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Auf den μ-Liter genau

Präzise Füllstandmessung mit Ultraschall-Sensoren
Auf den μ-Liter genau

In der Laborautomation werden Kleinstbehälter wie Mikrotiterplatten und Reagenzgläser in Analyseprozessen von Flüssigkeiten eingesetzt. Mit den Ultraschall-Sensoren der Serie 09 lassen sich in diesen Behältern schnell und präzise Füllstände messen. Die Sensoren finden überall dort Anwendung, wo Füllstände oder kleinste Objekte detektiert werden müssen.

Autoren Daniel Dossenbach, Produktmanager Sensor Solutions, Baumer Sarah Jess, Marketing Sensor Solutions, Baumer

Neue Impfstoffe, aber auch künstliche Inhalts- oder Ersatzstoffe werden ständig in Labors untersucht. Um einen wirtschaftlichen Ablauf im Labor zu ermöglichen, übernehmen heute hauptsächlich Maschinen Aufgaben wie Pipettieren oder Analysieren der Proben. Sie arbeiten effizienter und genauer als der Mensch. Damit diese Automaten die ihnen gestellten Aufgaben in der gewünschten Qualität ausführen können, bedarf es präzise arbeitender Sensoren.
Präzision gefordert
Als Beispiel eignet sich hierfür eine Liquid-Handling-Station in einem Labor. Ein wichtiger Abschnitt im Arbeitsablauf ist das Befüllen der Mikrotiterplatten mit der zu analysierenden Flüssigkeit. Nachdem kleine Mengen der Substanz mit Pipetten abgefüllt wurden und bevor der Analysevorgang beginnt, wird der Füllstand in den Kavitäten der Mikrotiterplatten gemessen. So wird überprüft, ob die Mengen für die Analyse ausreichen bzw. ob zu viel Flüssigkeit abgefüllt wurde. Verluste werden so sehr gering gehalten. Für die Überprüfung kommen nun die speziell dafür entwickelten Ultraschall-Sensoren der Serie 09 zum Einsatz.
Wichtige, von Systemherstellern und Anwendern geforderte Sensoreigenschaften sind hier vor allem eine Präzision mit guter Reproduzierbarkeit und eine hohe Messgeschwindigkeit. Zur Messung des Füllstandes steht nur wenig Platz zur Verfügung. Zum Teil haben die Öffnungen der einzelnen Kavitäten einen Durchmesser von nur 3 mm. Durch solch schmale Öffnungsweiten muss der Sensor geringste Abweichungen innerhalb kürzester Zeit detektieren können. Momentan verwendete kapazitive Messtechnik misst hier noch nicht mit der gewünschten Auflösung von 1 μl. Ultraschall-Sensoren wie die Serie 09 von Baumer schaffen hier Abhilfe.
Ultraschall-Sensoren beruhen auf dem Prinzip der Laufzeitmessung von Schall in der Luft. Für das menschliche Ohr nicht hörbare Ultraschallwellen werden vom Sensor ausgesandt, von einem Objekt reflektiert und wieder vom Sensor empfangen. Dank dieser Funktionsweise arbeiten die Sensoren völlig berührungslos. Dies bietet vor allem im Laborbereich Vorzüge, da weder das zu analysierende Medium noch der Sensor bei der Messung kontaminiert werden. Zusätzlich ist ein Ultraschall-Sensor auch überaus unempfindlich gegenüber Luftfeuchtigkeit und Staub, was ihn konstant verlässlich arbeiten lässt. Da er im Gegensatz zu optoelektronischen Sensoren nicht mit Licht, sondern mit Schallwellen arbeitet, kann er verschiedenste Medien zuverlässig detektieren – unabhängig von ihrer Transparenz und Farbe. Die Konsistenz des zu untersuchenden Mediums beeinflusst die Messung ebenfalls nicht.
Gebündelte Schallwellen
Konventionell arbeitende Ultraschall-Sensoren senden kegelförmige Schallwellen aus. Aus diesem Grund ist ihr Messfleck zu groß, um in Öffnungen mit einem Durchmesser von weniger als 10 mm hineinzumessen. Um diese Einschränkung zu umgehen, hat der Sensorikspezialist Baumer in enger Zusammenarbeit mit Anwendern die Serie 09 entwickelt. Diese Ultraschall-Sensoren sind mit einer speziellen Düse ausgestattet, die die Schallwellen bündelt und so eine Messung in die sehr kleinen Öffnungen einer 384er-Mikrotiterplatte hinein erlaubt. Je nach Einbauart stehen Sensoren mit stirn- oder längsseitig befestigter Düse zur Verfügung. Die Düse ist abnehm- und austauschbar, was die Reinigung des Sensors erleichtert. Selbstverständlich kann auch in größere Öffnungen hineingemessen werden. Die Sensorfamilie ist breit einsetzbar, um Flüssigkeiten in Gefäßen jeglicher Größe zu detektieren.
Die Sensoren erreichen eine sehr hohe Auflösung und Wiederholgenauigkeit bis 0,1 mm. Die minimale Ansprechzeit beträgt nur 7 ms. Dank der speziellen Gehäusebreite von nur 9 mm – entsprechend des Rasters einer 96er-Mikrotiterplatte – lassen sich die Sensoren optimal kaskadieren. Auf diese Weise können acht in einer Reihe montierte Sensoren eine solche Platte in einem Durchgang scannen, was die Scanzeit erheblich verringert. Mit denselben Sensoren können zudem vor dem Abfüllen die dafür benötigten Pipettierspitzen in den Aufbewahrungsbehältern auf Vollständigkeit überprüft werden. So wird der komplette Prozess mit nur einem Sensortyp effizient überwacht.
Senkrecht und waagerecht
Unterschiedliche Montagemöglichkeiten der Ultraschall-Sensoren bieten mehr Flexibilität beim Einsatz in Laborsystemen. Die Sensoren werden je nach Bedarf senkrecht oder waagerecht installiert und können von oben, seitlich oder von unten mit einer einzigen Schraube fixiert werden – effiziente und vor allem einfache Montage. Die Sensoren sind sowohl mit RS232, analoger oder digitaler Schnittstelle als auch mit dem neuen Kommunikationsstandard IO-Link erhältlich. Dies garantiert eine einfache Anbindung an eine Vielzahl von Steuerungen. Als Anschlüsse stehen sowohl Kabel und M8-Kabelstecker zur Verfügung.
Dank der vielseitigen Ultraschalltechnologie können die Sensoren auch viele weitere Aufgaben erfüllen. Außerhalb der Laborautomation kommen sie in der Verpackungsindustrie zum Einsatz. Auch hier sind sie darauf spezialisiert, Objekte durch schmale Öffnungen hindurch zu erfassen. Sie kontrollieren u. a. die Anwesenheit von Tabletten oder anderen kleinen Objekten in Blisterverpackungen. Wenn Kapseln gefüllt und verpackt werden sollen, können die Ultraschall-Sensoren sowohl die Anwesenheit der Kapselhälften überprüfen als auch den Füllstand darin messen. Außerdem sorgen sie dafür, dass Kontaktlinsen ordnungsgemäß steril verpackt werden, indem sie den Füllstand der Kochsalzlösung in der Blisterverpackung zuverlässig detektieren. Und um Konsumenten eine böse Überraschung nach dem Kauf von Kosmetika zu ersparen, prüfen die Sensoren im Verpackungsprozess von Kosmetikartikeln Füllstände von Mascara, Cremes oder ähnlichem.
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