WO2008080552A2 - Verfahren und vorrichtung zur durchflussmessung - Google Patents

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WO2008080552A2
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pulsation
membrane
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Bartels Mikrotechnik GmbH
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    • G01F3/225—Measuring the volume flow of fluids or fluent solid material wherein the fluid passes through the meter in successive and more or less isolated quantities, the meter being driven by the flow with measuring chambers which expand or contract during measurement having flexible movable walls, e.g. diaphragms, bellows for gases characterised by constructional features of membranes or by means for improving proper functioning of membranes

Definitions

  • the present invention relates to a method for detecting the amount of fluid delivered by means of a conveyor and to a device for carrying out the same.
  • the measurement of volume and mass flows is of great interest in many areas of technology.
  • the measured variable must be detected by a reliable sensor and forwarded to the rules.
  • Applications range from heavy industry (eg volume flow measurement of hydraulic fluids in drives), the automotive industry (air mass sensor, fuel pump control), via process engineering and pharmacy (control of the mixing ratio during the continuous running mixture of different media or substances), the electric and the electronics industry (eg continuous soldering processes), the plastics industry (precise conveying of plastic granulate in the production of continuous films or tubes), medical technology (blood pumping, dialysis, accurate continuous dosing of active substances), micro- and nanotechnology (eg coating of surfaces) with some atomic layers of thin layers in continuous processes).
  • heavy industry eg volume flow measurement of hydraulic fluids in drives
  • the automotive industry air mass sensor, fuel pump control
  • process engineering and pharmacy control of the mixing ratio during the continuous running mixture of different media or substances
  • the electric and the electronics industry eg continuous soldering processes
  • the plastics industry precise conveying of plastic granulate in the production of continuous films or tubes
  • medical technology blood pumping, dialysis, accurate continuous dosing of active substances
  • micro- and nanotechnology
  • volumetric flow sensors are used wherever the time profile of the realized delivery rate (the delivery rate) must be known by means of suitable delivery devices (for example pumps).
  • the media to be measured both liquids
  • gases e.g., air
  • a fluid is a substance that is considered as a continuum. All gases and liquids are fluids. These fluids deform indefinitely under the influence of shear stress. At rest, however, these fluids can not absorb shear stress, but only normal stresses, which are described by a scalar quantity, the so-called pressure.
  • fluids are subdivided into Newtonian fluids or non-Newtonian fluids, whereby the functional relationship of thrust / shear stress and distortion velocity, which describes the flow behavior of the medium, is used for the classification.
  • the measuring range (lowest and highest volume flow to be measured) and the necessary
  • the smallest quantities of fluids are generally pumped. These often range from nl / min to ml / min.
  • the measurement of such small amounts of fluid poses a special technical challenge, since the sensor exerts a significant influence on the entire fluidic system due to the limitations of its miniaturization, because it is no longer negligible in comparison to the conveyor and the corresponding volumes.
  • the sensor in turn affects the measurement result by, for example, the fluid provides additional resistance, or its viscosity and thus flowability by significant, so not negligible heating influenced. In these cases, the sensor itself must be understood as a disturbance variable.
  • the degree of influence must be known and considered in the evaluation of the sensor signals. If, for example, the heat capacity of the sensor is known, then the energy which is necessary for its heating can be calculated and subtracted from the measured energy. From the difference, it is now possible to determine the speed with which the fluid must have flowed past the heat source. Depending on the measuring principle, the influence on different physical parameters has an effect; Above all, sensors can influence the maximum fluid flow and the viscosity and thus the flow velocity of the fluid. In particular, the following principles are known from the prior art for the measurement of fluid volume flows, wherein not all methods are equally suitable for small and very small quantities at reasonable expense:
  • a heated wire e.g., platinum
  • a heated wire is introduced into the fluid stream. There it heats the surrounding fluid. Depending on the flow rate of the fluid more or less heat is dissipated on the wire. This can e.g. via a temperature sensor, the heating wire in low
  • the temperature of the heating element which is located directly on a temperature sensor, kept constant, and the necessary power used as a measured variable (for example, air mass sensor in the vehicle).
  • a disadvantage of the heating wire measurement is in particular that, depending on the structure, a not inconsiderable amount of energy is consumed for the heating of the fluid. Since microsystems, however, usually have only a very limited supply of energy, especially from the point of view of increasing mobility, there is one Consumption by conversion into heat undesirable. Also undesirable is the heating of the fluid itself, since in certain applications, temperature-sensitive liquids or substances (eg medical agents) are promoted, which could be adversely affected by the heating.
  • the required "self-cleaning" of the wires by short-term very high performance, which lead to a warming to red hot, with dirt particles and deposits burn by pyrolysis, is not in such systems due to the often temperature-sensitive materials (plastics) at least individual components applicable.
  • Differential pressure sensor a chamber which is divided by a membrane in two hermetically separate half spaces. At Pressurization of one of the two half-spaces changes the curvature of the membrane, which can be converted by means of suitable tools in an electrical size. If one of the half-spaces is in communication with the fluid and the other with the environment (open chamber), then the internal pressure of the fluid channel is measured against the ambient pressure, since the amount of curvature corresponds to the pressure difference between inside and outside.
  • the fluid can also be in communication with both chambers, wherein they are coupled to spaced-apart locations of the fluid-carrying channel. Then the differential pressure of these two points is measured.
  • the two measuring points are at a certain distance from each other on the walls of a channel or tube with a two-stage diameter.
  • Bernoulli principle states that a cross-sectional taper of a flowing fluid is associated with an increase in speed. This is derived from the more general Bernoulli equation, according to which the sum of all energy forms of a flowing fluid at different points of a flow path is always the same. Bernoulli's statement also applies, according to which the total pressure in a fluid is the sum of static and dynamic pressure.
  • the channel cross-section may need to be significantly reduced in order to obtain a sufficiently high differential pressure at low flow velocities and thus volume flows.
  • An artificially introduced into the system choke reduced in the worst case, the overall performance of the pressure generating conveyor. In particular, in the case of very small volume flows and / or miniaturized pumps, this principle is therefore unsuitable.
  • An absolute pressure sensor compares the pressure to be measured with a fixed value.
  • he has for this purpose two hermetically separated by means of a membrane chambers, one of which is in contact with the fluid to be measured, and the other forms a hermetically sealed space through a closed housing.
  • a membrane chambers one of which is in contact with the fluid to be measured, and the other forms a hermetically sealed space through a closed housing.
  • this room there is a pre-set pressure in the production of the sensor, which is normally not changeable. If there are temperature fluctuations, these can be detected and eliminated, for example, by means of an integrated temperature sensor.
  • the differential pressure between the two measuring points can be determined by subtracting both absolute pressures.
  • the further evaluation corresponds to the case described above.
  • the pressure drop in a straight or curved pipe due to friction is used to determine the volumetric flow.
  • the underlying principle is described by the law of Hagen-Poiseuille on the boundary layer theory for laminar flows.
  • different types of pressure sensors can be used again.
  • the disadvantage of the narrowing channel cross section is eliminated.
  • a certain friction in the fluid is necessary, otherwise the pressure drop between the measuring points will be too low or the measuring distance must be very long. Both disadvantages are particularly noticeable in miniaturized systems where short distances and low pumping power are available anyway.
  • a corresponding pressure sensor In order to determine the flow rate by means of this principle, a corresponding pressure sensor must either directly determine the dynamic pressure or it must detect the total pressure as well as the static pressure. The missing third pressure
  • This sensor may in its entirety comprise several individual pressure sensors which are responsible for the detection of the individual pressures.
  • a practical example for the execution of a total pressure sensor is, for example, the so-called pitot tube, an L-shaped tube which is used in particular in aviation. Further developed as Prandtl 's pitot tube, it has, on the one hand, a main opening facing the direction of flow, with which the
  • Ambient pressure can be detected as total pressure.
  • the tube also has lateral holes, with which only the static pressure surrounding the measuring tube is detected.
  • a suitable differential pressure sensor By means of a suitable differential pressure sensor, the two chambers are acted upon in each case one of the two pressures, the flow velocity of the fluid can then be determined by detecting the pressure difference between the static and total pressure.
  • two absolute pressure sensors can also be used.
  • Such sensors are mainly used in process engineering and can be used for a variety of media.
  • the common name there is pitot tube.
  • pitot tube For the smallest amounts of fluid, they are not very suitable because the probe must be small in relation to the channel diameter in order not to influence the pressure and thus the flow conditions in turn. Due to the poor miniaturization of the structure, no microsensors based on the principle of Pitot or Prandtl's pitot tube are known. If there are elements in the volumetric flow which oppose this to a certain resistance, then the forces which arise thereby cause a deformation of the elements. If these elements are suitable for making their deformation accessible, for example, by means of a change in their electrical resistance to a measurement, then it is possible in this way to conveniently close the fluid flow causing the deformation by means of so-called strain gauges.
  • DMS Strain gauges
  • Venturi counters in which the volume flow is mechanically impeded and the differential pressure along the obstacle is measured. Similar instruments are used to measure the strength of turbulence on obstacles (English, vortex meter).
  • the medium to be measured is a conductive fluid (e.g., water), it may be considered a conductor moving in a magnetic field applied from the outside. According to the law of Faraday for electromagnetic induction, a potential difference is generated, which is proportional to the flow velocity of the fluid. This can be removed and measured by means of suitable electrodes.
  • a conductive fluid e.g., water
  • it may be considered a conductor moving in a magnetic field applied from the outside.
  • a potential difference is generated, which is proportional to the flow velocity of the fluid. This can be removed and measured by means of suitable electrodes.
  • Ultrasonic meters measure the difference in the propagation velocity of ultrasonic wave pulses emitted at a certain angle towards or in the direction of the flow. From the time difference can be on the middle Flow rate along the ultrasonic path are closed.
  • the determination of the Doppler shift of an (ultra) sonic beam reflected by the fluid can also be used to measure the fluid velocity.
  • the Coriolis mass flow measurement works by transversally vibrating an elastic tube (straight or curved) by means of a mechanical device. If no fluid flows in the pipe, a different vibration pattern is formed than at flow velocities greater than zero. The change in the waveform is directly linked to the mass flow of the fluid. A simple multiplication of the volume flow with the density of the fluid is then no longer correct if air bubbles or non-constant density distributions are present across the cross section. The Coriolis measurement is therefore not usable as a volume flow measurement.
  • a wire in the fluid flow gets into vibrations whose frequency is proportional to the mean flow velocity and thus to the volume flow.
  • the vibrations are generated by mutually forming, detached from the flow vortices.
  • vortex counters both the vibrations of the wire and the pressure fluctuations (for example, capacitively) generated by the periodic vortex shedding can be detected and further processed.
  • This measuring principle is universally applicable to liquids, gases and vapors and offers above all the advantage of drift-free, so that over the entire lifetime must not be recalibrated.
  • the described method can only be used above a certain volume flow range ( ⁇ ml / min range), since the conveying-induced deformation of the hose part or its measurement can be detected with sufficient accuracy only from relatively high pressures (200 hPa or 0.2 bar overpressure) is.
  • the pressure sensor explicitly comprises a piezoelectric layer with which the conveyed deformation of the elastic tube can be detected and provided in the form of electrical signals.
  • Pressure sensor only the detection of reaching a maximum pressure, but not the determination of the flow rate.
  • the method is not suitable for gases and has the above disadvantages of such a measurement.
  • the presently described prior art methods using pressure sensors for detecting a conveyed fluid quantity initially have the common disadvantage that only continuously and uniformly transported fluid quantities can be detected with sufficient accuracy. Further disadvantages relate both to the sometimes considerable costs of the system components and to the possibility of their integration into devices which are to be used in the field of microsystem technology and nanotechnology.
  • the object of the present invention is therefore to provide a method for detecting a conveyed fluid quantity, which can be carried out using inexpensive components and reproducibly delivers precisely the most accurate results, especially at very low flow rates. Furthermore, the object comprises the provision of suitable devices and components for carrying out the method according to the invention.
  • the method according to the invention serves to detect the fluid quantity flowing through a channel and is based on a comparison of the profiles of at least two signals which are related to a pulsation-related pressure change of the fluid flow and at the same time at non-identical locations or at different times at a location of the fluid flow be recorded.
  • the process according to the invention preferably takes place in the following steps:
  • the volume flow of the fluid can be determined from the comparison of the profiles.
  • the experiments carried out to the present invention show that even the smallest amounts of a fluid can be reliably detected, as long as the fluid is pulsating and the pulsation-induced pressure change can be detected and / or is known. Furthermore, experiments have surprisingly shown that irregularities in the fluid flow, such as may be caused by entrained air bubbles, due to the high sensitivity of the method safely determined and optionally taken into account or even eliminated.
  • the term "actuator” is used in a uniform manner instead of the distinction between the pulsation device and the pump and is preceded by the term “system” or “flow sensor” comprising the entire pulsation or pumping and sensor unit Construction is meant, whereas “sensor”, “pressure sensor” and “detector” only denote the unit for receiving the fluid pulsation pressure present in this structure.
  • the term “profile” as used herein refers to the course of a signal within a pulsation period and includes “parameters” such as in particular positive and / or negative amplitude, slope of the positive and negative edges, and time of the various zero crossings.
  • the method according to the invention serves to detect the fluid quantity flowing through a channel by comparing the profiles of at least two signals which are related to a pulsation-related pressure change of the fluid flow and simultaneously detected at non-identical locations of the fluid flow or at different points in time at one location of the fluid flow become.
  • the curves of the "profiles" and / or individual or several parameters thereof are used for comparison purposes. These profiles represent the smallest unit of the signal curves that repeat periodically due to the pulsation, provided that the system is in a stationary state Pressure profiles and thus profiles characterized, which consist of a result in substantially the same pulses or the resulting pressure gradients.
  • At least one of the profiles can be provided by so-called "standard values", these standard values originating from earlier measurements or simulations.
  • At least a first and a second signal are required in order to generate the corresponding profiles therefrom and then to be able to compare them with one another.
  • the first signal is provided according to the invention by (a) the signal for controlling the pulsation device, by means of which the amount of fluid in the channel in pulsating motion, or (b) the signal of a pressure sensor of the pulsating fluid detecting sensor, or (c) standard values, These in turn result, for example, from a simulation of the fluidic system or from previously performed measurements and subsequent generation and storage of the standard values.
  • a second signal is provided according to the invention by a downstream pressure sensor.
  • the amount of fluid flowing through the channel can be closed in various ways. For this, e.g. mathematical methods, or simulation of the system.
  • Another application variant of the method according to the invention consists in comparing the current profile or current standard values with those profiles or standard values that were previously recorded and whose assigned fluid quantities are known. The determination of the amounts of these comparative profiles or comparative standard values can be carried out using other methods, such as e.g. Weighing done.
  • Detection of disturbances in the fluid stream can be done. These disorders are particularly gas bubbles or not properly operating conveyors. Accordingly, such disturbances can be reliably detected by comparing a profile which corresponds to the desired operation with a currently recorded one which corresponds to the disturbed operation. If an attempt is made to restore proper operation by means of suitable measures, the success of these measures can be monitored promptly by means of the method according to the invention.
  • This device is used to provide and, if desired, the processing of the presently described signals 1 and 2.
  • the device serves to detect (detect) the quantity of fluid flowing through a channel by comparing the profiles of two signals which are related to a pulsation-related pressure change of the fluid flow and at the same time at non-identical points of the fluid flow or at different points in time Fluid stream are detected, wherein the device comprises at least one detector for detecting an input variable and for transformation into an output formed by an elastically deformable membrane, which is arranged fixed with respect to the fluid-carrying channel and at least on one side with the fluid in Contact is, wherein the membrane at its edge fluid-tight against the channel.
  • the device comprises an evaluation unit for further processing of the output variable.
  • the evaluation unit is used to generate profiles according to the invention from each input variable, as well as their further processing in the form of a comparison with other profiles, as well as, if desired, the display or transmission of the data resulting from the further processing.
  • the evaluation unit can be assigned to the detector as an external component or preferably as an integrated component.
  • the input quantity to be detected by the detector according to the invention is preferably the pressure of the fluid quantity flowing through the channel at a certain measuring location.
  • the output signal of the detector (s) is in a form which can be easily converted into an electrical signal, e.g. as optical, acoustic, mechanical, magnetic or capacitive signals.
  • the output of the detector directly provides an electrical signal, that is a current, a voltage or a resistance change.
  • the at least one detector is provided in the form of an elastically deformable membrane fixed with respect to the channel, which is in contact with the fluid to be measured at least on one side, so that it is elastically deformed or deflected due to changes in pressure of the fluid.
  • the diaphragm in the basic position has a displacement of zero and characterizes the state in which the pressure on both sides of the diaphragm is substantially identical.
  • membrane materials in principle, all commercially available materials in question.
  • those materials can be used which have a modulus of elasticity which is significantly lower than that of the material surrounding the membrane.
  • those materials are preferred which also meet specific requirements such as fatigue strength, temperature resistance, tightness, etc.
  • the device according to the invention comprises the elastically deformable membrane of the at least one detector in the form of a piezoelectric layer.
  • a layer of this material is deposited. This layer has on each of its two sides an electrode which, via a line attached to each electrode, permits a simple derivation of the signal or, alternatively, a supply of the power required for a temporal pulsation operation described below (compare FIGS. 13).
  • the elastically deformable membrane has the properties of an actuator.
  • the application of an electrical voltage to the electrodes of the pressure sensor membrane causes a change in their curvature, resulting in a movement of the fluid adjacent to the membrane, which is for example particularly advantageous for supporting the pulsation when expelling gas bubbles.
  • the device according to the invention preferably further comprises a pulsation device for generating the necessary for the application of the inventive method pulsation of the channel flowing through the fluid amount.
  • the pulsation device comprises a piezo-driven membrane, which in a most preferred embodiment comprises the same structural features as the detector used for detecting the pressure profiles according to the invention.
  • the first signal for controlling the pulsation Device such as a pulsating pump or provided by a sensor for detecting the pressure state of an already pulsating fluid
  • the second signal is generated with a downstream pressure sensor.
  • Further signals can be generated by further, located in the flow path of the fluid channel pressure sensors. The process of comparing two signals recorded at the same time but at different locations is shown by way of example in FIG. 9 and will be described in detail at the appropriate place.
  • the first signal representing the pressure state of the pulsating fluid flow can alternatively also be provided in the form of a standard value, which can be stored in an evaluation unit according to the invention and the parameters of the overall system such as, in particular, the type of fluid, the diameter of the channel and / or the properties of the Pulsation source taken into account. Also in this case, the second signal is generated by the downstream pressure sensor.
  • the first signal which is to be assigned to the pressure profile of the pulsation source, is not already available, for example, in the form of the control signal of the pulsation-generating actuator, this can also be obtained with the sensory means generating the signal 2, if the signal thus obtained is present 1 corresponding profile is then stored to be compared at a later time with the time-delayed recorded, updated profile of the signal 2.
  • Such a device is illustrated, for example, in FIG. 1, when the measuring and evaluation electronics shown there enable the possibility of storing the signal 1 obtained by the sensor.
  • the use of a previously stored signal as the basis for a comparison with a signal which is recorded at a later time is shown by way of example in FIG. 12 and will be described in detail at the appropriate place.
  • At least two signals are always supplied to a comparison or adjustment, the signals being characterized by specific profiles.
  • These profiles of the at least two signals are compared with one another according to the invention, which is preferably done by plotting the two signal profiles over at least one complete pulsation period and evaluating the respective deviations.
  • this comparison can be carried out automatically in an integrated or parallel control and / or evaluation unit.
  • the first signal as close to the pulsation source and the second signal downstream of the pulsation source are detected.
  • the measuring system has a further measuring means, which preferably also allows the pressure detection before the pulsation device.
  • the present invention thus also provides a reliable basis for the detection of disturbances in the fluid flow. Reference is made to FIG. 12 and the corresponding description.
  • the method according to the invention provides the following procedures for determining the volume flow from the measurement signal or the measurement signals or the profiles derived therefrom:
  • At least one means for detecting the pressure curve for the signal 2 as well as a further means for detecting the pressure curve for the signal 1, if this can not already be provided otherwise, eg by NutzU the drive signals of the pulsation source, or by previously stored in a memory device according to the invention norm values.
  • All means for detecting pressures and / or pressure fluctuations which present the signal in an electronically processable form are preferred, so that the method according to the invention can be applied thereto.
  • Sensory means are therefore particularly preferred in which the measurement signal is present as directly as possible as electrical variable (current, voltage or resistance change). Again particularly preferred methods are those in which the change in the output signal is approximately proportional to the change in the measured variable. This is the case, for example, with pressure sensors with a mechanically deformed membrane, since their curvature changes approximately proportionally with the pressure difference between the membrane sides.
  • a particularly preferred embodiment of the means for detecting pressure fluctuations is formed by a stationary but elastically deformable membrane in contact with the flowing fluid.
  • a stationary but elastically deformable membrane in contact with the flowing fluid.
  • this is preferably connected along its peripheral edge with the surrounding material, wherein the freedom of movement of the
  • Membrane must be ensured in at least one degree of freedom, preferably perpendicular to the membrane surface.
  • Connection can, for example, by clamping, clamping, or by simply reducing locally the strength of the
  • the membrane can be firmly clamped or movably mounted in a preferred embodiment.
  • the membrane forms part of the outer wall of the channel, through which the fluid to be measured flows.
  • the immediate environment of the membrane is as inelastic as possible, so that their deformation is negligible with pressure change in the channel interior with respect to the Membranwölbungs selectedung.
  • the membrane is located on a separate, enclosing a cavity and rigid as possible housing and forms part of the outer wall of this housing. The interior of the housing is fluidly in contact with the fluid to be measured.
  • the membrane is located in the interior of the housing and divides its interior into two compartments separated from each other in a fluid-tight manner.
  • One of the compartments is in fluidic contact with the fluid to be measured, while the other compartment is completely closed or fluidically in contact with the environment by means of suitable fluidic connection elements (see Fig. 1) or in fluidic contact with another
  • Position of the fluid to be measured can stand. This last embodiment allows the recording of two signals by means of a single pressure sensor, which is a particular advantage over the prior art.
  • both additive methods (layer structures) and subtractive (erosive) methods and combinations thereof are used.
  • Particularly preferred are structures of polymeric layers, e.g. can be produced by means of injection molding, lamination or laser processing, and joined together by means of joining methods such as gluing, clamping, laser welding or solvent bonding.
  • the energy originating from the pulsation device and transmitted by the flowing fluid, which flows into the deflection of the separating and sensor membrane in order to deflect it and thus to generate the signal is as small as possible.
  • the stored energy in the elastic membranes in their re-deformation is free again (elastic spring), this is always associated with a certain loss of frictional heat, for example, at the elastic storage of the separation membrane is formed.
  • the object of a detector according to the invention and designed, for example, as described above is the detection of the pressure fluctuation of the fluid and its transformation into an output variable, which is preferably an electrical signal. Since the pressure fluctuation of the fluid leads to a curvature or stroke change (referred to in the following as membrane displacement) of the elastically deformable membrane, it must be ensured that this curvature is converted into an electrical signal which can be unambiguously assigned to the curvature.
  • Such methods may, for example, be selected from: optical methods in which a reflective, flexible layer is applied on the fluid-remote side of the separating membrane, which diffuses a light beam of its curvature which impinges on it in a correspondingly different manner; optical methods in which on the fluid-remote side of the separation membrane, a reflective, but substantially rigid layer is mounted, which deflects a light beam incident on her position corresponding to in different directions; optical methods that can determine propagation time differences due to changing distances; acoustic methods that measure distances, for example, with the Doppier effect; mechanical methods in which the curvature is converted via mechanical elements such as rods, levers, joints, etc.
  • a piezoactive layer which is located on the side facing away from the fluid of the membrane and is firmly connected thereto.
  • the detector membrane is identical to the piezoactive layer in a preferred embodiment.
  • the piezoactive layer of the existing of another material elastically deformable membrane is superimposed and connected in a particularly preferred embodiment with this.
  • the piezoactive layer is preferably located on the side facing away from the fluid. Stand both sides of the membrane in Contact with the fluid, this may be in an intermediate layer of the layered membrane.
  • This piezoactive layer further has on both sides at least one electrode for the acceptance and transmission of the voltage to a measuring or evaluation device.
  • the electrical leads of the electrodes can be guided in the preferred case of an outwardly open compartment through the existing opening to the outside.
  • the electrodes can typically be produced by means of suitable vapor deposition processes in the appropriate places.
  • Coatings and the use of conductive ceramics e.g. can be activated by means of laser radiation (so-called Molded Interconnect Device / MID technology) can be used.
  • the electrodes for measuring the voltage are in the form of strips on the side of the membrane facing away from the fluid. - The electrodes are in the form of a sandwich structure inside the membrane.
  • the electrodes are made of thin tracks of gold, copper, or other conductive or semiconducting materials.
  • the device according to the invention may preferably further comprise a pulsation source which is necessary in particular when the quantity of fluid to be measured does not already pulsate in an evaluable form.
  • the pulsation source may comprise a piezo-driven diaphragm from whose drive signal the signal 1 can be obtained, provided that the drive signals of the pulsation source are freely accessible.
  • the device according to the invention can be a conveyor in the form a pump, which is particularly preferably a piezo-driven diaphragm pump.
  • the pulsation source may be integrated with the pressure sensor unit or pressure sensor units in a common housing.
  • the device according to the invention may further comprise an evaluation unit which serves to generate the profiles from the detector signals as well as their electronic further processing and optionally additionally provides one or more standard values.
  • the evaluation unit can in particular also comprise a memory unit if either only one detector unit is present and the method according to the invention is used by comparing two profiles taken in chronological succession, or if the comparison of the continuously updated profile with previously obtained standard values occurs.
  • the evaluation unit may further comprise a drive unit for the temporary use according to the invention of a preferred detector as an actuator, provided that the detector is constructed using piezoelectric materials.
  • the evaluation unit can be housed in a separate housing, or it can be particularly preferably integrated with one or more elements of the device according to the invention in a common housing.
  • the present invention ensures that the measured variable is present in a readily further processable form, such as, in particular, as current or voltage, which is very well compatible with standard electronics (measurement, control and regulation technology), which eliminates the need for costly forming, amplification, etc. ,
  • the response time of the detectors used in the invention is so short that a sufficiently fine time-resolved detection of a single pumping cycle is possible.
  • the detection of the amount of fluid can be concluded by comparing the detected signals or the profiles derived therefrom on the flow direction of the fluid flowing through the channel.
  • Another advantage of the present invention is based on the fact that only a single pressure sensor is required for volume flow measurement by means of pressure sensor, since not the pressure difference between two measurement points, but the ratio of Aktoran horrung and sensor measurement signal is used to determine the flow rate. This is an important difference to the state of the art.
  • a particularly preferred variant of the detector used in the invention can be used without great effort temporarily as an actuator to provide, for example, in addition to an increased flow rate in the overall system.
  • gas bubbles which are otherwise stuck in the system, be forwarded.
  • the present invention provides in a preferred embodiment, the integration of the device according to the invention in the housing of a conveyor or vice versa, whereby a combined system of conveying and measuring device can be produced inexpensively.
  • the pressure sensor can be produced with practically identical manufacturing methods as a pulsation device according to the invention, provided that the pulsation device is based on a piezo-driven diaphragm.
  • Fig. 1 shows a section through the structure of a preferred embodiment of a pressure sensor system of the invention Volumetric flow sensor 10, which serves to record pressure gradients and their transformation into electrical signals.
  • the medium to be measured flows into a measuring channel 12 and from there to the outlet 13.
  • the pressure prevailing in the measuring channel is also present in the measuring chamber 15 via a transverse channel 14.
  • the pressure acts on the separating membrane 16 and bulges it at overpressure such that the volume of the measuring chamber increases.
  • the separation membrane moves in the opposite direction, reducing the volume of the measurement chamber.
  • one or two sides be mounted on an elastic ring 17, which thus additionally ensures the tightness of the measuring chamber.
  • the material of the ring must be substantially adapted to the fluid to be used and at the same time have sufficient elasticity so as not to prevent the movement of the membrane.
  • the pressure sensor membrane 18 is attached or stored. This may for example consist of piezoelectric material, so that it generates corresponding voltage signals during a movement of the separation membrane. These are guided through outgoing at the top and bottom of the pressure sensor membrane electrical lines 19 and 20 through an opening 21 to the outside, where they can be evaluated by means of a measuring electronics 2.
  • Fluid conveyor 3 is connected downstream.
  • the pressure sensor unit of the conveyor downstream In the drawing, the pressure sensor unit of the conveyor downstream, however, a pre-circuit is possible.
  • this conveyor is a pump, in particular a micro-pump.
  • the two elements By means of a connecting piece 5, the two elements are in fluid communication.
  • the common inlet is formed by the inlet 31 of the pump, while the common outlet corresponds to the outlet 13 of the pressure sensor unit.
  • the pump 3 and the pressure sensor unit 1 can be constructed from virtually identical components. This is advantageous under certain circumstances, for example for keeping a minimum number of components in the parallel production of both systems, but by no means a condition. From Fig. 2 it is further apparent that the only significant difference between the pump and pressure sensor unit is the presence of valves 32 in the pumping system 3 and the absence thereof in the pressure sensor system 1. It should be noted, however, that the absence of the valves in the pressure sensor system for its function is not significant, but can be done for purely economic reasons. Shown by a dashed arrow 6 is the transfer of the measurement signal of the pressure sensor unit to the control electronics, so that an automatic control of the volume flow by means of the control loop pump pressure sensor is made possible ,
  • the pressure sensor unit 1 is integrated into the housing of a suitably designed pulsating fluid conveying system 3.
  • the components that are needed to build the pump and pressure sensor unit are largely identical.
  • the fluidic systems pressure sensor unit 1 and pump 3 may be housed in a common housing 7.
  • the intended functional separation of the two systems is due to the vertical dash-dotted line 71 indicated.
  • the connector 5 now consists only of a simple channel; further fluidic interfaces for coupling the two systems are no longer necessary.
  • Also integrated in a housing 8 are the measuring electronics 2 and the control electronics 4 of the overall system 7.
  • FIG. 4 shows a combination of a pump 3 together with upstream and downstream pressure sensor unit Ia, Ib.
  • the pump is connected to a control electronics 4 and each pressure sensor unit is connected to evaluation electronics 2a and 2b, respectively.
  • a coupling of the drive with the evaluation electronics is indicated by the arrows 6a, 6b.
  • the fluidic systems are connected to one another by means of corresponding connecting pieces 5.
  • the entire system 10 may be associated with an inlet 31 and an outlet 13.
  • FIG. 5 shows an integrated variant of the combination of a pump 3 and a pre-connected and a downstream pressure sensor unit Ia or Ib shown in FIG.
  • the names correspond to those introduced above; Added to the integrated housing 7 and the integrated control and evaluation 8th
  • FIG. 6 shows schematically the structure of a volumetric flow sensor 10 according to the invention, in which there is no possibility to use the control signals of an existing pulsation source 3 directly. It is composed of two pressure sensor units Ia and Ib located downstream of the pulsation source, which are the same as determining the pressure profiles Allow times in different places. The first, nearer to the pulsation source (not shown) pressure sensor unit Ia supplies the signal 1, the second, further from the pulsation source remote pressure sensor unit signal 2. Both signals are summarized via corresponding signal lines in a common evaluation unit 2.
  • Fig. 7 shows the structure shown in Fig. 6 as an integrated variant.
  • the two pressure sensor units Ia and Ib are combined in a common housing 7. Since the pressure curve changes as a function of the distance to the pulsation source and a good measurable difference between the two signals is given only at a certain distance of the measuring points from each other, it may be necessary to artificially increase the distance between the pressure sensor units Ia, Ib. This can for example be achieved by the indicated fluidic spacer 5 ', which is located between the pressure sensor units.
  • a volumetric flow meter system 10 which is composed of two pressure sensor units 1a, 1b described above and a modified conveyor 3 ', which is advantageously constructed of identical elements as the pressure sensor units.
  • the modified pump 3 ' is constructed identically to the pressure sensor units 1a, 1b and is operated in the actuator mode only contrary to the measuring mode used for the pressure sensor units, ie supplied with a cyclically changing voltage which excites the piezoelectric layer 18 of the membrane composite and in conjunction with the separation membrane 16 leads to a deflection of the same.
  • Pump 3 is arranged. This pump has in contrast to the pump shown in drawing 2 no valves 32, so they when driving the membrane only generates a pulsation, which, however, does not result in a net transport of fluid, since the fluid can escape at pressure increase by the modified pump in both connecting channels 5 and in the subsequent pressure reduction from both connecting channels 5 back into the pumping chamber of the modified pump. 3 'flows back. These pressure fluctuations can be measured with the pressure sensor units located in front of and behind the modified pump. Further elements are the measuring and evaluation electronics 8 ', which in contrast to the integrated control and measuring electronics 8' no direct feedback between the pressure sensor units and the modified actuator control 4 'includes. Instead, a transmitter 8 'collects all the data for the pumpless measuring system and generates a numerical value for the volume flow according to the method according to the invention.
  • both pressure sensor units In the case of a standing fluid, ie without an externally impressed fluid flow through the system, both pressure sensor units (with the same geometry, fluidic resistance of the lines, etc.) measure an identical signal.
  • FIG. 9 shows the drive signal 100 of the pump or pulsation unit and the pressure sensor signal 200 of the pressure sensor unit in the event that the pump or pulsation device is operated significantly below the resonance frequency of the pressure sensor unit.
  • the scaling of the two curves is aligned for better visualization; Normally, the drive and the measuring signal voltages may differ more clearly in amplitude.
  • the signal of the pressure sensor unit (measuring signal) also begins to move from its zero line 201 in the positive direction.
  • the vertex of the measurement signal 202 is delayed from the rising edge of the drive signal 101 by a value ⁇ ti.
  • the position of these two reference points, in the example 101 and 202 is initially freely selectable and should preferably be such that the determination of the times and the associated amplitudes can be done as safely as possible and reproducibly in each period.
  • the pressure pulse 210 represented by the pressure sensor signal forms (shaded) back again; after the pulse, no fluid is pumped until the cycle begins again.
  • a negative pulse 211 occurs at the pressure sensor unit, which becomes smaller the better the resistance to kickback of the valves used in the pump. In this way, so an evaluation and control of an important pump element, the Valve, done. If one of the valves jams or does not close properly due to soiling, for example, the height of the return pulse 211 changes to larger values, indicated by the dashed line 211.
  • further parameters h 2 i and / 2 exemplified in FIG. or At 1 which allow a parameter-based description of the profiles, for example by means of the amplitudes and the associated times, can be detected by means of fewer, relevant records important changes in the profile and draw conclusions about the associated flow rates.
  • FIG. 10 shows the drive signal 100 of the pump and the pressure sensor signal 200 of the pressure sensor unit at a frequency slightly below the resonant frequency of the pressure sensor unit.
  • the reduced cycle time of a pumping or pulsation cycle can be read off from the number of time units required to complete an entire cycle, symbolized by the number of correspondingly passed vertical divisions on the time scale. While approximately 8 time units are required in FIG. 9 for one cycle, consisting of the same length of activation and rest phase of the pump or pulsation device, the number of time units in FIG. 10 is only half as large, which means a doubled drive frequency the pump or pulsation device.
  • a cycle begins again at time to, indicated by the first perpendicular dashed line.
  • the time ⁇ ti between the beginning of the pumping or pulsation cycle and the reaching of the peak value 202 of the pressure sensor signal is identical to the previously described case, since from the point of view of the pressure sensor unit there is no difference between the previously described case.
  • the negative half-wave 211 again coincides with the time when the actuator voltage 102 is switched off.
  • the size of the half-wave 211 differs from that shown in FIG
  • the system is now closer to the resonance frequency. Since the valves each have to switch from the open to the closed state, less time is available for switching because of the shorter cycle time compared to the previous case. Relatively speaking, a somewhat longer time is needed to close than at a frequency well below the resonant frequency, and a larger pressure pulse is visible in the outlet.
  • the size of the positive half-wave 210 is virtually identical to the half-wave shown in FIG. The reason corresponds to that given in the previous paragraph for the identity of ⁇ ti of both drawings.
  • the fluid-demanding pump is operated at resonance frequency.
  • the number of time units for one cycle is again reduced by a factor of 2 compared to the case described in FIG.
  • the time ⁇ ti to the two vertices of curve 100 and 200 to each other. are in turn identical to the previous cases.
  • the size of the positive half cycle 210 differs in size and shape hardly from the previous cases.
  • the negative half-wave 211 is much smaller; This also points to the particularly effective pumping work in resonance mode.
  • Fig. 12 shows in comparison a drive and pressure sensor curve of Fig. 9 (normal operation) with a pressure sensor curve 200 ', in which there is a gas bubble in the system between conveyor and pressure sensor unit.
  • the actuator membrane receives the signals 100 necessary for operation, in contrast to the gas bubble-free operation 200 with the signal amplitude hi
  • the pressure sensor diaphragm outputs a signal 200 'greatly reduced in its amplitude h 2 , which is produced by the fact that the pumping resp Pulsation power is used essentially to a reversible compression of the gas bubble, which is not incompressible in contrast to the fluid and stores the pressure pulse of the actuator in the form of spring energy and releases again, without a significant amount of fluid is promoted.
  • the Presence of such a disturbance can be done reliably by evaluating the amplitude of the sensor signal.
  • Fig. 13 shows (in idealized form) the process of detection, expulsion and reassessment test of a gas bubble.
  • the pulsation-generating unit is here simultaneously the conveyor unit whose drive signals are available.
  • the pump operates normally and no disturbance of the pressure sensor signal 200 is detected (signal amplitude hi).
  • a greatly reduced signal level h 2 is measured, which indicates the presence of a gas bubble.
  • the pressure sensor is used as an actuator and receives an active signal 300 (voltage pulse).
  • This can be shifted for optimum support of the pump signal 100 by an amount .DELTA.t ', wherein the value for .DELTA.t' can be determined, for example, by experiments.
  • the actuator signal is switched off and checked by means of the signal level of the pressure sensor, if this has returned to normal. If this is not the case, then the phase III and IV is repeated (III ', IV) until the pressure sensor signal has returned to normal.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Messung von Volumenströmen vorzugsweise flüssiger, aber auch gasförmiger Fluide. Kern des Messinstrumentes ist eine beweglich gelagerte Membran, welche auf einer Seite fluidisch mit dem Druck des geförderten Mediums kommunizieren kann. Druckänderungen, wie sie insbesondere bei pulsierenden Fördereinrichtungen (z.B. Membranpumpen) auftreten, führen zu zyklischen Druckänderungen in der Messkammer und an der Messmembran. Fehlt die Pulsation durch Verwendung einer nicht-pulsierenden Fördereinrichtung, so kann die Pulsation durch eine zusätzliche Pulsationseinrichtung erzeugt werden. Mittels eines geeigneten Aufnehmers, insbesondere eines piezoaktiven Materials, welches bei Biegung eine Spannung erzeugt, kann die sich zyklisch ändernde Auslenkung der Messmembran erfasst und beispielsweise einer Auswerteelektronik zugeführt werden. In einer besonders vorteilhaften Ausführung bestehen Förder- bzw. Pulsations- und Messeinrichtung aus nahezu den gleichen Elementen und sind in ein gemeinsames Gehäuse integriert.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Durchflussmessung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung der mittels einer Fördereinrichtung geförderten Fluidmenge sowie eine Vorrichtung zur Ausführung derselben. Die Messung von Volumen- und Massenströmen ist in vielen Bereichen der Technik von großem Interesse. Insbesondere bei der Regelung von Durchflussmengen muss die Messgröße von einem zuverlässigen Sensor erfasst und an das Regelwerk weitergeleitet werden. Die Anwendungsfelder reichen von der Schwerindustrie (z.B. Volumenstrommessung von hydraulischen Flüssigkeiten in Antrieben) , der Kfz-Industrie (Luftmassensensor, Kraftstoffpumpenregelung) , über die Verfahrenstechnik und Pharmazie (Regelung des Mischungsverhältnisses während der kontinuierlich ablaufenden Mischung verschiedener Medien bzw. Substanzen), die Elektro- und Elektronikindustrie (z.B. kontinuierliche Lötvorgänge) , die Kunststoffindustrie (genaues Fördern von Kunststoffgranulat beim Herstellen von Endlosfolien oder -röhren), die Medizintechnik (Förderung von Blut; Dialyse; genaue kontinuierliche Wirkstoffdosierung) , bis hin zur Mikro- und Nanotechnologie (z.B. Beschichten von Oberflächen mit einige Atomlagen dünnen Schichten in Durchlaufprozessen) .
Generell kann davon ausgegangen werden, dass Volumenstromsensoren überall dort zum Einsatz kommen, wo der zeitliche Verlauf der realisierten Fördermenge (die Förderrate) mittels geeigneter Fördereinrichtungen (z.B. Pumpen) bekannt sein muss.
Allgemein können die zu messenden Medien sowohl Flüssigkeiten
(z.B. Wasser, Chemikalien, Lote, etc.) als auch Gase (z.B. Luft,
Edel- oder Reaktionsgase, Kühlgase, etc.) oder (partikelförmige)
Feststoffe (z.B. Granulat, Sand, Schüttgut, etc.) sein. Je nach zu messendem Medium werden spezifische Ansprüche an den Sensor gestellt, weshalb es nicht möglich ist, einen Sensor zu konzipieren, der für alle Medien und Anwendungsfelder eingesetzt werden kann. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere die Erfassung und Messung von Fluidströmen . Ein Fluid ist ein Stoff, der als Kontinuum betrachtet wird. Alle Gase und Flüssigkeiten sind Fluide. Diese Fluide verformen sich unter dem Einfluss von Scherspannungen unbegrenzt. Im Ruhezustand können diese Fluide jedoch keine Schubspannung aufnehmen, sondern nur Normalspannungen, die durch eine skalare Größe, den so genannten Druck beschrieben wird. Fluide werden grundsätzlich wie auch erfindungsgemäß in Newtonsche Fluide oder Nicht-Newtonsche Fluide unterteilt, wobei zur Klassifizierung der funktionale Zusammenhang von Schub-/Scherspannung und Verzerrungsgeschwindigkeit, der das Fließverhalten des Mediums beschreibt, herangezogen wird.
Neben der Medienart sind vor allem der Messbereich (geringster und höchster zu messender Volumenstrom) und die notwendige
Genauigkeit dafür ausschlaggebend, welche Art von Sensor zum
Einsatz gelangt. Im Stand der Technik ist eine kaum zu überblickende Vielzahl von Sensoren bekannt, die praktisch alle
Felder der Technik abdeckt. Optimierungsbedarf existiert allerdings häufig in den Bereichen Robustheit, Kosten und
Genauigkeit, insbesondere am unteren Ende des technisch sinnvollen bzw. möglichen Messbereiches.
Speziell im Bereich der Mikro- und Nanotechnologie werden im Allgemeinen kleinste Mengen von Fluiden, meist Flüssigkeiten, gefördert. Diese bewegen sich oftmals im Bereich von nl/min bis ml/min. Das Messen derart geringer Fluidmengen stellt eine besondere technische Herausforderung dar, da der Sensor aufgrund der Grenzen seiner Miniaturisierbarkeit einen wesentlichen Einfluss auf das gesamte fluidische System ausübt, denn er ist im Vergleich zur Fördereinrichtung und den entsprechenden Volumina nicht mehr vernachlässigbar klein. Als Folge hiervon beeinflusst der Sensor seinerseits das Messergebnis, indem er beispielsweise dem Fluid einen zusätzlichen Widerstand entgegensetzt, oder dessen Viskosität und somit Fließfähigkeit durch signifikante, also nicht vernachlässigbare Erwärmung beeinflusst . In diesen Fällen muss der Sensor selber als Störgröße aufgefasst werden. Wenn auf kein Messprinzip mit geringerer Beeinflussung ausgewichen werden kann, muss der Grad der Beeinflussung bekannt sein und in der Auswertung der Sensorsignale berücksichtigt werden. Ist beispielsweise die Wärmekapazität des Sensors bekannt, so kann die Energie, welche zu dessen Erwärmung notwendig ist, berechnet und von der gemessenen Energie abgezogen werden. Aus der Differenz kann nun die Geschwindigkeit bestimmt werden, mit welcher das Fluid an der Wärmequelle vorbeigeströmt sein muss. Je nach Messprinzip wirkt sich der Einfluss auf unterschiedliche physikalische Parameter aus; vor allem können Sensoren den maximalen Fluidstrom und die Viskosität und somit die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids beeinflussen. Für die Messung von Fluidvolumenströmen sind aus der Technik insbesondere folgende Prinzipien bekannt, wobei nicht alle Verfahren bei vertretbarem Aufwand gleichermaßen für kleine und kleinste Mengen geeignet sind:
Bei der Messung mittels Heizdraht wird ein durch Strom erhitzter Draht (z.B. Platin) in den Fluidstrom eingebracht. Dort erwärmt er das umgebende Fluid. Je nach Fließgeschwindigkeit des Fluids wird am Draht mehr oder weniger Wärme abgeführt. Dies kann z.B. über einen Temperatursensor, der dem Heizdraht in geringem
Abstand nachgeordnet ist, detektiert werden. Aus der vom Sensor erfassten Temperaturdifferenz wird dann auf den Volumenstrom geschlossen.
Bei einem ähnlichen Prinzip wird die Temperatur des Heizelementes, welches direkt an einem Temperatursensor liegt, konstant gehalten, und die dazu notwendige Leistung als Messgröße benutzt (z.B. Luftmassensensor im Kfz).
Nachteilig bei der Heizdrahtmessung ist insbesondere, dass je nach Aufbau eine nicht unerhebliche Menge an Energie für die Erwärmung des Fluids verbraucht wird. Da Mikrosysteme jedoch gerade unter dem Gesichtspunkt der zunehmenden Mobilität zumeist nur einen eng begrenzten Vorrat an Energie besitzen, ist ein Verbrauch durch Umwandlung in Wärme unerwünscht . Ebenso unerwünscht ist die Erwärmung des Fluids an sich, da in bestimmten Anwendungen temperatursensitive Flüssigkeiten oder Substanzen (z.B. medizinische Wirkstoffe) gefördert werden, die durch die Erwärmung nachteilig beeinflusst werden könnten. Auch das erforderliche „Selbstreinigen" der Drähte durch kurzzeitige sehr hohe Leistungen, die zu einer Erwärmung bis hin zur Rotglut führen, wobei Schmutzpartikel und Ablagerungen im Wege der Pyrolyse verbrennen, ist in solchen Systemen aufgrund der oft temperaturempfindlichen Materialien (Kunststoffe) zumindest einzelner Bauteile nicht anwendbar.
Des Weiteren funktioniert diese Art der Messung nur bei kontinuierlichen, pulsationsfreien Strömungen ausreichend gut. Pulsiert die Strömung, wie es bei der Verwendung von Fördereinrichtungen wie z.B. Membran- oder Kolbenpumpen der Fall ist, so verläuft der Wärmetransport zum Sensor nicht mehr gleichförmig. Schließlich können dabei auch Turbulenzen auftreten, durch die die Wärme in unvorhersehbarer Weise im Kanal verteilt wird, so dass das Ergebnis verfälscht wird und nicht reproduziert werden kann.
Häufig erfolgt eine Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit unter Nutzung bekannter physikalischer Zusammenhänge, welche den Zusammenhang von Strömungsgeschwindigkeit und Fluiddruck beschreiben. Zur Erfassung des Drucks an einer oder mehreren Stellen werden Drucksensoren unterschiedlicher Bauart benutzt, die je nach Ausführung den statischen, den dynamischen oder den Gesamtdruck am Messort liefern. Hierzu können sowohl Absolutais auch Differenzdrucksensoren zum Einsatz kommen.
Ist der Druckunterschied zwischen zwei Stellen eines fluidischen Systems und die dazugehörige Geometrie bekannt, so kann auf den zwischen diesen Stellen fließenden Volumenstrom geschlossen werden .
In einer häufig anzutreffenden Bauform besitzt ein
Differenzdrucksensor eine Kammer, die durch eine Membran in zwei hermetisch voneinander getrennte Halbräume unterteilt ist. Bei Druckbeaufschlagung eines der beiden Halbräume ändert sich die Wölbung der Membran, welche mittels geeigneter Hilfsmittel in eine elektrische Größe überführt werden kann. Ist einer der Halbräume mit dem Fluid in Kommunikation und die andere mit der Umgebung (offene Kammer) , so wird der Innendruck des Fluidkanals gegen den Umgebungsdruck gemessen, da das Ausmaß der Wölbung der Druckdifferenz zwischen innen und außen entspricht.
Alternativ können auch mit beide Kammern dem Fluid in Verbindung stehen, wobei sie mit voneinander beabstandeten Stellen des fluidführenden Kanals gekoppelt sind. Dann wird der Differenzdruck dieser beiden Stellen gemessen.
In einer Variante befinden sich die zwei Messpunkte in bestimmtem Abstand voneinander an den Wänden eines Kanals bzw. Rohres mit einem zweistufigen Durchmesser. Durch das Messen des Druckabfalls („Wirkdruck") über die beide Querschnitte umfassende Messstrecke kann unter Berücksichtigung des jeweils bekannten Kanalquerschnitts auf den Volumenstrom geschlossen werden; der Zusammenhang zwischen Volumenstrom und Druckdifferenz wird durch die so genannte Toricelli-Gleichung beschrieben.
Das generelle Prinzip dieser Messung wird als das sog. Bernoulli-Prinzip bezeichnet, welches besagt, dass eine Querschnittsverjüngung eines strömenden Fluids mit einer Geschwindigkeitserhöhung einhergeht. Dieses ist von der allgemeineren Bernoulli-Gleichung abgeleitet, wonach die Summe aller Energieformen eines fließenden Fluids an verschiedenen Stellen eines Strömungspfades immer gleich ist. Ebenso kommt die Aussage Bernoullis zum Tragen, wonach der Gesamtdruck in einem Fluid die Summe aus statischem und dynamischem Druck ist. Bei der Messung mittels Differenzdrücken muss der Kanalquerschnitt jedoch unter Umständen deutlich verringert werden, um bei niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten und somit Volumenströmen einen ausreichend hohen Differenzdruck zu erhalten. Eine hierfür künstlich in das System eingebrachte Drossel verringert im ungünstigen Fall die Gesamtleistung der druckerzeugenden Fördereinrichtung. Insbesondere im Falle kleinster Volumenströme und/oder miniaturisierter Pumpen ist dieses Prinzip daher ungeeignet.
Ein Absolutdrucksensor vergleicht den zu messenden Druck mit einem festen Wert. Im Allgemeinen besitzt er hierzu zwei mittels einer Membran hermetisch voneinander getrennte Kammern, von denen eine mit dem zu messenden Fluid in Kontakt steht, und die andere durch ein geschlossenes Gehäuse einen hermetisch dichten Raum bildet. In diesem Raum herrscht ein bei der Herstellung des Sensors voreingestellter Druck, der im Normalfall nicht veränderbar ist. Sofern es zu Temperaturschwankungen kommt, können diese beispielsweise mittels eines integrierten Temperatursensors erfasst und herausgerechnet werden.
Sind zwei derartige Sensoren an zwei unterschiedlichen Stellen eines fluidführenden Kanals angebracht, so kann durch Subtraktion beider Absolutdrücke der Differenzdruck zwischen den beiden Messpunkten bestimmt werden. Die weitere Auswertung entspricht dem zuvor beschriebenen Fall.
In einer anderen Variante wird der Druckabfall in einem geraden oder gekrümmten Rohr aufgrund von Reibung zur Bestimmung des Volumenstroms benutzt. Das hier zugrunde liegende Prinzip wird über die Grenzschichttheorie für laminare Strömungen durch das Gesetz von Hagen-Poiseuille beschrieben. Auch hier können wieder verschiedene Arten von Drucksensoren zum Einsatz kommen. Bei der Messung mittels Differenzdrücken dieser Variante fällt der Nachteil des sich verengenden Kanalquerschnitts weg. Allerdings ist eine gewisse Reibung im Fluid notwendig, da sonst der Druckabfall zwischen den Messpunkten zu gering ausfällt bzw. die Messstrecke sehr lang sein muss. Beide Nachteile kommen insbesondere in miniaturisierten Systemen, bei denen kurze Strecken und ohnehin geringe Pumpleistungen zur Verfügung stehen, besonders zum Tragen.
Der Nutzung von Gesamtdrucksensoren liegt der bekannte
Zusammenhang der Proportionalität von Strömungsgeschwindigkeit und dynamischem Druck zugrunde. Der Gesamtdruck setzt sich aus einem statischen und dynamischen Druckanteil zusammen (Gesetz von Bernoulli) .
Um mittels dieses Prinzips die Strömungsgeschwindigkeit zu bestimmen, muss ein entsprechender Drucksensor entweder den dynamischen Druck direkt bestimmen, oder er muss den Gesamtdruck sowie den statischen Druck erfassen. Der fehlende dritte Druck
(dynamischer Druck) kann dann direkt durch Subtraktion errechnet werden. Dieser Sensor kann in seiner Gesamtheit durchaus mehrere einzelne Drucksensoren, die für die Erfassung der einzelnen Drücke verantwortlich sind, umfassen.
Praktisches Beispiel für die Ausführung eines Gesamtdrucksensors ist beispielsweise das sog. Pitot-Rohr, ein L-förmiges Rohr, welches insbesondere in der Luftfahrt eingesetzt wird. Als Prandtl' sches Staurohr weiterentwickelt, besitzt es zum einen eine in Strömungsrichtung weisende Hauptöffnung, mit welcher die
Summe aus Staudruck (dynamischer Druck) und statischem Druck
(Umgebungsdruck) als Gesamtdruck erfasst werden kann. Das Rohr besitzt außerdem noch seitliche Bohrungen, mit denen lediglich nur der das Messrohr umgebende statische Druck erfasst wird. Mittels eines geeigneten Differenzdrucksensors, dessen beide Kammern mit jeweils einem der beiden Drücke beaufschlagt werden, kann die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids dann durch eine Erfassung des Druckunterschiedes zwischen statischem und Gesamtdruck bestimmt werden. Anstelle eines Differenzdruck- sensors können selbstverständlich auch zwei Absolutdrucksensoren zum Einsatz kommen.
Derartige Sensoren sind vor allem in der Verfahrenstechnik verbreitet und können für eine Vielzahl von Medien eingesetzt werden. Der dort geläufige Name ist Staudrucksonde. Für kleinste Fluidmengen sind sie wenig geeignet, da die Sonde im Verhältnis zum Kanaldurchmesser klein sein muss, um die Druck- und somit die Strömungsverhältnisse nicht ihrerseits zu beeinflussen. Aufgrund der schlechten Miniaturisierbarkeit des Aufbaus sind keine auf dem Prinzip des Pitot- bzw. Prandtl' sehen Staurohrs basierenden Mikrosensoren bekannt. Befinden sich Elemente im Volumenstrom, die diesem einen gewissen Widerstand entgegen setzen, so bewirken die sich dabei einstellenden Kräfte eine Verformung der Elemente. Sind diese Elemente dazu geeignet, ihre Verformung z.B. mittels Veränderung ihres elektrischen Widerstandes einer Messung zugänglich zu machen, so kann auf diese Art mittels sogenannter Dehnmessstreifen bequem auf den die Verformung hervorrufenden Fluidstrom geschlossen werden.
Dehnmessstreifen (DMS) im Volumenstrom behindern jedoch insbesondere bei sehr kleinen Kanalquerschnitten den freien
Fluidtransport nicht unwesentlich, wenn sie senkrecht zur
Flussrichtung aufgestellt werden. Außerdem sind die Förderraten und auch die daraus resultierenden, für DMS nutzbaren Kräfte in solchen Systemen oftmals sehr gering. Eine unzureichende Empfindlichkeit der Messung ist die Folge.
Beim Messen mit mechanisch bewegten Teilen werden diese zum Beispiel in Form von rotierenden Schaufeln in den Fluidstrom eingebracht und von diesem in Rotation versetzt, so dient die Rotationsgeschwindigkeit als dem Volumenstrom annähernd proportional zuzuordnende Messgröße. Füllen die einzelnen Schaufelvolumina jeweils den Kanal über seinen gesamten Querschnitt, so kann kein Fluid den Querschnitt passieren, ohne den Sensor in Bewegung zu setzen (Unterbindung von „Nebenluft"). Die Messung wird dadurch von Parametern wie Viskosität, Temperatur und Strömungsgeschwindigkeit unabhängig. Beispiele sind Volumenmesser in Wasseruhren oder an Benzinzapfanlagen älterer Bauart. Derartige Messinstrumente sind unter dem Namen „Ringkolbenzähler", „Woltmann-Zähler" oder „Strahlzähler" (engl, jet meter) bekannt. Ein weiteres Verfahren der Volumenstrommessung benutzt eine Stauklappe, die sich bei steigendem Volumenstrom immer weiter öffnet. Die Klappenstellung wird dann elektrisch ausgewertet.
Bereits aus den Zeiten des Römischen Imperiums bekannt sind
Venturi-Zähler, bei denen der Volumenstrom mechanisch behindert und der Differenzdruck entlang des Hindernisses gemessen wird. Ähnlich arbeiten Instrumente, welche die Stärke von Verwirbelungen an Hindernissen messen (engl, vortex meter) .
Mechanisch bewegte Teile haben jedoch generell den Nachteil mechanischer Abnutzung. Ein weiteres Problem stellen insbesondere in Bezug auf Mikrosysteme die fertigungsbedingt großen „relativen" Toleranzen dar. Während beispielsweise Spalte von 10 Mikrometern zwischen einem Schaufelrad und der Kanalwand bei einer Kanalbreite von einigen Zentimetern kein Problem darstellen, führt eine Spaltbreite ähnlicher Größenordnung bei Mikrokanälen von teilweise unter 100 Mikrometern zu deutlichen Nebenströmungen. Im Extremfall liegen die Toleranzen im Bereich der Kanalquerschnitte selber. Als Resultat hieraus ergeben sich Nachteile sowohl durch die erwähnten Nebenströmungen als auch erhöhte mechanische Abnutzung (z.B. bei Welle-Nabe- Verbindungen) . Zudem ist die Miniaturisierung mechanischer Teile nur sehr begrenzt möglich, so dass derartige Systeme zumindest für die Erfassung kleiner und kleinster Fließraten nicht genutzt werden können .
Ist das zu messende Medium ein leitendes Fluid (z.B. Wasser), so kann dieses als Leiter angesehen werden, der sich in einem magnetischen Feld, welches von außen angelegt wird, bewegt. Nach dem Gesetz von Faraday zur elektromagnetischen Induktion wird so eine Potenzialdifferenz erzeugt, die proportional zur Fließgeschwindigkeit des Fluids ist. Diese kann mittels geeigneter Elektroden abgenommen und gemessen werden.
Diese magnetischen Zähler haben jedoch den Hauptnachteil einer nicht unerheblichen Stromaufnahme, die zur Generierung des Magnetfeldes benötigt wird. Weiterhin ist der Aufbau einer miniaturisierten Spule in entsprechend kleinen Dimensionen wenn überhaupt - nur mit erheblichem Aufwand zu realisieren.
Ultraschallzähler messen den Unterschied in der Ausbreitungsgeschwindigkeit von Ultraschallwellenpulsen, die in einem bestimmten Winkel entgegen bzw. in Richtung des Flusses ausgesendet werden. Aus der Zeitdifferenz kann auf die mittlere Fließgeschwindigkeit entlang des Ultraschall-Pfades geschlossen werden .
Aber auch die Bestimmung der Dopplerverschiebung eines am Fluid reflektierten (Ultra-) Schallstrahls kann zur Messung der Fluid- geschwindigkeit genutzt werden.
Ultraschallzähler sind jedoch eher für größere Kanalquerschnitte geeignet, da die dazu notwendigen Transducer im Verhältnis zum Kanal klein sein müssen, weil sonst keine ausreichend genaue Erfassung der Strömungsgeschwindigkeit möglich ist. Die Coriolis-Massenstrommessung funktioniert dergestalt, dass ein elastisches Rohr (gerade oder gebogen) mittels einer mechanischen Vorrichtung in Transversalschwingungen versetzt wird. Fließt kein Fluid im Rohr, so bildet sich ein anderes Schwingungsmuster aus als bei Fließgeschwindigkeiten größer Null. Die Änderung der Schwingungsform ist direkt mit dem Massenstrom des Fluids verknüpft. Ein einfaches Multiplizieren des Volumenstromes mit der Dichte des Fluids ist dann nicht mehr korrekt, wenn Luftblasen oder über den Querschnitt nicht konstante Dichteverteilungen vorhanden sind. Die Coriolismessung ist daher auch nicht als Volumenstrommessung nutzbar.
Ferner ist die Coriolis-Massenstrommessung nur schwer auf miniaturisierte Systeme anwendbar. Sowohl die Realisierung eines frei schwingenden Rohrstückes als auch die Ausprägung der Vibration sowie die Messung der Schwingungsform lassen sich nur mit erheblichem Aufwand und bis zu einer Mindestgröße hin realisieren.
Mittels geeigneter Bildaufnahmegeräte, welche die Bewegung natürlicher Verunreinigungen oder zugesetzter sog. Tracer- Partikel in einem strömenden Fluid erfassen, kann bei bekanntem Durchmesser auf den der Bewegungsgeschwindigkeit zugrunde liegenden Volumenstrom geschlossen werden („Laufzeitverfahren") . Je nach Art des Fluids muss hierbei noch das Strömungsprofil (z.B. Parabel-Profil bei Newtonschen Flüssigkeiten) berücksichtigt werden. Vorteilhaft an derartigen Messverfahren ist die Möglichkeit, insbesondere höherviskose Medien zu messen, ohne dem Fluidstrom einen Widerstand entgegensetzen zu müssen. Nachteilig ist die Notwendigkeit von durch das Fluid transportierten Partikeln und die Tatsache, dass eine gewisse Transparenz des gefordert ist.
Insbesondere bei Gasen kann der Effekt genutzt werden, dass ein im Fluidstrom befindlicher Draht in Schwingungen gerät, deren Frequenz der mittleren Strömungsgeschwindigkeit und somit dem Volumendurchfluss proportional ist. Die Schwingungen werden dabei durch sich wechselseitig ausbildende, von der Strömung abgelöste Wirbel erzeugt. Mit sogenannten Wirbelzählern können sowohl die Schwingungen des Drahtes, als auch die durch die periodischen Wirbelablösungen erzeugten Druckschwankungen (z.B. kapazitiv) erfasst und weiterverarbeitet werden. Dieses Messprinzip ist universell auf Flüssigkeiten, Gase und Dämpfe anwendbar und bietet vor allem den Vorteil von Driftfreiheit, so dass über die gesamte Lebensdauer nicht nachkalibriert werden muss.
Allerdings versagt es prinzipiell in Kanälen unterhalb einer Grenze von einigen hundert Mikrometern Breite bzw. Durchmesser, da sich dann nur noch laminare Strömungen ausbilden.
Hinsichtlich der Verwendung von Drucksensoren zur Erfassung einer Fluidmenge wird beispielsweise auf den folgenden Stand der Technik hingewiesen. In US 6,871,551 B2 wird beispielsweise eine Kombination aus Fördereinrichtung und Messmittel zur Messung des ungefähren Fördervolumens vorgeschlagen, wobei die Fördereinrichtung und die Messmittel räumlich voneinander getrennt sind. Als Fördereinrichtung wird eine Verdrängerpumpe eingesetzt, während als Messmittel ein Drucksensor oder ein an einer Aufhängung angebrachter Dehnungssensor vorgeschlagen wird. Bei eingeschalteter Pumpe wird das Fluid durch einen elastischen Schlauch transportiert, so dass die dadurch bewirkte Druckveränderung am der Wandung des Schlauches mit dem Sensor erfasst werden kann. Aus der erfassten Druckveränderung soll dann auf die pro Zeiteinheit geförderte Fluidmenge geschlossen werden können. Das beschriebene Verfahren kann jedoch erst oberhalb eines bestimmten Volumenstrombereiches (≥ ml/min-Bereich) angewendet werden, da die förderbedingte Verformung des Schlauchteils bzw. deren Messung erst ab relativ großen Drücken (200 hPa bzw. 0,2 Bar Überdruck) ausreichend genau detektierbar ist.
Eine ähnliche Lösung wird in US 5,701,646 vorgeschlagen, wobei das Verfahren jedoch nur zum Nachweis des Vorhandenseins einer Flüssigkeit im Fördersystem, nicht jedoch zur Erfassung der Fluidmenge beschrieben wird. Der Drucksensor umfasst explizit eine piezoelektrische Schicht, mit welcher die förderbedingte Verformung des elastischen Schlauches erfasst und in Form elektrischer Signale bereitgestellt werden kann.
Ein weiteres Verfahren zur Messung des Fluidstroms flüssiger (nicht gasförmiger) Medien wird in US 20040247446 offenbart, wobei sowohl das oben erwähnte Prinzip der Wärmedissipation bzw. des Wärmetransfers von einer Wärmequelle auf einen Wärmesensor, als auch die Messung des fluidischen Drucks mit Hilfe eines z.B. piezoresistiven Dickschichtsensors zum Tragen kommt, während die Flussrate dabei mittels des Wärmesensors bestimmt, dient der
Drucksensor hingegen lediglich der Detektion des Erreichens eines Maximaldrucks, nicht jedoch der Bestimmung der Flussrate.
Aufgrund der kombinierten Wärmemessung ist das Verfahren nicht für Gase geeignet und weist die obigen Nachteile einer derartigen Messung auf.
Die vorliegend dargestellten Verfahren des Standes der Technik unter Verwendung von Drucksensoren zur Erfassung einer geförderten Fluidmenge weisen zunächst den gemeinsamen Nachteil auf, dass nur kontinuierlich und gleichförmig transportierte Fluidmengen mit ausreichender Genauigkeit erfasst werden können. Weitere Nachteile betreffen sowohl die z.T. erheblichen Kosten der Systemkomponenten als auch die Möglichkeit ihrer Integration in Vorrichtungen, die im Bereich der Mikrosystemtechnik und Nanotechnologie eingesetzt werden sollen. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher in der Bereitstellung eines Verfahrens zur Erfassung einer geförderten Fluidmenge, welches unter Verwendung kostengünstiger Komponenten ausgeführt werden kann und gerade bei sehr kleinen Fördermengen reproduzierbar genaueste Ergebnisse liefert. Ferner umfasst die Aufgabe die Bereitstellung geeigneter Vorrichtungen und Komponenten zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens .
Zur Lösung der gestellten Aufgabe werden das Verfahren gemäß Hauptanspruch sowie die Vorrichtung gemäß Anspruch 6 vorgeschlagen. Besonders bevorzugte Ausführungsformen sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben. Das erfindungsgemäße Verfahren dient der Erfassung der einen Kanal pulsierend durchströmenden Fluidmenge und basiert auf einem Vergleich der Profile mindestens zweier Signale, die mit einer pulsations- bedingten Druckveränderung des Fluidstromes in Beziehung stehen und zeitgleich an nicht identischen Stellen oder zu unterschiedlichen Zeitpunkten an einer Stelle des Fluidstromes erfasst werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren erfolgt dabei vorzugsweise in folgenden Schritten:
• Mittels des bzw. der Messmittel wird ein Signal, welches die Druckpulsation des Fluids widerspiegelt, erfasst und nötigenfalls in eine elektronisch weiterverarbeitbare Form gebracht . • Aus den erfassten Signalen werden Profile oder Normwerte generiert .
• Die Profile bzw. Normwerte werden miteinander verglichen.
• Mittels geeigneter Verfahren kann aus dem Vergleich der Profile der Volumenstrom des Fluids bestimmt werden. Die zur vorliegenden Erfindung durchgeführten Experimente zeigen, dass auch kleinste Mengen eines Fluids sicher erfasst werden können, sofern das Fluid pulsiert und die pulsationsbedingte Druckänderung erfasst werden kann und/oder bekannt ist. Ferner haben Experimente überraschenderweise gezeigt, dass Unregelmäßigkeiten im Fluidstrom, wie sie z.B. durch mitgeführte Luftblasen entstehen können, aufgrund der hohen Sensitivität des erfindungsgemäßen Verfahrens sicher festgestellt und gegebenenfalls berücksichtigt oder sogar beseitigt werden können.
Im Folgenden wird überall dort, wo Austauschbarkeit gegeben ist, anstelle der Unterscheidung zwischen Pulsationseinrichtung und Pumpe vereinheitlichend der Ausdruck „Aktor" benutzt. Weiterhin sei vorangestellt, dass mit „System" oder „Flowsensor" der gesamte Pulsations- bzw. Pump- und Sensoreinheit umfassende Aufbau gemeint ist, wohingegen „Sensor", „Drucksensor" bzw. „Detektor" lediglich die in diesem Aufbau vorhandene Einheit zur Aufnahme des Fluidpulsationsdrucks bezeichnen. Wie in der nachfolgenden detaillierten Beschreibung und in den Zeichnungen ausgeführt wird, bezeichnet der vorliegend verwendete Begriff eines „Profils" den Verlauf eines Signals innerhalb einer Pulsationsperiode und umfasst „Parameter" wie insbesondere positive und/oder negative Amplitude, Steilheit der positiven und negativen Flanken, und Zeitpunkt der verschiedenen Nulldurchgänge .
Das erfindungsgemäße Verfahren dient der Erfassung der einen Kanal pulsierend durchströmenden Fluidmenge durch Vergleich der Profile mindestens zweier Signale, die mit einer pulsations- bedingten Druckveränderung des Fluidstromes in Beziehung stehen und zeitgleich an nicht identischen Stellen des Fluidstromes oder zu unterschiedlichen Zeitpunkten an einer Stelle des Fluidstromes erfasst werden.
Erfindungsgemäß werden zum Vergleich die Kurvenverläufe der „Profile" und/oder einzelne oder mehrere Parameter derselben herangezogen. Diese Profile stellen die kleinste Einheit der sich aufgrund der Pulsation periodisch wiederholenden Signalverläufe dar, sofern sich das System in einem stationären Zustand befindet . Dieser wiederum wird durch Druckverläufe und somit Profile gekennzeichnet, welche sich aus einer Aneinander- reihung im Wesentlichen gleicher Pulse bzw. der daraus resultierenden Druckverläufe ergeben.
Nach einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens kann mindestens eines der Profile durch so genannte „Normwerte" bereitgestellt werden, wobei diese Normwerte aus früheren Messungen oder Simulationen stammen.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden demnach mindestens ein erstes und ein zweites Signal benötigt, um daraus die entsprechenden Profile generieren und anschließend miteinander vergleichen zu können.
Das erste Signal wird erfindungsgemäß bereitgestellt durch (a) das Signal zur Ansteuerung der Pulsationseinrichtung, durch welche die Fluidmenge im Kanal in pulsierende Bewegung versetzt, oder (b) das Signal eines die Druckveränderungen des pulsierenden Fluids detektierenden Sensors, oder (c) Normwerte, wobei diese ihrerseits beispielsweise aus einer Simulation des fluidischen Systems oder aus zuvor durchgeführten Messungen und anschießender Generierung und Speicherung der Normwerte herrühren. Ein zweites Signal wird erfindungsgemäß durch einen stromabwärts angeordneten Drucksensor bereitgestellt.
Durch Vergleich der Profile bzw. der sie kennzeichnenden Parameter kann auf verschiedene Arten auf die den Kanal durchströmende Fluidmenge geschlossen werden. Hierzu werden z.B. mathematische Verfahren, oder Simulation des Systems herange- zogen. Eine weitere Anwendungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht im Vergleich des aktuellen Profils bzw. aktueller Normwerte mit solchen Profilen bzw. Normwerten, die zuvor aufgenommen wurden und deren zugeordnete Fluidmengen bekannt sind. Die Bestimmung der Mengen dieser Vergleichsprofile bzw. Vergleichsnormwerte kann unter Nutzung anderer Verfahren wie z.B. Wiegen erfolgen.
Besonders vorteilhaft ist die nach einer bevorzugten
Ausführungsform gegebene Möglichkeit, den Profilvergleich zur
Detektion von Störungen im Fluidstrom erfolgen zu lassen. Diese Störungen betreffen insbesondere Gasblasen oder durch nicht ordnungsgemäß arbeitende Fördereinrichtungen. Derartige Störungen können dementsprechend durch Vergleich eines Profils, welches dem wunschgemäßen Betrieb entspricht mit einem aktuell aufgenommenen, welches dem gestörten Betrieb entspricht, sicher erkannt werden. Wird versucht, den ordnungsgemäßen Betrieb durch geeignete Maßnahmen wiederherzustellen, so kann der Erfolg dieser Maßnahmen zeitnah mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens kontrolliert werden.
Ferner wird erfindungsgemäß eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bereitgestellt. Diese Vorrichtung dient der Bereitstellung und gewünschtenfalls der Verarbeitung der vorliegend beschriebenen Signale 1 und 2.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung dient der Erfassung (Detektion) der einen Kanal pulsierend durchströmenden Fluidmenge durch Vergleich der Profile zweier Signale, die mit einer pulsations- bedingten Druckveränderung des Fluidstromes in Beziehung stehen und zeitgleich an nicht identischen Stellen des Fluidstromes oder zu unterschiedlichen Zeitpunkten an einer Stelle des Fluidstromes erfasst werden, wobei die Vorrichtung mindestens einen Detektor zur Erfassung einer Eingangsgröße und zur Transformation in eine Ausgangsgröße umfasst, der durch eine elastisch verformbare Membran gebildet ist, die in Bezug auf den fluidführenden Kanal ortsfest angeordnet ist und mindestens auf einer Seite mit dem Fluid in Kontakt steht, wobei die Membran an ihrem Rand fluiddicht gegen den Kanal abschließt.
Ferner umfasst die Vorrichtung nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform eine Auswerteeinheit zur Weiterverarbeitung der Ausgangsgröße. Die Auswerteeinheit dient der Generierung erfindungsgemäßer Profile aus jeder Eingangsgröße, sowie ihrer Weiterverarbeitung in Form eines Vergleichs mit weiteren Profilen, sowie gewünschtenfalls der Anzeige oder Weitergabe der aus der Weiterverarbeitung resultierenden Daten. Die Auswerteeinheit kann dabei dem Detektor als externe Komponente oder vorzugsweise als integrierte Komponente zugeordnet sein.
Die vom Detektor erfindungsgemäß zu erfassende Eingangsgröße ist vorzugsweise der an einem bestimmten Messort herrschende Druck der den Kanal durchströmenden Fluidmenge.
In einer bevorzugten Ausführung des erfindungsgemäßen Detektors liegt das Ausgangssignal des Detektors bzw. der Detektoren in einer Form vor, die sich leicht in ein elektrisches Signal umformen lässt, wie z.B. als optisches, akustisches, mechanisches, magnetisches oder kapazitives Signale. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform liefert der Ausgang des Detektors direkt ein elektrisches Signal, also einen Strom, eine Spannung oder eine Widerstandsänderung. Erfindungsgemäß wird der mindestens eine Detektor in Form einer in Bezug auf den Kanal ortsfesten, elastisch verformbaren Membran bereitgestellt, welche mindestens auf einer Seite mit dem zu messenden Fluid in Kontakt steht, so dass sie auf Druckänderungen des Fluids elastisch verformt bzw. ausgelenkt wird. Erfindungsgemäß weist die Membran in Grundstellung eine Auslenkung von Null auf und kennzeichnet den Zustand, bei welchem der Druck beiderseits der Membran im Wesentlichen identisch ist. Als Membranmaterialien kommen prinzipiell alle im Handel erhältlichen Materialien in Frage. Vorzugsweise können solche Materialien zum Einsatz gelangen, die einen Elastizitätsmodul besitzen, welcher deutlich geringer ist als derjenige des die Membran umgebenden Materials. Weiterhin sind solche Materialien bevorzugt, welche außerdem spezifische Anforderungen wie Dauerfestigkeit, Temperaturfestigkeit, Dichtheit usw. erfüllen.
In einer besonders bevorzugten Ausführung umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung die elastisch verformbare Membran des mindestens einen Detektors in Form einer piezoelektrischen Schicht . In einer alternativen besonders bevorzugten Ausführungsform des Detektors ist der dem Fluid abgewandten Seite einer elastisch verformbaren Membran, die nicht selber aus piezoelektrischem Material besteht, eine Schicht aus diesem Material aufgelagert. Diese Schicht besitzt auf ihren beiden Seiten je eine Elektrode, welche über eine an jeder Elektrode angebrachte Leitung eine einfache Ableitung des Signals bzw. alternativ eine Zuleitung der zu einem nachfolgend beschriebenen temporären Pulsations- betrieb notwendigen Leistung ermöglicht (vgl. Fig. 1, Fig. 13) . Vorteilhaft an diesen besonders bevorzugten Ausführungen ist die direkte Transformation des an der Membran anliegenden Druckes (der Eingangsgröße) in ein elektrisches Signal.
In einer am meisten bevorzugten Ausführungsform weist die elastisch verformbare Membran die Eigenschaften eines Aktors auf. Dabei veranlasst das Anlegen einer elektrischen Spannung an die Elektroden der Drucksensormembran eine Änderung ihrer Wölbung, so dass daraus eine Bewegung des an der Membran angrenzenden Fluids resultiert, welches beispielsweise besonders vorteilhaft zur Unterstützung der Pulsationseinrichtung beim Austreiben von Gasblasen nutzbar ist.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst ferner bevorzugt eine Pulsationseinrichtung zur Erzeugung der zur Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens notwendigen Pulsation der den Kanal durchströmenden Fluidmenge . In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst die Pulsationseinrichtung eine piezogetriebene Membran, die in einer am meisten bevorzugten Ausführungsform dieselben konstruktiven Merkmale umfasst wie der zur erfindungsgemäßen Erfassung der Druckverläufe eingesetzte Detektor.
Die Erfindung wird nachfolgend detailliert erläutert.
Wie zuvor ausgeführt, wird nach einer bevorzugten Ausführungsform das erste Signal zur Ansteuerung der Pulsations- Vorrichtung wie beispielsweise einer pulsierenden Pumpe oder von einem Sensor zur Erfassung des Druckzustandes eines bereits pulsierenden Fluids bereitgestellt, während das zweite Signal mit einem stromabwärts angeordneten Drucksensor generiert wird. Weitere Signale können von weiteren, im Strömungsverlauf des Fluidkanals befindlichen Drucksensoren generiert werden. Den Vorgang des Vergleichs zweier zum gleichen Zeitpunkt, aber an verschiedenen Orten aufgenommener Signale ist exemplarisch in Fig. 9 dargestellt und wird an entsprechender Stelle ausführlich beschrieben.
Das erste, den Druckzustand des pulsierenden Fluidstroms repräsentierende Signal kann alternativ auch in Form eines Normwertes bereitgestellt werden, welcher in einer erfindungsgemäßen Auswerteeinheit gespeichert sein kann und die Parameter des Gesamtsystems wie insbesondere die Art des Fluids, den Durchmesser des Kanals und/oder die Eigenschaften der Pulsations- quelle berücksichtigt. Auch in diesem Fall wird das zweite Signal von dem stromabwärts angeordneten Drucksensor generiert.
Steht das erste Signal, welches dem Druckverlauf der Pulsationsquelle zuzuordnen ist, nicht bereits beispielsweise in Form des Ansteuersignals des die Pulsation erzeugenden Aktors zur Verfügung, kann dieses auch mit dem das Signal 2 erzeugenden sensorischen Mittel selber gewonnen werden, wenn das so gewonnene, dem Signal 1 entsprechende Profil anschließend abgespeichert wird, um zu einem späteren Zeitpunkt mit dem zeitversetzt aufgenommenen, aktualisierten Profil des Signals 2 verglichen zu werden. Eine derartige Vorrichtung wird beispielsweise in Fig. 1 dargestellt, wenn die dort gezeigte Mess- und Auswerteelektronik die Möglichkeit einer Speicherung des durch den Sensor gewonnenen Signals 1 ermöglicht. Die Nutzung eines zuvor gespeicherten Signals als Grundlage für einen Vergleich mit einem Signal, welches zu einem späteren Zeitpunkt aufgenommen wird, ist exemplarisch in Fig. 12 dargestellt und wird an entsprechender Stelle detailliert beschrieben. Unabhängig von der tatsachlichen Ausfuhrungsform werden erfindungsgemaß also stets mindestens zwei Signale einem Vergleich bzw. Abgleich zugeführt, wobei die Signale durch bestimmte Profile gekennzeichnet sind. Diese Profile der mindestens zwei Signale werden erfindungsgemaß miteinander verglichen, was vorzugsweise dadurch geschieht, dass die beiden Signalverlaufe über mindestens eine vollständige Pulsationsperiode übereinander geplottet und die jeweiligen Abweichungen bewertet werden. Nach einer bevorzugten Ausfuhrungsform kann dieser Vergleich automatisiert in einer integrierten oder parallel bereitgestellten Steuer- und/oder Auswerteeinheit erfolgen.
Vorzugsweise werden das erste Signal möglichst nah an der Pulsationsquelle und das zweite Signal stromabwärts der Pulsationsquelle erfasst. In einer Variante der beschriebenen Ausfuhrungsform besitzt das Messsystem ein weiteres Messmittel, das bevorzugterweise die Druckdetektion auch vor der Pulsationseinrichtung erlaubt.
Die vorliegende Erfindung bietet somit auch eine zuverlässige Basis zur Detektion von Störungen im Fluidfluss. Hierzu wird auf die Fig. 12 sowie die entsprechende Beschreibung hingewiesen.
Schließlich ist es erfindungsgemaß möglich, auf die oben beschriebenen Störungen zu reagieren, indem die Forderleistung des von der Störung betroffenen Systems vorübergehend erhöht und somit die Wahrscheinlichkeit einer Beseitigung der Störung durch Austreiben vergrößert wird. Dies wird exemplarisch in Fig. 13 verdeutlicht .
Das erfindungsgemaße Verfahren sieht folgende Vorgehensweisen zur Bestimmung des Volumenstromes aus dem Messsignal bzw. den Messsignalen bzw. den daraus abgeleiteten Profilen vor:
• Aufnahme von Referenzkurvenformen als Normwerte zusammen mit den dazugehörigen, bekannten Volumenstrommengen, und Vergleich der Referenz- mit den aktuell aufgenommenen Messkurven mittels so genannter „look-up tables"; • Nutzung eines Simulationsmodells, welches beispielsweise der Fluidtechnik äquivalente Ersatzschaltungen aus dem Bereich der Elektrotechnik nutzt, so dass eine Echtzeitkorrelation der Messdaten mit dem Simulationsmodell ermöglicht wird, welches dann den Volumenstrom liefert;
• Berechnung des Volumenstroms aufgrund der durch die Messung oder Konstruktion bekannten Parameter wie Druck, Geometrie, Viskosität, Druckverlauf, Ansteuersignal der Pumpe usw., wobei entsprechende Systeme von Differenzialgleichungen aufzustellen und in Echtzeit zu lösen sind.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden erfindungsgemäß unterschiedliche alternative Vorrichtungen vorgeschlagen. Diese Vorrichtungen dienen der Erfassung von Drücken und/oder Druckschwankungen in einem Fluidkanal und ggf. deren elektronischer Weiterverarbeitung, insbesondere der Extraktion der zur Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens notwendigen Profile und/oder Normwerte, sowie ggf. deren Speicherung.
Bevorzugt sind alle diejenigen Bauformen, die eine kostengünstige und raumsparende Fertigung des Systems erlauben. Ebenso bevorzugt sind Varianten, die eine möglichst geringe Anzahl unterschiedlicher Komponenten benötigen. Bevorzugt sind ferner solche Bauformen, die mit einer möglichst geringen Anzahl von Arbeitsschritten zur Herstellung des Systems auskommen. Diese Ausführungsformen sind im folgenden Text als bevorzugte, besonders bevorzugte oder am meisten bevorzugte Ausführungsformen gekennzeichnet.
Benötigt wird erfindungsgemäß mindestens ein Mittel zur Erfassung des Druckverlaufs für das Signal 2, sowie ein weiteres Mittel für die Erfassung des Druckverlaufs für das Signal 1, wenn dieses nicht bereits anderweitig zur Verfügung gestellt werden kann, z.B. durch Nutzug der Ansteuersignale der Pulsationsquelle, oder durch zuvor in einer erfindungsgemäßen Speichervorrichtung abgelegte Normwerte. Bevorzugt sind alle Mittel zur Detektion von Drücken und/oder Druckschwankungen, welche das Signal in elektronisch weiterver- arbeitbarer Form präsentieren, damit das erfindungsgemäße Verfahren darauf angewendet werden kann. Besonders bevorzugt sind daher sensorische Mittel, bei denen das Messsignal möglichst direkt als elektrische Größe (Strom, Spannung oder Widerstandsänderung) vorliegt. Wiederum besonders bevorzugte Verfahren sind solche, bei denen die Änderung des Ausgangssignals annähernd proportional zur Änderung der Messgröße ist. Dies ist beispielsweise bei Drucksensoren mit mechanisch verformter Membran der Fall, da sich deren Wölbung ungefähr proportional mit der Druckdifferenz beider Membranseiten ändert .
Dementsprechend wird eine besonders bevorzugte Ausführung des Mittels zur Detektion von Druckschwankungen durch eine ortsfeste, jedoch elastisch verformbare Membran, die in Kontakt mit dem strömenden Fluid steht, gebildet. Im Folgenden werden Varianten genannt, die das Verhältnis einer solchen Membran mit dem sie umgebenden Material betreffen.
Um die Detektormembran ortsfest zu halten, ist diese vorzugsweise entlang ihrer umlaufenden Kante mit dem sie umgebenden Material verbunden, wobei die Bewegungsfreiheit der
Membran in mindestens einem Freiheitsgrad, vorzugsweise senkrecht zur Membranfläche, gewährleistet bleiben muss. Die
Verbindung kann dabei beispielsweise durch Einspannen, Klemmen, oder auch durch einfaches lokales Verringern der Stärke des
Umgebungsmaterials erfolgen.
Die Membran kann dabei fest eingespannt oder in einer bevorzugten Ausführung beweglich gelagert sein.
In einer ersten, einfachen Ausführung bildet die Membran einen Teil der Außenwand des Kanals, welcher vom zu messenden Fluid durchströmt wird. Bevorzugterweise ist die unmittelbare Umgebung der Membran möglichst unelastisch, so dass deren Verformung bei Druckänderung im Kanalinneren gegenüber der Membranwölbungsänderung zu vernachlässigen ist. In einer alternativen Ausführung befindet sich die Membran an einem separaten, einen Hohlraum umschließenden und möglichst steifen Gehäuse und bildet einen Teil der Außenwand dieses Gehäuses. Das Innere des Gehäuses steht fluidisch in Kontakt mit dem zu messenden Fluid.
In einer dritten Ausführung befindet sich die Membran im Inneren des Gehäuses und teilt dessen Innenraum in zwei fluiddicht voneinander getrennte Kompartimente auf.
Eines der Kompartimente steht dabei in fluidischem Kontakt mit dem zu messenden Fluid, während das andere Kompartiment vollständig geschlossen sein oder aber mittels geeigneter fluidischer Verbindungselemente fluidischen Kontakt zur Umgebung haben (vgl. Fig. 1) oder in fluidischem Kontakt zu einer anderen
Stelle des zu messenden Fluids stehen kann. Diese letzte Ausführung ermöglicht die Aufnahme zweier Signale mittels eines einzelnen Drucksensors, was einen besonderen Vorteil gegenüber dem Stand der Technik darstellt.
Als Herstellprozesse für ein Gehäuse eines Detektors der erfindungsgemäßen Vorrichtung, welcher eher in einer flächigen Anordnung wie in der Fig. 1 dargestellt ausgebildet ist, kommen sowohl additive Verfahren (Schichtaufbauten) als auch subtraktive (abtragende) Verfahren und Kombinationen derselben zum Einsatz. Besonders bevorzugt sind Aufbauten aus polymeren Schichten, die z.B. mittels Spritzguss, Laminieren oder Laser- bearbeitung hergestellt werden können, und mittels Fügeverfahren wie Kleben, Klemmen, Laserschweißen oder Lösungsmittelkleben miteinander verbunden werden.
Es ist dabei wünschenswert, wenn die von der Pulsationseinrich- tung stammende und mittels des strömenden Fluids übertragene Energie, die in die Auslenkung der Trenn- und Sensormembran fließt, um diese auszulenken und somit das Signal zu erzeugen, so gering wie möglich ist. Wenngleich die in den elastischen Membranen gespeicherte Energie bei deren Rückverformung wieder frei wird (elastische Feder) , geht dies immer mit einem gewissen Verlust an Reibungswärme einher, die beispielsweise an der elastischen Lagerung der Trennmembran entsteht. Gleiches gilt für die je nach Bauform mehr oder weniger häufig vorhandenen Fügespalte, in denen bei wiederkehrender Dehnung des Gehäuses Reibungs- und somit Energieverluste entstehen. Daher ist die Steifigkeit des Gesamtsystems, vor allem jedoch diejenige der Sensoreinheit, möglichst hoch zu wählen.
Aufgabe eines erfindungsgemäßen und beispielsweise wie oben beschrieben aufgebauten Detektors ist die Erfassung der Druckschwankung des Fluids, sowie dessen Transformation in eine Ausgangsgröße, die bevorzugterweise eine elektrisches Signal ist. Da die Druckschwankung des Fluids zu einer Wölbungs- bzw. Hubveränderung (im Folgenden zusammenfassend Membranauslenkung genannt) der elastisch verformbaren Membran führt, muss sichergestellt sein, dass diese Wölbung in ein elektrisches Signal umgewandelt wird, welches der Wölbung eindeutig zugeordnet werden kann.
Als sensorisches Mittel für die Erfassung der Membranauslenkung, die bevorzugterweise der Druckänderung ungefähr proportional ist, können alle dem Stand der Technik bekannten Verfahren zum Einsatz kommen. Derartige Verfahren können beispielsweise ausgewählt sein aus : optischen Verfahren, bei denen auf der fluidabgewandten Seite der Trennmembran eine reflektierende, biegsame Schicht angebracht ist, welche einen auf ihr auftreffenden Licht- strahl ihrer Wölbung entsprechend unterschiedlicher stark streut; optischen Verfahren, bei denen auf der fluidabgewandten Seite der Trennmembran eine reflektierende, aber im Wesentlichen starre Schicht angebracht ist, welche einen auf ihr auftreffenden Lichtstrahl ihrer Lage entsprechend in unterschiedliche Richtungen ablenkt; optischen Verfahren, die Laufzeitunterschiede aufgrund sich ändernder Abstände bestimmen können; akustischen Verfahren, die beispielsweise mit dem Doppier- Effekt Abstände messen; mechanischen Verfahren, bei denen die Wölbung über mechanische Elemente wie Stangen, Hebel, Gelenke usw. in eine einfach zu messende, lineare oder rotatorische Bewegung umgeformt wird, welche dann elektrisch weiterverarbeitet werden kann; elektrischen Verfahren, die zum Beispiel die Widerstandsänderung der sich bei Wölbung dehnenden Trennmembranoberseite mittels Schleifkontakten oder anderen geeigneten Prinzipien ableiten; magnetischen Verfahren, bei welchem Trennmembran und Gehäuse eine Kombination aus Tauchspule und Magnet bilden, so dass sich die Relativbewegung beider Elemente durch Strominduktion in der Spule messen lässt; magnetischen Verfahren, die den Hall-Effekt ausnutzen; und kapazitiven Verfahren, bei denen beispielsweise die Trennmembranoberseite und die Gehäuseinnenseite mit ladungstragenden Schichten belegt sind, so dass diese einen Kondensator formen, dessen Kapazität sich bei Änderung des Abstandes verändert.
Besonders bevorzugt sind jedoch Verfahren auf Basis einer piezoaktiven Schicht, die sich auf der dem Fluid abgewandten Seite der Membran befindet und mit dieser fest verbunden ist. Die Detektormembran ist nach einer bevorzugten Ausführungsform identisch mit der piezoaktiven Schicht. Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die piezoaktive Schicht der aus einem anderen Material bestehenden elastisch verformbaren Membran aufgelagert und in einer besonders bevorzugten Ausführung mit dieser fest verbunden.
Ist nur eine Seite der Membran in Kontakt mit dem Fluid, so befindet sich die piezoaktive Schicht bevorzugt auf der dem Fluid abgewandten Seite. Stehen beide Seiten der Membran in Kontakt mit dem Fluid, kann sich diese in einer Zwischenschicht der schichtartig aufgebauten Membran befinden.
Diese piezoaktive Schicht weist weiterhin beidseitig je mindestens eine Elektrode zur Abnahme und Weiterleitung der Spannung an eine Mess- bzw. Auswertevorrichtung auf. Die elektrischen Zuleitungen der Elektroden können im bevorzugten Fall eines nach außen offenen Kompartiments durch die vorhandene Öffnung nach außen geführt werden.
Die Elektroden können typischerweise mittels geeigneter Aufdampfprozesse an den entsprechenden Stellen erzeugt werden.
Aber auch andere Verfahren wie z.B. das Aufkleben leitender
Schichten oder das selektive Entfernen großflächiger
Beschichtungen sowie das Nutzen leitfähiger Keramiken, die z.B. mittels Laserstrahlung aktiviert werden (sog. Molded- Interconnect-Device- / MID-Technik) können Verwendung finden.
Folgende Varianten bezüglich der Form und Lage der Elektroden werden als besonders bevorzugt angesehen:
Die Elektroden zur Spannungsmessung befinden sich als Streifen auf der dem Fluid abgewandten Seite der Membran. - Die Elektroden befinden sich in Form eines Sandwich-Aufbaus im Inneren der Membran.
Die Elektroden bestehen aus dünnen Leiterbahnen aus Gold, Kupfer, oder anderen leitenden oder halbleitenden Materialien . Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann vorzugsweise ferner eine Pulsationsquelle umfassen, die insbesondere dann notwendig ist, wenn die zu messende Fluidmenge nicht bereits in einer auswertbaren Form pulsiert.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Pulsationsquelle eine piezogetriebene Membran umfassen, aus deren Ansteuersignal das Signal 1 gewonnen werden kann, sofern die Ansteuersignale der Pulsationsquelle frei zugänglich sind.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Fördereinrichtung in Form einer Pumpe umfassen, die besonders bevorzugt eine piezogetriebene Membranpumpe ist.
In einer am meisten bevorzugten Ausführung kann die Pulsationsquelle zusammen mit der Drucksensoreinheit oder den Drucksensoreinheiten in ein gemeinsames Gehäuse integriert sein.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann ferner eine Auswerteeinheit umfassen, die der Erzeugung der Profile aus den Detektorsignalen sowie deren elektronischen Weiterverarbeitung dient und ggf. zusätzlich einen oder mehrere Normwerte bereithält.
Die Auswerteeinheit kann insbesondere dann auch eine Speichereinheit umfassen, wenn entweder nur eine Detektoreinheit vorhanden ist und das erfindungsgemäße Verfahren durch Vergleich zweier zeitlich nacheinander aufgenommener Profile Anwendung findet, oder wenn der Vergleich des laufend aktualisierten Profils mit zuvor erhaltenen Normwerten geschieht.
Die Auswerteeinheit kann ferner eine Ansteuereinheit für die erfindungsgemäße, temporäre Nutzung eines bevorzugten Detektors als Aktor umfassen, sofern der Detektor unter Verwendung piezoelektrischer Materialien aufgebaut ist.
Die Auswerteeinheit kann dabei in einem separaten Gehäuse untergebracht sein, oder sie kann besonders bevorzugt mit einem oder mehreren Elementen der erfindungsgemäßen Vorrichtung in ein gemeinsames Gehäuse integriert sein. Durch die vorliegende Erfindung ist gewährleistet, dass die Messgröße in leicht weiterverarbeitbarer Form wie insbesondere als Strom oder Spannung vorliegt, die sehr gut kompatibel zu Standardelektronik (Mess-, Steuer- und Regeltechnik) ist, wodurch auf kostenintensives Umformen, Verstärken usw. verzichtet werden kann.
Die Ansprechzeit der in der Erfindung benutzten Detektoren ist derart kurz, dass eine genügend fein zeitaufgelöste Erfassung eines einzelnen Pumpzyklus möglich ist. Neben der Erfassung der Fluidmenge kann durch Vergleich der erfassten Signale bzw. der daraus abgeleiteten Profile auf die Fließrichtung des den Kanal durchströmenden Fluids geschlossen werden . Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist in der Tatsache begründet, dass zur Volumenstrommessung mittels Drucksensor je nach Ausführungsform lediglich ein einziger Drucksensor benötigt wird, da nicht die Druckdifferenz zwischen zwei Messpunkten, sondern das Verhältnis von Aktoransteuerung und Sensormesssignal zur Bestimmung des Volumenstroms herangezogen wird. Hierin ist ein wichtiger Unterschied zum Stand der Technik begründet.
Schließlich kann eine besonders bevorzugte Variante des in der Erfindung eingesetzten Detektors ohne großen Aufwand vorübergehend auch als Aktor eingesetzt werden, um zum Beispiel ergänzend für eine erhöhte Förderleistung im Gesamtsystem zu sorgen. Dabei können beispielsweise auch Gasblasen, die ansonsten im System festsitzen, weiterbefördert werden.
Die vorliegende Erfindung sieht in einer bevorzugten Ausführungsform die Integration der erfindungsgemäßen Vorrichtung in das Gehäuse einer Fördereinrichtung oder umgekehrt vor, wodurch ein kombiniertes System aus Förder- und Messeinrichtung kostengünstig hergestellt werden kann.
Besonders hervorzuheben ist weiterhin die Tatsache, dass der Drucksensor mit praktisch identischen Fertigungsverfahren wie eine erfindungsgemäße Pulsationseinrichtung hergestellt werden kann, sofern die Pulsationseinrichtung auf einer piezoange- triebenen Membran basiert.
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Systems unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Die Begriffe „Detektor" und „Drucksensor" sind dabei austauschbar.
Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch den Aufbau einer bevorzugten Ausführungsform eines Drucksensorsystems des erfindungsgemäßen Volumenstromsensors 10, welches der Aufnahme von Druckverläufen und deren Transformation in elektrische Signale dient.
Durch einen Einlass 11 strömt das zu messende Medium in einen Messkanal 12 und von dort aus weiter zum Auslass 13. Der im Messkanal herrschende Druck liegt über einen Querkanal 14 auch in der Messkammer 15 vor. Der Druck wirkt auf die Trennmembran 16 und wölbt diese bei Überdruck dergestalt, dass sich das Volumen der Messkammer vergrößert. Bei Unterdruck bewegt sich die Trennmembran in die entgegengesetzte Richtung, wodurch das Volumen der Messkammer verringert wird. Um eine Bewegung der Trennmembran zu erleichtern, kann diese, wie in Fig. 1 gezeigt, ein- oder zweiseitig auf einem elastischen Ring 17 gelagert sein, der somit zusätzlich die Dichtheit der Messkammer sicherstellt. Das Material des Ringes muss im Wesentlichen dem zu verwendenden Fluid angepasst sein und gleichzeitig eine ausreichende Elastizität besitzen, um die Bewegung der Membran nicht zu unterbinden. So können einfache Materialien wie Silikonkautschuk, Nitrilkautschuk (NBR) oder generell thermoplastische Polymere (TPE) , wie auch Spezialmaterialien bestimmter Hersteller, zu denen Viton® oder Kalrez® (Fluorelastomer bzw. Perflourkautschuk von DuPont) zählen, zum Einsatz gelangen. Metalldichtungen z.B. aus Kupfer sind aufgrund ihrer Steifigkeit weniger geeignet. An der dem Fluid abgewandten Seite der Trennmembran ist die Drucksensormembran 18 befestigt bzw. aufgelagert. Diese kann beispielsweise aus piezoelektrischem Material bestehen, so dass sie bei einer Bewegung der Trennmembran entsprechende Spannungssignale erzeugt. Diese werden durch an der Ober- und Unterseite der Drucksensormembran befindliche elektrische Leitungen 19 und 20 durch eine Öffnung 21 nach Außen geführt, wo sie mittels einer Messelektronik 2 ausgewertet werden können.
Fig. 2 zeigt die Drucksensoreinheit 1 eines Volumenstromsensors
10 nach dem vorgestellten Prinzip, welche einer
Fluidfördereinrichtung 3 nachgeschaltet ist. In der Zeichnung ist die Drucksensoreinheit der Fördereinrichtung nachgeschaltet, jedoch ist auch eine Vorschaltung möglich. Typischerweise ist diese Fördereinrichtung eine Pumpe, insbesondere eine Mikro- pumpe . Mittels eines Verbindungsstückes 5 stehen die beiden Elemente in fluidischer Kommunikation. Der gemeinsame Einlass wird durch den Einlass 31 der Pumpe gebildet, während der gemeinsame Auslass dem Auslass 13 der Drucksensoreinheit entspricht .
Wie der Fig. 2 entnommen werden kann, können die Pumpe 3 und die Drucksensoreinheit 1 aus nahezu identischen Bauelementen aufge- baut werden. Dies ist unter bestimmten Umständen, zum Beispiel zur Vorhaltung einer minimalen Anzahl von Bauelementen in der parallelen Fertigung beider Systeme, von Vorteil, jedoch keineswegs Bedingung. Aus der Fig. 2 geht weiterhin hervor, dass der einzige wesentliche Unterschied zwischen Pump- und Drucksensoreinheit das Vorhandensein von Ventilen 32 im Pumpsystem 3 und das Fehlen derselben im Drucksensorsystem 1 ist. Es sei jedoch angemerkt, dass die Abwesenheit der Ventile im Drucksensorsystem für dessen Funktion nicht erheblich ist, sondern aus rein ökonomischen Gründen erfolgen kann. Ebenfalls gezeigt sind die der Drucksensoreinheit 1 zugeordnete Auswerteelektronik 2 und die Ansteuerelektronik 4 des Pumpensystems 3. Durch einen gestrichelten Pfeil 6 angedeutet ist das Überführen des Messsignals der Drucksensoreinheit an die Ansteuerelektronik, so dass eine selbsttätige Regelung des Volumenstroms mittels der Regelschleife Pumpe-Drucksensor ermöglicht wird.
Die Fig. 3 zeigt eine vorteilhafte und daher bevorzugte Ausführung des vorgeschlagenen Flusssensorsystems 10. Hierbei ist die Drucksensoreinheit 1 in das Gehäuse einer geeignet ausgebildeten pulsierenden Fluidförderanlage 3 integriert. Die Bauelemente, die zum Aufbau der Pumpen- und Drucksensoreinheit benötigt werden, sind in weiten Teilen identisch. Bautechnisch können die fluidischen Systeme Drucksensoreinheit 1 und Pumpe 3 in einem gemeinsamen Gehäuse 7 untergebracht sein. Die gedachte funktionelle Trennung der beiden Systeme ist durch die senkrechte strichpunktierte Line 71 angedeutet. Das Verbindungsstück 5 besteht nun lediglich aus einem einfachen Kanal; weitere fluidische Schnittstellen zur Kopplung der beiden Systeme sind nicht mehr notwendig. Ebenfalls in ein Gehäuse 8 integriert sind die Messelektronik 2 und die Ansteuerelektronik 4 des Gesamtsystems 7. Die elektronische Verbindung der beiden Systeme kann vorteilhafterweise bis hin zur Integration der Schaltkreise auf einer Platine oder gar in einem Halbleiterchip (z.B. Hochleistungs-ASIC) erfolgen (ASIC = Application Specific Integrated Circuit, Anwendungsspezifische integrierte Schaltung) .
Die Fig. 4 zeigt eine Kombination aus einer Pumpe 3 mitsamt vor- und nachgeschalteter Drucksensoreinheit Ia, Ib. Wie in den zuvor beschriebenen Varianten werden die Pumpe mit einer Ansteuer- elektronik 4 und jede Drucksensoreinheit mit einer Auswerteelektronik 2a bzw. 2b verbunden. Eine Kopplung der Ansteuer- mit der Auswertelektronik ist durch die Pfeile 6a, 6b angedeutet. Die fluidischen Systeme sind mittels entsprechender Verbindungsstücke 5 miteinander verbunden. Dem gesamten System 10 kann ein Einlass 31 und ein Auslass 13 zugeordnet werden.
Analog zu Fig. 2 bzw. 3 zeigt die Fig. 5 eine integrierte Variante von der in Fig. 4 gezeigten Kombination aus einer Pumpe 3 und einer vor- sowie einer nachgeschalteten Drucksensoreinheit Ia bzw. Ib. Die Bezeichnungen entsprechen den weiter oben eingeführten; hinzukommen das integrierte Gehäuse 7 und die integrierte Ansteuer- und Auswerteelektronik 8.
Die hier gezeigte Kombination bietet die an entsprechender Stelle genannten Vorteile wie Einsparung von Gehäuseplatz, Elektronikintegration und einfacher, paralleler Montage. Fig. 6 zeigt schematisch den Aufbau eines erfindungsgemäßen Volumenstromsensors 10, bei welchem keine Möglichkeit besteht, die Ansteuersignale einer existierenden Pulsationsquelle 3 direkt zu nutzen. Er setzt sich aus zwei stromabwärts von der Pulsationsquelle befindlichen Drucksensoreinheiten Ia und Ib zusammen, die die Bestimmung der Druckverläufe zu gleichen Zeitpunkten an verschiedenen Orten erlauben. Die erste, näher an der (nicht dargestellten) Pulsationsquelle befindliche Drucksensoreinheit Ia liefert hierbei das Signal 1, die zweite, weiter von der Pulsationsquelle entfernte Drucksensoreinheit das Signal 2. Beide Signale werden über entsprechende Signalleitungen in einer gemeinsamen Auswerteeinheit 2 zusammen- gefasst .
Fig. 7 zeigt den in Fig. 6 dargestellten Aufbau als integrierte Variante. Die beiden Drucksensoreinheiten Ia und Ib sind in einem gemeinsamen Gehäuse 7 zusammengefasst . Da sich der Druckverlauf in Abhängigkeit von der Entfernung zur Pulsationsquelle ändert und ein gut messbarer Unterschied zwischen beiden Signalen erst bei einem bestimmten Abstand der Messpunkte voneinander gegeben ist, kann es notwendig sein, den Abstand zwischen den Drucksensoreinheiten Ia, Ib künstlich zu vergrößern. Dies kann beispielsweise durch das angedeutete fluidische Distanzstück 5' , welches sich zwischen den Drucksensoreinheiten befindet, erreicht werden.
Fig. 8 zeigt schematisch den Aufbau eines Volumenstrommesssys- tems 10, welches sich aus zwei oben beschriebenen Drucksensoreinheiten Ia, Ib sowie einer modifizierten Fördereinrichtung 3' , die vorteilhafterweise aus identischen Elementen wie die Drucksensoreinheiten aufgebaut ist, zusammensetzt. In einer besonders bevorzugten Variante ist die modifizierte Pumpe 3' identisch wie die Drucksensoreinheiten Ia, Ib aufgebaut und wird lediglich entgegen dem für die Drucksensoreinheiten genutzten Messmodus im Aktormodus betrieben, also mit einer zyklisch sich verändernden Spannung versorgt, die die piezoelektrische Schicht 18 des Membranverbundes anregt und in Verbindung mit der Trennmembran 16 zu einer Durchbiegung derselben führt .
Die wesentlichen Elemente eines solchen Systems sind zwei
Drucksensoreinheiten Ia und Ib, zwischen denen eine modifizierte
Pumpe 3' angeordnet ist. Diese Pumpe besitzt im Gegensatz zu der in Zeichnung 2 dargestellten Pumpe keine Ventile 32, so dass sie bei Ansteuerung der Membran lediglich eine Pulsation erzeugt, die jedoch zu keinem Nettotransport von Fluid führt, da das Fluid bei Druckerhöhung durch die modifizierte Pumpe in beide Verbindungskanäle 5 ausweichen kann und bei der anschließenden Druckverminderung aus beiden Verbindungskanälen 5 wieder in die Pumpkammer der modifizierten Pumpe 3' zurückfließt. Diese Druckschwankungen können mit den Drucksensoreinheiten gemessen werden, die sich vor und hinter der modifizierten Pumpe befinden. Weitere Elemente sind die Mess- und Auswerteelektronik 8', die im Gegensatz zu der integrierte Ansteuer- und Messelektronik 8' keine direkte Rückkoppelung zwischen den Drucksensoreinheiten und der modifizierten Aktorsteuerung 4' beinhaltet. Stattdessen sammelt eine Auswerteelektronik 8' für das pumpenlose Messsystem alle Daten und generiert dem erfindungsgemäßen Verfahren entsprechend einen Zahlenwert für den Volumenstrom.
Im Falle eines stehenden Fluids, also ohne einen von Außen aufgeprägten Fluidstrom durch das System hindurch, messen beide Drucksensoreinheiten (bei gleicher Geometrie, fluidischen Widerständen der Leitungen usw.) ein identisches Signal.
Strömt nun durch den Einlass 31 ein zu messendes Fluid ein, so wird der Messpulsation die Strömung des Messfluids überlagert. Diese führt zu einer Verschiebung der ursprünglich symmetrischen Messsignale. Die Verschiebung ist umso deutlicher, je schneller das zu messende Fluid strömt. Außerdem unterstützt das strömende Fluid die Bewegung der Aktormembran in die Richtung, in welcher sich die Messkammer vergrößert, und erschwert die Bewegung in die entgegengesetzte Richtung. In der nachgelagerten Drucksensoreinheit Ib resultiert daraus eine Vergrößerung der Amplitude der positiven Halbwelle und eine Verringerung der Amplitude der negativen Halbwelle. Dies entspricht einer Verschiebung des Mittelwertes der Kurve in positive Richtung. Umgekehrt verringert sich bei einer vorgelagerten Drucksensoreinheit Ia die positive Halbwelle der Kurve, wohingegen sich die negative Halbwelle vergrößert. Dies entspricht einer Verschiebung des Mittelwertes hin zu negativen Werten.
Eine Umkehr der Strömungsrichtung führt zu entsprechend umgekehrten Verschiebungen der beiden Drucksensorkurven. Fig. 9 zeigt das Ansteuersignal 100 der Pumpe bzw. Pulsationseinheit und das Drucksensorsignal 200 der Drucksensoreinheit für den Fall, dass die Pumpe bzw. Pulsations- einrichtung deutlich unter der Resonanzfrequenz der Drucksensoreinheit betrieben wird. Die Skalierung der beiden Kurven ist zur besseren Visualisierung einander angeglichen; im Normalfall können die Ansteuer- und die Messsignalspannungen in der Amplitude deutlicher voneinander abweichen .
Zu einem (willkürlich festgelegten) Zeitpunkt to beginnt der Pump- bzw. Pulsationszyklus, beispielsweise bei einer Ansteuerspannung von 0 V bzw. einer Spannung, die am Beginn der aufsteigenden Flanke 101 der Ansteuerkurve liegt. Systemabhängig zeitgleich oder auch zeitversetzt beginnt sich auch das Signal der Drucksensoreinheit (Messsignal) von seiner Nulllinie 201 in positive Richtung fortzubewegen. Der Scheitelpunkt des Messsignals 202 ist gegen die aufsteigende Flanke des Ansteuersignals 101 um einen Wert Δti verzögert. Die Lage dieser beiden Bezugspunkte, im Beispiel 101 und 202, ist jedoch zunächst frei wählbar und sollte vorzugsweise so erfolgen, dass die Bestimmung der Zeitpunkte und der dazugehörigen Amplituden möglichst sicher und in jeder Periode reproduzierbar erfolgen kann.
Da die Pump- bzw. Pulsationsfrequenz relativ gering ist, bildet sich der durch das Drucksensorsignal abgebildete Druckimpuls 210 (schraffiert dargestellt) wieder zurück; im Anschluss an den Impuls wird also kein Fluid mehr gefördert, bis der Zyklus von neuem beginnt. Beim Ausschalten der Ansteuerspannung 102 tritt an der Drucksensoreinheit ein negativer Impuls 211 auf, der umso kleiner ausfällt, je besser die Rückschlagfestigkeit der in der Pumpe eingesetzten Ventile ist. Auf diese Weise kann also eine Bewertung und Kontrolle eines wichtigen Pumpenelementes, des Ventils, erfolgen. Verklemmt eines der Ventile, oder schließt es z.B. aufgrund von Verschmutzungen nicht mehr richtig, ändert sich die Höhe des Rückschlagimpulses 211 hin zu größeren Werten, angedeutet durch die gestrichelte Linie 211. Anhand weiterer, in Fig. 9 exemplarisch dargestellter Parameter h2i und/oder At1, welche eine parameterbasierte Beschreibung der Profile beispielsweise mittels der Amplituden und der zugehörigen Zeitpunkte ermöglichen, können mittels weniger, relevanter Datensätze wichtige Veränderungen im Profil erkannt und Rückschlüsse auf die zugehörigen Fördermengen gezogen werden .
Fig. 10 zeigt das Ansteuersignal 100 der Pumpe und das Drucksensorsignal 200 der Drucksensoreinheit bei einer Frequenz etwas unterhalb der Resonanzfrequenz der Drucksensoreinheit. Die verringerte Zykluszeit eines Pump- bzw. Pulsationszyklus kann an der Anzahl der zum Vollenden eines gesamten Zyklus notwendigen Zeiteinheiten, symbolisiert durch die Anzahl der entsprechend durchlaufenen senkrechten Unterteilungen auf der Zeitskala abgelesen werden. Während in Fig. 9 ca. 8 Zeiteinheiten für einen Zyklus, bestehend aus einer gleichlangen Ansteuer- und Ruhephase der Pumpe bzw. Pulsationseinrichtung, benötigt werden, ist die Anzahl der Zeiteinheiten in Fig. 10 nur noch halb so groß, gleichbedeutend mit einer verdoppelten Ansteuerfrequenz der Pumpe bzw. der Pulsationseinrichtung. Ein Zyklus beginnt wiederum zum Zeitpunkt to, angedeutet durch die erste senkrecht verlaufende gestrichelte Linie. Die Zeit Δti zwischen Beginn des Pump- bzw. Pulsationszyklus und dem Erreichen des Scheitelwertes 202 des Drucksensorsignals ist identisch dem zuvor beschriebenen Fall, da sich aus der Sicht der Drucksensoreinheit bis zu diesem Zeitpunkt kein Unterschied zwischen dem zuvor beschriebenen Fall ergibt.
Die negative Halbwelle 211 fällt wiederum zeitlich mit dem Abschalten der Aktorspannung 102 zusammen. Die Größe der Halbwelle 211 unterscheidet sich von der in Fig. 9 gezeigten, da sich das System nun näher an der Resonanzfrequenz befindet. Da die Ventile jeweils aus dem geöffneten in den geschlossenen Zustand umschalten müssen, steht aufgrund der im Vergleich zum vorigen Fall kürzeren Zykluszeit weniger Zeit zum Umschalten zur Verfügung. Relativ gesehen wird eine etwas längere Zeit zum Schließen benötigt als bei einer Frequenz deutlich unterhalb der Resonanzfrequenz, und es ist ein größerer Druckpuls im Auslass sichtbar. Die Größe der positiven Halbwelle 210 ist hingegen praktisch identisch zu der in Fig. 9 gezeigten Halbwelle. Der Grund entspricht dem im vorigen Absatz für die Identität von Δti beider Zeichnungen angeführten.
In Fig. 11 wird die fluidfordernde Pumpe in Resonanzfrequenz betrieben. Die Anzahl der Zeiteinheiten für einen Zyklus ist im Vergleich zum in Fig. 10 beschriebenen Fall nochmals um den Faktor 2 verringert. Die Zeit Δti, um die die beiden Scheitelpunkte von Kurve 100 und 200 zueinander. verschoben sind, ist wiederum identisch den vorangegangen Fällen. Auch die Größe der positiven Halbwelle 210 unterscheidet sich in Größe und Form kaum von den vorangegangenen Fällen. Die negative Halbwelle 211 hingegen ist deutlich kleiner; dies deutet auch auf die besonders effektive Pumparbeit im Resonanzbetrieb hin.
Fig. 12 zeigt im Vergleich eine Ansteuer- und Drucksensorkurve aus Fig. 9 (normaler Betrieb) mit einer Drucksensorkurve 200', bei welcher sich eine Gasblase im System zwischen Förder- und Drucksensoreinheit befindet . Die Aktormembran erhält zwar die zum Betrieb notwendigen Signale 100, im Gegensatz zum gasblasen- freien Betrieb 200 mit der Signalamplitude hi gibt die Drucksensormembran jedoch ein in seiner Amplitude h2 stark verringertes Signal 200' ab, welches dadurch zustande kommt, dass die Pump- bzw. Pulsationsleistung im Wesentlichen zu einer reversiblen Kompression der Gasblase benutzt wird, die im Gegensatz zum Fluid nicht inkompressibel ist und den Druckpuls des Aktors in Form von Federenergie speichert und wieder abgibt, ohne dass eine nennenswerte Menge an Fluid gefördert wird. Die Anwesenheit einer solchen Störung kann zuverlässig durch Auswerten der Amplitude des Sensorsignals erfolgen.
Fig. 13 zeigt (in idealisierter Form) den Vorgang der Detektion, des Austreibens und den erneuten Anwesenheitstest einer Gasblase. Die pulsationserzeugende Einheit ist hier gleichzeitig die Fördereinheit, deren Ansteuersignale zur Verfügung stehen. In einer ersten Phase I arbeitet die Pumpe normal, und es wird keine Störung des Drucksensorsignals 200 detektiert (Signalamplitude hi) . In einer Phase II wird eine stark verringerte Signalhöhe h2 gemessen, die die Anwesenheit einer Gasblase anzeigt. Es schließt sich eine Phase III an, in welcher der Drucksensor als Aktor benutzt wird und ein aktives Signal 300 (Spannungsimpuls) erhält. Dieses kann zur optimalen Unterstützung des Pumpensignals 100 um einen Betrag Δt' verschoben sein, wobei der Wert für Δt' beispielsweise durch Versuche ermittelt werden kann. In der anschließenden Testphase IV wird das Aktorsignal abgeschaltet und mittels der Signalhöhe des Drucksensors geprüft, ob sich diese wieder normalisiert hat. Ist dies nicht der Fall, dann wird die Phase III und IV wiederholt (III', IV), bis sich das Drucksensorsignal wieder normalisiert hat.
Zusätzlich zu der hier aufgeführten Signalform des Sensor-Aktors können auch andere Signalformen (Sägezahn, Dirac-Impuls, erhöhte oder verringerte Frequenz usw.) Verwendung finden, wenn sich mit diesen bessere Ergebnisse erzielen lassen. Auch eine Koppelung des Pumpen- und des Aktorsignals zwecks besserer Abstimmung und/oder besseren Austriebseffektes sind denkbar. Dabei kann eine Rückkoppelung des Signals der Drucksensoreinheit dergestalt erfolgen, dass die Pumpe bei Feststellung einer Gasblase durch die Drucksensoreinheit temporär beispielsweise mit einer höheren Frequenz und/oder Amplitude arbeitet. Bezugszeichenliste
1 Detektor, Drucksensorsystem Ia erste Drucksensoreinheit Ib zweite Drucksensoreinheit
2 Mess- / Auswerteelektronik
2a Auswerteelektronik zum ersten Drucksensor
2b Auswerteelektronik zum zweiten Drucksensor
2c Auswerteelektronik des pumpenlosen Messsystems 3 Fluidfördereinrichtung, Pumpsystem
3' modifiziertes Pumpsystem ohne Ventile
4 Ansteuerelektronik der Fluidfördereinrichtung
4' Ansteuerelektronik der modifizierten Fluidfördereinrichtung
5 fluidisches Verbindungsstück 5' fluidisches Distanzstück
6 Signalrückkoppelung
6a Signalrückkoppelung des vorgeschalteten Drucksensors
6b Signalrückkoppelung des nachgeschalteten Drucksensors
6a' Signalweg des vorgeschalteten Drucksensors 6b' Signalweg des nachgeschalteten Drucksensors
6c' Signalweg der Ansteuerelektronik für die Pulsation
7 integriertes Gehäuse
8 integrierte Ansteuer- und Messelektronik
8' integrierte Elektronik für ein Messsystem ohne Pumpe 9 integriertes Gehäuse für ein pumpenloses Messsystem
10 Volumenstromsensor
11 Einlass
12 Messkanal 13 Auslass
14 Querkanal
15 Messkammer
16 elastisch verformbare Trennmembran 17 Lager- und Dichtungsring
18 Drucksensormembran / Drucksensorschicht / Messmembran
19 elektrische Leitung
20 elektrische Leitung
21 Gehäuseöffnung 31 Einlass der Fluidfördereinrichtung
32 Ventile der Fluidfördereinrichtung
71 System-Trennlinie zwischen Fördereinrichtung und Sensor
100 Ansteuersignal der Pumpe
101 aufsteigende Flanke der Ansteuerspannung (Pumpe einschalten) 102 absteigende Flanke der Ansteuerspannung (Pumpe ausschalten)
200 Drucksensorsignal des Flusssensors
200' Drucksensorsignal des Flusssensors bei vorhandener Gasblase
201 Nulllinie des Drucksensorsignals
202 Scheitelpunkt des Drucksensorsignals 210 am Drucksensor gemessener Druckimpuls der Pumpe
211 negativer Impuls am Drucksensorsignal durch Ventilschluss

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Erfassung der einen Kanal pulsierend durchströmenden Fluidmenge durch Vergleich der Profile mindestens zweier Signale, die mit einer pulsationsbedingten Druckveränderung des Fluidstromes in Beziehung stehen und zeitgleich an nicht identischen Stellen des Fluidstromes oder zu unterschiedlichen Zeitpunkten an einer Stelle des Fluidstromes erfasst werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Vergleich die Kurvenverläufe der Profile und/oder einzelne oder mehrere Parameter derselben herangezogen werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem ein erstes Signal bereitgestellt wird durch:
(a) das Signal zur Ansteuerung der Pulsationsvorrichtung, durch welche die durch den Kanal durchströmende
Fluidmenge in Pulsation versetzt worden ist; oder
(b) einen Sensor zur Erfassung des Druckzustandes der den Kanal pulsierend durchströmenden Fluidmenge; oder
(c) einen Normwert; und bei dem ein zweites Signal durch einen stromabwärts angeordneten Drucksensor bereitgestellt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welchem das aus einem Signal resultierende Profil den Verlauf eines Signals innerhalb einer Pulsationsperiode betrifft und Parameter umfasst, die aus der Gruppe bestehend aus positiver Amplitude, negativer Amplitude, Steilheit der positiven Flanke, Steilheit der negativen Flanke, Zeitpunkt der verschiedenen Nulldurchgänge, und Kombinationen davon ausgewählt werden.
5. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem der Profilvergleich zur Detektion von Störungen im Fluidstrom erfolgt.
6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5.
7. Vorrichtung zur Erfassung der einen Kanal pulsierend durchströmenden Fluidmenge durch Vergleich der Profile zweier Signale, die mit einer pulsationsbedingten Druckveränderung des Fluidstromes in Beziehung stehen und zeitgleich an nicht identischen Stellen des Fluidstromes oder zu unterschiedlichen Zeitpunkten an einer Stelle des Fluidstromes erfasst werden, wobei die Vorrichtung mindestens einen Detektor zum Erfassen einer Eingangsgröße und zur Transformation in eine Ausgangsgröße umfasst, der durch eine elastisch verformbare Membran gebildet ist, die in Bezug auf den fluidführenden Kanal ortsfest angeordnet ist und mindestens auf einer Seite mit dem Fluid in Kontakt steht, wobei die Membran an ihrem Rand fluiddicht gegen den Kanal abschließt.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Auswerteeinheit zur Weiterverarbeitung der Ausgangsgröße umfasst .
9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zu detektierende Eingangsgröße der an einem bestimmten
Messort herrschende Druck der den Kanal durchströmenden Fluidmenge ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang des mindestens einen Detektors ein elektrisches Signal liefert.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine elastisch verformbare Membran des mindestens einen Detektors in Form einer piezoelektrischen Schicht umfasst.
12. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der elastisch verformbaren Membran eine piezoelektrische
Schicht aufgelagert ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die elastisch verformbare Membran die Eigenschaften eines Aktors umfasst .
14. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass sie ferner eine Pulsationseinrichtung umfasst.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulsationseinrichtung eine piezogetriebene Membran umfasst.
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