本发明涉及一种液滴探测装置，用于探测从计量阀喷嘴排出的、沿着轨迹运动的液滴。此外，本发明还涉及一种用于探测从计量阀、优选为微计量阀中排出的液滴的方法。
背景技术：
在诸如粘合剂这样的稀液态或糊状介质的施加和计量中会用到计量阀。计量阀在待计量介质的排出部位上具有喷嘴。在传统的针阀中，为了对限定的介质量进行计量是通过将计量针略微地拉出阀座来释放计量阀的开口。在这种情况下，例如在初压力下运行的介质可以贯穿流过喷嘴开口或者说阀开口。当灌装过程或计量过程应当完成时，关闭计量阀的喷嘴。
特别是基于压电式计量阀技术也可以构建所谓的喷射阀。在这里是通过计量针或阀推杆的往复运动来实现介质量给出，其中，介质量在计量针或者阀推杆的运动中朝喷嘴开口方向从喷嘴开口中束状地喷出。这使得即使在计量阀和例如待加工构件上的施加表面之间的距离较大的情况下也允许对计量介质的所限定的量进行施加。在此，该计量间距可以根据应用领域而定在半毫米到几毫米之间变化。喷射阀可以在完全不接触待加工构件的情况下高速地实现极其精细的计量。为了能够支配单个液滴的给出，用于探测液滴的传感器以及相应的评估过程是必需的。
在对特别是之前已通过喷射阀产生的液滴进行光学探测的过程中，会遇到以下困难：首先，计量阀和待加工结构元件的被加载该液滴的表面之间应该维持尽可能小的间距。这个间距可以根据应用情况而定在0.5mm和3mm之间变化。由于该设定会严重地限制液滴传感器的可能的结构高度。此外，待探测液滴的直径非常小，有时会小于10μm。此外，液滴的速度非常快，最高可达50m/s，因此穿过探测传感器所监视的区域的通过飞行时间极其短，只有几微秒。液滴的这种小尺寸和高速度造成传感器信号很弱，其具有很低的信号振幅和不利的信噪比，这使得对液滴进行抗干扰的光学探测非常困难。如果为了获得尽可能强的光学信号并由此转换之后尽可能强的电信号，尝试将光电传感器(例如光电探测器)安装在阀的喷嘴附近，那么就与小几何尺寸系统相冲突。例如由于提供的空间很小，几乎不可能将整个分析电子装置直接定位在传感器上。但是如果将分析电子装置远离传感装置地设置，则存在如下的问题：必须将所检测到的电模拟信号抗干扰地传送到分析电子装置。在对液滴进行传感式测量时可能会产生电磁波的干扰。如果传感器例如是基于光传感装置，则由于意外的光源有可能造成干扰。这些干扰例如可能来自于日光或任何照明装置的光。
在专利文献US2002/0089561A1中描述了一种用于探测打印机系统的液滴的设备，其中，光通过光导体传送并与液滴的轨迹交叉。光的强度会由于下降的液滴而短暂降低。这种与时间相关的强度变化借助传感器来检测并被用于探测液滴。但是，这种探测容易受到诸如散射光那样的外部干扰的影响，因此不能一直确保实现可靠的液滴探测。
在专利文献US4255754A中描述了对喷墨打印机的墨滴飞行轨迹的监视。为了这种监视，光通过光导体，与墨滴产生的频率同步地朝墨滴的飞行轨迹方向发出，并借助于两个光导体来检测。根据借助于两个光导体检测到的光阴影的差异来确定墨滴与预定飞行路径的偏差。即使在这种方法下，也可能基于散射光而出现干扰。
技术实现要素：
本发明的目的在于开发一种用于计量阀的传感器单元，其能够实现尽可能无干扰的液滴探测。
本发明的目的通过一种根据权利要求1所述的液滴探测装置和一种根据权利要求9所述的用于探测液滴的方法来实现。
用于探测从计量阀喷嘴排出的、沿着轨迹运动的液滴的根据本发明的液滴探测装置具有光波导体单元。该光波导体单元包括第一光波导体和第二光波导体。这些光波导体在包含有液滴轨迹的间隙上彼此相对地这样设置，使得从第一光波导体发出的光束与液滴的轨迹交叉，并因此被耦合到第二光波导体中。此外，根据本发明的液滴探测装置还具有光信号产生装置，其被设置用于将以载波频率脉冲化的光束耦合到第一光波导体中。脉冲化的光束应该被理解为以载波频率脉冲化的光束，其以恒定的特征参数(例如频率，即所谓的载波频率或还有脉冲频率；振幅)周期性地变化，例如以特定的节奏被接通和关断。该信号最初在未调制状态下除了恒定的特征参数之外本身不承载信息。待发送的信息只能通过调制获得，该调制可以通过载波信号与信息源进行某种形式的物理交互来实现。例如，载波信号可以借助于调制信号来调制或者受到其他物理性干扰的影响，例如待探测的液滴。在这种情况下，调制应该被理解为载波信号关于它的参数中的一个或多个(例如振幅、频率或相位)的变化。脉冲频率或载波频率应该高于调制的频率，或者波长应该短于由液滴引起的对信号的“干扰”。
液滴探测装置还包括光分析装置，其被设置用于对耦合到第二光波导体中的光束进行分析，并确定液滴是否由计量阀给出。在根据本发明的用于探测从计量阀排出的液滴的方法中，从第一光波导体发出以载波频率脉冲化的光束，使其穿过位于第一光波导体和第二光波导体之间的间隙，并与延伸穿过该位于第一光波导体和第二光波导体之间的间隙的液滴轨迹交叉，然后被耦合到第二光波导体中。优选地，对已耦合到第二光波导体中的脉冲化光束进行分析，以确定液滴是否从计量阀给出。
通过如下地使用脉冲化的光束并对其进行分析，即，用液滴进行“调制”，可以相对可靠地对液滴进行探测，而不会受到散射光等的相关影响。
本发明的其他特别有利的设计方式和扩展方案在从属权利要求以及下面的说明中给出，其中，特定类别的权利要求也可以根据不同类别的从属权利要求进行扩展，并且不同实施例的特征可以被组合成新的实施例。
在根据本发明的液滴探测装置的一种设计方式中，第一光波导体具有第一端部和第二端部。在这种情况下，第一光波导体的第一端部与光信号产生装置的发光装置耦合。第一光波导体的第二端部形成朝向待监测间隙的发射窗口。第二光波导体也具有第一端部和第二端部，其中，第二光波导体的第一端部形成朝向待监测间隙的探测窗口，第二光波导体的第二端部与光分析装置的传感器装置相耦合。在最简单的情况下，第一光波导体的发射窗口和第二光波导体的探测窗口可以通过利用针对玻璃纤维的常规切割器具所切断的端部的端面形成。为此，纤维端部可以用为此所设置的切割器具切断，然后可能地稍微进行抛光。因此，光波导体的发射窗口可以很轻松地制造。为此不需要额外的光学器件。如果这样的发射窗口被损坏或弄脏，则通过切断一块光波导体并然后可能还进行抛光就能够容易地消除这样的损坏。在此需要注意的是：窗口表面或光波导体端部的棱边是尽可能平坦的并垂直于光波导体的纵向轴线定向。
在根据本发明的液滴探测装置的这种优选的设计方式中，第一和第二光波导体被设置在计量阀上，使得来自第一光波导体的脉冲化光束直接进入到可能由计量阀排出的液滴上，受到该液滴任何方式的物理影响、优选被调制，并被直接耦合到第二光波导体中。在该情况下，“直接”意味着在第一光波导体的发射窗口前面或者在第二光波导体的探测窗口前面没有使用次级光学器件，例如透镜系统等。第一和第二光波导体被布置得例如彼此直接对置且相互对齐。在这种情况下，第一光波导体的发射窗口和第二光波导体的探测窗口彼此相面对，以使从第一光波导体的发射窗口发出的光束落到第二光波导体的探测窗口上。另外，这两个光波导体以及可能从计量阀排出的液滴的轨迹优选位于一个平面上，以使从第一光波导体发出的光束碰击液滴并通过液滴被调制，并因此落到第二光波导体的探测窗口上，该光束从该探测窗口被耦合到第二光波导体中。例如，受到液滴以可能方式影响的、即被调制的光束在被耦合到第二光波导体中之后从该第二光波导体被继续引导到一传感器装置，该传感器装置将以可能方式被调制的光束首先转换成一调制后的电信号。
根据本发明的液滴探测装置的第一光波导体和第二光波导体可以包括例如塑料纤维。优选地，光波导体包括POF波导体(POF＝塑料光纤＝聚合光纤)。
在根据本发明的液滴探测装置的一种特别有效的设计方式中，第一光波导体和第二光波导体的芯核直径处在0.1mm至3mm，优选0.5mm至1.5mm，更优选0.9至1.1毫米的范围内。
在根据本发明的液滴探测装置的一种设计方式中，光波导体相对于计量阀被定位为，根据对应的计量过程、特别是根据预期的液滴大小来选择第一和/或第二光波导体的所限定的有效横截面积。光波导体的有效横截面积是指光波导体的横截面积中能用于探测液滴或发射光束的那一部分。例如，可以将光导体横截面的一部分用计量阀的喷嘴调整螺母来遮盖，因此这一部分将不再被视为有效横截面积。
通过使一个或两个光波导体的有效横截面积与对应的计量过程或者期望的液滴大小相适配，可以特别是优化信噪比或者获得液滴的最大通过飞行时间。
例如，光波导体的有效面积可以包括光波导体表面的整个面积。即，光波导体相对于计量阀被定位为，没有光波导体的横截面积的任何部分被例如计量阀的喷嘴调整螺母所覆盖。因此，在这种情况下充分利用了光波导体的整个有效高度。与此相关的是液滴穿过调制单元的最大通过飞行时间。这对于液滴探测具有有利的影响，因为可以获得更多的信号采样值。以适宜的方式，应该尽可能多地将通过液滴调制的光耦合到第二光波导体中，以使由传感装置所检测到的测量信号的振幅的值尽可能得大，并获得足够的信噪比。在根据本发明的液滴探测装置的一种替代的设计方式中，光波导体的有效面积仅包括光波导体表面的整个面积的一半。也就是说，光波导体相对于计量阀被定位为，光波导体横截面积的上半部分例如被计量阀的喷嘴调整螺母遮盖。因此，在这种情况下只有光波导体的一半高度还被用于探测。与此相关的是：液滴的相对使用整个高度只还有一半长度的通过飞行时间。这样的布置大多在液滴具有尽可能长的通过飞行时间、所需要的安装空间进而使计量阀相对于待加工工件获得最小间距之间实现了很好的折中。为了调整所期望的有效光导体面积，可以在光波导体支架和计量阀之间安装间隔垫圈。
在根据本发明的液滴探测装置的另一种设计方式中，光波导体的有效面积仅包括整个光波导体面积的一小部分。也就是说，所使用的光波导体面积仅包括整个光波导体面积的一小部分。这样的布置例如可以在液滴非常小的情况下是有利的，因为在有效面积和被液滴遮住的面积之间存在较有利的比例。由此得到调制信号的较强的信号振幅，这有助于改善信噪比。
特别优选地，将根据本发明的液滴探测装置的发光装置设置用于，在不明显改变脉冲化信号的载波频率和相位的情况下，将脉冲化的电信号转换成光波。由于在分析探测到的电信号时优选还要考虑脉冲化信号的相位，因此在通过发光装置发射光束的过程中，脉冲化信号相位的较剧烈变化会影响对所探测到的信号的分析。发光装置和传感器装置之间的光学路段，即特别是信号从电信号到光信号并再次回到电信号的信号转换，会引起一定的相移。但是，这相对于优选使用的载波频率而言是很小的。此外，事先、也就是在真正进行液滴探测之前执行一示教阶段，在该示教阶段中，在载波信号和解调单元的控制信号之间设定理想的相位偏移，以实现边带选择。在这里，可以将由电光信号转换所引起的轻微相位偏移连带考虑进去。
在根据本发明的液滴探测装置的一种变型中，光信号产生装置被设置用于，通过选择脉冲化光束的光脉冲脉冲宽度的参数值大小来调整脉冲化光束的亮度。例如，如果选择具有比较小的脉冲宽度的占空比或者相对于信号或者相对于脉冲化光束的周期持续时间而言短的脉冲持续时间，则降低了脉冲化光束的亮度。相反，通过具有比较大的脉冲宽度的占空比或者相对于信号或者脉冲化光束的周期持续时间而言长的脉冲持续时间，可以提高脉冲化光束的亮度。待调整的优化亮度涉及到达光电传感器、即光电二极管的余光，也就是在整个光学路段之后仍然保留并照射到光电二极管上的光。
所发射的光的强度进而还有所接收到的余光的强度必须被选择为，能够使传感器在该运行点上具有其最大的灵敏度。在这种情况下，灵敏度是指由于光强度的轻微波动引起光电二极管输出电流的最大可能波动。在更换光波导体时应该对这种调整进行适配。
根据本发明的液滴探测装置优选具有信号产生单元，其可以优选是光信号产生装置的部件。该信号产生装置优选被设置用于，产生具有限定的脉冲频率或者载波频率的电载波信号。然后在该电载波信号的基础上产生脉冲化光束。
此外，根据本发明的液滴探测装置优选具有分析单元，该分析单元可以是光分析装置的一部分。该分析单元被设置用于：在考虑到所限定的脉冲频率或载波频率的情况下，基于调制后的测量信号来确定计量阀是否排出液滴。优选地可以为此在解调单元(其例如可以是分析单元的部件)中，在考虑到所限定的脉冲频率或载波频率的情况下，基于调制后的信号来确定调制信号，并然后基于该调制信号确定计量阀已排出液滴。在该情况下，调制信号应当被理解为与通过液滴对载波信号进行的调制相应的信号，该信号可以通过解调又与载波信号“分开”。
调制后的测量信号或调制信号的特定信号参数值、例如调制信号的振幅和相位的随时间相关性的曲线走向，相应于待探测液滴的特定特性或几何尺寸。所提到的信号参数与待探测液滴的特性或几何尺寸之间的关系不必针对探测是直接已知的。只要事先、例如在示教方法中借助于具有限定几何尺寸的“样本液滴”确定：调制后的测量信号或调制信号的哪些信号参数值对应于具有所期望的特性或几何尺寸的液滴(在示教方法中所利用的“样本液滴”)，即液滴在什么时候被视为探测到，就足够了。
在该液滴探测装置的一种设计方式中，在限定的时间窗口中检查液滴的给出，该时间窗口与计量阀的液滴给出控制是同步的。换句话说，用来探测液滴或者总体上“搜寻”液滴或者在需要时总体上给出一载波信号的时间窗口与计量阀的液滴给出是同步的，使得所设置的液滴给出位于该时间窗口内。
在一种特殊的设计方式中，该液滴探测装置包括解调单元，该解调单元被设置用于执行对测量信号的振幅解调。
在一种特别有效的设计方式中，对测量信号执行正交解调，以便确定同相分量和正交分量。为此可以对解调单元进行相应配置。
优选地，可以基于同相分量和正交分量来确定基于调制后的测量信号的调制信号的振幅的数值和/或相位。例如，调制信号的振幅和相位可以通过同相分量和正交分量的极坐标变换来获得。为此，液滴探测装置的分析单元可以优选地具有被设置用于此目的的调制值确定单元。
在液滴探测装置的一种特殊变型中，液滴探测装置、特别是调制值确定单元被设计用于确定：振幅导数值，包括振幅数值的时间导数；和/或相位导数值，包括调制信号的相位的时间导数。
在一种优选的设计方式中，液滴探测装置、特别是调制值确定单元被设置用于，在时间窗口的预定的固定时间区间内，将预定数量的振幅导数值组合为振幅比较值；和/或在时间窗口的预定的第二时间区间内，将预定数量的相位导数值组合为相位比较值。例如，振幅导数值与相位导数值的组合可以包括：将多个振幅导数值求和或相加成振幅比较值；以及将多个相位导数值求和或相加成相位比较值。
原则上，用于振幅导数值的组合和相位导数值的组合的这两个时间区间是在示教阶段期间或者在上面提到的示教方法中被确定的。在这种情况下，在这些时间区间的示教期间会不断地获得数值，而没有时间的限制。因此将这些时间区间确定为，可以在这些时间区间内获得针对振幅导数值和相位导数值的最大值的限定的数量。用于振幅导数值和相位导数值的时间区间优选彼此独立地被确定。也就是说，它们的持续时间和它们的启动时间点是相互独立的。
例如，一时间区间可以包括50个测量值，则最大值的被限定的数量、例如10个应该处于这样大的范围内。于是，在确定该范围之后，即在示教阶段之后，这10个最大值始终从该包含50个测量值的时间区间中确定或搜索并被进一步使用。
然后，基于振幅比较值和/或相位比较值可以优选地确定：调制信号是否指示了液滴。因此，除了调制值确定单元之外，根据本发明的液滴探测装置的分析装置优选还包括探测滤波器单元，其被设置用于，在振幅比较值和/或相位比较值的基础上确定调制信号是否指示了液滴。
为了探测液滴，特别是液滴探测装置的探测滤波器单元可以被设置用于，确定例如由调制值确定单元所确定的振幅比较值与振幅参考值的偏差和/或确定例如由调制值确定单元所确定的相位比较值与相位参考值的偏差。振幅参考值可以例如从先前检测到的调制信号的多个振幅比较值中形成。相位参考值可以例如从先前检测到的调制信号的多个相位比较值中形成。在形成参考值时应该注意的是：只有被归类为正确探测到的液滴的比较值才能被接受用于参考值的确定。
在一种特殊的设计方式中，液滴探测装置可以具有参考值存储装置，从先前检测到的调制信号的多个振幅比较值中形成的振幅参考值和/或从先前检测到的调制信号的多个相位比较值中形成的相位参考值作为可变的参考值被存储在该参考值存储装置中。由此造成：在比较值的就单个液滴的比较值而言整体上平均缓慢的波动下，对参考值进行持续的适配。相对于比较值与绝对参量的比较，由此可以关于参考值缩小所容许的波动宽度。
为了确定液滴是否被探测到，可以将液滴探测装置、特别是探测滤波器单元设计用于确定：振幅比较值与振幅参考值的所确定的偏差和/或相位比较值与相位参考值的所确定的偏差不超过最大值。换句话说，参考值形成一种目标值，其例如由经验值所确定。这些参考值在正常探测过程期间被不断地重新获取。它们与从滤波器示教阶段所确定的相对容许偏差结合代表了一种目标值。该相对容许偏差宽度代表经验参量，因为它们是在滤波器示教期间被确定的。如果所确定的比较值与目标值相差太远，则得出如下结论：要么没有探测到液滴，要么至少没有探测到常规的液滴。
在一种特别优选的变型中被确定的是：针对确定振幅比较值的偏差所使用的振幅参考值是否处于预定的振幅参考值区间中，和/或针对确定相位比较值的偏差所使用的相位参考值是否处于预定的相位参考值区间中。为此又可以对探测滤波器单元做相应配置。例如，可以将针对振幅值和相位参考值的固定参考值区间分别存储在参考值存储装置中。这样的固定参考值区间可以例如在示教阶段中确定，在该示教阶段中还测量了参考值的可能波动宽度。如果所使用的参考值不在该固定参考值区间内，则据此认定：为了确定该参考值主要促成的是非常规的液滴，从而使这样的参考值不再被认为是可靠的。在这种情况下，例如可以将确定结果归类为至少是不可靠的或者完全被放弃。当由计量阀计量给出的液滴的大小仅缓慢但持续地变化时，可能会发生这种状况。现在，如果基于这种被改变的调制值或比较值来形成参考值，则在不利的情况下，参考值也可能相应于与先前确定的目标液滴偏差很大的不正确的液滴。为了避免这样的错误，优选为参考值确定一固定区间，该参考值不允许偏离该固定区间。如果确定参考值不再处于预定的区间内，则可以例如向液滴探测装置的使用者发出系统不再被正确校准的消息。于是，使用者可以采取对策。例如，使用者可以检查计量阀的功能是否正确并消除可能的功能干扰。因此，可以例如在系统重启之后确定正确的参考值。在这种情况下，参考值在重启之后在初始阶段形式中就被确定并且在测量过程期间通过将当前的测量值与迄今为止的参考值进行平均来持续地更新。
附图说明
下面将参照附图并根据实施例对本发明再一次做更详细地说明。在此，相同的部件在不同的附图中具有一致的附图标记。这些附图通常不是按比例绘制的。其中：
图1示出了根据本发明的一实施例的液滴探测装置的示意图，
图2示出了根据本发明的液滴探测装置的横截面图以及具有不同的有效光波导体高度的多个变型，
图3示出了根据本发明的一实施例的液滴探测装置的细节视图，
图4示出了根据本发明的一实施例的液滴探测装置的解调单元的混频器单元的细节视图，
图5示出了根据本发明的一实施例的液滴探测装置的支配单元的外观示意图，
图6示出了图解用于检测液滴的方法的流程图，
图7示出了在细节上明示了在图3中示出的调制值确定单元的功能原理的流程图，
图8示出了在细节上明示了在图3中示出的探测滤波器单元的功能原理的流程图。
具体实施方式
图1中示出了根据本发明的一实施例的液滴探测装置11。在如图1所示的实施例中，液滴探测装置11包括光信号产生装置70、光波导体单元L和光分析装置80。光信号产生装置70包括信号产生单元20，其产生脉冲化的电载波信号TS。该电载波信号TS被传输至发光单元31，例如发光二极管，该发光单元将电信号TS转换为通过载波信号TS被脉冲化的光束LS。由发光单元31产生的脉冲化的光LS被传输到光波导体单元L上。在如图1所示的实施例中，光波导体单元L的第一光波导体元件L1连接发光单元31，使得从发光单元31发射的光束LS被直接耦合到光波导体单元L的第一光波导体元件L1中。
借助于第一光波导体元件L1，被脉冲化的光束LS通过发射窗口14被输送给间隙ZR，由计量阀DV(具有喷嘴调整螺母DEM)发射的液滴TR的轨迹T在该间隙中延伸。通过液滴TR来调制光束LS的光，以使其因此包含相应于调制后的光信号MS的信息。因此，包含有调制后的光信号MS的光束LS经由探测窗口15被耦合到第二光波导体元件L2中。
包含调制后的光信号MS的光束LS通过第二光波导体元件L2被传输到光分析装置80上。该光分析装置80包括光传感器32和信号分析装置50。
由于液滴探测装置11特别是由于使用了被脉冲化的光束而对于散射光和其它干扰非常不敏感，但对于有效信号却具有最高敏感度，因此有利地不需要在第一光波导体元件L1的发射窗口14上或者在第二光波导体元件L2的探测窗口15上使用附加的光学元件，例如透镜系统等。光波导体的入口侧或出口侧必须尽可能地平面垂直于光波导体的纵向轴线。由于光传感器32和发光单元31位于计量阀DV所占据的工作区域的外面，因此可以与在计量阀DV的喷嘴调整螺母DEM区域中起作用的狭窄场地情况无关地确定传感器32和发射器31的尺寸。发射器31用作信号转换器，其将未调制的电载波信号TS转换为未调制的光信号LS。光传感器32用作信号转换器，其将调制后的光信号MS转换为调制后的电测量信号EMS。
下面结合图3、图6和图7更详细地说明对被调制的电测量信号EMS的后续处理。
在图2的上部子视图中示出了根据本发明的一种实施例的液滴探测装置的横截面。此外，在图2的下部子视图中示出了具有不同的有效光波导体高度ha的光波导体L1、L2的布置的多个变型。光波导体L1、L2的该布置借助于安置在光波导体支架LH和计量阀DV之间的间隔垫圈DS来确定。在如上部视图所示的情况下，超出计量阀DV喷嘴调整螺母DEM的有效高度ha大约是光波导体直径的一半，这相当于：光波导体直径为1mm时，有效高度ha为500μm。应该将光波导体L1、L2的朝向液滴的轨迹T所延伸的间隙开放的那一区段的高度理解为有效高度。也就是说，该区段是指光波导体L1、L2的横截面的尤其未被计量阀DV的喷嘴调节螺母DEM遮盖的部分。但是，通过大约100μm厚的间隔垫圈，可以将该高度ha调整至与由对应的计量过程所决定的对应情况相协调。
在下部子视图中示出了具有不同的有效光波导体高度ha的光波导体L1、L2的布置的三种变型。在下部的左子视图中使用了整个光波导体表面，即，有效高度ha相应于光波导体L1、L2的直径。由此实现使液滴通过两个光波导体L1、L2之间的检测区域的长的通过飞行时间。这对于液滴探测具有有利的影响，因为可以获得更多的信号采样值。
在下部的中子视图中使用了光波导体表面的一半，即，有效高度ha对应于光波导体L1、L2的直径的一半。光波导体的有效宽度ba对应于光波导体L1、L2的直径。在这种变型中，尽管液滴通过两个光波导体L1、L2之间的检测区域的通过飞行时间略短，但是这种变型在所需结构空间、即所获得的相对于被施加液滴的工件的最小距离和所实现的通过飞行时间之间提供了良好的折中。
在下部的右子视图中只使用了整个光波导体表面的一小部分。这样的布置例如可以在液滴非常小的情况下是有利的，因为通过该变型在有效表面和被液滴遮蔽的表面之间产生较有利的比例。由此使调制信号获得较强的信号振幅，这有助于改善信噪比。
图3示出了根据本发明的一种特别优选的实施例的液滴探测装置11a。该液滴探测装置11a同样包括如图1中所示的单元，例如在图3中以虚线标记的光信号产生装置70、光波导体单元L和光分析装置80。在图3中详细示出了光信号产生装置70和光分析装置80。该光信号产生装置70如同在图1中示出的光信号产生装置那样包括信号产生单元20，其在图1中以虚线示出。在该实施例中，信号产生单元20包括发送信号生成单元21，该发送信号生成单元产生具有被限定的、可预先给定的脉冲频率的发送信号PWM_5，例如作为脉冲化的方波信号。所产生的发送信号PWM_5被发送到功率放大器24上，该功率放大器将发送信号PWM_5放大成载波信号TS。信号产生单元20附加地包括信号生成单元23，该信号生成单元被设置用于，将相对于所述载波信号相移的被脉冲化的控制信号PWM_1，...，PWM_4发送到解调单元40的混频器单元43上。尽管信号生成单元23是信号产生单元20的部件，但是其是用于分析检测到的、调制后的信号EMS并因此不被视为光信号产生装置70的部件，而是被视为光分析装置80的部件。
此外，信号产生单元20具有用于操控光分析装置80的放大电路44、45的控制信号输出端22，其同样不被视为光信号产生装置70的部件，而是被视为光分析装置80的部件，因为由控制信号输出端22产生的控制信号也被用于对调制后的信号MS进行分析。
用于混频器43的控制信号PWM_1，...，PWM_4的脉冲频率总是等于发送信号PWM_5的频率。控制信号PWM_1，...，PWM_4和发送信号之间的相移是可变的。脉冲频率优选为450kHz+-15kHz。确定载波信号的频率是用于：使所接收到的信号(载波信号和由于通过液滴造成的振幅调制所产生的边带)可以优化地穿过带通滤波器。
然后，通过调整载波信号与解调单元的操控信号之间的相位来选择边带。根据采样定理，载波频率必须大于从液滴通过飞行时间中通过调制单元30所得到的频率的两倍。
由发送信号生成单元21产生的载波信号TS从放大器24传输到发光单元31上。发光单元31可以例如是发光二极管，其根据施加在发光二极管上的载波信号TS发光。换句话说，最初作为被脉冲化的电流存在的载波信号TS被转换成被脉冲化的光信号。发光单元31连接光波导体单元L。详细地说，发光单元31发出脉冲化光信号TS进入到光波导体单元L的第一光波导体L1中，该第一光波导体将脉冲化光信号TS提供给间隙ZR，计量阀的待检测的液滴TR的轨迹延伸穿过该间隙(见图1)。如同结合图1所阐释的那样，与第一光波导体L1相对置地设置有第二光波导体L2。
光波导体L2连接图3中也用虚线标出的光分析装置80。该光分析装置80包括传感器单元32，当液滴被给出时，该传感器装置检测由液滴TR调制的光信号MS。传感器单元32包括例如光电检测器，其接收调制后的光信号MS并再将其转换成可通过电导线传输的调制后的电信号EMS。
然后将调制后的电信号EMS传输到(在图3中同样以虚线标出的)分析单元50，该分析单元是光分析装置80的部件并且还具有一解调单元40。该解调单元40包括用于放大调制后的电信号EMS的放大器单元41。该放大器单元41通过信号产生单元20的控制信号输出端22来操控，并一方面用于前置放大由光电探测器32检测到的调制后的信号EMS，另一方面也用作跨阻抗放大器。光电探测器32在此沿截止方向被预加压并以准短路的方式运行。因此，在没有电压波动的情况下，由光电探测器32仅还给出在多量级上线性依赖于照明强度的电流。因此，探测器的-通常受到截止层电容限制的-带宽明显较高，这是因为不存在电容的再充电。另外，通过预加压还实现了电容的进一步减小，由此使得进一步增加了能获得的带宽。另外，通过跨阻抗放大器将电流信号转换为电压信号。该转换的放大系数是可调的。由此实现了最大的、取决于液滴阴影的、经电压引导的信号调制。
解调单元40还包括滤波器单元42。该滤波器单元42可以包括例如带通滤波器，该带通滤波器仅使调制后的信号EMS的载波频率和两个边带通过。该滤波器单元42还去除了由外部光入射引起的可能的干扰信号，这种干扰信号的频率远异于载波信号TS的脉冲频率。另外，滤波器单元42、优选陡边带通滤波器还去除了由于脉宽调制所产生的高次谐波。然后，将这样滤波调制的测量信号EMS继续导引到混频器43，该混频器将调制后并滤波的测量信号EMS与由信号生成单元23产生的、相对于载波信号相移的脉冲化控制信号PWM_1，...，PWM_4(在下文中也称为PWM信号)混合，并向同相信号放大器44发送同相信号或者说同相分量I，以及向正交信号放大器45发送正交信号或者说正交分量Q。同相信号放大器44和正交信号放大器45由信号产生单元20的控制信号输出端22来操控。放大器41、44、45被彼此分开地操控。它们通过可经由数据总线(例如I2C-BUS)编程的可变电阻(变阻器)来调整。每个变阻器(进而放大器)在此情况下是被单个调节的。对放大器41的调整在此从数值上讲完全与放大器44和45无关。但是，为了不改变I信号和Q信号之间的关系，放大器44和45总是具有相同的值。尽管如此，它们两个也是被彼此分开操控的。混频器单元43的功能原理在图4中详细示出并稍后还对其进行更详细的说明。同相分量I和正交分量Q在此形成调制信号MOD。
在放大器44、45中对这两个信号分量I、Q进行放大之后，这两个分量I、Q在分析单元50内部被发送到分析单元50的子单元，这些子单元在图2所示的实施例中是控制单元60的部件。控制单元60包括相应的用于信号分量I、Q的输入端53、54。给输入端53、54后置连接AD转换器(未示出)，这些AD转换器将模拟信号分量I、Q转换为数字信号。解调单元40的放大器44、45在其放大系数上是可适配的，并用于将调制信号MOD的由混频器单元43产生的信号分量I、Q提高至对于AD转换器而言优化的电压水平。由此确保了转换器分辨率的最大利用率。为了使AD转换器不由于存在于分量I、Q中的直流部分而被带到其通过参考电压所预先给定的限制电压上，只有由液滴引起的交流部分被放大。
另外，分析单元50还包括调制值确定单元51和探测滤波器单元52。分析单元50的这些子单元在如图2所示的实施例中是控制单元60的部件。在调制值确定单元51中对数字化的信号分量I、Q进行数学处理，并例如通过极坐标变换转换为振幅信息和相位信息。探测滤波器单元52可以例如被构造为可参数化的软件滤波器，利用该软件滤波器根据所检测到的信息来确定：液滴是否已经通过位于第一光波导体L1和第二光波导体L2之间的间隙ZR。在系统11a开始其常规运行之前，必须通过两个彼此分开运行的初始化过程对其进行调整。
一方面，必须将所有的硬件结构组调整到对于探测来说的优化的工作点。这些调整包括：通过载波信号占空比来确定光传感器32的工作点；使载波信号TS与带通滤波器42的滤波特性曲线进行频率调谐；调整混频器信号PWM_1，...，PWM_4关于载波信号的相位以实现精确的边带选择；找到跨阻抗放大器41的优化放大系数；以及通过ADC前置放大器44、45对针对输入端53、54的AD转换器所用的I信号和Q信号进行信号适配。另一方面，基于所期望的目标液滴TR，必须对探测滤波器单元52的所有参数进行校准。参数包括：用于搜寻针对振幅值和相位值的导数最大值的时间窗口；这些振幅值和相位值的比较值与参考值的相对容许偏差宽度；以及振幅值和相位值的参考值的绝对容许范围。无论是硬件调整还是滤波器调整都可以手动地或通过自动的示教过程来调整。这些调整对于调制值获取以及关于识别液滴TR的信号判断都是必需的。
在图4中详细示出了混频器单元43，在该实施例中为正交解调器。该正交解调器43包括：传送器431；开关单元432，其具有并联连接的开关432a、432b、432c、432d；积分器单元433，其具有分别与并联连接的开关432a、432b、432c、432d后置连接的积分器433a、433b、433c、433d；以及第一和第二差分放大器434a、434b，它们分别与两个积分器电连接。正交解调器43被用作单边带混频器，并使调制后的电测量信号EMS再次返回到基带中。通过适当地选择调制后的测量信号EMS关于对混频器43的开关432a、432b、432c、432d进行控制的四个控制信号PWM_1，…，PWM_4的相位，经由后置连接积分器433a、433b、433c、433d的差分放大器434a、434b来选择用于解调的边带。作为差分放大器434a、434b的输出信号生成同相信号I和正交信号Q，从这些输出信号中可以推导出调制信号MOD，该调制信号与载波信号TS的由于计量阀的液滴TR的干扰相关联。
细节地，混频器单元43如下地起作用：测量信号EMS从传送器431被传送到混频器单元43的输入端。传送器431用于不同构件之间的功率适配以及用于对存在的直流部分进行信号平衡和去除。此外，混频器43包括一电阻R，该电阻串联连接到传送器的输出端并与积分器433a、433b、433c、433d一起形成一滤波器。开关432a、432b、432c、432d由信号生成单元23以控制信号PWM_1，…，PWM_4来加载或时钟控制，这些控制信号分别针对周期TPWM的四分之一或者载波信号TS的四分之一波接通这些开关432a、432b、432c、432d中的一个。因此，控制信号PWM_1，…，PWM_4与载波信号TS同步。如果这些开关432a、432b、432c、432d中的一个闭合，则测量信号EMS在对应开关432a、432b、432c、432d闭合的时间间隔内由配属的积分器433a、433b、433c、433d积分为一平均值。积分器433a、433b、433c、433d可以包括例如并联连接的电容器，并产生调制电测量信号EMS的与载波信号TS的各个四分之一波相配属的那些区段的平均值。在第一个四分之一波中积分得到的平均值被施加在第一差分器434a的标记为“+”的正输入端上，而在第三个四分之一波中积分得到的平均值被施加在第一差分器434a的标记为“-”的负输入端上。在第二个四分之一波中积分得到的平均值被施加在第二差分器434b的正输入端上，而在第四个四分之一波中积分得到的平均值被施加在第二差分器434b的负输入端上。在第一差分器434a的输出端上，产生处于基带中的同相信号I，并在第二差分器的输出端上，产生处于基带中的正交信号Q。在参考专利文献US6230000B1中详细描述了这种混频器单元的功能原理。
图5示出了控制装置60的(壳体)外视图，利用该控制装置可以对液滴探测装置11、11a的各个单元进行操控、分析测量信号、监视各个单元的功能性并使各个系统参数被调整和调谐。在该壳体中安装整个电子装置。该电子装置原则上涉及到包括光电信号转换器(接收光电二极管32和发送LED31)在内的液滴探测的整个系统。这些代表了“光学路段”的边界，即发送光波导体L1、发射窗口和位于外部的液滴路段T。
数据总线接口DB应该在未来尤其用于与阀控制单元的通讯。例如，液滴探测的瞬时状态或者还有针对之前的计量过程的统计(探测到的错误数量和它们发生的时间)可以通过该数据总线接口DB被发送给阀控制单元。针对该数据总线接口DB的另一种应用可能性是：液滴探测可以通过该总线向阀控制单元要求，有意地促成错误计量，以检查液滴探测的正确功能。然后，液滴探测必须可靠地探测这种有意的错误计量。控制装置60的部件还有通信端口I/O，利用该通信端口从阀控制单元70接收触发信号并通过该通信端口发出与液滴探测装置的系统状态和计量状态相关的信息。
控制装置60还包括串行端口SI，该串行端口被用作到高级别的过程主控计算机80的接口。过程主控计算机80可以通过该串行端口SI控制液滴探测和/或查询关于之前计量的状态报告。
控制装置60具有输入端RX，该输入端被用作接收光波导体L2到光电元件上的接口。因此，接收光波导体L2被连接到输入端RX上。输出端TX用作发送光波导体L1到发送发光二极管31上的接口。因此，将发送光波导体L1连接到输出端TX上。
另一个输入端Us用于向控制装置60供电压。附加的输入端PGM可以被使用作为编程插座用于固件发送。
控制装置60还包括显示器55以及多个指示灯56，...，59。第一指示灯56用于显示不同的系统错误。第二指示灯57用于显示系统状态或系统的活动性。这样的状态例如可以涉及到以下事实：光波导体L1、L2未正确连接、损坏、太长或变脏。第三指示灯58可以包括下述相关信息：已经探测到一被正确计量的液滴。第四指示灯59可以包括如下的消息，即，在计量中出现错误，因此例如没有探测到液滴，或者探测到的液滴相对于目标液滴有太大的偏差。
控制装置60还包括两个用于使一液滴探测装置的各个单元调谐一致的按键开关S1、S2。例如，通过在限定的时间段(在此例如为2秒)按压一开关S1来接通第一示教模式“硬件示教模式”，在该模式中例如进行如下的操作：调整载波信号TS的脉冲宽度，以使发光单元31关于基于载波信号TS所形成的光束到达光传感器单元的余光实现优化亮度；确定脉冲化载波信号TS的频率，以使调制后的信号EMS的两个边带能够经过后置连接于传感器装置的滤波器单元42；与操控属于解调单元的混频器单元43的控制信号PWM_1，...，PWM_4相关地调整载波信号TS关于信号PWM_5的相位；以及调整用于电压适配的放大器单元44和45以及用作跨阻抗放大器的放大器单元41。这种硬件示教模式例如是在液滴探测装置的第一次投入运行时或者在更换硬件组件时执行。
通过在限定的时间段(例如也为2秒)按压另一个开关S2来接通第二示教模式“软件示教模式”，在该示教模式中进行如下的操作：例如，按照新的液滴类型对分析单元50的探测滤波器单元52和调制值确定单元51进行示教。在此情况下要确定：比较值关于参考值的相对容许波动宽度；对于探测滤波器单元52重要的值的检测时间窗口；以及参考值的绝对值范围。例如当有新的测试系列正在等待，也就是应该探测另一种类型的液滴时，执行该软件示教模式。
图6示出了流程图，利用其来图示用于探测计量阀DV的液滴的方法500。在步骤6.Ⅰ中，以限定的脉冲频率或载波频率和限定的占空比来产生脉冲化载波信号TS。
在步骤6.Ⅱ中，通过载波信号TS与由计量阀DV给出的待探测液滴TR的物理性交互作用而产生调制后的测量信号MS。更详细地说，在子步骤6.Ⅱa中，首先将载波信号TS由发光单元转换成光信号LS。然后在子步骤6.Ⅱb中，将以载波频率脉冲化的光束LS耦合到第一光波导体L1中。然后在步骤6.Ⅱc中，将该脉冲化光束LS从第一光波导体L1发射出去，使得该脉冲化光束穿过第一光波导体L1和第二光波导体L2之间的间隙ZR，并与穿过第一光波导体L1和第二光波导体L2之间的间隙ZR延伸的液滴TR的轨迹交叉，然后(可能包括调制光信号MS地)被耦合到第二光波导体L2中。在步骤6.Ⅱd中，可能包括调制光信号MS的光束LS被光转换单元(例如光传感器)转换为以可能方式被调制的电测量信号EMS。
在步骤6.Ⅲ中，基于以可能方式被调制的电测量信号EMS来确定调制信号MOD。调制信号MOD相应于在液滴TR与光束LS碰撞的情况下施加给光束LS的信息。随后在步骤6.Ⅳ中，基于调制信号MOD确定是否有液滴TR从计量阀DV排出。
图7详细示出了分析单元50的如图3所示的调制值确定单元51的功能原理700。在步骤7.Ⅰ中，调制值确定单元51检测分析单元50的与控制单元60的如图3所示的输入端53、54后置连接的AD转换器的同相分量I和正交分量Q。对同向信号I和正交信号Q的采样是连续进行的。在这种情况下，这两个值I、Q优选是绝对同时获得的。值I、Q在其被进一步处理之前要经过中值滤波器，以去除由干扰辐射、ADC转换误差等引起的极值。在步骤7.Ⅱ中，信号分量I、Q借助于极坐标变换被转换成信号MOD该信号包括关于调制信号MOD的振幅A和相位的信息。例如，振幅A被如下地获得：
此外，调制信号MOD的相位由以下等式得到：
在此，I和Q相应于被解调的信号或调制信号MOD的同相分量I和正交分量Q的振幅。振幅A和相位如同信号分量I和Q一样是与时间相关的参量。由于高采样率和与此相关的快速值获取，根据等式1和等式2的计算将通过查找表利用线性中间值插值来计算。
在步骤7.Ⅲ中，对调制信号MOD的振幅A和相位关于时间进行求导。在步骤7.Ⅳ中，在预定的时间间隔IT中观察导数值dA/dt、并选出导数值dA/dt、的最大值max(dA/dt)，max的提前确定的数量，例如最多10个值。所述预定的时间间隔IT可以例如提前在对液滴探测装置初始化时或者在探测滤波器示教期间确定。在步骤7.Ⅴ中，针对振幅A和相位的调制值AM、被形成为在这些最大值的提前确定的数量上的总和。
图8详细示出了分析单元50的如图3所示的探测滤波器单元52的功能原理800。在步骤8.Ⅰ中，调制值确定单元51接收根据图7所示的方法确定的、针对振幅A和相位的调制值AM、(也被称为比较值)。在步骤8.Ⅱ中，将这些比较值AM、存储在电子存储器中。此外，在步骤8.Ⅲ中，将所存储的比较值用于参考值计算。确定针对振幅A和相位的参考值RWA、这些参考值RWA、可以例如是较早的振幅值和相位值的平均值，也就是在先前的液滴探测过程中所获取的比较值。
在步骤8.Ⅳ中，计算由调制值确定单元51确定的、针对振幅A和相位的调制值AM、与参考值RWA、的偏差AW。随后，在步骤8.Ⅴ中，在分别被确定的偏差AW和最大容许相对偏差(向上为AW_上或向下为AW_下)之间进行比较。如果偏差过大，这在图8中以“j”表示，则在步骤8.Ⅵ中通知，确定液滴有错误。容许偏差AW_上或AW_下的尺度是基于一个或多个目标液滴在初始化过程中或者在液滴探测装置的已提到的软件示教模式中确定的。
为了同样能够识别蠕变误差，例如下述现象：待探测液滴TR的大小在从计量阀DV中频繁地重复给出液滴TR期间非常缓慢地发生变化，也要监视参考值RWA、也就是例如关于之前的液滴的调制值AM、的平均值。在步骤8.Ⅶ中，确定针对振幅A和相位的参考值RWA、是否位于预定的绝对值区间ARI、PRI中。如果参考值RWA、没有位于该预定的值区间ARI、PRI中，这在图8中被标记为“n”，则在步骤8.Ⅷ中发出以下通知：现在存在液滴错误的结论。这个错误情况的解决只有在平均值稳定后才会进行，即，当关于之前的液滴再次存在有效的参考值时。如果参考值RWA、位于预定值区间ARI、PRI中并且当前液滴的值AM、与参考值RWA、的关系位于相对容忍范围内，这在图8中被标记为“j”，则在步骤8.Ⅷ中发出以下通知：探测到正确的液滴。该结果的给出可以例如通过在图5中示出的指示灯58、59进行。
最后，需要再次指出的是：在上述详细说明的装置中仅涉及到实施例，在不脱离本发明保护范围的前提下，本领域技术人员能够以各种不同的方式对这些实施例进行修改。另外，不定冠词“一”或“一个”的使用并不排除相关特征也能够多重地存在。术语“单元”也应包括那些由多个可能也在空间上分开的子单元组成的组件。此外，也可以用术语“单元”来指代虚拟的逻辑单元，使得同一个硬件组件可以包括这些逻辑单元中的多个。这例如特别适用于解调单元40以及可能还有信号产生单元20和分析单元50。
附图标记列表
11，11a液滴探测装置
14发射窗口
15探测窗口
20信号产生单元
21发送信号生成单元
22控制信号输出端
23第二信号生成单元
24功率放大器
30调制单元
31发光单元/发光二极管
32光传感器
40解调单元
41放大器单元
42滤波器单元
43混频器/混频器单元
44同相信号放大器
45正交信号放大器
50分析单元
51调制值确定单元
52探测滤波器单元
53，54输入端
56，...，59指示灯
60控制单元
70光信号产生装置
80光分析装置
431传送器
432开关单元
432a，432b，432c，432d并联连接的开关
433积分器单元
433a，433b，433c，433d积分器
434a，434b差分放大器
A振幅
AM振幅调制值
ARI振幅参考值的预定值区间
AW偏差
AW-上向上的相对偏差
AW-下向下的相对偏差
ba有效宽度
dA/dt振幅的随时间变化
相位导数值
DEM喷嘴调整螺母
DS间隔垫圈
DV计量阀
EMS调制电信号
ha有效的光波导体高度
I同相信号/同相分量
IT预定时间区间
I/O通信端口
L光波导体单元
LH光波导体支架
LS光束/光信号
L1第一光导体元件
L2光导体元件
LS脉冲化光束
MOD调制信号
MOD极坐标形式的调制信号
MS调制后的光信号
PGM用于固件发送的编程插座
PRI相位参考值的预定值区间
PWM_1，...，PWM_4相移的脉冲化载波信号
PWM_5发送信号
Q正交信号/正交分量
R电阻
RX输入端
RWA针对振幅的振幅参考值
相位参考值
S1，S2按压开关
SI串行端口
T轨迹
TPWM载波信号的周期
TR液滴
TS脉冲化的光/载波信号
TX输出端
US用于给控制装置供电压的输入端
ZR间隙
相位
相位调制值。