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Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Elektronik und betrifft einen Resonanzdetektor, welcher beispielsweise für den Nachweis von magnetischen, metallischen und/oder ionischen Objekten in Flüssigkeiten, Gasen oder Feststoffen oder in einer Kombination davon, auch im biologischen Bereich, eingesetzt werden kann.
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Die genaue Kontrolle von Flüssigkeiten oder Gasen ist für viele Anwendungen von großer Bedeutung, insbesondere auch im biologischen Bereich. Dabei geht es bei der Kontrolle der Flüssigkeiten oder Gase sowohl darum, ob und welche Menge in einer bestimmten Zeiteinheit vorhanden ist, welche Art von Flüssigkeiten oder Gasen vorhanden sind, aber auch ob und welche Bestandteile und gegebenenfalls Verunreinigungen in den Flüssigkeiten oder Gasen vorhanden sind.
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Die Detektion oder der Nachweis derartiger Mengen, Arten oder Bestandteile ist dabei aufwändig und erfordert teure und räumlich umfangreiche optische Vorrichtungen, wie Laser, Mikroskope und transparente Behälter (Harel, E.: Lab on a Chip (2009) 9, 17-23).
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Eine Lösung zur Verbesserung der Detektion und Verringerung der Kosten insbesondere für biologische Anwendungen wurde beispielsweise mit Resonanzdetektoren gefunden (Tamanaha, C. R. et al: Biosensors and Bioelectronics (2008) 24, 1-13)
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Zum Nachweis von magnetischen Partikeln sind Verfahren und Vorrichtungen bekannt, mit denen die Partikel direkt oder indirekt nachgewiesen werden können. Ein direkter Nachweis kann beispielsweise unter Ausnutzung der magnetischen Suszeptibilität, der magnetischen Remanenz, dem magnetischen Widerstand oder dem Hall-Effekt der Partikel erfolgen. Als Vorrichtungen dazu eignen sich eine Maxwell-Brücke oder ein frequenzabhängiges Magnetometer, ein SQUID (superconducting quantum interference device) oder ein Silicium-Hall-Sensor.
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Eine Maxwell-Brücke dient zum Messen verlustbehafteter Induktivitäten. Die Messbrücke ähnelt im Aufbau der Wheatstoneschen Messbrücke, sie enthält jedoch Impedanzen und muss daher mit Wechselspannung oder Wechselstrom betrieben werden.
Wenn beispielsweise der Stromkreis mit Spule durch Wechselstrom mit einer definierten Frequenz angeregt wird, wird ein alternierendes elektromagnetisches Feld durch die Induktivitäten erzeugt, die mit Objekten oder Partikeln in einem flüssigkeitsgefüllten oder gasgefüllten Behälter interagieren. Diese Wechselwirkung führt zu einer Änderung der Induktivität der Spule aufgrund der Wirbelströme oder der Variation der magnetischen Suszeptibilität der Partikel. Der Nachteil der bekannten LC-Kreise ist, dass die Resonanzkurve breit ist. Die vollständige Breite bei der Hälfte des Maximums der Resonanzkurve erreicht einen großen Wert und führt damit zu einem relativ geringen Qualitätsfaktor (nach dem Stand der Technik um 10).
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Der Qualitätsfaktor ist bestimmt durch das Verhältnis von Resonanzfrequenz zur vollständigen Breite bei der Hälfte des Maximums der Resonanzkurve.
Ein höherer Qualitätsfaktor bedeutet, dass die Anordnung empfindlicher ist. Ein geringer Qualitätsfaktor begrenzt die Empfindlichkeit der Detektoren und erfordert eine komplexe und kostenintensive elektronische Auswertung.
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Aufgabe der vorliegenden Lösung ist es, einen Resonanzdetektor anzugeben, welcher mit einem hohen bis sehr hohen Qualitätsfaktor und damit hoher bis sehr hoher Empfindlichkeit Werte zur Verfügung stellt, die als Nachweis für Mengen, Arten oder Bestandteile von magnetischen, metallischen und/oder ionischen Objekten in Flüssigkeiten, Gasen oder Feststoffen oder in Kombinationen davon dienen.
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Die Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Der erfindungsgemäße Resonanzdetektor enthält mindestens eine Induktivität X2 in Form einer Spule enthält, die um eine Kapillare angeordnet ist, die von magnetischen, metallischen und/oder ionischen Objekten in Flüssigkeiten, Gasen oder Feststoffen oder in einer Kombination davon durchströmt ist, und die Induktivität X2 mit mindestens einer elektrischen Schaltung als negatives Widerstandselement verbunden ist, die wiederum mindestens zwei Impedanzen X1 und X3, einen Verstärker K und eine Feedback-Impedanz X4 enthält, wobei die beiden Impedanzen X1 und X3 jeweils Kondensatoren sind, und diese in der Art und Weise angeordnet sind, dass jeweils das eine Ende der Impedanzen X1 und X3 mit der Erdung, das andere Ende der Impedanz X1 mit dem einen Ende der Induktivität X2 und dem anderen Ende der Feedback-Impedanz X4, das andere Ende der Impedanz X3 mit dem anderen Ende der Induktivität X2 und einer Wechselstromquelle Iein elektrisch leitend verbunden sind und die Impedanz X3 und die Induktivität X2 und die Wechselstromquelle Iein mit einem ersten Eingang des Verstärkers K elektrisch leitend verbunden sind und über den Ausgang des Verstärkers K mit dem anderen Ende der Feedback-Impedanz X4 elektrisch leitend verbunden sind und das Ausgangssignal Vaus nach der Verbindung des Ausgangs des Verstärkers K mit der Feedback-Impedanz X4 angeordnet ist (1).
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Vorteilhafterweise besteht der Resonanzdetektor aus zwei oder mehr Anordnungen, die eine Spule und eine elektrische Schaltung enthalten.
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Weiterhin vorteilhafterweise besteht der Resonanzdetektor aus zwei bis 100 Anordnungen.
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Ebenfalls vorteilhafterweise ist die Feedback-Impedanz X4 ein Widerstand.
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Und auch vorteilhafterweise wird das Ausgangssignal Vaus aufgezeichnet und/oder ausgewertet, wobei noch vorteilhafterweise die Ausgangssignale einer Vielzahl an Anordnungen aufgezeichnet und miteinander verglichen werden.
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Erfindungsgemäß wird der erfindungsgemäße Resonanzdetektor zur Detektion von magnetischen, metallischen und/oder ionischen Objekten in Flüssigkeiten, Gasen oder Feststoffen oder in Kombinationen davon verwendet.
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Vorteilhafterweise erfolgt die Verwendung in und/oder an nichttransparenten Behältern oder Wandungen.
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Weiterhin vorteilhafterweise erfolgt die Verwendung zur Detektion der Flussgeschwindigkeit von Flüssigkeiten und/oder Gasen.
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Ebenfalls vorteilhafterweise erfolgt die Verwendung zum Zählen, Sortieren und Trennen von Objekten in Flüssigkeiten und/oder Gasen.
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Und auch vorteilhafterweise erfolgt die Verwendung zur Detektion von biochemischen Objekten in Flüssigkeitskreisläufen und in Gasen.
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Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird es erstmals möglich, den Nachweis für Mengen, Arten oder Bestandteile von magnetischen, metallischen und/oder ionischen Objekten in Flüssigkeiten, Gasen oder Feststoffen oder in Kombinationen davon mit hoher bis sehr hoher Empfindlichkeit zu führen, da ein hoher bis sehr hoher Qualitätsfaktor erreicht wird.
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Erreicht wird dies durch den Einsatz mindestens einer Induktivität X2 in Form einer Spule und mindestens einer Schaltung, die zusammen den erfindungsgemäßen Resonanzdetektor als Anordnung bilden. Diese Anordnung kann vorteilhafterweise mehrfach wiederholt eingesetzt werden, wodurch eine Vielzahl an Messergebnissen erreicht und miteinander verglichen werden können.
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Bei der vorliegenden Erfindung besteht der erfindungsgemäße Resonanzdetektor aus einer Induktivität X2 in Form einer Spule, die um ein Rohr gewickelt ist, in der ein Fluid vorhanden ist oder durchgeleitet wird. Gemeinsam mit der elektronischen Schaltung bildet diese Anordnung den erfindungsgemäßen Resonanzdetektor.
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Der Qualitätsfaktor diese Anordnung ist erhöht, da durch die erfindungsgemäße Art und Weise der Schaltung der Gesamtwiderstand im System herabgesetzt wird, vorteilhafterweise auf R → 0 und somit die erfindungsgemäße Anordnung als ein negatives Widerstandselement wirkt. Aufgrund der speziellen erfindungsgemäßen Schaltung der Impedanzen und des Verstärkers sowohl in Reihenschaltung als auch in Parallelschaltung zusammen mit einem Verstärker, der ein Operationsverstärker, ein Logikkreis, ein Transistor oder ein anderes Verstärkungselement sein kann, wird die Erhöhung des Qualitätsfaktors in hohem bis sehr hohem Maße erreicht. Diese Anordnung wird mit einem Wechselstrom lein (vorteilhafterweise harmonisch oder mäanderförmig) gespeist, der beispielsweise von einem Signalgenerator erzeugt wird.
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Der erfindungsgemäße Resonanzdetektor enthält dabei mindestens zwei Impedanzen X1 und X3, einen Verstärker K und eine Feedback-Impedanz X4. Die Induktivität X2 ist Bestandteil der erfindungsgemäßen Anordnung. Die beiden Impedanzen X1 und X3 sind jeweils Kondensatoren. Vorteilhafterweise ist die Feedback-Impedanz X4 ein Widerstand.
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Diese Bauelemente sind erfindungsgemäß in der Art und Weise angeordnet, dass jeweils das eine Ende der Impedanzen X1 und X3 mit der Erdung, das andere Ende der Impedanz X1 mit dem einen Ende der Induktivität X2 und dem anderen Ende der Feedback-Impedanz X4, das andere Ende der Impedanz X3 mit dem anderen Ende der Induktivität X2 und der Wechselstromquelle lein elektrisch leitend verbunden sind und die Impedanz X3 und die Induktivität X2 und die Wechselstromquelle lein mit einem ersten Eingang des Verstärkers K elektrisch leitend verbunden sind und über den Ausgang des Verstärkers K mit dem anderen Ende der Feedback-Impedanz X4 elektrisch leitend verbunden sind und das Ausgangssignal Vaus nach der Verbindung des Ausgangs des Verstärkers K mit der Feedback-Impedanz X4 angeordnet ist (siehe 1).
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Der erfindungsgemäße Resonanzdetektor ist im allgemeinen Sinne ein technisches Gerät zum Nachweis von Objekten, im spezielleren Sinne ein technisches Gerät zum Nachweis für Mengen, Arten oder Bestandteile von magnetischen, metallischen und/oder ionischen Objekten in Flüssigkeiten, Gasen oder Feststoffen oder in Kombinationen davon. Als magnetische Objekte können auch ferromagnetische oder superparamagnetische Objekte nachgewiesen werden.
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Die Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung bestehen in einer einfachen und leicht reproduzierbaren Anordnung mit einer relativ geringen Anzahl an Bauelementen für vergleichsweise geringe Kosten.
Aufgrund dieser Bauweise ist die Anwendung einer Vielzahl von erfindungsgemäßen Resonanzdetektoren gleichzeitig möglich, so dass eine Multikanaldetektion anwendbar ist, die durch einen Oszillator gespeist und durch Mikrokontroller gesteuert und geregelt werden kann.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ist die Anwendung bei Behältern von Flüssigkeiten, Gasen oder Feststoffen oder in Kombinationen davon, die nichttransparent sein brauchen.
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Ebenso können diese Resonanzdetektoren für andere Nachweise genutzt werden, wie beispielsweise zum Nachweis der Geschwindigkeit oder der Anzahl von Objekten oder auch als spektrografische Detektoren zur Ermittlung von biochemischen Spezies. Zusätzlich kann die Geschwindigkeit des Flusses der zu untersuchenden Flüssigkeit oder des Gases gemessen und kontrolliert werden, indem die Ergebnisse des Resonanzdetektors ausgewertet und für das externe Pumpensystem als Regelgrößen verwendet werden können.
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Vorteilhaft ist auch, dass die Materialien der Behälter keinen Einfluss auf das Messergebnis ausüben.
Mit dem erfindungsgemäßen Resonanzdetektor können schnelle Nachweise von Objekten, sowie deren Größe oder Konzentration ermittelt werden.
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Nachfolgend wird die Erfindung an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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Dabei zeigt
- 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Detektors.
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Beispiel 1
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Um ein Glasrohr mit einem Außendurchmesser von 1 mm wird ein Kupferdraht mit einem Durchmesser von 100 µm in 70 Windungen gewickelt. Dieser gewundene Kupferdraht ist die Spule/Induktivität X2 mit einer Induktivität von 2.4 µH. Fluorierte Polyethylenpropylen-Kapillaren mit einem Außendurchmesser von 0,8 mm und einem inneren Durchmesser von 0,35 mm werden im Glasrohr positioniert.
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Die Schaltung besteht aus zwei Kondensatoren X1 und X3 mit jeweils einer Kapazität von 100 nF, die zu einer Resonanzfrequenz von 200 kHz führen. Der Verstärker K weist einen Verstärkungsfaktor von K = 2 auf. Das Schaltungselement X4 ist ein Widerstand mit einem Widerstandswert von 1 kΩ. Strom lein wird durch einen Oszillator in die Schaltung eingespeist und nach dem Verstärker K wird das Ausgangssignal Vaus erhalten, welches mittels eines Computers aufgezeichnet und ausgewertet wird.
Der so erreichte Qualitätsfaktor liegt bei 100.000.
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Die in den Kapillaren hindurchgeleitete Flüssigkeit besteht aus Öl mit Wassertröpfchen mit einem Volumen von 100 nl je Tröpfchen, wobei die Tröpfchen superparamagnetische Partikel mit einem mittleren Durchmesser von 2,8 µm enthalten. Es konnte erfindungsgemäß eine Konzentration von 10.000 Partikeln pro Tröpfchen festgestellt werden.
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Beispiel 2
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Um ein Rohr aus fluoriertem Polyethylenpropylen mit einem Außendurchmesser von 1 mm wird ein Kupferdraht mit einem Durchmesser von 100 µm in 70 Windungen gewickelt. Dieser gewundene Kupferdraht ist die Spule/Induktivität X2 mit einer Induktivität von 2.4 µH. Fluorierte Polyethylenpropylen-Kapillaren mit einem Außendurchmesser von 0,8 mm und einem inneren Durchmesser von 0,35 mm werden im Glasrohr positioniert.
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Die Schaltung besteht aus zwei Kondensatoren X1 und X3 mit jeweils einer Kapazität von 10 nF, die zu einer Resonanzfrequenz von 2 MHz führen. Der Operationsverstärker K weist einen Verstärkungsfaktor von K = 1 auf. Das Schaltungselement X4 ist ein Widerstand mit einem Widerstandswert von 100 Ω. Strom lein wird durch einen Oszillator in die Schaltung eingespeist und nach dem Verstärker K wird das Ausgangssignal Vaus erhalten, welches mittels eines Computers aufgezeichnet und ausgewertet wird.
Der so erreichte Qualitätsfaktor liegt bei 100.000.
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Die in den Kapillaren hindurchgeleitete Flüssigkeit besteht aus Öl mit Wassertröpfchen mit einem Volumen von 100 nl je Tröpfchen, wobei die Tröpfchen Salz enthalten. Es konnte erfindungsgemäß eine Konzentration von 1 ppm Salz pro Tröpfchen festgestellt werden.
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Bezugszeichenliste
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- X1 und X3
- Impedanzen,
- X2
- Induktivität
- X4
- Feedback-Impedanz,
- lein
- Stromquelle,
- Vaus
- Ausgangssignal
- K
- Verstärker
