CN114160224B - 一种微量加样器及加样方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微量加样器，包括吸排泵、驱动装置和控制系统，吸排泵与驱动装置连接，还包括三通阀、三通管和高压气罐，吸排泵的进出口与三通阀的一端连通，三通阀的另外两端分别连接有第一管路和第二管路，第一管路用于向吸排泵内输送液体样本，第二管路的另一端与三通管连通，三通管的另外两端分别安装有第三管路和第四管路，第三管路的另一端连接有控制开关，第三管路通过控制开关与高压气罐连接，第四管路的另一端连接有排液针；在第二管路上安装有第一液位传感器，第一液位传感器位于三通阀与三通管之间，第一液位传感器与控制系统电连接；在第四管路上均匀安装有多个第二液位传感器，多个第二液位传感器均与控制系统电连接。

Description

一种微量加样器及加样方法

技术领域

本发明涉及医学实验仪器技术领域，具体涉及一种微量加样器及加样方法。

背景技术

在医学临床检验、生物学试验和化工研究等试验过程中，微量加样器是必不可少的用具之一，是用于吸取定量的样品,并注入色谱分析仪等仪器的主要计量器具,在微量分析时,注入试样,对各种物质进行定性定量分析。常用的微量加样器分为两种：一种是微量移液枪，微量移液枪是移液器的一种，能够通过量程设定开关选择样品量。第二种是微量毛细管，微量毛细管的外壁上标有刻度，通过挤压气囊来吸取微量的液体样本。

微量加样器的吸入量和排出量准确与否与实验结果的准确性密切相关，尤其对定量分析的影响更为显著。现有的加样器在排出液体标本时通常会存在液体挂壁的情况，导致样本的实际排出量与所需要的样本量不一致，造成实验结果不准确。而且加样器在长期使用后会出现弹簧变形，弹力减小以及器件磨损等情况，也会导致加样器吸入和排出的液体量出现误差。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明提供一种微量加样器，包括吸排泵、驱动装置和控制系统，吸排泵与驱动装置连接，驱动装置和控制系统电连接，还包括三通阀、三通管和高压气罐，吸排泵的进出口与三通阀的一端连通，三通阀的另外两端分别连接有第一管路和第二管路，第一管路用于向吸排泵内输送液体样本，第二管路的另一端与三通管连通，三通管的另外两端分别安装有第三管路和第四管路，第三管路的另一端连接有控制开关，第三管路通过控制开关与高压气罐连接，第四管路的另一端连接有排液针；在第二管路上安装有第一液位传感器，第一液位传感器位于三通阀与三通管之间，第一液位传感器与控制系统电连接；在第四管路上均匀安装有多个第二液位传感器，多个第二液位传感器均与控制系统电连接，第二液位传感器用于计量液体样本的体积。通过多个第二液位传感器计量液体样本的体积，相较于通过刻度计量体积更加准确，而且第二液位传感器安装在管壁上，长时间使用后，吸排泵磨损不会对计量精确度造成影响；高压气罐能够快速将液体样本从排液针内推出，能够避免了少量液体粘附在管壁上造成计量精度不准确的情况，使每次加样的一致性和精确度都能得到很好的保证。

本发明解决技术问题，采用的技术方案如下：

一种微量加样器，包括吸排泵、驱动装置和控制系统，吸排泵与驱动装置连接，驱动装置和控制系统电连接，还包括三通阀、三通管和高压气罐，吸排泵的进出口与三通阀的一端连通，三通阀的另外两端分别连接有第一管路和第二管路，第一管路用于向吸排泵内输送液体样本，第二管路的另一端与三通管连通，三通管的另外两端分别安装有第三管路和第四管路，在第三管路上安装有控制开关，第三管路的另一端与高压气罐连接，第四管路的另一端连接有排液针；

在第二管路上安装有第一液位传感器，第一液位传感器位于三通阀与三通管之间，第一液位传感器与控制系统电连接；

在第四管路上均匀安装有多个第二液位传感器，多个第二液位传感器均与控制系统电连接，第二液位传感器用于计量液体样本的体积。

一种加样方法，采用上述的一种微量加样器，包括如下步骤：

步骤100：将第一管路远离三通阀的一端放入液体样本中，操作控制系统旋转三通阀上的开关使第一管路与吸排泵连通，关闭第二管路，并通过控制系统控制吸排泵工作，将液体样本吸入到吸排泵内；

步骤200：根据所需液体样本的体积选择对应的第二液位传感器与控制系统连通，操作控制系统旋转三通阀上的开关关闭第一管路，使第二管路和吸排泵连通，控制系统控制吸排泵工作，将液体样本缓慢从吸排泵内排出；

步骤300：第一液位传感器检测到第二管路内的液体样本时，第一液位传感器将信号反馈给控制系统并持续监控第二管路内是否出现气泡，当出现气泡时，控制系统会根据第一液位传感器反馈的信号计算出气泡体积并延长吸排泵的转动角度或步数；

步骤400：与控制系统连通的第二液位传感器检测到液体样本时，如第一液位传感器未检测到气泡，则控制系统控制吸排泵立即停止工作；当第一液位传感器检测到气泡，控制系统会在第二液位传感器检测到液体样本的设定时间内控制吸排泵停止工作；

步骤500：吸排泵停止工作后，打开控制开关，高压气罐内的气体通过第三管路快速流入第四管路，推动第四管路内的液体样本从排液针下端排出。

进一步的，步骤300中气泡的体积计算公式为：设第二管路的内孔截面面积为S1，第一液位传感器检测到管路中出现气泡至气泡结束的时长为Δt，吸排泵排液量为Q，气泡的体积为V1。

则：V1＝Q/S1*Δt；

设吸排泵需要延长的步数为T，则：T＝V1/Q。

进一步的，当气泡的体积与已经过第一液位传感器液体样本的体积之和大于控制系统预先设定的阈值时，控制系统会控制吸排泵停止工作，控制开关打开，高压气罐中的气体推动第四管路内的液体样本从排液针下端排出，然后重复步骤100至步骤500。

进一步的，每个第二液位传感器均代表一个数值单位且多个第二液位传感器从上至下依次递增，步骤200中，当所需液体样本的体积数值与所有第二液位传感器所代表的体积数值均不相同时，则在控制系统内输入所需液体样本的体积数值，控制系统计算吸排泵工作的时间，并控制吸排泵工作，然后再依次按照步骤300和步骤500进行；

控制系统计算吸排泵工作时间的公式为：

设所需液体样本的体积为V0,第二管路内孔直径为D2，泵组件首次排液量为V3，第一液位传感器与三通管距离L1长度的体积为VL1，吸排泵排液量为Q，吸排泵工作时间为T1，则：

V3＝V0+VL1＝V0+(π*(D2/2)^2)*L1，

首次排液时，吸排泵工作时间为：T1(首)＝V3/Q；

首次排液后，后续排液体积均为V0,则：

T1(后)＝V0/Q。

进一步的，第二管路和第四管路均为透明管路且不易产生形变，第一液位传感器和第二液位传感器分别卡嵌安装在第二管路和第四管路上，第一液位传感器和第二液位传感器可以为光耦传感器。

进一步的，吸排泵只能与第一管路和第二管路中的一条管路保持连通，即吸排泵通过三通阀与第一管路连通时则不与第二管路连通，吸排泵通过三通阀与第二管路连通时则不与第一管路连通。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

本发明所提供的一种微量加样器，根据所需液体样本的体积数值，通过控制系统选定与体积数值相匹配的第二液位传感器，使控制系统与第二液位传感器连接，当第二液位传感器检测到液体时，控制系统控制吸排泵停止工作。再通过高压气流将液体样本吹出排液针，避免管道内壁和排液针内壁出现挂液的情况。第一液位传感器能够避免在排液过程中，液体中出现气泡，造成实际排出液体的体积小于所需液体的体积。与传统的微量加样器相比，通过液位传感器代替刻度值，避免了人为观察所造成的误差，且不受加样器长期使用受损的影响。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是本发明提供的一种微量加样器的原理示意图；

图2是气流截断液体的原理示意图；

图3是第二液位传感器安装在第四管路上的结构示意图；

图4是本发明提供的一种加样方法的流程图；

图5是现有气动移液器的结构示意图。

图标：110-吸排泵；111-套筒；113-活塞杆；130-驱动装置；150-三通阀；151-第一管路；153-第二管路；155-第一液位传感器；157-第二液位传感器；159-上截面；170-三通管；171-第三管路；173-第四管路；175-控制开关；177-排液针；190-高压气罐。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

下面结合图1至图5对本发明作详细说明。

请参考图1、图2和图5所示，一种微量加样器，包括吸排泵110、驱动装置130和控制系统，吸排泵110与驱动装置130连接，驱动装置130和控制系统电连接。在本实施方式中驱动装置130为步进驱动装置，通过驱动装置130转动带动吸排泵110工作，从而使吸排泵110吸入或排出液体。吸排泵110包括套筒111和设于套筒111内的活塞杆113，驱动装置130的输出端与滚珠丝杠连接，滚珠丝杠与连接座螺纹连接，活塞杆113的一端固定在连接座上，从而使活塞杆113能够在套筒111内往复运动，驱动装置130、滚珠丝杠和吸排泵110的连接方式和原理与现有的气动移液器相同，此处不再赘述。控制系统能够控制驱动装置130和其他元件工作且能够根据预设定的算法和阈值实现自动排液。此外还包括三通阀150、三通管170和高压气罐190。吸排泵110的进出口与三通阀150的一端连通，三通阀150的另外两端分别连接有第一管路151和第二管路153，第一管路151用于向吸排泵110内输送液体样本。第二管路153的另一端与三通管170连通，三通管170的另外两端分别安装有第三管路171和第四管路173，第三管路171上安装有控制开关175，第三管路171的另一端与高压气罐190连接，第四管路173的另一端连接有排液针177。三通阀150和控制开关175均与控制系统电连接。通过控制三通阀150能够打开或关闭第一管路151和/或第二管路153，使吸排泵110能够与任一管路连通。通过控制开关175能够打开或关闭第三管路171，进而控制高压气罐190内的高压气体是否流入三通管170。高压气罐190内的高压气体用于将第四管路173内孔中的液体样本从排液针177的下端排出，或者阻止第二管路153内的液体样本流入第四管路173中。

进一步的，在第二管路153上安装有第一液位传感器155，第一液位传感器155位于三通阀150与三通管170之间，第一液位传感器155与控制系统电连接，第一液位传感器155用于检测第二管路153内是否存在液体和检测第二管路153内是否存在气泡，以及气泡出现和消失的时间节点，并实时将信号反馈给控制系统，当对液体检测过程中出现了未检测到液体的间隔，其未检测到液体的间隔，设定为检测到了气泡。

控制系统根据第一液位传感器155反馈的信息计算出气泡的体积和吸排泵110需要延长的步数，即通过延长吸排泵110的排液时间，补偿气泡所占用的体积，从而使实际排出的液体体积与所需要的液体体积相同。

在第四管路173上均匀安装有多个第二液位传感器157，多个第二液位传感器157均与控制系统电连接，第二液位传感器157用于计量液体样本的体积。每个第二液位传感器157均代表一个数值单位且多个第二液位传感器157从上至下依次递增，例如最上方的第二液位传感器157代表1毫升，第二个第二液位传感器157代表2毫升......第n个第二液位传感器157代表n毫升。0毫升数值位置为高压气罐190内的气体隔断三通管170内的液体的上截面159，即三通管170内孔中对应第三管路171的上侧壁为0毫升数值位置，具体为图2中的上截面159的位置。由于第二管路153内充满液体，所以气流会向第四管路173内流动，且由于所有管路的孔径尺寸均很小，在本领域中，第三管路171和第四管路173的管孔直径均在0.5mm-1mm之间，所以气流对第二管路153内液体的影响可以忽略不计。

其具体为：当高压气罐190内的高压气体进入到三通管170中时，高压气体能阻止第二管路153内的液体样本流入第四管路173中，高压气体截断三通管170内的液体流动，高压气体与第二管路153下端的液体接触面为上截面159，以上截面159作为基准面，在本实施方式中，若干个第二液位传感器157的安装高度位置分别为：上截面159到最上方的第二液位传感器157感应高度之间的管腔容积为1毫升，相邻两个第二液位传感器157感应高度之间的管腔容积也为1毫升。

请参考图3所示，在本实施方式中，第一液位传感器155和第二液位传感器157均采用光耦传感器，直接卡嵌在管路外壁上即可，而且第二管路153和第四管路173均为不易发生形变且透明的材质构成的精密导管，例如玻璃材质，传感器卡嵌在管壁上时，管壁不会变形，不会影响测量精度。

请参考图1和3图所示，一种加样方法，采用上述的一种微量加样器，包括如下步骤：

步骤100：将第一管路151远离三通阀150的一端放入液体样本中，通过控制系统操控三通阀150上的开关使第一管路151与吸排泵110连通，并关闭第二管路153，并通过控制系统控制吸排泵110工作，将液体样本吸入到吸排泵110内。

在本实施方式中，三通阀150仅能使第一管路151与吸排泵110连通或使第二管路153与吸排泵110连通且第一管路151与第二管路153不能够同时与吸排泵110连通，即吸排泵110吸液时，液体不能够流入到第二管路153内，吸排泵110排液时，液体不能流入到第一管路151内，避免了吸排泵110内进入空气和第二管路153内提前进入部分液体，造成计量不精确的情况发生。此外，吸排泵110内可一次性吸入供多次排液的量，工作人员可提前通过操作系统设定总共所需的液体样本体积数值，如总共所需的液体样本体积超过吸排泵110所能容纳的最大体积，则在操作系统设定吸排泵110吸入最大容纳数值即可，待吸排泵110内的液体排出完，再进行下次吸液。如总共所需的液体样本体积未超过吸排泵110所能容纳的最大体积，则操作系统会根据吸液时的液体流速和所需要的液体样本体积计算吸液时间，吸液时间达到后，操作系统控制吸排泵110停止吸液。

步骤200：根据所需液体样本的体积选择对应的第二液位传感器157与控制系统连通，通过控制系统操控三通阀150上的开关关闭第一管路151，使第二管路153和吸排泵110连通，控制系统控制吸排泵110工作，将液体样本缓慢从吸排泵110内排出。

工作人员可在控制系统中输入单次所需排液的体积数值，如每次排液的体积相同，则只需要输入一次即可，如每次排液的体积不同，工作人员需要根据需求依次将数值输入到控制系统内，控制系统会按数值顺序依次选择不同的第二液位传感器157相连通，例如所需排液的体积为2毫升，则控制系统选择代表2毫升的第二液位传感器157相连通，当代表2毫升的第二液位传感器157检测到液体时，会将检测信息反馈给控制系统，控制系统再进行下一步工作。

此外，当所需液体样本的体积数值与所有第二液位传感器157所代表的体积数值均不相同时，例如所需液体样本的体积为1.5毫克，多个第二液位传感器157均不能与1.5毫克相匹配，则控制系统按照预先设定的算法程序进行排液工作，控制系统通过输入的所需液体样本的体积数值计算吸排泵110工作的时间，即吸排泵110转动的圈数或步数。并控制吸排泵110工作，然后再依次按照步骤300和步骤500进行。

通过吸排泵110的排量或是驱动装置旋转圈数，然后换算成吸排泵走的圈数或步数，即吸排泵的驱动装置转动角度来计算泵的排量。

如本司泵常用的是步进驱动装置，驱动装置转动一圈是200步，可以控制驱动装置走的步数来计算泵的排量，如果是伺服驱动装置，则精度回更高些。

通过滚珠丝杠中丝杆一圈的距离，吸排泵的柱塞直径和驱动装置旋转角度(步数)来计算排量。

由于首次排液时，第二管路153内没有存在液体样本，所以在首次排液时，需要对第一液位传感器155与三通管170之间的第二管路153内补充液体，所补充的液体的体积为(π*(D2/2)^2)*L1。其中，π*(D2/2)^2为第二管路153内孔的横截面积，L1为第一液位传感器155到液体被气流截断所出现的液上横截面的直线距离。在后续排液时，因为第一液位传感器155与三通管170之间第二管路153的空间已经补充了液体，所以吸排泵110排出所需体积的液体即可。

首次正式加样之前，也可以采用增加一个排废置零工序来对第一液位传感器155与三通管170之间第二管路153的空间补充液体，即吸排泵110先排出吸排泵110内的空气和相对于管路体积多倍的液体体积，然后打开控制开关175，通过高压气体将三通管170至排液针177之间的液体吹排出去，之后就可以进行正式排液(加样)工作了。

步骤300：第一液位传感器155检测到第二管路153内的液体样本时，第一液位传感器155将信号反馈给控制系统并持续监控第二管路153内是否出现气泡，当出现气泡时，控制系统会根据第一液位传感器155反馈的信号计算出气泡体积并发指令给吸排泵110，通过多排体积给与补偿。

吸排泵110补偿和气泡同体积液体的原理和步骤200中首次排液时，补偿第一液位传感器155与三通管170之间空间的原理相同。即由于气泡占据了液体的空间，致使实际排出的液体体积小于所需液体体积，需要延长吸排泵110的排液时间，补偿缺少的液体体积。第一液位传感器155持续监测过程中，会将气泡出现的时间和气泡结束的时间反馈给控制系统，系统根据反馈信号计算出气泡出现的时长并进一步计算出气泡的体积。

控制系统计算气泡的体积和延长吸排泵110步数的计算公式如下：

设第二管路153的内孔截面面积为S1，第一液位传感器155检测到管路中出现气泡至气泡结束的时长为Δt，吸排泵110排液量为Q，气泡的体积为V1。

则：V1＝Q/S1*Δt；

设吸排泵110需要延长的步数为T，吸排泵100排液速率为m,则：T＝V1/m。

需要说明的是，当气泡的体积V1与已经过第一液位传感器155的液体样本体积Vy之和大于控制系统预先设定的阈值W时，阈值为第一液位传感器155与三通管170之间第二管路153的内孔体积VL1、第四管路173的内孔体积V4和排液针177内孔体积Vp之和，即第一液位传感器155还未检测到气泡结束，但液体即将在排液针177下端排出，控制系统会报警提示并控制吸排泵110停止工作，控制开关175打开，高压气罐190中的气体推动第四管路173内的液体样本从排液针177处排出。控制系统进行报警提示时，系统将排液针177移动至废液槽区域排出液体，此次排出的液体样本作废，然后重复步骤100至步骤500。

已经过第一液位传感器155的液体样本体积Vy,通过第一液位传感器155第一次检测到液体的时间值Ty1、第一液位传感器155第一次检测到气泡的时间值Tq1和液体在第四管路173内流动的速率Q4可以得出，具体计算公式为：Vy＝(Tq1-Ty1)/Q4。

步骤400：与控制系统连通的第二液位传感器157检测到液体样本时，如第一液位传感器155未检测到气泡，则吸排泵110实际排液体积等于所需排液体积，控制系统控制吸排泵110立即停止工作；如第一液位传感器155检测到气泡，控制系统会在第二液位传感器157检测到液体样本后一定时间内控制吸排泵110停止工作；

步骤500：吸排泵110停止工作后，打开控制开关175，高压气罐190内的气体通过第三管路171快速流入到第四管路173内，推动第四管路173内的液体样本从排液针177的下端排出，至此，此次加样工作完成。

高压气罐190内的气压较大，打开控制开关175后，在压强差的作用下，气体会推动液体向排液针177处运动，且在气体的推动下，液体不会粘附在管壁上，所以液体在排出排液针177的过程中几乎没有损耗，从而保证了排液过程中液体体积的精确度。

以上所述实施例仅表达了本申请的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术方案构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。

Claims (6)

1.一种微量加样器，包括吸排泵、驱动装置和控制系统，吸排泵与驱动装置连接，驱动装置和控制系统电连接，其特征在于：还包括三通阀、三通管和高压气罐，吸排泵的进出口与三通阀的一端连通，三通阀的另外两端分别连接有第一管路和第二管路，第一管路用于向吸排泵内输送液体样本，第二管路的另一端与三通管连通，三通管的另外两端分别安装有第三管路和第四管路，在第三管路上安装有控制开关，第三管路的另一端与高压气罐连接，第四管路的另一端连接有排液针；

在第二管路上安装有第一液位传感器，第一液位传感器位于三通阀与三通管之间，第一液位传感器与控制系统电连接；

在第四管路上均匀安装有多个第二液位传感器，多个第二液位传感器均与控制系统电连接。

2.一种加样方法，采用权利要求1所述的一种微量加样器，其特征在于，包括如下步骤：

步骤100：将第一管路远离三通阀的一端放入液体样本中，操作控制系统旋转三通阀上的开关使第一管路与吸排泵连通，关闭第二管路，并通过控制系统控制吸排泵工作，将液体样本吸入到吸排泵内；

步骤200：根据所需液体样本的体积选择对应的第二液位传感器与控制系统连通，操作控制系统旋转三通阀上的开关关闭第一管路，使第二管路和吸排泵连通，控制系统控制吸排泵工作，将液体样本从吸排泵内排出；

步骤300：第一液位传感器检测到第二管路内的液体样本时，第一液位传感器将信号反馈给控制系统并持续监控第二管路内是否出现气泡，当出现气泡时，控制系统会根据第一液位传感器反馈的信号计算出气泡体积；

当气泡的体积与经过第一液位传感器的液体样本体积之和，未大于控制系统预先设定的阈值时，控制系统根据反馈信号计算出气泡的体积，通过延长吸排泵的工作时间补偿液体体积，并进入步骤400；

当气泡的体积与经过第一液位传感器的液体样本体积之和，大于控制系统预先设定的阈值时，控制系统控制吸排泵停止工作，控制系统报警提示并打开控制开关，高压气罐内的气体将液体样本吹出排液针，并重新进入步骤100；

步骤400：与控制系统连通的第二液位传感器检测到液体样本时，如第一液位传感器未检测到气泡，则控制系统控制吸排泵立即停止工作；当第一液位传感器检测到气泡，控制系统会在第二液位传感器检测到液体样本后的设定时间内控制吸排泵停止工作；

步骤500：吸排泵停止工作后，打开控制开关，高压气罐内的气体通过第三管路流入第四管路，推动第四管路内的液体样本从排液针下端排出。

3.根据权利要求2所述的一种加样方法，其特征在于：步骤300中气泡的体积计算公式为：设第二管路的内孔截面面积为S1，第一液位传感器检测到管路中出现气泡至气泡结束的时长为Δt，吸排泵排液量为Q，气泡的体积为V1，

则：V1＝Q/S1*Δt；

设吸排泵须延长的步数为T，则：T＝V1/Q。

4.根据权利要求2所述的一种加样方法，其特征在于：每个第二液位传感器均代表一个数值单位且多个第二液位传感器从上至下依次递增，步骤200中，当所需液体样本的体积数值与所有第二液位传感器所代表的体积数值均不相同时，则在控制系统内输入所需液体样本的体积数值，控制系统计算吸排泵工作的时间，并控制吸排泵工作，然后再依次按照步骤300和步骤500进行；

控制系统计算吸排泵工作时间的公式为：

设所需液体样本的体积为V0,第二管路内孔直径为D2，泵组件首次排液量为V3，第一液位传感器与三通管距离L1长度的体积为VL1，吸排泵排液量为Q，吸排泵工作时间为T1，则：

V3＝V0+VL1＝V0+(Π*(D2/2)^2)*L1，

首次排液时，吸排泵工作时间为：T1(首)＝V3/Q；

首次排液后，后续排液体积均为V0,则：

T1(后)＝V0/Q。

5.根据权利要求1所述的一种微量加样器，其特征在于：第二管路和第四管路均为透明管路且不会产生形变，第一液位传感器和第二液位传感器分别卡嵌安装在第二管路和第四管路上，第一液位传感器和第二液位传感器为光耦传感器。

6.根据权利要求1所述的一种微量加样器，其特征在于：吸排泵只能与第一管路和第二管路中的一条管路保持连通，即吸排泵通过三通阀与第一管路连通时则不与第二管路连通，吸排泵通过三通阀与第二管路连通时则不与第一管路连通。

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