DE3009835C2

DE3009835C2 -

Info

Publication number: DE3009835C2
Application number: DE3009835A
Authority: DE
Inventors: Milton H. Chappaqua N.Y. Us Pelavin
Original assignee: Technicon Instruments Corp
Current assignee: Bayer Corp
Priority date: 1979-03-16
Filing date: 1980-03-14
Publication date: 1992-02-20
Also published as: JPH0319932B2; IT8067396A0; GB2047880A; CA1136885A; DE3009835A1; US4210809A; JPS55125472A; FR2451579B1; GB2047880B; FR2451579A1; IT1129430B

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrich tung zur Bestimmung der Volumina von aufeinanderfolgenden Probenabschnitten, die in einer optisch transparenten Leitung strömen.

Wenngleich es bereits eine Anzahl von Verfahren und Vorrichtun gen zur Bestimmung von Parametern, betreffend die Anordung und Zahl der Abschnitte von mit Luft segmentierten Flüssigkeits strömen, die in Leitungen geführt werden, gibt, wird dabei nor malerweise die Anordnung der Bestimmungsgeräte innerhalb der Strömungsleitung nötig, was für eine Verwendung bei Systemen zur automatisierten Analyse nach dem Prinzip des kontinuierli chen Durchflusses unzweckmäßig ist. Insbesondere führt die Anwesenheit eines Bestimmungsgerätes in der Strömungsleitung zu einer Behinderung der Strömung sowie einer Beeinträchtigung des Waschens und damit zu Verunreinigungen zwischen aufeinanderfolgenden Abschnitten. Außerdem bringt die Anord nung der Bestimmungseinrichtung in der Strömungsleitung schwerwiegende Handhabungsschwierigkeiten mit sich, insbe sondere in solchen Fällen, in denen der Innendurchmesser der Leitung klein ist; außerdem werden die Eichung, Verschiebung und bzw. oder das Ersetzen derartiger Bestimmungseinrichtungen besonders schwierig. Schließlich können in Abhängigkeit von der chemischen Natur des segmentierten Flüssigkeitsstro mes chemische Umsetzungen zwischen der Flüsigkeit bzw. den Flüssigkeiten, die untersucht werden soll bzw. sollen, und der Bestimmungseinrichtung stattfinden.

Aus US-PS 36 88 574 und US-PS 36 93 436 sind Durchfluß meßgeräte bekannt, in ihnen wird die Durchflußgeschwindig keit gemessen, indem die Zeit festgestellt wird, die eine Gasblase benötigt, um zwei in einer Durchflußzelle angeord nete Lichtstrahlen nacheinander zu unterbrechen. Durch das zwischen den beiden Strahlen liegende Kapillarvolumen läßt sich daraus die Durchflußgeschwindigkeit exakt ermitteln.

Aus GB-PS 12 72 124 und DE-AS 22 22 160 sind Strömungs meßverfahren bekannt, bei denen in die Flüssigkeitsströ mung periodisch Gasblasen eingeführt werden, so daß sie zwischen sich bekannte Flüssigkeitsvolumina einschließen, danach werden die so markierten Abschnitte gezählt und diese Zahl über so eine bestimmte Zeit festgestellt. Auch hieraus läßt sich die Strömungsgeschwindigkeit er mitteln.

Aus DE-OS 25 42 198 ist schließlich einen Vorrichtung zum Abmessen eines bestimmten Volumens eines Flüssigkeits abschnittes, der durch eine Leitung strömt, bekannt. Dabei wird die Zeit gemessen, in der ein der Meßstrecke ent sprechendes, d. h. bekanntes Volumen der Flüssigkeit durch eine Kapillare fließt. Die Bestimmung des Volumens des Flüssigkeitsabschnittes braucht also nicht mehr vorgenom men zu werden.

Die genannten Verfahren und Einrichtungen, auch dieje nigen, bei denen man nicht in den Strom eindringen muß, erfordern im allgemeinen die Verwendung verhältnismäßig komplizierter, aufwendiger und in vielen Fällen nicht besonders zuverlässiger Teile, die den Gesamtwert der Methoden und Einrichtungen beträchtlich verringern - besonders bei der Anwendung auf automatisierte biomedizi nische Analysen, wo selbstverständlich besonders hohe Zuverlässigkeitsanforderungen erfüllt werden müssen.

Aufgabe der Erfindung ist daher die Schaffung eines Verfahrens und einer Vorrichtung zur genauen Bestimmung der Volumina von aufeinanderfolgenden Probenabschnitten, die die durch Abschnitte eines mit ihnen nicht mischbaren Fluids voneinander getrennt, mit praktisch konstanter oder aber auch unterschiedlicher Strömungsgeschwindigkeit in einer optisch transparenten Leitung geführt werden, wobei lediglich verhältnismäßig einfache und wenig kostenspielige, leicht erhältliche Teile von erwiesener Genauigkeit und Zuverlässigkeit benötigt werden, um verhältnismäßig nied rige Vorrichtungskosten und einen langen, genauen und ver läßlichen Betrieb zu gewährleisten, wobei ferner die Vor richtung einfach im Verhältnis zur Strömungsleitung ver setzt werden kann, damit die optimalen Strömungsbedingungen in der Strömungsleitung ausgenutzt werden können.

Weiter ist Aufgabe der Erfindung die Schaffung eines Verfahrens und einer Vorrichtung der oben genannten Art, die insbesondere - wenngleich nicht ausschließlich - zur Verwendung in Vorrichtungen für die automatisierte Blut analyse nach dem Prinzip des kontinuierlichen Durchflusses der aus den US-PS 27 97 149 und 32 41 432 bekannten Art geeignet sind.

Gegenstand der Erfindung sind die in Anspruch 1 angege bene Vorrichtung sowie das in Anspruch 6 angegebene Ver fahren.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung bedienen sich einer optisch durchsichtigen Leitung sowie in bevorzugter Weise einer Energiequelle für Infra rotstrahlung sowie eines Infrarotdetektors. Die Energie aus der Infrarotstrahlungsquelle tritt durch die Leitung hin durch und gelangt in den Infrarotdetektor. Beim Betrieb werden Unterschiede in der Infrarotenergiebrechung und bzw. oder -absorption der Abschnitte des Gases, der Flüs sigkeit und einer Markierungsflüssigkeit erfaßt und aus gewertet, wobei die Anzahl und Anordnung derartiger Ab schnitte im Strom bestimmt wird. Eine genaue Bestimmung des Volum,ens der Flüssigkeitsabschnitte wird dadurch er zielt, daß man zwei der Paare Energiequelle/Detektor in genau bestimmtem Abständen längs der Strömungsleitung anordnet.

Die genaue Bestimmung des Volumens der Flüssigkeits abschnitte wird dadurch bewirkt, daß man zwei Zeitabschnit te, die Zeit, die ein Flüssigkeitsabschnitt benötigt, um an einer der Vorrichtung vorbeizuströmen, und außerdem die Zeit, die das vordere Ende desselben Flüssigkeitsab schnittes benötigt, um die Entfernung zwischen den beiden Vorrichtungen zu durchströmen, mißt und mathematisch aus wertet. Eine Anzahl von Techniken zur Herabdrückung des Fehlers bei derartigen Bestimmungen, der durch Änderungen der Strömungsgeschwindigkeit des Flüssigkeitsabschnittes während des Meßzeitraumes hervorgerufen wird, auf ein Mi nimum, wird ebenfalls beschrieben.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand von Zeichnun gen näher erläutert, worin

Fig. 1 einen Längsschnitt einer Strömungsleitung mit einer Erfassungseinrichtung als einem Teil der Vor richtung gemäß der Erfindung sowie mit einer schematisch dargestellten Auswertungsanlage.

Fig. 2A und 2B Querschnitte einer Erfassungs einrichtung gemäß Fig. 1,

Fig. 3 eine grafische Darstellung der von der Einrichtung gemäß Fig. 1 ausgegebenen Signale,

Fig. 4 eine schematische Darstellung der Funk tionen der Erfassungseinrichtung gemäß Fig. 1 in bezug gesetzt zu verschiedenen Stellen einer Strömungsleitung,

Fig. 5A und 5B grafische Darstellungen der von der Erfassungseinrichtung gemäß Fig. 4 ausgegebenen Signale ,

Fig. 6 und 7 Längsschnitte einer Strömungsleitung zur Darstellung verschiedener Dimensionen,

Fig. 8 ein schematisches Diagramm der Funktionen einer Reihe von Erfassungseinrichtungen, die längs ein und derselben Strömungsleitung angeordnet sind, und

Fig. 9 ein schematisches Diagramm, das die gleichzeitige Erfassung der Abschnittsphasengrenze und der Bestimmung des Abschnittsvolumens erläutert, darstellen.

In den Fig. 1, 2A und 2B werden als Teile einer Vor richtung gemäß der Erfindung eine Einrichtung 12 zur Erfassung der Gas/Flüssigkeits-Phasengrenze und der Abschnitte sowie zur Erzeugung eines Signals, im folgenden als (Erfasssungs- und) Signalerzeugungseinrichtung oder einfach als Signalerzeuger bezeichnet, sowie Signal verarbeitungseinrichtungen 14 erläutert.

Die Signalerzeugungseinrichtungen 12 steht in Beziehung zu einer optisch durchsichtigen Leitung 16, durch die ein segmentierter Flüssigkeitsstrom 18 aus alternierenden Ab schnitten von Flüssigkeit 20 und von diese vollständig einschließenden, trennenden Gasabschnitten 22 geführt wird. Die Gasabschnitte können aus Inertgas oder Luft gebildet sein. Die Leitung 16 kann beispielsweise aus Polytetrafluor ethylen bestehen und die Strömungsleitung eines Einkanal- Analysators für biochemische Zwecke auf der Grundlage des Prinzips des kontinuierlichen Durchflusses, der aus der US-PS 32 41 432 bekannt ist, bilden. Der segmentierte Flüs sigkeitsstrom 18 wird mit praktisch konstanter Strömungs geschwindigkeit durch die Leitung 16 gepumpt, wobei die Abschnitte der Flüssigkeit 20D beispielsweise aus Wasser, Blutserum usw. bestehen und in geeigneter Weise zur Durch führung einer kolorimetrischen Analyse umgesetzt worden sind. Außerdem besteht mindestens eines der Flüssigkeits segmente aus einer geeigneten Markierungslösung, beispiels weise aus Kupferchlorid, wie bei 24 angedeutet ist, die in den Strom 18 aus weiter unten beschriebenen Gründen einge führt wird.

Der Signalerzeuger 12 besteht aus einer Strahlungs quelle 26 mit einem aktiven Element 27 zur Erzeugung von Infrarotstrahlung, einer Leuchtdiode (LED) und einem In frarotdetektor 28, beispielsweise einer Siliciumzelle mit einem aktiven Element 30, die an entgegengesetzten Seiten der Leitung 16 in einem Metallgehäuse 32 angeordnet sind. Der Infrarotdetektor 28 gibt ein Spannungssignal V aus, das der Infrarotenergie aus der Infrarotquelle 26, die auf die aktive Oberfläche 30 des Detektors auftrifft, direkt proportional ist.

Die Infrarotquelle 26 und der Infrarotdetektor 28 sind von dem Gehäuse 32 durch isolierende Muffen 34 und 36 oder dgl. elektrisch isoliert.

In dem Gehäuse 32 und der Muffe 34 ist eine im allge meinen kreisförmigen Eintrittsöffnung 38 vorgesehen, damit die Infrarotenergie von der Quelle 26 aus durch die infra rotdurchlässige Leitung 16 hindurchgeführt werden kann. Eine im allgemeinen kreisförmige Auslaßöffnung 40 ist ent sprechend in dem Gehäuse 32 und der Muffe 36 fluchtend mit der Einlaßöffnung 38 angeordnet, damit die Infrarotenergie, die durch die Leitung 16 und den entsprechenden Abschnitt des Stromes 18 hindurchgetreten ist, auf die aktive Ober fläche 30 des Detektors 28 auftreffen kann. Die Anordnung der aktiven Oberfläche 30 des Detektors 28 innerhalb des Gehäuses 32 schirmt diese Oberfläche wirksam gegenüber der äußeren Infrarotstrahlung der Umgebung ab.

Die Signalverarbeitungseinrichtung 14 umfassen einen Verstärker 42, der mit dem Ausgang des Detektors 28 verbun den ist. Logische Signalvergleichungsschaltungen 44 sind mit dem Ausgang des Verstärkers 42 verbunden. Die verstärk ten Signale V aus dem Detektor 28 und geeignete Schwell wertsignale, die der logischen Vergleichsschaltung 44 ein gegeben werden, sind weiter unten im einzelnen näher be schrieben. Zählmittel 46 zählen die aus der logischen Ver gleichsschaltung 44 ausgegebenen Signale, und Durchfluß steuermittel 47 sind mit der Vergleichsschaltung 44 und dem Zähler 46 verbunden und steuern die Anordnung des segmentierten Fluidstromes 20 in Leitung 16 und bewirken eine geeignete Alarmabgabe, wenn eine vorherbestimmte Ab weichung zwischen tatsächlicher und erwünschter Anordnung des Fluidstroms entdeckt worden ist.

Um beispielsweise jede der Luft/Flüssigkeits-Phasen grenzen in dem segmentierten Flüssigkeitsstrom 18 sowie jede der Markierungsflüssigkeitsabschnitte 24 zu erfassen, wird die Infrarotenergiequelle 26 derart eingesrtellt, daß Infrarotenergie über einen Teil des Spektrums um eine Wellenlänge herum abgegeben wird, die praktisch nicht durch die Flüssigkeitsabschnitte 20 aus Wasser, Serum, Reagenz oder einem Gemisch aus Serum und Reagenz absorbiert oder von den Abschnitten gebrochen wird. Vorzugsweise sind die Infrarotenergieübertragungseigenschaften der entspre chenden Abschnitte 20 aus Blutserum und bzw. oder Reagenz bei einer derartigen Wellenlänge gleich denen von Wasser abschnitten 20. Beispielsweise kann diese Wellenlänge zwischen 800 und 1000 m liegen.

Demzufolge führt der Durchtritt eines der Flüssigkeits abschnitte 20 in der Leitung 16 zwischen den Öffnungen 38 und 40 zu der Übertragung einer Hauptmenge der Infrarot energie aus der Quelle 27 durch Leitung 16 und den Flüs sigkeitsabschnitt 20 sowie zum Auftreffen dieser Energie auf die aktive Oberfläche 30 von Detektor 28, wobei ver hältnismäßig wenig Energie aufgrund von Brechung und bzw. oder Absorption verloren geht, wie in Fig. 2A erläutert. Dies führt wiederum zur Ausgabe eines Signals Vl von ver hältnismäßig hoher Amplitude durch Detektor 28, wie in Fig. 3 gezeigt. Zur Eichung des Signalerzeugers 12 wird die Amplitude des Signals Vl, die durch den Detektor 28 ausgegeben wird, wenn lediglich Wasser durch Leitung 16 strömt, als Bezugswert verwendet, gegen den die Amplitude des Signals Vl verglichen wird, wenn eine andere Flüssig keit oder ein anderes Fluid allein durch Leitung 16 hin durchströmt; jegliche bedeutende Abweichungen dazwischen werden praktisch eliminiert, indem man die zentrale Infra rotenergiestrahlungswellenlänge von Quelle 26 und bzw. andere in Betracht kommende Betriebseigenschaften des Si gnalerzeugers 12 in geeigneter Weise derart einstellt, daß eine allgemeine Koinzidenz zwischen den Amplituden den Si gnal Vl sichergestellt wird, unabhängig davon, ob der Flüs sigkeitsabschnitt, der durch den Signalerzeuger hindurch strömt, aus Wasser, Blutserum und bzw. oder Reagenz besteht.

Umgekehrt wird, wenn ein Luftabschnitt 22 durch Lei tung 16 zwischen den Öffnungen 38 und 40 hindurchtritt, ein beträchtlicher Anteil der Infrarotenergie, die von Quelle 26 abgestrahlt wird, gebrochen oder gebeugt, was auf die relativen Infrarotbrechungsindices von Luft und Polytetrafluorethylen zurückzuführen ist, wodurch eine wesentlich geringere Menge an Infrarotenergie auf die ak tive Oberfläche 30 des Detektors 28 auftrifft, wie in Fig. 2B dargestellt, wodurch durch den Detektor ein Signal Va von verhältnismäßig geringer Amplitude ausgegeben wird, wie wiederumg in Fig. 3 dargestellt ist.

Der Abschnitt 24 aus Markierungsflüssigkeit kann aus jeder Substanz bestehen, die bei der zentralen Wellenlänge, die für die Infrarotquelle 26 gewählt worden ist, nicht nur unwesentlich Infrarotenergie absorbiert. Beispielsweise hat sich eine Lösung aus Kupferchlorid als besonders geeignet für eine Verwendung als Markierungsflüssigkeit erwiesen. Da die Infrarotenergieabsorption einer derartigen Lösung stark konzentrationsabhängig ist, führt die Wahl einer ge eigneten Konzentration für die Markierungsflüssigkeitslö sung zur Ausgabe eines Signals Vm durch den Detektor 28, das kleiner ist als das Signal Vl, jedoch größer als das Signal Va, oder eines Signals Vm, das kleiner ist als das Signal Va, wenn ein Abschnitt 24 aus Markierungsflüssigkeit zwischen den Öffnungen 38 und 40 hindurchtritt.

Demzufolge führt die Strömung des segmentierten Flüs sigkeitsstroms 18 in der angegebenen Richtung durch Lei tung 16 und Signalerzeuger 12 zur Ausgabe eines Signals V durch den Detektor 28, das allgemein die in Fig. 3 bis 50 angegebenen Wellenformen aufweist. Insbesodnere werden die Signale Vl und Va vom Detektor 28 zugleich mit dem Durch tritt von Flüssigkeitsabschnitten 20 und Luftabschnitten 22 durch den Signalerzeuger 12 ausgegeben. Außerdem führt der Durchtritt von Markierungsflüssigkeitsabschnitten 24 durch den Signalerzeuger 12 zur Ausgabe eines Signals Vm durch den Detektor 28, das, wie gezeigt, je nach der Konzentration der Markierungsflüssigkeit eine größere oder kleinere Amplitude als das Signal Va haben kann, jedoch leicht von den Signalen Vl und Va unterscheidbar ist.

Schwellwertsignale, die in die logische Signalver gleichsschaltung 44 eingegeben werden, sind in gestrichel ten Linien als TH1, TH2 und TH3 in Fig. 3 angegeben und zur Klarheit der Beschreibung der Welle 50 überlagert. Das Schwellenwertsignal TH1 wird so festgesetzt, daß es kleiner als die Signale Vl und größer als die Signale Va sowie die größeren Vm-Signale ist (vorausgesetzt, daß ein Abschnitt 24 aus flüssiger Markierung mit verhältnismäßig niedriger Konzentration verwendet wird). Das Schwellwert signal TH2 wird so festgesetzt, daß es kleiner als die größeren Vm-Signale und größer als die Signale Va ist. Das Schwellwertsignal TH3 wird so festgesetzt, daß es kleiner als sämtliche anderen Signale ist.

Unter den obigen Bedingungen führt die gleichzeitige Eingabe der entsprechenden Detektorsignale V und der Schwellwertsignale TH1, TH2 und TH3 in die logische Signal vergleichsschaltung 44 zu der Möglichkeit, genau und ver läßlich zwischen den Abschnitten aus Luft, Blutserum und bzw. oder Reagenz und Markierungsflüssigkeit, die durch Leitung 16 hindurchwandern, in einer ein Eindringen in den Strom vollständig vermeidenden Weise zu unterschei den. Insbesondere gibt die logische Vergleichsschaltung 44 in jedem Falle, in dem die Höhe des Ausgangssignals V den Wert des Schwellwertsignals TH1 überschreitet, ein Signal an den Zähler 46 aus, das den Durchschnitt eines Blutserum- und bzw. oder Reagenzflüssigkeitsabschnittes 20 durch den Signalerzeuger 12 anzeigt. Alternativ gibt die logische Schal tung 44 in jedem Falle, in dem der Wert des Signals V größer als das Schwellwertsignal TH2, jedoch kleiner als das Schwellwertsignal TH1 ist, ein Signal an den Zähler 46 aus, das den Durchschtritt eines Abschnittes 24 aus Markie rungsflüssigkeit durch den Signalerzeuger 12 anzeigt. Weiter gibt die logische Schaltung 44 in jedem Fall, in dem der Wert des Signals V kleiner ist als der des Schwellwertsi gnals TH2, ein Signal an den Zähler 46 aus, das den Durch tritt eines Luftabschnittes 22 durch den Signalerzeuger 12 an zeigt. Außerdem zeigt die Wellenform 50 in Fig. 3, daß Beginn und Beendigung des Durchtritts eines Luftabschnit tes 22 durch den Signalerzeuger 12 genau durch Beginn und Beendi gung des Ausgabesignals Va des Detektors 28 angezeigt werden.

Die logische Signalvergleichsschaltung 44 wird jedoch so eingestellt, daß sie auf die Signale des raschen Über gangs zwischen verschiedenen Werten nicht anspricht. Sie er zeugt lediglich ein Ausgangssignal, wenn das Signal V länger dauert als die kürzeste zu erwartende Dauer von beispiels weise Signal Va.

Dementsprechend liefert die Erfassungs- und Signalerzeugungseinrichtung 12 eine genaue Erfassung jeder Phasengrenze zwischen einem Luft- und einem Flüssigkeitsabschnitt. Darüber hinaus ermöglicht sie eine genaue Zählung der Abschnitte und eine genaue Differenzierung zwischen den entsprechenden Flüssigkeits- und Luftabschnitten des segmentierten Stroms, der durch Leitung 16 strömt. Außer dem liefert die Einverleibung eines oder mehrerer Abschnit te mit Markierungsflüssigkeit in einen derartigen segmen tierten Strom Bezugszpunkte, von denen aus die Zählung be gonnen oder bei denen sie beendet werden kann.

Unter Verwendung des Signalerzeugers 12 wird die genaue Bestimmung der entsprechenden Volumina der Flüssigkeits abschnitte 20 und ggf. 24 des segmentierten Flüssigkeitsstroms 18 durch die Anordnung gemäß Fig. 4 bis 8 erzielt. Wie aus Fig. 4 ersichtlich, besteht die Anordnung aus zwei im Verhältnis zur Leitung 16 im Abstand voneinander angeord neten Signalerzeugern 12A und 12B, so daß die entsprechen den Öffnungen 38A, 40A und 38B, 40B um eine bestimmte Ent fernung D voneinander beabstandet sind. Die Bestimmung des Volumens der Flüssigkeitsabschnitte beruht auf der genauen Messung der Zeitdauer T_A, die für den Vorbeilauf eines ge samten Flüssigkeitsabschnittes 20A in Leitung 16 zwischen den fluchtend angeordneten Öffnungen 38A und 40A des Si gnalerzeugers 12A erforderlich ist, sowie auf der genauen Messung der Zeitdauer T_D, die für den Durchlauf des vor deren Endes des Flüssigkeitsabschnittes 20A zwischen den Öffnungen 38A und 40A des Signalerzeugers 12A und den Öff nungen 38B und 40B des Signalerzeugers 12B erforderlich ist. Da die Zeitdauer T_A dem Volumen des Flüssigkeitsab schnittes 20A direkt und der Strömungsgeschwindigkeit längs Leitung 16 umgekehrt proportional und die Zeitdauer T_D le diglich der Strömungsgeschwindigkeit umgekehrt proportional ist, wird der Faktor der Strömungsgeschwindigkeit des Ab schnittes aus den erforderlichen Berechnungen wirkungsvoll eliminiert, indem man lediglich das Verhältnis der Zeit T_A zur Zeit T_D als Berechnungsgrundlage nimmt, wie weiter unten beschrieben.

Die Signalverarbeitungseinrichtung zur Bestimmung des Volumens der Flüssigkeitsabschnitte besteht aus einem Verstärker 56 und einer logischen Signalvergleichsschal tung 58, denen das Signal V vom Detektor 28A eingegeben wird, sowie außerdem aus dem Verstärker 50 und der logi schen Signalvergleichsschaltung 62, denen das Signal V aus dem Detektor 28B eingegeben wird. Schwellwertsignale TH1 werden ebenfalls den logischen Signalvergleichsschaltungen 58 und 62 eingegeben. Da lediglich solche Detektorausgangs signale, die vom Durchtritt von Flüssigkeitsabschnitten 20 durch die entsprechenden Signalerzeuger 12A und 12B herrühren für die Volumenbestimmung von Flüssigkeitsabschnitten, die von den Markierungsabschnitten unterscheiden, relevant sind, be steht keine Notwendigkeit für die Verwendung von Schwell wertsignalen TH2 und TH3. Die Signale TH2 und TH3 sind daher nicht erforderlich, wenn das Volumen des Markierungs abschnittes 24 nicht bestimmt werden soll. Jedoch sind in dem allgemeinen Fall, in dem das Volumen sämtlicher unter schiedlicher Flüssigkeitsabschnitte bestimmt werden soll, alle drei Schwellwertsignale erforderlich. Die Signale aus den logischen Signalvergleichsschaltungen 58 und 62 werden gleichzeitig in die logische Datenverarbeitungsschaltung 64 eingegeben, während deren Ausgang der logische Segment volumenrechenschaltung 66 zur Berechnung der Volumina der Abschnitte eingegeben wird, wie weiter unten beschrieben wird. Die Durchflußsteuerschaltung 67 ist in Abhängigkeit von den ihr eingegebenen Signalen beteibbar, wie das von der logischen Segmentvolumenrechenschaltung 66 aus darge stellt ist, um die entsprechenden Volumina der Abschnitte des segmentierten Fluidstroms 18 zu steuern und ein geeig nettes Alarmsignal zu erzeugen, wenn eine vorbestimmte Ab weichung zwischen dem tatsächlichen und dem gewünschten Abschnittsvolumen festgestellt wird.

Die entsprechenden Signalausgänge der Signalerzeuger 12A und 12B und der logischen Signalvergleichsschaltungen 58 und 62 sind in den Fig. 5A und 5B gegen dieselbe Zeit achse aufgetragen. Insbesondere erläutert die Wellenform 70 in Fig. 5A die Signale Vl aus dem Detektor 28A, die den Durchtritt der Flüssigkeitsabschnitte 20 zwischen den Öff nungen 38A und 40A begleiten, sowie die Signale Va, die den Durchtritt der Luftabschnitte 22 zwischen diesen Öffnungen begleiten. Das Schwellenwertsignal TH1 ist in gestrichelter Linie der Welle 70 überlagert. Die gleichzeitige Eingabe der Welle 70 und des Schwellwertsignals TH1 in die logische Signalvergleichsschaltung 58 führt zur Ausgabe der Signale Vc aus dieser Schaltung, die die in Fig. 5A mit 72 bezeich nete Wellenform aufweisen. Ein Vergleich der Wellen 70 und 72 von Fig. 5A zeigt, daß die Vorbeilaufzeit T_A eines Flüs sigkeitsabschnittes 20, an dem Signalerzeuger 12A genau durch die Zeitdauer des spezifisch identifizierten Signal impulses Vca bestimmt ist, wie er von der Signalvergleichs schaltung 58 ausgegeben wird. Beginn und Beendigung des Signals Vca fallen genau mit dem Durchtritt des vorderen bzw. hinteren Endes dieses Flüssigkeitsabschnittes zwischen den Öffnungen 38A und 40A des Signalgenerators 12 zusammen. Die Wellenform 74 von Fig. 5B zeigt Signale Vl, die vom Detektor 28B ausgegeben worden sind und die den Durchtritt der Flüssigkeitsabschnitte 20 zwischen den Öffnungen 38B und 40B begleiten, sowie die Signale Va, die den Durchtritt von Luftabschnitten 22 zwischen diesen Öffnungen begleiten. Das Schwellwertsignal TH1 ist in gestrichelter Form auf die Welle 74 überlagert. Die gleichzeitige Eingabe der Welt 74 und des Schwellenwertsignals TH1 in die logische Signalver gleichsschaltung 62 führt zur Ausgabe der Signale Vc durch diese Vergleichsschaltung, die die mit 76 in Fig. 5B be zeichnete Wellenform aufweisen. Wiederum erläutern die Wellen 74 und 76, daß die Vorbeilaufzeit T_A eines Flüssig keitsabschnittes 20A an dem Signalerzeuger 12B genau durch die Zeitdauer des spezifisch identifizierten Signal impulses Vcb bestimmt ist, wie er von der logischen Signal vergleichsschaltung 62 ausgegeben ist. Außerdem läßt der Vergleich der Wellenform 72 und 76 gemäß Fig. 5A und 5B klar erkennen, daß die Zeitdauer T_D1, die das vordere Ende des Flüssigkeitsabschnittes 20 benötigt, um die Entfer nung D gemäß Fig. 4 zwischen den Signalerzeugern 12A und 12B zu durchlaufen, sowie die Zeitdauer T_D2, die das hin tere Ende des Flüssigkeitsabschnittes benötigt, um die gleiche Entfernung D zu durchlaufen, jeweils genau be stimmt sind.

Eine genaue Bestimmung der entsprechenden Volumina der Flüssigkeitsabschnitte 20 wird durch die logische Datenverarbeitungsschaltung 64 und die logische Segment volumenrechnung 66 gemäß den folgenden Gleichungen bewirkt. Zur Erläuterung der Ausdrücke in diesen Glei chungen wird in diesem Zusammenhang auf die Fig. 6 und 7 verwiesen.

Nimmt man im einzelnen zunächst die Situation als gegeben an, bei der die Geschwindigkeit des Flüssigkeits abschnittes 20 während des Meßintervalls zwischen den Signal erzeugern 12A und 12B konstant ist, gilt folgendes:

Gleichung 1. T_A = (L1-L2)/SV und

Gleichung 2. L1 = VL/KB und L2 = KA/KB,

worin

VZ = Volumen des Flüssigkeitsabschnittes
L1 = Länge des Flüssigkeitsabschnittes,
L2 = Länge der optischen Öffnung,
KB = Querschnitt von Leitung 16,
VA = Volumen des Luftabschnittes,
KA = effektives Volumen der optischen Öffnung und
SV = Geschwindigkeit des Flüssigkeitsabschnittes in Leitung 16 .

Einsetzen der Ausdrücke in Gleichung 1 führt zu:

Gleichung 3. T_A = (VL/KB - KA/KB)/SV = (VL-KA)/(KB × SV); außerdem gilt

Gleichung 4. T_D1 = D/SV.

Dividiert man Gleichung 3 durch Gleichung 4, so erhält man

Gleichung 5. T_A/T_D1 = (VL-KA)/(KB × D) = (VL-KA)/KC,
worin
KC = Volumen der Leitung 16 zwischen den entsprechenden Signalerzeugern 12A und 12B.

Die Auflösung von Gleichung 5 nach dem Flüssigkeits abschnittsvolumen VL führt zu:

Gleichung 6. VL = KC × (T_A/T_D1) + KA.

Da sowohl KA als auch KC Konstanten sind, die durch ent sprechende Eichung oder physikalische Messung genau bestimmt werden, läßt sich das Volumen VL des in Rede stehenden Flüs sigkeitsabschnittes leicht von der logischen Segmentvolumen rechenschaltung 66 durch Bestimmung der entsprechenden Werte für die Zeiten T_A und T_D1 gemäß Fig. 5A und 5B mit der logi schen Datenverarbeitungsschaltung 64 bestimmen.

Demzufolge sind zwei unabhängige Messungen T_A und T_D1 erforderlich. Die Messung von T_D1 ist notwendig, um die Aus wirkungen der Geschwindigkeit bei der Berechnung zu eliminieren. Wie sich aus Gleichung 3 ergibt, repräsentiert die Mes sung von T_A die Zeit, die ein Flüssigkeitsabschnitt benötigt, um das erste Paar Öffnungen zu passieren, und ist dem Volumen eines derartigen Abschnittes VL direkt und der Geschwin digkeit umgekehrt proportional. Um den Flüssigkeitsab schnitt VL unabhängig von der Geschwindigkeit zu bestimmen, wird eine unabhängige Geschwindigkeitsmessung durchgeführt, indem man die Zeit T_D1 mißt, die der Abschnitt oder das Segment benötigt, um sich eine bestimmte Entfernung D fort zubewegen, was zur Bestimmung von SV gemäß Gleichung 4 führt. Bildet man das Verhältnis zwischen den Gleichungen 3 und 4, so wird der Geschwindigkeitsausdruck aus der Endberechnung für das Volumen der Flüssigkeitsprobe elimi niert, wie in Gleichung 6 dargestellt.

In bestimmten Fällen kann sich die Geschwindigkeit SV des Flüssigkeitsabschnittes in Leitung 16 während des Meß intervalls für die Abschnittsgeschwindigkeit ändern, bei spielsweise zufolge der Einführung zusätzlicher Fluide in den segmentierten Strom 18 oberhalb und bzw. oder unterhalb der Signalerzeuger 12 A und 12B in die Leitung 16 während des Durchtrittes eines derartigen Flüssigkeitsabschnittes zwischen den Signalerzeugern. In einem derartigen Fall kann die Geschwindigkeit SV des Flüssigkeitsabschnittes während des Zeitintervalls T_A von der während des Zeitintervalls T_D1 differieren. Daher kann die Bestimmung des Volumens VL des Flüssigkeitsabschnittes durch die logische Segmentvolumen rechenschaltung 66 in strenger Anwendung von Gleichung 6 zu einem Fehler führen, dessen Größe von der Zeitmessung und dem Ausmaß der Abweichung in der Geschwindigkeit des Flüssigkeitsabschnittes abhängt. Das Herabdrücken dieses Fehlers auf ein Minimum ist möglich, indem man das Zeit intervall T_D2 gemäß Fig. 5B sowie geeignete Gewichtungs faktoren verwendet, um einen genaueren Ausdruck für das durchschnittliche Zeitintervall zum Einsetzen in Glei chung 6 zu erhalten.

Im einzelnen wird dieser genauere Ausdruck T_DA für das durchschnittliche Zeitintervall wie folgt bestimmt:

Gleichung 7. T_DA = R1 × T_D1 + R2 × T_D2,

worin
R1 und R2 Gewichtsfaktoren darstellen, die von dem jeweiligen Verhältnis von T_D1 und T_D2 zu T_A abhängen.

Ersatz des Ausdrucks TD1 in Gleichung 6 für das Zeitintervall durch den Ausdruck T_DA für das mittlere Zeitintervall führt zu folgender

Gleichung 8. VL=KC × (T_A/T_DA) + KA.

Alternativ kann die Genauigkeit für die Bestimmung des Volumens des Flüssigkeitsabschnittes bei einem konstan ter Geschwindigkeit SV für das Flüssigkeitssegment während der Messung erzielt werden, indem man mehrere Paare von Signalerzeugern 12 verwendet, die in unterschiedlichen Ent fernungen längs Leitung 16 angeordnet sind, so daß eine der Entfernungen oder Abstände D für jede Strömungsbedingung, die in der Leitung 16 existiert, am geeignetesten ist, wie in schematischer Form in Fig. 8 dargestellt. Trotz der Geschwindigkeitsänderung während des Meßintervalls ent stehen keine Fehler, wenn das Zeitintervall T_A im wesent lichen dem Zeitintervall T_D1 gleichgemacht wird, da die Messungen von sowohl T_A als auch T_D1 in gleicher Weise jeglichen vorübergehenden Geschwindigkeitsefekten unter liegen, da beide Messungen über das gleiche Zeitintervall hin erfolgen. Unter diesen Umständen wird eine logische Ausgangssignalvergleichsschaltung 80 vorgesehen, um die Signale T_A und T_D1, die von den entsprechenden logischen Datenverarbeitungsschaltungen 64 jedes Paares der Signal erzeuger 12A und 12B ausgegeben werden, zu vergleichen, und festzustellen, welches der genannten Paare Signale T_A und T_D1 ausgibt, die am meisten annähernd gleich sind, wodurch die am besten annähernd konstante Geschwindigkeit SV des Flüssigkeitsabschnittes zwischen diesem Paar ange zeigt wird. Die Signale T_A sind natürlich dem Volumen VL des Flüssigkeitsabschnittes direkt und der Geschwindigkeit SV des Flüssigkeitsabschnittes umgekehrt proportional, während die Signale T_D₁ lediglich der Geschwindigkeit SV des Flüssigkeitsabschnittes proportional sind. In einem solchen Fall würden die am besten annähernd gleichen Si gnale T_A und T_D1, wie angegeben, aus der logischen Aus gangssignalvergleichsschaltung 80 aus- und der logischen Segmentvolumenrechenschaltung 66 zur Bestimmung des Ab schnittsvolumens bzw. Segmentvolumens eingegeben.

Als weitere Möglichkeiten zur genauen Bestimmung des Volumens der Flüssigkeitsabschnitte in Fällen, in denen die Geschwindigkeit SV der Flüssigkeitsabschnitte längs der Leitung 16 nicht konstant ist, kann ein einziges Paar Signalerzeuger 12 verwendet werden, wie in Fig. 4 dargestellt, das jedoch hinsichtlich der Leitung 16 so weit stromabwärts wie durchführbar angeordnet ist, so daß die Wirkungen von vorübergehenden Geschwindigkeitsänderungen in dem segmentierten Flüssigkeitsstrom 18 an einer derar tigen Stelle auf ein Minimum herabgedrückt werden.

Nach dem Vorstehenden sollte klargeworden sein, daß die Bestimmung des Volumens flüssiger Abschnitte mit hoher Genauigkeit trotz Änderungen der Geschwindigkeit SV der Flüssigkeitsabschnitte während des Meßintervalls nach dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung durch die Bestimmung von lediglich den Werten für T_A, T_D1 und T_D2 gemäß Fig. 5A und 5B durch die logische Datenverarbeitungsschaltung 64 gemäß den angegebenen Zielen des Verfahrens bzw. der Vorrichtung möglich ist.

Ein repräsentatives Anwendungsbeispiel für das Ver fahren und die Vorrichtung gemäß der Erfindung auf die Bestimmung der Gas/Flüssigkeits-Phasengrenzen und der Flüssigkeits- und Gasabschnitte sowie die gleichzeitige Bestimmung der Volumina der Flüssigkeitsabschnitte eines segmentierten Fluidstroms 18, ohne daß in den Strom einge griffen wird, ist schematisch in Fig. 9 dargestellt und umfaßt die Anordnung von voneinnder beabstandeten Si gnalerzeugern 12A und 12B an Leitung 16, das Eingeben der Signale aus dem Signalerzeuger 12A in Signalverarbeitungs einrichtungen 14 zur Bestimmung der Phasengrenze und der Abschnitte, wie im einzelnen oben beschriebenen, sowie die Eingabe der Signale aus den Signalerzeugern 12A und 12B in eine Verarbeitungseinrichtung 82 für Signale zur Be stimmung des Abschnittsvolumens, wie ebenfalls im einzelnen oben beschrieben. In diesem Falle führt natürlich die gleichzeitige Eingabe der Signale für die Phasengrenze, die Abschnitte und die Abschnittsvolumina aus den Signalverar beitungseinrichtungen 14 und 82, wie beschrieben, in die Durchflußsteuerschaltung 67 zu einer genauen Erfassung, Synchronisierung und Steuerung des segmentierten Fluid stroms 18 hinsichtlich der Art der Abschnitte sowie ihrer Folge und ihres Volumens mit bedeutendem Vorteil.

Claims

1. Vorrichtung zur selektiven Bestimmung von Volumina von aufeinanderfolgenden Probenabschnitten, die in einer optisch transparenten Leitung strömen, durch Abschnitte eines mit ihnen nicht mischbaren Fluids voneinander getrennt sind und andere Strahlungsenergieabsorptions- oder -brechungseigen schaften aufweisen als die Fluidabschnitte, mit den Merkmalen, daß mehrere Paare von Strahlungsenergiequellen (26A, 26B) außerhalb der Leitung (16) angeordnet sind und die Leitung und den in ihr strömenden segmentierten Strom (18) an für die beiden Energiequellen jedes Paares jeweils längs der Leitung voneinander beabstandeten Stellen (12A, 12B) be strahlen, wobei die Abstände zwischen den beiden Strah lungsenergiequellen jedes Paares unterschiedlich groß sind, daß mehrere Paare von Strahlungsenergiedetektoren (28A, 28B) außerhalb der Leitung (16) an den voneinander beabstandeten Stellen (12A, 12B) angeordnet sind, die Strahlungsenergie aus der Strahlungsenergiequellen, die durch die Leitung und den Fluidstrom an den beabstandeten Stellen hindurch gelangt, erfassen und von der durchgelassenen Strahlungs energie abhängige Ausgangssignale ausgeben, und daß Mittel (50, 56; 58, 62; 64, 66, 67, 82) zur Verarbeitung der Aus gangssignale zur Bestimmung der Volumina von ausgewählten Probenabschnitten (20, 24) unabhängig von etwa auftretenden Änderungen der Strömungsgeschwindigkeit der Probenabschnitte vorgesehen sind, die die Ausgangssignale zur Bestimmung der jedem Paar voneinander beabstandeter Stellen zugeordneten Vorbeilaufzeit T_A des ausgewählten Probenabschnittes an einer der Stellen des Paares und der Durchlaufzeit T_D des Anfangs oder des Endes desselben Abschnittes von der einen zu der anderen Stelle des Paares verarbeitet und für die Be stimmung des Volumens des Probenabschnitts aus den erhalte nen Zeiten T_A und T_D die beiden für dasjenige Stellenpaar auswählt, bei dem sich die beiden Werte T_A und T_D am wenig sten voneinander unterscheiden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spektralbereich der Strahlungsenergie außerhalb des Strahlungsenergieabsorptionsbereichs der Proben- und Fluidabschnitte liegt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsenergiequelle Infrarotenergie liefert.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Spektralbereich der Infrarotenergie hauptsächlich zwischen 800 und 1000 nm liegt.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitung (16) die Strömungsleitung eines nach dem Prinzip des kontinuierlichen Durhflusses betriebenen Einkanal-Analysators ist.

6. Verfahren zur selektiven Bestimmung des Volumens von aufeinanderfolgenden Probenabschnitten, die in einer optisch transparenten Leitung strömen, durch Abschnitte eines mit ihnen nicht mischbaren Fluids voneinander getrennt gehalten werden und andere Strahlungsenergieabsorptions- oder -brechungseigenschaften aufweisen als die Fluidabschnitte, mit den Merkmalen, daß man die Leitung und die darin strömen den Abschnitte an mehreren Paaren längs der Leitung vonein ander beabstandeter Stellen bestrahlt, wobei der Abstand zwischen den beiden Stellen jedes Paares unterschiedlich ist, daß man die an den voneinander beabstandeten Stellen durch die Leitung hindurchgelassene Strahlungsenergie er faßt und daraus von der durchgelassenen Energie abhängige Ausgangssignale erzeugt, daß man die Ausgabesignale zur Be stimmung der jedem Paar voneinander beabstandeter Stellen zugeordneten Vorbeilaufzeit T_A eines bestimmten Proben abschnittes an einer der Stellen des Paares und der Durch laufzeit T_D des Anfangs oder des Endes desselben Abschnitts von der einen zu der anderen Stelle des Paares verarbeitet und daß man für die Bestimmung des Volumens des Proben abschnitts aus den erhaltenen Zeiten T_A und T_D die beiden für dasjenige Stellenpaar auswählt, bei dem sich die beiden Werte T_A und T_D am wenigstens voneinander unter scheiden.