DE10339907B4

DE10339907B4 - Optische Messapparatur und Messverfahren für Strömungen

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Publication number: DE10339907B4
Application number: DE10339907A
Authority: DE
Inventors: Thomas Lenz; Björn Hornbostel
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2003-08-29
Filing date: 2003-08-29
Publication date: 2006-09-21
Anticipated expiration: 2023-08-30
Also published as: DE10339907A1

Abstract

Messvorrichtung zur Erfassung und Vermessung von Fluidströmungen mit einem Durchflusskanal (1), wobei mindestens eine lichtleitende Faser (2) ganz oder teilweise in dem Durchflusskanal (1) so angeordnet ist, dass ein zumindest teilweise lichtreflektierende Eigenschaften aufweisendes Ende (3) der Faser in den Durchflusskanal ragt,
wobei in die Faser (2) Licht mit einer Vorrichtung (5, 7) einkoppelbar und das an ihrem Ende (3) zumindest teilweise reflektierte Licht wieder auskoppelbar ist, wobei sich der Laufweg und die Laufzeit des Lichts in der Faser (2) mit zunehmender Auslenkung der Faser zunehmend verlängert und wobei aus der Änderung der Laufzeit des Lichts in der Faser (2) die Strömungsgeschwindigkeit im Durchflusskanal (1) am Ort der Faser (2) mit einer Nachweis- und Auswertevorrichtung (9) bestimmbar ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
mindestens eine der Fasern so ausgebildet ist, dass durch ihre Auslenkung oder Durchbiegung eine höhere Anzahl von Totalreflexionen des Lichts an der Faserwand verbunden mit einem...

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Messapparatur sowie ein Verfahren zum Erfassen und Vermessen von Gas- und Flüssigkeitsströmungen beispielsweise in den Bereichen der Pharmazie-, Chemie-, Medizin- und Mikrosystemtechnik, in der allgemeinen Verfahrenstechnik sowie in weiteren Einsatzgebieten für Strömungsüberwachungseinrichtungen. Sind die rheologischen Eigenschaften des Mediums bekannt, so ist im allgemeinen die Erfassung des Volumenstroms bzw. der mittleren Strömungsgeschwindigkeit ausreichend. Ein Beispiel hierfür ist die störungsfreie Abgabe von Infusionslösungen an Patienten. Soll der Volumenstrom von Fluiden bestimmt werden, deren rheologische Eigenschaften nicht bekannt sind bzw. von mehreren Einflussfaktoren abhängen, so muss über die Erfassung der mittleren Strömungsgeschwindigkeit hinaus noch eine Vermessung des Strömungsprofils innerhalb einer Durchflusseinrichtung erfolgen. Beispiele hierfür sind die Überwachung von Dosiervorgängen im Bereich der Montage, wobei die Fließeigenschaften von Klebstoffen berücksichtigt werden müssen oder die Überwachung der Dosierung von Chemikalien oder Nahrungsmitteln, Kosmetika, Polymerschmelzen, Polymerlösungen, etc. in verfahrenstechnischen Anlagen.
Verfahren zur Vermessung von Volumenströmen von Fluiden sind bereits Stand der Technik. Eine erste Gruppe von Messverfahren arbeitet hierbei indirekt, d.h. sie detektieren bzw. zeigen die Bewegung von Partikeln oder Fremdkörpern, welche in die Strömung eingebracht wurden. Dieses Messprinzip wird beispielsweise vom Laser-Doppler-Anemometer sowie von der Particle-Image-Velocimetry verfolgt. Nachteile dieser Gruppe von Messverfahren sind die Notwendigkeit des Vorhandenseins von Partikeln bestimmter Größe und Konzentration sowie des Vorhandenseins eines optischen Zugangs hoher Güte zum System. So birgt beispielsweise bei einem Mehrachsen-Laser-Doppler-Anemometer die Fokussierung große Probleme für einen zuverlässigen Betrieb des Messaufbaus. Eine zweite Gruppe von Messverfahren nutzt das Prinzip der Wärmeabfuhr. Hierbei über- oder umströmt ein Medium einen Körper definierter Geometrie von dessen Oberfläche Wärmeenergie in das Medium übergeht. Hierbei hängt die übertragene Wärmeenergie jedoch einerseits von der Über- oder Unterströmungsgeschwindigkeit, also der Messgröße, ab, andererseits jedoch auch von Stoffgrößen wie Wärmekapazität, Wärmeleitfähigkeit, Wärmeübergang, Viskosität usw. Diese Stoffgrößen sind für die Strömungsgeschwindigkeit irrelevant, beeinflussen, verfälschen oder erschweren jedoch die Messung. Insbesondere korreliert die Viskosität aller Stoffe mit ihrer Temperatur, so dass in diesem Falle das Messverfahren selbst eine Störung der Messgröße bewirkt. Eine solche Störung ist nicht immer vernachlässigbar. Beispiele für diese zweite Gruppe von Messverfahren sind das Hitzedrahtanemometer und das Heißfilmanemometer. Oft sind Hitzedraht- oder Heißfilmanemometer sehr empfindlich bei dem Kontakt mit aggressiven oder abrasiven Medien, was in diesen Fällen zum Ausschluss des Messverfahrens führt. Eine weitere Gruppe von Messverfahren nutzt die magnetische Induktion. Hierbei werden berührungslos strömende Medien vermessen. Diese Messverfahren sind jedoch nur einsetzbar, wenn der zu vermessende Massestrom eine gewisse Mindestgröße aufweist. Eine solche Mindestgröße wird u.a. in Mikrokanälen nicht erreicht.

Die DE 100 37 331 C1 zeigt einen elastischen Messfühler, welcher mehrere über seinen Umfang verteilt angeordnete Monomode-Lichtleitfasern aufweist. Im Zentrum des Fühlers ist eine Monomode-Referenzfaser angeordnet. Bei einer Durchbiegung des Fühlers aufgrund einer Strömungsgeschwindigkeit in dem Durchflusskanal ändert sich die Länge der Monomode-Referenzfaser nicht, die äußeren Monomodefasern werden auf einer Seite gestaucht, auf der anderen gestreckt (Längenänderung der Fasern). Der hierdurch hervorgerufene Gangunterschied des in die Monomode-Referenzfaser und in die äußeren Monomodefasern eingekoppelten und am Faserende reflektierten Lichts wird mit Hilfe eines Messsystems ausgewertet.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine im Durchflussverfahren arbeitende Messvorrichtung zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit und/oder des Strömungsprofils von Fluiden zur Verfügung zu stellen, die möglichst wenigen Störeinflüssen des strömenden Mediums unterliegt. Wird die Vorrichtung als Regelvorrichtung betrieben, so werden die durch Messung bestimmten Messwerte als Regelgrößen für den Volumenstrom der Fluide verwendet.

Diese Aufgabe wird durch die Messvorrichtung gemäß Patentanspruch 1, ein Messverfahren gemäß Patentanspruch 12 sowie ein Steuer-Verfahren gemäß Patentanspruch 21 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Messapparatur sowie der beschriebenen Verfahren und Verwendungen werden in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen beschrieben.

Eine erfindungsgemäße Messapparatur weist folgende Bestandteile auf: In einer Durchflusseinrichtung, diese kann beispielsweise als Kanal, Gerinne oder Mikrokanal ausgeführt sein, sind senkrecht oder in einem beliebigen Winkel zur Flussrichtung in der Durchflusseinrichtung ein oder mehrere lichtleitende Fasern, beispielsweise Glas- oder Kunststofffasern, eingebracht. Die Fasern sind hierbei vorteilhafterweise elastisch ausgeführt. Bei der Verwendung mehrerer Fasern können diese axial in Strömungsrichtung hintereinander oder über den Umfang der Durchströmungseinrichtung verteilt quer zur Strömungsrichtung angeordnet werden. In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Messapparatur ist das weiter in die Strömung eingebrachte Ende der Fasern definiert ausgeführt mit zumindest teilweise reflektierenden Eigenschaften. In mindestens eine der Fasern wird Licht, beispielsweise mit Hilfe eines Lasers, eingekoppelt. Der Anteil des eingekoppelten Lichts, der an diesem Faserende jeweils reflektiert wird, wird wieder ausgekoppelt. Bei durchströmter Durchströmungseinrichtung werden die Fasern in Folge der auf sie durch das strömende Fluid wirkenden Kräfte in Strömungsrichtung ausgelenkt bzw. gebogen. Durch die Auslenkung der Faser ändert das in die Faser eingekoppelte Licht seine Laufzeit in der Faser: die Laufzeit verlängert sich, da durch die Auslenkung bzw. Durchbiegung der Faser eine höhere Anzahl von Totalreflexionen des Lichts an der Faserwand, verbunden mit einem längeren Lichtweg auftritt. Die Laufzeitänderung wird durch ein geeignetes Sensorelement, beispielsweise eine geeignete optische Vorrichtung samt nachgeschalteter Auswerteelektronik erfasst und ausgewertet. Das Sensorelement kann hierbei an der Durchflusseinrichtung angebracht oder in sie eingebracht werden oder direkt in ein fluidtechnisches Modul integriert werden. Anhand der Korrelation der Biegung bzw. Auslenkung einer Faser mit der Laufzeit änderung des Lichts ist somit die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids am Ort der Faser bestimmbar. Das zu vermessende Fluid bzw. die erfassbare Strömungsgeschwindigkeit sind durch geeignete Auswahl der in der bzw. für die Faser verwendeten Materialien und deren Geometrien nahezu unbegrenzt variierbar bzw. in einem weiten Bereich messbar.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung betrifft das Einbringen von mindestens zwei Fasern unter einem beliebigen, nicht senkrechten Winkel in eine Durchflusseinrichtung, wobei die Ausrichtung der Fasern einander entgegengesetzt ist. Bei der Durchströmung des Kanals biegt sich diejenige Faser, deren Orientierung gegen die Strömung ist, anders, als diejenige, deren Orientierung in Strömungsrichtung ist. Durch die unterschiedliche Durchbiegungsstärke bzw. die unterschiedlich starke Auslenkung der Fasern ist die Strömungsrichtung detektierbar. Die Strömungsrichtungsdetektion kann auch auf entsprechende weise durch Einbringen von mindestens zwei Fasern erfolgen, wobei mindestens eine unter einem beliebigen, nicht senkrechten Winkel in die Durchflusseinrichtung eingebracht wird und wobei mindestens zwei der Fasern einen unterschiedlichen Einbringungswinkel aufweisen.

Eine weitere Möglichkeit der Ausgestaltung des Anmeldungsgegenstandes betrifft die Verwendung unterschiedlich langer und/oder mit verschiedenen Winkeln in eine Durchflusseinrichtung eingebrachter Fasern. Die Fasern sind dabei axial in Strömungsrichtung hintereinander und/oder quer zur Strömungsrichtung über den Umfang der Durchströmungseinrichtung verteilt angeordnet. Diese, im folgenden näher beschriebene Ausführung, zielt auf die Ableitung eines Geschwindigkeitsprofils in der Durchflusseinrichtung, ermöglicht durch die unterschiedlichen Einraglängen und/oder die unterschiedlichen Einragwinkel innerhalb der Durchflusseinrichtung. Ein Strömungsprofil in der Durchflusseinrichtung leitet sich hierbei aus der Aufbereitung, Kopplung und Auswertung von mit den einzelnen Fasern gewonnenen Messsignalen ab. Hierzu dienen folgende Überlegungen zur Biegebeanspruchung von Körpern bekannter Geometrie. Ein in eine durchströmte Durchflusseinrichtung eingebrachte, elastische Faser wird mit einer der Flächenlast vergleichbaren Kraft beaufschlagt, welche in Abhängigkeit von Anströmgeschwindigkeit und Anströmort an der Faser zu einer bestimmten Auslenkung der Faser führt. Die Auslenkung der elastischen Faser wird hierbei in Form einer einzigen Messgröße, gesamte Auslenkung der Faser, erfasst. Die Messgröße stellt somit einen integralen Wert der auf alle Faserabschnitte wirkenden Kräfte dar (Momente = Kraft·Hebelarm [Faser abschnitt]). Um eine örtliche Auflösung der in der Durchflusseinrichtung herrschenden Strömungsgeschwindigkeitsverteilung zu erhalten, werden unterschiedlich weit in die Strömung ragende Fasern eingebracht. Diese Fasern erfahren unterschiedliche Auslenkungen, da nur noch bestimmte Bereich der Strömung auf sie wirken. Hierdurch ergibt sich die Möglichkeit, eine Geschwindigkeitsverteilung über den gesamten Querschnitt der Durchflusseinrichtung zu bestimmen. So beinhaltet die Biegung einer Faser, die bis in die Mitte (50% des Durchmessers) der Durchflusseinrichtung ragt, die integrale Information der Strömungsgeschwindigkeitsverteilung innerhalb der Durchflusseinrichtung bis zu ihrer Mitte. Wenn eine zweite Faser nur zu 25% in die Durchflusseinrichtung ragt, liefert diese Faser die Informationen vom Rand bis hin zu 25% des Durchmessers der Durchflusseinrichtung. Aus der Differenz der Daten lässt sich das Geschwindigkeitsprofil für die Strömung in der Durchflusseinrichtung im Bereich von 25% des Durchmessers der Durchflusseinrichtung bis zur Mitte annähern. Bei zunehmender Anzahl von Fasern unterschiedlicher geometrischer Ausprägung, wie beispielsweise unterschiedlicher Länge und/oder unterschiedlicher Dicke bzw. unterschiedlichen Durchmessers, kann das Strömungsprofil mit wachsender Genauigkeit aufgelöst werden. Mit der beschriebenen Ausgestaltung der Erfindung kann ebenfalls auf die Fließeigenschaften (Rheologie) eines Fluids zurückgeschlossen werden, da die Geschwindigkeitsverteilung innerhalb einer Durchflusseinrichtung abhängig von den Fließeigenschaften des Fluids ist. Falls sich die Fließeigenschaften eines Stoffes mit der Zeit ändern, besitzt die beschriebene Ausgestaltung der Erfindung die Möglichkeit, wiederholt Geschwindigkeitsverteilungen zu erfassen und diese in Beziehung zur Veränderung der Fließeigenschaften zu setzen. Eine solchermaßen festgestellte Veränderung der Fließeigenschaften kann dann dazu benutzt werden, über einen Rückkopplungsmechanismus eine Anpassung der Prozessführung vorzunehmen.

In einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Messapparatur werden die Messwerte in Echtzeit erfasst und als Regelgrößen für eine Rückkopplung verwendet, d.h. der Volumenstrom des vermessenen Fluids wird in Abhängigkeit vom gemessenen Wert der Regelgröße oder -größen reguliert.

Die vorstehend beschriebene optische Messapparatur für Strömungen zeichnet sich durch eine Reihe erheblicher Vorteile aus: Die Messwerterfassung kann in situ, mit hoher zeitlicher Auflösung, mit hoher Empfindlichkeit und genau erfolgen. Ebenso lassen sich mit der Messapparatur die Strömungsrichtung sowie die Beschleunigung innerhalb der Fluidströmung bestimmen. Mit Hilfe der Messapparatur ist eine präzise Überwachung und Regelung von Volumenströmen möglich. Desweiteren kann der geförderte Volumenstrom exakt bestimmt werden. Durch die präzise Messwerterfassung ist eine schnelle Rückkopplung auf Prozessparameter möglich. Dies erlaubt, Mess-, Steuer- und Regelaufgaben präzise, zuverlässig und schnell auszuführen. Eine Kalibrierung der Messapparatur bezüglich der Zusammensetzung und der Eigenschaften eines unter Umständen veränderlichen Fluids ist im allgemeinen, d.h. bei rheologisch nicht zu komplexen Medien, nicht notwendig.

Im Einzelnen sind speziell die folgenden Vorteile zu nennen:

• Bei der Bestimmung von Laufzeitänderungen werden hohe Genauigkeiten erzielt; bei Verwendung spezieller Algorithmen sind Auflösungen im Nanometerbereich erzielbar.
• Mit Hilfe des vereinfachten Detektionsverfahrens ist eine einfache und kostengünstige Ermittlung von Strömungsgeschwindigkeiten möglich.
• Mit dem Verfahren ist die fortlaufende Überwachung von Parametern von Fluiden möglich.
• Durch die Nutzung mehrerer Fasern unterschiedlicher geometrischer Ausprägung und die Feststel lung des Strömungsprofils in der Strömung ist die Bestimmung rheologischer Stoffeigenschaften in Echtzeit möglich.
• Durch eine entsprechende Ausführung der Fasern (z.B. Ti-Beschichtung) können auch aggressive Medien vermessen werden bzw. der Abrieb der Messfühler kann minimiert werden.
• Die Empfindlichkeit der Fasern ist in weiten Bereichen durch Wahl ihrer Dicke und/oder Beschichtung anpassbar.
• Werden speziell Glasfasern. verwendet, so ergeben sich durch die relativ konstanten optischen und mechanischen Eigenschaften von Glas auch bei erhöhten Temperaturen breite Einsatzmöglichkeiten.

Im Vergleich mit den den Stand der Technik darstellenden Verfahren zum Erfassen und Vermessen von Fluiden bestehen insbesondere die folgenden Vorteile:

• Die Notwendigkeit des Vorhandenseins von Partikeln bestimmter Größe und Konzentration entfällt.
• Ebenso entfällt die Notwendigkeit eines optischen Zugangs hoher Güte bzw. mit einer aufwendigen Fokussierung.
• Da die Auslenkung einer Faser lediglich von der am Ort der Faser auftretenden Strömungsgeschwindigkeit und Viskosität abhängt, erfolgt keine Verfälschung der Messgröße durch andere Stoffgrößen.
• Es ist keine Mindestgröße des Massestroms notwendig, um das Verfahren anzuwenden.
• Das erfindungsgemäße Verfahren ist robust und widerstandsfähig und somit auch für den Einsatz unter schwierigen Umgebungsbedingungen geeignet.

Eine erfindungsgemäße optische Messapparatur kommt vorteilhafterweise insbesondere beispielsweise für die genaue Dosierung von Klebstoffen bzw. das genaueste Dispensen von Klebstoffen zum Einsatz.

Erfindungsgemäße optische Messapparaturen für Strömungen können wie in einem der nachfolgenden Beispiele beschrieben ausgeführt sein oder verwendet werden.
Es zeigt 1 die wesentlichen Bestandteile einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung. 2 zeigt die Bestimmung der Faserauslenkung mit Hilfe der Lichtlaufzeitdifferenz. 3 skizziert die Digitalisierung eines Analogsignals. 4 zeigt eine vereinfachte Detektionseinrichtung zur Bestimmung der Faserauslenkung, die jedoch nicht der vorliegenden Erfindung entspricht. In den genannten Figuren sind gleiche oder sich entsprechende Vorrichtungsbestandteile durch identische Bezeichner erfasst.
1 zeigt einen zweidimensionalen Schnitt durch eine Durchflusseinrichtung 1, beispielsweise einen Kanal, in den von unten in bezogen auf die Rotationsachse der Durchflusseinrichtung senkrechter Richtung eine stabförmige, lichtleitende Faser 2a eingebracht ist. Rechts neben dieser Faser zeigt die Abbildung eine zweite Faser 2b, die ebenso wie die erstgenannte Faser in die Durchflusseinrichtung eingebracht ist, in ihrem oberen Teil jedoch eine Durchbiegung aufweist. Die beiden Faserenden 3 sind jeweils so ausgeführt, dass in den Fasern laufendes, auf die Faserenden einfallendes Licht zumindest teilweise reflektiert wird. Weiterhin zeigt die Abbildung (gestrichelte Linien) in die Fasern eingekoppeltes Licht 4a (Pfeil nach oben) und an den Faserenden reflektiertes Licht 4b (Pfeil nach unten). Bei der links eingezeichneten, nicht durchgebogenen Faser 2a finden aufgrund der geraden Ausrichtung weniger Totalreflexionen statt bzw. in der Faser tritt eine kürzere Laufzeit des Lichts auf. Wird nun wie im rechten Teil des Bildes eingezeichnet, die elastische Faser 2b durch das Vorhandensein einer Strömung durchgebogen bzw. ausgelenkt, so ergibt sich in der gekrümmten Faser 2b eine längere Laufzeit, da mehr Reflexionen stattfinden bzw. der Laufweg des Lichts verlängert wird. Je stärker die Faser durch die Strömung gekrümmt bzw. ausgelenkt wird, d.h. je größer die Strömungsgeschwindigkeit ist, desto länger wird die Laufzeit des Lichts in der Faser. Somit lässt sich aus der verlängerten Lichtlaufzeit nach Auswertung des Messsignals auf die Strömungsgeschwindigkeit am Ort der Faser 2 schließen.
2 zeigt beispielhaft, wie bei der erfindungsgemäßen Messapparatur die Bestimmung der Laufzeitänderung bzw. die Bestimmung einer Laufzeitdifferenz ausgeführt werden kann. Im vorgestellten Ausführungsbeispiel wird hierzu ein Laserinterferenzverfahren eingesetzt, wie es beispielsweise mit einem dem Stand der Technik entsprechenden Laserinterferometer durchgeführt werden kann. Die Beschreibung der. Bestimmung der Laufzeitänderung beschränkt sich daher auf die wesentlichen Aspekte. Die rechte Seite der Abbildung zeigt zunächst eine dreidimensionale Ansicht einer in einem Trägermaterial realisierten Durchflusseinrichtung 1 und mehrere in diese Durchflusseinrichtung, wie in 1 beschrieben, eingebrachte Fasern 2a, 2b und 2c. Die Abbildung zeigt desweiteren einen Laser 5, von dem Licht 4 in die von oben in die Durchflusseinrichtung 1 eingebrachte Faser 2a eingekoppelt wird. Mittels eines ersten Strahlteilers 6 und einer ersten Nachweisapparatur 8, beispielsweise eines geteilten Photodetektors, wird die Ausgangsphasenlage des in eine erste Richtung polarisierten Lichtanteils f₁ des Lichts 4 zu dem beispielsweise in senkrechter Richtung dazu polarisierten Lichtanteil f₂ des Lichts 4 bestimmt (Signal S₁). Die Ausgangsphasenlage wird dazu benötigt, aus der Auslenkung der Faser 2a resultierende Laufzeitdifferenzen bzw. Phasenunterschiede korrekt zu bestimmen. Auf seinem weiteren Weg trifft das Laserlicht einen zweiten, polarisierenden Strahlteiler 7. Der durch den Strahlteiler 7 transmittierte Lichtanteil f₁ (erstgenannte Polarisationsrichtung) wird in die Faser eingekoppelt, am Faserende reflektiert und einer zweiten Nachweisapparatur 9, beispielsweise eines Photodetektors mit mehreren lichtsensitiven Photoelementen, zugeführt. Der am Strahlteiler 7 reflektierte Lichtanteil f₂ (zweitgenannte, beispielsweise zur erstgenannten Polarisationsrichtung senkrechte Polarisationsrichtung) wird mit Hilfe weiterer Reflexionen ebenfalls der Nachweisapparatur 9 zugeführt. Die Summe der beiden Lichtanteile f₁ und f₂ generieren in der Nachweisapparatur 9 das Signal S₂. Der durch den Lichtanteil f₁ bedingte Signalanteil von S₂ ist bei einer Durchbiegung der Faser 2a aufgrund einer am Ort der Faser herrschenden Strömungsgeschwindigkeit ungleich Null mit einer Laufzeitdifferenz beaufschlagt. Der linke untere Teil der 10 zeigt schematisch den Nachweis einer solchen Laufzeitdifferenz bzw. einer dieser entsprechenden Phasenverschiebung Δf₁ 10a der beiden Lichtanteile f₁ und f₂.
Mit Hilfe von 3 wird beschrieben, wie die mit der in 2 abgebildeten Messvorrichtung durch die beiden unterschiedlich polarisierten Lichtanteile f₁ und f₂ erhaltenen Signalanteile des Signals S₂ verarbeitet werden und wie aus ihnen die gesuchte Größe (Laufzeitänderung) bestimmt wird. Die Lichtanteile f₁ und f₂ führen in der Nachweisapparatur zu den Spannungssignalen U₁ und U₂. Hierzu ist in 3A ein sinusförmiges Signal 11 skizziert, dessen zu diskreten Zeitpunkten abgetastetes bzw. digitalisiertes Äquivalent 12 in 3B dargestellt ist. Die phasenversetzten Analogsignale werden nach ihrer Abtastung quantisiert und mittels AD-Wandler codiert. Aus einem kontinuierlichen Signal ergibt sich somit ein zeitdiskretes Signal. Die zeitdiskretisierten Spannungssignale U₁(t) mit
und U₂(t) mit
werden durch Quotientenbildung normiert und über die Arcustangensfunktion verknüpft. Unter den Idealvoraussetzungen fehlender Offsetspannungen und gleicher Signalhöhen erhält man damit den Verschiebewinkel Φ mit
Φ entspricht somit dem Lichtlaufwegunterschied bzw. der aus der Auslenkung der Faser resultierenden Lichtwegverlängerung Δx(t), aus dem bzw. der sich die gesuchte Laufzeitänderung ergibt. Mit Hilfe der so bestimmten Laufzeitänderung und der Kenntnis des Biegeverhaltens der Faser ist die Auslenkung der Faser bzw. die Strömungsgeschwindigkeit am Ort der ausgelenkten Faser bestimmbar. Die Erfassung und Verarbeitung der analogen, interferometrischen Signale unter Einsatz digitaler Mikrorechentechnik erlaubt eine Auflösung bis in den Subnanometerbereich.
4 zeigt eine Durchflusseinrichtung, die jedoch nicht der vorliegenden Erfindung entspricht, mit einem kreisförmigen Querschnitt 1 sowie zwei von oben in die Durchflusseinrichtung eingebrachte Fasern 2a und 2b. Neben den beiden bezüglich der Rotationsachse der Durchflusseinrichtung nebeneinander eingebrachten Fasern ist auf der rechten Seite außen an der Wand der Durchflusseinrichtung eine erste Nachweisvorrichtung 13 für Licht, beispielsweise eine Zeilenkamera mit in einer Zeile angeordneten einzelnen lichtsensitiven Detektorelementen, angebracht. Auf der der beiden Fasern 2a und 2b gegenüberliegenden Seite der Durchflusseinrichtung ist auf Höhe der Faser 2a eine zweite Nachweisvorrichtung 14 außen an der Wand der Durchflusseinrichtung angebracht. In die beiden Fasern 2a und 2b eingekoppeltes Licht (Pfeile am oberen Ende der Fasern) wird durch die nicht reflektierend ausgeführten Faserenden 3 zumindest teilweise transmittiert und in Abhängigkeit von der Faserauslenkung auf einen bestimmten Punkt der der Fasern gegenüberliegenden Innenwand der Durchflusseinrichtung fokussiert. Wie 4 weiter zeigt, wird das durch Faser 2a durchgeleitete Licht hierbei direkt von der an der den Fasern gegenüberliegenden Seite der Durchflusseinrichtung angebrachten Nachweisvorrichtung 14 nachgewiesen. Das in Faser 2b eingeleitete Licht wird demgegenüber zunächst nach Austritt aus dem Faserende an der gegenüberliegenden Innenwand der Durchflusseinrichtung reflektiert 15, das reflektierte Licht wird sodann durch die auf der gleichen Seite wie die Fasern angebrachten Nachweisvorrichtung 13 nachgewiesen. In dieser Ausführungsform entfällt die vergleichsweise aufwendige Laufzeitdifferenzbestimmung, es werden lediglich mit der Auslenkung von Fasern 2 korrelierende Positionsänderungen durch die Faser hindurchgeleiteter Lichtstrahlen durch vorteilhafterweise einfach ausgeführte Nachweisempfänger detektiert. Somit ist eine einfache und kostengünstige Ermittlung der Faserauslenkung bzw. der damit verbundenen Strömungsgeschwindigkeit in der Durchflusseinrichtung möglich.

Claims

Messvorrichtung zur Erfassung und Vermessung von Fluidströmungen mit einem Durchflusskanal (1), wobei mindestens eine lichtleitende Faser (2) ganz oder teilweise in dem Durchflusskanal (1) so angeordnet ist, dass ein zumindest teilweise lichtreflektierende Eigenschaften aufweisendes Ende (3) der Faser in den Durchflusskanal ragt, wobei in die Faser (2) Licht mit einer Vorrichtung (5, 7) einkoppelbar und das an ihrem Ende (3) zumindest teilweise reflektierte Licht wieder auskoppelbar ist, wobei sich der Laufweg und die Laufzeit des Lichts in der Faser (2) mit zunehmender Auslenkung der Faser zunehmend verlängert und wobei aus der Änderung der Laufzeit des Lichts in der Faser (2) die Strömungsgeschwindigkeit im Durchflusskanal (1) am Ort der Faser (2) mit einer Nachweis- und Auswertevorrichtung (9) bestimmbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Fasern so ausgebildet ist, dass durch ihre Auslenkung oder Durchbiegung eine höhere Anzahl von Totalreflexionen des Lichts an der Faserwand verbunden mit einem längeren Laufweg auftritt.
Messvorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Fasern (2) unterschiedlicher geometrischer Ausprägung ihres in das Strömungsvolumen hineinreichenden Teils oder mindestens zwei Fasern unter mindestens zwei verschiedenen Winkeln bezüglich einer das Strömungsvolumen auf den Durchflusskanal (1) begrenzenden Trennvorrichtung, beispielsweise einer Wand des Durchflusskanals (1), oder mehrere geometrisch unterschiedlich ausgeprägte Fasern unter mindestens zwei verschiedenen Winkeln bezüglich der Trennvorrichtung in dem Durchflusskanal mit in den Durchflusskanal ragendem Ende angeordnet sind.
Messvorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die unterschiedliche geometrische Ausprägung eine unterschiedliche Länge ist, so dass durch unterschiedliche Auslenkungen der Fasern das Strömungsgeschwindigkeitsprofil der Fluidströmung in dem Durchflusskanal bestimmbar ist und/oder dass die Fasern unter unterschiedlichen Winkeln so angeordnet sind, dass durch unterschiedliche Auslenkungen der Fasern das Strömungsgeschwindigkeitsprofil der Fluidströmung in dem Durchflusskanal bestimmbar ist.
Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Fasern (2) axial in Strömungsrichtung hintereinander oder über den Umfang des Durchflusskanals (1) quer zur Strömungsrichtung angeordnet sind.
Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Fasern (2) einander entgegengesetzt und nicht senkrecht zu der strömungsvolumenbegrenzenden Trennvorrichtung in dem Durchflusskanal (1) angeordnet sind, so dass durch die unterschiedliche Auslenkung der entgegengesetzt angeordneten Fasern die Strömungsrichtung bestimmbar ist.
Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die unterschiedliche geometrische Ausprägung eine unterschiedliche Dicke ist.
Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zum Einkoppeln und/oder Auskoppeln des Lichts (4) und/oder des Nachweises des Lichts und/oder der Auswertung an oder in dem Durchflusskanal (1) angeordnet oder in ihm integriert ist.
Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens die Vorrichtung zum Einkoppeln (5, 7) und/oder Auskoppeln des Lichts (4) mindestens einen Laser als Lichtquelle enthält.
Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zum Nachweis des Lichts und/oder der Auswertung mindestens einen Photoempfänger als Sensorelement zur Detektion von Licht enthält.
Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zum Einkoppeln und/oder Auskoppeln des Lichts (4) mindestens einen Strahlteiler (7) enthält.
Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Fasern (2) eine Glas- oder Kunststofffaser enthält oder daraus besteht.
Verfahren zur Erfassung und Vermessung von Fluidströmungen in einem Durchflusskanal (1), wobei mindestens eine lichtleitende Faser (2) ganz oder teilweise in dem Durchflusskanal (1) so angeordnet wird, dass ein zumindest teilweise lichtreflektierende Eigenschaften aufweisendes Ende (3) der Faser in den Durchflusskanal ragt, wobei in die Faser (2) Licht mit einer Vorrichtung (5, 7) eingekoppelt und das an ihrem Ende (3) zumindest teilweise reflektierte Licht wieder ausgekoppelt wird, wobei sich der Laufweg und die Laufzeit des Lichts in der Faser (2) mit zunehmender Auslenkung der Faser zunehmend verlängert und wobei aus der Änderung der Laufzeit des Lichts in der Faser (2) die Strömungsgeschwindigkeit im Durchflusskanal (1) am Ort der Faser (2) mit einer Nachweis- und Auswertevorrichtung (9) bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Fasern so ausgebildet wird, dass durch ihre Auslenkung oder Durchbiegung eine höhere Anzahl von Totalreflexionen des Lichts an der Faserwand verbunden mit einem längeren Laufweg auftritt.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass eine Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11 verwendet wird.
Verfahren nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Fasern (2) unterschiedlicher geometrischer Ausprägung ihres in das Strömungsvolumen hineinreichenden Teils oder mindestens zwei Fasern unter mindestens zwei verschiedenen Winkeln bezüglich einer das Strömungsvolumen auf den Durchflusskanal (1) begrenzenden Trennvorrichtung, beispielsweise einer Wand des Durchflusskanals (1), oder mehrere geometrisch unterschiedlich ausgeprägte Fasern unter mindestens zwei verschiedenen Winkeln bezüglich der Trennvorrichtung in dem Durchflusskanal mit in den Durchflusskanal ragendem Ende angeordnet werden.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass durch die unterschiedlichen Auslenkungen der Fasern das Strömungsgeschwindigkeitsprofil der Strömung des Fluids in dem Durchflusskanal bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vier vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Fasern (2) einander entgegengesetzt und nicht senkrecht zu der strömungsvolumenbegrenzenden Trennvorrichtung in dem Durchflusskanal (1) angeordnet werden und dass durch die unterschiedliche Auslenkung der entgegengesetzt angeordneten Fasern die Strömungsrichtung bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass in mindestens eine der Fasern (2) ein Laserstrahl eingekoppelt wird, dass sodann das zumindest teilweise am in der Strömung liegenden Ende (3) der Faser reflektierte Laserlicht (4) ausgekoppelt wird und dass aus der Laufzeit des Lichts in der Faser die Auslenkung der Faser bestimmt wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das vom Laser (5) erzeugte Licht (4) mit Hilfe eines ersten Strahlteilers (6) in einen reflektierten und durchgelassenen Lichtanteil zerlegt wird, dass der am Strahlteiler reflektierte Lichtanteil einer ersten Nachweisapparatur (8) zugeführt wird und mit ihr ein erstes Signal generiert wird, dass die am ersten Strahlteiler durchgelassenen Lichtanteile einem zweiten Strahlteiler (7) zugeführt werden, dass der am zweiten Strahlteiler durchgelassene Lichtanteil in die mindestens eine Faser (2) eingekoppelt wird, dass der an ihrem Ende (3) reflektierte Lichtanteil wieder ausgekoppelt wird und anschließend mit dem am zweiten Strahlteiler re flektierten Lichtanteil überlagert wird und dass aus den dergestalt überlagerten Lichtanteilen mit Hilfe einer zweiten Nachweisapparatur (9) ein zweites, die Laufzeit in der Faser enthaltendes Signal generiert wird, und dass aus den beiden Signalen die Laufzeit des Lichts in der Faser bestimmt wird.
Verwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 12 bis 18 zur Bestimmung der mittleren Fließgeschwindigkeit, des Strömungsprofils, der Strömungsrichtung, der Viskosität und/oder der zeitlichen Änderung des Strömungsgeschwindigkeitsprofils des Fluids.
Verwendung eines Verfahrens oder einer Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18 zur Strömungsüberwachung im Bereich der Mikrofluidik, im Bereich der Dosierung und/oder im Bereich des Dispensens von Klebstoffen und/oder zur Überwachung einer störungsfreien Abgabe von Infusionslösungen an Patienten.
Verfahren zur Steuerung des Volumenstroms eines Fluids, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 12 bis 19 der Volumenstrom des Fluids auf der Basis der bestimmten Messgrößen geregelt wird.