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B e s c h r e i b u n g
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Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Befüllen einer Durchflußküvette
- vorzugsweise für eine Photometeranordnung.
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Bei Durchflußküvetten besteht das Problem, daß die zu analysierende
Flüssigkeit in den Küvettenhohlraum eingebracht werden muß und den dort zur Verfügung
stehenden Hohlraum möglichst rückstandslos, d.h. ohne Luftblasen, ausfüllen soll.
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Dabei darf die Verschleppung von Analysensubstanz von einer Probe
zu einer darauffolgenden einen bestimmten Wert nicht überschreiten, d.h. die Küvettenkammer
muß nach Durchführung der Analyse möglichst weitgehend von Resten der zuvor darin
befindlichen Substanz befreit werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer derartigen Durchflußküvette
eine Befüllungs- und Enleerungsanordnung in der Weise auszubilden, daß die Verschleppung
von Substanz nur sehr gering ist und das Füllen der Küvettenkammer möglichst vollständig
mit reiner Substanz sichergestellt ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil
des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.
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Besonders vorteilhaft ist dabei, daß die Anordnung mit geringem Aufwand
erstellt werden kann, wobei die erforder-
lichen Steuersignale bei
Einbeziehung in einen Analysenautomaten von dem Steuerteil für die Gesamtanordnung
(Mikroprozessor) herleitbar sind. Einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung
- die gegebenenfalls auch selbständig vorteilhaft einsetzbar ist - liegt die Aufgabe
zugrunde, eine Anordnung anzugeben, mit der auf einfache Weise das Erreichen eines
vorgegebenen Füllstandes in einer Küvette oder das Vorhandensein von Flüssigkeit
in Zuleitungswegen sicher anzuzeigen ist.
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Dieser Flüssigkeitsdetektor hat den Vorteil, daß - im Gegensatz zu
herkömmlichen Lichtschranken - eine Bestrahlung und Detektion von einer Seite aus
um ca. 90O verschiedenen Richtungen her möglich ist, so daß Strahlungssender und
Strahlungsempfänger in günstiger Weise gemeinsam in einem Gehäuse untergebracht
werden können. Die angegebene Anordnung ist darüber hinaus von Farbe, Trübung und
sonstiger Beschaffenheit der zu detektierenden Flüssigkeit weitgehend unabhängig.
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Weiterhin beinhaltet die Erfindung ein bevorzugtes Verfahren zum Überführen
von Substanz aus einem Probenbehälter in die Meßküvette, welches sich dadurch auszeichnet,
daß der Flüssigkeitstransport durch das Abreißen des Flüssigkeitsfadens in einem
unweit der Küvette in der Zuleitung gelegenen Füllstands- oder Flüssigkeitsdetektor
bestimmt wird. Dieses Verfahren hat den Vorteil, daß derjenige Teil der zu untersuchenden
Substanz zur Analyse herangezogen wird, welcher die Meßküvette zuletzt erreicht
und damit auch als letzter die Zuleitungen passiert hat. Gerade dieser Anteil der
Analysensubstanz ist derjenige, welcher
von Verunreinigungen weitgehend
frei ist, da sich letztere eher mit derjenigen Analysenflüssigkeit vermischen, die
die Flüssigkeitswege zuerst passiert.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß es für das Befüllen
einer Küvette von sehr großem Nutzen ist, wenn die Flüssigkeitswege von Luft-Flüssigkeits-Grenzzonen
passiert werden, welche infolge der Oberflächenspannung der Flüssigkeit körperliche
Bereiche abgrenzen, die in der Lage ist, die Wandungen von Zuleitungen und Gefäßen
von daran anhaftenden Flüssigkeitsresten befreien. Gerade das Aufeinanderfolgen
mehrerer derartiger Grenzschichten mit ihrer sich in kurzen Zeitintervallen ergänzenden
Einwirkung auf die Gefäßwandungen ist geeignet, auch fester anhaftende Verunreinigungen
zu beseitigen.
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Beim Entleeren der Küvette wurde für eine möglichst weitgehende Befreiung
von Rückständen als wirksam erkannt, daß ein zwischenzeitliches Ansteigenlassen
des Unterdrucks mit jeweils kurzem Belüften - das gleichfalls stoßartig erfolgen
kann - ebenfalls dazu beiträgt, an den Wandungen anhaftende Verunreinigungen zu
beseitigen.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
angegeben bzw. werden nachfolgend anhand eines vorteilhaften Ausführungsbeispiels
näher beschrieben. Es zeigen: Figur 1 eine perspektivische Darstellung der erfindungsgemäßen
Durchflußküvette,
Figur 2 eine Prinzipdarstellung der Steuerungswege
für den Flüssigkeitstransport und Figur 3 eine Detaildarstellung der erfindungsgemäßen
Anordnung zur Flüssigkeitserkennung.
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Bei der in Figur 1 dargestellten Durchflußküvette 1 führen zu einer
Meßkammer 2: eine Zuleitung 3, eine Entleerungsleitung 4 und eine Entlüftungsleitung
5, welche jeweils mit Oliven für einen Schlauchanschluß versehen sind. Die Zuleitung
3 und die Entleerungsleitung 4 münden senkrecht von oben her in Bereichen 6 und
7, welche gegenüber dem Boden der Meßkammer 2 vertieft angeordnet sind, so daß sich
die in der Meßkammer verbleibende Flüssigkeit in diesen Vertiefungen sammelt. Die
Entlüftungsleitung 5 entspringt einem sich kaminartig verjüngenden oberen Bereich
8 der Meßkammer 2, der derart ausgebildet ist, daß sich in der Meßkammer verbleibende
Luftblasen am Ende der Entlüftungsleitung 5 sammeln und in dieser aufsteigen. In
der Nähe der Entlüftungsleitung ist weiterhin eine Meßkammer 9 angeordnet, welche
zum Erfassen des Flüssigkeitsstandes in der Entlüftungsleitung dient und im Aufbau
derjenigen Anordnung entspricht, wie sie in Figur 3 dargestellt ist und weiter unten
noch näher beschrieben wird.
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Anhand des in Figur 2 wiedergegebenen Prinzipbildes der Steuerelemente
und Leitungswege zur Beeinflussung des Befüllungs- und Entleerungsvorgangs soll
jetzt der Betrieb der erfindungsgemäßen Küvettenanordnung für die Betriebsfälle
"Befüllen" und "Entleeren" beschrieben werden. Da insbesondere die Reinigung der
Küvette von Flüssigkeit,
die zu einer vorangehenden Probe gehörte,
von Bedeutung ist, soll bei der Beschreibung mit dem Entleerungsvorgang begonnen
werden.
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Die in Figur 2 dargestellten Ventile V1 bis V6 (letzteres kann wahlweise
anstelle deg Ventils V3 vorgesehen sein), erfolgt über ein Steuerteil St, daß bevorzugt
der Gesamtsteuerung eines vollautomatischen Analysengerätes angehört und verschiedene
Zeitgeberelemente enthält, die günstigerweise als Mikroprozessorschaltung ausgebildet
sind. Die Steuerschaltung St kann aber auch andersartig aufgebaut sein, wobei lediglich
von Bedeutung ist, daß sie in der Lage ist, zu den beschriebenen Steuerzeiten Signale
abzugeben, welche die dargestellten Ventile V1 bis V6 betätigen bzw. die elektrischen
Antriebe der Pumpen im MFA bzw. MFB aktiviert. Letztere unterscheiden sich lediglich
bezüglich ihrer Leistungsfähigkeit und bleiben jeweils für einen Umfüllvorgang permanent
in Betrieb.
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Die beiden dargestellten Schlauchpumpen lassen sich - je nach Ausführung
- auch auf einer gemeinsamen Welle anordnen, so daß ein Antriebsmotor eingespart
werden kann.
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Zum Entleeren wird das Ventil V3 geöffnet, so daß Luft in die Küvette
nachströmen kann, während die Pumpe MFA in Betrieb ist oder in Betrieb gesetzt wird.
Nach einem Zeitraum, der ausreichend ist, um die in der Küvette LSA befindliche
Flüssigkeit in ein Auffanggefäß 20 zu überführen, wird anstelle des Ventils V3 das
Ventil V4 geöffnet, woraufhin die restliche in der Schlauchleitung 3 befindliche
Flüssigkeit abgesaugt wird, wobei für den Entleervorgang unterstellt wird, daß am
Ende der Saugleitung 21 kein oder ein leeres Probengefäß vorhanden ist.
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Anstelle des Lüftungsventils V3 kann auch ein entsprechendes Ventil
V6 vorgesehen sein, welches bei der in Figur 2 dargestellten Anordnung zwischen
der Leitung 3 und dem Ventil V4 bewirkt, daß beim Entleeren mit geöffnetem Ventil
V6 bereits ein großer Teil der Zuleitung 3 mit entleert wird.
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Zum Entfernen der Flüssigkeitsreste wird das Ventil V5 geöffnet, woraufhin
zusätzlich die Wirkung der Pumpe MFB eingeschaltet wird, so daß sich die Saugleistung
wesentlich vergrößert. Durch abwechselndes Betätigen von V4 und V3 mit überlappenden
Zeiten zu denen V4 und V3 gleichzeitig geschlossen sind, wird ein häufiger Druckwechsel
innerhalb der Küvettenkammer erreicht, was zur Folge hat, daß zu Zeiten des Unterdrucks
bei gemeinsam geschlossenen Ventilen V3 und V4 (auch das Ventil V1 ist bei den bisherigen
Betrachtungen stets geschlossen) sich die Flüssigkeit auch von den Gefäßwandungen
ablöst und in den Bereich der Vertiefung 7 gelangt, an welche die Entleerungsleitung
4 angeschlossen ist.
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Nachdem nun die Küvette weitestgehend entleert ist, wird ein neues
gefülltes Probengefäß 22 zugeführt, in das eine mit der Leitung 21 verbundene Kanüle
23 so eingetaucht wird, daß nach dem Absaugen nur ein noch geringes Restvolumen
in dem Probengefäß verbleibt.
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Das Befüllen erfolgt nun in der Weise, daß die Ventile V2 und V4 geöffnet
sind, während die Pumpe MFA langsam in Betrieb gesetzt wird. Das Einschalten der
Pumpe MFA geschieht dabei möglichst ohne Stoßbelastung, um die sich
beim
Ansaugen der nachfolgend zu untersuchenden Subtanz bildende Flüssigkeitssäule in
ihrer Frontoberfläche zu erhalten. Diese Frontfläche passiert in sich geschlossen
die Wände der Zuleitungen 21 und 3, was zur Folge hat, daß an den Wänden anhaftende
Verunreinigungen ohne wesentliche Verwirbelung von der Flüss:igkeitsfrontfläche
aufgenommen und weiter voran transportiert werden. Hat die Frontfläche der Flüssigkeit
die Küvette 1 erreicht, so wird das Ventil V3 stoßweise kurzzeitig geöffnet, so
daß Nebenluft einströmt. Damit wird die Flüssigkeitssäule jeweils unterbrochen und
es werden neue Frontflächen der die Leitungen durchfließenden Flüssigkeitssäule
geschaffen, welche in entsprechender Weise zur Reinigung der Leitungen beitragen.
Ist das Belüftungsventil V3 durch das Ventil V6 ersetzt, so läßt sich diese Wirkung
auch noch über den Bereich der Leitung 3 erstrecken.
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Von besonderer Bedeutung ist die Wirkung des Ventils V1, welches dann
betätigt wird, wenn der Füllstand in der Küvette bereits einen solchen Wert erreicht
hat, daß sich über das Ventil V2 die Kammer 2 nicht weiter auffüllen läßt. Zum weiteren
Befüllen wird das Ventil V2 geschlossen und die Ventile V1 und V3 geöffnet, so daß
die in der Kammer befindlichen Luftblasen entfernt werden und sich das Kammervolumen
füllt. Dabei ist zu beachten, daß der die wesentlichen Verunreinigungen enthaltende
voranströmende Teil der zu untersuchenden Analysensubstanz den Weg über das Ventil
V2 passiert und damit das Kammervolumen der Küvette jetzt bereits verlassen hat.
Die Pumpe MFA läuft bei weiter geöffnetem Ventil V1 so lange, bis das Probengefäß
2 so weit wie möglich entleert ist.
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Nach dem Abreißen der Flüssigkeitssäule in der Leitung 3 entleert
sich der Flüssigkeitsdetektor LSE, woraufhin ein Signal ausgelöst wird, das ein
Schließen des Ventils V1 veranlaßt, während die Pumpe MFA langsam ausläuft. Damit
wird erreicht, daß möglichst der zuletzt entnommene reinste Teil der Analysensubstanz
zur Auswertung herangezogen wird.
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Eine Analyse wird jedoch nur dann als gültig akzeptiert, wenn dabei
auch der Flüssigkeitsdetektor LAS innerhalb der Küvette anspricht, der anzeigt,
daß die Küvette ausreichend mit Meßflüssigkeit gefüllt ist. Sollte diese Füllung
nicht erreicht sein, wird über eine Kennzeichnung L eine Störungsmeldung ausgegeben,
welche die Aufmerksamkeit der Bedienungsperson hervorruft bzw. die betreffende Analyse
als ungültig markiert.
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Die in Figur 3 dargestellte Anordnung zur Flüssigkeitserkennung findet
in einer photometrischen Meßanordnung mit Durchflußsystem für den Meßguttransport
Anwendung, wie es zuvor beschrieben wurde.
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Dabei erlauben es zwei dieser Erkenneinheiten, die zur Messung nötige
vollständige Füllung der Meßkammer mit Meßgut zu überwachen und damit eine der Voraussetzungen
für eine ordnungsgemäße Analyse sicherzustellen. Jeweils vor und hinter der Meßkammer
(in Durchflußrichtung betrachtet) befindet sich je eine der Erkenneinheiten. Die
in der Meßkammer angeordnete Einheit dient zum Detektieren der Ankunft des Meßgutes,
während die in der Zuleitung 3 befindliche Einheit das Ende der fließenden Meßgutmenge
sig-
nalisiert. Die Flüssigkeitsdetektoren werden bevorzugt mit
der Meßkammer in einem gemeinsamen Glaskörper (Küvette) untergebracht, können aber
auch körperlich getrennt - mit Versorgung durch Schlauchleitungen - vorgesehen sein.
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Der in Figur 3 wiedergebene Flüssigkeitsdetektor weist einen Schwarzglaskörper
10 auf, mit einem Hohlraum 11, der mit Anschlüssen zur Aufnahme der zu detektierenden
Flüssigkeit (Durchflußmedium) vorgesehen ist. Eine Reflexionsfläche 12 zwischen
einem transparenten Glaskörper 13 und dem Raum 11 für das Durchflußmedium erzeugt
im Leerzustand, wenn sich Luft im Durchflußkanal befindet, bei geeigneter Anordnung
eines Lichtsenders 14 (LED) Totalreflexion für den ausgesandten Lichtstrahl, so
daß dieser auf die Rezeptionsfläche eines einen Lichtempfänger bildenden Detektorelementes
15 (Photodiode) auftrifft. Die Ursache für die Totalreflexion liegt in bekannter
Weise in dem gegenüber dem von Luft (nL ca. 1,0) deutlich höheren Brechungsindex
von Glas (nG ca. 1,5...1,6).
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Wird der Durchflußkanal 5 von Flüssigkeit angefüllt, verändern sich
die optischen Eigenschaften des Systems. Der Brechungsindex des Meßgutes ist mit
nM ungefähr 1,3...1,4 größer als derjenige von Luft. In einem vorbetimmten, berechenbaren
Bereich -des Blickwinkels des Detektorelements, in dem vorher gegen Luft Totalreflexion
auftrat, wird jetzt durch das eingeflossene Meßgut eine Brechung des vom Sender
14 einfallenden Lichtstrahls erzeugt. Das Licht nimmt seinen Weg durch das Meßgut
und gelangt von dort in den Schwarzglaskörper 10, wo es absorbiert wird.
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Befindet sich nach Unterbrechung der Flüssigkeitssäule wieder Luft
im Durchflußkanal 12, tritt an der Grenzfläche 12 am Glaskörper 13 erneut Totalreflexion
auf und das vom Sender 14 ausgestrahlte Licht wird zum Lichtempfänger 15 reflektiert.
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Die Probenflüssigkeit wird durch die hier dargestellte Detektionsanordnung
nicht - wie bei anderen Meßprinzipien - durch Stromfluß oder dergleichen beeinträchtigt.
Auch ist die Art der Detektion von der optischen Durchlässigkeit der zu messenden
Flüssigkeit völlig unabhängig.
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In Kombination mit geeigneten Steuerelementen (Ventilen, steuerbaren
Pumpen) ist es mit der beschriebenen Erkenneinheit möglich, flüssiges Meßgut exakt
(im /ul-Bereich genau) zu positionieren, ohne das Durchflußmedium in irgendeiner
Weise zu beeinträchtigen. Die Detektoreinheit läßt sich platzsparend aufbauen und
gegebenenfalls in den Glaskörper integrieren, wobei eine vereinfachte Montagemöglichkeit
dadurch gegeben ist, daß alle elektrischen Zuleitungen auf einer Seite angeordnet
sind und der erfindungsgemäße Flüssigkeitsdetektor somit eine Steckeinheit bilden
kann, welche schnell und sicher in einer entsprechenden Aussparung im Glaskörper
anbringbar ist.