DE102021100692A1 - SAW-based flow sensor - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer Strömungseigenschaft eines Fluids. Das Verfahren umfasst: Senden einer ersten Welle von einem ersten Sender zu einem ersten Empfänger, wobei die erste Welle das Fluid auf ihrem Weg vom ersten Sender zum ersten Empfänger durchläuft, und Empfangen eines Signals der ersten Welle an dem ersten Empfänger, wobei ein erstes Merkmal basierend auf dem Signal der ersten Welle bestimmt wird, Senden einer zweiten Welle von einem zweiten Sender an einen zweiten Empfänger, wobei die zweite Welle das Fluid auf ihrem Weg vom zweiten Sender zum zweiten Empfänger durchläuft, und Empfangen eines Signals der zweiten Welle am zweiten Empfänger, und Bestimmen eines zweiten Merkmals basierend auf dem Signal der zweiten Welle. Das Verfahren umfasst ferner: Subtrahieren eines der Merkmale von dem anderen Merkmal und somit das Generieren eines Differenzmaßes. Das Verfahren umfasst zusätzlich: Bestimmen einer Verweilzeit, die eine Ausbreitungszeit angibt, die von der ersten Welle zum Durchlaufen des Fluids auf ihrem Weg vom ersten Sender zum ersten Empfänger benötigt wird, und/oder einer Ausbreitungszeit, die von der zweiten Welle zum Durchlaufen des Fluids auf ihrem Weg vom zweiten Sender zum zweiten Empfänger benötigt wird, und Verwenden des Differenzmaßes und der Verweilzeit zum Bestimmen der Strömungseigenschaft. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung auch einen jeweiligen Sensor zum Bestimmen einer Strömungseigenschaft eines Fluids.The present invention relates to a method for determining a flow property of a fluid. The method comprises: transmitting a first wave from a first transmitter to a first receiver, the first wave traversing the fluid on its way from the first transmitter to the first receiver, and receiving a signal of the first wave at the first receiver, having a first characteristic based on the first wave signal, transmitting a second wave from a second transmitter to a second receiver, the second wave traversing the fluid on its way from the second transmitter to the second receiver, and receiving a second wave signal at the second receiver , and determining a second feature based on the second wave signal. The method further comprises: subtracting one of the features from the other feature and thus generating a difference measure. The method additionally comprises: determining a dwell time, which indicates a propagation time that is required for the first wave to pass through the fluid on its way from the first transmitter to the first receiver, and / or a propagation time for the second wave to pass through the fluid is required on its way from the second transmitter to the second receiver, and using the difference measure and the dwell time to determine the flow property. Furthermore, the present invention also relates to a respective sensor for determining a flow property of a fluid.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein die Messung der Strömungseigenschaften eines Fluids. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen einer Strömungseigenschaft eines Fluids, z. B. eines Fluidstroms in einem Rohr bzw. einer Strömungsgeschwindigkeit und/oder einer Durchflussrate eines Fluidstroms.The present invention relates generally to measuring the flow properties of a fluid. In particular, the present invention relates to a method and an apparatus for measuring a flow property of a fluid, e.g. B. a fluid flow in a pipe or a flow velocity and / or a flow rate of a fluid flow.
Die vorliegende Erfindung wird beschrieben mit einem besonderen Schwerpunkt auf der Messung eines Fluidstroms in der Flüssigchromatografie (LC) - und insbesondere der Hochleistungsflüssigchromatografie (HPLC). HPLC und allgemeiner Flüssigchromatografie ist ein Verfahren zum Auftrennen von Proben in ihre Bestandteile, die nachgewiesen und quantifiziert werden können und/oder deren Anteile zur späteren Verwendung aufbewahrt werden können. Es versteht sich jedoch, dass die vorliegende Technologie auch im Zusammenhang mit anderen Anwendungen verwendet werden kann, bei denen Strömungseigenschaften gemessen werden, z. B. wenn eine Durchflussrate gemessen wird.The present invention will be described with a particular focus on the measurement of fluid flow in liquid chromatography (LC) - and in particular high performance liquid chromatography (HPLC). HPLC, and more generally liquid chromatography, is a method of separating samples into their components, which can be detected and quantified and / or whose parts can be saved for later use. It should be understood, however, that the present technology can also be used in connection with other applications in which flow properties are measured, e.g. B. when measuring a flow rate.
Das Prinzip der Chromatografie basiert auf dem Injizieren einer Probe (z. B. mit einer Probenahmeeinheit) in einen Fluidweg, wobei eine mobile Phase, die z. B. flüssige Lösungsmittel umfasst, die von einer Pumpe bereitgestellt werden, diese zu und durch eine Chromatografiesäule transportiert, die eine stationäre Phase, z. B. ein festes poröses Material, umfasst. Die Trennung der einzelnen Bestandteile der Probe hängt von den Wechselwirkungen zwischen den Bestandteilen, der stationären Phase und der mobilen Phase ab. Je stärker im Allgemeinen ein Bestandteil mit der stationären Phase wechselwirkt, desto länger kann es dauern, bis die mobile Phase ihn aus der Säule eluiert. Diese Wechselwirkungen sind charakteristisch für die Bestandteile und führen somit zu entsprechenden charakteristischen Verweilzeiten für die Bestandteile, die von den spezifischen Bedingungen (z. B. Zusammensetzung der mobilen und der stationären Phase) abhängig sein können.The principle of chromatography is based on the injection of a sample (e.g. with a sampling unit) into a fluid path, whereby a mobile phase, e.g. B. comprises liquid solvents provided by a pump that transports them to and through a chromatography column which has a stationary phase, e.g. B. a solid porous material comprises. The separation of the individual components of the sample depends on the interactions between the components, the stationary phase and the mobile phase. In general, the more strongly a constituent interacts with the stationary phase, the longer it can take for the mobile phase to elute it from the column. These interactions are characteristic of the constituents and thus lead to corresponding characteristic residence times for the constituents, which can depend on the specific conditions (e.g. composition of the mobile and stationary phases).
Die Trennung von Verbindungen kann durch die Anpassung der Zusammensetzung der mobilen Phase im Laufe der Zeit beeinflusst werden, was als Lösungsmittelgradienten bezeichnet werden kann, da die Zusammensetzung typischerweise kontinuierlich geändert werden kann. Das heißt, typischerweise können zwei (oder mehr) verschiedene Lösungsmittel kombiniert werden, etwa unter Verwendung hochentwickelter fluidischer Vorrichtungen wie Mischer und Proportionalventile, wobei das Verhältnis der beiden Lösungsmittel im Laufe der Zeit geändert werden kann. Folglich kann eine gegebene Verbindung eluieren, sobald die Lösungsmittelzusammensetzung einen Schwellenwert überschreitet (z. B. eine bestimmte volumetrische Konzentration des Lösungsmittels A in einer Mischung aus den Lösungsmitteln A und B). Dieser Schwellenwert kann charakteristisch für diese gegebene Verbindung sein.The separation of compounds can be influenced by adjusting the composition of the mobile phase over time, which can be referred to as solvent gradients, as the composition can typically be changed continuously. That is, typically two (or more) different solvents can be combined, such as using sophisticated fluidic devices such as mixers and proportional valves, and the ratio of the two solvents can be changed over time. Thus, a given compound can elute once the solvent composition exceeds a threshold (e.g., a certain volumetric concentration of solvent A in a mixture of solvents A and B). This threshold value can be characteristic of this given connection.
Anschließend kann die eluierende Verbindung durch einen geeigneten Detektor detektiert werden, der stromabwärts der Trennsäule angeordnet ist. Beim Passieren des Detektors durch die Verbindung kann eine Spitze im jeweiligen Signal erhalten werden. Ein derartiges Signal wird als Chromatogramm bezeichnet. Je nach Komplexität der Probe kann es aus mehreren Spitzen in kurzer Aufeinanderfolge bestehen. Einzelne Spitzen können für bestimmte Verbindungen charakteristisch sein, die somit basierend auf der Zeit identifiziert werden können, die der Detektion der Spitze zugeordnet ist, wobei weitere Parameter, etwa das verwendete Lösungsmittel oder das Lösungsmittelgemisch, die Zusammensetzung der festen Phase und die Durchflussrate, berücksichtigt werden können.The eluting compound can then be detected by a suitable detector which is arranged downstream of the separation column. As the detector passes through the connection, a spike can be obtained in the respective signal. Such a signal is called a chromatogram. Depending on the complexity of the sample, it can consist of several tips in quick succession. Individual peaks can be characteristic of certain compounds, which can thus be identified based on the time allocated to the detection of the peak, taking into account further parameters such as the solvent or solvent mixture used, the composition of the solid phase and the flow rate can.
Im Allgemeinen kann die genaue Kenntnis der Durchflüsse für ein gutes Analyseergebnis einer HPLC-Messung vorteilhaft sein, da der Durchfluss die Analysegeschwindigkeit und die Reproduzierbarkeit direkt beeinflussen kann. Nach den vorherrschenden Arbeitsprinzipien von HPLC-Pumpen ist es derzeit nicht möglich, eine Pumpe zu bauen, die (gleichzeitig) ohne zusätzlichen Sensor dem Gradienten und der Durchflussrate entspricht. Wenn jedoch ein Durchflusssensor eingebaut wird, kann eine gradientengerechte Pumpe auch durchflussgerecht arbeiten, z. B. mittels einer Rückkopplungsschleife. Das heißt, das Signal eines Durchflusssensors kann dazu verwendet werden, sicherzustellen, dass eine Pumpe, die gradientengerecht gebaut ist, auch durchflussgerecht ist.In general, the exact knowledge of the flow rates can be advantageous for a good analytical result of an HPLC measurement, since the flow rate can directly influence the analysis speed and the reproducibility. According to the prevailing working principles of HPLC pumps, it is currently not possible to build a pump that (simultaneously) corresponds to the gradient and the flow rate without an additional sensor. If, however, a flow sensor is installed, a gradient-compliant pump can also operate in accordance with the flow, e.g. B. by means of a feedback loop. This means that the signal from a flow sensor can be used to ensure that a pump that is built in accordance with the gradient is also in accordance with the flow.
Bekannte Sensoren für Durchflussmessungen basieren im Allgemeinen auf vier verschiedenen Arbeitsprinzipien: thermischen Sensoren, Coriolis-Sensoren, Ultraschallsensoren und Sensoren, die auf Partikelverfolgung basieren.Known sensors for flow measurements are generally based on four different working principles: thermal sensors, Coriolis sensors, ultrasonic sensors and sensors based on particle tracking.
Bei thermischen Sensoren, auch als thermische Massendurchflusssensoren bezeichnet, erwärmt eine mit dem Fluidstrom in Kontakt stehende Heizung das vorbeiströmende Fluid und misst mindestens ein Temperatursensor, der etwas entfernt vom Heizgerät platziert ist, die Temperatur der vorbeifließenden Flüssigkeit. Die durch die Bewegung des Fluids verursachte Temperaturänderung am Sensorort ist ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit.In thermal sensors, also referred to as thermal mass flow sensors, a heater in contact with the fluid flow heats the fluid flowing past and at least one temperature sensor, which is placed somewhat away from the heater, measures the temperature of the liquid flowing past. The temperature change at the sensor location caused by the movement of the fluid is a measure of the flow velocity.
Im Gegensatz dazu wird bei einem Coriolis-Sensor ein Durchfluss eines Fluids gezwungen, sich nicht geradlinig durch eine gekrümmte Rohrgeometrie zu bewegen, wobei der Fluidstrom einen Punkt umkreisen kann. Das Rohr wird zum Schwingen gebracht, und aufgrund seines Rotationsflusses verursacht die Flüssigkeit mittels der Coriolis-Kraft eine Torsion auf dem Rohr. Die resultierende Änderung der Schwingung bezogen auf Frequenz oder Richtung wird als Maß für die Strömungsgeschwindigkeit genommen.In contrast, with a Coriolis sensor, a flow of a fluid is forced not to move in a straight line through a curved pipe geometry, whereby the fluid flow can orbit a point. The tube is made to vibrate and, due to its rotational flow, the liquid causes a torsion on the tube by means of the Coriolis force. The resulting change in vibration related to frequency or direction is taken as a measure of the flow velocity.
Ultraschallsensoren können entweder auf dem Doppler-Effekt oder auf einer Messung der Flugzeit basieren. In einem Durchflusssensor, der auf dem Doppler-Effekt basiert, wird eine Frequenzverschiebung in einem Ultraschallsignal gemessen, die von Partikeln oder Luftblasen reflektiert wird, die sich im Fluidstrom bewegen, der proportional zur Strömungsgeschwindigkeit ist. Alternativ dazu wird die Ausbreitungsgeschwindigkeit eines Ultraschallsignals in dem sich bewegenden Fluids gemessen, normalerweise durch Messen einer Laufzeit. Die Laufzeit hängt auch von der Strömungsgeschwindigkeit des Fluidstroms ab.Ultrasonic sensors can be based either on the Doppler effect or on a measurement of the time of flight. In a flow sensor based on the Doppler effect, a frequency shift is measured in an ultrasonic signal, which is reflected by particles or air bubbles moving in the fluid flow, which is proportional to the flow velocity. Alternatively, the speed of propagation of an ultrasonic signal in the moving fluid is measured, usually by measuring a travel time. The transit time also depends on the flow velocity of the fluid stream.
Bei Sensoren, die auf Partikelverfolgung basieren, können dem Fluidstrom erste Partikel hinzugefügt werden. Diese Partikel dienen als Teststücke in dem Fluid und werden derart von der Strömung erfasst, dass sie sich mit der Strömung bewegen. Die Bahnen der Partikel werden gemessen, und die Bewegung der Partikel wird als Maß für die Strömungsgeschwindigkeit verwendet.In the case of sensors based on particle tracking, first particles can be added to the fluid flow. These particles serve as test pieces in the fluid and are captured by the flow in such a way that they move with the flow. The trajectories of the particles are measured and the movement of the particles is used as a measure of the flow velocity.
Bekannte Durchflusssensoren können jedoch bestimmte Nachteile aufweisen: Durchflussmessungen mit thermischen Sensoren und Ultraschallsensoren sind materialabhängig. Dies ist auf die Materialkonstanten der Fluide zurückzuführen, die sich auf die Fluideigenschaften und damit auf die Durchflussmessungen auswirken. Daher erfordern derartige Sensoren eine sorgfältige Kalibrierung. Eine derartige Kalibrierung kann jedoch ein schwieriger Prozess sein, insbesondere bei Verwendung von Lösungsmittelgradienten, da sich die Materialeigenschaften des Fluids im Laufe der Zeit ändern können. Während Coriolis-Sensoren die unabhängige Messung der Massendurchflussrate und der Dichte eines Fluids ermöglichen, was im Prinzip eine materialunabhängige Messung der Volumendurchflussrate ermöglichen kann, sind diese Sensoren typischerweise temperaturabhängig und erfordern daher eine Kalibrierung in Bezug auf die Temperatur des Fluids und damit auch dessen Messung. Darüber hinaus können insbesondere thermische Sensoren und Coriolis-Sensoren ziemlich komplex sein.However, known flow sensors can have certain disadvantages: Flow measurements with thermal sensors and ultrasonic sensors are material-dependent. This is due to the material constants of the fluids, which have an effect on the fluid properties and thus on the flow measurements. Therefore, such sensors require careful calibration. However, such calibration can be a difficult process, especially when using solvent gradients, as the material properties of the fluid can change over time. While Coriolis sensors enable the independent measurement of the mass flow rate and the density of a fluid, which in principle can enable a material-independent measurement of the volume flow rate, these sensors are typically temperature-dependent and therefore require calibration with regard to the temperature of the fluid and thus also its measurement. In addition, thermal sensors and Coriolis sensors in particular can be quite complex.
Während thermische Sensoren, Coriolis-Sensoren und Ultraschallsensoren im Allgemeinen im Hochdruckbereich eingesetzt werden können, ist die Partikelverfolgung unter Umständen für Hochdruckanwendungen weniger geeignet: die Partikel müssen dem Fluidstrom hinzugefügt werden, was in einem Drucksystem bestenfalls mit großem Aufwand möglich ist. Darüber hinaus müssen die Partikel von außen detektierbar sein, wobei optische Verfahren normalerweise eine transparente Rohrwand erfordern, die typischerweise nicht ausreichend druckbeständig ist. Ferner müssen Partikel auch wieder aus dem Fluid entfernt werden, z. B. am Ausgang der Pumpe, da sie ansonsten eine Reihe von Problemen verursachen, z. B. eine Säule oder andere fluidische Komponenten stromabwärts der Pumpe verstopfen können. Daher sind Sensoren auf Partikelverfolgungsbasis möglicherweise nicht ohne weiteres für Hochdruckanwendungen wie HPLC verwendbar. Ferner umfassen die Partikel eine Masse, und daher beeinflussen Trägheitskräfte die Partikelbahnen und verfälschen die Messung.While thermal sensors, Coriolis sensors and ultrasonic sensors can generally be used in the high pressure range, particle tracking may be less suitable for high pressure applications: the particles have to be added to the fluid flow, which in a pressure system is at best possible with great effort. In addition, the particles must be detectable from the outside, optical methods normally requiring a transparent pipe wall, which is typically not sufficiently pressure-resistant. Furthermore, particles must also be removed from the fluid again, e.g. B. at the outlet of the pump, otherwise they cause a number of problems, e.g. B. can clog a column or other fluidic components downstream of the pump. Therefore, particle tracking based sensors may not be readily usable for high pressure applications such as HPLC. Furthermore, the particles comprise a mass, and therefore inertial forces influence the particle trajectories and falsify the measurement.
Im Allgemeinen ist auch die Verwendung von Schallwellen in der Mikrofluidik bekannt. Beispielsweise bezieht sich
In letzter Zeit wurden auch Durchflusssensoren entwickelt, die Ultraschallwellen verwenden, die mittels akustischer Oberflächenwellen (SAW) generiert werden. Beispielsweise offenbart
Weiterhin offenbart
Daher sind die bekannten Sensoren, die zur Verwendung in Hochdruckanwendungen wie HPLC geeignet sind, auf nachteilige Weise von anderen Eigenschaften der verwendeten Fluide abhängig und erfordern daher eine fluidspezifische Kalibrierung oder Referenzmessungen, die bei Verwendung von Lösungsmittelgradienten besonders nachteilig sein können.Therefore, the known sensors which are suitable for use in high pressure applications such as HPLC are disadvantageously dependent on other properties of the fluids used and therefore require a fluid-specific calibration or reference measurements, which can be particularly disadvantageous when using solvent gradients.
Vor diesem Hintergrund besteht ein Ziel darin, die Mängel und Nachteile des Standes der Technik zu überwinden oder zumindest zu mildern. Insbesondere ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Durchflusssensor bereitzustellen, der keine fluidabhängige Kalibrierung erfordert.Against this background, one aim is to overcome or at least alleviate the shortcomings and disadvantages of the prior art. In particular, it is an object of the present invention to provide a flow sensor that does not require fluid dependent calibration.
Diese Ziele werden durch die vorliegende Erfindung erreicht.These objects are achieved by the present invention.
In einer ersten Ausführungsform betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Bestimmen einer Strömungseigenschaft eines Fluids. Das Verfahren umfasst: Senden einer ersten Welle von einem ersten Sender zu einem ersten Empfänger, wobei die erste Welle das Fluid auf ihrem Weg vom ersten Sender zum ersten Empfänger durchläuft, und Empfangen eines Signals der ersten Welle an dem ersten Empfänger, wobei ein erstes Merkmal basierend auf dem Signal der ersten Welle bestimmt wird, Senden einer zweiten Welle von einem zweiten Sender an einen zweiten Empfänger, wobei die zweite Welle das Fluid auf ihrem Weg vom zweiten Sender zum zweiten Empfänger durchläuft, und Empfangen eines Signals der zweiten Welle am zweiten Empfänger, und Bestimmen eines zweiten Merkmals basierend auf dem Signal der zweiten Welle. Das Verfahren umfasst ferner: Subtrahieren eines der Merkmale von dem anderen Merkmal und somit Generieren eines Differenzmaßes. Das Verfahren umfasst zusätzlich: Bestimmen einer Verweilzeit, die eine Ausbreitungszeit angibt, die von der ersten Welle zum Durchlaufen des Fluids auf ihrem Weg vom ersten Sender zum ersten Empfänger benötigt wird, und/oder einer Ausbreitungszeit, die von der zweiten Welle zum Durchlaufen des Fluids auf ihrem Weg vom zweiten Sender zum zweiten Empfänger benötigt wird, und Verwenden des Differenzmaßes und der Verweilzeit zum Bestimmen der Strömungseigenschaft. Somit kann das Verfahren das Bestimmen der Strömungseigenschaft zumindest basierend auf dem Differenzmaß und der Verweilzeit umfassen.In a first embodiment, the present invention relates to a method for determining a flow property of a fluid. The method comprises: transmitting a first wave from a first transmitter to a first receiver, the first wave traversing the fluid on its way from the first transmitter to the first receiver, and receiving a signal of the first wave at the first receiver, having a first characteristic based on the first wave signal, transmitting a second wave from a second transmitter to a second receiver, the second wave traversing the fluid on its way from the second transmitter to the second receiver, and receiving a second wave signal at the second receiver , and determining a second feature based on the second wave signal. The method further comprises: subtracting one of the features from the other feature and thus generating a difference measure. The method additionally comprises: determining a dwell time, which indicates a propagation time that is required for the first wave to pass through the fluid on its way from the first transmitter to the first receiver, and / or a propagation time for the second wave to pass through the fluid is required on its way from the second transmitter to the second receiver, and using the difference measure and the dwell time to determine the flow property. Thus, the method can include determining the flow property based at least on the difference measure and the dwell time.
Die vorliegende Erfindung kann mit anderen Worten das Senden von zwei Wellen von einem jeweiligen Sender zu einem jeweiligen Empfänger derart, dass jede der zwei Wellen das Fluid auf ihrem Weg durchläuft, umfassen. Anschließend kann ein Differenzmaß bestimmt werden, das sich auf die von den zwei jeweiligen Empfängern empfangenen Signale bezieht, insbesondere ein Differenzmaß von Merkmalen, die basierend auf den empfangenen Signalen der Wellen bestimmt werden. Derartige Merkmale können beispielsweise eine Phasendifferenz zwischen dem emittierten und dem empfangenen Signal sein. Weiterhin kann eine Verweilzeit bestimmt werden, die die Ausbreitungszeit von mindestens einer der zwei Wellen angibt, und können die Verweilzeit und das Differenzmaß anschließend dazu verwendet werden, eine Strömungseigenschaft zu bestimmen, die beispielsweise eine Strömungsgeschwindigkeit oder eine Durchflussrate des Fluids sein kann.In other words, the present invention may include sending two waves from a respective transmitter to a respective receiver such that each of the two waves traverses the fluid on its way. A difference measure can then be determined which relates to the signals received by the two respective receivers, in particular a difference measure of features which are determined based on the received signals of the waves. Such features can be, for example, a phase difference between the emitted and the received signal. Furthermore, a dwell time can be determined, which indicates the propagation time of at least one of the two waves, and the dwell time and the difference measure can then be used to determine a flow property, which can be, for example, a flow velocity or a flow rate of the fluid.
Ein erster Wandler kann den ersten Sender und den zweiten Empfänger bilden, und ein zweiter Wandler kann den zweiten Sender und den ersten Empfänger bilden. Das heißt, in einigen Ausführungsformen des Verfahrens können der erste Sender und der zweite Empfänger aus demselben Wandler (d. h. dem ersten Wandler) bestehen, und desgleichen können der zweite Sender und der erste Empfänger ebenso aus einem einzigen Wandler (d. h. dem zweiten Wandler) bestehen. Dies kann vorteilhafterweise ein kompaktes Sensordesign ermöglichen und/oder die Anzahl der erforderlichen Wandler und damit die Komplexität des für das Verfahren verwendeten Sensors verringern.A first transducer can form the first transmitter and the second receiver, and a second transducer can form the second transmitter and the first receiver. That is, in some embodiments of the method, the first transmitter and the second receiver can consist of the same transducer (i.e. the first transducer), and likewise the second transmitter and the first receiver can also consist of a single transducer (i.e. the second transducer). This can advantageously enable a compact sensor design and / or reduce the number of transducers required and thus the complexity of the sensor used for the method.
Alternativ dazu kann ein erster Wandler den ersten Sender und den zweiten Sender bilden, kann ein zweiter Wandler den ersten Empfänger bilden und bildet ein dritter Wandler den zweiten Empfänger. Mit anderen Worten können in einigen Ausführungsformen des vorliegenden Verfahrens drei Wandler den ersten und zweiten Sender und den ersten und zweiten Empfänger bilden.Alternatively, a first converter can form the first transmitter and the second transmitter, a second converter can form the first receiver and a third converter forms the second receiver. In other words, in some embodiments of the present method, three transducers can form the first and second transmitter and the first and second receiver.
Wiederum alternativ dazu kann ein erster Wandler den ersten Sender bilden, kann ein zweiter Wandler den ersten Empfänger bilden, kann ein dritter Wandler den zweiten Sender bilden und bildet ein vierter Wandler den zweiten Empfänger. Mit anderen Worten kann jeder von erstem und zweitem Sender und erstem und zweitem Empfänger von einem einzelnen Wandler bereitgestellt werden.Again as an alternative to this, a first converter can form the first transmitter, a second converter can form the first receiver, a third converter can form the second transmitter and a fourth converter forms the second receiver. In other words, each of the first and second transmitters and the first and second receivers can be provided by a single transducer.
Der zweite Wandler kann die gleichen Eigenschaften wie der erste Wandler umfassen. Die gleichen Eigenschaften können sich beispielsweise auf die Wellenlänge, die Größe und/oder das Elektrodendesign des Wandlers beziehen. Insbesondere können zwei Wandler, die die gleichen Eigenschaften aufweisen, ein identisches Design umfassen. Mit anderen Worten können zwei Wandler, die die gleichen Eigenschaften umfassen, als identisch angesehen werden.The second transducer can have the same properties as the first transducer. The same properties can relate, for example, to the wavelength, the size and / or the electrode design of the transducer. In particular, two transducers that have the same properties can have an identical design. In other words, two transducers that have the same properties can be considered identical.
In Ausführungsformen kann der dritte Wandler die gleichen Eigenschaften wie der erste Wandler umfassen.In embodiments, the third transducer can have the same properties as the first transducer.
In einigen Ausführungsformen kann der dritte Wandler die gleichen Eigenschaften wie der zweite Wandler umfassen.In some embodiments, the third transducer can have the same properties as the second transducer.
In einigen Ausführungsformen kann der vierte Wandler die gleichen Eigenschaften wie der erste Wandler umfassen.In some embodiments, the fourth transducer can have the same properties as the first transducer.
In einigen Ausführungsformen kann der vierte Wandler die gleichen Eigenschaften wie der zweite Wandler umfassen.In some embodiments, the fourth transducer can have the same properties as the second transducer.
In einigen Ausführungsformen kann der vierte Wandler die gleichen Eigenschaften wie der dritte Wandler umfassen.In some embodiments, the fourth transducer can have the same properties as the third transducer.
In einigen Ausführungsformen kann das Verfahren ferner das Leiten des Fluids durch einen Kanal umfassen.In some embodiments, the method may further include directing the fluid through a channel.
Der Schritt des Sendens der ersten Welle vom ersten Sender zum ersten Empfänger kann das mindestens einmalige Reflektieren und/oder Brechen der ersten Welle umfassen. Desgleichen kann der Schritt des Sendens der zweiten Welle vom zweiten Sender zum zweiten Empfänger das mindestens einmalige Reflektieren und/oder Brechen der zweiten Welle umfassen.The step of transmitting the first wave from the first transmitter to the first receiver can include reflecting and / or breaking the first wave at least once. Likewise, the step of transmitting the second wave from the second transmitter to the second receiver can include reflecting and / or breaking the second wave at least once.
Das Fluid kann eine Strömungsrichtung umfassen. Die zweite Welle kann das Fluid in einer Richtung durchlaufen, die der ersten Welle in Bezug auf die Strömungsrichtung entgegengesetzt ist. Dies kann vorteilhafterweise das Aufheben von strömungsunabhängigen Beiträgen durch Generieren des Differenzmaßes ermöglichen, was in Kombination mit der Verweilzeit vorteilhafterweise ermöglichen kann, die Strömungseigenschaft unabhängig von Fluideigenschaften und/oder lokaler Fluid- und/oder Umgebungstemperatur zu bestimmen. Mit anderen Worten kann dies vorteilhafterweise eine fluidunabhängige Messung der Strömungseigenschaft ermöglichen.The fluid can include a direction of flow. The second wave can traverse the fluid in a direction which is opposite to the first wave with respect to the direction of flow. This can advantageously make it possible to cancel out flow-independent contributions by generating the difference measure, which in combination with the dwell time can advantageously make it possible to determine the flow property independently of fluid properties and / or local fluid and / or ambient temperature. In other words, this can advantageously enable a fluid-independent measurement of the flow property.
Das Signal der ersten und/oder der zweiten Welle wird unter Umständen vom jeweiligen Empfänger nicht direkt nach dem Durchlaufen des Fluids empfangen. Das heißt, die erste und/oder die zweite Welle kann sich für eine Zeit ΔtSAW > 0 ausbreiten, bevor sie vom jeweiligen Empfänger empfangen wird. Beispielsweise kann die Welle nach dem Durchlaufen des Fluids in einen Chip eingekoppelt werden und sich als SAW ausbreiten, bevor sie vom bezeichneten Empfänger empfangen wird. Mit anderen Worten kann es sein, dass die erste und/oder die zweite Welle nicht direkt auf den Wandler trifft, der den jeweiligen Empfänger bildet, der die Welle empfängt.The signal of the first and / or the second wave may not be received by the respective receiver directly after the fluid has passed through. This means that the first and / or the second wave can propagate for a time Δt SAW > 0 before it is received by the respective receiver. For example, after passing through the fluid, the wave can be coupled into a chip and propagate as a SAW before it is received by the designated receiver. In other words, it may be that the first and / or the second wave does not hit the transducer directly, which forms the respective receiver that receives the wave.
Die erste und die zweite Welle können sich beim Durchlaufen des Fluids als Schallwellen ausbreiten.The first and second waves can propagate as sound waves when passing through the fluid.
In einigen Ausführungsformen kann das Bestimmen des Merkmals basierend auf dem Signal der jeweiligen Welle das Bestimmen einer Phasenverschiebung zwischen der vom jeweiligen Sender ausgesendeten Welle und dem vom jeweiligen Empfänger empfangenen Signal der Welle umfassen.In some embodiments, determining the feature based on the signal of the respective wave may include determining a phase shift between the wave transmitted by the respective transmitter and the signal of the wave received by the respective receiver.
Das Verwenden des Differenzmaßes und der Verweilzeit zum Bestimmen der Strömungseigenschaft kann das Teilen des Differenzmaßes durch die Verweilzeit umfassen, um einen Strömungsgeschwindigkeitsterm abzuleiten, der proportional zur Strömungsgeschwindigkeit des Fluids istUsing the difference measure and the residence time to determine the flow characteristic may include dividing the difference measure by the residence time to derive a flow rate term that is proportional to the flow rate of the fluid
Das Bestimmen der Verweilzeit kann das Senden einer Verweilzeitwelle von einem Verweilzeitsender an einen Verweilzeitempfänger, wobei die Verweilzeitwelle das Fluid auf seinem Weg vom Verweilzeitsender zum Verweilzeitempfänger durchläuft, und das Empfangen eines Signals der Verweilzeitwelle am Verweilzeitempfänger umfassen. Ferner kann sich die Verweilzeitwelle beim Durchlaufen des Fluids als Schallwelle ausbreiten.Determining the dwell time may include sending a dwell wave from a dwell transmitter to a dwell receiver, the dwell wave traversing the fluid on its way from the dwell transmitter to the dwell receiver, and receiving a signal of the dwell wave at the dwell receiver. Furthermore, the dwell time wave can propagate as a sound wave when passing through the fluid.
In einigen Ausführungsformen kann eine von erster und zweiter Welle die Verweilzeitwelle bilden.In some embodiments, one of the first and second waves can form the dwell wave.
Das Signal der Verweilzeitwelle kann vom Verweilzeitempfänger direkt nach dem Durchlaufen des Fluids empfangen werden. Das heißt, die Verweilzeitwelle kann sich im Wesentlichen nicht als SAW ausbreiten, bevor sie vom Verweilzeitempfänger empfangen wird. Hierbei dient der Term im Wesentlichen dazu, die Zeit einzuschließen, die der Empfänger benötigt, um die Schallwelle zu empfangen, d. h. die Verweilzeitwelle nach dem Durchlaufen des Fluids. Dies kann insbesondere die Zeit (und Ausbreitung) zum Umwandeln der Schallwelle zurück in eine SAW und zum Empfangen der SAW durch den Empfänger beinhalten, wobei die Ausbreitung während dieser Zeit erheblich geringer sein kann als die Ausdehnung des Verweilzeitempfängers.The dwell time wave signal can be received by the dwell time receiver immediately after the fluid has passed through. That is, the dwell wave essentially cannot propagate as a SAW before it is received by the dwell receiver. Here, the term essentially serves to include the time it takes for the receiver to receive the sound wave, i.e. H. the dwell time wave after passing through the fluid. Specifically, this may include the time (and propagation) it takes to convert the sound wave back to a SAW and for the receiver to receive the SAW, during which time the propagation may be significantly less than the expansion of the dwell receiver.
Das Bestimmen der Verweilzeit kann das Bestimmen der Gesamtausbreitungszeit dtIDT zwischen dem Verweilzeitsender, der die Welle sendet, und dem Verweilzeitempfänger, der das Signal der Welle empfängt, umfassen. Ferner kann das Bestimmen der Verweilzeit das Korrigieren der Gesamtausbreitungszeit ΔtIDT für eine fluid- und strömungsunabhängige Offset-Zeit ΔtOffset umfassen. Die fluidunabhängige Offset-Zeit ΔtOffset entspricht der Zeit, in der die Verweilzeitwelle generiert und in das Fluid induziert wird, und der Zeit, in der die Schallwelle zurück in eine SAW umgewandelt und vom Verweilzeitempfänger empfangen wird, da die Welle während dieser Zeiten keiner strömungsabhängigen Verschiebung unterliegt.Determining the dwell time may include determining the total propagation time dt IDT between the dwell transmitter transmitting the wave and the dwell receiver receiving the wave's signal. Furthermore, determining the dwell time can include correcting the total propagation time Δt IDT for a fluid- and flow-independent offset time Δt offset. The fluid-independent offset time Δt offset corresponds to the time in which the dwell time wave is generated and induced in the fluid, and the time in which the sound wave is converted back into a SAW and received by the dwell time receiver, since the wave is not flow-dependent during these times Subject to postponement.
Das Verfahren kann ferner das Bestimmen der fluid- und strömungsunabhängigen Offset-Zeit ΔtOffset mittels einer sensorspezifischen Kalibriermessung umfassen. Das heißt, es kann eine einmalige Kalibrierungsmessung durchgeführt werden, die vorzugsweise nur einmal für ein bestimmtes Sensordesign oder für jeden einzelnen Sensor erforderlich sein kann. Die Kalibrierungsmessung könnte beispielsweise bereits während der Herstellung durchgeführt und einem Benutzer zusammen mit dem Sensor zur Verfügung gestellt werden.The method can further include determining the fluid- and flow-independent offset time Δt offset by means of a sensor-specific calibration measurement. This means that a one-time calibration measurement can be carried out, which can preferably only be required once for a specific sensor design or for each individual sensor. The calibration measurement could, for example, already be carried out during manufacture and made available to a user together with the sensor.
In einigen Ausführungsformen kann eine Welle, die das Fluid durchläuft, die Welle umfassen, die den Kanal mindestens einmal kreuzt. Das heißt, die Welle kann den Kanal mindestens einmal in einer Richtung senkrecht zur Strömungsrichtung kreuzen. Ferner kann die erste und/oder die zweite Welle, die das Fluid durchläuft, das mindestens einmalige Reflektieren und/oder Brechen der jeweiligen Welle an einer Innenfläche des Kanals umfassen. Zusätzlich oder alternativ dazu kann die Verweilzeitwelle, die das Fluid durchläuft, das mindestens einmalige Reflektieren und/oder Brechen der Verweilzeitwelle an einer Innenfläche des Kanals umfassen.In some embodiments, a wave that the fluid traverses may include the wave that crosses the channel at least once. That is, the wave can cross the channel at least once in a direction perpendicular to the direction of flow. Furthermore, the first and / or the second wave, which the fluid traverses, can include reflecting and / or breaking the respective wave at least once on an inner surface of the channel. Additionally or alternatively to this, the dwell time wave which the fluid traverses can comprise reflecting and / or breaking the dwell time wave at least once on an inner surface of the channel.
Das Bestimmen der Verweilzeit kann das Berücksichtigen der Häufigkeit umfassen, mit der die Verweilzeitwelle den Kanal beim Durchlaufen des Fluids kreuzte.Determining the dwell time may include taking into account the number of times the dwell time wave crossed the channel in traversing the fluid.
In einigen Ausführungsformen kann der erste, der zweite, der dritte oder der vierte Wandler ferner den Verweilzeitsender bilden. Zusätzlich oder alternativ dazu kann der Wandler, der den ersten Sender bildet, oder der Wandler, der den zweiten Sender bildet, ferner den Verweilzeitsender bilden.In some embodiments, the first, second, third, or fourth transducer may further form the dwell transmitter. In addition or as an alternative to this, the converter which forms the first transmitter or the converter which forms the second transmitter can furthermore form the dwell time transmitter.
In einigen Ausführungsformen kann ein Zeitsenderwandler den Verweilzeitsender bilden.In some embodiments, a time transmitter transducer can form the dwell transmitter.
Der erste, der zweite, der dritte oder der vierte Wandler kann ferner den Verweilzeitempfänger bilden. Zusätzlich oder alternativ dazu kann der Wandler, der den ersten Empfänger bildet, oder der Wandler, der den zweiten Empfänger bildet, ferner den Verweilzeitempfänger bilden.The first, the second, the third or the fourth transducer can furthermore form the dwell time receiver. In addition or as an alternative to this, the converter which forms the first receiver or the converter which forms the second receiver can furthermore form the dwell time receiver.
In einigen Ausführungsformen kann ein Zeitmesswandler den Verweilzeitsender bilden.In some embodiments, a timing transducer may form the dwell time transmitter.
Die Strömungseigenschaft kann eine Strömungsgeschwindigkeit des Fluids sein, alternativ dazu kann die Strömungseigenschaft eine Durchflussrate des Fluids sein.The flow property can be a flow rate of the fluid, alternatively the flow property can be a flow rate of the fluid.
In einigen Ausführungsformen können die Wandler Interdigitalwandler (IDT) sein, die zum Senden und Empfangen von akustischen Oberflächenwellen (SAW) konfiguriert sind.In some embodiments, the transducers may be interdigital transducers (IDT) configured to transmit and receive surface acoustic waves (SAW).
In einigen Ausführungsformen kann der Verweilzeitempfänger stromabwärts des Verweilzeitsenders angeordnet sein.In some embodiments, the dwell receiver may be located downstream of the dwell transmitter.
In einigen Ausführungsformen können die erste Welle und die zweite Welle jeweils impulsförmige Wellen im Zeitbereich sein. Zusätzlich oder alternativ dazu kann die Verweilzeitwelle eine impulsförmige Welle im Zeitbereich sein.In some embodiments, the first wave and the second wave can each be pulse-shaped waves in the time domain. Additionally or alternatively, the dwell time wave can be a pulse-shaped wave in the time domain.
Das Senden der ersten Welle, der zweiten Welle und/oder der Verweilzeitwelle kann das Bereitstellen eines Wechselspannungssignals an den Wandler umfassen, der den jeweiligen Sender für die Welle bildet. Ferner kann das Wechselspannungssignal bei einer Spannungsfrequenz abwechseln und kann die Spannungsfrequenz im Bereich von 10 MHz bis 1000 MHz, vorzugsweise im Bereich von 20 MHz bis 200 MHz, bevorzugter im Bereich von 30 MHz bis 100 MHz, liegen. Zusätzlich oder alternativ dazu kann das Wechselspannungssignal eine Effektivspannung (RMS-Spannung) umfassen und kann die Effektivspannung im Bereich von -90 dBm bis 30 dBm, vorzugsweise im Bereich von - 60 dBm bis 10 dBm, bevorzugter im Bereich von -40 dBm bis 0 dBm, liegen. In einigen Ausführungsformen kann die Effektivspannung im Bereich von 1 µV bis 10 V, vorzugsweise im Bereich von 10 µV bis 1 V, bevorzugter im Bereich von 100 µV bis 100 mV, liegen.Sending the first wave, the second wave and / or the dwell time wave can include providing an AC voltage signal to the converter, which forms the respective transmitter for the wave. Furthermore, the AC voltage signal can alternate at one voltage frequency and the voltage frequency can be in the range from 10 MHz to 1000 MHz, preferably in the range from 20 MHz to 200 MHz, more preferably in the range from 30 MHz to 100 MHz. Additionally or alternatively, the AC voltage signal can comprise an effective voltage (RMS voltage) and the effective voltage can be in the range from -90 dBm to 30 dBm, preferably in the range from -60 dBm to 10 dBm, more preferably in the range from -40 dBm to 0 dBm , lie. In some embodiments, the effective voltage can be in the range from 1 μV to 10 V, preferably in the range from 10 μV to 1 V, more preferably in the range from 100 μV to 100 mV.
Das Wechselspannungssignal kann ein impulsförmiges Wechselspannungssignal sein. Ferner kann das impulsförmige Wechselspannungssignal eine Impulslänge umfassen und kann die Impulslänge im Bereich von 0,1 ns bis 100 µs, vorzugsweise im Bereich von 1 ns bis 10 µs, bevorzugter im Bereich von 10 ns bis 3 µs, liegen.The AC voltage signal can be a pulsed AC voltage signal. Furthermore, the pulsed AC voltage signal can comprise a pulse length and the pulse length can be in the range from 0.1 ns to 100 microseconds, preferably in the range from 1 ns to 10 microseconds, more preferably in the range from 10 ns to 3 microseconds.
In einigen Ausführungsformen kann das Fluid einen Fluiddruck aufweisen und der Fluiddruck kann 100 bar, vorzugsweise 500 bar, bevorzugter 1000 bar, etwa 2000 bar, überschreiten.In some embodiments, the fluid can have a fluid pressure and the fluid pressure can exceed 100 bar, preferably 500 bar, more preferably 1000 bar, approximately 2000 bar.
Die Strömungseigenschaft kann für ein Fluid bestimmt werden, das eine Durchflussrate umfasst, die mindestens im Bereich von 1 µl/min bis 3 ml/min, vorzugsweise 500 nl/min bis 5 ml/min, bevorzugter 1 nl/min bis 10 ml/min, liegen kann.The flow property can be determined for a fluid which comprises a flow rate which is at least in the range from 1 μl / min to 3 ml / min, preferably 500 nl / min to 5 ml / min, more preferably 1 nl / min to 10 ml / min , can lie.
Das Verfahren erfordert möglicherweise keine fluidabhängige Kalibrierung.The method may not require fluid dependent calibration.
Das Verfahren kann ferner das Bestimmen mindestens einer zusätzlichen Fluideigenschaft umfassen. Ferner kann die mindestens eine zusätzliche Fluideigenschaft Dichte, Schallgeschwindigkeit, Viskosität und/oder Leitfähigkeit sein. Das Bestimmen mindestens einer zusätzlichen Fluideigenschaft kann das Bestimmen einer strömungsunabhängigen Phasenverschiebung einer Welle umfassen, die das Fluid durchläuft. Zusätzlich oder alternativ dazu kann das Bestimmen mindestens einer zusätzlichen Fluideigenschaft das Bestimmen einer SAW-Phasenverschiebung einer SAW umfassen, die sich vom ersten Sender zum ersten Empfänger und/oder vom zweiten Sender zum zweiten Empfänger ausbreitet, ohne das Fluid zu durchlaufen.The method can further comprise determining at least one additional fluid property. Furthermore, the at least one additional fluid property can be density, speed of sound, viscosity and / or conductivity. The determination of at least one additional fluid property can include the determination of a flow-independent phase shift of a wave that the fluid traverses. Additionally or alternatively, determining at least one additional fluid property can include determining a SAW phase shift of a SAW that propagates from the first transmitter to the first receiver and / or from the second transmitter to the second receiver without passing through the fluid.
Ferner kann das Verfahren das Herleiten mindestens eines potenziellen Fluidkandidaten für das Fluid basierend auf der mindestens einen zusätzlichen Fluideigenschaft umfassen. In einigen Ausführungsformen kann das Herleiten des mindestens einen potenziellen Fluidkandidaten das Verwenden statistischer Verfahren umfassen.Furthermore, the method can include deriving at least one potential fluid candidate for the fluid based on the at least one additional fluid property. In some embodiments, inferring the at least one potential fluid candidate may include using statistical methods.
In einer anderen Ausführungsform betrifft die vorliegende Erfindung einen Sensor zum Bestimmen einer Strömungseigenschaft eines Fluids. Der Sensor umfasst einen Kanal zum Leiten des Fluids, eine Sender- und Empfängeranordnung, die mindestens einen ersten Sender, einen ersten Empfänger, einen zweiten Sender und einen zweiten Empfänger bildet, sowie eine Datenverarbeitungseinheit, wobei der Durchflusssensor dazu konfiguriert ist, das Verfahren gemäß einer der vorhergehenden Verfahrensausführungsformen durchzuführen.In another embodiment, the present invention relates to a sensor for determining a flow property of a fluid. The sensor comprises a channel for guiding the fluid, a transmitter and receiver arrangement, which forms at least a first transmitter, a first receiver, a second transmitter and a second receiver, and a data processing unit, wherein the flow sensor is configured to use the method according to a to carry out the preceding procedural embodiments.
Die Sender- und Empfängeranordnung kann einen ersten Wandler, der den ersten Sender und den zweiten Empfänger bildet, und einen zweiten Wandler, der den zweiten Sender und den ersten Empfänger bildet, umfassen.The transmitter and receiver arrangement can comprise a first transducer, which forms the first transmitter and the second receiver, and a second converter, which forms the second transmitter and the first receiver.
Alternativ dazu kann die Sender- und Empfängeranordnung einen ersten Wandler, der den ersten Sender und den zweiten Sender bildet, einen zweiten Wandler, der den ersten Empfänger bildet, und einen dritten Wandler, der den zweiten Empfänger bildet, umfassen.Alternatively, the transmitter and receiver arrangement can comprise a first transducer, which forms the first transmitter and the second transmitter, a second transducer, which forms the first receiver, and a third converter, which forms the second receiver.
Wiederum kann alternativ die Sender- und Empfängeranordnung einen ersten Wandler, der den ersten Sender bildet, einen zweiten Wandler, der den ersten Empfänger bildet, einen dritten Wandler, der den zweiten Sender bildet, und einen vierten Wandler, der den zweiten Empfänger bildet, umfassen.Again, alternatively, the transmitter and receiver arrangement can comprise a first transducer, which forms the first transmitter, a second transducer, which forms the first receiver, a third transducer, which forms the second transmitter, and a fourth transducer, which forms the second receiver .
Der zweite Wandler kann das gleiche Design wie der erste Wandler umfassen. Das heißt, der zweite Wandler umfasst die gleichen Eigenschaften wie der erste Wandler, wobei die Eigenschaften beispielsweise geometrische Abmessungen, Periodizität, Wellenlänge usw. einschließen können.The second transducer can be of the same design as the first transducer. That is, the second transducer comprises the same properties as the first transducer, it being possible for the properties to include, for example, geometric dimensions, periodicity, wavelength, and so on.
In Ausführungsformen kann der dritte Wandler das gleiche Design wie der erste Wandler umfassen.In embodiments, the third transducer can have the same design as the first transducer.
In Ausführungsformen kann der dritte Wandler das gleiche Design wie der zweite Wandler umfassen.In embodiments, the third transducer can have the same design as the second transducer.
In Ausführungsformen kann der vierte Wandler das gleiche Design wie der erste Wandler umfassen.In embodiments, the fourth transducer can have the same design as the first transducer.
In Ausführungsformen kann der vierte Wandler das gleiche Design wie der zweite Wandler umfassen.In embodiments, the fourth transducer can have the same design as the second transducer.
In Ausführungsformen kann der vierte Wandler das gleiche Design wie der dritte Wandler umfassen.In embodiments, the fourth transducer can have the same design as the third transducer.
Die Sender- und Empfängeranordnung kann ferner einen Verweilzeitsender und einen Verweilzeitempfänger bilden. In einigen Ausführungsformen kann der erste, der zweite, der dritte oder der vierte Wandler ferner den Verweilzeitempfänger bilden. Zusätzlich oder alternativ dazu bildet der Wandler, der den ersten Empfänger bildet, oder der Wandler, der den zweiten Empfänger bildet, ferner den Verweilzeitempfänger.The transmitter and receiver arrangement can also form a dwell time transmitter and a dwell time receiver. In some embodiments, the first, second, third, or fourth transducer can further form the dwell time receiver. In addition or as an alternative to this, the converter which forms the first receiver or the converter which forms the second receiver also forms the dwell time receiver.
Die Sender- und Empfängeranordnung kann einen Zeitmesswandler umfassen, der den Verweilzeitempfänger bildet.The transmitter and receiver arrangement can comprise a time measuring transducer which forms the dwell time receiver.
In einigen Ausführungsformen bildet der erste, der zweite, der dritte oder der vierte Wandler ferner den Verweilzeitsender. Zusätzlich oder alternativ dazu kann der Wandler, der den ersten Sender bildet, oder der Wandler, der den zweiten Sender bildet, ferner den Verweilzeitsender bilden.In some embodiments, the first, second, third, or fourth transducer also form the dwell transmitter. In addition or as an alternative to this, the converter which forms the first transmitter or the converter which forms the second transmitter can furthermore form the dwell time transmitter.
Die Sender- und Empfängeranordnung kann einen Zeitsenderwandler umfassen, der den Verweilzeitsender bildet.The transmitter and receiver arrangement can comprise a time transmitter transducer which forms the dwell time transmitter.
In einigen Ausführungsformen kann der erste Sender stromabwärts des ersten Empfängers angeordnet sein und kann der zweite Sender stromaufwärts des zweiten Empfängers angeordnet sein. Alternativ dazu kann der erste Sender stromaufwärts des ersten Empfängers angeordnet sein und kann der zweite Sender stromabwärts des zweiten Empfängers angeordnet sein.In some embodiments, the first transmitter can be arranged downstream of the first receiver and the second transmitter can be arranged upstream of the second receiver. Alternatively, the first transmitter can be arranged upstream of the first receiver and the second transmitter can be arranged downstream of the second receiver.
Der erste Sender und der erste Empfänger können direkt nacheinander in Strömungsrichtung angeordnet sein. Das heißt, der erste Sender kann entweder direkt stromaufwärts oder stromabwärts des ersten Empfängers angeordnet sein, wobei der Begriff „direkt nacheinander“ bedeutet, dass kein anderer Sender oder Empfänger dazwischen angeordnet sein darf.The first transmitter and the first receiver can be arranged directly one after the other in the direction of flow. That is, the first transmitter can be arranged either directly upstream or downstream of the first receiver, the term “directly one after the other” means that no other transmitter or receiver may be arranged in between.
Der zweite Sender und der zweite Empfänger können direkt nacheinander in Strömungsrichtung angeordnet sein.The second transmitter and the second receiver can be arranged directly one after the other in the direction of flow.
In einigen Ausführungsformen können der erste Sender und der erste Empfänger auf derselben Seite des Kanals angeordnet sein. Mit anderen Worten können der erste Sender und Empfänger derart angeordnet sein, dass eine vom ersten Sender emittierte und vom ersten Empfänger empfangene Welle die Fluide eine gerade Anzahl von Malen durchläuft. Beispielsweise umfasst in einem Kanal mit einem rechteckigen Querschnitt der Kanal vier Seiten und können der erste Sender und der erste Empfänger beide auf einer einzigen Seite davon angeordnet sein.In some embodiments, the first transmitter and the first receiver can be located on the same side of the channel. In other words, the first transmitter and receiver can be arranged such that a wave emitted by the first transmitter and received by the first receiver passes through the fluids an even number of times. For example, in a channel with a rectangular cross-section, the channel comprises four sides and the first transmitter and the first receiver can both be arranged on a single side thereof.
Alternativ dazu sind der erste Sender und der erste Empfänger auf gegenüberliegenden Seiten des Kanals angeordnet. Mit anderen Worten können der erste Sender und Empfänger derart angeordnet sein, dass eine vom ersten Sender emittierte und vom ersten Empfänger empfangene Welle die Fluide eine ungerade Anzahl von Malen durchläuft. Beispielsweise umfasst in einem Kanal mit einem rechteckigen Querschnitt der Kanal vier Seiten und können der erste Sender und der erste Empfänger jeweils auf zwei gegenüberliegenden Seiten angeordnet sein.Alternatively, the first transmitter and the first receiver are arranged on opposite sides of the channel. In other words, the first transmitter and receiver can be arranged such that a wave emitted by the first transmitter and received by the first receiver passes through the fluids an odd number of times. For example, in a channel with a rectangular cross section, the channel comprises four sides and the first transmitter and the first receiver can each be arranged on two opposite sides.
Der Verweilzeitempfänger und der Verweilzeitsender können direkt nacheinander in Strömungsrichtung angeordnet sein.The dwell time receiver and the dwell time transmitter can be arranged directly one after the other in the direction of flow.
In einigen Ausführungsformen kann der Verweilzeitempfänger stromabwärts des Verweilzeitsenders angeordnet sein. Alternativ dazu kann der Verweilzeitempfänger stromaufwärts des Verweilzeitsenders angeordnet sein. In einigen Ausführungsformen können der Verweilzeitempfänger und der Verweilzeitsender auf derselben Seite des Kanals angeordnet sein. Alternativ dazu können der Verweilzeitempfänger und der Verweilzeitsender auf gegenüberliegenden Seiten des Kanals angeordnet sein.In some embodiments, the dwell receiver may be located downstream of the dwell transmitter. Alternatively, the dwell time receiver can be arranged upstream of the dwell time transmitter. In some embodiments, the dwell receiver and the dwell transmitter can be located on the same side of the channel. Alternatively, the dwell time receiver and the dwell time transmitter can be arranged on opposite sides of the channel.
Der Kanal kann eine Innenfläche umfassen, die dazu konfiguriert ist, mit dem durch den Kanal geleiteten Fluid in Kontakt zu stehen. Der Kanal kann einen Kanalquerschnitt umfassen, wobei der Kanalquerschnitt mindestens rechteckig oder rund oder elliptisch oder eine beliebige Kombination davon sein kann. In einigen Ausführungsformen kann der Kanalquerschnitt rechteckig sein.The channel may include an interior surface configured to be in contact with the fluid directed through the channel. The channel can comprise a channel cross section, wherein the channel cross section can be at least rectangular or round or elliptical or any combination thereof. In some embodiments, the channel cross-section can be rectangular.
Der Kanal kann eine Kanalgeometrie umfassen, wobei die Kanalgeometrie gerade, gekrümmt und/oder gebogen ist, wobei gebogen beispielsweise eine Geometrie bezeichnen kann, bei der der Kanal eine Ecke, z. B. eine 90°-Ecke, umfasst.The channel can comprise a channel geometry, wherein the channel geometry is straight, curved and / or curved, wherein curved can for example denote a geometry in which the channel has a corner, e.g. B. comprises a 90 ° corner.
Weiterhin kann der Kanal eine Strömungsrichtung umfassen, wobei das Fluid in Strömungsrichtung durch den Kanal geleitet werden kann. Zusätzlich oder alternativ dazu kann der Kanal eine Kanallänge umfassen, die der Ausdehnung des Kanals entspricht, an dem entlang das Fluid geleitet wird. Die Kanallänge kann bis zu 30 mm, vorzugsweise bis zu 10 mm, bevorzugter bis zu 5 mm betragen.Furthermore, the channel can comprise a direction of flow, wherein the fluid can be conducted through the channel in the direction of flow. Additionally or alternatively, the channel can comprise a channel length which corresponds to the extension of the channel along which the fluid is conducted. The channel length can be up to 30 mm, preferably up to 10 mm, more preferably up to 5 mm.
Die Sender- und Empfängeranordnung kann mindestens einen Chip umfassen. Ferner kann der mindestens eine Chip ein Substrat umfassen. In einigen Ausführungsformen kann das Substrat piezoelektrisch sein. Zusätzlich oder alternativ dazu kann das Substrat mit einer piezoelektrischen Schicht beschichtet sein. Das Substrat und/oder die piezoelektrische Schicht können aus einem Kristall aus Lithiumniobat (LiNbO3), Quarz (SiO2), Lithiumtantalat (LiTaO3) und/oder Lanthangalliumsilikat (La3Ga5SiO14) bestehen. In einigen Ausführungsformen kann das Substrat und/oder die piezoelektrische Schicht aus einem LiNbO3-Kristall mit 128° X-Y-Schnitt bestehen.The transmitter and receiver arrangement can comprise at least one chip. Furthermore, the at least one chip can comprise a substrate. In some embodiments, the substrate can be piezoelectric. Additionally or alternatively, the substrate can be coated with a piezoelectric layer. The substrate and / or the piezoelectric layer can consist of a crystal made of lithium niobate (LiNbO 3 ), quartz (SiO 2 ), lithium tantalate (LiTaO 3 ) and / or lanthanum gallium silicate (La 3 Ga 5 SiO 14 ). In some embodiments, the substrate and / or the piezoelectric layer can consist of a LiNbO 3 crystal with a 128 ° XY cut.
Der mindestens eine Chip kann mindestens einen Wandler umfassen, der zum Senden und/oder Empfangen einer Welle konfiguriert ist. Ferner kann der Wandler mindestens der erste Wandler, der zweite Wandler, der dritte Wandler, der vierte Wandler, der Zeitmesswandler und/oder der Zeitsenderwandler sein.The at least one chip can include at least one transducer configured to transmit and / or receive a wave. Furthermore, the converter can be at least the first converter, the second converter, the third converter, the fourth converter, the time measuring converter and / or the time transmitter converter.
Der Wandler kann oben auf dem piezoelektrischen Substrat oder der piezoelektrischen Schicht angeordnet sein. Der Wandler kann dazu konfiguriert sein, eine Welle mit einer Wandlerwellenlänge zu senden und/oder zu empfangen, wobei die Wandlerwellenlänge im Bereich von 4 µm bis 400 µm, vorzugsweise 20 µm bis 200 µm, bevorzugter 40 µm bis 133 µm, liegen kann.The transducer can be arranged on top of the piezoelectric substrate or the piezoelectric layer. The transducer can be configured to transmit and / or receive a wave with a transducer wavelength, wherein the transducer wavelength can be in the range from 4 μm to 400 μm, preferably 20 μm to 200 μm, more preferably 40 μm to 133 μm.
Der mindestens eine Wandler kann ein Interdigitalwandler (IDT) sein, der zum Senden und/oder Empfangen einer akustischen Oberflächenwelle konfiguriert ist. Ferner kann jeder Interdigitalwandler mindestens zwei ineinandergreifende Elektroden umfassen. Zusätzlich kann jede der mindestens zwei ineinandergreifenden Elektroden mehrere Fingerelektroden umfassen, wobei die Fingerelektroden der ineinandergreifenden Elektroden ineinandergreifen können. Das heißt, die IDT kann beispielsweise zwei ineinandergreifende Elektroden umfassen, die einer ineinandergreifenden Kammstruktur ähneln.The at least one transducer can be an interdigital transducer (IDT) configured to transmit and / or receive a surface acoustic wave. Furthermore, each interdigital transducer can comprise at least two interdigitated electrodes. Additionally, each of the at least two interdigitated electrodes can include multiple finger electrodes, wherein the finger electrodes of the interdigitated electrodes can be interdigitated. That is, for example, the IDT may include two interdigitated electrodes that resemble an interdigitated comb structure.
In einigen Ausführungsformen kann jede der mindestens zwei ineinandergreifenden Elektroden eine identische Anzahl von Fingerelektroden umfassen. Zusätzlich oder alternativ dazu umfasst der Interdigitalwandler
Alternativ dazu können die ineinandergreifenden Elektroden derart angeordnet sein, dass die zwei ineinandergreifenden Elektroden abwechselnd die Elektrodengruppen, die jeweils eine gleiche Anzahl mehrerer benachbarter Fingerelektroden umfassen, umfassen können. So kann eine Periode des IDT beispielsweise 4 oder 8 Fingerelektroden umfassen. Ein derartiger IDT kann beispielsweise als IDT vom Doppel- oder Multielektrodentyp oder allgemeiner als IDT vom Split-Elektrodentyp bezeichnet werden. Solche IDT vom Split-Elektrodentyp können vorteilhafterweise den Zugang zu harmonischen Bändern ermöglichen, was wiederum die Vielseitigkeit derartiger IDT erhöhen kann.Alternatively, the interdigitated electrodes can be arranged such that the two interdigitated electrodes can alternately comprise the electrode groups each comprising an equal number of multiple adjacent finger electrodes. For example, one period of the IDT can include 4 or 8 finger electrodes. Such an IDT can, for example, as an IDT of the double or Multi-electrode type or more generally referred to as IDT of the split-electrode type. Such split-electrode type IDTs can advantageously provide access to harmonic bands, which in turn can increase the versatility of such IDTs.
In einigen Ausführungsformen können die Fingerelektroden periodisch beabstandet sein.In some embodiments, the finger electrodes can be periodically spaced.
In einigen Ausführungsformen können die Fingerelektroden abgeschrägt und/oder verjüngt sein. Beispielsweise können die Fingerelektroden zu einer der ineinandergreifenden Elektroden hin abgeschrägt und verjüngt sein, derart, dass sich die Dicke der Fingerelektroden
Der Wandler kann dazu konfiguriert sein, eine gechirpte akustische Oberflächenwelle zu senden und/oder zu empfangen. Ferner können die Fingerelektroden eine Fingerelektrodenbreite umfassen, wobei eine Entfernung zwischen aufeinanderfolgenden Fingerelektroden und der Fingerelektrodenbreite in einer Richtung senkrecht zu einer größten Ausdehnung der Fingerelektroden abnehmen kann.The transducer can be configured to transmit and / or receive a chirped surface acoustic wave. Furthermore, the finger electrodes can comprise a finger electrode width, wherein a distance between successive finger electrodes and the finger electrode width can decrease in a direction perpendicular to a greatest extent of the finger electrodes.
In einigen Ausführungsformen kann jede der mindestens zwei ineinandergreifenden Elektroden zwischen 3 und 1000 Fingerelektroden, vorzugsweise zwischen 3 und 700 Fingerelektroden, umfassen.In some embodiments, each of the at least two interdigitated electrodes can comprise between 3 and 1000 finger electrodes, preferably between 3 and 700 finger electrodes.
Der Interdigitalwandler kann eine elektrische Impedanz von 1 Ω bis 500 Ω, vorzugsweise 10 Ω bis 200 Ω, bevorzugter 30 Ω bis 100 Ω, etwa 50 Ω. umfassen.The interdigital transducer can have an electrical impedance of 1 Ω to 500 Ω, preferably 10 Ω to 200 Ω, more preferably 30 Ω to 100 Ω, approximately 50 Ω. include.
Der Interdigitalwandler kann eine akustische Blende umfassen, die eine überlappende Länge der mindestens zwei Elektroden bezeichnet. Ferner kann die akustische Blende im Bereich von 100 µm bis 3000 µm, vorzugsweise im Bereich von 200 µm bis 100 µm, bevorzugter im Bereich von 300 µm bis 800 µm, liegen.The interdigital transducer can comprise an acoustic screen which designates an overlapping length of the at least two electrodes. Furthermore, the acoustic screen can be in the range from 100 μm to 3000 μm, preferably in the range from 200 μm to 100 μm, more preferably in the range from 300 μm to 800 μm.
Der mindestens eine Wandler kann dazu konfiguriert sein, akustische Oberflächenwellen mit einer Anregungsleistung unter 1 W, vorzugsweise unter 10 mW, bevorzugter unter 1 mW, zu emittieren.The at least one transducer can be configured to emit surface acoustic waves with an excitation power below 1 W, preferably below 10 mW, more preferably below 1 mW.
Der erste Wandler, der zweite Wandler, der dritte Wandler, der vierte Wandler, der Zeitmesswandler und/oder der Zeitsenderwandler kann/können ein unidirektionaler Wandler sein.The first converter, the second converter, the third converter, the fourth converter, the time measuring converter and / or the time transmitter converter can be a unidirectional converter.
Der erste Wandler, der zweite Wandler, der dritte Wandler, der vierte Wandler, der Zeitmesswandler und/oder der Zeitsenderwandler kann/können ein bidirektionaler Wandler sein.The first converter, the second converter, the third converter, the fourth converter, the time measuring converter and / or the time transmitter converter can be a bidirectional converter.
Der Chip kann eine Siegelschicht, die den mindestens einen Anteil der Chipoberfläche bedeckt, und vorzugsweise Komponenten umfassen, die der Chip umfasst. Ferner kann die Siegelschicht den mindestens einen Wandler bedecken. Die Siegelschicht kann aus einem Material der Polyaryletherketon- (PAEK-) Familie, vorzugsweise Polyetheretherketon (PEEK), einem oxidkeramischen Material, Fused SiO2 (Kieselglas) oder Si3N4, bestehen. Das heißt, das bevorzugte Material aus der PAEK-Familie kann PEEK sein. Die Siegelschicht kann eine Siegelschichtdicke umfassen, wobei die Siegelschichtdicke weniger als das 10-fache der Wandlerwellenlänge, vorzugsweise weniger als das 5-fache der Wandlerwellenlänge, bevorzugter weniger als die Wandlerwellenlänge und noch bevorzugter weniger als das 0,25-fache der Wandlerwellenlänge, betragen kann.The chip can comprise a sealing layer that covers the at least a portion of the chip surface, and preferably comprises components that the chip comprises. Furthermore, the sealing layer can cover the at least one transducer. The sealing layer can consist of a material of the polyaryletherketone (PAEK) family, preferably polyetheretherketone (PEEK), an oxide-ceramic material, fused SiO 2 (silica glass) or Si 3 N 4 . That is, the preferred material from the PAEK family can be PEEK. The sealing layer can comprise a sealing layer thickness, the sealing layer thickness being less than 10 times the converter wavelength, preferably less than 5 times the converter wavelength, more preferably less than the converter wavelength and even more preferably less than 0.25 times the converter wavelength .
Der Chip kann eine Oberseite umfassen, wobei mindestens ein Anteil der Oberseite Teil der Innenfläche des Kanals sein kann. In einigen Ausführungsformen kann mindestens ein Anteil der Innenfläche des Kanals von einem akustischen Reflektor bereitgestellt werden. Der akustische Reflektor kann reflektierend und/oder brechend sein.The chip may include a top, where at least a portion of the top may be part of the inner surface of the channel. In some embodiments, at least a portion of the interior surface of the channel can be provided by an acoustic reflector. The acoustic reflector can be reflective and / or refractive.
In einigen Ausführungsformen kann der akustische Reflektor aus Saphir hergestellt sein. Alternativ dazu kann der akustische Reflektor ein Brechungsreflektor sein, der vorzugsweise aus einem synthetischen Material wie Kunststoff hergestellt ist. Vorzugsweise kann er aus einem Material des Polyaryletherketons (PAEK) und insbesondere PEEK hergestellt sein.In some embodiments, the acoustic reflector can be made from sapphire. Alternatively, the acoustic reflector can be a refractive reflector, which is preferably made from a synthetic material such as plastic. It can preferably be made from a material of the polyaryletherketone (PAEK) and in particular PEEK.
Zumindest ein Anteil des Chips kann als Wellenleiter für SAW konfiguriert sein.At least a portion of the chip can be configured as a waveguide for SAW.
Der Kanal kann eine Kanalhöhe umfassen, die der Ausdehnung des Kanals in einer Richtung senkrecht zum Chip und zur Strömungsrichtung entspricht. Ferner kann die Kanalhöhe höchstens 20 mm, vorzugsweise höchstens 5 mm, bevorzugter höchstens 1 mm betragen.The channel can comprise a channel height which corresponds to the expansion of the channel in a direction perpendicular to the chip and to the direction of flow. Furthermore, the channel height can be at most 20 mm, preferably at most 5 mm, more preferably at most 1 mm.
Der Kanal kann eine Kanalbreite umfassen, die der Ausdehnung des Kanals in einer Richtung parallel zum Chip und senkrecht zur Strömungsrichtung entspricht. Ferner kann die Kanalbreite höchstens 10 mm, vorzugsweise höchstens 3 mm, bevorzugter höchstens 1 mm, betragen.The channel can comprise a channel width which corresponds to the expansion of the channel in a direction parallel to the chip and perpendicular to the direction of flow. Furthermore, the channel width can be at most 10 mm, preferably at most 3 mm, more preferably at most 1 mm.
Der Sensor kann für Durchflussraten im Bereich von 1 µl/min bis 3 ml/min, bevorzugt 500 nl/min bis 5 ml/min, bevorzugter 1 nl/min bis 10 ml/min, konfiguriert sein. Ferner kann der Sensor dazu konfiguriert sein, die Durchflussraten mit einem relativen Fehler von bis zu 0,1 %, vorzugsweise bis zu 0,01 %, noch bevorzugter bis zu 0,001 %, zu messen.The sensor can be configured for flow rates in the range from 1 μl / min to 3 ml / min, preferably 500 nl / min to 5 ml / min, more preferably 1 nl / min to 10 ml / min. Furthermore, the sensor can be configured to measure the flow rates with a relative error of up to 0.1%, preferably up to 0.01%, even more preferably up to 0.001%.
Der Sensor kann für Drücke konfiguriert sein, die 100 bar überschreiten, vorzugsweise 500 bar überschreiten, bevorzugter 1000 bar überschreiten, etwa 2000 bar überschreiten.The sensor can be configured for pressures exceeding 100 bar, preferably exceeding 500 bar, more preferably exceeding 1000 bar, exceeding approximately 2000 bar.
In einigen Ausführungsformen können fluidfördernde Anteile des Sensors chemisch beständig, vorzugsweise chemisch inert sein.In some embodiments, fluid-conveying components of the sensor can be chemically stable, preferably chemically inert.
Die Strömungseigenschaft kann eine Durchflussrate des Fluids sein, zusätzlich oder alternativ dazu kann die Strömungseigenschaft eine Strömungsgeschwindigkeit des Fluids sein.The flow property can be a flow rate of the fluid; additionally or alternatively, the flow property can be a flow rate of the fluid.
Der erste Sender und der erste Empfänger können auf demselben Chip angeordnet sein. Alternativ dazu können der erste Sender und der erste Empfänger auf verschiedenen Chips angeordnet sein.The first transmitter and the first receiver can be arranged on the same chip. Alternatively, the first transmitter and the first receiver can be arranged on different chips.
Der zweite Sender und der zweite Empfänger können auf demselben Chip angeordnet sein. Alternativ dazu können der zweite Sender und der zweite Empfänger auf verschiedenen Chips angeordnet sein.The second transmitter and the second receiver can be arranged on the same chip. Alternatively, the second transmitter and the second receiver can be arranged on different chips.
In einigen Ausführungsformen können der zweite Sender und der zweite Empfänger auf einem anderen Chip angeordnet sein als der zweite Sender und der zweite Empfänger.In some embodiments, the second transmitter and the second receiver can be arranged on a different chip than the second transmitter and the second receiver.
Der Verweilzeitsender und der Verweilzeitempfänger können auf demselben Chip angeordnet sein. Alternativ dazu können der Verweilzeitsender und der Verweilzeitempfänger auf verschiedenen Chips angeordnet sein.The dwell time transmitter and the dwell time receiver can be arranged on the same chip. Alternatively, the dwell time transmitter and the dwell time receiver can be arranged on different chips.
Das piezoelektrische Substrat oder die piezoelektrische Schicht können eine SAW-Schallgeschwindigkeit cS umfassen, die der Ausbreitungsgeschwindigkeit einer SAW innerhalb des piezoelektrischen Substrats bzw. der piezoelektrischen Schicht entspricht. Zusätzlich oder alternativ dazu kann das durch den Sensor geleitete Fluid eine Fluidschallgeschwindigkeit cF umfassen, die der Ausbreitungsgeschwindigkeit einer Schallwelle innerhalb des Fluids entspricht.The piezoelectric substrate or the piezoelectric layer can comprise a SAW speed of sound c S , which corresponds to the propagation speed of a SAW within the piezoelectric substrate or the piezoelectric layer. Additionally or alternatively, the fluid passed through the sensor can include a fluid sound velocity c F , which corresponds to the propagation velocity of a sound wave within the fluid.
Der Verweilzeitempfänger kann eine Verweilzeitempfängerlänge in Strömungsrichtung umfassen, und der Verweilzeitsender kann eine Verweilzeitsenderlänge in Strömungsrichtung umfassen, wobei die Verweilzeitempfängerlänge größer als die Verweilzeitsenderlänge ist.The dwell receiver can comprise a dwell receiver length in the direction of flow, and the dwell transmitter can comprise a dwell transmitter length in the direction of flow, the dwell receiver length being greater than the dwell transmitter length.
Der Verweilzeitempfänger kann eine Verweilzeitempfängerlänge in Strömungsrichtung umfassen, wobei die Verweilzeitempfängerlänge im Bereich von 0,1 mm bis 100 mm, vorzugsweise 0,2 mm bis 50 mm, bevorzugter 0,2 mm bis 20 mm, liegen kann.The residence time receiver can comprise a residence time receiver length in the direction of flow, wherein the residence time receiver length can be in the range from 0.1 mm to 100 mm, preferably 0.2 mm to 50 mm, more preferably 0.2 mm to 20 mm.
Der Verweilzeitsender kann eine Verweilzeitsenderlänge in Strömungsrichtung umfassen, wobei die Verweilzeitsenderlänge im Bereich von 12 µm bis 40 mm, vorzugsweise 60 µm bis 20 mm, bevorzugter 120 µm bis 14 mm, liegen kann.The dwell time transmitter can comprise a dwell time transmitter length in the direction of flow, the dwell time transmitter length being in the range from 12 μm to 40 mm, preferably 60 μm to 20 mm, more preferably 120 μm to 14 mm.
Der Verweilzeitsender und der Verweilzeitempfänger können durch eine Verzögerungsleitungslänge in Strömungsrichtung getrennt sein, wobei die Verzögerungsleitungslänge mindestens 10 µm, vorzugsweise mindestens 50 µm, bevorzugter mindestens 100 µm, betragen kann.The dwell time transmitter and the dwell time receiver can be separated in the direction of flow by a delay line length, wherein the delay line length can be at least 10 μm, preferably at least 50 μm, more preferably at least 100 μm.
Die Verarbeitungseinheit kann dazu konfiguriert sein, Signale von der Sender- und Empfängeranordnung zu empfangen. Ferner kann die Verarbeitungseinheit dazu konfiguriert sein, Signale an die Sender- und Empfängeranordnung zu senden. Die Sender- und Empfängeranordnung kann dazu konfiguriert sein, Signale von einem Signalgenerator zu empfangen. Ferner kann die Verarbeitungseinheit dazu konfiguriert sein, Signale an den Signalgenerator zu senden.The processing unit can be configured to receive signals from the transmitter and receiver arrangement. Furthermore, the processing unit can be configured to send signals to the transmitter and receiver arrangement. The transmitter and receiver arrangement can be configured to send signals to be received by a signal generator. Furthermore, the processing unit can be configured to send signals to the signal generator.
Die Verarbeitungseinheit kann dazu konfiguriert sein, die Verweilzeit zu bestimmen. Ferner kann die Verarbeitungseinheit dazu konfiguriert sein, eine Verweilzeit basierend auf einem vom Verweilzeitempfänger empfangenen Signal zu bestimmen.The processing unit can be configured to determine the dwell time. Furthermore, the processing unit can be configured to determine a dwell time based on a signal received from the dwell time receiver.
Die Verarbeitungseinheit kann zur Ausführung von Schritten des Verfahrens gemäß einer der vorhergehenden Verfahrensausführungsformen konfiguriert sein. Die Verarbeitungseinheit kann dazu konfiguriert sein, ein Differenzmaß basierend auf Signalen zu bestimmen, die vom ersten und zweiten Empfänger empfangen werden.The processing unit can be configured to carry out steps of the method according to one of the preceding method embodiments. The processing unit can be configured to determine a difference measure based on signals received from the first and second receivers.
Die Verarbeitungseinheit kann dazu konfiguriert sein, die Verweilzeit und das Differenzmaß zum Bestimmen der Strömungseigenschaft zu verwenden.The processing unit can be configured to use the dwell time and the difference measure to determine the flow property.
Die Verarbeitungseinheit kann dazu konfiguriert sein, eine digitale Nachverarbeitung von Signalen durchzuführen, die von der Sender- und Empfängeranordnung empfangen werden.The processing unit can be configured to carry out digital post-processing of signals that are received from the transmitter and receiver arrangement.
Die Verarbeitungseinheit kann dazu konfiguriert sein, eine digitale Nachverarbeitung des Differenzmaßes durchzuführen.The processing unit can be configured to carry out digital post-processing of the difference measure.
In einigen Ausführungsformen kann mindestens ein Anteil des Kanals dazu konfiguriert sein, einen akustischen Wellenleiter für Wellen bereitzustellen, die das Fluid durchlaufen. In some embodiments, at least a portion of the channel can be configured to provide an acoustic waveguide for waves traversing the fluid.
Der Kanal kann aus einem Kanalmaterial gebildet sein, wobei das Kanalmaterial eine Materialschallgeschwindigkeit cm, umfassen kann, die kleiner als die SAW-Schallgeschwindigkeit ist. Ferner kann der Chip eine Oberseite umfassen, wobei die Oberseite unter Umständen nicht Teil der Innenfläche des Kanals ist.The channel can be formed from a channel material, wherein the channel material can comprise a material sound velocity c m , which is less than the SAW sound velocity. Furthermore, the chip can comprise a top side, the top side possibly not being part of the inner surface of the channel.
Der Chip kann über ein Kopplungsmaterial mit dem Kanalmaterial gekoppelt sein, wobei das Kopplungsmaterial dazu konfiguriert sein kann, zu ermöglichen, dass sich eine SAW vom Chip zum Kanalmaterial und umgekehrt ausbreitet. Ferner kann das Kopplungsmaterial eine Kopplungsmaterialdicke umfassen, wobei die Kopplungsmaterialdicke weniger als 50 %, vorzugsweise weniger als 25 % und bevorzugter weniger als 10 % der Wandlerwellenlänge, betragen kann.The chip can be coupled to the channel material via a coupling material, wherein the coupling material can be configured to allow a SAW to propagate from the chip to the channel material and vice versa. Furthermore, the coupling material can comprise a coupling material thickness, wherein the coupling material thickness can be less than 50%, preferably less than 25% and more preferably less than 10% of the transducer wavelength.
Das vorstehend beschriebene Verfahren kann die Verwendung eines Sensors wie vorstehend beschrieben umfassen.The method described above can include the use of a sensor as described above.
Ganz allgemein umfasst die vorliegende Erfindung eine neue Technologie zum Messen einer Strömungseigenschaft eines Fluids, z. B. des Durchflusses einer Flüssigkeit, mittels einer Welle, z. B. einer akustischen Oberflächenwelle (SAW), die zumindest teilweise als eine Volumenwelle, insbesondere eine Schallwelle, in das Fluid eingekoppelt werden kann. Die Messung kann auf einer strömungsinduzierten lokalen Verlagerung (auch als lokale „Verschiebung“ bezeichnet) einer Schallwelle basieren, die durch einen Wandler generiert wird, z. B. einen Interdigitalwandler (IDT), die von einem anderen Wandler empfangen wird, der stromaufwärts oder stromabwärts des generierenden (z. B. emittierenden) Wandlers angeordnet ist. Aufgrund der strömungsinduzierten lokalen Verlagerung kann die Schallwelle mit einer Zeitverzögerung (oder einem Vorlauf) empfangen werden. Im Idealfall kann die lokale Verlagerung ausschließlich linear zur durchschnittlichen Strömungsgeschwindigkeit des Fluidkanals sein. Das Signal kann jedoch auch durch andere Variablen etwa Druck-, Temperatur-, Dichte-, Leitfähigkeits- und Viskositätsänderungen des Fluids beeinflusst werden. Das heißt, die Fluideigenschaften und/oder Umgebungsparameter können die Zeitverzögerung der Schallwelle beeinflussen - ein Problem, das dazu führt, dass Sensoren daher eine sorgfältige Kalibrierung und Kontrolle der Umgebungsparameter erfordern.In general, the present invention encompasses a new technology for measuring a flow characteristic of a fluid, e.g. B. the flow of a liquid, by means of a shaft, e.g. B. a surface acoustic wave (SAW), which can be coupled at least partially as a volume wave, in particular a sound wave, into the fluid. The measurement can be based on a flow-induced local displacement (also referred to as a local "displacement") of a sound wave that is generated by a transducer, e.g. B. an interdigital transducer (IDT) received by another transducer located upstream or downstream of the generating (e.g., emitting) transducer. Due to the flow-induced local displacement, the sound wave can be received with a time delay (or a lead time). In the ideal case, the local displacement can be exclusively linear to the average flow velocity of the fluid channel. However, the signal can also be influenced by other variables such as changes in pressure, temperature, density, conductivity and viscosity of the fluid. That is, the fluid properties and / or environmental parameters can affect the time delay of the sound wave - a problem that means that sensors therefore require careful calibration and control of the environmental parameters.
Im Allgemeinen können die unerwünschten Variablen durch eine wechselseitige zeitlich unterschiedliche Messung kompensiert werden. Vor der vorliegenden Erfindung konnte die lokale Verlagerung der Schallwelle jedoch nicht von der reinen Ausbreitungszeit der Schallwelle im Fluid getrennt werden, die auch als Verweilzeit bezeichnet werden kann. Dies kann zu einer Fluidabhängigkeit führen, die im Allgemeinen für die HPLC ungeeignet sein kann und zur Notwendigkeit einer fluidabhängigen Kalibrierung führt. Die vorliegende Erfindung kann das Messen des vorstehend beschriebenen Signals ermöglichen, das (kombinierte) Informationen sowohl über die strömungsunabhängige Ausbreitungszeit und die lokale Verlagerung der Schallwelle als auch ein weiteres Signal umfasst, das das Extrahieren der Ausbreitungszeit der Schallwelle ermöglicht. Daher können es die Gesamtinformationen, die aus diesen Signalen gewonnen werden können, ermöglichen, (z. B. kontinuierlich) ein strömungsunabhängiges Strömungssignal zu bestimmen. Basierend auf dem Strömungssignal kann eine entsprechende Strömungseigenschaft, beispielsweise eine Durchflussrate, bestimmt werden. Somit erfordert die vorliegende Erfindung vorteilhafterweise unter Umständen keine fluidabhängige Kalibrierung.In general, the undesired variables can be compensated for by a mutual measurement that differs over time. Before the present invention, however, the local displacement of the sound wave could not be separated from the pure propagation time of the sound wave in the fluid, which can also be referred to as the dwell time. This can lead to a fluid dependency, which in general can be unsuitable for HPLC and leads to the need for a fluid-dependent calibration. The present invention can enable the measurement of the above-described signal, which comprises (combined) information about both the flow-independent propagation time and the local displacement of the sound wave, as well as a further signal that enables the propagation time of the sound wave to be extracted. Therefore The overall information that can be obtained from these signals can make it possible (e.g. continuously) to determine a flow signal that is independent of the flow. A corresponding flow property, for example a flow rate, can be determined based on the flow signal. Thus, advantageously, the present invention may not require fluid dependent calibration.
Nachstehend wird auf Verfahrensausführungsformen Bezug genommen. Diese Ausführungsformen werden durch den Buchstaben „M“ mit nachfolgender Nummer abgekürzt. Wann immer in diesem Schriftstück auf „Verfahrensausführungsformen“ Bezug genommen wird, sind diese Ausführungsformen gemeint.Reference is made below to method embodiments. These embodiments are abbreviated by the letter “M” followed by the number. Whenever "method embodiments" are referred to in this document, these embodiments are meant.
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M1. Verfahren zum Bestimmen einer Strömungseigenschaft eines Fluids, wobei das Verfahren umfasst:
- Senden einer ersten Welle von einem ersten Sender an einen ersten Empfänger, wobei die erste Welle das Fluid auf ihrem Weg vom ersten Sender zum ersten Empfänger durchläuft, und Empfangen eines Signals der ersten Welle am ersten Empfänger,
- Bestimmen eines ersten Merkmals basierend auf dem Signal der ersten Welle,
- Senden einer zweiten Welle von einem zweiten Sender an einen zweiten Empfänger, wobei die zweite Welle das Fluid auf ihrem Weg vom zweiten Sender zum zweiten Empfänger durchläuft, und Empfangen eines Signals der zweiten Welle am zweiten Empfänger,
- Bestimmen eines zweiten Merkmals basierend auf dem Signal der zweiten Welle,
- Subtrahieren eines der Merkmale von dem anderen Merkmal und somit Generieren eines Differenzmaßes,
- Bestimmen einer Verweilzeit, die eine von der ersten Welle zum Durchlaufen des Fluids auf ihrem Weg vom ersten Sender zum ersten Empfänger benötigte Ausbreitungszeit und/oder eine von der zweiten Welle zum Durchlaufen des Fluids auf ihrem Weg vom zweiten Sender zum zweiten Empfänger benötigte Ausbreitungszeit angibt,
- Verwenden des Differenzmaßes und der Verweilzeit zum Bestimmen der Strömungseigenschaft.
- Sending a first wave from a first transmitter to a first receiver, the first wave traversing the fluid on its way from the first transmitter to the first receiver, and receiving a signal of the first wave at the first receiver,
- Determining a first feature based on the signal of the first wave,
- Sending a second wave from a second transmitter to a second receiver, the second wave traversing the fluid on its way from the second transmitter to the second receiver, and receiving a signal of the second wave at the second receiver,
- Determining a second feature based on the signal of the second wave,
- Subtract one of the features from the other feature and thus generate a difference measure,
- Determining a dwell time which specifies a propagation time required by the first wave to pass through the fluid on its way from the first transmitter to the first receiver and / or a propagation time required by the second wave to pass through the fluid on its way from the second transmitter to the second receiver,
- Using the difference measure and the dwell time to determine the flow property.
- M2. Verfahren gemäß der vorhergehenden Verfahrensausführungsform, wobei ein erster Wandler den ersten Sender und den zweiten Empfänger bildet und ein zweiter Wandler den zweiten Sender und den ersten Empfänger bildet.M2. Method according to the preceding method embodiment, wherein a first converter forms the first transmitter and the second receiver and a second converter forms the second transmitter and the first receiver.
- M3. Verfahren gemäß der vorletzten Ausführungsform, wobei ein erster Wandler den ersten Sender und den zweiten Sender bildet, ein zweiter Wandler den ersten Empfänger bildet und ein dritter Wandler den zweiten Empfänger bildet.M3. Method according to the penultimate embodiment, wherein a first transducer forms the first transmitter and the second transmitter, a second transducer forms the first receiver and a third transducer forms the second receiver.
- M4. Verfahren gemäß Verfahrensausführungsform M1, wobei ein erster Wandler den ersten Sender bildet, ein zweiter Wandler den ersten Empfänger bildet, ein dritter Wandler den zweiten Sender bildet und ein vierter Wandler den zweiten Empfänger bildet.M4. Method according to method embodiment M1, wherein a first converter forms the first transmitter, a second transducer forms the first receiver, a third converter forms the second transmitter and a fourth transducer forms the second receiver.
- M5. Verfahren gemäß einer der 3 vorhergehenden Verfahrensausführungsformen, wobei der zweite Wandler die gleichen Eigenschaften wie der erste Wandler umfasst.M5. Method according to one of the 3 preceding method embodiments, wherein the second converter has the same properties as the first converter.
- M6. Verfahren gemäß einer der 3 vorhergehenden Verfahrensausführungsformen, wobei der dritte Wandler die gleichen Eigenschaften wie der erste Wandler umfasst.M6. Method according to one of the 3 preceding method embodiments, wherein the third converter has the same properties as the first converter.
- M7. Verfahren gemäß einer der 4 vorhergehenden Verfahrensausführungsformen, wobei der dritte Wandler die gleichen Eigenschaften wie der zweite Wandler umfasst.M7. Method according to one of the 4 preceding method embodiments, wherein the third converter has the same properties as the second converter.
- M8. Verfahren gemäß einer der 4 vorhergehenden Verfahrensausführungsformen, wobei der vierte Wandler die gleichen Eigenschaften wie der erste Wandler umfasst.M8. Method according to one of the 4 preceding method embodiments, wherein the fourth converter has the same properties as the first converter.
- M9. Verfahren gemäß einer der 5 vorhergehenden Verfahrensausführungsformen, wobei der vierte Wandler die gleichen Eigenschaften wie der zweite Wandler umfasst.M9. Method according to one of the 5 preceding method embodiments, wherein the fourth converter has the same properties as the second converter.
- M10. Verfahren gemäß einer der 6 vorhergehenden Verfahrensausführungsformen, wobei der vierte Wandler die gleichen Eigenschaften wie der dritte Wandler umfasst.M10. Method according to one of the 6 preceding method embodiments, wherein the fourth converter has the same properties as the third converter.
- M11. Verfahren gemäß einer der vorhergehenden Verfahrensausführungsformen, wobei das Verfahren ferner das Leiten des Fluids durch einen Kanal umfasst.M11. Method according to one of the preceding method embodiments, the method further comprising directing the fluid through a channel.
- M12. Verfahren gemäß einer der vorhergehenden Verfahrensausführungsformen, wobei der Schritt des Sendens der ersten Welle vom ersten Sender zum ersten Empfänger das mindestens einmalige Reflektieren und/oder Brechen der ersten Welle umfasst.M12. Method according to one of the preceding method embodiments, wherein the step of transmitting the first wave from the first transmitter to the first receiver comprises reflecting and / or breaking the first wave at least once.
- M13. Verfahren gemäß einer der vorhergehenden Verfahrensausführungsformen, wobei der Schritt des Sendens der zweiten Welle vom zweiten Sender zum zweiten Empfänger das mindestens einmalige Reflektieren und/oder Brechen der zweiten Welle umfasst.M13. Method according to one of the preceding method embodiments, wherein the step of transmitting the second wave from the second transmitter to the second receiver comprises reflecting and / or breaking the second wave at least once.
- M14. Verfahren gemäß einer der vorhergehenden Verfahrensausführungsformen, wobei das Fluid eine Strömungsrichtung umfasst.M14. Method according to one of the preceding method embodiments, wherein the fluid comprises a direction of flow.
- M15. Verfahren gemäß der vorhergehenden Verfahrensausführungsform, wobei die zweite Welle das Fluid in einer Richtung durchläuft, die der ersten Welle in Bezug auf die Strömungsrichtung entgegengesetzt ist.M15. Method according to the preceding method embodiment, wherein the second wave traverses the fluid in a direction which is opposite to the first wave with respect to the direction of flow.
- M16. Verfahren gemäß einer der vorhergehenden Verfahrensausführungsformen, wobei das Signal von der ersten und/oder der zweiten Welle nicht direkt nach dem Durchlaufen des Fluids vom jeweiligen Empfänger empfangen wird.M16. Method according to one of the preceding method embodiments, wherein the signal from the first and / or the second wave is not received by the respective receiver directly after the fluid has passed through.
- M17. Verfahren gemäß einer der vorhergehenden Verfahrensausführungsformen, wobei sich die erste und die zweite Welle beim Durchlaufen des Fluids als Schallwellen ausbreiten.M17. Method according to one of the preceding method embodiments, wherein the first and second waves propagate as sound waves when passing through the fluid.
- M18. Verfahren gemäß einer der vorhergehenden Verfahrensausführungsformen, wobei das Bestimmen des Merkmals basierend auf dem Signal der jeweiligen Welle das Bestimmen einer Phasenverschiebung zwischen der vom jeweiligen Sender ausgesendeten Welle und dem vom jeweiligen Empfänger empfangenen Signal der Welle umfasst.M18. Method according to one of the preceding method embodiments, wherein the determination of the feature based on the signal of the respective wave comprises the determination of a phase shift between the wave transmitted by the respective transmitter and the signal of the wave received by the respective receiver.
- M19. Verfahren gemäß einer der vorhergehenden Verfahrensausführungsformen, wobei das Verwenden des Differenzmaßes und der Verweilzeit zum Bestimmen der Strömungseigenschaft das Dividieren des Differenzmaßes durch die Verweilzeit umfasst, um einen Strömungsgeschwindigkeitsterm abzuleiten, der proportional zur Strömungsgeschwindigkeit des Fluids ist.M19. A method according to any of the preceding method embodiments, wherein using the difference measure and the dwell time to determine the flow property comprises dividing the difference measure by the dwell time to derive a flow rate term proportional to the flow rate of the fluid.
- M20. Verfahren gemäß einer der vorhergehenden Verfahrensausführungsformen, wobei das Bestimmen der Verweilzeit das Senden einer Verweilzeitwelle von einem Verweilzeitsender an einen Verweilzeitempfänger, wobei die Verweilzeitwelle das Fluid auf ihrem Weg vom Verweilzeitsender an den Verweilzeitempfänger durchläuft, und das Empfangen eines Signals der Verweilzeitwelle am Verweilzeitempfänger umfasst.M20. Method according to one of the preceding method embodiments, wherein determining the dwell time comprises sending a dwell time wave from a dwell time transmitter to a dwell time receiver, the dwell time wave passing through the fluid on its way from the dwell time transmitter to the dwell time receiver, and receiving a signal of the dwell time wave at the dwell time receiver.
- M21. Verfahren gemäß der vorhergehenden Verfahrensausführungsform, wobei sich die Verweilzeitwelle beim Durchlaufen des Fluids als Schallwelle ausbreitet.M21. Method according to the preceding method embodiment, wherein the dwell time wave propagates as a sound wave when passing through the fluid.
- M22. Verfahren gemäß einer der 2 vorhergehenden Verfahrensausführungsformen, wobei die erste und/oder die zweite Welle die Verweilzeitwelle bildet.M22. Method according to one of the 2 preceding method embodiments, wherein the first and / or the second wave forms the dwell time wave.
- M23. Verfahren gemäß einer der 3 vorhergehenden Verfahrensausführungsformen, wobei das Signal der Verweilzeitwelle vom Verweilzeitempfänger direkt nach dem Durchlaufen des Fluids empfangen wird.M23. Method according to one of the 3 preceding method embodiments, wherein the signal of the dwell time wave is received by the dwell time receiver directly after the fluid has passed through.
- M24. Verfahren gemäß einer der 4 vorhergehenden Verfahrensausführungsformen, wobei das Bestimmen der Verweilzeit das Bestimmen der Gesamtausbreitungszeit ΔtIDT zwischen dem Verweilzeitsender, der die Welle sendet, und dem Verweilzeitempfänger, der das Signal der Welle empfängt, umfasst.M24. Method according to one of the 4 preceding method embodiments, wherein determining the dwell time comprises determining the total propagation time Δt IDT between the dwell time transmitter which transmits the wave and the dwell time receiver which receives the signal of the wave.
- M25. Verfahren gemäß der vorhergehenden Verfahrensausführungsform, wobei das Bestimmen der Verweilzeit ferner das Korrigieren der Gesamtausbreitungszeit ΔtIDT für eine fluid- und strömungsunabhängige Offset-Zeit ΔtOffset umfasst.M25. Method according to the preceding method embodiment, wherein determining the dwell time further comprises correcting the total propagation time Δt IDT for a fluid- and flow-independent offset time Δt offset.
- M26. Verfahren gemäß der vorhergehenden Verfahrensausführungsform, wobei das Verfahren ferner das Bestimmen der fluid- und strömungsunabhängigen Offset-Zeit ΔtOffset durch eine sensorspezifische Kalibriermessung umfasst.M26. Method according to the preceding method embodiment, the method further comprising determining the fluid- and flow-independent offset time Δt offset by means of a sensor-specific calibration measurement.
- M27. Verfahren gemäß einer der vorhergehenden Verfahrensausführungsformen und mit den Merkmalen von M11, wobei eine Welle, die das Fluid durchläuft, die Welle umfasst, die den Kanal mindestens einmal kreuzt.M27. Method according to one of the preceding method embodiments and having the features of M11, wherein a wave which the fluid passes through comprises the wave which crosses the channel at least once.
- M28. Verfahren gemäß der vorhergehenden Verfahrensausführungsform, wobei die erste und/oder die zweite Welle, die das Fluid durchläuft, das Reflektieren und/oder Brechen der jeweiligen Welle mindestens einmal an einer Innenfläche des Kanals umfasst.M28. Method according to the preceding method embodiment, wherein the first and / or the second wave which the fluid traverses comprises reflecting and / or breaking the respective wave at least once on an inner surface of the channel.
- M29. Verfahren gemäß einer der 2 vorhergehenden Verfahrensausführungsformen und mit den Merkmalen von M20, wobei die Verweilzeitwelle, die das Fluid durchläuft, das mindestens einmalige Reflektieren und/oder Brechen der Verweilzeitwelle an einer Innenfläche des Kanals umfasst.M29. Method according to one of the 2 preceding method embodiments and having the features of M20, wherein the dwell time wave through which the fluid passes comprises the reflection and / or breaking of the dwell time wave at an inner surface of the channel at least once.
- M30. Verfahren gemäß einer der vorhergehenden Verfahrensausführungsformen und mit den Merkmalen von M20 und M26, wobei das Bestimmen der Verweilzeit das Berücksichtigen der Häufigkeit umfasst, mit der die Verweilzeitwelle den Kanal beim Durchlaufen des Fluids kreuzte.M30. Method according to one of the preceding method embodiments and having the features of M20 and M26, wherein the determination of the dwell time comprises taking into account the frequency with which the dwell time wave crossed the channel when the fluid passed through.
- M31. Verfahren gemäß einer der vorhergehenden Verfahrensausführungsformen und mit den Merkmalen der Verfahrensausführungsformen M20 und einer von M2, M3, M4, wobei der erste, der zweite, der dritte oder der vierte Wandler ferner den Verweilzeitsender bildet.M31. Method according to one of the preceding method embodiments and having the features of method embodiments M20 and one of M2, M3, M4, the first, second, third or fourth converter also forming the dwell time transmitter.
- M32. Verfahren gemäß einer der vorhergehenden Verfahrensausführungsformen und mit den Merkmalen der Verfahrensausführungsformen M20 und einer von M2, M3, M4, wobei der Wandler, der den ersten Sender bildet, oder der Wandler, der den zweiten Sender bildet, ferner den Verweilzeitsender bildet.M32. Method according to one of the preceding method embodiments and having the features of method embodiments M20 and one of M2, M3, M4, wherein the converter which forms the first transmitter or the converter which forms the second transmitter also forms the dwell time transmitter.
- M33. Verfahren gemäß einer der vorhergehenden Verfahrensausführungsformen und mit den Merkmalen von M20, wobei ein Zeitsenderwandler den Verweilzeitsender bildet.M33. Method according to one of the preceding method embodiments and having the features of M20, wherein a time transmitter converter forms the dwell time transmitter.
- M34. Verfahren gemäß einer der vorhergehenden Verfahrensausführungsformen und mit den Merkmalen der Verfahrensausführungsformen M20 und einer von M2, M3, M4, wobei der erste, der zweite, der dritte oder der vierte Wandler ferner den Verweilzeitempfänger bildet.M34. Method according to one of the preceding method embodiments and having the features of method embodiments M20 and one of M2, M3, M4, the first, second, third or fourth converter also forming the dwell time receiver.
- M35. Verfahren gemäß einer der vorhergehenden Verfahrensausführungsformen und mit den Merkmalen der Verfahrensausführungsformen M20 und einer von M2, M3, M4, wobei der Wandler, der den ersten Empfänger bildet, oder der Wandler, der den zweiten Empfänger bildet, ferner den Verweilzeitempfänger bildet.M35. Method according to one of the preceding method embodiments and having the features of method embodiments M20 and one of M2, M3, M4, wherein the converter which forms the first receiver or the converter which forms the second receiver also forms the dwell receiver.
- M36. Verfahren gemäß einer der vorhergehenden Verfahrensausführungsformen und mit den Merkmalen von M20, wobei der Zeitmesswandler den Verweilzeitsender bildet.M36. Method according to one of the preceding method embodiments and having the features of M20, wherein the time measuring transducer forms the dwell time transmitter.
- M37. Verfahren gemäß einer der vorhergehenden Verfahrensausführungsformen, wobei die Strömungseigenschaft eine Strömungsgeschwindigkeit des Fluids ist.M37. Method according to one of the preceding method embodiments, wherein the flow property is a flow velocity of the fluid.
- M38. Verfahren gemäß einer der vorhergehenden Verfahrensausführungsformen mit Ausnahme der Verfahrensausführungsform M37, wobei die Strömungseigenschaft eine Durchflussrate des Fluids ist.M38. Method according to one of the preceding method embodiments with the exception of method embodiment M37, wherein the flow property is a flow rate of the fluid.
- M39. Verfahren gemäß einer der vorhergehenden Verfahrensausführungsformen und mit den Merkmalen von mindestens einer von M2, M3, M4, M33 und M36, wobei die Wandler Interdigitalwandler (IDT) sind, die zum Senden und Empfangen von akustischen Oberflächenwellen (SAW) konfiguriert sind.M39. Method according to one of the preceding method embodiments and having the features of at least one of M2, M3, M4, M33 and M36, wherein the transducers are interdigital transducers (IDT) which are configured to transmit and receive surface acoustic waves (SAW).
- M40. Verfahren gemäß einer der vorhergehenden Verfahrensausführungsformen mit den Merkmalen von M20, wobei der Zeitmesswandler stromabwärts des Verweilzeitsenders angeordnet ist.M40. Method according to one of the preceding method embodiments with the features of M20, wherein the time measuring transducer is arranged downstream of the dwell time transmitter.
- M41. Verfahren gemäß einer der vorhergehenden Verfahrensausführungsformen, wobei die erste Welle und die zweite Welle jeweils impulsförmige Wellen im Zeitbereich sind.M41. Method according to one of the preceding method embodiments, wherein the first wave and the second wave are each pulse-shaped waves in the time domain.
- M42. Verfahren gemäß einer der vorhergehenden Verfahrensausführungsformen und mit dem Merkmal von M20, wobei die Verweilzeitwelle eine impulsförmige Welle im Zeitbereich ist.M42. Method according to one of the preceding method embodiments and having the feature of M20, wherein the dwell time wave is a pulse-shaped wave in the time domain.
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M43 . Verfahren gemäß einer der vorhergehenden Verfahrensausführungsformen und mit den Merkmalen von mindestens einer der Ausführungsformen M2, M3, M4, M33 und M36, wobei das Senden der ersten Welle, der zweiten Welle und/oder der Verweilzeitwelle das Bereitstellen eines Wechselspannungssignals an den Wandler, der den jeweiligen Sender für die Welle bildet, umfasst.M43 . Method according to one of the preceding method embodiments and with the features of at least one of the embodiments M2, M3, M4, M33 and M36, wherein the transmission of the first wave, the second wave and / or the dwell time wave is the provision of an AC voltage signal to the converter, the each transmitter for the wave forms includes. - M44. Verfahren gemäß der vorhergehenden Verfahrensausführungsform, wobei das Wechselspannungssignal bei einer Spannungsfrequenz wechselt und wobei die Spannungsfrequenz im Bereich von 10 MHz bis 1000 MHz, vorzugsweise im Bereich von 20 MHz bis 200 MHz, bevorzugter im Bereich von 30 MHz bis 100 MHz, liegt.M44. Method according to the preceding method embodiment, wherein the AC voltage signal changes at a voltage frequency and wherein the voltage frequency is in the range from 10 MHz to 1000 MHz, preferably in the range from 20 MHz to 200 MHz, more preferably in the range from 30 MHz to 100 MHz.
- M45. Verfahren gemäß einer der 2 vorhergehenden Verfahrensausführungsformen, wobei das Wechselspannungssignal eine Effektivspannung (RMS-Spannung) umfasst und wobei die Effektivspannung im Bereich von -90 dBm bis 30 dBm, vorzugsweise im Bereich von -60 dBm bis 10 dBm, bevorzugter im Bereich von -40 dBm bis 0 dBm, liegt.M45. Method according to one of the 2 preceding method embodiments, wherein the AC voltage signal comprises an effective voltage (RMS voltage) and wherein the effective voltage is in the range from -90 dBm to 30 dBm, preferably in the range from -60 dBm to 10 dBm, more preferably in the range from -40 dBm to 0 dBm.
- M45b. Verfahren gemäß einer der 3 vorhergehenden Verfahrensausführungsformen, wobei das Wechselspannungssignal eine Effektivspannung (RMS-Spannung) umfasst und wobei die Effektivspannung im Bereich von 1 µV bis 10 V, vorzugsweise im Bereich von 10 µV bis 1 V, bevorzugter im Bereich von 100 µV bis 100 mV, liegt.M45b. Method according to one of the 3 preceding method embodiments, wherein the AC voltage signal comprises an effective voltage (RMS voltage) and wherein the effective voltage is in the range from 1 μV to 10 V, preferably in the range from 10 μV to 1 V, more preferably in the range from 100 μV to 100 mV.
- M46. Verfahren gemäß einer der 4 vorhergehenden Verfahrensausführungsformen, wobei das Wechselspannungssignal ein impulsförmiges Wechselspannungssignal ist.M46. Method according to one of the 4 preceding method embodiments, wherein the AC voltage signal is a pulsed AC voltage signal.
- M47. Verfahren gemäß der vorhergehenden Verfahrensausführungsform, wobei das impulsförmige Wechselspannungssignal eine Impulslänge umfasst, wobei die Impulslänge im Bereich von 0,1 ns bis 100 µs, vorzugsweise im Bereich von 1 ns bis 10 µs, bevorzugter im Bereich von 10 ns bis 3 µs, liegt.M47. Method according to the preceding method embodiment, wherein the pulsed AC voltage signal comprises a pulse length, the pulse length being in the range from 0.1 ns to 100 microseconds, preferably in the range from 1 ns to 10 microseconds, more preferably in the range from 10 ns to 3 microseconds.
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M48. Verfahren gemäß einer der vorhergehenden Verfahrensausführungsformen, wobei das Fluid einen Fluiddruck aufweist und der Fluiddruck
100 bar, vorzugsweise 500 bar, bevorzugter 1000 bar, etwa 2000 bar, überschreitet.M48. Method according to one of the preceding method embodiments, wherein the fluid has a fluid pressure and the fluid pressure100 bar, preferably 500 bar, more preferably 1000 bar, about 2000 bar. - M49. Verfahren gemäß einer der vorhergehenden Verfahrensausführungsformen, wobei die Strömungseigenschaft für ein Fluid bestimmt wird, das eine Durchflussrate mindestens im Bereich von 1 µl/min bis 3 ml/min, vorzugsweise 500 nl/min bis 5 ml/min, bevorzugter 1 nl/min bis 10 ml/min, umfasst.M49. Method according to one of the preceding method embodiments, wherein the flow property is determined for a fluid that has a flow rate at least in the range from 1 μl / min to 3 ml / min, preferably 500 nl / min to 5 ml / min, more preferably 1 nl / min to 10 ml / min.
- M50. Verfahren gemäß einer der vorhergehenden Verfahrensausführungsformen, wobei das Verfahren keine fluidabhängige Kalibrierung erfordert.M50. Method according to one of the preceding method embodiments, the method not requiring any fluid-dependent calibration.
- M51. Verfahren gemäß einer der vorhergehenden Verfahrensausführungsformen, wobei das Verfahren ferner das Bestimmen von mindestens einer zusätzlichen Fluideigenschaft umfasst.M51. Method according to one of the preceding method embodiments, wherein the method further comprises determining at least one additional fluid property.
- M52. Verfahren gemäß der vorhergehenden Verfahrensausführungsform, wobei die mindestens eine zusätzliche Fluideigenschaft Dichte, Schallgeschwindigkeit, Viskosität und/oder Leitfähigkeit ist.M52. Method according to the preceding method embodiment, wherein the at least one additional fluid property is density, speed of sound, viscosity and / or conductivity.
- M53. Verfahren gemäß einer der zwei vorhergehenden Verfahrensausführungsformen, wobei das Bestimmen mindestens einer zusätzlichen Fluideigenschaft das Bestimmen einer strömungsunabhängigen Phasenverschiebung einer Welle umfasst, die das Fluid durchläuft.M53. Method according to one of the two preceding method embodiments, wherein the determination of at least one additional fluid property comprises the determination of a flow-independent phase shift of a wave through which the fluid passes.
- M54. Verfahren gemäß einer der 3 vorhergehenden Verfahrensausführungsformen, wobei das Bestimmen mindestens einer zusätzlichen Fluideigenschaft das Bestimmen einer SAW-Phasenverschiebung einer SAW umfasst, die sich vom ersten Sender zum ersten Empfänger und/oder vom zweiten Sender zum zweiten Empfänger ausbreitet, ohne das Fluid zu durchlaufen.M54. Method according to one of the 3 preceding method embodiments, wherein determining at least one additional fluid property comprises determining a SAW phase shift of a SAW that propagates from the first transmitter to the first receiver and / or from the second transmitter to the second receiver without passing through the fluid.
- M55. Verfahren gemäß einer der 4 vorhergehenden Verfahrensausführungsformen, wobei das Verfahren das Herleiten mindestens eines potenziellen Fluidkandidaten für das Fluid basierend auf der mindestens einen zusätzlichen Fluideigenschaft umfasst.M55. Method according to one of the 4 preceding method embodiments, the method comprising deriving at least one potential fluid candidate for the fluid based on the at least one additional fluid property.
- M56. Verfahren gemäß der vorhergehenden Verfahrensausführungsform, wobei das Herleiten des mindestens einen potenziellen Fluidkandidaten das Verwenden statistischer Verfahren umfasst.M56. Method according to the preceding method embodiment, wherein deriving the at least one potential fluid candidate comprises using statistical methods.
Nachstehend wird auf Sensorausführungsformen Bezug genommen. Diese Ausführungsformen werden durch den Buchstaben „F“ mit nachfolgender Nummer abgekürzt. Wann immer in diesem Schriftstück auf „Sensorausführungsformen“ Bezug genommen wird, sind diese Ausführungsformen gemeint.Reference is made below to sensor embodiments. These embodiments are abbreviated by the letter “F” followed by the number. Whenever "sensor embodiments" are referred to in this document, these embodiments are meant.
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F1. Sensor zum Bestimmen einer Strömungseigenschaft eines Fluids, wobei der Sensor umfasst:
- einen Kanal zum Leiten des Fluids,
- eine Sender- und Empfängeranordnung, die mindestens einen ersten Sender, einen ersten Empfänger, einen zweiten Sender und einen zweiten Empfänger bildet, und
- eine Datenverarbeitungseinheit,
- wobei der Durchflusssensor dazu konfiguriert ist, das Verfahren gemäß einer der vorhergehenden Verfahrensausführungsformen durchzuführen.
- a channel for guiding the fluid,
- a transmitter and receiver arrangement which forms at least a first transmitter, a first receiver, a second transmitter and a second receiver, and
- a data processing unit,
- wherein the flow sensor is configured to carry out the method according to one of the preceding method embodiments.
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F2. Sensor gemäß der vorhergehenden Sensorausführungsform, wobei die Sender- und Empfängeranordnung umfasst:
- einen ersten Wandler, der den ersten Sender und den zweiten Empfänger bildet, und
- einen zweiten Wandler, der den zweiten Sender und den ersten Empfänger bildet.
- a first transducer forming the first transmitter and the second receiver, and
- a second transducer that forms the second transmitter and the first receiver.
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F3. Sensor gemäß der Sensorausführungsform F1, wobei die Sender- und Empfängeranordnung umfasst:
- einen ersten Wandler, der den ersten Sender und den zweiten Sender bildet,
- einen zweiten Wandler, der den ersten Empfänger bildet, und
- einen dritten Wandler, der den zweiten Empfänger bildet.
- a first transducer that forms the first transmitter and the second transmitter,
- a second transducer forming the first receiver, and
- a third transducer forming the second receiver.
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F4. Sensor gemäß der Sensorausführungsform F1, wobei die Sender- und Empfängeranordnung umfasst:
- einen ersten Wandler, der den ersten Sender bildet,
- einen zweiten Wandler, der den ersten Empfänger bildet,
- einen dritten Wandler, der den zweiten Sender bildet, und
- einen vierten Wandler, der den zweiten Empfänger bildet.
- a first transducer, which forms the first transmitter,
- a second transducer, which forms the first receiver,
- a third transducer forming the second transmitter, and
- a fourth transducer forming the second receiver.
- F5. Sensor gemäß einer der 3 vorhergehenden Sensorausführungsformen, wobei der zweite Wandler das gleiche Design wie der erste Wandler umfasst. Das heißt, der zweite Wandler umfasst die gleichen Eigenschaften wie der erste Wandler, wobei die Eigenschaften beispielsweise geometrische Abmessungen, Periodizität, Wellenlänge usw. einschließen können.F5. Sensor according to one of the 3 preceding sensor embodiments, wherein the second transducer comprises the same design as the first transducer. That is, the second transducer comprises the same properties as the first transducer, it being possible for the properties to include, for example, geometric dimensions, periodicity, wavelength, and so on.
- F6. Sensor gemäß einer der 3 vorhergehenden Sensorausführungsformen, wobei der dritte Wandler das gleiche Design wie der erste Wandler umfasst.F6. Sensor according to one of the 3 preceding sensor embodiments, wherein the third transducer comprises the same design as the first transducer.
- F7. Sensor gemäß einer der 4 vorhergehenden Sensorausführungsformen, wobei der dritte Wandler das gleiche Design wie der zweite Wandler umfasst.F7. Sensor according to one of the 4 preceding sensor embodiments, wherein the third transducer comprises the same design as the second transducer.
- F8. Sensor gemäß einer der 4 vorhergehenden Sensorausführungsformen, wobei der vierte Wandler das gleiche Design wie der erste Wandler umfasst.F8. Sensor according to one of the 4 preceding sensor embodiments, wherein the fourth transducer comprises the same design as the first transducer.
- F9. Sensor gemäß einer der 5 vorhergehenden Sensorausführungsformen, wobei der vierte Wandler das gleiche Design wie der zweite Wandler umfasst.F9. Sensor according to one of the 5 preceding sensor embodiments, wherein the fourth transducer comprises the same design as the second transducer.
- F10. Sensor gemäß einer der 6 vorhergehenden Sensorausführungsformen, wobei der vierte Wandler das gleiche Design wie der dritte Wandler umfasst.F10. Sensor according to one of the 6 preceding sensor embodiments, wherein the fourth transducer comprises the same design as the third transducer.
- F11. Sensor gemäß einer der vorhergehenden Sensorausführungsformen, wobei die Sender- und Empfängeranordnung ferner einen Verweilzeitsender und einen Verweilzeitempfänger bildet.F11. Sensor according to one of the preceding sensor embodiments, wherein the transmitter and receiver arrangement further forms a dwell time transmitter and a dwell time receiver.
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F12. Sensor nach den vorhergehenden Sensorausführungsformen und mit den Merkmalen der Sensorausführungsformen
F2 ,F3 oderF4 , wobei der erste, der zweite, der dritte oder der vierte Wandler ferner den Verweilzeitempfänger bildet.F12. Sensor according to the preceding sensor embodiments and with the features of the sensor embodimentsF2 ,F3 orF4 wherein the first, the second, the third or the fourth transducer further forms the dwell time receiver. -
F13. Wandler gemäß einer der 2 vorhergehenden Sensorausführungsformen und mit den Merkmalen der Sensorausführungsformen
F2 ,F3 oderF4 , wobei der Wandler, der den ersten Empfänger bildet, oder der Wandler, der den zweiten Empfänger bildet, ferner den Verweilzeitempfänger bildet.F13. Converter according to one of the 2 preceding sensor embodiments and with the features of the sensor embodimentsF2 ,F3 orF4 wherein the transducer which forms the first receiver or the transducer which forms the second receiver further forms the dwell receiver. -
F14. Sensor nach Sensorausführungsform
F11 , wobei die Sender- und Empfängeranordnung einen Zeitmesswandler umfasst, der den Verweilzeitempfänger bildet.F14. Sensor according to sensor designF11 wherein the transmitter and receiver arrangement comprises a time transducer which forms the dwell time receiver. -
F15. Sensor gemäß einer der 4 vorhergehenden Sensorausführungsformen und mit den Merkmalen der Sensorausführungsformen
F2 ,F3 oderF4 , wobei der erste, der zweite, der dritte oder der vierte Wandler ferner den Verweilzeitsender bildet.F15. Sensor according to one of the 4 preceding sensor embodiments and with the features of the sensor embodimentsF2 ,F3 orF4 wherein the first, the second, the third or the fourth transducer further forms the dwell time transmitter. -
F16. Sensor gemäß einer der 2 vorhergehenden Sensorausführungsformen und mit den Merkmalen der Sensorausführungsformen
F2 ,F3 oderF4 , wobei der Wandler, der den ersten Sender bildet, oder der Wandler, der den zweiten Sender bildet, ferner den Verweilzeitsender bildet.F16. Sensor according to one of the 2 preceding sensor embodiments and with the features of the sensor embodimentsF2 ,F3 orF4 wherein the transducer which forms the first transmitter or the transducer which forms the second transmitter further forms the dwell transmitter. -
F17. Sensor gemäß einer der Sensorausführungsformen
F11 ,F12 ,F13 oderF14 , wobei die Sender- und Empfängeranordnung einen Zeitsenderwandler umfasst, der den Verweilzeitsender bildet.F17. Sensor according to one of the sensor embodimentsF11 ,F12 ,F13 orF14 wherein the transmitter and receiver arrangement comprises a time transmitter transducer forming the dwell time transmitter. - F18. Sensor gemäß einer der vorhergehenden Sensorausführungsformen, wobei der erste Sender stromabwärts des ersten Empfängers und der zweite Sender stromaufwärts des zweiten Empfängers angeordnet ist.F18. Sensor according to one of the preceding sensor embodiments, wherein the first transmitter is arranged downstream of the first receiver and the second transmitter is arranged upstream of the second receiver.
- F19. Sensor gemäß einer der vorhergehenden Sensorausführungsformen und mit Ausnahme der Merkmale der vorhergehenden Ausführungsform, wobei der erste Sender stromaufwärts des ersten Empfängers angeordnet ist und der zweite Sender stromabwärts des zweiten Empfängers angeordnet ist.F19. Sensor according to one of the preceding sensor embodiments and with the exception of the features of the preceding embodiment, wherein the first transmitter is arranged upstream of the first receiver and the second transmitter is arranged downstream of the second receiver.
- F20. Sensor gemäß einer der vorhergehenden Sensorausführungsformen, wobei der erste Sender und der erste Empfänger direkt nacheinander in Strömungsrichtung angeordnet sind.F20. Sensor according to one of the preceding sensor embodiments, wherein the first transmitter and the first receiver are arranged directly one after the other in the direction of flow.
- F21. Sensor gemäß einer der vorhergehenden Sensorausführungsformen, wobei der zweite Sender und der zweite Empfänger direkt nacheinander in Strömungsrichtung angeordnet sind.F21. Sensor according to one of the preceding sensor embodiments, wherein the second transmitter and the second receiver are arranged directly one after the other in the direction of flow.
- F22. Sensor gemäß einer der vorhergehenden Sensorausführungsformen, wobei der erste Sender und der erste Empfänger auf derselben Seite des Kanals angeordnet sind. Der erste Sender und der erste Empfänger sind beide auf einer Seite davon angeordnet.F22. Sensor according to one of the preceding sensor embodiments, wherein the first transmitter and the first receiver are arranged on the same side of the channel. The first transmitter and the first receiver are both arranged on one side thereof.
- F23. Sensor gemäß einer der vorhergehenden Sensorausführungsformen mit Ausnahme der vorhergehenden Sensorausführungsform, wobei der erste Sender und der erste Empfänger auf gegenüberliegenden Seiten des Kanals angeordnet sind.F23. Sensor according to one of the preceding sensor embodiments with the exception of the preceding sensor embodiment, wherein the first transmitter and the first receiver are arranged on opposite sides of the channel.
- F24. Sensor gemäß einer der vorhergehenden Sensorausführungsformen und mit den Merkmalen von F11, wobei der Verweilzeitempfänger und der Verweilzeitsender direkt nacheinander in Strömungsrichtung angeordnet sind.F24. Sensor according to one of the preceding sensor embodiments and having the features of F11, wherein the dwell time receiver and the dwell time transmitter are arranged directly one after the other in the direction of flow.
- F25. Sensor gemäß einer der vorhergehenden Sensorausführungsformen und mit den Merkmalen von F11, wobei der Verweilzeitempfänger stromabwärts des Verweilzeitsenders angeordnet ist.F25. Sensor according to one of the preceding sensor embodiments and having the features of F11, wherein the dwell time receiver is arranged downstream of the dwell time transmitter.
- F25b. Sensor gemäß einer der vorhergehenden Sensorausführungsformen und mit den Merkmalen von F11, aber mit Ausnahme der Merkmale des vorhergehenden Sensors, wobei der Verweilzeitempfänger stromaufwärts des Verweilzeitsenders angeordnet ist.F25b. Sensor according to one of the preceding sensor embodiments and having the features of F11, but with the exception of the features of the preceding sensor, wherein the dwell time receiver is arranged upstream of the dwell time transmitter.
- F26. Sensor gemäß einer der vorhergehenden Sensorausführungsformen und mit den Merkmalen von F11, wobei der Verweilzeitempfänger und der Verweilzeitsender auf derselben Seite des Kanals angeordnet sind.F26. Sensor according to one of the preceding sensor embodiments and having the features of F11, wherein the dwell time receiver and the dwell time transmitter are arranged on the same side of the channel.
- F27. Sensor gemäß einer der vorhergehenden Sensorausführungsformen mit Ausnahme der vorhergehenden Ausführungsform und mit den Merkmalen von F11, wobei der Verweilzeitempfänger und der Verweilzeitsender auf gegenüberliegenden Seiten des Kanals angeordnet sind.F27. Sensor according to one of the preceding sensor embodiments with the exception of the preceding embodiment and having the features of F11, wherein the dwell time receiver and the dwell time transmitter are arranged on opposite sides of the channel.
- F28. Sensor gemäß einer der vorhergehenden Sensorausführungsformen, wobei der Kanal eine Innenfläche umfasst, die dazu konfiguriert ist, mit dem durch den Kanal geleiteten Fluid in Kontakt zu stehen.F28. A sensor according to any of the preceding sensor embodiments, wherein the channel includes an interior surface configured to be in contact with the fluid directed through the channel.
- F29. Sensor gemäß einer der vorhergehenden Sensorausführungsformen, wobei der Kanal einen Kanalquerschnitt umfasst und wobei der Kanalquerschnitt rechteckig, rund, elliptisch und/oder eine beliebige Kombination davon ist.F29. Sensor according to one of the preceding sensor embodiments, wherein the channel comprises a channel cross section and wherein the channel cross section is rectangular, round, elliptical and / or any combination thereof.
- F30. Sensor gemäß der vorhergehenden Sensorausführungsform, wobei der Kanalquerschnitt rechteckig ist.F30. Sensor according to the preceding sensor embodiment, wherein the channel cross-section is rectangular.
- F31. Sensor gemäß einer der vorhergehenden Sensorausführungsformen, wobei der Kanal eine Kanalgeometrie umfasst und wobei die Kanalgeometrie gerade, gekrümmt und/oder gebogen ist.F31. Sensor according to one of the preceding sensor embodiments, wherein the channel comprises a channel geometry and wherein the channel geometry is straight, curved and / or bent.
- F32. Sensor gemäß einer der vorhergehenden Sensorausführungsformen, wobei der Kanal eine Strömungsrichtung umfasst und wobei das Fluid in Strömungsrichtung durch den Kanal geleitet wird.F32. Sensor according to one of the preceding sensor embodiments, wherein the channel comprises a flow direction and wherein the fluid is conducted in the flow direction through the channel.
- F33. Sensor gemäß einer der vorhergehenden Sensorausführungsformen, wobei der Kanal eine Kanallänge umfasst, die der Ausdehnung des Kanals entspricht, an dem entlang Fluid geleitet wird.F33. Sensor according to one of the preceding sensor embodiments, wherein the channel comprises a channel length which corresponds to the extension of the channel along which fluid is conducted.
- F34. Sensor gemäß der vorhergehenden Sensorausführungsform, wobei die Kanallänge bis zu 30 mm, vorzugsweise bis zu 10 mm, bevorzugter bis zu 5 mm, beträgt.F34. Sensor according to the preceding sensor embodiment, the channel length being up to 30 mm, preferably up to 10 mm, more preferably up to 5 mm.
- F35. Sensor gemäß einer der vorhergehenden Sensorausführungsformen, wobei die Sender- und Empfängeranordnung mindestens einen Chip umfasst.F35. Sensor according to one of the preceding sensor embodiments, wherein the transmitter and receiver arrangement comprises at least one chip.
- F36. Sensor gemäß der vorhergehenden Sensorausführungsform, wobei der mindestens eine Chip ein Substrat umfasst.F36. Sensor according to the preceding sensor embodiment, wherein the at least one chip comprises a substrate.
- F37. Sensor gemäß der vorhergehenden Sensorausführungsform, wobei das Substrat piezoelektrisch ist.F37. Sensor according to the preceding sensor embodiment, wherein the substrate is piezoelectric.
- F38. Sensor gemäß einer der 2 vorhergehenden Sensorausführungsformen, wobei das Substrat mit einer piezoelektrischen Schicht beschichtet ist.F38. Sensor according to one of the 2 preceding sensor embodiments, wherein the substrate is coated with a piezoelectric layer.
- F39. Sensor gemäß einer der 2 vorhergehenden Sensorausführungsformen, wobei das Substrat und/oder die piezoelektrische Schicht aus einem Kristall aus Lithiumniobat (LiNbCb), Quarz (SiO2), Lithiumtantalat (LiTaO3) und/oder Lanthangalliumsilikat (La3Ga5SiO14) besteht.F39. Sensor according to one of the 2 preceding sensor embodiments, wherein the substrate and / or the piezoelectric layer consists of a crystal of lithium niobate (LiNbCb), quartz (SiO 2 ), lithium tantalate (LiTaO 3 ) and / or lanthanum gallium silicate (La 3 Ga 5 SiO 14 ) .
- F40. Sensor gemäß einer der 3 vorhergehenden Sensorausführungsformen, wobei das Substrat und/oder die piezoelektrische Schicht aus einem 128°-X-Y-geschnittenen LiNbO3-Kristall besteht.F40. Sensor according to one of the 3 preceding sensor embodiments, wherein the substrate and / or the piezoelectric layer consists of a 128 ° XY-cut LiNbO 3 crystal.
- F41. Sensor gemäß einer der 6 vorhergehenden Sensorausführungsformen, wobei der mindestens eine Chip mindestens einen Wandler umfasst, der dazu konfiguriert ist, eine Welle zu senden und/oder zu empfangen.F41. Sensor according to one of the 6 preceding sensor embodiments, wherein the at least one chip comprises at least one transducer which is configured to transmit and / or receive a wave.
- F42. Sensor gemäß der vorhergehenden Sensorausführungsform und mit den Merkmalen mindestens einer der Sensorausführungsformen F2, F3, F4, F14 und F17, wobei der mindestens eine Wandler der erste Wandler, der zweite Wandler, der dritte Wandler, der vierte Wandler, der Zeitmesswandler und/oder der Zeitsenderwandler ist. F43. Sensor gemäß einer der beiden vorhergehenden Sensorausführungsformen und mit den Merkmalen von F37 oder F38, wobei der Wandler auf dem piezoelektrischen Substrat oder der piezoelektrischen Schicht angeordnet ist.F42. Sensor according to the preceding sensor embodiment and with the features of at least one of the sensor embodiments F2, F3, F4, F14 and F17, wherein the at least one converter of the is the first converter, the second converter, the third converter, the fourth converter, the time measuring converter and / or the time transmitter converter. F43. Sensor according to one of the two preceding sensor embodiments and having the features of F37 or F38, the transducer being arranged on the piezoelectric substrate or the piezoelectric layer.
- F44. Sensor gemäß einer der 3 vorhergehenden Sensorausführungsformen, wobei der Wandler dazu konfiguriert ist, eine Welle mit einer Wandlerwellenlänge zu senden und/oder zu empfangen, wobei die Wandlerwellenlänge im Bereich von 4 µm bis 400 µm, vorzugsweise 20 µm bis 200 µm, bevorzugter 40 µm bis 133 µm, liegt.F44. Sensor according to one of the 3 preceding sensor embodiments, wherein the transducer is configured to transmit and / or receive a wave with a transducer wavelength, the transducer wavelength in the range from 4 μm to 400 μm, preferably 20 μm to 200 μm, more preferably 40 μm to 133 µm.
- F45. Sensor gemäß einer der 4 vorhergehenden Sensorausführungsformen, wobei der mindestens eine Wandler ein Interdigitalwandler (IDT) ist, der dazu konfiguriert ist, eine akustische Oberflächenwelle zu senden und/oder zu empfangen.F45. Sensor according to one of the 4 preceding sensor embodiments, wherein the at least one transducer is an interdigital transducer (IDT) which is configured to transmit and / or receive a surface acoustic wave.
- F46. Sensor gemäß der vorhergehenden Sensorausführungsform, wobei jeder Interdigitalwandler mindestens zwei ineinandergreifende Elektroden umfasst.F46. Sensor according to the preceding sensor embodiment, wherein each interdigital transducer comprises at least two interdigitated electrodes.
- F47. Sensor gemäß einer der vorhergehenden Sensorausführungsformen, wobei jede der mindestens zwei ineinandergreifenden Elektroden mehrere Fingerelektroden umfasst, wobei die Fingerelektroden der ineinandergreifenden Elektroden ineinander greifen.F47. A sensor according to any of the preceding sensor embodiments, wherein each of the at least two interdigitated electrodes comprises a plurality of finger electrodes, the finger electrodes of the interdigitated electrodes interdigitated.
- F48. Sensor gemäß der vorhergehenden Sensorausführungsform, wobei jede der mindestens zwei ineinandergreifenden Elektroden eine identische Anzahl von Fingerelektroden umfasst.F48. The sensor of the preceding sensor embodiment, wherein each of the at least two interdigitated electrodes comprises an identical number of finger electrodes.
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F49. Sensor gemäß einer der 2 vorhergehenden Sensorausführungsformen, wobei der Interdigitalwandler
2 ineinandergreifende Elektroden umfasst.F49. Sensor according to one of the 2 preceding sensor embodiments, wherein theinterdigital transducer 2 includes interdigitated electrodes. - F50. Sensor gemäß der vorhergehenden Sensorausführungsform, wobei die 2 ineinandergreifenden Elektroden derart angeordnet sind, dass die zwei ineinandergreifenden Elektroden abwechselnd die ineinandergreifenden Elektrodenfinger umfassen.F50. Sensor according to the preceding sensor embodiment, wherein the 2 interdigitated electrodes are arranged such that the two interdigitated electrodes alternately encompass the interdigitated electrode fingers.
- F51. Sensor nach der vorletzten Sensorausführungsform, wobei die 2 ineinandergreifenden Elektroden derart angeordnet sind, dass die zwei ineinandergreifenden Elektroden abwechselnd Elektrodengruppen umfassen, die jeweils eine gleiche Anzahl mehrerer benachbarter Fingerelektroden umfassen.F51. Sensor according to the penultimate sensor embodiment, wherein the 2 interlocking electrodes are arranged in such a way that the two interlocking electrodes alternately comprise electrode groups which each comprise an equal number of several adjacent finger electrodes.
- F52. Sensor gemäß einer der 5 vorhergehenden Sensorausführungsformen, wobei die Fingerelektroden periodisch beabstandet sind.F52. Sensor according to one of the 5 preceding sensor embodiments, wherein the finger electrodes are periodically spaced.
- F53. Sensor gemäß einer der 6 vorhergehenden Sensorausführungsformen, wobei die Fingerelektroden abgeschrägt und/oder verjüngt sind.F53. Sensor according to one of the 6 preceding sensor embodiments, wherein the finger electrodes are beveled and / or tapered.
- F54. Sensor gemäß einer der vorhergehenden Sensorausführungsformen und mit den Merkmalen von F41, wobei der Wandler dazu konfiguriert ist, eine gechirpte Oberflächenschallwelle zu senden und/oder zu empfangen.F54. Sensor according to one of the preceding sensor embodiments and having the features of F41, wherein the transducer is configured to transmit and / or receive a chirped surface acoustic wave.
- F55. Sensor nach den vorhergehenden Sensorausführungsformen und mit den Merkmalen von F47, wobei die Fingerelektroden eine Fingerelektrodenbreite umfassen und wobei eine Entfernung zwischen aufeinanderfolgenden Fingerelektroden und die Fingerelektrodenbreite in einer Richtung senkrecht zu einer größten Ausdehnung der Fingerelektroden abnimmt.F55. Sensor according to the preceding sensor embodiments and having the features of F47, wherein the finger electrodes comprise a finger electrode width and wherein a distance between successive finger electrodes and the finger electrode width decreases in a direction perpendicular to a largest extension of the finger electrodes.
- F56. Sensor gemäß einer der vorhergehenden Sensorausführungsformen und mit den Merkmalen von F47, wobei jede der mindestens zwei ineinandergreifenden Elektroden zwischen 3 und 1000 Fingerelektroden, vorzugsweise zwischen 3 und 700 Fingerelektroden, umfasst.F56. Sensor according to one of the preceding sensor embodiments and having the features of F47, wherein each of the at least two interdigitated electrodes comprises between 3 and 1000 finger electrodes, preferably between 3 and 700 finger electrodes.
- F57. Sensor gemäß einer der vorhergehenden Sensorausführungsformen und mit den Merkmalen von F45, wobei der Interdigitalwandler eine elektrische Impedanz von 1 Ω bis 500 Ω, vorzugsweise 10 Ω bis 200 Ω, bevorzugter 30 Ω bis 100 Ω, etwa 50 Ω, umfasst.F57. Sensor according to one of the preceding sensor embodiments and with the features of F45, wherein the interdigital transducer has an electrical impedance of 1 Ω to 500 Ω, preferably 10 Ω to 200 Ω, more preferably 30 Ω to 100 Ω, approximately 50 Ω.
- F58. Sensor gemäß einer der vorhergehenden Sensorausführungsformen und mit den Merkmalen von F45, wobei der Interdigitalwandler eine akustische Blende umfasst, die eine überlappende Länge der mindestens zwei Elektroden bezeichnet.F58. Sensor according to one of the preceding sensor embodiments and having the features of F45, wherein the interdigital transducer comprises an acoustic screen which denotes an overlapping length of the at least two electrodes.
- F59. Sensor gemäß der vorhergehenden Sensorausführungsform, wobei die akustische Blende im Bereich von 100 µm bis 3000 µm, vorzugsweise im Bereich von 200 µm bis 1000 µm, bevorzugter im Bereich von 300 µm bis 800 µm, liegt.F59. Sensor according to the preceding sensor embodiment, the acoustic screen being in the range from 100 μm to 3000 μm, preferably in the range from 200 μm to 1000 μm, more preferably in the range from 300 μm to 800 μm.
- F60. Sensor gemäß einer der vorhergehenden Sensorausführungsformen und mit den Merkmalen von F41, wobei der mindestens eine Wandler dazu konfiguriert ist, akustische Oberflächenwellen mit einer Anregungsleistung unter 1 W, vorzugsweise unter 10 mW, bevorzugter unter 1 mW, zu emittieren.F60. Sensor according to one of the preceding sensor embodiments and having the features of F41, wherein the at least one transducer is configured to emit surface acoustic waves with an excitation power below 1 W, preferably below 10 mW, more preferably below 1 mW.
- F61. Sensor gemäß einer der vorhergehenden Sensorausführungsformen und mit den Merkmalen mindestens einer der Sensorausführungsformen F2, F3, F4, F14 und F17, wobei der erste Wandler, der zweite Wandler, der dritte Wandler, der vierte Wandler, der Zeitmesswandler und/oder der Zeitsenderwandler ein unidirektionaler Wandler ist.F61. Sensor according to one of the preceding sensor embodiments and with the features of at least one of the sensor embodiments F2, F3, F4, F14 and F17, wherein the first converter, the second converter, the third converter, the fourth converter, the time measuring converter and / or the time transmitter converter are unidirectional Converter is.
- F62. Sensor gemäß einer der vorhergehenden Sensorausführungsformen und mit den Merkmalen mindestens einer der Sensorausführungsformen F2, F3, F4, F14 und F17, wobei der erste Wandler, der zweite Wandler, der dritte Wandler, der vierte Wandler, der Zeitmesswandler und/oder der Zeitsenderwandler ein bidirektionaler Wandler ist.F62. Sensor according to one of the preceding sensor embodiments and with the features of at least one of the sensor embodiments F2, F3, F4, F14 and F17, wherein the first converter, the second converter, the third converter, the fourth converter, the time measuring converter and / or the time transmitter converter are bidirectional Converter is.
- F63. Sensor gemäß einer der vorhergehenden Sensorausführungsformen und mit den Merkmalen von F35, wobei der Chip eine Siegelschicht umfasst, die den mindestens einen Anteil der Chipoberfläche und vorzugsweise Komponenten, die der Chip umfasst, bedeckt.F63. Sensor according to one of the preceding sensor embodiments and having the features of F35, wherein the chip comprises a sealing layer which covers the at least a portion of the chip surface and preferably components which the chip comprises.
- F64. Sensor gemäß der vorhergehenden Sensorausführungsform und mit den Merkmalen von F41, wobei die Siegelschicht den mindestens einen Wandler bedeckt.F64. Sensor according to the preceding sensor embodiment and with the features of F41, wherein the sealing layer covers the at least one transducer.
- F65. Sensor gemäß einer der 2 vorhergehenden Sensorausführungsformen, wobei die Siegelschicht aus einem Material der Polyaryletherketon- (PAEK-) Familie, vorzugsweise Polyetheretherketon (PEEK), einem Oxidkeramikmaterial, Fused SiO2 (Kieselglas) oder Si3N4 besteht.F65. Sensor according to one of the 2 preceding sensor embodiments, wherein the sealing layer consists of a material of the polyaryletherketone (PAEK) family, preferably polyetheretherketone (PEEK), an oxide ceramic material, fused SiO 2 (silica glass) or Si 3 N 4 .
- F66. Sensor gemäß einer der 3 vorhergehenden Sensorausführungsformen und mit den Merkmalen von F44, wobei die Siegelschicht eine Siegelschichtdicke umfasst und wobei die Siegelschichtdicke weniger als das 10-fache der Wandlerwellenlänge, vorzugsweise weniger als das 5-fache der Wandlerwellenlänge, bevorzugter weniger als die Wandlerwellenlänge und noch bevorzugter weniger als das 0,25-fache der Wandlerwellenlänge, beträgt.F66. Sensor according to one of the 3 preceding sensor embodiments and with the features of F44, wherein the sealing layer comprises a sealing layer thickness and wherein the sealing layer thickness is less than 10 times the transducer wavelength, preferably less than 5 times the transducer wavelength, more preferably less than the transducer wavelength and still more preferably less than 0.25 times the transducer wavelength.
- F67. Sensor gemäß einer der vorhergehenden Sensorausführungsformen und mit den Merkmalen der Ausführungsformen F28 und F35, wobei der Chip eine Oberseite umfasst und wobei mindestens ein Anteil der Oberseite Teil der Innenfläche des Kanals ist.F67. Sensor according to one of the preceding sensor embodiments and having the features of embodiments F28 and F35, wherein the chip comprises a top side and wherein at least a portion of the top side is part of the inner surface of the channel.
- F68. Sensor gemäß einer der vorhergehenden Sensorausführungsformen und mit den Merkmalen von F28, wobei mindestens ein Anteil der Innenfläche des Kanals durch einen akustischen Reflektor bereitgestellt wird.F68. Sensor according to one of the preceding sensor embodiments and having the features of F28, wherein at least a portion of the inner surface of the channel is provided by an acoustic reflector.
- F69. Sensor gemäß der vorhergehenden Sensorausführungsform, wobei der akustische Reflektor aus Saphir besteht.F69. Sensor according to the preceding sensor embodiment, wherein the acoustic reflector is made of sapphire.
- F70. Sensor nach der vorletzten Sensorausführungsform, wobei der akustische Reflektor ein Brechungsreflektor ist, der vorzugsweise aus einem synthetischen Material, etwa Kunststoff, besteht.F70. Sensor according to the penultimate sensor embodiment, wherein the acoustic reflector is a refractive reflector, which is preferably made of a synthetic material, such as plastic.
- F71. Sensor gemäß einer der vorhergehenden Sensorausführungsformen und mit den Merkmalen der Sensorausführungsform F35, wobei mindestens ein Anteil des Chips als Wellenleiter für SAW konfiguriert ist.F71. Sensor according to one of the preceding sensor embodiments and having the features of sensor embodiment F35, wherein at least a portion of the chip is configured as a waveguide for SAW.
- F72. Sensor gemäß einer der vorhergehenden Sensorausführungsformen und mit den Merkmalen der Sensorausführungsformen F32 und F35, wobei der Kanal eine Kanalhöhe umfasst, die der Ausdehnung des Kanals in einer Richtung senkrecht zum Chip und der Strömungsrichtung entspricht.F72. Sensor according to one of the preceding sensor embodiments and having the features of sensor embodiments F32 and F35, wherein the channel comprises a channel height which corresponds to the expansion of the channel in a direction perpendicular to the chip and the direction of flow.
- F73. Sensor gemäß der vorhergehenden Sensorausführungsform, wobei die Kanalhöhe höchstens 20 mm, vorzugsweise höchstens 5 mm, bevorzugter höchstens 1 mm, beträgt.F73. Sensor according to the preceding sensor embodiment, the channel height being at most 20 mm, preferably at most 5 mm, more preferably at most 1 mm.
- F74. Sensor gemäß einer der vorhergehenden Sensorausführungsformen und mit den Merkmalen der Sensorausführungsformen F32 und F35, wobei der Kanal eine Kanalbreite aufweist, die der Ausdehnung des Kanals in einer Richtung parallel zum Chip und senkrecht zur Strömungsrichtung entspricht.F74. Sensor according to one of the preceding sensor embodiments and having the features of sensor embodiments F32 and F35, the channel having a channel width which corresponds to the expansion of the channel in a direction parallel to the chip and perpendicular to the direction of flow.
- F75. Sensor gemäß der vorhergehenden Sensorausführungsform, wobei die Kanalbreite höchstens 10 mm, vorzugsweise höchstens 3 mm, bevorzugter höchstens 1 mm, beträgt.F75. Sensor according to the preceding sensor embodiment, the channel width being at most 10 mm, preferably at most 3 mm, more preferably at most 1 mm.
- F76. Sensor gemäß einer der vorhergehenden Sensorausführungsformen, wobei der Sensor für Durchflussraten im Bereich von 1 µl/min bis 3 ml/min, vorzugsweise 500 nl/min bis 5 ml/min, bevorzugter 1 nl/min bis 10 ml/min, konfiguriert ist.F76. Sensor according to one of the preceding sensor embodiments, the sensor being configured for flow rates in the range from 1 μl / min to 3 ml / min, preferably 500 nl / min to 5 ml / min, more preferably 1 nl / min to 10 ml / min.
- F77. Sensor gemäß der vorhergehenden Sensorausführungsform, wobei der Sensor dazu konfiguriert ist, die Durchflussraten mit einem relativen Fehler von bis zu 0,1 %, vorzugsweise bis zu 0,01 %, noch bevorzugter bis zu 0,001 %, zu messen.F77. Sensor according to the preceding sensor embodiment, wherein the sensor is configured to measure the flow rates with a relative error of up to 0.1%, preferably up to 0.01%, more preferably up to 0.001%.
- F78. Sensor gemäß einer der vorhergehenden Sensorausführungsformen, wobei der Sensor für Drücke konfiguriert ist, die 100 bar überschreiten, vorzugsweise 500 bar überschreiten, bevorzugter 1000 bar überschreiten, etwa 2000 bar überschreiten.F78. Sensor according to one of the preceding sensor embodiments, wherein the sensor is configured for pressures that exceed 100 bar, preferably exceed 500 bar, more preferably exceed 1000 bar, exceed approximately 2000 bar.
- F79. Sensor gemäß einer der vorhergehenden Sensorausführungsformen, wobei Fluidförderabschnitte des Sensors chemisch beständig, vorzugsweise chemisch inert, sind.F79. Sensor according to one of the preceding sensor embodiments, wherein fluid conveying sections of the sensor are chemically resistant, preferably chemically inert.
- F80. Sensor gemäß einer der vorhergehenden Sensorausführungsformen, wobei die Strömungseigenschaft eine Durchflussrate des Fluids ist.F80. A sensor according to any of the preceding sensor embodiments, wherein the flow characteristic is a flow rate of the fluid.
- F81. Sensor gemäß einer der vorhergehenden Sensorausführungsformen, wobei die Strömungseigenschaft eine Strömungsgeschwindigkeit des Fluids ist.F81. Sensor according to one of the preceding sensor embodiments, wherein the flow property is a flow velocity of the fluid.
- F82. Sensor gemäß einer der vorhergehenden Sensorausführungsformen und mit den Merkmalen von F35, wobei der erste Sender und der erste Empfänger auf demselben Chip angeordnet sind.F82. Sensor according to one of the preceding sensor embodiments and having the features of F35, wherein the first transmitter and the first receiver are arranged on the same chip.
- F83. Sensor gemäß einer der vorhergehenden Sensorausführungsformen mit Ausnahme der vorhergehenden Ausführungsform und mit den Merkmalen von F35, wobei der erste Sender und der erste Empfänger auf verschiedenen Chips angeordnet sind.F83. Sensor according to one of the preceding sensor embodiments with the exception of the preceding embodiment and having the features of F35, wherein the first transmitter and the first receiver are arranged on different chips.
- F84. Sensor gemäß einer der vorhergehenden Sensorausführungsformen und mit den Merkmalen von F35, wobei der zweite Sender und der zweite Empfänger auf demselben Chip angeordnet sind.F84. Sensor according to one of the preceding sensor embodiments and having the features of F35, wherein the second transmitter and the second receiver are arranged on the same chip.
- F85. Sensor gemäß einer der vorhergehenden Sensorausführungsformen mit Ausnahme der vorhergehenden Ausführungsform und mit den Merkmalen von F35, wobei der zweite Sender und der zweite Empfänger auf verschiedenen Chips angeordnet sind.F85. Sensor according to one of the preceding sensor embodiments with the exception of the preceding embodiment and having the features of F35, wherein the second transmitter and the second receiver are arranged on different chips.
- F86. Sensor gemäß einer der vorhergehenden Sensorausführungsformen und mit den Merkmalen von F35, wobei der zweite Sender und der zweite Empfänger auf einem anderen Chip angeordnet sind als der zweite Sender und der zweite Empfänger.F86. Sensor according to one of the preceding sensor embodiments and having the features of F35, wherein the second transmitter and the second receiver are arranged on a different chip than the second transmitter and the second receiver.
- F87. Sensor gemäß einer der vorhergehenden Sensorausführungsformen und mit den Merkmalen von F11 und F35, wobei der Verweilzeitsender und der Verweilzeitempfänger auf demselben Chip angeordnet sind.F87. Sensor according to one of the preceding sensor embodiments and having the features of F11 and F35, wherein the dwell time transmitter and the dwell time receiver are arranged on the same chip.
- F88. Sensor gemäß einer der vorhergehenden Sensorausführungsformen mit Ausnahme der vorhergehenden Ausführungsform und mit den Merkmalen von F11 und F35, wobei der Verweilzeitsender und der Verweilzeitempfänger auf verschiedenen Chips angeordnet sind.F88. Sensor according to one of the preceding sensor embodiments with the exception of the preceding embodiment and having the features of F11 and F35, the dwell time transmitter and the dwell time receiver being arranged on different chips.
- F89. Sensor gemäß einer der vorhergehenden Sensorausführungsformen und mit den Merkmalen von F37 oder F38, wobei das piezoelektrische Substrat oder die piezoelektrische Schicht eine SAW-Schallgeschwindigkeit, cS, umfasst, die der Ausbreitungsgeschwindigkeit einer SAW innerhalb des piezoelektrischen Substrats bzw. der piezoelektrischen Schicht entspricht.F89. Sensor according to one of the preceding sensor embodiments and having the features of F37 or F38, wherein the piezoelectric substrate or the piezoelectric layer comprises a SAW speed of sound, c S , which corresponds to the propagation speed of a SAW within the piezoelectric substrate or the piezoelectric layer.
- F90. Sensor gemäß einer der vorhergehenden Sensorausführungsformen und mit den Merkmalen von F37 oder F38, wobei das durch den Sensor geleitete Fluid eine Fluidschallgeschwindigkeit, cF, umfasst, die der Ausbreitungsgeschwindigkeit einer Schallwelle innerhalb des Fluids entspricht.F90. Sensor according to one of the preceding sensor embodiments and having the features of F37 or F38, wherein the fluid conducted through the sensor comprises a fluid sound velocity, c F , which corresponds to the propagation speed of a sound wave within the fluid.
- F91. Sensor gemäß einer der vorhergehenden Sensorausführungsformen und mit den Merkmalen der Sensorausführungsform F11, wobei der Verweilzeitempfänger eine Verweilzeitempfängerlänge in Strömungsrichtung umfasst und wobei der Verweilzeitsender eine Verweilzeitsenderlänge in Strömungsrichtung umfasst, wobei die Verweilzeitempfängerlänge größer als die Verweilzeitsenderlänge ist.F91. Sensor according to one of the preceding sensor embodiments and having the features of sensor embodiment F11, wherein the dwell time receiver comprises a dwell time receiver length in the flow direction and wherein the dwell time transmitter comprises a dwell time transmitter length in the flow direction, the dwell time receiver length being greater than the dwell time transmitter length.
- F92. Sensor gemäß einer der vorhergehenden Sensorausführungsformen und mit den Merkmalen der Sensorausführungsform F11, wobei der Verweilzeitempfänger eine Verweilzeitempfängerlänge in Strömungsrichtung umfasst und wobei die Verweilzeitempfängerlänge im Bereich von 0,1 mm bis 100 mm, vorzugsweise 0,2 mm bis 50 mm, bevorzugter 0,2 mm bis 20 mm, liegt.F92. Sensor according to one of the preceding sensor embodiments and with the features of sensor embodiment F11, wherein the dwell time receiver comprises a dwell time receiver length in the direction of flow and the dwell time receiver length in the range from 0.1 mm to 100 mm, preferably 0.2 mm to 50 mm, more preferably 0.2 mm to 20 mm.
- F93. Sensor gemäß einer der vorhergehenden Sensorausführungsformen und mit den Merkmalen der Sensorausführungsform F11, wobei der Verweilzeitsender eine Verweilzeitsenderlänge in Strömungsrichtung umfasst und wobei die Verweilzeitsenderlänge im Bereich von 12 µm bis 40 mm, vorzugsweise 60 µm bis 20 mm, bevorzugter 120 µm bis 14 mm, liegt.F93. Sensor according to one of the preceding sensor embodiments and with the features of sensor embodiment F11, the dwell time transmitter comprising a dwell time transmitter length in the direction of flow and the dwell time transmitter length in the range from 12 μm to 40 mm, preferably 60 μm to 20 mm, more preferably 120 μm to 14 mm .
- F94. Sensor gemäß einer der vorhergehenden Sensorausführungsformen und mit den Merkmalen der Sensorausführungsform F11, wobei der Verweilzeitsender und der Verweilzeitempfänger durch eine Verzögerungsleitungslänge in Strömungsrichtung getrennt sind und wobei die Verzögerungsleitungslänge mindestens 10 µm, vorzugsweise mindestens 50 µm, bevorzugter mindestens 100 µm, beträgt.F94. Sensor according to one of the preceding sensor embodiments and with the features of sensor embodiment F11, the dwell time transmitter and the dwell time receiver being separated by a delay line length in the direction of flow and the delay line length being at least 10 µm, preferably at least 50 µm, more preferably at least 100 µm.
- F95. Sensor gemäß einer der vorhergehenden Sensorausführungsformen, wobei die Verarbeitungseinheit dazu konfiguriert ist, Signale von der Sender- und Empfängeranordnung zu empfangen.F95. Sensor according to one of the preceding sensor embodiments, wherein the processing unit is configured to receive signals from the transmitter and receiver arrangement.
- F96. Sensor gemäß einer der vorhergehenden Sensorausführungsformen, wobei die Verarbeitungseinheit dazu konfiguriert ist, Signale an die Sender- und Empfängeranordnung zu senden.F96. Sensor according to one of the preceding sensor embodiments, wherein the processing unit is configured to send signals to the transmitter and receiver arrangement.
- F97. Sensor gemäß einer der vorhergehenden Sensorausführungsformen, wobei die Sender- und Empfängeranordnung dazu konfiguriert ist, Signale von einem Signalgenerator zu empfangen.F97. Sensor according to one of the preceding sensor embodiments, wherein the transmitter and receiver arrangement is configured to receive signals from a signal generator.
- F98. Sensor gemäß einer der vorhergehenden Sensorausführungsformen, wobei die Verarbeitungseinheit dazu konfiguriert ist, Signale an den Signalgenerator zu senden.F98. Sensor according to one of the preceding sensor embodiments, wherein the processing unit is configured to send signals to the signal generator.
- F99. Sensor gemäß einer der vorhergehenden Sensorausführungsformen, wobei die Verarbeitungseinheit dazu konfiguriert ist, die Verweilzeit zu bestimmen.F99. Sensor according to one of the preceding sensor embodiments, wherein the processing unit is configured to determine the dwell time.
- F100. Sensor gemäß der vorhergehenden Sensorausführungsform und mit den Merkmalen von F11 und F95, wobei die Verarbeitungseinheit dazu konfiguriert ist, eine Verweilzeit basierend auf einem vom Verweilzeitempfänger empfangenen Signal zu bestimmen.F100. Sensor according to the preceding sensor embodiment and with the features of F11 and F95, wherein the processing unit is configured to determine a dwell time based on a signal received from the dwell time receiver.
- F101. Sensor gemäß einer der vorhergehenden Sensorausführungsformen, wobei die Verarbeitungseinheit dazu konfiguriert ist, Schritte des Verfahrens gemäß einer der vorhergehenden Verfahrensausführungsformen auszuführen.F101. Sensor according to one of the preceding sensor embodiments, wherein the processing unit is configured to carry out steps of the method according to one of the preceding method embodiments.
- F102. Sensor gemäß einer der vorhergehenden Sensorausführungsform und mit den Merkmalen von F95, wobei die Verarbeitungseinheit dazu konfiguriert ist, ein Differenzmaß basierend auf Signalen zu bestimmen, die vom ersten und zweiten Empfänger empfangen werden.F102. Sensor according to any of the preceding sensor embodiments and having the features of F95, wherein the processing unit is configured to determine a difference measure based on signals received from the first and second receivers.
- F103. Sensor gemäß der vorhergehenden Sensorausführungsform und mit den Merkmalen von F99, wobei die Verarbeitungseinheit dazu konfiguriert ist, die Verweilzeit und das Differenzmaß zum Bestimmen der Strömungseigenschaft zu verwenden.F103. Sensor according to the preceding sensor embodiment and with the features of F99, wherein the processing unit is configured to use the dwell time and the difference measure to determine the flow property.
- F104. Sensor gemäß einer der vorhergehenden Sensorausführungsformen und mit den Merkmalen von F95, wobei die Verarbeitungseinheit dazu konfiguriert ist, eine digitale Nachverarbeitung von Signalen durchzuführen, die von der Sender- und Empfängeranordnung empfangen werden.F104. Sensor according to one of the preceding sensor embodiments and having the features of F95, wherein the processing unit is configured to carry out digital post-processing of signals received from the transmitter and receiver arrangement.
- F105. Sensor gemäß einer der 3 vorhergehenden Sensorausführungsformen und mit den Merkmalen von F95, wobei die Verarbeitungseinheit dazu konfiguriert ist, eine digitale Nachverarbeitung des Differenzmaßes durchzuführen.F105. Sensor according to one of the 3 preceding sensor embodiments and with the features of F95, the processing unit being configured to carry out digital post-processing of the difference measure.
- F106. Sensor gemäß einer der vorhergehenden Sensorausführungsformen, wobei mindestens ein Anteil des Kanals dazu konfiguriert ist, einen akustischen Wellenleiter für Wellen bereitzustellen, die das Fluid durchlaufen.F106. The sensor of any preceding sensor embodiment, wherein at least a portion of the channel is configured to provide an acoustic waveguide for waves traversing the fluid.
- F107. Sensor gemäß einer der vorhergehenden Sensorausführungsformen und mit den Merkmalen von F89, wobei der Kanal aus einem Kanalmaterial gebildet ist und wobei das Kanalmaterial eine Materialschallgeschwindigkeit, cm,, umfasst, die kleiner als die SAW-Schallgeschwindigkeit ist.F107. Sensor according to one of the preceding sensor embodiments and having the features of F89, wherein the channel is formed from a channel material and wherein the channel material comprises a material sound velocity, c m ,, which is less than the SAW sound velocity.
- F108. Sensor gemäß der vorhergehenden Sensorausführungsform und einschließlich der Merkmale von F28, aber mit Ausnahme der Merkmale von F67, wobei der Chip eine Oberseite umfasst und wobei die Oberseite nicht Teil der Innenfläche des Kanals ist.F108. Sensor according to the preceding sensor embodiment and including the features of F28, but with the exception of the features of F67, wherein the chip comprises a top side and wherein the top side is not part of the inner surface of the channel.
- F109. Sensor gemäß einer der 2 vorhergehenden Sensorausführungsformen und mit Ausnahme der Merkmale von F67, wobei der Chip über ein Kopplungsmaterial mit dem Kanalmaterial gekoppelt ist, wobei das Kopplungsmaterial dazu konfiguriert ist, zu ermöglichen, dass sich eine SAW vom Chip zum Kanalmaterial und umgekehrt ausbreitet.F109. Sensor according to one of the 2 preceding sensor embodiments and with the exception of the features of F67, wherein the chip is coupled to the channel material via a coupling material, the coupling material being configured to allow a SAW to propagate from the chip to the channel material and vice versa.
- F110. Sensor gemäß der vorhergehenden Sensorausführungsform und mit den Merkmalen von F44, wobei das Kopplungsmaterial eine Kopplungsmaterialdicke umfasst und wobei die Kopplungsmaterialdicke weniger als 50 %, vorzugsweise weniger als 25 % und bevorzugter weniger als 10 %, der Wandlerwellenlänge beträgt.F110. Sensor according to the preceding sensor embodiment and with the features of F44, wherein the coupling material comprises a coupling material thickness and wherein the coupling material thickness is less than 50%, preferably less than 25% and more preferably less than 10% of the transducer wavelength.
M57. Verfahren gemäß einer der vorhergehenden Verfahrensausführungsformen, wobei das Verfahren das Verwenden eines Sensors gemäß einer der vorhergehenden Sensorausführungsformen umfasst.M57. Method according to one of the preceding method embodiments, the method comprising using a sensor according to one of the preceding sensor embodiments.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die beigeschlossenen Zeichnungen beschrieben. Diese Ausführungsformen sollten nur Beispiele für die vorliegende Erfindung geben, diese aber nicht einschränken.
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1A stellt ein Ausführungsbeispiel eines Durchflusssensors gemäß der vorliegenden Erfindung in einer ersten Konfiguration dar, -
1B stellt das Ausführungsbeispiel von1A in einer zweiten Konfiguration dar, -
2 stellt schematisch beispielhafte Designs von IDT dar, -
3 veranschaulicht eine Abbildung der strömungsabhängigen Verlagerung auf eine Zeitverzögerung, -
4 veranschaulicht die Fluidabhängigkeit der Verweilzeit, -
5A veranschaulicht Parameter, die relevant sind, um eine gewünschte Platzierung des Verweilzeitempfängers abzuschätzen, -
5b veranschaulicht Parameter, die relevant sind, um eine gewünschte Länge des Verweilzeitempfängers zu schätzen, -
6 stellt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Durchflusssensors nach der vorliegenden Erfindung dar, -
7A stellt eine beispielhafte Sender- und Empfängeranordnung dar, die 4 Phasenverschiebungswandler umfasst, -
7B stellt eine beispielhafte Sender- und Empfängeranordnung dar, die 3 Phasenverschiebungswandler umfasst, -
7C stellt eine beispielhafte Sender- und Empfängeranordnung dar, die 2 Phasenverschiebungswandler umfasst, -
8A stellt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Durchflusssensors gemäß der vorliegenden Erfindung in einer ersten Konfiguration dar, -
8B stellt das Ausführungsbeispiel von1B in einer zweiten Konfiguration dar, -
9A veranschaulicht ein Beispiel eines Signals einer Welle, die von einem Wandler empfangen wird, -
9B veranschaulicht Änderungen eines beispielhaften Signals, das von einem Wandler aufgrund von Änderungen der Kanalhöhe empfangen wird, -
10 veranschaulicht eine beispielhafte Messung von Stufenströmungsrampen für zwei verschiedene Fluide, und -
11 veranschaulicht noch eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
-
1A shows an embodiment of a flow sensor according to the present invention in a first configuration, -
1B represents the embodiment of1A in a second configuration, -
2 shows schematically exemplary designs from IDT, -
3 illustrates a mapping of the flow-dependent shift to a time delay, -
4th illustrates the fluid dependence of the residence time, -
5A illustrates parameters that are relevant to estimate a desired placement of the dwell time receiver, -
5b illustrates parameters that are relevant to estimate a desired length of the dwell time receiver, -
6th represents a further embodiment of a flow sensor according to the present invention, -
7A represents an exemplary transmitter and receiver arrangement comprising 4 phase shift converters, -
7B illustrates an exemplary transmitter and receiver arrangement comprising 3 phase shift converters, -
7C represents an exemplary transmitter and receiver arrangement comprising 2 phase shift converters, -
8A shows a further embodiment of a flow sensor according to the present invention in a first configuration, -
8B represents the embodiment of1B in a second configuration, -
9A illustrates an example of a signal of a wave received by a transducer, -
9B illustrates changes in an exemplary signal received by a transducer due to changes in channel height, -
10 illustrates an exemplary measurement of step flow ramps for two different fluids, and -
11 illustrates yet another embodiment of the present invention.
Es wird angemerkt, dass nicht alle Zeichnungen alle Bezugszeichen tragen. Stattdessen wurden in einigen Zeichnungen einige der Bezugszeichen aus Platzgründen und der Einfachheit der Darstellung halber weggelassen. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die beigeschlossenen Zeichnungen beschrieben.It is noted that not all drawings bear all reference numbers. Instead, some of the reference numbers have been omitted in some drawings for reasons of space and simplicity of illustration. Embodiments of the present invention will now be described with reference to the accompanying drawings.
Unter Bezugnahme auf
Der Kanal
Vorzugsweise können der Kanal
Darüber hinaus kann der Durchflusssensor
Auf dem piezoelektrischen Substrat
Die Elektroden eines IDT können im Allgemeinen ineinandergreifend sein und werden daher auch als ineinandergreifende Elektroden bezeichnet. Insbesondere können die ineinandergreifenden Elektroden des IDT jeweils mehrere Fingerelektroden umfassen, wobei die Fingerelektroden der verschiedenen ineinandergreifenden Elektroden ineinandergreifen. Im Allgemeinen ist eine Vielzahl von Designs für derartige IDT bekannt und kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Einige beispielhafte IDT-Konfigurationen sind in
Unter Bezugnahme auf
Weiterhin können unter Bezugnahme auf
Unter Bezugnahme auf
Unter erneuter Bezugnahme auf
Im Folgenden kann der Durchflusssensor
Im Allgemeinen kann der Chip
Daher kann das piezoelektrische Substrat
Das heißt, wenn die SAW mit einem Fluid in Kontakt kommt und sofern die Schallgeschwindigkeit der SAW (cS) größer ist als die Geschwindigkeit der Schallwelle in dem Fluid (cF), kann sie (zumindest teilweise) im Rayleigh-Winkel θR in Bezug auf die Oberflächennormale des Chips
Allgemeiner kann eine SAW, die sich in einem Substrat (z. B. einem piezoelektrischen Substrat
Anschließend kann die Welle, d. h. die Schallwelle (auch als Volumenwelle bezeichnet) das Fluid durchlaufen. Mit anderen Worten kann sich die Welle durch den Kanal
Wie durch die gepunkteten Pfeile in
Der Prozess, bei dem eine Schallwelle in dem Fluid auf den Chip
Im Gegensatz dazu stützt sich ein bestimmter akustischer Reflektor nicht oder zumindest nicht wesentlich auf leckende SAW. Das heißt, ein guter akustischer Reflektor kann beispielsweise zumindest annähernd eine vollständige interne Reflexion der Druckwelle innerhalb des Kanals bereitstellen, wenn die Schallgeschwindigkeit auf seiner mit Fluid bedeckten Oberfläche höher ist als die des verwendeten Wandlermaterials, d. h. des Chipmaterials. Ein bevorzugter (z. B. idealer) akustischer Reflektor weist auf seiner Oberfläche eine signifikant höhere Schallgeschwindigkeit auf (für die die Massenschallgeschwindigkeit als guter Indikator dienen kann) als das verwendete Wandlermaterial. Somit gibt es unter Umständen nur einen vernachlässigbaren Wellenmodus, der sich bevorzugt auf der Oberfläche ausbreitet, was wiederum einen vernachlässigbaren lecken SAW-Modus impliziert.In contrast, a particular acoustic reflector does not rely, or at least not significantly, on leaking SAW. That is, a good acoustic reflector can, for example, at least provide approximately a complete internal reflection of the pressure wave within the channel when the speed of sound on its surface covered with fluid is higher than that of the transducer material used, ie the chip material. A preferred (for example ideal) acoustic reflector has a significantly higher sound velocity on its surface (for which the mass sound velocity can serve as a good indicator) than the transducer material used. Thus, there may be only one negligible wave mode that spreads preferentially on the surface, which in turn implies a negligible leaky SAW mode.
Es versteht sich, dass ein empfangender IDT
Wie in
Im Allgemeinen kann die genaue Bahn der Welle vom Rayleigh-Winkel und der Fluidgeschwindigkeit abhängig sein. Insbesondere ändert sich der Rayleigh-Winkel θR, d. h. der Winkel, unter dem eine SAW in das Fluid abgelenkt wird, mit der Schallgeschwindigkeit des Fluids. Somit umfasst die Bahn der Welle Informationen über die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids. Insbesondere kann die Schallwelle beim Durchlaufen des Fluids eine strömungsbedingte lokale Verlagerung erfahren, die von der Strömungsgeschwindigkeit des Fluids abhängig ist. Daher kann eine Messung der strömungsabhängigen Verlagerung, auch als Verschiebung bezeichnet, das Extrahieren von Informationen über eine Strömungseigenschaft des Fluids ermöglichen. Ein IDT
Unter Bezugnahme auf
Mit anderen Worten können Informationen über die Strömungsgeschwindigkeit auch basierend auf der Hüllkurvenamplitude eines vom empfangenden IDT
In diesem Zusammenhang wird angemerkt, dass die Verweilzeit Δtus, d. h. die Ausbreitungszeit der Welle innerhalb des Fluids, von der Strömungsgeschwindigkeit unabhängig ist. Somit kann die strömungsinduzierte Verlagerung auf die Zeitverzögerung zwischen dem Einkoppeln in den Chip
Somit kann ein Durchflusssensor
Die Welle, d. h. SAW und/oder Schallwelle, kann jedoch aufgrund von Temperaturschwankungen und anderen variablen Fluid-, Durchfluss- oder Umgebungsparametern, die beispielsweise in einer nicht idealen Umgebung naturgemäß vorhanden sein können, eine zusätzliche Phasenverschiebung erfahren. Die tatsächliche messbare Phasenverschiebung Δϕ kann daher eine Funktion vieler Variablen sein: Δϕ = f(t, vx, Δtus, s1,..., sn)., wobei t die Zeit ist, vx die mittlere Strömungsgeschwindigkeit (in Strömungsrichtung x) ist, Δtus die Verweilzeit ist und si phasensensitive Variablen sind, die in Bezug auf die Strömungsrichtung symmetrisch und in Abhängigkeit von der Schallgeschwindigkeit im Fluid konstant sind. Beispielsweise kann si die Fluiddichte (p) oder die Permittivität des Fluids (ε) oder die Temperatur und/oder Leitfähigkeit des Fluids bezeichnen.The wave, ie SAW and / or sound wave, can, however, experience an additional phase shift due to temperature fluctuations and other variable fluid, flow or environmental parameters, which can naturally be present in a non-ideal environment, for example. The actual measurable phase shift Δϕ can therefore be a function of many variables: Δϕ = f (t, v x , Δt us , s 1 , ..., s n )., Where t is the time, v x the mean flow velocity (in Direction of flow x), Δt us is the residence time and s i are phase-sensitive variables that are symmetrical with respect to the direction of flow and are constant as a function of the speed of sound in the fluid. For example, s i can denote the fluid density (p) or the permittivity of the fluid (ε) or the temperature and / or conductivity of the fluid.
Daher kann es vorteilhaft sein, diese unerwünschten Signale zu kompensieren. Mit anderen Worten kann, während Informationen über die lokale Verlagerung in Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit des Fluids enthalten sind, die Phasenverschiebung ferner unerwünschte Beiträge aufgrund von Umgebungsschwankungen und/oder Änderungen von Fluidparametern, z. B. aufgrund eines Lösungsmittelgradienten, umfassen.It can therefore be advantageous to compensate for these unwanted signals. In other words, while it contains information about the local displacement as a function of the flow rate of the fluid, the phase shift can also make undesirable contributions due to environmental fluctuations and / or changes in fluid parameters, e.g. B. due to a solvent gradient include.
Der Durchflusssensor
Um unerwünschte Phasenverschiebungen zu kompensieren, können die Signale von zwei Wellen gemessen werden, insbesondere von zwei Wellen, die sich in Bezug auf die Strömungsrichtung in entgegengesetzte Richtungen bewegen, wobei diese beiden Wellen ansonsten vorzugsweise identisch sind. Dies kann vorteilhafterweise die Korrektur von strömungsunabhängigen Phasenverschiebungen ermöglichen. Beispielsweise können zwei IDT in einigen Ausführungsformen abwechselnd als emittierende 122A- und empfangende 122B-Wandler dienen. Das heißt, die Sender- und Empfängeranordnung kann in abwechselnden Konfigurationen verwendet werden, wobei zwei Wandler
Unter Bezugnahme auf
Es wird angemerkt, dass der Begriff Phasenverschiebungswandler im Allgemeinen Wandler bezeichnen kann, die zur Messung der Phasenverschiebung der ersten und/oder der zweiten Welle beitragen. Das heißt, Wandler, die den ersten Sender
Wie in den
Allgemeiner umfasst die vorliegende Erfindung das Emittieren einer ersten Welle mit einem ersten Sender
Dann kann die Differenz zwischen den jeweiligen Phasenverschiebungen zwischen dem emittierten und dem empfangenen Signal von jeder von zwei aufeinanderfolgenden Messungen, d. h. einer Messung, bei der die Schallwelle stromaufwärts des emittierenden Wandlers
Insbesondere können unter der Annahme, dass eine erste Messung, bei der die Schallwelle stromabwärts des empfangenden IDT
Dies gilt unter der Annahme, dass Δt = t2 - t1 ausreichend klein ist, derart, dass angenommen werden kann, dass sich die Strömungsgeschwindigkeit nur innerhalb des Messfehlers ändert und dass insbesondere die strömungsrichtungsunabhängigen Phasenverschiebungen näherungsweise als konstant angegeben werden können, derart, dass sie sich beim Subtrahieren der beiden Phasenverschiebungen gegenseitig aufheben. Im Allgemeinen kann vorzugsweise die Zeitdifferenz Δt = t2 - t1, auch als Schaltzeit bezeichnet, möglichst klein gehalten werden. Dies kann vorteilhafterweise auch ermöglichen, dass die Änderung der symmetrischen (strömungsrichtungsunabhängigen) Phasenverschiebungsbeiträge während dieser Schaltzeit gering (z. B. vernachlässigbar) ist, derart, dass diese unerwünschten Phasenverschiebungsbeiträge/-signale durch Subtrahieren aufeinanderfolgender Phasendifferenzmessungen, zumindest in hinreichend genauer Annäherung, kompensiert werden können. Vorzugsweise ist die Schaltzeit Δt kleiner als 100 µs. Insbesondere kann die strömungsinduzierte Phasenverschiebung nur aufgrund des Abbildens der strömungsinduzierten (bzw. strömungsabhängigen) Verlagerung der Welle auf die als SAW zurückgelegte Zeit, bevor sie vom empfangenden IDT
Es wird angemerkt, dass die vorstehende Berechnung entsprechend angepasst werden kann, falls die Entfernung zwischen dem emittierenden und dem empfangenden IDT für die beiden subtrahierten Messungen nicht gleich ist. Das heißt, basierend auf einer jeweiligen Kalibrierung können die Phasendifferenzmessungen entsprechend skaliert werden, um eine Differenz in der zurückgelegten Entfernung zwischen den IDT zu berücksichtigen, die jeweils für die zwei (z. B. aufeinanderfolgenden) Phasendifferenzmessungen verwendet werden. Vorteilhafterweise sind jedoch die für die Phasenverschiebungsmessungen verwendeten emittierenden und empfangenden IDT gleich weit voneinander entfernt, derart, dass die Entfernung zwischen dem emittierenden und dem empfangenden IDT für beide Messungen gleich ist.It is noted that the above calculation can be adapted accordingly if the distance between the emitting and the receiving IDT is not the same for the two subtracted measurements. That is, based on a respective calibration, the phase difference measurements can be scaled accordingly to account for a difference in distance traveled between the IDTs that are each used for the two (e.g., consecutive) phase difference measurements. Advantageously, however, the emitting and receiving IDTs used for the phase shift measurements are equidistant from one another, in such a way that the distance between the emitting and the receiving IDT is the same for both measurements.
Mit anderen Worten kann nach jeder Messung der relativen Phasenverschiebung Δϕ zwischen dem emittierten und dem empfangenen Signal die Phasenverschiebung des Stromsignals kontinuierlich um einen Zeitschritt zurück von der Phasenverschiebung des Signals subtrahiert werden (in der praktischen Anwendung in der HPLC kann die Phasenänderung aufgrund der auftretenden Strömungsgeschwindigkeiten derart gering sein, dass Mehrdeutigkeiten im Allgemeinen nicht berücksichtigt werden müssen - die Phasenänderungen können typischerweise im Bereich von einigen Grad liegen). Unter der Annahme, dass Änderungen der Strömungsgeschwindigkeit in diesem Zeitfenster nur im Bereich des Messfehlers liegen, können alle Phasenkomponenten, die bezüglich der Strömungsrichtung symmetrisch sind, negiert werden. Andererseits kann für eine Ausführungsform wie die in den
Wie vorstehend zu sehen ist, kann die strömungsbedingte Phasenverschiebung und damit das Differenzmaß ΔΦ (zumindest in hinreichend genauer Annäherung) linear von der Verweilzeit der (Schall-) Welle in dem Fluid Δtus (auch als Ausbreitungszeit in dem Fluid oder Flugzeit in dem Fluid bezeichnet) und von der Strömungsgeschwindigkeit abhängig sein. Damit gilt: ΔΦ ∝ kSAWvxΔtus, wobei wiederum Δtus die Verweilzeit des Wellenpakets in dem Fluid bezeichnet, vx die Strömungsgeschwindigkeit (entlang des Kanals
Dies führt zu einem einfachen Ausdruck, der nur von der durchschnittlichen Strömungsgeschwindigkeit abhängig ist. Mit anderen Worten kann, wenn die Verweilzeit Δtus bekannt ist, das Differenzmaß ΔΦ der Phasenverschiebungen Δϕ es ermöglichen, die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids zumindest annähernd zu bestimmen.This leads to a simple expression that only depends on the average flow velocity. In other words, if the dwell time Δt us is known, the difference ΔΦ of the phase shifts Δϕ can make it possible to at least approximately determine the flow velocity of the fluid.
Das heißt, für zwei aufeinanderfolgende Messungen der Phasenverschiebung Δϕ(t1,2) = Δϕ1,2, wobei die Schaltzeit Δt = t2 - t1 klein genug für die Annahme ist, dass strömungsunabhängige Phasenverschiebungsbeiträge (zumindest in hinreichend genauer Annäherung) konstant sind, und wobei die beiden Messungen bei einer mittleren Strömungsgeschwindigkeit vx in entgegengesetzten Richtungen durchgeführt werden, d. h. v1 = -v2 = vx, wird die lokale Verlagerung Δx1,2 (auch als räumliche Verschiebung bezeichnet) einer SAW-induzierten (Ultraschall-) Welle wie folgt angegeben:
Hier bezeichnet Δtus wieder die strömungsunabhängige Verweilzeit.Here, Δt us again denotes the flow-independent residence time.
Nach der Ausbreitung durch den Kanal
Daher kann die Zeitverzögerung ΔtSAW,1,2 wie folgt ausgedrückt werden:
Die entsprechende Phasendifferenz zwischen emittiertem und empfangenem Signal im Bogenmaß wird durch Δϕ1,2 = 2πf(Δtus + ΔtSAW,1,2) angegeben. Die Kombination dieses Ausdrucks mit (I) und (II) ergibt:
Anschließend kann das Differenzmaß ΔΦ) wie vorstehend beschrieben berechnet werden, was Folgendes ergibt:
Während allerdings kSAW allgemein zumindest in hinreichend genauer Annäherung als konstant angenommen werden kann, ist Δtus von der Schallgeschwindigkeit des Fluids, cF, und damit von der Dichte und Kompressibilität des Fluids abhängig:
Mit anderen Worten ist Δtus fluidabhängig, wie in
Die Änderung der Verweilzeit, Δtus, ändert auch die Ausbreitungszeit der Welle als SAW nach dem Durchlaufen des Fluids, ΔtSAW, wie in
Basierend auf dem Vorstehenden kann die Verweilzeit, Δtus, beispielsweise gemessen werden, indem der empfangende IDT
Mit anderen Worten würde, während eine Lösung für das vorliegende Problem unter Umständen darin zu bestehen scheint, dass der empfangende IDT
Somit kann der Durchflusssensor
Es wird nun wieder auf
Im Allgemeinen kann der Zeitmess-IDT
Daher können basierend auf dem für das piezoelektrische Substrat
In Bezug auf
Beispielsweise betrüge unter Berücksichtigung einer minimalen Sollschallgeschwindigkeit für ein Fluid von
Desgleichen kann bei Betrachtung von
Wiederum kann auch die strömungsinduzierte lokale Verlagerung Δxx berücksichtigt werden, derart, dass die Länge des Zeitmess-IDT insgesamt angegeben sein kann durch
Daher können einige beispielhafte Überlegungen hinsichtlich der Gesamtgrenzen für die Länge des Zeitmess-IDT angestellt werden. Zum Schätzen einer Untergrenze für die Länge des Zeitmess-IDT
Was angesichts des vorstehenden Ergebnisses für LVerz max ausgedrückt werden kann als
Zur Schätzung einer oberen Grenze für die Länge des Zeitmess-IDT
Somit kann die Position und Ausdehnung des Zeitmess-IDT
Es wird angemerkt, dass die vorstehenden Überlegungen desgleichen für jeden Wandler, der den Verweilzeitempfänger
Es versteht sich, dass das Positionieren des Zeitmess-IDT
Die Zeit, in der die Schallwelle generiert wird, und die Zeit, in der die Schallwelle wieder in eine SAW umgewandelt wird, sind Zeiträume, in denen die Welle nicht durch den Durchfluss verschoben wird. Diese Zeiten, die auch als Offset-Zeit ΔtOffset bezeichnet werden können, können bei hinlänglich genauer Annäherung für eine feste Impulslänge des Übertragungsimpulses der emittierenden Phasenverschiebungs-IDT und für alle möglichen Schallgeschwindigkeiten verschiedener Fluide konstant sein. Somit kann an dem Wandler
Somit kann die in
Da die Verweilzeit Δtus strömungsunabhängig ist, kann sie unter Verwendung eines Verweilzeitempfängers
Ganz allgemein kann der Durchflusssensor eine Datenverarbeitungseinheit zum Verarbeiten der von den empfangenden Wandlern
Es versteht sich, dass die in den
Im Allgemeinen kann ein Durchflusssensor gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung weniger komplex als bekannte Durchflusssensoren sein, z. B. umfasst er unter Umständen keine beweglichen Teile oder komplexe Positionsmessungen und ermöglicht ferner eine fluidunabhängige Messung einer Strömungseigenschaft basierend auf einer einzigen einmaligen Kalibrierung, die beispielsweise bereits von einem Hersteller des Sensors durchgeführt werden kann. Darüber hinaus kann die Herstellung von SAW-Chips, die in dem Durchflusssensor verwendet werden, auf etablierten Chipverarbeitungstechniken beruhen, die leicht verfügbar sind. Vorteilhafterweise benötigt ein Sensor gemäß der vorliegenden Erfindung möglicherweise keine Materialien, die sich auflösen und dadurch Verunreinigungen in einem von einer Pumpe, z. B. einer HPLC-Pumpe, bereitgestellten Lösungsmittel bereitstellen könnten. Darüber hinaus können die fluidfördernden Teile vorteilhafterweise aus Materialien hergestellt sein, die nicht von üblichen Elutionsmitteln angegriffen werden können, z. B. chemisch inerten Materialien. Daher kann ein derartiger Sensor eine günstige Alternative bieten, insbesondere als Durchflusssensor für HPLC-Pumpen, die gleichzeitig dem Gradienten und dem Durchfluss entsprechen müssen.In general, a flow sensor according to embodiments of the present invention can be less complex than known flow sensors, e.g. B. it may not include any moving parts or complex position measurements and also enables a fluid-independent measurement of a flow property based on a single one-time calibration, which can already be carried out, for example, by a manufacturer of the sensor. In addition, the manufacture of SAW chips used in the flow sensor can be based on established chip processing techniques that are readily available. Advantageously, a sensor according to the present invention may not require materials that will dissolve and thereby contaminate a pump, e.g. B. an HPLC Pump, provided solvent. In addition, the fluid-conveying parts can advantageously be made of materials that cannot be attacked by conventional eluents, e.g. B. chemically inert materials. Such a sensor can therefore offer an inexpensive alternative, in particular as a flow sensor for HPLC pumps, which have to correspond to the gradient and the flow at the same time.
Wie bereits erwähnt, kann die vorliegende Erfindung in Durchflusssensoren
Es versteht sich, dass die gemessene Verweilzeit in Abhängigkeit von der relativen Position des Zeitmess-IDT
Darüber hinaus kann die Sender- und Empfängeranordnung im Allgemeinen eine unterschiedliche Anzahl von IDT
Ganz allgemein kann die Sender- und Empfängeranordnung mindestens einen ersten Sender
Somit kann die Sender- und Empfängeranordnung mehrere Wandler
Unter Bezugnahme auf
In einigen Ausführungsformen kann die Sender- und Empfängeranordnung mindestens 4 Wandler
Beispielsweise umfasst die Sender- und Empfängeranordnung unter Umständen nur drei Wandler
Weiterhin kann die Sender- und Empfängeranordnung in einigen Ausführungsformen nur zwei Wandler
Der Fachmann wird erkennen, dass die Wandler
Im Allgemeinen muss sich ein Chip
Während bei den Ausführungsformen, die bisher in Bezug auf
Die zwei IDT
Unter Bezugnahme auf
Somit umfasst der Durchflusssensor in dieser Ausführungsform nur zwei IDT
Wenn also der erste IDT
Zum Messen einer zweiten Welle und unter Bezugnahme auf
Wenn also der zweite IDT
Mit anderen Worten umfasst das von dem zweiten IDT
Vorzugsweise kann in einer Ausführungsform, die nur 2 Wandler umfasst, der größere Wandler, d. h. der Wandler, der den Verweilzeitempfänger
Wie bereits zuvor erörtert, kann ein Wechselspannungssignal an einen emittierenden IDT
Das Wechselspannungssignal kann beispielsweise von einer Hochfrequenzspannungsquelle, z. B. einem HF-Generator, einem Generator für beliebige Wellenformen (AWG) oder einem anderen Signalgenerator, bereitgestellt werden. Beispielsweise kann die Verarbeitungseinheit die Hochfrequenzquelle auslösen, um ein entsprechendes Wechselspannungssignal, vorzugsweise einen Impuls, an einen emittierenden Wandler zu senden, um die Generierung einer Welle, z. B. einer SAW, auszulösen. In einigen Ausführungsformen kann die Verarbeitungseinheit eine gewünschte Wellenform für das Wechselspannungssignal an die Hochfrequenzspannungsquelle bereitstellen.The AC voltage signal can, for example, from a high frequency voltage source, e.g. B. an HF generator, a generator for arbitrary waveforms (AWG) or another signal generator can be provided. For example, the processing unit can trigger the high-frequency source in order to send a corresponding AC voltage signal, preferably a pulse, to an emitting transducer in order to generate a wave, e.g. B. a SAW to trigger. In some embodiments, the processing unit can provide a desired waveform for the AC voltage signal to the high frequency voltage source.
Im Allgemeinen versteht es sich, dass die Schallwelle in Bezug auf die Zeit eine impulsförmige Schallwelle sein kann. Beispielsweise kann die Schallwelle eine zeitliche Form umfassen, die einem Rechteckimpuls, einem Gaußschen Impuls, einem Sinc-Impuls, einem Dirac-Impuls, einem Lorentz-Impuls oder dergleichen entspricht. Mit anderen Worten beruht die vorliegende Technologie vorzugsweise auf dem Senden von SAW-Impulsen und daher dem Generieren von Schallwellen in Form eines Impulses, z. B. Schallimpulsen, vorzugsweise Ultraschallimpulsen.In general, it is understood that the sound wave can be a pulse-shaped sound wave with respect to time. For example, the sound wave can have a temporal form which corresponds to a square pulse, a Gaussian pulse, a Sinc pulse, a Dirac pulse, a Lorentz pulse or the like. In other words, the present technology is preferably based on sending SAW pulses and therefore generating sound waves in the form of a pulse, e.g. B. sound pulses, preferably ultrasonic pulses.
Das nächste Signal (mit der Bezeichnung SAW-US-SAW) entspricht einer SAW-induzierten Schallwelle, die erneut auf den SAW-Chip
Da die Zeitverzögerung zwischen den getrennten Signalen auf die Entfernungsdifferenz zurückzuführen ist, die von der Welle, d. h. als Schallwelle und als SAW, zurückgelegt wird, kann sie durch Ändern der Entfernung zwischen dem Chip
Weiterhin zeigt
Ein Durchflusssensor gemäß der vorliegenden Erfindung kann vorteilhafterweise hohe Wiederholungsraten der Messung im Vergleich zu Standard-Durchflusssensoren ermöglichen, die derzeit in der HPLC verwendet werden. Das heißt, sobald die SAW und alle verbleibenden Streuwellen verschwunden sind, d. h. den Chip
Unter Bezugnahme auf
In einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann die vorliegende Erfindung ferner das Messen anderer Fluideigenschaften ermöglichen, z. B. Dichte, Schallgeschwindigkeit, Viskosität oder Leitfähigkeit. Diese Eigenschaften können beispielsweise auf der Basis der strömungsunabhängigen Phasenverschiebung der das Fluid durchlaufenden Welle hergeleitet werden, die von diesen Eigenschaften abhängig sein kann. Darüber hinaus kann eine SAW, die sich direkt vom emittierenden Wandler
Es versteht sich, dass, wenn auf einen IDT
Unter Bezugnahme auf
In einer derartigen Ausführungsform kann der Kanal
Wann immer in dieser Spezifikation ein relativer Begriff wie „ungefähr“, „im Wesentlichen“ oder „ca.“ verwendet wird, sollte dieser Begriff auch dahingehend ausgelegt werden, dass er den genauen Begriff mit einschließt. Das heißt, z. B. „im Wesentlichen gerade“ sollte ebenfalls dahingehend ausgelegt werden, dass auch „(genau) gerade“ eingeschlossen ist.Whenever a relative term such as “approximately,” “substantially,” or “approximately” is used in this specification, that term should also be construed to include the exact term. That is, e.g. B. “essentially straight” should also be interpreted to include “(exactly) straight”.
Wenn Schritte im Vorstehenden oder auch in den angehängten Ansprüchen angeführt wurden, ist anzumerken, dass die Reihenfolge, in der die Schritte im Text angeführt werden, zufällig sein mag. Das heißt, wenn nicht anders spezifiziert oder wenn es für den Fachmann nicht klar ist, kann die Reihenfolge, in der die Schritte angeführt werden, beliebig sein. Das heißt, wenn das vorliegende Dokument angibt, dass z. B. ein Verfahren die Schritte (A) und (B) umfasst, bedeutet dies nicht unbedingt, dass Schritt (A) Schritt (B) vorausgeht, sondern es ist ebenfalls möglich, dass Schritt (A) (zumindest teilweise) gleichzeitig mit Schritt (B) ausgeführt wird oder dass Schritt (B) Schritt (A) vorausgeht. Wenn überdies ein Schritt (X) einem anderen Schritt (Z) vorausgehen soll, bedeutet dies nicht, dass zwischen Schritt (X) und (Z) kein Schritt vorhanden ist. Das heißt, Schritt (X), der Schritt (Z) vorausgeht, schließt die Situation ein, dass Schritt (X) direkt vor Schritt (Z) ausgeführt wird, doch auch die Situation, dass (X) vor einem oder mehreren Schritten (
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
- US 10570361 B2 [0014]US 10570361 B2 [0014]
- DE 102019110514 A1 [0015]DE 102019110514 A1 [0015]
- US 9581572 B2 [0015]US 9581572 B2 [0015]
- DE 102018104669 A1 [0016]DE 102018104669 A1 [0016]
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Zitierte Nicht-PatentliteraturNon-patent literature cited
- R.M. White und F.W. Voltmer, Appl. Phys. Lett 7, 314 (1965) [0139]R.M. White and F.W. Voltmer, Appl. Phys. Lett 7, 314 (1965) [0139]
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DE102021100692.9A DE102021100692A1 (en) | 2021-01-14 | 2021-01-14 | SAW-based flow sensor |
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- 2021-01-14 DE DE102021100692.9A patent/DE102021100692A1/en active Pending
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