借助于液体容器中的电容填充液位测量来控制光学识别单元的设备和方法

摘要

本发明涉及一种用于借助于液体容器(1)中的电容填充液位测量来控制光学识别单元的设备，包括：具有测量电极(3)的传感器(2)；适用于布置至少一个液体容器(1)或具有用于接收液体容器(1)的至少一个座槽的载体单元的导电基板(4)；传感器电子单元(7)，其被连接到测量电极(3)和基板(4)并且适配成确定测量电极(3)和基板(4)之间的电容；评估单元(A)；以及用于控制光学识别单元的控制单元，其中测量电极(3)被布置成基本上垂直于基板(4)，并且其中控制单元与传感器电子单元(7)或评估单元(A)连接，并且控制信号可由传感器电子单元(7)或评估单元(A)根据电容来生成，并且光学识别单元是根据控制信号可控的。此外，提出了一种用于借助于液体容器(1)中的电容填充液位测量来控制光学识别单元的相应方法。

说明书

发明的技术领域

本发明属于自动化实验室系统或装备(诸如医疗、化学、制药或法医分析设备)的技术领域，并且具体涉及液体处理系统，尤其是用于借助于液体容器(container)中的电容填充液位测量来控制光学识别单元的设备和相应的方法。

发明的背景技术

每当在医疗、化学、分析、制药或法医实验室中必须对大量样品进行检验时，当今通常使用自动化实验室系统或装备，这些系统和装备使得每个个体样品能被快速且可靠地处理。此类实验室系统通常被设计成处置液体体积的液体处理系统。通常，一个或多个机器人被用于此类实验室系统的全自动操作。这些机器人特别擅长处置液体容器，并且因此在技术术语中被称为“液体处置机器人”。样品通常在样品容器(诸如样品管)中被递送，其中一些被布置在载体单元(在技术术语中也称为“支架(rack)”)中。另外，在样品处理过程中被添加到样品中的试剂，通常在诸如小瓶或槽之类的器皿中提供。

样品管和试剂器皿通常具有不同的液位，或者在它们准备被液体处理系统处理时有时是空的。为了确保快速且高效的处理，在机器人开始工作之前，应该知道每一液体容器的填充液位。特别地，空容器应该被识别，并且该系统还应能够检测特定载体单元座槽(receptacle)中是否存在样品管、特定载体单元座槽中是什么类型的样品管或者它是什么类型的载体单元。识别载体单元的某些特征也很有帮助。

因此，需要允许在自动化液体处理系统中容易(并且因此是成本高效地)和可靠地确定上述特征的方法，从而能够更高效地处理大量样品。

通常，光学识别单元被用于识别实验室对象(诸如，载体单元、液体容器、槽、样品管等)和/或其中包含的样品(液体)上的标识符和/或其特性。为了能够尽可能容易、快速和可靠地识别标识符和特性，并且尤其是为了使为此目的必须处理的数据量尽可能低，需要合适的方法来控制光学识别单元。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于控制光学识别单元以及用于测量液体容器中的填充液位的设备，借助于该设备，当个体液体容器被提供用于由液体处置机器人进行后续处理时，精确地检测它们的填充液位是可能的，并且这确保简单、快速和可靠地识别实验室对象和/或其中包含样品的标识符和/或特性。该目的是通过在权利要求1中规定的测量设备来实现的。

另外，本发明的目的是提供一种用于控制光学识别单元以及用于测量液体容器中的填充液位的相应方法，借助于该方法，在个体液体容器被提供用于由液体处置机器人进行后续处理时，精确检测它们的填充液位是可能的，并且这确保简单、快速和可靠地识别实验室对象和/或其中包含样品的标识符和/或特性。根据本发明，通过权利要求12中提出的测量方法来解决该目的。

从属权利要求中给出了根据本发明的具体实施例。

根据本发明的用于借助于液体容器(尤其是用于试剂的容器(诸如槽或小瓶)或样品管)中的电容填充液位测量来控制光学识别单元的设备，包括：

-具有光学传感器元件的光学识别单元；

-具有测量电极的传感器；

-适用于布置至少一个液体容器或具有用于接收液体容器(尤其是样品管)的至少一个座槽的载体单元的导电基板；

-传感器电子单元，其被连接至测量电极和基板，并适配成确定测量电极和基板之间的电容(或阻抗)；

-评估单元；以及

-用于控制光学识别单元的控制单元，

其中该测量电极被布置成基本上垂直于基板，尤其是被布置成垂直于水平布置的基板，并且

其中该评估单元适配成基于该电容来确定来自以下列表中的至少一者：

-液体容器(尤其是样品管)的填充液位，尤其是液体容器(尤其是样品管)是否为空和/或者超过或低于预定填充液位；

-至少一个座槽中是否存在液体容器(尤其是样品管)；

-不同的载体单元，诸如针对不同尺寸液体容器(尤其是样品管)的载体单元；

-载体单元上的不同特性，诸如诸个体座槽，尤其是诸座槽之间的隔板(partition)，

以及其中该控制单元被连接到传感器电子单元或评估单元，并且控制信号可由传感器电子单元或评估单元根据电容来生成，并且光学识别单元是根据控制信号可控的，具体地说，可以激活用于识别液体容器(尤其是样品管)上的标识符和/或特性，和/或其中包含的试剂或样品的标识符和/或特性的过程。

在该设备的实施例中，测量电极被布置在传感器载体的前侧上在保护电极上方，其中该保护电极尤其位于测量电极和基板之间。

在该设备的另一实施例中，测量电极被布置在传感器载体的前侧上在第一和第二保护电极之间。

在该设备的另一实施例中，第三保护电极被布置在传感器载体的后侧或中间层上，其中第三保护电极(与测量电极以及第一和第二保护电极电绝缘并且)至少(从后面)覆盖测量电极，尤其是覆盖测量电极和第一和第二保护电极。

在该设备的另一实施例中，测量电极和第一和第二保护电极被布置在第一和第二接地电极之间，其中第一和第二接地电极进而被布置在第四和第五保护电极之间，其中第一和第二接地电极被电连接至基板。

在该设备的另一实施例中，测量电极、可能的保护电极和可能的接地电极被设计成条带的形式，并且在该设备的操作期间垂直对齐，并且尤其是平行于液体容器(尤其是样品管)的纵轴。

在该装设备的另一实施例中，测量电极的宽度在液体容器(尤其是样品管)直径的80％到100％范围中，并且尤其第一和第二保护电极的宽度各自超过液体容器(尤其是样品管)直径的100％。样品管通常在8至16mm宽之间。

在该设备的另一实施例中，传感器电子单元包括信号发生器，利用该信号发生器可以生成用于激励测量电极的信号，其中该信号尤其是频率在从20kHz到400kHz的范围中的正弦信号或频率在从20kHz到50kHz的范围中的阶梯形信号，其中频率尤其可调整至不同值。应注意，信号不必仅(确切地)包含在所提及频率处的信号分量，而是除了该频率之外，还可以包括所提及频率周围的频率范围中的其他频率处的附加信号分量。为了检测泡沫或区分不同的液体，尤其是具有不同阻抗谱(如以下都提供的)的试剂，还使用频率为几兆赫(例如12兆赫)的信号。

在该设备的另一实施例中，用于激励测量电极的信号还被用于激励保护电极，其中用于激励保护电极的信号是低阻抗的，并且尤其可以用具有电压增益为1的缓冲放大器从用于激励测量电极的信号中生成。

在该设备的另一实施例中，传感器载体被设计为印刷电路板，尤其是多层印刷电路板。

在该设备的另一实施例中，传感器电子单元位于与传感器相同的印刷电路板上，其中该印刷电路板在前侧和后侧之间具有至少两个中间层，其中测量电极和可能的第一和第二保护电极以及可能的第一和第二接地电极以及可能的第四和第五保护电极位于印刷电路板的前侧上，可能的第三保护电极位于前侧后面的第一中间层上，作为屏蔽的接地表面位于第一中间层后面的第二中间层上，其中该屏蔽被电连接到可能的第一和第二接地电极，以及用于传感器电子单元的信号传导的导体轨道位于后侧上，并且可能位于后侧和接地表面之间的一个或多个进一步中间层上。

根据本发明的另一方面，一种用于借助于液体容器(尤其是用于试剂的容器或样品管)中的电容填充液位测量来控制光学识别单元的方法，包括以下步骤：

-提供被水平布置的导电基板和被垂直布置的具有测量电极的传感器，以及被连接到测量电极和基板的传感器电子单元；

-在基板上在测量电极近旁布置液体容器或具有用于容纳液体容器(尤其是样品管)的至少一个座槽的载体单元；

-用信号激励测量电极；

-根据测量电极和基板之间的电容(或阻抗)确定测量信号；以及

-基于测量信号来确定或识别来自以下列表中的至少一者：

ο液体容器(尤其是样品管)的填充液位，尤其是液体容器(尤其是样品管)是否为空和/或超过或低于预定填充液位；

ο至少一个座槽中是否存在液体容器(尤其是样品管)；

ο哪种类型的样品管位于载体单元的特定座槽中；

ο载体单元上的不同特性，诸如诸个体座槽(尤其是诸座槽之间的隔板)；

ο它是什么种类的载体单元，诸如适配成接收特定尺寸或最大填充容量的样品管的载体单元；

-基于测量信号来控制光学识别单元，尤其是触发用于识别液体容器(尤其是样品管)和/或其中容纳的试剂或样品的标识符和/或特性的过程。

在实施例中，该方法进一步包括以下步骤：

-在水平方向上移动具有用于容纳样品管的多个座槽的载体单元经过测量电极，

其中测量信号的确定是在移动载体单元经过测量电极时执行的。

在允许确定液体容器中是否存在泡沫的该方法的另一实施例中，该方法进一步包括以下步骤：

-生成用于激励测量电极的具有第一频率的信号，第一频率尤其在从1kHz到1MHz的范围中，更尤其在从300kHz到500kHz的范围中；

-生成用于激励测量电极的具有第二频率的信号，第二频率尤其在从1MHz到50MHz的范围中，更尤其在从10MHz到15MHz的范围中，其中第一和第二频率是不同的；以及

-如果当用第一频率激励测量电极时的测量信号和用第二频率激励测量电极时的测量信号之差超过预定阈值，则输出指示液体容器中(尤其是样品管中)存在泡沫的标识符。

因此，用于激励测量电极的信号可以在第一和第二频率处同时生成并被应用于测量电极。

在允许确定液体容器中存在特定液体、尤其是特定试剂的该方法的另一实施例中，该方法进一步包括以下步骤：

-生成用于激励测量电极的具有第一频率的信号，第一频率尤其在从1kHz到1MHz的范围中；

-生成用于激励测量电极的具有第二频率的信号，第二频率尤其在从1MHz到50MHz的范围中，其中第一和第二频率是不同的；以及

-如果当用第一频率激励测量电极时的测量信号和用第二频率激励测量电极时的测量信号之差超过预定阈值，则输出指示液体容器中存在特定液体，尤其是特定试剂的标识符。

由此，用于激励测量电极的信号可以在第一和第二频率处同时生成并被应用于测量电极。

应当注意，上述实施例的组合是可能的，这进而导致本发明的更具体的实施例。

附图的简要说明

下面使用附图更详细地解释本发明的非限定性示例性实施例，附图中：

图1在侧视图中示意性地示出了用于电容填充液位测量的设备的实施例；

图2a)在侧视图中示意性地示出了具有若干样品管的载体单元，

b)在俯视图中示意性地示出了根据图2a的用于样品管中电容填充液位测量的设备的实施例，

c)示出了包括根据图2a)和b)的实施例的等效电路的指示的示意表示；

图3a)示出了传感器的又一实施例，

b)示出了根据图3a)的传感器的前侧(左侧)以及中间层和接地表面(右侧)的视图，

c)示出了根据图3a)和b)的传感器的侧面轮廓，该传感器具有正面、中间层、以及在中间层后面的具有接地表面的层；

图4示出了当带样品管的载体单元移动经过根据图3的传感器时随时间的电容测量过程；以及

图5示意性地示出了用于填充液位测量的设备的又一实施例，其附加地表征了光学识别单元，该光学识别单元根据所测得的电容来控制。

在附图中，相同的附图标记指代相同的元素。

本发明的详细描述

图1在侧视图中示意性地示出了用于电容填充液位测量的布置的示例性实施例。为此目的，将液体容器(此处为样品管1)放置在导电水平基板(或工作表面)4上方，并在具有测量电极3的传感器2近旁。测量电极3和基板4被连接到传感器电子单元7，传感器电子单元7适配成确定测量电极3和基板4之间的电容。通常，基板4接地或处于参考电位。为了测量电容，用由传感器电子单元7中的信号发生器生成的信号s来激励测量电极3。归因于信号s，在测量电极3和基板4之间形成电场，其中场线经过液体12。取决于样品管1中的液体12的量，即取决于填充液位，所测得的电容会变化。

可任选地，除了测量电极3之外，传感器2还可包括保护电极9，保护电极9与测量电极3一起被布置在传感器载体8上。用低阻抗信号s′来激励保护电极9，低阻抗信号s′可以通过将信号s施加到具有电压增益为1的缓冲放大器13来生成。借助于保护电极9，电场可以按所需方式聚焦，从而确保来自测量电极3的场线被引导通过液体12而不是直接进入基板4，这提高了填充液位测量的精度。

如果在每种情况下仅将单个液体容器(例如，带有试剂或清洁剂的槽或小瓶)放置在所描述的电极布置的前方以便确定其填充液位，则图1中示出的传感器2是非常适合的。另一方面，如果几个彼此靠近布置的液体容器(诸如，载体单元(支架)5中的大量样品管1)一起经过传感器2，则来自测量电极3的部分场线经过毗邻样品管1'的液体12'，由此所需样品管1的填充液位测量值可能会因毗邻样品管1'的填充液位而失真。

图2示出了传感器2的实施例，其通过强烈减少由毗邻样品管1′导致的“串扰”来解决上述问题。

图2a)在侧视图中示意性地示出了具有若干样品管1的载体单元5，所有样品管1都包含液体12、12’。传感器2在本解说中不可见，但位于三个样品管1、1'的前方，其纵轴a垂直于水平基板4。在图2b)中，该布置从上方示出，这里带有传感器2。如所示的，该传感器2的测量电极3位于被布置在测量电极3的左侧和右侧的两个保护电极91、92之间。测量电极3以及两个保护电极91、92被布置在用作传感器载体8的印刷电路板的前侧V上。在传感器载体8的后侧H上布置有又一保护电极93，其从后面覆盖测量电极3和两个前方保护电极91、92。该电极布置产生电场，该电场一方面将测量电极3耦合到在其前方的样品管1中的液体12(由电容C1指示)，并将两个横向保护电极91、92耦合到在它们前方的样品管1'中的液体12'(由电容C2和C3指示)，并且另一方面，将三个样品管1、1'中的液体12、12'耦合到接地基板4(由电容C4、C5和C6指示)。尽管有保护电极91、92，但是来自两侧样品管1'中的液体12'的一小部分电场仍然被分散到将测量其填充液位的中间样品管1中的液体12中(由电容C7和C8指示)。然而，与电容C1+C4相比，电容C7和C8相当小。

图2c)示出了包括根据图2a)和b)的实施例的电等效电路的指示连同传感器电子单元7以及具有增益1的缓冲放大器13的示意表示，传感器电子单元7包含信号发生器，该信号发生器提供用于激励测量电极3的信号s，缓冲放大器13将该信号s作为低阻抗信号s'提供给两个保护电极91、92。

为了进一步减少样品管1、1’(或布置在其中的液体12、12’)的“串扰”或耦合，提出了图3中解说的实施例。

图3a)在透视图中示出了传感器2的条带部分。在本实施例中，附加接地电极101、102和进一步保护电极94、95被布置在传感器载体8的前侧V上在测量电极3和两个保护电极91、92的左侧和右侧。由于所示出的两个横向接地电极101、102的布置，在三个样品管1、1'之间的电场中生成零点。

在图3b)的解说中，在左侧从前方看的视图中示出传感器载体8的整个前侧V，其中左外保护电极94、左接地电极101、左内保护电极91、测量电极3、右内保护电极92、右接地电极102以及右外保护电极95均以条带形方式设计，中间层Z中具有保护电极93，且在右侧，后侧H具有接地表面11。电极条带的长度大致对应于样品管1的高度。作为细节，应当注意，在测量电极3的下端仍然有一块保护电极9，如图1所示，以确保来自测量电极3的电场的场线经由样品管1中的液体12到达基板4，而不是从测量电极3直接到基板4并绕过样品管1中的液体12(这会篡改填充液位测量并且从而使填充液位测量不准确)。

图3c)还示出了多层传感器载体2的侧面轮廓(水平旋转90度)，其例如被设计为如多层印刷电路板，正面V具有七个条带形电极94、101、91、3、92、102和95，中间层Z具有宽条带形保护电极93，且后侧H具有甚至更宽的接地表面11，其从后面覆盖其前面的所有电极条带。

在图4中，示出了根据图3将具有用于样品管1的24个座槽6的载体单元5移动经过传感器2时随时间的电容测量过程。在图中，标签意指是“K”＝座槽中无样品管，“0”＝样品管中无液体(空)，“1”＝样品管被填充(含6ml液体12)。所测得的曲线示出了峰值在座槽6之间的边界处，并且尤其是在载体单元5的诸部分接合在一起的那些地方，因为存在稍宽的边界(参见图4中用“X”标记的地方)。样品管1的填充液位可从这些峰值之间的谷的高度导出。如果座槽6中没有样品管1，也很容易识别(参见图4中用“K”标记的地方)。串扰非常低，并且最大为基电容C1+C4的10％。串扰的程度取决于两个毗邻样品管1'的填充液位。如果两个毗邻样品管1'的填充液位是已知的(大致)，则可以计算/估计并补偿串扰。

最后，图5示意性地示出了用于填充液位测量的设备的又一实施例，其附加地具有光学识别单元14，该光学识别单元14根据所测得的电容来控制。样品管1典型地以标识符K来表征，诸如被打印在附在样品管1上的标签上的一维(1D)或二维(2D)条形码，使得例如关于样品管1中样品的来源的信息可被清楚地指派给它。在处理样品之前，必须借助光学识别单元14来读取每个样品管1上的标识符K。为此目的，光学识别单元14必须知道样品管1何时被布置在其前方以便读取标识符K。例如，一旦确定样品管1在传感器2前方，该信息就可以由传感器电子单元7中的评估单元A来提供。如从图5中可以看出的，在座槽6中具有样品管1的载体单元5沿着路径p被移动经过传感器2。一旦评估单元A已经检测到载体单元5处的某个特性或测量到指定的最小填充液位，就生成控制信号sc，该控制信号sc向控制光学识别单元14的控制单元15发信号通知标识符K应该被读取。

附图标记列表

1,1' 液体容器、槽、样品管

2 传感器

3 测量电极

4 基板

5 载体单元

6 座槽

7 传感器电子单元

8 传感器载体(具有前侧V、后侧H、中间层Z)

9 保护电极

91 第一保护电极

92 第二保护电极

93 第三保护电极

94 第四保护电极

95 第五保护电极

101 第一接地电极

102 第二接地电极

1 1 接地表面

12,12' 液体

13 缓冲放大器

14 光学识别单元

15 控制单元

A 评估单元

a 样品管的纵轴

C1……C8 (部分)电容

GND 接地、接地电位

H 传感器载体的后侧

K 标识符

p 载体单元的插入路径

s 用于激励测量电极的信号

s' 用于激励保护电极的信号

sc 控制信号

V 传感器载体的前侧

Z 传感器载体的中间层