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DE102018129165A1 - Gas pressure measuring device with hollow fiber membrane bundle - Google Patents

Gas pressure measuring device with hollow fiber membrane bundle Download PDF

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DE102018129165A1
DE102018129165A1 DE102018129165.5A DE102018129165A DE102018129165A1 DE 102018129165 A1 DE102018129165 A1 DE 102018129165A1 DE 102018129165 A DE102018129165 A DE 102018129165A DE 102018129165 A1 DE102018129165 A1 DE 102018129165A1
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DE
Germany
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housing
hollow fibers
hollow
liquid
volume
Prior art date
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Withdrawn
Application number
DE102018129165.5A
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German (de)
Inventor
Alexander Wannenwetsch
Lutz Jügelt
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ums & Co KG GmbH
Original Assignee
Ums & Co KG GmbH
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Publication date
Application filed by Ums & Co KG GmbH filed Critical Ums & Co KG GmbH
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Abstract

Vorrichtung zur Bestimmung eines gesamten in einer Flüssigkeit gelösten Gasgehaltes, umfassend: ein gasgefülltes Messvolumen (2A, 2B), welches von der zu messenden Flüssigkeit durch eine semi-permeable, also füssigkeitsdichte aber gasdurchlässige, Membran (3) getrennt ist, und ein Druckbestimmungsmittel (4), insbesondere einen im Messvolumen angeordneter Drucksensor (41) mit einer angeschlossenen Auswerteelektronik (42), wobei die semi-permeable Membran als ein Bündel (3) aus einer Vielzahl von Hohlfasern (30) ausgebildet ist, und wobei jede der Hohlfasern über einen Innenraum verfügt und die Innenräume der Hohlfasern (31) des Hohlfaserbündels (3) miteinander in fluider Kommunikation stehen.Device for determining a total gas content dissolved in a liquid, comprising: a gas-filled measuring volume (2A, 2B) which is separated from the liquid to be measured by a semi-permeable, i.e. liquid-tight but gas-permeable, membrane (3), and a pressure determination means ( 4), in particular a pressure sensor (41) arranged in the measuring volume with connected evaluation electronics (42), the semi-permeable membrane being designed as a bundle (3) made up of a multiplicity of hollow fibers (30), and each of the hollow fibers being connected via a Has interior and the interiors of the hollow fibers (31) of the hollow fiber bundle (3) are in fluid communication with each other.

Description

Vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung des Gesamtdrucks eines in einer Flüssigkeit gelösten Gases oder Gasgemisches gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, einen Drucker oder eine Druckmaschine mit einer solchen Vorrichtung, sowie ein die Vorrichtung verwendendes Messverfahren.The present invention relates to a device for measuring the total pressure of a gas or gas mixture dissolved in a liquid according to the preamble of claim 1, a printer or a printing press with such a device, and a measuring method using the device.

In Flüssigkeiten gelöste Gase sind in einer Vielzahl technischer oder physiologischer Situationen relevant. Beispiele sind der Sauerstoffgehalt, auch Sauerstoffsättigung, des Blutes in der Medizin, der Stickstoffgehalt des Blutes beim Tauchen, der Sauerstoffgehalt von Gewässern in der Meeresbiologie und der Fischzucht oder der Sauerstoffgehalt von Druckertinte oder Binderflüssigkeit für 3D-Druckern. Ein weiteres Beispiel sind die beim Betreiben eines ölgekühlten Transformators entstehende (Kohlenwasserstoff-)Gase und Gasgemische, aus welchen sich Rückschlüsse über Art und Ausmaß von Defekten an dem Transformator ziehen lassen.Gases dissolved in liquids are relevant in a variety of technical or physiological situations. Examples are the oxygen content, also oxygen saturation, of the blood in medicine, the nitrogen content of the blood when diving, the oxygen content of water in marine biology and fish farming or the oxygen content of printer ink or binder liquid for 3D printers. Another example are the (hydrocarbon) gases and gas mixtures that arise when operating an oil-cooled transformer, from which conclusions can be drawn about the type and extent of defects on the transformer.

In vielen Fällen, wie etwa dem zuletzt genannten Beispiel, ist eine möglichst genaue Kenntnis des Anteils eines bestimmten Gases, gewünscht. In einigen anwendungsrelevanten Fällen ist jedoch auch schon die Kenntnis des Gesamtgehalts der in der Flüssigkeit gelösten Gase ausreichend oder sogar von alleinigem Interesse. Als ein Beispiel für ersteren Fall kann wieder der Anteil des im Wasser gelösten Sauerstoffs dienen. Dieser kann aus dem Gesamtanteil der darin gelösten Luft über die bekannten, temperaturabhängigen Verhältnisse von Sauerstoff zu Stickstoff und den restlichen Bestandteilen der Luft(Spurengase) bestimmt werden. Auch bei der Überwachung von ölgekühlten Transformatoren sind Schäden und Fehler des Geräts grundsätzlich auch anhand des Gesamtpartialdrucks der gelösten Gase erkennbar.In many cases, such as the last-mentioned example, it is desirable to know the proportion of a particular gas as precisely as possible. In some application-relevant cases, however, knowledge of the total content of the gases dissolved in the liquid is sufficient or even of sole interest. The proportion of the oxygen dissolved in the water can again serve as an example for the former case. This can be determined from the total proportion of the air dissolved therein via the known, temperature-dependent ratios of oxygen to nitrogen and the remaining components of the air (trace gases). When monitoring oil-cooled transformers, damage and faults in the device can also be recognized by the total partial pressure of the dissolved gases.

Situationen in denen der Gesamtgehalt gelöster Gase für sich alleine bereits die relevante Größe darstellt sind beispielsweise die Überwachung von Fischzuchtbecken, da ein zu hoher Anteil gelöster Luft eine Schädigung der Kiemen von Fischen zur Folge haben kann. Des Weiteren ist die Kenntnis des Gesamtgehalts auch auf dem Gebiet der Druckerei, sei es des konventionellen zweidimensionalen Drucks oder des heute immer wichtigeren 3D-Drucks relevant, da ein zu hoher Gehalt an gelösten Gasen, in der Regel Luft, zur Bildung von Gasbläschen in den Druckerdüsen führen kann, wodurch das Druckbild und die Druckqualität leiden.Situations in which the total content of dissolved gases is the relevant variable in itself are, for example, the monitoring of fish farms, since too much dissolved air can damage the gills of fish. Furthermore, knowledge of the total content is also relevant in the field of printing, be it conventional two-dimensional printing or 3D printing, which is becoming increasingly important today, since too high a content of dissolved gases, usually air, to form gas bubbles in the Can cause printer nozzles, which affects the print image and print quality.

Zur Messung des Gesamtgehalts in einer Flüssigkeit gelöster Gase sind im Stand der Technik Messvorrichtungen, üblicherweise als TDG (Total Dissolved Gas) Sensoren bezeichnet, bekannt, in welchen die Flüssigkeit durch eine semi-permeable Membran, also eine Membran welche nur von Teilchen in der Gasphase, nicht in der flüssigen Phase, durchdrungen werden kann, von einem gasgefüllten Messvolumen abgetrennt ist. In der Flüssigkeit gelöste Gase können nun durch die semi-permeable Membran hindurchtreten und in das Messvolumen des TDG-Sensors gelangen, sodass sich dort ein Druck einstellt, der dem Partialdruck aller gelösten Gase in der Flüssigkeit entspricht. Eine Messung des sich in dem Messvolumen einstellenden Drucks mittels eines Drucksensors gibt somit Aufschluss über den Gesamtdruck aller in der Flüssigkeit gelösten Gase. Über eine zusätzliche Messung des gesamten Flüssigkeitsdrucks kann auch der Gasanteil in der Flüssigkeit bestimmt werden.To measure the total content of gases dissolved in a liquid, measuring devices are known in the prior art, usually referred to as TDG (Total Dissolved Gas) sensors, in which the liquid passes through a semi-permeable membrane, i.e. a membrane which contains only particles in the gas phase , not in the liquid phase, can be penetrated, is separated from a gas-filled measuring volume. Gases dissolved in the liquid can now pass through the semi-permeable membrane and into the measuring volume of the TDG sensor, so that a pressure is set there that corresponds to the partial pressure of all dissolved gases in the liquid. A measurement of the pressure in the measuring volume by means of a pressure sensor thus provides information about the total pressure of all gases dissolved in the liquid. The proportion of gas in the liquid can also be determined by an additional measurement of the total liquid pressure.

Im Stand der Technik kommen Gasdrucksensoren mit einer einzelnen flächigen oder schlauchförmigen Membran zum Einsatz, um die Flüssigkeit vom Messvolumen abzutrennen. Diese Formwahl hat den Nachteil, dass die Membran eine vergleichsweise geringe Oberflächendichte aufweist, also pro Sensorvolumen nur eine relativ geringe Fläche zum Gasaustausch zwischen Messvolumen und Flüssigkeit zur Verfügung steht. Hierdurch wird die Reaktionszeit der Sensoren und ihrer Genauigkeit bei einem vorgegebenen Sensorvolumen begrenzt. Umgekehrt führt diese Wahl der Membranform zu einem sehr großen Sensorvolumen, wenn eine bestimmte Genauigkeit vorgegeben ist.
Im Stand der Technik ist es zwar bekannt, die Oberflächendichte durch Riffelung oder Wellung der Membran zu erhöhen, doch wird hierdurch nur eine vergleichsweise geringe Steigerung der Oberflächendichte erreicht.
Bei den im Stand der Technik bekannten TDG Sensoren der Firma OTT Hydromet, welche eine schlauchförmigen Membran gemäß der US Patentschrift 5,763,762 verwenden, ist ein zusätzlicher Nachteil die große Wandstärke der Membran (ca. 1mm Außen- bei 0,1 mm Innendurchmesser), die nötig ist, um ein Abklemmen des Schlauches zu verhindern.
In the prior art, gas pressure sensors with a single flat or tubular membrane are used in order to separate the liquid from the measurement volume. This choice of shape has the disadvantage that the membrane has a comparatively low surface density, ie only a relatively small area is available per gas volume for gas exchange between the measurement volume and the liquid. This limits the response time of the sensors and their accuracy for a given sensor volume. Conversely, this choice of membrane shape leads to a very large sensor volume if a certain accuracy is specified.
Although it is known in the prior art to increase the surface density by corrugating or corrugating the membrane, this results in only a comparatively small increase in the surface density.
In the TDG sensors from OTT Hydromet known in the prior art, which have a tubular membrane according to the U.S. Patent 5,763,762 an additional disadvantage is the large wall thickness of the membrane (approx. 1mm outer with 0.1 mm inner diameter), which is necessary to prevent the hose from being pinched off.

Vorliegender Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine Messvorrichtung zur Bestimmung des Gesamtdrucks der in einer Flüssigkeit gelösten Gase oder Gasgemische zu schaffen, welche bei einer kompakten Bauform trotzdem eine hochgradig genaue und reaktionsschnelle Messung ermöglicht.The present invention is therefore based on the object of creating a measuring device for determining the total pressure of the gases or gas mixtures dissolved in a liquid, which nevertheless enables a highly accurate and responsive measurement in a compact design.

Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen, welche insbesondere gemäß Anspruch 14 in einem Drucker oder in einer Druckmaschine sowie unter Einsatz des Messverfahrens nach Anspruch 17 verwendet wird.This object is achieved by a device having the features specified in claim 1, which is used in particular in accordance with claim 14 in a printer or in a printing press and using the measuring method in accordance with claim 17.

Ein wesentliches Element der erfindungsgemäßen Gesamtgasdruck-Messvorrichtung ist die Verwendung einer Membran in Form eines Bündels aus hohlen Fasern. Jede dieser Fasern ist also ein langer, dünner Schlauch aus semi-permeablem (Membran)Material. „Lang und Dünn“ heißt hier zunächst nur, dass die Ausdehnung der Faser in einer Längsrichtung wesentlich größer ist als in der dazu senkrechten Querrichtung. Hinsichtlich der absoluten Länge und des absoluten Durchmessers der Hohlfasern ist ein weiter Wertebereich mit dem Grundgedanken vorliegender Erfindung vereinbar. Faseraußendurchmesser können im Bereich von 1 mm oder darunter, insbesondere 400 Mikrometer und darunter, Faserlängen im Bereich von 1 cm und darüber, insbesondere 10 cm und darüber liegen. Die Wandstärken, also Membrandicken, der erfindungsgemäß verwendeten Membran-Hohlfasern betragen dabei weniger als 500 Mikrometer, insbesondere weniger als 50 Mikrometer.
Die Querschnitte der Hohlfasern sind in der allgemeinsten Ausführung vorliegender Erfindung ebenfalls von keinem großen Belang, solange ein zum Gasaustausch oder zum Durchströmen der zu messenden Flüssigkeit ausreichender Innenraum vorhanden ist. Somit kann auch die Wandstärke der Hohlfasern, also die Stärke der Membran, weitgehend unabhängig vom Durchmesser der Hohlfasern gewählt werden.
An essential element of the total gas pressure measuring device according to the invention is the Using a membrane in the form of a bundle of hollow fibers. Each of these fibers is a long, thin tube made of semi-permeable (membrane) material. “Long and thin” initially only means that the extension of the fiber in a longitudinal direction is significantly greater than in the perpendicular direction. With regard to the absolute length and the absolute diameter of the hollow fibers, a wide range of values is compatible with the basic idea of the present invention. Outer fiber diameters can be in the range of 1 mm or below, in particular 400 micrometers and below, fiber lengths in the range of 1 cm and above, in particular 10 cm and above. The wall thicknesses, ie membrane thicknesses, of the hollow membrane fibers used according to the invention are less than 500 micrometers, in particular less than 50 micrometers.
The cross-sections of the hollow fibers in the most general embodiment of the present invention are likewise of no great concern, as long as there is sufficient interior space for gas exchange or for the liquid to be measured to flow through. The wall thickness of the hollow fibers, that is to say the thickness of the membrane, can thus also be chosen largely independently of the diameter of the hollow fibers.

Diese Hohlfasern sind erfindungsgemäß zu einem Bündel zusammengefasst und miteinander derart verbunden, dass ihre Innenräume in fluider Kommunikation stehen, also ein gemeinsames, zusammenhängendes Volumen bilden. Grundsätzlich können die Fasern alle an einem beliebigen Punkten entlang ihrer Erstreckung mit beliebig vielen anderen Fasern verbunden sein. Eine strömungstechnisch günstige Ausgestaltung besteht jedoch insbesondere darin, dass alle Hohlfasern des Bündels in einem Punkt zusammenlaufen, bzw. alle mit je einem Ende an eine hohle Verteilerstruktur angeschlossen sind.According to the invention, these hollow fibers are combined into a bundle and connected to one another in such a way that their interiors are in fluid communication, that is to say form a common, coherent volume. In principle, the fibers can all be connected to any number of other fibers at any point along their extension. A fluidically favorable configuration, however, consists in particular in that all hollow fibers of the bundle converge at one point, or all are connected at one end to a hollow distributor structure.

Das Hohlfaserbündel der erfindungsgemäßen Messvorrichtung umfasst eine Vielzahl solcher Hohlfasern, zumindest also drei, besser einige zehn-, hunderte oder gar tausende Fasern.The hollow fiber bundle of the measuring device according to the invention comprises a large number of such hollow fibers, at least three, better a few tens, hundreds or even thousands of fibers.

Das Druckbestimmungsmittel kann ein Drucksensor, insbesondere ein piezoresistiver Drucksensor in Verbindung mit einer Auswerteelektronik sein. Alternativ kann auch ein mechanischer Drucksensor eingesetzt werden. Der Drucksensor ist im oder angrenzend an das Messvolumen angeordnet.The pressure determination means can be a pressure sensor, in particular a piezoresistive pressure sensor in connection with evaluation electronics. Alternatively, a mechanical pressure sensor can also be used. The pressure sensor is arranged in or adjacent to the measuring volume.

Durch die Ausführung der semipermeablen Membran als Hohlfaserbündel kann vorliegende Erfindung die Oberflächendichte, also die Membranfläche pro Volumen erhöhen und so, bei gegebenen Volumen, eine reaktionsschnellere und genauere Gasdruckmessung erreichen. Die Reaktionsschnelligkeit ist gesteigert, weil durch die erhöhte Membran- und also Gasaustauschfläche eine Änderung des Gasdrucks in der Flüssigkeit schneller zu einer messbaren Änderung des Drucks im Messvolumen führt. Bei der Messung eines zeitlich veränderlichen Signals, also Gesamtgasdrucks, ist aus diesem Grund die Genauigkeit ebenfalls erhöht. Umgekehrt kann eine erfindungsgemäße Messvorrichtung mit einer gewünschten Messgenauigkeit ein deutlich kleineres Volumen aufweisen, als Gesamtgasdruckmesser (TDG Sensoren) gemäß des Standes der Technik.By designing the semipermeable membrane as a hollow fiber bundle, the present invention can increase the surface density, that is to say the membrane area per volume, and thus, for a given volume, achieve a more rapid and more accurate gas pressure measurement. The reaction speed is increased because a change in the gas pressure in the liquid leads more quickly to a measurable change in the pressure in the measurement volume due to the increased membrane and gas exchange area. For this reason, the accuracy is also increased when measuring a signal that changes over time, i.e. total gas pressure. Conversely, a measuring device according to the invention with a desired measuring accuracy can have a significantly smaller volume than total gas pressure meters (TDG sensors) according to the prior art.

Bei der Ausgestaltung des Hohlfaserbündels mit innen hohler Verteilerstruktur, von welcher ausgehend die Fasern des Bündels abzweigen, ist insbesondere eine Anordnung des Druckbestimmungsmittels im Inneren oder in der Wand der Verteilerstruktur vorteilhaft. Eine solche Ausführungsform eignet sich besonders zum Einsatz in mit der zu messenden Flüssigkeit gefüllten Tanks oder Becken oder etwa im freien Wasser. Ebenso ist jedoch auch der Einsatz in einer Flüssigkeitsströmung denkbar, etwa einem durchströmten Rohr, in welches die erfindungsgemäße Messvorrichtung durch eine seitliche Öffnung eingebracht wird, wobei die Verteilerstruktur die Öffnung dichtend abschließt.In the configuration of the hollow fiber bundle with an internally hollow distributor structure, from which the fibers of the bundle branch off, an arrangement of the pressure determination means inside or in the wall of the distributor structure is particularly advantageous. Such an embodiment is particularly suitable for use in tanks or basins filled with the liquid to be measured or, for example, in free water. However, use in a liquid flow is also conceivable, for example a tube through which the measuring device according to the invention is introduced through a lateral opening, the distributor structure sealingly closing the opening.

In manchen Ausgestaltungen vorliegender Erfindung ist das Membran-Hohlfaserbündel innerhalb eines Gehäuses angeordnet. Dies dient zum einen dem Schutz der Hohlfasern vor mechanischen Beschädigungen, etwa durch starke Strömung innerhalb der Flüssigkeit oder darin umherschwimmende Objekte oder auch Beschädigungen beim Transport und der Montage der Messvorrichtung. Zum anderen werden durch ein Gehäuse, sofern dieses gasdicht ist, auch Ausführungsformen ermöglicht, bei denen nicht der Innenraum der Hohlfasern, sondern das zum Hohlfaserbündel sowie, je nach Ausführungsform, gegebenenfalls einer Verteilerstruktur, komplementäre Teilvolumen des Gehäuseinnenraums als Messvolumen dienen.
In einfachen Ausführungsformen ist das Gehäuse ein an beiden Enden verschlossener Hohlzylinder. Andere Formgebungen können jedoch im Rahmen verschiedener Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Messvorrichtung vorteilhafter sein.
In some configurations of the present invention, the membrane hollow fiber bundle is arranged within a housing. On the one hand, this serves to protect the hollow fibers from mechanical damage, for example due to strong flow within the liquid or objects floating around in it, or also damage during transport and installation of the measuring device. On the other hand, a housing, insofar as it is gas-tight, also enables embodiments in which not the interior of the hollow fibers but rather the part volume of the housing interior complementary to the hollow fiber bundle and, depending on the embodiment, optionally a distributor structure, serve as the measurement volume.
In simple embodiments, the housing is a hollow cylinder closed at both ends. However, other shapes can be more advantageous in the context of various configurations of the measuring device according to the invention.

In jedem Fall muss das Gehäuse als Ein- und/oder Auslass für die Flüssigkeit mindestens eine Öffnung aufweisen. Andere Ausführungsformen sehen mehr als eine Öffnung vor. Beispielsweise könnte auch eine Vielzahl an Öffnungen vorgesehen sein, um den Flüssigkeitsaustausch zwischen Gehäuseaußenraum und Innenraum entsprechend zu erleichtern und hierdurch die Reaktion der erfindungsgemäßen auf eine Änderung des Gesamtgasgehalts in der Flüssigkeit zu beschleunigen. In einer Ausführungsform vorliegender Erfindung ist zumindest eine Seite des Gehäuses mit einer Gitterstruktur versehen. Alternativ können auch alle Gehäuseseiten im Wesentlichen als Gitterstruktur und somit das Gehäuse insgesamt als ein Gitterkäfig ausgeführt sein. Hierdurch wird bei nur geringem Gewichtszuwachs gegenüber der Ausführungsform ohne Gehäuse ein gewisser mechanischer Schutz des vergleichsweise empfindlichen Hohlfasermembranbündels mit nahezu ungestörtem Flüssigkeitsaustausch verbunden.In any case, the housing must have at least one opening as an inlet and / or outlet for the liquid. Other embodiments provide more than one opening. For example, a large number of openings could also be provided in order to correspondingly facilitate the exchange of liquid between the housing exterior and interior and thereby accelerate the reaction of the invention to a change in the total gas content in the liquid. In one embodiment of the present invention there is at least one side the housing with a lattice structure. Alternatively, all of the housing sides can also be designed essentially as a lattice structure and thus the housing as a whole as a lattice cage. As a result, with only a slight increase in weight compared to the embodiment without a housing, a certain mechanical protection of the comparatively sensitive hollow fiber membrane bundle is connected with an almost undisturbed liquid exchange.

In einer anderen Ausführungsform vorliegender Erfindung mit grundsätzlich zumindest flüssigkeitsdichtem Gehäuse sind zwei mit dem zum Hohlfaserbündel komplementären Teilvolumen des Gehäuseinneren kommunizierende Öffnungen vorgesehen. Hierdurch ist vorteilhaft erreicht, dass die zu messende Flüssigkeit durch eine der Öffnungen in das Gehäuse ein- und durch die andere wieder ausströmen kann. Somit wird es möglich, die erfindungsgemäße Messvorrichtung in ein die zu messende Flüssigkeit transportierendes Rohr oder einen Schlauch ein- bzw. zwischenzuschalten. Der durch die Vorrichtung verursachte Strömungswiderstand bzw. der verursachte Druckabfall, wird dabei vorteilhaft minimiert, wenn die Öffnungen an gegenüberliegenden Gehäuseseiten liegen und/oder das Gehäuseinnere inklusive der Anordnung des Hohlfaserbündels strömungsgünstig geformt ist.
Das gasgefüllte Messvolumen, welches durch das Druckbestimmungsmittel überwacht wird, ist bei diesen Ausführungsformen das Innere des Hohlfaserbündels und der gegebenfalls daran angeschlossenen Verteilerstrukturen. Zur strömungsgünstigen Ausgestaltung des Gehäuseinneren wird vorgeschlagen, bei Verwendung einer Verteilerstruktur diese im Bereich der Einlassöffnung anzuordnen.
In another embodiment of the present invention with basically at least liquid-tight housing, two openings are provided that communicate with the partial volume of the interior of the housing that is complementary to the hollow fiber bundle. This advantageously ensures that the liquid to be measured can flow into the housing through one of the openings and flow out again through the other. It is thus possible to switch the measuring device according to the invention on or in between a tube or a hose transporting the liquid to be measured. The flow resistance or the pressure drop caused by the device is advantageously minimized if the openings are on opposite sides of the housing and / or the housing interior, including the arrangement of the hollow fiber bundle, is aerodynamically shaped.
In these embodiments, the gas-filled measurement volume that is monitored by the pressure determination means is the inside of the hollow fiber bundle and the distributor structures that may be connected to it. For the aerodynamic configuration of the housing interior, it is proposed to arrange this in the region of the inlet opening when using a distributor structure.

Eine weitere durchströmbare Ausführungsform sieht vor, die zu messende Flüssigkeit durch den Innenraum der Hohlfasern des Membranfaserbündels fließen zu lassen. Hierzu sind die Fasern mit jedem ihrer beiden Enden an eine von zwei Verteilerstrukturen angeschlossen. Jede der beiden Verteilerstrukturen ist einer Öffnung im Gehäuse zugeordnet, wobei das Innere der Verteilerstrukturen mit der jeweiligen Öffnung in fluider Kommunikation steht. Somit ist eine flüssigkeitsdichte Unterteilung des Gehäuseinneren in ein zum Hohlfaserbündel und den Verteilerstrukturen komplementäres Teilvolumen und ein die Innenräume der Hohlfasern und Verteilerstrukturen umfassendes Teilvolumen erreicht. Der zu messende Flüssigkeitsstrom wird nun durch eine erste Öffnung zuerst in das Innere der ersten Verteilerstruktur geleitet, wo er sich auf die einzelnen Hohlfasern verzweigt. In der zweiten Verteilerstruktur vereinigen sich die Teilströme wieder und verlassen schließlich durch die zweite Öffnung das Gehäuse.
Das gasgefüllte Messvolumen ist bei dieser Ausführungsform durch das zum Hohlfaserbündel und den Verteilerstrukturen komplementäre Volumen gebildet. Durch das Druckbestimmungsmittel wird also der sich in diesem Teilvolumen einstellende Gasdruck gemessen, insbesondere ist in diesem Teilvolumen oder daran angrenzend, beispielsweise in die Gehäusewand integriert, ein Drucksensor des Druckbestimmungsmittels angeordnet.
Another embodiment that can be flowed through provides for the liquid to be measured to flow through the interior of the hollow fibers of the membrane fiber bundle. For this purpose, the fibers are connected at each of their two ends to one of two distributor structures. Each of the two distributor structures is assigned to an opening in the housing, the interior of the distributor structures being in fluid communication with the respective opening. A liquid-tight subdivision of the interior of the housing into a partial volume complementary to the hollow fiber bundle and the distributor structures and a partial volume comprising the interior spaces of the hollow fibers and distributor structures is thus achieved. The liquid stream to be measured is now first led through a first opening into the interior of the first distributor structure, where it branches onto the individual hollow fibers. In the second distributor structure, the partial flows reunite and finally leave the housing through the second opening.
In this embodiment, the gas-filled measurement volume is formed by the volume which is complementary to the hollow fiber bundle and the distributor structures. The pressure determining means thus measures the gas pressure which arises in this partial volume, in particular a pressure sensor of the pressure determining means is arranged in this partial volume or adjacent thereto, for example integrated into the housing wall.

Insbesondere mittels der durchströmbaren Ausführungsformen der Messvorrichtung gemäß vorliegender Erfindung wird ein Einsatz auf beweglichen Teilen einer Druckmaschine oder eines (3D-)Druckers, insbesondere auf oder in der Nähe des Druckkopfes, möglich. Um die Gefahr einer Gasblasenbildung mit dadurch bedingter Verschlechterung des Druckbildes in Echtzeit erkennen zu können, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, den Gesamtgasgehalt der Druckertinte, bzw. der Binderflüssigkeit bei 3D-Druckern, mittels der erfindungsgemäßen TDG-Messvorrichtung zu bestimmen. Nur die erfindungsgemäße Vorrichtung erlaubt eine ausreichend genaue und reaktionsschnelle Vorrichtung in der für diese Anwendung unabdingbaren Kompaktheit auszuführen.In particular, by means of the flow-through embodiments of the measuring device according to the present invention, use on moving parts of a printing press or a (3D) printer, in particular on or in the vicinity of the print head, is possible. In order to be able to recognize in real time the danger of gas bubbles forming and the resulting deterioration of the print image, it is proposed according to the invention to determine the total gas content of the printer ink or the binder liquid in 3D printers by means of the TDG measuring device according to the invention. Only the device according to the invention allows a sufficiently precise and responsive device to be designed in the compactness that is essential for this application.

Der Begriff „Druckertinte“ soll hier allgemein alle für die Schaffung eines bestimmten Druckbildes nötige in Druckern oder Druckmaschinen eingesetzten und üblicherweise über Zuleitungen aus einem Reservoir an einen oder mehrere Druckkopf/köpfe gelieferte flüssigen Medien umfassen.
Der Begriff „Binderflüssigkeit“ soll vorliegend alle im 3D-Druck zur Herstellung eines Druckobjekts eingesetzten Flüssigkeiten umfassen, egal ob mit oder ohne darin vorhandenen festen Partikeln.
The term “printer ink” here is intended to encompass in general all of the liquid media used in printers or printing presses for the creation of a specific print image and usually supplied via lines from a reservoir to one or more print heads.
In the present case, the term “binder liquid” is intended to encompass all liquids used in 3D printing to produce a printed object, regardless of whether with or without solid particles present therein.

Die Reaktionsgeschwindigkeit wird noch erhöht, wenn das erfindungsgemäße Messverfahren zur Druckbestimmung eingesetzt wird. Hierbei wird aus einem gemessenen tatsächlichen zeitlichen Verlauf des Gesamtgasdrucks ein Extrapolationswert errechnet, mit dem der tatsächlich vorliegende Gasdruckwert besser angenähert werden soll und der einem erwarteten Gleichgewichtsdruckwert bei einer angenommenen stufenförmigen Druckänderung entspricht. Die Messzeit, definiert als die minimale Zeit, die die Vorrichtung ab einer stufenförmigen Druckänderung benötigt, um den neuen Druckwert innerhalb der gegebenen Messgenauigkeit zu ermitteln, lässt sich hierdurch in den meisten Fällen mehr als halbieren.The reaction rate is further increased if the measuring method according to the invention is used for pressure determination. In this case, an extrapolation value is calculated from a measured actual course over time of the total gas pressure, with which the actually present gas pressure value is to be approximated better and which corresponds to an expected equilibrium pressure value with an assumed step-like pressure change. The measurement time, defined as the minimum time that the device requires from a step-like pressure change in order to determine the new pressure value within the given measurement accuracy, can be more than halved in most cases.

Die bei dem erfindungsgemäßen Messverfahren bevorzugt eingesetzte Extrapolationsformel ist gegeben durch: p e x ( t ) = p m ( t ) + ( p m ( t ) p m ( t 0 ) ) × { F 1 : p m ( t ) > p m ( t 0 ) F 2 : p m ( t ) p m ( t 0 )

Figure DE102018129165A1_0001
The extrapolation formula which is preferably used in the measurement method according to the invention is given by: p e x ( t ) = p m ( t ) + ( p m ( t ) - p m ( t 0 ) ) × { F 1 : p m ( t ) > p m ( t 0 ) F 2nd : p m ( t ) p m ( t 0 )
Figure DE102018129165A1_0001

Hierbei ist pex (f) der zu einem Zeitpunkt t ausgegebene Extrapolationswert, pm(t) ist der zu dieser Zeit t im Messvolumen gemessene Druck, pm(t0) ist der gemessene Druck zu einem früheren Zeitpunkt to, an dem die anhand des Verlaufs pm(t) bestimmte Änderungsrate dpm/dt des gemessenen Drucks letztmalig unter einem gewissen, empirisch bestimmten Schwellwert lag und F1 bzw. F2 sind ebenfalls empirisch bestimmte Konstanten. Here is p ex (f) the extrapolation value output at a time t, p m (t) is the pressure measured in the measuring volume at this time t, p m (t 0 ) is the measured pressure at an earlier time to, at which the pressure p m (t) determined rate of change dp m / dt of the measured pressure was below a certain, empirically determined threshold value for the last time and F 1 respectively. F 2 are also empirically determined constants.

Vorteilhafte Weiterbildungen vorliegender Erfindung werden im Folgenden vorgestellt. Sie können einzeln oder in Kombination realisiert werden, solange sie sich nicht gegenseitig ausschließen.Advantageous developments of the present invention are presented below. They can be implemented individually or in combination, as long as they are not mutually exclusive.

Die Verteilerstruktur, welche eine fluide Kommunikation zwischen den Innenräumen der einzelnen Membranhohlfasern des Faserbündels ermöglicht, kann auch dadurch gebildet werden, dass die parallel nebeneinander gelegten Hohlfasern an ihren offenen Enden zusammengeklebt und das so geschaffene pfropfartige Ende des Hohlfaserbündels mit einer flüssigkeits- und gasdichten Kappe verschlossen wird. Das Druckbestimmungsmittel kann dann im Inneren dieser Kappe bzw. in deren Wandung eingelassen angeordnet sein.The distributor structure, which enables fluid communication between the interior spaces of the individual hollow membrane fibers of the fiber bundle, can also be formed by gluing the hollow fibers placed next to each other in parallel at their open ends and closing the graft-like end of the hollow fiber bundle thus created with a liquid and gas-tight cap becomes. The pressure determination means can then be arranged in the interior of this cap or in the wall thereof.

Um eine Möglichst eine schnelle Reaktion auf eine zeitliche Änderung des Gesamtgasdrucks in der zu messenden Flüssigkeit zu erreichen, wird vorgeschlagen das Messvolumen zu minimieren. Im Falle der durchströmbaren Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Messvorrichtung, bei der das Innere der Hohlfasern zusammen mit dem Inneren einer gegebenenfalls vorhandenen Verteilerstruktur das gasgefüllte Messvolumen bilden, wird zu diesem Zweck die Verwendung von Fasern mit einem, bei gegebenen Außendurchmesser, einem möglichst geringen Innendurchmesser empfohlen. Hierdurch wird das Innenvolumen der hohlen Fasern minimiert.In order to achieve the fastest possible reaction to a change in the total gas pressure in the liquid to be measured, it is proposed to minimize the measurement volume. In the case of the flow-through designs of the measuring device according to the invention, in which the inside of the hollow fibers together with the inside of a possibly existing distributor structure form the gas-filled measuring volume, the use of fibers with a minimum inside diameter for the given outside diameter is recommended for this purpose. This minimizes the internal volume of the hollow fibers.

Im Falle der durchströmbaren Ausführungsformen, bei welcher die Flüssigkeit durch das Innere der Hohlfasern geleitet wird und das zum Hohlfaserbündel komplementäre Teilvolumen des Gehäuseinneren das Messvolumen bildet, wird vorgeschlagen, letzteres zu minimieren, indem das Hohlfaserbündel das Gehäuseinnere möglichst vollständig ausfüllen.
Hierzu sollten die Hohlfasern zunächst möglich geordnet und parallel verlaufend im Gehäuseinneren verlegt werden. Weiterhin können Hohlfasern unterschiedlichen Durchmessers verwendet werden. Da sich aus fertigungstechnischen Gründen Hohlfasern unterhalb eines gewissen (Außen-)Durchmessers nicht herstellen lassen, können auch nur die größeren Fasern des HohlfasermembranBündels als Hohlfasern ausgeführt sein, während die Fasern mit kleinerem Durchmesser massiv sind. Dadurch sind sie zwar nicht von der Flüssigkeit durchströmbar, tragen aber vorteilhaft dazu bei, das Messvolumen zu verringern.
Weiterhin kann außer des üblichen kreisrunden Umrisses des Hohlfaserquerschnitts auch ein Umriss in einer flächenfüllenden Geometrie, etwa in der Form eines regelmäßigen Hexagons, Dreiecks oder eines Quadrats gewählt werden. Das Hexagon hat hier den Vorteil, dass es noch näher an der Kreisform ist und darum ungewünschte Messvolumenerhöhungen durch nicht exakt parallel verlegte Fasern im Vergleich zur Quadrat- oder Dreiecksform geringer sind.
In the case of the flow-through embodiments in which the liquid is passed through the interior of the hollow fibers and the partial volume of the interior of the housing which is complementary to the hollow fiber bundle forms the measurement volume, it is proposed to minimize the latter by the hollow fiber bundle filling the interior of the housing as completely as possible.
For this purpose, the hollow fibers should first be arranged and run parallel to the inside of the housing. Hollow fibers of different diameters can also be used. Since hollow fibers below a certain (outer) diameter cannot be produced for manufacturing reasons, only the larger fibers of the hollow fiber membrane bundle can be designed as hollow fibers, while the fibers with a smaller diameter are solid. As a result, although the liquid cannot flow through them, they advantageously contribute to reducing the measurement volume.
In addition to the usual circular outline of the hollow fiber cross section, an outline can also be selected in a surface-filling geometry, for example in the form of a regular hexagon, triangle or square. The advantage of the hexagon here is that it is even closer to the circular shape and therefore undesired increases in the measurement volume due to fibers that are not laid exactly parallel are smaller compared to the square or triangular shape.

Weiterhin trägt zur Minimierung des komplementären Volumens auch bei, wenn das Gehäuseinnere in Form und Größe an das Hohlfaserbündel angepasst ist. Insbesondere wird vorgeschlagen das Gehäuse, zumindest aber das Gehäuseinnere, in drei Abschnitte, zwei Endabschnitte mit dazwischenliegendem Mittelabschnitt, zu unterteilen. Der Mittelabschnitt sollte einen konstanten Querschnitt, die Endabschnitte im Gegensatz hierzu ein vom Mittelabschnitt ausgehend sich zu einem Scheitel verjüngende Querschnitte aufweisen. Insbesondere sollte die dreidimensionale Form des Mittelabschnitts die eines (Hohl)Zylinders oder eines (hohlen) Sechseckprismas, die der Endabschnitte entsprechend die eines Kegels oder einer Halbkugel bzw. einer Sechseckpyramide, ggf. mit gewölbten Seiten haben.Furthermore, the complementary volume is also minimized if the shape and size of the interior of the housing is adapted to the hollow fiber bundle. In particular, it is proposed to subdivide the housing, or at least the interior of the housing, into three sections, two end sections with an intermediate middle section. The middle section should have a constant cross section, the end sections, in contrast, have a cross section tapering from the middle section to a vertex. In particular, the three-dimensional shape of the central section should have that of a (hollow) cylinder or a (hollow) hexagon prism, that of the end sections corresponding to that of a cone or a hemisphere or a hexagonal pyramid, possibly with curved sides.

Eine im Inneren des Gehäuses angeordnete, mit dem Gehäuse verbundene Verteilerstruktur kann bevorzugt eine halbkugelförmige Außenfläche zum Anschluss der Hohlfasern haben, wobei der Radius dieser Halbkugel in etwa ein Viertel des Durchmessers des Hohlfaserbündels und damit ebenfalls bevorzugt in etwa ein Viertel des Innendurchmessers des Mittelabschnitts des Gehäuses entspricht.
Andere Ausführungsformen vorliegender Erfindung weisen ein insgesamt zylindrisches Hohlfasermembranbündel auf, bei dem alle Fasern gleich lang, möglichst parallel zueinander verlegt und an beiden Enden derart zusammengeklebt sind, dass durch die erhärtete Klebstoffmatrix ein gasdichter Pfropfen gebildet ist. Das Gehäuseinnere kann bei dieser Ausführungsform, bis auf eine etwaige Anpassung an die Feinstruktur der Außenfläche des Hohlfaserbündels, eine einfache Zylinderform haben. Eine Verteilerstruktur im Sinne einer separaten, zum Anschluss der Hohlfasern geeigneten Struktur ist hier nicht nötig bzw. diese wird durch die verklebten Hohlfaserenden und die Klebstoffmatrix selbst gebildet.
Da sich die Hohlfasern, um eine vollständige Umhüllung des Endes mit Klebstoff und somit einen gasdichten Verschluss zu garantieren, an den Enden nicht berühren dürfen, kommt es bei der Verwendung von Hohlfasern mit über ihre Länge konstantem Querschnitt zu einer Verdickung an den Enden des Hohlfaserbündels. Um eine nachteilige Erhöhung des Messvolumens zu vermeiden, wird vorgeschlagen, entweder das Gehäuseinnere so zu Formen, dass es sich an den Querschnitt des Hohlfaserbündels anschmiegt, also in einem Mittelbereich einen geringeren Innendurchmesser als an den Enden aufweist. Alternativ können auch Hohlfasern mit im Bereich der Enden geringerem Außendurchmesser verwendet werden, so dass der Querschnitt des Hohlfaserbündels insgesamt auch nach dem Verkleben der Faserenden im Wesentlichen zylindrisch ist.
A distributor structure arranged in the interior of the housing and connected to the housing can preferably have a hemispherical outer surface for connecting the hollow fibers, the radius of this hemisphere being approximately a quarter of the diameter of the hollow fiber bundle and thus likewise preferably approximately a quarter of the inner diameter of the central section of the housing corresponds.
Other embodiments of the present invention have an overall cylindrical hollow fiber membrane bundle, in which all fibers are laid with the same length, as parallel as possible to one another, and are glued together at both ends in such a way that a gas-tight plug is formed by the hardened adhesive matrix. In this embodiment, the interior of the housing can have a simple cylindrical shape, except for any adaptation to the fine structure of the outer surface of the hollow fiber bundle. A distributor structure in the sense of a separate structure suitable for connecting the hollow fibers is not necessary here, or this is formed by the glued hollow fiber ends and the adhesive matrix itself.
Since the hollow fibers must not touch at the ends in order to guarantee a complete covering of the end with adhesive and thus a gas-tight seal, the use of hollow fibers with a cross section that is constant over their length leads to a thickening at the ends of the hollow fiber bundle. In order to avoid a disadvantageous increase in the measurement volume, it is proposed to either shape the interior of the housing in such a way that that it clings to the cross section of the hollow fiber bundle, that is to say has a smaller inner diameter in a central region than at the ends. Alternatively, hollow fibers with a smaller outer diameter in the area of the ends can also be used, so that the cross section of the hollow fiber bundle is essentially cylindrical even after the fiber ends have been glued.

Werden nur einseitig offene Hohlfasern verwendet, welche mit ihren jeweiligen offenen Ende wie beschrieben verklebt sind, sind auch Ausführungsformen ohne Gehäuse möglich. Bei diesen würde eine fluide Kommunikation zwischen den Hohlfaserinnenräumen unter Abschluss von der Flüssigkeit dadurch erreicht, dass über das propfartige veklebte Ende des Hohlfaserbündels eine gas- und flüssigkeitsdicht schließende Kappe aufgeschoben wird. Die Dichtheit an der Berührfläche zwischen Kappeninnenseite und der Außenseite des pfropfenartigen Hohlfaserbündelendes kann gegebenenfalls durch Verwendung eines Dichtrings sichergestellt werden. Das Druckbestimmungsmittel in Form eines Drucksensors könnte in die Wand der Kappe, beispielsweise bei einer Kappe mit rundem Grundriss, in deren Mittelpunkt, eingelassen sein.If only hollow fibers which are open on one side and which are glued to their respective open ends as described are used, embodiments without a housing are also possible. In these, fluid communication between the hollow fiber interiors, with the liquid being closed, would be achieved in that a gas- and liquid-tight sealing cap is pushed over the plug-like, glued end of the hollow fiber bundle. The tightness on the contact surface between the inside of the cap and the outside of the plug-like hollow fiber bundle end can optionally be ensured by using a sealing ring. The pressure determining means in the form of a pressure sensor could be embedded in the wall of the cap, for example in the case of a cap with a round outline, in the center thereof.

Das Messvolumen weist bevorzugt eine Entgasungsöffnung auf. Diese ist während des Messens durch ein Ventil verschlossen. welches jedoch geöffnet werden kann um den Druck im Messvolumen zu reduzieren, indem entweder das Gas aus dem Messvolumen in einen Außenraum niedrigeren Drucks entweichen gelassen wird oder aktiv abgepumpt wird. Hierdurch kann die erfindungsgemäße Messvorrichtung eine Doppelfunktion als Entgasungsvorrichtung etwa für Druckertinte oder Binderflüssigkeit eines 3D Druckers erfüllen. Sobald bei der einer Gesamtgasdruckmessung die Überschreitung eines Grenzwertes festgestellt wird, wird das Entgasungsventil für eine gewisse Zeit geöffnet, wobei diese Zeit anhand der Schwellüberschreitung, etwa proportional hierzu, gewählt sein kann. Um zu verhindern, dass im Druckkopf aufgrund von Druckunterschieden im System Blasen entstehen, muss die Tinte weit von der Gassättigung sein.The measurement volume preferably has a degassing opening. This is closed by a valve during the measurement. which, however, can be opened to reduce the pressure in the measuring volume, either by letting the gas escape from the measuring volume into an outside space of lower pressure or by actively pumping it out. As a result, the measuring device according to the invention can fulfill a double function as a degassing device, for example for printer ink or binder liquid of a 3D printer. As soon as the exceeding of a limit value is determined during a total gas pressure measurement, the degassing valve is opened for a certain time, this time being able to be selected on the basis of the threshold exceeding, approximately proportional to it. To prevent bubbles from forming in the printhead due to pressure differences in the system, the ink must be far from gas saturation.

Unter normalen Bedingungen herrscht im Messvolumen immer ein geringerer Druck als in der zu messenden Flüssigkeit. Bei komplett entgastem Wasser ist das nur noch der Dampfdruck des Wassers, bei Zimmertemperatur ca. 25 mBar absolut. Aufgrund dieser geringen Drücke wird daher das Messvolumen in der Regel dadurch entgast, dass die Entgasungsöffnung an ein Vakuum angeschlossen wird.Under normal conditions there is always a lower pressure in the measuring volume than in the liquid to be measured. With completely degassed water this is only the steam pressure of the water, at room temperature approx. 25 mbar absolute. Because of these low pressures, the measurement volume is usually degassed by connecting the degassing opening to a vacuum.

Ausführungsformen vorliegender Erfindung weisen zusätzlich zu dem Mittel zur Bestimmung des (Gas)Drucks im Messvolumen, mindestens ein weiteres Druckbestimmungsmittel auf, mit welchem ein Druck der zu messenden Flüssigkeit bestimmbar ist. Insbesondere wird vorgeschlagen, Ausführungsformen vorliegender Erfindung mit Gehäuse mit einem Drucksensor in dem zum Messvolumen komplementären (Flüssigkeits-)Volumen auszustatten. Hierdurch wird der relative Gasdruck in der Flüssigkeit bestimmbar. Werden bei einer durchströmbaren Ausführungsform der Messvorrichtung vorliegender Erfindung zwei (Flüssigkeits-)Drucksensoren verwendet, von denen jeweils einer im Bereich der Ein- bzw. der Ausströmöffnung angeordnet ist, so ist zusätzlich zum relativen Gasdruck auch der durch den Strömungswiderstand des Gehäuseinneren verursachte Druckabfall bestimmbar.Embodiments of the present invention have, in addition to the means for determining the (gas) pressure in the measurement volume, at least one further pressure determination means with which a pressure of the liquid to be measured can be determined. In particular, it is proposed to provide embodiments of the present invention with a housing with a pressure sensor in the (liquid) volume complementary to the measurement volume. This makes it possible to determine the relative gas pressure in the liquid. If two (liquid) pressure sensors are used in a flow-through embodiment of the measuring device of the present invention, one of which is arranged in each case in the area of the inflow or outflow opening, the pressure drop caused by the flow resistance of the interior of the housing can also be determined in addition to the relative gas pressure.

Weitere Eigenschaften, Merkmale und Vorteile vorliegender Erfindung ergeben sich aus den nachfolgend anhand der Figuren vorgestellten Ausführungsbeispielen. Diese sollen vorliegende Erfindung nur erläutern und in keiner Weise das in den unabhängigen Ansprüchen wiedergegebene allgemeine Prinzip der Erfindung einschränken.Further properties, features and advantages of the present invention result from the exemplary embodiments presented below with reference to the figures. These are only intended to illustrate the present invention and in no way limit the general principle of the invention set out in the independent claims.

Es zeigen:

  • 1: In drei Teilfiguren Längsschnitte dreier verschiedener Varianten einer ersten, gehäuselosen Ausführungsform der Messvorrichtung vorliegender Erfindung
  • 2: in zwei Teilfiguren Längsschnitte durch eine zweite und eine dritte Ausführungsform, jeweils mit einem Gehäuse, bei welchen das Messvolumen durch die Hohlfaserinnenräume gebildet ist
  • 3: Einen Längsschnitt durch eine vierte Ausführungsform mit einem Gehäuse, bei welcher das Messvolumen durch das zum Innenraum der Hohlfasern komplementäre Teilvolumen des Gehäuseinneren gebildet ist
  • 4: In vier Teilfiguren Querschnitte durch verschiedene Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Messvorrichtung mit unterschiedlichen Hohlfaserquerschnitten
  • 5: In drei Teilfiguren, Längsschnitte durch drei verschiedene, vorteilhaft geformte Gehäuse
  • 6: Einen beispielhaften zeitlichen Verlauf des gemessenen und des nach dem erfindungsgemäßen Messverfahren extrapolierten Drucks bei einer angenommenen stufenförmigen Druckänderung
Show it:
  • 1 : In three partial figures, longitudinal sections of three different variants of a first, housing-free embodiment of the measuring device of the present invention
  • 2nd : in two partial figures, longitudinal sections through a second and a third embodiment, each with a housing in which the measurement volume is formed by the hollow fiber interior
  • 3rd : A longitudinal section through a fourth embodiment with a housing, in which the measurement volume is formed by the partial volume of the interior of the housing which is complementary to the interior of the hollow fibers
  • 4th : In four partial figures, cross sections through different embodiments of the measuring device according to the invention with different hollow fiber cross sections
  • 5 : In three partial figures, longitudinal sections through three different, advantageously shaped housings
  • 6 : An exemplary time course of the measured and of the pressure extrapolated according to the measuring method according to the invention with an assumed step-like pressure change

In 1 sind im Längsschnitt drei Varianten einer ersten, gehäuselosen Ausführungsform der Gasdruckmessvorrichtung vorliegender Erfindung dargestellt.
Die erfindungsgemäße Messvorrichtung 1 gemäß Variante A dieser ersten Ausführungsform umfasst ein Bündel 3 aus einer Vielzahl von einseitig geschlossenen Hohlfasern 31 aus einer semi-permeablen Membran, die alle jeweils mit ihrem offenen Ende über eine hohle Verteilerstruktur 23 miteinander verbunden sind, so dass die Innenräume der Hohlfasern in fluider Kommunikation stehen und in ihrer Gesamtheit das Messvolumen 2A bilden. Im Vereinigungspunkt 23 der Hohlfasern ist ein Drucksensor 41, etwa ein piezoresistiver Drucksensor angeordnet, welcher in Verbindung mit der angeschlossenen Auswerteelektronik 42 das Druckbestimmungsmittel 4 dieser Ausführungsform bildet.
Die in den Teilfiguren B und C gezeigte Variante unterscheiden sich von der in Teilfigur A gezeigten durch die Realisierung der fluiden Kommunikation der Innenräume der Hohlfasern 31 des Hohlfasermembranbündels 3. In beiden Varianten ist diese derart, dass die, nur an einem Ende offenen Fasern parallel nebeneinander gelegt und in ein mit einem Klebstoff oder Harz gefülltes zylindrisches Behältnis gestellt werden, welches idealerweise einen Durchmesser nur wenig weiter als das Bündel 3 aufweist. Der Klebstoff oder das Harz wird durch die Kapillarwirkung sowohl in die offenen Hohlfaserenden als auch in die Hohlfaserzwischenräume eingesaugt. Damit sichergestellt ist, dass die Aufstiegshöhe im Inneren der Fasern geringer bleibt als in den Faserzwischenräumen muss hierbei darauf geachtet werden, dass sich die Faserenden nicht berühren, sondern ein gewisser Abstand verbleibt. Nach dem Aushärten kann das Bündel aus dem als eine Art Gussform dienenden Gefäß genommen werden. Das nun mit einem pfropfartigen Abschluss versehene Ende des Hohlfaserbündels muss stirnseitig soweit abgeschliffen werden, dass die Hohlfaserenden wieder offen sind. Um eine erfindungsgemäße Messvorrichtung zu erhalten, wird über das derart mittels der Klebstoff- oder Harzmatrix 24 zusammengehaltene Ende des Hohlfaserbündels 3 eine Kappe 25 mit dem Druckbestimmungsmittel 4 aus Sensor 41 und Auswerteeinheit 42 gasdicht schließend aufgesetzt. Bei beiden Varianten B und C wird eine außen zylindrische Kappe verwendet. Sie unterscheiden sich darin, wie eine Kommunikation zwischen den Hohlfaserinnenräumen ermöglichst ist. In der Variante B ist das durch die Klebstoffmatrix 24 pfropfartig verklebte Ende des Hohlfaserbündels plan freigeschliffen. Um zu verhindern, dass nach aufstecken der Kappe 25 die Hohlfaserenden durch die Kappeninnenseite verschlossen werden, ist diese konkav geformt, wobei der Drucksensor 41 im Scheitel positioniert ist. Anstelle der gezeigten konischen Kavität könnte prinzipiell auch eine U-förmige Wölbung oder eine andere konkave Form gewählt sein, allerdings lässt sich eine konische Kavität fertigungstechnisch sehr leicht realisieren.
Die in Variante C verwendet eine Kappe 25 mit planer Innenstirnfläche. Um hier die fluide Kommunikation der Hohlfasern 31 zu gewährleisten ist, die Stirnseite des Hohlfaserbündels 3 und der Klebstoffmatrix 24 konkav geschliffen, beispielsweise, wie hier gezeigt, konisch konkav.
In 1 Three variants of a first, housingless embodiment of the gas pressure measuring device of the present invention are shown in longitudinal section.
The measuring device according to the invention 1 according to variant A this first embodiment comprises a bundle 3rd from a variety of one-sided closed hollow fibers 31 made of a semi-permeable membrane, each with its open end via a hollow distributor structure 23 are connected to each other so that the interior of the hollow fibers are in fluid communication and the measurement volume as a whole 2A form. At the union point 23 the hollow fiber is a pressure sensor 41 , for example a piezoresistive pressure sensor, which is connected to the connected evaluation electronics 42 the pressure determining means 4th this embodiment forms.
The variant shown in sub-figures B and C differ from the one shown in sub-figure A in that the fluid communication of the interiors of the hollow fibers is realized 31 of the hollow fiber membrane bundle 3rd . In both variants, this is such that the fibers, which are only open at one end, are placed parallel next to one another and placed in a cylindrical container filled with an adhesive or resin, which ideally has a diameter only slightly larger than the bundle 3rd having. The capillary action draws the adhesive or resin into both the open hollow fiber ends and the hollow fiber interstices. To ensure that the ascent height inside the fibers remains lower than in the intermediate spaces, care must be taken that the fiber ends do not touch each other, but that a certain distance remains. After hardening, the bundle can be removed from the vessel, which serves as a kind of casting mold. The end of the hollow fiber bundle, which is now provided with a graft-like end, has to be ground on the face side so far that the hollow fiber ends are open again. In order to obtain a measuring device according to the invention, this is done using the adhesive or resin matrix 24th held together end of the hollow fiber bundle 3rd a cap 25th with the pressure determining means 4th from sensor 41 and evaluation unit 42 fitted gas-tight. With both variants B and C. an outer cylindrical cap is used. They differ in how communication between the hollow fiber interiors is made possible. In the variant B is that due to the adhesive matrix 24th Graft-glued end of the hollow fiber bundle ground flat. To prevent that after attaching the cap 25th the ends of the hollow fibers are closed by the inside of the cap, this is concave, with the pressure sensor 41 is positioned in the apex. Instead of the conical cavity shown, a U-shaped curvature or another concave shape could in principle also be selected, but a conical cavity can be very easily realized in terms of production technology.
The one in variant C. uses a cap 25th with flat inner face. Here is the fluid communication of the hollow fibers 31 the end face of the hollow fiber bundle must be guaranteed 3rd and the adhesive matrix 24th ground concave, for example, as shown here, tapered concave.

Die erste Ausführungsform stellt in allen ihren Varianten eine Realisierung des der Erfindung zugrundeliegenden Prinzips dar, bei der nur die grundlegenden Komponenten Hohlfaserbündel und Druckbestimmungsmittel eingesetzt werden. Sie eignet sich besonders zur Gesamtgasdruckmessung in vergleichsweise großen Volumina wenig bewegter Flüssigkeiten ohne potentiell die recht empfindlichen Hohlfasern schädigende, in der Flüssigkeit umherschwimmende Objekte. Sie wird hierbei bevorzugt an einem Schwimmer befestigt freischwebend oder auf geeignete Weise befestigt in dem Flüssigkeitsvolumen, etwa einem Tank oder einem Becken, eingesetzt.The first embodiment in all its variants represents an implementation of the principle on which the invention is based, in which only the basic components of hollow fiber bundles and pressure determination means are used. It is particularly suitable for measuring total gas pressure in comparatively large volumes of little-moving liquids without potentially damaging hollow fibers, which float around in the liquid. It is preferably attached to a float in a free-floating manner or attached in a suitable manner in the liquid volume, for example a tank or a basin.

2 zeigt in zwei Teilfiguren jeweils einen Längsschnitt durch eine zweite und eine dritte Ausführungsform mit einem Gehäuse. Bei beiden Ausführungsformen ist das Messvolumen im Wesentlichen durch die Hohlfaserinnenräume gebildet. 2nd shows in two partial figures a longitudinal section through a second and a third embodiment with a housing. In both embodiments, the measurement volume is essentially formed by the hollow fiber interior.

Bei der in Teilfigur A gezeigten zweiten Ausführungsform besteht der Unterschied zur ersten Ausführungsform aus 1 darin, dass das Hohlfaserbündel 3 im Inneren eines Gehäuses 5, in der Darstellung von rechteckigem Querschnitt, in drei Dimensionen quader- oder zylinderförmig, angeordnet ist, wobei die Vereinigungs- oder Verteilerstruktur 23, in welcher die einseitig offenen Membran-Hohlfasern zusammenlaufen, an einer Innenwand des Gehäuses befestigt oder integral angeformt ist. Hierdurch wird der Innenraum 50 des Gehäuses 5 in ein erstes, die miteinander in Verbindung stehenden Innenräume der Hohlfasern 31 sowie der Verteilerstruktur 23 umfassendes Teilvolumen 51 und ein zweites, hierzu komplementäres Teilvolumen 59 unterteilt. Das Messvolumen 2A ist bei dieser Ausführungsform identisch mit dem Teilvolumen 51. Das Gehäuse umfasst mehrere Öffnungen. Eine erste Öffnung 52,55 ist der Verteilerstruktur 23 zugeordnet und steht mit dieser in fluider Kommunikation. Sie ist mittels eines Ventils 56 verschlossen und dient als Entgasungsöffnung oder zum Anschluss eines weiteren, externen Druckbestimmungsmittels. Eine zweite Öffnung 58 in einer Seitenwand des Gehäuses verbindet das komplementäre Teilvolumen 59 des Gehäuseinnenraums 50 mit dem externen Außenraum 100 und erlaubt den Übertritt und Austausch der zu messenden Flüssigkeit zwischen Gehäuseinnerem 50 und Außenraum 100.
Eine Möglichkeit, den Flüssigkeitsaustausch mit dem Außenraum 100 noch zu verbessern, besteht darin, einen Teil oder auch das Gesamte Gehäuse, mit Ausnahme der Verteilerstruktur 23, als Gitterstruktur auszuführen. Bei der Ausführungsform nach Teilfigur A ist die der Verteilerstruktur 23 gegenüberliegende Stirnseite 5g als eine solche Gitterstruktur ausgeführt und weist daher, wie erkennbar, eine Vielzahl von Öffnungen 58 auf.
Das Druckbestimmungsmittel 4 besteht aus einem im Bereich der Verteilerstruktur 23 in die Gehäusewand eingelassenen Drucksensor 41, und einer Auswerteeinheit 42, welche hier vorteilhaft an der Gehäuseaußenseite befestigt ist.
Die zweite Ausführungsform stellt in Form des Gehäuses einen Schutz für die vergleichsweise empfindlichen Hohlfasern des Bündels zur Verfügung und eignet sich dadurch auch für den Einsatz in stark bewegten Flüssigkeitsvolumen und/oder bei Gegenwart von in der Flüssigkeit schwimmenden Objekten, welche die erfindungsgemäße Messvorrichtung beschädigen könnten. Ebenso ist die Messvorrichtung durch das Gehäuse bei Transport und Montage mechanisch geschützt.
In the second embodiment shown in sub-figure A, the difference from the first embodiment consists 1 in that the hollow fiber bundle 3rd inside a case 5 , in the representation of a rectangular cross-section, in three dimensions cuboid or cylindrical, is arranged, the union or distributor structure 23 , in which the membrane hollow fibers open on one side converge, are attached to an inner wall of the housing or are integrally formed. This will make the interior 50 of the housing 5 in a first, the interconnected interiors of the hollow fibers 31 as well as the distribution structure 23 extensive partial volume 51 and a second, complementary part volume 59 divided. The measurement volume 2A is identical to the partial volume in this embodiment 51 . The housing has several openings. A first opening 52 , 55 is the distribution structure 23 assigned and is in fluid communication with it. It is by means of a valve 56 closed and serves as a degassing opening or for connecting a further, external pressure determination means. A second opening 58 the complementary partial volume connects in a side wall of the housing 59 of the housing interior 50 with the external outside space 100 and allows the transfer and exchange of the liquid to be measured between the interior of the housing 50 and outside space 100 .
One way of fluid exchange with the outside 100 To improve still further consists of part or all of the housing, with the exception of the distribution structure 23 to execute as a lattice structure In the embodiment according to sub-figure A, this is the distributor structure 23 opposite end face 5g is designed as such a lattice structure and therefore, as can be seen, has a multiplicity of openings 58 on.
The pressure determining means 4th consists of one in the area of the distribution structure 23 pressure sensor embedded in the housing wall 41 , and an evaluation unit 42 , which is advantageously attached to the outside of the housing here.
The second embodiment, in the form of the housing, provides protection for the comparatively sensitive hollow fibers of the bundle and is therefore also suitable for use in strongly moving liquid volumes and / or in the presence of objects floating in the liquid which could damage the measuring device according to the invention. The measuring device is also mechanically protected by the housing during transport and assembly.

Diesen Zweck erfüllt auch das Gehäuse 5 der dritten, in Teilfigur B dargestellten Ausführungsform vorliegender Erfindung. Der Unterschied zur zweiten Ausführungsform besteht darin, dass das Gehäuse zwei Öffnungen 58a und 58b zum Flüssigkeitsaustausch zwischen dem komplementären Teilvolumen 59 und dem Außenraum 100 aufweist. Hierdurch ist es möglich, eine Flüssigkeitsströmung durch das Gehäuse zu realisieren, bei welcher, wie in der Figur durch Pfeile angedeutet, eine der Öffnungen 58a als Ein- und die andere Öffnung 58b als Ausgang dient. Um einen günstigen, widerstandsarmen Strömungsverlauf im Gehäuseinneren zu realisieren, ist das Gehäuse 5 in drei Abschnitte unterteilt und weist einen oberen Endabschnitt 5a einen unteren Endabschnitt 5b und einen Mittelabschnitt 5m auf, wobei die Endabschnitte sich vom Mittelabschnitt aus zu einem Scheitel hin verjüngen. Die Öffnungen 58a und 58b liegen nun jeweils im Bereich des Scheitelpunktes des Abschnittes, dem sie zugeordnet sind.
Die Hohlfasern 31 des Faserbündels 3 vereinigen sich in einer Verteilerstruktur 23, welche die Eintrittsöffnung 58a konzentrisch umgibt und mit der, ebenfalls im Bereich des Scheitelpunkts des oberen Endabschnitts 5a angeordneten und von einem Ventil 56 während eines Messvorgangs verschlossenen, Entgasungsöffnung 55 in fluider Kommunikation steht. Die hier dargestellten Hohlfasern 31 der dritten Ausführungsform sind wie schon bei den beiden vorigen an ihrem der Verteilerstruktur abgewandten Ende geschlossen. Es wäre jedoch auch möglich, beidseitig offene Hohlfasern einzusetzen die beidseitig an Verteilerstrukturen angeschlossen sind. Hierfür könnte beispielsweise im unteren Endabschnitt 5b des Gehäuses 5 eine zweite, insbesondere entsprechend der ersten toroidal um die Austrittsöffnung 58b angeordnete Verteilerstruktur vorgesehen sein. Hierdurch wären beide Enden der Membran-Hohlfasern 31 fixiert, was die Bewegung der Fasern unter dem Einfluss einer turbulenten Strömung im Gehäuseinneren reduzieren würde. Dies käme dem Strömungswiderstand bzw. dem durch die Messvorrichtung 1 verursachten Druckabfall zugute. Zusätzlich wäre durch die somit geschaffene Symmetrie eine Umkehr der Strömungsrichtung ohne oder mit nur geringem Anstieg des Strömungswiderstandes bzw. Druckabfalls möglich.
The housing also serves this purpose 5 the third embodiment of the present invention shown in partial figure B. The difference from the second embodiment is that the housing has two openings 58a and 58b for liquid exchange between the complementary partial volume 59 and the outside space 100 having. This makes it possible to implement a liquid flow through the housing, in which, as indicated by arrows in the figure, one of the openings 58a as an opening and the other opening 58b serves as an exit. In order to realize a favorable, low-resistance flow course inside the housing, the housing is 5 divided into three sections and has an upper end section 5a a lower end portion 5b and a middle section 5 m , with the end sections tapering from the central section to a vertex. The openings 58a and 58b now lie in the area of the vertex of the section to which they are assigned.
The hollow fibers 31 of the fiber bundle 3rd unite in a distribution structure 23 which is the entrance opening 58a concentrically surrounds and with, also in the area of the apex of the upper end section 5a arranged and by a valve 56 Degassing opening closed during a measuring process 55 is in fluid communication. The hollow fibers shown here 31 the third embodiment, as in the two previous ones, is closed at its end facing away from the distributor structure. However, it would also be possible to use hollow fibers that are open on both sides and are connected to distribution structures on both sides. This could be done, for example, in the lower end section 5b of the housing 5 a second, in particular corresponding to the first toroidally around the outlet opening 58b arranged distributor structure can be provided. This would make both ends of the hollow membrane fibers 31 fixes what would reduce the movement of the fibers under the influence of a turbulent flow inside the housing. This would come from the flow resistance or through the measuring device 1 caused pressure drop. In addition, the symmetry thus created would allow the flow direction to be reversed without or with only a slight increase in the flow resistance or pressure drop.

Der Drucksensor 41 des Druckbestimmungsmittels 4 ist, wie bei den beiden ersten Ausführungsformen ebenfalls so in die Gehäusewand integriert, dass er in den Innenraum der Verteilerstruktur 23 ragt. Die Anbindung der Auswerteelektronik kann drahtgebunden oder, über einen nicht dargestellten Sender, auch drahtlos erfolgen. In jedem Fall ist die Positionierung der Auswertelektronik im Wesentlichen unabhängig und die hier darstellerisch angedeutete Befestigung an der Wand des Gehäuses 5 nur ein Beispiel.The pressure sensor 41 of the pressure determining means 4th is, as in the first two embodiments, also integrated into the housing wall in such a way that it enters the interior of the distributor structure 23 protrudes. The evaluation electronics can be connected by wire or, via a transmitter (not shown), also wirelessly. In any case, the positioning of the evaluation electronics is essentially independent and the attachment to the wall of the housing indicated here in the illustration 5 just an example.

Die dritte Ausführungsform eignet sich zur Zwischenschaltung in einen Schlauch oder ein Rohr, in welchem die zu messende Flüssigkeit strömt, beispielsweise im Rahmen einer Echtzeitmessung des Gesamtgasgehalts der Tinte oder des Binders eines (3D-)Druckers oder einer Druckmaschine. Besonders vorteilhaft ermöglicht die erfindungsgemäße Messvorrichtung aufgrund ihrer, der hohen Oberflächendichte des Membran-Hohlfaserbündels zu verdankende, geringen Baugröße hierbei eine Gasdruckmessung ausreichender Genauigkeit am oder kurz vor dem Druckkopf.The third embodiment is suitable for interposition in a hose or a tube in which the liquid to be measured flows, for example in the context of a real-time measurement of the total gas content of the ink or the binder of a (3D) printer or a printing machine. Particularly advantageously, the measuring device according to the invention, due to its small size, thanks to the high surface density of the membrane hollow fiber bundle, enables a gas pressure measurement of sufficient accuracy at or shortly before the print head.

3 stellt eine vierte Ausführungsform vorliegender Erfindung dar, bei welcher das Messvolumen im Gegensatz zu den bisherigen nicht durch das von den Innenräumen der Hohlfasern gebildete Teilvolumen des Gehäuseinneren, sondern durch das zu diesem komplementäre Teilvolumen gebildet ist.
Die Vorrichtung 1 umfasst hierzu das Gehäuse 5 in welches ähnlich der dritten Ausführungsform aus einem Mittelabschnitt 5m zwischen zwei sich vom Mittelabschnitt 5m ausgehend verjüngenden Endabschnitten 5a und 5b besteht. In den Scheitelpunkten der Abschnitte 5a und 5b sind Öffnungen 52a und 52b vorhanden, welche ein- bzw. ausströmen der zu messenden Flüssigkeit in das Gehäuseinnere 50 ermöglichen. Jeder der beiden Öffnungen 52a und 52b ist im Gehäuseinneren eine Verteilerstruktur 23a bzw. 23b zugeordnet. Die Innenräume der Verteilerstrukturen 23a und 23b stehen in direkter fluider Kommunikation sowohl mit der jeweils zugeordneten Öffnung 52a bzw. 52b als auch dem Inneren der Membran-Hohlfasern 31 des Hohlfaserbündels, welche sich zwischen den Verteilerstrukturen 23a und 23b erstrecken und mit ihren Enden beidseitig jeweils an eine der Verteilerstrukturen 23a, 23b angeschlossen sind. Insgesamt wird somit ermöglicht, dass die zu messende Flüssigkeit durch eine der Öffnungen, wie hier dargestellt 52a, in das Gehäuseinnere 50 eintritt, zunächst in die in Strömungsrichtung direkt dahinter liegende Verteilerstruktur, hier 23a, gelangt und von dort in die strahlenartig von der Verteilerstruktur ausgehenden Hohlfasern 31 eintritt, nach durchströmen der Hohlfasern 31 sich in der zweiten Verteilerstruktur, hier 23b, wieder vereinigt und schließlich das Gehäuseinnere durch die zweite Öffnung, hier 52b, wieder verlässt. Die Strömungsrichtung der Flüssigkeit ist zeichnerisch durch Pfeile in den Ein- und Austrittsöffnungen 52a, 52b und im Inneren der Hohlfasern 31 angedeutet. Da die Vorrichtung im Wesentlichen symmetrisch aufgebaut ist, und insbesondere die Membran-Hohlfasern 31 mit beiden Enden fixiert sind, kann die Strömungsrichtung problemlos umgekehrt werden, ohne die Messvorrichtung 1 zu schädigen und ohne dass sich der durch die Vorrichtung verursachte Druckabfall ändert.
Das gasgefüllte Messvolumen 2B ist in dieser Ausführungsform durch das zu den Innenräumen der Hohlfasern 31 des Hohlfaserbündels und der Verteilerstrukturen 23a und 23b komplementäre Teilvolumen 59 des Gehäuseinneren 50 gebildet. Dies setzt vorraus, dass, im Gegensatz zu den ersten drei Ausführungsformen, das Gehäuse 5 nicht nur flüssigkeits- sondern auch gasdicht ist.
3rd represents a fourth embodiment of the present invention, in which the measuring volume, in contrast to the previous ones, is not formed by the partial volume of the interior of the housing formed by the interior spaces of the hollow fibers, but by the partial volume complementary to this.
The device 1 includes the housing 5 in which similar to the third embodiment from a central section 5 m between two yourself from the middle section 5 m starting from tapering end sections 5a and 5b consists. At the vertices of the sections 5a and 5b are openings 52a and 52b which flow in or out of the liquid to be measured into the interior of the housing 50 enable. Each of the two openings 52a and 52b is a distribution structure inside the housing 23a respectively. 23b assigned. The interiors of the distribution structures 23a and 23b are in direct fluid communication with both the associated opening 52a respectively. 52b as well as the inside of the hollow membrane fibers 31 of the hollow fiber bundle, which is located between the distributor structures 23a and 23b extend and with their ends on both sides to one of the distributor structures 23a , 23b are connected. Overall, this enables the liquid to be measured through one of the openings, as shown here 52a , inside the housing 50 occurs, first in the distributor structure directly behind in the direction of flow, here 23a , arrives and from there into the hollow fibers radiating from the distributor structure 31 occurs after flowing through the hollow fibers 31 yourself in the second distribution structure, here 23b , reunited and finally the inside of the case through the second opening, here 52b , leaves again. The direction of flow of the liquid is drawn by arrows in the inlet and outlet openings 52a , 52b and inside the hollow fibers 31 indicated. Since the device is constructed essentially symmetrically, and in particular the hollow membrane fibers 31 are fixed with both ends, the flow direction can be easily reversed without the measuring device 1 damage and without changing the pressure drop caused by the device.
The gas-filled measuring volume 2 B is in this embodiment by the interior of the hollow fibers 31 of the hollow fiber bundle and the distribution structures 23a and 23b complementary partial volumes 59 of the housing interior 50 educated. This requires that, unlike the first three embodiments, the housing 5 is not only liquid-tight but also gas-tight.

Es wird vorgeschlagen, wie dargestellt den Drucksensor 41 und die Auswerteelektronik 42 auf einer gemeinsamen Platine 43 anzuordnen und den Drucksensor 41 in die Seitenwand des Gehäuses 5 einzulassen, beispielsweise indem er gasdicht schließend in eine mit dem komplementären Teilvolumen 59 kommunizierende Öffnung eingesetzt bzw. eingepresst oder geklebt wird. Das steuerbare Ventil 56 ist über der Entgasungsöffnung 55 in der Seitenwand des Gehäuses 5 angeordnet und hier auf der dem Drucksensor 41 gegenüberliegenden Seite dargestellt. Es wird jedoch vorgeschlagen in einer alternativen Ausführung ein elektronisch schaltbares Ventil einzusetzen und dies, mitsamt der Entgasungsöffnung, auf der gleichen Gehäuseseite wie den Drucksensor anzuordnen, so dass es möglich wird, das Ventil direkt auf der Platine 43 zu integrieren.
Die Entgasungsöffnung 55 erweitert das Einsatzspektrum und die Vielseitigkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Während der Gasdruckmessung ist das Ventil 56 geschlossen um ein Druckgleichgewicht zwischen dem Gesamt-Gasdruck in der Flüssigkeit und in dem Messvolumen 2B und damit eine genaue Messung zu ermöglichen. Wird das Ventil geöffnet, so kann das Gas bei Bedarf aus dem Messvolumen 2B entweichen bzw. abgesaugt werden. Dies kann anwendungsabhängig beispielsweise dann gewünscht sein, wenn bei einer vorangegangenen Gasdruckmessung ein zu hoher Gesamtgasdruck in der Messflüssigkeit festgestellt wurde. Hierdurch erübrigt sich vorteilhaft das vorsehen einer dedizierten Entgasungsvorrichtung weiter stromabwärts der erfindungsgemäßen Messvorrichtung. Darüber hinaus kann auch ein zweites, externes Druckbestimmungsmittel an die Öffnung 55 angeschlossen werden. Dann müsste das Ventil 56 auch während des Messvorgangs geöffnet bleiben.
Grundsätzlich könnte auch zu der in 1 dargestellten, einfachsten Ausführungsform vorliegender Erfindung eine Entgasungsöffnung hinzugefügt werden.
It is proposed, as shown, the pressure sensor 41 and the evaluation electronics 42 on a common board 43 arrange and the pressure sensor 41 in the side wall of the housing 5 let in, for example, by closing it gas-tight in a part of the complementary volume 59 communicating opening is inserted or pressed or glued. The controllable valve 56 is above the vent 55 in the side wall of the housing 5 arranged and here on that of the pressure sensor 41 opposite side shown. However, in an alternative embodiment it is proposed to use an electronically switchable valve and to arrange this, together with the degassing opening, on the same side of the housing as the pressure sensor, so that it becomes possible to place the valve directly on the circuit board 43 to integrate.
The vent opening 55 extends the range of applications and versatility of the device according to the invention. The valve is during the gas pressure measurement 56 closed by a pressure equilibrium between the total gas pressure in the liquid and in the measuring volume 2 B and thus enable an accurate measurement. If the valve is opened, the gas can be removed from the measuring volume if necessary 2 B escape or be suctioned off. Depending on the application, this may be desired, for example, if an excessively high total gas pressure in the measuring liquid was determined during a previous gas pressure measurement. This advantageously eliminates the need to provide a dedicated degassing device further downstream of the measuring device according to the invention. In addition, a second, external pressure determination means can also be applied to the opening 55 be connected. Then the valve should 56 remain open even during the measurement process.
Basically, it could also lead to the in 1 shown, simplest embodiment of the present invention, a degassing opening can be added.

Die Hohlfasern 31 des Membran-Hohlfaserbündels 3 füllen nach Möglichkeit das Innere 50 des Gehäuse 5 soweit als möglich aus um den Totraum des Sensors, also hier das komplementäre Teilvolumen 59, welches mit dem Messvolumen 2B identisch ist, möglichst zu minimieren. Hierdurch wird die Reaktionsgeschwindigkeit des Sensors, also der zeitliche Abstand zwischen einer Änderung des Gesamtgasdruckes in der Flüssigkeit und der Sichtbarkeit dieser Änderung im Messsignal des Druckbestimmungsmittels 4 beschleunigt. Als Maßnahmen zur Minimierung des Totraums sind die Hohlfasern 31 möglichst sauber parallel zueinander verlegt. Zudem ist die innere Gehäuseform in den Endabschnitten an den Querschnitt des von den Verteilerstrukturen 23a und 23b aus strahlenförmig ausgehenden Hohlfaserbündels 3 angepasst. Zusätzlich wird vorgeschlagen, die HohlfasernThe hollow fibers 31 of the membrane hollow fiber bundle 3rd fill the inside if possible 50 of the housing 5 as far as possible from the dead space of the sensor, so here the complementary partial volume 59 which with the measurement volume 2 B is identical to minimize if possible. As a result, the reaction speed of the sensor, that is the time interval between a change in the total gas pressure in the liquid and the visibility of this change in the measurement signal of the pressure determining means 4th accelerated. The hollow fibers are measures to minimize the dead space 31 laid as cleanly as possible parallel to each other. In addition, the inner housing shape in the end sections is at the cross section of that of the manifold structures 23a and 23b from radiating hollow fiber bundles 3rd customized. In addition, it is suggested the hollow fibers

Der Durchmesser der Hohlfasern ist ein Kompromiss zwischen Oberflächendichte der Membran, also der Oberfläche der Hohlfasern 30 welche die Trennfläche zwischen Messvolumen 2B und der Flüssigkeit darstellt und dem Strömungsverhalten der zu messenden Flüssigkeit. Einerseits sollte bei gegebenen Sensorvolumen der Hohlfaserdurchmesser möglichst klein sein, um die Oberflächendichte und damit die Reaktionszeit und die Genauigkeit des Sensors zu maximieren. Andererseits bedingt ein zu kleiner Faserquerschnitt auch einen hohen Strömungswiderstand der bei dieser vierten Ausführungsform durch das Faserinnere strömenden Flüssigkeit, insbesondere bei Anwendungen zur Messung einer Flüssigkeit, die eine hohe Viskosität aufweist. Ebenso ist bei der Bemessung des Hohlfaser-(Innen-)Querschnitts eine mögliche Verunreinigung der Flüssigkeit mit Partikeln zu berücksichtigen. Der (Innen-)Querschnitt der Hohlfasern 31 sollte also mindestens so groß gewählt werden, dass üblicherweise zu erwartenden Partikelgrößen die Faser passieren können, um ein Verstopfen der Fasern und eine deswegen nötige Reinigung zu vermeiden oder wenigstens zu verzögern.The diameter of the hollow fibers is a compromise between the surface density of the membrane, ie the surface of the hollow fibers 30th which is the interface between measurement volume 2 B and the liquid and the flow behavior of the liquid to be measured. On the one hand, for a given sensor volume, the hollow fiber diameter should be as small as possible in order to maximize the surface density and thus the response time and the accuracy of the sensor. On the other hand, an excessively small fiber cross section also results in a high flow resistance of the liquid flowing through the fiber interior in this fourth embodiment, in particular in applications for measuring a liquid which has a high viscosity. Likewise, possible contamination of the liquid with particles must be taken into account when dimensioning the hollow fiber (inner) cross section. The (inner) cross section of the hollow fibers 31 It should therefore be chosen at least so large that particle sizes that are usually to be expected can pass through the fiber in order to avoid or at least delay the clogging of the fibers and the cleaning that is therefore necessary.

Hierzu könnte auch die Verwendung eines Hohlfaserbündels 3 mit Hohlfasern 31 unterschiedlichen Durchmessers beitragen. Es könnten zwei, drei oder auch ein Spektrum an verschiedenen Durchmessern zum Einsatz kommen. Dies hätte zwei Vorteile. Zum einen kann bei entsprechend alternierender Anordnung der Hohlfasern unterschiedlicher Größe eine höhere Packungsdichte der Hohlfasern erreicht werden, als es bei einem Hohlfaserbündel mit ausschließlich gleichartigen Hohlfasern der Fall wäre. Zum anderen wird bei vorgegebener Messgeschwindigkeit und -genauigkeit die Ausfallsicherheit der erfindungsgemäßen Gesamtgasdruck-Messvorrichtung hinsichtlich der angesprochenen Partikelverunreinigungen erhöht bzw. die Wartungsintervalle werden verlängert, denn während die Hohlfasern kleineren Durchmessers die Oberflächendichte erhöhen stellen die größeren Hohlfasern, die auch von größeren Partikeln passiert werden können, sicher, dass die Messvorrichtung nicht so schnell verstopft.
Obwohl diese Überlegungen strenggenommen nur den Innenquerschnitt- und/oder Durchmesser betreffen, entspricht dieser im Wesentlichen dem Außenquerschnitt und, zuzüglich der Stärke der mehr oder weniger gleichförmig starken Membranoberfläche der Hohlfasern, auch dem Außendurchmesser.
This could include the use of a hollow fiber bundle 3rd with hollow fibers 31 of different diameters. Two, three or even a range of different diameters could be used. This would have two advantages. On the one hand, with a corresponding alternating arrangement of the hollow fibers of different sizes, a higher packing density of the hollow fibers can be achieved than would be the case with a hollow fiber bundle with only identical hollow fibers. On the other hand, with a given measuring speed and accuracy, reliability is guaranteed of the total gas pressure measuring device according to the invention with regard to the particle contaminations mentioned, or the maintenance intervals are extended, because while the hollow fibers of smaller diameter increase the surface density, the larger hollow fibers, which can also be passed through by larger particles, ensure that the measuring device does not clog as quickly.
Although, strictly speaking, these considerations only concern the inside cross-section and / or diameter, this essentially corresponds to the outside cross-section and, in addition to the thickness of the more or less uniformly strong membrane surface of the hollow fibers, also to the outside diameter.

4 zeigt in vier Teilfiguren schematische Querschnitte durch mögliche Ausgestaltungen der dritten und insbesondere der vierten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Messvorrichtung. Der besseren Sichtbarkeit und Verständlichkeit des illustrierten Prinzips halber haben die hier dargestellten Hohlfasern einen wesentlich größeren Durchmesser im Vergleich zum Durchmesser des Gehäuses, als dies in praktisch eingesetzten Ausführungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung der Fall wäre, bei denen das Hohlfaserbündel hunderte oder tausende Hohlfasern umfasst. 4th shows in four partial figures schematic cross sections through possible configurations of the third and in particular the fourth embodiment of the measuring device according to the invention. For the better visibility and comprehensibility of the illustrated principle, the hollow fibers shown here have a much larger diameter compared to the diameter of the housing than would be the case in practical embodiments of the device according to the invention, in which the hollow fiber bundle comprises hundreds or thousands of hollow fibers.

In Teilfigur A ist eine einfache Version mit einem Hohlfaserbündel 3 bestehend aus runden Hohlfasern 31 gezeigt, welche alle den gleichen runden Querschnitt und Durchmesser aufweisen. Auch hierbei lässt sich durch eine möglichst parallele Verlegung der Fasern im Inneren des Gehäuses 5 bereits ein recht geringes komplementäres Volumen 59 erreichen.In part figure A is a simple version with a hollow fiber bundle 3rd consisting of round hollow fibers 31 shown, which all have the same round cross-section and diameter. Here too, the fibers can be laid as parallel as possible inside the housing 5 already a very small complementary volume 59 to reach.

Dies wird weiter verbessert, wenn Hohlfasern verschiedenen Durchmessers eingesetzt und insbesondere, wie in Teilfigur B gezeigt, alternierend angeordnet werden. Teilfigur B zeigt Hohlfasern 31 und 31' zwei verschiedener Außendurchmesser D1 und D2. Bei dem gewählten Verhältnis von D2 / D1 = ( 2 3 ) / 3 0,15

Figure DE102018129165A1_0002
erhöht sich die theoretisch mögliche Packungsdichte im Bündelquerschnitt - unter Vernachlässigung der in der Praxis unvermeidlichen und in den Darstellungen angedeuteten elastischen Verformung der Fasern - von π / 2 3 0,91  auf  π ( 17 8 3 ) / 6 3 0,95.
Figure DE102018129165A1_0003
Wird statt der dargestellten hexagonalen Anordnung der dickeren Fasern 31 eine Anordnung auf einem quadratischen Gitter gewählt ist das Verhältnis der Durchmesser D2 / D1 = 2 1 0,41
Figure DE102018129165A1_0004
und die maximal mögliche Packungsdichte im Bündelquerschnitt erhöht sich von π/4 ≈ 0,79 auf π ( 2 2 ) / 2 0,92.
Figure DE102018129165A1_0005
Durch Hinzufügen weiterer, noch kleinerer Fasern könnte die Packungsdichte entsprechend weiter an 1 bzw. 100% angenähert werden. Fast noch wichtiger als die bessere Packungsdichte im Inneren des Bündels ist bei der Verwendung von Hohlfasern verschiedenen Querschnitts aber die bessere Packungsdichte im Randbereich des Hohlfaserbündels, also am Übergang zwischen Hohlfaserbündel und Gehäuseinnenwand. Anstatt, wie gezeigt, durchweg hohle Membranfasern einzusetzen könnten insbesondere die Fasern 31' mit dem geringeren Durchmesser D2 auch massiv ausgeführt sein. Bei sehr geringen Faserdurchmessern D2 ist dies fertigungstechnisch simpler.This is further improved if hollow fibers of different diameters are used and, in particular, as shown in sub-figure B, are arranged alternately. Sub-figure B shows hollow fibers 31 and 31 ' two different outer diameters D1 and D2 . With the chosen ratio of D2 / D1 = ( 2nd - 3rd ) / 3rd 0.15
Figure DE102018129165A1_0002
the theoretically possible packing density in the bundle cross-section increases - neglecting the elastic deformation of the fibers, which is inevitable in practice and indicated in the illustrations - from π / 2nd 3rd 0.91 on π ( 17th - 8th 3rd ) / 6 3rd 0.95.
Figure DE102018129165A1_0003
Will instead of the hexagonal arrangement of the thicker fibers shown 31 An arrangement chosen on a square grid is the ratio of the diameters D2 / D1 = 2nd - 1 0.41
Figure DE102018129165A1_0004
and the maximum possible packing density in the bundle cross section increases from π / 4 ≈ 0.79 π ( 2nd - 2nd ) / 2nd 0.92.
Figure DE102018129165A1_0005
By adding further, even smaller fibers, the packing density could be further approximated to 1 or 100%. Almost more important than the better packing density inside the bundle is the use of hollow fibers of different cross-section but the better packing density in the edge area of the hollow fiber bundle, i.e. at the transition between the hollow fiber bundle and the inner wall of the housing. Instead of using consistently hollow membrane fibers, as shown, in particular the fibers 31 ' with the smaller diameter D2 also be solid. With very small fiber diameters D2 this is simpler in terms of production technology.

Eine weitere Möglichkeit, die Packungsdichte zu erhöhen ist in C gezeigt und betrifft die Wahl des Faserquerschnitts, genauer des Umrisses des Außenquerschnitts, derart, als eine vollständig flächenfüllende Form. Dies würde auch bei Verwendung gleichartiger Fasern eine Packungsdichte von theoretisch 100% erlauben. Da dieser Wert in der Praxis aus verschiedenen, unten einzeln benannten Gründen kaum je erreicht werden wird, tritt das Problem, dass diese Packungsdichte zu einem verschwindenden Messvolumen und damit einer Unterbindung des Gasaustausches führen würde, in der Praxis nie auf. Denn selbst wenn die Innenfläche des Gehäuses derart geformt wäre, dass sie sich dem Umriss des Hohlfaserbündels anpasst und auch so auch am Rand die theoretische Packungsdichte erreicht würde, ist es sehr schwierig, die flexiblen Hohlfasern alle vollständig parallel zu verlegen, so das im Querschnitt tatsächlich ein perfektes Gitter vorliegt. Aus diesem Grund wird auch die Verwendung der dargestellten sechseckigen Hohlfasern empfohlen. Da diese Form der üblichen kreisrunden noch am nächsten kommt, sind die durch eine unsaubere Verlegung der Fasern, etwa eine leichte Verdrillung verursachten Vergrößerungen der Faserzwischenräume und damit des komplementären Volumens 59 geringer als bei beispielsweise rechteckigen oder dreieckigen Fasern. Aufgrund einer gewissen Flexibilität bzw. Nachgiebigkeit der Membranwand der Hohlfasern passen sich die Fasern in ihrem Querschnitt dem vorhandenen Raum an, was, wie in C dargestellt, insbesondere am Rand zu einer Verformung des Faserquerschnitts führt.Another way to increase the packing density is in C. shown and relates to the choice of the fiber cross-section, more precisely the outline of the outer cross-section, in such a way as a completely area-filling shape. This would allow a packing density of theoretically 100% even when using similar fibers. Since this value can hardly ever be achieved in practice for various reasons, which are listed below, the problem that this packing density would lead to a disappearing measurement volume and thus to a suppression of gas exchange never occurs in practice. Because even if the inner surface of the housing were shaped in such a way that it adapts to the outline of the hollow fiber bundle and the theoretical packing density would also be achieved at the edge, it is very difficult to lay all of the flexible hollow fibers completely parallel, so that actually in cross section there is a perfect grid. For this reason, the use of the hexagonal hollow fibers shown is recommended. Since this shape comes closest to the usual circular shape, the enlargement of the fiber interstices and thus of the complementary volume caused by improper laying of the fibers, for example a slight twisting 59 less than for example rectangular or triangular fibers. Due to a certain flexibility or resilience of the membrane wall of the hollow fibers, the cross-section of the fibers adapt to the available space, which, as in C. shown, especially at the edge leads to a deformation of the fiber cross section.

Um das komplementäre Volumen 59 bei der Verwendung von Hohlfasern 31 weiter zu verringern, kann, wie in D gezeigt, ein Gehäuse mit einem Innenquerschnitt verwendet werden, der dem Umriss des Faserbündels starr angepasst ist oder elastisch anpasst. Um letzteres zu erreichen wird vorgeschlagen zumindest die Innenseite des Gehäuses aus einem gummiartig elastischen Material zu fertigen.To the complementary volume 59 when using hollow fibers 31 can further decrease, as in D shown, a housing with an inner cross-section can be used, which is rigidly adapted to the outline of the fiber bundle or adjusts elastically. In order to achieve the latter, it is proposed to manufacture at least the inside of the housing from a rubber-like elastic material.

Das zum Hohlfaserbündel komplementäre Volumen im Gehäuseinneren kann mittels der in den Teilfiguren der 5 gezeigten Ausgestaltungen des Gehäuses der dritten und vierten Ausführungsform vorliegender Erfindung weiter minimiert werden.The complementary volume to the hollow fiber bundle in the interior of the housing can by means of the in the partial figures of the 5 Refinements of the Housing of the third and fourth embodiment of the present invention can be further minimized.

Beide zeigen im Längsschnitt ein Gehäuse 5, welches in drei Abschnitte, die Endabschnitte 5a und 5b sowie den dazwischenliegenden Mittelabschnitt 5m unterteilt ist. Der Mittelabschnitt hat einen gleichbleibenden Querschnitt und kann, was in Verbindung mit 4 ersichtlich ist, ein Hohlzylinder oder ein hohles Sechseckprisma sein. Die Endabschnitte 5a und 5b verjüngen sich von ihrem jeweiligen Anschluss an den Mittelabschnitt ausgehend zu einem Scheitel hin. In Teilfigur A ist eine lineare Querschnittsänderung gezeigt, so dass die Endbereiche in drei Dimensionen die Form eines Kegels bzw. einer Sechseckpyramide haben. Teilfigur B zeigt hingegen eine nicht-lineare Querschnittsänderung gemäß der die Endbereiche in drei Dimensionen näherungsweise die Form einer Halbkugel haben. Bei der in Teilfigur B gezeigten Form ist der Anschluss der, nicht dargestellten, Hohlfasern an die Verteilerstruktur 23 vorteilhaft erleichtert. Bei Zwischenformen, mit beispielsweise länglichovalem bzw. elliptischen Endbereichen, wäre dies gegenüber der in Teilfigur A gezeigten Ausführung ebenfalls der Fall.Both show a housing in longitudinal section 5 , which is divided into three sections, the end sections 5a and 5b and the middle section in between 5 m is divided. The central section has a constant cross-section and can, what in connection with 4th can be seen to be a hollow cylinder or a hollow hexagonal prism. The end sections 5a and 5b tapering from their respective connection to the central section towards a vertex. Part A shows a linear change in cross-section, so that the end regions have the shape of a cone or a hexagon pyramid in three dimensions. Sub-figure B, on the other hand, shows a non-linear change in cross-section according to which the end regions have approximately the shape of a hemisphere in three dimensions. In the form shown in sub-figure B, the connection of the hollow fibers (not shown) to the distributor structure 23 advantageously relieved. In the case of intermediate forms, for example with elongated oval or elliptical end regions, this would also be the case compared to the embodiment shown in partial figure A.

In beiden Fällen werden in beiden Enden Verteilerstrukturen, dargestellt ist nur die Struktur 23 im Abschnitt 5a des Gehäuses, mit einer zumindest näherungsweise halbkugelförmigen Außenfläche eingesetzt, wobei der Außenradius R der Verteilerstrukturen zum Innendurchmesser d des Mittelabschnitts 5m des Gehäuses 5 in etwa in der Relation R=d/4 stehen. Hierdurch ist sichergestellt, dass zum Anschluss der, nicht dargestellten, Hohlfasern an die Verteilerstruktur 23 eine Fläche zur Verfügung steht, die der Querschnittsfläche des Hohlfaserbündels im Gehäusemittelabschnitt 5m entspricht. Um das Volumen des Innenraums der Verteilerstruktur klein zu halten, kann die Wandstärke der Verteilerstruktur 23 entsprechend hoch gewählt werden und/oder es werden alternativ oder zusätzlich wie in Teilfigur B dargestellt um die Öffnungen 52a und 52b Verdickungen bzw. Innenwulste 54 auf der Innenseite Gehäuses 5 vorgesehen, welche das von der halbkugeligen Verteilerstruktur 23 umschlossene Volumen zum Großteil ausfüllen.In both cases, distribution structures are shown at both ends, only the structure is shown 23 in the section 5a of the housing, with an at least approximately hemispherical outer surface, the outer radius R of the distributor structures to the inner diameter d of the middle section 5 m of the housing 5 are roughly in the relation R = d / 4. This ensures that the hollow fibers (not shown) are connected to the distributor structure 23 an area is available that corresponds to the cross-sectional area of the hollow fiber bundle in the middle section of the housing 5 m corresponds. In order to keep the volume of the interior of the distributor structure small, the wall thickness of the distributor structure can 23 be chosen accordingly high and / or alternatively or additionally, as shown in sub-figure B, around the openings 52a and 52b Thickenings or inner beads 54 on the inside case 5 provided which of the hemispherical distribution structure 23 Fill the enclosed volume for the most part.

Die Minimierung des komplementären Teilvolumens 59 steht besonders bei der vierten Ausführungsform aus 3 im Vordergrund, bei welcher das Teilvolumen 59 das Messvolumen 2B bildet. Die dritte Ausführungsform (2B), bei der durch das Teilvolumen 59 die zu messende Flüssigkeit strömt, setzt zur Minimierung des dortigen Messvolumens 2A, welches durch die Innenräume der Hohlfasern 31 und der Verteilerstruktur(en) 23, auf einen möglichst geringen Hohlfaserquerschnitt. Die Packungsdichte der Hohlfasern im Gehäuseinneren ist bei der dritten Ausführungsform zwar ebenfalls von Bedeutung, um bei einer gegebenen Größe des Gehäuses 5 die Membranoberfläche zu maximieren, allerdings ist hierbei zu berücksichtigen, dass eine sehr hohe Packungsdichte den Strömungswiderstand der durch die Vorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform strömenden Flüssigkeit erhöht, zumal die Strömung dort tendenziell weniger laminar und mehr turbulent ist als bei der vierten Ausführungsform. Dem hierdurch negativ erhöhten Strömungswiderstand bzw. Druckabfall über die Messvorrichtung steht jedoch die erhöhte Ausfallsicherheit gegenüber, da eine turbulentere Strömung und das Fehlen fest vorgegebener Durchmesser und Verläufe der Strömungskanäle (die von der Flüssigkeit umströmten Hohlfasern sind flexibel und können sich gegeneinander bewegen, wodurch sich auch die Strömungswege ändern) ein Verstopfen der Vorrichtung durch Partikelverunreinigungen sehr viel unwahrscheinlicher machen.The minimization of the complementary partial volume 59 stands out particularly in the fourth embodiment 3rd in the foreground, in which the partial volume 59 the measurement volume 2 B forms. The third embodiment ( 2 B) , where by the partial volume 59 The liquid to be measured flows to minimize the measuring volume there 2A , which passes through the interior of the hollow fibers 31 and the distribution structure (s) 23 , to the smallest possible hollow fiber cross section. The packing density of the hollow fibers in the interior of the housing is also important in the third embodiment, for a given size of the housing 5 to maximize the membrane surface, however, it must be taken into account here that a very high packing density increases the flow resistance of the liquid flowing through the device according to the third embodiment, especially since the flow there tends to be less laminar and more turbulent than in the fourth embodiment. However, the resulting increased flow resistance or pressure drop across the measuring device is offset by the increased reliability, as a more turbulent flow and the lack of fixed diameters and courses of the flow channels (the hollow fibers around which the liquid flows are flexible and can move against each other, which also causes movement change the flow paths) make clogging of the device by particle contamination much less likely.

Um bei der vierten Ausführungsform die Verstopfungswahrscheinlichkeit bzw. -zeit zu verbessern, könnte der im Inneren der Verteilerstrukturen vorhandene Raum auch genutzt werden, um die Abzweigungen der Hohlfasern reinigende, strömungsgetriebene Impeller zu beherbergen.In order to improve the clogging probability or time in the fourth embodiment, the space available inside the distributor structures could also be used to accommodate the branches of the hollow fibers cleaning, flow-driven impellers.

In 6 ist ein Diagramm mit Graphen möglicher zeitlicher Verläufe des Gesamtgasdrucks und der durch das Druckbestimmungsmittel der erfindungsgemäßen Vorrichtung ausgegebenen Mess- und Extrapolationswerte gezeigt.
Die gepunktete Linie stellt den angenommenen Verlauf des tatsächlichen Gesamtgasdrucks pa in der Flüssigkeit für den Eingang einer von der Flüssigkeit durchströmten erfindungsgemäßen Messvorrichtung (dritte oder vierte Ausführungsform) dar. Wie zu sehen ist, findet zum Zeitpunkt t = 0 ein Sprung im tatsächlichen Gesamtgasdruck pa von einem, hier niedrigeren, Wert p0 auf einen, hier höheren, Wert p1 statt.
Die durchgezogene Linie ist der zeitliche Verlauf des durch das Druckbestimmungsmittel tatsächlich gemessenen Wertes pm(t). Aufgrund der endlichen Diffusionsgeschwindigkeit der Gasteilchen durch die Membranoberflächen der Hohlfasern, der aufgrund der endlichen Strömungsgeschwindigkeit endlichen Zeitdauer, bis dass zu messende Signal, d.h. der Sprung im Gesamtgasdruck, in der gesamten Messvorrichtung tatsächlich anliegt sowie der endlichen Größe des Messvolumens ist die Antwort auf die Druckänderung im Messsignal verzögert. Erst nach einer Zeit t1 wird erkennbar, dass überhaupt eine Druckänderung stattgefunden hat, nämlich wenn die Druckänderung im Messvolumen die Empfindlichkeitsschwelle dp des Druckbestimmungsmittels übersteigt. Bis sich der neue Gleichgewichts-Messwert des Gesamtgasdrucks p1 näherungsweise eingestellt hat, vergeht die deutlich längere Messzeit T1 . Mittels des erfindungsgemäßen Messverfahrens unter Einsatz einer Extrapolation kann die Messzeit, hier als die Zeit verstanden, nach der der angezeigte Druckwert dem tatsächlichen bis auf die Messgenauigkeit dp entspricht (pmess = p1 ± dp), teilweise deutlich verkürzt werden. Der extrapolierte Wert pex errechnet sich nach der Formel: p e x ( t ) = p m ( t ) + ( p m ( t ) p m ( t 0 ) ) × { F 1 : p m ( t ) > p m ( t 0 ) F 2 : p m ( t ) p m ( t 0 )

Figure DE102018129165A1_0006
und ist in der Figur in seinem zeitlichen Verlauf pex (t) mittels der gestrichelten Linie dargestellt. Hierbei ist pm(t0) ist der gemessene Druck zu einem früheren Zeitpunkt to, an dem die anhand des Verlaufs pm(t) bestimmte Änderungsrate dpm/dt des gemessenen Drucks letztmalig unter einem gewissen, empirisch bestimmten Schwellwert lag und F1 bzw. F2 sind ebenfalls empirisch bestimmte Konstanten. Vorliegend entspricht pm(t0) näherungsweise dem anfänglichen Gleichgewichtsdruck p0 . Die Messzeit T2 liegt beim gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren extrapolierten Wert pEx deutlich unter der Messzeit T1 ohne Extrapolation.In 6 a diagram with graphs of possible temporal profiles of the total gas pressure and the measurement and extrapolation values output by the pressure determination means of the device according to the invention is shown.
The dotted line represents the assumed course of the actual total gas pressure p a in the liquid for the entry of a measuring device according to the invention through which the liquid flows (third or fourth embodiment). As can be seen, there is a jump in the actual total gas pressure at time t = 0 p a of a lower value here p 0 to a higher value here p 1 instead of.
The solid line is the time course of the value p m (t) actually measured by the pressure determining means. Due to the finite rate of diffusion of the gas particles through the membrane surfaces of the hollow fibers, the finite time due to the finite flow velocity until the signal to be measured, i.e. the jump in total gas pressure, is actually present in the entire measuring device and the finite size of the measuring volume is the answer to the pressure change delayed in the measurement signal. Only after a time t 1 can it be recognized that a pressure change has actually taken place, namely when the pressure change in the measurement volume exceeds the sensitivity threshold dp of the pressure determining means. Until the new equilibrium measurement of the total gas pressure p 1 has set approximately, the significantly longer measurement time passes T 1 . By means of the measuring method according to the invention using extrapolation, the measuring time, here understood as the time after which the displayed one Pressure value corresponds to the actual one down to the measuring accuracy dp (p meas = p 1 ± dp), sometimes significantly reduced. The extrapolated value p ex is calculated using the formula: p e x ( t ) = p m ( t ) + ( p m ( t ) - p m ( t 0 ) ) × { F 1 : p m ( t ) > p m ( t 0 ) F 2nd : p m ( t ) p m ( t 0 )
Figure DE102018129165A1_0006
and is in the figure in its temporal course p ex (t) represented by the dashed line. Here, p m (t 0 ) is the measured pressure at an earlier point in time at which the rate of change dp m / dt of the measured pressure determined on the basis of the curve p m (t) was below a certain, empirically determined threshold value for the last time F 1 respectively. F 2 are also empirically determined constants. In the present case, p m (t 0 ) approximately corresponds to the initial equilibrium pressure p 0 . The measurement time T 2 is the value extrapolated according to the method according to the invention p Ex well below the measurement time T 1 without extrapolation.

BezugszeichenlisteReference symbol list

11
MessvorrichtungMeasuring device
2A, 2B2A, 2B
MessvolumenMeasuring volume
2323
VerteilerstrukturDistribution structure
2424th
KlebstoffmatrixAdhesive matrix
2525th
Kappecap
33rd
Membran-HohlfaserbündelMembrane hollow fiber bundle
31, 31'31, 31 '
Membran-HohlfaserMembrane hollow fiber
44th
DruckbestimmungsmittelPressure determining means
4141
DrucksensorPressure sensor
4242
AuswerteeinheitEvaluation unit
4343
Platinecircuit board
55
Gehäusecasing
5a, 5b5a, 5b
Gehäuse-EndabschnitteHousing end sections
5m5 m
GehäusemittelabschnittHousing middle section
5g5g
Gehäusewand in GitterstrukturHousing wall in lattice structure
5050
GehäuseinneresInterior of the housing
5151
durch Hohlfasern und Verteilerstruktur gebildetes Teilvolumen von 50 partial volume formed by hollow fibers and distributor structure 50
52, 52a, 52b52, 52a, 52b
mit Teilvolumen 51 kommunizierende Öffnungenwith partial volume 51 communicating openings
5454
Verdickungthickening
5555
EntgasungsöffnungDegassing opening
5656
VentilValve
58, 58a, 58b58, 58a, 58b
mit Teilvolumen 59 kommunizierende Öffnungenwith partial volume 59 communicating openings
5959
zum Hohlfaserbündel und der/den Verteilerstrukturen komplementäres Teilvolumen von 50 to the hollow fiber bundle and the distributor structures complementary part volume of 50
100100
(flüssigkeitsgefüllter) Außenraum(liquid-filled) outdoor space
D1, D2D1, D2
HohlfaserdurchmesserHollow fiber diameter
dd
GehäuseinnendurchmesserHousing inside diameter
RR
Radius einer halbkugelförmigen Ausführung von 23 Radius of a hemispherical version of 23

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

  • US 5763762 [0006]US 5763762 [0006]

Claims (17)

Vorrichtung zur Bestimmung eines gesamten in einer Flüssigkeit gelösten Gasgehaltes, umfassend: - ein gasgefülltes Messvolumen (2A, 2B), welches von der zu messenden Flüssigkeit durch eine semi-permeable, also füssigkeitsdichte aber gasdurchlässige, Membran (3) getrennt ist, und - ein Druckbestimmungsmittel (4) zur Bestimmung eines Gasdrucks im Messvolumen (2A, 2B), insbesondere ein Drucksensor (41) mit einer angeschlossenen Auswerteelektronik (42), dadurch gekennzeichnet, dass - die semi-permeable Membran als ein Bündel (3) aus einer Vielzahl von Hohlfasern (31) ausgebildet ist, wobei jede der Hohlfasern über einen Innenraum (30) verfügt und - die Innenräume (30) der Hohlfasern (31) des Hohlfaserbündels (3) miteinander in fluider Kommunikation stehen.Device for determining a total gas content dissolved in a liquid, comprising: a gas-filled measuring volume (2A, 2B) which is separated from the liquid to be measured by a semi-permeable, i.e. liquid-tight but gas-permeable membrane (3), and - a Pressure determination means (4) for determining a gas pressure in the measurement volume (2A, 2B), in particular a pressure sensor (41) with a connected evaluation electronics (42), characterized in that - the semi-permeable membrane as a bundle (3) from a multitude of Hollow fibers (31) is formed, each of the hollow fibers having an inner space (30) and - the inner spaces (30) of the hollow fibers (31) of the hollow fiber bundle (3) are in fluid communication with one another. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenräume der Hohlfasern über mindestens eine Verteilerstruktur (23), an welche jede der Hohlfasern (31) mit einem offenen Ende (32) angeschlossen ist, in fluider Kommunikation stehen, wobei die Verteilerstruktur (23) insbesondere durch eine die Enden der Hohlfasern (31) zusammenhaltende Klebstoffmatrix (24) in Verbindung mit einer gasdicht aufgesetzten Kappe (25) gebildet ist. Device after Claim 1 , characterized in that the interiors of the hollow fibers are in fluid communication via at least one distributor structure (23) to which each of the hollow fibers (31) is connected with an open end (32), the distributor structure (23) being in particular by a Adhesive matrix (24) holding the ends of the hollow fibers (31) together is formed in connection with a gas-tight cap (25). Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Messvolumen (2A) durch die Gesamtheit der Innenräume (30) der Hohlfasern (31) und eines Innenraums der Verteilerstruktur (23) gebildet ist.Device after Claim 2 , characterized in that the measurement volume (2A) is formed by the totality of the interior spaces (30) of the hollow fibers (31) and an interior space of the distributor structure (23). Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ein Gehäuse (5) umfasst, welches einen Innenraum (50) aufweist, in welchem das Hohlfaserbündel (3) angeordnet ist, so dass der Innenraum (50) in ein durch die Gesamtheit der Innenräume der Hohlfasern (30) sowie der Verteilerstruktur (23) gebildetes Volumen (51) und ein hierzu komplementäres Volumen (59) unterteilt ist, und das Gehäuse (5) weiterhin mindestens eine Öffnung (52, 55, 58) aufweist.Device according to one of the Claims 2 or 3rd , characterized in that the device comprises a housing (5) which has an interior (50) in which the hollow fiber bundle (3) is arranged, so that the interior (50) into a through the total of the interior of the hollow fibers (30 ) and the distributor structure (23) formed volume (51) and a complementary volume (59), and the housing (5) further has at least one opening (52, 55, 58). Vorrichtung nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung (58) des Gehäuses (5) eine fluide Kommunikation zwischen dem komplementären Teilvolumen (59) des Gehäuseinnenraums (50) und einem Außenraum (100) außerhalb des Gehäuses (5) ermöglicht, wobei insbesondere eine Vielzahl solcher Öffnungen vorhanden sind, etwa indem eine Seite des Gehäuses (5) eine Gitterstruktur aufweist oder das Gehäuse ein Gitterkäfig ist.Device after Claim 3 and 4th , characterized in that the opening (58) of the housing (5) enables fluid communication between the complementary partial volume (59) of the housing interior (50) and an exterior space (100) outside the housing (5), in particular a large number of such openings are present, for example in that one side of the housing (5) has a lattice structure or the housing is a lattice cage. Vorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch mindestens zwei Öffnungen (58a, 58b) in fluider Kommunikation mit dem komplementären Volumen (59).Device after Claim 5 , characterized by at least two openings (58a, 58b) in fluid communication with the complementary volume (59). Vorrichtung nach Anspruch 4 gekennzeichnet durch mindestens zwei Öffnungen (52a, 52b) in dem Gehäuse (5) sowie zwei Verteilerstrukturen (23a, 23b), an welche die Hohlfasern (30) mit je einem Ende angeschlossen sind, wobei jede der Verteilerstrukturen (23a, 23 b) genau einer der Öffnungen (52a, 52b) zugeordnet ist und mit dieser in ausschließlicher fluider Kommunikation steht, und wobei das Messvolumen (2B) dem komplementären Teilvolumen (59) des Innenraums (50) entspricht.Device after Claim 4 characterized by at least two openings (52a, 52b) in the housing (5) and two distributor structures (23a, 23b) to which the hollow fibers (30) are connected at one end, each of the distributor structures (23a, 23b) being precise one of the openings (52a, 52b) is assigned and is in exclusive fluid communication with it, and the measurement volume (2B) corresponds to the complementary partial volume (59) of the interior (50). Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das für eine gegebene Gesamtoberfläche des Hohlfaserbündels (3) das Messvolumen (2A) minimiert ist, indem Hohlfasern mit einem geringen Innendurchmesser, also entsprechend höherer Wandstärke, gewählt sind.Device after Claim 3 , characterized in that the measurement volume (2A) is minimized for a given total surface area of the hollow fiber bundle (3) by selecting hollow fibers with a small inner diameter, that is to say a correspondingly higher wall thickness. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das für eine gegebene Gesamtoberfläche des Hohlfaserbündels (3) das Messvolumen (2B) minimiert ist, indem - Hohlfasern (31) mit einem geringen Außendurchmesser gewählt sind, - das Hohlfaserbündel (3) Hohlfasern (31, 31') mit verschiedenen Außendurchmessern umfasst, - das Hohlfaserbündel (3) auch nicht hohle Fasern mit einem Durchmesser umfasst, der kleiner ist als der Durchmesser der Hohlfasern (31, 31'), - die Hohlfasern das Gehäuse möglichst dicht gepackt und vollständig ausfüllen, insbesondere indem die Fasern (30) des Bündels (3) möglichst parallel zueinander liegen, - das Hohlfaserbündel eine zylindrische Form mit an den Enden nichtberührend verklebten Fasern hat und/oder - eine Innenwand des Gehäuses 5 sich durch den endlichen Durchmesser der Hohlfasern (31) ergebenden Unebenheiten einer Außenfläche des Hohlfaserbündels (3) angepasst ist oder aufgrund einer Elastizität des Innenwandmaterial aktiv anpasst.Device after Claim 7 , characterized in that the measurement volume (2B) is minimized for a given total surface area of the hollow fiber bundle (3) by - hollow fibers (31) having a small outer diameter being selected, - the hollow fiber bundle (3) hollow fibers (31, 31 ') various outer diameters, - the hollow fiber bundle (3) also includes non-hollow fibers with a diameter that is smaller than the diameter of the hollow fibers (31, 31 '), - the hollow fibers pack the housing as tightly as possible and completely, in particular by filling the fibers (30) of the bundle (3) are as parallel as possible to one another, - the hollow fiber bundle has a cylindrical shape with fibers not glued at the ends and / or - an inner wall of the housing 5 is caused by the finite diameter of the hollow fibers (31) unevenness of an outer surface of the hollow fiber bundle (3) is adjusted or actively adjusts due to an elasticity of the inner wall material. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Umriss eines Querschnitts der Hohlfasern (31) im Wesentlichen die Form eines Kreises, eines Sechsecks, eines Quadrats oder eines Dreiecks hat.Device according to one of the preceding claims, characterized in that an outline of a cross section of the hollow fibers (31) has essentially the shape of a circle, a hexagon, a square or a triangle. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4-10, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (5) eine Entgasungsöffnung (55) in fluider Kommunikation mit dem Messvolumen (2A, 2B) aufweist, wobei die Entgasungsöffnung (55) mittels eines steuerbaren Ventils (56) verschlossen ist.Device according to one of the Claims 4 - 10th , characterized in that the housing (5) has a degassing opening (55) in fluid communication with the measurement volume (2A, 2B), the degassing opening (55) being closed by means of a controllable valve (56). Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4-11, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (5) aus einem oberen Endabschnitt (5a) und einem unteren Endabschnitt (5b) und einem dazwischenliegenden Mittelabschnitt (5m) besteht, wobei: - der Mittelabschnitt (5m) einen Hohlzylinder oder ein hohles sechseckiges Rohr ist, - die Endabschnitte (5a, 5b) sich vom Mittelabschnitt (5m) ausgehend verjüngen, insbesondere kegelförmig oder in Form einer Sechseckpyramide, und/oder - in jedem Endabschnitt (5a, 5b) und/oder im Mittelabschnitt mindestens eine Öffnung, insbesondere eine mit einer Schlauch- oder Rohranschlussmöglichkeit, beispielsweise einem hohlzylindrischen Stutzen, versehene Öffnung, vorhanden ist. Device according to one of the Claims 4 - 11 , characterized in that the housing (5) consists of an upper end section (5a) and a lower end section (5b) and an intermediate middle section (5m), wherein: the middle section (5m) is a hollow cylinder or a hollow hexagonal tube, - The end sections (5a, 5b) taper starting from the middle section (5m), in particular conically or in the form of a hexagonal pyramid, and / or - in each end section (5a, 5b) and / or in the middle section at least one opening, in particular one with one Hose or pipe connection possibility, for example a hollow cylindrical connector, provided opening, is available. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mindestens ein weiteres Druckbestimmungsmittel, mit dem ein Druck der Flüssigkeit messbar ist, insbesondere zwei zusätzlichen Druckbestimmungsmittel, wobei jeweils eines im Bereich einer Einlassöffnung (52a, 58a), durch welche Flüssigkeit in das Gehäuseinnere (50) einströmt, und eines im Bereich einer Auslassöffnung (52b, 58b), durch welche Flüssigkeit aus dem Gehäuseinneren (50) ausströmt, angeordnet ist.Device according to one of the preceding claims, characterized by at least one further pressure determination means with which a pressure of the liquid can be measured, in particular two additional pressure determination means, one in each case in the area of an inlet opening (52a, 58a) through which liquid into the housing interior (50) flows in, and one is arranged in the region of an outlet opening (52b, 58b) through which liquid flows out of the housing interior (50). Drucker oder Druckmaschine, insbesondere 3D-Drucker, mit einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1-13, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Vorrichtung ein Gesamtgasgehalt einer von dem Drucker oder der Druckmaschine verwendeten Druckertinte oder Binderflüssigkeit messbar ist.Printer or printing machine, in particular 3D printer, with a device according to one of the Claims 1 - 13 , characterized in that a total gas content of a printer ink or binder liquid used by the printer or the printing machine can be measured by means of the device. Drucker oder Druckmaschine nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorrichtung gemäß Anspruch 6 oder 7 verwendet ist, welche durch die in dem Drucker oder der Druckmaschine verwendete Druckertinte oder Binderflüssigkeit durchströmt ist.Printer or press Claim 14 , characterized in that a device according to Claim 6 or 7 is used, which is flowed through by the printer ink or binder liquid used in the printer or the printing press. Drucker oder Druckmaschine nach einem der Ansprüche 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasdruckmessvorrichtung in einem beweglichen Teil der Maschine, insbesondere im oder am Druckkopf, angeordnet ist.Printer or printing machine according to one of the Claims 14 or 15 , characterized in that the gas pressure measuring device is arranged in a movable part of the machine, in particular in or on the print head. Verfahren zur reaktionsschnellen Bestimmung eines in einer Flüssigkeit gelösten Gesamtgehalts eines Gases oder Gasgemisches unter Verwendung einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1-13, dadurch gekennzeichnet, dass - ein zeitlicher Verlauf pm(t) des Gasdrucks im Messvolumen (2A, 2B) über die Zeit gemessen wird, und - durch Extrapolation nach der Formel p e x ( t ) = p m ( t ) + ( p m ( t ) p m ( t 0 ) ) × { F 1 : p m ( t ) > p m ( t 0 ) F 2 : p m ( t ) p m ( t 0 )
Figure DE102018129165A1_0007
ein den tatsächlichen Gasdruck pa(t) besser repräsentierender Extrapolationswert pex(t) berechnet und ausgegeben wird, wobei F1 und F2 empirisch bestimmte Konstanten sind und pm(t0) der Druck ist, der zu einem Zeitpunkt t0 gemessen wurde, in dem eine Änderungsrate des gemessenen Drucks letztmals unter einem ebenfalls empirisch bestimmten Schwellwert lag.
Method for rapidly determining a total content of a gas or gas mixture dissolved in a liquid using an apparatus according to one of the Claims 1 - 13 , characterized in that - a time profile p m (t) of the gas pressure in the measurement volume (2A, 2B) is measured over time, and - by extrapolation according to the formula p e x ( t ) = p m ( t ) + ( p m ( t ) - p m ( t 0 ) ) × { F 1 : p m ( t ) > p m ( t 0 ) F 2nd : p m ( t ) p m ( t 0 )
Figure DE102018129165A1_0007
an extrapolation value p ex (t), which better represents the actual gas pressure p a (t), is calculated and output, where F 1 and F 2 are empirically determined constants and p m (t 0 ) is the pressure measured at a time t 0 in which a rate of change of the measured pressure was below an empirically determined threshold.
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