CN116174073B - 一种自动化高精度液体进样系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及分析仪器用进样设备技术领域，公开了一种自动化高精度液体进样系统及方法，系统包括：试剂储存模块，包括若干个试剂储存件；加注模块，包括称重件、三轴移动平台以及滴液装置，滴液装置上设有若干个滴液针头，滴液针头分别通过管路与试剂储存件一一对应连通，且每个滴液针头上均设有震动件；驱动模块，包括若干个驱动件，驱动件一一对应设于滴液针头和试剂储存件的连通管路上；以及控制模块。本发明基于PID算法，可根据进样目标值与实际值的偏差大小实时调整加液速度，从而实现精准且快速的加液；本发明可在进样目标值和实际值的差值小于一定值时，通过震动将针头液滴打散，从而实现更加精密的加液动作。
Description
技术领域
本发明涉及分析仪器用进样设备技术领域，具体涉及一种自动化高精度液体进样系统及方法。
背景技术
在传统的化学分析实验中，实验人员添加试剂样品需要使用移液枪或者其他试剂加注工具手动操作，过程中有一定的危险性，如遇到需要大批量不同配比的试剂添加会非常的繁琐。随着检测技术的不断发展，人们进行分析检测的样品更加多样化，对进样系统的样本进样量精确度、进样液流平顺性、生物安全性等方面的性能提出了更高的要求。
目前，市面上出现了一些自动化的液体进样系统，其大多采用样品管与进样管路完全密闭，与大气隔绝，通过注射泵等加压装置对样品管加正压，使样品被推入进样管路的原理。该方法对于进样部分的气密性有较高要求，长时间高频度使用易出现漏气现象，影响进样精度，同时进样的平顺性较差。此外由于采用特定的密闭结构，决定了系统必须采用特定的进样管，通用性较差，增加了系统成本，降低了使用便利性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种自动化高精度液体进样系统及方法，其解决了现有液体进样系统所存在的进样精度低、速度慢以及系统通用性差等缺陷。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
一种自动化高精度液体进样系统，所述系统包括：
试剂储存模块，包括若干个试剂储存件；
加注模块，包括称重件、三轴移动平台以及设于三轴移动平台上的滴液装置，所述滴液装置上设有若干个滴液针头，所述滴液针头分别通过管路与试剂储存件一一对应连通，且每个滴液针头上均设有震动件；
驱动模块，包括若干个驱动件，所述驱动件一一对应设于滴液针头和试剂储存件的连通管路上；
控制模块，用于在称重件上放置盛装件后，根据设定的试剂类别控制三轴移动平台工作，使得与该类别试剂储存件对应的滴液针头移至盛装件上方；获取所述称重件的实时质量值，将所述实时质量值与设定的目标质量值的差值进行PID计算，得到驱动件的实时输送速率，控制驱动件以实时输送速率将试剂储存件中的试剂经滴液针头输送至盛装件内，所述实时输送速率随着所述实时质量值与目标质量值的差值减小而降低，且在差值小于设定阈值时，控制模块控制所述震动件震动滴液针头以打散试剂液滴，直至完成所述目标质量值的试剂进样。
进一步改进在于，所述试剂储存件为试剂瓶，且每个试剂瓶的侧边均设有非接触式液位传感器，每个试剂瓶底部均设有磁力搅拌器，每个试剂瓶内均设有带磁性的搅拌子。
进一步改进在于，所述称重件为带有显示屏的天平。
进一步改进在于，所述驱动件为蠕动泵。
进一步改进在于，所述系统还包括壳体，所述壳体内形成有相互隔开的用于放置试剂储存模块的试剂储仓、用于放置加注模块的加注仓、用于放置驱动模块的驱动仓、以及用于放置控制模块的电气仓。
进一步改进在于，所述试剂储仓设有带观察窗的仓门。
进一步改进在于，所述壳体在加注仓的其中一侧边设有防风门机构，所述防风门机构包括安装框，以及竖向设于安装框内的丝杆和直线导轨，以及螺纹连接于丝杆上且与直线导轨滑动配合的滑块，以及安装在滑块上的防风门，以及设在丝杆端部的步进电机。
进一步改进在于，所述安装框顶部设有两组导向辊，所述防风门活动穿插经过导向辊。
本发明还提供了一种自动化高精度液体进样方法，所述方法基于上述系统，具体步骤包括：
S1、在试剂储存件内存储不同类别的试剂，在称重件上放置盛装件；
S2、启动系统，并通过控制模块设定所需试剂类别以及目标质量值；
S3、控制模块根据设定的试剂类别控制三轴移动平台工作，驱动与该类别试剂储存件对应的滴液针头移至盛装件上方，并获取所述称重件的实时质量值，将所述实时质量值与设定的目标质量值的差值进行PID计算，得到驱动件的实时输送速率，控制驱动件以实时输送速率将试剂储存件中的试剂经滴液针头输送至盛装件内，所述实时输送速率随着所述实时质量值与目标质量值的差值减小而降低，且在差值小于设定阈值时，控制模块控制所述震动件震动滴液针头以打散试剂液滴，直至完成所述目标质量值的试剂进样。
本发明的有益效果在于：
（1）该系统及方法基于PID算法，可根据进样目标值与实际值的偏差大小实时调整加液速度，从而实现精准且快速的加液，且进样的平顺性好；
（2）该系统及方法可在进样目标值和实际值的差值小于一定值时，通过震动将针头液滴打散，从而实现更加精密的加液动作，使得单次滴样精度可达0.001g；
（3）该系统及方法具有多个独立的进样通道，在自动化程序控制下，可实现多组分、不同配比的进液操作，通用性好；
（4）该系统及方法具有液位实时监测功能，以确保液体试剂的供给；还具有磁力搅拌功能，以提高低粘稠度的液体的进样效果；
（5）本发明还具有结构布局合理、拆装方便、防风设计、安全稳定性高等优点。
附图说明
图1为自动化高精度液体进样系统的外部结构示意图；
图2为自动化高精度液体进样系统去掉壳体后的左前侧示意图；
图3为自动化高精度液体进样系统去掉壳体后的右后侧示意图；
图4为试剂储存件及其附属结构的示意图；
图5为三轴移动平台和滴液装置的结构示意图；
图6为防风门机构的示意图；
图7为PID算法的流程图；
图中：1、试剂储存件；2、称重件；3、三轴移动平台；4、滴液装置；5、滴液针头；6、驱动件；7、非接触式液位传感器；8、磁力搅拌器；9、显示屏；10、壳体；11、试剂储仓；12、加注仓；13、驱动仓；14、电气仓；15、观察窗；16、仓门；17、安装框；18、丝杆；19、直线导轨；20、滑块；21、防风门；22、步进电机；23、导向辊。
具体实施方式
下面结合附图对本申请作进一步详细描述，有必要在此指出的是，以下具体实施方式只用于对本申请进行进一步的说明，不能理解为对本申请保护范围的限制，该领域的技术人员可以根据上述申请内容对本申请作出一些非本质的改进和调整。
结合图1-6所示，一种自动化高精度液体进样系统，系统包括：
试剂储存模块，包括若干个试剂储存件1，用于储存各类别的液体试剂；
加注模块，包括称重件2、三轴移动平台3以及设于三轴移动平台3上的滴液装置4，滴液装置4上设有若干个滴液针头5，滴液针头5分别通过管路与试剂储存件1一一对应连通，且每个滴液针头5采用柔性活动安装，滴液针头5上均设有震动件（例如震动马达，图中未示出）；
驱动模块，包括若干个驱动件6，驱动件6一一对应设于滴液针头5和试剂储存件1的连通管路（图中管路省略）上；
控制模块，用于在称重件2上放置盛装件（例如西林瓶）后，根据设定的试剂类别控制三轴移动平台3工作，使得与该类别试剂储存件1对应的滴液针头5移至盛装件上方；获取所述称重件2的实时质量值，将所述实时质量值与设定的目标质量值的差值进行PID计算，得到驱动件6的实时输送速率，控制驱动件6以实时输送速率将试剂储存件1中的试剂经滴液针头5输送至盛装件内，所述实时输送速率随着所述实时质量值与目标质量值的差值减小而降低，且在差值小于设定阈值时，控制模块控制所述震动件震动滴液针头5以打散试剂液滴，直至完成所述目标质量值的试剂进样。
控制模块基于PID算法，可以在实时质量值和目标质量值的差值较大时，使驱动件6的输送速度快；在实时质量值和目标质量值的差值较小时，使驱动件6的输送速度慢，这样也就实现了根据目标值和实时值的差值的大小实时调整驱动件6的速度，从而进行精准且快速的加液。另外，由于液体试剂表面张力的存在，在试剂加注后期为了保证高精度加注，驱动件6的输送速度会非常缓慢，这样就会出现滴液针头5挂液的现象，为了解决这一问题，在滴液针头5上装震动件（马达），在加液缓慢时就驱动震动马达将液滴打散，从而实现更加精密的加液动作。
优选的，本发明中试剂储存件1为试剂瓶，每个试剂瓶的侧边均设有非接触式液位传感器7，每个试剂瓶底部均设有磁力搅拌器8，每个试剂瓶内均设有带磁性的搅拌子。其中，非接触式液位传感器7是一种非接触式柔性电容液位传感器。采用独特的柔性基材，具有弯曲特性、轻薄特性，自带耐温防水3M背胶使其可以轻易地附着在容器表面，输出为数字高低电平，当检测到有液体时输出低电平反之输出高电平，传感器接口采用3芯杜邦插头，能适用于任何非导电材质容器壁厚度小于5mm的容器；非接触式液位传感器7可在缺液时发出信号，控制蜂鸣器报警。磁力搅拌器8是用于液体混合的实验室仪器，主要用于搅拌或同时加热搅拌低粘稠度的液体或固液混合物，去使用RS485模块与磁力搅拌电机驱动器通信，通过控制电机转速从而控制磁力搅拌速度。
优选的，本发明中称重件2为带有显示屏9的天平，天平使用RS232和主控制模块进行通信，把实时的质量反馈给控制模块。
优选的，本发明三轴移动平台3是由XYZ三轴直线模组组合，以左右直线运动的横线为X轴，同一平面内前后直线运动的轴为Y轴，上下直线运动的轴为Z轴，实现在XYZ三维立体空间运行的平台。具体运动原理是Z轴固定在X轴直线模组上，Y轴固定在平台中心；Z轴为称之为作业轴或工具轴，Z轴则安装相对应的滴液装置；Y轴为载物轴，承载所需加工的物品；X轴定位轴，通过左右移动定位在与Y轴交点上实现对平台上西林瓶进行加液。如下图所示，XY轴均选用精密的螺杆驱动模组，考虑负载及工作方式，Z轴可用迷你电动推杆代替，Y轴安装在一块6mm厚的铝合金板上，降低整体重心，提高模组运行可靠性及稳定性，X轴通过模组连接板和Y轴进行连接。
优选的，本发明驱动件6为蠕动泵，蠕动泵安装在系统的后端，安装支架采用6061铝板和5052铝合金钣金组成，蠕动泵控制板通过蠕动泵的安装支架集成一体，方便维护检修。
需要说明的是，本发明控制模块的主控制板采用芯片atmega2560为核心处理器，板子外围有54路io引脚用于与蠕动泵、天平以及步进电机驱动器等其他模块通信。
优选的，本系统还包括壳体10，壳体10均使用5052铝合金钣金进行折弯，外表进行喷塑处理。壳体10内形成有相互隔开的用于放置试剂储存模块的试剂储仓11、用于放置加注模块的加注仓12、用于放置驱动模块的驱动仓13、以及用于放置控制模块的电气仓14。试剂储仓11设有带观察窗15的仓门16，试剂储仓11设计主要为便于打开的试剂仓门，试剂仓门上安装两块透明亚克力观察窗，方便实验人员更换试剂瓶中试剂。电气仓14主要安装控制模块，包括24V开关电源、电机控制器和天平（天平顶端延伸至加注仓12内）等电气元件，天平安装在10mm铝合金平板上，通过调节天平螺丝，对天平进行调平；前端面板上安装显示屏9和急停按钮，便于操作人员观察天平读数和对紧急情况下的系统断电等操作，电机控制机安装在铝板中部，整个系统通过开关板上的散热风扇对系统散热。开关板对外接接口有220输入的船型开关、RJ45网口、USB口及复位按钮。
优选的，本发明中壳体10在加注仓12的其中一侧边设有防风门机构，防风门机构包括安装框17，以及竖向设于安装框17内的丝杆18和直线导轨19，以及螺纹连接于丝杆18上且与直线导轨19滑动配合的滑块20，以及安装在滑块20上的防风门21，以及设在丝杆18端部的步进电机22。工作时，通过步进电机22带动丝杆18转动，进而带动滑块20以及防风门21沿着直线导轨19移动，实现防风门21的启闭控制。
另外，安装框17顶部设有两组导向辊23，防风门21活动穿插经过导向辊23，使得防风门21的移动更加平顺且不会产生噪音。
本发明还提供了一种自动化高精度液体进样方法，方法基于上述系统，具体步骤包括：
S1、在试剂储存件1内存储不同类别的试剂，在称重件2上放置盛装件；
S2、启动系统，并通过控制模块设定所需试剂类别以及目标质量值；
S3、控制模块根据设定的试剂类别控制三轴移动平台工作，驱动与该类别试剂储存件对应的滴液针头移至盛装件上方，并获取所述称重件的实时质量值，将所述实时质量值与设定的目标质量值的差值进行PID计算，得到驱动件的实时输送速率，控制驱动件以实时输送速率将试剂储存件中的试剂经滴液针头输送至盛装件内，所述实时输送速率随着所述实时质量值与目标质量值的差值减小而降低，且在差值小于设定阈值时，控制模块控制所述震动件震动滴液针头以打散试剂液滴，直至完成所述目标质量值的试剂进样。
本方法为了最快且最精准的将试剂加入到西林瓶中，使用了PID算法进行控制。如图7所示，Pid算法有三个主要的参数，分别是比例、积分、微分。其中，比例只与当前偏差有关系，与历史没有关系，只要有偏差就有输出，输出值与偏差值是一个线性关系，从大的偏差开始控制，随着控制时间开始拉长，偏差值也越来越小，输出值也会越来越小。积分是输出历史上所有偏差值的积累，它不仅与当前偏差有关系和历史偏差也有关系，即使当前偏差为零，也可能会有输出，积分作用是抵消某种阻力保持当前积累效果。微分的输出和偏差的变化有关系，如果偏差一直保持不变的话，则微分没有输出，它的输出结果有阻尼效果，能够抵消比例和积分的输出结果，使他们不至于变化太快。因此，基于PID算法，使得加液前期以最快速度进行，当快达到目标值时及时刹车，减缓加液速度，由此实现快速且精准加液。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种自动化高精度液体进样系统，其特征在于，所述系统包括：
试剂储存模块，包括若干个试剂储存件（1）；
加注模块，包括称重件（2）、三轴移动平台（3）以及设于三轴移动平台（3）上的滴液装置（4），所述称重件（2）为带有显示屏（9）的天平，所述滴液装置（4）上设有若干个滴液针头（5），所述滴液针头（5）分别通过管路与试剂储存件（1）一一对应连通，且每个滴液针头（5）上均设有震动件；
驱动模块，包括若干个驱动件（6），所述驱动件（6）一一对应设于滴液针头（5）和试剂储存件（1）的连通管路上；
控制模块，用于在称重件（2）上放置盛装件后，根据设定的试剂类别控制三轴移动平台（3）工作，使得与该类别试剂储存件（1）对应的滴液针头（5）移至盛装件上方；获取所述称重件（2）的实时质量值，将所述实时质量值与设定的目标质量值的差值进行PID计算，得到驱动件（6）的实时输送速率，控制驱动件（6）以实时输送速率将试剂储存件（1）中的试剂经滴液针头（5）输送至盛装件内，所述实时输送速率随着所述实时质量值与目标质量值的差值减小而降低，且在差值小于设定阈值时，控制模块控制所述震动件震动滴液针头（5）以打散试剂液滴，直至完成所述目标质量值的试剂进样；
所述系统还包括壳体（10），所述壳体（10）内形成有相互隔开的用于放置试剂储存模块的试剂储仓（11）、用于放置加注模块的加注仓（12）、用于放置驱动模块的驱动仓（13）、以及用于放置控制模块的电气仓（14）。
2.根据权利要求1所述的一种自动化高精度液体进样系统，其特征在于，所述试剂储存件（1）为试剂瓶，且每个试剂瓶的侧边均设有非接触式液位传感器（7），每个试剂瓶底部均设有磁力搅拌器（8），每个试剂瓶内均设有带磁性的搅拌子。
3.根据权利要求1所述的一种自动化高精度液体进样系统，其特征在于，所述驱动件（6）为蠕动泵。
4.根据权利要求1所述的一种自动化高精度液体进样系统，其特征在于，所述试剂储仓（11）设有带观察窗（15）的仓门（16）。
5.根据权利要求1所述的一种自动化高精度液体进样系统，其特征在于，所述壳体（10）在加注仓（12）的其中一侧边设有防风门机构，所述防风门机构包括安装框（17），以及竖向设于安装框（17）内的丝杆（18）和直线导轨（19），以及螺纹连接于丝杆（18）上且与直线导轨（19）滑动配合的滑块（20），以及安装在滑块（20）上的防风门（21），以及设在丝杆（18）端部的步进电机（22）。
6.根据权利要求5所述的一种自动化高精度液体进样系统，其特征在于，所述安装框（17）顶部设有两组导向辊（23），所述防风门（21）活动穿插经过导向辊（23）。
7.一种自动化高精度液体进样方法，其特征在于，所述方法基于权利要求1-6任一项所述的系统，具体步骤包括：
S1、在试剂储存件（1）内存储不同类别的试剂，在称重件（2）上放置盛装件；
S2、启动系统，并通过控制模块设定所需试剂类别以及目标质量值；
S3、控制模块根据设定的试剂类别控制三轴移动平台（3）工作，驱动与该类别试剂储存件（1）对应的滴液针头（5）移至盛装件上方，并获取所述称重件（2）的实时质量值，将所述实时质量值与设定的目标质量值的差值进行PID计算，得到驱动件（6）的实时输送速率，控制驱动件（6）以实时输送速率将试剂储存件（1）中的试剂经滴液针头（5）输送至盛装件内，所述实时输送速率随着所述实时质量值与目标质量值的差值减小而降低，且在差值小于设定阈值时，控制模块控制所述震动件震动滴液针头（5）以打散试剂液滴，直至完成所述目标质量值的试剂进样。
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