EP2719459A1 - Method and a device for controlling the pressure in a micro- or mesofluidic channel - Google Patents
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- EP2719459A1 EP2719459A1 EP13004877.0A EP13004877A EP2719459A1 EP 2719459 A1 EP2719459 A1 EP 2719459A1 EP 13004877 A EP13004877 A EP 13004877A EP 2719459 A1 EP2719459 A1 EP 2719459A1
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Classifications
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
- B01L3/00—Containers or dishes for laboratory use, e.g. laboratory glassware; Droppers
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- B01L3/502738—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip characterised by integrated valves
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- B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
- B01L2300/00—Additional constructional details
- B01L2300/14—Means for pressure control
Definitions
- the invention relates to a method and a device for controlling the pressure in a micro- or mesofluidic channel.
- microfluidic channel system There is a microfluidic channel system according to the prior art WO 2004/103566 , The pressure is generated by a pressure divider system in which two valves are connected in series.
- a disadvantage of the prior art is that there is a high gas consumption and a poor response of the pressure change to a change in a valve opening.
- the object of the present invention is to improve the disadvantages of the prior art. In particular, the best possible control properties should be achieved.
- a micro- or mesofluidic channel is preferably a small container (micro: diameter / width of the container is less than 1 mm, meso: diameter / width is a few millimeters, about 1 to 10 mm), in which the pressure is reproducibly controlled and so reproducible movement and positioning of objects in the channel, e.g. B. of cells or molecules is possible.
- a mesofluidic channel or mesochannel is always understood as mentioned, even if only one microfluidic channel or microchannel is mentioned.
- the fluid moves in the microchannel as, preferably exclusively, laminar flow.
- the first valve and the second valve are preferably proportional valves, which are preferably controllable electrically or by pressure (air) and preferably by arithmetic unit.
- a pressure source eg compressed air
- the first valve and the second valve are preferably connected in series by means of a line and form a pressure divider or a pressure divider system, similar to an electrical voltage divider with two resistors, wherein the microchannel between the valves via a fluid-related (pneumatic and / or hydraulic) connection is present.
- valves Preferably, more than two valves are present and these are preferably also connected in series and form a pressure divider with different points of attack for microchannels. More preferably, a plurality of pressure dividers from two or more valves are connected in parallel, so that at least two microchannels can be connected to the system of pressure dividers by means of a pressure source and sink.
- the pressure divider formed by the valves operates with fluid, more preferably gas, more preferably with a liquid. In the following it is assumed in this regard, not restrictive manner of an operation with a gas.
- the adjustable valve opening degree is preferably a value (greater than or equal to 0) for the adjustable opening state of the respective valve.
- the valve opening degree is preferably a percentage value in the range of 0% (valve closed) and 100% (valve completely open), particularly preferably the value of the surface area of the valve opening or a value functionally dependent on this surface area, particularly preferably in the case of round valve designs Radius r or preferably r 4 (Hagen-Poiseuille's law: volume flow - r 4 ) of the valve opening.
- the Strömungsleitwert G remains the same or is greater, the greater the valve opening degree.
- the valve opening degree is preferably roughly the reciprocal of the flow resistance.
- the relationship between valve opening degree and flow resistance is linearized by taking into account the characteristic of the valve (control voltage or valve opening radius or valve opening area vs. flow resistance).
- a control of a valve for setting a valve opening degree is preferably carried out by the application of an electrical or pneumatic control signal to the control input of the valve.
- an electrical or pneumatic control signal to the control input of the valve.
- this dependence is proportional, particularly preferably linearly proportional, preferably due to performed characteristic linearization.
- driving the valve by means of a control signal and setting a valve opening degree and setting a flow resistance or flow conductance are considered to be equivalent within the scope of the invention, since these values relate only to characteristic curves which are known or measurable or can be estimated as an approximation and thus are considered.
- the driving of one valve automatically and in response to the driving of another valve preferably means that a change in the valve opening degree of the one valve caused by driving automatically causes another driving causing a change in the valve opening degree of the other valve.
- One valve preferably serves as a master valve, another valve as a slave valve, which is automatically adapted to the valve opening degree of the master valve. This automatism does not necessarily result in any change in the valve opening degree of the master valve to a change in the valve opening degree of the slave valve. So leads the automatism z.
- each change of the valve opening degree of the master valve preferably leads to a change of the valve opening degree of the slave valve.
- the automatism is particularly preferably reciprocal, so that the valve which z. B. is selectively controlled by a user and / or a control / control program, at least for this a current control to the master valve and the other valve is the slave valve. In this way, both the first valve depending on the situation master valve or slave valve and the at least second valve as well.
- the dependence is given as fuzzy logic, z.
- valves By controlling the valves is preferably the pressure in the microchannel, more preferably one or more variables such.
- the dependence of the control of the valves is realized by means of the control loop.
- the dependence of the driving of one of the valves (10, 20) on the driving of another of the valves (10, 20) includes a counter coupling of the driving of the one of the valves (10, 20 ) and the driving of the other of the valves (10, 20).
- the system to be controlled is linearized.
- the pressure is regulated by means of PID or PD control (or PI or P control).
- the target pressure is readjusted in small steps.
- the counter-coupling as a condition contains a constant holding the sum of a first flow resistance of the first valve (10) and a second flow resistance of the second valve (10).
- the valves are so coupled driven that the flow Q through the pressure divider constant remains.
- the dynamics of the pressure increase and decrease are set.
- a low flow rate is preferably set via the sum R1 + R2, if a low gas consumption is required and the dynamics of the pressure increase and decrease is not the focus of the application. If higher gas consumption is acceptable and fast pressure rise and fall dynamics are required, a higher flow Q is set.
- a fast reaction dynamics requires a certain gas consumption, but no longer depends on the work area as in the prior art. Due to the dynamic reduction of the gas flow through the second valve at very high set pressure values, the gas consumption remains small. At low set pressure values, however, an almost closed first valve ensures minimum gas consumption.
- keeping the sum R1 + R2 constant is achieved by reverse coupling the setting of the first and second valve opening degrees.
- a first minimum valve opening degree is defined or defined for the first valve (10) and an at least second minimum valve opening degree is defined or defined for the at least second valve (20) and the dependence of the activation of the one of the valves ( 10, 20) of the driving of another of the valves (10, 20) includes the condition that is always set for at least one of the valves (10, 20) of the respective minimum valve opening degree by the driving of the valves (10, 20).
- such minimum valve opening degrees are defined or definable, and the dependence of the driving of one of the valves (10, 20) on the driving of another of the valves (10, 20) also includes this condition.
- a valve is always kept in the state of its minimum valve opening degree, whereby the gas consumption is considerably reduced, in particular when the minimum valve opening degree corresponds to a completely tight closing position of the valve.
- This condition is preferably established by means of an analog or logic circuit or a computer program by means of Boolean arithmetic.
- the first valve is opened only when the second valve is closed and the second valve is opened only when the first valve is closed.
- the minimum valve opening degree is preferably set automatically by means of a program or specific setting means (eg rotary knobs).
- the minimum valve opening degree is different from the completely sealed closure position of the valve. This is particularly advantageous if the microchannel is subject to leakage, since the thus displaced zero opening of the respective valve compensates for the loss due to this leak, or if the function of the valve is not ensured for a very small opening.
- the lost gas is replaced again by the first valve does not close completely after the pressure pulse, but only so far that the loss is compensated.
- the minimum valve opening degree is used for this purpose as a control variable of a pressure control, which compensates the pressure loss due to possible leaks and / or ensures a minimum gas flow through a valve (eg a PID, P, CW PID control, CW: continuous wave, ie continuous control signals, or PWM-PID, PWM: pulse width modulation, ie additionally or alternatively, the manipulated variable of the control is the pulse duration of control pulses).
- a PID element a P, PI or PD element is also conceivable (this applies to the entire application).
- a minimum valve opening degree which is a residual opening of the valve, is advantageous if the system has a gas reflux (eg vacuum sink or receiver) and thus forms a closed circuit. So the gas is constantly returned to the sink, which z. B. is advantageous in toxic or radioactive gases. Thus, not only gas losses in the system can be compensated, but also a precise and permanent perfusion can be achieved.
- a gas reflux eg vacuum sink or receiver
- the activation of the first valve (10) and the activation of the at least second valve (20) set a preferably uninterrupted course of the pressure in the micro- or mesofluidic channel (2) with positive and negative pressure values.
- the latter is set up to carry out such a control of the first valve (10) and such a control of the at least second valve (20).
- Positive and negative pressure values preferably relate to the atmospheric pressure, which corresponds to the pressure value 0.
- liquids and their objects in the micro- or mesofluidic channel can be positioned more flexibly, much faster and more precisely than just with pressure.
- At least one of the valves (10, 20) is controlled in the form of at least one pulse for generating at least one pressure pulse in the micro- or mesofluidic channel (2). In one embodiment of the device according to the invention, this is set up to perform such a drive.
- the pulse preferably has an arbitrary pulse shape, more preferably it is a rectangular or trapezoidal pulse. It preferably has a pulse duration and a pulse height and / or a pulse curve integral value.
- the pulse curve integral value is preferably a value of the area integral of the area below the pulse curve, preferably with the integration limits t0 (pulse start) and t1 (pulse end).
- the gas volume moved by means of a pulse and preferably the pressure built up thereby is determined by the integral via the pulse curve.
- the pulse height or pulse amplitude for the valve actuated by the pulse preferably represents a value which is proportional to the valve opening degree set by the actuation (preferably without consideration of system inertia), preferably the product valve opening degree ⁇ opening time.
- the device for driving electrical control signals to the valve which have the pulse-shaped course.
- a pressure pulse or a pressure change in the microchannel is established, which is proportional to the pulse curve integral.
- both valves are controlled with at least one pulse, particularly preferably with a sequence of pulses.
- the gas consumption and the dynamics of the pressure increases and / or waste are optimized for the control of the two valves.
- the valves are exclusively controlled.
- the application of a rectangular pressure pulse with maximum opening is the fastest possible method of adjusting the actual pressure to the target pressure. Since the respective other valve is preferably closed or in the state of the minimum valve opening degree, the gas flow is minimal. If the channel volume in the system, in the experiment and in the supply lines is minimal, a maximum response with minimum gas consumption is possible. Pulses of high amplitude and small opening duration are used to achieve a fast control dynamics or reaction speed. Pulse Small amplitude and long opening time are used to achieve a low control noise and / or to achieve a slow control dynamics.
- the number of gas particles displaced with one of the generated pressure pulses in the micro- or mesofluidic channel (2) is determined and / or the volume displaced by one of the generated pressure pulses in the micro- or mesofluidic channel is determined and / or the internal volume of the micro or mesofluidic channel (2) is determined.
- this device is set up to determine these parameters.
- a predictive calculation of a control can be carried out.
- So z. B. the shape (height, duration) of a control pulse for a required pressure effect previously calculated.
- the pulse duration and amplitude of a control pulse and / or pressure pulse are preferably calculated on the basis of a model of the valve and preferably of the system.
- small remaining deviations between desired value and actual value, which still result after the execution of such a calculated control pulse and / or pressure pulse, are corrected by PID control or again by a predictively calculated control pulse and / or pressure pulse.
- the first and / or second minimum valve opening degree is regulated by means of predictive control.
- the temperature T of the gas in the pressure divider system is measured directly or indirectly. Preferably, this is done by a control pulse
- ⁇ N ( ⁇ V ⁇ rho ⁇ Na) / M, where rho is the density of the gas [kg / m 3 ], Na is the Avogadro number [1 / mol] and M is the molar mass of the gas [kg / mol].
- the expansion volume is preferably determined when opening the outlet valve.
- the control of the valves in the form of at least one pulse thus allows, together with knowledge of the temperature, a complete characterization of all system parameters of the microchannel system: internal volume, number of additional gas particles after a pressure pulse and the corresponding displacement volume.
- the system parameters R1 ⁇ V and R2 ⁇ V are determined.
- the at least one pulse has a long pulse duration and / or a high pulse height and / or a large pulse curve integral value for coarse positioning of objects and / or fluids in the micro- or mesofluidic channel (2) and the at least one pulse has a shorter pulse duration and / or a lower pulse height and / or a small pulse curve integral value for fine positioning.
- this device is set up to set such pulse durations and pulse heights and / or pulse curve integral values for the at least one pulse.
- proportional valves can generate gas pulses both by a short opening with a large amplitude or pulse height or by a longer opening with a small amplitude.
- This control is preferably triggered manually or automatically, z. B. at the same time microscopic Observation by an experimenter and / or with a camera, preferably with image processing and / or other measuring systems.
- Large pressure surges with high pulse height and / or long pulse duration and / or a large pulse curve integral value are triggered for rapid positioning of the objects in the microchannel, while smallest movements, eg. B. after coarse positioning, by gas packets smaller amplitude and / or short pulse duration and / or small Pulskurvenintegralwert be performed.
- a measured variable in the micro- or mesofluidic channel (2) in particular the pressure, is regulated to a desired value by repeated actuation of the valves (10, 20) in the form of the at least one pulse. In one embodiment of the device according to the invention this is set up to regulate according to a desired value.
- a measured variable is z.
- control noise is set by the choice of the amplitude or pulse height and / or pulse duration, wherein short high pulses lead to a larger noise of the regulated pressure than long low pulses.
- high-amplitude pulses allow a maximum possible adaptation of the pressure, and preferably a faster adaptation.
- quantum mechanics a certain amount of energy can be transmitted by a few high-energy or many low-energy photons.
- the noise of the energy of the photons is limited by the Heisenberg uncertainty relationship ⁇ E ⁇ ⁇ t> h / (4 ⁇ ⁇ ) (where h is the Planckian effect quantum).
- control is carried out with the secondary condition that there is always at least one valve in the state of the minimum valve opening degree.
- the valves are therefore only open alternatively, as long as the minimum valve opening degree corresponds to the closed position.
- the regulation of the pressure is carried out by repeated actuation of the valves in the form of the at least one pulse with simultaneous measurement of the actual pressure.
- the valves are driven alternately with pulses.
- the pulse duration and / or the pulse height and / or the value of the integral are preferably controlled via the pulse curve as a function of the deviation between the actual and setpoint pressures.
- the minimum pulse duration of a pulse is preferably greater than or equal to the response time of the actuated valve (eg greater than or equal to 1 ⁇ s, preferably greater than or equal to 250 ⁇ s, preferably greater than or equal to 500 ⁇ s), preferably at least when the control for this pulse a pulse height or a pulse integral of more than 0 is calculated.
- the minimum pulse duration is preferably greater than the response time of the controlled valve, it is ensured that the valve is opened and closed in accordance with the pulse progression and that the valve is not opened and closed as in classical PWM following a mean value of the pulse progression Mean value would be due to the valve inertia.
- maximum steep pressure pulse edges are generated.
- an amplitude is selected in advance and the regulation takes place over the pulse duration.
- the pulse duration is selected in advance and the pulse height is used as a control variable for the regulation of the pressure.
- the pulse height required for pressure control as a manipulated variable is set, for example, by means of a CW-PID control (continuous PID control).
- CW-PID minimizes the pulse height, which preferably results in maximum pulse broadening.
- the pulses preferably pass into continuous analogue opening values of the two valves, which are regulated by PID.
- An exemplary control method consists in preferably opening the valve connected to the pressure source at a pressure p_act ⁇ p_setpoint (p_act: measured pressure in the microchannel, p_setpoint: setpoint pressure in the microchannel), preferably to at least 60%, preferably at least 85%, particularly preferably at least 95% or even 100% of the target pressure reached.
- p_ist> p_soll is correspondingly the valve connected to the pressure sink, preferably maximally opened, preferably to p_ist equal to or less than 140%, preferably equal to or less than 115%, more preferably equal to or less than 105% of the target pressure reached.
- the respective corresponding valve is actuated to correct the actual pressure, the condition implicitly also being realized that at least one of the two valves is in the state of the minimum valve opening degree.
- the respective valve opening degree is then reduced and the pressure achieved is preferably further approximated by smaller corrective pressure pulses (or corresponding control in the form of pulses) the target pressure and / or kept constant.
- the valve connected to the pressure source is kept completely closed as long as no pressure increase is required.
- the valve connected to the pressure sink is kept completely closed as long as no pressure reduction is required. This is particularly advantageous in non-leaking gas saving systems.
- the valve connected to the pressure source then remains slightly open in order to maintain the desired pressure, which is advantageous in the case of systems subject to leaks in order to compensate for gas leakage through leaks without having to constantly readjust.
- the method of pulse control by prolonging the pulse durations to long, constant pulses (which in between no longer significantly close and far a valve) in the initially described inventive method with a negative feedback or in a method of the prior art without negative feedback, z , B. with a first valve, the valve opening degree is controlled and a second valve, which is constantly opened by a certain degree transferred.
- the control noise is reduced.
- the adjustment of the amplitude of the pulses is preferably controlled by a PID algorithm.
- the actual value is recursively approximated to the desired value.
- a mixture of a control by means of the pulse duration as a control variable and a control by means of the pulse height is performed as a manipulated variable (eg., Via a cascade control).
- a control is carried out by means of pulses with a fixed pulse height, being controlled as the manipulated variable over the pulse duration. This uses the better dynamics of pulses with high pulse amplitude.
- a pulse height modulation is preferably carried out. Thus, the pulses become relatively wider and lower and the control noise decreases.
- this device is set up to regulate by means of a control and a control noise of the control is freely selectable and / or adaptable to application requirements by an algorithm.
- the control noise is preferably due to the reaction rate.
- the higher the reaction rate the higher the control noise.
- the pulse duration and the pulse height and / or the pulse curve integral value are determined as a function of a change in the pressure to be achieved in the microfluidic or mesofluidic channel (2).
- this device is set up in such a way to determine the pulse duration and the pulse height and / or the pulse curve integral value.
- the change in the pressure to be achieved is preferably the difference between the measured actual pressure and the desired pressure.
- a predictive calculation of the valve opening (or pulse height) and opening time is performed, whereby the PID control of the pulse amplitudes or widths is preferably no longer required.
- the temperature is preferably kept stable at 2.0 ° C., preferably 1.0 ° C., particularly preferably 0.1 ° C.
- the valves are stabilized with a Peltier element and a regulator, preferably in order to increase the reproducibility of the opening pulses and the pressure pulses generated thereby.
- the valves are stabilized at 27 ° C ⁇ 0.5 ° C.
- a real-time system is preferably used which can generate signals with hundredths, particularly preferably milli, very particularly preferably micro and most preferably nanosecond precision.
- the driving of the first and second valves preferably takes place one after the other.
- the pulse durations of the pulses with which the first and second valves are controlled, and preferably also the pulse height and / or the first and second pulse curve integral values, are preferably the same.
- the first valve is opened for a short time so that the sensor can measure a value.
- the pressure over the opening of the second valve with the same opening time is preferably relieved to the atmosphere or to the low pressure input.
- the relaxation takes place exponentially, and the waste rate, or the residual pressure after a given opening time allows the calculation of the inlet pressure. This method is also preferably carried out for negative pressures.
- p_in is the input pressure to be determined p1 (pressure source) or analogous to the output pressure p2 (pressure drop)
- p_i is the pressure in the system after opening the first valve
- p_e is the pressure in the system after opening the second valve. The second valve relaxes the pressure to the atmosphere or to a pressure source / sink of known pressure.
- the inlet pressure is thus about 2.5 bar.
- This pressure is z. B. of small standard pressure bottles (eg., 600ml) for cleaning purposes.
- the pressure at the outlet is determined analogously.
- the activation of at least one of the valves (10, 20) in the form of at least one pulse leads to an unpulsed or continuous mode of operation or from the non-pulsed mode to the actuation of at least one of the valves (10, 20). ignored in the form of at least one pulse.
- the device is preferably set up to carry out such a transition.
- a transition occurs slidably.
- the minimum valve opening degree is preferably increased until there is no or only a small difference between the valve opening degree, which corresponds to the amplitude resulting from regulation, and the minimum valve opening degree.
- the maximum amplitude that can be set for regulating the pulse duration is reduced so far that the pulse widths become maximum and the pulses fuse together.
- a continuous transition to the initially described continuous processes eg the process with negative feedback of the valves
- a triggering by pulses is first performed to roughly approximate the actual value of the pressure to the setpoint, and then to an unpulsed mode of operation. If the actual value is further away from the setpoint, eg. B. by a setpoint change, is again transferred to the pulsed mode.
- z. B. transitioned from a pulsed to an unpulsed mode when a leak in the system sets, so that the system is no longer tight. Once the leak is gone, the pulsed mode is transitioned.
- an input pressure in the micro and / or Mesofluidik channel (2) is set higher than the desired pressure range in the micro and / or Mesofluidikkanal (2) and / or an output pressure from the micro and / or Mesofluidik Channel (2) is set lower than the desired pressure range in the micro and / or mesofluidic channel (2).
- such an inlet pressure and / or outlet pressure are preferably adjustable.
- the inlet pressure is z. B. the voltage applied to the first valve, the output pressure z. B. the voltage applied to the second valve.
- the dynamics are particularly preferably significantly improved by the input pressure is above the maximum target pressure and the output pressure below the minimum target pressure.
- the parts of the exponential decay function are preferably used, which have a high slope.
- FIG. 1 shows an overview of a device according to the invention for illustrating the method according to the invention.
- the valve 10 and the valve 20 Between the valve 10 and the valve 20 is an area with which a microchannel 2 is in pneumatic or hydraulic connection.
- the output of the system On the right side is indicated by an arrow the output of the system, which is connected to a pressure sink.
- the gas flow passes through the system from left to right.
- the device not restrictively indicated here as a computer, is set up to send control signals to the valves 10, 20.
- a pressure sensor is shown, which is set up to measure the pressure between the valves 10, 20 and forward it to the device.
- the pressure in the microchannel 2 is changed by means of actuation of the valves 10, 20 (eg for positioning of cells for microscopic observation).
- the valves change their respective valve opening degrees and, due to the ratio of the valve opening degrees, a certain pressure is established in the microchannel 2.
- For driving the device 1 sends control signals to both valves 10, 20, wherein the control signals for the one valve 10 are dependent on the control signals of the other valve 20 (and / or vice versa).
- FIG. 2 shows graphs of the time course of the control signal S and the pressure P in the micro-channel for driving the valve 10 (input valve) in the form of a rectangular pulse.
- the valve 20 output valve
- a pressure pulse with a very low pulse height and long pulse duration is shown.
- the pressure pulse With a short pilot current pulse to the high amplitude valve, the pressure pulse becomes steeper and shorter until a limit dynamic is reached, which is determined by the resistance of the valves, the applied pressures and the system volume.
- FIG. 3 shows the time course of the pressure P in the microchannel of a control according to the prior art, in which only one of the two valves is controlled and no negative pressure is connected to one of the valves. Shown is a typical pressure dynamics of a change from -200 to +200 mbar and again to - 200 mbar for a single-valve system with PID control. In addition to the lack of activation of the second valve, the missing negative pressure significantly worsens the dynamics, since the setpoint pressure 0 mbar is only approximated by an exponential curve, even when the second valve 20 is completely open. Also clearly visible are overshoots in response to a pulse.
- FIG. 4 shows the time course of the pressure P of a control according to the invention both valves 10, 20 wherein at one of the valves 10, 20, a positive pressure and at the other of the valves 10, 20, a negative pressure is connected. Both the pressure drop flank and the pressure rise flank are significantly steep and uniform in contrast to the previous figure.
- the second valve 20 which is connected to the pressure sink, fully opened, so that the pressure drop is maximum fast, kept open and then closed again.
- This control corresponds to a square pulse.
- the first valve 10 which is connected to the pressure source, fully opened, kept open and closed again, which corresponds to the driving in the form of a further rectangular pulse.
- the pulse height and / or the pulse duration are additionally varied during the control as a control variable for the regulation of the pressure in a PID control loop, so that the overshoots are significantly attenuated after reaching the setpoint. In this way, both flanks of the pressure change are maximally steeply generated.
- the connection of a negative pressure to the second valve 20 additionally amplifies this steepness. This achieves a linear and abrupt decrease. Furthermore, at the time when both valves are completely closed, no gas flow and thus a total gas flow only for a short time, whereby the gas consumption is reduced to the essentials.
- FIG. 5 shows a time course according to the invention of the control signals S1 for the first and S2 for the second valve and the resulting pressure curve P in the microchannel.
- the pressure should rise from one level to a higher level, then be lowered to a medium level.
- the first valve 10 is actuated at the pressure source by means of a pulse, as a result of which the first desired value is reached.
- the parameterization of the required control pulse S1 takes place via a predictive calculation based on the required pressure change.
- the valve 20 is opened to the atmosphere or to the low pressure input by means of another predictively calculated control pulse S2.
- the dependence between the control pulses of the valves is taken into account that always at least one valve has a minimum valve opening degree.
- FIG. 6 shows a course of the noise behavior of a method according to the invention with control of pressure pulses with set, fast dynamics of the control by control pulses.
- fast dynamics for example, after rapid changes in the target pressure, the noise caused by the control in the pressure signal is still relatively large: here about 20dB above the system's own noise by z.
- electronics thermal movement, semiconductors.
- the control noise is affected.
- the pulse heights are minimized and the pulse durations maximized.
- Fast dynamics with higher noise are set by larger pulse heights and shorter pulse durations.
- FIG. 7 shows a profile of the noise behavior of a method according to the invention with control of pressure pulses after a further short period of time.
- the pulse amplitudes are reduced after approaching the set point and thus the control noise is reduced. It is typically about 15dB above system noise.
- FIG. 8 shows the dependence of the pressure pulses generated by the control pulses according to the invention of temperature fluctuations.
- the lower curve shows the modulation of the temperature by ⁇ 5 ° Kelvin for this illustration.
- the control voltage for the valve is always pulsed in the same way.
- the resulting pressure curve shows a clear dependence on the temperature profile and is therefore faulty.
- FIG. 9 shows the effect of a stabilization of the temperature according to the invention for controlling the pressure in the microchannel.
- the temperature curve is stabilized. Clearly visible is the constancy of the pressure changes without temperature-related fluctuation.
- the temperature is stabilized by commercially available temperature controllers and Peltier elements, which are placed on the valves.
- FIG. 10 shows the transition from a pulsed operation to a continuous operation according to a first variant.
- the base level is raised in the case of leakage to the level of the control pulses S, so there is no difference. Thus, the pulses fall away and there is only a continuous control instead.
- the driving of the one valve is dependent on the driving of the other valve.
- FIG. 11 shows the transition from a pulsed operation in a continuous operation according to a second variant.
- the pulse height is lowered so far and thus the pulse width expanded so far that the control pulses S merge together.
- a continuous signal is obtained.
- system parameters can be measured, whereby further predictive control can be carried out by calculating pressure pulses required for a pressure change using one or more of these parameters.
Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung des Drucks in einem Mikro- oder Mesofluidik-Kanal.The invention relates to a method and a device for controlling the pressure in a micro- or mesofluidic channel.
Im Stand der Technik existiert ein Mikrofluidkanalsystem gemäß der
Nachteilig am Stand der Technik ist, dass dort ein hoher Gasverbrauch vorliegt und ein schlechtes Antwortverhalten der Druckänderung auf eine Änderung einer Ventilöffnung.A disadvantage of the prior art is that there is a high gas consumption and a poor response of the pressure change to a change in a valve opening.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Nachteile des Stands der Technik zu verbessern. Insbesondere sollen bestmögliche Regelungseigenschaften erreicht werden.The object of the present invention is to improve the disadvantages of the prior art. In particular, the best possible control properties should be achieved.
Die Aufgabe wird durch die unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen definiert.The object is solved by the independent claims. Advantageous developments are defined in the subclaims.
Insbesondere wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Steuerung des Drucks in einem Mikro- oder Mesofluidik-Kanal (2) mittels eines ersten (10) und mindestens eines zweiten Ventils (20), wobei bevorzugt das erste Ventil (10) einen ersten einstellbaren Ventilöffnungsgrad und bevorzugt das mindestens zweite Ventil (20) einen mindestens zweiten einstellbaren Ventilöffnungsgrad aufweist, umfassend die Schritte:
- Ansteuern des ersten Ventils (10) bevorzugt zum Einstellen des ersten Ventilöffnungsgrades,
- Ansteuern des mindestens zweiten Ventils (20) bevorzugt zum Einstellen des mindestens zweiten Ventilöffnungsgrades,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Ansteuern eines der Ventile (10, 20) automatisch und in Abhängigkeit von dem Ansteuern eines anderen der Ventile (10, 20) erfolgt.
- Actuating the first valve (10), preferably for setting the first valve opening degree,
- Actuating the at least second valve (20), preferably for setting the at least second valve opening degree,
characterized in that
the control of one of the valves (10, 20) takes place automatically and in response to the activation of another of the valves (10, 20).
Die Aufgabe wird weiterhin insbesondere gelöst durch eine Vorrichtung (1) zur Steuerung des Drucks in einem Mikro- oder Mesofluidik-Kanal (2) mittels eines ersten (10) und mindestens eines zweiten Ventils (20), wobei bevorzugt das erste Ventil (10) einen ersten einstellbaren Ventilöffnungsgrad und bevorzugt das mindestens zweite Ventil (20) einen mindestens zweiten einstellbaren Ventilöffnungsgrad aufweist, wobei die Vorrichtung (1) eingerichtet ist zum:
- Ansteuern des ersten Ventils (10) bevorzugt zum Einstellen des ersten Ventilöffnungsgrades,
- Ansteuern des mindestens zweiten Ventils (20) bevorzugt zum Einstellen des mindestens zweiten Ventilöffnungsgrades,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Vorrichtung (1) weiterhin eingerichtet ist das Ansteuern eines der Ventile (10, 20) automatisch und in Abhängigkeit von dem Ansteuern eines anderen der Ventile (10, 20) durchzuführen.
- Actuating the first valve (10), preferably for setting the first valve opening degree,
- Actuating the at least second valve (20), preferably for setting the at least second valve opening degree,
characterized in that
the device (1) is further set up to drive one of the valves (10, 20) automatically and in response to the activation of another of the valves (10, 20).
Durch diese Lösungen ist aufgrund der gegenseitigen Abhängigkeit des Ansteuerns der Ventile eine Berücksichtigung und direkte Beeinflussung der Druckänderungsdynamik sowie des Durchflusses auf optimale Werte möglich.Due to the mutual dependence of the activation of the valves, these solutions make it possible to take into account and directly influence the pressure change dynamics and the flow to optimum values.
Ein Mikro- oder Mesofluidik-Kanal ist bevorzugt ein kleiner Behälter (Mikro: Durchmesser/Breite des Behälters ist kleiner als 1 mm; Meso: Durchmesser/Breite beträgt wenige Millimeter, ca. 1 bis 10 mm), in welchem der Druck reproduzierbar steuerbar ist und so eine reproduzierbare Bewegung und Positionierung von Objekten in dem Kanal, z. B. von Zellen oder Moleküle, möglich ist. Im Folgenden wird immer auch ein Mesofluidik-Kanal bzw. Mesokanal als erwähnt verstanden, auch wenn nur ein Mikrofluidik-Kanal bzw. Mikrokanal erwähnt ist. Bevorzugt bewegt sich das Fluid im Mikrokanal als, bevorzugt ausschließlich, laminare Strömung.A micro- or mesofluidic channel is preferably a small container (micro: diameter / width of the container is less than 1 mm, meso: diameter / width is a few millimeters, about 1 to 10 mm), in which the pressure is reproducibly controlled and so reproducible movement and positioning of objects in the channel, e.g. B. of cells or molecules is possible. In the following, a mesofluidic channel or mesochannel is always understood as mentioned, even if only one microfluidic channel or microchannel is mentioned. Preferably, the fluid moves in the microchannel as, preferably exclusively, laminar flow.
Das erste Ventil und das zweite Ventil sind bevorzugt Proportionalventile, die bevorzugt elektrisch oder durch Druck(-luft) und bevorzugt per Recheneinheit steuerbar sind. An das erste Ventil ist bevorzugt eine Druckquelle (z. B. Druckluft) anschließbar oder angeschlossen, an das zweite Ventil bevorzugt eine Drucksenke (z. B. Atmosphärendruck oder ein Vakuum bzw. eine Vakuumpumpe), bevorzugt ist zumindest der am ersten Ventil anliegende Druck höher als der am zweiten Ventil anliegende Druck. Das erste Ventil und das zweite Ventil sind bevorzugt mittels einer Leitung in Serie geschaltet und bilden einen Druckteiler bzw. ein Druckteilersystem, ähnlich einem elektrischen Spannungsteiler mit zwei Widerständen, wobei der Mikrokanal zwischen den Ventilen über eine fluidbezogene (pneumatische und/oder hydraulische) Verbindung anliegt. Bevorzugt sind mehr als zwei Ventile vorhanden und diese sind bevorzugt ebenfalls in Reihe geschaltet und bilden einen Druckteiler mit verschiedenen Angriffspunkten für Mikrokanäle. Besonders bevorzugt sind mehrere Druckteiler aus zwei oder mehr Ventilen parallel geschaltet, so dass mittels einer Druckquelle und -senke mindestens zwei Mikrokanäle an das System aus Druckteilern anschließbar sind. Bevorzugt arbeitet der aus den Ventilen gebildete Druckteiler mit Fluid, besonders bevorzugt Gas, besonders bevorzugt mit einer Flüssigkeit. Im Folgenden wird in diesbezüglich nicht einschränkender Weise von einem Betreiben mit einem Gas ausgegangen.The first valve and the second valve are preferably proportional valves, which are preferably controllable electrically or by pressure (air) and preferably by arithmetic unit. A pressure source (eg compressed air) may be connected or connected to the first valve, preferably a pressure sink (eg atmospheric pressure or a vacuum or a vacuum pump), preferably at least the pressure applied to the first valve higher than the pressure applied to the second valve. The first valve and the second valve are preferably connected in series by means of a line and form a pressure divider or a pressure divider system, similar to an electrical voltage divider with two resistors, wherein the microchannel between the valves via a fluid-related (pneumatic and / or hydraulic) connection is present. Preferably, more than two valves are present and these are preferably also connected in series and form a pressure divider with different points of attack for microchannels. More preferably, a plurality of pressure dividers from two or more valves are connected in parallel, so that at least two microchannels can be connected to the system of pressure dividers by means of a pressure source and sink. Preferably, the pressure divider formed by the valves operates with fluid, more preferably gas, more preferably with a liquid. In the following it is assumed in this regard, not restrictive manner of an operation with a gas.
Der einstellbare Ventilöffnungsgrad ist bevorzugt eine Größe (größer oder gleich 0) für den einstellbaren Öffnungszustand des jeweiligen Ventils. Der Ventilöffnungsgrad ist bevorzugt ein prozentualer Wert im Bereich von 0% (Ventil geschlossen) und 100% (Ventil komplett geöffnet), besonders bevorzugt der Wert des Flächeninhalts der Ventilöffnung oder ein zu diesem Flächeninhalt in funktionaler Abhängigkeit stehender Wert, bei runden Ventilbauformen besonders bevorzugt der Radius r oder bevorzugt r4 (Hagen-Poiseuillesches Gesetz: Volumenstrom - r4) der Ventilöffnung. Der Ventilöffnungsgrad ist bevorzugt (streng) monoton abhängig vom Strömungsleitwert G des Ventils, wobei G = 1/R und R der Strömungswiderstand des Ventils ist, welchen das Ventil dem durch das Ventil fließenden Fluid entgegensetzt. Bevorzugt bleibt der Strömungsleitwert G gleich oder wird größer, je größer der Ventilöffnungsgrad ist. Bevorzugt ist der Ventilöffnungsgrad bevorzugt in grober Näherung der Kehrwert des Strömungswiderstands. Bevorzugt ist der einem Ventilöffnungsgrad eta entsprechende Strömungswiderstand R des Ventils durch eine Kennlinie f(eta)=R gegeben, z. B. durch den Hersteller bekannt. Bevorzugt wird die Abhängigkeit zwischen Ventilöffnungsgrad und Strömungswiderstand durch Berücksichtigung der Kennlinie des Ventils (Steuerspannung oder Ventilöffnungsradius oder Ventilöffnungsfläche vs. Strömungswiderstand) linearisiert.The adjustable valve opening degree is preferably a value (greater than or equal to 0) for the adjustable opening state of the respective valve. The valve opening degree is preferably a percentage value in the range of 0% (valve closed) and 100% (valve completely open), particularly preferably the value of the surface area of the valve opening or a value functionally dependent on this surface area, particularly preferably in the case of round valve designs Radius r or preferably r 4 (Hagen-Poiseuille's law: volume flow - r 4 ) of the valve opening. The valve opening degree is preferably (strictly) monotonically dependent on the flow conductance G of the valve, where G = 1 / R and R is the flow resistance of the valve which the valve opposes to the fluid flowing through the valve. Preferably, the Strömungsleitwert G remains the same or is greater, the greater the valve opening degree. Preferably, the valve opening degree is preferably roughly the reciprocal of the flow resistance. Preferably, the valve opening degree eta corresponding flow resistance R of the valve is given by a characteristic f (eta) = R, z. B. known by the manufacturer. Preferably, the relationship between valve opening degree and flow resistance is linearized by taking into account the characteristic of the valve (control voltage or valve opening radius or valve opening area vs. flow resistance).
Ein Ansteuern eines Ventils zum Einstellen eines Ventilöffnungsgrades erfolgt bevorzugt durch das Anlegen eines elektrischen oder pneumatischen Steuersignals an den Steuereingang des Ventils. Bevorzugt liegt zwischen dem Steuersignal S und dem Ventilöffnungsgrad eta über eine Kennlinie g(S)=eta eine (bevorzugt bekannte oder messbare) Abhängigkeit vor, besonders bevorzugt zwischen S und dem Strömungswiderstand R über die Kennlinien f(g(S))=R. Bevorzugt ist diese Abhängigkeit proportional, besonders bevorzugt linear proportional, bevorzugt aufgrund durchgeführter Kennlinienlinearisierung.A control of a valve for setting a valve opening degree is preferably carried out by the application of an electrical or pneumatic control signal to the control input of the valve. Preferably there is a (preferably known or measurable) dependence between the control signal S and the valve opening degree eta via a characteristic curve g (S) = eta, more preferably between S and the flow resistance R over the characteristic curves f (g (S)) = R. Preferably, this dependence is proportional, particularly preferably linearly proportional, preferably due to performed characteristic linearization.
Bevorzugt sind erfindungsgemäß ein Ansteuern des Ventils mittels eines Steuersignals und ein Einstellen eines Ventilöffngunsgrads und ein Einstellen eines Strömungswiderstands bzw. Strömungsleitwerts im Rahmen der Erfindung als gleichwertig anzusehen, da diese Werte lediglich über Kennlinien zusammenhängen, welche bekannt oder messbar oder als Näherung schätzbar sind und somit berücksichtigbar sind.Preferably, according to the invention, driving the valve by means of a control signal and setting a valve opening degree and setting a flow resistance or flow conductance are considered to be equivalent within the scope of the invention, since these values relate only to characteristic curves which are known or measurable or can be estimated as an approximation and thus are considered.
Das Ansteuern eines Ventils automatisch und in Abhängigkeit von dem Ansteuern eines anderen Ventils bedeutet bevorzugt, dass eine durch Ansteuern verursachte Veränderung des Ventilöffnungsgrads des einen Ventils automatisch ein weiteres Ansteuern bewirkt, welches eine Veränderung des Ventilöffnungsgrads des anderen Ventils verursacht. Ein Ventil dient dabei bevorzugt als Master-Ventil, ein anderes Ventil als Slave-Ventil, welches automatisch an den Ventilöffnungsgrad des Master-Ventils anpasst wird. Dieser Automatismus führt nicht zwingend für jede Änderung des Ventilöffnungsgrads des Master-Ventils zu einer Änderung des Ventilöffnungsgrads des Slave-Ventils. So führt der Automatismus z. B. in einem weiter unten beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren nur dann zu einer Veränderung des Slave-Ventils, wenn das Master-Ventil einen Ventilöffnungsgrad größer als ein minimaler Ventilöffnungsgrad aufweist, mit der Folge, dass für das Slave-Ventil der minimale Ventilöffnungsgrad eingestellt wird, so dass die Bedingung erfüllt ist, dass stets zumindest für ein Ventil der minimale Ventilöffnungsgrad eingestellt ist. In einem anderen erfindungsgemäßen Verfahren führt bevorzugt jede Änderung des Ventilöffnungsgrads des Master-Ventils zu einer Änderung des Ventilöffnungsgrads des Slave-Ventils. Der Automatismus ist besonders bevorzugt wechselseitig, so dass das Ventil welches z. B. durch einen Benutzer und/oder ein Regel-/Steuerprogramm gezielt angesteuert wird, zumindest für diese eine aktuelle Ansteuerung zum Master-Ventil wird und das andere Ventil wird zum Slave-Ventil. Auf diese Weise ist sowohl das erste Ventil je nach Situation Master-Ventil oder Slave-Ventil und das mindestens zweite Ventil ebenso.The driving of one valve automatically and in response to the driving of another valve preferably means that a change in the valve opening degree of the one valve caused by driving automatically causes another driving causing a change in the valve opening degree of the other valve. One valve preferably serves as a master valve, another valve as a slave valve, which is automatically adapted to the valve opening degree of the master valve. This automatism does not necessarily result in any change in the valve opening degree of the master valve to a change in the valve opening degree of the slave valve. So leads the automatism z. Example, in a method according to the invention described below only to a change of the slave valve, when the master valve has a valve opening degree greater than a minimum valve opening degree, with the result that the minimum valve opening degree is set for the slave valve, so that the condition is met that the minimum valve opening degree is always set for at least one valve. In another method according to the invention, each change of the valve opening degree of the master valve preferably leads to a change of the valve opening degree of the slave valve. The automatism is particularly preferably reciprocal, so that the valve which z. B. is selectively controlled by a user and / or a control / control program, at least for this a current control to the master valve and the other valve is the slave valve. In this way, both the first valve depending on the situation master valve or slave valve and the at least second valve as well.
Die Abhängigkeit ist bevorzugt explizit als Formel beschreibbar S1 = F(S2) und/oder S2 = F(S1), wobei F eine beliebige Funktion, S1 die Größe des Steuersignals zum Ansteuern des ersten und S2 die Größe des Steuersignals zum Ansteuern des zweiten Ventils ist. Besonders bevorzugt ist die Abhängigkeit als Fuzzy-Logik gegeben, z. B. indem ein bestimmter Regelsatz definiert wird (Schließen des einen Ventils und/oder Öffnen des anderen Ventils, wenn der Druck zu hoch, Öffnen des einen Ventils und/oder Schließen des anderen Ventils, wenn der Druck zu niedrig ist). Auf diese Weise liegt zwar eine unabhängige Definition der Steuer-Regeln für jedes Ventil vor, jedoch ergibt sich durch diese Regeln eine implizite Abhängigkeit der Ventilzustände voneinander. Bevorzugt ist die Abhängigkeit lediglich implizit gegeben.The dependence is preferably explicitly described as a formula S1 = F (S2) and / or S2 = F (S1), where F is an arbitrary function, S1 the size of the control signal for driving the first and S2 the size of the control signal for Driving the second valve is. Particularly preferably, the dependence is given as fuzzy logic, z. By defining a particular set of rules (closing one valve and / or opening the other valve if the pressure is too high, opening one valve and / or closing the other valve if the pressure is too low). In this way, although there is an independent definition of the control rules for each valve, these rules result in an implicit dependence of the valve states on each other. Preferably, the dependency is given only implicitly.
Bevorzugt wird durch das Ansteuern der Ventile der Druck im Mikrokanal, besonders bevorzugt eine oder mehrere Messgrößen wie z. B. der Durchfluss durch den Mikrokanal (bzw. Strömungsrate), die Intensität eines Fluoreszenzsignals, die Größe oder Position einer Gasblase im Mikrokanal und/oder von Nanopartikeln und/oder die Durchbiegung von elastischen Systemen wie Membrane oder Polymere, sowie Gele, Zellen und/oder zelluläre Gewebe mittels Rückkopplung der entsprechenden Größe geregelt. Bevorzugt ist die Abhängigkeit der Ansteuerung der Ventile (zusätzlich) mittels des Regelkreises realisiert.By controlling the valves is preferably the pressure in the microchannel, more preferably one or more variables such. The flow through the microchannel (or flow rate), the intensity of a fluorescence signal, the size or position of a gas bubble in the microchannel and / or nanoparticles and / or the deflection of elastic systems such as membranes or polymers, and gels, cells and / or cellular tissue regulated by feedback of the appropriate size. Preferably, the dependence of the control of the valves (in addition) is realized by means of the control loop.
In einem weiteren erfindungsgemäßen Verfahren sowie in einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung beinhaltet die Abhängigkeit des Ansteuerns des einen der Ventile (10, 20) von dem Ansteuern eines anderen der Ventile (10, 20) ein Gegenkoppeln des Ansteuerns des einen der Ventile (10, 20) und des Ansteuerns des anderen der Ventile (10, 20).In a further method according to the invention and in one embodiment of the device according to the invention, the dependence of the driving of one of the valves (10, 20) on the driving of another of the valves (10, 20) includes a counter coupling of the driving of the one of the valves (10, 20 ) and the driving of the other of the valves (10, 20).
Auf diese Weise wird das zu steuernde System linearisiert. Bevorzugt wird der Druck mittels PID- oder PD-Regelung (oder PI- oder P-Regelgung) geregelt. Bevorzugt wird der Solldruck in kleinen Schritten nachgeregelt.In this way, the system to be controlled is linearized. Preferably, the pressure is regulated by means of PID or PD control (or PI or P control). Preferably, the target pressure is readjusted in small steps.
In einem weiteren erfindungsgemäßen Verfahren sowie in einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung beinhaltet das Gegenkoppeln als Bedingung ein Konstanthalten der Summe eines ersten Strömungswiderstands des ersten Ventils (10) und eines zweiten Strömungswiderstands des zweiten Ventils (10).In a further method according to the invention and in one embodiment of the device according to the invention, the counter-coupling as a condition contains a constant holding the sum of a first flow resistance of the first valve (10) and a second flow resistance of the second valve (10).
Bevorzugt wird die Summe der Strömungswiderstände der Ventile R = R1+R2 konstant gehalten. In diesem erfindungsgemäßen Verfahren werden die Ventile so gekoppelt angesteuert, dass der Durchfluss Q durch den Druckteiler konstant bleibt. Somit gilt Q1 = Q2 = Q = const. (wobei Q1 der Durchfluss durch das erste Ventil und Q2 der Durchfluss durch das zweite Ventil ist) und mit Δp1 = R1·Q, Δp2 = R2·Q ist Δp1+Δp2 = (p1-p)+(p-p2) = p1-p2 = (R1+R2)·Q (wobei p1 der Druck der am ersten Ventil anliegenden Druckquelle gegen Atmosphärendruck ist und p2>=p1 analog der Druck der am zweiten Ventil anliegenden Drucksenke; Δp1 ist die am ersten Ventil und Δp2 die am zweiten Ventil abfallende Druckdifferenz).Preferably, the sum of the flow resistance of the valves R = R1 + R2 is kept constant. In this method according to the invention, the valves are so coupled driven that the flow Q through the pressure divider constant remains. Thus, Q1 = Q2 = Q = const. (where Q1 is the flow through the first valve and Q2 is the flow through the second valve) and with Δp1 = R1 * Q, Δp2 = R2 * Q is Δp1 + Δp2 = (p1-p) + (p-p2) = p1 p2 = (R1 + R2) * Q (where p1 is the pressure of the pressure source applied to the first valve against atmospheric pressure, and p2> = p1 is analogous to the pressure of the pressure drop applied to the second valve; Δp1 is the one on the first valve and Δp2 on the second Valve decreasing pressure difference).
Hieraus folgt (p1-p)/R1 = (p-p2)/R2 = (p1-p2)/(R1+R2) = const (wobei R1 und R2 die Strömungswiderstände des ersten und zweiten Ventils darstellen oder auch denkbar die Kehrwerte des Ventilöffnungsgrades, bevorzugt als Näherung) und p1-p = const·R1 und somit p = p1-const·R1; sowie (p-p2) = R2·(p1-p2)/(R1+R2) und p = p2+R2·const.From this follows (p1-p) / R1 = (p-p2) / R2 = (p1-p2) / (R1 + R2) = const (where R1 and R2 represent the flow resistance of the first and second valve or conceivable the reciprocals of Valve opening degree, preferably as an approximation) and p1-p = const · R1 and thus p = p1-const · R1; and (p-p2) = R2 * (p1-p2) / (R1 + R2) and p = p2 + R2 * const.
Durch Einhalten der Bedingung R1+R2 = const. erfolgt eine Änderung des Drucks in linearer Abhängigkeit durch eine Änderung von R1 (Δp = -ΔR1 ·const) oder R2 (Δp = ΔR2·const). Dies ermöglicht eine lineare Optimalregelung des Drucks (z. B. PD oder PID mit gleichbleibend optimalen Parametern über den gesamten Druckbereich. Im Stand der Technik ist dieser Zusammenhang nichtlinear (p(R1) = p1·R2/(R1+R2) und somit Δp = (-p1·R2/(R1+R2)2)·ΔR1), weshalb dort eine optimale Regelung nichtlinear sein müsste und somit wenn überhaupt nur sehr aufwändig zu realisieren ist.By complying with the condition R1 + R2 = const. a change of the pressure occurs in linear dependence by a change of R1 (Δp = -ΔR1 · const) or R2 (Δp = ΔR2 · const). This allows a linear optimal control of the pressure (eg PD or PID with consistently optimal parameters over the entire pressure range.) In the prior art, this relationship is nonlinear (p (R1) = p1 * R2 / (R1 + R2) and thus Δp = (-p1.R2 / (R1 + R2) 2 ) .DELTA.R1), which is why an optimal control would have to be non-linear there and thus, if at all, only very complicated to implement.
Bevorzugt wird durch das Festlegen des Durchflusses Q als Arbeitspunkt die Dynamik des Druckanstiegs und -abfalls eingestellt. Hierfür wird bevorzugt ein geringer Durchfluss über die Summe R1+R2 eingestellt, wenn ein geringer Gasverbrauch erforderlich ist und die Dynamik des Druckanstiegs und -abfalls nicht im Vordergrund der Anwendung steht. Wenn ein höherer Gasverbrauch hinnehmbar und eine schnelle Druckanstiegs- und -abfallsdynamik erforderlich ist, wird ein höherer Durchfluss Q eingestellt. Eine schnelle Reaktionsdynamik erfordert einen gewissen Gasverbrauch, der jedoch nicht mehr wie im Stand der Technik vom Arbeitsbereich abhängt. Durch die dynamische Verkleinerung des Gasdurchflusses durch das zweite Ventil bei sehr großen Solldruckwerten bleibt der Gasverbrauch klein. Bei kleinen Solldruckwerten hingegen sorgt ein fast geschlossenes erstes Ventil für einen minimalen Gasverbrauch.Preferably, by setting the flow Q as the operating point, the dynamics of the pressure increase and decrease are set. For this purpose, a low flow rate is preferably set via the sum R1 + R2, if a low gas consumption is required and the dynamics of the pressure increase and decrease is not the focus of the application. If higher gas consumption is acceptable and fast pressure rise and fall dynamics are required, a higher flow Q is set. A fast reaction dynamics requires a certain gas consumption, but no longer depends on the work area as in the prior art. Due to the dynamic reduction of the gas flow through the second valve at very high set pressure values, the gas consumption remains small. At low set pressure values, however, an almost closed first valve ensures minimum gas consumption.
Bevorzugt wird ein Konstanthalten der Summe R1+R2 durch ein Gegenkoppeln des Einstellens des ersten und zweiten Ventilöffnungsgrades erreicht. Bevorzugt wird hierfür die Summe der Kehrwerte des ersten und des mindestens zweiten Ventilöffnungsgrades eta1 bzw. eta2 konstant gehalten. Dies entspricht einer groben Näherung, nämlich Ventilöffnungsgrad eta ≅ G=1/R, führt jedoch zu einer einfach zu realisierenden Kopplung. Besonders bevorzugt wird R1+R2 durch Kopplung der Ventilöffnungsgrade und Berücksichtigung der Ventilkennlinien R=f(eta) (Ventilöffnungsgrad → Strömungswiderstand) konstant gehalten, so dass f1(eta1)+f2(eta2)=const. und somit
eta1=f1-1(const.-f2(eta2)) oder eta2=f2-1(const.-f1(eta1)), besonders bevozugt unter zusätzlicher Berücksichtigung der Ventilkennlinien eta=g(S) (Steuersignal -> Ventilöffnungsgrad).Preferably, keeping the sum R1 + R2 constant is achieved by reverse coupling the setting of the first and second valve opening degrees. Prefers For this purpose, the sum of the reciprocals of the first and at least second valve opening degree eta1 or eta2 is kept constant. This corresponds to a rough approximation, namely valve opening degree eta ≅ G = 1 / R, but leads to an easy-to-implement coupling. Particularly preferably, R1 + R2 is kept constant by coupling the valve opening degrees and taking into account the valve characteristics R = f (eta) (valve opening degree → flow resistance), so that f1 (eta1) + f2 (eta2) = const. and thus
eta1 = f1 -1 (const.-f2 (eta2)) or eta2 = f2 -1 (const.-f1 (eta1)), especially with additional consideration of the valve characteristics eta = g (S) (control signal -> valve opening degree).
In einem weiteren erfindungsgemäßen Verfahren ist für das erste Ventil (10) ein erster minimaler Ventilöffnungsgrad definiert oder wird definiert und für das mindestens zweite Ventil (20) ist ein mindestens zweiter minimaler Ventilöffnungsgrad definiert oder wird definiert und die Abhängigkeit des Ansteuerns des einen der Ventile (10, 20) von dem Ansteuern eines anderen der Ventile (10, 20) beinhaltet die Bedingung, dass stets für mindestens eines der Ventile (10, 20) der jeweilige minimale Ventilöffnungsgrad durch das Ansteuern der Ventile (10, 20) eingestellt ist. In einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind derartige minimale Ventilöffnungsgrade definiert oder definierbar und die Abhängigkeit des Ansteuerns des einen der Ventile (10, 20) von dem Ansteuern eines anderen der Ventile (10, 20) beinhaltet diese Bedingung ebenfalls.In a further method according to the invention, a first minimum valve opening degree is defined or defined for the first valve (10) and an at least second minimum valve opening degree is defined or defined for the at least second valve (20) and the dependence of the activation of the one of the valves ( 10, 20) of the driving of another of the valves (10, 20) includes the condition that is always set for at least one of the valves (10, 20) of the respective minimum valve opening degree by the driving of the valves (10, 20). In one embodiment of the device according to the invention, such minimum valve opening degrees are defined or definable, and the dependence of the driving of one of the valves (10, 20) on the driving of another of the valves (10, 20) also includes this condition.
Auf diese Weise wird immer ein Ventil im Zustand seines minimalen Ventilöffnungsgrades gehalten, wodurch der Gasverbrauch erheblich reduziert wird, insbesondere dann, wenn der minimale Ventilöffnungsgrad einer komplett dichten Verschlussstellung des Ventils entspricht. Diese Bedingung wird bevorzugt mittels einer Analog- oder Logikschaltung oder einem Rechenprogramm mittels boolescher Arithmetik aufgestellt.In this way, a valve is always kept in the state of its minimum valve opening degree, whereby the gas consumption is considerably reduced, in particular when the minimum valve opening degree corresponds to a completely tight closing position of the valve. This condition is preferably established by means of an analog or logic circuit or a computer program by means of Boolean arithmetic.
Zum Beispiel wird das erste Ventil nur dann geöffnet, wenn das zweite Ventil geschlossen ist und das zweite Ventil wird nur dann geöffnet, wenn das erste Ventil geschlossen ist.For example, the first valve is opened only when the second valve is closed and the second valve is opened only when the first valve is closed.
Der minimale Ventilöffnungsgrad wird bevorzugt automatisch mittels eines Programmes oder bestimmten Einstellmitteln (z. B. Drehknöpfe) eingestellt. Bevorzugt ist der minimale Ventilöffnungsgrad verschieden von der komplett dichten Verschlussstellung des Ventils. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn der Mikrokanal leckbehaftet ist, da durch die so verschobene Nullöffnung des jeweiligen Ventils zu endlichen Werten hin der Verlust durch dieses Leck kompensiert wird, oder wenn die Funktion des Ventils bei sehr kleiner Öffnung nicht gewährleistet ist. Bevorzugt wird das verlustgegangene Gas wieder ersetzt, indem das erste Ventil nach dem Druckpuls nicht ganz schließt, sondern nur soweit, dass der Verlust kompensiert wird. Bevorzugt wird der minimale Ventilöffnungsgrad hierzu als Stellgröße einer Druckregelung verwendet, welche den Druckverlust durch eventuelle Lecks kompensiert und/oder einen minimalen Gasdurchfluss durch ein Ventil sicherstellt (z. B. eine PID-, P-, CW-PID-Regelung, CW: continuous wave, d.h. kontinuierliche Steuersignale, oder PWM-PID, PWM: pulse width modulation, d.h. zusätzlich oder alternativ ist die Stellgröße der Regelung die Pulsdauer von Steuerpulsen). Anstatt eines PID-Glieds ist auch (dies gilt für die gesamte Anmeldung) ein P-, PI-, oder PD-Glied denkbar.The minimum valve opening degree is preferably set automatically by means of a program or specific setting means (eg rotary knobs). Preferably, the minimum valve opening degree is different from the completely sealed closure position of the valve. This is particularly advantageous if the microchannel is subject to leakage, since the thus displaced zero opening of the respective valve compensates for the loss due to this leak, or if the function of the valve is not ensured for a very small opening. Preferably, the lost gas is replaced again by the first valve does not close completely after the pressure pulse, but only so far that the loss is compensated. Preferably, the minimum valve opening degree is used for this purpose as a control variable of a pressure control, which compensates the pressure loss due to possible leaks and / or ensures a minimum gas flow through a valve (eg a PID, P, CW PID control, CW: continuous wave, ie continuous control signals, or PWM-PID, PWM: pulse width modulation, ie additionally or alternatively, the manipulated variable of the control is the pulse duration of control pulses). Instead of a PID element, a P, PI or PD element is also conceivable (this applies to the entire application).
Auch ist ein minimaler Ventilöffnungsgrad, der eine Restöffnung des Ventils darstellt, vorteilhaft, falls das System einen Gasrückfluss (z. B. Vakuumsenke oder Auffangbehälter) besitzt und somit einen geschlossenen Kreislauf bildet. So wird das Gas ständig zur Senke zurückgeführt, was z. B. bei giftigen oder radioaktiven Gasen vorteilhaft ist. Somit können nicht nur Gasverluste im System kompensiert werden, sondern es kann auch eine präzise und permanente Perfusion erreicht werden.Also, a minimum valve opening degree, which is a residual opening of the valve, is advantageous if the system has a gas reflux (eg vacuum sink or receiver) and thus forms a closed circuit. So the gas is constantly returned to the sink, which z. B. is advantageous in toxic or radioactive gases. Thus, not only gas losses in the system can be compensated, but also a precise and permanent perfusion can be achieved.
In einem weiteren erfindungsgemäßen Verfahren wird durch das Ansteuern des ersten Ventils (10) und das Ansteuern des mindestens zweiten Ventils (20) ein bevorzugt unterbrechungsfreier Verlauf des Drucks in dem Mikro- oder Mesofluidik-Kanal (2) mit positiven und negativen Druckwerten eingestellt. In einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist diese eingerichtet, ein solches Ansteuern des ersten Ventils (10) und ein solches Ansteuern des mindestens zweiten Ventils (20) durchzuführen.In a further method according to the invention, the activation of the first valve (10) and the activation of the at least second valve (20) set a preferably uninterrupted course of the pressure in the micro- or mesofluidic channel (2) with positive and negative pressure values. In one embodiment of the device according to the invention, the latter is set up to carry out such a control of the first valve (10) and such a control of the at least second valve (20).
Positive und negative Druckwerte beziehen sich bevorzugt auf den Atmosphärendruck, welcher dem Druckwert 0 entspricht.Positive and negative pressure values preferably relate to the atmospheric pressure, which corresponds to the pressure value 0.
Durch Anwendung von Druck und Unterdruck können Flüssigkeiten und sich darin befindliche Objekte im Mikro- oder Mesofluidik-Kanal noch flexibler, wesentlich schneller und präziser positioniert werden als ausschließlich mit Druck.By applying pressure and vacuum, liquids and their objects in the micro- or mesofluidic channel can be positioned more flexibly, much faster and more precisely than just with pressure.
In einem weiteren erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt das Ansteuern mindestens eines der Ventile (10, 20) in Form mindestens eines Pulses zur Erzeugung von mindestens einem Druckpuls im Mikro- oder Mesofluidik-Kanal (2). In einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist diese eingerichtet, ein solches Ansteuern durchzuführen.In a further method according to the invention, at least one of the valves (10, 20) is controlled in the form of at least one pulse for generating at least one pressure pulse in the micro- or mesofluidic channel (2). In one embodiment of the device according to the invention, this is set up to perform such a drive.
Der Puls weist bevorzugt eine beliebige Pulsform auf, besonders bevorzugt ist er ein Rechteck- oder Trapezpuls. Er weist bevorzugt eine Pulsdauer und eine Pulshöhe und/oder einen Pulskurvenintegralwert auf. Der Pulskurvenintegralwert ist bevorzugt ein Wert des Flächenintegrals der Fläche unterhalb der Pulskurve, bevorzugt mit den Integrationsgrenzen t0 (Pulsbeginn) und t1 (Pulsende). Bevorzugt wird das mittels eines Pulses bewegte Gasvolumen und bevorzugt der dadurch aufgebaute Druck durch das Integral über die Pulskurve bestimmt.The pulse preferably has an arbitrary pulse shape, more preferably it is a rectangular or trapezoidal pulse. It preferably has a pulse duration and a pulse height and / or a pulse curve integral value. The pulse curve integral value is preferably a value of the area integral of the area below the pulse curve, preferably with the integration limits t0 (pulse start) and t1 (pulse end). Preferably, the gas volume moved by means of a pulse and preferably the pressure built up thereby is determined by the integral via the pulse curve.
Bevorzugt stellt die Pulshöhe bzw. Pulsamplitude für das mit dem Puls angesteuerte Ventil einen Wert dar, der (ohne Berücksichtigung von Systemträgheiten) proportional zu dem durch das Ansteuern eingestellten Ventilöffnungsgrad, bevorzugt dem Produkt Ventilöffnungsgrad·Öffnungszeit ist. Bevorzugt gibt die Vorrichtung für das Ansteuern elektrische Steuersignale an das Ventil, welche den pulsförmigen Verlauf aufweisen. Bevorzugt stellt sich mit dem Ansteuern eines Ventils in Form eines Pulses (Steuerpuls) ein Druckpuls bzw. eine Druckänderung im Mikrokanal ein, der bzw. die proportional zum Pulskurvenintegral ist.The pulse height or pulse amplitude for the valve actuated by the pulse preferably represents a value which is proportional to the valve opening degree set by the actuation (preferably without consideration of system inertia), preferably the product valve opening degree · opening time. Preferably, the device for driving electrical control signals to the valve, which have the pulse-shaped course. Preferably, with the activation of a valve in the form of a pulse (control pulse), a pressure pulse or a pressure change in the microchannel is established, which is proportional to the pulse curve integral.
Bevorzugt werden beide Ventile mit mindestens einem Puls, besonders bevorzugt mit einer Folge von Pulsen angesteuert. Bevorzugt werden für die Ansteuerung der beiden Ventile der Gasverbrauch und die Dynamik der Druckanstiege und/oder -abfälle optimiert. Bevorzugt werden die Ventile exklusiv angesteuert. Die Anwendung eines Rechteck-Druckpulses mit maximaler Öffnung ist das schnellst mögliche Verfahren, den Istdruck an den Solldruck anzupassen. Da dabei das jeweils andere Ventil bevorzugt geschlossen ist oder sich im Zustand des minimalen Ventilöffnungsgrads befindet, ist der Gasdurchfluss minimal. Falls das Kanalvolumen im System, im Experiment und in den Zuleitungen minimal ist, wird so eine maximal schnelle Response bei minimalem Gasverbrauch ermöglicht. Pulse hoher Amplitude und kleiner Öffnungsdauer werden verwendet um eine schnelle Regelungsdynamik bzw. Reaktionsgeschwindigkeit zu erzielen. Pulse kleiner Amplitude und großer Öffnungsdauer werden verwendet um ein geringes Regelungsrauschen zu erzielen und/oder eine langsame Regelungsdynamik zu erzielen.Preferably, both valves are controlled with at least one pulse, particularly preferably with a sequence of pulses. Preferably, the gas consumption and the dynamics of the pressure increases and / or waste are optimized for the control of the two valves. Preferably, the valves are exclusively controlled. The application of a rectangular pressure pulse with maximum opening is the fastest possible method of adjusting the actual pressure to the target pressure. Since the respective other valve is preferably closed or in the state of the minimum valve opening degree, the gas flow is minimal. If the channel volume in the system, in the experiment and in the supply lines is minimal, a maximum response with minimum gas consumption is possible. Pulses of high amplitude and small opening duration are used to achieve a fast control dynamics or reaction speed. Pulse Small amplitude and long opening time are used to achieve a low control noise and / or to achieve a slow control dynamics.
In einem weiteren erfindungsgemäßen Verfahren wird die Anzahl der mit einem der erzeugten Druckpulse verschobenen Gasteilchen im Mikro- oder Mesofluidik-Kanal (2) bestimmt und/oder das durch einen der erzeugten Druckpulse verschobene Volumen im Mikro- oder Mesofluidik-Kanal wird bestimmt und/oder das innere Volumen des Mikro- oder Mesofluidik-Kanals (2) wird bestimmt. In einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist diese eingerichtet, diese Parameter zu bestimmen.In a further method according to the invention, the number of gas particles displaced with one of the generated pressure pulses in the micro- or mesofluidic channel (2) is determined and / or the volume displaced by one of the generated pressure pulses in the micro- or mesofluidic channel is determined and / or the internal volume of the micro or mesofluidic channel (2) is determined. In one embodiment of the device according to the invention, this device is set up to determine these parameters.
Auf diese Weise ist mit Kenntnis eines oder mehrerer dieser Systemparameter eine prädiktive Berechnung einer Ansteuerung durchführbar. So wird z. B. die Form (Höhe, Dauer) eines Steuerpulses für eine benötigte Druckwirkung vorher berechnet. Somit wird ein exaktes Regeln möglich. Z. B. erlauben ultrakurze und kleine Pulse kleinste Korrekturen der Position etwa von Nanopartikeln, Molekülen oder Zellen in Mikrokanälen. Bevorzugt wird die Pulsdauer und Amplitude eines Steuerpulses und/oder Druckpulses anhand eines Modells des Ventils und bevorzugt des Systems berechnet. Bevorzugt werden kleine verbleibende Abweichungen zwischen Soll- und Istwert, die nach dem Durchführen eines solchen berechneten Steuerpulses und/oder Druckpulses noch resultieren, durch PID-Regelung oder erneut durch einen prädiktiv berechneten Steuerpuls und/oder Druckpuls korrigiert. Bevorzugt wird der erste und/oder zweite minimale Ventilöffnungsgrad mittels prädiktiver Regelung geregelt.In this way, with knowledge of one or more of these system parameters, a predictive calculation of a control can be carried out. So z. B. the shape (height, duration) of a control pulse for a required pressure effect previously calculated. Thus, an exact rules possible. For example, ultrashort and small pulses allow for the smallest corrections of the position of nanoparticles, molecules, or cells in microchannels, for example. The pulse duration and amplitude of a control pulse and / or pressure pulse are preferably calculated on the basis of a model of the valve and preferably of the system. Preferably, small remaining deviations between desired value and actual value, which still result after the execution of such a calculated control pulse and / or pressure pulse, are corrected by PID control or again by a predictively calculated control pulse and / or pressure pulse. Preferably, the first and / or second minimum valve opening degree is regulated by means of predictive control.
Bevorzugt wird aus einem Rechteck- oder Trapez-Druckpuls, welcher als Antwort auf ein Ansteuern eines Ventils in Form eines Rechteck- oder Trapezpulses auftritt, unter Kenntnis der eingestellten Ventilöffnung (die maximale Öffnung eignet sich, denn sie ist z. B. vom Hersteller angegeben) der Volumenstrom für eine gegebene Druckdifferenz berechnet. Die Berechnung des Volumenstroms ΔQ [m3/s] erfolgt bevorzugt gemäß ΔQ = ΔP/R, wobei ΔP eine gegebene Druckdifferenz und R der von der Ventilöffnung abhängige Strömungswiderstand ist.Preference is given to a rectangular or trapezoidal pressure pulse, which occurs in response to a control of a valve in the form of a rectangular or trapezoidal pulse, with knowledge of the set valve opening (the maximum opening is suitable, since it is specified by the manufacturer, for example ) the volume flow is calculated for a given pressure difference. The calculation of the volume flow ΔQ [m 3 / s] is preferably carried out according to ΔQ = ΔP / R, where ΔP is a given pressure difference and R is the flow resistance dependent on the valve opening.
Bevorzugt wird die Temperatur T des Gases im Druckteilersystem mittelbar oder unmittelbar gemessen. Bevorzugt wird die durch einen Steuerpuls erfolgtePreferably, the temperature T of the gas in the pressure divider system is measured directly or indirectly. Preferably, this is done by a control pulse
Druckzunahme Δp im Druckteilersystem gemessen. Bevorzugt wird mit der Temperatur des Gases, der Druckzunahme im Druckteilersystem und Kenntnis des inneren Volumens V die Zahl der eingeströmten/verschobenen Gasteilchen ΔN = Δp·V/(k·T) berechnet, wobei k die Boltzmann-Konstante ist. Bevorzugt wird die Änderung des Gasvolumens ΔV im Mikrokanal aufgrund der eingeströmten Gasteilchen ΔN gemäß folgender Abhängigkeit berechnet: ΔN = (ΔV·rho·Na)/M, wobei rho die Dichte des Gases [kg/m3], Na die Avogadrozahl [1/mol] und M die molare Masse des Gases [kg/mol] ist. Dies erlaubt die Realisierung von stöchiometrischen chemischen Reaktionen zwischen Gasen oder Gasen und Flüssigkeiten oder zwischen Flüssigkeiten oder Flüssigkeiten/Gasen und Festkörpern in Mikrokanälen.Pressure increase Δp measured in the pressure divider system. Preferably, with the temperature of the gas, the pressure increase in the pressure divider system and knowledge of the internal volume V, the number of inflowed / shifted gas particles ΔN = Δp * V / (k * T) is calculated, where k is the Boltzmann constant. The change of the gas volume ΔV in the microchannel is preferably calculated on the basis of the inflowing gas particles ΔN according to the following relationship: ΔN = (ΔV × rho × Na) / M, where rho is the density of the gas [kg / m 3 ], Na is the Avogadro number [1 / mol] and M is the molar mass of the gas [kg / mol]. This allows the realization of stoichiometric chemical reactions between gases or gases and liquids or between liquids or liquids / gases and solids in microchannels.
Bevorzugt werden beide Ventile geschlossen und durch eine herbeigeführte Änderung der Temperatur im Mikrokanal wird durch Messung der dabei resultierenden Druckzunahme Δp das innere Volumen bestimmt: V = N·k·ΔT/Δp.Preferably, both valves are closed and by an induced change in the temperature in the microchannel, the internal volume is determined by measuring the resulting pressure increase Δp: V = N · k · ΔT / Δp.
Alternativ oder zusätzlich wird das innere Volumen V bestimmt, indem das an der Drucksenke, bevorzugt an der Atmosphäre anliegende zweite Ventil bevorzugt komplett oder bis zu einem bestimmten Grad für ein gegebenes Zeitintervall geöffnet wird (während das andere Ventil geschlossen ist) und währenddessen der Exponent der Druckabfallkurve gemessen wird (die Ventilöffnung muss dabei bekannt sein, z. B. durch den Hersteller). Der Überschuss an Gasteilchen verdrängt dann im Mikrokanalsystem das Volumen V = N·k·T/Δp nach Öffnung des an der Drucksenke angeschlossenen Ventils. Das innere Volumen V wird mittels Messung der Relaxationszeit tau=R·C gemäß der Formel V = tau·Na·rho·k·T/(R2·M) berechnet.Alternatively or additionally, the internal volume V is determined by opening the second valve connected to the pressure sink, preferably to the atmosphere, preferably completely or to a certain degree for a given time interval (while the other valve is closed) and meanwhile the exponent of Pressure drop curve is measured (the valve opening must be known, eg by the manufacturer). The excess of gas particles then displaces the volume V = N · k · T / Δp in the microchannel system after opening the valve connected to the pressure sink. The internal volume V is calculated by measuring the relaxation time tau = R * C according to the formula V = tau * Na * rho * k * T / (R2 * M).
Durch die Kenntnis des Druckes und des Systemvolumens wird bevorzugt das Expansionsvolumen bei Öffnung des Ausgangsventils bestimmt. Die relative Volumenänderung ΔV/V auf Grund einer Druckänderung Δp lautet ΔV/V = M/(Na·rho·k·T)·Δp; hierbei ist M die mittlere molare Masse des Fluids (bevorzugt Luft = 28,9 g/mol), Na die Avogadrokonstante, rho die Dichte des Fluids, k die Boltzmannkonstante und T die Temperatur.By knowing the pressure and the system volume, the expansion volume is preferably determined when opening the outlet valve. The relative volume change ΔV / V due to a pressure change Δp is ΔV / V = M / (Na · rho · k · T) · Δp; where M is the mean molar mass of the fluid (preferably air = 28.9 g / mol), Na the avogadro constant, rho the density of the fluid, k the Boltzmann constant and T the temperature.
Bevorzugt wird mittels mindestens einem Kalibrierungspuls und der Messung der Druckantwort, insbesondere der Abklingkonstante tau, die pneumatische Kapazität C (tau = C*R2) bestimmt, falls der Widerstand R2 des Ausgangsventils bekannt ist (siehe Datenblatt des Herstellers). Es ist auch denkbar, tau über die Relaxationszeit für eine vorgegebene Druckänderung Δp zu bestimmen tau = Δt / In(Δp/p_sys). Ferner gelten für Rechteckpulse folgende Zusammenhänge ΔV = Q·Δt = C·Δp, wobei Q der Volumenstrom und ΔV das ein- oder ausströmende Gasvolumen und Δt die Pulslänge ist. Die ideale Gasgleichung stellt unabhängig einen Zusammenhang zwischen Druckänderung und Gasteilchenzahl her: Δp = ΔN·k·T/V welches mit Hilfe der Dichte rho und der molaren Masse M einen zweiten Zusammenhang zwischen Druckdifferenz und Volumendifferenz liefert: ΔV = V·M/(Na·rho·kT)·Δp. Die pneumatische Kapazität C wird somit bevorzugt mittels C = V·M/(Na·rho·k·T) bestimmt. Dieser Wert wird bevorzugt während der Systemkalibration bevorzugt für jede Anordnung neu bestimmt. Denn das innere Volumen V ändert sich je nach Volumen des angeschlossenen Mikrokanalsystems inklusive der Zuleitungsschläuche.The pneumatic capacitance C (tau = C * R2) is preferably determined by means of at least one calibration pulse and the measurement of the pressure response, in particular the decay constant tau, if the resistance R2 of the output valve is known (see data sheet of the manufacturer). It is also possible to dew over the Relaxation time for a given pressure change Δp to be determined tau = Δt / In (Δp / p_sys). Furthermore, the following relationships apply to square-wave pulses ΔV = Q · Δt = C · Δp, where Q is the volume flow and ΔV is the gas volume flowing in or out and Δt is the pulse length. The ideal gas equation independently establishes a relationship between pressure change and gas particle number: Δp = ΔN · k · T / V which, with the aid of the density rho and the molar mass M, yields a second relationship between pressure difference and volume difference: ΔV = V · M / (Na · rho · kT) · Ap. The pneumatic capacity C is thus preferably determined by means of C = V × M / (Na × rho × k × T). This value is preferably redetermined during system calibration, preferably for each arrangement. Because the inner volume V changes depending on the volume of the connected micro-channel system including the supply hoses.
Auch hier erlaubt dieses Verfahren auf einfachste Weise eine bestmögliche Optimierung der Regelungsparameter.Again, this method allows in the simplest way the best possible optimization of the control parameters.
Die Ansteuerung der Ventile in Form mindestens eines Pulses erlaubt somit zusammen mit Kenntnis der Temperatur eine vollständige Charakterisierung aller Systemparameter des Mikrokanalsystems: inneres Volumen, Zahl der zusätzlichen Gasteilchen nach einem Druckpuls und dem entsprechenden Verdrängungsvolumen. Bevorzugt werden die Systemparameter R1·V und R2·V bestimmt.The control of the valves in the form of at least one pulse thus allows, together with knowledge of the temperature, a complete characterization of all system parameters of the microchannel system: internal volume, number of additional gas particles after a pressure pulse and the corresponding displacement volume. Preferably, the system parameters R1 · V and R2 · V are determined.
In einem weiteren erfindungsgemäßen Verfahren weist der mindestens eine Puls eine lange Pulsdauer und/oder eine hohe Pulshöhe und/oder einen großen Pulskurvenintegralwert zur groben Positionierung von Objekten und/oder Fluiden im Mikro- oder Mesofluidik-Kanal (2) auf und der mindestens eine Puls weist eine kürzere Pulsdauer und/oder eine niedrigere Pulshöhe und/oder einen kleinen Pulskurvenintegralwert zur feinen Positionierung auf. In einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist diese eingerichtet, derartige Pulsdauern und Pulshöhen und/oder Pulskurvenintegralwerte für den mindestens einen Puls einzustellen.In a further inventive method , the at least one pulse has a long pulse duration and / or a high pulse height and / or a large pulse curve integral value for coarse positioning of objects and / or fluids in the micro- or mesofluidic channel (2) and the at least one pulse has a shorter pulse duration and / or a lower pulse height and / or a small pulse curve integral value for fine positioning. In one embodiment of the device according to the invention, this device is set up to set such pulse durations and pulse heights and / or pulse curve integral values for the at least one pulse.
Auf diese Weise wird ausgenutzt, dass Proportionalventile Gaspulse sowohl durch ein kurzes Öffnen mit großer Amplitude bzw. Pulshöhe oder durch ein längeres Öffnen mit kleiner Amplitude erzeugen können. Diese Ansteuerung wird bevorzugt manuell oder automatisch ausgelöst, z. B. bei gleichzeitiger mikroskopischer Beobachtung durch einen Experimentator und/oder mit einer Kamera, bevorzugt mit Bildverarbeitung und/oder anderen Messsystemen. Große Druckstöße mit hoher Pulshöhe und/oder langer Pulsdauer und/oder einem großen Pulskurvenintegralwert werden für eine rasche Positionierung der Objekte im Mikrokanal ausgelöst, während kleinste Bewegungen, z. B. nach grober Positionierung, durch Gaspakete kleinerer Amplitude und/oder kurzer Pulsdauer und/oder kleinem Pulskurvenintegralwert durchgeführt werden.In this way it is exploited that proportional valves can generate gas pulses both by a short opening with a large amplitude or pulse height or by a longer opening with a small amplitude. This control is preferably triggered manually or automatically, z. B. at the same time microscopic Observation by an experimenter and / or with a camera, preferably with image processing and / or other measuring systems. Large pressure surges with high pulse height and / or long pulse duration and / or a large pulse curve integral value are triggered for rapid positioning of the objects in the microchannel, while smallest movements, eg. B. after coarse positioning, by gas packets smaller amplitude and / or short pulse duration and / or small Pulskurvenintegralwert be performed.
In einem weiteren erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Messgröße in dem Mikro- oder Mesofluidik-Kanal (2), insbesondere der Druck, durch wiederholtes Ansteuern der Ventile (10, 20) in Form des mindestens einen Pulses auf einen Sollwert geregelt. In einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist diese eingerichtet, entsprechend auf einen Sollwert zu regeln.In a further method according to the invention, a measured variable in the micro- or mesofluidic channel (2), in particular the pressure, is regulated to a desired value by repeated actuation of the valves (10, 20) in the form of the at least one pulse. In one embodiment of the device according to the invention this is set up to regulate according to a desired value.
Eine Messgröße ist z. B. der Druck in dem Mikrokanal, der Durchfluss durch den Mikrokanal (bzw. Strömungsrate), die Intensität eines Fluoreszenzsignals, die Größe oder Position einer Gasblase im Mikrokanal und/oder von Nanopartikeln und/oder die Durchbiegung von elastischen Systemen wie Membrane oder Polymere, sowie Gele, Zellen und/oder zelluläre Gewebe.A measured variable is z. The pressure in the microchannel, the flow through the microchannel, the intensity of a fluorescence signal, the size or position of a gas bubble in the microchannel and / or nanoparticles and / or the deflection of elastic systems such as membranes or polymers, as well as gels, cells and / or cellular tissues.
Bevorzugt wird durch die Wahl der Amplitude bzw. Pulshöhe und/oder Pulsdauer das Regelungsrauschen eingestellt, wobei kurze hohe Pulse zu einem größeren Rauschen des geregelten Drucks als lange niedrige Pulse führen. Dafür erlauben Pulse hoher Amplitude eine maximal mögliche Anpassung des Drucks, sowie bevorzugt eine schnellere Anpassung. Dies ist teilweise analog zur Quantenmechanik: Eine bestimmte Energiemenge kann durch wenige hochenergetische oder viele niederenergetische Photonen übermittelt werden. Das Rauschen der Energie der Photonen wird durch die Heisenbergsche Unschärfebeziehung ΔE·Δt > h/(4·π) (wobei h das Plancksche Wirkumsquantum ist) beschränkt. Die Energiefluktuation ΔE ist dann groß, wenn die Länge (=Dauer·Lichtgeschwindigkeit) der Wellenpakete klein ist, damit die Quantenbedingung erfüllt ist. Wenn man kleines Rauschen erreichen möchte ist es vorteilhaft, viele niederenergetische Photonen zu verwenden. Dies illustriert eindrücklich, dass auch eine Modulation der Pulsamplitude mit Proportionalventilen wichtig ist, um den Druck zu steuern.Preferably, the control noise is set by the choice of the amplitude or pulse height and / or pulse duration, wherein short high pulses lead to a larger noise of the regulated pressure than long low pulses. For this purpose, high-amplitude pulses allow a maximum possible adaptation of the pressure, and preferably a faster adaptation. This is partly analogous to quantum mechanics: a certain amount of energy can be transmitted by a few high-energy or many low-energy photons. The noise of the energy of the photons is limited by the Heisenberg uncertainty relationship ΔE · Δt> h / (4 · π) (where h is the Planckian effect quantum). The energy fluctuation ΔE is large when the length (= duration · light velocity) of the wave packets is small for the quantum condition to be satisfied. If you want to achieve small noise, it is advantageous to use many low-energy photons. This illustrates impressively that also a modulation of the pulse amplitude with proportional valves is important to control the pressure.
Bevorzugt wird die Regelung mit der Nebenbedingung durchgeführt, dass sich stets mindestens ein Ventil im Zustand des minimalen Ventilöffnungsgrads befindet. Besonders bevorzugt sind die Ventile daher jeweils nur alternativ geöffnet, sofern der minimale Ventilöffnungsgrad der Verschlussstellung entspricht.Preferably, the control is carried out with the secondary condition that there is always at least one valve in the state of the minimum valve opening degree. Particularly preferably, the valves are therefore only open alternatively, as long as the minimum valve opening degree corresponds to the closed position.
Bevorzugt wird die Regelung des Drucks über wiederholtes Ansteuern der Ventile in Form des mindestens einen Pulses bei gleichzeitigem Messen des Ist-Drucks durchgeführt. Bevorzugt werden die Ventile alternierend mit Pulsen angesteuert. Bevorzugt werden die Pulsdauer und/oder die Pulshöhe und/oder der Wert des Integrals über die Pulskurve in Abhängigkeit der Abweichung zwischen Ist- und Solldruck geregelt. Dabei ist bevorzugt die minimale Pulsdauer eines Pulses größer oder gleich der Reaktionszeit des angesteuerten Ventils (z. B. größer oder gleich 1 µs, bevorzugt größer oder gleich 250µs besonders bevorzugt größer oder gleich 500µs), bevorzugt zumindest dann, wenn die Regelung für diesen Puls eine Pulshöhe oder ein Pulsintegral von mehr als 0 berechnet. Dadurch, dass die minimale Pulsdauer bevorzugt größer ist als die Rekationszeit des angesteuerten Ventils, wird sichergestellt, dass das Ventil dem Pulsverlauf folgend geöffnet und geschlossen wird und dass das Ventil nicht wie bei klassischer PWM einem Mittelwert des Pulsverlaufs folgend geöffnet und geschlossen wird, wobei jener Mittelwert sich aufgrund der Ventilträgheit einstellen würde. Somit werden maximal steile Druckpulsflanken erzeugt. Bevorzugt wird eine Amplitude vorab gewählt und die Regelung erfolgt über die Pulsdauer. Es ist auch denkbar, dass die Pulsdauer vorab gewählt wird und die Pulshöhe wird als Stellgröße für die Regelung des Drucks verwendet. Die zur Druckregelung benötigte Pulshöhe als Stellgröße wird bspw. mittels einer CW-PID Regelung (kontinuierliche PID-Regelung) eingestellt.Preferably, the regulation of the pressure is carried out by repeated actuation of the valves in the form of the at least one pulse with simultaneous measurement of the actual pressure. Preferably, the valves are driven alternately with pulses. The pulse duration and / or the pulse height and / or the value of the integral are preferably controlled via the pulse curve as a function of the deviation between the actual and setpoint pressures. In this case, the minimum pulse duration of a pulse is preferably greater than or equal to the response time of the actuated valve (eg greater than or equal to 1 μs, preferably greater than or equal to 250 μs, preferably greater than or equal to 500 μs), preferably at least when the control for this pulse a pulse height or a pulse integral of more than 0 is calculated. Because the minimum pulse duration is preferably greater than the response time of the controlled valve, it is ensured that the valve is opened and closed in accordance with the pulse progression and that the valve is not opened and closed as in classical PWM following a mean value of the pulse progression Mean value would be due to the valve inertia. Thus, maximum steep pressure pulse edges are generated. Preferably, an amplitude is selected in advance and the regulation takes place over the pulse duration. It is also conceivable that the pulse duration is selected in advance and the pulse height is used as a control variable for the regulation of the pressure. The pulse height required for pressure control as a manipulated variable is set, for example, by means of a CW-PID control (continuous PID control).
Bevorzugt wird bei CW-PID eine Minimierung der Pulshöhe durchgeführt, was bevorzugt zu einer maximalen Pulsverbreiterung führt. Die Pulse gehen schließlich bevorzugt in kontinuierliche analoge Öffnungswerte der beiden Ventile über, welche durch PID reguliert werden.Preferably, CW-PID minimizes the pulse height, which preferably results in maximum pulse broadening. Finally, the pulses preferably pass into continuous analogue opening values of the two valves, which are regulated by PID.
Ein beispielhaftes Regelungsverfahren besteht darin, bei einem Druck p_ist < p_soll (p_ist: gemessener Druck im Mikrokanal, p_soll: Solldruck im Mikrokanal) das an der Druckquelle angeschlossene Ventil bevorzugt maximal zu öffnen, bevorzugt bis p_ist mindestens 60%, bevorzugt mindestens 85%, besonders bevorzugt mindestens 95% oder sogar 100% des Solldrucks erreicht. Bei p_ist > p_soll wird entsprechend das an der Drucksenke angeschlossene Ventil, bevorzugt maximal, geöffnet, bevorzugt bis p_ist gleich oder weniger als 140%, bevorzugt gleich oder weniger als 115%, besonders bevorzugt gleich oder weniger als 105% des Solldrucks erreicht. Somit wird bei einer Abweichung vom Solldruck das jeweils entsprechende Ventil zur Korrektur des Ist-Drucks angesteuert, wobei auch implizit die Bedingung realisiert ist, dass sich mindestens eines der beiden Ventile im Zustand des minimalen Ventilöffnungsgrads befindet. Bevorzugt wird dann der jeweilige Ventilöffnungsgrad verringert und der erreichte Druck wird bevorzugt durch kleinere korrigierende Druckpulse (bzw. entsprechende Ansteuerung in Form von Pulsen) dem Solldruck weiter angenähert und/oder konstant gehalten. Bevorzugt wird das an der Druckquelle angeschlossene Ventil komplett geschlossen gehalten solange keine Druckzunahme erforderlich ist. Bevorzugt wird das an der Drucksenke angeschlossene Ventil komplett geschlossen gehalten, solange keine Druckverminderung erforderlich ist. Dies ist insbesondere bei nicht leckbehafteten Systemen zur Gaseinsparung vorteilhaft. Besonders bevorzugt bleibt das an der Druckquelle angeschlossene Ventil daraufhin leicht geöffnet, um den Solldruck zu halten, was bei leckbehafteten Systemen vorteilhaft ist, um den Gasverlust durch Lecks zu kompensieren ohne ständig nachregeln zu müssen. Bevorzugt wird das Verfahren der Pulsregelung durch eine Verlängerung der Pulsdauern zu langen, konstanten Pulsen (die zwischendurch nicht mehr signifikant lange und weit ein Ventil schließen) in das anfangs beschriebene erfindungsgemäße Verfahren mit einer Gegenkopplung oder in ein Verfahren des Stands der Technik ohne Gegenkopplung, z. B. mit einem ersten Ventil, dessen Ventilöffnungsgrad geregelt wird und einem zweiten Ventil, das konstant um einen gewissen Grad geöffnet ist, überführt.An exemplary control method consists in preferably opening the valve connected to the pressure source at a pressure p_act <p_setpoint (p_act: measured pressure in the microchannel, p_setpoint: setpoint pressure in the microchannel), preferably to at least 60%, preferably at least 85%, particularly preferably at least 95% or even 100% of the target pressure reached. At p_ist> p_soll is correspondingly the valve connected to the pressure sink, preferably maximally opened, preferably to p_ist equal to or less than 140%, preferably equal to or less than 115%, more preferably equal to or less than 105% of the target pressure reached. Thus, in the event of a deviation from the setpoint pressure, the respective corresponding valve is actuated to correct the actual pressure, the condition implicitly also being realized that at least one of the two valves is in the state of the minimum valve opening degree. Preferably, the respective valve opening degree is then reduced and the pressure achieved is preferably further approximated by smaller corrective pressure pulses (or corresponding control in the form of pulses) the target pressure and / or kept constant. Preferably, the valve connected to the pressure source is kept completely closed as long as no pressure increase is required. Preferably, the valve connected to the pressure sink is kept completely closed as long as no pressure reduction is required. This is particularly advantageous in non-leaking gas saving systems. Particularly preferably, the valve connected to the pressure source then remains slightly open in order to maintain the desired pressure, which is advantageous in the case of systems subject to leaks in order to compensate for gas leakage through leaks without having to constantly readjust. Preferably, the method of pulse control by prolonging the pulse durations to long, constant pulses (which in between no longer significantly close and far a valve) in the initially described inventive method with a negative feedback or in a method of the prior art without negative feedback, z , B. with a first valve, the valve opening degree is controlled and a second valve, which is constantly opened by a certain degree transferred.
Durch das Verringern des Ventilöffnungsgrads nach Annähern an den Sollwert und bevorzugt durch die korrigierenden Druckpulse kleinerer Amplitude wird das Regelungsrauschen vermindert. Die Anpassung der Amplitude der Pulse wird bevorzugt durch einen PID-Algorithmus gesteuert. Bevorzugt wird der Istwert dem Sollwert rekursiv angenähert.By reducing the valve opening degree after approaching the setpoint, and preferably by the smaller amplitude corrective pressure pulses, the control noise is reduced. The adjustment of the amplitude of the pulses is preferably controlled by a PID algorithm. Preferably, the actual value is recursively approximated to the desired value.
Bevorzugt wird eine Mischung aus einer Regelung mittels der Pulsdauer als Stellgröße und einer Regelung mittels der Pulshöhe als Stellgröße durchgeführt (z. B. über eine Kaskadenregelung). Für die Kompensation großer Differenzen zwischen Ist- und Solldruck wird eine Ansteuerung mittels Pulsen mit fester Pulshöhe durchgeführt, wobei über die Pulsdauer als Stellgröße geregelt wird. Dies nutzt die bessere Dynamik von Pulsen mit hoher Pulsamplitude. Für die Feinregelung bei kleinen Differenzen zwischen Ist- und Solldruck wird bevorzugt eine Pulshöhenmodulation durchgeführt. Somit werden die Pulse im Verhältnis breiter und niedriger und das Regelungsrauschen vermindert sich.Preferably, a mixture of a control by means of the pulse duration as a control variable and a control by means of the pulse height is performed as a manipulated variable (eg., Via a cascade control). For the compensation of large differences between the actual and setpoint pressure, a control is carried out by means of pulses with a fixed pulse height, being controlled as the manipulated variable over the pulse duration. This uses the better dynamics of pulses with high pulse amplitude. For the fine control with small differences between actual and nominal pressure, a pulse height modulation is preferably carried out. Thus, the pulses become relatively wider and lower and the control noise decreases.
Bevorzugt ist die Regelungsdynamik frei wählbar, besonders bevorzugt wird sie automatisch angepasst. Sofern eine Solldruckänderung gewünscht ist, wird eine Regelung mit großer, bevorzugt maximaler Amplitude vorgenommen, wohingegen bei Konstanthalten eines Solldrucks eine kleine Amplitude verwendet wird. Besonders bevorzugt wird ein automatisierter gleitender Übergang durchgeführt, indem nach einer Solldruckänderung zunächst der maximale Ventilöffnungsgrad für einen Puls gewählt wird, und anschließend die Pulsamplitude verringert wird durch ein Verringern des Ventilöffnungsgrads für die nachfolgenden Pulse, z. B. ein exponentielles Verringern gemäß der Formel: A(t) = Amin + (Amax - Amin) · exp(-t/theta), wobei A der Ventilöffnungsgrad, Amin der minimale und Amax der maximale Ventilöffnungsgrad, und theta die Transitionszeitkonstante ist.Preferably, the control dynamics are freely selectable, more preferably it is automatically adjusted. If a desired pressure change is desired, a control with a large, preferably maximum amplitude is made, whereas when a target pressure is kept constant, a small amplitude is used. More preferably, an automated sliding transition is performed by first selecting the maximum valve opening degree for a pulse after a target pressure change, and then decreasing the pulse amplitude by decreasing the valve opening degree for subsequent pulses, e.g. For example, an exponential decay is given by the formula: A (t) = amine + (amax-amine) x exp (-t / theta) where A is the valve opening degree, amine is the minimum and Amax is the maximum valve opening degree, and theta is the transition time constant.
In einem weiteren erfindungsgemäßen Verfahren wird mittels einer Regelung geregelt und eine Reaktionsgeschwindigkeit und/oder ein Regelungsrauschen der Regelung wird frei gewählt und/oder durch einen Algorithmus an Anwendungserfordernisse angepasst. In einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist diese eingerichtet, mittels einer Regelung zu regeln und ein Regelungsrauschen der Regelung ist frei wählbar und/oder durch einen Algorithmus an Anwendungserfordernisse anpassbar.In a further inventive method is controlled by means of a control and a reaction speed and / or a control noise of the control is chosen freely and / or adapted by an algorithm to application requirements. In one embodiment of the device according to the invention, this device is set up to regulate by means of a control and a control noise of the control is freely selectable and / or adaptable to application requirements by an algorithm.
Das Regelungsrauschen ist bevorzugt durch die Reaktionsgeschwindigkeit bedingt. Bevorzugt ist das Regelungsrauschen umso höher, je höher die Reaktionsgeschwindigkeit ist.The control noise is preferably due to the reaction rate. Preferably, the higher the reaction rate, the higher the control noise.
In einem weiteren erfindungsgemäßen Verfahren werden die Pulsdauer und die Pulshöhe und/oder der Pulskurvenintegralwert in Abhängigkeit einer zu erzielenden Änderung des Drucks im Mikro- oder Mesofluidik-Kanal (2) bestimmt. In einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist diese eingerichtet, die Pulsdauer und die Pulshöhe und/oder den Pulskurvenintegralwert derartig zu bestimmen.In a further method according to the invention, the pulse duration and the pulse height and / or the pulse curve integral value are determined as a function of a change in the pressure to be achieved in the microfluidic or mesofluidic channel (2). In one embodiment of the device according to the invention, this device is set up in such a way to determine the pulse duration and the pulse height and / or the pulse curve integral value.
Die zu erzielende Änderung des Drucks ist bevorzugt die Differenz zwischen gemessenem Istdruck und dem Solldruck. Bevorzugt wird eine prädiktive Berechnung der Ventilöffnung (oder Pulshöhe) und Öffnungszeit durchgeführt, wodurch die PID-Regelung der Pulsamplituden oder -weiten bevorzugt nicht mehr erforderlich ist.The change in the pressure to be achieved is preferably the difference between the measured actual pressure and the desired pressure. Preferably, a predictive calculation of the valve opening (or pulse height) and opening time is performed, whereby the PID control of the pulse amplitudes or widths is preferably no longer required.
Die Vorausberechnung wird bevorzugt durch folgende Vorschriften für den Druckverlauf durchgeführt, wobei bevorzugt der Anfangsdruck gleich dem Atmosphärendruck ist:
- Anstieg (
Ventil 1 offen,Ventil 2 geschlossen): p(t)/p1 = 1 - exp(-t/(R1·C)) - Der Systemdruck beträgt dann nach einer Offnungzeit Δt: p_sys/p1 = 1-exp(-Δt/(R1·C))
- Abfall (
Ventil 2 offen,Ventil 1 geschlossen) für eine Zeit (z. B. für die Zeit bis der Druck sich halbiert hat p(Δt_0,5)=0,5·p_sys): p(t) = p_sys·exp(-t/(R2·C)).
- Rise (
valve 1 open,valve 2 closed): p (t) / p1 = 1-exp (-t / (R1 * C)) - The system pressure is then after an opening time Δt: p_sys / p1 = 1-exp (-Δt / (R1 · C))
- Drop (
valve 2 open,valve 1 closed) for a time (eg, for the time until the pressure has halved p (Δt_0.5) = 0.5 * p_sys): p (t) = p_sys * exp ( -t / (R2 · C)).
Bevorzugt wird beim Drucksenken durch Öffnen des zweiten Ventils ein bestimmter Druck abgewartet, z. B. bis sich der halbe Druck eingestellt hat: p(Δt_0,5)/p_sys = 0,5. Hieraus wird die Relaxationszeit R2·C = Δt_0,5/ln(2) erhalten. Diese Messung wird bevorzugt wiederholt durchgeführt und die Zeiten werden gemittelt, um die Genauigkeit zu erhöhen.Preferably, when lowering the pressure by opening the second valve, a certain pressure is waited, z. Until half the pressure has been set: p (Δt_0.5) / p_sys = 0.5. From this, the relaxation time R2 · C = Δt_0.5 / ln (2) is obtained. This measurement is preferably performed repeatedly and times are averaged to increase accuracy.
R·C ist die Kombination von Strömungswiderstand im System R=p/Q sowie C, welches vom inneren Volumen V und der Temperatur T abhängt: Δp = C·ΔV. Der Volumenstrom ist Q = dV/dt.R · C is the combination of flow resistance in the system R = p / Q and C, which depends on the internal volume V and the temperature T: Δp = C · ΔV. The volume flow is Q = dV / dt.
Die Vorausberechnung der Pulshöhe und Pulsdauer für eine benötigte Druckänderung erfordert Kenntnis der Parameter R1*C und R2*C. Die Bestimmung erfolgt folgendermaßen. Mit Kenntnis des Eingangdruckes, der Widerstände der voll geöffneten Ventile und des Systemvolumens und des momentanen Systemdruckes p_sys wird die Öffnungszeit und Amplitude wie folgt bestimmt:
- Für eine Druckerhöhung (Öffnung des Eingangsventils) gilt zunächst folgende Formel: p(t) = p1-(p1-p_sys)-exp(-t/(R1·C))
- Für eine Drucksenkung (Öffnung des Ausgangsventils) gilt zunächst folgende Formel: p(t) = p2-(p2-p_sys)·exp(-U(R2·C))
- Dabei ist p1>=p2. Die Zeiten und Amplituden ergeben sich dann aus folgenden Zusammenhängen (*):
für den Anstieg: In((p1-p_sys)/(p1-p_soll)) = Δt/(R1·C) (= xi1),
für den Abfall: In((p_sys-p2)/(p_soll-p2)) = Δt/(R2·C) (= xi2).
- For an increase in pressure (opening of the inlet valve), the following formula initially applies: p (t) = p1- (p1-p_sys) -exp (-t / (R1 * C))
- For a pressure reduction (opening of the outlet valve), the following formula initially applies: p (t) = p2- (p2-p_sys) * exp (-U (R2 · C))
- Where p1> = p2. The times and amplitudes result from the following relationships (*):
for the slope: In ((p1-p_sys) / (p1-p_set)) = Δt / (R1 * C) (= xi1),
for the decay: In ((p_sys-p2) / (p_soll-p2)) = Δt / (R2 · C) (= xi2).
Diese Zusammenhänge sagen Werte einer für eine bestimmte Druckänderung benötigte Zeit/Amplituden-Kombination voraus. Durch die Vorabwahl der Amplitude oder Vorabwahl der Pulsdauer wird zunächst die Regelungsdynamik und das Rauschen eingestellt. Mit einer hohen Amplitude oder einer kurzen Pulsdauer wird eine schnellere Dynamik mit höherem Regelungsrauschen eingestellt, während mit einer niedrigen Amplitude oder einer langen Pulsdauer eine langsamere Dynamik mit niedrigerem Regelungsrauschen eingestellt wird. Der dann noch fehlende Parameter des Pulses (Pulsdauer oder Amplitude) wird über die oben genannten Zusammenhänge berechnet.These relationships predict values of a time / amplitude combination needed for a given pressure change. By preselecting the amplitude or preselecting the pulse duration, first the control dynamics and the noise are set. With a high amplitude or a short pulse duration, faster dynamics with higher control noise are set, while with a low amplitude or long pulse duration, a slower dynamic with lower control noise is set. The then missing parameter of the pulse (pulse duration or amplitude) is calculated via the above-mentioned relationships.
Um den Widerstandswert R1 oder R2 in eine Amplitude umzurechnen, wird bevorzugt die Kennlinie R1=f1(eta1) bzw. R2=f2(eta2) (x-Achse: Amplitude bzw. Wert des Ventilöffnungsgrads, y-Achse: Strömungswiderstand) und/oder die Kennlinie R1=f1(g1(S1)) bzw. R2=f2(g2(S2)) (x-Achse: Amplitude bzw. Wert des Steuersignals, y-Achse: Strömungswiderstand) des Herstellers verwendet, z. B. wird diese in die Steuereinheit einprogrammiert.In order to convert the resistance value R1 or R2 into an amplitude, the characteristic curve R1 = f1 (eta1) or R2 = f2 (eta2) (x-axis: amplitude or value of the valve opening degree, y-axis: flow resistance) and / or the characteristic curve R1 = f1 (g1 (S1)) or R2 = f2 (g2 (S2)) (x-axis: amplitude or value of the control signal, y-axis: flow resistance) used by the manufacturer, eg. B. this is programmed into the control unit.
Im Folgenden wird eine explizite Berechnung für die Erhöhung des Drucks durch einen Druckpuls mittels Ansteuerung des ersten Ventils an der Druckquelle beschrieben. Die Berechnung für die Erniedrigung des Drucks durch einen Druckpuls mittels Ansteuerung des zweiten Ventils an der Drucksenke erfolgt analog.In the following, an explicit calculation for the increase of the pressure by a pressure pulse by means of actuation of the first valve at the pressure source will be described. The calculation for the reduction of the pressure by a pressure pulse by means of control of the second valve at the pressure sink is analogous.
Z. B. wird für die Berechnung eines Rechteckpulses folgende Formel für die für eine Druckänderung Δp benötigte Pulsdauer Δt1 bei vorab gewählter Amplitude des Steuersignals (Spannung, Strom) S1 verwendet, wobei mit xi1 (analog xi2, siehe (*)) direkt der gewünschte Enddruck p_soll bestimmt wird und man unter der Vorgabe des Enddruckes p_soll noch die Freiheit besitzt, die Amplitude oder die Öffnungszeit zu wählen:
Für andere zeitabhängige Pulsformen R1(eta1(t)) wird bevorzugt das entsprechende Integral über die Öffnungsperiode Δt1
gelöst und daraus Δt1 bestimmt. Für komplexere Signalformen wird dies bevorzugt numerisch gelöst.For other time-dependent pulse forms R1 (eta1 (t)), the corresponding integral over the opening period Δt1 is preferred
solved and determined from it Δt1. For more complex signal forms this is preferably solved numerically.
Für die Berechnung des für eine Druckänderung Δp benötigten Öffnungsgrads eta1 bei vorab gewählter Pulsdauer Δt wird z. B. folgende Formel verwendet:
oder in linearer Näherung = Δt1/(xi1 C) gültig für nahezu lineare Kennlinien der Ventile. Aus dem Öffnungsgrad wird bevorzugt mit Hilfe der Kennlinie g1(S1)=eta1 (z. B. aus dem Datenblatt) direkt der Steuerstrom/die Steuerspannung S1 bestimmt.For the calculation of the opening degree eta1 required for a pressure change Δp at a preselected pulse duration Δt, z. For example, the following formula is used:
or in a linear approximation = Δt1 / (xi1 C) valid for nearly linear characteristic curves of the valves. From the opening degree, the control current / control voltage S1 is preferably determined directly with the aid of the characteristic curve g1 (S1) = eta1 (eg from the data sheet).
Dadurch wird das schnelle und stabile Erreichen des Sollwertes wesentlich verbessert. Durch Lecks oder Bewegungen im Experiment und den Zuleitungen kann sich der Druck ändern. Daher werden prädiktive Pulse bevorzugt wiederholt angewendet.This significantly improves the fast and stable achievement of the setpoint. Leaks or movements in the experiment and the supply lines may change the pressure. Therefore, predictive pulses are preferably used repeatedly.
Die prädiktive Paketmethode erlaubt das präzise und schnellst mögliche Verschieben der Objekte und Fluide im Mikrokanal bei kleinstem Rauschen. Bevorzugt wird für eine exakte Berechnung die Temperatur auf 2,0°C bevorzugt 1,0°C, besonders bevorzugt 0,1 °C stabil gehalten.The predictive packet method allows the precise and fastest possible shifting of objects and fluids in the microchannel with minimal noise. For an exact calculation, the temperature is preferably kept stable at 2.0 ° C., preferably 1.0 ° C., particularly preferably 0.1 ° C.
Bevorzugt werden die Ventile mit einem Peltierelement und einem Regler stabilisiert, bevorzugt um die Reproduzierbarkeit der Öffnungspulse und der dadurch erzeugten Druckpulse zu erhöhen. Bevorzugt werden die Ventile auf 27°C ± 0,5°C stabilisiert.Preferably, the valves are stabilized with a Peltier element and a regulator, preferably in order to increase the reproducibility of the opening pulses and the pressure pulses generated thereby. Preferably, the valves are stabilized at 27 ° C ± 0.5 ° C.
Bevorzugt wird zur Ansteuerung ein Echtzeitsystem verwendet, welches Signale mit Hundertstel-, besonders bevorzugt Milli-, ganz besonders bevorzugt Mikro- und am meisten bevorzugt Nanosekunden-Präzision erzeugen kann.For the activation, a real-time system is preferably used which can generate signals with hundredths, particularly preferably milli, very particularly preferably micro and most preferably nanosecond precision.
In einem weiteren erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Eingangsdruck des Mikro- oder Mesofluidik-Kanals (2), welcher an dem ersten Ventil (10) anliegt, bestimmt mittels der Schritte
- Ansteuern des ersten Ventils (10) in Form des Pulses mit einer ersten Pulsdauer und einer ersten Pulshöhe und/oder mit einem ersten Pulskurvenintegralwert und Ansteuern des zweiten Ventils (20) in Form des Pulses mit einer zweiten Pulsdauer und einer zweiten Pulshöhe und/oder mit einem zweiten Pulskurvenintegralwert
- Messen des Drucks in dem Mikro- oder Mesofluidik-Kanal (2)
- Bestimmen des Eingangsdrucks in Abhängigkeit von dem gemessenen Druck in dem Mikro- oder Mesofluidik-Kanal (2) und der zweiten Pulsdauer. In einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist diese eingerichtet einen solchen Eingangsdruck mittels dieser Schritte zu bestimmen.
- Driving the first valve (10) in the form of the pulse with a first pulse duration and a first pulse height and / or with a first pulse curve integral value and driving the second valve (20) in the form of the pulse with a second pulse duration and a second pulse height and / or with a second pulse curve integral value
- Measuring the pressure in the micro or mesofluidic channel (2)
- Determining the input pressure in dependence on the measured pressure in the micro or mesofluidic channel (2) and the second pulse duration. In one embodiment of the device according to the invention, the latter is set up to determine such an inlet pressure by means of these steps.
Das Ansteuern des ersten und zweiten Ventils erfolgt bevorzugt nacheinander. Die Pulsdauern der Pulse, mit denen das erste und zweite Ventil angesteuert werden, sowie bevorzugt auch die Pulshöhe und/oder der erste und zweite Pulskurvenintegralwert, sind bevorzugt gleich. Bevorzugt wird das erste Ventil für eine kurze Zeit geöffnet, sodass der Sensor einen Wert messen kann. Dann wird der Druck über die Öffnung des zweiten Ventils mit der gleichen Öffnungszeit bevorzugt an die Atmosphäre oder an dem Niederdruckeingang entspannt. Die Entspannung erfolgt exponentiell, und die Abfallgeschwindigkeit, bzw. der Restdruck nach vorgegebener Öffnungszeit erlaubt die Berechnung des Eingangsdruckes. Dieses Verfahren wird besonders bevorzugt ebenfalls für negative Drücke durchgeführt.The driving of the first and second valves preferably takes place one after the other. The pulse durations of the pulses with which the first and second valves are controlled, and preferably also the pulse height and / or the first and second pulse curve integral values, are preferably the same. Preferably, the first valve is opened for a short time so that the sensor can measure a value. Then the pressure over the opening of the second valve with the same opening time is preferably relieved to the atmosphere or to the low pressure input. The relaxation takes place exponentially, and the waste rate, or the residual pressure after a given opening time allows the calculation of the inlet pressure. This method is also preferably carried out for negative pressures.
Das Bestimmen des Eingangsdrucks erfolgt bevorzugt mittels folgender Formel: p_in = p_i2/(p_i-p_e)The input pressure is preferably determined by means of the following formula: p_in = p_i 2 / (p_i-p_e)
Hierbei ist p_in der zu bestimmende Eingangsdruck p1 (Druckquelle) oder analog der Ausgangsdruck p2 (Drucksenke), p_i ist der Druck im System nach Öffnen des ersten Ventils, p_e ist der Druck im System nach dem Öffnen des zweiten Ventils. Das zweite Ventil entspannt den Druck zur Atmosphäre oder zu einer Druckquelle/senke mit bekanntem Druck.Here, p_in is the input pressure to be determined p1 (pressure source) or analogous to the output pressure p2 (pressure drop), p_i is the pressure in the system after opening the first valve, p_e is the pressure in the system after opening the second valve. The second valve relaxes the pressure to the atmosphere or to a pressure source / sink of known pressure.
Beispiel: Das erste Ventil und das zweite Ventil werden nacheinander für 75 ms geöffnet. Nach dem Öffnen des ersten Ventils ist der Anfangsdruck p_i=338 mBar und nach dem Öffnen des zweiten Ventils beträgt der Enddruck p_e=292 mBar, die Differenz beträgt 46 mBar und somit p_in = (338 mBar)2/(46 mBar) = 2484 mBar.Example: The first valve and the second valve are opened consecutively for 75 ms. After opening the first valve, the initial pressure p_i = 338 mbar and after opening the second valve, the final pressure p_e = 292 mbar, the difference is 46 mbar and thus p_in = (338 mBar) 2 / (46 mBar) = 2484 mBar.
Der Eingangsdruck beträgt also etwa 2,5 Bar. Dieser Druck wird z. B. von kleinen Standard-Druckflaschen (z. B. 600ml) für Reinigungszwecke erreicht. Bevorzugt wird analog der Druck am Ausgang (sofern verschieden vom Atmosphärendruck) bestimmt.The inlet pressure is thus about 2.5 bar. This pressure is z. B. of small standard pressure bottles (eg., 600ml) for cleaning purposes. Preferably, the pressure at the outlet (if different from the atmospheric pressure) is determined analogously.
In einem weiteren erfindungsgemäßen Verfahren wird von dem Ansteuern mindestens eines der Ventile (10, 20) in Form mindestens eines Pulses zu einer ungepulsten bzw. kontinuierlichen Betriebsart übergegangen oder es wird von der ungepulsten Betriebsart zu dem Ansteuern mindestens eines der Ventile (10, 20) in Form mindestens eines Pulses übergangen. Bevorzugt ist die Vorrichtung eingerichtet, einen solchen Übergang durchzuführen.In a further method according to the invention, the activation of at least one of the valves (10, 20) in the form of at least one pulse leads to an unpulsed or continuous mode of operation or from the non-pulsed mode to the actuation of at least one of the valves (10, 20). ignored in the form of at least one pulse. The device is preferably set up to carry out such a transition.
Bevorzugt erfolgt ein Übergang gleitend. Bevorzugt wird hierfür der minimale Ventilöffnungsgrad so weit angehoben bis kein oder nur ein kleiner Unterschied zwischen dem Ventilöffnungsgrad, welcher der durch Regelung resultierenden Amplitude entspricht, und dem minimalen Ventilöffnungsgrad besteht. Alternativ oder zusätzlich wird die für die Regelung der Pulsdauer einstellbare maximale Amplitude (somit der maximale Ventilöffnungsgrad) soweit gesenkt, dass die Pulsweiten maximal werden und die Pulse miteinander verschmelzen. Hierbei wird ein kontinuierlicher Übergang zu den anfangs beschriebenen kontinuierlichen Verfahren (z. B. das Verfahren mit Gegenkopplung der Ventile) vollzogen. Bevorzugt wird während der Durchführung eines Übergangs von der einen in die andere Betriebsart die eventuell für den gepulsten Betrieb aufstellte Bedingung, dass nur jeweils ein Ventil geöffnet sein darf bzw. sich mindestens ein Ventil im Zustand der minimalen Ventilöffnungsgrads befinden muss, nicht berücksichtigt.Preferably, a transition occurs slidably. For this purpose, the minimum valve opening degree is preferably increased until there is no or only a small difference between the valve opening degree, which corresponds to the amplitude resulting from regulation, and the minimum valve opening degree. Alternatively or additionally, the maximum amplitude that can be set for regulating the pulse duration (thus the maximum valve opening degree) is reduced so far that the pulse widths become maximum and the pulses fuse together. In this case, a continuous transition to the initially described continuous processes (eg the process with negative feedback of the valves) is carried out. During the execution of a transition from one to the other operating mode, it is preferable not to take into account the condition possibly set for pulsed operation that only one valve may be opened at a time or at least one valve must be in the state of the minimum valve opening degree.
Zum Beispiel wird zunächst eine Ansteuerung durch Pulse durchgeführt, um den Ist-Wert des Drucks dem Sollwert grob anzunähern, und anschließend wird zu einer ungepulsten Betriebsart übergegangen. Wenn der Ist-Wert sich vom Sollwert wieder weiter entfernt, z. B. durch eine Sollwertänderung, wird wieder zu der gepulsten Betriebsart übergegangen. Daneben oder zusätzlich wird z. B. von einer gepulsten zu einer ungepulsten Betriebsart übergegangen, wenn sich ein Leck im System einstellt, so dass das System nicht mehr dicht ist. Sobald das Leck nicht mehr vorhanden ist, wird auf die gepulste Betriebsart übergegangen.For example, a triggering by pulses is first performed to roughly approximate the actual value of the pressure to the setpoint, and then to an unpulsed mode of operation. If the actual value is further away from the setpoint, eg. B. by a setpoint change, is again transferred to the pulsed mode. In addition or in addition z. B. transitioned from a pulsed to an unpulsed mode when a leak in the system sets, so that the system is no longer tight. Once the leak is gone, the pulsed mode is transitioned.
In einem weiteren erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Eingangsdruck in den Mikro- und/oder Mesofluidik-Kanal (2) höher eingestellt als der gewünschte Druckbereich im Mikro- und/oder Mesofluidikkanal (2) und/oder ein Ausgangsdruck aus dem Mikro- und/oder Mesofluidik-Kanal (2) wird niedriger eingestellt als der gewünschte Druckbereich im Mikro- und/oder Mesofluidikkanal (2). Bevorzugt sind bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ein derartiger Eingangsdruck und/oder Ausgangsdruck einstellbar.In a further inventive method , an input pressure in the micro and / or Mesofluidik channel (2) is set higher than the desired pressure range in the micro and / or Mesofluidikkanal (2) and / or an output pressure from the micro and / or Mesofluidik Channel (2) is set lower than the desired pressure range in the micro and / or mesofluidic channel (2). In an apparatus according to the invention, such an inlet pressure and / or outlet pressure are preferably adjustable.
Der Eingangsdruck ist z. B. der am ersten Ventil anliegende Druck, der Ausgangsdruck z. B. der am zweiten Ventil anliegende Druck.The inlet pressure is z. B. the voltage applied to the first valve, the output pressure z. B. the voltage applied to the second valve.
Auf diese Weise wird die durch innere Volumina bedingte Reaktionsträgheit des Systems minimiert. Die Dynamik wird besonders bevorzugt wesentlich verbessert, indem der Eingangsdruck über dem maximalen Solldruck und der Ausgangsdruck unter dem minimalen Solldruck liegt. Hierdurch werden bevorzugt die Teile der exponentiellen Abklingfunktion genutzt, welche eine hohe Steigung aufweisen.In this way the internal inertial inertness of the system is minimized. The dynamics are particularly preferably significantly improved by the input pressure is above the maximum target pressure and the output pressure below the minimum target pressure. As a result, the parts of the exponential decay function are preferably used, which have a high slope.
Die Erfindung soll nun anhand von Zeichnungen beispielhaft weiter veranschaulicht werden. Hierbei zeigen:
Figur 1- eine Übersicht über eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
Figur 2- Graphen für den zeitlichen Verlauf des Steuersignals S und des Drucks P im Mikrokanal eines Ansteuerns eines Ventils in Form eines Rechteckpulses,
- Figur 3
- den zeitlichen Verlauf des Drucks P im Mikrokanal einer Regelung gemäß Stand der Technik, bei dem nur eines der beiden Ventile geregelt wird und kein Unterdruck an einem der Ventile angeschlossen ist,
- Figur 4
- den zeitlichen Verlauf des Drucks P einer erfindungsgemäßen Regelung beider Ventile wobei an einem der Ventile ein Über- und an dem anderen der Ventile ein Unterdruck angeschlossen ist,
- Figur 5
- einen zeitlichen erfindungsgemäßen Verlauf der Steuersignale S1 für das erste und S2 für das zweite Ventil und den resultierenden Druckverlauf P im Mikrokanal
- Figur 6
- einen Verlauf des Rauschverhaltens eines erfindungsgemäßen Verfahrens mit Regelung von Druckpulsen bei eingestellter schneller Dynamik der Regelung durch Steuerpulse,
- Figur 7
- einen Verlauf des Rauschverhaltens eines erfindungsgemäßen Verfahrens mit Regelung von Druckpulsen nach einer weiteren kurzen Zeitspanne,
- Figur 8
- die Abhängigkeit der durch die erfindungsgemäßen Steuerpulse erzeugten Druckpulse von Temperaturschwankungen,
- Figur 9
- den Effekt einer erfindungsgemäßen Stabilisierung der Temperatur zur Steuerung/Regelung des Drucks im Mikrokanal,
Figur 10- den Übergang von einem Pulsbetrieb in einen kontinuierlichen Betrieb nach einer ersten Variante,
- Figur 11
- den Übergang von einem Pulsbetrieb in einen kontinuierlichen Betrieb nach einer zweiten Variante.
- FIG. 1
- an overview of a device according to the invention for illustrating the method according to the invention,
- FIG. 2
- Graphs for the time course of the control signal S and the pressure P in the microchannel of a control of a valve in the form of a rectangular pulse,
- FIG. 3
- the time profile of the pressure P in the microchannel of a control according to the prior art, in which only one of the two valves is regulated and no negative pressure is connected to one of the valves,
- FIG. 4
- the time profile of the pressure P of a control according to the invention of both valves, wherein a negative pressure is connected to one of the valves and to the other of the valves,
- FIG. 5
- a temporal course according to the invention of the control signals S1 for the first and S2 for the second valve and the resulting pressure curve P in the microchannel
- FIG. 6
- a course of the noise behavior of a method according to the invention with regulation of pressure pulses with set fast dynamics of the control by control pulses,
- FIG. 7
- a course of the noise behavior of a method according to the invention with regulation of pressure pulses after a further short period of time,
- FIG. 8
- the dependence of the pressure pulses generated by the control pulses according to the invention on temperature fluctuations,
- FIG. 9
- the effect of stabilizing the temperature according to the invention for controlling the pressure in the microchannel,
- FIG. 10
- the transition from a pulsed operation to a continuous operation according to a first variant,
- FIG. 11
- the transition from a pulsed operation to a continuous operation according to a second variant.
Im Betrieb der Erfindung wird der Druck im Mikrokanal 2 mittels Ansteuerung der Ventile 10, 20 verändert (z. B. für ein Positionieren von Zellen zur mikroskopischen Beobachtung). Die Ventile verändern ihre jeweiligen Ventilöffnungsgrade und es stellt sich aufgrund des Verhältnisses der Ventilöffnungsgrade ein bestimmter Druck im Mikrokanal 2 ein. Für das Ansteuern sendet die Vorrichtung 1 Steuersignale an beide Ventile 10, 20, wobei die Steuersignale für das eine Ventil 10 abhängig sind von den Steuersignalen des anderen Ventils 20 (und/oder umgekehrt).In operation of the invention, the pressure in the
Auf diese Weise vereinfacht sich die Ansteuerung, obwohl beide Ventile angesteuert werden und somit eine flexiblere Ansteuerung z. B. verschiedener Systemarbeitspunkte möglich ist, da eines der Ventile automatisch mitgesteuert wird.In this way, the control is simplified, although both valves are controlled and thus a more flexible control z. B. different System work points is possible, since one of the valves is automatically mitgesteuert.
Zunächst wird das zweite Ventil 20, welches an der Drucksenke angeschlossen ist, vollständig geöffnet, so dass der Druckabfall maximal schnell erfolgt, offen gehalten und sodann wieder geschlossen. Diese Ansteuerung entspricht einem Rechteckpuls. Danach wird das erste Ventil 10, welches an der Druckquelle angeschlossen ist, vollständig geöffnet, offen gehalten und wieder geschlossen, was dem Ansteuern in Form eines weiteren Rechteckpulses entspricht. Die Pulshöhe und/oder die Pulsdauer werden während des Steuerns zusätzlich als Stellgröße für die Regelung des Drucks in einem PID-Regelkreis variiert, so dass die Überschwinger nach Erreichen des Sollwerts signifikant gedämpft werden. Auf diese Weise sind beide Flanken der Druckänderung maximal steil generierbar. Das Anschließen eines Unterdrucks an das zweite Ventil 20 verstärkt diese Steilheit zusätzlich. Damit ist ein lineares und abruptes Absinken erreichbar. Weiterhin erfolgt zu dem Zeitpunkt, an dem beide Ventile komplett geschlossen sind, kein Gasdurchfluss und somit insgesamt ein Gasdurchfluss nur für kurze Zeit, wodurch der Gasverbrauch auf das Nötigste verringert wird.First, the
Hierzu wird zunächst das erste Ventil 10 an der Druckquelle mittels eines Pulses angesteuert, infolgedessen der erste Sollwert erreicht wird. Hier erfolgt die Parametrierung des benötigten Steuerpulses S1 über eine prädiktive Berechnung anhand der benötigten Druckänderung. Anschließend wird das Ventil 20 zur Atmosphäre bzw. zum Niederdruckeingang hin geöffnet mittels eines weiteren prädiktiv berechneten Steuerpulses S2. Dabei wird die Abhängigkeit zwischen den Steuerpulsen der Ventile beachtet, dass stets mindestens ein Ventil einen minimalen Ventilöffnungsgrad aufweist.For this purpose, first the
Auf diese Weise ist eine schnelle Anpassung an den Solldruck bei minimalen Gasverbrauch und optimaler Dynamik realisierbar.In this way, a quick adaptation to the target pressure with minimum gas consumption and optimal dynamics can be realized.
Durch Einstellen der Pulshöhe und Pulsdauer der Steuerpulse beider Ventile wird das Regelungsrauschen beeinflusst. Um das Rauschen zu verringern werden die Pulshöhen minimiert und die Pulsdauern maximiert. Eine schnelle Dynamik mit höherem Rauschen wird durch größere Pulshöhen und kleineren Pulsdauern eingestellt.By adjusting the pulse height and pulse duration of the control pulses of both valves, the control noise is affected. To reduce the noise, the pulse heights are minimized and the pulse durations maximized. Fast dynamics with higher noise are set by larger pulse heights and shorter pulse durations.
In diesem Beispiel werden die Pulsamplituden nach Annäherung an den Sollwert verringert und somit verringert sich auch das Regelrauschen. Es liegt typischerweise etwa 15dB über dem Systemrauschen.In this example, the pulse amplitudes are reduced after approaching the set point and thus the control noise is reduced. It is typically about 15dB above system noise.
Mit dieser Erfindung wird eine Vorrichtung und ein Verfahren vorgestellt, welche eine zum Stand der Technik erhebliche Verbesserung der Ansteuerung und Manipulation des Drucks in einem Mikrokanal darstellt. Es werden nicht nur beide Ventile automatisch angesteuert. Die Ansteuerung beider Ventile erfolgt zudem in einer einfachen, bevorzugt sogar wechselseitigen Abhängigkeit zwischen den angesteuerten Ventilen. Auf diese Weise sind optimierbare Parameter definierbar, z. B. Gasverbrauch, Dynamik der Änderungen, Flankensteilheit, Leckverlustkompensation, Gegenkopplung, Regelungsrauschen etc. und eine lineare und wirkungsvolle Regelung des Drucks ist möglich. Außerdem sind Systemparameter (inneres Volumen, Verdrängungsvolumen eines Gaspulses, die mit einem Puls verschobenen Gasteilchen und/oder der Eingangsdruck) messbar womit weiterhin eine prädiktive Regelung durchführbar ist, indem für eine Druckänderung benötigte Druckpulse anhand eines oder mehrerer dieser Parameter berechnet werden.With this invention, an apparatus and a method is presented, which represents a significant improvement in the prior art, the control and manipulation of the pressure in a microchannel. It's not just both Valves controlled automatically. The control of both valves also takes place in a simple, preferably even mutual dependence between the controlled valves. In this way, optimizable parameters are definable, z. As gas consumption, dynamics of changes, edge steepness, leakage compensation, negative feedback, control noise, etc. and a linear and effective control of the pressure is possible. In addition, system parameters (internal volume, displacement volume of a gas pulse, the gas particles shifted with a pulse and / or the input pressure) can be measured, whereby further predictive control can be carried out by calculating pressure pulses required for a pressure change using one or more of these parameters.
- 11
- Vorrichtung zur Regelung des Drucks in einem Mikro- oder Mesofluidik-Kanal,Device for regulating the pressure in a micro- or mesofluidic channel,
- 22
- Mikro- oder Mesofluidik-Kanal,Micro- or mesofluidic channel,
- 1010
- erstes Ventil,first valve,
- 2020
- zweites Ventil.second valve.
Claims (15)
dadurch gekennzeichnet, dass
das Ansteuern eines der Ventile (10, 20) automatisch und in Abhängigkeit von dem Ansteuern eines anderen der Ventile (10, 20) erfolgt.
characterized in that
the control of one of the valves (10, 20) takes place automatically and in response to the activation of another of the valves (10, 20).
wobei die Abhängigkeit des Ansteuerns des einen der Ventile (10, 20) von dem Ansteuern des anderen der Ventile (10, 20) ein Gegenkoppeln des Ansteuerns des einen der Ventile (10, 20) und des Ansteuerns des anderen der Ventile (10, 20) beinhaltet.Method according to claim 1,
wherein the dependence of the driving of one of the valves (10, 20) on the driving of the other of the valves (10, 20), a counter coupling of the driving of the one of the valves (10, 20) and the driving of the other of the valves (10, 20 ) includes.
wobei das Gegenkoppeln als Bedingung ein Konstanthalten der Summe eines ersten Strömungswiderstands des ersten Ventils (10) und eines zweiten Strömungswiderstands des zweiten Ventils (10) beinhaltet.Method according to claim 2,
wherein the negative feedback as a condition includes keeping constant the sum of a first flow resistance of the first valve (10) and a second flow resistance of the second valve (10).
wobei für das erste Ventil (10) ein erster minimaler Ventilöffnungsgrad definiert ist oder definiert wird und für das mindestens zweite Ventil (20) ein mindestens zweiter minimaler Ventilöffnungsgrad definiert ist oder definiert wird und die Abhängigkeit des Ansteuerns des einen der Ventile (10, 20) von dem Ansteuern des anderen der Ventile (10, 20) die Bedingung beinhaltet, dass stets für mindestens eines der Ventile (10, 20) der jeweilige minimale Ventilöffnungsgrad durch das Ansteuern der Ventile (10, 20) eingestellt ist.Method according to one of the preceding claims,
wherein for the first valve (10) a first minimum valve opening degree is defined or defined and for the at least second valve (20) an at least second minimum valve opening degree is defined or defined and the dependence of the driving of the one of the valves (10, 20) from the driving of the other of the valves (10, 20) includes the condition that is always set for at least one of the valves (10, 20) of the respective minimum valve opening degree by the driving of the valves (10, 20).
wobei durch das Ansteuern des ersten Ventils (10) und das Ansteuern des mindestens zweiten Ventils (20) ein bevorzugt unterbrechungsfreier Verlauf des Drucks in dem Mikro- oder Mesofluidik-Kanal (2) mit positiven und negativen Druckwerten eingestellt wird.Method according to one of the preceding claims,
wherein by the driving of the first valve (10) and the driving of the at least second valve (20) a preferably uninterrupted course of the pressure in the micro or mesofluidic channel (2) is set with positive and negative pressure values.
wobei das Ansteuern mindestens eines der Ventile (10, 20) in Form mindestens eines Pulses zur Erzeugung von mindestens einem Druckpuls im Mikro- oder Mesofluidik-Kanal (2) erfolgt.Method according to one of the preceding claims,
wherein the driving of at least one of the valves (10, 20) in the form of at least one pulse for generating at least one pressure pulse in the micro or Mesofluidik channel (2).
wobei die Anzahl der mit einem der erzeugten Druckpulse verschobenen Gasteilchen im Mikro- oder Mesofluidik-Kanal (2) bestimmt wird und/oder das durch einen der erzeugten Druckpulse verschobene Volumen im Mikro- oder Mesofluidik-Kanal bestimmt wird und/oder das innere Volumen des Mikro-oder Mesofluidik-Kanals (2) bestimmt wird.Method according to claim 6,
wherein the number of gas particles displaced with one of the generated pressure pulses is determined in the microfluidic or mesofluidic channel (2) and / or the volume displaced by one of the generated pressure pulses is determined in the microfluidic or mesofluidic channel and / or the internal volume of the Micro or mesofluidic channel (2) is determined.
wobei der mindestens eine Puls eine lange Pulsdauer und/oder eine hohe Pulshöhe und/oder einen großen Pulskurvenintegralwert zur groben Positionierung von Objekten und/oder Fluiden im Mikro- oder Mesofluidik-Kanal (2) aufweist und der mindestens eine Puls eine kürzere Pulsdauer und/oder eine niedrigere Pulshöhe und/oder einen kleinen Pulskurvenintegralwert zur feinen Positionierung aufweist.Method according to claims 6 to 7,
wherein the at least one pulse has a long pulse duration and / or a high pulse height and / or a large pulse curve integral value for coarse positioning of objects and / or fluids in the micro- or mesofluidic channel (2) and the at least one pulse has a shorter pulse duration and / or or has a lower pulse height and / or a small pulse curve integral value for fine positioning.
wobei eine Messgröße in dem Mikro- oder Mesofluidik-Kanal (2), insbesondere der Druck, durch wiederholtes Ansteuern der Ventile (10, 20) in Form des mindestens einen Pulses auf einen Sollwert geregelt wird.Method according to claims 6 to 8,
wherein a measured variable in the micro- or mesofluidic channel (2), in particular the pressure, is controlled by repeatedly activating the valves (10, 20) in the form of the at least one pulse to a desired value.
wobei mittels einer Regelung geregelt wird und eine Reaktionsgeschwindigkeit und/oder ein Regelungsrauschen der Regelung frei gewählt und/oder durch einen Algorithmus an Anwendungserfordernisse angepasst wird.Method according to claim 9,
wherein control is effected by means of a regulation and a reaction speed and / or control noise of the control is freely selected and / or adapted by an algorithm to application requirements.
wobei eine Pulsdauer und eine Pulshöhe und/oder ein Pulskurvenintegralwert des mindestens einen Pulses in Abhängigkeit einer zu erzielenden Änderung des Drucks im Mikro- oder Mesofluidik-Kanal (2) bestimmt werden.Method according to claims 6 to 10,
wherein a pulse duration and a pulse height and / or a Pulskurvenintegralwert the at least one pulse in response to a change in pressure to be achieved in the micro or Mesofluidik channel (2) can be determined.
wobei ein Eingangsdruck des Mikro- oder Mesofluidik-Kanals (2), welcher an dem ersten Ventil (10) anliegt, bestimmt wird mittels der Schritte:
wherein an input pressure of the micro or mesofluidic channel (2) which is applied to the first valve (10) is determined by means of the steps:
wobei von dem Ansteuern mindestens eines der Ventile (10, 20) in Form mindestens eines Pulses zu einer ungepulsten Betriebsart übergegangen wird oder von der ungepulsten Betriebsart zu dem Ansteuern mindestens eines der Ventile (10, 20) in Form mindestens eines Pulses übergangen wird.Method according to claims 6 to 12,
wherein the driving of at least one of the valves (10, 20) in the form of at least one pulse to a non-pulsed mode is passed or is passed from the non-pulsed mode to the driving of at least one of the valves (10, 20) in the form of at least one pulse.
dadurch gekennzeichnet, dass
die Vorrichtung (1) weiterhin eingerichtet ist, das Ansteuern eines der Ventile (10, 20) automatisch und in Abhängigkeit von dem Ansteuern eines anderen der Ventile (10, 20) durchzuführen.
characterized in that
the device (1) is further adapted to perform the driving of one of the valves (10, 20) automatically and in response to the driving of another of the valves (10, 20).
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