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Die
vorliegende Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren zur automatisierten
Dosierung einer Flüssigkeit in einem Flüssigkeitsbehälter
sowie eine entsprechende Vorrichtung.
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Ein
Verfahren der eingangs genannten Art wird häufig bei einer
invitro-diagnostischen Untersuchung eingesetzt. Dabei wird eine
Flüssigkeit, z. B. eine Reagenzflüssigkeit, beispielsweise
im Rahmen einer biochemischen Untersuchung mittels einer Pipette
einem Flüssigkeitsbehälter entnommen und/oder
diesem zugeführt. Dabei wird es notwendig, die Füllhöhe
des jeweiligen Flüssigkeitsbehälters zu kennen.
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Für
eine Erfassung der Füllhöhe der Flüssigkeit
in dem Flüssigkeitsbehälter sind eine Reihe von entsprechenden
Verfahren bekannt, die grundsätzlich in berührende
und berührungslose Verfahren unterteilt werden können.
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Bei
einem berührenden Verfahren zur Erfassung der Füllhöhe
wird beispielsweise ein Sensor in Kontakt mit der Flüssigkeit
gebracht, was unter Umständen zu einer unerwünschten
Kontamination der Flüssigkeit führen kann.
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Zur
berührungslosen Erfassung der Füllhöhe sind
unter anderem optische Lösungen bekannt.
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Die
JP 7333039 gibt ein Verfahren
zur Messung der Füllhöhe an, bei dem an der Innenseite
des Flüssigkeitsbehälters eine geneigte Markierungslinie angebracht
ist. Die Erfassung der Füllhöhe stützt
sich bei diesem Verfahren auf die Ermittlung eines Schnittpunktes
zwischen einem Bild der über dem Flüssigkeitsspiegel
befindlichen Markierungslinie mit einem reflektierten Schatten der
Markierungslinie auf dem Flüssigkeitsspiegel bzw. mit einem
refraktierten Bild der Markie rungslinie. Durch Lichtreflektionen, wie
sie beispielsweise an einer Glaswand des Flüssigkeitsbehälters
auftreten können, kann es nachteiligerweise unter Umständen
zu einer fehlerbehafteten Erfassung des Schnittpunkts kommen, woraus eine
fehlerbehaftete Ermittlung der Füllhöhe resultieren
kann.
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Aus
der
DE 199 24 259 ist
ein weiteres berührungsloses Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung
zur Erfassung der Füllhöhe bekannt. Bei der angegebenen
Vorrichtung wird ein paralleler Lichtstrahl erzeugt, welcher senkrecht
auf die Flüssigkeitsoberfläche des befüllten
Flüssigkeitsbehälters gestrahlt wird. Anhand einer
scharfen optischen Abbildung des an der Flüssigkeitsoberfläche
reflektierten Lichts wird die Füllhöhe aus den
optischen Parametern des Lichtstrahls bestimmt. Um bei unterschiedlichen
Füllhöhen jeweils eine scharfe optische Abbildung
zu erreichen, wird beispielsweise mittels eines Zoomobjektivs die
Brennweite der Kamera jeweils entsprechend verändert oder
es wird beispielsweise die gesamte optische Anordnung gehoben oder
gesenkt. Insgesamt ist bei diesem Verfahren zur Erfassung der Füllhöhe
ein hoher technischer Aufwand erforderlich.
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Ausgehend
vom Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde,
ein Verfahren zur Dosierung einer Flüssigkeit in einem
Flüssigkeitsbehälter anzugeben, das möglichst
einfach realisierbar ist. Eine weitere Aufgabe besteht darin, eine
entsprechende Vorrichtung anzugeben.
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Die
auf ein Verfahren gerichtete Aufgabe wird durch die Merkmalskombination
des Anspruchs 1 erfindungsgemäß gelöst.
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Demnach
wird eine Kamera zu einer vertikalen Kalibrierebene ausgerichtet.
Es wird mittels der ausgerichteten Kamera eine Bildaufnahme eines
im Bereich der Kalibrierebene positionierten, transparenten Flüssigkeitsbehälters
getätigt. Es wird ein horizontaler Bildübergang
in der Bildaufnahme ermittelt und es wird die Bild-Lage des horizontalen
Bildübergangs ermittelt. Anhand der Bild-Lage wird auf
eine reale Füllhöhe der Flüssigkeit in
dem Flüssigkeitsbehälter geschlossen. Es wird
ein Dosiermittel entsprechend der ermittelten Füllhöhe
an der Flüssigkeitsoberfläche positioniert und
die Flüssigkeit wird mittels des Dosiermittels dem Flüssigkeitsbehälter
automatisiert entnommen und/oder zugeführt.
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Im
Rahmen einer invitro-diagnostischen Untersuchung wird häufig
eine hohe Rate beispielsweise biochemischer Untersuchungen angestrebt;
d. h. einer Vielzahl von Flüssigkeitsbehältern,
die z. B. als Reagenzgläser gegeben sind, soll in möglichst
kurzer Zeit eine Flüssigkeit, beispielsweise eine biochemische
Flüssigkeit, entnommen und/oder zugeführt werden.
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Dazu
wird dem Flüssigkeitsbehälter die Flüssigkeit
mittels eines Dosiermittels automatisiert entnommen und/oder zugeführt.
Hierbei wird das Dosiermittel z. B. mittels einer Positionierungsvorrichtung
gesteuert an der Flüssigkeitsoberfläche positioniert.
Eine derartige Positionierungsvorrichtung kann als ein „Pipettierroboter"
ausgeführt sein.
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Die
Erfindung geht von der Überlegung aus, dass es zur Vermeidung
einer Verstopfung oder Beschädigung des Dosiermittels sinnvoll
ist, das Dosiermittel bei einer Entnahme der Flüssigkeit
knapp unterhalb und bei einer Zuführung von Flüssigkeit
oberhalb der Flüssigkeitsoberfläche zu positionieren.
Da die Füllhöhe beispielsweise in unterschiedlichen Flüssigkeitsbehältern
variieren kann, ist es für eine bedarfsgerechte Positionierung
des Dosiermittels notwendig, die Füllhöhe der
Flüssigkeit in dem jeweiligen Flüssigkeitsbehälter
genau zu ermitteln.
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Für
die Ermittlung der Füllhöhe nutzt die Erfindung
insbesondere den Effekt, dass eine Flüssigkeitsoberfläche
eine optische Grenzschicht bildet, die durch einen charakteristischen
Bildübergang in einer Bildaufnahme, z. B. durch einen Kontrast-,
Helligkeits- oder Farbsprung, gekennzeichnet ist. Ein derartiger,
mit der Flüssigkeitsoberfläche korrelierter Bildübergang
zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass er eine eindeutige
Richtung innerhalb der Bildaufnahme einnimmt, da er entsprechend
der Flüssigkeitsoberfläche in horizontaler Richtung
verläuft. Einerseits wird durch die eindeutige Richtung des
mit der Flüssigkeitsoberfläche korrelierten Bildübergangs
eine hohe Sicherheit bei der Ermittlung der Bild-Lage des entsprechenden
Bildübergangs gewährleistet. Daraus ergibt sich
insbesondere auch eine hohe Zuverlässigkeit bei der Ermittlung
der Füllhöhe. Andererseits kann dadurch auch eine
fehlerbehaftete Ermittlung der Bild-Lage des horizontalen Bildübergangs,
beispielsweise aufgrund von „Störreflektionen"
in der Bildaufnahme, und eine daraus resultierende fehlerbehaftete
Ermittlung der Füllhöhe weitestgehend ausgeschlossen
werden.
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Der
Bild-Lage des horizontalen Bildübergangs ist, beispielsweise
bei einer entsprechenden Kalibrierung der Bildaufnahme, mittels
einer einfachen Bildauswertung auf schnelle Weise eine reale Füllhöhe
der Flüssigkeit in dem Flüssigkeitsbehälter zuordenbar.
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Interne
Kameraparameter, wie z. B. eine Brennweite oder ein Pixelabstand,
oder externe Kameraparameter, wie z. B. ein 3D-Kamerakoordinatensystem,
können insbesondere konstant bleiben, so dass diese nur
einmalig bestimmt werden müssen. Da insbesondere auch die
Brennweite konstant bleiben kann, ist es auch möglich,
eine Kamera mit einer feststehenden Linse zu verwenden, womit die Notwendigkeit
eines Zoomobjektivs entfällt.
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Insgesamt
ist die Ermittlung der Füllhöhe der Flüssigkeit
somit unter einem sehr geringen technischen Aufwand möglich,
da sich diese im Wesentlichen auf eine einfache, schnell auszuführbare
Bildauswertung der Bildaufnahme des Flüssigkeitsbehälters
stützt. Zudem kann durch die berührungslose Ermittlung
der Füllhöhe eine eventuelle Kontamination der
Flüssigkeit durch Sensoren vermieden werden.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird eine Anzahl
von realen Bezugspunkten in der vertikalen Kalibrierebene positioniert.
Anhand der Lage der Bildpunkte der Bezugspunkte in der Bildaufnahme
wird die Bildaufnahme auf reale Raumkoordinaten kalibriert und anhand
der Kalibrierung wird aus der Bild-Lage des horizontalen Bildübergangs
auf die Füllhöhe der Flüssigkeit geschlossen.
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In
dieser Ausgestaltungsvariante werden zur Kalibrierung der Bildaufnahme
auf reale Raumkoordinaten reale Bezugspunkte, beispielsweise in
Form eines Kalibrierobjekts, in der Kalibrierebene positioniert.
Die realen Raumkoordinaten der Bezugspunkte sind bekannt, so dass
den Bildpunkten der in der Kalibrierebene positionierten Bezugspunkte
diese realen Raumkoordinaten zugeordnet werden können.
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Der
Flüssigkeitsbehälter ist im Bereich der Kalibrierebene
angeordnet, insbesondere derart dass eine Behälterwand
des Flüssigkeitsbehälters zumindest teilweise
in dieser liegt. Damit ist es möglich, auch den Bildpunkten
der Bildaufnahme des Flüssigkeitsbehälters, welche
die Bild-Lage des horizontalen Bildübergangs kennzeichnen,
reale Raumkoordinaten zuzuordnen. Anhand der realen Raumkoordinaten,
welche den Bildpunkten des Bildübergangs zuordenbar sind,
wird die Füllhöhe der Flüssigkeit ermittelt.
Die Genauigkeit bei der Ermittlung der Füllhöhe
wird im Wesentlichen nur durch den Pixel-Abstand der Bildpunkte
der Bildaufnahme und den Abstand zwischen Kamera und Kalibrieebene begrenzt.
Somit ist eine genaue Füllhöhenbestimmung realisierbar.
Zahlreiche Untersuchungen haben gezeigt, dass eine Genauigkeit bei
der Ermittlung der Füllhöhe im Submillimeter-Bereich
erzielt werden kann.
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Eine
derartige Kalibrierung der Bildaufnahme auf reale Raumkoordinaten,
beispielsweise mittels eines Kalibrierobjekts, muss nur einmalig
durchgeführt werden. Das entsprechende Kalibrierobjekt ist
vorzugsweise flächig ausgeführt und zeigt beispielsweise
ein geometrisches Muster, z. B. ein Schachbrettmuster, dessen Abmessungen
bekannt sind. Für eine Kali brierung der Bildaufnahme wird das
Kalibrierobjekt zweckmäßigerweise planparallel zu
der Kalibrierebene angeordnet.
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Die
Flüssigkeitsoberfläche zeigt sich insbesondere
in einer schwarz/weiß- bzw. Graustufen-Bildaufnahme häufig
durch einen Grauwertsprung. Deshalb wird in einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung der horizontale Bildübergang unter Einbeziehung
einer Grauwertinformation vertikal benachbarter Bildbereiche der
Bildaufnahme ermittelt. Zur Detektion eines Grauwertsprungs, beziehungsweise
eines Grauwertübergangs, in der Bildaufnahme kann ein in
der Bildverarbeitung gebräuchlicher Kantenfilter verwendet
werden. Man spricht in dem Zusammenhang auch von einer Kantenerkennung.
Den detektierten Grauwertübergängen werden hierbei üblicherweise
Kanten zugeordnet. Insgesamt ist es auf einfache Weise möglich,
die Bild-Lage des horizontalen Bildübergangs anhand eines
Grauwertübergangs in der Bildaufnahme zu ermitteln und
zu markieren.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der horizontale
Bildübergang durch eine Anzahl von horizontalen Grenzlinien
ermittelt und anhand eines Anteils der horizontalen Grenzlinien
wird die Bild-Lage ermittelt. Im Rahmen einer durchgeführten
Kantenerkennung zeigen die detektierten Kanten, welche einen mit
der Flüssigkeitsoberfläche korrelierten Grauwertübergang
kennzeichnen, einen im Wesentlichen horizontalen Linienverlauf.
Somit können z. B. stark geneigte Kanten, die beispielsweise
einen Grauwertübergang kennzeichnen, der mit einer Lichtreflektion
an einer Glaswand des Flüssigkeitsbehälters zusammenhängt,
verworfen werden. Die Erfassung der entsprechenden horizontalen Grenzlinien
erfolgt insbesondere mittels einer Hough-Transformation. Die Hough-Transformation ist
beispielsweise aus der
US
3069654 A bekannt. Es handelt sich dabei um ein robustes
Verfahren zur Erkennung von beliebigen parametrisierbaren geometrischen
Figuren, hier insbesondere von Linien, in einer Bildaufnahme, insbesondere
nach einer Kantenerkennung.
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Vorteilhafterweise
wird der Anteil der Grenzlinien mittels eines Schätzverfahrens
ausgewählt. Dabei geht ein derartiges Schätzverfahren
im Wesentlichen davon aus, dass die beispielsweise mittels der Hough-Transformation
ermittelten horizontalen Grenzlinien überwiegend der Flüssigkeitsoberfläche zuordenbar
sind, so dass diese sich in einem Bildbereich kumulieren. Unter
dieser Annahme werden mittels des Schätzverfahrens insbesondere „Ausreißer" unter
den erfassten Grenzlinien detektiert, so dass diese Ausreißer,
welche das Ergebnis verfälschen können, nicht
in die Ermittlung der Bild-Lage des Bildübergangs mit einfließen.
Bei dem Schätzverfahren kann auf bekannte Algorithmen zurückgegriffen
werden, wie beispielsweise auf den RANSAC-Algorithmus. RANSAC steht
für „Random Sample Consensus" und ist ein erprobter
mathematischer Algorithmus zur Detektion von Ausreißern
innerhalb einer Menge von Datenpunkten. Der RANSAC-Algorithmus geht
aus dem Artikel „Random Sample Consensus: A Paradigm
for Model Fitting with Applications to Image Analysis and Automated
Cartography" von M. A. Fischler und R. C. Kolles aus Communications
of the ACM(1981), Nummer 24, Seiten 381–395, hervor.
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Vorteilhafterweise
wird aus dem Anteil der Grenzlinien eine gemittelte Grenzlinie bestimmt
und hieraus wird die Bild-Lage ermittelt. Häufig umfasst der
Anteil eine Anzahl von Grenzlinien. Dies kann beispielsweise durch
eine Benetzung des Flüssigkeitsbehälters durch
die Flüssigkeit bedingt sein. Dies führt dazu,
dass der horizontale, mit der Flüssigkeitsoberfläche
korrelierte Bildübergang „verbreitert" wird, so
dass eine Anzahl von Grenzlinien gefunden wird. Aus der Anzahl der
Grenzlinien wird eine gemittelte Grenzlinie ermittelt, welche die
Bild-Lage des Bildübergangs kennzeichnet, anhand deren
die Füllhöhe ermittelt wird.
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Das
Dosiermittel ist in seiner Ausgangsposition im Allgemeinen senkrecht über
der Flüssigkeitsoberfläche angeordnet und wird
bedarfsgerecht an der Flüssigkeitsoberfläche positioniert.
Sinnvollerweise wird dabei das Dosiermittel, insbesondere eine Dosiermittelspitze,
wie beispielsweise eine Pipet tenspitze, für eine Flüssigkeitsentnahme
unterhalb der Flüssigkeitsoberfläche positioniert.
Im Falle einer Pipette wird also die Pipettenspitze in die Flüssigkeit eingetaucht.
Für eine Zuführung von Flüssigkeit wird die
zweckmäßigerweise Pipettenspitze über
der Flüssigkeitsoberfläche positioniert.
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In
einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung wird das Dosiermittel
unter Einbeziehung seiner aktuellen Position gesteuert an der Flüssigkeitsoberfläche
positioniert. Dadurch wird vorteilhaft eine veränderte
Ausgangsposition des Dosiermittels bei dessen Positionierung berücksichtigt.
Die aktuelle Position des Dosiermittels zu der Flüssigkeit
kennzeichnet insbesondere einen aktuellen Abstand der Dosiermittelspitze,
beispielsweise der Pipettenspitze, zu der Flüssigkeitsoberfläche.
Falls die Bildaufnahme auch das Dosiermittel, insbesondere die Dosiermittelspitze,
zeigt, kann die Position des Dosiermittels bzw. der Dosiermittelspitze
zu der Flüssigkeitsoberfläche direkt anhand der
Bildaufnahme ermittelt werden.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung wird die aktuelle Position des Dosiermittels
unter Heranziehung eines Steuerparameters ermittelt. Der Steuerparameter
betrifft beispielsweise eine Positionierungsvorrichtung, mittels
derer das Dosiermittel gesteuert an der Flüssigkeitsoberfläche
positioniert wird. Anhand des Steuerparameters ist es insbesondere
möglich, die Position des Dosiermittels zu der Flüssigkeitsoberfläche
zu ermitteln, auch wenn das Dosiermittel in der Bildaufnahme des
Flüssigkeitsbehälters nicht sichtbar ist. Die
Bildaufnahme kann somit allein im Hinblick auf die Ermittlung des
Bildübergangs getätigt werden.
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Die
Bildaufnahme kann z. B. als eine schwarz/weiß-Aufnahme
vorliegen, so dass auf eine einfache digitale Kamera zurückgegriffen
werden kann.
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Vorzugsweise
wird die Bildaufnahme mittels einer in einem Barcode-Lesegerät
integrierten Kamera getätigt. Unter einem Barcode versteht
man einen Strichcode. Derartige Barcodes werden häufig
zur Kennzeichnung und Identifizierung unterschiedlicher Flüssigkeiten
im Rahmen von invitro-diagnostischen Untersuchungen verwendet. Diese
Ausführungsvariante ist besonders kostengünstig,
da derartige Lesegeräte zum Auslesen dieser Barcodes häufig
ohnehin vorgesehen sind.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung wird die Flüssigkeit
mittels eines als Pipette gegebenen Dosiermittels entnommen und/oder
zugeführt. Eine Pipette stellt eine besonders kostengünstige
und in der Diagnostik übliche Ausgestaltungsvariante des
Dosiermittels dar.
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Die
auf eine Vorrichtung gerichtete Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst
durch die Merkmale des auf eine Vorrichtung gerichteten Patentanspruchs.
Demnach umfasst die Vorrichtung zur Dosierung einer Flüssigkeit
in einem Flüssigkeitsbehälter eine Kamera, einen
transparenten Flüssigkeitsbehälter, ein Dosiermittel,
ein Zuführ-/Entnahmemittel und eine Positionierungsvorrichtung
zur Positionierung des Dosiermittels, sowie eine Steuervorrichtung,
die zur Durchführung des vorbeschriebenen Verfahrens eingerichtet
ist.
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Die
Vorrichtung ist beispielsweise im Rahmen einer invitrodiagnostischen
Untersuchung vorgesehen, bei der eine hohe Rate biochemischer Untersuchungen
angestrebt wird. Dazu ist die Vorrichtung beispielsweise als eine
Pipettierstation gegeben, bei der in einem Durchlauf eine Vielzahl
von Flüssigkeitsbehältern mittels einer Pipette
pipettiert werden. Die Positionierungsvorrichtung mittels derer die
Pipette bewegt wird ist beispielsweise als ein Roboter, ein sogenannter „Pipettierroboter",
ausgestaltet.
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Das
Dosiermittel ist insbesondere als eine Pipette gegeben und die Kamera
ist insbesondere in einem Barcode-Lesegerät integriert.
Das Dosiermittel ist üblicherweise mit einem Zuführ-/Entnahmemittel
gekoppelt, welches die Zuführung und/oder Entnahme der
Flüssigkeit mittels des Dosiermittels ermöglicht.
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Die
Steuervorrichtung ist beispielsweise als ein Rechner gegeben oder
auf einem Rechner durch Software realisiert.
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Ein
Ausführungsbeispiels der Erfindung wird anhand einer Zeichnung
näher erläutert. Dabei zeigt:
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1 eine
Vorrichtung zur Dosierung einer Flüssigkeit,
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2 eine
Bildaufnahme eines Flüssigkeitsbehälters und
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3 eine
weitere Bildaufnahme des Flüssigkeitsbehälters
gemäß 2.
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1 zeigt
eine Vorrichtung 2 zur Dosierung einer Flüssigkeit.
Gemäß der Darstellung umfasst die Vorrichtung 2 eine
Positionierungsvorrichtung 4 und ein Dosiermittel 6,
welches mit einem Zuführ-/Entnahmemittel 7 gekoppelt
ist. Außerdem umfasst die Vorrichtung 2 einen
Flüssigkeitsbehälter 8, welcher senkrecht
unter dem Dosiermittel 6 angeordnet ist, eine Kamera 10,
sowie eine Steuervorrichtung 11.
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Das
Dosiermittel 6, das hier als eine Pipette 12 ausgeführt
ist, ist senkrecht über dem als Reagenzglas ausgeführten
transparenten Flüssigkeitsbehälter 8 positioniert
und kann mittels der Positionierungsvorrichtung 4 in vertikaler
Richtung 14 in dem Flüssigkeitsbehälter 8 auf
und ab bewegt werden. Eine entsprechende Auf-, bzw. eine Abbewegung
wird dabei jeweils über die Steuervorrichtung 11 angesteuert.
Mittels der Positionierungsvorrichtung 4 kann der Flüssigkeitsbehälter 8 bei
Bedarf natürlich auch in weitere Richtungen bewegt werden.
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Mittels
der Pipette 12 ist eine in dem Flüssigkeitsbehälter 8 befindliche
Flüssigkeit 16 dosierbar, d. h. die Flüssigkeit 16 ist
dem Flüssigkeitsbehälter 8 über
die Pipette 12 zuführ- und/oder entnehmbar. Dazu
ist die Pipette 12 mit dem Zuführ- /Entnahmemittel 7 gekoppelt,
welches für eine automatische Entnahme und/oder Zuführung
der Flüssigkeit entsprechend von der Steuervorrichtung 11 ansteuerbar ist.
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Der
Flüssigkeitsbehälter 8 ist im Bereich
der Kalibrierebene 20 positioniert. Wie aus der Darstellung
ersichtlich wird, liegt dabei eine der Kamera 10 zugewandte
Behälterwand 22 des Flüssigkeitsbehälters 8 in
der Kalibrierebene 20. Die gestrichelte Darstellung der
Kalibrierebene 20 deutet an, dass es sich bei dieser um
eine virtuelle Ebene handelt.
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Im
Folgenden wird eine mögliche Ausführungsform des
mittels der Steuervorrichtung 11 durchführbaren
Verfahrens zur Dosierung der Flüssigkeit 16 in
dem Flüssigkeitsbehälter 8 beschrieben.
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Mittels
der Kamera 10, die in Bezug auf die vertikale Richtung 14 seitlich
von dem Flüssigkeitsbehälter 8 und horizontal
angeordnet ist, wird eine digitale schwarz/weiß-Bildaufnahme 18 von
dem Flüssigkeitsbehälter 8 getätigt.
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Die
in dem Flüssigkeitsbehälter 8 befindliche Flüssigkeit 16,
insbesondere die Flüssigkeitsoberfläche 28,
bildet eine optische Grenzschicht. Diese zeigt sich in der Bildaufnahme 18 in
hier nicht sichtbarer Weise anhand eines in horizontaler Richtung
verlaufenden Grauwertübergangs gemäß 2.
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Die
Steuervorrichtung 11 detektiert den entsprechenden horizontalen
Grauwertübergang mittels eines Kantenfilters und ermittelt
dessen Bild-Lage. In der Figur ist zur Veranschaulichung ein Bildpunkt 29 in
der Bildaufnahme 18 dargestellt, welcher die Bild-Lage
des Grauwertübergangs markiert.
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Anhand
der Bild-Lage des Grauwertübergangs in der Bildaufnahme 18 ermittelt
die Steuervorrichtung 11 eine reale Füllhöhe 31 der
Flüssigkeit 16 in dem Flüssigkeitsbehälter 8.
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Um
das Prinzip bei einer derartigen Füllhöhenermittlung
zu illustrieren, ist in 1 skizzenartig dargestellt,
wie mittels der Kamera 10 der Objektpunkt 30 der
Flüssigkeitsoberfläche 28 in den Bildpunkt 29 der
Bildaufnahme 18 der Kamera 10 projiziert wird.
Dem Bildpunkt 29 kann dabei ausgehend von dem Objektpunkt 30 zeichnerisch
ein Projektionsstrahl 34 zugeordnet werden. Prinzipiell
ist es möglich, jedem beliebigen Bildpunkt einen derartigen Projektionsstrahl
zuzuordnen.
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Dem
Bildpunkt 29 ordnet die Steuervorrichtung 11 eine
reale Raumkoordinate des Objektpunkts 30 zu. Für
eine Zuordnung der entsprechenden Raumkoordinate zu dem Bildpunkt 29 wurde
im Vorfeld mittels eines Kalibrierobjekts eine entsprechende Bildaufnahme-Kalibrierung
durchgeführt.
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Somit
ist es möglich, anhand einer Anzahl der die Bild-Lage des
Grauwertübergangs kennzeichnenden Bildpunkte 29 in
der Bildaufnahme 18 die Füllhöhe 31 der
Flüssigkeit 16 in dem Flüssigkeitsbehälter 8 mittels
der Steuervorrichtung 11 automatisiert zu ermitteln.
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Ausgehend
von der Füllhöhe 31 ermittelt die Steuervorrichtung 11 einen
Abstand 38 zwischen der Pipette 12, beziehungsweise
einer Pipettenspitze 40, und der Flüssigkeitsoberfläche 28.
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Die
Ermittlung des Abstands 38 geschieht hier unter Einbeziehung
eines Steuerparameters der Steuervorrichtung 11. Der Steuerparameters
betrifft die Ansteuerung der Positionierungsvorrichtung 4 zu einer
Positionierung des Dosiermittels 6. Anhand des Steuerparameters
ist es der Steuervorrichtung 11 möglich, die momentane „Bewegungsauslenkung" der
Positionierungsvarrichtung 4 zu ermitteln, woraus sich
die aktuelle Position des Dosiermittels 4 ergibt. Unter
Einbeziehung der aktuellen Füllhöhe 31 lässt sich
daraus der Abstand 38 der Pipettenspitze 40 zu der
Flüssigkeitsoberfläche 28 ermitteln.
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Unter
Berücksichtigung des Abstands 38 zwischen der
Pipettenspitze 40 und der Flüssigkeitsoberfläche 28 steuert
die Steuervorrichtung 11 die Positionierungsvorrichtung 4 an.
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Für
einen Flüssigkeitsentnahme-Vorgang steuert die Steuervorrichtung 11 die
Positionierungsvorrichtung 4 zu einer Positionierung der
Pipettenspitze 40 knapp unterhalb und für einen
Flüssigkeitszuführ-Vorgang oberhalb der Flüssigkeitsoberfläche 28 an.
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In 2 und 3 ist
jeweils eine schwarz/weiß-Bildaufnahme 18 desselben
Flüssigkeitsbehälters 8 dargestellt.
In den Figuren ist zu sehen, wie sich die Flüssigkeitsoberfläche 28 durch
einen Grauwertübergang 43 in der Bildaufnahme 18 abbildet.
Es ist erkennbar, dass der Grauwertübergang 43 im
Wesentlichen in horizontaler Richtung verläuft. Aufgrund
einer Benetzung des Flüssigkeitsbehälters 8 durch
die Flüssigkeit 16, infolge deren die Flüssigkeit 16 eine
konkave Oberfläche, einen sogenannten Meniskus, bildet
und aufgrund des runden Flüssigkeitsbehälters 8 zeigt
der mit der Flüssigkeitsoberfläche 28 korrelierte
Grauwertübergang 43 in der Bildaufnahme 18 einen
streifenartig verbreiterten und gewölbten Verlauf.
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Die
Steuervorrichtung 11 detektiert den Grauwertübergang 43 mittels
eines Kantenfilters und ermittelt eine Anzahl von horizontalen Grenzlinien 44.
Die Anzahl von Grenzlinien 44 ist gut ersichtlich 2 entnehmbar.
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In 2 ist
erkennbar, dass sich unter der Anzahl von horizontalen Grenzlinien 44 auch
einige „Ausreißer" 46 befinden. Die Steuervorrichtung 11 detektiert
die „Ausreißer" 46 unter den erfassten Grenzlinien 44.
Für die Ermittlung der Bild-Lage des Grauwertübergangs 43 verwirft
die Steuervorrichtung 11 die „Ausreißer" 46 und
ermittelt nur anhand der „Nicht-Ausreißer" eine
gemittelte Grenzlinie 48, welche aus 3 hervorgeht.
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Die
Verwerfung der „Ausreißer" 46 erhöht
die Genauigkeit bei der Bestimmung der Bild-Lage des Grauwertübergangs 43 und
damit der Füllhöhe 35 erheblich. Die
Detektion der Ausreißer 46 geschieht mittels eines
RANSAC-Algorithmus". RANSAC steht für „Raudom
Sample Consensus" und ist ein erprobter mathematischer Algorithmus
zur Detektion von Ausreißern innerhalb einer Menge von
Datenpunkten.
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Die
in 3 dargestellte gemittelte Grenzlinie 48 markiert
die Bild-Lage des Grauwertübergangs 43, anhand
welcher die Steuervorrichtung 11 die Füllhöhe 31 gemäß 1 ermittelt.
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- 2
- Vorrichtung
- 4
- Positionierungsvorrichtung
- 6
- Dosiermittel
- 7
- Zuführ-/Entnahmemittel
- 8
- Flüssigkeitsbehälter
- 10
- Kamera
- 11
- Steuervorrichtung
- 12
- Pipette
- 14
- vertikale
Richtung
- 16
- Flüssigkeit
- 18
- Bildaufnahme
- 20
- Kalibrierebene
- 22
- Behälterwand
- 26
- Luft
- 28
- Flüssigkeitsoberfläche
- 29
- Bildpunkt
- 30
- Objektpunkt
- 31
- Füllhöhe
- 34
- Projektionsstrahl
- 36
- Kamerakoordinatensystem
- 38
- Abstand
- 40
- Pipettenspitze
- 43
- Grauwertübergang
- 44
- Grenzlinie
- 46
- Ausreißer
- 48
- Grenzlinie
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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Zitierte Patentliteratur
-
- - JP 7333039 [0006]
- - DE 19924259 [0007]
- - US 3069654 A [0023]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - „Random
Sample Consensus: A Paradigm for Model Fitting with Applications
to Image Analysis and Automated Cartography" von M. A. Fischler und
R. C. Kolles aus Communications of the ACM(1981), Nummer 24, Seiten
381–395 [0024]