する粒子によって妨害又は悪化されないことが保証される。

この校正のために、センサが組み込まれた校正台が配備される。この台において、校正用標準器が所定の高さで毛細管内に挿入される。有利には、圧電式モータが、その役割を果たす。

本発明を説明するために、実施例が図面に図示されている。

センサの基本図 センサの基本的な横断面図 センサの外見図 簡単なセンサの横断面図 拡張したセンサの横断面図 監視空間内の光強度グラフ 光検出器の評価電圧グラフ 検査・測定システムの基本接続図 検査・測定システムの汚染度グラフ 圧力油浄化システムの基本接続図 圧力油浄化システムのグラフ 粒子の直径と濃度に応じた警報範囲グラフ 校正用標準器の図

図１には、センサの基本構造が模式的に図示されている。この光セクションセンサのために、特に有利な実施形態では、直線形状である光源１１０が、レンズ１１３を用いて、光軸ｚの方向において毛細管の縦軸と交差する像平面上に投影される。この場合、直線形状の光源１１０の縦軸ｙは、像平面のｙ軸に対して平行の方向かつ毛細管の縦軸に対して直角の方向を向いている。像平面のｘ軸は、毛細管の縦軸と同軸の方向を向いている。この光検出器１１１の光学システムは、光源１１０の光学システムと同じ構成部品（シェード１１８とレンズ１１７）を備えている。

磁気検出器は、測定シリンダ１１５上に同軸に取り付けられた二つの差動コイルから構成される。これらのコイルは、それぞれ外側に対してリング状コア１１４によって遮蔽されている。これらの差動コイル１１６は、交番磁界を発生し、磁化可能な粒子又は導電性粒子が監視空間Ｋを通過したことによる、その磁界の変化を評価される。

図２には、二つの散乱光検出器２１１と共に、測定シリンダの横断面が図示されている。これらの散乱光検出器２１１の光学システムは、光源１１０の光学システムと同じ構成部品（シェード２１２とレンズ２１３）を備えている。これらの散乱光センサによって、媒質内の粒子又は泡の鏡映表面を検出して評価する。

図３は、円筒形のセンサ本体１１を有するセンサ１の外見図を図示している。そこには、媒質の入口１２が下方に同軸に設けられている。媒質の出口１３は、側方に配置されている。このセンサ１は、ネジ山１６により、駆動部１７を用いて機器の標準的な穴にねじ込まれて、パッキン１４と１５により密閉される。このセンサ１の外側の終端には、電気端子が有る。

図４と５には、それぞれセンサ１の断面が図示されている。パッキン１４を用いて密閉されたセンサ本体１１内には、測定シリンダ１１５が同軸に収容され、そのシリンダ内には、毛細管Ｃが有る。この毛細管内には、媒質が入口１２を通して監視空間Ｋ内に導入される。図４には、光の主方向が、監視空間Ｋを通って延びる光軸Ｚで表示されている。一方の側には、光源１１０が、凹レンズ１２０と凸レンズ１２１と共に配置されている。同じレンズ構成を有する第一の光検出器１１１が、それと対向している。この光源１１０は、光制御ボード１３０によって駆動され、第一の光検出器１１１は、光評価ボード１４０によって駆動される。図５には、散乱光の方向が、散乱光検出器２１１の方に延びる光軸Ｙで表示されている。この検出器は、光源と同じ凹レンズ１２０と凸レンズ１２１から成るレンズ構成を有する。

円筒形に構成されたセンサ１の構造形状を小型化するための主要な特徴は、この構造長が円筒形のセンサ１の対称軸と交差する方向を向き、そのため直接直径を決定するので、光源１１０（対象平面）と監視空間Ｋの中心（像平面）の最大照度間の間隔を短縮することである。この対象と像の間隔（投影間隔）は、実像を結像するシステムにおいて、対象とレンズの主平面Ｈの部分間隔（対象の幅）及び像と主平面Ｈの間隔（像の幅）から構成され、この間隔は、次の通り、横倍率に対して逆比例する。
１／ｇ＋１／ｂ＝１／ｆ、ここで、β＝Ｂ／Ｇ （１）

この像の幅は、主として毛細管Ｃに向かっての測定シリンダ１１５の耐圧壁の厚さにより決まるとともに、センサを動作させる所定の最大圧力により決まるとの制約が課される。赤外線から紫外線までの使用する波長範囲の光に対して光学的に透明でなければならない、測定シリンダ１１５の壁の有利な実施形態は、それを熱的又は化学的に予加圧したガラスから製作することによって実現される。この構造が対称的なままであり、少ない製造コストを実現するために出来る限り多くの同じ部品となるように、対象平面と像平面を置き替えることによって、検出器１１１用の結像システムとして、光源１１０の投影システムを使用している。この小型化に必要な間隔の短縮を実現するために、像平面の方向への主平面の大幅な移動を引き起こす新しい形式のレンズ構造を選択している。それは、先ずは凹レンズ１２０により、ｚ方向に関して対象／レンズの前に有り、そのため、主平面からの距離はレンズよりも近いが、大きく縮小された、直立した中間虚像を発生させることによって実現される。この中間虚像は、少なくとも一つの凸レンズ１２１により、像平面上に逆さまに投影され、結像式（１）は、中間虚像に関する対象の幅を用いて計算される。

ここで提案した解決策の特に有利な実施形態では、有利には、発光半導体構造である光源の光学的に活性な面積を拡大できるとともに、基本的に制限された、更に、耐用年数を決める、半導体結晶内の電流密度を変えずに、全体的により大きな光束を発生できるので、監視空間Ｋ内での光源の結像形態を縮小するように努めている。その結果、より大まかな半導体構造がより簡単に製造され、より高い収量が得られ、そのため、部品コストが削減される。

このレンズシステムは、光源１１０のレンズと光検出器１１１のレンズから構成される。一つの実施形態では、光源１１０の半導体チップに凹レンズ１２１の第一の面を光学的に接合し、そのためには、この第一の面を平坦に実現することが必要である。この利点は、屈折率が大きく異なる光学材料の二回の通過及びそれと関連した反射による光損失が回避され、光が屈折率の大きい半導体材料から屈折率の小さい媒質（ガス、真空）を通過することによる輝度の低下が回避されることと、半導体表面が密閉して覆われると同時に、さもなければそれと関連する追加費用が節約されることとである。それは、有利な実現形態において、光源材料をベース材料としての、屈折率が３よりも大きい砒素化ガリウムから成る次の材料に移行させることに関して特に重要である。出来る限り短い光学的な構造長の実現に影響する別の主要な要因は、光学システムの焦点距離が短いことと同時に、有利には、純粋に回折を制限する、像の全長よりもＭＴＦが大きいことである。これは、有利な実施形態では、直立した中間虚像から逆さまの実像を発生させる、凹レンズ１２０の後ろに複数の凸レンズ１２１を使用することによって実現される。

ここで提案した解決策の別の有利な実施形態では、測定シリンダ１１５の管状壁の円筒面の前におけるレンズの最後の凸レンズ１２１の最後の光学的に有効な面が平坦に構成され、この面と管状壁の隙間空間は、管状壁を構成する材料、有利には、光及び／又は熱の作用により硬化するポリマーなどの、屈折率が同じ又はほぼ同じである、光を透過する材料を充填される。この充填材料の屈折率を等しくすることによって、ポリマーと管状壁の境界面での屈折が起こらない、或いはほぼ起こらない。この実施形態の別の利点は、光が空気から屈折率のより大きい材料（例えば、ガラス）に二回通過することが回避されることであり、それにより、反射損失が一層低減される。それぞれ少なくとも一つの凹レンズ１２０と少なくとも一つの凸レンズ１２１から構成される、本発明による光学投影システムでは、空気とガラスを通過する回数は２回だけである。

ここで提案した解決策の別の有利な実施形態では、光源は、回折の制限、即ち、出来る限り大きなＭＴＦにより、光軸Ｚの領域内にのみ結像され、ｘｙ方向における光軸Ｚに対する間隔が大きくなるにつれて、ＭＴＦが連続して低下するように結像され、ｚ方向における最も大きなＭＴＦのその時々の領域が、常に像平面内に留まる、即ち、像平面が丸くならない。それは、有利には、平坦な面を除いて、全ての光学平面が、別の実施形態では、フレネル表面として、ＧＲＩＮ材料から、或いはそれらの組合せから製作できる非球面として構成されることによって実現される。このＭＴＦを制御する形で低下させた結果、如何なる大きさの粒子も、監視空間を通って正確にｘ軸に沿って流体と共に移動した場合にのみ最大の陰影が、そのため、その時々の最大の信号振幅が得られる。

この光学構造の有利な実施形態では、像平面内でのＭＴＦの低下は、関数１／平方根（ａ^２４ｒ^２＋１）に従い、ここで、ｒは像平面内における光軸Ｚからの間隔であり、ａは光源１１０の光の波長λよりも大きいか等しい。例えば、半導体結晶を使用した場合など、光源として直線形状のランベルト光線を使用した場合、像平面内での輝度に関して、双曲線・ガウス形状の光線分布が得られ、像平面は、デカルト座標系のｚ軸のゼロ点を通るｘｙ平面によって定義される。この場合、ｘ軸に対して平行であるが、その軸からずれて監視空間Ｋを通過する粒子は、より小さい輝度の領域を通過するので、運動軌道がｘ軸と同軸に延びる場合に発生させる最大信号と比べて減衰した信号を発生させる。輝度が変化するにも関わらず、直径がａよりも大きな粒子に関して、粒子の大きさと、ｘ＝０、ｙ＝０及びｚ＝０の位置での最大信号振幅との間の線形的な関係が得られる。

本発明による提案の別の有利な実施形態では、大きさが直線的な特性曲線領域内に有り、有利には、最大信号振幅と伝搬時間の比率の２５％の場合に得られる閾値の間の波高値の５０％で測定した最大信号振幅と伝搬時間の比率が所定の設定可能な下限を下回らないような粒子だけを計数することを考慮する。この場合、監視空間Ｋ内の流体、そのため、粒子の流速が、短い信号の間一定であると仮定している。

監視空間内の光の強度分布ｉが図６に図示されており、監視空間の中心は、ｘ＝０．０及びｙ＝０．０の点に有る。この強度ｉは、ｘｙ平面内の次の式に基づく双曲線・ガウス強度分布に従う。

ここで、ａは双曲線の最小接線間隔であり、ｂは双曲線の漸近線の傾斜である。

図７は、粒子ｐが監視空間を通過した時の光検出器での時間ｔに関する評価電圧Ｕを図示している。曲線Ｕ１は、第一の光検出器の信号を表す。一つの粒子ｐは、一つの陰影を、そのため、下降して再上昇する曲線Ｕ１を引き起こす。曲線Ｕ２は、散乱光検出器の出力信号を表す。一つの粒子ｐの場合、その粒子ｐの表面積に応じて、最大振幅までの一つの信号が発生される。空気の泡１が媒質内に有る場合、明らかにより大きな散乱信号が発生する。そのため、粒子ｐと空気の泡１を区別することができる。

粒子の更なる特徴付けのために、図５によるセンサの実施形態において、場合によっては、温度測定器と組み合わせた、圧力測定器１５０と、湿度測定器とが更に組み込まれる。この湿度測定器１７０は、マイクロ波吸収によって、媒質の水分を評価する。

図８には、検査サイクルＰＫＬと測定サイクルＭＫＬの模式図が図示されており、両方ともセンサ１を備えている。検査体ＤＵＴには、検査ポンプＰＰによって、媒質、典型的には、圧力油を貫流させることができる。この場合、センサ１は、検査ポンプＰＰの迂回路内に有り、検査体ＤＵＴを貫流する油の汚染を分析する。バルブを相応に設定することによって、移送ポンプＵＰを用いて、検査サイクルＰＫＬから測定サイクルＭＫＬに媒質を移すことができる。そして、この測定サイクル内において、測定ポンプＭＰを用いて、クロスフローフィルタＣＦを通るように油を加圧することができ、そのようにして貫流する、検査サイクルから来た油と粒子から成る懸濁液が持続的に濃縮される。この場合、ここでもセンサ１は、測定ポンプＭＰの迂回路内に配置されており、そのようにして貫流する懸濁液を検査することができる。測定サイクル内の粒子濃度が、貫流する流体の体積と関連して検査体ＤＵＴの汚染度に対応する、外挿により推定可能な所定の限界値に到達した後、測定サイクルが終了される。その後、懸濁液は、バルブを相応に逆向きに制御することによって、アブソリュートフィルタＡＦを通して誘導され、そのようにして、そのサイクルから完全に取り出される。テスト皮膜ＴＭによって、媒質を加圧することも可能である。そして、その場合、全ての粒子がフィルタＴＭ上に留まって、外部から明瞭に見れるようになる。フィルタ内で、圧力油から粒子が取り去られる一方、それに対応して汚染が軽減される。そして、バルブの相応の設定後、ＣＦフィルタを介して、浄化された圧力油を再び検査サイクルＰＫＬに押し戻すことができる。全てのポンプは、サイクル内での閉塞時に、安全バルブＵＶによって保護されている。測定の終了後、バルブの相応の設定により、検査体ＤＵＴを通して空気Ｌを吹き込むこともできる。そのため、空気Ｌは、空気フィルタＬＦを介して検査体ＤＵＴに到達する。そして、圧力油の残存分がタンクに排出される。

検査サイクルＰＫＬと測定サイクルＭＫＬ内の汚染度Ｇの時間ｔに関する変化が図９に図示されている。検査サイクルＰＫＬ内では、検査体の汚染により生じた、汚染度Ｇの高い初期値０が先ず存在する。ここで、検査サイクルから測定サイクルに媒質を移送して、ＣＦフィルタからの浄化された媒質により置き換えた場合、検査サイクルＰＫＬ内の汚染度Ｇが低下する。それと平行して、測定サイクルＭＫＬ内では、汚染度Ｇは、当初小さい値ｇ０であり、その後上昇する。時間的な推移の外挿によって、検査サイクル内の最大汚染度が十分正確に検知可能となった後、測定が終わり、測定サイクルＭＫＬ内の汚染度Ｇが低下するように、バルブが、フィルタＡＦ又はＴＭに関して逆向きに制御される。この切換が更に続行される。このプロセスをより良く図解するために、その切換を非線形的な時間軸による表示で図示することができる。

図１０には、浄化装置にセンサ１を使用した形態が図示されている。媒質は、タンクＴから、測定ポンプＭＰによって、フィルタＦを通るように加圧され、それにより浄化され、再びタンクＴ内に送られる。サイクル内で汚染度Ｇを検査するセンサ１が、測定ポンプＭＰ及びフィルタＦの迂回路内に有る。汚染度Ｇに応じて、コントローラＰＩＤにより、測定ポンプＭＰのモータを制御する。この場合でも、測定ポンプＭＰは安全バルブＵＶによって保護されている。浄化された媒質は、排出配管Ｅを介してタンクＴから排出することができる。

図１１には、浄化装置内で汚染度Ｇに関して測定ポンプＭＰにより得られる体積流量Ｑが図示されている。当初高い汚染度Ｇが、所定の問題の無い値にまで低下している。そして、この値が、コントローラにより一定に保持される。この体積流量が、汚染を低減するのに十分でない場合、汚染度は再び上昇する。センサにより通知される、この状態に到達した場合、フィルタの交換を行なわなければならない。

図１２は、センサ信号の評価を図解したグラフを図示している。有利には、センサ信号は、増幅されて、スピーカを用いて、音響的に感知可能とされる。この場合、センサ信号は、変換により可聴周波数帯域に適合させることができる。粒子の直径Ｄ及び付随する濃度に応じて警報を発出する場合を示す警報範囲Ｗが記入されている。粒子の濃度は、相応の粒子直径Ｄの粒子の数又は直径Ｄの測定された粒子の体積Ｖに基づき決定することができる。しかし、粒子の直径の合計又は粒子の面積の合計などの別のパラメータも使用することができる。このグラフでは、小さい直径Ｄでは、警報範囲が、当初より大きな数ｎ又はより大きな体積Ｖで警報を発出する範囲とされる一方、粒子のより大きな直径では、例えば、機器が閉塞する虞がより大きくなるので、より早く警報を発出する範囲とされている。この場合、警報範囲Ｗは、中立に保持されるか、さもなければ任意であるが所定の機能に応じて、所要の維持すべき汚染限界に関する所定の設備の要件を満たす。

図１３は、所定の高さに異なるマークを有する透明な校正用標準器２０を図示している。ここで、この校正用標準器がセンサの監視空間内に所定の高さに差し込まれた場合、センサが如何に反応するのかを検査することができる。即ち、校正用標準器上に異なる大きさの光学マークＭＡを刻印することができる。金属製の所定の反射式マークＭも、それにより散乱光検出器を検査できるので、有用である。

１ センサ
１１ センサ本体
１２ 入口
１３ 出口
１４ 内側のパッキン
１５ 外側のパッキン
１６ ネジ山
１７ 駆動部
１８ 電気端子
２０ 校正用標準器
１１０ 光源、ＬＥＤ
１１１ 光検出器
１１２ シェード
１１３ 光源のレンズ
１１４ リング状コア
１１５ 測定シリンダ
１１６ 差動コイル
１１７ 光検出器のレンズ
１１８ 光検出器のシェード
１２０ 凹レンズ
１２１ 凸レンズ
１３０ 光制御ボード
１４０ 光評価ボード
１５０ 圧力測定器
１５１ 圧力評価ボード
１６０ 圧力コントローラ
１７０ 誘電式湿度測定器
２１１ 散乱光検出器
２１２ 散乱光検出器のシェード
２１３ 散乱光検出器のレンズ
ＡＦ アブソリュートフィルタ
Ｃ 毛細管
ＣＦ ＣＦフィルタ
Ｄ 直径
ＤＵＴ 検査体
Ｅ 排出配管
Ｆ フィルタ
Ｇ 汚染度
Ｋ 監視空間
Ｌ 空気
ＬＦ 空気フィルタ
Ｍ 金属製マーク
ＭＡ 刻印されたマーク
ＭＰ 測定ポンプ
ＭＫＬ 測定サイクル
ＰＩＤ コントローラ
ＰＫＬ 検査サイクル
ＰＰ 検査ポンプ
Ｑ 体積流量
ＰＩＤ コントローラ
Ｔ タンク
ＵＰ 移送ポンプ
ＵＶ 安全バルブ
Ｖ 体積
Ｗ 警報範囲
Ｘ 毛細管の縦軸
Ｙ 散乱光の軸
Ｚ 光軸
ｇ０ 汚染の初期値
ｉ 光強度
ｌ 空気の泡
ｎ 数
ｐ 粒子
ｔ 時間座標
ｘ，ｙ 監視空間の座標

Claims (27)

1. 媒質を通過させて測定するための毛細管（Ｃ）が貫通する、光を透過する測定セル（１１５）、光検出器及び磁気検出器を備えた、汚染された媒質内の粒子を測定するセンサにおいて、
   測定セル（１１５）が円筒形状であり、その中を毛細管（Ｃ）が同軸に延びており、
   測定セルの中心には、監視空間（Ｋ）が配置され、光学レンズシステムが、光源（１１０）及び少なくとも一つの光検出器（１１１）に対して、この監視空間上に焦点を合わせ、
   このレンズシステムの光軸（ｚ）が、毛細管（Ｃ）に対して直角の方向を向いており、
   測定セル（１１５）のシャフト上において、同軸の交番磁界を発生して検出する、毛細管に対して同軸の二つの差動コイル（１１６）が、この磁気検出器を構成し、これらの差動コイルは、監視空間（Ｋ）内で交番磁界が相殺されるように駆動される、
   ことを特徴とするセンサ。
2. 毛細管（Ｃ）が、最大直径２ｍｍの丸い横断面を有することを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
3. このセンサが、穴を通して毛細管（Ｃ）と接続された、毛細管（Ｃ）内の媒質の圧力を測定する圧力測定器（１５０）を有することを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
4. このセンサが、毛細管（Ｃ）内の媒質の温度を測定する温度測定器を有することを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
5. 当該の温度測定器が圧力測定器（１５０）に統合されていることを特徴とする請求項４に記載のセンサ。
6. 測定セル（１１５）が耐圧形態で構成されていることを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
7. 測定セル（１１５）が円筒形の筐体内に同軸に収容されており、媒質が正面側の開口部を通って毛細管（Ｃ）に流入し、毛細管（Ｃ）の終端で、筐体の円筒壁に対して直角に流路を通って流出することを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
8. このセンサは、圧力機器の標準的な穴に差し込むことが可能であることを特徴とする請求項７に記載のセンサ。
9. 当該のレンズシステムが、それぞれ少なくとも一つの凹レンズ（１２０）と一つの凸レンズ（１２１）から構成され、これらのレンズは、それぞれ光源（１１０）の前と光検出器（１１１）の前に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
10. 第一の光検出器（１１１）が、それに付属するレンズシステムと共に光軸（ｚ）に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
11. 少なくとも一つの別の散乱光検出器（２１１）が、それに付属するレンズシステムと共に、当該の第一の光検出器（１１１）に対して垂直に配置されていることを特徴とする請求項１０に記載のセンサ。
12. 光源（１１０）が、直線形状の光を放出するＬＥＤにより構成されていることを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
13. 当該のＬＥＤが、凸レンズ（１２１）及びシェード（１１２）と組み合わされて構成されていることを特徴とする請求項１２に記載のセンサ。
14. 当該の光検出器（１１１，２１１）が、一つ以上の発光ダイオード、レンズ及びシェードと組み合わされて構成されていることを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
15. 当該の二つの差動コイル（１１６）が、互いに逆向きの高い周波数の電流により励起され、そのため、監視空間（Ｋ）の中心において、如何なる時点でも磁界強度がゼロに等しいことを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
16. マイクロ波吸収により媒質の水分を測定することが可能な湿度測定器（１７０）が配備されていることを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
17. 校正用標準器（２０）が光及び／又は磁気を透過する支持体上に配備され、この支持体上には、検出すべき粒子の大きさ範囲及び形状内の微細構造がリソグラフィ手法により設けられていることを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
18. 請求項１から１７までのいずれか一つに記載のセンサ（１）を用いて、媒質内の粒子（ｐ）を測定する方法において、
    所定の流量で毛細管（Ｃ）を貫流するように媒質に圧力を加え、
    一つの粒子（ｐ）が監視空間（Ｋ）を通過した時に、第一の光検出器（１１１）により、その粒子の像を検出し、
    磁気検出器により、磁化可能な粒子が存在するか否かを検出し、
    検出した粒子（ｐ）の数を計数し、
    その大きさを評価する、
    ことを特徴とする方法。
19. 散乱光検出器（２１１）により、媒質内に気泡が含まれているか否かを検出することを特徴とする請求項１８に記載の方法。
20. 第一の光検出器（１１１）で測定した信号の強度に基づき、媒質内に気泡が含まれているか否かを決定することを特徴とする請求項１８に記載の方法。
21. 単位時間内に検出した粒子の数（ｎ）及び／又は大きさが上昇した場合に、警報信号を発出することを特徴とする請求項１８に記載の方法。
22. センサ信号を増幅して、スピーカを用いて、音響的に感知できるようにすることを特徴とする請求項１８に記載の方法。
23. センサ信号の周波数帯域を変換により可聴周波数帯域に適合させることを特徴とする請求項２２に記載の方法。
24. 表示器上での測定値の表示が非線形的な時間軸により行なわれることを特徴とする請求項１８に記載の方法。
25. センサを校正するために、光及び／又は磁気を透過する支持体上に、粒子と同様の光学作用及び／又は磁気作用を監視空間（Ｋ）内に発生させる光学式マーク及び／又は磁気式マーク（Ｍ，ＭＡ）を有する校正用標準器（２０）を毛細管（Ｃ）に差し込むことを特徴とする請求項１８に記載の方法。
26. 請求項１から１７までのいずれか一つに記載のセンサ（１）の使用方法において、
    このセンサを圧力成分用検査サイクル（ＰＫＬ）内で使用して、圧力成分の汚染度（Ｇ）を決定することを特徴とする使用方法。
27. 請求項１から１７までのいずれか一つに記載のセンサ（１）の使用方法において、
    このセンサを圧力媒質用浄化装置内で使用することを特徴とする使用方法。

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