DE102021100692A1 - SAW-based flow sensor - Google Patents

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Andreas Hefele
Christoph Strobl
Erik BAIGAR
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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 US 10,570,361 B2 auf Schallwellen in der Mikrofluidik, einschließlich akustischer Oberflächenwellen, und auf die Steuerung und Manipulation von Fluidspezies. Insbesondere Verfahren zum Sortieren von Zellen und/oder Tröpfchen in einer Mikrofluidikvorrichtung unter Verwendung von akustischen OberflächenwellenIn general, the use of sound waves in microfluidics is also known. For example, relates US 10,570,361 B2 on sound waves in microfluidics, including surface acoustic waves, and on the control and manipulation of fluid species. In particular, method for sorting cells and / or droplets in a microfluidic device using surface acoustic waves

In letzter Zeit wurden auch Durchflusssensoren entwickelt, die Ultraschallwellen verwenden, die mittels akustischer Oberflächenwellen (SAW) generiert werden. Beispielsweise offenbart DE 10 2019 110 514 A1 eine Fluidmessvorrichtung zum Bestimmen mindestens einer Eigenschaft eines Fluids, wobei das Messverfahren auf der Verwendung des Einflusses eines Fluidstroms auf die Ausbreitungsgeschwindigkeit einer Ultraschallwelle basiert, die mittels einer akustischen Oberflächenwelle generiert wird. Aber auch für einen derartigen SAW-induzierten Ultraschalldurchflusssensor ist eine Kalibrierung in Bezug auf das verwendete Fluid erforderlich, was die Verwendung derartiger Sensoren für die HPLC schwierig oder sie sogar dafür unbrauchbar macht, insbesondere wenn Lösungsmittelgradienten verwendet werden. Desgleichen offenbart auch US 9,581,572 B2 eine Vorrichtung zum Bestimmen der Eigenschaften eines Mediums, die auf SAW-induzierten Ultraschallwellen basiert. Die Messungen hängen jedoch wiederum von den Materialeigenschaften der Fluide ab, derart, dass die Strömungsgeschwindigkeit oder Durchflussrate ohne anfängliche fluidspezifische Kalibrierung nicht unabhängig von anderen Eigenschaften des Fluids bestimmt werden kann.Recently, flow sensors using ultrasonic waves generated by surface acoustic waves (SAW) have also been developed. For example disclosed DE 10 2019 110 514 A1 a fluid measuring device for determining at least one property of a fluid, wherein the measuring method is based on the use of the influence of a fluid flow on the propagation speed of an ultrasonic wave that is generated by means of a surface acoustic wave. However, even for such a SAW-induced ultrasonic flow sensor, calibration with respect to the fluid used is required, which makes the use of such sensors for HPLC difficult or even unusable for this purpose, in particular when solvent gradients are used. Reveals the same as well US 9,581,572 B2 a device for determining the properties of a medium based on SAW-induced ultrasonic waves. However, the measurements again depend on the material properties of the fluids, such as that the flow velocity or flow rate cannot be determined independently of other properties of the fluid without an initial fluid-specific calibration.

Weiterhin offenbart DE 10 2018 104 669 A1 , dass Einflüsse eines Fluidstroms auf die Ausbreitungsgeschwindigkeit einer akustischen Oberflächenwelle ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit liefern, insbesondere die Änderung der Ausbreitungsgeschwindigkeit aufgrund von Änderungen der Ausbreitungszeit oder Änderungen der Phasenposition einer übertragenen akustischen Oberflächenwelle. Auch hier ist jedoch eine Referenzmessung erforderlich, um den Durchfluss unabhängig von anderen Eigenschaften des Fluids zu bestimmen.Also disclosed DE 10 2018 104 669 A1 that influences of a fluid flow on the propagation speed of a surface acoustic wave provide a measure of the flow speed, in particular the change in the propagation speed due to changes in the propagation time or changes in the phase position of a transmitted surface acoustic wave. Here too, however, a reference measurement is required in order to determine the flow rate independently of other properties of the fluid.

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 2 ineinandergreifende Elektroden. Ferner können die 2 ineinandergreifenden Elektroden derart angeordnet sein, dass die zwei ineinandergreifenden Elektroden abwechselnd die ineinandergreifenden Elektrodenfinger umfassen. Mit anderen Worten kann eine Periode des IDT ein Fingerpaar, d. h. zwei Fingerelektroden, umfassen, wobei jede Fingerelektrode des Fingerpaars Teil einer anderen ineinandergreifenden Elektrode ist. Ein derartiger IDT kann beispielsweise als IDT vom Einzelelektrodentyp oder IDT vom Festelektrodentyp bezeichnet werden.In some embodiments, each of the at least two interdigitated electrodes can include an identical number of finger electrodes. In addition or as an alternative to this, the interdigital transducer comprises 2 interlocking electrodes. Furthermore, the 2 interdigitated electrodes can be arranged such that the two interdigitated electrodes alternately encompass the interdigitated electrode fingers. In other words, a period of the IDT can include a pair of fingers, ie, two finger electrodes, each finger electrode of the pair of fingers being part of a different interdigitated electrode. Such an IDT may be referred to as a single-electrode type IDT or a fixed-electrode type IDT, for example.

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 21 und die Entfernung dazwischen in einer Richtung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der SAW verändern. Ein derartiger IDT kann beispielsweise als Schrägfinger-IDT oder verjüngter IDT bezeichnet werden. Verjüngte und/oder Schrägfingerelektroden können vorteilhafterweise einen IDT bereitstellen, der eine große Bandbreite umfasst.In some embodiments, the finger electrodes can be beveled and / or tapered. For example, the finger electrodes may be beveled and tapered toward one of the interdigitated electrodes such that the thickness of the finger electrodes 21 and change the distance therebetween in a direction perpendicular to the direction of propagation of the SAW. Such an IDT can be referred to as an oblique finger IDT or a tapered IDT, for example. Tapered and / or oblique finger electrodes can advantageously provide an IDT that has a wide bandwidth.

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.

  • 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.
    M1. A method for determining a flow property of a fluid, the method comprising:
    • 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.
  • 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.
  • 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 pressure 100 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.

  • 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.
    F1. A sensor for determining a flow property of a fluid, the sensor comprising:
    • 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.
  • 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.
    F2. Sensor according to the preceding sensor embodiment, wherein the transmitter and receiver arrangement comprises:
    • a first transducer forming the first transmitter and the second receiver, and
    • a second transducer that forms the second transmitter and the first receiver.
  • 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.
    F3. Sensor according to sensor embodiment F1, wherein the transmitter and receiver arrangement comprises:
    • 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.
  • 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.
    F4. Sensor according to sensor embodiment F1, wherein the transmitter and receiver arrangement comprises:
    • 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.
  • F12. Sensor nach den vorhergehenden Sensorausführungsformen und mit den Merkmalen der Sensorausführungsformen F2, F3 oder F4, 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 embodiments F2 , F3 or F4 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 oder F4, 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 embodiments F2 , F3 or F4 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 design F11 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 oder F4, 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 embodiments F2 , F3 or F4 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 oder F4, 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 embodiments F2 , F3 or F4 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 oder F14, wobei die Sender- und Empfängeranordnung einen Zeitsenderwandler umfasst, der den Verweilzeitsender bildet.F17. Sensor according to one of the sensor embodiments F11 , F12 , F13 or F14 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.
  • 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 the interdigital 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.

  • 1A stellt ein Ausführungsbeispiel eines Durchflusssensors gemäß der vorliegenden Erfindung in einer ersten Konfiguration dar,
  • 1B stellt das Ausführungsbeispiel von 1A 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 von 1B 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.
Embodiments of the present invention will now be described with reference to the accompanying drawings. These embodiments are only intended to give examples of the present invention, but not to limit them.
  • 1A shows an embodiment of a flow sensor according to the present invention in a first configuration,
  • 1B represents the embodiment of 1A 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 of 1B 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 1A wird ein Ausführungsbeispiel für einen Durchflusssensor 1 gemäß der vorliegenden Erfindung erörtert. Der Durchflusssensor 1 kann im Allgemeinen einen Kanal 11 zum Leiten eines Fluidstroms umfassen, dessen Strömungseigenschaft, z. B. Durchflussrate und/oder Strömungsgeschwindigkeit, gemessen werden soll. Das Fluid kann in einer durch den durchgezogenen Pfeil angegebenen Strömungsrichtung durch den Kanal 11 fließen, z. B. kann das Fluid in einer Strömungsrichtung durch den Kanal geleitet werden. Das heißt, wann immer die Wörter „stromaufwärts“ oder „stromabwärts“ hier verwendet werden, sind diese Wörter in Bezug auf die Strömungsrichtung zu verstehen. Wenn also gesagt wird, dass etwas stromabwärts von etwas anderem ist, befindet es sich weiter unten in Strömungsrichtung, und der umgekehrte Fall gilt in Bezug auf alles, was als stromaufwärts bezeichnet wird. Beispielsweise zeigen in 1A die gepunkteten Pfeile im Allgemeinen stromaufwärts (d. h. die Projektion auf die x-Richtung zeigt stromaufwärts), während der durchgezogene Pfeil, der die Strömungsrichtung anzeigt, stromabwärts zeigt.With reference to 1A becomes an exemplary embodiment for a flow sensor 1 discussed in accordance with the present invention. The flow sensor 1 can generally have a channel 11 for directing a fluid flow, the flow characteristic of which, e.g. B. flow rate and / or flow velocity is to be measured. The fluid can flow through the channel in a direction of flow indicated by the solid arrow 11 flow, e.g. B. the fluid can be directed in a flow direction through the channel. That is, whenever the words “upstream” or “downstream” are used here, these words are to be understood in relation to the direction of flow. So when something is said to be downstream of something else, it is lower down the flow, and the reverse is true for anything that is said to be upstream. For example, in 1A the dotted arrows generally upstream (ie the projection onto the x-direction points upstream), while the solid arrow, which indicates the flow direction, points downstream.

Der Kanal 11 kann eine Innenfläche 111 umfassen, die der Oberfläche des Kanals 11 entspricht, die mit einem Fluid in Kontakt stehen kann, wenn es hindurchgeleitet wird, d. h. durch den Kanal 11 und damit den Durchflusssensor 1 hindurchfließt. Ganz allgemein kann der Kanal 11 verschiedene Kanalgeometrien und/oder Kanalquerschnitte umfassen. Beispielsweise kann der Querschnitt des Kanals 11 rechteckig, rund, elliptisch oder eine beliebige Kombination davon sein. Es versteht sich, dass sich der Querschnitt auf einen Schnitt durch den Kanal 11 in einer Ebene senkrecht zur Strömungsrichtung bezieht. Weiterhin kann die Geometrie des Kanals 11 beispielsweise gerade, gekrümmt oder gebogen sein, z. B. eine Ecke, etwa eine 90°-Ecke, umfassen. Das heißt, der Kanal 11 kann eine Geometrie annehmen, bei der das Fluid beispielsweise gerade oder entlang einer gekrümmten oder gebogenen Bahn geleitet werden kann, z. B. entlang einer kontinuierlichen, glatten Biegung oder um eine scharfe Ecke. In einigen Ausführungsformen können zwei verschiedene Kanalgeometrien in Reihe geschaltet sein, um beispielsweise das Auftreten turbulenter Durchflüsse zu detektieren. Mit anderen Worten können zwei (Unter-)Sensoren in Reihe geschaltet sein, wobei sich die Kanalgeometrien der beiden Sensoren unterscheiden können, man kann beispielsweise das Auftreten turbulenter Durchflüsse detektieren. Beispielsweise kann es für Anwendungen mit einem breiten Spektrum an Durchflüssen vorteilhaft sein, wenn zwei Sensoren in Reihe geschaltet sind, wobei sich die Kanal- und/oder Sensorgeometrie zwischen den beiden Sensoren unterscheiden kann. Insbesondere kann ein Sensor derart für eine Region mit geringerem Durchfluss als der andere Sensor optimiert werden, dass insgesamt ein größerer Bereich abgedeckt werden kann. In einer derartigen Ausführungsform kann man beispielsweise anfänglich einen Durchfluss mit dem Sensor messen, der für niedrigere Durchflussraten optimiert ist, und dann, z. B. beim Detektieren von Turbulenzen, zu dem Sensor zurückkehren, der für höhere Durchflussraten optimiert ist, der beispielsweise eine allgemein größere Geometrie umfassen kann. Das heißt, durch Schalten zweier Sensoren in Reihe kann ein insgesamt „kombinierter“ Sensor bereitgestellt werden, der beispielsweise eine insgesamt höhere Genauigkeit für einen größeren Bereich von Fluidströmen ermöglichen kann.The channel 11 can be an inner surface 111 include that of the surface of the channel 11 which can be in contact with a fluid when it is passed through, ie through the channel 11 and with it the flow sensor 1 flows through. In general, the channel can 11 comprise different channel geometries and / or channel cross-sections. For example, the cross section of the channel 11 rectangular, round, elliptical, or any combination thereof. It goes without saying that the cross section refers to a section through the channel 11 relates in a plane perpendicular to the direction of flow. Furthermore, the geometry of the channel 11 for example straight, curved or bent, e.g. B. a corner, about a 90 ° corner, include. That is, the channel 11 may assume a geometry in which the fluid can be directed, for example, straight or along a curved or curved path, e.g. B. along a continuous, smooth bend or around a sharp corner. In some embodiments, two different channel geometries can be connected in series, for example in order to detect the occurrence of turbulent flow rates. In other words, two (sub) sensors can be connected in series, with the channel geometries of the two sensors being able to differ, for example the occurrence of turbulent flows can be detected. For example, for applications with a broad spectrum of flow rates, it can be advantageous if two sensors are connected in series, it being possible for the channel and / or sensor geometry to differ between the two sensors. In particular, one sensor can be optimized for a region with a lower flow rate than the other sensor in such a way that a larger area can be covered overall. In such an embodiment, for example, one can initially measure a flow rate with the sensor that is optimized for lower flow rates, and then, e.g. When detecting turbulence, return to the sensor which is optimized for higher flow rates, which for example may comprise a generally larger geometry. That is to say, by connecting two sensors in series, an overall “combined” sensor can be provided which, for example, can enable an overall higher accuracy for a larger range of fluid flows.

Vorzugsweise können der Kanal 11 und alle Fluidförderabschnitte des Sensors, d. h. alle Anteile des Sensors, die mit dem durch den Durchflusssensor hindurch geleiteten Fluid in Kontakt kommen, chemisch beständig sein. Das heißt, er kann gegen Fluide wie organische Lösungsmittel, Säuren, Laugen und Salze beständig sein, insbesondere gegen Fluide, die typischerweise in der Flüssigchromatografie, z. B. HPLC, verwendet werden. Vorzugsweise können die Fluidförderabschnitte des Durchflusssensors chemisch inert sein.Preferably the channel 11 and all fluid conveying sections of the sensor, ie all parts of the sensor that come into contact with the fluid passed through the flow sensor, be chemically resistant. That is, it can be resistant to fluids such as organic solvents, acids, alkalis and salts, in particular to fluids that are typically used in liquid chromatography, e.g. B. HPLC, can be used. The fluid conveying sections of the flow sensor can preferably be chemically inert.

Darüber hinaus kann der Durchflusssensor 1 eine Sender- und Empfängeranordnung umfassen, die allgemein zum Anregen und/oder Detektieren von akustischen Oberflächenwellen („SAW“) konfiguriert ist. Die Sender- und Empfängeranordnung kann mindestens einen Chip 12 umfassen, wobei der mindestens eine Chip 12 ein Substrat 121 umfassen kann, z. B. ein monolithisches Substrat, das vorzugsweise piezoelektrisch sein kann. Beispielsweise kann das Substrat ein Kristall aus Lithiumniobat (LiNbO3), Quarz (SiO2), Lithiumtantalat (LiTaO3) oder Lanthangalliumsilikat (La3Ga5SiO14) sein. Insbesondere kann das Substrat ein 128°-X-Y-geschnittener LiNbO3-Kristall sein. Es versteht sich jedoch, dass das Substrat auch aus einem anderen Material gebildet sein kann und dass lediglich eine piezoelektrische Schicht, z. B. gebildet durch eines der vorgenannten Materialien, auf dem Substrat gebildet werden kann, z. B. durch Aufdampfen. Mit anderen Worten kann der Chip 12 in einigen Ausführungsformen ein Substrat 121, z. B. einen Siliziumkristall, umfassen, der mit einer piezoelektrischen Schicht (nicht dargestellt) beschichtet sein kann, anstatt nur ein Substrat 121 zu verwenden, das selbst piezoelektrisch ist. In den folgenden Ausführungsformen wird angenommen, dass der Durchflusssensor 1 ein piezoelektrisches Substrat 121 umfasst, es versteht sich jedoch, dass dasselbe mit einer speziellen piezoelektrischen Schicht auf einem Substrat 121 verwirklicht werden kann, das möglicherweise nicht piezoelektrisch ist.In addition, the flow sensor 1 a transmitter and receiver assembly generally configured to excite and / or detect surface acoustic waves (“SAW”). The transmitter and receiver arrangement can have at least one chip 12th comprise, wherein the at least one chip 12th a substrate 121 may include e.g. B. a monolithic substrate, which may preferably be piezoelectric. For example, the substrate can be a crystal made of lithium niobate (LiNbO 3 ), quartz (SiO 2 ), lithium tantalate (LiTaO 3 ) or lanthanum gallium silicate (La 3 Ga 5 SiO 14 ). In particular, the substrate can be a 128 ° XY-cut LiNbO 3 crystal. It goes without saying, however, that the substrate can also be formed from a different material and that only one piezoelectric layer, e.g. B. formed by one of the aforementioned materials can be formed on the substrate, e.g. B. by vapor deposition. In other words, the chip can 12th in some embodiments, a substrate 121 , e.g. B. a silicon crystal, which may be coated with a piezoelectric layer (not shown), rather than just a substrate 121 to use, which is itself piezoelectric. In the following embodiments, it is assumed that the flow sensor 1 a piezoelectric substrate 121 but it should be understood that the same is true with a special piezoelectric layer on a substrate 121 can be realized, which may not be piezoelectric.

Auf dem piezoelektrischen Substrat 121 (oder der piezoelektrischen Schicht) kann mindestens ein Wandler 122 angeordnet sein. Der mindestens eine Wandler 122 kann im Allgemeinen dazu konfiguriert sein, beispielsweise eine Welle zu emittieren und/oder zu empfangen, z. B. eine Welle bzw. ein einer Welle entsprechendes Signal detektiert. Das heißt, der mindestens eine Wandler 122 kann im Allgemeinen dazu konfiguriert sein, ein elektrisches Signal in eine Welle umzuwandeln und/oder umgekehrt. Vorzugsweise kann der mindestens eine Wandler 122 ein Interdigitalwandler (IDT) sein, der dazu konfiguriert ist, akustische Oberflächenwellen (SAW) zu generieren, z. B. zu emittieren, und zu empfangen, z. B. zu detektieren. Mit anderen Worten kann ein IDT 122 im Allgemeinen dazu konfiguriert sein, SAW zu senden und/oder zu empfangen. IDT und das allgemeine Prinzip des Generierens einer SAW mit einem IDT auf einem piezoelektrischen Substrat wird beispielsweise in Direct piezoelectric coupling to surface elastic waves, R.M. White und F.W. Voltmer, Appl. Phys. Lett 7, 314 (1965) , erörtert. Grundsätzlich kann ein IDT so ausgelegt sein, dass er elektrische Signale in elastische Oberflächenwellen umwandelt, d. h. akustische Oberflächenwellen (SAW), oder umgekehrt, um Oberflächenwellen in elektrische Signale umzuwandeln. Um eine akustische Oberflächenwelle zu generieren, kann typischerweise eine Wechselspannung an zwei ineinandergreifende Elektroden angelegt werden, die der IDT umfasst, was aufgrund des inversen piezoelektrischen Effekts bewirkt, dass das piezoelektrische Material periodischen Verformungen ausgesetzt wird. Diese periodischen Verformungen können zur Anregung einer SAW führen. Die genauen Eigenschaften können stark vom Design des IDT abhängen, insbesondere von dessen Elektroden. Beispielsweise kann ein IDT zwei jeweils eine kammartige Struktur umfassende Elektroden umfassen, die einander gegenüberliegend derart angeordnet sein können, dass die Finger des Kamms ineinandergreifen. Eine derartige Struktur kann es ermöglichen, das piezoelektrische Substrat (oder die piezoelektrische Schicht) unter dem IDT periodisch zu verformen und somit eine SAW anzuregen. Das genaue Design der Elektroden eines IDT kann beispielsweise die Frequenz und/oder die maximale Leistung einer generierten SAW beeinflussen. Darüber hinaus kann das Design beispielsweise ermöglichen, dass die IDT SAW symmetrisch oder in einer bevorzugten Richtung emittiert/empfängt.On the piezoelectric substrate 121 (or the piezoelectric layer) can have at least one transducer 122 be arranged. The at least one converter 122 may generally be configured to, for example, emit and / or receive a wave, e.g. B. detected a wave or a signal corresponding to a wave. That is, the at least one converter 122 can generally be configured to convert an electrical signal into a wave and / or vice versa. The at least one converter can preferably 122 an interdigital transducer (IDT) configured to generate surface acoustic waves (SAW), e.g. B. to emit and receive, e.g. B. to detect. In other words, an IDT 122 generally be configured to send and / or receive SAW. IDT and the general principle of generating a SAW with an IDT on a piezoelectric substrate is described, for example, in Direct piezoelectric coupling to surface elastic waves, RM White and FW Voltmer, Appl. Phys. Lett 7, 314 (1965) , discussed. In principle, an IDT can be designed in such a way that it converts electrical signals into elastic surface waves, ie surface acoustic waves (SAW), or vice versa, in order to convert surface waves into electrical signals. In order to generate a surface acoustic wave, an alternating voltage can typically be applied to two interdigitated electrodes that comprise the IDT, which due to the inverse piezoelectric effect causes the piezoelectric material to be subjected to periodic deformations. These periodic deformations can lead to the excitation of a SAW. The exact properties can depend heavily on the design of the IDT, especially its electrodes. For example, an IDT can comprise two electrodes, each comprising a comb-like structure, which can be arranged opposite one another in such a way that the fingers of the comb interlock. Such a structure can make it possible to periodically deform the piezoelectric substrate (or the piezoelectric layer) under the IDT and thus to excite a SAW. The exact The design of the electrodes of an IDT can, for example, influence the frequency and / or the maximum power of a generated SAW. In addition, the design can, for example, allow the IDT SAW to emit / receive symmetrically or in a preferred direction.

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 2 schematisch dargestellt.The electrodes of an IDT can generally be interdigitated and are therefore also referred to as interdigitated electrodes. In particular, the interdigitated electrodes of the IDT can each comprise a plurality of finger electrodes, the finger electrodes of the various interdigitated electrodes interdigitated. In general, a variety of designs for such IDTs are known and can be used with the present invention. Some exemplary IDT configurations are in 2 shown schematically.

2 a) zeigt einen IDT 122, der zwei ineinandergreifende Elektroden 2 umfasst, wobei jede der ineinandergreifenden Elektroden 2 mehrere Fingerelektroden 21 umfasst, die mit den Fingerelektroden 21 der jeweiligen anderen ineinandergreifenden Elektrode 2 ineinandergreifen. Bei diesem Design haben die Fingerelektroden 21 sowie die jeweiligen Lücken zwischen den Fingerelektroden 21 jeweils eine identische Breite von vorzugsweise .1/4, wobei λ die bezeichnete Wellenlänge der vom IDT 122 emittierten/übertragenen SAW bezeichnet. Daher umfasst eine Periode P des IDT, d. h. ein Abschnitt, der einer Länge von λ entspricht, zwei Fingerelektroden 21, die jeweils eine andere Elektrode 2 umfasst. Das heißt, in diesem Fall umfasst eine Periode genau ein Fingerpaar, d. h. ein Paar Elektrodenfinger 21, das zwei Elektrodenfinger 21 umfasst, wobei jeweils eine andere ineinandergreifende Elektrode 2 die beiden Elektrodenfinger 21 umfasst. Mit anderen Worten umfasst der in 2 a) dargestellte IDT 122 4 Fingerpaare und/oder desgleichen eine Periodenzahl n von 4, d. h. 4 Perioden P. Eine SAW wird in dem darunterliegenden Substrat 121 innerhalb der überlappenden Region der Fingerelektroden 21 gebildet, die auch als akustische Blende w bezeichnet wird, und breitet sich im Allgemeinen in einer Richtung aus, in der sich die Fingerelektroden 21 überlappen (typischerweise senkrecht zur größten Ausdehnung der Fingerelektroden 21), wie durch die durchgezogenen Pfeile angezeigt. Im Allgemeinen kann ein derartiges Design auch als IDT vom Einzelelektrodentyp oder IDT vom Festelektrodentyp bezeichnet werden. 2 a) shows an IDT 122 , of two interlocking electrodes 2 comprises, each of the interdigitated electrodes 2 multiple finger electrodes 21 includes those with the finger electrodes 21 the respective other interdigitated electrode 2 interlock. In this design, the finger electrodes 21 as well as the respective gaps between the finger electrodes 21 each have an identical width of preferably .1 / 4, where λ is the designated wavelength of the IDT 122 emitted / transmitted SAW. Therefore, a period P of the IDT, that is, a portion corresponding to a length of λ, comprises two finger electrodes 21 each with a different electrode 2 includes. That is to say, in this case, a period comprises exactly one pair of fingers, that is to say one pair of electrode fingers 21 , the two electrode fingers 21 each comprising a different interdigitated electrode 2 the two electrode fingers 21 includes. In other words, the in 2 a) IDT 122 shown 4 pairs of fingers and / or the like a number of periods n of 4, ie 4 periods P. A SAW is in the underlying substrate 121 within the overlapping region of the finger electrodes 21 also known as the acoustic shutter w, and generally spreads in a direction in which the finger electrodes are 21 overlap (typically perpendicular to the largest extent of the finger electrodes 21 ) as indicated by the solid arrows. In general, such a design may also be referred to as a single electrode type IDT or a fixed electrode type IDT.

Unter Bezugnahme auf 2b) wird ein ähnliches Design gezeigt, jedoch umfasst diesmal eine einzelne Periode P 4 Elektrodenfinger 21, d. h. 2 Fingerpaare, wobei die Fingerelektroden 21 der beiden ineinandergreifenden Elektroden 2 paarweise ineinander greifen, d. h. zwei Fingerelektroden 21 derselben ineinandergreifenden Elektrode 2 liegen immer nebeneinander. Hier können daher die Breite der Elektrodenfinger 21 und die Lücken zwischen den Elektrodenfingern vorzugsweise λ/8 sein. Dieses Design kann auch als IDT vom Doppelelektrodentyp oder IDT vom Split-Elektrodentyp bezeichnet werden. Es versteht sich, dass natürlich auch eine höhere Anzahl von Fingern pro Periode für einen IDT vom Split-Elektrodentyp verwendet werden kann, z. B. kann eine Periode 8 Finger umfassen. Mit anderen Worten können nicht nur IDT vom Doppelelektrodentyp verwendet werden, sondern allgemein IDT vom Multielektrodentyp.With reference to 2 B) a similar design is shown, but this time a single period P includes 4 electrode fingers 21 , ie 2 pairs of fingers, with the finger electrodes 21 of the two interlocking electrodes 2 interlock in pairs, ie two finger electrodes 21 same interdigitated electrode 2 always lie next to each other. The width of the electrode fingers can therefore be adjusted here 21 and the gaps between the electrode fingers are preferably λ / 8. This design can also be referred to as a dual electrode type IDT or a split electrode type IDT. It goes without saying that a higher number of fingers per period can of course also be used for an IDT of the split electrode type, e.g. B. can be a period 8th Grasp your fingers. In other words, not only double-electrode type IDTs can be used, but multi-electrode type IDTs in general.

Weiterhin können unter Bezugnahme auf 2 c) die Fingerelektroden 21 abgeschrägt und verjüngt sein. Insbesondere für zwei ineinandergreifende Elektroden 2 können die Fingerelektroden zu einer der ineinandergreifenden Elektroden 2 derart abgeschrägt und verjüngt sein, dass sich die Dicke der Fingerelektroden 21 und die Entfernung zwischen diesen in einer Richtung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der SAW ändern. Dies kann es vorteilhafterweise ermöglichen, dass der IDT eine große Bandbreite umfasst, da die Periode auf einer Seite der akustischen Blende anders ist als auf der anderen Seite der akustischen Blende und somit unterschiedliche Anteile der akustischen Blende w für unterschiedliche Wellenlängen geeignet sein können. Ein derartiges Design kann auch als verjüngter IDT oder Schrägfinger-IDT bezeichnet werden und kann mit einem IDT vom Festelektrodentyp oder einem IDT vom Split-Elektroden-Typ kombiniert werden.Furthermore, with reference to 2 c) the finger electrodes 21 be beveled and tapered. Especially for two interlocking electrodes 2 can connect the finger electrodes to one of the interdigitated electrodes 2 be beveled and tapered so that the thickness of the finger electrodes 21 and change the distance between them in a direction perpendicular to the direction of propagation of the SAW. This can advantageously make it possible for the IDT to encompass a large bandwidth, since the period on one side of the acoustic screen is different than on the other side of the acoustic screen and thus different proportions of the acoustic screen w can be suitable for different wavelengths. Such a design can also be referred to as a tapered IDT or angled finger IDT and can be combined with an IDT of the fixed electrode type or an IDT of the split electrode type.

Unter Bezugnahme auf 2d) kann der IDT auch dazu konfiguriert sein, eine sich ändernde Breite und eine Trennung der Fingerelektroden 21 in Ausbreitungsrichtung zu umfassen. Mit anderen Worten kann sich die Periode des IDT in der Ausbreitungsrichtung einer emittierten SAW ändern. Dies kann wiederum die Bandbreite des IDT erhöhen und insbesondere das Emittieren und Empfangen von gechirpten SAW-Impulsen ermöglichen. Daher kann ein derartiges Design auch als gechirpter IDT bezeichnet werden.With reference to 2d ) the IDT can also be configured to have a changing width and separation of the finger electrodes 21 to include in the direction of propagation. In other words, the period of the IDT can change in the direction of propagation of an emitted SAW. This in turn can increase the bandwidth of the IDT and, in particular, enable the emission and reception of chirped SAW pulses. Such a design can therefore also be referred to as a chirped IDT.

Unter erneuter Bezugnahme auf 1A kann in einigen Ausführungsformen eine optionale Siegelschicht 123 zum Schutz der Wandler 122 dienen. Beispielsweise können die Wandler 122 mit einer dünnen Schicht aus Quarzglas (Fused SiO2 (Kieselglas)) bedeckt sein. Vorzugsweise kann die Dicke (auch als Höhe bezeichnet) der Siegelschicht 123 viel kleiner sein als eine Wellenlänge der vom jeweiligen Wandler 122 generierten Welle, z. B. einer von einem jeweiligen IDT 122 generierten SAW. Beispielsweise kann die Siegelschicht 123 eine Dicke von weniger als einer halben Wellenlänge der vom Wandler 122 generierten Welle, vorzugsweise von weniger als einem Viertel einer Wellenlänge, noch bevorzugter weniger als 10 % der Wellenlänge, der vom Wandler angeregten Welle umfassen.Referring again to FIG 1A may, in some embodiments, have an optional sealing layer 123 to protect the converter 122 serve. For example, the converters 122 be covered with a thin layer of quartz glass (Fused SiO 2 (silica glass)). The thickness (also referred to as the height) of the sealing layer can preferably be 123 be much smaller than a wavelength of the respective transducer 122 generated wave, e.g. B. one from a respective IDT 122 generated SAW. For example, the sealing layer 123 a thickness less than half a wavelength that of the transducer 122 generated wave, preferably less than a quarter of a wavelength, more preferably less than 10% of the wavelength of the wave excited by the transducer.

Im Folgenden kann der Durchflusssensor 1 allgemein , als IDT 122 umfassend beschrieben werden, die dazu konfiguriert sind, SAW in einem piezoelektrischen Substrat 121 oder einer piezoelektrischen Schicht zu generieren. Es versteht sich jedoch, dass allgemeiner andere Typen von Wandlern 122 verwendet werden können, um entsprechende Wellen zu generieren (z. B. zu emittieren und/oder zu senden).In the following the flow sensor 1 general, as IDT 122 that are configured to incorporate SAW in a piezoelectric substrate 121 or to generate a piezoelectric layer. It should be understood, however, that other types of transducers are more generally 122 can be used to generate corresponding waves (e.g. to emit and / or transmit).

Im Allgemeinen kann der Chip 12 eine Oberseite 124 umfassen, die zumindest teilweise in Kontakt mit einem Fluid sein kann, das durch den Kanal 11 fließt. Die Oberseite 124 des Chips 12 kann beispielsweise der Außenfläche der Siegelschicht 123 entsprechen. Zumindest ein Anteil der Oberseite 124 kann somit Teil der Innenfläche 111 des Kanals 11 sein. Das heißt, mindestens ein Anteil der Oberseite 124 des Chips 12 kann in Kontakt mit dem durch den Kanal 11 fließenden Fluid stehen. Mit anderen Worten kann mindestens ein Anteil eines Fluids, das durch den Durchflusssensor 1 und insbesondere durch den Kanal 11 geleitet wird, mit der Oberseite 124 des Chips 12 in Kontakt gebracht werden, auf der bzw. neben der SAW unter Verwendung eines IDT 122 angeregt werden können.In general, the chip can 12th a top 124 which may be at least partially in contact with a fluid passing through the channel 11 flows. The top 124 of the chip 12th can for example be the outer surface of the sealing layer 123 correspond. At least part of the top 124 can thus be part of the inner surface 111 of the canal 11 be. That is, at least a portion of the top 124 of the chip 12th can be in contact with the through the channel 11 flowing fluid. In other words, at least a portion of a fluid that is passed through the flow sensor 1 and in particular through the canal 11 is directed with the top 124 of the chip 12th be brought into contact on or next to the SAW using an IDT 122 can be stimulated.

Daher kann das piezoelektrische Substrat 121 (oder die piezoelektrische Schicht) unter Verwendung mindestens eines IDT 122 angeregt werden, der beispielsweise einen ersten Sender 122A-1 oder einen zweiten Sender 122A-2 bildet. Das heißt, durch Anlegen eines Wechselspannungssignals an den IDT 122 und insbesondere an Elektroden, die der IDT 122 umfasst, kann das piezoelektrische Material periodisch verformt und somit eine SAW generiert (z. B. gestartet oder emittiert) werden. Die SAW kann sich im Allgemeinen senkrecht zur Chipnormalen und entlang der Chipoberfläche bewegen, wobei die SAW eine Oberflächenverlagerung in der Richtung senkrecht zur Bewegungsrichtung, d. h. entlang der Chipnormalen, umfassen kann. Mit anderen Worten können beim Anregen des piezoelektrischen Substrats 121 (oder der piezoelektrischen Schicht) unter Verwendung mindestens eines der IDT 122 zumindest teilweise SAW generiert werden, die entlang der Oberflächennormalen des Chips (d. h. in Richtung der Oberseite 124) schwingen (z. B. ablenken) können. Wenn die SAW mit dem Fluid in dem Kanal 11 in Kontakt kommt, kann die Verlagerung eine Volumenwelle innerhalb des Fluids anregen. Das heißt, die Welle kann sich unter dem sogenannten Rayleigh-Winkel θR zumindest teilweise in das Fluid übertragen, wo sie sich als Ultraschallwelle (Schallwelle), d. h. als (longitudinale) Druckwelle, ausbreiten kann, wie allgemein durch die Pfeile angezeigt, die vom IDT 122 ausgehen, der eine Welle emittiert. Dies kann einen ersten Sender 122A-1 oder einen zweiten Sender 122A-2 bilden (vgl. 1A und 1B). Mit anderen Worten kann eine Ultraschallwelle, d. h. eine Schallwelle, mittels akustischer Oberflächenwellen generiert (und auch empfangen/detektiert) werden. Dieser Prozess wird allgemein von A. Wixforth und T. Franke in ihrer Abhandlung Microfluidics for Miniaturized Laboratories on a Chip (ChemPhysChem 2008, 9, 2140-2156) erläutert und wird beispielsweise auch im vorstehend genannten Dokument US 10,570,361 B1 verwendet. Grundsätzlich breitet sich die von der SAW generierte longitudinale Schallwelle aufgrund der Phasenanpassung in einem Winkel θR aus, der typischerweise als Rayleigh-Winkel θR bezeichnet wird und durch die Schallgeschwindigkeiten der SAW (cS) in dem Chip 12, z. B. dem Substrat 121 oder einer piezoelektrischen Schicht auf dem Substrat, und der Schallwelle in dem Fluid (cF) durch die folgende Beziehung definiert ist: s i n θ R = c F c S .

Figure DE102021100692A1_0001
Therefore, the piezoelectric substrate 121 (or the piezoelectric layer) using at least one IDT 122 be excited, for example, a first transmitter 122A-1 or a second transmitter 122A-2 forms. That is, by applying an AC voltage signal to the IDT 122 and especially on electrodes that the IDT 122 includes, the piezoelectric material can be periodically deformed and thus a SAW generated (z. B. started or emitted). The SAW can move generally perpendicular to the chip normal and along the chip surface, wherein the SAW can include a surface displacement in the direction perpendicular to the direction of movement, ie along the chip normal. In other words, when the piezoelectric substrate is excited 121 (or the piezoelectric layer) using at least one of the IDT 122 at least partially SAW are generated along the normal to the surface of the chip (ie in the direction of the upper side 124 ) can swing (e.g. deflect). When the SAW with the fluid in the channel 11 comes into contact, the displacement can excite a bulk wave within the fluid. This means that the wave can at least partially transfer itself into the fluid at the so-called Rayleigh angle θ R , where it can propagate as an ultrasonic wave (sound wave), i.e. as a (longitudinal) pressure wave, as indicated generally by the arrows leading from IDT 122 going out emitting a wave. This can be a first sender 122A-1 or a second transmitter 122A-2 form (cf. 1A and 1B) . In other words, an ultrasonic wave, ie a sound wave, can be generated (and also received / detected) by means of surface acoustic waves. This process is generally explained by A. Wixforth and T. Franke in their treatise Microfluidics for Miniaturized Laboratories on a Chip (ChemPhysChem 2008, 9, 2140-2156) and is also used, for example, in the above-mentioned document US 10,570,361 B1 used. In principle, the longitudinal sound wave generated by the SAW propagates due to the phase adjustment at an angle θ R , which is typically referred to as the Rayleigh angle θ R , and due to the speed of sound of the SAW (c S ) in the chip 12th , e.g. B. the substrate 121 or a piezoelectric layer on the substrate, and the sound wave in the fluid (c F ) is defined by the following relationship: s i n θ R. = c F. c S. .
Figure DE102021100692A1_0001

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 12 in das Fluid abgelenkt werden.That is, if the SAW comes into contact with a fluid and if the speed of sound of the SAW (c S ) is greater than the speed of the sound wave in the fluid (c F ), it can (at least partially) at the Rayleigh angle θ R in Relation to the surface normal of the chip 12th be deflected into the fluid.

Allgemeiner kann eine SAW, die sich in einem Substrat (z. B. einem piezoelektrischen Substrat 121 oder allgemeiner in einem Chip 12) und nahe an diesem oder an dessen Oberfläche (z. B. auf einem Substrat) ausbreitet, in ein Medium (z. B. Fluid), das das Substrat bedeckt, „lecken“, vorausgesetzt, dass die Schallgeschwindigkeit des Mediums kleiner als die Schallgeschwindigkeit des Substrats ist, und ferner vorausgesetzt, dass das Medium eine Dicke aufweist, die signifikant größer als die Wellenlänge der SAW ist. In einem derartigen Fall wird ein Bruchteil der Welle ständig in das Medium übertragen, während sich die SAW an der Substratoberfläche ausbreitet. Mit anderen Worten wird die Welle mit einem bestimmten festen Teil in das Medium übertragen. Somit folgt der zeitliche und räumliche Übergang der SAW-Amplitude einer fallenden Exponentialfunktion, sofern es keine zusätzliche SAW-Quelle gibt, z. B. elektrisch an einem IDT oder durch eine in das Medium eintretende Ultraschallwelle. Derartige SAW werden daher auch als „leckende SAW“ bezeichnet, da sie in das angrenzende Medium lecken. Dieser Vorgang kann auch als akustisches Äquivalent zur Lichtbrechung verstanden werden.More generally, a SAW that resides in a substrate (e.g., a piezoelectric substrate 121 or more generally in a chip 12th ) and spreads close to it or on its surface (e.g. on a substrate) into a medium (e.g. fluid) that covers the substrate, "licking", provided that the sound velocity of the medium is less than the Is the speed of sound of the substrate, and further provided that the medium has a thickness that is significantly greater than the wavelength of the SAW. In such a case, a fraction of the wave is continuously transmitted into the medium while the SAW propagates on the substrate surface. In other words, the wave is transmitted into the medium with a certain fixed part. Thus, the temporal and spatial transition of the SAW amplitude follows a falling exponential function, provided there is no additional SAW source, e.g. B. electrically at an IDT or by an ultrasonic wave entering the medium. Such SAW are therefore also referred to as "leaking SAW" because licking them into the adjacent medium. This process can also be understood as an acoustic equivalent to the refraction of light.

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 11 und insbesondere durch das in dem Kanal fließende Fluid bewegen, wobei die Bewegungsrichtung zumindest teilweise in y-Richtung verläuft. Das heißt, die Welle kann sich in y-Richtung durch den Kanal bewegen, während sie sich gleichzeitig auch mit der oder gegen die Strömungsrichtung (d. h. x-Richtung) bewegt. Mit anderen Worten kann die Welle den Kanal in y-Richtung kreuzen, wenn sie das Fluid durchläuft, wobei die γ-Richtung im Allgemeinen senkrecht zur Strömungsrichtung und zum Chip 12 sein kann, d. h. entlang der Oberflächennormalen des Chips 12. Somit kann die Ausdehnung des Kanals 11 in y-Richtung auch als Höhe H1 des Kanals 11 oder Kanalhöhe H1 bezeichnet werden.The wave, ie the sound wave (also referred to as a volume wave), can then pass through the fluid. In other words, the wave can travel through the channel 11 and in particular move through the fluid flowing in the channel, the direction of movement running at least partially in the y-direction. That is, the wave can move in the y-direction through the channel, while at the same time it also moves with or against the flow direction (ie x-direction). In other words, the wave can cross the channel in the y-direction when it passes through the fluid, with the γ-direction generally perpendicular to the flow direction and to the chip 12th can be, ie along the surface normal of the chip 12th . Thus, the expansion of the channel 11 in y-direction also as height H1 of the canal 11 or duct height H1 are designated.

Wie durch die gepunkteten Pfeile in 1A angegeben, kann eine Welle, die von einem ersten IDT 122-1 emittiert wird, der den ersten Sender 122A-1 bildet, auf der anderen Seite des Kanals 11 reflektiert werden, sobald die Welle den Kanal 11 in y-Richtung kreuzt, wobei die andere Seite im Allgemeinen dem emittierenden IDT 122, z. B. dem ersten IDT 122-1, entgegengesetzt sein kann. Insbesondere kann ein Anteil des Kanals 11 und insbesondere ein Anteil der Innenfläche des Kanals 111, aus einem akustischen Reflektor 16, beispielsweise aus Saphir, gebildet sein oder von diesem bereitgestellt werden. Nach dem Reflektieren kann die (Schall-) Welle wieder den Fluidstrom kreuzen und sich zurück in die Richtung des Chips 12 ausbreiten. Beim Auftreffen auf den Chip 12 kann die Schallwelle (zumindest teilweise) als SAW in den Chip 12 zurückgekoppelt werden. Das heißt, die reflektierte Schallwelle kann beispielsweise als SAW teilweise in die Oberfläche des Substrats 121 des Chips 12 eingekoppelt werden. Anschließend kann die SAW von einem zweiten IDT 122-2 empfangen werden, der als erster Empfänger 122B-1 fungiert, der die SAW in ein elektrisches Signal zurückverwandeln kann. Das heißt, die SAW kann detektiert werden, wobei der zweite IDT 122-2 den ersten Empfänger 122B-1 bildet. Im Allgemeinen kann eine Schallwelle auch mehrfach reflektiert werden, wobei jedes Mal, wenn die Schallwelle mit dem Chip 12 in Kontakt kommt, mindestens ein Anteil der Schallwelle als SAW in den Chip 12 eingekoppelt werden kann. Mit anderen Worten kann die Welle den Kanal mehrmals kreuzen, während sie das Fluid durchläuft. Beispielsweise kann in einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mindestens ein Anteil des Kanals als akustischer Wellenleiter für die das Fluid durchlaufenden Schallwellen konfiguriert sein, wobei jede Welle mehrmals reflektiert werden kann. Während das Erhöhen der Anzahl von Reflexionen die gesamte phasenabhängige Verlagerung erhöhen kann, die von der Welle beim Durchlaufen des Fluids kumuliert wird, kann die Signalstärke aufgrund von Verlusten, z. B. weil die Welle teilweise in den Chip 12 zurückgekoppelt und/oder nicht perfekt reflektiert wird, abnehmen. Somit kann die Anzahl von Reflexionen durch die Dämpfung der Schallwelle, die das Fluid durchläuft, begrenzt werden, damit ein verbleibendes Signal stark genug ist, um von einem empfangenden Wandler 122B empfangen zu werden. Im Allgemeinen kann es auch möglich sein, dass die Welle den Kanal 11 nur einmal kreuzt und auf der anderen Seite des Kanals detektiert wird, d. h. auch Messungen, bei denen die Welle das Fluid ohne Reflexion durchläuft, können in verschiedenen Ausführungsformen des Durchflusssensors 1 verwirklicht werden.As indicated by the dotted arrows in 1A specified, a wave generated by a first IDT 122-1 is emitted by the first transmitter 122A-1 forms, on the other side of the canal 11 be reflected as soon as the wave hits the channel 11 crosses in y-direction, the other side generally being the emitting IDT 122 , e.g. B. the first IDT 122-1 , can be opposite. In particular, a portion of the channel 11 and in particular a portion of the interior surface of the channel 111 , from an acoustic reflector 16 , for example from sapphire, be formed or provided by this. After reflecting, the (sound) wave can cross the fluid flow again and move back in the direction of the chip 12th spread. When hitting the chip 12th can send the sound wave (at least partially) as a SAW into the chip 12th be fed back. That is to say, the reflected sound wave can, for example, as a SAW partially into the surface of the substrate 121 of the chip 12th are coupled. The SAW can then be accessed by a second IDT 122-2 will be received, who is the first recipient 122B-1 that can convert the SAW back into an electrical signal. That is, the SAW can be detected using the second IDT 122-2 the first recipient 122B-1 forms. In general, a sound wave can also be reflected multiple times, each time the sound wave hits the chip 12th comes into contact, at least a portion of the sound wave as a SAW in the chip 12th can be coupled. In other words, the wave can cross the channel multiple times as it traverses the fluid. For example, in some embodiments of the present invention, at least a portion of the channel can be configured as an acoustic waveguide for the sound waves traversing the fluid, wherein each wave can be reflected multiple times. While increasing the number of reflections can increase the total phase shift accumulated by the wave as it traverses the fluid, the signal strength can decrease due to losses, e.g. B. because the wave is partially in the chip 12th is fed back and / or not reflected perfectly, decrease. Thus, the number of reflections can be limited by the attenuation of the sound wave passing through the fluid so that any remaining signal is strong enough to be transmitted by a receiving transducer 122B to be received. In general, it may also be possible for the wave to pass through the channel 11 crosses only once and is detected on the other side of the channel, ie measurements in which the wave passes through the fluid without reflection can also be carried out in different embodiments of the flow sensor 1 be realized.

Der Prozess, bei dem eine Schallwelle in dem Fluid auf den Chip 12 trifft und zumindest teilweise in den Chip 12 zurückgekoppelt wird, kann als der umgekehrte Prozess des teilweisen Einkoppelns einer SAW in das Fluid verstanden werden. Insbesondere ist die durch eine auftreffende Schallwelle induzierte SAW wieder eine leckende SAW, die daher als Schallwelle wieder teilweise in das Fluid abgelenkt werden kann. Dieser Prozess kann auch als (Teil-) Reflexion der Schallwelle bezeichnet werden. Mit anderen Worten kann die Umwandlung zwischen SAW und Schallwelle im Allgemeinen derselbe Prozess sein, der in beiden Richtungen abläuft, d. h. eine auftreffende longitudinale Schallwelle erzeugt eine SAW innerhalb des Kristalls, und sobald diese signifikant aufgebaut ist, beginnt sie wieder zu lecken, d. h. sie lenkt teilweise als Schallwelle in das Fluid ab. Dies kann zu einer (teilweisen) „Reflexion“ der auftreffenden longitudinalen Schallwelle führen. Das heißt, wenn auf eine Schallwelle verwiesen wird, die auf dem Chip 12 reflektiert wird, kann dies sich darauf beziehen, dass die Schallwelle eine leckende SAW induziert, die wiederum zumindest teilweise wieder in das Fluid abgelenkt wird und somit eine Schallwelle induziert, die als reflektierte Schallwelle bezeichnet werden kann. Somit kann die SAW, die sich in dem Chip bewegt, Verlusten unterliegen, die auf ein teilweises Lecken in das Fluid zurückzuführen sind, jedoch können diese Verluste unter der Voraussetzung, dass die Entfernung zwischen dem erneuten Einkoppeln in den Chip und dem Empfangen der erneut eingekoppelten SAW durch den empfangenden IDT 122B nicht zu groß ist, vernachlässigt werden, z. B. beeinträchtigen sie das Empfangen der SAW unter Umständen nicht oder zumindest nicht wesentlich.The process by which a sound wave in the fluid hits the chip 12th meets and at least partially in the chip 12th is fed back can be understood as the reverse process of partially coupling a SAW into the fluid. In particular, the SAW induced by an impinging sound wave is again a leaking SAW, which can therefore be partially deflected again as a sound wave into the fluid. This process can also be referred to as (partial) reflection of the sound wave. In other words, the conversion between SAW and sound wave can generally be the same process that goes in both directions, i.e. an incident longitudinal sound wave creates a SAW within the crystal, and once this is significantly built up it starts to leak again, i.e. it directs partially as a sound wave in the fluid. This can lead to a (partial) “reflection” of the incident longitudinal sound wave. That is, when referencing a sound wave that is on the chip 12th is reflected, this can refer to the fact that the sound wave induces a leaking SAW, which in turn is at least partially deflected back into the fluid and thus induces a sound wave which can be referred to as a reflected sound wave. Thus, the SAW moving in the chip may be subject to losses due to partial leakage into the fluid, but these losses can, provided that the distance between re-launching into the chip and receiving the re-launching SAW by the receiving IDT 122B is not too big, can be neglected, e.g. B. they may not affect the reception of the SAW or at least not significantly.

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 122B oder allgemeiner ein empfangender Wandler 122B einen IDT/Wandler bezeichnet, der einen Empfänger, z. B. einen ersten Empfänger 122B-1, einen zweiten Empfänger 122B-2 und/oder einen Verweilzeitempfänger 122C, bildet. Das heißt, ein empfangender IDT 122B bildet einen Empfänger 122B. Desgleichen bezeichnet ein emittierender IDT 122A oder allgemeiner ein emittierender Wandler 122A einen IDT/Wandler, der einen Sender bildet, z. B. einen ersten Sender 122A-1, einen zweiten Sender 122A-2 und/oder einen Verweilzeitsender 122C. Das heißt, ein emittierender IDT 122A bildet einen Empfänger 122A.It is understood that a receiving IDT 122B or more generally a receiving transducer 122B denotes an IDT / converter that includes a receiver, e.g. B. a first recipient 122B-1 , a second recipient 122B-2 and / or a dwell receiver 122C , forms. That is, a receiving IDT 122B forms a receiver 122B . Likewise denotes an emitting IDT 122A or more generally an emissive transducer 122A an IDT / converter forming a transmitter, e.g. B. a first transmitter 122A-1 , a second transmitter 122A-2 and / or a dwell transmitter 122C . That is, an emitting IDT 122A forms a receiver 122A .

Wie in 1A angegeben, kann die Sende- und Empfangsanordnung in einer ersten Konfiguration I verwendet werden, wobei der erste Wandler 122-1 als erster Sender 122A-1 fungieren kann, der eine erste Welle an den zweiten Wandler 122-2 senden kann, der als erster Empfänger 122B-1, beispielsweise in Aufwärtsrichtung, fungiert. Mit anderen Worten kann ein erster Sender 122A-1 eine erste Welle an einen ersten Empfänger 122B-1 senden. Beispielsweise kann der erste Wandler 122-1 einen Spannungsimpuls empfangen, der zum Anregen einer SAW in dem piezoelektrischen Substrat 121 konfiguriert ist, der wiederum zumindest teilweise an dem Winkel θR in das durch den Kanal 11 fließende Fluid ablenken kann. Die Welle kann dann den Kanal 11 kreuzen und anschließend an einem Anteil der Innenfläche des Kanals 111 reflektiert werden, der vorteilhafterweise von einem akustischen Reflektor 16 bereitgestellt werden kann. Somit kann die Welle den Kanal 11 noch einmal kreuzen und sich zum Chip 12 zurückbewegen, wo sie als SAW zumindest teilweise in das Substrat 121 zurückgekoppelt werden kann. Anschließend kann ein Signal der Welle vom zweiten Wandler 122-2 empfangen, z. B. detektiert, werden. Das heißt, die Verlagerung des piezoelektrischen Substrats 121 kann durch den zweiten Wandler 122-2 und insbesondere durch Elektroden, die der zweite Wandler 122-2 umfasst, wieder in ein Spannungssignal umgewandelt werden. Daher kann ein Signal gemessen werden, das einer ersten Welle entspricht, die das Fluid in einer im Allgemeinen stromaufwärtigen Richtung durchläuft, wenn die Sende- und Empfangsanordnung in der dargestellten ersten Konfiguration I verwendet wird.As in 1A indicated, the transmitting and receiving arrangement can be used in a first configuration I, the first transducer 122-1 as the first broadcaster 122A-1 can act, which a first shaft to the second transducer 122-2 who can send as the first recipient 122B-1 , for example in the upward direction, acts. In other words, a first sender can 122A-1 a first wave to a first receiver 122B-1 send. For example, the first converter 122-1 receive a voltage pulse that is used to excite a SAW in the piezoelectric substrate 121 is configured, in turn, at least partially at the angle θ R in that through the channel 11 can deflect flowing fluid. The wave can then channel 11 cross and then on a portion of the inner surface of the channel 111 be reflected, advantageously by an acoustic reflector 16 can be provided. Thus, the wave can channel 11 cross again and get to the chip 12th move back where they are as SAW at least partially into the substrate 121 can be fed back. Then a signal of the wave from the second transducer 122-2 received, e.g. B. be detected. That is, the displacement of the piezoelectric substrate 121 can through the second converter 122-2 and in particular by electrodes that the second transducer 122-2 includes, can be converted back into a voltage signal. Therefore, a signal can be measured that corresponds to a first wave that the fluid traverses in a generally upstream direction when the transmit and receive arrangement in the illustrated first configuration I is used.

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 122 kann jedoch im Allgemeinen nicht dazu konfiguriert sein, zu lokalisieren, wo die Schallwelle in den Chip 12 zurückgekoppelt wurde. Insbesondere wenn die Schallwelle direkt auf den Bereich des Chips 12 trifft, der den empfangenden IDT 122B umfasst, wandelt der empfangende IDT 122B unter Umständen nur die jeweilige Verlagerung des piezoelektrischen Substrats 121 (oder der Schicht) in ein elektrisches Signal um, ohne dass Informationen bezüglich der genauen Lokalisierung der Verlagerung innerhalb des Bereichs des empfangenden IDT 122B vorliegen.In general, the exact path of the shaft can depend on the Rayleigh angle and the fluid velocity. In particular, the Rayleigh angle θ R , ie the angle at which a SAW is deflected into the fluid, changes with the speed of sound of the fluid. Thus, the path of the wave includes information about the flow velocity of the fluid. In particular, the sound wave can experience a flow-related local displacement as it passes through the fluid, which is dependent on the flow velocity of the fluid. A measurement of the flow-dependent displacement, also referred to as displacement, can therefore enable information about a flow property of the fluid to be extracted. An IDT 122 however, it generally cannot be configured to locate where the sound wave enters the chip 12th was fed back. Especially when the sound wave hits the area of the chip directly 12th that meets the receiving IDT 122B includes, the receiving IDT converts 122B possibly only the respective displacement of the piezoelectric substrate 121 (or the layer) into an electrical signal without information regarding the exact location of the displacement within the range of the receiving IDT 122B are present.

Unter Bezugnahme auf 3 kann eine Lösung nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darin bestehen, die Verlagerung auf eine Zeitverzögerung ΔtSAW abzubilden, mit der die SAW den empfangenden IDT 122B erreicht. 3 zeigt die strömungsabhängige Verlagerung für zwei Wellen, die bei unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten νx1,2 emittiert werden, wobei gilt: νx1 < νx2. Beispielsweise kann für eine erste Welle, die durch die gepunkteten Pfeile angezeigt wird, νx1 Null sein, während für eine zweite Welle, die durch die gestrichelten Pfeile angezeigt wird, νx2 größer als Null sein kann. Während sich der Rayleigh-Winkel möglicherweise nicht ändert, wenn dasselbe Fluid verwendet wird, erfährt die Schallwelle, die das Fluid mit der höheren Strömungsgeschwindigkeit νx2 durchläuft, eine größere Verlagerung (gestrichelte Pfeile) als die Schallwelle, die das Fluid mit der geringeren Strömungsgeschwindigkeit νx1 durchläuft. Daher treffen die beiden jeweiligen Schallwellen an verschiedenen Stellen und damit in unterschiedlicher Entfernung zum empfangenden IDT 122B auf den Chip 12. Somit ist die als erneut eingekoppelte SAW zurückgelegte Zeit, ΔtSAW1,2, von der strömungsbedingten Verlagerung abhängig. Das heißt, für νx1 < νx2 folgt, dass ΔtSAW1 > ΔtSAW2 ist, da die von der ersten Welle zurückgelegte Entfernung länger ist als die von der zweiten Welle zurückgelegte (d. h. Entfernung als erneut eingekoppelte SAW). Folglich können Informationen über die Strömungsgeschwindigkeit von der Zeit und/oder der Phase des vom empfangenden IDT 122B empfangenen Signals hergeleitet werden.With reference to 3 For example, a solution according to an embodiment of the present invention can consist in mapping the shift to a time delay Δt SAW with which the SAW passes the receiving IDT 122B reached. 3 shows the flow-dependent displacement for two waves that are emitted at different flow velocities νx 1,2 , where: ν x1x2 . For example, for a first wave, which is indicated by the dotted arrows, ν x1 can be zero, while for a second wave, which is indicated by the dashed arrows, ν x2 can be greater than zero. While the Rayleigh angle may not change if the same fluid is used, the sound wave that traverses the fluid with the higher flow velocity ν x2 experiences a greater displacement (dashed arrows) than the sound wave that the fluid with the lower flow velocity ν passes through x1 passes. Therefore, the two respective sound waves hit at different points and thus at different distances from the receiving IDT 122B on the chip 12th . The time covered as the SAW that was coupled in again, Δt SAW1,2 , is therefore dependent on the displacement caused by the flow. That is, for ν x1 < νx2 it follows that Δt SAW1 > Δt SAW2 , since the distance traveled by the first wave is longer than that traveled by the second wave (ie Distance as re-coupled SAW). Consequently, information about the flow rate can vary from the time and / or phase of the receiving IDT 122B received signal can be derived.

Mit anderen Worten können Informationen über die Strömungsgeschwindigkeit auch basierend auf der Hüllkurvenamplitude eines vom empfangenden IDT 122B empfangenen Signals hergeleitet werden, d. h. ohne Berücksichtigung der Phase. Das Herleiten von Informationen über die Strömungsgeschwindigkeit aus der Phase des Signals kann jedoch im Allgemeinen wesentlich genauer sein (Größenordnungen) als der Versuch, geringfügige Verschiebungen der Amplitudenhüllkurve des Signals zu verfolgen. Daher kann es vorteilhaft sein, zumindest das Phasensignal zum Herleiten von Informationen über die Strömungsgeschwindigkeit zu berücksichtigen, was insbesondere eine fluidunabhängige Messung der Strömungsgeschwindigkeit ermöglichen kann, wenn es mit entsprechenden weiteren Messungen kombiniert wird, wie nachstehend ausgeführt.In other words, information about the flow velocity can also be based on the envelope curve amplitude of a from the receiving IDT 122B received signal, ie without taking the phase into account. However, in general, deriving information about the flow rate from the phase of the signal can be much more accurate (orders of magnitude) than attempting to track slight shifts in the amplitude envelope of the signal. It can therefore be advantageous to take into account at least the phase signal for deriving information about the flow rate, which can in particular enable a fluid-independent measurement of the flow rate if it is combined with corresponding further measurements, as explained below.

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 12 und dem Erreichen des empfangenden IDT 122B abgebildet werden. Dieses Abbilden der strömungsabhängigen Verlagerung kann erreicht werden, indem der empfangende IDT 122B im Allgemeinen derart angeordnet ist, dass die Schallwelle nicht direkt auf den Bereich des Chips 12 trifft, der den empfangenden IDT 122B umfasst, sondern sich stattdessen zuerst innerhalb des Chips 12 vor dem Empfangen durch den empfangenden IDT 122B als SAW ausbreitet. Auf diese Weise umfasst das empfangene Signal eine Zeitverzögerung, die in direktem Zusammenhang mit der Stelle steht, an der die Welle in den Chip 12 zurückgekoppelt wird, und damit der Strömungsgeschwindigkeit des Fluids. Diese Zeitverzögerung kann im Allgemeinen auch durch eine Phasenverschiebung des empfangenen Signals gegenüber dem gesendeten Signal dargestellt werden.In this connection it is noted that the dwell time Δt us , ie the propagation time of the wave within the fluid, is independent of the flow velocity. Thus, the flow-induced displacement can affect the time delay between launching into the chip 12th and reaching the receiving IDT 122B can be mapped. This mapping of the flow dependent displacement can be achieved by the receiving IDT 122B is generally arranged such that the sound wave does not hit the area of the chip directly 12th that meets the receiving IDT 122B instead, it is inside the chip first 12th before being received by the receiving IDT 122B as SAW spreads. In this way, the received signal includes a time delay that is directly related to the point at which the wave enters the chip 12th is fed back, and thus the flow rate of the fluid. This time delay can generally also be represented by a phase shift of the received signal in relation to the transmitted signal.

Somit kann ein Durchflusssensor 1 nach der vorliegenden Erfindung im Allgemeinen das Messen eines Signals ermöglichen, das Informationen über die strömungsinduzierte Verlagerung der Welle umfasst, die das Fluid durchläuft. Im Allgemeinen kann die Verzögerungszeit und/oder die Phasenverschiebung der Welle somit dazu verwendet werden, die Strömungsgeschwindigkeit abzuleiten.Thus, a flow sensor 1 in accordance with the present invention generally enable a signal to be measured which includes information about the flow induced displacement of the shaft through which the fluid passes. In general, the delay time and / or the phase shift of the wave can thus be used to derive the flow velocity.

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 1 kann im Allgemeinen mindestens zwei Wandler 122 umfassen, z. B. einen ersten und einen zweiten IDT 122-1, 122-2, wobei einer als emittierender IDT 122A, z. B. als erster Sender 122A-1, fungieren kann, und der andere als empfangender IDT 122B, z. B. als erster Empfänger 122B-1, fungieren kann. Das heißt, wie in 1A dargestellt, kann der erste Sender 122A-1 eine SAW generieren, die wiederum eine Schallwelle in dem Fluid induzieren kann, die sich durch den Kanal 11 bewegen kann und potenziell zumindest teilweise an der Innenwand 111 des Kanals 11 reflektiert werden kann. Irgendwann, z. B. nach einer Reflexion, kann die Schallwelle zumindest teilweise in ein piezoelektrisches Material, z. B. das Substrat des Chips 12, eingekoppelt werden. Somit kann sich eine schallwelleninduzierte SAW durch den Chip 12 und zum ersten Empfänger 122B-1 bewegen, was wiederum die SAW zumindest teilweise in ein elektrisches Signal, z. B. eine Spannung, umwandeln kann, die detektiert und weiterverarbeitet werden kann. Insbesondere kann ein Merkmal basierend auf dem empfangenen Signal bestimmt werden, wobei das Merkmal vorzugsweise die Phasenverschiebung zwischen der vom jeweiligen Sender ausgesendeten Welle und dem vom zweiten Empfänger empfangenen Signal der Welle sein kann. Die Phasendifferenz zwischen dem emittierten und dem empfangenen Signal, d. h. die gemessene Phasenverschiebung Δϕ, kann Informationen über die lokale Verschiebung aufgrund der Strömung des Fluids in dem Kanal 11, der strömungsunabhängigen Verweilzeit der Schallwelle in dem Fluid und unerwünschter zusätzlicher Phasenverschiebungen aufgrund von Umgebungsänderungen und/oder Änderungen der Fluideigenschaften umfassen.The flow sensor 1 can generally have at least two converters 122 include, e.g. B. a first and a second IDT 122-1 , 122-2 , one being the emitting IDT 122A , e.g. B. as the first sender 122A-1 , and the other as the receiving IDT 122B , e.g. B. as the first recipient 122B-1 , can act. That is, as in 1A shown, the first sender 122A-1 generate a SAW which in turn can induce a sound wave in the fluid that travels through the channel 11 can move and potentially at least partially on the inner wall 111 of the canal 11 can be reflected. At some point, e.g. B. after a reflection, the sound wave can at least partially in a piezoelectric material, e.g. B. the substrate of the chip 12th , are coupled. A sound wave-induced SAW can thus penetrate the chip 12th and to the first recipient 122B-1 move, which in turn converts the SAW at least partially into an electrical signal, e.g. B. a voltage, which can be detected and processed. In particular, a feature can be determined based on the received signal, wherein the feature can preferably be the phase shift between the wave transmitted by the respective transmitter and the wave signal received by the second receiver. The phase difference between the emitted and the received signal, ie the measured phase shift Δϕ, can provide information about the local shift due to the flow of the fluid in the channel 11 , the flow-independent Dwell time of the sound wave in the fluid and undesired additional phase shifts due to environmental changes and / or changes in the fluid properties include.

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 122 abwechselnd einen emittierenden 122A- und einen empfangenden 122B-Wandler bilden können. Mit anderen Worten kann die SAW (und damit die Schallwelle) abwechselnd von zwei IDT 122 derart emittiert werden, dass die Bewegungsrichtung für die Schallwelle zwischen den beiden IDT 122 zwischen stromaufwärts und stromabwärts wechseln kann. Das heißt, eine zweite Welle kann von dem Wandler gesendet werden, der die erste Welle 122B-1 empfängt, und von dem Wandler empfangen werden, der die erste Welle 122A-1 emittiert. Mit anderen Worten kann eine zweite Welle in eine zur ersten Welle entgegengesetzte Richtung gesendet werden, indem die Rolle der beiden Wandler umgeschaltet wird. Somit kann ein erster Wandler 122-1 den ersten Sender 122A-1 und einen zweiten Empfänger 122B-2 bilden, während ein zweiter Wandler 122-2 einen zweiten Sender 122A-2 und den ersten Empfänger 122B-1 bilden kann. Das heißt, jeder der beiden Wandler 122, z. B. IDT 122, kann beispielsweise abwechselnd als emittierender 122A- und empfangender 122B-Wandler fungieren. Somit können die zwei IDT dazu konfiguriert sein, Wellen mit derselben Frequenz zu senden und zu emittieren.In order to compensate for undesired phase shifts, the signals of two waves can be measured, in particular of two waves which move in opposite directions with respect to the direction of flow, these two waves otherwise preferably being identical. This can advantageously enable the correction of flow-independent phase shifts. For example, in some embodiments, two IDTs may alternately serve as emitting 122A and receiving 122B transducers. That is, the transmitter and receiver arrangement can be used in alternating configurations, with two transducers 122 can alternately form an emitting 122A and a receiving 122B transducer. In other words, the SAW (and therefore the sound wave) can alternate between two IDTs 122 are emitted in such a way that the direction of movement for the sound wave between the two IDT 122 can switch between upstream and downstream. That is, a second wave can be sent from the transducer that is the first wave 122B-1 receives, and received by the transducer which is the first wave 122A-1 emitted. In other words, a second wave can be sent in a direction opposite to the first wave by switching the role of the two transducers. Thus, a first converter 122-1 the first transmitter 122A-1 and a second recipient 122B-2 form while a second converter 122-2 a second transmitter 122A-2 and the first recipient 122B-1 can form. That is, each of the two converters 122 , e.g. B. IDT 122 , for example, can alternate between emitting 122A and receiving 122B transducers. Thus, the two IDTs can be configured to transmit and emit waves of the same frequency.

Unter Bezugnahme auf 1B kann die Sender- und Empfängeranordnung in der dargestellten Ausführungsform daher in einer zweiten Konfiguration II verwendet werden, in der die jeweiligen Funktionen des ersten Wandlers 122-1 und des zweiten Wandlers 122-2, die auch als Phasenverschiebungswandler bezeichnet werden, vertauscht sind. Das heißt, der erste Wandler 122-1, der den ersten Sender 122A-1 in der ersten Konfiguration I bildet, kann ferner den zweiten Empfänger 122B-2 in der zweiten Konfiguration II bilden. Desgleichen kann der zweite Wandler 122-2, der den ersten Empfänger 122B-1 in der ersten Konfiguration I bildet, ferner den zweiten Sender 122A-2 in der zweiten Konfiguration II bilden.With reference to 1B the transmitter and receiver arrangement in the embodiment shown can therefore be used in a second configuration II in which the respective functions of the first transducer 122-1 and the second converter 122-2 , which are also referred to as phase shift converters, are interchanged. That is, the first converter 122-1 who is the first transmitter 122A-1 in the first configuration I can also use the second receiver 122B-2 form II in the second configuration. The second converter can do the same 122-2 who is the first recipient 122B-1 in the first configuration I, also forms the second transmitter 122A-2 form II in the second configuration.

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 122A-1, den ersten Empfänger 122B-1, den zweiten Sender 122A-2 und/oder den zweiten Empfänger 122B-2 bilden. Desgleichen bezeichnet der Begriff Phasenverschiebungs-IDT IDT, die den ersten Sender 122A-1, den ersten Empfänger 122B-1, den zweiten Sender 122A-2 und/oder den zweiten Empfänger 122B-2 bilden.It is noted that the term phase shift converter can generally designate converters that contribute to the measurement of the phase shift of the first and / or the second wave. That is, converters that are the first transmitter 122A-1 , the first recipient 122B-1 , the second transmitter 122A-2 and / or the second recipient 122B-2 form. Likewise, the term phase shift IDT denotes IDT which is the first transmitter 122A-1 , the first recipient 122B-1 , the second transmitter 122A-2 and / or the second recipient 122B-2 form.

Wie in den 1A und 1B angegeben, kann jeder der beiden beteiligten Wandler 122-1, 122-2 im Allgemeinen sowohl zum Senden, z. B. Emittieren, als auch zum Empfangen einer Welle konfiguriert sein. Mit anderen Worten kann die Konfiguration des emittierenden 122A- und des empfangenden 122B-Wandlers zwischen den beiden in 1A und 1B dargestellten Konfigurationen I, II abwechseln. Somit kann der Durchflusssensor 1 mindestens zwei Phasenverschiebungswandler umfassen, die beispielsweise beide auf dem Chip 12 und insbesondere auf dem piezoelektrischen Substrat 121 oder der piezoelektrischen Schicht angeordnet sein können, z. B. auf einem nicht piezoelektrischen Substrat, wobei die zwei Wandler 122-1, 122-2 abwechselnd als sendende/emittierende und empfangende Wandler dienen. In der dargestellten Ausführungsform können die zwei Phasenverschiebungswandler vorzugsweise identisch aufgebaut sein. Das heißt, sie können identische Eigenschaften umfassen, beispielsweise einschließlich von Gesamtabmessungen und Wandlerwellenlängen, z. B. einer SAW-Frequenz.As in the 1A and 1B specified, either of the two converters involved can 122-1 , 122-2 generally both for sending, e.g. B. emit, as well as be configured to receive a wave. In other words, the configuration of the emitting 122A and receiving 122B transducers may vary between the two in FIG 1A and 1B Alternate configurations I, II shown. Thus, the flow sensor can 1 comprise at least two phase shift converters, for example both on the chip 12th and in particular on the piezoelectric substrate 121 or the piezoelectric layer may be arranged, e.g. B. on a non-piezoelectric substrate, the two transducers 122-1 , 122-2 serve alternately as sending / emitting and receiving transducers. In the embodiment shown, the two phase shift converters can preferably be constructed identically. That is, they may have identical properties, including, for example, overall dimensions and transducer wavelengths, e.g. B. a SAW frequency.

Allgemeiner umfasst die vorliegende Erfindung das Emittieren einer ersten Welle mit einem ersten Sender 122A-1 und das Empfangen der ersten Welle mit einem ersten Empfänger 122B-1 und ferner das Emittieren einer zweiten Welle mit einem zweiten Sender 122A-2 und das Empfangen der zweiten Welle mit einen zweiten Empfänger 122B-2, wobei die Bewegungsrichtung durch das Fluid für die erste Welle im Vergleich zur zweiten Welle unterschiedlich sein kann. Das heißt, eine von erster und zweiter Welle kann sich im Allgemeinen stromaufwärts ausbreiten und die andere kann sich im Allgemeinen stromabwärts ausbreiten. In einigen Ausführungsformen kann ein einzelner Wandler mehr als nur den ersten Sender, den zweiten Sender, den ersten Empfänger und den zweiten Empfänger bilden. Beispielsweise bilden unter Bezugnahme auf 1A und 1B die zwei identischen Wandler 122-1, 122-2 jeweils einen der Sender und einen der Empfänger. Insbesondere bildet der erste Wandler 122-1 in 1A und 1B den ersten Sender 122A-1 und den zweiten Empfänger 122B-2, während der zweite Wandler 122-2 den zweiten Sender 122A-2 und den ersten Empfänger 122B-1 bildet. Somit können die zwei Wandler 122, z. B. IDT 122, beispielsweise Rollen wechseln, d. h. zwischen dem emittierenden 122A- und dem empfangenden 122B-Wandlern wechseln.More generally, the present invention includes emitting a first wave with a first transmitter 122A-1 and receiving the first wave with a first receiver 122B-1 and further emitting a second wave with a second transmitter 122A-2 and receiving the second wave with a second receiver 122B-2 , wherein the direction of movement through the fluid for the first wave compared to the second wave can be different. That is, one of the first and second waves can generally travel upstream and the other can travel generally downstream. In some embodiments, a single transducer can form more than just the first transmitter, the second transmitter, the first receiver, and the second receiver. For example, with reference to FIG 1A and 1B the two identical transducers 122-1 , 122-2 one of the transmitters and one of the receivers. In particular, the first converter forms 122-1 in 1A and 1B the first transmitter 122A-1 and the second recipient 122B-2 while the second converter 122-2 the second transmitter 122A-2 and the first receiver 122B-1 forms. Thus, the two transducers 122 , e.g. B. IDT 122 , for example, switch roles, that is, switch between the emitting 122A and receiving 122B transducers.

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 122A empfangen, z. B. detektiert wird, und einer Messung, bei der die Welle stromabwärts des emittierenden Wandlers 122A empfangen wird, bestimmt werden. Mit anderen Worten kann ein Differenzmaß generiert werden, indem die jeweiligen Phasenverschiebungen von zwei aufeinanderfolgenden Messungen subtrahiert werden, wobei die Phasenverschiebung Δϕ(t) einer Messung der Phasenverschiebung zwischen dem emittierten und dem empfangenen Signal entsprechen kann. Unter der Annahme, dass die Zeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden Messungen derart ausreichend kurz ist, dass sich die Strömungsgeschwindigkeit nicht wesentlich ändert (z. B. nur innerhalb des Messfehlers), werden alle von der Strömungsrichtung unabhängigen Phasensignale gelöscht und können nur Signale, die vom Strömungssignal abhängig sind, in der Differenz der Phasenverschiebungen bleiben. Es versteht sich, dass dies voraussetzt, dass die Entfernung zwischen dem ersten Sender 122A-1 und dem ersten Empfänger 122B-1 gleich der Entfernung zwischen dem zweiten Sender 122A-2 und dem zweiten Empfänger 122B-2 ist, derart, dass strömungsunabhängige Phasensignale, die während der Ausbreitung der Welle aufgenommen werden, ungefähr gleich sein können. Mit anderen Worten wird angenommen, dass die Entfernung zwischen dem emittierenden IDT 122A und dem empfangenden IDT 122B für beide Wellen, die zum Differenzmaß beitragen, gleich ist. Dies kann vorteilhafterweise systembedingt für eine Durchflusssensorausführungsform zutreffen, wie sie in 1A und 1B dargestellt ist, wobei zwei Wandler 122-1, 122-2 abwechselnd die jeweiligen Wellen senden und empfangen.Then the difference between the respective phase shifts between the emitted and the received signal of each of two successive measurements, ie a measurement in which the sound wave is upstream of the emitting transducer 122A received, e.g. B. is detected, and a measurement in which the wave is downstream of the emitting transducer 122A will be received. In other words, a difference measure can be generated by subtracting the respective phase shifts from two successive measurements, wherein the phase shift Δϕ (t) can correspond to a measurement of the phase shift between the emitted and the received signal. Assuming that the time between two successive measurements is sufficiently short that the flow velocity does not change significantly (e.g. only within the measurement error), all phase signals independent of the flow direction are deleted and only signals from the flow signal are dependent, remain in the difference of the phase shifts. It goes without saying that this assumes the distance between the first transmitter 122A-1 and the first recipient 122B-1 equal to the distance between the second transmitter 122A-2 and the second recipient 122B-2 is such that flow-independent phase signals picked up during the propagation of the wave can be approximately the same. In other words, it is assumed that the distance between the emitting IDT 122A and the receiving IDT 122B is the same for both waves that contribute to the difference measure. This can advantageously apply for system-related reasons for a flow sensor embodiment, as shown in FIG 1A and 1B is shown, with two transducers 122-1 , 122-2 alternately send and receive the respective waves.

Insbesondere können unter der Annahme, dass eine erste Messung, bei der die Schallwelle stromabwärts des empfangenden IDT 122B (1A) emittiert wird, zum Zeitpunkt t1 durchgeführt wird, und eine darauffolgende Messung, bei der sich der empfangende IDT 122B stromabwärts des emittierenden IDT 122A (1B) befindet, zu einem Zeitpunkt t2 = t1 + Δt durchgeführt wird, die zwei Phasenverschiebungen ungefähr angegeben werden als Δ ϕ ( t 1 ) = f 1 ( t 1, Δ t u s , v x , s 1 ,..., s n ) Δ ϕ 1 ( t 1 , Δ t u s , s 1 ,..., s n ) + k S A W v x Δ t u s ,

Figure DE102021100692A1_0002
Δ ϕ ( t 2 ) = f 2 ( t 2, Δ t u s , v x , s 1 ,..., s n ) Δ ϕ 2 ( t 2 , Δ t u s , s 1 ,..., s n ) k S A W v x Δ t u s ,
Figure DE102021100692A1_0003
wobei vx die mittlere Strömungsgeschwindigkeit in x-Richtung bezeichnet, d. h. in der stromabwärtigen Richtung des Kanals 11, Δtus, die Flugzeit (Verweilzeit) oder mit anderen Worten die Ausbreitungszeit der Schallwelle im Fluid bezeichnet, si phasensensitive Variablen sind, die bezüglich der Strömungsrichtung symmetrisch und in Abhängigkeit von der Schallgeschwindigkeit in dem Fluid konstant sind, und kSAW der Wellenvektor der SAW ist, der in hinreichend genauer Annäherung als konstant angenommen werden kann. Diese Berechnung basiert auf der linearen Abhängigkeit der Strömungsgeschwindigkeit von der Phasenänderung. Vorausgesetzt also, dass die Entfernung zwischen dem emittierenden und dem empfangenden IDT für beide Messungen gleich ist, kann das Differenzmaß von zwei aufeinanderfolgenden Phasendifferenzmessungen mit entgegengesetzter Ausbreitungsrichtung näherungsweise angegeben werden als Δ Φ = Δ ϕ ( t 1 ) Δ ϕ ( t 2 ) Δ ϕ 1 ( t 1 , Δ t u s , s 1 ,..., s n ) Δ ϕ 2 ( t 2 , Δ t u s , s 1 ,..., s n ) + 2 k S A W v x Δ t u s                        2 k S A W v x Δ t u s .
Figure DE102021100692A1_0004
In particular, assuming that a first measurement in which the sound wave is downstream of the receiving IDT 122B ( 1A) is emitted, is carried out at time t 1 , and a subsequent measurement in which the receiving IDT 122B downstream of the emitting IDT 122A ( 1B) is carried out at a point in time t 2 = t 1 + Δt, the two phase shifts are approximately given as Δ ϕ ( t 1 ) = f 1 ( t 1, Δ t u s , v x , s 1 , ..., s n ) Δ ϕ 1 ( t 1 , Δ t u s , s 1 , ..., s n ) + k S. A. W. v x Δ t u s ,
Figure DE102021100692A1_0002
Δ ϕ ( t 2 ) = f 2 ( t 2, Δ t u s , v x , s 1 , ..., s n ) Δ ϕ 2 ( t 2 , Δ t u s , s 1 , ..., s n ) - k S. A. W. v x Δ t u s ,
Figure DE102021100692A1_0003
where v x denotes the mean flow velocity in the x direction, ie in the downstream direction of the channel 11 , Δt us denotes the flight time (dwell time) or in other words the propagation time of the sound wave in the fluid, 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, and k SAW is the wave vector of the Is SAW, which can be assumed to be constant in a sufficiently precise approximation. This calculation is based on the linear dependence of the flow velocity on the phase change. Provided that the distance between the emitting and the receiving IDT is the same for both measurements, the difference measure of two successive phase difference measurements with opposite propagation directions can be specified approximately as Δ Φ = Δ ϕ ( t 1 ) - Δ ϕ ( t 2 ) Δ ϕ 1 ( t 1 , Δ t u s , s 1 , ..., s n ) - Δ ϕ 2 ( t 2 , Δ t u s , s 1 , ..., s n ) + 2 k S. A. W. v x Δ t u s 2 k S. A. W. v x Δ t u s .
Figure DE102021100692A1_0004

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 122B empfangen wird, gemessen werden.This applies under the assumption that Δt = t 2 - t 1 is sufficiently small that it can be assumed that the flow velocity only changes within the measurement error and that in particular the phase shifts independent of the flow direction can be specified as approximately constant, such that they cancel each other out when subtracting the two phase shifts. In general, the time difference Δt = t 2 −t 1 , also referred to as the switching time, can preferably be kept as small as possible. This can advantageously also make it possible for the change in the symmetrical (flow direction-independent) phase shift contributions to be small (e.g. negligible) during this switching time, in such a way that these undesired phase shift contributions / signals are compensated for by subtracting successive phase difference measurements, at least in a sufficiently precise approximation can. The switching time .DELTA.t is preferably less than 100 microseconds. In particular, the flow-induced phase shift can only be based on the mapping of the flow-induced (or flow-dependent) shift of the wave to the time covered as SAW before it was received by the receiving IDT 122B received, measured.

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 1A und 1B dargestellte das doppelte antisymmetrische Strömungssignal verbleiben.In other words, after each measurement of the relative phase shift Δϕ between the emitted and the received signal, the phase shift of the current signal can be continuously subtracted back by one time step from the phase shift of the signal (in practical use in HPLC, the phase change due to the flow velocities occurring can be such small that ambiguities generally do not have to be taken into account - the phase changes can typically be in the range of a few degrees). Assuming that changes in the flow velocity in this time window are only in the range of the measurement error, all phase components that are symmetrical with respect to the flow direction can be negated. On the other hand, for an embodiment like that in FIGS 1A and 1B the double antisymmetric flow signal shown remain.

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 11) bezeichnet und kSAW die SAW-Geschwindigkeit und die Frequenz der SAW umfasst. Letztere sind in hinreichend genauer Näherung konstant, weshalb kSAW als konstant angenommen werden kann. Für eine feste Strömungsgeschwindigkeit vx kann daher das Verhältnis des Differenzmaßes und der Verweilzeit konstant sein: Δ Φ Δ t u s = k o n s t .

Figure DE102021100692A1_0005
As can be seen above, the flow-related phase shift and thus the difference ΔΦ (at least in a sufficiently precise approximation) can be linearly dependent on the dwell time of the (sound) wave in the fluid Δt us (also referred to as the propagation time in the fluid or the time of flight in the fluid ) and depend on the flow velocity. The following applies: ΔΦ ∝ k SAW v x Δt us , where again Δt us denotes the dwell time of the wave packet in the fluid, v x the flow velocity (along the channel 11 ) and k SAW includes the SAW speed and frequency of the SAW. The latter are constant in a sufficiently precise approximation, which is why k SAW can be assumed to be constant. For a fixed flow velocity v x , the ratio of the difference and the residence time can therefore be constant: Δ Φ Δ t u s = k O n s t .
Figure DE102021100692A1_0005

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: Δ x 1,2 = v x Δ t u s .

Figure DE102021100692A1_0006
That is, for two successive measurements of the phase shift Δϕ (t 1,2 ) = Δϕ 1,2 , where the switching time Δt = t 2 - t 1 is short enough for the assumption that flow-independent phase shift contributions (at least in a sufficiently precise approximation) are constant are, and the two measurements are carried out at an average flow velocity v x in opposite directions, ie v 1 = -v 2 = v x , the local displacement Δx 1,2 (also referred to as spatial displacement) of a SAW-induced ( Ultrasonic) wave specified as follows: Δ x 1.2 = v x Δ t u s .
Figure DE102021100692A1_0006

Hier bezeichnet Δtus wieder die strömungsunabhängige Verweilzeit.Here, Δt us again denotes the flow-independent residence time.

Nach der Ausbreitung durch den Kanal 11 kann die Welle als SAW zumindest teilweise in den Chip 12 (z. B. die Oberfläche des Chips 12) zurückgekoppelt werden. Die genaue Stelle, an der sich die SAW zumindest teilweise erneut in den Chip 12 einkoppelt, ist abhängig von der lokalen Verschiebung der Welle, die das Fluid durchläuft. Somit kann die lokale Verlagerung Δx auch durch die Zeitverzögerung ΔtSAW,1,2 ausgedrückt werden, die die als erneut eingekoppelte SAW insgesamt zurückgelegte Zeit angibt, und ΔtSAW,0, die die als erneut eingekoppelte SAW zurückgelegte Zeit an vx = 0 angeben kann. Spezifisch kann Δx1,2 ausgedrückt werden als: Δ x 1,2 = ( Δ t S A W ,0 Δ t S A W ,1,2 ) c S A W .

Figure DE102021100692A1_0007
After spreading through the canal 11 the wave can be at least partially in the chip as a SAW 12th (e.g. the surface of the chip 12th ) can be fed back. The exact point at which the SAW is at least partially re-inserted into the chip 12th coupled is dependent on the local displacement of the wave through which the fluid passes. Thus, the local displacement Δx can also be expressed by the time delay Δt SAW, 1,2 , which specifies the total time that has been passed as the newly coupled SAW, and Δt SAW, 0 , which specifies the time passed as the newly coupled SAW at v x = 0 can. Specifically, Δx 1,2 can be expressed as: Δ x 1.2 = ( Δ t S. A. W. , 0 - Δ t S. A. W. , 1.2 ) c S. A. W. .
Figure DE102021100692A1_0007

Daher kann die Zeitverzögerung ΔtSAW,1,2 wie folgt ausgedrückt werden: Δ t S A W ,1,2 = Δ t S A W ,0 Δ x 1,2 c S A W .

Figure DE102021100692A1_0008
Therefore, the time delay Δt SAW, 1,2 can be expressed as follows: Δ t S. A. W. , 1.2 = Δ t S. A. W. , 0 - Δ x 1.2 c S. A. W. .
Figure DE102021100692A1_0008

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: Δ ϕ 1,2 = 2 π f ( Δ t u s + Δ t S A W ,0 ) 2 π f v 1,2 Δ t u s c S A W .

Figure DE102021100692A1_0009
The corresponding phase difference between the emitted and received signal in radians is given by Δϕ 1,2 = 2πf (Δt us + Δt SAW, 1,2 ). Combining this expression with (I) and (II) gives: Δ ϕ 1.2 = 2 π f ( Δ t u s + Δ t S. A. W. , 0 ) - 2 π f v 1.2 Δ t u s c S. A. W. .
Figure DE102021100692A1_0009

Anschließend kann das Differenzmaß ΔΦ) wie vorstehend beschrieben berechnet werden, was Folgendes ergibt: Δ Φ = Δ ϕ 1 Δ ϕ 2 = 2 π f v 1 Δ t u s c S A W + 2 π f v 2 Δ t u s c S A W ,

Figure DE102021100692A1_0010
wobei gilt: v1 = -v2 = vx. Wenn also cSAW/f = λSAW ≅ konst. angenommen wird, wird das Differenzmaß durch Folgendes angegeben: Δ Φ = 4 π v x Δ t u s λ S A W .
Figure DE102021100692A1_0011
Auflösen nach vx ergibt: v x = Δ Φ Δ t u s λ S A W 4 π = Δ ϕ Δ t u s 1 2 k S A W ,
Figure DE102021100692A1_0012
wobei kSAW = 2π/λSAW der SAW-Wellenvektor ist. Diese Lösung basiert auf der Annahme, dass die mittlere Strömungsgeschwindigkeit innerhalb des Strömungskanals und der Schaltzeit konstant ist und daher streng genommen nur eine Annäherung an die tatsächliche mittlere Strömungsgeschwindigkeit bereitstellt. Diese Annäherung kann jedoch im Allgemeinen für kleine Schaltzeiten in Bezug auf die Änderungsrate der Strömungsgeschwindigkeit und unter der Annahme eines Kanaldesigns ausreichend sein, wobei die mittlere Strömungsgeschwindigkeit innerhalb des Sensorbereichs ungefähr gleich bleibt.The difference ΔΦ) can then be calculated as described above, which results in the following: Δ Φ = Δ ϕ 1 - Δ ϕ 2 = - 2 π f v 1 Δ t u s c S. A. W. + 2 π f v 2 Δ t u s c S. A. W. ,
Figure DE102021100692A1_0010
where: v 1 = -v 2 = v x . So if c SAW / f = λ SAW ≅ const. Is assumed, the difference measure is given by the following: Δ Φ = - 4th π v x Δ t u s λ S. A. W. .
Figure DE102021100692A1_0011
Solving for v x gives: v x = - Δ Φ Δ t u s λ S. A. W. 4th π = - Δ ϕ Δ t u s 1 2 k S. A. W. ,
Figure DE102021100692A1_0012
where k SAW = 2π / λ SAW is the SAW wave vector. This solution is based on the assumption that the mean flow velocity within the flow channel and the switching time is constant and therefore, strictly speaking, only provides an approximation of the actual mean flow velocity. However, this approximation can generally be sufficient for short switching times in relation to the rate of change of the flow velocity and assuming a channel design, the mean flow velocity remaining approximately the same within the sensor range.

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: Δ t u s = f ( c F ) = f ( K ρ ) .

Figure DE102021100692A1_0013
However, while k SAW can generally be assumed to be constant, at least in a sufficiently precise approximation, Δt us depends on the speed of sound of the fluid, c F , and thus on the density and compressibility of the fluid: Δ t u s = f ( c F. ) = f ( K ρ ) .
Figure DE102021100692A1_0013

Mit anderen Worten ist Δtus fluidabhängig, wie in 4 weiter dargestellt, wobei zwei Messungen mit derselben Strömungsgeschwindigkeit vx, aber für zwei verschiedene Fluide dargestellt sind. Aufgrund der Änderung der Dichte und Kompressibilität des Fluids und damit der jeweiligen Schallgeschwindigkeit cF ändert sich der Rayleigh-Winkel θR und folglich die Verweilzeit Δtus. Das heißt, für das Fluid 2 in 4, das eine höhere Schallgeschwindigkeit, cF2, im Vergleich zum Fluid 1 umfasst, sind sowohl der Rayleigh-Winkel θ2 und folglich auch die Verweilzeit Δtus2 größer als die jeweiligen Parameter für Fluid 1. Folglich kann es wichtig sein, auch Δtus, zum Ableiten der Strömungsgeschwindigkeit aus den Phasenmessungen zu bestimmen, um eine fluidunabhängige Messung der Strömungsgeschwindigkeit zu ermöglichen. Dies kann es vorteilhafterweise ermöglichen, dass der Durchflusssensor 1 ohne Kalibrierung auf ein bestimmtes Fluid verwendet werden und sich daher das Fluid während einer kontinuierlichen Messung ändern kann, ohne die Durchflussmessung zu beeinflussen. Bei der HPLC kann die Fluidunabhängigkeit vorteilhaft sein, da die Analyseprobe zusammen mit der mobilen Phase häufig undefinierte Fluide sein kann, die unter Umständen nur vorübergehend am Durchflusssensor vorliegen. Ferner kann sich die Lösungsmittelzusammensetzung auch ändern, z. B. wenn ein Gradient verwendet wird.In other words, Δt us is fluid-dependent, as in 4th further shown, two measurements with the same flow velocity v x , but for two different fluids are shown. Due to the change in the density and compressibility of the fluid and thus the respective speed of sound c F , the Rayleigh angle θ R changes and consequently the dwell time Δt us . That is, for the fluid 2 in 4th , which has a higher speed of sound, c F2 , compared to fluid 1 includes, both the Rayleigh angle θ 2 and consequently also the dwell time Δt us2 are greater than the respective parameters for fluid 1 . Consequently, it can be important to also determine Δt us for deriving the flow velocity from the phase measurements in order to enable a fluid-independent measurement of the flow velocity. This can advantageously enable the flow sensor 1 can be used without calibration to a specific fluid and therefore the fluid can change during a continuous measurement without influencing the flow measurement. In HPLC, the fluid independence can be advantageous, since the analysis sample together with the mobile phase can often be undefined fluids, which under certain circumstances are only temporarily present at the flow sensor. Furthermore, the solvent composition can also change, e.g. B. when a gradient is used.

Die Änderung der Verweilzeit, Δtus, ändert auch die Ausbreitungszeit der Welle als SAW nach dem Durchlaufen des Fluids, ΔtSAW, wie in 4 angegeben. Mit anderen Worten führen unterschiedliche Fluide zu variablen Verweilzeiten der (Schall-) Welle im Fluidkanal 11 sowie zu einer entsprechend variablen Ausbreitungszeit der Welle als SAW, d. h. als SAW, die von der Welle ausgeht, die zumindest teilweise in das Substrat zurückkoppelt wird. Das heißt, die SAW kann aus dem erneuten Einkoppeln der Welle nach ein- oder mehrmaliger Ausbreitung in dem Fluid vertikal durch den Kanal, d. h. nach Durchlaufen des Fluids, hervorgehen. Die Ausbreitungszeit der Welle als SAW, ΔtSAW, ist auch abhängig von der strömungsabhängigen Verlagerung der Welle, wie vorstehend beschrieben. Basierend auf einer Messung der Gesamtausbreitungszeit (bzw. der Phase) der Welle als Druckwelle in dem Fluid (d. h. Schallwelle) und als SAW können somit vernachlässigbare (oder keine) Informationen über die reine Verweilzeit in dem Fluid, Δtus, erhalten werden. Das heißt, im Gegensatz zu den Messungen zum Erhalten eines Signals, das Informationen über die fluidabhängige Verlagerung umfasst, wäre es wünschenswert, den Beitrag der Ausbreitungszeit der SAW, ΔtSAW, zur Messung der Verweilzeit, Δtus, zu löschen.The change in dwell time, Δt us , also changes the propagation time of the wave as a SAW after passing through the fluid, Δt SAW , as in FIG 4th specified. In other words, different fluids lead to variable dwell times of the (sound) wave in the fluid channel 11 and at a correspondingly variable propagation time of the wave as a SAW, ie as a SAW that emanates from the wave that is at least partially fed back into the substrate. That is to say, the SAW can arise from the renewed coupling of the wave after it has propagated once or several times in the fluid vertically through the channel, ie after it has passed through the fluid. The propagation time of the wave as SAW, Δt SAW , is also dependent on the flow-dependent displacement of the wave, as described above. Based on a measurement of the total propagation time (or the phase) of the wave as a pressure wave in the fluid (ie sound wave) and as a SAW, negligible (or no) information about the pure residence time in the fluid, Δt us , can be obtained. That is, as opposed to taking measurements to obtain a signal that includes fluid dependent displacement information, it would be desirable to cancel the contribution of the SAW's propagation time, Δt SAW , to the dwell time measurement, Δt us .

Basierend auf dem Vorstehenden kann die Verweilzeit, Δtus, beispielsweise gemessen werden, indem der empfangende IDT 122B derart angeordnet wird, dass die Schallwelle direkt auf den Bereich des Chips 12 trifft, der den empfangenden IDT 122B umfasst, d. h. entgegen der gewünschten Anordnung zum Messen der strömungsabhängigen Verlagerung. Die typische Größe der Phasenverschiebungs-IDT, aus denen die emittierenden 122A- und empfangenden 122B-IDT bestehen, kann jedoch im Vergleich zu den Gesamtabmessungen des Kanals 11 derart klein sein, dass der empfangende IDT 122B möglicherweise nicht derart angeordnet ist, dass die Welle für alle relevanten Rayleigh-Winkel θR direkt auf den empfangenden IDT 122B träfe. Während natürlich die Möglichkeit bestehen kann, die Größe der Phasenverschiebungs-IDT, die als empfangende IDT122B fungieren, zu erweitern, bleibt das Problem bestehen, dass die strömungsabhängige Verlagerung der Welle nicht gemessen werden kann, wenn das gesamte Wellenpaket direkt den empfangenden IDT 122B trifft. Wenn zum Beispiel in einer Ausführungsform wie der in 1A und 1B dargestellten beide Phasenverschiebungs-IDT (d. h. die IDT 122-1, 122-2) derart angeordnet sind, dass die Welle direkt auf sie trifft, wenn sie als empfangender IDT 122B fungieren, wäre keine fluidabhängige Verschiebung messbar. Das heißt, die Durchflussmessung basiert auf der Verlagerung der Welle entlang der Strömungsrichtung, die möglicherweise nicht detektiert wird, wenn die Schallwelle direkt in den empfangenden IDT 122B eingekoppelt wird (wenn auch immer noch über eine induzierte SAW). Mit anderen Worten kann die Verlagerung der Schallwelle zeitlich differenziert werden, indem kleinere empfangende IDT 122B ausgewählt werden und daher die Verlagerung der Welle auf die als SAW zurückgelegte Zeit abgebildet wird, was den Anforderungen zum Messen der Verweilzeit Δtus widerspricht.Based on the above, the dwell time, Δt us , can be measured, for example, by the receiving IDT 122B is arranged so that the sound wave directly hits the area of the chip 12th that meets the receiving IDT 122B includes, ie contrary to the desired arrangement for measuring the flow-dependent displacement. However, the typical size of the phase shifting IDTs that make up the emitting 122A and receiving 122B IDTs may be compared to the overall dimensions of the channel 11 be so small that the receiving IDT 122B may not be arranged such that the shaft for all relevant Rayleigh angles θ R is directly on the receiving IDT 122B would meet. While there may of course be the possibility of expanding the size of the phase shifting IDTs acting as receiving IDT122B, the problem remains that the flow dependent displacement of the wave cannot be measured when the entire wave packet directly reaches the receiving IDT 122B meets. For example, if in an embodiment like the one in 1A and 1B both phase shift IDT (ie the IDT 122-1 , 122-2 ) are arranged in such a way that the wave hits them directly when they act as the receiving IDT 122B function, no fluid-dependent shift would be measurable. That is, the flow measurement is based on the displacement of the wave along the flow direction, which may not be detected if the sound wave enters the receiving IDT directly 122B is coupled (albeit still via an induced SAW). In other words, the displacement of the sound wave can be differentiated in time by using smaller receiving IDTs 122B can be selected and therefore the displacement of the wave is mapped to the time covered as SAW, which contradicts the requirements for measuring the dwell time Δt us .

Mit anderen Worten würde, während eine Lösung für das vorliegende Problem unter Umständen darin zu bestehen scheint, dass der empfangende IDT 122B genau so platziert wird, dass die Schallwelle direkt mit ihm gekoppelt wird, eine kleine Erweiterung der reziproken Sende- und Empfangs-IDT 122, d. h. der Phasenverschiebungs-IDT, im Vergleich zur Größe des Fluidkanals 11 höchstens die genaue Messung der Ausbreitungszeit, Δtus, für eine kleine Variation der Fluidschallgeschwindigkeit ermöglichen, da der Rayleigh-Winkel entsprechend variiert. Darüber hinaus kann die Verwendung von wesentlich breiteren Sende- oder Empfangs-IDT 122 im Allgemeinen auf nachteilige Weise zu einem signifikant hohen Mengenanteil an unerwünschtem Schall in der Zelle führen. Weiterhin und insbesondere könnte kein auf die Fluidgeschwindigkeit bezogener Zeit-Offset der Welle gemessen werden, wenn das gesamte Wellenpaket auf den Empfangs-IDT 122B trifft, da, wie bereits erwähnt, die reine Ausbreitungszeit des gesamten Wellenpakets durch das Fluid von der Fluidgeschwindigkeit für ein bestimmtes Fluid unabhängig ist.In other words, while one solution to the problem at hand may be to have the receiving IDT 122B is placed exactly in such a way that the sound wave is coupled directly to it, a small extension of the reciprocal transmit and receive IDT 122 , ie the phase shift IDT, compared to the size of the fluid channel 11 at most enable the precise measurement of the propagation time, Δt us , for a small variation in the fluid sound velocity, since the Rayleigh angle varies accordingly. In addition, the use of much wider send or receive IDTs can be used 122 generally disadvantageously lead to a significantly high proportion of undesired sound in the cell. Furthermore, and in particular, no time offset of the wave related to the fluid velocity could be measured if the entire wave packet is sent to the receive IDT 122B meets because, as already mentioned, the pure propagation time of the entire wave packet through the fluid is independent of the fluid velocity for a specific fluid.

Somit kann der Durchflusssensor 1 und insbesondere die Sender- und Empfängeranordnung ganz allgemein einen Verweilzeitempfänger 122C und einen Verweilzeitsender 122D umfassen, die jeweils im Allgemeinen aus einem Wandler 122 bestehen können. Beispielsweise kann ein dedizierter Zeitmesswandler 125 den Verweilzeitempfänger 122C bilden, indem er unter Umständen dazu konfiguriert ist, ein Signal zu empfangen, das die Verweilzeit anzeigt. Mit anderen Worten kann in einigen Ausführungsformen der Verweilzeitempfänger 122C aus einem separaten Wandler 125 bestehen, der nur zum Messen der Verweilzeit vorgesehen ist. Alternativ dazu kann in anderen Ausführungsformen ein emittierender 122A- und/oder empfangender 122B-Wandler, d. h. einer der Phasenverschiebungswandler, ferner den Verweilzeitempfänger 122C bilden. Das heißt, in einigen Ausführungsformen kann ein einzelner Wandler 122 als Verweilzeitempfänger 122C und emittierender 122A und/oder empfangender Wandler 122B fungieren. Desgleichen kann ein dedizierter Zeitsenderwandler den Verweilzeitsender 122D bilden. Vorzugsweise kann der Verweilzeitsender 122D jedoch aus einem Wandler 122 bestehen, der ferner als emittierender 122A- und/oder empfangender 122B-Wandler fungiert.Thus, the flow sensor can 1 and in particular the transmitter and receiver arrangement generally a dwell time receiver 122C and a dwell transmitter 122D include, each generally consisting of a transducer 122 can exist. For example, a dedicated timing transducer 125 the dwell receiver 122C by possibly being configured to receive a signal indicating the dwell time. In other words, in some embodiments, the dwell receiver 122C from a separate converter 125 exist, which is only intended for measuring the dwell time. Alternatively, in other embodiments, an emitting 122A and / or receiving 122B converter, ie, one of the phase shift converters, may also be the dwell receiver 122C form. That is, in some embodiments, a single transducer 122 as a dwell receiver 122C and emitting 122A and / or receiving transducer 122B act. Likewise, a dedicated time transmitter converter can act as the dwell transmitter 122D form. Preferably, the dwell transmitter 122D but from a converter 122 which also acts as an emitting 122A and / or receiving 122B converter.

Es wird nun wieder auf 1B Bezug genommen. Um eine Messung der Ausbreitungszeit, Δtus, zu ermöglichen, können Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung einen zusätzlichen Zeitmess-IDT 125 umfassen, der den Verweilzeitempfänger 122C bildet, der (in x-Richtung) signifikant breiter sein kann als die Phasenverschiebungs-IDT, d. h. der erste und der zweite Wandler 122-1, 122-2, und daher auch als Wide IDT 125 bezeichnet wird. Der Zeitmess-IDT 125 kann so ausgelegt sein, dass er empfindlich auf die SAW-Frequenz reagiert, die generiert wird von den Sende- und Empfangs-IDT 122A, 122B, auch als Phasenverschiebungs-IDT bezeichnet, da sie zum Bestimmen der Phasenverschiebung aufgrund der Strömungsgeschwindigkeit konfiguriert sind.It is now back on 1B Referenced. To enable a measurement of the propagation time, Δt us , embodiments of the present invention may include an additional timing IDT 125 include the dwell receiver 122C which can be significantly wider (in the x direction) than the phase shift IDT, ie the first and second transducers 122-1 , 122-2 , and therefore also as Wide IDT 125 referred to as. The timing IDT 125 can be designed to be sensitive to the SAW frequency generated by the transmit and receive IDTs 122A , 122B , also referred to as phase shift IDT, as they are configured to determine the phase shift based on flow velocity.

Im Allgemeinen kann der Zeitmess-IDT 125 stromaufwärts oder stromabwärts der Phasenverschiebungs-IDT angeordnet sein. In einigen Ausführungsformen kann der Zeitmess-IDT 125 auf demselben Chip 12 wie die Phasenverschiebungs-IDT angeordnet sein. Zusätzlich dazu kann der Zeitmess-IDT 125 derart erweitert und positioniert werden, dass die Schallmaxima eines der beiden Phasenverschiebungs-IDT zumindest für alle Winkel s i n θ R = c F c S ,

Figure DE102021100692A1_0014
mit 800 m/s < cF < cs, die für den gewünschten Messbereich des Sensors relevant sind, direkt auf den Zeitmess-IDT 125 treffen und nicht auf das Substrat davor oder danach, d. h. stromaufwärts oder stromabwärts des Zeitmess-IDT 125. Das heißt, während cs im Allgemeinen durch das Sensordesign und insbesondere die für das piezoelektrische Substrat 121 verwendeten Materialien bestimmt werden kann, hängt cF von dem zu messenden Fluid ab, das erheblich variieren kann. Daher kann die Größe und Position des Zeitmess-IDT 125 derart gewählt werden, dass ein gewünschter Bereich von Schallgeschwindigkeiten durch den Sensor abgedeckt werden kann. Ganz allgemein kann die Schallgeschwindigkeit des durch den Kanal fließenden Fluids für Fluide, die typischerweise in der HPLC verwendet werden, im Bereich von 800 m/s < cF < 2300 m/s liegen. Die Schallgeschwindigkeit für die SAW im Chip cs kann im Allgemeinen im Bereich von 2540 m/s < cF < 6000 m/s liegen.In general, the timing IDT 125 upstream or downstream of the phase shift IDT. In some embodiments, the timing IDT 125 on the same chip 12th be arranged like the phase shift IDT. In addition, the timing IDT 125 be expanded and positioned in such a way that the sound maxima of one of the two phase shift IDTs at least for all angles s i n θ R. = c F. c S. ,
Figure DE102021100692A1_0014
with 800 m / s <c F <c s , which are relevant for the desired measuring range of the sensor, directly to the timing IDT 125 and not on the substrate before or after, ie upstream or downstream of the timing IDT 125 . That is, during c s in general due to the sensor design and in particular that for the piezoelectric substrate 121 materials used can be determined, c F depends on the fluid to be measured, which can vary considerably. Therefore, the size and position of the timing IDT 125 can be selected such that a desired range of sound velocities can be covered by the sensor. In general, the speed of sound of the fluid flowing through the channel for fluids that are typically used in HPLC can be in the range of 800 m / s <c F <2300 m / s. The speed of sound for the SAW in the chip c s can generally be in the range of 2540 m / s <c F <6000 m / s.

Daher können basierend auf dem für das piezoelektrische Substrat 121 verwendeten Material und der Kanalhöhe H1 einige allgemeine Designüberlegungen getroffen werden. Die Entfernung zwischen dem Verweilzeitsender 122D und dem Verweilzeitempfänger 122C, d. h. die Entfernung zwischen dem Zeitmess-IDT 125 und dem jeweiligen Phasenverschiebungs-IDT, der das für die Verweilzeitmessung verwendete Signal emittiert, kann als Verzögerungsleitungslänge bezeichnet werden.Therefore, based on that for the piezoelectric substrate 121 material used and the duct height H1 some general design considerations should be made. The distance between the dwell transmitter 122D and the dwell receiver 122C , ie the distance between the timing IDT 125 and the respective phase shift IDT that emits the signal used for the dwell time measurement can be referred to as the delay line length.

In Bezug auf 5A kann daher eine maximale Verzögerungsleitungslänge (LVerz max) vom minimalen Rayleigh-Winkel θR,min abhängig sein, der wiederum von cs und der minimalen Schallgeschwindigkeit für ein zu messendes Fluid cf abhängig ist. Zusätzlich dazu ist die maximale Verzögerungsleitungslänge LVerz max auch von der Höhe H1 des Kanals abhängig. Darüber hinaus muss möglicherweise auch die strömungsinduzierte lokale Verlagerung berücksichtigt werden, d. h. Δx = vxΔtus. In der Regel kann jedoch Δ im Vergleich zur Wellenlänge derart klein sein, dass es der Einfachheit halber weggelassen werden kann. Insbesondere kann die maximale Verzögerungsleitungslänge LVerz max wie folgt gegeben sein: L V e r z   m a x = t a n ( θ R , m i n ) 2 H 1 Δ x .

Figure DE102021100692A1_0015
In relation to 5A Therefore, a maximum delay line length (L Verz max ) can be dependent on the minimum Rayleigh angle θ R, min , which in turn depends on c s and the minimum speed of sound for a fluid to be measured c f . In addition to this, the maximum delay line length L Verz max is also dependent on the height H1 of the channel. In addition, the flow-induced local displacement may also have to be taken into account, ie Δx = v x Δt us . As a rule, however, Δ can be so small compared to the wavelength that it can be omitted for the sake of simplicity. In particular, the maximum delay line length L Verz max can be given as follows: L. V e r z m a x = t a n ( θ R. , m i n ) 2 H 1 - Δ x .
Figure DE102021100692A1_0015

Beispielsweise betrüge unter Berücksichtigung einer minimalen Sollschallgeschwindigkeit für ein Fluid von c f = 800 m s

Figure DE102021100692A1_0016
und ferner der Sollschallgeschwindigkeit für die SAW im Substrat 121 von cs = 4700 m/s der minimale Rayleigh-Winkel (θR,min ≈ 9,8°, und gälte folglich: LVerz max ≈ 0,34H1 - Δx.For example, taking into account a minimum target sound velocity for a fluid, would be c f = 800 m s
Figure DE102021100692A1_0016
and also the target sound velocity for the SAW in the substrate 121 from c s = 4700 m / s the minimum Rayleigh angle (θ R, min ≈ 9.8 °, and would therefore apply: L Verz max ≈ 0.34H1 - Δx.

Desgleichen kann bei Betrachtung von 5B eine Länge des Zeitmess-IDT 125 von einem maximalen Rayleigh-Winkel θR,mαx abhängig sein, was wiederum von der Schallgeschwindigkeit im Substrat 121 und der maximalen Schallgeschwindigkeit der durch den Sensor fließenden Fluide abhängig ist. Dies kann die notwendige Länge derart bereitstellen, dass eine reflektierte Schallwelle, die von der Welle des Verweilzeitsenders 122D emittiert wird, immer noch auf den Zeitmess-IDT 125 (d. h. den Verweilzeitempfänger 122C) trifft. Zusätzlich dazu kann der Zeitmess-IDT 125 jedoch um eine Länge nλSAW entsprechend der Länge des Verweilzeitsenders 122D weiter verlängert werden. Hier bezeichnet n die Periodenzahl des Verweilzeitsenders 122D, die mit der Anzahl von Fingerpaaren für ein Design identisch sein kann, wie 2a) zeigt, und bezeichnet λSAW die Wellenlänge der emittierten und empfangenen SAW. Diese Ausdehnung kann vorteilhaft sein, da das Maximum der empfangenen SAW bei der Zeitmessung IDT 125 möglicherweise nicht direkt zu dem Zeitpunkt und an dem Ort auftritt, an der das Maximum der Schallwelle (z. B. Ultraschallimpuls) in dem Fluid auf die IDT 125 trifft. Stattdessen kann der Ultraschallimpuls in dem Fluid die Leistung in dem IDT 125 kumulieren (d. h. integrieren), das heißt, eine SAW kann im Substrat des Chips aufgebaut sein, um (zumindest teilweise) von dem Zeitmess-IDT 125 empfangen zu werden, während die resultierende SAW gleichzeitig die Schallleistung im Rayleigh-Winkel wieder auf das Fluid überträgt. Daher kann der Zeitmess-IDT 125 zumindest wie vorstehend beschrieben erweitert werden, um diesen Umstand zu berücksichtigen und somit die vom Schallmessungs-IDT 125 empfangene Gesamtschallleistung zu erhöhen.Similarly, when looking at 5B a length of the timing IDT 125 be dependent on a maximum Rayleigh angle θ R, mαx , which in turn depends on the speed of sound in the substrate 121 and the maximum speed of sound of the fluids flowing through the sensor is dependent. This can provide the necessary length such that a reflected sound wave generated by the wave of the dwell time transmitter 122D is still emitted on the timing IDT 125 (i.e. the dwell receiver 122C ) meets. In addition, the timing IDT 125 however by a length nλ SAW corresponding to the length of the Dwell transmitter 122D to be extended further. Here n denotes the number of periods of the dwell time transmitter 122D which can be the same as the number of pairs of fingers for a design, like 2a) shows, and λ SAW denotes the wavelength of the emitted and received SAW. This expansion can be advantageous, since the maximum of the received SAW in the time measurement IDT 125 may not occur directly at the time and place at which the maximum of the sound wave (e.g. ultrasonic pulse) in the fluid hits the IDT 125 meets. Instead, the ultrasonic pulse in the fluid can increase the power in the IDT 125 cumulate (ie integrate), that is, a SAW can be built up in the substrate of the chip in order to (at least in part) be dependent on the timing IDT 125 to be received, while the resulting SAW at the same time transmits the sound power in the Rayleigh angle back to the fluid. Therefore, the timing IDT 125 at least as described above to take this fact into account and thus that of the sound measurement IDT 125 to increase the total received sound power.

Wiederum kann auch die strömungsinduzierte lokale Verlagerung Δxx berücksichtigt werden, derart, dass die Länge des Zeitmess-IDT insgesamt angegeben sein kann durch L T M   I D T = t a n ( θ R , m a x ) 2 H 1 + n λ + Δ x L V e r z   m a x .

Figure DE102021100692A1_0017
Again, the flow-induced local displacement Δx x can also be taken into account, in such a way that the length of the time measurement IDT as a whole can be indicated by L. T M. I. D. T = t a n ( θ R. , m a x ) 2 H 1 + n λ + Δ x - L. V e r z m a x .
Figure DE102021100692A1_0017

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 125 kann beispielsweise eine minimale Obergrenze für den Rayleigh-Winkel beispielsweise bei etwa 40° liegen ( c f = 2200 m s , c s = 3390 m / s ) ,

Figure DE102021100692A1_0018
unter Umständen entsprechend einer minimalen Länge LTM IDT,min des Zeitmess-IDT 125 von L T M  IDT ,min = tan ( arcsin ( 2200 3390 ) ) s H 1 m i n + n m i n λ m i n + Δ x L V e r z   m a x ,
Figure DE102021100692A1_0019
Therefore, some exemplary considerations can be made regarding the overall limits on the length of the timing IDT. To estimate a lower bound for the length of the timing IDT 125 For example, a minimum upper limit for the Rayleigh angle can be, for example, approximately 40 ° ( c f = 2200 m s , c s = 3390 m / s ) ,
Figure DE102021100692A1_0018
possibly corresponding to a minimum length L TM IDT, min of the timing IDT 125 of L. T M. IDT , min = tan ( arcsin ( 2200 3390 ) ) s H 1 m i n + n m i n λ m i n + Δ x - L. V e r z m a x ,
Figure DE102021100692A1_0019

Was angesichts des vorstehenden Ergebnisses für LVerz max ausgedrückt werden kann als L T M   I D T , m i n 1,36 H 1 m i n + n m i n λ m i n ,

Figure DE102021100692A1_0020
wobei n die Anzahl der Perioden des Verweilzeitsenders 122D und A die SAW-Wellenlänge ist. Unter Berücksichtigung einer oberen Frequenzgrenze von 100 MHz, einer unteren Kanalhöhengrenze von H1min= 0,2 mm und mit einem Minimum von nmin= 5 kann eine untere Grenze für die Länge des Zeitmess-IDT 125 LTM IDT,min ≈ 0,4 mm sein, was ungefähr 2,4 nmin entsprechen kann λmin.In view of the above result for L Verz max , which can be expressed as L. T M. I. D. T , m i n 1.36 H 1 m i n + n m i n λ m i n ,
Figure DE102021100692A1_0020
where n is the number of periods of the dwell time transmitter 122D and A is the SAW wavelength. Taking into account an upper frequency limit of 100 MHz, a lower channel height limit of H1 min = 0.2 mm and with a minimum of n min = 5, a lower limit for the length of the timing IDT 125 L TM IDT, min ≈ 0.4 mm, which can correspond to approximately 2.4 nmin λ min .

Zur Schätzung einer oberen Grenze für die Länge des Zeitmess-IDT 125 LTM IDT,max können der größtmögliche Rayleigh-Winkel und die Untergrenze der Verzögerungsleitungslänge berücksichtigt werden. Eine untere Grenze der Verzögerungsleitungslänge zwischen dem Verweilzeitsender und dem Verweilzeitempfänger könnte einige (~ 3)λ betragen. Eine vernünftige Obergrenze des Rayleigh-Winkels kann 65° betragen ( c f = 2230 m s , c s = 2540 m / s ) .

Figure DE102021100692A1_0021
Bei einer Obergrenze der Kanalhöhe von H1max = 20 mm, einer unteren Frequenzgrenze von 40 MHz und einer oberen Periodenzahl n von 50 (Verweilzeitsender) kann eine Obergrenze für die Länge betragen: L T M   I D T , m a x tan ( a r c s i n ( 2300 2540 ) ) 2 H 1 m a x + ( n m a x 3 ) λ m a x 85  mm ,
Figure DE102021100692A1_0022
was ungefähr 27 nmax λmax entsprechen kann. Im Gegensatz dazu gilt unter Berücksichtigung von H1max = 3 mm: LTM IDT,max ≈ 13 mm, was ungefähr 4,1 nmax λmax entsprechen kann.To estimate an upper bound for the length of the timing IDT 125 L TM IDT, max , the largest possible Rayleigh angle and the lower limit of the delay line length can be taken into account. A lower limit of the delay line length between the dwell time transmitter and the dwell time receiver could be a few (~ 3) λ. A reasonable upper limit on the Rayleigh angle can be 65 ° ( c f = 2230 m s , c s = 2540 m / s ) .
Figure DE102021100692A1_0021
With an upper limit of the channel height of H1 max = 20 mm, a lower frequency limit of 40 MHz and an upper number of periods n of 50 (dwell time transmitter), an upper limit for the length can be: L. T M. I. D. T , m a x tan ( a r c s i n ( 2300 2540 ) ) 2 H 1 m a x + ( n m a x - 3 ) λ m a x 85 mm ,
Figure DE102021100692A1_0022
which can correspond to approximately 27 n max λ max . In contrast, taking into account H1 max = 3 mm , the following applies: L TM IDT, max ≈ 13 mm, which can correspond to approximately 4.1 n max λ max .

Somit kann die Position und Ausdehnung des Zeitmess-IDT 125 relativ zu einem der Phasenverschiebungs-IDT basierend auf den vorstehenden Überlegungen berechnet werden.Thus, the position and extent of the timing IDT 125 relative to one of the phase shift IDT can be calculated based on the above considerations.

Es wird angemerkt, dass die vorstehenden Überlegungen desgleichen für jeden Wandler, der den Verweilzeitempfänger 122C bildet, und nicht nur für den Zeitmesswandler 125 gelten, der den Verweilzeitempfänger 122C als separaten Wandler bildet.It is noted that the above considerations apply equally to any transducer that uses the dwell time receiver 122C forms, and not just for the timing converter 125 apply to the dwell receiver 122C forms as a separate converter.

Es versteht sich, dass das Positionieren des Zeitmess-IDT 125 relativ zu einem der Phasenverschiebungs-IDT wie vorstehend erörtert und in 1B dargestellt vorteilhafterweise das Messen der Verweilzeit Δtus sowie die Phasenverschiebung einer Welle, die gleichzeitig vom empfangenden IDT 122B empfangen wird, ermöglichen kann. Das heißt, wenn der emittierende Wandler 122A zwischen dem Zeitmesswandler 125 und dem empfangenden Wandler 122B angeordnet ist, kann der emittierende Wandler 122A eine Welle gleichzeitig in beide Richtungen aussenden und daher auch den Verweilzeitsender 122D bilden. Somit kann die Verweilzeit gleichzeitig mit der Phasenverschiebung der Welle gemessen werden, die von dem empfangenden IDT 122B empfangen wird. Dies ist ferner in 1B dargestellt, wobei der zweite Sender 122A-2 zwischen dem Zeitmesswandler 125 und dem zweiten Empfänger 122B-2 angeordnet ist. Wenn also der zweite Sender 122A-2 eine Welle in beide Richtungen emittiert, wie durch die Pfeile angezeigt, können die jeweiligen Wellen vom Zeitmesswandler 125, d. h. dem Verweilzeitempfänger 122C bzw. dem zweiten Empfänger 122B-2 empfangen werden, was es daher ermöglicht, sowohl die Verweilzeit als auch die Phasenverschiebung der zweiten Welle zu bestimmen. Es versteht sich jedoch, dass auch ein Zeitsenderwandler, der speziell nur zum Emittieren eines Signals für die Verweilzeitmessung vorgesehen ist, d. h. den Verweilzeitsender 122D bildet, verwendet werden kann. Mit anderen Worten kann die Messung der Verweilzeit getrennt von der Messung der Phasenverschiebung der ersten und der zweiten Welle verwirklicht werden. Es kann jedoch vorzuziehen sein, diese Messungen zu kombinieren.It will be understood that the positioning of the timing IDT 125 relative to one of the phase shift IDTs as discussed above and in FIG 1B shown advantageously the measurement of the dwell time Δt us and the phase shift of a wave that is received simultaneously from the receiving IDT 122B is received, can enable. That is, if the emitting transducer 122A between the timing transducer 125 and the receiving transducer 122B is arranged, the emitting transducer 122A send out a wave in both directions at the same time and therefore also the dwell time transmitter 122D form. Thus, the dwell time can be measured simultaneously with the phase shift of the wave received by the receiving IDT 122B Will be received. This is also in 1B shown, the second transmitter 122A-2 between the timing transducer 125 and the second recipient 122B-2 is arranged. So if the second transmitter 122A-2 If a wave is emitted in both directions, as indicated by the arrows, the respective waves can be measured by the timing transducer 125 , ie the dwell receiver 122C or the second recipient 122B-2 which therefore makes it possible to determine both the dwell time and the phase shift of the second wave. It goes without saying, however, that a time transmitter converter which is specifically only provided for emitting a signal for the dwell time measurement, ie the dwell time transmitter 122D forms, can be used. In other words, the measurement of the dwell time can be implemented separately from the measurement of the phase shift of the first and second waves. However, it may be preferable to combine these measurements.

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 122, der den Verweilzeitempfänger 122C bildet, ein Schallwellenmaximum nach einer Gesamtausbreitungszeit ΔtIDT = Δtus + ΔtOffset empfangen werden. Es wird angemerkt, dass sich die Welle nicht wesentlich als SAW innerhalb des Chips 12 ausbreitet, bevor sie von dem Wandler 122 empfangen wird, der den Verweilzeitempfänger 122C bildet, da der Wandler 122 derart angeordnet ist, dass die Welle, die das Fluid durchläuft, direkt auf ihn trifft. Mit anderen Worten kann ΔtSAW in hinlänglich genauer Annäherung als Null angenommen werden. Die konstante Offset-Zeit ΔtOffset kann durch eine globale Kalibrierung des Differenzmaßes ΔΦ (auch als Phasenversatz bezeichnet) bei konstantem Durchfluss, normiert durch die Ausbreitungszeit Δtus in dem Fluid erhalten werden, die an dem Zeitmessungs-IDT 125 oder allgemeiner, dem Wandler 122, der den Verweilzeitempfänger 122C bildet, gemessen wird: Δ Φ Δ t u s = Δ Φ Δ t I D T Δ t O f f s e t ,

Figure DE102021100692A1_0023
derart, dass der Ausdruck Δ Φ Δ t I D T Δ t O f f s e t
Figure DE102021100692A1_0024
konstant wird. Die Kalibrierung kann unter Verwendung verschiedener Fluide durchgeführt werden, die sich zumindest durch die Schallgeschwindigkeit unterscheiden können. Es wird angemerkt, dass die Kalibrierung vorteilhafterweise nur von der IDT-Geometrie, der Übertragungsimpulslänge und gegebenenfalls der Gesamtgeometrie der das Fluid umfassenden Teile, z. B. der Fluidzelle, abhängig ist. Daher kann eine Kalibrierung für einen einzigen Durchflusssensor 1 einer ganzen Serie möglicherweise nur einmal erforderlich sein, bevor ein Durchflusssensor 1 in Betrieb genommen wird.The time in which the sound wave is generated and the time in which the sound wave is converted back into a SAW are periods of time in which the wave is not displaced by the flow. These times, which can also be referred to as the offset time Δt offset , can be constant for a fixed pulse length of the transmission pulse of the emitting phase shift IDT and for all possible sound velocities of different fluids if the approximation is sufficiently accurate. Thus, on the converter 122 , who is the dwell receiver 122C forms, a sound wave maximum can be received after a total propagation time Δt IDT = Δt us + Δt offset . It should be noted that the wave is not essentially a SAW within the chip 12th spreads out before it from the transducer 122 is received by the dwell receiver 122C forms as the converter 122 is arranged such that the wave through which the fluid passes hits it directly. In other words, Δt SAW can be assumed to be zero in a sufficiently precise approximation. The constant offset time Δt offset can be obtained through a global calibration of the difference measure ΔΦ (also referred to as phase offset) at a constant flow rate, normalized by the propagation time Δt us in the fluid, which is obtained from the time measurement IDT 125 or more generally, the converter 122 , who is the dwell receiver 122C forms, what is measured is: Δ Φ Δ t u s = Δ Φ Δ t I. D. T - Δ t O f f s e t ,
Figure DE102021100692A1_0023
such that the expression Δ Φ Δ t I. D. T - Δ t O f f s e t
Figure DE102021100692A1_0024
becomes constant. The calibration can be carried out using different fluids, which can differ at least in terms of the speed of sound. It is noted that the calibration advantageously depends only on the IDT geometry, the transmission pulse length and possibly the overall geometry of the parts comprising the fluid, e.g. B. the fluid cell, is dependent. A calibration can therefore be carried out for a single flow sensor 1 an entire series may only be required once before a flow sensor 1 is put into operation.

Somit kann die in 1A und 1B dargestellte Ausführungsform das Messen der Phasendifferenz Δϕ(t) zwischen Senden und Empfangen einer ersten und zweiten Welle ermöglichen, wobei sich die zweite Welle im Allgemeinen in der entgegengesetzten Richtung im Vergleich zu der ersten Welle in Bezug auf die Strömungsrichtung ausbreitet. Insbesondere kann der Durchflusssensor 1 zwei Phasenverschiebungs-IDT umfassen, die abwechselnd Wellen senden und empfangen können, derart, dass sich zwei aufeinanderfolgende Wellen in entgegengesetzte Richtungen ausbreiten, während sie insgesamt dieselbe Entfernung in Strömungsrichtung (x-Richtung) zurücklegen. Die Phasenverschiebungs-IDT können derart angeordnet sein, dass sich jede Welle teilweise als Schallwelle ausbreitet, die das Fluid für eine Zeit Δtus durchläuft und teilweise als SAW, die aus dem Rückkoppeln der Schallwelle in den Chip 12 nach einem Durchlaufen des Fluids für eine Zeit ΔtSAW hervorgeht. Während des Durchlaufens des Fluids können die zwei Wellen jeweils eine strömungsabhängige Verlagerung erfahren, die wiederum auf eine Zeit- bzw. Phasenverschiebung des Signals aufgrund der Differenz in ΔtSAW abgebildet werden kann. Durch Berechnen eines Differenzmaßes der beiden Phasendifferenzen ΔΦ = Δϕ(t1) - Δϕ(t2) kann ein Signal bestimmt werden, das proportional zur Strömungsgeschwindigkeit vx und der Verweilzeit Δtus der Welle beim Durchlaufen der Fluids ist, d. h. ΔΦ ∝ kvxΔtus. Während k in hinlänglich genauer Annäherung als konstant angenommen werden kann, kann die Verweilzeit Δtus fluidabhängig sein. Zum Realisieren einer fluidunabhängigen Durchflussmessung kann somit die Verweilzeit Δtus bestimmt werden.Thus, the in 1A and 1B enable the measurement of the phase difference Δϕ (t) between transmission and reception of a first and second wave, the second wave generally propagating in the opposite direction compared to the first wave with respect to the direction of flow. In particular, the flow sensor 1 comprise two phase shift IDTs which can alternately transmit and receive waves such that two successive waves propagate in opposite directions while traveling the same distance in total in the flow direction (x-direction). The phase shift IDT can be arranged such that each wave propagates partly as a sound wave that traverses the fluid for a time Δt us and partly as a SAW that results from the feedback of the sound wave into the chip 12th after passing through the fluid for a time Δt SAW emerges. During the passage of the fluid, the two waves can each experience a flow-dependent shift, which in turn is due to a time or phase shift of the signal can be mapped based on the difference in Δt SAW. By calculating a measure of the difference between the two phase differences ΔΦ = Δϕ (t 1 ) - Δϕ (t 2 ), a signal can be determined which is proportional to the flow velocity v x and the dwell time Δt us of the wave when passing through the fluids, i.e. Δ∝ ∝ kv x Δt us . While k can be assumed to be constant in a sufficiently precise approximation, the dwell time Δt us can be fluid-dependent. In order to implement a fluid-independent flow measurement, the dwell time Δt us can thus be determined.

Da die Verweilzeit Δtus strömungsunabhängig ist, kann sie unter Verwendung eines Verweilzeitempfängers 122C gemessen werden, z. B. eines Zeitmesswandlers 125, der dazu konfiguriert ist, dass die Schallwelle nach dem Durchlaufen des Fluids direkt auf den Wandler 122 trifft, der den Verweilzeitempfänger 122C bildet. Das heißt, die Schallwelle wird in den Chip 12 innerhalb des Bereichs zurückgekoppelt, der den Wandler 122 umfasst, der den Verweilzeitempfänger 122C bildet, z. B. den Zeitmesswandler 125. Diese Messung kann das Bestimmen von ΔtIDT = Δtus + ΔtOffset ermöglichen, wobei ΔtSAW für diese Messung in hinlänglich genauer Annäherung als Null angenommen werden kann, da die Schallwelle direkt auf den Wandler 122 trifft, der den Verweilzeitempfänger 122C bildet. Durch Bestimmen der Phasendifferenz ΔΦ und ΔtIDT, gemessen an dem Wandler 122, der den Verweilzeitempfänger 122C für verschiedene Fluide bildet, kann der konstante Offset ΔtOffset bestimmt werden, derart, dass die reine Verweilzeit Δtus bestimmt werden kann. Da die Kalibrierungsmessung fluid- und strömungsunabhängig ist und hauptsächlich von der Gesamtgeometrie der beteiligten Wandler und des Durchflusssensors sowie der zur Generierung der Welle verwendeten Impulslänge abhängig ist, wird sie für eine bestimmte Sensorgeometrie und Impulseigenschaft möglicherweise nur einmal benötigt. Daher kann der Durchflusssensor 1 eine fluidunabhängige Messung einer Strömungseigenschaft ermöglichen, z. B. der Strömungsgeschwindigkeit oder der Durchflussrate eines Fluids, das durch den Fluidsensor 1 geleitet wird. Vorzugsweise kann der Sensor dazu konfiguriert sein, Durchflussraten 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, zu messen. Insbesondere kann der Sensor dazu konfiguriert sein, diese Durchflussraten mit einem relativen Fehler von bis zu 0,1 %, vorzugsweise bis zu 0,01 %, noch bevorzugter bis zu 0,001 %, zu messen. Weiterhin kann der Durchflusssensor für Drücke von mindestens bis zu 100 bar, vorzugsweise mindestens bis zu 500 bar, bevorzugter mindestens bis zu 1000 bar, etwa mindestens bis zu 2000 bar, konfiguriert sein. Das heißt, der Durchflusssensor kann vorteilhafterweise für hohe Fluiddrücke konfiguriert sein und in einem weiten Bereich von Drücken funktionieren, die von im Grunde genommen 0 bar bis zu Drücken reichen, die typischerweise in HPLC-Anwendungen vorliegen.Since the dwell time Δt us is independent of the flow, it can be measured using a dwell time receiver 122C be measured, e.g. B. a timing converter 125 which is configured to send the sound wave directly to the transducer after passing through the fluid 122 who meets the dwell receiver 122C forms. That is, the sound wave gets into the chip 12th fed back within the range that the transducer 122 includes the dwell receiver 122C forms, e.g. B. the time transducer 125 . This measurement can enable the determination of Δt IDT = Δt us + Δt offset , where Δt SAW can be assumed to be zero in a sufficiently precise approximation for this measurement, since the sound wave hits the transducer directly 122 who meets the dwell receiver 122C forms. By determining the phase difference ΔΦ and Δt IDT , measured on the converter 122 , who is the dwell receiver 122C forms for different fluids, the constant offset Δt offset can be determined in such a way that the pure dwell time Δt us can be determined. Since the calibration measurement is fluid and flow independent and mainly depends on the overall geometry of the transducers involved and the flow sensor as well as the pulse length used to generate the wave, it may only be required once for a certain sensor geometry and pulse property. Therefore, the flow sensor 1 enable a fluid-independent measurement of a flow property, e.g. B. the flow velocity or the flow rate of a fluid that is passed through the fluid sensor 1 is directed. The sensor can preferably be configured to measure flow rates 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. In particular, the sensor can be configured to measure these flow rates with a relative error of up to 0.1%, preferably up to 0.01%, even more preferably up to 0.001%. Furthermore, the flow sensor can be configured for pressures of at least up to 100 bar, preferably at least up to 500 bar, more preferably at least up to 1000 bar, for example at least up to 2000 bar. That is, the flow sensor can advantageously be configured for high fluid pressures and operate over a wide range of pressures, ranging from essentially 0 bar to pressures typically found in HPLC applications.

Ganz allgemein kann der Durchflusssensor eine Datenverarbeitungseinheit zum Verarbeiten der von den empfangenden Wandlern 122B empfangenen Signale sowie zum Auslösen der Generierung von Wellen durch die emittierenden Wandler 122A umfassen. Das heißt, die Verarbeitungseinheit kann allgemein dazu konfiguriert sein, ein Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung und insbesondere die jeweiligen Berechnungen durchzuführen, die erforderlich sind, um die Strömungseigenschaft basierend auf den von den empfangenden Wandlern 122B empfangenen Signalen zu bestimmen und die Generierung von Wellen an den emittierenden Wandlern 122A zu initiieren. In einigen Ausführungsformen kann der Durchflusssensor die jeweilige Verarbeitungseinheit gemeinsam mit anderen Vorrichtungen nutzen. Beispielsweise kann ein Zentralcomputer, der eine Verarbeitungseinheit umfasst, mit dem Durchflusssensor und anderen Komponenten eines HPLC-Systems, z. B. weiteren Sensoren, Detektoren, Pumpen und/oder Ventilen, verbunden sein.In general, the flow sensor can be a data processing unit for processing the transducers from the receiving transducers 122B received signals as well as triggering the generation of waves by the emitting transducers 122A include. That is, the processing unit can generally be configured to perform a method in accordance with the present invention and, in particular, to perform the respective calculations required to determine the flow characteristic based on that from the receiving transducers 122B to determine received signals and the generation of waves at the emitting transducers 122A to initiate. In some embodiments, the flow sensor can share the respective processing unit with other devices. For example, a central computer comprising a processing unit can be connected to the flow sensor and other components of an HPLC system, e.g. B. further sensors, detectors, pumps and / or valves can be connected.

Es versteht sich, dass die in den 1A und 1B dargestellte Ausführungsform lediglich ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist, und es können auch andere Ausführungsformen in Betracht gezogen werden, wie beispielsweise nachstehend erörtert. Das allgemeine Prinzip zum Bestimmen einer Strömungseigenschaft kann jedoch dasselbe sein. Das heißt, das Verfahren zum Bestimmen der Strömungseigenschaft kann im Allgemeinen das Generieren des Differenzmaßes und das Bestimmen der Verweilzeit umfassen, um diese Parameter dann zum Bestimmen der Strömungseigenschaft zu verwenden. Insbesondere ermöglicht die Messung der Verweilzeit vorteilhafterweise eine fluidunabhängige Messung der Strömungseigenschaft.It goes without saying that those in the 1A and 1B The illustrated embodiment is only one embodiment of the present invention, and other embodiments are also contemplated, for example, as discussed below. However, the general principle for determining a flow characteristic can be the same. That is to say that the method for determining the flow property can generally comprise the generation of the difference measure and the determination of the dwell time, in order then to use these parameters for determining the flow property. In particular, the measurement of the residence time advantageously enables a fluid-independent measurement of the flow property.

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 1 verwirklicht werden, die sich von der in den 1A und 1B dargestellten beispielhaften Ausführungsform unterscheiden. Beispielsweise kann der Zeitmess-IDT 125 auf einem separaten Chip 12 angeordnet sein, z. B. auf einer gegenüberliegenden Seite des Kanals 11, wie in 6 dargestellt. Mit anderen Worten kann mindestens ein Anteil des akustischen Reflektors 16 durch einen Chip 12 ersetzt werden. Es wird angemerkt, dass für die Zeitmessung IDT 125 auch andere Positionen innerhalb des Kanals 11 möglich sein können. Normalerweise wird jedoch sichergestellt, dass das Maximum des Wellenpakets, das sich in dem Fluid eines der mindestens zwei (bidirektionalen) Phasenverschiebungs-IDT ausbreitet, direkt auf den Zeitmess-IDT 125 trifft. Es wird ferner angemerkt, dass in dieser Hinsicht der Begriff „direkt“ das Wellenpaket bezeichnet, das auf den Zeitmess-IDT 125 und nicht auf einen anderen Anteil des Chips 12 trifft. Das heißt, das Wellenpaket kann immer noch Reflexionen ausgesetzt sein, bevor es „direkt“ auf den Zeitmess-IDT 125 trifft. Wiederum kann die erörterte Ausdehnung des Zeitmess-IDT 125 um nλSAW auf beiden Seiten für die Gesamtabmessung des Zeitmess-IDT 125 berücksichtigt werden. Die gleichen Überlegungen bezüglich Platzierung und/oder Abmessungen gelten für jeden Wandler 122, der den Verweilzeitempfänger 122C bildet, z. B. auch für den Fall, dass der Durchflusssensor keinen dedizierten Zeitmesswandler 125 umfasst.As already mentioned, the present invention can be used in flow sensors 1 which differ from the in the 1A and 1B different illustrated exemplary embodiment. For example, the timing IDT 125 on a separate chip 12th be arranged, e.g. B. on an opposite side of the channel 11 , as in 6th shown. In other words, at least a portion of the acoustic reflector can 16 through a chip 12th be replaced. It is noted that for timing, IDT 125 also other positions within the channel 11 can be possible. Normally, however, it is ensured that the maximum of the wave packet that propagates in the fluid of one of the at least two (bidirectional) phase shift IDTs directly on the timing IDT 125 meets. It is also noted that in this regard, the term “direct” refers to the wave packet that hits the timing IDT 125 and not on any other portion of the chip 12th meets. This means that the wave packet can still be exposed to reflections before it hits the timing IDT “directly” 125 meets. Again, the discussed extent of the timing IDT 125 by nλ SAW on both sides for the total dimension of the timing IDT 125 must be taken into account. The same placement and / or dimension considerations apply to any transducer 122 , who is the dwell receiver 122C forms, e.g. B. also in the event that the flow sensor does not have a dedicated time transducer 125 includes.

Es versteht sich, dass die gemessene Verweilzeit in Abhängigkeit von der relativen Position des Zeitmess-IDT 125 in Bezug auf die Phasenverschiebungs-IDT eine entsprechende Skalierung erfordern kann. Beispielsweise durchläuft in der in 6 dargestellten Ausführungsform die Welle das Fluid nur einmal, bevor sie von dem Zeitmess-IDT 125 empfangen wird, während sie mindestens einmal reflektiert wird, bevor sie von dem zweiten Empfänger 122B-2 empfangen wird und somit das Fluid mindestens zweimal kreuzt. Daher kann die in dem Differenzmaß enthaltene Verweilzeit beispielsweise dem Doppelten der gemessenen Verweilzeit entsprechen.It goes without saying that the measured dwell time depends on the relative position of the timing IDT 125 may require appropriate scaling with respect to the phase shift IDT. For example, in the in 6th The illustrated embodiment waves the fluid only once before it is received by the timing IDT 125 is received while it is reflected at least once before it is received by the second receiver 122B-2 is received and thus the fluid crosses at least twice. The dwell time contained in the difference measure can therefore correspond to twice the measured dwell time, for example.

Darüber hinaus kann die Sender- und Empfängeranordnung im Allgemeinen eine unterschiedliche Anzahl von IDT 122 umfassen. Während mindestens zwei IDT 122 bereitgestellt sein können, die dazu konfiguriert sind, als emittierende 122A- und/oder empfangende 122B-IDT zu fungieren, können sie mit einer Anzahl unterschiedlicher Konfigurationen von Wandlern 122 verwirklicht werden.In addition, the transmitter and receiver arrangement can generally have different numbers of IDTs 122 include. During at least two IDT 122 configured to function as emitting 122A and / or receiving 122B IDT, they can be provided with a number of different configurations of transducers 122 be realized.

Ganz allgemein kann die Sender- und Empfängeranordnung mindestens einen ersten Sender 122A-1, einen ersten Empfänger 122B-1, einen zweiten Sender 122A-2 und einen zweiten Empfänger 122B-2 bilden. Während des Betriebs des Durchflusssensors 1 kann eine erste Welle vom ersten Sender 122A-1 zum ersten Empfänger 122B-1 gesendet werden, wobei die erste Welle das Fluid auf ihrem Weg vom ersten Sender 122A-1 zu dem ersten Empfänger 122B-1 mindestens einmal durchläuft. Anschließend kann ein Signal der ersten Welle vom ersten Empfänger 122B-1 empfangen und beispielsweise als Spannung, Strom oder ein anderes analoges oder digitales Signal aufgezeichnet werden. Eine zweite Welle kann vom zweiten Sender 122A-2 zum zweiten Empfänger 122B-2 gesendet werden (z. B. nach dem Senden der ersten Welle), wobei die zweite Welle das Fluid auf ihrem Weg vom zweiten Sender 122A-2 zum zweiten Empfänger 122B-2 mindestens einmal durchläuft. Anschließend kann ein Signal der zweiten Welle vom zweiten Empfänger 122B-2 empfangen und beispielsweise als Spannung, Strom oder ein anderes analoges oder digitales Signal aufgezeichnet werden.In general, the transmitter and receiver arrangement can have at least one first transmitter 122A-1 , a first recipient 122B-1 , a second transmitter 122A-2 and a second recipient 122B-2 form. During the operation of the flow sensor 1 can send a first wave from the first transmitter 122A-1 to the first recipient 122B-1 The first wave carries the fluid on its way from the first transmitter 122A-1 to the first recipient 122B-1 runs through at least once. A first wave signal can then be sent from the first receiver 122B-1 received and recorded, for example, as voltage, current or another analog or digital signal. A second wave can come from the second transmitter 122A-2 to the second recipient 122B-2 (e.g. after sending the first wave), the second wave carrying the fluid on its way from the second transmitter 122A-2 to the second recipient 122B-2 runs through at least once. A second wave signal can then be sent from the second receiver 122B-2 received and recorded, for example, as voltage, current or another analog or digital signal.

Somit kann die Sender- und Empfängeranordnung mehrere Wandler 122 umfassen, z. B. Interdigitalwandler 122, die einen Sender 122A und/oder einen Empfänger 122B bilden können. Das heißt, ein einzelner Wandler 122 kann einen einzelnen Sender 122A und/oder Empfänger 122B oder mehrere Sender 122A und/oder Empfänger 1222B bilden. Beispielsweise kann die Sender- und Empfängeranordnung ein Array von Wandlern umfassen, die derart angeordnet sind, dass mindestens ein Signal, das Informationen über die strömungsabhängige Verschiebung einer Welle, die das Fluid durchläuft, sowie die Verweilzeit umfasst, und mindestens ein weiteres Signal, welches das Bestimmen der strömungsunabhängigen Verweilzeit ermöglicht, gesendet und empfangen werden können.Thus, the transmitter and receiver arrangement can have multiple transducers 122 include, e.g. B. Interdigital converter 122 who have a transmitter 122A and / or a recipient 122B can form. That is, a single converter 122 can be a single transmitter 122A and / or recipient 122B or multiple channels 122A and / or recipient 1222B form. For example, the transmitter and receiver arrangement can comprise an array of transducers which are arranged in such a way that at least one signal that contains information about the flow-dependent displacement of a wave passing through the fluid, as well as the dwell time, and at least one further signal that contains the Determining the flow-independent dwell time enables it to be sent and received.

Unter Bezugnahme auf 5A bis 5C werden mögliche beispielhafte Anordnungen erörtert, die unterschiedliche Anzahlen und Funktionalitäten von Wandlern 122 veranschaulichen, die den erforderlichen ersten und zweiten Sender und Empfänger bilden. Es wird angemerkt, dass diese Figuren lediglich unterschiedliche Anordnungen der emittierenden und empfangenden Wandler 122A, 122B betreffen und dass jede Bezugnahme auf den Verweilzeitempfänger 122C und den Verweilzeitsender 122D und insbesondere auf zusätzliche Wandler 122, z. B. den Zeitmesswandler 125, der Einfachheit halber weggelassen wurden. Das heißt, die 5A bis 5C stellen unter Umständen nur einen Anteil eines Durchflusssensors 1 dar und können beispielsweise ferner einen Zeitmesswandler 125 einschließen, oder alternativ dazu kann mindestens einer der dargestellten Wandler 122 ferner einen Verweilzeitempfänger 122C und/oder einen Verweilzeitsender 122D bilden.With reference to 5A to 5C possible exemplary arrangements are discussed, the different numbers and functionalities of transducers 122 illustrate which form the required first and second transmitters and receivers. It is noted that these figures are only different arrangements of the emitting and receiving transducers 122A , 122B concern and that any reference to the dwell receiver 122C and the dwell transmitter 122D and especially to additional converters 122 , e.g. B. the time transducer 125 , have been omitted for the sake of simplicity. That is, the 5A to 5C may only represent part of a flow sensor 1 and can, for example, also include a time measurement converter 125 include, or alternatively, at least one of the illustrated transducers 122 furthermore a dwell time receiver 122C and / or a dwell transmitter 122D form.

In einigen Ausführungsformen kann die Sender- und Empfängeranordnung mindestens 4 Wandler 122-1, 122-2, 122-3, 122-4 umfassen, wie in 7A dargestellt, wobei jeder Wandler den ersten Sender 122A-1, den zweiten Sender 122A-2, den ersten Empfänger 122B-1 oder den zweiten Empfänger 122B-2 bereitstellen kann. Das heißt, jeder Wandler 122 kann entweder einen Empfänger oder einen Sender bilden. Weiterhin können die Wandler 122 derart angeordnet sein, dass die erste Welle, die sich vom ersten Sender 122A-1 zum ersten Empfänger 122B-1 (angezeigt durch die gepunkteten Pfeile) bewegt, sich in Bezug auf die Strömungsrichtung in eine andere Richtung als die zweite Welle bewegen kann, die vom zweiten Sender 122A-2 emittiert und vom zweiten Empfänger 122B-2 empfangen wird (angezeigt durch die gestrichelten Pfeile). Weiterhin kann der Wandler vorzugsweise derart angeordnet sein, dass die Trennung des ersten Senders 122A-1 und des ersten Empfängers 122B-1 dieselbe ist wie die Trennung des zweiten Senders 122A-2 und des zweiten Empfängers 122B-2. Weiterhin können die emittierenden Wandler 122A-1, 122A-2 unidirektionale Wandler sein. Das heißt, sie können dazu konfiguriert sein, Wellen nur in eine Richtung zu emittieren, was beispielsweise vorteilhafterweise jegliches Übersprechen zwischen Wandlern verringern und/oder die von den Wandlern emittierte Leistung begrenzen kann. Während eine derartige Anordnung vorteilhafterweise das eindeutige Senden und Empfangen von Signalen ermöglichen kann, kann es vorzuziehen sein, die Anzahl von Wandlern zu reduzieren, während die Funktionalität beibehalten wird.In some embodiments, the transmitter and receiver assembly can include at least 4 transducers 122-1 , 122-2 , 122-3 , 122-4 include, as in 7A shown, with each transducer being the first transmitter 122A-1 , the second transmitter 122A-2 , the first recipient 122B-1 or the second recipient 122B-2 can provide. That is, every converter 122 can either form a receiver or a transmitter. Furthermore, the converter 122 be arranged such that the first wave extending from the first transmitter 122A-1 to the first recipient 122B-1 (indicated by the dotted arrows) moves, with respect to the direction of flow, can move in a different direction than the second wave coming from the second transmitter 122A-2 issued and by the second recipient 122B-2 is received (indicated by the dashed arrows). Furthermore, the transducer can preferably be arranged in such a way that the separation of the first transmitter 122A-1 and the first recipient 122B-1 is the same as the separation of the second transmitter 122A-2 and the second recipient 122B-2 . Furthermore, the emitting transducers 122A-1 , 122A-2 be unidirectional converters. That is, they can be configured to emit waves in only one direction, which can, for example, advantageously reduce any crosstalk between transducers and / or limit the power emitted by the transducers. While such an arrangement may advantageously allow signals to be sent and received unambiguously, it may be preferable to reduce the number of transducers while maintaining functionality.

Beispielsweise umfasst die Sender- und Empfängeranordnung unter Umständen nur drei Wandler 122-1, 122-2, 122-3, die den ersten und den zweiten Sender und den ersten und den zweiten Empfänger bilden, wie in 7B dargestellt, wobei ein einzelner emittierender Wandler 122A, 122-1 den ersten Sender 122A-1 und den zweiten Sender 122A-2 bilden kann und die zwei verbleibenden Wandler den ersten bzw. zweiten Empfänger 122B-1 bzw. 122B-2 bilden. Die empfangenden Wandler 122B können jeweils auf einer anderen Seite des emittierenden Wandlers 122A in Bezug auf die Strömungsrichtung angeordnet sein, derart, dass die erste und die zweite Welle in entgegengesetzte Richtungen verlaufen (gestrichelte und gepunktete Pfeile). Das heißt, der erste 122A-1 und der zweite 122A-2-Sender können aus einem einzelnen Wandler 122-1 bestehen, der beispielsweise dazu konfiguriert sein kann, eine Welle in zwei Richtungen zu senden, d. h. stromaufwärts und stromabwärts, derart, dass die erste und die zweite Welle beispielsweise vorteilhafterweise gleichzeitig gesendet werden können. Wiederum können der erste und der zweite Empfänger 122B-1, 122B-2 vorzugsweise jeweils in der gleichen Entfernung zum emittierenden Wandler 122A angeordnet sein, derart, dass die erste und die zweite Welle jeweils die gleiche Entfernung vom emittierenden Wandler 122A zum jeweiligen Empfänger zurücklegen.For example, the transmitter and receiver arrangement may only include three transducers 122-1 , 122-2 , 122-3 constituting the first and second transmitters and the first and second receivers, as in FIG 7B shown, with a single emitting transducer 122A , 122-1 the first transmitter 122A-1 and the second transmitter 122A-2 can form and the two remaining transducers the first and second receivers, respectively 122B-1 or. 122B-2 form. The receiving transducers 122B can each be on a different side of the emitting transducer 122A be arranged with respect to the flow direction such that the first and the second wave run in opposite directions (dashed and dotted arrows). That is, the first 122A-1 and the second 122A-2 transmitter can consist of a single transducer 122-1 which can for example be configured to send a wave in two directions, ie upstream and downstream, in such a way that the first and second waves can for example advantageously be sent simultaneously. Again, the first and second recipients can 122B-1 , 122B-2 preferably at the same distance from the emitting transducer 122A be arranged such that the first and second waves are each the same distance from the emitting transducer 122A return to the respective recipient.

Weiterhin kann die Sender- und Empfängeranordnung in einigen Ausführungsformen nur zwei Wandler 122-1, 122-2 umfassen, die den ersten und zweiten Sender und Empfänger bilden, wie in 7C (und 1A und 1B) dargestellt. In einer derartigen Ausführungsform kann jeder der beiden Wandler 122-1, 122-2 einen Sender 122A und einen Empfänger 122B bilden. Beispielsweise kann der erste Wandler 122-1 den ersten Sender 122A-1 und den zweiten Empfänger 122B-2 bilden und kann der zweite Wandler 122-2 den zweiten Sender 122A-2 und den ersten Empfänger 122B-1 bilden. Es versteht sich, dass jeder Wandler abwechselnd ein Signal sendet und empfängt, derart, dass immer ein Wandler als Sender 122A arbeitet und der andere als Empfänger 122B fungiert. Somit können sich die Wellen abwechselnd stromaufwärts und stromabwärts bewegen (angezeigt durch die gestrichelten und gepunkteten Pfeile) und kann daher ein entsprechendes Differenzmaß vorteilhafterweise strömungsunabhängige Signale aufheben.Furthermore, in some embodiments, the transmitter and receiver arrangement can only have two transducers 122-1 , 122-2 which form the first and second transmitters and receivers, as in FIG 7C (and 1A and 1B) shown. In such an embodiment, either of the two transducers 122-1 , 122-2 a transmitter 122A and a receiver 122B form. For example, the first converter 122-1 the first transmitter 122A-1 and the second recipient 122B-2 and can form the second converter 122-2 the second transmitter 122A-2 and the first recipient 122B-1 form. It goes without saying that each transducer alternately sends and receives a signal in such a way that there is always a transducer as the transmitter 122A works and the other as recipient 122B acts. The waves can thus move alternately upstream and downstream (indicated by the dashed and dotted arrows) and can therefore advantageously cancel out signals that are independent of the flow.

Der Fachmann wird erkennen, dass die Wandler 122 im Allgemeinen unter Umständen nicht alle auf einem einzelnen Chip 12 angeordnet sind, wie bereits in 6 angegeben. Das heißt, die Wandler 122 können auf getrennten Chips 12 angeordnet sein, die auf derselben und/oder verschiedenen Seiten des Kanals 11 angeordnet sein können. Dies kann beispielsweise vorteilhafterweise Übersprechen zwischen den Wandlern 122 verringern. Beispielsweise können in einer Ausführungsform wie in 7A dargestellt die zwei Wandler 122-1, 122-2, die den ersten Sender 122A-1 und den Empfänger 122B-1 bilden, auf einem Chip 12 liegen, der von einem anderen Chip 12 getrennt ist, der den zweiten Sender 122A-2 und Empfänger 122B-2 umfasst. Eine derartige Konfiguration kann vorteilhafterweise verhindern, dass sich eine SAW vom ersten emittierenden Wandler 122A-1 zum zweiten emittierenden Wandler 122A-2 und/oder zum zweiten empfangenden Wandler 122B-2 ausbreitet.Those skilled in the art will recognize that the transducers 122 in general, they may not all be on a single chip 12th are arranged, as already in 6th specified. That is, the converter 122 can be on separate chips 12th be arranged on the same and / or different sides of the channel 11 can be arranged. This can, for example, advantageously crosstalk between the transducers 122 reduce. For example, in one embodiment as in 7A shown the two converters 122-1 , 122-2 who have favourited the first channel 122A-1 and the recipient 122B-1 form, on a chip 12th lie that of another chip 12th is separated from the second transmitter 122A-2 and recipient 122B-2 includes. Such a configuration can advantageously prevent a SAW from emitting from the first one Converter 122A-1 to the second emitting transducer 122A-2 and / or to the second receiving transducer 122B-2 spreads.

Im Allgemeinen muss sich ein Chip 12 nicht notwendigerweise über eine vollständige Länge des Kanals 11 (in Strömungsrichtung) erstrecken. Die dargestellten Ausführungsformen dienen in dieser Hinsicht nur einem veranschaulichenden Zweck, und der mindestens eine Chip 12 kann beispielsweise in eine größere Kanalstruktur eingebettet sein, die sich über das stromaufwärtige und/oder stromabwärtige Ende des Chips 12 hinaus erstreckt. Mit anderen Worten kann der Chip 12 beispielsweise auf einer ideal ebenen Grundplatte oder beispielsweise in einer entsprechenden Aussparung innerhalb der Grundplatte platziert sein, die wiederum einen Anteil des Kanals, z. B. eine Seite des Kanals, bereitstellen kann. Ferner kann beispielsweise eine rechteckige Kanalanordnung auf dem Chip 12, insbesondere der Chipoberfläche 124 und damit der Chipseite, die die IDT 122 und optional die Schutzschicht 123 umfasst, derart platziert sein, dass der Chip 12 die Schallleistung in den Kanal 11 emittieren kann. Alternativ dazu kann die Kanalanordnung beispielsweise derart auf der Basis platziert sein, dass sich der Chip innerhalb des dadurch gebildeten Kanals befindet. Somit kann sich mindestens ein Teil der SAW bzw. der Ultraschallwelle (d. h. der Schallwelle) in oder entgegen der durch den Kanal 11 definierten Strömungsrichtung ausbreiten. Ferner kann mindestens die der funktionellen Chipoberfläche gegenüberliegende Seite, d. h. die die IDT umfassende Chipoberfläche, derart konfiguriert sein, dass zumindest ein Teil der sich im Kanal ausbreitenden Welle reflektiert werden kann.In general, you need a chip 12th not necessarily over a full length of the channel 11 (in the direction of flow) extend. The illustrated embodiments in this regard are for an illustrative purpose only, and the at least one chip 12th can for example be embedded in a larger channel structure that extends over the upstream and / or downstream end of the chip 12th extends beyond. In other words, the chip can 12th for example, be placed on an ideally flat base plate or, for example, in a corresponding recess within the base plate, which in turn includes a portion of the channel, e.g. B. one side of the channel. Furthermore, for example, a rectangular channel arrangement on the chip 12th , especially the chip surface 124 and thus the chip side that the IDT 122 and optionally the protective layer 123 includes, be placed such that the chip 12th the sound power in the duct 11 can emit. As an alternative to this, the channel arrangement can for example be placed on the base in such a way that the chip is located within the channel formed thereby. Thus, at least a part of the SAW or the ultrasonic wave (ie the sound wave) can travel in or against the through the channel 11 the defined flow direction. Furthermore, at least the side opposite the functional chip surface, ie the chip surface comprising the IDT, can be configured in such a way that at least part of the wave propagating in the channel can be reflected.

Während bei den Ausführungsformen, die bisher in Bezug auf 1A, 1B und 4 erörtert wurden, der Durchflusssensor mindestens zwei Phasenverschiebungs-IDT und einen zusätzlichen Zeitmess-IDT 125 umfasst, kann die Anzahl der IDT und damit die Komplexität des Durchflusssensors 1 noch weiter reduziert werden. Das heißt, in einigen Ausführungsformen kann der Durchflusssensor 1 nur zwei IDT 122-1, 122-2 zum Messen der Phasenverschiebungen sowie der Verweilzeit Δtus umfassen. Mit anderen Worten umfasst die vorliegende Erfindung in einigen Ausführungsformen unter Umständen keinen separaten Zeitmess-IDT 125, sondern kann stattdessen einer der Phasenverschiebungs-IDT ferner dazu konfiguriert sein, die Zeitmessung bereitzustellen. Das heißt, einer der Phasenverschiebungs-IDT kann ferner den Verweilzeitempfänger 122C bilden, während der andere den Verweilzeitsender 122D bilden kann. Ganz allgemein kann dies erreicht werden, indem zwei unterschiedlich große IDT als Phasenverschiebungs-IDT verwendet werden. Das heißt, die zwei IDT können unterschiedliche Ausdehnungen, insbesondere Längen in Strömungsrichtung, umfassen.While in the embodiments so far with respect to 1A , 1B and 4th discussed, the flow sensor has at least two phase shift IDTs and an additional timing IDT 125 includes the number of IDTs and thus the complexity of the flow sensor 1 can be further reduced. That is, in some embodiments, the flow sensor can 1 only two IDT 122-1 , 122-2 to measure the phase shifts and the dwell time Δt us . In other words, in some embodiments, the present invention may not include a separate timing IDT 125 but instead one of the phase shift IDTs may further be configured to provide the time measurement. That is, one of the phase shift IDT may also be the dwell receiver 122C while the other is the dwell transmitter 122D can form. In general, this can be achieved by using two different sized IDTs as phase shifting IDTs. That is to say, the two IDTs can have different dimensions, in particular lengths in the direction of flow.

Die zwei IDT 122 können dazu konfiguriert sein, Signale mit identischen Frequenzen zu emittieren und zu empfangen. Das heißt, jeder IDT kann dazu konfiguriert sein, bei im Wesentlichen denselben SAW-Frequenzen zu arbeiten. Hier dient der Begriff „im Wesentlichen dieselben“ dazu, Unterschiede aufgrund von Grenzen im Herstellungsprozess und/oder unvermeidlichen Abweichungen in den Materialeigenschaften, z. B. Materialreinheit, einzuschließen. Somit können beide IDT 122 im Wesentlichen dieselbe Frequenz umfassen. Es versteht sich, dass ein Wandler im Allgemeinen Signale mit einer bestimmten Bandbreite um eine Mittenfrequenz emittieren und empfangen kann. Das heißt, der Frequenzgang eines Wandlers ist unter Umständen im Allgemeinen keine Delta-ähnliche Funktion, sondern umfasst stattdessen eine bestimmte Bandbreite. Das heißt, wenn auf die Frequenz eines Wandlers, z. B. eines IDT, Bezug genommen wird, ist die Mittenfrequenz gemeint. Im Allgemeinen kann die Bandbreite der beiden IDT 122 auch aufgrund des Größenunterschieds, insbesondere des Längenunterschieds in Strömungsrichtung und damit des Unterschieds in der Anzahl der Fingerelektroden, unterschiedlich sein. Ein derartiger Unterschied kann jedoch die relative Phase des gemessenen Signals nicht beeinflussen, zumindest wenn es bei einer festen Frequenz gemessen wird, die bei oder nahe der Mittenfrequenz des Wandlers liegt, vorzugsweise innerhalb eines Frequenzbereichs der Mittenfrequenz, wobei der Schallleistungspegel nicht mehr als 3 dB unter dem maximalen Schallleistungspegel (bei der Mittenfrequenz) liegt.The two IDT 122 can be configured to emit and receive signals at identical frequencies. That is, each IDT can be configured to operate at substantially the same SAW frequencies. Here, the term “essentially the same” is used to denote differences due to limitations in the manufacturing process and / or inevitable deviations in the material properties, e.g. B. material purity to include. Both IDT 122 comprise essentially the same frequency. It is understood that a transducer can generally emit and receive signals with a certain bandwidth around a center frequency. This means that the frequency response of a transducer may generally not be a delta-like function, but instead comprises a certain bandwidth. That is, when the frequency of a converter, e.g. B. an IDT, is referred to, the center frequency is meant. In general, the bandwidth of the two IDT 122 also due to the difference in size, in particular the difference in length in the direction of flow and thus the difference in the number of finger electrodes. However, such a difference cannot affect the relative phase of the measured signal, at least if it is measured at a fixed frequency which is at or near the center frequency of the transducer, preferably within a frequency range of the center frequency, the sound power level not being more than 3 dB below the maximum sound power level (at the center frequency).

Unter Bezugnahme auf 8A kann die Sender- und Empfängeranordnung in einer ersten Konfiguration I zum Messen einer ersten Welle verwendet werden, wobei der erste IDT 122-1 den ersten Sender 122A-1 und den Verweilzeitsender 122D bilden kann, während der zweite IDT 122-2 den ersten Empfänger 122B-1 und den Verweilzeitempfänger 122C bilden kann. Der zweite IDT 122-2, der ferner dazu konfiguriert ist, den Verweilzeitempfänger 122C zum Bereitstellen einer Messung der Verweilzeit Δtus zu bilden, kann eine größere Ausdehnung in Strömungsrichtung im Vergleich zum ersten IDT 122-1 umfassen. Somit kann sichergestellt werden, dass eine Schallwelle, die von dem ersten IDT 122-1 ausgeht, direkt auf den Bereich trifft, den der zweite IDT 122-2 umfasst, der den ersten Empfänger 122B-1 und den Verweilzeitempfänger 122C bildet. Das heißt, der zweite IDT 122-2 kann derart konfiguriert sein, dass eine vom ersten IDT 122-1 gesendete Schallwelle unter Umständen nicht zuerst in eine leckende SAW in einer Region des Chips 12 ohne IDT 122 umgewandelt wird, sondern stattdessen direkt auf den größeren, zweiten IDT 122-2 trifft. Insbesondere kann der Verweilzeitempfänger 122C derart konfiguriert sein, dass die Maxima einer vom Verweilzeitsender 122D emittierten Schallwelle für alle Winkel s i n θ R = c F c S

Figure DE102021100692A1_0025
mit 1000 m/s < cF < cs direkt auf den Verweilzeitempfänger 122C treffen, und nicht auf den Chip 12, z. B. das Substrat 121, vor oder nach dem, d. h. stromaufwärts oder stromabwärts des, zweiten IDT 122-2, der den Verweilzeitempfänger 122C bildet. Mit anderen Worten ist in der in 8A dargestellten Konfiguration ΔtSAW ungefähr 0, derart, dass die am zweiten IDT 122-2 gemessene Zeitverzögerung ΔtIDT dem Signal entspricht, das von einem bestimmten Zeitmess-IDT 125 gemessen wird, wie vorstehend erörtert, d. h. er stellt eine Messung für die Verweilzeit, speziell ΔtIDT = Δtus + ΔtOffset, bereit.With reference to 8A the transmitter and receiver arrangement can be used in a first configuration I for measuring a first wave, the first IDT 122-1 the first transmitter 122A-1 and the dwell transmitter 122D can form, while the second IDT 122-2 the first recipient 122B-1 and the dwell receiver 122C can form. The second IDT 122-2 further configured to include the dwell receiver 122C to provide a measurement of the dwell time .DELTA.t us can have a greater expansion in the direction of flow compared to the first IDT 122-1 include. It can thus be ensured that a sound wave emitted by the first IDT 122-1 goes directly to the area that the second IDT 122-2 includes who is the first recipient 122B-1 and the dwell receiver 122C forms. That is, the second IDT 122-2 can be configured such that one of the first IDT 122-1 The transmitted sound wave may not first be sent into a leaking SAW in a region of the chip 12th without IDT 122 is converted, but instead directly to the larger, second IDT 122-2 meets. In particular, the residence time receiver 122C be configured in such a way that the maxima are one of the dwell time transmitter 122D emitted sound wave for all angles s i n θ R. = c F. c S.
Figure DE102021100692A1_0025
with 1000 m / s <c F <c s directly to the dwell time receiver 122C hit, and not on the chip 12th , e.g. B. the substrate 121 , before or after, ie upstream or downstream of, the second IDT 122-2 , who is the dwell receiver 122C forms. In other words, the in 8A configuration Δt SAW shown approximately 0, such that the one on the second IDT 122-2 measured time delay Δt IDT corresponds to the signal from a specific time measurement IDT 125 is measured as discussed above, ie it provides a measurement for the dwell time, specifically Δt IDT = Δt us + Δt offset .

Somit umfasst der Durchflusssensor in dieser Ausführungsform nur zwei IDT 122-1, 122-2, wobei ein IDT die Funktionalität eines Phasenverschiebungs-IDT und des Zeitmess-IDT 125 kombiniert.Thus, in this embodiment, the flow sensor comprises only two IDTs 122-1 , 122-2 , wherein an IDT has the functionality of a phase shift IDT and the timing IDT 125 combined.

Wenn also der erste IDT 122-1, der vor dem zweiten IDT 122-2 platziert sein kann, durch Anregung einer SAW eine Schallwelle in den Fluidstrom induziert, kann sich die Schallwelle unter dem Rayleigh-Winkel θR durch den Fluidstrom bewegen und an der Innenwand 111 des Kanals 11 reflektiert werden. Anschließend kann die Schallwelle direkt auf die zweite IDT 122-2 treffen, wie durch die gestrichelten Pfeile in 8A angegeben, was daher eine Messung der strömungsunabhängigen Verweilzeit Δtus bereitstellen kann. Das heißt, das vom zweiten IDT 122-2 empfangene Signal umfasst unter Umständen keine strömungsabhängige Phasenverschiebung. Es kann jedoch immer noch eine strömungsunabhängige Phasenverschiebung aufgrund von Fluideigenschaften und/oder Umgebungsparametern umfassen.So when the first IDT 122-1 before the second IDT 122-2 can be placed, induces a sound wave in the fluid flow by excitation of a SAW, the sound wave can move at the Rayleigh angle θ R through the fluid flow and on the inner wall 111 of the canal 11 be reflected. The sound wave can then be sent directly to the second IDT 122-2 meet, as indicated by the dashed arrows in 8A indicated, which can therefore provide a measurement of the flow-independent residence time Δt us . That is, the one from the second IDT 122-2 received signal may not include a flow-dependent phase shift. However, it can still include a flow-independent phase shift due to fluid properties and / or environmental parameters.

Zum Messen einer zweiten Welle und unter Bezugnahme auf 8B kann die Sender- und Empfängeranordnung in einer zweiten Konfiguration II verwendet werden, wobei der erste IDT 122-1, der den ersten Sender 122A-1 in der ersten Konfiguration I bildet, nun den zweiten Empfänger 122B-2 bildet, d. h. als empfangender IDT 122B fungiert, während der zweite IDT 122-2, der den Verweilzeitempfänger 122C bildet, und der erste Empfänger 122B-1 nun den zweiten Sender 122A-2 bilden, d. h. als emittierender IDT 122A fungieren können.To measure a second wave and with reference to 8B the transmitter and receiver arrangement can be used in a second configuration II, the first IDT 122-1 who is the first transmitter 122A-1 in the first configuration I now forms the second receiver 122B-2 forms, ie as the receiving IDT 122B acts while the second IDT 122-2 , who is the dwell receiver 122C forms, and the first recipient 122B-1 now the second transmitter 122A-2 form, that is, as an emitting IDT 122A can act.

Wenn also der zweite IDT 122-2 eine Schallwelle induziert, wie in 8B durch den gepunkteten Pfeil angegeben, trifft das Maximum der jeweiligen reflektierten Schallwelle nicht direkt auf den ersten IDT 122-1, sondern induziert stattdessen zuerst eine SAW. Das heißt, wie durch die gepunkteten Pfeile angegeben, kann die Schallwelle den Kanal 11 durchlaufen, an der Innenfläche 111 reflektiert werden und den Kanal 11 (und das enthaltene Fluid) erneut durchlaufen. Der erste IDT 122-1 kann derart angeordnet sein, dass die Schallwelle stromabwärts des ersten IDT 122-1 auf einen Bereich des Chips 12 trifft, derart, dass er sich zuerst zumindest teilweise wieder in den Chip 12 einkoppelt und sich als SAW ausbreitet, bevor er von dem ersten IDT 122-1 empfangen wird, der den zweiten Empfänger B2 bildet. Somit wird in dieser Konfiguration die strömungsabhängige Verlagerung der Schallwelle, die das Fluid durchläuft, wieder auf die Zeit und/oder Phase des Signals abgebildet, das vom ersten IDT 122-1 empfangen wird. Somit umfasst das in dieser Konfiguration empfangene Signal einen strömungsabhängigen Beitrag, der es ermöglichen kann, eine Strömungseigenschaft des Fluids zu bestimmen.So if the second IDT 122-2 induces a sound wave, as in 8B indicated by the dotted arrow, the maximum of the respective reflected sound wave does not hit the first IDT directly 122-1 but instead induces a SAW first. That is, as indicated by the dotted arrows, the sound wave can pass the channel 11 pass through, on the inner surface 111 be reflected and the channel 11 (and the fluid contained) run through again. The first IDT 122-1 may be arranged such that the sound wave is downstream of the first IDT 122-1 on an area of the chip 12th hits in such a way that it is first at least partially back into the chip 12th couples and propagates as a SAW before passing from the first IDT 122-1 is received by the second recipient B2 forms. Thus, in this configuration, the flow-dependent shift of the sound wave that passes through the fluid is mapped back to the time and / or phase of the signal that is sent by the first IDT 122-1 Will be received. The signal received in this configuration thus includes a flow-dependent contribution which can make it possible to determine a flow property of the fluid.

Mit anderen Worten umfasst das von dem zweiten IDT 122-1 (der den Verweilzeitempfänger 122C und den ersten Empfänger 122B-1 bildet) empfangene Signal in der ersten Konfiguration I, die in 8A dargestellt ist, Informationen über die Verweilzeit Δtus, die durch die Hüllkurve des oszillierenden Signals und zusätzlich durch Phasenänderungen aufgrund strömungsunabhängiger Beiträge, etwa fluidspezifischer Eigenschaften und/oder Umgebungsparameter, z. B. der Temperatur des Fluids, bestimmt wird. Es enthält jedoch keinen strömungsabhängigen Beitrag. Im Gegensatz dazu fehlen dem zweiten Signal, das vom ersten IDT 122-1 empfangen wird, der den zweiten Empfänger 122B-2 in der in 8B dargestellten zweiten Konfiguration II bildet, vereinzelte Informationen über die Verweilzeit, es stellt jedoch Informationen über die Phasenverschiebung aufgrund der strömungsabhängigen Verlagerung sowie strömungsunabhängige Beiträge zur Phasenverschiebung, etwa fluidspezifische Eigenschaften und/oder Umgebungsparameter, bereit. Daher kann ein Differenzmaß dieser beiden Signale die strömungsunabhängigen Beiträge zum Phasensignal aufheben, während der strömungsabhängige Beitrag beibehalten wird, den das Signal, das der kleinere Wandler in dieser Ausführungsform empfängt, umfasst. Das heißt, unter Umständen umfasst nur eines der beiden Signale, die zum Differenzmaß beitragen, einen strömungsabhängigen Beitrag. Das Differenzmaß kann jedoch immer noch proportional zur Strömungsgeschwindigkeit und zur Verweilzeit ΔΦ ∝ kvxΔtus sein. Da das von dem zweiten Wandler 122-2, der den Verweilzeitempfänger 122C in der in den 6A und 6B dargestellten Ausführungsform bildet, gemessene Signal ferner ein Maß für die Verweilzeit bereitstellt, kann die Fluidgeschwindigkeit und allgemeiner eine Fluideigenschaft abgeleitet werden, wie vorstehend ausgeführt.In other words, that includes from the second IDT 122-1 (which is the dwell receiver 122C and the first recipient 122B-1 forms) received signal in the first configuration I, which is shown in 8A is shown, information about the dwell time Δt us , which is determined by the envelope curve of the oscillating signal and additionally by phase changes due to flow-independent contributions, such as fluid-specific properties and / or environmental parameters, e.g. B. the temperature of the fluid is determined. However, it does not contain a flow-dependent contribution. In contrast, the second signal from the first IDT 122-1 is received by the second recipient 122B-2 in the second configuration II shown in FIG. 8B forms isolated information about the dwell time, but it provides information about the phase shift due to the flow-dependent shift as well as flow-independent contributions to the phase shift, such as fluid-specific properties and / or environmental parameters. Therefore, a differential measure of these two signals can cancel out the flow independent contributions to the phase signal while maintaining the flow dependent contribution made by the signal received by the smaller transducer in this embodiment. This means that under certain circumstances only one of the two signals that contribute to the difference measure includes a flow-dependent contribution. The difference measure can, however, still be proportional to the flow velocity and to the dwell time ΔΦ ∝ kv x Δt us . Since that from the second converter 122-2 , who is the dwell receiver 122C in the in the 6A and 6B forms illustrated embodiment, the measured signal also provides a measure of the residence time, the fluid velocity and more generally a fluid property can be derived, as explained above.

Vorzugsweise kann in einer Ausführungsform, die nur 2 Wandler umfasst, der größere Wandler, d. h. der Wandler, der den Verweilzeitempfänger 122C bildet, stromabwärts des anderen (kleineren) Wandlers angeordnet sein, d. h. des Wandlers, der den Verweilzeitsender D bildet. Eine derartige Anordnung kann bevorzugt werden, da die Welle eine positive strömungsabhängige Verlagerung erfährt, wenn sie sich mit der Strömung ausbreitet, d. h. die Entfernung, die die Welle beim Durchlaufen des Fluids zurücklegt, zunimmt, während sie eine negative strömungsabhängige Verlagerung erfährt, wenn sie sich gegen die Strömung ausbreitet, d. h. die Entfernung, die die Welle beim Durchlaufen des Fluids zurücklegt, abnimmt.Preferably, in an embodiment which comprises only 2 converters, the larger converter, ie the converter, which has the dwell time receiver 122C be arranged downstream of the other (smaller) transducer, ie the transducer which forms the dwell time transmitter D. Such an arrangement may be preferred because the wave experiences a positive flow-dependent displacement as it propagates with the flow, i.e. the distance the wave travels in passing through the fluid increases, while it experiences a negative flow-dependent displacement as it moves propagates against the flow, that is, the distance that the wave travels when passing through the fluid decreases.

Wie bereits zuvor erörtert, kann ein Wechselspannungssignal an einen emittierenden IDT 122A angelegt werden, um eine SAW zu generieren, z. B. zu emittieren und/oder zu senden. Insbesondere kann eine Spannung, die mit einer hohen Frequenz alterniert, an den Wandler und insbesondere an Elektroden angelegt werden, die der Wandler, z. B. ein IDT, umfasst, um im Material unterhalb des Wandlers, z. B. aufgrund des inversen piezoelektrischen Effekts, periodische Verformungen zu verursachen. Die Hochfrequenzspannung regt SAW an und kann an die IDT angelegt werden, die einen emittierenden IDT 122A im abwechselnden gepulsten Modus bilden. Das Wechselspannungssignal, das an einen emittierenden Wandler zum Generieren einer Welle angelegt wird, kann auch als Übertragungsimpuls bezeichnet werden. Eine mögliche Länge des Übertragungsimpulses Δttp kann basierend auf der Anzahl der IDT-Perioden n des emittierenden IDT 122A derart abgeleitet werden, dass die Schallimpulse so kurz wie möglich sind, während sie nach Möglichkeit immer noch die volle Schallleistung erreichen, was zu Δttp = n/f führen kann, wobei / die Frequenz der generierten und/oder empfangenen SAW bezeichnet. Erneut ist n die Anzahl der Perioden des emittierenden IDT 122A zum Messen der Phasendifferenz und damit die minimale Anzahl von Perioden des Übertragungssignals für eine „volle“ SAW-Leistung. Der resultierende SAW-Impuls kann somit derart gewählt werden, dass er eine zeitliche Ausdehnung von 2 n/f umfasst, wobei der Faktor 2 auf die elektrische Anregungszeit zurückzuführen ist, die der Länge des Übertragungsimpulses entsprechen kann. Dies kann vorteilhafterweise ermöglichen, ein Signal mit (nahezu) maximaler Leistung und Bandbreite bereitzustellen, was wiederum zu einem Impuls führt, der im Zeitbereich so scharf wie möglich sein kann. Die Periodizität des Übertragungsimpulses kann derart gewählt werden, dass das Antwortsignal des Übertragungsimpulses nur sehr klein oder vorzugsweise null ist. Das heißt, die Periodizität kann derart gewählt werden, dass das empfangene Signal aufgrund des zuletzt übertragenen Signals sehr klein, vorzugsweise null, ist, bevor die nächste SAW übertragen wird, z. B. durch den zuvor empfangenden IDT.As previously discussed, an AC voltage signal can be sent to an emissive IDT 122A can be applied to generate a SAW, e.g. B. to emit and / or send. In particular, a voltage that alternates at a high frequency can be applied to the transducer and in particular to electrodes that the transducer, e.g. B. an IDT, to be included in the material below the transducer, e.g. B. due to the inverse piezoelectric effect to cause periodic deformations. The high frequency voltage excites SAW and can be applied to the IDT, which is an emitting IDT 122A form in alternating pulsed mode. The AC voltage signal that is applied to an emitting transducer to generate a wave can also be referred to as a transmission pulse. A possible length of the transmission pulse Δt tp can be based on the number of IDT periods n of the emitting IDT 122A can be derived in such a way that the sound pulses are as short as possible while still reaching full sound power if possible, which can lead to Δt tp = n / f, where / denotes the frequency of the generated and / or received SAW. Again, n is the number of periods of the emitting IDT 122A for measuring the phase difference and thus the minimum number of periods of the transmission signal for a "full" SAW power. The resulting SAW pulse can thus be selected in such a way that it covers a temporal extent of 2 n / f, where the factor 2 is due to the electrical excitation time, which can correspond to the length of the transmission pulse. This can advantageously make it possible to provide a signal with (almost) maximum power and bandwidth, which in turn leads to a pulse that can be as sharp as possible in the time domain. The periodicity of the transmission pulse can be selected such that the response signal of the transmission pulse is only very small or preferably zero. That is, the periodicity can be chosen such that the received signal is very small, preferably zero, due to the last signal transmitted, before the next SAW is transmitted, e.g. B. by the previously receiving 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.

9A stellt eine beispielhafte Signalsequenz dar, die von einem empfangenden IDT 122B empfangen, z. B. detektiert werden kann. Insbesondere zeigt 9A verschiedene Signale eines empfangenden IDT 122B als Reaktion auf einen harmonischen Signalimpuls, der eine Länge von 360 ns umfasst. Hier kann das anfängliche Signal auf ein Übersprechen zwischen dem übertragenden 122A und dem empfangenden 122B IDT zurückzuführen sein, bei dem es sich um eine nahezu sofortige direkte elektromagnetische Kopplung der Phasenverschiebungs-IDT (elektrisch gekoppeltes Eingangssignal) handelt. Das zweite Signal (mit SAW bezeichnet) kann der SAW entsprechen, die sich durch den Chip 12 und insbesondere durch die Oberfläche des Chips 12 bewegt. Das heißt, nur ein Anteil der vom emittierenden IDT 122A generierten (d. h. übertragenen) SAW kann in das Fluid abgelenkt werden, während ein Teil der SAW in dem Chip 12 verbleiben und sich als SAW zu dem empfangenden IDT 122B bewegen kann, der wiederum ein Signal der SAW empfängt und ein entsprechendes elektrisches Signal liefert. Dieses Signal kann zum Beispiel unterdrückt werden, indem die zwei Phasenverschiebungs-IDT auf getrennten Chips 12 platziert werden. Es kann jedoch auch als Referenzsignal betrachtet werden, das bei der Analyse der empfangenen Signalsequenz verwendet werden kann. 9A FIG. 10 depicts an exemplary signal sequence generated by a receiving IDT 122B received, e.g. B. can be detected. In particular shows 9A different signals of a receiving IDT 122B in response to a harmonic signal pulse that is 360 ns in length. Here, the initial signal may be due to crosstalk between the transmitting 122A and the receiving 122B IDT, which is a nearly instantaneous direct electromagnetic coupling of the phase shift IDT (electrically coupled input signal). The second signal (labeled SAW) may correspond to the SAW that is going through the chip 12th and in particular through the surface of the chip 12th emotional. That is, only a fraction of that from the emitting IDT 122A generated (ie transmitted) SAW can be deflected into the fluid, while part of the SAW is in the chip 12th remain and register as a SAW to the receiving IDT 122B can move, which in turn receives a signal from the SAW and delivers a corresponding electrical signal. This signal can be suppressed, for example, by placing the two phase shift IDTs on separate chips 12th to be placed. However, it can also be viewed as a reference signal that can be used in the analysis of the received signal sequence.

Das nächste Signal (mit der Bezeichnung SAW-US-SAW) entspricht einer SAW-induzierten Schallwelle, die erneut auf den SAW-Chip 12 trifft (nachdem sie das Fluid durchlaufen hat und reflektiert wurde) und zumindest teilweise als SAW erneut in den Chip eingekoppelt wird, die wiederum vom empfangenden IDT 122B empfangen, z. B. detektiert, wird. Das heißt, die anfängliche SAW, die durch den emittierenden IDT 122A generiert wird, kann zumindest teilweise in das Fluid abgelenkt werden, das durch den Kanal 11 fließt, wo es sich als Schallwelle, genauer gesagt als Ultraschallschallwelle, ausbreiten kann -das in der Bezeichnung des Impulses verwendete „US“ ist die Bezeichnung eines Ultraschallimpulses oder allgemeiner einer Ultraschallschallwelle. Wie zuvor beschrieben, kann die Schallwelle, die unter dem Rayleigh-Winkel induziert werden kann, auf der gegenüberliegenden Seite des Kanals 11, insbesondere auf dessen Innenfläche 111, reflektiert werden. Beispielsweise kann die Innenfläche insbesondere als akustischer Reflektor 16 konfiguriert sein. In einigen Ausführungsformen kann es beispielsweise eine Saphirplatte sein. Sobald die Schallwelle reflektiert ist, kann sie erneut auf den Chip 12 treffen, wobei mindestens ein Anteil der Schallwelle als SAW in den Chip 12 zurückgekoppelt werden kann. Die SAW kann wiederum auch vom empfangenden IDT 122B empfangen werden. Aufgrund der längeren Laufstrecke im Vergleich zu dem Anteil der SAW, der im Chip 12 verblieb, und der Differenz der Schallgeschwindigkeiten des Chips 12 und des Fluids ist das Signal jedoch in Bezug auf das Signal der SAW, das sich nur durch den Chip 12 bewegte, verzögert. Das dritte Signal (mit der Bezeichnung SAW-US-SAW-US-SAW) entspricht einer SAW, die von einem durch die erste SAW induzierten Ultraschallimpuls ausgeht. Das heißt, wenn der erste Ultraschallimpuls wieder in den Chip 12 zurückgekoppelt wird, wird eine SAW generiert, die wiederum zumindest teilweise abgelenkt werden kann und somit eine nachfolgende zweite Schallwelle generiert, die nach der Reflexion wieder als SAW in den Chip 12 eingekoppelt werden kann und daher zu einem vom empfangenden IDT 122B detektierten Signal führt. Mit anderen Worten können sich Ultraschallwellen, die nach einer oder mehreren Reflexionen auf der Innenfläche 111 des Kanals 11, z. B. auf einer (reflektierenden) Abdeckplatte des Kanals 11, erneut auf den SAW-Chip 12 treffen, wiederum als SAW ausbreiten. Eine derartige SAW kann dann einen neuen Schallimpuls generieren. Nachfolgende Signale, die 9A zeigt, entsprechen somit weiteren Reflexionen der Ultraschallwelle in Kanal 1.The next signal (with the designation SAW-US-SAW) corresponds to a SAW-induced sound wave, which again on the SAW chip 12th hits (after it has passed through the fluid and has been reflected) and is at least partially coupled into the chip again as a SAW, which in turn is from the receiving IDT 122B received, e.g. B. is detected. That is, the initial SAW generated by the emitting IDT 122A is generated can be at least partially diverted into the fluid passing through the channel 11 flows where it can propagate as a sound wave, more precisely as an ultrasonic sound wave - the "US" used in the designation of the pulse is the designation of an ultrasonic pulse or, more generally, an ultrasonic sound wave. As previously described, the sound wave that can be induced at the Rayleigh angle can be on the opposite side of the channel 11 , especially on its inner surface 111 , be reflected. For example, the inner surface can be used in particular as an acoustic reflector 16 configured. For example, in some embodiments it can be a sapphire plate. As soon as the sound wave is reflected, it can be sent back onto the chip 12th hit, with at least a portion of the sound wave as SAW in the chip 12th can be fed back. The SAW can in turn also from the receiving IDT 122B be received. Because of the longer running distance compared to the proportion of SAW that is in the chip 12th remained, and the difference in the speed of sound of the chip 12th and the fluid, however, the signal is related to the signal of the SAW, which only passes through the chip 12th moving, delayed. The third signal (with the designation SAW-US-SAW-US-SAW) corresponds to a SAW that emanates from an ultrasonic pulse induced by the first SAW. That is, when the first ultrasonic pulse goes back into the chip 12th is fed back, a SAW is generated, which in turn can be at least partially deflected and thus generates a subsequent second sound wave, which after the reflection again as a SAW in the chip 12th can be coupled and therefore to one of the receiving IDT 122B detected signal leads. In other words, ultrasonic waves can be generated after one or more reflections on the inner surface 111 of the canal 11 , e.g. B. on a (reflective) cover plate of the channel 11 , again on the SAW chip 12th hit, again spread as SAW. Such a SAW can then generate a new sound pulse. Subsequent signals that 9A shows, thus correspond to further reflections of the ultrasonic wave in the channel 1 .

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 12 und der gegenüberliegenden Innenfläche 111 des Kanals 11 variiert werden. Das heißt, der Kanal kann eine Höhe H1 in y-Richtung umfassen, die senkrecht zur Oberfläche des Chips 12 ist (vgl. 1A), die variiert werden kann. Beispielsweise kann die dem Chip 12 gegenüberliegende Innenfläche 111 durch einen akustischen Reflektor 16 bereitgestellt werden, z. B. durch eine Saphirplatte, die in y-Richtung bewegt werden kann, um die Höhe H1 des Kanals 11 zu variieren.Since the time delay between the separated signals is due to the difference in distance traveled by the wave, that is, as a sound wave and as a SAW, it can be changed by changing the distance between the chip 12th and the opposite inner surface 111 of the canal 11 can be varied. That is, the channel can have a height H1 in the y-direction, which is perpendicular to the surface of the chip 12th is (cf. 1A) that can be varied. For example, the chip 12th opposite inner surface 111 through an acoustic reflector 16 provided, e.g. B. by a sapphire plate, which can be moved in y-direction to the height H1 of the canal 11 to vary.

9B zeigt Änderungen des empfangenen Signals der Welle aufgrund einer Änderung der Kanalhöhe H1. Die Höhe H1 des Kanals 11 nimmt von links nach rechts zu. Das heißt, im Feld ganz links ist die Höhe für die drei dargestellten Messungen am kleinsten, und im Feld ganz rechts ist die Höhe H1 für die drei dargestellten Messungen am größten. Das sich ändernde empfangene Signal zeigt, dass das Erhöhen der Höhe H1 des Kanals 11 die Trennung zwischen den am empfangenden IDT 122B aufgrund der unterschiedlichen Impulse (oder Impulskomponenten) detektierten Signalen vergrößern kann. Mit anderen Worten „wandern“ die Signale, die von den einfach und doppelt reflektierten Schallimpulsen ausgehen, aufgrund der vertikalen Variation der Innenfläche 111, z. B. der Saphirplatte 16 oder allgemeiner des akustischen Reflektors 16 im Zeitbereich. 9B shows changes in the received signal of the wave due to a change in the channel height H1 . The height H1 of the canal 11 increases from left to right. That is, in the field on the far left, the height is smallest for the three measurements shown, and in the field on the far right is the height H1 largest for the three measurements shown. The changing received signal shows that the altitude is increasing H1 of the canal 11 the separation between those at the receiving IDT 122B due to the different pulses (or pulse components) detected signals. In other words, the signals emanating from the singly and doubly reflected sound pulses “wander” due to the vertical variation of the inner surface 111 , e.g. B. the sapphire plate 16 or more generally the acoustic reflector 16 in the time domain.

Weiterhin zeigt 9B, dass das Ändern der Kanalhöhe H1 auch die relativen Stärken der empfangenen Signale ändern kann. Dies kann auf der Grundlage der Überlegung verstanden werden, dass eine Reflexion der SAW kein unendlich kurzer Prozess ist, sondern stattdessen eine begrenzte Zeitmenge benötigt. Insbesondere ist jede SAW, die sich durch den Chip 12 ausbreitet, eine lecke SAW, die aufgrund der Ablenkung in das Fluid auch ständig einen Bruchteil der Leistung verliert. Daher kann die Position des IDT in Bezug auf den Punkt, an dem die SAW zumindest teilweise in den Chip zurückgekoppelt wird, die Stärke des empfangenen Signals verändern. Wenn beispielsweise die Position des empfangenden IDT räumlich einem Maximum eines Integrals der Eintritts- und Austritts-Ultraschallleistung über die Zeit entspricht, kann der empfangene Signalimpuls maximal sein. Somit kann das Ändern der Höhe auch die Stärke des empfangenen Signals ändern.Furthermore shows 9B that changing the channel height H1 can also change the relative strengths of the signals received. This can be understood on the basis of the consideration that a reflection of the SAW is not an infinitely short process, but instead requires a limited amount of time. In particular, every SAW that goes through the chip is 12th spreads, a leaky SAW that also constantly loses a fraction of its power due to the deflection in the fluid. Therefore, the position of the IDT with respect to the point at which the SAW is at least partially fed back into the chip can change the strength of the received signal. For example, if the position of the receiving IDT spatially corresponds to a maximum of an integral of the entry and exit ultrasound power over time, the received signal pulse can be a maximum. Thus, changing the altitude can also change the strength of the received signal.

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 12 und/oder den Kanal 11 verlassen haben, kann eine neue Messung durchgeführt werden. Dies kann beispielsweise weniger als 20 µs dauern, derart, dass die Messung beispielsweise alle 20 µs wiederholt werden kann, d. h. bei einer Wiederholungsrate von 50 kHz. Die vorliegende Erfindung kann es daher ermöglichen, eine Strömungseigenschaft mit einer signifikant höheren Wiederholungsrate als dem aktuellen Zustand der Durchflusssensoren zu messen, was vorteilhafterweise eine Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses durch wiederholte Messungen ermöglichen kann. Beispielsweise kann die Zykluszeit für Durchflusssensormessungen in einer Rückkopplungsschleife zum Steuern einer HPLC-Pumpe 50- oder sogar 100-mal niedriger sein, derart, dass der Durchschnitt von mehreren Messungen ermittelt werden kann, um ein Signal mit einem verbesserten Signal-Rausch-Verhältnis bereitzustellen.A flow sensor according to the present invention can advantageously enable high repetition rates of the measurement compared to standard flow sensors currently used in HPLC. That is, once the SAW and all remaining stray waves have disappeared, i.e. the chip 12th and / or the channel 11 a new measurement can be carried out. This can take less than 20 microseconds, for example, so that the measurement can be repeated every 20 microseconds, that is to say at a repetition rate of 50 kHz. The present invention can therefore make it possible to obtain a flow characteristic with a significantly higher repetition rate than the current state of the To measure flow sensors, which can advantageously allow an improvement in the signal-to-noise ratio through repeated measurements. For example, the cycle time for flow sensor measurements in a feedback loop for controlling an HPLC pump can be 50 or even 100 times less such that multiple measurements can be averaged to provide a signal with an improved signal-to-noise ratio.

Unter Bezugnahme auf 10 werden beispielhafte Messungen von strömungsgeschwindigkeitsabhängigen Phasendifferenzen erörtert. Die dargestellten Ergebnisse umfassen Phasendifferenzmessungen von zwei verschiedenen Fluiden: Wasser und Isopropanol, wobei für Wasser die Phasendifferenz der zweiten Spitze, d. h. der Spitze, die zwei Reflexionen der Schallwellen entspricht, gemessen wurde und für Isopropanol die Phasendifferenz der ersten Spitze, d. h. der Spitze, die einer einzelnen Reflexion einer Schallwelle entspricht, gemessen wurde. Der Durchfluss wurde zwischen 0 und 2 ml/min in Durchflussschrittgrößen von 0,1 ml/min und einer horizontalen Schrittlänge von 30 s variiert. Darüber hinaus wurden für jedes Fluid 5 Messungen überlagert. Dies zeigt die Reproduzierbarkeit der Messung, da die Kurven (und damit die Messungen) für eine Fluid nahezu identisches Verhalten zeigen. Die Verweilzeit der Schallwelle wurde bei diesen Messungen jedoch nicht berücksichtigt, was erklärt, dass die Durchflussmessung nicht fluidunabhängig ist. Insgesamt zeigen die Messungen, dass die Strömungsgeschwindigkeit durch Messen der Phasendifferenz gemäß der vorliegenden Erfindung klar gemessen werden kann. Die verbleibende Fluidabhängigkeit kann unter Berücksichtigung der Verweilzeit Δtus und einer entsprechenden einmaligen Kalibrierung bezüglich der fluidunabhängigen Offset-Zeit tOffset, wie vorstehend beschrieben, behoben werden.With reference to 10 exemplary measurements of flow velocity-dependent phase differences are discussed. The results shown include phase difference measurements of two different fluids: water and isopropanol, where for water the phase difference of the second peak, i.e. the peak corresponding to two reflections of the sound waves, was measured and for isopropanol the phase difference of the first peak, i.e. the peak that corresponds to a single reflection of a sound wave. The flow rate was varied between 0 and 2 ml / min in flow steps of 0.1 ml / min and a horizontal step length of 30 s. In addition, for each fluid 5 Measurements superimposed. This shows the reproducibility of the measurement, since the curves (and thus the measurements) show almost identical behavior for a fluid. The dwell time of the sound wave was not taken into account in these measurements, which explains that the flow measurement is not fluid-independent. Overall, the measurements show that the flow velocity can be clearly measured by measuring the phase difference according to the present invention. The remaining fluid dependency can be eliminated taking into account the dwell time Δt us and a corresponding one-time calibration with regard to the fluid-independent offset time t offset , as described above.

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 122A zum empfangenden Wandler 122B ausbreiten kann, d. h. ein Anteil einer gesendeten SAW, der nicht in das Fluid abgelenkt wird, aufgrund des abklingenden Feldes der SAW, die mit dem durch den Kanal fließenden Fluid in Kontakt kommt, Informationen über die Fluideigenschaften umfassen und dadurch eine entsprechende Phasenverschiebung aufnehmen. Insbesondere kann ein „gemischtes Substrat“ verwendet werden, d. h. ein Substrat, das die Generierung von Rayleigh- und Scher- und/oder Love-Wellen unterstützen kann, wobei sich die Scher-/Love-Wellen weiterhin entlang der Chipoberfläche bewegen können, wenn sie mit einem Fluid in Kontakt kommen, das oberhalb der Chipoberfläche fließt. Ein Beispiel für ein Substrat, das gleichzeitig Love- und Rayleigh-Wellen generieren kann, ist ein LiTaO3-Y-X-36°-Kristall. Dies kann vorteilhafterweise eine parallele Messung einer Welle ermöglichen, die das Fluid (ausgehend von einer Rayleigh-Welle) durchläuft, und einen erhöhten Anteil einer SAW, die sich direkt durch den Chip zum empfangenden Wandler 122B bewegt, ohne in das Fluid abzulenken. Das letztere Signal kann vorteilhafterweise zur Messung weiterer Fluideigenschaften verwendet werden. Die Fluiderfassung mit Scher-Wellen ist beispielsweise in Guided acoustic wave sensors for liquid environments, C. Caliendo und M. Hamidullah 2019, J. Phys. D: 52 153001, beschrieben. Darüber hinaus können in einigen Ausführungsformen die Fluideigenschaften dazu verwendet werden, potenzielle Fluidkandidaten herzuleiten, z. B. mithilfe von statistischen Verfahren wie maschinellem Lernen und/oder neuronalen Netzen. Das heißt, das Fluid kann identifiziert werden oder zumindest eine begrenzte Anzahl von Kandidaten für das Fluid kann basierend auf den Fluideigenschaften identifiziert werden.In some embodiments of the present invention, the present invention may also enable other fluid properties to be measured, e.g. B. density, speed of sound, viscosity or conductivity. These properties can be derived, for example, on the basis of the flow-independent phase shift of the wave passing through the fluid, which can be dependent on these properties. In addition, a SAW can be drawn directly from the emitting transducer 122A to the receiving transducer 122B can propagate, ie a portion of a transmitted SAW that is not deflected into the fluid, due to the decaying field of the SAW that comes into contact with the fluid flowing through the channel, include information about the fluid properties and thereby record a corresponding phase shift. In particular, a “mixed substrate” can be used, ie a substrate that can support the generation of Rayleigh and Shear and / or Love waves, wherein the Shear / Love waves can continue to move along the chip surface when they come into contact with a fluid flowing above the chip surface. An example of a substrate that can generate Love and Rayleigh waves at the same time is a LiTaO 3 -YX-36 ° crystal. This can advantageously enable a parallel measurement of a wave that traverses the fluid (based on a Rayleigh wave) and an increased proportion of a SAW that travels directly through the chip to the receiving transducer 122B moves without deflecting into the fluid. The latter signal can advantageously be used to measure further fluid properties. Fluid detection with shear waves is for example in Guided acoustic wave sensors for liquid environments, C. Caliendo and M. Hamidullah 2019 , J. Phys. D: 52 153001. Additionally, in some embodiments, the fluid properties can be used to infer potential fluid candidates, e.g. B. with the help of statistical methods such as machine learning and / or neural networks. That is, the fluid can be identified, or at least a limited number of candidates for the fluid can be identified based on the fluid properties.

Es versteht sich, dass, wenn auf einen IDT 122 Bezug genommen wird, der das Signal einer Schallwelle empfängt oder detektiert, gemeint ist, dass der IDT das Signal einer SAW empfängt, z. B. detektiert, das von der Schallwelle stammt, die zumindest teilweise in das piezoelektrisches Substrat 121 oder die piezoelektrische Schicht eingekoppelt ist und dadurch eine SAW induziert. Das heißt, der empfangende IDT 122B, der beispielsweise ein Signal aufgrund der emittierten Schallwelle empfangen kann, empfängt das Signal der Schallwelle nicht direkt, sondern stattdessen über eine schallwelleninduzierte SAW. Diese SAW kann erzeugt werden, nachdem die (Schall-) Welle, die sich ein- oder mehrmals durch einen Kanal vertikal ausbreitet, d. h. vertikal zur Oberseite 124 des Chips 12, in den Chip 12, z. B. das piezoelektrische Substrat 121, zurückgekoppelt wird.It should be understood that when accessing an IDT 122 When referring to receiving or detecting the signal of a sound wave, it is meant that the IDT receives the signal of a SAW, e.g. B. detected that originates from the sound wave that is at least partially in the piezoelectric substrate 121 or the piezoelectric layer is coupled in and thereby induces a SAW. That is, the receiving IDT 122B , which can receive a signal based on the emitted sound wave, for example, does not receive the signal of the sound wave directly, but instead via a sound wave-induced SAW. This SAW can be generated after the (sound) wave propagating one or more times through a channel vertically, ie vertically to the top 124 of the chip 12th , in the chip 12th , e.g. B. the piezoelectric substrate 121 , is fed back.

Unter Bezugnahme auf 11 kann die vorliegende Erfindung auch in Ausführungsformen verwirklicht werden, in denen mindestens einige der Wandler, die Sender und/oder Empfänger der Sender- und Empfängeranordnung bilden, außerhalb des Kanals 11 angeordnet sind. Das heißt, die Wandler 122 stehen unter Umständen nicht in direktem Kontakt mit dem Fluid oder sind nur durch eine Siegelschicht 123 getrennt. Das heißt, mindestens ein Chip 12 der Sender- und Empfängeranordnung kann außerhalb des Kanals 11 angeordnet sein.With reference to 11 For example, the present invention can also be implemented in embodiments in which at least some of the transducers, which form transmitters and / or receivers of the transmitter and receiver arrangement, are external to the channel 11 are arranged. That is, the converter 122 may not be in direct contact with the fluid or are only through a sealing layer 123 Cut. That is, at least one chip 12th the transmitter and receiver arrangement can be outside of the channel 11 be arranged.

In einer derartigen Ausführungsform kann der Kanal 11 aus einem Kanalmaterial 18 gebildet sein, das eine Schallgeschwindigkeit cm für s- und/oder p-Wellen umfasst, die kleiner als die Schallgeschwindigkeit des Substrats cs ist. Der Chip 12 kann dann mittels eines Kopplungsmaterials 19, das eine Dicke (d. h. Höhe) aufweist, die kleiner als die SAW-Wellenlänge λ ist, mit dem Kanalmaterial 18 gekoppelt werden. Beispielsweise kann das Kopplungsmaterial 19 eine Kopplungsmaterialdicke umfassen, die weniger als 50 %, vorzugsweise weniger als 25 % und bevorzugter weniger als 10 %, der Wandlerwellenlänge beträgt. Somit kann eine vom Wandler 122 in dem Chip 12 generierte SAW über das Kopplungsmaterial 19 mit dem Kanalmaterial 18 gekoppelt werden und kann die SAW aufgrund der unterschiedlichen Schallgeschwindigkeit cm < cs in Richtung des Kanals 11 gebrochen werden. Außerdem kann cm größer sein als die Schallgeschwindigkeit in dem Fluid cf, derart, dass die SAW ähnlich der Lichtbrechung an einer Grenze zwischen den Medien in das Fluid abgelenkt wird. Eine derartige Ausführungsform kann daher die Platzierung des Chips 12 und der Wandler 122 ermöglichen, ohne dass diese mit dem Fluid in Kontakt kommen, was unterschiedliche Kanaldesigns, die Verwendung unterschiedlicher (z. B. aggressiverer) Fluide und/oder leichteren Austausch/leichteres Auswechseln von Chips ermöglichen kann.In such an embodiment, the channel 11 from a duct material 18th be formed, which comprises a speed of sound c m for s- and / or p-waves, which is less than the speed of sound of the substrate c s . The chip 12th can then by means of a coupling material 19th having a thickness (ie height) smaller than the SAW wavelength λ with the channel material 18th be coupled. For example, the coupling material 19th comprise a coupling material thickness that is less than 50%, preferably less than 25% and more preferably less than 10% of the transducer wavelength. Thus one can from the converter 122 in the chip 12th generated SAW via the coupling material 19th with the duct material 18th can be coupled and the SAW due to the different speed of sound c m <c s in the direction of the channel 11 to get broken. In addition, c m can be greater than the speed of sound in the fluid c f , such that the SAW is deflected into the fluid at a boundary between the media, similar to the refraction of light. Such an embodiment can therefore reduce the placement of the chip 12th and the converter 122 without them coming into contact with the fluid, which can allow different channel designs, the use of different (e.g. more aggressive) fluids and / or easier replacement / easier replacement of chips.

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 (Y1), ..., gefolgt von Schritt (Z), ausgeführt wird. Entsprechende Überlegungen gelten, wenn Ausdrücke wie „nach“ oder „vor“ angewandt werden. Während in den vorhergehenden Ausführungen eine bevorzugte Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben wurde, wird der Fachmann verstehen, dass diese Ausführungsform nur zu Zwecken der Veranschaulichung bereitgestellt wurde und keineswegs als Einschränkung des Geltungsbereichs dieser Erfindung, die durch die Ansprüche definiert ist, ausgelegt werden sollte.If steps are given in the foregoing or also in the appended claims, it should be noted that the order in which the steps are given in the text may be random. That is, unless otherwise specified or if it is not clear to a person skilled in the art, the order in which the steps are listed can be any. That is, when this document indicates that e.g. B. a method comprises steps (A) and (B), this does not necessarily mean that step (A) precedes step (B), but it is also possible that step (A) (at least partially) simultaneously with step ( B) is carried out or that step (B) precedes step (A). Moreover, if a step (X) is to precede another step (Z), this does not mean that there is no step between steps (X) and (Z). That is, step (X) preceding step (Z) includes the situation that step (X) is performed immediately before step (Z), but also the situation that (X) is performed before one or more steps ( Y1 ), ... followed by step (Z). Similar considerations apply when expressions such as “after” or “before” are used. While in the foregoing a preferred embodiment has been described with reference to the accompanying drawings, those skilled in the art will understand that this embodiment has been provided for purposes of illustration only and is in no way to be construed as a restriction on the scope of this invention, which is defined by the claims should.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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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]
  • US 10570361 B1 [0148]US 10570361 B1 [0148]

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]

Claims (11)

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.A method for determining a flow property of a fluid, the method comprising: 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 indicates a propagation time required by the first wave to pass 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 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. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Fluid eine Strömungsrichtung umfasst, wobei die zweite Welle das Fluid in einer Richtung durchläuft, die der ersten Welle in Bezug auf die Strömungsrichtung entgegengesetzt ist.Procedure according to Claim 1 wherein the fluid comprises a direction of flow, the second wave traversing the fluid in a direction that is opposite to the first wave with respect to the direction of flow. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Signal der ersten und/oder der zweiten Welle vom jeweiligen Empfänger nicht direkt nach dem Durchlaufen des Fluids empfangen wird.Procedure according to Claim 1 or 2 , wherein the signal of the first and / or the second wave is not received by the respective receiver directly after the fluid has passed through. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Bestimmen der Verweilzeit 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 umfasst.A method according to any one of the preceding claims, 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. Verfahren nach Anspruch 4, wobei eine von erster und zweiter Welle die Verweilzeitwelle bildet.Procedure according to Claim 4 wherein one of the first and second waves forms the dwell wave. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, wobei das Signal der Verweilzeitwelle vom Verweilzeitempfänger direkt nach dem Durchlaufen des Fluids empfangen wird.Procedure according to Claim 4 or 5 , wherein the signal of the dwell time wave is received by the dwell time receiver immediately after the fluid has passed through. 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 nach einem der Ansprüche 1 bis 6 durchzuführen.A sensor for determining a flow property of a fluid, the sensor comprising: 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 the method according to one of Claims 1 to 6th perform. Sensor nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Sender- und Empfängeranordnung mindestens einen Chip umfasst, wobei der mindestens eine Chip mindestens einen Wandler umfasst, der zum Senden und/oder Empfangen einer Welle konfiguriert ist.The sensor according to the preceding claim, wherein the transmitter and receiver arrangement comprises at least one chip, wherein the at least one chip comprises at least one transducer which is configured to transmit and / or receive a wave. Sensor nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der mindestens eine Chip ein Substrat umfasst, wobei das Substrat piezoelektrisch ist oder das Substrat mit einer piezoelektrischen Schicht beschichtet ist.Sensor according to the preceding claim, wherein the at least one chip comprises a substrate, wherein the substrate is piezoelectric or the substrate is coated with a piezoelectric layer. Sensor nach einem der Ansprüche 8 bis 9, wobei der mindestens eine Wandler ein Interdigitalwandler (IDT) ist, der dazu konfiguriert ist, eine akustische Oberflächenwelle zu senden und/oder zu empfangen.Sensor after one of the Claims 8 to 9 wherein the at least one transducer is an interdigital transducer (IDT) configured to transmit and / or receive a surface acoustic wave. Sensor nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei die Verarbeitungseinheit dazu konfiguriert ist, Schritte des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 auszuführen.Sensor after one of the Claims 7 to 10 , wherein the processing unit is configured to carry out steps of the method according to one of Claims 1 to 6th to execute.
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9581572B2 (en) 2013-06-05 2017-02-28 Buerkert Werke Gmbh Device for determining properties of a medium
DE102018104669A1 (en) 2018-03-01 2019-09-05 Dionex Softron Gmbh Use of an acoustic wave in a chromatography system
DE102019110514A1 (en) 2018-04-30 2019-10-31 Burkert S.A.S. Fluid meter,
US10570361B2 (en) 2010-08-23 2020-02-25 President And Fellows Of Harvard College Acoustic waves in microfluidics

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10570361B2 (en) 2010-08-23 2020-02-25 President And Fellows Of Harvard College Acoustic waves in microfluidics
US9581572B2 (en) 2013-06-05 2017-02-28 Buerkert Werke Gmbh Device for determining properties of a medium
DE102018104669A1 (en) 2018-03-01 2019-09-05 Dionex Softron Gmbh Use of an acoustic wave in a chromatography system
DE102019110514A1 (en) 2018-04-30 2019-10-31 Burkert S.A.S. Fluid meter,

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
R.M. White und F.W. Voltmer, Appl. Phys. Lett 7, 314 (1965)

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