WO2017060335A1 - Lichtleiteranordnung zur optischen tropfendetektion - Google Patents

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WO2017060335A1
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optical waveguide
signal
light
drop
light beam
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Jiri Karger
Klaus Werner MEHRLE
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Vermes Microdispensing GmbH
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    • G01V8/20—Detecting, e.g. by using light barriers using multiple transmitters or receivers
    • G01V8/24—Detecting, e.g. by using light barriers using multiple transmitters or receivers using optical fibres

Definitions

  • the invention relates to a drop detection device for detecting droplets emerging from a nozzle of a metering valve and moving along a trajectory. Moreover, the invention relates to a method for detecting a drop, which emerges from a metering valve, preferably a micro-metering valve.
  • metering valves are used.
  • a metering valve comprises a nozzle at the point of discharge of the medium to be metered.
  • the opening of the metering valve is released by the dispensing needle is slightly pulled out of the valve seat.
  • the medium for example driven under admission pressure, can flow through the nozzle opening or valve opening.
  • jet valves can be built.
  • the delivery of quantities of media by the reciprocating movement of the dispensing needle or a valve tappet, wherein a quantity of media is ejected in a jet-like movement of the dispensing needle or the valve stem in the direction of the nozzle opening.
  • This allows an application of defined amounts of the metering medium and over greater distances between metering valve and application surface, z. B. on a component to be machined.
  • the dosing distances can vary between half a millimeter and a few millimeters. Jet valves allow a very fine dosage at high speed with complete contactlessness to the component to be machined.
  • sensors for detecting the drops and corresponding evaluation processes are necessary.
  • the smallest possible distance should be maintained between the metering valve and a surface of a component to be processed. This distance can vary depending on the application between 0.5 mm and 3 mm. This specification greatly limits the possible height of a drop sensor. Furthermore, the to be detected drops with diameters of sometimes less than 10 ⁇ very small. Furthermore, the velocity of the drops is very high, up to 50 m / s, resulting in an extremely short transit time through a range of a few microseconds monitored by a detecting sensor.
  • the small size and high speed of the droplet cause a weak sensor signal with low signal amplitudes and an unfavorable signal-to-noise ratio, which makes a fault-proof optical detection of a drop very difficult.
  • an opto-electronic sensor such as a photodetector
  • close to the nozzle of the valve in order to obtain as much optical and thus electrical signal as possible after the conversion results in conflict with the small dimensions of the system. For example, it is hardly possible to position the entire evaluation electronics directly on the sensor due to the limited space available.
  • the transmitter is arranged remotely from the sensor, then there is the problem that the detected electrical analog signal must be transmitted to the transmitter interference-proof.
  • the sensorial measurement of drops may result in electromagnetic wave interference. If the sensors are based, for example, on the light sensor system, interference by undesired light sources can be caused. The disturbances may occur, for example, due to daylight or light from any lighting equipment.
  • US 2002/0 089 561 A1 describes an apparatus for detecting drops of a printer system, wherein light is guided via optical fibers and crosses a trajectory of a drop. The intensity of the light is briefly reduced by the falling drop. This change in intensity as a function of time is detected with the aid of sensors and used to detect the drops.
  • the detection is susceptible to external disturbances, such as scattered light, so that reliable drop detection is not always guaranteed.
  • US Pat. No. 4,255,754 A describes monitoring the trajectory of ink droplets of an ink-jet printer.
  • light is emitted via a light guide synchronized with the frequency of droplet generation in the direction of the trajectory of an ink droplet and detected by means of two light guides.
  • a deviation of the ink drop from a predetermined trajectory is determined depending on a difference of shading of the light detected by the two optical fibers. Even with this procedure, it may cause interference due to stray light. It is an object of the present invention to develop a sensor arrangement for metering valves, which allows the most trouble-free drop detection.
  • the optical waveguide arrangement comprises a first optical waveguide and a second optical waveguide. These are arranged opposite each other at a gap, which comprises the trajectory of the drop, arranged such that a light beam emitted by the first optical waveguide crosses the trajectory of the droplet and is then coupled into the second optical waveguide.
  • the drop detection device has a light signal generating device which is set up to couple a light beam pulsed with a carrier frequency into the first optical waveguide.
  • a pulsed light beam with a carrier frequency is to be understood as a pulsed light signal which changes periodically with constant characteristic parameters (eg frequency, ie the carrier frequency or also pulse frequency, amplitude), eg. B. in a certain rhythm on and off.
  • the signal initially carries no information in unmodulated state except the constant characteristic parameters.
  • the information to be transmitted is obtained only by the modulation, which can be realized by some kind of physical interaction of the carrier signal with an information source.
  • a carrier signal can be modulated with the aid of a modulation signal or influenced by another physical disturbance, eg. B. a drop to be detected.
  • modulation should be understood as a change in the carrier signal with respect to one or more of its parameters, such as the amplitude, the frequency or the phase.
  • the pulse frequency or carrier frequency should be higher than the frequency of the modulation or the wavelength should be shorter than a "disturbance" of the signal caused by a drop.
  • the drop detection device also comprises a light evaluation device, which is set up to evaluate the light beam coupled into the second optical waveguide in order to determine whether a drop has been emitted by the metering valve.
  • a light evaluation device which is set up to evaluate the light beam coupled into the second optical waveguide in order to determine whether a drop has been emitted by the metering valve.
  • the first optical waveguide has a first and a second end.
  • the first end of the first optical waveguide is coupled to a light emitting device of the Lichtsignalerzeugungs- device.
  • the second end of the first optical waveguide forms an emission window to the intermediate space to be monitored.
  • the second optical waveguide has a first and a second end, wherein the first end of the second optical waveguide forms a detection window to the space to be monitored and the second end of the second optical waveguide is coupled to a sensor device of the light evaluation device.
  • the emission window of the first optical waveguide and the detection window of the second optical waveguide can be formed by the end faces of the ends cut with conventional fiberglass cutting means.
  • the fiber ends can be cut with a dedicated cutting means and then possibly a little polished.
  • the emission windows of the optical waveguides can thus be produced with little effort. There are no additional optics needed for this. If such an emission window is damaged or soiled, the damage can be easily remedied by removing a piece of the light source. Waveguide cut off and then possibly polished. It is important to ensure that the window areas or the edges of the ends of the optical waveguide are as flat as possible and are oriented perpendicular to the longitudinal axis of the optical waveguide.
  • the first and the second optical waveguides are arranged on the metering valve such that the pulsed light beam from the first optical waveguide strikes directly on a droplet possibly emitted by the metering valve, which is physically influenced, preferably modulated, by the droplet in some way
  • "direct" means that preferably no secondary optics, such as lens systems or the like, are used before the emission window of the first light guide or in front of the detection window of the second light guide
  • the second optical waveguide are arranged directly opposite one another and in alignment with one another, whereby the emission window of the first optical waveguide and the detection window of the second optical waveguide face one another, so that one of the Emission window of the first optical fiber emitted light beam to the detection window of the second optical fiber falls.
  • the two optical waveguides and a trajectory of a droplet possibly emitted by the metering valve are preferably in a plane, so that a light beam emitted by the first optical waveguide hits the droplet, is modulated by the droplet and then falls onto the detection window of the second optical waveguide, from which it is coupled into the second optical waveguide.
  • the light beam possibly influenced by a drop, ie modulated light beam, after being coupled into the second optical waveguide is passed on by the latter to a sensor device with which the possibly modulated light beam is first converted into a modulated electrical signal for evaluation.
  • the first optical waveguide and the second optical waveguide of the droplet detection device according to the invention may comprise, for example, plastic fibers.
  • the first optical waveguide and the second optical waveguide have a core diameter in a range of 0.1 mm to 3 mm, preferably 0.5 mm to 1.5 mm, more preferably 0.9 up to 1, 1 mm.
  • the optical waveguides are positioned relative to the metering valve such that a defined effective cross-sectional area of the first and / or second optical waveguide is selected as a function of the respective metering process, in particular as a function of an expected drop size.
  • the effective cross-sectional area of an optical waveguide is to be understood as the part of the cross-sectional area of the optical waveguide which is available for the detection of the droplet or the emission of a light beam.
  • a part of the optical fiber cross-section may be covered by a nozzle adjusting nut of the metering valve, so that it does not contribute to the effective cross-sectional area.
  • the signal-to-noise ratio can be optimized or a maximum throughput time of the droplet can be achieved.
  • the effective area of the optical waveguides may comprise the entire area of the optical waveguide area. That is, the optical fibers are positioned relative to the metering valve such that no portion of the cross-sectional area of the optical fibers is obscured by the nozzle setting nut of the metering valve. In this case, therefore, the entire active height of the optical waveguides is utilized. This is associated with a maximum transit time of the drop through the modulation unit. This has a favorable effect on tropical detection, as more signal samples can be obtained. Logically, as much of the light modulated by the droplet should be coupled into the second optical waveguide so that the value of the amplitude of the measurement signal detected by the sensor is as large as possible and a sufficient signal-to-noise ratio is achieved.
  • the effective area of the optical waveguides comprises only half the total area of the optical waveguide surface. That is, the optical fibers are positioned relative to the metering valve so that the upper half of the cross-sectional area of the optical fibers is approximately concealed by the nozzle adjusting nut of the metering valve. In this case, only half the height of the optical waveguide is used for detection. Associated with this is also compared to the use of the entire height only half as long Jerusalemszeit of the drop. Such an arrangement usually makes a good compromise between the longest possible throughput time of the drop and the required space and thus the resulting minimum distance of the nozzle.
  • the effective area of the optical waveguides comprises only a fraction of the total optical waveguide area. That is, the optical waveguide surface used comprises only a fraction of the total optical waveguide surface.
  • Such an arrangement may be advantageous, for example, in the case of very small drops, since there is a more favorable relationship between the active surface and the surface shadowed by the drop. This results in a stronger signal amplitude of the modulation signal, which contributes to an improved signal-to-noise ratio.
  • the light emitting device of the drop detection device is adapted to convert a pulsed electrical signal into a light wave, without changing the carrier frequency and phase of the pulsed signal to a relevant extent. Since the phase position of the pulsed signal is also preferably taken into account in the evaluation of the detected signal, a stronger change in the phase of the pulsed signal during the emission of the light beam by the light emission device would influence the evaluation of the detected signal.
  • the optical route, d. H. in particular the signal conversion of the signal from the electrical signal into a light signal and back again into an electrical signal between the light emission device and the sensor device causes a certain phase shift. However, this is rather low in relation to the preferably used carrier frequencies. Furthermore, in advance, d. H.
  • a training phase is performed, in which the perfect phase offset between the carrier signal and the control signals of the demodulation unit for side band selection is set.
  • a slight phase offset which results from the electro-optical signal conversion, be taken into account.
  • the light signal generating device is designed such that the brightness of the pulsed light beam is set by selecting the size of the parameter value of the pulse width of the light pulses of the pulsed light beam. If, for example, a duty cycle with a comparatively small pulse width or short pulse duration is selected relative to the period of the signal or of the pulsed light beam, then the brightness of the pulsed light beam is selected reduced. Conversely, the brightness of the pulsed light beam can be increased by a duty cycle with a comparatively large pulse width or long pulse duration relative to the period of the signal or the pulsed light beam.
  • An optimum brightness to be set relates to the residual light reaching the optoelectronic sensor, ie the light reaching the photodiode, ie the light which remains after the entire optical path and strikes the photodiode.
  • the intensity of the emitted light and thus also of the received residual light must be selected so that the sensor has its maximum sensitivity at this operating point.
  • the sensitivity relates to the fact that a slight fluctuation of the light intensity results in a maximum possible fluctuation of the output current of the photodiode.
  • the setting should be adjusted when replacing the optical fibers.
  • the drop detection device according to the invention preferably has a signal generation unit, which may preferably be part of the light signal generation device. This signal generating device is preferably configured to generate an electrical carrier signal having a defined pulse frequency or carrier frequency. On the basis of this electrical carrier signal then the pulsed light beam is generated.
  • the drop detection device preferably has an evaluation unit, which may be part of the light evaluation device.
  • the evaluation unit is set up to determine on the basis of the modulated measurement signal, taking into account the defined pulse frequency or carrier frequency, whether a drop has been delivered from the metering valve.
  • a modulation signal based on the modulated signal can preferably be determined in a demodulation unit, which may be part of the evaluation unit, taking into account the defined pulse frequency or carrier frequency, and it is then determined on the basis of the modulation signal whether a drop of the Dosing valve was discharged.
  • a modulation signal is to be understood as a signal corresponding to the modulation of the carrier signal by the drop, which signal can again be "separated” from the carrier signal by demodulation.
  • Certain signal parameter values of the modulated measurement signal or of the modulation signal correspond to specific properties or dimensions. Solutions of a drop to be detected.
  • the relationship between the aforementioned signal parameters and the properties or dimensions of a drop to be detected need not be immediately known for the detection. It is sufficient if, in advance, for example in a training method with the aid of "pattern drops" with defined dimensions, it has been determined which signal parameter values of the modulated measurement signal or of the modulation signal for a drop with the desired properties or dimensions (used in the training method) "Pattern drop”), ie, when a drop is detected as detected.
  • a delivery of a drop in a defined time window is checked, which is synchronized with a drop delivery control of the metering valve.
  • a time window in which a drop is detected or after a drop is at all "sought" or optionally even a carrier signal is delivered, synchronized with a drop delivery of the metering valve so that the intended drop delivery is within the time window.
  • the drop detection device comprises a demodulation unit, which is set up to perform an amplitude demodulation of the measurement signal.
  • a quadrature demodulation of the measurement signal is performed in order to determine an in-phase component and a quadrature component.
  • the demodulation unit can be set up accordingly.
  • the magnitude of the amplitude and / or the phase of a modulation signal based on the modulated measurement signal can be determined.
  • the amplitude and phase of the modulation signal can be obtained by polar coordinate transformation of the in-phase component and the quadrature component.
  • the evaluation unit of the drop detection device can preferably have a modulation value determination unit which is set up for this purpose.
  • the latter in particular the modulation value determination unit, is set up to provide amplitude derivative values, including the time derivative of the magnitude of the amplitude, and / or phase deviation.
  • Derivative values comprising the time derivative of the phase of the modulation signal to determine.
  • the drop detection device in particular the modulation value determination unit, is set up in a predetermined fixed time interval of the time window for a predetermined number of the amplitude derivative values to amplitude comparison values and / or in a predetermined second time interval of the time window a predetermined number to combine the phase derivative values into phase comparison values.
  • the combination of the amplitude derivative values and the phase derivative values may comprise a summation or addition of a plurality of amplitude derivative values to amplitude comparison values and a summation or addition of a plurality of phase derivative values to phase comparison values.
  • the two time intervals are determined for the combination of the amplitude derivative values and the combination of the phase derivative values during the training phase or in the abovementioned training method.
  • values are obtained constantly without time limitation.
  • the time intervals are set so that a defined number of maximum values for the amplitude derivative values and the phase derivative values can be obtained at these time intervals.
  • the time intervals for the amplitude derivative values and the phase derivative values are preferably set independently of each other. That is, their time and their start time are independent of each other.
  • a time interval may be such that it comprises 50 measured values should the defined number of maximum values, for example 10, be within such a large range.
  • the evaluation device of the drop detection device preferably comprises a detection filter unit, which is set up on the basis of the amplitude comparison values and / or the phase comparison values to determine whether the modulation signal indicates a drop.
  • the detection filter unit of the droplet detection device can be configured to detect a deviation of a, for. B. from the modulation value determination unit, determined amplitude comparison value of an amplitude reference value to determine and / or a deviation of, for. B. determined by the modulation value ascertainment unit, determined phase comparison value of a phase reference value.
  • An amplitude reference value may be formed, for example, from a plurality of amplitude comparison values of previously detected modulation signals.
  • a phase reference value may be formed from a plurality of phase comparison values of previously detected modulation signals. In the formation of the reference values, care should be taken that only reference values which are assigned as correctly detected drops are included in the determination of the reference values.
  • the drop detection device may comprise a reference value memory device, in which an amplitude reference value, which is formed from a plurality of amplitude comparison values of previously detected modulation signals, and / or a phase reference value, which is selected from a plurality of Phase comparison values of previously detected modulation signals is formed as variable reference values are stored.
  • a reference value memory device in which an amplitude reference value, which is formed from a plurality of amplitude comparison values of previously detected modulation signals, and / or a phase reference value, which is selected from a plurality of Phase comparison values of previously detected modulation signals is formed as variable reference values are stored.
  • the drop detection device in particular the detection filter unit, can be set up to determine whether the determined deviation of the amplitude comparison value from the amplitude reference value and / or the determined deviation of the phase comparison value from the phase - Reference value does not exceed a maximum value.
  • the reference values form a kind of desired value, which was determined, for example, from empirical values.
  • the reference values are continuously recovered during the normal detection process. They represent a kind of setpoint in connection with the permissible relative deviations determined from a filter training phase.
  • the permitted relative deviations widths represent empirical variables, since they are determined during filter training. If the determined comparison values are too far away from the desired value, it is concluded that either no drop or at least no regular drop was detected.
  • the detection filter unit can be set up accordingly.
  • a fixed reference value interval for the amplitude and phase reference values can be stored in a reference value memory device.
  • Such a fixed reference value interval can be determined, for example, in a training phase in which a possible fluctuation range of a reference value is also measured.
  • a determination result can be classified as at least uncertain or even discarded. Such a situation can occur when the dimensions of the drops dispensed by a metering valve change slowly but steadily. If a reference value is now formed on the basis of such modified modulation values or comparison values, then in the unfavorable case, a reference value may also correspond to an incorrect drop which deviates too much from a previously determined nominal drop. In order to avoid such an error, a fixed interval is preferably set for the reference values, from which they must not deviate.
  • a message to the user of the drop detection device can be output that the system is no longer calibrated correctly.
  • the user can then take countermeasures. For example, the user can check the metering valve for correct function and eliminate any malfunctions.
  • correct reference values can be determined.
  • the reference values are determined in a kind of preliminary phase after the restart and constantly updated during the measuring process by averaging current measured values with previous reference values.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a drop detection device according to an embodiment of the invention
  • FIG. 2 shows a cross-sectional view of a drop detection device according to the invention as well as several variants with different active optical waveguide heights
  • FIG. 3 shows a detailed illustration of a drop detection device according to an exemplary embodiment of the invention
  • FIG. 4 shows a detailed representation of a mixer unit of a demodulation unit of a drop detection device according to an exemplary embodiment of the invention
  • FIG. 5 shows a schematic representation of an external view of a control unit of a drop detection device according to an exemplary embodiment of the invention
  • FIG. 6 is a flowchart illustrating a method for detecting a drop.
  • FIG. 7 shows a flow chart with which the functional principle of the modulation value determination unit shown in FIG. 3 is illustrated in detail
  • FIG. 8 shows a flow chart with which the functional principle of the detection filter unit shown in FIG. 3 is illustrated in detail.
  • FIG. 1 shows a drop detection device 11 according to an exemplary embodiment of the invention.
  • the drop detection device 1 1 comprises a light signal generation device 70, an optical waveguide arrangement L and a light evaluation device 80.
  • the light signal generation device 70 comprises a signal generation unit 20 which generates a pulsed electrical carrier signal TS.
  • the electrical carrier signal TS is transmitted to a light emission unit 31, for example a light-emitting diode, which transmits the electrical signal TS in a NEN pulsed with the carrier signal TS pulsed light beam LS.
  • the pulsed light LS generated by the light emission unit 31 is transmitted to the optical fiber array L.
  • a first optical waveguide element L1 of the optical waveguide arrangement L is connected to the light emission unit 31 in such a way that the light beam LS emitted by the light emission unit 31 is coupled directly into the first optical waveguide element L1 of the optical waveguide arrangement L.
  • the pulsed light beam LS is fed through an emission window 14 to a gap ZR, in which a trajectory T of a droplet TR emitted by a dosing valve DV (with a nozzle adjusting nut DEM) runs.
  • the light of the light beam LS is modulated by the droplet TR in such a way that it subsequently comprises information corresponding to a modulated light signal MS.
  • the light beam LS comprising the modulated light signal MS is coupled via a detection window 15 into a second optical waveguide element L2.
  • the light evaluation device 80 comprises a light sensor 32 and a signal evaluation device 50.
  • the drop detection device 1 since the drop detection device 1 1, in particular due to the use of the pulsed light beam, is very insensitive to scattered light and other disturbances, but is highly sensitive to the useful signal, it is advantageously not necessary at the emission window 14 of the first optical waveguide element L1 or the detection window 15 of the second Optical waveguide element L2 additional optical elements, such. As lens systems or the like to use.
  • the exit or entry sides of the optical waveguides must be as far as possible perpendicular to the longitudinal axis of the optical waveguide.
  • the light sensor 32 and the light emission unit 31 are located outside the working area occupied by the metering valve DV, this sensor 32 and emitter 31 can be dimensioned independently of the narrow space prevailing in the area of the nozzle adjusting nut DEM of the metering valve DV.
  • the emitter 31 serves as a signal converter, which converts the unmodulated electrical carrier signal TS into an unmodulated light signal LS.
  • the light sensor 32 serves as a signal converter, which converts the modulated light signal MS into a modulated electrical measurement signal EMS. The subsequent processing of the modulated electrical measurement signal EMS is described in more detail in connection with FIGS. 3, 6 and 7.
  • FIG. 2 shows in the upper partial drawing a cross-section of a drop detection device according to an exemplary embodiment of the invention. Furthermore, in the lower part of the drawing in Figure 2, several variants of the arrangement of the optical waveguides L1, L2 illustrated with different active optical fiber heights h a .
  • the arrangement of the optical fibers L1, L2 is determined by means of spacers DS, which are mounted between an optical fiber mount LH and the metering valve DV.
  • the active height h a beyond the nozzle setting nut DEM of the metering valve DV is about half the optical waveguide diameter, which corresponds to an effective height h a of 500 ⁇ m for an optical waveguide diameter of 1 mm.
  • the height to be understood is the height of the section of the optical waveguides L1, L2 which is open towards the intermediate space in which the trajectory T of the drop runs. That is, the portion means the part of the cross section of the optical fibers L1, L2, which is not hidden by the nozzle adjusting nut DEM of the metering valve DV.
  • this height h a can be matched to the particular conditions which are determined by the respective metering process.
  • Half the optical waveguide area is used in the middle lower partial drawing, ie the active height h a corresponds to half the diameter of the optical waveguides L1, L2.
  • the active width b a of the optical waveguide corresponds to the diameter of the optical waveguides L1, L2.
  • Such an arrangement may be advantageous, for example, in the case of very small drops, since in this variant there is a more favorable ratio between the active area and the area shadowed by the drop. This results in a stronger signal amplitude of the modulation signal, which contributes to an improved signal-to-noise ratio.
  • FIG. 3 shows a drop detection device 11a in accordance with a particularly preferred embodiment of the invention.
  • the droplet detection device 11a also includes the units shown in FIG. 1, such as a light signal generating device 70, an optical waveguide device L and a light evaluation device 80, which are marked with dashed lines in FIG.
  • the light signal generating device 70 and the light evaluation device 80 are shown in detail in FIG.
  • the light signal generating device 70 includes a signal generating unit 20, which is shown in dashed lines in FIG.
  • the signal generation unit 20 comprises a transmission signal generation unit 21 which generates a transmission signal PWM_5 having a defined, predefinable pulse frequency, for example as a pulsed square-wave signal.
  • the generated transmission signal PWM_5 is transmitted to a power amplifier 24, which amplifies the transmission signal PWM_5 to a carrier signal TS.
  • the signal generation unit 20 additionally comprises a signal generation unit 23, which is set up to transmit phase-shifted pulsed control signals PWM_1,..., PWM_4 with respect to the carrier signal to a mixer unit 43 of a demodulation unit 40.
  • the signal generation unit 23 is part of the signal generation unit 20, it is used to evaluate a detected modulated signal EMS and is therefore not considered as part of the light signal generation device 70, but as part of the light evaluation device 80.
  • the signal generating unit 20 has a control signal output 22 for driving amplifier circuits 44, 45 of the light evaluation device 80, which are also not considered part of the light signal generating means 70, but as part of the light evaluation device 80, since the control signal generated by the control signal output 22 of the evaluation of modulated signal MS is used.
  • the pulse frequency of the control signals PWM_1, ..., PWM_4 for the mixer 43 is always equal to the frequency of the transmission signal PWM_5.
  • the phase shift between the control signals PWM_1, ..., PWM_4 and the transmission signal is variable.
  • the pulse frequency is preferably 450 kHz + - 15 kHz.
  • the determination of the frequency of the carrier signal serves to ensure that the received signal (the carrier signal and the sidebands produced by the amplitude modulation caused by the drop) can optimally pass through the bandpass filter.
  • a sideband is then selected.
  • the carrier frequency must, according to the sampling theorem, be higher than twice the frequency resulting from the droplet transit time through the modulation unit 30.
  • the carrier signal TS generated by the transmission signal generation unit 21 is transmitted from the amplifier 24 to a light emission unit 31.
  • the light emission unit 31 can, for example, be a light-emitting diode which lights up as a function of the carrier signal TS applied to the light-emitting diode. In other words, the carrier signal TS initially present as a pulsed electric current is converted into a pulsed light signal.
  • the light emission unit 31 is connected to the optical fiber array L.
  • the light emission unit 31 emits the pulsed light signal TS into a first optical waveguide L1 of the optical waveguide arrangement L, which feeds the pulsed light signal TS to a gap ZR, in which a trajectory of a droplet TR to be detected of a metering valve (see FIG. 1) runs.
  • a second optical waveguide L2 is arranged.
  • the optical waveguide L2 is connected to the light evaluation device 80, which is also marked in dashed lines in FIG.
  • the light evaluation device 80 comprises a sensor unit 32, which detects - if drops are delivered - a light signal MS modulated by the drops TR.
  • the sensor unit 32 comprises, for example, a photodetector which receives the modulated light signal MS and converts it again into an electrical modulated signal EMS which can be transported by an electrical line.
  • the electrical modulated signal EMS is subsequently transmitted to an evaluation unit 50 (likewise marked by dashed lines in FIG. 3), which is part of the light evaluation device 80 and also has a demodulation unit 40.
  • the demodulation Onsaku 40 includes an amplifier unit 41, which amplifies the modulated electrical signal EMS.
  • the amplifier unit 41 is driven by the signal generating unit 20 via a control signal output 22 and serves on the one hand for preamplification of the modulated signal EMS detected by the photodetector 32 and on the other hand as a transimpedance amplifier.
  • the photodetector 32 is biased in the reverse direction and operated in a quasi short circuit.
  • the transimpedance amplifier converts the current signal into a voltage signal.
  • the amplification factor of this conversion is adjustable. This achieves a maximum, voltage-dependent, voltage-controlled signal modulation.
  • the demodulation unit 40 comprises a filter unit 42.
  • the filter unit 42 may, for example, comprise a bandpass filter which passes only the two sidebands and the carrier frequency of the modulated signal EMS.
  • the filter unit 42 also removes any interfering signals caused by external light radiation with frequencies far away from the pulse frequency of the carrier signal TS.
  • the filter unit 42 preferably a steep-edge bandpass filter, also removes harmonics generated by the pulse width modulation.
  • the thus filtered modulated measurement signal EMS is then forwarded to a mixer 43, which transmits the modulated and filtered measurement signal EMS with pulsed control signals PWM_1,..., PWM_4, which are phase-shifted with respect to the carrier signal and subsequently also PWM.
  • Called signals mixes and transmits an in-phase signal or an in-phase component I to an in-phase signal amplifier 44 and transmits a quadrature signal or a quadrature component Q to a quadrature signal amplifier 45.
  • the in-phase signal amplifier 44 and the quadrature signal amplifier 45 are driven by a control signal output 22 of the signal generation unit 20.
  • the amplifiers 41, 44, 45 are controlled separately. They are set via a variable resistor (rheostat) programmable via a data bus (eg I2C-BUS). Each rheostat (and therefore amplifier) is individually adjusted. The setting of the amplifier 41 is thereby completely independent of the value of the amplifiers 44 and 45.
  • the amplifiers 44 and 45 however, always have the same Value so as not to change the relation between the I and the Q signal. Nevertheless, these two are controlled separately.
  • the mode of operation of the mixer unit 43 is shown in detail in FIG. 4 and will be explained in more detail later.
  • the in-phase component I and the quadrature component Q form the modulation signal MOD.
  • the two components I, Q are transmitted within the evaluation unit 50 to the subunits of the evaluation unit 50, which are part of a control unit 60 in the embodiment shown in FIG.
  • the control unit 60 has corresponding inputs 53, 54 for the signal components I, Q.
  • the inputs 53, 54 are followed by AD converters (not shown), which convert the analog signal components I, Q into digital signals.
  • the amplifiers 44, 45 of the demodulation unit 40 are adaptable in their amplification factor and serve to raise the signal components I, Q of the modulation signal MOD generated by the mixer unit 43 to an optimum voltage level for the AD converters. This ensures maximum utilization of the converter resolution. In order not to bring the AD converters through the DC components present in the components I, Q to their voltage limit given by a reference voltage, only the alternating components caused by a drop are amplified.
  • the evaluation unit 50 comprises a modulation value determination unit 51 and a detection filter unit 52.
  • these subunits of the evaluation unit 50 are part of the control unit 60.
  • the modulation value determination unit 51 the digitized signal components I, Q are processed mathematically and in amplitude and phase information transformed, for example by means of a polar coordinate transformation.
  • the detection filter unit 52 can be formed, for example, as a parameterizable software filter with which it is determined on the basis of the acquired information whether a drop has passed the gap ZR between the first optical waveguide L1 and the second optical waveguide L2. Before the system 1 1 a begins its regular operation, it must be set by two separately running initialization operations.
  • all hardware modules must be set to an optimum operating point for detection. These settings include the determination of the operating point of the light sensor 32 by the carrier signal duty cycle, the frequency Tuning of the carrier signal TS to the filter characteristic of the bandpass filter 42, the adjustment of the phase position of the mixer signals PWM_1 ... PWM_4 in relation to the carrier signal for accurate sideband selection, the determination of the optimum gain of the transimpedance amplifier 41 and the signal matching of the I and Q signals for the AD converter of the inputs 53, 54 through the ADC preamplifiers 44, 45.
  • all parameters of the detection filter unit 52 based on the expected target drops TR, must be adjusted.
  • Both hardware and filter settings can be set manually or through automatic training processes. These settings are needed for the modulation value extraction as well as the signal evaluation regarding the recognition of a drop TR.
  • the quadrature demodulator 43 comprises a transformer 431, a switch unit 432 with switches 432a, 432b, 432c, 432d connected in parallel, an integrator unit 433 with the parallel-connected switches 432a, 432b, 432c, 432d respectively downstream integrators 433a, 433b, 433c, 433d and a first and a second differential amplifier 434a, 434b, which are each electrically connected to two integrators.
  • the quadrature demodulator 43 acts as a single-sideband mixer and sets the modulated electrical measurement signal EMS back into the baseband.
  • the sideband used for the demodulation is determined by an appropriate choice of the phase position of the modulated measuring signal EMS with respect to four control signals PWM_1, PWM_4, which control the switches 432a, 432b, 432c, 432d of the mixer 43, via the differential amplifiers 434a, 434b, which control the Integrators 433a, 433b, 433c, 433d are selected.
  • the output signals of the differential amplifiers 434a, 434b are InPhase signals I and quadrature signals Q, from which a modulation signal MOD can be derived, which is correlated with the disturbance of the carrier signal TS by a drop TR of a metering valve.
  • the mixer unit 43 functions as follows: A measurement signal EMS is transmitted from the transmitter 431 to the input of the mixer unit 43.
  • the transformer 431 serves to match the power between different components as well as the signal balancing and removal of existing DC components.
  • the Mixer 43 a resistor R, which is connected in series to the output of the transformer and together with the integrators 433a, 433b, 433c, 433d forms a filter.
  • the switches 432a, 432b, 432c, 432d are acted upon by the signal generation unit 23 with control signals PWM_1, PWM_4, which in each case for a quarter of the period T PW M or a quarter wave of the carrier signal TS one of the switches 432a, 432b, 432c, 432d through.
  • the control signals PWM_1, PWM_4 are thus synchronized with the carrier signal TS. If one of the switches 432a, 432b, 432c, 432d is closed, the measuring signal EMS for the time interval in which the respective switch 432a, 432b, 432c, 432d is closed, from the associated integrator 433a, 433b, 433c, 433d to a Average value integrated.
  • the integrators 433a, 433b, 433c, 433d may, for example, comprise capacitors connected in parallel and produce average values of the sections of the modulated electrical measurement signal EMS assigned to the individual quarter-waves of the carrier signal TS.
  • An average value integrated in the first quarter wave is applied to the positive input of the first differentiator 434a marked "+”
  • an average value integrated in the third quarter wave is applied to the negative input of the first differentiator 434a marked "-”.
  • An integrated average value in the second quarter wave lies at the positive input of the second differentiator 434b and an integrated average value in the fourth quarter wave is applied to the negative input of the second differentiator 434b.
  • An in-phase signal I in the baseband is generated at the output of the first differentiator 434a, and a quadrature signal Q in the baseband is generated at the output of the second differentiator. Details on the operation of such mixing units are described in US 6,230,000 B1. 5 shows an external view (of a housing) of a control device 60 with which the activation of individual units of a drop detection device 11, 11a, the evaluation of measurement signals, the monitoring of the functionality of individual units and the setting and tuning of individual system parameters are performed can.
  • This housing houses all the electronics. This applies in principle to the overall drop detection system, including the optoelectronic signal converter (receiver photodiode 32, and transmit LED 31).
  • the data bus connection DB is intended in the future to serve inter alia for communication with the valve control unit this data bus connection DB the current status of the drop detection or statistics on the past dosing processes (number of detected errors and when they have occurred) are transmitted to them.
  • Another possible application for this data bus connection DB is that the drop detection could request the valve control unit via this bus to intentionally cause false doses in order to check the correct function of the drop detection. Drop detection would then have to detect these intentional false doses safely.
  • Part of the control device 60 is also a communication interface I / O, with which trigger signals are received by the valve control unit 70 and output via the information regarding the system status of the drop detection device and the dosing status.
  • control device 60 comprises a serial interface Sl, which serves as a connection to a superordinate process control computer 80.
  • the process control computer 80 can control the drop detection via the serial interface S1 and / or query status reports on the past dosings.
  • the control device 60 has an input RX, which serves as a connection of the receiving optical waveguide L2 to the photoelement. At the input RX, therefore, the reception optical fiber L2 is connected.
  • An output TX serves as a connection of the transmitting optical waveguide L1 to the transmitting light-emitting diode 31. At the output TX so the transmitting optical fiber L1 is connected.
  • Another input U s is used to supply voltage to the control device 60.
  • An additional input PGM can be used as a programming socket for firmware transmission.
  • the control device 60 comprises a display 55 and a plurality of indicator lights 56, ..., 59.
  • a first indicator light 56 is used to display various system errors.
  • a second indicator light 57 is used to display a system status or activity of the system. This status may, for example, concern the fact that an optical fiber L1, L2 is not properly connected, damaged, too long or dirty.
  • a third indicator light 58 may include a message that a drop of correct dosage has been detected.
  • a fourth warning light 59 may include a message that an error has occurred in the metering, that, for example, no drop was detected or the detected drop has too great a deviation from a target drop.
  • the control device 60 also comprises two pressure switches S1, S2 for tuning individual units of a droplet detection device.
  • a first training mode a "hardware training mode”
  • a “hardware training mode” is switched on, in which, for example, the setting of a pulse width of the carrier signal TS is optimal Brightness of the light emitting unit 31 with respect to the light reaching the light sensor unit, a light beam formed on the basis of the carrier signal TS is achieved, the setting of a frequency of the pulsed carrier signal TS, so that the two sidebands of the modulated signal EMS can pass through the sensor device downstream filter unit 42 , adjusting the phase position of the carrier signal TS via the signal PWM_5 in relation to the control signals PWM_1,..., PWM_4, with which the mixer unit 43 associated with the demodulation unit is driven, and adjusting the voltage adjustment amplifier units 44 and 45 and the Amplifier unit 41, wel che acts as a transimpedance amplifier takes place.
  • This hardware training mode is z. B. carried out at a first commissioning of the droplet detection means or when hardware
  • a second training mode By pressing the other switch S2 for a defined period of time (also for example 2 s), a second training mode, a "software training mode", is switched on, in which, for example, the detection filter unit 52 and the modulation value determination unit 51 of the evaluation unit 50 In this case, the relative permissible fluctuation ranges of the comparison values in relation to the reference values, the acquisition time windows of the values relevant for the detection filter unit 52 and the absolute value ranges of the reference values are determined a new test series is pending, ie another type of drop is to be detected.
  • FIG. 6 shows a flowchart with which a method 500 for detecting a drop of a metering valve DV is illustrated.
  • a pulsed carrier signal TS is generated with a defined pulse frequency or carrier frequency and a defined duty cycle.
  • a modulated measurement signal MS is generated by a physical interaction of the carrier signal TS with a droplet TR to be detected, which was delivered by the metering valve DV.
  • the carrier signal TS is converted by a light emission unit into a light signal LS.
  • the light beam LS pulsed with a carrier frequency is coupled into a first optical waveguide L1.
  • the pulsed light beam LS is emitted by the first optical fiber L1 at step 6.11c so as to pass a gap ZR between the first optical fiber L1 and a second optical fiber L2, a trajectory of the drop TR passing through the gap ZR between the first optical fiber L1 first optical waveguide L1 and the second optical waveguide L2 extends, crosses and then - possibly a modulated light signal MS comprising - is coupled into the second optical waveguide L2.
  • the light beam LS possibly comprising a modulated light signal MS is converted by a light conversion unit, for example a light sensor, into a possibly modulated electrical measurement signal EMS.
  • a modulation signal MOD is determined on the basis of the possibly modulated electrical measurement signal EMS.
  • the modulation signal MOD corresponds to the information which is impressed on the light beam LS in the event of a collision of a droplet TR with the light beam LS.
  • step 6.1V it is determined on the basis of the modulation signal MOD whether a drop TR has been delivered by the metering valve DV.
  • FIG. 7 shows the functional principle 700 of the modulation value determination unit 51 of an evaluation unit 50 shown in FIG. 3 in detail.
  • the modulation value determining unit 51 detects in-phase and quadrature components I, Q from the AD converters of the evaluation unit 50 connected downstream of the inputs 53, 54 of the control unit 60.
  • the sampling of the in-phase Signal I and the quadrature signal Q takes place continuously.
  • the two values I, Q are preferably obtained absolutely at the same time.
  • the values I, Q pass through a median filter prior to their further processing in order to remove extreme values caused by interference radiation, ADC conversion errors, etc.
  • step 7.II the signal components I, Q are converted by means of a polar coordinate transformation into a signal MOD (A, ⁇ ), which comprises information relating to the amplitude A and the phase ⁇ of the modulation signal MOD.
  • a signal MOD A, ⁇
  • the amplitude A is as follows:
  • I and Q correspond to the amplitudes of the in-phase and quadrature components I, Q of the demodulated signal or of the modulation signal MOD.
  • the amplitude A and the phase ⁇ are like the signal components I and Q time-dependent quantities. Due to the high sampling rate and the associated fast value extraction, the calculations according to Equations 1 and 2 are calculated using look-up tables with linear inter-value interpolation.
  • step 7. II a time derivative of the amplitude A and the phase ⁇ of the modulation signal MOD (A, ⁇ ) takes place.
  • step 7.1V derivative values dA / dt, dcp / dt are considered in a predetermined time interval I T and a predetermined number of maximum values max (dA / dt), max (dcp / dt) of the derivative values dA dt, dcp / dt, For example, the largest 10 values are selected in the predetermined time interval I T.
  • the predetermined time interval I T may be set in advance at the initialization of the drop detection means or during the detection filter training.
  • modulation values A M , ⁇ for the amplitude A and the phase ⁇ are formed as a sum over the predetermined number of maximum values.
  • FIG. 8 illustrates the functional principle 800 of the detection filter unit 52 of the evaluation unit 50 shown in FIG. 3 in detail.
  • modulation values A M , ⁇ for the amplitude A and the phase cp which are also known as comparison values, are determined by the modulation value determination unit 51 according to the method illustrated in FIG. 7.
  • these comparison values A M , cp M are stored in an electronic memory.
  • the stored comparison values are used for the reference value calculation.
  • Reference values RW A , RW ⁇ p for the amplitude A and the phase ⁇ are determined.
  • These reference values RW A , RW ⁇ p can be, for example, mean values from older amplitude and phase values, ie comparison values which were obtained, for example, in an earlier detection of drops.
  • step 8. IV a deviation AW of the modulation values A M , ⁇ for the amplitude A and the phase ⁇ of the modulation value determination unit 51 determined by the modulation value determination unit 51 is determined the reference values RW A , RW ⁇ p. Subsequently, in step 8.V, a comparison is made between the deviation AW determined in each case and a maximum permitted relative deviation upward AW_Oben, or downward AW_Unten. If the deviation is too large, which is marked with "j" in FIG.
  • step 8.VI a faulty drop has been determined
  • the measure of the permitted deviation AW_Oben or AWJJnten is based on one or more desired values
  • a creeping error for example the phenomenon that the size of the droplets TR to be detected changes during a frequently repeated delivery of droplets TR from a metering valve DV
  • the value of the drops is also slowly changing, it is also possible to monitor the reference values RW A , RW ⁇ p, that is to say the average values over the modulation values A M , (M) of past drops the reference values RW A , RW ⁇ p for amplitude A and phase ⁇ are within a predetermined absolute value interval ARI, PRI If the reference values RW A , RW ⁇ p do not are in the predetermined value interval ARI, PRI, which is marked in Figure 8 with "n", so in step 8.VII I issued a message that now there is a sequence of erroneous drops.
  • the devices described in detail above are only exemplary embodiments which can be modified by the person skilled in many different ways without departing from the scope of the invention.
  • the use of the indefinite article “on” or “one” does not exclude that the characteristics in question may also be present multiple times.
  • the term “unit” should also include components which consist of a plurality of subunits, which may also be spatially separate, and the term “unit” may also mean a logical unit of thought, so that one and the same hardware component has several of these logical units. can take. This applies, for example, in particular to the demodulation unit 40 and possibly also to the signal generation unit 20 and the evaluation unit 50.

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Abstract

Es wird eine Tropfendetektionseinrichtung (11, 11a) zur Detektion von aus einem Dosierventil (DV) austretenden, sich entlang einer Trajektorie bewegenden Tropfen (TR) beschrieben. Die Tropfendetektionseinrichtung (11, 11a) umfasst eine Lichtwellenleiteranordnung (L) mit einem ersten Lichtwellenleiter (L1) und einem zweiten Lichtwellenleiter (L2). Der erste Lichtwellenleiter (L1) und der zweite Lichtwellenleiter (L2) sind einander gegenüberliegend an einem Zwischenraum, durch den die Trajektorie des Tropfens (TR) verläuft, derart angeordnet, dass ein von dem ersten Lichtwellenleiter (L1) ausgesandter Lichtstrahl (LS) die Trajektorie(T)des Tropfens (TR) kreuzt und anschließend in den zweiten Lichtwellenleiter (L2) eingekoppelt wird. Zudem umfasst die Tropfendetektionseinrichtung (11, 11a) eine Lichtsignalerzeugungseinrichtung (70), um einenmit einer Trägerfrequenz gepulsten Lichtstrahl (LS) in den ersten Lichtwellenleiter (L1) einzukoppeln. Darüber hinaus weist die Tropfendetektionseinrichtung (11, 11a) aucheine Lichtauswertungseinrichtung (80) aus, um den in den zweiten Lichtwellenleiter (L2) eingekoppelten Lichtstrahl (LS) auszuwerten, um zu ermitteln,ob ein Tropfen (TR) von dem Dosierventil (DV) abgegeben wurde. Es wird auch ein Verfahren (500) zum Detektieren eines Tropfens (TR) beschrieben.

Description

Lichtleiteranordnung zur optischen Tropfendetektion Die Erfindung betrifft eine Tropfendetektionseinrichtung zur Detektion von aus einer Düse eines Dosierventils austretenden, sich entlang einer Trajektorie bewegenden Tropfen. Überdies betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Detektieren eines Tropfens, welcher aus einem Dosierventil, vorzugsweise einem Mikrodosierventil, austritt. Bei dem Aufbringen und Dosieren von dünnflüssigen oder pastösen Medien, beispielsweise Klebstoffen, kommen Dosierventile zum Einsatz. Ein Dosierventil umfasst an der Stelle des Austritts des zu dosierenden Mediums eine Düse. Bei herkömmlichen Nadelventilen wird zum Dosieren einer definierten Medienmenge die Öffnung des Dosierventils freigegeben, indem die Dosiernadel aus dem Ventilsitz etwas herausgezogen wird. Dabei kann das Medium, beispielsweise unter Vordruck getrieben, die Düsenöffnung bzw. Ventilöffnung durchströmen. Wenn der Befüllvorgang oder der Dosiervorgang abgeschlossen werden soll, wird die Düse des Dosierventils geschlossen.
Insbesondere basierend auf der Piezodosierventiltechnik, lassen sich auch sogenannte Jet-Ventile aufbauen. Hierbei erfolgt die Abgabe von Medienmengen durch die Hin-und- Herbewegung der Dosiernadel bzw. eines Ventilstößels, wobei eine Medienmenge bei einer Bewegung der Dosiernadel bzw. des Ventilstößels in Richtung der Düsenöffnung aus dieser strahlartig herausgestoßen wird. Dies erlaubt ein Aufbringen von definierten Mengen des Dosiermediums auch über größere Distanzen zwischen Dosierventil und Auftragsfläche, z. B. auf einem zu bearbeitenden Bauteil. Die Dosierabstände können dabei je nach Einsatzgebiet zwischen einem halben Millimeter und wenigen Millimetern variieren. Jet-Ventile ermöglichen eine sehr feine Dosierung mit hoher Geschwindigkeit bei vollständiger Kontaktlosigkeit zu dem zu bearbeitenden Bauteil. Um die Abgabe einzelner Tropfen kontrollieren zu können, sind Sensoren zur Detektion der Tropfen und ent- sprechende Auswertungsprozesse nötig.
Bei der optischen Detektion von Tropfen, welche insbesondere zuvor durch ein Jet-Ventil erzeugt wurden, treten folgende Schwierigkeiten auf: Zunächst einmal soll zwischen dem Dosierventil und einer mit dem Tropfen beaufschlagten Oberfläche eines zu bearbeiten- den Bauelements ein möglichst geringer Abstand eingehalten werden. Dieser Abstand kann je nach Anwendungsfall zwischen 0,5 mm und 3 mm variieren. Durch diese Vorgabe wird die mögliche Bauhöhe eines Tropfensensors stark eingeschränkt. Weiterhin sind die zu detektierenden Tropfen mit Durchmessern von manchmal weniger als 10 μηη sehr klein. Ferner ist die Geschwindigkeit der Tropfen mit bis zu 50 m/s sehr hoch, wodurch sich eine extrem kurze Durchflugszeit durch einen von einem detektierenden Sensor überwachten Bereich von einigen Mikrosekunden ergibt. Die geringe Größe und hohe Geschwindigkeit des Tropfens bedingen ein schwaches Sensorsignal mit geringen Signalamplituden und einem ungünstigen Signal-Rausch-Verhältnis, was eine störungssichere optische Detektion eines Tropfens sehr erschwert. Versucht man einen optoelektronischen Sensor, wie zum Beispiel einen Fotodetektor, nahe an der Düse des Ventils anzubringen, um ein möglichst starkes optisches und damit nach der Wandlung elektrisches Signal zu erhalten, so kommt man mit den geringen Abmessungen des Systems in Konflikt. Beispielsweise ist es aufgrund des geringen Platzangebots kaum möglich, die gesamte Auswerteelektronik direkt am Sensor zu positionieren. Wird die Auswerteelektronik jedoch entfernt von der Sensorik angeordnet, so besteht das Problem, dass das erfasste elektrische analoge Signal zu der Auswerteelektronik störungssicher übertragen werden muss. Bei der sensoriellen Messung von Tropfen können Störungen von elektromagnetischen Wellen herrühren. Basieren die Sensoren zum Beispiel auf der Lichtsensorik, so können Störungen durch unerwünschte Lichtquellen bewirkt werden. Die Störungen können zum Beispiel aufgrund von Tageslicht oder Licht von irgendwelchen Beleuchtungseinrichtungen auftreten.
In US 2002 / 0 089 561 A1 wird eine Apparatur zur Detektion von Tropfen eines Druckersystems beschrieben, wobei Licht über Lichtleiter geleitet wird und eine Trajektorie eines Tropfens kreuzt. Die Intensität des Lichts wird durch den fallenden Tropfen kurzzeitig reduziert. Diese Intensitätsänderung in Abhängigkeit von der Zeit wird mit Hilfe von Senso- ren erfasst und zur Detektion der Tropfen genutzt. Allerdings ist die Detektion anfällig gegenüber äußeren Störungen, wie zum Beispiel Streulicht, so dass eine zuverlässige Trop- fendetektion nicht immer gewährleistet ist.
In US 4 255 754 A wird eine Überwachung der Flugbahn von Tintentropfen eines Tinten- strahldruckers beschrieben. Zur Überwachung wird Licht über einen Lichtleiter synchronisiert mit der Frequenz der Tropfenerzeugung in Richtung der Flugbahn eines Tintentropfens emittiert und mit Hilfe von zwei Lichtleitern erfasst. Eine Abweichung des Tintentropfens von einer vorbestimmten Flugbahn wird in Abhängigkeit von einer Differenz einer Abschattung des Lichts, welches mit Hilfe der beiden Lichtleiter erfasst wird, ermittelt. Auch bei dieser Vorgehensweise kann es zu Störungen aufgrund von Streulicht kommen. Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Sensoranordnung für Dosierventile zu entwickeln, die eine möglichst störungsfreie Tropfendetektion ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch eine Tropfendetektionseinrichtung nach Anspruch 1 sowie ein Verfahren zum Detektieren eines Tropfens gemäß Patentanspruch 9 gelöst.
Eine erfindungsgemäße Tropfendetektionseinrichtung zur Detektion von aus einer Düse eines Dosierventils austretenden, sich entlang einer Trajektorie bewegenden Tropfen weist eine Lichtwellenleiteranordnung auf. Die Lichtwellenleiteranordnung umfasst einen ersten Lichtwellenleiter und einen zweiten Lichtwellenleiter. Diese sind einander gegenüberliegend an einem Zwischenraum, der die Trajektorie des Tropfens umfasst, derart angeordnet, dass ein von dem ersten Lichtwellenleiter ausgesandter Lichtstrahl die Trajektorie des Tropfens kreuzt und anschließend in den zweiten Lichtwellenleiter eingekoppelt wird. Weiterhin weist die erfindungsgemäße Tropfendetektionseinrichtung eine Lichtsignalerzeugungseinrichtung auf, welche dazu eingerichtet ist, einen mit einer Trägerfrequenz gepulsten Lichtstrahl in den ersten Lichtwellenleiter einzukoppeln. Als mit einer Trägerfrequenz gepulster Lichtstrahl soll ein gepulstes Lichtsignal verstanden werden, welches sich mit konstanten charakteristischen Parametern (z. B. Frequenz, also der Trägerfrequenz oder auch Pulsfrequenz genannt, Amplitude) periodisch ändert, z. B. in einem bestimmten Rhythmus an- und abgeschaltet wird. Das Signal trägt zunächst im unmodulierten Zustand außer den konstanten charakteristischen Parametern keine Information mit sich. Die zu übertragende Information erhält es erst durch die Modulation, welche durch irgendeine Art von physikalischer Wechselwirkung des Trägersignals mit einer Informationsquelle realisiert sein kann. Beispielsweise kann ein Trägersignal mit Hilfe ei- nes Modulationssignals moduliert werden oder durch eine sonstige physikalische Störung beeinflusst werden, z. B. einen zu detektierenden Tropfen. Als Modulation soll in diesem Zusammenhang eine Änderung des Trägersignals bezüglich einer oder mehrerer seiner Parameter, wie zum Beispiel der Amplitude, der Frequenz oder der Phase, verstanden werden. Die Pulsfrequenz bzw. Trägerfrequenz sollte höher als die Frequenz der Modula- tion sein bzw. die Wellenlänge sollte kürzer sein als eine durch einen Tropfen verursachte „Störung" des Signals.
Die Tropfendetektionseinrichtung umfasst auch eine Lichtauswertungseinrichtung, welche dazu eingerichtet ist, den in den zweiten Lichtwellenleiter eingekoppelten Lichtstrahl aus- zuwerten, um zu ermitteln, ob ein Tropfen von dem Dosierventil abgegeben wurde. Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Detektieren eines Tropfens, welcher aus einem Dosierventil austritt, wird von einem ersten Lichtwellenleiter ein mit einer Trägerfrequenz gepulster Lichtstrahl derart emittiert, dass er einen Zwischenraum zwischen dem ersten Lichtwellenleiter und einem zweiten Lichtwellenleiter durchläuft, eine Trajektorie des Tropfens, welche durch den Zwischenraum zwischen dem ersten Lichtwellenleiter und dem zweiten Lichtwellenleiter verläuft, kreuzt und anschließend in den zweiten Lichtwellenleiter eingekoppelt wird. Vorzugsweise wird der in den zweiten Lichtwellenleiter eingekoppelte gepulste Lichtstrahl ausgewertet, um zu ermitteln, ob ein Tropfen von dem Dosierventil abgegeben wurde. Durch die Verwendung eines gepulsten Lichtstrahls und dessen Auswertung dahingehend, inwieweit eine„Modulation" durch einen Tropfen erfolgt ist, ist eine relativ sichere Detektion von Tropfen möglich, ohne dass eine relevante Beeinflussung durch Streulicht oder dergleichen erfolgt. Weitere besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung, wobei die Patentansprüche einer bestimmten Kategorie auch gemäß den abhängigen Ansprüchen einer anderen Kategorie weitergebildet sein können und Merkmale verschiedener Ausführungsbeispiele zu neuen Ausführungsbeispielen kombiniert werden können.
In einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Tropfendetektionseinrichtung weist der erste Lichtwellenleiter ein erstes und ein zweites Ende auf. Dabei ist das erste Ende des ersten Lichtwellenleiters mit einer Lichtemissionseinrichtung der Lichtsignalerzeugungs- einrichtung gekoppelt. Das zweite Ende des ersten Lichtwellenleiters bildet ein Emissions- fenster zu dem zu überwachenden Zwischenraum. Auch der zweite Lichtwellenleiter weist ein erstes und ein zweites Ende auf, wobei das erste Ende des zweiten Lichtwellenleiters ein Detektionsfenster zu dem zu überwachenden Zwischenraum bildet und das zweite Ende des zweiten Lichtwellenleiters mit einer Sensoreinrichtung der Lichtauswertungseinrichtung gekoppelt ist. Das Emissionsfenster des ersten Lichtwellenleiters und das Detek- tionsfenster des zweiten Lichtwellenleiters können im einfachsten Fall durch die Stirnflächen der mit herkömmlichen Schneidemitteln für Glasfaser abgeschnittenen Enden gebildet werden. Hierfür können die Faserenden mit einem dafür vorgesehenen Schneidmittel abgeschnitten und anschließend eventuell noch ein wenig poliert werden. Die Emissionsfenster der Lichtwellenleiter lassen sich also mit geringem Aufwand herstellen. Es werden dafür keinerlei zusätzliche Optiken benötigt. Ist ein solches Emissionsfenster beschädigt oder verschmutzt, so lässt sich der Schaden leicht beheben, indem ein Stück des Licht- Wellenleiters abgeschnitten und anschließend eventuell noch poliert wird. Dabei ist darauf zu achten, dass die Fensterflächen bzw. die Kanten der Enden der Lichtwellenleiter möglichst plan sind und senkrecht zur Längsachse der Lichtwellenleiter orientiert sind. In der bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Tropfendetektionseinrichtung sind der erste und der zweite Lichtwellenleiter derart an dem Dosierventil angeordnet, dass der gepulste Lichtstrahl aus dem ersten Lichtwellenleiter direkt auf einen eventuell von dem Dosierventil abgegebenen Tropfen trifft, von dem Tropfen auf irgendeine Art physikalisch beeinflusst, vorzugsweise moduliert wird und direkt in den zweiten Lichtwel- lenleiter eingekoppelt wird.„Direkt" heißt in diesem Zusammenhang, dass vorzugsweise vor dem Emissionsfenster des ersten Lichtleiters bzw. vor dem Detektionsfenster des zweiten Lichtleiters keine Sekundäroptik, wie Linsensysteme oder dergleichen, genutzt werden. Der erste und der zweite Lichtwellenleiter sind beispielsweise einander direkt gegenüberliegend und miteinander fluchtend angeordnet. Dabei sind das Emissionsfens- ter des ersten Lichtwellenleiters und das Detektionsfenster des zweiten Lichtwellenleiters einander zugewandt, so dass ein von dem Emissionsfenster des ersten Lichtwellenleiters abgegebener Lichtstrahl auf das Detektionsfenster des zweiten Lichtwellenleiters fällt. Weiterhin liegen die beiden Lichtwellenleiter sowie eine Trajektorie eines eventuell von dem Dosierventil abgegebenen Tropfens bevorzugt in einer Ebene, so dass ein von dem ersten Lichtwellenleiter abgegebener Lichtstrahl den Tropfen trifft, von diesem moduliert wird und anschließend auf das Detektionsfenster des zweiten Lichtwellenleiters fällt, von dem er in den zweiten Lichtwellenleiter eingekoppelt wird. Beispielsweise wird der von einem Tropfen möglicherweise beeinflusste, d. h. modulierte Lichtstrahl nach dem Ein- koppeln in den zweiten Lichtwellenleiter von diesem zu einer Sensoreinrichtung weiterge- führt, mit der der möglicherweise modulierte Lichtstrahl zur Auswertung zunächst in ein moduliertes elektrisches Signal gewandelt wird.
Der erste Lichtwellenleiter und der zweite Lichtwellenleiter der erfindungsgemäßen Tropfendetektionseinrichtung können zum Beispiel Kunststoff-Fasern umfassen. Vorzugsweise umfassen die Lichtwellenleiter POF-Wellenleiter (POF = Plastic Optical Fibre = polymere optische Faser).
In einer besonders effektiven Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Tropfendetektionseinrichtung weisen der erste Lichtwellenleiter und der zweite Lichtwellenleiter einen Kern- durchmesser in einem Bereich von 0,1 mm bis 3 mm, bevorzugt von 0,5 mm bis 1 ,5 mm, noch bevorzugter von 0,9 bis 1 ,1 mm auf. In einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Tropfendetektionseinrichtung sind die Lichtwellenleiter derart relativ zu dem Dosierventil positioniert, dass in Abhängigkeit vom jeweiligen Dosierprozess, insbesondere in Abhängigkeit von einer zu erwartenden Trop- fengröße, eine definierte effektive Querschnittsfläche des ersten und/oder zweiten Lichtwellenleiters gewählt ist. Unter effektiver Querschnittsfläche eines Lichtwellenleiters ist der Teil der Querschnittsfläche des Lichtwellenleiters zu verstehen, welcher für die Detek- tion des Tropfens bzw. die Emission eines Lichtstrahls zur Verfügung steht. Beispielsweise kann ein Teil des Lichtleiterquerschnitts von einer Düseneinstellmutter des Dosierven- tils verdeckt sein, so dass er nicht zur effektiven Querschnittsfläche beiträgt.
Durch die Anpassung der effektiven Querschnittsfläche(n) eines oder beider Lichtwellenleiter an den jeweiligen Dosierprozess bzw. die zu erwartende Tropfengröße kann insbesondere das Signal-zu-Rauschen-Verhältnis optimiert werden oder eine maximale Durch- flugszeit des Tropfens erzielt werden.
Beispielsweise kann die effektive Fläche der Lichtwellenleiter die gesamte Fläche der Lichtwellenleiterfläche umfassen. D. h., die Lichtwellenleiter werden relativ zu dem Dosierventil derart positioniert, dass kein Teil der Querschnittsfläche der Lichtwellenleiter etwa von der Düseneinstellmutter des Dosierventils verdeckt wird. Dabei wird also die gesamte aktive Höhe der Lichtwellenleiter ausgenutzt. Damit verbunden ist eine maximale Durchflugszeit des Tropfens durch die Modulationseinheit. Dies wirkt sich für die Tropen- detektion günstig aus, da mehr Signalabtastwerte gewonnen werden können. Sinnvollerweise sollte möglichst viel von dem durch den Tropfen modulierten Licht in den zweiten Lichtwellenleiter eingekoppelt werden, so dass der Wert der Amplitude des von der Sen- sorik erfassten Messsignals möglichst groß ist und ein hinreichendes Signal-zuRauschen-Verhältnis erzielt wird. In einer alternativen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Tropfendetektionseinrichtung umfasst die effektive Fläche der Lichtwellenleiter nur die Hälfte der gesamten Fläche der Lichtwellenleiterfläche. D. h., die Lichtwellenleiter werden relativ zu dem Dosierventil derart positioniert, dass die obere Hälfte der Querschnittsfläche der Lichtwellenleiter etwa von der Düseneinstellmutter des Dosierventils verdeckt wird. Dabei wird also nur noch die halbe Höhe der Lichtwellenleiter zur Detektion ausgenutzt. Damit verbunden ist auch eine gegenüber der Nutzung der gesamten Höhe nur noch halb so lange Durchflugszeit des Tropfens. Eine solche Anordnung stellt meist einen guten Kompromiss zwischen einer möglichst langen Durchflugszeit des Tropfens und dem benötigten Bauraum und damit dem sich ergebenden Minimalabstand des Do- sierventils zu dem zu bearbeitenden Werkstück dar. Zur Einstellung der gewünschten effektiven Lichtleiterfläche können Distanzscheiben zwischen einer Lichtwellenleiterhalte- rung und dem Dosierventil angebracht werden. In einer anderen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Tropfendetektionseinrichtung umfasst die effektive Fläche der Lichtwellenleiter nur einen Bruchteil der gesamten Lichtwellenleiterfläche. D. h., die genutzte Lichtwellenleiterfläche umfasst nur einen Bruchteil der gesamten Lichtwellenleiterfläche. Eine solche Anordnung kann beispielsweise bei sehr kleinen Tropfen vorteilhaft sein, da ein günstigeres Verhältnis zwischen aktiver und durch den Tropfen abgeschatteter Fläche besteht. Damit ergibt sich eine stärkere Signalamplitude des Modulationssignals, was zu einem verbesserten Signal-Rausch- Verhältnis beiträgt.
Besonders bevorzugt ist es, wenn die Lichtemissionseinrichtung der erfindungsgemäßen Tropfendetektionseinrichtung dazu eingerichtet ist, ein gepulstes elektrisches Signal in eine Lichtwelle zu wandeln, ohne die Trägerfrequenz und Phase des gepulsten Signals in relevantem Ausmaß zu ändern. Da bei der Auswertung des detektierten Signals bevorzugt auch die Phasenlage des gepulsten Signals berücksichtigt wird, würde eine stärkere Änderung der Phase des gepulsten Signals bei der Emission des Lichtstrahls durch die Lichtemissionseinrichtung die Auswertung des detektierten Signals beeinflussen. Die optische Strecke, d. h. speziell die Signalwandlung des Signals vom elektrischen Signal in ein Lichtsignal und wieder zurück in ein elektrisches Signal zwischen Lichtemissionseinrichtung und Sensoreinrichtung bewirkt eine gewisse Phasenverschiebung. Diese ist jedoch in Relation zu den vorzugsweise verwendeten Trägerfrequenzen eher gering. Weiterhin wird vorab, d. h. vor der eigentlichen Tropfendetektion eine Trainingsphase durchgeführt, in der der perfekte Phasenversatz zwischen dem Trägersignal und den Steuersignalen der Demodulationseinheit zur Seitenbandselektion eingestellt wird. Hierbei kann ein leichter Phasenversatz, der aus der elektrooptischen Signalwandlung resultiert, mitberücksichtigt werden.
In einer Variante der erfindungsgemäßen Tropfendetektionseinrichtung ist die Lichtsig- nalerzeugungseinrichtung so ausgebildet, dass die Helligkeit des gepulsten Lichtstrahls durch die Wahl der Größe des Parameterwerts der Pulsweite der Lichtpulse des gepulsten Lichtstrahls eingestellt wird. Wird zum Beispiel ein Tastverhältnis mit einer vergleichs- weise kleinen Pulsweite bzw. kurzen Impulsdauer relativ zur Periodendauer des Signals bzw. des gepulsten Lichtstrahls gewählt, so ist die Helligkeit des gepulsten Lichtstrahls herabgesetzt. Umgekehrt kann durch ein Tastverhältnis mit einer vergleichsweise großen Pulsweite bzw. langen Impulsdauer relativ zur Periodendauer des Signals bzw. des gepulsten Lichtstrahls die Helligkeit des gepulsten Lichtstrahls erhöht werden. Eine einzustellende optimale Helligkeit bezieht sich auf das den optoelektronischen Sensor, d. h. die Photodiode erreichende Restlicht, also das Licht, welches nach der gesamten optischen Strecke noch übrig bleibt und auf die Photodiode trifft.
Die Intensität des emittierten Lichts und damit auch des empfangenen Restlichts muss so gewählt werden, dass der Sensor in diesem Betriebspunkt seine maximale Empfindlich- keit besitzt. Die Empfindlichkeit bezieht sich dabei darauf, dass aus einer leichten Schwankung der Lichtintensität eine maximal mögliche Schwankung des Ausgangsstroms der Photodiode resultiert. Die Einstellung sollte bei Tausch der Lichtwellenleiter angepasst werden. Die erfindungsgemäße Tropfendetektionseinrichtung weist vorzugsweise eine Signalerzeugungseinheit auf, die bevorzugt Teil der Lichtsignalerzeugungseinrichtung sein kann. Diese Signalerzeugungseinrichtung ist bevorzugt dazu eingerichtet, ein elektrisches Trägersignal mit einer definierten Pulsfrequenz bzw. Trägerfrequenz zu erzeugen. Auf Basis dieses elektrischen Trägersignals wird dann der gepulste Lichtstrahl erzeugt.
Überdies weist die erfindungsgemäße Tropfendetektionseinrichtung bevorzugt eine Auswertungseinheit auf, welche Teil der Lichtauswertungseinrichtung sein kann. Die Auswertungseinheit ist dazu eingerichtet, auf Basis des modulierten Messsignals unter Berücksichtigung der definierten Pulsfrequenz bzw. Trägerfrequenz zu ermitteln, ob ein Tropfen von dem Dosierventil abgegeben wurde. Vorzugsweise kann hierzu in einer Demodulati- onseinheit, welche zum Beispiel Teil der Auswertungseinheit sein kann, unter Berücksichtigung der definierten Pulsfrequenz bzw. Trägerfrequenz ein Modulationssignal auf Basis des modulierten Signals ermittelt werden, und auf Basis des Modulationssignals wird dann ermittelt, ob ein Tropfen von dem Dosierventil abgegeben wurde. Als Modulations- signal soll in diesem Zusammenhang ein der Modulation des Trägersignals durch den Tropfen entsprechendes Signal verstanden werden, das durch Demodulation von dem Trägersignal wieder„getrennt" werden kann.
Bestimmte Signalparameterwerte des modulierten Messsignals bzw. des Modulationssig- nals, wie zum Beispiel der Verlauf der Kurve der zeitlichen Abhängigkeit von Amplitude und Phase des Modulationssignals, entsprechen bestimmten Eigenschaften bzw. Abmes- sungen eines zu detektierenden Tropfens. Die Beziehung zwischen den genannten Signalparametern und den Eigenschaften bzw. Abmessungen eines zu detektierenden Tropfens müssen für die Detektion nicht unmittelbar bekannt sein. Es reicht aus, wenn vorab, beispielsweise in einem Trainingsverfahren mit Hilfe von„Muster-Tropfen" mit definierten Abmessungen, festgelegt wurde, welche Signalparameterwerte des modulierten Messsignals bzw. des Modulationssignals auf einen Tropfen mit den gewünschten Eigenschaften bzw. Abmessungen (der im Trainingsverfahren genutzten„Muster-Tropfen") hinweisen, d. h. wann ein Tropfen als detektiert gilt. In einer Ausgestaltung der Tropfendetektionseinrichtung wird eine Abgabe eines Tropfens in einem definierten Zeitfenster überprüft, welches mit einer Tropfenabgabesteuerung des Dosierventils synchronisiert ist. Anders ausgedrückt, wird ein Zeitfenster, in dem ein Tropfen detektiert bzw. nach einem Tropfen überhaupt„gesucht" wird oder gegebenenfalls überhaupt ein Trägersignal abgegeben wird, mit einer Tropfenabgabe des Dosierventils so synchronisiert, dass die vorgesehene Tropfenabgabe innerhalb des Zeitfensters liegt.
In einer speziellen Ausgestaltung umfasst die Tropfendetektionseinrichtung eine Demodu- lationseinheit, die dazu eingerichtet ist, eine Amplitudendemodulation des Messsignals durchzuführen.
In einer besonders effektiven Ausgestaltung wird eine Quadraturdemodulation des Messsignals durchgeführt, um eine In-Phase-Komponente und eine Quadratur-Komponente zu ermitteln. Hierzu kann die Demodulationseinheit entsprechend eingerichtet sein. Vorzugsweise können auf Basis der In-Phase-Komponente und der Quadratur- Komponente der Betrag der Amplitude und/oder die Phase eines auf dem modulierten Messsignal basierenden Modulationssignals ermittelt werden. Beispielsweise lassen sich Amplitude und Phase des Modulationssignals durch Polarkoordinatentransformation der In-Phase-Komponente und der Quadratur-Komponente gewinnen. Hierzu kann die Aus- wertungseinheit der Tropfendetektionseinrichtung bevorzugt eine Modulationswertermitt- lungseinheit aufweisen, welche dazu eingerichtet ist.
In einer speziellen Variante der Tropfendetektionseinrichtung ist diese, insbesondere die Modulationswertermittlungseinheit, dazu eingerichtet, Amplituden-Ableitungswerte, um- fassend die zeitliche Ableitung des Betrags der Amplitude, und/oder Phasen- Ableitungswerte, umfassend die zeitliche Ableitung der Phase des Modulationssignals, zu ermitteln.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Tropfendetektionseinrichtung, insbesondere die Modulationswertermittlungseinheit, dazu eingerichtet, in einem vorbestimmten festen Zeit-Intervall des Zeitfensters eine vorbestimmte Anzahl der Amplituden-Ableitungswerte zu Amplituden-Vergleichswerten und/oder in einem vorbestimmten zweiten Zeit-Intervall des Zeitfensters eine vorbestimmte Anzahl der Phasen-Ableitungswerte zu Phasen- Vergleichswerten zu kombinieren. Beispielsweise kann die Kombination der Amplituden- Ableitungswerte und der Phasen-Ableitungswerte eine Summation bzw. Addition mehrerer Amplituden-Ableitungswerte zu Amplituden-Vergleichswerten und eine Summation bzw. Addition mehrerer Phasen-Ableitungswerte zu Phasen-Vergleichswerten umfassen.
Prinzipiell werden die beiden Zeit-Intervalle für die Kombination der Amplituden- Ableitungswerte und die Kombination der Phasen-Ableitungswerte während der Trainingsphase bzw. bei dem oben genannten Trainingsverfahren festgelegt. Dabei werden während des Trainings der Zeit-Intervalle ständig Werte ohne zeitliche Beschränkung gewonnen. Die Zeit-Intervalle werden so festgelegt, dass eine definierte Anzahl von Maximalwerten für die Amplituden-Ableitungswerte und die Phasen-Ableitungswerte in diesen Zeit-Intervallen gewonnen werden können. Die Zeit-Intervalle für die Amplituden- Ableitungswerte und die Phasen-Ableitungswerte werden vorzugsweise unabhängig voneinander festgelegt. D. h., deren Zeitdauer und deren Startzeitpunkt sind voneinander unabhängig. Beispielsweise kann ein Zeit-Intervall so liegen, dass es 50 Messwerte umfasst, sollte die definierte Anzahl von Maximalwerten, zum Beispiel 10, in einem solch großen Bereich liegen. Nach Festlegung auf diesen Bereich, also nach der Trainingsphase, werden dann immer die 10 Maxima aus diesem 50 Messwerte umfassenden Zeit-Intervall ermittelt bzw. gesucht und weiterverwendet.
Auf Basis der Amplituden-Vergleichswerte und/oder der Phasen-Vergleichswerte kann dann bevorzugt ermittelt werden, ob das Modulationssignal einen Tropfen indiziert. Zusätzlich zu der Modulationswertermittlungseinheit umfasst daher die Auswertungseinrichtung der erfindungsgemäßen Tropfendetektionseinrichtung bevorzugt eine Detektionsfil- tereinheit, welche dazu eingerichtet ist, auf Basis der Amplituden-Vergleichswerte und/oder der Phasen-Vergleichswerte zu ermitteln, ob das Modulationssignal einen Tropfen indiziert.
Zur Detektion eines Tropfens kann insbesondere die Detektionsfiltereinheit der Tropfen- detektionseinrichtung dazu eingerichtet sein, eine Abweichung eines, z. B. von der Modu- lationswertermittlungseinheit, ermittelten Amplituden-Vergleichswerts von einem Amplituden-Referenzwert zu ermitteln und/oder eine Abweichung eines, z. B. von der Modulati- onswertermittlungseinheit, ermittelten Phasen-Vergleichswerts von einem Phasen- Referenzwert zu ermitteln. Ein Amplituden-Referenzwert kann zum Beispiel aus einer Mehrzahl von Amplituden-Vergleichswerten von vorher erfassten Modulationssignalen gebildet sein. Ein Phasen-Referenzwert kann zum Beispiel aus einer Mehrzahl von Phasen-Vergleichswerten von vorher erfassten Modulationssignalen gebildet sein. Bei der Bildung der Referenzwerte sollte darauf geachtet werden, dass nur Vergleichswerte, welche als korrekt detektierten Tropfen zugeordnet sind, in die Ermittlung der Referenzwerte eingehen.
In einer speziellen Ausgestaltung kann die Tropfendetektionseinrichtung eine Referenzwert-Speichereinrichtung aufweisen, in der ein Amplituden-Referenzwert, welcher aus einer Mehrzahl von Amplituden-Vergleichswerten von vorher erfassten Modulationssigna- len gebildet ist, und/oder ein Phasen-Referenzwert, welcher aus einer Mehrzahl von Phasen-Vergleichswerten von vorher erfassten Modulationssignalen gebildet ist, als variable Referenzwerte gespeichert sind. Hieraus resultiert eine ständige Anpassung des Referenzwertes bei einer, in Bezug auf die Vergleichswerte eines Einzeltropfens, langsamen globalen durchschnittlichen Schwankung der Vergleichswerte. Gegenüber dem Vergleich der Vergleichswerte mit einer absoluten Größe können hierdurch die erlaubten Schwankungsbreiten in Bezug auf die Referenzwerte verkleinert werden.
Zur Ermittlung, ob ein Tropfen detektiert wurde, kann die Tropfendetektionseinrichtung, insbesondere die Detektionsfiltereinheit, dazu eingerichtet sein, zu ermitteln, ob die ermit- telte Abweichung des Amplituden-Vergleichswerts vom Amplituden-Referenzwert und/oder die ermittelte Abweichung des Phasen-Vergleichswerts vom Phasen- Referenzwert einen Maximalwert nicht überschreiten. Anders ausgedrückt, bilden die Referenzwerte eine Art Sollwert, der zum Beispiel aus empirischen Werten ermittelt wurde. Die Referenzwerte werden während des normalen Detektionsvorgangs laufend neu ge- wonnen. Sie stellen in Verbindung mit den aus einer Filtertrainingsphase ermittelten erlaubten relativen Abweichungen eine Art Sollwert dar. Die erlaubten relativen Abwei- chungsbreiten stellen empirische Größen dar, da sie bei dem Filtertraining ermittelt werden. Liegen die ermittelten Vergleichswerte zu weit weg von dem Sollwert, so wird daraus geschlossen, dass entweder kein Tropfen oder zumindest kein regulärer Tropfen detek- tiert wurde.
In einer besonders bevorzugten Variante wird ermittelt, ob der für die Ermittlung der Abweichung des Amplituden-Vergleichswerts verwendete Amplituden-Referenzwert in einem vorbestimmten Amplituden-Referenzwertintervall liegt und/oder ob der für die Ermittlung der Abweichung des Phasen-Vergleichswerts verwendete Phasen-Referenzwert in einem vorbestimmten Phasen-Referenzwertintervall liegt. Hierzu kann wiederum die Detektions- filtereinheit entsprechend eingerichtet sein. Beispielsweise kann in einer Referenzwert- Speichereinrichtung jeweils ein festes Referenzwertintervall für die Amplituden- und Pha- senreferenzwerte gespeichert sein. Ein solches festes Referenzwertintervall kann beispielsweise in einer Trainingsphase ermittelt werden, in der auch eine mögliche Schwan- kungsbreite eines Referenzwerts gemessen wird. Liegt der verwendete Referenzwert nicht in dem festen Referenzwertintervall, so wird davon ausgegangen, dass zur Festlegung des Referenzwertes überwiegend nicht reguläre Tropfen beigetragen haben, so dass ein solcher Referenzwert als nicht mehr sicher zu betrachten ist. Beispielsweise kann in einem solchen Fall ein Ermittlungsergebnis als zumindest unsicher eingestuft oder gar verworfen werden. Eine solche Situation kann auftreten, wenn sich die Ausmaße der von einem Dosierventil dosierten Tropfen nur langsam, aber stetig ändern. Wird nun ein Referenzwert auf Basis solcher geänderter Modulationswerte bzw. Vergleichswerte gebildet, so kann im ungünstigen Fall ein Referenzwert auch einem nicht korrekten Tropfen entsprechen, der von einem vorab ermittelten Soll-Tropfen zu stark abweicht. Um einen solchen Fehler zu vermeiden, wird bevorzugt ein festes Intervall für die Referenzwerte festgelegt, von dem diese nicht abweichen dürfen. Wird ermittelt, dass die Referenzwerte nicht mehr in dem vorbestimmten Intervall liegen, so kann zum Beispiel eine Meldung an den Benutzer der Tropfendetektionseinrichtung ausgegeben werden, dass das System nicht mehr korrekt kalibriert ist. Der Benutzer kann dann Gegenmaßnahmen ergreifen. Beispielsweise kann der Benutzer das Dosierventil auf korrekte Funktion überprüfen und eventuelle Funktionsstörungen beseitigen. Anschließend können zum Beispiel nach einem Neustart des Systems korrekte Referenzwerte ermittelt werden. Die Referenzwerte werden in diesem Fall nach dem Neustart in einer Art Vorlaufphase ermittelt und während des Messvorgangs durch Mittelwertbildung von aktuellen Messwerten mit bisherigen Re- ferenzwerten ständig aktualisiert. Die Erfindung wird im Folgenden unter Hinweis auf die beigefügten Figuren anhand von Ausführungsbeispielen noch einmal näher erläutert. Dabei sind in den verschiedenen Figuren gleiche Komponenten mit identischen Bezugsziffern versehen. Die Figuren sind in der Regel nicht maßstäblich. Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer Tropfendetektionseinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Figur 2 eine Querschnittsansicht einer erfindungsgemäßen Tropfendetektionseinrichtung sowie mehrere Varianten mit unterschiedlichen aktiven Lichtwellenleiterhöhen,
Figur 3 eine detaillierte Darstellung einer Tropfendetektionseinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, Figur 4 eine detaillierte Darstellung einer Mischereinheit einer Demodulationseinheit einer Tropfendetektionseinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Figur 5 eine schematische Darstellung einer Außenansicht einer Kontrolleinheit einer Tropfendetektionseinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Figur 6 ein Flussdiagramm, mit dem ein Verfahren zum Detektieren eines Tropfens veranschaulicht wird,
Figur 7 ein Flussdiagramm, mit dem das Funktionsprinzip der in der Figur 3 gezeigten Modulationswertermittlungseinheit im Detail veranschaulicht ist,
Figur 8 ein Flussdiagramm, mit dem das Funktionsprinzip der in der Figur 3 gezeigten Detektionsfiltereinheit im Detail veranschaulicht ist. In Figur 1 ist eine Tropfendetektionseinrichtung 1 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Die Tropfendetektionseinrichtung 1 1 umfasst in dem in Figur 1 gezeigten Ausführungsbeispiel eine Lichtsignalerzeugungseinrichtung 70, eine Lichtwellenleiteranordnung L und eine Lichtauswertungseinrichtung 80. Die Lichtsignalerzeugungseinrich- tung 70 umfasst eine Signalerzeugungseinheit 20, welche ein gepulstes elektrisches Trä- gersignal TS erzeugt. Das elektrische Trägersignal TS wird an eine Lichtemissionseinheit 31 , beispielsweise eine Leuchtdiode, übermittelt, welche das elektrische Signal TS in ei- nen mit dem Trägersignal TS gepulsten Lichtstrahl LS wandelt. Das von der Lichtemissionseinheit 31 erzeugte gepulste Licht LS wird an die Lichtwellenleiteranordnung L übermittelt. In dem in Figur 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist ein erstes Lichtwellenleiterelement L1 der Lichtwellenleiteranordnung L mit der Lichtemissionseinheit 31 derart verbunden, dass der von der Lichtemissionseinheit 31 emittierte Lichtstrahl LS direkt in das erste Lichtwellenleiterelement L1 der Lichtwellenleiteranordnung L eingekoppelt wird.
Mit Hilfe des ersten Lichtwellenleiterelements L1 wird der gepulste Lichtstrahl LS durch ein Emissionsfenster 14 einem Zwischenraum ZR zugeführt, in dem eine Trajektorie T eines von einem Dosierventil DV (mit einer Düseneinstellmutter DEM) emittierten Tropfens TR verläuft. Von dem Tropfen TR wird das Licht des Lichtstrahls LS derart moduliert, dass es anschließend eine einem modulierten Lichtsignal MS entsprechende Information umfasst. Anschließend wird der das modulierte Lichtsignal MS umfassende Lichtstrahl LS über ein Detektionsfenster 15 in ein zweites Lichtwellenleiterelement L2 eingekoppelt.
Von dem zweiten Lichtwellenleiterelement L2 wird der das modulierte Lichtsignal MS umfassende Lichtstrahl LS an eine Lichtauswertungseinrichtung 80 übermittelt. Die Lichtauswertungseinrichtung 80 umfasst einen Lichtsensor 32 sowie eine Signalauswertungseinrichtung 50.
Da die Tropfendetektionseinrichtung 1 1 , insbesondere aufgrund der Verwendung des gepulsten Lichtstrahls, sehr unempfindlich gegen Streulicht und andere Störungen ist, jedoch höchst empfindlich gegenüber dem Nutzsignal ist, ist es vorteilhafterweise nicht erforderlich, am Emissionsfenster 14 des ersten Lichtwellenleiterelements L1 oder am Detektionsfenster 15 des zweiten Lichtwellenleiterelements L2 zusätzliche optische Elemente, wie z. B. Linsensysteme oder dergleichen, einzusetzen. Die Aus- bzw. Eintrittsseiten der Lichtwellenleiter müssen möglichst plansenkrecht zur Längsachse der Lichtwellenleiter sein. Da sich der Lichtsensor 32 und die Lichtemissionseinheit 31 außerhalb des von dem Dosierventil DV eingenommenen Arbeitsbereichs befinden, können dieser Sen- sor 32 und Emitter 31 unabhängig von den im Bereich der Düseneinstellmutter DEM des Dosierventils DV vorherrschenden beengten Platzverhältnissen dimensioniert sein. Der Emitter 31 dient als Signalwandler, welcher das unmodulierte elektrische Trägersignal TS in ein unmoduliertes Lichtsignal LS wandelt. Der Lichtsensor 32 dient als Signalwandler, welcher das modulierte Lichtsignal MS in ein moduliertes elektrisches Messsignal EMS wandelt. Die anschließende Verarbeitung des modulierten elektrischen Messsignals EMS ist im Zusammenhang mit den Figuren 3, 6 und 7 ausführlicher beschrieben.
In Figur 2 ist in der oberen Teilzeichnung ein Querschnitt einer Tropfendetektionseinrich- tung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Weiterhin sind in der Figur 2 in der unteren Teilzeichnung mehrere Varianten der Anordnung der Lichtwellenleiter L1 , L2 mit unterschiedlichen aktiven Lichtwellenleiterhöhen ha veranschaulicht. Die Anordnung der Lichtwellenleiter L1 , L2 wird mit Hilfe von Distanzscheiben DS festgelegt, die zwischen einer Lichtwellenleiterhalterung LH und dem Dosierventil DV angebracht sind. In dem in der oberen Teilzeichnung gezeigten Fall beträgt die aktive Höhe ha über die Dü- seneinstellmutter DEM des Dosierventils DV hinaus etwa einen halben Lichtwellenleiterdurchmesser, was bei einem Lichtwellenleiterdurchmesser von 1 mm einer effektiven Höhe ha von 500 μηη entspricht. Als aktive Höhe soll die Höhe des Abschnitts der Lichtwellenleiter L1 , L2 verstanden werden, welcher zu dem Zwischenraum, in dem die Trajektorie T des Tropfens verläuft, hin offen ist. D.h., mit dem Abschnitt ist der Teil des Querschnitts der Lichtwellenleiter L1 , L2 gemeint, der insbesondere nicht durch die Düseneinstellmutter DEM des Dosierventils DV verdeckt ist. Durch etwa 100 μηη starke Distanzscheiben kann diese Höhe ha jedoch auf die jeweiligen Gegebenheiten, welche durch den jeweiligen Do- sierprozess bestimmt werden, abgestimmt werden.
In der unteren Teilzeichnung sind drei Varianten der Anordnung der Lichtwellenleiter L1 , L2 mit unterschiedlichen aktiven Lichtwellenleiterhöhen ha gezeigt. In der linken unteren Teilzeichnung wird die gesamte Lichtwellenleiterfläche genutzt, d. h. die aktive Höhe ha entspricht dem Durchmesser der Lichtwellenleiter L1 , L2. Dadurch wird eine lange Durch- flugszeit des Tropfens durch den Detektionsbereich zwischen den beiden Lichtwellenleitern L1 , L2 erreicht. Dies wirkt sich für die Tropfendetektion günstig aus, da mehr Signal- Abtastwerte gewonnen werden können.
In der mittleren unteren Teilzeichnung wird die halbe Lichtwellenleiterfläche genutzt, d. h. die aktive Höhe ha entspricht dem halben Durchmesser der Lichtwellenleiter L1 , L2. Die aktive Breite ba der Lichtwellenleiter entspricht dem Durchmesser der Lichtwellenleiter L1 , L2. Zwar ist bei dieser Variante die Durchflugszeit des Tropfens durch den Detektionsbereich zwischen den beiden Lichtwellenleitern L1 , L2 etwas kürzer, jedoch stellt diese Variante einen guten Kompromiss zwischen dem benötigten Bauraum, d. h. dem sich erge- benden Minimalabstand zu dem mit dem Tropfen beaufschlagten Werkstück und der erreichten Durchflugszeit dar. In der rechten unteren Teilzeichnung wird nur ein Bruchteil der gesamten Lichtwellenleiterfläche genutzt. Eine solche Anordnung kann beispielsweise bei sehr kleinen Tropfen vorteilhaft sein, da bei dieser Variante ein günstigeres Verhältnis zwischen aktiver und durch den Tropfen abgeschatteter Fläche besteht. Damit ergibt sich eine stärkere Signalamplitude des Modulationssignals, was zu einem verbesserten Signal-Rausch- Verhältnis beiträgt.
In Figur 3 ist eine Tropfendetektionseinnchtung 1 1 a gemäß einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Die Tropfendetektionseinnchtung 1 1 a umfasst ebenfalls die in Figur 1 gezeigten Einheiten, wie zum Beispiel eine Lichtsignalerzeu- gungseinrichtung 70, eine Lichtwellenleiteranordnung L und eine Lichtauswertungseinrichtung 80, welche in Figur 3 gestrichelt markiert sind. Die Lichtsignalerzeugungseinrichtung 70 sowie die Lichtauswertungseinrichtung 80 sind in Figur 3 im Detail dargestellt. Die Lichtsignalerzeugungseinrichtung 70 umfasst wie die in Figur 1 gezeigte Lichtsignaler- zeugungseinrichtung eine Signalerzeugungseinheit 20, welche in Figur 1 gestrichelt eingezeichnet ist. Die Signalerzeugungseinheit 20 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel eine Sendesignalgenerierungseinheit 21 , welche ein Sendesignal PWM_5 mit einer definierten, vorgebbaren Pulsfrequenz zum Beispiel als gepulstes Rechtecksignal erzeugt. Das erzeugte Sendesignal PWM_5 wird an einen Leistungsverstärker 24 übermittelt, welcher das Sendesignal PWM_5 zu einem Trägersignal TS verstärkt. Die Signalerzeugungseinheit 20 umfasst zusätzlich eine Signalgenerierungseinheit 23, welche dazu eingerichtet ist, gegenüber dem Trägersignal phasenverschobene gepulste Steuersignale PWM_1 ,..., PWM_4 an eine Mischereinheit 43 einer Demodulationseinheit 40 zu übermit- teln. Die Signalgenerierungseinheit 23 ist zwar Teil der Signalerzeugungseinheit 20, dient jedoch der Auswertung eines detektierten modulierten Signals EMS und wird daher nicht als Teil der Lichtsignalerzeugungseinrichtung 70, sondern als Teil der Lichtauswertungseinrichtung 80 betrachtet. Außerdem weist die Signalerzeugungseinheit 20 einen Steuerungssignalausgang 22 zum Ansteuern von Verstärkerschaltungen 44, 45 der Lichtauswertungseinrichtung 80 auf, die ebenfalls nicht als Teil der Lichtsignalerzeugungseinrichtung 70, sondern als Teil der Lichtauswertungseinrichtung 80 anzusehen sind, da auch das von dem Steuerungssignalausgang 22 erzeugte Steuerungssignal der Auswertung des modulierten Signals MS dient. Die Pulsfrequenz der Steuersignale PWM_1 ,..., PWM_4 für den Mischer 43 ist immer gleich der Frequenz des Sendesignals PWM_5. Die Phasenverschiebung zwischen den Steuersignalen PWM_1 ,..., PWM_4 und dem Sendesignal ist variabel. Die Pulsfrequenz beträgt vorzugsweise 450 kHz +- 15 kHz. Die Festlegung der Frequenz des Trägersignals dient dazu, dass das empfangene Signal (das Trägersignal und durch die durch den Tropfen bewirkte Amplitudenmodulation entstandenen Seitenbänder) das Bandpassfilter optimal durchlaufen kann.
Durch die Einstellung der Phasenlage zwischen dem Trägersignal und den Ansteuersig- nalen der Demodulationseinheit wird dann ein Seitenband selektiert. Die Trägerfrequenz muss dem Abtasttheorem nach höher als die zweifache, sich aus der Tropfendurchflugs- zeit durch die Modulationseinheit 30 ergebende Frequenz sein.
Das von der Sendesignalgenerierungseinheit 21 erzeugte Trägersignal TS wird von dem Verstärker 24 an eine Lichtemissionseinheit 31 übermittelt. Die Lichtemissionseinheit 31 kann zum Beispiel eine Leuchtdiode sein, welche in Abhängigkeit von dem an der Leuchtdiode anliegenden Trägersignal TS leuchtet. Anders ausgedrückt, wird das zunächst als gepulster elektrischer Strom vorliegende Trägersignal TS in ein gepulstes Lichtsignal gewandelt. Die Lichtemissionseinheit 31 ist mit der Lichtwellenleiteranordnung L verbunden. Im Detail emittiert die Lichtemissionseinheit 31 das gepulste Lichtsignal TS in einen ersten Lichtwellenleiter L1 der Lichtwellenleiteranordnung L, der das gepulste Lichtsignal TS einem Zwischenraum ZR zuführt, in dem eine Trajektorie eines zu detektie- renden Tropfens TR eines Dosierventils (siehe Figur 1 ) verläuft. Dem ersten Lichtwellenleiter L1 gegenüberliegend ist, wie schon im Zusammenhang mit Figur 1 erläutert, ein zweiter Lichtwellenleiter L2 angeordnet.
Der Lichtwellenleiter L2 ist mit der Lichtauswertungseinrichtung 80 verbunden, welche in Figur 3 ebenfalls gestrichelt markiert ist. Die Lichtauswertungseinrichtung 80 umfasst eine Sensoreinheit 32, welche - sofern Tropfen abgegeben werden - ein durch die Tropfen TR moduliertes Lichtsignal MS erfasst. Die Sensoreinheit 32 umfasst zum Beispiel einen Fotodetektor, welcher das modulierte Lichtsignal MS empfängt und wieder in ein von einer elektrischen Leitung transportierbares elektrisches moduliertes Signal EMS umwandelt.
Das elektrische modulierte Signal EMS wird anschließend an eine (in Figur 3 ebenfalls gestrichelt markierte) Auswertungseinheit 50 übermittelt, welche Teil der Lichtauswertungseinrichtung 80 ist und auch eine Demodulationseinheit 40 aufweist. Die Demodulati- onseinheit 40 umfasst eine Verstärkereinheit 41 , welche das modulierte elektrische Signal EMS verstärkt. Die Verstärkereinheit 41 wird über einen Steuerungssignalausgang 22 von der Signalerzeugungseinheit 20 angesteuert und dient einerseits zur Vorverstärkung des von dem Fotodetektor 32 erfassten modulierten Signals EMS und andererseits als Trans- impedanzverstärker. Der Fotodetektor 32 wird dabei in Sperrrichtung vorgespannt und in einem Quasikurzschluss betrieben. Hierdurch erfolgt vom Fotodetektor 32 nur noch die Abgabe eines von der Beleuchtungsstärke über viele Größenordnungen linear abhängigen Stroms ohne Spannungsschwankung. Hierdurch liegt die - normalerweise durch die Sperrschichtkapazität limitierte - Bandbreite des Detektors wesentlich höher, da keine Umladung der Kapazität erfolgt. Durch die Vorspannung wird zudem eine weitere Verkleinerung der Kapazität erreicht, womit eine weitere Steigerung der erzielbaren Bandbreite einhergeht. Durch den Transimpedanzverstärker erfolgt zudem eine Umsetzung des Stromsignals in ein Spannungssignal. Der Verstärkungsfaktor dieser Umsetzung ist justierbar. Hierdurch wird eine maximale, von der Tropfenabschattung abhängige, span- nungsgeführte Signalmodulation erreicht.
Weiterhin umfasst die Demodulationseinheit 40 eine Filtereinheit 42. Die Filtereinheit 42 kann zum Beispiel einen Bandpassfilter umfassen, welcher nur die beiden Seitenbänder und die Trägerfrequenz des modulierten Signals EMS durchlässt. Die Filtereinheit 42 ent- fernt außerdem eventuelle, durch externe Lichteinstrahlung verursachte Störsignale mit von der Pulsfrequenz des Trägersignals TS weit entfernten Frequenzen. Zudem entfernt die Filtereinheit 42, bevorzugt ein steilflankiger Bandpassfilter, auch durch die Pulsweitenmodulation erzeugte Oberwellen. Das so gefilterte modulierte Messsignal EMS wird anschließend an einen Mischer 43 weitergeleitet, der das modulierte und gefilterte Mess- signal EMS mit von der Signalgenerierungseinheit 23 erzeugten, gegenüber dem Trägersignal phasenverschobenen, gepulsten Steuersignalen PWM_1 ,..., PWM_4, im Folgenden auch PWM-Signale genannt, mischt und ein In-Phase-Signal bzw. eine In-Phase- Komponente I an einen In-Phase-Signalverstärker 44 übermittelt und ein Quadratur- Signal bzw. eine Quadraturkomponente Q an einen Quadratur-Signal-Verstärker 45 übermittelt. Der In-Phase-Signalverstärker 44 und der Quadratur-Signal-Verstärker 45 werden von einem Steuerungssignalausgang 22 der Signalerzeugungseinheit 20 angesteuert. Die Verstärker 41 , 44, 45 werden getrennt voneinander angesteuert. Sie werden über einen über einen Datenbus (z. B. I2C-BUS) programmierbaren veränderlichen Widerstand (Rheostat) eingestellt. Jeder Rheostat (und damit Verstärker) wird hierbei einzeln verstellt. Die Einstellung des Verstärkers 41 ist dabei vom Wert her völlig unabhängig von den Verstärkern 44 und 45. Die Verstärker 44 und 45 weisen jedoch immer denselben Wert auf, um die Relation zwischen dem I- und dem Q-Signal nicht zu verändern. Dennoch werden auch diese beiden getrennt voneinander angesteuert. Die Funktionsweise der Mischereinheit 43 ist in Figur 4 im Detail gezeigt und wird später noch näher erläutert. Die In-Phase-Komponente I und die Quadraturkomponente Q bilden dabei das Modulati- onssignal MOD.
Nach der Verstärkung der beiden Signalkomponenten I, Q in den Verstärkern 44, 45 werden die beiden Komponenten I, Q innerhalb der Auswertungseinheit 50 an die Teileinheiten der Auswertungseinheit 50 übermittelt, welche in dem in Figur 2 gezeigten Ausfüh- rungsbeispiel Teil einer Steuereinheit 60 sind. Die Steuereinheit 60 umfasst entsprechende Eingänge 53, 54 für die Signalkomponenten I, Q. Den Eingängen 53, 54 nachgeschaltet sind AD-Wandler (nicht gezeigt), welche die analogen Signalkomponenten I, Q in digitale Signale wandeln. Die Verstärker 44, 45 der Demodulationseinheit 40 sind in ihrem Verstärkungsfaktor anpassbar und dienen dazu, die von der Mischereinheit 43 erzeugten Signalkomponenten I, Q des Modulationssignals MOD auf ein für die AD-Wandler optimales Spannungsniveau anzuheben. Hierdurch wird eine maximale Ausnutzung der Wandlerauflösung gewährleistet. Um die AD-Wandler nicht durch die in den Komponenten I, Q vorhandenen Gleichanteile an ihr durch eine Referenzspannung vorgegebenes Spannungslimit zu bringen, werden nur die durch einen Tropfen verursachten Wechselanteile verstärkt.
Weiterhin umfasst die Auswertungseinheit 50 eine Modulationswertermittlungseinheit 51 und eine Detektionsfiltereinheit 52. Diese Teileinheiten der Auswertungseinheit 50 sind in dem in Figur 2 gezeigten Ausführungsbeispiel Teil der Ansteuerungseinheit 60. In der Modulationswertermittlungseinheit 51 werden die digitalisierten Signalkomponenten I, Q mathematisch aufbereitet und in Amplituden- und Phaseninformationen transformiert, beispielsweise mit Hilfe einer Polarkoordinatentransformation. Die Detektionsfiltereinheit 52 lässt sich zum Beispiel als parametrierbarer Softwarefilter ausbilden, mit dem anhand der erfassten Informationen ermittelt wird, ob ein Tropfen den Zwischenraum ZR zwischen dem ersten Lichtwellenleiter L1 und dem zweiten Lichtwellenleiter L2 passiert hat. Bevor das System 1 1 a seinen regulären Betrieb aufnimmt, muss es durch zwei voneinander getrennt ablaufende Initialisierungsvorgänge eingestellt werden.
Zum einen müssen sämtliche Hardware-Baugruppen auf einen für die Detektion optima- len Arbeitspunkt eingestellt werden. Diese Einstellungen umfassen die Festlegung des Arbeitspunktes des Lichtsensors 32 durch das Trägersignal-Tastverhältnis, die Frequenz- abstimmung des Trägersignals TS auf die Filterkennlinie des Bandpassfilters 42, die Einstellung der Phasenlage der Mischersignale PWM_1 ...PWM_4 in Relation zum Trägersignal zur genauen Seitenbandselektion, die Findung des optimalen Verstärkungsfaktors des Transimpedanzverstärkers 41 sowie die Signalanpassung der I- und Q-Signale für die AD-Wandler der Eingänge 53, 54 durch die ADC-Vorverstärker 44, 45. Zum anderen müssen alle Parameter der Detektionsfiltereinheit 52, bezogen auf die zu erwartenden Soll-Tropfen TR, justiert werden. Dies umfasst die Zeitfenster für die Suche der Ablei- tungsmaxima für die Amplituden- und Phasenwerte, die erlaubten relativen Abweichungsbreiten der Vergleichswerte von den Referenzwerten der Amplituden- und Phasenwerte sowie die erlaubten absoluten Bereiche der Referenzwerte der Amplituden- und Phasenwerte. Sowohl die Hardware- als auch die Filter-Einstellungen können manuell oder durch automatische Trainingsprozesse eingestellt werden. Diese Einstellungen werden für die Modulationswertgewinnung sowie die Signalbeurteilung hinsichtlich der Erkennung eines Tropfens TR benötigt.
In Figur 4 ist eine Mischereinheit 43, in dieser Ausführungsform ein Quadraturdemodula- tor, im Detail gezeigt. Der Quadraturdemodulator 43 umfasst einen Übertrager 431 , eine Schaltereinheit 432 mit parallel geschalteten Schaltern 432a, 432b, 432c, 432d, eine Integratoreinheit 433 mit den parallel geschalteten Schaltern 432a, 432b, 432c, 432d jeweils nachgeschalteten Integratoren 433a, 433b, 433c, 433d sowie einen ersten und einen zweiten Differenzverstärker 434a, 434b, welche jeweils mit zwei Integratoren elektrisch verbunden sind. Der Quadraturdemodulator 43 wirkt als Einseitenbandmischer und setzt das modulierte elektrische Messsignal EMS wieder zurück in das Basisband. Das für die Demodulation verwendete Seitenband wird durch eine passende Wahl der Phasenlage des modulierten Messsignals EMS in Bezug zu vier Steuersignalen PWM_1 , PWM_4, welche die Schalter 432a, 432b, 432c, 432d des Mischers 43 steuern, über die Differenzverstärker 434a, 434b, welche den Integratoren 433a, 433b, 433c, 433d nachgeschaltet sind, selektiert. Als Ausgangssignale der Differenzverstärker 434a, 434b werden InPhase-Signale I und Quadratur-Signale Q erzeugt, aus denen ein Modulationssignal MOD ableitbar ist, welches mit der Störung des Trägersignals TS durch einen Tropfen TR eines Dosierventils korreliert ist.
Im Einzelnen funktioniert die Mischereinheit 43 wie folgt: Ein Messsignal EMS wird von dem Übertrager 431 auf den Eingang der Mischereinheit 43 übertragen. Der Übertrager 431 dient der Leistungsanpassung zwischen verschiedenen Bauteilen sowie der Signal- symmetrierung und Entfernung von bestehenden Gleichanteilen. Weiterhin umfasst der Mischer 43 einen Widerstand R, der seriell zu dem Ausgang des Übertragers geschaltet ist und mit den Integratoren 433a, 433b, 433c, 433d zusammen einen Filter bildet. Die Schalter 432a, 432b, 432c, 432d werden von der Signalgenerierungseinheit 23 mit Steuersignalen PWM_1 , PWM_4 beaufschlagt bzw. getaktet, welche jeweils für ein Viertel der Periode TPWM bzw. eine Viertelwelle des Trägersignals TS einen der Schalter 432a, 432b, 432c, 432d durchschalten. Die Steuersignale PWM_1 , PWM_4 sind also mit dem Trägersignal TS synchronisiert. Ist einer der Schalter 432a, 432b, 432c, 432d geschlossen, so wird das Messsignal EMS für das Zeitintervall, in dem der jeweilige Schalter 432a, 432b, 432c, 432d geschlossen ist, von dem zugeordneten Integrator 433a, 433b, 433c, 433d zu einem Durchschnittswert aufintegriert. Die Integratoren 433a, 433b, 433c, 433d können beispielsweise parallel geschaltete Kondensatoren umfassen und erzeugen Durchschnittswerte der den einzelnen Viertelwellen des Trägersignals TS zugeordneten Abschnitte des modulierten elektrischen Messsignals EMS. Ein in der ersten Viertelwelle aufintegrierter Durchschnittswert liegt an dem mit„+" gekennzeichneten positiven Eingang des ersten Differenzierers 434a und ein in der dritten Viertelwelle aufintegrierter Durchschnittswert liegt an dem mit„-" gekennzeichneten negativen Eingang des ersten Differenzierers 434a an. Ein in der zweiten Viertelwelle aufintegrierter Durchschnittswert liegt an dem positiven Eingang des zweiten Differenzierers 434b und ein in der vierten Viertelwelle aufintegrierter Durchschnittswert liegt an dem negativen Eingang des zweiten Diffe- renzierers 434b an. An dem Ausgang des ersten Differenzierers 434a wird ein In-Phase- Signal I im Basisband erzeugt und an dem Ausgang des zweiten Differenzierers wird ein Quadratur-Signal Q im Basisband erzeugt. Details zur Funktionsweise solcher Mischeinheiten sind in US 6,230,000 B1 beschrieben. In Figur 5 ist eine Außenansicht (eines Gehäuses) einer Steuereinrichtung 60 gezeigt, mit der die Ansteuerung einzelner Einheiten einer Tropfendetektionseinrichtung 1 1 , 1 1 a, die Auswertung von Messsignalen, die Überwachung der Funktionsfähigkeit einzelner Einheiten und die Einstellung und Abstimmung einzelner Systemparameter vorgenommen werden können. In diesem Gehäuse ist die gesamte Elektronik untergebracht. Dies betrifft im Prinzip das Gesamtsystem der Tropfendetektion inkl. der optoelektronischen Signalwandler (Empfänger-Fotodiode 32, und Sende-LED 31 ). Diese stellen die Grenze zur„optischen Strecke" dar, d. h. dem Sende-Lichtwellenleiter L1 , dem Emissionsfenster und der Tropfenstrecke T, welche extern liegt. Der Datenbus-Anschluss DB soll zukünftig unter anderem der Kommunikation mit der Ventil-Steuereinheit dienen. Beispielsweise können über diesen Datenbus-Anschluss DB der momentane Status der Tropfendetektion oder auch Statistiken zu den vergangenen Dosierprozessen (Anzahl detektierter Fehler und wann diese aufgetreten sind) an diese übermittelt werden. Eine weitere Anwendungsmöglichkeit für diesen Datenbus-Anschluss DB besteht darin, dass die Tropfendetektion die Ventil-Steuereinheit über diesen Bus auf- fordern könnte, absichtlich Fehl-Dosierungen zu veranlassen, um die korrekte Funktion der Tropfendetektion zu überprüfen. Die Tropfendetektion müsste dann diese absichtlichen Fehl-Dosierungen sicher detektieren. Teil der Steuereinrichtung 60 ist auch eine Kommunikationsschnittstelle I/O, mit der Triggersignale von der Ventil-Steuereinheit 70 empfangen werden und über die Informationen bezüglich des Systemstatus der Tropfen- detektionseinrichtung und des Dosierungsstatus ausgegeben werden.
Weiterhin umfasst die Steuereinrichtung 60 eine serielle Schnittstelle Sl, welche als An- schluss an einen übergeordneten Prozessleitrechner 80 dient. Der Prozess-Leitrechner 80 kann über die serielle Schnittstelle Sl die Tropfendetektion steuern und/oder Statusbe- richte zu den vergangenen Dosierungen abfragen.
Die Steuereinrichtung 60 weist einen Eingang RX auf, der als Anschluss des Empfangs- Lichtwellenleiters L2 an das Fotoelement dient. An den Eingang RX wird also der Emp- fangs-Lichtwellenleiter L2 angeschlossen. Ein Ausgang TX dient als Anschluss des Sen- de-Lichtwellenleiters L1 an die Sende-Leuchtdiode 31 . An den Ausgang TX wird also der Sende-Lichtwellenleiter L1 angeschlossen.
Ein weiterer Eingang Us dient der Spannungsversorgung der Steuereinrichtung 60. Ein zusätzlicher Eingang PGM kann als Programmierbuchse zur Firmwareübertragung ge- nutzt werden.
Überdies umfasst die Steuereinrichtung 60 ein Display 55 sowie mehrere Kontrollleuchten 56, ...,59. Eine erste Kontrollleuchte 56 dient der Anzeige verschiedener Systemfehler. Eine zweite Kontrollleuchte 57 dient der Anzeige eines Systemstatus bzw. einer Aktivität des Systems. Dieser Status kann beispielsweise den Sachverhalt betreffen, dass ein Lichtwellenleiter L1 , L2 nicht richtig angeschlossen, beschädigt, zu lang oder verschmutzt ist. Eine dritte Kontrollleuchte 58 kann eine Mitteilung darüber beinhalten, dass ein Tropfen mit korrekter Dosierung detektiert wurde. Eine vierte Kontrollleuchte 59 kann eine Mitteilung umfassen, dass ein Fehler bei der Dosierung aufgetreten ist, dass also zum Bei- spiel kein Tropfen detektiert wurde oder der detektierte Tropfen eine zu große Abweichung von einem Soll-Tropfen aufweist. Die Steuereinrichtung 60 umfasst außerdem zwei Druckschalter S1 , S2 zum Abstimmen einzelner Einheiten einer Tropfendetektionseinnchtung. Beispielsweise wird durch Drücken des einen Schalters S1 für eine definierte Zeitspanne (hier zum Beispiel 2 s) ein ers- ter Trainingsmodus, ein„Hardware-Trainingsmodus", eingeschaltet, in dem zum Beispiel das Einstellen einer Pulsweite des Trägersignals TS, so dass eine optimale Helligkeit der Lichtemissionseinheit 31 in Bezug auf das die Lichtsensoreinheit erreichende Restlicht, eines auf Basis des Trägersignals TS gebildeten Lichtstrahls erreicht wird, das Festlegen einer Frequenz des gepulsten Trägersignals TS, so dass die beiden Seitenbänder des modulierten Signals EMS eine der Sensoreinrichtung nachgeschaltete Filtereinheit 42 passieren können, das Einstellen der Phasenlage des Trägersignals TS über das Signal PWM_5 in Relation zu den Steuersignalen PWM_1 ,...,PWM_4, mit welchen die der De- modulationseinheit zugehörige Mischereinheit 43 angesteuert wird, und das Einstellen der Verstärkereinheiten 44 und 45 zur Spannungsanpassung sowie der Verstärkereinheit 41 , welche als Transimpedanzverstärker wirkt, erfolgt. Dieser Hardware-Trainingsmodus wird z. B. bei einer ersten Inbetriebnahme der Tropfendetektionseinnchtung durchgeführt oder wenn Hardwarekomponenten getauscht wurden.
Durch Drücken des anderen Schalters S2 für eine definierte Zeitspanne (auch zum Bei- spiel 2 s) wird ein zweiter Trainingsmodus, ein„Software-Trainingsmodus", eingeschaltet, in dem z. B. die Detektionsfiltereinheit 52 sowie die Modulationswertermittlungseinheit 51 der Auswertungseinheit 50 auf einen neuen Tropfentyp trainiert werden. Hierbei werden die relativen erlaubten Schwankungsbreiten der Vergleichswerte in Relation zu den Referenzwerten, die Erfassungszeitfenster der für die Detektionsfiltereinheit 52 relevanten Werte sowie die absoluten Wertebereiche der Referenzwerte festgelegt. Dieser Software- Trainingsmodus wird z. B. dann durchgeführt, wenn eine neue Prüfserie ansteht, d. h. eine andere Sorte von Tropfen detektiert werden soll.
In Figur 6 ist ein Flussdiagramm gezeigt, mit dem ein Verfahren 500 zum Detektieren ei- nes Tropfens eines Dosierventils DV veranschaulicht ist. Bei dem Schritt 6.I wird ein gepulstes Trägersignal TS mit einer definierten Pulsfrequenz bzw. Trägerfrequenz und einem definierten Tastverhältnis erzeugt.
Bei dem Schritt 6. II wird ein moduliertes Messsignal MS durch eine physikalische Wech- selwirkung des Trägersignals TS mit einem zu detektierenden Tropfen TR, der von dem Dosierventil DV abgegeben wurde, erzeugt. Ausführlicher gesagt, wird bei dem Teilschritt 6.11a zunächst das Trägersignal TS von einer Lichtemissionseinheit in ein Lichtsignal LS gewandelt. Dann wird bei dem Teilschritt 6.11b der mit einer Trägerfrequenz gepulste Lichtstrahl LS in einen ersten Lichtwellenleiter L1 eingekoppelt. Anschließend wird der gepulste Lichtstrahl LS bei dem Schritt 6.llc von dem ersten Lichtwellenleiter L1 derart emittiert, dass er einen Zwischenraum ZR zwischen dem ersten Lichtwellenleiter L1 und einem zweiten Lichtwellenleiter L2 durchläuft, eine Trajektorie des Tropfens TR, welche durch den Zwischenraum ZR zwischen dem ersten Lichtwellenleiter L1 und dem zweiten Lichtwellenleiter L2 verläuft, kreuzt und anschließend - eventuell ein moduliertes Lichtsignal MS umfassend - in den zweiten Lichtwellenleiter L2 eingekoppelt wird. Bei dem Schritt 6.lld wird der eventuell ein moduliertes Lichtsignal MS umfassende Lichtstrahl LS von einer Lichtwandlungseinheit, beispielsweise einem Lichtsensor, in ein möglichweise moduliertes elektrisches Messsignal EMS gewandelt.
Bei dem Schritt 6. III wird auf Basis des möglicherweise modulierten elektrischen Messsig- nals EMS ein Modulationssignal MOD ermittelt. Das Modulationssignal MOD entspricht der Information, welche dem Lichtstrahl LS bei einer Kollision eines Tropfens TR mit dem Lichtstrahl LS aufgeprägt wird. Anschließend wird bei dem Schritt 6.1V auf Basis des Modulationssignals MOD ermittelt, ob ein Tropfen TR von dem Dosierventil DV abgegeben wurde.
In Figur 7 ist das Funktionsprinzip 700 der in der Figur 3 gezeigten Modulationswertermitt- lungseinheit 51 einer Auswertungseinheit 50 im Detail veranschaulicht. Bei dem Schritt 7.I erfasst die Modulationswertermittlungseinheit 51 In-Phase- und Quadraturkomponenten I, Q von den den in Figur 3 gezeigten Eingängen 53, 54 der Steuereinheit 60 nachgeschal- teten AD-Wandlern der Auswertungseinheit 50. Die Abtastung des In-Phase-Signals I und des Quadratursignals Q erfolgt kontinuierlich. Dabei werden die beiden Werte I, Q bevorzugt absolut zeitgleich gewonnen. Die Werte I, Q durchlaufen vor ihrer Weiterverarbeitung einen Medianfilter, um Extremwerte, hervorgerufen durch Störeinstrahlung, ADC-Wand- lungsfehler usw. zu entfernen. Bei dem Schritt 7. II werden die Signalkomponenten I, Q mit Hilfe einer Polarkoordinatentransformation in ein Signal MOD(A, φ) gewandelt, welches Informationen bezüglich der Amplitude A und der Phase φ des Modulationssignals MOD umfasst. Beispielsweise ergibt sich die Amplitude A wie folgt:
A = Vl2 + Q2 (1 ) Weiterhin ergibt sich die Phase φ des Modulationssignals MOD aus folgender Gleichung:
φ = arctan(y) . (2)
Dabei entsprechen I und Q den Amplituden der In-Phase- und Quadraturkomponenten I , Q des demodulierten Signals bzw. des Modulationssignals MOD. Die Amplitude A und die Phase φ sind wie die Signalkomponenten I und Q zeitabhängige Größen. Aufgrund der hohen Abtastrate und der damit verbundenen schnellen Wertegewinnung werden die Berechnungen gemäß Gleichung 1 und 2 über Look-up-Tabellen mit linearer Zwischenwert- Interpolation berechnet.
Bei dem Schritt 7. I II erfolgt eine zeitliche Ableitung der Amplitude A und der Phase φ des Modulationssignals MOD(A, φ). Bei dem Schritt 7.1V werden Ableitungswerte dA/dt, dcp/dt in einem vorbestimmten Zeitintervall lT betrachtet und eine vorab bestimmte Anzahl von Maximalwerten max(dA/dt), max(dcp/dt) der Ableitungswerte dA dt, dcp/dt, zum Beispiel die größten 10 Werte, in dem vorbestimmten Zeitintervall lT selektiert. Das vorbestimmte Zeitintervall lT kann zum Beispiel vorab bei der Initialisierung der Tropfendetektionseinrichtung bzw. während des Detektionsfiltertrainings festgelegt werden. Bei dem Schritt 7.V werden Modulationswerte AM, ΨΜ für die Amplitude A und die Phase φ als Summe über die vorab bestimmte Anzahl von Maximalwerten gebildet.
In Figur 8 ist das Funktionsprinzip 800 der in der Figur 3 gezeigten Detektionsfiltereinheit 52 der Auswertungseinheit 50 im Detail veranschaulicht. Bei dem Schritt 8.I werden von der Modulationswertermittlungseinheit 51 nach dem in Figur 7 veranschaulichten Verfah- ren ermittelte Modulationswerte AM, ΨΜ für die Amplitude A und die Phase cp, auch Vergleichswerte genannt, empfangen. Bei dem Schritt 8. I I werden diese Vergleichswerte AM, cpM in einem elektronischen Speicher abgespeichert. Weiterhin werden bei dem Schritt 8. III die gespeicherten Vergleichswerte zur Referenzwertberechnung herangezogen. Es werden Referenzwerte RWA, RW<p für die Amplitude A und die Phase φ ermittelt. Diese Referenzwerte RWA, RW<p können beispielsweise Mittelwerte aus älteren Amplituden- und Phasenwerten sein, d.h. Vergleichswerten, die zum Beispiel bei einer früheren Detektion von Tropfen gewonnen wurden.
Bei dem Schritt 8. IV wird eine Abweichung AW der von der Modulationswertermittlungs- einheit 51 ermittelten Modulationswerte AM, ΨΜ für die Amplitude A und die Phase φ von den Referenzwerten RWA, RW<p berechnet. Anschließend erfolgt bei dem Schritt 8.V ein Vergleich zwischen der jeweils ermittelten Abweichung AW und einer maximal erlaubten relativen Abweichung nach oben AW_Oben, bzw. nach unten AW_Unten. Falls die Abweichung zu groß ist, was in Figur 8 mit„j" gekennzeichnet ist, so wird bei dem Schritt 8.VI gemeldet, dass ein fehlerhafter Tropfen ermittelt wurde. Das Maß der erlaubten Abweichung AW_Oben bzw. AWJJnten wird anhand eines oder mehrerer Soll-Tropfen bei einem Initialisierungsvorgang bzw. im erwähnten Software-Trainingsmodus der Tropfen- detektionseinrichtung ermittelt. Um einen schleichenden Fehler, zum Beispiel das Phänomen, dass sich die Größe der zu detektierenden Tropfen TR während einer häufig wiederholten Abgabe von Tropfen TR aus einem Dosierventil DV sehr langsam ändert, ebenfalls erkennen zu können, werden auch die Referenzwerte RWA, RW<p, d . h. zum Beispiel die Mittelwerte über die Modulationswerte AM, ( M von vergangenen Tropfen überwacht. Bei dem Schritt 8.VII wird ermittelt, ob die Referenzwerte RWA, RW<p für Amplitude A und Phase φ in einem vorbestimmten absoluten Werteintervall ARI , PRI liegen. Falls die Referenzwerte RWA, RW<p nicht in dem vorbestimmten Werteintervall ARI, PRI liegen, was in Figur 8 mit„n" gekennzeichnet ist, so wird bei dem Schritt 8.VII I eine Meldung ausgegeben, dass nun eine Folge fehlerhafter Tropfen vorliegt. Die Auflösung dieses Fehlerfalls erfolgt erst nach einer Stabilisierung des Mittelwerts, d. h., wenn wieder ein gültiger Referenzwert über die vorausgegangenen Tropfen vorliegt. Falls die Referenzwerte RWA, RW<p in dem vorbestimmten Werteintervall ARI, PRI liegen und die Relation der Werte AM, ΨΜ des aktuellen Tropfens zu den Referenzwerten RWA, RW<p innerhalb des tolerierten relativen Bereichs liegt, was in Figur 8 mit „j" gekennzeichnet ist, so wird bei dem Schritt 8.VII I eine Meldung ausgegeben, dass ein korrekter Tropfen detektiert wurde. Die Ausgabe der Ergebnisse kann zum Beispiel über die in Figur 5 gezeigten Kontrollleuchten 58, 59 erfolgen.
Es wird abschließend noch einmal darauf hingewiesen, dass es sich bei den vorhergehend detailliert beschriebenen Vorrichtungen lediglich um Ausführungsbeispiele handelt, welche vom Fachmann in verschiedenster Weise modifiziert werden können, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Weiterhin schließt die Verwendung der unbestimmten Artikel „ein" bzw. „eine" nicht aus, dass die betreffenden Merkmale auch mehrfach vorhanden sein können. Ebenso soll der Begriff „Einheit" auch Komponenten umfassen, die aus mehreren, gegebenenfalls auch räumlich getrennten, Untereinheiten bestehen. Zu- dem kann mit dem Begriff „Einheit" auch eine gedankliche logische Einheit gemeint sein, so dass ein und dieselbe Hardware-Komponente mehrere dieser logischen Einheiten um- fassen kann. Dies gilt zum Beispiel insbesondere für die Demodulationseinheit 40 und ggf. auch für die Signalerzeugungseinheit 20 und die Auswertungseinheit 50.
Bezugszeichenliste
1 1 , 1 1 a Tropfendetektionseinrichtung
14 Emissionsfenster
15 Detektionsfenster
20 Signalerzeugungseinheit
21 Sendesignalgenerierungseinheit
22 Steuerungssignalausgang
23 zweite Signalgenerierungseinheit
24 Leistungsverstärker
30 Modulationseinheit
31 Lichtemissionseinheit / Leuchtdiode
32 Lichtsensor
40 Demodulationseinheit
41 Verstärkereinheit
42 Filtereinheit
43 Mischer / Mischereinheit
44 In-Phase-Signalverstärker
45 Quadratur-Signal-Verstärker
50 Auswertungseinheit
51 Modulationswertermittlungseinheit
52 Detektionsfiltereinheit
53, 54 Eingänge
56, ...,59 Kontrollleuchten
60 Steuereinheit
70 Lichtsignalerzeugungseinrichtung
80 Lichtauswertungseinrichtung
431 Übertrager
432 Schaltereinheit
432a, 432b, 432c, 432d parallel geschaltete Schalter
433 Integratoreinheit
433a, 433b, 433c, 433d Integratoren
434a, 434b Differenzverstärker A Amplitude
AM Amplitudenmodulationswert ARI vorbestimmten Werteintervall der Amplitudenreferenzwerte AW Abweichung
AW-Oben relative Abweichung nach oben
AW-Unten relative Abweichung nach unten
ba aktive Breite
dA/dt zeitliche Änderung der Amplitude
dcp/dt Phasen-Ableitungswert
DEM Düseneinstellmutter
DS Distanzscheiben
DV Dosierventil
EMS moduliertes elektrisches Messsignal
ha aktive Lichtwellenleiterhöhe
I In-Phase-Signal / In-Phase-Komponente
lT vorbestimmtes Zeitintervall
I/O Kommunikationsschnittstelle
L Lichtwellenleiteranordnung
LH Lichtwellenleiterhalterung
LS Lichtstrahl / Lichtsignal
L1 erstes Lichtleiterelement
L2 Lichtleiterelement
LS gepulster Lichtstrahl
MOD Modulationssignal
MOD(A, φ) Modulationssignal in Polarkoordinaten
MS moduliertes Lichtsignal
PGM Programmierbuchse zur Firmwareübertragung
PRI vorbestimmtes Werteintervall der Phasenreferenzwerte PWM_1 ,..., PWM_4 phasenverschobene gepulste Trägersignale PWM_5 Sendesignal
Q Quadratur-Signal / Quadraturkomponente
R Widerstand
RX Eingang
RWA Amplitudenreferenzwert für die Amplitude
RW<p Phasenreferenzwert
S1 , S2 Druckschalter
Sl serielle Schnittstelle
T Trajektorie PWM Periode des Trägersignals
TR Tropfen
TS gepulstes Licht / Trägersignal
TX Ausgang
Us Eingang für Spannungsversorgung der Steuereinrichtung ZR Zwischenraum φ Phase
φΜ Phasenmodulationswert

Claims

Patentansprüche
1 . Tropfendetektionseinrichtung (1 1 , 1 1 a) zur Detektion von aus einem Dosierventil (DV) austretenden, sich entlang einer Trajektorie (T) bewegenden Tropfen (TR), aufweisend: - eine Lichtwellenleiteranordnung (L) mit einem ersten Lichtwellenleiter (L1 ) und einem zweiten Lichtwellenleiter (L2), welche einander gegenüberliegend an einem Zwischenraum (ZR), durch den die Trajektorie (T) des Tropfens (TR) verläuft, derart angeordnet sind, dass ein von dem ersten Lichtwellenleiter (L1 ) ausgesandter Lichtstrahl (LS) die Trajektorie des Tropfens (TR) kreuzt und anschließend in den zweiten Lichtwellenleiter (L2) eingekoppelt wird,
eine Lichtsignalerzeugungseinrichtung (70), um einen mit einer Trägerfrequenz gepulsten Lichtstrahl (LS) in den ersten Lichtwellenleiter (L1 ) einzukoppeln,
eine Lichtauswertungseinrichtung (80), um den in den zweiten Lichtwellenleiter (L2) eingekoppelten Lichtstrahl (LS) auszuwerten, um zu ermitteln, ob ein Tropfen (TR) von dem Dosierventil (DV) abgegeben wurde.
2. Tropfendetektionseinrichtung nach Anspruch 1 , wobei
- der erste Lichtwellenleiter (L1 ) ein erstes und ein zweites Ende aufweist und das erste Ende des ersten Lichtwellenleiters (L1 ) mit einer Lichtemissionseinrichtung (31 ) der Lichtsignalerzeugungseinrichtung (70) gekoppelt ist und das zweite Ende des ersten Lichtwellenleiters (L1 ) ein Emissionsfenster (14) zu dem zu überwachenden Zwischenraum (ZR) bildet und
- der zweite Lichtwellenleiter (L2) ein erstes und ein zweites Ende aufweist und das erste Ende des zweiten Lichtwellenleiters (L2) ein Detektionsfenster (15) zu dem zu überwa- chenden Zwischenraum (ZR) bildet und das zweite Ende des zweiten Lichtwellenleiters (L2) mit einer Sensoreinrichtung (32) der Lichtauswertungseinrichtung (80) gekoppelt ist.
3. Tropfendetektionseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Lichtwellenleiter (L1 , L2) derart an dem Dosierventil (DV) angeordnet sind, dass der gepulste Lichtstrahl aus dem ersten Lichtwellenleiter (L1 ) direkt auf den Tropfen (TR) trifft, von dem Tropfen (TR) moduliert wird und direkt in den zweiten Lichtwellenleiter (L2) eingekoppelt wird.
4. Tropfendetektionseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der erste Lichtwellenleiter (L1 ) und der zweite Lichtwellenleiter (L2) Kunststoff-Fasern umfassen.
5. Tropfendetektionseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Lichtwellenleiter (L1 , L2) derart relativ zu dem Dosierventil positioniert sind, dass eine definierte effektive Querschnittsfläche des ersten und/oder zweiten Lichtwellenleiters (L1 , L2) in Abhängigkeit vom jeweiligen Dosierprozess, insbesondere in Abhängigkeit von einer zu erwartenden Tropfengröße, gegeben ist.
6. Tropfendetektionseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Lichtauswertungseinrichtung (80) dazu eingerichtet ist, unter Berücksichtigung einer definierten Trägerfrequenz des gepulsten Lichtstrahls (LS) zu ermitteln, ob ein Tropfen (TR) von dem Dosierventil (DV) abgegeben wurde.
7. Tropfendetektionseinrichtung nach Anspruch 1 bis 6, mit einer Demodulationseinheit (40), die dazu eingerichtet ist, eine Amplitudendemodulation oder eine Quadraturdemodu- lation eines auf Basis des gepulsten Lichtstrahls (LS) erfassten modulierten Messsignals (MS) durchzuführen.
8. Tropfendetektionseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Lichtauswertungseinrichtung (80) eine Modulationswertermittlungseinheit (51 ) umfasst, welche dazu eingerichtet ist, vorzugsweise auf Basis einer In-Phase-Komponente (I) und einer Quadratur-Komponente (Q), den Betrag der Amplitude und/oder die Phase eines auf dem modulierten Messsignal (MS) basierenden Modulationssignals (MOD) zu ermitteln.
9. Tropfendetektionseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Lichtemissionseinrichtung (31 ) dazu eingerichtet ist, ein gepulstes elektrisches Signal (TS) in eine Lichtwelle (LS) zu wandeln, ohne die Trägerfrequenz und Phase des gepulsten Signals (TS) in relevantem Ausmaß zu ändern (siehe oben).
10. Tropfendetektionseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Lichtsig- nalerzeugungseinrichtung (70) so ausgebildet ist, dass die Helligkeit des gepulsten Licht- Strahls (LS) über die Wahl einer Pulsweite von Lichtpulsen des gepulsten Lichtstrahls (LS) eingestellt wird.
1 1 . Verfahren (500) zum Detektieren eines Tropfens (TR), welcher aus einem Dosierventil (DV) austritt, wobei von einem ersten Lichtwellenleiter (L1 ) ein mit einer Trägerfrequenz gepulster Lichtstrahl (LS) derart emittiert wird, dass er einen Zwischenraum (ZR) zwischen dem ersten Lichtwellenleiter (L1 ) und einem zweiten Lichtwellenleiter (L2) durch- läuft und dabei eine Trajektorie des Tropfens (TR), welche durch den Zwischenraum (ZR) zwischen dem ersten Lichtwellenleiter (L1 ) und dem zweiten Lichtwellenleiter (L2) verläuft, kreuzt und anschließend in den zweiten Lichtwellenleiter (L2) eingekoppelt wird, und auf Basis des in den zweiten Lichtwellenleiter (L2) eingekoppelten Lichtstrahls (LS) ermittelt wird, ob ein Tropfen (TR) von dem Dosierventil (DV) abgegeben wurde.
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