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用于自動進樣器取液操作的自動液面追隨裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型為一種用于自動進樣器取液操作的自動液面追隨裝置，包括：自動進樣器底盤；第一和第二液體容器，放置于自動進樣器底盤上；自動進樣器X/Y臂和自動進樣器Z臂架設(shè)于自動進樣器底盤上；液體管路，固定于自動進樣器Z臂上；吸液針，設(shè)于液體管路的其中一端；吸液泵，設(shè)于液體管路上；非接觸式氣泡傳感器，也設(shè)于液體管路上，且非接觸式氣泡傳感器設(shè)于吸液針與吸液泵之間；以及絲杠電機，設(shè)于自動進樣器Z臂上并用于控制吸液針上升或下降；吸液針的下降速度為u1，u1=U1/(πR2)，U1為吸液泵9流速，R為第一液體容器的內(nèi)部半徑。本實用新型結(jié)構(gòu)緊湊、適用各種類型液體、可配合傳感器自動找尋液面，并自動追隨液面下降。
【專利說明】用于自動進樣器取液操作的自動液面追隨裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型裝置涉及一種生化領(lǐng)域的實驗、自動化分析儀器和液體自動處理設(shè)備，特別涉及一種用于自動進樣器取液操作的自動液面追隨裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]自動進樣器的主要結(jié)構(gòu)包括:自動進樣器底盤、X/Y臂和Z臂。其中，Z臂安裝有吸液針，吸液針可以在x、y、z三個方向移動。吸液泵提供液體流動的動力，常見的吸液泵主要包括:針筒式注射泵、陶瓷泵、蠕動泵或齒輪泵。通過吸液泵、吸液針和自動進樣器的相互配合，可以實現(xiàn)對液體的操作，例如:吸液、加液、移液、稀釋等液體操作。由于不同的液體共用一根吸液針，因此需要對吸液針進行清洗，而且為了防止液體的交叉污染，減少液體在吸液針上的吸附，要求吸液針針尖插入液面以下的深度盡可能的小，必須能達到追隨液面的效果。
[0003]吸液針取液的傳統(tǒng)做法有三種方式:第一種是將吸液針先移動到液體容器底部，然后啟動吸液泵進行取液操作，取液完畢后，將吸液針抬離液體容器。第二種是純計算方式，通過客戶設(shè)定的取液流速、取液體積以及液體容器參數(shù)，計算出液面位置以及吸液針下降的速度，達到吸液針自動追隨液面的效果。第三種是吸液針采用雙殼層的電容針技術(shù)，根據(jù)吸液針針尖的電容變化值來確定吸液針下降的速度，達到吸液針自動追隨液面的效果。
[0004]以上的三種吸液針取液方式各有優(yōu)缺點:第一種，優(yōu)點是不用考慮液體容器的類型，也是成本最低的方案。缺點是吸液針插入液體的深度過多，在抬離吸液針時，會有多余的液體殘留吸附在吸液針表面，造成損失或污染。第二種，優(yōu)點是通過計算可以實現(xiàn)追隨液面的效果，成本較低。缺點是每次都需要知道液體的精確體積，否則無法準(zhǔn)確找到液面，無法實現(xiàn)自動追隨液面，所以這種方式過程上比較繁瑣，會給操作者增加工作量。第三種，優(yōu)點是對大多數(shù)液體可以實現(xiàn)自動液面追隨。缺點是雙殼層電容針對于生化領(lǐng)域使用較多的一些電導(dǎo)性差的有機溶劑不敏感，容易造成誤判而無法使用，而且雙殼層電容針結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，對于電路的設(shè)計要求相對較高。
[0005]有鑒于此，為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明人基于相關(guān)領(lǐng)域的研發(fā)，并經(jīng)過不斷測試及改良，進而有本實用新型的產(chǎn)生。
實用新型內(nèi)容
[0006]本實用新型為了解決上述問題，達到良好的使用效果和經(jīng)濟效益，用較常見的機構(gòu)組合在一起，提供了一種結(jié)構(gòu)緊湊、適用各種類型液體、可配合傳感器自動找尋液面，并自動追隨液面下降的裝置。
[0007]為達上述目的，本實用新型提供一種用于自動進樣器取液操作的自動液面追隨裝置，其包括:
[0008]自動進樣器底盤；
[0009]第一液體容器和第二液體容器，放置于所述的自動進樣器底盤上；[0010]自動進樣器X/Y臂，架設(shè)于所述的自動進樣器底盤上；
[0011 ]自動進樣器Z臂，設(shè)于自動進樣器X/Y臂上；
[0012]液體管路，固定于自動進樣器Z臂上，且液體管路的兩端分別向下延伸；
[0013]吸液針，設(shè)于液體管路的其中一端；
[0014]吸液泵，設(shè)于液體管路上；
[0015]非接觸式氣泡傳感器，也設(shè)于液體管路上，且非接觸式氣泡傳感器設(shè)于吸液針與吸液泵之間；以及
[0016]絲杠電機，設(shè)于自動進樣器Z臂上并用于控制吸液針上升或下降；
[0017]其中，所述吸液針的下降速度為U1, U1=VU R2)，
[0018]U1為吸液泵9流速，R為第一液體容器的內(nèi)部半徑。
[0019]所述的用于自動進樣器取液操作的自動液面追隨裝置，其中，還包括清洗槽，清洗槽設(shè)于所述的自動進樣器底盤上。
[0020]所述的用于自動進樣器取液操作的自動液面追隨裝置，其中，所述的液體管路采用的是Teflon (特氟龍，涵蓋一系列氟聚合物)管。
[0021]所述的用于自動進樣器取液操作的自動液面追隨裝置，其中，所述的第一液體容器和第二液體容器采用防腐蝕性的材質(zhì)。
[0022]所述的用于自動進樣器取液操作的自動液面追隨裝置，其中，所述的第一液體容器和第二液體容器采用硼硅玻璃材質(zhì)或Teflon材質(zhì)。
[0023]所述的用于自動進樣器取液操作的自動液面追隨裝置，其中，所述的吸液針采用耐酸堿、耐有機溶劑的材質(zhì)。
[0024]所述的用于自動進樣器取液操作的自動液面追隨裝置，其中，所述的吸液針采用不銹鋼材質(zhì)。
[0025]所述的用于自動進樣器取液操作的自動液面追隨裝置，其中，所述的絲杠電機采用直線步進電機，電機的初始位置由光耦或霍爾定位。
[0026]所述的用于自動進樣器取液操作的自動液面追隨裝置，其中，所述的吸液泵采用針筒式注射泵或陶瓷計量泵。
[0027]本實用新型與現(xiàn)有的技術(shù)相比有以下優(yōu)點:
[0028]1、本實用新型裝置，通過非接觸式氣泡傳感器，可以準(zhǔn)確可靠的找到液體的液面位置。
[0029]2、本實用新型裝置的非接觸式氣泡傳感器靈敏度極高，不受液體種類的限制，特別是對浸入式電容針不適用的低電導(dǎo)性溶劑有很好的效果，這一點可以大大提高取液操作的適用性。
[0030]3、本實用新型裝置，可以可靠的實現(xiàn)自動液面追隨，最大限度的減少吸液針對液體的吸附，最大限度的減少交叉污染。
[0031]4、本實用新型裝置的吸液針結(jié)構(gòu)簡單、成本低、便于維護更換，無需使用復(fù)雜和昂貴的雙殼層電容針。
[0032]5、相比于浸入式電容針技術(shù)，本實用新型裝置的電路和機械方面技術(shù)難度小，成熟度高，更容易實現(xiàn)與普及。【專利附圖】

【附圖說明】
[0033]圖1為本實用新型的自動液面追隨裝置的立體圖；
[0034]圖2為本實用新型的自動液面追隨裝置的側(cè)視圖；
[0035]圖3為本實用新型的自動液面追隨裝置的工作示意圖；
[0036]圖4為本實用新型的自動液面追隨裝置的電路系統(tǒng)框圖；
[0037]附圖標(biāo)記說明:1_自動進樣器底盤；2_第一液體容器；3_吸液針；4_自動進樣器X/Y臂；5-自動進樣器Z臂；6_絲杠電機；7_液體管路；8_非接觸式氣泡傳感器；9_吸液泵；?ο-第二液體容器；11-清洗槽。
【具體實施方式】 [0038]以下結(jié)合【專利附圖】

【附圖說明】進一步介紹本實用新型。
[0039]圖1和圖2所示，是本實用新型的自動液面追隨裝置的立體圖和側(cè)視圖；圖3為自動液面追隨裝置的工作流程圖；圖4所示的就是自動液面追隨裝置的電路系統(tǒng)框圖。
[0040]如圖1、圖2、圖3所示，本實用新型裝置的結(jié)構(gòu)組成包括:自動進樣器底盤1、第一液體容器2、吸液針3、自動進樣器X/Y臂4、自動進樣器Z臂5、絲杠電機6、液體管路7、非接觸式氣泡傳感器8、吸液泵9、第二液體容器10以及清洗槽11。
[0041]所述的第一液體容器2和第二液體容器10放置于所述的自動進樣器底盤I上，并且位置坐標(biāo)固定。此外，所述的自動進樣器X/Y臂4架設(shè)于自動進樣器底盤I上，自動進樣器Z臂5設(shè)于自動進樣器X/Y臂4上，所述的液體管路7固定于自動進樣器Z臂5上，且液體管路7的兩端分別向下延伸，其中，液體管路7的其中一端設(shè)有吸液針3，且液體管路7上還設(shè)有非接觸式氣泡傳感器8以及吸液泵9，非接觸式氣泡傳感器8設(shè)于吸液針3與吸液泵9之間。所述自動進樣器Z臂5上還設(shè)有絲杠電機6，用于控制吸液針3上升或下降。此外，所述自動進樣器底盤I上設(shè)有清洗槽11。
[0042]其中，所述的液體管路7采用的是Teflon管，Teflon管對腐蝕性的酸堿以及有機溶劑有很強的耐受性。
[0043]所述的第一、二液體容器2、10采用防腐蝕性的材質(zhì)，在本實施例中，采用的是硼娃玻璃材質(zhì)或Teflon材質(zhì)容器,液體使用腐蝕性的無機或有機試劑。
[0044]所述的吸液針3為耐酸堿、耐有機溶劑的材質(zhì)，在本實施例中采用的是不銹鋼材質(zhì)。用作驅(qū)動吸液針3上下移動的絲杠電機6是高精度的直線步進電機。電機的初始位置由光耦或霍爾定位。
[0045]所述的非接觸式氣泡傳感器8可簡便、快捷的安裝在液體管路7上，通過光電開關(guān)信號來判斷液體是否流過管路，并以此信號確定液體液面位置。
[0046]所述的吸液泵9采用針筒式注射泵或陶瓷計量泵，吸液泵要求對腐蝕性的酸堿以及有機溶劑有很強的耐受性。
[0047]其中，吸液針3下降速度依照以下公式進行計算:
[0048]當(dāng)吸液針3接觸到第一液體容器2中液體的液面時，液體在吸液泵9的驅(qū)動下，進入吸液針3和液體管路7，當(dāng)液體流經(jīng)非接觸式氣泡傳感器8時，非接觸式氣泡傳感器8會響應(yīng)，從開始吸液到非接觸式氣泡傳感器響應(yīng)8，共耗時Ttl:
[0049]T0=V0/U0 (I)[0050]上述公式(1)中V0是吸液針3的針尖到非接觸式氣泡傳感器8的管路體積，單位mL ；U0是吸液泵9的流速,單位mL/min ；
[0051]液體到達非接觸式氣泡傳感器8時，第一液體容器2中液面下降的高度為h0:
[0052]h0=V0/( π R2) (2)
[0053]上述公式(2)中V0是吸液針3的針尖到非接觸式氣泡傳感器8的管路體積，單位mL ；R是第一液體容器2的內(nèi)部半徑，單位Cm ;在非接觸式氣泡傳感器8檢測到液體時，要使得吸液針3針尖位于液面以下3mm,則時間T0內(nèi)吸液針3移動的距離必須為H0:
[0054]H0=h0+0.3 (3)
[0055]則吸液針3下降的速度為U0:
[0056]u0=H0/T0 (4)
[0057]由公式(1) (2) (3) (4)，即可推導(dǎo)出:
[0058]U0=U0[ (V0/ π R2) +0.3]/V0 (5)
[0059]公式(5)中，U。、V。為系統(tǒng)默認值，吸液針下降速度U。僅與第一液體容器2的內(nèi)部半徑相關(guān)。
[0060]舉例說明:例如，第一液體容器2為半徑R=0.5cm的試管，吸液泵9流速默認為U0=Wmin,吸液針3針尖到非接觸式氣泡傳感器8的管路體積默認為V0=0.2ml，則通過公式(5)可計算出，U0=1l.lcm/min,即吸液針以11.lcm/min的速度勻速下降，當(dāng)非接觸式氣泡傳感器8探測到液體時，第一液體容器2中吸液針3針尖正好位于液面以下3mm，與實際測試相吻合；
[0061]其中，找到液面位置，并使吸液針3針尖位于液面以下3mm后，吸液泵9開始計量取液。在吸液泵計量體積的過程中，系統(tǒng)會通過操作者設(shè)定的吸液泵9流速U1 (mL/min)、取液體積V1 (mL)以及第一液體容器2的類型，自動計算吸液針3的下降速度U1 (cm/min)，使得吸液針3與第一液體容器2中的液體液面同步下降，從而達到液面追隨的效果。具體計算方式如下:
[0062]吸液泵9以U1的流速排出V1體積的液體，共耗時T1:
[0063]T1=VU1 (6)
[0064]第一液體容器2中液體排出V1體積后，第一液體容器2中液面下降的高度為
[0065]H1 =H1=V1/(π R2) (7)
[0066]則吸液針3與第一液體容器2中的液體液面同步下降的速度為U1:
[0067]U1=VT1 (8)
[0068]由公式(6) (7) (8)可推導(dǎo)出:
[0069]U1=U1/ ( π R2) (9)
[0070]公式(9)中，U1為操作者自定義的吸液泵9流速，R為第一液體容器2的內(nèi)部半徑，吸液針3只要按照計算出的速度U1下降，便可保持與液面下降同步，始終保持吸液針針尖位于液面以下3mm。
[0071]舉例說明:例如，第一液體容器3為內(nèi)徑10mm的試管，操作者輸入的吸液泵9流速為U1=2mlVmin,則吸液針3下降速度為u1=2.55cm/min,即吸液針3以2.55cm/min的速度勻速下降時，吸液針3與液面保持同步下降，并且吸液針3針尖始終位于液面以下3mm，與實際測試相吻合。[0072]其中，吸液泵計量體積結(jié)束后，自動進樣器Z臂5上的絲杠電機6將吸液針3抬離第一液體容器2。自動進樣器X/Y臂4將吸液針3移動至清洗槽11位置進行清洗。然后準(zhǔn)備進行下一次的自動追隨液面取液操作。
[0073]其中，吸液針3在自動進樣器Z臂5上的絲杠電機6驅(qū)動下，可向下豎直勻速移動。通過設(shè)置參數(shù)，可確保吸液針3的移動不會超過第一液體容器2的底部，
[0074]其中，吸液泵9提供液體流動的動力，驅(qū)動第一液體容器2中的液體依次流經(jīng)吸液針3、液體管路7、非接觸式氣泡傳感器8、吸液泵9，最后到達所要去的第二液體容器10。
[0075]其中，當(dāng)吸液針3向下移動過程中，非接觸式氣泡傳感器8會實時監(jiān)測液體管路7。而當(dāng)吸液針3未接觸液體液面時，非接觸式氣泡傳感器8不會響應(yīng)。
[0076]此外，本實用新型的自動液面追隨裝置還包括:集成電路處理芯片(MCU，請見圖4)，集成電路處理芯片分別與參數(shù)存儲器、絲杠電機6、非接觸式傳感器8以及吸液泵9電連接，由非接觸式傳感器8以及吸液泵9取得數(shù)據(jù)，再根據(jù)上述公式經(jīng)過集成電路處理芯片計算得出絲杠電機6驅(qū)動吸液針3的下降速度。
[0077]接下來結(jié)合附圖1至圖4詳細闡述本實用新型的四個工作步驟。
[0078]第一步:吸液針3從初始位置移動至第一液體容器2的正上方。第一液體容器2和第二液體容器10放置于自動進樣器底盤I上，并且位置坐標(biāo)固定，集成電路處理芯片根據(jù)設(shè)定好的位置坐標(biāo)，轉(zhuǎn)換為自動進樣器X/Y臂4驅(qū)動電機的運行參數(shù)，然后驅(qū)動吸液針3在自動進樣器底盤I上快速移動至第一液體容器2正上方。此過程結(jié)束。
[0079]第二步:吸液針3從第一液體容器2的正上方向下勻速運動，找到第一液體容器2中液體液面，并使吸液針3針尖位于液面以下3mm。吸液泵9開始按照系統(tǒng)默認的流速U0運轉(zhuǎn)，同時吸液針3按照公式(5)計算出的速度Utl勻速下降，當(dāng)吸液針3下降并接觸第一液體容器2中液體液面時，液體將會依次流經(jīng)吸液針3、液體管路7和非接觸式氣泡傳感器8。當(dāng)液體流經(jīng)非接觸式氣泡傳感器8時，非接觸式氣泡傳感器8會有光電信號的變化，然后反饋給集成電路處理芯片(如附圖4所示MCU)，然后，集成電路芯片處理信號后，會停止吸液針3的運動，停止吸液泵9的運行。此時，液體液面已被探測到，并且吸液針3針尖正好位于液面以下3mm。此過程結(jié)束。
[0080]第三步:吸液針3與第一液體容器2中的液面保持一致的速度下降，使吸液針3針尖始終位于液面以下3mm，達到液面追隨的效果。操作者輸入的取液體積V1 (管路死體積已經(jīng)包含在內(nèi))、吸液泵9的流速U1、第一液體容器2類型，會傳輸?shù)降讓蛹呻娐诽幚硇酒到y(tǒng)根據(jù)公式(9)可計算出吸液針3的下降速度U1，然后轉(zhuǎn)換為絲杠電機6的電機運行參數(shù)。機械過程如下:吸液泵9開始工作，同時吸液針3按照速度U1勻速下降，確保吸液針3針尖位于液面以下3_。第一液體容器2中的液體會被吸液泵9輸送至第二液體容器10。當(dāng)吸液泵9吸取的液體體積達到V1后，吸液泵9停止工作，絲杠電機6將吸液針3抬離至第一液體容器2正上方初始位置，然后吸液泵9繼續(xù)工作，將殘留在整個流路中的液體全部輸送至第二液體容器10。此液面追隨過程結(jié)束。
[0081]第四步，吸液針3移動至自動進樣器清洗槽11位置，對吸液針進行清洗，完成整個過程，準(zhǔn)備進行下一次的液面追隨取液操作。自動進樣器X/Y臂4驅(qū)動吸液針3移動至清洗槽11位置，自動進樣器Z臂5的絲杠電機6將吸液針3向下移動至清洗槽11中，進行洗針操作，洗針結(jié)束后，自動進樣器Z臂5的絲杠電機6將吸液針3抬離清洗槽11，并使用氮氣干燥吸液針3，干燥結(jié)束后，自動進樣器X/Y臂4驅(qū)動吸液針3移動至自動進樣器底盤I的初始位置，整個過程結(jié)束，準(zhǔn)備進行下一次的液面追隨取液操作。
[0082]本實用新型可滿足自動進樣器的取液操作不受液體類型的限制。可滿足吸液針配合非接觸式氣泡傳感器自動尋找液面位置，并將吸液針針尖移動至液面以下3_左右。取液過程中，吸液針與液面同步下降(針尖不能脫離液面)，實現(xiàn)自動追隨液面的效果，最大限度的減少吸液針對液體的吸附，從而提高自動進樣器取液操作的準(zhǔn)確性和精確性，防止交叉污染。
[0083]本實用新型的非接觸式氣泡傳感器，解決了另外一種昂貴的液面追隨技術(shù)(接觸式電容針技術(shù))對個別腐蝕性強、電導(dǎo)性差的溶劑不適用的問題。該裝置結(jié)構(gòu)簡單、制作成本低、可靠性高。使得自動進樣器的取液操作既經(jīng)濟，又可靠，
[0084]以上對本實用新型的描述是說明性的，而非限制性的，本專業(yè)技術(shù)人員理解，在權(quán)利要求限定的精神與范圍之內(nèi)可對其進行許多修改、變化或等效，但是它們都將落入本實用新型的保護范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種用于自動進樣器取液操作的自動液面追隨裝置，其特征在于，包括: 自動進樣器底盤； 第一液體容器和第二液體容器，放置于所述的自動進樣器底盤上； 自動進樣器X/Y臂，架設(shè)于所述的自動進樣器底盤上； 自動進樣器Z臂，設(shè)于自動進樣器X/Y臂上； 液體管路，固定于自動進樣器Z臂上，且液體管路的兩端分別向下延伸； 吸液針，設(shè)于液體管路的其中一端； 吸液泵，設(shè)于液體管路上； 非接觸式氣泡傳感器，也設(shè)于液體管路上，且非接觸式氣泡傳感器設(shè)于吸液針與吸液泵之間；以及 絲杠電機，設(shè)于自動進樣器Z臂上并用于控制吸液針上升或下降； 其中，所述吸液針的下降速度為U1, U1=U1A π R2)， U1為吸液泵9流速，R為第一液體容器的內(nèi)部半徑。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于自動進樣器取液操作的自動液面追隨裝置，其特征在于，還包括清洗槽，清洗槽設(shè)于所述的自動進樣器底盤上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于自動進樣器取液操作的自動液面追隨裝置，其特征在于，所述的液體管路采用的是Teflon管。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于自動進樣器取液操作的自動液面追隨裝置，其特征在于，所述的第一液體容器和第二液體容器采用防腐蝕性的材質(zhì)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的用于自動進樣器取液操作的自動液面追隨裝置，其特征在于，所述的第一液體容器和第二液體容器采用硼硅玻璃材質(zhì)或Teflon材質(zhì)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于自動進樣器取液操作的自動液面追隨裝置，其特征在于，所述的吸液針采用耐酸堿、耐有機溶劑的材質(zhì)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的用于自動進樣器取液操作的自動液面追隨裝置，其特征在于，所述的吸液針采用不銹鋼材質(zhì)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于自動進樣器取液操作的自動液面追隨裝置，其特征在于，所述的絲杠電機采用直線步進電機，電機的初始位置由光耦或霍爾定位。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于自動進樣器取液操作的自動液面追隨裝置，其特征在于，所述的吸液泵采用針筒式注射泵或陶瓷計量泵。
【文檔編號】G01N35/10GK203455354SQ201320599040
【公開日】2014年2月26日 申請日期:2013年9月26日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月26日
【發(fā)明者】謝新剛, 朱苗苗, 蘇振濤, 劉永利, 張曉輝, 田春明, 鄧婉梅, 胡克 申請人:北京萊伯泰科儀器股份有限公司