CN112305238A

CN112305238A - 用于利用蠕动泵来计量液体量的方法

Info

Publication number: CN112305238A
Application number: CN202010708930.8A
Authority: CN
Inventors: 伊娃-玛丽亚·佩塔; 克里斯蒂安·克莱默; 乌尔里希·罗滕斯坦纳
Original assignee: Endress and Hauser Conducta GmbH and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser Conducta GmbH and Co KG
Priority date: 2019-07-29
Filing date: 2020-07-22
Publication date: 2021-02-02
Also published as: DE102019120414A1; US20210033500A1

Abstract

本发明涉及用于利用蠕动泵来计量液体量的方法。本发明公开了一种用于利用分析仪中的蠕动泵计量液体量的方法，其中分析仪被设计成确定样品的被测物浓度，其中蠕动泵包括具有至少两个滚子的至少一个转子，该方法包括以下步骤：确定蠕动泵的至少一个滚子的位置；如果尚未处于初始位置，则将蠕动泵的转子移动到初始位置；并且通过对滚子经过参考位置进行计数来计量待通过移动转子输送的液体量。本发明还公开了一种用于实现该方法的分析仪。

Description

用于利用蠕动泵来计量液体量的方法

技术领域

本发明涉及一种用于利用分析仪中的蠕动泵计量液体量的方法、一种分析仪、一种计算机程序和一种计算机可读介质。

背景技术

在过程测量技术中，例如在化学、生物技术、制药和食品技术过程中，以及在环境计量学中，这种自动分析仪——也称为分析设备——用于测定液体样品的被测物。分析仪例如可以用于监测和优化污水处理厂的清洁性能、监测饮用水或监测食品的质量。例如，测量和监测的是诸如液体或液体混合物、乳液、悬浮液、气体或气体混合物的样品流体中某种物质——也称为分析物——的比例。分析物可以是例如离子，诸如铵、磷酸盐、硅酸盐或硝酸盐、钙、钠或氯化物；或者生物或生化化合物——例如激素；或者甚至微生物。在过程测量技术中，特别是在水控制领域中，使用分析仪确定的其他参数是和参数，诸如总有机碳(total organic carbon，TOC)、总氮(total nitrogen，TN)、总磷(total phosphorus，TP)或化学需氧量(chemical oxygen demand，COD)。分析仪例如可以被设计成机柜装置或浮标。

待分析的样品通常在分析仪中通过将其与一种或多种试剂混合进行处理，从而在反应混合物中引起化学反应。优选地选择试剂，使得化学反应可通过物理方法验证，例如通过光学测量、使用电位或安培传感器或通过电导率测量。借助于测量传感器，相应地检测与实际待确定的分析参数(诸如COD)相关的被测物的测量值。该化学反应可以例如导致着色或颜色的变化，这可以使用光学手段来检测。在这种情况下，颜色的强度是待确定的参数的度量。作为与待确定的参数相关的被测物，所处理的样品的吸收性或消光性可以例如由测光装置通过将诸如可见光的电磁辐射从辐射源馈送到液体样品中并且在透射通过液体样品之后利用合适的接收器接收它来确定。接收器生成测量信号，该测量信号取决于所接收的辐射的强度，并且可以例如基于校准函数或校准表根据该测量信号导出待确定的参数值。

在用于液体分析的分析仪中，待分析的样品和反应所需的试剂两者必须计量加入到反应容器(例如比色皿或反应器)中。蠕动泵经常用于此目的。通常，它们以中等精度计量少量液体，并且同时提供许多优点，诸如自吸和试运行安全性。

然而，在液体分析的一些应用领域中，这种蠕动泵的计量精度不够好，并且因此必须通过使用另外的部件来保证。这些通常是被称为计量单元的东西，其由多个元件(歧管、阀、光学部件等)组成。这最终使得可以非常精确地进行计量。然而，这种解决方案的成本由于更大数量的部件而相应更高，并且因此对装备成本有负面影响。

对于液体分析方面的许多应用来说，仅使用蠕动泵准确计量液体量是不够精确的。这首先是由于蠕动泵的脉动，并且其次是由于增加的管磨损，以及第三是由于在常规的蠕动泵中实际计量的体积是未知的事实。每转的递送体积由于试管老化可能显著地变化。

如前所提及那样，蠕动泵通常脉动得非常强烈。这是由于它的输送原理。在蠕动泵中，所安装的管由位于转子(rotor)上的滚子(roller)封闭和压缩。当转子旋转时，滚子在管上滑动，并在泵出口/压力出口的方向上使位于管中的介质移位。当滚子离开管时，管使腔室打开，并且引起短期的体积回流(对应于被挤压的管件的体积)和压力波动。在泵入口处应用滚子同样地可能导致短暂地与实际体积流量相反移动的体积流量。因此，脉动发生在蠕动泵的入口侧和出口侧上。

因此，取决于滚子的位置，发生体积流量停滞和与时间相关的计量不准确性。然而，均匀的流速对于液体的准确计量非常重要。现在有几种解决方法来防止出现脉动。这些方法包括，例如，被动和主动脉动阻尼、脉动体积流量的组合或更大数量的滚子。

为了使用蠕动泵计量体积，调节泵马达的旋转速度，并且泵被操作持续特定的预定时间。如果泵运行得更长或更快，则递送更多的介质。如果旋转速度(或所执行的旋转角度)在预定时间期间偏离目标，则所计量的体积不可避免地是错误的。由于在常规蠕动泵中计量体积仅使用时间来设定，或者在步进马达的情况下使用步数来设定，但是从来没有关于在该时间内实际已经实行了多少转或步的任何反馈，所以实际计量的体积是未知的。然而，泵的行为由于老化，特别是管的老化，而改变。如果继续设置相同的时间，则随着蠕动泵的老化，将递送不同的体积。因此，泵必须定期校准，使得对于给定的递送量，泵实际上运行持续正确的时间。借助于这种校准，相对精确的计量是可能的。然而，实际执行的旋转角的反馈不成功的问题仍然存在。因此，根本不知道泵是否已经旋转以及已经旋转了多少。

然而，所有的解决方案通常只有在高技术费用的情况下可实施或与高成本相关联。

发明内容

本发明的目的是在过程自动化中提高分析仪中蠕动泵的计量精度。

该目的通过一种用于具有蠕动泵的通用分析仪的方法来实现，其中蠕动泵包括具有至少两个滚子的至少一个转子，其中该方法包括以下步骤：确定蠕动泵的至少一个滚子的位置；如果尚未处于初始位置，则将蠕动泵的转子移动到初始位置；以及通过对滚子经过参考位置进行计数来计量待通过移动转子输送的液体量。

对滚子经过参考位置进行计数应被视为等同于对转数进行计数。

因此，蠕动泵内的滚子的位置被检测，并且可以预测和考虑在计量步骤中的每一个中的不可避免的脉动的幅度和数量。这实现了液体量的准确计量。

如果有多个待输送的液体量，则相比于比率，绝对体积不那么重要。例如，如果需要1ml的第一液体量和2ml的第二液体量，则对于第二液体量使用两倍数量的滚子经过。

可以在这种情况下计量的最小合理量是滚子经过期间管内的体积。如果待计量的液体量不能以能够被计量的这个最小量的整数倍进行计量，则在一个实施例中待计量的液体量根据应用而被增加或减少到能够被计量的这个最小量的整数倍。例如，如果待计量1.1ml，但是能够被计量的最小量是0.25ml，那么待计量的体积例如被减少到1.0ml，使得这可以用以能够被计量的最小量的整数倍来计量，即在这种情况下为4*0.25ml。如上所提及那样，重要的不是绝对体积，而是待计量的不同液体量的比率。

一个实施例规定，该方法包括步骤：在到达初始位置之前，丢弃位于该管在出口侧上的区域中的管的内容物。

该目的还通过分析仪来实现，该分析仪包括：至少一个蠕动泵，该至少一个蠕动泵具有带有至少两个滚子的转子；以及数据处理单元，该数据处理单元被设计成实行如上所解释的方法步骤。

一个实施例规定，分析仪包括用于对滚子经过参考位置进行计数的计数单元。

一个实施例规定，计数单元包括开关，当滚子经过时该开关闭合。

一个实施例规定，至少一个滚子包括磁体，并且计数单元包括磁传感器，特别是簧片触点或霍尔效应传感器。

一个实施例规定，计数单元包括光阻挡件。

该目的还通过一种计算机程序实现，该计算机程序包括命令，命令使得分析仪如上所述实行如上所述的方法步骤。

该目的还通过一种计算机可读介质来实现，在该计算机可读介质上存储根据前一权利要求的计算机程序。

附图说明

这将参考以下附图更详细地进行解释。

图1以象征性概略图示出了要求保护的自动分析仪。

图2示出了要求保护的分析仪的系统设计。

图3a/b示出了蠕动泵的滚子的两个位置。

图4a/b示出了处于第一位置和第二位置的蠕动泵的实施例。

图5a/b示出了处于第一位置和第二位置的蠕动泵的实施例。

在附图中，相同的特征由相同的附图标记进行标识。

具体实施方式

要求保护的自动分析仪的整体由附图标记1表示，并在图1中示出。

待测量的是，例如，物质的直接吸收性或颜色的强度，其通过借助于试剂将待测定的物质转化为颜色复合物而生成。根据类似原理起作用的另外的可能被测物是浊度、荧光等。应用示例是化学需氧量(COD)的测量，其中COD是和参数，这意味着所测量的值是产生于物质的总和，并且不能归因于单一物质。在这种测量方法中，在反应器中生成颜色的变化；见下文。其他可能的参数是，例如，总碳、总氮或离子浓度，诸如铵、磷酸盐、硝酸盐等的离子浓度。

从待分析的介质15——例如液体或气体——中获取样品13。通常，获取样品13例如借助于分析仪本身、通过诸如泵、管、阀等的子系统14完全自动地发生。为了确定某一种类的物质内容物，将一种或多种试剂16与待测量的样品13混合，该一种或多种试剂是专门为相应的物质内容物开发的并且可在分析仪的壳体中获得。这在图1中以符号化的方式示出。实际上，不同的容器被提供有不同的试剂，这些试剂借助于前述的泵、管和阀等来提取并根据需要混合。这在图2中示出。还可以针对每个过程(获取样品、试剂的混合等)使用单独的泵、管和阀。

以这种方式引起的混合物的颜色反应随后借助于诸如光度计17的适当的测量装置来测量。为此，样品13和试剂16例如在测量腔室8中混合，并使用透射光法利用至少一种波长的光进行光学测量。在该方法中，光由发送器17.1透射通过样品13。用于接收透射光的接收器17.2被分配给发送器17.1，其中光学测量路径17.3(由图1中的虚线指示)从发送器17.1行进到接收器17.2。发送器17.1包括例如一个或多个LED——即，每个波长一个LED，或者具有宽带激励的适当光源。可替代地，使用其前面放置有相对应的滤光器的宽带光源，根据应用，该滤光器也可以直接安装在接收器前面。接收器17.2可以例如包括一个或多个光电二极管。

所测量的值由接收器基于光吸收和所存储的校准函数生成。分析仪9包括带有微控制器11以及存储器12的发射器10。分析仪9可以经由发射器10连接到现场总线。另外，分析仪9经由发射器10控制。因此，例如，借助于对子系统14的适当控制命令，由微控制器11启动从介质15中获取样品13。由光度计17进行的测量也由微控制器控制和调整。样品13的计量也可以由发射器10控制。然后，用于控制分析仪例如用于计量的计算机程序在发射器10上运行。计算机可读介质也位于发射器10上或者可以被插入到该发射器10中。

现在原理上描述样品13的获取。为了从介质15中获取样品13，使用了样品获取设备，其可以例如包括泵4，在此是蠕动泵。样品13经由介质管线进入到计量设备1中。如上所提及那样，分析仪9包括液体容器，这些液体容器包含待添加到样品13中、用于测定分析仪9的被测物的试剂16，以及用于校准和/或调节分析仪9的标准溶液。蠕动泵4将样品13泵入计量设备1中。

计量设备1包括计量腔室2和至少一个计量光阻挡件3，该计量腔室例如被设计成比色皿。图2示出了三个光阻挡件3，其中它们中的两个用作用于测量某个液体量的测量光阻挡件，并且顶部的一个光阻挡件用作安全光阻挡件。如果计量腔室2中的待测量的液体到达顶部光阻挡件，则触发警报并停止计量。光阻挡件3也可以被设计成带有日光滤光器的红外光阻挡件。用于通风的阀21也连接到计量设备1。泵5，更精确地说是排量泵，更精确地说是活塞泵，也连接到计量设备1。活塞泵5将液体从计量腔室2泵入到反应器8中。这因为空气在活塞泵5的抽起期间被吸入而发生，并且这个空气柱将在它之前的液体从计量腔室2推向反应器8。

计量设备1借助于管线6连接到测量腔室8——也称为反应器8。管线6被设计成管或管道。

反应器8包括在管线6一侧上的阀19和在另一侧的用于排气的阀20。

试剂16或包含试剂16的容器经由液体管线连接到计量设备1。存在适当的阀22用于开关管线。另外，还存在出口18，该出口在适用的情况下包括阀并用作排放口。

图3a/b示出了分析仪9的蠕动泵4。在该示例中，所述泵包括转子26上的三个滚子23、24、25。为了解决上述蠕动泵的缺点，提出检测蠕动泵4的内部的滚子23、24、25中的至少一个。

一般而言，蠕动泵是排量泵，其中待输送的液体量通过管27的外部机械变形而被迫通过所述管。待计量的液体量通过入口32流入并通过出口33流出。在每种情况下，管27被支撑在泵头的壳体的外侧上，并由在转子26上旋转的滚子或鞋状物从内侧夹持。在此，该移动导致夹持点沿着管27移动，并且从而向前推动待输送的液体量。

图3a示出了转子26的第一位置，图3b示出了第二位置。首先，在图3a中确定至少一个滚子23、24、25的位置。原则上，也可以在转子处直接检测到位置。然而，在此计数单元29(见下面的细节；计数单元在图3a/b中象征性地被表示为矩形)用于检测滚子23、24、25是否位于计数单元处。

如果识别出转子26已经处于初始位置，可以立即开始计量(见下文)。如果转子26不在初始位置(如图3a中的情况)，它首先被移动到初始位置。例如，图3b示出了这个初始位置，其中一些滚子——在此是滚子24——被定向为竖直向下。

如果计量步骤开始时的位置是已知的，也就是说，由于这个初始位置，存储在发射器10中的软件算法可以用于配置所需的转数使得对于某个液体量，总是出现相同数量的脉动——即，滚子经过计数单元29。这确保了所计量的体积总是近似恒定的。为了使这种补偿方法可适用于每种管类型和每个管磨损程度，在计量步骤期间以规则的间隔测量所运输的体积，并且因此校准蠕动泵。

如果确定转子26不在初始位置，则丢弃位于更靠近输出33的区段中的液体量。在图3a中，这是管27在方向33上在滚子25之后的部分。在一个实施例中，之后最后的是用空气或氮气进行“冲洗”，更一般地用冲洗介质进行“冲洗”，使得确保管27是空的或没有不期望的介质。

在开始时确定滚子的位置的单元不一定必须是对滚子经过进行计数的单元。然而，这个单元优选地被构造为单个单元，即计数单元29。

图4a/b示出了检测初始位置和/或对滚子经过进行计数的实施例。图4a示出了第一位置，图4b示出了初始位置。在这个示例和下一示例中，蠕动泵4具有四个滚子23、24、25、28。在这个实施例中，借助于开关30进行检测。蠕动泵4的滚子23、24、25、28在其经过开关30时闭合开关机构。这产生了为发射器10生成信号的电连接。以这样的方式，可以处理滚子的位置。

在一个实施例中，通过磁性开关进行检测。在此，滚子的参考位置经由磁接触来检测。固定在转子26外部的适当位置的磁开关在每次转动时借助于位于蠕动泵4的转子26上的磁体致动。开关被配置为例如磁传感器，例如簧片触点或霍尔效应传感器。这产生电信号，该电信号可以由软件和相对应的算法进行处理。

在图5a/b中的实施例中，借助于光阻挡件31进行检测。图5a示出了第一位置，图5b示出了初始位置。为了借助于光阻挡件31进行检测，发送器和接收器被放置在待确定的初始位置处。在蠕动泵4的滚子23、24、25、28经过光阻挡件31时的时刻由发送器发射的光被中断，并且因此不再能由接收器传感器检测到。然后，滚子23、24、25、28的位置被认为被检测到。

这导致了一种通过检测蠕动泵4的内部中的滚子23、24、25、28的初始位置来提高蠕动泵4的计量精度的方法。如果在计量步骤开始之前滚子的位置是已知的(初始位置)，则可以预测发生的脉动的数量，并在计算体积以便进行计量时相应地考虑该数量。这种检测可以借助于例如开关、磁开关或光阻挡件来完成。

附图标记列表

1 计量设备

2 计量腔室

3 计量光阻挡件

4 蠕动泵

5 活塞泵

6 管线

8 测量腔室/反应器

9 分析仪

10 发射器

11 微控制器

12 存储器

13 样品

14 9的子系统

15 介质

16 试剂

17 光度计

17.1 发送器

17.2 接收器

17.3 光学测量路径

18 出口/排放口

19 阀

20 阀

21 阀

22 阀

23 滚子

24 滚子

25 滚子

26 转子

27 管

28 滚子

29 计数单元

30 开关

31 光阻挡件

32 入口

33 出口

Claims

1.一种用于利用分析仪(9)中的蠕动泵(4)计量液体的方法，

其中所述分析仪(9)被设计成确定样品的被测物浓度，

其中所述蠕动泵(4)包括至少一个转子(26)，所述至少一个转子具有至少两个滚子(23、24、25、28)，

所述方法包括以下步骤：

-确定所述蠕动泵(4)的至少一个滚子(23、24、25、28)的位置，

-如果尚未处于初始位置，则将所述蠕动泵(4)的转子(26)移动到初始位置，以及

-通过对滚子经过参考位置进行计数来计量待通过移动所述转子(26)输送的液体量。

2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括以下步骤：

-在到达所述初始位置之前，丢弃所述蠕动泵(4)的管的位于所述管在所述出口侧上的区域中的内容物。

3.一种用于确定液体样品的被测物浓度的分析仪(9)，至少包括

-蠕动泵(4)，所述蠕动泵具有转子(26)，所述转子(26)具有至少两个滚子(23、24、25、28)，以及

-数据处理单元(11)，所述数据处理单元被设计成实行根据前述权利要求中的一项所述的方法步骤。

4.根据权利要求3所述的分析仪(9)，还包括

-用于对滚子经过参考位置进行计数的计数单元(29)。

5.根据权利要求4所述的分析仪(9)，

其中，所述计数单元(29)包括开关(30)，当所述滚子(23、24、25、28)经过时，所述开关闭合。

6.根据权利要求4所述的分析仪(9)，

其中，至少一个滚子(23、24、25、28)包括磁体，并且所述计数单元包括磁传感器，特别是簧片触点或霍尔效应传感器。

7.根据权利要求4所述的分析仪(9)，

其中，所述计数单元(29)包括光阻挡件(31)。

8.一种计算机程序，

所述计算机程序包括指令，所述指令使根据前述权利要求中的任一项所述的分析仪(9)实行根据前述权利要求中的任一项所述的方法步骤。

9.一种计算机可读介质，

根据上一权利要求所述的计算机程序被存储在所述计算机可读介质上。