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Dokumentenidentifikation DE69617502T2 25.07.2002
EP-Veröffentlichungsnummer 0732150
Titel Optischer Fühler für CO2-Sprühstrahlsysteme
Anmelder He Holdings Inc., Los Angeles, Calif., US
Erfinder Krone-Schmidt, Wilfried, Fullerton, California 92633, US;
Slattery, Michael J., Gardena, California 90249, US;
Brandt, Werner V., Redondo Beach, California 90277, US
Vertreter WINTER, BRANDL, FÜRNISS, HÜBNER, RÖSS, KAISER, POLTE, Partnerschaft, 85354 Freising
DE-Aktenzeichen 69617502
Vertragsstaaten DE, FR, GB
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 10.01.1996
EP-Aktenzeichen 961002920
EP-Offenlegungsdatum 18.09.1996
EP date of grant 05.12.2001
Veröffentlichungstag im Patentblatt 25.07.2002
IPC-Hauptklasse B05B 12/08
IPC-Nebenklasse B24C 1/00   B05B 12/10   B08B 7/02   

Beschreibung[de]
HINTERGRUND DER ERFINDUNG

1. Gebiet der Erfindung. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf CO&sub2;-Sprühstrahlsysteme und noch genauer auf einen optischen Sensor für die Nutzung mit CO&sub2;-Sprühstrahldüsen, die in einem CO&sub2;-Sprühstrahlsystem eingesetzt werden.

2. Beschreibung des Stands der Technik. Eine Einrichtung zur Erfassung von CO&sub2;-Schnee in Sprühstrahlen, die vom Anmelder der vorliegenden Anmeldung genutzt wurde, umfasst einen CO&sub2;-Thermoelementschneefühler. Die Nachteile des Thermoelementfühlers sind seine langsame Reaktionszeit, die zu verschwendeter Reinigungszeit und verschwendetem Gas führt, seine teure Instrumentierung, und die Tatsache, dass er nur eine indirekte Erfassung der CO&sub2;-Schneegasfahne bereitstellt. Zudem kann der CO&sub2;- Thermoelementschneefühler nicht in die CO&sub2;-Reinigungsgasfahne eingetaucht werden, weil er die Sprühcharakteristik der Gasfahne stört.

Bisher wurde ein Teilchenzähler genutzt, um in vom Anmelder der vorliegenden Erfindung hergestellten Sprühstrahlsystemen CO&sub2;-Schnee zu erfassen. Die Fehlerbreite beim Nutzen dieser Einrichtungen ist jedoch vergleichsweise groß, die. Messungen sind indirekt, die Ausrüstung ist teuer, und es ist schwierig, den Zähler an eine Robotersteuerung anzuschließen.

Neben den oben erläuterten Einrichtungen gibt es keine anderen CO&sub2;-Schneesensoren, die kommerziell erhältlich sind. Es existiert eine Vielzahl von lichtbasierten Teilchenzählereinrichtungen, die angepasst werden können, um sie in begrenzter Weise zum Erfassen von festem CO&sub2;- Schnee zu nutzen. Diese Einrichtungen umfassen Teilchenstreuungsdetektoren, Doppler-Anemometer, Zonensensoren und Verdunkelungssensoren, beispielsweise nach DE-A- 3817096 und EP-A-0222258.

Sensoren vom Streuungstyp sind ausgezeichnet zum Messen von schwebenden Teilchen in einem Gasstrom oder einer Reinraum-Umgebung geeignet, haben jedoch Schwierigkeiten, mit den durch den CO&sub2;-Kühleffekt hervorgerufenen großen Temperaturunterschieden umzugehen. Zudem erstellen Sensoren vom Streuungstyp häufig Fehldiagnosen über Eiskugeln, die von den gekühlten CO&sub2;-Partikeln herrühren. Doppler- Anemometer können genutzt werden, um gleichzeitige Größen- und Geschwindigkeitsmessungen von Teilchen (einschl. CO&sub2;-Teilchen) in einem Gasstrom zu erhalten, sind aber für die überwiegende Mehrzahl der Anwendungen preislich vollkommen untragbar. Zonensensorik hat in Bezug auf die CO&sub2;-Teilchenzählung zwei Nachteile. Erstens ist die Zonensensorik kein Echtzeit-Vorgang, und zweitens ist sie kostenmäßig untragbar. Die Erfassung von Teilchen unter Nutzung der Strahlverdunklung wird in verschiedenen handelsüblichen Teilchenzählern durchgeführt. Diese Zähler sind vergleichsweise teuer und leiden in Bezug auf CO&sub2;- Kühlung und Eisteilchenzählung unter denselben Schwierigkeiten wie Lichtstreu-Detektoren.

Ein geübter Benutzer kann zwischen Schnee, der eine gute Reinigungswirkung aufweist, unterscheiden. In einem automatisierten System sollten jedoch Eingriffe des Benutzers eliminiert werden, weil sie etwas subjektiv sind und beträchtliche Fehler ermöglichen. Verschiedene Prüfungen und Sicherheitseinrichtungen sind typischerweise in herkömmlichen CO&sub2;-Schnee-Robotersystemen eingebaut. Ein herkömmliches Robotersystem kann jedoch einen vollständigen Reinigungszyklus durchlaufen, ohne dass CO&sub2;-Gas aus den Düsen austritt. Diese Bedingung wird in herkömmlichen Systemen nicht leicht erfasst. Nach der Öffnung des Düsensprühventils gibt es immer eine Vorlaufzeit, bevor produktiver Schnee austritt. Eine bestimmte Zeit zu warten, bevor der Reinigungszyklus beginnt, ist vom Zeit- und CO&sub2;-Management her ineffizient. Zu einem Zeitpunkt, zu dem das flüssige CO&sub2; ausgeht, wird kein ausreichender Reinigungsschnee mehr hergestellt. Es sprüht jedoch immer noch Hochdruckgas aus der Düse, das wie Schnee aussieht. Das Erfassen dieser Bedingung kann selbst für einen geschulten Benutzer schwierig sein.

Daher ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen optischen Sensor zur Nutzung mit CO&sub2;-Sprühstrahldüsen, die in CO&sub2;-Sprühstrahlsystemen eingesetzt werden, zu schaffen.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Um das oben genannte und andere Ziele zu erreichen, schafft die vorliegende Erfindung einen optischen CO&sub2;- Schneesensor nach Anspruch 1, der eine Lichtquelle (eine Laserdiode oder einen HeNe-Laser), einen Detektor (optimiert für die Laserdiode oder den Laser), eine Energieversorgung, um die Diode und den Detektor zu versorgen, und eine Steuerung, die ein spannungslesendes elektronisches Schaltnetz, um zwischen mindestens zwei Spannungen zu unterscheiden, und "Läuft/läuft-nicht-" Anzeiger umfasst, aufweist. Der optische CO&sub2;-Schneefühler wird genutzt, um zu bestimmen, ob produktiver CO&sub2;-Schnee von einer CO&sub2;-Sprühstrahldüse hergestellt wird, und ob sie die Reinigung ermöglicht oder nicht. Diese Bestimmung wird ohne physikalische Beeinflussung der tatsächlichen CO&sub2;-Sprühstrahlfahne durchgeführt, und wird in Echtzeit erreicht. Jede Störung des Gasflusses kann sofort erfasst werden, und diese Anzeige kann genutzt werden, um den Betrieb des Systems zu beenden, oder um ein Signal an einen Benutzer zu geben, dass etwas Aufmerksamkeit verlangt. Diese Art von Rückmeldung ist derzeit nicht in herkömmlichen CO&sub2;-Sprühstrahlsystemen erhältlich.

Die vorliegende Erfindung kann genutzt werden, um einem Robotersystem in Echtzeit Rückmeldungen zu geben, wann die Reinigung stattfinden kann, weil produktiver CO&sub2;-Schnee vorhanden ist. Da mehr und mehr automatische Sprühstrahlsysteme für den Massenbetrieb in Betracht gezogen werden, ist es zwingend, dass ein "Läuft/Läuftnicht"-CO&sub2;-Schneefühler im System enthalten ist. Der Vorteil des vorliegenden optischen CO&sub2;-Schneefühlers ist, dass er eine unmittelbare Rückmeldung in Bezug auf den Zustand der tatsächlichen zur Reinigung genutzten CO&sub2;- Sprühstrahlfahne ermöglicht. Der optische CO&sub2;-Schneefühler kann in einem stationären Modus genutzt werden, in dem der Zustand der Fahne zu Beginn und am Ende eines Reinigungszyklusses gelesen wird. Der optische CO&sub2;- Schneefühler kann ebenso in einer mobilen Anordnung genutzt werden, bei der er an der Düse befestigt ist und eine Echtzeitrückmeldung über den Zustand der Schneefahne während des Reinigungszyklusses liefert.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Die verschiedenen Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung können mit Bezug auf die nachfolgende genaue Beschreibung zusammengenommen mit der begleitenden Zeichnung, in der gleiche Bezugszeichen gleiche Strukturelemente bezeichnen und in der die einzige Figur ein optisches Fühlersystem gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung zur Nutzung mit einem CO&sub2;-Sprühstrahleinrichtung veranschaulicht, besser verstanden werden.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Mit Bezug auf die Zeichnung veranschaulicht diese einen optischen Sensor 10, oder eine Fühlereinrichtung 10, gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung zur Nutzung mit einer CO&sub2;-Sprühstrahleinrichtung 20, die als Teil eines manuellen oder automatischen Sprühstrahlreinigungssystems genutzt werden kann. Der optische Sensor 10 umfasst einen Laser-CO&sub2;-Schnee-/Gas-Monitor zum Fühlen der Gasfahnen 15, die CO&sub2;-Gas und/oder CO&sub2;-Schnee umfassen, der von einer CO&sub2;-Sprühstrahldüse 16 hergestellt wird, die Teil der CO&sub2;-Sprühstrahleinrichtung 20 ist.

Die CO&sub2;-Sprühstrahleinrichtung 20 umfasst eine CO&sub2;- Sprühstrahldüse 19, die an einen Flüssig-CO&sub2;-Tank 18 angeschlossen ist, der die Flüssigkeit bereitstellt, aus der CO&sub2;-Schnee hergestellt wird. CO&sub2;-Schnee wird erzeugt und von einem Ausstoßende der Sprühstrahldüse 19 in herkömmlicher Weise versprüht, um Oberflächen und Komponenten und Ähnliches zu reinigen.

Der optische Sensor 10 umfasst eine kohärente Lichtquelle 11, wie beispielsweise eine Laserdiode 11 oder einen Helium-Neon- (HeNe) Laser 11, eine Fotodiode 12, einen Bandpassfilter 13, der beispielsweise bei 632,8 nm zentriert ist, sodass er nur Licht durchlässt, das beispielsweise von HeNe-Laser 11 oder der Laserdiode 11 erzeugt wird, und eine Steuerung 17, die eine Stromversorgung 26, ein digitales Voltmeter 22 und eine "Läuft/läuft-nicht"-Anzeigeeinrichtung 21 mit Anzeigern 21, und einen Strom-Ein/Aus-Anzeiger 23 umfasst. Der optische Sensor 10 überwacht die Abschwächung eines Lichtstrahls 11a, der von der Lichtquelle 11 stammt, wie einen HeNe-Laserstrahl 11a, der vom Laser 11 oder der Laserdiode 11 stammt, der durch die CO&sub2;-Gasfahne 15 geschickt wird, die während des Betriebs von der CO&sub2;-Sprühstrahldüse 16 ausgestoßen wird. Die Fotodiode 12 und die Lichtquelle 11 sind mit der Steuerung 17 durch elektrische Drähte 24, 25 verbunden.

Der Lichtstrahl 11a, der von der kohärenten Lichtquelle 11 ausgesendet wird, kann durch Nutzung eines Graufilters 14, wie beispielsweise eines ND2-Graufilters 14, abgeschwächt werden, um zu verhindern, dass die Fotodiode 12 durch die Licht- (Laser) Energie gesättigt wird. Eine Fotodiode 12, die im vorliegenden optischen Sensor 10 genutzt werden kann, ist beispielsweise eine Fotodiode 12 des Modells SDL444, das von der Silicon Detector Corporation hergestellt wird. Ein Bandpassfilter 13 wird über oder vor der Fotodiode 12 angeordnet, der nur erlaubt, dass das Licht mit der Wellenlänge von 632,8 nm erfasst wird, was beispielsweise mit der Wellenlänge des vom HeNe-Lasers 11 ausgesandten Lichtstrahls 11a übereinstimmt. Die Auswirkung von Umgebungslicht auf den Fotodetektor 12 wird so minimiert. Die Energie (Leistung) des auf die Fotodiode 12 einfallenden Lichtstrahls 11a ist proportional zu ihrer Ausgabe in Volt. Der Umwandlungsfaktor der Fotodiode 12 ist ungefähr 1,2 · 10&sup6; Volt/Watt. Das Ausgabesignal der Fotodiode 12 wird auf dem digitalen Spannungsmesser 22 ausgelesen. Zwei 9-Volt-Batterien oder die Stromversorgung 26 versorgen eine (nicht gezeigte) Vorverstärkerschaltung des Fotodetektors 12. Die vom Fotodetektor 12 erfasste Intensität des Lichtstrahls 11a wird als eine Funktion von verschiedenen Typen von CO&sub2;- Schneefahnen 15 gemessen. Drei Zusammensetzungen von CO&sub2;- Schneefahnen 15 werden gemessen, die beinhalten: CO&sub2;-Gas, eine CO&sub2;-Schnee- und Gasmischung, und CO&sub2;-Schnee. Wie in Tabelle 1 gezeigt, gibt die Fotodiode 12 eine Spannung von 6,7 Volt für CO&sub2;-Gas ab, das zu keiner Abschwächung des Lichtstrahls 11a führt, 3,0 Volt für die Schnee- und Gasmischung, die einem CO&sub2;-Tank 18 entspricht, dessen Flüssigkeit ausgeht, und 0,3 Volt für eine Fahne 15 von Schnee, die normale Betriebsbedingungen repräsentiert.

Tabelle 1

Die Tatsache, dass es einen Faktor 10 zwischen der Abgabe der Fotodiode 12 für den Zustand mit Schnee und Gas im Vergleich zum Schneezustand gibt, erlaubt es, dass der vorliegende optische CO&sub2;-Schneefühler 10 genutzt wird, um zu erfassen, wann Schnee oder Gas aus der Düse 16 ausgestoßen wird. Die spezielle Düse 16, die genutzt wird, um die in Tabelle 1 gezeigten Testergebnisse herzustellen, ist eine Düse 16 mit vergleichsweise kleinem Durchmesser. Eine Düse mit größerem Durchmesser verstärkt die Abschwächung, was den optischen CO&sub2;-Schneesensor 10 noch empfindlicher auf die drei möglichen Schnee- und Gaszustände macht.

Ein geübter Benutzer kann zwischen Schnee mit guter Reinigungsfähigkeit und schlechtem Schnee unterscheiden. In einem automatisierten System sollte beispielsweise das Eingreifen des Benutzers eliminiert oder minimiert werden, weil es etwas subjektiv ist, und merkbare Fehler ermöglicht. Der vorliegende optische CO&sub2;-Schneefühler 10 gibt dem Benutzer unmittelbare Rückmeldung, und er ist leichtgewichtig. Die Laserdiode 11, beispielsweise, und der Fotodetektor 12 sind sehr kompakt und können beispielsweise an die Düse 16 montiert werden.

Die Stromanforderungen sind minimal. Die benötigte Schaltung kann in einen einzelnen Chip miniaturisiert werden und kann als Teil einer handgeführten CO&sub2;-Sprühstrahlpistole integriert werden, und die "Läuft/Läuftnicht"-Anzeige 21, die durch rote und grüne Lichter 21a ermöglicht sein kann, kann genutzt werden, um eine unmittelbare Bestätigung für die Fortsetzung der Reinigung zu geben.

Der optische CO&sub2;-Schneesensor 10 stört die CO&sub2;-Sprühstrahlfahne 15 nicht. Verschiedene Prüfungen und Sicherheitseinrichtungen werden in ein typisches Robotersystem eingebaut. Ein herkömmliches Robotersystem kann einen kompletten Reinigungszyklus durchlaufen, ohne dass CO&sub2;- Gas aus seiner Düse 16 ausströmt. Dieser Zustand wird sehr leicht durch den vorliegenden optischen CO&sub2;-Schneefühler 10 erfasst. Nach Öffnen eines Sprühstrahlventils, um einen Durchfluss aus der Düse 16 zu erlauben, gibt es immer eine Anlaufzeit, bevor produktiver CO&sub2;-Schnee austritt. Eine bestimmte Zeit vor Beginn des Reinigungszyklusses zu warten, ist in Bezug auf Zeit und CO&sub2;-Management ineffizient. Der vorliegende optische CO&sub2;-Schneefühler 10 unterscheidet zwischen CO&sub2;-Schnee, der während einer Anlaufzeit hergestellt wird, und produktivem CO&sub2;- Schnee. Zu einem Zeitpunkt, wenn das flüssige CO&sub2; ausgeht, wird nicht länger ausreichender Reinigungsschnee hergestellt. Es sprüht jedoch immer noch Hochdruckgas aus der Düse 16 und ergibt den Anschein von Schnee. Diesen Zustand zu erfassen, kann selbst für einen geübten Benutzer schwierig sein, aber er wird leicht durch den vorliegenden CO&sub2;-Schneesensor 10 erfasst.

Somit wird vorstehend ein neues und verbessertes CO&sub2;- Sprühstrahlsystem beschrieben, das einen optischen Sensor zur Nutzung mit CO&sub2;-Sprühstrahleinrichtungen verwendet. Es ist verständlich, dass die oben beschriebenen Ausführungsformen lediglich einige der vielen spezifischen Ausführungsformen darstellen, die die Anwendungen der Grundlagen der vorliegenden Erfindung wiedergeben. Selbstverständlich können viele und andere Anordnungen vom Fachmann abgeleitet werden, ohne vom in den Ansprüchen festgelegten Anwendungsbereich der Erfindung abzuweichen.


Anspruch[de]

1. Optische Sensorvorrichtung (10) zur Nutzung mit einer CO&sub2;-Strahlsprühdüse (16), die eine Gasfahne (15) versprüht, wobei die Vorrichtung (10) Folgendes umfaßt:

eine kohärente Lichtquelle (11), um einen Lichtstrahl (11a) bereitzustellen;

eine Fotodiode (12), die derart angeordnet ist, dass sie den von der kohärenten Lichtquelle (11) ausgesandten Lichtstrahl (11a), der durch die Gasfahne (15), die von der CO&sub2;-Strahlsprühdüse (16) ausgesprüht wird, geht, erfaßt, und wobei

die Vorrichtung weiterhin gekennzeichnet ist durch:

ein Bandpassfilter (13), das zwischen der Fotodiode (12) und der kohärenten Lichtquelle (11) angeordnet ist, und das nur Licht durchlässt, das von der kohärenten Lichtquelle (11) erzeugt wird; und

eine an die kohärente Lichtquelle (11) und die Fotodiode (12) angeschlossene Steuervorrichtung (17), die eine Energieversorgung (26), um Energie für die kohärente Lichtquelle (11) und die Fotodiode (12) bereitzustellen, einen an die Fotodiode (12) angeschlossenen digitalen Spannungsmesser (22), um ein der Menge der von der Fotodiode (12) erfassten Lichtenergie entsprechendes Signal darzustellen, und eine Ein/Aus-Anzeige (21) zum Ermöglichen einer Anzeige der CO&sub2;-Schneeherstellung umfasst; wobei

die Fotodiode (12) die Intensität des Lichtstrahls (11a) als eine Funktion der verschiedenen Typen der CO&sub2;-Schneegasfahnen erfasst und misst.

2. Vorrichtung (10) nach Anspruch 1, wobei die kohärente Lichtquelle (11) gekennzeichnet ist durch eine Laserdiode (11).

3. Vorrichtung (10) nach Anspruch 1, wobei die kohärente Lichtquelle (11) gekennzeichnet ist durch einen Helium-Neon-Laser (11).

4. Vorrichtung (10) nach Anspruch 1, weiterhin gekennzeichnet durch ein neutrales Dichtefilter bzw. Graufilter (14), das zwischen der kohärenten Lichtquelle (11) und der Fotodiode (12) angeordnet ist, um zu verhindern, dass die Lichtenergie die Fotodiode (12) sättigt.

5. Vorrichtung (10) nach Anspruch 1, wobei die CO&sub2;- Schneegasfahnen (15) gekennzeichnet sind durch CO&sub2;-Gas, was keiner Abschwächung des Lichtstrahls (11a) entspricht.

6. Vorrichtung (10) nach Anspruch 1, wobei die CO&sub2;- Schneegasfahnen (15) gekennzeichnet sind durch eine Mischung aus CO&sub2;-Schnee und -Gas, entsprechend der Entleerung des Tanks (18) von Flüssigkeit.

7. Vorrichtung (10) nach Anspruch 1, wobei die CO&sub2;- Schneegasfahnen (15) entsprechend normalen Betriebsbedingungen gekennzeichnet sind durch CO&sub2;-Schnee.







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