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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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Die Druckschrift
GB 2 286 048 A zeigt einen Durchflussmesser mit einem Messbehältnis, in welchem der Pegel einer Flüssigkeit mittels eines kapazitiven Sensors ermittelt werden kann, insbesondere die Änderung des Pegels beim Befüllen des Messbehältnisses, und in welchem die Änderung des Pegels beim Entleeren des Messbehältnisses über die Eigenschaften eines Auslassventils in Verbindung mit einer Temperaturmessung im Bereich eines Einlasses ermittelt werden können.
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Die Druckschrift
JP 06288809 A zeigt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung von Durchflussraten, wobei eine Bürette derart in Kommunikation mit Dämmerungsschaltern und einer Ventilanordnung ist, dass eine Zeit gemessen werden kann, in welcher der Pegel einer Flüssigkeit in der Bürette von einem ersten auf einen zweiten Wert abnimmt.
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Die Druckschrift
DE 102 21 823 A1 zeigt eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Messung der Höhe des Flüssigkeitsniveaus von transparenten Flüssigkeiten sowie zur Bestimmung des Verunreinigungsgrades transparenter Flüssigkeiten, insbesondere unter Anwendung von Halbleiter-Optoelektronik, wobei die Messung des Verunreinigungsgrades auch unter Berücksichtigung einer Schaumbildung simultan erfolgen kann. Es werden unterschiedliche Emissionsspektren durch die zu analysierende Flüssigkeit gerichtet und gebündelt aufgenommen und einem optoelektronischen Empfänger zur Registrierung und Auswertung zugeleitet. Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens weist einen Behälter und eine Messstrecke auf, an welcher eine Anzahl strahlungemittierender Dioden unterschiedlicher Emissionsspektren angeordnet sind, wobei in Opposition zu den emittierenden Dioden Strahlung aufnehmende Lichtleiter angeordnet sind, die zu einem optoelektronischen Mehrfachkoppler vereinigt sind.
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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 6 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 die erfindungsgemäße Vorrichtung dahingehend näher beschrieben, dass sie auch 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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Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst dazu 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 wird eine erfindungsgemäße Ausführungsform des Detektors der erfindungsgemäßen Vorrichtung näher beschrieben, 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 außerdem 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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Gemäß 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 wird das erfindungsgemäße Verfahren beschrieben, nämlich sowohl im Hinblick auf ein exakt bestimmbares Volumen als auch eine Zeitmessung.
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Das Verfahren, welches dem erfindungsgemäßen Verfahren zugrunde liegt, umfasst 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 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 Ausführung des dem erfindungsgemäßen Verfahren zugrunde liegenden 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 des hier beschriebenen 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.
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Nach einer vorteilhaften Abwandlung dieses Verfahrens kann erfindungsgemäß 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.
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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.
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Daher umfasst das erfindungsgemäße Verfahren die folgenden Schritte, wobei die Pumpvorrichtung 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.
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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.
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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.
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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.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist ferner durch die folgenden Schritte ergänzt, 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.
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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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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.
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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.
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Figurenübersicht
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1 zeigt eine Ausführung einer der erfindungsgemäßen Vorrichtung zugrunde liegenden Vorrichtung 1 zum exakten Dosieren in einer schematischen Ansicht.
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2 zeigt eine Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zum exakten Dosieren in einer schematischen Ansicht.
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3 zeigt eine Ausführung eines dem erfindungsgemäßen Verfahren zugrund liegenden Verfahrens zum exakten Dosieren in einer Ansicht als Flussdiagramm.
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4 zeigt eine Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum exakten Dosieren in einer Ansicht als Flussdiagramm.
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Figurenbeschreibung
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Die 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführung einer der erfindungsgemäßen Vorrichtung zugrunde liegenden Vorrichtung 1 zum exakten Dosieren in einer schematischen Ansicht.
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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.
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1 zeigt außerdem eine schematische Darstellung einer ersten Ausführung eines 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.
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Die Ansteuereinheit 19 umfasst außerdem eine Eingabeeinrichtung 19', welche dazu benutzt wird, der 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.
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2 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zum exakten Dosieren.
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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.
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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.
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2 zeigt außerdem eine 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.)
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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.
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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.
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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.
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Es ist klar, daß der erfindungsgemäße Detektor 4, 4' der Ausführung der vorliegenden Erfindung auch vorteilhaft bei einer anderen der Ausführung der vorliegenden Erfindung vorgesehen sein kann.
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Es ist außerdem klar, daß bei der 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.
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3 zeigt eine Ausführung eines dem erfindungsgemäßen Verfahren zugrunde liegenden Verfahrens zum exakten Dosieren in einer Ansicht als Flussdiagramm, das für den Fachmann aus der vorstehenden Beschreibung klar wird.
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4 zeigt eine schematische Darstellung der besonders vorteilhaften 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.
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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.
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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.
