DE102011003615B4 - Method and device for measuring a volume flow of a liquid flowing into a container and/or a volume of the liquid flowing into the container - Google Patents
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Abstract
Vorrichtung zur Messung eines Volumenstroms (dV(t)/dt) einer in einen Behälter (1) einströmenden Flüssigkeit (A, B) und/oder eines in den Behälter (1) eingeströmten Volumens (V(t)) der Flüssigkeit (A, B), mit- einer an den Behälter (1) angeschlossenen Vorrichtung, die dazu dient, Gas in einem vorgegebenen Ausgangsvolumen (Vo) im Innenraum des Behälters (1) vor dem Einströmen der Flüssigkeit unter einem Ausgangsdruck (po) einzuschließen,- einem Drucksensor (23) zur Messung des Gasdrucks (pG) im Behälter (1),- einer an eine in den Innenraum des Behälter (1) mündende Befüllöffnung (3) des Behälters (1) angeschlossene Flüssigkeitszufuhreinrichtung (5), die dazu dient dem Behälter (1) Flüssigkeit (A, B) zuzuführen, wobei der Behälter (1) einen im Innenraum des Behälters (1) beweglichen, flüssigkeits- und gasdicht an einer den Innenraum einschließenden Behälterwand anliegenden Stempel (51) umfasst, der den Behälter (1) in einen Flüssigkeitsraum (52), in den die Befüllöffnung (3) mündet, und einen Gasraum (53), der mit der Vorrichtung, die dazu dient, Gas in einem vorgegebenen Ausgangsvolumen (Vo) im Innenraum des Behälters (1) vor dem Einströmen der Flüssigkeit unter einem Ausgangsdruck (po) einzuschließen, und dem Drucksensor (23) in Verbindung steht, unterteilt, und- einer elektronischen Einheit (25),-- die anhand des nach dem Verschließen des unter dem Ausgangsdruck (po) mit dem Ausgangsvolumen (Vo) an Gas befüllten Behälters (1) mit dem Drucksensor (23) gemessenen Gasdrucks (pG) das Volumen (V(t)) der eingeströmten Flüssigkeit und/oder den Volumenstrom (dV(t)/dt) der einströmenden Flüssigkeit bestimmt.Device for measuring a volume flow (dV(t)/dt) of a liquid (A, B) flowing into a container (1) and/or a volume (V(t)) of the liquid (A, B) flowing into the container (1), with- a device connected to the container (1) which serves to enclose gas in a predetermined initial volume (Vo) in the interior of the container (1) before the liquid flows in under an initial pressure (po),- a pressure sensor (23) for measuring the gas pressure (pG) in the container (1),- a liquid supply device (5) connected to a filling opening (3) of the container (1) which opens into the interior of the container (1), which serves to supply liquid (A, B) to the container (1), wherein the container (1) comprises a plunger (51) which is movable in the interior of the container (1), lies liquid-tight and gas-tight against a container wall enclosing the interior, which plunger fills the container (1) into a liquid space (52), into which the filling opening (3) opens, and a gas space (53) which is connected to the device which serves to enclose gas in a predetermined initial volume (Vo) in the interior of the container (1) before the liquid flows in under an initial pressure (po), and to the pressure sensor (23), and- an electronic unit (25),-- which determines the volume (V(t)) of the inflowing liquid and/or the volume flow (dV(t)/dt) of the inflowing liquid on the basis of the gas pressure (pG) measured by the pressure sensor (23) after the container (1) filled with the initial volume (Vo) of gas under the initial pressure (po) has been closed.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung eines Volumenstroms einer in einen Behälter einströmenden Flüssigkeit und/oder eines in den Behälter eingeströmten Volumens der Flüssigkeit, sowie eine Vorrichtung zur Ausführung dieses Verfahrens.The invention relates to a method for measuring a volume flow of a liquid flowing into a container and/or a volume of the liquid flowing into the container, as well as a device for carrying out this method.
Die Erfindung ist in allen Bereichen der industriellen Messtechnik, der Medizin und der Labortechnik einsetzbar, in denen Flüssigkeiten in kontrollierter Form transportiert oder dosiert werden, insbesondere mit Hilfe von mikrofluidischen Systemen oder im Bereich der Mikroverfahrenstechnik. Dies ist insb. im Bereich der Analyse von Flüssigkeiten der Fall. Beispiele hierfür sind Analysesysteme zur Überwachung und Optimierung der Reinigungsleistung von Kläranlagen, zur Trinkwasserüberwachung, zur Überwachung biotechnologischer Prozesse oder zur Qualitätsüberwachung von industriell eingesetzten Flüssigkeiten oder Lebensmitteln. Gemessen und überwacht werden beispielsweise der Gehalt einer flüssigen Probe an Substanzen, z.B. von Ionen wie Ammonium, Phosphat oder Nitrat, an biologischen oder biochemischen Verbindungen, wie z.B. Hormonen, oder an Mikroorganismen, z. B. an Bakterien.The invention can be used in all areas of industrial measurement technology, medicine and laboratory technology in which liquids are transported or dosed in a controlled manner, in particular with the help of microfluidic systems or in the field of micro process engineering. This is particularly the case in the area of liquid analysis. Examples of this are analysis systems for monitoring and optimizing the cleaning performance of sewage treatment plants, for drinking water monitoring, for monitoring biotechnological processes or for quality monitoring of liquids or foods used in industry. For example, the content of a liquid sample of substances, e.g. ions such as ammonium, phosphate or nitrate, of biological or biochemical compounds, e.g. hormones, or of microorganisms, e.g. bacteria, are measured and monitored.
In solchen Systemen gilt es, neben der zu analysierenden Flüssigkeit auch zu deren Analyse gegebenenfalls zusätzliche erforderliche Flüssigkeiten, wie z.B. Reagenzienlösungen, in vorgegebenen Mengen zu dosieren, gegebenenfalls vorgegebene Sollvolumina unterschiedlicher Flüssigkeiten zu mischen, und/oder vorgegebene Sollvolumenströme von Flüssigkeiten durch Leitungen oder Mess- und/oder Analyseeinheiten zu erzeugen.In such systems, in addition to the liquid to be analyzed, it is also necessary to dose additional liquids required for its analysis, such as reagent solutions, in predetermined quantities, to mix predetermined target volumes of different liquids if necessary, and/or to generate predetermined target volume flows of liquids through lines or measuring and/or analysis units.
Um insb. im Bereich der Analyse ein möglichst hohes Maß an Automatisierung erzielen zu können, werden Vorrichtungen und Verfahren benötigt, durch die die in miniaturisierten Systemen erforderlichen, in der Regel sehr geringen Sollvolumina von weniger als 50 mL, insb. von weniger als 10 mL dosiert, und durch die die geringen Volumenströme von weniger als 5000 µL/min, insb. von weniger als 1000 µL/min, der Flüssigkeiten durch die einzelnen Systeme auf in Abhängigkeit von dem jeweils auszuführenden Prozess oder Verfahren vorgegebene Sollvolumenströme geregelt werden können.In order to achieve the highest possible level of automation, particularly in the area of analysis, devices and methods are required by which the generally very small target volumes of less than 50 mL, especially less than 10 mL, required in miniaturized systems can be dosed, and by which the low volume flows of less than 5000 µL/min, especially less than 1000 µL/min, of the liquids through the individual systems can be regulated to target volume flows specified depending on the process or procedure to be carried out.
Für den Transport dieser Flüssigkeiten werden heute beispielsweise Peristaltikpumpen eingesetzt. Peristaltikpumpen bewirken jedoch aufgrund ihres Funktionsprinzip in der Regel pulsierende Volumenströme. Zudem unterliegen die in Verbindung mit Peristaltikpumpen verwendeten elastischen Schläuche einer Alterung, die sich auf die Förderleistung der Peristaltikpumpen auswirkt. Hierdurch ist die Genauigkeit, mit der vorgegebene Sollvolumina einer Flüssigkeit abgefüllt bzw. vorgegebene Sollvolumenströme generiert werden können, begrenzt.Peristaltic pumps, for example, are used today to transport these liquids. However, due to the way they work, peristaltic pumps usually produce pulsating volume flows. In addition, the elastic hoses used in conjunction with peristaltic pumps are subject to aging, which affects the delivery capacity of the peristaltic pumps. This limits the accuracy with which specified target volumes of a liquid can be filled or specified target volume flows can be generated.
Eine andere häufig eingesetzte Variante für den Transport der Flüssigkeiten sind Spritzenpumpen. Diese zeichnen sich durch hohe Genauigkeit und gleichmäßige Flusseigenschaften aus. Jedoch steht der Verwendung von Spritzenpumpen in automatisierten Systemen deren hoher Preis und deren geringe Robustheit entgegen.Another frequently used variant for transporting liquids is syringe pumps. These are characterized by high precision and consistent flow properties. However, the use of syringe pumps in automated systems is hampered by their high price and low robustness.
Volumenströme können auf einfache Art und Weise durch pneumatische Vorrichtungen erzielt werden, bei denen Flüssigkeitsströme durch Druckbeaufschlagung der in einem Vorratsbehälter bereitgestellten Flüssigkeit mit einem Gas, insb. mit Luft, bewirkt werden. Typischer Weise ändert sich der Strömungswiderstand dieser Systeme jedoch mit der Zeit, z.B. aufgrund der zunehmenden Entleerung des Vorratsbehälters, so dass hier eine Regelung des Volumenstroms durch das System erforderlich ist.Volume flows can be achieved in a simple manner using pneumatic devices in which liquid flows are caused by pressurizing the liquid provided in a storage container with a gas, especially air. Typically, however, the flow resistance of these systems changes over time, e.g. due to the increasing emptying of the storage container, so that regulation of the volume flow through the system is necessary.
Hierzu kann der Volumenstrom z.B. durch entsprechende in das Flüssigkeitssystem integrierte Durchflusssensoren, wie sie beispielsweise in der
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Messung eines Volumenstroms einer in einen Behälter einströmenden Flüssigkeit und/oder eines in den Behälter eingeströmten Volumens der Flüssigkeit anzugeben, mit der bzw. mit dem insbesondere in mikrofluidischen Systemen und insb. im Bereich der Analyse ein hohes Maß an Automatisierung erzielbar ist.It is an object of the invention to provide a device for measuring a volume flow of a liquid flowing into a container and/or a volume of the liquid flowing into the container, with which a high degree of automation can be achieved, particularly in microfluidic systems and in particular in the field of analysis.
Die Erfindung umfasst eine Vorrichtung, mit
- - einer an den Behälter angeschlossenen Vorrichtung, die dazu dient, Gas in einem vorgegebenen Ausgangsvolumen im Innenraum des Behälters vor dem Einströmen der Flüssigkeit unter einem Ausgangsdruck einzuschließen,
- - einem Drucksensor zur Messung des Gasdrucks im Behälter,
- - einer an eine in den Innenraum des Behälter mündende Befüllöffnung des Behälters angeschlossene Flüssigkeitszufuhreinrichtung, die dazu dient dem Behälter Flüssigkeit zuzuführen, und
- - einer elektronischen Einheit,
- -- die anhand des nach dem Verschließen des unter dem Ausgangsdruck mit dem Ausgangsvolumen an Gas befüllten Behälters mit dem Drucksensor gemessenen Gasdrucks das Volumen der eingeströmten Flüssigkeit und/oder den Volumenstrom der einströmenden Flüssigkeit bestimmt.
- - a device connected to the container, which serves to enclose gas in a predetermined initial volume in the interior of the container before the liquid flows in under an initial pressure,
- - a pressure sensor to measure the gas pressure in the container,
- - a liquid supply device connected to a filling opening of the container which opens into the interior of the container and which serves to supply liquid to the container, and
- - an electronic unit,
- -- which determines the volume of the inflowing liquid and/or the volume flow of the inflowing liquid on the basis of the gas pressure measured by the pressure sensor after the container filled with the initial volume of gas under the initial pressure has been closed.
Erfindungsgemäß umfasst der Behälter einen im Innenraum des Behälters beweglichen, flüssigkeits- und gasdicht an einer den Innenraum einschließenden Behälterwand anliegenden Stempel, der den Behälter in einen Flüssigkeitsraum, in den die Befüllöffnung mündet, und einen Gasraum, der mit der Vorrichtung, die dazu dient, Gas in einem vorgegebenen Ausgangsvolumen im Innenraum des Behälters vor dem Einströmen der Flüssigkeit unter einem Ausgangsdruck einzuschließen, und dem Drucksensor in Verbindung steht, unterteilt.According to the invention, the container comprises a plunger which is movable in the interior of the container and which rests liquid- and gas-tight against a container wall enclosing the interior, which divides the container into a liquid space into which the filling opening opens, and a gas space which is connected to the device which serves to enclose gas in a predetermined initial volume in the interior of the container before the liquid flows in under an initial pressure, and to the pressure sensor.
Mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann ein Verfahren zur Messung eines Volumenstroms einer in einen Behälter einströmenden Flüssigkeit und/oder eines in den Behälter eingeströmten Volumens der Flüssigkeit durchgeführt werden, bei dem
- - vor dem Einströmen der Flüssigkeit in einem vorgegebenen Ausgangsvolumen im Behälter ein Gas unter einem Ausgangsdruck eingeschlossen wird,
- - die anschließend in den Behälter einströmende Flüssigkeit das eingeschlossene Gas auf ein von dem Volumen der eingeströmten Flüssigkeit abhängiges Gasvolumen komprimiert, und einen vom eingeströmten Volumen und vom einströmenden Volumenstrom abhängigen Anstieg des Gasdrucks des Gases im Behälter gegenüber dem Ausgangsdruck bewirkt,
- - der Gasdruck im Behälter als Funktion der Zeit gemessen wird, und
- - das bis zur Zeit eingeströmte Volumen und/oder der zur Zeit einströmende Volumenstrom anhand des gemessenen Gasdrucks bestimmt wird.
- - before the liquid flows into the container, a gas is enclosed under an initial pressure in a predetermined initial volume,
- - the liquid subsequently flowing into the container compresses the enclosed gas to a gas volume that depends on the volume of the liquid flowing in, and causes an increase in the gas pressure of the gas in the container compared to the initial pressure that depends on the volume flowing in and the incoming volume flow,
- - the gas pressure in the container is measured as a function of time, and
- - the volume flowing in up to the time and/or the volume flow currently flowing in is determined on the basis of the measured gas pressure.
Dabei wird das bis zur Zeit eingeströmte Volumen anhand des zur Zeit gemessenen Gasdrucks bestimmt.The volume that has flowed in up to that time is determined based on the gas pressure measured at that time.
Zur Bestimmung des Volumenstroms wird mittels der elektronischen Einheit eine zeitliche Änderung des gemessenen Gasdrucks bestimmt, und der zur Zeit in den Behälter einströmende Volumenstrom anhand der zeitlichen Änderung des gemessenen Gasdrucks zur Zeit bestimmt.To determine the volume flow, the electronic unit is used to determine a temporal change in the measured gas pressure, and the volume flow currently flowing into the container is determined based on the temporal change in the measured gas pressure.
Gemäß einer Weiterbildung wird mittels der elektronischen Einheit
- - ein relativer Gasdruck definiert, der gleich einem Quotienten aus dem Ausgangsdruck und dem Gasdruck ist,
- - eine Kenngröße bestimmt, die die Steigung des relativen Gasdrucks in Abhängigkeit vom eingeströmten Volumen angibt,
- - während des Einströmens der Flüssigkeit in den Behälter anhand des als Funktion der Zeit gemessenen Gasdrucks der relative Gasdruck als Funktion der Zeit bestimmt, und
- - das Volumen und/oder der Volumenstrom werden anhand des relativen Gasdrucks bestimmt.
- - a relative gas pressure is defined which is equal to a quotient of the initial pressure and the gas pressure,
- - a parameter is determined which indicates the gradient of the relative gas pressure as a function of the inflowing volume,
- - during the flow of the liquid into the container, the relative gas pressure is determined as a function of time using the gas pressure measured as a function of time, and
- - the volume and/or the volume flow are determined based on the relative gas pressure.
Dabei wird die Kenngröße vorzugsweise in einem vorgeschalteten Kalibrationsverfahren bestimmt.The parameter is preferably determined in a preceding calibration procedure.
Gemäß einer Ausgestaltung dieser Weiterbildung
- - wird das bis zum Zeitpunkt eingeströmte Volumen als Quotient aus dem um 1 reduzierten relativen Gasdruck zur Zeit und der Kenngröße bestimmt, und/oder
- - es wird eine zeitliche Änderungsrate des relativen Gasdrucks bestimmt, und
- - der zur Zeit einströmende Volumenstrom als Quotient aus der zeitliche Änderungsrate des relativen Gasdrucks und der Kenngröße bestimmt wird.
- - the volume flowing in up to the time is determined as the quotient of the relative gas pressure at the time reduced by 1 and the characteristic value, and/or
- - a rate of change of the relative gas pressure is determined, and
- - the currently incoming volume flow is determined as the quotient of the rate of change of the relative gas pressure and the characteristic value.
Gemäß einer Weiterbildung umfasst die Vorrichtung eine Steuerung, die die durch die Flüssigkeitszufuhreinrichtung bewirkte Flüssigkeitszufuhr in Abhängigkeit von dem gemessenen in den Behälter eingeströmten Volumen oder dem gemessenen in den Behälter einströmenden Volumenstroms steuert.According to a further development, the device comprises a control which controls the liquid supply effected by the liquid supply device as a function of the measured volume flowing into the container or the measured volume flow flowing into the container.
Gemäß einer Ausgestaltung beendet die Steuerung die Flüssigkeitszufuhr, wenn das gemessene Volumen ein vorgegebenes Sollvolumen erreicht.According to one embodiment, the controller stops the liquid supply when the measured volume reaches a predetermined target volume.
In einer Ausgestaltung umfasst die Flüssigkeitszufuhreinrichtung mindestens einen mit Flüssigkeit gefüllten Speicher, insbesondere zwei mit Flüssigkeit gefüllte Speicher, und eine Vorrichtung zur Bewirkung eines Flüssigkeitsstroms von dem Speicher, insbesondere den Speichern in den Behälter,
wobei der mindestens eine Speicher einen Hohlraum aufweist, in dem die Flüssigkeit aufgenommen ist, und in dem ein beweglicher, flüssigkeits- und gasdicht an einer den Hohlraums umgebenden Innenwand anliegender Stempel angeordnet ist, welcher den mindestens einen Speicher in einen mit dem Behälter über mindestens eine Flüssigkeitsleitung in Verbindung stehenden Flüssigkeitsraum und einen mit der Vorrichtung zur Bewirkung eines Flüssigkeitsstromes von dem Speicher, insbesondere den Speichern, in den Behälter in Wirkverbindung stehenden Gasraum teilt.In one embodiment, the liquid supply device comprises at least one liquid-filled reservoir, in particular two liquid-filled reservoirs, and a device for causing a liquid flow from the reservoir, in particular the reservoirs, into the container,
wherein the at least one reservoir has a cavity in which the liquid is received, and in which a movable plunger is arranged which rests in a liquid-tight and gas-tight manner on an inner wall surrounding the cavity and divides the at least one reservoir into a liquid space which is connected to the container via at least one liquid line and a gas space which is operatively connected to the device for causing a liquid flow from the reservoir, in particular the reservoirs, into the container.
Weiter umfasst die Erfindung ein Verfahren, welches die erfindungsgemäße Vorrichtung betreibt, wobei die Flüssigkeitszufuhreinrichtung mindestens zwei mit Flüssigkeit gefüllte Speicher und eine Vorrichtung zur Bewirkung eines Flüssigkeitsstromes von den Speichern in den Behälter umfasst, bei dem
- - das Gas in dem vorgegebenen Ausgangsvolumen unter dem Ausgangsdruck eingeschlossen wird,
- - der Behälter über die Vorrichtung zur Bewirkung des Flüssigkeitsstromes sukzessiv mit vorgegebenen Sollvolumen von Flüssigkeiten aus zwei oder mehr verschiedenen Speichern befüllt wird,
- - wobei das Erreichen der jeweiligen Sollvolumina der einzelnen Flüssigkeiten anhand des gemessenen in den Behälter insgesamt eingeströmten Volumens und dem zu Beginn des jeweiligen Befüllvorgangs mit der jeweiligen Flüssigkeit aus dem jeweiligen Speicher bereits in dem Behälter befindlichen und mit der Vorrichtung gemessenen Volumen überwacht wird.
- - the gas is enclosed in the specified initial volume under the initial pressure,
- - the container is successively filled with predetermined target volumes of liquids from two or more different reservoirs via the device for causing the liquid flow,
- - whereby the achievement of the respective target volumes of the individual liquids is monitored on the basis of the measured total volume flowing into the container and the volume already in the container at the start of the respective filling process with the respective liquid from the respective storage tank and measured with the device.
Dabei wird bei der sukzessiven Befüllung des Behälters mit den unterschiedlichen Sollvolumen der einzelnen Flüssigkeiten vorzugsweise mit der Befüllung mit der Flüssigkeit begonnen, von der das größte Sollvolumen benötigt wird, und die Befüllung dann sukzessiv jeweils mit der Flüssigkeit fortgesetzt, von der das nächst kleinere Sollvolumen benötigt wird.When successively filling the container with the different target volumes of the individual liquids, it is preferable to start filling with the liquid that requires the largest target volume and then continue filling successively with the liquid that requires the next smallest target volume.
Weiter umfasst die Erfindung eine Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der
- - die Flüssigkeitszufuhreinrichtung die Flüssigkeit durch eine Speiseleitung in den Behälter leitet,
- - ein Volumenstrom der Flüssigkeit durch die Speiseleitung gleich dem in den Behälter einströmenden Volumenstrom ist, und
- - eine Regeleinrichtung vorgesehen ist, die die durch die Flüssigkeitszufuhreinrichtung bewirkte Flüssigkeitszufuhr anhand des gemessenen in den Behälter einströmenden Volumenstroms derart regelt, dass der Volumenstrom durch die Speiseleitung und der Volumenstrom in den Behälter einem vorgegebenen Sollvolumenstrom entspricht.
- - the liquid supply device directs the liquid into the container through a feed line,
- - a volume flow of the liquid through the feed line is equal to the volume flow flowing into the container, and
- - a control device is provided which controls the liquid supply effected by the liquid supply device on the basis of the measured volume flow flowing into the container in such a way that the volume flow through the feed line and the volume flow into the container correspond to a predetermined target volume flow.
Diese Regelung ist besonders vorteilhaft für die weiter vorn beschriebenen Ausgestaltungen, bei denen der mindestens eine Speicher bzw. die Speicher und/oder der Behälter jeweils einen beweglichen Stempel umfassen, der die Behälter bzw. Speicher jeweils in einen Gasraum und einen Flüssigkeitsraum unterteilt. Die zum Transport der Flüssigkeiten von den Speichern in den Behältern erforderliche Krafteinwirkung auf die Stempel, die beispielsweise durch Druckbeaufschlagung der Gasräume der Speicher bewirkt wird, hängt auch vom jeweiligen Reibungswiderstand der Stempel in den Speichern bzw. in dem Behälter ab. Indem die Flüssigkeitszufuhr anhand des erfassten Volumenstroms geregelt wird, werden unterschiedliche Reibungswiderstände der Stempel durch die Regelung ausgeglichen.This control is particularly advantageous for the embodiments described above, in which the at least one reservoir or reservoirs and/or the container each comprise a movable piston which divides the container or reservoirs into a gas space and a liquid space. The force required to transport the liquids from the reservoirs into the containers on the pistons, which is brought about, for example, by pressurizing the gas spaces of the reservoirs, also depends on the respective frictional resistance of the pistons in the reservoirs or in the container. By controlling the liquid supply based on the recorded volume flow, different frictional resistances of the pistons are compensated by the control.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung
- - ist in die Speiseleitung eine Mess- oder Analyseeinrichtung eingesetzt,
- - ist ein Volumenstrom der Flüssigkeit durch die Mess- oder Analyseeinrichtung gleich dem Volumenstrom durch die Speiseleitung und gleich dem in den Behälter einströmenden Volumenstrom, und
- - die Regeleinrichtung regelt den Volumenstrom durch die Mess- oder Analyseeinrichtung anhand des gemessenen in den Behälter einströmenden Volumenstroms auf einen vorgegebenen Sollvolumenstrom.
- - a measuring or analysis device is installed in the feed line,
- - a volume flow of the liquid through the measuring or analysis device is equal to the volume flow through the feed line and equal to the volume flow flowing into the container, and
- - the control device regulates the volume flow through the measuring or analysis device to a predetermined target volume flow based on the measured volume flow flowing into the container.
Weiter umfasst die Erfindung eine Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der
- - die Flüssigkeitszufuhreinrichtung mindestens einen mit Flüssigkeit gefüllten Speicher und eine Vorrichtung zur Bewirkung eines Flüssigkeitsstromes von mindestens einem der Speicher in den Behälter umfasst,
- - die Vorrichtung zur Bewirkung des Flüssigkeitsstromes einen regelbaren pneumatischen Druckgeber umfasst,
- -- der jeweils über eine mit einem steuerbaren Ventil, insb. einem 3/2 Wege Umschaltventil, versehene Druckzuleitung an die Speicher angeschlossen ist, und
- - der Flüssigkeitsstrom durch eine Druckbeaufschlagung der Flüssigkeit in den Speichern mit einem von dem regelbaren pneumatischen Druckgeber erzeugten Druck bewirkt wird.
- - the liquid supply device comprises at least one reservoir filled with liquid and a device for causing a flow of liquid from at least one of the reservoirs into the container,
- - the device for causing the liquid flow comprises an adjustable pneumatic pressure sensor,
- -- which is connected to the storage tanks via a pressure supply line equipped with a controllable valve, in particular a 3/2-way changeover valve, and
- - the liquid flow is caused by pressurising the liquid in the accumulators with a pressure generated by the adjustable pneumatic pressure sensor.
Gemäß einer ersten Weiterbildung der letztgenannten Weiterbildung ist der regelbare pneumatische Druckgeber über eine mit einem steuerbaren Ventil, insb. einem 3/2 Wege Umschaltventil, verschließbare Druckzuleitung an den Behälter angeschlossen.According to a first development of the latter development, the adjustable pneumatic pressure sensor is connected to the container via a pressure supply line that can be closed with a controllable valve, in particular a 3/2-way changeover valve.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist die Flüssigkeitszufuhreinrichtung über mindestens eine mit einem Ventil, insb. einem Rückschlagventil, ausgestattete Zuleitung an den Behälter angeschlossen.According to a preferred development, the liquid supply device is connected to the container via at least one supply line equipped with a valve, in particular a check valve.
Weiter umfasst die Erfindung ein Verfahren, welches eine Vorrichtung gemäß einer der drei letztgenannten Weiterbildungen betreibt,
bei dem Betriebszyklen ausgeführt werden, in denen jeweils
- - der Behälter und die Flüssigkeit in den Speichern vorab über die 3/2 Wege Umschaltventile mit dem Ausgangsdruck beaufschlagt werden,
- - das Ventil in der vom Druckgeber zum Behälter führenden Druckzuleitung geschlossen wird,
- - durch Druckbeaufschlagung von Flüssigkeit aus mindestens einem der Speicher mit einem von dem Druckgeber erzeugten Druck ein Flüssigkeitsstrom in den Behälter bewirkt wird, und
- - abschließend die insgesamt in dem jeweiligen Betriebszyklus in den Behälter eingeströmte Flüssigkeit, insb. durch Druckbeaufschlagung, aus dem Behälter abgeführt wird.
in which operating cycles are carried out in which
- - the container and the liquid in the storage tanks are pre-pressurized with the outlet pressure via the 3/2 way changeover valves,
- - the valve in the pressure supply line leading from the pressure sensor to the container is closed,
- - by pressurising liquid from at least one of the reservoirs with a pressure generated by the pressure transmitter, a flow of liquid into the container is caused, and
- - finally, the total liquid that has flowed into the container during the respective operating cycle is discharged from the container, in particular by pressurization.
Gemäß einer weiteren Weiterbildung der ersten Weiterbildung der Vorrichtung ist der Behälter über eine mit einem Ventil, insb. einem Rückschlagventil, ausgestatte Ablassleitung an ein über eine Entlüftungsöffnung mit dem Umgebungsdruck beaufschlagtes Aufnahmegefäß angeschlossen, in den in dem Behälter befindliche Flüssigkeit abgeführt werden kann.According to a further development of the first development of the device, the container is connected via a drain line equipped with a valve, in particular a check valve, to a receiving vessel which is subjected to ambient pressure via a vent opening and into which liquid in the container can be drained.
Weiter umfasst die Erfindung ein Verfahren, welches eine Vorrichtung gemäß der letztgenannten Weiterbildung betreibt und bei dem die Flüssigkeit am Ende eines Befüllzyklus aus dem Behälters abgeführt wird, indem
- - die Flüssigkeitszufuhr in den Behälter unterbrochen wird, und
- - die im Behälter enthaltene Flüssigkeit über den Druckgeber mit einem Druck beaufschlagt wird, bei dem die Flüssigkeit durch das Rückschlagventil hindurch über die Ablassleitung ausströmt.
- - the liquid supply to the container is interrupted, and
- - the liquid contained in the container is subjected to a pressure via the pressure sensor at which the liquid flows out through the check valve via the drain line.
Weiter umfasst die Erfindung ein Verfahren, welches eine erfindungsgemäße Vorrichtung betreibt und bei dem Betriebszyklen ausgeführt werden, bei denen jeweils
- - Gas in dem vorgegebenen Ausgangsvolumen unter dem Ausgangsdruck eingeschlossen wird,
- - ein Flüssigkeitsstrom in den Behälter bewirkt wird und der einströmende Volumenstrom und/oder das eingeströmte Volumen gemessen wird,
- - die Flüssigkeitszufuhr in den Behälter unterbrochen wird, bevor der Gasdruck im Behälter einen vorgegebenen Maximaldruck übersteigt, und
- - abschließend die in den Behälter in dem jeweiligen Befüllzyklus insgesamt eingeströmte Flüssigkeit aus dem Behälter abgeführt wird.
- - Gas is enclosed in the specified output volume under the output pressure,
- - a liquid flow is caused into the container and the inflowing volume flow and/or the inflowing volume is measured,
- - the liquid supply to the container is interrupted before the gas pressure in the container exceeds a predetermined maximum pressure, and
- - finally, the total liquid that has flowed into the container during the respective filling cycle is drained from the container.
Die Erfindung weist den Vorteil auf, dass die Vorrichtung vollautomatisch betrieben werden kann. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Messungen indirekt anhand des Gasdrucks im Behälter erfolgen, so dass hierzu kein direkter Kontakt, insb. kein direkter Kontakt von Sensoren, zur Flüssigkeit erforderlich ist. Darüber hinaus bietet die Erfindung den Vorteil, dass die Messung aufgrund des der Erfindung zugrunde liegenden indirekten Messverfahrens weitgehend unabhängig von der Art der verwendeten Flüssigkeiten, insb. auch von deren Viskositäten, deren Inhomogenitäten und gegebenenfalls darin enthaltenen Verschmutzungen ist. Dies ist insb. ein Vorteil gegenüber kalorimetrischen Durchflussmessverfahren, bei denen die Messgenauigkeit maßgeblich von den unter Umständen veränderlichen Wärmekapazitäten der Flüssigkeiten abhängt.
Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen bieten den Vorteil, dass sie äußerst vielseitig einsetzbar sind. Durch sie können sowohl Dosierspritzen, Spritzenpumpen, Peristaltikpumpen als auch Systeme, die auf pneumatischem Wege Volumenströme erzeugen und diese anhand von direkten Durchflussmessungen mit in den Strömungspfad eingesetzten Durchflusssensoren auf vorgegebene Sollvolumenströme regeln, ersetzt werden.The invention has the advantage that the device can be operated fully automatically. A further advantage is that the measurements are made indirectly based on the gas pressure in the container, so that no direct contact, in particular no direct contact of sensors, with the liquid is required. In addition, the invention offers the advantage that, due to the indirect measuring method on which the invention is based, the measurement is largely independent of the type of liquid used, in particular of its viscosities, its inhomogeneities and any contaminants it may contain. This is particularly an advantage over calorimetric flow measurement methods, in which the measurement accuracy depends largely on the possibly variable heat capacities of the liquids.
The devices according to the invention offer the advantage of being extremely versatile. They can be used to replace dosing syringes, syringe pumps, peristaltic pumps as well as systems that generate volume flows pneumatically and regulate these to predetermined target volume flows using direct flow measurements with flow sensors inserted in the flow path.
Die Erfindung und weitere Vorteile werden nun anhand der Figuren der Zeichnung, in denen zwei Ausführungsbeispiele dargestellt ist, näher erläutert. Gleiche Elemente sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
-
1 zeigt: eine erfindungsgemäße Vorrichtung; und -
2 zeigt: einen Ausschnitt einer alternativen Ausgestaltung -
3 zeigt: eine Variante der Vorrichtung gemäß1 .
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1 shows: a device according to the invention; and -
2 shows: a section of an alternative design -
3 shows: a variant of the device according to1 .
Die Vorrichtung umfasst eine an eine in den Innenraum des Behälters 1 mündende Befüllöffnung 3 des Behälters 1 angeschlossene Flüssigkeitszufuhreinrichtung 5, die dazu dient, dem Behälter 1 Flüssigkeit zuzuführen. Diese umfasst mindestens einen mit einer Flüssigkeit A, B gefüllten Speicher 7, 9 in dem Flüssigkeit bereit gestellt wird. Die Speicher 7, 9 sind beispielsweise Vorratsbehälter, die einzelne zu analysierende Flüssigkeiten oder zur Analyse benötigte Zusatzflüssigkeiten, wie z.B. Reagenzienlösungen, enthalten. Die Flüssigkeiten A, B können in den Speichern 7, 9 beispielsweise in einem flexiblen gas- und flüssigkeitsundurchlässigen Behältnis, z.B. einem Beutel aus einer Kunststofffolie, beispielsweise aus Polyethylen oder Polypropylen, enthalten sein. Die Speicher 7, 9 sind vorzugsweise als austauschbare Module ausgebildet. Dabei können die Speicher 7, 9 als Einzelelemente vorgesehen sein, oder es können zwei oder mehr Speicher parallel zueinander in einer vorzugsweise austauschbaren Vorratskartusche zusammengefasst werden.The device comprises a liquid supply device 5 connected to a filling opening 3 of the container 1 that opens into the interior of the container 1 and serves to supply liquid to the container 1. This comprises at least one reservoir 7, 9 filled with a liquid A, B in which liquid is provided. The reservoirs 7, 9 are, for example, storage containers that contain individual liquids to be analyzed or additional liquids required for analysis, such as reagent solutions. The liquids A, B can be contained in the reservoirs 7, 9, for example, in a flexible gas- and liquid-impermeable container, e.g. a bag made of a plastic film, for example made of polyethylene or polypropylene. The reservoirs 7, 9 are preferably designed as exchangeable modules. The reservoirs 7, 9 can be provided as individual elements, or two or more reservoirs can be combined in parallel to one another in a preferably exchangeable storage cartridge.
Die Speicher 7, 9 sind an eine Vorrichtung zur Bewirkung eines Flüssigkeitsstromes von mindestens einem der Speicher 7, 9 in den Behälter 1 angeschlossen. Diese Vorrichtung umfasst einen regelbaren pneumatischen Druckgeber 11, der jeweils über eine mit einem steuerbaren Ventil V1, V2 verschließbare Druckzuleitung 13, 15 eingangsseitig an die Speicher 7, 9 angeschlossen ist. Die Ventile V1, V2 sind vorzugsweise 3/2 Wege Umschaltventile, über die die Speicher 7, 9 wahlweise mit dem vom Druckgeber 11 generierten Druck p oder einem Bezugsdruck pB, vorzugsweise dem Atmosphärendruck, beaufschlagbar sind, oder durch vollständige Schließung des jeweiligen Ventils V1, V2 eingangsseitig druckdicht und gasdicht verschließbar sind. Die Begriffe ‚Öffnen‘ und ‚Schließen‘ werden hier in Verbindung mit allen Ventilen durchgängig derart verwendet, dass die zugehörige Leitung, in die das jeweilige Ventil eingesetzt ist, bei geöffnetem Ventil frei und bei geschlossenem Ventil gesperrt ist.The accumulators 7, 9 are connected to a device for causing a liquid flow from at least one of the accumulators 7, 9 into the container 1. This device comprises a controllable pneumatic pressure transmitter 11, which is connected to the inlet side of the accumulators 7, 9 via a pressure supply line 13, 15 that can be closed with a controllable valve V1, V2. The valves V1, V2 are preferably 3/2-way changeover valves, via which the accumulators 7, 9 can be optionally pressurized with the pressure p generated by the pressure transmitter 11 or a reference pressure p B , preferably the atmospheric pressure, or can be closed pressure-tight and gas-tight on the inlet side by completely closing the respective valve V1, V2. The terms 'open' and 'close' are used here in connection with all valves in such a way that the associated line into which the respective valve is inserted is free when the valve is open and blocked when the valve is closed.
Ausgangsseitig sind die Speicher 7, 9 jeweils über eine Zuleitung 17, 19 an die Befüllöffnung 3 des Behälters 1 angeschlossen, in deren dem Behälter 1 zugewandten Ende jeweils ein Ventil VR1, VR2, vorzugsweise ein Rückschlagventil, eingesetzt ist. Die beiden Zuleitungen 17, 19 münden in dem dargestellten Ausführungsbeispiel in einer Zuleitung 20, die sie mit der Befüllöffnung 3 verbindet.On the output side, the accumulators 7, 9 are each connected to the filling opening 3 of the container 1 via a supply line 17, 19, in the end of which facing the container 1 a valve VR1, VR2, preferably a check valve, is inserted. In the embodiment shown, the two supply lines 17, 19 open into a supply line 20 which connects them to the filling opening 3.
Ist nur ein Speicher, z.B. der Speicher 7, vorgesehen, wird vorzugsweise ein einziges unmittelbar vor der Befüllöffnung 3 in die in diesem Fall vom Speicher 7 bis zur Befüllöffnung 3 führende Zuleitung 20 eingesetztes - in
Das gleiche gilt für mehrere immer zeitgleich parallel zur Befüllung eingesetzte Speicher, deren Flüssigkeiten in einer unmittelbar zum Behälter 1 führenden Zuleitung 20 zusammengeführt werden. Letzteres entspricht der dargestellten Variante ohne die beiden Ventile VR1 und VR2 in den Zuleitungen 17 und 19.The same applies to several storage tanks that are always used at the same time in parallel for filling, the liquids of which are brought together in a supply line 20 that leads directly to the container 1. The latter corresponds to the variant shown without the two valves VR1 and VR2 in the supply lines 17 and 19.
Sind dagegen zwei oder mehr Speicher 7, 9 jeweils über deren mit dem jeweils dazugehörigen Ventil VR1, VR2 ausgestattete Zuleitung 17, 19 z. B. über die weitere Zuleitung 20 an den Behälter 1 angeschlossen, so kann das hier zusätzlich dargestellte Ventil VR entfallen.However, if two or more storage tanks 7, 9 are each connected to the tank 1 via their supply line 17, 19, each equipped with the corresponding valve VR1, VR2, e.g. via the additional supply line 20, the valve VR additionally shown here can be omitted.
Alternativ kann der Behälter 1 für jede der an einen der Speicher angeschlossenen Zuleitungen eine eigene Befüllöffnung aufweisen, an die die Zuleitungen jeweils über ein Ventil angeschlossen sind. Diese Ausführungsform ist in dem in
Ein Flüssigkeitsstrom aus einem oder zeitlich nacheinander aus mehreren Speichern 7, 9 in den Behälter 1, kann bei der in
Um die Flüssigkeitszufuhr aus einem oder mehreren Speichern 7, 9 zu unterbrechen, wird die Flüssigkeit A, B in den betroffenen Speichern 7, 9 vorzugsweise über eine entsprechende Ansteuerung des jeweiligen 3/2 Wege Umschaltventils V1, V2 in der zugehörigen Druckzuleitung 13, 15 mit dem Bezugsdruck pB, insb. dem Atmosphärendruck, beaufschlagt. Hierdurch wird erreicht, dass der Druckabfall über dem jeweiligen Rückschlagventil VR1, VR2 bzw. VR unmittelbar unter den Durchbrechdruck absinkt, und keine Flüssigkeit A, B mehr durch die jeweilige Zuleitung 17, 19 bzw. 20 austreten kann. Alternativ kann bei Verwendung von aktiven Ventilen anstelle der passiven Rückschlagventile VR1, VR2 die Flüssigkeitszufuhr auch durch aktives Öffnen und Schließen dieser Ventile gesteuert werden. Hierbei muss jedoch in den Speichern 7, 9 ebenfalls ein hinreichender Überdruck gegenüber dem Volumen des Behälters 1 herrschen, um bei geöffnetem aktivem Ventil einen Volumenstrom der Flüssigkeit zu erzeugen.In order to interrupt the liquid supply from one or more reservoirs 7, 9, the liquid A, B in the affected reservoirs 7, 9 is subjected to the reference pressure p B , in particular the atmospheric pressure, preferably via a corresponding control of the respective 3/2-way changeover valve V1, V2 in the associated pressure supply line 13, 15. This ensures that the pressure drop across the respective check valve VR1, VR2 or VR drops immediately below the breakthrough pressure and no more liquid A, B can escape through the respective supply line 17, 19 or 20. Alternatively, when using active valves instead of the passive check valves VR1, VR2, the liquid supply can also be controlled by actively opening and closing these valves. However, there must also be a sufficient overpressure in the reservoirs 7, 9 compared to the volume of the container 1 in order to generate a volume flow of the liquid when the active valve is open.
Auf die gleiche Weise wird auch die Flüssigkeitszufuhr aus den einzelnen Speichern 7a, 7b, 7c, 7d der in
Im Unterschied zu der in
In
Auch die Speicher 7 und 9 weisen in der Ausgestaltung gemäß
Vorteile dieser Ausgestaltung des Behälters 1 und gegebenenfalls der Speicher 7 und 9 mit beweglichem Stempel sind die Vermeidung von gegenseitiger Kontaminationen der Flüssig- und der Gasphase, beispielsweise durch Mikroorganismen. Daneben wird auch vermieden, dass sich das zur Druckbeaufschlagung eingesetzte Gas in der Flüssigkeit löst. Gleichermaßen wird auf diese Weise wirkungsvoll das Auslaufen und das Verdunsten von Flüssigkeit aus den Speichern und/oder den Behältern verhindert. Zudem ist die Verwendung von Einmalspritzen sehr einfach zu realisieren. Auch die Einbaulage muss bei der Verwendung von Spritzen als Speicher und/oder Behälter nicht definiert werden.The advantages of this design of the container 1 and, if applicable, the storage units 7 and 9 with a movable plunger are the avoidance of mutual contamination of the liquid and gas phases, for example by microorganisms. It also prevents the gas used for pressurization from dissolving in the liquid. This also effectively prevents liquid from leaking out and evaporating from the storage units and/or containers. In addition, the use of disposable syringes is very easy to implement. The installation position does not have to be defined when using syringes as storage units and/or containers.
Abgesehen von der Besonderheit der Probenentnahme gelten die nachfolgenden Ausführungen zu dem in
Der Behälter 1 weist in seinem Innenraum ein vorgegebenes Ausgangsvolumen V0 auf, das zu Beginn eines jeden Betriebszyklus der Vorrichtung keine Flüssigkeit enthält. An den Innenwänden gegebenenfalls noch anhaftende Tropfen oder Restfeuchtigkeit werden hierbei aufgrund ihres äußerst geringen Einflusses auf das erfindungsgemäße Verfahren als vernachlässigbar angesehen. An den Behälter 1 ist eine Vorrichtung angeschlossen, die dazu dient, in dem vorgegebenen Ausgangsvolumen V0 vor dem Einströmen von Flüssigkeit Gas, insb. Luft, unter einem Ausgangsdruck p0 einzuschließen. In der Ausgestaltung gemäß
Vorzugsweise ist der ohnehin vorhandene regelbare pneumatische Druckgeber 11 über eine weitere mit einem Ventil V3, vorzugsweise einem 3/2 Wege Umschaltventil, ausgestatte Druckzuleitung 21 an den Behälter 1 angeschlossen. Der Ausgangsdruck p0 kann ein vom Druckgeber 11 generierter Druck p sein, mit dem der Behälter 1 über die Druckzuleitung 21 beaufschlagt wird. Vorzugweise wird jedoch als Ausgangsdruck p0 der oben genannte Bezugsdruck pB, d.h. vorzugsweise der Atmosphärendruck, verwendet, mit dem der Behälter 1 durch eine entsprechende Ansteuerung des 3/2 Wege Umschaltventils V3 beaufschlagt wird. Das auf diese Weise im Behälter 1 im Ausgangsvolumen V0 befindliche Gas wird anschließend eingeschlossen, indem der Behälter 1 durch die vollständige Schließung des Ventils V3 gas- und druckdicht verschlossen wird. Hiernach herrscht im Innern des nun geschlossenen Systems der Ausgangsdruck p0.
Alternativ könnte das Ausgangsvolumen V0 über eine hier nicht dargestellte Belüftungsöffnung im Behälter 1 mit Luft unter Atmosphärendruck befüllt, und anschließend mittels eines geeigneten Verschlusses gasdicht verschlossen werden.Preferably, the controllable pneumatic pressure sensor 11, which is already present, is connected to the container 1 via a further pressure supply line 21 equipped with a valve V3, preferably a 3/2-way changeover valve. The output pressure p 0 can be a pressure p generated by the pressure sensor 11, which is applied to the container 1 via the pressure supply line 21. Preferably, however, the above-mentioned reference pressure p B , i.e. preferably the atmospheric pressure, is used as the output pressure p 0 , which is applied to the container 1 by appropriately controlling the 3/2-way changeover valve V3. The gas thus located in the output volume V 0 in the container 1 is then enclosed by the container 1 being sealed gas-tight and pressure-tight by completely closing the valve V3. The output pressure p 0 then prevails inside the now closed system.
Alternatively, the initial volume V 0 could be filled with air under atmospheric pressure via a ventilation opening in container 1 (not shown here) and then sealed gas-tight by means of a suitable closure.
Um das Ausgangsvolumen V0 auf reproduzierbare Weise vorgeben zu können, wird vorzugsweise vorab ein definierter Ausgangszustand der Vorrichtung bewirkt, bei dem die Zuleitungen 17, 19 bzw. 20 bis zu dem jeweiligen darin befindlichen Ventil VR1, VR2 bzw. VR mit Flüssigkeit A, B befüllt sind. Das reproduzierbar vorgebbare Ausgangsvolumen V0 umfasst nun das nicht mit Flüssigkeit gefüllte restliche Leitungsvolumen der Zuleitungen 17, 19 bzw. 20 zwischen dem jeweiligen Ventil VR1, VR2 bzw. VR und der Behälteröffnung 3, das Innenvolumen des Behälters 1 und das Leitungsvolumen im Inneren der Druckzuleitung 21 vom Behälter 1 bis zum Ventil V3. Im Ausführungsbeispiel gemäß
An den Behälter 1 ist ein Drucksensor 23 angeschlossen, mit dem ein Gasdruck pG im Inneren des Behälters 1 gemessen wird. Sofern der Drucksensor 23 nicht unmittelbar im Inneren des Behälters 1 angeordnet ist, so bildet auch das Innenvolumen der Anschlussleitung 22 über die der Gasdruck pG dem Drucksensor 23 zugeführt wird, einen Bestandteil des Ausgangsvolumens V0.A pressure sensor 23 is connected to the container 1, with which a gas pressure p G is measured inside the container 1. If the pressure sensor 23 is not arranged directly inside the container 1, the internal volume of the connecting line 22, via which the gas pressure p G is fed to the pressure sensor 23, also forms a component of the output volume V 0 .
In einem ersten Verfahrensschritt wird - wie oben bereits erläutert- das Gas unter dem Ausgangsdruck p0 im Ausgangsvolumen V0 eingeschlossen. Vorzugsweise werden die Flüssigkeiten in den Speichern 7, 9 während der Druckbeaufschlagung des Ausgangsvolumens V0 mit dem Ausgangsdruck p0 parallel dazu über die in deren Druckzufuhrleitungen 13, 15 eingesetzten 3/2 Wege Umschaltventile V1, V2 ebenfalls mit Gas unter dem Ausgangsdruck p0 beaufschlagt. Hierdurch wird eine definierte Ausgangssituation geschaffen, bei der kein Druckabfall über die Rückschlagventile VR1, VR2 bzw. VR besteht. Die Rückschlagventile VR1, VR2 bzw. VR verhindern in diesem Verfahrensschritt das Eindringen von Flüssigkeit in den Behälter 1.In a first process step - as already explained above - the gas is enclosed in the output volume V 0 at the output pressure p 0. Preferably, while the output volume V 0 is pressurized with the output pressure p 0 , the liquids in the reservoirs 7, 9 are also pressurized with gas at the output pressure p 0 via the 3/2-way changeover valves V1, V2 installed in their pressure supply lines 13, 15. This creates a defined initial situation in which there is no pressure drop via the check valves VR1, VR2 or VR. The check valves VR1, VR2 or VR prevent liquid from penetrating the container 1 in this process step.
Im nächsten Verfahrensschritt wird der mit Gas unter dem Ausgangsdruck p0 gefüllte Behälter 1 durch das vollständige Schließen des Ventils V3 gasdicht verschlossen, und der Ausgangsdruck p0 im Behälter 1 mit dem Drucksensor 23 gemessen.In the next process step, the container 1 filled with gas under the initial pressure p 0 is completely closed by the valve V3 gas-tight, and the outlet pressure p 0 in container 1 is measured with the pressure sensor 23.
Anschließend wird ein Flüssigkeitsstrom aus einem oder mehreren Speichern 7, 9 in den Behälter 1 bewirkt. Hierzu wird der vom Druckgeber 11 generierte Druck p über die Druckzuleitungen 13, 15 durch eine entsprechende Ansteuerung der Ventile V1, V2 ausschließlich den Speichern 7, 9 zugeführt, die Flüssigkeit ausgeben sollen. Zur Bewirkung des Flüssigkeitsstromes in den Behälter 1 wird der Druck p des Druckgebers 11 auf einen Druck p erhöht der weit genug über dem im Inneren des Behälters 1 herrschenden Druck liegt, um den Durchbrechdruck des jeweiligen Rückschlagventils VR1, VR2 bzw. VR und den Flusswiderstand der jeweiligen Zuleitung 17, 19 und der Zuleitung 20 zu überwinden. Im Ausführungsbeispiel gemäß
Die in den Behälter 1 einströmende Flüssigkeit, die bei der Ausgestaltung gemäß
Erfindungsgemäß wird der Gasdruck pG(t) des Gases im Behälter 1 als Funktion der Zeit t gemessen, und anhand des gemessenen Gasdrucks pG(t) das in den Behälter 1 bis zur Zeit t insgesamt eingeströmte Volumen V(t) und/oder der in den Behälter 1 zur Zeit t einströmende Volumenstrom dV(t)/dt bestimmt.According to the invention, the gas pressure p G (t) of the gas in the container 1 is measured as a function of time t, and based on the measured gas pressure p G (t), the total volume V(t) flowing into the container 1 up to time t and/or the volume flow dV(t)/dt flowing into the container 1 at time t is determined.
Unter der Annahme, dass sich das eingeschlossene Gas wie ein ideales Gas verhält, gilt das Boyle-Mariotte Gesetz, wonach das Produkt von Gasdruck pG und Gasvolumen VG des eingeschlossenen Gases bei gleich bleibender Temperatur konstant, und damit hier gleich dem Produkt von Ausgangsdruck p0 und Ausgangsvolumen V0 ist. Damit gilt näherungsweise:
Anhand dieser Beziehung ergibt sich das bis zur Zeit t eingeströmte Volumen V(t) der Flüssigkeit zu:
Beide Größen können unmittelbar anhand des als Funktion der Zeit t gemessenen Gasdrucks pG(t) berechnet werden.Both quantities can be calculated directly from the gas pressure p G (t) measured as a function of time t.
Hierzu umfasst die Vorrichtung eine an den Drucksensor 23 angeschlossene elektronische Einheit 25, die anhand des nach dem Verschließen des unter dem Ausgangsdruck p0 mit dem Ausgangsvolumen V0 an Gas befüllten Behälters 1 mit dem Drucksensor 23 als Funktion der Zeit t gemessenen Gasdrucks pG(t) während eines jeden Betriebszyklusses das eingeströmte Volumen V(t) und/oder den einströmenden Volumenstrom dV(t)/dt der Flüssigkeit bestimmt.For this purpose, the device comprises an electronic unit 25 connected to the pressure sensor 23, which determines the inflowing volume V(t ) and/or the inflowing volume flow dV(t ) /dt of the liquid during each operating cycle based on the gas pressure p G (t) measured by the pressure sensor 23 as a function of time t after the container 1 filled with the initial volume V 0 of gas at the initial pressure p 0 has been closed.
Da es unter Umständen sehr schwer oder aufwendig sein kann, das Ausgangsvolumen V0 im Behälter 1 genau zu ermitteln und sich das Verhalten des Gases, z.B. aufgrund von darin enthaltener Feuchtigkeit, geringfügig von dem eines idealen Gases unterscheiden kann, wird vorzugsweise vorab ein Kalibrationsverfahren ausgeführt.Since it may be very difficult or time-consuming to determine the initial volume V 0 in container 1 precisely and the behavior of the gas may differ slightly from that of an ideal gas, e.g. due to moisture contained therein, a calibration procedure is preferably carried out in advance.
Hierzu wird ein relativer Gasdruck pR definiert, der gleich einem Quotienten aus dem Ausgangsdruck p0 und dem gemessenen Gasdruck pG ist.
In dem vorgeschalteten Kalibrationsverfahren wird ausgehend von dem zuvor beschriebenen definierten Ausgangszustand mit dem im Ausgangsvolumen V0 unter dem Ausgangsdruck p0 eingeschlossenen Gas eine Kenngröße mv der Vorrichtung bestimmt, die die Steigung des relativen Gasdrucks pR in Abhängigkeit vom eingeströmten Volumen V angibt.
Diese Änderung des relativen Gasdrucks pR pro Änderung des eingeströmten Volumens V kann beispielsweise bestimmt werden, in dem der Behälter 1 sukzessiv mit mehreren bekannten Referenzvolumen befüllt, und anhand der dabei gemessenen Gasdrücke pG die zugehörigen relativen Gasdrücke pR als Funktion des jeweils im Behälter 1 befindlichen Flüssigkeitsvolumens aufgezeichnet werden. Alternativ kann die Kenngröße mv ermittelt werden, indem der Behälter 1 mit einem konstanten bekannten Referenzvolumenstrom an Flüssigkeit befüllt wird, aus dem das eingeströmte Volumen V durch Integration über die Zeit abgeleitet wird, und die zugehörigen relativen Gasdrücke pR als Funktion des eingeströmten Volumens V anhand der gemessenen Gasdrücke pG aufgezeichnet werden. In beiden Fällen wird die Steigung der aufgezeichneten die relativen Gasdrücke pR als Funktion des eingeströmten Volumens V wiedergebenden Kennlinie bestimmt, die gleich der gesuchten Kenngröße mv ist.This change in the relative gas pressure p R per change in the inflow volume V can, for example, be determined by successively filling the container 1 with several known reference volumes and recording the associated relative gas pressures p R as a function of the volume of liquid in the container 1 based on the gas pressures p G measured in the process. Alternatively, the parameter mv can be determined by filling the container 1 with a constant, known reference volume flow of liquid, from which the inflow volume V is derived by integration over time, and recording the associated relative gas pressures p R as a function of the inflow volume V based on the measured gas pressures p G. In both cases, the slope of the recorded characteristic curve representing the relative gas pressures p R as a function of the inflow volume V is determined, which is equal to the desired parameter mv.
Die Kenngröße mv ist eine Konstante, die im Wesentlichen dem negativen Kehrwert des Ausgangsvolumens V0 entspricht, und zugleich Abweichungen des Verhaltens des Gases von dem eines idealen Gases mit berücksichtigt.The parameter mv is a constant which essentially corresponds to the negative reciprocal of the initial volume V 0 and at the same time takes into account deviations of the behavior of the gas from that of an ideal gas.
Wenn ein solches Kalibrationsverfahren nicht ausgeführt werden kann oder soll, so kann - bei bekanntem oder durch Messung bestimmten Ausgangsvolumen V0 - für das nachfolgend weiter beschriebene Verfahren anstelle der Kenngröße mv ein Näherungswert mv' mit:
Im Anschluss an das Kalibrationsverfahren wird die Flüssigkeit aus dem Behälter 1 entleert und der definierte Ausgangszustand wieder hergestellt.Following the calibration procedure, the liquid is drained from container 1 and the defined initial state is restored.
Der anschließende Betrieb der Vorrichtung erfolgt vorzugsweise in aufeinander folgenden Betriebszyklen, in denen ausgehend vom Ausgangszustand Gas unter dem Ausgangsdruck p0 im Ausgangsvolumen V0 eingeschlossen wird, der Behälter 1 anschließend mit Flüssigkeit befüllt wird, und abschließend die insgesamt in dem jeweiligen Betriebszyklus in den Behälter 1 eingeströmte Flüssigkeit aus dem Behälter 1 abgeführt wird.The subsequent operation of the device preferably takes place in successive operating cycles in which, starting from the initial state, gas is enclosed in the initial volume V 0 under the initial pressure p 0 , the container 1 is then filled with liquid, and finally the total liquid that has flowed into the container 1 in the respective operating cycle is discharged from the container 1.
Während des Befüllvorgangs wird das bis zum Zeitpunkt t insgesamt eingeströmte Volumen V(t) als Quotient aus dem um 1 reduzierten relativen Gasdruck pR(t) und der Kenngröße mv bestimmt. D.h. :
Während des Befüllvorgangs wird anhand des als Funktion der Zeit gemessenen Gasdrucks pG(t) eine zeitliche Änderungsrate dpR/dt des relativen Gasdrucks pR bestimmt, und der zu messende Volumenstrom dV(t)/dt der einströmenden Flüssigkeit gleich einem Quotienten aus der zeitlichen Änderungsrate dpR/dt des relativen Gasdrucks pR und der Kenngröße mv gesetzt.
Das insgesamt in den Behälter 1 bis zum Zeitpunkt t eingeströmte Volumen V(t) kann alternativ auch durch eine Integration bzw. Summation der auf die letztgenannte Weise gemessenen Volumenströme dV(t)/dt über diesen Zeitraum bestimmt werden.The total volume V(t) flowing into the container 1 up to time t can alternatively be determined by integrating or summing the volume flows dV(t)/dt measured in the latter way over this period.
Vorzugsweise besitzen alle Komponenten, die das Volumen V0 umgeben, näherungsweise die gleiche Temperatur, die vorzugsweise zumindest näherungsweise gleich der Temperatur des im Volumen V0 eingeschlossenen Gases ist. Lokale Temperaturveränderungen innerhalb des Volumens V0, z.B. durch Erwärmung des Ventils V3, sollten nach Möglichkeit vermieden werden, da hierdurch Druckänderungen bewirkt werden können, die zu einer temperaturabhängigen Messungenauigkeit führen. Eine durch eine vorwiegend homogene Temperaturveränderung des im Volumen V0 eingeschlossenen Gases bewirkte Druckänderung kann mit Hilfe eines in das Volumen V0 integrierten Temperatursensors, z.B. anhand der aus der Zustandsgleichung idealer Gase folgenden linearen Temperaturabhängigkeit des Produkts von Gasdruck pG und Gasvolumen VG, kompensiert werden.Preferably, all components surrounding the volume V 0 have approximately the same temperature, which is preferably at least approximately equal to the temperature of the gas enclosed in the volume V 0 . Local temperature changes within the volume V 0 , e.g. due to heating of the valve V3, should be avoided if possible, since this can cause pressure changes that lead to temperature-dependent measurement inaccuracies. A pressure change caused by a predominantly homogeneous temperature change of the gas enclosed in the volume V 0 can be compensated for with the aid of a temperature sensor integrated into the volume V 0 , e.g. based on the linear temperature dependence of the product of gas pressure p G and gas volume V G resulting from the equation of state of ideal gases.
Die Befüllung des Behälters 1 und die Messung von eingeströmtem Volumen V und/oder einströmendem Volumenstrom dV/dt können nun solange fortgesetzt werden, bis der Gasdruck pG im Behälter 1 bzw. im Gasraum 53 (
Im Anschluss an den Befüllvorgang wird die im Behälter 1 befindliche Flüssigkeit aus dem Behälter 1 abgeführt.Following the filling process, the liquid in container 1 is drained from container 1.
Hierzu ist der Behälter 1 über eine mit einem Ablassventil VA ausgestatte Ablassleitung 27 an ein Aufnahmegefäß 29 angeschlossen, in das die in dem Behälter 1 befindliche Flüssigkeit abgeführt werden kann. Auch hier wird vorzugsweise ein modularer Aufbau gewählt.For this purpose, the container 1 is connected via a drain line 27 equipped with a drain valve V A to a receiving vessel 29 into which the liquid in the container 1 can be drained. Here, too, a modular structure is preferably selected.
Das Aufnahmegefäß 29 ist vorzugsweise mit einer Entlüftungsöffnung 31 versehen, über die dessen Innenraum mit dem Umgebungsdruck beaufschlagt ist.The receiving vessel 29 is preferably provided with a vent opening 31, through which its interior is subjected to the ambient pressure.
Das Ablassventil VA ist vorzugsweise ebenfalls ein passives Rückschlagventil, das einen Durchbrechdruck aufweist, der größer als die Differenz zwischen dem maximalen Gasdruck pGmax und dem Umgebungsdruck ist. Damit ist gewährleistet, dass das Ablassventil VA die Ablassleitung 27 während des Befüllvorgangs sperrt.The drain valve V A is preferably also a passive check valve which has a breakthrough pressure which is greater than the difference between the maximum gas pressure p Gmax and the ambient pressure. This ensures that the drain valve V A blocks the drain line 27 during the filling process.
Zur Abführung der Flüssigkeit aus dem Behälter 1 wird die Flüssigkeitszufuhr in den Behälter 1 - wie oben bereits beschrieben - unterbrochen. Anschließend wird das Ventil V3 geöffnet und die im Behälter 1 enthaltene Flüssigkeit bzw. der Stempel 51 (vgl.
Nach dem Entleeren des Behälters 1 befindet sich die Vorrichtung wieder im Ausgangszustand und es kann unmittelbar der nächste Betriebszyklus in der oben beschriebenen Weise ausgeführt werden.After emptying the container 1, the device returns to its initial state and the next operating cycle can be carried out immediately in the manner described above.
Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung eine an den Drucksensor 23 angeschlossene Steuerung 33, die im Anschluss an das Kalibrationsverfahren anhand des gemessenen Gasdrucks pG durch eine entsprechende Ansteuerung des Druckgebers 11, der Ventile V1, V2 und des Ventils V3 einen vollautomatischen Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung bewirkt. Die Steuerung 33 ist beispielsweise integraler Bestandteil der elektronischen Einheit 25.The device preferably comprises a controller 33 connected to the pressure sensor 23, which, following the calibration process, uses the measured gas pressure p G to bring about a fully automatic operation of the device according to the invention by appropriately controlling the pressure sensor 11, the valves V1, V2 and the valve V3. The controller 33 is, for example, an integral part of the electronic unit 25.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann auf vielfältige Weise verwendet bzw. betrieben werden.The device according to the invention can be used or operated in a variety of ways.
Eine erste Verwendung besteht darin, die Vorrichtung als automatisierte Mikrospritze zur Dosierung von Flüssigkeiten zu betreiben, die beispielsweise zu vorgegebenen Zeiten vorgegebene Sollvolumina einzelner Flüssigkeiten ausgibt.A first use is to operate the device as an automated micro-syringe for dosing liquids, which, for example, dispenses predetermined target volumes of individual liquids at predetermined times.
Hierzu steuert die Steuerung 33, die durch die Vorrichtung zur Bewirkung des Flüssigkeitsstromes bewirkte Flüssigkeitszufuhr aus mindestens einem ausgewählten Speicher 7, 9 in Abhängigkeit von dem gemessenen in den Behälter 1 eingeströmten Volumen V(t), und beendet die Flüssigkeitszufuhr durch Schließung der Ventile V1, V2, wenn das gemessene Volumen V(t) das jeweilige vorgegebene Sollvolumen erreicht. Dabei wird über die Steuerung der Ventile V1, V2 vorgegeben, aus welchem Speicher 7, 9 bzw. welchen Speichern 7, 9 der Behälter 1 bis zum Erreichen des jeweiligen Sollvolumens in dem jeweiligen Betriebszyklus mit Flüssigkeit befüllt wird.For this purpose, the controller 33 controls the liquid supply from at least one selected reservoir 7, 9, which is effected by the device for effecting the liquid flow, depending on the measured volume V(t) flowing into the container 1, and ends the liquid supply by closing the valves V1, V2 when the measured volume V(t) reaches the respective specified target volume. The control of the valves V1, V2 specifies from which reservoir 7, 9 or reservoirs 7, 9 the container 1 is filled with liquid until the respective target volume is reached in the respective operating cycle.
So kann in dem Behälter 1 beispielsweise zunächst ein Sollvolumen VSA der Flüssigkeit A aus dem Speicher 7 abgemessen werden, dass dann über die Ablassleitung 27 ausgegeben wird. Anschließend kann ein Sollvolumen VSB der Flüssigkeit B aus dem Speicher 9 abgemessen werden, dass dann über die Ablassleitung 27 ausgegeben wird. Ebenso kann durch eine parallele Befüllung des Behälters 1 mit Flüssigkeit A und B aus beiden Speichern 7, 9 ein Sollvolumen VSAB abgemessen und nachfolgend ausgegeben werden, das beide Flüssigkeiten A und B enthält.For example, in the container 1, a target volume V SA of the liquid A can first be measured from the reservoir 7, which is then discharged via the drain line 27. Subsequently, a target volume V SB of the liquid B can be measured from the reservoir 9, which is then discharged via the drain line 27. Likewise, by filling the container 1 in parallel with liquid A and B from both reservoirs 7, 9, a target volume V SAB can be measured and subsequently discharged, which contains both liquids A and B.
Darüber hinaus ist die Vorrichtung in der Lage, ein Sollvolumen einer Flüssigkeit abzumessen und auszugeben, das zwei oder mehr verschiedene, in entsprechend vielen Speichern 7, 9 bereitgestellte Flüssigkeiten A, B, in einem vorgegebenen Mischungsverhältnis enthält. Hierzu wird der Behälter 1 innerhalb eines einzigen Betriebszyklusses über eine entsprechende Steuerung der Vorrichtung zur Bewirkung des Flüssigkeitsstromes sukzessiv mit den vorgegebenen Sollvolumina VSA, VSB der einzelnen Flüssigkeiten A, B aus den einzelnen Speichern A, B befüllt, wobei das Erreichen der jeweiligen Sollvolumina VSA, VSB anhand des gemessenen in den Behälter 1 insgesamt eingeströmten Volumens V(t) und dem zu Beginn der Befüllung mit der jeweiligen Flüssigkeit A, B aus dem jeweiligen Speicher 7, 9 bereits in dem Behälter 1 befindlichen mit der Vorrichtung gemessenen eingeströmten Volumens V überwacht wird.In addition, the device is able to measure and dispense a target volume of a liquid that contains two or more different liquids A, B, provided in a corresponding number of reservoirs 7, 9, in a predetermined mixing ratio. For this purpose, the container 1 is successively filled with the predetermined target volumes V SA , V SB of the individual liquids A, B from the individual reservoirs A, B within a single operating cycle via a corresponding control of the device for effecting the liquid flow, wherein the achievement of the respective target volumes V SA , V SB is determined based on the measured in the total volume V(t) flowing into the container 1 and the flowing volume V already in the container 1 measured by the device at the beginning of filling with the respective liquid A, B from the respective reservoir 7, 9.
Bei der sukzessiven Befüllung des Behälters 1 mit den unterschiedlichen Sollvolumen VSA, VSB der einzelnen Flüssigkeiten A, B wird vorzugsweise mit der Befüllung mit der Flüssigkeit A, B begonnen, von der das größte Sollvolumen VSA, VSB benötigt wird, und die Befüllung dann sukzessiv jeweils mit der Flüssigkeit A, B fortgesetzt, von der das nächst kleinere Sollvolumen VSA, VSB benötigt wird. Dies bietet den Vorteil eines bezogen auf das jeweilige Sollvolumen VSA, VSB geringeren relativen, durch die Messgenauigkeit des Drucksensors 23 bedingten, Messfehlers.When successively filling the container 1 with the different target volumes V SA , V SB of the individual liquids A, B, it is preferable to start filling with the liquid A, B that requires the largest target volume V SA , V SB and then continue filling successively with the liquid A, B that requires the next smallest target volume V SA , V SB . This offers the advantage of a smaller relative measurement error in relation to the respective target volume V SA , V SB , caused by the measurement accuracy of the pressure sensor 23.
Durch eine Erweiterung der in
Darüber hinaus kann der Behälter 1 als Mischbehälter verwendet werden, der nach seiner Befüllung mit den einzelnen Sollvolumen VSA, VSB etc. als Speicher, im Sinne der hier beschriebenen Speicher 7, 9, in einer komplexeren Vorrichtung zur Verfügung steht.In addition, the container 1 can be used as a mixing container which, after being filled with the individual target volumes V SA , V SB etc., is available as a storage device, in the sense of the storage devices 7, 9 described here, in a more complex device.
Eine weitere Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht in der Erzeugung von geregelten Volumenströmen einstellbarer Größe.A further use of the device according to the invention consists in the generation of controlled volume flows of adjustable size.
Dabei wird der in den Behälter 1 einströmende Volumenstrom dV/dt anhand des gemessenen einströmenden Volumenstroms dV/dt durch eine entsprechende Regelung der Flüssigkeitszufuhr in den Behälter 1 auf einen vorgegebenen Sollwert geregelt. Hierzu ist eine vorzugsweise ebenfalls in der elektronischen Einheit 25 integrierte, an die Steuerung 33 angeschlossene Regeleinrichtung 35 vorgesehen, die die Flüssigkeitszufuhr über die Steuerung des Druckgebers 11 und der Ventile V1, V2 entsprechend regelt.The volume flow dV/dt flowing into the container 1 is regulated to a predetermined target value based on the measured incoming volume flow dV/dt by appropriately regulating the liquid supply into the container 1. For this purpose, a control device 35 is provided, preferably also integrated in the electronic unit 25 and connected to the control 33, which regulates the liquid supply accordingly by controlling the pressure sensor 11 and the valves V1, V2.
Bei dieser Verwendung wird der Behälter 1 über eine einzige Speiseleitung SP befüllt, durch die die gesamte in den Behälter 1 einströmende Flüssigkeit fließt. Der durch diese Speiseleitung SP fließende Volumenstrom ist folglich gleich dem in den Behälter 1 einströmenden Volumenstrom dV/dt und wird entsprechend ebenfalls auf den Sollvolumenstrom geregelt.In this application, the container 1 is filled via a single feed line SP through which all the liquid flowing into the container 1 flows. The volume flow flowing through this feed line SP is therefore equal to the volume flow dV/dt flowing into the container 1 and is also regulated accordingly to the target volume flow.
Die Speiseleitung SP umfasst hier die ausgangsseitig an die Vorrichtung zur Erzeugung des Flüssigkeitsstromes angeschlossene Zuleitung 20, durch die die insgesamt in den Behälter 1 einströmende Flüssigkeit fließt.The feed line SP here comprises the supply line 20 which is connected on the output side to the device for generating the liquid flow and through which the liquid flowing into the container 1 flows.
In der in
Ebenso können natürlich analog zu der dargestellten Vorrichtung aufgebaute Vorrichtungen verwendet werden, bei denen einige ausgewählte Speicher ausgangsseitig in eine Speiseleitung münden, über die dann in diesem Betriebsmodus die gesamte Flüssigkeitszufuhr in den Behälter 1 erfolgt. Auch bei dieser Variante wird die Flüssigkeitszufuhr aus allen übrigen nicht an die Speiseleitung angeschlossenen Speichern durch die Schließung der zugehörigen Ventile in den zugehörigen Druckzuleitungen unterbunden.In the
Likewise, devices constructed analogously to the device shown can of course be used, in which some selected storage tanks open into a feed line on the output side, via which the entire liquid supply to the container 1 then takes place in this operating mode. In this variant too, the liquid supply from all other storage tanks not connected to the feed line is prevented by closing the corresponding valves in the corresponding pressure supply lines.
Die automatisierte Erzeugung vorgegebener Sollvolumenströme durch die Speiseleitung SP ist insb. bei der Messung und/oder Überwachung chemischer und/oder physikalischer Eigenschaften der durch die Speiseleitung SP strömenden Flüssigkeit sowie bei der Analyse dieser Flüssigkeit von großem Vorteil.The automated generation of predetermined target volume flows through the feed line SP is of great advantage, especially when measuring and/or monitoring chemical and/or physical properties of the liquid flowing through the feed line SP, as well as when analyzing this liquid.
Auf diese Weise kann mittels der Vorrichtung während des zugehörigen Befüllvorgangs ein durch eine in die Speiseleitung SP eingesetzte Mess- und/oder Analyseeinrichtung 37 fließender Volumenstrom auf einen vorgegebenen für die Messung und/oder Analyse optimalen Sollvolumenstrom geregelt werden.In this way, by means of the device, during the associated filling process, a volume flow flowing through a measuring and/or analysis device 37 inserted into the feed line SP can be regulated to a predetermined target volume flow that is optimal for the measurement and/or analysis.
Anstelle oder zusätzlich zu der in die -hier durch die Zuleitung 20 gebildeten-Speiseleitung SP eingesetzten Mess- und/oder Analyseeinheit 37 kann in die über den Speicher 7 gespeiste Zuleitung 17 und/oder in die über den Speicher 9 gespeiste Zuleitung 19 zum Behälter 1 eine weitere Mess- und/oder Analyseeinrichtung 37a, 37b eingesetzt werden.Instead of or in addition to the measuring and/or analysis unit 37 inserted into the feed line SP - here formed by the feed line 20 - a further measuring and/or analysis device 37a, 37b can be inserted into the feed line 17 fed via the storage device 7 and/or into the feed line 19 to the container 1 fed via the storage device 9.
Während der Behälter 1 ausschließlich mit Flüssigkeit A aus dem Speicher 7 befüllt wird, fließt der insgesamt in den Behälter 1 einströmende Volumenstrom dV/dt durch die Zuleitung 17, die hierdurch Teil SP17 der Speiseleitung SP wird. Entsprechend kann der Volumenstrom durch die Mess- und/oder Analyseeinrichtung 37a in diesem Fall anhand des gemessenen Volumenstroms dV/dt auf einen vorgegebenen Sollvolumenstrom geregelt werden.While the container 1 is filled exclusively with liquid A from the reservoir 7, the total volume flowing into the container 1 volume flow dV/dt through the supply line 17, which thereby becomes part SP17 of the feed line SP. Accordingly, the volume flow through the measuring and/or analysis device 37a can in this case be regulated to a predetermined target volume flow based on the measured volume flow dV/dt.
Während der Behälter 1 ausschließlich mit Flüssigkeit B aus dem Speicher 9 befüllt wird, fließt der insgesamt in den Behälter 1 einströmende Volumenstrom dV/dt durch die Zuleitung 19, die hierdurch Teil SP19 der Speiseleitung SP wird. Entsprechend kann der Volumenstrom durch die Mess- und/oder Analyseeinrichtung 37b auch in diesem Fall anhand des gemessenen Volumenstroms dV/dt auf einen vorgegebenen Sollvolumenstrom geregelt werden.While the container 1 is filled exclusively with liquid B from the reservoir 9, the total volume flow dV/dt flowing into the container 1 flows through the supply line 19, which thereby becomes part SP19 of the feed line SP. Accordingly, the volume flow can also be regulated to a predetermined target volume flow by the measuring and/or analysis device 37b in this case based on the measured volume flow dV/dt.
Wird der Behälter 1 - wie oben erwähnt - als Mischbehälter verwendet, der nach seiner Befüllung mit einzelnen Sollvolumen VSA, VSB etc. als Speicher, im Sinne der hier beschriebenen Speicher 7, 9, in einer komplexeren Vorrichtung eingesetzt wird, so kann auch die Ablassleitung 27 als Speiseleitung in dem oben beschriebenen Sinne betrieben werden, und der Volumenstrom durch eine in die Ablassleitung 27 eingesetzte -hier nicht dargestellte - Mess- und/oder Analyseeinrichtung geregelt werden. Darüber hinaus ist es natürlich grundsätzlich immer möglich, in die Ablassleitung 27 solche Mess- und/oder Analyseeinrichtungen einzusetzen, die auch ohne eine Regelung des durch sie hindurchströmenden Volumenstroms funktionsfähig sind.If the container 1 - as mentioned above - is used as a mixing container which, after being filled with individual target volumes V SA , V SB etc., is used as a storage device in a more complex device in the sense of the storage devices 7, 9 described here, the drain line 27 can also be operated as a feed line in the sense described above and the volume flow can be regulated by a measuring and/or analysis device - not shown here - inserted into the drain line 27. In addition, it is of course always possible in principle to insert measuring and/or analysis devices into the drain line 27 which are also functional without regulating the volume flow flowing through them.
Die erfindungsgemäß Vorrichtung ist damit äußerst vielseitig einsetzbar.The device according to the invention is therefore extremely versatile.
Die einfachste Verwendung besteht in der reinen Messung des eingeströmten Volumens V(t) und/oder des einströmenden Volumenstroms dV(t)/dt in den Behälter 1.The simplest use is the pure measurement of the inflowing volume V(t) and/or the inflowing volume flow dV(t)/dt into the container 1.
Darüber hinaus können mit ihr - wie oben beschrieben- vorgegebene Sollvolumina VSA, VSB abgemessen und einzeln oder in vorgegebenen Mischungsverhältnissen dosiert ausgegeben werden. Dies wird insb. in der chemischen und biochemischen Analytik in homogener Flüssigphase benötigt.In addition, as described above, it can be used to measure predetermined target volumes V SA , V SB and dispense them individually or in predetermined mixing ratios. This is particularly required in chemical and biochemical analysis in a homogeneous liquid phase.
Darüber hinaus können mit der Vorrichtung Sollvolumenströme durch die Speiseleitung SP, bzw. SP17 oder SP19 eingestellt werden. Diese Eigenschaft wird insb. in der oberflächengebundenen chemischen und biochemischen Analytik, z.B. für den Betrieb eines automatisierten Immunoassays, benötigt.In addition, the device can be used to set target volume flows through the feed line SP, or SP17 or SP19. This property is particularly required in surface-bound chemical and biochemical analysis, e.g. for the operation of an automated immunoassay.
Dabei ist es ohne weiteres möglich, die gleiche Vorrichtung in einem Betriebszyklus oder in aufeinander folgenden Betriebszyklen sowohl zur Erzeugung eines Sollvolumenstroms durch eine der Mess- und/oder Analyseeinrichtungen 37, 37a, 37b als auch zur hochgenauen Dosierung von vorgegebenen Sollvolumen einzelner Flüssigkeiten oder mehrerer in einem vorgegebenen Mischungsverhältnissen zu mischenden Flüssigkeiten der einzelnen in den Speicher 7, 9 bereitgestellten Flüssigkeiten A, B einzusetzen.It is thereby readily possible to use the same device in one operating cycle or in successive operating cycles both for generating a target volume flow through one of the measuring and/or analysis devices 37, 37a, 37b and for highly precise dosing of predetermined target volumes of individual liquids or of several liquids to be mixed in a predetermined mixing ratio of the individual liquids A, B provided in the storage 7, 9.
So kann der Behälter 1 beispielsweise zunächst unter Einhaltung eines vorgegebenen Sollvolumenstroms durch die in der Zuleitung 17 eingesetzte Mess- und/oder Analyseeinrichtung 37a mit einem vorgegebenen Sollvolumen VSA der Flüssigkeit A befüllt werden, anschließend unter Einhaltung eines vorgegebenen Sollvolumenstroms durch die in der Zuleitung 19 eingesetzte Mess- und/oder Analyseeinrichtung 37b mit einem vorgegebenen Sollvolumen VSB der Flüssigkeit B befüllt werden, und abschließend die im Behälter 1 in dem durch die beiden Sollvolumina VSA und VSA vorgegebenen Mischungsverhältnis aus den Flüssigkeiten A und B zusammengesetzte Flüssigkeit ausgegeben werden.For example, the container 1 can first be filled with a predetermined target volume V SA of the liquid A by the measuring and/or analysis device 37a inserted in the supply line 17 while maintaining a predetermined target volume flow, then filled with a predetermined target volume V SB of the liquid B by the measuring and/or analysis device 37b inserted in the supply line 19 while maintaining a predetermined target volume flow, and finally the liquid composed of the liquids A and B in the container 1 in the mixing ratio predetermined by the two target volumes V SA and V SA can be dispensed.
Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen bieten den Vorteil, dass durch sie Dosierungen und Volumenstromregelungen in nahezu beliebiger Weise hintereinander und/oder in Kombination miteinander ausgeführt werden können. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung können folglich äußerst komplexe Abläufe und Verfahren voll automatisch ausgeführt werden.The devices according to the invention offer the advantage that they can be used to carry out dosing and volume flow control in almost any manner, one after the other and/or in combination with one another. The device according to the invention can therefore be used to carry out extremely complex processes and methods fully automatically.
Dabei bietet der modulare Aufbau den Vorteil, dass über den vorzugsweise automatisierten Austausch von Speichern 7, 9 und/oder Aufnahmegefäßen 25 ein hohes Maß an Flexibilität besteht und praktisch beliebig viele unterschiedliche Flüssigkeiten A, B verarbeitet werden können.The modular design offers the advantage that a high degree of flexibility is provided through the preferably automated exchange of storage tanks 7, 9 and/or receiving vessels 25 and that practically any number of different liquids A, B can be processed.
Idealer Weise werden dabei alle Flüssigkeit beinhaltenden und alle Flüssigkeit führenden Komponenten, also die Speicher 7, 9, der Behälter 1, die Aufnahmegefäße 29, und die Zuleitungen 17, 19, 20 als Modulbausteine ausgebildet, die zu einer Baugruppe zusammengefügt werden.
Ebenso sind alle übrigen mechanischen, pneumatischen und elektronischen Komponenten, also der Druckgeber 11, die elektronische Einheit 25, der Drucksensor 23 und die Druckzuleitungen 13, 15, 21, 22 und die darin enthaltenen Ventile V1, V2, V3, vorzugsweise zu einer Einheit zusammengefasst. Diese Einheit kann nun in Verbindung mit unterschiedlichen Baugruppen eingesetzt werden, wobei der Anschluss der Einheit an die jeweilige Baugruppe auf einfache Weise über vorteilhafterweise mit flüssigkeitsundurchlässigen gasdurchlässigen Membranen oder Filtern ausgestattete pneumatische Anschlüsse 39, 41, 43 erfolgt. Eine pneumatische Schnittstelle ist auch in der am 25.03.2010 eingereichten Deutschen Patentanmeldung der Anmelderin mit der Anmeldenummer
Likewise, all other mechanical, pneumatic and electronic components, i.e. the pressure transmitter 11, the electronic unit 25, the pressure sensor 23 and the pressure supply lines 13, 15, 21, 22 and the valves V1, V2, V3 contained therein, are preferably combined into one unit. This unit can then be used in conjunction with different assemblies, whereby the connection of the unit to the respective assembly is carried out in a simple manner via pneumatic connections 39, 41, 43, advantageously equipped with liquid-impermeable gas-permeable membranes or filters. A pneumatic interface is also described in the German patent application filed on March 25, 2010 by the applicant. rin with the registration number
- 11
- Behältercontainer
- 33
- BefüllöffnungFilling opening
- 55
- FlüssigkeitszufuhreinrichtungLiquid supply device
- 77
- SpeicherStorage
- 99
- SpeicherStorage
- 1111
- regelbarer pneumatischer Druckgeberadjustable pneumatic pressure sensor
- 1313
- DruckzuleitungPressure supply line
- 1515
- DruckzuleitungPressure supply line
- 1717
- ZuleitungSupply line
- 1919
- ZuleitungSupply line
- 2121
- DruckzuleitungPressure supply line
- 2323
- DrucksensorPressure sensor
- 2525
- elektronische Einheitelectronic unit
- 2727
- AblassleitungDrain line
- 2929
- AufnahmegefäßReceptacle
- 3131
- EntlüftungsöffnungVent opening
- 3333
- Steuerungsteering
- 3535
- RegeleinrichtungControl device
- 3737
- Mess- und/oder AnalyseeinrichtungMeasuring and/or analysis device
- 3939
- pneumatischer Anschlusspneumatic connection
- 4141
- pneumatischer Anschlusspneumatic connection
- 4343
- pneumatischer Anschlusspneumatic connection
- 5151
- StempelRubber stamp
- 5252
- FlüssigkeitsraumFluid space
- 5353
- GasraumGas room
- 5454
- StempelRubber stamp
- 5555
- StempelRubber stamp
- 5656
- FlüssigkeitsraumFluid space
- 5757
- FlüssigkeitsraumFluid space
- 5858
- GasraumGas room
- 5959
- GasraumGas room
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