DE112021001987T5

DE112021001987T5 - Bewertung von Strömungseigenschaften in physischen Medien

Info

Publication number: DE112021001987T5
Application number: DE112021001987.2T
Authority: DE
Inventors: Michael Engel; Rodrigo Neumann Barros Ferreira; Mathias B Steiner
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 2020-07-24
Filing date: 2021-07-23
Publication date: 2023-01-19
Also published as: WO2022017501A1; KR20230029761A; US20220026253A1; CN115803635A; JP2023534167A; US12013271B2; AU2021312206A1

Abstract

Techniken zum Ermitteln von Strömungseigenschaften eines Fluids in einer Fluideinheit weisen eine Lichtquelle zum Erzeugen einer Mehrzahl optischer Signale, in einem Fluid suspendierte Markierungselemente, eine Mehrzahl Photonikeinheiten, die jeweils ein Photonikelement und einen Strömungskanal umfassen, und eine Messeinheit auf, die so konfiguriert ist, dass sie: einen ersten Messwert auf der Grundlage der Mehrzahl optischer Signale und der Markierungselemente in einem Strömungskanal einer ersten Photonikeinheit der Mehrzahl Photonikeinheiten ermittelt, einen zweiten Messwert auf der Grundlage der Mehrzahl optischer Signale und der Markierungselemente in einem Strömungskanal einer zweiten Photonikeinheit der Mehrzahl Photonikeinheiten ermittelt und eine Eigenschaft auf der Grundlage des ersten Messwertes und des zweiten Messwertes ermittelt, die einer Strömung des Fluids oder der Markierungselemente zugehörig ist.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Herkömmliche Prozesse zum Ermitteln der Strömungseigenschaften von Fluiden in engen Kanälen sind mit visuellen Messungen von in den Fluiden suspendierten Partikeln verbunden. Enge Kanäle sind oft undurchsichtig (oder anderweitig verdeckt), sodass visuelle Messprozesse zum Ermitteln von Strömungseigenschaften in den Kanälen ungeeignet sind.
Für solche Prozesse können auch spezielle Ausrüstungen wie transparente Sichtscheiben und spezielle Mikroskopsysteme erforderlich sein, um die Strömung der Partikel visuell zu untersuchen. Daher können diese Prozesse zum Ermitteln der Strömungseigenschaften von Fluiden unnötig kostspielig sein.
Ferner sind die herkömmlichen Prozesse üblicherweise mit Serienmessungen der Partikel verbunden. Daher können diese Prozesse aufgrund der langsamen Datenerfassung relativ langsam sein, wenn die Partikel bei ihrer Strömung durch die engen Kanäle untersucht werden.
KURZDARSTELLUNG
Es wird ein System gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung bereitgestellt. Das System weist eine Lichtquelle zum Erzeugen einer Mehrzahl optischer Signale; in einem Fluid suspendierte Markierungselemente; eine Mehrzahl Photonikeinheiten, die jeweils ein Photonikelement und einen Strömungskanal umfassen; und eine Messeinheit auf, die konfiguriert ist: einen ersten Messwert auf der Grundlage der Mehrzahl optischer Signale und der Markierungselemente in einem Strömungskanal einer ersten Photonikeinheit der Mehrzahl Photonikeinheiten zu ermitteln, einen zweiten Messwert auf der Grundlage der Mehrzahl optischer Signale und der Markierungselemente in einem Strömungskanal einer zweiten Photonikeinheit der Mehrzahl Photonikeinheiten zu ermitteln und eine Eigenschaft in Bezug auf eine Strömung des Fluids oder der Markierungselemente auf der Grundlage des ersten Messwertes und des zweiten Messwertes zu ermitteln. Ein Vorteil besteht darin, dass hierdurch die Strömungseigenschaften eines zu untersuchenden Kanals unabhängig von mangelnder Transparenz oder visueller Verdeckung ermittelt werden können. Ferner werden hierdurch die Kosten zum Ermitteln der Strömungseigenschaften von Fluiden in solchen Kanälen gesenkt, da die Untersuchungen nicht von speziellen Ausrüstungen wie transparente Wänden und spezielle Mikroskopsysteme zur visuellen Untersuchung abhängen.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ist ein Photonikelement der ersten Photonikeinheit so auf die Lichtquelle ausgerichtet, dass die Mehrzahl optischer Signale den Strömungskanal der ersten Photonikeinheit erreichen kann. Ein Vorteil besteht darin, dass hierdurch mittels des Systems die Strömung der Markierungselemente ohne visuelle Untersuchung gemessen und ermittelt werden kann.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind ein erstes Photonikelement der ersten Photonikeinheit und ein zweites Photonikelement der ersten Photonikeinheit so an entgegengesetzten Seiten des Strömungskanals der ersten Photonikeinheit angeordnet, dass die Mehrzahl optischer Signale von dem ersten Photonikelement zu dem zweiten Photonikelement übergehen kann. Ein Vorteil besteht darin, dass hierdurch mittels des Systems die Interaktion zwischen dem Lichtsignal und den Markierungselementen gemessen werden kann, sodass die Strömungseigenschaften des Fluids ermittelt werden können.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung weist das Photonikelement der ersten Photonikeinheit einen Y-Strahlteiler auf, wobei die Lichtquelle an einem ersten Ende des Y-Strahlteilers angeordnet ist, wobei die Messeinheit an einem zweiten Ende des Y-Strahlteilers angeordnet ist und wobei ein drittes Ende des Y-Strahlteilers auf dem Strömungskanal der ersten Photonikeinheit angeordnet ist. Ein Vorteil besteht darin, dass hierdurch mittels des Systems die Interaktion zwischen dem Lichtsignal und den Markierungselementen gemessen werden kann, sodass die Strömungseigenschaften des Fluids ermittelt werden können.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung erstreckt sich der Strömungskanal der ersten Photonikeinheit von einem Ende einer ersten Photonikeinheit bis zum entgegengesetzten Ende der ersten Photonikeinheit. Es ist von Vorteil, dass es dem Fluid hierdurch ermöglicht wird, so durch die erste Photonikeinheit auf der Grundlage von Silicium zu strömen, dass die Strömung des Fluids in dem Strömungskanal die Strömung des Fluids in der Fluideinheit darstellt. Dadurch ist es möglich, dass die an dem Strömungskanal ermittelten Messwerte die Strömung des Fluids in der Fluideinheit genau darstellen.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung weisen der erste Messwert beziehungsweise der zweite Messwert jeweils eine Fluoreszenz, einen Reflexionsgrad, eine Brechkraft, einen Absorptionsgrad oder einen Emissionsgrad von Licht auf. Dadurch ist es möglich, dass mittels des Systems die Interaktion zwischen dem Lichtsignal und den Markierungselementen gemessen werden kann.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung sind auf der ersten Photonikeinheit eine oder mehrere Photonikeinheiten angeordnet. Ein Vorteil besteht darin, dass mittels des Systems Parallelmessungen des Fluids oder der Partikel vorgenommen werden können, wodurch die Datenerfassung sowie das Ermitteln der Eigenschaften des Fluids beschleunigt werden können.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung weisen die Markierungselemente Polystyrolkugeln mit darin enthaltenen fluoreszierenden Molekülen, anorganische Partikel, Quantenpunkte, Moleküle, organische Farbstoffe, metallische Mikropartikel und/oder metallische Nanopartikel auf. Ein Vorteil besteht darin, dass hierdurch mittels des Systems gemessen werden kann, wie das Lichtsignal mit den Markierungselementen interagiert und diese beeinflusst, wodurch Funktionsmessungen zum Ermitteln von Eigenschaften des Fluids ermöglicht werden.
Es wird eine Photonikeinheit gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung vorgestellt. Die Photonikeinheit weist auf: ein Substrat; ein auf dem Substrat angeordnetes erstes Photonikelement; ein auf dem Substrat angeordneter Strömungskanal, wobei das erste Photonikelement so angeordnet ist, dass ein optisches Signal den Strömungskanal von außerhalb der Photonikeinheit erreichen kann; und eine auf dem ersten Photonikelement und dem Strömungskanal angeordnete Deckschicht. Ein Vorteil besteht darin, dass hierdurch die Messung von Fluiden ermöglicht wird, die durch den Strömungskanal strömen, wodurch ein Ermitteln von Eigenschaften des Fluids ermöglicht wird.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ist der Strömungskanal so angeordnet, dass das Fluid zu einer zweiten Photonikeinheit strömen kann. Ein Vorteil besteht darin, dass hierdurch Strömungseigenschaften auf der Grundlage von Messungen an jeder Photonikeinheit ermittelt werden können, wodurch das Ermitteln der Strömungseigenschaften eines Fluids ermöglicht wird, die zwischen der Photonikeinheit und der zweiten Photonikeinheit strömt.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung sind das erste Photonikelement und ein zweites Photonikelement an entgegengesetzten Seiten des Strömungskanals so ausgerichtet, dass das optische Signal von dem ersten Photonikelement zu dem zweiten Photonikelement übergehen kann. Ein Vorteil besteht darin, dass hierdurch mittels des Systems die Interaktion zwischen dem Lichtsignal und den Markierungselementen gemessen werden kann, sodass die Strömungseigenschaften des Fluids ermittelt werden können.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung weist das erste Photonikelement einen Y-Strahlteiler auf, wobei sich ein erstes Ende des Y-Strahlteilers zu einer ersten Seite der Photonikeinheit hin erstreckt, wobei sich ein zweites Ende des Y-Strahlteilers zur ersten Seite der Photonikeinheit hin erstreckt und wobei ein drittes Ende des Y-Strahlteilers auf dem Strömungskanal angeordnet ist. Ein Vorteil besteht darin, dass hierdurch mittels des Systems die Interaktion zwischen dem Lichtsignal und den Markierungselementen gemessen werden kann, sodass die Strömungseigenschaften des Fluids ermittelt werden können.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ist die Photonikeinheit auf mindestens einer anderen Photonikeinheit angeordnet. Ein Vorteil besteht darin, dass hierdurch mittels des Systems Parallelmessungen des Fluids oder der Partikel durchgeführt werden können, wodurch die Datenerfassung sowie das Ermitteln der Eigenschaften des Fluids beschleunigt werden.
Es wird ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung bereitgestellt. Das Verfahren weist auf: Ermitteln eines ersten Messwertes mittels einer Messeinheit auf der Grundlage einer Mehrzahl optischer Signale und einer Strömung von Markierungselementen in einem Strömungskanal einer ersten Photonikeinheit; Ermitteln eines zweiten Messwertes mittels der Messeinheit auf der Grundlage der Mehrzahl optischer Signale und der Strömung der Markierungselemente in einem Strömungskanal einer zweiten Photonikeinheit, wobei der erste und der zweite Strömungskanal fluidisch miteinander verbunden sind; und Ermitteln einer mit dem Strom der Markierungselemente verknüpften Eigenschaft mittels der Messeinheit auf der Grundlage des ersten Messwertes und des zweiten Messwertes. Ein Vorteil besteht darin, dass hierdurch die Strömungseigenschaften eines Kanals trotz der Undurchsichtigkeit oder visuellen Abdeckung des Kanals ermittelt werden können. Ferner werden hierdurch die Kosten zum Ermitteln der Strömungseigenschaften von Fluiden in solchen Kanälen verringert, da die Ermittlungen nicht von Spezialausrüstungen wie transparente Wände und spezielle Mikroskopsysteme zur visuellen Untersuchung abhängen.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung weist das Ermitteln der Strömungseigenschaft ferner ein Ermitteln einer makroskopischen Strömungsgeschwindigkeit (U) eines Fluids auf, das die Markierungselemente enthält. Ein Vorteil besteht darin, dass hierdurch ein Ermitteln der Strömungseigenschaften in einzelnen Kanälen der Fluideinheit ermöglicht wird.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung wird die makroskopische Strömungsgeschwindigkeit (U) als Funktion einer Durchflussmenge (Q) des Fluids durch eine Querschnittsfläche (A) der Fluideinheit ermittelt wird, wobei Q von einem beaufschlagten Druckgradienten (VP) abhängt, sodass U = Q/A ist. Ein Vorteil besteht darin, dass hierdurch ein Ermitteln der Strömungseigenschaften in einzelnen Kanälen der Fluideinheit ermöglicht wird.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung wird die makroskopische Strömungsgeschwindigkeit (U) als Funktion einer durch die Mehrzahl Markierungselemente zurückgelegten Strecke (Δx) und einer zum Zurücklegen der Strecke Δx benötigten mittleren Zeitspanne ((Δt)) ermittelt, wobei die makroskopische Strömungsgeschwindigkeit (U) als Funktion einer durch die Mehrzahl Markierungselemente durchlaufenen Kanallänge (L) und einer zum Durchlaufen der Länge L benötigten mittleren Laufzeit (〈T_F〉) ermittelt wird, sodass U = Q/A = Δx/(Δt) = L/〈T_F〉 ist. Ein Vorteil besteht darin, dass hierdurch ein Ermitteln der Strömungseigenschaften in einzelnen Kanälen der Fluideinheit ermöglicht wird.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung weist das Ermitteln der Strömungseigenschaft ferner ein Ermitteln einer Durchlässigkeit (Permeabilität) (κ) eines Kanals der Fluideinheit in Abhängigkeit von der Viskosität (µ) des Fluids, der makroskopischen Strömungsgeschwindigkeit (U) und eines Druckgradienten VP auf, sodass κ = µU/(-∇P) ist. Ein Vorteil besteht darin, dass hierdurch ein Ermitteln der Strömungseigenschaften in einzelnen Kanälen der Fluideinheit ermöglicht wird.
Figurenliste

1 veranschaulicht ein Messsystem einer Fluideinheit gemäß einer Ausführungsform.
2A veranschaulicht eine Draufsicht auf eine skalierbare Strömungseinheit gemäß einer Ausführungsform.
2B veranschaulicht eine Querschnittsansicht einer skalierbaren Strömungseinheit gemäß einer Ausführungsform.
3 veranschaulicht ein Messsystem einer Fluideinheit mit einer mehrfach gestapelten, skalierbaren Strömungseinheit gemäß einer Ausführungsform.
4 veranschaulicht ein Verfahren zum Ermitteln der Strömungseigenschaften einer Fluideinheit gemäß einer Ausführungsform.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung betreffen ein Messsystem zum Ermitteln der Strömungseigenschaften eines Fluids in einer Mikrofluideinheit oder einer Nanofluideinheit. Wie oben erwähnt, beruhen herkömmliche Prozesse zum Ermitteln der Strömungseigenschaften auf einer visuellen Untersuchung von Partikeln in einem Fluid, die sich bei undurchsichtigen oder verdeckten Kanälen als ungeeignet erweist. Ferner werden bei herkömmlichen Prozessen üblicherweise aufwändige Mikroskopsysteme zum Untersuchen von Partikeln in dem Fluid eingesetzt. Ferner haben herkömmliche Prozesse aufgrund einer seriellen Untersuchung der Partikel in dem Fluid möglicherweise eine relativ geringe Leistungsfähigkeit.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung umfasst das Messsystem skalierbare Strömungseinheiten, die so auf oder innerhalb der Fluideinheit angeordnet sind, dass das Fluid der Fluideinheit durch einen Strömungskanal jeder skalierbaren Strömungseinheit strömt. Gemäß einer Ausführungsform weist jede skalierbare Strömungseinheit ein Photonikelement auf, mittels dessen es Licht ermöglicht wird, die Strömungskanäle der skalierbaren Strömungseinheiten zu erreichen. Das Messystem verfolgt in dem Fluid der Fluideinheit suspendierte Markierungselemente, während das Fluid durch die Strömungskanäle strömt. Mittels des Messsystems werden auch optische Messwerte auf der Grundlage von Interaktionen zwischen den Markierungselementen und dem in die Strömungskanäle gelangten Licht ermittelt. Die Strömungseigenschaften des Fluids werden auf der Grundlage der optischen Messwerte ermittelt.
Als Vorteile der oben erwähnten Ausführungsformen gegenüber herkömmlichen Prozessen zum Ermitteln der Strömungseigenschaften kommen infrage: die Fähigkeit zum Ermitteln der Strömungseigenschaften von Fluiden in undurchsichtigen oder verdeckten Kanälen, verringerte Kosten aufgrund von Ermittlungen der Strömungseigenschaften, die nicht von Spezialausrüstungen wie transparenten Wänden und speziellen Mikroskopsystemen zur visuellen Untersuchung abhängen, und erhöhte Leistungsfähigkeit aufgrund von Parallelmessungen zum Erfassen von Daten über die Strömung des Fluids.
1 veranschaulicht ein Messsystem 100 einer Fluideinheit gemäß einer Ausführungsform. Gemäß einer Ausführungsform weist das Messsystem 100 der Fluideinheit eine Fluideinheit 102 auf, die eine erste Kanalkonfiguration 104, eine zweite Kanalkonfiguration 106 und eine dritte Kanalkonfiguration 108 umfasst.
Bei der veranschaulichten Ausführungsform enthalten die erste Kanalkonfiguration 104 und die dritte Kanalkonfiguration 108 eine glatte Oberflächentextur, die zweite Kanalkonfiguration 106 hingegen enthält eine poröse Kanaltextur. Aufgrund der Unterschiede zwischen diesen Kanalkonfigurationen können die Strömungseigenschaften eines Fluids nicht identisch ein, da das Fluid von der ersten Kanalkonfiguration 104 zur dritten Kanalkonfiguration 108 strömt. Gemäß einem nicht als Einschränkung aufzufassenden Beispiel kann das Fluid mit einer ersten Durchflussmenge durch die erste Kanalkonfiguration 104 mit der glatten Oberflächentextur und mit einer anderen, zweiten Durchflussmenge durch die zweite Kanalkonfiguration 106 strömen, deren Oberflächentextur porös sein kann.
Gemäß einer Ausführungsform sind auf oder innerhalb der Kanalkonfigurationen der Fluideinheit eine oder mehrere Strömungseinheiten angeordnet (die nachfolgend unter Bezugnahme auf die 2A bis 2B näher erläutert werden, jedoch aus 1 weggelassen wurden, damit die wesentlichen Elemente des Messsystems 100 der Fluideinheit erkennbar sind). Jede skalierbare Strömungseinheit kann ein oder mehrere Photonikelemente aufweisen. Die Photonikelemente können einen Lichtwellenleiter, einen Strahlteiler, einen Kombinierer, einen Mischer und/oder ein Interferometer oder dergleichen aufweisen.
Wenn die Photonikelemente auf eine oder mehrere Lichtquellen 120A bis 120D ausgerichtet sind, übertragen die Photonikelemente Licht von einem Ort außerhalb der skalierbaren Strömungseinheiten in einen Strömungskanal der skalierbaren Strömungseinheit oder in eine Kanalkonfiguration der Fluideinheit. Bei der veranschaulichten Ausführungsform sind die Lichtquellen 120A bis 120D in Form vier separater Lichtquellen dargestellt, die an einer ersten Seite der Fluideinheit 102 (z.B. entlang einer Länge der Fluideinheit 102) angeordnet sind. Gemäß einer Ausführungsform können die Lichtquellen 120A bis 120D jedoch eine einzige Lichtquelle darstellen. Zum Beispiel kann es sich bei den Lichtquellen 120A bis 120D um eine einzige Leuchtstofflampe über die Länge der Fluideinheit hinweg oder eine einzige Lichtquelle mit vier einzelnen Lichtquellen handeln.
In 1 ist gezeigt, dass eine oder mehrere Messeinheiten 130A bis 130D an einer zweiten Seite der Fluideinheit angeordnet sind, die der ersten Seite entgegengesetzt ist. Wenn die Messeinheiten 130A bis 130D auf die Lichtquellen 120A bis 120D ausgerichtet sind, werden Lichtsignale von den Lichtquellen 120A bis 120D durch eine oder mehrere Kanalkonfigurationen der Fluideinheit zu den Messeinheiten 130A bis 130D übertragen. Bei den Messeinheiten 130A bis 130D kann es sich um eine beliebige Einheit, ein beliebiges Instrument oder Sensorsystem zum Detektieren oder Messen eines Lichtsignals handeln. Bei den Messeinheiten 130A bis 130D kann es sich zum Beispiel um einen Strömungssensor, eine Fotodiode, ein Fotometer, einen Belichtungsmesser, ein Spektrometer, ein Datenverarbeitungssystem oder einen Mikrocontroller und dergleichen handeln, der mit mindestens einer der vorhergehenden Einheiten verbunden ist.
Gemäß einer Ausführungsform enthalten die Messeinheiten 130A bis 130D Software zum Austauschen von Messwerten untereinander und zum Berechnen der Strömungseigenschaften auf der Grundlage der Messwerte. Gemäß einer anderen Ausführungsform sind die Messeinheiten 130A bis 130D zum Austauschen von Daten mit einem (nicht gezeigten) Datenverarbeitungssystem verbunden, das die Messwerte empfängt und die Strömungseigenschaften des Fluids auf der Grundlage der Messwerte berechnet.
Bei der veranschaulichten Ausführungsform sind die Messeinheiten 130A bis 130D in Form von vier separaten Messeinheiten dargestellt. Gemäß einer Ausführungsform können die Messeinheiten 130A bis 130D jedoch eine einzige Messeinheit darstellen, beispielsweise ein Datenverarbeitungssystem oder ein Mikrocontroller, der mit einem Strömungssensor, einer Fotodiode, einem Fotometer, einem Belichtungsmesser und/oder einem Spektrometer oder dergleichen verbunden ist.
Gemäß einer Ausführungsform ist ein Satz Markierungselemente 110 in dem Fluid suspendiert, um das Messsystem 100 der Fluideinheit beim Ermitteln der Strömungseigenschaften des Fluids beim Durchlaufen jeder Kanalkonfiguration zu unterstützen. Bei der veranschaulichten Ausführungsform sind die Markierungselemente 110 in dem Fluid der Fluideinheit 102 suspendiert. Die Markierungselemente 110 strömen aufgrund eines der Querschnittsfläche (A) der Fluideinheit beaufschlagten Druckgradienten (VP) durch die Fluideinheit. Während das Fluid von der ersten Kanalkonfiguration 104 zur dritten Kanalkonfiguration 108 strömt, können die Markierungselemente 110 die Strömungseigenschaften des Fluids in jeder entsprechenden Kanalkonfiguration darstellen.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Menge der in dem Fluid suspendierten Markierungselemente 110 begrenzt, sodass in jedem Augenblick ein einzelnes Markierungselement mit einem Lichtsignal von einer der Lichtquellen 120A bis 120D interagiert. Eine derartige Begrenzung der Anzahl der Markierungselemente 110 bietet den Vorteil, dass die dem betreffenden Lichtsignal entsprechende Messeinheit genauere Messwerte des einzelnen Markierungselements gewinnen kann, ohne durch Interferenz oder Störungen von anderen Markierungselementen beeinflusst zu werden.
Gemäß einer Ausführungsform sind die Markierungselemente 110 kleiner als mindestens eine Abmessung jeder Kanalkonfiguration, um sicherzustellen, dass die Strömung des Fluids in der Fluideinheit durch die Markierungselemente 110 nicht gestört oder verändert wird. Die Messeinheiten 130A bis 130D können die Strömungseigenschaften einer Kanalkonfiguration vor und nach dem Suspendieren der Markierungselemente in dem Fluid messen. Die Messeinheiten 130A bis 130D können die Strömungseigenschaften vor dem Suspendieren der Markierungselemente mit den Strömungseigenschaften nach dem Suspendieren der Markierungselemente vergleichen, um zu ermitteln, ob sich die vor dem Suspendieren der Markierungselemente 110 vorhandenen Strömungseigenschaften durch die Größe der Markierungselemente 110 verändert haben. Sollte eine solche Änderung eintreten, können die zu großen Markierungselemente entfernt oder durch Markierungselemente geeigneter Größe ersetzt werden, die sich nicht auf die vor dem Suspendieren der Markierungselemente ermittelten Strömungseigenschaften auswirken.
Weitere Eigenschaften der Markierungselemente 110 können für Messtechniken des Messsystems 100 der Fluideinheit genutzt werden. Zum Beispiel können fluoreszierende Markierungselemente für Messeinheiten genutzt werden, bei denen Messsignale auf der Grundlage von Fluoreszenz verwendet werden. Gemäß einer Ausführungsform weisen die Markierungselemente Polystyrolkugeln mit Molekülen auf, die nach Anregung durch Licht fluoreszieren. Daher werden die Moleküle so ausgewählt, synthetisiert oder eingefärbt, dass sie Licht mit einer Wellenlänge der Messsignale auf der Grundlage von Fluoreszenz absorbieren oder reflektieren. Die Markierungselemente können auch anorganische Partikel, Quantenpunkte, Moleküle, organische Farbstoffe oder dergleichen mit oder ohne Polystyrolträger aufweisen.
Die Markierungselemente können auch nichtfluoreszierende Stoffe zur Verwendung in Messeinheiten aufweisen, die andere optische Messsignale verarbeiten. Gemäß einer Ausführungsform können die Markierungselemente Mikropartikel oder Nanopartikel wie beispielsweise Gold-Nanopartikel oder Silber-Nanopartikel aufweisen.
Wenn die Markierungselemente fluoreszierende Stoffe aufweisen, können die Messeinheiten 130A bis 130D die Fluoreszenz der Markierungselemente messen, um die Strömungseigenschaften des Fluids in den Kanalkonfigurationen zu ermitteln. Wenn die Markierungselemente Metallpartikel aufweisen, können die Messeinheiten 130A bis 130D den Reflexionsgrad, die Brechkraft oder den Absorptionsgrad der Lichtsignale messen, um die Strömungseigenschaften des Fluids in den Kanalkonfigurationen zu ermitteln.
Wenn die Markierungselemente 110 bei der veranschaulichten Ausführungsform durch die erste Kanalkonfiguration 104 strömen, können die Markierungselemente 110 in einen ersten Strömungskanal einer (nicht gezeigten) ersten skalierbaren Strömungseinheit strömen. Die Lichtquelle 120A erzeugt ein Lichtsignal, das zu einem Photonikelement der ersten skalierbaren Strömungseinheit übertragen wird. Das Photonikelement der ersten skalierbaren Strömungseinheit kann das Lichtsignal in den Strömungskanal der ersten skalierbaren Strömungseinheit leiten. Während die Markierungselemente 110 den Strömungskanal der ersten skalierbaren Strömungseinheit durchlaufen, treffen die Markierungselemente 110 auf das Lichtsignal. Während dieses Zusammentreffen können durch die Messeinheit 130A eine Fluoreszenz der Markierungselemente 110 oder ein Absorptionsgrad, ein Reflexionsgrad oder eine Brechkraft des Lichtsignals gemessen werden. Gemäß einer Ausführungsform kann die Messeinheit 130A einen Zeitpunkt festlegen, zu dem sie eine Lichtintensität oder eine Änderung der Lichtintensität von den Markierungselementen 110 misst, und den Zeitpunkt an ein Datenverarbeitungssystem oder eine andere Messeinheit übermitteln.
Während die Markierungselemente 110 weiter durch die erste Kanalkonfiguration 104 strömen, können die Markierungselemente 110 in einen Strömungskanal einer (nicht gezeigten) zweiten skalierbaren Strömungseinheit strömen. Eine Lichtquelle 120B erzeugt ein Lichtsignal, das zu einem Photonikelement der zweiten skalierbaren Strömungseinheit übertragen wird. Das Photonikelement der zweiten skalierbaren Strömungseinheit kann das Lichtsignal in den Strömungskanal der zweiten skalierbaren Strömungseinheit leiten. Die Markierungselemente 110 treffen auf das Lichtsignal, während sich die Markierungselemente durch den Strömungskanal der zweiten skalierbaren Strömungseinheit bewegen. Während dieses Zusammentreffens kann die Messeinheit 130B eine Fluoreszenz der Markierungselemente 110 oder einen Absorptionsgrad, einen Reflexionsgrad oder eine Brechkraft des Lichtsignals messen. Gemäß einer Ausführungsform kann die Messeinheit 130B einen Zeitpunkt festlegen, zu dem sie eine von den Markierungselementen 110 ausgehende Lichtintensität oder Änderung der Lichtintensität misst, und den Zeitpunkt an ein Datenverarbeitungssystem oder eine andere Messeinheit übermitteln.
Gemäß einer Ausführungsform empfängt ein Datenverarbeitungssystem die Messwerte und Zeitpunkte (z.B. Zeitmarken) von der Messeinheit 130A und der Messeinheit 130B und ermittelt eine mittlere Zeitverzögerung (<Δt₁>) zwischen den Zeitpunkten. Somit kann der Wert <Δt₁> die mittlere Zeitspanne darstellen, die die Markierungselemente 110 zum Durchlaufen der ersten Kanalkonfiguration 104 benötigen. Gemäß einer anderen Ausführungsform kann eine Kombination der Messeinheiten 130A bis 130D zum Austauschen von Daten miteinander verbunden werden, um unter Verwendung eines ähnlichen Prozesses wie bei dem oben erwähnten Computersystem die einer Kanalkonfiguration in der Fluideinheit 102 entsprechende mittlere Zeitverzögerung zu ermitteln.
Bei der veranschaulichten Ausführungsform empfängt das Datenverarbeitungssystem Messwerte und Zeitpunkte, die der Lichtintensität von den Markierungselementen 110 entsprechen, während diese die Messeinheit 130A und die Messeinheit 130B durchlaufen. Das Datenverarbeitungssystem kann die Messwerte und Zeitpunkte der Lichtintensität von den Markierungselementen 110 als Funktion der Zeit (I/t) zuordnen. Dann kann das Datenverarbeitungssystem die Zeitpunkte höchster (oder niedrigster) Lichtintensitäten von den Markierungselementen 110 ermitteln und in Beziehung zu diesen Zeitpunkten setzen, um eine Zeitverzögerung (Δt₁) zwischen Höchstwerten oder Tiefstwerten der Lichtintensität von den Markierungselementen 110 zu ermitteln. Ferner kann das Datenverarbeitungssystem auf der Grundlage des Wertes Δt₁ den Wert <Δt₁> ermitteln. Gemäß einer anderen Ausführungsform können die Werte Δt₁ und <Δt₁> mittels einer Kombination der Messeinheiten 130A bis 130D unter Verwendung eines ähnlichen Prozesses wie bei dem oben erwähnten Computersystem ermittelt werden.
Bei der veranschaulichten Ausführungsform können die Markierungselemente 110 beim Durchströmen der zweiten Kanalkonfiguration 106 in einen Strömungskanal einer (nicht gezeigten) dritten skalierbaren Strömungseinheit strömen. Wie gezeigt ist, erzeugt die Lichtquelle 120C ein Lichtsignal, das zu einem Photonikelement der dritten skalierbaren Strömungseinheit übertragen wird. Das Photonikelement der dritten skalierbaren Strömungseinheit kann das Lichtsignal in den Strömungskanal der dritten skalierbaren Strömungseinheit leiten. Die Markierungselemente 110 treffen beim Durchlaufen des Strömungskanals der dritten skalierbaren Strömungseinheit auf das Lichtsignal. Während dieses Zusammentreffens kann die Messeinheit 130C eine Fluoreszenz der Markierungselemente 110 oder einen Absorptionsgrad, einen Reflexionsgrad oder eine Brechkraft des Lichtsignals messen. Gemäß einer Ausführungsform kann die Messeinheit 130C einen Zeitpunkt festlegen, an dem sie eine Lichtintensität oder eine Änderung der Lichtintensität von den Markierungselementen 110 misst, und den Zeitpunkt an ein Datenverarbeitungssystem oder eine andere Messeinheit übermitteln.
Gemäß einer Ausführungsform empfängt das Datenverarbeitungssystem die Messwerte und Zeitpunkte von der Messeinheit 130B und der Messeinheit 130C und ermittelt eine mittlere Laufzeit (<T_F>) zwischen den Zeitpunkten. Somit kann der Wert <T_F> die mittlere Zeitspanne darstellen, die die Markierungselemente 110 zum Durchlaufen der Kanalkonfiguration 106 benötigen. Gemäß einer anderen Ausführungsform kann eine Kombination der Messeinheiten 130A bis 130D zum Austauschen von Daten miteinander verbunden sein, um unter Verwendung eines ähnlichen Prozesses wir bei dem oben erwähnten Computerprozess den Wert <T_F> zu ermitteln.
Bei der veranschaulichten Ausführungsform empfängt das Datenverarbeitungssystem Messwerte und Zeitpunkte, die der Lichtintensität von den Markierungselementen 110 beim Durchlaufen der Messeinheit 130B und der Messeinheit 130C entsprechen. Das Datenverarbeitungssystem kann die Messwerte und Zeitpunkte der Lichtintensität von den Markierungselementen 110 als Funktion der Zeit (I(t)) zuordnen. Dann kann das Datenverarbeitungssystem die Zeitpunkte höchster (oder niedrigster) Lichtintensitäten von den Markierungselementen 110 ermitteln und diese Zeitpunkte in Beziehung zueinander setzen, um eine Laufzeit (T_F) der Markierungselemente 110 als Zeitverzögerung zwischen Höchstwerten oder Tiefstwerten der Lichtintensität von den Markierungselementen 110 zu ermitteln. Ferner kann das Datenverarbeitungssystem auf der Grundlage von T_F einen Wert <T_F> ermitteln. Gemäß einer anderen Ausführungsform können mittels einer Kombination der Messeinheiten 130A bis 130D unter Verwendung eines ähnlichen Prozesses wir bei dem oben erwähnten Computersystemprozess die Werte T_F und <T_F> ermittelt werden.
Bei der veranschaulichten Ausführungsform können die Markierungselemente 110 beim Durchlaufen der dritten Kanalkonfiguration 108 in einen Strömungskanal einer (nicht gezeigten) vierten skalierbaren Strömungseinheit strömen. Wie gezeigt ist, erzeugt die Lichtquelle 120D ein Lichtsignal, das zu einem Photonikelement der vierten skalierbaren Strömungseinheit übertragen wird. Das Photonikelement der vierten skalierbaren Strömungseinheit kann das Lichtsignal in den Strömungskanal der vierten Strömungseinheit leiten. Die Markierungselemente 110 treffen beim Durchlaufen des Strömungskanals der vierten skalierbaren Strömungseinheit auf das Lichtsignal. Während dieses Zusammentreffens kann die Messeinheit 130D eine Fluoreszenz der Markierungselemente 110 oder einen Absorptionsgrad, einen Reflexionsgrad oder eine Brechkraft des Lichtsignals messen. Gemäß einer Ausführungsform kann die Messeinheit 130D einen Zeitpunkt festlegen, an dem sie eine Lichtintensität oder eine Änderung der Lichtintensität von den Markierungselementen 110 misst, und den Zeitpunkt an ein Datenverarbeitungssystem oder eine andere Messeinheit übermitteln.
Gemäß einer Ausführungsform empfängt das Datenverarbeitungssystem die Messwerte und Zeitpunkte von der Messeinheit 130C und der Messeinheit 130D und ermittelt eine mittlere Zeitverzögerung (<Δt₂>) zwischen den Zeitpunkten. Somit kann der Wert <Δt₂> die mittlere Zeitspanne darstellen, die die Markierungselemente 110 zum Durchlaufen der dritten Kanalkonfiguration 108 benötigen. Gemäß einer anderen Ausführungsform können die Messeinheiten 130A bis 130D zum Austauschen von Daten miteinander verbunden sein und unter Verwendung eines ähnlichen Prozesses wie bei dem oben erwähnten Computerprozess den Wert Δt ermitteln.
Bei der veranschaulichten Ausführungsform empfängt das Datenverarbeitungssystem Messwerte und Zeitpunkte, die der Lichtintensität von den Markierungselementen 110 entsprechen, während diese die Messeinheit 130C und die Messeinheit 130D durchlaufen. Das Datenverarbeitungssystem kann die Messwerte und Zeitpunkte der Lichtintensität von den Markierungselementen 110 als Funktion der Zeit (I(t)) zuordnen. Dann kann das Datenverarbeitungssystem die Zeitpunkte höchster (oder niedrigster) Lichtintensitäten von den Markierungselementen 110 ermitteln und diese Zeitpunkte in Beziehung zueinander setzen, um eine Zeitverzögerung (Δt₂) zwischen Höchstwerten oder Tiefstwerten von den Markierungselementen 110 zu ermitteln. Ferner kann das Datenverarbeitungssystem auf der Grundlage des Wertes Δt₂ einen Wert <Δt₂> ermitteln. Gemäß einer anderen Ausführungsform können mittels einer Kombination der Messeinheiten 130A bis 130D die Werte Δt₂ und <Δt₂> unter Verwendung eines ähnlichen Prozesses wie bei dem oben erwähnten Computersystemprozess ermittelt werden.
Bei der veranschaulichten Ausführungsform ist mindestens eine Abmessung der ersten Kanalkonfiguration 104 und der dritten Kanalkonfiguration 108 gleich lang. Diese von den Markierungselementen 110 durchlaufene Länge wird mit Δx bezeichnet. Die Länge einer Abmessung der zweiten Kanalkonfiguration 106, die von den Markierungselementen 110 durchlaufen wird, wird mit L bezeichnet. Die Durchflussmenge (Q) des Fluids durch die Querschnittsfläche (A) der Fluideinheit hängt vom beaufschlagten Druckgradienten (VP) ab. Ausgehend von den oben erwähnten Informationen, Messwerten, Zeitpunkten, <Δt₁>, <Δt₂>, und <T_F> kann die makroskopische Strömungsgeschwindigkeit (U) des Fluids in der Fluideinheit wie folgt ermittelt werden:
$U = Q / A = Δ x / 〈 Δ t_{1} 〉 = Δ x / 〈 Δ t_{2} 〉 = L / 〈 T_{F} 〉$
Bei einer gemessenen oder beobachteten Viskosität des Fluids (µ), der makroskopischen Strömungsgeschwindigkeit (U) und dem der Querschnittsfläche (A) der Fluideinheit beaufschlagten Druckgradienten VP können weitere Strömungseigenschaften ermittelt werden. Unter der Voraussetzung der oben erwähnten Elemente kann die Durchlässigkeit (Permeabilität) (κ) des porösen Materials in der zweiten Kanalkonfiguration 106 wie folgt ermittelt werden:
$κ = μ U / (- \nabla P)$
Ein Vorteil des oben erwähnten Prozesses zum Ermitteln der Strömungseigenschaften des Fluids besteht darin, dass die Strömungseigenschaften nicht innerhalb einer vorgegebenen Kanalkonfiguration gemessen zu werden brauchen. Somit können die Strömungseigenschaften ermittelt werden, wenn eine Kanalkonfiguration undurchsichtig (oder anderweitig verdeckt ist, sodass visuelle Messtechniken zum Ermitteln der Strömungseigenschaften in der Kanalkonfiguration unbrauchbar sind.
Die 2A und 2B veranschaulichen eine skalierbare Strömungseinheit 200 gemäß einer Ausführungsform. 2A veranschaulicht eine Draufsicht der skalierbaren Strömungseinheit 200.
Bei der veranschaulichten Ausführungsform sind ein erstes Photonikelement 204, ein zweites Photonikelement 206 und ein Strömungskanal 208 auf einer ersten Schicht 202 auf der Grundlage von Silicium angeordnet. Eine zweite Schicht auf der Grundlage von Silicium (die in 2A weggelassen wurde, damit die darunter liegenden Elemente in der skalierbaren Strömungseinheit 200 sichtbar sind) ist auf dem ersten Photonikelement 204, dem zweiten Photonikelement 206 und dem Strömungskanal 208 angeordnet. Ferner enthält 2A die Schnittlinie A-A, die die in 2B veranschaulichte Querschnittsansicht andeutet.
Gezeigt ist ferner, dass das erste Photonikelement 204 senkrecht zur ersten Seite des Strömungskanals 208 angeordnet ist und dass das zweite Photonikelement 206 senkrecht zur zweiten Seite des Strömungskanals 208 angeordnet ist. Das erste Photonikelement 204 und das zweite Photonikelement 206 sind so aufeinander ausgerichtet, dass ein optisches Signal von einer außerhalb der skalierbaren Strömungseinheit 200 angeordneten Lichtquelle in ein erstes Ende des ersten Photonikelements 204 eintreten und durch ein zweites Ende des ersten Photonikelement 204 übergehen kann, das an der ersten Seite des Strömungskanals 208 angeordnet ist.
Gemäß einer Ausführungsform ist die skalierbare Strömungseinheit 200 so auf oder innerhalb einer Fluideinheit angeordnet, dass das Fluid von der Fluideinheit durch den Strömungskanal 208 strömt. Das Fluid kann in einer Richtung strömen, die zu der ersten und der zweiten Seite des Strömungskanals 208 parallel oder zu dem ersten Photonikelement 204 und dem zweiten Photonikelement 206 senkrecht ist. Das Fluid kann Markierungselemente enthalten, die so klein sind, dass sie den Strömungskanal durchlaufen, ohne die Strömung des Fluids im Strömungskanal oder in der Fluideinheit zu verändern oder zu stören.
Bei der veranschaulichten Ausführungsform kann das optische Signal von der ersten Seite des Strömungskanals 208 zur zweiten Seite des Strömungskanals 208 übergehen und trifft auf die Markierungselemente in dem Strömungskanal 208. Während dieses Zusammentreffens kann das optische Signal durch die Markierungselemente teilweise absorbiert, reflektiert oder gebrochen werden. Das optische Signal kann auch einen Fluoreszenzeffekt der Markierungselemente auslösen. Dann kann das optische Signal in die erste Seite des zweiten Photonikelements 206 übergehen, die an der zweiten Seite des Strömungskanals 208 angeordnet ist und von einer zweiten Seite des zweiten Photonikelements 206 austreten.
2B veranschaulicht eine Querschnittsansicht der skalierbaren Strömungseinheit 200. Bei der veranschaulichten Ausführungsform weist die skalierbare Strömungseinheit 200 die erste Schicht 202 auf der Grundlage von Silicium. Die erste Schicht 202 auf der Grundlage von Silicium kann Siliciumoxid, Siliciumnitrit oder einen anderen Isolator auf der Grundlage von Silicium aufweisen.
Der Strömungskanal 208 ist auf der ersten Schicht 202 auf der Grundlage von Silicium angeordnet. Das erste und das zweite Photonikelement 204 und 206 sind auf der ersten Schicht 202 auf der Grundlage von Silicium angeordnet. Gezeigt ist, dass das erste Photonikelement 204 an einer ersten Seite des Strömungskanals 208 gegenüber dem zweiten Photonikelement 206 angeordnet ist, das an einer zweiten Seite des Strömungskanals 208 angeordnet ist. Die Photonikelemente 204 und 206 können einen Lichtwellenleiter, einen Strahlteiler, einen Kombinierer, einen Mischer, ein Interferometer oder Ähnliches aufweisen.
Eine zweite Schicht 210 auf der Grundlage von Silicium kann auf den Photonikelementen und dem Strömungskanal 208 angeordnet sein. Gemäß einer Ausführungsform dient die zweite Schicht 210 auf der Grundlage von Silicium als Deckschicht. Die zweite Schicht 210 auf der Grundlage von Silicium kann Siliciumoxid, Siliciumnitrit oder einen anderen Isolator auf der Grundlage von Silicium aufweisen. Bei der veranschaulichten Ausführungsform ist die zweite Schicht 219 auf der Grundlage von Silicium auf dem ersten Photonikelement 204, dem Strömungskanal 208 und dem zweiten Photonikelement 206 angeordnet.
3 veranschaulicht ein Messsystem 300 einer Fluideinheit mit einer mehrfach gestapelten Strömungseinheit 304_1-N gemäß einer Ausführungsform. Gemäß einer Ausführungsform kann die mehrfach gestapelte, skalierbare Strömungseinheit 304_1-N auf oder innerhalb eines Kanals 302 der Fluideinheit angeordnet sein.
Die mehrfach gestapelte Strömungseinheit 304_1-N weist mindestens eine skalierbare Strömungseinheit auf, die auf einer ersten skalierbaren Strömungseinheit 304₁ angeordnet ist. Bei der veranschaulichten Ausführungsform ist eine skalierbare Strömungseinheit 304_N oberhalb der mehrfach gestapelten, skalierbaren Strömungseinheit 304_1-N angeordnet. Die skalierbare Strömungseinheit 304_N kann ein auf einem Strömungskanal 308 angeordnetes Photonikelement 306 enthalten. Das Photonikelement 30 ist als Y-Strahlteiler dargestellt.
Gezeigt ist ferner, dass das Messsystem 300 der Fluideinheit eine an einem ersten Ende des Photonikelements 306 angeordnete Lichtquelle 320 und eine an einem zweiten Ende des Photonikelements 306 angeordnete Messeinheit 330 enthalten kann. Die Lichtquelle 320 und die Messeinheit 330 können an derselben Seite der skalierbaren Strömungseinheit 304_N angeordnet sein.
Gemäß einer Ausführungsform arbeiten die Lichtquelle 320 und die Messeinheit 330 mit allen skalierbaren Strömungseinheiten der mehrfach gestapelten, skalierbaren Strömungseinheit 304_1-N zusammen. Gemäß einer anderen Ausführungsform arbeiten die Lichtquelle 320 und die Messeinheit 330 nur mit den skalierbaren Strömungseinheiten 304_N zusammen.
Gemäß einer Ausführungsform enthält die Fluideinheit ein Fluid mit einem Satz darin suspendierter Markierungselemente 310. Wenn das Fluid den Kanal 302 der Fluideinheit durchläuft, durchläuft das Fluid auch den Strömungskanal 208 der skalierbaren Strömungseinheit 304_N.
Bei der veranschaulichten Ausführungsform kann die Lichtquelle 320 ein Lichtsignal erzeugen, das sich durch das Photonikelement 306 vom ersten Ende des Photonikelements 306 zum Strömungskanal 308 ausbreitet. Wenn das Lichtsignal den Strömungskanal 308 erreicht, kann das Lichtsignal auf die Markierungselemente 310 treffen. Während dieses Zusammentreffens kann das Lichtsignal durch die Markierungselemente 310 teilweise absorbiert, reflektiert oder gebrochen werden. Das Lichtsignal kann auch einen Fluoreszenzeffekt in den Markierungselementen 310 auslösen. Dann kann sich das Lichtsignal zum zweiten Ende des Photonikelements 306 ausbreiten und die Messeinheit 330 erreichen. Die Messeinheit 330 kann das Lichtsignal messen und Strömungseigenschaften des Fluids ermitteln.
Ein Vorteil des Verwendens einer mehrfach gestapelten, skalierbaren Fluideinheit besteht in der erhöhten Genauigkeit und der beim Ermitteln der Strömungseigenschaften einer Fluideinheit eingesparten Zeit. Die mehrfach gestapelte, skalierbare Fluideinheit ermöglicht ein Durchführen von Messungen von Lichtsignalen in jeder skalierbaren Strömungseinheit der mehrfach gestapelten, skalierbaren Fluideinheit und dadurch ein paralleles Erfassen von Daten, die zum Ermitteln der Strömungseigenschaften verwendet werden.
4 veranschaulicht ein Verfahren 400 zum Ermitteln der Strömungseigenschaften einer Fluideinheit gemäß einer Ausführungsform. Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren 400 das Steuern eines Messsystems für Fluideinheiten. Das Messsystem für Fluideinheiten kann Lichtquellen zum Erzeugen von Lichtsignalen, in einem Fluid der Fluideinheit suspendierte Markierungselemente, eine oder mehrere Photonikeinheiten, die jeweils ein Photonikelement und einen Strömungskanal aufweisen, und Messeinheiten aufweisen. Gemäß einer Ausführungsform können die Photonikelemente einer ersten Photonikeinheit auf die Lichtquellen ausgerichtet sein, damit die Lichtsignale den Strömungskanal der ersten Photonikeinheit über die Photonikelemente der ersten Photonikeinheit erreichen können.
Die Photonikeinheiten können auf oder innerhalb eines Kanals der Fluideinheit angeordnet sein. Gemäß einer Ausführungsform strömt das Fluid der Fluideinheit aufgrund eines der Einheit beaufschlagten Druckgradienten in den Kanal. Das Fluid kann auch durch die Strömungskanäle der Photonikeinheiten auf oder innerhalb des Kanals strömen.
Das Verfahren 400 beginnt in Block 402. In Block 404 ermitteln Messeinheiten einen ersten Messwert auf der Grundlage der Lichtsignale und der Markierungselemente im Strömungskanal der ersten Photonikeinheit. Gemäß einer Ausführungsform sind in 1 die Photonikelemente der (nicht gezeigten) ersten Photonikeinheit auf eine Lichtquelle 120B ausgerichtet, wodurch es Lichtsignalen von der Lichtquelle 120B ermöglicht wird, den Strömungskanal der ersten Photonikeinheit zu erreichen. Die Markierungselemente 110 treffen auf das Lichtsignal von der Lichtquelle 120B, während die Markierungselemente 110 den Strömungskanal der ersten Photonikeinheit durchlaufen. Während dieses Zusammentreffens kann die Messeinheit 130B eine Fluoreszenz der Markierungselemente 110; eine Absorption, Reflexion oder Beugung des Lichtsignals; oder eine Änderung der Intensität des Lichtsignals messen. Gemäß einer Ausführungsform kann die Messeinheit 130B einen Zeitpunkt festlegen, an dem es eine Lichtintensität oder eine Änderung der Lichtintensität von den Markierungselementen 110 misst, und den Zeitpunkt an ein Datenverarbeitungssystem oder eine andere Messeinheit übermitteln.
In Block 406 ermitteln die Messeinheiten einen zweiten Messwert auf der Grundlage der Lichtsignale und der Markierungselemente in einem Strömungskanal einer zweiten Photonikeinheit. Gemäß einer Ausführungsform ist die zweite Photonikeinheit auf oder innerhalb des Fluidkanals an einem von der ersten Photonikeinheit verschiedenen Ort angeordnet.
Gemäß einer Ausführungsform sind in 1 die Photonikelemente der (nicht gezeigten) zweiten Photonikeinheit auf die Lichtquelle 120C ausgerichtet, wodurch es Lichtsignalen von der Lichtquelle 120C ermöglicht wird, den Strömungskanal der zweiten Photonikeinheit zu erreichen. Die Markierungselemente 110 können auf die Lichtsignale von der Lichtquelle 120C treffen, während die Markierungselemente 110 den Strömungskanal der zweiten Photonikeinheit durchlaufen. Während dieses Zusammentreffens kann die Messeinheit 130C eine Fluoreszenz der Markierungselemente 110; eine Absorption, eine Reflexion oder eine Beugung des Lichtsignals; oder eine Änderung der Intensität des Lichtsignals messen. Gemäß einer Ausführungsform kann die Messeinheit 130C einen Zeitpunkt festlegen, an dem sie eine Lichtintensität oder eine Änderung der Lichtintensität von den Markierungselementen 110 misst, und den Zeitpunkt an ein Datenverarbeitungssystem oder eine andere Messeinheit übermitteln. Gemäß einer Ausführungsform können Messungen unter Verwendung eines ähnlichen Prozesses wie oben an weiteren skalierbaren Strömungseinheiten vorgenommen werden.
In Block 408 ermitteln die Messeinheiten Eigenschaften in Bezug auf eine Strömung des Fluids oder der Markierungselemente auf der Grundlage des ersten und des zweiten Messwertes. Gemäß einer Ausführungsform empfängt das Datenverarbeitungssystem die Messwerte und Zeitpunkte und ermittelt eine mittlere Laufzeit (<T_F>) zwischen den Zeitpunkten. Somit kann der Wert <T_F> die mittlere Zeitdauer darstellen, die die Markierungselemente zum Durchlaufen der Strecke vom Ort der ersten Photonikeinheit bis zum Ort der zweiten Photonikeinheit benötigen. Der Abstand zwischen den Orten der ersten und der zweiten Photonikeinheit kann als Länge L dargestellt werden.
Gemäß einer Ausführungsform empfangen das Datenverarbeitungssystem oder die Messeinheiten die Messwerte und die Zeitpunkte und ermitteln eine mittlere Zeitverzögerung (<Δt>) zwischen den Zeitpunkten. Der Wert <Δt> kann zum Beispiel die Zeitspanne darstellen, die die Markierungselemente zum Durchlaufen der Strecke vom Ort der zweiten Photonikeinheit bis zum Ort einer dritten Photonikeinheit benötigen. Die Strecke zwischen den Orten der zweiten und der dritten Photonikeinheit kann durch den Wert dargestellt werden.
Die Durchflussmenge (Q) des Fluids durch die Querschnittsfläche (A) der Fluideinheit hängt von dem beaufschlagten Druckgradienten (VP) ab. Ausgehend von den oben erwähnten Informationen, Messwerten, Zeitpunkten, Δt und T_F, kann die makroskopische Strömungsgeschwindigkeit (U) des Fluids in der Fluideinheit wie folgt ermittelt werden:
$U = Q / A = Δ x / 〈 Δ t 〉 = L / 〈 T_{F} 〉$
Weitere Strömungseigenschaften können ausgehend von einer gemessenen oder beobachteten Viskosität des Fluids (µ) und der makroskopischen Strömungsgeschwindigkeit (U) ermittelt werden. Ausgehend von den oben erwähnten Elementen kann die Durchlässigkeit (Permeabilität) (κ) der zweiten Kanalkonfiguration wie folgt ermittelt werden:
$κ = μ U / (- \nabla P)$
Das Verfahren 400 endet in Block 410. Ein Vorteil des hierin offenbarten Verfahrens 400 besteht in der Fähigkeit, Strömungseigenschaften eines Fluids in einem Fluidkanal unabhängig von Unterschieden zwischen Konfigurationen des Fluidkanals zu ermitteln. Unter Bezugnahme auf 1 können zum Beispiel Messungen in skalierbaren Strömungseinheiten durchgeführt werden, die außerhalb der zweiten Kanalkonfiguration 106 (die den porösen Bereich enthält) positioniert sind, um die Strömungseigenschaften innerhalb der zweiten Kanalkonfiguration 106 zu ermitteln. Dies ist insbesondere von Vorteil, wenn eine Kanalkonfiguration visuell nicht zugänglich ist (z.B., wenn die Kanalkonfiguration undurchsichtig oder anderweitig verdeckt ist).
Die Beschreibungen der verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind zum Veranschaulichen vorgelegt worden, erheben jedoch nicht den Anspruch auf Vollständigkeit oder Einschränkung auf die offenbarten Ausführungsformen. Dem Fachmann dürften viele Modifikationen und Varianten offensichtlich sein, ohne vom Schutzumfang und Wesensgehalt der beschriebenen Ausführungsformen abzuweichen. Die hierin verwendeten Begriffe wurden gewählt, um die Grundgedanken der Ausführungsformen, die praktische Anwendung oder technische Verbesserung gegenüber handelsüblichen Technologien bestmöglich zu erläutern oder anderen Fachleuten das Verständnis der hierin offenbarten Ausführungsformen zu ermöglichen.
Oben wurde auf Ausführungsformen Bezug genommen, die in dieser Offenbarung dargelegt wurden. Der Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung ist jedoch nicht auf einzelne beschriebene Ausführungsformen beschränkt. Vielmehr ist jede Kombination von Merkmalen und Elementen denkbar, um unabhängig von einer Bezugnahme auf verschiedene Ausführungsformen allfällige Ausführungsformen umzusetzen oder auszuüben. Außerdem können hierin offenbarte Ausführungsformen zwar Vorteile gegenüber anderen möglichen Lösungen oder gegenüber dem Stand der Technik erlangen, jedoch soll, unabhängig davon, ob ein bestimmter Vorteil erlangt wird, der Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung hierdurch nicht eingeschränkt werden. Somit sind die hierin erörterten Aspekte, Merkmale, Ausführungsform und Vorteile lediglich veranschaulichend und werden nur dann als Elemente oder Einschränkungen der beiliegenden Ansprüche angesehen, wenn diese ausdrücklich in einem oder mehreren Ansprüchen erwähnt werden. Desgleichen sollten Bezugnahmen auf „die Erfindung“ nicht als Verallgemeinerung eines hierin offengelegten erfindungsgemäßen Gegenstands ausgelegt und als Element oder Einschränkung der beiliegenden Ansprüche angesehen werden, sofern diese nicht ausdrücklich in einem oder mehreren Ansprüchen erwähnt werden.
Aspekte der vorliegenden Erfindung können die Form einer kompletten Hardware-Ausführungsform, einer kompletten Software-Ausführungsform (darunter Firmware, residente Software, Mikrocode usw.) oder einer Ausführungsform annehmen, die Software- und Hardware-Aspekte miteinander kombiniert, die hierin sämtlich allgemein als „Schaltkreis“, „Modul“ oder „System“ bezeichnet werden können.
Bei der vorliegenden Erfindung kann es sich um ein System, ein Verfahren und/oder ein Computerprogrammprodukt handeln. Das Computerprogrammprodukt kann ein durch einen Computer lesbares Speichermedium (oder -medien) mit durch einen Computer lesbaren Programmanweisungen darauf umfassen, um einen Prozessor dazu zu veranlassen, Aspekte der vorliegenden Erfindung auszuführen.
Bei dem durch einen Computer lesbaren Speichermedium kann es sich um eine physische Einheit handeln, die Anweisungen zur Verwendung durch ein System zur Ausführung von Anweisungen behalten und speichern kann. Bei dem durch einen Computer lesbaren Speichermedium kann es sich zum Beispiel um eine elektronische Speichereinheit, eine magnetische Speichereinheit, eine optische Speichereinheit, eine elektromagnetische Speichereinheit, eine Halbleiterspeichereinheit oder jede geeignete Kombination daraus handeln, ohne auf diese beschränkt zu sein. Zu einer nicht erschöpfenden Liste spezifischerer Beispiele des durch einen Computer lesbaren Speichermediums gehören die Folgenden: eine auswechselbare Computerdiskette, eine Festplatte, ein Direktzugriffsspeicher (RAM), ein Nur-Lese-Speicher (ROM), ein löschbarer programmierbarer Nur-Lese-Speicher (EPROM bzw. Flash-Speicher), ein statischer Direktzugriffsspeicher (SRAM), ein auswechselbarer Kompaktspeicherplatte-Nur-Lese-Speicher (CD-ROM), eine DVD (digital versatile disc), ein Speicher-Stick, eine Diskette, eine mechanisch kodierte Einheit wie zum Beispiel Lochkarten oder erhabene Strukturen in einer Rille, auf denen Anweisungen gespeichert sind, und jede geeignete Kombination daraus. Ein durch einen Computer lesbares Speichermedium soll in der Verwendung hierin nicht als flüchtige Signale an sich aufgefasst werden, wie zum Beispiel Funkwellen oder andere sich frei ausbreitende elektromagnetische Wellen, elektromagnetische Wellen, die sich durch einen Wellenleiter oder ein anderes Übertragungsmedium ausbreiten (z.B. ein Lichtwellenleiterkabel durchlaufende Lichtimpulse) oder durch einen Draht übertragene elektrische Signale.
Hierin beschriebene, durch einen Computer lesbare Programmanweisungen können von einem durch einen Computer lesbaren Speichermedium auf jeweilige Datenverarbeitungs-/Verarbeitungseinheiten oder über ein Netzwerk wie zum Beispiel das Internet, ein lokales Netzwerk, ein Weitverkehrsnetzwerk und/oder ein drahtloses Netzwerk auf einen externen Computer oder eine externe Speichereinheit heruntergeladen werden. Das Netzwerk kann Kupferübertragungskabel, Lichtwellenübertragungsleiter, drahtlose Übertragung, Leitwegrechner, Firewalls, Vermittlungseinheiten, Gateway-Computer und/oder Edge-Server umfassen. Eine Netzwerkadapterkarte oder Netzwerkschnittstelle in jeder Datenverarbeitungs-/Verarbeitungseinheit empfängt durch einen Computer lesbare Programmanweisungen aus dem Netzwerk und leitet die durch einen Computer lesbaren Programmanweisungen zur Speicherung in einem durch einen Computer lesbaren Speichermedium innerhalb der entsprechenden Datenverarbeitungs-/Verarbeitungseinheit weiter.
Bei durch einen Computer lesbaren Programmanweisungen zum Ausführen von Arbeitsschritten der vorliegenden Erfindung kann es sich um Assembler-Anweisungen, ISA-Anweisungen (Instruction-Set-Architecture), Maschinenanweisungen, maschinenabhängige Anweisungen, Mikrocode, Firmware-Anweisungen, zustandssetzende Daten oder entweder Quellcode oder Objektcode handeln, die in einer beliebigen Kombination aus einer oder mehreren Programmiersprachen geschrieben werden, darunter objektorientierte Programmiersprachen wie Smalltalk, C++ o.ä. sowie herkömmliche prozedurale Programmiersprachen wie die Programmiersprache „C“ oder ähnliche Programmiersprachen. Die durch einen Computer lesbaren Programmanweisungen können vollständig auf dem Computer des Benutzers, teilweise auf dem Computer des Benutzers, als eigenständiges Software-Paket, teilweise auf dem Computer des Benutzers und teilweise auf einem fernen Computer oder vollständig auf dem fernen Computer oder Server ausgeführt werden. In letzterem Fall kann der entfernt angeordnete Computer mit dem Computer des Benutzers durch eine beliebige Art Netzwerk verbunden sein, darunter ein lokales Netzwerk (LAN) oder ein Weitverkehrsnetzwerk (WAN), oder die Verbindung kann mit einem externen Computer hergestellt werden (zum Beispiel über das Internet unter Verwendung eines Internet-Dienstanbieters). In einigen Ausführungsformen können elektronische Schaltungen, darunter zum Beispiel programmierbare Logikschaltungen, vor Ort programmierbare Gatter-Anordnungen (FPGA, field programmable gate arrays) oder programmierbare Logikanordnungen (PLA, programmable logic arrays) die durch einen Computer lesbaren Programmanweisungen ausführen, indem sie Zustandsinformationen der durch einen Computer lesbaren Programmanweisungen nutzen, um die elektronischen Schaltungen zu personalisieren, um Aspekte der vorliegenden Erfindung durchzuführen.
Aspekte der vorliegenden Erfindung sind hierin unter Bezugnahme auf Ablaufpläne und/oder Blockschaubilder von Verfahren, Vorrichtungen (Systemen) und Computerprogrammprodukten gemäß Ausführungsformen der Erfindung beschrieben. Es wird darauf hingewiesen, dass jeder Block der Ablaufpläne und/oder der Blockschaubilder sowie Kombinationen von Blöcken in den Ablaufplänen und/oder den Blockschaubildern mittels durch einen Computer lesbare Programmanweisungen ausgeführt werden können.
Diese durch einen Computer lesbaren Programmanweisungen können einem Prozessor eines Universalcomputers, eines Spezialcomputers oder einer anderen programmierbaren Datenverarbeitungsvorrichtung bereitgestellt werden, um eine Maschine zu erzeugen, so dass die über den Prozessor des Computers bzw. der anderen programmierbaren Datenverarbeitungsvorrichtung ausgeführten Anweisungen ein Mittel zur Umsetzung der in dem Block bzw. den Blöcken der Ablaufpläne und/oder der Blockschaubilder festgelegten Funktionen/Schritte erzeugen. Diese durch einen Computer lesbaren Programmanweisungen können auch auf einem durch einen Computer lesbaren Speichermedium gespeichert sein, das einen Computer, eine programmierbare Datenverarbeitungsvorrichtung und/oder andere Einheiten so steuern kann, dass sie auf eine bestimmte Art funktionieren, so dass das durch einen Computer lesbare Speichermedium, auf dem Anweisungen gespeichert sind, ein Herstellungsprodukt umfasst, darunter Anweisungen, welche Aspekte der/des in dem Block bzw. den Blöcken des Ablaufplans und/oder der Blockschaubilder festgelegten Funktion/Schritts umsetzen.
Die durch einen Computer lesbaren Programmanweisungen können auch auf einen Computer, eine andere programmierbare Datenverarbeitungsvorrichtung oder eine andere Einheit geladen werden, um das Ausführen einer Reihe von Prozessschritten auf dem Computer bzw. der anderen programmierbaren Vorrichtung oder anderen Einheit zu verursachen, um einen auf einem Computer ausgeführten Prozess zu erzeugen, so dass die auf dem Computer, einer anderen programmierbaren Vorrichtung oder einer anderen Einheit ausgeführten Anweisungen die in dem Block bzw. den Blöcken der Ablaufpläne und/oder der Blockschaubilder festgelegten Funktionen/Schritte umsetzen.
Die Ablaufpläne und die Blockschaubilder in den Figuren veranschaulichen die Architektur, die Funktionalität und den Betrieb möglicher Ausführungen von Systemen, Verfahren und Computerprogrammprodukten gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. In diesem Zusammenhang kann jeder Block in den Ablaufplänen oder Blockschaubildern ein Modul, ein Segment oder einen Teil von Anweisungen darstellen, die eine oder mehrere ausführbare Anweisungen zur Ausführung der festgelegten logischen Funktion(en) umfassen. In einigen alternativen Ausführungen können die in dem Block angegebenen Funktionen in einer anderen Reihenfolge als in den Figuren gezeigt stattfinden. Zwei nacheinander gezeigte Blöcke können zum Beispiel in Wirklichkeit im Wesentlichen gleichzeitig ausgeführt werden, oder die Blöcke können manchmal je nach entsprechender Funktionalität in umgekehrter Reihenfolge ausgeführt werden. Es ist ferner anzumerken, dass jeder Block der Blockschaubilder und/oder der Ablaufpläne sowie Kombinationen aus Blöcken in den Blockschaubildern und/oder den Ablaufplänen durch spezielle auf Hardware beruhende Systeme umgesetzt werden können, welche die festgelegten Funktionen oder Schritte durchführen, oder Kombinationen aus Spezial-Hardware und Computeranweisungen ausführen.
Das oben Gesagte bezieht sich zwar auf Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, jedoch können andere und weitere Ausführungsformen der Erfindung vorgeschlagen werden, ohne von deren wesentlichem Schutzumfang abzuweichen, der durch die folgenden Ansprüche festgelegt ist.

Claims

System, das aufweist: eine Lichtquelle, die zum Erzeugen einer Mehrzahl optischer Signale konfiguriert ist; in einem Fluid suspendierte Markierungselemente; eine Mehrzahl Photonikeinheiten, die jeweils ein Photonikelement und einen Strömungskanal umfassen; und eine Messeinheit, die so konfiguriert ist, dass sie: einen ersten Messwert auf der Grundlage der Mehrzahl optischer Signale und der Markierungselemente in einem Strömungskanal einer ersten Photonikeinheit der Mehrzahl Photonikeinheiten ermittelt, einen zweiten Messwert auf der Grundlage der Mehrzahl optischer Signale und der Markierungselemente in einem Strömungskanal einer zweiten Photonikeinheit der Mehrzahl Photonikeinheiten ermittelt, und eine Eigenschaft in Bezug auf eine Strömung des Fluids oder der Markierungselemente auf der Grundlage des ersten Messwertes und des zweiten Messwertes ermittelt.
System nach Anspruch 1, wobei ein Photonikelement der ersten Photonikeinheit auf die Lichtquelle ausgerichtet ist, um es der Mehrzahl optischer Signale zu ermöglichen, den Strömungskanal der ersten Photonikeinheit zu erreichen.
System nach Anspruch 1, wobei ein Photonikelement der ersten Photonikeinheit einen Lichtwellenleiter, einen Strahlteiler, einen Kombinierer, einen Mischer und/oder ein Interferometer aufweist.
System nach Anspruch 1, wobei ein erstes Photonikelement der ersten Photonikeinheit und ein zweites Photonikelement der ersten Photonikeinheit so an entgegengesetzten Seiten des Strömungskanals der ersten Photonikeinheit ausgerichtet sind, dass die Mehrzahl optischer Signale vom ersten Photonikelement zum zweiten Photonikelement übergehen kann.
System nach Anspruch 1, wobei das Photonikelement der ersten Photonikeinheit einen Y-Strahlteiler aufweist, wobei die Lichtquelle an einem ersten Ende des Y-Strahlteilers angeordnet ist, wobei die Messeinheit an einem zweiten Ende des Y-Strahlteilers angeordnet ist und wobei ein drittes Ende des Y-Strahlteilers auf dem Strömungskanal der ersten Photonikeinheit angeordnet ist.
System nach Anspruch 1, wobei sich der Strömungskanal der ersten Photonikeinheit von einem Ende einer ersten Photonikeinheit bis zum entgegengesetzten Ende der ersten Photonikeinheit erstreckt.
System nach Anspruch 1, wobei sowohl der erste Messwert als auch der zweite Messwert eine Fluoreszenz, einen Reflexionsgrad, eine Brechkraft, einen Absorptionsgrad oder einen Emissionsgrad von Licht aufweisen.
System nach Anspruch 1, wobei auf der ersten Photonikeinheit eine oder mehrere Photonikeinheiten angeordnet sind.
System nach Anspruch 1, wobei die Markierungselemente Polystyrolkugeln mit darin enthaltenen fluoreszierenden Molekülen, anorganische Partikel, Quantenpunkte, Moleküle, organische Farbstoffe, Metall-Mikropartikeln und/oder Metall-Nanopartikel aufweisen.
Photonikeinheit, die aufweist: ein Substrat; ein auf dem Substrat angeordnetes erstes Photonikelement; einen auf dem Substrat angeordneten Strömungskanal, wobei das erste Photonikelement so angeordnet ist, dass es einem optischen Signal ermöglicht, den Strömungskanal von außerhalb der Photonikeinheit zu erreichen; und eine auf dem ersten Photonikelement und dem Strömungskanal angeordnete Deckschicht.
Photonikeinheit nach Anspruch 10, wobei der Strömungskanal so angeordnet ist, dass er einem Fluid ermöglicht, zu einer zweiten Photonikeinheit zu strömen.
Photonikeinheit nach Anspruch 10, wobei das erste Photonikelement einen Lichtwellenleiter, einen Strahlteiler, einen Kombinierer, einen Mischer und/oder ein Interferometer aufweist.
Photonikeinheit nach Anspruch 10, wobei das erste Photonikelement und ein zweites Photonikelement so an entgegengesetzten Seiten des Strömungskanals ausgerichtet sind, dass das optische Signal von dem ersten Photonikelement zu dem zweiten Photonikelement übergehen kann.
Photonikeinheit nach Anspruch 10, wobei das erste Photonikelement einen Y-Strahlteiler aufweist, wobei sich ein erstes Ende des Y-Strahlteilers zu einer ersten Seite der Photonikeinheit erstreckt, wobei sich ein zweites Ende des Y-Strahlteilers zu der ersten Seite der Photonikeinheit erstreckt und wobei ein drittes Ende des Y-Strahlteilers auf dem Strömungskanal angeordnet ist.
Photonikeinheit nach Anspruch 10, wobei die Photonikeinheit auf mindestens einer anderen Photonikeinheit angeordnet ist.
Verfahren, das aufweist: Ermitteln eines ersten Messwertes mittels einer Messeinheit auf der Grundlage einer Mehrzahl optischer Signale und einer Strömung von Markierungselementen in einem Strömungskanal der ersten Photonikeinheit; Ermitteln eines zweiten Messwertes mittels der Messeinheit auf der Grundlage der Mehrzahl optischer Signale und der Strömung der Markierungselemente in einem Strömungskanal einer zweiten Photonikeinheit, wobei der erste und der zweite Strömungskanal fluidisch miteinander verbunden sind; und Ermitteln einer Eigenschaft in Bezug auf die Strömung der Markierungselemente mittels der Messeinheit auf der Grundlage des ersten Messwertes und des zweiten Messwertes.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei das Ermitteln der Eigenschaft ferner ein Ermitteln einer makroskopischen Strömungsgeschwindigkeit (U) eines Fluids aufweist, das die Markierungselemente enthält.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei die makroskopische Strömungsgeschwindigkeit (U) als Funktion einer Durchflussmenge (Q) des Fluids durch eine Querschnittsfläche (A) der Fluideinheit ermittelt wird, wobei Q von einem beaufschlagten Druckgradienten (VP) derart abhängt, dass U = Q/A Ist.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei die makroskopische Strömungsgeschwindigkeit (U) als Funktion einer von der Mehrzahl Markierungselemente zurückgelegten Strecke (Δx) und einer mittleren Zeitspanne ((Δt)) ermittelt wird, die zum Zurücklegen der Strecke Δx benötigt wird, wobei die makroskopische Strömungsgeschwindigkeit (U) als Funktion einer von der Mehrzahl Markierungselemente zurückgelegten Kanallänge (L) und einer mittleren Laufzeit (〈T_F〉) ermittelt wird, die zum Zurücklegen der Länge L benötigt wird, sodass U = Q/A = Δx/(Δt) = L/〈T_F〉 ist.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei das Ermitteln der Strömungseigenschaft ferner ein Ermitteln einer Durchlässigkeit (Permeabilität) (κ) eines Kanals der Fluideinheit in Abhängigkeit von einer Viskosität des Fluids (µ), der makroskopischen Strömungsgeschwindigkeit (U) und eines Druckgradienten VP aufweist, sodass κ = µU/(-VP) ist.