DD290595A5 - METHOD AND DEVICE FOR VOLUMEOUS DOSING OF LIQUIDS - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum volumenrichtigen Dosieren im Mikroliter- und Ultramikroliterbereich. Anwendungsgebiet sind die klinisch-chemischen Labors, aber auch Wasserwirtschaft und Landwirtschaft. Es bestand die Aufgabe zu sichern, dasz die Dosiergeschwindigkeit keinen negativen Einflusz auf die Volumenrichtigkeit ausuebt. Bei dem Verfahren wird die vordosierte Fluessigkeit in die an der Austrittsoeffnung der Dosierkanuele gebildete und in definierte Schwingungen versetzte Fluessigkeitshaut geleitet. Die Vorrichtung zur Realisierung des Verfahrens hat an der Kanuele ein schwingungserzeugendes Element, dasz ueber Vorrichtungen zur Steuerung der Schwingungsintensitaet verfuegt.{Dosieren, volumenrichtig; Mikroliter-, Ultramikroliterbereich; Fluessigkeit, vordosiert; Fluessigkeitshaut; Schwingungen; Schwingungsintensitaetssteuerung}The invention relates to a method and a device for volume-correct metering in the microliter and Ultramikroliterbereich. Fields of application are the clinical-chemical laboratories, but also water management and agriculture. The task was to ensure that the metering rate does not exert any negative influence on the volume accuracy. In the method, the pre-dosed liquid is passed into the fluid skin formed at the outlet opening of the dosing cannula and set in defined oscillations. The device for implementing the method has a vibration generating element on the canoe, which has means for controlling the intensity of vibration. {Dosing, true to volume; Microliter, ultramicroliter range; Fluid, predosed; Fluessigkeitshaut; vibration; Schwingungsintensitaetssteuerung}
Description
Hierzu 2 Seiten ZeichnungenFor this 2 pages drawings
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur volumenrichtigen Ausgabe von Flüssigkeiten im Mikroliter- und Ultramikroliterbereich.The present invention relates to a method and apparatus for volume correct dispensing of liquids in the microliter and ultramicroliter range.
Sie verbessert den technisch herkömmlichen Ausstoß der Flüssigkeiten aus einem oder mehreren Kolben-Zylinder-Systemen in Richtung auf eine volumenrichtige Dosierung von kleinsten Volumina, die in oder unter der Größe eines sich im Schwerefeld von selbst lösenden Tropfens der entsprechenden Flüssigkeit liegen.It improves the technically conventional discharge of the liquids from one or more piston-cylinder systems towards a volume-correct dosage of smallest volumes which are in or below the size of a gravitational field of self-dissolving drop of the corresponding liquid.
Die Dosierung von kleinsten Flüssigkeitsmengen wird hauptsächlich nach dem Prinzip der Volumenverdrängung vorgenommen. Technisch realisiert sind zwei Möglichkeiten, Volumina, die sich auf Grund ihrer geringen Größe nicht von der Dosierspitze lösen wollen, zu dosiereThe dosage of smallest amounts of liquid is made mainly according to the principle of volume displacement. Technically realized are two ways to dose volumes that do not want to be detached from the metering tip due to their small size
Beim ersten mög'ichen Arbeitsprinzip, z. B. nach der Realisierung im EP-Patent Nr.0C41318 wird das zu dosierende Volumen durch Verdräng jng langsam aus der Dosieröffnung ausgestoßen, und der Bediener legt dieses im gewünschten Gefäß ab, wobei sich das dosierte Volumen durch die Adhäsionskräfte zwischen Flüssigkeit und Gefäß von der Dosierspitze löst.At the first possible working principle, z. B. after implementation in EP Patent No. 0C41318, the volume to be dispensed is slowly expelled from the metering orifice by displacement, and the operator places it in the desired vessel, the metered volume being affected by the adhesive forces between the liquid and the vessel Dispensing tip triggers.
eine bestimmte Geschwindigkeit beschleunigt. Bei Erreichen des voreingestellten Verdrängunysvolumen wird deraccelerates a certain speed. Upon reaching the preset Verdunängunysvolumen is the
daß für Volumen übet 100 Mikroliter eine Dosierung mit befriedigenden Kennwerten technisch realisiert ist.that for volume over 100 microliters a dosage with satisfactory characteristics is technically realized.
zusammen. Das für das definierte Abbremsen der Flüssigkeitssäule notwendige Abbremsen wird in der Praxis entweder durchtogether. The necessary for the defined deceleration of the liquid column braking is in practice either by
bezogen auf den Mittelwert, zu halten.based on the mean value.
zweite Qualitätskennwert, die Volumenrichtigkeit, bei ansonsten konstant gehaltenen Bedingungen durch technisch bedingte,second quality characteristic, the volume accuracy, with otherwise constant conditions due to technical reasons,
kleine Änderungen der Geschwindigkeitsführung stark beeinflußt wird.small changes in the speed control is strongly affected.
dimensionierte Schlauch- bzw. Kanülenleitungen, wobei auch Ventilbaugruppen zwischengeschaltet sein können, wurde derdimensioned hose or cannula lines, whereby valve assemblies can be interposed, was the
oben beschriebene Einfluß von technisch bedingten geringfügigen Änderungen auf die Qualitätsparameter untersucht.described above influence of technically caused minor changes on the quality parameters.
beeinflußt. Das bedeutet jedoch eine Beeinflußung dieses Qualitätskennwertes in der Größenordnung des Garantiewertes.affected. However, this means influencing this quality characteristic in the order of magnitude of the guaranteed value.
strömenden Flüssigkeit beim Einströmen und Umlenken in ihre in der Dosieröffnung aufgespannte gekrümmte Oberfläche.flowing liquid when flowing and deflecting in their spanned in the metering opening curved surface.
wird die Flüssigkeit zwangsweise zum turbulenten Umschlag gezwungen. Bei diesem Vorgang kann sich das chaotischethe liquid is forced to the turbulent envelope forcibly. In this process, the chaotic
eine Beeinflussung des Qualitätskennwertes Volumenrichtigkeit in der angestrebten Größenordnung.an influence on the quality index volume accuracy in the desired order of magnitude.
entspricht jedoch der angestrebten Kennzahl für den gesamten Dosierprozeß einschließlich technologisch tolerierter Grenzen für die Fertigung von Dosiergeräten.However, this corresponds to the target figure for the entire dosing process including technologically tolerated limits for the production of dosing.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der zugehörigen Vorrichtung soll ohne großen technischen Aufwand eine volumenrichtige Dosierung von Volumina unter Tropfengröße bei geringem Verbrauch an Reagenzien und einwandfreien Qualitätskennwerten mit anwendergerechter Genauigkeit erreicht sowie eine wirtschaftliche Arbeitsweise in diosen Volumenbereichen gewährleistet werden.With the method and the associated device according to the invention a volume-correct dosage of volumes under drop size with low consumption of reagents and impeccable quality characteristics with user-specific accuracy is achieved without great technical effort and an economic operation in diosen volume ranges are guaranteed.
bedingte Beeinflussung des Qualitätskennwertes Volumenrichtigkeit bei Volumina in und unter Tropfengröße durch geeignete technische Maßnahmen reduziert werden.conditional influencing of the quality characteristic Volume accuracy with volumes in and under drop size can be reduced by suitable technical measures.
keinen negativen Einfluß auf die Volumenrichtigkeit der Dosierung ausübt.has no negative influence on the volume accuracy of the dosage.
von außen mit einem stochastischen Prozeß überlagert wird, so daß die chaotisch bedingte Korrelation zwischenfrom the outside with a stochastic process is superimposed, so that the chaotic correlation between
gekrümmten Flüssigkeitsoberfläche erregt werden, in diese schwingende Flüssigkeitshaut, die einen Teil des zu dosierendencurved fluid surface to be energized in this vibrating fluid skin, which forms part of the dosing
zum Abriß gebracht werden, wobei während des gesamten Zeitraumes bis zum Abriß des dosierten Volumens diebe demolished, during the entire period until the demolition of the metered volume the
mit einer zufä.'igen Komponente überlagert wird.is superposed with a zufä''igen component.
der kanülenartigen Dosieröffnung anordenbare und klemmbare Halterungen des schwingfähigen Systems, Vorrichtungen zur ulektrischen Beeinflussung der elektromechanischen Rückkoppelbedingungen, einstellbare technische Mittel derthe oscillatory system mountable and clampable mountings for the cannula-like metering opening, devices for influencing the electromechanical feedback conditions, adjustable technical means of the
justierbare, federnde Kopplungen dienen.adjustable, resilient couplings serve.
verhindert.prevented.
näher erläutert.explained in more detail.
Ausführungsbeispiel Es zeigenEmbodiment show
ausgestoßen. Die Verbindung von Dosieröffnung 4 und Kolben 1-Zylinder 2-System erfolgt in technisch herkömmliche Art durch entsprechend dimensionierte Schlauch- bzw. Kanülenleitungen 5, wobei auch Ventilbaugruppen 6 zwischengeschaltet sein können. Die Bewegung des Kolbens 1 wird vorzugsweise durch eine motorgetriebene Kopplung, in 7 symbolisch dargestellt, über die Kolbenstange 8 erreicht.pushed out. The connection of metering 4 and piston 1 cylinder 2 system is carried out in a technically conventional manner by appropriately sized hose or cannula 5, whereby valve assemblies 6 may be interposed. The movement of the piston 1 is preferably achieved via a motor-driven coupling, shown symbolically in FIG. 7, via the piston rod 8.
elektronischen Anschlägen bestimmt. Diese Anschläge sind durch 9 symbolisch dargestellt.determined by electronic attacks. These stops are symbolically represented by 9.
daß das mechanisch schwingende Teil über die Kanülenleitung 5 Schwingungen auf die Dosieröffnung 4 aufprägen kann. Derthat the mechanically oscillating part can impart vibrations to the metering opening 4 via the cannula conduit 5. The
elektromechanischen Schwingungsgebers 10 eingesetzt, mit dem über eine die Kanüle 5 umgebende, nicht näher dargestellteelectromechanical vibration sensor 10 is used, with a surrounding the cannula 5, not shown
einstellbar.adjustable.
einem Innendurchmesser von 1,2 mm, die geometrische Dimensionierung der Dosieröffnung 4 lag im Innendurchmesseran inner diameter of 1.2 mm, the geometric dimensioning of the metering 4 was in the inner diameter
zwischen 0,3 und 0,5mm bei einer Übergangslänge von Kanülendurchmesser zu Dosieröffnung von 4 bis 6mm.between 0.3 and 0.5mm with a transition length of cannula diameter to dosing of 4 to 6mm.
senkrecht zur Strömungsrichtung gerichtete Schwingung aufgeprägt. Diese Schwingung wird durch einen externen, an derimprinted perpendicular to the flow direction vibration. This vibration is controlled by an external, at the
in der Dosieröffnung 4 aufgespannte Flüssigkeitsoberfläche unter dem Einfluß der aufgeprägten Schwingungen nicht zerreißt, sondern das dosierte Volumen vollständig aufnehmen kann.in the metering opening 4 spanned liquid surface is not torn under the influence of the imposed vibrations, but can completely absorb the metered volume.
elektromechanischen Rückkoppelbedingungen oder piezoelektrisch erregten Schwingungen, daß heißt eine primäre Steuerung der im Schwingsystem 10 erregten Intensität.electromechanical feedback conditions or piezoelectrically excited vibrations, that is, a primary control of the excited in the vibrating system 10 intensity.
werden.become.
Die Frequenz der aufzuprägenden Schwingungen sollte zwischen 100Hz und 1OkHz Hegen. Die optimale Erregungsfrequenz des Schwingsystems wird durch den konkreten Anwendungsfall bestimmt und wird durch die geometrischen Verhältnisse an der Dosieröffnung, die Größe des zu dosierenden Volumens, die Zähigkeit der zu dosierenden Flüssigkeit und die Geschwindigkeitsführung des Dosierprozesses beeinflußt. Für die Anpassung der Erregerfrequenz an die konkrete Dosieraufgabe sollten folgende Tendenzen Anwendung finden: eine Verkleinerung des zu dosierenden Volumens erfordert eine höhere Erregerfrequenz; bei Vergrößerung der aufgespannten, gekrümmten Flüssigkeitsoberfläche durch geometrische Dimensionierung wird durch Senken der Erregerfrequenz optimiert. Ein funktioneller Zusammenhang dieser Tendenzen ist auf Grund des chaotischen Charakters des Dosiervorganges nicht herstellbar.The frequency of the vibrations to be recorded should be between 100 Hz and 10 kHz. The optimal excitation frequency of the oscillating system is determined by the specific application and is influenced by the geometric conditions at the metering, the size of the volume to be dispensed, the viscosity of the liquid to be dispensed and the speed of the dosing process. For adapting the excitation frequency to the specific dosing task, the following tendencies should be used: a reduction of the volume to be dosed requires a higher exciter frequency; when enlarging the spanned, curved liquid surface by geometric dimensioning is optimized by lowering the excitation frequency. A functional relationship of these tendencies can not be produced due to the chaotic nature of the dosing process.
Im Experiment wurde unter den oben angegebenen Versuchsbedingungen erfolgreich mit Frequenzen zwischer\500Hz und 1 kHz'gearbeitet. Für die Erzeugung der Erregerfrequenz sind geeignete schaltungstechnische Maßnahmen vorzusehen, die neben der elektrischen Erzeugung und eventuellen Verstärkung der Erregorfrequenz auch schaltungstechnische Maßnahmen zum Schalten der Erregerfrequenzerzeugung entsprechend dom momentanen Zustand im Dosierprozeß beinhalten müssen. Sie werden in der symbolisch angegebenen Steuereinheit 12 realisiert.In the experiment, under the experimental conditions given above, we successfully worked with frequencies between \ 500 Hz and 1 kHz. For the generation of the excitation frequency suitable circuitry measures are provided, which must include in addition to the electrical generation and eventual amplification of the Erregorfrequenz also circuit measures for switching the excitation frequency according to dom current state in the dosing process. They are realized in the symbolically specified control unit 12.
Durch diese Maßnahmen ist das Schwingsystem 10 vor Beginn des Dosiervorganges zu aktivieren und während der Dauer des Dosiervorganges aktiviert zu belassen. Experimentell wurde dieses Problem durch entsprechende elekti ische Schalter an der den Dosierprozeß steuernden mechanischen Kurvenscheibe des eingeritzten Festvolumendosierers gelöst. Zum Verständnis der grundlegenden Verfahrensschritte sind in Fig.2a--d die Vorgänge an der Dosieröffnung 4 im Detail dargestellt. Fig. 2 a zeigt die Verhältnisse in der Dosieröffnung 4 im Ruh ezustand. In der Dosieröffnung 4 ist die gekrümmte Flüssigkeitshaut 13 aufgespannt, die sich an der Berührungsfläche von Luft und Flüssigkeit 3 zwangsläufig bildet. Je nach Kräfteverhältnissen zwischen benetzter Wan j und freier Flüssigkeitsoberfläche wird diese konkav oder konvex auf( ..spannt. Vor Beginn des Dosierprozesses wird erfindungsgemäß die externe Schwingvorrichtung zugeschaltet. Durch diese Schwingungen wird die in der Dosieröffnung 3 aufgespannte Flüssigkeitshaut 13 ausgelenkt und befindet sich zu unterschiedlichen Zeitpunkten in unterschiedlichen Lagen, wodurch erfindungsgemäß dem Dosierprozeß eine stochastische Komponente überlagert wird.By these measures, the vibrating system 10 is to be activated before the beginning of the dosing process and to remain activated during the duration of the dosing process. Experimentally, this problem has been solved by appropriate electrical switches on the metering process controlling mechanical cam of the incised Festvolumendosierers. In order to understand the basic process steps, the processes at the metering orifice 4 are shown in detail in FIGS. 2a-d. Fig. 2 a shows the conditions in the metering 4 in the rest ezustand. In the metering 4, the curved liquid skin 13 is clamped, which forms inevitably at the interface of air and liquid 3. Depending on the balance of forces between wetted wan j and free liquid surface, it is stretched concavely or convexly .. The external oscillating device is switched on before the metering process begins Time points in different positions, whereby according to the invention the metering process is superimposed on a stochastic component.
Wird die Flüssigkeit 3 .'un durch eine Bewegung des Kolbens 1 verdrängt, so strömt sie bei diesem Vorgang in die aufgespannte Flüssigkeitshaut 13. Dort wird der einströmende Flüssigkeitsstrom durch die Spannung der Oberflächenhaut umgelenkt, dabei kommt es zum turbulenten Umschlag der Flüssigkeit, der den chaotischen Charakter des Dosierprozesses begründet. Die aufgespannte Flüssigkeitshaut 13 bläht sich durch Aufnahme der einströmenden Flüssigkeit 4 langsam auf. Dabei schwingt sie entsprechend den senkrecht aufgeprägten Schwingungen um ihre Ruhelage. Dieser fortschreitende Prozeß ist in den Figuren 2 b und 2 c dargestellt, wobei die unterschiedlichen Lagen A und B unterschiedliche Schwingungsphasen symbolisieren. Nach Aufnahme des dosierten Volumens reißt die aufgeblähte Flüssigkeitshaut 13 bei fortwährender Schwingungswirkung durch Beenden des Dosiervorganges schließlich von der Dosieröffnung 4 ab. Dieser Zustand ist in Fig. 2 d veranschaulicht. Damit ist ein Dosiervorgang beendet.If the liquid 3 .'un displaced by a movement of the piston 1, it flows in this process in the clamped liquid skin 13. There, the inflowing liquid flow is deflected by the tension of the surface skin, it comes to the turbulent envelope of the liquid, the chaotic nature of the dosing process justified. The spanned liquid skin 13 inflates slowly by receiving the inflowing liquid 4. It vibrates according to the vertically imposed vibrations to their rest position. This progressive process is shown in Figures 2 b and 2 c, wherein the different layers A and B symbolize different phases of vibration. After taking up the metered volume, the inflated liquid skin 13 finally breaks away from the metering opening 4 due to the continuous oscillation effect by terminating the metering process. This condition is illustrated in Fig. 2d. This completes a dosing process.
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