DE102019135276A1

DE102019135276A1 - Vorrichtung zur Messung des Füllinhalts flüssigkeitsgefüllter Behältnisse

Info

Publication number: DE102019135276A1
Application number: DE102019135276.2A
Authority: DE
Inventors: Robert Griebel; James Bradley; Bernd Ströter
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2019-12-19
Filing date: 2019-12-19
Publication date: 2021-06-24
Also published as: US20210190576A1

Abstract

Vorrichtung und Verfahren zur Messung einer Masse einer polarisierbaren Flüssigkeit in einem Behältnisses (100) umfassend eine einen Messbereich (20) definierende Abschirmantenne (29, 29b) einer aktiven Abschirmung (2), wobei die Abschirmantenne (29, 29b) an eine erste Messvorrichtung (21) und einem Kompensationssignalgenerator (22) angeschlossen ist, eine Messpulsantenne (30, 30b), welche an eine zweite Messvorrichtung (31) und einen Messpulsgenerator (32) angeschlossen und innerhalb des Messbereichs (20) angeordnet ist, und wobei die Vorrichtung dazu vorbereitet ist mittels der ersten Messvorrichtung (21) einen zeitveränderlichen Spannungswert eines externen Störsignals zu messen und mittels des Kompensationssignalgenerators (22) ein dieses Störsignal ausgleichendes Ausgleichssignal zu erzeugen und auf die Abschirmantenne (29, 29b) zu leiten und so eine weitgehende Störfeldfreiheit des Messbereichs (20) zu erreichen, und mittels des Messpulsgenerators (32) ein Polarisierungssignal zu erzeugen und über die Messpulsantenne (30, 30b) den Flüssigkeitsinhalt des Behältnisses (100) zu polarisieren und mittels der zweiten Messvorrichtung (31) ein Antwortsignal zu messen und aus diesem Antwortsignal die Masse der Flüssigkeit abzuleiten.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Messung der Masse einer polarisierbaren Flüssigkeit in einem Behältnisse, insbesondere wenn diese in größerer Zahl in Aufnahmen von Trägerplatten eingesetzt sind und möglichst genau dosiert befüllt werden sollen.
Solche Vorrichtungen und Verfahren kommen beispielsweise im medizinischen Bereich zum Einsatz, wo eine größere Zahl in Nestern zusammengefasster Behältnisse möglichst exakt mit einer Medikamentenflüssigkeit befüllt werden sollen. Ein Beispiel hierfür ist die Herstellung von Einwegspritzen, bei der die Spritzen in (Spritzen-)Nestern zusammengefasst mit einem als wässrige Lösung vorliegenden Medikament befüllt werden. Weitere Beispiele für medizinische Behältnisse, welche im Vergleich zu Einwegspritzen jeweils andere bauliche Gestaltungen der zugehörigen Nester nach sich ziehen, sind Phiolen- und Zylinderampullen (Karpulen)
In allen Flällen muss die eingefüllte Flüssigkeitsmenge, also die Masse der eingefüllten Flüssigkeit, aus Gründen der Vergleichbarkeit und zur Sicherstellung des Behandlungserfolgs möglichst genau einer vorgegebenen Sollmenge (Sollmasse) entsprechen. Daher muss zur Qualitätssicherung die Einfüllmenge wenigstens stichprobenartig überprüft werden. Bei einer Massenfertigung bzw. -befüllung, wie sie für Einwegspritzen, Phiolen oder Zylinderampullen zum Einsatz kommt, soll dieser Schritt weiterhin möglichst wenig Zeit in Anspruch nehmen.
Um die Füllmenge zu bestimmen werden im Stand der Technik zwei Verfahren eingesetzt. Zum einen kann bei den üblicherweise vorkommenden einfachen zylindrischen Geometrien der Einwegspritzen mit optischen Mitteln die Füllhöhe gemessen und dann durch Multiplikation mit der Querschnittsfläche und gegebenenfalls Addition eines konstanten Volumens für den unteren, nicht zylindrischen Teil der Spritze das zunächst das Füllvolumen berechnet und hieraus durch weitere Multiplikation mit einer im Allgemeinen temperaturabhängigen, Dichte die Füllmenge bestimmt werden.
Der Nachteil dieser Methode besteht darin, dass die Genauigkeit des Ergebnisses begrenzt ist zum einen durch die Genauigkeit, mit der die Füllhöhe bestimmt werden kann und zum anderen durch die Fertigungsgenauigkeit der Spritzenkörper, d.h. durch den Grad den die tatsächliche Querschnittsfläche von dem bei oben beschriebener Rechnung zum Einsatz kommender angenommenen Wert abweicht. Selbst wenn der angenommene Wert dem Mittelwert der Querschnittsfläche über viele Spritzenkörper entspricht, also keine systematische Abweichung vorliegt, gibt es immer noch statistische Abweichungen durch die fertigungsbedingte Varianz der Querschnittsfläche um diesen Mittelwert. Bei einfachen Massenartikeln wie Spritzenkörpern kann diese durchaus im Bereich einiger Prozent liegen. Zu diesem statistischen Effekt kommt noch die Varianz der Querschnittsfläche entlang des Spritzenkörpers, welche eine Volumenbestimmung durch Multiplikation Füllhöhe mal Querschnittsfläche entsprechend ungenau macht.
Aufgrund der Oberflächenspannung ist die Oberläche der Flüssigkeit im Übrigen auch nicht eben, sondern weißt an der Berührungslinie mit der Behältnisinnenwand eine Verformung auf, welche abhängig von den Inhaltsstoffen der Flüssigkeit, sowie etwaiger auf der Innenwand vorhandener Oberflächenspannungsverändernder Stoffe von Behältnis zu Behältnis variieren kann und die Füllhöhenmessung wie auch die darauf basierende Füllmengenbestimmung ungenauer macht.
Ein weiterer Nachteil ist, dass die Dichte der Flüssigkeit nur näherungsweise bekannt und in der Regel auch Temperaturabhängig ist, was für genaue Ergebnisse eine Temperaturmessung nötig macht. Dies erhöht den Aufwand und reduziert die Genauigkeit dieser ersten Methode zur Füllmengenbestimmung weiter.
Die zweite Methode bestimmt die Füllmenge über das Gewicht der befüllten Spritze, wie es beispielweise die Offenlegungsschrift DE 10 2004 035 061 A1 vorschlägt. Die befüllte Spritze wird dabei gewogen und das Gewicht einer leeren Spritze abgezogen. Diese Methode der Füllmengenbestimmung wäre dann sehr genau, wenn das subtrahierte Gewicht der leeren Spritze genau bekannt wäre. Dies könnte dadurch erreicht werden, dass dieselbe Spritze sowohl vor- als auch nach dem Befüllen gewogen wird. Wohl aus Zeitgründen wird in der DE 10 2004 025 061 A1 jedoch nur die befüllte Spritze gewogen und ein Standardgewicht einer leeren Spritze abgezogen. Das tatsächliche Gewicht variiert jedoch wie auch die Querschnittsfläche des Innenraums fertigungsbedingt von Spritze zu Spritze im Rahmen einer gewissen Toleranz von bis zu einigen Prozent. Somit ist das durch diese Methode ermittelte Ergebnis auch mit einem entsprechenden Fehler behaftet.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Füllmenge, genauer der Flüssigkeitsmasse, flüssigkeitsgefüllter Behältnisse zu finden, mithilfe dessen bzw. derer schnell und mit einem einzigen Messvorgang die Füllmenge bestimmt werden kann, ohne dass das Ergebnis durch die Fertigungsungenauigkeiten der Behältnisse beeinträchtigt wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1, eine mehrerer dieser Vorrichtungen zusammen einsetzende Anordnung nach Anspruch 8 und ein Verfahren nach Anspruch 10.
Hierbei wird ausgenutzt, dass die messenden Flüssigkeiten zumindest im medizinischen Bereich weitestgehend aus Wasser bestehen. Da die H2O Moleküle des Wassers ein starkes Dipolmoment aufweisen, entwickelt Wasser unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes, wenn sich diese Dipolmomente entlang des äußeren Feldes ausrichten, eine starke Polarisierung. Diese Polarisierung steigt bei gegebener Temperatur und elektrischer Feldstärke proportional zur Anzahl der beeinflussten Wassermoleküle an. Diese wiederum ist proportional zur Masse der polarisierten Flüssigkeit, wobei die Proportionalitätskonstante gegeben ist durch den Kehrwert der s molaren Masse, welche ein temperaturunabhängiger materialspezifischer Parameter ist.
Wird eine polarisierbare Flüssigkeit wie Wasser einem elektrischen Wechselfeld ausgesetzt folgen die Dipole der Moleküle in ihrer Ausrichtung grundsätzlich dem äußeren Feld, jedoch abhängig von der Temperatur mehr oder weniger schnell, also mit einer gewissen Verzögerung. Es ergibt sich also eine zeitabhängige Variation der Polarisierung, deren Amplitude jedoch weiterhin proportional zur Zahl der Dipole ist, d.h. die Amplitude gibt damit weiterhin Aufschluss über die Masse der polarisierbaren Flüssigkeit.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird daher das zu messende Behältnis, also insbesondere eine Spritze, Phiole oder Zylinderampulle (Karpule), in den Einflussbereich einer Messpulsantenne gebracht, insbesondere in die unmittelbare Nachbarschaft einer flächigen oder stabförmigen (Dipol)Antenne positioniert oder durch die Öffnung einer Ringantenne gesteckt. Ein Messpulsgenerator erzeugt nun als Messpuls ein zeitlich veränderliches elektrisches Feld, beispielsweise ein Wechselfeld mit einer festen Frequenz. Dieser Puls wird über die Messpulsantenne in die zu messende polarisierbaren Flüssigkeit, insbesondere also eine wässrige Medimentenlösung, eingekoppelt, wobei sich als Antwortsignal ergibt eine zeitabhängige Polarisierung der Flüssigkeit ergibt. Diese Polarisierungsantwort ist von außen über dieselbe Messpulsantenne messbar, da diese das Gesamtfeld, also die Summe aus elektrischem Feld des Messpulses und der Polarisierung aufnimmt. Die hier ebenfalls auftretenden magnetischen Wechselfelder interessieren hierbei nur indirekt über die Spannungen, bzw. elektrischen Wechselfelder, welche sie insbesondere in der Ringantenne induzieren.
Die (zeitabhängige) Polarisierung kann aus dem von der Messpulsantenne aufgenommenen Signal durch Subtraktion des Messsignals extrahiert und ihre Amplitude bestimmt werden. Aus dieser ergibt sich dann anhand eines zuvor bestimmten Eichfaktors die Masse der Flüssigkeit, welches zum Polarisierungssignal beigetragen hat. Hierbei ist es wichtig festzustellen, dass auch bei einer Ringantenne, welche in geometrischer Hinsicht nur einen kleinen Teil der üblicherweise zylindrischen oder zumindest länglichen Behältnisses abdeckt, oder gar bei einer flächigen oder stabförmigen Antenne in direkter Nachbarschaft zu dem Behältnis, welche das Behältnis geometrisch überhaupt nicht umschließt, trotzdem die gesamte Flüssigkeitssäule zur Polarisierung beiträgt. Dies liegt daran, dass die weiter von der Antenne entfernten Moleküle zwar deren direktes elektrisches Feld nicht mehr so stark spüren wie die näher gelegenen, jedoch durch die Polarisierung der näher gelegenen Moleküle gewissermaßen eine Verstärkung und Weiterleitung des Anregungsfeldes der Ringantenne stattfindet, so dass sich letztlich alle in Kontakt zueinander befindlichen molekularen Dipole ausrichten. Dies ist das gleiche Prinzip wie bei der „Übertragung“ des magnetischen Flusses im Eisenkern eines Transformators. Und genauso wie dort jeder Luftspalt die Effektivität des Eisenkerns herabsetzt, ist hier der Kontakt zwischen den zu messenden Flüssigkeitsteilen wesentlich. Dies bedeutet praktisch, dass etwaig am Rand des Behältnisses hängende Flüssigkeitströpfchen vom erfindungsgemäßen Verfahren bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung nicht oder kaum zum Antwortsignal beitragen, sofern sie sich nicht zufällig in der Nähe der Messpulsantenne befinden und somit deren direkten Einfluss spüren. Daher sollte vor der Messung durch geeignete Mittel, etwa sanftes Rütteln, dafür gesorgt werden, dass Flüssigkeit im zu messenden Behältnis ein zusammenhängendes Volumen bildet.
Falls außer der Messpulsantenne keine weiteren Quellen von elektrischen Wechselfeldern existierten, könnten allein mit dieser schon genaue Ergebnisse erzielt werden. Nun existieren jedoch zahlreiche weitere Quellen elektrischer Wechselfelder, welche sich dem durch die Messpulsantenne erzeugten Feld überlagern und das Messergebnis verfälschen können. Zum einen sind ständig eine Vielzahl künstlicher sowie auch natürlicher Quellen von elektromagnetischer Strahlung in dem durch den Messpuls vorgegebenen relevanten Frequenzbereich, insbesondere der Bereich zwischen 10 und 100 kHz, vorhanden. Dies sind zum einen Radioübertragungen (Langwelle) als künstliche Quellen sowie die lonosphärische Oszillationen und tagsüber auch die Sonne. Der größte Anteil an Störsignal geht jedoch nicht von diesen, relativ weit entfernten und damit schwachen Quellen, sondern von den direkt zur erfindungsgemäßen Vorrichtung benachbarten elektrischen Apparaten, wie Elektromotoren von Förderbändern oder Greif- bzw. Roboterarmen, Relais und dergleichen aus, welche im Rahmen des vorgesehen Haupteinsatzgebietes der Einwegspritzenfertigung bzw. Phiolen- oder Ampullenbefüllung unweigerlich vorhanden sind. Je nach Güte der Elektromagnetischen Verträglichskeits-(EMV) Maßnahmen dieser Geräte produzieren diese mehr oder weniger starke Emissionen auch im (relativ) niederfrequenten Bereich. Noch wichtiger ist aber der Aspekt, dass zur schnellen gleichzeitigen Bestimmung der Füllinhalte der gruppenweise in Trägerplatten bzw. Nester eingesetzten Behältnisse im Rahmen der erfindungsgemäßen Anordnung im Allgemeinen mehrere erfindungsgemäße Vorrichtungen parallel zum Einsatz kommen. Diese würden sich ohne weitere Maßnahmen gegenseitig massiv stören, sofern nicht Messpulse mit sehr deutlich unterschiedlichen Charakteristiken, wie Frequenz, Timing etc., eingesetzt würden.
Darum schlägt vorliegende Erfindung als zweiten wesentlichen Aspekt eine elektromagnetische Abschirmung für die Messpulsantenne vor. Diese könnte als passive Abschirmung ausgestaltet sein, etwa als eine Folie aus gut leitendem Material, etwa einem Metall wie Silber, Kupfer, Gold oder, kostengünstiger, Aluminium, die zu einer geschlossenen Fläche gebogen wird und so einen Faradayschen Käfig bildet, in dessen Innenraum die Ringantenne angeordnet wird. Könnte die Abschirmfolie als vollständig geschlossene Fläche ausgeführt werden, wäre bei einer perfekt leitfähigen Folie ein perfekter Faradayscher Käfig gegeben, äußere Störfelder wären also komplett abgeschirmt. Auch unter Berücksichtigung der endlichen Leitfähigkeit würde mit einer vollständig geschlossenen Geometrie noch eine hervorragende Abschirmwirkung erreicht. Weil jedoch das zu messende Objekt, also das flüssigkeitsgefüllte Behältnis, insbesondere Einwegspritze, zur Messung durch die Ringantenne hindurchgeführt werden muss, ist es baulich nicht möglich die Abschirmfolie Messobjekt und Ringantenne vollständig umschließen zu lassen. Es muss in der Abschirmfolie also eine Öffnung als Zugang zum Innenraum verbleiben. Durch diese Öffnung können Störfelder in reduzierter aber immer noch signifikanter Stärke in den Innenraum gelangen, so dass mit einer passiven Abschirmfolie alleine nur eine leichte Verbesserung der Messgenauigkeit erreicht ist.
Bei Phiolen oder Ampullennestern ist darüber hinaus aus baulichen Gründen selbst eine teilweises umschließen der zu messenden Behältnisse unmöglich.
Zur weiteren Erhöhung der Messgenauigkeit schlägt vorliegende Erfindung darum vor, eine aktive Kompensation der äußeren Störfelder, also eine aktive Abschirmung, zu realisieren, indem eine Abschirmantenne mit angeschlossener Elektronik vorgesehen wird, welche in einem gewissen (Mess-)Bereich in ihrer Nähe eine Kompensation äußerer Störfelder ermöglicht.
In einer Ausführungsform vorliegender Erfindung, welche zur Füllmengenbestimmung bei in Einwegspritzen in Spritzennestern verwendbar ist, wird beispielsweise die Abschirmfolie einer passiven Abschirmung elektrisch mit einem ausreichend empfindlichen und vor allem reaktionsschnellen Spannungsmessvorrichtung, insbesondere einem Spannungssensor, verbunden, der die durch äußere Störfelder verursachte zeitabhängige Spannung misst. Diese Information wird an einen ebenfalls auf die Abschirmfolie geschalteten Wechselspannungssignalgenerator, im Rahmen der Erfindung, Kompensations- oder Ausgleichssignalgenerator genannt, weitergegen. Dieser erzeugt ein dem äußeren Störfeld entgegen gerichtetes Spannungssignal und leitet dieses auf die als Abschirmantenne dienende Abschirmfolie, wodurch in deren Innenraum in ausreichendem Maße feldfrei gehalten wird.
In einer alternativen Ausführungsform, welche auch für Phiolen- und (Zylinder-)Ampullennester geeignet ist, wird eine einfache flächige oder stabförmige Abschirmantenne verwendet, welche in die Nähe des zu messenden Behältnisses gebracht wird, so dass dieses, oder zumindest die darin enthaltene Flüssigkeit, möglichst vollständig im Inneren des durch die Abschirmantenne definierten Messbereichs liegen. Der Messbereich ist hierbei derjenige Raumbereich um die Abschirmantenne, in welchem die aktive Abschirmung mittels des Kompensationssignals eine ausreichende Störfeldfreiheit garantiert. Die Messpulsantenne wird hierbei zwischen der Abschirmantenne und dem Behältnis im Messbereich angeordnet.
Im Rahmen vorliegender Erfindung kommt es nicht unbedingt darauf an, bei den auftretenden Störfeldern alle Frequenzbereiche gleichermaßen zu unterdrücken. Es ist ausreichend, dies hauptsächlich für Frequenzen zu tun, die von derselben Größenordnung und kleiner sind wie die in dem von der Ringantenne ausgesendeten Messpuls auftretenden Frequenzen. Werden dort beispielsweise Frequenzen im Bereich um 50 kHz verwendet, ist eine Kompensation von Störfeldern nur im Bereich bis zu dieser Frequenz und etwas darüber für eine genügende Erhöhung der Messgenauigkeit nötig. Unter den gerechtfertigten Annahmen, dass die Störfelder sich zeitlich zu Null mitteln und das Strommessgerät zur Messung des Antwortsignals der polarisierten Flüssigkeitssäule aufgrund seiner Trägheit für Frequenzen oberhalb der Messpulsfrequenz unempfindlich ist, gilt, dass je höher die Störfrequenz oberhalb dieses Messbereichs liegt, sie desto weniger das Messergebnis beeinflusst. Umso geringer ist demnach die Notwendigkeit, sie aktiv zu kompensieren. Im obigen Beispiel sind etwa Störsignale mit Frequenzen von deutlich über 50 kHz für die Messung der Amplitude des Antwortsignals wenig relevant.
Daraus ergibt sich, dass die Reaktionszeit Dt der aktiven Abschir
mung in Form der beschriebenen Rückkopplung von Spannungsmesser und Ausgleichssignalgenerator nicht wesentlich besser sein muss als die zeitliche Auflösung des Strommessgeräts zur Erfassung des Polarisationssignals. Reaktionszeit meint hier den Zeitversatz zwischen Messung eines bestimmten Störsignalpegels durch den Spannungssensor zu einem Zeitpunkt t und dem Anliegen des hierauf erzeugten Kompensationssignals zum Zeitpunkt t+Dt. Kann das Strommessgerät Änderungen im Antwortsignal nur maximal bis in den Bereich von, beispielsweise 100 Mikrosekunden zeitlich auflösen, muss die Reaktionszeit der aktiven Abschirmung nicht wesentlich kürzer als 100 Mikrosekunden sein. Circa 50 Mikrosekunden wären in diesem Beispiel wohl ausreichend.
Eine zur Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendbare Vorrichtung umfasst eine Ringantenne welche im Innenraum einer Abschirmung, insbesondere in Form einer Folie aus leitendem Material angeordnet ist. Die Abschirmfolie bildet mit Ausnahme einer Öffnung zum Einführen der zu messenden Behältnisse, wie beispielsweise Spritzen, geschlossene Fläche. Auf die Ringantenne ist ein hier Messpulsgenerator genannter Signalgenerator geschaltet, welcher ein Anregungssignal erzeugt, dass zur Polarisierung des Inhalts mittels der Ringantenne in das zu messende Behältnisses eingekoppelt wird. Die erfindungsgemäße Vorrichtung nimmt die Antwort in Form eines zeitabhängigen Polarisierungssignals mittels eines ebenfalls an die Ringantenne angeschlossenen Strommessgeräts auf und leitet aus dem gemessenen Signal, genauer aus der Feldamplitude, die Gesamtpolarisierung der Probe ab. Diese wiederum kann über einen bei einer vorherigen Eichung bestimmten Proportionalitätsfaktor in das gewünschte Füllvolumen umgerechnet werden. Hierzu kann eine entsprechende Steuerelektronik vorhanden sein, welche diese Schritte automatisiert durchführt. Dies ist besonders für den praktischen Einsatz von großem Vorteil, da es die Messung beschleunigt. Für das Prinzip vorliegender Erfindung ist eine automatisierte Auswertung jedoch nicht wesentlich, sondern könnte auch durch einen Menschen durchgeführt werden.
Der vorliegend besonders betrachtete Anwendungsfall ist die Messung des Füllinhalts von (Einweg)Spritzen, Phiolen oder Ampullen. Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung können jedoch genauso zur Füllmengenbestimmung anderer Behältnisse eingesetzt werden, solange diese von ihrer Form und ihren Abmessungen her in die Öffnung der Ringantenne einbringen lassen und mit eine polarisierbaren Flüssigkeit gefüllt sind. Ebenfalls sehr gut polarisierbare Flüssigkeiten, also solche mit stark polaren Molekülen, sind Ethanol, Methanol und Isopropylalkohol.
Im Weiteren werden weitere vorteilhafte Ausführungen vorliegender Erfindung vorgestellt, welche in geeigneter Form miteinander kombiniert werden können, sofern sie sich nicht gegenseitig offensichtlich ausschließen.
Die Abschirmfolie bildet bevorzugt einen länglichen, insbesondere im Wesentlichen zylindrischen Körper, da diese Form den zu messenden länglichen bzw. zylindrischen Behältnissen, insbesondere Spritzen gut angepasst ist.
Die Öffnung zum Einführen der Behältnisse befindet sich bevorzugt an einer Stirnseite, besonders bevorzugt einer oberen Stirnseite, dieser länglichen bzw. zylindrischen Form.
Um auch bei nur wenig aus ihrer Trägerplatte hervorragenden Behältnissen, insbesondere Spritzen, eine Füllinhaltsmessung zu ermöglichen, ist die Ringantenne bevorzugt in einem oberen Bereich der Abschirmung, d.h. recht nahe der Öffnung angeordnet, wobei der Begriff ‚nahe‘ durch Vergleich mit der charakteristischen Größe der zu messenden Behältnisse zu verstehen ist. Diese wird jedoch regelmäßig von derselben Größenordnung wie die Abschirmung selbst sein, da die Größe der erfindungsgemäßen Messvorrichtung je nach Einsatzgebiet an die Größe der dort zu messenden Behältnisse angepasst werden wird.
Die Ringantenne ist bevorzugt als einwindige Spule ausgeführt, da dies den minimalen Platzbedarf mit sich bringt.
Da die Abschirmfolie für ihren Hauptzweck keine große Wandstärke aufzuweisen braucht, ist sie bevorzugt als dünne Folie aus einem gut leitenden Material, insbesondere Metall wie Gold, Kupfer, Aluminium oder, idealerweise, Silber, ausgeführt. Um sie im praktischen Einsatz mechanisch zu stabilisieren, wird vorgeschlagen, diese Abschirmfolie über eine Stützstruktur, beispielsweise ein Kunststoffzylinder oder -zylinderskelett zu legen.
Zur Unterbringung der an die Abschirmfolie und die Ringantenne angeschlossenen Elektronik dient bevorzugt ein Gehäuse, insbesondere ein zumindest in etwa quaderförmiges Gehäuse oder ein Gehäuse mit drei-, vier oder sechseckigem Querschnitt. Durch letzteres ist erreicht, das bei der Zusammenfassung mehrerer Erfindungsgemäßer Vorrichtungen zu einer erfindungsgemäßen Anordnung nach Anspruch 8, die Vorrichtungen in einem regelmäßigen Dreiecks oder Sechseckgitters angeordnet werden können, was vorteilhafterweise der üblich Anordnung der Aufnahmen in Trägerplatten entspricht. Das Gehäusematerial ist grundsätzlich beliebig, solange es eine ausreichende mechanische Belastbarkeit besitzt. Es bieten sich beispielsweise Kunststoff, Metall oder auch Holz an. Dieses kann mit der Stützstruktur der Abschirmfolie verbunden sein, d.h. die Stützstruktur ist auf einer Außenseite des Gehäuses aufgesetzt und lösbar oder nicht-lösbar damit verbunden, etwa durch Schrauben, Nieten, Kleben oder Schweißen.
Eine alternative Ausführungsform vorliegender Erfindung verwendet als Abschirm- wie auch als Messpulsantenne je eine flächige oder stabförmige Antenne, welche in geringem Abstand voneinander parallel zueinander ausgerichtet angeordnet sind. Beispielsweise können sie auf gegenüberliegenden Seiten einer für Signale im entsprechenden Frequenzbereich transparenten Platte, etwa aus Kunststoff oder Holz, aufgebracht sein. Diese Platte kann in das Gehäuse der erfindungsgemäßen Vorrichtung integriert, oder separat außen daran befestigt sein.
Das Messgerät zur Messung des Polarisationsantwortsignals umfasst in manchen Ausführungen vorliegender Erfindung einen Vorverstärker um auch schwache Antwortsignale noch zuverlässig erfassen zu können. Dieser ist bevorzugt ein Operationsverstärker, der mit invertiertem Eingang an die Messpulsantenne angeschlossen ist.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann an einem Roboterarm angebracht sein, der sie zur Messung des Füllinhalts von unten über die in ihren Trägerplatten eingesetzten und unten überstehenden Behältnisse fährt.
In einer Ausführung schlägt vorliegende Erfindung vor, mehrere erfindungsgemäße Vorrichtungen einzusetzen, um gleichzeitig zwei oder mehr Behältnisse zu vermessen. Hierzu sind die erfindungsgemäßen Vorrichtungen, bzw. zumindest die Abschirmungen mit innenliegender Ringantenne, in einem mit dem Abstand der Ausnehmungen in den Trägerplatten komensurablen Abstand angeordnet. Im Extremfall können genauso viele Vorrichtungen wie Ausnehmungen in der Trägerplatte vorhanden sein, wodurch für alle eingesetzten Behältnisse gleichzeitig der Füllinhalt gemessen werden kann.
Die Reaktionszeit der aktiven Abschirmung, also der Zeitversatz zwischen gemessenem Störsignalpegel und Kompensationssignal, liegt bevorzugt im Bereich des zeitlichen Auflösungsvermögens des Strommessgeräts. Insbesondere sollte die Reaktionszeit weniger als 100 Mikrosekunden, besonders bevorzugt bei weniger als 50 Mikrosekunden sein.
Die eingesetzten Messvorrichtungen können einen Vorverstärker in Form eines Operationsverstärkers umfassen, welcher bevorzugt mit invertiertem Eingang betrieben wird.
Das vom Kompensationssignalgenerator erzeugte Ausgleichssignal weist bevorzugt einen Bias, d.h. eine feste Vorspannung auf.
Hierdurch wird erreicht, dass sich die Spannungen ausschließlich in einem Bereich oberhalb oder unterhalb der Nulllinie bewegen.
Für das vom Messpulsgenerator erzeugte Polarisierungssignal kommen unterschiedliche Pulsformen in Frage. Zum einen ein lorentz-, gauss- oder heavysideförmiger Spannungspuls mit einer zeitlichen Ausdehnung die größer ist als die zeitliche Auflösung des zur Erfassung des Antwortsignals verwendeten Strommessgeräts, insbesondere ein Puls mit einer Dauer im Bereich von 100 Mikrosekunden bis 1 Millisekunde. Des Weiteren kann auch eine Wechselspannung konstanter Frequenz für eine gewisse Zeitdauer die groß ist gegenüber der zeitlichen Auflösung des Strommessgeräts, insbesondere etwa 10 bis 1000 Millisekunden.
Die Frequenz der Wechselspannung sollte dabei so gewählt werden, dass die Pulsdauer zumindest einige Perioden umfasst, insbesondre im Bereich von 1 bis 100 kHz, besonders bevorzugt 40 bis 50 kHz.
Weitere Eigenschaften, Merkmale und Vorteile vorliegender Erfindung ergeben sich aus der im Folgenden anhand der Figuren näher erläuterten, beispielhaften Ausführungen. Diese sollen vorliegende Erfindung nur illustrieren und in keiner Weise einschränken.
Es zeigen:

1: Eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung in aufgeschnittener perspektivischer Ansicht
2: Das elektrische Schaltbild der Ausführungsform aus 1
3: Eine erfindungsgemäße Anordnung im Längsschnitt beim Einsatz zur gleichzeitigen Vermessung mehrerer Spritzen
4: Einen schematischen Längsschnitt durch eine zweite bevorzugte Ausführungsform vorliegender Erfindung für die Verwendung mit Phiolen- oder Ampullennestern

In 1 ist in teilweise aufgeschnittener perspektivischer Darstellung eine erfindungsgemäße Messvorrichtung gezeigt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung besteht in dieser Ausführungsform aus den drei Teilen Abschirmung 2, Ringantenne 30 und dem Gehäuse 4, welches die Elektronik beherbergt. Abschirmung 2 umfasst die zylindrische auch als Abschirmantenne dienende Abschirmfolie 29 welche durch die Stützstruktur 28 mechanisch stabilisiert wird. Die obere Stirnseite von sowohl der Stützstruktur 28 als auch der Abschirmfolie 29 ist offen und bildet die kreisförmige Öffnung, durch welche das zu messende Behältnis 100 in den Innenraum der Abschirmung 2 geschoben werden kann. Der Innenraum stellt auch gleichzeitig den Messbereich 20 dar. Im oberen Bereich des Innenraums 20 der Abschirmung 2 ist die Ringantenne 30 derart angeordnet, das ihre Flächennormale auf der Zylinderachse der Abschirmung 2 liegt. Die Ringantenne 30 ist mit der Messelektronik 3 im Gehäuse 4 schaltungstechnisch verbunden. Messelektronik 3 umfasst Messpulsgenerator 32 und zweite Spannungsmessvorrichtung 31. Bei Messpulsgenerator 32 handelt es sich um einen Signalgenerator, der den zur Polarisierung des Flüssigkeitsinhalts des zu messenden Behältnisses 100 dient.
Die zur aktiven Abschirmung benötigte Elektronik ist ebenfalls im Gehäuse 4 untergebracht und umfasst die erste Spannungsmessvorrichtung 21 und den Kompensationssignalgenerator 22.
Das Gehäuse 4 weist einen Querschnitt in Form eines regelmäßigen Hexagons auf, was den Vorteil mit sich bringt, dass bei der Verbindung mehrerer erfindungsgemäßer Vorrichtungen zu einer erfindungsgemäßen Anordnung ein regelmäßiges Sechseckgitter erzeugbar ist. Dies entspricht dem Muster, in dem üblicherweise die Aufnahmen in Trägerplatten für Spritzen, auch Nester genannt, angeordnet sind.
2 zeigt das Schaltbild der bei der Ausführung aus 1 zum Einsatz kommenden elektronischen Komponenten.
An die zur Einkopplung des Messsignals in die Probe dienenden Ringantenne 30 sind zum einen das zweite Spannungsmessgerät 31 und zum anderen der Messpulsgenerator 32 angeschlossen. Der Messpulsgenerator 32 erzeugt das zur Polarisierung der Flüssigkeit im zu messenden Behältnis dienende Signal in Form eines Spannungspulses welcher beispielsweise Gauß-, Lorentz- oder Heavyside- (stufen)-förmig sein oder auch die Form eines für eine gewisse Zeitdauer ausgestrahlten Wechselspannungssignals mit fester Frequenz annehmen kann. Das von der polarisierbaren Flüssigkeit im zu messenden Behältnis erzeugte Polarisierungs-Antwortsignal wird mittels der gleichen Ringantenne 30 aufgenommen und an das ebenfalls an der Ringantenne 30 angeschlossene Spannungsmessgerät 31, bestehend aus Vorverstärker 311 und Voltmeter 312 ausgewertet.
Die aktive Abschirmung dient der möglichst weitgehenden Elimination von durch die Öffnung 20 der Abschirmung in deren Innenraum eindringender bzw. die nicht im Inneren der Abschirmung befindlichen Teile der Flüssigkeitssäule beeinflussender äußerer Störfelder während des oben beschriebenen Messvorgangs. Sie umfasst die auch als Antenne fungierende Abschirmfolie 29, Spannungssensor 21 und Kompensationssignalgenerator 22, wobei letztere über eine Rückkopplung 27 miteinander verbunden sind. Der Spannungssensor 21 erfasst den derzeitigen auf der Abschirmfolie 29 anliegenden Störsignalpegel gegenüber einem Referenzniveau, etwa der Erde. Über die Rückkopplung 27 wird das gemessene Signal an Ausgleichssignalgenerator 22 weitergegen, der daraufhin ein entgegen gerichtetes zeitlich verändertes Signal erzeugt und, bevorzugt mit einer gewissen Vorspannung, auf die Abschirmantenne 29 leitet, um das Störsignal zu kompensieren und den Innenraum und die Flüssigkeit im zu messenden Behältnis von Störsignalen freizuhalten.
3 stellt eine erfindungsgemäße Anordnung im Einsatz bei der gleichzeitigen Füllmengenbestimmung mehrerer Behältnisse, hier Spritzen, dar.
Wie gezeigt sind zwei Vorrichtungen 1, 1' mit ihren jeweiligen Gehäusen 4, 4' miteinander in einem solchen Abstand verbunden, dass ihr Abstand dem zweier zu messender Flüssigkeitsbehältnisse, hier Spritzen 100, eingesetzt in Trägerplatte 101 entspricht. Hierzu ist zwischen den Gehäusen 4, 4' ein Abstandshalter 5 eingebracht. Die so geschaffene Anordnung ist an einem, nur schematisch dargestellten, mehrachsigen Roboterarm 6 montiert, der sie verfahren und in einer oder mehr Achsen verschwenken kann um sie, wie dargestellt, über die unten aus ihrer Trägerplatte 101 hervorragenden Spritzen 100 zu schieben. Auch dank der aktiven Abschirmung kann dann eine Messung des Flüssigkeitsinhalts bei zwei Spritzen 100 gleichzeitig erfolgen, ohne dass sich die Messungen gegenseitig stören.
Da es die baulichen Gegebenheiten bei Phiolen oder Ampullennestern es nicht gestatten, die im Nest gehaltenen Behältnisse (also Phiolen bzw. Ampullen, in das Innere einer hohlzylindrischen Abschirmung gemäß der Ausführungsform aus 1 einzubringen, schlägt vorliegende Erfindung für solche Nester eine andere Gestaltung vor, welche in 4 in einem schematischen Schnitt dargestellt ist.
Die aktive Abschirmung 2 umfasst in dieser Ausführungsform die flächige oder stabförmige Abschirmantenne 29b sowie die daran angeschlossene (nicht dargestellte) Kompensationselektronik. Die zu messende polarisierbare Flüssigkeit im Behältnis 100 befindet sich vollständig innerhalb von Messbereich 20, in dem das von Abschirmantenne 29b erzeugte Kompensationsfeld (gestrichelt angedeutet) äußere zeitabhängige Störfelder ausreichend zu unterdrücken vermag. Die Größe dieses Bereichs entspricht in etwa der Länge bzw. Länge und Breite der Abschirmantenne 29b, weswegen diese größer gewählt ist als die Breite bzw. der Durchmesser des Behältnisses 100. Die ebenfalls flächige oder stabförmige Messpulsantenne 30b, an welche die (ebenfalls nicht dargestellte) Messelektronik angeschlossen ist, ist parallel zur Abschirmantenne 29b ausgerichtet zwischen dieser und Behältnis 100 angeordnet. Die Messpulsantenne 30b sollte hierbei zur Erhöhung der Signalstärke möglichst nahe an das Behältnis 100 herangebracht werden. Damit die Messpulsantenne 30b vollständig im Messbereich liegt, ist sie kleiner dimensioniert als die Abschirmantenne 29b.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung
2: (aktive) Abschirmung
20: Messbereich
21: erste Spannungsmessvorrichtung
22: Wechselspannungsgenerator
28: Stützstruktur
29: Abschirmfolie, hohlzylindrische Abschirmantenne
29b: flächige oder stabförmige Abschirmantenne
30: ringförmige Messpulsantenne
30b: stabförmige oder flächige Messpulsantenne
31: zweite Spannungsmessvorrichtung
311: Verstärker
312: Voltmeter
32: Messpulsgenerator
4: Gehäuse
5: Abstandshalter
6: Roboterarm
100: Behältnis, Spritze
101: Trägerplatte

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102004035061 A1 [0008]
DE 102004025061 A1 [0008]

Claims

Vorrichtung zur Messung einer Masse einer polarisierbaren Flüssigkeit in einem Behältnisses (100) umfassend - eine einen Messbereich (20) definierende Abschirmantenne (29, 29b) einer aktiven Abschirmung (2), wobei die Abschirmantenne (29, 29b) an eine erste Messvorrichtung (21) und einem Kompensationssignalgenerator (22) angeschlossen ist, - eine Messpulsantenne (30, 30b), welche an eine zweite Messvorrichtung (31) und einen Messpulsgenerator (32) angeschlossen und innerhalb des Messbereichs (20) angeordnet ist, und wobei die Vorrichtung dazu vorbereitet ist - mittels der ersten Messvorrichtung (21) einen zeitveränderlichen Spannungswert eines externen Störsignals zu messen und mittels des Kompensationssignalgenerators (22) ein dieses Störsignal ausgleichendes Ausgleichssignal zu erzeugen und auf die Abschirmantenne (29, 29b) zu leiten und so eine weitgehende Störfeldfreiheit des Messbereichs (20) zu erreichen, und - mittels des Messpulsgenerators (32) ein Polarisierungssignal zu erzeugen und über die Messpulsantenne (30, 30b) den Flüssigkeitsinhalt des Behältnisses (100) zu polarisieren und mittels der zweiten Messvorrichtung (31) ein Antwortsignal zu messen und aus diesem Antwortsignal die Masse der Flüssigkeit abzuleiten.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass - die Abschirmantenne (2) eine hohlzylindrische Antenne (29) ist, insbesondere aus einer dünnen leitfähigen Folie, welche an einem Ende, insbesondere einem oberen Ende, offen ist um die zumindest teilweise Einführung des Behältnisses (100) in einen Innenraum der hohlzylindrischen Antenne (29) zu erlauben, und - die Messpulsantenne eine Ringantenne (30) ist, welche derart angeordnet ist, dass ein zumindest teilweise in den Innenraum der Abschirmung eingeführtes Behältnis (100) die Ringantenne (30) durchgreift.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die hohlzylindrische Abschirmantenne (29) von innen durch eine Stützstruktur (28), insbesondere eine nichtleitende und nichtmagnetische Stützstruktur in Form eines Zylinder oder Zylinderskelett aus Kunststoff, stabilisiert wird.
Vorrichtung nach einem der Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützstruktur (28) mit Abschirmantenne (29) und Ringantenne (30) auf einem Gehäuse (4), insbesondere in etwa quaderförmigen Gehäuse oder einem Gehäuse mit drei- oder sechseckigem Querschnitt, montiert ist, in welchem die Mess- und Abschirmelektronik, also erster Messvorrichtung (21), Kompensationssignalgenerator (22), zweiter Messvorrichtung (31) und Messpulsgenerator (32), untergebracht sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmantenne (29b) und die Messpulsantenne (30b) flächig oder stabförmig und parallel zueinander ausgereichtet in einem im Vergleich zu einer Länge der Abschirmantenne (29b) kleinen Abstand nebeneinander angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Messvorrichtung (31) ein über einen Vorverstärker (311) angeschlossenes Voltmeter (312) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorverstärker ein mit invertiertem Eingang betriebener Operationsverstärker ist.
Anordnung umfassend mehrere Vorrichtungen gemäß einem der Ansprüche 1-7 zur Messung der Flüssigkeitsmasse mehrerer mit einer polarisierbaren Flüssigkeit gefüllter Behältnisse, welche in Aufnahmen eine Trägerplatte eingesteckt sind, und zumindest teilweise mit einem Flüssigkeit enthaltenden Teil über die Trägerplatte hervorragen, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtungen in einem Abstand und in einer Weise zueinander angeordnet und gemeinsam beweglich gehalten sind, dass zumindest zwei, bevorzugt alle, der Behältnisse gleichzeitig in die Messbereiche zweier, bevorzugt alle, der Vorrichtungen einbringbar sind.
Anordnung gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtungen an einem mehrachsigen Roboterarm (6) befestigt und mittels diesem gemeinsam beweglich sind.
Verfahren zur Bestimmung einer Masse einer polarisierbaren Flüssigkeit gefüllten Behältnisses (100), dadurch gekennzeichnet, dass a) das Behältnis (100) zumindest soweit in einen durch eine Abschirmantenne (29, 29b) definierten Messbereich (20) einer aktiven Abschirmung (2) eingeführt wird, dass sich die Flüssigkeit vollständig oder weitestgehend im Messbereich (20) befindet, b) sodann die Messung der Flüssigkeitsmasse erfolgt indem mittels einer Messpulsantenne (30, 30b) ein von einem an die Messpulsantenne (30, 30b) angeschlossenen Messpulsgenerator (32) erzeugtes Polarisierungssignal auf die Flüssigkeit im Inneren des Behältnisses (100) gegeben und diese hierdurch polarisiert wird, und mittels einer ebenfalls an die Messpulsantenne (30, 30b) angeschlossenen zweiten Messvorrichtung (31) ein Antwortsignal der polarisierten Flüssigkeit gemessen und hieraus die Flüssigkeitsmasseabgeleitet wird, c) wobei während der Messung mittels einer an die Abschirmantenne (29, 29b) angeschlossenen ersten Messvorrichtung(21) ein zeitveränderliches äußeres Störsignal gemessen und anhand des gemessenen Störsignals mittels eines Wechselspannungsgenerators (22) ein dieses Störsignal kompensierendes Ausgleichssignal erzeugt und zur Sicherstellung einer Störfeldfreiheit des Messbereichs (20) auf die Abschirmantenne (29, 29b) geleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch eine Reaktionszeit der aktiven Abschirmung von weniger als 1 Millisekunde, bevorzugt weniger als 100 Mikrosekunden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10-11, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Messvorrichtung(31) über einen Operationsverstärker (311) als Vorverstärker an die Messpulsantenne (30, 30b) angeschlossen wird und insbesondere ein Voltmeter (312) umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10-12, dadurch gekennzeichnet, dass das vom Messpulsgenerator (32) erzeugtes Polarisierungssignal - ein Spannungspuls, insbesondere ein Gleichspannungspuls oder ein Wechselspannungspuls mit Gaußscher Einhüllenden, oder - eine Wechselspannung konstanter Amplitude und Frequenz ist, und/oder - eine Frequenz zwischen 10 und 100 kHz, bevorzugt 40 bis 50 kHz aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10-13, dadurch gekennzeichnet, dass das vom Kompensationssignalgenerator (22) erzeugte Ausgleichssignal eine Vorspannung, insbesondere in der Größenordnung von 0,1 - 10 Volt, aufweist.