СПОСОБ И СИСТЕМА ДЛЯ ТОЧНОГО ИЗМЕРЕНИЯ ЖИДКОСТИ В ПИПЕТКЕ ДЛЯ ВЗЯТИЯ ПРОБ ЖИДКОСТИ
METHOD AND SYSTEM FOR ACCURATE MEASUREMENT OF LIQUID IN PIPETTE FOR LIQUID SAMPLING

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение относится в основном к пипетке для забора и выдачи регулируемых объемов жидкости. Более точно, настоящее изобретение относится к пипетке для взятия проб жидкости для точного измерения объемов жидкости.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В фармацевтических, геномных, белковых исследованиях, биологических исследованиях, в лабораториях по разработке лекарств и других биотехнологических применениях для работы с лабораторными пробами во множестве лабораторных процедур используется пипетка для жидкости. При использовании пипетки в нее набирают объем жидкости. Этот объем жидкости может затем выдаваться в виде одного или нескольких выдаваемых объемов. Забором и выдачей жидкости в определенных объемах управляет приводной механизм поршня посредством передачи движения поршневому узлу. Пипетка может работать в ручном режиме, когда пользователь вручную управляет скоростью и объемом взятия или выдачи жидкости, используя чувствительную к давлению рукоятку. В альтернативном случае пипетка может работать в режиме с электроприводом, когда забором и выдачей жидкости управляет двигатель. В любом режиме пипетка может иметь электронные составные части, которые, например, отображают на дисплее требуемый объем для взятия жидкости. Пользователь может выбирать различные параметры, включая скорость, объем, число заборов жидкости, число выдачи жидкости и т.д., используя дисплей, выполненный на пипетке. Движение штока поршня управляется давлением, сообщаемым приводным механизмом поршня. В пипетке с электроприводом движение штока поршня обычно управляется небольшим процессором, помещенным в корпусе пипетки.
В пипетке с электроприводом или без электропривода ошибки в количестве жидкости, в действительности определяемом пипеткой, базируются на ряде эффектов. Один из наблюдаемых эффектов имеет место, когда для взятия требуется малый объем. Взятый в действительности объем больше, чем требуемый объем. Для проб малого объема ошибка происходит благодаря явлению капиллярности.
Наоборот, для требуемых больших объемов жидкости объем, взятый в действительности, меньше требуемого. Для проб больших объемов ошибка происходит из-за веса столба жидкости, который сжимает жидкость. Кроме того, ошибки могут быть обусловлены различием между текущей рабочей температурой пипетки и температурой при калибровке пипетки. Например, после продолжительной работы пользователем происходит нагревание пипетки. Нагревание пипетки вызывает расширение составных частей, которые регулируют количество забираемой или выдаваемой жидкости, вызывая ошибки в требуемом объеме забираемой жидкости. В холодной пипетке составные части уменьшаются в объеме. Еще дополнительные ошибки основываются на текущих атмосферных условиях, в которых находится пипетка и которые отличаются от атмосферных условий, имевших место при калибровке. Например, температура, давление и/или влажность атмосферы, при которых работает пипетка, могут отличаться от атмосферных параметров, сопутствовавших калибровке пипетки. Поэтому необходим способ корректировки в зависимости от текущих физических параметров пипетки и/или текущего требуемого объема, обеспечивающий точную регулировку требуемого объема жидкости в пипетке, работающей с жидкостью. Кроме того, необходим способ повышения точности пипетки, позволяющий уменьшить стоимость пипетки и упростить ее изготовление.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Примерный вариант выполнения изобретения относится к способу регулирования требуемого объема жидкости в пипетке, предназначенной для работы с жидкостью, посредством корректировки в зависимости от текущего физического параметра пипетки. Способ включает, но не ограничивается этим, выбор требуемого объема для пипетки, содержащей приводной механизм поршня, выполненный с возможностью контактирования с поршневым узлом с обеспечением перемещения штока поршня поршневого узла в держателе наконечника с обеспечением тем самым регулирования количества жидкости в держателе наконечника, причем требуемый объем представляет собой количество регулируемой жидкости; вычисление корректировочного объема с использованием характеристики объема, характеризующей отличие количества жидкости, регулируемой в держателе наконечника, как функцию требуемого объема, причем характеристику объема определяют с использованием процесса калибровки; и вывод на дисплей корректировочного объема для пользователя пипетки с обеспечением регулирования тем самым требуемого объема жидкости в держателе наконечника.
Другой примерный вариант изобретения относится к устройству для регулирования требуемого объема жидкости в пипетке, предназначенной для работы с жидкостью, посредством корректировки в зависимости от текущего физического параметра пипетки. Устройство включает, но этим не ограничивается, корпус, держатель наконечника, поршневой узел, приводной механизм поршня, приспособление для выбора объема, дисплей и процессор. Держатель наконечника прикреплен к корпусу. Поршневой узел соединен с держателем наконечника и содержит, но не ограничивается этим, шток поршня, вставленный в держатель наконечника. Приводной механизм поршня включает, но не ограничивается этим, управляющий шток, имеющий поверхность, которая контактирует с поршневым узлом. Приводной механизм поршня выполнен с возможностью перемещения штока поршня поршневого узла в держателе наконечника с обеспечением регулирования жидкости в держателе наконечника. Приспособление для выбора объема соединено с корпусом и выполнено с обеспечением возможности выбора пользователем требуемого объема, который представляет собой количество регулируемой жидкости. Дисплей присоединен к корпусу. Процессор соединен с дисплеем и с приспособлением для выбора объема и выполнен с возможностью вычисления корректировочного объема с использованием характеристики объема. Характеристика объема характеризует отличие количества жидкости, регулируемой в держателе наконечника, как функцию требуемого объема. Характеристику объема определяют с использованием процесса калибровки. Дисплей показывает корректировочный объем пользователю пипетки с обеспечением тем самым регулирования требуемого объема жидкости в держателе наконечника.
Другие важные свойства и преимущества изобретения будут очевидны специалистам при рассмотрении чертежей, подробного описания и формулы изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Предпочтительные варианты выполнения описаны ниже со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых одинаковые номера позиций обозначают одинаковые элементы.
Фиг.1 изображает разрез электронной пипетки в соответствии с примерным вариантом настоящего изобретения.
Фиг.2 изображает разрез приводного механизма поршня, поршневого узла, держателя наконечника и внешнего механизма сбрасывания наконечника электронной пипетки, показанной на фиг.1.
Фиг.3 изображает разрез пипетки без электропривода в соответствии с первым примерным вариантом настоящего изобретения.
Фиг.4 изображает разрез пипетки без электропривода, показанной на фиг.3, прикрепленной к калибровочному устройству, в соответствии с первым примерным вариантом настоящего изобретения.
Фиг.5 изображает блок-схему операций по калибровке пипетки, показанной на фиг.4.
Фиг.6 изображает диаграмму, которая представляет зависимость ошибки регулирования между действительным объемом и калибровочным объемом в пипетке.
Фиг.7 изображает первую примерную таблицу, представляющую параметры объема в соответствии с примерным вариантом настоящего изобретения.
Фиг.8 изображает вторую примерную таблицу, представляющую параметры объема в соответствии с примерным вариантом настоящего изобретения.
Фиг.9 изображает диаграмму, которая представляет зависимость ошибки регулирования между действительным объемом и калибровочным объемом в пипетке при различных рабочих условиях.
Фиг.10 изображает блок-схему примерных операций пипетки в соответствии с примерным вариантом настоящего изобретения.
Фиг.11 изображает разрез приводного механизма поршня пипетки без электропривода, показанной на фиг.3, в соответствии со вторым примерным вариантом.
Фиг.12 изображает разрез приводного механизма поршня пипетки без электропривода, показанной на фиг.3, в соответствии с третьим примерным вариантом.
Фиг.13 изображает разрез держателя наконечника и окружающего кожуха пипетки без электропривода, показанной на фиг.3, в соответствии с четвертым примерным вариантом.
Фиг.14 изображает разрез датчика в соответствии с четвертым примерным вариантом, показанным на фиг.13.
Фиг.15 изображает разрез приводного механизма поршня и поршневого узла пипетки без электропривода, показанной на фиг.3, в соответствии с пятым примерным вариантом.
Фиг.16 изображает вид сбоку поршневого узла пипетки без электропривода, показанной на фиг.5, в соответствии с пятым примерным вариантом.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ
Как принято в данном описании, термин "установка" включает присоединение, объединение, связь, вставку, подвешивание, прикрепление, приложение, пристегивание, привязывание, приклеивание, соединение болтами, запирание, соединение винтами, клепку, пайку, сварку и другие подобные термины. Термин "регулирование" включает забор и/или выдачу жидкости в пипетке. Как показано в примерных вариантах выполнения на фиг.1 и 2, электронная пипетка 30 может получать команды на автоматический забор и выдачу последовательности объемов жидкости в один или более держателей 36 наконечника. Электронная пипетка 30 включает ряд составных частей и подсистем, которые вместе обеспечивают различные режимы работы для забора и выдачи жидкостей в точных объемах. Составные части и подсистемы пипетки 30 включают, но не ограничиваются этим, кожух 32, приводной механизм 34 поршня, поршневой узел 35, держатель 36 наконечника, внутреннюю подсистему 38 питания, внешний механизм 40 сбрасывания наконечника, внутренний механизм 42 сбрасывания наконечника, управляющую электронную схему 44, дисплей 170 и приспособление 172 для выбора объема.
Некоторые из этих составных частей и подсистем известны специалистам и поэтому подробно здесь не обсуждаются. Кожух 32 обычно является полым и служит в качестве базы позиционирования для других составных частей пипетки 30. Большинство составных частей пипетки прямо или косвенно крепятся к кожуху 32. Кожух 32 снабжен ручкой, чтобы пользователь мог держать пипетку 30, и является, таким образом, одной из частей пипетки, которая вступает в прямой контакт с рукой пользователя, когда он работает с пипеткой.
Внутренняя подсистема 38 питания содержит батарею 120, соединитель 122 и кожух 124 батареи. Кожух 124, удерживающий батарею 120, вставлен в кожух 32. Батарея может давать энергию, например, механизму 34 и/или схеме 44. Соединитель 122 обеспечивает электрическое соединение со схемой 44. Схема 44 включает, но не ограничивается этим, процессор, блок памяти, синхронизатор и другую связанную с этим электронику (не показаны).
Механизм 34 вызывает забор и выдачу определенного объема жидкости через держатель 36 посредством перемещения штока 94 поршня в узле 35 вдоль продольной оси А-А в держателе 36. Перемещение поршня создает смещение воздуха, которое втягивает или выбрасывает жидкость соответственно внутрь или наружу из держателя 36. Механизм 34 может управляться вручную пользователем, например, путем вращения приспособления 202 для выбора объема, как показано на фиг.3, или автоматически, с использованием двигателя 70. В примерном варианте, изображенном на фиг.2, механизм 34 может включать, но не ограничивается этим, двигатель 70, управляющий шток 72, наконечник 74 управляющего штока, опору 76 управляющего штока, корпус 78 и ручку 80 крепления держателя наконечника. Механизм 34 с возможностью отсоединения может быть установлен внутри кожуха 32 пипетки 30, так что управляющий шток 72 проходит вдоль продольной оси А-А.
Двигатель 70 приводит в движение шток 72 под управлением процессора, соединенного со схемой 44. Двигатель 70 может быть выполнен с использованием множества электромеханических устройств, как известно специалистам. Двигатель 70 точно перемещает управляющий шток взад и вперед по продольной оси А-А для забора или выдачи жидкости соответственно в держатель 36 или из него. Двигатель 70 подключен к процессору схемы 44, от которого двигатель 70 получает электрические сигналы для управления перемещением штока 72. Схема 44 может включать один или несколько соединителей или интерфейс для связи с двигателем 70. Наконечник 74 управляющего штока закреплен на конце штока 72, противоположном двигателю 70. Например, наконечник 74 может навинчиваться на шток 72 или в него. Опора 76 поддерживает смещение управляющего штока вдоль продольной оси А-А. Корпус 78 крепится к опоре 76 и охватывает часть штока 72 и наконечник 74, которые выступают за опору 76, и образует гнездо.
В примерном варианте выполнения, показанном на фиг.2, узел 35 включает, но не ограничивается этим, головку 92 поршня, шток 94 поршня, корпус 96 поршня, возвратную пружину 98 поршня и направляющую 100 пружины. Головка 92 поршня может быть круглым диском, выполненным из металла или пластмассы. Головка 92 имеет первую поверхность 91. Шток 94 крепится к головке 92 и проходит в целом в перпендикулярном направлении с противоположной стороны от первой поверхности 91 головки 92. Шток 94 имеет в целом цилиндрическую форму.
Корпус 96 поршня крепится к головке 92 поршня, проходит в целом перпендикулярно с противоположной стороны от первой поверхности 91 и охватывает шток 94. Корпус 96 имеет в целом цилиндрическую форму и может включать одну или несколько конических частей. Пружина 98 поршня крепится к корпусу 96 и проходит в целом в перпендикулярном направлении с противоположной стороны от первой поверхности 91 головки 92 вдоль продольной оси А-А. В примерном варианте выполнения пружина 98 скользит по корпусу 96 и удерживается на месте силами трения между пружиной 98 и частью корпуса 96, смежной с головкой 92 поршня. Узел 35 скользит в корпус 78 приводного механизма поршня, как показано на фиг.2.
Как показано для примерного варианта выполнения на фиг.2, держатель 36 включает, но не ограничивается этим, верхнюю трубку 110, нижнюю трубку 112 и уплотнительное кольцо 114. Нижняя трубка 112 крепится к верхней трубке 110. Например, трубка 112 может иметь конец с резьбой, который завинчивается в дополнительную резьбовую поверхность верхней трубки 110. Трубки 110 и 112 могут иметь одну или несколько конических частей. Кольцо 114 расположено в выточке, расположенной между трубками 110 и 112, и обеспечивает водонепроницаемое соединение между штоком 94 и нижней трубкой 112. По держателю 36 скользит гайка 84 крепления трубки, которая прижимается к узлу 35, не давая, таким образом, двигаться держателю 36 относительно кожуха 32 и механизма 34.
Наконечник 74 штока поршня контактирует с первой поверхностью 91 узла 35 внутри корпуса 78 механизма 34. При выдаче жидкости механизм 34 посредством смещения наконечника 74 вдоль продольной оси А-А толкает узел 35 от механизма 34 в точке, где наконечник 74 контактирует с первой поверхностью 91. Возвратная пружина 98 давит на направляющую 100 пружины, удерживаемую на месте гайкой 84. При заборе жидкости механизм 34 перемещает наконечник 74 к механизму 34. Несмотря на это смещение, первая поверхность 91 остается в контакте с наконечником 74 в результате сжимающей силы, создаваемой возвратной пружиной 98.
Внешний механизм 40 сбрасывания наконечника и внутренний механизм 42 сбрасывания наконечника сталкивают наконечник 130 с конца пипетки 30 для набора и выпуска, избегая возможного загрязнения проб. Внутренний механизм 42 включает, но не ограничивается этим, рукоятку 140 сбрасывания, неподвижный цилиндр 142, цилиндр 144 рукоятки, основной цилиндр 146, шток 148, сбрасывающую пружину 150 и монтажную скобу 152. Неподвижный цилиндр 142 крепится к кожуху 32. Монтажная скоба 152 крепится к кожуху 32 и/или неподвижному цилиндру 142. Неподвижный цилиндр 142 и монтажная скоба 152 остаются неподвижными по отношению к кожуху 32. Рукоятка 140 крепится к цилиндру 144. Рукоятка 140 может поворачиваться вокруг продольной оси А-А, таким образом обеспечивая удобную работу при использовании пользователем левой или правой руки. Цилиндр 144 крепится со скольжением к неподвижному цилиндру 142 с обеспечением возможности перемещения цилиндра 144 в комбинации с нажатием рукоятки 140 для сбрасывания наконечника 130. Цилиндр 146 крепится к цилиндру 144. Шток 148 крепится к концу цилиндра 146 напротив цилиндра 144. Пружина 150 крепится к цилиндру 146 у первого конца 156 и к монтажной скобе 152 у второго конца 158. Нажатие рукоятки 140 вызывает перемещение штока 148 к наконечнику 130, пружина 150 вызывает перемещение штока 148 в обратном направлении, таким образом, двигая рукоятку 140 назад в исходное положение, когда пользователь отпускает рукоятку 140.
Как показано на фиг.2, внешний механизм 40 включает, но не ограничивается этим, лопасть 156 сбрасывания и рукоятку 158 регулировки лопасти сбрасывания. Лопасть 156 имеет криволинейную форму, которая повторяет наружную форму держателя 36. Лопасть 156 имеет первый конец 160 и второй конец 162. Второй конец 162 содержит закрытый цилиндр, который скользит по держателю 36. В результате, нажатие рукоятки 140 вызывает перемещение лопасти 156 вдоль держателя 36, сбрасывающей наконечник 130 с держателя 36 вторым концом 162. Поворот рукоятки 158, присоединенной к лопасти 156 вблизи первого конца 160, вызывает перемещение второго конца 162 лопасти 156 вверх или вниз по отношению к держателю 36. Регулирование положения лопасти 156 вдоль держателя 36 позволяет внешнему механизму 40 сбрасывать наконечники разных типов.
Пипетка 30 может включать интерфейс для связи с компьютерным устройством. Компьютерное устройство может быть компьютером любого вида, включая настольный, портативный дорожный, персональный обработчик данных и т.д. Компьютерное устройство физически отделено от пипетки 30. Связной интерфейс может быть расположен наверху кожуха 32, противоположно наконечнику 130, для легкого доступа пользователя без перерыва в работе пипетки 30. Для связи между пипеткой 30 и компьютерным устройством могут использоваться различные технологии передачи, включая, но не ограничиваясь этим, CDMA (множественный доступ с кодовым разделением каналов), GSM (глобальная система мобильной связи), UMTS (система универсальных мобильных телекоммуникаций), TDMA (множественный доступ с временным разделением каналов), TCP/IP (протокол управления передачей/Интернет-протокол), SMS (служба коротких сообщений), MMS (служба мультимедийных сообщений), e-mail (электронная почта), IMS (служба быстрых сообщений), Bluetooth, IEEE 802.11 и т.д. Пипетка 30 и компьютерное устройство могут связываться с использованием различных средств, включая, но не ограничиваясь этим, радио, инфракрасное излучение, лазеры, кабельные соединения и т.д. Таким образом, связной интерфейс может использовать проводную и/или беспроводную связь.
Проводное соединение может включать первый конец, который соединен со связным интерфейсом пипетки 30, и второй конец, который соединен со связным интерфейсом компьютерного устройства. В примерном варианте связной интерфейс пипетки 30 удовлетворяет стандартам Института Инженеров Электротехники и Электроники (IEEE) 1394 mini. В примерном варианте связной интерфейс компьютерного устройства может быть типа RS 232, который предназначен для приема соединителя с Универсальной Последовательной Шиной (USB). В альтернативном варианте связной интерфейс пипетки 30 и/или связной интерфейс компьютерного устройства может быть Этернет интерфейс.
Беспроводные связные интерфейсы могут связывать устройства на различных расстояниях от коротких до длинных. Пипетка 30 и компьютерное устройство могут поддерживать обработку для передачи и приема беспроводного сигнала. Беспроводной сигнал может, например, использовать стандарт IEEE 802.11™, используя любую версию 802.11а, 802.11b, 802.1f или 802.11g. Кроме того, беспроводной сигнал может, например, использовать стандарт Bluetooth, последней версией которого является IEEE 802.15.1. Спецификации IEEE 802.11™ определяют беспроводные стандарты для Беспроводной Локальной Сети (WLANs), которые обеспечивают интерфейс "через воздух" между беспроводным клиентом и базовой станцией или точкой доступа, а также среди других беспроводных клиентов. Рабочая Группа IEEE 802.15 обеспечивает стандарты для Беспроводных Персональных Сетей низкой сложности и низкого потребления мощности, таких, которые поддерживаются Bluetooth спецификацией.
На фиг.3 показано поперечное сечение пипетки 200 без электропривода в примерном варианте. Составные части и подсистемы пипетки 200 включают, но этим не ограничиваются, приспособление 202 для выбора объема, кожух 204, приводной механизм 206 поршня, поршневой узел 208, держатель 210 наконечника, батарею 212, механизм 214 сбрасывания наконечника, дисплей 216, управляющую электронную схему 218 и индикатор 256 типа наконечника. Некоторые из этих составных частей и подсистем известны специалистам и потому здесь не обсуждаются в деталях. Приспособление 202 включает рукоятку 220 и регулировочный винт 222. Вращение рукоятки 220 вызывает перемещение регулировочного винта 222 вперед и назад в продольном направлении А-А, изменяя, таким образом, требуемый для забора или выдачи объем.
Кожух 204 выполнен из цельного куска материала. В примерном варианте материалом является пластмасса. Кожух 204 обычно является полым и служит базой позиционирования для других составных частей пипетки 200. Например, положение регулировочного винта 222 регулируется по отношению к кожуху 204 и управляет установкой требуемого объема жидкости, который нужно регулировать. Таким образом, многие составные части пипетки прямо или косвенно крепятся к кожуху 204. Кожух 204 включает, но не ограничивается этим, окно, через которое виден дисплей 216. Окно может быть выполнено из стекла или прозрачного пластика. Кожух 204 создает захват для пользователя, чтобы держать пипетку 200, и, таким образом, является одной из частей пипетки, которая вступает в прямой контакт с рукой пользователя при работе с пипеткой.
Механизм 206 вызывает забор и выдачу требуемого объема жидкости через держатель 210 посредством перемещения штока 224 поршня внутри узла 208 вдоль продольной оси А-А. Перемещение штока поршня создает смещение воздуха, которое набирает или выпускает жидкость в держатель 210 или из него. Механизм 206 может включать, но не ограничивается этим, управляющий шток 226, наконечник 228 управляющего штока, опору 230 управляющего штока, корпус 232, рукоятку 234 крепления держателя наконечника. Механизм 206 может быть с возможностью отсоединения установлен внутри кожуха 204 пипетки 200, так что управляющий шток 226 проходит вдоль продольной оси А-А. В примерном варианте выполнения рукоятка 254 крепится к рукоятке 234, фиксируя внутренние части пипетки 200.
Поворот рукоятки 220 вызывает поступательное перемещение управляющего штока 226. Наконечник 228 крепится к концу управляющего штока 226 напротив рукоятки 220. Например, наконечник 228 может навинчиваться на управляющий шток 226 или ввинчиваться в него. Опора 230 поддерживает смещение управляющего штока 226 вдоль продольной оси А-А. Корпус 232 крепится к опоре 230 и охватывает часть управляющего штока 226 и наконечник 228, которые выходят за опору 230, образуя гнездо.
Узел 208 включает, но не ограничивается этим, головку 236 поршня, шток 224 поршня, корпус 240 поршня, возвратную пружину 242 поршня и направляющую 244 пружины. Головка 236 поршня может быть круглым диском, выполненным из металла или пластмассы. Головка 236 поршня имеет первую поверхность 246. Шток 224 крепится к головке 236 и проходит в целом в перпендикулярном направлении с противоположной стороны от первой поверхности 246 головки 236 поршня. Шток 224 поршня имеет в целом цилиндрическую форму.
Корпус 240 поршня крепится к головке 236 поршня, проходит в целом в перпендикулярном направлении с противоположной стороны от первой поверхности 246 головки 236 поршня и охватывает шток 224. Корпус 240 имеет в целом цилиндрическую форму и может включать одну или несколько конических частей. Возвратная пружина 242 крепится к корпусу 240 и проходит в целом в перпендикулярном направлении с противоположной стороны от первой поверхности 246 головки 236 поршня вдоль продольной оси А-А. В примерном варианте выполнения пружина 242 поршня скользит по корпусу 240 поршня и удерживается на месте силами трения между пружиной 242 и частью корпуса 240, прилегающей к головке 236 поршня. В собранном состоянии узел 208 скользит в корпусе 232 механизма 206, как показано на фиг.3.
Как показано на фиг.2 для примерного варианта выполнения, держатель 210 включает, но не ограничивается этим, верхнюю трубку 248, нижнюю трубку 250 и уплотнительное кольцо 252. Нижняя трубка 250 крепится к верхней трубке 248. Например, нижняя трубка 250 может включать конец с резьбой, который завинчивается в дополняющую резьбовую поверхность верхней трубки 248. Верхняя трубка 248 и нижняя трубка 250 могут включать одну или несколько конических частей. Кольцо 252 расположено в выемке, находящейся между верхней трубкой и нижней трубкой 250 и обеспечивает водонепроницаемое соединение между штоком 224 и нижней трубкой 250. По держателю 210 скользит гайка 254 крепления трубок, которая прижимается к узлу 208, таким образом фиксируя держатель 210 относительно кожуха 204 и механизма 206.
Наконечник 228 контактирует с первой поверхностью 246 узла 208 внутри корпуса 232 механизма 206. При выпуске жидкости механизм 206 за счет смещения наконечника 228 вдоль продольной оси А-А толкает узел 208 от механизма 206 в точке, где наконечник 228 управляющего штока контактирует с первой поверхностью 246. Возвратная пружина 242 давит на направляющую 244 пружины, удерживаемую на месте гайкой 254. При заборе жидкости механизм 206 перемещает наконечник 228 в направлении механизма 206. Несмотря на смещение, первая поверхность 246 остается в контакте с наконечником 228 в результате действия сжимающей силы пружины 242.
Механизм 214 сбрасывания наконечника сталкивает наконечник 130 с впускного и выпускного конца пипетки 30, исключая возможное загрязнение проб, таким же образом, как описано выше применительно к фиг.2 и 3. Дисплей 216 выдает информацию пользователю пипетки. Например, требуемый объем, выбранный пользователем посредством поворота рукоятки 220, может быть показан на дисплее 216. Схема 218 включает, но не ограничивается этим, процессор, блок памяти, синхронизатор и другую связанную с этим электронику (не показаны), чтобы управлять дисплеем 216 и регулированием пипетки 200. Батарея обеспечивает энергией, например, дисплей 216 и схему 218.
На фиг.4 пипетка 200 во время процесса калибровки соединена с калибровочным устройством 260 соединительным кабелем 262. Кабель 262 присоединяется к пипетке через разъем 264, обеспечивая прямое поступление данных от устройства 260 в блок памяти пипетки. Например, разъем 264 может быть соединителем типа RS 232. В альтернативном варианте пипетка 30 может использоваться подобным образом.
На фиг.5 показана блок-схема примерных операций процесса калибровки при использовании пипетки 200, показанной на фиг.4. В операции 278 определяют вес пустой пипетки 200 с использованием устройства 260. В операции 280 пользователь выбирает калибровочный объем, который нужно регулировать в пипетке 200. В операции 282 пользователь набирает требуемый объем, используя пипетку 200. В операции 284 с использованием устройства 260 измеряют вес пипетки, включая набранную жидкость. В операции 286 рассчитывают истинный объем, набранный в пипетку, исходя из разницы между весом пипетки 200 после набора и весом пустой пипетки 200 и физических характеристик набранной жидкости, известных специалистам. В операции 288 рассчитанный истинный объем, набранный в пипетку, посылают в пипетку 200, где он хранится вместе с калибровочным объемом в блоке памяти. Например, калибровочный объем и измеренный истинный объем, набранный в пипетку, могут храниться в базе данных или в таблице, как известно специалистам. В операции 290 проводят проверку, нужно ли еще набрать дополнительный калибровочный объем. Если ответ на вопрос будет положительный, операции 280-288 повторяют для набора дополнительного калибровочного объема. В альтернативном варианте выполнения вес пустой пипетки может быть рассчитан для каждого дополнительного калибровочного объема. В операции 292 определяют характеристику объема, которая характеризует разницу в количестве регулируемой жидкости как функции калибровочного объема или объемов, если используются дополнительные калибровочные объемы.
а
а
а
а
а
а
а
На фиг.6 показаны идеальная кривая 294 и кривая 296 измерений. Идеальная кривая 294 показывает идеальную пипетку, которая набирает в точности калибровочный объем. Кривая 296 показывает действительную зависимость для пипетки. Разница между кривой 294 и кривой 296 представляет ошибку регулирования. Например, во время процесса калибровки, описанного на фиг.5, выбраны три калибровочных объема А, В и С. На основе калибровочного объема А во время процесса калибровки измеряют действительный объем A. Ошибка 298 регулирования представляет собой разность между калибровочным объемом А и действительным объемом A, или A-А. Подобным же образом ошибка 300 регулирования является разностью между калибровочным объемом В и действительным объемом B, или B-B. Аналогично ошибка 302 регулирования является разностью между калибровочным объемом С и действительным объемом С, или C-С.
а
Калибровочный объем, например А, и соответствующий действительный набранный объем A определяют точку калибровочных данных. Чем больше точек калибровочных данных используется во время процесса калибровки, тем более точная аппроксимация к кривой 296 измерений может быть рассчитана. Как известно специалистам в области моделирования, могут использоваться различные способы аппроксимации кривой 296, использующие данные калибровки, которые включают калибровочный объем и ошибку регулирования, или действительный набранный объем. Характеристика объема может быть определена с использованием любого из этих способов, чтобы определить кривую 296 измерений для объемов, отличных от калибровочного объема.
Например, чтобы обеспечить наилучшее приближение к системе точек данных, могут использоваться различные алгоритмы приближения кривых. Результатом алгоритма приближения кривой является уравнение. Например, для аппроксимации кривой измерений, использующей данные калибровки в точках А, В и С, можно использовать полином n-го порядка. Таким образом, с использованием данных калибровки в одной или более точках определяется характеристика объема. Например, характеристика объема может представлять собой уравнение, полученное с использованием алгоритма приближения кривой. Если одно уравнение не является адекватным, чтобы моделировать кривую 296, могут быть получены дополнительные уравнения, чтобы определить кривую для требуемого набранного объема в промежутке между калибровочными объемами. Например, основываясь на кривой 296, для объемов, превышающих В, может быть подходящим линейное уравнение. Но для объемов меньших, чем В, кривая 296 может лучше аппроксимироваться полиномом. В этом случае характеристика объемов включает два уравнения.
В качестве альтернативы характеристикой объема может быть таблица, которая содержит множество данных в точках калибровки. Определение действительного набранного объема осуществляется интерполяцией данных между точками калибровки или экстраполяцией данных от точки калибровки, используя найденное ранее уравнение. В качестве другой альтернативы в таблицу может быть включено уравнение, которое используется для интерполяции и/или экстраполяции данных от точки калибровки. Данные могут быть сведены в таблицу, как это известно специалистам. Таблица может быть в любой форме, включая, но не ограничиваясь этим, файл и базу данных. На фиг.7 в качестве примерного пояснения показана таблица 304, представляющая ошибку регулирования как функцию калибровочных объемов А, В и С. Любая из двух или обе величины - действительный набранный объем и ошибка регулирования - могут быть помещены в таблице 295.
2
В альтернативном случае в таблице 306 на фиг.8 включены показатель уравнения и сопутствующие константы для использования в уравнении. Например, показатель 1 уравнения указывает на линейное уравнение, в котором используется только "Константа 1" для описания кривой 296 измерений между каждым калибровочным объемом. Показатель 3 уравнения указывает на второй порядок полиномиального уравнения, в котором для описания кривой 296 между каждым калибровочным объемом используется "Константа 1", "Константа 2" и "Константа 3". Таким образом, уравнение 2,7+0,5А+0,01Аопределяет корректировочный объем для требуемого объема, меньшего чем А. Уравнение 4,6-1,6А определяет корректировочный объем для требуемого объема, большего чем А и меньшего чем В. Уравнение 2,9+8,9А определяет корректировочный объем для требуемого объема, большего чем В.
В примерном варианте выполнения для определения характеристики объема используются, по меньшей мере, два калибровочных объема. Предпочтительно один из двух калибровочных объемов является минимальным рабочим объемом пипетки, а другой является максимальным рабочим объемом пипетки. Калибровка, использующая максимальный объем пипетки, позволяет максимально учесть механические погрешности, в частности смещение траектории винта и диаметр поршня, и вес жидкости в держателе наконечника. Калибровка, использующая минимальный объем пипетки, позволяет максимально учесть механические погрешности и явление капиллярности. Повышенная точность может быть получена путем использования дополнительных калибровочных объемов. Как только что отмечено, для определения корректировочного объема, соответствующего требуемому объему, который не равен одному или более калибровочному объему во время работы пипетки, могут использоваться различные методы интерполяции, известные специалистам.
Одно или несколько уравнений и/или таблиц можно использовать для определения характеристики объема, основанной на дополнительных физических параметрах пипетки. Например, первое уравнение и/или таблица могут быть определены на основе типа пипетки. Второе уравнение и/или таблица могут быть определены для конкретной пипетки, потому что действительный измеренный объем может отличаться из-за допусков при изготовлении, благодаря которым составные части отличаются от пипетки к пипетке во время процесса изготовления.
Как дополнительный пример, кривая 296 может измениться, когда пипетка работает при различной окружающей температуре. На фиг.9 показаны в качестве примера три кривые измерений. Например, кривая 308 получена при окружающей температуре 10°С. Кривая 310 определена при окружающей температуре 20°С. Кривая 312 определена при окружающей температуре 25°С. В результате разные уравнения или системы уравнений могут использоваться для определения каждой из кривых 308, 310 и 312. Таким образом, для определения корректировочного объема характеристика объема использует этот параметр и требуемый объем. Как известно специалистам, могут использоваться различные методы интерполяции между многими кривыми. Так, параметр, представляющий текущее физическое состояние в пипетке, может использоваться для дальнейшего определения характеристики объема пипетки, таким образом корректируя дополнительные источники изменений в набранном объеме.
Параметры включают, но этим не ограничиваются, тип наконечника, используемый в пипетке, температуру воздуха в пипетке, температуру части пипетки, атмосферное давление в пипетке, давление в полости пипетки, влажность атмосферы в пипетке и вязкость жидкости, которую нужно регулировать. Индикатор 256 типа наконечника пипетки может использоваться пользователем пипетки, чтобы выбрать тип наконечника, помещенного на держатель 210. Наконечники, имеющие различные размеры и форму, могут давать различные измеренные кривые. Таким образом, тип наконечника, присоединенного к держателю наконечника, может изменить характеристику объема. Кроме того, для определения параметра, используемого с характеристикой объема для расчета корректировочного объема, на основе температуры атмосферы в пипетке, температуры части пипетки, атмосферного давления в пипетке, давления в полости пипетки и влажности атмосферы в пипетке, может использоваться один или более датчиков, смонтированных на пипетке (как показано на фиг.11-16). Датчик или индикатор дополнительно могут показывать тип жидкости, которую нужно регулировать. В этом случае характеристика объема включает коррекцию для выбранной жидкости, основанную, главным образом, на вязкости жидкости.
В целом, характеристика объема, определенная с использованием параметров, измеренных датчиком, есть ошибка регулирования С, то есть определенное заранее математическое уравнение, выполняемое процессором и учитывающее измеренный параметр для атмосферного давления, для окружающей температуры и для атмосферной влажности. В примерном варианте С может быть вычислено как С=a*B+m, где В представляет собой требуемый объем, а "а" и "m" являются заданными корректировочными значениями. Значение "m" может быть нулем. Параметр "а" может быть определен выражением
atm
i
atm
a=(1-D/e)/(D-D),
i
atm
где D и D являются значениями плотности регулируемой жидкости и воздуха соответственно и "е" является константой.
i
i
i
i
i
Плотность D рассчитывают из заданного математического выражения, включающего температуру, измеренную датчиком окружающей температуры. В данном примере D=g/f(T), где g является константой, T является измеренной температурой, a f(T) является заданной полиномиальной функцией. Например,
i
i
i
i
2
3
D=1000/(999,87-0,06426 T+0,0085045 Т -0,0000679Т ).
i
i
В этом уравнении T выражается в градусах Цельсия, a D - в килограммах на метр кубический.
atm
Таким же образом, D рассчитывают из заданного математического выражения, включающего переменное атмосферное давление, окружающую температуру и атмосферную влажность, которые измеряются датчиками. В этом примере
atm
atm
i
i
D=45 P/(12908(T+273,15))+(T-0,02 H)1000,
atm
где P есть давление в паскалях и Н есть процент влажности. Например, Н есть 0,4 для 40% влажности.
На фиг.10 показаны примерные операции процедуры корректировки регулирования жидкости в пипетке во время использования, основанные на характеристике объема, определенной во время процесса калибровки. В операции 320 пользователь выбирает требуемый объем для регулировки с использованием пипетки. В операции 322 определяют параметр, представляющий текущее физическое состояние в пипетке. С использованием характеристики объема, хранящейся в блоке памяти пипетки, в операции 324 с использованием процессора рассчитывают корректировочный объем. Характеристика объема определяет отличие количества жидкости, которую нужно регулировать, как функцию требуемого объема и/или параметра. Таким образом, корректировочный объем представляет отличие количества жидкости, которую нужно регулировать, как функцию требуемого объема и/или параметра. В операции 326 требуемый объем может быть представлен пользователю на дисплее.
В операции 328 корректировочный объем представляется на дисплее пользователю. Корректировочный объем может быть действительным набранным объемом или может быть ошибкой регулирования при требуемом объеме, основанной, например, на интерполяции уравнения между двумя точками калибровки, которые ограничивают требуемый объем. В операции 330 пользователь может выбрать новый требуемый объем, основываясь на показанном на дисплее корректировочном объеме. Например, если пипетка без электропривода, дисплей может показывать корректировочный объем и требуемый объем. В ответ пользователь выбирает новый требуемый объем, до тех пор пока корректировочный объем не совпадет с требуемым объемом в пределах точности, требуемой пользователем.
В альтернативном варианте выполнения корректировочный объем отображается на дисплее как требуемый объем, так что процесс корректировки пипетки, основанный на требуемом объеме и параметре, является прозрачным для пользователя. Так, например, используя пипетку 20 с электроприводом, процессор может автоматически корректировать положение управляющего штока для включения ошибки регулирования. Дисплей отображает требуемый объем, который также является корректировочным объемом, потому что процессор регулирует положение управляющего штока, чтобы регулировать требуемый объем, включая эффекты физического состояния пипетки 20 и требуемого объема. Так, в режиме работы, характеризующемся автоматической коррекцией дисплея, отображение на дисплее требуемого объема автоматически включает коррекцию. Изображение на дисплее изменяется вместе с физическими условиями в пипетке, и пользователь не должен выполнять никаких регулировок.
Индикатор выше/ниже может отображаться пользователю пипетки при операции 332. Индикатор выше/ниже показывает, является ли ошибка регулирования положительной или отрицательной. Индикатор выше/ниже может иметь знак минус, если есть риск недостаточной дозировки, когда действительный объем выше, чем калибровочный объем, или знак плюс, если есть риск избыточной дозировки, когда действительный объем ниже, чем калибровочный объем. В сущности, три вида информации могут быть предоставлены пользователю на дисплее в пипетке: требуемый объем, корректировочный объем и индикатор выше/ниже. Корректировочный объем может быть ошибкой регулирования или может быть действительным объемом. Используя эту информацию, пользователь может регулировать требуемый объем до тех пор, пока индикатор выше/ниже не покажет ни положительной, ни отрицательной эквивалентности между требуемым объемом и корректировочным объемом в пределах точности ошибки. В альтернативном варианте выполнения индикатор выше/ниже не отображается в пипетке.
В другом альтернативном варианте выполнения использование процедуры корректировки объема, который нужно регулировать, предоставляется на выбор пользователю. Так, пользователь может выбрать команду процессору не включать значения коррекции, когда пользователь отмеряет жидкость, используя пипетку. В другом альтернативном варианте выполнения процессор в пипетке может быть запрограммирован на выполнение корректировки, только когда коррекция больше, чем, например, значение точности. Определенные заранее значения точности могут быть выбраны, чтобы различать между обстоятельствами, которые включают значительную коррекцию, и теми, которые не включают таковой. Такие варианты выполнения максимизируют управление работой пипетки со стороны пользователя.
Процесс калибровки, показанный на фиг.5, и процедура использования, показанная на фиг.10, корректируют количество жидкости, регулируемой в пипетке, благодаря явлению капиллярности, возникающему при низком требуемом объеме, благодаря весу столба жидкости при большом требуемом объеме, благодаря несовершенству изготовления составных частей пипетки, благодаря типу наконечника пипетки и благодаря физическим условиям в пипетке, которые включают температуру воздуха в пипетке, температуру части пипетки, давление атмосферы в пипетке, давление внутри полости пипетки, влажность воздуха в пипетке, вязкость регулируемой жидкости. Например, когда пользователь работает с пипеткой долгое время, пипетка нагревается от контакта с рукой пользователя, так что работа пипетки изменяется из-за теплового расширения некоторых составных частей. На основе указанной процедуры, точность пипетки может поддерживаться, когда пипетка нагревается, и, в сущности, точность пипетки поддерживается в широком диапазоне рабочих условий пипетки. Пипетка может регулироваться автоматически. В альтернативном случае выведенный на дисплей корректировочный объем может указать пользователю на изменение, и пользователь может вручную регулировать пипетку. Так как пипетка корректируется после изготовления, требуемая точность изготовления пипетки может быть ослаблена. В результате изготовление пипетки может быть упрощено и требовать меньших затрат. Различные расширения механической системы, которые обычно вызывают погрешности в изменении объема проб, непосредственно влияющие на количество взятой пробы, также смягчаются. Могут быть включены последовательные коррекции, чтобы учесть многочисленные физические условия.
На фиг.11-16 показаны примерные конфигурации датчиков, которые обеспечивают параметры для использования в качестве входных параметров для характеристики объема. На фиг.8 показан второй примерный вариант пипетки 200. Пипетка дополнительно включает температурный датчик 340, прикрепленный рядом с корпусом 232 механизма 206. Датчик 340 расположен с обеспечением измерения температуры части пипетки 200. В примерном варианте выполнения датчик 340 расположен близко к управляющему штоку 226, опоре 230 управляющего штока и схеме 218. Схема 218 может создавать тепло, которое может вызвать расширение некоторых составных частей механизма 206. Датчик 340 крепится близко к частям, наиболее подверженным тепловому расширению, таким образом, позволяя знать температуру механических составных частей, входящих в последовательность взятия проб. Датчик 340 связан электрическими соединительными проводами 342 со схемой 218, чтобы с помощью процессора регулировать температуру, измеренную датчиком.
Эта регулировка может выполняться согласно процедуре, показанной на фиг.11, используя в качестве параметра температуру, измеренную датчиком. Во время калибровки пипетки обычно работают для забора/выдачи жидкости приблизительно при 20°С. Если пользователь регулирует жидкость не при 20°С, регулируемый объем не будет соответствовать значению, показанному на дисплее пипетки. Выданный или забранный объем может отличаться от требуемого объема по разным причинам. Основной причиной этой ошибки является нагревание "мертвого" объема внутри пипетки, что благодаря его расширению заставляет пользователя отмерять меньше жидкости, чем отмерялось бы с предполагаемой регулировкой. Зная, что результаты калибровки, особенно те, которые используются для установки номинального объема пробы, даны для пипетки при 20°С, процессор определяет, требуется ли корректировка этого номинального значения в зависимости от температуры, определенной датчиком 340, и характеристики объема, основанной на температуре.
На фиг.12 показан третий примерный вариант выполнения пипетки 200. Пипетка дополнительно включает датчик 350 атмосферного давления, установленный рядом с механизмом 206. В этом примере датчик установлен над батареей 212. Датчик 350 измеряет атмосферное давление и посылает информацию процессору, чтобы корректировать регулируемый объем, как описано ранее. Пипетка может дополнительно включать датчик 352 окружающей температуры, прикрепленный снаружи держателя наконечника вблизи наконечника. При таком расположении датчик 352 измеряет температуру вблизи регулируемой жидкости, позволяя осуществлять хорошую аппроксимацию температуры жидкости, даже если датчик находится в контакте только с воздухом над жидкостью. Датчик 352 проходит через поверхность держателя наконечника до внутренней трубки 356, чтобы измерять температуру воздуха вблизи регулируемой жидкости. Датчик 352 соединен электрическими проводами 354 со схемой 218, чтобы процессор мог осуществлять регулировку в соответствии с температурой, измеренной датчиком. В другом альтернативном варианте выполнения к пипетке может быть прикреплен датчик влажности, расположенный так же, как это описано по отношению к датчику 350.
На фиг.13 показан четвертый примерный вариант выполнения. Пипетка дополнительно включает датчик 360 температуры воздуха, прикрепленный к нижней трубке держателя 210 наконечника. Датчик 360 образует кольцо у нижней трубки держателя наконечника, что позволяет поместить его в цилиндрический корпус, расположенный у нижней оконечности держателя наконечника. Датчик 360 имеет внутреннюю стенку, идентичную тору, образующую кривую в виде окружности с центром, расположенным на стенке, противоположной продольной оси А-А пипетки, как показано на фиг.14. Образованный ограниченный воздушный проход создает увеличенную скорость воздуха через датчик 360, а также удаление жидкости посредством эжекции. Датчик 360 соединен электрическими проводами 362 со схемой 218, чтобы процессор мог осуществлять регулирование в соответствии с температурой, измеренной датчиком.
На фиг.15 показан пятый примерный вариант выполнения пипетки. Пипетка дополнительно включает датчик 370 температуры воздуха, прикрепленный к подвижной части в пипетке. Датчик 370 прикреплен непосредственно к концу штока 224 поршня. При таком расположении датчик 370 не контактирует с регулируемой жидкостью. Датчик 370 соединен электрическими соединительными проводами 372 со схемой 218, чтобы процессор мог осуществлять регулировку в соответствии с температурой, измеренной датчиком. На фиг.16 провод 372 соединен с двумя металлическими полосами 374, 376, расположенными одна над другой перпендикулярно продольной оси А-А пипетки и у головки поршня. Металлические полосы 374, 376 находятся соответственно в контакте с двумя пластинами 378, 380, прикрепленными к кожуху пипетки. Такое расположение позволяет осуществить непрерывный электрический контакт между процессором и датчиком 370, несмотря на вращение штока поршня.
Примерные варианты выполнения настоящего изобретения представляют пипетку, способную точно набирать или выдавать объемы жидкости при различных окружающих условиях работы, используя разнообразные вязкие жидкости и типы наконечников, в широком диапазоне объемов, несмотря на механические погрешности при изготовлении пипетки. Примерные операции могут выполняться при использовании либо пипетки без электропривода, либо пипетки с электроприводом. Понятно, что изобретение не ограничивается частными вариантами, представленными здесь в качестве примеров, но охватывает все такие модификации, комбинации и изменения, которые находятся в пределах объема пунктов формулы изобретения. Описанные функциональные свойства могут распределяться среди составных частей, отличающихся числом и распределением функциональных свойств от описанных здесь, не отклоняясь от сути изобретения. Кроме того, порядок выполнения работы модулей может изменяться без отклонения от сущности изобретения. Таким образом, описание предпочтительных вариантов выполнения дано в целях иллюстрации, а не для ограничения.