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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung der mittels
einer Fördereinrichtung geförderten Fluidmenge
sowie eine Vorrichtung zur Ausführung derselben.
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Die
Messung von Volumen- und Massenströmen ist in vielen Bereichen
der Technik von großem Interesse. Insbesondere bei der
Regelung von Durchflussmengen muss die Messgröße
von einem zuverlässigen Sensor erfasst und an das Regelwerk weitergeleitet
werden. Die Anwendungsfelder reichen von der Schwerindustrie (z.
B. Volumenstrommessung von hydraulischen Flüssigkeiten
in Antrieben), der Kfz-Industrie (Luftmassensensor, Kraftstoffpumpenregelung), über
die Verfahrenstechnik und Pharmazie (Regelung des Mischungsverhältnisses während
der kontinuierlich ablaufenden Mischung verschiedener Medien bzw.
Substanzen), die Elektro- und Elektronikindustrie (z. B. kontinuierliche
Lötvorgänge), die Kunststoffindustrie (genaues
Fördern von Kunststoffgranulat beim Herstellen von Endlosfolien
oder -rohren), die Medizintechnik (Förderung von Blut;
Dialyse; genaue kontinuierliche Wirkstoffdosierung), bis hin zur
Mikro- und Nanotechnologie (z. B. Beschichten von Oberflächen
mit einige Atomlagen dünnen Schichten in Durchlaufprozessen).
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Generell
kann davon ausgegangen werden, dass Volumenstromsensoren überall
dort zum Einsatz kommen, wo der zeitliche Verlauf der realisierten Fördermenge
(die Förderrate) mittels geeigneter Fördereinrichtungen
(z. B. Pumpen) bekannt sein muss.
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Allgemein
können die zu messenden Medien sowohl Flüssigkeiten
(z. B. Wasser, Chemikalien, Lote, etc.) als auch Gase (z. B. Luft,
Edel- oder Reaktionsgase, Kühlgase, etc.) oder (partikelförmige)
Feststoffe (z. B. Granulat, Sand, Schüttgut, etc.) sein.
Je nach zu messendem Medium werden spezifische Ansprüche
an den Sensor gestellt, weshalb es nicht möglich ist, einen
Sensor zu konzipieren, der für alle Medien und Anwendungsfelder
eingesetzt werden kann.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft insbesondere die Erfassung und Messung
von Fluidströmen. Ein Fluid ist ein Stoff, der als Kontinuum
betrachtet wird. Alle Gase und Flüssigkeiten sind Fluide.
Diese Fluide verformen sich unter dem Einfluss von Scherspannungen
unbegrenzt. Im Ruhezustand können diese Fluide jedoch keine
Schubspannung aufnehmen, sondern nur Normalspannungen, die durch eine
skalare Größe, den so genannten Druck beschrieben
wird. Fluide werden grundsätzlich wie auch erfindungsgemäß in
Newtonsche Fluide oder Nicht-Newtonsche Fluide unterteilt, wobei
zur Klassifizierung der funktionale Zusammenhang von Schub-/Scherspannung
und Verzerrungsgeschwindigkeit, der das Fließverhalten
des Mediums beschreibt, herangezogen wird.
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Neben
der Medienart sind vor allem der Messbereich (geringster und höchster
zu messender Volumenstrom) und die notwendige Genauigkeit dafür
ausschlaggebend, welche Art von Sensor zum Einsatz gelangt. Im Stand
der Technik ist eine kaum zu überblickende Vielzahl von
Sensoren bekannt, die praktisch alle Felder der Technik abdeckt.
Optimierungsbedarf existiert allerdings häufig in den Bereichen
Robustheit, Kosten und Genauigkeit, insbesondere am unteren Ende
des technisch sinnvollen bzw. möglichen Messbereiches.
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Speziell
im Bereich der Mikro- und Nanotechnologie werden im Allgemeinen
kleinste Mengen von Fluiden, meist Flüssigkeiten, gefördert.
Diese bewegen sich oftmals im Bereich von nl/min bis ml/min. Das
Messen derart geringer Fluidmengen stellt eine besondere technische
Herausforderung dar, da der Sensor aufgrund der Grenzen seiner Miniaturisierbarkeit
einen wesentlichen Einfluss auf das gesamte fluidische System ausübt,
denn er ist im Vergleich zur Fördereinrichtung und den
entsprechenden Volumina nicht mehr vernachlässigbar klein.
Als Folge hiervon beeinflusst der Sensor seinerseits das Messergebnis,
indem er beispielsweise dem Fluid einen zusätzlichen Widerstand
entgegensetzt, oder dessen Viskosität und somit Fließfähigkeit
durch signifikante, also nicht vernachlässigbare Erwärmung beeinflusst. In
diesen Fällen muss der Sensor selber als Störgröße
aufgefasst werden. Wenn auf kein Messprinzip mit geringerer Beeinflussung
ausgewichen werden kann, muss der Grad der Beeinflussung bekannt
sein und in der Auswertung der Sensorsignale berücksichtigt
werden. Ist beispielsweise die Wärmekapazität
des Sensors bekannt, so kann die Energie, welche zu dessen Erwärmung
notwendig ist, berechnet und von der gemessenen Energie abgezogen
werden. Aus der Differenz kann nun die Geschwindigkeit bestimmt
werden, mit welcher das Fluid an der Wärmequelle vorbeigeströmt
sein muss. Je nach Messprinzip wirkt sich der Einfluss auf unterschiedliche physikalische
Parameter aus; vor allem können Sensoren den maximalen
Fluidstrom und die Viskosität und somit die Strömungsgeschwindigkeit
des Fluids beeinflussen.
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Für
die Messung von Fluidvolumenströmen sind aus der Technik
insbesondere folgende Prinzipien bekannt, wobei nicht alle Verfahren
bei vertretbarem Aufwand gleichermaßen für kleine
und kleinste Mengen geeignet sind:
Bei der Messung mittels
Heizdraht wird ein durch Strom erhitzter Draht (z. B. Platin) in
den Fluidstrom eingebracht. Dort erwärmt er das umgebende
Fluid. Je nach Fließgeschwindigkeit des Fluids wird am Draht
mehr oder weniger Wärme abgeführt. Dies kann z.
B. über einen Temperatursensor, der dem Heizdraht in geringem
Abstand nachgeordnet ist, detektiert werden. Aus der vom Sensor
erfassten Temperaturdifferenz wird dann auf den Volumenstrom geschlossen.
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Bei
einem ähnlichen Prinzip wird die Temperatur des Heizelementes,
welches direkt an einem Temperatursensor liegt, konstant gehalten,
und die dazu notwendige Leistung als Messgröße
benutzt (z. B. Luftmassensensor im Kfz).
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Nachteilig
bei der Heizdrahtmessung ist insbesondere, dass je nach Aufbau eine
nicht unerhebliche Menge an Energie für die Erwärmung
des Fluids verbraucht wird. Da Mikrosysteme jedoch gerade unter
dem Gesichtspunkt der zunehmenden Mobilität zumeist nur
einen eng begrenzten Vorrat an Energie besitzen, ist ein Verbrauch
durch Umwandlung in Wärme unerwünscht. Ebenso
unerwünscht ist die Erwärmung des Fluids an sich,
da in bestimmten Anwendungen temperatursensitive Flüssigkeiten
oder Substanzen (z. B. medizinische Wirkstoffe) gefördert werden,
die durch die Erwärmung nachteilig beeinflusst werden könnten.
Auch das erforderliche „Selbstreinigen" der Drähte
durch kurzzeitige sehr hohe Leistungen, die zu einer Erwärmung
bis hin zur Rotglut führen, wobei Schmutzpartikel und Ablagerungen
im Wege der Pyrolyse verbrennen, ist in solchen Systemen aufgrund
der oft temperaturempfindlichen Materialien (Kunststoffe) zumindest
einzelner Bauteile nicht anwendbar.
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Des
Weiteren funktioniert diese Art der Messung nur bei kontinuierlichen,
pulsationsfreien Strömungen ausreichend gut. Pulsiert die
Strömung, wie es bei der Verwendung von Fördereinrichtungen
wie z. B. Membran- oder Kolbenpumpen der Fall ist, so verläuft
der Wärmetransport zum Sensor nicht mehr gleichförmig.
Schließlich können dabei auch Turbulenzen auftreten,
durch die die Wärme in unvorhersehbarer Weise im Kanal
verteilt wird, so dass das Ergebnis verfälscht wird und
nicht reproduziert werden kann.
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Häufig
erfolgt eine Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit unter
Nutzung bekannter physikalischer Zusammenhänge, welche
den Zusammenhang von Strömungsgeschwindigkeit und Fluiddruck
beschreiben. Zur Erfassung des Drucks an einer oder mehreren Stellen
werden Drucksensoren unterschiedlicher Bauart benutzt, die je nach Ausführung
den statischen, den dynamischen oder den Gesamtdruck am Messort
liefern. Hierzu können sowohl Absolut- als auch Differenzdrucksensoren zum
Einsatz kommen.
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Ist
der Druckunterschied zwischen zwei Stellen eines fluidischen Systems
und die dazugehörige Geometrie bekannt, so kann auf den
zwischen diesen Stellen fließenden Volumenstrom geschlossen werden.
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In
einer häufig anzutreffenden Bauform besitzt ein Differenzdrucksensor
eine Kammer, die durch eine Membran in zwei hermetisch voneinander getrennte
Halbräume unterteilt ist. Bei Druckbeaufschlagung eines
der beiden Halbräume ändert sich die Wölbung
der Membran, welche mittels geeigneter Hilfsmittel in eine elektrische
Größe überführt werden kann.
Ist einer der Halbräume mit dem Fluid in Kommunikation
und die andere mit der Umgebung (offene Kammer), so wird der Innendruck
des Fluidkanals gegen den Umgebungsdruck gemessen, da das Ausmaß der
Wölbung der Druckdifferenz zwischen innen und außen
entspricht.
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Alternativ
können auch mit beide Kammern dem Fluid in Verbindung stehen,
wobei sie mit voneinander beabstandeten Stellen des fluidführenden Kanals
gekoppelt sind. Dann wird der Differenzdruck dieser beiden Stellen
gemessen.
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In
einer Variante befinden sich die zwei Messpunkte in bestimmtem Abstand
voneinander an den Wänden eines Kanals bzw. Rohres mit
einem zweistufigen Durchmesser. Durch das Messen des Druckabfalls
(„Wirkdruck") über die beide Querschnitte umfassende
Messstrecke kann unter Berücksichtigung des jeweils bekannten
Kanalquerschnitts auf den Volumenstrom geschlossen werden; der Zusammenhang
zwischen Volumenstrom und Druckdifferenz wird durch die so genannte
Toricelli-Gleichung beschrieben.
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Das
generelle Prinzip dieser Messung wird als das sog. Bernoulli-Prinzip
bezeichnet, welches besagt, dass eine Querschnittsverjüngung
eines strömenden Fluids mit einer Geschwindigkeitserhöhung
einhergeht. Dieses ist von der allgemeineren Bernoulli-Gleichung
abgeleitet, wonach die Summe aller Energieformen eines fließenden
Fluids an verschiedenen Stellen eines Strömungspfades immer gleich
ist. Ebenso kommt die Aussage Bernoullis zum Tragen, wonach der
Gesamtdruck in einem Fluid die Summe aus statischem und dynamischem
Druck ist.
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Bei
der Messung mittels Differenzdrücken muss der Kanalquerschnitt
jedoch unter Umständen deutlich verringert werden, um bei
niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten und somit Volumenströmen
einen ausreichend hohen Differenzdruck zu erhalten. Eine hierfür
künstlich in das System eingebrachte Drossel verringert
im ungünstigen Fall die Gesamtleistung der druckerzeugenden
Fördereinrichtung. Insbesondere im Falle kleinster Volumenströme
und/oder miniaturisierter Pumpen ist dieses Prinzip daher ungeeignet.
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Ein
Absolutdrucksensor vergleicht den zu messenden Druck mit einem festen
Wert. Im Allgemeinen besitzt er hierzu zwei mittels einer Membran hermetisch
voneinander getrennte Kammern, von denen eine mit dem zu messenden
Fluid in Kontakt steht, und die andere durch ein geschlossenes Gehäuse
einen hermetisch dichten Raum bildet. In diesem Raum herrscht ein
bei der Herstellung des Sensors voreingestellter Druck, der im Normalfall
nicht veränderbar ist. Sofern es zu Temperaturschwankungen
kommt, können diese beispielsweise mittels eines integrierten
Temperatursensors erfasst und herausgerechnet werden.
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Sind
zwei derartige Sensoren an zwei unterschiedlichen Stellen eines
fluidführenden Kanals angebracht, so kann durch Subtraktion
beider Absolutdrücke der Differenzdruck zwischen den beiden
Messpunkten bestimmt werden. Die weitere Auswertung entspricht dem
zuvor beschriebenen Fall.
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In
einer anderen Variante wird der Druckabfall in einem geraden oder
gekrümmten Rohr aufgrund von Reibung zur Bestimmung des
Volumenstroms benutzt. Das hier zugrunde liegende Prinzip wird über
die Grenzschichttheorie für laminare Strömungen
durch das Gesetz von Hagen-Poiseuille beschrieben. Auch hier können
wieder verschiedene Arten von Drucksensoren zum Einsatz kommen.
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Bei
der Messung mittels Differenzdrücken dieser Variante fällt
der Nachteil des sich verengenden Kanalquerschnitts weg. Allerdings
ist eine gewisse Reibung im Fluid notwendig, da sonst der Druckabfall
zwischen den Messpunkten zu gering ausfällt bzw. die Messstrecke
sehr lang sein muss. Beide Nachteile kommen insbesondere in miniaturisierten Systemen,
bei denen kurze Strecken und ohnehin geringe Pumpleistungen zur
Verfügung stehen, besonders zum Tragen.
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Der
Nutzung von Gesamtdrucksensoren liegt der bekannte Zusammenhang
der Proportionalität von Strömungsgeschwindigkeit
und dynamischem Druck zugrunde. Der Gesamtdruck setzt sich aus einem
statischen und dynamischen Druckanteil zusammen (Gesetz von Bernoulli).
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Um
mittels dieses Prinzips die Strömungsgeschwindigkeit zu
bestimmen, muss ein entsprechender Drucksensor entweder den dynamischen
Druck direkt bestimmen, oder er muss den Gesamtdruck sowie den statischen
Druck erfassen. Der fehlende dritte Druck (dynamischer Druck) kann
dann direkt durch Subtraktion errechnet werden. Dieser Sensor kann
in seiner Gesamtheit durchaus mehrere einzelne Drucksensoren, die
für die Erfassung der einzelnen Drücke verantwortlich
sind, umfassen.
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Praktisches
Beispiel für die Ausführung eines Gesamtdrucksensors
ist beispielsweise das sog. Pitot-Rohr, ein L-förmiges
Rohr, welches insbesondere in der Luftfahrt eingesetzt wird. Als Prandtl'sches
Staurohr weiterentwickelt, besitzt es zum einen eine in Strömungsrichtung
weisende Hauptöffnung, mit welcher die Summe aus Staudruck (dynamischer
Druck) und statischem Druck (Umgebungsdruck) als Gesamtdruck erfasst
werden kann. Das Rohr besitzt außerdem noch seitliche Bohrungen,
mit denen lediglich nur der das Messrohr umgebende statische Druck
erfasst wird. Mittels eines geeigneten Differenzdrucksensors, dessen
beide Kammern mit jeweils einem der beiden Drücke beaufschlagt
werden, kann die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids dann
durch eine Erfassung des Druckunterschiedes zwischen statischem
und Gesamtdruck bestimmt werden. Anstelle eines Differenzdrucksensors
können selbstverständlich auch zwei Absolutdrucksensoren
zum Einsatz kommen.
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Derartige
Sensoren sind vor allem in der Verfahrenstechnik verbreitet und
können für eine Vielzahl von Medien eingesetzt
werden. Der dort geläufige Name ist Staudrucksonde. Für
kleinste Fluidmengen sind sie wenig geeignet, da die Sonde im Verhältnis
zum Kanaldurchmesser klein sein muss, um die Druck- und somit die
Strömungsverhältnisse nicht ihrerseits zu beeinflussen.
Aufgrund der schlechten Miniaturisierbarkeit des Aufbaus sind keine
auf dem Prinzip des Pitot- bzw. Prandtl'schen Staurohrs basierenden
Mikrosensoren bekannt.
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Befinden
sich Elemente im Volumenstrom, die diesem einen gewissen Widerstand
entgegen setzen, so bewirken die sich dabei einstellenden Kräfte
eine Verformung der Elemente. Sind diese Elemente dazu geeignet,
ihre Verformung z. B. mittels Veränderung ihres elektrischen
Widerstandes einer Messung zugänglich zu machen, so kann
auf diese Art mittels sogenannter Dehnmessstreifen bequem auf den
die Verformung hervorrufenden Fluidstrom geschlossen werden.
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Dehnmessstreifen
(DMS) im Volumenstrom behindern jedoch insbesondere bei sehr kleinen
Kanalquerschnitten den freien Fluidtransport nicht unwesentlich,
wenn sie senkrecht zur Flussrichtung aufgestellt werden. Außerdem
sind die Förderraten und auch die daraus resultierenden,
für DMS nutzbaren Kräfte in solchen Systemen oftmals
sehr gering. Eine unzureichende Empfindlichkeit der Messung ist die
Folge.
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Beim
Messen mit mechanisch bewegten Teilen werden diese zum Beispiel
in Form von rotierenden Schaufeln in den Fluidstrom eingebracht
und von diesem in Rotation versetzt, so dient die Rotationsgeschwindigkeit
als dem Volumenstrom annähernd proportional zuzuordnende
Messgröße. Füllen die einzelnen Schaufelvolumina
jeweils den Kanal über seinen gesamten Querschnitt, so
kann kein Fluid den Querschnitt passieren, ohne den Sensor in Bewegung
zu setzen (Unterbindung von „Nebenluft"). Die Messung wird
dadurch von Parametern wie Viskosität, Temperatur und Strömungsgeschwindigkeit
unabhängig. Beispiele sind Volumenmesser in Wasseruhren
oder an Benzinzapfanlagen älterer Bauart. Derartige Messinstrumente
sind unter dem Namen „Ringkolbenzähler", „Woltmann-Zähler"
oder „Strahlzähler" (engl. jet meter) bekannt.
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Ein
weiteres Verfahren der Volumenstrommessung benutzt eine Stauklappe,
die sich bei steigendem Volumenstrom immer weiter öffnet.
Die Klappenstellung wird dann elektrisch ausgewertet.
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Bereits
aus den Zeiten des Römischen Imperiums bekannt sind Venturi-Zähler,
bei denen der Volumenstrom mechanisch behindert und der Differenzdruck
entlang des Hindernisses gemessen wird.
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Ähnlich
arbeiten Instrumente, welche die Stärke von Verwirbelungen
an Hindernissen messen (engl. vortex meter).
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Mechanisch
bewegte Teile haben jedoch generell den Nachteil mechanischer Abnutzung.
Ein weiteres Problem stellen insbesondere in Bezug auf Mikrosysteme
die fertigungsbedingt großen „relativen" Toleranzen
dar. Während beispielsweise Spalte von 10 Mikrometern zwischen
einem Schaufelrad und der Kanalwand bei einer Kanalbreite von einigen Zentimetern
kein Problem darstellen, führt eine Spaltbreite ähnlicher
Größenordnung bei Mikrokanälen von teilweise
unter 100 Mikrometern zu deutlichen Nebenströmungen. Im
Extremfall liegen die Toleranzen im Bereich der Kanalquerschnitte
selber. Als Resultat hieraus ergeben sich Nachteile sowohl durch
die erwähnten Nebenströmungen als auch erhöhte
mechanische Abnutzung (z. B. bei Welle-Nabe-Verbindungen). Zudem
ist die Miniaturisierung mechanischer Teile nur sehr begrenzt möglich,
so dass derartige Systeme zumindest für die Erfassung kleiner
und kleinster Fließraten nicht genutzt werden können.
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Ist
das zu messende Medium ein leitendes Fluid (z. B. Wasser), so kann
dieses als Leiter angesehen werden, der sich in einem magnetischen
Feld, welches von außen angelegt wird, bewegt. Nach dem Gesetz
von Faraday zur elektromagnetischen Induktion wird so eine Potenzialdifferenz
erzeugt, die proportional zur Fließgeschwindigkeit des
Fluids ist. Diese kann mittels geeigneter Elektroden abgenommen und
gemessen werden.
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Diese
magnetischen Zähler haben jedoch den Hauptnachteil einer
nicht unerheblichen Stromaufnahme, die zur Generierung des Magnetfeldes benötigt
wird. Weiterhin ist der Aufbau einer miniaturisierten Spule in entsprechend
kleinen Dimensionen – wenn überhaupt – nur
mit erheblichem Aufwand zu realisieren.
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Ultraschallzähler
messen den Unterschied in der Ausbreitungsgeschwindigkeit von Ultraschallwellenpulsen,
die in einem bestimmten Winkel entgegen bzw. in Richtung des Flusses
ausgesendet werden. Aus der Zeitdifferenz kann auf die mittlere Fließgeschwindigkeit
entlang des Ultraschall-Pfades geschlossen werden.
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Aber
auch die Bestimmung der Dopplerverschiebung eines am Fluid reflektierten
(Ultra-) Schallstrahls kann zur Messung der Fluidgeschwindigkeit genutzt
werden.
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Ultraschallzähler
sind jedoch eher für größere Kanalquerschnitte
geeignet, da die dazu notwendigen Transducer im Verhältnis
zum Kanal klein sein müssen, weil sonst keine ausreichend
genaue Erfassung der Strömungsgeschwindigkeit möglich
ist.
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Die
Coriolis-Massenstrommessung funktioniert dergestalt, dass ein elastisches
Rohr (gerade oder gebogen) mittels einer mechanischen Vorrichtung
in Transversalschwingungen versetzt wird. Fließt kein Fluid
im Rohr, so bildet sich ein anderes Schwingungsmuster aus als bei
Fließgeschwindigkeiten größer Null. Die Änderung
der Schwingungsform ist direkt mit dem Massenstrom des Fluids verknüpft.
Ein einfaches Multiplizieren des Volumenstromes mit der Dichte des
Fluids ist dann nicht mehr korrekt, wenn Luftblasen oder über
den Querschnitt nicht konstante Dichteverteilungen vorhanden sind. Die
Coriolismessung ist daher auch nicht als Volumenstrommessung nutzbar.
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Ferner
ist die Coriolis-Massenstrommessung nur schwer auf miniaturisierte
Systeme anwendbar. Sowohl die Realisierung eines frei schwingenden Rohrstückes
als auch die Ausprägung der Vibration sowie die Messung
der Schwingungsform lassen sich nur mit erheblichem Aufwand und
bis zu einer Mindestgröße hin realisieren.
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Mittels
geeigneter Bildaufnahmegeräte, welche die Bewegung natürlicher
Verunreinigungen oder zugesetzter sog. Tracer-Partikel in einem
strömenden Fluid erfassen, kann bei bekanntem Durchmesser
auf den der Bewegungsgeschwindigkeit zugrunde liegenden Volumenstrom
geschlossen werden („Laufzeitverfahren"). Je nach Art des
Fluids muss hierbei noch das Strömungsprofil (z. B. Parabel-Profil bei
Newtonschen Flüssigkeiten) berücksichtigt werden.
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Vorteilhaft
an derartigen Messverfahren ist die Möglichkeit, insbesondere
höherviskose Medien zu messen, ohne dem Fluidstrom einen
Widerstand entgegensetzen zu müssen. Nachteilig ist die
Notwendigkeit von durch das Fluid transportierten Partikeln und
die Tatsache, dass eine gewisse Transparenz des gefordert ist.
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Insbesondere
bei Gasen kann der Effekt genutzt werden, dass ein im Fluidstrom
befindlicher Draht in Schwingungen gerät, deren Frequenz
der mittleren Strömungsgeschwindigkeit und somit dem Volumendurchfluss
proportional ist. Die Schwingungen werden dabei durch sich wechselseitig
ausbildende, von der Strömung abgelöste Wirbel
erzeugt. Mit sogenannten Wirbelzählern können
sowohl die Schwingungen des Drahtes, als auch die durch die periodischen
Wirbelablösungen erzeugten Druckschwankungen (z. B. kapazitiv)
erfasst und weiterverarbeitet werden.
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Dieses
Messprinzip ist universell auf Flüssigkeiten, Gase und
Dämpfe anwendbar und bietet vor allem den Vorteil von Driftfreiheit,
so dass über die gesamte Lebensdauer nicht nachkalibriert
werden muss.
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Allerdings
versagt es prinzipiell in Kanälen unterhalb einer Grenze
von einigen hundert Mikrometern Breite bzw. Durchmesser, da sich
dann nur noch laminare Strömungen ausbilden.
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Hinsichtlich
der Verwendung von Drucksensoren zur Erfassung einer Fluidmenge
wird beispielsweise auf den folgenden Stand der Technik hingewiesen.
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In
US 6,871,551 B2 wird
beispielsweise eine Kombination aus Fördereinrichtung und
Messmittel zur Messung des ungefähren Fördervolumens
vorgeschlagen, wobei die Fördereinrichtung und die Messmittel
räumlich voneinander getrennt sind. Als Fördereinrichtung
wird eine Verdrängerpumpe eingesetzt, während
als Messmittel ein Drucksensor oder ein an einer Aufhängung
angebrachter Dehnungssensor vorgeschlagen wird. Bei eingeschalteter Pumpe
wird das Fluid durch einen elastischen Schlauch transportiert, so
dass die dadurch bewirkte Druckveränderung am der Wandung
des Schlauches mit dem Sensor erfasst werden kann Aus der erfassten
Druckveränderung soll dann auf die pro Zeiteinheit geförderte
Fluidmenge geschlossen werden können. Das beschriebene
Verfahren kann jedoch erst oberhalb eines bestimmten Volumenstrombereiches (≥ ml/min-Bereich)
angewendet werden, da die förderbedingte Verformung des
Schlauchteils bzw. deren Messung erst ab relativ großen
Drücken (200 hPa bzw. 0,2 Bar Überdruck) ausreichend
genau detektierbar ist.
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Eine ähnliche
Lösung wird in
US 5,701,646 vorgeschlagen,
wobei das Verfahren jedoch nur zum Nachweis des Vorhandenseins einer
Flüssigkeit im Fördersystem, nicht jedoch zur
Erfassung der Fluidmenge beschrieben wird. Der Drucksensor umfasst explizit
eine piezoelektrische Schicht, mit welcher die förderbedingte
Verformung des elastischen Schlauches erfasst und in Form elektrischer
Signale bereitgestellt werden kann.
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Ein
weiteres Verfahren zur Messung des Fluidstroms flüssiger
(nicht gasförmiger) Medien wird in
US 20040247446 offenbart, wobei
sowohl das oben erwähnte Prinzip der Wärmedissipation
bzw. des Wärmetransfers von einer Wärmequelle
auf einen Wärmesensor, als auch die Messung des fluidischen Drucks
mit Hilfe eines z. B. piezoresistiven Dickschichtsensors zum Tragen
kommt, während die Flussrate dabei mittels des Wärmesensors
bestimmt, dient der Drucksensor hingegen lediglich der Detektion
des Erreichens eines Maximaldrucks, nicht jedoch der Bestimmung
der Flussrate. Aufgrund der kombinierten Wärmemessung ist
das Verfahren nicht für Gase geeignet und weist die obigen
Nachteile einer derartigen Messung auf.
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Die
vorliegend dargestellten Verfahren des Standes der Technik unter
Verwendung von Drucksensoren zur Erfassung einer geförderten
Fluidmenge weisen zunächst den gemeinsamen Nachteil auf, dass
nur kontinuierlich und gleichförmig transportierte Fluidmengen
mit ausreichender Genauigkeit erfasst werden können. Weitere
Nachteile betreffen sowohl die z. T. erheblichen Kosten der Systemkomponenten
als auch die Möglichkeit ihrer Integration in Vorrichtungen,
die im Bereich der Mikrosystemtechnik und Nanotechnologie eingesetzt
werden sollen.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher in der Bereitstellung
eines Verfahrens zur Erfassung einer geförderten Fluidmenge,
welches unter Verwendung kostengünstiger Komponenten ausgeführt
werden kann und gerade bei sehr kleinen Fördermengen reproduzierbar
genaueste Ergebnisse liefert. Ferner umfasst die Aufgabe die Bereitstellung
geeigneter Vorrichtungen und Komponenten zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Zur
Lösung der gestellten Aufgabe werden das Verfahren gemäß Hauptanspruch
sowie die Vorrichtung gemäß Anspruch 6 vorgeschlagen.
Besonders bevorzugte Ausführungsformen sind in den jeweiligen
Unteransprüchen angegeben. Das erfindungsgemäße
Verfahren dient der Erfassung der einen Kanal pulsierend durchströmenden
Fluidmenge und basiert auf einem Vergleich der Profile mindestens
zweier Signale, die mit einer pulsationsbedingten Druckveränderung
des Fluidstromes in Beziehung stehen und zeitgleich an nicht identischen
Stellen oder zu unterschiedlichen Zeitpunkten an einer Stelle des
Fluidstromes erfasst werden.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren erfolgt dabei vorzugsweise
in folgenden Schritten:
- • Mittels
des bzw. der Messmittel wird ein Signal, welches die Druckpulsation
des Fluids widerspiegelt, erfasst und nötigenfalls in eine
elektronisch weiterverarbeitbare Form gebracht.
- • Aus den erfassten Signalen werden Profile oder Normwerte
generiert.
- • Die Profile bzw. Normwerte werden miteinander verglichen.
- • Mittels geeigneter Verfahren kann aus dem Vergleich
der Profile der Volumenstrom des Fluids bestimmt werden.
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Die
zur vorliegenden Erfindung durchgeführten Experimente zeigen,
dass auch kleinste Mengen eines Fluids sicher erfasst werden können,
sofern das Fluid pulsiert und die pulsationsbedingte Druckänderung
erfasst werden kann und/oder bekannt ist. Ferner haben Experimente überraschenderweise
gezeigt, dass Unregelmäßigkeiten im Fluidstrom,
wie sie z. B. durch mitgeführte Luftblasen entstehen können,
aufgrund der hohen Sensitivität des erfindungsgemäßen
Verfahrens sicher festgestellt und gegebenenfalls berücksichtigt
oder sogar beseitigt werden können.
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Im
Folgenden wird überall dort, wo Austauschbarkeit gegeben
ist, anstelle der Unterscheidung zwischen Pulsationseinrichtung
und Pumpe vereinheitlichend der Ausdruck „Aktor" benutzt.
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Weiterhin
sei vorangestellt, dass mit „System" oder „Flowsensor"
der gesamte Pulsations- bzw. Pump- und Sensoreinheit umfassende
Aufbau gemeint ist, wohingegen „Sensor", „Drucksensor" bzw. „Detektor"
lediglich die in diesem Aufbau vorhandene Einheit zur Aufnahme des
Fluidpulsationsdrucks bezeichnen.
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Wie
in der nachfolgenden detaillierten Beschreibung und in den Zeichnungen
ausgeführt wird, bezeichnet der vorliegend verwendete Begriff
eines „Profils" den Verlauf eines Signals innerhalb einer Pulsationsperiode
und umfasst „Parameter" wie insbesondere positive und/oder
negative Amplitude, Steilheit der positiven und negativen Flanken,
und Zeitpunkt der verschiedenen Nulldurchgänge.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren dient der Erfassung
der einen Kanal pulsierend durchströmenden Fluidmenge durch
Vergleich der Profile mindestens zweier Signale, die mit einer pulsationsbedingten
Druckveränderung des Fluidstromes in Beziehung stehen und
zeitgleich an nicht identischen Stellen des Fluidstromes oder zu
unterschiedlichen Zeitpunkten an einer Stelle des Fluidstromes erfasst
werden.
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Erfindungsgemäß werden
zum Vergleich die Kurvenverläufe der „Profile"
und/oder einzelne oder mehrere Parameter derselben herangezogen.
Diese Profile stellen die kleinste Einheit der sich aufgrund der
Pulsation periodisch wiederholenden Signalverläufe dar,
sofern sich das System in einem stationären Zustand befindet.
Dieser wiederum wird durch Druckverläufe und somit Profile
gekennzeichnet, welche sich aus einer Aneinander reihung im Wesentlichen
gleicher Pulse bzw. der daraus resultierenden Druckverläufe
ergeben.
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Nach
einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen
Verfahrens kann mindestens eines der Profile durch so genannte „Normwerte"
bereitgestellt werden, wobei diese Normwerte aus früheren Messungen
oder Simulationen stammen.
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Zur
Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
werden demnach mindestens ein erstes und ein zweites Signal benötigt,
um daraus die entsprechenden Profile generieren und anschließend miteinander
vergleichen zu können.
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Das
erste Signal wird erfindungsgemäß bereitgestellt
durch (a) das Signal zur Ansteuerung der Pulsationseinrichtung,
durch welche die Fluidmenge im Kanal in pulsierende Bewegung versetzt,
oder (b) das Signal eines die Druckveränderungen des pulsierenden
Fluids detektierenden Sensors, oder (c) Normwerte, wobei diese ihrerseits
beispielsweise aus einer Simulation des fluidischen Systems oder aus
zuvor durchgeführten Messungen und anschießender
Generierung und Speicherung der Normwerte herrühren. Ein
zweites Signal wird erfindungsgemäß durch einen
stromabwärts angeordneten Drucksensor bereitgestellt.
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Durch
Vergleich der Profile bzw. der sie kennzeichnenden Parameter kann
auf verschiedene Arten auf die den Kanal durchströmende
Fluidmenge geschlossen werden. Hierzu werden z. B. mathematische
Verfahren, oder Simulation des Systems herangezogen. Eine weitere
Anwendungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens
besteht im Vergleich des aktuellen Profils bzw. aktueller Normwerte
mit solchen Profilen bzw. Normwerten, die zuvor aufgenommen wurden
und deren zugeordnete Fluidmengen bekannt sind. Die Bestimmung der
Mengen dieser Vergleichsprofile bzw. Vergleichsnormwerte kann unter
Nutzung anderer Verfahren wie z. B. Wiegen erfolgen.
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Besonders
vorteilhaft ist die nach einer bevorzugten Ausführungsform
gegebene Möglichkeit, den Profilvergleich zur Detektion
von Störungen im Fluidstrom erfolgen zu lassen. Diese Störungen
betreffen insbesondere Gasblasen oder durch nicht ordnungsgemäß arbeitende
Fördereinrichtungen. Derartige Störungen können
dementsprechend durch Vergleich eines Profils, welches dem wunschgemäßen Betrieb
entspricht mit einem aktuell aufgenommenen, welches dem gestörten
Betrieb entspricht, sicher erkannt werden. Wird versucht, den ordnungsgemäßen
Betrieb durch geeignete Maßnahmen wiederherzustellen, so
kann der Erfolg dieser Maßnahmen zeitnah mittels des erfindungsgemäßen
Verfahrens kontrolliert werden.
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Ferner
wird erfindungsgemäß eine Vorrichtung zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens bereitgestellt.
Diese Vorrichtung dient der Bereitstellung und gewünschtenfalls
der Verarbeitung der vorliegend beschriebenen Signale 1 und 2.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung dient der Erfassung
(Detektion) der einen Kanal pulsierend durchströmenden
Fluidmenge durch Vergleich der Profile zweier Signale, die mit einer
pulsationsbedingten Druckveränderung des Fluidstromes in
Beziehung stehen und zeitgleich an nicht identischen Stellen des
Fluidstromes oder zu unterschiedlichen Zeitpunkten an einer Stelle
des Fluidstromes erfasst werden, wobei die Vorrichtung mindestens
einen Detektor zur Erfassung einer Eingangsgröße
und zur Transformation in eine Ausgangsgröße umfasst,
der durch eine elastisch verformbare Membran gebildet ist, die in
Bezug auf den fluidführenden Kanal ortsfest angeordnet
ist und mindestens auf einer Seite mit dem Fluid in Kontakt steht,
wobei die Membran an ihrem Rand fluiddicht gegen den Kanal abschließt.
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Ferner
umfasst die Vorrichtung nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform
eine Auswerteeinheit zur Weiterverarbeitung der Ausgangsgröße.
Die Auswerteeinheit dient der Generierung erfindungsgemäßer
Profile aus jeder Eingangsgröße, sowie ihrer Weiterverarbeitung
in Form eines Vergleichs mit weiteren Profilen, sowie gewünschtenfalls der
Anzeige oder Weitergabe der aus der Weiterverarbeitung resultierenden
Daten.
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Die
Auswerteeinheit kann dabei dem Detektor als externe Komponente oder
vorzugsweise als integrierte Komponente zugeordnet sein.
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Die
vom Detektor erfindungsgemäß zu erfassende Eingangsgröße
ist vorzugsweise der an einem bestimmten Messort herrschende Druck
der den Kanal durchströmenden Fluidmenge.
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In
einer bevorzugten Ausführung des erfindungsgemäßen
Detektors liegt das Ausgangssignal des Detektors bzw. der Detektoren
in einer Form vor, die sich leicht in ein elektrisches Signal umformen lässt,
wie z. B. als optisches, akustisches, mechanisches, magnetisches
oder kapazitives Signale. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform
liefert der Ausgang des Detektors direkt ein elektrisches Signal,
also einen Strom, eine Spannung oder eine Widerstandsänderung.
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Erfindungsgemäß wird
der mindestens eine Detektor in Form einer in Bezug auf den Kanal
ortsfesten, elastisch verformbaren Membran bereitgestellt, welche
mindestens auf einer Seite mit dem zu messenden Fluid in Kontakt
steht, so dass sie auf Druckänderungen des Fluids elastisch
verformt bzw. ausgelenkt wird. Erfindungsgemäß weist
die Membran in Grundstellung eine Auslenkung von Null auf und kennzeichnet
den Zustand, bei welchem der Druck beiderseits der Membran im Wesentlichen identisch
ist. Als Membranmaterialien kommen prinzipiell alle im Handel erhältlichen
Materialien in Frage. Vorzugsweise können solche Materialien
zum Einsatz gelangen, die einen Elastizitätsmodul besitzen,
welcher deutlich geringer ist als derjenige des die Membran umgebenden
Materials. Weiterhin sind solche Materialien bevorzugt, welche außerdem
spezifische Anforderungen wie Dauerfestigkeit, Temperaturfestigkeit,
Dichtheit usw. erfüllen.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführung umfasst die erfindungsgemäße
Vorrichtung die elastisch verformbare Membran des mindestens einen Detektors
in Form einer piezoelektrischen Schicht.
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In
einer alternativen besonders bevorzugten Ausführungsform
des Detektors ist der dem Fluid abgewandten Seite einer elastisch
verformbaren Membran, die nicht selber aus piezoelektrischem Material besteht,
eine Schicht aus diesem Material aufgelagert. Diese Schicht besitzt
auf ihren beiden Seiten je eine Elektrode, welche über
eine an jeder Elektrode angebrachte Leitung eine einfache Ableitung
des Signals bzw. alternativ eine Zuleitung der zu einem nachfolgend
beschriebenen temporären Pulsationsbetrieb notwendigen
Leistung ermöglicht (vgl. 1, 13).
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Vorteilhaft
an diesen besonders bevorzugten Ausführungen ist die direkte
Transformation des an der Membran anliegenden Druckes (der Eingangsgröße)
in ein elektrisches Signal.
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In
einer am meisten bevorzugten Ausführungsform weist die
elastisch verformbare Membran die Eigenschaften eines Aktors auf.
Dabei veranlasst das Anlegen einer elektrischen Spannung an die Elektroden
der Drucksensormembran eine Änderung ihrer Wölbung,
so dass daraus eine Bewegung des an der Membran angrenzenden Fluids
resultiert, welches beispielsweise besonders vorteilhaft zur Unterstützung
der Pulsationseinrichtung beim Austreiben von Gasblasen nutzbar
ist.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst ferner bevorzugt
eine Pulsationseinrichtung zur Erzeugung der zur Anwendung des erfindungsgemäßen
Verfahrens notwendigen Pulsation der den Kanal durchströmenden
Fluidmenge.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung umfasst die Pulsationseinrichtung eine piezogetriebene Membran,
die in einer am meisten bevorzugten Ausführungsform dieselben
konstruktiven Merkmale umfasst wie der zur erfindungsgemäßen
Erfassung der Druckverläufe eingesetzte Detektor.
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Die
Erfindung wird nachfolgend detailliert erläutert.
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Wie
zuvor ausgeführt, wird nach einer bevorzugten Ausführungsform
das erste Signal zur Ansteuerung der Pulsations vorrichtung wie beispielsweise
einer pulsierenden Pumpe oder von einem Sensor zur Erfassung des
Druckzustandes eines bereits pulsierenden Fluids bereitgestellt,
während das zweite Signal mit einem stromabwärts
angeordneten Drucksensor generiert wird. Weitere Signale können von
weiteren, im Strömungsverlauf des Fluidkanals befindlichen
Drucksensoren generiert werden. Den Vorgang des Vergleichs zweier
zum gleichen Zeitpunkt, aber an verschiedenen Orten aufgenommener Signale
ist exemplarisch in 9 dargestellt und wird an entsprechender
Stelle ausführlich beschrieben.
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Das
erste, den Druckzustand des pulsierenden Fluidstroms repräsentierende
Signal kann alternativ auch in Form eines Normwertes bereitgestellt werden,
welcher in einer erfindungsgemäßen Auswerteeinheit
gespeichert sein kann und die Parameter des Gesamtsystems wie insbesondere
die Art des Fluids, den Durchmesser des Kanals und/oder die Eigenschaften
der Pulsationsquelle berücksichtigt. Auch in diesem Fall
wird das zweite Signal von dem stromabwärts angeordneten
Drucksensor generiert.
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Steht
das erste Signal, welches dem Druckverlauf der Pulsationsquelle
zuzuordnen ist, nicht bereits beispielsweise in Form des Ansteuersignals
des die Pulsation erzeugenden Aktors zur Verfügung, kann
dieses auch mit dem das Signal 2 erzeugenden sensorischen Mittel
selber gewonnen werden, wenn das so gewonnene, dem Signal 1 entsprechende Profil
anschließend abgespeichert wird, um zu einem späteren
Zeitpunkt mit dem zeitversetzt aufgenommenen, aktualisierten Profil
des Signals 2 verglichen zu werden. Eine derartige Vorrichtung wird
beispielsweise in 1 dargestellt, wenn die dort
gezeigte Mess- und Auswerteelektronik die Möglichkeit einer Speicherung
des durch den Sensor gewonnenen Signals 1 ermöglicht. Die
Nutzung eines zuvor gespeicherten Signals als Grundlage für
einen Vergleich mit einem Signal, welches zu einem späteren
Zeitpunkt aufgenommen wird, ist exemplarisch in 12 dargestellt
und wird an entsprechender Stelle detailliert beschrieben.
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Unabhängig
von der tatsächlichen Ausführungsform werden erfindungsgemäß also
stets mindestens zwei Signale einem Vergleich bzw. Abgleich zugeführt,
wobei die Signale durch bestimmte Profile gekennzeichnet sind.
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Diese
Profile der mindestens zwei Signale werden erfindungsgemäß miteinander
verglichen, was vorzugsweise dadurch geschieht, dass die beiden
Signalverläufe über mindestens eine vollständige
Pulsationsperiode übereinander geplottet und die jeweiligen
Abweichungen bewertet werden. Nach einer bevorzugten Ausführungsform
kann dieser Vergleich automatisiert in einer integrierten oder parallel bereitgestellten
Steuer- und/oder Auswerteeinheit erfolgen.
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Vorzugsweise
werden das erste Signal möglichst nah an der Pulsationsquelle
und das zweite Signal stromabwärts der Pulsationsquelle
erfasst. In einer Variante der beschriebenen Ausführungsform
besitzt das Messsystem ein weiteres Messmittel, das bevorzugterweise
die Druckdetektion auch vor der Pulsationseinrichtung erlaubt.
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Die
vorliegende Erfindung bietet somit auch eine zuverlässige
Basis zur Detektion von Störungen im Fluidfluss. Hierzu
wird auf die 12 sowie die entsprechende Beschreibung
hingewiesen.
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Schließlich
ist es erfindungsgemäß möglich, auf die
oben beschriebenen Störungen zu reagieren, indem die Förderleistung
des von der Störung betroffenen Systems vorübergehend
erhöht und somit die Wahrscheinlichkeit einer Beseitigung
der Störung durch Austreiben vergrößert
wird. Dies wird exemplarisch in 13 verdeutlicht.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren sieht folgende Vorgehensweisen
zur Bestimmung des Volumenstromes aus dem Messsignal bzw. den Messsignalen
bzw. den daraus abgeleiteten Profilen vor:
- • Aufnahme
von Referenzkurvenformen als Normwerte zusammen mit den dazugehörigen,
bekannten Volumenstrommengen, und Vergleich der Referenz- mit den
aktuell aufgenommenen Messkurven mittels so genannter „look-up
tables";
- • Nutzung eines Simulationsmodells, welches beispielsweise
der Fluidtechnik äquivalente Ersatzschaltungen aus dem
Bereich der Elektrotechnik nutzt, so dass eine Echtzeitkorrelation
der Messdaten mit dem Simulationsmodell ermöglicht wird, welches
dann den Volumenstrom liefert;
- • Berechnung des Volumenstroms aufgrund der durch die
Messung oder Konstruktion bekannten Parameter wie Druck, Geometrie,
Viskosität, Druckverlauf, Ansteuersignal der Pumpe usw., wobei
entsprechende Systeme von Differenzialgleichungen aufzustellen und
in Echtzeit zu lösen sind.
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Zur
Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
werden erfindungsgemäß unterschiedliche alternative
Vorrichtungen vorgeschlagen. Diese Vorrichtungen dienen der Erfassung
von Drücken und/oder Druckschwankungen in einem Fluidkanal und
ggf. deren elektronischer Weiterverarbeitung, insbesondere der Extraktion
der zur Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens
notwendigen Profile und/oder Normwerte, sowie ggf. deren Speicherung.
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Bevorzugt
sind alle diejenigen Bauformen, die eine kostengünstige
und raumsparende Fertigung des Systems erlauben. Ebenso bevorzugt
sind Varianten, die eine möglichst geringe Anzahl unterschiedlicher
Komponenten benötigen. Bevorzugt sind ferner solche Bauformen,
die mit einer möglichst geringen Anzahl von Arbeitsschritten
zur Herstellung des Systems auskommen. Diese Ausführungsformen
sind im folgenden Text als bevorzugte, besonders bevorzugte oder
am meisten bevorzugte Ausführungsformen gekennzeichnet.
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Benötigt
wird erfindungsgemäß mindestens ein Mittel zur
Erfassung des Druckverlaufs für das Signal 2, sowie ein
weiteres Mittel für die Erfassung des Druckverlaufs für
das Signal 1, wenn dieses nicht bereits anderweitig zur Verfügung
gestellt werden kann, z. B. durch Nutzug der Ansteuersignale der
Pulsationsquelle, oder durch zuvor in einer erfindungsgemäßen
Speichervorrichtung abgelegte Normwerte.
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Bevorzugt
sind alle Mittel zur Detektion von Drücken und/oder Druckschwankungen,
welche das Signal in elektronisch weiterverarbeitbarer Form präsentieren,
damit das erfindungsgemäße Verfahren darauf angewendet
werden kann. Besonders bevorzugt sind daher sensorische Mittel,
bei denen das Messsignal möglichst direkt als elektrische
Größe (Strom, Spannung oder Widerstandsänderung)
vorliegt. Wiederum besonders bevorzugte Verfahren sind solche, bei
denen die Änderung des Ausgangssignals annähernd
proportional zur Änderung der Messgröße
ist. Dies ist beispielsweise bei Drucksensoren mit mechanisch verformter
Membran der Fall, da sich deren Wölbung ungefähr
proportional mit der Druckdifferenz beider Membranseiten ändert.
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Dementsprechend
wird eine besonders bevorzugte Ausführung des Mittels zur
Detektion von Druckschwankungen durch eine ortsfeste, jedoch elastisch
verformbare Membran, die in Kontakt mit dem strömenden
Fluid steht, gebildet. Im Folgenden werden Varianten genannt, die
das Verhältnis einer solchen Membran mit dem sie umgebenden
Material betreffen.
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Um
die Detektormembran ortsfest zu halten, ist diese vorzugsweise entlang
ihrer umlaufenden Kante mit dem sie umgebenden Material verbunden, wobei
die Bewegungsfreiheit der Membran in mindestens einem Freiheitsgrad,
vorzugsweise senkrecht zur Membranfläche, gewährleistet
bleiben muss. Die Verbindung kann dabei beispielsweise durch Einspannen,
Klemmen, oder auch durch einfaches lokales Verringern der Stärke
des Umgebungsmaterials erfolgen.
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Die
Membran kann dabei fest eingespannt oder in einer bevorzugten Ausführung
beweglich gelagert sein.
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In
einer ersten, einfachen Ausführung bildet die Membran einen
Teil der Außenwand des Kanals, welcher vom zu messenden
Fluid durchströmt wird. Bevorzugterweise ist die unmittelbare
Umgebung der Membran möglichst unelastisch, so dass deren
Verformung bei Druckänderung im Kanalinneren gegenüber
der Membranwölbungsänderung zu vernachlässigen
ist.
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In
einer alternativen Ausführung befindet sich die Membran
an einem separaten, einen Hohlraum umschließenden und möglichst
steifen Gehäuse und bildet einen Teil der Außenwand
dieses Gehäuses. Das Innere des Gehäuses steht
fluidisch in Kontakt mit dem zu messenden Fluid.
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In
einer dritten Ausführung befindet sich die Membran im Inneren
des Gehäuses und teilt dessen Innenraum in zwei fluiddicht
voneinander getrennte Kompartimente auf.
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Eines
der Kompartimente steht dabei in fluidischem Kontakt mit dem zu
messenden Fluid, während das andere Kompartiment vollständig
geschlossen sein oder aber mittels geeigneter fluidischer Verbindungselemente
fluidischen Kontakt zur Umgebung haben (vgl. 1) oder
in fluidischem Kontakt zu einer anderen Stelle des zu messenden
Fluids stehen kann. Diese letzte Ausführung ermöglicht
die Aufnahme zweier Signale mittels eines einzelnen Drucksensors,
was einen besonderen Vorteil gegenüber dem Stand der Technik
darstellt.
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Als
Herstellprozesse für ein Gehäuse eines Detektors
der erfindungsgemäßen Vorrichtung, welcher eher
in einer flächigen Anordnung wie in der 1 dargestellt
ausgebildet ist, kommen sowohl additive Verfahren (Schichtaufbauten)
als auch subtraktive (abtragende) Verfahren und Kombinationen derselben
zum Einsatz. Besonders bevorzugt sind Aufbauten aus polymeren Schichten,
die z. B. mittels Spritzguss, Laminieren oder Laserbearbeitung hergestellt
werden können, und mittels Fügeverfahren wie Kleben,
Klemmen, Laserschweißen oder Lösungsmittelkleben
miteinander verbunden werden.
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Es
ist dabei wünschenswert, wenn die von der Pulsationseinrichtung
stammende und mittels des strömenden Fluids übertragene
Energie, die in die Auslenkung der Trenn- und Sensormembran fließt,
um diese auszulenken und somit das Signal zu erzeugen, so gering
wie möglich ist. Wenngleich die in den elastischen Membranen
gespeicherte Energie bei deren Rückverformung wieder frei
wird (elastische Feder), geht dies immer mit einem gewissen Verlust
an Reibungswärme einher, die beispielsweise an der elastischen
Lagerung der Trennmembran entsteht. Gleiches gilt für die
je nach Bauform mehr oder weniger häufig vorhandenen Fügespalte,
in denen bei wiederkehrender Dehnung des Gehäuses Reibungs-
und somit Energieverluste entstehen. Daher ist die Steifigkeit des
Gesamtsystems, vor allem jedoch diejenige der Sensoreinheit, möglichst
hoch zu wählen.
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Aufgabe
eines erfindungsgemäßen und beispielsweise wie
oben beschrieben aufgebauten Detektors ist die Erfassung der Druckschwankung
des Fluids, sowie dessen Transformation in eine Ausgangsgröße,
die bevorzugterweise eine elektrisches Signal ist. Da die Druckschwankung
des Fluids zu einer Wölbungs- bzw. Hubveränderung
(im Folgenden zusammenfassend Membranauslenkung genannt) der elastisch
verformbaren Membran führt, muss sichergestellt sein, dass
diese Wölbung in ein elektrisches Signal umgewandelt wird,
welches der Wölbung eindeutig zugeordnet werden kann.
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Als
sensorisches Mittel für die Erfassung der Membranauslenkung,
die bevorzugterweise der Druckänderung ungefähr
proportional ist, können alle dem Stand der Technik bekannten
Verfahren zum Einsatz kommen. Derartige Verfahren können
beispielsweise ausgewählt sein aus:
- – optischen
Verfahren, bei denen auf der fluidabgewandten Seite der Trennmembran
eine reflektierende, biegsame Schicht angebracht ist, welche einen
auf ihr auftreffenden Lichtstrahl ihrer Wölbung entsprechend
unterschiedlicher stark streut;
- – optischen Verfahren, bei denen auf der fluidabgewandten
Seite der Trennmembran eine reflektierende, aber im Wesentlichen
starre Schicht angebracht ist, welche einen auf ihr auftreffenden Lichtstrahl
ihrer Lage entsprechend in unterschiedliche Richtungen ablenkt;
- – optischen Verfahren, die Laufzeitunterschiede aufgrund
sich ändernder Abstände bestimmen können;
- – akustischen Verfahren, die beispielsweise mit dem
Doppler-Effekt Abstände messen;
- – mechanischen Verfahren, bei denen die Wölbung über
mechanische Elemente wie Stangen, Hebel, Gelenke usw. in eine einfach
zu messende, lineare oder rotatorische Bewegung umgeformt wird,
welche dann elektrisch weiterverarbeitet werden kann;
- – elektrischen Verfahren, die zum Beispiel die Widerstandsänderung
der sich bei Wölbung dehnenden Trennmembranoberseite mittels
Schleifkontakten oder anderen geeigneten Prinzipien ableiten;
- – magnetischen Verfahren, bei welchem Trennmembran
und Gehäuse eine Kombination aus Tauchspule und Magnet
bilden, so dass sich die Relativbewegung beider Elemente durch Strominduktion
in der Spule messen lässt;
- – magnetischen Verfahren, die den Hall-Effekt ausnutzen;
und
- – kapazitiven Verfahren, bei denen beispielsweise die
Trennmembranoberseite und die Gehäuseinnenseite mit ladungstragenden
Schichten belegt sind, so dass diese einen Kondensator formen, dessen
Kapazität sich bei Änderung des Abstandes verändert.
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Besonders
bevorzugt sind jedoch Verfahren auf Basis einer piezoaktiven Schicht,
die sich auf der dem Fluid abgewandten Seite der Membran befindet und
mit dieser fest verbunden ist.
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Die
Detektormembran ist nach einer bevorzugten Ausführungsform
identisch mit der piezoaktiven Schicht. Nach einer weiteren bevorzugten
Ausführungsform ist die piezoaktive Schicht der aus einem
anderen Material bestehenden elastisch verformbaren Membran aufgelagert
und in einer besonders bevorzugten Ausführung mit dieser
fest verbunden.
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Ist
nur eine Seite der Membran in Kontakt mit dem Fluid, so befindet
sich die piezoaktive Schicht bevorzugt auf der dem Fluid abgewandten
Seite. Stehen beide Seiten der Membran in Kontakt mit dem Fluid,
kann sich diese in einer Zwischenschicht der schichtartig aufgebauten
Membran befinden.
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Diese
piezoaktive Schicht weist weiterhin beidseitig je mindestens eine
Elektrode zur Abnahme und Weiterleitung der Spannung an eine Mess-
bzw. Auswertevorrichtung auf. Die elektrischen Zuleitungen der Elektroden
können im bevorzugten Fall eines nach außen offenen
Kompartiments durch die vorhandene Öffnung nach außen
geführt werden.
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Die
Elektroden können typischerweise mittels geeigneter Aufdampfprozesse
an den entsprechenden Stellen erzeugt werden. Aber auch andere Verfahren
wie z. B. das Aufkleben leitender Schichten oder das selektive Entfernen
großflächiger Beschichtungen sowie das Nutzen
leitfähiger Keramiken, die z. B. mittels Laserstrahlung
aktiviert werden (sog. Molded-Interconnect-Device-/MID-Technik) können
Verwendung finden. Folgende Varianten bezüglich der Form
und Lage der Elektroden werden als besonders bevorzugt angesehen:
- – Die Elektroden zur Spannungsmessung
befinden sich als Streifen auf der dem Fluid abgewandten Seite der
Membran.
- – Die Elektroden befinden sich in Form eines Sandwich-Aufbaus
im Inneren der Membran.
- – Die Elektroden bestehen aus dünnen Leiterbahnen
aus Gold, Kupfer, oder anderen leitenden oder halbleitenden Materialien.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung kann vorzugsweise
ferner eine Pulsationsquelle umfassen, die insbesondere dann notwendig
ist, wenn die zu messende Fluidmenge nicht bereits in einer auswertbaren
Form pulsiert.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform kann die Pulsationsquelle
eine piezogetriebene Membran umfassen, aus deren Ansteuersignal
das Signal 1 gewonnen werden kann, sofern die Ansteuersignale der Pulsationsquelle
frei zugänglich sind.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann die erfindungsgemäße
Vorrichtung eine Fördereinrichtung in Form einer Pumpe
umfassen, die besonders bevorzugt eine piezogetriebene Membranpumpe
ist.
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In
einer am meisten bevorzugten Ausführung kann die Pulsationsquelle
zusammen mit der Drucksensoreinheit oder den Drucksensoreinheiten
in ein gemeinsames Gehäuse integriert sein.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung kann ferner eine
Auswerteeinheit umfassen, die der Erzeugung der Profile aus den
Detektorsignalen sowie deren elektronischen Weiterverarbeitung dient
und ggf. zusätzlich einen oder mehrere Normwerte bereithält.
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Die
Auswerteeinheit kann insbesondere dann auch eine Speichereinheit
umfassen, wenn entweder nur eine Detektoreinheit vorhanden ist und
das erfindungsgemäße Verfahren durch Vergleich
zweier zeitlich nacheinander aufgenommener Profile Anwendung findet,
oder wenn der Vergleich des laufend aktualisierten Profils mit zuvor
erhaltenen Normwerten geschieht.
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Die
Auswerteeinheit kann ferner eine Ansteuereinheit für die
erfindungsgemäße, temporäre Nutzung eines
bevorzugten Detektors als Aktor umfassen, sofern der Detektor unter
Verwendung piezoelektrischer Materialien aufgebaut ist.
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Die
Auswerteeinheit kann dabei in einem separaten Gehäuse untergebracht
sein, oder sie kann besonders bevorzugt mit einem oder mehreren
Elementen der erfindungsgemäßen Vorrichtung in
ein gemeinsames Gehäuse integriert sein.
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Durch
die vorliegende Erfindung ist gewährleistet, dass die Messgröße
in leicht weiterverarbeitbarer Form wie insbesondere als Strom oder Spannung
vorliegt, die sehr gut kompatibel zu Standardelektronik (Mess-,
Steuer- und Regeltechnik) ist, wodurch auf kostenintensives Umformen,
Verstärken usw. verzichtet werden kann.
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Die
Ansprechzeit der in der Erfindung benutzten Detektoren ist derart
kurz, dass eine genügend fein zeitaufgelöste Erfassung
eines einzelnen Pumpzyklus möglich ist.
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Neben
der Erfassung der Fluidmenge kann durch Vergleich der erfassten
Signale bzw. der daraus abgeleiteten Profile auf die Fließrichtung
des den Kanal durchströmenden Fluids geschlossen werden.
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Ein
weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist in der Tatsache
begründet, dass zur Volumenstrommessung mittels Drucksensor
je nach Ausführungsform lediglich ein einziger Drucksensor
benötigt wird, da nicht die Druckdifferenz zwischen zwei Messpunkten,
sondern das Verhältnis von Aktoransteuerung und Sensormesssignal
zur Bestimmung des Volumenstroms herangezogen wird. Hierin ist ein wichtiger
Unterschied zum Stand der Technik begründet.
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Schließlich
kann eine besonders bevorzugte Variante des in der Erfindung eingesetzten
Detektors ohne großen Aufwand vorübergehend auch
als Aktor eingesetzt werden, um zum Beispiel ergänzend
für eine erhöhte Förderleistung im Gesamtsystem
zu sorgen. Dabei können beispielsweise auch Gasblasen,
die ansonsten im System festsitzen, weiterbefördert werden.
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Die
vorliegende Erfindung sieht in einer bevorzugten Ausführungsform
die Integration der erfindungsgemäßen Vorrichtung
in das Gehäuse einer Fördereinrichtung oder umgekehrt
vor, wodurch ein kombiniertes System aus Förder- und Messeinrichtung
kostengünstig hergestellt werden kann.
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Besonders
hervorzuheben ist weiterhin die Tatsache, dass der Drucksensor mit
praktisch identischen Fertigungsverfahren wie eine erfindungsgemäße
Pulsationseinrichtung hergestellt werden kann, sofern die Pulsationseinrichtung
auf einer piezoangetriebenen Membran basiert.
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Nachfolgend
werden bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen
Systems unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Die
Begriffe „Detektor" und „Drucksensor" sind dabei austauschbar.
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1 zeigt
einen Schnitt durch den Aufbau einer bevorzugten Ausführungsform
eines Drucksensorsystems des erfindungsgemäßen Volumenstromsensors 10,
welches der Aufnahme von Druckverläufen und deren Transformation
in elektrische Signale dient.
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Durch
einen Einlass 11 strömt das zu messende Medium
in einen Messkanal 12 und von dort aus weiter zum Auslass 13.
Der im Messkanal herrschende Druck liegt über einen Querkanal 14 auch
in der Messkammer 15 vor. Der Druck wirkt auf die Trennmembran 16 und
wölbt diese bei Überdruck dergestalt, dass sich
das Volumen der Messkammer vergrößert. Bei Unterdruck
bewegt sich die Trennmembran in die entgegengesetzte Richtung, wodurch
das Volumen der Messkammer verringert wird. Um eine Bewegung der
Trennmembran zu erleichtern, kann diese, wie in 1 gezeigt,
ein- oder zweiseitig auf einem elastischen Ring 17 gelagert
sein, der somit zusätzlich die Dichtheit der Messkammer sicherstellt.
Das Material des Ringes muss im Wesentlichen dem zu verwendenden
Fluid angepasst sein und gleichzeitig eine ausreichende Elastizität besitzen,
um die Bewegung der Membran nicht zu unterbinden. So können
einfache Materialien wie Silikonkautschuk, Nitrilkautschuk (NBR)
oder generell thermoplastische Polymere (TPE), wie auch Spezialmaterialien
bestimmter Hersteller, zu denen Viton® oder
Kalrez® (Fluorelastomer bzw. Perflourkautschuk von
DuPont) zählen, zum Einsatz gelangen. Metalldichtungen
z. B. aus Kupfer sind aufgrund ihrer Steifigkeit weniger geeignet.
An der dem Fluid abgewandten Seite der Trennmembran ist die Drucksensormembran 18 befestigt
bzw. aufgelagert. Diese kann beispielsweise aus piezoelektrischem
Material bestehen, so dass sie bei einer Bewegung der Trennmembran
entsprechende Spannungssignale erzeugt. Diese werden durch an der
Ober- und Unterseite der Drucksensormembran befindliche elektrische
Leitungen 19 und 20 durch eine Öffnung 21 nach
Außen geführt, wo sie mittels einer Messelektronik 2 ausgewertet
werden können.
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2 zeigt
die Drucksensoreinheit 1 eines Volumenstromsensors 10 nach
dem vorgestellten Prinzip, welche einer Fluidfördereinrichtung 3 nachgeschaltet
ist. In der Zeichnung ist die Drucksensoreinheit der Fördereinrichtung
nachgeschaltet, jedoch ist auch eine Vorschaltung möglich.
Typischerweise ist diese Fördereinrichtung eine Pumpe,
insbesondere eine Mikropumpe. Mittels eines Verbindungsstückes 5 stehen
die beiden Elemente in fluidischer Kommunikation. Der gemeinsame
Einlass wird durch den Einlass 31 der Pumpe gebildet, während
der gemeinsame Auslass dem Auslass 13 der Drucksensoreinheit
entspricht.
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Wie
der 2 entnommen werden kann, können die Pumpe 3 und
die Drucksensoreinheit 1 aus nahezu identischen Bauelementen
aufgebaut werden. Dies ist unter bestimmten Umständen,
zum Beispiel zur Vorhaltung einer minimalen Anzahl von Bauelementen
in der parallelen Fertigung beider Systeme, von Vorteil, jedoch
keineswegs Bedingung. Aus der 2 geht weiterhin
hervor, dass der einzige wesentliche Unterschied zwischen Pump-
und Drucksensoreinheit das Vorhandensein von Ventilen 32 im
Pumpsystem 3 und das Fehlen derselben im Drucksensorsystem 1 ist.
Es sei jedoch angemerkt, dass die Abwesenheit der Ventile im Drucksensorsystem
für dessen Funktion nicht erheblich ist, sondern aus rein ökonomischen
Gründen erfolgen kann.
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Ebenfalls
gezeigt sind die der Drucksensoreinheit 1 zugeordnete Auswerteelektronik 2 und
die Ansteuerelektronik 4 des Pumpensystems 3.
Durch einen gestrichelten Pfeil 6 angedeutet ist das Überführen
des Messsignals der Drucksensoreinheit an die Ansteuerelektronik,
so dass eine selbsttätige Regelung des Volumenstroms mittels
der Regelschleife Pumpe-Drucksensor ermöglicht wird.
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Die 3 zeigt
eine vorteilhafte und daher bevorzugte Ausführung des vorgeschlagenen
Flusssensorsystems 10. Hierbei ist die Drucksensoreinheit 1 in
das Gehäuse einer geeignet ausgebildeten pulsierenden Fluidförderanlage 3 integriert.
Die Bauelemente, die zum Aufbau der Pumpen- und Drucksensoreinheit
benötigt werden, sind in weiten Teilen identisch. Bautechnisch
können die fluidischen Systeme Drucksensoreinheit 1 und
Pumpe 3 in einem gemeinsamen Gehäuse 7 untergebracht
sein. Die gedachte funktionelle Trennung der beiden Systeme ist
durch die senkrechte strichpunktierte Line 71 angedeutet. Das
Verbindungsstück 5 besteht nun lediglich aus einem
einfachen Kanal; weitere fluidische Schnittstellen zur Kopplung
der beiden Systeme sind nicht mehr notwendig. Ebenfalls in ein Gehäuse 8 integriert
sind die Messelektronik 2 und die Ansteuerelektronik 4 des
Gesamtsystems 7. Die elektronische Verbindung der beiden
Systeme kann vorteilhafterweise bis hin zur Integration der Schaltkreise
auf einer Platine oder gar in einem Halbleiterchip (z. B. Hochleistungs-ASIC)
erfolgen (ASIC = Application Specific Integrated Circuit, Anwendungsspezifische
integrierte Schaltung).
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Die 4 zeigt
eine Kombination aus einer Pumpe 3 mitsamt vor- und nachgeschalteter
Drucksensoreinheit 1a, 1b. Wie in den zuvor beschriebenen
Varianten werden die Pumpe mit einer Ansteuerelektronik 4 und
jede Drucksensoreinheit mit einer Auswerteelektronik 2a bzw. 2b verbunden.
Eine Kopplung der Ansteuer- mit der Auswertelektronik ist durch
die Pfeile 6a, 6b angedeutet. Die fluidischen Systeme
sind mittels entsprechender Verbindungsstücke 5 miteinander
verbunden. Dem gesamten System 10 kann ein Einlass 31 und
ein Auslass 13 zugeordnet werden.
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Analog
zu 2 bzw. 3 zeigt die 5 eine
integrierte Variante von der in 4 gezeigten Kombination
aus einer Pumpe 3 und einer vor- sowie einer nachgeschalteten
Drucksensoreinheit 1a bzw. 1b. Die Bezeichnungen
entsprechen den weiter oben eingeführten; hinzukommen das
integrierte Gehäuse 7 und die integrierte Ansteuer-
und Auswerteelektronik 8.
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Die
hier gezeigte Kombination bietet die an entsprechender Stelle genannten
Vorteile wie Einsparung von Gehäuseplatz, Elektronikintegration
und einfacher, paralleler Montage.
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6 zeigt
schematisch den Aufbau eines erfindungsgemäßen
Volumenstromsensors 10, bei welchem keine Möglichkeit
besteht, die Ansteuersignale einer existierenden Pulsationsquelle 3 direkt
zu nutzen. Er setzt sich aus zwei stromabwärts von der Pulsationsquelle
befindlichen Drucksensoreinheiten 1a und 1b zusammen,
die die Bestimmung der Druckverläufe zu gleichen Zeitpunkten
an verschiedenen Orten erlauben. Die erste, näher an der
(nicht dargestellten) Pulsationsquelle befindliche Drucksensoreinheit 1a liefert
hierbei das Signal 1, die zweite, weiter von der Pulsationsquelle
entfernte Drucksensoreinheit das Signal 2. Beide Signale werden über
entsprechende Signalleitungen in einer gemeinsamen Auswerteeinheit 2 zusammengefasst.
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7 zeigt
den in 6 dargestellten Aufbau als integrierte Variante.
Die beiden Drucksensoreinheiten 1a und 1b sind
in einem gemeinsamen Gehäuse 7 zusammengefasst.
Da sich der Druckverlauf in Abhängigkeit von der Entfernung
zur Pulsationsquelle ändert und ein gut messbarer Unterschied zwischen
beiden Signalen erst bei einem bestimmten Abstand der Messpunkte
voneinander gegeben ist, kann es notwendig sein, den Abstand zwischen
den Drucksensoreinheiten 1a, 1b künstlich
zu vergrößern. Dies kann beispielsweise durch
das angedeutete fluidische Distanzstück 5', welches
sich zwischen den Drucksensoreinheiten befindet, erreicht werden.
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8 zeigt
schematisch den Aufbau eines Volumenstrommesssystems 10,
welches sich aus zwei oben beschriebenen Drucksensoreinheiten 1a, 1b sowie
einer modifizierten Fördereinrichtung 3', die vorteilhafterweise
aus identischen Elementen wie die Drucksensoreinheiten aufgebaut
ist, zusammensetzt. In einer besonders bevorzugten Variante ist
die modifizierte Pumpe 3' identisch wie die Drucksensoreinheiten 1a, 1b aufgebaut
und wird lediglich entgegen dem für die Drucksensoreinheiten
genutzten Messmodus im Aktormodus betrieben, also mit einer zyklisch
sich verändernden Spannung versorgt, die die piezoelektrische
Schicht 18 des Membranverbundes anregt und in Verbindung
mit der Trennmembran 16 zu einer Durchbiegung derselben
führt.
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Die
wesentlichen Elemente eines solchen Systems sind zwei Drucksensoreinheiten 1a und 1b, zwischen
denen eine modifizierte Pumpe 3' angeordnet ist. Diese
Pumpe besitzt im Gegensatz zu der in Zeichnung 2 dargestellten
Pumpe keine Ventile 32, so dass sie bei Ansteuerung der
Membran lediglich eine Pulsation erzeugt, die jedoch zu keinem Nettotransport
von Fluid führt, da das Fluid bei Druckerhöhung
durch die modifizierte Pumpe in beide Verbindungskanäle 5 ausweichen
kann und bei der anschließenden Druckverminderung aus beiden
Verbindungskanälen 5 wieder in die Pumpkammer
der modifizierten Pumpe 3' zurückfließt.
Diese Druckschwankungen können mit den Drucksensoreinheiten
gemessen werden, die sich vor und hinter der modifizierten Pumpe
befinden. Weitere Elemente sind die Mess- und Auswerteelektronik 8',
die im Gegensatz zu der integrierte Ansteuer- und Messelektronik 8' keine
direkte Rückkoppelung zwischen den Drucksensoreinheiten
und der modifizierten Aktorsteuerung 4' beinhaltet. Stattdessen
sammelt eine Auswerteelektronik 8' für das pumpenlose
Messsystem alle Daten und generiert dem erfindungsgemäßen
Verfahren entsprechend einen Zahlenwert für den Volumenstrom.
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Im
Falle eines stehenden Fluids, also ohne einen von Außen
aufgeprägten Fluidstrom durch das System hindurch, messen
beide Drucksensoreinheiten (bei gleicher Geometrie, fluidischen
Widerständen der Leitungen usw.) ein identisches Signal.
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Strömt
nun durch den Einlass 31 ein zu messendes Fluid ein, so
wird der Messpulsation die Strömung des Messfluids überlagert.
Diese führt zu einer Verschiebung der ursprünglich
symmetrischen Messsignale. Die Verschiebung ist umso deutlicher,
je schneller das zu messende Fluid strömt. Außerdem unterstützt
das strömende Fluid die Bewegung der Aktormembran in die
Richtung, in welcher sich die Messkammer vergrößert,
und erschwert die Bewegung in die entgegengesetzte Richtung. In
der nachgelagerten Drucksensoreinheit 1b resultiert daraus eine
Vergrößerung der Amplitude der positiven Halbwelle
und eine Verringerung der Amplitude der negativen Halbwelle. Dies
entspricht einer Verschiebung des Mittelwertes der Kurve in positive
Richtung. Umgekehrt verringert sich bei einer vorgelagerten Drucksensor
einheit 1a die positive Halbwelle der Kurve, wohingegen
sich die negative Halbwelle vergrößert. Dies entspricht
einer Verschiebung des Mittelwertes hin zu negativen Werten.
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Eine
Umkehr der Strömungsrichtung führt zu entsprechend
umgekehrten Verschiebungen der beiden Drucksensorkurven.
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9 zeigt
das Ansteuersignal 100 der Pumpe bzw. Pulsationseinheit
und das Drucksensorsignal 200 der Drucksensoreinheit für
den Fall, dass die Pumpe bzw. Pulsationseinrichtung deutlich unter der
Resonanzfrequenz der Drucksensoreinheit betrieben wird.
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Die
Skalierung der beiden Kurven ist zur besseren Visualisierung einander
angeglichen; im Normalfall können die Ansteuer- und die
Messsignalspannungen in der Amplitude deutlicher voneinander abweichen.
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Zu
einem (willkürlich festgelegten) Zeitpunkt t0 beginnt
der Pump- bzw. Pulsationszyklus, beispielsweise bei einer Ansteuerspannung
von 0 V bzw. einer Spannung, die am Beginn der aufsteigenden Flanke 101 der
Ansteuerkurve liegt. Systemabhängig zeitgleich oder auch
zeitversetzt beginnt sich auch das Signal der Drucksensoreinheit
(Messsignal) von seiner Nulllinie 201 in positive Richtung fortzubewegen.
Der Scheitelpunkt des Messsignals 202 ist gegen die aufsteigende
Flanke des Ansteuersignals 101 um einen Wert Δt1 verzögert. Die Lage dieser beiden
Bezugspunkte, im Beispiel 101 und 202, ist jedoch
zunächst frei wählbar und sollte vorzugsweise
so erfolgen, dass die Bestimmung der Zeitpunkte und der dazugehörigen
Amplituden möglichst sicher und in jeder Periode reproduzierbar
erfolgen kann.
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Da
die Pump- bzw. Pulsationsfrequenz relativ gering ist, bildet sich
der durch das Drucksensorsignal abgebildete Druckimpuls 210 (schraffiert
dargestellt) wieder zurück; im Anschluss an den Impuls wird
also kein Fluid mehr gefördert, bis der Zyklus von neuem
beginnt. Beim Ausschalten der Ansteuerspannung 102 tritt
an der Drucksensoreinheit ein negativer Impuls 211 auf,
der umso kleiner ausfällt, je besser die Rückschlagfestigkeit
der in der Pumpe eingesetzten Ventile ist. Auf diese Weise kann
also eine Bewertung und Kontrolle eines wichtigen Pumpenelementes,
des Ventils, erfolgen. Verklemmt eines der Ventile, oder schließt
es z. B. aufgrund von Verschmutzungen nicht mehr richtig, ändert
sich die Höhe des Rückschlagimpulses 211 hin
zu größeren Werten, angedeutet durch die gestrichelte
Linie 211.
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Anhand
weiterer, in 9 exemplarisch dargestellter
Parameter h2i und/oder Δti, welche eine parameterbasierte Beschreibung
der Profile beispielsweise mittels der Amplituden und der zugehörigen Zeitpunkte
ermöglichen, können mittels weniger, relevanter
Datensätze wichtige Veränderungen im Profil erkannt
und Rückschlüsse auf die zugehörigen Fördermengen
gezogen werden.
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10 zeigt
das Ansteuersignal 100 der Pumpe und das Drucksensorsignal 200 der
Drucksensoreinheit bei einer Frequenz etwas unterhalb der Resonanzfrequenz
der Drucksensoreinheit.
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Die
verringerte Zykluszeit eines Pump- bzw. Pulsationszyklus kann an
der Anzahl der zum Vollenden eines gesamten Zyklus notwendigen Zeiteinheiten,
symbolisiert durch die Anzahl der entsprechend durchlaufenen senkrechten
Unterteilungen auf der Zeitskala abgelesen werden. Während
in 9 ca. 8 Zeiteinheiten für einen Zyklus,
bestehend aus einer gleichlangen Ansteuer- und Ruhephase der Pumpe bzw.
Pulsationseinrichtung, benötigt werden, ist die Anzahl
der Zeiteinheiten in 10 nur noch halb so groß,
gleichbedeutend mit einer verdoppelten Ansteuerfrequenz der Pumpe
bzw. der Pulsationseinrichtung.
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Ein
Zyklus beginnt wiederum zum Zeitpunkt t0,
angedeutet durch die erste senkrecht verlaufende gestrichelte Linie.
Die Zeit Δt1 zwischen Beginn des Pump-
bzw. Pulsationszyklus und dem Erreichen des Scheitelwertes 202 des
Drucksensorsignals ist identisch dem zuvor beschriebenen Fall, da
sich aus der Sicht der Drucksensoreinheit bis zu diesem Zeitpunkt kein
Unterschied zwischen dem zuvor beschriebenen Fall ergibt.
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Die
negative Halbwelle 211 fällt wiederum zeitlich
mit dem Abschalten der Aktorspannung 102 zusammen. Die
Größe der Halbwelle 211 unterscheidet
sich von der in 9 gezeigten, da sich das System
nun näher an der Resonanzfrequenz befindet. Da die Ventile
jeweils aus dem geöffneten in den geschlossenen Zustand
umschalten müssen, steht aufgrund der im Vergleich zum
vorigen Fall kürzeren Zykluszeit weniger Zeit zum Umschalten
zur Verfügung. Relativ gesehen wird eine etwas längere
Zeit zum Schließen benötigt als bei einer Frequenz
deutlich unterhalb der Resonanzfrequenz, und es ist ein größerer
Druckpuls im Auslass sichtbar. Die Größe der positiven
Halbwelle 210 ist hingegen praktisch identisch zu der in 9 gezeigten
Halbwelle. Der Grund entspricht dem im vorigen Absatz für
die Identität von Δt1 beider
Zeichnungen angeführten.
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In 11 wird
die fluidfördernde Pumpe in Resonanzfrequenz betrieben.
Die Anzahl der Zeiteinheiten für einen Zyklus ist im Vergleich
zum in 10 beschriebenen Fall nochmals
um den Faktor 2 verringert. Die Zeit Δt1,
um die die beiden Scheitelpunkte von Kurve 100 und 200 zueinander
verschoben sind, Ist wiederum identisch den vorangegangen Fällen. Auch
die Größe der positiven Halbwelle 210 unterscheidet
sich in Größe und Form kaum von den vorangegangenen
Fällen. Die negative Halbwelle 211 hingegen ist
deutlich kleiner; dies deutet auch auf die besonders effektive Pumparbeit
im Resonanzbetrieb hin.
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12 zeigt
im Vergleich eine Ansteuer- und Drucksensorkurve aus 9 (normaler
Betrieb) mit einer Drucksensorkurve 200', bei welcher sich
eine Gasblase im System zwischen Förder- und Drucksensoreinheit
befindet. Die Aktormembran erhält zwar die zum Betrieb
notwendigen Signale 100, im Gegensatz zum gasblasenfreien
Betrieb 200 mit der Signalamplitude h1 gibt
die Drucksensormembran jedoch ein in seiner Amplitude h2 stark
verringertes Signal 200' ab, welches dadurch zustande kommt, dass
die Pump- bzw. Pulsationsleistung im Wesentlichen zu einer reversiblen
Kompression der Gasblase benutzt wird, die im Gegensatz zum Fluid
nicht inkompressibel ist und den Druckpuls des Aktors in Form von
Federenergie speichert und wieder abgibt, ohne dass eine nennenswerte
Menge an Fluid gefördert wird. Die Anwesenheit einer solchen
Störung kann zuverlässig durch Auswerten der Amplitude
des Sensorsignals erfolgen.
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13 zeigt
(in idealisierter Form) den Vorgang der Detektion, des Austreibens
und den erneuten Anwesenheitstest einer Gasblase. Die pulsationserzeugende
Einheit ist hier gleichzeitig die Fördereinheit, deren
Ansteuersignale zur Verfügung stehen. In einer ersten Phase
I arbeitet die Pumpe normal, und es wird keine Störung
des Drucksensorsignals 200 detektiert (Signalamplitude
h1). In einer Phase II wird eine stark verringerte
Signalhöhe h2 gemessen, die die
Anwesenheit einer Gasblase anzeigt. Es schließt sich eine
Phase III an, in welcher der Drucksensor als Aktor benutzt wird
und ein aktives Signal 300 (Spannungsimpuls) erhält.
Dieses kann zur optimalen Unterstützung des Pumpensignals 100 um
einen Betrag Δt' verschoben sein, wobei der Wert für Δt'
beispielsweise durch Versuche ermittelt werden kann. In der anschließenden
Testphase IV wird das Aktorsignal abgeschaltet und mittels der Signalhöhe des
Drucksensors geprüft, ob sich diese wieder normalisiert
hat. Ist dies nicht der Fall, dann wird die Phase III und IV wiederholt
(III', IV'), bis sich das Drucksensorsignal wieder normalisiert
hat.
-
Zusätzlich
zu der hier aufgeführten Signalform des Sensor-Aktors können
auch andere Signalformen (Sägezahn, Dirac-Impuls, erhöhte
oder verringerte Frequenz usw.) Verwendung finden, wenn sich mit
diesen bessere Ergebnisse erzielen lassen. Auch eine Koppelung des
Pumpen- und des Aktorsignals zwecks besserer Abstimmung und/oder
besseren Austriebseffektes sind denkbar. Dabei kann eine Rückkoppelung
des Signals der Drucksensoreinheit dergestalt erfolgen, dass die
Pumpe bei Feststellung einer Gasblase durch die Drucksensoreinheit
temporär beispielsweise mit einer höheren Frequenz und/oder
Amplitude arbeitet.
-
- 1
- Detektor,
Drucksensorsystem
- 1a
- erste
Drucksensoreinheit
- 1b
- zweite
Drucksensoreinheit
- 2
- Mess-/Auswerteelektronik
- 2a
- Auswerteelektronik
zum ersten Drucksensor
- 2b
- Auswerteelektronik
zum zweiten Drucksensor
- 2c
- Auswerteelektronik
des pumpenlosen Messsystems
- 3
- Fluidfördereinrichtung,
Pumpsystem
- 3'
- modifiziertes
Pumpsystem ohne Ventile
- 4
- Ansteuerelektronik
der Fluidfördereinrichtung
- 4'
- Ansteuerelektronik
der modifizierten Fluidfördereinrichtung
- 5
- fluidisches
Verbindungsstück
- 5'
- fluidisches
Distanzstück
- 6
- Signalrückkoppelung
- 6a
- Signalrückkoppelung
des vorgeschalteten Drucksensors
- 6b
- Signalrückkoppelung
des nachgeschalteten Drucksensors
- 6a'
- Signalweg
des vorgeschalteten Drucksensors
- 6b'
- Signalweg
des nachgeschalteten Drucksensors
- 6c'
- Signalweg
der Ansteuerelektronik für die Pulsation
- 7
- integriertes
Gehäuse
- 8
- integrierte
Ansteuer- und Messelektronik
- 8'
- integrierte
Elektronik für ein Messsystem ohne Pumpe
- 9
- integriertes
Gehäuse für ein pumpenloses Messsystem
- 10
- Volumenstromsensor
- 11
- Einlass
- 12
- Messkanal
- 13
- Auslass
- 14
- Querkanal
- 15
- Messkammer
- 16
- elastisch
verformbare Trennmembran
- 17
- Lager-
und Dichtungsring
- 18
- Drucksensormembran/Drucksensorschicht/Messmembran
- 19
- elektrische
Leitung
- 20
- elektrische
Leitung
- 21
- Gehäuseöffnung
- 31
- Einlass
der Fluidfördereinrichtung
- 32
- Ventile
der Fluidfördereinrichtung
- 71
- System-Trennlinie
zwischen Fördereinrichtung und Sensor
- 100
- Ansteuersignal
der Pumpe
- 101
- aufsteigende
Flanke der Ansteuerspannung (Pumpe einschalten)
- 102
- absteigende
Flanke der Ansteuerspannung (Pumpe ausschalten)
- 200
- Drucksensorsignal
des Flusssensors
- 200'
- Drucksensorsignal
des Flusssensors bei vorhandener Gasblase
- 201
- Nulllinie
des Drucksensorsignals
- 202
- Scheitelpunkt
des Drucksensorsignals
- 210
- am
Drucksensor gemessener Druckimpuls der Pumpe
- 211
- negativer
Impuls am Drucksensorsignal durch Ventilschluss
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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Zitierte Patentliteratur
-
- - US 6871551
B2 [0047]
- - US 5701646 [0048]
- - US 20040247446 [0049]