DE102020205073A1

DE102020205073A1 - Dosiereinrichtung und Verfahren zum Dosieren einer Flüssigkeit

Info

Publication number: DE102020205073A1
Application number: DE102020205073.2A
Authority: DE
Inventors: Martin Bochterle; Bengt Erich Wunderlich; Matthew Petersen
Original assignee: Festo SE and Co KG
Current assignee: Festo SE and Co KG
Priority date: 2019-04-26
Filing date: 2020-04-22
Publication date: 2020-10-29
Also published as: US20220228897A1; CN112174080B; US11320295B2; CN112174080A; US20200340843A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Dosiereinrichtung zur Dosierung von Flüssigkeiten, mit einer Fluideinheit (3) zur wahlweisen Bereitstellung eines Überdrucks und eines Unterdrucks auf ein Arbeitsgas, das in einem Fluidkanal (4) aufgenommen ist, der an einem ersten Endbereich (25) mit der Fluideinheit (3) verbunden ist und der einen zur Aufnahme und Abgabe eines vorgebbaren Flüssigkeitsvolumens ausgebildeten zweiten Endbereich (26) umfasst, mit einer ersten Ventileinrichtung (21) und mit einer zweiten Ventileinrichtung (22), die längs des Fluidkanals (4) beabstandet zueinander angeordnet sind und jeweils für eine wahlweise Blockierung oder Freigabe des Fluidkanals (4) ausgebildet sind, um im Fluidkanal (4) einen von den beiden Ventileinrichtungen (21, 22) begrenzten, zur Speicherung von Arbeitsgas vorgesehenen Fluidspeicher (27) auszubilden, mit einer Steuereinrichtung (5) zur Ansteuerung der Ventileinrichtungen (21, 22), wobei dem Fluidspeicher (27) ein Drucksensor (45) zugeordnet ist, der zur Bereitstellung eines Drucksignals in Abhängigkeit von einem Arbeitsgasdruck ausgebildet und elektrisch mit der Steuereinrichtung (5) verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Dosiereinrichtung zur Dosierung von Flüssigkeiten. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Dosieren einer Flüssigkeit.
Aus der US 7,303,728 B2 ist eine Flüssigkeitsabgabevorrichtung bekannt, die ein Abgabeelement mit einer Leitung umfasst, durch die eine Transportflüssigkeit gefördert werden kann, wobei an einem Ende der Leitung ein Ventil angeordnet ist und wobei an einem anderen Ende der Leitung eine Ausgabennadel angeordnet ist, wobei Messmittel zum Messen einer Strömungsrate der Transportflüssigkeit in der Leitung sowie Fördermittel zum Bewegen der Transportflüssigkeit durch die Leitung in die eine oder die andere Richtung vorgesehen sind. Ferner sind Steuermittel vorgesehen, die zur Verarbeitung von Messsignalen der Messmittel und zur Ansteuerung des Ventils und der Fördermittel ausgebildet sind, um eine bestimmte Flüssigkeitsmenge zu bewegen, so dass eine vorgebbare Menge einer abzugebenden Flüssigkeit in die Ausgabenadel eingesaugt und anschließend wieder ausgegeben werden kann.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Dosiereinrichtung sowie ein Verfahren zum Dosieren einer Flüssigkeit anzugeben, mit denen eine präzisere Flüssigkeitsdosierung durchgeführt werden kann.
Diese Aufgabe wird gemäß einem ersten Erfindungsaspekt für eine Dosiereinrichtung der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Hierbei umfasst die Dosiereinrichtung eine Fluideinheit, die zur wahlweisen Bereitstellung eines Überdrucks und eines Unterdrucks auf ein Arbeitsgas ausgebildet ist, wobei das Arbeitsgas in einem Fluidkanal aufgenommen ist, der an einem ersten Endbereich mit der Fluideinheit verbunden ist und der einen zur Aufnahme und Abgabe eines vorgebbaren Flüssigkeitsvolumens ausgebildeten zweiten Endbereich umfasst, sowie eine erste Ventileinrichtung und eine zweite Ventileinrichtung, die längs des Fluidkanals beabstandet zueinander angeordnet sind und jeweils für eine wahlweise Blockierung oder Freigabe des Fluidkanals ausgebildet sind, um im Fluidkanal einen von den beiden Ventileinrichtungen begrenzten, zur Speicherung von Arbeitsgas vorgesehenen Fluidspeicher auszubilden, und eine Steuereinrichtung zur Ansteuerung der ersten Ventileinrichtung und der zweiten Ventileinrichtung, wobei dem Fluidspeicher ein Drucksensor zugeordnet ist, der zur Bereitstellung eines Drucksignals in Abhängigkeit von einem Arbeitsgasdruck ausgebildet ist und der elektrisch mit der Steuereinrichtung verbunden ist.
Die Fluideinheit ist sowohl für eine Bereitstellung eines Überdrucks auf das Arbeitsgas als auch für eine Bereitstellung eines Unterdrucks auf das Arbeitsgas ausgebildet. Beispielhaft kann ein Druck im Fluidspeicher mit Hilfe der Fluideinheit in einem Intervall zwischen 0,5 bar und 1,5 bar eingestellt werden. Unter der Annahme, dass die Dosiereinrichtung in einer Umgebung betrieben wird, in der ein Umgebungsdruck von 1 bar vorliegt, kann bei einer Beaufschlagung des Arbeitsgases mit einem Druck, der weniger als 1 bar beträgt, sowie einer fluidisch kommunizierenden Verbindung zwischen dem Fluidspeicher und dem zweiten Endbereich des Fluidkanals ein Ansaugvorgang für Flüssigkeit durchgeführt werden, die zeitweilig in den zweiten Endbereich des Fluidkanals aufgenommen werden soll. Mit einer Beaufschlagung des Arbeitsgases mit einem Druck, der größer als 1 bar ist, kann bei Vorliegen einer fluidisch kommunizierenden Verbindung zwischen dem Fluidspeicher und dem zweiten Endbereich des Fluidkanals eine Ausgabe oder Dosierung des im zweiten Endbereich des Fluidkanals aufgenommenen Flüssigkeitsvolumens durchgeführt werden.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Fluidspeicher ein exakt definiertes Volumen aufweist. Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass auch ein Volumen des Kanalabschnitts des Fluidkanals, der sich an die zweite Ventileinrichtung anschließt und bis zum zweiten Endbereich des Fluidkanals erstreckt, ebenfalls exakt definiert ist. In diesem Fall stellt sich nach einer vorausgegangenen Einstellung eines vorgegebenen Drucks im Fluidspeicher, die bei geschlossener zweiter Ventileinrichtung vorgenommen wird und bei dem es sich um einen Unterdruck oder einen Überdruck gegenüber einem Umgebungsdruck handeln kann, nach Schließen der ersten Ventileinrichtung und Öffnen der zweiten Ventileinrichtung ein exakt vorhersehbarer Druck in dem Gesamtvolumen, das durch den Fluidspeicher und den bis zum zweiten Endbereich erstreckten Kanalabschnitt gebildet wird, ein.
Sofern zusätzlich davon ausgegangen wird, dass der zweite Endbereich des Fluidkanals in definierter Weise in eine zu dosierende Flüssigkeit eingetaucht ist und dass das Arbeitsgas mit einem Unterdruck beaufschlagt wird, erfolgt nach dem Schließen der ersten Ventileinrichtung und dem Öffnen der zweiten Ventileinrichtung ein Ansaugvorgang für die Flüssigkeit in den zweiten Endbereich bis zum Erreichen eines Kräftegleichgewichts zwischen dem Arbeitsgas und dem eingesaugten Flüssigkeitsvolumen ein. Hierbei kann in Abhängigkeit vom Differenzdruck zwischen dem Fluidspeicher und dem an die zweite Ventileinrichtung angrenzenden, bis zum zweiten Endbereich erstreckten Fluidkanal eine exakte Vorhersage zu dem sich einstellenden Druck für das Arbeitsgas sowie zu der eingesaugten Flüssigkeitsmenge getroffen werden.
In gleicher Weise gilt dies auch für den Fall, dass der Fluidspeicher zunächst mit einem Überdruck gegenüber dem Umgebungsdruck beaufschlagt wird und nach Schließen der ersten Ventileinrichtung und Öffnen der zweiten Ventileinrichtung sowie dem damit verbundenen Druckausgleich zwischen dem Fluidspeicher und dem an die zweite Ventileinrichtung angrenzenden, bis zum zweiten Endbereich erstreckten Fluidkanal eine Ausgabe einer im zweiten Endbereich aufgenommenen Flüssigkeitsmenge erfolgt, wobei die Flüssigkeitsmenge wahlweise nur zum Teil oder vollständig ausgegeben werden kann.
Der Drucksensor wird dazu eingesetzt, eine Bestimmung eines Druckniveaus für das Arbeitsgas im Fluidspeicher durchzuführen und ein elektrisches Drucksignal, bei dem es sich entweder um ein Analogsignal oder um ein Digitalsignal handeln kann, an die Steuereinrichtung bereitzustellen. Die Steuereinrichtung, die als Analogschaltung ausgebildet sein kann oder die als Digitalschaltung, insbesondere mit einem Mikroprozessor oder Mikrocontroller sowie mit einer darauf lauffähigen Software ausgebildet sein kann, ist dazu eingerichtet, das vom Drucksensor bereitgestellte Drucksignal mit einem von der Steuereinrichtung bereitgestellten, insbesondere berechneten, oder in der Steuereinrichtung abgelegten, insbesondere gespeicherten, Schwellwert zu vergleichen. Bevorzugt ist die Steuereinrichtung dazu ausgebildet, in Abhängigkeit von einem Ergebnis dieses Vergleichs geeignete Maßnahmen zu treffen, mit denen sichergestellt werden soll, dass ein zum Schwellwert korrespondierender Druck im Fluidspeicher vorliegt.
Beispielhaft kann vorgesehen werden, dass die Steuereinrichtung für eine Ansteuerung der Fluideinheit ausgebildet ist und eine Aktivierung oder Deaktivierung der Fluideinheit in Abhängigkeit vom Druck im Fluidspeicher vornimmt. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Steuereinrichtung für eine druckabhängige Regelung der Fluideinheit unter Einbeziehung des Drucksignals des Drucksensors eingesetzt wird, um bei geöffneter erster Ventileinrichtung eine Einstellung eines vorgebbaren Drucks im Fluidspeicher zu ermöglichen.
Ferner kann die Steuereinrichtung dazu eingesetzt werden, ein Öffnen und Schließen der ersten Ventileinrichtung und der zweiten Ventileinrichtung zu bewirken. Hierbei ist die Steuereinrichtung insbesondere für eine unabhängige Ansteuerung der ersten Ventileinrichtung und der zweiten Ventileinrichtung ausgebildet.
Beispielhaft ist vorgesehen, die erste Ventileinrichtung, insbesondere ausschließlich, zeitgesteuert zu betreiben. Bei einer derartigen Betriebsweise für die Dosiereinrichtung ist eine druckabhängige Regelung der Fluideinheit durch die Steuereinrichtung vorgesehen, wobei die Steuereinrichtung eine Ansteuerung der Fluideinheit derart vornimmt, dass diese während einer vorgegebenen Öffnungsdauer für die erste Ventileinrichtung ein angestrebtes Druckniveau für das Arbeitsgas im Fluidspeicher einstellt und bis zum Schließen der ersten Ventileinrichtung hält. Anschließend kann beispielsweise vorgesehen sein, eine zeitgesteuerte oder in Abhängigkeit vom Drucksignal des Drucksensors druckgeregelte Ansteuerung der zweiten Ventileinrichtung vorzunehmen, um in Abhängigkeit von einer zeitlich vorausgegangenen Unterdruckbeaufschlagung oder Druckbeaufschlagung des Fluidspeichers eine vorgebbare Flüssigkeitsmenge in den zweiten Endbereich des Fluidkanals einzusaugen oder aus dem zweiten Endbereich des Fluidkanals auszugeben.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Zweckmäßig ist es, wenn der Fluidspeicher einen größeren Querschnitt und/oder ein größeres Volumen als der Fluidkanal vor der ersten Ventileinrichtung und/oder als der Fluidkanal nach der zweiten Ventileinrichtung aufweist. Eine derartige Gestaltung des Fluidspeichers sowie der jeweiligen Abschnitte des Fluidkanals ist insbesondere dann von Interesse, wenn der Fluidspeicher und die jeweiligen Abschnitte des Fluidkanals abseits des Fluidspeichers als kreiszylindrische Bohrungen ausgebildet sind. Hierbei kann vorgesehen sein, dass ein Durchmesser des Fluidspeichers größer als ein Durchmesser desjenigen Abschnitts des Fluidkanals ist, der sich zwischen der ersten Ventileinrichtung und dem ersten Endbereich erstreckt und dass ein Durchmesser des Fluidspeichers größer als ein Durchmesser desjenigen Abschnitts des Fluidkanals ist, der sich zwischen der zweiten Ventileinrichtung und dem zweiten Endbereich erstreckt. Hierdurch kann insbesondere eine kompakte Bauweise für die Dosiereinrichtung verwirklicht werden.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass zwischen der zweiten Ventileinrichtung und dem zweiten Endbereich eine Fluiddrossel mit einem definiertem Fluidströmungswiderstand für das Arbeitsgas angeordnet ist, wobei der Fluidströmungswiderstand der Fluiddrossel bezogen auf einen Strömungswiderstand eines an die Fluiddrossel angrenzenden Abschnitts des Fluidkanals in einem Intervall zwischen 10.000 und 10.000.000 liegt. Die Aufgabe der Fluiddrossel besteht darin, einen zumindest weitestgehend von Druckimpulsen freien Druckausgleich zwischen dem Fluidspeicher und demjenigen Abschnitt des Fluidkanals, der sich zwischen der zweiten Ventileinrichtung und dem zweiten Endabschnitt erstreckt, zu gewährleisten. Ein Druckimpuls könnte insbesondere zu einem Zeitpunkt auftreten, zu dem eine große Druckdifferenz zwischen dem Fluidspeicher und dem Fluidkanal besteht und die zweite Ventileinrichtung geöffnet wird. Vorzugsweise ist die zweite Ventileinrichtung als Schaltventil ausgebildet, dessen Schaltzeit in einem Bereich von bis zu 10 Millisekunden liegen kann und dessen Ventilquerschnitt insbesondere derart bemessen ist, dass in der Ventileinrichtung nur geringe Drosselverluste auftreten. In diesem Fall liegt bei einem Öffnungsvorgang für die zweite Ventileinrichtung nach wenigen Millisekunden die volle Druckdifferenz zwischen Fluidspeicher und Fluidkanal vor, die ohne die Drosselwirkung der Fluiddrossel zu einem unerwünschten Druckimpuls auf das Arbeitsgas und auf die anzusaugende Flüssigkeit und dadurch gegebenenfalls zu Dosierfehlern führen würde. Vorzugweise ist vorgesehen, dass ein Strömungswiderstand für eine Durchströmung der Fluiddrossel mit dem Arbeitsgas größer als ein Strömungswiderstand für eine Durchströmung des an die zweite Ventileinrichtung angrenzenden Fluidkanals ist. Hierdurch wird eine Zeitspanne für den Druckausgleich zwischen dem Fluidspeicher und dem Fluidkanal verlängert und eine Wahrscheinlichkeit für ein Auftreten eines Druckimpulses reduziert, womit eine Genauigkeit des Dosierungsvorgangs, insbesondere im Hinblick auf ein Volumen einer in den zweiten Endbereich des Fluidkanals einzusaugenden bzw. aus dem zweiten Endbereich des Fluidkanals abzugebenden Flüssigkeitsmenge gesteigert werden kann.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung für eine druckabhängige Ansteuerung der ersten Ventileinrichtung und der zweiten Ventileinrichtung ausgebildet ist. Bei einer derartigen Vorgehensweise kann die Fluideinheit in gesteuerter Betriebsweise, beispielsweise zur wahlweisen Bereitstellung eines Unterdrucks und eines Überducks auf das Arbeitsgas, betrieben werden. Eine Einflussnahme auf den Druck des Arbeitsgases im Fluidspeicher erfolgt über eine von der Steuereinrichtung in Abhängigkeit vom Drucksignal des Drucksensors beeinflusste Öffnungsdauer der ersten Ventileinrichtung. Exemplarisch ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung für eine Bereitstellung eines vorgebbaren Druckniveaus im Fluidspeicher zunächst eine Ansteuerung der Fluideinheit vornimmt, um wahlweise eine Bereitstellung eines Unterdrucks oder eines Überdrucks auf das Arbeitsgas im Fluidkanal zwischen Fluideinheit und erster Ventileinrichtung zu erzielen. Anschließend erfolgt eine Ansteuerung der ersten Ventileinrichtung, um ein Öffnen der ersten Ventileinrichtung zu bewirken und damit eine fluidisch kommunizierende Verbindung zwischen der Fluideinheit und dem Fluidspeicher herzustellen, wobei zu diesem Zeitpunkt die zweite Ventileinrichtung geschlossen ist. Die erste Ventileinrichtung wird von der Steuereinrichtung so lange, insbesondere durch Bereitstellung eines geeigneten Ansteuersignals, in einem Öffnungszustand gehalten, bis anhand des vom Druck im Fluidspeicher abhängigen Drucksignals des Drucksensors, das an die Steuereinrichtung bereitgestellt wird, ermittelt werden kann, dass der Druck im Fluidspeicher einem vorgegebenen Druckwert entspricht. Zu diesem Zeitpunkt erfolgt eine geeignete Ansteuerung oder Ansteuerungsänderung für die erste Ventileinrichtung, um die fluidisch kommunizierende Verbindung zwischen der Fluideinheit und dem Fluidspeicher zu unterbrechen. Ferner kann zu diesem Zeitpunkt oder nach diesem Zeitpunkt vorgesehen werden, die Fluideinheit abzuschalten. Anschließend kann die Steuereinrichtung ein geeignetes Ansteuersignal an die zweite Ventileinrichtung bereitstellen, um eine fluidisch kommunizierende Verbindung zwischen dem Fluidspeicher und dem sich am die zweite Ventileinrichtung anschließenden Abschnitt des Fluidkanals, der sich bis zum zweiten Endbereich erstreckt und der gegebenenfalls die Fluiddrossel umfasst, zu gewährleisten. Während der hierdurch bewirkten Öffnungsphase der zweiten Ventileinrichtung kann vorgesehen werden, dass die Steuereinrichtung eine Veränderung des Drucks im Fluidspeicher überwacht und bei Erreichen eines vorgebbaren Druckwerts eine geeignete Ansteuerung oder Ansteuerungsänderung für die zweite Ventileinrichtung vornimmt, um die fluidisch kommunizierende Verbindung zwischen dem Fluidspeicher und dem zweiten Endbereich des Fluidkanals zu unterbrechen. In Abhängigkeit von dem Druck des im Fluidspeicher gespeicherten Arbeitsgases kann während der Öffnungsphase der zweiten Ventileinrichtung entweder eine Ansaugung von Flüssigkeiten in den zweiten Endbereich des Fluidkanals oder ein Ausgeben von im zweiten Endbereich des Fluidkanals aufgenommener Flüssigkeit vorgenommen werden. Entscheidend ist in jedem Fall, dass aufgrund des bekannten Volumens des Fluidspeichers und des bekannten Volumens des sich an die zweite Ventileinrichtung anschließenden, bis zum zweiten Endbereich erstreckten Abschnitts des Fluidkanals eine exakte Bestimmung der im zweiten Endbereich aufgenommenen bzw. aus dem zweiten Endbereich abgegebenen Flüssigkeitsmenge ermöglicht wird.
Exemplarisch ist vorgesehen, dass ein Druck-Schwellwert und/oder eine Zeitdauer für die Öffnungsphase der zweiten Ventileinrichtung derart bemessen werden, dass kein vollständiger Druckausgleich zwischen dem Fluidspeicher und dem zweiten Endbereich des Fluidkanals stattfindet. Vielmehr ist es vorteilhaft, wenn während der Öffnungsphase der zweiten Ventileinrichtung lediglich ein teilweiser Druckausgleich zwischen dem Fluidspeicher und dem sich an die zweite Ventileinrichtung anschließenden, bis zum zweiten Endbereich erstreckten Abschnitt des Fluidkanals stattfindet, da hierdurch eine Erfassung des Drucksignals des Drucksensors durch die Steuereinrichtung erleichtert wird. Dies ist darauf zurückzuführen, dass in einer ersten Phase des Druckausgleichs zwischen dem Fluidspeicher und dem sich an die zweite Ventileinrichtung anschließenden Abschnitt des Fluidkanals eine große Druckänderung im Fluidspeicher auftritt, die zu einer großen Veränderung des Drucksignals des Drucksensors führt und daher auch in der Steuereinrichtung mit einer hohen Genauigkeit ausgewertet werden kann. Vor diesem Hintergrund ist es vorteilhaft, wenn ein vom Fluidspeicher begrenztes Volumen größer als ein Maximaldosiervolumen ist, das demjenigen Flüssigkeitsvolumen entspricht, das von der Dosiereinrichtung maximal ausgegeben werden können muss.
Vorteilhaft ist es, wenn ein vom Fluidspeicher begrenztes Volumen dem 1,5-fachen bis 25-fachen eines Maximaldosiervolumens entspricht. Der Dosiervorgang beruht darauf, dass das kompressible Arbeitsgas vor der Bereitstellung der fluidisch kommunizierenden Verbindung zwischen dem Fluidspeicher und dem zweiten Endbereich des Arbeitskanals wahlweise auf ein Druckniveau unterhalb eines Umgebungsdrucks oder auf ein Druckniveau oberhalb eines Umgebungsdrucks gebracht wird, um anschließend einen Druckausgleich zwischen dem im Fluidspeicher aufgenommenen, bekannten Volumen des Arbeitsgases mit dem ebenfalls bekannten Volumen des Arbeitsgases, das in dem Abschnitt des Fluidkanals, der sich zwischen der zweiten Ventileinrichtung und dem zweiten Endbereich erstreckt, aufgenommen ist, durchzuführen. Je kleiner das Volumen des Fluidspeichers im Vergleich zum Maximaldosiervolumen ist, desto größer muss der Druckunterschied zwischen dem im Fluidspeicher aufgenommenen Arbeitsgas und dem Umgebungsdruck sein, was zum einen erhöhte Anforderungen an die Fluideinheit stellt und zum anderen die Wahrscheinlichkeit eines unerwünschten Druckimpulses auf die zu dosierende Flüssigkeit vergrößert, jedoch in messtechnischer Hinsicht bezüglich des Drucksignals des Drucksensors von Vorteil ist. Ist das Volumen des Fluidspeichers hingegen mehr als doppelt so groß als das Maximaldosiervolumen, ist eine von der Fluideinheit bereitzustellende Druckdifferenz gegenüber dem Umgebungsdruck gering, auch die Wahrscheinlichkeit eines unerwünschten Druckimpulses auf die zu dosierende Flüssigkeit ist gering, hingegen steigende Anforderungen an die Auswertung des Drucksignals des Drucksensors. Gegebenenfalls kann vorgesehen sein, dass der Fluidspeicher beispielsweise durch einen manuell oder automatisiert verstellbaren Kolben und/oder durch Koppelung mehrerer einzelner Fluidspeicher, die mit geeigneten Ventileinrichtungen voneinander getrennt bzw. miteinander verbunden werden können, hinsichtlich seines Volumens einstellbar ist, um eine vorteilhafte Anpassung an die Erfordernisse der zu dosierenden Flüssigkeit vornehmen zu können.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass ein zweiter Drucksensor zwischen der zweiten Ventileinrichtung und der Fluiddrossel oder zwischen der Fluiddrossel und dem zweiten Endbereich angeschlossen ist, der mit der Steuereinrichtung verbunden ist und dass die Steuereinrichtung für eine Bereitstellung eines Endsignals in Abhängigkeit von einem Drucksignal des zweiten Drucksensors ausgebildet ist. Mit dem zweiten Drucksensor kann ein Druckverlauf ermittelt werden, der sich in dem zwischen der zweiten Ventileinrichtung und dem zweiten Endbereich erstreckten Abschnitt des Fluidkanals nach Schließen der zweiten Ventileinrichtung und damit verbundener Auftrennung der fluidisch kommunizierenden Verbindung zwischen dem Fluidkanal und dem zweiten Endabschnitt einstellt. Beispielhaft kann vorgesehen werden, auf Basis des Drucksignals des zweiten Drucksensors eine Optimierung des Dosiervorgangs dahingehend vorzunehmen, dass der Druckwert, der im Fluidspeicher vor einem Öffnen der zweiten Ventileinrichtung zur Durchführung eines Ansaugvorgangs oder eines Ausgabevorgangs erreicht werden muss, anhand eines in einem zeitlich vorausgegangenen Dosiervorgang ermittelten Druckverlaufs oder anhand eines aktuellen Drucks in diesem Abschnitt des Fluidkanals angepasst werden kann, insbesondere um eine Differenz zwischen dem ermittelten Druckverlauf und einem vorgegebenen und in der Steuereinrichtung gespeicherten Druckverlauf zu minimieren.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch gemäß einem zweiten Erfindungsaspekt durch ein Verfahren mit den folgenden Schritten gelöst: Bereitstellen eines Unterdrucks an einen Fluidspeicher, der in einem Fluidkanal zwischen einer ersten, dem Fluidkanal zugeordneten Ventileinrichtung und einer zweiten, dem Fluidkanal zugeordneten Ventileinrichtung ausgebildet ist, während die erste Ventileinrichtung geöffnet ist und während die zweite Ventileinrichtung geschlossen ist; Ermitteln eines Fluiddrucks im Fluidspeicher mit einem Drucksensor und Bereitstellen eines elektrischen Drucksignals des Drucksensors an eine Steuereinrichtung; Bereitstellen eines Schließsignals an die erste Ventileinrichtung bei Erreichen eines vorgebbaren ersten Fluiddrucks im Fluidspeicher durch die Steuereinrichtung; Bereitstellen eines Öffnungssignals an die zweite Ventileinrichtung nach Erreichen des ersten Fluiddrucks durch die Steuereinrichtung und Überwachung eines Druckanstiegs im Fluidspeicher während eines Öffnungszustands der zweiten Ventileinrichtung und während ein zweiter Endbereichs eines Fluidkanals in eine zu dosierende Flüssigkeit eingetaucht ist; Bereitstellen eines Schließsignals an die zweite Ventileinrichtung bei Erreichen eines vorgebbaren zweiten Fluiddrucks im Fluidspeicher durch die Steuereinrichtung.
Zur Verfahrensdurchführung ist somit vorgesehen, zunächst das im Abschnitt des Fluidkanals zwischen dem ersten Endbereich und der ersten Ventileinrichtung enthaltene Arbeitsgas sowie das im Fluidspeicher enthaltene Arbeitsgas auf ein vorgebbares Druckniveau unterhalb eines Umgebungsdrucks zu bringen. Hierbei wird davon ausgegangen, dass die Fluideinheit lediglich in einem gesteuerten Betrieb zur Bereitstellung eines Unterdrucks betrieben wird und eine Einflussnahme auf den Druck im Fluidspeicher über eine druckabhängige Ansteuerung der ersten Ventileinrichtung in Abhängigkeit vom Drucksignal des Drucksensors erfolgt. Nach dem Schließen der ersten Ventileinrichtung ist im Fluidspeicher ein exakt definiertes Volumen des Arbeitsgases mit einem bekannten Unterdruck eingeschlossen. Anschließend kann in einem nachfolgenden Schritt durch Ansteuerung und Öffnen der zweiten Ventileinrichtung ein Druckausgleich zwischen dem Fluidspeicher und dem zwischen der zweiten Ventileinrichtung und dem zweiten Endbereich erstreckten Abschnitt des Fluidkanals vorgenommen werden, wobei hier in der Praxis eine Unterdruckbeaufschlagung dieses Abschnitts des Fluidkanals stattfindet.
Sofern gewährleistet ist, dass der zweite Endbereich oder eine am zweiten Endbereich angebrachte Pipette zum Zeitpunkt der Unterdruckbeaufschlagung des zweiten Endbereichs des Fluidkanals in eine Flüssigkeit eingetaucht ist, wird im Zuge des Druckausgleichs zwischen diesem Abschnitt des Fluidkanals und dem Fluidspeicher eine Flüssigkeitsmenge in dem zweiten Endbereich bzw. die daran angebrachte Pipette eingesaugt. Das Volumen dieser Flüssigkeitsmenge steht in einer exakt vorhersehbaren Beziehung zu den Volumina des Fluidspeichers und des ausgehend von der zweiten Ventileinrichtung bis zum zweiten Endbereich erstreckten Abschnitts des Fluidkanals sowie einem sich in diesem Volumina nach Öffnen der zweiten Ventileinrichtung für das Arbeitsgas einstellenden Druck. Für eine besonders präzise Aufnahme der gewünschten Flüssigkeitsmenge in die Pipette oder den zweiten Endbereich des Fluidkanals ist vorgesehen, ein Drucksignal des Drucksensors, der dem Fluidspeicher zugeordnet ist, durch die Steuereinrichtung zu überwachen und bei Erreichen eines vorgebbaren Druckwerts die zweite Ventileinrichtung zu schließen.
In der Praxis kann die Situation auftreten, dass die zweite Ventileinrichtung zu einem Zeitpunkt geschlossen wird, zu dem noch kein vollständiger Druckausgleich zwischen den Fluidspeicher und dem zweiten Endbereich des Fluidkanals vorliegt.
Sofern stromauf oder stromab der zweiten Ventileinrichtung eine Fluiddrossel im Fluidkanal angeordnet ist, führt dies dazu, dass in Abhängigkeit von einem Volumen eines zwischen der zweiten Ventileinrichtung und der Fluiddrossel erstreckten Abschnitt des Fluidkanals gegebenenfalls auch nach Schließen der zweiten Ventileinrichtung ein weiterer Druckausgleich zwischen diesem Abschnitt des Fluidkanals und dem stromab der Fluiddrossel angeordneten und bis zum zweiten Endbereich erstreckten Abschnitt des Fluidkanals stattfindet. Hierbei kann eine zeitlich vorauseilende Ansteuerung der zweiten Ventileinrichtung und eine damit einhergehende Auftrennung der fluidisch kommunizierenden Verbindung zwischen dem Fluidspeicher und dem zweiten Endbereich des Fluidkanals für eine Gewährleistung einer exakten Flüssigkeitsaufnahme in den zweiten Endbereich oder die daran angebrachte Pipette erforderlich sein.
In Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass ein Bereitstellen eines Überdrucks an den Fluidspeicher erfolgt, während die erste Ventileinrichtung geöffnet ist und während die zweite Ventileinrichtung geschlossen ist, und dass ein Schließsignal durch die Steuereinrichtung an die erste Ventileinrichtung ausgegeben wird, sobald ein vorgebbarer dritter Fluiddruck im Fluidspeicher erreicht ist und dass dann ein Bereitstellen des Öffnungssignals an die zweite Ventileinrichtung durch die Steuereinrichtung erfolgt und ein Druckabfall im Fluidspeicher während des Öffnungszustands der zweiten Ventileinrichtung sowie eine Bereitstellen eines Schließsignals an die zweite Ventileinrichtung bei Erreichen eines vorgebbaren zweiten Fluiddrucks im Fluidspeicher durch die Steuereinrichtung erfolgt.
Die Verfahrensschritte zur Bereitstellung eines Überdrucks an den Fluidspeicher bei geöffneten erster Ventileinrichtung und geschlossener zweiter Ventileinrichtung sowie zur Bereitstellung des im Fluidspeicher vorherrschenden Überdrucks an den zweiten Endbereich des Fluidkanals nach Schließen der ersten Ventileinrichtung und Öffnen der zweiten Ventileinrichtung dienen zum Ausgeben der im zweiten Endbereich oder einer daran angeschlossenen Pipette aufgenommenen Flüssigkeitsmenge. Hierbei findet eine Überwachung des Drucksignals des vom Drucksensor im Fluidspeicher ermittelten Druckwerts statt und es erfolgt eine Abschaltung der zweiten Ventileinrichtung bei Erreichen eines vorgegebenen Druckwerts. Sofern zwischen der zweiten Ventileinrichtung und dem zweiten Endbereich des Fluidkanals eine Fluiddrossel angeordnet ist, kann in ähnlicher Weise wie bei der vorausgegangenen Unterdruckbeaufschlagung des zweiten Endbereichs des Fluidkanals eine zeitlich vorauseilende Abschaltung der zweiten Ventileinrichtung vorgesehen werden, um einen auch nach Sperren der fluidisch kommunizierenden Verbindung zwischen dem Fluidspeicher und dem zweiten Endbereich durch Schließen der zweiten Ventileinrichtung weiterhin stattfindenden Druckausgleich zwischen einem der Fluiddrossel vorgelagerten und einen der Fluiddrossel nachgelagerten Abschnitt des Fluidkanals zu berücksichtigen.
In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass ein Drucksignal eines mit der Steuereinrichtung verbundenen zweiten Drucksensors, der zwischen der zweiten Ventileinrichtung und der Fluiddrossel oder zwischen der Fluiddrossel und dem zweiten Endbereich angeschlossen ist, von der Steuereinrichtung zur Bestimmung eines Dosier-Endes und zur Ausgabe eines Endsignals genutzt wird, und dass das Endsignal an eine Antriebseinrichtung zur Ansteuerung eines Antriebs bereitgestellt wird. Das Drucksignal des zweiten Drucksensors kann sowohl während der Durchführung eines Ansaugvorgangs für die Flüssigkeit als auch während der der Durchführung eines Ausgabevorgangs für die Flüssigkeit von der Steuereinrichtung ausgewertet werden. Beispielhaft kann vorgesehen werden, dass das Drucksignal des zweiten Drucksensors während der Durchführung des Ansaugvorgangs dazu genutzt wird, einen Zeitpunkt zu bestimmen, zu dem ein Gleichgewicht zwischen dem Unterdruck des im zweiten Endbereich aufgenommen Arbeitsgases und der in den zweiten Endbereich eingesaugten Flüssigkeitsmenge besteht. Die Steuereinrichtung kann diesen Zeitpunkt, der auch als Dosier-Ende bezeichnet werden kann, beispielhaft durch Vergleich des Drucksignals mit einem gespeicherten Druckwert bestimmen, um zu diesem Zeitpunkt oder kurz danach ein Endsignal auszugeben. Mit dem Endsignal kann beispielsweise eine Antriebseinrichtung angesteuert werden, die die Dosiereinrichtung derart verlagert, dass der zweite Endbereich oder eine daran angebrachte Pipette aus einem Flüssigkeitsbehälter, in dem anzusaugende Flüssigkeit aufgenommen ist, entfernt wird. In ähnlicher Weise kann das Drucksignal des zweiten Drucksensors während der Durchführung des Ausgabevorgangs dazu genutzt werden, einen Zeitpunkt zu bestimmen, zu dem eine vorgebbare Flüssigkeitsmenge oder die gesamte im zweiten Endbereich oder in einer daran angebrachten Pipette aufgenommene Flüssigkeitsmenge ausgegeben wurde, um die Dosiereinrichtung derart zu verlagern, dass der zweite Endbereich oder eine daran angebrachte Pipette erneut in einen Flüssigkeitsbehälter, in dem anzusaugende Flüssigkeit aufgenommen ist, eingetaucht werden, um nachfolgend einen erneuten Ansaugvorgang für die Flüssigkeit durchzuführen.
In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass das Drucksignal des zweiten Drucksensors, insbesondere ausschließlich, nach der Bereitstellung des Schließsignals an die zweite Ventileinrichtung ausgewertet wird. Hierdurch wird gewährleistet, dass das Drucksignal des zweiten Drucksensors nur dann verwertet wird, wenn keine großen Druckschwankungen oder Druckimpulse auftreten, die gegebenenfalls eine aufwendige Filterung oder anderweitige Signalverarbeitung für dieses Drucksignal erfordern würden. Vielmehr wird das Drucksignal des zweiten Drucksensors, insbesondere ausschließlich, dazu genutzt, eine Druckänderung im dem Abschnitt des Fluidkanals, der sich an die zweite Ventileinrichtung anschließt, während einer Ausgleichsphase nach Blockierung der fluidisch kommunizierenden Verbindung zwischen dem Fluidspeicher und diesem Abschnitt des Fluidkanals zu betrachten. Vorzugsweise wird das Drucksignal des zweiten Drucksensors jeweils alternativ zum Drucksignal des ersten Drucksensors an die Steuereinrichtung bereitgestellt, so dass die Steuereinrichtung nur eine (einzige) Auswerteschaltung für die Auswertung von Drucksignalen benötigt und somit einen vorteilhaften Aufbau aufweist.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. Hierbei zeigt:

1 eine streng schematische Darstellung einer Dosiereinrichtung, die an einer Antriebseinrichtung aufgenommen ist,
2 eine streng schematische Darstellung eines Druckverlaufs im Fluidspeicher der Dosiereinrichtung,
3 eine streng schematische Darstellung eines Druckverlaufs im zweiten Abschnitt des Fluidkanals der Dosiereinrichtung, und
4 eine streng schematische Darstellung des zweiten Abschnitts des Fluidkanals der Dosiereinrichtung in jeweiliger zeitlicher Zuordnung zur Darstellung der 3.

Eine in der 1 schematisch dargestellte Dosiereinrichtung 1 ist zur Dosierung einer Flüssigkeit ausgebildet, die rein exemplarisch aus einem Vorratsbehälter 2 aufgenommen werden kann und in nicht näher dargestellte Probenbehälter abgegeben werden kann. Dementsprechend soll unter dem Begriff der Dosierung sowohl ein gezieltes Aufnehmen von Flüssigkeit aus dem Vorratsbehälter 2 als auch eine Abgabe von exakt vorgebbaren Flüssigkeitsvolumina in die nicht dargestellten Probenbehälter verstanden werden.
In Abhängigkeit von der abzugebenden Flüssigkeitsmenge kann vorgesehen sein, die aus dem Vorratsbehälter 2 aufgenommene Flüssigkeit während eines einzigen Abgabevorgangs in einen Probenbehälter abzugeben. Alternativ kann vorgesehen sein, die aus dem Vorratsbehälter 2 aufgenommene Flüssigkeit in mehreren aufeinanderfolgenden Abgabevorgängen in einen oder mehrere Probenbehälter abzugeben, wobei die jeweils abgegebenen Flüssigkeitsmengen identisch oder unterschiedlich sein können.
Die Dosiereinrichtung 1 umfasst eine Fluideinheit 3, einen Fluidkanal 4 sowie eine Steuereinrichtung 5. Ferner ist rein exemplarisch vorgesehen, dass die Fluideinheit 3 und der daran angebrachte Fluidkanal 4 mit einem beweglich an einem Antriebsgehäuse 7 aufgenommenen Antriebsglied 8 einer Antriebseinrichtung 6, die beispielhaft als Linearantrieb ausgebildet ist, gekoppelt sind. Hiermit können die Fluideinheit 3 und der Fluidkanal 4 gemäß der Darstellung der 1 in vertikaler Richtung nach oben und nach unten bewegt werden, um beispielsweise ein teilweises Eintauchen des Fluidkanals 4 in die Flüssigkeit im Vorratsbehälter 2 oder ein Entfernen des Fluidkanals 4 aus dem Vorratsbehälter 2 zu bewirken. Exemplarisch ist vorgesehen, dass die Antriebseinrichtung 6 über eine Steuerleitung 9 elektrisch mit der Steuereinrichtung 5 verbunden ist.
Beispielhaft ist vorgesehen, dass die Fluideinheit 3 einen elektrischen Linearantrieb 10 sowie einen Pneumatikzylinder 11 umfasst, wobei eine Kolbenstange 12 des Pneumatikzylinders 11 in nicht näher dargestellter Weise mit einem ebenfalls nicht dargestellten, linearbeweglichen Läufer des Linearantriebs 10 gekoppelt ist. Hierdurch kann ein mit der Kolbenstange 12 verbundener Arbeitskolben 15 des Pneumatikzylinders 11 linear in einer Arbeitsausnehmung 16 eines Zylindergehäuses 17 verlagert werden und dabei ein Volumen eines Arbeitsraums 18 verändern. Exemplarisch ist vorgesehen, dass der elektrische Linearantrieb 10 über eine Steuerleitung 14 elektrisch mit der Steuereinrichtung 5 verbunden ist.
Der Arbeitsraum 18 ist in nicht näher dargestellter Weise fluidisch kommunizierend mit dem Fluidkanal 4 verbunden und ist rein exemplarisch rohrförmig mit einem kreiszylindrischen Querschnitt ausgebildet. Der Fluidkanal 4 umfasst eine erste Ventileinrichtung 21, eine zweite Ventileinrichtung 22, eine Fluiddrossel 23 sowie rein exemplarisch eine Pipette 24. Ein erster Endbereich 25 des Fluidkanals 4 erstreckt sich zwischen der Fluideinheit 3 und der ersten Ventileinrichtung 21. Ein zweiter Endbereich 26 des Fluidkanals 4 erstreckt sich zwischen der Fluiddrossel 23 und der Pipette 24. Ein zwischen der ersten Ventileinrichtung 21 und der zweiten Ventileinrichtung 22 erstreckter Abschnitt des Fluidkanals 4 wird auch als Fluidspeicher 27 bezeichnet. Ferner erstreckt sich zwischen der zweiten Ventileinrichtung 22 und der Fluiddrossel 23 ein Fluidkanalabschnitt 28.
Exemplarisch ist vorgesehen, dass die Querschnitte des ersten Endbereichs 25, des zweiten Endbereichs 26, des Fluidspeichers 27 und des Fluidkanalabschnitts 28 jeweils identisch und bekannt sind. Ferner sind auch Erstreckungen 33, 34, 35, 36 dieser Abschnitte 25, 26, 27, 28 des Fluidkanals 4 längs einer gemäß der Darstellung der 1 in vertikaler Richtung verlaufenden Erstreckungsachse 30 bekannt, so dass für jeden der Abschnitte 25, 26, 27, 28 des Fluidkanals 4 auch das exakte Volumen bekannt ist.
Die erste Ventileinrichtung 21 und die zweite Ventileinrichtung 22 sind jeweils rein exemplarisch als elektropneumatische 2/2-Wege-Ventile ausgebildet. Dabei dient die erste Ventileinrichtung 21 für eine wahlweise Freigabe oder Blockierung einer fluidisch kommunizierenden Verbindung zwischen dem ersten Endbereich 25 des Fluidkanals 4 und dem Fluidspeicher 27. Die zweite Ventileinrichtung 22 ist für eine wahlweise Freigabe oder Blockierung einer fluidisch kommunizierenden Verbindung zwischen dem Fluidspeicher 27 und dem zweiten Endbereich 26 des Fluidkanals 4 ausgebildet. Beispielhaft sind die beiden Ventileinrichtungen 21, 22 jeweils als Magnetventile ausgebildet, deren jeweilige Magnetantriebe 41, 42 jeweils über Steuerleitungen 43, 44 mit der Steuereinrichtung 5 verbunden sind. Bevorzugt ist vorgesehen, dass die beiden Ventileinrichtungen 21, 22 als normal geschlossene (NC - normally closed) Schaltventile ausgebildet sind.
Die Fluiddrossel 23 weist einen nur schematisch dargestellten Drosselquerschnitt auf, der kleiner als die Querschnitte des ersten Endbereichs 25, des zweiten Endbereichs 26, des Fluidspeichers 27 und des Fluidkanalabschnitts 28 ist, um im Fluidkanal eine Drosselwirkung für eine Fluidströmung zwischen dem Fluidkanalabschnitt 28 und dem zweiten Endbereich 26 des Fluidkanals unabhängig von der Strömungsrichtung des im Fluidkanal 4 aufgenommenen, nicht näher dargestellten Arbeitsgases zu gewährleisten. Beispielhaft ist vorgesehen, dass die Fluiddrossel 23 einen Strömungswiderstand für das Arbeitsgas im Fluidkanal 4 aufweist, der das 10.000-fache bis 10.000.000-fache eines Strömungswiderstands des ersten Endbereichs 25, des zweiten Endbereichs 26, des Fluidspeichers 27 und des Fluidkanalabschnitts 28 beträgt.
Dem Fluidspeicher 27 ist ein erster Drucksensor 45 zugeordnet, der für eine Erfassung eines Fluiddrucks im Fluidspeicher 27 ausgebildet ist und über eine Messleitung 46 in fluidisch kommunizierender Verbindung mit dem Fluidspeicher 27 steht. Ferner ist der erste Drucksensor 45 über eine Signalleitung 47 mit der Steuereinrichtung 5 elektrisch verbunden, um eine Übertragung seines elektrischen Drucksignals zu ermöglichen.
Optional kann vorgesehen werden, zwischen der zweiten Ventileinrichtung und dem zweiten Endbereich 26 des Fluidkanals 4 einen zweiten Drucksensor 50 anzuordnen, dessen Messleitung 51 exemplarisch mit dem zweiten Endbereich 26 des Fluidkanals 4 verbunden ist, um dort eine Druckerfassung durchzuführen, wobei ein elektrisches Drucksignal des zweiten Drucksensors 50 über eine Signalleitung 52 an die Steuereinrichtung 5 bereitgestellt werden kann.
Die Pipette 24 ist in nicht näher dargestellter Weise mit dem zweiten Endbereich 26 verbunden und weist ebenfalls ein bekanntes Volumen auf, das zumindest teilweise zur Aufnahme und anschließender Abgabe von Flüssigkeit genutzt wird.
Die Steuereinrichtung 5 umfasst rein exemplarisch und in rein schematischer Darstellung einen Mikroprozessor 55 sowie eine elektrische Endstufe 56. Der Mikroprozessor 55 ist elektrisch mit Eingängen 57, 58 verbunden, an denen die Signalleitungen 47 und 52 angeschlossen sind. Ferner ist der Mikroprozessor 55 mit Ausgängen 59, 60, 61, 62 verbunden, an denen die Steuerleitungen 9, 14, 43 und 44 angeschlossen sind. Der Mikroprozessor 55 ist dazu ausgebildet, in Abhängigkeit von einem gespeicherten Ablaufprogramm eine Auswertung von Sensorsignalen des ersten Drucksensors 45 und gegebenenfalls von Sensorsignalen des zweiten Drucksensors 50 durchzuführen, um daraus Steuersignale zu erzeugen, die über eine Verbindungsleitung 63 an die elektrische Endstufe 56 bereitgestellt werden. In der elektrischen Endstufe 56 erfolgt eine Umsetzung der Steuersignale in elektrische Energieströme, die jeweils auf die Bedürfnisse der an den Ausgängen 59 bis 63 angeschlossenen Komponenten wie der Antriebseinrichtung 6, des Linearantriebs 10 und der Magnetantriebe 41 und 42 angepasst sind. Dementsprechend dient die elektrische Endstufe 56 zur elektrischen Ansteuerung der an den Ausgängen 59 bis 63 angeschlossenen Komponenten in Abhängigkeit von Steuersignalen des Mikroprozessors 55.
Beispielhaft kann die folgende Betriebsweise für die Dosiereinrichtung 1 vorgesehen werden, die nachstehend in Zusammenhang mit den 1 bis 4 erläutert wird:

Zu einem Zeitpunkt t0 sind die beiden Ventileinrichtungen 21, 22 geschlossen, der im Fluidspeicher 27 herrschende Druck p1, der in dem Schaubild der 2 angegeben ist, entspricht zu diesem Zeitpunkt einem Umgebungsdruck pa und wird mit dem ersten Drucksensor 45 gemessen und als elektrisches Sensorsignal an die Steuereinrichtung 5 bereitgestellt. Im zweiten Endbereich 26 des Fluidkanals 4 und in der Pipette 24 herrscht ein Druck p2, der diesem Zeitpunkt gleich dem Umgebungsdruck pa ist. Gemäß der Darstellung der 4 ist die Pipette 24 kurz nach dem Zeitpunkt t0 weder mit Flüssigkeit gefüllt noch in Flüssigkeit eingetaucht.

In der Zeitspanne zwischen dem Zeitpunkt t0 und dem Zeitpunkt t1 erfolgt eine Ausgabe eines Steuersignals vom Mikroprozessor 55 der Steuereinrichtung 5 über die Verbindungsleitung 63 an die elektrische Endstufe 56. Hierdurch wird eine Bereitstellung von elektrischer Energie an die Antriebseinrichtung 6 bewirkt, die in einer Absenkbewegung der Dosiereinrichtung 1 längs der Erstreckungsachse 30 resultiert. Hierdurch wird die Pipette 24 in die im Vorratsbehälter 2 aufgenommene Flüssigkeit eingetaucht, so dass eine nicht näher dargestellte, stirnseitige Öffnung 29 der Pipette 24 unterhalb eines Flüssigkeitsspiegels 31 der Flüssigkeit liegt.
Ferner wird in dieser Zeitspanne ein weiteres Steuersignal vom Mikroprozessor 55 ausgegeben, das über die Verbindungsleitung 63 an die elektrische Endstufe 56 übertragen wird, um eine Bereitstellung von elektrischer Energie an den Linearantrieb 10 zu bewirken. Dadurch führt der Linearantrieb 10 eine Hubbewegung durch, die in einer Verlagerung der Kolbenstange 12 und des damit verbundenen Arbeitskolbens 15 in vertikaler Richtung nach oben resultiert. Entscheidend ist jedoch, dass durch die Relativbewegung des Arbeitskolbens 15 gegenüber dem Zylindergehäuse 17 eine Vergrößerung des Arbeitsraums 18 erfolgt. Da der Arbeitsraum 18 ausschließlich mit dem ersten Endbereich 25 des Fluidkanals 4 in fluidisch kommunizierender Verbindung steht, jedoch keine Verbindung zur Umgebung aufweist, findet durch die Vergrößerung des Arbeitsraums 18 ein Druckabfall im Arbeitsraum 18 statt.
Zum Zeitpunkt t1 übermittelt der Mikroprozessor 55 ein Steuersignal an die elektrische Endstufe 56, um eine Bereitstellung von elektrischer Energie an den Magnetantrieb 41 der ersten Ventileinrichtung 21 zu bewirken, so dass diese aus dem normal geschlossenen Zustand in einen nicht näher dargestellten Öffnungszustand überführt wird und eine fluidisch kommunizierende Verbindung zwischen dem ersten Endbereich 25 des Fluidkanals 4 und dem Fluidspeicher 27 freigibt. Hierdurch erfolgt ein Druckausgleich zwischen dem in der Arbeitsausnehmung 16 und im ersten Endbereich 25 des Fluidkanals 25 mit einem ersten Druck aufgenommenen Arbeitsfluid und dem im Fluidspeicher 27 mit einem zweiten Druck aufgenommenen Arbeitsfluid. Dementsprechend ermittelt der erste Drucksensor 45 ab dem Zeitpunkt t1 einen Druckabfall im Fluidspeicher 27, von dem Wert pa auf den Wert p11, wie dies der 2 entnommen werden kann. Da die zweite Ventileinrichtung 22 in dieser Phase geschlossen ist, ergibt sich in den Abschnitten des Fluidkanals 4, die stromab der zweiten Ventileinrichtung 22 angeordnet sind, keine Druckveränderung.
Exemplarisch ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung 5 für eine druckabhängige Ansteuerung der ersten Ventileinrichtung 22 ausgebildet ist und bei Vorliegen des vorgebbaren Druckwerts p11 im Fluidspeicher 27 eine Ansteuerung der ersten Ventileinrichtung 21 vornimmt, um die Verbindung zwischen dem ersten Endbereich 25 des Fluidkanals 4 und dem Fluidspeicher 27 zu trennen. Dies ist beispielhaft zwischen dem Zeitpunkt t1 und dem Zeitpunkt t2 der Fall.
Zum Zeitpunkt t2 wird eine Ansteuerung der zweiten Ventileinrichtung 22 vorgenommen, so dass ein Druckausgleich zwischen dem im Fluidspeicher 27 aufgenommenen, unterdruckbeaufschlagten Arbeitsgas und dem im Fluidkanalabschnitt 28, in der Fluiddrossel 23, im zweiten Endbereich 26 des Fluidkanals 4 und in der Pipette 24 aufgenommenen, mit Umgebungsdruck pa beaufschlagten Arbeitsgas stattfindet. Der Druck des Arbeitsgases im zweiten Endbereich 26 des Fluidkanals 4 ist in der 3 dargestellt und wird mit p2 bezeichnet. Vor dem Zeitpunkt t2 gleicht der Druck p2 dem Umgebungsdruck pa. Nach dem Zeitpunkt t2 stellt sich im Ergebnis ein Druck p21 in den Abschnitten 23, 24, 26, 27 und 28 des Fluidkanals 4 ein, wobei der Druck p21 niedriger als der Umgebungsdruck pa ist. Hierdurch kann Flüssigkeit aus dem Vorratsbehälter 2 entgegen der Schwerkraft in die Pipette 24 eingesaugt werden, wie dies in der 4 symbolisiert ist.
Während dieses Ansaugvorgangs findet weiterhin eine Drucküberwachung des Fluidspeichers 27 mittels des ersten Drucksensors 45 statt, wobei eine Ansteuerung der zweiten Ventileinrichtung 22 erfolgt, sobald der erste Drucksensor 45 einen Druckwert p12 im Fluidspeicher 27 ermittelt, was rein exemplarisch zum Zeitpunkt t23 der Fall ist. Durch diese Ansteuerung der zweiten Ventileinrichtung 22 wird die fluidisch kommunizierende Verbindung zwischen dem Fluidspeicher 27 und dem zweiten Endbereich 26 des Fluidkanals 4 getrennt.
Aufgrund der Drosselungswirkung der Fluiddrossel 23 findet der Druckausgleich zwischen dem Fluidspeicher 27 und dem zweiten Endbereich 26 des Fluidkanals 4 mit einem geringen Gradienten statt, als dies für den vorausgegangenen Druckausgleich zwischen dem ersten Endbereich 25 des Fluidkanals 4 und dem Fluidspeicher 27 der Fall war.
Nach der Ansteuerung der zweiten Ventileinrichtung 22 zum Zeitpunkt t23 erfolgt noch ein abschließender, geringfügiger Druckausgleich zwischen dem Fluidkanalabschnitt und dem damit durch die Fluiddrossel 23 verbundenen zweiten Endbereich 26 des Fluidkanals 4. Rein exemplarisch wird der Wert p21 zum Zeitpunkt t3 erreicht. Zu diesem Zeitpunkt ist dann das in der Pipette 24 aufzunehmende Flüssigkeitsvolumen vollständig eingeströmt. Der im zweiten Endbereich 26 verbleibende Unterdruck p21 entspricht dem hydrostatischen Druck, der von dem in der Pipette 24 aufgenommenen Flüssigkeitsvolumen auf das Arbeitsgas eingeleitet wird.
Zwischen dem Zeitpunkt t3 und dem Zeitpunkt t4 wird ein Steuersignal vom Mikroprozessor 55 ausgegeben, das über die Verbindungsleitung 63 an die elektrische Endstufe 56 übertragen wird, um eine Bereitstellung von elektrischer Energie an den Linearantrieb 10 zu bewirken. Dadurch führt der Linearantrieb 10 eine Hubbewegung durch, aus der eine Relativbewegung des Arbeitskolbens 15 gegenüber dem Zylindergehäuse 17 und eine Verkleinerung des Arbeitsraums 18 resultiert. Hierdurch findet im Arbeitsraum 18 ein Druckanstieg statt.
Zum Zeitpunkt t3 übermittelt der Mikroprozessor 55 ein Steuersignal an die elektrische Endstufe 56, um eine Bereitstellung von elektrischer Energie an den Magnetantrieb 41 der ersten Ventileinrichtung 21 zu bewirken, so dass diese aus dem normal geschlossenen Zustand in den Öffnungszustand überführt wird und eine fluidisch kommunizierende Verbindung zwischen dem ersten Endbereich 25 des Fluidkanals 4 und dem Fluidspeicher 27 freigibt. Dementsprechend ermittelt der erste Drucksensor 45 ab dem Zeitpunkt t3 einen Druckanstieg im Fluidspeicher 27, wie dies der 2 entnommen werden kann. Bei Erreichen des vorgebbaren Druckwerts p13 findet eine erneute Ansteuerung der ersten Ventileinrichtung 21 statt, um die fluidisch kommunizierende Verbindung zwischen der Fluideinheit 3 und dem Fluidspeicher 27 zu trennen, so dass ab diesem Zeitpunkt der im Fluidspeicher 27 vorhandene Druck konstant bleibt.
Ferner erfolgt in der Zeitspanne zwischen dem Zeitpunkt t3 und dem Zeitpunkt t4 eine Ausgabe eines Steuersignals vom Mikroprozessor 55 der Steuereinrichtung 5 über die Verbindungsleitung 63 an die elektrische Endstufe 56, um eine Bereitstellung von elektrischer Energie an die Antriebseinrichtung 6 zu bewirken und damit eine Hubbewegung der Dosiereinrichtung 1 längs der Erstreckungsachse 30 hervorzurufen. Hierdurch wird die Pipette 24 aus der nicht näher dargestellten, im Vorratsbehälter 2 aufgenommenen Flüssigkeit entfernt. Ferner kann vorgesehen sein, mittels einer nicht näher dargestellten Bewegungseinrichtung den Vorratsbehälter 2 zu entfernen und gegen einen nicht dargestellten Probenbehälter zu ersetzen, in den die in der Pipette 24 aufgenommene Flüssigkeit abgegeben werden soll.
Da die zweite Ventileinrichtung 22 in der Zeitspanne zwischen t3 und t4 geschlossen ist, ergibt sich in den Abschnitten des Fluidkanals 4, die stromab der zweiten Ventileinrichtung 22 angeordnet sind, keine Druckveränderung.
Zum Zeitpunkt t4 findet eine Ansteuerung der zweiten Ventileinrichtung 22 statt, so dass ein Druckausgleich zwischen dem im Fluidspeicher 27 aufgenommenen, überdruckbeaufschlagten Arbeitsgas und dem im Fluidkanalabschnitt 28, in der Fluiddrossel 23, im zweiten Endbereich 26 des Fluidkanals 4 und in der Pipette 24 aufgenommenen, mit dem Unterdruck p21 beaufschlagten Arbeitsgas stattfindet. Hierdurch stellt sich im Ergebnis ein in der 3 gezeigter Druckverlauf in diesen Abschnitten 23, 24, 26, 27 und 28 des Fluidkanals 4 ein, wobei der resultierende Druck zunächst höher als der Umgebungsdruck pa ist, wodurch Flüssigkeit aus der Pipette 24 ausgegeben werden kann, wie dies in der 4 symbolisiert ist.
Aufgrund der Drosselungswirkung der Fluiddrossel 23 findet der Druckausgleich mit einem geringeren Gradienten statt, als dies für den vorausgegangenen Druckausgleich zwischen dem ersten Endbereich 25 des Fluidkanals 4 und dem Fluidspeicher 27 der Fall war. Am Ende des Ausgabevorgangs, wenn beispielsweise die gesamte Flüssigkeit aus der Pipette 24 ausgegeben wurde, entspricht der Druck im Fluidspeicher 27 dem Umgebungsdruck pa.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 7303728 B2 [0002]

Claims

Dosiereinrichtung zur Dosierung von Flüssigkeiten, mit einer Fluideinheit (3), die zur wahlweisen Bereitstellung eines Überdrucks und eines Unterdrucks auf ein Arbeitsgas ausgebildet ist, wobei das Arbeitsgas in einem Fluidkanal (4) aufgenommen ist, der an einem ersten Endbereich (25) mit der Fluideinheit (3) verbunden ist und der einen zur Aufnahme und Abgabe eines vorgebbaren Flüssigkeitsvolumens ausgebildeten zweiten Endbereich (26) umfasst, mit einer ersten Ventileinrichtung (21) und mit einer zweiten Ventileinrichtung (22), die längs des Fluidkanals (4) beabstandet zueinander angeordnet sind und jeweils für eine wahlweise Blockierung oder Freigabe des Fluidkanals (4) ausgebildet sind, um im Fluidkanal (4) einen von den beiden Ventileinrichtungen (21, 22) begrenzten, zur Speicherung von Arbeitsgas vorgesehenen Fluidspeicher (27) auszubilden, mit einer Steuereinrichtung (5) zur Ansteuerung der ersten Ventileinrichtung (21) und der zweiten Ventileinrichtung (22), wobei dem Fluidspeicher (27) ein Drucksensor (45) zugeordnet ist, der zur Bereitstellung eines Drucksignals in Abhängigkeit von einem Arbeitsgasdruck ausgebildet ist und der elektrisch mit der Steuereinrichtung (5) verbunden ist.
Dosiereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluidspeicher (27) einen größeren Querschnitt und/oder ein größeres Volumen als der Fluidkanal (4) vor der ersten Ventileinrichtung (21) und/oder als der Fluidkanal (4) nach der zweiten Ventileinrichtung (22) aufweist.
Dosiereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der zweiten Ventileinrichtung (22) und dem zweiten Endbereich (26) eine Fluiddrossel (23) mit einem definiertem Fluidströmungswiderstand für das Arbeitsgas angeordnet ist, wobei der Fluidströmungswiderstand der Fluiddrossel (23) bezogen auf einen Strömungswiderstand eines an die Fluiddrossel (23) angrenzenden Abschnitts (26, 28) des Fluidkanals (4) in einem Intervall zwischen 10.000 und 10.000.000 liegt.
Dosiereinrichtung nach Anspruch 1, 2, oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (5) für eine druckabhängige Ansteuerung der ersten Ventileinrichtung (21) und der zweiten Ventileinrichtung (22) ausgebildet ist.
Dosiereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein vom Fluidspeicher (27) begrenztes Volumen dem 1,5-fachen bis 25-fachen eines Maximaldosiervolumens entspricht.
Dosiereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Drucksensor (50) zwischen der zweiten Ventileinrichtung (22) und der Fluiddrossel (23) oder zwischen der Fluiddrossel (23) und dem zweiten Endbereich (26) angeschlossen ist, der mit der Steuereinrichtung (5) verbunden ist und dass die Steuereinrichtung (5) für eine Bereitstellung eines Endsignals in Abhängigkeit von einem Drucksignal des zweiten Drucksensors (50) ausgebildet ist.
Verfahren zum Dosieren einer Flüssigkeit mit den Schritten: Bereitstellen eines Unterdrucks an einen Fluidspeicher (27), der in einem Fluidkanal (4) zwischen einer ersten, dem Fluidkanal (4) zugeordneten Ventileinrichtung (21) und einer zweiten, dem Fluidkanal (4) zugeordneten Ventileinrichtung (22) ausgebildet ist, während die erste Ventileinrichtung (21) geöffnet ist und während die zweite Ventileinrichtung (22) geschlossen ist; Ermitteln eines Fluiddrucks im Fluidspeicher (27) mit einem Drucksensor (45) und Bereitstellen eines elektrischen Drucksignals des Drucksensors (45) an eine Steuereinrichtung (5); Bereitstellen eines Schließsignals an die erste Ventileinrichtung (21) bei Erreichen eines vorgebbaren ersten Fluiddrucks im Fluidspeicher (27) durch die Steuereinrichtung (5); Bereitstellen eines Öffnungssignals an die zweite Ventileinrichtung (22) nach Erreichen des ersten Fluiddrucks durch die Steuereinrichtung (5) und Überwachung eines Druckanstiegs im Fluidspeicher (27) während eines Öffnungszustands der zweiten Ventileinrichtung (22) und während ein zweiter Endbereich (26) des Fluidkanals (4) in eine zu dosierende Flüssigkeit eingetaucht ist; Bereitstellen eines Schließsignals an die zweite Ventileinrichtung (22) bei Erreichen eines vorgebbaren zweiten Fluiddrucks im Fluidspeicher (27) durch die Steuereinrichtung (5).
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Bereitstellen eines Überdrucks an den Fluidspeicher (27) erfolgt, während die erste Ventileinrichtung (21) geöffnet ist und während die zweite Ventileinrichtung (22) geschlossen ist, und dass ein Schließsignal durch die Steuereinrichtung (5) an die erste Ventileinrichtung (21) ausgegeben wird, sobald ein vorgebbarer dritter Fluiddruck im Fluidspeicher (27) erreicht ist und dass dann ein Bereitstellen des Öffnungssignals an die zweite Ventileinrichtung (22) durch die Steuereinrichtung (5) erfolgt und ein Druckabfall im Fluidspeicher (27) während des Öffnungszustands der zweiten Ventileinrichtung (22) sowie eine Bereitstellen eines Schließsignals an die zweite Ventileinrichtung (22) bei Erreichen eines vorgebbaren zweiten Fluiddrucks im Fluidspeicher (27) durch die Steuereinrichtung (5) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Drucksignal eines mit der Steuereinrichtung (5) verbundenen zweiten Drucksensors (50), der zwischen der zweiten Ventileinrichtung (22) und der Fluiddrossel (23) oder zwischen der Fluiddrossel (23) und dem zweiten Endbereich (26) angeschlossen ist, von der Steuereinrichtung (5) zur Bestimmung eines Dosier-Endes und zur Ausgabe eines Endsignals genutzt wird, und dass das Endsignal an eine Antriebseinrichtung (6) zur Ansteuerung eines Antriebs bereitgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Drucksignal des zweiten Drucksensors (50), insbesondere ausschließlich, nach der Bereitstellung des Schließsignals an die zweite Ventileinrichtung (22) ausgewertet wird.