CN203455354U - 用于自动进样器取液操作的自动液面追随装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型为一种用于自动进样器取液操作的自动液面追随装置，包括：自动进样器底盘；第一和第二液体容器，放置于自动进样器底盘上；自动进样器X/Y臂和自动进样器Z臂架设于自动进样器底盘上；液体管路，固定于自动进样器Z臂上；吸液针，设于液体管路的其中一端；吸液泵，设于液体管路上；非接触式气泡传感器，也设于液体管路上，且非接触式气泡传感器设于吸液针与吸液泵之间；以及丝杠电机，设于自动进样器Z臂上并用于控制吸液针上升或下降；吸液针的下降速度为u₁，u₁=U₁/(πR²)，U₁为吸液泵9流速，R为第一液体容器的内部半径。本实用新型结构紧凑、适用各种类型液体、可配合传感器自动找寻液面，并自动追随液面下降。

Description

用于自动进样器取液操作的自动液面追随装置

技术领域

本实用新型装置涉及一种生化领域的实验、自动化分析仪器和液体自动处理设备，特别涉及一种用于自动进样器取液操作的自动液面追随装置。

背景技术

自动进样器的主要结构包括：自动进样器底盘、X/Y臂和Z臂。其中，Z臂安装有吸液针，吸液针可以在X、Y、Z三个方向移动。吸液泵提供液体流动的动力，常见的吸液泵主要包括：针筒式注射泵、陶瓷泵、蠕动泵或齿轮泵。通过吸液泵、吸液针和自动进样器的相互配合，可以实现对液体的操作，例如：吸液、加液、移液、稀释等液体操作。由于不同的液体共用一根吸液针，因此需要对吸液针进行清洗，而且为了防止液体的交叉污染，减少液体在吸液针上的吸附，要求吸液针针尖***液面以下的深度尽可能的小，必须能达到追随液面的效果。

吸液针取液的传统做法有三种方式：第一种是将吸液针先移动到液体容器底部，然后启动吸液泵进行取液操作，取液完毕后，将吸液针抬离液体容器。第二种是纯计算方式，通过客户设定的取液流速、取液体积以及液体容器参数，计算出液面位置以及吸液针下降的速度，达到吸液针自动追随液面的效果。第三种是吸液针采用双壳层的电容针技术，根据吸液针针尖的电容变化值来确定吸液针下降的速度，达到吸液针自动追随液面的效果。

以上的三种吸液针取液方式各有优缺点：第一种，优点是不用考虑液体容器的类型，也是成本最低的方案。缺点是吸液针***液体的深度过多，在抬离吸液针时，会有多余的液体残留吸附在吸液针表面，造成损失或污染。第二种，优点是通过计算可以实现追随液面的效果，成本较低。缺点是每次都需要知道液体的精确体积，否则无法准确找到液面，无法实现自动追随液面，所以这种方式过程上比较繁琐，会给操作者增加工作量。第三种，优点是对大多数液体可以实现自动液面追随。缺点是双壳层电容针对于生化领域使用较多的一些电导性差的有机溶剂不敏感，容易造成误判而无法使用，而且双壳层电容针结构复杂，成本高，对于电路的设计要求相对较高。

有鉴于此，为解决上述技术问题，本发明人基于相关领域的研发，并经过不断测试及改良，进而有本实用新型的产生。

实用新型内容

本实用新型为了解决上述问题，达到良好的使用效果和经济效益，用较常见的机构组合在一起，提供了一种结构紧凑、适用各种类型液体、可配合传感器自动找寻液面，并自动追随液面下降的装置。

为达上述目的，本实用新型提供一种用于自动进样器取液操作的自动液面追随装置，其包括：

自动进样器底盘；

第一液体容器和第二液体容器，放置于所述的自动进样器底盘上；

自动进样器X/Y臂，架设于所述的自动进样器底盘上；

自动进样器Z臂，设于自动进样器X/Y臂上；

液体管路，固定于自动进样器Z臂上，且液体管路的两端分别向下延伸；

吸液针，设于液体管路的其中一端；

吸液泵，设于液体管路上；

非接触式气泡传感器，也设于液体管路上，且非接触式气泡传感器设于吸液针与吸液泵之间；以及

丝杠电机，设于自动进样器Z臂上并用于控制吸液针上升或下降；

其中，所述吸液针的下降速度为u₁，u₁=U₁/(πR²)，

U₁为吸液泵9流速，R为第一液体容器的内部半径。

所述的用于自动进样器取液操作的自动液面追随装置，其中，还包括清洗槽，清洗槽设于所述的自动进样器底盘上。

所述的用于自动进样器取液操作的自动液面追随装置，其中，所述的液体管路采用的是Teflon（特氟龙，涵盖一系列氟聚合物）管。

所述的用于自动进样器取液操作的自动液面追随装置，其中，所述的第一液体容器和第二液体容器采用防腐蚀性的材质。

所述的用于自动进样器取液操作的自动液面追随装置，其中，所述的第一液体容器和第二液体容器采用硼硅玻璃材质或Teflon材质。

所述的用于自动进样器取液操作的自动液面追随装置，其中，所述的吸液针采用耐酸碱、耐有机溶剂的材质。

所述的用于自动进样器取液操作的自动液面追随装置，其中，所述的吸液针采用不锈钢材质。

所述的用于自动进样器取液操作的自动液面追随装置，其中，所述的丝杠电机采用直线步进电机，电机的初始位置由光耦或霍尔定位。

所述的用于自动进样器取液操作的自动液面追随装置，其中，所述的吸液泵采用针筒式注射泵或陶瓷计量泵。

本实用新型与现有的技术相比有以下优点：

1、本实用新型装置，通过非接触式气泡传感器，可以准确可靠的找到液体的液面位置。

2、本实用新型装置的非接触式气泡传感器灵敏度极高，不受液体种类的限制，特别是对浸入式电容针不适用的低电导性溶剂有很好的效果，这一点可以大大提高取液操作的适用性。

3、本实用新型装置，可以可靠的实现自动液面追随，最大限度的减少吸液针对液体的吸附，最大限度的减少交叉污染。

4、本实用新型装置的吸液针结构简单、成本低、便于维护更换，无需使用复杂和昂贵的双壳层电容针。

5、相比于浸入式电容针技术，本实用新型装置的电路和机械方面技术难度小，成熟度高，更容易实现与普及。

附图说明

图1为本实用新型的自动液面追随装置的立体图；

图2为本实用新型的自动液面追随装置的侧视图；

图3为本实用新型的自动液面追随装置的工作示意图；

图4为本实用新型的自动液面追随装置的电路***框图；

附图标记说明：1-自动进样器底盘；2-第一液体容器；3-吸液针；4-自动进样器X/Y臂；5-自动进样器Z臂；6-丝杠电机；7-液体管路；8-非接触式气泡传感器；9-吸液泵；10-第二液体容器；11-清洗槽。

具体实施方式

以下结合附图说明进一步介绍本实用新型。

图1和图2所示，是本实用新型的自动液面追随装置的立体图和侧视图；图3为自动液面追随装置的工作流程图；图4所示的就是自动液面追随装置的电路***框图。

如图1、图2、图3所示，本实用新型装置的结构组成包括：自动进样器底盘1、第一液体容器2、吸液针3、自动进样器X/Y臂4、自动进样器Z臂5、丝杠电机6、液体管路7、非接触式气泡传感器8、吸液泵9、第二液体容器10以及清洗槽11。

所述的第一液体容器2和第二液体容器10放置于所述的自动进样器底盘1上，并且位置坐标固定。此外，所述的自动进样器X/Y臂4架设于自动进样器底盘1上，自动进样器Z臂5设于自动进样器X/Y臂4上，所述的液体管路7固定于自动进样器Z臂5上，且液体管路7的两端分别向下延伸，其中，液体管路7的其中一端设有吸液针3，且液体管路7上还设有非接触式气泡传感器8以及吸液泵9，非接触式气泡传感器8设于吸液针3与吸液泵9之间。所述自动进样器Z臂5上还设有丝杠电机6，用于控制吸液针3上升或下降。此外，所述自动进样器底盘1上设有清洗槽11。

其中，所述的液体管路7采用的是Teflon管，Teflon管对腐蚀性的酸碱以及有机溶剂有很强的耐受性。

所述的第一、二液体容器2、10采用防腐蚀性的材质，在本实施例中，采用的是硼硅玻璃材质或Teflon材质容器，液体使用腐蚀性的无机或有机试剂。

所述的吸液针3为耐酸碱、耐有机溶剂的材质，在本实施例中采用的是不锈钢材质。用作驱动吸液针3上下移动的丝杠电机6是高精度的直线步进电机。电机的初始位置由光耦或霍尔定位。

所述的非接触式气泡传感器8可简便、快捷的安装在液体管路7上，通过光电开关信号来判断液体是否流过管路，并以此信号确定液体液面位置。

所述的吸液泵9采用针筒式注射泵或陶瓷计量泵，吸液泵要求对腐蚀性的酸碱以及有机溶剂有很强的耐受性。

其中，吸液针3下降速度依照以下公式进行计算：

当吸液针3接触到第一液体容器2中液体的液面时，液体在吸液泵9的驱动下，进入吸液针3和液体管路7，当液体流经非接触式气泡传感器8时，非接触式气泡传感器8会响应，从开始吸液到非接触式气泡传感器响应8，共耗时T₀：

T₀=V₀/U₀   （1）

上述公式（1）中V₀是吸液针3的针尖到非接触式气泡传感器8的管路体积，单位mL；U₀是吸液泵9的流速，单位mL/min；

液体到达非接触式气泡传感器8时，第一液体容器2中液面下降的高度为h₀：

h₀=V₀/(πR²)   （2）

上述公式（2）中V₀是吸液针3的针尖到非接触式气泡传感器8的管路体积，单位mL；R是第一液体容器2的内部半径，单位cm；在非接触式气泡传感器8检测到液体时，要使得吸液针3针尖位于液面以下3mm，则时间T₀内吸液针3移动的距离必须为H₀：

H₀=h₀+0.3   （3）

则吸液针3下降的速度为u₀：

u₀=H₀/T₀   （4）

由公式（1）（2）（3）（4），即可推导出：

u₀=U₀[(V₀/πR²)+0.3]/V₀   （5）

公式（5）中，U₀、V₀为***默认值，吸液针下降速度u₀仅与第一液体容器2的内部半径相关。

举例说明：例如，第一液体容器2为半径R=0.5cm的试管，吸液泵9流速默认为U₀=4mL/min，吸液针3针尖到非接触式气泡传感器8的管路体积默认为V₀=0.2ml，则通过公式（5）可计算出，u₀=11.1cm/min，即吸液针以11.1cm/min的速度匀速下降，当非接触式气泡传感器8探测到液体时，第一液体容器2中吸液针3针尖正好位于液面以下3mm，与实际测试相吻合；

其中，找到液面位置，并使吸液针3针尖位于液面以下3mm后，吸液泵9开始计量取液。在吸液泵计量体积的过程中，***会通过操作者设定的吸液泵9流速U₁（mL/min）、取液体积V₁（mL）以及第一液体容器2的类型，自动计算吸液针3的下降速度u₁(cm/min)，使得吸液针3与第一液体容器2中的液体液面同步下降，从而达到液面追随的效果。具体计算方式如下：

吸液泵9以U₁的流速排出V₁体积的液体，共耗时T₁：

T₁=V₁/U₁   （6）

第一液体容器2中液体排出V₁体积后，第一液体容器2中液面下降的高度为

H₁：H₁=V₁/(πR²)   （7）

则吸液针3与第一液体容器2中的液体液面同步下降的速度为u₁：

u₁=H₁/T₁   （8）

由公式（6）（7）（8）可推导出：

u₁=U₁/(πR²)   （9）

公式（9）中，U₁为操作者自定义的吸液泵9流速，R为第一液体容器2的内部半径，吸液针3只要按照计算出的速度u₁下降，便可保持与液面下降同步，始终保持吸液针针尖位于液面以下3mm。

举例说明：例如，第一液体容器3为内径10mm的试管，操作者输入的吸液泵9流速为U₁=2mL/min，则吸液针3下降速度为u₁=2.55cm/min，即吸液针3以2.55cm/min的速度匀速下降时，吸液针3与液面保持同步下降，并且吸液针3针尖始终位于液面以下3mm，与实际测试相吻合。

其中，吸液泵计量体积结束后，自动进样器Z臂5上的丝杠电机6将吸液针3抬离第一液体容器2。自动进样器X/Y臂4将吸液针3移动至清洗槽11位置进行清洗。然后准备进行下一次的自动追随液面取液操作。

其中，吸液针3在自动进样器Z臂5上的丝杠电机6驱动下，可向下竖直匀速移动。通过设置参数，可确保吸液针3的移动不会超过第一液体容器2的底部，

其中，吸液泵9提供液体流动的动力，驱动第一液体容器2中的液体依次流经吸液针3、液体管路7、非接触式气泡传感器8、吸液泵9，最后到达所要去的第二液体容器10。

其中，当吸液针3向下移动过程中，非接触式气泡传感器8会实时监测液体管路7。而当吸液针3未接触液体液面时，非接触式气泡传感器8不会响应。

此外，本实用新型的自动液面追随装置还包括：集成电路处理芯片（MCU，请见图4），集成电路处理芯片分别与参数存储器、丝杠电机6、非接触式传感器8以及吸液泵9电连接，由非接触式传感器8以及吸液泵9取得数据，再根据上述公式经过集成电路处理芯片计算得出丝杠电机6驱动吸液针3的下降速度。

接下来结合附图1至图4详细阐述本实用新型的四个工作步骤。

第一步：吸液针3从初始位置移动至第一液体容器2的正上方。第一液体容器2和第二液体容器10放置于自动进样器底盘1上，并且位置坐标固定，集成电路处理芯片根据设定好的位置坐标，转换为自动进样器X/Y臂4驱动电机的运行参数，然后驱动吸液针3在自动进样器底盘1上快速移动至第一液体容器2正上方。此过程结束。

第二步：吸液针3从第一液体容器2的正上方向下匀速运动，找到第一液体容器2中液体液面，并使吸液针3针尖位于液面以下3mm。吸液泵9开始按照***默认的流速U₀运转，同时吸液针3按照公式（5）计算出的速度u₀匀速下降，当吸液针3下降并接触第一液体容器2中液体液面时，液体将会依次流经吸液针3、液体管路7和非接触式气泡传感器8。当液体流经非接触式气泡传感器8时，非接触式气泡传感器8会有光电信号的变化，然后反馈给集成电路处理芯片（如附图4所示MCU），然后，集成电路芯片处理信号后，会停止吸液针3的运动，停止吸液泵9的运行。此时，液体液面已被探测到，并且吸液针3针尖正好位于液面以下3mm。此过程结束。

第三步：吸液针3与第一液体容器2中的液面保持一致的速度下降，使吸液针3针尖始终位于液面以下3mm，达到液面追随的效果。操作者输入的取液体积V₁（管路死体积已经包含在内）、吸液泵9的流速U₁、第一液体容器2类型，会传输到底层集成电路处理芯片，***根据公式(9)可计算出吸液针3的下降速度u₁，然后转换为丝杠电机6的电机运行参数。机械过程如下：吸液泵9开始工作，同时吸液针3按照速度u₁匀速下降，确保吸液针3针尖位于液面以下3mm。第一液体容器2中的液体会被吸液泵9输送至第二液体容器10。当吸液泵9吸取的液体体积达到V₁后，吸液泵9停止工作，丝杠电机6将吸液针3抬离至第一液体容器2正上方初始位置，然后吸液泵9继续工作，将残留在整个流路中的液体全部输送至第二液体容器10。此液面追随过程结束。

第四步，吸液针3移动至自动进样器清洗槽11位置，对吸液针进行清洗，完成整个过程，准备进行下一次的液面追随取液操作。自动进样器X/Y臂4驱动吸液针3移动至清洗槽11位置，自动进样器Z臂5的丝杠电机6将吸液针3向下移动至清洗槽11中，进行洗针操作，洗针结束后，自动进样器Z臂5的丝杠电机6将吸液针3抬离清洗槽11，并使用氮气干燥吸液针3，干燥结束后，自动进样器X/Y臂4驱动吸液针3移动至自动进样器底盘1的初始位置，整个过程结束，准备进行下一次的液面追随取液操作。

本实用新型可满足自动进样器的取液操作不受液体类型的限制。可满足吸液针配合非接触式气泡传感器自动寻找液面位置，并将吸液针针尖移动至液面以下3mm左右。取液过程中，吸液针与液面同步下降（针尖不能脱离液面），实现自动追随液面的效果，最大限度的减少吸液针对液体的吸附，从而提高自动进样器取液操作的准确性和精确性，防止交叉污染。

本实用新型的非接触式气泡传感器，解决了另外一种昂贵的液面追随技术（接触式电容针技术）对个别腐蚀性强、电导性差的溶剂不适用的问题。该装置结构简单、制作成本低、可靠性高。使得自动进样器的取液操作既经济，又可靠，

以上对本实用新型的描述是说明性的，而非限制性的，本专业技术人员理解，在权利要求限定的精神与范围之内可对其进行许多修改、变化或等效，但是它们都将落入本实用新型的保护范围内。

Claims (9)

1.一种用于自动进样器取液操作的自动液面追随装置，其特征在于，包括：

自动进样器底盘；

第一液体容器和第二液体容器，放置于所述的自动进样器底盘上；

自动进样器X/Y臂，架设于所述的自动进样器底盘上；

自动进样器Z臂，设于自动进样器X/Y臂上；

液体管路，固定于自动进样器Z臂上，且液体管路的两端分别向下延伸；

吸液针，设于液体管路的其中一端；

吸液泵，设于液体管路上；

非接触式气泡传感器，也设于液体管路上，且非接触式气泡传感器设于吸液针与吸液泵之间；以及

丝杠电机，设于自动进样器Z臂上并用于控制吸液针上升或下降；

其中，所述吸液针的下降速度为u₁，u₁=U₁/(πR²)，

U₁为吸液泵9流速，R为第一液体容器的内部半径。

2.根据权利要求1所述的用于自动进样器取液操作的自动液面追随装置，其特征在于，还包括清洗槽，清洗槽设于所述的自动进样器底盘上。

3.根据权利要求1所述的用于自动进样器取液操作的自动液面追随装置，其特征在于，所述的液体管路采用的是Teflon管。

4.根据权利要求1所述的用于自动进样器取液操作的自动液面追随装置，其特征在于，所述的第一液体容器和第二液体容器采用防腐蚀性的材质。

5.根据权利要求4所述的用于自动进样器取液操作的自动液面追随装置，其特征在于，所述的第一液体容器和第二液体容器采用硼硅玻璃材质或Teflon材质。

6.根据权利要求1所述的用于自动进样器取液操作的自动液面追随装置，其特征在于，所述的吸液针采用耐酸碱、耐有机溶剂的材质。

7.根据权利要求6所述的用于自动进样器取液操作的自动液面追随装置，其特征在于，所述的吸液针采用不锈钢材质。

8.根据权利要求1所述的用于自动进样器取液操作的自动液面追随装置，其特征在于，所述的丝杠电机采用直线步进电机，电机的初始位置由光耦或霍尔定位。

9.根据权利要求1所述的用于自动进样器取液操作的自动液面追随装置，其特征在于，所述的吸液泵采用针筒式注射泵或陶瓷计量泵。

Images