超聲流量計的制作方法
【專利說明】超聲流量計
[0001]本申請是2008年2月19日提交的申請?zhí)枮?00880005330.2、發(fā)明名稱為“超聲流量計”的發(fā)明專利申請的分案申請。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明涉及一種用于超聲流量計的、基于聚合物的流量池及其制造方法。該流量計適用于例如通過使用色譜法或過濾法來分析、凈化或準(zhǔn)備例如蛋白質(zhì)及核酸等生物分子的、一次性使用的系統(tǒng)中。
【背景技術(shù)】
[0003]有大量文獻(xiàn)涉及超聲流量計。美國專利第2，874，568和2，923，155號描述了超聲流量計，其中，探針不刺透管道壁，而是安裝在壁外部。通過這些設(shè)置，縱波在管道和流體之間的界面處的折射角相當(dāng)小，因此，超聲波沿平行于流體流動軸線的方向的速度分量非常小。對于這種系統(tǒng)，靈敏度，尤其是對于低流率來說，是重要的限制因素。在美國專利第3，575，050號中，流量計采用了斜向經(jīng)過管道的、縱向模式的超聲波，使得在與流體流動軸線平行的方向具有非常大的速度分量。這是通過安裝在管道外部的變換器實(shí)現(xiàn)的，因此沒有流體流的流動的擾動。變換器包括剪切模式超聲波的發(fā)生器/接收器，其被耦接至所述管道，使得剪切波傾斜地入射在管道和流體之間的界面上。這些剪切波被界面處的折射模式轉(zhuǎn)換成縱波，則現(xiàn)在縱波以大很多的角度一一通常是兩倍于用入射縱波所得的角度一一傳遞穿過流體材料。為了測量流率，下行的縱波和上行的縱波之間的過渡時間差提供了用于確定平均流率的根據(jù)。過渡時間的這種確定可以例如通過計時兩個脈沖之間的時間差或者替代地通過測量所發(fā)射的連續(xù)波之間的相位移動或連續(xù)波能量的爆發(fā)來作出。因?yàn)楸话l(fā)射穿過流體的超聲波具有較大的沿平行于流動軸線方向的速度分量，所以增加了測量的靈敏度。
[0004]在一種市場上能買到的超聲流量計(美國佛羅里達(dá)州Boca Raton市MalemaSensors的M-2000系列)中，安裝有兩個超聲變換器，使得超聲波平行于流量池通道的軸線行進(jìn)。因此，超聲波平行于流動方向行進(jìn)，使得測量的靈敏度最大化。另外，還具有與超聲變換器的相對定位的使用、以及超聲波沿與流量池通道的軸線平行的方向行進(jìn)的事實(shí)相關(guān)的優(yōu)點(diǎn)。對于傳統(tǒng)的“夾緊式”超聲流量計來說，縱波在管道和流體之間的界面處的折射角相對較小，因此，超聲波沿平行于流體流動軸線的方向僅具有非常小的速度分量。美國專利第2，874，568以及2，923，155號描述了超聲流量計，其中，探針不刺透管道壁，而是安裝在壁的外部。通過這些設(shè)置，由于管道壁或管壁的材料不同于流動于管內(nèi)的流體，所以根據(jù)Snell定律(Snell’s law，斯涅耳定律)兩種材料的不同聲學(xué)特性將引起超聲福射束的角度偏轉(zhuǎn)。因此，此偏轉(zhuǎn)將根據(jù)管內(nèi)是流何流體而變化。對于如下測量來說這可能不是問題，即，例如在供油管中等流體組分基本保持不隨時間改變的系統(tǒng)中的流動測量，或者對于飲用水供給的測量。在這種系統(tǒng)中，隨著時間的推移，根據(jù)Snell定律的偏轉(zhuǎn)角將保持相對來說比較恒定。但是，例如通過使用色譜法或過濾法(例如通過使用隔膜)，在用于分析、凈化或者準(zhǔn)備例如蛋白質(zhì)和核酸等生物分子的系統(tǒng)中，即使在單個分離實(shí)驗(yàn)期間，流體組分也可以顯著改變。在色譜法中，使用了溶劑梯度和鹽梯度，其目的是加速分離并且提高分離的分離度。溶劑梯度的典型示例包括將有機(jī)溶劑(例如甲醇和乙腈)的濃度從梯度開始處的0%升高到在梯度結(jié)束處的80%。鹽梯度的典型示例包括將鹽(例如氯化鈉)的濃度從梯度開始處的O M升高到在梯度結(jié)束處的2 M。梯度時間能夠是實(shí)驗(yàn)的全部運(yùn)行時間，或者只是實(shí)驗(yàn)的全部運(yùn)轉(zhuǎn)時間的一部分。由于傳統(tǒng)“夾緊式”超聲流量計的幾何設(shè)置，則當(dāng)流體的組分改變時，表觀測量流率將也會不同。但是，通過其中超聲變換器軸向?qū)R、彼此相對地定位并且沿軸向與流量池通道對齊的流量計設(shè)置，這種影響將被最小化，因?yàn)榭v波在管道(或管)與流體之間界面處的折射角是90度，并且，另外超聲波速度分量主要沿著平行于流體流動的軸線的方向。
[0005]但是，在文獻(xiàn)(例如美國專利第2，874，568,2, 923，155及3，575，050號，以及來自Malema Sensers的超聲流量計的公開說明書等)中所描述的超聲流量計不適于例如通過使用色譜法或隔膜過濾法來分析、凈化或準(zhǔn)備例如蛋白質(zhì)和核酸等生物分子的系統(tǒng)。因而，盡管在例如色譜系統(tǒng)等分離系統(tǒng)中頻繁使用流量計，但是并沒有出版物推薦在這種系統(tǒng)中使用超聲流量計。這些系統(tǒng)在25毫升/分至9升/分范圍內(nèi)的所有流率處要求優(yōu)于5%的精確度。此外，對于從25毫升/分至9升/分范圍內(nèi)的流率，來自流量池的背壓應(yīng)當(dāng)小于0.4巴，并且對于色譜法分離來說，以25毫升/分至9升/分范圍內(nèi)的流率運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下，流量計的譜段增寬效應(yīng)必需小于10%。優(yōu)選地，流量池的材料應(yīng)當(dāng)具有對超聲波的衰減低的特征，以便于增大靈敏度。更優(yōu)選地，該材料應(yīng)當(dāng)還適用于一次性使用或用后即丟棄的系統(tǒng)，例如，其應(yīng)當(dāng)相對較便宜、可消毒并且能夠完全燃燒。
[0006]例如，美國專利第5，463，906號公開了一種一次性使用的流量池組件，其用作與超聲流量計一起應(yīng)用以測量血流的聲學(xué)室。血液的聲學(xué)阻抗與通常構(gòu)造成那塊液流本體的塑料的聲學(xué)阻抗不同，而不論聲學(xué)矢量和流量室的壁之間的角度是不是直角，均使用具有類似于血液的聲學(xué)阻抗的聲學(xué)耦合本體以避免大的折射或反射。這些聲學(xué)耦合本體的存在以及設(shè)計還防止了漩渦或渦流的產(chǎn)生，否則這些漩渦或渦流可能破壞血細(xì)胞或誘發(fā)凝塊。雖然在美國專利第5，463，906號中描述的流量池組件被設(shè)計成用以測量血液的流率，但是，其將不適用于測量例如色譜法及過濾法應(yīng)用中流體組分可變的流率。
[0007]在一次性使用的系統(tǒng)中、特別是對于例如化學(xué)、生物分子或藥學(xué)應(yīng)用中使用的其它成份的分離與凈化等嚴(yán)格控制的工藝過程中的使用有重大意義。在這種系統(tǒng)中所使用的材料優(yōu)選為滿足美國藥典(USP )六級要求以保證它們在使用中不會釋放有毒物質(zhì)。這種系統(tǒng)還應(yīng)當(dāng)提供消毒環(huán)境以滿足這些應(yīng)用的嚴(yán)格要求。因此，應(yīng)當(dāng)對該系統(tǒng)進(jìn)行消毒，例如通過使用γ (ga_a，伽馬)射線。在此，消毒應(yīng)當(dāng)被解釋為意思是減少微生物群或微生物量。但是，大部分使用者不能在他們的實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行γ射線消毒。另外，大多數(shù)使用者不想在他們實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行γ射線消毒，因?yàn)檫@些過程會帶來健康隱患。因此，他們更原意從供貨商那里購買已有效消毒的、一次性使用的設(shè)備。雖然能夠使用溶液中的抗菌劑來對設(shè)備進(jìn)行消毒，但是，這需要使用多步清洗步驟，這是不利的。
[0008]現(xiàn)有技術(shù)超聲流量計所帶來的另一個不利在于在調(diào)換或更換流量計時，需要進(jìn)行重新校準(zhǔn)，因?yàn)楦鱾€流量池的流量池通道的內(nèi)徑變化非常大。所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將了解，這對于附接至現(xiàn)有的管(例如供油管)或管道上的“夾緊式”超聲流量計來說尤其成問題。這種操作非常費(fèi)時，其對于要長期使用的流量池來說是可接受的，但是對于僅使用一次或僅短期使用的、一次性使用的和/或消毒的流量池來說是不可接受的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的一個目的是提供一種具有流量池10的流量計，該流量計適用于一次性使用的系統(tǒng)、特別是適用于例如化學(xué)、生物分子或藥學(xué)應(yīng)用中使用的其它成份的分離與凈化等嚴(yán)格控制的工藝過程。在這種系統(tǒng)中所使用的材料優(yōu)選為滿足USP六級要求以保證它們在使用中不會釋放有毒物質(zhì)。這種系統(tǒng)還應(yīng)當(dāng)提供消毒環(huán)境以滿足這些應(yīng)用的嚴(yán)格要求。因此，應(yīng)當(dāng)對該系統(tǒng)進(jìn)行消毒，例如通過使用γ射線。為了經(jīng)濟(jì)的原因，不是使整個系統(tǒng)均為一次性使用的，而是僅使系統(tǒng)變濕的部分為一次性使用的非常有意義。但是，具有軸向?qū)R的變換器的現(xiàn)有超聲流量計的另一個缺點(diǎn)是超聲變換器不能以可逆方式從流量池拆下。通過以可逆方式拆下，意思是可以將變換器拆下，然后可以將其重新附接至相同或相異的流量池。
[0010]因此，在本發(fā)明的第一方面中，提供了一種用于測量流體流率的流量池10，其包括流體入口和流體出口，所述流體入口和流體出口由其中具有大致直形的部分12的樣本流過通道13分離，所述流量池進(jìn)一步包括兩個超聲波變換器11，所述超聲波變換器11在所述通道13的相對側(cè)上彼此軸向?qū)R，其中，由所述變換器所發(fā)射的超聲波沿平行于流動方向的相對的方向縱向行進(jìn)穿過所述通道13的所述大致直形的部分12，兩個所述超聲波變換器11能夠以可逆方式從所述流量池拆下，其中，所述縱波在所述通道13的大致直形的部分12與所述流體之間的界面處的折射角大致是90度。
[0011]在本發(fā)明中，超聲變換器11被定位成彼此軸向?qū)R、相對，并且被流量池通道13的大致直形的部分12分開。超聲變換器11由至少一個塞14或壁15而與流量池通道13內(nèi)