（pG）来确定。测量流入容器的液体的体积流量和/或已流入容器的液体的体积的方法和装置 |
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| 申请号 | CN201180033232.1 | 申请日 | 2011-06-20 | 公开(公告)号 | CN102971610B | 公开(公告)日 | 2017-03-29 |
| 申请人 | 恩德莱斯和豪瑟尔测量及调节技; 术分析仪表两合公司; | 发明人 | 迈克尔·汉克; 斯特法尼·霍切尔; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及用于测量流入容器（1）的液体A，B）的体积流量（dV(t)/dt）和/或流入容器（1）的液体（A，B）的体积（V(t)）的方法和装置，利用该方法和装置，可实现 微 流体 系统 中尤其是在分析领域中的高度的自动化，其中在液体（A，B）流入之前，气体在起始压 力 （p0）和预定起始体积V0）下被封闭在容器（1）中，随后使液体（A，B）流入容器（1）以将封闭气体压缩到依赖于流入液体的体积（V(t)）的气体体积并引起容器（1）中气体的气体压力（pG）相对于起始压力（p0）的依赖于流入液体的体积（V(t)）和流入液体的体积流量dV(t)/dt）的升高，测量作为时间（t）的函数的容器中的气体压力（pG），并且直到给定时间（t）流入的体积（V(t)）和/或在给定时间（t）流入液体的体积流量（dV(t)/dt）基于测量的气体压力 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种测量流入容器(1)的液体(A、B)的体积流量(dV(t)/dt)和/或已流入所述容器(1)的液体(A、B)的体积(V(t))的方法，所述方法应用在液体以受控形式被输送、投配或计量的医学或实验室技术或者液体分析领域，所述方法包括以下步骤： |
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| 说明书全文 | 测量流入容器的液体的体积流量和/或已流入容器的液体的体积的方法和装置 技术领域[0001] 本发明涉及一种测量流入容器的液体的体积流量和/或已流入容器的液体的体积的方法，以及用于执行该方法的装置。 [0002] 本发明可应用在工业测量技术以及医学和实验室技术的所有领域中，其中液体以受控形式被输送、投配或计量，尤其是利用微流体系统的辅助，或者可应用在微方法技术的领域中。这在液体分析领域中尤其如此。这种领域的示例包括用于监测和优化净化厂的清洁效力、用于饮用水监测、用于监测生物技术过程或用于工业上应用的液体或食品的质量监测的分析系统。例如，诸如离子的物质的液体样品的含量，比如，例如铵、磷酸盐或硝酸盐、生物或生物化学化合物，比如，例如，激素或微生物或细菌被测量和监测。 背景技术[0003] 在这种系统中，除待分析液体之外，而且在给定情形中，对于分析所需的另外液体，例如试剂溶液，必须以预定的量进行投配或计量，并且在给定情形，特定期望体积的不同液体必须被混合，和/或必须产生通过管路或测量和/或分析单元的液体的特定期望体积流量。 [0004] 尤其是在分析领域，为了能够实现尽可能的自动测量，需要这样的装置和方法，借助于该装置和方法，在所需的微型化系统中，通常，小于50mL，尤其是小于10mL的非常少的期望体积可被投配，并且借助于该装置和方法，通过相应系统的液体的小于5000μL/min，尤其是小于1000μL/min的小体积流量可根据在每种情形中对于要执行的过程或方法所需要的预定的体积流量来加以控制。 [0005] 为了输送这些液体，目前例如应用了蠕动泵。然而，蠕动泵由于其功能原理通常引起脉动的体积流量。另外，结合蠕动泵使用的弹性软管受到老化，这影响蠕动泵的输送功率。以这些方式，特定期望体积的液体可被填充或者期望的预定的体积流量可被提供的精度受到限制。 [0006] 用于液体输送的另一通常应用的变化形式是注射泵。这些注射泵通过高精度和均匀的流动特性来区分。然而，在自动系统中应用注射泵的不利之处在于其高价格和其低的鲁棒性。 [0007] 体积流量可简单地通过气动装置来实现，在该情形中，液体由于利用气体对供应容器中的液体进行压力加载，尤其是利用空气进行压力加载而流动。然而，通常，这些系统的流动阻力由于例如供应容器的增加的排空而随时间而变，使得在该情形中，需要控制通过系统的体积流量。 [0008] 为此，可例如通过结合在液体系统中的相应的流量传感器来测量体积流量。这种流量传感器例如在WO2007/147786A1中描述。然而，这些传感器是昂贵的且与液体直接接触。后者特征引起传感器以及还有液体两者污染的危险。 发明内容[0009] 本发明的目的是提供测量流入容器的液体的体积流量和/或已流入容器的液体的体积的装置和/或方法。该装置和/或方法应使得能够在尤其是微流体系统中和尤其是在分析领域中实现高度自动测量。 [0010] 为此，本发明涉及一种测量流入容器的液体的体积流量和/或已流入容器的液体的体积的方法，该方法包括以下步骤： [0011] 在液体流入之前在起始压力下在容器中的预定起始体积中封闭气体，[0012] 然后使液体流入容器以将封闭的气体压缩到依赖于已流入容器的液体的体积的气体体积并且实现容器中气体的气体压力相对于起始压力的依赖于已流入的液体的体积和流入液体的体积流量的升高， [0013] 测量作为时间的函数的容器中气体压力，以及 [0014] 基于测量的气体压力确定直到给定时间已流入的液体的体积和/或在给定时间流入液体的体积流量。 [0015] 在这种情形中，基于在给定时间测量的气体压力来确定直到给定时间已流入的液体的体积。 [0016] 测量气体压力的时间变化率，并基于在给定时间测量的气体压力的时间变化率确定在给定时间流入容器的液体的体积流量，由此来确定体积流量。 [0017] 在进一步的发展中， [0018] 定义相对气体压力等于起始压力和气体压力的商， [0019] 确定特征变量，所述特征变量给出作为已流入的液体的体积的函数的相对气体压力的斜率， [0020] 在液体流入容器期间，基于测量的作为时间函数的气体压力来确定作为时间函数的相对气体压力，以及 [0021] 基于相对气体压力来确定体积和/或体积流量。 [0022] 在这种情形中，优选地用以前的校准方法来确定特征变量。 [0023] 在该进一步的发展的实施方式中， [0024] 直到时间点已经流入的体积被确定为在给定时间的相对气体压力减去1和特征变量的商，和/或 [0025] 确定相对气体压力的时间变化率，以及 [0026] 在给定时间流入的液体的体积流量被确定为相对气体压力的时间变化率和特征变量的商。 [0027] 另外，本发明涉及用于执行本发明方法的装置，包括： [0028] 连接到容器并用于在液体流入之前在起始压力下在容器内部的预定起始体积中封闭气体的装置， [0029] 用于测量容器中气体压力的测量传感器， [0030] 液体供应系统，其连接到的容器的填充开口，该填充开口通入容器内部的并用于将液体供应到容器，以及 [0032] 在装置的实施方式中，容器包括活塞，活塞在容器内部可移动且液密地和气密地接触封闭内部的容器壁以将容器分成液体空间和气体空间，其中填充开口通入液体空间中，气体空间与用作在液体流入之前在起始压力下在容器内部的预定起始体积中封闭气体的装置连通以及与压力传感器连通。 [0033] 在进一步的发展中，装置包括控制单元，控制单元根据测量的容器中的流入体积或测量的流入容器的体积流量控制通过液体供应系统实现的液体供应。 [0034] 在实施方式中，当测量的体积达到一定的期望体积时，控制单元终止液体供应。 [0035] 在实施方式中，液体供应系统包括填充有液体的至少一个储存单元，尤其是填充有液体的两个储存单元，以及用于实现从所述储存单元，尤其是多个储存单元至容器的液体流动的装置， [0036] 其中至少一个储存单元具有腔室，液体容纳在该腔室中，且在该腔室中布置了液密和气密地接触封闭腔室的内壁的可移动的活塞。活塞将至少一个储存单元分成经由至少一个液体管路与容器连接的液体空间和用于实现从所述储存单元尤其是多个储存单元至容器的液体流动的装置连接的气体空间。 [0037] 另外，本发明涉及用于操作配备控制单元的装置的方法，该装置的液体供应系统包括填充有液体的至少两个储存单元和用于实现从储存单元至容器的液体流动的装置，该方法包括以下步骤： [0038] 在起始压力下在预定的起始体积中封闭气体， [0039] 经由用于实现液体流动的装置相继地利用来自两个或多个不同的储存单元的特定期望体积的液体填充容器， [0040] 其中基于测量的流入容器的总体积和在利用来自相应的储存单元的相应液体的相应的填充流程开始时已经位于容器中并利用该装置测量的体积来监测各液体的相应的期望体积的达到。 [0041] 在利用不同的期望体积的各液体相继地填充容器时，优选地，利用最大所需期望体积的液体开始填充，并且随后，在每种情形中，利用下一较小的所需期望体积的液体相继地继续填充。 [0042] 另外，本发明涉及本发明的装置的进一步的发展，其中， [0043] 液体供应系统将液体通过供给管路输送到容器， [0044] 通过供给管路的液体的体积流量等于流入容器的液体的体积流量，以及[0045] 提供了控制系统，控制系统基于测量的进入容器的体积流量控制由液体供应系统实现的液体供应，使得通过供给管路的体积流量和进入容器的体积流量对应于特定期望体积流量。 [0046] 该控制对于上述实施方式是尤其有利的，在该情形中，至少一个储存单元，或者多个储存单元和/或容器，在每种情形中，包括可移动的活塞，该可移动的活塞在每种情形中将容器或储存单元分成气体空间和液体空间。将液体从储存单元输送到容器所需的活塞上的力例如通过对储存单元的气体空间进行压力加载来实现。这种力也依赖于活塞在储存单元或容器中遇到的相应摩擦阻力。因为液体供应基于记录的体积流量来控制，所以活塞的不同摩擦阻力被小心地控制。 [0047] 在优选实施方式中， [0048] 测量或分析系统被插入供给管路， [0049] 通过测量或分析系统的液体的体积流量等于通过供给管路的体积流量并等于流入容器的液体的体积流量，以及 [0050] 控制系统基于测量的进入容器的体积流量将通过测量或分析系统的体积流量控制到特定期望体积流量。 [0051] 另外，本发明涉及本发明的装置的进一步的发展，其中， [0052] 液体供应系统包括由液体填充的至少一个储存单元和用于实现从至少一个储存单元至容器的液体流动的装置，并且 [0053] 用于实现液体流动的装置包括可控制的气动压力源， [0054] 其经由配备有可控制的阀——尤其是3/2阀——的压力供应管路连接到每个储存单元，并且 [0055] 液体流动通过利用由可控制的气动压力源提供的压力对储存单元中的液体进行压力加载来实现。 [0056] 在后者进一步的发展的第一进一步的发展中，可控制的气动压力源经由利用可控制的阀尤其是3/2阀可关闭的压力供应管路连接到容器。 [0057] 在优选的另外发展中，液体供应系统经由配备有阀尤其是止回阀的至少一个供应管路连接到容器。 [0058] 另外，本发明涉及用于操作根据三个后者的另外发展的装置的方法，[0059] 在该方法的情形中，操作周期被执行，其中，在每种情形中， [0060] 经由3/2阀较早地给容器和储存单元中的液体供应起始压力， [0061] 关闭从压力源通向容器的压力供应管路中的阀， [0062] 通过利用由压力源提供的压力对储存单元中的至少一个中的液体进行压力加载来实现液体流入容器，以及 [0063] 最终，尤其是通过压力加载，在相应操作周期中流入容器的总液体被排出容器。 [0064] 在该装置的第一进一步的发展的额外进一步发展中，容器经由配备有阀尤其是止回阀的排泄管路连接到接收器皿，该接收器皿经由空气逃逸开口被加载环境压力并且位于容器中的液体能够被排到接收器皿中。 [0065] 另外，本发明涉及用于操作根据后者进一步的发展的装置的方法，其中通过以下步骤，在填充周期结束时液体被排出容器， [0066] 中断向容器的液体供应，以及 [0067] 经由压力源为容纳在容器中的液体加载压力，于是液体流过止回阀并经由排泄管路流出。 [0068] 另外，本发明涉及一种操作本发明装置的方法，在该情形中，操作周期被执行，该方法在每个周期中包括以下步骤： [0069] 在起始压力下在预定的起始体积中封闭气体， [0070] 使液体流入容器并且测量液体流入的体积流量和/或流入的体积， [0071] 在容器中的气体压力超过预定的最大压力之前，中断向容器的液体供应，以及[0072] 最终，从容器排出在相应填充周期中流入容器的总液体。 [0073] 本发明的优点是装置能够完全自动地操作。另外的优点是测量间接地基于容器中的气体压力来进行使得不需要液体的直接接触，尤其是不直接接触传感器。而且，本发明提供以下优点，即由于本发明的间接测量方法，测量很大程度地独立于提供的液体的类型，尤其是其粘度、其不均匀性和在给定情形中其中包含的污染物。这与热量流测量方法相比尤其是有利的，在热量流测量方法的情形中，测量精度决然地依赖于在给定情形中液体的可变热容量。 [0074] 本发明的装置提供的优点是该装置的应用极其广泛。该装置允许更换投配注射器、注射泵、蠕动泵以及还有这样的系统，其以气动方式产生体积流并基于利用安装在流动路径中的流量传感器进行直接流量测量来将这些控制到一定的期望体积流量。附图说明 [0075] 现在将基于附图解释本发明及其它优点，附图中给出了实施方式的两个示例。在附图中相同的元件给出相同的参考符号。其中： [0076] 图1是本发明的装置； [0077] 图2是替换实施方式的截面；以及 [0078] 图3是图1的装置的变化形式。 具体实施方式[0079] 图1示出了本发明的用于测量流入容器1的液体的体积流量dV(t)/dt和/或已经流入容器1的液体的体积V(t)的装置。 [0080] 该装置包括连接到容器1的填充开口3的液体供应系统5，填充开口3通入容器1的内部。液体供应系统5用于将液体供应到容器1。供应系统5包括充满备用液体A、B的至少一个储存单元7、9。储存单元7、9例如是容纳待分析的各种液体的供应容器或者它们容纳分析所需的补充液体，例如试剂溶液。液体A、B可容纳在储存单元7、9中，例如，储存单元7、9是柔性的气体和液体不可渗透的体积的形式，比如例如为聚乙烯或聚丙烯的塑料箔或膜的袋子。储存单元7、9优选地实施为可交换的模块。在这种情形中，储存单元7、9可设置为单个元件，或者两个或多个储存单元可在供应套件，优选地为可更换的供应套件中相互平行地组合连接。 [0081] 储存单元7、9连接到用来实现从储存单元7、9中的至少一个至容器1内的液体流动的装置。该装置包括可控制的气动压力源11，该可控制的气动压力源11经由相应压力供应管路13、15连接到储存单元7、9的输入侧。可控制的阀V1、V2分别控制压力供应管路13、15的打开和关闭。阀V1、V2优选地为3/2阀，储存单元7、9在其输入侧上选择性地通过阀V1、V2利用来自压力源11的压力p或者利用基准压力pR——优选为大气压力——而可加载，或者其输入侧可被加压且通过相应阀V1、V2的完全关闭来气密地隔离。术语“打开”和“关闭”在此意指参考所有阀来表示阀所位于的特定管路允许在阀打开的情形中允许流体通过并且在阀关闭的情形中阻塞流体通过。 [0082] 储存单元7、9的输出侧分别经由供应管路17、19连接到容器1的填充开口3。供应管路17、19的面向容器1的端部包含优选为止回阀的阀VR1、VR2。在所示的实施方式中，两个供应管路17、19馈送到供应管路20内，供应管路20将供应管路17、19与填充开口3连接。 [0083] 如果仅提供了一个储存单元，例如储存单元7，则优选地单个供应管路20直接从储存单元7通向填充开口3并且这样由图1补充画出的阀VR来控制。在这种情形中，第二储存单元9、其供应管路19和两个阀VR1和VR2被省略。 [0084] 对于为填充总是并行地同时应用较大数量的储存单元来说也是如此。它们的液体一起被导入直接通向容器1的供应管路20。这对应于没有在供应管路17和19中的两个阀VR1和VR2的所示变化形式。 [0085] 如果不是这样，两个或多个储存单元7、9分别经由其配备有各自阀VR1、VR2的供应管路17、19——例如经由主供应管路20——连接到容器1，则此处补充示出的阀VR可被省略。 [0086] 可选择地，容器1可具有用于来自不同储存单元的供应管路中的每一个的单独填充开口，且这些供应管路中的每一个具有其自己的阀。该实施方式的形式在图2中示出，作为本发明的装置的可选择的实施方式。在图2中，在每种情形中，有经由与其连接的供应管路17a、17b、17c、17d中的一个连接到容器1的四个填充开口3a、3b、3c、3d中的一个的四个储存单元7a、7b、7c、7d。四个供应管路17a、17b、17c、17d中的每一个在容器侧配备有阀VRa、VRb、VRc、VRd，优选地每个阀为被动止回阀。 [0087] 在图1所示的变化形式的情形中，液体从一个储存单元或者按时间顺序逐个地从多个储存单元7、9流入容器1可在任何时间通过经由压力源11对在相应储存单元7、9中的液体加载压力p来实现，压力p远远超过容器1内部占主导的压力，以克服相应止回阀VR1、VR2或VR的开启压力以及相应供应管路17、19和20的流动阻力。只要特定止回阀VR1、VR2或VR两端下降的压力大于其开启压力，液体就从相应储存单元7或9流入容器1。流动随由压力源11提供的压力p的增加而增加。经由压力源11和阀V1、V2的相应操作，液体供应能够完全自动地发生。在这种情形中，根据本发明的测量方法和装置的应用，在预定的时间从选定储存单元、从多个选定储存单元或从所有储存单元7、9向容器1供给液体A、B，或者完全中断液体供应。 [0088] 为了中断来自一个或多个储存单元7、9的液体供应，向受影响的一个或多个储存单元7、9中的液体A、B提供基准压力pR，尤其是大气压，优选地经由在相关压力供应管路13、15中相应3/2阀V1、V2的相应操作。这样，实现了相应止回阀VR1、VR2或VR3两端的压降立即下降到开启压力以下，且没有更多的液体A、B能够通过各供应管路17、19或20移动。作为选择，在主动阀而非被动止回阀VR1、VR2的应用的情形中，也能够由这些阀的主动打开和关闭来控制液体供应。在这种情形中，要求与容器1的体积相比在储存单元7、9中必须存在足够的正压，使得在打开的主动阀的情形中产生液体的足够体积流量。 [0089] 来自图2所示变化形式的单个储存单元7a、7b、7c、7d的液体供应以相同的方式利用压力供应管路13a、13b、13c、13d来实现，每个压力供应管路13a、13b、13c、13d配备有3/2阀Va、Vb、Vc、Vd且连接到压力源11。 [0090] 与图1所示的变化形式相比，在图2中，在所有储存单元7、9为早先填充有液体的供应容器的情形中，举例来说，一个储存单元，储存单元7a实施为样品储器，其可在本发明的装置内在之前的填充流程中填满液体S，例如，待分析的样品。为此，储存单元7a具有通入其内部并配备有阀VS1，优选为止回阀的样品供应管路LS，且内部经由分支管路LV连接到真空泵PV。分支管路LV在储存单元7a和阀Va之间连接到压力供应管路13a内并配备有阀VV。通过对内部施加真空，液体S能够经由样品供应管路LS吸入储存单元7a内。在此期间，内部中的填充水平被监测，优选地通过此处由两个电极E1、E2示出的相应传感器来监测。为了在填充流程期间阻塞液体经由通向容器1的供应管路17a移动，另外的阀VS2，优选地同样为止回阀，设置在与供应管路17a连接的储存单元7a的输出中。 [0091] 图3示出图1实施例的替换实施方式。图3的实施方式与图1中所示的装置不同之处除了别的还在于，容器1具有活塞51，活塞51在容器1内可移动且将容器1分成液体空间52和气体空间53，其中填充开口3通入液体空间52中，气体空间53经由气动连接件43与气动压力源11连通。活塞51液密地和气密地接触例如容器1的圆柱形内壁。例如，在该实施方式中，容器1可以用合成材料比如塑料的常规注射器——优选为一次性注射器的形式实施，具有特别是圆柱形的注射器本体和在其中可移动且液密和气密地接触注射器本体的内壁的活塞51，以及与活塞相对的注射器喷嘴，例如圆锥形注射器喷嘴，用作填充开口3。封闭在活塞51和注射器喷嘴之间的液体空间52用于容纳经由填充开口3导入容器1内的液体。形成在活塞的背离液体空间52的一侧的气体空间53经由气动连接件43与压力传感器或计量器23连接，并且在阀V3打开的情形中与气动压力源11连接。 [0092] 而且，在根据图3的实施方式中，储存单元7和9具有用于接收液体的腔室，在该腔室中布置了可移动的活塞54、55，实现与腔室的内部液密接触。在每种情形中，活塞54、55将储存单元7、9分成填充有液体A、B的液体空间56、57和经由压力源11和阀V1、V2可加载压力的气体填充的气体空间58、59。与在容器1的情形中的一样，在该实施方式中，在每种情形中，液体容器7和9可为玻璃或合成材料的常规注射器的形式，具有特别是圆柱形的注射器本体和在其中可移动且液密和气密地接触注射器本体的内壁的活塞，以及与活塞相对的注射器喷嘴，例如圆锥形注射器喷嘴，其中在每种情形中，注射器喷嘴与相应供应管路17或19连接。通过借助于气动压力源11对气体空间58、59进行压力加载，活塞可向前移动到施加的压力被选定为大到足以克服在相应容器内壁上活塞54或55的摩擦力以及在给定情形中活塞51的摩擦力、供应管路17、19、20的管路阻力以及阀VR1、VR2和VR3的开启压力的程度，并且因此将液体A、B输送到供应管路17、19并且以这种方式朝向容器1输送。 [0093] 容器1的该实施方式且在给定情形中具有可移动的活塞的储存单元7和9的优点包括防止污染物，例如微生物从液相移动到气相，或者反之亦然。与此一道，还防止了为了加载压力而施加的气体溶解在液体中。同样，以这种方式，有效地防止了液体从储存单元和/或容器泄漏或蒸发。另外，一次性注射器的应用非常容易实施。而且，安装的活塞不必限定在作为储存单元和/或容器的注射器的应用的情形。 [0094] 除取样的特定特征之外，以下的解释适用图1中示出的实施方式的示例和根据图3的其变化形式，以及相应地还适用图2给出的实施方式的示例。 [0095] 容器1在其内部具有预定的起始体积V0，该起始体积V0在装置的每个操作周期的开始时没有容纳液体。在给定情形中，仍附着在内壁上的液滴或残余湿气由于对本发明方法的影响极其小，因而被认为可忽略不计。用于在液体流入之前在起始压力p0下在该预定起始体积V0中封闭气体——尤其是空气——的装置连接到容器1。在根据图3的实施方式中，起始体积V0是在容器1的起始状态中气体空间53的体积，其中活塞51优选地位于在容器1的填充开口3附近的起始位置。 [0096] 优选地，在任何情形中，本发明的可控制的气动压力源11经由配备有阀V3——优选为3/2阀——的另外的压力供应管路21连接到容器1。起始压力p0可以是压力源11提供的压力p，容器1经由压力供应管路21加载压力p。然而，优选地，起始压力p0是上述提到的基准压力pR，即优选为大气压，容器1通过3/2阀V3的相应操作而加载基准压力pR。以这种方式位于容器1中起始体积V0中的气体随后通过安全关闭阀V3而气密和压力紧密地密封容器1来封闭。之后，在此刻封闭的系统的内部起始压力p0占主导地位。 [0098] 为了能够以可重复的方式——优选较早地——指定起始体积V0，实现装置的定义的起始状态，在该情形中，供应管路17、19、20分别地填充液体A、B，直到在其中设置的相应阀VR1、VR2或VR。可重复可预先确定的起始体积V0于是包括非填充液体的、在相应阀VR1、VR2或VR和容器开口3之间的供应管路17、19、20的其余管路体积、容器1的内部体积以及从容器1直到阀V3的压力供应管路21的内部的体积。在图3所示实施方式的示例中，活塞51被带到在填充开口3附近的起始位置。为了设定该起始位置，用于活塞51的停止件可形成在容器内壁上。 [0099] 压力传感器23连接到容器1，利用该压力传感器23来测量容器1内部的气体压力pG。压力传感器23没有直接布置在容器1内部，用来把气体压力pG供给到压力传感器23的连接管路22的内部体积构成起始体积V0的部分。 [0100] 在第一方法步骤中，如上面已经解释的，在起始压力p0下把气体封闭在起始体积V0中。优选地，储存单元7、9中的液体同样经由安装在其压力供应管路13、15中的3/2阀V1、V2来提供在起始压力p0下的气体，与具有起始压力p0的起始体积V0的压力加载并行。这样，产生了定义的起始状态，在该情形中，在止回阀VR1、VR2，相应地VR两端不存在压降。止回阀VR1、VR2，相应地VR在该方法步骤中阻止液体进入容器1内。 [0101] 在下一方法步骤中，通过阀V3的完全关闭来气密地密封在起始压力p0下填充有气体的容器1，并且利用压力传感器23测量容器1中的起始压力p0。 [0102] 然后，实现从一个或多个储存单元7、9至容器1的液体流动。为此，通过阀V1、V2的相应操作经由压力供应管路13、15把压力源11提供的压力p排他地供给到期望的储存单元7、9以输出液体。为了使液体流入容器1，将压力源11的压力p增加到远远超过容器1内部占主导的压力的压力p，以克服相应止回阀VR1、VR2或VR的开启压力以及相应供应管路17、19和供应管路20的流动阻力。在根据图3的实施方式的示例中，还需补充，必须克服布置在储存单元7、9中的活塞54、55和布置在容器1中的活塞1的摩擦阻力。在这种情形中，压力p越高，液体流量越大。 [0103] 在根据图3的实施方式的情形中流入容器1内的液体使活塞51朝向气动连接件43移位，依赖于已经流入的液体的总体积V(t)将容器1中的气体——尤其是封闭在气体空间53中的气体——压缩到气体体积VG。因而，气体体积VG近似等于起始体积V0和直到相应时间点t已经流入的总液体的体积V(t)之间的差异。该差异的微小的——通常非常低的——偏差根据相应液体的压缩性和气体在相应液体中的溶解性而加入。流入的液体由此实现容器 1中气体的气体压力pG(t)相对于起始压力p0的依赖于已经流入的液体的体积V(t)和流入液体的体积流量dV(t)/dt的升高。 [0104] 根据本发明，测量作为时间t的函数的容器1中气体的气体压力pG(t)，并且基于测量的气体压力pG(t)来确定到给定时间t流入容器的总体积V(t)和/或在给定时间t流入容器1的液体的体积流量dV(t)/dt。 [0105] 假定封闭气体具有像理想气体一样的行为，则波义耳-马里奥特定律适用，根据这点，封闭气体的气体压力pG和气体体积VG的乘积在保持相同的温度情形中是恒定的，且于是此处等于起始压力p0和起始体积V0的乘积。因此，近似地： [0106] pGVG＝pG(V0-V)＝p0V0 [0107] 基于该关系式，到给定时间t已经流入的液体的体积V(t)为： [0108] [0109] 而且在给定时间t流入的液体的体积流量dV(t)/dt等于： [0110] [0111] 两个变量可直接基于所测量的作为时间t的函数的气体压力pG(t)来计算。 [0112] 为此，该装置包括连接到压力传感器23的电子单元25，该电子单元25基于在关闭填充有起始压力p0和起始体积V0的气体的容器1之后在每个操作周期期间利用压力传感器23测量的作为时间t的函数的气体压力pG(t)来确定流入体积V(t)和/或流入液体的体积流量dV(t)/dt。 [0113] 因为在给定情形中准确地确定容器1的起始体积V0是非常困难或复杂的并且例如由于其中含有湿气而使得气体行为略微不同于理想气体的行为，所以优选地首先进行校准。 [0114] 为此，定义相对气体压力pR，它等于起始压力p0和测量的气体压力pG的商。因此，[0115] [0116] 在早期校准中，基于上述定义的具有在起始压力p0下在起始体积V0中封闭的气体的起始状态，确定装置的特征变量mV，其给出作为已流入的液体的体积V的函数的相对气体压力pR的斜率。 [0117] [0118] 可确定按流入体积V的变化的相对气体压力pR的变化，例如通过利用多个已知的基准体积相继地填充容器1，并基于所得到的测量气体压力pG，标绘出每种情形相关联的作为位于容器1中的液体体积的函数的相对气体压力pR。作为替换，可利用恒定的已知基准体积流量的液体填充容器1，由该基准体积流量通过对时间积分而导出流入的体积V，并标绘出测量的相关联的作为流入体积V的函数的相对气体压力pR，因此可以确定特征变量mV。在两种情形中，确定标绘的表示作为流入体积V的函数的相对气体压力pR的特征线的斜率。该斜率等于要确定的特征变量mV。 [0119] 特征变量mV是恒定的，其基本上对应于起始体积V0的负倒数值，并且同时，考虑从理想气体行为的气体行为的偏差。 [0120] 当这种校准方法不能够或不应被执行时，则在已知或通过测量确定了起始体积V0的情况下，可对于随后进一步描述的方法使用合适的值m'V，代替特征值mV，其中： [0121] [0122] 在校准之后，把液体从容器1排出并且重新产生定义的起始状态。 [0123] 装置的随后操作优选地按逐个的操作周期来发生，其中，首先气体在起始压力p0下被封闭在起始体积V0中，随后用液体填充容器1，并且最后，在相应操作周期中流入容器1内的总液体被排出容器1。 [0124] 在填充流程期间，直到时间点t流入的总体积V(t)作为由相对气体压力pR(t)减去1和特征变量mV的商来确定。即： [0125] [0126] 在填充流程期间，基于测量的作为时间的函数的气体压力pG(t)，确定相对气体压力pR的时间变化率dpR/dt，并且把要对流入液体测量的体积流量dV(t)/dt设定为等于相对气体压力pR的时间变化率dpR/dt和特征变量mV的商： [0127] [0128] 替换地，通过按上面最后提到的方式，在这样的时段内对测量的体积流量dV(t)/dt积分或求和来确定直到时间点t流入容器1内的总体积V(t)。 [0129] 优选地，包围体积V0的所有部件具有近似相同的温度，该温度优选至少近似等于封闭在体积V0中的气体的温度。体积V0内的局部温度变化，例如通过阀V3的变暖引起的局部温度变化，应尽可能被防止，因为由此可产生压力变化，这导致不精确依赖温度的测量结果。由封闭在体积V0中的气体的主要均匀的温度变化引起的压力变化可利用结合在体积V0中的温度传感器的辅助来补偿，例如，基于气体压力pG和对于理想气体的状态方程得到的气体体积VG的乘积的线性温度依赖。 [0130] 现在继续容器1的填充和流入体积V和/或流动液体的体积流量dV/dt的测量，直到相应在容器1中气体空间53（图3）中的气体压力pG达到预定的最大压力pGmax。该最大压力通过不同的物理变量来预先确定，比如，例如，容器1的液体接收容量、供应管路17、19或20和容器1的压力阻力以及压力源11或压力传感器23的最大压力。然而，优选地，最大压力pGmax相对于大气压来说固定在小于2巴的压力，例如在1巴的压力。这样，在根据图1和2实施方式的示例的情形中，防止了气体以可提及的方式溶解在液体中，否则，这种情况可能导致测量结果精度的下降。就装置应用需要而言，自然地也可在对应于最大压力pGmax的容器1中液体的最大体积Vmax达到之前结束填充。 [0131] 在填充流程之后，容器1中的液体被排出容器1。 [0132] 为此，容器1经由配备有排泄阀VA的排泄管路27连接到接收器皿29，容器1中的液体可被泄出到接收器皿29。而且，这里，优选地选择模块化构造。 [0133] 接收器皿29优选地设置有气体逃逸开口31，接收器皿29内部经由气体逃逸开口31而加载有环境压力。 [0134] 排泄阀VA优选地同样为被动止回阀，其具有大于最大气体压力pGmax和环境压力之间的差的开启压力。因此确保了在填充流程期间排泄阀VA阻塞排泄管路27。 [0135] 为了从容器1排出液体，如前面已经描述的，对容器1的液体供应被中断。然后，阀V3被打开且容纳在容器1或活塞51（对比图3）中的液体经由具有压力p的压力源11来供应，该压力p足以引起液体流过止回阀VA并进入排泄管路27，即压力p必须被选择为大到足以克服止回阀VA的开启压力和排泄管路27的管路阻力，以及在给定情形中，活塞51的摩擦阻力。该压力加载引起止回阀VA打开并且引起液体流出而进入接收器皿29。 [0136] 在排空容器1之后，装置被复位到起始状态并且接下来的操作周期可以按上述方式立即地执行。 [0137] 优选地，装置包括连接到压力传感器23的控制单元33，在基于测量气体压力pG的校准方法之后，控制单元33通过压力源11、阀V1、V2和阀V3的相应操作而实现本发明装置的完全自动的操作。例如，控制单元33为电子单元25的集成部件。 [0138] 本发明的装置可按各种方式使用，相应地按各种方式操作。 [0139] 第一应用是作为计量液体的自动微量调节注射器的装置来操作，例如，其在预定的时间输出各液体的一定的期望体积。 [0140] 为此，控制单元33根据测量的已流入容器1的体积V(t)控制通过实现液体流动的装置引起的液体从至少一个选定储存单元7、9的供应，并且当测量的体积V(t)达到一定的期望体积时关闭阀V1、V2来结束液体供应。在这种情形中，阀V1、V2的控制确定从哪些储存单元7、9给容器1填充液体以在相应操作周期中达到相应的期望体积。 [0141] 因此，例如，首先，可测量从储存单元7进入容器1内的液体A的期望体积VSA，随后液体A经由排泄管路27输出。之后，可测量来自储存单元9的液体B的期望体积VSB，该液体B随后经由排泄管路27输出。同样，通过利用来自两个储存单元7、9的液体A和B并行填充容器1，可测量并随后输出含有两种液体A和B的期望体积VSAB。 [0142] 此外，装置能够测量和输出期望体积的液体，其含有设置在相应地许多储存单元7、9中的两种或更多种不同液体A、B，使得输出体积的液体包含以预定混合比率的液体A和B。为此，容器1在单个操作周期内并经由用于实现液体流动的装置的相应控制相继地利用来自各储存单元A、B的各液体A、B的特定期望体积VSA、VSB来填充，其中基于已经流入容器1的测量的总体积V(t)和利用装置测量的并且在开始利用来自相应储存单元7、9的相应的液体A、B填充时已经在容器1中的体积V来监测相应的期望体积VSA、VSB的达到。 [0143] 在利用不同期望体积VSA、VSB的各液体A、B相继填充容器1时，优选地，流程开始于液体A、B的填充，对于此需要最大期望的体积VSA、VSB，并且随后相继地继续填充液体A、B，对于此需要下一较小期望体积VSA、VSB。如由压力传感器23的测量精度决定的，这提供特定期望体积VSA、VSB的较小相对测量误差的优点。 [0144] 通过借助于添加以相同方式连接并填满额外的液体的其它储存单元对图1所示的装置的另外开发，按预定混合比率可混合且可投配的不同液体的数量可增加到三种或更多种。可选择地，而且在此，可选择模块化结构，其优选地使得单个储存单元可以同样自动化的更换。 [0145] 而且，容器1可用作混合容器，在它填充有各期望的体积VSA、VSB等之后，在此次描述的储存单元7、9的意义上，在更复杂的装置中随后可用作储存单元。 [0146] 本发明装置的另一应用是用于产生可调节大小的受控体积流量。 [0147] 在这种情形中，基于测量的流入体积流量dV/dt通过相应地把供应到容器1内的液体控制到一定的期望值来控制流入容器1内的液体的体积流量dV/dt。为此，提供了控制系统35，其优选地同样结合在电子单元25中并连接到控制单元33。控制系统35相应地通过控制压力源11和阀V1、V2来控制液体供应。 [0148] 在该应用的情形中，容器1经由单一供给管路SP来填充，流入容器1内的全部的液体流过该供给管路SP。流过该供给管路SP的体积流量因而等于流入容器1内的液体的体积流量dV/dt，并相应地同样被控制到期望的体积流量。 [0149] 供给管路SP此处包括在输出侧连接到用于产生液体流动的装置的供应管路20。流入容器1的总液体还流过供应管路20。 [0150] 在图1所示的装置中，液体供应的相应控制允许选择性地操作供应管路17、19中的一个，作为供给管路SP的部分SP17、SP19。为此，通过在通向储存单元7、9的压力供应管路13、15中的阀V1、V2的相应操作来利用来自储存单元7、9中的一个的液体排他地填充容器1，使得在该时间期间流入容器1中的总液体流过特定的供应管路17或19。 [0151] 同样，自然地可使用类似于所示装置实施的装置，在该情形中，一些选择的储存单元将输出侧通入供给管路，经由此，然后，在该操作模式中，发生全部液体供应到容器1。而且，在该变化形式的情形中，通过关闭在相关压力供应管路中相关的阀来阻塞来自没有连接到供给管路的所有其余储存单元的液体供应。 [0152] 在测量和/或监测流过供给管路SP的液体的化学和/或物理性能的情形以及在分析这种液体的情形中，通过供给管路SP的特定的期望体积流量的自动产生尤其是有很大优势。 [0153] 这样，借助于在相关填充流程期间的装置，流过插入供给管路SP的测量和/或分析系统37的体积流量可被控制到对于测量和/或分析来说最佳的特定期望体积流量。 [0154] 代替或补充在此通过供给管路20形成的安装在供给管路SP中的测量和/或分析单元37，测量和/或分析系统37a、37b可应用到经由储存单元7向容器1馈送的供应管路17中和/或可应用到经由储存单元9向容器1馈送的供应管路19中。 [0155] 当容器1排他地填充有来自储存单元7的液体A时，流入容器1内的液体的总体积流量dV/dt流过供应管路17，其由此变为供给管路SP的部分SP17。相应地，在该情形中，通过测量和/或分析系统37a的体积流量可基于测量的体积流量dV/dt而被控制到一定的期望体积流量。 [0156] 当容器1排他地填充有来自储存单元9的液体B时，流入容器1内的液体的总体积流量dV/dt流过供应管路19，其由此变为供给管路SP的部分SP19。相应地，在该情形中，通过测量和/或分析系统37b的体积流量可基于测量的体积流量dV/dt而被控制到一定的期望体积流量。 [0157] 如果容器1如上所述用作混合容器，该混合容器在其填充有各期望体积VSA、VSB等之后，在此处描述的储存单元7、9的意义上，在更复杂的装置中被用作储存单元，进而，在上述的意义上，排泄管路27可作为供给线路来操作，并且通过应用在排泄管路27中的测量和/或分析系统（未显示）来控制体积流量。而且，自然地基本上总是选择在排泄管路27中使用这种测量和/或分析系统，其在没有控制流过排泄管路27的体积流量的情况下也是功能性上可行的。 [0158] 根据本发明的装置据此应用非常广泛。 [0159] 最简单的应用是流入容器1的流入体积V(t)和/或体积流量dV(t)/dt的纯测量。 [0160] 而且，如上所述，一定的期望体积VSA、VSB可被单独地测量和输出或者以预定的混合比率计量。这在均质的液相中进行化学和生物化学分析是尤其需要的。 [0161] 而且，这种装置使得能够设定通过供给管路SP或SP17或SP19的期望体积流量。这种性能在表面键合的化学和生物化学分析中尤其需要，例如，用于操作自动化免疫分析。 [0162] 在这种情形中，一种选择是在操作周期中直接使用相同的装置，或者在逐个进行的操作周期中使用相同的装置，两者都用于通过测量和/或分析系统37、37a、37b中的一个来产生期望的体积流量以及还用于以在储存单元7、9中各液体A、B的预定混合比率混合的各液体或多种液体的一定的期望体积的高度精确的计量。 [0163] 因而，例如，容器1可首先填充有液体的A一定的期望体积VSA同时通过应用在供应管路17中的测量和/或分析系统37a维持一定的期望体积流量，并且随后填充有液体B的一定的期望体积VSB同时通过应用在供应管路19中的测量和/或分析系统37b维持一定的期望体积流量，并且最终输出以由两种期望的体积VSA和VSA预定的混合比率的液体A和B构成的容器1中的液体。 [0164] 本发明的装置提供以下优点，即该装置允许以逐个的和/或彼此相互组合的几乎任何方式进行投配和体积流量控制。利用本发明的装置，因而能够完全自动地执行极其复杂的流程和方法。 [0165] 在这种情形中，模块化结构提供以下优点，即经由储存单元7、9和/或接收器皿25的优选自动化更换，提供了高灵活性的措施并且实际上如所期望的一样很多不同的液体A、B可被处理。 [0166] 理想地，在这种情形中，所有液体容纳和所有液体输送部件，包括储存单元7、9、容器1、接收器皿29和供应管路17、19、20，实现为模块，它们联合以形成组件。 [0167] 同样，所有其余机械的、气动的和电子部件，因而压力源11、电子单元25、压力传感器23和压力供应管路13、15、21、22和其中包含的阀V1、V2、V3优选地组合成一个单元。该单元可随后结合不同的组件应用，其中单元与特定组件的连接以简单的方式通过有利地配备有液体不可渗透的、气体不可渗透的膜或过滤器的气动连接件39、41、43来进行。气动接口也在本申请受让人的在2010年3月25日提交的申请No.102010003304.9的德国专利申请中进行描述。 [0168] 1容器 [0169] 3填充开口 [0170] 5液体供应系统 [0171] 7储存单元 [0172] 9储存单元 [0173] 11可控制的气动压力源 [0174] 13压力供应管路 [0175] 15压力供应管路 [0176] 17供应管路 [0177] 19供应管路 [0178] 21压力供应管路 [0179] 23压力传感器 [0180] 25电子单元 [0181] 27排泄管路 [0182] 29接收器皿 [0183] 31空气逃逸开口 [0184] 33控制单元 [0185] 35控制系统 [0186] 37测量和/或分析系统 [0187] 39气动连接件 [0188] 41气动连接件 [0189] 43气动连接件 [0190] 51活塞 [0191] 52液体空间 [0192] 53气体空间 [0193] 54活塞 [0194] 55活塞 [0195] 56液体空间 [0196] 57液体空间 [0197] 58气体空间 [0198] 59气体空间 |
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