Hochpräzises Dosieren wässriger Medien ist aufgrund immer kleinerer Abgabevolumina nicht nur im Laboralltag eine stetig wachsende Herausforderung. Auch an automatisierte Dosiersysteme werden immer höhere Anforderungen für Genauigkeit und Prozesssicherheit gestellt. Das erfordert filigranere Systemkomponenten wie etwa Dosiereinheiten mit kleinen Volumina, aber auch Sensoren, die auf kleinsten Einbauraum ausgelegt sind. \“Für unsere 2ml-seripettor-Dosiereinheit spezifizieren wir typischerweise bei einem Sollvolumen von 50µl eines wässrigen, niedrigviskosen Mediums eine Genauigkeit von ±1%, also 0,5µl\“, berichtet Eberhard Albrecht, Leiter Produktionstechnik und Sondermaschinenbau bei der Brand GmbH + CO KG in Wertheim. Allerdings, so Albrecht ergänzend, handele es sich bei diesen Angaben um Standardwerte. Basierend auf Dosierversuchen mit dem Originalmedium sind bei der konkreten Anwendung häufig noch engere Toleranzen erreichbar.
Bewährtes Konzept
Flaschenaufsatz-Dispenser vom Typ seripettor aus dem Produktprogramm der sogenannten Liquid-Handling-Geräte von Brand werden seit Jahren weltweit in den unterschiedlichsten Laboratorien eingesetzt. Sie ermöglichen das einfache und präzise Dosieren von Medien direkt aus der Vorratsflasche. Eine Aufwärtsbewegung des Kolbens füllt die Dosiereinheit mit Flüssigkeit, die während einer anschließenden Abwärtsbewegung des Kolbens über ein Ventilsystem durch die Dosierkanüle abgegeben wird. \“Das hierbei angewandte Kolben-Zylinder-Prinzip lässt sich auch hervorragend für den Einsatz in maschinellen Präzisionsdosiersystemen anpassen\“, erklärt Albrecht. Nach diesem Konzept werden bei uns schon seit vielen Jahren Dosieranlagen für eigene Produktivaufgaben gebaut. Als Herzstücke der Dosieranlagen wurden die Kolbenhubsysteme zunächst im Nennvolumen von 10 und 25ml eingesetzt. \“Beim Einsatz kleinerer Dosiereinheiten für geringere Abgabevolumina erwiesen sich die bis dahin verwendeten kapazitiven Sensoren als ungeeignet, unerwünschte Luftansammlungen im Zylinder der Dosiereinheit zuverlässig zu erkennen\“, so Albrecht. Über Internet-recherchen stieß er auf die miniaturisierten Optosensoren von Balluff, die ihn mit außergewöhnlich kleinen Bauformen beeindruckten und letztlich mit ihren technischen Kennwerten überzeugten.
Weltweit kleinster Optosensor mit Hochleistungsoptik
Die optoelektronischen Micromote- Sensorköpfe mit Abmessungen von wenigen Millimetern haben robuste Metallgehäuse und werden über separate Verstärker betrieben. Somit sind sie ideal für kleine Einbauräume wie in den Dosiermodulen, in denen je nach Ausführung eine unterschiedliche Anzahl von Dosiereinheiten in Reihe nebeneinander platziert sind. Die Verstärker mit Anzeige- und Bedienelementen werden außerhalb der Anlage im Schaltschrank untergebracht. Hochflexible elektrische Leitungen sorgen für eine sichere Signalübertragung zwischen Sensorkopf und Verstärker. Ihre geringe Baugröße verdanken die Sensoren einer eigens entwickelten und patentierten Herstellungstechnologie zur Fertigung der mikrooptischen Komponenten, wie LEDs, Fotodioden sowie Fototransistoren- und Laserdioden-Einheiten. Die weltweit kleinsten Optosensoren mit Hochleistungsoptiken gibt es in vielfältigen Standardprodukten mit den unterschiedlichsten Ausführungen in Form von Reflexions-Lichttastern für diffuse Objekt-Reflexion oder mit Hintergrundausblendung sowie als Reflexions-Lichtschranken oder als Einweg-Lichtschranken. Im Fall der Anwendung in den Dosieranlagen von Brand werden die Sensoren als Einweg-Lichtschranken in modifizierten Ausführungen verwendet. \“Entscheidend ist für uns auch die zuverlässige Wassererkennung, die mit anderen Techniken eher problematisch ist\“, betont Albrecht. Dafür nutzen die Micromote-Sensoren bei dieser Anwendung eine Wellenlänge im Infrarotbereich bei ca.1.480nm, bei der Wasser sein Absorptionsmaximum hat. Auf dieser Wellenlänge arbeiten die optischen Sensoren auch bei klarem Wasser zuverlässig und auch dann, wenn die mit Flüssigkeit gefüllten Zylinder aus semi-transparentem Material gefertigt sind. Dadurch wird die Detektion von Flüssigkeiten mit hohem Wassergehalt signifikant vereinfacht. Unerwünschte Luftansammlungen im Dosierzylinder, die zu Ungenauigkeiten beim Abgabevolumen führen können, werden so über die Abwesenheit von Flüssigkeit erkannt. Im Fall der Sensoren an den Zylindern der Dosiereinheiten sind diese in einem für die spezielle Montage konstruierten gabelförmigen Gehäusen untergebracht. \“Übrigens hätten auch Faseroptiken größere Einbaumaße als die winzigen Optosensoren. Allerdings sind dafür Ausführungen für die speziellen Wellenlänge zur Wassererkennung am Markt nicht verfügbar\“, ergänzt Albrecht. Das gleiche Konzept der Einweg-Lichtschranken nutzt das Unternehmen inzwischen auch im Bereich der Niveauausgleichsbehälter, die als Bestandteil der Dosiermodule für konstanten Systemdruck und gleichzeitig als Luftfalle dienen. Hier wird der minimale und maximale Füllstand detektiert. Auf gleiche Weise erfolgt eine Überwachung des Hauptbehälters. Dazu werden die winzigen Sender- und Empfängermodule am Ansaugschlauch platziert. Das System ist leer, wenn im Schlauch keine Flüssigkeit detektiert wird.
