-
Technisches
Sachgebiet
-
Die
vorliegende Erfindung betrifft ein System zum Regulieren einer Fluidströmung und
insbesondere ein System, das geeignet ist, Flüssigkeit aus einem belüfteten Behälter zu
pumpen und die Flüssigkeit
in einer impulslosen Strömung
an ein Instrument auszugeben.
-
Hintergrund
der Erfindung
-
In
der klinischen Forschung und in klinischen Anwendungen wird die
Durchflussanalyse zum Analysieren der Eigenschaften von Zielpartikeln
verwendet. Bei diesem System, wird ein Partikelstrom in die Mitte eines
Hüllstroms
injiziert. Die resultierende laminare Strömung wird durch eine optische
Erkennungsstelle geleitet, an welcher der Strom beleuchtet und die
Fluoreszenz der und/oder die Lichtstreuung durch vorbeigeleitete
Zielpartikel gemessen wird. In Sortier-Analysatoren kann der Durchflussstrom
anschließend
in Tröpfchen aufgeteilt
werden, wobei die Zielpartikel in die Tröpfchen verteilt sind. Diese
Tröpfchen
können
sodann sortiert werden, um die interessierenden Partikel wiederzugewinnen.
-
Die
Anforderungen an ein robustes Hüllstromausgabesystem
sind a) das Bereitstellen einer adäquaten Durchflussleistung und
b) eine vernachlässigbar
geringe zeitliche Durchflussschwankung. Die Durchflussschwankung
ist für
Sortieranwendungen besonders wichtig. Während eines Sortiervorgangs
wird ein Ziel an einer ersten Stelle analysiert und identifiziert,
Tröpfchen
werden stromabwärts
an einer zweiten Stelle erzeugt, Tröpfchen werden für das Sortieren
an einer dritten stromabwärtigen
Stelle markiert (im allgemeinen durch Anlegen einer Ladung an das
Tröpfchen),
und die Tröpfchen
werden an einer vierten stromabwärtigen
Stelle sortiert (beispielsweise durch Leiten geladener Tröpfchen zwischen
geladenen Platten hindurch). Die erste bis vierte Stelle sind entlang
einem Strömungsweg
verteilt. Das Sortieren der Tröpfchen
erfordert eine genaue Übereinstimmung
zwischen der Zielerkennung, der Tröpfchenbildung und dem Tröpfchenladen
sowie der Ablenkung. Wenn die Wenn die Strömungsgeschwindigkeit in Impulsen
variiert, wird eine derartige Koordination der Vorgänge erheblich
erschwert.
-
Bei
der in der Durchflusszytometrie verwendeten Hüllstromflüssigkeit handelt es sich im
allgemeinen um eine phosphat-gepufferte Salz- oder eine andere isotonische
Lösung.
Bekannte Durchflussanalysesysteme verwenden einen druckbeaufschlagten
Behälter
zum Liefern der Durchflussströmung.
Ein Regler schafft einen statischen Luftdruck über der freien Fläche des
Hüllstromfluids
innerhalb eines großen
starren Tanks. Bei Hochdrucksystemen handelt es sich bei diesem
Tank üblicherweise
um einen druckbeaufschlagten Tank aus rostfreiem Stahl. Bei Anwendungen
mit geringerem Druck besteht der Tank aus verstärktem Kunststoff. Der Druck
in dem Tank treibt das Fluid in dem Tank zu einem Auslassrohr, das
zu der Durchflussanalysezelle führt.
-
Bei
derartigen großen
Tanksystemen wird die Druckhöhe über der
Hüllstromflüssigkeit
in einem Tank variiert, um Druckverluste beim Absinken des Fluidpegels
im Tank auszugleichen. Da die Durchflussvolumenanforderungen des
Zytometers im Vergleich mit dem Volumen des Tanks gering sind, ist
die mit der Volumenänderung
einhergehende Druckveränderung
eine allmähliche.
Es ist für
den Druckregler verhältnismäßig einfach,
den Druck im Tank zu verändern,
um den durch den fallenden Fluidpegel im Tank verursachten Druckverlust
auszugleichen.
-
Dieses
System weist eine Reihe von Nachteilen auf. Zunächst ist das System platzraubend
und teuer. Zweitens ist das System relativ schwierig zu benutzen.
Die Handhabung der großen,
schweren Hüllstromtanks ist
umständlich.
Drittens fehlt es dem System an Flexibilität. Zum Hinzugeben oder Austauschen
von Hüllstromfluid
muss der Druck im Tank entspannt werden, die Zu führleitungen müssen getrennt
werden, der Tank muss wieder befüllt
(oder geleert und befüllt)
und neu mit Druck beaufschlagt werden. Dies führt zu Systemstandzeiten und
erfordert einige Fachkenntnisse, um die Durchgängigkeit der Systemleistung
zu gewährleisten.
In zahlreichen bekannten Systemen gleicht der Druckregler Druckschwankungen,
die mit Veränderungen des
Fluidpegels im Tank einhergehen, nicht automatisch aus. Stattdessen
muss der Bediener den Reglerdruck mit der Veränderung des Pegels im Hüllfluidtank
periodisch nachstellen. Dies erfordert Benutzerzeit und kann zu
Fehlern führen.
-
Es
wurden verschiedene Lösungen
vorgeschlagen, die ein Verfahren zum Bewirken eines impulslosen Pumpens
aus einem belüfteten
Behälter
angeben. Das US-Patent 6 227 807 beschreibt eine Einrichtung zum Regeln
der Ausgabeströmung
einer Pumpe. Die radiale Geschwindigkeit der Pumpe wird innerhalb
bestimmter Segmente des radialen Wegs des Motors während der
Pumpenumdrehungen geregelt. Dies erfolgt durch einen Speicher, einen
Zähler
und einen Verstärker.
Diese regeln die Geschwindigkeit des Pumpenschrittmotors an bestimmten
Punkten in dem Pumpzyklus. Die Abwärtshubdauer wird minimiert
und ein Strömungsunterbrechungsfilter
unterdrückt
die Unterbrechung der Strömung
während
des Aufwärtshubs.
-
Die
US-Patente 6 017 194 und 6 200 101, auf welches sich der Oberbegriff
des Anspruchs 1 bezieht, beschreiben ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum Bewirken einer konstanten Flüssigkeitsdruckausgabe. Bei
dieser Vorrichtung wird Flüssigkeit
aus einem belüfteten
Behälter
durch eine Pumpe in einen Flüssigkeitssammler
gepumpt. Ein Volumensensor für
die Flüssigkeit
in dem Sammler dient zur Regelung der Pumpe, derart dass die Flüssigkeit
in dem Sammler auf einer konstanten Höhe gehalten wird. Die negative
Federrate des Sammlerkolbens ist gleich der Summe der positiven
Federraten der Regelfeder des Sammlers, des Membrankolbens und des
Biegungssensorstützhebels.
Der Biegungssensorstützhebel
bewegt die Sammlermembran, wodurch ein Signal an die Pumpe ausgelöst wird.
Diese Rückkopplungsschleife
regelt die Pumpen geschwindigkeit, um einen konstanten Flüssigkeitspegel
in einem Flüssigkeitssammler
beizubehalten.
-
Zwar
ermöglichen
diese Lösungen
das Pumpen aus einem belüfteten
Behälter,
jedoch sind alternative Verfahren zum Erzeugen einer gleichmäßigen Pumpenströmung erstrebenswert.
-
Es
ist die Aufgabe der Erfindung, ein Strömungssystem zu schaffen, das
eine konstante Strömung
bewirkt. Dieses System sollte aus einem von einem Benutzer gewählten, nicht-druckbeaufschlagten
Behälter
gespeist werden. Es sollte nicht durch die Höhe des Fluidpegels in diesem
nicht-druckbeaufschlagten Behälter beeinflusst
sein.
-
Es
ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein derartiges System mit
geringeren Materialanforderungen zu schaffen. Ein derartiges System
ist leichter und erfordert weniger Stellfläche.
-
Eine
weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein System zu schaffen, das
eine weniger genaue Pumpenregelung erfordert und zur Verwendung
mit verfügbaren
pulsierenden Pumpen geeignet ist.
-
Das
erfindungsgemäße System
ist durch Anspruch 1 definiert.
-
Das
Hüllflüssigkeitszuführsystem
der vorliegenden Erfindung verwendet eine Pumpe, um Flüssigkeit aus
einem nicht-druckbeaufschlagten Behälter zu ziehen und diese Flüssigkeit
in eine Zuführleitung
zu pumpen, welche in eine Dämpfungskammer
mündet.
Flüssigkeit
strömt
aus einem Auslass in der Dämpfungskammer
durch ein Rohr in die Sammelkammer. Mindestens eine Öffnung begrenzt
den Strömungsdurchmesser zwischen
der Pumpe und der Sammelkammer. Die Kombination aus Sammelkammer
und Öffnung
wirkt als erster Stoßwellendämpfer für Pumpenimpulse.
-
Flüssigkeit
strömt
durch die Öffnung
in eine Sammelkammer. Die Flüssigkeit
in dieser Kammer wird auf einer bestimmten Höhe in dieser Kammer gehalten.
Ein Druckwandler regelt die Druckhöhe über dieser Flüssigkeit.
Die durch einen Sensor ermittelte Höhe der Flüssigkeit in der Kammer wird
durch Ein- und Ausschalten der Pumpe geregelt. Die Sammelkammer
wirkt als zweiter Stoßwellendämpfer, der
die Impulse der Fluidströmung
weiter dämpft.
Am Boden der Sammelkammer befindet sich ein Auslass, der zu einem
Analysesystem, beispielsweise einem Durchflusszytometer, einem Blutanalysator,
oder einer anderen Vorrichtung führt,
die eine konstante Fluidströmung
mit einem konstanten Druck erfordert, welche derart behandelt ist,
dass sie im wesentlichen impulsfrei ist.
-
Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
-
1 ist
eine schematische Darstellung eines Fluidregelsystems.
-
2 ist
eine schematische Darstellung eines Modells des Systems.
-
3 ist
die komplexe Phasor-Form des Modells von 2.
-
4 zeigt
eine Kurve der Hüllstromimpulsdämpfung für mit unterschiedlichen
Frequenzen arbeitende Pumpen.
-
5 zeigt
eine Kurve der Hüllstromimpulsdämpfung für Öffnungen
unterschiedlicher Größe bei unterschiedlichen
Pumpenfrequenzen.
-
6 ist
eine Kurve der Hüllstromimpulsdämpfung bei
unterschiedlichen Frequenzen für
ein System mit einer einzelnen und zwei Tandemöffnungen.
-
7 ist
eine Darstellung einer Ausbildungsform der vorliegenden Erfindung.
-
Detaillierte Beschreibung
der Erfindung
-
Das
vorliegende System ermöglicht
das Pumpen von Flüssigkeit
aus einem nicht-druckbeaufschlagten Versorgungsbehälter und
das Zuführen
dieser Flüssigkeit
frei von sowohl Pumpenimpulsen, als auch Druckschwankungen aufgrund
des sich verändernden
Flüssigkeitspegels
in dem Versorgungsbehälter.
Die Flüssigkeit
wird einem Analysegerät
mit wählbarem
Druck zugeführt.
-
Die
pulsierende Natur der Pumpenströmung
verhindert, dass eine direkt von der Pumpe kommende Strömung zur
Verwendung mit einem Durchflusszytometer geeignet ist, ohne zuvor
die Strömung
zu behandeln, um das Pulsieren zu dämpfen. Ohne Dämpfung würde das
Pulsieren der Flüssigkeit
die Leistung des Durchflusszytometers oder einer anderen Analysevorrichtung,
welcher die Strömung
zugeleitet wird, nachteilig beeinflussen.
-
Die
Ausgabe der Pumpe wird durch die Flüssigkeitsmenge in dem Versorgungsbehälter beeinflusst. Der
sich (mit dem durch das Abziehen von Fluid verändernden Flüssigkeitspegel in dem Behälter) verändernde Druck
in dem Versorgungsbehälter
beeinflusst das Pulsieren der Pumpe. Das Verwenden zweier Impulsdämpfer dämpft das
Pulsieren der Pumpe ausreichend, so dass das Pulsieren die Leistung
des Analysesystems nicht beeinflusst.
-
Systemimplementierung
-
Die
schematische Darstellung in 1 zeigt
eine pulsierende Pumpe 10 mit einem Einlassrohr 16,
das in Hüllstromflüssigkeit 14 in
einem belüfteten
Versorgungsbehälter 12 angeordnet
ist. Diese Pumpe kann eine Verdrängerpumpe
sein, die Fluid in einer pulsierenden Strömung liefert. Der Behälter 12 ist
nicht druckbeaufschlagt und kann bei laufender Pumpe und aus dem
System strömendem
druckbeaufschlagtem Fluid befüllt werden.
Die Pumpe 10 pumpt Fluid aus dem Versorgungsbehälter 12 durch
den Filter 15 in die Pumpenleitung 18. Die Flüssigkeit
wird durch die Öffnung 20 in
die Dämpfungskammer 28 gepumpt.
Das Hüllfluid 14 strömt aus der
Dämpfungskammer 28 durch
die Öffnung 32 am
Dämpfungskammerauslass.
Während
Flüssigkeit durch
die Öff nung 20 in
die Dämpfungskammer 28 gepumpt
wird, wird Flüssigkeit
durch die Öffnung 32 aus der
Dämpfungskammer 28 verdrängt.
-
Das
Fluid strömt
durch die Öffnung 32 in
das Rohr 30. Das Fluid bewegt sich durch das Rohr 30 in
die Sammelkammer 40. Die Dämpfungskammer 28 wirkt
zusammen mit der Öffnung 20 als
erster Impulswellendämpfer
und leitet einen großen
Teil des Strömungsimpulses
der Pumpe 10 ab. Die Sammelkammer 40 und die Öffnung 32 wirken
als zweiter Impulswellendämpfer,
um den Impuls der Pumpe 10 weiter zu dämpfen.
-
Das
Hüllstromfluid 38 in
der Sammelkammer 40 wird auf einer Höhe H1 gehalten, die innerhalb
eines bestimmten Bereichs liegt. Wenn der Fluidpegel des Hüllstromfluids 38,
wie durch einen Schwimmsensor 52 festgestellt, zu fallen
beginnt, wird ein Signal über
den Anschluss 56 an die Pumpe 10 ausgesandt. Die
Pumpe wird aktiviert und zusätzliches
Fluid wird in das Rohr 18 gepumpt. Sobald der Fluidpegel
in der Sammelkammer 40 eine ausreichende Höhe erreicht
hat, wird über
den Anschluss 56 ein Signal ausgesendet, um die Pumpe zu
deaktivieren. Der Schwimmsensor 52 und der Anschluss 56 können einen
elektronischen Controller 57 aufweisen, der ein Signal
von dem Schwimmsensor 52 empfängt und dieses Signal an die
Pumpe 10 weiterleitet.
-
Die
Druckhöhe über dem
Fluid in der Sammelkammer 40 wird durch den Druckregler 50 geregelt.
Der Druckregler leitet Druck über
den Einlass 51 in die Sammelkammer 40. Druckbeaufschlagtes
Gas wird durch das Rohr 53 von dem Druckregler 50 in
die Sammelkammer 40 geleitet. Das druckbeaufschlagte Gas
bewegt sich durch den Filter/Entnebler 55, bevor es in
die Sammelkammer 40 eintritt. Die Druckhöhe über dem
Fluid in der Sammelkammer 40 wird konstant gehalten. Der
aufgebrachte Druck über
die flüssigkeitsfreie
Fläche treibt
das Fluid aus der Sammelkammer durch eine Austrittsöffnung 41 in
ein Rohr 42, das zu der Analysevorrichtung führt. Das
System ermöglicht
somit das Abziehen von Fluid aus einem belüfteten oder nicht-druckbeaufschlagten
Behälter
und liefert diese Flüssigkeit
frei von sowohl Impulsen, als auch von Druckschwankungen aufgrund
sich ändernder
Fluidpegel in dem Versorgungsbehälter,
mit einem spezifizierten Druck an ein Durchflusszytometer oder eine
andere Analysevorrichtung. Der Versorgungstank kann sogar ausgewechselt
werden, während
die Sammelkammer einen Hüllfluidstrom
an das System liefert. Dies würde
ohne Störung
der Strömung
geschehen, solange der Flüssigkeitspegel
in der Sammelkammer innerhalb der vorgegebenen Höhentoleranz liegt.
-
Modell des
Systems
-
Es
wurde ein Modell des Systems entwickelt, um ein besseres Verständnis des
vorliegenden Systems zu ermöglichen.
Dieses Modell sagt die Leistung voraus und ist an Unterschiede in
Bauteilen, die in dem System verwendet werden, anpassbar. Wenn die
Spezifikationen der Pumpe bekannt sind, kann das Modell diese Informationen
verwenden, um die Anforderungen an die anderen Bauteile (beispielsweise
Kammerabmessungen, Öffnungsabmessungen,
etc.) zu bestimmen.
-
Dieses
Modell berücksichtigt
die Verwendung einer einzelnen Öffnung.
Eine Darstellung des Modells findet sich in 2. Die Pumpe 10 ist
als Wechselstromquelle ausgelegt. Der Induktor 60 und der
erste Widerstand 62 sind Eigenschaften der Rohrleitung
von der Pumpe zur Dämpfungskammer.
Die Dämpfungskammer ist
als Kondensator 64 ausgebildet. Die Öffnung ist als Widerstand 66 und
das Rohr, das die Dämpfungskammer
und die Sammelkammer verbindet, ist als Induktor 68 und
Widerstand 67 ausgebildet. Die Sammelkammer ist als Kondensator 70 ausgeführt. Das
von der Sammelkammer wegführende
Rohr ist durch den Induktor 72 und der Widerstand 73 ausgebildet,
während
die Düse,
aus der das Fluid in der Strömungszelle
strömt,
der Widerstand 74 ist. Der Druckregler 50 ist
durch die Schaltungspunkte 84, 86 mit dem System
verbunden. Die Rückkopplungsregelung
des Druckwandlers 90 ist als Schaltungspunkt 82 angegeben.
Mit Hilfe dieses Modells kann die Fluiddämpfung analysiert werden. Die
Elemente außerhalb
der gestricchelten Linie sind nicht Bestandteil der Modellanalyse.
-
Das
Modell der elektrischen Schaltung kann an fluidische Systeme angepasst
werden. Das vorliegende Hüllfluidsystem,
das als analoge elektrische Schaltung modelliert ist, ist in 2 dargestellt.
In 2 geben die Symbole R, L und C den Widerstand,
die Induktanz bzw. die Kapazitanz des Fluidelements des Systems an.
Der Widerstand ist der Strömungswiderstand,
die Induktanz gibt das Strömungsmoment
wieder, und die Kapazitanz ist ein Mass der Veränderung des Drucks in Abhängigkeit
von dem Volumen in einem Behälter. Das
elektrische und fluidische Modell ist derart ausgebildet, dass elektrische
Prinzipien analog auf die Fluidoperationen übertragen werden können. Die
Werte jedes Elements (Widerstand, Induktanz und Kapaztianz) sind
von den physikalischen Eigenschaften des Fluids (beispielsweise
Viskosität)
sowie den physischen Abmessungen der einzelnen fluidischen Elemente
abhängig.
-
Widerstand
kann entweder aus viskosem Widerstand oder konvektiver Beschleunigung
resultieren. Das Verhältnis
zwischen dem Druckabfall, dem Volumendurchsatz und dem viskosen
Widerstand einer voll entwickelten Strömung durch ein Rohr ist analog
zu dem Ohm'schen
Gesetz: V = IR : P = QRwobei die Spannung
V analog dem Druck P, der Strom I analog dem Durchsatz Q und der
elektrische Widerstand R analog dem Fluidwiderstand R ist.
-
Der
viskose Widerstand einer vollständig
entwickelten Strömung
durch ein Rohr mit kreisförmigem Querschnitt
ist angegeben durch:
wobei μ die dynamische Viskosität des Fluids,
L die Rohrlänge
(eines Rohres mit kreisförmigem
Querschnitt) und d den Durchmesser des Rohres angibt. Bei einer
konvektiven Beschleunigung resultiert der Strömungswiderstand aus ei ner plötzlichen
Veränderung
des Fluidmoments. Bei Anwendung dieses Modells auf ein fluidisches
Element ist bei einer Öffnung
der Druckabfall von einer Seite der Öffnung zu der anderen proportional zu
dem Quadrat der Geschwindigkeit der Strömung.
-
Bei
geringen Fluktuationen um eine mittlere Geschwindigkeit (wie bei
fluidischen Impulsen) jedoch, wird die Beziehung zwischen der Öffnung und
der Geschwindigkeit linearisiert, um die Frequenzanalyse zu vereinfachen.
Bei dem vorliegenden Modell sind die linearisierten Widerstandswerte
für die Öffnung und
die Düse
aus Herstellerdaten und empirischen Geschwindigkeitsmessungen abgeleitet.
-
Induktanz
entsteht aus lokaler Beschleunigung von Fluidmasse, die durch ein
bestimmtes fluidisches Element (beispielsweise ein Rohr) läuft. Die
Beziehung für
die Fluidinduktanz durch einen Durchlass mit der Länge L und
der Fläche
A ist aus dem zweiten Newton'schen
Gesetz abgeleitet:
wobei F die Kraft, m die
Masse, a die Beschleunigung und ρ die
Dichte des Fluids bezeichnet. Das Verhältnis auf der rechten Seite
des Doppelpunkts ist analog zu dem Faraday/Henry-Verhältnis für elektrische
Induktanz:
-
Aus
diesem Verhältnis
ergibt sich, dass die Induktanz (L) eines kreisrunden Rohres mit
der Länge
L und dem Durchmesser d angegeben wird durch:
-
Kapazitanz
kann in einem fluidischen Kreislauf kann durch zwei Hauptursachen
bewirkt werden: (1) Verformung (oder Nachgiebigkeit) massiver Begrenzungswände oder
-rohre; und (2) die Komprimierbarkeit einer Fluidphase. Wenn flüssiges Wasser
die einzige Phase ist, ist (1) üblicherweise
die Hauptquelle der Kapazitanz. Wenn jedoch auch ein komprimierbares
Gas bei relativ geringem Druck vorhanden ist, dominiert der Typ
(2) der Kapazitanz über
den Effekt der Behälterverformung,
insbesondere wenn der Behälter
aus einem starren Material besteht. In dem vorliegenden System weist
die Dämpfungskammer
ein Volumen an komprimierbarem Gas auf und der Effekt der Kapazitanz
des Typs (2) überwiegt.
Der Ausdruck für
die Kapazitanz des Typs (2) ist direkt aus dem Masseerhaltungsgesetz
und dem Gesetz des idealen Gases abgeleitet. Dies ist analog zu
dem Maxwell-Verhältnis
für die
elektrische Kapazitanz:
wobei das Verhältnis des
Gasvolumens v zu dem mittleren Druck P die Fluidkapazitanz C angibt.
Bei ausreichend geringen Schwankungen des Drucks gilt dieses Verhältnis als
konstant, wodurch eine lineare Behandlung des Systems möglich ist.
Bei einem zylindrischen Luftvolumen mit der Höhe H und dem Durchmesser D wird
die Fluidkapazitanz ausgedrückt
als:
-
Nachdem
die fluidischen Elemente als physikalische Parameter definiert sind,
wird der Kreislauf von
1 wie im folgenden gezeigt in
Phasor-Form umgewandelt: [Hayt et al., 1986]. Das Ziel dieser Schaltung ist
es, bei einem Eingang mit sowohl Gleichstrom-, als auch Wechselstromkomponenten
eine konstante Ausgangsspannung zu erzeugen. Bei der gegebenen Linearität der Schaltung
ist es lediglich erforderlich, die Verstärkung des zeitabhängigen Teils
des Eingangssignals zu berücksichtigen
(und zu minimieren). Zu diesem Zweck wird die in
2 dargestellte
Schaltung in der komplexen Phasor-Form, der Frequenzdomänen-Form neu
geformt, wie in
3 dargestellt. In der Phasor-Form
werden die in
3 dargestellten komplexen Impedanzen
unter Verwendung der Kirchhoff'schen
Strom- und Spannungsgesetze manipuliert, um die folgende Transformationsfunktion
für die
Systemverstärkung
zu bilden:
-
Analytische Anwendung
des Modells
-
Die
physikalischen Werte der Impedanz wurden basierend auf den groben
Abmessungen eines Hüllfluidzufuhr-Versuchsaufbaus
berechnet. Diese Werte sind in der Tabelle 1 für einen Systemdruck von 5,17
bar angegeben. Zwar ist dies nicht angegeben, jedoch wurden auch
Betriebsdrücke
von 3,10 bar (45 psi) und 0,83 bar (12 psi) berücksichtigt. Der Öffnungswiderstand
basierte auf dem Pumpendurchsatz von ungefähr 80 ml/min bei einem Arbeitstakt
von 7%. Die Arbeitsfluide des Modells waren Wasser und Luft (Wasser
hat eine Viskosität,
die den üblicherweise
als Hüllstrom
verwendeten gepufferten Salzlösungen
ausreichend ähnlich
ist, um für
dieses Modell zu genügen).
Die Dichte und die dynamische Viskosität des Wassers bei 20°C wurden mit
998 kg/m3 und 10,03E-4-Pa·s angesetzt.
-
4 zeigt
die Impulsfilterungsleistung der Sammelkammer-Hüllfluidzufuhr als Funktion
des Betriebsdrucks. Das Vorhandensein des Pols ist ein Kennzeichen
eines Systems zweiter Ordnung. Bei 5,17 bar (75 psi) tritt dieser
Pol, oder Resonanzpunkt, bei ungefähr 1,65 Hz auf. Die niedrigeren
Drücken
dämpfen
der viskose Widerstand und die erhöhte Luftkomprimierbarkeit die
Verstärkung
und die Resonanzfrequenz des Pols. Dies führt bei einer gegebenen Pumpfrequenz
zu einer verbesserten Dämpfungsleistung
bei geringeren Drücken.
-
Bei
der aktuellen Pumpfrequenz von 4,36 Hz beträgt die Verstärkung bei
5,17 bar (75 psi) ungefähr 4,96E-3.
Dieses System gemäß Tabelle
1 verwendet zwischen der Dämpfungskammer
und der Sammelkammer eine Verengung mit einem Öffnungsdurchmesser von 0,012
Inch, erhältlich
von Air Logic, San Jose, Kalifornien. Leichte Verbesserungen der
Dämpfung
lassen sich jedoch durch die Wahl einer kleineren Öffnung erreichen. 5 zeigt
den Einfluss der Öffnungsgröße auf die
Dämpfungsleistung.
Durch Ändern
des Öffnungsdurchmessers
von 0,31 mm (0,012 Inch) auf 0,254 mm (0,010 Inch) sinkt die Dämpfung auf
2,35E-3 bei 5,17 bar (75 psi). Änderungen
der Öffnungsgröße haben
die größte Wirkung
bei geringen Frequenzen, während
bei hohen Frequenzen die Verstärkungskurven
asymptotisch auf eine Kurve zusammenfallen, wie in 5 dargestellt.
Die schlechte Leistung bei niedrigen Frequenzen weist jedoch allgemein
darauf hin, dass Pumpen (oder Pumpenbetrieb) mit niedrigen Frequenzen
vermieden werden sollten.
-
Die
Dämpfung
des Systems kann ferner durch Untersuchen des Verhältnisses
von Vout zu Vin verbessert
werden. Erhöhungen
von Z1 und Z3 bieten eine direkte Möglichkeit, die Dämpfung zu
verbessern, da diese Terme nur in dem Nenner auftreten. Da Z3 (durch
R3) bereits die bei weitem größte Impedanz
in dem System ist, wird die einfachste Verbesserung der Dämpfung erreicht,
indem Z1 durch Erhöhen
des Widerstandswerts von 62 erhöht
wird. 6 zeigt die Auswirkung des Anordnens einer zweiten
Air Logic Öffnung
mit einem Durchmesser von 0,254 mm (0,01 Inch) in der Hüllfluidleitung
stromaufwärts
des Dämpfungstanks.
Infolge der zusätzlichen Öffnung sinkt
die Verstärkung
von 2,35E-3 auf 1,42E-4 bei 4,36 Hz, woraus sich eine Impulsdämpfung von
0,014% ergibt. Eine Impulsdämpfung
besser als 1·10–3 gilt
als ausreichend für
eine Durchflusszytometrieleistung.
-
-
Tabelle
1 gibt physikalische Ventile für
fluidische Elemente und deren Umwandlung in analoge elektrische
Elementparameter für
ein Sammelkammer-Hüllfluidzufuhrsystem
an, das mit 75 psi bei einem konstanten Volumendurchsatz von 6 ml/min
arbeitet.
-
Systembeispiel
-
7 zeigt
ein System, das für
die Implementierung des Modells ausgelegt ist. 7 zeigt
eine unabhängige
Version des Systems, die bei einigen Ausführungsformen an einem Analysesystem
anbringbar ist.
-
Wie
in 7 dargestellt ist eine Basisplatte 31 an
einer Stützplatte
angebracht. Die Stützplatte
ist eine Befestigungsplatte aus Aluminium, während die Basisplatte 31 aus
PVC besteht. Die Sammelkammer 40 und die Dämpfungskammer 28 bestehen
aus dem gleichen Material wie die Basisplatte 31 und sind
mittels Sägegewinden
an der Basisplatte 31 angebracht. Ringdichtungen dienen
dem dichten Verbinden der Lippe der Sammelkammer 40 und
der Dämpfungskammer 28 mit
der Aufnahmefläche
der Basisplatte. Dies gewährleistet
eine sichere Abdichtung jeder Kammer und schafft einen leckfreien
Betrieb bei 5,17 bar (75 psi). Es wird ein leckfreier Betrieb bei
höheren
psi erwartet, jedoch nicht getestet.
-
In
dem System saugt die Pumpe Flüssigkeit
aus einem nicht duckbeaufschlagten Behälter 12, der Hüllstromflüssigkeit 14 enthält. Diese
Flüssigkeit
wird in das Rohr 16 gesogen, das zu dem Pumpeneinlass 11 der
Pumpe 10 führt.
Bei der für
diese Ausführungsform
des Systems verwendeten Pumpe handelt es sich um eine KNF NF1.30
Membranpumpe mit modifiziertem Hub. Fluid tritt durch den Auslass 13 aus
der Pumpe 10 in das Rohr 16 aus, das mit dem Einlass 17 verbunden
ist. Der Einlass 17 leitet das Fluid durch den Filter 15, um
sicherzustellen, dass Partikelmaterial vor dem Eintritt des Fluids
in die Druckbehandlungselemente und die Analysevorrichtung entfernt
wird. Bei einer Ausführungsform
der Vorrichtung ist der Filter ein Pall Ultipor N66 0,2 μm Filter.
Nach dem Passieren des Filters 15 strömt das Fluid in das Rohr 18.
-
Das
Rohr 18 führt
zu der Dämpfungskammer 28.
Der Einlass 20 und der Auslass 32 der Dämpfungskammer 28 weisen Öffnungen
auf. Bei einer Ausführungsform
werden einstückige
Air Logic Öffnungen
von 0,254 mm (0,01 Inch) verwendet. Die Kombination der Dämpfungskammer
und einer oder mehrerer Öffnungen ermöglicht ein
erhebliches Behandeln der Impulse der Pumpe. Die Flüssigkeit
fließt
aus der Öffnung 32,
bevor sie die Sammelkammer 40 erreicht, wodurch die Fluidströmung weiter
behandelt wird. Bei einer Ausführungsform
sind sämtliche
Flüssigkeitsleitungen
unter Verwendung von 10–32
Schlauchstutzenverbindungen mit einem Innendurchmesser von 1,59
mm mit dem System verbunden.
-
Das
Fluid fließt
aus der Sammelkammer 40 in den Auslassschlauch 42,
der mit der Sammelkammer 40 durch den Auslassstutzen 41 verbunden
ist. Der Auslassschlauch 42 leitet die Hüllstromflüssigkeit
zu einem (nicht dargestellten) Analyseinstrument.
-
Das
System weist ein Luftdruckbeaufschlagungssystem auf, um den Druck
in der Sammelkammer 40 innerhalb einer eingestellten Toleranz
aufrecht zu halten. Der Gaseinlassschlauch 71 bewirkt den
Einlass von Gas in die Gaseinlassöffnung 72 des Luftdruckreglers 50.
Gas (beispielsweise Luft) unter geregeltem Druck wird in das Rohr 74 durch
die Auslassöffnung 73 eingeleitet.
Das druckbeaufschlagte Gas bewegt sich durch das Rohr 74 und
in die Filter-/Entnebelungsanordnung 55. Dies gewährleistet,
dass das bei der Druckverringerung aus der Sammelkammer austretende
Gas keine Flüssigkeit
enthält,
welche den Regler beschädigen oder
die Systemleistung anderweitig beeinflussen könnte. Das System gewährleistet
ferner, dass keine Partikel in die Sammelkammer eingebracht werden.
Das von dem Filter/Entnebler kommende Auslassrohr 53 ist über die
Kupplung 51 mit der Sammelkammer 40 verbunden.
Der Druckgeber 90 mist den Druck in der Sammelkammer 40 und überträgt die Messung über eine
elektronische Verbindung an den Druckwandler.
-
Bei
einer Ausführungsform
der Erfindung wird dem System mittels eines Druckreglers vom Typ
Control Air 900EX geregelte Luft zugeführt. Ein SMC NAFM/NAF 2000
Entnebler/Luftfilter ist zwischen dem Druckregler und der Sammelkammer
angeordnet, um zu verhindern, dass Feuchtigkeit den Regler während Druckentspannungsvorgängen beschädigt. Ein
Tescom 100-100-2127 Druckwandler dient dem Messen des momentanen
Drucks in der Sammelkammer.
-
Das
System weist ferner ein System zum Regeln der Pumpenströmung durch
Aktivieren oder Deaktivieren der Pumpe auf, um den Fluidpegel in
der Sammelkammer 40 innerhalb einer Höhentoleranz zu halten. Der
Schwimmsensor 52 bestimmt den Fluidpegel in der Sammelkammer 40.
Das Signal des Sensors 52 wird über die Leitung 56 übertragen.
Wie dargestellt, überträgt die Leitung 56 an
ein Relais 57. Das Relais 57 ist elektronisch
mit einer Pumpe 10 derart verbunden, dass das Relais die
Pumpe 10 aktiviert, wenn der Pegel in der Sammelkammer
unter einem gewählten
Pegel liegt, und die Pumpe 10 deaktiviert, wenn der Fluidpegel über einem
gewählten
Pegel liegt. Dies hält
den Fluidpegel innerhalb einer gegebenen Toleranz. Bei einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird die der Pumpe zugeführte Energie über ein
Relais mittels eines GEMS LS-300 Schwimmerschalters geregelt, um
den Flüssigkeitspegel
in der Sammelkammer beizubehalten.
-
Eine
Vielzahl alternativer Anordnungen dieses exemplarischen Systems
ist möglich.
Das System kann eine unabhängige
Vorrichtung sein oder als Teil eines Durchflusszytometers oder eines
anderen Analysesystems ausgebildet sein. Wenn dieses System als
Teil eines größeren Systems
ausgebildet ist, können
sich sämtliche
Elemente des Systems auf einer Seite eines Schaltbretts befinden.
Bei einem unabhängigen
System können
sich die Elemente auf einer oder beiden Seiten des Schaltbretts
befinden. Darüber
hinaus können
die elektronischen Regler in die Elektronik des übrigen Systems eingebunden
sein.
-
Es
existiert eine Anzahl von Alternativen für verschiedene Elemente der
vorliegenden Vorrichtung. Der als Schwimmersensor dargestellte Fluidpegelsensor
kann auch ein optischer Sensor oder eine beliebige andere Vorrichtung
zum Bestimmen des Fluidpegels in einem Behälter sein. Die Luftdruckregelung
kann auch eine beliebige Kombination von Elementen sein, welche
es ermöglichen,
die Sammelkammer auf einem konstanten Druck zu halten. Eine Anzahl verschiedener
Materialien kann an die vorliegende Vorrichtung angepasst werden.
Das Gas in der Sammelkammer kann entweder aus einem Tank geliefertes
Gas oder Luft sein. Das Gas und die Hüllstromflüssigkeit können vor dem Einlass durch
einen Vorfilter gesogen werden. Andere Alternativen sind möglich, um
das vorliegende System an spezifische Anwendungen anzupassen.
