DE2155447C3

DE2155447C3 - Vorrichtung zum automatischen Entnehmen und Abmessen von Flüssigkeitsvolumen

Info

Publication number: DE2155447C3
Application number: DE2155447A
Authority: DE
Inventors: Sigvard Prof. Taeby Thulin (Schweden)
Original assignee: AGA AB
Current assignee: Linde Sverige AB
Priority date: 1970-11-12
Filing date: 1971-11-08
Publication date: 1973-10-18
Also published as: DE2155447B2; DE2155447A1; US3769841A; FR2114568A5; SE347355B

Description

Die 1IrNmIiIiIg bezieht sich auf eine Vorrichtung zum automatisch'.·!! !^;ul!H'hmcn und Abmessen von FliissiukeiMoliinieii, mii eine ι Schlauch- oder Röhrchenmiindung od. dgl., die in die Flüssigkeit versenk bar ist, aus der ei.¹I Volumen entnommen und abgemessen werden soll, wobei an bzw. über der Flüssiukeitsoberlläche ein geeigneter Überdruck im Verhak nis zum Druck am anderen Ende des Röhrchens od. dgl. vorliegt.

Hin Bedarf "an automatischer Probenahme von gc nau vorgegebenen Flüssigkeitsvolumen besteht innerhalb vieler Sektoren in der Industrie, beispielsweise ίο bei Wasserreinigungswerken. Bei automatischen An.v lysegeräten verschiedener Art werden immer höhere Anforderungen u. a. an die Probenahme- und Reu genzpipetten in bezug auf extrem hohe Zuverlässig keit, große Genauigkeit, minimales »carry over· — d. h. Überführung von Proberesten von eine; Probe zur nächsten — und lange Lebensdauer gestellt. In vielen Fällen ist es auch wünschenswert oder sogar notwendig, das Meß volume η verändern /u können. Außerdem liegt eine klare Tendenz vor, die Analysen mit immer kleineren Proben durchzuführen, weshalb auch die Probenahmevorrichtungen immer kleinere Proben unter beibehaltener oder sogar verbesserter Meßgenauigk..Mt nehmen können müssen. Die vorliegende Erfindung hat zum Zweck, eine derartige Vorrichtung zur automatischen Entnahme und Abmessung vo.i sowohl großen als auch kleinen Flüssiokeitsproben mit hoher Meßgenauigkeit hervorzubringen, die große Zuverlässigkeit, lange Lebensdauer und gute Repetitionsfrequenz ohne Verwendung von Ventilen und praktisch keinerlei Leckagerisiko aufweist.

Dies wird gemäß vorliegender Erfindung dadurch erreicht, daß bei einer Anordnung der einleitend beschriebenen Art ein Detektor an einer definierten Stelle am Probenahmeröhrchen vorgesehen ist, daß das Volumen im Röhrchen zwischen dessen in die Flüssigkeit versenkbarer Mündun« und der genannten Stelle dem zu entnehmenden und abzumessenden Flüssigkeitsvolumen entspricht sowie daß, sobald die Grenzfläche zwischen Flüssigkeit und Gas im Röhrclien die genannte Stelle erreicht, der Detektor eine Anordnung aktiviert, die die Röhrchenmündung aus der Flüssigkeit hochhebt, wonach der Überdruck auf an sich bekannte Weise das somit abgemessene Flüssigkeitsvolumen durch das andere Ende des Röhrchens hinauspreßt.

Die Erfindung schlägt somit eine Vorrichtung vor, die sich insbesondere dadurch auszeichnet, daß sie keine Ventile oder andere Absperrvorrichtungen für die Flüssigkeit enthält, die zu Leckage Anlaß geben können. Gleichzeitig erreicht man eine große Meßgenauigkeit; der Meßfehler läßt sich unter 1 °/o halten. Außerdem erzielt man eine hohe Repetitionsfrequenz, d. h. rasches Probenehmen und Abmessen. Die erfindungsgemäße Einrichtung deckt im Prinzip den gesamten Volumenhereich von einigen Mikrolitern bis zu jedem gewünschten Volumen, beispielsweise 1 I oder mehr.

Der Detektor ist zweckmäßigerweise am Röhrchen entlang verschiebbar, um das zu entnehmende und abzumessende Flüssigkeitsvolumen einstellen zu können.

Beim Entnehmen von kleinen Probemengen besteht das Röhrchen zweckmäßigerweise aus einer Kapillare. Beim Entnehmen größerer Volumen kann das Röhrchen zwischen der Mündung und dem Detektor mit einer Erweiterung oder einem vorzugsweise unterhalb der Mündung liegenden Behälter mit gegebenem Vo

lumen versehen sein. OKr der Fliissigkoitsoberfkiche kann ein Gas mit erhöhtem Druck und/oder um anderen Einde des Röhrchens ein niedriger Druck bzw. ¹ nterdruck vorhanden sein.

Zum Absenken der Röhrchenmündung in die Flüssigkeit' ist ein Abschnitt des Röhrchens zweckmäßigerw eise flexibel beweglich, während der restliche Teil starr sein kann. Statt dessen kann auch das ucNamte Röhrchen starr und in einem Behälter mit flexiblem VVandmaterial befestigt sein, wobei der Befestigungspunlct des Röhrchens gegenüber der Flüssinkeitsoberfläche heb- und senkbar ist, um die Röhrehenrniindung in dieselbe einzutauchen. Man kann auch die Röhrchenmüiidung ortsfest anbringen und den Flüssigkeitsspiegel zur Pro' cnahrrie erhöhen. Beispielsweise bei der Probenahme aus Flüssigkeiten mit schwankendem Wasserstand, wie See- oder Wasserläufen, kann die erfindungsgemäße Vorrichtung mit einem Schwimmer verbunden sein, um dem genannten schwankenden Wasserstand zu folgen.

Die Vorrichtung kann somit auch ohne jegliche bewegliche Teile in der Proberlüssigkeit ausgeführt werden. Bei den Varianten mit einem beweglichen Teil in der Probeflüssigkeit kann das fragliche Teil aus einem biegsamen Schlauch oder Balg mit seht kleinen Bewegungen und damit großer Lebensdauer bestehen. Die beweglichen Teile außerhalb des Flüssigkeitssystems können gemäß bewährter Technik ausgeführt werden, beispielsweise unter Verwendung von Relaismagneten, Solenoidmagneten oder Pneumatik mit sehr großer Zuverlässigkeit, geringen Hüben und kleinen Stellkräften. Sie können leicht austauschbar gemacht werden, was die Wartung erleichtert und verbilligt.

In vielen Fällen ist man an sehr kleinen Flüssigkeitsvolumen interessiert. Das kleinste abmeßbare Flüssigkeitsvolumen wird durch die erforderliche Mindestrohrlänge zwischen der Röhrchenmündiing ui. J der Detektierstelle sowie dem kleinsten praktisch annehmbaren lichten Rohrdurchmesser bestimmt. Letzterer ist seinerseits u. a. abhängig vom zulässigen Gasdruck an der Flüssigkeitsoberfläche 11, und zwar um Kapillarkräfte zu überwinden. Bei beispielsweise 0,5 mm lichtem Durchmesser und einer Röhrchenfange von 25 mm würde man ein Volumer von etwa 5 μΐ erhalten. Wenn die Abmessung mit einer Fehlergrenze von 0,5 mm Flüssigkeitssäule erfolgen kann, würde dies e^:nen Meßfehler bezogen auf Has Volumen von 2⁰Ai bedeuten. Bei größeren Volumen, d.h. größeren Röhrchenlängen, wird die Fehlergrenze entsprechend geringer. Die Repruduzierbarkeit dürfte sich weiter als bis 0,5 mm, wahrscheinlich 0,! bis 0,2 mm Flüssigkeitssäule treiben lassen. Durch Kalibrierung der unter den gegebenen experimentellen Bedingungen, wie Gasdruck, Flüssigkeitsviskosität, Oberflächenspannung, Temperatur, Röhrchenmaterial, Zeitkonstanten usw. abgemessenen Flüssigkeitsmenge für jede Stelle dürfte sich daher der absolute Meßfehler erforderlichenfalls bei 1 % oder darunter halten lassen, auch im meßtechnisch an sich ungünstigen Fall geringer Probemengen, beispielsweise 5 bis 10 μΐ.

Die Erfindung sei nun näher im Anschluß an die Zeichnung erklärt. Dabei zeigt

F i g. 1 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei sich der nach der heb- und senkbaren Röhrchenmündung folgende Röhrchenteil unter der Flüssigkeitsoberfläche befindet, F i g. 2 eine Modifikation der Ausführung nach Fig. I. wobei der nach der Mündung des Röhrchens folgende Teil oberhalb der Flüssigkeitsoberllüciie liegt.

Fig. } eine Einzelheit bei der Durchführung eines starren Röhrchens von unten durch ein Probegefäü: Fig. 4 die Durchführung eines starret· Röhrchens von oben durch das Probegefäü:

Fig. 5 ein Gefäß mit starrem Probenahmeröhrchen

in und flexiblen Gefäßwänden;

F i g. 6 eine besondere Ausführuiigsform /ur hinnähme größerer Prohemeimen:

Fig. 7 und S Ausführungsformen, bei denen die Beweglichkeit der Röhrchenmüiidung durch schraubeiilinien- oder spiralförmige Ausführung des Röhrchens erreicht wurde.

Die prinzipielle Arbeitsweise der F.rfindung sei im Anschluß an die beiden in Fig. 1 und 2 scheniatisch dargestellten Ausführungsformen näher »eranschaulicht.

Das gewünschte Volumen wird begrenzt durch die obere Mündung 10 eines Röhrchens 5, eventuell einer Kapillare, und eine gewählte, gensu definierte Stelle') des Röhrchens 4, durch welches die Probe aus der Vorrichtung ausgetragen wird. Das Ausgeben erfolgt, indem die Mündung 10 des erstgenannten Röhrchens 5 von oben oder unten unter die Oberfläche 11 der Flüssigkeit 12 abgesenkt wird, aus der das gewünschte Volumen abzumessen ist. Dieses Absinken ist in Fig. 1 und 2 durch den biegsamen Schlauch 6 zwischen den Röhrchen 4 und 5 sowie die Anordnung 13, 17 ermöglicht.

Durch Gasüberdruck auf dieser Flüssigkeitsoberfläche gegenüber dem Druck am Ende 14 des Röhrchens 4 oder direkt durch die Schwerkraft wird die Flüssigkeit durch das genannte Röhrchen gedrückt. Der Druck am Röhrchenendc 14 kynn generell größer oder kleiner als der atmosphärische Druck oder auch genauso groß wie dieser sein. Wenn die Grenzfläche zwischen Flüssigkeit und Gas im Röhrchen 4 die gewählte Stelle 9 erreicht, wird dies durch einen geeigneten Detektor 7 angezeigt, der ein sofortiges Herausheben der Röhrchenmündung 10 aus der Flüssigkeit durch die Anordnung 13, 17 auslöst.

Hierdurch wird ein durch das Röhrchenvolumen zwischen der genannten Stelle 9 und der Röhrchenmündung 10 vorgegebenes Flüssigkeitsvolumen aus der Flüssigkeit 12 entnommen und durch den genannten Gasüberdruck oder die Schwerkraft durch das Röhrchen 4 und aus dessen unterem Ende 14 hinausgedrückt. Ein besonderer Vorteil dieser Einrichtung ist, daß die Flüssigkeit durch den Gasüberdruck rasch und vollständig aus dem Röhrchen entleert wird.

Sobald eine Probe wie oben beschrieben entnommen und abgemessen ist und durch das Gas bzw. die Luft uurch das Röhrchen 5 gepreßt wird, ist die Vorrichtung im Prinzip klar für eine neue Probenahme und Abmessung. Es sei dabei vorausgesetzt, daß das jeweils zwischen den einzelnen Flüssigkeitsproben liegende Gasvolumen die Proben voneinander trennt. In jedem Fall kann eine neue Probenahme und Messung beginnen, sobald ein abgemessenes Volumen die Anordnung über das Röhrchenende 14 verlassen hat.

Der Flüssigkeitsstand 11 läßt sich dadurch konstant halten, daß die Flüssigkeit 3 über ein Rohr 15 zugeführt wird und man überschüssige Flüssigkeit 2

über einen Überlauf 16 abfließen läßt. Der Detektor 7 kann lang gemacht und beispielsweise in mehreren

kann am Röhrchen 4 entlang verschoben werden, Schlingen oder als Spirale ausgeführt werden, an der

wodurch sich die Größe des abzumessenden VoIu- sich der Detektor 7 entlang verschieben läßt. Werden

mens variieren läßt. große Volumen gewünscht, kann man das Röhrchen 4

Bei der Ausführung nach Fig. 1 und 2 erfolgt die ο (wie in Fig. 1 gezeigt) mit einer oder mehreren ErAbmessung unter Verwendung eines biegsamen Weiterungen 8 versehen oder einen Behälter 18 anSchlauches 6, der es gestattet, die Flüssigkeitsober- bringen, wie in Fig. 6 dargestellt. Der Behälter 18 fläche mit der Röhrchen- oder Schlauchmündung 10 wird hierbei bis zur Höhe 19 des Rohres 20 gefüllt, rasch zu durchdringen. Der flexible Teil kann selbst- wonach ein Überströmen in das Röhrchen 4 erfolgt, verständlich auch beispielsweise (vgl. Fig. 7 und 8) io Das Abmessen kann wie oben an einer Stelle 9 craus einem Schraubenlinien- oder spiralförmigen folgen, wobei jedoch bestimmte Verhältnisse zwischen Röhrchen bestehen, beispielsweise einem dünnwan- dem Gasdruck oberhalb der Flüssigkeit sowie den digcn Glas- oder Mctallröhrchen. Man kann indessen Strömungswiderständen im Röhrchen 10 bzw. 4 auch völlig starre Röhrchen nach Fig. 3, 4 und 5 vorliegen müssen. Arn sichersten dürfte die Flüssigverwenden. Die Vorrichtung nach Fig. 3 fordert 15 keitsstanderfassung in diesem Fall durch ein Detekhicrbei eine Form von Abdichtung, beispielsweise tieren der Passage des FlUssigkeitsmeniskus am.Punkt durch Einschlifi", O-Ringe, Manschetten, einen Balg, 19 erfolgen. Diese Einrichtung gestattet die Entnahme Zwischendrainage usw. an der axial beweglichen sehr großer Proben, und im Prinzip bestehen keine Durchführung durch die Wand des Gefäßes 1. Grenzen bezüglich der Größe des Behälters 18.

Bei der Vorrichtung nach F i g. 5 sind die starren _ao Der Detektor 7 kann nach bekannten Prinzipien

Röhrchen in einem Behälter aus flexiblem Wand- ausgeführt werden, z. B. pneumatisch, kapazitiv,

material solcher Form befestigt, daß beispielsweise induktiv, elektrisch (Leitfähigkeit) oder optisch. Im

ein Druck in Richtung der Pfeile ein Absenken des letztgenannten Fall dringt Licht von einer Lichtquelle

Befestigungspunktes 21 und dadurch ein Annähern durch einen Spalt, das Röhrchen und einen weiteren

der Röhrchenmündung 10 an und unter die durch 25 Spalt 7um Detektor. Eventuell kann das Licht von

den Überlauf 16 bedingte Flüssigkeitsoberfläche im der Lichtquelle durch Glasfasern geleitet werden, das

Behälter herbeiführt. Röhrchen passieren, durch Glasfasern oder einen

Die in den Zeichnungsriguren dargestellte Flüssig- Spalt fortsetzen und danach den Detektor erreichen, keilsobeifläche kann im Prinzip beliebige Form und Der Heb- und Senkmechanismus, d. h. die Anord-

Größe haben, beispielsweise aus einer See- oder 30 nung 13, kann ebenfalls nach verschiedenen bekannten

Wasserspeicheroberfiäche, der Oberfläche eines Piiüzipien ausgeführt werden und somit clckirn

Prozeßstroms od. dgl. bestehen. Wesentlich ist, daß magnetisch, pneumatisch, hydraulisch oder mecha-

die Lage der Flüssigkeitsoberfläche derart sein muß, nisch arbeiten. Die Schnelligkeit des Detektors 7 und

daß die Bewegungen der Röhrchenmündung 10 der Anordnung 13 soll groß im Verhältnis zur Be-

zwischcn der durch die Anordnung 13,17 bestimmten 35 wegungsgeschwindigkeit des FlUssigkeitsmeniskus im

oberen und unteren Endlage die oben beschriebene Röhrchen 4 sein. Weiterhin muß der Hub der Anord

Funktion ergeben, die sich selbstverständlich auch nung 13 so groß sein, daß die Röhrchenmündung <ik

dadurch erreichen läßt, daß die Lage der Röhrchen- Flüssigkeitsoberfläche durchstößt, auch wenn de er

mündung festgelegt wird und man die Flüssigkeits- Oberflächenspannung groß ist, sowie daß dies wi

oberfläche hebt und senkt. Die Meßvorrichtung kann 40 hältnismäßig rasch erfolgt. Der Heb- und Senk

im Prinzip auch an einem Schwimmer od. dgl. mon- mechanismus wird zweckmäßigerweise so ausgeführt

tiert werden. daß er in Ruhestellung die. Röhrchenmündung ? I

Die Größe des abzumessenden Volumens läßt sich oberhalb der Flüssigkeit hält. Dadurch wird jeglic'u

innerhalb weiter Grenzen variieren. Das Röhrchen 4 Leckagegefahr völlig beseitigt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprücl

I. Vorrichtung zur automatischen Entnahme und Abmessung von Fliissigkeilsvolumcn mit einer Schlauch- oder Röhrchenmündung od. dgl., die in die Flüssigkeit versenkbar ist. aus der ein Volumen entnommen und abgemessen werden soll, wobei an bzw. über der Flüssigkeitsoberflächc ein geeigneter Überdruck im Verhältnis zum Druck am anderen Ende des Röhrchens od. dgl. vorliegt, dadiirth g e k e η η ζ e i c h net, daß ein Detektor (7) an einer delinierten Stelle (9) des Röhrchens od. dgl. (4) vorgesehen ist. daß das Volumen im Röhrchen (4, 5, 8, 18) od. dgl. zwischen dessen in die Flüssigkeit versenkbarer Mündung (10) und der genannten Stelle (9) dem ?u entnehmenden und abzumessenden Flüssigkeitsvolumen entspricht, daß, wenn die Grenzfläche zwischen Flüssigkeit und Gas im Röhrchen (4) die genannte Stelle (9) erreicht, der Detektor (7) eine Anordnung (13, 17) aktiviert, die die Röhrchenmiindung (10) aus der Flüssigkeit (12) hochhebt, wonach der überdruck das somit abgemessene Flüssigkeitsvolumen durch das andere Ende (14) des Röhrchens (4) od. dgl. hinausdrückt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (7) zwecks Einstellung des gewünschten Flüssigkeitsmeßvolumens am Rohrchen (4) entlang verschiebbar ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Röhrchen (4, 5) aus einer Kapillare besieht.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das uöhrchen (4) zwischen der Mündung (10) und der Detektierstelle (9) mit einer Ausweitung (8) versehen oder mit einem vorzugsweise unterhalb der Mündung (10) liegenden Behälter (18) mit bekanntem Volumen verbunden ist.
5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß über der Flüssigkeitsoberfläche (11) sich ein Gas mit erhöhtem Druck befindet und/oder daß am anderen Ende (14) des Röhrchens (4) ein niedrigerer Druck herrscht.
6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Abschnitt (5, 6) des Röhrchens (4) flexibel beweglich ist.
7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Röhrchen (4) starr und in einem Behälter (1) mit flexiblem Wandinaterial befestigt (21) ist, sowie daß der Befestigungspunkt (21) des Röhrchens (4) heb- und senkbar ist, um die Röhrchenmündung (10) über bzw. unter die Flüssigkeitsoberfläche (H) zu halten.
8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dieselbe mit einem Schwimmer zwecks Anpassung an Schwankungen des Fliissigkeitsstandes verbunden ist.