DE102021109076A1

DE102021109076A1 - Dosiervorrichtung und Verfahren zum Dosieren von flüssigen Medien

Info

Publication number: DE102021109076A1
Application number: DE102021109076.8A
Authority: DE
Inventors: Fabian MITTNACHT; Nathalie Kettemann; Matthias Böhringer; Patrick Mohs
Original assignee: Buerkert Werke GmbH and Co KG
Current assignee: Buerkert Werke GmbH and Co KG
Priority date: 2021-04-12
Filing date: 2021-04-12
Publication date: 2022-10-13
Also published as: US20220323982A1; CN115200655A

Abstract

Eine Dosiervorrichtung hat eine Dosierspitze (12) zum Dispensieren von flüssigem Medium (20, 38) und zumindest einen Druckbehälter (26) mit einem Druckbeaufschlagungsgas (28), in dem durch einen Druckregler (30) ein Überdruck oder ein Unterdruck als ein vorgegebener Druck-Sollwert (pS) eines Innendrucks (p) einstellbar ist, wobei der über das Druckbeaufschlagungsgas (28) eingestellte Innendruck (p) auf ein erstes flüssiges Medium (20) wirkt. Es ist ein bidirektionaler Durchflussmesser (24) vorgesehen, um eine Menge des ersten Mediums (20) zu messen, die durch den im Druckbehälter (26) herrschenden Innendruck (p) bewegt wird. Außerdem ist ein Dosierventil (22) stromaufwärts der Dosierspitze (12) vorgesehen, das einen Durchfluss des ersten Mediums (20) vom Durchflussmesser (24) zur Dosierspitze (12) freizugeben oder zu unterbinden kann. Zum präzisen Dosieren wird das erste Medium (20) mittels einer Veränderung des vorgegebenen Druck-Sollwerts des Innendrucks (p) zumindest eines Druckbehälters (26) bewegt, und die bewegte Menge des ersten Mediums (20) wird mittels des Durchflussmessers (24) gemessen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Dosiervorrichtung sowie ein Verfahren zum Dosieren von flüssigen Medien.
Dosiervorrichtungen zum Dispensieren von sehr kleinen Flüssigkeitsmengen im Bereich von etwa 1 µl bis 50 µl erfordern es, Flüssigkeitsmengen sehr präzise auszugeben.
Da derartige Dosiervorrichtungen oft im pharmazeutischen Bereich, beispielsweise bei der Diagnostik, oder auch im Lebensmittelbereich eingesetzt werden, wo es äußerst wichtig ist, eine Kontamination der dosierten Flüssigkeiten mit anderen Stoffen zu vermeiden, muss sichergestellt sein, dass die verwendeten Flüssigkeiten nicht in Kontakt mit anderen Medien oder Komponenten der Dosiervorrichtung gelangen, die eine Verunreinigung übertragen könnten.
Aus diesem Grund werden oft Einwegteile eingesetzt, beispielsweise Membranpumpen zum Flüssigkeitstransport mit Dosierspitzen zum präzisen Aufnehmen (Aspirieren) und präzisen Ausgeben (Dispensieren) der einzelnen Medien.
Hierbei fällt eine große Menge an Kunststoffabfall an, was hinsichtlich des Umweltschutzes nachteilig ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Dosiersystem zu schaffen, bei dem Abfall reduziert werden kann und das bei hoher Präzision eine hohe Flexibilität bezüglich der Dosiermengen bietet.
Diese Aufgabe wird mit einer Dosiervorrichtung mit einer Dosierspitze zum Dispensieren von flüssigem Medium und mit zumindest einem Druckbehälter mit einem Druckbeaufschlagungsgas gelöst, in dem durch einen Druckregler ein Innendruck auf einen vorgegebenen Druck-Sollwert einstellbar ist, der ein Überdrück oder ein Unterdruck bezüglich einer Umgebung der Dosiervorrichtung ist wobei der über das Druckbeaufschlagungsgas eingestellte Innendruck auf ein erstes flüssiges Medium wirkt. Außerdem ist ein bidirektionaler Durchflussmesser vorgesehen, der dazu ausgelegt ist, eine Menge des ersten Mediums zu messen, die durch den im Druckbehälter herrschenden Innendrucks bewegt wird, sowie ein Dosierventil stromaufwärts der Dosierspitze, das dazu ausgelegt ist, einen Durchfluss des ersten Mediums vom Durchflussmesser zur Dosierspitze freizugeben oder zu unterbinden.
Das erste Medium wird grundsätzlich rein über Druckdifferenzen durch die Leitungen der Dosiervorrichtung bewegt, die auf einem Über- oder Unterdruck im Druckbehälter gegenüber der Umgebung beruhen, sodass auf eine Pumpe zwischen dem Druckbehälter und der Dosierspitze verzichtet werden kann.
Der vorgegebene Druck-Sollwert des Innendrucks und damit auch der Innendruck im Druckbehälter sind vorzugsweise während eines Dosiervorgangs, also während Medium in den Leitungen der Dosiervorrichtung bewegt wird, konstant. Während des gesamten Dosiervorgangs herrscht daher eine konstante Druckdifferenz zwischen dem Innendruck im Druckbehälter und einem Umgebungsdruck außerhalb der Dosierspitze. Die Einstellung des Innendrucks auf den vorgegebenen Druck-Sollwert sollte dabei abgeschlossen sein, bevor der Dosiervorgang beginnt, also bevor Medium in der Dosiervorrichtung bewegt wird.
Herrscht im Druckbehälter ein Überdruck gegenüber der Umgebung der Dosiervorrichtung, so drückt das Druckbeaufschlagungsgas das erste Medium in Richtung zur Dosierspitze und gegebenenfalls aus dieser hinaus, wenn erstes Medium dispensiert werden soll.
Der Druck stromaufwärts des Druckreglers kann beispielsweise mittels einer Pumpe oder auch mittels eines Druckreservoirs, beispielsweise einer Gasflasche bereitgestellt werden. In jedem Fall wird ein direkter Einfluss einer Pumpe auf das erste Medium vermieden.
Als Druckbeaufschlagungsgas kann beispielsweise Luft verwendet werden, aber auch ein geeignetes Inertgas, etwa Stickstoff oder Argon.
Alle internen Komponenten der Dosiervorrichtung kommen ausschließlich in Kontakt mit dem ersten Medium und gegebenenfalls mit dem Druckbeaufschlagungsgas. Jedoch gelangt das Druckbeaufschlagungsgas niemals bis in den Durchflussmesser, sodass stets nur der Durchfluss von erstem Medium erfasst wird.
Die Dosiervorrichtung lässt sich daher auf einfache Weise so auslegen, dass keine Kontamination durch unterschiedliche Medien erfolgt, weshalb beispielsweise das Dosierventil mehrfach verwendbar ausgelegt werden kann. Es ist auch nicht notwendig, Einwegpumpen einzusetzen.
Auch die Dosierspitze kann gegebenenfalls mehrfach verwendet werden. Da zum Dispensieren stets eine Druckdifferenz eingesetzt wird, kann das Dispensieren kontaktlos erfolgen. Die Dosierspitze muss daher beim Dispensieren nicht in ein bereits im Aufnahmebehälter befindliches Medium eintauchen, sodass auch hier eine Kontamination vermieden wird.
Außerdem ist es denkbar, z.B. durch Spülen mit erstem Medium die Dosierspitze zu reinigen und von Rückständen zu befreien. Somit muss auch die Dosierspitze nicht zwingend nach jedem Vorgang ausgetauscht werden.
Mittels des Durchflussmessers lässt sich die bewegte Menge von erstem Medium direkt erfassen, was mit hoher Genauigkeit sowohl bei einer Bewegung zur Dosierspitze hin als auch von der Dosierspitze weg möglich ist.
Es hat sich herausgestellt, dass mit einer derartigen Dosiervorrichtung eine sehr präzise Dosierung bei einer kurzen Prozesszeit möglich ist.
Die Dosiervorrichtung ist vorzugsweise so ausgelegt, dass der vorgegebene Druck-Sollwert des Innendrucks im Druckbehälter einen Unterdruck annehmen kann, der das erste Medium von der Dosierspitze wegbewegt und ein zweites flüssiges Medium in die Dosierspitze aspiriert.
Herrscht im Druckbehälter ein Unterdruck gegenüber der Umgebung der Dosiervorrichtung, so wird das erste Medium in Richtung zum Druckbehälter hin von der Dosierspitze weg gesaugt. Hierbei kann gegebenenfalls ein zweites Medium durch das Auslassende der Dosierspitze in die Dosierspitze hinein aspiriert werden.
Die im Druckbehälter erzeugbaren Unterdruck- und Überdruckwerte sind dabei groß genug zu wählen, um genügend Bewegungsenergie bereitzustellen, um das erste Medium durch einen Überdruck in solchen Mengen aus der Dosierspitze hinaus zu bewegen (dispensieren), wie es bei normalen Dosiervorgängen der Fall ist. Hierbei können Mengen von etwa 1 µl bis 50 µl ausgegeben werden. Bei einer Bewegung in die entgegengesetzte Richtung durch einen Unterdruck im Druckbehälter sollte eine Menge an erstem Medium in der gleichen Größenordnung bewegbar sein.
Hierzu kann beispielsweise der Druck im Druckbehälter zwischen 20 mbar (20 hPa) und 3 bar (3000 hPa), insbesondere zwischen 500 mbar (500 hPa) und 3 bar (3000 hPa) einstellbar sein. Somit ist beispielweise ein relativer Druckunterschied gegenüber der Umgebung der Dosiervorrichtung von z.B. 500 hPa Unterdruck bis 2000 hPa Überdruck vorgebbar.
Die Dosiervorrichtung kann prinzipiell in unterschiedlichen Modi betrieben werden.
Zum einen kann das erste Medium als Prozessmedium eingesetzt werden. Ein Prozessmedium ist ein Medium, das als Reagenz in einem Prozess verwendet wird, z.B. bei einem Diagnose- oder Herstellungsverfahren. In diesem Fall wird das erste Medium über die Dosierspitze in gewünschten Mengen beispielsweise in einen Probenbehälter oder zur Verwendung in vorgegebenen Prozessen dispensiert.
In einem anderen Modus kann durch das aus der Dosierspitze ausgegebene erste Medium ein Spül- oder Reinigungsschritt vollzogen werden, in dem insbesondere die Dosierspitze ausgespült und von Rückständen gereinigt wird. In diesem Fall wird das erste Medium als Spül- oder Reinigungslösung eingesetzt.
In einem weiteren Modus kann das erste Medium als Systemmedium oder allgemein als Steuermedium verwendet werden und kann sowohl in einer durch einen Unterdruck angetriebenen Bewegung ein zweites Medium über die Dosierspitze ansaugen, sodass das zweite Medium in die Dosierspitze aspiriert wird, als auch in einer durch einen Überdruck angetriebenen Bewegung das zweite Medium wieder über die Dosierspitze dispensieren.
Das erste Medium wird in diesem Modus ausschließlich zur Bewegung des zweiten Mediums verwendet.
Das zweite Medium kommt vorzugsweise ausschließlich mit der Dosierspitze in Kontakt, wird also nicht in Leitungsabschnitte der Dosiervorrichtung und insbesondere nicht bis in das Dosierventil hinein oder stromaufwärts des Dosierventils bewegt. Somit kann es auch zu keiner Kontamination anderer Komponenten der Dosiervorrichtung durch das zweite Medium kommen, da dort ausschließlich das erste Medium bewegt wird.
Das zweite Medium ist vorzugsweise ein Prozessmedium, könnte aber gegebenenfalls auch eine Spül- oder Reinigungslösung sein.
Das Dispensieren des zweiten Mediums als Prozessmedium kann in einen geeigneten Probenbehälter erfolgen, wie dies herkömmlich bekannt ist, wobei das in die Dosierspitze aspirierte zweite Medium mittels der Dosierspitze zur gewünschten Ausgabestelle transportierbar ist.
Dient das erste Medium auch als System- oder Steuermedium, so wird vorteilhaft eine Flüssigkeit mit gut bekannten Parametern (beispielsweise Viskosität, Dichte sowie ein Verhalten bei Temperaturänderungen) verwendet. Hier kommen etwa destilliertes Wasser, Alkohole oder geeignete Öle infrage. Vorzugsweise wird eine Flüssigkeit gewählt, die sich sowohl als Systemmedium eignet als auch als Prozessmedium in den Prozessen benötigt wird, für die die Dosiervorrichtung eingesetzt werden soll.
Es ist auch denkbar, die Dosiervorrichtung nacheinander mit unterschiedlichen ersten Medien zu betreiben, wobei das jeweilige erste Medium auf den aktuellen Einsatzzweck abgestimmt ist.
Die Dosiervorrichtung weist vorzugsweise eine Steuereinheit auf, die entweder als interne Elektronikeinheit oder als externe Einheit ausgelegt sein kann, wobei die externe Einheit in einem beliebigen System realisiert sein kann und über eine geeignete Schnittstelle mit der Dosiervorrichtung verbindbar sein sollte.
In der Steuereinheit sind insbesondere Parameter des ersten Mediums abgelegt, gegebenenfalls auch für unterschiedliche erste Medien, sodass die Eigenschaften des ersten Mediums unter unterschiedlichen Bedingungen, beispielsweise unterschiedlichen Temperaturen, abrufbar sind. Diese Daten lassen sich einsetzen, um den vorgegeben Druck-Sollwert des Innendrucks so zu wählen und damit den Innendruck des Druckbehälters so einzustellen, dass die gewünschte Bewegung des ersten Mediums in der Dosiervorrichtung erreicht wird. Außerdem verfügt die Steuereinheit vorteilhaft über Daten der Komponenten der Dosiervorrichtung, z.B. Kennlinien von Druckregler, Durchflussmesser und Dosierventil, die in die Berechnung des Druck-Sollwerts eingehen können.
Die bewegte Menge an erstem Medium wird neben den Eigenschaften des ersten Mediums selbst durch den mittels des Druckreglers eingestellten Innendruck sowie durch ein Schaltzeit-Intervall des Dosierventils bestimmt, das eine Zeitdauer vorgibt, die das Dosierventil geöffnet ist.
Der Durchflussmesser misst in der Regel ein bewegtes Volumen des ersten Mediums. Soll die vorzunehmende Dosierung hinsichtlich anderer Eigenschaften, beispielsweise Masse oder Molzahl erfolgen, kann die Steuereinheit dies in der Vorgabe der Einstellungen entsprechend berücksichtigen. Insofern werden in dieser Anmeldung die Begriffe „Menge“ und „Volumen“ gleichbedeutend verwendet.
Diese Vorgaben können durch die Steuereinheit bestimmt werden. Die Steuereinheit ist beispielsweise so ausgelegt, dass sie den Druckregler sowie das Dosierventil anspricht und vorzugsweise in einem Regelkreis betreiben kann.
Das Dosierventil ist vorzugsweise ein Magnetventil, bei dem der Antrieb vom Medium getrennt ist, beispielsweise durch eine Membran, sodass verhindert wird, dass das erste Medium in Kontakt mit Antriebskomponenten des Ventils kommt.
Die Dosiermengen können sowohl beim Dispensieren als auch beim Aspirieren sehr flexibel gewählt werden.
Soll erstes Medium dispensiert werden, so können auch Mengen, die über die maximale Füllmenge der Dosierspitze hinausgehen, dispensiert werden.
Generell ist es natürlich möglich, eine aspirierte Menge an zweitem Medium auch in mehreren, kleineren Mengen zu dispensieren.
Das Aspirieren von zweitem Medium erfolgt vorzugsweise aus einem von der Dosiervorrichtung separaten oder von dieser separierbaren Behälter, beispielsweise einem Vorratsbehälter. Das zweite Medium erfährt dabei keinen Kontakt mit anderen Komponenten außer mit der Dosierspitze.
Beim Dispensieren kann das zweite Medium beispielsweise in einen spezifischen Probenbehälter ausgegeben werden, der gegebenenfalls mit der Dosiervorrichtung verbindbar ist.
Um einen Kontakt zwischen dem ersten und dem zweiten Medium zu verhindern, ist vorzugsweise in der Dosierspitze eine Trennhilfe vorhanden, die aus einem in die Dosierspitze aspirierten Trennmedium oder einem in die Dosierspitze eingesetzten, beweglichen Trennelement besteht.
Beispielsweise kann vor dem Aspirieren des zweiten Mediums zunächst durch Anlegen eines Unterdrucks im Druckbehälter (sowie generell stets beim Dispensieren und Aspirieren selbstverständlich durch Öffnen des Dosierventils) Trennmedium in die Dosierspitze aufgenommen und anschließend das zweite Medium aspiriert werden. Somit ist in der Dosierspitze das zweite Medium vom ersten Medium durch das Trennmedium beabstandet, und es kann keine Vermischung des zweiten Mediums mit dem ersten Medium erfolgen.
Beim Aspirieren des zweiten Mediums wird das Trennmittel genauso wie das erste Medium vom Auslassenende der Dosierspitze weg bewegt.
Analog dazu verhindert das Trennelement einen Kontakt zwischen den Medien.
Als Trennmedium ist selbstverständlich ein Fluid zu wählen, dass sich mit keinem der beiden verwendeten Medien mischt. Hier kommt, abhängig vom ersten und vom zweiten Medium, oft ein Öl infrage, wenn beide Medien wässrige Lösungen sind. Es ist aber auch möglich, Luft als Trennmedium einzusetzen, insbesondere wenn der Innendurchmesser der Dosierspitze so klein ist, dass hier Kapillarkräfte wirken und somit eine Luftblase an der gewünschten Stelle bleibt.
Wird ein strukturelles Trennelement verwendet, kann dies beispielsweise einen Kolben mit einer Dichtungsscheibe umfassen, die in einem von einem Auslassende der Dosierspitze weg gerichteten, verbreiterten Bereich der Dosierspitze angeordnet ist und die an einer Innenwand der Dosierspitze anliegt, sowie ein senkrecht von der Dichtungsscheibe abstehenden Stab, der in einen zum Auslassende an den verbreiterten Bereich anschließenden schmaleren Bereich der Dosierspitze hineinragt.
Der Stab dient dabei der Führung des Trennelements und der korrekten Positionierung der Dichtungsscheibe, während die Dichtungsscheibe eine Abdichtung gegenüber dem ersten Medium bewirkt.
Dabei kann der Stab in den schmaleren Bereich hineinragen, ohne die Innenwand der Dosierspitze zu berühren.
Das zweite Medium wird in den Raum zwischen dem Auslassende der Dosierspitze und der Dichtungsscheibe aufgenommen, wobei sich die Dichtungsscheibe aufgrund des anliegenden Unterdrucks vom Auslassende wegbewegt, um das zweite Medium anzusaugen, und in Richtung zum Auslassende bewegt, um das aufgenommene zweite Medium wieder zu dispensieren.
Es wäre auch denkbar, als Trennelement eine fest mit der Innenwand der Dosierspitze verbundene Membran zu verwenden, wobei sich die Membran vom Auslassende weg ausdehnt, wenn zweites Medium aspiriert wird und sich zum Auslassende hin bewegt, um zweites Medium zu dispensieren.
Selbstverständlich sollte das zweite Medium nur soweit in die Dosiervorrichtung hinein aspiriert werden, dass es die Dosierspitze nicht verlässt und insbesondere nicht in Kontakt mit Fluidleitungen der eigentlichen Dosiervorrichtung und auch nicht in den Bereich des Dosierventils oder des Durchflussmessers gelangt.
Es ist möglich, zur Erzeugung der Druckdifferenz einen einzigen Druckbehälter vorzusehen, der mit einem einzigen Druckregler verbunden ist, wobei im Druckbehälter das Druckbeaufschlagungsgas sowohl unter Unterdruck als auch unter Überdruck (jeweils bezogen auf die Umgebung der Dosiervorrichtung) gesetzt werden kann, also für den vorgegeben Druck-Sollwert des Innendrucks ein Unterdruck oder ein Überdruck gewählt werden kann.
In einer anderen möglichen Variante sind zwei Druckbehälter vorhanden, in denen sich jeweils Druckbeaufschlagungsgas befindet, wobei in einem der Druckbehälter der vorgegebene Druck-Sollwert des Innendrucks, insbesondere permanent, als Unterdruck gegenüber der Umgebung der Dosiervorrichtung und in dem anderen Druckbehälter der vorgegebene Druck-Sollwert des Innendrucks, insbesondere permanent, als Überdruck gegenüber der Umgebung der Dosiervorrichtung einstellbar ist. Dies verkürzt die Prozesszeiten, da ständig sowohl ein Reservoir für einen Überdruck als auch für einen Unterdruck bereitsteht, der auf das erste Medium wirken kann.
Um das erste Medium mit dem geeigneten Druck zu beaufschlagen, ist vorzugsweise ein Schaltventil zwischen den Druckbehältern und dem Durchflussmesser vorgesehen, das jeden der Druckbehälter in Strömungsverbindung mit dem Durchflussmesser bringen kann. Das Schaltventil ist vorzugsweise ein 3/2-Wegeventil.
Jeder der beiden Druckbehälter weist insbesondere einen eigenen Druckregler auf und kann auch über eine eigene Druckversorgung, beispielsweise eine Pumpe verfügen.
Im einfachsten Fall ist im Druckbehälter jeweils neben dem Druckbeaufschlagungsgas auch ein Anteil an erstem Medium vorhanden, sodass der im Druckbehälter herrschende Innendruck direkt auf das erste Medium übertragen wird. Dieser anliegende Innendruck herrscht dann prinzipiell in der gesamten Fluidleitung zwischen dem Druckbehälter und der Dosierspitze.
Wenn zwei Druckbehälter vorhanden sind, können beide Druckbehälter neben dem Druckbeaufschlagungsgas auch eine Menge an erstem Medium enthalten, wobei der Innendruck direkt an das erste Medium weitergegeben wird.
Es ist aber auch möglich, einen Ausgleichsbehälter vorzusehen, der stromabwärts der Druckbehälter angeordnet ist und der in Strömungsverbindung mit jedem der beiden Druckbehälter bringbar ist und in dem ein Teil des ersten Mediums aufgenommen ist. Der gewünschte Innendruck im Ausgleichsbehälter wird durch eine geeignete Stellung des Schaltventils und eine geeignete Wahl des vorgegebenen Druck-Sollwerts des Innendrucks im jeweiligen Druckbehälter bereitgestellt, wobei der Innendruck im Ausgleichsbehälter direkt auf das im Ausgleichsbehälter befindliche erste Medium wirkt.
Der vorgegebene Druck-Sollwert des Innendrucks wird dabei von der Steuereinheit so vorgegeben, dass die für die geplanten Dosiervorgänge notwendige Menge an erstem Medium bewegt werden kann.
Der gewünschte Innendruck wird vorteilhaft voreingestellt, bevor das Dosierventil geöffnet wird. So lässt sich eine schnellere Prozesszeit und eine exakte Dosierung erreichen.
Der Ausgleichsbehälter ist als Reservoir für das erste Medium einsetzbar, sodass auch größere Mengen des ersten Mediums bereits mit dem gewünschten Druck zur Verfügung gehalten werden können. Dies ist vor allem für Prozessschritte interessant, bei denen größere Mengen an erstem Medium benötigt werden, beispielsweise zum Spülen der Dosierspitze durch Dispensieren von erstem Medium.
Ist ein Ausgleichsbehälter vorhanden, kann in beiden Druckbehältern ausschließlich Druckbeaufschlagungsgas vorhanden sein, während im Ausgleichsbehälter sowohl Druckbeaufschlagungsgas als auch erstes Medium vorhanden ist.
Generell ist der fluidleitende Abschnitt der Dosiereinheit ab dem Druckbehälter, oder im Fall von zwei Druckbehältern ab dem Schaltventil, linear aufgebaut, wobei der oder die Druckbehälter stromaufwärts des Schaltventils liegen, dieses gegebenenfalls stromaufwärts eines Ausgleichsbehälters liegt und sich daran stromabwärts linear der Durchflussmesser, das Dosierventil und die Dosierspitze anschließen. Auf weitere Komponenten und Verzweigungen kann gegebenenfalls komplett verzichtet werden.
Die oben genannte Aufgabe wird auch mit einem Verfahren zum Dosieren wenigstens eines flüssigen Mediums mittels einer oben beschriebenen Dosiervorrichtung gelöst. Hierbei wird ein Innendruck mindestens eines Druckbehälters auf den vorgegebenen Druck-Sollwert eingestellt und das erste Medium in der Dosiervorrichtung mittels einer Druckdifferenz zwischen dem Innendruck und einer Umgebung der Dosiervorrichtung bewegt, und die bewegte Menge des ersten Mediums wird mittels des Durchflussmessers, der strömungsmäßig zwischen der Dosierspitze und dem Druckbehälter angeordnet ist, gemessen. Es ist also keine direkte Wirkung einer Pumpe auf das erste und gegebenenfalls das zweite Medium notwendig. Außerdem erfolgt eine direkte Messung der bewegten Menge an erstem Medium, die ein direktes Maß sowohl für eine Menge an dispensiertem ersten Medium als auch für eine Menge an aspiriertem oder dispensiertem zweiten Medium darstellt. Auf diese Weise lässt sich eine hohe Präzision der Dosierung erreichen.
Wie oben bereits erläutert, werden der vorgegebene Druck-Sollwert und der Innendruck vorzugsweise während des Dosiervorgangs, also während das erste Medium bewegt wird, konstant gehalten, und der Innendruck wird vor Beginn des Dosiervorgangs auf den vorgegebenen Druck-Sollwert eingestellt.
In einem möglichen Verfahren wird ein zweites flüssiges Medium durch die Dosierspitze aspiriert und anschließend durch die Dosierspitze wieder dispensiert.
Das zweite flüssige Medium lässt sich z.B. aus einem Vorratsbehälter durch die Dosierspitze aspirieren und anschließend durch die Dosierspitze z.B.in einen Probenbehälter dispensieren, wenn das zweite Medium als Prozessmedium verwendet wird.
Dabei erfolgt das Aspirieren des zweiten Mediums bevorzugt durch Wahl eines Unterdrucks für den vorgegeben Druck-Sollwert des Innendrucks in wenigstens einem Druckbehälter und daraus resultierend durch eine Bewegung von erstem Medium von der Dosierspitze weg.
Um einen Kontakt des ersten Mediums mit dem zweiten Medium zu verhindern kann vor dem Aspirieren des zweiten Mediums als Trennhilfe ein Trennmedium durch die Dosierspitze aspiriert werden, das dann zwischen dem ersten und dem zweiten Medium liegt. Alternativ kann ein in die Dosierspitze eingesetztes Trennelement bewegt werden. In jedem Fall verhindert die Trennhilfe einen Kontakt zwischen den beiden Medien.
Eine Dosierung, also das Dispensieren oder Aspirieren einer vorgegebenen Menge an zu dispensierdem ersten Medium oder einer vorgegebenen Menge an zu aspirierendem oder zu dispensierdem zweiten Medium, lässt sich einfach über eine Druck-Zeit-Steuerung einstellen, wobei vor Beginn des Dosiervorgangs mittels des Innendrucks im Druckbehälter ein Druck-Sollwert eingeregelt wird und eine innerhalb eines Schaltzeit-Intervalls bewegte Menge des ersten Mediums gemessen wird.
Der in dem oder den Druckbehälter(n) oder im Ausgleichsbehälter herrschende Innendruck sowie das Schaltzeit-Intervall, während dessen das Dosierventil geöffnet ist, bestimmen eindeutig die Menge an erstem Medium, das den Durchflussmesser passiert. Der vom Durchflussmesser ausgegebene Wert ist daher direkt proportional zur dispensierten Menge an erstem Fluid oder zur aspirierten oder dispensierten Menge an zweitem Fluid.
Über den Druckregler wird vorzugsweise vor Beginn der Dosierung der Innendruck im Druckbehälter oder in den Druckbehältern auf den Druck-Sollwert eingestellt. Die Steuerung bestimmt dann ein Schaltzeit-Intervall, während dessen das Dosierventil geöffnet wird.
Nach Ablauf des vorgegebenen Schaltzeit-Intervalls wird das Dosierventil geschlossen und die vom Durchflussmesser gemessene Durchflussmenge mit der für diesen Dosiervorgang gewünschten bewegten Menge an erstem Medium verglichen. Liegt eine Abweichung vor, wird das Schaltzeit-Intervall verkürzt oder verlängert und/oder der Druck-Sollwert verändert.
Beim nächsten Dosierschritt erfolgt die Bewegung des ersten Mediums dementsprechend mit dem neu vorgegebenen Schaltzeit-Intervall und/oder Druck-Sollwert.
Um zu überprüfen, ob das Schaltzeit-Intervall und der Druck-Sollwert korrekt vorgegeben sind, kann also wenigstens ein Dosiervorgang vorgesehen sein, bei dem nur eine Teilmenge der Gesamtmenge des zu bewegenden ersten Mediums bewegt wird, wobei nach diesem Dosiervorgang eine Abweichung von der in diesem Dosiervorgang bewegten Menge von einer vorgegebenen zu bewegenden Menge bestimmt wird und das Schaltzeit-Intervall für einen nachfolgenden Dosiervorgang angepasst wird. Das Schaltzeit-Intervall für den nächsten Dosiervorgang wird dabei so angepasst, dass die Abweichung verkleinert und vorzugsweise auf Null reduziert wird.
Es ist möglich, einen oder mehrere derartige Dosiervorgänge mit einer Testmenge vor Beginn der eigentlichen Dosierung durchzuführen, um die korrekte Einstellung außerhalb des Dosiervorgangs im eigentlichen Prozess zu überprüfen und gegebenenfalls nachzuregeln.
Da mit zunehmender Anzahl an korrigierten Dosiervorgängen die Abweichung immer kleiner wird, lässt sich so eine sehr exakte Dosierung erreichen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand mehrerer Ausführungsbeispiele mit Bezug auf die beigefügten Figuren näher beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:

- 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Dosiervorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform;
- 2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Dosiervorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform;
- 3 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Dosiervorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform;
- 4 und 5 Dosierspitzen für eine erfindungsgemäße Dosiervorrichtung; und
- 6 bis 8 schematische Ablaufdiagramme für erfindungsgemäße Dosierverfahren zur Durchführung mit einer erfindungsgemäßen Dosiervorrichtung.

1 zeigt eine Dosiervorrichtung 10 gemäß einer ersten Ausführungsform.
Die Dosiervorrichtung 10 dient dazu, kleinste Mengen von Flüssigkeiten (beispielsweise im Bereich von 1 µl bis 50 µl) präzise zu dosieren. Dabei wird die Flüssigkeit aus einer Dosierspitze 12 (siehe auch 4 und 5) hinaus gedrückt, sodass sie an einem Auslassende 14 der Dosierspitze 12 austritt und in einen geeigneten Behälter 16, beispielsweise einen Probenbehälter, gelangt.
In diesen Beispielen erfolgt das Dosieren in den Behälter 16 kontaktlos, d.h. das Auslassende 14 der Dosierspitze 12 berührt weder den Behälter 16 noch ein in diesem Behälter 16 befindliches Medium.
Der Behälter 16 kann so ausgebildet sein, dass er in die Dosiervorrichtung 10 eingesetzt werden kann, ist aber generell von der Dosiervorrichtung 10 separierbar. Außerdem kann prinzipiell die Dosierspitze 12 mit unterschiedlichen Behältern zusammenwirken.
Im Inneren der Dosiervorrichtung 10 befindet sich in einem Fluidleitungssystem 18 ein erstes flüssiges Medium 20.
Das erste Medium 20 ist hier eine Flüssigkeit, deren Eigenschaften gut bekannt sind und die in diesem Beispiel auch als Prozessmedium oder als Spül- oder Reinigungslösung eingesetzt werden kann. Hier kommen beispielsweise destilliertes Wasser, Alkohole oder auch bestimmte Öle infrage.
Das Fluidleitungssystem 18 setzt sich aus sämtlichen fluidführenden Komponenten der Dosiervorrichtung 10 zusammen.
In diesem Beispiel ist das Fluidleitungssystem 18 linear aufgebaut, wobei stromaufwärts der Dosierspitze 12 ein Dosierventil 22 angeordnet ist, das wiederum stromaufwärts von einem Durchflussmesser 24 gefolgt ist, von dem ein Leitungsabschnitt zu einem stromaufwärts gelegenen Druckbehälter 26 verläuft.
Das Dosierventil 22 ist hier ein Magnetventil, dessen Antriebseinheit beispielsweise durch eine Membran von den fluidführenden Bereichen abgeteilt ist, sodass das erste Medium 20 beim Durchströmen des Dosierventils 22 nicht in Kontakt mit den Antriebskomponenten des Dosierventils 22 kommt.
Ist das Dosierventil 22 geöffnet, so kann erstes Medium 20 durch das Dosierventil 22 in Richtung zur Dosierspitze 12 und in die entgegengesetzte Richtung strömen. Ist das Dosierventil 22 geschlossen, kann sich das erste Medium 20 nicht durch das Dosierventil 22 bewegen.
Aufgrund der in den Fluidleitungen und der Dosierspitze 12 wirkenden Kapillarkräfte, die durch den kleinen Querschnitt bedingt sind, fließt in der Regel eine zwischen dem Auslassende 14 der Dosierspitze 12 und dem Dosierventil 22 befindliche Menge an erstem Medium 20 nicht aus der Dosierspitze 12 heraus.
Der Durchflussmesser 24 kann auf beliebige Art gestaltet sein, wesentlich ist jedoch, dass er die Passage von Flüssigkeitsmengen möglichst kleiner als 1 µl in beide Richtungen erfassen kann.
Im Druckbehälter 26 ist ein Teil des Volumens durch ein Druckbeaufschlagungsgas 28 gefüllt, das beispielsweise Luft oder ein Inertgas sein kann. Das restliche Volumen ist durch erstes Medium 20 gefüllt.
Der Druckbehälter 26 steht in Strömungsverbindung mit einem Druckregler 30, der dazu in der Lage ist, den Innendruck p im Druckbehälter 26 in einem weiten Druckbereich auf einen vorgegebenen Druck-Sollwert p_S einzustellen. Hierzu ist der Druckregler 30 mit einer (nicht dargestellten) Druckquelle, beispielsweise einer Pumpe oder einem Druckgasspeicher, verbunden.
Der vorgegebene Druck-Sollwert p_S des Innendrucks p kann in diesem Beispiel zwischen etwa 20 mbar (20 hPa), gegebenenfalls 500 mbar (500 hPa), und 3 bar (3000 hPa) gewählt werden, sodass der Innendruck p auf einen beliebigen Wert innerhalb dieser Grenzen eingestellt werden kann. Der Innendruck p kann also sowohl einen deutlichen Unterdruck gegenüber der Umgebung der Dosiervorrichtung 10 als auch einen deutlichen Überdruck gegenüber der Umgebung der Dosiervorrichtung 10 annehmen.
Während eines Dosiervorgangs bleibt in allen hier beschriebenen Beispielen der Innendruck p im Druckbehälter 26 konstant, sodass auch die zum Bewegen des ersten Mediums 20 verwendete Druckdifferenz konstant bleibt.
Hierzu kann beispielsweise der Druckregler 30 eingesetzt werden, es ist aber auch möglich, das Volumen des Druckbehälters 26 im Vergleich zum Volumen der Leitungen der Dosiervorrichtung 10 so groß zu wählen, dass der Druckbehälter 26 ein ausreichend großes Reservoir bereitstellt, um den Innendruck p für praktische Belange auch ohne Nachregelung für die Dauer eines Dosiervorgangs konstant zu halten.
Druckbehälter 26 und Druckregler 30 sind hier Teil einer Druckregeleinheit 32, die z.B. baulich als eine Komponente der Dosiervorrichtung 10 gestaltet ist.
Eine Steuereinheit 34 ist mit dem Druckregler 30 verbunden und kann mit diesem Daten austauschen und Anweisungen an den Druckregler 30 geben.
Die Steuereinheit 34 ist in die Dosiervorrichtung 10 integrierbar, kann aber auch extern verwirklicht und über eine geeignete Schnittstelle drahtlos über oder über eine Datenleitung mit der Dosiervorrichtung 10 verbunden sein.
Der Durchflussmesser 24, das Dosierventil 22 und die Dosierspitze 12 sind Teil einer Dosiereinheit 36, die eine weitere bauliche Komponente der Dosiervorrichtung 10 bilden kann. Eine Schnittstelle zwischen der Druckregeleinheit 32 und der Dosiereinheit 36 ist beispielsweise durch einen Ausgang des Druckbehälters 26 und einen Eingang des Durchflussmessers 24 realisiert.
Die Steuereinheit 34 ist auch mit dem Durchflussmesser 24 und dem Dosierventil 22 verbunden und empfängt insbesondere vom Durchflussmesser 24 Durchflussmesswerte und gibt ein Schaltzeit-Intervall t_I für das Dosierventil 22 vor, das einen Zeitraum bestimmt, den das Dosierventil 22 während des Dosiervorgangs geöffnet ist.
Die Dosiervorrichtung 10 kann in mehreren verschiedenen Modi betrieben werden.
In einem ersten Modus kann erstes Medium 20 durch die Dosierspitze 12 ausgegeben, also dispensiert werden.
Hierzu wird für den Druck-Sollwert ps ein Überdruck p_Ü vorgegeben und entsprechend der Innendruck p im Druckbehälter 26 auf einen Überdruck eingestellt, der groß genug ist, um gegenüber dem Umgebungsdruck der Dosiervorrichtung 10 den Strömungswiderstand des Fluidleitungssystems 18 zu überwinden, und das Dosierventil 22 wird geöffnet. Das unter dem Druck p stehende Druckbeaufschlagungsgas 28 bewegt daher das erste Medium 20 in Richtung zur Dosierspitze 12 und aus dieser hinaus.
6 zeigt ein Beispiel eines Druck-Zeit-gesteuerten Dosierverfahrens zum Dispensieren von Medium, z.B. von erstem Medium 20 (Verfahren A).
Zunächst stellt der Druckregler 30 den Innendruck p auf einen vorgegebenen Druck-Sollwert p_S ein, der beispielsweise von der Steuereinheit 34 übermittelt wird und der einen Überdruck p_Ü gegenüber der Umgebung bildet (Schritte 100 und 102).
Die Steuereinheit 34 berechnet aufgrund des Soll-Druckwerts p_S (der jetzt dem Innendruck p im Druckbehälter 26 entspricht), der zu dispensierenden Gesamtmedienmenge und anderer Parameter, beispielsweise der aktuellen Temperatur, der Viskosität des ersten Mediums 20 und dessen Dichte, ein Schaltzeit-Intervall t_I, das die Zeitdauer angibt, die das Dosierventil 22 geöffnet sein soll, um die gewünschte Menge an Medium auszugeben (Schritt 104).
Gleichzeitig mit dem Öffnen des Dosierventils 22 wird die Messung der Durchflussmenge am Durchflussmesser 24 gestartet (Schritt 106).
Nach Ablauf des Schaltzeit-Intervalls t_I wird das Dosierventil 22 wieder geschlossen, und die Messdaten des Durchflussmessers 24 werden an die Steuereinheit 34 übermittelt. Diese wertet die Messung aus und bestimmt eine Abweichung zwischen der vom Durchflussmesser 24 ermittelten durchgeflossenen Menge an erstem Medium 20 und der vorgegebenen zu dispensierenden Teilmenge (Schritt 108).
Ist die Abweichung kleiner als ein vorgegebener Schwellenwert, so wird die Dosierung mit den bestehenden Werten für den Druck-Sollwert p_S und das Schaltzeit-Intervall t_I für den nächsten Dosiervorgang fortgesetzt.
Liegt die Abweichung oberhalb des Schwellenwertes, so werden das Schaltzeit-Intervall t_I und/oder der Druck-Sollwert p_S für den nachfolgenden Dosiervorgang angepasst (Schritt 110).
Da mit wiederholtem Durchlauf dieses Regelkreises die Abweichung kleiner wird, ist in den meisten Fällen nach wenigen Dosiervorgängen die dispensierte Dosis auf den gewünschten Wert eingestellt. Es ist möglich, das bei diesen zum Einstellen verwendeten Dosiervorgängen dispensierte Medium 20 einer Entsorgung zuzuführen und erst bei ausreichend kleiner Abweichung das Medium 20 für den eigentlichen Prozess in Schritt 112 einzusetzen.
Es ist möglich, auch während der Dispensierung der Gesamtmenge eine oben beschriebene Überprüfung durchzuführen.
In einem weiteren Modus kann ein zweites Medium 38 aus einem externen Behälter (beispielsweise dem Behälter 16 in 1) in die Dosierspitze 12 aspiriert werden. Dies ist in 7 als Verfahren B skizziert.
Hierzu wird über den Druckregler 30 ein Druck-Sollwert p_S vorgegeben, der einem Unterdruck p_U gegenüber der Umgebung der Dosiervorrichtung 10 entspricht (Schritte 101 und 102).
Wie im gerade beschriebenen Beispiel bestimmt die Steuereinheit 34 ein Schaltzeit-Intervall t_I für den Dosiervorgang, das das Dosierventil 22 so lange öffnet, bis die zu dosierende Menge an erstem Medium 20 durch den Durchflussmesser 24 geströmt ist (Schritt 104).
In diesem Fall fließt das erste Medium 20 von der Dosierspitze 12 weg in Richtung zum Druckbehälter 26, wenn das Dosierventil 22 geöffnet wird. Hierdurch entsteht am Auslassende 14 der Dosierspitze 12 ein Unterdruck, der das zweite Medium 38 in die Dosierspitze 12 einsaugt (aspiriert).
In diesem Fall wirkt das erste Medium 20 rein als System- oder Steuermedium, um des zweite Medium 38 zu bewegen.
Die restlichen Schritte 106 bis 112 erfolgen, wie es oben für das Dispensieren beschrieben wurde.
Ein Dosiervorgang dauert beispielsweise etwa 10 ms.
In den Beispielen der 6 und 7 wird lediglich das Schaltzeit-Intervall t_I angepasst, während der Druck-Sollwert unverändert bleibt. Es wäre aber in allen Fällen mit gleichem Ergebnis möglich, auch oder ausschließlich den Druck-Sollwert p_S zu verändern.
Damit es nicht zu einer Vermischung des ersten Mediums 20 mit dem zweiten Medium 38 und somit zu einer Kontamination sowohl des zweiten Mediums 38 als auch der Dosiervorrichtung 10 kommt, wird hier eine Trennhilfe verwendet.
In einer möglichen Variante wird vor dem Aspirieren des zweiten Mediums 38 als Trennhilfe ein Trennmedium 40 aspiriert. Das Ergebnis ist in 4 dargestellt. Eine kleine Menge des Trennmediums 40 liegt zwischen dem ersten Medium 20 und dem zweiten Medium 38 und verhindert einen Kontakt der beiden Medien 20, 38.
Als Trennmedium 40 kann beispielsweise eine geeignete Flüssigkeit verwendet werden, die mit keinem der beiden Medien 20, 38 mischbar ist, oder, aufgrund der Kapillarkräfte, auch einfach eine Luftblase.
Das Trennmedium 40 wird aus einem (nicht dargestellten) separaten Behälter (oder im Fall von Luft aus der Umgebung) aufgenommen, bevor die Dosierspitze 12 in Kontakt mit dem zweiten Medium 38 gebracht wird.
In einer alternativen Variante, die in 5 dargestellt ist, ist in der Dosierspitze 12 als Trennhilfe ein Trennelement 42 aufgenommen, das hier in Form eines Kolbens gestaltet ist, der an seiner dem Auslassende 14 fernen Ende eine Dichtungsscheibe 44 aufweist, von der in Richtung zum Auslassende 14 senkrecht ein Stab 46 absteht, der nicht in Kontakt mit einer Innenwand der Dosierspitze 12 ist und der als Führung für die Dichtungsscheibe 44 dient, um diese in dichtendem Kontakt mit der Innenwand zu halten.
In diesem Beispiel ist die Dichtungsscheibe 44 in einem verbreiterten Bereich 45 der Dosierspitze 12 angeordnet, während der Stab 46 in einen schmaleren Bereich 47 hineinragt.
Die Dichtungsscheibe 44 trennt das erste Medium 20 vom zweiten Medium 38, wobei sich das Trennelement 42 innerhalb der Dosierspitze 12 infolge der Bewegung des ersten Mediums 20 verschiebt.
Um das nun im unteren Bereich der Dosierspitze 12 befindliche zweite Medium 38 wieder zu dispensieren, wird erneut das oben beschriebene und in 6 dargestellte Verfahren A durchgeführt.
Es ist möglich, eine größere Menge an zweiten Medium 38 zu aspirieren und diese in kleineren Mengen wieder zu dispensieren, beispielsweise 25 µl in die Dosierspitze 12 aufzunehmen und in 25 einzelnen Dosierungen jeweils 1 µl zu dispensieren.
Als zweites Medium 38 wird im Regelfall ein Prozessmedium verwendet, das als Reagenz beispielsweise in einem Diagnose- oder einem Herstellungsverfahren zum Einsatz kommt.
Selbstverständlich können nacheinander unterschiedliche zweite Medien 38 mit der Dosiervorrichtung 10 aspiriert und dispensiert werden.
Als zweites Medium 38 wäre alternativ oder zusätzlich auch eine Spül- oder Reinigungslösung verwendbar.
Das erste Medium 20 kann hingegen entweder rein als System- oder Steuermedium zum Bewegen des zweiten Mediums 38 eingesetzt werden, oder kann auch als Prozessmedium dispensiert werden. Hier wird das erste Medium 20 außerdem als Spül- oder Reinigungslösung verwendet, wozu es durch die Dosierspitze 12 ausgegeben wird, um diese von Rückständen zu befreien.
8 zeigt die Flexibilität der Dosiervorrichtung 10 anhand mehrerer möglicher Verfahren. Hier dargestellt ist, entweder erstes Medium 20 zu dosieren oder zweites Medium 38 zu dosieren.
Soll nur erstes Medium 20 dispensiert werden, so wird in Schritt 124 das Verfahren A nach 6 durchgeführt.
Soll zweites Medium 38 dispensiert werden, so wird zunächst eine Trennhilfe, entweder ein mechanisches Trennelement 42 oder ein Trennmedium 40 in die Dosierspitze 12 eingebracht (Schritt 114). Soll ein Trennmedium 40 verwendet werden (Schritt 116), so wird dies über die Schritte des Verfahrens B in 7 in die Dosierspitze 12 aufgenommen.
Danach wird die benötigte Menge an zweitem Medium 38 aspiriert (Schritt 118), was wiederum über das Verfahren B in 7 erfolgt.
Anschließend wird in Schritt 120 das zweite Medium 38 dosiert, also dispensiert, mit dem Verfahren A aus 6.
Schließlich kann noch ein Spülschritt 122 mit erstem Medium 20 erfolgen, bei dem die Reste des zweiten Mediums 38 aus der Dosierspitze 12 entfernt und Rückstände beseitigt werden. Hierzu wird ohne vorherige Aufnahme von zweiten Medium 38 das Verfahren A aus 6 nur mit erstem Medium 20 durchgeführt.
Auch andere Verfahrensabläufe als die hier gezeigten beschriebenen sind selbstverständlich denkbar, diese möglichen Verfahren sind nur beispielhaft genannt.
Wird Trennmedium 40 aspiriert oder die Dosierspitze 12 mit erstem Medium 20 gespült, kann dies mit geringer Genauigkeit und dafür geringerem Zeitaufwand erfolgen.
2 zeigt eine zweite Ausführungsform der Dosiervorrichtung 10, mit der sich ebenfalls sämtliche oben beschriebenen Verfahren durchführen lassen.
Im einzigen Unterschied zur ersten Ausführungsform sind hier zwei Druckbehälter 26 vorgesehen, die jeweils mit einem eigenen Druckregler 30 zusammenwirken, wobei der Innendruck p des einen Druckbehälters 26 permanent auf einen Überdruck p_Ü und der des anderen Druckbehälters 26 permanent auf einen Unterdruck p_U eingestellt ist. Auf diese Weise ist der Wechsel zwischen Dispensieren und Aspirieren schneller zu vollziehen, da der Druckbehälter 26 nicht erst von Überdruck nach Unterdruck oder umgekehrt umgestellt werden muss. Vor Beginn eines Dosiervorgangs wird z.B. der Innendruck p eines der Druckbehälter 26 auf den vorgegebenen Druck-Sollwert p_S eingestellt, wobei jeweils lediglich die Höhe des Über- oder Unterdrucks angepasst werden muss.
In diesem Beispiel enthalten beide Druckbehälter 26 sowohl Druckbeaufschlagungsgas 28 als auch erstes Medium 20.
Die beiden Druckbehälter 26 sind hier über ein 3/2-Wege-Schaltventil 48 mit dem Eingang des Durchflussmessers 24, gegebenenfalls über eine Rohrleitung, die Teil des Fluidleitungssystems 18 ist, verbunden.
Um den gewünschten Druck an die Fluidleitungen der Dosiervorrichtung 10 anzulegen, wird das Schaltventil 48 mit dem jeweiligen Druckbehälter 26 in Strömungsverbindung gebracht, in dem der Druck-Sollwert p_S eingestellt ist.
3 zeigt eine dritte Ausführungsform der Dosiervorrichtung 10, mit der ebenfalls alle oben beschriebenen Verfahren durchführbar sind.
Im Gegensatz zur gerade beschriebenen Ausführungsform ist zusätzlich zu den beiden Druckbehältern 26 ein Ausgleichsbehälter 50 im Fluidleitungssystem 18 zwischen dem Schaltventil 48 und dem Durchflussmesser 24 angeordnet. Im Ausgleichsbehälter 50 ist sowohl eine Menge an erstem Medium 20 als auch Druckbeaufschlagungsgas 28 aufgenommen.
In den beiden Druckbehältern 26, die über das Schaltventil 48 mit dem Ausgleichsbehälter 50 verbunden sind, ist in diesem Beispiel ausschließlich Druckbeaufschlagungsgas 28, aber kein erstes Medium 20 enthalten.
Die Voreinstellung des vorgegebenen Druck-Sollwerts p_S erfolgt hier, indem der Innendruck p im Ausgleichsbehälter 50 über die Stellung des Schaltventils 48 sowie die Druckwerte p_Ü, p_U in den beiden Druckbehältern 26 eingestellt wird, wobei entsprechend des einzustellenden Druck-Sollwerts p_S Druckbeaufschlagungsgas 28 aus einem der Druckbehälter 26 in den Ausgleichsbehälter 50 einströmt oder aus dem Ausgleichsbehälter 50 in einen der Druckbehälter 26 abströmt.
Dieser Wert kann gegebenenfalls mittels eines (nicht dargestellten) Drucksensors im Ausgleichsbehälter 50 überprüft werden.
Der an das erste Medium 20 im Fluidleitungssystem 18 weitergegebene Druck entspricht hier dem Innendruck p im Ausgleichsbehälter 50. Dieser wirkt daher ebenfalls als Druckbehälter.

Claims

Dosiervorrichtung mit einer Dosierspitze (12) zum Dispensieren von flüssigem Medium (20, 38) und mit zumindest einem Druckbehälter (26) mit einem Druckbeaufschlagungsgas (28), in dem durch einen Druckregler (30) ein Innendruck (p) auf einen vorgegebenen Druck-Sollwert (p_S) einstellbar ist, der ein Überdrück (p_Ü) oder ein Unterdruck (p_U) bezüglich einer Umgebung der Dosiervorrichtung (10) ist, wobei der über das Druckbeaufschlagungsgas (28) eingestellte Innendruck (p) auf ein erstes flüssiges Medium (20) wirkt, einem bidirektionalen Durchflussmesser (24), der dazu ausgelegt ist, eine Menge des ersten Mediums (20) zu messen, die durch den im Druckbehälter (26) herrschenden Innendruck (p) bewegt wird, und einem Dosierventil (22) stromaufwärts der Dosierspitze (12), das dazu ausgelegt ist, einen Durchfluss des ersten Mediums (20) vom Durchflussmesser (24) zur Dosierspitze (12) freizugeben oder zu unterbinden.
Dosiervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie so ausgelegt ist, dass der vorgegebene Druck-Sollwert (p_S) des Innendrucks (p) im Druckbehälter (26) einen Unterdruck (p_U) annehmen kann, der das erste Medium (20) von der Dosierspitze (12) weg bewegt und ein zweites flüssiges Medium (38) in die Dosierspitze (12) aspiriert.
Dosiervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Dosierspitze (12) eine Trennhilfe vorhanden ist, die aus einem in die Dosierspitze (12) aspirierten Trennmedium (40) oder einem in die Dosierspitze (12) eingesetzten, beweglichen Trennelement (42) besteht.
Dosiereinheit nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennelement (42) einen Kolben mit einer Dichtungsscheibe (44) umfasst, die in einem von einem Auslassende (14) der Dosierspitze (12) weg gerichteten, verbreiterten Bereich (45) der Dosierspitze (12) angeordnet ist und an einer Innenwand der Dosierspitze (12) anlegt, sowie einen senkrecht von der Dichtungsscheibe (44) abstehenden Stab (46), der in einem zum Auslassende (14) an den verbreiterten Bereich (45) anschließenden schmaleren Bereich (47) der Dosierspitze (12) hineinragt.
Dosiervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Druckbehälter (26) mit Druckbeaufschlagungsgas (28) vorgesehen sind, wobei in einem der Druckbehälter (26) der vorgegeben Druck-Sollwert (p_S) des Innendrucks (p) als Unterdruck (p_U) gegenüber der Umgebung der Dosiervorrichtung (10) und in dem anderen Druckbehälter (26) der vorgegebene Druck-Sollwert (p_S) des Innendrucks (p) als Überdruck (p_Ü) gegenüber der Umgebung der Dosiervorrichtung (10) einstellbar ist.
Dosiervorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schaltventil (48) stromabwärts der Druckbehälter (26) und stromaufwärts des Durchflussmessers (24) angeordnet ist.
Dosiervorrichtung nach einem der Ansprüche 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich ein Ausgleichsbehälter (50) stromabwärts der Druckbehälter (26) vorhanden ist, der in Strömungsverbindung mit jedem der beiden Druckbehälter (26) bringbar ist und in dem ein Teil des ersten Mediums (20) aufgenommen ist.
Dosiervorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass in beiden Druckbehältern (26) ausschließlich Druckbeaufschlagungsgas (28) vorhanden ist.
Verfahren zum Dosieren wenigstens eines flüssigen Mediums (20, 38) mittels einer Dosiervorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit den Schritten - Einstellen des Innendrucks (p) mindestens eines Druckbehälters (26) auf den vorgegebenen Druck-Sollwert (p_S), - Bewegen des ersten Mediums (20) in der Dosiervorrichtung (10) mittels einer Druckdifferenz zwischen dem Innendruck (p) und einer Umgebung der Dosiervorrichtung (10) und - Messen der bewegten Menge des ersten Mediums (20) mittels des Durchflussmessers (24), der strömungsmäßig zwischen der Dosierspitze (12) und dem Druckbehälter (26) angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweites flüssiges Medium (38) durch die Dosierspitze (12) aspiriert und anschließend durch die Dosierspitze (12) dispensiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Aspirieren des zweiten Mediums (38) durch Wahl eines Unterdrucks (p_U) für den vorgegeben Druck-Sollwert (p_S) des Innendrucks (p) in wenigstens einem Druckbehälter (26) und daraus resultierend durch eine Bewegung von erstem Medium (20) von der Dosierspitze (12) weg erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Aspirieren des zweiten Mediums (38) als Trennhilfe ein Trennmedium (40) durch die Dosierspitze (12) aspiriert wird, das zwischen dem ersten und dem zweiten Medium (20, 38) liegt, oder ein in die Dosierspitze (12) eingesetztes Trennelement (42) bewegt wird, wobei die Trennhilfe einen Kontakt zwischen den beiden Medien (20, 38) verhindert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Dosierung über eine Druck-Zeit-Steuerung erfolgt, wobei vor Beginn eines Dosiervorgangs mittels des Innendrucks im Druckbehälter (26) der Druck-Sollwert (p_S) eingeregelt wird und eine innerhalb eines Schaltzeit-Intervalls (t_I) bewegte Menge des ersten Mediums (20) gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Dosiervorgang vorgesehen ist, bei dem nur eine Teilmenge der Gesamtmenge des zu bewegenden ersten Mediums (20) bewegt wird, wobei nach diesem Dosiervorgang eine Abweichung von der in diesem Dosiervorgang bewegten Menge von einer vorgegebenen zu bewegenden Menge bestimmt wird und das Schaltzeit-Intervall (t_I) für einen nachfolgenden Dosiervorgang angepasst wird.