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Die
Erfindung bezieht sich auf eine elektronische Pipette.
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Elektronische
Pipetten werden im Laboratorium zum Dosieren von Flüssigkeiten
eingesetzt. Sie sind in verschiedenen Ausführungen bekannt. Luftpolsterpipetten
haben einen integrierten Zylinder mit einem darin angeordneten Kolben.
Der Zylinder ist über
einen Kanal mit einer Öffnung
in einem Befestigungsansatz verbunden. Eine Pipettenspitze ist lösbar mit
dem Befestigungsansatz verbindbar. Durch Verschieben des Kolbens
im Zylinder wird Probenflüssigkeit
in die Pipettenspitze eingesaugt oder aus dieser ausgestoßen. Hierbei
kommen Kolben und Zylinder nicht in Kontakt mit der Flüssigkeit,
weil der Kolben die Flüssigkeit
mittelbar über
das Luftpolster bewegt. Nur Direktverdrängerpipetten sind lösbar mit einer
Spritze verbindbar, deren Kolben mittels der Pipette antreibbar
ist, um Probenflüssigkeit
direkt in die Spritze einzusaugen und aus dieser auszustoßen. Da
die Spritze mit der Probenflüssigkeit
kontaminiert wird, kann sie ausgetauscht werden. Auch die Spritze besteht
in der Regel aus Kunststoff.
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Kolbenlose
Pipetten können
eine Dosierspitze mit einem ballonartigen Endabschnitt aufweisen, der
zum Einsaugen von Probenflüssigkeit
expandiert und zum Ausstoßen
komprimiert wird. Solche Dosierspitzen sind auch schon als Austauschteil
aus Kunststoff konzipiert worden.
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Beim
Pipettieren gibt die Pipette die von der Spitze oder Spritze aufgenommene
Flüssigkeit
in einem Schritt ab. Beim Dispensieren wird die von der Spritze
oder Spitze aufgenommene Flüssigkeit
in kleinen Teilmengen abgegeben.
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Mehrkanalpipetten
weisen mehrere Kanäle auf,
mittels derer gleichzeitig dosiert wird. Pipetten können als
Handgerät
und/oder als stationäres
Gerät ausgeführt sein.
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Alle
vorgenannten Pipetten sind elektronische Pipetten im Sinne dieser
Anmeldung. Für
eine genaue Dosierung eines Flüssigkeitsvolumens
ist es erforderlich, den Kolben im Zylinder bzw. das verlagerbare
Element einer anderen Verdrängungseinrichtung
entsprechend dem Flüssigkeitsvolumen möglichst
präzise
zu verlagern.
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Aus
der WO 91/16974 A1 ist eine elektronische Pipette bekannt, die eine
Meßeinrichtung
zum Messen der vom Kolben zurückgelegten
Strecke und eine von einer Steuereinrichtung gesteuerte Bremseinrichtung
zum Anhalten des Kolbens aufweist. Die Bremseinrichtung umfaßt Nuten
am Umfang einer mit dem elektrischen Antriebsmotor gekoppelten Drehscheibe
und einen Nocken, der von einem Antrieb in eine Nut eindrückbar ist.
Bei dieser Pipette wird der Kolben mittels der Bremse angehalten,
sobald die Meßeinrichtung
feststellt, daß der
Kolben den für
eine beabsichtigte Dosierung erforderlichen Weg zurückgelegt
hat. Die mechanische Abbremsung des Kolbens mittels der Bremse ist
verschleißbehaftet.
Infolgedessen ist ein störungsfreies
Arbeiten der Pipette über
eine lange Nutzungszeit nicht gewährleistet.
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Ferner
sind elektronische Pipetten bekannt, bei denen der elektrische Antriebsmotor
mit einem magnetischen Drehwinkelgeber gekoppelt ist, der am Umfang
einer Magnetscheibe abwechselnd verschiedene Magnetpole aufweist.
Ein magnetischer Sensor ist auf den Umfang der Magnetscheibe ausgerichtet. Die
Anzahl unterschiedlicher Magnetpole am Umfang der Magnetscheibe
ist begrenzt. Außerdem
ist mittels des magnetischen Sensors nur der Durchgang unterschiedlicher
Pole mit hinreichender Sicherheit feststellbar. Die genaue Position
der Magnetscheibe ist jedoch mittels des Sensors im Abstandsbereich
zwischen den Polen nicht meßbar.
Infolgedessen ist die Auflösung
des magnetischen Drehwinkelgebers und somit die Genauigkeit der
Dosierung eingeschränkt.
Außerdem
sind Reglerschwingungen mit Drehbewegungen der Magnetscheibe möglich, die
durch den Abstand verschiedener Pole begrenzt sind.
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Davon
ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine elektronische
Pipette mit einer über
lange Nutzungszeiten störungsfreien
und genauen Steuerung der zu dosierenden Flüssigkeitsvolumen zur Verfügung zu
stellen.
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Die
Aufgabe wird durch eine elektronische Pipette mit den Merkmalen
des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen der elektronischen Pipette sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die
erfindungsgemäße elektronische
Pipette hat
- – eine Verdrängungseinrichtung,
- – einen
elektrischen Antriebsmotor mit einer Antriebswelle,
- – ein
einerseits mit der Verdrängungseinrichtung und
andererseits mit der Antriebswelle gekoppeltes Getriebe,
- – eine
mit der Antriebswelle drehgekoppelte Magnetscheibe mit mindestens
einem Magnetpol am Umfang,
- – mindestens
einen auf den Umfang der Magnetscheibe ausgerichteten magnetischen
Sensor,
- – mindestens
einen auf dem Umfang der Magnetscheibe ausgerichteten Zusatzmagneten,
- – eine
mit dem elektrischen Antriebsmotor und dem magnetischen Sensor elektrisch
verbundene elektronische Steuerungseinrichtung und
- – eine
mit der elektronischen Steuerungseinrichtung verbundene elektrische
Spannungsversorgung.
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Bei
der erfindungsgemäßen elektronischen Pipette
wird die Position der Magnetscheibe grundsätzlich in konventioneller Weise
mittels des magnetischen Sensors erfaßt, der ein Signal liefert,
wenn ein Magnetpol der Magnetscheibe vorbeiwandert. Zusätzlich wirkt
der Zusatzmagnet derart auf die Magnetscheibe, daß diese
am Anfang und am Ende einer Verdrehung durch den Motor mit einem
Magnetpol genau auf einen Magnetpol des Zusatzmagneten ausgerichtet
ist. So ist das Zentrum eines Magnetpols der Magnetscheibe stets
genau auf das Zentrum eines ungleichnamigen Magnetpols eines einzigen Zusatzmagneten
ausgerichtet. Hierdurch ist wird erreicht, die Magnetscheibe am
Anfang und am Ende der Positionierung stets eine genau definierte
Stellung hat. Folglich ist es mittels der Signale des magnetischen
Sensors, die an sich nur ein grobes Maß für die Drehstellung der Magnetscheibe
sind, möglich,
die Drehstellung der Magnetscheibe genau zu ermitteln. Dementsprechend
genau wird die Verdrängungseinrichtung
angetrieben und die Probenflüssigkeit
dosiert.
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Gemäß einer
Ausgestaltung ist der elektrische Antriebsmotor ein Gleichstrommotor.
Der Gleichstrommotor ist insbesondere bei Ausführung der elektronischen Pipette
als Handpipette von Vorteil wegen des geringen Energieverbrauchs
und des geringen Bauvolumens gegenüber bekannten elektronischen
Pipetten, die zur genauen Steuerung der Dosiermengen einen Schrittmotor
aufweisen. Die genaue Steuerung der Antriebsbewegung wird bei dem Gleichstrommotor
durch den magnetischen Drehwinkelgeber mit dem Zusatzmagneten erreicht.
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Gemäß einer
Ausgestaltung weist die Verdrängungseinrichtung
einen Zylinder und einen darin verschiebbaren, mit dem Getriebe
gekoppelten Kolben auf.
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Gemäß einer
Ausgestaltung weist die elektronische Pipette einen Befestigungsansatz
für eine damit
lösbar
verbindbare Pipettenspitze auf und ist die Verdrängungseinrichtung über einen
Verbindungskanal mit einer Öffnung
im Ende des Befestigungsansatzes verbunden. Diese Ausgestaltung
ist eine Luftpolsterpipette.
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Gemäß einer
anderen Ausgestaltung weist die elektronische Pipette eine Befestigungseinrichtung
für eine
Spritze auf und eine Kopplungseinrichtung zum lösbaren Verbinden eines Kolbens
der Spritze mit dem Getriebe auf. Diese Ausgestaltung ist eine Direktverdrängerpipette.
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Das
Getriebe wandelt bevorzugt die Drehbewegung in eine Linearbewegung
um. Verschiedene Ausgestaltungen des Getriebes sind möglich. Gemäß einer
Ausgestaltung weist das Getriebe eine mit der Antriebswelle drehgekoppelte
Spindelmutter und eine einen Gewindeeingriff mit der Spindelmutter
aufweisende, drehgesicherte, mit der Verdrängungseinrichtung gekoppelte
Spindel auf.
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Gemäß einer
Ausgestaltung weist die Magnetscheibe am Umfang mehrere verschiedene
Magnetpole auf. Hierdurch wird die Positioniergenauigkeit erhöht. Bevorzugt
sind ungleichnamige Pole nebeneinander angeordnet, damit der Hub
des vom magnetischen Sensor gelieferten Signals besonders groß ist. Bevorzugt
sind die verschiedenen Magnetpole gleichmäßig über den Umfang der Magnetscheibe
verteilt.
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Die
für eine
gewünschte
Dosiergenauigkeit erforderliche Anzahl Magnetpole hängt vom
Durchmesser der Magnetscheibe ab. Für eine Ausführung als Handpipette ist eine
Magnetscheibe mit vier bis zwanzig Paaren Magnetpole unterschiedlicher
Polarität
am Umfang vorteilhaft. Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung weist die Magnetscheibe am Umfang sechzehn
Paare Magnetpole unterschiedlicher Polarität auf.
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Die
Magnetscheibe kann mit einem drehangetriebenen Teil des Getriebes
gekoppelt sein. Gemäß einer
Ausgestaltung ist die Magnetscheibe direkt auf der Antriebswelle
fixiert.
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Gemäß einer
Ausgestaltung sind mehrere um einen Winkel versetzt auf den Umfang
der Magnetscheibe ausgerichtete magnetische Sensoren vorhanden.
Die Genauigkeit der Bestimmung des Drehwinkels der Magnetscheibe
steigt mit der Anzahl der Sensoren. Außerdem ermöglichen mehrere Sensoren die
Erkennung der Drehrichtung der Magnetscheibe.
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Gemäß einer
Ausgestaltung ist mindestens ein magnetischer Sensor ein Hall-Sensor,
d.h. ein Sensor, der auf der Anwendung des Hall-Effektes basiert.
Ein Steuerstrom für
den Hall-Sensor wird z.B. von der elektronischen Steuerungseinrichtung
oder direkt von der elektrischen Spannungsversorgung geliefert.
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Gemäß einer
Ausgestaltung sind mehrere um einen Winkel auf den Umfang der Magnetscheibe versetzt
ausgerichtete Zusatzmagnete vorhanden. Mehrere Zusatzmagnete weisen
im Vergleich zu nur einem Zusatzmagneten eine erhöhte magnetische Wechselwirkung
zur Magnetscheibe auf. Hierdurch kann die Positioniergenauigkeit
der Magnetscheibe erhöht
werden.
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Gemäß einer
Ausgestaltung entspricht der Winkel zwischen zwei Zusatzmagneten
dem Winkel zwischen zwei benachbarten Magnetpolen am Umfang der
Magnetscheibe. Infolgedessen wird eine besonders starke magnetische
Wechselwirkung bei genauer Ausrichtung der Magnetpole auf die Zusatzmagneten
erzielt und die Positioniergenauigkeit weiter verbessert.
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Grundsätzlich kann
der mindestens eine Zusatzmagnet ein Elektromagnet sein, der von
der elektronischen Steuerungseinrichtung oder direkt von der elektrischen
Spannungsversorgung gespeist wird, wobei die Einschaltung des Elektromagneten
auf den Anfang und das Ende der Positionierung beschränkt sein
kann.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausgestaltung ist der mindestens eine Zusatzmagnet
ein Permanentmagnet. Leistungsstarke Permanentmagnete geringer Baugröße sind
kommerziell verfügbar.
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Wenn
der elektrische Antriebsmotor am Ende der Positionierung der Magnetscheibe
eingeschaltet ist, ergibt sich aufgrund des Lastmomentes ein Positionierfehler,
der jedoch wesentlich kleiner ist, als bei herkömmlichen elektronischen Pipetten mit
Magnetscheibe ohne Zusatzmagnet. Gemäß einer Ausgestaltung schaltet
die elektronische Steuerungseinrichtung den elektronischen Antriebsmotor ab,
wenn sie aufgrund der von dem mindestens einen magnetischen Sensor
gelieferten Signale feststellt, daß die Magnetscheibe eine vorgegebene
Position angenähert
hat. Durch das Abschalten des Antriebsmotors entfällt das
Lastmoment und wird die genaue Positionierung aufgrund der magnetischen
Wechselwirkung zwischen dem mindestens einen Zusatzmagneten und
der Magnetscheibe begünstigt.
Das Abschalten des Antriebsmotors kann erfolgen, wenn die Steuerungseinrichtung
aufgrund eines Vergleichs der von mindestens einem Sensor gelieferten
Signale mit einem Grenzwert ermittelt, daß sich ein auf den Zusatzmagneten
auszurichtender Magnetpol auf einen Abstand an den Zusatzmagneten
angenähert
hat, der geringer als die Hälfte
des Abstandes zwischen zwei benachbarten Magnetpolen auf der Magnetscheibe
ist. Dann ist nämlich
sichergestellt, daß nach Abschalten
des Antriebsmotors der auszurichtende Magnetpol auf den Zusatzmagneten
ausgerichtet wird.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der anliegenden Zeichnung eines
Ausführungsbeispieles näher erläutert. In
der Zeichnung zeigen:
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1 Komponenten
einer elektronischen Pipette in einem grobschematischen Blockbild;
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2 Magnetscheibe
mit magnetischen Sensoren und Zusatzmagnet derselben Pipette in
einer vergrößerten Draufsicht.
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Gemäß 1 hat
eine elektronische Pipette eine Verdrängungseinrichtung 1,
die einen Zylinder 2 mit einem darin längsverschieblichen Kolben 3 umfaßt. Mit
dem Zylinder 2 ist lösbar
(Luftpolsterpipette) oder einteilig (Direktverdrängerpipette) eine Spitze 4 verbunden,
die eine Pipettenspitze bzw. eine Spritzenspitze ist.
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Ferner
umfaßt
die Pipette einen elektrischen Antriebsmotor 5, der eine
Antriebswelle 6 aufweist. Der Antriebsmotor ist ein Gleichstrommotor.
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Auf
einem Abschnitt der Antriebswelle 6 sitzt ein kleines Ritzel 7,
das mit einem großen
Ritzel 8 kämmt,
welches drehfest mit einer Spindelmutter 9 verbunden ist.
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Die
Spindelmutter 9 ist auf eine Gewindespindel 10 geschraubt.
Die Gewindespindel 10 ist axial verlagerbar, jedoch unverdrehbar
in der Pipette geführt.
Sie ist an einem Ende mit dem Kolben 3 verbunden, wobei
die Verbindung einer Luftpolsterpipette dauerhaft und bei einer
Direktverdrängerpipette lösbar ist.
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Auf
einem anderen Abschnitt der Antriebswelle 6 sitzt drehfest
eine kreisscheibenförmige
Magnetscheibe 11. Gemäß 2 hat
die Magnetscheibe 11 am Umfang Magnetpole 12, 13 verschiedener
Polarität,
wobei in Umfangsrichtung abwechselnd Nordpole N und Südpole S
angeordnet sind. Die Magnetpole 12, 13 gehören zu Permanentmagneten,
die in den Umfang der Magnetscheibe 11 integriert sind.
Im Beispiel sind acht Magnetpole 12, 13 bzw. vier
Magneten mit vier Paaren von Magnetpolen 12, 13 in
den Umfang der Magnetscheibe 11 integriert.
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Gemäß 1 und 2 sind
um einen Winkel versetzt auf den Umfang der Magnetscheibe 11 zwei
magnetische Sensoren 14, 15 ausgerichtet. Hierbei
handelt es sich um Hall-Sensoren.
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Ferner
ist auf den Umfang der Magnetscheibe 11 ein Zusatzmagnet 16 ausgerichtet.
Dabei handelt es sich um einen Permanentmagneten. Der Winkelabstand
des Zusatzmagneten 16 von den magnetischen Sensoren 14, 15 ist
so gewählt,
daß ein
Paar Magnetpole 12, 13 auf die Winkelhalbierende
zwischen den magnetischen Sensoren 14, 15 ausgerichtet
ist, wenn der Zusatzmagnet 16 zentral auf einen Magnetpol 12, 13 ausgerichtet
ist.
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Die
magnetischen Sensoren 14, 15 und der Zusatzmagnet
sind in der Pipetten ortsfest angeordnet, z.B. indem sie in einem – nicht
dargestellten – Gehäuse der
Pipette fixiert sind.
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Ferner
weist die Pipette eine elektronische Steuerungseinrichtung 17 auf,
die mit dem elektrischen Antriebsmotor 5 und den magnetischen
Sensoren 14, 15 verbunden ist.
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Ferner
hat die eine elektrische Spannungsversorgung 18, die die
elektronische Steuerungseinrichtung 17, den elektrischen
Antriebsmotor 5 und die Hall-Sensoren 14, 15 speist.
Die elektrische Spannungsversorgung 18 ist bei Ausführung der
Pipette als Handpipette eine Batterie, ein Akkumulator bzw. ein
Netzteil.
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Die
elektronische Steuerungseinrichtung 17 umfaßt – nicht
dargestellte – Bedienelemente,
mittels der das Laborpersonal z.B. Betriebsweisen (z.B. Pipettieren
oder Dispensieren) und zu dosierende Flüssigkeitsvolumina einstellen
und Dosiervorgänge
auslösen
bzw. stoppen kann.
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Wenn
bei einem Dosiervorgang der elektrische Antriebsmotor 5 läuft, dreht
sich die Magnetscheibe 11 und die magnetischen Sensoren 14, 15 geben
ein wechselndes Signal ab, das von der elektronischen Steuerungseinrichtung 17 ausgewertet wird.
Hieraus ermittelt die elektronische Steuerungseinrichtung 17 grob
den Drehwinkel der Magnetscheibe 11 und damit die Verlagerung
des über
die Ritzel 7, 8, die Spindelmutter 9 und
die Gewindespindel 10 angetriebenen Kolbens 3.
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Allein
aufgrund der Auswertung der von den magnetischen Sensoren 14, 15 gelieferten
Signale ist im bisherigen Stand der Technik keine exakte Bestimmung
des Drehwinkels der Magnetscheibe 11 möglich, weil mittels der magnetischen
Sensoren 14, 15 lediglich festgestellt werden
kann, daß sich
Magnetpole 12, 13 in einem bestimmten Bereich
befinden, der von der Breite der Magnetpole 12, 13 abhängig ist,
die nicht beliebig reduziert werden kann.
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Durch
den Zusatzmagneten 16 wird jedoch erreicht, daß sich die
Magnetscheibe 11 am Ende einer Positionierung immer zentral
mit einem Magnetpol 12, 13 auf das Zentrum des
Zusatzmagneten 16 einstellt. Im Beispiel stellt sich stets
ein Nordpol N der Magnetscheibe 11 auf den Zusatzmagneten 16 ein, da
dieser mit einem Südpol
S auf die Magnetscheibe 11 ausgerichtet ist. Somit wird
die Magnetscheibe 11 aufgrund der magnetischen Wechselwirkung
der Magnetpole 12, 13 mit dem Zusatzmagneten 16 zentriert.
Es entsteht eine „magnetische
Rastung".
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Somit
kann bei der erfindungsgemäßen Pipette
die elektronische Steuerungseinrichtung 17 den von den
magnetischen Sensoren 14, 15 gelieferten Signalen
eine eindeutige Drehstellung der Magnetscheibe 11 zuordnen.