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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Überwachung eines Transportgutes bezüglich zumindest einer vordefinierten Transportbedingung. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Überwachung hinsichtlich einer Erschütterung bzw. Beschleunigung, einer Temperatur sowie eines Atmosphärendrucks während des Transports. Zudem wird eine Ermittlung eines Zeitpunktes einer Über- bzw. Unterschreitung jeweiliger Transportbedingungen vorgeschlagen.
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Stoß- oder temperaturempfindliche Güter aller Art sind beim Transport besonderen Gefahren ausgesetzt. Beispielsweise kann es durch die auftretenden Beschleunigungen in Transportmitteln (z. B. Lkw, Bahn, Flugzeug) oder durch unsachgemäße Behandlung (z. B. unerlaubtes Werfen einer Sendung, Abrutschen einer Palette vom Transporter, Unterbrechung der Kühlkette o. ä.) zur Beschädigung der Ware kommen. Da für diese Art der Beschädigungen üblicherweise das Logistikunternehmen haftet, werden Shock-/Verkippungs- und Temperaturlimit-Detektoren an der Sendung befestigt. Der Empfänger der Ware kann auf diese Weise feststellen, ob es beim Transport zur Überschreitung der für die Ware relevanten Beschleunigungs- oder Temperaturlimits gekommen ist.
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Als Stoßdetektoren können passive Systeme zum Einsatz kommen, bei welchen sich ein Indikatorbereich im Falle eines Stoßes, einer Verkippung oder eines Überschreitens eines vordefinierten Temperaturlimits verfärbt. Beispiele für solche Überwachungseinrichtungen werden als "Shockwatch"-, Tiltwatch"- oder "Heatwatch-Labels" bezeichnet und beispielsweise über http://www.theimcgroup.com/product/item/shock-watch-labels angeboten und vertrieben.
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Überdies gibt es aktive Systeme, welche üblicherweise batteriebetrieben sind und elektrische Beschleunigungs- und Temperatursensoren auswerten (z. B. Shockwatch, G-View-Sensor, http://www.the-imcgroup.com/product/item/shocksensor-g-view). Diese erlauben es, den Zeitpunkt eines Shocks oder einer anderen Grenzwertüberschreitung zu dokumentieren. Damit ist es beispielsweise möglich, die Limitüberschreitung einem konkreten Vorgang während des Transports zuzuordnen und entsprechende Verantwortungen festzustellen. Die im Stand der Technik bekannten, insbesondere batteriebetriebenen, Systeme sind vergleichsweise aufwendig und kostenintensiv.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Transportbedingungen für Transportgut kostengünstig und zuverlässig zu überwachen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorstehend identifizierte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung zur Überwachung eines Transportgutes bezüglich zumindest einer vorliegenden Transportbedingung gelöst. Die Vorrichtung umfasst einen ersten Flüssigkeitstank für ein Fluid (nachfolgend "Flüssigkeit" genannt), einen mit dem Flüssigkeitstank gekoppelten Fluidkanal (nachfolgend "Flüssigkeitskanal" genannt) und eine Membran, welche eingerichtet ist, vor einem Eintreten der vordefinierten Transportbedingung, den ersten Flüssigkeitstank gegenüber dem ersten Flüssigkeitskanal abzuschließen und erst nach einem Eintreten, insbesondere im Ansprechen auf das Eintreten, der vordefinierten Transportbedingung, den ersten Flüssigkeitskanal für einen Übertritt von Flüssigkeit aus dem ersten Flüssigkeitstank freizugeben. Mit anderen Worten ist die Membran eingerichtet, im Ansprechen auf das Eintreten der vordefinierten Transportbedingung eine trennende Eigenschaft zu verlieren und somit Flüssigkeit aus dem Flüssigkeitstank in den ersten Flüssigkeitskanal übertreten zu lassen. Da sich die Flüssigkeit mit voranschreitender Zeit in den Flüssigkeitskanal bewegt, kann anhand eines Flüssigkeitsfortschrittes bzw. einer höhe einer Flüssigkeitssäule im Flüssigkeitskanal ermittelt werden, zu welchem Zeitpunkt die Membran durchlässig geworden ist. Auf diese Weise kann auf den Zeitpunkt des Erreichens der vordefinierten Transportbedingung geschlossen werden. Als "Membran" wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung lediglich ein Element mit einer Sperrfunktion für einen Fluidübertritt von dem Flüssigkeitstank in den Flüssigkeitskanal verstanden. Eine konkrete mechanische Ausgestaltung sei zunächst explizit offengelassen. Erfindungsgemäß ist lediglich sicherzustellen, dass ein Übertritt von Flüssigkeit aus dem Flüssigkeitstank in den Flüssigkeitskanal automatisch im Ansprechen auf das Erreichen der vordefinierten Transportbedingung erfolgt. Da eine Batterie oder ein anderer elektrochemischer Energiespeicher zum Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung nicht erforderlich ist, kann die Überwachung der vorherrschenden Transportbedingung besonders kostengünstig erfolgen und dennoch eine Ermittlung einer Verantwortung für das Überschreiten einer vordefinierten Transportbedingung ermöglichen.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugt Weiterbildungen der Erfindung. Die vordefinierte Transportbedingung kann beispielsweise eine Temperatur sein, welche über- bzw. unterschritten werden darf, ohne das Transportgut zu beschädigen. Entsprechende Maximaltemperaturen sind beispielsweise für die Bedingung einer sogenannten "Kühlkette" festgelegt. Alternativ oder zusätzlich können maximale Beschleunigungen zur beschädigungsvermeidenden Beförderung zerbrechlicher Waren festgelegt sein. Alternativ oder zusätzlich können atmosphärische Druckänderungen als Transportbedingung festgelegt werden, wobei sowohl ein Maß der Druckänderung über der Zeit als auch der absolute atmosphärische Druck einen Grenzwert im Sinne der vorliegenden Erfindung darstellen kann. Auch eine Lageänderung kann als vordefinierte Transportbedingung mittels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung überwacht werden. Hierzu ist beispielsweise lediglich erforderlich, dass die Membran im Ansprechen auf eine vordefinierte Lage des Transportgutes im Flüssigkeitstank gespeicherte Flüssigkeit in den Flüssigkeitskanal übertreten lässt. Beispielsweise kann eine mechanische Einrichtung dafür sorgen, dass die Membran beschädigt wird oder entfernt wird, sobald eine entsprechende Lage und/oder eine vordefinierte Beschleunigung und/oder eine vordefinierte Temperatur und/oder ein vordefinierter Umgebungsfluiddruck erreicht wird. Im Falle der Beschleunigung bzw. der Temperatur kann der Schwellenwert auch durch die Flüssigkeit und/oder die Membran selbst erreicht werden und unmittelbar zur Zerstörung der Membran führen.
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Zur einfachen Auswertung der Zeitdauer, welche seit dem Erreichen der vordefinierten Transportbedingung verstrichen ist, kann der Flüssigkeitskanal eine Zeitskala aufweisen, die eine Interpretation eines Flüssigkeitsspiegels bzw. "Meniskus" bezüglich der seit dem Erreichen der Transportbedingung verstrichenen Zeitdauer vereinfacht. Die Skala kann auf den Flüssigkeitskanal, welcher zumindest anteilig transparent ausgestaltet ist, aufgetragen und/oder auf einen den Flüssigkeitskanal säumenden Träger aufgebracht sein. Auf diese Weise erübrigt sich eine aufwendige quantitative Untersuchung der Länge der Flüssigkeitssäule im Flüssigkeitskanal zur Ermittlung der verstrichenen Zeitdauer.
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Die verwendete Flüssigkeit kann insbesondere farbig ausgestaltet sein bzw. einen optischen Kontrast gegenüber einem den Flüssigkeitskanal zuvor füllenden Fluid aufweisen. Mit anderen Worten kann im einfachsten Fall eine pigmentierte Flüssigkeit im Flüssigkeitstank vorgehalten werden, sodass sich das Ablesen der Position des Meniskus weiter vereinfacht.
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Die Flüssigkeit kann insbesondere derart zusammengesetzt sein, dass sie sich im Wesentlichen mit einer vordefinierten Geschwindigkeit innerhalb des Flüssigkeitskanals ausbreitet, nachdem die Membran passiert wurde. Um zu verhindern, dass nicht nachverfolgbare Temperaturprofile während des Transportes Einfluss auf die Position des Meniskus haben, kann die Viskosität der Flüssigkeit unabhängig von Temperatur und/oder Umgebungsdruck sein. Auf diese Weise ist die Höhe der Fluidsäule im Flüssigkeitskanal bevorzugt ausschließlich von einer Zeitdauer seit dem erstmaligen Durchtritt durch die Membran abhängig.
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Um zu verhindern, dass Atmosphärendruckschwankungen ebenfalls einen Einfluss auf die Höhe der Fluidsäule im Flüssigkeitskanal haben, kann eine Druckausgleichsöffnung im ersten Flüssigkeitskanal und/oder im ersten Flüssigkeitstank vorgesehen sein. Auf diese Weise können atmosphärische Druckänderungen keinen Einfluss auf die Geschwindigkeit des Fortschritts des Meniskus haben. Dies kann insbesondere bei der erfindungsgemäßen Überwachung von Luftfracht vorteilhaft sein.
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Um zu verhindern, dass aus dem Flüssigkeitskanal austretende Flüssigkeit eine Verunreinigung des Transportgutes ermöglicht, kann vorgesehen sein, dass der Austritt des Flüssigkeitskanals im Flüssigkeitstank endet bzw. ein Kanalelement an den Austritt des Flüssigkeitskanals angeschlossen ist, welches andererseits im Flüssigkeitstank endet bzw. in den Flüssigkeitstank mündet. Alternativ kann ein zweiter Flüssigkeitstank vorgesehen sein, in welchem den Flüssigkeitskanal vollständig durchquerte Flüssigkeit aufgefangen wird.
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Zur Überprüfung einer vordefinierten Beschleunigung als Transportbedingung kann eine mechanische Masse verwendet werden, welche aufgrund der vordefinierten Beschleunigung eine vordefinierte Kraft bzw. ein vordefiniertes Moment erzeugt, welche in einer Zerstörung der Membran und/oder in einer Beseitigung der Membran resultiert. Im einfachsten Fall kann die Masse des Flüssigkeitskanals verwendet werden, welche nach dem Auftreten einer vordefinierten Beschleunigung dazu führt, dass der Flüssigkeitskanal eine Relativbewegung gegenüber dem Flüssigkeitstank vollzieht, wobei die Relativbewegung zu einer Zerstörung der Membran verwendet werden kann. Insbesondere kann die Membran einerseits am Flüssigkeitstank, andererseits am Flüssigkeitskanal befestigt sein und im Ansprechen auf die vordefinierte Beschleunigung zerrissen werden.
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Um die Auflösung der Zeitmessung beim Ablesen der Fluidsäule am Flüssigkeitskanal möglichst hochauflösend zu gestalten, sind seine Länge und ein kontinuierlicher, insbesondere schneller, Fortschritt des Meniskus entscheidend. Um den langen Kanal möglichst kompakt zu gestalten, kann dieser gebogen, insbesondere gefaltet und/oder mäanderförmig geführt, ausgeführt sein. Insbesondere kann ein Träger vorgesehen sein, um den Flüssigkeitskanal aufzunehmen und gegen ein Zerbrechen, Verbiegen, Verknicken o. ä. zu schützen. Selbstverständlich kann die erfindungsgemäße Vorrichtung in einem mechanisch festen Gehäuse untergebracht sein, welches beispielsweise anteilig transparent ausgeführt einen dauerhaften Blick auf den Meniskus im Flüssigkeitskanal erlaubt.
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Bevorzugt kann die Vorrichtung einen temperatursensitiven Aktuator aufweisen, welcher beispielsweise einen Fluidtank und ein Stabelement aufweist. Im Ansprechen auf ein Erreichen einer vordefinierten Temperatur kann die Membran beschädigt werden, wozu beispielsweise ein Federmechanismus, ein Bimetallelement o. ä. verwendet werden kann. Der Federmechanismus kann beispielsweise in einem gespannten Zustand durch ein temperatursensitives Material arretiert werden (z. B. Wachs, gefrorenes Wasser o. ä.). Insbesondere bietet eine Arretierung über Bimetall eine vergleichsweise reproduzierbare Arretierung eines Federmechanismus.
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Alternativ oder zusätzlich kann der temperatursensitive Aktuator einen zweiten Flüssigkeitstank mit einer Flüssigkeit aufweisen, welche beispielsweise eine Dichteanomalie aufweist. Die Flüssigkeit ist also eingerichtet, im Ansprechen auf ein Erreichen einer vordefinierten Temperatur eine Ausdehnung und/oder eine Phasenänderung und/oder eine Kontraktion zu erfahren, welche eine benachbarte Struktur verformt oder beschädigt. Zur Überprüfung eines Erreichens bzw. Überschreitens eines Gefrierpunktes eignet sich als Flüssigkeit insbesondere Wasser, welches im Zuge eines Erstarrens bei 0°C eine signifikante Dichteabnahme erfährt. Kältebedürftiges Transportgut kann auf diese Weise besonders kostengünstig und exakt überwacht werden.
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Bevorzugt kann die Vorrichtung einen zweiten Flüssigkeitskanal und eine zweite Membran aufweisen, wobei die zweite Membran eingerichtet ist, vor einem Eintreten einer vordefinierten zweiten Transportbedingung den zweiten Flüssigkeitskanal gegenüber dem ersten Flüssigkeitstank und/oder einem optional vorzusehenden dritten Flüssigkeitstank abzuschließen. Die zweite Transportbedingung kann ihrer Natur nach entsprechend der ersten Transportbedingung oder anders geartet sein. Insbesondere tritt die zweite Transportbedingung nach dem Eintreten der ersten Transportbedingung auf. Auf diese Weise können zeitlich hintereinander liegende Grenzwertüberschreitungen aufgenommen werden.
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Alternativ oder zusätzlich wird durch Eintreten der ersten vordefinierten Transportbedingung (wie oben beschrieben) eine erste Membran zerstört bzw. flüssigkeitsdurchlässig. Dieser Vorgang "aktiviert" nun die Sensibilität der zweiten Membran für das Eintreten der zweiten Transportbedingung. Im Ansprechen auf ein Eintreten der vordefinierten zweiten Transportbedingung wird anschließend die zweite (nun aktivierte bzw. sensibilisierte) zweite Membran flüssigkeitsdurchlässig, wodurch Flüssigkeit aus dem ersten Flüssigkeitstank und/oder dem dritten Flüssigkeitstank in den zweiten Flüssigkeitskanal gelangen kann. Entsprechend den obigen Ausführungen kann anhand einer Position des Meniskus im zweiten Flüssigkeitskanal nun die Zeitdauer seit dem Eintreten der zweiten Transportbedingung ermittelt werden.
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Bevorzugt kann die zweite Membran eine erste Schicht und eine zweite Schicht aufweisen. Die erste Schicht kann beispielsweise entsprechend der ersten Membran ausgestaltet sein. Alternativ oder zusätzlich kann die erste Schicht auf eine andere Transportbedingung als die erste Membran ansprechen. Die zweite Schicht ist im Wesentlichen zur Immunisierung oder Stabilisierung der zweiten Membran zumindest solange vorgesehen, wie die erste Transportbedingung nicht eingetreten ist. Vor einem Eintreten der ersten Transportbedingung stabilisiert die zweite Schicht die erste Schicht. Nach einem Eintreten der vordefinierten ersten Transportbedingung entfällt der Schutz durch die zweite Schicht für die erste Schicht der zweiten Membran, sodass im Ansprechen auf ein Eintreten einer vordefinierten zweiten Transportbedingung Flüssigkeit aus dem ersten Flüssigkeitstank und/oder einem dritten Flüssigkeitstank in den zweiten Flüssigkeitskanal übertreten und sich in diesem mit voranschreitender Zeit ausbreiten kann.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine mikrofluidische Vorrichtung, bestehend aus einer Vorlagerungskammer (Tank), einer Membran und einem Messkanal vorgeschlagen. Die Vorlagerungskammer ist zumindest teilweise mit einer benetzenden Flüssigkeit gefüllt. Die Vorlagerungskammer ist durch eine Membran von einem mikrofluidischen Messkanal (Flüssigkeitskanal) getrennt. Die Membran ist dabei so ausgelegt, dass sie bei einer festgelegten Beschleunigung ihre trennende Wirkung verliert und die Flüssigkeit aus der Vorlagerungskammer in direkten Kontakt mit dem Messkanal gelangt. Das Öffnen der Membran kann dabei entweder durch den Kraftübertrag der durch die Beschleunigung bewegten Masse der vorgelagerten Flüssigkeit erfolgen oder, falls niedrigere Beschleunigungslimits benötigt werden, von einem externen Mechanismus geöffnet werden. Der Querschnitt des Messkanals ist so klein gewählt, dass sich dieser nach Kontakt mit der Flüssigkeit durch den Kapillareffekt von selbst befüllt. Da der Meniskus durch den Kapillareffekt im Messkanal voranschreitet, kann dessen Position anschließend genutzt werden, um die Dauer seit der Durchtrennung der Membran zu bestimmen. Die Bestimmung einer Temperaturlimit-Überschreitung erfolgt analog mithilfe einer Membran, welche ihre trennende Wirkung beim Über- oder Unterschreiten einer festgelegten Temperatur verliert.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen im Detail beschrieben. In den Zeichnungen ist:
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1 eine Draufsicht auf ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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2 eine seitliche Schnittdarstellung des in 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiels vor einem Öffnen der Membran;
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3 eine seitliche Schnittdarstellung des in 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiels nach einem Öffnen der Membran;
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4a eine seitliche Schnittdarstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels vor einem Öffnen der Membran;
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4b eine seitliche Schnittdarstellung des zweiten Ausführungsbeispiels nach einem Öffnen der Membran;
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5 eine seitliche Schnittdarstellung eines dritten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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6 eine seitliche Schnittdarstellung eines vierten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung; und
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7 eine seitliche Schnittdarstellung eines fünften Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Überwachung eines Transportgutes bezüglich einer vordefinierten Beschleunigung als Transportbedingung. In einem Flüssigkeitstank 1 ist eine mikrofluidische Flüssigkeit enthalten, welche durch eine Membran 2 an einem Auslass des Flüssigkeitstanks 1 von einem Übertritt in einen Flüssigkeitskanal 3 gehindert wird. Der Flüssigkeitskanal 3 weist eine Skala 4 auf, über welche die Höhe der sich (in 3) in den Flüssigkeitskanal ausbreitenden Flüssigkeit quantitativ einfach erfasst werden kann. Die Membran 2 ist in Verbindung mit der Masse der Flüssigkeit eingerichtet, im Ansprechen auf eine vordefinierte Beschleunigung zu bersten.
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2 zeigt eine seitliche Schnittdarstellung des in 1 gezeigten ersten Ausführungsbeispiels. Zu den bereits in Verbindung mit 1 diskutierten Elementen ist eine Druckausgleichsöffnung 1a im Flüssigkeitstank 1 erkennbar, über welche ein Druckausgleich mit der Umgebung stattfinden kann. Die Druckausgleichsöffnung kann beispielsweise als Durchloch ausgeführt sein. Alternativ kann die Öffnung mit einer Membran versehen sein, welche durchlässig für Gase, jedoch undurchlässig für Flüssigkeiten ist. Auch das dem Flüssigkeitstank 1 gegenüberliegende Ende des Fluidkanals 3 weist eine Druckausgleichsöffnung 1a auf. So wird verhindert, dass ein veränderter Umgebungsdruck die Ansprechschwelle für die vordefinierte Beschreibung beeinflusst. Der Flüssigkeitskanal 3 wird durch eine untere Schicht 18 nach unten und durch eine obere Schicht 17 nach oben begrenzt.
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3 zeigt die in 2 dargestellte Anordnung nach einem Eintreten einer vordefinierten Beschleunigung als Transportbedingung. Zum Ansprechen auf die Beschleunigung ist die Membran 2 geborsten und eine Flüssigkeitssäule erstreckt sich über eine Strecke S zwischen der Membran 2 und einem Meniskus 19. Über die in 1 dargestellte Skala 4 kann eine zur zurückgelegten Strecke S der Flüssigkeitssäule korrespondierende Zeitdauer seit dem Bersten der Membran 2 abgelesen werden. Die Flüssigkeit wird durch die innerhalb des Flüssigkeitskanals 3 wirkende Kapillarkraft fortwährend weiter in den Flüssigkeitskanal 3 bzw. in Richtung der Druckausgleichsöffnung 1a am Ende des Flüssigkeitskanals 3 gezogen. Entsprechend schreitet der Meniskus 19 voran. Die zurückgelegte Strecke S gibt Auskunft darüber, welche Zeit seit dem Öffnen der Membran 2 und damit seit dem Stoß-Ereignis vergangen ist. Der Zusammenhang zwischen der Strecke S und dieser Zeitdauer kann im Falle eines Kanals mit quadratischem Querschnitt durch die sogenannte Wash-Burn-Gleichung S2 = g·H·Dt·cos(Q)/(2h) beschrieben werden, worin g die Oberflächenspannung zwischen Gas bzw. den Flüssigkeitskanal 3 vormals füllenden Fluid (z. B. Luft) und Flüssigkeit im Flüssigkeitstank 1, Q den Kontaktwinkel, h die dynamische Viskosität und H die Höhe des Flüssigkeitskanals 3 beschreibt. Das dargestellte Prinzip lässt sich analog zur Detektion einer Temperaturlimit-Über- oder Unterschreitung einsetzen, wenn die Membran so gewählt wird, dass diese bei Über- oder Unterschreitung einer gewissen Temperatur ihre trennende Wirkung verliert.
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4a zeigt einen alternativen Mechanismus zur Öffnung der Membran 2 im Ansprechen auf eine vordefinierte Beschleunigung. Hierbei wird eine träge Masse 7 zum Öffnen der Membran 2 auf einem vom Flüssigkeitstank 1 entlegenen Ende des Flüssigkeitskanals 3 angeordnet. Die Schichten 17, 18 des Flüssigkeitskanals 3 sind hierzu beweglich (durch den Pfeil P angedeutet) über elastische Verbindungselemente 6 an dem Flüssigkeitstank 1 befestigt. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn im freitragenden Bereich der Membran 2 Teilbereiche 5 der Schichten 17 bzw. 18 aufliegen. Diese Teilbereiche 5 werden beim Auslenken der Schichten 17 und 18 derart auf die Membran 2 gedrückt, dass diese ab einer definierbaren Auslenkung der Schichten 17 und 18 einreißt und ihre trennende Wirkung verliert. Diese Ausführungsform hat insbesondere den Vorteil, dass die Detektion von sehr leichten Schocks ermöglicht wird, weil die träge Masse 7 nahezu beliebig gewählt werden kann. Hierzu können beispielsweise zusätzliche Massen an den Schichten 17 und/oder 18 angebracht werden.
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In einem ähnlichen, jedoch nicht separat dargestellten Ausführungsbeispiel kann eine Torsionsbewegung der Schichten 17 und 18 die Membran 2 zerstören. Hierzu können die Teilbereiche 5 mit der Membran 2 verbunden sein. Im Falle einer Torsion entstehen durch die zusätzliche Verbindung der Membran 2 mit dem Fluidtank 1 Spannungen, welche die Membran 2 zerstören. Alternativ oder zusätzlich kann ein Gewindemechanismus im Falle einer Torsion dafür sorgen, dass die zusätzlichen Elemente 5 die Membran 2 penetrieren.
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4b zeigt das in 4a dargestellte Ausführungsbeispiel nach einem Ansprechen der Vorrichtung auf eine vordefinierte Beschleunigung. Die Membran 2 weist nun einen Riss 2a auf, welcher einen Übertritt des im Fluidtank 1 gespeicherten Fluides in den Flüssigkeitskanal 3 erlaubt.
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5 zeigt einen Querschnitt durch ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Hierbei ist unter dem Flüssigkeitstank 1 ein zweiter Flüssigkeitstank 23 angeordnet, wobei ein Teil des zweiten Flüssigkeitstanks 23 durch eine flexible Membran 24 als zweite Membran verschlossen ist. Die Schichten 17 und 18 des Flüssigkeitskanals 3 sind über elastische Verbindungselemente 6 mit dem Flüssigkeitstank 1 verbunden. Zwischen der Schicht 18 und der Wand des zweiten Flüssigkeitstanks 23 besteht keine feste Verbindung. Der Flüssigkeitstank 23 ist mit einem Medium gefüllt, welches bei einer vorbestimmten Temperatur eine Phasenänderung aufweist, welche mit einer unstetigen Volumenänderung einhergeht. Bei einer Volumenerhöhung wird dabei die zweite Membran 24 ausgedehnt und verschiebt die Schichten 17 und 18 analog, wie in Verbindung mit dem in den 4a und 4b gezeigten Ausführungsbeispiel erläutert. Hierdurch lässt sich die Membran 2 beispielsweise beim Siedepunkt einer Flüssigkeit oder beim Erreichen des Gefrierpunktes einer Flüssigkeit mit Dichteanomalie (z. B. Wasser) öffnen. Diese Ausführungsform hat insbesondere den Vorteil, dass die Über- oder Unterschreitung eines Temperaturlimits mit der gleichen Membran 2 detektiert werden kann wie im Falle eines Schockereignisses und das Temperaturlimit über die Eigenschaften des Mediums im zweiten Flüssigkeitstank 23 eingestellt werden kann.
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6 zeigt einen Querschnitt durch ein viertes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Dabei hat der Flüssigkeitstank 1 eine Druckausgleichsöffnung 1a, welche über ein Kanalelement 22 mit der Druckausgleichsöffnung 1a am Ende des Flüssigkeitskanals 3 kommuniziert. Bei dem Kanalelement 22 kann es sich beispielsweise um einen Schlauch handeln. Alternativ kann der Flüssigkeitskanal 3 in die Bildebene hinein zurück in Richtung des Flüssigkeitstanks 1 geführt werden, um die Verbindung herzustellen. Diese Ausführungsform hat insbesondere den Vorteil, dass nach der Verwendung in keinem Fall Flüssigkeit aus der Vorrichtung austritt. Zusätzlich ist die Manipulationssicherheit erhöht, da es sich um ein vollständig geschlossenes System handelt. Würde beispielsweise das Kanalelement 22 durchtrennt, wäre eine Manipulation offensichtlich. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass der Druck auf die Membran 2 unabhängig von Schwankungen des Atmosphärendrucks von beiden Seiten immer gleich ist. Hierdurch wird die Reproduzierbarkeit der Öffnung der Membran bei Stößen oder Temperaturerhöhungen erhöht. Sofern Druckunterschiede für das transportierte Transportgut kein Problem darstellen, kann die Vorrichtung gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel bevorzugt für Luftfracht verwendet werden.
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7 zeigt eine Draufsicht auf ein fünftes Ausführungsbeispiel. Dabei werden beispielhaft drei Exemplare des ersten Ausführungsbeispiels in eine Baugruppe integriert, sodass drei Flüssigkeitstanks 1, 8, 10, drei Flüssigkeitskanäle 3, 9, 11 und drei Membranen 2, 15, 19 verwendet werden. Zusätzlich verbindet ein mikrofluidischer Kanal 12 den Bereich des Flüssigkeitskanals 3 kurz nach der Membran 2 mit der Rückseite der Membran 15 außerhalb des von dem Flüssigkeitskanal 9 kontaktierten Bereichs. Die Membran 15 besteht aus mindestens zwei Schichten 14, 16, wobei die zweite Schicht 16 derart beschaffen ist, dass ihre mechanische Stabilität bei Kontakt mit der in dem Flüssigkeitstank 1 vorgelagerten Flüssigkeit stark reduziert wird. Vom Flüssigkeitskanal 9 führt in entsprechender Weise ein mikrofluidischer Kanal 13 zur Membran 19, welche wiederum aus zwei Schichten 14, 16 aufgebaut ist. Die Flüssigkeitskanäle 3, 9, 11 weisen jeweilige Skalen 4 auf. Die Funktion der Anordnung gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel kann folgendermaßen beschrieben werden: Im Falle eines Schockereignisses öffnet sich die Membran 2 und füllt den Messkanal 3 nach dem oben beschriebenen Prinzip. Die Membranen 15 und 19 öffnen sich nicht, da die zweite Schicht 16 die mechanische Stabilität der jeweiligen ersten Schicht 14 und somit der Membranen 15, 19 stark erhöht. Nach dem Öffnen der Membran 2 erreicht die im Flüssigkeitstank 1 vorgelagerte Flüssigkeit unmittelbar die Öffnung des mikrofluidischen Kanals 12, welcher sich durch den Kapillareffekt schnell befüllt und die Flüssigkeit bis an die zweite Schicht 16 der Membran 15 transportiert. Die Füllung des Messkanals 3 wird durch diesen Vorgang nicht nennenswert beeinflusst, bzw. kann in der Skala berücksichtigt werden. Die zweite Schicht 16 wird durch die über den mikrofluidischen Kanal 12 herangeführte Flüssigkeit benetzt, worauf sich die mechanische Stabilität der zweiten Schicht 16 stark reduziert. Auf diese Weise wird die mechanische Stabilität der gesamten Membran 15 auf die Stabilität der ersten Schicht 14 reduziert, sodass diese bei einem anschließenden Stoßereignis öffnet. Die vorgenannten Schritte wiederholen sich bis zum Öffnen der Membran 19 mit einem dritten Stoßereignis. Auf diese Weise ist es rein passiv möglich, mehrere Stoßereignisse und die seit diesen vergangene Zeitdauern zu bestimmen. Die dargestellte Anordnung lässt sich dabei selbstverständlich beliebig weiter kaskadieren. Die Anordnung kann analog auch zur Bestimmung einer Temperaturlimit-Über- oder Unterschreitung verwendet werden. In diesem Fall sind die Membranen 15 und 19 so ausgelegt, dass die jeweilige zweite Schicht 16 bei Kontakt mit Flüssigkeit ihre mechanische Stabilität gegenüber entsprechenden Temperaturschwankungen verliert. Für die Schichten 17 und 18 können Polymere, insbesondere Thermoplasten, z. B. PC, PP, PE, PMMA, COP, COC verwendet werden. Die Flüssigkeit im Flüssigkeitstank 1 bzw. in den Flüssigkeitstanks 8 und 10 kann Wasser oder eine wässrige Lösung sein. Diese kann eingefärbt werden, um eine bessere Ablesbarkeit der Skala zu erlangen. Zudem können Öle, insbesondere solche mit hohem Viskositätsindex, also geringer Abhängigkeit der Viskosität von der Temperatur, z. B. synthetische Schmieröle mit entsprechenden Additiven zum Einsatz gelangen. Die Membranen 2, 15, 19 können zur Stoßdetektion aus einem Polymer (z. B. Thermoplaste wie für die Schichten 17/18) gefertigt sein. Alternativ oder zusätzlich können Glas und Metall (z. B. in Folienform) verwendet werden. Die Membranen 2, 15, 19 können zur Überwachung einer Temperaturlimit-Überschreitung aus einem Polymer, insbesondere Thermoplaste mit je nach Anwendung gewählter Glasübergangstemperatur, gefertigt sein. Alternativ oder zusätzlich können Wachse, z. B. Paraffin, verwendet werden. Für die erste Schicht 14 der Membranen 15, 19 kann das für die Membran 2 vorgeschlagene Material verwendet werden. Für die zweite Schicht 16 der Membranen 15, 19 kann ein Material verwendet werden, welches bei Benetzung seine mechanische Stabilität verliert. Hierfür kommen Zellstoff-/Cellulosefasern, Stärken (z. B. Mais-, Kartoffel- und Weizenstärke), Zucker (z. B. Glukose, Mannitol, Sorbitol) und andere infrage.
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In den dargestellten Ausführungsbeispielen kann die Dicke der Schichten 17/18 beispielsweise 0,1 mm bis 5 mm betragen. Die Querschnittsfläche der Flüssigkeitskanäle 3, 9, 11 kann 0,05 mm·0,05 mm bis 3 mm·3 mm betragen. Die Längen der Flüssigkeitskanäle 3, 9, 11 können 5 mm bis 500 mm betragen. Die Querschnittsfläche der mikrofluidischen Kanäle 12, 13 kann 0,05 mm·0,05 mm bis 1 mm·1 mm betragen. Das Volumen des Flüssigkeitstanks 1 bzw. der Flüssigkeitstanks 8, 10 kann 10 mm3 bis 10.000 mm3 betragen. Die Stärke der Membranen 2, 15, 16 kann 5 µm bis 500 µm betragen. Die Gesamtabmessung der Vorrichtung kann 5 mm·5 mm bis 10 cm·10 cm betragen. Die Masse des Zusatzgewichts 7 (siehe 4a, 4b) kann 0,50 g bis 500 g betragen. Die vorgenannten Dimensionen sind lediglich als beispielhafte Konkretisierungen und nicht einschränkend zu verstehen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- http://www.theimcgroup.com/product/item/shock-watch-labels [0003]
- http://www.the-imcgroup.com/product/item/shocksensor-g-view [0004]
