DE102015224619A1

DE102015224619A1 - Mikrodosiersystem

Info

Publication number: DE102015224619A1
Application number: DE102015224619.1A
Authority: DE
Inventors: Martin Richter; Martin Wackerle; Sebastian KIBLER
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2015-12-08
Filing date: 2015-12-08
Publication date: 2017-06-08
Also published as: US10550833B2; JP2017106918A; CN106855429A; JP6309599B2; US20170159650A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie ein Mikrodosiersystem (100, 300) zum Dosieren einer abzugebenden Fluidmenge, wobei das Mikrodosiersystem (100, 300) eine Mikropumpe (101) aufweist, die einen Einlass (102) und einen Auslass (103) aufweist und ausgebildet ist, um das abzugebende Fluid (104, 105, 109) durch den Einlass (102) anzusaugen und zumindest einen Teil des Fluids (104, 105, 109) aus dem Auslass (103) abzugeben. Das erfindungsgemäße Mikrodosiersystem (100, 300) weist ferner einen einlassseitig oder auslassseitig angeordneten ersten Strömungssensor (106) auf, der eine Öffnung (107) und ein Durchflussmengenmessmittel (108) aufweist, wobei das Durchflussmengenmessmittel (108) ausgebildet ist, um die Durchflussmenge des durch diese Öffnung (107) hindurchtretenden Fluids (104, 105) zu bestimmen. Das erfindungsgemäße Mikrodosiersystem (100, 300) weist außerdem Mittel (113, 313) zum Kalibrieren und/oder Stördetektieren des ersten Strömungssensors (106) auf.

Description

Die Erfindung betrifft ein Mikrodosiersystem zum Dosieren einer abzugebenden Fluidmenge mit den Merkmalen von Anspruch 1 sowie ein Verfahren zum Dosieren einer abzugebenden Fluidmenge mit den Merkmalen von Anspruch 16.
Es gibt in unterschiedlichen Gebieten Bedarf an genauen, kostengünstigen Mikrodosiersystemen, z. B. bei der Medikamentendosierung oder bei der Duftstoffdosierung. Bestandteile dieser Mikrodosiersysteme sind in der Regel ein Fluidaktor, beispielsweise eine Pumpe, z. B. eine Mikromembranpumpe, und ein Element zur Überwachung des Fluidstromes, beispielsweise ein Strömungssensor.
Bekannte Mikrodosiersysteme sind jedoch meist groß und teuer.
Mikromembranpumpen mit passiven Rückschlagventilen sind beispielsweise aus der WO 03/095837 A1 bekannt. Die darin offenbarte Mikromembranpumpe ist mit einem auslassseitig angeordneten Düsenchip zur Erzeugung eines Freistrahls kombiniert.
Aus der WO 98/48330 ist beispielsweise ein Strömungssensor in Form eines Mikrodosierchips bekannt, der auf der Technologie eines piezoresistiven Drucksensors beruht. Der Mikrodosierchip weist eine Membran auf. Die Membran weist eine Öffnung auf, die als Blende einer zu messenden Strömung dient.
Piezoresistive Drucksensoren sind einerseits kostengünstig in der Herstellung, andererseits aber sehr empfindlich gegenüber Verspannungen, wie sie vor allem durch die Montage, beispielsweise durch Kleben, Klemmen und dergleichen, induziert werden. Der aus der oben genannten WO 98/48330 bekannte Mikrodosierchip zeigt bei der Montage das gleiche Verhalten.
Aufgrund derartiger, bei der Montage induzierter Verspannungen, zeigen bekannte Druck- bzw. Strömungssensoren, wenn sie auf herkömmliche Weise montiert werden, ein unerwünschtes Driftverhalten. Hochwertige Druck- bzw. Strömungssensoren müssen zur Vermeidung der Sensordrift aufwändig spannungsarm montiert werden, wodurch jedoch wiederum die Kosten steigen.
Bekannte Möglichkeiten, um die Sensordrift zu reduzieren, sind beispielsweise die Anpassung eines Glaswafers an den Siliziumwafer des Mikrodosierchips. Alternativ kann der Mikrodosierchip in einem sehr stressfreien Montageverfahren montiert werden.
Derartige stressfreie Montageverfahren sind jedoch sehr aufwändig, was somit wiederum den Einsatz eines solchen Mikrodosierchips in Anwendungen verhindert, die geringe Herstellungskosten erfordern.
Werden hingegen Mikrodosierpumpen und Mikrodosierchips in einem kosteneffizienten Herstellungsverfahren miteinander kombiniert, so wird der Sensorwert des Mikrodosierchips aus den zuvor genannten Gründen, d. h. aufgrund der bei der Montage induzierten Verspannungen, driften, was eine genaue Dosierung des Mikrodosiersystems verhindert.
Es besteht somit ein Zielkonflikt zwischen einer kostengünstigen Herstellung eines Mikrodosiersystems, bei welchem der Druck- bzw. Strömungssensor trotzdem genau, d. h. ohne nennenswertes Driften, arbeitet.
Es ist daher wünschenswert und somit eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Mikrodosiersystem bereitzustellen, bei dem das vorgehend beschriebene Problem der Sensordrift trotz einer kosteneffizienten Montage verringert oder vermieden werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Mikrodosiersystem mit den Merkmalen von Anspruch 1 sowie mit einem Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 16 gelöst.
Ein erfindungsgemäßes Mikrodosiersystem zum Dosieren einer abzugebenden Fluidmenge weist unter anderem eine Mikropumpe auf, die einen Einlass und einen Auslass aufweist und ausgebildet ist, um das abzugebende Fluid durch den Einlass anzusaugen und zumindest einen Teil des Fluids aus dem Auslass abzugeben. Das Mikrodosiersystem weist ferner einen einlassseitig oder auslassseitig angeordneten ersten Strömungssensor auf, der eine Öffnung und ein Durchflussmengenmessmittel aufweist, wobei das Durchflussmengenmessmittel ausgebildet ist, um die Durchflussmenge des durch diese Öffnung hindurchtretenden Fluids zu bestimmen. Der Strömungssensor kann mittels des Durchflussmengenmessmittels die von der Mikropumpe abgegebene Fluidmenge messen bzw. überwachen. Das abzugebende Fluid strömt hierbei durch die in dem Strömungssensor vorgesehene Öffnung. Beispielsweise anhand einer dabei auftretenden Druckdifferenz kann der Strömungssensor mittels des Durchflussmengenmessmittels die Durchflussmenge des durch die Öffnung des Strömungssensors durchfließenden abzugebenden Fluids bestimmen. Das erfindungsgemäße Mikrodosiersystem weist außerdem Mittel zum Kalibrieren und/oder Stördetektieren des Mikrodosiersystems auf. Die Mittel zum Kalibrieren und/oder Stördetektieren des Mikrodosiersystems sind ausgebildet, um das Mikrodosiersystem zu kalibrieren, indem das Sensorsignal des ersten Strömungssensors zu einem beliebigen Zeitpunkt t₀ auf einen definierten Ausgangswert, z. B. auf den Wert Null, gesetzt wird. Der Strömungssensor kann zu jedem beliebigen Zeitpunkt kalibriert bzw. „genullt” werden. Falls der Strömungssensor eine Sensordrift aufweisen sollte, kann dieses driftende, d. h. sich zeitlich verändernde, Sensorsignal zum Zeitpunkt t₀ zurückgesetzt bzw. kalibriert bzw. „genullt” werden. Das Mikrodosiersystem kann somit mittels der Mittel zum Kalibrieren und/oder Stördetektieren zu jedem beliebigen Zeitpunkt neu kalibriert werden. Auf diese Weise kann ein Strömungssensor, der mit einfachen und kostengünstigen Montagemethoden, wie z. B. Aufkleben mit Epoxy, hergestellt wurde, verwendet werden, da die montagebedingte Sensordrift zum Zeitpunkt t₀ erfindungsgemäß kompensiert wird.
Gemäß eines Ausführungsbeispiels können die Mittel zum Kalibrieren und/oder Stördetektieren des Mikrodosiersystems eine Steuereinrichtung aufweisen, die ausgebildet ist, um bei Inaktivität der Mikropumpe ein Ist-Sensorsignal des ersten Strömungssensors zu erfassen, und basierend darauf nachfolgende Sensorsignale des ersten Strömungssensors zu korrigieren.
Es ist denkbar, dass die Steuereinrichtung ausgebildet ist, um einen Korrekturwert zu bestimmen und diesen von dem Betrag des erfassten Ist-Sensorsignals des ersten Strömungssensors zu subtrahieren, wobei der erhaltene Differenzwert einen korrigierten Ausgangspunkt für die nachfolgenden Sensorsignale des ersten Strömungssensors bildet. Wenn die Steuereinrichtung feststellt, dass kein Fluss fließt (z. B. bei Inaktivität der Mikropumpe), wird der erste Strömungssensor mittels der Mittel zum Kalibrieren und/oder Stördetektieren kalibriert bzw. „genullt”. Beispielsweise kann die Steuereinrichtung den aktuellen Ist-Wert des Strömungssensors erfassen und diesen mittels eines Korrekturwerts korrigieren, um das resultierende Signal als aktuellen „Null-Fluss-Wert” bzw. Nullpunkt oder Ausgangspunkt festzulegen. Der Korrekturwert wird von der Steuereinrichtung bestimmt und basiert auf dem erfassten Ist-Sensorsignal. Der Korrekturwert wird von dem erfassten Ist-Sensorsignal subtrahiert. Der so erhaltene Differenzwert dient als neuer Ausgangspunkt für nachfolgende Sensorsignale. In anderen Worten wird das aktuelle Ist-Sensorsignal als neues „Nullsignal” festgelegt. Dieses neue „Nullsignal” kann als Offset in einer unmittelbar darauffolgenden Messung des Strömungssensors, in der der Strömungssensor noch nicht wieder weggedriftet ist, vom Messsignal abgezogen werden. Beispielsweise kann der Korrekturwert dem Betrag des gemessenen Ist-Sensorsignals entsprechen und von diesem subtrahiert werden. Wenn also beispielsweise bei Inaktivität der Pumpe ein Ist-Sensorsignal von ±50 mV aufgrund von Sensordrift gemessen wird, dann kann ein Korrekturwert in Höhe von 50 mV von dem Betrag des Ist-Sensorsignals subtrahiert werden. Das heißt, der Betrag des Ist-Wertes des Sensorsignals in Höhe von ±50 mV wird um den Korrekturwert in Höhe von ebenfalls 50 mV korrigiert. Das driftende Sensorsignal wird so auf den Wert Null zurückgesetzt. In anderen Worten kann also, falls das Sensorsignal des Strömungssensors einer zeitlich veränderbaren Sensordrift unterliegt, der Betrag der Sensordrift mittels der Mittel zum Kalibrieren und/oder Stördetektieren zu jedem beliebigen Zeitpunkt t₀ zu Null gesetzt werden. Die Sensordrift wird zum Zeitpunkt t₀ sozusagen ausgeblendet bzw. korrigiert und der aktuelle Nullpunkt des Strömungssensors zum Zeitpunkt t₀ wird neu bestimmt. Der Betrag des Korrekturwerts muss jedoch nicht, wie soeben beschrieben, genau dem Betrag des Ist-Sensorsignals entsprechen. Es ist ebenfalls denkbar, dass der Betrag des Korrekturwerts einen beliebigen Wert zwischen Null und dem Ist-Wert des Sensorsignals aufweist. Wenn also beispielsweise ein Ist-Sensorsignal von ±50 mV aufgrund von Sensordrift gemessen wird, dann kann ein Korrekturwert mit einem beliebigen Wert zwischen 0 mV und 50 mV von dem Betrag des Ist-Sensorsignals abgezogen werden. Es wäre in diesem Fall beispielsweise denkbar, dass ein Korrekturwert in Höhe von 49 mV von dem Betrag des gemessenen Ist-Sensorsignals in Höhe von ±50 mV subtrahiert wird. Dementsprechend würde sich ein neuer Differenzwert von 1 mV ergeben, der als neuer Ausgangspunkt bzw. als „Nullpunkt” für anstehende Messungen verwendet wird. In den vorgenannten Fällen kann somit auch ein Low-Cost Sensor, der nicht mit aufwändigen Montageverfahren montiert und gegebenenfalls sogar unter mechanischem Stress gehaust wurde, als für das erfindungsgemäße Mikrodosiersystem geeigneter genauer Strömungssensor verwendet werden.
Es ist auch denkbar, dass der Korrekturwert innerhalb eines Bereichs von dem Betrag des Ist-Sensorsignals plus einem Toleranzwert von ±10% des Ist-Sensorsignals oder plus einem Toleranzwert von ±20% des Ist-Sensorsignals entspricht. Demnach wäre beispielsweise bei einem Ist-Sensorsignalwert von ±50 mV ein Korrekturwert x₁ im Bereich von 50 mV ± 10%, d. h. 45 mv < x₁ < 55 mV, oder ein Korrekturwert x₂ im Bereich von 50 mV ± 20%, d. h. 40 mv < x₂ < 60 mV, wählbar.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Steuereinrichtung ausgebildet sein, um die Erfassung des Ist-Sensorsignals des ersten Strömungssensors und das Korrigieren nachfolgender Sensorsignale vor einem beliebigen oder vor jedem Pumpenhub durchzuführen. Zu einem Pumpenhub zählen sowohl ein Saughub als auch ein Druckhub der Mikropumpe. Der neue Ausgangswert bzw. „Nullwert” des Strömungssensors kann also vor jedem Saug- und/oder Druckhub der Pumpe neu bestimmt werden, d. h. das Mikrodosiersystem kann vor jedem Saug- und/oder Druckhub der Pumpe neu kalibriert werden.
Es ist denkbar, dass das Mikrodosiersystem einlassseitig denselben Druck wie auslassseitig oder einen geringeren Druck als auslassseitig aufweist. Beispielsweise kann das Mikrodosiersystem ein Einlassreservoir und ein Auslassreservoir aufweisen, wobei Einlass- und Auslassreservoir auf gleichem Druckniveau liegen. Dadurch, dass einlassseitig und auslassseitig der gleiche Druck vorherrscht, findet kein freier Fluss in Vorwärtsrichtung, d. h. von Einlass zu Auslass, auch „Free Flow” genannt, des abzugebenden Fluids statt. Falls auslassseitig ein höherer Druck als einlassseitig anliegen sollte, können in der Pumpe vorgesehene Rückschlagventile einen freien Fluss in Rückwärtsrichtung, d. h. von Auslass zu Einlass, auch als Leckstrom bezeichnet, unterbinden. Wenn also sichergestellt ist, dass kein freier Fluss in Vorwärtsrichtung und/oder in Rückwärtsrichtung vorhanden ist, kann die Steuereinrichtung den aktuellen Istwert des Strömungssensors messen und den aktuellen Nullwert unter Berücksichtigung der Sensordrift neu bestimmen.
Es ist vorstellbar, dass das Mikrodosiersystem ein einlassseitig und/oder ein auslassseitig angeordnetes Ventil aufweist, wobei das Ventil ein aktives normal geschlossenes Ventil und/oder ein aktives normal offenes Ventil und/oder ein Ventil mit Einsatzschwelldruck, das unterhalb eines Schwelldrucks verschlossen ist und/oder ein Double Normally Closed Mikroventil und/oder ein Safety Valve ist. Solche Ventile können beispielsweise eingesetzt werden, wenn der einlassseitige Druck höher ist als der auslassseitige Druck. In diesem Fall würde ein Free Flow in Vorwärtsrichtung auftreten. Um diesen zu unterbinden, werden gemäß dieses Ausführungsbeispiels die erwähnten Ventile eingesetzt. Ein solches Ventil ist vorzugsweise einlassseitig angeordnet. Es verschließt den Einlass, so dass kein Free Flow stattfinden kann. Ein Free Flow kann aber auch durch ein auslassseitig angeordnetes Ventil unterbunden werden. Als ein aktives normal geschlossenes Ventil und/oder ein aktives normal offenes Ventil kann beispielsweise ein aus der EP 1 320 686 B1 bekanntes Ventil verwendet werden. Als ein Ventil mit Einsatzschwelldruck kann beispielsweise ein aus der DE 10 2008 035 990 A1 bekanntes Ventil verwendet werden. Als ein Double Normally Closed Mikroventil kann beispielsweise ein aus der EP 1 576 294 B1 bekanntes Ventil verwendet werden. Als ein Safety Valve kann beispielsweise ein aus der EP 2 220 371 B1 bekanntes Ventil verwendet werden.
Gemäß einer Ausführungsform kann das Mikrodosiersystem einen zweiten Strömungssensor aufweisen, der eine Öffnung und ein Durchflussmengenmessmittel aufweist, wobei das Durchflussmengenmessmittel ausgebildet ist, um die Durchflussmenge des durch diese Öffnung hindurchtretenden Fluids zu bestimmen, wobei der zweite Strömungssensor einlassseitig und der erste Strömungssensor auslassseitig angeordnet ist. Somit kann die über den Pumpeneinlass in die Pumpe hineinfließende Menge des abzugebenden Fluids, sowie die über den Auslass aus der Pumpe abgegebene Menge des Fluids bestimmt werden. Diese beiden Werte können mittels der Mittel zum Kalibrieren und/oder Stördetektieren, insbesondere von der Steuereinrichtung, miteinander verglichen werden, um so beispielsweise die in die Pumpe hineinfließende Menge mit der von der Pumpe tatsächlich abgegebene Menge des Fluids zu vergleichen. Bei Nicht-Übereinstimmung der beiden Werte kann das Mikrodosiersystem auf einen Fehler, wie z. B. eine Leckage von Ventilen oder eine Gasblase in der Pumpenkammer, schließen.
Es ist vorstellbar, dass die Mittel zum Kalibrieren und/oder Stördetektieren des Mikrodosiersystems eine Steuereinrichtung aufweisen, die ausgebildet ist, um die Mikropumpe sowie den ersten auslassseitig und den zweiten einlassseitig angeordneten Strömungssensor derart anzusteuern, dass sowohl der erste als auch der zweite Strömungssensor die Durchflussmenge des durch die jeweilige Öffnung des ersten und des zweiten Strömungssensors fließenden Fluids bestimmen, wenn die Mikropumpe das abzugebende Fluid ansaugt, und wobei die Steuereinrichtung ferner ausgebildet ist, um die von dem ersten Strömungssensor bestimmte Durchflussmenge und die von dem zweiten Strömungssensor bestimmte Durchflussmenge miteinander zu vergleichen. Die beiden Strömungssensoren können sich hierbei gegenseitig überwachen. So werden beispielsweise beide Strömungssensoren vor jedem Saughub der Pumpe mittels der Mittel zum Kalibrieren und/oder Stördetektieren neu kalibriert bzw. „genullt”. Während des Saughubs wird die Pumpenkammer durch das Einlassventil mit dem abzugebenden Fluid befüllt. Die angesaugte Durchflussmenge des Fluids wird mit dem einlassseitig angeordneten zweiten Strömungssensor gemessen. Gleichzeitig misst der auslassseitig angeordnete erste Strömungssensor, ob ein Fluidfluss durch dessen Öffnung feststellbar ist. Dies würde darauf hindeuten, dass Fluid aus dem Auslass entweicht, der im Saughub der Pumpe aber eigentlich fluiddicht verschlossen sein sollte. Somit kann eine mögliche Leckage, einschließlich deren Leckrate, detektiert werden. So kann beispielsweise ein den Auslass verschließendes Ventil undicht sein, was gemäß dieser Ausführungsform erkennbar ist. Durch einen Vergleich der gemessenen einlassseitig angesaugten Menge an Fluid mit einer im selben Zeitraum möglicherweise aus einem auslassseitigen Leck ausgetretenen Menge an Fluid kann die tatsächliche Ansaugmenge der Pumpe genau bestimmt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform können die Mittel zum Kalibrieren und/oder Stördetektieren des Mikrodosiersystems eine Steuereinrichtung aufweisen, die ausgebildet ist, um die Mikropumpe sowie den ersten auslassseitig und den zweiten einlassseitig angeordneten Strömungssensor derart anzusteuern, dass sowohl der erste als auch der zweite Strömungssensor die Durchflussmenge des durch die jeweilige Öffnung des ersten und des zweiten Strömungssensors fließenden Fluids bestimmen, wenn die Mikropumpe das abzugebende Fluid aus dem Auslass abgibt, und wobei die Steuereinrichtung ferner ausgebildet ist, um die von dem ersten Strömungssensor bestimmte Durchflussmenge und die von dem zweiten Strömungssensor bestimmte Durchflussmenge miteinander zu vergleichen. Die beiden Strömungssensoren können sich hierbei gegenseitig überwachen. So werden beispielsweise beide Strömungssensoren vor jedem Druckhub der Pumpe mittels der Mittel zum Kalibrieren und/oder Stördetektieren neu kalibriert bzw. „genullt”. Die durch den Auslass ausgegebene Fluidmenge wird von dem ersten, auslassseitig angeordneten Strömungssensor gemessen. Gleichzeitig misst der zweite, einlassseitig angeordnete Strömungssensor, ob ein Fluidfluss durch dessen Öffnung feststellbar ist. Dies würde darauf hinweisen, dass Fluid aus dem Einlass entweicht, der im Druckhub der Pumpe aber eigentlich fluiddicht verschlossen sein sollte. Somit kann eine mögliche Leckage, einschließlich deren Leckrate, detektiert werden. So kann beispielsweise ein den Einlass verschließendes Einlassventils undicht sein, was gemäß dieser Ausführungsform erkennbar ist. Durch einen Vergleich der gemessenen auslassseitig abgegebenen Menge an Fluid mit einer im selben Zeitraum möglicherweise aus einem einlassseitigen Leck ausgetretenen Menge an Fluid kann die tatsächliche Abgabe- bzw. Fördermenge der Pumpe genau bestimmt werden.
Durch Integration des Strömungssensorsignals des einlassseitig angeordneten Strömungssensors kann das Hubvolumen der Pumpe im Saughub bestimmt werden. Durch Integration des Strömungssensorsignals des auslassseitig angeordneten Strömungssensors kann das Hubvolumen der Pumpe im Druckhub bestimmt werden. Die Steuervorrichtung kann beide ermittelten Hubvolumina miteinander vergleichen. Eventuelle Volumenhubdifferenzen zeigen beispielsweise einen Messfehler auf.
Es ist denkbar, dass die Mikropumpe eine zwischen dem Einlass und dem Auslass angeordnete Pumpenkammer, eine zumindest abschnittsweise im Bereich der Pumpenkammer angeordnete Membran und ein Membranauslenkungsmittel aufweist, wobei das Membranauslenkungsmittel ausgebildet ist, um die Membran derart auszulenken, dass das Volumen der Pumpenkammer vergrößert wird, um das abzugebende Fluid anzusagen, und das Volumen der Pumpenkammer verkleinert wird, um das abzugebende Fluid abzugeben. Die Mikropumpe kann als selbstansaugende Membranpumpe ausgebildet sein.
Das Membranauslenkungsmittel kann ein Piezoelement sein, das ausgebildet ist, um die Membran in Abhängigkeit der an dem Piezoelement anliegenden Spannung auszulenken. So können geringe Spannungen ausreichen, um die Pumpe zu betreiben. Außerdem können mit dem Piezoelement hohe Taktraten der Mikropumpe, von beispielsweise 500 Hz, realisiert werden.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann das Mikrodosiersystem eine Steuereinrichtung aufweisen, die ausgebildet ist, um die durch die Öffnung des ersten Strömungssensors ermittelte Durchflussmenge mit einem vorgegebenen Durchflussmengenvergleichswert zu vergleichen, und die Mikropumpe so lange anzusteuern, bis die durch die Öffnung des ersten Strömungssensors ermittelte Durchflussmenge gleich oder größer dem vorgegebenen Durchflussmengenvergleichswert ist. So kann die Mikropumpe vorteilhaft eine gewünschte bzw. vordefinierte Menge an Fluid abgeben. Falls eine Abgabemenge gewünscht sein sollte, die größer ist als die mit einem einzigen Pumpenhub abzugebende Menge, kann die Steuereinrichtung die Mikropumpe so lange ansteuern, bis die gewünschte Menge erreicht ist.
Es ist vorstellbar, dass zwischen der Mikropumpe und dem ersten und/oder zweiten Sensor Fluidverbindungsmittel angeordnet sind, die eine geringe fluidische Kapazität aufweisen, insbesondere Fluidverbindungsmittel, deren Volumen bei veränderlichem Betriebsdruck der Mikropumpe konstant bleibt und/oder Fluidverbindungsmittel, die eine geringe fluidische Induktivität aufweisen. Vorteilhafter Weise befinden sich zwischen Mikropumpe und Strömungssensor nur geringe bis gar keine „fluidischen Kapazitäten”, wie z. B. weiche lange Kunststoffschläuche, oder andere elastische Elemente, durch die es zu Zeitverzögerungen kommen würde, bis die Strömung zur Ruhe kommt, da sich lange weiche Schläuche aufdehnen und so ihr Volumen vergrößern. D. h. vorteilhaft befinden sich zwischen Mikropumpe und Dosierchip keine langen, weichen Leitungen. Die fluidische Induktivität beschreibt im Wesentlichen die Trägheit der Flüssigkeitssäule, die während eines Pumpenhubs beschleunigt werden muss. Je träger die Flüssigkeitssäule ist, desto langsamer folgt sie den Bewegungen der Pumpe. Bei hohen Pumpfrequenzen kann eine Flüssigkeitssäule ab einer gewissen Grenzfrequenz den Bewegungen der Pumpe nicht mehr folgen. Dieses Verhalten entspricht im Wesentlichen einem Tiefpassverhalten. Daher ist es vorteilhaft, Fluidverbindungsmittel mit möglichst kurzer Länge und möglichst großem Querschnitt bereitzustellen.
Es ist denkbar, dass das einlassseitig vorgesehene Ventil zwischen der Mikropumpe und einem einlassseitig angeordneten Strömungssensor oder in Strömungsrichtung vor einem einlassseitig angeordneten Strömungssensor angeordnet ist, und dass das auslassseitig vorgesehene Ventil zwischen der Mikropumpe und dem ersten auslassseitig angeordneten Strömungssensor oder in Strömungsrichtung nach dem ersten auslassseitig angeordneten Strömungssensor angeordnet ist. Dies sind besonders vorteilhafte Positionen zum Anordnen der sperrenden Ventile, um einen Free Flow zu unterbinden.
Es ist denkbar, dass der erste Strömungssensor auslassseitig und zumindest abschnittsweise mit dem Auslass der Mikropumpe in Kontakt stehend angeordnet ist. So besteht, zumindest abschnittsweise, eine direkte Verbindung zwischen dem Pumpenauslass und dem Strömungssensor. Die Wege, die das abzugebende Fluid, zwischen Pumpenauslass und Strömungssensor zurückzulegen hat, können somit vorteilhaft gering gehalten werden. Der Pumpendruck kann daher weitestgehend verlustfrei zu dem Strömungssensor übertragen werden.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Mikropumpe auslassseitig ein Ventil aufweisen, das ausgebildet ist, um den Auslass zu verschließen, wenn die Mikropumpe das abzugebende Fluid ansaugt, und das ausgebildet ist, um den Auslass zu öffnen, wenn die Mikropumpe das abzugebende Fluid aus dem Auslass abgibt. Ein solches Ventil verhindert einen ungewollten Rückfluss, bzw. Leckfluss in Rückwärtsrichtung, des abzugebenden Fluids. So lässt dieses Ventil das abzugebende Fluid im Druckhub der Pumpe durch das Auslassventil austreten. Im Saughub der Pumpe ist jedoch ein Verschließen des Auslasses gewünscht, um neues abzugebendes Fluid durch den Einlass in die Pumpenkammer pumpen zu können. Deshalb verschließt dieses Ventil den Auslass und verhindert somit einen ungewollten Rückfluss des abzugebenden Fluids durch den Auslass im Saughub der Mikropumpe.
Es ist denkbar, dass die Mikropumpe einlassseitig ein Ventil aufweist, das ausgebildet ist, um den Einlass zu öffnen, wenn die Mikropumpe das abzugebende Fluid ansaugt, und das ausgebildet ist, um den Einlass zu verschließen, wenn die Mikropumpe das abzugebende Fluid aus dem Auslass abgibt. Dieses Ventil verhindert einen ungewollten Rückfluss des abzugebenden Fluids im Druckhub der Pumpe, bzw. einen Leckfluss in Rückwärtsrichtung, falls beispielsweise der auslassseitige Druck größer sein sollte als der einlassseitige Druck. So lässt dieses Ventil das abzugebende Fluid im Saughub der Pumpe durch das Einlassventil zwar eintreten. Im Druckhub der Pumpe ist jedoch ein Verschließen des Einlasses gewünscht, um Druck in der Pumpenkammer aufbauen zu können. Deshalb verschließt dieses Ventil den Einlass im Druckhub der Mikropumpe und verhindert somit einen ungewollten Rückfluss des abzugebenden Fluids durch den Einlass. Falls, beispielsweise bei Inaktivität der Pumpe, der auslassseitige Druck höher sein sollte als der einlassseitige Druck, kann dieses Ventil einen ungewollten Leckfluss in Rückwärtsrichtung, d. h. zu dem Einlass hin, verhindern.
Es ist vorstellbar, dass der zweite Strömungssensor zumindest abschnittsweise mit dem Einlass der Mikropumpe in Kontakt stehend angeordnet ist. So besteht, zumindest abschnittsweise, eine direkte Verbindung zwischen dem Pumpeneinlass und dem zweiten Strömungssensor. Die Wege, die das abzugebende Fluid zwischen dem zweiten Strömungssensor und dem Pumpeneinlass zurückzulegen hat, können somit vorteilhaft gering gehalten werden.
Gemäß eines Ausführungsbeispiels können die Mittel zum Kalibrieren und/oder Stördetektieren des Mikrodosiersystems eine Steuereinrichtung aufweisen, die ausgebildet ist, um die Mikropumpe und den ersten Strömungssensor derart anzusteuern, dass der erste Strömungssensor die Durchflussmenge des durch die Öffnung des ersten Strömungssensors fließenden Fluids bestimmt, wenn die Mikropumpe nicht betätigt ist. So kann bei Inaktivität der Pumpe, d. h. vor einem Saughub und vor einem Druckhub, eine mögliche Leckage eines einlassseitig und/oder auslassseitig angeordneten Ventils der Mikropumpe bestimmt werden. Im Stillstand der Mikropumpe, d. h. wenn die Mikropumpe nicht betätigt ist, sind das einlassseitig und/oder auslassseitig angeordnete Ventil verschlossen und es befindet sich eine gewisse Menge an Fluid in der Pumpenkammer. Da die Pumpe nicht betätigt ist, liegt kein Überdruck in der Pumpenkammer an. Falls der auslassseitig angeordnete erste Strömungssensor, trotz verschlossenem Auslassventil und trotz nicht anliegendem Überdruck, einen Durchfluss messen sollte, kann das Mikrodosiersystem darauf schließen, dass das Auslassventil der Mikropumpe nicht dicht ist bzw. leckt. Falls der einlassseitig angeordnete erste Strömungssensor, trotz verschlossenem Einlassventil, einen Durchfluss messen sollte, kann das Mikrodosiersystem darauf schließen, dass das Einlassventil nicht dicht ist bzw. leckt. Die Steuereinrichtung kann außerdem einen an der Öffnung des ersten Strömungssensors auftretenden Leckstrom detektieren. Hierfür misst die Steuereinrichtung bei Inaktivität der Pumpe die Durchflussmenge des Leckstroms an der Öffnung des ersten Strömungssensors. Diese Durchflussmenge des Leckstroms wird als Differenzwert gespeichert. Bei anschließender Aktivität der Pumpe, z. B. während eines Druckhubs der Pumpe, wird dieser Differenzwert (d. h. der zuvor ermittelte Leckstrom) dann von dem während des Druckhubs der Pumpe tatsächlich gemessenen Durchflusswert abgezogen. Somit wird nur der tatsächliche Durchflusswert, d. h. ohne Leckstrom, gemessen. Alternativ ist es auch denkbar, dass der Differenzwert bereits vor einem Arbeitshub der Pumpe von der bisherigen Nullpunktlage des Strömungssensors abgezogen wird. Somit wird also ein neuer, um die zuvor bestimmte Menge des Leckstroms reduzierter bzw. korrigierter, Nullpunkt bestimmt. Der Strömungssensor kann so, bei Undichtigkeit des ersten Strömungssensors, vor jedem Arbeitshub der Pumpe neu kalibriert, bzw. genullt werden.
Es ist auch denkbar, dass die Mittel zum Kalibrieren und/oder Stördetektieren des Mikrodosiersystems eine Steuereinrichtung aufweisen, die ausgebildet ist, um die Mikropumpe und den ersten und/oder den zweiten Strömungssensor derart anzusteuern, dass der erste und/oder der zweite Strömungssensor die Durchflussmenge des durch die Öffnung des ersten und/oder des zweiten Strömungssensors fließenden Fluids bestimmt, wenn die Mikropumpe nicht betätigt ist. So kann vor einem Saughub und vor einem Druckhub eine mögliche Leckage beider einlassseitig bzw. auslassseitig angeordneten Ventile gleichzeitig bestimmt werden. Im Stillstand der Mikropumpe, d. h. wenn die Mikropumpe nicht betätigt ist, sind das einlassseitig und das auslassseitig angeordnete Ventil verschlossen und es befindet sich eine gewisse Menge an Fluid in der Pumpenkammer. Da die Pumpe nicht betätigt ist, liegt kein Überdruck in der Pumpenkammer an. Falls der auslassseitig angeordnete erste Strömungssensor, trotz verschlossenem Auslassventil und trotz nicht anliegendem Überdruck, einen Durchfluss messen sollte, kann das Mikrodosiersystem darauf schließen, dass das Auslassventil nicht dicht ist bzw. leckt. Falls der einlassseitig angeordnete zweite Strömungssensor, trotz verschlossenem Einlassventil, einen Durchfluss messen sollte, kann das Mikrodosiersystem darauf schließen, dass das Einlassventil nicht dicht ist bzw. leckt.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Mikropumpe als eine intermittierend arbeitende Pumpe ausgebildet sein. Die Pumpe erzeugt hierbei einen Druckpuls bzw. eine Abfolge von Druckpulsen. Somit liegt ein transientes, zeitlich veränderbares Drucksignal an den Strömungssensoren an. Eine Erkennung einer Verstopfung der Öffnung des jeweiligen Strömungssensors kann durch eine Analyse dieses transienten Signals ermöglicht werden. Bei einer statischen Strömung kann der Strömungssensor nicht unterscheiden, ob die Öffnung verstopft ist. Allerdings ist das am Strömungssensor anliegende transiente, zeitabhängige Signal unterschiedlich, je nachdem ob die Öffnung verstopft ist oder nicht. Wenn die Öffnung nicht verstopft ist, dann wird sich der durch die Mikropumpe erzeugte Druckpuls wieder innerhalb einiger Millisekunden abbauen. Ist die Öffnung verstopft, baut sich ein Überdruck auf, der aber nicht abfließen kann. Dies kann durch eine Signalanalyse des Strömungssensors erkannt werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden nachstehend erläutert. Es zeigen:
1A ein erfindungsgemäßes Mikrodosiersystem,
1B eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Mikrodosiersystems,
2A eine seitliche Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Mikrodosiersystems gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels,
2B eine seitliche Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Mikrodosiersystems gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels,
3 eine seitliche Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Mikrodosiersystems gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels,
4 ein Blockdiagram eines erfindungsgemäßen Verfahrens, und
5 ein Diagramm, das den über die Zeit veränderlichen Pumpkammerdruck abbildet.
1A zeigt ein erfindungsgemäßes Mikrodosiersystem 100 zum Dosieren einer abzugebenden Fluidmenge. Das abzugebende Fluid kann beispielsweise ein Gas oder eine Flüssigkeit sein. Das Fluid kann unterschiedliche rheologische Eigenschaften aufweisen. Beispielsweise kann das Fluid eine niedrige Viskosität aufweisen. Es kann sich bei dem Fluid mit niedriger Viskosität beispielsweise um eine Crème oder eine Lotion handeln. Das Fluid kann arzneilich wirksame Bestandteile aufweisen. Bei dem Fluid kann es sich beispielsweise auch um mit Duftstoffen versetzte Deodorantlösungen handeln.
Das Mikrodosiersystem 100 weist eine Mikropumpe 101 auf. Die Mikropumpe 101 weist einen Einlass 102 und einen Auslass 103 auf.
Die Mikropumpe 101 ist ausgebildet, um das abzugebende Fluid, angedeutet durch den Pfeil 104, durch den Einlass 102 anzusaugen. Die Mikropumpe 101 ist ferner ausgebildet, um zumindest einen Teil des Fluids, angedeutet durch den Pfeil 105, aus dem Auslass 103 abzugeben.
Das Mikrodosiersystem 100 weist einen ersten Strömungssensor 106a, 106b auf. Der erste Strömungssensor 106a ist auslassseitig angeordnet, d. h. er befindet sich auf der Seite des Auslasses 103 der Mikropumpe 101. Optional kann der erste Strömungssensor 106b anstatt auslassseitig auch einlassseitig, d. h. auf der Seite des Einlasses 102, angeordnet sein, weshalb der optional einlassseitig angeordnete erste Strömungssensor 106b gemäß dieser Option in 1A mit Strichlinien angedeutet ist.
Der erste Strömungssensor 106a, 106b weist eine Öffnung 107a, 107b auf. Das abzugebende Fluid 104, 105 kann durch diese Öffnung 107a, 107b hindurchtreten. Der erste Strömungssensor 106a, 106b weist ferner ein Durchflussmengenmessmittel 108a, 108b auf. Das Durchflussmengenmessmittel 108a, 108b ist ausgebildet, um die Durchflussmenge des durch die in dem ersten Strömungssensor 106a, 106b ausgebildete Öffnung 107a, 107b hindurchtretenden Fluids 104, 105 zu bestimmen.
Die Öffnung 107a, 107b kann auch als Blende bezeichnet werden. Das Durchflussmengenmessmittel 108a, 108b kann z. B. ein Drucksensor sein, der den vor der Blende 107a, 107b anliegenden Druck sowie den nach der Blende anliegenden Druck misst und den Differenzdruck bestimmen kann. Mittels des Differenzdrucks kann, wie nachfolgend beschrieben, die durch die Blende 107a, 107b hindurch getretene Durchflussrate bestimmt werden. Durch eine zeitliche Integration der Durchflussrate kann die Durchflussmenge bzw. das Volumen des durchgeflossenen Fluids bestimmt werden. Somit kann das Mikrodosiersystem die abzugebende Menge des Fluids dosieren.
Die Öffnung bzw. Blende 107a, 107b bildet einen definierten Flusswiderstand für das hindurch fließende Fluid. Der Volumenstrom bzw. der Volumen- bzw. Massendurchfluss, der durch diesen Flusswiderstand fließt, ist eine Funktion des an demselben anliegenden Drucks. Der Volumendurchfluss Q ist (bei inkompressiblen Flüssigkeiten mit nicht zu hoher Viskosität gemäß dem Gesetz von Toricelli) proportional der Quadratwurzel des Differenzdrucks Δp zwischen dem vor der Blende 107a, 107b gemessenen Druck p₁ und dem nach der Blende 107a, 107b gemessenen Druck p₂, mit einer Proportionalitätskonstanten c.
Oder allgemein:
mit der Blendenfläche A und der Dichte ρ der Flüssigkeit. Die Ausflusszahl μ setzt sich zusammen aus der Kontraktionszahl λ (die die Einschnürung des Strömungspfades bei scharfen Blendenkanten beschreibt) und der Geschwindigkeitsziffer ζ (die den Einfluss der (kleinen) Reibungsverluste an der Blende beschreibt). μ = λζ
Die obige wurzelförmige Toricelli Beziehung hat weiterhin zur Voraussetzung, dass es sich bei der Öffnung 107a, 107b um eine „Blende” handelt, das bedeutet, dass der Durchmesser (oder typische Abmessung bei einer nichtrunden, z. B. quadratischen Blende) der Öffnung 107a, 107b wesentlich größer ist als die Dicke der Blende 107a, 107b. Das ist z. B. der Fall, wenn die Öffnung 107a, 107b des Strömungssensors 106a, 106b z. B. durch einen Trocken-Ätzschritt auf einer Drucksensormembran aus Silizium realisiert wird, die üblicherweise eine Membrandicke von 10 ... 50 μm hat und eine typische Membranseitenlänge von 1 ... 3 mm hat, und der Durchmesser der Blende 107a, 107b einen Wert von 50 ... 1500 μm hat. Wenn der Durchmesser der Öffnung 107a, 107b wesentlich größer ist als die Dicke der Blende 107a, 107b, wird die potentielle Energie des Fluides hauptsächlich in kinetische Energie umgesetzt, womit sich das obige Gesetz von Toricelli ergibt. In diesem Falle ist der Einfluss der Reibung an der Blendenströmung klein, was den Vorteil hat, dass der Flüssigkeits-Fluss durch die Blende 107a, 107b im Wesentlichen unabhängig von der Temperatur ist, da die Dichte im Wesentlichen temperaturunabhängig ist, während dagegen die Viskosität bei Flüssigkeiten sehr temperurabhängig ist. Nachteilig ist hier, dass (aufgrund der steilen Wurzelkennlinie bei kleinen Sensorsignalen) der Strömungssensor 106a, 106b bei kleinen Durchflusswerten unempfindlicher ist.
Wenn der Durchmesser der Blende 107a, 107b nicht wesentlich größer ist als die Dicke der Blende 107a, 107b, steigt der Einfluss der Reibung an. Die Wurzelkennlinie bekommt dann einen linearen Anteil. Für die Funktion des Mikrodosiersystems 100 ist dies jedoch unerheblich, da auch in diesem Falle der Zusammenhang zwischen Drucksensorsignal und Durchfluss ermittelt werden kann. Da der Einfluss der Viskosität von der Temperatur ebenfalls bekannt ist, kann dieser Temperatureinfluss durch Messung der Temperatur (wie zuvor bereits für Gasströmung beschrieben wurde) gemessen und kompensiert werden. Weiterhin hat eine Kanalströmung den Vorteil, dass sich ein annähernd linearer Zusammenhang ergibt zwischen Durchfluss und Druckabfall, was bei einer runden Kanalgeometrie durch das Gesetz von Hagen Poiseuill allgemein bekannt ist.
Dadurch ist es z. B. möglich, auch Blendendurchmesser zu realisieren, die gleich oder kleiner sind als die Blendendicke (wodurch die Blende zum Kanal wird), und somit können auch Mikrodosiersysteme 100 realisiert werden, die sehr kleine Mengen überwachen und dosieren können.
Der Volumenstrom bzw. die Durchflussrate Q ist außerdem die zeitliche Ableitung des während einer Zeiteinheit durch den definierten Flusswiderstand (entspricht dem Querschnitt der Blendenöffnung 107a, 107b) durchfließenden Volumens des abzugebenden Fluids. Q = V . = dV / dt
Eine Integration des Volumenstroms Q ergibt das Volumen des während dieses Zeitraums durchgeflossenen Mediums.
Wie zuvor bereits erwähnt, kann es sich bei einem abzugebenden Fluid auch um ein Gas handeln. In diesem Fall ändert sich das Volumen des Gases mit der Temperatur. Deshalb kann es vorteilhaft sein, wenn das Mikrodosiersystem 100 einen (hier nicht dargestellten) Temperatursensor aufweist, der ausgebildet ist, um die Temperatur des durch die Blendenöffnung 107a, 107b hindurch tretenden Gases zu bestimmen, um so das entsprechende Volumen des Gases zu ermitteln. Vorteilhafter Weise ist der Temperatursensor in dem ersten Strömungssensor 106a, 106b integriert. Wenn der erste Strömungssensor 106a, 106b beispielsweise als ein Mikroströmungssensor in Form eines Halbleiterchips ausgebildet ist, kann der Temperatursensor ebenfalls in diesem Halbleiterchip ausgebildet sein.
Das Mikrodosiersystem 100 weist außerdem Mittel 113 zum Kalibrieren und/oder Stördetektieren des Mikrodosiersystems 100 auf. Diese Mittel 113 sind ausgebildet, um den ersten Strömungssensor 106a, 106b bei Bedarf zu einem beliebigen Zeitpunkt neu zu kalibrieren, beziehungsweise den aktuellen Nullpunkt bei Bedarf neu zu bestimmen, um so einer ungewollten Sensordrift entgegenzuwirken. Die Mittel 113 sind außerdem ausgebildet, um eine Störung des Mikrodosiersystems 100 zu detektieren. Die Mittel 113 können beispielsweise über Signalleitungen 114, 115a, 115b mit der Mikropumpe 101 und dem ersten auslassseitig bzw. einlassseitig angeordneten Strömungssensor 106a, 106b in Verbindung stehen.
Die Mittel 113 zum Kalibrieren und/oder Stördetektieren des Mikrodosiersystems 100 umfassen eine Steuereinrichtung 302. Die Steuereinrichtung 302 ist ausgebildet, um einen bei Inaktivität der Mikropumpe 101 vorherrschenden Istwert des Sensorsignals des ersten Strömungssensors 106a, 106b zu erfassen und als aktuellen Nullwert festzulegen. Die Steuereinrichtung 302 als Bestandteil der Mittel zum Kalibrieren und/oder Stördetektieren des Mikrodosiersystems 100 schaltet die Mikropumpe 101 in einen inaktiven Zustand, d. h. die Mikropumpe 101 führt weder einen Saughub noch einen Druckhub aus. In diesem inaktiven Zustand der Mikropumpe 101 fließt kein abzugebendes Fluid zwischen dem Einlass 102 und dem Auslass 103.
Nun kann es jedoch vorkommen, dass das Sensorsignal des ersten Strömungssensors 106a, 106b driftet, d. h. der Wert des zu einem Zeitpunkt t₁ betrachteten Sensorsignals verändert sich über die Zeit, sodass dieses Sensorsignal zu einem zweiten Zeitpunkt t₂ einen anderen Wert als zu dem vorherigen Zeitpunkt t₁ aufweist. Dies kann beispielsweise durch mechanischen Stress beim Hausen von Low-Cost Sensoren induziert sein.
Die Steuereinrichtung 302 kann deshalb zu einem beliebigen Zeitpunkt t₀ den aktuellen Sensorwert des ersten Strömungssensors 106a, 106b erfassen und als neuen Nullwert festlegen. In anderen Worten kann der aktuelle Sensorwert als Offset in einer unmittelbar darauffolgenden Durchflussmessung des ersten Strömungssensors 106a, 106b mittels des Durchflussmengenmessmittels 108a, 108b vom Messsignal abgezogen werden. Das Mikrodosiersystem 100 wird so mittels der Mittel zum Kalibrieren und/oder Stördetektieren vor einer Messung neu kalibriert.
Die Steuereinrichtung 302 ist ausgebildet, um einen Korrekturwert zu bestimmen und diesen von dem Betrag des erfassten Ist-Sensorsignals des ersten Strömungssensors 106a, 106b zu subtrahieren, wobei der erhaltene Differenzwert einen korrigierten Ausgangspunkt für die nachfolgenden Sensorsignale des ersten Strömungssensors 106a, 106b bildet.
Wenn also die Steuereinrichtung 302 feststellt, dass kein Fluss fließt (z. B. bei Inaktivität der Mikropumpe und/oder geschlossenen Mikroventilen), wird der erste Strömungssensor 106a, 106b mittels der Mittel zum Kalibrieren und/oder Stördetektieren kalibriert bzw. „genullt”. Beispielsweise kann die Steuereinrichtung 302 den aktuellen Ist-Wert des ersten Strömungssensors 106a, 106b erfassen und diesen mittels eines Korrekturwerts korrigieren, um das resultierende Signal als aktuellen „Null-Fluss-Wert” bzw. Nullpunkt oder Ausgangspunkt festzulegen.
Der Korrekturwert wird von der Steuereinrichtung 302 bestimmt und basiert auf dem erfassten Ist-Sensorsignal des ersten Strömungssensors 106a, 106b. Der Korrekturwert wird von dem erfassten Ist-Sensorsignal subtrahiert. Der so erhaltene Differenzwert dient als neuer Ausgangspunkt für nachfolgende Sensorsignale. In anderen Worten wird das aktuelle Ist-Sensorsignal als neues „Nullsignal” festgelegt. Dieses neue „Nullsignal” kann als Offset in einer unmittelbar darauffolgenden Messung des Strömungssensors, in der der Strömungssensor noch nicht wieder weggedriftet ist, vom Messsignal abgezogen werden.
Beispielsweise kann der Korrekturwert dem Betrag des gemessenen Ist-Sensorsignals entsprechen und von diesem subtrahiert werden. Wenn also beispielsweise bei Inaktivität der Pumpe ein Ist-Sensorsignal von ±50 mV aufgrund von Sensordrift gemessen wird, dann kann ein Korrekturwert in Höhe von 50 mV von dem Betrag des Ist-Sensorsignals subtrahiert werden. Das heißt, der Betrag des Ist-Wertes des Sensorsignals in Höhe von ±50 mV wird um den Korrekturwert in Höhe von ebenfalls 50 mV korrigiert. Das driftende Sensorsignal wird so auf den Wert Null zurückgesetzt.
Der Korrekturwert kann vor der Durchführung einer Messung eines Sensorsignals des ersten Strömungssensors 106a, 106b von dem zuvor erfassten Ist-Sensorsignal subtrahiert werden. Somit wird der „Nullpunkt” neu bestimmt. Es ist aber auch denkbar, dass der Ist-Sensorwert zunächst als Korrekturwert gespeichert wird und erst nach der Durchführung einer Messung von diesem gemessenen Sensorsignal subtrahiert wird. Der Korrekturwert wird in diesem Fall also erst nach erfolgter Messung als Offset vom erhaltenen Messwert abgezogen.
Unabhängig davon, ob der Korrekturwert nun vor oder nach einer Messung von dem jeweiligen Sensorsignal subtrahiert wird, kann, falls das Sensorsignal des Strömungssensors einer zeitlich veränderbaren Sensordrift unterliegt, der Betrag der Sensordrift mittels der Mittel zum Kalibrieren und/oder Stördetektieren zu jedem beliebigen Zeitpunkt t₀ zu Null gesetzt werden. Die Sensordrift wird zum Zeitpunkt t₀ sozusagen ausgeblendet bzw. korrigiert und der aktuelle Nullpunkt des Strömungssensors zum Zeitpunkt t₀ wird neu bestimmt.
Der Betrag des Korrekturwerts muss nicht genau dem Betrag des Ist-Sensorsignals entsprechen. Es ist ebenfalls denkbar, dass der Betrag des Korrekturwerts einen beliebigen Wert zwischen Null und dem Ist-Wert des Sensorsignals aufweist. Wenn also beispielsweise ein Ist-Sensorsignal von ±50 mV aufgrund von Sensordrift gemessen wird, dann kann ein Korrekturwert mit einem beliebigen Wert zwischen 0 mV und 50 mV von dem Betrag des Ist-Sensorsignals abgezogen werden. Es wäre in diesem Fall beispielsweise denkbar, dass ein Korrekturwert in Höhe von 49 mV von dem Betrag des gemessenen Ist-Sensorsignals in Höhe von ±50 mV subtrahiert wird. Dementsprechend würde sich ein neuer Differenzwert von 1 mV ergeben, der als neuer Ausgangspunkt bzw. als „Nullpunkt” für anstehende Messungen verwendet wird.
Es ist auch denkbar, dass der Korrekturwert innerhalb eines Bereichs von dem Betrag des Ist-Sensorsignals plus einem Toleranzwert von ±10% des Ist-Sensorsignals oder plus einem Toleranzwert von ±20% des Ist-Sensorsignals liegt. Demnach wäre beispielsweise bei einem Ist-Sensorsignalwert von ±50 mV ein Korrekturwert x₁ im Bereich von 50 mV ± 10%, d. h. 45 mv < x₁ < 55 mV, oder ein Korrekturwert x₂ im Bereich von 50 mV ± 20%, d. h. 40 mv < x₂ < 60 mV, wählbar.
Die Steuereinrichtung 302 ist ausgebildet, um die Kalibrierung des Mikrodosiersystems 100 vor jedem Pumpenhub durchzuführen. Dementsprechend kann die Steuereinrichtung 302 die Kalibrierung vor einem Saughub und/oder vor einem Druckhub der Mikropumpe 101, wie zuvor beschrieben, durchführen.
Vor einer Kalibrierung des Mikrodosiersystems 100 sollte sichergestellt sein, dass kein freier Fluss, bzw. lediglich ein vernachlässigbar kleiner Fluss, des Fluids 104, 105, 109 zwischen Einlass 102 und Auslass 103 stattfindet, um das driftende Sensorsignal ausreichend gut kompensieren zu können. Dies kann unter anderem dadurch sichergestellt werden, dass das Mikrodosiersystem 100 erfindungsgemäß einlassseitig einen niedrigeren Druck als auslassseitig aufweist. Beispielsweise kann ein, nachfolgend mit Bezug auf die 2A und 2B näher beschriebenes, Reservoir 201 vorgesehen sein, wobei der Fluidpegel in dem Reservoir 201 stets unterhalb eines Fluidpegels im Auslass zu halten ist. Bei dieser Betrachtung ist es nicht relevant, ob die verbindenden flüssigkeitsgefüllten Fluidkanäle (z. B. 225) über oder unter dem Fluidpegel im Einlass oder dem Fluidpegel im Auslass sind. So reicht der hydrostatische Druck in dem Reservoir nicht aus, um einen freien Fluidfluss zwischen Einlass 102 und Auslass 103 stattfinden zu lassen. Bei dieser Konstellation wäre bezüglich der Druckverhältnisse ein umgekehrter Fluss vom Auslass 103 zurück in den Einlass 102 zwar prinzipiell möglich, jedoch sind die passiven Rückschlagventile 310, 311 der Mikropumpe 101 (siehe 3) in Sperrrichtung gepolt und verhindern einen Rückfluss, so dass sichergestellt wird, dass kein Fluss (oder nur ein zu vernachlässigender Leckstrom) fließt.
Es können aber auch sowohl ein einlassseitig angeordnetes Reservoir 201 als auch ein auslassseitig angeordnetes Reservoir vorgesehen sein. Die Fluiddrücke der beiden Reservoirs können so ausgelegt sein, dass diese gleich groß sind. In diesem Fall würde das Mikrodosiersystem 100 einlassseitig also etwa denselben Druck wie auslassseitig aufweisen. Hierdurch wird ebenfalls ein freier Fluidfluss zwischen Einlass 102 und Auslass 103 verhindert.
Falls das Mikrodosiersystem einlassseitig einen höheren Druck als auslassseitig aufweisen sollte, können konstruktive Maßnahmen ergriffen werden, um einen freien Fluidfluss zwischen Einlass 102 und Auslass 103 zu vermeiden. Gemäß der in 1B gezeigten Ausführungsform kann ein zusätzliches Ventil 140a, 140b vorgesehen sein. Das Ventil 140a kann auslassseitig angeordnet sein. Das Ventil 140b kann alternativ einlassseitig angeordnet sein. Es können auch sowohl auslassseitig als auch einlassseitig jeweils ein Ventil 140a, 140b vorgesehen sein.
Das Ventil 140a, 140 ist schließbar, sodass ein freier Fluidfluss zwischen dem Einlass 102 und dem Auslass 103 unterbunden werden kann. Das Ventil 140a, 140 kann ein aktives normal geschlossenes Ventil sein, wie es beispielweise aus der EP 1 320 686 B1 bekannt ist. Das Ventil 140a, 140b kann ein Ventil mit Einsatzschwelldruck sein, dass unterhalb eines Schwelldrucks dicht ist, wie beispielsweise aus der DE 10 2008 035 990 A1 bekannt. Das Ventil 140a, 140b kann ein sogenanntes Double Normally Closed Mikroventil sein, wie beispielsweise aus der EP 1 576 294 B1 bekannt. Das Ventil 140a, 140b kann auch ein sogenanntes Safety Valve sein, wie aus der EP 2 220 371 B1 bekannt.
Wie in 1B gezeigt ist, kann das einlassseitig vorgesehene Ventil 140b zwischen der Mikropumpe 101 und dem einlassseitig angeordneten Strömungssensor 106b angeordnet sein. Das einlassseitig vorgesehene Ventil 140b kann alternativ und bevorzugt auch in Strömungsrichtung vor dem einlassseitig angeordneten Strömungssensor 106b angeordnet sein. Das ist bevorzugt, weil dadurch die Totvolumina, die fluidischen Kapazitäten und die fluidischen Induktivitäten zwischen dem Strömungssensor 106b und der Mikropumpe 101 nicht vergrößert werden. Das auslassseitig vorgesehene Ventil 140a kann, wie in 1B dargestellt, zwischen der Mikropumpe 101 und dem auslassseitig angeordneten Strömungssensor 106a angeordnet sein. Das auslassseitig vorgesehene Ventil 140a kann alternativ auch bevorzugt in Strömungsrichtung nach dem auslassseitig angeordneten Strömungssensor 106a angeordnet sein.
Alternativ oder zusätzlich zu den Ventilen 140a, 140b kann die Mikropumpe 101 passive Rückschlagventile aufweisen, um ein Zurückfließen des Fluids, d. h. von dem Auslass 103 zu dem Einlass 102, zu verhindern. Diese Rückschlagventile 310, 311 werden nachfolgend mit Bezug auf 3 näher beschrieben.
Alternativ oder zusätzlich zu den Ventilen 140a, 140b kann die Mikropumpe 101 aktive Ein- und Auslassventile aufweisen, um ein Zurückfließen des Fluids, d. h. von dem Auslass 103 zu dem Einlass 102, zu verhindern, indem die aktiven Ventile geschlossen werden.
Eine solche Mikropumpe mit aktivem Einlassventil und aktivem Auslassventilen ist z. B. aus der Schrift DE 102 38 600 A1 bekannt.
Mit Hilfe einer solchen Mikropumpe, die aktive Ventile hat, kann neben dem Zurückfließen des Fluides auch das Vorfließens des Fluides (free flow) verhindert werden, wenn eines der aktiven Ventile oder beide Ventile aktiv geschlossen werden. Zunächst zeigt 2A eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Mikrodosiersystems 100. Das Mikrodosiersystem 100 weist eine Mikropumpe 101 auf. Die Mikropumpe 101 weist einen Einlass 102 und einen Auslass 103 auf.
Genauer gesagt weist der Einlass 102 eine Einlassöffnung 102a und einen die Einlassöffnung 102a umgebenden Randabschnitt 102b auf. Der Auslass 103 weist eine Auslassöffnung 103a und einen die Auslassöffnung 103a umgebenden Randabschnitt 103b auf. In der in 2A gezeigten Ausführungsform sind der die Einlassöffnung 102a umgebende Randabschnitt 102b und der die Auslassöffnung 103a umgebende Randabschnitt 103b einstückig ausgebildet.
Die Mikropumpe 101 ist ausgebildet, um das abzugebende Fluid, angedeutet durch den Pfeil 104, durch den Einlass 102 anzusaugen. Die Mikropumpe 101 ist ferner ausgebildet, um zumindest einen Teil des Fluids, angedeutet durch den Pfeil 105, aus dem Auslass 103 abzugeben.
An der Mikropumpe 101 kann einlassseitig ein Reservoir 201 angeordnet sein, welches das abzugebende Fluid 104 bevorratet. Das Reservoir 201 ist derart angeordnet, dass der Fluidpegel innerhalb des Reservoirs 201 unterhalb der untersten Kante des Fluidkanals 225 liegt, der den Einlass 102 mit dem Auslass 103 verbindet. So reicht der hydrostatische Druck des in dem Reservoir 201 bevorrateten Fluids nicht aus, um einen freien Fluidfluss zwischen dem Einlass 102 und dem Auslass 103 stattfinden zu lassen.
In der in 2A abgebildeten Ausführungsform weist das Mikrodosiersystem 100 ferner einen auslassseitig angeordneten ersten Strömungssensor 106a auf. Der erste Strömungssensor 106a weist eine Öffnung 107a auf, durch die das abzugebende Fluid 105 hindurchtreten kann. Der erste Strömungssensor 106a weist ferner ein Durchflussmengenmessmittel 108a auf. Das Durchflussmengenmessmittel 108a ist ausgebildet, um die Durchflussmenge des durch die in dem ersten Strömungssensor 106a ausgebildete Öffnung 107a hindurchtretenden Fluids 105 zu bestimmen.
Gemäß dieser Ausführungsform ist der erste Strömungssensor 106a auslassseitig und zumindest abschnittsweise mit dem Auslass 103 der Mikropumpe 101 in Kontakt stehend angeordnet. Genauer gesagt sind die der Mikropumpe 101 zugewandten Abschnitte 203a, 203b des ersten Strömungssensors 106a mit dem die Auslassöffnung 103a umgebenden Randabschnitt 103b des Auslasses 103 in Kontakt.
Das Mikrodosiersystem 100 weist Mittel 113 zum Kalibrieren und/oder Stördetektieren des Mikrodosiersystems 100 auf. Die Mittel 113 zum Kalibrieren und/oder Stördetektieren umfassen eine Steuereinrichtung 302. Die Mittel 113 zum Kalibrieren und/oder Stördetektieren entsprechen den zuvor mit Bezug auf die 1A und 1B diskutierten Mitteln 113 zum Kalibrieren und/oder Stördetektieren und weisen daher im Wesentlichen dieselbe Funktionalität auf. Sie dienen unter anderem dazu, das Mikrodosiersystem 100 vor einem Pumpenhub zu kalibrieren, indem der hier auslassseitig angeordnete Strömungssensor 106 genullt wird. Hierfür erfasst die Steuereinrichtung 302 bei Inaktivität der Mikropumpe 101 das aktuelle Sensorsignal des Strömungssensors 106 und bestimmt dieses Sensorsignal als neuen Nullwert. Somit kann ein Driften des Sensorsignals vor jedem Pumpenhub ausgeglichen werden.
2B zeigt eine alternative Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Mikrodosiersystems 100, bei welchem der erste Strömungssensor 106b einlassseitig angeordnet ist.
Die Mikropumpe 101 ist ausgebildet, um das abzugebende Fluid, angedeutet durch den Pfeil 104, durch den Einlass 102 anzusaugen. Die Mikropumpe 101 ist ferner ausgebildet, um zumindest einen Teil des Fluids, angedeutet durch den Pfeil 105, aus dem Auslass 103 abzugeben.
An der Mikropumpe 101 kann einlassseitig ein Reservoir 201 angeordnet sein, welches das abzugebende Fluid bevorratet. Der erste Strömungssensor 106b ist in diesem Fall zwischen dem Reservoir 201 und dem Einlass 102 der Mikropumpe 101 angeordnet. Auch hier ist das Reservoir 201 derart angeordnet, dass der Fluidpegel innerhalb des Reservoirs 201 unterhalb der untersten Kante des Fluidkanals 225 liegt, der den Einlass 102 mit dem Auslass 103 verbindet. So reicht der hydrostatische Druck des in dem Reservoir 201 bevorrateten Fluids nicht aus, um einen freien Fluidfluss zwischen dem Einlass 102 und dem Auslass 103 stattfinden zu lassen.
Die Mikropumpe 101 saugt das abzugebende Fluid aus dem Reservoir 201 an. Der erste Strömungssensor 106b weist eine Öffnung 107b auf, durch die das abzugebende Fluid 104 hindurchtreten kann. Anschließend tritt das abzugebende Fluid 104 durch die Einlassöffnung 102a des Einlasses 102 in die Mikropumpe 101 ein.
Der erste Strömungssensor 106b weist ferner ein Durchflussmengenmessmittel 108b auf. Das Durchflussmengenmessmittel 108b ist ausgebildet, um die Durchflussmenge des durch die in dem ersten Strömungssensor 106b ausgebildete Öffnung 107b hindurchtretenden Fluids 104 zu bestimmen.
Gemäß dieser Ausführungsform ist der erste Strömungssensor 106b einlassseitig und zumindest abschnittsweise mit dem Einlass 102 der Mikropumpe 101 in Kontakt stehend angeordnet. Genauer gesagt sind die der Mikropumpe 101 zugewandten Abschnitte 204a, 204b des ersten Strömungssensors 106b mit dem die Einlassöffnung 102a umgebenden Randabschnitt 102b des Einlasses 102 in Kontakt.
Auch hier weist das Mikrodosiersystem 100 Mittel 113 zum Kalibrieren und/oder Stördetektieren des Mikrodosiersystems 100 auf, welche Mittel 113 den zuvor mit Bezug auf die 1A, 1B und 2A beschriebenen Mitteln 113 zum Kalibrieren und/oder Stördetektieren entsprechen.
Die Mikropumpe 101 weist eine zwischen dem Einlass 102 und dem Auslass 103 angeordnete Pumpenkammer 202 auf. Die Mikropumpe 101 ist ausgebildet, um das abzugebende Fluid durch die Pumpenkammer 202 zu pumpen, wie hier mit dem Pfeil 109 angedeutet ist.
3 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Mikrodosiersystems 300, bei welchem der erste Strömungssensor 106 auslassseitig und ein zweiter Strömungssensor 110 einlassseitig angeordnet sind.
Der zweite Strömungssensor 110 weist eine Öffnung 111 und ein Durchflussmengenmessmittel 112 auf. Das Durchflussmengenmessmittel 112 ist ausgebildet, um die Durchflussmenge des durch diese Öffnung 112 hindurchtretenden Fluids 104 zu bestimmen.
Gemäß dieser Ausführungsform ist der zweite Strömungssensor 110 einlassseitig und zumindest abschnittsweise mit dem Einlass 102 der Mikropumpe 101 in Kontakt stehend angeordnet. Genauer gesagt sind die der Mikropumpe 101 zugewandten Abschnitte 304a, 304b des zweiten Strömungssensors 110 mit dem die Einlassöffnung 102 umgebenden Randabschnitt 102b des Einlasses 102 in Kontakt.
Die Mikropumpe 101 weist auslassseitig ein Ventil 310 auf, das ausgebildet ist, um den Auslass 103 zu verschließen, wenn die Mikropumpe 101 das abzugebende Fluid 104 ansaugt. Das Ventil 310 ist ferner ausgebildet, um den Auslass 103 zu öffnen, wenn die Mikropumpe 101 das abzugebende Fluid 105 aus dem Auslass 103 abgibt.
Die Mikropumpe 101 weist einlassseitig ein Ventil 311 auf, das ausgebildet ist, um den Einlass 102 zu öffnen, wenn die Mikropumpe 101 das abzugebende Fluid 104 ansaugt, und das ausgebildet ist, um den Einlass 102 zu verschließen, wenn die Mikropumpe 101 das abzugebende Fluid 105 aus dem Auslass 103 abgibt.
Das Mikrodosiersystem 300 weist Mittel 313 zum Kalibrieren und/oder Stördetektieren des Mikrodosiersystems 300 auf, deren Funktion im Wesentlichen den zuvor mit Bezug auf die 1A bis 2B beschriebenen Ausführungsformen entspricht. Die Mittel 313 zum Kalibrieren und/oder Stördetektieren des Mikrodosiersystems 300 umfassen eine Steuereinrichtung 302. Die Steuereinrichtung 302 ist ausgebildet, um den ersten auslassseitig angeordneten Strömungssensor 106 und/oder den zweiten einlassseitig angeordneten Strömungssensor 110 anzusteuern. Die Steuereinrichtung 302 kann beispielsweise ein geeigneter Mikrocontroller sein. Die Steuereinrichtung 302 ist über eine kabelgebundene oder kabellose Verbindung 303 mit dem Mikrodosiersystem 300 verbunden. Die Steuereinrichtung 302 ist vorzugsweise mit der Mikropumpe 101 sowie mit dem ersten und/oder dem zweiten Strömungssensor 106, 110 verbunden.
Neben der zuvor genannten Möglichkeit zur Kalibrierung des Mikrodosiersystems 300 durch „Nullen” des einlassseitig angeordneten Strömungssensors 106 und/oder des auslassseitig angeordneten Strömungssensors 110, sind die Mittel 313 zum Kalibrieren und/oder Stördetektieren des Mikrodosiersystems 300 ausgebildet, um eine Störung des Mikrodosiersystems 300 zu detektieren. Derartige Störungen werden später im Text ausführlich beschrieben werden.
Beispielsweise kann ein Leck des einlassseitig angeordneten Ventils 310 der Mikropumpe 101 und/oder des auslassseitig angeordneten Ventils 311 der Mikropumpe 101 detektiert werden.
Es kann aber auch ein Leck bzw. eine Fehlfunktion des einlassseitig angeordneten Strömungssensors 110 und/oder des auslassseitig angeordneten Strömungssensors 106 detektiert werden.
Die Steuereinrichtung 302 ist zu derartigen Fehlerdetektions-Zwecken unter anderem ausgebildet, um die Mikropumpe 101 sowie den ersten auslassseitig angeordneten Strömungssensor 106 und den zweiten einlassseitig angeordneten Strömungssensor 110 derart anzusteuern, dass sowohl der erste als auch der zweite Strömungssensor 106, 110 die Durchflussmenge des durch die jeweilige Öffnung 107, 111 des ersten und des zweiten Strömungssensors 106, 110 fließenden Fluids 104, 105 bestimmen, wenn die Mikropumpe 101 das abzugebende Fluid 104 ansaugt.
Das heißt, beim Ansaugen bzw. im Saughub der Mikropumpe 101 strömt das einlassseitig befindliche Fluid 104 durch die Öffnung 111 des einlassseitig angeordneten zweiten Strömungssensors 110. Während des Saughubs der Mikropumpe 101 öffnet sich das einlassseitig angeordnete Ventil 311 und das abzugebende Fluid kann in die Pumpenkammer 202 einströmen, was durch den Pfeil 109 angedeutet ist.
Gleichzeitig verschließt das auslassseitig angeordnete Ventil 310 im Saughub der Mikropumpe 101 den Auslass 103. Ein intaktes Ventil 310 verschließt den Auslass 103 fluiddicht. Falls das auslassseitig angeordnete Ventil 310 defekt sein sollte, fließt Fluid in die Pumpenkammer 202 zurück und strömt dabei ebenfalls zurück durch den Auslass 103 durch den ersten Strömungssensor 106. Dieses ausgetretene Fluid fließt durch die Öffnung 107 des auslassseitig angeordneten ersten Strömungssensors 106 zurück und die Durchflussmenge dieses ausgetretenen Fluids wird mittels des Durchflussmengenmessmittels 108 ermittelt.
Hier sollte angemerkt werden, dass die Drucksensormembran des Durchflussmengenmittels 108 auch einen Rückwärtsfluss erkennen kann, da in diesem Fall die Druckdifferenz an der Blende 107 des Strömungssensors 106 negativ ist und eine negative Spannung auf der Wheatstonebrücke gemessen wird.
Der Steuereinrichtung 302 ist also bekannt, dass sich die Pumpe 101 im Saughub befindet und deshalb eigentlich kein Durchfluss an dem auslassseitig angeordneten Strömungssensor 106 messbar sein sollte, da das auslassseitige Ventil 310 den Auslass fluiddicht verschließen sollte. Falls die Steuereinrichtung 302 trotzdem einen Durchfluss an dem auslassseitig angeordneten Strömungssensor 106 messen sollte, weist dies auf einen Defekt, z. B. ein Leck an dem auslassseitigen Ventil 310, hin. Die Mittel 313 zum Kalibrieren und/oder Stördetektieren des Mikrodosiersystems 300 können somit einen auslassseitigen Leckstrom detektieren. Die Steuereinrichtung 302 als Teil der Mittel 313 zum Kalibrieren und/oder Stördetektieren des Mikrodosiersystems 300 kann also im Saughub der Mikropumpe 301 eine Störung des Mikrodosiersystems 300 detektieren.
Die Steuereinrichtung 302 ist ferner ausgebildet, um die von dem ersten Strömungssensor 110 bestimmte Durchflussmenge und die von dem zweiten Strömungssensor 106 bestimmte Durchflussmenge miteinander zu vergleichen.
Das Mikrodosiersystem 300 kann nicht nur einen Leckstrom des auslassseitig angeordneten Ventils 310 im Saughub der Mikropumpe 101 detektieren. Das Mikrodosiersystem 300 kann auch einen Leckstrom des einlassseitig angeordneten Ventils 311 im Druckhub der Mikropumpe 101 detektieren.
Hierfür ist die Steuereinrichtung 302 ausgebildet, um die Mikropumpe 101 sowie den einlassseitig angeordneten zweiten Strömungssensor 110 derart anzusteuern, dass der zweite Strömungssensor 110 die Durchflussmenge des durch die Öffnung 111 des zweiten Strömungssensors 110 fließenden Fluids 104 bestimmt, wenn die Mikropumpe 101 das abzugebende Fluid 105 aus dem Auslass 103 abgibt.
Das heißt, beim Ausstoßen des Fluids 105 bzw. im Druckhub der Mikropumpe 101 öffnet sich das auslassseitig angeordnete Ventil 310 und das in der Pumpenkammer 202 befindliche abzugebende Fluid 109 kann von der Pumpenkammer 202 in Richtung des auslassseitig angeordneten ersten Strömungssensors 106 durch den Auslass 103 ausströmen, was durch den Pfeil 105 angedeutet ist. Das auszugebende Fluid 105 strömt dann durch die Öffnung 107 des auslassseitig angeordneten ersten Strömungssensors 106. Die Durchflussmenge des abzugebenden Fluids 105 wird dabei mittels des Durchflussmengenmessmittels 108 bestimmt.
Gleichzeitig verschließt das einlassseitig angeordnete Ventil 311 im Druckhub der Mikropumpe 101 den Einlass 102. Ein intaktes Ventil 311 verschließt den Einlass 102 fluiddicht. Falls das einlassseitig angeordnete Ventil 311 defekt sein sollte, strömt Fluid aus der Pumpenkammer 202 durch den Einlass 102 zurück in den einlassseitig angeordneten zweiten Strömungssensor 110. Dieses zurückgeflossene Fluid passiert die Öffnung 111 des zweiten Strömungssensors 110 und die Durchflussmenge dieses zurückgeflossenen Fluids wird mittels des Durchflussmengenmessmittels 112 ermittelt. Der Steuereinrichtung 320 ist also bekannt, dass sich die Pumpe 101 im Druckhub befindet und deshalb eigentlich kein Durchfluss an dem zweiten einlassseitig angeordneten Strömungssensor 110 messbar sein sollte, da das einlassseitige Ventil 311 den Einlass 102 fluiddicht verschließen sollte. Falls die Steuereinrichtung 320 trotzdem einen Durchfluss an dem einlassseitig angeordneten zweiten Strömungssensor 110 messen sollte, weist dies auf einen Defekt, z. B. ein Leck an dem einlassseitigen Ventil 311, hin. Die Mittel 313 zum Kalibrieren und/oder Stördetektieren des Mikrodosiersystems 300 können somit einen einlassseitigen Leckstrom detektieren. Die Steuereinrichtung 302 als Teil der Mittel 313 zum Kalibrieren und/oder Stördetektieren des Mikrodosiersystems 300 kann also auch im Druckhub der Mikropumpe 101 eine Störung des Mikrodosiersystems 300 detektieren.
Das erfindungsgemäße Mikrodosiersystem 300 kann darüber hinaus Leckströme an dem einlassseitigen Ventil 311 und/oder an dem auslassseitigen Ventil 310 detektieren, wenn die Mikropumpe 101 inaktiv bzw. im Leerlauf ist, d. h. weder einen Saughub noch einen Druckhub ausführt.
Hierfür ist die Steuereinrichtung 302 ausgebildet, um die Mikropumpe 101 und den ersten und/oder den zweiten Strömungssensor 106, 110 derart anzusteuern, dass der erste und/oder der zweite Strömungssensor 106, 110 die Durchflussmenge des durch die Öffnung 107, 111 des ersten und/oder des zweiten Strömungssensors 106, 110 fließenden Fluids 104, 105 bestimmt, wenn die Mikropumpe 101 nicht betätigt ist.
Wenn die Mikropumpe 101 inaktiv bzw. nicht betätigt ist, existiert kein Unter- bzw. Überdruck in der Pumpenkammer 202. Das abzugebende Fluid befindet sich somit unter Atmosphärendruck in der Pumpenkammer 202. In diesem Zustand sind sowohl das einlassseitige Ventil 311, als auch das auslassseitige Ventil 310 fluiddicht verschlossen.
Sollte nun dennoch in der Pumpenkammer 202 befindliches Fluid aus der Pumpenkammer 202 austreten, so fließt dieses ausgetretene Fluid, je nachdem welches der beiden Ventile undicht ist, zu dem ersten bzw. zweiten Strömungssensor 106, 110 und durch die Öffnung 107, 111 des ersten bzw. zweiten Strömungssensors 106, 110 hindurch. Die Durchflussmenge des ausgetretenen Fluids wird mittels des jeweiligen Durchflussmengenmessmittels 108, 112 bestimmt.
Da der Steuereinrichtung 302 bekannt ist, dass sich die Mikropumpe 101 in einem inaktiven Zustand befindet, wird ein von dem ersten und/oder dem zweiten Strömungssensor 106, 110 detektierter Fluidfluss als Fehler bzw. Störung des Mikrodosiersystems 300 erkannt. Die Steuereinrichtung 302 als Teil der Mittel 313 zum Kalibrieren und/oder Stördetektieren generiert somit die Information, dass das einlassseitige Ventil 311 und/oder das auslassseitige Ventil 310 undicht sind, und welches der beiden Ventile 310, 311 undicht ist. Aufgrund der mittels des jeweiligen Durchflussmengenmessmittels 108, 112 bestimmten Durchflussmenge des ausgetretenen Fluids kann sogar die jeweilige Leckrate eines undichten Ventils 310, 311 bestimmt werden. Die Steuereinrichtung 302 als Teil der Mittel 313 zum Kalibrieren und/oder Stördetektieren des Mikrodosiersystems 300 kann also auch bei Inaktivität der Mikropumpe 101 eine Störung des Mikrodosiersystems 300 detektieren.
Das Mikrodosiersystem 300 kann im Saughub der Mikropumpe 101 anhand der durch den einlassseitig angeordneten Strömungssensor 110 ermittelten Durchflussmenge des Fluids das Pumpenhubvolumen bestimmen. Das Mikrodosiersystem 300 erhält eine Information darüber, wieviel Fluid während des Saughubs durch den einlassseitig angeordneten Strömungssensor 110 geströmt ist und sich demnach in der Pumpenkammer 202 befindet.
Das Mikrodosiersystem 300 kann im Druckhub der Mikropumpe 101 anhand der durch den auslassseitig angeordneten Strömungssensor 106 ermittelten Durchflussmenge des Fluids das Pumpenfördervolumen bestimmen. Das Mikrodosiersystem 300 erhält eine Information darüber, wieviel Fluid während des Druckhubs durch den auslassseitig angeordneten Strömungssensor 110 und demnach aus der Pumpenkammer 202 herausgeströmt ist.
Falls die zur Bestimmung der Durchflussmenge vorgesehenen Durchflussmengenmessmittel 108, 112 als Differenzdruck-Sensoren ausgebildet sein sollten, kann das jeweilige Fluidvolumen mittels einer Integration der Durchflussmenge Q, nach der oben angegebenen Formel, bestimmt werden. Durch Integration der mittels des einlassseitigen Differenzdruck-Sensors 110 ermittelten Durchflussmenge Q_in kann also das Hubvolumen der Pumpe 101 im Saughub bestimmt werden. Durch Integration der mittels des auslassseitig angeordneten Differenzdruck-Sensors 106 ermittelten Durchflussmenge Q_out kann das Hubvolumen der Pumpe 101 im Druckhub bestimmt werden. Die Steuervorrichtung 302 kann beide ermittelten Hubvolumina miteinander vergleichen. Eventuelle Volumenhubdifferenzen zeigen beispielsweise einen Messfehler oder Leckagen auf.
Die im inaktiven Zustand der Mikropumpe 101 ermittelte Leckrate eines Ventils 310, 311 kann als Differenzwert gegenüber dem ermittelten Pumpenhubvolumen bzw. dem ermittelten Pumpenfördervolumen verwendet werden, um das Mikrodosiersystem 300 zu kalibrieren. Das heißt, der ermittelte Wert einer erfassten Leckrate kann als Offset für eine anschließende Messung der Durchflussmenge eines durch die Öffnung 107, 111 eines Strömungssensors 106, 110 hindurchfließenden Fuids genutzt werden. Die Steuereinrichtung 302 als Teil der Mittel 313 zum Kalibrieren und/oder Stördetektieren des Mikrodosiersystems 300 kann somit also das Mikrodosiersystem 300 kalibrieren, trotz dem das einlassseitige und/oder das auslassseitige Ventil 310, 311 undicht sein sollte.
Diese Art der Kalibrierung funktioniert im Übrigen auch bei einem Mikrodosiersystem 100, wie es in den 1A, 1B, 2A und 2B gezeigt ist, wobei dieses Mikrodosiersystem 100 im Vergleich zu dem mit Bezug auf 3 erläuterten Mikrodosiersystem 300 lediglich einen ersten Strömungssensor 106 aufweist, der auslassseitig oder einlassseitig angeordnet sein kann. Dementsprechend kann ein solches, mit einem Mittel 113 zum Kalibrieren und/oder Stördetektieren versehenes Mikrodosiersystem 100, einen Leckstrom eines einlassseitigen oder eines auslassseitigen Ventils 106, 110 detektieren.
Hierfür weist das Mikrodosiersystem 100 eine Steuereinrichtung 302 als Teil der Mittel 113 zum Kalibrieren und/oder Stördetektieren des Mikrodosiersystems 100 auf, die ausgebildet ist, um die Mikropumpe 101 und den ersten Strömungssensor 106a, 106b derart anzusteuern, dass der erste Strömungssensor 106a, 106b die Durchflussmenge des durch die Öffnung 107a, 107b des ersten Strömungssensors 106a, 106b fließenden Fluids 104, 105 bestimmt, wenn die Mikropumpe 101 nicht betätigt ist.
Des Weiteren weisen alle Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Mikrodosiersystems 100, 300 den Vorteil auf, dass sie dahingehend kalibrierbar sind, um ein eventuelles Driften des ersten und/oder zweiten Strömungssensors 106, 110, wie oben beschrieben, zu kompensieren.
Wenn beispielsweise anhand der Steuereinrichtung 302 sichergestellt ist, dass kein Fluidfluss stattfindet, z. B. wenn die Mikropumpe 101 ausgeschaltet ist, dann wird der erste Strömungssensor 106 „genullt”, d. h. das Durchflussmengenmessmittel 108 wird ausgelesen, und dieser ausgelesene Wert wird als „Null-Fluss-Wert”, bzw. Nullpunkt oder Ausgangspunkt, angenommen. Dadurch kann der Nullpunkt vor jedem Saughub und/oder Druckhub der Mikropumpe 101 neu bestimmt werden.
Der erste Strömungssensor 106 kann also vor jedem Saug- und/oder Druckhub der Mikropumpe 101 oder in bestimmten Zeiträumen neu kalibriert werden. Einer möglichen Sensordrift des ersten Strömungssensors 106 wird dadurch entgegengewirkt. Somit kann auch ein Low-Cost Sensor, der nicht mit aufwändigen Montageverfahren montiert und gegebenenfalls sogar unter mechanischem Stress gehaust wurde, als für das erfindungsgemäße Mikrodosiersystem 100, 300 geeigneter genauer Strömungssensor 106 verwendet werden. Dies gilt sowohl für einen einlassseitig angeordneten ersten Strömungssensor 106a als auch für einen auslassseitig angeordneten Strömungssensor 106b. Selbiges gilt im Übrigen auch für den zweiten Strömungssensor 110.
Die Steuereinrichtung 302 ist gemäß einer Ausführungsform ausgebildet, um die durch die Öffnung 107 des ersten Strömungssensors 106 ermittelte Durchflussmenge mit einem vorgegebenen Durchflussmengenvergleichswert zu vergleichen, und die Mikropumpe 101 so lange anzusteuern, bis die durch die Öffnung 107 des ersten Strömungssensors 106 ermittelte Durchflussmenge gleich oder größer dem vorgegebenen Durchflussmengenvergleichswert ist.
So kann mit der erfindungsgemäßen Mikrodosiervorrichtung 100, 300 die abzugebende Fluidmenge genau dosiert werden. Wenn beispielsweise eine Abgabemenge eines Fluids von 1,0 μl gewünscht ist, und die Mikropumpe 101 pro Pumpenhub maximal 0,25 μl fördern kann, dann steuert die Steuervorrichtung 302 die Mikropumpe 101 solange an, bis die gewünschte Abgabemenge von 1,0 μl erreicht ist. Bei einer intermittierend arbeitenden Mikropumpe 101 wären dies insgesamt vier Pumpenhübe.
Zur nachfolgend näheren Beschreibung der Mikropumpe 101 soll noch einmal auf die 2A und 2B verwiesen werden. Die Mikropumpe 101 des erfindungsgemäßen Mikrodosiersystems 100, 300 weist gemäß dieser Ausführungsform eine zwischen dem Einlass 102 und dem Auslass 103 angeordnete Pumpenkammer 202 auf.
Die Mikropumpe 101 weist außerdem eine zumindest abschnittsweise im Bereich der Pumpenkammer 202 angeordnete Membran 222 und ein Membranauslenkungsmittel 221 auf. Das Membranauslenkungsmittel 221 ist ausgebildet, um die Membran 222 derart auszulenken, dass das Volumen der Pumpenkammer 202 vergrößert wird, um das abzugebende Fluid 104, 105, 109 anzusagen, und das Volumen der Pumpenkammer 202 verkleinert wird, um das abzugebende Fluid 104, 105, 109 abzugeben.
Zum Ausführen eines Saughubs der Mikropumpe 101 wird also die Membran 222 von dem Membranauslenkungsmittel 221 angehoben, d. h. nach oben bzw. in Richtung der Endabschnitte 240, 241 der Mikropumpe ausgelenkt.
Zum Ausführen eines Druckhubs der Mikropumpe 101 wird die Membran 222 von dem Membranauslenkungsmittel 221 abgesenkt, d. h. nach unten bzw. in Richtung der Strömungssensoren 106, 110 ausgelenkt.
Vorzugsweise ist das Membranauslenkungsmittel 221 ein Piezoelement, das ausgebildet ist, um die Membran 222 in Abhängigkeit der an dem Piezoelement 221 anliegenden Spannung auszulenken.
Der oben beschriebene Strömungssensor 106, 110 ist vorzugsweise als ein, beispielsweise aus Silizium bestehender, Halbleiterchip ausgebildet. In dem Chip 106, 110 ist beispielsweise durch herkömmliche Ätzverfahren eine Membran 220 (2B) gebildet. Auf der Membran 220 sind beispielsweise vier in einer Wheatstone-Brückenschaltung angeordnete Widerstände 108 angeordnet, wovon in dem in den Figuren gezeigten Schnittbildern jeweils zwei Widerstände 108 zu erkennen sind. Die Wheatstone-Brückenschaltung dient als Durchflussmengenmessmittel 108. Die in dem Strömungssensor 106, 110 vorgesehene Öffnung 107, 111 ist vorzugsweise in der Membran 220 ausgebildet und dient als ein Flusswiderstand mit definiertem Strömungswiderstand. Die Öffnung 107, 111 kann beispielsweise mittels Trockenätzen in die Membran 220 eingebracht werden.
Die in dem erfindungsgemäßen Mikrodosiersystem 100, 300 verwendete Pumpe ist eine Mikropumpe 101 mit geringen Abmessungen. Die laterale Abmessung der Drucksensormembran 220 beispielsweise liegt vorzugsweise in einem Bereich von 2 × 2 mm² bis 5 × 5 mm². Die Membrandicke liegt vorzugsweise in einem Bereich zwischen 20 μm und 60 μm. Der Durchmesser der Öffnung kann beispielsweise in einem Bereich zwischen 10 μm und 100 μm liegen. In der Membran 220 können außerdem eine Mehrzahl von Öffnungen 107, 111 vorgesehen sein.
Die Strömungssensoren 106, 110 sind ausgebildet, um mittels des Durchflussmengenmessmittels 108, 112 die durch die Öffnung 107, 111 strömende Fluidmenge anhand eines transienten, d. h. zeitabhängigen, Drucksignals zu bestimmen. Dabei misst der Strömungssensor 106, 110 den Druckunterschied zwischen der an der dem Pumpeneinlass 102 bzw. Pumpenauslass 103 zugewandten Seite der Membran 220 des Strömungssensors 106 und der dem Pumpeneinlass 102 bzw. Pumpenauslass 103 abgewandten Seite der Membran 220.
Der Druckunterschied ändert sich über die Zeit. So liegt beispielsweise bei einem auslassseitig angeordneten Strömungssensor 106 zu Beginn eines Pumpenhubs an der dem Pumpenauslass 103 zugewandten Seite der Membran 220 ein hoher anfänglicher Druck an, der höher ist als der an der dem Pumpenauslass 103 abgewandten Seite der Membran 220 anliegende Druck. Die Anstiegsflanke des Druckprofils auf der dem Pumpenauslass 103 zugewandten Seite der Membran 220 steigt somit zu Beginn des Pumpenhubs steil an.
Je weiter sich der Pumpenhub seinem Ende nähert, desto mehr Fluid ist bereits durch die in der Membran 220 ausgebildete Öffnung 107 geflossen. Dementsprechend baut sich der auf der dem Pumpenauslass 103 zugewandten Seite der Membran 220 im Vergleich zu dem auf der dem Pumpenauslass 103 abgewandten Seite der Membran 220 bestehenden Überdruck immer weiter ab. Das Druckprofil bzw. das Drucksignal weist also eine mit zunehmender Zeit abfallende Flanke auf.
Der Strömungssensor 106, 110 ist dabei derart ausgebildet, dass aus dem gemessenen, zeitabhängigen Drucksignal und der statischen Kennlinie der Öffnung 107, 111 der zeitabhängige Fluidfluss durch die Öffnung 107, 111 bestimmt werden kann. Dieser Fluidfluss kann noch über die Zeit integriert werden, um so das dosierte Volumen bzw. die Durchflussmenge zu bestimmen.
Anhand des Drucks bestimmt also der Strömungssensor 106, 110 mittels des Durchflussmengenmessmittels 108, 112 die Durchflussmenge des durch die Öffnung 107, 111 des Strömungssensors 106, 110 durchfließenden abzugebenden Fluids.
Um sicherzustellen, dass auch im ausgeschalteten Zustand der Mikropumpe 101 kein Fluid durch die Mikropumpe 101 fließt, ist Folgendes zu beachten. Einerseits darf kein „Free Flow” auftreten, indem sichergestellt ist, dass kein Vordruck auftritt. Dies kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass das das Fluid beinhaltende Reservoir 201 immer, wie in den 2A und 2B gezeigt ist, unterhalb der Mikropumpe 101 angeordnet ist. Ferner sollte kein Überdruck auf das Reservoir 201 ausgeübt werden. Bei dem erfindungsgemäßen Mikrodosiersystem 100, 300 sollten generell geringe Drücke auftreten, um dieses z. B. in Dosier-Patches zu verwenden.
Außerdem sollte durch geschlossene Ventile 310, 311 kein Fluss auftreten. Sollte der auslassseitige Druck höher sein als der einlassseitige Druck, sperren diese Ventile 310, 311. Sollte der einlassseitige Druck höher sein als der auslassseitige Druck öffnen diese Ventile 310, 311 und es kann zu einem freien Fluss, dem sogenannten „Free Flow” kommen. Um dies zu verhindern können zusätzliche Ventile 140a, 140b (1B) vorgesehen sein. Diese Ventile 140a, 140b können beispielsweise als eines der folgenden Ventile ausgebildet sein:
• Aktive Ventile

• NO Ventil, das geschlossen wird
• NC Ventil

• Passive Ventile

• Safety valve
• DNC Ventil
• Mikroventil mit Einsatzschwelldruck

Ferner sollten sich gemäß Ausführungsformen der Erfindung zwischen der Mikropumpe 101 und den Strömungssensoren 106, 110 vorteilhafter Weise keine „fluidischen Kapazitäten” (z. B. weiche Kunststoffschläuche oder andere elastische Elemente) befinden, durch die es zu Zeitverzögerungen kommt, bis die Strömung zur Ruhe kommt. D. h. vorteilhaft befinden sich zwischen der Mikropumpe 101 und den Strömungssensoren 106, 110 keine langen, weichen Leitungen.
Eine vorteilhafte Anordnung wäre beispielsweise eine Mikropumpe 101 mit Sicherheitsventil, bei der der Strömungssensor 106, 110 unmittelbar vor oder nach der Mikropumpe 101 angeordnet ist, z. B. durch Kleben, Klemmen (über eine Dichtung), Löten des Strömungssensors direkt auf die Unterseite der Mikropumpe an dem Auslass bzw. Einlass.
Ein großer Vorteil des erfindungsgemäßen Mikrodosiersystems 100, 300 ist die Tatsache, dass die Messung der Strömung sehr schnell ist, es können Druckschwankungen und damit auch Strömungsschwankungen bis unter einer Millisekunde aufgelöst werden. Dies wurde messtechnisch bereits nachgewiesen (Proceeding MEMS 99, Orlando/USA, 17.–21. Januar 99, pp. 118-123).
Stördetektion, Pumpendiagnose Diagnose Ventile, etc...
Das ist insbesondere deswegen vorteilhaft, da sich die Schwankungen des Pumpkammerdruckes und auch die Schwankungen der Strömung in die und aus der Pumpkammer sich ebenfalls sehr schnell abspielen. Durch den sehr schnellen Strömungssensor 106, 110 können damit nicht nur Störungen detektiert werden, sondern es kann auch die normale Pumpenfunktion kontinuierlich überwacht werden.
5 zeigt ein erstes Diagramm 501, in dem der Pumpkammerdruck (y-Achse) über die Zeit (x-Achse) angetragen ist, ein zweites Diagramm 502, in dem die Strömung am einlassseitig angeordneten Strömungssensor 106b, 110 über die Zeit aufgetragen ist, und ein drittes Diagramm 503, in dem die Strömung am auslassseitig angeordneten Strömungssensor 106a über die Zeit aufgetragen ist. In einem ersten Zeitabschnitt I befindet sich die Pumpe 101 in einem Saughub. In einem zweiten Zeitabschnitt II befindet sich die Pumpe 101 in einem Pumphub bzw. Druckhub.
5 zeigt beispielhaft den zeitabhängigen Pumpkammerdruckverlauf 501 und die Strömungen 502, 503 durch die Pumpenventile 310, 311 und damit die Strömungssensoren 106a, 106b, 110 für unterschiedliche Zustände. Diese Zustände zeigen eine Mikropumpe 101, in der sich keine Gasblase befindet (durchgezogene Linie), und eine Mikropumpe 101, in der sich eine oder mehrere Gasblasen befinden (gestrichelte Linie). Gleichzeitig werden die durch die beiden Strömungssensoren 106, 110 gemessenen zeitabhängigen Durchflüsse gezeigt.
Dabei wird die Situation gezeigt, wenn an das Piezoelement 108, 112 ein Spannungssignal angelegt wird, bei dem die Spannung sich sehr schnell auf- und abbaut. Wenn beispielsweise die elektrische Kapazität der Piezokeramik C_piezo = 10 nF beträgt, und der Ladewiderstand (bzw. der Innenwiderstand einer Batterie) 1 kOhm, dann baut sich die elektrischen Spannung mit einer Zeitkonstante τ = R·C = 1 kOhm·10 nF = 10 Mikrosekunden auf bzw. ab. τ_el = R_elC_piezo
Weiterhin können sich Drucksignale sehr schnell fortpflanzen. Dies geschieht mit Schallgeschwindigkeit von ca. 300 m/s in Luft oder 1000 m/s in Flüssigkeiten oder Festkörpern. Bei einer typischen Dicke und Länge der Mikropumpe von 1 bis 10 mm hat sich das Drucksignal innerhalb weniger Mikrosekunden überall in der Mikropumpe 101 ausgebreitet.
Das Drucksignal ist also ähnlich schnell wie das elektrische Signal, jedenfalls viel schneller als die fluidischen Ausgleichsvorgänge.
Diese Zeiten sind also sehr schnell gegenüber den fluidischen Zeiten im Millisekundenbereich. Daher bildet sich der Unterdruck beim Saughub und der Überdruck beim Druckhub sehr schnell auf. Während dieser kurzen Zeit kann kein nennenswerter Ausgleichsfluss durch die Mikroventile 310, 311 fließen. Das erklärt die große Druckamplitude in der Pumpkammer unmittelbar nach Ein- bzw. Ausschalten der Spannung.
Durch die Drucksignale sind die jeweiligen Ventile 310, 311 dann in Flussrichtung bzw. Sperrrichtung gepolt, die Ventilklappen öffnen sich, und Fluid kann in- bzw. aus der Pumpkammer fließen. Dieser Ausgleichsvorgang kann näherungsweise ebenfalls durch eine Zeitkonstante beschrieben werden, wobei nun die fluidischen Strömungswiderstände R_fl der Mikroventile 310, 311 (beim Saughub im Wesentlichen der Widerstand des Einlassventils 311, beim Druckhub der des Auslassventils 310, wenn es keine Leckraten gibt) und der Pumpkammer R_PK und die fluidischen Kapazitäten der Antriebsmembran C_M und einer potentiellen Gasblase in der Pumpkammer C_gas wirksam werden: τ_fl = (R_fl + R_PK)(C_M + C_gas)
Die Anwesenheit einer Gasblase in der Pumpkammer stellt eine Störgröße dar, die sich (je nach Größe der Gasblase) als mehr oder weniger große fluidische Kapazität auswirkt. Dies hat zwei Folgen für die transienten Signale: die Amplitude wird verkleinert, und der Ausgleichsvorgang für den jeweiligen Pumpenhub wird verlängert. Dieser Effekt hängt von der Größe der fluidischen Kapazität und damit von der Größe einer Gasblase ab. Dadurch können die Strömungssensoren 106, 110 die Anwesenheit einer Gasblase nicht nur erkennen, es kann auch die Größe der Gasblase quantifiziert werden.
Solange bei Anwesenheit einer Gasblase die Druckamplituden groß genug sind, dass die Mikroventile 310, 311 geöffnet werden können, kann weiterhin der gesamte Hub verrichtet werden, es dauert nur etwas länger. Klar ist aber, wenn die Betriebsfrequenz f = 1/T der Mikropumpe 101 groß genug wird, kann es vorkommen, dass die Verzögerungen durch die Gasblase bewirken, dass der Pumpenhub nicht mehr vollständig verrichtet werden kann, wenn die zur Verfügung stehende Zeit für Saug- und Druckhub geringer wird, als die benötigten Ausgleichsvorgänge.
Das würde bedeuten, dass das geförderte Volumen pro Pumpenzyklus bei dieser höheren Betriebsfrequenz ohne Gasblase größer ist als mit Gasblase. Die Gasblase verändert also bei hohen Betriebsfrequenzen die Fördermenge pro Pumpenzyklus und damit die Pumprate. Beides kann aber durch die Strömungssensoren 106, 110 genau erkannt werden. Das Mikrodosiersystem 100 kann also nicht nur die Verringerung der Fördermenge messen, sondern auch seine Ursache feststellen, nämlich den Eintritt einer Gasblase in die Pumpkammer.
In 5 wird beispielhaft der Fall gezeigt, dass das Einlassventil 311 undicht ist, und sich beim Druckhub pro Zeiteinheit sich nur ca. 60% in die richtige Richtung gefördert wird, aber 40% zurück durch das undichte Einlassventil 311.
Der Vorteil der transienten Analyse wird auch noch aus folgendem Beispiel sichtbar: Wenn die Mikropumpe 101 inaktiv ist und/oder wenn die Mikroventile 310, 311 geschlossen sind, sollte eigentlich kein Fluss durch das Mikrodosiersystem 100 fließen. Wenn nun aber der Strömungssensor 106, 110 einen unterschiedlichen Wert im Vergleich zur letzten Kalibrierung anzeigt, kann dies zwei Ursachen haben: erstens kann der Sensor 106, 110 in der Zwischenzeit gedriftet sein, oder kann sich (z. B. durch Partikel) eine Leckrate im Mikroventil 310, 311 gebildet haben. Diese möglichen Ursachen kann im Falle der inaktiven Mikropumpe 101 der Strömungssensor 106, 110 nicht unterscheiden. Wird nun aber durch die oben beschriebene transiente Messung eines Leckflusses (d. h. der einlassseitig angeordnete Strömungssensor 110 beim Druckhub für das Einlassventil 311, und der auslassseitig angeordnete Strömungssensor 106 beim Saughub für das Auslassventil 310) festgestellt, dann können obige Ursachen eindeutig unterschieden werden: denn das Driften des Sensors 106, 110 erfolgt auf einer langen Zeitskala, ein entsprechender Sensorpuls auf der Millisekunden Zeitskala kann daher einem Leck zugeordnet werden.
Ebenfalls kann durch eine „Diagnoseroutine” festgestellt werden, wenn eines der in Serie befindlichen Ventile 140a, 140b (NC, NO, DNC ...) Leckraten (z. B. durch Partikel) hat. In diesem Falle wird bei geschlossenem Ventil 140a, 140b die Pumpe 101 betätigt. Wenn das Ventil 140a, 140b dicht ist, dann darf bei dem entsprechenden Pumpenhub (je nachdem, ob sich das Ventil 140a, 140b in der Saugleitung oder der Druckleitung befindet) durch den korrespondierenden Strömungssensor 106, 110 kein Fluss fließen. Wird durch den Strömungssensor 106, 110 dennoch ein transientes Signal festgestellt, kann eindeutig ein Leck dieses Ventils 140a, 140b erkannt werden.
4 zeigt ein Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Dosieren einer abzugebenden Fluidmenge mittels eines Mikrodosiersystems 100. Die einzelnen Verfahrensschritte, und insbesondere der gezeigte Verfahrensschritt 404 zum Kalibrieren und/oder Stördetektieren des Mikrodosiersystems 100, können erfindungsgemäß auch in einer anderen als der dargestellten Reihenfolgen ausgeführt werden.
In Schritt 401 wird eine Mikropumpe 101, die einen Einlass 102 und einen Auslass 103 aufweist, bereitgestellt.
In Schritt 402 wird das abzugebende Fluid 104, 105, 109 durch den Einlass 102 der Mikropumpe 101 angesaugt.
In Schritt 403 wird ein einlassseitig oder auslassseitig angeordneter erster Strömungssensor 106a, 106b bereitgestellt, wobei der Strömungssensor 106a, 106b eine Öffnung 107a, 107b und ein Durchflussmengenmessmittel 108a, 108b aufweist.
In Schritt 404 wird das Mikrodosiersystem 101, 301 kalibriert und/oder stördetektiert.
In Schritt 405 wird zumindest ein Teil des angesaugten Fluids 104, 105, 109 aus dem Auslass 103 der Mikropumpe 101 abgegeben.
In Schritt 406 wird die Durchflussmenge des durch die Öffnung 107a, 107b des Strömungssensors 106a, 106b hindurchgetretenen Fluids bestimmt.
Einige der zuvor mit Bezug auf die Figuren beschriebenen Vorteile des erfindungsgemäßen Mikrodosiersystems 100, 300 sind zur Übersicht nachfolgend noch einmal aufgelistet:

• die beiden Strömungssensoren 106, 110 überwachen sich gegenseitig
• Vor dem Saughub: beide Strömungssensoren 106, 110 werden „genullt”
• Saughub: – das Befüllen der Pumpenkammer 202 durch das einlassseitige Ventil 311 wird mit dem einlassseitig angeordneten Strömungssensor 110 gemessen – Gleichzeitig misst der auslassseitig angeordnete Strömungssensor 106 mögliche Leckraten des auslassseitigen Ventils 310 mittels der Durchflussmengenmessvorrichtung 108 – Durch Integration des Strömungssensorsignals beider Strömungssensoren 106, 110 kann das Hubvolumen genau bestimmt werden.
• Nach dem Saughub: Der Strömungssensor 106, 110 wird wieder genullt
• Druckhub: – das Ausstoßen des Hubvolumens durch das auslassseitige Ventil 310 wird mit dem auslassseitigen Strömungssensor 106 gemessen – Gleichzeitig misst der einlassseitig angeordnete Strömungssensor 110 mögliche Leckraten des einlassseitigen Ventils 311 mittels des Durchflussmengenmessmittels 112 – Durch Integration des Strömungssensorsignals beider Strömungssensoren 106, 110 kann das Hubvolumen wieder genau bestimmt werden – Eventuelle Volumenhubdifferenzen zur Saughubmessung zeigt weiterhin den Messfehler auf
• Nach dem Druckhub: Strömungssensoren 106, 110 werden wieder genullt

Vorteilhafter Weise kann damit nicht nur die Pumprate vermessen werden, sondern die Funktion des Pumpenantriebs und beider Ventile 310, 311 incl. Leckraten kann permanent überwacht werden.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Mikrodosiersystems 100, 300 liegt in der Möglichkeit zur Erkennung einer Blendenverstopfung, d. h. einer Verstopfung der jeweiligen Öffnung 107, 111 eines Strömungssensors 106, 110. Eine solche Erkennung einer Blendenverstopfung kann durch transiente Signalanalyse erfolgen.
Bei statischer Strömung kann der Strömungssensor 106, 110 nicht unterscheiden, ob die Blende bzw. die Öffnung 107, 111 verstopft ist. Allerdings ist das transiente, zeitabhängige Signal an einer Öffnung 107, 111 eines Strömungssensors 106, 110 unterschiedlich, je nachdem ob die Öffnung 107, 111 verstopft ist oder nicht.
Wenn die Öffnung 107, 111 nicht verstopft ist, dann wird sich der durch die Mikropumpe 101 erzeugte Druckpuls wieder innerhalb einiger Millisekunden abbauen. Ist die Öffnung 107, 111 hingegen verstopft, baut sich ein Überdruck auf, der aber nicht abfließen kann. Dies kann durch eine Signalanalyse des jeweiligen Strömungssensors 106, 110 erkannt werden.
Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar. Einige oder alle der Verfahrensschritte können durch einen Hardware-Apparat (oder unter Verwendung eines Hardware-Apparats), wie zum Beispiel eine zeitaufgelöste Sample & Hold Datenerfassung, einen Mikroprozessor, einen programmierbaren Computer oder einer elektronischen Schaltung durchgeführt werden. Bei einigen Ausführungsbeispielen können einige oder mehrere der wichtigsten Verfahrensschritte durch einen solchen Apparat ausgeführt werden.
Je nach bestimmten Implementierungsanforderungen können Ausführungsbeispiele der Erfindung in Hardware oder in Software implementiert sein. Die Implementierung kann unter Verwendung eines digitalen Speichermediums, beispielsweise einer Floppy-Disk, einer DVD, einer BluRay Disc, einer CD, eines ROM, eines PROM, eines EPROM, eines EEPROM oder eines FLASH-Speichers, einer Festplatte oder eines anderen magnetischen oder optischen Speichers durchgeführt werden, auf dem elektronisch lesbare Steuersignale gespeichert sind, die mit einem programmierbaren Computersystem derart zusammenwirken können oder zusammenwirken, dass das jeweilige Verfahren durchgeführt wird. Deshalb kann das digitale Speichermedium computerlesbar sein.
Manche Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung umfassen also einen Datenträger, der elektronisch lesbare Steuersignale aufweist, die in der Lage sind, mit einem programmier-baren Computersystem derart zusammenzuwirken, dass eines der hierin beschriebenen Verfahren durchgeführt wird.
Allgemein können Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung als Computerprogrammprodukt mit einem Programmcode implementiert sein, wobei der Programmcode dahin gehend wirksam ist, eines der Verfahren durchzuführen, wenn das Computerprogrammprodukt auf einem Computer abläuft.
Der Programmcode kann beispielsweise auch auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert sein.
Die zeitaufgelöste Datenerfassung der Strömungssensoren, die Datenverarbeitung, die Ansteuerung der Mikropumpe, die Erzeugung der notwendigen Hochspannung für die z. B. piezo- oder elektrostatisch angetriebene Mikropumpe und die Steuer- und Regelalgorithmen können beispielsweise auf einem ASIC (application specific integrated circuit) untergebracht sein, wodurch das gesamte Mikrodosiersystem Mikropumpe, Strömungssensoren, Steuerung und ASIC auf kleinstem Bauraum (z. B: 10 × 10 × 2 mm3) realisiert werden kann.
Andere Ausführungsbeispiele umfassen das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren, wobei das Computerprogramm auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist. Mit anderen Worten ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens somit ein Computerprogramm, das einen Programmcode zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren aufweist, wenn das Computerprogramm auf einem Computer abläuft.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Verfahren ist somit ein Datenträger (oder ein digitales Speichermedium oder ein computerlesbares Medium), auf dem das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren aufgezeichnet ist.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist somit ein Datenstrom oder eine Sequenz von Signalen, der bzw. die das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren darstellt bzw. darstellen. Der Datenstrom oder die Sequenz von Signalen kann bzw. können beispielsweise dahin gehend konfiguriert sein, über eine Datenkommunikationsverbindung, beispielsweise über das Internet, transferiert zu werden.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfasst eine Verarbeitungseinrichtung, beispielsweise einen Computer oder ein programmierbares Logikbauelement, die dahin gehend konfiguriert oder angepasst ist, eines der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfasst einen Computer, auf dem das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren installiert ist.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung umfasst eine Vorrichtung oder ein System, die bzw. das ausgelegt ist, um ein Computerprogramm zur Durchführung zumindest eines der hierin beschriebenen Verfahren zu einem Empfänger zu übertragen. Die Übertragung kann beispielsweise elektronisch oder optisch erfolgen. Der Empfänger kann beispielsweise ein Computer, ein Mobilgerät, ein Speichergerät oder eine ähnliche Vorrichtung sein. Die Vorrichtung oder das System kann beispielsweise einen Datei-Server zur Übertragung des Computerprogramms zu dem Empfänger umfassen.
Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein programmierbares Logikbauelement (beispielsweise ein feldprogrammierbares Gatterarray, ein FPGA) dazu verwendet werden, manche oder alle Funktionalitäten der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen. Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein feldprogrammierbares Gatterarray mit einem Mikroprozessor zusammenwirken, um eines der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen. Allgemein werden die Verfahren bei einigen Ausführungsbeispielen seitens einer beliebigen Hardwarevorrichtung durchgeführt. Diese kann eine universell einsetzbare Hardware wie ein Computerprozessor (CPU) sein oder für das Verfahren spezifische Hardware, wie beispielsweise ein ASIC.
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 03/095837 A1 [0004]
WO 98/48330 [0005, 0006]
EP 1320686 B1 [0020, 0074]
DE 102008035990 A1 [0020, 0074]
EP 1576294 B1 [0020, 0074]
EP 2220371 B1 [0020, 0074]
DE 10238600 A1 [0078]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Proceeding MEMS 99, Orlando/USA, 17.–21. Januar 99, pp. 118-123 [0145]

Claims

Mikrodosiersystem (100, 300) zum Dosieren einer abzugebenden Fluidmenge, aufweisend: eine Mikropumpe (101), die einen Einlass (102) und einen Auslass (103) aufweist und ausgebildet ist, um das abzugebende Fluid (104, 105, 109) durch den Einlass (102) anzusaugen und zumindest einen Teil des Fluids (104, 105, 109) aus dem Auslass (103) abzugeben, einen einlassseitig oder auslassseitig angeordneten ersten Strömungssensor (106a, 106b), der eine Öffnung (107a, 107b) und ein Durchflussmengenmessmittel (108a, 108b) aufweist, wobei das Durchflussmengenmessmittel (108a, 108b) ausgebildet ist, um die Durchflussmenge des durch diese Öffnung (107a, 107b) hindurchtretenden Fluids (104, 105) zu bestimmen, und Mittel (113, 313) zum Kalibrieren und/oder Stördetektieren des Mikrodosiersystems (100, 300).
Mikrodosiersystem (100, 300) nach Anspruch 1, wobei die Mittel (113, 313) zum Kalibrieren und/oder Stördetektieren des Mikrodosiersystems (100, 300) eine Steuereinrichtung (302) umfassen, die ausgebildet ist, um bei Inaktivität der Mikropumpe (101) ein Ist-Sensorsignal des ersten Strömungssensors (106a, 106b) zu erfassen, und basierend darauf nachfolgende Sensorsignale des ersten Strömungssensors (106a, 106b) zu korrigieren.
Mikrodosiersystem (100, 300) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Steuereinrichtung (302) ausgebildet ist, um einen Korrekturwert zu bestimmen und diesen von dem Betrag des erfassten Ist-Sensorsignals des ersten Strömungssensors (106a, 106b) zu subtrahieren, wobei der erhaltene Differenzwert einen korrigierten Ausgangspunkt für die nachfolgenden Sensorsignale des ersten Strömungssensors (106a, 106b) bildet.
Mikrodosiersystem (100, 300) nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Steuereinrichtung (302) ausgebildet ist, um einen Korrekturwert zu bestimmen, dessen Betrag dem Betrag des erfassten Ist-Sensorsignals des ersten Strömungssensors (106a, 106b) entspricht.
Mikrodosiersystem (100, 300) nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Steuereinrichtung (302) ausgebildet ist, um einen Korrekturwert zu bestimmen, dessen Betrag innerhalb eines Bereichs von dem Betrag des erfassten Ist-Sensorsignals plus einem Toleranzwert in Höhe von ±10% des gemessenen Sensorsignals oder plus einem Toleranzwert in Höhe von ±20% des gemessenen Sensorsignals entspricht.
Mikrodosiersystem (100, 300) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei die Steuereinrichtung (302) ausgebildet ist, um die Erfassung des Ist-Sensorsignals des ersten Strömungssensors (106a, 106b) und das Korrigieren nachfolgender Sensorsignale vor einem beliebigen Pumpenhub oder vor jedem Pumpenhub durchzuführen.
Mikrodosiersystem (100, 300) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Mikrodosiersystem (100, 300) einlassseitig denselben Druck wie auslassseitig oder einen geringeren Druck als auslassseitig aufweist.
Mikrodosiersystem (100, 300) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Mikrodosiersystem (100, 300) ein einlassseitig und/oder ein auslassseitig angeordnetes Ventil (140a, 140b) aufweist, wobei das Ventil (140a, 140b) ein aktives normal geschlossenes Ventil und/oder ein aktives normal offenes Ventil und/oder ein Ventil mit Einsatzschwelldruck, das unterhalb eines Schwelldrucks verschlossen ist und/oder ein Double Normally Closed Mikroventil und/oder ein Safety Valve ist.
Mikrodosiersystem (100, 300) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Mikrodosiersystem (100, 300) einen zweiten Strömungssensor (110) aufweist, der eine Öffnung (111) und ein Durchflussmengenmessmittel (112) aufweist, wobei das Durchflussmengenmessmittel (112) ausgebildet ist, um die Durchflussmenge des durch diese Öffnung (111) hindurchtretenden Fluids (104) zu bestimmen, wobei der zweite Strömungssensor (110) einlassseitig und der erste Strömungssensor (106) auslassseitig angeordnet ist.
Mikrodosiersystem (100, 300) nach Anspruch 9, wobei die Mittel (113, 313) zum Kalibrieren und/oder Stördetektieren des Mikrodosiersystems (100, 300) eine Steuereinrichtung (302) umfassen, die ausgebildet ist, um die Mikropumpe (101) sowie den ersten auslassseitig angeordneten Strömungssensor (106) und den zweiten einlassseitig angeordneten Strömungssensor (110) derart anzusteuern, dass sowohl der erste als auch der zweite Strömungssensor (106, 110) die Durchflussmenge des durch die jeweilige Öffnung (107, 111) des ersten und des zweiten Strömungssensors (106, 110) fließenden Fluids (104, 105) bestimmen, wenn die Mikropumpe (101) das abzugebende Fluid (104) ansaugt, und wobei die Steuereinrichtung (302) ferner ausgebildet ist, um die von dem ersten Strömungssensor (106) bestimmte Durchflussmenge und die von dem zweiten Strömungssensor (110) bestimmte Durchflussmenge miteinander zu vergleichen.
Mikrodosiersystem (100, 300) nach Anspruch 9 oder 10, wobei die Mittel (113, 313) zum Kalibrieren und/oder Stördetektieren des Mikrodosiersystems (100, 300) eine Steuereinrichtung (302) umfassen, die ausgebildet ist, um die Mikropumpe (101) sowie den ersten auslassseitig angeordneten Strömungssensor (106) und den zweiten einlassseitig angeordneten Strömungssensor (110) derart anzusteuern, dass der erste und der zweite Strömungssensor (106, 110) die Durchflussmenge des durch die jeweilige Öffnung (107, 111) des ersten und des zweiten Strömungssensors (106, 110) fließenden Fluids (104, 105) bestimmen, wenn die Mikropumpe (101) das abzugebende Fluid (105) aus dem Auslass (103) abgibt, und wobei die Steuereinrichtung (302) ferner ausgebildet ist, um die von dem ersten Strömungssensor (106) bestimmte Durchflussmenge und die von dem zweiten Strömungssensor (110) bestimmte Durchflussmenge miteinander zu vergleichen.
Mikrodosiersystem (100, 300) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Mikropumpe (101) eine zwischen dem Einlass (102) und dem Auslass (103) angeordnete Pumpenkammer (202), eine zumindest abschnittsweise im Bereich der Pumpenkammer (202) angeordnete Membran (222) und ein Membranauslenkungsmittel (221) aufweist, wobei das Membranauslenkungsmittel (221) ausgebildet ist, um die Membran (222) derart auszulenken, dass das Volumen der Pumpenkammer (202) vergrößert wird, um das abzugebende Fluid (104, 105, 109) anzusagen, und das Volumen der Pumpenkammer (202) verkleinert wird, um das abzugebende Fluid (104, 105, 109) abzugeben.
Mikrodosiersystem (100, 300) nach Anspruch 12, wobei das Membranauslenkungsmittel (221) ein Piezoelement ist, das ausgebildet ist, um die Membran (222) in Abhängigkeit der an dem Piezoelement (221) anliegenden Spannung auszulenken.
Mikrodosiersystem (100, 300) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinrichtung (302) ausgebildet ist, um die mittels des ersten Strömungssensors (106) ermittelte Durchflussmenge mit einem vorgegebenen Durchflussmengenvergleichswert zu vergleichen, und die Mikropumpe (101) so lange anzusteuern, bis die mittels des ersten Strömungssensors (106) ermittelte Durchflussmenge gleich oder größer dem vorgegebenen Durchflussmengenvergleichswert ist.
Mikrodosiersystem (100, 300) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwischen der Mikropumpe (101) und dem ersten und/oder zweiten Strömungssensor (106, 110) Fluidverbindungsmittel angeordnet sind, die eine geringe fluidische Kapazität aufweisen, insbesondere Fluidverbindungsmittel, deren Volumen bei veränderlichem Betriebsdruck der Mikropumpe (101) konstant bleibt, und/oder Fluidverbindungsmittel angeordnet sind, die eine geringe fluidische Induktivität aufweisen.
Verfahren zum Dosieren einer abzugebenden Fluidmenge mittels eines Mikrodosiersystems (100, 300), aufweisend: Bereitstellen einer Mikropumpe (101), die einen Einlass (102) und einen Auslass (103) aufweist, Ansaugen des abzugebenden Fluids (104, 105, 109) durch den Einlass (102) der Mikropumpe (101), Bereitstellen eines einlassseitig oder auslassseitig angeordneten ersten Strömungssensors (106a, 106b), der eine Öffnung (107a, 107b) und ein Durchflussmengenmessmittel (108a, 108b) aufweist, Kalibrieren und/oder Stördetektieren des Mikrodosiersystems (100, 300), Abgeben zumindest eines Teils des angesaugten Fluids (104, 105, 109) aus dem Auslass (103) der Mikropumpe (101), und Bestimmen der Durchflussmenge des durch die Öffnung (107a, 107b) des Strömungssensors (106a, 106b) hindurchgetretenen Fluids (104, 105, 109).
Verfahren nach Anspruch 16, wobei der Schritt des Kalibrierens und/oder Stördetektierens des Mikrodosiersystems (100, 300) folgende Schritte umfasst: Erfassen eines Ist-Sensorsignals des ersten Strömungssensors (106a, 106b) bei Inaktivität der Mikropumpe (101), und Korrigieren nachfolgender Sensorsignale des ersten Strömungssensors (106a, 106b) basierend auf dem erfassten Ist-Sensorsignals.
Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, wobei der Schritt des Kalibrierens und/oder Stördetektierens des Mikrodosiersystems (100, 300) folgende Schritte umfasst: Bestimmen eines Korrekturwerts und Subtrahieren des Korrekturwerts von dem Betrag des erfassten Ist-Sensorsignals des ersten Strömungssensors (106a, 106b), um einen Differenzwert zu erhalten, und Verwenden des erhaltenen Differenzwertes als korrigierten Ausgangspunkt für nachfolgende Sensorsignale des ersten Strömungssensors (106a, 106b).
Verfahren nach Anspruch 18, wobei der Schritt des Bestimmens des Korrekturwerts den folgenden Schritt umfasst: Bestimmen eines Korrekturwerts, dessen Betrag dem Betrag des erfassten Ist-Sensorsignals des ersten Strömungssensors (106a, 106b) entspricht.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei der Schritt des Bestimmens des Korrekturwerts den folgenden Schritt umfasst: Bestimmen eines Korrekturwerts, dessen Betrag in einem Bereich des Betrags des erfassten Ist-Sensorsignals des ersten Strömungssensors (106a, 106b) plus einem Toleranzwert in Höhe von ±10% des erfassten Ist-Sensorsignals des ersten Strömungssensors (106a, 106b) oder einem Toleranzwert in Höhe von ±20% des erfassten Ist-Sensorsignals des ersten Strömungssensors (106a, 106b) liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 20, ferner beinhaltend ein Sicherstellen, dass bei Inaktivität der Mikropumpe (101) kein freier Fluss des abzugebenden Fluids (104, 105, 109) von dem Einlass (102) zu dem Auslass (103) stattfindet.
Verfahren nach Anspruch 21, beinhaltend ein Vorsehen eines einlassseitigen Drucks und eines auslassseitigen Drucks, wobei der einlassseitige Druck gleich groß oder kleiner als der auslassseitige Druck ist.
Verfahren nach Anspruch 21 oder 22, beinhaltend ein Bereitstellen eines einlassseitig und/oder auslassseitig angeordneten Ventils (140a, 140b), wobei das Ventil (140a, 140b) ein aktives normal geschlossenes Ventil und/oder ein aktives normal offenes Ventil und/oder ein Ventil mit Einsatzschwelldruck, das unterhalb eines Schwelldrucks verschlossen ist, und/oder ein Double Normally Closed Mikroventil und/oder ein Safety Valve ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 23, wobei das Verfahren ferner beinhaltet ein Bereitstellen eines zweiten Strömungssensors (110), wobei der erste Strömungssensor (106) auslassseitig und der zweite Strömungssensor (110) einlassseitig angeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 24, ferner beinhaltend die folgenden Schritte: Ansaugen des abzugebenden Fluids (104) durch den Einlass (102), Messen der Durchflussmenge des durch die Öffnung (111) des zweiten einlassseitig angeordneten Strömungssensors (110) durchfließenden Fluids und Messen der Durchflussmenge des durch die Öffnung (107) des ersten auslassseitig angeordneten Strömungssensors (106) durchfließenden Fluids, und Vergleichen der beiden gemessenen Durchflussmengen.
Verfahren nach Anspruch 24 oder 25, ferner beinhaltend die folgenden Schritte: Abgeben des abzugebenden Fluids (104) durch den Auslass (103), Messen der Durchflussmenge des durch die Öffnung (111) des zweiten einlassseitig angeordneten Strömungssensors (110) durchfließenden Fluids und Messen der Durchflussmenge des durch die Öffnung (107) des ersten auslassseitig angeordneten Strömungssensors (106) durchfließenden Fluids, und Vergleichen der beiden gemessenen Durchflussmengen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 26 ferner beinhaltend die folgenden Schritte: Ansaugen des abzugebenden Fluids (104) durch den Einlass (102) und Messen der Durchflussmenge des durch die Öffnung (111) des zweiten einlassseitig angeordneten Strömungssensors (110) durchfließenden Fluids, Abgeben des abzugebenden Fluids (104) durch den Auslass (103) und Messen der Durchflussmenge des durch die Öffnung (107) des ersten auslassseitig angeordneten Strömungssensors (106) durchfließenden Fluids, und Vergleichen der beiden gemessenen Durchflussmengen.