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Die Erfindung betrifft eine Präzisions-Dosierpumpe mit Impulsantrieb, im wesentlichen bestehend aus einem Kolbenpumpenkopf mit Exzentertriebwerk, letzteres angetrieben durch einen Schrittmotor mit Impulssteuerung und Leistungselektronik.
In Forschungs-Laboratorien und in Industrieanlagen werden zahlreiche kleine Dosierpumpen zur Förderung und Dosierung geringer Flüssigkeitsmengen, sei es zur Durchführung chemischer Reaktionen oder zur Zuteilung von Farbstoffen, Inhibitoren, Fällungshilfsmitteln usw. im Niederdruckbereich eingesetzt. Zunehmende Bedeutung gewinnen derartige Kleinst-Dosierpumpen jedoch in der Analysentechnik, z. B. zur proportionalen Verdünnung von Messgutproben mit Wasser und/oder Hilfslösungen zur Pufferung bzw. Komplexierung störender Komponenten vor potentiometrischen Messungen bzw. bei der chemischen Probeaufbereitung zur Erzielung optisch aktiver Verbindungen der gesuchten Stoffkomponenten vor photometrischen Extinktionsmessungen.
Diese Kleinst-Dosierpumpen können je nach Konstruktionsprinzip in Schlauchquetschpumpen mit peristaltischer oder rotierender Verdrängung des Schlauchinhaltes, ferner in Kolben-, Faltenbalg-, oder Membran-Dosierpumpen mit mechanischem Exzentertriebwerk bzw. in Membran-Dosierpumpen mit Magnet-Triebwerk unterschieden werden.
Im Mikro-Dosierbereich mit Förderleistungen von etwa 20 bis 2000 ml/h nimmt die Reproduzierbarkeit und die Fördergenauigkeit, insbesondere im Langzeitbetrieb, mit abnehmender Förderleistung rasch ab und die zulässigen minimalen Fördermengen werden je nach Konstruktionsprinzip der Dosierpumpe früher oder später unterschritten.
Schlauchquetschpumpen sind zur reproduzierbaren und präzisen Dosierung über längere Zeiträume prinzipiell weniger geeignet, da die Dosiergenauigkeit weitgehend von den physikalischen und chemischen Eigenschaften des Schlauchmaterials, der Genauigkeit bei der Schlauchfertigung und der Veränderung bzw. Alterung der Schläuche durch die chemische und mechanische Beanspruchung abhängt. Erfahrungsgemäss wird ein neu eingesetzter Schlauch nach kurzer Zeit mechanisch verformt, wobei die Fördermenge je nach Innenvolumen bis auf 80% der ursprünglichen Fördermenge abfällt. Unmittelbar vor dem Schlauchbruch, der je nach Förderbedingungen und Schlauchmaterial nach einer Betriebszeit von etwa 500 bis 1000 Betriebsstunden eintritt, nimmt die Förderleistung neuerlich deutlich ab.
Mehrfach-Schlauchquetschpumpen sind im Aufbau sehr einfach und werden fast ausschliesslich im Laboratorium, bei häufiger Kontrolle der Förderleistungen, eingesetzt.
Die einzelnen Fördermengen werden dabei durch den lichten Schlauchquerschnitt des verwendeten Schlauches gewählt.
Kolben-, Faltenbalg- und Membran-Dosierpumpen mit Exzentertriebwerk eignen sich je nach Triebwerkstype und Pumpenkopfkonstruktion zur Förderung geringer Flüssigkeitsmengen mehr oder weniger gut. Da die Fördergenauigkeit einer Dosierpumpe einerseits von der statischen Konstanz des Fördervolumens pro Pumpenhub, anderseits von den bei der Förderung wirksam werdenden dynamischen Kräften der pulsierenden Flüssigkeitsströmung abhängt, sind die Voraussetzungen zu einer möglichst präzisen Dosierung mit den einzelnen Pumpentypen etwa wie folgt zu beurteilen.
Zur Präzisionsdosierung sind grundsätzlich Exzentertriebwerke mit sinusförmiger oder sinus- ähnlicher Kolbenstangenbewegung über den gesamten Hub-Einstellbereich einzusetzen. Exzentertriebwerke mit Rückholfeder und mechanischer oder hydraulischer Hubbegrenzung, die je nach eingestellter Hublänge eine mehr oder minder ausgeprägte abgehackte Sinusfunktion als Förderkennlinie ergeben, sind aus dynamischen Gründen zur präzisen, pulsierenden Flüssigkeitsförderung bei wechselnden Randbedingungen abzulehnen.
Kolben-Pumpenköpfe aus formstabilen Materialien mit möglichst geringem und für alle mediumberührten Teile gleichem Ausdehnungskoeffizient eignen sich zur Präzisionsdosierung vorzüglich, insbesondere wenn saug-und druckseitig Doppelventile aus nicht elastischen, harten Ventilteilen eingesetzt werden, auf der Abgabeseite ein Druckhalteventil vorgesehen ist und eine Langhub-Konstruktion vorliegt, die eine genaue Hubeinstellung mittels Mikrometer-Einstellschraube ermöglicht.
Da Faltenbalg- und Membran-Pumpenköpfe als wichtigste Konstruktionsteile elastische Materialien enthalten, die eine mechanische und/oder auch physikalisch-chemische Verformung bei längerer Betriebsdauer nicht ausschliessen, sind sie für Präzisions-Dosierpumpen weniger geeignet, es sei denn, sie werden nicht direkt, sondern über ein Zwischen-Hydraulik-Medium betätigt, welches durch einen präzisen Verdrängerkolben in Pulsation versetzt wird. Derartige hydraulisch betätigte
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Faltenbalg- bzw. Membran-Pumpenkopf-Konstruktionen sind verhältnismässig kostspielig und infolge der unvermeidbaren Temperaturänderungen im Hydraulikteil zur Präzisionsdosierung kleinster Einzel- volumina nur bedingt geeignet.
Membran-Dosierpumpen mit Magnetantrieb und Impulssteuerung werden in neuerer Zeit in ver- schiedenen Ausführungsformen zur Dosierung kleiner Flüssigkeitsmengen eingesetzt. Dem Konstruktions- prinzip entsprechend sind präzise Dosierungen, insbesondere im Teillastbereich und über längere
Zeiträume kaum möglich.
Die wichtigsten Gründe dafür sind elastische Membranwerkstoffe mit kleiner, jedoch nicht volumskonstanter Rollzone, ein elektromagnetischer Kurzhubantrieb mit Rückholfeder, eine maximale Hublänge von meist nur 1 bis 2 mm, d. h. eine genaue Einstellung des Anschlages für Teilhübe ist praktisch unmöglich, insbesondere bei der langsamen Erwärmung des elektro- magnetischen Antriebes im Dauerbetrieb auf die der gewählten Hubfrequenz entsprechende Grenz- temperatur bei sonst gleichbleibenden äusseren Arbeitsbedingungen, eine schwer kontrollierbare Ventilfunktion in folge undefinierter Massenkräfte durch das extrem schnelle Anziehen des Hub- magneten.
Derartige Membran-Magnetpumpen neigen infolge der auftretenden starken Massenkräfte je nach Fördermedium saugseitig zu Kavitation und druckseitig zu Überförderung und können nur mit federbelasteten Ventilen bzw. Druckhalteventilen eingesetzt werden. Im Mikro-Dosierbereich ist die Fördergenauigkeit im Dauerbetrieb für kritische Dosiervorgänge kaum ausreichend.
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Präzisions-Dosierpumpe mit Impulsantrieb, welche die aufgezählten Fehlerquellen und technologischen Mängel bei der Kleinstmengendosierung im Bereich von zirka 20 bis 2000 ml/h vermeidet, im Dauerbetrieb eine Dosiergenauigkeit von mindestens : ! : 1% gewährleistet und durch eine Impulssteuerung die Möglichkeit bietet, eine oder mehrere Präzisions-Dosierpumpen mit Impulsantrieb synchron zu betreiben und damit mehrere zueinander mengenproportionale Dosierströme zu erzeugen.
Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, dass zum Antrieb einer Präzisions-Kolbenpumpe mit stufenloser Hublängeneinstellung, sinusförmiger Förderkennlinie und Antriebsschrittmotor, ein Impulssteuergerät mit zwei einstellbaren Impulsfrequenzen eingesetzt wird, derart, dass erstens eine relativ langsame Frequenz als Hub-Impuls-Frequenz zur Einstellung der gewünschten Hubzahl/min, z. B. 20 bis 120 Hübe/min, und zweitens eine wesentlich höhere Frequenz als Schritt-Impuls-Frequenz, mit beispielsweise 50 bis 5000 Impulse/s, vorgegeben wird, wobei jeder Impuls der Hubfrequenz eine definierte Impulszahl der Schrittfrequenz auslöst, mit welcher über eine Leistungselektronik der Antriebsschrittmotor so erregt wird, dass eine Pumpenumdrehung erfolgt, d. h. jeweils ein kompletter Saug- und Druckhub des Dosierkolbens gegeben ist.
Durch die Ausrüstung einer Präzisions-Kolbendosierpumpe mit einem Antriebsschrittmotor samt Leistungselektronik und einem Impulssteuergerät für Hub- und Umdrehungsimpulse wird sichergestellt, dass der jeweils mit der gleichen Schritt-Impuls-Frequenz verlaufende Saug- und Druckhub, unabhängig von der gewählten Hubzahl der Dosierpumpe, immer zeitgleich erfolgt, d. h. die statischen und hydrodynamischen Förderbedingungen im Kolben-Pumpenkopf konstant bleiben und somit alle Bedingungen für höchste Präzision bei der Abgabe der einzelnen Hubvolumina gegeben sind. Unter der Voraussetzung, dass die mit einem künstlichen Gegendruck belasteten Doppel-Druckventile ausreichend dicht schliessen, ist es daher möglich, die Hubzahl ohne Einbusse an Genauigkeit bis auf wenige Hübe/min zu reduzieren.
Die zum Pumpenantrieb verwendete Impulstechnik mit Schrittmotor, Leistungselektronik und Impulssteuergerät für Hub- und Umdrehungsimpulse, wird vorteilhaft zur mengenproportionalen Dosierung mehrerer Förderströme eingesetzt. Dabei können eine Anzahl Einfach-Präzisions-Dosier- pumpen mit gleichartigen Schrittmotoren samt Leistungselektronik von einer gemeinsamen Impulssteuerung angetrieben werden oder eine Mehrfach-Präzisions-Dosierpumpe, mit oder ohne zusätzliches Untersetzungsgetriebe, wird durch einen Schrittmotor mit Leistungselektronik und Steuergerät für Hub- und Umdrehungsimpulse betrieben. In beiden Fällen wird der prozentuelle Anteil der einzelnen Komponenten über die Hublänge und die Förderleistung des Mehrfach-Pumpen-Aggregates durch die gewählte Hubfrequenz eingestellt.
Die Dosiertechnik über einstellbare und leicht reproduzierbare Impulsfrequenzen ermöglicht eine leichte Programmierung der Fördermengen einer oder. mehrerer Präzisions-Dosierpumpen in beliebigen Mengenverhältnissen zueinander, so dass auch relativ komplexe Dosieraufgaben im Mikro-
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Dosierbereich der angewandten automatischen Analysentechnik gelöst werden können. Dazu gehören auch Regelsysteme unter Einsatz geeigneter Digitalregler, die eine kontinuierliche Änderung des oder der Förderströme in Abhängigkeit von einem Messwert, z. B. p.-Wert, Redox-Potential usw. herbeiführen und somit den Bau sehr genau arbeitender Titrations-Automaten als kontinuierliche Betriebsanalysengeräte gewährleisten.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Präzisions-Dosierpumpe mit Impulsantrieb, im wesentlichen bestehend aus einem, KolbenPumpenkopf mit Exzentertriebwerk, angetrieben durch einen Schrittmotor mit Impulssteuerung und Leistungselektronik, dadurch gekennzeichnet, dass die Impulssteuerung zwei einstellbare Impulsfrequenzen abgibt, wobei eine einstellbare Impulsfrequenz der Anzahl der Pumpenhübe pro Zeiteinheit entspricht und je Hubimpuls eine definierte Impulszahl der andern Impulsfrequenz auslöst, welche über die Leistungselektronik und den Antriebsschrittmotor einen kompletten Saug- und Druckhub herbeiführt.