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Einleitung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren
zum exakten Dosieren, und insbesondere das Entnehmen und anschließende
Freisetzen einer vorbestimmten Menge eines Fluids.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft außerdem insbesondere eine
Vorrichtung und ein Verfahren zum exakten Dosieren von Flüssigkeiten,
wobei diese Flüssigkeiten unterschiedliche Viskositäten,
Temperaturen, Dichten und dergleichen aufweisen können,
ohne dass die mit der Erfindung erreichbare Genauigkeit der Dosierung
dadurch beeinträchtigt wird.
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Stand der Technik und Nachteile
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Das
Dosieren von Flüssigkeiten spielt in einer Vielzahl technischer
Felder eine entscheidende Rolle. So ist es beispielsweise beim Fügen
von Bauteilen wichtig, eine exakt dosierte Menge eines Klebstoffes
aufzutragen, da die Festigkeit der Verbindung sowohl im Falle von
zu wenig als auch zu viel aufgetragenem Klebstoff so optimal ausfällt.
Verstärkt wird dieses Problem im Falle von Mehrkomponentenklebstoffen,
bei denen das Mischungsverhältnis der einzelnen Komponenten
exakt festgelegt und daher einzuhalten ist. Ein weiteres Anwendungsfeld,
in welchem das exakte Dosieren von Flüssigkeiten von größter
Wichtigkeit ist, stellen die Lebenswissenschaften (engl. „Lifesciences”)
dar. Da häufig mit kleinen und kleinsten Flüssigkeitsmengen
umgegangen werden muss, ergeben sich hieraus besonders geringe zulässige
Toleranzen bei der Applikation, dem Mischen, oder dem Extrahieren
von Flüssigkeiten bzw. Flüssigkeitsgemischen.
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Der
Trend zu immer weitergehender Miniaturisierung in vielen Bereichen
der Technik macht es daher zunehmend notwendig, gerade kleine und kleinste
Flüssigkeitsmengen sicher, reproduzierbar und vor allen
Dingen sehr exakt dosieren zu können. Hierzu sind aus dem
Stand der Technik eine Vielzahl unterschiedlicher Vorrichtungen
und Verfahren bekannt, von denen im Folgenden einige exemplarisch aufgeführt
werden sollen.
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Zunächst
sind aus dem Stand der Technik manuell betriebene Vorrichtungen
zur Entnahme und zum Dosieren kleiner Flüssigkeitsmengen
bekannt, die gewöhnlich z. B. in Laboren Verwendung finden. Bei
der Verwendung manuell betriebener so genannter Pipetten, wie sie
beispielsweise im Dokument
DE A
1 598 629 offenbart sind, ist die Genauigkeit der Dosierung
von der Oberflächenspannung der entnommenen Flüssigkeit,
dem Kapillarkräften, welche an der Innen- und Außenseite
der Pipettenwand wirken, sowie der Problematik des Anhängens
oder Zurückbehaltens von Mikrotröpfchen am äußeren
Ende der Pipette bestimmt. Auch für den Fall, dass eine derartige
Pipette automatisch betrieben wird, bleiben diese Probleme im Wesentlichen
bestehen.
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Ein
weiteres Problem bei der Verwendung derartiger manueller Vorrichtungen
ist die Abhängigkeit des Dosierungsergebnisses vom jeweiligen
Bediener. Aus diesem Grunde wird häufig versucht, die Reproduzierbarkeit
des Dosierungsergebnisses durch die Verwendung automatisierter Vorrichtungen zu
verbessern.
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Ein
erstes Beispiel für eine automatisierte Mikrodosiervorrichtung
wird beispielsweise in der Patentschrift
DE 101 53 708 B4 offenbart.
Diese Mikrodosiervorrichtung umfasst einen Düsenkörper
mit einem Hohlraum, in welchem ein zu dosierendes Fluid vorhanden
ist. Der Dosierungsvorgang wird mittels eines Verdrängungskörpers,
welcher an einem Aktuator befestigt ist, durchgeführt.
Dieser Verdrängungskörper verringert das Volumen
im Inneren des Hohlraums, so dass das zu dosierende Fluid aus diesem verdrängt
und aus einer Düse ausgegeben wird. Die Genauigkeit, mit
welcher das zu dosierende Fluid aus der Düse ausgegeben
wird, hängt dabei maßgeblich von der Genauigkeit
ab, mit welcher der entsprechende Aktuator angesteuert werden kann.
Des Weiteren ist es zwingend notwendig, die beweglichen Teile der
Vorrichtung spiel- und spaltfrei zu lagern, damit möglichst
keine Flüssigkeit in entsprechende Spalte vordringen und
somit das zu dosierende Volumen verfälschen kann. Schließlich
ist eine derartige Vorrichtung aufgrund ihrer konstruktiven Gegebenheiten
nur zur Ausgabe einer bestimmten, durch die Größe
des Hohlraums nach oben begrenzten Menge an Flüssigkeit
in der Lage, da nach einem vollständigen Entleeren des
Hohlraumvolumens dieses zunächst wieder mit der aus einem
Reservoir nachfließenden, zu dosierenden Flüssigkeit
gefüllt werden muss, bevor eine erneute Ausgabe des Flüssigkeitsvolumens
erfolgen kann. Dementsprechend ist eine Vorrichtung der dargestellten
Art nicht zu einer kontinuierlichen Ausgabe größerer
bzw. beliebiger Mengen von zu dosierenden Flüssigkeiten
geeignet.
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Den
gleichen Nachteil zeigt die Patentanmeldung US 5,512,046. Hier erfolgt
die Kontrolle der Dosierung anhand von optisch arbeitenden Zählern,
die die Anzahl der durch die Dosierungseinrichtung freigegebenen
und es diese im freien Fall durchquerenden Tropfen bestimmt. Im
Falle einer vom Sollwert abweichenden Zahl von Tropfen wird ein
entsprechendes Stellventil vergrößert bzw. verkleinert.
Vorteilhaft ist hier die Verwendung eines optischen und somit berührungsfreien
Prinzips zur Kontrolle der abgegebenen Tropfen. Hauptnachteil der
betreffenden Erfindung ist, als kleinste theoretisch dosierbare Menge
das Volumen eines einzelnen Tropfens applizieren zu können.
Außerdem erkennt die betreffende Vorrichtung auch nicht,
wenn sich das Volumen der einzelnen Tropfen aufgrund von Temperaturschwankungen ändert.
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Ein
weiteres Beispiel für die Nutzung optischer Technologien
im Rahmen von Dosiereinrichtungen offenbart die Vorrichtung aus
der Offenlegungsschrift der
DE 102 42 410 A1 , welche zum Aufbringen eines
fluiden Mediums auf einem Substrat eine Kapillare oder eine Nadel
in Verbindung mit einer Bildaufnahmeeinrichtung, sowie eine dieser
zugeordneten Bildverarbeitungseinrichtung umfasst. Die Bildverarbeitungseinrichtung
nimmt während der Applikation der zu dosierenden Flüssigkeit,
welche lediglich in Form von einzelnen Tropfen appliziert werden
kann, die sich während des Applikationsvorgangs ergebende
Tropfenform auf und analysiert diese. Anhand der Analyse wird der
Abstand der Dosiernadel und dem Substrat bedarfsgerecht nachgeregelt.
Ein wesentlicher Nachteil dieser Vorgehensweise besteht in der Notwendigkeit,
die Form jedes einzelnen Tropfens mittels einer relativ aufwändigen Bildverarbeitungstechnik
analysieren zu müssen. Dementsprechend ist auch die Dosierung
eines kontinuierlichen Stroms von Flüssigkeit nicht möglich. Ebenso
ist der Aufwand, die Tropfenformen zu analysieren und den Abstand
nachzuregeln, nicht unerheblich.
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Ein
weiteres, mittels verschiedener Technologien angegangenes Problem
bei der Dosierung von Flüssigkeiten ist die Abhängigkeit
des Flüssigkeitsvolumens von Umgebungsparametern wie insbesondere
der Temperatur.
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Dieses
Problem wird beispielsweise in der Offenlegungsschrift
DE 103 56 805 A1 behandelt. Insbesondere
betrifft die dort dargelegte Erfindung die Problematik in Verbindung
mit der Dosierung von Flüssigkeit bei Kraftfahrzeugen.
Die Erfindung schlägt dabei vor, zunächst die
Flüssigkeitstemperatur abzuschätzen und so eine
Korrektur zu bestimmen, mit welchem das auf eine Zumesspumpe gegebene
Steuersignal ergänzt wird, so dass die Zumesspumpe identische
Flüssigkeitsmengen auf der Grundlage identischer Einstellwerteingangssignale unabhängig
von der Flüssigkeitstemperatur liefert. Ein derartiges
Verfahren setzt jedoch voraus, jederzeit Informationen über
die Flüssigkeitstemperatur zur Verfügung zu haben.
Es lässt außerdem außer Acht, dass bei
einer Dosierung unterschiedlicher Flüssigkeiten auch jeweils
unterschiedliche Korrekturfaktoren vorhanden sein müssen,
welche im Übrigen zuvor, beispielsweise mittels entsprechender
Experimente, zur ermitteln sind.
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Eine
besondere Schwierigkeit schließlich besteht darin, eine
Vielzahl von Flüssigkeiten mittels ein- und derselben Vorrichtung
bzw. unter Benutzung ein- und desselben Verfahrens hintereinander
dosieren zu können, wenn sich diese Flüssigkeiten
im Hinblick auf wichtige Parameter (Temperatur, Dichte, Viskosität,
Oberflächenspannung) voneinander unterscheiden. Eine Möglichkeit,
um diesem Problem zu begegnen, besteht darin, alle Flüssigkeiten,
die mit einer bestimmten Vorrichtung dosiert werden sollen, im Vorfeld
genau zu analysieren und die unter bestimmten Standardbedingungen
erzielbaren Dosiermengen in einer entsprechenden (elektronischen)
Tabelle abzulegen. Während des eigentlichen Dosiervorgangs
können diese Normwerte dann aus der entsprechenden Tabelle
entnommen und einer Ansteuereinrichtung zugeführt werden.
Allerdings führt diese Vorgehensweise nur dann zum Erfolg, wenn
wirklich jede der möglicherweise zu fördernden Flüssigkeiten
im Vorfeld entsprechend erfasst wird. Daraus resultiert umgekehrt
eine Nichteinsetzbarkeit einer Vorrichtung für den Fall,
dass die entsprechende, zu dosierende Flüssigkeit noch
nicht zuvor tabellarisch erfasst wurde. Ein weiterer Nachteil besteht darin,
aufgrund des entsprechenden Aufwands nur eine gewisse Anzahl von
Parameterkombinationen aufzunehmen, so dass zwischen den entsprechenden
Positionen der Normwerte interpoliert werden muss. Es ist außerdem
notwendig, der Vorrichtung vor Beginn der Dosiervorgangs mitzuteilen,
welche Flüssigkeit aktuell zu dosieren ist, damit die entsprechenden
Parameter geladen werden können. Schließlich versagt
das entsprechende Verfahren auch dann, wenn Mischungen von Flüssigkeiten,
die zuvor lediglich einzeln erfasst wurden, in Kombination gefördert
werden, sofern hier nicht wiederum eine erneute Erfassung der entsprechenden
Parameter des Flüssigkeitsgemisches erfolgt.
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Im
Hinblick auf die fortschreitende Miniaturisierung in der Technologie
eignen sich die oben dargestellten Vorrichtungen außerdem
nur bedingt zu einer Integration in entsprechende, sehr geringe
Bauvolumina zur Verfügung stellende Systeme, da der von
ihnen beanspruchte Bauraum teilweise erheblich ist.
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Aufgabe der Erfindung und
Lösung
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist daher, eine Vorrichtung und ein Verfahren
bereitzustellen, welche dazu geeignet sind, die dargestellten Nachteile
des Standes der Technik zu überwinden. Insbesondere soll
die Erfindung dazu geeignet sein, Flüssigkeiten exakt zu
dosieren, welche unterschiedliche Viskositäten, Temperaturen,
Dichten und dergleichen aufweisen können, ohne dass die
mit der Erfindung erreichbare Genauigkeit der Dosierung dadurch
beeinträchtigt wird. Die Erfindung soll möglichst
unabhängig von der zu dosierenden Flüssigkeit,
ihren Parametern, sowie der zu dosierenden Menge zuverlässige
und reproduzierbare Ergebnisse liefern. Der Aufwand zur Kalibrierung
der erfindungsgemäßen Vorrichtung beim Dosieren
einer neuen Flüssigkeit soll dabei auf ein Minimum beschränkt bleiben.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße
Verfahren sollen außerdem insofern unabhängig
von Umgebungsparametern wie Druck oder Temperatur sein, als dass
eine entsprechende Nachregelung mit geringstem Aufwand und automatisiert
möglich ist. Insbesondere soll die Möglichkeit
gegeben sein, quasi-kontinuierlich eine praktisch unbegrenzte Menge
an Flüssigkeit hoch präzise dosiert zu fördern.
Die Messung der Förderrate der zu dosierenden Flüssigkeit
soll berührungslos, aber gleichzeitig mit möglichst
einfachen und somit kostengünstigen Mitteln sowie ohne
Zeitverlust erfolgen. Schließlich soll die erfindungsgemäße
Vorrichtung gute Möglichkeiten zu einer raumsparenden Integration
insbesondere in miniaturisierte Dosiersysteme bieten.
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Die
vorstehend genannten Aufgaben werden durch die Merkmale der erfindungsgemäßen
Vorrichtung nach Anspruch 1 sowie die Merkmale des erfindungsgemäßen
Verfahrens gemäß Anspruch 11 gelöst.
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Weitere
bevorzugte Ausführungsformen sind den abhängigen
Ansprüchen sowie der nachfolgenden detaillierten Beschreibung
und den Figuren zu entnehmen.
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Beschreibung
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung dient dem exakten
Dosieren von Flüssigkeiten, insbesondere einer sequenziellen
Mehrzahl von Flüssigkeiten, welche sich durch ihre Flüssigkeitsparameter
unterscheiden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung
umfasst dabei mindestens die folgenden wesentlichen Elemente:
eine
Pumpvorrichtung;
ein Dosierrohr bekannter Geometrie;
einen
Detektor zur Ermittlung des Flüssigkeitsstands.
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Erfindungsgemäß ist
die Pumpvorrichtung so angeordnet, dass die zu dosierende Flüssigkeit durch
das Dosierrohr förderbar ist. Die Pumpvorrichtung kann
bevorzugt eine Mikropumpe sein, und besonders bevorzugt eine piezobetriebene
Mikromembranpumpe. Nach einer Ausführungsform kann die Mikropumpe
so aufgebaut sein, dass sie beispielsweise mittels einer Membran
und entsprechenden Ventilen eine uni- oder bidirektionale Förderung
ermöglicht.
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Das
Dosierrohr ist derart ausgebildet, dass seine Geometrie sehr genau
bekannt ist. Das bedeutet, dass insbesondere der Innenquerschnitt
beziehungsweise der Innendurchmesser des Dosierrohres exakt vorbestimmt
ist. Erfindungsgemäß ist ebenfalls der Abstand
zwischen wenigstens zwei vorher bestimmten Positionen entlang der
Längsausdehnung des Dosierrohres exakt bestimmbar. Besonders
bevorzugt besitzt das Dosierrohr in seinem Inneren über
seine gesamte Längsausdehnung hinweg den gleichen Querschnitt.
Vorteilhaft weist es dabei einen zylindrischen Querschnitt auf,
es kann aber auch anders beispielsweise quadratisch ausgebildet
sein.
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Erfindungsgemäß ist
der Detektor so angeordnet, dass die Lage einer Flüssigkeitsfront
der zu dosierenden Flüssigkeit an mindestens einer Auslesestelle
des Dosierrohrs detektierbar ist. Mittels des Detektors zur Ermittlung
des Flüssigkeitsstands wird erfindungsgemäß die
Position der Flüssigkeitsfront der zu dosierenden Flüssigkeit,
welche durch das Dosierrohr gefördert wird, bestimmt. Nach
einer Ausführungsform ermöglicht der Detektor
die Ermittlung einer Position der Flüssigkeitsfront im
Inneren des Detektorrohres. Nach einer bevorzugten Ausführungsform
ermöglicht der Detektor lediglich die Detektion der Anwesenheit
der Flüssigkeitsfront an einer oder mehreren vorherbestimmten
Stellen, die entlang der Längserstreckung des Dosierrohres
angeordnet sind.
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Nach
einer bevorzugten ersten Ausführung der erfindungsgemäßen
Vorrichtung umfasst diese weiter mindestens ein Ventil, wobei mindestens
ein Ventil so angeordnet ist, dass der Strom der durch das Dosierrohr
strömenden Flüssigkeit unterbrechbar ist so dass
beim Schließen des Ventils das im Dosierrohr vorhandene
Flüssigkeitsvolumen nicht durch Hinzufördern weiterer
Flüssigkeit vergrößert werden kann. Dementsprechend,
und weil das Volumen des Dosierrohres insbesondere zwischen dem
Ventil und der mindestens einen Auslesestelle bekannt ist, befindet
sich so ein exakt bestimmtes Flüssigkeitsvolumen im betreffenden
Teil des Dosierrohrs, welches dann dosiert werden kann. Hierzu ist
mittels des Ventils ein externer Anschluss zuschaltbar, der bevorzugt mit
einem Gas und besonders bevorzugt mit der Umgebungsluft verbunden
ist. Schließlich ist nach dieser Ausführungsform
die Pumpvorrichtung stromabwärts des Ventils angeordnet,
so dass mit ihr wahlweise zu dosierende Flüssigkeit oder
ein externes Medium förderbar ist. Beim Umschalten des
Ventils auf den externen Anschluss ist nur noch das durch den externen
Anschluss strömende Medium (das vorteilhaft insbesondere
Gas sein kann) in das Dosierrohr förderbar. Durch entsprechendes
Fördern nach dem Umschalten wird demnach das zunächst
im Dosierrohr vorhandene und zuvor exakt bestimmte Flüssigkeitsvolumen
aus dem Dosierrohr heraus gefördert. Es ist dabei unerheblich,
dass die Pumpvorrichtung stromabwärts vom Ventil angeordnet
ist, da das Volumen der Pumpvorrichtung nicht variabel ist und dementsprechend
einfach zum Volumen des Dosierrohrs bzw. des Abschnitts zwischen
Ventil und der mindestens einen Auslesestelle hinzuaddiert werden
kann. Sobald die exakte bestimmte Menge an Flüssigkeit vollständig
aus dem Dosierrohr heraus gefördert wurde, wird nur noch
das externe Medium gefördert; im Falle von Luft oder einem
Schutzgas, welches nicht mit der Flüssigkeit mischbar ist,
ist somit eine exakt vorherbestimmte Menge an zu dosierender Flüssigkeit
dosiert und beispielsweise in ein Reservoir gefördert worden.
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Die
bisher beschriebenen ersten Ausführung der erfindungsgemäßen
Vorrichtung basieren auf der exakten Bestimmbarkeit eines Volumens,
welches zunächst vollständig mit einer zu dosierenden
Flüssigkeit aufgefüllt und dann ebenfalls vollständig
entleert wird.
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Nach
einer vorteilhaften Abwandlung der ersten Ausführung der
vorliegenden Erfindung kann eine geeignete Mechanik vorgesehen sein,
die es gestattet, den Detektor der Bestimmung der Flüssigkeitsfront
an wenigstens einem und vorteilhaft zwei oder mehr vorbestimmten
orten axial zu dem Dosierrohr zu verschieben, so daß eine
Vorrichtung zur Einstellung und Kalibrierung des vorbestimmten Volumens
der abzugebenden Flüssigkeit bereitgestellt ist.
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Im
Folgenden wird eine Vorrichtung nach einer vorteilhaften zweiten
Ausführung der vorliegenden Erfindung beschrieben, die
derart ausgebildet ist, dass zusätzlich auch die Zeit bestimmbar
ist, welche die Flüssigkeitsfront der zu dosierenden Flüssigkeit
beim Durchlaufen des Dosierrohrs benötigt, um eine exakt
bekannte Wegstrecke zurückzulegen. Die erfindungsgemäß vorgesehene
bekannte Geometrie ist also auch in den folgenden Beispielen gegeben.
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Nach
einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung umfasst diese weiter eine Zeitmesseinrichtung. Mittels
dieser Zeitmesseinrichtung ist die Zeit bestimmbar, welche die Flüssigkeitsfront
einer durch das Dosierrohr geförderten, zu dosierenden
Flüssigkeit benötigt, um eine vorher bestimmte
Wegstrecke im Inneren des Dosierrohres zurückzulegen. Besonders
bevorzugt erhält die Zeitmesseinrichtung die entsprechenden
Start- und Stoppsignale von dem erfindungsgemäß ebenfalls
vorzusehenden Detektor, ist also erfindungsgemäß vom
Detektor ansteuerbar.
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Im
Folgenden soll eine bevorzugte Ausführungsform des Detektors
der erfindungsgemäßen Vorrichtung näher
beschrieben werden, nach welcher der Detektor als optischer Detektor
ausgebildet ist. Zunächst umfasst dieser optische Detektor
eine Lichtquelle, die bevorzugt ein Weißlichtstrahler ist.
Er umfasst weiter mindestens eine Beleuchtungsfaser zur Weiterleitung
des Lichts zum Dosierrohr und eine Detektorfaser zur Rückleitung
des Lichts vom Dosierrohr, sowie eine Einrichtung zum Auffangen
des Lichts.
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Die
Lichtquelle ist erfindungsgemäß so angeordnet,
dass das Licht in ein erstes Ende der Beleuchtungsfaser einstrahlbar
ist. Um die entsprechende Lichtausbeute zu maximieren, kann es bevorzugt
vorgesehen sein, entsprechende Spiegel oder, im Falle einer oder
mehrerer Leuchtdioden, eine entsprechend exakte Ausrichtung der
Lichtquelle in Richtung der Beleuchtungsfaser vorzusehen. Die Beleuchtungsfaser
ihrerseits ist so angeordnet, dass ein zweites Ende derselben mit
einem ersten Ende der Detektorfaser in optischer Verbindung steht. „Optische
Verbindung” meint in diesem Zusammenhang, dass eine Änderung
des Lichtes, welches aus dem zweiten Ende der Beleuchtungsfaser
tritt, gleichzeitig zu einer Änderung des Lichtes führt,
welches in das erste Ende der Detektorfaser eingestrahlt wird. Diese
optische Verbindung kann beispielsweise bevorzugt dadurch bewerkstelligt
werden, dass die Faserachsen des zweiten Endes der Beleuchtungsfaser
und des ersten Endes der Detektorfaser im Wesentlichen koaxial ausgerichtet
sind. Es ist jedoch ebenso möglich, die erfindungsgemäß notwendige optische
Verbindung über Spiegel, Linsen und dergleichen herbeizuführen.
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Das
Dosierrohr ist dabei erfindungsgemäß so angeordnet,
dass diese optische Verbindung je nach Füllung des Dosierrohrs
beeinflussbar ist. Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform
ist daher das Dosierrohr im Strahlengang der optischen Verbindung
angeordnet, so dass eine Änderung der Transparenz des Dosierrohres
zu einer Änderung der optischen Verbindung führt.
Eine derartige Änderung wird vor allem immer dann auftreten,
wenn das zunächst leere Dosierrohr mit Flüssigkeit
gefüllt, oder das bereits gefüllte Dosierrohr
wieder entleert wird. Nach einer anderen Ausführungsform
wird die optische Verbindung beeinflusst, ohne dass das Dosierrohr
im Strahlengang angeordnet ist. Eine derartige Beeinflussung kann
insbesondere durch elektrische und/oder elektronische Hilfsmittel,
wie z. B. Leitfähigkeitssensoren an der Innenwand des Dosierrohres
in Verbindung mit z. B. elektrisch verstellbaren Spiegeln, welche
sich im Strahlengang der optischen Verbindung befinden, bewirkt
werden. Eine Stelle, an welcher das Dosierrohr mit einer optischen
Verbindung interagiert, wird im Folgenden auch Auslesestelle genannt.
Wenngleich das Dosierrohr besonders bevorzugt in seinem Inneren über
seine gesamte Längsausdehnung hinweg den gleichen Querschnitt
besitzt, so kann es ebenfalls besonders bevorzugt sein, wenn das
Dosierrohr an gerade den Stellen, an denen es mit der jeweiligen
optischen Verbindung interagiert, oder an denen allgemein eine Auslesestelle
angeordnet ist, einen Querschnitt besitzt, der die Genauigkeit einer
Detektion der Flüssigkeitsfront weiter verbessert. Dies
kann beispielsweise dadurch geschehen, dass der Querschnitt an den entsprechenden
Stellen im Vergleich zum Rest des Dosierrohres verringert ist, so
dass die durch das Dosierrohr strömende Flüssigkeit
die entsprechende Auslesestelle schneller passiert.
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Schließlich
ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Einrichtung
zum Auffangen des Lichts so angeordnet ist, dass das Licht aus einem
zweiten Ende der Detektorfaser in die Einrichtung zum Auffangen
des farbigen Lichts einstrahlbar ist. Mittels der Einrichtung zum
Auffangen des Lichtes ist demnach das Licht, welches von der Lichtquelle
durch die Beleuchtungsfaser über die Auslesestelle(n) und
die Detektorfaser geleitet wird, beispielsweise in seiner Intensität
und/oder Wellenlänge detektierbar. Dadurch wird es erfindungsgemäß möglich,
eine Beeinflussung der optischen Verbindung vom Dosierrohr, wie
sie beispielsweise während des Befüllens desselben
hervorgerufen wird, zu detektieren.
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Nach
einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung umfasst der optische Detektor außerdem Farbfilter
zur Zerlegung des beispielsweise weißen Lichts in farbige
Bestandteile, welche dann mittels der Einrichtung zum Auffangen
des Lichts separat detektierbar sind. Diese Ausführungsform
ist dann vorteilhaft, wenn die Position der Flüssigkeitsfront
an zwei (oder mehr) voneinander beabstandeten Stellen (Auslesestellen)
des Dosierrohrs detektierbar sein soll. Eine derartige Detektion
würde zunächst bedeuten, dass jeweils zwei Beleuchtungsfasern und
zwei Detektorfasern vorhanden sein müssten, von denen jeweils
eine Kombination derselben einer entsprechenden Auslesestelle zuzuordnen
wäre. Durch die erfindungsgemäße Anordnung
unterschiedlicher Farbfilter, welche den entsprechenden Auslesestellen
zugeordnet sind und die entsprechende optische Verbindung mit beeinflussen,
lässt sich auch bei einer Zusammenführung der einzelnen
Detektorfasern hinter dem Dosierrohr aufgrund der Farbzuordnung
genau bestimmen, welche Auslesestelle ein bestimmtes Signal an den
Detektor liefert, da eine einzelne Detektorfaser eine Vielzahl unterschiedlicher
Wellenlängen nebeneinander weiterleiten kann, ohne dass
diese miteinander interferieren.
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Nach
einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist es daher
vorgesehen, dass die Beleuchtungsfaser und/oder die Detektorfaser
des optischen Detektors jeweils aus einer Hauptfaser bestehen, welche
streckenweise in mehrere Einzelfasern aufteilbar ist, und die Bereiche
aufgeteilter Einzelfasern jeweils so am Dosierrohr angeordnet sind,
dass die optische Verbindung der Einzelfasern beider Hauptfasern
durch die Füllung des Dosierrohrs beeinflussbar ist, und
ggf. vorhandene Farbfilter so angeordnet sind, dass sie sich im
Bereich der aufgeteilten Einzelfasern befinden. Mit einer derartigen
Konstruktion kann die Anzahl der von der Beleuchtung wegführenden
bzw. zum Detektor hinführenden Einzelfasern vorteilhaft
minimiert werden, woraus sich insbesondere Vorteile im Hinblick
auf das Bauvolumen und/oder die Herstellungskosten sowie die Komplexität
der Vorrichtung ergeben. Auch bei einer großen Anzahl von
Auslesestellen ist jeweils nur eine einzige Hauptfaser mit der Beleuchtung
bzw. mit dem Detektor zu verbinden. Insbesondere für den
Fall, dass die Beleuchtung und/oder der Detektor in größerer
räumlicher Distanz zum Dosierrohr angeordnet ist bzw. sind,
ist eine derartige Minimierung der Faseranzahl für das
Bauvolumen von großem Vorteil.
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Nach
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung umfasst diese eine Mehrzahl von Auslesestellen und ihnen
zugeordneten Detektorfasern, wobei mindestens die Detektorfaser
und besonders bevorzugt auch die Beleuchtungsfaser, wie vorstehend
beschrieben, im Bereich des Dosierrohres in Einzelfasern aufgeteilt ist.
Jedoch besitzt die Vorrichtung keine Farbfilter oder ähnliche
Hilfsmittel, welche eine Unterscheidung der Signale ermöglichen,
die von den einzelnen Auslesestellen generiert werden. Mit anderen Worten „weiß” die
Einrichtung zum Auffangen des Lichts zwar, dass die Flüssigkeitsfront
eine Auslesestelle passiert, jedoch nicht welche der Auslesestellen
passiert wurde. Eine derartige Anordnung kann mittels einer Variation
des erfindungsgemäßen Verfahrens, wie weiter unten
beschrieben, ebenfalls zum exakten Dosieren verwendet werden.
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Es
ist klar, daß der vorstehend beschriebene erfindungsgemäße
Detektor der zweiten Ausführung der vorliegenden Erfindung
auch bei der ersten Ausführung der vorliegenden Erfindung
vorgesehen sein kann, wobei außerdem bei der ersten und
auch bei der zweiten Ausführung eine geeignete Mechanik vorgesehen
sein kann, die es gestattet, den Detektor der Bestimmung der Flüssigkeitsfront
an wenigstens einem und vorteilhaft zwei oder mehr vorbestimmten orten
axial zu dem Dosierrohr zu verschieben, so daß eine Vorrichtung
zur Einstellung und Kalibrierung des vorbestimmten Volumens der
abzugebenden Flüssigkeit bereitgestellt ist.
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Nach
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung liegt die Pumpvorrichtung als bidirektional fördernde Pumpvorrichtung
vor und besteht aus zwei gegenläufigen, unidirektional
fördernden Pumpen. Diese einzelnen, jeweils unidirektional
fördernden Pumpen können dabei seriell oder parallel
im Fluidstrom angeordnet sein, wobei sie jeweils eine entgegengesetzt
gerichtete Förderung der zu dosierenden Flüssigkeit
ermöglichen. Die Anordnung von zwei unidirektional fördernden
Pumpen hat den Vorteil, dass der Ausfall einer der beiden Pumpen
kostengünstiger behoben werden kann, da eine einzelne unidirektional
fördernde Pumpe gewöhnlich kostengünstiger
als eine komplexere, bidirektional fördernde Pumpvorrichtung
ist.
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Besonders
bevorzugt ist dabei vorgesehen, dass die unidirektional fördernden
Pumpen seriell angeordnet sind.
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Außerdem
besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung, nach welcher der Detektor so angeordnet ist, dass die
Lage der Flüssigkeitsfront der zu dosierenden Flüssigkeit
an drei Auslesestellen des Dosierrohrs detektierbar ist. Auf diese
Weise wird es möglich, das später zu beschreibende
Messverfahren nicht nur auf einer Strecke, nämlich zwischen
der ersten und der zweiten Auslesestelle, sondern auch auf einer
zweiten Vergleichsstrecke, nämlich zwischen der zweiten
und der dritten Auslesstelle, durchzuführen. Auf diese
Weise kann ein Vergleichswert erhalten werden, der im Normalbetrieb
der Vorrichtung annähernd identisch mit dem ersten Wert
sein muss. Eine Abweichung der beiden Werte voneinander hingegen
deutet auf einen Fehlbetrieb hin.
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Es
ist so außerdem möglich, insbesondere im Hinblick
auf die eingangs beschriebene Ausführungsform, nach welcher
der Flüssigkeitsstrom mittels eines Ventils unterbrechbar
und stattdessen durch ein externes Fluid ersetzbar ist, mehrere
separate Dosiervolumina bereitzustellen, beispielsweise durch unterschiedlich
weit voneinander beabstandete Auslesestellen, und/oder durch unterschiedliche Innenquerschnitte
des Dosierrohrs zwischen den einzelnen Auslesestellen. Je nach Auswahl
des Auslesestellenpaares kann ein unterschiedliches, durch die geometrischen
Randbedingungen festgelegtes Dosiervolumen gewählt werden.
In diesem Zusammenhang kann auch die Schließebene des Ventils
als eine erste Auslesestelle angesehen werden, zwischen welcher
in Verbindung mit mindestens einer weiteren Auslesestelle erfindungsgemäß ein
exakt bestimmbares Volumen bereitgestellt wird.
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Nach
einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung umfasst diese außerdem eine Ansteuereinheit.
Diese Ansteuereinheit ihrerseits umfasst unter Anderem Eingänge
für Signale der Zeitmesseinrichtung (falls vorhanden) und des
Detektors, sowie eine Eingabeeinrichtung zur Vorgabe der gewünschten
Dosiermenge beispielsweise durch einen Bediener, und außerdem
eine Ausgabeeinheit zur Ansteuerung der Pumpvorrichtung, sowie eine
Recheneinrichtung zur Bestimmung der Ansteuerdauer für
die Pumpvorrichtung. Bevorzugt wird als eine solche Ansteuereinheit
ein handelsüblicher Personalcomputer, welcher mit den entsprechenden
Schnittstellen ausgestattet ist, eingesetzt. Besonders bevorzugt
sind die entsprechenden Funktionen jedoch in einem Gehäuse
geringen Bauvolumens zusammengefasst.
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Außerdem
ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Vorrichtung
ein Reservoir und/oder ein Dosiergefäß umfasst,
wobei das Reservoir die zu dosierende Flüssigkeit bereithält,
welche anschließend mittels der erfindungsgemäßen
Vorrichtung in das Dosiergefäß abgegeben wird.
Bevorzugt kann das Dosiergefäß außerdem
auf einer Wiegeeinrichtung platziert sein, so dass die Masse der
in das Dosiergefäß abgegebenen Flüssigkeitsmenge
kontrolliert werden kann.
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Die
Erfindung stellt außerdem ein Verfahren zum exakten Dosieren
von Flüssigkeiten bereit, welches besonders bevorzugt unter
Verwendung der vorstehend genannten erfindungsgemäßen
Vorrichtungen durchgeführt wird. Das erfindungsgemäße Verfahren
basiert dabei auf der Tatsache, dass die direkte Bestimmung eines
variablen Volumens oder einer Flussrate kompliziert sein kann, die
Bestimmung eines festen Volumens und ggf. der Zeit, die eine Flüssigkeitsfront
benötigt, um eine vorbestimmte Strecke zu durchlaufen,
hingegen sehr einfach und exakt möglich ist. Durch die
Verwendung der Bekanntheit eines festen Volumens, ggf. in Verbindung der
Zeitmessung, als qualitätsbestimmenden Parametern ergibt
sich der Vorteil einer kostengünstigen Vorrichtung und
eines robusten Verfahrens.
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Im
Folgenden werden beide Varianten des erfindungsgemäßen
Verfahrens beschrieben, nämlich sowohl eine erste Ausführungsform,
nach der lediglich ein exakt bestimmbares Volumen vorliegen muss,
und eine zweite Ausführungsform, nach der zusätzlich
auch eine Zeitmessung erfolgen muss.
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Nach
einer ersten Ausführungsform umfasst das erfindungsgemäße
Verfahren demnach folgende Schritte:
- (1) Vorgeben
der Menge X einer zu dosierenden Flüssigkeit (F);
- (2) Einschalten einer unidirektional fördernden Pumpe
(2') und Fördern der zu dosierenden Flüssigkeit
(F) durch ein Dosierrohr (3) in Richtung eines Ausgangs
(3');
- (3) kontinuierliches Detektieren der Anwesenheit der Flüssigkeitsfront
(7) der zu dosierenden Flüssigkeit (F) im Dosierrohr
(3) an einer Auslesestelle (8);
- (4) Ausschalten der unidirektional fördernden Pumpe
(2'), sobald die Flüssigkeitsfront (7)
die Auslesestelle (8) erreicht;
- (5) Umschalten eines Ventils (6), so dass mittels der
unidirektional fördernden Pumpe (2') anstelle der
zu dosierenden Flüssigkeit (F) ein externes Fluid (F')
in das Dosierrohr (3) förderbar ist;
- (6) Wiedereinschalten der unidirektional fördernden
Pumpe (2') und Fördern des externen Fluids (F')
in das Dosierrohr (3), so dass dieses die zu dosierende
Flüssigkeit (F) durch das Dosierrohr (3) hindurch
und aus dem Ausgang (3') des Dosierrohres (3)
hinaus schiebt.
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Durch
die erfindungsgemäße Kenntnis des Volumens, welches
zunächst mit der zu dosierenden Flüssigkeit gefüllt
wird, wird auch das entsprechend in diesem Volumen befindliche Flüssigkeitsvolumen bestimmbar.
Durch das anschließende Fördern von externem Fluid,
insbesondere von Gas wie besonders bevorzugt Luft oder Schutzgas,
wird das abgemessene (dosierte) Flüssigkeitsvolumen aus
dem Dosierrohr heraus geschoben. Sofern das externe Fluid und die
zu dosierende Flüssigkeit nicht mischbar sind, kann auf
diese Weise eine exakte Dosierung der Flüssigkeit erfolgen.
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Die
vorstehend beschriebene erste Ausführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens ist schematisch in 3 dargestellt,
die für den Fachmann in der Zusammenschau mit 1 und
dem vorstehend Gesagten ohne weitere Beschreibung aus sich heraus
verständlich ist, wobei klar ist, daß die Schritte des
obigen Verfahrens beliebig oft wiederholbar sind, so daß eine
bekannte Flüssigkeitsmenge abgegeben werden kann
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Es
ist klar, dass aufgrund der Notwendigkeit der hier beschriebenen
ersten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens,
das Dosiervolumen vollständig zu entleeren, die Auflösung
der kleinsten dosierbaren Menge geometrisch festgelegt und somit begrenzt
ist. Für den Fall entsprechend kleiner Querschnitte des
Dosierrohres (Kapillare) und kurzer Weglängen zwischen
den Auslesestellen kann diese Auflösung jedoch bereits
ausreichend fein sein.
-
Nach
einer vorteilhaften Abwandlung der ersten Ausführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens kann eine geeignete
Mechanik vorgesehen sein, die es gestattet, den Detektor der Bestimmung der
Flüssigkeitsfront an wenigstens einem und vorteilhaft zwei
oder mehr vorbestimmten orten axial zu dem Dosierrohr zu verschieben,
so daß ein Verfahren zur Einstellung und Kalibrierung des
vorbestimmten Volumens der abzugebenden Flüssigkeit durchführbar
ist.
-
Es
kann jedoch gewünscht sein, noch kleinere Mengen zu dosieren,
als es mit dem vorstehend beschriebenen Verfahren möglich
ist. Es kann außerdem oder zusätzlich gewünscht
sein, eine echte kontinuierliche Förderung der Flüssigkeit
bereitstellen zu können.
-
Nach
einer besonders vorteilhaften zweiten Ausführungsform umfasst
das erfindungsgemäße Verfahren daher die folgenden
Schritte, wobei die Pumpvorrichtung bevorzugt eine bidirektional
fördernde Pumpvorrichtung ist:
- (a)
Vorgeben der Menge einer zu dosierenden Flüssigkeit;
- (b) Einschalten einer Pumpvorrichtung und Fördern der
zu dosierenden Flüssigkeit durch das Dosierrohr in Richtung
des Ausgangs;
- (c) kontinuierliches Detektieren der Anwesenheit der Flüssigkeitsfront
der zu dosierenden Flüssigkeit im Dosierrohr an einer ersten
Auslesestelle;
- (d) Starten einer Zeitmesseinrichtung, sobald die Flüssigkeitsfront
die erste Auslesestelle erreicht;
- (e) kontinuierliches Detektieren der Anwesenheit der Flüssigkeitsfront
der zu dosierenden Flüssigkeit im Dosierrohr an einer zweiten
Auslesestelle;
- (f) Stoppen der Zeitmesseinrichtung, sobald die Flüssigkeitsfront
die zweite Auslesestelle erreicht;
- (g) Ausschalten der Pumpvorrichtung;
- (h) Berechnen der Förderrate der Flüssigkeit
aus dem Quotienten des Volumens zwischen der ersten und der zweiten
Auslesestelle und der mittels der Zeitmesseinrichtung gemessenen
Zeit;
- (i) Berechnen der zum Fördern der vorgegebenen Menge
der Flüssigkeit notwendigen Zeit;
- (j) Wiedereinschalten der Pumpvorrichtung und Fördern
der zu dosierenden Flüssigkeit durch das Dosierrohr über
einen Zeitraum, in welchem unter Beibehaltung der zuvor errechneten
Förderrate sowohl das Füllvolumen zwischen der
zweiten Auslesestelle und dem Ausgang des Dosierrohres, als auch
das Volumen der Menge der zu dosierenden Flüssigkeit gefördert
wird.
-
Das
in Schritt (a) genannte Vorgeben der Menge einer zu dosierenden
Flüssigkeit kann beispielsweise mithilfe einer Eingabeeinrichtung,
welche einer Ansteuereinheit zugeordnet sein kann, durchgeführt
werden. Im Falle einer kontinuierlichen Förderung der zu
dosierenden Flüssigkeit ist es sinnvoll, wenn die Vorgabe
in einer Speichereinheit abgelegt wird, aus welcher sie jederzeit
abgerufen werden kann.
-
Ein
besonders wichtiger Schritt ist der Schritt (h), in welchem die
Förderrate der Flüssigkeit sehr exakt bestimmt
wird. Da die Geometrie des Dosierrohrs exakt bekannt ist, und außerdem
der Abstand zwischen der ersten und der zweiten Auslesestelle exakt
bekannt ist, lässt sich das entsprechende Volumen zwischen
den beiden Auslesestellen ebenfalls exakt bestimmen. Wenn nun die
Zeit, welche die im Dosierrohr vorwärts (in Richtung des
Ausgangs) geförderte Flüssigkeit benötigt,
um von der ersten zur zweiten Auslesestelle zu gelangen, bekannt
ist, lässt sich aus der Zeit und dem Volumen die Förderrate bestimmen.
Die Bestimmung der Förderrate ist auf diese Weise sehr
leicht und schnell möglich. Neben einer ersten, zur exakten
Dosierung notwendigen Bestimmung der Flussrate bei Verwendung einer
neuen Flüssigkeit, mit der gewöhnlich auch Änderungen
der Flüssigkeitsparameter einhergehen, kann aufgrund der
Schnelligkeit und Einfachheit des erfindungsgemäßen
Verfahrens die Förderrate im Prinzip vor jedem Dosiervorgang
erneut durchgeführt werden. Auf diese Weise können
auch Temperatur- und Druckschwankungen, die während des
ordnungsgemäßen Betriebs kaum auszuschließen
sind, detektiert werden, bevor die eigentliche Dosierung, beispielsweise in
ein Dosiergefäß, erfolgt. Durch Ermittlung der
neuen Förderrate ist es erfindungsgemäß sehr
leicht möglich, die entsprechend zum Fördern der
zu dosierenden Flüssigkeit durch die restliche Strecke
des Dosierrohrs notwendige, angepasste Zeit genau zu bestimmen (Schritt
(i), (j)). Ebenso kann mit der neuen Förderrate ab dem
Erreichen des Ausgangs des Dosierrohrs exakt diejenige Menge ausgegeben
werden, die auch gewünscht und vorgegeben wurde.
-
Die
soeben beschriebene Ausführungsform des Verfahrens nutzt
die Unterscheidbarkeit des Signals der ersten von einer zweiten
Auslesestelle. Wie bereits weiter oben erwähnt ist es auch
möglich, ohne die Kenntnis der Herkunft des jeweiligen
Signals das erfindungsgemäße Verfahren und hier
insbesondere die Bestimmung der Flussrate durchzuführen.
Nach einer Abwandlung der soeben beschriebenen Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens wird dazu lediglich
ein Zähler benötigt, welcher einem in der Ansteuereinheit
eingehenden Signal einer Auslesestelle einen aufsteigenden Index
zuordnet. Da die Flüssigkeitsfront während der Schritte
(b) bis (f) von demjenigen Ende, welches dem Ausgang abgewandt ist,
zu dem Ende gefördert wird, an welchem sich der Ausgang
befindet, und niemals zwei Signale gleichzeitig eintreffen, da die
Auslesestellen voneinander beabstandet sind, kann das erste Signal
eindeutig der ersten Auslesestelle zugeordnet werden usw.. Es ist
jedoch nach dieser Abwandlung sicherzustellen, dass die Flüssigkeitsfront vor
Beginn eines neuen Dosier- oder Kalibriervorganges (siehe unten)
an oder vor der ersten Auslesestelle platziert wird. Dies kann beispielsweise
dadurch geschehen, dass die Flüssigkeit ausreichend lange rückgefördert
wird, bis sicher davon ausgegangen werden kann, dass sie die erste
Auslesestelle passiert hat. Alternativ kann bei einem Rückfördern
auch der Zähler genutzt werden, um die entsprechenden Signale
bzw. das Verschwinden derselben bei einem Leeren des Dosierrohrs
an der entsprechenden Auslesestelle denselben richtig zuzuordnen.
-
Das
erfindungsgemäße Verfahren kann besonders bevorzugt
durch folgende Schritte ergänzt werden, die einem im Stand
der Technik häufig anzutreffenden Nachtropfen der zu dosierenden
Flüssigkeit aus dem Ausgang eines Dosierrohres entgegenwirken:
- (k) Betreiben der bidirektional fördernden
Pumpvorrichtung in die vom Ausgang weg weisende Richtung und Rückfördern
der zu dosierenden Flüssigkeit in das Dosierrohr;
- (l) kontinuierliches Detektieren des Flüssigkeitsstandes
im Dosierrohr an einer zweiten Auslesestelle;
- (m) Ausschalten der bidirektional fördernden Pumpvorrichtung,
sobald die Flüssigkeitsfront die zweite Auslesestelle erreicht.
-
Mit
anderen Worten wird nach dem erfolgten Dosiervorgang die Flüssigkeit
in das Dosierrohr zurückgezogen, wozu erfindungsgemäß die
bidirektional fördernde Pumpvorrichtung im Rücklauf
benutzt wird. Um zu einem definierten Ausgangszustand für den
nächsten Dosiervorgangs zu gelangen, stoppt der Vorgang
des Rückförderns gerade in dem Moment, in welchem
die Flüssigkeitsfront der zurückgezogenen, zu
dosierenden Flüssigkeit die zweite Auslesestelle passiert.
Dadurch ist sichergestellt, dass die genaue Lage der Flüssigkeitsfront
bekannt ist, so dass der folgende Dosiervorgang mit einem definierten
Anfangszustand beginnen kann.
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Ebenfalls
besonders bevorzugt ist eine Variation der zuletzt beschriebenen
Schritte dahingehend, dass die Rückförderung etwas über
die letzte Auslesestelle hinweg erfolgt, und vor dem Beginn des
nächsten Dosiervorgangs die Flüssigkeitsfront mittels
der bidirektional fördernden Pumpvorrichtung wieder genau
an der zweiten Auslesestelle platziert und dort gestoppt wird. Dadurch
ist es erfindungsgemäß möglich, eventuelle
Schwankungen des Volumens der zu dosierenden Flüssigkeit
im Inneren des Dosierrohres, beispielsweise aufgrund von Temperaturveränderungen,
auszugleichen. Befindet sich die Flüssigkeitsfront im Bereich
zwischen der ersten und der zweiten Auslesestelle, und verändert
sich ihre Lage aufgrund einer temperatur- oder anders bedingten
Volumenänderung der Flüssigkeit (z. B. durch unbeabsichtigtes
Nachfördern der Pumpvorrichtung), wird vor dem nächsten
Dosiervorgang in jedem Falle sichergestellt, dass die Flüssigkeitsfront
zunächst an die zweite Auslesestelle und somit an einen
definierten Ort gefördert wird. Es sei jedoch angemerkt,
dass sich bei einer Volumenänderung der Flüssigkeit
auch die Förderrate ändern kann, weswegen es je
nach konkretem Grund für die Volumenänderung vorteilhaft
ist, einen vollständigen Kalibrierungsvorgang, wie nachfolgend
beschrieben, zu wiederholen.
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Dementsprechend
ist es besonders bevorzugt vorgesehen, einen Kalibrierungsvorgang
für das erfindungsgemäße Verfahren bereitzustellen,
in welchem zur Kalibrierung die zu dosierende Flüssigkeit in
die vom Ausgang weg weisende Richtung rückgefördert
wird, bis die Flüssigkeitsfront die erste Auslesestelle
erreicht oder geringfügig überschreitet, und anschließend
die Schritte (b) bis (h) durchgeführt werden, um so die
aktuelle Förderrate zu erhalten. Diese Schrittfolge dient
demnach einer Wiederholung der Zeitmessung, welche die zu dosierende Flüssigkeit
während ihrer Förderung mittels der Pumpvorrichtung
benötigt, um von der ersten zur zweiten Auslesestelle vorwärts
gefördert zu werden. Da sich die restlichen, zur Berechnung
der Förderrate notwendigen Parameter (Geometrie des Dosierrohrs)
nicht verändert haben, kann anhand der erneuten Zeitmessung
auch die Förderrate erneut berechnet und gegebenenfalls
mit der alten, bereits berechneten Förderrate verglichen
werden. Im Falle einer Abweichung muss dann der entsprechende neue Wert
für die Förderrate zum weiteren Dosieren verwendet
werden.
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Nach
einer weiteren, besonders bevorzugten Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Verfahrens bietet dieses die
Möglichkeit, während der Kalibrierung des nicht
nur eine, sondern zwei Wegstrecken, die jeweils durch die entsprechenden
Auslesestellen begrenzt sind, zur Zeit- und somit zur Förderratenbestimmung
heranzuziehen. Dementsprechend ist es erfindungsgemäß notwendig,
dass der Flüssigkeitsstand bzw. die Lage der Flüssigkeitsfront
an drei Auslesestellen des Dosierrohrs detektierbar ist. Es ist außerdem
notwendig, dass nach einem ersten Durchführen der Schritte
(b) bis (h) diese wiederholt werden, wobei die Schritte jedoch nicht
zwischen der ersten Auslesestelle und der zweiten Auslesstelle, sondern
zwischen der zweiten Auslesestelle und der dritten Auslesstelle
durchgeführt werden, so dass eine zweite Förderrate
errechnet werden kann. Durch die Verwendung von zwei voneinander
unabhängigen Messstrecken ist es möglich, während
des Förderns der zu dosierenden Flüssigkeit und
ohne ein Rückfördern, wie es zuvor beschrieben
wurde, zwei voneinander unabhängige Werte für
die Förderrate zu erhalten, die bei einem korrekten Funktionieren
der erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie dem erfindungsgemäßen
Verfahren identisch oder zumindest nahezu identisch sein müssen;
andernfalls ist es besonders vorteilhaft vorgesehen, dass das erfindungsgemäße
Verfahren automatisiert unterbrochen und eine Fehlermeldung, beispielsweise
an einen Bediener, ausgegeben wird.
-
Ebenfalls
besonders bevorzugt ist es möglich, die unterschiedlichen
Varianten der Ausführungsformen des erfindungsgemäßen
Verfahrens miteinander zu kombinieren.
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Mittels
der erfindungsgemäßen Vorrichtung und unter Anwendung
des erfindungsgemäßen Verfahrens können
Flüssigkeiten unabhängig von ihren Parametern
wie Viskosität, Dichte oder Temperatur, sowie der zu dosierenden Menge
zuverlässig und reproduzierbar dosiert werden. Der Dosiervorgang
ist aufgrund der einfachen Kalibrierung der erfindungsgemäßen
Vorrichtung praktisch unabhängig von Umgebungsparametern
wie Druck oder Temperatur. Die Vorrichtung ermöglicht außerdem,
quasi-kontinuierlich eine praktisch unbegrenzte Menge an Flüssigkeit hoch
präzise dosiert bzw. mit einer sehr präzise eingestellten
Förderrate zu fördern. Da die Vorrichtung bis
auf die Pumpvorrichtung keine beweglichen Teile zur Messung der
Förderrate umfasst, ergibt sich daraus eine besondere Robustheit
der gesamten Einrichtung. Aufgrund der guten Miniaturisierbarkeit
des Detektorprinzips eignet sich die erfindungsgemäße Vorrichtung
insbesondere zum Einsatz in entsprechend miniaturisierten Systemen,
wie sie beispielsweise in den Lifesciences eingesetzt werden.
-
Figurenübersicht
-
1 zeigt
eine erste Ausführung der erfindungsgemäßen
Vorrichtung 1 zum exakten Dosieren in einer schematischen
Ansicht.
-
2 zeigt
eine zweite Ausführung der erfindungsgemäßen
Vorrichtung 1 zum exakten Dosieren in einer schematischen
Ansicht.
-
3 zeigt
eine erste Ausführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens zum exakten Dosieren in einer Ansicht als Flussdiagramm.
-
4 zeigt
eine zweite Ausführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens zum exakten Dosieren in einer Ansicht als Flussdiagramm.
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Figurenbeschreibung
-
Die 1 zeigt
eine schematische Darstellung einer ersten Ausführung der
erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zum exakten
Dosieren in einer schematischen Ansicht.
-
Eine
Pumpvorrichtung 2 fördert aus einem Reservoir 20 eine
zu dosierende Flüssigkeit F. Die Pumpvorrichtung 2 besteht
im dargestellten Beispiel einer unidirektional fördernden
Pumpe 2'. Die zu dosierende Flüssigkeit F wird
durch eine nicht näher bezeichnete röhrenartige
Vorrichtung in ein Dosierrohr 3 gefördert. Die
Geometrie des Dosierrohrs 3 ist dabei exakt vorbestimmt.
Insbesondere ist der innere Querschnitt bzw. Innendurchmesser und
die Länge des Dosierrohrs 3 exakt bekannt, damit
das entsprechende Volumen im Inneren des Dosierrohrs 3 errechnet
werden kann. Die Flüssigkeit F wird während dem
Durchlaufen des Dosierrohres an ihrem vorderen Ende durch eine entsprechende
Flüssigkeitsfront 7 begrenzt, welche im dargestellten
Beispiel kurz vor der ersten Auslesestelle 8 liegt. Bei
einem (nicht dargestellten) Weiterfördern der Flüssigkeit
F verlässt diese den Ausgang 3' des Dosierrohrs 3 und
tropft in ein Dosiergefäß 21 hinein.
-
1 zeigt
außerdem eine schematische Darstellung einer ersten Ausführung
eines erfindungsgemäßen Detektors 4,
der als elektrischer Detektor ausgebildet ist. Dieser besteht im
Wesentlichen aus zwei in den Innenraum des Dosierrohres hineinragenden
elektrischen Leitern, die in der 1 durch
kleine Pfeile dargestellt sind. Diese Pfeile bezeichnen gleichzeitig
die einzige in der 1 vorhandene Auslesestelle 8.
An einem der elektrischen Leiter ist eine Spannungsquelle U angeschlossen,
der andere ist mit einer Ansteuereinheit 19 verbunden. Sobald
die Flüssigkeitsfront 7 die Auslesestelle 8 passiert, ändert
sich dort der elektrische Widerstand und somit die dort anliegende
Spannung. Diese Änderung ist mittels der Ansteuereinheit 19 detektierbar und
dient demnach der erfindungsgemäßen Feststellung
der Position der Flüssigkeitsfront 7.
-
Die
Ansteuereinheit 19 umfasst außerdem eine Eingabeeinrichtung 19',
welche dazu benutzt wird, der erfindungsgemäße
Vorrichtung 1 die gewünschte Menge der zu dosierenden
Flüssigkeit F vorzugeben. Außerdem ist die Ansteuereinheit 19 mittels
einer weiteren Signalleitung (strichpunktierte dünne Linie)
mit der Pumpvorrichtung 2 verbunden.
-
2 zeigt
eine schematische Darstellung einer zweiten weitere Ausführung
der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zum
exakten Dosieren.
-
Eine
bidirektional fördernde Pumpvorrichtung 2 fördert
aus einem Reservoir 20 eine zu dosierende Flüssigkeit
F. Die bidirektional fördernde Pumpvorrichtung 2 ist
im dargestellten Beispiel aus zwei unidirektional fördernden
Pumpen 2' zusammengesetzt. Diese können besonders
vorteilhaft in ein gemeinsames Gehäuse integriert sein,
was durch die sie umrahmende gestrichelte Linie angedeutet wird.
Die zu dosierende Flüssigkeit F wird durch eine nicht näher
bezeichnete röhrenartige Vorrichtung in ein Dosierrohr 3 gefördert.
Die Geometrie des Dosierrohrs 3 ist dabei exakt vorbestimmt.
Insbesondere ist der innere Querschnitt bzw. Innendurchmesser und
die Länge des Dosierrohrs 3, sowie der Abstand der
verschiedenen Auslesestellen 8, 8', 8'' genau vorbestimmt,
damit das entsprechende Teilvolumen im Inneren des Dosierrohrs 3 errechnet
werden kann.
-
Die
Flüssigkeit F wird während dem Durchlaufen des
Dosierrohres an ihrem vorderen Ende durch eine entsprechende Flüssigkeitsfront 7 begrenzt,
welche im dargestellten Beispiel zwischen der zweiten Auslesestelle 8' und
der dritten Auslesestelle 8'' liegt. Bei einem (nicht dargestellten)
Weiterfördern der Flüssigkeit F verlässt
diese de Ausgang 3' des Dosierrohrs 3 und tropft
in ein Dosiergefäß 21 hinein.
-
2 zeigt
außerdem eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Detektors 4, welcher als optischer Detektor 4' ausgebildet
ist. Der optische Detektor 4' umfasst zunächst
eine Lichtquelle 9. Diese strahlt zum Beispiel weißes
Licht in eine Beleuchtungsfaser 10 ein, deren erstes Ende 10A der
Lichtquelle 9 zugewandt ist. Im dargestellten Beispiel
teilt sich die Beleuchtungsfaser 10 in drei Einzelfasern 15 auf.
Jede dieser drei Einzelfasern 15 wird jeweils mit ihrem
zweiten Ende 10B an das Dosierrohr 3 herangeführt,
jedoch jeweils an einer andere Stelle desselben, so dass sich drei
voneinander beabstandete Auslesestellen 8, 8', 8'' ergeben.
(Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist nur eines
der drei vorhandenen zweiten Enden 10B der Einzelfasern 15 der
Beleuchtungsfaser 10 mit dem entsprechenden Bezugszeichen
versehen.)
-
Auf
der gegenüberliegenden Seite des Dosierrohrs 3 befinden
sich ebenfalls drei Einzelfasern 15, welche jeweils das
aus dem Dosierrohr 3 austretende Licht mit einem ersten
Ende 11A aufnehmen können. Die Einzelfasern 15 werden
anschließend zu einer gemeinsamen Hauptfaser 14 zusammengefasst.
Da dieser Faserverbund der Weiterleitung des Lichtes in Richtung
einer Einrichtung zum Auffangen des Lichtes 13 dient, wird
er auch als Detektorfaser 11 bezeichnet. Das Licht aus
der Detektorfaser 11 verlässt diese aus ihrem
zweiten Ende 11B.
-
Das
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Ausführungsform
der in 2 dargerstellten erfindungsgemäßen
Vorrichtung zeigt außerdem noch drei Farbfilter 12,
welche zwischen dem jeweils zweiten Ende der Beleuchtungsfaser 10B und
dem jeweils ersten Ende der Detektorfaser 11A angeordnet sind.
Erfindungsgemäß filtern diese drei Farbfilter 12 jeweils
unterschiedliche Wellenlängen aus dem eingestrahlten Licht,
so dass das ursprünglich weiße Licht, welches
in die Beleuchtungsfaser 10 eingestrahlt wird, in drei
Strahlen jeweils unterschiedlicher Frequenz aufgeteilt wird. Diese
drei unterschiedlichen Frequenzen werden jenseits des Dosierrohres 3 durch
die Detektorfaser 11 aufgefangen und in deren Hauptfaser 14 zusammengefasst.
Die 2 zeigt auch, dass die Einzelfasern 15 der
Beleuchtungsfaser 10 und der Detektorfaser 11 so
ausgerichtet sind, dass ein optischer Pfad 18 entsteht,
der sowohl von den Farbfiltern 12 als auch dem Dosierrohr 3 beeinflussbar
ist. Dieser optische Pfad 18 wird im Bereich der drei dargestellten
Auslesestellen 8, 8', 8'' durch eine
dicke gepunktete Linie symbolisiert. In der dargestellten Ausführungsform
der 2 besitzt die Einrichtung zum Auffangen des Lichtes 13 die
Fähigkeit, die drei aus einem zweiten Ende 11A der
Detektorfaser 11 austretenden Lichtstrahlen unterschiedlicher
Frequenz getrennt voneinander zu detektieren.
-
Die
Einrichtung zum Auffangen des Lichts 13 ist durch eine
Signalleitung, die in der 2 mittels einer
dünnen strichpunktierten Linie dargestellt wird, mit einer
Zeitmesseinrichtung 5 verbunden, kam dieser also insbesondere
einen Start- oder Stoppsignal liefern. Die Zeitmesseinrichtung 5 ist
wiederum mit einer Ansteuereinheit 19 verknüpft.
Die Ansteuereinheit 19 umfasst außerdem eine Eingabeeinrichtung 19',
welche dazu benutzt wird, der erfindungsgemäße
Vorrichtung 1 die gewünschte Menge der zu dosierenden
Flüssigkeit F vorzugeben. Außerdem ist die Ansteuereinheit 19 mittels
einer weiteren Signalleitung mit der bidirektional fördernden
Pumpvorrichtung 2 verbunden. Nicht dargestellt, aber dennoch
in der Ansteuereinheit 19 vorhanden bzw. dieser direkt zugeordnet
ist eine Recheneinrichtung, mit der die zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens notwendigen Rechenoperationen
durchgeführt werden können.
-
Es
ist klar, daß der erfindungsgemäße Detektor 4, 4' der
zweiten Ausführung der vorliegenden Erfindung auch vorteilhaft
bei der ersten Ausführung der vorliegenden Erfindung vorgesehen
sein kann.
-
Es
ist außerdem klar, daß bei der ersten und zweiten
Ausführung der vorliegenden Erfindung eine in den Zeichnungen
der Übersichtlichkeit nicht dargestellte Eingangs beschriebene
geeignete Mechanik zur Verschiebung und Positionierung des Detektors 4, 4' zur
Einstellung des vorbestimmten Dosiervolumens vorgesehen sein kann.
-
3 zeigt
eine erste Ausführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens zum exakten Dosieren in einer Ansicht als Flussdiagramm,
das für den Fachmann aus der vorstehenden Beschreibung
klar wird.
-
4 zeigt
eine schematische Darstellung der besonders vorteilhaften zweiten
Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
zum exakten Dosieren in einer Ansicht als Flussdiagramm. In einem
ersten Schritt wird die bidirektional fördernde Pumpvorrichtung
eingeschaltet, und die Förderung der zu dosierenden Flüssigkeit
aus einem Reservoir beginnt. Während der Förderung
detektiert ein Detektor an einer ersten Auslesestelle die Präsenz
der Flüssigkeitsfront der zu dosierenden und transportierten Flüssigkeit.
Sobald der Detektor die Flüssigkeitsfront detektiert hat,
startet er eine Zeitmesseinrichtung. Währenddessen bleibt
die Pumpvorrichtung eingeschaltet, und die zu dosierende Flüssigkeit
wird weiter in Richtung des Ausgangs des Dosierrohrs gefördert.
Der Detektor detektiert nun die Präsenz der Flüssigkeitsfront
an einer zweiten Auslesestelle. Sobald der Detektor die Flüssigkeitsfront
an der zweiten Auslesestelle detektiert hat, stoppt er die Zeitmesseinrichtung
sowie die Pumpvorrichtung.
-
Aus
der bekannten Geometrie des Dosierrohrs sowie des Abstands zwischen
der ersten und der zweiten Auslesestelle kann nun in Verbindung
mit der Förderzeit, welche von der Zeitmesseinrichtung gemessen
wurde, die Förderrate bestimmt werden.
-
Anhand
der ebenfalls vorgegebenen Menge der zu dosierenden Flüssigkeit
kann bei nun bekannter Förderrate diejenige Förderzeit
errechnet werden, die nötig ist, um die zu dosierende Flüssigkeit
bis zum Ende des Dosierrohres zu fördern und anschließend
in gewünschter Menge aus diesem heraus zu dosieren.
-
- 1
- Vorrichtung
zum exakten Dosieren
- 2
- Pumpvorrichtung
- 2A
- bidirektional
fördernde Pumpvorrichtung
- 2'
- unidirektional
fördernde Pumpe
- 3
- Dosierrohr
- 3'
- Ausgang
- 4
- Detektor
- 4'
- optischer
Detektor
- 5
- Zeitmesseinrichtung
- 6
- Ventil
- 6'
- externer
Fluidanschluss
- 7
- Flüssigkeitsfront
- 8,
8', 8''
- Auslesestelle
- 9
- Lichtquelle
- 10
- Beleuchtungsfaser
- 10A
- erstes
Ende der Beleuchtungsfaser
- 10B
- zweites
Ende der Beleuchtungsfaser
- 11
- Detektorfaser
- 11A
- erstes
Ende der Detektorfaser
- 11B
- zweites
Ende der Detektorfaser
- 12
- Farbfilter
- 13
- Einrichtung
zum Auffangen des Lichts
- 14
- Hauptfaser
- 15
- Einzelfasern
- 18
- optischer
Pfad
- 19
- Ansteuereinheit
- 19'
- Eingabeeinrichtung
- 20
- Reservoir
- 21
- Dosiergefäß
- F
- zu
dosierende Flüssigkeit
- F'
- externes
Fluid
- Q
- Förderrate
- Q'
- zweite
Förderrate
- X
- Menge
der zu dosierenden Flüssigkeit
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 1598629
A [0005]
- - DE 10153708 B4 [0007]
- - DE 10242410 A1 [0009]
- - DE 10356805 A1 [0011]