DE69432501T2

DE69432501T2 - Flüssigkeitsstand-Tastsonde und Steuerschaltung

Info

Publication number: DE69432501T2
Application number: DE69432501T
Authority: DE
Inventors: Blaine Edward Ramey; Mario Moreno
Original assignee: Biomerieux Inc
Current assignee: Biomerieux Inc
Priority date: 1993-07-09
Filing date: 1994-07-05
Publication date: 2004-01-08
Anticipated expiration: 2014-07-06
Also published as: AU678248B2; ES2196017T3; EP0633456A1; PT633456E; FI943270A0; ATE237795T1; FI943270A; US5493922A; EP0633456B1; DK0633456T3; CA2126823A1; JP3662951B2; DE69432501D1; KR960014912A; KR100434818B1; CA2126823C; AU6736194A; ZA944646B; JPH07146166A

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen Flüssigkeitspegel-Sensor-Schaltkreis zum Abfühlen einer Flüssigkeitsoberfläche in einem Behälter gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren zum Erfassen, wenn ein Prüfkopf eine Flüssigkeitsoberfläche berührt, gemäß Anspruch 7.
DE-A-28 32 630 beschreibt einen Flüssigkeitspegel-Sensor, der einen Prüfkopf, einen Oszillator, einen Komparator und einen Regelungs-Schaltkreis aufweist. Es ist kein RC-Filter zum Einstellen des ersten Ausgabe-Signals des Oszillator-Schaltkreises offenbart.
WO-A-88/10412 beschreibt einen Prüfkopf, einen Oszillator und einen Komparator. Der Komparator überwacht die Ausgabe eines Differenzierers, der auf mittels eines Frequenz/Phasen-Detektors erfasste Änderungen reagiert. Dieser Detektor weist eine Rückkopplungs-Regelung zu dem Oszillator auf, sodass die Frequenz mit der Referenzfrequenz von dem Referenz-Oszillator in Übereinstimmung gehalten wird.
US-A-5 083 470 betrifft einen Pegel-Sensor, bei dem eine Kapazität eines Prüfkopfes bezogen auf die Masse mittels eines Oszillators, eines Phasendetektors und eines Komparator-Schaltkreises erfasst wird.
US-A-5 049 826 beschreibt einen Flüssigkeitspegel-Sensor, der einen Prüfkopf und einen Oszillator aufweist, und wobei die Impedanz zwischen dem Prüfkopf und der Flüssigkeit mittels eines Brücken-Schaltkreises erfasst wird.
US-A-5 005 407 beschreibt einen Flüssigkeits-Sensor, bei dem das Sensor-Element ein Oszillator-Schaltkreis ist, dessen Amplitudenänderungen erfasst werden.
Ein Beispiel eines automatisierten Blut/Plasma-Probenentnahme-Systems, auf das die Erfindung anwendbar ist, wird offenbart. Ein Beispiel eines Durchstech- und Probenentnahme-Prüfkopfes ist in WO-A-93/21975 offenbart. Ein anderes Beispiel eines Probenentnahme-Prüfkopfes ist in US-A-5 178 019 offenbart, erteilt Keiter am 12. Januar 1993.
Stand der Technik
Automatisierte Proben-Behandlungssysteme, die automatisch Flüssigkeits-Proben, wie beispielsweise Blut-Plasma und Reagenzien, auf einen Reaktionsbehälter einer Küvette verteilen, sind bekannt. Solche Instrumente sind nützlich auf dem Gebiet der biochemischen Analyse zum Messen von Blutgerinnungs-Zeiten und zum automatischen Ausführen anderer biologischer Prüfungen. Zusätzlich sind diese Instrumente auf dem Gebiet chemischer Prüfungen zum automatischen Ausführen chemischer Prüfungen nützlich. Ein automatisches Proben-Verabreitungs-System zum Ausführen von biologischen Blut- und Plasma-Prüfungen ist in WO-A-91/08464 beschrieben.
Bei diesem speziellen System werden Flüssigkeits-Proben, wie beispielsweise Blut oder Plasma, in Behältern aufbewahrt, wie beispielsweise in Reagenzgläsern, die mittels einer Gummi-Trennwand Vakuum-abgedichtet sind, die durchstochen werden muss, um eine abgemessene Menge einer Probe zu Testzwecken zu entnehmen. WO-A-93/21975 offenbart ein Beispiel eines Durchstech- und Probenentnahme-Prüfkopfes, der zum Durchstechen und zum Entnehmen einer abgemessenen Menge von Flüssigkeit geeignet ist.
WO-A-91/08464 offenbart ferner ein temperaturgeregeltes Gehäuse, das vorgesehen ist, Flüssigkeits-Proben und Reagenzien bei einer relativ niedrigen Temperatur aufzubewahren, sodass eine Verschlechterung der Proben und der Reagenzien vor einer Analyse der Proben verhindert wird. Mittels des temperaturgeregelten Gehäuses werden die Flüssigkeits-Proben und Reagenzien typischerweise bei einer Temperatur von 10°C aufbewahrt. Die eigentlichen Analysen werden im Allgemeinen bei 37°C (98,6°F), also bei der gewöhnlichen Temperatur eines menschlichen Körpers, ausgeführt. Demgemäß ist es notwendig, die Flüssigkeits-Proben und Reagenzien vor der Analyse auf 37°C zu erwärmen. Das US-Patent 5 178 019 von Keiter offenbart eine Proben-Prüf-Vorrichtung, die zum Aufwärmen von Flüssigkeits-Proben und Reagenzien vor der Analyse nützlich ist.
Die Durchstech- und Probenentnahme-Prüfköpfe in WO-A-91/08464 werden beim Betrieb mittels eines Roboterarms angehoben und gesenkt, der einen Prüfkopf zwischen Reagenz-Behältern und einer Reaktions-Küvette zum automatischen Ansaugen und Verteilen von Reagenzien bewegt. Die Flüssigkeitsoberfläche einer Probe oder eines Reagenz wird zum genauen Regeln der Bewegung des Prüfkopfes erfasst. Im Wesentlichen wird die Flüssigkeitsoberfläche mittels Erfassens einer Kapazitätsänderung des Prüfkopfes in Bezug auf das Chassis des automatisierten Blut/Plasma-Probenentnahme-Systems erfasst.
Gegenwärtig verfügbare Vorrichtungen zum Abfühlen einer Flüssigkeitsoberfläche, die von CAVRO Scientific Instruments, Inc., Sunnyvale, Kalifornien angeboten werden, erfassen kleine Mengen von Flüssigkeiten nicht genau, während diese zugleich solch eine Größe aufweisen, dass sie eingerichtet sind, auf einer beweglichen Gestell-Vorrichtung leicht angebracht zu werden, die ihrerseits einen Probenentnahme-Prüfkopf hält. Eine CAVRO-Vorrichtung zum Abfühlen einer Flüssigkeitsoberfläche mit großer Empfindlichkeit kann bei einem Test in einer 10 × 75 mm-Glasröhre 10 μl einer 1 : 10.000-Normalsalz-Lösung erfassen. Eine andere Vorrichtung zum Abfühlen eines Flüssigkeitspegels, die von Hamilton, Reno, Nevada hergestellt wird, erfasst kleine Mengen von Flüssigkeiten ebenfalls nicht genau, während diese eine Größe aufweisen, die an sich gewährleistet, auf einer beweglichen Gestell-Vorrichtung angebracht zu werden, die ihrerseits einen Probenentnahme-Prüfkopf hält. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung erfasst die Oberfläche einer kleinen Menge von Flüssigkeit zuverlässig, beispielsweise Flüssigkeitsmengen von weniger als 300 μl von Salz in einer 3 ml-Plastik-Reagenzflasche, selbst beim Durchstechen einer Abdicht-Trennwand.
Zusammenfassung der Erfindung
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung erfasst eine Flüssigkeitsoberfläche, wenn ein Prüfkopf für eine biologische Prüfvorrichtung, wie beispielsweise ein Durchstech- oder Probenentnahme-Prüfkopf, die Oberfläche einer Flüssigkeit berührt.
Die obigen und andere Ziele der Erfindung werden mittels des Schaltkreises gemäß Anspruch 1 und des Verfahrens gemäß Anspruch 7 erreicht.
Gemäß einem weiteren Merkmal weist ein erfindungsgemäßer Flüssigkeitspegel-Sensor-Regelungs-Schaltkreis für eine biologische Prüf-Vorrichtung ferner einen Gleichrichter auf, der mit einem ersten Ausgabesignal gekoppelt ist, sodass ein gleichgerichtetes Ausgabesignal erzeugt wird, das mit dem ersten Ausgabesignal in Beziehung steht, wobei der Komparator eine Amplitude des gleichgerichteten Ausgabesignals mit einer ersten Referenz-Amplitude vergleicht, sodass ein Änderungssignal erzeugt wird.
Der Probenentnahme-Prüfkopf der Erfindung kann ein Durchstech-Probenentnahme-Prüfkopf zum Entnehmen einer Flüssigkeits-Stichprobe in einem abgedichteten Behälter sein und kann eine Heizung zum Aufwärmen von entnommenen Flüssigkeits-Stichproben aufweisen. Ferner können ein Oszillator-Schaltkreis und der Komparator an einer Gestell-Anordnung angebracht sein, die den Probenentnahme-Prüfkopf hält.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann einen Schritt zum Regeln einer Position des Probenentnahme-Prüfkopfes in Bezug auf die Flüssigkeitsoberfläche als Antwort auf das Änderungssignal und einen Schritt des Einstellens der zweiten Amplitude des Signals konstanter Frequenz zurück auf die erste Amplitude aufweisen, wenn erfasst wird, dass sich die Amplitude der gleichgerichteten Ausgabe des Signals konstanter Frequenz von der dritten Amplitude zu der vierten Amplitude ändert.
Kurzbeschreibung der Figuren
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die Zeichnung ausführlich beschrieben, wobei:
1 ein schematisches Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Prüfkopfes und eines erfindungsgemäßen Flüssigkeits-Sensor-Regelungs-Schaltkreises ist.
2 eine perspektivische Ansicht eines Roboterarms ist, der einen Prüfkopf und einen erfindungsgemäßen Flüssigkeitspegel-Sensor-Regelungs-Schaltkreis aufweist.
3 ein schematisches Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen Flüssigkeitspegel-Sensor-Regelungs-Schaltkreises ist.
4 ein schematisches Diagramm eines erfindungsgemäßen Flüssigkeitspegel-Sensor-Regelungs-Schaltkreises ist.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
1 zeigt ein schematisches Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Prüfkopfes für ein automatisiertes Blut/Plasma-Probenentnahme-System und seine Beziehung zu einem erfindungsgemäßen Flüssigkeitspegel-Sensor-Schaltkreis und einem -Regelungs-Schaltkreis. Ein Roboterarm 10 bewegt einen Prüfkopf 11 von Reagenz-Behältern, wie beispielsweise einem Behälter 13, zu einer Reaktions-Küvette (nicht gezeigt) zum automatischen Ansaugen und Verteilen von Reagenzien, wie beispielsweise in der US-Patentanmeldung mit der Anmeldenummer 07/443,951 von Hulette, et al beschrieben. Der Roboterarm 10 hebt und senkt den Prüfkopf 11 entlang der mittels des Pfeils 12 dargestellten Richtungen zum Aufnehmen einer abgemessenen Menge von Flüssigkeit aus einem Flüssigkeitsbehälter 13 oder zum Verteilen von dieser auf eine Reaktions-Küvette. Im Allgemeinen weist der Prüfkopf 11 ein Metallrohr 14 mit einem schmalen Endabschnitt 14a zum Eintauchen in den Behälter 13 und zum Verteilen einer abgemessenen Menge eines Reagenz auf. Der Prüfkopf 11 kann ferner zum Stechen in einen mittels einer Gummi-Trennwand abgedichteten Behälter eingerichtet sein, indem er einen spitzen Endabschnitt aufweist, um so eine abgemessene Menge von Flüssigkeit aus dem Behälter anzusaugen.
Wie vorher erwähnt, ist es bei bestimmten Anwendungen wünschenswert, das Reagenz in dem Prüfkopf 11 zu erwärmen, während der Prüfkopf mittels des Roboterarms 10 in Richtung einer Küvette bewegt wird, in die das Reagenz abgegeben werden soll. Bei diesen Anwendungen ist der Prüfkopf 11 mit einer optionalen Heizung 15 versehen. Die Heizung 15 weist bevorzugt einen gewickelten Nichrom-Draht auf, der um das Rohr 14 herum gewickelt ist und mittels Leitungen 16 mit einer Energieversorgung 17 elektrisch gekoppelt ist, die mit dem Chassis 18 eine gemeinsame Masse aufweist. Die Energieversorgung 17 kann entweder eine Gleichstrom (DC)oder Wechselstrom (AC)-Energieversorgung abhängig von den Anforderungen bei einer bestimmten Anwendung sein.
Um eine abgemessene Menge an Reagenz aus einem Behälter 13 anzusaugen, ist es notwendig, zu erfassen, wenn der Prüfkopf 11 mit der Oberfläche des Reagenz in Kontakt tritt. Wie vorher erläutert, wird dies typischerweise unter Verwendung einer Kapazitätsmess-Einrichtung zum Erfassen einer Kapazitätsänderung des Rohrs 14 in Bezug auf die Grundfläche erreicht, die durch das Chassis 18 gebildet ist, wenn das Rohr 14 mit dem Reagenz in dem Behälter 13 in Kontakt tritt. Mittels des Rohrs 14 ist eine erste Kapazität C_P in Bezug auf das Chassis 18 bereitgestellt. Ist eine optionale Heizung 15 vorgesehen, weist die Heizung 15 mit dem Instrumenten-Chassis 18 eine gemeinsame Masse auf und stellt deshalb in kapazitiver Hinsicht einen Teil des Chassis 18 dar. Daher ist mittels der optionalen Heizung 15 eine zweite Kapazität C_H in Bezug auf das Rohr 14 bereitgestellt. Mittels des Flüssigkeitsbehälters 13 ist eine zusätzliche Kapazität C_L zwischen dem Prüfkopf 11 und dem Instrumenten-Chassis 18 bereitgestellt. Daher beträgt die Gesamt-Kapazität C_T1, die mittels der Kapazitätsmess-Einrichtung gemessen wird, bevor der Prüfkopf 11 die Flüssigkeitsoberfläche berührt:
CT1 = CP + CH .
Ist keine optionale Heizung vorgesehen, ist C_H gleich 0, und die Gesamt-Kapazität C_T1 ist gleich C_P. Hat der Prüfkopf 11 die Flüssigkeitsoberfläche berührt, beträgt die Gesamt-Kapazität C_T2, die mittels der Kapazitätsmess-Einrichtung gemessen wird:
CT2 = CP + CL + CH .
Die Erfassung der zusätzlichen Kapazität C_L mittels einer Kapazitätsmess-Einrichtung zeigt an, wenn der Prüfkopf 11 mit der Flüssigkeitsoberfläche in dem Behälter 13 in Kontakt tritt. Jedoch kann das Vorhandensein der Kapazität C_H, die durch eine optionale Heizung 15 hervorgerufen wird, so groß sein, dass die Fähigkeit der Kapazitätsmess-Einrichtung, eine Änderung in C_T1 mittels C_L zu erfassen, eingeschränkt ist.
Der Flüssigkeits-Sensor-Schaltkreis und der Flüssigkeitspegel-Sensor-Regelungs-Schaltkreis der Erfindung erfassen zuverlässig Änderungen in der Kapazität zwischen dem Prüfkopf und dem System-Chassis, selbst wenn eine optionale Heizung vorhanden ist. Tatsächlich erfasst das erfindungsgemäße Flüssigkeitspegel-Sensor-System zuverlässig die Oberfläche beispielsweise von Flüssigkeitsmengen von weniger als 300 μl einer Salzlösung in einer 3 ml-Plastik-Reagenzflasche, selbst während eine Abdichtungs-Trennwand durchstochen wird.
2 ist eine perspektivische Ansicht, die im Allgemeinen ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Roboterarms 10 zeigt, der einen Prüfkopf 11 und einen erfindungsgemäßen Flüssigkeitspegel-Sensor-Regelungs-Schaltkreis aufweist. Der Prüfkopf 11 kann ein Probenentnahme-Prüfkopf oder ein Durchstech- und Probenentnahme-Prüfkopf zum Durchstechen von Gummikappen sein, die verwendet werden, um Rohre eines medizinischen Probensortiments abzudichten, wie beispielsweise die, die in der vorher erwähnten Anmeldung von Moreno offenbart worden sind. Ist der Prüfkopf 11 ein Durchstech-Probenentnahme-Prüfkopf, ist er bevorzugt gemäß dem in der vorher erwähnten Anmeldung von Moreno offenbarten Durchstech-Prüfkopf angeschärft. Ist der Prüfkopf 11 ein Durchstech-Probenentnahme-Prüfkopf, ist er ferner eingerichtet, die Flüssigkeitsoberfläche in einem Behälter zu erfassen, wenn die Kappe des Behälters durchstochen wird. Der Prüfkopf 11 fühlt eine Flüssigkeits-Luft-Grenzfläche einer leitfähigen Flüssigkeit in einem Behälter 13 ab, wie beispielsweise Blut oder Plasma, während sich der Prüfkopf 11 in den Behälter 13 zum genauen Positionieren des Prüfkopfes 11 in Bezug auf die Flüssigkeitsoberfläche bewegt.
Der Prüfkopf 11 wird mittels einer Führungsschnecke 23 entlang einer horizontalen Achse 22 steuerbar bewegt, die ihrerseits von einem Horizontal-Spindelmotor 24 angetrieben wird. Die vertikale Bewegung zum Heben und Absenken des Prüfkopfes 11 entlang der Achse 25 wird mittels einer Zahnstange 26 bereitgestellt, die von einem Vertikal-Motor 27 und einer Ritzel-Anordnung (nicht gezeigt) angetrieben wird. Die Motoren 24 und 27 werden jeweils selektiv mittels Signalen gesteuert, die von zugehörigen Motor-Regelungen empfangen werden, die Teil des Flüssigkeitspegel-Sensor-Regelungs-Schaltkreises der Erfindung sind. Die Motor-Regelung 32 ist beispielsweise in dem schematischen Blockdiagramm von 3 gezeigt. Ist der Prüfkopf 11 ein Durchstech-Prüfkopf, stellt der Motor 27 ein ausreichendes Drehmoment zum Treiben des Prüfkopfes 11 durch eine Trennwand eines abgedichteten Behälters hindurch bereit.
Der in den 3 und 4 gezeigte Flüssigkeitspegel-Sensor-Regelungs-Schaltkreis 30 ist mit dem Prüfkopf 11 zum Abfühlen einer Flüssigkeits-Luft-Grenzfläche gekoppelt. Ein Abschnitt des Flüssigkeitspegel-Sensor-Regelungs-Schaltkreises 30 befindet sich auf einer Leiterplatte, die an einer Trägervorrichtung, die den Prüfkopf 11 hält, am Punkt 28 befestigt ist. Ein anderer Abschnitt des Schaltkreises 30 befindet sich auf einer Leiterplatte, die am Punkt 29 befestigt ist. Selbstverständlich können sich die Abschnitte des erfindungsgemäßen Flüssigkeitspegel-Sensor-Regelungs-Schaltkreises zusammen auf einer einzigen Leiterplatte befinden.
Der Mikrocontroller 31 ist ein Zweiachsen-Arm-Regelungs-Schaltkreis, d. h. der Mikrocontroller 31 und die zwei Motor-Regelungen überwachen und regeln die horizontale Position der Trägervorrichtung, die den Prüfkopf 11 hält, und die vertikale Position des Prüfkopfes 11 in Bezug auf die Oberfläche einer Flüssigkeit. Der Mikrocontroller 31 und die Motor-Regelung 32 setzen die Position des Prüfkopfes 11 zu den Signalen ins Verhältnis, die von dem Flüssigkeits-Sensor-Schaltkreis 40 (3 und 4) zum Ermitteln des Flüssigkeitspegels in einem Behälter empfangen worden sind. Flexible Kabel 21 koppeln elektrische Signale zwischen verschiedenen Abschnitten des erfindungsgemäßen Regelungs-Systems. Wie vorher erwähnt, kann der Prüfkopf 11 ferner mit einer Heizspirale zum Vorwärmen von Probe-Flüssigkeiten vor dem Verteilen auf die Reaktions-Kammer versehen sein.
3 ist ein schematisches Blockdiagramm eines Flüssigkeitspegel-Sensor-Regelungs-Schaltkreises 30 mit einem erfindungsgemäßen Flüssigkeits-Sensor-Schaltkreis 40. Der Prüfkopf 11 ist mit einem Oszillator-Schaltkreis 33 konstanter Frequenz gekoppelt. Die Ausgabe konstanter Frequenz des Oszillator-Schaltkreises 33 ist an einen Gleichrichter-Schaltkreis 34 zum Erzeugen einer gleichgerichteten Oszillator-Ausgabe gekoppelt. Die Ausgabe des Gleichrichter-Schaltkreises 34 ist an ein Tiefpassfilter 35 gekoppelt und wird dem Oszillator zum Regeln eines Amplitudenpegels des Oszillators zurückgeführt. Der Komparator 36 ist ferner mit dem Ausgang des Gleichrichter-Schaltkreises 34 zum Erfassen von Amplitudenänderungen in der gleichgerichteten Ausgabe des Oszillator-Schaltkreises 33 gekoppelt. Der Ausgang des Komparators 36 ist mit einer monostabilen Kippschaltung 37 zum Erzeugen eines Unterbrechungs (Interrupt)-Impulses gekoppelt, wenn eine Amplitudenänderung erfasst worden ist.
Der Unterbrechungs-Impuls zeigt an, dass der Prüfkopf 11 mit der Flüssigkeitsoberfläche in Kontakt getreten ist, und der Regelungs-Schaltkreis antwortet, indem bestimmt wird, um wie viel weiter der Prüfkopf 11 zum Ansaugen einer vorbestimmten Menge zu analysierender Flüssigkeit unter die Flüssigkeitsoberfläche abgesenkt werden kann. Von dem Mikrocontroller 31 werden der Motor-Regelung 32 Regelungs-Signale zum Regeln der Position des Prüfkopfes 11 bereitgestellt. Die Motor-Regelung 32 antwortet auf die Regelungs-Signale, die von dem Mikrocontroller 31 ausgegeben worden sind, mittels Ausgebens geeigneter Treibersignale an den Treiber 38. Der Motor 27 antwortet auf die Ausgabesignale von dem Treiber 38, sodass der Prüfkopf 11 vertikal angetrieben wird. Mittels eines dem Motor 27 zugeordneten Code-Rades 39 werden Signale an die Motor-Regelung 32 zum Überwachen der vertikalen Positionierung des Prüfkopfes 11 ausgegeben.
4 ist ein schematisches Diagramm, das Einzelheiten des erfindungsgemäßen Flüssigkeits-Sensor-Schaltkreises 40 zeigt. Der Oszillator-Schaltkreis 33 ist als ein Colpitts-Oszillator eingerichtet, der einen Schwingkreis-Schaltkreis, der durch L101, C153 und C155 gebildet wird, zum Oszillieren bei einer konstanten Frequenz aufweist. Der Schwingkreis-Schaltkreis ist kapazitiv mit dem Prüfkopf 11 gekoppelt. Der Prüfkopf 11 stellt einen Einzel-Elektroden-Eingang an den Flüssigkeits-Sensor-Schaltkreis 40 dar und ist kapazitiv mit dem Schwingkreis-Schaltkreis des Oszillator-Schaltkreises 33 gekoppelt. Tritt der Prüfkopf 11 mit einem leitfähigen Material in Kontakt, zur Zeit eine Flüssigkeit, wird durch eine Erhöhung der Kapazität zwischen dem Prüfkopf und der Grundfläche, die durch das Chassis 18 des automatisierten Blut/Plasma-Probenentnahme-Systems gebildet ist, verursacht, dass sich die Amplitude der Ausgabe des Oszillators konstanter Frequenz geringfügig verringert. Diese Amplitudenänderung wird erfasst und zum Triggern einer monostabilen Kippschaltung verwendet, deren Ausgabe einen Interrupt an dem Mikrocontroller 31 auslöst.
Bezugnehmend auf 4 weist der Oszillator-Schaltkreis 33 Transistoren Q105 und Q106 auf, die als ein Colpitts-Oszillator bzw. als ein Emitterfolger eingerichtet sind. Selbstverständlich kann der Oszillator 33 wie andere wohlbekannte Oszillator-Schaltkreise eingerichtet sein, wie beispielsweise eine Pierce- oder eine Hartley-Oszillator-Schaltkreis-Anordnung, solange die Oszillatorverstärkung steuerbar eingestellt werden kann. Der Schwingkreis-Schaltkreis des Colpitts-Oszillators ist durch L101, C153 und C155 gebildet, der eine konstante Resonanzfrequenz aufweist, gegeben durch:
Durch diese spezielle Frequenz wird eine optimale Empfindlichkeit beim kapazitiven Flüssigkeits-Abfühlen unter Verwenden von Standardkomponenten-Werten, d. h. einer Maximal-Antwort von dem Flüssigkeits-Sensor-Schaltkreis 40 für eine gegebene kleinste Menge an Flüssigkeit, bereitgestellt. Andere Frequenzen, beispielsweise zwischen 400 kHz und 1 MHz, können ebenfalls abhängig von dem verfügbaren Platz für die Komponenten des Flüssigkeits-Sensor-Schaltkreises 40 verwendet werden. Das an dem Kollektor von Q105 verfügbare Signal ist an L101 und C155 gekoppelt, sodass für den Oszillator eine positive Rückführung bereitgestellt ist. Mittels der Widerstände R154 und R145, die zwischen dem +5 V-Anschluss und der Masse gekoppelt sind, wird der Bias-Pegel der Basis des Transistors Q105 eingestellt. Mittels des zwischen einer +5 V-Energieversorgung und dem Kollektor von Q105 gekoppelten Widerstands R156 und des zwischen dem Emitter von Q105 und der Masse gekoppelten Widerstands R158 werden die Bias-Pegel für den Kollektor bzw. den Emitter des Transistors Q105 eingestellt. Der Emitter-Widerstand R158 begrenzt ferner die Wechselstrom (AC)-Verstärkung des Oszillators. Der Transistor Q105 kann ein beliebiger geeigneter Transistor sein, wie beispielsweise ein THPT3904.
Die Drain des MOS-FET-Transistors Q108 ist mit dem Emitter von Q105 gekoppelt, während die Source des Transistors Q108 mittels des Kondensators C156 mit der Masse gekoppelt ist. Der Transistor Q108 dient zur Erhöhung der Wechselstrom (AC)-Verstärkung des Oszillators, indem das AC-Signal durch C156 herum geführt wird, wenn die an das Gate des Transistors Q108 angelegte Spannung erhöht wird. Überschreitet das Produkt aus der Rückkopplungs-Netzwerkverstärkung und der Verstärkung der offenen Schleife des Verstärkers 1, oszilliert der Schaltkreis 53. Der Transistor Q108 kann ein beliebiger geeigneter Transistor sein, wie beispielsweise ein 2N7002.
Der Transistor Q106 ist als ein Emitterfolger zum Puffern der Oszillator-Ausgabe eingerichtet. Die Basis des Transistors Q106 ist mit dem Kollektor des Transistors Q105 gekoppelt. Der Kollektor des Transistors Q106 ist mit der +5 V-Energieversorgung gekoppelt, während der Emitter mittels des Emitter-Widerstands R155 mit der Masse gekoppelt ist. Der Knoten Z105 ist mit dem Emitter des Transistors Q106 gekoppelt. Im stabilen Zustand beträgt der Wechselstrom (AC)-Signalpegel am Knoten Z105 von Spitze zu Spitze etwa 1,6 V.
Der Gleichrichter-Schaltkreis 34 weist einen Kondensator C158, Dioden D112 und D113, einen Puffer U127B und einen Verstärker U127R auf. Der Kondensator C158 koppelt das Oszillatorsignal von dem Emitter des Transistors Q106 an die Dioden D112 und D113. Die Dioden D112 und D113 sind jeweils Transistoren, wie beispielsweise ein THPT3904, die als Dioden zur Halbwellen-Gleichrichtung der AC-Spannung eingerichtet sind, die mittels des Kondensators C158 angelegt wird. Selbstverständlich können für D112 und D113 anstelle der Transistoren ebenso Dioden wie auch eine Vollwellen-Gleichrichter-Schaltkreis-Anordnung verwendet werden. Der Widerstand R157 und der Kondensator C162 sind mit Dioden D112 und D113 zum Filtern des Halbwellen-gleichgerichteten Signals gekoppelt, sodass ein DC-Pegel von etwa 350 mV am Knoten Z104 bereitgestellt wird. Der Puffer U127B puffert die gleichgerichtete Ausgabe. Wie gezeigt, ist der Puffer U127B ein Operationsverstärker, wie beispielsweise ein LM356, der für eine Einheitsverstärkung eingerichtet ist, jedoch kann eine beliebige Schaltungs-Anordnung mit Einheitsverstärkung verwendet werden, beispielsweise ein geeigneter integrierter Schaltkreis-Puffer oder ein Transistor, der als ein Emitterfolger eingerichtet ist, wenn die Ausgabe bei kapazitiver Last auf zumindest 3,7 V oszilliert.
Der Ausgang des Puffers U127B ist mittels des Widerstands R149 mit dem invertierenden Eingang des Verstärkers U127A gekoppelt. Der Verstärker U127A kann mittels eines integrierten Schaltkreis-Operationsverstärkers gebildet werden, wie beispielsweise eines LM356, oder er kann mittels einzelner Komponenten gebildet werden, sodass ein Verstärkungs-Bandbreite-Produkt und eine DC-Offset- Leistungsfähigkeit, die für die gegenwärtigen Zwecke ausreicht, bereitgestellt werden. Der Ausgang des Verstärkers U127A ist mittels der Parallelanordnung des Widerstands R146 und des Kondensators C157 mit seinem invertierenden Eingang rückgekoppelt, wobei eine negative Rückkopplung bereitgestellt wird, sodass die Ausgabe des Puffers U127B um etwa -5,6 verstärkt wird. Die Widerstände R152 und R150 sind zwischen +5 V und der Masse zum Erzeugen einer Referenzspannung von etwa 800 mV gekoppelt. Diese Referenzspannung ist an den nicht-invertierenden Eingang des Verstärkers U127A gekoppelt und wird um etwa 6,6 verstärkt. Mit anderen Worten wird die gepufferte Ausgangsspannung von U127B mit dem Referenz-Pegel von 800 mV verglichen, und die Differenz wird verstärkt. Folglich erhöht sich die Ausgabe von U127A, wenn sich die gleichgerichtete Ausgabe des Oszillators 33 verringert.
Die Ausgabe des Verstärkers U127A wird mittels des Tiefpassfilters 35, R147 und C159, gefiltert und ist mit dem Gate des MOS-FET-Transistors Q108 gekoppelt. Wenn sich die an das Gate des Transistors Q108 angelegte gefilterte Spannung erhöht, erhöht sich die AC-Verstärkung des Oszillators, bis das AC-Signal zu seinem nominalen Stabil-Zustandspegel zurückkehrt. Das heißt, die Leitfähigkeit des Transistors Q108 erhöht sich bei einer erhöhten Ausgabe des Tiefpassfilters 35, der das AC-Signal an den Emitter von Q105 auf Masse führt, und der die Schleifenverstärkung des Colpitts-Oszillators erhöht. Die Ausgabe des Tiefpassfilters 35 wirkt derart, dass die Oszillatorausgabe auf einen festgelegten Pegel eingestellt wird, wobei Änderungen bei der elektrischen Impedanz am Prüfkopf-Eingang eingestellt werden, die durch mechanische Variationen des Prüfkopfes und des Trägersystems und/oder des Vorhandenseins der optionalen Prüfkopf-Heizung hervorgerufen werden.
Die RC-Zeitkonstanten in der Servo-Schleife, die mittels R147 und C159 des Tiefpassfilters 35 sowie R146 und C157 in der Rückkopplungsschleife des Verstärkers U127A gebildet werden, führen dazu, dass die Ausgabe von U127A Störimpulse aufweist, die hervorgerufen werden, wenn der Prüfkopf 11 ein leitfähiges Material berührt und sich die Oszillation konstanter Frequenz des Oszillationsschaltkreises 33 ändert. Diese Amplituden-Störimpulse sind an den Komparator 36 gekoppelt.
Der Komparator 36 weist einen Kondensator C148, einen Verstärker U128B und einen Verstärker U128A auf, der als Komparator eingerichtet ist. Die Amplituden-Störimpulse sind an den Verstärker U128B mittels C148 AC-gekoppelt, wo sie um beispielsweise etwa 11 verstärkt werden, und an den invertierenden Eingang des Verstärkers U128A gekoppelt. Mittels des Widerstandsteiler-Netzwerks R159 und R160 wird eine Referenzspannung von etwa 275 mV erzeugt, die mit dem nicht-invertierenden Eingang des Verstärkers U128A gekoppelt ist. Ist die Ausgabe des Verstärkers U128B größer als der Referenzpegel von 275 mV, dann wird die Ausgabe des Verstärkers U128A, der als ein Komparator eingerichtet ist, low, wobei die monostabile Kippschaltung 37 ausgelöst wird.
Die Kippschaltung 37 wird beispielsweise mittels eines LM555 gebildet, der eingerichtet ist, eine Impuls-Ausgabe von 10 ms zu erzeugen, die an einen Interrupt-Eingang des Mikro- Controllers 31 gekoppelt ist, dabei signalisierend, dass die Flüssigkeitsoberfläche erfasst worden ist. Selbstverständlich kann für die Kippschaltung 37 ein beliebiger geeigneter Kippschalt-Schaltkreis verwendet werden, der auf die Ausgabe des Verstärkers U128A antwortet, ob nun mittels eines integrierten Schaltkreises oder mittels einzelner Komponenten gebildet, der bzw. die einen geeigneten Impuls erzeugt bzw. erzeugen.
Die +5 V-Energieversorgung für den Flüssigkeits-Sensor-Schaltkreis 40 wird von einer +15 V-Versorgung abgeleitet, die ferner verwendet wird, um die optionale Prüfkopf-Heizung mit Energie zu versorgen. Die Bezugsspannungsquelle 0129 stellt eine stabile +5 V-Energieversorgung zum Isolieren des Flüssigkeits-Sensor-Schaltkreises 40 in Bezug auf elektrisches Rauschen bereit, das durch digitale Schaltkreise des automatisierten Blut/Plasma-Probenentnahme-Systems erzeugt wird und bei der +15 V-Energieversorgung auftritt, was zu falschen Flüssigkeits/Luft-Grenzflächen-Unterbrechungs-Signalen führen kann. Die Bezugsspannungsquelle U129 trennt den Flüssigkeits-Sensor-Schaltkreis 40 ferner von elektrischem Rauschen, das bei der +15 V-Energieversorgung erzeugt wird, was durch eine intermittierende Kopplung der Prüfkopf-Heizung mit der +15 V-Energieversorgung hervorgerufen wird, wenn die Prüfkopf-Heiz-Schaltung aktiv ist. Um ferner falsche Unterbrechungs-Signale zu verhindern, wird die Prüfkopf-Heizung zeitweise von dem Mikrocontroller 31 deaktiviert, wenn ein „Bewege zu Flüssigkeit"-Befehl ausgeführt wird. Nachdem eine Flüssigkeits-Luft-Grenzfläche erfasst worden ist, oder wenn eine maximale Suchdistanz des Prüfkopfes 11 erreicht ist, wird die Heizung aktiviert.
Der Flüssigkeits-Sensor-Schaltkreis 40 kann ferner verwendet werden, um die Ausgangsposition der Prüfkopf-Anordnung zu finden. Ein an Masse angeschlossenes gefedertes Pin ist am oberen Ende der Bewegung der Prüfkopf-Anordnung befestigt. Tritt ein Pfosten an dem Prüfkopf mit diesem Pin in Kontakt, verringert sich die Amplitude des Oszillators 33, was dazu führt, dass der Flüssigkeits-Sensor-Schaltkreis 40 einen Unterbrechungs-Impuls erzeugt.
Der Flüssigkeits-Sensor-Schaltkreis 40 ist bevorzugt unter Verwenden der Surface Mount-Technologie (SMT) hergestellt, sodass eine kleine Anordnung zum Befestigen am Punkt 28 in 2 an der Träger-Anordnung, die den Prüfkopf 11 hält, bereitgestellt ist. Jedoch kann der gesamte erfindungsgemäße Regelungs-Schaltkreis oder ein Abschnitt von ihm unter Verwenden der Surface Mount-Technologie hergestellt sein oder zu diesem Zweck ein anwendungsspezifischer integrierter Schaltkreis (ASIC) sein.
Während beschrieben worden ist, was gegenwärtig als bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung angesehen wird, ist es einem Fachmann offensichtlich, dass zahlreiche Änderungen bei der Anordnung, den Größenverhältnissen und Bedingungen, wie in den vorangegangenen Ausführungsbeispielen dargelegt, durchgeführt werden können, ohne sich von der an dieser Stelle beschriebenen und in den beigefügten Ansprüchen definierten Erfindung zu entfernen.

Claims

Flüssigkeitspegel-Sensor-Schaltkreis zum Abfühlen einer Oberfläche einer Flüssigkeit in einem Behälter, aufweisend: einen Prüfkopf (11) zum Berühren der Oberfläche der Flüssigkeit in dem Behälter; einen mit dem Prüfkopf gekoppelten Oszillatorschaltkreis (33) zum Erzeugen eines ersten Ausgabesignals mit einer Amplitude und einer konstanten Frequenz, wobei sich die Amplitude des ersten Ausgabesignals als Antwort auf eine Kapazitätsänderung ändert, wenn der Prüfkopf die Oberfläche der Flüssigkeit berührt; eine mit dem Ausgang des Oszillatorschaltkreises und in einer Rückkopplungsschleife mit dem Oszillatorschaltkreis gekoppelte Tiefpassfilter-Einrichtung (35), wobei die Filter-Einrichtung einen Schaltkreis (R147, C159) mit der Zeitkonstante RC aufweist, sodass das erste Ausgabesignal mittels Rückkopplungs-Steuerung der Amplitude des ersten Ausgabesignals auf einen bestimmten Pegel eingestellt wird, und einen mit dem Oszillatorschaltkreis gekoppelten Komparator (36, 37) zum Vergleichen der Amplitude des ersten Ausgabesignals mit einer ersten Referenz-Amplitude und zum Erzeugen eines Änderungssignals, wenn sich die Amplitude des ersten Ausgabesignals in Bezug auf die Referenz-Amplitude ändert, wobei das Änderungssignal kennzeichnet, dass die Oberfläche der Flüssigkeit mittels des Prüfkopfes erfasst worden ist.
Flüssigkeitspegel-Sensor-Schaltkreis gemäß Anspruch 1, ferner aufweisend einen mit dem ersten Ausgabesignal gekoppelten Gleichrichter (34) zum Erzeugen eines gleichgerichteten Ausgabesignals, das mit dem ersten Ausgabesignal in Beziehung steht, wobei der Komparator eine Amplitude des gleichgerichteten Ausgabesignals mit der ersten Referenz-Amplitude vergleicht, sodass das Änderungssignal erzeugt wird.
Flüssigkeitspegel-Sensor-Schaltkreis gemäß Anspruch 1, wobei der Prüfkopf ein Proben-Prüfkopf ist und eine Heizung (15) zum Aufheizen der als Probe genommenen Flüssigkeiten aufweist, die in dem Prüfkopf enthalten sind.
Flüssigkeitspegel-Sensor-Schaltkreis gemäß Anspruch 1, wobei der Oszillatorschaltkreis und der Komparator an einer Trägeranordnung angebracht sind, die den Prüfkopf hält.
Flüssigkeitspegel-Sensor-Schaltkreis gemäß Anspruch 1, ferner aufweisend einen Steuerschaltkreis, der auf das Änderungssignal reagiert, zum Steuern einer Position des Prüfkopfes in Bezug auf die Oberfläche der Flüssigkeit.
Flüssigkeitspegel-Sensor-Schaltkreis gemäß Anspruch 5, wobei der Prüfkopf ein Durchstech-Proben-Prüfkopf zum Durchstechen einer Dichtung eines abgedichteten Behälters ist, und wobei der Steuerschaltkreis zum Steuern der Position des Prüfkopfes in Bezug auf eine Oberfläche der Flüssigkeit in dem abgedichteten Behälter auf das Änderungssignal reagiert.
Verfahren zum Erfassen, wenn ein Prüfkopf eine Flüssigkeitsoberfläche berührt, die Schritte aufweisend: Erzeugen eines Oszillationssignals konstanter Frequenz mit einem Oszillator, das eire erste Amplitude aufweist, wenn der Prüfkopf die Oberfläche der Flüssigkeit nicht berührt, und das sich als Antwort auf eine Kapazitätsänderung zu einer zweiten Amplitude ändert, wenn der Prüfkopf die Flüssigkeitsoberfläche berührt; Filtern des Oszillationssignals mittels eines Tiefpassfilters, das in einer Rückkopplungsschleife mit dem Oszillator gekoppelt ist, wobei das Filter eine Schaltung (R147, C159) mit der Zeitkonstante RC aufweist, sodass das Oszillationssignal mittels Steuerns der ersten Amplitude des Oszillationssignals auf einen bestimmten Pegel eingestellt wird; Gleichrichten der Ausgabe des gefilterten Ausgabe-Signals konstanter Frequenz mit einem mit dem Filter gekoppelten Gleichrichter, wobei die gleichgerichtete Ausgabe eine dritte Amplitude aufweist, wenn die Amplitude des Signals konstanter Frequenz die erste Amplitude ist, und eine vierte Amplitude aufweist, wenn die Amplitude des Signals konstanter Frequenz die zweite Amplitude ist; Erfassen, wenn sich die Amplitude der gleichgerichteten Ausgabe des Signals konstanter Frequenz von der dritten Amplitude zur vierten Amplitude ändert; und Erzeugen eines Änderungssignals als Antwort auf das Erfassen einer Änderung von der dritten Amplitude zur vierten Amplitude, womit gekennzeichnet wird, dass der Prüfkopf die Oberfläche der Flüssigkeit berührt.
Verfahren zum Erfassen, wenn ein Prüfkopf eine Flüssigkeitsoberfläche berührt, gemäß Anspruch 7, ferner aufweisend den Schritt des Steuerns einer Position des Prüfkopfes in Bezug auf die Flüssigkeitsoberfläche als Antwort auf das Änderungssignal.
Verfahren zum Erfassen, wenn ein Prüfkopf eine Flüssigkeitsoberfläche berührt, gemäß Anspruch 8, wobei der Prüfkopf ein Durchstech-Proben-Prüfkopf zum Proben-Nehmen von einer Flüssigkeit in einem abgedichteten Behälter ist, wobei das Verfahren ferner das Steuern der Position des Prüfkopfes in Bezug auf eine Oberfläche der Flüssigkeit in dem abgedichteten Behälter aufweist.
Verfahren zum Erfassen, wenn ein Prüfkopf eine Flüssigkeitsoberfläche berührt, gemäß Anspruch 7, ferner aufweisend den Schritt des Einstellens der zweiten Amplitude des Signals konstanter Frequenz zurück auf die erste Amplitude, wenn erfasst wird, dass sich die Amplitude der gleichgerichteten Ausgabe des Signals konstanter Frequenz von der dritten Amplitude zur vierten Amplitude ändert.