Sensorik Detektion von Flüssigkeiten und Luftblasen in der Laborautomation

Laborgeräte und Instrumente verfügen heute über eine Vielzahl von Prozessen mit Fluiden bzw. Flüssigkeiten. Oft sind es Reagenzien für die Reaktion von analytischen Prozessen oder Lösungsmittel zum Auswaschen oder Entleeren von Schläuchen.

Meist sind diese Flüssigkeiten transparent und können mit konventionellen optischen Infrarot-Sensoren schwer erkannt werden. Dazu kommt auch, dass die Montage von Sensoren an Schläuchen nicht immer einfach ist und diese teilweise mit Kabelbindern montiert werden müssen. Der Austausch und die Montage von Schläuchen werden dadurch zeitintensiv und kompliziert gemacht. Ausserdem sind solche Befestigungen keineswegs platzsparend.

Luftblasen können erhebliche Probleme in Geräten verursachen und Messresultate verfälschen. Gerade in der Chromatographie können solche Luftblasen zu Fehlern führen und müssen unbedingt vermieden werden. Teure Bildaufnahmen in der DNA-Analytik mit grossen Mengen an Bilddaten werden dadurch komplett zunichtegemacht.

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Das berührungslose Messen von Flüssigkeiten an flexiblen und harten Kunststoffschläuchen spielt in einer Vielzahl von Anwendungen mit höchsten Hygiene- und Reinheitsanforderungen eine bedeutende Rolle. Nicht invasive Luftblasendetektoren finden wir in der Medizintechnik und in Prozessen der Biotechnologie und Halbleiterindustrie.

Luftblasen verfälschen Messresultate

Natürlich können Volumenströme mit Liquid-Flow-Sensoren gemessen werden und gleichzeitig Luftblasen erkennen. Aber in diversen Diagnostik-Instrumenten sind solche Lösungen ein erheblicher Kostenfaktor und können mit einfacheren und durchaus günstigeren Optosensor-Lösungen entwickelt werden. Ausserdem erkennt ein Flow-Sensor nicht, ob eine Flüssigkeit im Stillstand einfach präsent ist, sondern es Bedarf eines Volumenstroms, um dies zu erkennen. Diese Anforderung kann mit einem Optosensor mit integriertem Verstärker, entsprechender Wellenlänge zur Erkennung transparenter Flüssigkeiten und einfachen, digitalen Ausgängen realisiert werden. Ob Flüssigkeit oder Luftblasen vorhanden sind, kann ein solcher Sensor kostengünstig und effizient erkennen.

Das Messprinzip beruht auf Refraktion, die Flüssigkeit bricht den Lichtstrahl und unterbricht das Licht zwischen Sender und Empfänger. Natürlich spielt die Wellenlänge der LED eine Rolle, damit auch transparente Flüssigkeiten einfach erkannt werden können. Geeignet ist diese Technologie primär für transparente Flüssigkeiten, in Schläuchen aus Materialien wie FEP, PTFE, PFA oder PVC. Diese Schläuche müssen nicht komplett transparent sein, semitransparente oder milchfarbene Varianten sind durchaus einsetzbar. Hochviskose Medien wie Öle oder Vollblut sind nicht zu empfehlen, da sich diese Flüssigkeiten an den Schlauchwänden absetzen. Ausserdem sollten die Flüssigkeiten nicht mit Zellkulturen versetzt sein, da bei gewissen Zellkonzentrationen die Gefahr besteht, dass Licht unterschiedlich reflektiert wird und zum Nichterkennen von Flüssigkeiten führen kann. Für solche Zellkultur-Anwendungen sind Ultraschall-Sensoren besser geeignet, sind aber durchaus kostenintensiver.

Panasonic Industry hat für ihre Sparte Laborautomation auf der Basis eines Slot-Sensors und innovativer 3D-Druck-Technologie eine Serie für 2 mm, 3 mm und 4 mm Schlauchdurchmesser entwickelt. Die Schläuche können leicht aufgeklippt und wieder entfernt werden und erlauben eine kompakte Installation in Instrumenten. Die Sensoren werden mit 5–24VDC Spannung versorgt und verfügen über zwei digitale Ausgänge, welche von einer SPS oder Microcontroller eingelesen und verarbeitet werden können. Die Sensorik ist in PNP- und NPN-­Version erhältlich. Die kompakte Bauweise erlaubt eine optimale Kaskadierung und Einbau in den sonst engen Einbauverhältnissen von Instrumenten und Geräten. Für diese Baugrössen ist nicht einmal ein Verstärker nötig, somit erkennt der Sensor sofort jegliche Flüssigkeit, ob transparent oder gefärbt.

Einfache Anpassung an diverse Innendurchmesser

Eine Ausnahme sind kleinere Schlauchdurchmesser unter 2 mm. Für 1,6 mm Schläuche (1/16 Zoll) ist ein zusätzlicher Amplifier bzw. Verstärker nötig. Das hat primär damit zu tun, dass solche Schläuche im Innendurchmesser zwischen 0,25 mm und 1 mm variieren können. Die Einstellung der Lichtintensität ist nötig, um den inneren Schlauchdurchmesser optimal einzustellen und auszuleuchten. Dabei setzt Panasonic in diesem Falle auf ihre jahrelange Erfahrung bei der Entwicklung von Lichtleiter-Verstärkern, die mittels Shift-Switchs auf jegliche Innendurchmesser von Schläuchen eingestellt werden können – und dies nur mit wenigen Handgriffen. Ein Potentiometer wäre für eine solche Anwendung fehl am Platz, da jeder Operator diese Einstellung anders bewerkstelligen würde. Dieser eigens entwickelte Verstärkertyp garantiert eine stets gleichbleibende Einstellung. Die Einstellung muss pro Sensor nur einmal gemacht werden. Ausserdem bleibt der Sensor in seiner Grösse gleich und der Verstärker kann in der Elektronik verstaut werden, somit wird der Einbauplatz minimiert. Die Integration eines Potentiometers auf dem Sensor hätte die Baugrösse erheblich erweitert und die Einstellung im Instrument erschwert.

Der Einsatz von optischen Lösungen kann durchaus eine Alternative zu herkömmlichen Sensor-Systemen sein. Eine Analyse der Aufgabe ist aber stets zu empfehlen und vorher zu testen. Welches sind die Schlauchmaterialien? Welche Aussen- und Innendurchmesser sollen eingesetzt werden? Ist das Medium tatsächlich geeignet, um es optisch zu erkennen? Diese Fragen sollte man sich bei solchen Projekten vorgängig stellen und ausgiebig testen.

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