-
Die
vorliegende Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren zur automatisierten
Dosierung einer Flüssigkeit
in einem Flüssigkeitsbehälter sowie eine
entsprechende Vorrichtung.
-
Ein
Verfahren der eingangs genannten Art wird häufig bei einer invitro-diagnostischen
Untersuchung eingesetzt. Dabei wird eine Flüssigkeit, z. B. eine Reagenzflüssigkeit,
beispielsweise im Rahmen einer biochemischen Untersuchung mittels
einer Pipette einem Flüssigkeitsbehälter entnommen und/oder
diesem zugeführt.
Dabei wird es notwendig, die Füllhöhe des jeweiligen
Flüssigkeitsbehälters zu kennen.
-
Für eine Erfassung
der Füllhöhe der Flüssigkeit
in dem Flüssigkeitsbehälter sind
eine Reihe von entsprechenden Verfahren bekannt, die grundsätzlich in
berührende
und berührungslose
Verfahren unterteilt werden können.
-
Bei
einem berührenden
Verfahren zur Erfassung der Füllhöhe wird
beispielsweise ein Sensor in Kontakt mit der Flüssigkeit gebracht, was unter
Umständen
zu einer unerwünschten
Kontamination der Flüssigkeit
führen
kann.
-
Zur
berührungslosen
Erfassung der Füllhöhe sind
unter anderem optische Lösungen
bekannt.
-
Die
JP 7333039 A gibt
ein Verfahren zur Messung der Füllhöhe an, bei
dem an der Innenseite des Flüssigkeitsbehälters eine
geneigte Markierungslinie angebracht ist. Die Erfassung der Füllhöhe stützt sich
bei diesem Verfahren auf die Ermittlung eines Schnittpunktes zwischen
einem Bild der über dem
Flüssigkeitsspiegel
befindlichen Markierungslinie mit einem reflektierten Schatten der
Markierungslinie auf dem Flüssigkeitsspiegel
bzw. mit einem refraktierten Bild der Markie rungslinie. Durch Lichtreflektionen,
wie sie beispielsweise an einer Glaswand des Flüssigkeitsbehälters auftreten
können,
kann es nachteiligerweise unter Umständen zu einer fehlerbehafteten
Erfassung des Schnittpunkts kommen, woraus eine fehlerbehaftete
Ermittlung der Füllhöhe resultieren
kann.
-
Aus
der
DE 199 24 259
A1 ist ein weiteres berührungsloses
Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung zur Erfassung der Füllhöhe bekannt.
Bei der angegebenen Vorrichtung wird ein paralleler Lichtstrahl
erzeugt, welcher senkrecht auf die Flüssigkeitsoberfläche des
befüllten
Flüssigkeitsbehälters gestrahlt
wird. Anhand einer scharfen optischen Abbildung des an der Flüssigkeitsoberfläche reflektierten
Lichts wird die Füllhöhe aus den
optischen Parametern des Lichtstrahls bestimmt. Um bei unterschiedlichen
Füllhöhen jeweils
eine scharfe optische Abbildung zu erreichen, wird beispielsweise
mittels eines Zoomobjektivs die Brennweite der Kamera jeweils entsprechend
verändert
oder es wird beispielsweise die gesamte optische Anordnung gehoben oder
gesenkt. Insgesamt ist bei diesem Verfahren zur Erfassung der Füllhöhe ein hoher
technischer Aufwand erforderlich.
-
Ausgehend
vom Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde,
ein Verfahren zur Dosierung einer Flüssigkeit in einem Flüssigkeitsbehälter anzugeben,
das möglichst
einfach realisierbar ist. Eine weitere Aufgabe besteht darin, eine
entsprechende Vorrichtung anzugeben.
-
Die
auf ein Verfahren gerichtete Aufgabe wird durch die Merkmalskombination
des Anspruchs 1 erfindungsgemäß gelöst.
-
Demnach
wird eine Kamera zu einer vertikalen Kalibrierebene ausgerichtet.
Es wird mittels der ausgerichteten Kamera eine Bildaufnahme eines
im Bereich der Kalibrierebene positionierten, transparenten Flüssigkeitsbehälters getätigt. Es
wird ein horizontaler Bildübergang
in der Bildaufnahme ermittelt und es wird die Bild-Lage des horizontalen
Bildübergangs
ermittelt. Anhand der Bild-Lage wird auf eine reale Füllhöhe der Flüssigkeit
in dem Flüssigkeitsbehälter geschlossen.
-
Die
Flüssigkeitsoberfläche zeigt
sich insbesondere in einer schwarz/weiß- bzw. Graustufen-Bildaufnahme
häufig
durch einen Grauwertsprung. Deshalb wird der horizontale Bildübergang unter
Einbeziehung einer Grauwertinformation vertikal benachbarter Bildbereiche
der Bildaufnahme ermittelt. Zur Detektion eines Grauwertsprungs
in der Bildaufnahme wird ein, insbesondere in der Bildverarbeitung
gebräuchlicher
Kantenfilter verwendet. Man spricht in dem Zusammenhang auch von
einer Kantenerkennung. Den detektierten Grauwertübergängen werden hierbei üblicherweise
Kanten zugeordnet. Insgesamt ist es auf einfache Weise möglich, die
Bild-Lage des horizontalen Bildübergangs
anhand eines Grauwertübergangs
in der Bildaufnahme zu ermitteln und zu markieren.
-
Es
wird ein Dosiermittel entsprechend der ermittelten Füllhöhe an der
Flüssigkeitsoberfläche positioniert
und die Flüssigkeit
wird mittels des Dosiermittels dem Flüssigkeitsbehälter automatisiert
entnommen und/oder zugeführt.
-
Im
Rahmen einer invitro-diagnostischen Untersuchung wird häufig eine
hohe Rate beispielsweise biochemischer Untersuchungen angestrebt;
d. h. einer Vielzahl von Flüssigkeitsbehältern, die
z. B. als Reagenzgläser
gegeben sind, soll in möglichst
kurzer Zeit eine Flüssigkeit,
beispielsweise eine biochemische Flüssigkeit, entnommen und/oder
zugeführt werden.
-
Dazu
wird dem Flüssigkeitsbehälter die
Flüssigkeit
mittels eines Dosiermittels automatisiert entnommen und/oder zugeführt. Hierbei
wird das Dosiermittel z. B. mittels einer Positionierungsvorrichtung
gesteuert an der Flüssigkeitsoberfläche positioniert.
Eine derartige Positionierungsvorrichtung kann als ein „Pipettierroboter” ausgeführt sein.
-
Die
Erfindung geht von der Überlegung
aus, dass es zur Vermeidung einer Verstopfung oder Beschädigung des
Dosiermittels sinnvoll ist, das Dosiermittel bei einer Entnahme
der Flüs sigkeit
knapp unterhalb und bei einer Zuführung von Flüssigkeit
oberhalb der Flüssigkeitsoberfläche zu positionieren.
Da die Füllhöhe beispielsweise
in unterschiedlichen Flüssigkeitsbehältern variieren
kann, ist es für
eine bedarfsgerechte Positionierung des Dosiermittels notwendig,
die Füllhöhe der Flüssigkeit
in dem jeweiligen Flüssigkeitsbehälter genau
zu ermitteln.
-
Für die Ermittlung
der Füllhöhe nutzt
die Erfindung insbesondere den Effekt, dass eine Flüssigkeitsoberfläche eine
optische Grenzschicht bildet, die durch einen charakteristischen
Bildübergang
in einer Bildaufnahme, z. B. durch einen Kontrast-, Helligkeits-
oder Farbsprung, gekennzeichnet ist. Ein derartiger, mit der Flüssigkeitsoberfläche korrelierter Bildübergang
zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass er eine eindeutige
Richtung innerhalb der Bildaufnahme einnimmt, da er entsprechend
der Flüssigkeitsoberfläche in horizontaler
Richtung verläuft.
Einerseits wird durch die eindeutige Richtung des mit der Flüssigkeitsoberfläche korrelierten
Bildübergangs
eine hohe Sicherheit bei der Ermittlung der Bild-Lage des entsprechenden Bildübergangs
gewährleistet.
Daraus ergibt sich insbesondere auch eine hohe Zuverlässigkeit
bei der Ermittlung der Füllhöhe. Andererseits
kann dadurch auch eine fehlerbehaftete Ermittlung der Bild-Lage
des horizontalen Bildübergangs,
beispielsweise aufgrund von „Störreflektionen” in der
Bildaufnahme, und eine daraus resultierende fehlerbehaftete Ermittlung
der Füllhöhe weitestgehend
ausgeschlossen werden.
-
Der
Bild-Lage des horizontalen Bildübergangs
ist, beispielsweise bei einer entsprechenden Kalibrierung der Bildaufnahme,
mittels einer einfachen Bildauswertung auf schnelle Weise eine reale Füllhöhe der Flüssigkeit
in dem Flüssigkeitsbehälter zuordenbar.
-
Interne
Kameraparameter, wie z. B. eine Brennweite oder ein Pixelabstand,
oder externe Kameraparameter, wie z. B. ein 3D-Kamerakoordinatensystem, können insbesondere
konstant bleiben, so dass diese nur einmalig bestimmt werden müssen. Da
insbesondere auch die Brennweite konstant bleiben kann, ist es auch
möglich,
eine Kamera mit einer feststehenden Linse zu verwenden, womit die Notwendigkeit
eines Zoomobjektivs entfällt.
-
Insgesamt
ist die Ermittlung der Füllhöhe der Flüssigkeit
somit unter einem sehr geringen technischen Aufwand möglich, da
sich diese im Wesentlichen auf eine einfache, schnell auszuführbare Bildauswertung
der Bildaufnahme des Flüssigkeitsbehälters stützt. Zudem
kann durch die berührungslose
Ermittlung der Füllhöhe eine
eventuelle Kontamination der Flüssigkeit
durch Sensoren vermieden werden.
-
In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird eine Anzahl
von realen Bezugspunkten in der vertikalen Kalibrierebene positioniert.
Anhand der Lage der Bildpunkte der Bezugspunkte in der Bildaufnahme
wird die Bildaufnahme auf reale Raumkoordinaten kalibriert und anhand
der Kalibrierung wird aus der Bild-Lage des horizontalen Bildübergangs
auf die Füllhöhe der Flüssigkeit
geschlossen.
-
In
dieser Ausgestaltungsvariante werden zur Kalibrierung der Bildaufnahme
auf reale Raumkoordinaten reale Bezugspunkte, beispielsweise in
Form eines Kalibrierobjekts, in der Kalibrierebene positioniert.
Die realen Raumkoordinaten der Bezugspunkte sind bekannt, so dass
den Bildpunkten der in der Kalibrierebene positionierten Bezugspunkte
diese realen Raumkoordinaten zugeordnet werden können.
-
Der
Flüssigkeitsbehälter ist
im Bereich der Kalibrierebene angeordnet, insbesondere derart dass
eine Behälterwand
des Flüssigkeitsbehälters zumindest
teilweise in dieser liegt. Damit ist es möglich, auch den Bildpunkten
der Bildaufnahme des Flüssigkeitsbehälters, welche
die Bild-Lage des horizontalen Bildübergangs kennzeichnen, reale
Raumkoordinaten zuzuordnen. Anhand der realen Raumkoordinaten, welche
den Bildpunkten des Bildübergangs
zuordenbar sind, wird die Füllhöhe der Flüssigkeit
ermittelt. Die Genauigkeit bei der Ermittlung der Füllhöhe wird
im Wesentlichen nur durch den Pixel-Abstand der Bildpunkte der Bildaufnahme
und den Abstand zwischen Kamera und Kalibrieebene begrenzt. Somit
ist eine genaue Füllhöhenbestimmung
realisierbar. Zahlreiche Untersuchungen haben gezeigt, dass eine
Genauigkeit bei der Ermittlung der Füllhöhe im Submillimeter-Bereich
erzielt werden kann.
-
Eine
derartige Kalibrierung der Bildaufnahme auf reale Raumkoordinaten,
beispielsweise mittels eines Kalibrierobjekts, muss nur einmalig
durchgeführt
werden. Das entsprechende Kalibrierobjekt ist vorzugsweise flächig ausgeführt und
zeigt beispielsweise ein geometrisches Muster, z. B. ein Schachbrettmuster,
dessen Abmessungen bekannt sind. Für eine Kali brierung der Bildaufnahme
wird das Kalibrierobjekt zweckmäßigerweise
planparallel zu der Kalibrierebene angeordnet.
-
In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der horizontale
Bildübergang
durch eine Anzahl von horizontalen Grenzlinien ermittelt und anhand
eines Anteils der horizontalen Grenzlinien wird die Bild-Lage ermittelt.
Im Rahmen einer durchgeführten
Kantenerkennung zeigen die detektierten Kanten, welche einen mit
der Flüssigkeitsoberfläche korrelierten
Grauwertübergang
kennzeichnen, einen im Wesentlichen horizontalen Linienverlauf.
Somit können
z. B. stark geneigte Kanten, die beispielsweise einen Grauwertübergang
kennzeichnen, der mit einer Lichtreflektion an einer Glaswand des
Flüssigkeitsbehälters zusammenhängt, verworfen
werden. Die Erfassung der entsprechenden horizontalen Grenzlinien
erfolgt insbesondere mittels einer Hough-Transformation. Die Hough-Transformation ist
beispielsweise aus der
US
3069654 A bekannt. Es handelt sich dabei um ein robustes
Verfahren zur Erkennung von beliebigen parametrisierbaren geometrischen
Figuren, hier insbesondere von Linien, in einer Bildaufnahme, insbesondere
nach einer Kantenerkennung.
-
Vorteilhafterweise
wird der Anteil der Grenzlinien mittels eines Schätzverfahrens
ausgewählt. Dabei
geht ein derartiges Schätzverfahren
im Wesentlichen davon aus, dass die beispielsweise mittels der Hough-Transformation
ermittelten horizontalen Grenzlinien überwiegend der Flüssigkeitsoberfläche zuordenbar
sind, so dass diese sich in einem Bildbereich kumulieren. Unter
dieser Annahme werden mittels des Schätzverfahrens insbesondere „Ausreißer” unter
den erfassten Grenzlinien detektiert, so dass diese Ausreißer, welche
das Ergebnis verfälschen können, nicht
in die Ermittlung der Bild-Lage des Bildübergangs mit einfließen. Bei
dem Schätzverfahren kann
auf bekannte Algorithmen zurückgegriffen
werden, wie beispielsweise auf den RANSAC-Algorithmus. RANSAC steht
für „Random
Sample Consensus” und
ist ein erprobter mathematischer Algorithmus zur Detektion von Ausreißern innerhalb
einer Menge von Datenpunkten. Der RANSAC-Algorithmus geht aus dem
Artikel „Random
Sample Consensus: A Paradigm for Model Fitting with Applications
to Image Analysis and Automated Cartography” von M. A. Fischler und R.
C. Bolles aus Communications of the ACM(1981), Nummer 24, Seiten
381–395,
hervor.
-
Vorteilhafterweise
wird aus dem Anteil der Grenzlinien eine gemittelte Grenzlinie bestimmt
und hieraus wird die Bild-Lage ermittelt. Häufig umfasst der Anteil eine
Anzahl von Grenzlinien. Dies kann beispielsweise durch eine Benetzung
des Flüssigkeitsbehälters durch
die Flüssigkeit
bedingt sein. Dies führt
dazu, dass der horizontale, mit der Flüssigkeitsoberfläche korrelierte
Bildübergang „verbreitert” wird,
so dass eine Anzahl von Grenzlinien gefunden wird. Aus der Anzahl
der Grenzlinien wird eine gemittelte Grenzlinie ermittelt, welche
die Bild-Lage des Bildübergangs
kennzeichnet, anhand deren die Füllhöhe ermittelt
wird.
-
Das
Dosiermittel ist in seiner Ausgangsposition im Allgemeinen senkrecht über der
Flüssigkeitsoberfläche angeordnet
und wird bedarfsgerecht an der Flüssigkeitsoberfläche positioniert.
Sinnvollerweise wird dabei das Dosiermittel, insbesondere eine Dosiermittelspitze,
wie beispielsweise eine Pipet tenspitze, für eine Flüssigkeitsentnahme unterhalb
der Flüssigkeitsoberfläche positioniert.
Im Falle einer Pipette wird also die Pipettenspitze in die Flüssigkeit eingetaucht.
Für eine
Zuführung
von Flüssigkeit
wird die zweckmäßigerweise
Pipettenspitze über
der Flüssigkeitsoberfläche positioniert.
-
In
einer vorteilhaften Ausführung
der Erfindung wird das Dosiermittel unter Einbeziehung seiner aktuellen
Position gesteuert an der Flüssigkeitsoberfläche positioniert.
Dadurch wird vorteilhaft eine veränderte Ausgangsposition des
Dosiermittels bei dessen Positionierung berücksichtigt. Die aktuelle Position
des Dosiermittels zu der Flüssigkeit
kennzeichnet insbesondere einen aktuellen Abstand der Dosiermittelspitze,
beispielsweise der Pipettenspitze, zu der Flüssigkeitsoberfläche. Falls
die Bildaufnahme auch das Dosiermittel, insbesondere die Dosiermittelspitze,
zeigt, kann die Position des Dosiermittels bzw. der Dosiermittelspitze
zu der Flüssigkeitsoberfläche direkt
anhand der Bildaufnahme ermittelt werden.
-
In
einer bevorzugten Ausgestaltung wird die aktuelle Position des Dosiermittels
unter Heranziehung eines Steuerparameters ermittelt. Der Steuerparameter
betrifft beispielsweise eine Positionierungsvorrichtung, mittels
derer das Dosiermittel gesteuert an der Flüssigkeitsoberfläche positioniert wird.
Anhand des Steuerparameters ist es insbesondere möglich, die
Position des Dosiermittels zu der Flüssigkeitsoberfläche zu ermitteln,
auch wenn das Dosiermittel in der Bildaufnahme des Flüssigkeitsbehälters nicht
sichtbar ist. Die Bildaufnahme kann somit allein im Hinblick auf
die Ermittlung des Bildübergangs
getätigt
werden.
-
Die
Bildaufnahme kann z. B. als eine schwarz/weiß-Aufnahme vorliegen, so dass
auf eine einfache digitale Kamera zurückgegriffen werden kann.
-
Vorzugsweise
wird die Bildaufnahme mittels einer in einem Barcode-Lesegerät integrierten
Kamera getätigt.
Unter einem Barcode versteht man einen Strichcode. Derartige Barcodes
werden häufig
zur Kennzeichnung und Identifizierung unterschiedlicher Flüssigkeiten
im Rahmen von invitro-diagnostischen Untersuchungen verwendet. Diese
Ausführungsvariante
ist besonders kostengünstig,
da derartige Lesegeräte
zum Auslesen dieser Barcodes häufig
ohnehin vorgesehen sind.
-
In
einer vorteilhaften Ausgestaltung wird die Flüssigkeit mittels eines als
Pipette gegebenen Dosiermittels entnommen und/oder zugeführt. Eine
Pipette stellt eine besonders kostengünstige und in der Diagnostik übliche Ausgestaltungsvariante
des Dosiermittels dar.
-
Die
auf eine Vorrichtung gerichtete Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
die Merkmale des auf eine Vorrichtung gerichteten Patentanspruchs.
Demnach umfasst die Vorrichtung zur Dosierung einer Flüssigkeit
in einem Flüssigkeitsbehälter eine
Kamera, einen transparenten Flüssigkeitsbehälter, ein
Dosiermittel, ein Zuführ-/Entnahmemittel und
eine Positionierungsvorrichtung zur Positionierung des Dosiermittels,
sowie eine Steuervorrichtung, die zur Durchführung des vorbeschriebenen Verfahrens
eingerichtet ist.
-
Die
Vorrichtung ist beispielsweise im Rahmen einer invitro-diagnostischen Untersuchung
vorgesehen, bei der eine hohe Rate biochemischer Untersuchungen
angestrebt wird. Dazu ist die Vorrichtung beispielsweise als eine
Pipettierstation gegeben, bei der in einem Durchlauf eine Vielzahl
von Flüssigkeitsbehältern mittels
einer Pipette pipettiert werden. Die Positionierungsvorrichtung
mittels derer die Pipette bewegt wird ist beispielsweise als ein
Roboter, ein sogenannter „Pipettierroboter”, ausgestaltet.
-
Das
Dosiermittel ist insbesondere als eine Pipette gegeben und die Kamera
ist insbesondere in einem Barcode-Lesegerät integriert. Das Dosiermittel
ist üblicherweise
mit einem Zuführ-/Entnahmemittel
gekoppelt, welches die Zuführung
und/oder Entnahme der Flüssigkeit
mittels des Dosiermittels ermöglicht.
-
Die
Steuervorrichtung ist beispielsweise als ein Rechner gegeben oder
auf einem Rechner durch Software realisiert.
-
Ein
Ausführungsbeispiels
der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
-
1 eine
Vorrichtung zur Dosierung einer Flüssigkeit,
-
2 eine
Bildaufnahme eines Flüssigkeitsbehälters und
-
3 eine
weitere Bildaufnahme des Flüssigkeitsbehälters gemäß 2.
-
1 zeigt
eine Vorrichtung 2 zur Dosierung einer Flüssigkeit.
Gemäß der Darstellung
umfasst die Vorrichtung 2 eine Positionierungsvorrichtung 4 und ein
Dosiermittel 6, welches mit einem Zuführ-/Entnahmemittel 7 gekoppelt
ist. Außerdem
umfasst die Vorrichtung 2 einen Flüssigkeitsbehälter 8,
welcher senkrecht unter dem Dosiermittel 6 angeordnet ist, eine
Kamera 10, sowie eine Steuervorrichtung 11.
-
Das
Dosiermittel 6, das hier als eine Pipette 12 ausgeführt ist,
ist senkrecht über
dem als Reagenzglas ausgeführten
transparenten Flüssigkeitsbehälter 8 positioniert
und kann mittels der Positionierungsvorrichtung 4 in vertikaler
Richtung 14 in dem Flüssigkeitsbehälter 8 auf
und ab bewegt werden. Eine entsprechende Auf-, bzw. eine Abbewegung
wird dabei jeweils über
die Steuervorrichtung 11 angesteuert. Mittels der Positionierungsvorrichtung 4 kann
der Flüssigkeitsbehälter 8 bei
Bedarf natürlich auch
in weitere Richtungen bewegt werden.
-
Mittels
der Pipette 12 ist eine in dem Flüssigkeitsbehälter 8 befindliche
Flüssigkeit 16 dosierbar, d.
h. die Flüssigkeit 16 ist
dem Flüssigkeitsbehälter 8 über die
Pipette 12 zuführ- und/oder entnehmbar. Dazu
ist die Pipette 12 mit dem Zuführ- /Entnahmemittel 7 gekoppelt,
welches für
eine automatische Entnahme und/oder Zuführung der Flüssigkeit
entsprechend von der Steuervorrichtung 11 ansteuerbar ist.
-
Der
Flüssigkeitsbehälter 8 ist
im Bereich der Kalibrierebene 20 positioniert. Wie aus
der Darstellung ersichtlich wird, liegt dabei eine der Kamera 10 zugewandte
Behälterwand 22 des
Flüssigkeitsbehälters 8 in
der Kalibrierebene 20. Die gestrichelte Darstellung der
Kalibrierebene 20 deutet an, dass es sich bei dieser um
eine virtuelle Ebene handelt.
-
Im
Folgenden wird eine mögliche
Ausführungsform
des mittels der Steuervorrichtung 11 durchführbaren
Verfahrens zur Dosierung der Flüssigkeit 16 in
dem Flüssigkeitsbehälter 8 beschrieben.
-
Mittels
der Kamera 10, die in Bezug auf die vertikale Richtung 14 seitlich
von dem Flüssigkeitsbehälter 8 und
horizontal angeordnet ist, wird eine digitale schwarz/weiß-Bildaufnahme 18 von
dem Flüssigkeitsbehälter 8 getätigt.
-
Die
in dem Flüssigkeitsbehälter 8 befindliche Flüssigkeit 16,
insbesondere die Flüssigkeitsoberfläche 28,
bildet eine optische Grenzschicht. Diese zeigt sich in der Bildaufnahme 18 in
hier nicht sichtbarer Weise anhand eines in horizontaler Richtung
verlaufenden Grauwertübergangs
gemäß 2.
-
Die
Steuervorrichtung 11 detektiert den entsprechenden horizontalen
Grauwertübergang
mittels eines Kantenfilters und ermittelt dessen Bild-Lage. In der
Figur ist zur Veranschaulichung ein Bildpunkt 29 in der
Bildaufnahme 18 dargestellt, welcher die Bild-Lage des
Grauwertübergangs
markiert.
-
Anhand
der Bild-Lage des Grauwertübergangs
in der Bildaufnahme 18 ermittelt die Steuervorrichtung 11 eine
reale Füllhöhe 31 der
Flüssigkeit 16 in
dem Flüssigkeitsbehälter 8.
-
Um
das Prinzip bei einer derartigen Füllhöhenermittlung zu illustrieren,
ist in 1 skizzenartig dargestellt, wie mittels der Kamera 10 der
Objektpunkt 30 der Flüssigkeitsoberfläche 28 in
den Bildpunkt 29 der Bildaufnahme 18 der Kamera 10 projiziert
wird. Dem Bildpunkt 29 kann dabei ausgehend von dem Objektpunkt 30 zeichnerisch
ein Projektionsstrahl 34 zugeordnet werden. Prinzipiell
ist es möglich,
jedem beliebigen Bildpunkt einen derartigen Projektionsstrahl zuzuordnen.
-
Dem
Bildpunkt 29 ordnet die Steuervorrichtung 11 eine
reale Raumkoordinate des Objektpunkts 30 zu. Für eine Zuordnung
der entsprechenden Raumkoordinate zu dem Bildpunkt 29 wurde
im Vorfeld mittels eines Kalibrierobjekts eine entsprechende Bildaufnahme-Kalibrierung
durchgeführt.
-
Somit
ist es möglich,
anhand einer Anzahl der die Bild-Lage des Grauwertübergangs
kennzeichnenden Bildpunkte 29 in der Bildaufnahme 18 die
Füllhöhe 31 der
Flüssigkeit 16 in
dem Flüssigkeitsbehälter 8 mittels
der Steuervorrichtung 11 automatisiert zu ermitteln.
-
Ausgehend
von der Füllhöhe 31 ermittelt
die Steuervorrichtung 11 einen Abstand 38 zwischen
der Pipette 12, beziehungsweise einer Pipettenspitze 40, und
der Flüssigkeitsoberfläche 28.
-
Die
Ermittlung des Abstands 38 geschieht hier unter Einbeziehung
eines Steuerparameters der Steuervorrichtung 11. Der Steuerparameters
betrifft die Ansteuerung der Positionierungsvorrichtung 4 zu einer
Positionierung des Dosiermittels 6. Anhand des Steuerparameters
ist es der Steuervorrichtung 11 möglich, die momentane „Bewegungsauslenkung” der Positionierungsvorrichtung 4 zu
ermitteln, woraus sich die aktuelle Position des Dosiermittels 4 ergibt. Unter
Einbeziehung der aktuellen Füllhöhe 31 lässt sich
daraus der Abstand 38 der Pipettenspitze 40 zu der
Flüssigkeitsoberfläche 28 ermitteln.
-
Unter
Berücksichtigung
des Abstands 38 zwischen der Pipettenspitze 40 und
der Flüssigkeitsoberfläche 28 steuert
die Steuervorrichtung 11 die Positionierungsvorrichtung 4 an.
-
Für einen
Flüssigkeitsentnahme-Vorgang steuert
die Steuervorrichtung 11 die Positionierungsvorrichtung 4 zu
einer Positionierung der Pipettenspitze 40 knapp unterhalb
und für
einen Flüssigkeitszuführ-Vorgang
oberhalb der Flüssigkeitsoberfläche 28 an.
-
In 2 und 3 ist
jeweils eine schwarz/weiß-Bildaufnahme 18 desselben
Flüssigkeitsbehälters 8 dargestellt.
In den Figuren ist zu sehen, wie sich die Flüssigkeitsoberfläche 28 durch
einen Grauwertübergang 43 in
der Bildaufnahme 18 abbildet. Es ist erkennbar, dass der
Grauwertübergang 43 im
Wesentlichen in horizontaler Richtung verläuft. Aufgrund einer Benetzung
des Flüssigkeitsbehälters 8 durch
die Flüssigkeit 16,
infolge deren die Flüssigkeit 16 eine
konkave Oberfläche,
einen sogenannten Meniskus, bildet und aufgrund des runden Flüssigkeitsbehälters 8 zeigt
der mit der Flüssigkeitsoberfläche 28 korrelierte
Grauwertübergang 43 in
der Bildaufnahme 18 einen streifenartig verbreiterten und
gewölbten
Verlauf.
-
Die
Steuervorrichtung 11 detektiert den Grauwertübergang 43 mittels
eines Kantenfilters und ermittelt eine Anzahl von horizontalen Grenzlinien 44.
Die Anzahl von Grenzlinien 44 ist gut ersichtlich 2 entnehmbar.
-
In 2 ist
erkennbar, dass sich unter der Anzahl von horizontalen Grenzlinien 44 auch
einige „Ausreißer” 46 befinden.
Die Steuervorrichtung 11 detektiert die „Ausreißer” 46 unter
den erfassten Grenzlinien 44. Für die Ermittlung der Bild-Lage des Grauwertübergangs 43 verwirft
die Steuervorrichtung 11 die „Ausreißer” 46 und ermittelt
nur anhand der „Nicht-Ausreißer” eine gemittelte
Grenzlinie 48, welche aus 3 hervorgeht.
-
Die
Verwerfung der „Ausreißer” 46 erhöht die Genauigkeit
bei der Bestimmung der Bild-Lage des Grauwertübergangs 43 und damit
der Füllhöhe 35 erheblich.
Die Detektion der Ausreißer 46 geschieht mittels
eines RANSAC-Algorithmus'.
RANSAC steht für „Random
Sample Consensus” und
ist ein erprobter mathematischer Algorithmus zur Detektion von Ausreißern innerhalb
einer Menge von Datenpunkten.
-
Die
in 3 dargestellte gemittelte Grenzlinie 48 markiert
die Bild-Lage des Grauwertübergangs 43,
anhand welcher die Steuervorrichtung 11 die Füllhöhe 31 gemäß 1 ermittelt.
-
- 2
- Vorrichtung
- 4
- Positionierungsvorrichtung
- 6
- Dosiermittel
- 7
- Zuführ-/Entnahmemittel
- 8
- Flüssigkeitsbehälter
- 10
- Kamera
- 11
- Steuervorrichtung
- 12
- Pipette
- 14
- vertikale
Richtung
- 16
- Flüssigkeit
- 18
- Bildaufnahme
- 20
- Kalibrierebene
- 22
- Behälterwand
- 26
- Luft
- 28
- Flüssigkeitsoberfläche
- 29
- Bildpunkt
- 30
- Objektpunkt
- 31
- Füllhöhe
- 34
- Projektionsstrahl
- 36
- Kamerakoordinatensystem
- 38
- Abstand
- 40
- Pipettenspitze
- 43
- Grauwertübergang
- 44
- Grenzlinie
- 46
- Ausreißer
- 48
- Grenzlinie