CH711665B1

CH711665B1 - Verfahren und Vorrichtung zum Detektieren einer Flüssigkeitskontaktierung.

Info

Publication number: CH711665B1
Application number: CH01526/15A
Authority: CH
Inventors: Hinn Werner; kress David; Kamm Lars
Original assignee: Tecan Trading Ag
Priority date: 2015-10-20
Filing date: 2015-10-20
Publication date: 2020-01-15
Also published as: US11125600B2; CH711665A2; DE112016004791A5; US20180313683A1; WO2017067734A1

Abstract

Vorrichtung (100) mit kapazitiv arbeitender Messvorrichtung (M), wobei die Vorrichtung (100) pro Kanal einen Flüssigkeitsbehälter (5.1, 5.2) und einen in Richtung der Flüssigkeit im Flüssigkeitsbehälter (5.1, 5.2) zustellbaren Fühler (3.1, 3.2) umfasst. Die Vorrichtung (100) umfasst weiterhin einen Generator (G) zum Bereitstellen eines periodischen Eingangssignals (s i n (t)). Ausserdem umfasst die Vorrichtung (100) pro Kanal eine Kompensationsschaltung (CT.1, CT.2), die mit dem periodischen Eingangssignal (s in (t)) speisbar ist und die dazu ausgelegt ist, an einem ersten Ausgang (A.1, A.2) ein Eingangssignal (s in1 (t), s in 2 (t)) zum Anlegen an den Fühler (3.1, 3.2) des Kanals bereitzustellen, wobei die Kompensationsschaltung (CT.1, CT.2) einen weiteren Ausgang (6.1, 6.2) umfasst, der dazu ausgelegt ist, ein Signal (s 1 (t), s 2 (t)) bereitzustellen, das zum Erkennen einer Phasengrenze auswertbar ist.

Description

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum «Detektieren einer Flüssigkeitskontaktierung eines Fühlers mit einer Flüssigkeit in einem Flüssigkeitsbehälter.

Hintergrund der Erfindung [0002] Es gibt zahlreiche Laborsysteme und medizinische sowie pharmazeutische Geräte, die präzise Pipettieroperationen erfordern, um zufriedenstellende analytische Genauigkeit zu erhalten, Dafür muss der Füllstand in Reagenzgläsern, Titerplatten und anderen Flüssigkeitsbehältern genau ermittelt werden. Es gibt auch Anwendungen, bei denen es um die Detektion von Schaum-Flüssig-Phasengrenzen geht. Im Folgenden wird der Begriff der Phasengrenze sowohl für Übergänge zwischen gasförmigen und flüssigen Medien (Gas-Flüssig-Phasengrenze) als auch für Übergänge zwischen verschiedenen flüssigen Medien (Schaum-Flüssig-Phasengrenze) verwendet.

[0003] Besonders wenn es um die Automation von Mess- oder Versuchsabläufen geht, ist eine solche Ermittlung der Phasengrenze von Bedeutung. Die sogenannte Füllstandsermittlung erfolgt typischerweise mittels einer Detektion des Flüssigkeitsniveaus, d.h., es wird die Lage der Phasengrenze zwischen Luft und Flüssigkeit ermittelt. Dieser Vorgang wird auch als «Liquid Level Detection» (LLD) bezeichnet.

[0004] Im Stand der Technik sind verschiedene Verfahren zur Füllstandsermittlung bekannt, die auf unterschiedlichen physikalischen Prinzipien basieren, wie z.B. die Detektion des von der Oberfläche der Flüssigkeit reflektierten Lichts, oder die Messung elektrischer Eigenschaften der Pipetten, wenn sie in Kontakt mit der Flüssigkeit gebracht werden. Da ein Gas und eine Flüssigkeit deutlich unterschiedliche Dielektrizitätskonstanten besitzen, kann die Gas-Flüssig-Phasengrenze auch über eine Kapazitätsänderung bestimmt werden.

[0005] Die Liquid Level Detection kommt z.B. in Pipettiergeräten zum Einsatz. Hier soll beim Ansaugen mit einer Pipette die Pipettiernadel so gering wie möglich in die zu pipettierende Flüssigkeit eingetaucht werden, um eine Verschmutzung der Aussenseite mit Probenflüssigkeit so gering wie möglich zu halten. Beim Ansaugen wird die Pipettiernadel deshalb typischerweise nur wenige Millimeter unter das Flüssigkeitsniveau eingetaucht. Es muss aber sichergestellt werden, dass die Pipettiernadel ausreichend weit eingetaucht ist, damit keine Luft angesaugt werden kann. Während des Ansaugvorganges wird die Pipettiernadel dann kontinuierlich dem absinkenden Flüssigkeitsspiegel nachgeführt, damit sie immer gleich tief in Bezug zum Flüssigkeitsniveau eingetaucht bleibt. Nach dem Ansaugen kann z.B, anhand des angesaugten Volumens und der Querschnittsfläche des Flüssigkeitsbehälters berechnet werden, auf welcher Höhe sich die Gas-Flüssig-Phasengrenze befinden sollte. Beim Austauchen der Pipettenspitze kann ein Austauchsignal mit der errechneten Position der Gas-Flüssig-Phasengrenze verglichen werden, um so den Pipettiervorgang zu verifizieren.

[0006] Einerseits ist also wünschenswert, die Pipettierspitze knapp unter der Flüssigkeitsoberfläche zu positionieren, anderseits kann der Füllstand von einem Flüssigkeitsbehälter zu einem anderen stark variieren, weshalb die Pipettierspitze präzise positionierbar sein muss. Dafür ist es äusserst wichtig, die Flüssigkeitsoberfläche richtig detektieren zu können.

[0007] Fig. 1 zeigt eine schematische Illustration eines kapazitiv arbeitenden Detektionsverfahrens in einer Vorrichtung mit einem zustellbaren Fühler 3 und mit einem Flüssigkeitsbehälter 5, der mit Flüssigkeit 1 befüllt ist. Anhand dieser Illustration werden Details eines beispielhaften Detektionsverfahrens erläutert, das auf kapazitivem Wege die Position der LuftFlüssigkeits-Phasengrenze ermittelt. Um eine solche Flüssigniveaudetektion durchführen zu können, wird der zustellbare Fühler 3 mit einem Eingangssignal s_in(t) beaufschlagt. Das Eingangssignal s_in(t) wird hier von einem Eingangssignalgenerator E bereitgestellt Der zustellbare Fühler 3 ist in drei verschiedenen Positionen a), b) und c) gezeigt. Mit B ist die Zustellbewegung bezeichnet. In der Position a) steht der Fühler 3 weit oberhalb der Flüssigkeit 1. In Position b) hat er sich der Flüssigkeit 1 angenähert. Eine Situation kurz nach dem Berühren der Flüssigkeit 1 ist durch c) gekennzeichnet. Beim Erreichen der Position c) ergibt sich ein Kapazitätssprung am Fühler 3, der durch die Messvorrichtung M auswertbar ist. Zu diesem Zweck verarbeitet die Messvorrichtung M das Ausgangssignal s_out(t).

[0008] Die Zuverlässigkeit der Erkennung der Flüssigkeitsoberfläche mit den bekannten Verfahren ist aber in einigen Fällen nicht befriedigend. Das betrifft insbesondere Vorrichtungen, bei denen mehrere Flüssigkeitsbehälter mit den jeweiligen Fühlern nebeneinander angeordnet sind, da es hier zu Übersprechen oder anderen gegenseitigen Störungen kommen kann. Ein Übersprechen zwischen benachbarten Messkanälen kann in den jeweils benachbarten Kanälen das SignalRauschverhältnis reduzieren, was zu einer Begrenzung der Sensitivität bei der Detektion einer Flüssigkeitskontaktierung führen kann.

[0009] Fig. 2A zeigt eine entsprechende schematische Illustration einer mehrkanaligen Vorrichtung (hier sind zwei benachbarte Kanäle gezeigt) mit je einem individuell zustellbaren Fühler 3.1 bzw. 3.2 und mit je einem Flüssigkeitsbehälter

5.1 bzw. 5.2, der mit Flüssigkeit 1.1 bzw. 1.2 befüllt ist. Die Beschaltung der Vorrichtung entspricht der Beschaltung nach Fig. 1. Jeder Kanal hat hier einen eigenen Eingangssignalgenerator E.1 bzw. E.2 und eine eigene Messvorrichtung M.1 bzw. Μ.2. Der erste Fühler 3.1 des ersten Kanals wird von dem Eingangssignalgenerator E.1 mit einem ersten Eingangssignal s_in1(t) und der zweite Fühler 3.2 des zweiten Kanals wird von dem Eingangssignalgenerator E.2 mit einem zweiten Eingangssignal s_in2(t) gespeist. Die erste Messvorrichtung M.1 des ersten Kanals wertet das erste Ausgangssignal s_Outi(t) aus. Entsprechend wertet die zweite Messvorrichtung Μ.2 des zweiten Kanals das zweite Ausgangssignal So_Ut2(t) aus. Die Tatsache, dass es zu Übersprechen zwischen diesen beiden Kanälen kommen kann, ist in Fig. 2A durch eine

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Übersprechkapazität Cx symbolisiert, die hier in rein schematischer Form zwischen den Messvorrichtungen M.1 und Μ.2 angeordnet ist.

[0010] Fig. 2B zeigt eine entsprechende schematische Illustration einer weiteren mehrkanaligen Vorrichtung (hier sind zwei benachbarte Kanäle gezeigt), Auch diese Vorrichtung beruht auf dem in Fig. 1 gezeigten Prinzip. Anders als in Fig. 2A werden hier jedoch beide Kanäle von nur einem Eingangssignalgenerator E mit dem Eingangssignal s_in(t) gespeist.

[0011] In Fig. 2C ist ein schematisches Ersatzschaltbild der Vorrichtung der Fig. 2B gezeigt. Hier dient ein Wechselspannungsgenerator G als Eingangssignalgenerator E, der beide Kanäle mit dem Eingangssignal s_in(t) speist. Wechselspannungsgenerator G erzeugt hier ein sinusförmiges Eingangssignal s_in(t), das über einen ersten Widerstand R.1 an den ersten Fühler 3.1 und über einen zweiten Widerstand R.2 an den zweiten Fühler 3.2 gelangt. Diese Fühler 3.1,3.2 haben in dieser stark schematisierten Ersatzschaltung je eine Kapazität C.1 bzw. C.2 gegen Masse. Das Ausgangssignal s_outi (t) des ersten Kanals kann, wie schematisch dargestellt, am ersten Fühler 3.1 abgegriffen werden. Das Ausgangssignal s_out2(t) des zweiten Kanals wird entsprechend am zweiten Fühler 3.2 abgegriffen. Hier setzen in Fig. 2B die jeweiligen Messvorrichtungen M.1 und Μ.2 an, die dazu dienen, die Signale s_out1(t) bzw. s_out2(t) zu verarbeiten.

[0012] In Fig. 2C ist links neben dem ersten Kanal ein Schaltungszweig gezeigt, der einen Schalter SW und eine Kapazität CA aufweist. Dieser Schaltungszweig soll symbolisieren, was passiert, wenn der erste Fühler 3.1 die Flüssigkeit 1.1 im Behälter 5.1 berührt. Es entsteht in diesem Moment eine sprunghafte Veränderung der Gesamtkapazität (die Gesamtkapazität am Fühler 3.1 wird grösser). Dies wird hier durch das Zuschalten der parallelen Kapazität CA dargestellt. Das bereits erwähnte Übersprechen wird auch in Fig. 2C durch die Übersprechkapazität Cx dargestellt.

[0013] Die Kapazität C.1 bildet mit dem Widerstand R.1 einen ersten Spannungsteiler und die Kapazität C.2 bildet mit dem Widerstand R.2 einen zweiten Spannungsteiler. An diesen beiden Spannungsteilern können die jeweiligen Ausgangsspannungen s_out1 (t) bzw. s_out2(t) abgegriffen werden. Beim Eintauchen des ersten Fühlers 3.1 in Flüssigkeit 1.1, was hier durch das Zuschalten der parallelen Kapazität CA durch Schliessen des Schalters SW dargestellt ist, ergibt sich eine sprunghafte Änderung der Ausgangsspannung S_outi(t). Wegen des Übersprechens (hier wegen der Übersprechkapazität Cx) ergibt sich auch ein kleiner Sprung der Ausgangsspannung s_out2(t), was z.B. in der Schaltung Μ.2 eine Fehldetektion auslösen kann.

[0014] Das Übersprechen kann nicht nur die erzielbare Detektionsgenauigkeit beeinflussen, sondern es kann unter Umständen sogar zu Fehldetektionen kommen.

[0015] Daher ist es wichtig, Vorrichtungen und Verfahren bereitzustellen, die ein Übersprechen verhindern oder reduzieren und die dazu ausgelegt sind, gegenseitige Störungen zu vermeiden.

Aufgabe der Erfindung [0016] Es stellt sich daher die Aufgabe, ein Verfahren zum Detektieren von Flüssigkeitskontaktierungen von mehreren bewegbaren Fühlern bereitzustellen, das jederzeit ein sicheres Detektieren der entsprechenden Phasengrenzen ermöglicht. [0017] Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist das Bereitstellen entsprechender Vorrichtungen.

Offenbarung der Erfindung [0018] Die oben identifizierte technische Aufgabe der Erfindung wird durch ein Verfahren zum Detektieren von Flüssigkeitskontaktierungen gelöst, das zur Anwendung in einer mehrkanaligen Vorrichtung mit kapazitiv arbeitender Messvorrichtung ausgelegt ist, wobei die Vorrichtung pro Kanal einen zustellbaren Fühler und einen Flüssigkeitsbehälter umfasst. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:

a. Bereitstellen eines periodischen Eingangssignals s_in(t) durch einen Generator;

b. Speisen einer Kompensationsschaltung mit dem periodischen Eingangssignal s_in(t);

c. Bereitstellen durch die Kompensationsschaltung eines ersten und zweiten Eingangssignals s_in1(t), s_in2(t);

d. Bereitstellen durch die Kompensationsschaltung eines Signals Si(t), s₂(t), das zum Erkennen einer Phasengrenze auswertbar ist;

e. Ausführen einer Zustellbewegung mit einem ersten der Fühler in Richtung der Flüssigkeit im Flüssigkeitsbehälter;

f. Ausführen einer Zustellbewegung mit einem zweiten der Fühler in Richtung der Flüssigkeit im Flüssigkeitsbehälter, wobei diese Zustellbewegungen gekoppelt oder unabhängig voneinander sein können;

g. Anlegen des ersten Eingangssignals an den ersten Fühler;

h. Anlegen des zweiten Eingangssignals an den zweiten Fühler; wobei die Zustellbewegungen in Richtung der Flüssigkeit im Flüssigkeitsbehälter bis zum Detektieren der entsprechenden Phasengrenzen ausgeführt werden und

CH 711 665 B1 wobei das erste Eingangssignal und das zweite Eingangssignal synchron und gleich gross gehalten werden, um so das Auftreten einer Spannungsdifferenz zwischen dem ersten Fühler und dem zweiten Fühler zu verhindern oder um die Spannungsdifferenz zu reduzieren.

[0019] Durch das Verhindern oder Reduzieren der Spannungsdifferenz zwischen benachbarten Fühlern einer mehrkanaligen Vorrichtung wird das Übersprechen verhindert oder reduziert.

[0020] Die technische Aufgabe der Erfindung wird auch durch eine Vorrichtung gelöst, deren Merkmale den entsprechenden Ansprüchen zu entnehmen sind.

[0021] Weitere vorteilhafte Merkmale sind den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.

Vorteilhafte Wirkungen [0022] Der wichtigste Vorteil der Erfindung ist, dass kein Übersprechen oder nur ein geringes Übersprechen zwischen zwei Kanälen einer mehrkanaligen Vorrichtung auftreten kann. Dadurch wird auf vorteilhafte Art und Weise die Detektion sogar von gering leitfähigen Flüssigkeiten oder von kleinen Flüssigkeitsvolumina ermöglicht.

[0023] Mit der Erfindung ist es auch möglich, in einem Flüssigkeitsbehälter, der einem ersten Kanal zugeordnet ist, die Luft-Flüssigkeitsphasengrenze einer gering leitfähigen Flüssigkeit und in einem Flüssigkeitsbehälter eines benachbarten zweiten Kanals die Luft-Flüssigkeitsphasengrenze eines kleinen Flüssigkeitsvolumens mit hoher Leitfähigkeit zu detektieren.

[0024] Es ist ein weiterer Vorteil des hier präsentierten neuen Ansatzes, dass er auch problemlos mit einem Verfahren zur Erkennung einer Luft-Schaum- oder einer Flüssigkeits-Schaum-Grenze kombiniert werden kann. Vorzugsweise wird das Verfahren der vorliegenden Erfindung mit einem Verfahren kombiniert, das in der Schweizer Patentanmeldung 01129/14 offenbart ist, die am 24.07.2014 eingereicht wurde.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen [0025] Das erfindungsgemässe Verfahren wird nun an Hand von schematischen, den Umfang der Erfindung nicht beschränkenden Zeichnungen von beispielhaften Ausführungsformen im Detail erläutert.

Fig. 1 zeigt eine schematische Illustration eines bekannten kapazitiv arbeitenden Detektionsverfahrens in einer Vorrichtung mit einem zustellbaren Fühler und mit einem Flüssigkeitsbehälter, der mit Flüssigkeit befüllt ist;

Fig. 2A zeigt eine schematische Illustration einer ersten mehrkanaligen Vorrichtung (hier sind zwei benachbarte Kanäle gezeigt), die auf dem bekannten kapazitiv arbeitenden Detektionsverfahren der Fig. 1 basiert;

Fig. 2B zeigt eine schematische Illustration einer zweiten mehrkanaligen Vorrichtung (hier sind zwei benachbarte Kanäle gezeigt), die auf dem bekannten kapazitiv arbeitenden Detektionsverfahren der Fig. 1 basiert;

Fig. 2C zeigt ein schematisches Ersatzschaltbild der Vorrichtung der Fig. 2B;

Fig. 3 zeigt ein schematisches Ersatzschaltbild einer ersten Vorrichtung gemäss Erfindung;

Fig. 4 zeigt ein schematisches Ersatzschaltbild einer zweiten Vorrichtung gemäss Erfindung;

Fig. 5 zeigt ein schematisches Ersatzschaltbild einer dritten Vorrichtung gemäss Erfindung.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen [0026] Im Folgenden werden vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung beschrieben, wobei es sich um beispielhafte Ausführungsformen handelt. Diese umfassen sowohl verschiedene Ausbildungen der Gesamterfindung als auch Baugruppen und Einzelteile der Erfindung. Grundsätzlich lassen sich die beschriebenen Baugruppen und Einzelteile der verschiedenen Ausführungsformen miteinander kombinieren, respektive die Baugruppen und Einzelteile einzelner Ausführungsformen lassen sich durch die Baugruppen und Einzelteile anderer Ausführungsformen ersetzen, Die hierbei gebildeten Kombinationen können kleinere, jedem Fachmann geläufige und daher nicht weiter beschriebene Anpassungen bedingen, zum Beispiel um ein Zusammenwirken oder Ineinandergreifen der Baugruppen und Einzelteile zu ermöglichen.

[0027] Der Begriff Phasengrenze wird verwendet für Grenzen zwischen zwei oder mehr Medien, die unterschiedliche Dielektrizitätskonstanten und/oder Leitfähigkeiten besitzen. Speziell geht es um Gas-Flüssig-Phasengrenzen. Die Erfindung kann aber auch auf Flüssig-Flüssig- und auf Gas-Schaum- oder Schaum-Flüssig-Phasengrenzen angewendet werden, [0028] Der Begriff Modul wird hier verwendet, um eine Funktionsgruppe zu umschreiben, die in Hardware, Software oder als Kombination aus Hard- und Software realisiert ist.

CH 711 665 B1 [0029] Der Begriff Übersprechen wird hier verwendet, um eine Form des elektrischen Übersprechens zu beschreiben, bei dem eine Signaländerung zum Beispiel eines ersten Signals (z.B. des Ausgangssignals s_out1(t)) eine Signaländerung zum Beispiel eines zweiten Signals (z.B. des Ausgangssignals s_out2(t)) bewirkt. Allgemein steht der Begriff des Übersprechens hier für das unerwünschte einseitige oder gegenseitige Beeinflussen von Signalen einer Vorrichtung 100. Insbesondere geht es um das einseitige oder gegenseitige Beeinflussen von Ausgangssignalen benachbarter (Schaltungs)-Kanäle, deren Ausgangssignale ohne Übersprechen unabhängig voneinander sind.

[0030] Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung ist verschiedentlich von Geräten die Rede. Es handelt sich vorzugsweise um Laborgeräte und um andere Systeme, Anlagen, Apparate, Handhabungszentren und dergleichen, die mit Mitteln zur Ermittlung einer Phasengrenze ausgestattet sind. Die erfindungsgemässe Vorrichtung 100 ist ein Element oder eine Komponente eines solchen Geräts. Ein Gerät kann zum Beispiel mehrere identische Vorrichtungen 100 oder mehrere verschiedene Vorrichtungen 100 umfassen.

[0031] Das erfindungsgemässe Verfahren ist vorzugsweise bei allen Ausführungsformen zum Detektieren einer Luft-Flüssigkeitsphasengrenze mittels eines Fühlers 3 (z.B. einer als Fühler dienenden Pipette) in einem Flüssigkeitsbehälters ausgelegt. Im Folgenden wird auf die Verwendung von Pipetten Bezug genommen, wobei auch andere (Pipetten-)Spitzen, Nadeln, Röhrchen und dergleichen als Fühler 3 geeignet sind und im Rahmen der Erfindung bei allen Ausführungsformen eingesetzt werden können.

[0032] Im Folgenden wird auf das Ausführen einer Zustellbewegung B Bezug genommen. Eine solche Zustellbewegung B kann bei allen Ausführungsformen eine Abwärts- oder eine Aufwärtsbewegung des Fühlers 3 in dem Flüssigkeitsbehälter 5 beschreiben.

[0033] Zum Zweck des Detektierens wird vorzugsweise bei allen Ausführungsformen eine Pipette 3 verwendet, die in Richtung der Flüssigkeit 1 im Flüssigkeitsbehälter 5 zustellbar ist.

[0034] Grundlegende Aspekte der Erfindung werden im Folgenden anhand spezifischer Ausführungsformen detailliert beschrieben.

[0035] Fig. 3 zeigt ein schematisches Schaltungsdiagramm einer ersten Ausführungsform einer Vorrichtung 100 gemäss der vorliegenden Erfindung. Dieses Schaltungsdiagramm baut von der Anordnung her auf dem Schaltungsdiagramm der Fig. 2C auf. Es wird insofern auch auf die Beschreibung der Fig. 2A bis 2C verwiesen.

[0036] In Fig. 3 ist ein schematisches Ersatzschaltbild einer erfindungsgemässen Vorrichtung 100 gezeigt. Hier dient ein Wechselspannungsgenerator G als Eingangssignalgenerator E, der zwei benachbarte Kanäle mit einem gemeinsamen Eingangssignal s_in(t) speist. Der Wechselspannungsgenerator G erzeugt hier beispielsweise ein sinusförmiges Eingangssignal s_in(t), das über eine erste Kompensationsschaltung CT.1 an den ersten Fühler 3.1 und über eine zweiten Kompensationsschaltung CT.2 an den zweiten Fühler 3.2 gelangt, [0037] Diese Fühler 3.1,3.2 haben in der stark schematisierten Ersatzschaltung je eine Kapazität C.1 bzw. C.2 gegen Masse. Ein Ausgangssignal s_outi(t) des ersten Kanals kann, wie schematisch dargestellt, am ersten Fühler 3.1 abgegriffen werden. Ein Ausgangssignal s_out2(t) des zweiten Kanals kann entsprechend am zweiten Fühler 3.2 abgegriffen werden. Diese beiden Abgriffspunkte für die Ausgangssignale s_outi(t) und s_out2(t) sind optional.

[0038] In Fig. 3 ist - wie auch bereits in Fig. 2C - links neben dem ersten Kanal ein Schaltungszweig gezeigt, der einen Schalter SW und eine Kapazität ΟΔ aufweist. Dieser Schaltungszweig soll symbolisieren, was passiert, wenn der erste Fühler 3.1 die Flüssigkeit 1.1 im Behälter 5.1 berührt. Es entsteht in diesem Moment eine sprunghafte Veränderung der Gesamtkapazität (die Gesamtkapazität am Fühler 3.1 wird grösser). Dies wird hierdurch das Zuschalten der parallelen Kapazität ΟΔ dargestellt. Das bereits erwähnte Übersprechen wird auch in Fig. 3 durch die parasitäre Übersprechkapazität Cx dargestellt.

[0039] Hier spielen nun jedoch die beiden Kompensationsschaltungen CT.1 und CT.2 eine entscheidende Rolle. Diese Kompensationsschaltungen CT.1, CT.2 sind nämlich dazu ausgelegt, das erste Eingangssignal s_ini(t) und das zweite Eingangssignal S_in2(t) synchron und konstant zu halten, um so das Auftreten einer Spannungsdifferenz zwischen dem ersten Fühler 3.1 und dem zweiten Fühler 3.2 zu verhindern.

[0040] Vorzugsweise umfasst jede der beiden Kompensationsschaltungen CT.1 und CT.2 bei allen Ausführungsformen eine schaltungstechnische Kontrollschleife, um das erste Eingangssignal s_ini(t) und das zweite Eingangssignal S_in2(t) synchron und konstant zu halten.

[0041] Wie in Fig. 3 dargestellt, sind an den beiden Kompensationsschaltungen CT.1 und CT.2 Ausgänge 6.1 und 6.2 vorgesehen. An diesen Ausgängen werden die Ausgangssignale Si(t) und s₂(t) bereitgestellt. Anders als in Fig. 2C werden im Zusammenhang mit der Detektion von Phasengrenzen die Ausgangssignale Si(t) und s₂(t) anstelle der Ausgangssignale Souti(t) und Sout2(t) verwendet (z.B. durch Auswerten und/oder Weiterverarbeiten).

[0042] Beim Eintauchen des Fühlers 3.1 in die Flüssigkeit 1.1 im Behälter 5.1 ergibt sich, wie bereits beschrieben, ein Kapazitätssprung. Dieser Kapazitätssprung ist nach kurzem Einschwingen an dem Ausgangssignal Si(t) der Kompensationsschaltung CT.1 sichtbar. Das Ausgangssignal s₂(t) der Kompensationsschaltung CT.2 hingegen bleibt unverändert. Konkret zeigt es lediglich eine kurze Störung. Die Sinusamplitude (falls der Generator G ein Sinussignal vorgibt) des Ausgangssignals s₂(t) ändert sich selbst dann nicht, wenn am Nachbarkanal eine Phasengrenze detektiert wird.

CH 711 665 B1 [0043] Die beiden Kompensationsschaltungen CT.1 und CT.2 sind bei allen Ausführungsformen so ausgelegt und im Speisungszweig der Fühler 3.1 und 3.2 angeordnet, dass sich die Spannungen S_in1(t) und s_in2(t) an den beiden Fühlern

3.1 und 3.2 beim Zuschalten der parallelen Kapazität CA nicht ändern. Beide Spannungen respektive Signale s_out1 (t) und Sout2(t) bleiben gleich gross. Dadurch wird erreicht, dass sich an der Übersprechkapazität Cx keine Spannungsdifferenz ergibt. D.h., es fliesst kein Strom durch die Übersprechkapazität Cx. Das ist damit gleichzusetzen, dass kein Übersprechen zwischen den beiden Kanälen stattfindet.

[0044] Vorzugsweise sind die Kompensationsschaltungen CT.1 und CT.2 bei allen Ausführungsformen so ausgelegt, dass sie das erste Eingangssignal s_in1(t) und das zweite Eingangssignal s_in2(t) aktiv regeln. D.h., konkret werden das erste Eingangssignal s_ini(t) und das zweite Eingangssignal s_in2(t) dem Eingangssignal s_in(t) nachgeführt, das hier beispielsweise die Form eines Sinussignals aufweist. [Photij[c2] [0045] Vorzugsweise umfasst jede der beiden Kompensationsschaltungen CT.1 und CT.2 bei allen Ausführungsformen einen Regelkreis, respektive einen geschlossenen Kreis.

[0046] In Fig. 4 sind nun Details einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Der Schaltungsaufbau ist vergleichbar mit demjenigen der Fig. 3. Im Folgenden wird daher nur auf die wesentlichen Unterschiede eingegangen. Ansonsten wird auf die Beschreibung der Fig. 3 verwiesen.

[0047] Jede der Kompensationsschaltungen CT. 1 und CT.2 kann bei allen Ausführungsformen der Erfindung die folgenden Elemente bzw. Module umfassen. Eingangsseitig sitzt ein Verstärker 7.1 bzw. 7.2. Einer der beiden Verstärkereingänge (mit «+» bezeichnet) wird mit dem sinusförmigen Signal s_in(t) gespeist. Der jeweils andere Eingang des Verstärkers 7.1 bzw. 7.2 ist mit einem Rückpfad 8.1 bzw. 8.2 verbunden. Dieser Rückpfad 8.1 bzw. 8.2 bildet am jeweiligen Verstärker 7.1,7.2 eine Rückkopplung. Auf der Ausgangsseite der Verstärker 7.1 bzw. 7.2 sitzt je ein Widerstand R1 bzw. R2, wie gezeigt. Die erwähnten Rückpfade 8.1 bzw. 8.2 setzen nach dem jeweiligen Widerstand R1 bzw. R2 an. Sie verbinden den Ausgang A.1 mit dem invertierenden Eingang (mit «-» bezeichnet) des Verstärkers 7.1 und den Ausgang A.2 mit dem invertierenden Eingang (mit «-» bezeichnet) des Verstärkers 7.2.

[0048] Zwischen dem Ausgang des Verstärkers 7.1 bzw. 7.2 und dem jeweiligen Widerstand R1 bzw. R2 sind die entsprechenden Ausgänge 6.1 bzw. 6.2 vorgesehen. An dem Ausgang A.1 wird das Eingangssignal s_in1(t) und an dem Ausgang A.2 wird das Eingangssignal s_in2(t) bereitgestellt. Diese Signale speisen den jeweiligen Fühler 3.1 bzw. 3.2.

[0049] Vorzugsweise kommen bei allen Ausführungsformen sogenannte (Operations)-Transkonduktanzverstärkerals Verstärker 7.1 und 7.2 zum Einsatz. Der Grund hierfür ist der folgende. Wenn man normale Operationsverstärker 7.1 und 7.2 einsetzt, wie in Fig. 4 gezeigt, dann werden diese Verstärker 7.1,7.2 aufgrund der Rückkopplung (durch die Rückpfade

8.1 bzw. 8.2) am jeweiligen invertierenden Eingang kapazitiv belastet. Das kann zu einer Verschiebung von Strom und Spannung führen, was die Kompensationsschaltungen CT.1 und CT.2 instabil werden lässt.

[0050] Ein Transkonduktanzverstärker hingegen hat einen hochohmigen Stromausgang. Solche Transkonduktanzverstärker sind daher besser geeignet, um eine kapazitive Last (wie das hier der Fall ist) anzutreiben bzw. zu speisen.

[0051] Besonders geeignet sind Transkonduktanzverstärker mit differentiellem Eingang. Dies erleichtert die Realisierung einer Gegenkopplung nach dem in Fig. 4 gezeigten Schaltungsprinzip. Die Transkonduktanzverstärker mit differentiellem Eingang werden hier als Differenz- oder Operations-Transkonduktanzverstärker (OTA) bezeichnet. Verstärker mit nur einem Eingang einfach als Transkonduktanzverstärker (TK). Vorzugsweise kommen bei allen Ausführungsformen Kompensationsschaltungen CT.1 und CT,2 gemäss Fig. 4 zum Einsatz, wobei OTAs als Verstärker 7.1 und 7.2 dienen, [0052] Statt OTAs zu verwenden, die als Standardbauteile verfügbar sind, kann auch ein diskreter Aufbau gewählt werden. In diesem Fall umfasst jede der Kompensationsschaltungen CT.1 und CT.2 eine Differenzstufe mit differentiellem Eingang, die einen Transkonduktanzverstärker speist.

[0053] In Fig. 5 ist das Ersatzschaltbild einer entsprechenden Vorrichtung 100 der Erfindung gezeigt. Der Aufbau ist wiederum ähnlich wie in den bereits beschriebenen Zeichnungen. Es wird daher auf die entsprechende Beschreibung verwiesen. Bei der in Fig. 5 gezeigten Ausführungsform umfasst jede Kompensationsschaltung CT.1 und CT.2 eingangsseitig einen Operationsverstärker OA1 bzw. OA2 mit differentiellem Eingang (mit «+» und «-» gekennzeichnet). Am Ausgang

10.1 bzw. 10.2 des jeweiligen Operationsverstärkers OA1 bzw. OA2 sitzt ein Transkonduktanzverstärker TK1 bzw. TK2. Ausserdem wird am jeweiligen Ausgang 10.1 bzw. 10.2 ein Signal abgegriffen, das zur eigentlichen Detektion einer Phasengrenze genutzt wird. Die entsprechenden Abgriffspunkte bzw. Leitungen sind in Fig. 5 mit 6.1 bzw. 6.2 bezeichnet.

[0054] Vorzugsweise umfassen alle Ausführungsformen der Erfindung, die pro Kanal einen Operationsverstärker OA1 bzw. OA2 und einen Transkonduktanzverstärker TK1 bzw. TK2 umfassen, eine Ausgangsschaltung 9.1 bzw. 9.2, wie in Fig. 5 gezeigt. Diese Ausgangsschaltungen 9.1 bzw. 9.2 sind dazu ausgelegt, das Signal, das am jeweiligen Ausgang

10.1 bzw. 10.2 abgegriffen wird, aufzubereiten, Zu diesem Zweck umfasst jede der Ausgangsschaltungen 9.1 bzw. 9.2 vorzugsweise einen Verstärker gefolgt von einem Demodulator. Bei entsprechender Auslegung des Verstärkers und des Demodulators kann man die Signale s^t) und s₂(t) mit einem Analog-Digital-Wandler auslesen und verarbeiten.

[0055] Die Rückkopplung (realisiert durch die Rückpfade 8.1 bzw. 8.2) greift bei den Ausführungsformen nach Fig. 5 am Ausgang A.1 bzw. A.2 des Transkonduktanzverstärkers TK1 bzw. TK2 an und verbindet diesen schaltungstechnisch mit dem invertierenden Eingang (mit «-» bezeichnet) des Operationsverstärkers OA1 bzw. OA2.

CH 711 665 B1 [0056] Anstatt TranskonduktanzverstärkerTKI bzw. TK2 zu verwenden, können die Kompensationsschaltungen CT. 1 und CT.2 auch spannungsgesteuerte Stromquellen umfassen, die aus Standardkomponenten diskret oder integriert aufgebaut sind.

[0057] Zum Erkennen einer Phasengrenze wird vorzugsweise bei allen Ausführungsformen die Amplitude der Signale s-ι (t) und s₂(t) ausgewertet. Wenn ein Sprung der Amplitude erkannt wird, der grösser als ein Schwellenwert ist, so ist von einer erfolgreichen Detektion einer Phasengrenze auszugehen.

[0058] Vorzugsweise umfassen alle Ausführungsformen der Erfindung eine Leitung mit Masseschirm, um den Ausgang A.1 bzw. A.2 mit dem entsprechenden Fühler 3.1,3.2 zu verbinden.

[0059] Selbstverständlich können auch andere, an sich bekannte Arten von Spannungsgeneratoren 4 für das erfindungsgemässe Verfahren verwendet werden. So ist es nicht unbedingt nötig, sinusförmige Wechselspannungskomponenten zu erzeugen. Alternativ kann bei allen Ausführungsformen z.B. eine Wechselspannung in Form von anderen periodischen Signalen erzeugt werden.

[0060] Während das Eingangssignal s_in1(t) bzw. s_in2(t) von den Kompensationsschaltungen CT.1 bzw. CT.2 an den Fühler

3.1 bzw. 3.2 angelegt wird, wird das Ausgangssignal s^t) des ersten Fühlers 3.1 und das Ausgangssignal s₂(t) des zweiten Fühlers 3.2 mittels entsprechender Messvorrichtungen M.1 bzw. Μ.2 verarbeitet/ausgewertet, um eine Kapazitätsänderung zu detektieren. Dafür sind die Messvorrichtungen M.1 bzw. Μ.2 dem jeweiligen Signalausgang nachgeschaltet.

[0061] Bei allen Ausführungsformen der Erfindung kann das Auswerten des Ausgangssignals s^t) bzw. s₂(t) zeitgleich (quasi in Echtzeit) mit dem Bewegen B des Fühlers 3.1 bzw. 3.2 erfolgen.

[0062] Die Erfindung lässt sich vorzugsweise auf mehrkanalige Vorrichtungen 100 anwenden, auch wenn jeweils nur zwei Kanäle gezeigt und beschrieben sind.

Referenzliste [0063]

Schritte der Zustellbewegung B	a), b), c)
erster Ausgang	A.1
zweiter Ausgang	A.2
Zustellbewegung	B
erste Zustellbewegung	B.1
zweite Zustellbewegung	B.2
erste Kapazität	C.1
zweite Kapazität	C.2
erste Kompensationsschaltung	CT.1
zweite Kompensationsschaltung	CT.2
Übersprechkapazität	Cx
Zuschaltbare Kapazität	CA
Eingangssignalgenerator	E
erster Eingangssignalgenerator	E.1
zweiter Eingangssignalgenerator	E.2
Wechselspannungsgenerator	G
Messvorrichtung/-aufbau	M
erste Messvorrichtung/-aufbau	M.1
zweite Messvorrichtung/-aufbau	M.2
erster Widerstand	R.1
zweiter Widerstand	R.2

CH 711 665 B1

erster Widerstand	R1
zweiter Widerstand	R2
Schalter	SW
Ausgangsignal	Sout(t)
erstes Ausgangsignal	®out1 (1)
zweites Ausgangsignal	θοιΛ2(ί)
Eingangssignal	S_in(t)
erstes Eingangssignal	S_inl(t)
zweites Eingangssignal	Sin₂(t)
Flüssigkeit	1
erste Flüssigkeit	1.1
zweite Flüssigkeit	1.2
Fühler (Pipette)	3
erster Fühler (Pipette)	3.1
zweiter Fühler (Pipette)	3.2
Spannungsgenerator	4
Flüssigkeitsbehälter	5
erster Flüssigkeitsbehälter	5.1
zweiter Flüssigkeitsbehälter	5.2
erster Ausgang	6.1
zweiter Ausgang	6.2
erster Verstärker	7.1
zweiter Verstärker	7.2
erster Rückpfad (Rückkopplung)	8.1
zweiter Rückpfad (Rückkopplung)	8.2
erste Ausgangsschaltung	9.1
zweite Ausgangsschaltung	9.2
erster Ausgang	10.1
zweiter Ausgang	10.2
Vorrichtung/Labor-Gerät	100
Operationsverstärker	OA1, OA2
Transkonduktanzverstärker	TK1, TK2

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zum Detektieren von Flüssigkeitskontaktierungen zur Anwendung in einer mehrkanaligen Vorrichtung (100) mit kapazitiv arbeitender Messvorrichtung (M), wobei die Vorrichtung (100) pro Kanal einen zustellbaren Fühler (3.1, 3.2) und einen Flüssigkeitsbehälter (5.1,5.2) umfasst, das Verfahren umfassend die folgenden Schritte:

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a. Bereitstellen eines periodischen Eingangssignals (s_in(t)) durch einen Generator (G; 4);

b. Speisen einer Kompensationsschaltung (CT.1, CT.2) mit dem periodischen Eingangssignal (s_in(t));

c. Bereitstellen durch die Kompensationsschaltung (CT.1, CT.2) eines ersten und zweiten Eingangssignals (s_in1(t), Sin₂(t));

d. Bereitstellen durch die Kompensationsschaltung (CT.1, CT.2) eines Signals (s-,(t), s₂(t)), das zum Erkennen einer Phasengrenze auswertbar ist;

e. Ausführen einer Zustellbewegung (B.1) mit einem ersten der Fühler (3.1) in Richtung der Flüssigkeit im Flüssigkeitsbehälter (5.1);

f. Ausführen einer Zustellbewegung (B.2) mit einem zweiten der Fühler (3.2) in Richtung der Flüssigkeit im Flüssigkeitsbehälter (5.2);

g. Anlegen des ersten Eingangssignals (s_in1(t)) an den ersten Fühler (3.1);

h. Anlegen des zweiten Eingangssignals (s_iri2(t)) an den zweiten Fühler (3.2);

wobei die Zustellbewegungen (B.1, B.2) in Richtung der Flüssigkeit im Flüssigkeitsbehälter (5.1,5.2) bis zum Detektieren der entsprechenden Phasengrenzen ausgeführt werden, und wobei das erste Eingangssignal (s_in1(t)) und das zweite Eingangssignal (s_in2(t)) synchron und gleich gross gehalten werden, um so das Auftreten einer Spannungsdifferenz zwischen dem ersten Fühler (3.1) und dem zweiten Fühler (3.2) zu verhindern.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine schaltungstechnische Kontrollschleife zum Einsatz gebracht wird, um das erste Eingangssignal (s_in1(t)) und das zweite Eingangssignal (s_in2(t)) synchron und gleich gross zu halten.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei jedem Kanal der mehrkanaligen Vorrichtung (100) eine Rückkopplung des Eingangssignals (s_ini(t), s_in2(t)) des jeweiligen Kanals zu einem Eingang einer Kompensationsschaltung (CT.1, CT.2) vorgenommen wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an mehrere Kanäle der mehrkanaligen Vorrichtung (100) ein gemeinsames periodisches Eingangssignal (s_in(t)) angelegt wird, wobei in jedem Kanal der mehrkanaligen Vorrichtung (100) unabhängig von den anderen Kanälen der mehrkanaligen Vorrichtung (100) eine Differenzverstärkung gefolgt von einer Transkonduktanzverstärkung durchgeführt wird, um die Eingangssignale (s_ini(t), s_in2(t)) für die Fühler (3.1.3.2) der entsprechenden Kanäle bereitzustellen.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass an jedem Kanal der mehrkanaligen Vorrichtung (100) eine signaltechnische Rückkopplung (8.1,8.2) vorgenommen wird.
6. Vorrichtung (100) mit mehreren Kanälen und mit kapazitiv arbeitender Messvorrichtung (M), wobei die Vorrichtung (100) pro Kanal einen Flüssigkeitsbehälter (5.1, 5.2) und einen in Richtung der Flüssigkeit im Flüssigkeitsbehälter (5.1) zustellbaren Fühler (3.1,3.2) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (100) umfasst:

- einen Generator (G; 4) zum Bereitstellen eines periodischen Eingangssignals (s_in(t)), pro Kanal

- eine Kompensationsschaltung (CT.1, CT.2), die mit dem periodischen Eingangssignal (s_in(t)) speisbar ist und die dazu ausgelegt ist, an einem ersten Ausgang (A.1, A.2) ein Eingangssignal (s_in1(t), s_in2(t)) zum Anlegen an den Fühler (3.1,3.2) des Kanals bereitzustellen, wobei die Kompensationsschaltung (CT.1, CT.2) einen weiteren Ausgang (6.1, 6.2) umfasst, der dazu ausgelegt ist, ein Signal (s₁(t), s₂(t)) bereitzustellen, das zum Erkennen einer Phasengrenze auswertbar ist, wobei die Zustellbewegungen (B.1, B.2) in Richtung der Flüssigkeit im Flüssigkeitsbehälter (5.1,5.2) bis zum Detektieren der entsprechenden Phasengrenzen ausgeführt werden, und wobei die Kompensationsschaltung (CT.1, CT.2) dazu ausgelegt ist, das erste Eingangssignal (s_ini(t)) und das zweite Eingangssignal (s_iri2(t)) synchron und gleich gross zu halten.
7. Vorrichtung (100) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensationsschaltung (CT.1, CT.2) einen Verstärker (7.1,7.2) mit einem invertierenden und einem nicht invertierenden Eingang umfasst, wobei der nicht invertierende Eingang des Verstärkers (7.1,7.2) mit dem periodischen Eingangssignal (s_in(t)) speisbar ist.
8. Vorrichtung (100) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensationsschaltung (CT.1, CT.2) eine signaltechnische Rückkopplung (8.1,8.2) umfasst, die den ersten Ausgang (A.1, A.2) mit dem invertierenden Eingang des Verstärkers (7.1,7.2) verbindet.
9. Vorrichtung (100) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensationsschaltung (CT.1, CT.2) einen Operationsverstärker (OA1, OA2) mit einem invertierenden und einem nicht invertierenden Eingang umfasst, wobei der nicht invertierende Eingang des Operationsverstärkers (OA1, OA2) mit dem periodischen Eingangssignal (s_in(t)) speisbar ist.
10. Vorrichtung (100) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Operationsverstärker (OA1, OA2) einen Ausgang (10.1, 10.2) umfasst, der mit einem Transkonduktanzverstärker (TK1, TK2) verbunden ist, wobei der Transkonduktanzverstärker (TK1, TK2) einen ersten Ausgang (A.1, A.2) umfasst, um ein Eingangssignal (s_in1(t), s_in2(t)) für den Fühler (3.1, 3.2) des entsprechenden Kanals bereitzustellen und einen zweiten Ausgang umfasst, um das Signal (s-ι(t), s₂(t)) bereitzustellen, das zum Erkennen einer Phasengrenze auswertbar ist.

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11. Vorrichtung (100) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass sie pro Kanal eine Ausgangsschaltung (9.1,9.2) mit einem Verstärker gefolgt von einem Demodulator umfasst, um das Signal (s-ι(t), s₂(t)) bereitzustellen, das zum Erkennen einer Phasengrenze auswertbar ist.
12. Vorrichtung (100) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensationsschaltung (CT.1, CT.2) eine spannungsgesteuerte Stromquelle umfasst.

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