ITMI20121803A1 - Metodo e dispositivo di misura e controllo di dosaggio di piccole quantità di fluido per mezzo di ago risonante, ed ago risonante adatto allo scopo - Google Patents

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Description

“METODO E DISPOSITIVO DI MISURA E CONTROLLO DI DOSAGGIO DI PICCOLE QUANTITÀ DI FLUIDO PER MEZZO DI AGO RISONANTE, ED AGO RISONANTE ADATTO ALLO SCOPO“
DESCRIZIONE
Campo di applicazione dell’invenzione
La presente invenzione si riferisce al campo dei sistemi di dosaggio di piccolissime quantità di fluidi per apparecchiature analitiche, e più precisamente ad un sistema di misura e controllo dosaggio in linea di piccole quantità di fluido per mezzo di ago risonante, ed ago risonante adatto allo scopo.
Stato della tecnica
Il dosaggio di piccole quantità di fluido nell’analitica avanzata (ad esempio per analisi di laboratorio) e nella diagnostica invitro IVD (In Vitro Diagnostics) à ̈ uno degli aspetti più critici e importanti per garantire precisioni elevate e uso di piccole quantità di prodotto inteso come reagente, fluido diluente o campione biologico.
Nella tecnica del dosaggio di fluidi per analitica avanzata à ̈ comunemente utilizzato il termine “piccola quantità†di fluido, al fine di definire una quantità inferiore ai 10 microlitri.
Le attuali attrezzature di trattamento dei fluidi per applicazioni analitiche si basano sull’uso di micro pompe volumetriche le cui precisioni sono spesso ridimensionate dall’impossibilità di operare direttamente a contatto col fluido da movimentare. Per veicolare il fluido viene utilizzato un liquido che funge da tramite e una parte più o meno grande di aria.
Il prelievo del fluido avviene sempre per mezzo di un ago, spesso metallico di lunghezza e diametro variabili in funzione del punto di prelievo e delle quantità di fluido movimentate.
La comprimibilità del gas (aria) riduce enormemente le prestazioni reali della micro pompa in funzione della temperatura e di variabili del fluido come viscosità e peso specifico.
Sono noti metodi di misurazione che si basano su tecniche di flussimetria o pesatura del fluido. Tuttavia per piccole quantità di fluido nell’ordine dei microlitri à ̈ estremamente difficile utilizzare tali metodi per queste misure.
Nelle applicazioni analitiche, inoltre, i fluidi sono caratterizzati da reattività e cambiamenti di viscosità estremi che rendono probabili fenomeni di solidificazione e formazione di bolle di gas anche con minime variazioni di pressione e temperatura.
I piccoli volumi di fluido (ad es. minori di 4 microlitri) non possono essere misurati in maniera facile e con metodiche tradizionali a causa della piccola massa e della difficoltà di erogazione controllata con pompe volumetriche di quantità così basse e difficilmente manipolabili.
Sommario dell’invenzione
Pertanto scopo della presente invenzione à ̈ quello di superare tutti gli inconvenienti suddetti e di indicare un sistema che permetta la misura e il monitoraggio continuo di piccole masse di fluido esattamente nel punto di prelievo e anche durante l’erogazione o il prelievo con elevata accuratezza e velocità di misura.
L’invenzione proposta si basa sull’uso di un ago metallico risonante col quale si preleva il fluido per misurarne la massa. L’ago può essere visto come una trave incastrata nel punto di supporto superiore che, se posta in oscillazione flessionale, presenta una frequenza di risonanza funzione della rigidezza e della massa complessiva in oscillazione.
In particolare la risonanza à ̈ ottenuta mediante accoppiamento all’ago di un elemento risonante di tipo piezoelettrico.
Un ago risonante conformato in base alla presente invenzione trova applicazione vantaggiosa nella misura e controllo di dosaggio in linea di piccole quantità di fluido, specialmente per applicazioni di analitica avanzata.
E’ oggetto della presente invenzione l’applicazione della metodica indicata alla misura di piccoli volumi di fluido e l’implementazione del dispositivo con l’integrazione di un attuatore/sensore piezoelettrico sul corpo dell’ago di prelievo. E’ oggetto della presente invenzione un dispositivo di misura e controllo di dosaggio di una piccola quantità di fluido, caratterizzato da ciò che comprende: un ago atto a contenere detta piccola quantità di fluido; un elemento risonante di tipo piezoelettrico accoppiato a detto ago; mezzi di controllo di introduzione e/o erogazione di detta piccola quantità di fluido in/da detto ago; mezzi di eccitazione e rilevazione atti a fornire segnali di eccitazione a detto elemento risonante, ed atti a rilevare variazioni di parametri di oscillazione dell’ago e dell’elemento risonante al fine di controllare detti mezzi controllo di introduzione e/o erogazione e determinare detto dosaggio.
E’ pure oggetto della presente invenzione un metodo di misura e controllo di dosaggio di una piccola quantità di fluido, caratterizzato da ciò che comprende i passi di: predisporre un ago atto a contenere detta piccola quantità di fluido; accoppiare un elemento risonante di tipo piezoelettrico a detto ago; controllare l’introduzione e/o erogazione di detta piccola quantità di fluido in/da detto ago; eccitare detto elemento risonante e rilevare variazioni di parametri di oscillazione dell’ago e dell’elemento risonante al fine di detto controllo dell’introduzione e/o erogazione di detta piccola quantità di fluido in/da detto ago e determinare detto dosaggio.
E’ altresì oggetto della presente invenzione un ago risonante adatto ad essere utilizzato in un dispositivo di misura e controllo di dosaggio di una piccola quantità di fluido, caratterizzato da ciò che comprende: un ago atto a contenere detta piccola quantità di fluido; un elemento risonante di tipo piezoelettrico accoppiato a detto ago ed atto ad essere eccitato per rilevare variazioni di parametri di oscillazione dell’ago e dell’elemento risonante al fine di determinare detta misura e controllo di dosaggio.
E’ particolare oggetto della presente invenzione un sistema di misura e controllo dosaggio in linea di piccole quantità di fluido per mezzo di ago risonante, ed ago risonante adatto allo scopo, come meglio descritto nelle rivendicazioni, che formano parte integrante della presente descrizione.
Breve descrizione delle figure
Ulteriori scopi e vantaggi della presente invenzione risulteranno chiari dalla descrizione particolareggiata che segue di un esempio di realizzazione della stessa (e di sue varianti) e dai disegni annessi dati a puro titolo esplicativo e non limitativo, in cui: nella figura 1 Ã ̈ indicato in modo schematico un esempio di realizzazione del dispositivo di misura oggetto della presente invenzione, con riquadri in cui vengono mostrati ingrandimenti di parti.
Descrizione di dettaglio di esempi di realizzazione
In figura 1 à ̈ rappresentato un esempio di realizzazione di un ago risonante secondo un aspetto dell’invenzione. L’ago risonante comprende sostanzialmente un ago 1 ed un elemento di attuazione risonante di tipo piezoelettrico 2 accoppiato all’ago.
L’elemento di attuazione di tipo piezoelettrico 2 à ̈ preferibilmente del tipo piezo bender conformato a lamina che viene affiancata all’ago.
Per sollecitare l'ago e misurarne la deformazione si utilizza un materiale piezoelettrico di tipo bender nel quale l'intensità del campo elettrico determina l'ampiezza della contrazione differenziale fra due piastre che determina una inflessione dell'elemento.
Il piezo bender à ̈ un materiale piezoelettrico di tipo piezoceramico che può essere usato come sensore o fonte di energia meccanica, e quando à ̈ accoppiato ad una struttura à ̈ in grado di applicare una sollecitazione meccanica o di rilevarne la deformazione.
La risposta di un materiale piezo-ceramico ad un cambiamento del campo elettrico o a una deformazione à ̈ estremamente veloce, e possono essere prodotte o rilevate vibrazioni nella gamma dei kHz. L’elemento piezoelettrico 2 à ̈ fissato nella regione di sommità dell’ago 1 (opposta alla punta dell’ago). L’operazione di fissaggio à ̈ effettuata tenendo presente la natura del componente e l’effetto desiderato sull’ago. Preferibilmente il fissaggio avviene per mezzo di apposito collante 4 (ad esempio Araldite 2014-1) che crea una robusta giunzione meccanica all’apice dell’ago. Un secondo punto di vincolo 7 all’ago à ̈ pure realizzato all’estremo opposto dell’elemento piezo-bender in modo da sollecitarne l’inflessione, tramite ad esempio lo stesso collante. Tale posizionamento reciproco tra ago e elemento piezoelettrico permette di ottenere la massima capacità di rilevazione della frequenza di oscillazione.
Preferibilmente una protezione esterna 3 a cilindro plastico avvolge l’elemento piezoelettrico e almeno la parte di ago ad esso affacciata.
Sono inoltre presenti conduttori elettrici per l’eccitazione dell’elemento piezoelettrico e la rilevazione dei segnali elettrici da esso generati per effetto della oscillazione degli elementi accoppiati, ago e piezoelettrico.
L’ago à ̈ normalmente utilizzato per prelevare e poi rilasciare una determinata quantità molto piccola di fluido 5 (dell’ordine dei microlitri, ad es. < 10 microlitri) che si posiziona all’interno dell’ago nella parte terminale 1’ dell’ago, nell’area della punta. In accordo con uno degli aspetti dell’invenzione, la misura della frequenza di risonanza à ̈ direttamente legata alla massa del fluido presente nella parte terminale dell’ago.
Il moto di oscillazione flessionale dell’ago à ̈ regolato da un’equazione del tipo
f(t) = s*k+ds/dt*b+m*ds2/dt2
nella quale
s à ̈ lo spostamento della parte terminale dell’ago;
k à ̈ la costante elastica dell’ago che à ̈ generalmente in acciaio inox con prestazioni elevate e stabili.
b à ̈ lo smorzamento,
m à ̈ la massa - La massa à ̈ costituita dall’insieme della massa propria dell’ago e di quella del fluido concentrata nella parte terminale dell’ago,
f(t) à ̈ la forzante dell’oscillazione.
La frequenza fr di risonanza dell’ago à ̈ data dalla seguente relazione
fr = 0,159 * (3 * E * I / (mf 3/8mt) / Lc ^ 3) ^ 0,5
Nella quale
E à ̈ il modulo di Young del materiale dell’ago,
I à ̈ l’inerzia della sezione dell’ago,
mt à ̈ la massa distribuita dell’ago,
mf à ̈ la massa concentrata corrispondente al fluido all’interno della parte terminale dell’ago,
Lc à ̈ la lunghezza libera d’inflessione dell’ago – In realtà il piezo bender partecipa all'oscillazione pur essendo molto più rigido della parte libera dell'ago. L'effetto à ̈ che la lunghezza equivalente della trave (sopra definita) à ̈ leggermente maggiore della lunghezza libera reale dell’ago, e la frequenza sperimentale à ̈ leggermente inferiore a quella stimata con Lc.
In un esempio di realizzazione, un’elettronica di condizionamento e pilotaggio sottopone periodicamente l’ago attraverso il piezobender a un impulso meccanico flessionale. In risposta a tale impulso l’ago oscilla e la misura della frequenza e dell’ampiezza dell’oscillazione consente il rilievo delle variazioni di massa per la presenza di fluido nella parte terminale dell’ago stesso. La variazione dello smorzamento indotto dalle caratteristiche del fluido in cui à ̈ immerso l’ago può fornire informazioni sulla viscosità e sull’avvenuto contatto col fluido.
Durante il prelievo e/o l’erogazione, la misura continua della variazione della frequenza permette di regolare la pompa per prelevare e/o erogare l’esatta quantità massica di fluido desiderata.
Considerate le dimensioni tipiche dell’ago sono rilevabili frequenze proprie del componente comprese fra 100 e 400 Hz con variazioni percentuali massime della frequenza per effetto del prelievo di piccole quantità di fluido del 10%.
Il funzionamento dell’elettronica à ̈ basato sull’uso alternato dell’elemento piezo-bender come attuatore e come sensore.
Durante un periodo di alcune centinaia di microsecondi l’elettronica genera l’impulso di attuazione che induce la flessione del piezo e la risposta oscillatoria dell’ago. Immediatamente dopo viene captato il segnale generato dal piezo stesso per effetto dell’oscillazione dell’ago, la cui variazione di frequenza e ampiezza di oscillazione consentono di rilevare le variazioni di massa.
Dall’entità e dalla frequenza di tale segnale si evince la quantità di massa del fluido che partecipa al moto caratteristico del componente.
L’esecuzione del test ripetuta ogni frazione di secondo permette la misura del fluido durante l’aspirazione e il controllo sul verificarsi di condizioni anomale come l’ostruzione o la formazione di bolle di gas nel condotto.
La stessa procedura può essere adoperata nel punto di erogazione per verificare il progressivo rilascio del fluido.
In un altro esempio di realizzazione, in alternativa all’elettronica ad impulsi si può adoperare un sistema elettronico operante in continuità in cui il piezo-bender funge da elemento risonante anche nel circuito elettronico (in analogia a un quarzo in un oscillatore accordato). In tale ipotesi l’oscillazione à ̈ sostenuta continuamente alla frequenza di risonanza della parte meccanica permettendo una misura in continuo dei flussi massici. Sono possibili varianti realizzative all'esempio non limitativo descritto, senza per altro uscire dall’ambito di protezione della presente invenzione, comprendendo tutte le realizzazioni equivalenti per un tecnico del ramo.
Dalla descrizione sopra riportata il tecnico del ramo à ̈ in grado di realizzare l’oggetto dell’invenzione senza introdurre ulteriori dettagli costruttivi.

Claims (8)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo di misura e controllo di dosaggio di una piccola quantità di fluido, caratterizzato da ciò che comprende: - un ago (1) atto a contenere detta piccola quantità di fluido; - un elemento risonante di tipo piezoelettrico (2) accoppiato a detto ago; - mezzi di controllo di introduzione e/o erogazione di detta piccola quantità di fluido in/da detto ago; - mezzi di eccitazione e rilevazione atti a fornire segnali di eccitazione a detto elemento risonante, ed atti a rilevare variazioni di parametri di oscillazione dell’ago e dell’elemento risonante al fine di controllare detti mezzi di controllo di introduzione e/o erogazione e determinare detto dosaggio.
  2. 2. Metodo di misura e controllo di dosaggio di una piccola quantità di fluido, caratterizzato da ciò che comprende i passi di: - predisporre un ago (1) atto a contenere detta piccola quantità di fluido; - accoppiare un elemento risonante di tipo piezoelettrico (2) a detto ago; - controllare l’introduzione e/o erogazione di detta piccola quantità di fluido in/da detto ago; - eccitare detto elemento risonante e rilevare variazioni di parametri di oscillazione dell’ago e dell’elemento risonante al fine di detto controllo dell’introduzione e/o erogazione di detta piccola quantità di fluido in/da detto ago e determinare detto dosaggio.
  3. 3. Metodo come nella rivendicazione 2, in cui detta oscillazione dell’ago e dell’elemento risonante à ̈ regolata in base alla relazione: f(t) = s*k+ds/dt*b+m*ds2/dt2 dove: s à ̈ lo spostamento della parte dell’ago in cui si concentra il fluido; k à ̈ la costante elastica dell’ago; b à ̈ lo smorzamento, m à ̈ la massa comprendente l’insieme della massa dell’ago e di detto fluido; f(t) à ̈ la forzante dell’oscillazione.
  4. 4. Metodo come nella rivendicazione 2, in cui detti parametri di oscillazione comprendono la frequenza di risonanza dell’ago, regolata in base alla relazione: fr = 0,159 * (3 * E * I / (mf 3/8mt) / Lc ^ 3) ^ 0,5 in cui: E à ̈ il modulo di Young del materiale dell’ago; I à ̈ l’inerzia della sezione dell’ago, mt à ̈ la massa distribuita dell’ago; mf à ̈ la massa concentrata corrispondente al fluido all’interno dell’ago; Lc à ̈ la lunghezza libera d’inflessione dell’ago.
  5. 5. Ago risonante adatto ad essere utilizzato in un dispositivo di misura e controllo di dosaggio di una piccola quantità di fluido, caratterizzato da ciò che comprende: - un ago (1) atto a contenere detta piccola quantità di fluido; - un elemento risonante di tipo piezoelettrico (2) accoppiato a detto ago ed atto ad essere eccitato per rilevare variazioni di parametri di oscillazione dell’ago e dell’elemento risonante al fine di determinare detta misura e controllo di dosaggio.
  6. 6. Ago risonante come nella rivendicazione 5, in cui detto elemento risonante di tipo piezoelettrico (2) Ã ̈ del tipo piezobender conformato a lamina.
  7. 7. Ago risonante come nella rivendicazione 5, in cui detto elemento risonante (2) à ̈ fissato nella regione di sommità dell’ago (1) opposta alla punta dell’ago tramite incollaggio.
  8. 8. Ago risonante come nella rivendicazione 5, comprendente una protezione esterna (3) almeno nella regione comprendente detto elemento risonante.
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