Kontinuierliche Füllstandsmessung in der Labordiagnostik

Kontinuierliches Messprinzip

In vielen Geräten der Medizintechnik überwachen klassischerweise Schwimmerschalter die Füllstände verschiedener Flüssigkeiten. Zwei Schaltpunkte zeigen dabei an, wann die Flüssigkeitspegel einen bestimmten Wert über- oder unterschreiten. Speziell auf eine Kanistersorte zugeschnitten, muss der obere und untere Schaltpunkt für jeden Behälter neu konfiguriert werden.

Bei der Entwicklung eines vollautomatischen Analysegeräts zur Feststellung von Immun- und Antikörperreaktionen entschied sich STRATEC Biomedical AG für eine kontinuierliche, lineare Füllstandsmessung. Für die Analyse müssen neben den Reagenzien auch die den Prozess unterstützenden Flüssigkeiten zur Verdünnung und Aufreinigung der Proben aus Kanistern zugeführt werden. Die entstehenden Abfallprodukte fließen in Sammelbehälter. STRATEC setzt in den Kanistern magnetostriktive FSMB-Füllstandsensoren aus dem Hause Engler Steuer- und Messtechnik ein, die mit der Temposonics^® Technologie von MTS Sensor Technologie arbeiten.

Vorausschauende Planung

In jedem Analysegerät erfassen vier FSMB-Sensoren das Niveau der verschiedenen Flüssigkeiten. Jeweils ein Sensor überwacht in den zwei Sammelkanistern für die Abfallprodukte die Füllhöhe. Die Zuführung von Wasser und Kochsalzlösung in den Diagnostikprozess erfolgt aus zwei Behältern, die als Andockstationen ausgelegt sind. Sie bestehen aus einem tiefer installierten Kanister und einem frontal angeschlossenen weiteren Kanister. Über eine Öffnung gleicht sich der Flüssigkeitspegel aus, so dass für die Füllstandsüberwachung ein Sensor in dem tieferen Behälter ausreicht. Das ermöglicht ein kontinuierliches, unterbrechungsfreies Nachladen der Verbrauchsflüssigkeiten durch den Wechsel des vorderen Kanisters, was wiederum den Arbeitsablauf verbessert und effizienter gestaltet.

In allen Behältern ist stets der aktuelle Füllstand bekannt und für den Bediener auf einem zentralen Display ablesbar. Die Steuerung berechnet, wie viele Analysen aus der Labordatenbank mit den Behälterinhalten noch durchgeführt werden können bzw. in die Abfallkanister passen. Menschliches Versagen ist durch das vorausschauende System weitgehend ausgeschlossen. Entsprechend der Größe und Form des Kanisters wird eine Kurve mit unendlich vielen Schaltpunkte in der Steuerung hinterlegt. So ist ein einziger Sensor flexibel für verschiedene Behälter einsetzbar.

Kundenspezifische Entwicklung

Die Spezifikationen des FSMB-Füllstandsensors ergaben sich aus den Vorgaben zu Material, Abmessungen, der gewünschten kontinuierlichen Messung etc. Daneben lag der Fokus auf einer preislich interessanten Sensorlösung. Engler wählte als Basissensor einen magnetostrikten Wegaufnehmer der Temposonics^® C-Serie, einem auf einer vollautomatischen Fertigungslinie unter hohen Qualitätsstandards für das Mengengeschäft hergestelltem OEM-Produkt von MTS. Für STRATEC entstand daraus ein maßgeschneiderter, alle Anforderungen erfüllender Füllstandsensor.

Ausgelegt für die Medizintechnik

Damit die verwendeten Materialien die Ergebnisse der Analyse nicht verfälschen, erhielt der C-Serie Sensor ein neutrales Kunststoffgehäuse. Die Wahl fiel für den Sensorkopf auf Polypropylen schwarz, für den Magnetmantel und das Gleitrohr auf Polypropylen natur und für das Saugrohr auf PVC.

Das Gleitrohr umhüllt das Sensorrohr mit dem Wellenleiter und führt den auf der Flüssigkeit aufliegenden Schwimmer, in dessen Innern sich ein kleiner, ringförmiger Permanentmagnet befindet. Dieser meldet die Höhe des Füllstandes über magneto-mechanische Effekte an den Wellenleiter. Für die Entnahme von Flüssigkeiten lässt sich der Sensor zusätzlich mit einer Ansauglanze ausstatten.

Der Kopf des C-Serie Sensors ist im kompakten Gehäuse komplett integriert. Für den schnellen Anschluss an die Steuerung sorgt ein Stecker, der sich zur Reinigung mit einer Kappe wasserdicht verschließen lässt. Ein plattenförmiger Überwurf an Sensorkopf passt genau in die Öffnung des Behälters, die Entstehung eines Vakuums wird durch ein Lochim Überwurf verhindert. Mit einem Gewinde lässt sich der Sensor schnell ein- und ausschrauben sowie fein justieren. Mit dieser individuellen Höhenregulierung wird der Sensor flexibel einsetzbar für verschiedene Kanistersorten und -höhen.

Am Sensorkopf integrierte farbige LEDs übernehmen die optische Statusanzeige. Sie leuchten, wenn das Analysegerät Flüssigkeit aus dem Behälter saugt oder hineinpumpt, und verhindern so das Tauschen eines Behälters während der laufenden Analyse. Ist der Behälter voll oder leer, signalisieren sie das ebenfalls durch Leuchten oder Blinken. Mit Hilfe einer entsprechenden in der Steuerungssoftware hinterlegten Funktion sind die LEDs frei programmierbar.

Zwischen Stecker und Basissensor sitzt eine von Engler entwickelte Platine, die gleichzeitig den Stecker trägt und die LEDs ansteuert. Der Basissensor liefert ein 0,5…4,5 V Ausgangssignal, was im Laborumfeld ohne Störquellen vollkommen ausreicht. Auch die Umgebungstemperatur von 15…35 °C ist unkritisch. Alternativ kann bei hohen Umfeldeinflüssen auf der Platine eine Stör- und Anpassungselektronik angebracht werden, so dass der Sensor Signale im Bereich von 4…20 mA oder 0…10 V liefert. Während der Entwicklungsphase änderte MTS das Sensorsignal von 0,1…4,9 V auf 0,5…4,5 V, um eine Kurzschluss- und Kabelbruchüberwachung zu realisieren. Die Steuerung des Analysegeräts kann so fehlerhafte Betriebszustände von den Sensorsignalen bei einem vollen oder leeren Behälter unterscheiden. Außerdem arbeitet der magnetostriktive Temposonics C-Serie Sensor zuverlässiger als herkömmliche Positions- und Füllstandsensoren. Die geforderte Messgenauigkeit von ±1 mm erfüllt der Sensor mit nur 0,15 mm Nichtlinearität und 0,025 mm Wiederholgenauigkeit deutlich.

Dank berührungsloser Messtechnik arbeitet der C-Serie Sensor vollkommen wartungs- und verschleißfrei und liefert absolute Messsignale. Nach der Installation, nach einer Betriebsunterbrechung oder nach einem Stromausfall ist keine Kalibrierung oder Anfahrt von Referenzmarken notwendig. Er lässt sich platzsparend in kundenspezifische Gehäuse integrieren. Seine Elektronik sitzt komplett in einem zylinderförmigen Gehäuse mit Abmessungen von 36 x 23 mm. Er ist in neun Standardmesslängen zwischen 72 und 250 mm erhältlich.

Modular anpassbarer Sensor

Der FSMB-Sensor ist als modulare Entwicklung so flexibel, dass er sich einfach an andere Anwendungen anpassen lässt. Alle flüssigkeitsberührenden Teile sind in Material und Abmessungen veränderbar, der Stecker ist kundenspezifisch wählbar und es stehen verschiedene Befestigungsmöglichkeiten und Schwimmer zur Verfügung. Bei Messlängen von mehr als 250 mm bietet Engler weitere technische Lösungen mit magnetostriktiven Sensoren von MTS an. So ist z.B. die Füllstandserfassung mit einer Temperaturmessung kombinierbar. Somit profitieren neben der Medizin- und Labortechnik auch die chemische Industrie, die Galvanotechnik, die Zentralschmiertechnik oder die Wasseraufbereitung von der kostengünstigen, magnetostriktiven Füllstandmessung.