JPH04218726A - 容量性液体境界面センサ - Google Patents

容量性液体境界面センサ

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JPH04218726A
JPH04218726A JP3073552A JP7355291A JPH04218726A JP H04218726 A JPH04218726 A JP H04218726A JP 3073552 A JP3073552 A JP 3073552A JP 7355291 A JP7355291 A JP 7355291A JP H04218726 A JPH04218726 A JP H04218726A
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probe
liquid
conductive element
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JP3073552A
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James E Davis
ジエイムズ・エドワード・デイビス
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EIDP Inc
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EI Du Pont de Nemours and Co
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の背景】本発明は、容量性液体レベル・センサ、
一層詳しくは、空気を含む異なった層の間の境界面を感
知することのできる容量性センサに関する。このような
液体レベル・センサは、ロボット式プローブを用いて被
分析サンプルまたは試薬を収容している容器から液体を
引き出す多くの機器において用いられている。
【０００２】このようなロボット・システムでは、容器
内の液体のレベルまたは液体間の境界面を知っているこ
とが望ましい。それにより、液体を引き出すのに用いら
れるプローブが、（１）容器内の或る特定の液体層を引
き出すように、あるいは、（２）容器内の液体の望まし
くない部分または層との接触を最小限に抑えるように制
御され得る。このようなシステムでは、一般的に混合で
きない液体を処理する。たとえば、血液の収集の場合で
ある。充填された赤血球を作る代表的な血液システムで
は、赤血球は容器の下部にある。充填された赤血球のす
ぐ上には、市販の分離ゲルがある。分離ゲルの上には、
血清または血漿があり、最後に、頂部に空気がある。分
離ゲルによる・プローブの汚染はまことに望ましくない
ことである。しばしば、プローブからゲルを除去するの
が比較的難しく、実際、プローブの閉塞を生じさせ、サ
ンプリング未遂に終わることがある。したがって、ゲル
−血清境界面を位置決めする或る種のシステムを用い、
血清のみを引き出し、プローブがゲルと接触しないよう
にすることが非常に望ましい。
【０００３】この目的を達成するには、常時、リアルタ
イムで液体境界面のレベルを感知できなければならない
。この目的のために、種々のレベル・センサが開発され
ている。その中に、いわゆる容量性レベル・センサとい
うのがある。これは、いかなる導体も有限の電気キャパ
シタンスを持っているという事実に基づくものである。 このキャパシタンスは、液体の誘電率が高くなるにつれ
て、増大する。感知プローブが液体にきわめて接近した
とき、誘電率が高く、表面積が大きければ、プローブの
キャパシタンスも大きくなる。液体で生じるこれらキャ
パシタンスの変化はむしろ小さくなり、感度の良い検出
装置が必要となる。
【０００４】キャパシタンスの小変化を検出するに適し
た従来公知の装置は、ブリッジ、ＲＣまたはＬＣオシレ
ータ兼周波数メータ・カウンタ（ヘテロダイニングを含
む）、フェーズロック・ループ、ゼロ交差ピリオドメー
タ、ＲＣまたはＬＣフィルタへの振幅変化およびＲＣま
たはＬＣ回路を介しての移相変化を含む。
【０００５】従来の容量性液体レベル・センサのうち、
Ｋｉｎｇｓｔｏｎの米国特許第３，３９１，５４７号に
、液体タンク用の容量性液面プローブが開示されている
。この米国特許では、ブリッジ回路の１つの脚部として
、液体内に配置されたコンデンサ・プローブを利用して
いる。プローブのキャパシタンスの変化の結果としての
回路の不平衡は位相感度検出器によって検出される。 この検出器は可変移相器を介して固定周波数励起オシレ
ータによって基準化される。可変移相器はオフセット調
節を可能とする。
【０００６】同様にして、Ｏｂｅｒｌｉの米国特許第３
，６３５，０９４号が自動移送ピペットのための容量性
レベル感知手段を開示している。サンプル・プローブが
第１要素として利用され、サンプル容器まわりの金属ス
タンドがブリッジ回路の１つの脚におけるコンデンサを
構成する第２要素となる。ブリッジの残りの脚は、１つ
の可変コンデンサ脚と２つの抵抗器脚である。可変コン
デンサ脚は、そのキャパシタンスを液体と接触している
プローブのキャパシタンスと一致するように調節するこ
とができる。ブリッジ回路は固定周波数オシレータによ
って励起され、差動増幅器が利用され、ブリッジが平衡
したときにそれを感知してプローブが液体と接触したこ
とを示すのに利用される。
【０００７】Ｂｅｌｌｏ等の米国特許第４，３２６，８
５１号が可変コンデンサを接地プローブと金属プレート
（このプレートはサンプル容器の下方に配置した検出回
路に接続している）とによって形成している、自動臨床
分析器で使用するためのレベル感知装置および方法を開
示している。固定周波数励起信号が利用され、液体と接
触しているプローブから生じるキャパシタンス変化が検
出回路の電圧変化として検出される。この構成は、電極
あるいは供給トレイ上のこぼれ分が回路動作に変化を与
える可能性があり、回路でシールド・パッドを使用しな
ければならないという問題を提起する。
【０００８】もう１つの米国特許、Ｏｋａｗａ等の米国
特許第４，７３６，６３８号が自動臨床分析器で使用す
るための液体レベル感知装置を開示している。サンプル
容器の下に金属プレートが配置してあり、これは固定周
波数オシレータに接続してあり、サンプルを通して上方
に低周波電磁放射線を放出する。ディスペンス・プロー
ブがアンテナとして作用し、これは適当な帯域フィルタ
を有する検出回路に接続してあり、プローブが液体サン
プルと接触したときに電圧の振幅変化を検出する。この
回路はＢｅｌｌｏの欠点の多くを持っている。加えて、
低周波の使用により、回路の時間応答性が制限される。
【０００９】最後に、Ｓｈｉｍｉｚｕの米国特許第４，
８１８，４９２号が自動臨床分析器のための容量性液体
レベル・センサを開示している。この米国特許では、抵
抗器ブリッジを利用しており、ブリッジの１つの対角線
を励起する固定周波数オシレータが設けてあり、プロー
ブが他方の対角線を横切るコンデンサとして作用するよ
うになっている。プローブのキャパシタンスの変化の結
果としての、コンデンサ（プローブ）を横切っての移相
は、可変移相器を介して固定周波数励起オシレータによ
って基準化された位相検出器によって検出される。可変
移相器はオフセット調節を可能とする。位相検出器の出
力は瀘波され、基準値と比較されてプローブのところで
の液体の存在を示す信号を発生する。
【００１０】これらのセンサは、いずれも、プローブが
チューブまたは容器を通って下降するにつれて液体境界
面を乱すので、いかなる有用な態様でも液体境界面を感
知するようにはなっていない。この問題を解決すべく、
容器の外部から液体レベルを測定するようになっている
種々のシステムが考案された。その代表的なものが米国
特許第４，０９９，１６７号および同第４，００２，９
９６号に記載されている。これらの装置のいずれでも、
電極が容器の外面に配置されており、収容されている液
体による誘電率の、空気と比較しての変化を容量性の敏
感な検出器における変化によって感知するようになって
いる。別のシステム、たとえば、米国特許第４，３７１
，７９０号に記載されているシステムでは、液体の電気
キャパシタンスを用いて容器内に収容された液体のレベ
ルを決定するようになっている。
【００１１】最後に、米国特許第３，９３９，３６０号
が同様のシステムを記載しており、このシステムでは、
液体レベルを感知しようとしている容器の外面にテープ
が取り付けあるいは固定してある。不幸にも、このシス
テムは、従来の他のシステムと同様に、液体境界面の位
置を感知するのが比較的不正確であり、液体／空気境界
面のレベルを探知することができず、検出前にその位置
まで境界面を通過しなければならない。
【００１２】光学的センサも使用できるが、通常、紙そ
の他のラベルが容器の外面に貼付してあり、光学的走査
を妨げるという単純な理由で実用的でないことが多い。 さらに、容器の外面が、たとえば、乾燥血液で汚れてい
る場合には、光学的感知能力はかなり低下せざるを得な
い。また、外面に凝縮する可能性のある水も光学的感知
動作を妨げる。これは、サンプルが冷凍されていた場合
に、特に問題となる。
【００１３】
【発明の概要】液体境界面の位置を確実に検知すること
のできない従来のセンサに固有の問題の多くは本発明を
用いて解決できる。本発明は、多数の境界面の位置を判
断して、プローブの動きを制限せず、望ましくない領域
に進入するのを防ぐことができ、また、液体の層間の望
んだ位置へ精密に送ることができる手段を提供する。
【００１４】本発明の好ましい実施例によれば、容量性
センサは、ほぼ垂直の軸線を有する容器内に保持された
、異なった誘電値を有する２種の液体の境界面のレベル
を測定するのに用いられ、この容量性センサは、導電性
要素と、この導電性要素を前記軸線に対してほぼ平行に
前記容器の外面に沿って並進させる第１駆動手段と、導
電性要素に接続してあって導電性要素に高周波信号を与
えるオシレータであり、その振幅または位相あるいはこ
れら両方がプローブのキャパシタンスによって影響され
るオシレータと、このオシレータの振幅または位相に従
ってレベル感知信号を発生し、液体境界面に達したとき
に導電性要素に信号を送る比較器手段とを包含し、この
信号が容器軸線に沿った、液体境界面のある領域を示す
ことを特徴とする。
【００１５】センサは、容器から液体を引き出すための
プローブの付属物であっても良く、その場合、容器内へ
プローブを導入し、そこから液体を引き出させる第２駆
動手段を有する。この第２駆動手段は境界面感知信号に
応答して境界面に対するプローブの動きを方向付けかつ
制限する。このタイプのセンサが血液収集チューブをそ
の外面から機械的に走査する要素と一緒に使用される場
合、この要素がチューブの基部（ストッパと反対側の端
）と遭遇したとき、充填された赤血球（その媒質は誘電
率と導電性が高い）に接近したことによってキャパシタ
ンスが増大する。本発明の目的のためには、ゲルは液体
と考える。「ゲル」というのは、異なった密度の流体を
分離するのに用いられるビードその他の構造であり得る
。
【００１６】次に、要素は媒質が高い誘電性および導電
性を持つ血清または血漿に遭遇する。最後に、要素は媒
質の誘電性および導電性が低い空気の層に遭遇する。し
たがって、感知要素のキャパシタンスは赤血球帯域を通
して比較的高い値まで増大し、次いで、ゲル境界面のと
ころで急激に低下し、次いで、血清境界面のところで急
激に増大し、最後に、空気境界面のところで急激に減少
する。これら急激な変化は感知要素の機械的な位置に関
して判断され、相関付けられる。
【００１７】このセンサは、サンプル容器の光学特性か
ら独立しているという利点を有する。感知は、また、バ
ーコード識別ラベルのような紙製ラベルを介しても達成
され得る。乾燥血液および凝縮水の問題もない。
【００１８】本発明の方法によれば、垂直軸線を有する
容器内に保持された、それぞれ異なった誘電値を有する
２種の液体間の境界面の位置を検知する方法は、信号源
から導電性要素に高周波信号を与える段階と、容器の外
面付近を軸線に対してほぼ平行に導電性要素を並進させ
る段階と、信号源からの信号と導電性要素からの信号の
位相差を検出し、位相差の変化を容器軸線に沿った液体
境界面とする段階とを包含する。
【００１９】好ましい実施例において、この方法は、容
器から液体を引き出すためのプローブも使用し、プロー
ブを容器内へ導入し、そこから液体を引き出させ、セン
サ信号に従ってプローブの移動量を制限してプローブが
望ましくない境界面に進入するのを防ぐと共に、液体が
引き出される部分を選択するという付加的な段階を包含
する。
【００２０】
【好ましい実施例の説明】次に図面を参照して、図１は
普通の設計のサーボ・ドライブ１４によって制御される
ロボット・アーム１２によって駆動される位置感知要素
１０を示している。この要素１０は、普通の設計のサー
ボ・ドライブ１４によってＸ、Ｙ、Ｚ方向に並進させら
るものであり、複数のサンプル容器、試薬容器あるいは
反応容器１６（１つだけを図示する）のうちのいずれか
１つに隣接して位置させられるようになっている。
【００２１】各サンプル容器または反応容器１６は軸線
１９を有し、本発明の代表的な用途として、血液収集チ
ューブに関連して使用するものとして説明する。この血
液収集チューブでは、容器１６はゲル１３によって分離
された下部１１に赤血球を充填し、ゲル層１３の上に血
清１５があり、最後に空気１７が頂部にあるというもの
であり得る。感知要素１０は軸線１９に対してほぼ平行
な方向、すなわちＺ方向に容器１６の外部を横切って移
動するようになっている。要素１０はステンレス鋼ある
いはプラチナのような比較的不活性な材料で作ってある
と好ましい扁平な金属プレートであり、部分的に容器１
６の外面の曲面に一致するような形状となっている。要
素１０は比較的薄く、代表的には、８分の１インチ（０
．３２センチメートル）である。充填された赤血球は比
較的高い誘電性と導電性を持つ。一方、分離ゲル１３は
誘電性が低く、導電性を持たない媒質である。血清媒質
１５は高い誘電性とコンダクタンスを有する。空気帯域
１７は誘電性、コンダクタンスが共に低い。
【００２２】本発明は、異なった誘電性によって生じる
キャパシタンスの変化を区別し、したがって、容器１６
内のいくつかの液体層の境界面の位置を区別することの
できる方法およびセンサを扱う。
【００２３】容器１６から液体を取り出すためのピペッ
タ４８がプラスチック・チューブのような可撓性のある
継手を介して流体ポンプ４６に接続してある。このピペ
ッタはリンク機構４５によって作動させられ、このリン
ク機構はサーボ・ドライブ４４によって位置決めされ、
ピペッタ４８を昇降させる。サーボ・ドライブ４４およ
び流体ポンプ４６は、共に、この目的のために任意公知
のシステムを用いるＣＰＵ４２によって作動させられる
。このようなシステムの１つが、Ｅ．Ｉ．ｄｕＰｏｎｔ
　　ｄｅ　　Ｎｅｍｏｕｒｓ　　ａｎｄ　　Ｃｏｍｐａ
ｎｙ（Ｗｉｌｍｉｎｇｔｏｎ，ＤＥ）によって販売され
ているＤｉｍｅｎｓｉｏｎ（登録商標）分析器として知
られるものである。
【００２４】導電性要素１０には、オシレータ３０が隔
離用抵抗器３６と同軸ケーブル７０（さや部分が接地さ
れている）とを介して接続されている。このオシレータ
３０は、電圧制御式オシレータ（ＶＣＯ）であっても良
く、掃引ドライバ３２によって電圧を掃引されるように
接続してある。この掃引ドライバは、好ましくは、オシ
レータが或る範囲の周波数を通して連続的に掃引される
ように線形（たとえば、三角形または鋸歯状）波形を与
える。掃引ドライブは、好ましくは、導電性要素でのキ
ャパシタンスの変化から生じる周波数より上の周波数で
オシレータ周波数を掃引するように作動する。オシレー
タ３０は、好ましくは、上述したように電圧制御式オシ
レータ、あるいは、周波数を入力信号に応じて変えるこ
とのできる同様のオシレータである。
【００２５】オシレータの出力は、好ましくは、直流出
力電圧を発生することのできる位相検出器３４に送られ
る。こうすることによって、位相検出器は、導電性要素
が受ける誘電率の変化によって生じる移相あるいは振幅
を受ける。プローブ要素と容器１６内の液体の間には、
漂遊キャパシタンスがある。導電性要素がより高いかあ
るいはより低い誘電率の液体に遭遇すると、境界面が認
識され、位相検出器の出力が直流信号となり、これは要
素によって感知された変化しつつあるキャパシタンスに
従って位相または振幅を変える。
【００２６】比較器３８が位相検出器３４からの信号を
調節自在の電圧源４０によって得られる基準値と比較す
る。比較器の出力は中央演算処理装置（ＣＰＵ）４２に
送られる。このＣＰＵは、米国特許第４，８１８，４９
２号に記載されているような普通の要領でサーボ・ドラ
イブ１４を制御するようにプログラムされている。ＣＰ
Ｕは、センサによって識別された高さＺのところで容器
１６から液体を吸い出すようにピペッタ４８を制御する
。こうして、中央演算処理装置４２は、ピペッタ４８の
位置を制御すると共に、ピペッタが要素１０の感知した
位置に従って容器から流体を吸い上ゲルのを制御する。 このような中央演算処理装置は周知であり、液体境界面
センサである本発明装置に関係ないのでこれ以上の説明
は行わない。
【００２７】作動にあたって、要素１０は、図示のよう
に、赤血球１１、ゲル１３、血清１５に分離される血液
を収容し得る容器１６の外面に沿って軸線方向に移動さ
せられる。容器１０が充填赤血球を収容しているチュー
ブ１１の基部に遭遇すると、媒質が高い誘電率および導
電性を有する充填赤血球の付近にあるためにキャパシタ
ンスが増大する。次に、要素１０は、媒質が低い誘電率
を有するが導電性はない分離ゲル１３に遭遇する。次い
で、要素は、媒質が高い誘電率を有するが導電性はない
血清１５に遭遇する。最後に、感知要素は、媒質が低い
誘電率を持っているが導電性を持たない空気１７の帯域
に遭遇する。
【００２８】それ相当に、キャパシタンスは、赤血球帯
域を通るときに比較的高い値まで増大し、ゲル境界面１
３のところで急激に減少し、血清境界面１３−１６のと
ころで急激に増大し、最後に、空気境界面１５−１７の
ところで急激に減少する。これら急激な変化は感知プロ
ーブ１０の機械的位置として相関付けられ、判断される
。
【００２９】ＣＰＵは、本発明の感知要素をして容器を
走査させ、後の使用のために、移行部の高さおよび性質
（キャパシタンスの増減）を記憶するようにプログラム
されている。後に、先に走査された容器にアクセスしよ
うとするとき、ＣＰＵはピペッタ・プローブを容器上に
位置するように指令を出す。走査の最後の移行部がキャ
パシタンスの減少である場合、ＣＰＵは、記録されてい
る高さを許容できる最高および最低の高さについての移
行部と比較し、頂部移行部と次の移行部の距離がピペッ
タ・プローブをゲル・血清境界面に接近させ過ぎること
なくやや浸漬するに充分であるかどうかを判断する。許
容テストを通った後、ピペッタ・プローブは、その先端
が血清・空気境界面のすぐ下に来るような高さまで下降
させられる。所望のアリコートが採取されると、ピペッ
タ・プローブは移動可能高さまで上昇させられる。サン
プルが得られた後、それは付加的な試薬と共に反応容器
に入れられ、吸光度がサンプル内の分析濃度に関係する
或る色を生成する。
【００３０】本発明の好ましい実施例は位相検出器およ
びＲＣ移相回路を使用しているが、キャパシタンスの小
変化を検出するための電気振動源を用いる、従来公知の
装置の任意のものを使用できることは了解されたい。い
ずれにしても、高周波オシレータの周波数は、感知要素
のキャパシタンスの影響を受けるが、この影響は、ブリ
ッジの不平衡があるかどうか、ＲＣまたはＬＣフィルタ
に振幅変化があるかどうか、ＲＣまたはＬＣ回路に移相
があるかどうか等によって検出される。
【００３１】本発明は、プローブ４８が液体上方短い距
離のところからのレベル感知のみを必要とするように流
体のほぼ頂部を見出すことによって探査時間の問題を解
決する。多くの場合、この外部レベル感知が必要なすべ
てである。すなわち、プローブ４８に付加的なレべル感
知はまったく必要ない。本発明は、また、ゲルの位置を
決めることによってプローブをゲル中に移動するのを禁
じることができるので、ゲルのような望ましくない層と
接触するという問題も排除できる。
【００３２】一般に、容器は底から上へ走査され、感知
要素は常に既知の状態で（すなわち、空気に対して）始
動する。頂部はアクセスできない、すなわち、ストッパ
で塞いでも良い。
【００３３】血液収集チューブに対する普通の環境にお
いては、最後のキャパシタンス移行部は血清対空気の境
界面に対応して減少である。先の移行部は、ゲル対血清
の境界面、すなわち、チューブの底（すなわち、ゲル無
し）に対応してキャパシタンスの増大となっている。前
者において、充填赤血球対ゲルの境界面に対応する付加
的な移行部がある。すべての場合に、ピペッタ・プロー
ブはその先端を血清の表面の下約１ｍｍに置いて位置決
めされるが、ゲルの５ｍｍ内に位置した場合には、サン
プル作業は行われない。なぜならば、閉塞が生じ、サン
プリング・プローブの汚染を生じるからである。ゲルは
、機器の設計によって決まっている底の既知の位置によ
って容器の底から区別される。サンプリングの試みがな
い場合、オペレータは血清をゲルのない別の容器に移送
することが予想される。
【００３４】或る環境では、最後のキャパシタンス移行
部は増大となり得る。これは、容器が完全にいっぱいで
あり、センサ要素が容器の頂部を走査あるいは通過する
のに機械的な高速があるために使用不能となった場合に
生じる可能性がある。この場合、血清対空気の境界面は
欠陥値を与えられるが、ゲル対血清の境界面（存在する
として）は、ゲル中にピペッタ・プローブが移動するの
を防ぐに必要ななお価値のある情報である。
【００３５】かなりの量の血清を採取しようとする場合
には、ピペッタ・プローブは、血清が吸い出されるとき
の計算済みの高さに一致する率で容器内へ下降するよう
にプログラムされる。ここで再び、ピペッタ・プローブ
の最大移動量はゲルによる汚染を避けるべく制限されな
ければならない。
【００３６】
【フローチャート】本発明は、図３、４を参照してより
良く理解して貰えよう。これらの図には、ＣＰＵによっ
て制御されて境界面の位置の確認（図３）およびサンプ
ル流体のアリコート採取（図４）を制御するソフトウェ
アを説明するフローチャートが示してある。図３におい
て、センサ要素は１１０で指令を受け、容器の底の下か
ら上方へ走査を開始する。センサの状態は決定点１２０
でポーリングされる。プローブ要素が移動の頂きにある
場合には、制御はプロセス１５０に移行する。さもなけ
れば、センサの状況が或る移行の発生のためにポーリン
グされる。移行がまったくない場合には、制御は決定点
１２０に戻される。さもなければ、移行が生じ、性質（
キャパシタンスの増減）が記憶され、移行の高さが記憶
される。次いで、制御は決定点１２０に戻される。
【００３７】境界面位置情報を獲得したならば、最初に
（図４のブロック２１０）、ピペッタ・プローブは容器
に向かって動かされるが、プローブはまだ容器の上方に
ある。決定点２２０は、レベル・センサからの最後の記
憶された移行部が血清対空気の境界面に対応して減少で
あったかどうかをチェックする。もし減少でない場合に
は、プロセスは打ち切られる。これは、プロセスが続け
られると、ピペッタ・プローブの汚染あるいは故障の可
能性があるからである。減少の場合には、制御は決定点
２３０に行き、ここにおいて、最後の移行の高さが最低
許容高さと比較される。高さが低過ぎる場合には、プロ
セスは打ち切られる。さもなければ、制御は決定点２４
０に行き、ここにおいて、最後の高さが最高許容高さと
比較される。高さが高過ぎる場合には、プロセスは打ち
切られる。さもなければ、制御は決定点２５０に行き、
ここにおいて、血清の高さが計算され、最低許容レベル
（これ以下ではピペッタ・プローブの汚染が発生する可
能性のある）と比較される。もし充分な高さの血清が存
在すれば、制御はプロセス２６０に行き、ここにおいて
、ピペッタ・プローブは、ピペッタ・プローブの先端の
みが血清に浸漬され、プローブの外面の血清による汚染
が最小限となるように計算された高さまで下降される。 ピペッタ，プローブがこの計算された高さに達すると、
制御はプロセス２７０に行き、所望体積（アリコート）
の流体が吸い出される。制御はプロセス２８０に行き、
ここにおいて、ピペッタ・プローブが移動高さまで上昇
させられ、その後、プロセス２９０がピペッタ・プロー
ブを或る位置へ移動させる。この位置において、血清が
反応容器に送られ、血清の所望成分の決定がなされ得る
。
【００３８】図２を参照して、ここには、本発明の好ま
しい実施例に従って構成された、液体レベルを感知する
ための特殊な回路が示してある。この回路において、本
質的には、２つの集積回路が用いられる。第１の集積回
路はフェーズロック・ループであり、これは、たとえば
、Ｎａｔｉｏｎａｌ　　Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒに
よって作られるＣＤ４０４６ＢＭチップを使用し得る。 さらに、Ｔｅｘａｓ　　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ　　Ｃｏ
ｍｐａｎｙによって作られたカッド演算増幅器チップ、
ＴＬＣ２７４ＣＮを使用し得る。フェーズロック・ルー
プは破線のブロック５０で示されている。同様に、カッ
ド演算増幅器は破線ブロック５２によって示してある。 フェーズロック・ループは電圧制御オシレータ５４と、
いくつかの位相比較器（１つだけを５６で示してある）
とを包含する。電圧制御式オシレータ５４はいくつかの
入力部を有し、これらの入力部は抵抗器Ｒ１、Ｒ２およ
びコンデンサＣ１の選択によって公称１ＭＨｚを与える
ように選定された。これらの値の選択はＮａｔｉｏｎａ
ｌ　　Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒからのチップ用アプ
リケーションノートに記載されている。
【００３９】ＶＣＯ５４は、カッド演算増幅器チップ５
２の一部として構成された安定オシレータの形をした掃
引オシレータによって掃引させられる。５８で示す掃引
オシレータは、出力が抵抗器Ｒ７、コンデンサＣ６を介
してＱ２の符号を付けた増幅器の反転入力部に送られる
。さらに、Ｑ２の出力は抵抗器Ｒ８、Ｒ９を通して増幅
器の非反転入力部に送られる。今、ここで、増幅器の出
力が高レベルに移行すると仮定する。非反転入力部の電
圧は高くなる。非反転入力部の電圧はコンデンサＣ６の
ために低レベルに留まることになる。コンデンサＣ６の
電荷が畜積するにつれて、その電圧が非反転入力部の電
圧を超えた時点で、Ｑ２の出力は低レベルに振れること
になる。同様にして、抵抗器Ｒ８、Ｒ９は低い電圧をＱ
２の非反転入力部に与える。コンデンサＣ６の存在の故
に、反転入力部の電圧は高レベルに留まることになる。
【００４０】この状況は、Ｃ６を横切る電圧が非反転入
力部の電圧よりも低い電圧まで放電されるまで続き、こ
の時点で、Ｑ２の出力が高レベルに振れ、サイクルは無
限に繰り返すことになる。この回路では、方形波６２で
ある出力から電圧を得るのが普通である。しかしながら
、電圧掃引を行ってオシレータの線形周波数掃引を行う
には、鋸歯状または三角形の波形が好ましい。これは、
Ｒ７、Ｃ６の接続部で見出される信号である。このほぼ
三角形の波６０はＶＣＯ入力部に送られる。この信号に
より、電圧制御式オシレータは公称１ＭＨｚ周波数まわ
りの約２０ｋＨｚを掃引する。上下方向に掃引する速度
は約２０ｋＨｚであり、抵抗器Ｒ７、Ｒ８、Ｒ９の値に
よって決まる。
【００４１】電圧制御式オシレータ５４の出力は方形波
６４で示されている。ＶＣＯの出力は２つの部分に与え
られる。１つの部分は位相比較器５６に供給される。こ
れは基準信号として作用し、波形６６で示されている。 ＶＣＯの出力の他の部分は要素Ｒ３、Ｃ２および感知要
素からなるＲＣ移相器に供給される。コンデンサＣ２は
直流ブロッキング・コンデンサとして用いられる。移相
に影響する実際のキャパシタンスは、７０で示す同軸ケ
ーブルのキャパシタンスと、感知要素１０のアースへの
キャパシタンスとからなる。要素は前述したように金属
製である。Ｒ３、Ｃ２間の接続部は７６で示す信号と、
サンプルの誘電率で影響を受けた要素からの信号である
。この信号７６はほぼ三角形の波形であり、位相比較器
５６の信号入力部に送られる。
【００４２】位相比較器５６は種々の排他的論理和回路
である。位相比較器の出力は一連のパルスであり、これ
らのパルスの幅は基準信号６６と入力信号７６の位相差
に依存する。位相比較器５６の出力は、方形波７８の形
をしており、抵抗器Ｒ４、Ｃ３からなるＲＣフィルタ回
路網８４に送られる。このフィルタの目的は位相比較器
からパルスを取り出し、波形７８の面積に比例する近似
直流レベルを発生することである。７８のパルス幅が変
化すると、フィルタ８４の近似直流レベルは変化するこ
とになる。変化する直流レベルは微分器９０に送られる
波形８０によって表わされる。微分器の心臓部はカッド
演算増幅器５２の１部材である演算増幅器Ｑ１である。 したがって、微分を行うために、ＲＣフィルタ８４の出
力は抵抗器Ｒ５およびコンデンサＣ４を通して増幅器９
０の入力部に与えられる。増幅器９０のフィードバック
部分は並列のＲ６、Ｃ５からなる。これらの構成要素は
低周波数のための微分器、すなわち、波形８０の変化部
分を構成するように選ばれている。これら構成要素は、
また、フィルタ回路網８４を通して漏洩する可能性のあ
る高周波ノイズを除去する。
【００４３】微分器９０の出力はパルスの形をしており
、その高さは波形８０の変化率および変化程度に依存す
る。この出力信号は波形８２によって表わされる。これ
らのパルスは、次に、ウインドウ比較器で判断されて、
プローブのところのキャパシタンスの有用な移行を表わ
すに充分な振幅のパルスを選ぶことができる。プローブ
は、もちろん、サンプルの誘電効果に敏感である。 ウインドウ比較器は演算増幅器５２の、９４、９６で示
す増幅器からなる。これらの増幅器において、信号レベ
ルはＶ１、Ｖ２で示す電圧と比較される。たとえば、入
力電圧がＶ１より低いときにはいつでも９４への入力電
圧が反転入力部に送られる場合には、出力は高レベルと
なる。入力電圧がＶ１より上に上昇する時間の間、出力
は低レベルに留まる。したがって、波形８２の正移行パ
ルスは波形９８の負移行パルスを生じる。
【００４４】同様に、波形８２の負移行パルスは回路９
６からの負移行パルスとして現れ、１００で示す波形を
有する。２つの波形９６、１００は回路の出力である。 波形９８は、要素が高い誘電材料に近いときにキャパシ
タンスの増大に遭遇するときにはいつでも、負移行のパ
ルスを有する。波形９８は、プローブがコンダクタンス
または誘電率を増大させる液体境界面に遭遇したときに
はいつでも負移行のパルスである。同様にして、波形１
００は、要素がキャパシタンスを減少するときにはいつ
でも、すなわち、コンダクタンスまたは誘電率を減少さ
せる境界面に遭遇したときには、負移行のパルスとなる
。
【００４５】本発明のセンサは、異なった層、通常は、
混合しない液体を入れた任意の容器で生じる液体境界面
の検出をかなり容易にする。このセンサは液体境界面と
干渉せず、しかも、別体のピペッタを容器内へ迅速に導
入し、所望レベルまで下降させることができるように境
界面の位置を確認できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による液体境界面センサのブロック図で
ある。
【図２】本発明による液体境界面センサの好ましい実施
例の概略図である。
【図３】ＣＰＵが図１のセンサを制御して液体境界面の
性質、位置を決定する要領を示すフローチャートである
。
【図４】ＣＰＵが図１のセンサを制御してサンプルのア
リコートを得る要領を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１０　　　　位置感知要素 １２　　　　ロボット・アーム １３　　　　ゲル １４　　　　サーボ・ドライブ １５　　　　血清媒質 １６　　　　容器 １７　　　　空気 １９　　　　軸線 ３０　　　　オシレータ ３２　　　　掃引ドライブ ３４　　　　位相検出器 ３６　　　　隔離抵抗器 ３８　　　　比較器 ４０　　　　電圧源 ４２　　　　中央演算処理装置（ＣＰＵ）４４　　　　
サーボ・ドライブ ４５　　　　リンク機構 ４６　　　　流体ポンプ ４８　　　　ピペッタ ７０　　　　同軸ケーブル

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】　　ほぼ垂直の軸線を有する容器内に保持
    された、異なった誘電値を有する２種の液体の境界面の
    レベルを測定する容量性センサであって、導電性要素と
    、この導電性要素を前記軸線に対してほぼ平行に前記容
    器の外面に沿って並進させる第１駆動手段と、導電性要
    素に接続してあって導電性要素に高周波信号を与えるオ
    シレータであり、その振幅または位相あるいはこれら両
    方がプローブのキャパシタンスによって影響されるオシ
    レータと、このオシレータの振幅または位相に従ってレ
    ベル感知信号を発生し、液体境界面に達したときに導電
    性要素に信号を送る比較器手段とを包含し、この信号が
    容器軸線に沿った、液体境界面のある領域を示すことを
    特徴とするセンサ。
  2. 【請求項２】　　請求項１記載のセンサにおいて、比較
    器手段が容器に沿った垂直方向位置の関数としての導電
    性要素のキャパシタンスの増減に応答することを特徴と
    するセンサ。
  3. 【請求項３】　　請求項２記載のセンサにおいて、また
    、容器から液体を引き出すプローブと、このプローブを
    容器内に導入し、そこから液体を引き出させる第２駆動
    手段とを包含し、この第２駆動手段がレベル感知信号に
    応答してプローブの移動量を制限し、境界面に進入しな
    いようにしたことを特徴とするセンサ。
  4. 【請求項４】　　請求項１記載のセンサにおいて、また
    、容器から液体を引き出すプローブと、このプローブを
    容器内に導入し、そこから液体を引き出させる第２駆動
    手段とを包含し、この第２駆動手段がレベル感知信号に
    応答してプローブの移動量を制限し、境界面に進入しな
    いようにしたことを特徴とするセンサ。
  5. 【請求項５】　　請求項４記載のセンサにおいて、導電
    性要素が軸線を横切る方向に向いた平らなプレートから
    なることを特徴とするセンサ。
  6. 【請求項６】　　請求項３記載のセンサにおいて、導電
    性要素が軸線を横切る方向に向いた平らなプレートから
    なることを特徴とするセンサ。
  7. 【請求項７】　　請求項２記載のセンサにおいて、導電
    性要素が軸線を横切る方向に向いた平らなプレートから
    なることを特徴とするセンサ。
  8. 【請求項８】　　垂直軸線を有する容器内に保持された
    、異なった誘電値を有する２種の液体の境界面の位置を
    決定する方法であって、信号源から導電性要素に高周波
    信号を送り、この高周波信号の位相あるいは振幅がプロ
    ーブのキャパシタンスの関数であるようにする段階と、
    容器の外面に沿って軸線に対してほぼ平行に導電性要素
    を並進させる段階と、導電性要素からの信号の位相ある
    いは振幅変化を検出し、この変化が容器軸線に沿った液
    体境界面を示すものとする段階とを包含することを特徴
    とする方法。
  9. 【請求項９】　　請求項８記載の方法において、容器か
    ら液体を引き出すためのプローブを包含し、このプロー
    ブを容器内へ導入し、そこから液体を引き出させる段階
    と、位相または振幅の検出された変化に従ってプローブ
    の移動量を制限して望ましくない層との接触を防ぎなが
    ら所望層までピペッティング・プローブを送る段階とを
    包含することを特徴とする方法。
JP3073552A 1990-01-18 1991-01-18 容量性液体境界面センサ Pending JPH04218726A (ja)

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