HU193023B - Device for measuring small liquid amounts predetermined digitally - Google Patents

Abstract

Vorrichtung zum Abmessen kleiner Fluessigkeitsmengen mit digitaler Vorwahl des abzugebenden Volumens, mindestens einer Kolbenpumpe, einem impulsgesteuerten Schrittmotor, einem Ventil zum Oeffnen oder Schliessen eines Einlass- und eines Auslasskanales, einer Einrichtung zum Erfassen der linearen Verschiebung des Kolbens und einer Steuer-, Rechen- und Vergleicherschaltung zum Berechnen und eventuellen Korrigieren des Kolbenweges in Abhaengigkeit von der vorgewaehlten Fluessigkeitsmenge, den Abmessungen der Kolbenpumpe und den beim Betrieb der Kolbenpumpe auftretenden Fehlern. Der Dosiervorgang soll so ausgefuehrt werden, dass alle auftretenden Fehler erfasst, ausgewertet und beruecksichtigt werden. Der Taster 18 der Laengenmesseinrichtung 17 ist an dem fest mit der Kolbenstange 16 und lose ueber die Gewindespindel 13 und das Getriebe 12 mit dem Motor 11 verbundenen Antriebsbalken 14 so angeordnet, dass die Mittellinien des Tasters 18 und der Kolbenstange 16 miteinander fluchten. Die Laengenmesseinrichtung 17 erfasst die lineare Verschiebung des Kolbens 1 direkt und auf ein Mikrometer genau. Fuer das Berechnen und Korrigieren des Kolbenweges ist ein Mikroprozessor vorgesehen.Apparatus for measuring small quantities of liquid with digital preselection of the volume to be dispensed, at least one piston pump, a pulse-controlled stepping motor, a valve for opening or closing an inlet and an outlet channel, means for detecting the linear displacement of the piston and a control, computing and Comparator circuit for calculating and possibly correcting the piston stroke in dependence on the preselected amount of fluid, the dimensions of the piston pump and the errors occurring during operation of the piston pump. The dosing process should be carried out in such a way that all occurring errors are recorded, evaluated and taken into account. The probe 18 of the length measuring device 17 is arranged on the fixedly connected to the piston rod 16 and loosely about the threaded spindle 13 and the transmission 12 to the motor 11 drive bar 14 so that the center lines of the probe 18 and the piston rod 16 are aligned. The length measuring device 17 detects the linear displacement of the piston 1 directly and to a micrometer. For the calculation and correction of the piston stroke, a microprocessor is provided.

Description

A találmány tárgya készülék digitálisan előre meghatározott, leadandó kis folyadékmennyiségek mérésére, legalább egy dugattyús szivattyúval, dugattyút működtető, impulzusvezérlésű léptetomotorral, be- és kimenőcsatornát nyitó vagy záró szeleppel, dugattyú löketét érzékelő egységgel,valamint előzetesen beállított kis folyadékmennyiség, a dugattyús szivattyú funkcionális méretei és a dugattyús szivattyú üzemelése közben fellépő hibák függvényében a dugattyú löketét kiszámító és szükség esetén azt korrigáló vezérlő-, számító és összehasonlító áramkörrel.FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to apparatus for measuring digitally predetermined small volumes of fluid to be delivered, at least one piston pump, a piston actuated, impulse controlled stepper motor, an inlet and outlet channel opening or closing valve, a plunger stroke sensing unit, and a control, calculation and comparison circuit for calculating and, if necessary, correcting the stroke of the piston in response to faults in the operation of the piston pump.

Kis folyadékmennyiségek mérése a biológiai és az orvosi tudományok fejlődésében nagy jelentőséggel bír.The measurement of small volumes of fluid is of great importance for the development of the biological and medical sciences.

A medikusok egyre gyakrabban dolgoznak olyan információs adatokkal, amelyek analízisek eredményéből származnak. Egyetlen mintával egész sor, különféle analízist végeznek el. A törekvések arra irányulnak, hogy csökkentsék az analízisek elvégzéséhez szükséges folyadékmennyiséget, s ezáltal a pácienstől veendő minta mennyisége a lehető legkevesebb legyen. A felhasználóknak viszont a különleges reagensekből gyakran csak nagyon kevés szokott rendelkezésre állni, hiszen azok igen drágán szerezhetők be. Kis mennyiségű koncentrált mintával és reagenssel a laboratóriumban lehetővé válik a nagyobb reakciósebességű és ezáltal pedig a nagyobb hatásfokú analízisek elvégzése. Ezeken túlmenően nem kevésbé az elvégzendő analízisek növekvő száma is megköveteli a készülékek és a műszerek méreteinek a lecsökkentését, hogy elkerüljék a helyiségproblémákat. Azért, hogy igen kevés mennyiségű mintával továbbra is olyan eredményekhez juthassanak, amelyek kielégítik a cél ismeretében meghatározott igen szigorú pontossági követelményeket, a reaktorba bevitt folyadékmennyiségek arányának is nagyon pontosnak kell lennie. Éppen ezért az a készülék az egyike a legfontosabbaknak az analízis minőségének a meghatározásában, amely az adagolást végzi.Medical practitioners are increasingly working with information data derived from the results of analyzes. A single sample is subjected to a series of analyzes. Efforts are made to reduce the amount of fluid needed to perform analyzes so that the amount of sample to be taken from the patient is minimized. However, users often have very little access to special reagents because they are very expensive to obtain. With a small amount of concentrated sample and reagent in the laboratory, it is possible to carry out analyzes with higher reaction rates and thus higher efficiency. In addition, the increasing number of analyzes to be performed requires that the size of the instrumentation and instrumentation be reduced to avoid room problems. In order to continue to produce results with very few samples that meet the very stringent accuracy requirements set in the knowledge of the target, the ratio of the amount of liquid introduced into the reactor must also be very accurate. Therefore, the device that performs the dosing is one of the most important in determining the quality of the analysis.

Ismeretes a 26 58 486 számú DE szaba dalmi leírásból pipettázó- és hígítókészülék, amelynek egymástól függetlenül működő és cserélhető kettő dugattyús szivattyúja van. A dugattyúk mechanizmuson keresztül impulzusvezérlésű léptetőmotorral vannak mozgatva. A szivattyú hengerfejében be- és kimenőcsatornát nyitó és záró átváltószelep van elrendezve. Vezérlő-, számító- és összehasonlító kapcsolás végzi a dugattyúlöket kiszámítását a digitálisan előzetesen beállított folyadékmennyiség és a mindenkor alkalmazott dugattyús szivattyú funkcionális méretei függvényében. Az egyik kiviteli alakja dugattyúlöket kiszámítását végző mikroprocesszorral van ellátva.It is known from DE 26 58 486 to be a pipetting and diluting device having two piston pumps, which operate independently and are interchangeable. The pistons are moved by a pulse-controlled stepper motor via a mechanism. The pump cylinder has a changeover valve for opening and closing the inlet and outlet ducts. A control, calculation and comparison circuit calculates the piston stroke as a function of the digitally preset fluid volume and the functional dimensions of the piston pump used. In one embodiment, a piston stroke calculation microprocessor is provided.

Az ismert megoldás hiányossága abban van, hogy a léptetőmotor a vezérlő-, számító-, és összehasonlító kapcsolásról, illetve 2 a mikroprocesszorról olyan jeleket kap, amelyek tartalmazzák a dugattyú hajtóművének és mozgásának esetleges hibáit, ahol a dugattyú mozgásának a hibái például a tűrésmezőn belüli szóródásokból, a szerkezeti elemek kopásából, megelőzően ellentétes irányban működtetett motorban és hajtóműben mutatkozó lazulásokból, stb. eredhetnek.The disadvantage of the known solution is that the stepper motor receives signals from the control, computing, and comparing circuits, and 2 from the microprocessor, which contain possible errors in the piston drive and movement, whereby errors in the movement of the piston, e.g. , wear of structural components, loosening of engine and gearbox in the opposite direction, etc. might arise.

Ezek a hibák elkerülhetetlenül pontatlanná teszik a kívánt paraméterek kiszámítását.These errors inevitably make the calculation of the desired parameters inaccurate.

Ismeretes továbbá a 39 12 127 számú US szabadalmi leírásból készülék dugattyús adagolóknál üzem közben a dugattyúlöket két végpontjában fellepő nem lineáris és nem folyamatos állapot- és szivárgási veszteségek regisztrálására és feldolgozására. A hengerben a dugattyú által végzett lineáris elmozdulás érzékelését és feldolgozását végző készülék dugattyúrúdon elrendezett, U-alakú dróttartóval van ellátva, ahol az U-alakú dróttartónak szárai közé befogott dróteleme van. A drótelem a dugattyú mozgása közben elmozgatja egy jelátalakító készülék görgőjét. Ez a jelátalakító készülék elektromos impulzusokká alakítja át a dugattyú nagyon kis mértékű lineáris elmozdulását.Also known from U.S. Patent No. 39,12,127 is a device for recording and processing non-linear and non-linear condition and leakage losses of piston strokes at two end points of piston strokes during operation. The device for detecting and processing linear displacement of the piston in the cylinder is provided with a U-shaped wire holder arranged on a piston rod, wherein the U-shaped wire holder has a wire element trapped between its legs. The wire moves the pulley of the transducer as the piston moves. This signal transducer converts a very small linear displacement of the piston into electrical impulses.

A hiányosság,amelyet a dugattyú lineáris elmozdulásának az érzékelését és feldolgozását végző készülék mutat,abban van,hogy a dugattyú elmozdulásának az érzékelése végett a lineáris mozgást forgómozgássá kell átalakítani. Ezáltal a készülék igen költségessé és pontatlanná válik, hiszen a rendszerbe egész sor elemet kell közbeiktatni. A görgő- és drótátmérőben jelentkező eEérések bekerülnek a mérési eredménybe. Minden egyes dugattyús szivattyút előbb ki kell próbálni az első használata előtt a dugatytyú elmozdulását érzékelő készülékkel. A drótelem rögzítéséhez a csavar kisebb, vagy nagyobb mértékű meghúzása úgyszintén befolyással van a mérési eredményre. További hiányossága még, hogy ezzel az ismert készülékkel csak a dugattyú mozgását, a dugatytyú helyzetváltozását lehet lemérni, tehát a dugattyúnak azokat az abszolút helyzeteit nem képes az ismert készülék érzékelni, amelyek re szükség van a dugattyú számtalanszor megismételhető kiindulási állásainak a meghatározása végett.The disadvantage shown by the device for detecting and processing the linear displacement of the piston is that, in order to detect the displacement of the piston, it is necessary to convert the linear motion into a rotational motion. This makes the device very costly and inaccurate, since a number of elements need to be inserted into the system. The eConversions in roll and wire diameters are included in the measurement result. Each piston pump must be tested first before using the piston displacement sensor. To tighten the wire element, tightening the screw to a greater or lesser extent also affects the measurement result. A further disadvantage is that with this known device only the movement of the piston, the displacement of the piston, can be measured, so the absolute positions of the piston which are needed to determine the repeatable starting positions of the piston cannot be detected by the known device.

Ezenkívül még meg kell említeni azt is, hogy az ismert készülék a dugattyúmozgást csak a folyadék kiszorítási ütemében képes érzékelni. Az ismert készüléknek a szívási ütemben történő alkalmazása esetén a fellépő „hiszterézis a mérési eredményt igen hátrányosán befolyásolja.Furthermore, it should be mentioned that the known device can only detect the movement of the piston at the rate of displacement of the liquid. If the known device is used at the suction rate, the resulting hysteresis will adversely affect the measurement result.

Mivel az ilyen készülékektől elvárható az, hogy tetszés szerint következhessen a szívási és a folyadékkiszorítási ütem, továbbá elengedhetetlen az, hogy a dugattyú helyzetét a szívási és a folyadékkiszorítási ütemben érzékelje a készülék, ezért az ismert készülék nem használható az említett célra, ami újabb hiányosságát képezi.Because such devices are expected to provide an optional suction and fluid displacement rate, and it is essential that the plunger be sensed at the suction and fluid displacement rate, the known device cannot be used for this purpose, which constitutes .

-2193023-2193023

Továbbá hiányossága még, hogy az ismertetett érzékelővel ellátott készülék adagolásra csak a folyadékkiszorítási, nem pedig a szívási ütemet képes érzékelni, amire szükség van.A further disadvantage is that the device with the sensor described above is capable of sensing only the liquid displacement, not the suction rate, which is required.

Az analitikai méréstechnikában az adagolókészüléknek a hí^ítókészülékhez hasonló működése nem valósítható meg, mivel az sem szívóvezetékkel, sem pedig átváltószeleppel nincs ellátva, ezért meghatározott mennyiségű mintának, a kimenővezetékbe való juttatására nem alkalmas.In analytical metering technology, the dosing device cannot function in the same way as a cooling device because it is not equipped with a suction line or a bypass valve and is therefore not capable of delivering a certain amount of sample to the output line.

A szelepvezérlés kialakítása alkalmatlan analitikai méréstechnikai célokra, hiszen a szelep beömlési oldalán a vezetékben állandóan változó nyomás uralkodik. Az analitikai méréstechnikában a dugattyút állítják le, és nem pedig, mint az ismert megoldásnál, a folyadékáramot zárják el szeleppel.The design of the valve control is unsuitable for analytical metering purposes because of the constantly changing pressure in the line at the inlet side of the valve. In analytical measurement technology, the piston is stopped and not, as in the prior art, a fluid flow shut off valve.

A találmány olyan készülék kialakítására vonatkozik, amelynél a digitálisan előre meghatározott, leadandó kis folyadékmennyiségek mérésekor, a dugattyúműködtetés és -mozgás valamennyi lehetséges hibáját érzékelni lehet, továbbá azokat feldolgozva ki lehet értékelni ügy, hogy ezek a hibák már adagolási hibák formájában ne jelentkezhessenek.The present invention relates to a device which, when measuring digitally predetermined small volumes of fluid to be delivered, can detect and process all possible errors in piston actuation and movement so that such errors can no longer occur in the form of dosing errors.

A találmány feladata, a hengerben a dugattyú mozgásának érzékelése és vezérlése úgy, hogy az említett hibákat érzékelhessük, jelzése réven a hibák feldolgozhatok, kiértékelhetők, tehát a végeredményből kiiktathatók legyenek.SUMMARY OF THE INVENTION The object of the invention is to detect and control the movement of the piston in the barrel so that said defects can be detected and processed, and thus can be eliminated from the final result.

A kitűzött feladatot a bevezetőben említett készüléknél úgy oldottuk meg a találmány szerint, hogy hosszmérőkészülékének taszteré dugattyúrúddal mereven, továbbá menetes orsón és hajtóművön át léptetőmotorral lazán összekapcsolt működtető hídon van elrendezve, mimellett a taszter középvonala a dugattyúrúd középvonalával egybeesik.The object of the present invention is solved by the device mentioned in the introduction, wherein the piston rod of its length measuring device is arranged rigidly with a piston rod and an actuator bridge loosely connected by a stepper motor via a threaded spindle and a gear.

A dugattyú elmozdulásának a még pontosabb érzékelése céljából előnyös az olyan kiviteli alak, amelynek dugattyúlöketét közvetlenül, 1 pm-es pontossággal érzékelő hosszmérőkészüléke van.For an even more accurate detection of the displacement of the piston, an embodiment having a length measuring device directly detecting the piston stroke to an accuracy of 1 pm is preferred.

A gyors és pontos helyzetadat-feldolgozás végett célszerű az olyan kiviteli alak, amelynek az előzetesen beállított folyadékmennyiség, a dugattyús szivattyú funkcionális méretei és a dugattyús szivattyú üzemelése közben fellépő hibák függvényében a dugattyú löketét kiszámító és szükség esetén azt korrigáló mikroprocesszora van.For fast and accurate position data processing, an embodiment having a microprocessor for calculating and adjusting the stroke of the piston, depending on the preset amount of fluid, functional dimensions of the piston pump and errors during piston pump operation is desirable.

A találmányt az alábbiakban egyik célszerű kiviteli példa kapcsán rajzon ismertetjük részletesebben. A rajzon az 1. ábra a találmány szerinti készülék egyik példakénti kiviteli alakja vázlatosan.The invention will now be described in more detail in the following with reference to a preferred embodiment. 1 is a schematic diagram of an exemplary embodiment of the device of the invention.

A találmány szerinti készülék szivattyúja 1 dugattyúból és 2 hengerből áll. A 2 hengerben 4 bemenőcsatornát, valamint 5 kimenőcsatornát nyitó, illetve záró 3 szelep van elrendezve. A 2 hengernél a rajzon nem ábrázolt kódolócsapokkal ellátott dugattyús szivattyút képező 6 egység van elrendezve,ahol a 2 henger beépített állapotában ugyancsak fel nem tüntetett ellendarabon át, 7 vezeték segítségével 8 vezérlő-, számító- és összehasonlítóáramkörrel — továbbiakban röviden 8 áramkörnek említve — van összekapcsolva. A 8 áramkör 9 vezetéken és a 10 impulzusgenerátoron át önmagában ismert impulzusvezérlésű 11 léptetőmotorral van -összekapcsolva. A 11 léptetőmotor után lassító áttételű 12 hajtómű van elrendezve. A lassító áttételű 12 hajtómű egyik fogaskereke kis emelkedésű külső menettel ellátott 13 orsón van rögzítve, amely segítségével megfelelően illeszkedő menettel kiképezett működtető 14 híd van megtartva. A 11 léptetőmotor által létrehozott és lassító áttételű 12 hajtómű által a menetes 13 orsóra átvitt forgómozgásnak egyenesvonalú mozgássá történő átalakítása céljából a működtető 14 hídnak furata van, amelyen 15 vezetőrúd van átvezetve. Ezzel megakadályoztuk a működtető 14 híd elfordulását és ezért az alternáló mozgást végez a 11 léptetőmotor forgásirányától függően. A működtető 14 hídhoz 16 dugattyúrúd mereven van csatlakoztatva. Ugyancsak mereven van összekapcsolva a 16 dugattyúrúd az 1 dugattyúval is. A működtető 14 híd alatt 17 hosszmérőkészülék van elrendezve, amely 18 taszteren át érintkezésben áll a működtető 14 híddal. Az önmagában ismert 17 hosszmérőkészüléknek 1 mikron a mérési pontossága. A 17 hosszmérőkészülék 19 vezetéken át 2C alapjelállítóva! van összekapcsolva.A 8 áramkörrel 21 vezetéken át összekapcsolt,három állásos 20 alapjelállító lehetővé teszi az adagolandó folyadékmennyiség előzetes digitális jelzéssel történő beállítását. A 20 alapjelállító 8 áramkörrel, ez pedig a 10 impulzusgenerátoron keresztül a 11 léptetőmotorral van összekapcsolva.A 11 léptetőmotor a forgásiránytól függően alternáló mozgásba hozza az 1 dugattyút a 12 hajtóművön,menetes 13 orsón,működtető 14 hídon és 16 dugattyúrudon át.The pump of the device according to the invention consists of 1 piston and 2 cylinders. The cylinder 2 is provided with an inlet channel 4 and an outlet valve 3 for opening and closing the outlet channel 5. The cylinder 2 is provided with a piston pump unit 6 with coding pins not shown in the drawing, whereby the cylinder 2 is connected via a counter piece not shown, via a wire 7 to a control, computing and reference circuit 8, hereinafter referred to as circuit 8. . The circuit 8 is connected via a wire 9 and a pulse generator 10 with a known impulse-controlled stepper motor 11. After the stepping motor 11, a gearbox 12 with retardation is arranged. One of the gears of the deceleration gear 12 is mounted on a spindle 13 with a low pitch external thread, by means of which the actuating bridge 14 is formed with a properly fitting thread. In order to convert the rotational movement transmitted by the stepper motor 11 and transmitted by the deceleration gear 12 to the threaded spindle 13 into a linear motion, the actuating bridge 14 has a hole through which a guide bar 15 is passed. This prevents rotation of the actuator bridge 14 and therefore performs alternate movement depending on the direction of rotation of the stepper motor 11. A piston rod 16 is rigidly connected to the operating bridge 14. The piston rod 16 is also rigidly connected to the piston 1. Underneath the actuating bridge 14 is provided a length measuring device 17 which is in contact with the actuating bridge 14 via a pusher 18. The measuring device 17, known per se, has a measuring accuracy of 1 micron. The length measuring device 17 is set to 2C via 19 wires! The three-position set point 20 connected to the circuit 8 via a line 21 allows the amount of fluid to be dispensed to be pre-set by a digital signal. The setpoint control circuit 20 is coupled to the stepper motor 11 via the pulse generator 10. The stepper motor 11 puts the piston 1 through the gearbox 12, the threaded spindle 13, the actuator bridge 14 and the piston rod 16 in an alternating movement depending on the direction of rotation.

A 8 áramkör előnyösen az Amerikai Egyesült Államok-beli Zilog cég Z 80-asán, illetve a Német Demokratikus Köztársaság-beli Funkwerk Erfurt cég Eí 880-asára épülő minimumszámítóegységből van kialakitva.The circuit 8 is preferably constructed from a minimum computing unit based on the Z 80 of the US company Zilog and the E 80 of the Funkwerk Erfurt company in the German Democratic Republic.

Claims (3)

1. Készülék digitálisan előre meghatározott, leadandó kis folyadékmennyiségek mérésére, legalább egy dugattyús szivattyúval, a dugattyút működtető, impulzusvezérlésű léptetőmotorral, be- és kimenőcsatornát nyitó, vagy záró szeleppel, a dugattyú löketét érzékelő egységgel, valamint előzetesen beállított kis folyadékmennyiségnek a dugattyús szivattyú funkcionális méreteinek és a dugattyús szivattyú üzemelése közben fellépő hibáknak a függvényében, a dugattyú löketét kiszámító és szükség esetén azt korrigáló vezérlő-, számító- és összehasonlító áramkörrel, 31. Apparatus for measuring digitally predetermined small volumes of fluid to be discharged, with at least one piston pump, a piston actuated, impulse-controlled stepper motor, a valve for opening or closing an inlet and outlet channel, a piston stroke sensing unit, and a preset piston fluid pump. and a control, calculation and comparison circuit for calculating and, if necessary, correcting the stroke of the piston, as a function of the malfunctions of the piston pump, 3 -3193023 azzal jellemezve,hogy hosszmérőkészüléke van (17) .amelynek taszteré (18) dugattyúrúddal (16) mereven,továbbá menetes orsón (13) és hajtóművön (12) át lépíetőmotorral (11) lazán összekapcsolt működtető hídon (14) van elrendezve,mimellett a taszter (18) középvonala a dugattyúrúd (16) középvonalával egybeesik.-3193023, characterized in that it has a length measuring device (17) having a piston (18) rigidly connected to the piston rod (16), and an actuating bridge (14) loosely coupled via a threaded spindle (13) and a gear motor (11). the center line of the pusher (18) coincides with the center line of the piston rod (16). 2. Az 1. igénypont szerinti készülék, azzal jellemezve, hogy a dugattyú (1) löke6 tét közvetlenül, I pm-es pontossággal érzékelő hosszmérőkészüléke (17) van.Device according to Claim 1, characterized in that the plunger (1) has a linear measuring device (17) for sensing the stroke of the piston (1). 3. Az 1., vagy 2. igénypontok szerinti készülék, azzal jellemezve, hogy az előzetesen beállított folyadékmennyiség, a dugattyús szivattyú funkcionális méretei és a dugattyús szivattyú üzemelése közben fellépő hibák függvényében a dugattyú (1) löketét kiszámító és szükség esetén azt korrigáló mikroprocesszora van.Apparatus according to claim 1 or 2, characterized by a microprocessor for calculating the stroke of the piston (1) and, if necessary, adjusting it according to the preset amount of fluid, the functional dimensions of the piston pump and errors during piston pump operation. .