CN112639415A - 在液体容器中以电容方式检测泡沫的装置和方法 - Google Patents

在液体容器中以电容方式检测泡沫的装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于在液体容器中以电容方式检测泡沫的装置和相应的方法。根据本发明的装置包括：传感器(2)，其具有包括多个子电极(31，32，33)的测量电极；底板(4)，其用作反电极以布置液体容器(1)；传感器电子单元(7)，其连接至测量电极(3)和底板(4)以及适于确定在测量电极和底板之间的阻抗，尤其是电容；以及评估单元(A)，所述测量电极布置成大致垂直于底板(4)。根据本发明的替代装置的实施例中，具有测量电极的传感器以共面的方式布置在底板上，以及液体容器布置在用作反电极的运载单元中，传感器电子单元连接至测量电极和运载单元。在两个实施例中，传感器电子单元(7)包括信号发生器，使用信号发生器产生激发测量电极的具有第一频率的第一信号和激发测量电极具有第二频率的第二信号。评估单元(A)适于基于阻抗，尤其是电容，在以下情况下检测所述液体容器中是否存在泡沫：例如，如果以所述第一信号激发所述测量电极的第一测量信号与以所述第二信号激发所述测量电极的第二测量信号之间的差异超过预定阈值。

Description

在液体容器中以电容方式检测泡沫的装置和方法
技术领域
本发明涉及自动化实验室系统或设备的技术领域，例如医学、化学、药剂或法证分析装置，并且尤其涉及液体处理系统，具体而言涉及在液体容器中的电容式泡沫检测(即电容式泡沫检测)的装置和相应的方法。
背景技术
每当必须在医学、化学、分析、药剂或法证实验室检验大量样本时，现时会使用自动化实验室系统或设备，该系统或设备使每个独立样本可以快速和可靠地处理。该实验室系统通常经设计成处理液体容量的液体处理系统。通常使用一个或多个机器人于该实验室系统的全自动化操作。该机器人特别是专门用于处理液体容器，并且因此技术术语称为「液体处理机器人」。样本通常以样本容器输送，样本容器例如是样本试管，若干样本试管布置在运载单元(技术术语称为「支架」)中。此外，在样本处理过程中加入样本中的试剂通常在诸如小瓶或凹槽的容器中提供。
样本试管和试剂容器一般具有不同高度，或者当经准备由液体处理系统处理的时候，样本试管和试剂容器有时是空的。此外，当样本试管和试剂容器经准备好用于处理时，泡沫可在液体表面上形成。为确保快速和有效率的处理，应在机器人开始工作前得悉每个液体容器的填充高度。详细而言，应识别出空的容器，而系统也应能够检测是否有样本试管在特定的运载单元接收器中，在特定运载单元接收器中有什么类型的样本试管，或运载单元是什么类型。识别运载单元的某些特征也可以是有帮助的。知道是否有泡沫在液体表面也是重要的。
因此，需要一种工具，其允许容易(并因此具成本效益)及可靠地确定在自动化液体处理系统的液体容器中的泡沫，从而使大量样本和试剂的处理更有效率。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种用于在液体容器中以电容方式检测泡沫的装置，利用该装置可快速且可靠地确定当设置液体容器以用于由液体处理机器人的后续处理时，是否已经有泡沫在液体容器中。该目的藉由根据权利要求1的装置和根据权利要求10的替代装置来实现。
此外，本发明的另一个目的是提供一种恰当的检测泡沫方法，该方法可快速且可靠地确定当设置液体容器以用于由液体处理机器人的后续处理时，是否已经有泡沫在液体容器中。根据本发明，该目的由权利要求7中提出的方法和权利要求13中提出的另一个方法来实现。
根据本发明的特定实施例将在附属权利要求中详细说明。
根据本发明的一种用于在液体容器中以电容方式检测泡沫的装置，所述液体容器尤其是用于试剂或样本试管的容器(诸如凹槽或小瓶)，所述装置包括：
-具有测量电极的传感器；
-适于布置至少一个液体容器或运载单元的导电底板，所述运载单元具有至少一个用于接收液体容器，尤其是样本试管，的接收器；
-传感器电子单元，其连接至所述测量电极和所述底板，并且适于确定在所述测量电极与所述底板之间的阻抗，尤其是电容(即复值阻抗值的虚部)；以及
-评估单元，
其中，
-所述测量电极布置成大致垂直于所述底板，尤其是布置成垂直于水平地布置的底板；
-所述传感器电子单元包括信号发生器，使用所述信号发生器产生激发所述测量电极的具有第一频率的第一信号和激发所述测量电极的具有第二频率的第二信号；以及
-所述评估单元适于基于阻抗，尤其是电容，在以下情况下检测所述液体容器中是否存在泡沫：如果以所述第一信号激发所述测量电极的第一测量信号与以所述第二信号激发所述测量电极的第二测量信号之间的差异，或者所述第一测量信号和所述第二测量信号的比率(商)，超过预定阈值。
所述装置的一个实施例中，所述测量电极包括多个子电极，所述子电极在垂直方向一个布置在另一个之上，并且所述子电极中的每一个或多个所述子电极同时地能够选择性地连接至所述传感器电子单元，尤其是所述信号发生器。
所述装置的另一个实施例中，所述测量电极布置在保护电极上方及传感器载体的正面上，其中所述保护电极尤其是位于所述测量电极与所述底板之间。
所述装置的另一个实施例中，所述测量电极布置在第一保护电极与第二保护电极之间及传感器载体的正面上。
所述装置的另一个实施例中，第三保护电极布置在所述传感器载体的背面或中间层上，其中所述第三保护电极(与所述测量电极、第一保护电极和第二保护电极电绝缘及)(从后方)至少覆盖所述测量电极，尤其是覆盖所述测量电极，以及所述第一保护电极和所述第二保护电极。
所述装置的另一个实施例中，所述测量电极、第一保护电极和第二保护电极布置在第一地电极与第二地电极之间，其中所述第一地电极和所述第二地电极依次布置在第四保护电极与第五保护电极之间，其中所述第一地电极和所述第二地电极电连接至所述底板。
所述装置的另一个实施例中，所述测量电极、任何保护电极和任何地电极经设计成条状并且垂直地对齐，以及尤其在所述装置操作期间，平行于所述液体容器的纵向轴线，尤其是平行于样本试管的纵向轴线。
所述装置的另一个实施例中，所述测量电极的宽度在所述液体容器(尤其是样本试管)的直径在80％至100％的范围内，以及所述第一保护电极的宽度和所述第二电极的宽度各超过所述液体容器(尤其是样本试管)的直径的100％。所述样本试管的宽度一般在8mm至16mm之间。
所述装置的另一个实施例中，所述第一频率在1kHz至1MHz的范围内，尤其是在300kHz至500kHz的范围内，而所述第二频率在1MHz至50MHz的范围内，尤其是在10MHz至15MHz的范围内，其中所述第一频率和所述第二频率尤其是不同的并且可调。
所述装置的另一个实施例中，所述第一信号和所述第二信号是所述第一频率和所述第二频率的正弦信号。
所述装置的另一个实施例中，用于激发所述测量电极的信号也用于激发所述保护电极，其中用于激发所述保护电极的信号具低阻抗，并且从用于激发所述测量电极的信号产生，尤其是由具有电压放大率1的缓冲放大器。
所述装置的另一个实施例中，所述传感器载体设计成印制电路板，尤其是多层印制电路板。
所述装置的另一个实施例中，所述传感器电子单元与所述传感器被容纳在同一印制电路板上，其中所述印制电路板在正面与背面之间具有至少两个中间层，其中所述测量电极、任何第一保护电极、任何第二保护电极、任何第一地电极、任何第二地电极、任何第四保护电极和任何第五保护电极位于所述电路板的正面，任何第三保护电极位于所述正面的后面的第一中间层上，作为屏蔽的接地面位于所述第一中间层后面的第二中间层上，其中所述屏蔽电连接至任何第一地电极和任何第二地电极，以及用于所述传感器电子单元的信号传导的传导路径位于所述背面上以及可能在所述背面与所述接地面之间的一个或多个额外中间层。
所述装置的另一个实施例中，所述评估单元还适于基于阻抗，尤其是电容，识别下列项目中的至少一个：
-所述液体容器，尤其是样本试管，的填充高度，特别是所述液体容器，尤其是样本试管，是否空的和/或超过预定的填充高度；
-是否有液体容器，尤其是样本试管，在至少一个接收器中；
-不同的运载单元，例如用于不同大小的液体容器(尤其是样本试管)的运载单元；
-运载单元的各个特征，例如独立接收器，尤其是接收器之间的子部分。
根据本发明的用于在液体容器中以电容方式检测泡沫的替代装置的方案，所述液体容器尤其是用于试剂或样本试管的容器(诸如凹槽或小瓶)，所述装置包括：
-具有测量电极的传感器，所述传感器共面地布置在水平的底板上或被整合至所述底板；
-至少部分地导电的运载单元，所述运载单元具有至少一个用于接收液体容器的接收器，其中所述运载单元尤其是接地的，例如以电容方式耦接至地电势；
-传感器电子单元，其连接至所述测量电极和所述运载单元，并且适于确定在所述测量电极与所述运载单元之间的阻抗，尤其是电容；以及
-评估单元，
其中，
-所述运载单元布置在所述底板上，使得所述接收器位处所述测量电极的上方或在所述测量电极上，以及所述运载单元与所述测量电极电绝缘；
-所述传感器电子单元包括信号发生器，使用所述信号发生器产生激发所述测量电极的具有第一频率的第一信号和激发所述测量电极的具有第二频率的第二信号；以及
-所述评估单元适于基于阻抗，尤其是电容，在以下情况下检测所述液体容器中是否存在泡沫：如果以所述第一信号激发所述测量电极的第一测量信号与以所述第二信号激发所述测量电极的第二测量信号之间的差异，或者所述第一测量信号和所述第二测量信号的比率(商)，超过预定阈值。
所述替代装置的一个实施例中，所述运载单元在至少一个接收器的范围内是导电的，例如在所述接收器的壁的范围内，以及所述运载单元具有尤其是(相对于所述测量电极的)(反)电极。
所述替代装置的另一个实施例中，所述测量电极布置在传感器载体上或在传感器载体内，以及由保护电极包围，其中所述测量电极尤其呈圆形，所述保护电极尤其呈环形。所述测量电极和所述保护电极尤其一起布置在所述传感器载体的下部或上部或中间层。
所述替代装置的另一个实施例中，另一保护电极布置在所述传感器载体上或内且在所述测量电极和所述保护电极下方，其中所述另一保护电极(与所述测量电极以及所述保护电极电绝缘)(从下方)至少覆盖所述测量电极，尤其覆盖所述测量电极和所述保护电极，其中所述另一保护电极尤其呈圆形。当所述测量电极和所述保护电极一起布置在所述传感器载体的上部或中间层时，所述另一保护电极可布置在例如所述传感器载体的下部。
所述替代装置的另一个实施例中，所述测量电极的形状和大小与所述液体容器的最大水平横截面相同，具体而言是所述测量电极的大小至多与所述液体容器的最大水平横截面相同。
所述替代装置的另一个实施例中，所述接收器适于容纳所述液体容器的至少40％，以及具体而言所述接收器的深度对应所述液体容器的高度的至少40％。
所述替代装置的另一个实施例中，在所述装置的操作期间，位于所述接收器中的所述液体容器的垂直纵向轴线与所述测量电极垂直地对齐，以及尤其穿过所述测量电极的中心或穿过所述测量电极的中央部分的圆周，该中央部分的圆周的半径长度至多是所述测量电极的最大延伸的10％。
所述替代装置的另一个实施例中，在所述装置的操作期间，位于所述接收器中的所述液体容器布置在所述测量电极的上方或在所述测量电极上。
所述替代装置的另一个实施例中，所述接收器在所述运载单元的底部范围设有引线，或所述运载单元的底部范围由不导电材料制成，使得所述底部范围不接地。
所述替代装置的另一个实施例中，至少一个不导电间隔物布置在所述接收器的侧面区域，其中所述间隔物经设计成作为间隔套，所述间隔套部分地或完全地垂直包围所述液体容器。
所述替代装置的另一个实施例中，所述传感器连接至所述运载单元，尤其是固定至所述运载单元的底部。
所述替代装置的另一个实施例中，所述第一频率在1kHz至1MHz的范围内，尤其是在300kHz至500kHz的范围内，而所述第二频率在1MHz至50MHz的范围内，尤其是在10MHz至15MHz的范围内，其中所述第一频率和所述第二频率尤其是不同的并且可调。
所述替代装置的另一个实施例中，所述第一信号和所述第二信号是所述第一频率和所述第二频率的正弦信号。
所述替代装置的另一个实施例中，用于激发所述测量电极的信号也用于激发所述保护电极，其中用于激发所述保护电极的信号具低阻抗，并且从用于激发所述测量电极的信号产生，尤其是由具有电压放大率1的缓冲放大器。
所述替代装置的另一个实施例中，所述保护电极可藉由开关连接至用于激发所述保护电极的低电阻信号或连接至地电势(即所述保护电极也可接地)，以例如确定所述液体容器的底部的厚度。
所述替代装置的另一个实施例中，所述传感器载体设计成印制电路板，尤其是多层印制电路板。
所述替代装置的另一个实施例中，所述评估单元还适于基于阻抗，尤其是电容，识别下列项目中的至少一个：
-所述液体容器的填充高度，尤其是所述液体容器是否空的和/或超过预定的填充高度；
-是否有液体容器在至少一个接收器中；
-不同的运载单元，例如用于不同大小的液体容器的运载单元；
-运载单元的各个特征，例如间隔物的类型。
根据本发明的另一方面，一种用于在液体容器中以电容方式检测泡沫的方法，所述液体容器尤其是用于试剂或样本试管的容器，所述方法包括以下步骤：
-设置水平地布置的导电的底板以及具有测量电极和传感器电子单元的传感器，所述测量电极垂直地布置，所述传感器电子单元连接至所述测量电极和所述底板；
-布置液体容器或运载单元在所述底板上且与所述测量电极邻接，所述运载单元具有至少一个接收器，所述接收器用于接收液体容器，尤其是样本试管；
-使用具有第一频率的第一信号激发所述测量电极，所述第一频率尤其在1kHz至1MHz的范围内，优选地在300kHz至500kHz的范围内；
-根据所述测量电极与所述底板之间的阻抗，尤其是电容，确定第一测量信号；
-使用具有第二频率的第二信号激发所述测量电极或连接至所述传感器电子单元和所述底板的第二测量电极，所述第二频率尤其在1MHz至50MHz的范围内，优选地在10MHz至15MHz的范围内；
-根据所述测量电极或所述第二测量电极与所述底板之间的阻抗，尤其是电容，确定第二测量信号；
-如果所述第一测量信号与所述第二测量信号之间的差异，或所述第一测量信号和所述第二测量信号的比率(商)超过预定的阈值，输出示意泡沫存在于所述液体容器中的标识符。
上述过程中，用于激发所述测量电极的第一信号和第二信号可同时以第一频率和第二频率产生(例如作为具有第一频率和第二频率的频率成分的信号)并且施加到所述测量电极(或所述第一信号和所述第二信号可一个接一个地产生并且施加到所述测量电极)。或者，也可以同时用所述第一信号激发所述测量电极和用所述第二信号激发(独立)第二测量电极，所述第二测量电极在位置上与(第一)所述测量电极分开，以及例如布置成(几何上)平行于所述(第一)测量电极。应该注意的是所述第一信号和所述第二信号不仅有(刚好地)具有所述第一频率和所述第二频率的信号部分，而且也可包括具有所述第一频率和所述第二频率的上述信号部分以外的额外信号部分，所述额外信号部分具有接近所述第一频率和所述第二频率的其他频率或在所述第一频率和所述第二频率附近的频率范围内的其他频率。
所述方法的一个实施例中，用于激发所述测量电极的第一信号和第二信号同时被施加到所述测量电极，以及第一测量信号和第二测量信号同时被确定。
一个实施例中，所述方法还包括另一个步骤：
-将具有多个用于接收样本试管的接收器的运载单元沿水平方向移动经过所述测量电极，
其中，在所述运载单元移动经过所述测量电极期间确定所述测量信号。
所述方法的另一个实施例中，所述测量电极包括若干子电极，所述子电极在垂直方向一个布置在另一个之上，并且用所述第一信号和所述第二信号激发所述测量电极包括选择至少一个子电极和仅激发所述所选择的至少一个子电极。
根据本发明的用于在液体容器中以电容方式检测泡沫的替代方法的方案，所述液体容器尤其是用于试剂或样本试管的容器，所述方法包括以下步骤：
-布置具有测量电极的传感器在水平的底板上，其中所述测量电极共面地布置在所述底板上或被整合至所述底板；
-布置至少部分地导电的运载单元在所述测量电极上方或在所述测量电极上，所述运载单元具有至少一个用于接收液体容器接收器，其中所述运载单元尤其是接地的，例如以电容方式耦接至地电势，以及与所述测量电极电绝缘；
-布置液体容器在所述接收器中；
-设置传感器电子单元，所述传感器电子单元连接至所述测量电极和所述运载单元；
-用具有第一频率的第一信号激发所述测量电极，所述第一频率尤其是在1kHz至1MHz的范围内，优选地在300kHz至500kHz的范围内；
-根据所述测量电极与所述运载单元之间的阻抗，尤其是电容，确定第一测量信号；
-用具有第二频率的第二信号激发所述测量电极或连接至所述传感器电子单元和所述运载单元的第二测量电极，所述第二频率尤其是在1MHz至50MHz的范围内，优选地在10MHz至15MHz的范围内，其中所述第一频率和所述第二频率尤其是不同的并且可调；
-根据所述测量电极或所述第二测量电极与所述运载单元之间的阻抗，尤其是电容，确定第二测量信号；以及
-如果所述第一测量信号与所述第二测量信号之间的差异或所述第一测量信号和所述第二测量信号的比率超过预定的阈值，输出示意泡沫存在于所述液体容器中的标识符。
上述过程中，用于激发所述测量电极的第一信号和第二信号可同时以第一频率和第二频率产生(例如作为具有第一频率和第二频率的频率成分的信号)并且施加到所述测量电极(或所述第一信号和所述第二信号可一个接一个地产生并且施加到所述测量电极)。或者，也可以同时用所述第一信号激发所述测量电极和用所述第二信号激发(独立)第二测量电极，所述第二测量电极在位置上与(第一)所述测量电极分开，以及例如布置成邻接所述(第一)测量电极。应该注意的是所述第一信号和所述第二信号不仅有(刚好地)具有所述第一频率和所述第二频率的信号部分，而且也可包括具有所述第一频率和所述第二频率的上述信号部分以外的额外信号部分，所述额外信号部分具有接近所述第一频率和所述第二频率的其他频率或在所述第一频率和所述第二频率附近的频率范围内的其他频率。
所述替代方法的一个实施例中，用于激发所述测量电极的第一信号和第二信号同时被施加到所述测量电极，以及第一测量信号和第二测量信号同时被确定。
根据本发明的另一方面，所提出的方法也涉及在确定容纳在所述液体容器中的液体的类型中的用途，所述液体的类型尤其是试剂的类型。
附图说明
以下将使用附图来更详细地说明本发明的非限制性示例性实施方式，其中：
图1a)示意性地示出了根据本发明的以电容方式检测泡沫的装置的实施例的侧视图，
b)示意性地示出了根据本发明的以电容方式检测泡沫的装置的另一个实施例的侧视图；
图2a)示意性地示出了具有若干样本试管的运载单元的侧视图，
b)示意性地示出了在根据图2a)的样本试管中的根据本发明的以电容方式检测泡沫的装置的实施例的顶视图，
c)示出了包括根据图2a)和b)的实施例的电等效电路的标识的示意图；
图3a)示出了根据本发明的传感器的另一个实施例，
b)示出了根据图3a)的传感器的正面(左)以及中间层和接地面(右)的示意图；
c)示出了根据图3a)和b)的传感器的侧面外形，该侧面外形具有正面、中间层以及位于中间层后面的具有接地面的层；
图4示意性示出了根据本发明的电容式泡沫检测替代装置的实施例的立体图；
图5a)示意性地示出了根据本发明的另一个实施例的液体容器的侧截面图，该液体容器在运载单元中且在传感器上，
b)示意性地示出了根据图5a)的实施例的顶视图，
c)示出了根据图5a)和b)的实施例的电等效电路；
图6a)示出了根据本发明的传感器的另一个实施例的顶视图，以及
b)示出了根据图6a)的传感器的截面图。
在这些附图中，相同的附图标记代表相同的元件。
具体实施方式
图1a)示意性地示出了根据本发明的以电容方式检测泡沫的装置的示例性实施例的侧视图。为此目的，液体容器，即图中的样本试管1，放置在导电的水平底板(或工作表面)4上方并且邻接具有测量电极3的传感器2。测量电极3和底板4连接至传感器电子单元7，传感器电子单元7适于确定在测量电极3与底板4之间的阻抗，尤其是电容(即复值阻抗值的虚部)。一般而言，底板4是接地的或者处于基准电势。为了测量电容，测量电极3由信号s激发，信号s由传感器电子单元7中的信号发生器产生。由于信号s，在测量电极3与底板4之间形成了电场，其中场线穿过液体12。取决于样本试管1中液体12的量，亦即取决于填充高度，所测量到的电容值会有所改变。
本发明基于以下发现：当测量电极3以低频率(例如在1kHz至1MHz的范围内)被激发，位于液体12的表面上的泡沫S增加测量到的电容(与没有泡沫S时进行相同测量所得的电容比较)，以及因此被纳入相对于填充高度。另一方面，如果测量电极3以高频率(例如在10MHz至15MHz的范围内，亦即高出例如10至100倍的频率)被激发，泡沫S将再难以影响测量到的电容，所以相对于填充高度是可以忽略的。因此，在低激发频率，泡沫S好像液体12的一部分，而在高激发频率，泡沫S不再好像所述液体的一部分，于是在低频率测量到的填充高度高于在高频率测量到的填充高度。所以，至少泡沫S的存在是可以检测到的，例如基于比较两个测量到的填充高度。然而，应该注意的是，一般而言，即使没有泡沫，在相同的有效填充高度上，基于测量到的电容而以不同频率测量到的两个填充高度将出现差异。此差异取决于液体的阻抗谱，亦即取决于液体的频率依赖阻抗或液体的频率依赖电容率(亦称为介质电导率)。不同的液体，例如试剂，具有不同的特性阻抗谱。因此，通过当利用低频率的信号s和高频率的信号s激发测量电极3时，测量及比较测量电极3与底板4之间的电容，可以检测到泡沫以及确定液体12的类型。例如，可以清楚地区别极性强烈的水和极性较低的乙醇。
图1b)示出了所述装置的另一个实施例，其中测量电极在这里由若干子电极31，32，33组成，子电极31，32，33在垂直方向一个布置在另一个之上，并且子电极中的每一个或若干子电极同时地可选择性地连接至传感器电子单元7，尤其是连接至所述信号发生器和评估单元A。在图1b)，最低子电极33并不连接至传感器电子单元7(亦即不被选择)。这导致电场特别集中在具有泡沫S的区域中，从而提升泡沫检测的敏感度。个别子电极31，32，33可顺序连接至传感器电子单元7，例如经由复用器(MUX)。取决于填充高度，例如只有最高的子电极31或中间的子电极32或两个子电极(如图1b)所示)连接至传感器电子单元7。这样的布置一方面将液体的影响(例如液体的导电性)减至最小，另一方面将泡沫检测的敏感度增至最大。
可选地，除了测量电极3，传感器2可包括保护电极9，保护电极9与测量电极3一起布置在传感器载体8上。保护电极9由低阻抗信号s’激发，低阻抗信号s’可通过施加信号s到具有电压放大率1的缓冲放大器13来产生。利用保护电极9以期望的方法来使电场集中，确保来自测量电极3的场线被引导穿过液体12而不直接进入底板4，这提升了填充高度测量的准确度。
如果为了确定单一液体容器的填充高度或检测泡沫S而只放置该单一液体容器(例如具有试剂或清洁剂的凹槽或小瓶)在所描述的电极配置的前方，图1所示的传感器2是非常适合的。另一方面，如果彼此紧密地布置的若干液体容器(例如运载单元(支架)5中的大量样本试管1)一起移动经过传感器2，来自测量电极3的场线的一部分穿过相邻的样本试管1’的液体12’，从而预定的样本试管1的填充高度的测量可能被相邻的样本试管1’的填充高度扭曲。泡沫检测也受其影响。
图2示出了根据本发明的传感器2的实施例，这通过大幅减少由相邻样本试管1’导致的「串扰」来解决上述问题。
图2a)示意性地示出了具有若干样本试管1的运载单元5的侧视图，所有样本试管1含有液体12，12’。传感器2未于此图示出，但位于三支样本试管1，1’的前方，三支样本试管1，1’的纵向轴线垂直于水平的底板4。图2b)从上方示出该布置，图中的布置具有传感器2。如图所示，该传感器2的测量电极3位于两支保护电极91，92之间，保护电极91，92分别布置在测量电极3的左侧和右侧。测量电极3和两支保护电极91，92布置在印制电路板的正面V上，用作传感器载体8。传感器载体8的背面H上布置了另一支保护电极93，保护电极93从后覆盖测量电极3和两支前保护电极91，92。此电极布置制造电场，该电场一方面将测量电极3耦合至测量电极3前方的样本试管1中的液体12(由电容C1显示)，以及将两支侧保护电极91，92耦合至两支侧保护电极91，92前方的样本试管1’中的液体12’(由电容C2和C3显示)，而另一方面，将三支样本试管1，1’中的液体12，12’耦合至接地的底板4(由电容C4，C5和C6显示)。尽管有保护电极91，92，来自两支侧样本试管1’的液体12’的电场的小部分仍然分散在中间样本试管1中的液体12中，中间样本试管1的填充高度将被测量或泡沫S在中间样本试管1的存在将被检测(由电容C7和C8显示)。然而，与电容C1和C4相比，电容C7和C8相对地小。
图2c)示出了包括根据具有传感器电子单元7的图2a)和图2b)的实施例的电等效电路的标识的示意图，传感器电子单元7包括信号发生器，所述信号发生器供应信号s以激发测量电极3，并且供应信号s至具有电压放大率1的缓冲放大器13，缓冲放大器13将信号s作为低阻抗信号s’供应至两支保护电极91，92。
为了进一步减少样本试管1，1’(或位于其中的液体12，12’)的「串扰」或耦合，以下提出图3所示的实施例。
图3a)示出了传感器2的条带状部分的立体图。此实施例变体中，额外的地电极101，102和另一保护电极94，95布置在传感器载体8的正面V上，在测量电极3和两支保护电极91，92的左侧和右侧。由于图中所示的两支侧向地电极101，102的布置，三支样本试管1，1’之间产生了零电场。图3a)的测量电极3上的虚线显示了除了(第一)测量电极3，可以使用第二独立(即电力上分开的)测量电极3’，其中第二测量电极3’被激发，例如由不同于第一测量电极3的频率激发。
如图3b)所示，以视图示出了传感器载体8的完整正面V：从图的左侧的前方开始具有左外侧保护电极94、左地电极101、左内侧保护电极91、测量电极3、右内侧保护电极92、右地电极102以及右外侧保护电极95，所有上述电极设计成条带状；图的中间部分有具有保护电极93的中间层Z；以及图的右侧有具有接地面11的背面H。电极条带的长度大约对应样本试管1的高度。详细而言，应该注意的是，如图1所示，在测量电极3的下端部仍然有一块保护电极9，以确保来自测量电极3的电场的场线经由样本试管1中的液体12触及底板4，并且不会直接从测量电极3延伸到底板4而绕过样本试管1中的液体12，这将扭曲填充高度测量或泡沫检测以及因此使填充高度测量或泡沫检测变得不准确或不可靠。
图3c)也示出了多层传感器载体2的侧面轮廓(旋转了90度至水平位置)，多层传感器载体2经设计成例如多层印制电路板，该多层印制电路板包括具有七支条带状电极94，101，91，3，92，102，95的正面V、具有宽的条带状保护电极93的中间层Z，以及具有更宽的接地面11的背面H，更宽的接地面11从后覆盖在其前方的所有电极条带。
图4以立体图示例性地示出了根据本发明的电容式泡沫检测装置的另一实施例。具有六个用于液体接收器1的接收器6的导电的运载单元5布置在水平的底板4，在运载单元5中，只有两个后接收器6容纳具有注入液体12，如试剂，的液体容器1。具有测量电极3的传感器2位于底板4与运载单元5之间。两个液体容器1的纵向轴线a垂直地对齐，亦即垂直于传感器2。运载单元5是接地的或以电容方式与地电势GND耦接。测量电极3与运载单元5电绝缘。测量电极3和运载单元5连接至传感器电子单元(参见图5c)的7)以确定在测量电极3与运载单元5之间的电容。
类似于根据图1b)的实施例，当测量电极3由具有低频率和高频率的信号s激发时，通过测量及比较测量电极3和运载单元5的电容，可同时检测电容泡沫S和确定液体12的类型。
图5a)示意性地示出了根据本发明的一个实施例的液体容器1的侧截面图，液体容器1在运载单元2中且在传感器2上。此实施例的变体中，传感器2由圆形的测量电极3、第一环状保护电极91和第二环状保护电极92组成，其中在此实施例中测量电极3被环状保护电极91包围。测量电极3和环状保护电极91皆位于传感器载体8的上部O，例如印制电路板。第二保护电极位于传感器载体8的下部U并且从下方同时覆盖测量电极3和保护电极91(亦即如从运载单元5观看，在测量电极3和保护电极91的后面或下面)。传感器载体8位于底板4上，其中运载单元5布置在传感器2的上方，使得接收器6位于测量电极3的上方。理想地，位于接收器6中的液体容器1的纵向轴线穿过圆形的测量电极3的中心。接地的运载单元5必须与传感器2电绝缘。为确保此，传感器载体8的表面O上有绝缘层(未于图5a)示出；有关这方面请参见图6)。此外，可以在接收器6的侧面区域或壁上布置非导电的间隔件10，该间隔件10经设计成例如间隔套筒，在垂直方向部分地或完全地包围液体容器1。在垂直方向完全地包围液体容器1的这样的间隔套筒(或绝缘套筒/环)10在图6b)中示出，图6b)示出了根据图6a)的实施例的顶视图。绝缘环10具有两个正面效果。一方面，液体容器1的外直径、接收器6的内直径以及接收器6之内的液体容器1的位置的公差/偏差对测量结果带来较小影响。另一方面，绝缘环10防止经冷却的液体容器1的外面上的凝结的水分与运载单元5电流接触并且因此扭曲测量结果。
图5c)示出了根据图5a)和图5b)的实施例的电等效电路。运载单元5和布置成与运载单元5成直角的测量电极3一起形成电容器，该电容器的电容取决于液体容器1中的液体12的填充高度(亦即填充高度越高，电容越大)。电容由两个部分电容C21和C22组成，其中C21是运载单元5与液体12之间的电容，而C22是液体12与测量电极3之间的电容。C21随着圆筒形的液体容器1的填充高度而线性地改变。另一方面，不论填充高度如何，C22自某最小填充量开始与液体12的最小电导率和液体容器1的平的底部保持恒定。为了测量该电容，测量电极3由信号s激发，信号s由传感器电子单元7中的信号发生器产生。电场因信号s而在运载单元5与测量电极3之间形成，其中场线穿过液体12。一个可靠、可测量的电容结果的出现取决于液体容器1内的液体12的量(亦即取决于填充高度)。利用第一保护电极91，可以期望的方法集中所述电场，从而确保所述电场的主要部分从运载单元5经过液体12传导至测量电极3中，以及尤其是在接收器6的最低区域，不会直接从运载单元5传导至测量电极3中，从而增加填充高度测量的准确度。第二保护电极92也用于将边缘效应和外部干扰减至最小，以及因而用于降低寄生电容。两个保护电极91，92由低阻抗信号s’激发，低阻抗信号s’可通过将信号s施加到具有电压放大率1的缓冲放大器13而产生，如图5c)所示。保护电极91也可经由开关X连接至来自缓冲放大器13的低阻抗信号s’或连接至地电势GND。如果保护电极91是接地的，液体容器1的底部的厚度可通过测量电容C21+C23来确定。
图6a)中，以顶视图示出了传感器2，传感器2适于对位于其上方的液体容器1进行填充高度测量或泡沫检测。这里可清楚看到圆形的测量电极3如何被环状第一保护电极91包围(图中的阴影线部分)，其中测量电极3和第一保护电极91皆共面地布置在传感器载体8上。第二圆形保护电极92以虚线表示，其位于测量电极3的下方及在传感器载体8的另一侧上的第一保护电极91的下方。第二保护电极92与第一保护电极91重叠，并且覆盖测量电极3以及从下面或后面完全覆盖第一保护电极91。这可在图6b)的传感器2的截面图中清楚看到。根据图6b)的实施例中，测量电极3和第一保护电极91被置于传感器载体8的中间层Z的一侧上，而第二保护电极92被置于中间层Z的另一侧上。中间层Z的两侧各被涂上保护层，例如电绝缘材料的保护层。这些保护层形成传感器2的上部O和下部U。图6a)中测量电极3上的虚线表示除了(第一、半圆形的)测量电极3，也可使用第二独立(即电分离、半圆形的)测量电极3’(以点线显示)，其中测量电极3’由例如不同于第一测量电极3的频率激发。
传感器2可作为独立单元布置在底板4上，以及例如粘合到底板4上、或整合至底板4中。或者，传感器2也可连接至运载单元5，以致运载单元5与传感器2一起形成一个单元，传感器电子单元7可整合至该单元中以提供一个完整装置，该装置用于对放置在运载单元5的(一个或多个)接收器6中的液体容器以电容方式进行填充高度测量。传感器2明显地可具有与保护电极91，92相关联的若干测量电极3，例如，在运载单元5中，每个接收器具有一支测量电极3。
运载单元5无须完全由导电材料制成。例如，导电电极可在一个或多个接地的接收器6的区域中使用。
除了将运载单元5连接至地电势GND(亦即将其接地)，当然也可以反过来将测量电极3连接至地电势，其中这只确定了用于电容测量的基准电势位于何处。
附图标记列表
1，1’ 液体容器、凹槽、样本试管
2 传感器
3 (第一)测量电极
3’ 第二测量电极
31 测量电极的第一子电极
32 测量电极的第二子电极
33 测量电极的第三子电极
4 底板
5 运载单元
6 接收器
7 传感器电子单元
8 传感器载体
9 保护电极
91 第一保护电极
92 第二保护电极
93 第三保护电极
94 第四保护电极
95 第五保护电极
101 第一地电极
102 第二地电极
10 间隔件/套筒、绝缘环
11 接地面
12，12’ 液体
13 缓冲放大器
A 评估单元
a 样本试管的纵向轴线
C1...C8 (部分)电容
C21...C23 (部分)电容
GND 接地、地电势
H 传感器载体的背面
K 标识符
MUX 复用器
O 传感器载体的上部
P 运载单元的插入路径
S 泡沫
s 激发测量电极的信号
s’ 激发保护电极的信号
sc 控制信号
U 传感器载体的下部
V 传感器载体的正面
X 开关
z 传感器载体的中间层

Claims (15)

1.一种用于在液体容器(1)中以电容方式检测泡沫的装置，所述液体容器尤其是用于试剂或样本试管的容器，所述装置包括：
-具有测量电极(3)的传感器(2)；
-适于布置至少一个液体容器(1)或运载单元(5)的导电底板(4)，所述运载单元具有至少一个用于接收液体容器(1)尤其是样本试管的接收器(6)；
-传感器电子单元(7)，其连接至所述测量电极(3)和所述底板(4)，并且适于确定在所述测量电极(3)与所述底板(4)之间的阻抗，尤其是电容；以及
-评估单元(A)，
其中，
-所述测量电极(3)布置成大致垂直于所述底板(4)，尤其是布置成垂直于水平地布置的底板(4)；
-所述传感器电子单元(7)包括信号发生器，可使用所述信号发生器产生激发所述测量电极(3)的具有第一频率的第一信号和激发所述测量电极(3)的具有第二频率的第二信号；以及
-所述评估单元(A)适于基于阻抗，尤其是电容，在以下情况下检测所述液体容器(1)中是否存在泡沫(S)：如果以所述第一信号激发所述测量电极(3)的第一测量信号与以所述第二信号激发所述测量电极(3)的第二测量信号之间的差异，或者所述第一测量信号和所述第二测量信号的比率，超过预定阈值，
其特征在于，所述测量电极(3)包括多个子电极(31，32，33)，所述子电极在垂直方向一个布置在另一个之上，并且所述子电极中的每一个或多个所述子电极同时地能够选择性地连接至所述传感器电子单元(7)，尤其是所述信号发生器。
2.根据权利要求1所述的装置，还包括复用器(MUX)，通过所述复用器将所选择的子电极(31，32，33)连接至所述传感器电子单元(7)。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述测量电极(3)布置在保护电极(9)上方及传感器载体(8)的正面(V)上，其中所述保护电极(9)尤其是位于所述测量电极(3)与所述底板(4)之间。
4.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述测量电极(3)布置在第一保护电极(91)与第二保护电极(92)之间及传感器载体(8)的正面(V)上。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，第三保护电极(93)布置在所述传感器载体(8)的背面(H)或中间层(Z)上，其中所述第三保护电极(93)至少覆盖所述测量电极(3)，尤其是覆盖所述测量电极(3)以及所述第一保护电极(91)和所述第二保护电极(92)。
6.根据权利要求1至5中的任一项所述的装置，其特征在于，所述第一频率在1kHz至1MHz的范围内，尤其是在300kHz至500kHz的范围内，以及所述第二频率在1MHz至50MHz的范围内，尤其是在10MHz至15MHz的范围内，其中所述第一频率和所述第二频率尤其是不同的并且可调，以及所述第一信号和所述第二信号尤其是正弦信号。
7.一种用于在液体容器(1)中以电容方式检测泡沫的方法，所述液体容器尤其是用于试剂或样本试管的容器，所述方法包括以下步骤：
-设置水平地布置的导电底板(4)以及具有测量电极(3)和传感器电子单元(7)的传感器(2)，所述测量电极垂直地布置，所述传感器电子单元连接至所述测量电极(3)和所述底板(4)；
-布置液体容器(1)或运载单元(5)在所述底板(4)上且与所述测量电极(3)邻接，所述运载单元(5)具有至少一个接收器(6)，所述接收器用于接收液体容器(1)，尤其是样本试管；
-使用具有第一频率的第一信号激发所述测量电极(3)，所述第一频率尤其在1kHz至1MHz的范围内，优选地在300kHz至500kHz的范围内；
-根据所述测量电极(3)与所述底板(4)之间的阻抗，尤其是电容，确定第一测量信号；
-使用具有第二频率的第二信号激发所述测量电极(3)或连接至所述传感器电子单元(7)和所述底板(4)的第二测量电极(3’)，所述第二频率尤其在1MHz至50MHz的范围内，优选地在10MHz至15MHz的范围内；
-根据所述测量电极(3)或所述第二测量电极(3’)与所述底板(4)之间的阻抗，尤其是电容，确定第二测量信号；
-如果所述第一测量信号与所述第二测量信号之间的差异，或所述第一测量信号和所述第二测量信号的比率，超过预定阈值，输出示意泡沫(S)存在于所述液体容器(1)中的标识符，
其特征在于，所述测量电极(3)包括多个子电极(31，32，33)，所述子电极在垂直方向一个布置在另一个之上，并且用所述第一信号和所述第二信号激发所述测量电极(3)包括选择至少一个子电极(31，32，33)和仅激发所述选择的至少一个子电极(31，32，33)。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，至少一个子电极(31，32，33)的选择经由复用器(MUX)进行，所述复用器(MUX)将所述所选择的至少一个子电极(31，32，33)连接至所述传感器电子单元(7)。
9.根据权利要求7或8所述的方法，还包括以下步骤：
-将具有多个用于接收样本试管(1)的接收器(6)的运载单元(5)沿水平方向移动经过所述测量电极(3)，
其中，在所述运载单元(5)移动经过所述测量电极(3)期间确定所述测量信号。
10.用于在液体容器(1)中以电容方式检测泡沫的替代装置，所述液体容器尤其是用于试剂或样本试管的容器，所述装置包括：
-具有测量电极(3)的传感器(2)，所述传感器共面地布置在水平的底板(4)上或被整合至所述底板(4)；
-至少部分地导电的运载单元(5)，所述运载单元具有至少一个用于接收液体容器(1)的接收器(6)，其中所述运载单元(5)尤其是接地的，例如以电容方式耦接至地电势(GND)；
-传感器电子单元(7)，其连接至所述测量电极(3)和所述运载单元(5)，并且适于确定在所述测量电极(3)与所述运载单元(5)之间的阻抗，尤其是电容；以及
-评估单元(A)，
其中，
-所述运载单元(5)布置在所述底板(4)上，使得所述接收器(6)位处所述测量电极(3)的上方或在所述测量电极(3)上，并且所述运载单元(5)与所述测量电极(3)电绝缘；
-所述传感器电子单元(7)包括信号发生器，使用所述信号发生器产生激发所述测量电极(3)的具有第一频率的第一信号和激发所述测量电极(3)的具有第二频率的第二信号；以及
-所述评估单元(A)适于基于阻抗，尤其是电容，在以下情况下检测所述液体容器(1)中是否存在泡沫(S)：如果以所述第一信号激发所述测量电极(3)的第一测量信号与以所述第二信号激发所述测量电极(3)的第二测量信号之间的差异，或者所述第一测量信号和所述第二测量信号的比率，超过预定阈值。
11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述测量电极(3)布置在传感器载体(8)上或在传感器载体(8)内，以及由保护电极(91)包围，其中所述测量电极(3)尤其呈圆形，所述保护电极(91)尤其呈环形。
12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，另一保护电极(92)布置在所述传感器载体(8)上或在所述传感器载体(8)内且位于所述测量电极(3)和所述保护电极(91)下方，其中所述另一保护电极(92)至少覆盖所述测量电极(3)，尤其覆盖所述测量电极(3)和所述保护电极(91)，其中所述另一保护电极(92)尤其呈圆形。
13.用于在液体容器(1)中以电容方式检测泡沫的替代方法，所述液体容器尤其是用于试剂或样本试管的容器，所述方法包括以下步骤：
-布置具有测量电极(3)的传感器(2)在水平的底板(4)上，其中所述测量电极(3)共面地布置在所述底板(4)上或被整合至所述底板(4)；
-布置至少部分地导电的运载单元(5)在所述测量电极(3)上方或在所述测量电极(3)上，所述运载单元(5)具有至少一个用于接收液体容器(1)的接收器(6)，其中所述运载单元(5)尤其是接地的，例如以电容方式耦接至地电势(GND)，以及与所述测量电极(3)电绝缘；
-布置液体容器(1)在所述接收器(6)中；
-设置传感器电子单元(7)，所述传感器电子单元连接至所述测量电极(3)和所述运载单元(5)；
-使用具有第一频率的第一信号激发所述测量电极(3)，所述第一频率尤其是在1kHz至1MHz的范围内，优选地在300kHz至500kHz的范围内；
-根据所述测量电极(3)与所述运载单元(5)之间的阻抗，尤其是电容，确定第一测量信号；
-用具有第二频率的第二信号激发所述测量电极(3)或连接至所述传感器电子单元(7)和所述运载单元(5)的第二测量电极(3’)，所述第二频率尤其是在1MHz至50MHz的范围内，优选地在10MHz至15MHz的范围内，其中所述第一频率和所述第二频率尤其是不同的并且可调；
-根据所述测量电极(3)或所述第二测量电极(3’)与所述运载单元(5)之间的阻抗，尤其是电容，确定第二测量信号；以及
-如果所述第一测量信号与所述第二测量信号之间的差异，或所述第一测量信号和所述第二测量信号的比率，超过预定阈值，输出示意泡沫(S)存在于所述液体容器(1)中的标识符。
14.根据权利要求7至9中的任一项所述的方法或根据权利要求13所述的替代方法，其特征在于，用于激发所述测量电极(3)的所述第一信号和所述第二信号被同时施加到所述测量电极，以及同时确定所述第一测量信号和所述第二测量信号。
15.根据权利要求7至9中的任一项所述的方法或根据权利要求13或14所述的替代方法在确定容纳在液体容器(1)中的液体(12)的类型中的用途，所述液体(12)的类型尤其是试剂的类型。
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