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Die Erfindung betrifft ein Dosiersystem zum Dosieren einer vorgebbaren Flüssigkeitsmenge, mit einem Dosierventil, das ein Ventilgehäuse mit einem Eingangsanschluss für eine Flüssigkeitszufuhr und einem Ausgangsanschluss für eine Flüssigkeitsabfuhr und einen zwischen dem Eingangsanschluss und dem Ausgangsanschluss erstreckten Fluidkanal sowie ein beweglich zwischen einer Öffnungsstellung und einer Schließstellung im Fluidkanal angeordnetes Ventilglied umfasst, wobei das Ventilglied in der Schließstellung abdichtend an einem im Fluidkanal ausgebildeten Ventilsitz anliegt und mit einer Antriebseinrichtung gekoppelt ist, die für eine Einleitung einer Bewegung auf das Ventilglied ausgebildet ist, sowie mit einer am Eingangsanschluss angeschlossenen Versorgungsleitung, die für eine fluidische Verbindung des Dosierventils mit einem Vorratsbehälter ausgebildet ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Dosieren einer vorgebbaren Flüssigkeitsmenge.
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Dosiersysteme werden beispielsweise im Bereich der Analysetechnik, insbesondere für medizinische Diagnostik oder chemische oder biologische Versuchsreihen, eingesetzt und dienen hierbei zur Abgabe von vorgebbaren Flüssigkeitsmengen, insbesondere im Bereich von Mikrolitern oder Millilitern, beispielsweise in Reagenzglasgefäße. Beispielsweise werden mit derartigen Dosiersystemen flüssige Reagenzien dosiert, die in chemische und/oder biologische Wechselwirkung mit einer Probe treten und hierdurch unmittelbar oder mittelbar eine Analyse von Eigenschaften der Probe ermöglichen. Dabei ist es für eine zuverlässige Durchführung der jeweiligen Analyse unerlässlich, dass die vom Dosiersystem bereitgestellte Flüssigkeitsmenge exakt innerhalb eines vorgebbaren Toleranzbands liegt, um Abweichungen für das Analyseergebnis, die durch ungenaue Flüssigkeitsdosierung auftreten könnten, zumindest weitgehend ausschließen zu können.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Dosiersystem bereitzustellen, das bei möglichst geringem technischem Aufwand eine möglichst genaue Dosierung der jeweils vorgegebenen Flüssigkeitsmenge ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird gemäß einem ersten Erfindungsaspekt für ein Dosiersystem der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Hierbei ist vorgesehen, dass dem Fluidkanal ein, insbesondere stromauf des Ventilsitzes angeordneter, Drucksensor zugeordnet ist, der zur Erfassung eines Fluiddrucks ausgebildet ist, und dass dem Drucksensor eine Steuereinrichtung zugeordnet ist, die für eine Ermittlung einer Wellenreflexion in der Versorgungsleitung anhand eines zeitlichen Verlaufs eines vom Drucksensor bereitgestellten Sensorsignals ausgebildet ist.
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Die Aufgabe des Drucksensors und der Steuereinrichtung besteht darin, anhand des zeitlichen Verlaufs des vom Drucksensor bereitgestellten Sensorsignals zuverlässig Rückschlüsse auf Eigenschaften einer, insbesondere in der Versorgungsleitung geführte, Flüssigkeitssäule ziehen zu können. Hieraus kann die Steuereinrichtung insbesondere Aussagen über eine während eines Dosiervorgangs am Ausgangsanschluss abgegebene Flüssigkeitsmenge und/oder über Störeinflüsse in der Versorgungsleitung machen zu können, die bei einem darauffolgenden Dosiervorgang zu einer Ungenauigkeit bei der Abgabe der vorgebbaren Flüssigkeitsmenge führen könnten. Derartige Ungenauigkeiten treten insbesondere dann auf, wenn in der Versorgungsleitung Gasblasen, insbesondere Luftblasen, enthalten sind, da diese eine Verdrängung von Flüssigkeit in der Versorgungsleitung bewirken. Hierdurch kann es bei der Dosierung der Flüssigkeit zu einer Verfälschung der vorgegebenen Flüssigkeitsmenge kommen, sofern nicht bereits im Vorfeld und/oder während der Dosierung eine entsprechende Kompensation durchgeführt wird. Weitere Störeinflüsse können beispielsweise durch Knicke und/oder Verstopfungen in der Versorgungsleitung oder in einer der Versorgungsleitung nachgelagerten Dosiernadel auftreten. Eine Erfassung solcher Störeinflüsse kann sowohl beim Öffnen als auch beim Schließen des Dosierventils erfolgen. Ferner können auch ein Ausfall des Dosierventils und/oder eines Versorgungsdrucks detektiert werden, wobei der Versorgungsdruck insbesondere durch eine Druckbeaufschlagung des Vorratsbehälters bereitgestellt wird.
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Um derartige Störeinflüsse in der Versorgungsleitung und/oder der Dosiernadel und/oder im Dosierventil berücksichtigen zu können, führt die Steuereinrichtung eine Auswertung des vom Drucksensor bereitgestellten Sensorsignals durch, um hierbei Reflexionen von Druckwellen, die beispielsweise beim Schließen des Dosierventils die Versorgungsleitung durchlaufen, detektieren zu können. Ferner ist die Steuereinrichtung dazu eingerichtet, aus dem zeitlichen Verlauf der Wellenreflexion Rückschlüsse darauf zu ziehen, inwieweit die Versorgungsleitung vollständig mit Flüssigkeit gefüllt ist oder gegebenenfalls eine oder mehrere Gasblasen und/oder Knicke und/oder Verstopfungen in der Versorgungsleitung und/oder in der Dosiernadel vorliegen und/oder eine Fehlfunktion des Dosierventils gegeben ist und/oder ein Versorgungsdruck außerhalb eines vorgegebenen Toleranzbands liegt, die einen negativen Einfluss auf die Genauigkeit der zu dosierenden Flüssigkeitsmenge haben könnten.
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Vorzugsweise handelt es sich bei der Versorgungsleitung um einen Kunststoffschlauch, dessen Eigenschaften wie eine Elastizität, eine Länge zwischen dem Vorratsbehälter und dem Eingangsanschluss, eine Temperatur und gegebenenfalls ein Alter als Parameter an die Steuereinrichtung bereitgestellt werden können. Ein weiterer Parameter kann die Kompressibilität der zu dosierenden Flüssigkeit sein, die ebenfalls als Parameter an die Steuereinrichtung bereitgestellt wird. Der Drucksensor ist wahlweise unmittelbar im Fluidkanal angeordnet oder über einen in den Fluidkanal ausmündenden Messkanal fluidisch kommunizierend mit dem Fluidkanal verbunden. Vorzugsweise ist der Drucksensor unmittelbar stromauf des Ventilsitzes im Dosierventil angeordnet. Alternativ kann der Drucksensor auch stromauf des Eingangsanschlusses an der Versorgungsleitung angebracht sein. Da die Steuereinrichtung insbesondere für die Ermittlung des zeitlichen Verlaufs des vom Drucksensor bereitgestellten Sensorsignals ausgebildet ist, spielt die Genauigkeit des Drucksensors keine übergeordnete Rolle. Vielmehr ist es vorteilhaft, wenn der Drucksensor eine möglichst geringe Trägheit aufweist, um eine zeitliche Auflösung der Wellenreflexion in der Versorgungsleitung mit einer Abtastrate zu ermöglichen, die vorzugsweise wenigstens das Doppelte der maximalen Frequenz der Druckwelle beträgt.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Zweckmäßig ist es, wenn die Steuereinrichtung für eine Ermittlung und Auswertung eines Frequenzspektrums aus dem zeitlichen Verlauf des vom Drucksensor bereitgestellten Sensorsignals ausgebildet ist. Beispielhaft kann vorgesehen sein, dass die Steuereinrichtung zur Durchführung einer Fourier-Transformation ausgebildet ist, bei der das kontinuierliche und aperiodische Sensorsignal in ein kontinuierliches Frequenzspektrum zerlegt wird, wobei die Steuereinheit anhand des hierbei ermittelten Frequenzgangs die gesuchten Rückschlüsse auf Störeinflüsse in der Versorgungsleitung ziehen kann.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung für eine Ermittlung eines statischen Fluiddrucks in der Versorgungsleitung anhand eines Sensorsignals des Drucksensors oder anhand eines Sensorsignals eines Druckaufnehmers, der einem dem Dosierventil abgewandten Endbereich der Versorgungsleitung zugeordnet ist, ausgebildet ist. Eine derartige Ermittlung eines statischen Drucks kann vorgenommen werden, wenn sich das Dosierventil in der Öffnungsstellung und/oder in der Schließstellung befindet. Vorzugsweise werden sowohl in der Öffnungsstellung als auch in der Schließstellung des Dosierventils jeweils statische Druckwerte ermittelt und von der Steuereinrichtung miteinander in Beziehung gesetzt.
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Üblicherweise ist vorgesehen, dass der Fluidstrom durch die Versorgungsleitung und das Dosierventil bis zum Ausgangsanschluss des Dosierventils bzw. bis zu einem Endbereich einer am Ausgangsanschluss des Dosierventils angeschlossenen Dosiernadel durch eine Druckbeaufschlagung, insbesondere eine Druckluftbeaufschlagung, des Vorratsbehälters hervorgerufen wird, der fluidisch kommunizierend mit der Versorgungsleitung verbunden ist.
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Da zur Beibehaltung einer einfachen Ausgestaltung des Dosiersystems auf die Verwendung eines Durchflusssensors verzichtet werden soll, erfolgt die Ermittlung des Fluidstroms durch die Versorgungsleitung unter Berücksichtigung des Querschnitts und der Elastizität der Versorgungsleitung, der Kompressibilität der zu fördernden Flüssigkeit sowie des Flüssigkeitswiderstands des Dosierventils. Ferner ist der statische Fluiddruck in der Versorgungsleitung zu berücksichtigen, der mit Hilfe des Drucksensors oder eines Druckaufnehmers ermittelt werden kann.
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Bevorzugt ist der Druckaufnehmer im Vorratsbehälter angeordnet oder an einem Ausgangsanschluss des Vorratsbehälters mit der Versorgungsleitung verbunden. Ferner ist die Steuereinrichtung dazu eingerichtet, die Ermittlung des statischen Fluiddrucks während einer Öffnungsdauer des Dosierventils durchzuführen. Beispielhaft ist vorgesehen, dass der statische Fluiddruck in einem zeitlichen Intervall während der Öffnungsdauer des Dosierventils ermittelt wird, das derart ausgewählt wird, dass sich eine zumindest im Wesentlichen stationäre Strömung in der Versorgungsleitung eingestellt hat. Die Berücksichtigung des Zeitpunkts für die Ermittlung des statischen Fluiddrucks ist insbesondere dann von Interesse, wenn die Ermittlung des statischen Fluiddrucks mit Hilfe des Drucksensors erfolgt. Dieser ist während des Öffnungsvorgangs des Dosierventils stärkeren Druckschwankungen ausgesetzt, als dies für einen Druckaufnehmer der Fall ist, der einem dem Dosierventil abgewandten Endbereich der Versorgungsleitung zugeordnet ist. Ergänzend oder alternativ kann vorgesehen sein, den statischen Fluiddruck im Schließzustand des Dosierventils zu ermitteln, wobei hierzu vorgesehen werden kann, nach dem Schließen des Dosierventils zunächst eine Beruhigung der Flüssigkeitssäule abzuwarten, bevor die statische Druckmessung durchgeführt wird.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung für eine Ermittlung wenigstens einer Eigenfrequenz des Frequenzspektrums ausgebildet ist. Bei der Transformation des zeitlichen Verlaufs des vom Drucksensor bereitgestellten Sensorsignals in ein Frequenzspektrum, insbesondere unter Verwendung der Fourier-Transformation, können eine oder mehrere eindeutig voneinander unterscheidbare Eigenfrequenzen ermittelt werden. Beispielsweise tritt eine einzige Eigenfrequenz auf, sofern keine Störungen wie Gasblasen oder Knicke in der Versorgungsleitung vorliegen. Eine Versorgungsleitung, die scharfe Biegungen oder Querschnittssprünge aufweist, kann zum Auftreten von mehreren Eigenfrequenzen führen, ohne dass hierdurch ein Rückschluss auf eine Störung zu ziehen ist. Sofern keine Störungen wie beispielsweise Gasblasen oder Knicke oder Verstopfungen in der Versorgungsleitung vorliegen, treten keine weiteren Eigenfrequenzen auf. Die wenigstens eine Eigenfrequenz wird durch einen Druckpuls hervorgerufen, der aus dem Öffnungsvorgang oder dem Schließvorgang des Dosierventils resultiert und e der die Versorgungsleitung durchläuft und beispielsweise an einer scharfen Biegung oder einem Querschnittssprung oder einer Gasblase oder einem Knick oder am Ende der Versorgungsleitung reflektiert wird. Durch mehrfache Reflexion des Druckpulses stellt sich eine Schwingung in der Versorgungsleitung mit einer oder mehreren Eigenfrequenzen ein. Anhand der wenigstens einen Eigenfrequenz kann ein Ort der Reflexion längs der Versorgungsleitung bestimmt werden. Sofern während des Betriebs des Dosiersystems weitere Eigenfrequenzen hinzutreten, kann hieraus ein Rückschluss auf eine hinzugetretene Störung gezogen werden, wobei anhand der ermittelten zusätzlichen Eigenfrequenz auch eine Lokalisierung der Störung längs der Versorgungsleitung durchgeführt werden kann
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Sollte beispielsweise in der Versorgungsleitung eine Gasblase enthalten sein, so ist davon auszugehen, dass wenigstens eine weitere Eigenfrequenz hinzutritt. Beispielsweise findet in diesem Fall eine Wellenreflexion an einer dem Dosierventil zugewandten vorderen Grenzfläche der Gasblase statt. Die Steuereinrichtung kann durch Auswertung der wenigstens einen zusätzlichen Eigenfrequenz der vorstehend beschriebenen Wellenreflexionen zumindest einen Rückschluss auf eine Position der Gasblase längs der Versorgungsleitung ziehen. Anhand der Ausdehnung der Gasblase längs der Versorgungleitung stellt sich eine weitere Eigenfrequenz ein, anhand derer auf die Größe der Gasblase geschlossen werden kann. Hiermit kann beispielsweise bei einem nachfolgenden Dosiervorgang das von der Gasblase verdrängte Flüssigkeitsvolumen durch eine verlängerte Öffnungsdauer des Dosierventils kompensiert werden.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung für eine Einstellung einer Öffnungsdauer für das Dosierventil in Abhängigkeit vom statischen Fluiddruck in der Versorgungsleitung und von einer Anzahl und Lage der Eigenfrequenzen ausgebildet ist. Um die gewünschte Präzision bei der Dosierung der vorgebbaren Flüssigkeitsmenge mittels des Dosiersystems gewährleisten zu können, ist die Steuereinrichtung zunächst dazu ausgebildet, die Öffnungsdauer für das Dosierventil insbesondere in Abhängigkeit vom statischen Fluiddruck in der Versorgungsleitung vorzugeben. Sofern keine Störungen wie beispielsweise Gasblasen, Knicke, Verstopfungen, in der Versorgungsleitung und/oder in der Dosiernadel vorliegen, ist eine eindeutige Korrelation zwischen der Öffnungsdauer für das Dosierventil und dem statischen Fluiddruck in der Versorgungsleitung sowie der zu dosierenden Flüssigkeitsmenge gegeben. Treten hingegen Störungen auf, so besteht die Aufgabe der Steuereinrichtung darin, die Größe der jeweiligen Gasblase anhand der zusätzlichen Eigenfrequenzen zu bestimmen.
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Beispielhaft kann nach dieser Größenbestimmmung der Gasblase eine Verlängerung der Öffnungsdauer für das Dosierventil vorgesehen werden, die zu einem von der Gasblase verdrängten Flüssigkeitsvolumen in der Versorgungsleitung korreliert ist, um im Ergebnis zur Dosierung der gewünschten Flüssigkeitsmenge zu gelangen.
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Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass die Steuereinrichtung für den Fall einer Ermittlung einer Störung in der Versorgungsleitung eine Spülung der Versorgungsleitung, beispielsweise durch wiederholte Dosiervorgänge oder durch eine deutliche Vergrößerung der Öffnungsdauer für das Dosierventil vornimmt, wobei die hierbei dosierte Flüssigkeit verworfen wird, um bei einem anschließenden Dosiervorgang ausschließlich Flüssigkeit dosieren zu können, ohne dass hierbei Gasblasen berücksichtigt und kompensiert werden müssen.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Dosierventil als Membranventil mit einer Membran als Ventilglied ausgebildet ist. Bei einem Membranventil dient eine randseitig eingespannte elastische Membran zur Beeinflussung eines Querschnitts des im Dosierventil ausgebildeten Fluidkanals. Hierbei ist die Antriebseinrichtung dazu ausgebildet, die Membran elastisch zwischen der Öffnungsstellung und der Schließstellung zu deformieren. Ein Vorteil eines Membranventils im Hinblick auf das Dosiersystem ist darin zu sehen, dass im Zuge einer Schließbewegung des Dosierventils bei Erreichen der Schließstellung ein Druckpuls in die Versorgungsleitung eingespeist wird, der vom Drucksensor genauso wie die Wellenreflexionen detektiert werden kann und der von der Steuereinrichtung zum Zweck der Bestimmung von Eigenfrequenzen genutzt werden kann.
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Die Aufgabe der Erfindung wird gemäß einem zweiten Erfindungsaspekt durch ein Verfahren zur Dosierung einer vorgebbaren Flüssigkeitsmenge gelöst. Hierbei sind die folgenden Schritte vorgesehen: Bereitstellen einer druckbeaufschlagten Flüssigkeit in eine Versorgungsleitung, die endseitig mit einem Dosierventil und mit einem Drucksensor versehen ist, Öffnen des Dosierventils zu einem Öffnungszeitpunkt zur Dosierung einer vorgebbaren Flüssigkeitsmenge, Schließen des Dosierventils zu einem Schließzeitpunkt, Ermitteln eines zeitlichen Verlaufs eines Flüssigkeitsdrucks in der Versorgungsleitung in einem vorgebbaren Zeitintervall, das mit dem Öffnungszeitpunkt oder mit dem Schließzeitpunkt beginnt, Auswerten des zeitlichen Verlaufs des Flüssigkeitsdrucks auf das Vorliegen von Druckschwankungen in Zusammenhang mit Reflexionen von Druckwellen in der Versorgungsleitung.
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Verfahrensgemäß ist vorgesehen, dass das Zeitintervall zur Ermittlung des zeitlichen Verlaufs des Flüssigkeitsdrucks wahlweise mit dem Öffnungszeitpunkt oder mit dem Schließzeitpunkt für das Dosierventil beginnt. Bevorzugt ist vorgesehen, dass der Öffnungszeitpunkt derjenige Zeitpunkt ist, zudem das Dosierventil seine maximale Öffnungsstellung erreicht hat. Exemplarisch ist vorgesehen, dass der Schließzeitpunkt derjenige Zeitpunkt ist, zudem das Dosierventil die Schließstellung vollständig einnimmt, so dass kein weiterer Flüssigkeitsstrom in der Versorgungsleitung mehr möglich ist. Dementsprechend stellen der Öffnungszeitpunkt bzw. der Schließzeitpunkt diejenigen Zeitpunkte dar, zu denen ein maximaler Impuls in die Flüssigkeitssäule, die in der Versorgungsleitung geführt ist, eingeleitet wird. Dementsprechend kann ausgehend von diesen Zeitpunkten eine genaue Ermittlung der Wellenreflexion und basierend hierauf nach Durchführung der Transformation, insbesondere Fourier-Transformation, die Ermittlung der Eigenfrequenzen zur Detektion von Störungen in der Versorgungsleitung vorgenommen werden.
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Bei einer Weiterbildung des Verfahrens kann vorgesehen sein, dass zwischen dem Öffnungszeitpunkt und dem Schließzeitpunkt eine Ermittlung eines statischen Fluiddrucks in der Versorgungsleitung mit dem Drucksensor und/oder mit einem Druckaufnehmer, der einem dem Dosierventil abgewandten Endbereich der Versorgungsleitung zugeordnet ist, vorgenommen wird. Ergänzend oder alternativ kann der statische Fluiddruck auch in einem zeitlichen Intervall zwischen dem Schließzeitpunkt und dem Öffnungszeitpunkt ermittelt werden. Besonders vorteilhaft ist es, wenn sowohl während eines Flüssigkeitsstroms durch die Versorgungsleitung als auch bei ruhender Flüssigkeitssäule in der Versorgungsleitung jeweils ein statischer Fluiddruck ermittelt wird.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass eine Zeitspanne zwischen dem Öffnungszeitpunkt und dem Schließzeitpunkt für einen zeitlich nachfolgenden Dosiervorgang in Abhängigkeit von einem ermittelten statischen Fluiddruck in der Versorgungsleitung und einer Anzahl und Lage der Eigenfrequenzen der am Drucksensor eintreffenden Druckwellen in der Versorgungsleitung eines zeitlich vorhergehenden Dosiervorgangs sowie in Abhängigkeit von einer vorgebbaren Flüssigkeitsmenge bestimmt wird. Hierdurch kann bei Vorliegen von Störungen in der Versorgungsleitung eine Kompensation für die Öffnungsdauer des Dosierventils vorgenommen werden, um am Ausgangsanschluss des Dosierventils bzw. an einer dem Ausgangsanschluss des Dosierventils zugeordneten Dosiernadel, stets eine möglichst genaue Abgabe der vorgegebenen Flüssigkeitsmenge zu gewährleisten.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. Hierbei zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung eines Systems mit einem Vorratsbehälter, einer Versorgungsleitung, einem Dosierventil, einer Steuereinrichtung und einem Drucksensor,
- 2 eine schematische Darstellung eines zeitlichen Verlaufs für ein Sensorsignal des Drucksensors, und
- 3 eine schematische Darstellung eines durch Fourier-Transformation aus dem zeitlichen Verlauf des Sensorsignals des Drucksensors ermittelten Frequenzspektrums.
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Ein in der 1 dargestelltes Dosiersystem 1 dient zur Dosierung einer vorgebbaren Flüssigkeitsmenge in ein Reagenzglas 2, das in nicht näher dargestellter Weise mit einer Probe versehen sein kann, die für eine Reaktion mit der Flüssigkeitsmenge, die vom Dosiersystem 1 bereitgestellt werden kann, vorgesehen ist.
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Das Dosiersystem 1 umfasst einen rein exemplarisch als 2/2-Wegeventil ausgebildetes, streng schematisch und ohne ein zugehöriges Ventilgehäuse dargestelltes Dosierventil 3, das mittels eines Antriebs 4, bei dem es sich insbesondere um einen elektromagnetischen Antrieb handeln kann, zwischen einer in der 1 dargestellten Schließstellung und einer nicht dargestellten Öffnungsstellung umgeschaltet werden kann. Beispielhaft ist der Antrieb 4 mit einer Steuereinrichtung 5 elektrisch verbunden, die für eine Bereitstellung von elektrischer Energie an den Antrieb 4 ausgebildet ist, um die Umschaltung des Dosierventils 3 zwischen der Schließstellung und der Öffnungsstellung vorzunehmen. Ferner umfasst das Dosierventil 3 rein exemplarisch eine als Federmittel ausgebildete Rückstelleinrichtung 6, mit deren Hilfe das Dosierventil 3 bei einer Unterbrechung der elektrischen Versorgung des Antriebs 4 aus der nicht dargestellten Öffnungsstellung in die Schließstellung gemäß der 1 umgeschaltet wird.
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Das Dosierventil 3 ist zusammen mit der Steuereinrichtung 5 und einem Drucksensor 7 in einem Gehäuse 8 aufgenommen, das somit die wesentlichen Komponenten des Dosiersystems 1 beinhaltet und für die nachstehende Beschreibung als Ventilgehäuse für das Dosierventil 3 angesehen werden soll. Bei einer nicht dargestellten realen Ausführung weist das Dosierventil 3 ein eigenständiges Ventilgehäuse auf, das im Gehäuse 8 aufgenommen sein kann. An einer Außenoberfläche des Gehäuses 8 sind ein Eingangsanschluss 9, ein Ausgangsanschluss 10, eine Sensorschnittstelle 11 sowie eine Versorgungsschnittstelle 12 ausgebildet. Dabei ist der Eingangsanschluss 9 über eine Eingangsleitung 15 fluidisch kommunizierend mit dem Dosierventil 3 verbunden. Ferner ist der Ausgangsanschluss 10 über eine Ausgangsleitung 16 fluidisch kommunizierend mit dem Dosierventil 3 verbunden. Die Steuereinrichtung 5 ist über eine Sensorleitung 17 mit dem Drucksensor 7 elektrisch verbunden und steht über eine Sensorleitung 18 mit der Sensorschnittstelle 11 in Verbindung. Ferner ist die Steuereinrichtung 5 mittels einer Verbindungsleitung 19 mit der Versorgungsschnittstelle 12 elektrisch verbunden, die ihrerseits eine elektrische Ankopplung des Dosiersystems 1 an eine nicht näher dargestellte elektrische Energieversorgung und/oder an eine übergeordnete Steuerung wie beispielsweise eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) ermöglicht.
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Die Sensorleitungen 17, 18 und die Verbindungsleitung 19 können jeweils mehrere, nicht näher dargestellte Adern umfassen und sowohl für eine Übertragung von elektrischer Energie als auch für eine Übertragung von elektrischen Signalen ausgebildet sein.
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Beispielhaft ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung 5 einen programmierbaren elektronischen Baustein wie beispielsweise einen Mikrocontroller oder Mikroprozessor aufweist, auf dem ein Computerprogramm ablaufen kann, mit dessen Hilfe einerseits eine Ansteuerung des Antriebs 4 für das Dosierventil 3 und andererseits eine Auswertung von elektrischen Sensorsignalen des Drucksensors 7, die über die Sensorleitung 17 bereitgestellt werden, durchgeführt werden kann. Ferner kann zusätzlich vorgesehen sein, dass an der Sensorschnittstelle 11 eine Sensorleitung 21 eines Druckaufnehmers 20 elektrisch angeschlossen ist, wobei der Druckaufnehmer 20 abseits des Dosiersystem 1 angeordnet ist, jedoch optional als Bestandteil des Dosiersystem 1 angesehen werden kann.
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Für die Dosierung der Flüssigkeit ist ferner ein Vorratsbehälter 25 vorgesehen, der rein exemplarisch in Form einer Flasche ausgebildet ist, wobei der Vorratsbehälter 25 teilweise mit der zum dosierenden Flüssigkeit 26 gefüllt ist und ein verbleibendes Volumen des Vorratsbehälters 25 beispielhaft mit Luft gefüllt ist. Beispielhaft ist der Vorratsbehälter gegenüber einer Umgebung derart abgedichtet, dass die im Vorratsbehälter 25 aufgenommene Luft einen höheren Druck als den Umgebungsdruck aufweisen kann. In den Vorratsbehälter 25 ragt eine Versorgungsleitung 27 hinein, die mit dem Eingangsanschluss 9 des Dosiersystems 1 fluidisch kommunizierend verbunden ist. Ferner ragt rein exemplarisch in den Vorratsbehälter 25 eine Messleitung 28 hinein, die für eine Druckübertragung an den Druckaufnehmer 20 ausgebildet ist.
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Innerhalb des Dosiersystems 1 erstreckt sich die Eingangsleitung 15 zwischen dem Eingangsanschluss 9 und dem Dosierventil 3 und weist eine Messabzweigung 29 auf, die mit dem Drucksensor 7 gekoppelt ist, um eine Ermittlung eines Fluiddrucks zwischen dem Eingangsanschluss 9 und dem Dosierventil 3 zu ermöglichen. Die Ausgangsleitung 16 ist für eine fluidisch kommunizierende Verbindung zwischen dem Dosierventil 3 und einer mit dem Ausgangsanschluss 10 verbundenen Dosiernadel 30 ausgebildet, wobei der Ausgangsanschluss 10 die fluidisch kommunizierende Verbindung zwischen der Ausgangsleitung 16 und der Dosiernadel 30 gewährleistet.
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Während eines nachstehend näher beschriebenen Betriebs des Dosiersystems 1 kann der Fall auftreten, dass die Versorgungsleitung 27 nicht vollständig mit Flüssigkeit gefüllt ist, sondern beispielsweise eine in der Detaildarstellung der 1 schematisch dargestellte Gasblase, insbesondere Luftblase 31, in der Versorgungsleitung 27 vorliegt, die bei einer Dosierung von Flüssigkeit mit Hilfe des Dosiersystems 1 zu einer unerwünschten Reduzierung der abgegebenen Flüssigkeitsmenge führen würde. Um das Vorhandensein der Luftblase 31 detektieren zu können, ist die Steuereinrichtung 5 dazu eingerichtet, aus einem zeitlichen Verlauf eines schematisch in der 2 dargestellten Sensorsignals des Drucksensors 7, der stromauf des Dosierventils 3 angeordnet ist, durch Anwendung einer Transformationsfunktion, insbesondere einer Fourier-Transformation, einen Frequenzgang für den zeitlichen Verlauf des Sensorsignals des Drucksensors 7 zu ermitteln.
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Beispielhaft ist vorgesehen, dass ausgehend von der in 1 dargestellten Situation, in der das Dosierventil 3 geschlossen ist, aufgrund einer Druckbeaufschlagung des Vorratsbehälters 25 am Drucksensor 7 ein statischer Fluiddruck p0 anliegt. Bei einer Öffnung des Dosierventils 3 zu einem Öffnungszeitpunkt t1 findet am Drucksensor 7 durch die Freigabe der Verbindung zur Dosiernadel 30 ein Druckabfall statt, wobei sich nach einiger Zeit, die in der 2 nicht näher spezifiziert ist, eine stationäre Strömung einstellt. Hierbei durchströmt die Flüssigkeit 26 ausgehend vom Vorratsbehälter 25 die Versorgungsleitung 27, die Eingangsleitung 15, das Dosierventil 3, die Ausgangsleitung 16 sowie die Dosiernadel 30. Der sich hierbei einstellende statische Fluiddruck p1 wird durch den im Wesentlichen horizontal ausgerichteten Abschnitt des Sensorsignals für den Drucksensor 7 in der 2 zwischen den Zeitpunkten t1 und t2 repräsentiert.
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Zum Zeitpunkt t2 wird das Dosierventil 3 von der Steuereinrichtung 5 aus der Öffnungsstellung zurück in die Schließstellung geschaltet, wodurch eine abrupte Abbremsung der bis zu diesem Zeitpunkt stationär mit konstanter Strömungsgeschwindigkeit in der Versorgungsleitung 27 strömenden Flüssigkeit eintritt. Hierdurch staut sich die Flüssigkeit 26 am Dosierventil 3 und die kinetische Energie der bis zu diesem Zeitpunkt strömenden Flüssigkeit 26 wird in einen Druckimpuls umgesetzt, der die Eingangsleitung 15 und ein in der Versorgungsleitung 27 aufgenommene Flüssigkeitssäule 35 als Druckwelle durchläuft. Abhängig von der konstruktiven Ausgestaltung des Dosierventils 3 kann diese Druckwelle durch das Dosierventil 3 verstärkt werden, wie dies beispielsweise bei einem Membranventil der Fall ist.
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Sofern in der Flüssigkeitssäule 35, die in der Versorgungsleitung 27 geführt ist, keine Luftblase 31 enthalten ist und die Versorgungsleitung 27 abweichend von der rein schematischen Darstellung der 1 ohne jegliche Knicke und/oder Querschnittssprünge in den Vorratsbehälter 25 verläuft, findet eine Reflexion der in der Flüssigkeit verlaufenden Druckwelle erst an einer Eintrittsöffnung 34 der Versorgungsleitung 27 im Vorratsbehälter 25 statt. Ein hierzu korrelierendes Sensorsignal des Drucksensors 7 ist in den Figuren nicht dargestellt.
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Befindet sich hingegen in der der Flüssigkeitssäule 35, die in der Versorgungsleitung 27 geführt ist, eine Luftblase 31, so wird die in der Detaildarstellung der 1 durch die beiden Pfeile repräsentierte, vom Dosierventil 3 ausgehende Druckwelle insbesondere an einer vorderen Grenzfläche 32 der Luftblase 31 reflektiert, die von dort ausgehend zum Dosierventil 3 zurückläuft und dort abermals reflektiert wird, wodurch sich eine Schwingung mit einer ersten Eigenfrequenz (fb) einstellt .
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Ferner wird ein hinter der Luftblase 31 liegender, von dort bis zur Eintrittsöffnung 34 der Versorgungsleitung 27 erstreckter Abschnitt der Flüssigkeitssäule 35 in Schwingung versetzt, wodurch eine weitere (niedrigere) Eigenfrequenz (fa) hervorgerufen wird und wodurch sich der Signalverlauf für das Sensorsignal des Drucksensors 7 ergibt, wie es ab dem Zeitpunkt t2 in der 2 dargestellt ist. Die aufgrund der unterschiedlichen Reflexionen für die Druckwelle auftretenden Eigenfrequenzen sind einander überlagert, so dass sich der rein exemplarische und nur schematisch dargestellte Schwingungsverlauf für das Signal des Drucksensors 7 gemäß der 2 einstellt.
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Um eine vorteilhafte Auswertung des Sensorsignals des Drucksensors 7 zu ermöglichen, ist die Steuereinrichtung 5 rein exemplarisch dazu eingerichtet, eine Transformation, insbesondere eine Fourier-Transformation, des in der 2 schematisch dargestellten Sensorsignals des Drucksensors 7 durchzuführen. Insbesondere ist eine Auswertung des Sensorsignals des Drucksensors für ein Zeitintervall vorgesehen, das mit dem Zeitpunkt t2 beginnt und das mit dem Zeitpunkt t3 endet.
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Anhand der Eigenfrequenzen fa und fb kann in der Steuereinrichtung 5 unter Berücksichtigung weiterer Parameter wie beispielsweise der Kompressibilität der Flüssigkeit 26, der Temperatur der Flüssigkeit 26, der Elastizität der Versorgungsleitung 27, dem statischen Druck in der Versorgungsleitung 27 und der Länge der Versorgungsleitung 27 ein Rückschluss darauf gezogen werden, welche Ausdehnung die Luftblase 31 einnimmt, um anschließend eine Kompensation der durch die Luftblase 31 verdrängten Flüssigkeitsmenge für denjenigen Dosiervorgang vornehmen zu können, bei dem die Luftblase 31 tatsächlich durch die Dosiernadel 30 abgegeben wird.
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Alternativ kann vorgesehen werden, dass Dosiersystem solange zu spülen, bis keine Luftblasen 31 in der Versorgungsleitung 27 durch die Steuereinrichtung 5 detektiert werden, um erst zu diesem Zeitpunkt eine weitere Dosierung von Flüssigkeiten in das Reagenzglas 2 vorzunehmen.
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Ergänzend kann die Steuereinrichtung 5 für eine Ermittlung des statischen Fluiddrucks während einer Öffnungsphase des Dosierventils 3 und/oder während einer Schließphase für das Dosierventils 3 anhand eines Sensorsignals des Druckaufnehmers 20 ausgebildet sein. Vorzugsweise ist eine Bildung eines Mittelwerts für die vom Drucksensor 7 und vom Druckaufnehmer 20 gemessenen Werte für den statischen Druck in der Versorgungsleitung 27 vorgesehen.
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Ferner kann vorgesehen werden, einen beim Öffnen des Dosierventils 3 auftretenden Druckstoß und die daraus resultierenden Reflexionen und daraus ermittelbaren Eigenfrequenzen zu nutzen, um beispielsweise Aussagen über eine eventuelle Verstopfung der Dosiernadel 30 treffen zu können.
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Bleibt beim Öffnen des Dosierventils 3 ein Druckstoß aus, kann beispielsweise auf eine Fehlfunktion des Dosierventils 30 oder auf einen zu niedrigen Versorgungsdruck rückgeschlossen werden.
