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Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung zur Durchflussmessung für einen Fluidstrom und ein Verfahren zur Durchflussmessung für einen Fluidstrom in einem Fluidkanal.
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Die Messung eines Durchflusses oder Volumenstroms, also einer Flüssigkeitsmenge pro Zeiteinheit, ist in der Verfahrenstechnik und in der Labortechnik eine häufig genutzte Vorgehensweise, um einen verfahrenstechnischen Ablauf oder eine Laboruntersuchung durchführen zu können. Für die Durchflussmessung von flüssigen Fluiden oder Dämpfen werden kontaktbehaftete Messverfahren, beispielsweise mit einem Flügelrad im Fluidkanal, oder kontaktlose Messverfahren, beispielsweise Ultraschallverfahren mit einem Ultraschallgeber und einem Ultraschallaufnehmer oder magnetisch-induktive Messverfahren mit einer Anregungs-Magnetspule und einer Mess-Magnetspule, eingesetzt.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Sensoranordnung zur Durchflussmessung und ein Verfahren zur Durchflussmessung bereitzustellen, die auch bei geringen Strömungsgeschwindigkeiten ein zuverlässiges Messergebnis ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird für eine Sensoranordnung zur Durchflussmessung für einen Fluidstrom dadurch gelöst, dass die Sensoranordnung ein Sensorgehäuse aufweist, das von einem Fluidkanal durchsetzt ist, der sich von einem ersten Fluidanschluss zu einem zweiten Fluidanschluss erstreckt, wobei im Fluidkanal eine fluiddurchlässige Membran angeordnet ist, die sich vollständig über einen Querschnitt des Fluidkanals erstreckt und ein von Null verschiedenes Zeta-Potential aufweist, und wobei einer dem ersten Fluidanschluss zugewandten ersten Membranfläche eine erste Elektrode zugeordnet ist und einer dem zweiten Fluidanschluss zugewandten zweiten Membranfläche eine zweite Elektrode zugeordnet ist.
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Das Sensorgehäuse begrenzt den Fluidkanal und ist vorzugsweise mehrteilig ausgebildet, um eine einfache Montage der im Fluidkanal anzuordnenden Membran, die typischerweise aus einem anderen Werkstoff wie das Sensorgehäuse hergestellt ist, zu ermöglichen. In dem Sensorgehäuse ist der Fluidkanal ausgebildet, der sich zwischen dem ersten Fluidanschluss und dem zweiten Fluidanschluss erstreckt. Der Fluidkanal kann über seine gesamte Länge einen einheitlichen Querschnitt aufweisen oder in mehrere Abschnitte mit mehreren unterschiedlichen Querschnitten aufgeteilt sein.
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Im Fluidkanal ist die Membran angeordnet, die sich vollständig über einen Querschnitt des Fluidkanals erstreckt, sodass der Fluidstrom, der durch den Fluidkanal geführt wird, zwangsläufig die Membran passieren muss, um vom ersten Fluidanschluss zum zweiten Fluidanschluss zu gelangen. Eine Dicke der Membran, die auch als räumliche Erstreckung der Membran längs der Strömung des Fluidstroms durch den Fluidkanal beschrieben werden kann, hängt von der Art des Materials ab, aus dem die Membran hergestellt ist und kann einen Bruchteil des Querschnitts des Fluidkanals bis zu einem mehrfachen des Querschnitts des Fluidkanals betragen. Das Messprinzip der Sensoranordnung beruht darauf, dass die Membran ein von Null verschiedenes Zeta-Potential aufweist, wodurch während eines Fluidstroms durch den Fluidkanal aufgrund einer selektiven Rückhaltewirkung der Membran entweder elektrisch positiv geladene Ladungsträger (Kationen) des Fluidstroms oder elektrisch negativ geladene Ladungsträger (Anionen) des Fluidstroms zumindest teilweise durch die Membran aufgehalten werden. Hierdurch stellt sich zwischen einer dem ersten Fluidanschluss zugewandten ersten Membranfläche und einer dem zweiten Fluidanschluss zugewandten zweiten Membranfläche in Abhängigkeit von den Eigenschaften des Fluids, das den Fluidstrom bildet, sowie in Abhängigkeit von dem Durchfluss des Fluidstroms durch den Fluidkanal ein elektrisches Potenzial ein, das auch als elektrisches Strömungspotential bezeichnet wird und das mit Hilfe einer der ersten Membranfläche zugeordneten ersten Elektrode sowie mit einer der zweiten Membranfläche zugeordneten zweiten Elektrode abgegriffen werden kann und einer messtechnischen Auswertung zugeführt werden kann. Hierfür ist es erforderlich, dass die Membran aus einem Werkstoff oder Werkstoffgemisch hergestellt ist, mit dem gewährleistet werden kann, dass die Membran ein von Null abweichendes Zeta-Potential, das auch als Coulomb-Potential bezeichnet wird, aufweist.
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Die erste Elektrode und die zweite Elektrode erstrecken sich vorzugweise ausgehend von der Membran bis an eine Außenoberfläche des Sensorgehäuses, von wo aus eine elektrische Verbindung mit einer Auswerteeinrichtung hergestellt werden kann. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die erste Elektrode und/oder die zweite Elektrode in einem unmittelbaren mechanischen Kontakt mit der jeweiligen Membranfläche stehen oder in unmittelbarer Nachbarschaft zur jeweiligen Membranfläche (ohne unmittelbaren mechanischen Kontakt mit der Membranfläche) angeordnet sind.
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Vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Zweckmäßig ist es, wenn die erste Elektrode und die zweite Elektrode elektrisch mit einer Auswerteeinrichtung verbunden sind, wobei die Auswerteeinrichtung zur Ermittlung eines elektrischen Potentials zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode sowie für eine Berechnung einer Fluidstrom-Kenngröße aus dem elektrischen Potential ausgebildet ist. Die Auswerteeinrichtung umfasst rein exemplarisch einen Mikroprozessor, der zur Abarbeitung eines gespeicherten Computerprogramms ausgebildet ist, wobei das Computerprogramm für eine Berechnung einer Fluidstrom-Kenngröße aus dem elektrischen Potenzial, dass zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode ermittelt wird, ausgebildet ist. Ferner ist die Auswerteeinrichtung zur Ausgabe eines Ausgangssignals ausgebildet, das die ermittelte Fluidstrom-Kenngröße repräsentiert. Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Auswerteeinrichtung einen Verstärker umfasst, mit dessen Hilfe das an der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode abgegriffene elektrische Potenzial vor eine Verarbeitung durch das Computerprogramm verstärkt werden kann. Gegebenenfalls ist der Verstärker in dem Mikroprozessor integriert ausgebildet.
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Vorteilhaft ist es, wenn die Membran eine Porengröße kleiner 10 Mikrometer, insbesondere kleiner 6 Mikrometer, aufweist. Als Messverfahren für die Bestimmung der Porengröße kommen beispielsweise das Messverfahren gemäß ISO 2942 für die Bestimmung des Bubble Points an Filterelementen oder das Messverfahren gemäß ASTM F316 für Membranfilter in Frage.
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Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Membran aus gepressten oder gesinterten Materialpartikeln aus der Gruppe: Polymer, insbesondere Polyester; Glas; Keramik, Metall, hergestellt ist.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein erster Fluidkanalabschnitt, der sich vom ersten Fluidanschluss bis zur Membran, insbesondere zur ersten Membranfläche, erstreckt, als erste Elektrode von einem ersten elektrisch leitenden Rohr gebildet wird und dass ein zweiter Fluidkanalabschnitt, der sich vom zweiten Fluidanschluss bis zur Membran, insbesondere zur zweiten Membranfläche, erstreckt, als zweite Elektrode von einem zweiten elektrisch leitenden Rohr gebildet wird. Hierbei erfüllen die beiden Elektroden jeweils eine Doppelfunktion, da sie zum einen jeweils als Fluidkanalabschnitt dienen und zum anderen als Elektrode genutzt werden, womit eine besonders vorteilhafte Aufbauweise für die Sensoranordnung gewährleistet werden kann. Beispielhaft ist vorgesehen, dass das Sensorgehäuse aus einem elektrisch nichtleitenden Material, insbesondere Kunststoff, hergestellt ist und einen Aufnahmeraum zur Aufnahme der Membran aufweist. Ferner ist das Sensorgehäuse mit Bohrungen versehen, in die die jeweiligen elektrisch leitenden Rohre gesteckt werden können, wobei sich die Bohrungen jeweils bis zum Aufnahmeraum erstrecken, sodass die elektrisch leitenden Rohre bis in die Nähe der Membran oder in unmittelbaren Kontakt mit der Membran angeordnet werden können.
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Zweckmäßig ist es, wenn die erste Elektrode an einem ersten Oberflächenabschnitt der, insbesondere aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff hergestellten, Membran ausgebildet ist und/oder dass die zweite Elektrode an einem zweiten Oberflächenabschnitt der Membran ausgebildet ist. Hierzu kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die Membran bereichsweise mit einer metallischen Beschichtung versehen ist, die insbesondere in einem Bedampfungsverfahren auf die Membran aufgebracht wird. Rein exemplarisch können die erste Elektrode und die zweite Elektrode jeweils als ringförmig umlaufende Metallisierung an einer Außenumfangsfläche der Membran ausgebildet sein. Beispielhaft kann die Membran eine kreiszylindrische Gestalt aufweisen und mit einer parallelen Ausrichtung ihrer Zylindermittelachse zum Fluidkanal im Sensorgehäuse aufgenommen sein. Hierbei kann dann vorgesehen sein, dass sich die erste Elektrode in der Art eine Ringhülse ausgehend von einer dem ersten Fluidanschluss zugewandten ersten Membranfläche an der Außenumfangsfläche in Richtung der zweiten Membranfläche erstreckt, die dem zweiten Fluidanschluss zugeordnet ist. Die zweite Elektrode erstreckt sich in gleicher Weise ausgehend von der zweiten Membranfläche an der Außenumfangsfläche in Richtung der ersten Membranfläche. Alternativ können die beiden Elektroden jeweils ringförmig auf die erste bzw. zweite Membranfläche aufgebracht sein.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass die erste Elektrode ringförmig ausgebildet ist und mit einer Außenoberfläche abdichtend an einer Fluidkanalwand anliegt und dass die zweite Elektrode ringförmig ausgebildet ist und mit einer Außenoberfläche abdichtend an der Fluidkanalwand anliegt und beabstandet zur ersten Elektrode angeordnet ist und dass die, insbesondere aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff hergestellte, Membran zwischen der ersten und der zweiten Elektrode aufgenommen ist, insbesondere in eine erste Bohrung der ersten Elektrode und/oder in eine zweite Bohrung der zweiten Elektrode hineinragt. Bei dieser Ausführungsform ist vorgesehen, dass die beiden Elektroden jeweils als ringförmige, insbesondere kreisringförmige, Festkörper aus einem metallischen Werkstoff hergestellt sind und dass die Membran zwischen den beiden Elektroden angeordnet ist. Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass die Membran in eine erste Bohrung der ersten Elektrode und/oder in eine zweite Bohrung der zweiten Elektrode hineinragt, wodurch eine besonders kompakte Gestaltung der Baugruppe aus Membran und den beiden Elektroden geschaffen werden kann.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass einem ersten Fluidkanalabschnitt, der zwischen dem ersten Fluidanschluss und der Membran erstreckt ist, ein erster Drucksensor zugeordnet ist und/oder dass einem zweiten Fluidkanalabschnitt, der zwischen dem zweiten Fluidanschluss und der Membran erstreckt ist, ein zweiter Drucksensor zugeordnet ist oder dass der Membran ein Differenzdrucksensor zur Erfassung eines Druckverlusts über der Membran zugeordnet ist. Durch die Verwendung eines Drucksignals, das von wenigstens einem Drucksensor oder von einem der Membran zugeordneten Differenzdrucksensor bereitgestellt wird, kann eine Verbesserung der Messgenauigkeit für das Durchflussmessverfahren bewirkt werden. Sofern ein Eingangsdruck am Fluideingang oder ein Ausgangsdruck am Fluidausgang bekannt sein sollten, beispielsweise bei einem Ausgeben des Fluids am Fluidausgang in die Atmosphäre, kann ein einziger Drucksensor eingesetzt werden.
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Vorteilhaft ist es, wenn im Fluidkanal ein Leitfähigkeitssensor angeordnet ist, der für eine Erfassung einer elektrischen Leitfähigkeit des Fluidstroms ausgebildet ist. Anhand der Ermittlung der elektrischen Leitfähigkeit des Fluidstroms kann eine Aussage darüber getroffen werden, wie viele elektrisch positiv bzw. negativ geladene Bestandteile im Fluidstrom vorliegen, um daraus eine Abschätzung für ein vom Durchfluss des Fluidstroms sowie von der Charakteristik der Membran abhängiges elektrisches Potenzial treffen zu können. Eine derartige Abschätzung ist insbesondere dann von Interesse, wenn keine genaue Kenntnisse über die Eigenschaften des Fluids, das den Fluidstrom bestimmt, vorliegen.
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Zweckmäßig ist es, wenn parallel zum Fluidkanal ein Zusatzkanal im Sensorgehäuse ausgebildet ist, der mit dem ersten Fluidanschluss und mit dem zweiten Fluidanschluss verbunden ist. Durch diesen Zusatzkanal, der vorzugsweise klar definierte strömungstechnische Eigenschaften aufweist, kann ein vorgegebener Anteil einer Fluidströmung zwischen dem ersten Fluidanschluss und dem zweiten Fluidanschluss gefördert werden, ohne dass dieser Anteil der Fluidströmung die Membran passieren muss. Dies ist insbesondere dann von Interesse, wenn ein Querschnitt des Zusatzkanals größer als ein Querschnitt des Fluidkanals ist und damit ein Strömungswiderstand für das Fluid, das vom ersten Fluidanschluss zum zweiten Fluidanschluss gefördert werden soll, geringgehalten werden kann.
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Die Aufgabe der Erfindung wird auch durch Verfahren zur Durchflussmessung für einen Fluidstrom in einem Fluidkanal gelöst, das die nachfolgenden Schritte umfasst: Bereitstellen eines Fluidstroms in einem Fluidkanal, wobei der Fluidstrom eine im Fluidkanal angeordnete Membran durchströmt, die sich vollständig über einen Querschnitt des Fluidkanals erstreckt, Ermitteln einer elektrischen Potentialdifferenz zwischen einer ersten Elektrode, die stromauf der Membran angeordnet ist, und einer zweiten Elektrode, die stromab der Membran angeordnet ist, und Ermitteln eines Durchflusswerts aus einer elektrischen Potentialdifferenz zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode. Der Fluidkanal kann sich hierbei von einem ersten Fluidanschluss zu einem zweiten Fluidanschluss erstrecken, wobei parallel zum Fluidkanal ein ebenfalls vom ersten Fluidanschluss zum zweiten Fluidanschluss erstreckter Hauptkanal oder Bypasskanal vorgesehen sein kann.
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Bei einer Weiterbildung des Verfahrens ist vorgesehen, dass der Durchflusswert von einer Auswerteeinrichtung ermittelt wird, die eine zyklisch wiederkehrende Auswertung der elektrischen Potentialdifferenz zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode mit einer Wiederholfrequenz, die in einem Intervall zwischen 1kHz und 20kHz liegt, vorzugsweise mit einer Wiederholfrequenz von 5kHz, durchführt.
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In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Auswerteeinrichtung eine Erfassung einer Fluiddrucks im Fluidkanal und/oder einer Druckdifferenz über der Membran und/oder eine Erfassung einer elektrischen Leitfähigkeit des Fluidstrom vornimmt und für die Bestimmung des Durchflusswerts berücksichtigt.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Auswerteeinrichtung zusätzlich zur zyklisch wiederkehrenden Ermittlung der Potentialdifferenz eine Erfassung einer Druckdifferenz über der Membran für die Ermittlung des Durchflusswerts verwendet und bei einem verschwindenden Durchflusswert eine zusätzliche Ermittlung der elektrischen Potentialdifferenz durchführt, um eine Fluideigenschaft eines im Fluidkanal aufgenommenen Fluids zu ermitteln.
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In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Auswerteeinrichtung die Fluideigenschaft des im Fluidkanal aufgenommenen Fluids anhand eines zeitlichen Verlaufs der elektrischen Potentialdifferenz und eines Vergleichs des zeitlichen Verlaufs der elektrischen Potentialdifferenz mit gespeicherten zeitlichen Verläufen von elektrischen Potentialdifferenzen ermittelt. Eine derartige Vorgehensweise ist insbesondere dann von Interesse, wenn ein Austausch eines Fluids, das durch die Sensoranordnung gefördert wird, vorgenommen wurde. In diesem Fall ist es wünschenswert, anhand wenigstens einer Fluideigenschaft des im Fluidkanal aufgenommenen Fluids zu ermitteln, ob ein vollständiger Fluidaustausch erfolgt ist oder ob gegebenenfalls noch Reste eines vorher im Fluidkanal aufgenommenen Fluids im Fluidkanal verblieben sind.
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Bei einer alternativen Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Auswerteeinrichtung als selbstlernendes System ausgebildet ist, das die Fluideigenschaft des im Fluidkanal aufgenommenen Fluids anhand eines zeitlichen Verlaufs der elektrischen Potentialdifferenz ermittelt und ein Steuersignal bereitstellt, mit dem eine Fördereinrichtung und/oder eine Ventileinrichtung angesteuert wird, um eine vorgegebene Fluidmenge durch den Fluidkanal zu fördern. Eine derartige Vorgehensweise ist insbesondere dann von Interesse, wenn ein Austausch eines Fluids, das durch die Sensoranordnung gefördert wird, vorgenommen wurde. In diesem Fall ist es wünschenswert, anhand wenigstens einer Fluideigenschaft des im Fluidkanal aufgenommenen Fluids zu ermitteln, ob ein vollständiger Fluidaustausch erfolgt ist oder ob gegebenenfalls noch Reste eines vorher im Fluidkanal aufgenommenen Fluids im Fluidkanal verblieben sind. Für diesen Fall kann vorgesehen sein, eine weitere Fluidmenge durch den Fluidkanal zu fördern, bis sich der gewünschte zeitliche Verlauf der elektrischen Potentialdifferenz einstellt und damit sicher gegangen werden kann, dass ein vollständiger Flüssigkeitsaustausch stattgefunden hat. Hierbei kann die Auswerteeinrichtung, die als selbstlernendes System, insbesondere als künstliche Intelligenz auf Basis eines neuronalen Netzwerks, ausgebildet ist, eine eigenständige Entscheidung darüber treffen, welche Menge an Fluid noch durch den Fluidkanal gefördert werden muss, bevor der gewünschte vollständige Fluidaustausch gewährleistet ist. Hierzu kann die Auswerteeinrichtung beispielsweise ein elektrisches Steuersignal an eine Fördeeinrichtung und/oder eine Ventileinrichtung bereitstellen, anhand dessen die Förderung der gewünschten Fluidmenge bewirkt werden kann.
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Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt. Hierbei zeigt:
- 1 eine erste Ausführungsform einer Sensoranordnung, die in einem Fluidsystem integriert ist,
- 2 eine zweite Ausführungsform einer Sensoranordnung, die zusätzlich zur ersten Ausführungsform mit Drucksensor und einem elektrischen Leitfähigkeitssensor ausgestattet ist,
- 3 eine perspektivische Darstellung einer ersten Variante einer Membran für die Sensoranordnung,
- 4 eine perspektivische Darstellung einer zweiten Variante einer Membran für die Sensoranordnung, und
- 5 eine schematische Darstellung von zeitlichen Verläufen elektrischer Potentiale über einer Membran einer Sensoranordnung.
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Ein in der 1 gezeigtes Fluidsystem 1 dient zur Bereitstellung eines Fluids an einen Reaktorbehälter 8, in dem eine nicht näher definierte Reaktion unter Zuhilfenahme des Fluids durchgeführt wird. Hierzu umfasst das Fluidsystem 1 als wesentliche Komponenten eine Pumpe 2, ein Schaltventil 3, eine Steuereinrichtung 4, einen Fluidbehälter 7 sowie eine Sensoranordnung 21.
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Die Pumpe 2 ist zur Bereitstellung von Druckluft ausgebildet und steht über eine erste Steuerleitung 9 in elektrische Verbindung mit der Steuereinrichtung 4, bei der sich beispielsweise um eine speicherprogrammierbare Steuerung handeln kann. Ferner steht die Pumpe 2 über eine Druckleitung 5 in fluidisch kommunizierende Verbindung mit dem Fluidbehälter 7, der zur Bevorratung einer Reaktionsflüssigkeit ausgebildet ist, die mit Hilfe von Druckluft zum Reaktorbehälter 8 gefördert werden soll. In die Druckleitung 5 ist das Schaltventil 3 eingeschleift, bei dem es sich beispielhaft um ein 2/2-Wegeventil handelt, das rein exemplarisch als normal geschlossenes Magnetventil ausgebildet ist. Das Schaltventil 3 steht über eine zweite Steuerleitung 10 in elektrischer Verbindung mit der Steuereinrichtung 4.
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Ausgehend vom Fluidbehälter 7 erstreckt sich eine Versorgungsleitung 6 zum Reaktorbehälter 8, wobei in die Versorgungsleitung 6 die Sensoranordnung 21 eingeschleift ist, die zur Ermittlung eines Durchflusses (Volumenstroms) in der Versorgungsleitung 6 ausgebildet ist, um eine Fluidmenge, die aus dem Fluidbehälter 7 zum Reaktorbehälter 8 gefördert wird, bestimmen zu können.
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Typischerweise ist vorgesehen, dass zur Förderung der Flüssigkeit aus dem Fluidbehälter 7 zunächst eine Aktivierung der Pumpe 2 durch die Steuereinrichtung 4 vorgenommen wird, sodass in der Druckleitung 5 ein Druckaufbau stattfindet, wobei das Schaltventil 3 sich noch in der Sperrstellung gemäß der Darstellung der 1 befindet. Anschließend wird ein Steuersignal von der Steuereinrichtung 4 an das Schaltventil 3 ausgegeben, sodass die von der Pumpe 2 bereitgestellte Druckluft das Schaltventil 3 passieren kann und in den Fluidbehälter 7 zugeführt wird. Durch den dort stattfindenden Druckaufbau wird die im Fluidbehälter 7 aufgenommene Flüssigkeit in die Versorgungsleitung 6 gedrückt und in Richtung des Reaktorbehälters 8 gefördert, wobei die Flüssigkeit hierbei die Sensoranordnung 21 passiert und damit eine Durchflussmessung oder Volumenstrombestimmung in der Versorgungsleitung 6 ermöglicht.
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Die Sensoranordnung 21 umfasst ein rein exemplarisch kubisch ausgebildetes Sensorgehäuse 22, das von einem ersten Gehäuseteil 23 und einem zweiten Gehäuseteil 24 gebildet wird, die rein exemplarisch als spiegelbildlich zueinander angeordnete Gleichteile ausgebildet sind. Jedes der Gehäuseteile 23, 24 ist von einer Stufenbohrung 25 durchsetzt, die abschnittsweise einen kleineren Bohrungsdurchmesser und abschnittsweise einen größeren Bohrungsdurchmesser aufweist. Die Stufenbohrungen 25 der beiden Gehäuseteile 23, 24 bilden den Fluidkanal 26. In dem Fluidkanal 26 ist in dem Abschnitt mit dem größeren Bohrungsdurchmesser eine rein exemplarisch kreiszylindrisch ausgebildete Membran 31 aufgenommen. Ferner sind in den beiden Gehäuseteilen 23, 24 jeweils Rohre 29, 30 in den Abschnitten mit dem kleineren Bohrungsdurchmesser aufgenommen. Hierbei wird das Rohr 29 auch als erster Fluidkanalabschnitt bezeichnet und dient als erste Elektrode 37. Das Rohr 30 wird auch als zweiter Fluidkanalabschnitt bezeichnet und dient als zweite Elektrode 38. Beispielhaft ist vorgesehen, dass die Rohre 29, 30 jeweils aus einem metallischen Material, insbesondere Edelstahl, hergestellt sind. Dabei bildet das Rohr 29 mit einem aus dem Sensorgehäuse 22 abragenden Rohrabschnitt einen ersten Fluidanschluss 27. Ferner bildet das Rohr 30 mit einem aus dem Sensorgehäuse 22 abragenden Rohrabschnitt einen zweiten Fluidanschluss 28. Am ersten Fluidanschluss 27 ist der mit dem Fluidbehälter 7 verbundene Abschnitt der Versorgungsleitung 6 angeschlossen, am zweiten Fluidanschluss 28 ist der mit dem Reaktorbehälter 8 verbundene Abschnitt der Versorgungsleitung 6 angeschlossen. Ferner ist am ersten Fluidanschluss 27 eine erste Sensorleitung 35 angeschlossen, die elektrisch mit einer Auswerteeinrichtung 34 verbunden ist. Am zweiten Fluidanschluss 28 ist eine zweite Sensorleitung 36 angeschlossen, die ebenfalls elektrisch mit der Auswerteeinrichtung 34 verbunden ist. Rein exemplarisch ist die Auswerteeinrichtung 34 über eine Kommunikationsleitung 39 elektrisch mit der Steuereinrichtung 4 verbunden und ist dazu ausgebildet, einen mit der Sensoranordnung 21 ermittelten Durchfluss an die Steuereinrichtung 4 zu kommunizieren.
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Das erste Rohr 29 erstreckt sich im ersten Gehäuseteil 23 bis zu einer ersten Membranfläche 32 der Membran 31, wobei die erste Membranfläche 32 dem ersten Fluidanschluss 27 zugewandt ist. Das zweite Rohr 30 erstreckt sich im zweiten Gehäuseteil 24 bis zu einer ersten Membranfläche 33 der Membran 31, wobei die zweite Membranfläche 33 dem zweiten Fluidanschluss 28 zugewandt ist.
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Die Membran 31 ist rein exemplarisch aus einem Polyestermaterial hergestellt, wobei zu diesem Zweck nicht näher dargestellte Polyesterkugeln definierter Größe miteinander zu dem kreiszylindrischen Membrankörper verpresst werden und dadurch die Membran 31 mit definierter Porengröße, vorzugsweise mit einer Porengröße kleiner 6 Mikrometer, gebildet wird. Durch die Wahl von Polyester als Ausgangsmaterial für die Membran 31 ist sichergestellt, dass die Membran 31 ein von Null abweichendes Zeta-Potential aufweist. Dementsprechend hat die Membran 31 für Bestandteile der aus dem Fluidbehälter 7 geförderten Flüssigkeit, die unterschiedlich elektrisch geladen sind, ein unterschiedliches Rückhaltevermögen. Beispielsweise ist die Membran 31 darauf ausgelegt, Bestandteile der Flüssigkeit mit positiver elektrischer Ladung zumindest teilweise zurückzuhalten, während Bestandteile der Flüssigkeit mit negativer elektrischer Ladung die Membran 31 ungehindert passieren können. Dementsprechend kommt es bei einem Fluidstrom durch den Fluidkanal 26 und die darin angeordnete Membran 31 zu einer Ansammlung von Bestandteilen der Flüssigkeit mit positiver elektrischer Ladung vor der ersten Membranfläche 32, womit sich ein elektrisches Potenzial zwischen der ersten Elektrode 37 und der zweiten Elektrode 38 aufbaut, das über die zugeordneten Sensorleitungen 35, 36 von der Auswerteeinrichtung 34 ermittelt werden kann, um daraus einen Rückschluss auf den Durchfluss bzw. Volumenstrom zu ermöglichen, der durch die Versorgungsleitung 6 strömt.
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Zusätzlich kann vorgesehen werden, nach einer Umschaltung des Schaltventils 3 aus der nicht dargestellten Öffnungsstellung in die Schließstellung gemäß der 1 einen zeitlichen Verlauf des elektrischen Potenzials zwischen der ersten Elektrode 37 und der zweiten Elektrode 38 in der Auswerteeinrichtung 34 zu betrachten und hieraus Rückschlüsse auf Eigenschaften der Flüssigkeit im Fluidkanal 26 und/oder auf Eigenschaften der Membran 31, insbesondere im Hinblick auf eine eventuelle Verschmutzung der Membran 31, ziehen zu können.
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Rein exemplarisch und nur optional ist parallel zur Sensoranordnung 21 ein Zusatzkanal 39 an die Versorgungsleitung 6 angeschlossen, der dazu ausgebildet ist, einen vorgegebenen Anteil des aus dem Fluidbehälter 7 geförderten Fluids bis zum Reaktorbehälter 8 zu transportieren. Dabei sind die Sensoranordnung 21 und der Zusatzkanal 39 derart aufeinander abgestimmt, dass aus einer mit der Sensoranordnung 21 ermittelten elektrischen Potentialdifferenz auch ein Rückschluss auf den durch den Zusatzkanal 39 strömenden Fluidstrom gezogen werden kann. Vorzugsweise ist ein Querschnitt des Zusatzkanals 39 größer als ein Querschnitt des Fluidkanals 26, so dass durch den Fluidkanal 39 ein größerer Anteil des aus dem Fluidbehälter 7 geförderten Fluids als durch den Fluidkanal 26 strömt.
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Die Ausführungsform der Sensoranordnung 51 gemäß der 2 umfasst sämtliche Komponenten der Ausführungsform der Sensoranordnung 21 gemäß der 1, sodass lediglich die zusätzlich hinzugefügten Komponenten beschrieben werden. Hierbei handelt es sich um einen ersten Drucksensor 52, der stromauf der Membran 31 an die Versorgungsleitung 6 angeschlossen ist und der mit einer. Ferner ist ein zweiter Drucksensor 53 stromab der Membran 31 an die Versorgungsleitung angeschlossen. Darüber hinaus ist stromauf des ersten Drucksensors 52 ein Leitfähigkeitssensor 54 in die Versorgungsleitung 6 eingeschleift. Der erste Drucksensor 52 ist über eine erste dritte Sensorleitung 55 elektrisch mit der Auswerteeinrichtung 34 verbunden. Der zweite Drucksensor 53 ist über eine vierte Sensorleitung 56 elektrisch mit der Auswerteeinrichtung 34 verbunden. Der Leitfähigkeitssensor 54 ist über eine fünfte Sensorleitung 57 elektrisch mit der Auswerteeinrichtung 34 verbunden.
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Mit den beiden Drucksensoren 52, 53 kann ein Druckabfall über der Membran 31 bestimmt werden, der in der Auswerteeinrichtung 34 in die Berechnung des Durchflusses mit einbezogen werden kann. Die vom Leitfähigkeitssensor 55 ermittelte elektrische Leitfähigkeit kann von der Auswerteeinrichtung 34 dazu genutzt werden, den anhand des elektrischen Potenzials zwischen den beiden Elektroden 37, 38 ermittelten Durchflusswert rechnerisch zu präzisieren.
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Die in der 3 gezeigte erste Variante einer Membran 71 unterscheidet sich von der Membran 31 gemäß den Darstellungen der 1 und 2 dadurch, dass die erste, kreisringförmig ausbildete Elektrode 77 unmittelbar auf die erste Membranfläche 72 aufgebracht ist. Ferner ist die in der Darstellung der 3 nicht sichtbare zweite, ebenfalls kreisringförmig ausgebildete Elektrode unmittelbar auf die zweite Membranfläche 73 aufgebracht. Beispielhaft kann die jeweilige Elektrode 72 durch Bedampfen der jeweiligen Membranfläche hergestellt werden. Eine elektrische Kontaktierung der jeweiligen Elektrode kann wahlweise über metallische Rohrabschnitte vorgesehen werden, wie dies in den 1 und 2 dargestellt ist, oder über eine nicht dargestellte, separate Anschlussleitung, die direkt mit der jeweiligen Elektrode verbunden ist.
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Bei der in 4 gezeigten zweiten Variante einer Membran 81 sind die erste Elektrode 87 und die zweite Elektrode 88 jeweils kreisringförmig aus einem Metallmaterial oder einem elektrisch leitenden Kunststoffmaterial hergestellt. Das Membranmaterial ist zwischen den beiden Elektroden 87 und 88 angeordnet und erstreckt sich in die jeweilige kreisförmige Ausnehmung der jeweiligen Elektrode 87, 88.
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In der 5 sind in einer rein schematischen Darstellung zwei Verlaufskurven 101, 102 von elektrischen Potenzialen gezeigt, die mit einer Sensoranordnung an einer nicht gezeigten Membran ermittelt werden können. Beispielhaft wird davon ausgegangen, dass zum Zeitpunkt t1 ein Fluidstrom durch einen nicht dargestellten Fluidkanal und damit auch durch eine nicht dargestellte Membran bewirkt wird und dass zum Zeitpunkt t2 eine Beendigung des Fluidstroms eintritt.
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Für eine erste Flüssigkeit stellt sich hierbei die erste Verlaufskurve 101 ein, bei sich der im Ruhezustand vor dem Zeitpunkt t1 ein elektrisches Ruhepotenzial vorliegt, das durch die Wechselwirkung der ersten Flüssigkeit mit der Membran hervorgerufen wird. Mit Beginn des Fluidstroms zum Zeitpunkt t1 erfolgt eine Reduzierung des elektrischen Potenzials, bis zum Zeitpunkt t2 die Beendigung des Fluidstroms eintritt, wobei das elektrische Potenzial zu diesem Zeitpunkt ein lokales Minimum angenommen hat. Während der Zeitspanne, die sich an den Zeitpunkt t2 anschließt, steigt das elektrische Potenzial über der Membran gemäß einer charakteristischen Verlaufskurve bis zum Zeitpunkt t3 wieder auf das Ausgangsniveau an. Für eine Ermittlung derjenigen Flüssigkeit, die im Fluidkanal aufgenommen ist, kann beispielsweise die zeitliche Differenz zwischen dem Zeitpunkt t2 und dem Zeitpunkt t3 ermittelt werden. Ergänzend oder alternativ kann aus der maximalen Steigung der Verlaufskurve 101 oder aus anderen Charakteristika dieser Verlaufskurve 101 ein Rückschluss auf die im Fluidkanal aufgenommenen Flüssigkeit gezogen werden.
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In gleicher Weise gilt dies auch für die Verlaufskurve 102, die sich von der Verlaufskurve 101 dadurch unterscheidet, dass mit Einleitung des Fluidstroms im nicht dargestellten Fluidkanal eine Erhöhung des elektrischen Potenzials über der nicht dargestellten Membran erfolgt und nach Beendigung des Fluidstroms dieses elektrische Potenzial langsam wieder auf ein niedriges Niveau absinkt, wobei zum Zeitpunkt t3 noch keine vollständige Absenkung des elektrischen Potenzials auf ein Minimalniveau erfolgt ist.
