EP0998979A2 - Elektronische Dosiervorrichtung - Google Patents

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EP0998979A2
EP0998979A2 EP99120596A EP99120596A EP0998979A2 EP 0998979 A2 EP0998979 A2 EP 0998979A2 EP 99120596 A EP99120596 A EP 99120596A EP 99120596 A EP99120596 A EP 99120596A EP 0998979 A2 EP0998979 A2 EP 0998979A2
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EP
European Patent Office
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supply voltage
electronic
drive
converter
pipetting device
Prior art date
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EP99120596A
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EP0998979B1 (de
EP0998979A3 (de
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Matthias Baumgartner
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Eppendorf SE
Original Assignee
Eppendorf SE
Eppendorf Netheler Hinz GmbH
Eppendorf Geraetebau Netheler and Hinz GmbH
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Application filed by Eppendorf SE, Eppendorf Netheler Hinz GmbH, Eppendorf Geraetebau Netheler and Hinz GmbH filed Critical Eppendorf SE
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Publication of EP0998979A3 publication Critical patent/EP0998979A3/de
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Publication of EP0998979B1 publication Critical patent/EP0998979B1/de
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L3/00—Containers or dishes for laboratory use, e.g. laboratory glassware; Droppers
    • B01L3/02—Burettes; Pipettes
    • B01L3/021—Pipettes, i.e. with only one conduit for withdrawing and redistributing liquids
    • B01L3/0217—Pipettes, i.e. with only one conduit for withdrawing and redistributing liquids of the plunger pump type
    • B01L3/0227—Details of motor drive means
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2300/00—Additional constructional details
    • B01L2300/02—Identification, exchange or storage of information
    • B01L2300/025—Displaying results or values with integrated means
    • B01L2300/027—Digital display, e.g. LCD, LED

Definitions

  • the invention relates to an electronic dosing device.
  • a syringe With direct displacement dosing devices, however, a syringe becomes direct filled with sample liquid. So the pistons and cylinders of the syringe contaminated by the liquid so that the syringe before changing the Liquid is usually replaced or cleaned with a new syringe got to.
  • the syringe is also usually made of plastic.
  • Air cushion, direct displacement, pistonless and microdosing devices can have an unchangeable or a variable dosing volume.
  • a change in the dosing volume is done by adjusting the displacement the displacement device reached, i.e. the displacement of the Piston or the degree of deformation of the balloon-like end section or the chamber wall.
  • Dispensers are dosing devices that contain an absorbed volume of liquid can deliver repetitively in small portions.
  • the electrical Voltage source dimensioned so that it is sufficient in the normal state Power for the drive with all operating loads of the Provides drive device. For a battery or one Battery, this requires an appropriate number of cells. Still it can with progressive discharge and thus decreasing supply voltage increases malfunctions occur. As the supply voltage drops, namely the torque of the drive, so that the drive device the displacement device no longer with all occurring Drives loads in the desired manner. Especially when it comes to execution of the drive as a stepper motor, steps can be lost and as a result Dosing errors arise. That is why it is for reliable operation an elaborate battery or accumulator supply for a desired time with corresponding costs, volume and weight required. Same thing applies as a power supply when the electrical voltage source is used.
  • the object of the invention is an electronic one To create a metering device in which the effort for electrical voltage source, in particular its costs, space requirements and Weight is reduced and the drive is nevertheless used in all operational Loads are supplied with the required voltage.
  • the control and / or regulating device provides this Drive via a converter to the respective load of the drive device coordinated supply voltage available. For example, it can the supply voltage at the start of a drive process increase in order to overcome the starting resistance of the displacement device. After that, the supply voltage can be reduced to a nominal value lower that for a further drive of the displaced displacement device is sufficient. If the dosing device with different Displacement devices that can be equipped with different loads represent for the drive devices, for example syringes of different Size, the supply voltage can be applied to the respective displacement device be coordinated.
  • the control and / or regulating device controls the operation of the dosing device, for example according to Control commands that can be entered from a keyboard so that they knows the respective operating state of the dosing device.
  • the control and / or regulating device can apply criteria to everyone Find out a suitable supply voltage and use the operating state provide the converter.
  • information about the displacement device in each case, for. B. a coding of a Syringe, automatically read by the dosing device or entered separately become.
  • the control and / or regulating device the respective load that changes unpredictably due to external influences can be determined and the supply voltage based on the result of the determination regulate. So the tuning of the supply voltage be reached on the respective load.
  • the invention is not limited to the use of a step-up converter.
  • the case is also included in which the one required by the electric drive Supply voltage below the supply voltage of the power supply lies.
  • lithium-ion (Li-ion) batteries are available, which provide a relatively high voltage (about 3V per cell), so that by connecting only a few cells in series, a relatively high supply voltage can be made available.
  • the high supply voltage is partially converted into heat loss. This is undesirable for several reasons.
  • the invention can now be used to down-convert the supply voltage to a supply voltage with that for the respective load required level.
  • the invention also includes the case that the supply voltage from the converter both up and is also reduced, depending on the load of the drive device.
  • the metering device has the advantage that the electrical Voltage source and the drive matched to an average load can be. With increased loads, the converter provides an increased supply voltage to disposal. Since these occur only for a short time, there is none Get damage to the drive motor. As a result, that comes Dosing device with a smaller number of battery cells or a smaller sized power supply than conventional dosing devices out. On the part of the electrical voltage source is a cost saving achievable that exceeds the additional costs for the converter. This also reduces the space requirement for the voltage source and a reduction in weight of the metering device is achieved. Another The advantage is that the converter also regulates the supply voltage enables so that this from the discharge state of a battery or an accumulator is largely independent.
  • the electric drive can in particular be an electric drive motor, an electric linear drive or one of the associated with microdosing devices mentioned electric drives.
  • the drive motor can be a stepper motor in which a Pulse control precisely defined dosing quantities or dosing steps favored.
  • precisely defined dosing quantities can be used in particular through end stops, angle encoders or coding strips be ensured.
  • the drive device can be a transmission for converting a Rotational movement of a shaft of a drive motor in a linear drive movement have for the displacement device.
  • the displacement device is a piston-cylinder arrangement having.
  • This can be the syringe of a direct displacement device or the displacement unit of an air cushion metering device act.
  • the electrical voltage source can have at least one battery, at least have a battery and / or a power supply.
  • NiMH batteries to be available.
  • the converter can, in particular, approximately on the supply voltage Supply level of supply voltage and above. So the supply voltage in the amount of a supply voltage of z. B. 2.4 volts used be exerting a holding torque on a stepper motor that is on a Nominal voltage of e.g. B. is designed for 6 volts. Lack of such Holding torque exists with a stepper motor when braking Tendency to swing, so that he may have one or more takes unwanted steps.
  • the converter can vary the supply voltage deliver discrete or continuous levels. One of them can Generate a holding torque. Another level can Nominal voltage that the drive motor with average load needed. In addition, there can be an increased voltage level for increased Give loads. Accordingly, the control and / or regulating device the supply voltage when stopping the drive motor at the low Level, with average load at the middle level and deliver at an elevated level at higher loads. For example the supply voltage the discrete values 2.4 volts, 6 volts and 8 volts accept.
  • the converter preferably has a step-up converter.
  • Boost converter are well-known circuits in supply engineering, with which one DC voltage can be brought to a higher level. Boost converter can put an output voltage above the input voltage, where they usually use the energy stored in an inductor.
  • the electronic dosing device is preferably a hand-held device executed and accordingly with at least one battery or at least equipped with an accumulator.
  • the electronic pipetting device consists essentially from six functional areas, namely a drive device 1, one Displacement device 2, an electronic control and / or regulating device 3, an electrical voltage source 4, an operating device 5 and a display device 6. All functional areas 1 to 6 are in or on a pipette housing - not shown - of a hand pipette educated.
  • the drive device 1 has an electric drive motor that is designed as a stepper motor 7.
  • An axis 8 is formed by means of the stepping motor 7 can be moved linearly back and forth. It also belongs to the drive device an engine stage in the form of two H-bridges 9, the control the stepper motor 7 is used.
  • the displacement device 2 has a piston 11 on the axis 8 is fixed.
  • the piston 11 is displaceable in a cylinder 12. This is connected via a channel 13 to a pipette tip 14 by the device is separable.
  • a microcontroller belongs to the electronic control and / or regulating device 3 15, in particular a timer, a working memory and a integrated non-volatile memory.
  • the microcontroller controls the H-bridges via control lines 16.
  • Step-up converter 20 Another component of the control and / or regulating device 3 is another Step-up converter 20 which supplies the microcontroller 15 with further supply. lines 21 supplied.
  • the axis 8 of the stepping motor 7 is assigned a limit switch 22 which is monitored via a control line 23 by the microcontroller 15 in order to to enable zero adjustment.
  • the electrical voltage source 4 comprises two NiMH batteries 24, the Supply voltage via feed lines 25, the step-up converter 17 and the further step-up converter 20 is supplied.
  • the supply voltage of the two Batteries 24 are supplied to the microcontroller 15 via control lines 26.
  • a charging current control is also part of the electrical voltage source 24 27, on the one hand via charging contacts 28 with an external Voltage source is connectable and on the other hand via charging lines 29 the batteries 24 is connected.
  • the charging current control 27 is also over Control lines 30 for the charging voltage and via charging current control lines 31 each connected to the microcontroller 15.
  • the operating device 5 comprises an input keyboard 32 which is connected via lines 33 is connected to the microcontroller 15. It also includes release buttons 34, which is connected to the microcontroller 15 via lines 35.
  • the display device 6 is an LCD display which is connected via lines 36 is connected to the microcontroller 15, which contains a display control.
  • the pipetting device works as follows:
  • the control software is stored in the microcontroller 15. Special pipetting parameters can before the dosing process using the input keyboard 32 can be entered. Individual pipetting processes are carried out by means of the trigger buttons 34 triggerable.
  • the display 6 shows entered pipetting parameters, Control commands and operating states of the pipetting device.
  • the total supply voltage of the two battery cells 24 is 2.4 volts. This is from the further step-up converter 20 to 3.3 volts supply voltage regulated for the microcontroller 15.
  • the step-up converter switches 17 the supply voltage of the accumulators 24 as supply voltage to the supply lines 18 through or increases this to 6 or 8 volts. Since the Microcontroller operation of the stepper motor 7 via the control lines 16 controls, it knows their respective voltage requirements and controls the step-up converter 17 accordingly.
  • the supply voltage is from the microcontroller 15 via the control lines 26 checked. If it falls below a permissible value, the display shows 6 a corresponding information is output.
  • the charging contacts 28 By connecting the charging contacts 28 to an external power supply can charge if necessary the batteries 24 take place.
  • About the charging current control lines 31 Charging current corresponding to the state of charge determined via the control lines 30 the batteries 24 controlled.
  • the step-up converter 17 comprises an IC 37 of the type which is known in specialist circles as Boost converter "is known. In the example, it is the IC MAX 608 from Maxim.
  • the IC 37 is connected in the usual manner with transistor 38, resistor 40, capacitors 45 to 50, diode 51 and inductor 52.
  • the IC 37 regulates via the voltage feedback consisting of transistor 39 and resistors 41 to 43, the on-time of transistor 38, whereby inductor 52 is charged with energy. This energy is given as an additional series voltage source during the blocking phase of transistor 38 to output capacitors 48 and 49.
  • the Voltage feedback can be switched using contact 57. Contact 57 opens low ", the supply voltage is 6V, it is on high ", it is 8V.
  • the supply voltage can be set approximately to the value of the supply voltage by means of the contact 58.
  • the feed lines 25 are located on the contacts 53, 54 and the supply lines 18 to the contacts 55, 56 and are the Control lines 19 connected to contacts 57, 58.
  • step-up converter U A ⁇ U E x (1 + t1 / t2) where U A is the supply voltage and U E is the supply voltage.
  • t1 is the time that transistor 38 is conductive and t2 is the time that transistor 38 is off.
  • the transistor 38 conducts for as long as it blocks, it turns out U a ⁇ 2 x U e on. However, if the transistor blocks all the time, it turns out U a ⁇ U e on.
  • the increase in the torque of the drive motor 7 results from the fixed internal motor resistance and the increased driving voltage U A.
  • the electrical power that is implemented in the engine is also a measure of the available engine torque.
  • An electrical voltage source 24 in the form of a battery, a rechargeable battery or a power supply unit supplies a low supply voltage to a step-up converter 17. This is controlled digitally or analogously by means of control lines 19 via the voltage factor N u and accordingly ran a supply voltage according to the product of the voltage factor N u and the supply voltage.
  • This supply voltage drives the drive motor 7 via the motor output stage 9.
  • a stepless variation of the voltage factor N u is also possible in order to achieve a fine adjustment to the power requirement.

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Abstract

Elektronische Dosiervorrichtung mit
  • einer einen elektrischen Antrieb aufweisenden Antriebseinrichtung,
  • mindestens einer von der Antriebseinrichtung antreibbaren Verdrängungseinrichtung zum Pipettieren von Flüssigkeit und
  • einer elektronischen Steuer- und/oder Regeleinrichtung für den Antriebsmotor mit einem Wandler, die eine von einer elektrischen Spannungsquelle gelieferte Speisespannung in eine in der Höhe auf die jeweilige Last der Antriebseinrichtung abgestimmte Versorgungsspannung für den Antriebsmotor umwandelt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektronische Dosiervorrichtung.
Elektronische Dosiervorrichtungen werden im Laboratorium zum Dosieren von Flüssigkeiten eingesetzt. Sie sind in verschiedenen Ausführungen bekannt. Nach dem Luftpolsterprinzip arbeitende Dosiervorrichtungen haben eine integrierte Kolben-Zylinder-Einheit, mittels der eine Luftsäule verschiebbar ist, um Probenflüssigkeit in eine Doserspitze einzusaugen und aus dieser auszustoßen. Hierbei kommt die Kolben-Zylinder-Einheit nicht in Kontakt mit der Flüssigkeit. Nur die Dosierspitze, die in der Regel aus Kunststoff besteht, wird kontaminiert und kann nach Gebrauch ausgetauscht werden.
Bei Direktverdränger-Dosiervorrichtungen wird hingegen eine Spritze direkt mit Probenflüssigkeit befüllt. Kolben und Zylinder der Spritze werden also von der Flüssigkeit kontaminiert, so daß die Spritze vor einem Wechsel der Flüssigkeit zumeist durch eine neue Spritze ersetzt oder gereinigt werden muß. Auch die Spritze besteht in der Regel aus Kunststoff.
Kolbenlose Dosiervorrichtungen können eine Dosierspitze mit einem ballonartigen Endabschnitt aufweisen, der zum Einsaugen von Flüssigkeit expandiert und zum Ausstoßen komprimiert wird. Solche Dosierspitzen sind auch schon als Austauschteil konzipiert worden.
Mikrodosiervorrichtungen können eine Mikromembranpumpe und/oder einen Freistrahldosierer haben, wobei zumindest eine dieser Komponenten mikrosystemtechnisch ausgeführt ist, insbesondere in Silizium-, Glas-, Kunststoffspritzguß- und/oder Kunststoffprägetechnik. Die Dosierung wird durch Verformung einer Wand einer Kammer erreicht, die mit Flüssigkeit befüllt ist. Der elektrische Antrieb zur Verformung der Wand kann piezoelektrisch, thermoelektrisch, elektromagnetisch, elektrostatisch, elektromechanisch, magneto-restriktiv etc. sein.
Luftpolster-, Direktverdränger-, kolbenlose und Mikrodosiervorrichtungen können ein unveränderliches oder ein veränderliches Dosiervolumen aufweisen. Eine Veränderung des Dosiervolumens wird durch Verstellen der Verdrängung der Verdrängereinrichtung erreicht, d.h. des Verschiebeweges des Kolbens oder des Verformungsgrades des ballonartigen Endabschnittes bzw. der Kammerwand.
Dispenser sind Dosiervorrichtungen, die ein aufgenommenes Flüssigkeitsvolumen repetitiv in kleinen Teilmengen abgeben können.
Außerdem gibt es Mehrkanal-Dosiervorrichtungen, die mehrere
Figure 00020001
Kanäle" aufweisen, mittels derer gleichzeitig dosiert wird.
Sämtliche Dosiervorrichtungen können insbesondere als Handgerät und/oder stationäre Geräte ausgeführt sein.
Alle vorgenannten Dosiervorrichtungen können elektronische Dosiervorrichtungen im Sinne dieser Anmeldung sein. Dabei weisen sie eine Antriebseinrichtung mit einem elektrischen Antrieb zum Antreiben einer Verdrängungseinrichtung auf, bei der es sich um die Kolben-Zylinder-Einheit oder um den ballonartigen Endabschnitt einer Dosierspitze oder um eine Kammer mit verformbarer Wand handeln kann. Der elektrische Antrieb kann insbesondere ein elektrischer Antriebsmotor, elektrischer Linearantrieb oder einer der im Zusammenhang mit den Mikrodosiervorrichtungen genannten elektrischen Antriebe sein. Zudem ist eine elektronische Steuereinrichtung für den Antrieb und eine elektrische Spannungsquelle zur Versorgung von Steuereinrichtung und Antrieb vorhanden. Elektronische Dosiervorrichtungen haben insbesondere den Vorteil der hohen Reproduzierbarkeit von Dosierungen. Insbesondere durch voreingestellte konstante Dosiergeschwindigkeiten (µl/s) können exaktere Ergebnisse erzielt werden als mit manuell angetriebenen Dosiervorrichtungen. Außerdem haben sie den Vorteil eines breiten Anwendungsgebietes, da sie sowohl einfache Pipettierfunktionen als auch Dispenserfunktionen ausfüllen können. Die elektrische Spannungsquelle kann eine Batterie, einen Akku und/oder ein Netzteil umfassen.
Bei herkömmlichen elektronischen Dosiervorrichtungen ist die elektrische Spannungsquelle so dimensioniert, daß sie im Normalzustand eine ausreichende Leistung für den Antrieb bei sämtlichen Betriebslasten der Antriebseinrichtung zur Verfügung stellt. Bei einer Batterie oder einem Akku erfordert dies eine entsprechende Anzahl Zellen. Dennoch kann es mit fortschreitender Entladung und damit absinkender Speisespannung vermehrt zu Betriebsstörungen kommen. Mit absinkender Speisespannung nimmt nämlich das Drehmoment des Antriebs ab, so daß die Antriebseinrichtung die Verdrängungseinrichtung nicht mehr bei sämtlichen auftretenden Belastungen in der gewünschten Weise antreibt. Insbesondere bei Ausführung des Antriebs als Schrittmotor können Schritte verlorengehen und hierdurch Dosierfehler entstehen. Deshalb ist für einen zuverlässigen Betrieb über eine gewünschte Zeit eine aufwendige Batterie- oder Akkuversorgung mit entsprechenden Kosten, Volumen und Gewicht erforderlich. Gleiches gilt bei Ausführung der elektrischen Spannungsquelle als Netzteil.
Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine elektronische Dosiervorrichtung zu schaffen, bei der der Aufwand für die elektrische Spannungsquelle, insbesondere deren Kosten, Platzbedarf und Gewicht, vermindert ist und der Antrieb dennoch bei sämtlichen betrieblichen Lasten mit der erforderlichen Spannung versorgt wird.
Die Aufgabe wird durch eine elektronische Dosiervorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der elektronischen Dosiervorrichtung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die erfindungsgemäße elektronische Dosiervorrichtung hat
  • eine einen elektrischen Antrieb aufweisende Antriebseinrichtung,
  • mindestens eine von der Antriebseinrichtung antreibbare Verdrängungseinrichtung zum Dosieren von Flüssigkeit und
  • eine elektronische Steuer- und/oder Regeleinrichtung für den Antrieb mit einem Wandler, der eine von einer elektrischen Spannungsquelle gelieferte Speisespannung in eine in der Höhe auf die jeweilige Last der Antriebseinrichtung abgestimmte Versorgungsspannung für den Antrieb umwandelt.
Erfindungsgemäß stellt also die Steuer- und/oder Regeleinrichtung dem Antrieb über einen Wandler eine auf die jeweilige Last der Antriebseinrichtung abgestimmte Versorgungsspannung zur Verfügung. So kann sie beispielsweise zu Beginn eines Antriebsvorganges die Versorgungsspannung erhöhen, um Anlaufwiderstände der Verdrängungseinrichtung zu überwinden. Danach kann sie die Versorgungsspannung auf einen Nominalwert absenken, der für einen weiteren Antrieb der in Bewegung versetzten Verdrängungseinrichtung ausreicht. Falls die Dosiervorrichtung mit verschiedenen Verdrängungseinrichtungen bestückbar ist, die unterschiedliche Lasten für die Antriebseinrichtungen darstellen, beispielsweise Spritzen verschiedener Größe, kann die Versorgungsspannung auf die jeweilige Verdrängungseinrichtung abgestimmt werden. Die Steuer- und/oder Regeleinrichtung steuert den Betrieb der Dosiervorrichtung, beispielsweise gemäß Steuerbefehlen, die über eine Tastatur eingegeben werden können, so daß sie den jeweiligen Betriebszustand der Dosiervorrichtung kennt. Nach vorbestimmten Kriterien kann die Steuer- und/oder Regeleinrichtung zu jedem Betriebszustand eine geeignete Versorgungsspannung herausfinden und über den Wandler zur Verfügung stellen. Zudem kann eine Information über die jeweils vorhandene Verdrängungseinrichtung, z. B. eine Codierung einer Spritze, automatisch von der Dosiervorrichtung gelesen oder gesondert eingegeben werden. Des weiteren kann die Steuer- und/oder Regeleinrichtung die jeweilige Last, die durch äußere Einflüsse unvorhersehbar verändert werden kann, ermitteln und aufgrund des Ermittlungsergebnisses die Versorgungsspannung regeln. So kann die Abstimmung der Versorgungsspannung auf die jeweilige Last erreicht werden.
Die Erfindung ist nicht auf den Einsatz eines Aufwärtswandlers beschränkt. Einbezogen ist auch der Fall, bei dem die vom elektrischen Antrieb benötigte Versorgungsspannung unter der Speisespannung der Spannungsversorgung liegt. So stehen zum Beispiel Lithium-Ionen-(Li-Ion-)Akkus zur Verfügung, die eine verhältnismäßig hohe Spannung (ca. 3V pro Zelle) liefern, so daß durch Serienschaltung nur weniger Zellen eine verhältnismäßig hohe Speisespannung zur Verfügung gestellt werden kann. Im Stand der Technik wird - insbesondere bei Einsatz von Schrittmotoren - bei geringer Last der Antriebseinrichtung die hohe Speisespannung teilweise in Verlustwärme umgesetzt. Das ist aus verschiedenen Gründen unerwünscht. Im Rahmen der Erfindung kann nun in solchen Fällen eine Abwärtswandlung der Speisespannung auf eine Versorgungsspannung mit dem bei der jeweiligen Last benötigten Niveau erfolgen. Auch ist von der Erfindung der Fall eingeschlossen, daß die Versorgungsspannung vom Wandler sowohl herauf- als auch heruntergesetzt wird, je nach Last der Antriebseinrichtung.
Die erfindungsgemäße Dosiervorrichtung hat den Vorteil, daß die elektrische Spannungsquelle und der Antrieb auf eine durchschnittliche Last abgestimmt werden können. Bei erhöhten Lasten stellt der Wandler eine erhöhte Versorgungsspannung zur Verfügung. Da diese nur kurzzeitig eintreten, ist keine Beschädigung des Antriebsmotors zu besorgen. Infolgedessen kommt die Dosiervorrichtung mit einer geringeren Anzahl Batterie- oder Akkuzellen bzw. einem kleiner dimensionierten Netzteil als herkömmliche Dosiervorrichtungen aus. Seitens der elektrischen Spannungsquelle ist eine Kostenersparnis erzielbar, die die zusätzlichen Kosten für den Wandler übersteigt. Außerdem wird hierdurch der Platzbedarf für die Spannungsquelle verringert und eine Gewichtsreduzierung der Dosiervorrichtung erreicht. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß der Wandler zugleich eine Regelung der Versorgungsspannung ermöglicht, so daß diese vom Endladungszustand einer Batterie oder eines Akkumulators weitgehend unabhängig ist.
Der elektrische Antrieb kann insbesondere ein elektrischer Antriebsmotor, ein elektrischer Linearantrieb oder einer der im Zusammenhang mit Mikrodosiervorrichtungen erwähnten elektrischen Antriebe sein. Ein elektrischer Antriebsmotor kann insbesondere ein Schrittmotor sein, bei dem eine Impulssteuerung genau definierte Dosiermengen oder Dosierschritte begünstigt. Zusätzlich oder statt dessen können genau definierte Dosiermengen insbesondere durch Endanschläge, Winkelcodierer oder Codierstreifen sichergestellt werden.
Ferner kann die Antriebseinrichtung ein Getriebe zum Umwandeln einer Drehbewegung einer Welle eines Antriebsmotors in eine lineare Antriebsbewegung für die Verdrängungseinrichtung haben. Dies kann insbesondere der Fall sein, falls die Verdrängungseinrichtung eine Kolben-Zylinderanordnung aufweist. Dabei kann es sich um die Spritze einer Direktverdränger- oder um die Verdrängungseinheit einer Luftpolster-Dosiervorrichtung handeln.
Die elektrische Spannungsquelle kann mindestens eine Batterie, mindestens einen Akku und/oder ein Netzteil aufweisen. Insbesondere können NiMH-Akkus vorhanden sein. Vorzugsweise wird durch zwei solcher Akkus eine Speisespannung von 2,4 Volt zur Verfügung gestellt.
Der Wandler kann die Versorgungsspannung insbesondere etwa auf dem Niveau der Speisespannung und darüber liefern. So kann die Versorgungsspannung in Höhe einer Speisespannung von z. B. 2,4 Volt dazu benutzt werden, ein Haltemoment auf einen Schrittmotor auszuüben, der auf eine Nominalspannung von z. B. 6 Volt ausgelegt ist. Mangels eines solchen Haltemomentes besteht bei einem Schrittmotor beim Abbremsen eine Neigung zum Schwingen, so daß er eventuell noch einen oder mehrere ungewünschte Schritte zurücklegt.
Vorzugsweise kann der Wandler die Versorgungsspannung auf verschiedenen diskreten oder kontinuierlichen Niveaus liefern. Davon kann eines der Erzeugung eines Haltemomentes dienen. Ein weiteres Niveau kann die Nominalspannung sein, die der Antriebsmotor bei durchschnittlicher Last benötigt. Darüber hinaus kann es ein erhöhtes Spannungsniveau für erhöhte Lasten geben. Dementsprechend kann die Steuer- und/oder Regeleinrichtung die Versorgungsspannung beim Stoppen des Antriebsmotors auf dem niedrigen Niveau, bei durchschnittlicher Belastung auf dem mittleren Niveau und bei erhöhter Belastung auf dem erhöhten Niveau liefern. Beispielsweise kann die Versorgungsspannung die diskreten Werte 2,4 Volt, 6 Volt und 8 Volt annehmen.
Vorzugsweise weist der Wandler einen Hochsetzsteller auf. Hochsetzsteller sind in der Versorgungstechnik bekannte Schaltungen, mit denen eine Gleichspannung auf ein höheres Niveau gebracht werden kann. Hochsetzsteller können eine Ausgangsspannung über die Eingangsspannung stellen, wobei sie in der Regel die in einer Induktivität gespeicherte Energie ausnutzen.
Vorzugsweise ist die elektronische Dosiervorrichtung als Handvorrichtung ausgeführt und dementsprechend mit mindestens einer Batterie oder mindestens einem Akkumulator ausgestattet.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der anliegenden Zeichnungen von Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1
ein Gesamtblockschaltbild der elektronischen Pipettiervorrichtung;
Fig. 2
einen Schaltplan des Hochsetzstellers derselben Pipettiervorrichtung;
Fig. 3
ein Blockschaltbild der Spannungsversorgung des Antriebsmotors einer elektronischen Pipettiervorrichtung.
Gemäß Fig. 1 besteht die elektronische Pipettiervorrichtung im wesentlichen aus sechs Funtionsbereichen, nämlich einer Antriebseinrichtung 1, einer Verdrängungseinrichtung 2, einer elektronischen Steuer- und/oder Regeleinrichtung 3, einer elektrischen Spannungsquelle 4, einer Bedieneinrichtung 5 und einer Anzeigeeinrichtung 6. Sämtliche Funktionsbereiche 1 bis 6 sind in oder an einem - nicht dargestellten - Pipettengehäuse einer Handpipette ausgebildet.
Die Antriebseinrichtung 1 weist einen elektrischen Antriebsmotor auf, der als Schrittmotor 7 ausgeführt ist. Mittels des Schrittmotors 7 ist eine Achse 8 linear vor und zurück verschiebbar. Außerdem gehört zur Antriebseinrichtung eine Motorenstufe in Form zweier H-Brücken 9, die der Ansteuerung des Schrittmotors 7 dient. Diese umfaßt in einer dem Fachmann bekannten Weise acht in H-Anordnung geschaltete Leistungstransistoren, mit denen der Schrittmotor 7 über Versorgungsleitungen 10 in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung betrieben werden kann.
Die Verdrängungseinrichtung 2 weist einen Kolben 11 auf, der an der Achse 8 fixiert ist. Der Kolben 11 ist in einem Zylinder 12 verschieblich. Dieser ist über einen Kanal 13 mit einer Pipettenspitze 14 verbunden, die von der Vorrichtung trennbar ist.
Zur elektronischen Steuer- und/oder Regeleinrichtung 3 gehört ein Mikrocontroller 15, der insbesondere einen Timer, einen Arbeitsspeicher und einen nichtflüchtigen Speicher integriert hat. Der Mikrocontroller steuert die H-Brücken über Steuerleitungen 16.
Dazu gehört ferner ein Aufwärtswandler 17 zum Erzeugen der Versorgungsspannung des Schrittmotors 7, der über Versorgungsleitungen 18 die H-Brücken speist. Steuerleitungen 19 verbinden den Mikrocontroller 15 mit dem Aufwärtswandler 17.
Weiterer Bestandteil der Steuer- und/oder Regeleinrichtung 3 ist ein weiterer Aufwärtswandler 20, der den Mikrocontroller 15 über weitere Versorgungs-. leitungen 21 versorgt.
Der Achse 8 des Schrittmotors 7 ist ein Endlagerschalter 22 zugeordnet, der über eine Kontrolleitung 23 vom Mikrocontroller 15 überwacht wird, um eine Nullpunkteinstellung zu ermöglichen.
Die elektrische Spannungsquelle 4 umfaßt zwei NiMH-Akkus 24, deren Speisespannung über Speiseleitungen 25 dem Aufwärtswandler 17 und dem weiteren Aufwärtswandler 20 zugeführt wird. Die Speisespannung der beiden Akkus 24 wird über Kontrolleitungen 26 dem Mikrocontroller 15 zugeführt. Zudem gehört zu der elektrischen Spannungsquelle 24 eine Ladestromsteuerung 27, die einerseits über Ladekontakte 28 mit einer externen Spannungsquelle verbindbar ist und andererseits über Ladeleitungen 29 mit den Akkus 24 verbunden ist. Die Ladestromsteuerung 27 ist außerdem über Kontrolleitungen 30 für die Ladespannung und über Ladestromsteuerleitungen 31 jeweils mit dem Mikrocontroller 15 verbunden.
Die Bedieneinrichtung 5 umfaßt eine Eingabetastatur 32, die über Leitungen 33 an den Mikrocontroller 15 angeschlossen ist. Ferner umfaßt sie Auslösetasten 34, die über Leitungen 35 mit dem Mikrocontroller 15 verbunden ist.
Die Anzeigeeinrichtung 6 ist ein LCD-Display, das über Leitungen 36 mit dem Mikrocontroller 15 verbunden ist, der eine Anzeigensteuerung enthält.
Grundsätzlich funktioniert die Pipettiervorrichtung folgendermaßen:
Die Steuersoftware ist im Mikrocontroller 15 gespeichert. Spezielle Pipettierparameter können vor einem Dosiervorgang mittels der Eingabetastatur 32 eingegeben werden. Mittels der Auslösetasten 34 sind einzelne Pipettiervorgänge auslösbar. Das Display 6 zeigt eingegebene Pipettierparameter, Steuerbefehle und Betriebszustände der Pipettiervorrichtung an.
Die gesamte Speisespannung der zwei Akkuzellen 24 beträgt 2,4 Volt. Diese wird vom weiteren Aufwärtswandler 20 auf 3,3 Volt Versorgungsspannung für den Mikrocontroller 15 geregelt.
Je nach Ansteuerung über die Steuerleitung 19 schaltet der Aufwärtswandler 17 die Speisespannung der Akkus 24 als Versorgungsspannung auf die Versorgungsleitungen 18 durch oder erhöht diese auf 6 oder 8 Volt. Da der Mikrocontroller den Betrieb des Schrittmotors 7 über die Steuerleitungen 16 steuert, kennt er dessen jeweiligen Spannungsbedarf und steuert den Aufwärtswandler 17 entsprechend.
Die Speisespannung wird vom Mikrocontroller 15 über die Kontrolleitungen 26 kontrolliert. Fällt sie unter einen zulässigen Wert, wird vom Display 6 eine entsprechende Information ausgegeben. Durch Anschluß der Ladekontakte 28 an ein externes Netzteil kann im Bedarfsfalle eine Aufladung der Akkus 24 erfolgen. Über die Ladestromsteuerleitungen 31 wird der Ladestrom entsprechend dem über die Kontrolleitungen 30 ermittelten Ladezustand der Akkus 24 gesteuert.
Die Ausführung der Funktionsbereiche 1 bis 6 und der zugehörigen Funktionsblöcke ist dem Fachmann geläufig. Ein Ausführungsbeispiel des Aufwärtswandlers 17 soll jedoch anhand der Fig. 2 erläutert werden. Der Aufwärtswandler 17 umfaßt ein IC 37 der Art, das in Fachkreisen als Hochsetzsteller" bekannt ist. Im Beispiel handelt es sich um das IC MAX 608 der Firma Maxim. Das IC 37 ist in der üblichen Weise mit Transistor 38, Widerstand 40, Kondensatoren 45 bis 50, Diode 51 und Induktivität 52 beschaltet. Das IC 37 regelt über die Spannungsrückführung bestehend aus Transistor 39 und Widerständen 41 bis 43 die Einschaltdauer des Transistors 38, wodurch die Induktivität 52 mit Energie geladen wird. Diese Energie wird als zusätzliche Reihenspannungsquelle während der Sperrphase des Transistors 38 an die Ausgangskondensatoren 48 und 49 abgegeben. Dabei ist die Spannungsrückführung mittels des Kontaktes 57 schaltbar. Wird der Kontakt 57 auf low" gelegt, beträgt die Versorgungsspannung 6V, ist er auf high" gelegt, beträgt sie 8V.
Schließlich kann mittels des Kontaktes 58 Versorgungsspannung etwa auf den Wert der Speisespannung eingestellt werden. Hierzu ist der Kontakt 58 von low" auf high" umzuschalten.
Dementsprechend liegen die Speiseleitungen 25 an den Kontakten 53, 54 und die Versorgungsleitungen 18 an den Kontakten 55, 56 an und sind die Steuerleitungen 19 an die Kontakte 57, 58 angeschlossen.
Der Antriebsmotor 7 kann also mittels der elektronischen Steuereinrichtung 3 an drei unterschiedlichen Spannungen betrieben werden:
  • a) Der Mikrocontroller 15 legt den Kontakt 58 auf high" und der Hochsetzsteller 37 ist nicht aktiv, so daß die Versorgungsspannung der Speisespannung minus der Verlustspannung der Diode 51 entspricht.
  • b) Der Mikrocontroller 15 legt den Kontakt 57 des Hochsetzstellers auf low", so daß der Transistor 39 angesteuert und das IC 37 aktiviert wird und der Aufwärtswandler 17 eine Versorgungsspannung von 6 Volt liefert.
  • c) Der Mikrocontroller 15 legt den Kontakt 57 auf high", so daß der Transistor 39 gesperrt und das IC 37 aktiviert wird und der Aufwärtswandler 17 eine Versorgungsspannung von 8 Volt zur Verfügung stellt.
    • Dabei gilt für den Aufwärtswandler UA ≈ UE x (1 + t1/t2) wobei UA die Versorgungsspannung und UE die Speisespannung ist. t1 ist die Zeit, während der der Transistor 38 leitend ist und t2 ist die Zeit, während der der Transistor 38 gesperrt ist.
    Leitet der Transistor 38 ebenso lange wie er sperrt, so stellt sich Ua ≈ 2 x Ue ein. Sperrt der Transistor dagegen die ganze Zeit, so stellt sich Ua ≈ Ue ein.
    Der Bereich, in dem die Spannungen hochgesetzt werden können, wird durch den resultierenden Strom und die eingesetzten Bauelemente begrenzt. Die Leistungsbilanz bleibt annähernd konstant: PE = PA d.h. UE x IE = Ua x Ia wobei PE die eingespeiste Leistung und PA die abgegebene Leistung und IE der eingespeiste Strom und IA der Versorgungsstrom ist. Somit erhöht sich der eingespeiste Strom bei der Spannungshochsetzung nicht unbeträchtlich.
    Die Erhöhung des Drehmoments des Antriebsmotors 7 resultiert aus dem festen Motorinnenwiderstand und der angehobenen treibenden Spannung UA. Die elektrische Leistung, die im Motor umgesetzt wird, ist auch ein Maß des verfügbaren Motordrehmomentes.
    Von einem Motor mit 2 x 30 Ohm Wicklungswiderstand wird bei einer Versorgungsspannung von 3 Volt eine maximale Leistung von P = U2/(1/2 x R) = 0,6 Watt umgesetzt. Wird dagegen die Spannung auf 8 Volt hochgesetzt, so wird die Leistung auf 4,3 Watt erhöht. Die um etwa den Faktor 7 höhere Leistung kann vom Motor natürlich nur für sehr kurze Zeiten umgesetzt werden, da sonst eine Überhitzung des Motors stattfinden würde. Für die Überwindung der üblicherweise beim Betrieb elektronischer Pipettiervorrichtungen nur kurzfristig erhöhten Lasten ist dies jedoch ohne weiteres möglich.
    Die Fig. 3 verdeutlicht das Funktionsprinzip der Erfindung. Eine elektrische Spannungsquelle 24 in Form einer Batterie, eines Akkus bzw. eines Netzteils liefert eine niedrige Speisespannung an einen Aufwärtswandler 17. Dieser wird mittels Steuerleitungen 19 über den Spannungsfaktor Nu digital oder analog gesteuert und liefen dementsprechend eine Versorgungsspannung gemäß dem Produkt des Spannungsfaktors Nu und der Speisespannung. Diese Versorgungsspannung treibt über die Motorendstufe 9 den Antriebsmotor 7 an. Grundsätzlich ist auch eine stufenlose Variation des Spannungsfaktors Nu möglich, um eine feine Anpassung an den Leistungsbedarf zu erzielen.

    Claims (16)

    1. Elektronische Dosiervorrichtung mit
      einer einen elektrischen Antrieb (7) aufweisenden Antriebseinrichtung (1),
      mindestens einer von der Antriebseinrichtung (1) antreibbaren Verdrängungseinrichtung (2) zum Pipettieren von Flüssigkeit und
      einer elektronischen Steuer- und/oder Regeleinrichtung (3) für den Antriebsmotor (7) mit einem Wandler (17), die eine von einer elektrischen Spannungsquelle (24) gelieferte Speisespannung in eine in der Höhe auf die jeweilige Last der Antriebseinrichtung (1) abgestimmte Versorgungsspannung für den Antriebsmotor (7) umwandelt.
    2. Elektronische Pipettiervorrichtung nach Anspruch 1, bei der der elektrische Antriebsmotor ein Schrittmotor (7) ist.
    3. Elektronische Pipettiervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Antriebseinrichtung (1) ein Getriebe zum Umwandeln einer Drehbewegung an einer Welle des Antriebsmotors (7) in eine lineare Antriebsbewegung für die Verdrängereinrichtung (2) hat.
    4. Elektronische Pipettiervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die Verdrängereinrichtung (2) eine Kolben-Zylinderanordnung (11, 12) hat, die als Spritze zum Aufnehmen der zu pipettierenden Flüssigkeit ausgebildet ist oder über einen Kanal (13) mit einer Pipettenspitze (14) zum Aufnehmen der zu pipettierenden Flüssigkeit verbunden ist.
    5. Elektronische Pipettiervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die elektrische Spannungsquelle mindestens eine Batterie, mindestens einen Akku (24) und/oder ein Netzteil aufweist.
    6. Elektronische Pipettiervorrichtung nach Anspruch 5, bei der die elektrische Spannungsversorgung (2) z. B. NiMH-Akkus (24), NiCd-Akkus oder Li-Jon-Akkus aufweist.
    7. Elektronische Pipettiervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der der Wandler (17) die Versorgungsspannung etwa auf dem Niveau der Speisespannung und darüber liefert.
    8. Elektronische Pipettiervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der der Wandler (17) auch eine in der Höhe auf die jeweilige Last der Antriebseinrichtung (1) abgestimmte Versorgungsspannung unterhalb des Niveaus der Speisespannung liefert.
    9. Elektronische Pipettiervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der der Wandler (17) die Versorgungsspannung auf verschiedenen diskreten oder variablen Niveaus liefert.
    10. Elektronische Pipettiervorrichtung nach Anspruch 9, bei der der Wandler (17) die Versorgungsspannung auf drei verschiedenen Niveaus liefert.
    11. Elektronische Pipettiervorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, bei der der Wandler (17) die Versorgungsspannung zumindest auf den Niveaus 2,4 Volt, 6 Volt und 8 Volt liefert.
    12. Elektronische Pipettiervorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, bei der die Steuereinrichtung (1) die Versorgungsspannung beim Stoppen des Antriebsmotors (7) auf einem niedrigen Niveau, bei normaler Last der Antriebseinrichtung (1) auf einem mittleren Niveau und bei erhöhter Last der Antriebseinrichtung (1) auf hohem Niveau liefert.
    13. Elektronische Pipettiervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei der der Wandler (17) einen Hochsetzsteller (37) aufweist.
    14. Elektronische Pipettiervorrichtung nach Anspruch 13, bei der der Wandler (17) eine Induktivität (32) aufweist.
    15. Elektronische Pipettiervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, bei der die Steuereinrichtung (3) den elektrischen Antriebsmotor (7) über H-Brücken (9) steuert.
    16. Elektronische Pipettiervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, die eine Handpipettiervorrichtung ist.
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