DE102011003615A1

DE102011003615A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Messung eines Volumenstroms einer in einen Behälter einströmenden Flüssigkeit und/oder eines in den Behälter eingeströmten Volumens der Flüssigkeit

Info

Publication number: DE102011003615A1
Application number: DE102011003615A
Authority: DE
Inventors: Michael Hanko; Stefanie Hönncher
Original assignee: Endress and Hauser Conducta Gesellschaft fuer Mess und Regeltechnik mbH and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser Conducta GmbH and Co KG
Priority date: 2011-02-03
Filing date: 2011-02-03
Publication date: 2012-08-09
Anticipated expiration: 2031-02-04
Also published as: DE102011003615B4

Abstract

Es ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung eines Volumenstroms (dV(t)/dt) einer in einen Behälter (1) einströmenden Flüssigkeit (A, B) und/oder eines in den Behälter (1) eingeströmten Volumens (V(t)) der Flüssigkeit (A, B), beschrieben, mit der bzw. mit dem in mikrofluidischen Systemen, insb. im Bereich der Analyse, ein hohes Maß an Automatisierung erzielbar ist, bei dem vor dem Einströmen der Flüssigkeit (A, B) in einem vorgegebenen Ausgangsvolumen (V0) im Behälter (1) ein Gas unter einem Ausgangsdruck (p0) eingeschlossen wird, die anschließend in den Behälter (1) einströmende Flüssigkeit (A, B) das eingeschlossene Gas auf vom Volumen (V(t)) der eingeströmten Flüssigkeit abhängiges Gasvolumen komprimiert, und einen vom eingeströmten Volumen (V(t)) und vom einströmenden Volumenstrom (dV(t)/dt) abhängigen Anstieg des Gasdrucks (pG) des Gases im Behälter (1) gegenüber dem Ausgangsdruck (p0) bewirkt, der Gasdruck (pG) im Behälter als Funktion der Zeit (t) gemessen wird, und das bis zur Zeit (t) eingeströmte Volumen (V(t)) und/oder der zur Zeit (t) einströmende Volumenstrom (dV(t)/dt) anhand des gemessenen Gasdrucks (pG) bestimmt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung eines Volumenstroms einer in einen Behälter einströmenden Flüssigkeit und/oder eines in den Behälter eingeströmten Volumens der Flüssigkeit, sowie eine Vorrichtung zur Ausführung dieses Verfahrens.
Die Erfindung ist in allen Bereichen der industriellen Messtechnik, der Medizin und der Labortechnik einsetzbar, in denen Flüssigkeiten in kontrollierter Form transportiert oder dosiert werden, insbesondere mit Hilfe von mikrofluidischen Systemen oder im Bereich der Mikroverfahrenstechnik. Dies ist insb. im Bereich der Analyse von Flüssigkeiten der Fall. Beispiele hierfür sind Analysesysteme zur Überwachung und Optimierung der Reinigungsleistung von Kläranlagen, zur Trinkwasserüberwachung, zur Überwachung biotechnologischer Prozesse oder zur Qualitätsüberwachung von industriell eingesetzten Flüssigkeiten oder Lebensmitteln. Gemessen und überwacht werden beispielsweise der Gehalt einer flüssigen Probe an Substanzen, z. B. von Ionen wie Ammonium, Phosphat oder Nitrat, an biologischen oder biochemischen Verbindungen, wie z. B. Hormonen, oder an Mikroorganismen, z. B. an Bakterien.
In solchen Systemen gilt es, neben der zu analysierenden Flüssigkeit auch zu deren Analyse gegebenenfalls zusätzliche erforderliche Flüssigkeiten, wie z. B. Reagenzienlösungen, in vorgegebenen Mengen zu dosieren, gegebenenfalls vorgegebene Sollvolumina unterschiedlicher Flüssigkeiten zu mischen, und/oder vorgegebene Sollvolumenströme von Flüssigkeiten durch Leitungen oder Mess- und/oder Analyseeinheiten zu erzeugen.
Um insb. im Bereich der Analyse ein möglichst hohes Maß an Automatisierung erzielen zu können, werden Vorrichtungen und Verfahren benötigt, durch die die in miniaturisierten Systemen erforderlichen, in der Regel sehr geringen Sollvolumina von weniger als 50 mL, insb. von weniger als 10 mL dosiert, und durch die die geringen Volumenströme von weniger als 5000 μL/min, insb. von weniger als 1000 μL/min, der Flüssigkeiten durch die einzelnen Systeme auf in Abhängigkeit von dem jeweils auszuführenden Prozess oder Verfahren vorgegebene Sollvolumenströme geregelt werden können.
Für den Transport dieser Flüssigkeiten werden heute beispielsweise Peristaltikpumpen eingesetzt. Peristaltikpumpen bewirken jedoch aufgrund ihres Funktionsprinzip in der Regel pulsierende Volumenströme. Zudem unterliegen die in Verbindung mit Peristaltikpumpen verwendeten elastischen Schläuche einer Alterung, die sich auf die Förderleistung der Peristaltikpumpen auswirkt. Hierdurch ist die Genauigkeit, mit der vorgegebene Sollvolumina einer Flüssigkeit abgefüllt bzw. vorgegebene Sollvolumenströme generiert werden können, begrenzt.
Eine andere häufig eingesetzte Variante für den Transport der Flüssigkeiten sind Spritzenpumpen. Diese zeichnen sich durch hohe Genauigkeit und gleichmäßige Flusseigenschaften aus. Jedoch steht der Verwendung von Spritzenpumpen in automatisierten Systemen deren hoher Preis und deren geringe Robustheit entgegen.
Volumenströme können auf einfache Art und Weise durch pneumatische Vorrichtungen erzielt werden, bei denen Flüssigkeitsströme durch Druckbeaufschlagung der in einem Vorratsbehälter bereitgestellten Flüssigkeit mit einem Gas, insb. mit Luft, bewirkt werden. Typischer Weise ändert sich der Strömungswiderstand dieser Systeme jedoch mit der Zeit, z. B. aufgrund der zunehmenden Entleerung des Vorratsbehälters, so dass hier eine Regelung des Volumenstroms durch das System erforderlich ist.
Hierzu kann der Volumenstrom z. B. durch entsprechende in das Flüssigkeitssystem integrierte Durchflusssensoren, wie sie beispielsweise in der WO 2007/147786 A1 beschrieben sind, gemessen werden. Diese Sensoren sind jedoch teuer und kommen in unmittelbaren Kontakt mit der Flüssigkeit. Letzteres birgt die Gefahr einer Verschmutzung sowohl des Sensors als auch der Flüssigkeit.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Messung eines Volumenstroms einer in einen Behälter einströmenden Flüssigkeit und/oder eines in den Behälter eingeströmten Volumens der Flüssigkeit anzugeben, mit der bzw. mit dem insbesondere in mikrofluidischen Systemen und insb. im Bereich der Analyse ein hohes Maß an Automatisierung erzielbar ist.
Hierzu umfasst die Erfindung ein Verfahren zur Messung eines Volumenstroms einer in einen Behälter einströmenden Flüssigkeit und/oder eines in den Behälter eingeströmten Volumens der Flüssigkeit, bei dem

– vor dem Einströmen der Flüssigkeit in einem vorgegebenen Ausgangsvolumen im Behälter ein Gas unter einem Ausgangsdruck eingeschlossen wird,
– die anschließend in den Behälter einströmende Flüssigkeit das eingeschlossene Gas auf ein von dem Volumen der eingeströmten Flüssigkeit abhängiges Gasvolumen komprimiert, und einen vom eingeströmten Volumen und vom einströmenden Volumenstrom abhängigen Anstieg des Gasdrucks des Gases im Behälter gegenüber dem Ausgangsdruck bewirkt,
– der Gasdruck im Behälter als Funktion der Zeit gemessen wird, und
– das bis zur Zeit eingeströmte Volumen und/oder der zur Zeit einströmende Volumenstrom anhand des gemessenen Gasdrucks bestimmt wird.

Dabei wird das bis zur Zeit eingeströmte Volumen anhand des zur Zeit gemessenen Gasdrucks bestimmt.
Zur Bestimmung des Volumenstroms wird eine zeitliche Änderung des gemessenen Gasdrucks bestimmt, und der zur Zeit in den Behälter einströmende Volumenstrom anhand der zeitlichen Änderung des gemessenen Gasdrucks zur Zeit bestimmt.
Gemäß einer Weiterbildung wird

– ein relativer Gasdruck definiert, der gleich einem Quotienten aus dem Ausgangsdruck und dem Gasdruck ist,
– eine Kenngröße bestimmt, die die Steigung des relativen Gasdrucks in Abhängigkeit vom eingeströmten Volumen angibt,
– während des Einströmens der Flüssigkeit in den Behälter anhand des als Funktion der Zeit gemessenen Gasdrucks der relative Gasdruck als Funktion der Zeit bestimmt, und
– das Volumen und/oder der Volumenstrom werden anhand des relativen Gasdrucks bestimmt.

Dabei wird die Kenngröße vorzugsweise in einem vorgeschalteten Kalibrationsverfahren bestimmt.
Gemäß einer Ausgestaltung dieser Weiterbildung

– wird das bis zum Zeitpunkt eingeströmte Volumen als Quotient aus dem um 1 reduzierten relativen Gasdruck zur Zeit und der Kenngröße bestimmt, und/oder
– es wird eine zeitliche Änderungsrate des relativen Gasdrucks bestimmt, und
– der zur Zeit einströmende Volumenstrom als Quotient aus der zeitliche Änderungsrate des relativen Gasdrucks und der Kenngröße bestimmt wird.

Weiter umfasst die Erfindung eine Vorrichtung zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, mit

– einer an den Behälter angeschlossenen Vorrichtung, die dazu dient, Gas in einem vorgegebenen Ausgangsvolumen im Innraum des Behälters vor dem Einströmen der Flüssigkeit unter einem Ausgangsdruck einzuschließen,
– einem Drucksensor zur Messung des Gasdrucks im Behälter,
– einer an eine in den Innenraum des Behälter mündende Befüllöffnung des Behälters angeschlossene Flüssigkeitszufuhreinrichtung, die dazu dient dem Behälter Flüssigkeit zuzuführen, und
– einer elektronischen Einheit,
– die anhand des nach dem Verschließen des unter dem Ausgangsdruck mit dem Ausgangsvolumen an Gas befüllten Behälters mit dem Drucksensor gemessenen Gasdrucks das Volumen der eingeströmten Flüssigkeit und/oder den Volumenstrom der einströmenden Flüssigkeit bestimmt.

In einer Ausgestaltung der Vorrichtung kann der Behälter einen im Innenraum des Behälters beweglichen, flüssigkeits- und gasdicht an einer den Innenraum einschließenden Behälterwand anliegenden Stempel umfassen, der den Behälter in einen Flüssigkeitsraum, in den die Befüllöffnung mündet, und einen Gasraum, der mit der Vorrichtung, die dazu dient, Gas in einem vorgegebenen Ausgangsvolumen im Innraum des Behälters vor dem Einströmen der Flüssigkeit unter einem Ausgangsdruck einzuschließen, und dem Drucksensor in Verbindung steht, unterteilt.
Gemäß einer Weiterbildung umfasst die Vorrichtung eine Steuerung, die die durch die Flüssigkeitszufuhreinrichtung bewirkte Flüssigkeitszufuhr in Abhängigkeit von dem gemessenen in den Behälter eingeströmten Volumen oder dem gemessenen in den Behälter einströmenden Volumenstroms steuert.
Gemäß einer Ausgestaltung beendet die Steuerung die Flüssigkeitszufuhr, wenn das gemessene Volumen ein vorgegebenes Sollvolumen erreicht.
In einer Ausgestaltung umfasst die Flüssigkeitszufuhreinrichtung mindestens einen mit Flüssigkeit gefüllten Speicher, insbesondere zwei mit Flüssigkeit gefüllte Speicher, und eine Vorrichtung zur Bewirkung eines Flüssigkeitsstroms von dem Speicher, insbesondere den Speichern in den Behälter,
wobei der mindestens eine Speicher einen Hohlraum aufweist, in dem die Flüssigkeit aufgenommen ist, und in dem ein beweglicher, flüssigkeits- und gasdicht an einer den Hohlraums umgebenden Innenwand anliegender Stempel angeordnet ist, welcher den mindestens einen Speicher in einen mit dem Behälter über mindestens eine Flüssigkeitsleitung in Verbindung stehenden Flüssigkeitsraum und einen mit der Vorrichtung zur Bewirkung eines Flüssigkeitsstromes von dem Speicher, insbesondere den Speichern, in den Behälter in Wirkverbindung stehenden Gasraum teilt.
Weiter umfasst die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb der die Steuerung aufweisenden Vorrichtung, deren Flüssigkeitszufuhreinrichtung mindestens zwei mit Flüssigkeit gefüllte Speicher und eine Vorrichtung zur Bewirkung eines Flüssigkeitsstromes von den Speichern in den Behälter umfasst, bei dem

– das Gas in dem vorgegebenen Ausgangsvolumen unter dem Ausgangsdruck eingeschlossen wird,
– der Behälter über die Vorrichtung zur Bewirkung des Flüssigkeitsstromes sukzessiv mit vorgegebenen Sollvolumen von Flüssigkeiten aus zwei oder mehr verschiedenen Speichern befüllt wird,
– wobei das Erreichen der jeweiligen Sollvolumina der einzelnen Flüssigkeiten anhand des gemessenen in den Behälter insgesamt eingeströmten Volumens und dem zu Beginn des jeweiligen Befüllvorgangs mit der jeweiligen Flüssigkeit aus dem jeweiligen Speicher bereits in dem Behälter befindlichen und mit der Vorrichtung gemessenen Volumen überwacht wird.

Dabei wird bei der sukzessiven Befüllung des Behälters mit den unterschiedlichen Sollvolumen der einzelnen Flüssigkeiten vorzugsweise mit der Befüllung mit der Flüssigkeit begonnen, von der das größte Sollvolumen benötigt wird, und die Befüllung dann sukzessiv jeweils mit der Flüssigkeit fortgesetzt, von der das nächst kleinere Sollvolumen benötigt wird.
Weiter umfasst die Erfindung eine Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der

– die Flüssigkeitszufuhreinrichtung die Flüssigkeit durch eine Speiseleitung in den Behälter leitet,
– ein Volumenstrom der Flüssigkeit durch die Speiseleitung gleich dem in den Behälter einströmenden Volumenstrom ist, und
– eine Regeleinrichtung vorgesehen ist, die die durch die Flüssigkeitszufuhreinrichtung bewirkte Flüssigkeitszufuhr anhand des gemessenen in den Behälters einströmenden Volumenstroms derart regelt, dass der Volumenstrom durch die Speiseleitung und der Volumenstrom in den Behälter einem vorgegebenen Sollvolumenstrom entspricht.

Diese Regelung ist besonders vorteilhaft für die weiter vorn beschriebenen Ausgestaltungen, bei denen der mindestens eine Speicher bzw. die Speicher und/oder der Behälter jeweils einen beweglichen Stempel umfassen, der die Behälter bzw. Speicher jeweils in einen Gasraum und einen Flüssigkeitsraum unterteilt. Die zum Transport der Flüssigkeiten von den Speichern in den Behältern erforderliche Krafteinwirkung auf die Stempel, die beispielsweise durch Druckbeaufschlagung der Gasräume der Speicher bewirkt wird, hängt auch vom jeweiligen Reibungswiderstand der Stempel in den Speichern bzw. in dem Behälter ab. Indem die Flüssigkeitszufuhr anhand des erfassten Volumenstroms geregelt wird, werden unterschiedliche Reibungswiderstände der Stempel durch die Regelung ausgeglichen.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung

– ist in die Speiseleitung eine Mess- oder Analyseeinrichtung eingesetzt,
– ist ein Volumenstrom der Flüssigkeit durch die Mess- oder Analyseeinrichtung gleich dem Volumenstrom durch die Speiseleitung und gleich dem in den Behälter einströmenden Volumenstrom, und
– die Regeleinrichtung regelt den Volumenstrom durch die Mess- oder Analyseeinrichtung anhand des gemessenen in den Behälters einströmenden Volumenstroms auf einen vorgegebenen Sollvolumenstrom.

Weiter umfasst die Erfindung eine Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der

– die Flüssigkeitszufuhreinrichtung mindestens einen mit Flüssigkeit gefüllten Speicher und eine Vorrichtung zur Bewirkung eines Flüssigkeitsstromes von mindestens einem der Speicher in den Behälter umfasst,
– die Vorrichtung zur Bewirkung des Flüssigkeitsstromes einen regelbaren pneumatischen Druckgeber umfasst,
– der jeweils über eine mit einem steuerbaren Ventil, insb. einem 3/2 Wege Umschaltventil, versehene Druckzuleitung an die Speicher angeschlossen ist, und
– der Flüssigkeitsstrom durch eine Druckbeaufschlagung der Flüssigkeit in den Speichern mit einem von dem regelbaren pneumatischen Druckgeber erzeugten Druck bewirkt wird.

Gemäß einer ersten Weiterbildung der letztgenannten Weiterbildung ist der regelbare pneumatische Druckgeber über eine mit einem steuerbaren Ventil, insb. einem 3/2 Wege Umschaltventil, verschließbare Druckzuleitung an den Behälter angeschlossen.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist die Flüssigkeitszufuhreinrichtung über mindestens eine mit einem Ventil, insb. einem Rückschlagventil, ausgestattete Zuleitung an den Behälter angeschlossen.
Weiter umfasst die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung gemäß den drei letztgenannten Weiterbildungen, bei dem Betriebszyklen ausgeführt werden, in denen jeweils

– der Behälter und die Flüssigkeit in den Speichern vorab über die 3/2 Wege Umschaltventile mit dem Ausgangsdruck beaufschlagt werden,
– das Ventil in der vom Druckgeber zum Behälter führenden Druckzuleitung geschlossen wird,
– durch Druckbeaufschlagung von Flüssigkeit aus mindestens einem der Speicher mit einem von dem Druckgeber erzeugten Druck ein Flüssigkeitsstrom in den Behälter bewirkt wird, und
– abschließend die insgesamt in dem jeweiligen Betriebszyklus in den Behälter eingeströmte Flüssigkeit, insb. durch Druckbeaufschlagung, aus dem Behälter abgeführt wird.

Gemäß einer weiteren Weiterbildung der ersten Weiterbildung der Vorrichtung ist der Behälter über eine mit einem Ventil, insb. einem Rückschlagventil, ausgestatte Ablassleitung an ein über eine Entlüftungsöffnung mit dem Umgebungsdruck beaufschlagtes Aufnahmegefäß angeschlossen, in den in dem Behälter befindliche Flüssigkeit abgeführt werden kann.
Weiter umfasst die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung gemäß der letztgenannten Weiterbildung, bei dem die Flüssigkeit am Ende eines Befüllzyklus aus dem Behälters abgeführt wird, indem

– die Flüssigkeitszufuhr in den Behälter unterbrochen wird, und
– die im Behälter enthaltene Flüssigkeit über den Druckgeber mit einem Druck beaufschlagt wird, bei dem die Flüssigkeit durch das Rückschlagventil hindurch über die Ablassleitung ausströmt.

Weiter umfasst die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb erfindungsgemäßer Vorrichtungen, bei dem Betriebszyklen ausgeführt werden, bei denen jeweils

– Gas in dem vorgegebenen Ausgangsvolumen unter dem Ausgangsdruck eingeschlossen wird,
– ein Flüssigkeitsstrom in den Behälter bewirkt wird und der einströmende Volumenstrom und/oder das eingeströmte Volumen gemessen wird,
– die Flüssigkeitszufuhr in den Behälter unterbrochen wird, bevor der Gasdruck im Behälter einen vorgegebenen Maximaldruck übersteigt, und
– abschließend die in den Behälter in dem jeweiligen Befüllzyklus insgesamt eingeströmte Flüssigkeit aus dem Behälter abgeführt wird.

Die Erfindung weist den Vorteil auf, dass die Vorrichtung vollautomatisch betrieben werden kann. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Messungen indirekt anhand des Gasdrucks im Behälter erfolgen, so dass hierzu kein direkter Kontakt, insb. kein direkter Kontakt von Sensoren, zur Flüssigkeit erforderlich ist. Darüber hinaus bietet die Erfindung den Vorteil, dass die Messung aufgrund des der Erfindung zugrunde liegenden indirekten Messverfahrens weitgehend unabhängig von der Art der verwendeten Flüssigkeiten, insb. auch von deren Viskositäten, deren Inhomogenitäten und gegebenenfalls darin enthaltenen Verschmutzungen ist. Dies ist insb. ein Vorteil gegenüber kalorimetrischen Durchflussmessverfahren, bei denen die Messgenauigkeit maßgeblich von den unter Umständen veränderlichen Wärmekapazitäten der Flüssigkeiten abhängt.
Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen bieten den Vorteil, dass sie äußerst vielseitig einsetzbar sind. Durch sie können sowohl Dosierspritzen, Spritzenpumpen, Peristaltikpumpen als auch Systeme, die auf pneumatischem Wege Volumenströme erzeugen und diese anhand von direkten Durchflussmessungen mit in den Strömungspfad eingesetzten Durchflusssensoren auf vorgegebene Sollvolumenströme regeln, ersetzt werden.
Die Erfindung und weitere Vorteile werden nun anhand der Figuren der Zeichnung, in denen zwei Ausführungsbeispiele dargestellt ist, näher erläutert. Gleiche Elemente sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
1 zeigt: eine erfindungsgemäße Vorrichtung; und
2 zeigt: einen Ausschnitt einer alternativen Ausgestaltung
3 zeigt: eine Variante der Vorrichtung gemäß 1.
1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Messung eines Volumenstroms dV(t)/dt einer in einen Behälter 1 einströmenden Flüssigkeit und/oder eines in den Behälter 1 eingeströmten Volumens V(t) der Flüssigkeit.
Die Vorrichtung umfasst eine an eine in den Innenraum des Behälters 1 mündende Befüllöffnung 3 des Behälters 1 angeschlossene Flüssigkeitszufuhreinrichtung 5, die dazu dient, dem Behälter 1 Flüssigkeit zuzuführen. Diese umfasst mindestens einen mit einer Flüssigkeit A, B gefüllten Speicher 7, 9 in dem Flüssigkeit bereit gestellt wird. Die Speicher 7, 9 sind beispielsweise Vorratsbehälter, die einzelne zu analysierende Flüssigkeiten oder zur Analyse benötigte Zusatzflüssigkeiten, wie z. B. Reagenzienlösungen, enthalten. Die Flüssigkeiten A, B können in den Speichern 7, 9 beispielsweise in einem flexiblen gas- und flüssigkeitsundurchlässigen Behältnis, z. B. einem Beutel aus einer Kunststofffolie, beispielsweise aus Polyethylen oder Polypropylen, enthalten sein. Die Speicher 7, 9 sind vorzugsweise als austauschbare Module ausgebildet. Dabei können die Speicher 7, 9 als Einzelelemente vorgesehen sein, oder es können zwei oder mehr Speicher parallel zueinander in einer vorzugsweise austauschbaren Vorratskartusche zusammengefasst werden.
Die Speicher 7, 9 sind an eine Vorrichtung zur Bewirkung eines Flüssigkeitsstromes von mindestens einem der Speicher 7, 9 in den Behälter 1 angeschlossen. Diese Vorrichtung umfasst einen regelbaren pneumatischen Druckgeber 11, der jeweils über eine mit einem steuerbaren Ventil V1, V2 verschließbare Druckzuleitung 13, 15 eingangsseitig an die Speicher 7, 9 angeschlossen ist. Die Ventile V1, V2 sind vorzugsweise 3/2 Wege Umschaltventile, über die die Speicher 7, 9 wahlweise mit dem vom Druckgeber 11 generierten Druck p oder einem Bezugsdruck p_B, vorzugsweise dem Atmosphärendruck, beaufschlagbar sind, oder durch vollständige Schließung des jeweiligen Ventils V1, V2 eingangsseitig druckdicht und gasdicht verschließbar sind. Die Begriffe 'Öffnen' und 'Schließen' werden hier in Verbindung mit allen Ventilen durchgängig derart verwendet, dass die zugehörige Leitung, in die das jeweilige Ventil eingesetzt ist, bei geöffnetem Ventil frei und bei geschlossenem Ventil gesperrt ist.
Ausgangsseitig sind die Speicher 7, 9 jeweils über eine Zuleitung 17, 19 an die Befüllöffnung 3 des Behälters 1 angeschlossen, in deren dem Behälter 1 zugewandten Ende jeweils ein Ventil VR1, VR2, vorzugsweise ein Rückschlagventil, eingesetzt ist. Die beiden Zuleitungen 17, 19 münden in dem dargestellten Ausführungsbeispiel in einer Zuleitung 20, die sie mit der Befüllöffnung 3 verbindet.
Ist nur ein Speicher, z. B. der Speicher 7, vorgesehen, wird vorzugsweise ein einziges unmittelbar vor der Befüllöffnung 3 in die in diesem Fall vom Speicher 7 bis zur Befüllöffnung 3 führende Zuleitung 20 eingesetztes – in 1 zusätzlich eingezeichnetes – Ventil VR verwendet. In dem Fall entfallen der in 1 dargestellte zweite Speicher 9, dessen Zuleitung 19 und die beiden Ventile VR1 und VR2.
Das gleiche gilt für mehrere immer zeitgleich parallel zur Befüllung eingesetzte Speicher, deren Flüssigkeiten in einer unmittelbar zum Behälter 1 führenden Zuleitung 20 zusammengeführt werden. Letzteres entspricht der dargestellten Variante ohne die beiden Ventile VR1 und VR2 in den Zuleitungen 17 und 19.
Sind dagegen zwei oder mehr Speicher 7, 9 jeweils über deren mit dem jeweils dazugehörigen Ventil VR1, VR2 ausgestattete Zuleitung 17, 19 z. B. über die weitere Zuleitung 20 an den Behälter 1 angeschlossen, so kann das hier zusätzlich dargestellte Ventil VR entfallen.
Alternativ kann der Behälter 1 für jede der an einen der Speicher angeschlossenen Zuleitungen eine eigene Befüllöffnung aufweisen, an die die Zuleitungen jeweils über ein Ventil angeschlossen sind. Diese Ausführungsform ist in dem in 2 dargestellten Ausschnitt einer alternativen Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. Dort sind vier Speicher 7a, 7b, 7c, 7d jeweils über eine daran angeschlossene Zuleitung 17a, 17b, 17c, 17d an eine der vier Befüllöffnungen 3a, 3b, 3c, 3d des Behälters 1 angeschlossen. Jede der vier Zuleitungen 17a, 17b, 17c, 17d ist behälterseitig mit einem Ventil VRa, VRb, VRc, VRd, vorzugsweise einem passiven Rückschlagventil, ausgestattet.
Ein Flüssigkeitsstrom aus einem oder zeitlich nacheinander aus mehreren Speichern 7, 9 in den Behälter 1, kann bei der in 1 dargestellten Variante nun jederzeit dadurch bewirkt werden, das die Flüssigkeit in dem jeweiligen Speicher 7, 9 über den Druckgeber 11 mit einem Druck p beaufschlagt wird, der weit genug über dem im Inneren des Behälters 1 herrschenden Druck liegt, um den Durchbrechdruck des jeweiligen Rückschlagventils VR1, VR2 bzw. VR und den Flusswiderstand der jeweiligen Zuleitung 17, 19 und 20 zu überwinden. Sobald der über das jeweilige Rückschlagventil VR1, VR2 bzw. VR abfallende Druck größer als dessen Durchbrechdruck ist, fließt ein Flüssigkeitsstrom aus dem jeweiligen Speicher 7 bzw. 9 in den Behälter 1, der mit zunehmendem, vom Druckgeber 11 erzeugtem Druck p ansteigt. Über eine entsprechende Ansteuerung des Druckgebers 11 und der Ventile V1, V2 kann die Flüssigkeitszufuhr vollautomatisch erfolgen. Dabei wird dem Behälter 1 in Abhängigkeit von dem erfindungsgemäßen Messverfahren und der Verwendung der Vorrichtung zu vorgegeben Zeiten Flüssigkeit A, B aus einem ausgewählten Speicher, aus mehreren ausgewählten Speichern, oder aus allen Speichern 7, 9 zugeführt, oder die Flüssigkeitszufuhr insgesamt unterbrochen.
Um die Flüssigkeitszufuhr aus einem oder mehreren Speichern 7, 9 zu unterbrechen, wird die Flüssigkeit A, B in den betroffenen Speichern 7, 9 vorzugsweise über eine entsprechende Ansteuerung des jeweiligen 3/2 Wege Umschaltventils V1, V2 in der zugehörigen Druckzuleitung 13, 15 mit dem Bezugsdruck p_B, insb. dem Atmosphärendruck, beaufschlagt. Hierdurch wird erreicht, dass der Druckabfall über dem jeweiligen Rückschlagventil VR1, VR2 bzw. VR unmittelbar unter den Durchbrechdruck absinkt, und keine Flüssigkeit A, B mehr durch die jeweilige Zuleitung 17, 19 bzw. 20 austreten kann. Alternativ kann bei Verwendung von aktiven Ventilen anstelle der passiven Rückschlagventile VR1, VR2 die Flüssigkeitszufuhr auch durch aktives Öffnen und Schließen dieser Ventile gesteuert werden. Hierbei muss jedoch in den Speichern 7, 9 ebenfalls ein hinreichender Überdruck gegenüber dem Volumen des Behälters 1 herrschen, um bei geöffnetem aktivem Ventil einen Volumenstrom der Flüssigkeit zu erzeugen.
Auf die gleiche Weise wird auch die Flüssigkeitszufuhr aus den einzelnen Speichern 7a, 7b, 7c, 7d der in 2 dargestellten Variante bewirkt, die hierzu entsprechend jeweils über eine mit einem 3/2 Wege Umschaltventil Va, Vb, Vc, Vd ausgestatte Druckzuleitung 13a, 13b, 13c, 13d an den Druckgeber 11 angeschlossen sind.
Im Unterschied zu der in 1 dargestellten Variante, bei der alle Speicher 7, 9 im Voraus mit Flüssigkeit befüllte Vorratsbehälter sind, ist in 2 beispielhaft ein Speicher, der Speicher 7a, als Probenentnehmer ausgebildet, der innerhalb der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einem vorgeschalteten Befüllvorgang mit einer Flüssigkeit S, z. B. einer zu analysierenden Probe, befüllt werden kann. Hierzu weist dieser Speicher 7a eine im Speicherinnenraum mündende mit einem Ventil VS1, vorzugsweise einem Rückschlagventil, ausgestattete Probenzuleitung LS auf, und der Speicherinnenraum ist über eine zwischen Speicher 7a und Ventil Va in die Druckzuleitung 13a angeschlossene mit einem Ventil V_V ausgestatte Abzweigung L_V an eine Vakuumpumpe P_V angeschlossen. Durch das Anlegen eines Vakuums an den Speicherinnenraum kann nun die Flüssigkeit S über die Probenzuleitung LS in den Speicher 7a gesaugt werden. Währenddessen wird der Füllstand im Speicherinnenraum vorzugsweise durch einen entsprechenden – hier durch zwei Elektroden E1, E2 dargestellten – Sensor überwacht. Um während des Befüllvorgangs ein Eintreten von Flüssigkeit über die zum Behälter 1 führende Zuleitung 17a zu unterbinden ist in dem mit der Zuleitung 17a verbundenen Ausgang des Speichers 7a ein weiteres Ventil VS2, vorzugsweise ebenfalls ein Rückschlagventil, vorgesehen.
In 3 ist eine alternative Ausgestaltung des anhand von 1 beschriebenen Ausführungsbeispiels gezeigt. Diese Ausgestaltung unterscheidet sich von der in 1 gezeigten Vorrichtung unter anderem dadurch, dass der Behälter 1 einen innerhalb des Behälters 1 beweglichen Stempel 51 umfasst, der den Behälter 1 in einen Flüssigkeitsraum 52, in den die Befüllöffnung 3 mündet, und einen Gasraum 53, der über den pneumatischen Anschluss 43 mit dem pneumatischen Druckgeber 11 in Verbindung steht, unterteilt. Der Stempel 51 liegt flüssigkeits- und gasdicht an der, beispielsweise zylindrischen, Innenwand des Behälters 1 an. Beispielsweise kann der Behälter 1 in dieser Ausgestaltung in Form einer herkömmlichen Spritze, vorzugsweise einer Einweg-Spritze aus Kunststoff, mit einem, insbesondere zylindrischen Spritzenkörper und einem darin beweglichen, flüssigkeits- und gasdicht an der Innenwand des Spritzenkörpers anliegenden Stempel 51 und einer diesem gegenüberliegenden, beispielsweise konusförmigen, als Befüllöffnung 3 dienende Spritzendüse ausgestaltet sein. Der zwischen Stempel 51 und Spritzendüse eingeschlossene Flüssigkeitsraum 52 dient zur Aufnahme für über die Befüllöffnung 3 in den Behälter 1 geleitete Flüssigkeit. Der auf der von dem Flüssigkeitsraum 52 abgewandten Seite des Stempels gebildete Gasraum 53 steht über einen pneumatischen Anschluss 43 mit dem Drucksensor 23 und bei geschlossenem Ventil V3 mit dem pneumatischen Druckgeber 11 in Verbindung.
Auch die Speicher 7 und 9 weisen in der Ausgestaltung gemäß 3 einen Hohlraum zur Flüssigkeitsaufnahme auf, in dem ein beweglicher, flüssigkeitsdicht an der Innenwand des Hohlraums anliegender Stempel 54, 55 angeordnet ist. Die Stempel 54, 55 teilen die Speicher 7, 9 jeweils in einen mit der Flüssigkeit A, B gefüllten Flüssigkeitsraum 56, 57 und einen gasgefüllten, über den Druckgeber 11 und die Ventile V1, V2 mit Druck beaufschlagbaren Gasraum 58, 59. Wie im Fall des Behälters 1 können die Flüssigkeitsbehälter 7 und 9 in dieser Ausgestaltung jeweils in Form einer herkömmlichen Spritze aus Glas oder Kunststoff mit einem, insbesondere zylindrischen Spritzenkörper und einem darin beweglichen, flüssigkeits- und gasdicht an der Innenwand des Spritzenkörpers anliegenden Stempel und einer diesem gegenüberliegenden beispielsweise konusförmigen Spritzendüse ausgestaltet sein, wobei die Spritzendüse jeweils mit der Zuleitung 17 bzw. 19 verbunden ist. Durch Druckbeaufschlagung der Gasräume 58, 59 mittels des pneumatischen Druckgebers 11 kann der Stempel vorwärts bewegt werden, sofern der angelegte Druck groß genug gewählt ist, um die Reibungskraft des Stempels 54 bzw. 55 und gegebenenfalls 51 an der jeweiligen Behälterinnenwand, die Leitungswiderstände der Zuleitungen 17, 19, 20 und den Durchbrechdruck der Ventile VR1, VR2 und VR3 zu überwinden, und so Flüssigkeit A, B in die Zuleitungen 17, 19 und auf diese Weise in Richtung des Behälters 1 transportieren.
Vorteile dieser Ausgestaltung des Behälters 1 und gegebenenfalls der Speicher 7 und 9 mit beweglichem Stempel sind die Vermeidung von gegenseitiger Kontaminationen der Flüssig- und der Gasphase, beispielsweise durch Mikroorganismen. Daneben wird auch vermieden, dass sich das zur Druckbeaufschlagung eingesetzte Gas in der Flüssigkeit löst. Gleichermaßen wird auf diese Weise wirkungsvoll das Auslaufen und das Verdunsten von Flüssigkeit aus den Speichern und/oder den Behältern verhindert. Zudem ist die Verwendung von Einmalspritzen sehr einfach zu realisieren. Auch die Einbaulage muss bei der Verwendung von Spritzen als Speicher und/oder Behälter nicht definiert werden.
Abgesehen von der Besonderheit der Probenentnahme gelten die nachfolgenden Ausführungen zu dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel und dessen Abwandlung gemäß 3 entsprechend auch für das Ausführungsbeispiel von 2.
Der Behälter 1 weist in seinem Innenraum ein vorgegebenes Ausgangsvolumen V₀ auf, das zu Beginn eines jeden Betriebszyklus der Vorrichtung keine Flüssigkeit enthält. An den Innenwänden gegebenenfalls noch anhaftende Tropfen oder Restfeuchtigkeit werden hierbei aufgrund ihres äußerst geringen Einflusses auf das erfindungsgemäße Verfahren als vernachlässigbar angesehen. An den Behälter 1 ist eine Vorrichtung angeschlossen, die dazu dient, in dem vorgegebenen Ausgangsvolumen V₀ vor dem Einströmen von Flüssigkeit Gas, insb. Luft, unter einem Ausgangsdruck p₀ einzuschließen. In der Ausgestaltung gemäß 3 umfasst das Ausgangsvolumen V₀ das Volumen des Gasraums 53 in einem Ausgangszustand des Behälters 1, in dem der Stempel 51 sich vorzugsweise in einer Ausgangsstellung in der Nähe der Befüllöffnung 3 des Behälters 1 befindet.
Vorzugsweise ist der ohnehin vorhandene regelbare pneumatische Druckgeber 11 über eine weitere mit einem Ventil V3, vorzugsweise einem 3/2 Wege Umschaltventil, ausgestalte Druckzuleitung 21 an den Behälter 1 angeschlossen. Der Ausgangsdruck p₀ kann ein vom Druckgeber 11 generierter Druck p sein, mit dem der Behälter 1 über die Druckzuleitung 21 beaufschlagt wird. Vorzugweise wird jedoch als Ausgangsdruck p₀ der oben genannte Bezugsdruck p_B, d. h. vorzugsweise der Atmosphärendruck, verwendet, mit dem der Behälter 1 durch eine entsprechende Ansteuerung des 3/2 Wege Umschaltventils V3 beaufschlagt wird. Das auf diese Weise im Behälter 1 im Ausgangsvolumen V₀ befindliche Gas wird anschließend eingeschlossen, indem der Behälter 1 durch die vollständige Schließung des Ventils V3 gas- und druckdicht verschlossen wird. Hiernach herrscht im Innern des nun geschlossenen Systems der Ausgangsdruck p₀.
Alternativ könnte das Ausgangsvolumen V₀ über eine hier nicht dargestellte Belüftungsöffnung im Behälter 1 mit Luft unter Atmosphärendruck befüllt, und anschließend mittels eines geeigneten Verschlusses gasdicht verschlossen werden.
Um das Ausgangsvolumen V₀ auf reproduzierbare Weise vorgeben zu können, wird vorzugsweise vorab ein definierter Ausgangszustand der Vorrichtung bewirkt, bei dem die Zuleitungen 17, 19 bzw. 20 bis zu dem jeweiligen darin befindlichen Ventil VR1, VR2 bzw. VR mit Flüssigkeit A, B befüllt sind. Das reproduzierbar vorgebbare Ausgangsvolumen V₀ umfasst nun das nicht mit Flüssigkeit gefüllte restliche Leitungsvolumen der Zuleitungen 17, 19 bzw. 20 zwischen dem jeweiligen Ventil VR1, VR2 bzw. VR und der Behälteröffnung 3, das Innenvolumen des Behälters 1 und das Leitungsvolumen im Inneren der Druckzuleitung 21 vom Behälter 1 bis zum Ventil V3. Im Ausführungsbeispiel gemäß 3 wird der Stempel 51 in die Ausgangsstellung in der Nähe der Befüllöffnung 3 gebracht. Zur Festlegung dieser Ausgangsstellung kann an der Behälterinnenwand ein Anschlag für den Stempel 51 gebildet sein.
An den Behälter 1 ist ein Drucksensor 23 angeschlossen, mit dem ein Gasdruck p_G im Inneren des Behälters 1 gemessen wird. Sofern der Drucksensor 23 nicht unmittelbar im Inneren des Behälters 1 angeordnet ist, so bildet auch das Innenvolumen der Anschlussleitung 22 über die der Gasdruck p_G dem Drucksensor 23 zugeführt wird, einen Bestandteil des Ausgangsvolumens V₀.
In einem ersten Verfahrensschritt wird – wie oben bereits erläutert- das Gas unter dem Ausgangsdruck p₀ im Ausgangsvolumen V₀ eingeschlossen. Vorzugsweise werden die Flüssigkeiten in den Speichern 7, 9 während der Druckbeaufschlagung des Ausgangsvolumens V₀ mit dem Ausgangsdruck p₀ parallel dazu über die in deren Druckzufuhrleitungen 13, 15 eingesetzten 3/2 Wege Umschaltventile V1, V2 ebenfalls mit Gas unter dem Ausgangsdruck p₀ beaufschlagt. Hierdurch wird eine definierte Ausgangssituation geschaffen, bei der kein Druckabfall über die Rückschlagventile VR1, VR2 bzw. VR besteht. Die Rückschlagventile VR1, VR2 bzw. VR verhindern in diesem Verfahrensschritt das Eindringen von Flüssigkeit in den Behälter 1.
Im nächsten Verfahrensschritt wird der mit Gas unter dem Ausgangsdruck p₀ gefüllte Behälter 1 durch das vollständige Schließen des Ventils V3 gasdicht verschlossen, und der Ausgangsdruck p₀ im Behälter 1 mit dem Drucksensor 23 gemessen.
Anschließend wird ein Flüssigkeitsstrom aus einem oder mehreren Speichern 7, 9 in den Behälter 1 bewirkt. Hierzu wird der vom Druckgeber 11 generierte Druck p über die Druckzuleitungen 13, 15 durch eine entsprechende Ansteuerung der Ventile V1, V2 ausschließlich den Speichern 7, 9 zugeführt, die Flüssigkeit ausgeben sollen. Zur Bewirkung des Flüssigkeitsstromes in den Behälter 1 wird der Druck p des Druckgebers 11 auf einen Druck p erhöht der weit genug über dem im Inneren des Behälters 1 herrschenden Druck liegt, um den Durchbrechdruck des jeweiligen Rückschlagventils VR1, VR2 bzw. VR und den Flusswiderstand der jeweiligen Zuleitung 17, 19 und der Zuleitung 20 zu überwinden. Im Ausführungsbeispiel gemäß 3 muss zusätzlich der Reibungswiderstand der in den Speichern 7, 9 angeordneten Stempel 54, 55 und des im Behälter 1 angeordneten Stempels 1 überwunden werden. Dabei gilt, dass der Flüssigkeitsstrom umso größer ist, je höher der Druck p ist.
Die in den Behälter 1 einströmende Flüssigkeit, die bei der Ausgestaltung gemäß 3 eine Verschiebung des Stempels 51 in Richtung des pneumatischen Anschlusses 43 bewirkt, komprimiert das im Behälter 1, insbesondere im Gasraum 53 eingeschlossene Gas auf ein vom insgesamt eingeströmten Volumen V(t) der Flüssigkeit abhängiges Gasvolumen V_G, das näherungsweise gleich der Differenz aus dem Ausgangsvolumen V₀ und dem Volumen V(t) der insgesamt bis zu dem jeweiligen Zeitpunkt t eingeströmten Flüssigkeit ist. Geringfügige, in der Regel vernachlässigbar geringe Abweichungen von dieser Differenz beruhen auf der Kompressibilität der jeweiligen Flüssigkeit und der Löslichkeit des Gases in der jeweiligen Flüssigkeit. Die einströmende Flüssigkeit bewirkt hierdurch einen vom eingeströmten Volumen V(t) und vom einströmenden Volumenstrom dV(t)/dt abhängigen Anstieg des Gasdrucks p_G(t) des Gases im Behälter 1 gegenüber dem Ausgangsdruck p₀.
Erfindungsgemäß wird der Gasdruck p_G(t) des Gases im Behälter 1 als Funktion der Zeit t gemessen, und anhand des gemessenen Gasdrucks p_G(t) das in den Behälter 1 bis zur Zeit t insgesamt eingeströmte Volumen V(t) und/oder der in den Behälter 1 zur Zeit t einströmende Volumenstrom dV(t)/dt bestimmt.
Unter der Annahme, dass sich das eingeschlossene Gas wie ein ideales Gas verhält, gilt das Boyle-Mariotte Gesetz, wonach das Produkt von Gasdruck p_G und Gasvolumen V_G des eingeschlossenen Gases bei gleich bleibender Temperatur konstant, und damit hier gleich dem Produkt von Ausgangsdruck p₀ und Ausgangsvolumen V₀ ist. Damit gilt näherungsweise: p_GV_G = p_G(V₀ – V) = p₀V₀
Anhand dieser Beziehung ergibt sich das bis zur Zeit t eingeströmte Volumen V(t) der Flüssigkeit zu:
und der zur Zeit t einströmende Volumenstrom dV(t)/dt zu:
Beide Größen können unmittelbar anhand des als Funktion der Zeit t gemessenen Gasdrucks p_G(t) berechnet werden.
Hierzu umfasst die Vorrichtung eine an den Drucksensor 23 angeschlossene elektronische Einheit 25, die anhand des nach dem Verschließen des unter dem Ausgangsdruck p₀ mit dem Ausgangsvolumen V₀ an Gas befüllten Behälters 1 mit dem Drucksensor 23 als Funktion der Zeit t gemessenen Gasdrucks p_G(t) während eines jeden Betriebszyklusses das eingeströmte Volumen V(t) und/oder den einströmenden Volumenstrom dV(t)/dt der Flüssigkeit bestimmt.
Da es unter Umständen sehr schwer oder aufwendig sein kann, das Ausgangsvolumen V₀ im Behälter 1 genau zu ermitteln und sich das Verhalten des Gases, z. B. aufgrund von darin enthaltener Feuchtigkeit, geringfügig von dem eines idealen Gases unterscheiden kann, wird vorzugsweise vorab ein Kalibrationsverfahren ausgeführt.
Hierzu wird ein relativer Gasdruck p_R definiert, der gleich einem Quotienten aus dem Ausgangsdruck p₀ und dem gemessenen Gasdruck p_G ist.
In dem vorgeschalteten Kalibrationsverfahren wird ausgehend von dem zuvor beschriebenen definierten Ausgangszustand mit dem im Ausgangsvolumen V₀ unter dem Ausgangsdruck p₀ eingeschlossenen Gas eine Kenngröße m_V der Vorrichtung bestimmt, die die Steigung des relativen Gasdrucks p_R in Abhängigkeit vom eingeströmten Volumen V angibt.
Diese Änderung des relativen Gasdrucks p_R pro Änderung des eingeströmten Volumens V kann beispielsweise bestimmt werden, in dem der Behälter 1 sukzessiv mit mehreren bekannten Referenzvolumen befüllt, und anhand der dabei gemessenen Gasdrücke p_G die zugehörigen relativen Gasdrücke p_R als Funktion des jeweils im Behälter 1 befindlichen Flüssigkeitsvolumens aufgezeichnet werden. Alternativ kann die Kenngröße m_V ermittelt werden, indem der Behälter 1 mit einem konstanten bekannten Referenzvolumenstrom an Flüssigkeit befüllt wird, aus dem das eingeströmte Volumen V durch Integration über die Zeit abgeleitet wird, und die zugehörigen relativen Gasdrücke p_R als Funktion des eingeströmten Volumens V anhand der gemessenen Gasdrücke p_G aufgezeichnet werden. In beiden Fällen wird die Steigung der aufgezeichneten die relativen Gasdrücke p_R als Funktion des eingeströmten Volumens V wiedergebenden Kennlinie bestimmt, die gleich der gesuchten Kenngröße m_V ist.
Die Kenngröße m_V ist eine Konstante, die im Wesentlichen dem negativen Kehrwert des Ausgangsvolumens V₀ entspricht, und zugleich Abweichungen des Verhaltens des Gases von dem eines idealen Gases mit berücksichtigt.
Wenn ein solches Kalibrationsverfahren nicht ausgeführt werden kann oder soll, so kann – bei bekanntem oder durch Messung bestimmten Ausgangsvolumen V₀ – für das nachfolgend weiter beschriebene Verfahren anstelle der Kenngröße m_V ein Näherungswert m_V' mit:
verwendet werden.
Im Anschluss an das Kalibrationsverfahren wird die Flüssigkeit aus dem Behälter 1 entleert und der definierte Ausgangszustand wieder hergestellt.
Der anschließende Betrieb der Vorrichtung erfolgt vorzugsweise in aufeinander folgenden Betriebszyklen, in denen ausgehend vom Ausgangszustand Gas unter dem Ausgangsdruck p₀ im Ausgangsvolumen V₀ eingeschlossen wird, der Behälter 1 anschließend mit Flüssigkeit befüllt wird, und abschließend die insgesamt in dem jeweiligen Betriebszyklus in den Behälter 1 eingeströmte Flüssigkeit aus dem Behälter 1 abgeführt wird.
Während des Befüllvorgangs wird das bis zum Zeitpunkt t insgesamt eingeströmte Volumen V(t) als Quotient aus dem um 1 reduzierten relativen Gasdruck p_R(t) und der Kenngröße m_V bestimmt. D. h.:
Während des Befüllvorgangs wird anhand des als Funktion der Zeit gemessenen Gasdrucks p_G(t) eine zeitliche Änderungsrate dp_R/dt des relativen Gasdrucks p_R bestimmt, und der zu messende Volumenstrom dV(t)/dt der einströmenden Flüssigkeit gleich einem Quotienten aus der zeitlichen Änderungsrate dp_R/dt des relativen Gasdrucks p_R und der Kenngröße m_V gesetzt.
Das insgesamt in den Behälter 1 bis zum Zeitpunkt t eingeströmte Volumen V(t) kann alternativ auch durch eine Integration bzw. Summation der auf die letztgenannte Weise gemessenen Volumenströme dV(t)/dt über diesen Zeitraum bestimmt werden.
Vorzugsweise besitzen alle Komponenten, die das Volumen V₀ umgeben, näherungsweise die gleiche Temperatur, die vorzugsweise zumindest näherungsweise gleich der Temperatur des im Volumen V₀ eingeschlossenen Gases ist. Lokale Temperaturveränderungen innerhalb des Volumens V₀, z. B. durch Erwärmung des Ventils V3, sollten nach Möglichkeit vermieden werden, da hierdurch Druckänderungen bewirkt werden können, die zu einer temperaturabhängigen Messungenauigkeit führen. Eine durch eine vorwiegend homogene Temperaturveränderung des im Volumen V₀ eingeschlossenen Gases bewirkte Druckänderung kann mit Hilfe eines in das Volumen V₀ integrierten Temperatursensors, z. B. anhand der aus der Zustandsgleichung idealer Gase folgenden linearen Temperaturabhängigkeit des Produkts von Gasdruck p_G und Gasvolumen V_G, kompensiert werden.
Die Befüllung des Behälters 1 und die Messung von eingeströmtem Volumen V und/oder einströmendem Volumenstrom dV/dt können nun solange fortgesetzt werden, bis der Gasdruck p_G im Behälter 1 bzw. im Gasraum 53 (3) einen vorgegebenen Maximaldruck p_Gmax erreicht. Dieser Maximaldruck wird durch verschiedene physikalische Größen, wie beispielsweise die Flüssigkeitsaufnahmekapazität des Behälters 1, die Druckfestigkeit der Zuleitungen 17, 19 bzw. 20 und des Behälters 1 und den Maximaldruck von Druckgeber 11 oder Drucksensor 23 vorgegeben. Bevorzugt wird der Maximaldruck p_Gmax jedoch auf einen Druck von weniger als 2 bar, z. B. auf einen Druck von 1 bar, gegenüber Atmosphäre festgelegt. Hierdurch wird bei den Ausführungsbeispielen gem. 1 und 2 verhindert, dass sich das Gas in nennenswertem Maße in der Flüssigkeit löst, was ansonsten zu einer Beeinträchtigung der Messgenauigkeit führen könnte. Sofern die Verwendung der Vorrichtung dies erfordert, kann die Befüllung natürlich auch vor dem Erreichen des dem Maximaldruck p_Gmax entsprechenden Maximalvolumens V_max an Flüssigkeit im Behälter 1 beendet werden.
Im Anschluss an den Befüllvorgang wird die im Behälter 1 befindliche Flüssigkeit aus dem Behälter 1 abgeführt.
Hierzu ist der Behälter 1 über eine mit einem Ablassventil V_A ausgestatte Ablassleitung 27 an ein Aufnahmegefäß 29 angeschlossen, in das die in dem Behälter 1 befindliche Flüssigkeit abgeführt werden kann. Auch hier wird vorzugsweise ein modularer Aufbau gewählt.
Das Aufnahmegefäß 29 ist vorzugsweise mit einer Entlüftungsöffnung 31 versehen, über die dessen Innenraum mit dem Umgebungsdruck beaufschlagt ist.
Das Ablassventil V_A ist vorzugsweise ebenfalls ein passives Rückschlagventil, das einen Durchbrechdruck aufweist, der größer als die Differenz zwischen dem maximalen Gasdruck p_Gmax und dem Umgebungsdruck ist. Damit ist gewährleistet, dass das Ablassventil V_A die Ablassleitung 27 während des Befüllvorgangs sperrt.
Zur Abführung der Flüssigkeit aus dem Behälter 1 wird die Flüssigkeitszufuhr in den Behälter 1 – wie oben bereits beschrieben – unterbrochen. Anschließend wird das Ventil V3 geöffnet und die im Behälter 1 enthaltene Flüssigkeit bzw. der Stempel 51 (vgl. 3) über den Druckgeber 11 mit einem Druck p beaufschlagt, der ausreichend dimensioniert ist, um die Flüssigkeit durch das Rückschlagventil V_A hindurch über die Ablassleitung 27 ausströmen zu lassen. D. h. der Druck p muss groß genug gewählt sein, um den Durchbrechdruck des Rückschlagventils V_A und den Leitungswiderstand der Ablassleitung 27 und gegebenenfalls den Reibungswiderstand des Stempels 51 zu überwinden. Diese Druckbeaufschlagung bewirkt die Öffnung des Rückschlagventils V_A und das Ausströmen der Flüssigkeit in das Aufnahmegefäß 29.
Nach dem Entleeren des Behälters 1 befindet sich die Vorrichtung wieder im Ausgangszustand und es kann unmittelbar der nächste Betriebszyklus in der oben beschriebenen Weise ausgeführt werden.
Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung eine an den Drucksensor 23 angeschlossene Steuerung 33, die im Anschluss an das Kalibrationsverfahren anhand des gemessenen Gasdrucks p_G durch eine entsprechende Ansteuerung des Druckgebers 11, der Ventile V1, V2 und des Ventils V3 einen vollautomatischen Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung bewirkt. Die Steuerung 33 ist beispielsweise integraler Bestandteil der elektronischen Einheit 25.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann auf vielfältige Weise verwendet bzw. betrieben werden.
Eine erste Verwendung besteht darin, die Vorrichtung als automatisierte Mikrospritze zur Dosierung von Flüssigkeiten zu betreiben, die beispielsweise zu vorgegebenen Zeiten vorgegebene Sollvolumina einzelner Flüssigkeiten ausgibt.
Hierzu steuert die Steuerung 33, die durch die Vorrichtung zur Bewirkung des Flüssigkeitsstromes bewirkte Flüssigkeitszufuhr aus mindestens einem ausgewählten Speicher 7, 9 in Abhängigkeit von dem gemessenen in den Behälter 1 eingeströmten Volumen V(t), und beendet die Flüssigkeitszufuhr durch Schließung der Ventile V1, V2, wenn das gemessene Volumen V(t) das jeweilige vorgegebene Sollvolumen erreicht. Dabei wird über die Steuerung der Ventile V1, V2 vorgegeben, aus welchem Speicher 7, 9 bzw. welchen Speichern 7, 9 der Behälter 1 bis zum Erreichen des jeweiligen Sollvolumens in dem jeweiligen Betriebszyklus mit Flüssigkeit befüllt wird.
So kann in dem Behälter 1 beispielsweise zunächst ein Sollvolumen V_SA der Flüssigkeit A aus dem Speicher 7 abgemessen werden, dass dann über die Ablassleitung 27 ausgegeben wird. Anschließend kann ein Sollvolumen V_SB der Flüssigkeit B aus dem Speicher 9 abgemessen werden, dass dann über die Ablassleitung 27 ausgegeben wird. Ebenso kann durch eine parallele Befüllung des Behälters 1 mit Flüssigkeit A und B aus beiden Speichern 7, 9 ein Sollvolumen V_SAB abgemessen und nachfolgend ausgegeben werden, das beide Flüssigkeiten A und B enthält.
Darüber hinaus ist die Vorrichtung in der Lage, ein Sollvolumen einer Flüssigkeit abzumessen und auszugeben, das zwei oder mehr verschiedene, in entsprechend vielen Speichern 7, 9 bereitgestellte Flüssigkeiten A, B, in einem vorgegebenen Mischungsverhältnis enthält. Hierzu wird der Behälter 1 innerhalb eines einzigen Betriebszyklusses über eine entsprechende Steuerung der Vorrichtung zur Bewirkung des Flüssigkeitsstromes sukzessiv mit den vorgegebenen Sollvolumina V_SA, V_SB der einzelnen Flüssigkeiten A, B aus den einzelnen Speichern A, B befüllt, wobei das Erreichen der jeweiligen Sollvolumina V_SA, V_SB anhand des gemessenen in den Behälter 1 insgesamt eingeströmten Volumens V(t) und dem zu Beginn der Befüllung mit der jeweiligen Flüssigkeit A, B aus dem jeweiligen Speicher 7, 9 bereits in dem Behälter 1 befindlichen mit der Vorrichtung gemessenen eingeströmten Volumens V überwacht wird.
Bei der sukzessiven Befüllung des Behälters 1 mit den unterschiedlichen Sollvolumen V_SA, V_SB der einzelnen Flüssigkeiten A, B wird vorzugsweise mit der Befüllung mit der Flüssigkeit A, B begonnen, von der das größte Sollvolumen V_SA, V_SB benötigt wird, und die Befüllung dann sukzessiv jeweils mit der Flüssigkeit A, B fortgesetzt, von der das nächst kleinere Sollvolumen V_SA, V_SB benötigt wird. Dies bietet den Vorteil eines bezogen auf das jeweilige Sollvolumen V_SA, V_SB geringeren relativen, durch die Messgenauigkeit des Drucksensors 23 bedingten, Messfehlers.
Durch eine Erweiterung der in 1 dargestellten Vorrichtung zur Bewirkung des Flüssigkeitsstromes um weitere auf die gleiche Weise angeschlossene, mit weiteren Flüssigkeiten gefüllten Speichern kann die Anzahl der unterschiedlichen in vorgegebenen Mischungsverhältnissen vermischbaren und dosierbaren Flüssigkeiten auf drei oder mehr erhöht werden. Alternativ kann auch hier ein modularer Aufbau gewählt werden, der einen vorzugsweise ebenfalls automatisierten Austausch einzelner Speicher ermöglicht.
Darüber hinaus kann der Behälter 1 als Mischbehälter verwendet werden, der nach seiner Befüllung mit den einzelnen Sollvolumen V_SA, V_SB etc. als Speicher, im Sinne der hier beschriebenen Speicher 7, 9, in einer komplexeren Vorrichtung zur Verfügung steht.
Eine weitere Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht in der Erzeugung von geregelten Volumenströmen einstellbarer Größe.
Dabei wird der in den Behälter 1 einströmende Volumenstrom dV/dt anhand des gemessenen einströmenden Volumenstroms dV/dt durch eine entsprechende Regelung der Flüssigkeitszufuhr in den Behälter 1 auf einen vorgegebenen Sollwert geregelt. Hierzu ist eine vorzugsweise ebenfalls in der elektronischen Einheit 25 integrierte, an die Steuerung 33 angeschlossene Regeleinrichtung 35 vorgesehen, die die Flüssigkeitszufuhr über die Steuerung des Druckgebers 11 und der Ventile V1, V2 entsprechend regelt.
Bei dieser Verwendung wird der Behälter 1 über eine einzige Speiseleitung SP befüllt, durch die die gesamte in den Behälter 1 einströmende Flüssigkeit fließt. Der durch diese Speiseleitung SP fließende Volumenstrom ist folglich gleich dem in den Behälter 1 einströmenden Volumenstrom dV/dt und wird entsprechend ebenfalls auf den Sollvolumenstrom geregelt.
Die Speiseleitung SP umfasst hier die ausgangsseitig an die Vorrichtung zur Erzeugung des Flüssigkeitsstromes angeschlossene Zuleitung 20, durch die die insgesamt in den Behälter 1 einströmende Flüssigkeit fließt.
In der in 1 dargestellten Vorrichtung kann durch eine entsprechende Steuerung der Flüssigkeitszufuhr wahlweise eine der Zuleitungen 17, 19 als Teil SP17, SP19 der Speiseleitung SP betrieben werden. Hierzu wird der Behälter 1 durch eine entsprechende Ansteuerung der Ventile V1, V2 in den zu den Speichern 7, 9 führenden Druckzuleitungen 13, 15 ausschließlich mit Flüssigkeit aus einem der Speicher 7, 9 befüllt, so dass die während dessen insgesamt in den Behälter 1 einströmende Flüssigkeit durch die jeweilige Zuleitung 17 bzw. 19 fließt.
Ebenso können natürlich analog zu der dargestellten Vorrichtung aufgebaute Vorrichtungen verwendet werden, bei denen einige ausgewählte Speicher ausgangsseitig in eine Speiseleitung münden, über die dann in diesem Betriebsmodus die gesamte Flüssigkeitszufuhr in den Behälter 1 erfolgt. Auch bei dieser Variante wird die Flüssigkeitszufuhr aus allen übrigen nicht an die Speiseleitung angeschlossenen Speichern durch die Schließung der zugehörigen Ventile in den zugehörigen Druckzuleitungen unterbunden.
Die automatisierte Erzeugung vorgegebener Sollvolumenströme durch die Speiseleitung SP ist insb. bei der Messung und/oder Überwachung chemischer und/oder physikalischer Eigenschaften der durch die Speiseleitung SP strömenden Flüssigkeit sowie bei der Analyse dieser Flüssigkeit von großem Vorteil.
Auf diese Weise kann mittels der Vorrichtung während des zugehörigen Befüllvorgangs ein durch eine in die Speiseleitung SP eingesetzte Mess- und/oder Analyseeinrichtung 37 fließender Volumenstrom auf einen vorgegebenen für die Messung und/oder Analyse optimalen Sollvolumenstrom geregelt werden.
Anstelle oder zusätzlich zu der in die – hier durch die Zuleitung 20 gebildeten – Speiseleitung SP eingesetzten Mess- und/oder Analyseeinheit 37 kann in die über den Speicher 7 gespeiste Zuleitung 17 und/oder in die über den Speicher 9 gespeiste Zuleitung 19 zum Behälter 1 eine weitere Mess- und/oder Analyseeinrichtung 37a, 37b eingesetzt werden.
Während der Behälter 1 ausschließlich mit Flüssigkeit A aus dem Speicher 7 befüllt wird, fließt der insgesamt in den Behälter 1 einströmende Volumenstrom dV/dt durch die Zuleitung 17, die hierdurch Teil SP17 der Speiseleitung SP wird. Entsprechend kann der Volumenstrom durch die Mess- und/oder Analyseeinrichtung 37a in diesem Fall anhand des gemessenen Volumenstroms dV/dt auf einen vorgegebenen Sollvolumenstrom geregelt werden.
Während der Behälter 1 ausschließlich mit Flüssigkeit B aus dem Speicher 9 befüllt wird, fließt der insgesamt in den Behälter 1 einströmende Volumenstrom dV/dt durch die Zuleitung 19, die hierdurch Teil SP19 der Speiseleitung SP wird. Entsprechend kann der Volumenstrom durch die Mess- und/oder Analyseeinrichtung 37b auch in diesem Fall anhand des gemessenen Volumenstroms dV/dt auf einen vorgegebenen Sollvolumenstrom geregelt werden.
Wird der Behälter 1 – wie oben erwähnt – als Mischbehälter verwendet, der nach seiner Befüllung mit einzelnen Sollvolumen V_SA, V_SB etc. als Speicher, im Sinne der hier beschriebenen Speicher 7, 9, in einer komplexeren Vorrichtung eingesetzt wird, so kann auch die Ablassleitung 27 als Speiseleitung in dem oben beschriebenen Sinne betrieben werden, und der Volumenstrom durch eine in die Ablassleitung 27 eingesetzte – hier nicht dargestellte – Mess- und/oder Analyseeinrichtung geregelt werden. Darüber hinaus ist es natürlich grundsätzlich immer möglich, in die Ablassleitung 27 solche Mess- und/oder Analyseeinrichtungen einzusetzen, die auch ohne eine Regelung des durch sie hindurchströmenden Volumenstroms funktionsfähig sind.
Die erfindungsgemäß Vorrichtung ist damit äußerst vielseitig einsetzbar.
Die einfachste Verwendung besteht in der reinen Messung des eingeströmten Volumens V(t) und/oder des einströmenden Volumenstroms dV(t)/dt in den Behälter 1.
Darüber hinaus können mit ihr – wie oben beschrieben – vorgegebene Sollvolumina V_SA, V_SB abgemessen und einzeln oder in vorgegebenen Mischungsverhältnissen dosiert ausgegeben werden. Dies wird insb. in der chemischen und biochemischen Analytik in homogener Flüssigphase benötigt.
Darüber hinaus können mit der Vorrichtung Sollvolumenströme durch die Speiseleitung SP, bzw. SP17 oder SP19 eingestellt werden. Diese Eigenschaft wird insb. in der oberflächengebundenen chemischen und biochemischen Analytik, z. B. für den Betrieb eines automatisierten Immunoassays, benötigt.
Dabei ist es ohne weiteres möglich, die gleiche Vorrichtung in einem Betriebszyklus oder in aufeinander folgenden Betriebszyklen sowohl zur Erzeugung eines Sollvolumenstroms durch eine der Mess- und/oder Analyseeinrichtungen 37, 37a, 37b als auch zur hochgenauen Dosierung von vorgegebenen Sollvolumen einzelner Flüssigkeiten oder mehrerer in einem vorgegebenen Mischungsverhältnissen zu mischenden Flüssigkeiten der einzelnen in den Speicher 7, 9 bereitgestellten Flüssigkeiten A, B einzusetzen.
So kann der Behälter 1 beispielsweise zunächst unter Einhaltung eines vorgegebenen Sollvolumenstroms durch die in der Zuleitung 17 eingesetzte Mess- und/oder Analyseeinrichtung 37a mit einem vorgegebenen Sollvolumen V_SA der Flüssigkeit A befüllt werden, anschließend unter Einhaltung eines vorgegebenen Sollvolumenstroms durch die in der Zuleitung 19 eingesetzte Mess- und/oder Analyseeinrichtung 37b mit einem vorgegebenen Sollvolumen V_SB der Flüssigkeit B befüllt werden, und abschließend die im Behälter 1 in dem durch die beiden Sollvolumina V_SA und V_SA vorgegebenen Mischungsverhältnis aus den Flüssigkeiten A und B zusammengesetzte Flüssigkeit ausgegeben werden.
Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen bieten den Vorteil, dass durch sie Dosierungen und Volumenstromregelungen in nahezu beliebiger Weise hintereinander und/oder in Kombination miteinander ausgeführt werden können. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung können folglich äußerst komplexe Abläufe und Verfahren voll automatisch ausgeführt werden.
Dabei bietet der modulare Aufbau den Vorteil, dass über den vorzugsweise automatisierten Austausch von Speichern 7, 9 und/oder Aufnahmegefäßen 25 ein hohes Maß an Flexibilität besteht und praktisch beliebig viele unterschiedliche Flüssigkeiten A, B verarbeitet werden können.
Idealer Weise werden dabei alle Flüssigkeit beinhaltenden und alle Flüssigkeit führenden Komponenten, also die Speicher 7, 9, der Behälter 1, die Aufnahmegefäße 29, und die Zuleitungen 17, 19, 20 als Modulbausteine ausgebildet, die zu einer Baugruppe zusammengefügt werden. Ebenso sind alle übrigen mechanischen, pneumatischen und elektronischen Komponenten, also der Druckgeber 11, die elektronische Einheit 25, der Drucksensor 23 und die Druckzuleitungen 13, 15, 21, 22 und die darin enthaltenen Ventile V1, V2, V3, vorzugsweise zu einer Einheit zusammengefasst. Diese Einheit kann nun in Verbindung mit unterschiedlichen Baugruppen eingesetzt werden, wobei der Anschluss der Einheit an die jeweilige Baugruppe auf einfache Weise über vorteilhafterweise mit flüssigkeitsundurchlässigen gasdurchlässigen Membranen oder Filtern ausgestattete pneumatische Anschlüsse 39, 41, 43 erfolgt. Eine pneumatische Schnittstelle ist auch in der am 25.03.2010 eingereichten Deutschen Patentanmeldung der Anmelderin mit der Anmeldenummer 10 2010 00 33 04.9 beschrieben.
Bezugszeichenliste

1: Behälter
3: Befüllöffnung
5: Flüssigkeitszufuhreinrichtung
7: Speicher
9: Speicher
11: regelbarer pneumatischer Druckgeber
13: Druckzuleitung
15: Druckzuleitung
17: Zuleitung
19: Zuleitung
21: Druckzuleitung
23: Drucksensor
25: elektronische Einheit
27: Ablassleitung
29: Aufnahmegefäß
31: Entlüftungsöffnung
33: Steuerung
35: Regeleinrichtung
37: Mess- und/oder Analyseeinrichtung
39: pneumatischer Anschluss
41: pneumatischer Anschluss
43: pneumatischer Anschluss
51: Stempel
52: Flüssigkeitsraum
53: Gasraum
54: Stempel
55: Stempel
56: Flüssigkeitsraum
57: Flüssigkeitsraum
58: Gasraum
59: Gasraum

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2007/147786 A1 [0008]
DE 102010003304 [0117]

Claims

Verfahren zur Messung eines Volumenstroms (dV(t)/dt) einer in einen Behälter (1) einströmenden Flüssigkeit (A, B) und/oder eines in den Behälter (1) eingeströmten Volumens (V(t)) der Flüssigkeit (A, B), bei dem – vor dem Einströmen der Flüssigkeit (A, B) in einem vorgegebenen Ausgangsvolumen (V₀) im Behälter (1) ein Gas unter einem Ausgangsdruck (p₀) eingeschlossen wird, – die anschließend in den Behälter (1) einströmende Flüssigkeit (A, B) das eingeschlossene Gas auf ein von dem Volumen (V(t)) der eingeströmten Flüssigkeit abhängiges Gasvolumen komprimiert, und einen vom eingeströmten Volumen (V(t)) und vom einströmenden Volumenstrom (dV(t)/dt) abhängigen Anstieg des Gasdrucks (p_G) des Gases im Behälter (1) gegenüber dem Ausgangsdruck (p₀) bewirkt, – der Gasdruck (p_G) im Behälter als Funktion der Zeit (t) gemessen wird, und – das bis zur Zeit (t) eingeströmte Volumen (V(t)) und/oder der zur Zeit (t) einströmende Volumenstrom (dV(t)/dt) anhand des gemessenen Gasdrucks (p_G(t)) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das bis zur Zeit (t) eingeströmte Volumen (V(t)) anhand des zur Zeit (t) gemessenen Gasdrucks (p_G(t)) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem – eine zeitliche Änderung des gemessenen Gasdrucks (p_G) bestimmt wird, und – der zur Zeit (t) in den Behälter (1) einströmende Volumenstrom (dV(t)/dt) anhand der zeitlichen Änderung des gemessenen Gasdrucks (p_G) zur Zeit (t) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem – ein relativer Gasdruck (p_R) definiert wird, der gleich einem Quotienten aus dem Ausgangsdruck (p₀) und dem Gasdruck (p_G) ist, – eine Kenngröße (m_V, m'_V) bestimmt wird, die die Steigung des relativen Gasdrucks (p_R) in Abhängigkeit vom eingeströmten Volumen (V(t)) angibt, – während des Einströmens der Flüssigkeit in den Behälter (1) anhand des als Funktion der Zeit (t) gemessenen Gasdrucks (p_G) der relative Gasdruck (p_R) als Funktion der Zeit (t) bestimmt wird, – das Volumen (V(t)) und/oder der Volumenstrom (dV(t)/dt) anhand des relativen Gasdrucks (p_R) bestimmt werden.
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die Kenngröße (m_V) in einem vorgeschalteten Kalibrationsverfahren bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, bei dem das bis zum Zeitpunkt (t) eingeströmte Volumen (V(t)) als Quotient aus dem um 1 reduzierten relativen Gasdruck (p_R) zur Zeit (t) und der Kenngröße (m_V, m'_V) bestimmt wird, und/oder. – eine zeitliche Änderungsrate des relativen Gasdrucks (dp_R(t)/dt) bestimmt wird, und – der zur Zeit (t) einströmende Volumenstrom (dV(t)/dt) als Quotient aus der zeitliche Änderungsrate des relativen Gasdrucks (dp_R(t)/dt) und der Kenngröße (m_V, m'_V) bestimmt wird.
Vorrichtung zur Ausführung eines Verfahrens gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, mit – einer an den Behälter (1) angeschlossenen Vorrichtung, die dazu dient, Gas in einem vorgegebenen Ausgangsvolumen (V₀) im Innraum des Behälters (1) vor dem Einströmen der Flüssigkeit unter einem Ausgangsdruck (p₀) einzuschließen, – einem Drucksensor (23) zur Messung des Gasdrucks (p_G) im Behälter (1), – einer an eine in den Innenraum des Behälter (1) mündende Befüllöffnung (3) des Behälters (1) angeschlossene Flüssigkeitszufuhreinrichtung (5), die dazu dient dem Behälter (1) Flüssigkeit (A, B) zuzuführen, und – einer elektronischen Einheit (25), – die anhand des nach dem Verschließen des unter dem Ausgangsdruck (p₀) mit dem Ausgangsvolumen (V₀) an Gas befüllten Behälters (1) mit dem Drucksensor (23) gemessenen Gasdrucks (p_G) das Volumen (V(t)) der eingeströmten Flüssigkeit und/oder den Volumenstrom (dV(t)/dt) der einströmenden Flüssigkeit bestimmt.
Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei der Behälter (1) einen im Innenraum des Behälters (1) beweglichen, flüssigkeits- und gasdicht an einer den Innenraum einschließenden Behälterwand anliegenden Stempel (51) umfasst, der den Behälter 1 in einen Flüssigkeitsraum (52), in den die Befüllöffnung (3) mündet, und einen Gasraum (53), der mit der Vorrichtung, die dazu dient, Gas in einem vorgegebenen Ausgangsvolumen (V₀) im Innraum des Behälters (1) vor dem Einströmen der Flüssigkeit unter einem Ausgangsdruck (p₀) einzuschließen, und dem Drucksensor (23) in Verbindung steht, unterteilt.
Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, die eine Steuerung (33) umfasst, die die durch die Flüssigkeitszufuhreinrichtung (5) bewirkte Flüssigkeitszufuhr in Abhängigkeit von dem gemessenen in den Behälter (1) eingeströmten Volumen (V(t)) oder dem gemessenen einströmenden Volumenstrom (dV(t)/dt) steuert.
Vorrichtung nach Anspruch 9, bei der die Steuerung (33) die Flüssigkeitszufuhr beendet, wenn das gemessene Volumen (V(t)) ein vorgegebenes Sollvolumen (V_SA, V_SB) erreicht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, deren Flüssigkeitszufuhreinrichtung (5) mindestens einen mit Flüssigkeit (A, B) gefüllten Speicher (7, 9) und eine Vorrichtung zur Bewirkung eines Flüssigkeitsstroms von dem Speicher (7, 9) in den Behälter (1) umfasst, wobei der Speicher (7, 9) einen Hohlraum aufweist, in dem die Flüssigkeit (A, B) aufgenommen ist, und in dem ein beweglicher, flüssigkeits- und gasdicht an einer den Hohlraum umgebenden Innenwand anliegender Stempel (54, 55) angeordnet ist, welcher den mindestens einen Speicher in einen mit dem Behälter (1) über mindestens eine Flüssigkeitsleitung in Verbindung stehenden Flüssigkeitsraum (56, 57) und einen mit der Vorrichtung zur Bewirkung eines Flüssigkeitsstromes von dem Speicher (7, 9) in den Behälter (1) in Wirkverbindung stehenden Gasraum (58, 59) teilt.
Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 7 bis 11, deren Flüssigkeitszufuhreinrichtung (5) mindestens zwei mit Flüssigkeit (A, B) gefüllte Speicher (7, 9) und eine Vorrichtung zur Bewirkung eines Flüssigkeitsstromes von den Speichern (7, 9) in den Behälter (1) umfasst, bei dem – das Gas in dem vorgegebenen Ausgangsvolumen (V₀) unter dem Ausgangsdruck (p₀) eingeschlossen wird, – der Behälter (1) über die Vorrichtung zur Bewirkung des Flüssigkeitsstromes sukzessiv mit vorgegebenen Sollvolumen (V_SA, V_SB) von Flüssigkeiten (A, B) aus zwei oder mehr verschiedenen Speichern (7, 9) befüllt wird, – wobei das Erreichen der jeweiligen Sollvolumina (V_SA, V_SB) der einzelnen Flüssigkeiten (A, B) anhand des gemessenen in den Behälter (1) insgesamt eingeströmten Volumens (V(t)) und dem zu Beginn des jeweiligen Befüllvorgangs mit der jeweiligen Flüssigkeit (A, B) aus dem jeweiligen Speicher (7, 9) bereits in dem Behälter (1) befindlichen und mit der Vorrichtung gemessenen Volumen (V(t)) überwacht wird.
Verfahren gemäß Anspruch 12, bei dem bei der sukzessiven Befüllung des Behälters (1) mit den unterschiedlichen Sollvolumen (V_SA, V_SB) der einzelnen Flüssigkeiten (A, B) mit der Befüllung mit der Flüssigkeit (A, B) begonnen wird, von der das größte Sollvolumen (V_SA, V_SB) benötigt wird, und die Befüllung dann sukzessiv jeweils mit der Flüssigkeit (A, B) fortgesetzt wird, von der das nächst kleinere Sollvolumen (V_SA, V_SB) benötigt wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, bei der – die Flüssigkeitszufuhreinrichtung (5) die Flüssigkeit durch eine Speiseleitung (SP, SP17, SP19) in den Behälter (1) leitet, – ein Volumenstrom der Flüssigkeit durch die Speiseleitung (SP, SP17, SP19) gleich dem in den Behälter einströmenden Volumenstrom (dV(t)/dt) ist, und – eine Regeleinrichtung (35) vorgesehen ist, die die durch die Flüssigkeitszufuhreinrichtung (5) bewirkte Flüssigkeitszufuhr anhand des gemessenen in den Behälters einströmenden Volumenstroms (dV(t)/dt) derart regelt, dass der Volumenstrom durch die Speiseleitung (SP, SP17, SP19) und der Volumenstrom in den Behälter (1) einem vorgegebenen Sollvolumenstrom entspricht.
Vorrichtung nach Anspruch 14, bei dem – in die Speiseleitung (SP, SP17, SP19) eine Mess- oder Analyseeinrichtung (37, 37a, 37b) eingesetzt ist, – ein Volumenstrom der Flüssigkeit durch die Mess- oder Analyseeinrichtung (37, 37a, 37b) gleich dem Volumenstrom durch die Speiseleitung (SP, SPa, SPb) und gleich dem in den Behälter (1) einströmenden Volumenstrom (dV(t)/dt) ist, und – die Regeleinrichtung (35) den Volumenstrom durch die Mess- oder Analyseeinrichtung (37, 37a, 37b) anhand des gemessenen in den Behälters (1) einströmenden Volumenstroms (dV(t)/dt) auf einen vorgegebenen Sollvolumenstrom regelt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, bei der – die Flüssigkeitszufuhreinrichtung (5) mindestens einen mit Flüssigkeit (A, B) gefüllten Speicher (7, 9) und eine Vorrichtung zur Bewirkung eines Flüssigkeitsstromes von mindestens einem der Speicher (7, 9) in den Behälter (1) umfasst, und – die Vorrichtung zur Bewirkung des Flüssigkeitsstromes einen regelbaren pneumatischen Druckgeber (11) umfasst, – der jeweils über eine mit einem steuerbaren Ventil (V1, V2), insb. einem 3/2 Wege Umschaltventil, versehene Druckzuleitung (13, 15) an die Speicher (7, 9) angeschlossen ist, und – der Flüssigkeitsstrom durch eine Druckbeaufschlagung der Flüssigkeit (A, B), insbesondere über in den Speichern (7, 9) angeordnete bewegliche Stempel (54, 55), in den Speichern (7, 9) mit einem von dem regelbaren pneumatischen Druckgeber (11) erzeugten Druck (p) bewirkt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 16, bei der der regelbare pneumatische Druckgeber (11) über eine mit einem steuerbaren Ventil (V3), insb. einem 3/2 Wege Umschaltventil, verschließbare Druckzuleitung (21) an den Behälter (1) angeschlossen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 16 oder 17, bei der die Flüssigkeitszufuhreinrichtung (5) über mindestens eine mit einem Ventil (VR, VR1, VR2), insb. einem Rückschlagventil, ausgestattete Zuleitung (17, 19, 20) an den Behälter (1) angeschlossen ist.
Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung gemäß Anspruch 16, 17 oder 18, bei dem Betriebszyklen ausgeführt werden, in denen jeweils – der Behälter (1) und die Flüssigkeit (A, B) in den Speichern (7, 9) vorab über die 3/2 Wege Umschaltventile (V1, V2, V3) mit dem Ausgangsdruck (p₀) beaufschlagt werden, – das Ventil (V3) in der vom Druckgeber (11) zum Behälter (1) führenden Druckzuleitung (21) geschlossen wird, – durch Druckbeaufschlagung von Flüssigkeit (A, B) aus mindestens einem der Speicher (7, 9) mit einem von dem Druckgeber (11) erzeugten Druck (p) ein Flüssigkeitsstrom in den Behälter (1) bewirkt wird, und – abschließend die insgesamt in dem jeweiligen Betriebszyklus in den Behälter (1) eingeströmte Flüssigkeit, insb. durch Druckbeaufschlagung, aus dem Behälter (1) abgeführt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 17 oder 18, bei der der Behälter (1) über eine mit einem Ventil (V_A), insb. einem Rückschlagventil, ausgestatte Ablassleitung (27) an ein über eine Entlüftungsöffnung (31) mit dem Umgebungsdruck beaufschlagtes Aufnahmegefäß (29) angeschlossen ist, in den in dem Behälter (1) befindliche Flüssigkeit abgeführt werden kann.
Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung gemäß Anspruch 20, bei dem die Flüssigkeit am Ende eines Befüllzyklus aus dem Behälters (1) abgeführt wird, indem – die Flüssigkeitszufuhr in den Behälter (1) unterbrochen wird, und – die im Behälter (1) enthaltene Flüssigkeit über den Druckgeber (11) mit einem Druck (p) beaufschlagt wird, bei dem die Flüssigkeit durch das Rückschlagventil (V_A) hindurch über die Ablassleitung (27) ausströmt.
Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 7 bis 11, 14 bis 18 oder 20 bei dem Betriebszyklen ausgeführt werden, bei denen jeweils – Gas in dem vorgegebenen Ausgangsvolumen (V₀) unter dem Ausgangsdruck (p₀) eingeschlossen wird, – ein Flüssigkeitsstrom in den Behälter (1) bewirkt wird und der einströmende Volumenstrom (dV(t)/dt) und/oder das eingeströmte Volumen (V(t)) gemessen wird, – die Flüssigkeitszufuhr in den Behälter (1) unterbrochen wird, bevor der Gasdruck (p_G) im Behälter (1) einen vorgegebenen Maximaldruck (p_Gmax) übersteigt, und – abschließend die in den Behälter (1) in dem jeweiligen Befüllzyklus insgesamt eingeströmte Flüssigkeit aus dem Behälter (1) abgeführt wird.