Center of Mechanics - IMES - ETH Zurich

Liquid Level Detection (LLD) mittels resonanter mechanischer Schwingungen

Zum hochgenauen Pipettieren im Mikroliterbereich wird eine verlässliche LLD benötigt. Herkömmliche - zumeist kapazitive - Methoden versagen beim Vorliegen von Schaum auf der Fluidoberfläche und bei der Verwendung von Fluidbehältern mit Deckeln. Beides sind aber Bedingungen, die im Laborbetrieb sehr häufig anzutreffen sind. Somit besteht der Bedarf für eine LLD, die auch unter den genannten Randbedingungen zuverlässig arbeitet.

Für das Ziel der berührungsfreien Tropfenabgabe (siehe unten) wird ein Piezoaktor an der Pipettiernadel benötigt. Dieser Piezoaktor soll auch zur LLD genutzt werden, indem er die Pipettiernadel zu resonanten Schwingungen anregt. Beim Kontakt zur Fluidoberfläche verändern sich die Randbedingungen des Schwingungssystems. Dies resultiert in einer sprunghaften Änderung von Amplitude, Phase und Resonanzfrequenz. Die Sprünge dieser Werte können als Kriterien für das Erreichen der Fluidoberfläche verwendet werden.

Durch die Anregung der Pipettiernadel zu Längsschwingungen und Auswertung der relativen Phase zwischen Anregungs- und Messignal kann unter allen untersuchten Randbedingungen detektiert werden.

Das Verhalten der Pipettiernadel wurde modelliert und berechnet, um die Effekte besser verstehen zu können. Die Pipettiernadel wird als Kontinuumsschwinger betrachtet. Die Einspannung, der Deckel und der Fluidkontakt werden durch zusätzliche Massen, Federn und Dämpfer im Modell berücksichtigt.

In Abbildung 1 ist der Vergleich der Amplitudengänge der Pipettiernadel mit und ohne Fluidkontakt dargestellt. Diese Unterschiede resultieren in Sprünge von Amplitude und Phase beim wiederholten, schrittweisen Annähern und Entfernen von Nadelspitze und Fluidoberfläche (Abbildung 2). Die Auswertung dieser Sprünge liefert Kriterien für eine automatische LLD (Abbildung 3).

Abbildung 1: Einfluss des Fluidkontakts auf den Amplitudengang. Vergleich von Experimenten und Berechnungen.

Abbildung 2: Verlauf von Amplitude und Phase in Abhängigkeit der Position der Nadelspitze.

Abbildung 3: Verlauf von Phase und Amplitude beim automatischen Detektieren.

Beim Vorliegen von Schaum auf der Fluidoberfläche kann nicht durch Biegeschwingungen detektiert werden. Beim Kontakt zum Schaum ergeben sich zwar Sprünge im Verlauf von Amplitude und Phase. Allerdings entstehen keine Sprünge beim Übergang von Schaum zum homogenen Fluid sondern Knicke in den Verläufen, so dass der Übergang nur im Nachhinein bestimmt werden könnte (Abbildung 4). Mit Längsschwingungen ist eine Detektion hingegen möglich. Der Einfluss von Schaum auf die Resonanzgänge ist vernachlässigbar und erst der Kontakt zum homogenen Fluid verursacht eine deutliche Veränderung (Abbildung 5).

Abbildung 4: Verlauf von Phase und Amplitude beim Vorliegen von Schaum und der Anregung von Biegeschwingungen

Abbildung 5: Einfluss von Schaum auf den Amplitudengang bei Längsschwingungen.

Der Einfluss eines Deckels ist abhängig von seiner Position relativ zur Nadelspitze. Der dämpfende Effekt auf die Längsschwingung ist am grössten, wenn der Deckel sich an der Nadelspitze befindet (Abbildung 6). Bei Längsschwingungen bleibt die Frequenz der Resonanz nahezu unbeeinflusst durch den Deckel und nur die Amplituden sind verringert. Erst der Kontakt zum Fluid verursacht eine Verschiebung der Resonanzfrequenz und ist somit detektierbar. Beim automatischen Detektieren muss ein Detektionsfenster definiert werden (Abbildung 7). Beim Durchfahren des Deckels mit der Nadelspitze sind Amplitude und Phase grossen Schwankungen unterworfen. Hat die Nadelspitze den Deckel ganz durchdrungen, so verändert sich die Phase kontinuierlich und kann zur Detektion verwendet werden, da der Kontakt zu Fluid einen Sprung verursacht.

Abbildung 6: Einfluss eines Deckels auf die Amplitudengänge bei Längsschwingungen. Position des Deckels relativ zur Nadelspitze: Position 1: 0 mm; Position 2: 0.5 mm; Position 3: 1 mm; Position 4: 1.5 mm; Position 5: 3 mm; Position 6: 4 mm.

Abbildung 7: Automatisches Detektieren bei der Verwendung von Deckeln durch die Definition eines Detektionsfensters.

Es wurde gezeigt, dass die Fluidoberfläche auch beim Vorliegen von Schaum und der Verwendung von Behältern mit Deckeln detektiert werden kann, wenn die Pipettiernadel zu resonanten Längsschwingungen angeregt wird und die relative Phase zwischen Anregung und Schwingung ausgewertet wird. Somit steht eine Methode der LLD zur Verfügung, die unter allen kritischen Randbedingungen zuverlässig detektieren kann, bei denen bisher verwendete Methoden versagen.


Frank May - 31. Juli 2004